概要

水理特性分析装置を用いた簡易蒸発実験に基づく土壌水分ポテンシャルと導電率の測定

Published: August 09, 2024
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概要

この記事では、土壌サンプルの水理特性機器を使用した簡単な蒸発実験について説明します。効率的な手段により、数日間にわたって測定を行い、高品質のデータを生成することができます。

Abstract

土壌の水理特性の測定は、土壌の健康の物理的要素を理解するだけでなく、さまざまな管理慣行の下での土壌システムに関する統合的な知識を理解するために重要です。農業や環境に影響を与える意思決定に情報を提供するためには、信頼性の高いデータを収集することが不可欠です。ここで説明する簡単な蒸発実験では、実験室の設定で機器を使用して、現場で収集された土壌サンプルを分析します。サンプルの土壌水分張力は装置によって測定され、張力データはソフトウェアによってモデル化され、土壌の水理特性が返されます。この方法は、土壌の保水力と透水係数を測定し、処理や環境ダイナミクスの経時的な違いについての洞察を得るために利用できます。初期構築にはユーザーが必要ですが、データ取得は装置で自動化されます。土壌の水理特性は従来の実験では簡単に測定できず、このプロトコルはシンプルで最適な代替手段を提供します。結果の解釈とデータ範囲を拡張するためのオプションについて説明します。

Introduction

自然環境や人間が変化した環境における土壌の保水力と透水係数は、土壌の健康状態と機能の変化を理解し、観察するのに役立ちます。土壌保水曲線(SWRC)と土壌水分伝導率曲線を通じて水理特性を定量化することで、土壌の物理的挙動と水の動きの特性評価の主要な推進要因についての洞察が得られます1。体積含水量(θ)とマトリックヘッド(h)の関係はSWRC内で表され、曲線内の範囲は飽和点、磁場容量、および永久しおれ点2を表します。土壌管理の実践、修正、農業生態系の種類、および環境条件はすべて、土壌水理に影響を与える可能性があります3,4。これらの要因は、溶質の輸送5、植物利用可能な水6、土壌呼吸と微生物活動7、さらには湿潤と乾燥のサイクル8に影響を与える可能性があります。健康で機能している土壌を定量化する上で重要な要素として、SWRCの適切な分析は、土壌の水理特性を情報に基づいて理解するために不可欠です。

現在、信頼性の高いSWRCを開発するためのさまざまな測定技術が存在しており、吊り下げ式水柱法と感圧板法は、土壌2の細孔径分布を決定するための一般的な従来のアプローチです。従来の方法は時間がかかる場合があり、通常は少量のサンプルセットを分析するのに数週間から数か月かかります9。さらに、分析が完了すると、これらの方法では、SWRC9に通知するデータポイントがいくつかしか得られません。さらに、感圧板などの従来の方法を使用して代表的なデータを生成する精度は、特にきめの細かい土壌10,11で、より低いマトリックスポテンシャルで問題になる可能性があります。テンシオメーターを使用した単純な蒸発実験アプローチとチルドミラー露点法を含むより現代的な技術は、広範囲の土壌テクスチャ2にわたってより再現性の高いデータを提供する傾向があります。1968年にWind社によって最初に開発されたこの単純な蒸発実験は、土壌サンプル12のテンシオメーターを通じて水量の変化と張力の変化を測定することを含んでいた。蒸発が発生すると、土壌サンプルの質量が特定の時間間隔で測定され、SWRCが作成されます。後にシンドラー(1980)によって改良されたこの方法は、土壌サンプル内の異なる圧力ヘッドに配置された2つの張力計のみを含みました。その後、修正された分析法が試験され、科学的分析13,14に使用できることが確認された。単純な蒸発実験の主な利点は、土壌水分曲線の大部分(0〜-300 kPa)にわたって、従来の方法よりも多くのデータポイントでデータを簡単に生成できる可能性があることです。

これらの最新の方法には、サンプル分析期間を通じて多数のデータポイントを取得し、ソフトウェアインターフェースを使用してデータを生成する自動化された装置が含まれます。水力特性機器は、サンプルデータ15から保水曲線と導電率曲線を作成する現代的な機器です。水理特性機器を用いた簡易蒸発実験を用いることで、土壌中の水分量と水分ポテンシャルの関係を評価することができる1。この実験では、テンシオメータシャフト内に存在する水は、土壌溶液中の水と平衡状態にあります。土壌水分の蒸発が起こり、土壌試料が乾燥すると、テンシオメーター内でキャビテーションが起こり、実験は終了します。SWRCの乾燥範囲では、油圧特性計器には限界があり、機器は0〜-100kPaのマトリックスポテンシャル内でしか動作できません。これは、データ範囲を-300,000kPaまたは永久しおれ点まで拡張できる土壌水ポテンシャル機器16を使用したチルドミラー露点実験で生成されたデータを含めることで改善できる。これらのデータはすべてモデリングソフトウェアの後処理にまとめられ、ヌルテンションからウィルティングポイントを超えた高いテンションまで、SWRCにまとまりを持って通知されます。次に、SWRCと透水係数曲線は、測定期間を通じて取得されたマトリックポテンシャルデータポイントに基づいて生成され、飽和状態から永久的なしおれ点まで投影された完全な曲線を生成できます。

ここで説明する方法は、水理特性機器を使用した土壌分析の簡潔な操作手順を示しています。この方法は、広範囲の農業生態系3,17,18,19における土壌の健康の定量化を含む多くの科学的環境で実施されており、機器のユーザーマニュアル20を超えたベストプラクティスを理解するための努力がなされてきました。ここでは、フィールドサンプリング、サンプル調製、ソフトウェア機能、データ処理など、手順のすべてのステップについて標準化されたプロトコルの概要を示します。この方法に従うと、信頼性の高いデータが得られるキャンペーンが成功します。適切な実装を確実にするために、高品質のデータを確保するための重要な手順、一般的な課題、およびベストプラクティスが提示されます。

Protocol

1. 土壌サンプリングとサンプル調製 注:この方法のワークフローの概略図を 図1に示します。 サンプルコレクション目的のサンプリング深度より数センチ上の上部を掘削して、不要な破片、特に緩い有機ゴミや土壌表面の地殻を取り除きます。 金属サンプリングコアレベルを露出した土壌?…

Representative Results

上記のプロトコルに従って適切な測定キャンペーンを完了すると、分析ソフトウェアで実験のデータ出力を表示することが可能になります。出力曲線は、時間の経過に伴う水の張力(hPa)を測定する張力計の読み取り値(t)から作成され、このデータの初期曲線はキャンペーンの終了直後に生成されます。2つの土壌サンプルの張力曲線の選択された例を調べて、最適な結…

Discussion

ここで説明する方法を使用した単純な蒸発実験アプローチは、SWRCと水理伝導率曲線を効率的に作成するための手段です。データ測定のシンプルさと精度により、従来の方法14の実行可能な代替手段になります。ここで説明する方法は、ユーザーマニュアルや現在の文献を超えて、この複雑な機器のより細かい点を合成し、拡張します。高品質のデー…

開示

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

著者らは、カナダイノベーション財団(John Evans Leadership Fund)が水力特性分析装置の取得に当たって提供した財政的支援に感謝します。

Materials

4 L Buchner Flasks (two) Various n/a Containers for water degassing
20 mL Syringe, fine tip BD BD-302830
Coffee filter Various n/a Prevents soil travel out of core while soaking
HYPROP Complete Set Hoskin 110813/E240-M020210 tensiometer shaft auger, tube for vacuum syringe and refilling adapter, auger guide, HYPROP USB adapter, HYPROP sensor unit, tensiometer shafts (50 mm and 25 mm), saturation plate, refilling adapter, silicone gasket, set of o-rings, LABROS balance, software, cables
HYPROP Refill Unit Hoskin 108899/ E240-M020258 vacuum pump, vacuum mount, beaker mount, refilling adapters
Large Plastic Tubs Various n/a Holds water and soil cores during saturation
METER hammering holder Hoskin 100255/E240-100201
Rubber Mallet Home Depot 18CT1031 Sample collection tool used with hammering holder
Shovel Home Depot 83200
Soil Sampling Ring incl. 2 caps Hoskin 100254/E240-100101
Stir plate/ Stirring Bar Various n/a
Trowel Home Depot 91365

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記事を引用
Marchesan, A. J., Guenette, K., Fausak, L. K., Hernandez Ramirez, G. Measurements of Soil Water Potential and Conductivity based on a Simple Evaporation Experiment using a Hydraulic Property Analyzer. J. Vis. Exp. (210), e66942, doi:10.3791/66942 (2024).

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