電磁波を用いた農地土層内の硝酸態窒素濃度モニタリング手法

［成果情報名］電磁波を用いた農地土層内の硝酸態窒素濃度モニタリング手法
［要約］現地ほ場において、Time Domain Reflectometry (TDR)による比誘電率と土壌の電気伝
導度から土壌溶液の電気伝導度を推定し、その値から土層内の硝酸態窒素濃度を推定した
値は、地表から 0.4m より深い土層においては、土壌溶液採取法と強い正の相関を示す。
［キーワード］電磁波、土壌溶液、電気伝導度、硝酸態窒素、非破壊モニタリング
［担当］農工研・農地・水資源部・農地工学研究室
［代表連絡先］電話 029-838-7553
［区分］農村工学
［分類］研究・参考
-------------------------------------------------------------------------------［背景・ねらい］
土壌溶液の電気伝導度（EC w ）は、溶液に含まれるイオン性物質濃度の指標であり、作
物栽培および環境負荷削減の観点から重要である。TDR は土壌中での電磁波の反射特性を
利用した非破壊測定法であり、比誘電率（ε）と土壌の電気伝導度（EC b ）（土壌の固体部
分と土壌溶液を含む総合的な電気伝導度）を同時に測定することができる。そこで、TDR
によるこれらの測定値に基づき、日本の畑地の代表的土壌である黒ボク土における EC ｗ 、
さらに硝酸態窒素濃度を非破壊で連続的にモニタリングする手法を開発する。
［成果の内容・特徴］
１．測定対象とする土壌を用いて室内実験を行い、土壌水分量（θ）と EC b の測定値から
EC w を推定する式を求める。手順の概要は以下のとおりである。(１)脱イオン水を与え
て採土時に含まれる肥料成分を洗い流した後、風乾した土壌に、電気伝導が既知の電
解質溶液（例えば、KCl 溶液）を加えて土壌水分量を調整し、TDR により EC b を求め
る。θ は重量法により求める。(２)遠心分離機を用いて測定試料を固液分離して、EC w
を測定する。(３)EC w と EC b は 25℃を基準とした値に補正後、土壌水分量ごとに EC w
と EC b の関係を整理し、Rhoades et al.(1989)のモデルを用いて EC w の推定式を求める（図
１）。
２．黒ボク土畑で得られた EC w と硝酸態窒素濃度の関係には強い正の相関がある（図２）。
また、得られた関係式は異なる土壌や他地域の黒ボク土の関係式とも類似している。
３．農地土層内の観測したい深さに TDR プローブを設置し、θ と EC b の測定を行う（TDR
で測定された ε から θ への変換には対象土壌の ε－θ 関係を使用）。また、電気伝導度
には温度依存性があるため、TDR プローブと同じ深さに熱電対を設置し、地温も同時
に測定する。これらの測定値を基に、上記で求めた EC w の推定式を用いて EC ｗ を推定
する。さらに、EC w と硝酸態窒素濃度の関係式を用いて土層内の硝酸態窒素を非破壊で
連続的にモニタリングすることができる。図３に本法により黒ボク土畑における硝酸
態窒素濃度のモニタリングを長期に行った事例を示す。深さ 0.2m では従来法（ポーラ
スカップによる土壌溶液採取法）との乖離が大きいが（図３Ｂ）、深さ 0.4m と 0.6m
では従来法と強い正の相関（それぞれ R 2 が 0.79 と 0.75）を示し、変動幅や変動時期が
比較的類似している（図３ＣおよびＤ）。
［成果の活用面・留意点］
１．本法は TDR 以外でも θ と EC b の同時測定が行える測定システムを用いれば活用可能で
ある。本法は作土層内からの硝酸態窒素溶脱のモニタリングや施肥前の窒素賦存状況を
簡易に確認するツールとしても利用できる。
２．本法による測定精度の向上のためには、異なる土壌や営農管理下における EC w の推定
式や EC w と硝酸態窒素濃度の関係式の適用性に関する更なる検討が必要である。
３．各種土壌の ε－θ 関係は平成 12 年度九州沖縄農業研究成果情報「九州の代表的な畑土
壌に TDR 土壌水分計を適用する際の較正式」等を参照。
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250
［具体的データ］
=0.60 m3 m-3
1.2
土壌のEC, ECb [dS m-1]
硝酸態窒素濃度 (mg L-1)
1.4
下層土
1
○：表層土(0 - 0.5 m)
△：下層土(0.5 - 0.6 m)
0.8
3
-3
=0.50 m m
粗砂
(Nissen et al., 1998)
200
壌質砂土
(De Neve et al., 2000)
150
黒ボク土
(登尾ら, 2005)
100
50
NO3-N=96.442ECw-18.013
R2=0.704
0
表層土
-50
0.6
3
0
0.5
1
1.5
2
土壌溶液EC, ECw (dS m-1)
-3
=0.40 m m
0.4
図 ２ 様 々な深 さのデータを元 に得 られた黒 ボク土
の土壌溶液 EC と硝酸態窒素濃度の関係（太
0.2
い実線）（他の土壌や他地域の黒ボク土で得
=0.35 m3 m-3
0
1
2
3
られた関係も比較のために示す。）
4
土壌溶液EC, EC w [dS m-1]
図１ 黒ボク土の EC w －EC b －θ 関係（円と三
角は測定値、実線と破線は表層土と下層
土の推定式である。）
降水量および灌水量 [mm]
0
（補足）Rhoades(1989)モデル
100
80
60
40
20
0
250
200
 (   ws ) 2 EC ws ECs 
EC a   s
  ( w   ws ) EC wc
  s EC ws   ws ECs 
A
-0.2 m
B
RMSE=60 mg L-1
150
100
EC ws 、EC wc は液相と固相がそれぞれ直列、
の EC。θ s 、θ ws 、θ w はそれぞれ固相率、固
相と直列関係にある液相率、液相率であ
る。推定式は、EC ws ＝EC wc を仮定し、EC s
と θ ws を 非 線 形 最 小 二 乗 法 に よ り 決定す
ることにより求める。
硝酸態窒素濃度 [mg L-1]
並列関係のときの液相の EC、EC s は固相
50
0
200
150
水量と灌水量（A）および TDR による硝酸態窒素
濃度のモニタリング結果と土 壌溶液 採取法との比
較（B～D） （RMSE: Root Mean Square Error）
RMSE=24 mg L-1
100
50
0
200
150
図 ３ 農 工 研 内 の実 験 ほ場 で観 測 を行 った期 間 の降
-0.4 m
C
D
TDRによる推定値
土壌溶液採取法
-0.6 m
RMSE=23 mg L-1
100
50
0
Dec Jan
Feb
Mar
Apr
May
Jun
Jul
Aug
（宮本輝仁）
［その他］
研究中課題名：持続的利用可能な高生産性土地基盤の整備技術の開発
実施課題名：黒ボク土畑の作土層下端における硝酸態窒素溶脱量モニタリング手法の適用
性評価
実施課題 ID：412-b-00-003-00-I-10-5303
予算区分：交付金研究
研究期間：2009～2010 年度
研究担当者：宮本輝仁、亀山幸司、塩野隆弘
発表論文等：1)Miyamoto, T. et al.(2010) Proceedings of 19th World Congress of Soil Science:
54-57
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