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)。
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。
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 | 中 |
| 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 | 中 |
| コナラ(Quercus serrata) | -2.0 MPa | -3.5 MPa | 高 |
| 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 |
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
- 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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