土壌水ポテンシャル:マトリックポテンシャル基礎と樹木吸水

土壌水ポテンシャル | 育みと収穫 - Forest Eight

結論先出し

  • 土壌水ポテンシャル(Ψ)は土壌中の水のエネルギー状態を示す物理量で、樹木の根が吸水できるかどうかを決定する根本指標。単位は MPa(メガパスカル)/kPa/pF(log scale)。1 MPa ≒ 10 bar ≒ 10,197 cmH₂O ≒ pF 4.0
  • 主要構成は マトリック Ψm(毛管・吸着)/浸透圧 Ψo(溶質)/重力 Ψg(高度)/圧力 Ψp(液圧・膨圧)。林業実務でほぼ常時支配的なのは Ψm。
  • 樹木の永久萎凋点(PWP)は概ね -1.5 MPa、圃場容水量(FC)は -0.033 MPa(pF 2.5)。両者の差「易有効水分」が育苗・植栽の設計指標。
  • 気候変動下では VPD 増大と乾燥スパイクで Ψ 変動幅が拡大、FLUXNET2015(>200 サイト)/ICOS/SoilNet 連続観測の活用が必須。

土壌水ポテンシャル(マトリックポテンシャル)は、樹木が水を吸水できるかを決定する物理指標で、林業・農業・水文学の交差分野。本稿は基礎概念・測定法・林業応用に加え、単位換算、土壌別水分特性曲線、IoT/AI 計測、FLUXNET、気候変動、灌水運用までを 1 本で体系化します。続編 D12(浸透圧)/D13(SPAC)。

目次

クイックサマリ:土壌水ポテンシャルの基本

項目 内容
定義 土壌中の水のエネルギー状態(自由純水を基準とした相対値、通常は負)
単位 MPa(SI)、kPa、hPa、bar、cmH₂O、pF(log10|Ψm in cmH₂O|)
飽和時 0 MPa(pF 0)
圃場容水量(Field Capacity, FC) -0.033 MPa(pF 2.5)/重粘土では -0.01〜-0.02 MPa とする例も
永久萎凋点(PWP) -1.5 MPa(pF 4.2)
樹木の吸水可能範囲 0 〜 -1.5 MPa(耐乾性樹種は -2.0 MPa 以下まで)
易有効水分(RAW) FC − PWP の 30〜70% 区間(FAO-56 の p 係数)
主要構成 Ψm(マトリック)、Ψo(浸透圧)、Ψg(重力)、Ψp(圧力)
主要計測機器 テンシオメータ、湿度サイクロメータ、TDR/FDR、ヒートパルス、MPS センサ
国際観測網 FLUXNET2015(200+ サイト)、ICOS、SoilNet、AmeriFlux、AsiaFlux

1. 土壌水ポテンシャルの構成要素を厳密に

全水ポテンシャル Ψtotal は熱力学的には水のギブズ自由エネルギー差を体積で除した量で、通常は次式で分解されます。

Ψtotal = Ψm + Ψo + Ψg + Ψp(単位:MPa または J/kg)
1 MPa = 10⁶ Pa = 10 bar ≒ 10,197 cmH₂O ≒ pF 4.009

1-1. マトリックポテンシャル Ψm

土壌粒子表面と水分子の吸着力(ファンデルワールス力)と、毛管空隙における表面張力の合算。土壌が乾燥するほど Ψm は強い負値となり、林業・農業現場で最も支配的な要素です。Young-Laplace の式から、毛管半径 r(m)における Ψm は概ね Ψm = -2γ/r(γ:表面張力 0.0728 N/m)。半径 1 µm の毛管で約 -0.146 MPa、0.1 µm で -1.46 MPa(PWP 級)と理論値が現場の臨界値と一致します。

状態 Ψm(MPa) cmH₂O 換算 pF
飽和 0 0 0
排水後保水(重力抜け) -0.006 -61 1.78
圃場容水量(FC) -0.033 -336 2.53
植物の最適範囲下限 -0.1 -1,019 3.01
水ストレス開始 -0.5 〜 -1.0 -5,099 〜 -10,197 3.71 〜 4.01
永久萎凋点(PWP) -1.5 -15,296 4.18
気乾状態 -100 -1.02×10⁶ 6.01
絶対乾燥(炉乾) -1,000 -1.02×10⁷ 7.01

1-2. 浸透圧ポテンシャル Ψo

溶質(無機塩・有機酸)の存在による水の自由エネルギー低下。van’t Hoff 式 Ψo ≒ -iCRT(i:解離数、C:モル濃度 mol/L、R:気体定数、T:絶対温度)。海水(0.5 mol/L NaCl 相当)で約 -2.5 MPa。塩害地・沿岸防潮林・施肥過多のコンテナ培地で問題化。詳細は D12 記事。

1-3. 重力ポテンシャル Ψg

基準面からの高さ z(m)における重力エネルギー。Ψg = ρwgz(ρw=1,000 kg/m³, g=9.81 m/s²)。1 m 上昇で +0.0098 MPa ≒ +0.01 MPa。樹高 50 m のスギでは梢端まで -0.5 MPa、世界最高 115 m のセコイアでは -1.13 MPa の重力負荷が常時かかります。

1-4. 圧力ポテンシャル Ψp

液体圧力による寄与。地下水位以下では正値(静水圧)、植物細胞内では膨圧(ターゴー圧 +0.5 〜 +1.5 MPa)として光合成・気孔開閉を駆動。木部導管内では負圧(張力)となり、極端なら -8 MPa まで低下する場合あり(キャビテーション閾値に接近)。

2. 単位の体系と換算(実務早見表)

歴史的経緯から土壌水ポテンシャルの単位は乱立しています。SI(MPa, kPa)に統一する流れですが、現場・古典文献では cmH₂O・bar・pF が依然頻出。

単位 1 MPa = ? 用途
kPa 1,000 kPa SI 派生、農業灌水管理
hPa(mbar) 10,000 hPa 気象・大気科学
bar 10 bar 欧州土壌科学旧単位
atm 9.869 atm 米国旧単位、概算 ≒ 10
cmH₂O 10,197 cmH₂O テンシオメータの直読
mH₂O 101.97 m 水柱換算、灌漑実務
pF log10(10,197) = 4.009 土壌物理学(Schofield, 1935)
J/kg 1,000 J/kg 熱力学厳密表記

変換のコツ:「1 m 水柱 ≒ 0.01 MPa ≒ 10 kPa ≒ 100 hPa」を起点に覚える。pF はマトリックポテンシャルにのみ使用(浸透圧・重力には適用不可)。

3. 土壌タイプ別の水分特性曲線(pF-θ 曲線)

水分特性曲線(Soil Water Retention Curve, SWRC)は同じ Ψm でも土壌タイプで含水率 θ が大きく異なる現象を示します。van Genuchten(1980)モデルが国際標準で、4 パラメータ(θr, θs, α, n)で記述されます。

土壌タイプ 飽和含水率 θs(v/v) FC 時 θ(-0.033 MPa) PWP 時 θ(-1.5 MPa) 有効水分量 AWC
砂土(Sand) 0.43 0.10 0.05 0.05(5 vol%)
砂壌土(Sandy Loam) 0.41 0.21 0.10 0.11(11 vol%)
壌土(Loam) 0.43 0.27 0.12 0.15(15 vol%)
シルト質壌土(Silt Loam) 0.45 0.33 0.13 0.20(20 vol%、最大)
粘土質壌土(Clay Loam) 0.41 0.36 0.20 0.16(16 vol%)
粘土(Clay) 0.38 0.36 0.27 0.09(9 vol%)
火山灰土(黒ボク, Andosol) 0.65〜0.80 0.55〜0.65 0.30〜0.40 0.20〜0.30(極大)
泥炭土(Peat) 0.85〜0.95 0.65〜0.75 0.30〜0.50 0.20〜0.40

林業実務上の含意:日本の主要森林土壌は黒ボク土(全国 31%、Andosols)でアロフェン・イモゴライトによる微細孔隙が多く、見かけの含水率は高いが PWP 側にも保水するため「乾く時は急に乾く」特性。一方、シルト質壌土は AWC 最大で植栽適性が高い。砂土は AWC が低く乾燥リスク高。

土壌タイプ別 水分特性曲線(pF-θ) 砂、壌土、粘土、黒ボクの保水曲線比較。 図2 土壌タイプ別の水分特性曲線(pF-θ) 体積含水率 θ(v/v) pF(log10 |Ψm|) 7 5 4.2 2.5 1.8 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 PWP -1.5 MPa FC -0.033 MPa 壌土 粘土 黒ボク 出典: van Genuchten (1980) / 日本ペドロジー学会
図2:代表的土壌タイプの水分特性曲線。同じ pF でも保水容量が大きく異なる。

4. 計測方法 ― 原理・適用範囲・現場運用

機器/手法 測定原理 適用 Ψ 範囲 応答時間 価格帯 主用途
テンシオメータ(標準) 多孔質カップ内の水とゲージ圧 0 〜 -0.085 MPa 数分 1〜3 万円 農地・苗畑、湿潤帯
テンシオメータ(高張力型 HYPROP) 沸点降下した加圧液 0 〜 -0.25 MPa 数分 40〜80 万円 SWRC 計測、研究
湿度サイクロメータ(PST) ペルチエ冷却式 dew point -0.1 〜 -10 MPa 10〜30 分 30〜100 万円 乾燥土壌、葉水ポテンシャル
WP4C 露点計(METER) チルドミラー dew point -0.1 〜 -300 MPa 5〜15 分 200〜300 万円 SWRC 全域、実験室
圧力室法(Scholander) 葉柄に陽圧、水滲出点 -0.1 〜 -8 MPa(葉水Ψ) 1〜3 分 30〜50 万円 樹木の現場水ストレス診断
TDR(時間領域反射) 誘電率→含水率→Ψ(SWRC 経由) θ 直読、Ψ は換算 数秒 10〜80 万円 圃場連続観測
FDR/容量式(EnviroSCAN, 5TE 等) 静電容量→誘電率 θ 直読 数秒 2〜10 万円/本 連続モニタ、IoT
MPS センサ(Teros 21 等) 多孔質セラミック+容量 -0.009 〜 -100 MPa 数分 3〜5 万円 長期 Ψ 連続観測
ヒートパルスプローブ 熱拡散→含水率 θ 直読 数分 5〜15 万円 森林床下、樹液流と併設
中性子水分計 高速中性子減速 θ プロファイル 数秒 500 万円〜 規制対象、研究機関
コスミック中性子センサ(CRNS) 宇宙線中性子 半径 130 m, 30 cm 深 1 時間 1,000 万円〜 流域・林分平均 θ
衛星リモセン(SMAP, SMOS) L バンドパッシブ 表層 5 cm θ, 9〜36 km 解像 3 日 無償 広域・気候モニタ

林業・育苗では テンシオメータ+MPS センサのハイブリッドが推奨。湿潤側を高精度、乾燥側を広レンジで補完。日本の苗畑実証では Teros 21 を 30 cm 深に 3 本設置し平均 Ψm -50 kPa で灌水発動の運用で活着率 83→94% に改善(FFPRI, 2023)。

5. 樹木の水吸収機構 ― ポテンシャル勾配の駆動

樹木は SPAC(Soil-Plant-Atmosphere Continuum)に沿って受動的に水を運びます。動力は土壌〜葉〜大気のポテンシャル勾配で、ポンプではなく蒸散による「引き上げ」です(Cohesion-Tension Theory, Dixon & Joly 1894)。

位置 典型 Ψ(MPa) 支配要素
適湿土壌 -0.05 〜 -0.3 Ψm(毛管)
根毛表面 -0.3 〜 -0.7 Ψm + Ψo
根中心柱(木部入口) -0.5 〜 -1.0 Ψp(負圧)
幹(地上 1.3 m) -1.0 〜 -1.5 Ψp + Ψg
梢端の葉(昼間) -1.5 〜 -2.5 Ψp + Ψg + 蒸散負荷
葉細胞内(生細胞) -1.0 〜 -2.0、膨圧 +0.5 〜 +1.5 Ψo + Ψp
大気(RH 50%, 25℃) -93 MPa VPD 駆動
大気(RH 30%, 35℃) -167 MPa 強乾燥

Ψ_air = (RT/Vw) × ln(RH/100)(Vw=18×10⁻⁶ m³/mol)。RH 1% 低下で約 -1.4 MPa 相当の駆動力増。実際は気孔抵抗で蒸散が制御され、葉 Ψ がキャビテーション閾値(Ψ50:木部水柱の 50% が破断する Ψ、針葉樹 -3〜-5 MPa、広葉樹 -1〜-3 MPa)を越えないよう調整されます。

6. 干ばつ閾値と樹種別反応

樹種 気孔閉鎖開始 Ψleaf Ψ50(木部) 耐乾性指標
アカマツ(Pinus densiflora) -1.5 MPa -3.5 MPa 高耐乾
クロマツ(P. thunbergii) -1.8 MPa -4.0 MPa 高耐乾・耐塩
カラマツ(Larix kaempferi) -1.5 MPa -3.0 MPa 中〜高
ヒノキ(Chamaecyparis obtusa) -1.2 MPa -2.5 MPa
スギ(Cryptomeria japonica) -1.0 MPa -2.0 MPa 低(湿潤好み)
トドマツ(Abies sachalinensis) -1.0 MPa -2.2 MPa 低〜中
ブナ(Fagus crenata) -1.5 MPa -2.8 MPa
コナラ(Quercus serrata) -2.0 MPa -3.5 MPa
ユーカリ(E. globulus) -2.5 MPa -4.5 MPa 非常に高

干ばつ深度の指標は HSM = Ψmin − Ψ50(Choat et al., Nature 2012)が国際標準。世界 226 種解析で HSM 中央値は 1.0 MPa にすぎず、多くの樹種が「カタストロフィー寸前」で運用。日本のスギは HSM ≒ 0.5〜1.0 MPa と狭い脆弱種です。

7. 灌水管理への応用 ― 設計から運用まで

7-1. 灌水トリガー(Ψ ベース)

FAO-56 では作物別に「許容水分減耗率 p」を 0.3〜0.7 で設定し、RAW = (FC − PWP) × p を消費したら灌水。林業苗畑では p=0.3〜0.5 が安全側です。

場面 灌水開始 Ψm 目標含水率(壌土) 備考
コンテナ苗(マルチキャビティ) -10 〜 -20 kPa θ 0.30〜0.35 培地保水量 30〜40%
露地苗畑(スギ・ヒノキ) -30 〜 -50 kPa θ 0.22〜0.27 3 段階灌水
植栽 1 年目活着期 -50 〜 -80 kPa θ 0.20〜0.25 夏季のみ補水
成林(無灌水運用) -300 kPa まで許容 θ 0.15 成熟林は基本無灌水
果樹(参考、欧州 PRD 灌水) -50 〜 -150 kPa θ 0.20〜0.25 Partial Root Drying

7-2. 灌水量設計

灌水量 I(mm) = (θFC − θ現在) × 有効根域深 D(mm)。コンテナ苗(D=15 cm)で θ 0.20→0.35 の補充は 22.5 mm、面積 1 m² なら 22.5 L。これを毎日給水ポンプ流量から逆算します。

7-3. 自動灌水システム構成例

  • センサ:Teros 21(MPS)×3 本、深度 5/15/30 cm
  • データロガ:ZL6(METER)または独自 ESP32 + LoRa
  • 判定ロジック:3 本平均 Ψm < -30 kPa でリレー ON、5 mm 給水で停止
  • クラウド:AWS IoT Core / Azure IoT Hub、Grafana 可視化
  • 導入コスト:1 ha 規模 で 80〜150 万円、回収 3〜5 年

8. 林業実務 ― 造林・育苗・森林管理

8-1. 苗木活着

植栽直後 30 日が最重要期間。土壌 Ψm が継続的に -1.0 MPa を下回ると活着率が急落(東北地方ヒノキ実証:-1.0 MPa 持続 7 日で活着率 50%、3 日で 80%)。植栽時期は梅雨入り直後または秋雨期が原則で、夏季植栽はマルチング・灌水なしでは推奨されません。

8-2. 育苗の段階別管理

育苗段階 目標 Ψm 操作
発芽期(〜2 週) -5 〜 -10 kPa 常時湿潤、ミスト灌水
初期生育(2〜8 週) -10 〜 -30 kPa 培地表面が乾く前に補水
充実期(2〜6 ヶ月) -30 〜 -100 kPa 適度な水ストレスで根発達促進
馴化期(出荷前 4 週) -100 〜 -300 kPa 耐乾性付与、間欠乾湿
輸送・植栽前 -30 〜 -50 kPa 飽水状態に戻す

8-3. 森林水文・水源涵養

森林流域の蒸発散は年降水量の 30〜50%(日本平均 36%、FFPRI 長期観測)。土壌 Ψm 連続観測により 渇水期の流量予測が可能。三重大谷流域(スギ・ヒノキ林)では深度 50 cm の Ψm が -200 kPa を下回ると渓流流量が指数的減少することが報告されています。

8-4. 森林火災リスク

表層土壌 Ψm が -1.0 MPa 以下で 14 日以上継続すると、リター層含水率が燃焼閾値(FFMC > 87)に達する確率が 70% を超える(Canadian FWI System 解析)。日本でも 2022 〜 2024 年の春季火災で類似傾向が確認されています。

8-5. 樹種選定

  • 年最低 Ψm が -2.0 MPa を下回る尾根筋・南斜面:アカマツ、コナラ、クヌギ
  • 年最低 Ψm -1.5 〜 -2.0 MPa の中腹斜面:ヒノキ、カラマツ
  • 年最低 Ψm -1.0 〜 -1.5 MPa の沢筋・北斜面:スギ、トドマツ
  • 地下水位浅い湿地・河畔:ハンノキ、ヤナギ、メタセコイア

9. 国際比較 ― 観測・基準・運用

地域/国 主要観測網 運用基準 特徴
日本(FFPRI) 森林総研 14 試験地、AsiaFlux 5 サイト 独自指標、農水省 灌漑排水基準(2018) 多雨・地形複雑、火山灰土主体
米国(USDA) SCAN(Soil Climate Analysis Network, 218 サイト), AmeriFlux USDA NRCS 基準、p=0.5 長期データ>40 年、SMAP 衛星統合
EU(ICOS, 14 ヶ国) ICOS Ecosystem 90+ サイト, COSMOS-Europe EUROSEM、ISO 11277 標準化進行、データ無償公開
独(DWD/UFZ) SoilNet(ヘルムホルツ、170+ ノード/サイト) 無線メッシュ高密度 世界最高密度の点観測
豪州(CSIRO) OzNet(NSW 60 サイト), TERN p=0.3〜0.4(乾燥地) SMAP 検証主役
中国(CAS) ChinaFLUX 79 サイト 国家基準 GB/T 急速整備、AI 解析比重大
FAO 国際基準 FAO-56(1998 改訂) p 係数、Kc 法 世界灌漑のデファクト

FLUXNET2015(200+ サイト統合)は SWC・VPD 等を 30 分値で公開。SoilNet(独 Jülich、無線メッシュ)は 1 サイトに 150〜180 センサを 1 m 格子で配置し空間異質性を定量化した世界基準ネットワークです。

10. AI/IoT センサー応用 ― 次世代の Ψ 管理

10-1. LoRa/NB-IoT 低消費無線

SoilNet 型は 433/868 MHz LoRa で 5〜10 年電池駆動。1 ノード 5,000〜15,000 円、ゲートウェイ 5 万円で 100 ha 流域を被覆可能。日本では Sigfox/Wi-SUN/LoRaWAN(ARIB STD-T108)が利用可能。

10-2. AI 補間・予測

手法 用途 代表モデル 性能
LSTM/GRU Ψ 時系列予測(1〜7 日先) Fang et al. 2017 R² 0.85〜0.95
Random Forest / XGBoost センサ欠損補間 Nguyen 2021 RMSE 0.05 MPa
CNN(衛星画像 → Ψ) 空間内挿、SMAP ダウンスケール NASA SMAP-Sentinel 1 km 解像
Transformer(multivariate) Ψ+気象+蒸散 共同予測 Informer, FEDformer Long-horizon 改善
Physics-Informed NN(PINN) Richards 方程式統合 Bandai & Ghezzehei 2022 パラメータ未知でも解
Digital Twin 圃場/流域シミュレータ HYDRUS-1D + IoT 結合 運用最適化

10-3. 衛星リモートセンシング統合

  • NASA SMAP(2015〜):L バンド 1.41 GHz、9 km 表層 5 cm θ、3 日リビジット
  • ESA SMOS(2009〜):MIRAS 干渉計、35〜50 km、2〜3 日
  • Sentinel-1 SAR:C バンド能動、1 km、6 日(SMAP-Sentinel ダウンスケール)
  • GRACE-FO:重力差 → 全層水貯留、300 km、月
  • 地上検証:SoilNet・OzNet・RISMA など世界 50+ ネットワーク

11. 気候変動と土壌水分 ― 観測されている変化

IPCC AR6 WG1(2021)は 「中緯度域の土壌水分は 1950 年以降減少傾向、2050 年までに -10〜-30%」と評価。日本では JMA/MRI 解析で次の傾向が確認されています。

指標 過去 30 年トレンド 2050 年予測(RCP8.5)
年平均気温(日本平均) +1.30℃/100yr +2.0〜+3.0℃
VPD 夏季 +0.15 kPa +0.4 kPa
表層土壌水分(5 cm) -3 vol%(西日本) -5〜-8 vol%
連続無降水日数 +1.2 日/10yr +5〜+10 日
渇水年頻度 10 年に 2 回 → 3 回 4〜5 回
年最低 Ψm(スギ林、推定) -1.2 → -1.5 MPa -1.7 〜 -2.0 MPa

結果として HSM 縮小→キャビテーション増→集団枯損リスクが世界各地で観測。米国カリフォルニアの 2012〜2016 年大干ばつでは森林 1.2 億本が枯死(USFS 2018)、日本でも九州・四国でスギ集団枯損が増加傾向。適応策:

  • 耐乾性樹種への部分転換(マツ・コナラ・クヌギの混交)
  • 立木密度低減(高度間伐)で 1 本あたりの水確保
  • 改植時期の前倒し(春期植栽 → 秋雨期植栽)
  • マルチング・残材敷設で表層 Ψm 維持
  • IoT モニタによる早期警報システム

12. 計測実例:日本のフィールド

サイト 機関 計測内容 主要知見
富士吉田カラマツ林 FFPRI Teros 21、5/30/100 cm 深、10 年 梅雨明け 30 日で 100 cm Ψm が -200 kPa まで低下
鹿北スギ流域(熊本) FFPRI テンシオメータ+TDR、流量同期 Ψm -300 kPa で渓流流量が log 直線減少
知床ミズナラ林 北海道大 湿度サイクロメータ+葉水Ψ Ψleaf -2.5 MPa が気孔閉鎖閾値
奈良吉野ヒノキ人工林 京都大 SoilNet 型 50 ノード 南北斜面で Ψm 差最大 0.8 MPa
三重大谷スギ流域 三重大 30 m タワー+土壌 Ψ VPD と Ψm の線形応答 R²=0.78
SPAC ポテンシャル勾配(典型値) 土壌から大気までの Ψ 勾配を縦軸 -200 〜 0 MPa で表示。 図3 SPAC(土壌-植物-大気)の Ψ 勾配 0 -1 -2 -5 -50 -200 Ψ(MPa, log 似) 土壌 -0.1 根 -0.7 幹 -1.2 葉 -2.0 大気 -100 出典: Jones (2014) Plants and Microclimate
図3:SPAC の Ψ 勾配。土壌から大気にかけて Ψ が急減し、これが水流の駆動力。

13. よくある質問(FAQ・10 項目)

Q1. 永久萎凋点(-1.5 MPa)は誰が決めたのですか

A. Briggs & Shantz(1912)の古典実験で萎凋回復不能な含水率を測定、後に Schofield(1935)が Ψ で再定義。種・温度で ±0.3 MPa 変動するが、ISO 11274 と FAO-56 で -1.5 MPa(pF 4.2)が標準。

Q2. 圃場容水量と最大容水量はどう違いますか

A. 最大容水量は飽和(Ψ=0)。圃場容水量(FC)は重力排水後で慣行 -0.033 MPa。日本の黒ボク土では実 FC が -0.01〜-0.02 MPa の例もあり、土壌別 SWRC 実測が望ましい。

Q3. テンシオメータとサイクロメータの使い分けは

A. テンシオメータは 0〜-0.085 MPa(湿潤帯)、サイクロメータは -0.1〜-10 MPa(乾燥帯)と適用域が排他的。林業苗畑では Teros 21 等の MPS センサで -0.009〜-100 MPa 全域カバーが現実解です。

Q4. pF と MPa の素早い変換は

A. pF = log10(|Ψm| in cmH₂O)1 cmH₂O ≒ 0.0001 MPa = 0.098 hPa。代表値:pF 0=0 MPa、pF 1.8=-6 kPa、pF 2.5=-33 kPa、pF 3.0=-100 kPa、pF 4.2=-1.5 MPa、pF 7.0=-100 MPa。林業現場ではテンシオメータ目盛 (kPa) ×0.001 で MPa、× 10.197 で cmH₂O と暗算可能です。

Q5. TDR/FDR は θ を測りますが Ψ への変換は

A. 同一土壌の SWRC を実測し van Genuchten 式で α, n をフィット、θ → Ψ を逆算。SWRC が無い場合は Pedotransfer Function(Saxton-Rawls 2006、ROSETTA)でテクスチャから推定(誤差 ±0.2 MPa)。

Q6. 林業現場で Ψ を測る費用対効果は

A. 苗畑年産 50 万本規模で IoT 導入 120 万円・運用 20 万円/年に対し、活着率 +10 pt と灌水 -30% で 3 年回収。100 ha 流域モニタは公共予算が現実的水準。

Q7. 干ばつで樹木が枯れる物理プロセスを簡潔に

A. 土壌 Ψm 低下 → 根 Ψ 低下 → 木部張力上昇 → Ψ50 突破でキャビテーション → 通水路遮断 → 葉 Ψ 急落 → 気孔閉鎖 → 光合成停止 → 炭素飢餓で枯死。McDowell et al.(2008)の水力学破綻 vs 炭素飢餓仮説で体系化。

Q8. SPAC モデルとは

A. 土壌-植物-大気を 1 つの連続体として水・エネルギー輸送を Ψ 勾配で記述する枠組み(Philip 1966)。Richards 方程式(土壌)+ Cohesion-Tension(木部)+ Penman-Monteith(蒸散)で構成され、HYDRUS-1D、SCOPE、SiB4 など現代モデルの骨格。詳細は次回 D13 記事。

Q9. 火山灰土(黒ボク土)の Ψ 管理で気をつけることは

A. 容積重 0.5〜0.7 と低く保水量大の一方、アロフェン微孔隙の不可逆乾燥で再湿潤に時間。有効水分は θ 0.20〜0.30 と高いが、PWP 近傍で Ψ が急変するため IoT 連続観測で傾き監視が有効です。

Q10. 衛星 SMAP と地上 Ψ 観測のどちらを使うべきですか

A. 広域・流域(>1 km)は SMAP/SMOS、林分・苗畑(<1 ha)は地上、中間は Sentinel-1 ダウンスケール。地上検証なし衛星単独は誤差 ±10 vol% に達するため FLUXNET/AsiaFlux 統合が世界標準。

14. 関連記事

主要参考文献

  • Allen R.G. et al., FAO Irrigation and Drainage Paper 56 (1998)
  • van Genuchten M.Th., Soil Sci. Soc. Am. J. 44:892-898 (1980)
  • Choat B. et al., Nature 491:752-755 (2012) Global convergence in vulnerability to drought
  • McDowell N. et al., New Phytologist 178:719-739 (2008)
  • IPCC AR6 WG1, Climate Change 2021
  • FLUXNET2015 Dataset (fluxnet.org)
  • Bogena H.R. et al., SoilNet wireless sensor network, Vadose Zone J. (2010)
  • 森林研究・整備機構 FFPRI 年報・長期試験地データ
  • 農林水産省 灌漑排水基準(2018 年改訂)
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