根群域の塩分管理モニタリングシステムの開発

技術情報
根群域の塩分管理モニタリングシステムの開発
鳥取大学乾燥地研究センター
１．はじめに
近年の急激な世界人口の増加に伴って，
農産物，畜産物などの食料増産のために，
河川水，地下水などを水資源とする水利開
発，農地開発が行われたが，新開発農地は
既耕地と比較すると，水資源の枯渇，土壌
侵食などのリスクがあり，生産量を維持す
るためには，より一層，環境保全を考慮し
た総合的な対策が必要である１）。特に，乾
燥地・半乾燥地の場合，太陽エネルギーは
豊富であるが土壌中の養分は少なく，不適
切な過灌漑，排水不良，あるいは良質な灌
漑水が得られない，などの理由で，各地で
塩類集積の問題が生じている。
井上
光弘
1980 年代には 60.2 Mha で，耕地面積の 24%
，ほぼ４分の１になっている。塩の影響
を受けている土壌は，乾燥地，半乾燥地に
限らず，図 1 に示すように，100 以上の国
で問題とされている２）。地球上で，7Gha が
耕作可能地で，そのうちの耕作地 1.5 Gha
の 23%は塩性化が，37%はソーダ質化が進
行している。農地土壌の塩類化の発現機構
５）
は， (1) 母材に塩を含む土壌と過剰な良
質灌漑水による地下水上昇， (2) 塩分を含
む灌漑水の供給，（３）施肥による塩の付
加， (4) リーチング（溶脱）量の低下によ
る土壌塩類濃度の増加，(５ ) 強風による海
岸から農地への塩の飛散侵入，(６ ) 広域森
林伐採による地下水上昇，（７）ウォータ
ーロギングと二次的塩類化，
（８）廃水や
排水の侵入４）などが考えられている。しか
しながら，塩類集積が進行しないように，
根群域内の土壌水分と塩分濃度のモニタリ
ングを行い，必要に応じて，リーチングに
よって，根群域を適切な塩分状態になるよ
うに管理することが必要である。
４）
２．灌漑農地の土壌断面内の塩分評価
図 1 世界の塩類土壌の分布２）
世界の灌漑面積は 1965 年に 150Mha，
1995 年に 255Mha， 1999 年に 274Mha と増
加している３）。この面積は樹園地を含む全
耕地面積 (1.5Gha)の約 18%を占め，灌漑農
地で全食料の 40%を生産している。この灌
漑農地で，使用する灌漑の水質が低下する
と，表層に塩類集積が発生し，塩分濃度障
害によって作物の収量が低下，あるいは全
く収穫できなくなり，地面の所々に白い塩
類の結晶が観察できるようになり，やがて
植被率が極めて低い状況になる。このよう
な土壌の塩類集積障害を受けている面積は，
灌漑農地の土壌水分と塩分状態をモニタ
リングすることは，適切な灌漑の時期，灌
漑水量，灌漑間隔を判断するために必要で，
根群域の塩分状態を正常に維持することが
持続的農業のために必要である。また，灌
漑水の塩分濃度と，地下水の塩分濃度なら
びに地下水位の高低状況が根群域内の土中
塩分濃度の変化に影響する。
灌漑水の塩分濃度を評価するために，総
溶解固形分 (可溶性塩類総量 TDS)と電気
伝導度（電導度 EC）が採用され，たとえ
ば，TDS が 450mg/L 以下，EC が 0.7dS/m 以
下では問題ないが，TDS が 2000mg/L 以上，
EC が 3.0dS/m 以上では大いに問題があると
1
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している６）。また，土壌のソーダ質化に灌
漑水の化学成分が影響し，ナトリウム吸着
比(SAR)が SAR=Na + / ( Ca 2+ + Mg 2 + ) 0.5 で計
算され， SAR が 13 以上をソーダ質土壌と
いうが， Na + , Ca 2+ , Mg 2 + のイオン濃度
[mmolc/L]を調査する必要がある。これらの
イオン濃度は，土壌を採集して実験室で化
学分析をする必要がある。これに対して，
農地の現場で，土壌水分と塩分濃度をモニ
タリングする場合には，化学成分の詳細分
析は困難であるが，総量を電気伝導度から
判断することが可能である。
2.1 ４極法による土中塩分のモニタリング
断面積 A[m 2 ]，長さ L[m]の電気抵抗体の
抵抗 R[Ω]は，オームの法則によって R = ρ
L/A である。ここで， ρ は比抵抗， 1/ ρ は
比電気伝導度（導電率），1/R は電気伝導度
σ （電導度） [S] (ジーメンス )である７）。比
抵抗の逆数が物体の電気の通りやすさで，
1/ ρ = (1/R)(L/A) [S/m]の比電気伝導度が物
質固有の値となる。たとえば蒸留水の比電
気伝導度は 2～3μS/cm，雨水は 10μS/cm 程
度である。電気質溶液の電気伝導度はイオ
ン濃度と移動速度によって変化し，移動速
度は温度の上昇によって大きくなる。海水
の場合，１℃の上昇に対して２％電気伝導
度が高くなるので基準温度（ 25℃ ）に換算
する。また，イオン濃度と電気伝導度は，
両対数紙で直線関係になることが知られて
いる８）。土壌中の電気伝導度の測定は，分
極の影響をなくすために交流電源を使用す
る。交流の場合，電極と土壌との間に接触
インピーダンスが存在するので，この影響
を小さくするために４極法が提案された７）。
４極法は，塩分センサーの４電極の外側電
極に交流電流を流し，この電流の大きさを
知るために，外側の回路に基準抵抗 R f を挿
入し，その間の電位差 V 1 と，内側電極の電
圧差 V 2 を測定する９）。最近の新しいデータ
ロガーは，6 線ハーフブリッジ回路による
計測処理コマンド（たとえば，キャンベル
社製の CR800 の BrFull6W）を有しているの
で，直接，出力値 (V 1 /V 2 )の値を測定できる。
したがって，ある温度 t で測定した電気伝
導度 EC t は，土壌中の抵抗 R s に反比例し，
次の関係が成立する。
ECt =
⎛ V1 ⎞
⎜ ⎟
⎝ V2 ⎠
1
= Gc
Rs
Rf
…………
(1)
ここで，G c はセンサーの形状係数，R f は基
準抵抗である。４極塩分センサーで測定し
た電気伝導度 EC t の値は，温度 t に依存す
るので，基準温度 25℃ に補正した EC 25 の値
は，次式で算定できる。
EC25 = ECt − 0.02(t − 25) ECt
… (2)
実験では，既知の塩分を含んだ溶液の電
気伝導度 (EC w )に対して，４極塩分センサー
で測定した EC 25 の値を得て，形状係数を測
定する。この４極塩分センサーを土中に埋
設して測定すると見かけの土中の電気伝導
度(EC a )が測定できる９）。EC a の値は，土中
の体積含水率 θ と土壌溶液の電気伝導度
(ECw)と関係があり，次式を提案した１０）。
( ECa − c) 2 + 4ab
( ECa − c)
+
ECw =
2a
2a
… (3)
ここで，係数の a, b, c は体積含水率の 3 次
の多項式で与えられる実験係数である。一
方，土壌中の可溶性溶液の電気伝導度 EC w
は，土壌の１：５抽出液（乾土１に対して
５倍の水を加えた抽出液）の電気伝導度
EC 1:5 と次式の関係を得た。
EC1:5 = (αθ − β ) ECw + γ
…………(4)
ここで， α， β， γ は実験定数である。以上
の考え方に沿って，新居ら１０）は，ダイコ
ン畑の深さ 10cm の 4 極塩分センサーで得
た EC w の経時変化と，現地で採取測定した
EC 1:5 の値がよく一致していることを示し
た。このように，土中溶液の電気伝導度 EC w
の経時変化をモニタリングして，土中の塩
分濃度を追跡することが可能である。
2.2 TDR 法による土中塩分のモニタリング
時間領域反射率測定 (TDR）法は，一定
周波数（30MHz から 3GHz の高周波）の電
磁波が土中に埋設したロッド（金属製の電
極棒）を往復する速度を時間領域で測定し
て，みかけの誘電率を測定する方法である。
物質の比誘電率は，空気が１，水が 80（ 20℃），
氷が 3(－5℃)，玄武岩が 12，花崗岩が 8，
砂岩が 10 のように，物質によって固有の値
2
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がある。したがって，誘電率法は，土中の
水分量が増加すると誘電率が増加すること
を利用したものである１１ ) 。計測システムは，
高周波の電磁波パルスを発生し反射波をモ
ニターするケーブルテスター，土中に挿入
したロッド，ケーブルテスターとロッドを
接続する同軸ケーブル，から構成される。
同軸ケーブルとロッドとの接合部は，漏電
のためにエポキシ樹脂で固定し，波形のピ
ークを明確にするために工夫が必要である。
ロッドの部分は信号ロッドとシールドロッ
ドとからなり，シールドロッドの本数が，1
本，2 本，3 本のものが市販されている。こ
こでは，塩分濃度が高い条件でも土壌水分
量が測定できるように，ロッドの長さを
60mm に短くし，シールドロッドの本数を 3
本にした TDR 水分・塩分センサー
(SK-TDR1006-18T)を開発した１２）。測定シ
ステムには，キャンベル社製の TDR100 を
用いて，土壌中のみかけの電気伝導度 EC a
を測定した。
ここで，I c は TDR ケーブルの特性インピー
ダンス (50 Ω)，f T は温度補正因子 f T = {1−
0.02 (t − 25)}，t は温度，K p は TDR プロー
ブ特有の形状係数である。 Ould Ahmed ら１
３）
は，電気伝導度が 7.32dS/m の塩を含む
灌漑水を用いてハウス内のソルガム栽培を
行い，土中塩分濃度が 100 日で 20dS/m の
範囲まで上昇することを TDR 法と，サンプ
リングによる土壌溶液の電気伝導度の測定
で確認した。
2.3 市販測器による土中塩分のモニタリング
灌漑農地の土壌表面から深さ 20cm 付近
の根群域で，土壌水分量，塩分濃度，地温
を同時にモニタリングできる携帯型の測器
が市販されている。米国のデカゴン社製の
ECH 2 O プローブモデル ECHO TE，英国のデ
ルタＴ社製の WET2，韓国未来センサー社
製の WT1000N の諸元を表１に示す。
表１
携帯型水分塩分温度測定センサー
センサー名
図 2
ECHO TE
WET2
WT1000N
ロッド数
３
３
３
ロッド長
53 mm
67 (62 mm)
115 (62 mm)
ロッド間隔
10 mm
15 mm
12 mm
ロッド材
非金属製
金属製
金属製
ＥＣ
0 - 8 dS/m
0 – 3 dS/m
0 – 6 dS/m
地温
-40～50℃
-5～50℃
-10～60 ℃
水分精度
±3%
±3%
±3%
記録方式
手動・自動
手動・自動
手動
土壌溶液の電気伝導度 EC w の増
加によるＴＤＲ波形の変化
図 2 に示すように入射パルスの相対電圧
(V o )と反射パルスの相対電圧 (V f )に注目し，
反射係数 ρ = (V f - V o )/ V o の波形処理から電
気伝導度を測定する。TDR プローブで測定
する土中電気伝導度 σ (S/m)は，
σ=
fT K p 1 − ρ fT K p
=
Ic 1 + ρ
Ic
⎛ 2V0 ⎞
− 1⎟ …… (5)
⎜⎜
⎟
⎝ Vf
⎠
図３
携帯型水分塩分温度測定センサー
いずれのセンサー（図３）も，土壌固有
の校正を行えば測定精度を向上できるが，
3
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根群域の塩分濃度が高くなると，土壌水分
量を過大評価することになる１４）。また，図
２でも明らかなように，海水のように電気
伝導度が 40dS/m を超える塩分濃度になる
と，波形解析が困難になり， TDR 法では土
壌水分量を測定できない。
３．根群域から下方への浸透量評価
根群域の塩分濃度が上昇すると，灌漑水
量に加えて，さらに，リーチング（溶脱）
水量を根群域に与える必要がある。リーチ
ングによる根群域から下方への浸透量を圃
場で計測し、リーチング効率を推定するた
めに，根群域を撹乱しないで根群域から下
方への浸透量を測定する必要がある。
我が国の砂地圃場の施肥量は，他の畑よ
りも多く，硝酸態窒素の地下水汚染が問題
になってきた。そこで，下方へのフラック
ス（単位時間に単位面積を通過する水量）
の測定だけでなく，土壌溶液を採集できる
と，溶液の化学分析も可能となり，環境負
荷を調査するための強力なツールとして，
使用できる計測装置の開発となる。ここで
は，下方浸透量計測装置の概要と測定結果
について述べる。
3.1 深部降下浸透量の測定方法
深部降下浸透量の測定方法には，いくつ
かの方法がある。
水収支式を利用する方法
F w = R n - T r - E v - R f - ⊿W …….
F w = K（θ）⊿H /⊿ ｚ ……….
(7)
ここで， F w ：地下水涵養量（フラックス），
K：不飽和透水係数（ θ：水分量の関数），H：
全水頭（＝ｈ＋ｚ），ｈ：圧力水頭，ｚ：深
さである。動水勾配をテンシオメータで測
定し，土壌水分量を誘電率水分計で測定す
る。しかし，不飽和透水係数を決定するこ
とは困難で，降雨直後のマクロポアーを流
れる降下浸透量をテンシオメータの変化で
求めるのは困難であることが知られている。
ライシメータによる降下浸透量測定方法
パンライシメータの場合，底部の圧力を
大気圧で集水し，重力水を不撹乱で採集で
きるが，採水効率が低いという問題がある
（図４）。
角型キャピラリーライシメータの場合は
底部にキャピラリーシートを敷き，ウィッ
クライシメータの場合は２つのタンクの間
にろうそくの芯に用いるウィックを採用し
て，底部の圧力を負圧に維持して，土壌溶
液を採取する。しかし，いずれの場合も装
置埋設時にライシメータ内外の土壌を撹乱
すること，採水効率が容器の高さに依存す
ることが問題となる（図４）。
別の方法として，熱フラックスを利用し
たヒートパルス法がある。外部温度の影響
が少ないので実用的であるが，大きなフラ
ックスと，小さなフラックスで誤差が大き
いことが知られている。
(6)
ここで，F w：地下水涵養量，R n :降水量，T r :
蒸散量，E v :蒸発量，I r :灌漑量，R f :表面流出
量，⊿W:水分減少量である。これらの項の
中で，降水量，灌漑量，表面流出量はそれ
なりに測定できる。また，蒸散発量を気象
データとペンマン式などから推定し，水分
減少量は，誘電率水分計で測定した土壌水
分量から推定することは可能である。しか
し，高い精度で推定することは，困難であ
る。とくに，圃場において，蒸発量と蒸散
量の測定は困難である。
ダルシー則を利用する方法
図４各種ライシメータによる採水方法
4
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3.2 自動フラックスメータの開発
自動フラックスメータは， (1) 根群域
の土壌層を乱さないこと， (2) 土壌槽内外
の圧力水頭（図５の h 1 と h 2 ）が等しくなる
ように，自動吸引すること， (3) 採水量は
ロードセルで自動計測できることが特徴で
ある（図５）。
土壌槽とバッファーの水は内径 2cm のチ
ューブを通して負圧状態のデシケータ内の
容器に入り，ロードセルでその重量変化が
記録される（図６）。ここでは，容器 1000mL，
土壌槽の表面積 200cm 2 で，累積フラックス
が 50mm まで自動測定した１５）。デシケータ
内の圧力は，土壌槽外の 2 個のテンシオメ
ータの平均（図６の h 1 と h 3 ）と，土壌槽上
のテンシオメータの値（図６の h 2 ）の差が，
0.5cm で負圧の度合いを調節する。この操
作はすべて吸引制御システムで行った。
3.3 自動サクション制御による下方浸透
水採取装置の開発
野外で実験を行う場合，現場で交流電源
を使用できない場合が多いので，太陽電池
でバッテリーを充電して直流電源で動作で
きるシステムに改良した。自然の降雨浸透
状態で，土壌溶液を採集するため，図７に
示すように，溶液採取器のフィルター部の
サクションを制御して，溶液採取器周囲の
流れを乱さないように，畑地の下方フラッ
クスを測定できる計測制御システムを構築
した１６）。地中埋設部には，土壌溶液採集タ
ンク，ロードセル方式の電子天秤，排水ポ
ンプ，電磁バルブ V 1 ，４極塩分センサーが
ある．土壌溶液採集タンクの水位を重量で
計測し，ある水位以上になればタンク内の
溶液を排水し，ある水位以下になればタン
ク内に溶液採取器からの土壌水を貯めてい
くという構造で，水位（重量）の高低を判
断して，排水ポンプを ON, OFF する制御プ
ログラムを開発した。
図５自動フラックスメータによる採水
図７土壌溶液採取システムの自動制御
装置の概要
図６自動吸引フラックスメータの概要１５）
3.4 下方浸透水採取装置の圃場への適用
鳥取大学乾燥地研究センター内の圃場に
200 cm×200 cm の実験区を設け，採水フィ
ルターの埋設深さが 50 cm になるように，
吸引判定用にマイクロテンシオメータ 3 本
を深さ 47.5 cm に設置し(図８ )， TDR セン
サーおよびマイクロテンシオメータを 20,
30, 40cm の深さに設置した。４極塩分セン
サーを採水チューブ内に設置し，採水フィ
ルターより 5 cm 下で滴下するよう採水容
器と電子天秤を観測ピット内に設置した．
5
技術情報
深さ別の TDR センサーおよびテンシオメ
ータ，電子天秤の測定は 1 時間毎に記録し，
センサー類の測定・記録装置および自動制
御システムは地表に設置した１６）（図８）。
採水効率を評価するために，雨量データ
から降雨フラックス q r [cm/h]，下方浸透水
採取装置を用いて採水フラックス q e [cm/h]，
TDR センサーで求めた深さ別の土壌水分量
の変化から実験区内の 0~50 cm 深の水分貯
留量変化 q s [cm/ h]を算出して，下方浸透水
採取装置の採水効率（ WCE）を次式で求め
た。
WCE (%) = 100 × q e / (q r – q s ) ・・・ (8)
WCE が 100 %未満の時は，自然の下方浸透
フラックスよりも採水量が少なく，逆に
100 %以上の場合は，多く採取したことにな
る。東ら１７，１８）は 2004 年 8 月 18 日～10
月 7 日の 50 日間の実験で，WCE を算出し，
92~115%という高い値を得た。微妙なサク
ション制御が要求される砂質土壌における
採水であったことも考慮に入れると，開発
した下方浸透水採取装置は非常に効率のよ
い採水システムで，４極塩分センサーによ
る塩分の経時変化をモニターして，必要で
あれば採取した溶液の化学分析も可能であ
る。下方浸透水に含まれる硝酸態窒素など
の化学成分の変化については Higashi ら１７）
の報告を参照されたい。
４．おわりに
土壌中には種々の塩分を含んだ溶液が存
在する。塩類集積などの土壌劣化が進行し
ないように，持続的農業を行うためには根
群域の塩分管理が重要で，根圏の土壌水分
量と塩分濃度をモニタリングすることは有
効な手段である。近年，誘電率に基づく土
壌水分計（図９，TDR センサーなど）が数
多く開発され，同時に４極法などの土中の
電気伝導度を測定できる技術が発展してき
た。ここでは，塩分濃度を測定する技術情
報をまとめた。また，リーチング効率，水
収支や塩収支などを正確に把握するために
必要な下方浸透水の量と質を採取できる装
置について，最近の研究を紹介した。
現在，砂丘畑，農場の畑，森林の各現場
で，土壌中の水分測定，塩分濃度の測定，
下方浸透量の自動測定を継続している。現
場での問題は，雷による計測装置の破損，
動物によるコードの破損などのリスクもあ
る。しかしながら，長期の自動計測によっ
て，土壌水分量，塩分濃度の変化とともに，
下方浸透水の量と質のモニタリングが可能
になると，現場での有益な情報を得ること
ができる。今回，開発した下方浸透量計測
装置よりも，さらに安価で実用的な計測装
置の開発は，多くの地点で同時に計測でき
る利点があり，環境物質の面源負荷の評価
に役立つことが期待できる。
図９
図８
圃場における下方浸透水採
取装置設置状況１７）
種々の誘電率水分計
最後に，この技術情報が，大学，官公庁，
民間会社など研究機関相互の縦横の連携と，
6
技術情報
学会や分野を超えて，基礎的，応用的な研
究情報の共有に貢献できれば幸いである。
謝辞
本技術開発は，21 世紀ＣＯＥプログラム
「乾燥地科学グログラム：環境計測グルー
プ」，日本学術振興会科学研究費補助金（平
成 16-18 年度・基盤研究Ｂ，乾燥地の灌漑
農地における不撹乱土壌の塩分動態と下方
浸透量の計測技術の開発，代表者：井上光
弘，16380159）の援助を受けて遂行された。
ここに，記して感謝の意を表す。
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7

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