149cover2 (2021-12-06 10:52)

土壌の物理性第 149 号

令和 3 年11 月 20 日発行（年 3 回発行）

昭和 45 年 7月 31 日

学術刊行物承認

土壌の物理性Journal of the Japanese Society of Soil Physics

土壌物理学会Japanese Society of Soil Physics

ISSN 0387‑6012

第 149 号
2021年 11月

土壌の物理性
第 149 号

目
巻頭言2021 年 11 月

次
祥之

...

1

水田転換畑における土壌の乾燥と気孔コンダクタンスを用いたダイズの水ストレスの関係の観測および観測時刻別モデル化
坂口 敦 · 辻 卓弥 · 藤井理樹 · 荒木英樹 · 高橋 肇...

3

土壌中における音波の伝播距離の推定と共鳴法の測定範囲について
深田耕太郎 · 難波将希 · 木原康孝

...

13

機種や作業者の相違を考慮した貫入式土壌硬度計の定量的な使用に
江波戸宗大
向けた評価

...

23

...

37

...

47

...

55

...

63

初心者のための IoT 実習 — 温湿度モニタリング機器を作ってみよう —高草木和史 · 海津 裕 · 溝口 勝

...

69

日本地球惑星科学連合（JpGU）2021 年大会 A-GE27 開催報告
斎藤広隆 · 加藤千尋 · 濱本昌一郎 · 小島悠揮 · 森也寸志

...

73

日本地球惑星科学連合（JpGU）2021 年大会 A-HW22 開催報告
前田守弘 · 入野智久 · 小野寺真一

...

77

環境保全のための地下水水質化学 地球化学，地下水および汚染 (上)·(下)
中村公人

...

81

濵田耕佑

...

83

会務報告

........................................................................

87

編集後記

........................................................................

92

論

凌

文

JpGU 特集論文

気温および大気中二酸化炭素濃度の上昇が津軽地域リンゴ園における土中 CO2 動態におよぼす影響
加藤千尋 · 遠藤 明 · 伊藤大雄 · 石田祐宣

研究ノート
TDR を用いた水中ファインバブル濃度推定手法の検討
谷川原龍之介 · 小島悠揮 · 濱本昌一郎 · 神谷浩二
Arduino 特集
研究ノート
Arduino と XBee を用いた土壌水分 · 塩分センサネットワークの開発— 宮城県津波被災農地における土壌水分 · 塩分の計測事例 —石川洋平 · 野口卓朗 · 宮本英揮 · 徳本家康
資 料
M5Stack IoT 開発ボードを利用した栽培環境の遠隔モニタリング
平嶋雄太 · 牧 貴広 · 古藤田信博 · 徳本家康 · 宮本英揮
資

書

料

評

土粒子

地球環境保全を志向した研究

①a

①b
③

②
④

表紙写真の説明①②③④「灌水圃場と天水圃場の水ストレスの違いによる葉面温度差」
a：右がダイズの灌水圃場（非水ストレス），左がダイズの天水圃場（水ストレス）である．b：圃場の水
ストレスの違いに伴う葉温の温度差を熱赤外線カメラ搭載のドローンで空撮した熱画像である．灌水圃
場はポテンシャル蒸散を維持しているので葉温が低温（青 ∼ 緑色）であり，天水圃場は蒸散が少なく葉温が高温（黄 ∼ 赤色）となる．地面は葉温用に設定した温度レンジ以上の高温となるため非温度（白色）として表示される．ダイズ群落内で根密度調査用にダイズを刈った地点でも地面が露出しているため白く見える．また，葉と地面の境界である圃場の周囲では，それぞれが混在する温度を反映して高温（赤色）を示す．詳しくは，今号掲載の論文「水田転換畑における土壌の乾燥と気孔コンダクタンスを用いたダイズの水ストレスの関係の観測および観測時刻別モデル化」をご参照下さい．
「貫入式土壌硬度計を用いた現地圃場の調査風景」
貫入式土壌硬度計による土壌物理性簡易診断では，圃場全面において深さ 60 cm までの土壌硬度分布を測定し，圃場内の水の溜まりやすさを面的に評価することで，圃場の排水性改善に役立てている．この技術を広く普及させるには，貫入抵抗値に対して機種や作業者の相違がもたらす影響を明らかにする必要がある．詳しくは，今号掲載の論文「機種や作業者の相違を考慮した貫入式土壌硬度計の定量的な使用に向けた評価」をご参照下さい．
「共鳴筒を利用してまさ土の気相率と通気係数を測定する」
まさ土を充填したステンレス製円筒容器（写真手前）と，共鳴筒（写真奥）をつないだ状態．円筒容器の底部に蓋をした状態と蓋をしない状態（写真）で測定結果を比較することで，音波の伝播距離を推定し，気相率と通気係数を測定するための試料の長さを決定した．詳しくは，今号掲載の論文「土壌中における音波の伝播距離の推定と共鳴法の測定範囲について」をご参照下さい．
「リンゴ栽培ビニールハウス内の様子」
弘前大学農学生命科学部附属藤崎農場にあるリンゴ栽培ビニールハウス内において大気中 CO2 濃度および気温を制御した．詳しくは，今号掲載の論文「気温および大気中二酸化炭素濃度の上昇が津軽地域
リンゴ園における土中 CO2 動態におよぼす影響」をご参照下さい．

土壌物理学会会則の改正について
土壌物理学会事務局

2021 年 10 月 30 日に開催された土壌物理学会総会において，土壌物理学会会則の改正が決定されました．

1. 設立日の追記
学会設立の目的のあとに設立日を明記する．

2. 賛助会員の広告料の見直し
賛助会員の広告料について，現行の 1 ページあたり 22500 円を「土壌の物理性各号につき 1
ページ無料」に変更する．ただし，2 ページ目以降は現行と同じく 22500 円とする．

土壌物理学会会則の改正に伴う新旧対応表
改正部分はアンダーラインで記載（改正日：2021 年 10 月 30 日）

1．設立日の追記に伴う会則改定
新
第2条

旧

本学会は土壌物理に関する研第 2 条 本学会は土壌物理に関する研究究の進歩と普及を図り，農業技術およびの進歩と普及を図り，農業技術および環環境科学の発展に貢献することを目的と

境科学の発展に貢献することを目的とす

し，1958 年 3 月 1 日設立する．

る．

2．賛助会員の広告料の見直しとそれに伴う会則改定
新

旧第 5 条 会員は次の会費を所定の期日ま

第 5 条 会員は次の会費を所定の期日までに納めるものとする．

でに納めるものとする．

正会員

年額

シニア会員

年額

学生会員

年額

5,500 円
3,000 円
3,000 円（大学院生を含む）
賛助会員

一口年額

購読会員

会誌年額

正会員

年額

シニア会員

年額

学生会員

年額

（大学院生を含む）

22,500 円
7,500 円

賛助会員

一口年額

購読会員

会誌年額

広告料

広告料

賛助会員

賛助会員

賛助会員以外土壌の物理性各号

2 ページ目以降は賛助会員以外5,500 円
3,000 円
3,000 円

1 ページ無料
10,000 円 / ページ
22,500 円 / ページ

22,500 円
7,500 円
15,000 円
22,500 円

第 19 回（ 2021 年度）土壌物理学会賞（論文賞）選考結果
土壌物理学会

学会賞選考委員会
委員長

足立泰久

学会賞選考委員会として下記の論文を論文賞としてふさわしいと決定しました．

1．著者
坂井

勝 · 三重大学大学院生物資源学研究科

高橋由奈 · 三重大学大学院生物資源学研究科
丸山篤志 · 農研機構

農業環境技術研究所

2．対象論文
群落熱収支モデルと HYDRUS-1D の連結プログラムを用いた畑地の土壌水分量 · 地温予測モデルの構築−ダイズ栽培圃場における蒸発 · 蒸散の配分割合の検討，第 146 号, pp. 3 ∼16, 2020.
3．推薦理由畑地における土壌水分量と地温は，種子の発芽や根の伸長，養分吸収，土壌微生物活動，有機物の無機化などの化学反応などと密接に関連し，その正確な予測は営農上重要な課題である．本論文では，これらの予測に土壌と植被の 2 層モデルに HYDRUS-1D を連結したモデルが優位であることを指摘し，その妥当性をダイズ圃場における測定に基づいて解析している．圃場測定では，土壌水分，雨量，気温，湿度，風向風速，放射収支，ダイズの草丈，LAI，地表面被覆率を測定している．解析の結果，地表面被覆率に基づいて放射透過率を与えることで，適切な可能蒸発·蒸散の配分割合を計算できることを明らかにし，モデルの有効性が確認された．また，今後はさらに根圏域の水分移動の正確な評価が重要であることを指摘している．
以上の理由により，対象論文は第 19 回土壌物理学会賞（論文賞）に値するものと認め，ここに推薦する．
本結果は 2021 年 10 月 18 日に開催された評議員会にて承認され，2021 年 10 月 30 日に開催された大会で授賞式がおこなわれました．

第 19 回（ 2021 年度）土壌物理学会賞（ポスター賞）受賞者
土壌物理学会

学会賞選考委員会
委員長

足立泰久

開催日：2021 年 10 月 25 日から 2021 年 11 月 5 日（コアタイム：10 月 30 日）
会

場：LINC Biz によるオンライン発表および zoom によるコアタイム討論

以下の発表が会員および学会賞選考委員会の投票によりポスター賞に選ばれました．

⃝ 業 績：熱負荷が施肥の異なる黒ボク土の土壌団粒安定性に与える影響
著 者：関口覧人 · 斎藤広隆 · 田中治夫 · 向後雄二
⃝ 業 績：繰り返し凍結 · 融解下における複数重金属汚染土壌の同時不溶化効果の解明
著 者：社本凜太郎 · 小島悠揮 · 神谷浩二
⃝ 業 績：雪国オリーブの越冬対策：冬における樹木の根域全体を加温する技術の開発
著 者：伴田千紘 · 百瀬年彦
⃝ 業 績：水田における気泡メタンフラックス測定装置の開発
著 者：浪江日和 · 島田かさね · 趙双双 · 当真要 · 石黒宗秀 · 波多野隆介⃝ 業 績：凝集系 Na −モンモリロナイトの準希薄系で観察される沈降乱流
著 者：Muhamad Ezral Bin Ghazali·Li Zi Fan·Harumichi Kyotoh·Yasuhisa Adachi

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 149, p.1 ∼ 2 (2021)「土壌物理学に隆盛を」凌祥之 1

原稿を書いている 2021 年 9 月時点では新型コロナウイルスによる緊急事態宣言が各地で延長され，福岡でも宣言が継続されることになりました．人類がウイルスに打ち勝った証とした東京オリンピックが終わりましたが，新型コロナウイルスの新型株が日々報告されています．我々が思う以上に彼らは難敵で，進化しています．結局現時点では，我々は新型コロナウイルスに打ち勝つどころか，共生するしかないのではないかと思われます．感染する心配は尽きませんが，我々の考え方を少し変える契機になるのかもしれません．新型コロナウイルスの問題は，災厄をもたらしただけではなく，社会のあり方や経済の方向を考え直すという意味で，ポジティブなチャンスとも言えます（感染症に「強い社会」「弱い社会」，文芸春秋 2020 年 11 月号，pp. 224–235）．実際に出向くことはなかなか叶いません
が，旅費や旅行日数を心配せずとも，容易に国際学会や国際シンポジウムに参加し，発表できるようになりました．
勿論，学会会場でちょっとした立ち話ができないことや，会食を共にし，時間を共有し，懇談し，会話する機会は失
われ，やはり一部は対面に適わない部分があるのは否定できません．しかしもう暫くすれば，幾つかの学会大会は，
対面とオンライン参加を併用したハイブリッド開催が主流になるかもしれません．一方，学会活動に限れば，インパ
クトファクターが無い和文誌の不調，特に学生会員の減少に伴う会員数の減少が深刻化しています．オンライン，インターネットの影響で，学会に入らなくても容易に様々な情報にアクセスでき，発表もできるようになっています．
専門家集団である「学会員」になるメリットが明確でなくなってきています．
巻頭言の執筆の機会を頂いた関係で，これまでの土壌物理学会誌を見直したり，今年度の農業農村工学会大会講演
会の土壌物理のセッションを覗いてみたりしました．懐かしいお名前や，用語を見聞き，時折感慨に浸っておりました．総じて，昔勉強したことと大きな違いはないのではないかと思いました．学会誌は投稿者も存じ上げている大御所の方が多く，学会誌のテーマも昔と大きくは差異がないのかなと思いました．勿論，IoT，ICT，AI などの新たな技
術を土壌物理学に適用した事例など，適切に新たな技術を導入されている内容は感服しました．また今年の学会大会
は思いのほか「土壌物理」のセッションの参加者が少ない印象でした．江口定夫氏および取出新会長の学会誌の巻頭言を見て合点が行きました．土壌物理学会の会員は 300 名程度になったのですね．かつて賑やかだった農業農村工学
会の土壌物理のセッションも発表者が少ないとは感じていましたが，その理由が分かりました．我々の生活，農業を支える土壌を，物理学的な観点から取り扱い，持続的な農業と生活を追求する研究者集団が少なくなっているのは残念です．そこには様々な問題が介在しています．
中国南京大学李保国氏は，「土壌物理学における注目分野には，「土壌構造」，「土壌水分モニタリング・動態シ
ミュレーション」，「農地水文プロセス・水生産力」，「土壌中の汚染物とコロイドの移動」，「土壌生物物理」，「土壌の物理性質に対するバイオマス炭素の作用メカニズム・効果」の 6 つがある」としています（サイエンスポータル

https://spc.jst.go.jp/hottopics/1510/r1510 li2.html）．これらは，私が土壌物理学を勉強したころから言われていたテーマが多いです．その間，様々な成果が出ていますが，それでも未だ解明できていない問題が多いということでしょう．
勿論，学問に流行りがあることも否定しません．技術が進歩しても，自然現象を全て解明することはできません．人間が自然を支配し，その機構を全て解明するのはおこがましいでしょう．研究は少しずつ成果を紡いでいくことが必要です．
閑話休題．農業農村工学会の理事会でも，学会員の減少，学生会員の減少は時に話題になります．そのような話の流れで，教員は毎日，生き生き，ワクワク研究しているか？ 学生は教員の背中を見ている，という話になります．自身ではなかなかそんなことがなくなりました．勿論年齢的な問題もあります．しかし，昔は農村に小さな空港を作るとか，何か夢を語っていた，夢があった記憶があります．今の教員，研究者は夢を持てているでしょうか．自身を振り返ると，毎日の業務に追われ，その時間が無くなってきています．若い助教を見ても，どうも学生の指導などで手いっぱいのようです．そんな教員の姿を見ていては大学に残りたいと思う学生も少なくなるのではないかと危惧しています．
私は，毎年多くの卒業生にお願いし，在学生に我々の研究分野の明るい未来を語っていただくような出前形態の講
1 九州大学大学院農学研究院

土壌の物理性

2

第 149 号

(2021)

義を担当しています．生憎ここ数年は，そんな明るくて夢のある話を伺った記憶がありません．そうなれば，講義を聴講した学生も明るい未来を想像できなくなるのではないかとも思います．
そんなさなか，農水省が「月面等における長期滞在を支える高度資源循環型食料供給システムの開発」する戦略プ
ロジェクトを立ち上げていることをニュース報道で知りました．昔から，月で整備事業と冗談を言っていたことはありましたが，月の研究ははるか夢物語でした．しかし，その中には「例えば培養肉など，高効率な食料生産技術，及び生物処理や物理化学処理を用いて有機性廃棄物等を処理する高効率な資源再生機能を併せ持つ高度資源循環型の食料供給システムを開発します」とあります．こう考えると，がぜん今やっている研究に近づいた気がします．月面で，月の土壌で農業生産を行うことはまだ難しいでしょうが，土壌物理学の知見は必ずや資源再生機能や有機性廃棄物の処理などに適用する部分も出てくるのではないでしょうか．
何かしら，そんなワクワクする気持ちになれれば研究者になろうという若者が増えてくるに違いないと考えています．無論，状況はそんなに容易でないかもしれません．しかし，「生き生き」，「ワクワク」していれば，何となくでも日々楽しくなりそうです．
学会として，必要なことの一つははまず関心を持っていただく若い研究者を捕まえることでもあるでしょう．農業
農村工学会の会員は約 1 万人います．これは農学系では最大規模です．しかし土壌物理学会の会員はその 3/100 程です．
規模が小さい学会は学会活動の縮小で，どこも悩みは同じようです．学会員の減少，研究勢力の減少，研究勢力の地位低下．これらは複雑に関係してきます．特効薬がある訳ではないと思います．勿論，各研究者が有意義な研究を行い，次の世代に適切に繋げていく努力こそ最も重要な活動になるでしょう．
土壌は我々の生活や農業生産を支える基盤ですが，総じて縁の下の力持ち，なかなか最先端の研究にはならない場
合があるかもしれません．しかし，環境や幸福という問題の本質は数字に置き換えられません（資本主義のオルタナ
ティブ，農に第 3 の道あり，藤原辰史，斎藤幸平，中央公論，2021 年 3 月号，pp. 86–94）．
一方，新しい問題も起こります．気候変動の問題はこれから大きく様々にのしかかります．大気の変動が土壌にも大きく影響します．温度よりも降雨の降り方で，湿害と干害が交互に起こります．排水性の問題，土中の炭素の貯留の対策など，今後ますます解決が望まれるでしょう．例えば，圃場排水下の水動態は，浅水暗渠や新たな排水技術下での解明ができていない部分もあります．SDGs への貢献も求められるでしょう．炭化物などバイオマス変換物の施用では，施用の効果が必ずしも毎年継続しません．
私は，現役として教育研究に打ち込める時間は残り少なくなっています．好奇心が衰えることはないと信じますが，
体力，気力は如何ともしがたいものがあります．何等か将来にバトンを渡す使命として，残された現役として，土壌物理学，灌漑工学やバイオマス利用の教育研究を継続したいと思います．現在も，灌漑や圃場の水利用と合わせて，バイオマスの農業利用の調査研究を行っています．炭化物などのバイオマス変換物を使って，持続的な農業を目指す
ように，尽力しているつもりです．
我々の生活を支える観点からは土壌は極めて重大な「コモンズ」で，重要な役割を示しています．今一度，認知を広げるような工夫が必要かもしれません．私の研究にも土壌物理学は必ず必要ですし，土壌，水と作物のインターア
クションは，農業生産の根幹です．IoT の利用や SDGs 達成のためにも極めて重要な部分を担っていると信じます．
これまで以上に，新たな研究成果を積み上げて，土壌物理学が隆盛することを切に望みます．

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 149, p.3∼12 (2021)

水田転換畑における土壌の乾燥と気孔コンダクタンスを用いた
ダイズの水ストレスの関係の観測および観測時刻別モデル化
坂口 敦 1 · 辻 卓弥 1 · 藤井理樹 1 · 荒木英樹 1 · 高橋 肇 1

Hourly observation and modeling of relationship between dryness of soil and water stress of soybean
measured by stomatal conductance at converted ﬁeld
Atsushi SAKAGUCHI1 , Takuya TSUJI1 , Toshiki FUJII1 , Hideki ARAKI1 and Tadashi TAKAHASHI1

Abstract: We deﬁned a water stress index which is a ratio of stomatal conductance of soybean between rain fed
ﬁeld and non-water stress ﬁeld, and regressed the water
stress index on soil moisture in the rain fed ﬁeld. In addition, we applied a Jarvis model of soybean to estimate thestomatal conductance in the non-water stress ﬁeld without
measuring in the ﬁeld. As a result, the stomatal conductance of both ﬁelds did not give signiﬁcant difference inthe morning, and correlation was not seen between the water stress index and the root zone suction in the rain fed
ﬁeld at 10 o’clock. On the other hand, the stomatal conductance gave signiﬁcant difference in the afternoon, andthe higher coefﬁcient of determination was seen between
the index and the suction at 13 o’clock when they were regressed by the equations of ellipse, the Feddes model andthe S-shape model. We suppose the 13 o’clock would be
the suitable time to model the transition of water stress in
response to drying of soil. Regarding the Jarvis model, we
found that the calibration for each time makes the value of
coefﬁcient of determination increase, although this is notreported in previous studies.
Key Words : soil moisture, stomatal conductance, Jarvis
model, drought damage, soybean

初期の根の生長が盛んな時期と梅雨期が重なるために根の生長が抑制される場合が多く（Hirasawa et al., 1998），
梅雨明け後の蒸発散量が多い時期に比較的湿潤な深部土壌から吸水する事ができずに干害を受けやすいものと考えられる．中野ら（2017）はダイズへの灌漑効果を地域的に提示する事を目的として，水ストレスとダイズ収量の関係を解析した．当研究では降水量と作物蒸発散量の差分を水ストレスの指標としており，論文中には明記されていないが降水量と作物蒸発散量の差分は土壌水分の変化傾向と概ね一致するものと考えられる．土壌水分は推定のみならず実測もセンサーを用いて経時的に行う事ができるため，経時的な圃場の水分指標として用いられる事が多いが，土壌水分は灌漑の作物生育に対する効果の直接的な指標ではない．灌漑の作物に対する効果を経時的に評価するには作物の水ストレスを測定する必要がある．水ストレスの測定方法としてはプレッシャーチャ
ンバーによる葉の水ポテンシャルの測定，サップフロー
センサーによる茎内流量の測定，リーフポロメータを用いた葉の気孔コンダクタンスの測定，葉温測定に基づく
葉気温差や，ポテンシャル蒸散状態にある湿潤葉の葉温と無蒸散状態にある乾燥葉の葉温に対する任意葉の葉

1. はじめに温から任意葉の水ストレス状態を推定する CWSI: Crop

本邦においては水田への輪作体系の導入や水田の転作用が挙げられるが，気孔コンダクタンスの測定は比較的の推奨に伴いダイズが栽培される機会が増え，水田の排容易である．根域の土壌水分が不足した状況では作物は水性の悪さからダイズの湿害対策が盛んに研究されてい蒸散を抑えるために気孔を閉じ，気孔コンダクタンスはる．しかし，ダイズは湿害の他に干害によっても収量が低下する．どの程度の土壌水分を作物が適当と判断する

大きく変化する作物であり，熊谷ら（2018）は過去 33のかについては灌漑において有用な情報であるが，作物年間に実施された生産力検定試験の成績をもとに，本邦Water Stress Index（Jackson et al., 1981）などの指標の利収量を指標として適当な土壌水分値を推定した研究は多のダイズの収量が土壌の乾燥の影響を強く受けている事

いものの（柴田 · 金子, 1978; 村上, 2009; 細野ら, 2014），を明確化した．特に本邦の九州などの温暖地を除く地域

栽培期間中に土壌水分と作物の水ストレスの関係を経においては梅雨前の 5 月 ∼ 6 月にダイズを播種し，生育時観測した研究は比較的少ない．例えば，最近はスマー

1 Graduate School of Sciences and Technology for Innovation, Yamaguchi

るが，自動灌漑では灌漑を開始すべき閾値となる土壌水

University, 1677-1 Yoshida, Yamaguchi city, 753-8515, Japan, Corresponding author: 坂口 敦, 山口大学大学院創成科学研究科
2021 年 3 月 14 日受稿 2021 年 6 月 21 日受理

ト農業が注目され自動灌漑も普及するものと予想され分値を適切に決定する必要があり，栽培期間中に得られた土壌水分と作物の水ストレスの関係のデータが有用に

土壌の物理性

4

第 149 号

（2021）

要因でも変化するため，土壌水分が不足した圃場の作物

2020 年 6 月 5 日に苦土石灰を 1 m2 当たり 100 g 散布
し，8 日に畝幅 150 cm，高さ 15 cm で耕起し，塩化加里を 1 m2 当たり 5 g および過リン酸石灰を同 5 g 混入した．その後，9 日にダイズ（品種：サチユタカ）を 1 畝
当たり条間 75 cm で 2 条，1 条につき 1 m 当たり 30 粒で播種した．更に，6 月 29 日に間引きを行い，栽植密度
を 1 m2 当たり 15 株とした．2 圃場の内の片方は水ストの気孔コンダクタンスだけを観測しても，土壌水分と水レス圃場として無灌漑で天水栽培し，もう片方は非水ス

ストレス指標としての気孔コンダクタンスの関係を解明

トレス圃場として梅雨が明けた 8 月 1 日以降，圃場に深する事はできないものと考えられる．そこで，土壌水分度 10 cm で設置したテンシオメータが 19.6 kPa（pF 2.3）が不足した圃場（以降，水ストレス圃場と称す）の気孔に達した時点で畝間灌漑を行う事とした．

なる．
本研究では梅雨明け後のダイズ圃場において圃場の土壌水分とダイズの気孔コンダクタンスの双方を経時的に観測する．また，気孔コンダクタンスは水ストレスの指標として用いられる事が多いが，気孔コンダクタンスは光合成有効放射，飽差，気温などの土壌水分以外の環境

コンダクタンスを隣接する土壌水分が不足していない圃

2.2 気孔コンダクタンス観測場（以降，非水ストレス圃場と称す）の気孔コンダクタン

リーフポロメータ（Meter 社製 SC-1）を使用して梅雨スで割った値（以降，水ストレス指数と称す）と土壌水

明け以降の 8 月 1 日から 9 月 30 日まで，降雨日以外は分の関係から，土壌の乾燥に伴い水ストレス指数がどの

毎日 10 時，11 時，13 時，14 時に水ストレス圃場と非水ように低下するかを把握する．更に，水ストレス指数を

ストレス圃場においてそれぞれ上位葉 6 枚をランダムに求めるには水ストレス指数を求めたい圃場の隣に非水ス

選出し，気孔コンダクタンスを計測した．尚，1 葉の計測

トレス圃場を設けて気孔コンダクタンスを観測する必要に 30 秒間を要するため，全 12 葉の計測に合計で 10 分があるが，気象条件および土壌水分条件から気孔コンダ

間から 15 分間を要する（計測により上昇したリーフポ

クタンスをモデルで推定できるようになれば，非水スト

ロメータのクリップ内部の湿度を低下させるために必要

レス圃場の気孔コンダクタンスは気象観測値から推定でな時間を含む）．観測時刻を 1 日に 4 回設けたのは，土きるようになり，非水ストレス圃場を設ける必要がなく

壌の乾燥に伴うダイズの気孔コンダクタンスの低下を観なる．そこで，気孔コンダクタンスの推定モデルの一つ測するのに適した時刻が不明だからである．また，同一である Jarvis モデル（Jarvis, 1976）を西日本の代表的な

圃場の 6 葉の気孔コンダクタンスにはばらつきが見られダイズの栽培品種であるサチユタカに対して適用する．

るため，水ストレス圃場と非水ストレス圃場の気孔コン
ダクタンスの有意差を確認した．気孔コンダクタンスは

2． 研究方法

植物が受けている水ストレスの指標としてしばしば使用されるが，気孔コンダクタンスは土壌水分以外の環境要2.1 試験圃場因（光合成有効放射，温度，飽差など）でも変化するた

山口大学附属農場内の隣り合う 2 圃場を試験に使用しめ，本研究においては 10 cm 深の土壌の吸引圧を −19.6
kPa（pF 2.3）以下に保つ非水ストレス圃場の蒸散速度はた．試験圃場は北緯 34 度 8 分 56 秒，東経 131 度 28 分

15 秒，標高 42.5 m に位置し，ダイズの気孔コンダクタ
ンスの観測を行った 2020 年 8 月の平均気温は 28.7 ◦ C，
降雨量積算値は 88.5 mm，ポテンシャル蒸発量積算値は175.1 mm，9 月の平均気温は 23.6 ◦ C，降雨量積算値は287.5 mm，ポテンシャル蒸発量積算値は 114.0 mm であった（農研機構, 2021）．2 圃場は水田転換畑であり，面積はそれぞれ 180 m2 である．試験圃場の土壌物理性が特殊ではない事を確認するため，9 地点において深度10 cm，20 cm，30 cm，40 cm，50 cm の採土を行い土粒

任意の気象条件下でのポテンシャル蒸散速度であると想定し，気孔コンダクタンスも任意の気象条件下での最大値であると考え，水ストレス圃場の気孔コンダクタンス
平均値（gs1 ）を非水ストレス圃場の気孔コンダクタンス
平均値（gso ）で除した値を水ストレス圃場のダイズの水ストレス指数（Is ）と定義した．即ち，土壌の乾燥が任意の気象条件下において土壌水分が不足していない場合の気孔コンダクタンスを何割低下させているかでダイズの水ストレス状態を示す事とした．

子密度，間隙率，飽和透水係数，土性を測定し，同深度の貫入抵抗を 3 地点で測定し，また 3 地点において深度Is =10 cm，20 cm，30 cm の土壌の耐水性団粒の粒径分布を

gs1
gs0

(2)

測定した．貫入抵抗の測定には貫入式土壌硬度計（大起水ストレス指数が 1 の場合は水ストレスが生じていない

理化工業株式会社製 DIK-5590）を使用した．また，測事を示し，1 よりも低下するほど大きな水ストレスが生定した耐水性団粒の粒径分布から平均重量直径（MWD）

じている事を示す．

を算出した．MWD とは各粒径画分の平均値（di ）と，対

2.3 土壌水分観測

応する粒径画分が試料の全重量に占める割合（ pi ）の積

データロガー（Meter 社製 ZL6）4 台にそれぞれ吸引の合計であり，次式によって定義される（Klute, 1986）．

圧センサー（Meter 社製 TEROS-21）3 個を接続し，圃

MWD = ∑ di × pi

分間隔で経時観測した．センサーは畝上面から深度 10i

場内 4 地点で 7 月 5 日から 10 月 1 日まで土壌水分を 15(1)

論文：水田転換畑におけるダイズの水ストレスの関係の観測および観測時刻別モデル化

cm，20 cm，30 cm に埋設した．

5

おける水分の貯留が無視できるとすると，土壌の吸引圧に対応する根の吸水速度は土壌の吸引圧に対応する葉の2.4 根域土壌水分の推定
Nicolas et al.（2015）はアカシアの 10 cm 深における土壌の含水率と気孔コンダクタンスの関係を観測し，10cm 深の含水率を指標として Jarvis モデル内の土壌水分蒸散速度，根のポテンシャル吸水速度は葉のポテンシャ

関数，即ち土壌の乾燥と気孔コンダクタンスの関係の式

速度であり，葉のポテンシャル蒸散速度は非水ストレスを適用した．結果として 10 cm 深土壌の含水率と気孔コ

圃場における蒸散速度である．葉の蒸散速度 E （g m−2

ンダクタンスの関係は高い相関を示し，根域全体の土壌

ル蒸散速度と考えられる．本試験において土壌の吸引圧に対応する葉の蒸散速度は水ストレス圃場における蒸散s−1 ）は以下の式で表される．

水分を指標とした方がより高い相関が得られると思われるが，10 cm 深の含水率でも土壌の乾燥状態の指標になE=り得ると結論付けている．本研究では 10 cm 深土壌の吸引圧と根域全体の吸引圧の双方で土壌水分と水ストレス指数の関係の回帰および Jarvis モデル内の土壌水分関数の適用を行い，結果を比較する事とした．根域全体を代表する吸引圧の算出については Skaggs et al.（2006）における深度別根密度分布に比例した深度別吸水量計算を参考にして，栽植密度が 1 m2 当たり 15 株と密である事から根の空間分布を鉛直方向の 1 次元と想定し，深度別
根密度分布に比例して深度別の吸引圧実測値を加重平均する事で簡易に根域土壌の吸引圧を推定した．

ht = ∑ hi ×
i

Ai
At

101300(Hi − Hs )−1
8.314(T + 273)(g−1
s + ga )ここで，Hi は葉内の細胞間隙の水蒸気量（g m−3 ），Hs
は葉表面における水蒸気量（g m−3 ），T は気温（◦ C），gs
は気孔コンダクタンス（mol H2 O m−2 s−1 ） ，ga は境界
コンダクタンス（mol H2 O m−2 s−1 ）である．水ストレス圃場における蒸散速度を E1 ，非水ストレス圃場における蒸散速度を Eo ，水ストレス圃場における気孔コンダク
タンスを gs1 ，非水ストレス圃場における気孔コンダク
タンスを gso とおくと，葉内の細胞間隙の水蒸気量に対する水ストレスの影響は小さく，気温と湿度が同一とみなされる隣接した水ストレス圃場と非水ストレス圃場で(3)の葉表面における水蒸気量は同一値と考えられ，また境界コンダクタンスも水ストレス圃場と非水ストレス圃場

ここで，ht は根域土壌の吸引圧推定値，hi は任意深度における土壌の吸引圧実測値，Ai は任意深度における根量，At は根域全体の根量である．深度別根密度分布は水ストレス圃場において，条方向の根密度は一定と仮定しでは同一の作物が栽培されていて風速も等しいと考えられるために同一値であり，気温も両圃場は隣接している
ために同一値と考えられるため，土壌の吸引圧に対応する吸水関数は以下のように書き換えられる．

て 15 cm×30 cm の土壌を畝の地表面から 5 cm 深単位で採土し，2 mm メッシュの篩で水中篩別を行った後にピンセットでダイズの根を目視により分離した後，根を105 ◦ C で 24 時間炉乾し電子天秤（0.1 mg 単位）で根の乾物重を計測する事で求めた．2 週間毎に 1 地点分採取し，求めた根密度分布は根密度の調査日から前後 1 週間分に適用した．

2.5 土壌の吸引圧と水ストレス指数の関係の回帰
土壌の吸引圧と水ストレス指数の関係の回帰は観測
時刻別に行い，土壌の吸引圧には深度 10 cm 実測値と根域推定値の 2 通りを使用した．回帰は最小二乗法により行い，回帰式には散布図の形状が楕円に近いために楕円の方程式および根の吸水モデルである Feddes モデル（Feddes et al., 1978）ならびに S-shape モデル（vanGenuchten, 1987）の 3 式を用いた．回帰に根の吸水モデ
ルを使用した理由を次に述べる．根の吸水モデルにおい

α (h) =

E1
E0

−1101300(Hi − Hs )/8.314(T + 273)(g−1
s1 + ga )−1101300(Hi − Hs )/8.314(T + 273)(g−1
s0 + ga )
gs1
=
= Is
gs0

≒

で表される．

よって，土壌の吸引圧に対応する吸水関数 α (h) は水ス
トレス圃場における気孔コンダクタンス（gso ）の比と近い値をとるため，本研究で定めた水ストレス指数（Is ）とも近い値をとる．
次に，楕円の方程式，Feddes モデル，S-shape モデル
による回帰式を列記する．
楕円の方程式による回帰：

√
Is =

S(h)
Smax

(4)

(6)

トレス圃場における気孔コンダクタンス（gs1 ）と非水スて，土壌の吸引圧に対応する吸水関数 α (h) は以下の式

α (h) =

(5)

b2

(
)
h2
1− 2
a

(7)

ここで，a は水ストレス指数が 0 の時の土壌吸引圧を示
すフィッティングパラメータ，b は土壌吸引圧が 0 kPa

ここで，S(h) は土壌の吸引圧に対応する根の吸水速度，の時の水ストレス指数を示すフィッティングパラメー

Smax は根のポテンシャル吸水速度である．植物体内にタ，h は土壌の吸引圧（−kPa）である．

土壌の物理性

6

第 149 号

度（◦ C），D は飽差（kPa），C は二酸化炭素濃度（µ mol

Feddes モデルによる回帰：
Is = hh(0 > h > h1 )Is = 1(h1 > h > h2 )1−hIs = hh3−
3 h2
Is = 0（2021）

mol−1 ），h は土壌の吸引圧（−kPa）であり，それらの関数は全て 0 ∼ 1 の値をとる．本研究においては Ji et al.
（2017）と同様に露地圃場における二酸化炭素濃度の変(8)(h2 > h > h3 )動はほとんどダイズの気孔コンダクタンスに影響を与えないと想定して，二酸化炭素濃度関数は削除する．以下に，各関数の式を示す．

(h3 > h)光合成有効放射関数（小杉ら, 1994）：

ここで，h1 は水ストレス指数が 1 の時の土壌の吸引圧最

gs max f (Q) =大値を示すフィッティングパラメータ，h2 は水ストレス指数が 1 の時の土壌の吸引圧最小値を示すフィッティン
グパラメータ，h3 は水ストレス指数が 0 の時の土壌の吸

gs max Qg
Q + s amax

(12)

ここで，a は回帰曲線の原点での傾きを表しており，光引圧最大値を示すフィッティングパラメータである．

によって孔辺細胞の膨圧が増加して気孔が開く反応の効

S-shape モデルによる回帰：率を示すフィッティングパラメータである．
温度関数（Jarvis, 1976）：

Is =

1

)k
(
1 + hh0.5(9)(f (T ) =T − TlTo − Tl) (

Th − T Th − To()) Th −To 
To −Tl(13)

ここで，h0.5 は水ストレス指数が 0.5 の時の土壌吸引圧を示すフィッティングパラメータ，k は回帰曲線の曲率

ここで，To は最適温度（◦ C）を示すフィッティングパラ

を示すフィッティングパラメータである．

メータ，Tl は最低限界温度（◦ C）を示すフィッティング

更に，既往研究（Tobin and Kulmatiski, 2018; 佐藤ら,

パラメータ，Th は最高限界温度（◦ C）を示すフィッティ

2001; 長崎 · 玉泉, 2006）では土壌の吸引圧もしくは含

ングパラメータである．

水率と植物の水ストレス状態の指標としての気孔コン

飽差関数（小杉ら, 1994）：

ダクタンスの関係が回帰もしくは比較されているが，気孔コンダクタンスを用いた場合と本研究で提案した水ス

f (D) =

トレス指数を用いた場合を比較するために，土壌の吸引
圧と水ストレス圃場の気孔コンダクタンスの関係も回帰した．回帰には楕円の方程式，Feddes モデルならびに

S-shape モデルを使用した．尚，Feddes モデルならびに
S-shape モデルについては計算結果が吸水関数 α (h)（=水ストレス指数 Is ）となるため，吸水関数に最大気孔コ

1( )b2
1 + bD1

ここで，b1 は気孔コンダクタンスが半分の時の飽差を示
すフィッティングパラメータ，b2 は回帰曲線の曲率を示
すフィッティングパラメータである．
土壌水分関数（van Genuchten, 1987）：

ンダクタンスを掛けて以下のように気孔コンダクタンス

f (h) =に換算した．

gs = α (h)gs max

(10)

(14)

(

1

1 + hh
0.5

)k

(15)

ここで，h0.5 は根の吸水速度が任意気象条件下における

ここで，gs は気孔コンダクタンス（mol H2 O m−2 s−1 ），gs max は最大気孔コンダクタンス（mol H2 O m−2 s−1 ）で最大値の半分となる時の土壌吸引圧を示すフィッティン

ある．未知のパラメータである最大気孔コンダクタンス

グパラメータである．ダイズを対象として Jarvis モデル

も Feddes モデルならびに S-shape モデルと同時に回帰を適用した例としては Ji et al.（2017）や Mutiibwa andにより決定した．

Irmak（2013）が挙げられる．品種間の耐乾性などの違

グパラメータ，k は回帰曲線の曲率を示すフィッティン

いによりモデル内の各パラメータ値は異なるものと思わ

2.6 Jarvis モデルの適用
Jarvis モデルとは気孔の開閉に関わる環境条件から気孔コンダクタンス（gs ）を推定する為のモデルであり，一般的には以下の式で表される．

れるが，Jarvis モデルが適用されたダイズ品種の数がまだ少なく，検証されてはいない．各パラメータのキャリ
ブレーションは気孔コンダクタンス観測値，気象観測値，
葉温観測値，土壌水分観測値を基に最小二乗法により

gs = gs max f (Q) f (T ) f (D) f (C) f (h)(11)

行った．また，既往研究では観測時刻別のキャリブレー
ションは行われていないが，午前中は気孔コンダクタン

ここで，gs max は最大気孔コンダクタンス（mol H2 O m−2

スが比較的高くなる傾向がある事，そしてダイズでは昼s−1 ），Q は光合成有効放射（µ mol m−2 s−1 ），T は温寝現象が見られる事から，本研究では観測時刻別にキャ

論文：水田転換畑におけるダイズの水ストレスの関係の観測および観測時刻別モデル化

7

Table 1 対象圃場の土壌物理性．
Soil physical properties of the experimental site.
深度

土粒子密度

間隙率

飽和透水係数cm

Mg m−3m3 m−3

m s−1

0.518
0.526
0.491
0.505
0.490
9

8.5×10−6

10
20
30
40
50
反復

2.69
2.70
2.69
2.72
2.72
3

7.0×10−6
5.9×10−6
1.4×10−5
1.1×10−5
9

MWD
mm

貫入抵抗

土性

MPa

−

0.68
0.64
0.86
−
−
3

0.55
0.87
> 2.22> 2.33> 2.23
3

軽埴土
軽埴土
軽埴土
軽埴土
軽埴土

3

リブレーションを行い，全時刻の観測値を用いてキャリ較が困難だが，以深の比較から対象圃場の間隙率は日ブレーションを行った場合と比較した．土壌水分関数で本の平均に近いと言える．飽和透水係数は日本の平均値

は深度 10 cm の土壌の吸引圧実測値を使用した場合と根の表層で 2.2×10−4 m s−1 に対し対象圃場の 10 cm 深で域土壌の吸引圧推定値を使用した場合の 2 通りを試し，を使用した場合と葉温観測値を使用した場合の 2 通りを

8.5×10−6 m s−1 ，同 25 cm 深で 2.9×10−5 m s−1 に対し同 30 cm 深で 5.9×10−6 m s−1 ，同 50 cm 深で 1.6×10−5
m s−1 に対し同 50 cm 深で 1.1×10−5 m s−1 と，やはり表層 ≒ 10 cm 深は耕起から採土までの期間の影響を受け

試し，比較した．

るため比較が困難だが，以深の比較から対象圃場の飽和

2.7 気象観測

透水係数は日本の平均に近いと言える．MWD と貫入抵本研究においては Jarvis モデルの適用に 2. 3 章で述べ抗の日本の平均値は不明だが，MWD の 10 cm 深と 20た土壌水分観測値の他，光合成有効放射，飽差，気温，葉温の観測値を用いる．光合成有効放射（µ mol m−2 s−1 ）cm 深が同等なのは耕起の影響と考えられ，また貫入抵抗が 30 cm 深から急増する事から耕盤層上面が 30 cm 深は圃場において 1 m の高さで光量子センサー（LI-CORにある事がわかり，耕起深度および耕盤層深度は畑の作

社製 LI-190R）を用いて測定し，電圧ロガー（HIOKI 社

土深の目標値である 25 cm（全国農業改良普及支援協会,

製 LR5041）を用いて 1 分間隔で記録後，1 時間平均値

2021）と同程度である．よって，対象圃場の土壌物理性を時刻毎に求めた．葉温（◦ C）は 2.2 章の気孔コンダク

は日本の黄色土畑地としては一般的と考えられ，観測さタンスの観測時に同時に放射温度計（シンワ測定株式会れた土壌の吸引圧と水ストレス指数の関係も，少なくと社製 73017）を用いて圃場毎に 6 葉分計測し，平均値をも土壌水の移動に影響を与える土壌の物理性的には特殊求めた．気温（◦ C）は圃場から 50 m の位置にある山口な圃場で得られた関係ではないと言える．

比較した．温度関数については既往研究では気温を使用した例と葉温を使用した例が見られるため，気温観測値

大学農学部気象台の観測値を使用し，飽差（kPa）は同気

3.2 土壌の吸引圧と水ストレス指数の関係

象台の気温および相対湿度から算出した．

Fig. 1 に 8 月の 13 時における水ストレス指数と根域土壌吸引圧推定値の関係をプロットした結果を示す．

3. 結果と考察
3.1 対象圃場の物理性
Table 1 に対象圃場の土粒子密度，間隙率，飽和透水係
数，MWD，貫入抵抗，土性の測定結果を深度別に記す．
なお，使用した貫入式土壌硬度計の測定可能最大値は 2.5

MPa であるが，2.5 MPa を上回る測定地点が存在したた
め，2.5 MPa を上回る測定値については 2.5 MPa として全測定地点の測定値を平均し，1 地点以上の 2.5 MPa を上回る測定値が含まれる深度については平均値に＞と標記した．対象圃場は黄色土の水田転換畑であるため，本結果を土壌物理用語事典（土壌物理学会編, 2002）の日本における黄色土畑地の平均値と比較すると，間隙率は日本の平均値の表層で 0.418 m3 m−3 に対し対象圃場の 10cm 深で 0.518 m3 m−3 ，同 25 cm 深で 0.472 m3 m−3 に対し同 30 cm 深で 0.491 m3 m−3 ，同 50 cm 深で 0.477 m3
m−3 に対し同 50 cm 深で 0.490 m3 m−3 と，表層 ≒ 10cm 深は耕起から採土までの期間の影響を受けるため比Fig. 1 13 時における水ストレス圃場の根域平均吸引圧と水
ストレス指数の関係の 3 種類のモデルによる回帰曲線．
Regression curves of the water stress index on root zone suctionin the ﬁeld under water stress condition at 13 o’clock by threemodels.

土壌の物理性

8

第 149 号

Table 2 土壌の吸引圧と水ストレスの関係の回帰曲線の決定係数．

Coefﬁcients of determination of regression curves of the water
stress on the suction of soil.
観測
期間

8月

指標

吸引圧

9月

10

11

13

Feddes0.00 0.35 0.76 0.62

S

0.00 0.39 0.75 0.60

楕円0.05 0.37 0.70 0.39

gs1 根域推定

楕円0.12 0.50 0.75 0.36

根域推定

楕円

0.02 0.00 0.00 0.00

Is

えられる．

14

0.06 0.43 0.77 0.62

10 cm 深実測

的として観測する場合，最適な時刻は 13 時であると考

時刻

楕円

Is

根域推定

回帰
モデル

（2021）

Is ：水ストレス指数
gs1 ：水ストレス圃場の気孔コンダクタンス

Fig. 2 10 時における水ストレス圃場の根域平均吸引圧と水
ストレス指数の関係．
Relationship between the water stress index and root zone suction in the ﬁeld under water stress condition at 10 o’clock.

曲線は楕円，Feddes モデル，S-shape モデルにより回帰した結果であり，それぞれ決定係数は 0.77，0.76，0.75
である．土壌の乾燥（吸引圧の増加）と共に水ストレス指数が楕円の方程式による回帰曲線に近い形で低下してゆく傾向が分かる．Feddes モデルと S-shape モデルによる回帰曲線は吸引圧が −430 kPa 以下の領域における水ストレス指数の急激な低下を表現できていない．Table 2に土壌の吸引圧と水ストレスの関係を各種の条件で回帰した場合の決定係数を時刻別に示す．8 月の観測値を用いた回帰結果から，水ストレスの指標，土壌の吸引圧の深度，回帰モデルに依らず，13 時の観測値を用いた場合に回帰曲線の決定係数が一番高くなる事が分かる．一方で，10 時の決定係数は特に低く，Fig. 2 に示すように土壌の吸引圧と水ストレス指数の関係に相関が見られな
い．Fig. 3，Fig. 1，Fig. 4 に示すように，11 時，13 時，

14 時には土壌の吸引圧と水ストレス指数の関係にある
程度の相関が見られる．10 時に決定係数が低くなる原因として，多くの作物が成長阻害を受ける −98 kPa（pF
3.0）よりも水ストレス圃場が乾いていたにも拘らず，気Fig. 3 11 時における水ストレス圃場の根域平均吸引圧と水
ストレス指数の関係．
Relationship between the water stress index and root zone suction in the ﬁeld under water stress condition at 11 o’clock.

孔コンダクタンスが低下していなかったことが考えられ
る．t 検定において両圃場の気孔コンダクタンスに 5 %水準の有意差が見られなかった観測回の割合を時刻別に示す（Table 3）．有意差が見られなかった観測回数の割
合は 10 時に 46.7 %，11 時に 36.4 % であり，午前中は土壌が乾いても気孔コンダクタンスの低下が起きにくい事が分かる．午前中は土壌の乾きが気孔コンダクタンスの低下を招きにくく，特に 10 時には他の時刻に見られたような土壌の乾燥に伴う規則的な水ストレス指数の低下が見られなかったのは，日の出と共に始まる蒸散の積算量がまだ少なく，土壌の乾燥により根からの吸水量が少なくても葉はまだ水ストレス状態になっていないためであると推測される．一方で，13 時に決定係数が最も高いという事から，本研究で用いた方法により土壌の乾燥に伴うダイズの水ストレスの変化をモデル化する事を目Fig. 4 14 時における水ストレス圃場の根域平均吸引圧と水
ストレス指数の関係．
Relationship between the water stress index and root zone suction in the ﬁeld under water stress condition at 14 o’clock.

論文：水田転換畑におけるダイズの水ストレスの関係の観測および観測時刻別モデル化

9次に，回帰に使用した楕円，Feddes モデル，S-shape

ストレス指数（Is ）を水ストレスの指標として土壌の吸モデルの決定係数を比較すると，Table 2 に示された通り

引圧に根域推定値，回帰に楕円を用いた場合の決定係数

大差は見られないが，楕円の決定係数がわずかに高くなは 13 時に 0.77，14 時に 0.62 であり，一方で水ストレスる傾向がどの時刻でも見られる．これは土壌の乾燥に伴圃場の気孔コンダクタンス（gs1 ）を水ストレスの指標とう水ストレス指数の低下傾向が Feddes モデルで表現さして他は同条件の場合の決定係数は 13 時に 0.75，14 時れるような直線的な変化よりも曲線的な変化に近く，まに 0.36 となり，水ストレス指数を使った場合の方が 13

た S-shape モデルで表現されるような吸引圧が高い領域

時は若干，14 時は大幅に高い値を示した．Fig. 4 の水ス

での水ストレス指数の低下速度の減速が見られなかった

トレス指数を用いた場合と，Fig. 5 の水ストレス圃場のためと考えられる．しかし，本研究において観測された

気孔コンダクタンスを用いた場合を比較すると，水スト

吸引圧の最大値は −540 kPa（pF 3.7）であり，より土壌レス指数を用いる事で観測値のばらつきが減り，より規が乾燥した条件下で S 形曲線を示す可能性を否定する事

則的な変化傾向を示す事が分かる．既往研究（Tobin andKulmatiski, 2018; 佐藤ら, 2001; 長崎 · 玉泉, 2006）でははできない．
土壌の吸引圧に 10 cm 深における実測値を用いた場合

気孔コンダクタンス観測値をそのまま水ストレスの指標と根域における推定値を用いた場合を比較すると，Table

として使用しているが，本研究で提案した水ストレス指2 の両ケースを楕円で回帰した際の決定係数から，10 時
はどちらのケースでも回帰できず，11 時は 10 cm 深実測値の場合で 0.37 に対して根域推定値の場合で 0.43，11
時は 10 cm 深実測値の場合で 0.70 に対して根域推定値の場合で 0.77 と根域推定値の場合の方が若干高い値を示し，また 14 時は 10 cm 深実測値の場合で 0.39 に対して根域推定値の場合で 0.62 と根域推定値の場合の方が大幅に高い値を示した．なぜ特に 14 時に根域推定値を用いると 10 cm 深実測値を用いた場合に比べて決定係数数は特に 14 時に有効であった．水ストレス指数を用いた方が水ストレス以外の環境要因が気孔コンダクタンスを低下させている条件下ではより適切に水ストレスを評価できると考えられるが，8 月の気孔コンダクタンスの測定が可能であった無降雨日の 13 時においては，光合成有効放射は最低でも 1014 µ mol m−2 s−1 を記録しダイズの光飽和点 700 µ mol m−2 s−1 程度（李ら, 1995）を超えていることから，光合成有効放射は気孔コンダクタンスに影響していなかったと考えられる．一方で同 14 時

が大きく向上するのかは不明だが，時刻により程度に差においては，光合成有効放射は最低で 498 µ mol m−2 s−1

はあるものの，10 cm 深実測値よりも根域全体の値を用を記録し，また 1000 µ mol m−2 s−1 未満であった観測回

いた方がより良くモデル化できるであろうというアカシは全体の 20 % を占め，光合成有効放射が気孔コンダク

アを用いてモデル化を試みた Nicolas et al.（2015）の考

タンスを低下させていたものと思われる．この様に，13

え通りの結果となった．また，本研究における根域推定時においては水ストレス以外の環境要因が気孔コンダク

値は根系が受けている水ストレスの真の値ではなく，深タンスを低下させることが少なかったために水ストレス

度別の土壌の吸引圧と深度別根密度分布から，根が多く指数を用いた場合と気孔コンダクタンスを用いた場合の分布する深度ほど土壌の吸引圧が根に与える影響が大き決定係数に大差が生じなかった可能性が推測される．次いであろうとの仮定で求めた推定値に過ぎないが，それに，Table 2 の 8 月と 9 月の観測値を同条件で回帰したでも 10 cm 深の 1 深度における実測値を用いるよりは有場合の決定係数を比較すると，8 月は 10 時を除き回帰が効である事が分かった．

可能と考えられる一方で，9 月は全時刻において本研究

Table 3 で示した通り午前は水ストレス圃場の土壌がで用いた方法では回帰ができない事が分かる．その原因

生育阻害水分点よりも乾いていても非水ストレス圃場の
気孔コンダクタンスと水ストレス圃場の気孔コンダクタ
ンスに有意差が出にくいために，午後のみで水ストレスの指標に水ストレス指数を使用した場合と気孔コンダク
タンスを使用した場合の差異を検討する．Table 2 の水Table 3 水ストレス圃場が生長阻害水分点を超えても両圃場の気孔コンダクタンスに有意差が表れなかった観測回の時刻
別割合．

Ratio of the data which the root zone suction stronger than the
reﬁll point in the ﬁeld under water stress condition does not givesigniﬁcant difference between the stomatal conductance of bothﬁelds at each time.
時刻

10

11

13

14

Fig. 5 14 時における水ストレス圃場の根域平均吸引圧と気孔コンダクタンスの関係．

割合 （%）

46.7

36.4

15.4

18.2

Relationship between the stomatal conductance and root zone
suction in the ﬁeld under water stress condition at 14 o’clock.

10

土壌の物理性第 149 号

（2021）

が 0.76 であるのに対し，時刻別に気温と根域推定吸引圧を用いた場合の決定係数が 0.63 である事から，葉温を用いると決定係数が向上する事が分かる．本研究におけるJarvis モデルの使用目的は水ストレス圃場における気象観測値から非水ストレス圃場の気孔コンダクタンスを推定する事であり，気温であれば気孔コンダクタンスの推定に直接使用する事ができる．また，非水ストレス圃場
という条件であるために気温から葉温を推定する事も可能である．具体的には CWSI を求める際に用いられるポ
テンシャル蒸散状態にある湿潤葉の葉温の推定式の利用
であり，Lower Boundary と呼ばれる葉気温差の項を変Fig. 6 8 月の気孔コンダクタンス実測値に対して Jarvis モ

形すれば良く，Lower Boundary は気象観測値とキャリデルを時刻別にキャリブレーションした場合と時刻を区分せずにキャリブレーションした場合の推定値.

ブレーションによって決定したパラメータから求める経

Observed stomatal conductance in August versus estimatedstomatal conductance by the Jarvis models calibrated for eachtime and without distinction of time.

める理論式（Jackson et al., 1988）で推定可能である．次験式（Idso et al., 1981），もしくは気象観測値のみから求に，時刻別に葉温と根域推定吸引圧を用いた場合の決定
係数が 0.76 であるのに対し，時刻別に葉温と 10 cm 深として，8 月は天水栽培条件下の水ストレス圃場の土壌の吸引圧が平均で −328 kPa（pF 3.5）であったのに対して 9 月は平均で −63 kPa（pF 2.8）であり，強い水ストレスを受けていなかったと考えられる上に，9 月 2 日と7 日の台風により葉が傷ついた事，および 9 月には栄養成長が終了しているために葉が老化している事から，土

実測吸引圧を用いた場合の決定係数が 0.74 である事から，根域推定吸引圧を用いても決定係数はわずかな向上に留まった．
次に，気象観測値から非水ストレス圃場の気孔コンダ
クタンスを Jarvis モデルで予測し，非水ストレス圃場を設けずに水ストレス圃場の水ストレス指数を求める事の壌水分以外の要素が気孔コンダクタンスに強く影響した

実現性を検討した．まず，8 月の水ストレス圃場観測値ためと推測される．

を用いて時刻別にキャリブレートされた Jarvis モデルに3.3 Jarvis モデルの適用結果
観測時刻を区別せずに Jarvis モデル内の各パラメータ
をキャリブレートした場合と観測時刻別にキャリブレー
トした場合について，気孔コンダクタンス（gs ）のモデ
ル推定値と実測値を比較した結果を Fig. 6 に示す．8 月を対象期間としており，温度については水ストレス圃場
の葉温を使用し，土壌の吸引圧についても水ストレス圃
場の根域推定値を使用している．観測時刻を区別せずにキャリブレートした場合の方が推定値と実測値を 1：1
で示した直線からのばらつきが大きく，観測時刻を区別せずにキャリブレートした場合の推定値の決定係数が0.68（RMSE = 0.033 mol H2 O m−2 s−1 ）であるのに対し，観測時刻別にキャリブレートした場合の全時刻を対象とした推定値の決定係数は 0.76（RMSE = 0.028 mol

H2 O m−2 s−1 ）であった．既往研究では時刻別にキャリついて，非水ストレス条件における気孔コンダクタンスを予測するために土壌水分関数（ f (h)）を 1 とし，光合成有効放射，温度，飽差には観測値を用いて各観測回の非水ストレス圃場の気孔コンダクタンスを予測した．その予測値と各観測回の水ストレス圃場の気孔コンダクタ
ンス実測値との比で求めた水ストレス指数予測値について，13 時における水ストレス指数と土壌の吸引圧の関係を Fig. 7 に示す．水ストレス指数予測値については，

Jarvis モデルの温度関数に葉温を用いた場合と気温を用いた場合の 2 通りを示す．非水ストレス圃場の気孔コン
ダクタンスに実測値を用いた場合の水ストレス指数実測
値と水ストレス指数予測値との間の差異を RMSE で示
すと，温度関数に気温を用いた場合は 0.033，温度関数に葉温を用いた場合は 0.022 となり，気温を用いた場合の方が実測値に近い水ストレス指数を予測した．Jarvis

ブレートした例は見受けられないが，キャリブレーショ
ンを時刻別に行う事は有効であると考えられる．時刻別にキャリブレートすると決定係数が向上する原因としては，午前中は気孔コンダクタンスが比較的高くなる傾向

Table 4 8 月における環境要因と Jarvis モデルの決定係数の関係.
Relationship between the environmental factors and the coefﬁcients of determination of the Jarvis model.

がある事やダイズの昼寝現象の他，Table 3 で示した通り
午前中は土壌の乾きが気孔コンダクタンスを低下させ難

時間単位

温度

吸引圧

い事などの，環境要因以外の時刻により変化する内的要

時刻別

葉温

根域推定

0.76

10 cm 深実測

0.74

気温

根域推定

0.63

葉温

根域推定

0.68

因が気孔コンダクタンスに影響するためと推測される．
次に，Table 4 に 8 月を対象期間として気孔コンダク
タンスを各種の条件で推定した場合の決定係数を示す．
時刻別に葉温と根域推定吸引圧を用いた場合の決定係数

非時刻別

決定係数

論文：水田転換畑におけるダイズの水ストレスの関係の観測および観測時刻別モデル化

11

ためには非水ストレス条件における観測を割愛して水ス
トレス条件，すなわち通常の栽培条件の圃場における観測のみで水ストレス指数を求める必要があり，本研究にて適用したダイズの Jarvis モデルが他年および他圃場においても通用するのかを確認する必要がある．以上から観測年や圃場に寄らず水ストレス指数と土壌吸引圧の関係の回帰モデルに汎用性が認められ，更に開花期から莢肥大期にかけての水ストレス指数の経時変化と収量の関係のデータが蓄積されて（気孔コンダクタンス積算値と収量の関係を比較した例：田中ら（2012）），減収時の水ストレス指数の経時変化パターンが明らかになった場合
Fig. 7 非水ストレス圃場の気孔コンダクタンスを Jarvis モ
デルで予測した場合の 13 時における水ストレス圃場の根域

は，先述の回帰モデルから減収を免れるために必要な土
壌の吸引圧の閾値も明らかになると考えられる．その閾

平均吸引圧と水ストレス指数の関係．

値は，例えば地域的な灌漑計画や土壌改良時の有効水分

Relationship between the water stress index calculated from estimated stomatal conductance by the Jarvis model and root zone
suction in the ﬁeld under water stress condition at 13 o’clock.

量の目標として利用できる他，現在主流の葉が丸まったモデルの決定係数は温度関数に葉温を用いた場合の方が謝辞

ら灌漑開始という指標に代わる，自動灌漑に必要なセンシング可能な指標として利用する事ができる．

高かったために本結果は偶然と考えられる．8 月の葉気
温差（葉温−気温）を時刻別に示すと，10 時で +2.3 ◦ C∼ −4.0 ◦ C（平均 −0.7 ◦ C，標準偏差 1.5 ◦ C），11 時で+4.1 ◦ C ∼ −2.9 ◦ C（平均 +0.1 ◦ C，標準偏差 2.2 ◦ C），
13 時で +5.1 ◦ C ∼ −3.4 ◦ C（平均 +0.2 ◦ C，標準偏差 2.1◦ C），14 時で +6.0 ◦ C ∼ −3.1 ◦ C（平均 −0.1 ◦ C，標準偏差 2.5 ◦ C）となり，10 時は平均値が −0.7 ◦ C と葉がまだ外気よりも冷たい場合が多い事，11 時 ∼ 14 時は標準偏差が比較的高く葉温と気温が異なる事が多いが，平均値
が 0 ◦ C に近い事から葉温の方が高い場合と気温の方が高い場合の双方が同程度ある事が分かる．今後は Jarvis

山口県農林水産部農村整備課には本研究の遂行に多大なご協力を賜り，ここに謝辞を表します．

引用文献
土壌物理学会編 (2002): 土壌物理用語事典, pp. 180–181. 養賢堂, 東京.

Feddes, R.A., Kowalik, P.J. and Zaradny, H. (1978): Simulation of ﬁeld water use and crop yield. John Wiley & Sons,
New York, NY.

モデルの温度関数に気温を用いた場合と気象から推定しHirasawa, T., Nakahara, M., Izumi, T., Iwamoto Y. and Ishi-

た非水ストレス圃場の葉温を用いた場合とで非水ストレ

hara, K. (1998): Effects of pre-ﬂowering soil moistureス圃場の気孔コンダクタンス予測値と実測値を比較し，

deﬁcits on dry matter production and ecophysiological

気温実測値と葉温推定値のどちらの方が非水ストレス圃

characteristics in soybean plants under well irrigated con-

場の気孔コンダクタンスの予測に適しているかを判断す

ditions during grain ﬁlling. Plant Prod. Sci., 1: 8–17.

る．水ストレス指数予測値を用いた場合でも土壌の乾燥

細野達夫, 片山勝之, 野村幹雄, 大野智史, 中山則和, 細川 寿に従って水ストレス指数が低下してゆく傾向は示されて(2014): 北陸地域の重粘土転換畑でのダイズ収量に及ぼいるが，Jarvis モデルによる予測で非水ストレス圃場にす点滴灌漑の効果. 中央農研研究報告, 21: 1–23.

おける気孔コンダクタンスの実測を代替できるかについIdso, S.B., Jackson, R.D., Pinter, P.J., Reginato, R.J. andては，水ストレス指数に予測値を用いた場合と実測値をHatﬁeld, J.L. (1981): Normalizing the stress-degree-day

用いた場合の水ストレス指数と土壌の吸引圧の関係の回

parameter for environmental variability. Agric. Meteorol.,

帰曲線の差異を複数年間比較する事で判断が可能になる

24: 45–55.
Jackson, R.D., Idso, S.D., Reginato, R.J. and Pinter, Jr.P.J.

ものと思われる．

(1981): Canopy temperature as a crop water stress indica-

4. おわりに

tor. Water Resour. Res., 17: 1133–1138.
Jackson, R.D., Kustas, W.P. and Choudhury, B.J. (1988): A

8 月の 13 時の水ストレス指数と根域土壌の吸引圧の関係を楕円モデルで回帰すると，パラメータ a は −478.5
kPa，パラメータ b は 0.9582 となった．今後，複数年間に渡り同様の観測を行う事で，パラメータの値の汎用性を検証する事ができる．更に，日本各地のダイズ（サチユタカ）栽培圃場においても検証を行うべきだが，そのreexamination of the crop water stress index. Irrig. Sci., 9:309–317.
Jarvis, P.G. (1976): The interpretation of the variations inleaf water potential and stomatal conductance found in
canopies in the ﬁeld. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B., 273:
593–610.

土壌の物理性

12

第 149 号

（2021）Ji, S., Tong, L., Kang, S., Li, F., Lu, H., Du, T., Li, S. andNicolas, R., Francisco J.M., Nicolas F. and Nicolas B. (2015):

Ding, R. (2017): A modiﬁed optimal stomatal conduc-

Empirical stomatal conductance models reveal that the iso-tance model under water-stressed condition. Int. J. Plant

hydric behavior of an Acacia caven Mediterranean Savan-

Prod., 11(2): 295–314.

nah scales from leaf to ecosystem. Agric. For. Meteorol.,Klute, A. (1986): Methods of soil analysis part 1 physical andmineralogical methods second edition, pp. 428–441. Soil

213: 203–216.
農研機構 (2021): モデル結合型作物気象データベース. https://meteocrop.dc.affrc.go.jp/real/top.php (2021 年 2 月 1 日)

Science Society of America Inc., Wisconsin.
小杉緑子, 小橋澄治, 柴田昌三 (1994): 数種常緑広葉樹にお佐藤浩子, 谷 英雄, 福岡峰彦, 岩問和人, 長谷川利拡, 実山 豊

ける気孔コンダクタンスのモデル化. 日緑工誌, 20(3):(2001): 異なる土壌水分条件下における陸稲 4 品種の群

158–167.

落表面温度と気孔コンダクタンス. 育種 · 作物学会北海

熊谷悦史, 高橋智紀, 中野聡史, 松尾直樹 (2018): 農研機構
東北農業研究センターの過去 33 年間の生産力検定試験
におけるダイズ収量と土壌乾燥との関係. 日作紀, 87(3):

道談話会会報, 42: 23–24.
柴田悖次, 金子一郎 (1978): 土壌水分ならびに地温の相違とダイズの生育反応. 東北農業研究, 23: 63-64.

Skaggs, T.H., van Genuchten, M.Th., Shouse, P.J. and Poss,

233–241.
李 忠烈, 津野幸人, 中野淳一, 山口武視 (1995): 弱光条件

J.A. (2006): Macroscopic approaches to root water up-

に対するダイズの生態生理学的反応. 日作中支集録, 36:

take as a function of water and salinity stress. Agric. Water
Manage., 86: 140–149.

41–49.
村上 章 (2009): 汎用水田におけるダイズ多収を目指した地

田中景子, 三石正一, 溝口 勝 (2012): FOEAS 導入ダイズ畑圃

下水位制御の研究. 秋田県農林水産技術センター農業試場における土壌水分分布の実態. H24 農業農村工学会大会講演会講演要旨集, 312–313.

験場特別研究報告, 49: 42–90.

Mutiibwa, D. and Irmak, S. (2013): Transferability of Jarvis-

Tobin, R.L. and Kulmatiski, A. (2018): Plant identity and shal-Type models developed and re-parameterized for maize

low soil moisture are primary drivers of stomatal conductance in the savannas of Kruger National Park. PLoS ONE,to estimate stomatal resistance of soybean: analyses onmodel calibration, validation, performance, sensitivity and13(1): e0191396.
van Genuchten, M.Th. (1987): A numerical model for wa-

elasticity. Trans. ASABE., 56(2): 409–422.
長崎真由, 玉泉幸一郎 (2006): 施肥と土壌乾燥に対するスギ

ter and solute movement in and below the root zone. Re-とヒノキの光合成, 気孔コンダクタンスの反応. 九州森林

search Report N.121, U.S. Salinity Laboratory, USDAARS, Riverside, CA.

研究, 59: 180–182.
中野聡史, 大野宏之, 島田信二 (2017): 発育予測モデルとメッ

全国農業改良普及支援協会 (2021): みんなの農業広場.

シュ気象データを利用したダイズの乾燥ストレス発生リ

https://www.jeinou.com/consultation/qa/machine/2020/

スクの広域評価. 生物と気象, 17: 55–63.

01/10/154000.html (2021 年 7 月 5 日)

要

旨

天水栽培と非水ストレス条件のダイズ圃場を設け，両圃場の気孔コンダクタンスの比を水ストレス指数
として，天水栽培圃場の土壌水分と水ストレス指数の関係を回帰した．また，非水ストレス条件の気孔コンダクタンスを実測せずに推定で済ませることを目的に，Jarvis モデルの適用を行った．午前は両圃
場の気孔コンダクタンスに有意差がない場合が多く，特に 10 時には天水栽培圃場の土壌の吸引圧と水
ストレス指数の間に相関関係は見られなかった．一方で，午後は有意差が見られ，吸引圧と水ストレス指数の関係を楕円，Feddes モデル，S-shape モデルの 3 種類で回帰したところ，13 時に高い決定係数が見受けられ，土壌の乾燥に伴う水ストレスの変化をモデル化するのに適した時刻であると考えられた．

Jarvis モデルについては，先例は見受けられないが時刻単位でパラメータをキャリブレートすると決定係数が向上することが分かった．
キーワード：土壌水分，気孔コンダクタンス，Jarvis モデル，干害，ダイズ

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 149, p.13∼21 (2021)

土壌中における音波の伝播距離の推定と共鳴法の測定範囲について
深田耕太郎 1 · 難波将希 1 · 木原康孝 1

Estimation of the propagation distance of a sound wave in soil
and the measurement range of an acoustic resonance method
Kotaro FUKADA1 , Masaki NAMBA1 and Yasutaka KIHARA1

Abstract: An acoustic technique for evaluating soil physical properties, such as the air content and air permeability,
uses sound waves reﬂected from the soil surface or penetrating sound waves in soil. It is difﬁcult to set the measurement range in the soil depth because the propagation
distance of a sound wave in soil depends on the soil physical properties to be measured. In this study, we compared
the results of an acoustic resonance method for a sample
whose bottom was open to the atmosphere with those fora sample whose bottom was closed. The propagation distance of the sound wave in soil was estimated from thelength of the sample whose bottom condition had no effecton the results of the acoustic resonance method. We set
the sample length smaller than the estimated propagation
distance of a sound wave. The precision of the acoustic
resonance method was then examined. We found that the
propagation distance of a 5 – 100 Hz sound wave in a decomposed granite soil sample was 3 – 7.5 cm. The propagation distance was a maximum at volumetric air content
of 20 %. Setting the sample depth to 1.3 cm and closing thesample bottom, the volumetric air content was determinedwith ± 0.9 % precision in a measurement range of 10 %–36 % whereas air permeability was determined with precision of ± 0.05 cm s−1 in a measurement range of 0.05–
0.65 cm s−1 .
Key Words : acoustic resonance method, volumetric air
content, air permeability, attenuation distance

1. はじめに音響測定法と呼ばれる測定技術がある．大気から土壌に音を当て，土壌表面で反射した音波や，土壌中へ侵入した音波を測定する．例えば，測定によって，ある地点における周波数と音波強度の関係を得る．音響理論から計算される周波数と音波強度の関係が測定結果と一致するように，土壌表面の音響インピーダンスや土壌中を伝播する音の波数などが調整される．音響インピーダンス

や波数などは，土壌の音響モデルによって，気相率，通気性（通気抵抗や通気係数として表される量），屈曲度などを含む形で表される．よって最終的に，気相率や通気係数などの推定値が得られる（Sabatier et al., 1990; 1996）．
音響測定法には，重量法（質量測定と土粒子密度による三相分布の決定法）や通気試験（流量と空気圧の測定
による通気係数の決定法）に比べて，非破壊的で測定時間が短いという特徴がある．また，以下で詳しく述べる
ように，土壌表面からの反射波を利用する方法（レベル差法）と，土壌中へ侵入した音波を利用する方法（プロー
ブマイク法）があるが，どちらも，大気中の音波を土壌に当てる点が共通している．大気中の音波によって引き起こされる土壌中の音波は，固相が振動せず，気相が振動すると考えることで上手く説明できることが分かっている（Attenborough, 1987）．一方で，固相と気相が両方とも振動するという考えから出発した場合は，多孔質体
中には 2 種類の縦波と 1 種類の横波が存在できる事が理論的に示されている（Albert, 1993）．この考え方の場合，土壌の音響測定法で扱うのは，3 つの波の中の 1 つである，主に土壌空気を伝わる縦波である．
過去に，レベル差法（Hess et al., 1990; Sabatier et al.,1990）とプローブマイク法（Attenborough et al., 1986;
Sabatier et al., 1996）という 2 種類の測定法が研究された．レベル差法では，地上 10 cm 程度のところにスピー
カーとマイクを設けて，所定の周波数帯の音を流し，マ
イクへの直達音と反射音の合成音を測定する．周波数に対する音圧レベル（実効音圧と基準音圧の比の常用対数の 20 倍）の変化を土壌の音響モデルから導かれる予測式と比較し，気相率，通気性，屈曲度を推定する．Sabatieret al.（1990）は，屋外に設けたレス土壌，砂，粘土の 3区画に対してレベル差法と重量法を比較し，気相率を約10 % の精度で推定できるとした．
プローブマイク法は，長い棒の先端にマイクを取り付けたもの（プローブマイク）を土壌に挿入して，大気か

1 Facultyof life and environmental science, Shimane University,
Nishikawatsu-cho, Matsue city, Shimane prefecture, Japan 690-8504,
Corresponding Author: 深田耕太郎（島根大学生物資源科学部）
2021 年 3 月 12 日受稿 2021 年 9 月 17 日受理

ら土壌中へ侵入した音波を，2 深度で測定する．2 深度の測定結果を比較することで，音の減衰量と位相の変化が分かる．土壌の音響モデルから導かれる予測式が実験

14

土壌の物理性第 149 号

（2021）

結果と一致するように，予測式の中にある通気抵抗と屈音響測定法では，ある体積範囲にわたって何か 1 つの曲度を調整する．Sabatier et al.（1996）は，砂やガラス量を測定すると考えることが難しい．例えば，レベル差

ビーズに対してプローブマイク法を用いた．プローブマ

法では，大気から土壌へ音波を当て，土壌表面で反射しイク法による通気抵抗の推定値は，Leonard（1946）の方

た音波を利用する．入射音波の一部は反射せずに土壌中法で求めた通気抵抗の約 1/8 になった．Leonard（1946）に侵入する．侵入した音波は，土壌中で消えるか，あるの通気抵抗の測定原理は Grover（1955）の通気試験の原いは反射して大気中に戻る．しかし，気相率や通気係数

理と同じで，流量と 2 地点の空気圧差を求め，両者の比が未知の状況で，土壌中で音が消えたのか反射したのか，をとるというものである．通気抵抗は通気係数の逆数に反射した場合どこで反射したのかを測定結果から判断す比例する量である．Sabatier et al.（1996）は，プローブるのは難しい．もし，反射しなかったと判断できた場合，マイク法による通気抵抗の推定値が小さくなった理由と土壌中で音響インピーダンスは変化しなかったと判断しして，音響モデルが間隙の形状を十分考慮できていない

たことになるので，土壌表面における気相率と通気係数

可能性を挙げている．

が，土壌中の音が伝わる範囲内で一定だったと判断した

著者は共鳴法という別の方法を開発した（深田ら,ことになる．この場合，音が伝わる範囲が測定範囲であ

2010; 深田 · 中村, 2011）．これは，長さ 0.5 ∼ 1 m の中るといえるかもしれない．あるいは，反射面より先に進空円筒と土壌試料をつないだ測定システムの中で，気んだ音波は測定結果に影響していないので，深さ方向の柱の共鳴を起こすというものである．共鳴周波数を含む

測定範囲はないともいえる．

周波数範囲で気柱を振動させ，周波数と音波強度の関係

音波の減衰や音が伝わる距離（伝播距離）についての（共鳴曲線）を求める．共鳴曲線は，共鳴筒の長さと共鳴知見が，プローブマイク法により得られている．Atten-

筒両端の境界条件で決まる．共鳴曲線の測定結果に対して，理論式により書いた曲線が一致するように，境界条

borough et al.（1986）は，20 cm 程度の砂の厚みがあると音が消えてしまうと述べている．Sabatier et al.（1990）

件（音響インピーダンス）を調整する．土壌の音響モデ

は，土壌の水分量が増えると音波の減衰が増すことを示

ルでは，音響インピーダンスが気相率や通気係数などをした．Sabatier et al.（1996）は，レス土壌では 100 Hz の用いて表されているので，音響インピーダンスから土壌音で 7.5 dB cm−1 の減衰があり，プローブマイク法で調の気相率と通気係数が求まる．こうして，音響学的に推べられるのは 2 cm 程度とした．7.5 dB の減衰は，音波強定された気相率や通気係数が，重量法による気相率や，度が 10−0.75 = 1/5.6 になったことを意味する．Hickey

通気試験による通気係数と比較できるようになる．鳥取
相率（共鳴法）は，気相率（重量法）20 ∼ 40 % の範囲にand Sabatier（1997）はサンドブラスト用の砂（粒径は不明）を用いた実験で，試料中に侵入した音波が 10 ∼ 15
cm で消えることを示した．

おいて，±1 % 程度の範囲内で気相率（重量法）と一致

測定範囲の不明確さを回避するには，試料の高さを音した．通気係数については，およそ 0.02 ∼ 2 cm s−1 の波の伝播距離に比べて小さく設定すればよいと考えら

通気係数（通気試験）の範囲において，1/5 ∼ 5 倍程度れる．この場合，音波が試料全体を伝わり底面で反射しの範囲内で一致した．

たという確実な条件のもとで，測定した音響インピーダ

砂丘砂と相馬硅砂を用いた実験（深田ら, 2010）では，気音波が音響インピーダンスの変化する面で反射するとンスから気相率と通気係数を推定することになる．用意いう考え方から分かるように，反射波から測定された音

した試料全体が測定範囲になると考えてよいだろう．ま響インピーダンスは反射面が持つ情報である．したがった，Sabatier et al.（1990）の報告を参考にして，伝播距て，土壌の音響モデルで扱われる気相率や通気係数も音離には気相率依存性があると考えた場合，試料の高さをの反射面における量と考えられる．一方で，重量法によ

小さめにしておけば，同一試料で，より大きな伝播距離る気相率は，ある体積範囲内に存在する気相の体積割合にも対応できる．前記の既往研究から推定するに，伝播のことである．そこで，気相率（音響）と気相率（重量距離は，数 cm ∼ 15 cm 程度の範囲で気相率とともに変法）を比較する場合に気になるのは，気相率（音響）が，化すると考えられるが，伝播距離と気相率の関係は明ら測定した面（土壌表面）からどれくらいの深さまで同じかではない．

と考えてよいのかである．これを音響測定法の測定範囲の問題と呼ぶことにする．

試料が伝播距離よりも短い場合，試料の底面（音波を当てる面と逆側）が閉じている場合と大気に開放してい重量法や通気試験の測定範囲は明確である．また，試る場合では，共鳴法の結果が異なると予想される．しか料全体を測定範囲にできそうな試料サイズというものがし，試料の高さが伝播距離を超えて大きくなると，底面

知られている．例えば，重量法においてよく用いられるの条件は共鳴法の結果に影響しなくなる．つまり，試料のは容積 100 cm3 の円筒容器であり，容器全体が測定範を短い状態から徐々に長くしていき，2 種類の境界条件

囲である．通気試験でも高さが数 cm 程度の円筒容器をの違いにも関わらず共鳴法の結果が同じになる試料長さ用いることが多い．試料の一端の空気圧を高めて，他端が伝播距離になると考えた．本研究では，まさ土を用いに向けて流す．流れた場合，空気圧を測定した（あるいて伝播距離を求め，気相率との関係を明らかにする．そは設定した）2 地点間が測定範囲と考えられる．

して，試料の高さを伝播距離よりも小さく設定した場合

論文：土壌中における音波の伝播距離の推定と共鳴法の測定範囲について

15

共鳴周波数とは，音波強度が最大となる周波数である．
また，共鳴幅は音波強度が最大値の半分になる 2 つの周波数のうち小さい方（左半値周波数）と共鳴周波数の差である．本研究期間を通して，基準の共鳴周波数は 51.6

∼ 52.0 Hz，共鳴幅は 1.9 ∼ 2.1 Hz であった．基準を測定した後，共鳴筒を試料とつないで（Fig. 1a），再度音響測定を行った．共鳴筒と試料は径が異なるため，取り外しができ，接続時は気密性を保てるように，Ｏリングを用いたコネクタを使用した．試料の上端は共鳴筒内の空気と連続している．試料の下端は（蓋ありの場合）塩ビの丸棒により閉じられている．「蓋あり」の状態の試料に対して音響測定した後，塩ビの丸棒を取り除いた「蓋なし」の状態で，再度音響測定を行った．共鳴筒を横にした状態で測定を行ったが，試料が形を保っていたため，蓋を外しても土が容器からこぼれることはなかった．
次に，3.0 cm だけ充填してある試料にまさ土を加えて容器いっぱい（5.5 cm）になるように充填した．そして塩Fig. 1 実験装置 a. 試料の測定，b. 基準の測定．
Acoustic measurement system: a. sample measurement, b. reference measurement.

ビの丸棒で蓋をした．蓋ありの状態で音響測定を行い，における，共鳴法による気相率と通気係数の推定値を，と同様に，蓋ありの状態で音響測定を行い，その後，蓋重量法の気相率と通気試験による通気係数と比較し，共なしの状態で音響測定を行った．測定後，試料の一部を鳴法の測定精度を明らかにする．

使って含水比を求めた．充填時の全体の質量と含水比よ

その後，蓋なしの状態で音響測定を行った．最後に，5.5

cm だけ充填してある試料に長さ 2.0 cm の円筒容器をつないで長さ 7.5 cm とし，そこにまさ土を充填した．前述

り，乾燥密度と三相分布を求めた．計算に必要な土粒子

2． 試料と方法

密度の値は，4 回の測定結果より，2.636 ± 0.014 g cm−3
（平均値 ± 標準誤差）を用いた．以上の実験を，含水比2.1 伝播距離の推定のための試料と共鳴法
充填土壌にまさ土を使用した．まさ土は粘土（ ∼ 0.005mm）8 %，シルト（0.005 ∼ 0.075 mm）10 % 程度を含む砂質土壌である．これに水分を加えて，含水比 5, 7, 9,
11, 13, 15 % に調整した．

5 % と 7 % の試料に対して，長さ 3.0 cm から始めて 5.5
cm に延長したものを 2 回，9，11，13，15 % に対して，長さ 3.0 cm から始めて 5.5 cm に延長したものを 2 回，
長さ 5.5 cm から始めて 7.5 cm に延長したものを 2 回繰り返した（Table 1 上段）．これらの試料で得た共鳴周波

はじめに，内径 8.5 cm，外径 8.9 cm，長さ 5.5 cm の数と共鳴幅の値に，蓋の有無，および試料の高さが与えステンレス製円筒容器に，数回に分けて高さ 3.0 cm だける影響を調べた．蓋の有無が現れなくなる試料高さを求充填した．長さ 4.5 cm，直径 8.9 cm の塩ビの丸棒を用め，伝播距離の大まかな推定値とした．

意し，長さ 2.5 cm 分だけ直径を数 mm 小さくして，円

2.2 気相率と通気係数の測定のための試料と共鳴法

筒容器内にちょうど納まるようにした．この部品を使っ次に，2.1 節の試料とは別に，まさ土を 3，4.5，6，7.5，
9，10.5，12，12.5，13，13.5，14，14.5，15，17.5 % の含水比に調整した．そして，内径 8.5 cm，長さ 2 cm のステン
レス製円筒容器に，伝播距離の推定に基づき（後述の 3.1て，円筒容器の中でまさ土が充填されていない 2.5 cm 分
を塩ビで充填するとともに，円筒容器の蓋となるようにした（Fig. 1a）．この「蓋あり」の状態の試料に対して，
次に述べるように，共鳴法による測定を行った．
本研究では，内径 2.5 cm，長さ 25 cm の塩ビパイプと内径 1.6 cm，長さ 100 cm の塩ビパイプをつないだもの
を共鳴筒として用いた（Fig. 1）．共鳴筒の一端を塩ビ板で閉じて，もう片方の端を大気に開放した状態で（Fig.

1b），共鳴筒の側面に設置したスピーカーから，共鳴筒内へ 5 ∼ 100 Hz のスイープ波を約 5 秒間発信した．Fig.
1b の状態を基準と呼ぶことにする．スピーカーの駆動と同時に，共鳴筒の側面に設置したマイクを用いて共鳴筒内の音を録音した．録音データから周波数と音波強度の関係を求めた．そして，共鳴周波数と共鳴幅を求めた．

Table 1 試料諸元．
Sample data.
含水比

内径5, 7, 9, 11, 13, 15 % 8.5 cm
3, 4.5, 6, 7.5, 9,
10.5, 12, 12.5, 13,13.5, 14, 14.5, 15,17.5 %

8.5 cm

長さ

底面の条件

3 → 5.5 cm,
蓋あり，蓋なし
5.5 → 7.5 cm

1.3 cm

蓋あり

土壌の物理性

16

第 149 号

（2021）

節参照），高さ 1.3 cm 分だけまさ土を充填した（Table 1

平面波の音波強度は，振幅の絶対値の 2 乗に比例する

下段）．各含水比に対して 2 ∼ 3 個，全部で 48 個の試料ため，距離 x（m）だけ進んだ音波の減衰の程度を，土壌中を作製した．これらの試料に対して，共鳴法による測定の音波の波数 kb（m−1 ）を用いて，e−2Im(kb )x のように表を行った．測定で得た共鳴曲線と理論式の差の二乗和がすことができる（Crawford, 1973）．ここで Im(kb ) は kb最小になるように，理論式の中の音響インピーダンス Zsの虚部である．音波強度が 1/e（= 0.367...）に減衰するを調整した．共鳴曲線を与える音圧分布 p(x,t) の理論式までの距離を減衰距離 d（m）とすると，e−2Im(kb )d = e−1 ，は以下のようになっている（深田 · 中村, 2011）．

つまり 2Im(kb )d = 1 より，d = [2Im(kb )]−1 ．ここで，深iZs cos β x − Za sin β x −iω tp(x,t) = D
eiZs cos β L − Za sin β L

田 · 中村（2011）より，波数 kb を次式により与えること

(1)

にした．

√
1+i
kb = √
2

ここで，D は共鳴曲線の大きさを決める定数（Pa），Zs
は共鳴筒と試料の境界条件として与えた音響インピーダ
ンス（Pa s m−1 ），β は伝播定数（m−1 ），L は共鳴筒の有効長さ（m），Za は大気の音響インピーダンス（413 Pa√s m−1 ），i = −1，ω は角周波数（rad s−1 ），x は音圧を測定した点の試料表面からの距離（0.04 m），t は時間（s）である．共鳴曲線は， p(x,t) の二乗の絶対値と周波ω Ωρw gp0 κa(5)

最終的に，音波の減衰距離を求める式は以下のように
なった．

√

p0 κa
× 100
2ω Ωρw g

cm(6)数の関係である．式中の定数は基準の共鳴曲線により決定した．例えば，D = 0.006 Pa，β の虚部 = 0.043 m−1 ，L = 1.76 m である．β の実部は波数と呼ばれる量で，実験に用いた周波数によって与えられる．
音波が試料を通過し，試料底面において固定端の条件

cm の単位で表示するため 100 をかけた．ここで，式（6）中の Ω と κa は，音響モデルで用いられている気相率と通気係数であるが，本研究では，重量法と通気試験の測定値を代入した．

で反射するとした場合，試料表面の音響インピーダン

次に，気相率（重量法）を x，気相率（共鳴法）を y とス Zs （Pa s m−1 ）は以下の式で与えられる（深田 · 中村,

して線形回帰式を求めた．次式により，y の回帰式から

2011）．

ρw gl
p0
Zs =
+i
3κa
ω Ωl

の平均二乗偏差の平方根（標準偏差）σn を求めた．
nσn2 = ∑ δi2 /n

(2)

(7)

i=1

ここで，ρw は水の密度（1000 kg m−3 ），g は重力加速

ここで，δi は回帰式からの y のずれ（偏差），n はサンプ度（9.8 m s−2 ），l は試料長さ（0.013 m），κa は通気係数

ル数（ここでは 39）である．

（m s−1 ），p0 は大気圧（101300 Pa），ω は角周波数（rad√s−1 ），Ω は気相率（m2 m−2 ），i = −1 である．ここで度の指標とする．加えて，もし，気相率（重量法）と気の気相率は，試料の断面積に対する音波が通過する面積

相率（共鳴法）が同じ量であり，理想的には一致するはの比として定義される．

ずだと考えられるなら，気相率（重量法）を真値として，

式（2）を変形することで，気相率（共鳴法）と通気係通気係数（共鳴法）=

共鳴法の正確度を評価することができる．しかし本研究では，測定原理がそもそも違うということから，気相率数（共鳴法）の計算式を以下のようにした．

（共鳴法）と気相率（重量法）は別の量であり，両者には

p0
× 100 %
ω Xl

(3)

ρw gl
× 100 cm s−1
3R(4)

気相率（共鳴法）=

上記の標準偏差を，気相率で見た場合の，共鳴法の精

何か関係があるかもしれないとだけ考えることにする．
通気試験による通気係数と共鳴法による通気係数についても，同様に，回帰式と標準偏差を求め，共鳴法の精度について考察した．また，両者の関係について調べた．

ここで R は音響インピーダンスの実部（Pa s m−1 ），X は

3. 結果と考察

音響インピーダンスの虚部（Pa s m−1 ）である．ω （角周波数）の値は，測定した共鳴曲線から共鳴周波数を求

3.1 伝播距離

め，2π 倍した．気相率を % で表示するため 100 をかけ試料の乾燥密度は 1.53 ∼ 1.68 g cm−3 となった．含水た．そして，通気係数を cm s−1 の単位で表示するため比が大きいほど乾燥密度は大きくなった．固相率は 59

100 をかけた．

∼ 63 % となった．体積含水率は，含水比 5，7，9，11，
13，15 % に対して，それぞれ 8, 11, 14, 17, 21, 25 % となった．気相率は，33, 30, 26, 23, 18, 12 % となった．乾

音響測定後の試料に対して，0.05 ∼ 0.4 kPa の圧力を加えて，0.04 ∼ 0.3 L の空気を流した．圧力と流量を測定し，ダルシーの法則から通気係数を求めた．最後に，重量法により気相率を求めた．

燥密度が変化すると，同じ気相率でも通気係数が変化す論文：土壌中における音波の伝播距離の推定と共鳴法の測定範囲について17

る可能性がある．通気係数が小さくなった場合は，減衰は，蓋がないと試料底面で空気が振動できるためである．

距離が小さくなる．したがって，もし高水分側でも乾燥

対して，共鳴幅の変化が大きいのは，試料底面を通して密度を 1.53 g cm−3 で調べていたら，本研究で得た結果

音のエネルギーが大気中へ逃げたためと考えられる．

より減衰距離が大きくなった可能性がある．

次に，長さ 5.5 cm の結果を見る（Fig. 2b）．蓋ありのFig. 2（a）に，含水比 15 %，長さ 3 cm の試料を用い場合と蓋なしの結果は似ている．どちらも基準に比べてた場合の共鳴曲線の測定例を示す．縦軸の音波強度は絶小さく，少し低い周波数側に移動している．蓋ありの結対値が不明なため，基準の最大値を 1 として示した．基果は −1.3 + 1.1i Hz，蓋なしの結果は −1.1 + 0.9i Hz で準の共鳴周波数は 51.8 Hz，左半値周波数は 49.7 Hz，共ある．蓋ありと蓋なしの結果が似ているのは，試料が長

鳴幅は 51.8 − 49.7 = 2.1 Hz となった．

くなったことで，試料内で音波が減衰し，底面の条件が蓋ありの試料の共鳴曲線は，全体的に基準より小さ

共鳴に影響しなくなったためと考えられる．

く，低い周波数側に移動している．共鳴周波数は 49.4

すべての結果をまとめたものが Fig. 3 である．Fig. 3

Hz，左半値周波数は 46.8 Hz となった．したがって共鳴

は，共鳴周波数の変化量を実部，共鳴幅の変化量を虚部

幅は，49.4 − 46.8 = 2.6 Hz である．基準からの変化量でとして，実験結果を複素平面上に表示したものになって考えると，共鳴周波数が 49.4 − 51.8 = −2.4 Hz，共鳴幅

いる．図中の斜線は，共鳴周波数の変化量と共鳴幅の変が 2.6 − 2.1 = 0.5 Hz となる．これを，虚数単位 i を用い化量が等しい線である．全体のおおまかな傾向を見てみて，−2.4 + 0.5i Hz と書く．ただし，単位（Hz）は実部

ると，蓋ありの測定結果は，図中の斜線より左側，蓋なしと虚部それぞれに付いている．共鳴周波数が小さくなっの測定結果は斜線の右側に分布している．3 cm の場合，たのは，共鳴筒が土壌空気の分だけ長くなったためであ

測定結果は，共鳴周波数の変化量が −6 ∼ 2 Hz，共鳴幅

る．また，共鳴幅が大きくなったのは，土壌が音のエネの変化量が 0 ∼ 7 Hz の範囲に分布している（Fig. 3a）．

ルギーを吸収したためである．
蓋なしの場合，共鳴周波数は 51.6 Hz，共鳴幅は 4.5 Hz

5.5 cm，7.5 cm と試料が長くなると，分布の広がりが狭くなって，斜線付近にまとまった（Fig. 3b，c）．試料がとなった．基準からの変化量は −0.2 + 2.4i Hz である．

長くなることで，蓋ありと蓋なしの違いが小さくなった

蓋ありの場合に比べて共鳴周波数の変化が小さい．これことがわかる．この時，共鳴筒と試料の境界条件は，試料の長さや底面の条件とは関係ない量で表されるはずである．このような音響インピーダンスは，特性音響イン
ピーダンスと呼ばれている．
土壌の音響モデル（Attenborough, 1983; 深田 · 中村,2011）によると，特性音響インピーダンスは，通気抵抗が大きいとき，近似的に実部と虚部が等しい．さらにこの時，共鳴周波数と共鳴幅の変化量が等しくなるということも理論的に示されている（Pierce, 1981; 深田ら,

2010）．Fig. 2 の測定例で見てみると，試料長さが 3 cmのとき，−2.4 + 0.5i（蓋あり）と −0.2 + 2.4i（蓋なし）
であったものが，5.5 cm になると，−1.3 + 1.1i（蓋あり）と −1.1 + 0.9i（蓋なし）となり，試料が長くなったことで実部と虚部の差が小さくなっているのが分かる．この結果を音響理論の観点から見てみると，3 cm は底面の条件が共鳴に明確に影響していたが，5.5 cm になると，底面の条件が共鳴に影響しなくなり，共鳴曲線の形状を，
特性音響インピーダンスで説明できるようになったと解釈できる．
次に，含水比（気相率）による傾向の違いに注目する．
共鳴周波数の変化量と共鳴幅の変化量が，蓋の有無により異なるかどうか，試料が長くなるとどうなるかを，Fig.

Fig. 2 共鳴曲線の測定例（含水比 15 %）a. 長さ 3 cm，b. 長
さ 5.5 cm．
Measurement example of the resonance curve (15 % water content): a. sample having a length of 3 cm, b. sample having alength of 5.5 cm.

3 より読み取る．繰り返しによる実験結果のばらつきは，
ほとんどの場合 1 Hz より小さい．一部，2 Hz 程度のものもある．Fig. 3 上で含水比ごとに結果を見て，蓋の有無による結果の違いが，繰り返しによるばらつきに比べて大きい場合は，蓋の影響があると判断した．
例えば含水比 5 %（気相率 33 %）の場合，蓋ありと蓋なしの結果はどちらも −2.5 + 1.5i 付近にあり，蓋の影18

土壌の物理性第 149 号

（2021）

cm の間にあると考えられる．含水比 13 %（気相率 18%）の場合は，7.5 cm でもまだ蓋の影響があるように見える．したがって，音の伝播距離は 7.5 cm 以上の可能性がある．以上の結果は大まかではあるが，音波の伝播距
離は気相率 10 ∼ 30 % でおよそ 3 ∼ 7.5 cm であり，含水
比 11 ∼ 13 %（気相率 18 ∼ 23 %）あたりで最大となったようである．共鳴筒の内径を変えずに円筒容器の内径を変えて同じ実験を行った場合，円筒容器の内径が大きくなるほど共鳴曲線の基準からの変化量は大きくなる．
これは内径が大きくなった分，同じ伝播距離に対して土壌空気の体積が増えるためである．一方で，伝播距離は音がどれだけ土壌中に侵入するかの指標であるから，円
筒容器の内径には関係がない．よって共鳴筒内の音を試料表面に伝えられる限り，円筒容器の内径は伝播距離の推定結果に影響しないと考えられる．ただし，共鳴筒に比べて試料の内径が大きくなりすぎると，共鳴筒から試料表面への音の伝播が阻害され，伝播距離の推定に影響が出るかもしれない．

2.2 節では，土壌中で音波強度が 1/e まで減衰する距
離（減衰距離）を他のパラメータから推定するために式（6）を導入した．式（6）から推察できる気相率と減衰距離の関係は，上記で得た気相率と伝播距離の関係にも当てはまるかもしれない．式（6）によると，減衰距離は

κa /Ω（通気係数 / 気相率）の平方根に比例している．通気係数は透水係数と同じように，単位圧力勾配におけるフラックスで定義されているから，見かけの流速であり，通気係数を気相率で除した量が，実際の流速に近いと考えられる．音響理論の中で言い換えると，通気係数 / 気
相率という量は，土壌中における空気の振動速度の目安である．よって，式（6）によれば，気相率の増加に対して減衰距離が増加するためには，振動速度が増加する必要があり，それには，通気係数が気相率の 1 乗より大きな指数で増加しなければならない．乾燥側で気相率の増加に対して伝播距離が小さくなったのは，気相率に対する通気係数の変化率が関係していると考えられる．
以上の実験結果より，試料が長くなるほど，試料底面の条件が共鳴に及ぼす影響が小さくなることを確認できた．そこで，共鳴法を用いる場合，2 通りの境界条件のFig. 3 共鳴周波数と共鳴幅の関係．
Relationship between the resonant frequency and resonancewidth.

使い方が考えられる．1 つ目は，試料を伝播距離より十分短くして，共鳴曲線に試料底面の影響が明確に表れるようにする．十分と書いたのは，試料の長さが伝播距離

響は認められない．また，長さ 3 cm と 5.5 cm の結果は程度になると，試料底面の影響が小さくなることで，表面音響インピーダンスの測定誤差が大きくなると考えら似ている．したがって，音の伝播距離は 3 cm より小されるためである．例えば，試料が短い方（Fig. 2a）が長かったと推定できる．含水比 7 %（気相率 30 %），9 %い方（Fig. 2b）よりも基準と試料の共鳴曲線の違いが大（26 %），15 %（12 %）の場合は，3 cm のとき，蓋の影響きく，試料底面の影響が明確に表れていることが分かる．

があるが，5.5 cm になると蓋の影響が認められないか，

もう 1 つは，試料を伝播距離より長くして，試料底面の小さい．したがって，音の伝播距離は 3 cm ∼ 5.5 cm 程

条件が共鳴に影響しないようにする．試料内に侵入した度と考えられる．含水比 11 %（気相率 23 %）の場合は，音波は消えると想定することになる．この方法を採用す

5.5 cm でもまだ蓋の影響があるが，7.5 cm になると認められない．したがって，音の伝播距離は 5.5 cm から 7.5

ると，1 章でも述べたように，音波はどの範囲を測定しているのかという問題に明確に答えられない．仮に，伝播論文：土壌中における音波の伝播距離の推定と共鳴法の測定範囲について

19

以上より，1.3 cm とした．以下では，高さ 1.3 cm の試料の結果について見ていく．

Fig. 4 に，重量法による気相率と通気試験による通気係数の関係，および，これらの値を式（6）の Ω と κa の代わりに用いることで得た減衰距離を示した．通気係数は，0.0002 ∼ 0.65 cm s−1 となった．また，通気係数は気相率の増加とともに増加し，25% あたりで最大となった．30 % 付近で若干の減少傾向がみられる．ただし，全体的にばらつきが大きく，15 ∼ 30 % にかけて 0.2 ∼ 0.6

cm s−1 の値を示した．
減衰距離は 0 ∼ 2 cm となった．また，減衰距離は，気相率 20 %（含水比 13 %）あたりで最大を示している．
Fig. 4 気相率（重量法）と減衰距離の関係．
Relationship between the volumetric air content obtained using
the gravimetric method and attenuation distance.

この傾向は，音響測定の結果から推定した伝播距離と気相率の関係と一致している．伝播距離は気相率 12 ∼ 33

% の範囲で 3 ∼ 7.5 cm と推定した．同じ気相率範囲の減衰距離は，Fig. 4 より，およそ 1 ∼ 2 cm である．これ
らの数字を比較すると，伝播距離は減衰距離の 3 ∼ 4 倍である．減衰距離は，音波強度が 1/e（37 %）まで減衰する距離として定義されている．したがって，音が伝播
距離だけ進むと，音波強度は 1/e4 ∼ 1/e3 （2 ∼ 5 %）まで減少する計算になる．本研究では伝播距離の推定を経て試料高さを決定したが，音響試験を経ずに試料高さを決定したい場合は，例えば，気相率 10，20，30 % における通気係数を通気試験により求めて，式（6）により減衰距離を計算すれば，それが試料高さの目安になるといった方法が考えられる．

Fig. 4 によると，気相率 0 ∼ 10 % の範囲では，減衰距
離が 0 ∼ 0.5 cm 程度に見積もられている．伝播距離を
減衰距離の 3 倍で計算すると 0 ∼ 1.5 cm となり，気相率0 ∼ 10 % の範囲では，伝播距離が試料高さ（1.3 cm）よFig. 5 気相率（重量法）と気相率（共鳴法）の比較．
Comparison of the volumetric air content obtained using thegravimetric method with that obtained using the acoustic resonance method.

り小さかった可能性がある．そのため，今回の試料に対して音響測定できた気相率範囲を，およそ 10 ∼ 36 % とした．

3.2 共鳴法の精度

本研究では，伝播距離の推定結果（3 ∼ 7.5 cm）より，Fig. 5 は共鳴法による気相率と重量法による気相率の比較である．48 個の試料のうち，気相率（重量法）が10 ∼ 36 % のものは 39 個あった．10 % 以下の残り 9 個
は，共鳴法の値が重量法の値より小さい．対して，10 ∼36 % の範囲では，共鳴法の値が重量法より大きいものが多かった．39 個のデータに対する線形回帰の結果は
y = 1.03x ＋ 0.14，R2 = 0.99 となった．また，10 ∼ 36
% の 39 個のデータに対する，共鳴法による値の標準偏差は 0.9 % となった．過去に鳥取砂丘砂と相馬珪砂を用いた実験（深田ら, 2010）では，気相率 10 ∼ 20 % で共試料高さを 1.3 cm とすることにした．できるだけ小さ

鳴法による値の明らかな低下傾向が得られ，水や土粒子な気相率に対して，試料底面からの反射波が弱まらないとの間に気泡として存在する空気（封入空気）が原因でよう，3 cm の半分程度を目安と考えた．短い試料の作成あると考察した．封入空気には大気中の音波が直接伝わ距離が測定範囲であると考えたとしても，それが試料の一部になることや，伝播距離が気相率に依存して増減することにより，音響測定範囲を重量法および通気試験の測定範囲と一致させることが難しくなる．本研究では，
音響測定範囲を重量法と通気試験の測定範囲と一致させて，両者を比較することを目的としているので，1 つ目の方法を採用する．

は，おそらく 5 mm 程度まで可能である．ただし，試料

らないことから，封入空気の分だけ測定されず，気相率の断面積をそのままにして長さだけ短くすると，試料全（共鳴法）が小さくなると考えられるためである．今回体の体積が小さくなることで，系が基準状態（Fig. 1b）の実験では，気相率（重量法）が 4 ∼ 11 % の結果に対しに近くなり，音響インピーダンスの測定精度が悪くなる．

て，共鳴法による値の低下傾向が現れた．封入空気が原

20

土壌の物理性第 149 号

（2021）

範囲内に存在する空気量と一致することを示している．
通気係数の場合はどうやら気相率ほどではなく，空気の振動の抵抗を通気係数の単位で読み替えたとしても，通気試験の結果を完全に表すわけではない．このような測定原理の違いや音響モデルの使い方が，通気試験と比較したときのばらつきの原因になると考えられる．
通気係数に対する線形回帰の結果は y = 0.56x ＋ 0.11，
R2 = 0.77 となった．共鳴法による通気係数の推定値は通気試験の結果と一致するのではなく，別の線形な関係を示した．1 章で述べたように，Sabatier et al.（1996）
は，通気試験による通気抵抗がプローブマイク法による値より約 8 倍大きいと報告している．通気係数は抵抗の逆数に比例するから，Sabatier et al.（1996）の報告では，

Fig. 6 通気係数（通気試験）と通気係数（共鳴法）の比較.
Comparison of the air permeability obtained using the permeability test with that obtained using the resonance method.

（2010）の結果では，0.02 ∼ 2 cm s−1 の通気係数（通気因の可能性がある．しかし，試料底面の影響が明確にあ試験）の範囲において，通気係数（共鳴法）は通気係数（通気試験）の 1/5 ∼ 5 倍程度であった．本研究によっプローブマイク法による通気係数の方が大きい．深田らると想定した範囲（10 ∼ 36 %）の境界にあるため，明確て，通気係数（共鳴法）と通気係数（通気試験）の関係

なことは言えない．

が議論できるまでに測定精度が向上したといえる．精度

Fig. 6 は共鳴法による通気係数と通気試験による通気係数の比較である．気相率（重量法）10 % 以下の 9 個の試料に対して，通気係数（通気試験）は 0.0002 ∼ 0.03 cm
s−1 ，通気係数（共鳴法）は，0.02 ∼ 0.06 cm s−1 となった．そして，気相率（重量法）10 ∼ 36 % までの 39 個の試料に対して，通気係数（通気試験）は 0.03 ∼ 0.65 cm
s−1 ，通気係数（共鳴法）は，0.06 ∼ 0.49 cm s−1 となった．共鳴法は 0.0002 cm s−1 といった小さな値を出してが向上した理由は，試料底面の反射波が結果に明確に影響するように，所定の気相率範囲に対して試料高さを調整できたからである．さらに考察を進めて，他の音響測定法との違いを議論できるようになるには，まだ，レベル差法やプローブマイク法の測定範囲や精度に関する知見が足りない．

4. まとめいない．通気試験では，一定量の空気が流れる時間が長くなるのに対応して，より小さな通気係数を算出できる．

本研究では，試料底面を大気に開放した状態と蓋で閉

ただし，通気試験器からの空気漏れや，試料からの水分じた状態が共鳴法に及ぼす影響を，試料長さを変えなが量の蒸発などの制限がかかるため，実際には，10−4 cm

ら調べた．そして，底面の影響が出なくなる試料長さを

s−1 程度が通気試験で求められる通気係数の下限値であ特定することで，音の伝播距離を推定した．充填したまる．一方で，共鳴法で求められる通気係数の下限値は，さ土に対する音波の伝播距離は，およそ 3 ∼ 7.5 cm で基準と試料の共鳴曲線の測定精度で決まる．気相率と通あった．伝播距離は気相率 20 % あたりで最大になる傾気係数が小さくなると，音響インピーダンスが大きくな向が得られた．試料高さを 1.3 cm とし，試料の底面を閉り，試料の共鳴曲線が基準の共鳴曲線に近づく．つまり

じて共鳴法を用いた場合，気相率（共鳴法）は 10 ∼ 36
% の範囲で気相率（重量法）と一致し，標準偏差は 0.9% であった．通気係数（共鳴法）は通気係数（通気試験）

現状では，通気係数が 0.02 cm s−1 より小さい試料の共鳴曲線を基準の共鳴曲線と区別できない．
気相率（重量法）10 ∼ 36 % の 39 個のデータに対して，通気係数（共鳴法）の標準偏差は 0.05 cm s−1 となった．

と一致せず，別の線形な関係を示した．通気係数（共鳴法）の標準偏差は 0.05 cm s−1 となった．

測定値（0.03 ∼ 0.65 cm s−1 ）に対する標準偏差（0.05 cm

伝播距離と気相率の関係は土壌によって異なると考えs−1 ）の相対的な大きさが，気相率の場合（10 ∼ 36 % に対して 0.9 %）に比べて大きいようである．つまり，Fig.
6 のほうが Fig. 5 よりも大きくばらついている．ばらつられる．また，用いる音の周波数によっても変わる．伝きの原因には，音響インピーダンス測定，質量測定，流試料高さの目安になる．このとき，音波が底面で反射し，量測定，圧力測定など，各試験において生じる偶然誤差

底面の条件が共鳴曲線に影響を与えることが期待できるがある．さらにここでは，音響測定を重量法や通気試験

ため，試料全体を測定範囲と考えることができる．共鳴と比較することで生じる原因というものがあると考えら

法の測定範囲が明確になり，同じ範囲を測定した重量法

れる．気相率（共鳴法）と気相率（重量法）がよく一致す

や通気試験の結果と比較することで，測定精度についてるという結果は，音波の通過する面積割合としての気相議論できるようになる．今後，様々な土壌で共鳴法の知率（共鳴法）が，試料長さを指定することで，ある体積見を増やすことで，レベル差法やプローブマイク法と共播距離に対して試料高さを短くしたい場合，重量法や通気試験の結果をもとに減衰距離を推定できれば，それが論文：土壌中における音波の伝播距離の推定と共鳴法の測定範囲について

21

鳴法を，精度の観点などから比較することが可能となる

Attenborough, K., Sabatier, J.M., Bass, H.E. and Bolen, L.N.

だろう．また，気相率（共鳴法）と気相率（重量法）の(1986): The acoustic transfer function at the surface of a

部分的な不一致や，通気係数（共鳴法）と通気係数（通layered poroelastic soil. J. Acoust. Soc. Am., 79(5): 1353–

気試験）の線形関係の持つ意味を考察できるようになる

1358.
Crawford, Jr., F.S., 高橋秀俊監訳 (1973): バークレー物理学と考えられる．

コース 3 波動（上），pp. 337–344. 丸善, 東京.

第 1 章で紹介したレベル差法は，音響装置が土壌の測定部分に接触しないように設計されている．本研究で深田耕太郎, 三野 徹, 中村公人 (2010): 音波の共鳴現象を利用した砂の連続空気量と通気係数の測定. 土壌の物理性,

は，共鳴筒と土壌試料を特殊なコネクタを利用して接続した．しかし，共鳴筒と試料を切り離して，共鳴筒の端を土壌表面から少しだけ（例えば 5 mm）離しても，土

115: 3–13.
深田耕太郎, 中村公人 (2011): 砂質土壌の気相率と通気係数の音響測定法の開発と同手法を通して見た気相の構造.

壌表面は共鳴筒の境界に影響を及ぼすことが分かっている．どの程度まで共鳴筒と土壌を離して置けるのか，著者はまだ知らない．今後，このような系で得られた共鳴曲線から，土壌表層の気相率や通気係数を求める方法を調べていくことで，共鳴法を，レベル差法と同じように，

土壌の物理性, 119: 39–52.

Grover, B.L. (1955): Simpliﬁed air permeameters for soil inplace. Soil Sci. Soc. Proc., 19: 414–418.
Hess, H.M., Attenborough, K. and Heap, N.W. (1990): Groundcharacterization by short-range propagation measure-

屋外の土壌に対する非破壊測定法として発展させていくことができるだろう．

ments. J. Acoust. Soc. Am., 87(5): 1975–1986.
Hickey, C.J. and Sabatier, J.M. (1997): Measurements of two
types of dilatational waves in an air-ﬁlled unconsolidated
sand. J. Acoust. Soc. Am., 102(1): 128–136.

謝辞

Leonard, R.W. (1946): Simpliﬁed ﬂow resistance measure-

本研究を行うにあたり，科学研究費補助金 20H03117と 21K05830 の助成を受けました．

ments. J. Acoust. Soc. Am., 17: 240–241.
Pierce, A.D. (1981): Acoustics: An introduction to its physical principles and applications, p. 120. McGraw-Hill, New

引用文献

York.
Sabatier, J.M., Hess, H., Arnott, W.P., Attenborough, K.,
Romkens, M.J.M. and Grissinger, E.H. (1990): In situ

Albert, D.G. (1993): A comparison between wave propaga-

measurements of soil physical properties by acousticaltion in water-saturated and air-saturated porous materials.

techniques. Soil Sci. Soc. Am. J., 54: 658–672.

J. Appl. Phys., 73(1): 28–36.
Attenborough, K. (1983): Acoustical characteristics of rigid

Sabatier, J.M., Sokol, D.C., Frederickson, C.K., Romkens,ﬁbrous absorbents and granular materials. J. Acoust. Soc.

M.J.M., Grissinger, E.H. and Shipps, J.C. (1996): Probe
microphone instrumentation for determining soil physicalAm., 73(3): 785–799.
Attenborough, K. (1987): On the acoustic slow wave in airﬁlled granular media. J. Acoust. Soc. Am., 81(1): 93–102

要properties: testing in model porous materials. Soil Tech.,
8: 259–274.

旨

土壌の音響測定法は，土壌表面で反射した音波や，土壌中へ侵入した音波を利用して，気相率や通気性を測定する方法である．しかし，土壌中での音波の伝播距離が測定対象の物理性に依存するため，音響測定範囲をあらかじめ設定することが難しい．本研究では，試料長さを変えながら，試料底面を大気に開放した状態と蓋で閉じた状態における共鳴法の結果を比較した．そして，底面の境界条件が共鳴法の結果に影響しなくなる試料長さを特定することで，土壌中の音の伝播距離を推定した．伝播距離より短くなるように試料の高さを決め，共鳴法による測定精度について検討した．充填したまさ土に対する，

5 ∼ 100 Hz の音波を用いた場合の伝播距離は，およそ 3 ∼ 7.5 cm であることが分かった．伝播距離は
気相率 20 % あたりで最大になった．試料高さを 1.3 cm とし，試料の底面を閉じて共鳴法を用いた場
合，まさ土の気相率を 10 ∼ 36 % の範囲で ± 0.9 %，通気係数を 0.05 ∼ 0.65 cm s−1 の範囲で ±0.05

cm s−1 の精度で音響測定できることが明らかとなった．
キーワード：共鳴法，気相率，通気係数，減衰距離J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 149, p.23∼35 (2021)

機種や作業者の相違を考慮した貫入式土壌硬度計の定量的な使用に向けた評価
江波戸宗大 1

Evaluation of the quantitative use of a cone penetrometerconsidering differences between models and between operators
Munehiro EBATO1

Abstract: To promote the quantitative use of cone penetrometers, we analyzed patterns in the variation and distribution of penetration resistance data that were causedby differences in models and operators. Because of differences in the mechanism of pressure detection between
models, the values of penetration resistance tend to bemodel-dependent around the boundary area above and below the plow pan. This prompted us to carry out data comparison between models.
Nine operators surveyed 60 points each over the entire
area of an 0.31-hectare ﬁeld. The operators were two men
and two women in their 40s, a man and two women in their50s, and two women in their 60s. When weak women or
elderly persons penetrated from the plow layer to the plow
pan with the cone tip of the cone penetrometer more slowly
than strong men, it appeared that the penetration resistancedata around the boundary area above the plow pan could
be collected more accurately. We conclude that the datanecessary for creating three-dimensional distribution mapsof soil hardness can be collected if the range of up to 3000
kPa of penetration resistance and 45 cm depth can be measured using a cone penetrometer, making it suitable as amachine setting.
Key Words : cone penetrometer, penetration resistance,
arrival depth, operator, paddy

減率は，平成 27 年から令和 2 年までの 5 年間で，北海
道では 100 ha 以上層で 17.5 %，都府県では 30 ha 以上
層で 32 % も増加している（農林水産省, 2021b）．農業機
械の大型化や圃場の大区画化によって農作業の効率を向上させる努力が行われているが（今園, 1991; 内田, 2008;
農林水産省農村振興局, 2021），弊害として，大型農業機
械の踏圧による作土の浅層化（長野間, 1995）等の土壌物理性に関係する問題も見られるようになった．また，近年の地球温暖化で，巨大台風，ゲリラ豪雨，線状降水帯による洪水，湿害などが頻発し（気象庁, 2018），圃場
の排水性を評価する土壌物理性について重要度が増してきた．中野ら（1998）は，土壌硬度分布，飽和透水係数のばらつき，団粒の安定性が排水性の有効な指標である
ことを明らかにした．北川（2005）は，北海道において，
積雪寒冷地での暗渠排水による農地の排水改良を行い，冷湿害時の農業生産性の安定化に及ぼす影響を明らかにした．今まで以上に土壌物理性の良否が作物生産に大きく影響するため，土壌物理性の評価を簡便にしかも迅速に行うことが求められている（安西, 2016）．
従来，土壌物理性を評価するために，土壌断面を作成した後に，層位ごとにコアサンプル数連を採取し，三相分布，含水率，透水性等の測定や pF 水分曲線を作成していた（土壌環境分析法編集委員会, 1997）．しかし，コ

1. はじめにアサンプルを採取して各種分析を行うにはかなりの手間と時間を必要とする．現場で透水性を評価する手法とし日本の農業現場では，基幹的農業従事者が平成 27 年て，シリンダーインテークレート（土壌物理性測定法委から令和 2 年までの 5 年間で 175.7 万人から 136.3 万員会編, 1972）や負圧浸入計（Dixon, 1975）等の技術も人（−22.4 %）と急速に減少し，令和 2 年では 65 歳以上開発されたが，短時間で次々と測定できる仕様ではないが全体の 69.6 % と高齢化が進行している（農林水産省,（福本, 2013; 酒寄ら, 1998）．

2021a）．一方，経営耕地面積規模別に農業経営体数の増
1 Central Region Agricultural Research Center, National Agriculture and Food Research Organization (NARO), 2-1-18 Kannondai,
Tsukuba, Ibaraki 305-8666, Japan. 2 Present address: Institute for AgroEnvironmental Sciences, National Agriculture and Food Research Organization (NARO), 3-1-3 Kannondai, Tsukuba, Ibaraki 305-8604, Japan.
Corresponding Author:江波戸宗大, 農研機構 農業環境研究部門.
2021 年 6 月 30 日受稿 2021 年 10 月 18 日受理

貫入式土壌硬度計は短時間で貫入抵抗を調査できるが，耕盤層の位置を特定する等，定性的に使われることが多かった（松井ら, 1987; 中津ら, 2004）．古いタイプの貫入式土壌硬度計は，記録紙をセットして貫入抵抗の波形をアナログで記録していた（梅村, 1984; 土壌環境分
析法編集委員会, 1997）．海外でも様々なメーカーが貫入24

土壌の物理性第 149 号

（2021）

値の変化を予め見込んで，貫入式土壌硬度計を用いて同一圃場内の多地点で調査を行い，圃場内の土壌硬度に関して三次元的な不均一性評価を半定量的に行う技術を開発した（Ebato, 2020）．相対的に貫入抵抗値の低い地点
は土壌水分含量が高いと推定されることから，本技術は圃場内の三次元的な土壌水分分布の推定や圃場の排水性向上のための圃場管理指標としての利用を念頭に普及活動が行われている（江波戸, 2020; 高橋ら 2021）．この技
術開発の結果，多くの作業者が様々な貫入式土壌硬度計を用いて全国の農業現場で多量のデータを取得するようになれば，土地情報データベースとして集約することで新たな価値が生じる．

DIK-5530 は製造中止のため新規で入手困難であるが，所有している研究機関は多く，現在でも使用されている．
取得される貫入抵抗データの傾向や現行の DIK-5532 との相違を明らかにすることで，今まで蓄積された調査結果を活用しながら，貫入式土壌硬度計の定量的な利用を
Fig. 1 大起理化工業のデジタル貫入式土壌硬度計．
Overview of digital cone penetrometer made by Daiki Rika Kogyo Co., Ltd. (DIK-5530 and DIK-5532).

式土壌硬度計を販売している（Eijkelkamp Soil & Water,

2014; Humboldt Mfg. Co., 2015）．日本では，大起理化工業株式会社の貫入式土壌硬度計が一般的で，最近の機種として，デジタル土壌硬度計 DIK-5530 や DIK-5532
は，深さ 90 cm までの貫入抵抗を 1 cm 刻みで測定できる （Fig. 1; 大起理化工業株式会社, 2018）．これらを用いて深さ 1 cm ごとに土壌物理性に関する定量的な利用促すことができる．したがって，本研究は，DIK-5530と DIK-5532 による水田圃場全面における貫入抵抗分布を比較し，測定機器の癖や測定値の傾向を明らかにすることを目的とした．また，貫入式土壌硬度計はロッドを人力で土壌中に押し下げるため，測定値は作業者の身体能力やスキルに依存する可能性がある．このことから，

DIK-5532 について作業者による貫入抵抗分布パターンの傾向についても検討を行った．

2． 方法

ができれば，土壌物理性診断を行うのに強力なツールとなる．

2.1 調査圃場と調査時期

しかし，貫入式土壌硬度計が定量的に利用されなかっ農研機構 谷和原水田圃場（茨城県つくばみらい市）のたのには理由がある．土壌は含水量の増加と共に状態の

水田 3 筆（灰色低地土，圃場 A 10 a， 圃場 B 33 a， 圃場

変化や変形に対する抵抗の低下が発生する．この現象を

C 31 a，Fig. 2）について水稲収穫後に切り株の掃除刈り

コンシステンシーという（地盤工学会, 2010）．コンシス

やレーザーレベラーを用いた均平作業などを行い，次年

テンシーは軟らかい物体が外力を受けた時の変形または流動に対して抵抗する性質なので，物質の種類や目的に
よって力学的内容（弾性，粘性，塑性等）の測定方法が考案されているが，力学的内容の組み合わせが様々で曖
昧なので科学的な解釈が難しい（東山, 1974）．例えば，
土壌水分含量が高くなると土壌硬度（貫入抵抗）値は低
くなる （前田 · 相馬, 1974）．土壌中の水分含量は位置や深さ，時期，降水の有無によって異なることから，貫入式土壌硬度計で取得された貫入抵抗値は見かけの土壌硬度である（Ebato, 2020）．このため，季節や場所が異なると，貫入式土壌硬度計で取得したデータ間の定量的な比較が難しかった．望月ら（2016）は，岡山県南部地域の乾田直播において貫入式土壌硬度計による苗立ちを予測する試みを行った．これによって苗立ちを階級に分けて，貫入抵抗分布から予測可能となったが，貫入抵抗値
ではなく貫入抵抗分布の利用であり，適用範囲は岡山県南部の乾田直播少量播種圃場に限定されるとしている．
そこで筆者は時期や土壌水分含量の違いによる貫入抵抗

Fig. 2 農研機構 谷和原水田圃場における調査圃場配置図．
Layout of survey ﬁelds in the Yawara Paddy Research domain.

論文：機種や作業者の相違を考慮した貫入式土壌硬度計の定量的な使用に向けた評価

25

Fig. 3 圃場 C における貫入式土壌硬度計 DIK5530 と DIK5532 の調査地点．
Survey points for the cone penetrometers (DIK-5530 and DIK-5532） in Field C.

Fig. 4 DIK-5532 による貫入抵抗測定に関して作業者間の比較のための圃場 C の調査地点概要．
Layout of Field C for examining differences between the operators with respect to penetration resistance measurements using the DIK-5532 cone penetrometer.

度に向けて圃場管理作業が終わった状態で 2017 年 2 月に調査を行った．機種別の貫入抵抗分布を測定した後，値を計算した．
測定時間（分 / 地点）=（（最後の調査地点タイムスタ

整地のためにロータリーをかけてから，作業者別の貫入

ンプ＋最後の調査地点の測定時間）− 最初の調査地点タ

抵抗分布の測定を行った．

イムスタンプ）/（調査地点数）

2.2 DIK-5530 と DIK-5532 における機種別の貫入抵
抗分布パターンの比較

2.3 DIK-5532 における作業者別の貫入抵抗分布の比較

水田 3 筆において DIK-5530 と DIK-5532 による調査

水田 1 筆（圃場 C 31 a）を長辺方向 10 m メッシュ，短辺地点を同じ位置にするため，GPS や GLONASS などの全方向 5 m メッシュで区切り，縦横が交わる地点（n = 60）

球測位衛星システム（Global Navigation Satellite System，をマーキングした（Fig. 4）．年齢および性別の異なる 9

以下 GNSS）を活用し，GNSS ロガーを参照しながら圃名により DIK-5532 を用いてマーキング地点付近の貫入場全面で貫入抵抗を同日中に調査した（圃場 A n = 30，

抵抗を調査した．貫入式土壌硬度計によって圃場全体の圃場 B n = 60， 圃場 C n = 50）． 一例として圃場 C の土壌硬度三次元分布を調査する手法では，複数の衛星測調査地点を Fig. 3 に示す．機種別に深さ 1 cm ごとの貫位システムを補足できる GNSS ロガーで位置情報を記録

入抵抗について平均を算出し，深さ方向に並べて貫入抵しながら，貫入式土壌硬度計で貫入抵抗を測定している

抗の垂直分布を比較した．

が（Ebato, 2020），扱う電子機器が増えると操作ミスが調査地点ごとに採取したデータにタイムスタンプがつ多発する恐れがあったため，作業者が調査地点を直ちにくので，貫入抵抗 1 回を測定するのに必要な時間の平均特定できる方法を選択した．貫入式土壌硬度計と GNSS

土壌の物理性

26

第 149 号

（2021）

ロガーを用いた調査と作業状況を似せる目的で，貫入式

農研機構 谷和原水田圃場における調査半年前からの降土壌硬度計の操作だけに集中させないように，GNSS ロ

水量と蒸発量の推移について，2016 年 12 月後半から降ガーを操作する代わりに，調査地点間の歩数を数えて記

水量および降水イベントは減少傾向であったが，蒸発量録用紙に記載するダミー操作を作業に含めた．作業者 9および蒸発イベントは増加傾向であった（Fig. 5-1）．谷名についても機種別の調査と同様に貫入抵抗 1 回を測定

和原水田圃場の気象観測システムには土壌水分センサがするのに必要な時間の平均値を計算した．

設置されていない．土壌水分の状況を推測するため，便作業者 9 名の内訳は，谷和原水田圃場の業務科職員 3

宜的に日ごとの降水量と蒸発量の差を積算して冬季にお名（男性），および契約職員 6 名（女性）で，年齢構成は，ける土壌水分のフローを評価すると，調査を行った 201740 代 男性 2 名 · 女性 2 名，50 代男性 1 名 · 女性 2 名， 年 2 月中旬から下旬にかけて積算値が一番大きかった
60 代 女性 2 名である．使用できる貫入式土壌硬度計の （Fig. 5-2）．このことから，調査を行った時期に土壌が一番乾燥していると考えられた．
数や作業性を考慮して，業務科職員 1 名を班長として契約職員 2 名のサポートを行う体制を構築した．作業者グ調査を行った地域の土壌水分の状況をさらに検討する
ループ α ，β ，γ の 3 班に分け，各班の作業者を区別するため，谷和原水田圃場から東に 7.45 km 離れたところ
ため，（α 1, α 2, α 3）に設置されている農研機構農村工学研究部門の気象観測，（β 1, β 2, β 3），
（γ 1, γ 2, γ 3）と番号データ（吉田ら, 2012）を確認した（Fig. 6）．2016 年 9をつけた．
月から 2017 年 8 月までの 1 年間の日積算雨量と深さ 5，貫入式土壌硬度計を使った経験のある作業者は 2 名だ
10， 30， 50 cm の日平均土壌水分の推移を確認すると，けで，その 2 名も今回のように多地点での測定を行っ2017 年 1 月から 3 月にかけて降雨も少なく，日平均土
たことはなかった．作業者の大多数が貫入式土壌硬度計の操作を初めて行うので，実際の作業前に操作手順を教壌水分が安定して低い傾向であった．土壌水分含量が低え，調査には使用しない圃場で 1 時間程度の練習を行っ

いと土壌硬度（貫入抵抗）が高くなるのは前述の通りでた．作業者について素人に近い人選をしたのには理由がある．以上のことより，今回の調査を行った時期が一年ある．貫入式土壌硬度計の操作は他の土壌物理性調査方のうちで安定して土壌水分が低く，土壌硬度や貫入抵抗法と比較して簡便であり，将来的に貫入式土壌硬度計にが相対的に高く検出されるので，機種や作業者の相違，よる調査を研究とは縁のない一般人にアルバイトなどのまた，貫入式土壌硬度計で取得できるデータの傾向を把

一時雇用の形で発注することを考えたからである．デー

握するには最適と判断された．

タ収集に関して労働力の確保および人件費などのコスト

3.2 機種別の貫入抵抗分布パターンの比較削減を念頭に置いた判断である．農業従事者数は今後減

圃場ごとに機種による貫入抵抗分布パターンの相違に少し，今まで以上に 1 人あたりの栽培面積が拡大する

ついて Fig. 7 に示した．圃場 A，B は耕盤層から下層に（内田, 2008; 農林水産省, 2020）．この状況を打開するた

かけて硬く，コーン先端が深さ 60 cm まで到達しない地

め，農業従事者には農作業に専念してもらい，他からの点が数多く生じたため，調査地点すべてでデータを収集

労働力供給源として，高齢者や女性，障害者等を想定しできた深さ 30 cm までを貫入抵抗値として解析した．耕た．本調査では，40 代以上の女性を対象とした．

盤層について貫入抵抗値から判断して，圃場 A および圃

作業者による相違を明確化するため，作業者別に測定
時間や欠損値および操作ミスの情報を収集した．操作ミ

場 B は深さ 15 cm 以上，圃場 C は深さ 19 cm から 35

cm の範囲と考えられた．

スとは，具体的には，機器操作手順の誤り（おもりを下

貫入抵抗値はどの圃場でも表層のうちは DIK-5530 の端まで引き下げずに測定など），表示器として使われるス方が高い傾向だったが，DIK-5532 の方が耕盤層にかけマートフォンのボタンの押し違えやデータ保存ミス等をて貫入抵抗値の立ち上がりが俊敏で一時的に DIK-5530

想定した．次に，作業者別および調査地点別に貫入式土の値を上回ることもあった．DIK-5530 と DIK-5532 の

壌硬度計のコーン到達深度分布図を作成し，箱ひげ図を差分を取ると，1 から 10 cm はプラス値で，耕盤層にさ用いて，作業者ごとのコーン到達深度の傾向を解析した．

しかかってくると反転してマイナス値になる傾向であっさらに，圃場 C における土壌硬度調査地点において，た．また，圃場 C については，深さ 40 cm 以下になると土壌硬度の水平方向の面的な分布を 1 cm ごとに深さ方計ソフト R（Ver.3.6.3）でユークリッド距離，ウォード

DIK-5530 の方がゆっくりと貫入抵抗値が低くなる傾向にあった．これは，圧力測定に関して DIK-5530 はスプリング（機械式）であるのに対し，DIK-5532 はロードセルによって検出しているため，DIK-5532 の方が貫入抵法を用いた（R Core Team, 2020）．

抗の変化を素早く捉えられていると考えられた．この現向でクラスター分析を行い，作業者による作土層，耕盤層，下層の位置の相違を検討した．クラスター分析は統象により，圃場 A および圃場 C ではコーン先端が耕盤

3. 結果と考察

層を通過後に DIK-5532 の貫入抵抗値が軟らかめに計測される傾向にあったと考えられた．

3.1 調査時における農研機構 谷和原水田圃場付近の
気象と土壌水分の状況

DIK-5530 による貫入抵抗測定の実測値例を Table 1に示す．調査地点 No. ごとに 1 cm 刻みで深さ 20 cm ま

論文：機種や作業者の相違を考慮した貫入式土壌硬度計の定量的な使用に向けた評価

農研機構 谷和原水田圃場における調査半年前からの降水量（日合計，月合計）と蒸発量（日合計）の推移．

Fig. 5-1

Changes in daily and monthly precipitation and daily evaporation from six months before the survey in the
Yawara Paddy Research domain.

Fig. 5-2 農研機構 谷和原水田圃場における冬季（2016/12/1 – 2017/2/28）の蒸散量（日合計）と降水量（日合計）の差に関する積算値の推移．
Changes in accumulation of difference between daily evaporation and daily precipitation during winter season(2016/12/1–2017/2/28) in the Yawara Paddy Research domain.

Fig. 6 農研機構 農村工学研究部門の気象観測システム（つくば市観音台, 農研機構 谷和原水田圃場より東に 7.45 km）による，日積算雨量と深さ 5，10，30，50 cm における日平均土壌水分の推移 （2016/9/1 –2017/8/31）.
Changes in daily cumulative rainfall and daily average soil moisture at 5, 10, 30 and 50 cm depth from 2016/9/1
to 2017/8/31 by the Weather System of Institute for Rural Engineering, NARO (Kannondai, Tsukuba City),
where is 7.45 km east from the Yawara Paddy Research domain.

27

土壌の物理性28

第 149 号

（2021）

Fig. 7 圃場 A, B, C における機種による貫入抵抗分布パターンの違い.
Differences in penetration resistance distribution patterns in relation to the model used for surveying in Fields A, B, and C.

Table 1 貫入式土壌硬度計 DIK-5530（大起理化工業製）による貫入抵抗測定例．
Measurement examples of a digital cone penetrometer DIK-5530 made by Daiki Rika Kogyo Co., Ltd.
貫入抵抗値

調査地点 No.

（kPa）

58

59

60

61

62

63

64

65

280.38280.38300.60371.37528.08548.30548.30614.01710.06710.06962.811094.241215.56
1266.101736.221978.86
2014.242049.632049.632049.63245.00245.00245.00300.60341.04472.47523.02674.67720.17836.43942.591058.85
1281.271321.711407.641407.641407.641407.641407.641407.64280.38391.59391.59391.59391.59391.59437.09790.94
1074.021220.61
1357.091488.52
1534.021534.021539.071534.021534.021523.91
1448.08
1341.93356.21356.21376.43639.29710.06795.99795.99795.99795.99790.94977.971281.271417.75
1417.75
1417.75
1417.75
1417.75
1417.75
1377.311316.65265.22285.44305.66
310.71
310.71
533.13866.761038.631154.90
1266.101311.60
1483.471483.471483.471483.471483.471483.471483.471483.471483.47245.00245.00245.00250.05245.00245.00250.05250.05250.05467.42568.52664.56856.651139.731483.471503.69
1508.741508.741508.741508.74

245.00245.00245.00285.44401.70876.871094.24
1311.60
1402.591549.18
1685.67
1690.72
1695.781695.781695.781690.72
1685.67
1685.671670.50
1645.23245.00245.00315.77
310.71315.77598.85836.431048.74
1094.241210.501352.04
1539.071594.68
1589.62
1594.68
1589.62
1594.68
1594.68
1594.68
1594.68

深さ（cm）

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

論文：機種や作業者の相違を考慮した貫入式土壌硬度計の定量的な使用に向けた評価

29

Table 2 測定データ解像度と測定時間の機種による違い．
Comparison of measurement data resolution and measurement time between models （DIK-5530 and DIK-5532）.
解像度

圃場 A
圃場 B
圃場 C

解像度比

測定

測定して得られる貫入地点数

抵抗データ数の最大値 DIK-5530 DIK-5532

地点

点

水準

水準

30
60
50

1800 30 地点 ×60 cm
3600 60 地点 ×60 cm
3000 50 地点 ×60 cm

297
447
442

802
1367
1440

(DIK-5532)/(DIK-5530)

2.7
3.1
3.3

測定時間

DIK-5530 DIK-5532

DIK-5530 DIK-5532

分/筆分 / 地点

28.60
62.75
48.67

解像度：実際に得られる貫入抵抗測定値の種類数（階級の数）, 単位は「水準」

42.40
96.92
72.60
平均

0.95
1.05
0.97

1.41
1.62
1.45

0.99

1.49

で貫入抵抗値が縦方向に並べてあるが，深さ方向に同かったと考えられた．本研究手法のようにデータを多量

じ値が続くことがあった．また，違う調査地点 No. でに取得する場合には調査時間に大きな差が生じた．

も同じ値が出現することもあった．これらのことから，

3.3 作業者別の貫入抵抗値の比較

DIK-5530 で収集される貫入抵抗値は連続的ではなく，

3.3.1 作業者別の最大貫入抵抗値および測定時間の離散的なデータ構造と考えられる．一例として，調査地

比較点 No. 64 で深さ 12 cm では 1690.72 kPa と読めるが，真グループごとに各作業者の測定時間やデータ欠損数やの値は 1690.72 kPa 以上 1695.78 kPa 未満の範囲にある．

操作ミス数などを Table 3 に示した．作業者別の傾向と圃場全面について 1 cm 刻みで深さ 60 cm まで貫入抵抗して，実際に得られる測定値の解像度は男女別で比較すを測定すると，最大で（測定地点数 × 60）のデータ数がると年齢が若いほど解像度が高い水準にあった．最大貫得られる．しかし，上述のように同じ値が繰り返し検出

入抵抗値について，女性よりも腕力があると思われる男

されることから，（測定地点数 × 60）種類にはならない．

性の方が必ずしも大きい訳ではなかった．また，最大貫測定地点における真の貫入抵抗の最大値と最小値の範囲

入抵抗値が一番低い人でも 3100 kPa は測定可能であっは DIK-5530 や DIK-5532 で測定しても等しいはずなのた．植物根の伸長阻害が 1500 ∼ 2000 kPa から始まるとで，圃場全面に対して得られる貫入抵抗値の種類数（階考えられており（北川ら, 2015; Ebato, 2020），全ての作級の数）のバリエーションが多いと圃場における貫入抵

業者が植物根の伸長阻害を確認できる範囲で測定できて抗の変化を詳細に評価できていると考えられる．イメー

いた．

ジとして，画素数が多いディスプレイの方が詳細に画像を表現できることと類似すると考えられたため，得られる貫入抵抗値の種類数（階級の数）を解像度と定義して，測定時間は 1 地点あたり平均 1.68 分で，熟練した作業者（平均 1.49 分）と比較すると，1.13 倍であり，操作に慣れることで作業効率が 13 % 程度向上できることが明DIK-5530 と DIK-5532 の表現力の相違として比較した．

らかになった．土壌が硬かったためにコーン先端が深さ

各圃場における解像度を Table 2 に示す．DIK-5532 の60 cm まで到達しないことも多く，欠損値が平均で 20 %程度になっていた．内訳を見ると 50 代女性 2 名が最短で 1.41 分だったが，データ欠損や操作ミスによる「測定値なし」が β 2 で 26.3 %，β 3 で 34.2 % であった．ロッ

方が DIK-5530 に比べて解像度が 2.7 から 3.3 倍も高く，貫入抵抗のわずかな変化も検出できていることが明らかになった．測定に用いた機種が違う場合は取得したデータについて真の値が含まれる範囲が異なり，データ同士ドを貫入できなかったために測定値が得られず，その分を単純に比較して解析するのは避けた方が良いことが明だけ測定時間が短縮されたと考えられた．一方，60 代女らかになった．Fig.7 の結果からも，作土層から耕盤層，性 2 名の「測定値なし」は 50 台女性と大きな相違はな

耕盤層から下層という境界領域付近の貫入抵抗値データ

かったが，測定時間が 1 地点あたり約 2 分であった．原は特に取り扱いに注意が必要である．

因として，タッチパネル式表示器（スマートフォンタイ

貫入式土壌硬度計では調査時の時間も記録されるのプ）の操作に不慣れなため，余分に時間を必要としたとで，調査時間について機種間の比較を行った（Table 2）．

考えられた．最近はスマートフォンを所有する高齢者数

1 地点あたりの調査時間を平均すると，DIK-5530 が 0.99
分，DIK-5532 が 1.49 分と土壌物理性を測定する機器とも増加しており，訓練によって測定時間を最も短縮でき

してはデータ収集にかかる時間がとても短く，効率的にる可能性がある．

3.3.2 作業者別のコーン到達深度の比較調査を行えた．しかし，DIK-5532 の方が DIK-5530 よ

作業者別の貫入抵抗分布における全ての測定結果からりも 1.5 倍ほど時間がかかった．測定本体から表示器へ

耕盤層の範囲は深さ 18 cm から 33 cm の範囲と考えらのデータ回収は，DIK-5530 は有線であるが，DIK-5532
はブルートゥース通信で行っており，データ通信エラーの有無を確認する工程が含まれるため，余分に時間がかれた．これは，機種の相違による貫入抵抗分布を調査した時よりも 1 ∼ 2 cm 浅いが，調査前にロータリーをか土壌の物理性30

第 149 号

（2021）

Table 3 作業者 9 人の作業時間およびデータ採取状況．
Working time and data collection status of the nine operators

グループ
番号

測定時間

性別 · 年代

測定値

最大貫入

平均

なし

抵抗値

到達深度

/3600

%

kPa

cm

欠損 操作ミス分 /60 地点 分 / 地点 秒 / データ /3600

平均
到達深度

解像度

（女性のみ）

cm

水準

α1
α2
α3

男

40 代
女 40 代
女 40 代

99.3
90.2
91.1

1.66
1.50
1.52

1.73
1.86
2.01

146
694
875

0
0
0

4.1
19.3
24.3

5200
5200
3900

57.6
48.4
45.4

48.4
45.4

2023
1727
1653

β1
β2
β3

男

40 代
50 代
女 50 代

105.7
84.3
84.6

1.76
1.41
1.41

2.26
1.91
2.14

798
887
1232

0
60
0

22.2
26.3
34.2

3700
3300
3100

46.7
44.9
39.4

44.9
39.4

1599
1457
1390

γ1
γ2
γ3

男

113.0
116.8
121.4

1.88
1.95
2.02

2.00
2.84
3.07

208
1131
1111

0
0
113

5.8
31.4
34.0

4800
3500
3400

56.5
41.1
41.2

41.1
41.2

1938
1446
1423

100.7
14.1
84.3
121.4

1.68
0.24
1.41
2.02

2.20
0.46
1.73
3.07

787
386
146
1232

19
40
0
113

22.4
11.2
4.1
34.2

4011
831
3100
5200

46.8
6.5
39.4
57.6

43.4
3.4
39.4
48.4

1628
230
1390
2023

女

50 代
60 代
女 60 代
女

平均
標準偏差
最小
最大

解像度：実際に得られる貫入抵抗測定値の種類数（階級の数）, 単位は「水準」

けたため，最初の時点に比較して整地作業によって圧密Fig. 8 に作業者ごとのコーン到達深度分布を箱ひげ図9），（行 4 列 4），（行 5 列 9， 10），（行 6 列 9， 10）（計8 地点）は大多数の作業者が耕盤層下部辺りまでしか貫入できず，圃場 C の中では相対的に硬い地点であった．

で示す．すべての作業者で 50 % 以上の地点で耕盤層を上記地点のように，大多数の作業者で同様の傾向であれ

通過して下層まで到達しており，50 % ∼ 75 % の範囲にば，貫入抵抗値の大小はあるにせよ，データ解析は行い

ついては，α 2，β 3，γ 2，γ 3 の 4 名は少し，β 1，β 2 のやすい．

がかかった可能性があると考えられた．

2 名はわずかに耕盤層下端にかかっていた．Table 3 の最貫入式土壌硬度計データについて作業者による相違を

大貫入抵抗値と比較すると，耕盤層を通過するには，今少なくするためには，25 % ∼ 75 % のボックスが長い地

回の調査では 5000 kPa 程度の圧力が必要であった．「測点におけるデータの取り扱いを工夫する必要がある．改定値なし」が少なかった α 1 と γ 1 は，外れ値はあるが，めて Fig. 9 を見ると，作土層と耕盤層の境界領域はす

平均はそれぞれ 57.6 cm，56.5 cm と安定してコーンが下べての地点でデータ取得ができており，そのまま解析で層まで到達していた （Table 3）．年齢が高くなると到達きる．一方，25 % ∼ 75 % のボックスが長い地点は耕盤

深度の平均値が低くなる傾向はあるが，到達深度の平均層の下方から下層にボックスが分布している．つまり，値は，全員で 46.8 cm，女性だけで 43.4 cm であった．

耕盤層を通過できないことからこのような分布が生じ

Fig. 9 に調査地点ごとのコーン到達深度分布を箱ひげ
図で示す．すべての作業者がすべての地点で深さ 60 cm
まで貫入できる圃場については，作業者ごと，深さ 1 cmているので，貫入抵抗値の上限を設定し，それ以上は便ごとに土壌硬度水平分布図を作成するなど，そのまま解調査での作業者別の最大貫入抵抗値（Table 3）のことも析できるため，新たに解析手法を考案しなくてもよい．

含めて考慮して，上限を 3000 kPa 程度で土壌硬度三次

本調査のように，作業者によって貫入できる深さがまち

元分布図を作成するのが使い勝手が良いと考えられた．

まちな場合は深さを設定して一義的に解析できないの

DIK-5530 で収集できるデータの最大値は 2772.49 kPa
なので，著者は貫入抵抗値上限を便宜的に 2700 kPa にで，解析方法について，何らかの対策が必要である．（行

1 列 2， 4， 5， 6， 8），（行 2 列 2， 4， 5， 6），（行 3
列 2），（行 4 列 2），（行 5 列 2， 3， 5， 6， 8），（行 6 列1， 3， 4， 5）（計 20 地点）は大多数の作業者が深さ 60
cm 程度まで貫入できていて，圃場 C の中では相対的に軟らかい地点であった．一方，（行 1 列 7），（行 3 列 8，

宜的にすべて同じ扱いにすると，作業者による相違が出にくくなる．植物根の伸長阻害が発生する土壌硬度や本設定して作図している．

3.3.3 作業者別の土壌硬度水平分布の比較
作業者別に深さ 1 cm ごとの土壌硬度水平分布についてクラスター分析した結果をデンドログラムで Fig.
10-1， 10-2， 10-3 に示す．作業者 γ 3 以外の作業者 8 人

論文：機種や作業者の相違を考慮した貫入式土壌硬度計の定量的な使用に向けた評価

Fig. 8 圃場 C における作業者 9 人ごとの到達深度分布.
Distributions in depth of the cone tip reach for nine operators in Field C.

Fig. 9 圃場 C における作業者 9 人による調査地点ごとの到達深度分布．
Distributions in depth of the cone tip reach conducted by nine operators at each survey point in Field C.

31

32

土壌の物理性第 149 号

（2021）

様の傾向で分類されていることが明らかになった．第 1クラスターは作土層，第 2 クラスターは耕盤層，第 3 ク
ラスター以下は下層と考えられた．第 1 クラスターと第2 クラスターの下端平均はそれぞれ 15.9 cm， 28.0 cm
で，前述の耕盤層の範囲 18 ∼ 33 cm とは異なっていた．
耕盤層は圃場全面で均一の深さで分布しているのではな
く，地点によっては多少の上下がある．さらに，作業者別にすると個人差による上下も発生する．クラスター分
析では，微妙な変化を鋭敏に捉えることができたため，Fig. 10-1 深さ 1 cm 刻み 60 cm までの土壌硬度水平分布に関するクラスター分析結果についてグループ α のデンドログ
ラム.
Dendrogram of Operator Group α illustrating the results ofcluster analysis of the horizontal distribution of penetration resistance in steps of 1 cm up to 60 cm.

耕盤層の境界面を人の目で見たよりも早い段階，すなわ
ち浅い深さで検知したと考えられた．
本調査では，作業者の能力を判断する材料として，身長と体重の聞き取り調査を行った．貫入抵抗測定時に腕の長さ（リーチ）や機器にかけられる重さが測定結果に反映されると考えたからである．個人を特定できてしまうためデータとしては示さないが，最大貫入抵抗値や到達深度等の取得データとの関係について身長 · 体重デー
タを統計処理した．しかし，有為な相関は見られなかった．この結果について，解析を行うには調査人数が少な
かった可能性，もしくは，調査時における具体的な生理的データ（筋力や血圧，心拍数等）が必要だった可能性が考えられた．
デンドログラムを作業者間で比較すると，大きく 2 つのグループに分けられることが明らかになった．第 1 ク

Fig. 10-2 深さ 1 cm 刻み 60 cm までの土壌硬度水平分布に関するクラスター分析結果についてグループ β のデンドログ
ラム.
Dendrogram of Operator Group β illustrating the results of acluster analysis of the horizontal distribution of penetration resistance in steps of 1 cm up to 60 cm.

ラスターが一番離れている作業者グループ（α 1， β 2，γ 1）と第 1 クラスターと第 2 クラスターが近い作業者グループ（α 2， α 3， β 1， β 3， γ 2， γ 3）である．作業者
別に取得データを比較する試みを初めて行ったこともあり，定量的なデータを取得する準備ができていなかった
ため定量的なデータとしては存在しないが，α 1，β 2，γ 1に共通して見られたのは，深さ 60 cm まで貫入させようという強い意志を持って作業していたことであった．そのことにより，力みが生じ，軟らかめの作土層から硬めの耕盤層を突き抜けるときに大きな衝撃を受けたため，
作土層と耕盤層に大きな相違が出たと考えられた．さらに，α 1 と γ 1 は深さ 60 cm で単独のクラスターになって
おり，60 cm まで力強く貫入した衝撃が伝わって別のクラスターになったと考えられた．また，β 1 は第 1 クラ
スター下端が他の作業者と比較して深い位置になっていFig. 10-3 深さ 1 cm 刻み 60 cm までの土壌硬度水平分布に関するクラスター分析結果についてグループ γ のデンドログ
ラム.
Dendrogram of Operator Group γ illustrating the results of acluster analysis of the horizontal distribution of penetration resistance in steps of 1 cm up to 60 cm.

において上から順に深さがまとまった状態で，4 またはた．以上のことより，貫入式土壌硬度計で測定するにあたり，力強い男性が 60 cm までしっかりデータを取得しようと頑張って作業すると力みが生じ，耕盤層の始まり位置あたりで余分な力がかかってしまう．逆に女性や高齢者は非力なので，ゆっくりしか貫入できないが，そちらの方が，作土層から耕盤層の変化をスムーズに検知できることが明らかになった．今後同様な調査を行う場合

5 のクラスターに分類された．作業者 γ 3 は深さ 40 ∼ 60
cm の範囲で 2 つのクラスターに分かれているが，それには作業者に筋力や血圧，心拍数などの生理的データをまでの深さでは他の作業者と同様の傾向であった．作業

いて定量的な比較が可能になると考えられた．

取得できるセンサを装備すると，作業者ごとの力みにつ者ごとのクラスターの範囲を Table 4 に示す．作業者全貫入式土壌硬度計の貫入速度は 1 cm s−1 が目安であ員がまったく同じではなかったが，クラスター範囲が同り（梅村, 1984; 土壌環境分析法編集委員会, 1997），体感

論文：機種や作業者の相違を考慮した貫入式土壌硬度計の定量的な使用に向けた評価

33

Table 4 深さ 1 cm 刻み 60 cm までの土壌硬度分布のクラスター分析結果について作業者間の比較．
Comparison between the nine operators on the results of a cluster analysis of the horizontal distribution of penetration resistancein steps of 1 cm up to 60 cm.
グループ
番号

第 1 クラスター

第 2 クラスター

第 3 クラスター以下

深さ cm

深さ cm

深さ cm

40 代
40 代
40 代

1–15
1–14
1–15

16–27
15–28
16–26

28–40
29–48
27–42

41–59
49–60
43–60

60

40 代
50 代
50 代

1–17
1–19
1–15

18–27
20–29
16–23

28–39
30–37
24–32

60

33–48

40–60
38–60
49–60

50 代
60 代
60 代

1–17
1–14
1–17

18–37
15–29
18–26

60

30–40
27–31

32–40

38–59
41–60
41–53

平均

15.9
1.69
14
19

28.0
3.84
23
37

38.6
5.45
31
48

性別・年代

α1
α2
α3

男

β1
β2
β3

男

γ1
γ2
γ3

男

女
女

女
女

女
女

クラスター下端

標準偏差
最小
最大

54–60

的にはかなり遅い．土壌物理性調査について全くの素人

測定時の判断や臨機応変さ等も含む）の方が取得データ

で女性や高齢でも許容できる範囲でデータ収集ができたに反映されやすい状況であった．したがって，今回の調ため，一時雇用で多くの作業者を投入して大量の貫入抵査で得られた最大貫入抵抗値や到達深度についてすべて

抗データを取得するのは可能であると思われた．測定ミの作業者が達成可能な範囲を特定することで，簡易版貫スや操作ミスも多く発生するので，貫入式土壌硬度計の入式土壌硬度計の開発に繋がる．DIK-5532 は最大貫入

癖や取得されるデータの傾向を理解した上でデータ整理

抵抗値 10 MPa, 最大深度 90 cm まで測定できる仕様におよび解析を行う必要はある．

なっている．一方で，安西（2016）によると，スコップ 2
堀りで誰でも土の状態を診断できるとしており，圃場の4. おわりに状態を把握するだけならば，DIK-5532 のような研究者向けの特別な仕様は必要ない．耕盤層の深さや厚さ，植本研究では，貫入式土壌硬度計の定量的な利用を進め

物根の伸長できる土壌硬度等も考慮すると，貫入式土壌るための基礎的な知見として，機種および作業者の相違

硬度計について必要最低限の仕様として，貫入抵抗 3000

によってもたらされる貫入抵抗値データの変動や分布に

kPa 程度，深さ 45 cm 程度まで測定できれば，貫入式土ついての傾向を解析した．その結果，貫入式土壌硬度計

壌硬度計での測定経験のない作業者集団でも圃場全体のの機種が異なる場合，耕盤層上部や下部の境界領域にお土壌硬度三次元分布図を作成するのに必要なデータを収ける貫入抵抗データの取得状況が機種依存になるため，集できると考えられた．貫入式土壌硬度計を上記の仕様

安易にデータ比較ができないことが明らかになった．今にするメリットとして，生産コスト削減により，販売価回使用した貫入式土壌硬度計はロッドの長さを 60 cm，格も低く設定できる．それによって貫入式土壌硬度計の90 cm と設定して，その深さまで貫入抵抗値を 1 cm 刻みで収集できる．作業者は測定地点あたり 60 点，90 点

普及が進み，研究者や農業関係者が手軽に使用できる機のひとまとまりのデータセットになるような貫入抵抗値

今回の結果から，多くの作業者が貫入式土壌硬度計をの取得を目標としてロッドを土壌に押し込んでしまいが用いて貫入抵抗を測定する場合に比較的均質なデータを

ちだが，その力みが取得データに反映されることも明ら収集するための条件を提示できたが，日本の耕地面積だかになった．男性が力強くデータ収集するよりは，非力

けでも 437 万 ha（平成 2 年現在）と広大で，人力によな女性や高齢者がゆっくりとロッドを貫入させた方が作るデータ収集には限界がある．大起理化工業株式会社で土層から耕盤層へ変化する境界面の貫入抵抗データを適は，2019 年より自動で貫入抵抗値と土壌水分を測定する

正に収集できると考えられた．腕力がある人ほどロッド

ロボットの開発を始め，農研機構 中央農業研究センターの貫入に注意を払う必要がある．

と共同で実用化に取り組んだ（大起理化工業株式会社,

器になる．

今回の調査条件は土壌硬度が年間で一番高く，貫入抵2020）．GNSS を活用して完全自動で貫入抵抗値と土壌抗の測定には一番条件が厳しかった．すなわち，測定機

水分を測定するにはいくつかハードルがあるが，近いう

器の仕様よりも作業者個々の能力（身体能力だけなく，ちに実現できると考えている．上述のロボットが稼働す土壌の物理性

34

第 149 号

（2021）

るようになると，貫入抵抗データを効率良く，しかも再Humboldt Mfg. Co. (2015): Digital Static Cone Penetrometer.

現性があるように収集できるので，農耕地における三次

https://www.humboldtmfg.com/manuals/HS-4210 MAN

元的な貫入抵抗（土壌硬度分布）のデジタルマップ作成が加速化される．ただし，ロボットは臨機応変な対応が苦手なので，データ収集できる圃場に制限が出てくるはずである．そのような状況に対応して，本研究で得られた知見を基に，研究や農業には縁のなかった人々が人力で貫入抵抗データの収集作業を補完し，土壌物理性も考慮した作物生産に貢献できることを期待している．

0815.pdf（2021 年 6 月 18 日）
今園支和 (1991): 水田の大区画化と直播栽培. 東北農業研究,
別号 4: 5–19.
地盤工学会 (2010): 土質試験 基本と手引き 第二回改訂版, 第5 章 土の液性限界 · 塑性限界試験, pp. 39–48. 丸善, 東京.
気象庁 (2018): 気候変動監視レポート 2018.

https://www.data.jma.go.jp/cpdinfo/monitor/2018/pdf/
ccmr2018 all.pdf（2021 年 6 月 18 日）
北川 巌 (2005): 積雪寒冷地における排水改良の現状と今後謝辞の展開. 土壌の物理性, 100: 43–53.

本研究は，農研機構 中央農業研究センター 谷和原水
田圃場 業務科職員 3 名，および契約職員 6 名の皆様に多大なるご協力をいただき，データ収集することができました．また，大起理化工業株式会社 代表取締役 大石正
行博士，営業部部長 齋藤智則氏は，本研究の趣旨を理解し，快く貫入式土壌硬度計に関する情報を提供してくださいました．皆様に心から感謝申し上げます．

北川 巌, 塚本康貴, 竹内晴信 (2015): 基盤整備圃場の適切な生産性を確保する土壌物理性管理指標. 農業農村工学会,

83: 363–366
前田 隆, 相馬尅之 (1974): 土のコンシステンシーに影響をおよぼす因子について. 土壌の物理性, 30: 15–22.
松井 巌, 藤井芳一, 佐々木美佐子, 柿崎博之, 森田 泉, 田口辰雄 (1987): 樹園地土壌診断への貫入式土壌硬度計の応用.
秋田県果樹試験場研究報告, 18: 15–22.
望月秀俊, 藤本 寛, 清水裕太, 高橋英博, 松森堅治 (2016): 岡

引用文献

山県南部地域の乾田直播少量播種栽培における貫入式土壌硬度計による苗立ち予測法の開発. 土壌の物理性, 133:

安西徹郎 (2016): だれにでもできる 土の物理性診断と改良,

pp. 1–95. JA 全農肥料農薬部編, 農山漁村文化協会, 東京.
大 起 理 化 工 業 株 式 会 社 (2018): DIK-5532 デ ジ タ ル 貫入式土壌硬度計. https://www.daiki.co.jp/wp/wp-content/

uploads/2021/03/5532.pdf（2021 年 6 月 18 日）

11–18.
長野間宏 (1995): 大区画化に伴う栽培管理上の問題点. 農業
土木学会誌, 63: 921–924.
中野恵子, 宮﨑 毅, 中野政詩 (1998): 畑地の排水性から見た土壌の物理的肥沃度. 農業土木学会論文集, 195: 101–112.

大起理化工業株式会社 (2020): DIK-500R 土壌硬度 · 水分中津智史, 東田修司, 沢崎明弘 (2004): 耕盤層の簡易判定法

計測ロボット. https://www.daiki.co.jp/products/dik-500r/と広幅型心土破砕による対策. 日本土壌肥料学雑誌, 75:（2021 年 6 月 18 日）

265–268.

Dixon R.M. (1975): Design and use of closed-top inﬁltrome-

農林水産省 (2020): 食料 · 農業 · 農村基本計画.

ters. Soil Science of American Proceedings, 39: 755–763.

農林水産省 (2021a): 農業労働力に関する統計.

土壌物理性測定法委員会編 (1972): 土壌物理性測定法, pp.

18 日）html#1（2021 年 6 月 18 日）

168–190. 養賢堂, 東京.
土壌環境分析法編集委員会 (1997): 土壌環境分析法, pp.

農林水産省 (2021b): 2020 年農林業センサス結果の概要（確定値）（令和 2 年 2 月 1 日現在）. https://www.maff.go.jp/

36–38, pp. 48–66. 博友社, 東京.
Ebato, M. (2020): Evaluation of soil hardness in paddy ﬁelds
by cone penetrometer as a simple soil physical diagnosis
method. Agricultural Information Research, 29(1): 24–39.
江波戸宗大 (2020): デジタル貫入式土壌硬度計を用いた土壌
物理性簡易診断方法. 作物生産と土づくり（旧 圃場と土壌）, 53: 71–76.

Eijkelkamp Soil & Water (2014):

https://www.maff.go.jp/j/tokei/sihyo/data/08（2021 年 6 月

j/tokei/kekka gaiyou/noucen/2020/index.html（2021 年 6
月 18 日）html#1（2021 年 6 月 18 日）
農林水産省農村振興局 (2021): 国営農地再編整備事業実施 要 綱.

http://www.pref.tochigi.lg.jp/g07/documents/

r3kokueinoutisaihennyoukou.pdf（2021 年 6 月 18 日）
R Core Team (2020): R: A language and environment for sta-

PENETROLOGGER

tistical computing. R Foundation for Statistical Comput-

OPERATING INSTRUCTIONS.

ing, Vienna, Austria. https://www.R-project.org/（2021 年

https://www.vanwalt.com/pdf/information-sheets/

6 月 18 日）

penetrologger-cbr-operating-instructions.pdf（2021 年 6 月 18 日）
福本昌人 (2013): 直径 45 cm の円筒を用いたシリンダーイ
ンテークレート 試験による転換畑の排水性評価. 農工研
技報, 214: 209–220.
東山 勇 (1974): Atterberg Limits の工学的意義. 土壌の物理性, 30: 23–28.

酒寄貴範, 長谷川周一, 中野明正, 加藤英孝, 河野英一 (1998):
負圧浸入計を用いた畑土壌の不飽和透水係数の測定. 日本土壌肥料学雑誌, 69: 386–394.
高 橋 智 紀, 岡 紀 邦, 江 波 戸 宗 大, 望 月 秀 俊, 中 野 恵 子(2021): 圃 場 オ ン サ イ ト 計 測 に よ る 簡 易 な 土 壌 物 理
性診断の標準作業手順書. pp. 22–28. 農研機構標準作
業手順書 (SOP) https://www.naro.go.jp/publicity report/

論文：機種や作業者の相違を考慮した貫入式土壌硬度計の定量的な使用に向けた評価
publication/laboratory/naro/140577.html（2021 年 9 月 5日）

35

壌施肥編 第 4 巻, pp. 基本 +198–基本 +201. 農山漁村文化協会, 東京.

内田多喜生 (2008): 農地集積の動向と課題. 農林金融, 2008
年 2 月号: 58–69.

吉田武郎, 増本隆夫, 堀川直紀（2012): 農村工学研究所内における総合気象観測システムの構築とそのデータ品質管梅村 弘 (1984): 貫入抵抗計（診断の基本）, 農業技術大系土要理. 農村工学研究所技報, 212: 43–52.

旨貫入式土壌硬度計の定量的な利用を進めるため，機種および作業者の相違によってもたらされる貫入抵
抗値データの変動や分布についての傾向を解析した．圧力検出機構の相違で耕盤層上部や下部の境界領域で得られる貫入抵抗値が機種に依存していた．機種間のデータ比較には注意が必要であることが明らかになった．9 名の作業者が 31 a 圃場全面で 60 点ずつ調査を行った．作業者の性別や年齢は以下の通りである；40 代男性 2 名 · 女性 2 名，50 代男性 1 名 · 女性 2 名，60 代女性 2 名．力強い男性よりも非力な女性や高齢者がゆっくりとコーン先端を貫入させた方が作土層から耕盤層へ変化する境界面の貫入抵抗データを適正に収集できていると考えられた．貫入抵抗 3000 kPa，深さ 45 cm まで測定できれば，土壌硬度三次元分布図を作成するのに必要なデータを収集できると考えられた．
キーワード：貫入式土壌硬度計，貫入抵抗，到達深度，作業者，水田データロガー ＦＴＪｒ（エフティージュニア）『ワンタイム測定機能』搭載で、フィールドを移動しながら多点測定
低価格ながら、各種のセンサと直接接続でき、様々な計測に利用できるとご好評をいただいているＦＴＪｒには、設定したインターバ
ルによる一般的なデータロガーとしての機能のほか、ボタン操作時の測定値を記録する『ワンタイム測定機能』が搭載されています。
電源・測定スイッチを【ＳＥＴ】にして、【ＥＮＴＥＲ】キーを長押しするだけの簡単記録。
ワンタイム測定機能を利用することで、従来のインターバルによる計測はもちろんのこと、フィールドを移動しながらの多点測定にご活用いただけます。
記録機能を持たない表示器を利用している場合など、表示された値を野帳に手書きするなどの作業が不要になり、手間の低減と転記時の誤記入の防止を実現します。

圃場を移動しながら、土壌水分の多点計測を行う場合の例▲
ACCESSSAMPLECANCEL

COPY

ENTER

▼

MEAS
SET
OFF

ENTERボタンを押すだけで簡単記録【ワンタイム測定機能】● 本体のボタン操作で測定実行、測定値をメモリに記録● 測定値以外に日付、時刻、測定番号も記録● 直前の測定値をキャンセルできるので、不要データの取り消しが簡単● 記録データはＵＳＢメモリで簡単回収(データファイルはＣＳＶ形式)● ワンタイム測定データと通常の測定データは回収後に識別可能

設置中の土壌水分計

例えば土壌水分計測では、標準のアルカリ乾電池４本利用時において、IMKO社TRIME-PICOの場合で約1,100回、Delta-T社SM150Tで約1,400回、A･R･P社WD-3シリーズで約800回の測定が可能です。
※ 内蔵電池での測定回数は、１回の測定及び表示時間を１分間としたときの計算上の回数です。
動作間隔、周囲温度などにより測定回数は大きく変動しますので目安としてください。
ワンタイム測定機能は、土壌水分計測に限った機能ではなく、他のセンサとの組み合わせにおいても利用できます。
また、SDI-12出力タイプのMETER社5TE（旧Decagon Devices社）やA･R･P社WD5など、RS232C、RS485、SDI-12のシリ
アル出力タイプのデジタルセンサに対応する FTJr-Digital （エフティージュニア デジタル）にもワンタイム測定機能が搭載されています。
お手持ちのセンサとの接続の可否など、お気軽にお問い合わせください。

詳しくはFTJr ワンタイム で 検索
〒060-0063 札幌市中央区南３条西８丁目７番地４ 遠藤ビル５Ｆ
TEL011-596-0201 FAX 011-596-0234
E-mail info@mcs-fs.com URL http://www.mcs-fs.com

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 149, p.37 ∼ 46 (2021)

気温および大気中二酸化炭素濃度の上昇が津軽地域リンゴ園における土中 CO2 動態におよぼす影響
加藤千尋 1 · 遠藤 明 1 · 伊藤大雄 1 · 石田祐宣 2

Effects of elevated air temperature and CO2 concentration on soil CO2 dynamics in an apple orchard
Chihiro KATO1 , Akira ENDO1 , Daiyu ITO1 and Sachinobu ISHIDA2

Abstract: In this study, we conducted continuous monitoring of the soil moisture, temperature, and soil CO2 concentration at depths of 15 cm and 40 cm during the nonsnowfall period, and the measurement of CO2 efﬂux fromthe soil surface in October in experimental greenhouses
where apples were cultivated under the condition of elevated air temperature (+3 ◦ C) and atmospheric CO2 concentration (+0.02 %).
The soil temperature at depth of 15 cm increased byapproximately 3 ◦ C accompanied by the rising air temperature. The soil CO2 concentration at depth of 15 cm
and CO2 efﬂux from the soil surface was high in the order of (C) “elevated both air temperature and CO2 concentration” > (B) “elevated air temperature” > (A) “control”
conditions. The CO2 efﬂux from the soil surface which
was measured near an apple tree was larger than that awayfrom a tree. The difference of the CO2 efﬂux from thesoil surface among the three conditions ((A) ∼ (C)) was
more conspicuous when that was measured near a tree thanaway from a tree. In addition to elevated air temperature, high atmospheric CO2 concentration might result inincreased biomass and both above- and under-ground dry
matter weights of apple trees and undergrowth, thus accelerating the respiration rate or soil CO2 production rate ofboth plant roots and microorganisms.
Key Words : global warming, soil CO2 concentration,
CO2 efﬂux from the soil surface, apple orchard

る地点の気温上昇率は 100 年あたり 1.26 ◦ C であり，高温の年が頻出する要因として CO2 等の温室効果ガスの増加に伴う地球温暖化及び数年 ∼ 数十年程度で繰り返される自然変動の影響が指摘されている（気象庁, 2021）．
土壌は地球規模で大気のおよそ 2 倍の炭素を貯留し，土壌から大気への二酸化炭素放出，すなわち土壌呼吸が地球上の炭素循環に及ぼす影響は大きい（IPCC, 2013）．
さらに，土壌呼吸により大気に放出される二酸化炭素（CO2 ）量は，人間活動による化石燃料の燃焼で排出される量の約 10 倍に相当する（Bond-Lamberty and Thomson,

2010; Xu and Shang, 2016）．京都議定書において，各国の CO2 の吸収源活動として土壌の炭素貯留を高める農地管理が選択可能となり，さらに 2015 年の気候変動枠組み条約第 21 回締約国会議（COP21）と同時に立ち上がった「4/1000 イニシアチブ」にみるように，地球温暖化緩和策として世界的に土壌の炭素貯留能が期待されている．我が国においても農地への有機物施用が励行され（農林水産省, 2008），2021 年に策定された「みどりの食料システム戦略」の中でも，改めて農地への炭素の長期 ·大量貯蔵について言及されている（農林水産省, 2021a）．
効果的に農地土壌の炭素貯留能を発揮するには，適切な有機物施用に加え，耕起法（耕起深や耕起 / 不耕起）の選択や施肥管理，灌漑などの圃場管理により，土中の炭素量を一定のレベルに維持することが求められる （農林1. 背景

水産省, 2008）．適切な圃場管理によって CO2 放出を抑制するには，いつ，どの深さから CO2 が生成されるか

現在の大気中 CO2 濃度は，世界平均（2019 年）でを把握することが重要である．そのためには地表面から0.0411 %，国内観測点（綾里，南鳥島，与那国島）の平均（2020 年）で 0.0417 % と報告されており（気象庁,
2021），今後も継続して増加することが見込まれる．ま

変動を把握し，土中で生じる有機物分解を含めた土中のた，日本における都市化の影響が比較的小さいとみられ

気温や大気中 CO2 濃度の上昇は土壌呼吸速度を増加

放出される土壌呼吸量とともに各深さの土中 CO2 濃度

CO2 動態を検討することが有用である（加藤ら, 2013）．
させることが報告されている．土壌呼吸速度の温度依存

1 Faculty of Agriculture and Life Science, Hirosaki University, 3, Bunkyo-cho, Hirosaki, Aomori, Japan, Corresponding author: 加藤千尋 弘前大学農学生命科学部
2 Graduate School of Science and Technology, Hirosaki University, 3,

Bunkyo-cho, Hirosaki, Aomori, Japan.
2021 年 7 月 27 日受稿 2021 年 9 月 28 日受理

性 は 10 ◦ C 温度が上昇したときの土壌呼吸速度の増加率を表す Q10 値が広く用いられ，Q10 は気候帯，土壌，
土地利用形態 （森林，農耕地など）によって異なる（崔· 井上, 2004; 野中ら, 2004; Hashimoto, 2005 など）．他

38

土壌の物理性第 149 号

（2021）

方，大気中 CO2 濃度の増加が土壌呼吸速度に及ぼす影
響はオープントップチャンバーや FACE（Free Air CO2

2． 材料と方法

Enrichment）実験によって検討され，大気中 CO2 濃度と土壌呼吸速度は正の相関を持つことが確認されている

2.1 栽培試験区（De Graaff et al., 2006; Zhou et al., 2010）．その要因とし

本研究は青森県南津軽郡藤崎町の弘前大学農学生命科て，大気中 CO2 濃度の増加に伴い光合成や地上部およ学部附属藤崎農場内の 3 棟（A ∼ C 棟）のリンゴ栽培ビ

び地下部の成長が促され土壌炭素の供給量が増加すること，根分泌物や腐敗根など土壌微生物呼吸の基質となる根由来の炭素が増加すること，根のバイオマス量増加や根の伸長によって根の呼吸速度が増加することが挙げられる（Rouhier et al., 1996; Janssen et al., 1998; Liberloo

et al., 2006; Zhou et al., 2010; Wang et al., 2012 など）．
一方，大気中 CO2 濃度増加が土壌微生物に及ぼす影響
は，微生物バイオマス量よりも土壌微生物群集の機能的特徴（増殖速度や窒素無機化速度など）がセンシティブに変化することが報告されている（Blagodatskaya et al.,2010; Yu et al., 2018 など）．
青森県は国内のリンゴの主産地であり，リンゴ栽培面
積は 2020 年度で 20,400 ha と我が国の半分以上，また，当県の畑地面積（田を除く）の 3 割程度を占めている

ニールハウス（間口：7.2 m，棟高：5.1 m，奥行：栽培室

17 m および前室 3 m （A 棟は前室無し））において行った．藤崎農場内リンゴ樹園地における深さ 50 cm 程度までの土壌は，国際土壌学会法による土壌分類はシルト質
壌土，飽和透水係数は 10−5 ∼ 10−4 cm s−1 のオーダーである（遠藤ら, 2014）．2014 年 11 月に 5 t/10 a の堆肥を散布したのち， 2015 年 4 月に列間 3 m，樹間 2 m の間隔
でリンゴ樹を植え付け，その後刈り草や剪定などの圃場管理を続け，2018 年秋に各棟 8 本 ×2 列のリンゴ樹が配置されるように 3 棟のビニールハウスを建設した．3 棟のビニールハウスにおいて，大気中 CO2 濃度と気温の上昇がリンゴ栽培に及ぼす影響を明らかにするため 2019
年 4 月から CO2 濃度制御および加温を開始した．ここで，中庸な RCP（Representative Concentration Pathway）（農林水産省, 2021b）．果樹は気候に対する適応性の幅がシナリオである RCP4.5 および 6.0 とそれに基づく気温

狭く，樹木であるため水稲や畑作物などの一年生作物と上昇予想（IPCC, 2013）を参考に，本実験地において今比較して作期の調整が難しい（杉浦, 2007），また永年作

世紀後半までに現状と比較して年平均気温が 3 ◦ C，大気物のため前年の気象の影響が翌年以降の生育にも関わる

中 CO2 濃度が 0.02 % 上昇すると想定し，A 棟：対照区

うえ，一度植栽すると数十年間は品種変更も難しい（伊（側面を開放し，外気と同じ条件），B 棟：高温区（外気温藤, 2020; 杉浦, 2007）．地球温暖化がリンゴ栽培に及ぼ+3 ◦ C），C 棟：高温高 CO2 区（外気温 +3 ◦ C，大気中
CO2 濃度 +0.02 %）と定めた（伊藤ら, 2020a, 2020b）．
ハウス内は降雨が遮断されるため，週 2 回，地下水（4 ∼6 月は 4 mm day−1 , 7 ∼ 11 月は 7 mm day−1 ）を，吊りす影響として，我が国では，高温によるリンゴのフェノ
ロジーの変化や，着色不良などの品質の変化が報告されており（伊藤, 2020; 農林水産省, 2020 など），温暖化条
件下のリンゴ栽培における適応策 · 緩和策の検討が急務である．温暖化に適応したリンゴ栽培を検討するため，弘前大学では高温 · 高 CO2 濃度条件を再現し，温暖化気候がリンゴ個体群に及ぼす影響や管理法に関する研究を遂行中である（伊藤ら, 2020a; 2020b）．
温暖化条件下の土中 CO2 動態の解明は，これまで主に森林や草地などの自然植生や，水田 · 畑地などを対象に検討が行われてきたが，圃場管理が施される樹園地についての検討例は少ない（Testi et al., 2008; Zanotelli et al.,2013）．また，多くは地上に放出される CO2 に着目しており，土中の CO2 濃度に言及している例はほとんどな
い．気温や大気中 CO2 濃度の上昇と土中 CO2 動態の関連の解明は，温暖化が進行する状況下のリンゴ樹園地において，適切な圃場管理や緩和策の検討に有用である．
リンゴ園においては，果樹に加え下草が分布し，下草刈
りや摘葉，剪定，摘果などの栽培管理や落葉落枝によって土壌炭素が供給されることも土中 CO2 動態を変化させる一因として考慮が必要である．
以上を踏まえ本研究では，青森県津軽地域の灰色低地
土リンゴ群落を対象に，気温および大気中 CO2 濃度の上
昇が土中 CO2 動態に及ぼす影響を明らかにすることを目的とし，2 か年の連続観測によって検討した．

下げ式のスプリンクラー散水によって与えた．また，この定期的な散水に加え，5 ∼ 11 月までの奇数月に 2 か月に 1 回の頻度で多量（50 mm day−1 ）の散水 （以降，“特別灌水” と呼ぶ）を施した．4 ∼ 11 月の総灌水量の設定値は，同期間の弘前市の平年降水量の約 80 % に相当する．なお，ハウス内の環境制御は 4 ∼ 11 月までの非積雪期間に行い，冬季の積雪期は屋根のビニールを撤去した．

2.2 土中二酸化炭素濃度 · 土壌水分 · 地温の連測観測
A ∼ C 棟のビニールハウスにおいて，土中 CO2 濃度を測定するため，各棟に土壌ガス採取管（DIK-5212，
大起理化工業社製）と小型チューブ埋設型土壌ガスモ
ニタリングシステム（Compact Buried Tubing soil Gas

Monitoring System（C-BT-GMS）; 加藤ら, 2013）を設置
し，冬季を除く 2019 年 7 月 ∼ 2020 年 11 月に深さ 15
cm および 40 cm の土中 CO2 濃度を連続観測した．加藤（2001）は，本研究対象地の藤崎農場と同じ沖積土壌のリンゴ樹園地において，深さ 10 cm 以浅に下草の根の80 % 以上（重量）が存在していると報告しており，深さ 40 cm と比較すると，深さ 15 cm における土中 CO2
生成には下草の根呼吸の寄与が高いと考えられる．土壌
ガス採取管，C-BT-GMS ともに，リンゴ樹から半径１ m

論文：気温および大気中二酸化炭素濃度の上昇が津軽地域リンゴ園における土中 CO2 動態におよぼす影響

39程度の場所を選定して設置した．本研究では，約 2 週間に 1 回の頻度で土壌ガス採取管からガスを採取し，真空3. 結果と考察

バイアルに入れて実験室に持ち帰り，ガスクロマトグラ
フ（GC-8A，SHIMADZU 社製）を用いて CO2 濃度を定量した．C-BT-GMS は，非分散型赤外線式 CO2 濃度変換器（GMP251，Vaisala 社製）を密封したガス透過性を持つシリコン樹脂チューブ（肉厚 0.5 mm）を所定の深さに埋設したものである．CO2 濃度変換器はデータロガー（MIJ-01，日本環境計測社製）に繋ぎ，30 分おきにデータを記録した．加藤ら（2013）と同様，土中に埋設した

C-BT-GMS のシリコン樹脂チューブには地上に繋がるナ
イロンチューブを備えており（通常はチューブの先端をコックで閉鎖），適宜，99 % 以上の窒素ガスを送り込むことでシリコンチューブ内の空気を入れ替えた．
別途，土壌水分 · 地温センサ（5TE，METER 社製）を
深さ 15 cm と 40 cm に埋設し，データロガー（Em50，
METER 社製）に接続して 30 分おきにデータを取得した．また，2019 年 8 月と 11 月に各ハウスにおいて地表面深さ 0 ∼ 5 cm の土壌を採取し，CN アナライザー（vario EL cube，Elementar 社製）によって炭素含有率を測定した．

2.3 地表面における CO2 放出フラックスの測定
2020 年 10 月 14 日に，A ∼ C 棟の各棟において地表面における CO2 放出フラックス（土壌呼吸速度に下草の地上部呼吸速度を加えた値）を測定した．測定には自動
開放 / 閉鎖式チャンバー（Liang et al., 2010）を用いた．
各棟内の地点におけるリンゴ樹の根の影響の大小を区別するため，各棟においてリンゴ樹周囲（リンゴ樹から距
離 50 ㎝）とハウス中央のリンゴ樹から離れた地点（距離 150 ㎝）を 3 点ずつ，計 6 点の測点を設けた．ここで

3.1 気温と CO2 濃度の制御
2020 年 5 月を例にとると，平均気温は B，C 棟ともに
昼夜を問わず概ね目標通り（外気温 +3 ◦ C）に制御できた．一方，平均 CO2 濃度を外気と比較すると，B 棟では
夜間に +140 ppm（+0.014 %）程度，昼間に −10 ppm（−0.001 %）程度，C 棟では夜間に +300 ppm（+0.03%）程度，昼間に +150 ppm（+0.015 %）程度となった．
夜間に B，C 棟の濃度が目標値より 0.01 ∼ 0.014 % 程度高くなった要因は，2 時間毎に数分間の換気を実施した
ものの，土壌や植物体からの CO2 放出で濃度が上昇したためである．また C 棟で昼間の平均濃度が目標値と比較して 50 ppm（0.005 %）程度低かった理由は，日射が強い時間帯に気温上昇を防ぐために強い換気が行われ，

CO2 発生器を稼働させても目標濃度まで上昇させることが出来なかったためである（伊藤ら, 2020b）．他の年次· 期間についても概ね上記と同様に制御できた（データ省略）．
3.2 土中 CO2 濃度 · 土壌水分 · 地温
Fig. 1（a） ∼ （c）に，A ∼ C 棟の深さ 15 cm および

40 cm の土中 CO2 濃度変動について，C-BT-GMS によるモニタリングデータと，採取ガスの定量データ（2019年のみ）および同じ深さの地温を示す．データがない期間は，センサーまたはロガー，あるいはガス採取管の故障に伴う欠測である．また，Fig. 1（d）に B 棟および C
棟近傍の屋外で測定した日平均気温の平均値の推移を示す．ただし，本研究では気温測定を自然通風で行い，また，ハウスの陰を避けるため測定高を地上 3.5 m とした．

得られる測定値は，おおよそ，リンゴ樹周囲は「リンゴ

さらに，Table 1 および Table 2 に C-BT-GMS によるモ

樹根 + 下草 + 土壌微生物」，ハウス中央は「下草 + 土ニタリングで得られた深さ 15 cm および深さ 40 cm の，壌微生物」の呼吸速度を反映していると考えられる．
測定においては各測点にて下草の植生やリターを残したままチャンバー（内径 30 cm，高さ 30 cm）を設置し，チャンバーのふたが閉鎖してから 3 分間のチャンバー内

CO2 濃度を，据え付けのデータロガーに 10 秒ごとに記録した．測定中は，土壌とチャンバー底部の縁に隙間が生じないよう，チャンバーを上から押さえた．測定後，このチャンバー内 CO2 濃度の時間変化割合によって以下の式（1）（Liang et al., 2010）を用いて CO2 放出フラックスを算出した．

月ごとの 3 棟の CO2 濃度を示す．ひと月のうち 10 日以
上欠測がある場合は，平均値を計算せず「−」で示している．
全棟において深さ 15 cm，40 cm ともに，気温の変動に伴う地温の季節変動および日変動が確認され，また高温条件の B，C 棟の地温は，対照区の A 棟と比較して 3◦ C 程度高かった（Fig. 1 （a） ∼ （d））．

採取ガスの定量データとモニタリングデータの季節変動の傾向は一致していた．しかし，採取ガスのデータは，
モニタリングデータと比較すると常に低い値となった．
これは，土中において採取管周囲の隙間から土壌空気がV P ∆CRS =RST ∆t(1)

大気に拡散していたことや，現場におけるガス採取から分析までの間のバイアルからの漏れ等が考えられる．そこで以降の議論においては，C-BT-GMS によるモニタリ

ここで，Rs は CO2

放出フラックス（µ mol m−2 s−1 ），ングデータに着目する．

V はチャンバーの容積（m3 ），S はチャンバーの底面積

全期間を通じて深さ 15 cm の CO2 濃度は，深さ 40 cm（m2 ），P は大気圧（Pa），T は気温（K），∆C/∆t はチャと比較して低かった（Fig. 1（a） ∼ （c）；Table 1 およンバー内 CO2 濃度の時間変化率（µ mol mol−1 s−1 ），R

び Table 2）．これは，浅い地点ほど，土壌空気が大気には気体定数（8.314 Pa m3 K−1 mol−1 ）である．

拡散しやすいためであり，既往の研究においても同様の

土壌の物理性40

第 149 号

（2021）

Fig. 1 各棟の土中 CO2 濃度 · 地温の比較と外気温 （a）：A 棟（対照区），（b）：B 棟（高温区），（c）：C 棟（高温
高 CO2 濃度区），（d）：日平均外気温．
Comparison of soil CO2 concentration and soil temperature among three experimental conditions, and daily air temperature; (a) A：Control, (b) B: Elevated air temperature, (c) C: Elevated air temperature and CO2 concentration, (d)Daily air temperature outside the greenhouses.

現象が確認されている（加藤ら, 2013）．ただし C 棟で地温の日変動に伴う土中 CO2 濃度の増減も生じていた．

は，両深度の土中 CO2 濃度が同程度となった．これは，既往の研究において，土壌水分が不飽和の状態では，リンゴ栽培条件下においてはリンゴ樹の根群分布が面的

土壌が湿潤になるほど土壌微生物や植物根の呼吸速度のに一様ではなく，且つ，伸長を続けるため，リンゴ樹の上昇，および，土中から大気へのガス拡散速度の低下の

周囲は測点によって土中 CO2 濃度の分布にばらつきがため，土中 CO2 濃度が高くなることが確認されている生じやすいためと考えられる．

（中本ら, 2002; 遠藤ら, 2010; 加藤ら, 2013 など）．Fig. 2

一般に，土壌微生物および植物根呼吸速度は気温ある（a）に，モニタリング期間中の土壌水分変動の例として

いは地温が高いほど高くなる（Fang and Moncrieff, 2001;

B 棟の深さ 15 cm および 40 cm の体積含水率の推移を，Fig. 2（b）に 2020 年 5 月の 1 か月間の B 棟における体積含水率と土中 CO2 濃度を拡大して示す．本研究では50 mm day−1 の特別潅水（例えば 2020 年 5 月 20 日）直後に，特に深さ 15 cm において土中 CO2 濃度の一時的Hashimoto, 2005 など）ため，土中 CO2 濃度は高温の夏季に高くなる（加藤ら, 2013）．本研究においても，深さ15 cm，40 cm ともに，地温の季節変動に伴い 7 ∼ 9 月に土中 CO2 濃度が増加する傾向が確認された（Fig. 1，
Table 1 および Table 2）. また，加藤ら（2013）と同様，

な増加が確認された．

論文：気温および大気中二酸化炭素濃度の上昇が津軽地域リンゴ園における土中 CO2 動態におよぼす影響
Table 1 各棟の深さ 15 cm における土中 CO2 濃度の月平均値の比較．アルファベットは Tukey-Kramer 法による有意差（有意水準 5 %）を示す．
Comparison of monthly average soil CO2 concentration at
depth of 15 cm among three experimental conditions. Alphabets show signiﬁcant differences calculated by Tukey-Kramer
test (signiﬁcance level 5 %).

年月2019 年 7 月
8月
9月
10 月
11 月
2020 年 5 月
6月
7月
8月
9月
10 月
11 月

深さ 15 cm

月平均土中 CO2 濃度（ %）

A

B

C

0.31±0.02a
0.24±0.03a
0.23±0.03a
0.16±0.05a
0.16±0.07a–––
0.72±0.30a
0.84±0.30a
0.65±0.06a
1.00±0.18a

0.62±0.07b
0.50±0.10b
0.66±0.10b
0.74±0.15b–
0.67±0.09a
0.63±0.06a
0.98±0.22a
1.01±0.13a
0.91±0.11a
0.90±0.12b
0.90±0.11b

0.99±0.11c
0.77±0.15c
0.82±0.07c
0.85±0.10c
0.89±0.13b
1.24±0.23b
1.19±0.12b
2.24±0.66b
2.57±0.32b
2.64±0.44b
2.60±0.25c
2.35±0.09c

41

Table 2 各棟の深さ 40 cm における土中 CO2 濃度の月平均値の比較．アルファベットは Tukey-Kramer 法による有意差（有意水準 5 %）を示す．
Comparison of monthly average soil CO2 concentration at
depth of 40 cm among three experimental conditions. Alphabets show signiﬁcant differences calculated by Tukey-Kramer
test (signiﬁcance level 5 %).

年月2019 年 7 月
8月
9月
10 月
11 月
2020 年 5 月
6月
7月
8月
9月
10 月
11 月

深さ 40 cm

月平均土中 CO2 濃度（ %）

A

B

C

1.54±0.10a
1.59±0.05a
1.52±0.11a
0.82±0.50a
0.81±0.12a–
1.46±0.08a
1.94±0.20a
2.29±0.27a
2.34±0.19a
1.81±0.13a
1.41±0.12a

1.16±0.09b
0.92±0.09b
1.37±0.07b
1.55±0.07b–
1.06±0.09a
1.30±0.07b
2.00±0.21a
2.18±0.23b
2.11±0.16b
1.90±0.19a
1.74±0.07b

1.27±0.13c
1.01±0.14c
1.20±0.06c
1.38±0.12b
1.38±0.08b
1.02±0.15a
1.17±0.13c
2.33±0.41b
2.86±0.32c
2.79±0.31c
2.69±0.31b
2.29±0.08c

Fig. 2 （a）B 棟の深さ 15 cm および 40 cm の体積含水率変動 （b）特別潅水（50 mm day−1 ; 2020 年 5 月 20 日）前後のB 棟の体積含水率および土中 CO2 濃度変動．
(a) Changes in soil moisture under the condition of elevated air temperature, (b) Changes in soil moisture and soil CO2 concentration before and after “irregular excessive irrigation (50 mm day−1 ; May 20th )” .

他方， B，C 棟の深さ 15，40 cm の土中 CO2 濃度が，の深さ 40 cm においても，2020 年の同時期に土中 CO2

気温および地温が高まる 2019 年 8 月上旬から中旬にか濃度の低下，上昇が確認された（Fig. 1（a））．この時のけて，また 2020 年 8 月中旬から下旬にかけて一時的に土壌水分変動について，まず 2019 年は定期的な灌水に低下し，それぞれ 2019 年 9 月上旬および 2020 年 9 月下

よって土中体積含水率が増減を繰り返しながらも，土中旬にかけて再び上昇した（Fig. 1（b），
（c））
．また，A 棟CO2 濃度が低下した 8 月上旬から中旬に体積含水率の土壌の物理性

42

第 149 号

Table 3 各棟の 2020 年 10 月 14 日の地表面における CO2
放出フラックス平均値および平均気温，平均地温の比較（±
標準偏差を併記. n = 6）
．アルファベットは Tukey-Kramer 法
による有意差（有意水準 5 %）を示す．
Comparison of average CO2 efﬂux from the soil surface, airtemperature and soil temperature. (±standard deviation. n =6). Alphabets show signiﬁcant differences calculated by TukeyKramer test (signiﬁcance level 5 %).

（2021）

1）．他方，深さ 40 cm の土中 CO2 濃度は 2019 年 9 月ま
では A 棟が最も高く，2020 年 7 月以降は C 棟が最も高くなった（Table 2）．深さ 40 cm には下草の根がほとんど分布していない（加藤, 2001）とすれば，環境制御を開始した 2019 年 4 月以降，高 CO2 濃度条件の C 棟においてリンゴ地下部の乾物重が他棟よりも大きくなり，その結果深さ 40 cm におけるリンゴ樹根の呼吸速度が他棟と比較して増加した可能性が考えられる．

CO2 フラックス(mgCO2 m−2 hr-1)

気温 (℃)

地温 (℃)

520.5±184.5a
606.2±330.8a
643.3±466.7a

17.2
18.3
18.4

15.8
18.7
17.7

3.3 地表面における CO2 放出フラックス
Table 3 に，各棟の地表面における CO2 放出フラックABCス（以降，“CO2 フラックス” と称す）と，測定時の平均気温および平均地温の比較を示す．この値は，リンゴ樹からの距離に関わらず各棟 6 つの測点における測定結果の平均値である．本研究対象地である藤崎農場内の別圃場で CO2 フラックスを測定した Ito and Ishida（2016）

低下，8 月中旬以降は体積含水率の上昇が確認され，土の結果と同程度であり，妥当な結果であったと考えられ

中 CO2 濃度と体積含水率の低下 · 上昇のタイミングがほる．測定は午後に A 棟，B 棟，C 棟の順に行い，その間，ぼ一致していた（Fig. 2（a））．土壌の乾燥と湿潤が，土

外気温は徐々に低下していった．測定時のハウス内気温

中 CO2 濃度の低下 · 上昇の要因の一つとなった可能性がは，B 棟≒ C 棟＞ A 棟（A 棟と B，C 棟の差は 1 ◦ C 程

ある．

度），深さ 15 cm における地温は B 棟＞ C 棟＞ A 棟（B他方，2020 年 8 月中旬以降の体積含水率は，8 月中旬
から 9 月上旬にかけて低下，その後 2020 年 9 月 10 日

棟と A 棟の差は 3 ◦ C 程度），CO2 フラックスは C 棟＞

B 棟＞ A 棟の傾向が得られた．

の特別灌水（50 mm day−1 ）以降に上昇した．土中 CO2

ここで Table 4 に各棟の CO2 フラックス測定時の体濃度は 8 月下旬以降上昇に転じており，体積含水率変動

積含水率測定値（深さ 15 cm），気相率，Millington andのタイミングとは一致しなかった．以上の体積含水率の（データ非掲載）．土壌微生物や植物根の呼吸速度の変化

Quirk（1960）モデル（以降，“M-Q モデル”; 式（2））を用いて予測した土中のガス拡散係数，CO2 フラックス測定時の土中 CO2 濃度測定値，大気中 CO2 濃度（設定条は，温度や土壌水分状態以外に，例えば呼吸基質の量や件に基づく推定値）を示す．

変動は，A 棟および C 棟においても同様の傾向であった

分布，植物根の分布，CO2 濃度と相補的な関係にある酸10θa3
Da = Das 2p素濃度等が影響する（Suarez and Šimůnek, 1993）が，こ
こでは要因を特定できなかった．

(2)

また，B 棟と C 棟において，2020 年 6 月下旬に土中

ここで，Da は土中のガス拡散係数（m2 s−1 ），Das は気CO2 濃度が一時的に低下し，その直後から 7 月下旬にかけて急上昇した（Fig. 1（b），（c））．6 月下旬に B 棟と C 棟において 1 週間程度灌水が行われなかったため土壌の乾燥が進み（Fig. 2（a）），その後灌水の再開によって土壌水分量が高まると，地温の上昇とともに土中 CO2

相中のガス拡散係数（m2 s−1 ），θa は気相率（= 間隙率

濃度も上昇したと考えられる．潅水の再開によって，深さ 15 cm の日平均体積含水率は約 0.55 cm3 cm−3 となり（Fig. 2（a）），この値は対象地土壌（10 cm 深）の保水性曲線（遠藤ら, 2014）によるとマトリックポテンシャ− 体積含水率; m3 m−3 ），p は間隙率（m3 m−3 ）である．
M-Q モデルで推定した深さ 15 cm における土中ガス
拡散係数は A 棟＞ B 棟＞ C 棟となり，A 棟と C 棟は102 オーダーの差があった．他方，深さ 15 cm における土中 CO2 濃度は，C 棟が A 棟および B 棟と比較して 3 ∼ 5 倍程度高かった．土中のガス拡散フラックス q（µ mol m−2 s−1 ）は，式（3）に基づいて計算される（遅澤，1998）．

ルにしておよそ −100 cmH2 O である．他方，既往の研究（Williams et al., 1972; Suarez and Šimůnek, 1993）に

q = Daおいて，土中の CO2 生成に最適な土壌水分状態として

dC
dz

(3)

−100 cmH2 O が提案されている．したがって灌漑が再開された後，B，C 棟の土壌は，土中 CO2 生成に適した環境であったと推察される．なお，A 棟については，計画

ここで，z は距離（m），dC/dz は CO2 濃度の変化率で通りに灌漑が行われていた（データ非掲載）．

あるとすれば，土中から地表面への上向きのガス拡散フ

ある．
地表面から深さ 15 cm 程度まで気相率がほぼ一様で

次に環境制御条件の違いによる土中 CO2 濃度を比較

ラックスの計算値は（A 棟＞ B 棟＞ C 棟）となり，このすると，深さ 15 cm の土中 CO2 濃度はモニタリング期

計算値には下草の地上部呼吸速度が含まれないものの，間を通して，C 棟＞ B 棟＞ A 棟の順に高かった（Table

地表面における CO2 フラックスの測定結果（C 棟＞ B

論文：気温および大気中二酸化炭素濃度の上昇が津軽地域リンゴ園における土中 CO2 動態におよぼす影響

43

Table 4 各棟の地表面における CO2 放出フラックス測定時の体積含水率実測値，気相率，M-Q モデルに基づく土中ガス拡散係数予測値，土中 CO2 濃度実測値，大気中 CO2 濃度推定値の比較.
Comparison of measured soil volumetric water content, air ﬁlled porosity, calculated soil gas diffusivity with M-Qmodel, measured soil CO2 concentration, and estimated air CO2 concentration at the time when CO2 efﬂux from thesoil surface was measured.
体積含水率(深さ 15 cm)
実測値

m3 m−3
A
B
C

土中の

土中

大気中

ガス拡散係数CO2 濃度CO2 濃度

予測値

実測値

推定値

m2 s−1%%

1.59×10−5

2.52×10−7

1.59×10−5
1.59×10−5

3.92×10−8
6.04×10−10

0.697
0.897
3.08

0.04
0.04
0.06

間隙率

気相率

気相中の

(深さ 15 cm)(深さ 15 cm)

ガス拡散係数

m3 m−3m3 m−3m2 s−1

0.218
0.127
0.036

0.409
0.519
0.601

0.627
0.646
0.637

棟＞ A 棟）と一致しない．実際のリンゴ樹群落においては，地上部のリンゴ樹や下草の存在の有無，また枝葉の分布によって降雨が遮断される地点があり，面的な土壌水分分布にばらつきがあると考えられる．それに対し今回は体積含水率の測定を 1 点で代表させており，特に C 棟の気相率を低く見積もっている可能性がある．樹
園地において土中ガス拡散係数やそれに基づく CO2 フ
ラックスの算出精度を向上させるには，体積含水率や土中 CO2 濃度の測点を複数設けることが望ましいといえる．以降では，チャンバーを用いた CO2 フラックス実測
結果に基づいて考察する．

Fig. 3 に，リンゴ樹から測点までの距離と CO2 フラックスの違いの比較を示す．全棟において，リンゴ樹周囲（リンゴ樹から距離 50 cm）の CO2 フラックスが，ハウ
ス中央付近（リンゴ樹から距離 150 cm）を上回った．リ
ンゴ樹周囲はハウス中央付近と比較してリンゴ樹根の呼吸速度の寄与が高く，リンゴ樹からの距離に伴う CO2 フ
ラックスの差は，リンゴ樹根の呼吸速度に起因すると考Fig. 3 リンゴ樹からの距離と地表面における CO2 フラックスの関係（エラーバーは標準偏差を示す．n = 3）．アスタリ
スクは Tukey-Kramer 法による有意差（有意水準 5 %）を示
す．
Relationship between the distance from an apple tree and CO2
efﬂux from the soil surface (Error bars mean Standard deviation. n = 3). Asterisks show signiﬁcant differences calculated
by Tukey-Kramer test (signiﬁcance level 5 %).

えられる．
リンゴ樹周囲の CO2 フラックスは C 棟＞ B 棟＞ A 棟の順で高くなる傾向が確認された一方，ハウス中央付近の CO2 フラックスは 3 棟でほとんど差がなかった（Fig.

3）．10 月中旬は，気温や日射量が低下しつつあり，下草の乾物生産量が春季や夏季と比較して減少する時期である．本測定時も全棟において下草が少なく，下草の根
および地上部の呼吸速度は小さく，ハウス中央付近は土Table 5 2019 年 8 月および 11 月の各棟の表層土壌の全炭
素含有率の比較（± 標準偏差を併記. n = 3）．アルファベッ
トは Tukey-Kramer 法による有意差（有意水準 5 %）を示す．
Comparison of total carbon contents among three experimental
conditions in August and November, 2019 (±standard deviation. n = 3). Alphabets show signiﬁcant differences calculated
by Tukey-Kramer test (signiﬁcance level 5 %).
平均炭素含有率（ %）

8月

11 月

3.48±0.17a
3.26±0.05a
3.95±0.04b

3.04±0.05a
2.73±0.02a
3.33±0.10b

壌微生物呼吸（有機物分解）の割合が高かったと考えられる．測定時の地温が B 棟と A 棟で 3 ◦ C 程度の差があり，温度条件としては B 棟で有機物分解（微生物呼吸）が促進されると考えられるものの，CO2 フラックス
がさほど変わらなかった要因として，例えば，高温の B棟において夏季に有機物分解が促進されて炭素量が減少
し，呼吸基質量が減少していたことが考えられる（後述：

3.4）．ただし本観測では 10 月の 1 回のみの測定であり，今後，測定時期も含め，測定回数を増やした上で結果をA
B
C

検証する必要がある．

3.4 表層土壌の全炭素含有率
Table 5 に，2019 年８月および 11 月に採取した表層土

44

土壌の物理性第 149 号

（2021）

壌の全炭素含有率の比較を示す．全棟において，8 月の有機物量は呼吸基質として呼吸速度に大きく影響する

値が 11 月を上回った．8 月から 11 月にかけての A ∼ C（Janssens et al., 1998）．当該リンゴ群落においては，地棟の土壌炭素の減少割合は，それぞれ 12.7 %，16.3 %，上から定常的に土壌に供給される主な有機物として，刈15.6 % であった． 9 月以降，気温の低下とともに下草のり取られた下草，摘果されたリンゴ果実，夏季剪定され成長が抑制され炭素の供給速度が減少する状況で微生物たリンゴの新梢，リンゴ樹からの落葉が挙げられる．こによる有機物分解が進んだために，11 月は炭素量が減少

れらを合計した乾物量は 2019 年には C 棟（1.3 kg m−2 ）したと考えられる．上述のように，高温の B，C 棟は A

＞ B 棟（1.1 kg m−2 ）＞ A 棟（1.0 kg m−2 ）であった（伊棟と比較して土壌炭素量の減少率が大きく，高温の影響

藤ら, 2021）．ただし，枯死根に由来する土中での有機で有機物分解が進みやすかったと推察される．

物供給量は調査されていない．また土壌微生物の呼吸速また，8 月，11 月ともに C 棟（高温高 CO2 区）の炭度は，土壌有機物の全量のみではなく，溶存有機炭素量

素量が最も高かった．環境制御開始時の土壌炭素量が 3と相関があることが知られ（Sato and Seto, 1999; Wagai

棟でほぼ同程度であったとすると，高 CO2 条件によっand Sollins, 2002; Kato et al., 2014 など），今後さらに検てリンゴや下草の生長が旺盛になり，炭素供給量が A 棟討が必要である．

や B 棟と比較して多かった（伊藤ら, 2021）ことが要因

4. 結論と考えられる．B 棟（高温区）の土壌炭素含有率が他条
件，特に A 棟と比較して低かった要因として，高温のため有機物分解速度が大きかったことが考えられる．

3.5 気温および大気中 CO2 濃度の上昇が土中 CO2 動態に及ぼす影響
本研究では，約 2 か年の測定期間を通して，同じ時刻の深さ 15 cm におけるリンゴ群落土中の CO2 濃度は，C
棟＞ B 棟＞ A 棟の順に高かった．通常の地温の範囲では，酵素反応である呼吸速度は，アレーニウス則に従い
地温が高くなるほど土中の CO2 生成速度が高くなることが報告されており（たとえば Hashimoto and Komatsu,

2006），高温条件下の B 棟と C 棟が A 棟を上回るのは，同時刻における地温が B 棟と C 棟において高いことが要因の一つと考えられる．他方，B 棟と C 棟の地温は同時刻でほぼ等しいが，土中 CO2 濃度は C 棟＞ B 棟であった．また，2020 年 10 月に測定した地表面におけるCO2 フラックスは，C 棟＞ B 棟となったが，この測定時の地温は B 棟が C 棟と比較して 1 ◦ C 程度高かった．以

本研究ではリンゴ樹園地において高温高 CO2 条件を再現し，土中の深さ 15 cm および深さ 40 cm の土壌水分· 地温と CO2 濃度変動をモニタリングした．外気温 +3◦ C の高温条件によって，深さ 15 cm の地温はリンゴの生育期間を通して 3 ◦ C 程度上昇した．深さ 15 cm における土中 CO2 濃度および 10 月の地表面における CO2
フラックスは高温高 CO2 区＞高温区＞対照区の順に高くなった．また，リンゴ樹周囲の CO2 フラックスは，主に土壌微生物呼吸に由来するハウス中央付近の CO2 フ
ラックスと比較して高く，棟間の差が大きかった．高温
条件に加え，高 CO2 条件によって地上部および地下部のリンゴ樹や下草の現存量および乾物生産量が増し，一部の炭素は刈草や剪定，摘果などの圃場管理によって土壌に供給され，植物根呼吸と微生物呼吸の両者が増加したと考えられる．

謝辞

下では土壌構造や乾燥密度などの土壌物理性は棟間で差がないものとし，大気中 CO2 濃度上昇に起因する土中のCO2 生成（植物根呼吸と微生物呼吸）速度の変化に関して考察する．
まず，植物根呼吸について，リンゴ樹園地には，リン
ゴ樹と下草が存在する．伊藤ら（2021）の調査によると，
リンゴ樹と下草をあわせた地上部乾物生産量は，2019 年には C 棟 （2.6 kg m−2 ）＞ B 棟 （2.2 kg m−2 ）＞ A 棟

本研究は，JSPS 科研費（JP18H03964 , JP19K15934）の支援を受けた．弘前大学農学生命科学部の青山正和名誉教授，殿内暁夫教授，前多隼人准教授には実験機器の利用で便宜を図っていただいた．同学部卒業生の花岡美来氏，板橋拓也氏，大越達也氏，田村建樹氏に圃場観測に協力いただいた．ここに記し謝意を表します．

（2.0 kg m−2 ）であった．この傾向は 2020 年も継続して引用文献

いるのに加え，2021 年 3 月現在のリンゴ樹地上部現存量
も C 棟＞ B 棟＞ A 棟である（未発表）．大気中 CO2 濃度の増加は光合成速度を増大させ，植物の成長を促進す
ることが報告されており（Zhou et al., 2010），妥当な結果と考えられる．伊藤ら（2021）の調査は地上部のみであるが，地下部（根）の乾物生産量や現存量もこの棟間の差を反映している（Zhou et al., 2010）ならば，リンゴ
樹と下草を合わせた根呼吸速度は C 棟＞ B 棟＞ A 棟となる可能性がある．
次に土壌微生物呼吸について，定常的に供給される

Bond-Lamberty, B. and Thomson, A. (2010): A global
database of soil respiration data. Biogeosciences, 7: 1915–
1926.
Blagodatskaya, E., Blagodasky, S., Dorodnikov, M. andKuzyakov, Y. (2010): Elevated atmospheric CO2 increases
microbial growth rates in soil: results of three CO2 enrichment experiments. Global Change Biology, 16: 836–848.
崔 毅年 · 井上吉雄 (2004): 黒ボク畑地における CO2 フラックスの動態と熱赤外放射測温による土壌面温度との関論文：気温および大気中二酸化炭素濃度の上昇が津軽地域リンゴ園における土中 CO2 動態におよぼす影響係. 農業気象. 60(1): 33–41.

De Graaff, M.A., van Groenigen, K.J., Six, J., Hungate, B.

45

加藤 正 (2001): わい性台リンゴ樹の土壌管理法に関する研究. 青森県りんご試験場報告, 32: 1-94.

and van Kessel, C. (2006): Interactions between plant

気象庁 (2021): 気候変動監視レポート 2020.

growth and soil nutrient cycling under elevated CO2 : a

Liang, N., Hirano, T., Zheng, Z-M., Tang, J. and Fujinuma, J.

meta-analysis. Global Change Biology, 12: 2077–2091.
遠藤敏史, 常田岳志, 井本博美, 西村 拓, 宮﨑 毅 (2010): 埋設(2010): Soil CO2 efﬂux of a larch forest in northern Japan.
Biogeosciences, 7: 3447–3457.

型ガスモニタリングシステムを用いた降雨時の不飽和黒Liberloo, M., Tulva, I. Raı̈m, O., Kull, O. and Ceulemans, R.

ボク土壌中 CO2 ガス濃度変化の検討. 農業農村工学会論(2006): Photosynthetic stimulation under long-term CO2

文集, 269: 25–31.

enrichment and fertilization is sustained across a closed

遠藤 明, 加藤千尋, 佐々木長市, 伊藤大雄 (2014): 施肥 · 無施
肥リンゴ園土壌の無機態窒素の浸透流出挙動. 農業農村工学会論文集, 294: 75–83.

Populus canopy proﬁle (EUROFACE), New Phytologist,
173: 537–549.
Millington, R.J and Quirk, J.P. (1960): Transport in porous

Fang, C. and Moncrieff, J.B. (2001): The dependence of soil

media, pp. 97–106. In F.A. van Beren et al. (ed.) Trans-

CO2 efﬂux on temperature. Soil Biology & Biochemistry,

actions of 7th international congress of soil science. Vol.1.

33: 155–165.

Madison, WI, 14–24 August 1960, Elsevier, Amsterdam.

Hashimoto, S. (2005): Q10 values of soil respiration in

中本恭子, 神近牧男, 早川誠而 (2002): 砂丘圃場における土Japanese forests. Journal of Forest Research, 10: 409–413.

壌中 CO2 濃度の降水に伴う変化. 日本砂丘学会誌, 49(2):Hashimoto, S. and Komatsu, H. (2006): Relationships be-

57–66.

tween soil CO2 concentration and CO2 production, tem-

野中圭介, 青木正敏, 堀江勝年 (2004): 輪作体系化における土perature, water content, and gas diffusivity: Implications

壌表面から放出される CO2 フラックス. 農業気象 60(3):for ﬁeld studies through sensitivity analyses. Journal of

197–207.

Forest Research, 11: 41–50.
IPCC (2013): Climate change 2013: The physical sciencebasis. Contribution of working group I to the ﬁfth assessment report of the intergovernmental panel on climatechange. Cambridge University Press, Cambridge, United
Kingdom/New York, NY. USA.
伊藤大雄 (2020)：21 世紀の気候変動が北東北のリンゴ栽培に及ぼす影響. 生物と気象, 20: 76–83.

Ito, D. and Ishida, S. (2016): Short-and long-term effects ofsoil moisture on soil respiration in an apple orchard.
Journal of Agricultural Meteorology, 72(2): 63–71.

農林水産省 (2008): 地球温暖化防止に貢献する農地土壌の役割について.
農林水産省 (2020): 農業分野における気候変動 · 地球温暖化対策について.
農林水産省 (2021a): みどりの食料システム戦略 ∼ 食料 · 農
林水産業の生産力向上と持続性の両立をイノベーションで実現 ∼ .
農林水産省 (2021b): 耕地及び作付面積統計.
遅澤省子 (1998): 土壌中のガス拡散測定法とその土壌診断
やガス動態解析への応用. 農業環境技術研究所報告, 15：

1–66.

伊藤大雄, 石神靖弘, 石田祐宣 (2020a): CO2 収支解析に基Rouhier, H., Billès, G., Billès, L. and Bottner, P. (1996): Car-

づくビニールハウス内リンゴ個体群の光合成速度の評価

bon ﬂuxes in the rhizosphere of sweet chestnut seedlings（講演要旨）. 東北の農業気象, 64: 31–32.

(Castanea sativa) grown under two atmospheric CO2

伊藤大雄, 石神靖弘, 荒川 修, 石田祐宣 (2020b): 高温 · 高

CO2 環境がリンゴ生産に及ぼす影響. アグリバイオ, 4：
64–66.

concentrations:14 C partitioning after pulse labelling. Plant
and Soil, 180: 101–111.
Sato, A. and Seto, M. (1999): Relationship between rate of伊藤大雄, 日里恭一, Hassan, R. (2021)：気候変動による高温

carbon dioxide evolution, microbial biomass carbon, andおよび高 CO2 環境がリンゴ園の物質生産に及ぼす影響

amount of dissolved organic carbon as affected by temper-（予報）（講演要旨）. 東北の農業気象, 65: 19–20.

ature and water content of forest and an arable soil. Com-

Janssens, I.A., Crookshanks, M., Taylor, G. and Ceulemans,
R. (1998): Elevated atmospheric CO2 increases ﬁne root
production, respiration, rhizosphere respiration and soil
CO2 efﬂux in Scots pine seedlings. Global Change Biology, 4: 871–878.

munications in Soil Science and Plant Analysis, 30 (19 &20): 2593–2605.
杉浦俊彦 (2007): 地球温暖化が日本各地の果樹生産に及ぼしている影響. 農業および園芸, 82(8): 845–851.

Suarez, D.L. and Šimůnek, J. (1993): Modeling of carbon

加藤千尋, 井本博美, 西村 拓, 宮﨑 毅 (2013): 小型チューブ

dioxide transport and production in soil 2. Parameter selec-

埋設型土壌ガスモニタリングシステムを用いた農地土壌

tion, sensitivity analysis, and comparison of model predic-

中 CO2 ガス濃度変動の検討. 土壌の物理性, 124: 25–33.

tion to ﬁeld data. Water Resources Research, 29(2): 499–

Kato, C., Nishimura, T., Imoto H. and Miyazaki, T. (2014):

513.

Predicting soil CO2 dynamics in arable land of Andisol

Testi, L., Orgaz, F. and Villalobos, F. (2008): Carbon exchangeusing SOILCO2 model. Journal of Hazardous, Toxic, andand water use efﬁciency of a growing, irrigated olive or-Radioactive Waste, 18: 04014007- 1-10.

chard. Environmental and Experimental Botany, 63: 168–

土壌の物理性

46

第 149 号

（2021）
203: 16–28.

177.
Wagai, R. and Sollins, P. (2002): Biodegradation and regen-Yu, H., Deng, Y., He, Z., van Nostrand, J.D., Wang, S., Jin,

eration of water-soluble carbon in a forest soil: leachingD., Wang, A., Wu, L., Wang, D., Tai, X. and Zhou, J.

column study. Biology and Fertility of Soils, 35: 18–26.

(2018): Elevated CO2 and warming altered grassland mi-

Wang, X., Nakatsubo, T. and Nakane, K. (2012): Impacts ofcrobial communities in soil top-layers. Frontiers in Micro-

elevated CO2 and temperature on soil respiration in warm

biology, 9: 1790. doi: 10.3389/fmicb.2018.01790

temperate evergreen Quercus glauca stands: an open-top

Zanotelli, D., Montagnani, L., Manca, G. and Tagliavini, M.

chamber experiment. Ecological Research, 27(3): 592–

(2013): Net primary productivity, allocation pattern and602.

carbon use efﬁciency in an apple orchard assessed by in-

Williams, S.T., Shameemullah, M., Watson, E.T. and May-

tegrating eddy covariance, biometric and continuous soil

ﬁeld, C.I. (1972): Studies on the ecology of actinomycetes

chamber measurements. Biogeoscience, 10: 3089–3108.

in soil, IV. The inﬂuence of moisture tension on growthZhou, Y., Li, M.H., Cheng, X.B., Wang, C.G., Fan, A.N., Shi,and survival. Soil Biology and Biocheistry, 4: 215–225.

L.X., Wang, X.X. and Han, S. (2010): Soil respiration in

Xu, M. and Shang, H. (2016): Contribution of soil respiration

relation to photosynthesis of Quercus mongolica trees atto the global carbon equation. Journal of Plant Physiology,

要elevated CO2 . PLoS ONE 5(12): e15134.

旨

本研究では気温および大気中 CO2 濃度がそれぞれ 3 ◦ C および 200 ppm 上昇した条件のリンゴ群落を再現し，根圏における土壌水分，地温，土中 CO2 濃度変動の連続観測と地表面における CO2 フラックスの測定を行った．外気温 +3 ◦ C の条件によって，深さ 15 cm の地温はリンゴの生育期間を通して 3◦ C 程度上昇した．深さ 15 cm における土中 CO 濃度および 10 月の地表面における CO フラックスは
2
2

高温高 CO2 区＞高温区＞対照区の順に高くなった．また，リンゴ樹周囲の CO2 フラックスは樹から離れた場所と比較して高く，試験区間の差が大きかった．高温条件に加え，高 CO2 条件によって地上部
および地下部のリンゴ樹や下草の現存量および乾物生産量が増し，植物根と微生物の両者による呼吸速度すなわち土中 CO2 生成速度が増加したことが要因と考えられる．
キーワード：地球温暖化，土中 CO2 濃度，地表面における CO2 放出フラックス，リンゴ園地

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 149, p.47∼53 (2021)

TDR を用いた水中ファインバブル濃度推定手法の検討
谷川原龍之介 1 · 小島悠揮 2 · 濱本昌一郎 3 · 神谷浩二 2

Estimating ﬁne bubble concentration in water with a time domain reﬂectometry
Ryunosuke TANIGAWARA1 , Yuki KOJIMA2 , Shoichiro HAMAMOTO3 and Kohji KAMIYA2で，粒径が 1 ∼ 100 µ m のマイクロバブル（MB）と 1

Abstract: In recent years, the use of ﬁne bubbles (FBs)
has been studied as a remediation method for groundwater contamination by volatile pollutants, and the behavior
of FBs in soil has been elucidated. In this context, in-situ
measurements of FB concentration in water and soil are required. In this study, we focused on the FB concentrationin water. We investigated the estimation of FB concentration using the time domain reﬂectometry (TDR), a widely
accepted method for measuring soil moisture content. FBs
were generated in distilled water and surfactant solution,and the change in relative permittivity was measured withthree different size TDR probes. The TDR probes wereplaced horizontally or vertically upward in water. The results showed that the FB concentration in distilled water
was difﬁcult to estimate due to its low concentration, while
the FB concentration in surfactant solution may be captured. Relatively large bubbles originating from FB adhered to the TDR probes, and it caused an underestimationof the relative permittivity. It was found that the effect of
air bubbles could be reduced by installing a relatively large
probe vertically upward. The dielectric mixing model may
be appropriate for converting the relative permittivity to FB
concentration. These results indicate that the TDR has thepotential to easily and effectively estimate the FB concentration in-situ. Comparison between TDR-based FB concentration and that measured with other methods is necessary to evaluate the accuracy of the TDR approach. It
is expected that the TDR will be used to estimate the FB
concentration in soil in the future.
Key Words : time domain reﬂectometry (TDR), ﬁne bubble concentration, relative permittivity

1. はじめに
近年，揮発性汚染物質による地下水汚染の浄化方法としてファインバブル（Fine Bubble, FB）の利用が検討されている．FB とは直径 100 µ m 以下の気泡のこと
1 Graduate School of Natural Science and Technology, Gifu University,

1-1 Yanagido, Gifu City, Gifu, 501-1193 Japan.
2 Faculty of Engineering, Gifu University, 1-1 Yanagido, Gifu City, Gifu,
501-1193 Japan. Corresponding author: 小島悠揮, 岐阜大学工学部
3 Graduate School of Agricultural and Life Sciences, University of Tokyo,
1-1-1 Yayoi, Bunkyo-ku, Tokyo, 113-8657 Japan.
2021 年 9 月 17 日受稿 2021 年 11 月 9 日受理µ m 以下のウルトラファインバブル（UFB）に分類される（Temesgen et al., 2017）．FB はその小さな粒径から溶液の単位体積当たりの表面積が大きく、気液界面において優れた汚染物質吸着作用が生じると考えられる（濱本, 2018）．また，FB は狭小空間を通過しやすく（天木,2017）， 更に水溶液の pH 条件に応じて気泡表面が負に帯電する（例えば pH 5 以上; 柘植, 2010）ことから土粒子
表面と反発し，土壌中で高い移動性を持つと考えられる（Hamamoto et al., 2017a）．現在，地下水の揮発性汚染物
質の除去法として，飽和帯に空気を注入して汚染物質の揮発と移動を促進するエアースパージング法が実用化されている（Bass et al., 2000）．しかし，エアースパージン
グ法では空気が土壌中の微小な間隙に侵入できず，比較的大きな間隙を中心に移動するために局部的な除染に限られる（Braida and Ong, 2001）．そこで空気の代わりに

FB 溶液の注入が提案されている（Wan et al., 2001）．
地下水中に FB を注入し，適度な除染効果を得るためには，FB の土壌中の移動特性についての理解が不可欠である．例えば， FB の多孔質体内における移動は多孔質体の間隙径やその不均一性，間隙中の流速，FB 溶液のpH，イオン強度，FB の構成ガスの種類，界面活性剤の種類の影響を受けることが明らかにされてきた（e.g., Choiet al., 2008; Hamamoto et al., 2017a; 2017b; 2019; Wan etal., 2001）．こうした FB の多孔質体中移動特性に関する研究の中で，FB 濃度の効果的な測定法が課題の一つとなってきた．FB 溶液中の FB 濃度の測定には採取した
FB 溶液を解析するレーザー回折 · 散乱法や共振式質量測定法（Temesgen et al., 2017; Sugimoto et al., 2021）などが用いられるが，高価で精密な機械を用いること，溶液のサンプリングや希釈作業が必要で原位置での測定が困難であることなどから，より簡易的に水中の FB 濃度を測定する手法が求められる．また，土中の FB 濃度を測定可能な機器は存在しない．そのため，水中および土
中，両方において原位置で適用可能な新たな FB 濃度測定法が必要である．
そこで本研究では，先ずは水中の FB 濃度に注目し，土壌水分量の測定法として広く普及している時間領域反射法（Time Domain Reﬂectometry, TDR）を用いた推定手法

土壌の物理性48

第 149 号

（2021）

を検討することを目的とした．TDR は 2 本または 3 本開発した若干サイズの大きいもので，ロッド径 2 mm，の並行したステンレスロッドに電磁パルスを伝播させ，ロッド間隔 8 mm，長さ 50 mm である．3 つ目は一般的

その伝播時間から物質の比誘電率を決定する（Noborio,

なサイズの TDR プローブで，直径 3 mm，ロッド間隔 202001）．FB，すなわち空気を含む FB 溶液は，通常の水mm，長さ 150 mm である．以降これらのプローブをそれぞれ小型（small），中型（medium），大型（large）と表記する．これら 3 本のプローブを蒸留水または界面活性よりも比誘電率が低下すると考えられ，その低下量から

FB 濃度を推定できる可能性がある．TDR によって水中の FB 濃度を推定する際には，FB がプローブに付着して比較的大きい気泡を形成することで，TDR による比誘電剤溶液を満たした容器の中央に水面に対して水平に，もしくは鉛直に固定した．この時，水平に設置した場合で率測定に影響を与えることが予想される．そこで本研究も 3 本のステンレスロッドは鉛直方向に並ぶように設置

では，プローブのサイズや設置方法によって気泡の影響した．水面に対しプローブを鉛直に設置した場合は，プを軽減する方法について重点的に評価した．

ローブ先端が水面側に来るようにした．いずれのプローブを設置した場合でも，プローブと容器壁面との間には

2． 実験方法

十分な距離（7 cm 以上）があり，TDR の測定領域を十分に満たしていると考えられる．また，TDR プローブに

2.1 FB の発生と TDR 測定

は，気泡の付着量を低減させるために親水性コーティン

温度 20 ◦ C の恒温室において，深さ 23 cm, 容量 4 L のグ剤ゼロミラー（シュアラスター，東京）を塗布した．

プラスチック容器に蒸留水または界面活性剤溶液を充填岡）を用いた．OM4-MDG-045 は，加圧条件下で飽和まTDR による測定開始後 5 ∼ 15 分の 10 分間にわたって FB を発生させた．また，FB に由来する気泡のプロー
ブへの付着を評価するため，測定開始後 13 ∼ 15 分（FB
発生中の 8 ∼ 10 分）の 2 分間にわたって TDR プロー

で溶解した空気が，溶液が減圧ノズルに注入される際のブが固定された支柱をハンマーで叩くことでセンサに振し，FB を発生させた．その際の比誘電率を TDR で測定した．FB の生成には OM4-MDG-045（オーラテック，福急激な圧力低下によって FB として水中に析出される加動を与えた．更に，実験開始から 25 分後（FB 発生停止

圧溶解式の FB 生成装置である（田谷ら, 2012）．FB 溶液後 10 分経過時）にも同様の方法で振動を与えた．TDRには，FB の早期消失を防ぎ，水中への残存性を高めるた

での測定は 20 秒毎に行い，30 分間継続した．TDR のめに界面活性剤が使用されることが多い．そこで本研究

測定と制御には，TDR100 とデータロガー CR1000（いでも蒸留水と界面活性剤溶液双方での比誘電率変化を測ずれも Campbell Scientiﬁc, Logan, UT, USA），PC を用定することにした．界面活性剤には，Wan et al.（2001）

いた．CR1000 によって回収した TDR の波形データは，の研究において最も MB の残存性が高かった非水溶性の

MATLAB R2018a（MathWorks, Natick, MS, USA）で作成した tangent line 法（e.g., Wang et al., 2016）のプログ

SPAN60（関東化学，東京）と陰イオン性の n-ドデシル
硫酸ナトリウム（SDS）（関東化学）を混合した物を使用した．SPAN60 と SDS をそれぞれ 1 g L−1 の濃度で純水に添加し，2 時間加熱，攪拌した．なお，蒸留水と界面活性剤の pH はそれぞれ 6 と 7 だった．OM4-MDG-045 によって溶液中に FB が発生していることはレーザー散乱
法ナノ粒子径分布測定装置 SALD-7500 nano（島津製作所，京都）を用いた測定によって確認している．SALD7500 nano で測定した界面活性剤溶液中の粒径毎 FB 量
分布を Fig. 1 に示す．粒径幅 0.1 µ m から 0.3 µ m の範囲で UFB が，1 µ m から 20 µ m の範囲で MB が生成されていることがわかる．ただし，SALD-7500 nano での測定には FB 溶液の 10 倍希釈が必要なため，一定量のFB が測定中に消失していると考えられる．よって Fig. 1で示される FB 濃度は実際を過小評価していることが考ラムを用いて解析し，比誘電率を決定した．

2.2 比誘電率からの TDR 濃度推定方法
TDR によって測定された比誘電率の変化から FB 濃度を推定する方法として最も簡単なものは，Topp et al.
（1980）が提案した経験式を用いる方法である．Topp etal.（1980）は，複数の土壌を用いて土壌の比誘電率 εb とえられる．

TDR プローブは 3 つのサイズの異なるものを使用した．いずれも 3 本のステンレスロッドからなり，1 つ
目は TDR プローブに土壌熱特性を測定するためのヒー
トパルス機能を付与したサーモ TDR プローブにおいて一般的なロッド径 1.3 mm，ロッド間隔 6 mm，長さ 40mm のものである（Ren et al., 1999）．2 つ目は Liu et al.
（2008）がサーモ TDR のプローブ間隔変化を防ぐために

Fig. 1 界面活性剤溶液中に発生させた FB の粒径別濃度分
布．

Fine bubble concentration of each diameter in surfactant solution.

研究ノート：TDR を用いた水中ファインバブル濃度推定手法の検討

49

体積含水率 θ （m3 m−3 ）に次式のような関係性があるこ

界面の影響によって溶液の比誘電率が変化するとの報告とを明らかにした（Topp 式）．

がされている（上田ら, 2015）が，その増加量は 1 % 未満であること，気液界面の影響を受ける水のバルクの水θ = −5.3 × 10−2 + 2.92 × 10−2 εb− 5.5 × 10−2 εb 2 + 4.3 × 10−6 εb 3に対する体積割合は小さいと考えられることから，εw は(1)80 として問題ないと仮定した．

3. 結果と考察

式（1）の適用範囲は一般的な θ の範囲である 0 から

0.40 m3 m−3 程度までだが，ε が水の比誘電率である 80付近の値を取る際には θ が 1 m3 m−3 となるように係数が設定されている．そのため，体積含水率 1 m3 m−3からの減少分を FB 溶液の比誘電率変化と式（1）を用いて計算し，体積含水率の減少分は空気の体積分率 xa（m3 m−3 ）に相当すると考え，それを FB 濃度とすることができる．ただし，式（1）が経験式であること，今回のような体積含水率 1 m3 m−3 付近の値については実測値に基づいた検討がされていないことから，上述の方法で決定された FB 濃度が正確であるとは限らない．そこ
で上述の方法に加えて，本研究では dielectric mixing モ
デルを用いた推定法も検討した．Dielectric mixing モデ
ルは，土壌の各構成要素の比誘電率と体積割合，幾何分
布から集合体としての土壌の比誘電率を説明するモデルである．Dielectric mixing モデルは幾つかのものが提案されている（Robinson et al., 2002）が，その中でも比較的扱いやすい Birchak et al.（1974）のものを採用した．

Birchak et al.（1974）の dielecric mixing モデルは次式で表される．

3.1 比誘電率の変化傾向
TDR プローブによって測定された蒸留水および界面活性剤溶液の比誘電率変化を Fig. 2 に示した．測定値には若干のバラつきが見られたため，傾向を見やすくする
ために 5 点移動平均を実線で測定値と共に示した．今回
いずれの実験においても FB の発生による溶液の温度変化量は小さく，最大で 1.1 ◦ C の上昇がみられるに留まった．この温度上昇による比誘電率の変化量は 0.4 程度であるため（Seyfried and Murdock, 1996），温度変化による比誘電率の変化は殆ど無視できると考えられる．

Fig. 2（a）のプローブを水面に対して水平に配置し，蒸留水を用いて FB を発生させた際の比誘電率変化に注目すると，FB 発生中の測定開始後 5 分 ∼ 15 分において
比誘電率の低下が見られた．小型プローブに着目すると初期値の 80 付近から最大で 71 程度まで低下した．FB
発生中の測定開始後 13 ∼ 15 分においてプローブに振動を加えているが，この振動により比誘電率の値は 78 付
近まで上昇した．FB 発生終了後も比誘電率の値は同程度で推移し，測定開始後 25 分に振動を与えた際に再び(2)増加し，初期値の 80 近い値となった．これら一連の変ここで，εw ，εs ，εa はそれぞれ水，土粒子，空気の比誘電

付着した気泡の影響が大きいと考えられる．また FB 発率，xs は土粒子の体積分率（m3 m−3 ），α は幾何学的パ

生終了後もプローブに付着した気泡が剥がれることはな

ラメータである．α の値は与えられた電磁場に対する土く，比誘電率測定において誤差の要因となっていること

壌の構成要素の配列に関連しており，式（2）と実際の土がわかる．実際に目視によってプローブ周囲には比較的壌を用いた測定値との適合性は α （と εs ）の値によって大きな気泡が付着していることが確認されている（Fig.

左右される（e.g., Regalado, 2004；Kojima et al., 2020）．

3（a））．

εb α = θ εw α + xs εs α + xa εa α化傾向から，FB 発生中の比誘電率の低下はプローブにBirchak et al.（1974）は，均質な物質中に誘電性の異なプローブを水面に対して水平に配置した際の界面活性る物質の小さな粒子が多数組み込まれているような幾何剤溶液の比誘電率（Fig. 2（b））について着目すると，分布であれば α の値は 0.5 であり，この値は土壌にも適

比誘電率の減少幅が蒸留水よりも大きくなったが，それ用できるとしている．本研究では水中に球形の FB 粒子

以外の傾向は蒸留水と一致していた．小型プローブではが存在する状態を想定しているため，α の値は 0.5 として問題ないと考えられる．また土粒子は存在しないため

FB の発生により 61.2 まで減少したが，振動を与えることにより 72 ∼ 75 程度まで上昇した．振動を与えた際の式（2）の右辺第 2 項は除外される．ここで，土粒子に関

比誘電率も蒸留水と比較して小さく，界面活性剤の添加する項を除いた式（2）を xa について整理すると式（3）により FB 溶液中の FB 濃度が増加したと考えられる．

が得られる．

その一方で，FB 発生終了後（実験開始後 15 ∼ 25 分）に

εw α − εb αxa = αεw − εa α一定値となった比誘電率の値も蒸留水よりも小さかった(3)

ため気泡の付着量も多かったと推察される．よって Fig.

式（3）で計算される水中の気相率は FB 濃度とみなすこ2（b）の急激な比誘電率の低下は，界面活性剤の添加による FB 濃度増加と気泡の付着量増加の複合的な効果にとができる．本研究では式（1）と式（3）の二通りの方よるものである．

法で FB 濃度を推定した．式（3）の使用において，εw と3.2 プローブサイズが比誘電率測定に与える影響

εa の値はそれぞれ 80 と 1 を用いた．FB 溶液では気液

TDR プローブのサイズが FB 溶液の比誘電率測定に与土壌の物理性50

第 149 号

（2021）

Fig. 2 TDR によって測定された FB 溶液の比誘電率変化．それぞれ（a）蒸留水中でプローブを水平に設置，（b）界面活性剤溶液中で水平に設置，（c）蒸留水中でプローブを鉛直上向きに設置，（d）界面活性剤溶液中で鉛直上向きに設置した際の測定値をプロットで，5 点移動平均を実線で示す．また図中の水色部は FB の発生期間を，斜線部はプローブに振動を与えた期間を示す．

Relative permittivity change of FB solution measured with TDR sensor. The plots show the measured values when the probe
was placed (a) horizontally in distilled water, (b) horizontally in surfactant solution, (c) vertically upward in distilled water, and(d) vertically upward in surfactant solution, respectively. The ﬁve-point moving average is shown as a solid line. The light blue
area in the ﬁgure indicates the period of FB generation, and the shaded area indicates the period when the probe was vibrated.

研究ノート：TDR を用いた水中ファインバブル濃度推定手法の検討

51

える影響について，最もその違いが表れた界面活性剤中て，気泡の影響を大きく軽減できたと推察される．気泡にプローブを水平に設置した際の結果（Fig. 2（b）
）からの影響を軽減できた結果，蒸留水の比誘電率変化は微小評価する．FB 発生中の比誘電率の値は，大型，中型，小なものとなった．よって蒸留水中の FB 濃度を TDR で型の順で小さくなった（それぞれの最低値は 66.1，62.3，

推定することは困難であると考えられる．その一方で，61.3）．このことから，プローブサイズが小型化するに界面活性剤溶液中では FB が安定的に存在できるため，

つれ気泡の付着の影響を受けやすくなっていると考え

FB 濃度が蒸留水中より高くなり，それに伴って比誘電率られる．プローブ表面に付着した気泡のサイズや付着密の変化量も大きくなった．界面活性剤溶液の比誘電率の度が各プローブにおいて差がないと仮定すると，大型の変化量は TDR によって把握するには十分であり，よっプローブであるほど付着気泡の影響が小さくなったことて TDR が FB 濃度推定に有効である可能性が示された．

はプローブのサンプリングボリュームが原因と考えられ3.4 比誘電率測定からの TDR 濃度推定

る．TDR のサンプリングボリュームは，プローブの径や気泡の付着の影響を殆ど受けなかった大型プローブを間隔，そしてその 2 つの比率にある程度依存する（Ferré

鉛直上向き方向に配置した際の比誘電率変化を用いてet al., 1998）．今回の 3 種類のプローブでは，プローブ径

Topp 式（式（1））と dielectric mixing モデル（式（3））
から FB 濃度を推定した（Fig. 4）．Topp 式によって推定された FB 濃度は dielectric mixing モデルによって推定された FB 濃度よりも大きい値を示した．FB 発生中に最も比誘電率が小さくなった瞬間の FB 濃度はそれぞれ 0.23 m3 m−3 と 0.08 m3 m−3 であり，Topp 式の値はmixing モデルの約 3 倍だった．前述のように Topp 式はと間隔の比率が大きく変わらないため，サンプリングボ
リュームはプローブ間隔が大きいほど拡大する．よってプローブ表面に付着した気泡の影響が，サンプリングボ
リュームが拡大することで相対的に小さくなったと考えられる．また，プローブが大きくなるにつれて振動を与えた際の比誘電率の増加量は低下した．これは，プロー
ブを固定した支柱を叩くことでプローブに伝わる振動が，小型と大型のプローブでは大型のものが小さくなったためと考えられる．

3.3 プローブ配置方法が比誘電率測定に与える影響
TDR プローブを水面に対して鉛直に配置すると，蒸留
水，界面活性剤溶液共に水平に配置した際よりも比誘電率の減少量は小さくなった（Fig. 2（c, d））．特に蒸留水
中では，小型プロ―ブでは 4 ∼ 5 程度の減少傾向が見えるものの，中型および大型のプローブでは変化量は 2 ∼4 であり，TDR の測定誤差によってその変化傾向が確認
できないほどであった（Fig. 2（c））．界面活性剤溶液では 3 つのプローブの測定値は大きく異なることはなく，
11 ∼ 13 程度低下した（Fig. 2（d））．FB 発生中に振動を与えた際には小型，中型のプローブでは若干の上昇を見せ，大型プローブではその上昇量は 1.5 と小さかった．
また FB 発生終了後にはいずれのプローブでも緩やかに

Fig. 3 FB 発生終了後の蒸留水中の（a）水平設置の小型 TDR
プローブと（b）鉛直設置の大型 TDR プローブ．気泡の付着量に大きな差がある．
Photos of (a) a small TDR probe installed horizontally and (b) alarge TDR probe installed vertically in distilled water, taken after FB generation. A large difference in the amount of attachedbubbles can be found.

初期値まで増加し，測定開始 25 分の時点で振動を与えても変化しなかった．

FB 発生時の比誘電率変化が小さくなったこと，振動を与えた際の比誘電率変化が小さかったことから，プロー
ブを水面に対して鉛直上向きに配置することで気泡の影響を軽減できることがわかった．特に大型のプローブでは，振動を加えても比誘電率変化が殆ど見られないことから，気泡の影響の軽減効果が大きかった．この理由として，気泡の上昇方向とプローブの向きを一致させることで気泡が付着し難いこと，付着した気泡も浮力によって上昇し，プローブ先端から剥がれて水中に放出しやすいことが考えられる．実際に FB 発生後の蒸留水中のTDR プローブでは，気泡が殆ど付着していないのが目視で確認できた（Fig. 3（b））．大型プローブを鉛直上向きに設置した場合には先述の大きなサンプリングサイズ
によって相対的に気泡の影響を受けにくい効果と相まっFig. 4 比誘電率変化から Topp 式および dielectric mixing モ
デルによって推定された FB 濃度．
FB concentrations estimated with Topp’s equation and the dielectric mixing model from relative permittivity change.

土壌の物理性

52

第 149 号

比誘電率 80 付近の水分量変化についての正確性は検証（2021）

び挑戦的研究（萌芽）（19K22921）の補助を受けた．

されてこなかったため，物理的な理解に基づく dielectric

mixing モデルの値がより正確であると考えられる．よって FB 濃度の推定に Topp 式を用いることは，FB 濃度を過大評価する可能性があり，FB 濃度推定には dielectric
mixing モデルの使用が推奨される．ただし，本報告では
TDR によって推定された FB 濃度と別手法によって定量化された FB 濃度の比較ができていないため，今後はその比較による精度検証が必要である．

引用文献
天木桂子 (2017): ファインバブル水の流動特性と染色への応
用. オレオサイエンス, 17(9): 433–441.

Bass, D.H., Hastings, N.A. and Brown, R.A. (2000): Performance of air sparging systems: a review of case studies. J.
Hazard. Mater., 72: 101–119.
Birchak, J.R., Gardner, C.G., Hipp, J.E. and Victor, J.M.

4. おわりに(1974): High dielectric constant microwave probes forsensing soil moisture. Proc. IEEE, 62: 93–98.

本研究では TDR を用いて水中の FB 濃度が推定可能か検討した．その結果，FB に由来する比較的大きな気泡がプローブに付着することで FB 溶液の比誘電率測定が困難になること，比較的大型のプローブを水面に対して鉛直上向きに設置することで気泡の影響を軽減できる
こと，蒸留水中の FB 濃度は低濃度のため推定が困難だ
が，界面活性剤溶液中の FB 濃度は推定できる可能性があることが示された．また，比誘電率から FB 濃度へ換算する際には dielectric mixing モデルの使用が好ましいことが分かった．

Braida, W.J. and Ong, S.K. (2001): Air sparging effectiveness:laboratory characterization of air-channel mass transfer
zone for VOC volatilization. J. Hazard. Mater., B87: 241–
258.
Choi, Y.J., Park, J.Y., Kim, Y.-J. and Nam, K. (2008): Flowcharacteristics of microbubble suspensions in porous media as an oxygen carrier. Clean, 36(1): 59–65.
Ferré, P.A., Knight, J.H., Rudolph, D.L. and Kachanoski,
R.G. (1998): The sample areas of conventional and alternative time domain reﬂectometry probes. Water Resour.
Res., 34(11): 2971–2979.

TDR による FB 濃度の推定は，溶液のサンプリングが濱本昌一郎 (2018): 土壌汚染浄化への活用に向けたファイン必要となる他の測定機器のように粒径毎の濃度は推定でバブルの多孔質内移動特性の理解. 混相流, 32(1): 19–25.

きないが，原位置で簡単に全粒径の合計濃度が推定でき

Hamamoto, S., Nihei, N., Ueda, Y., Moldrup, P. andる有効な手法となる可能性がある．プローブに付着した

Nishimura, N. (2017b): Effects of ﬂow rate and gas

気泡はプローブに振動を与えることで除去できるが，原

species on microbubble and nanobubble transport in

位置での測定において振動を与え続けることは現実的でporous media. J. Environ. Eng., 143(7): 04017023.

はない．また，プロペラを用いて FB 溶液中に水流を発Hamamoto, S., Sugimoto, T., Takemura, T., Nishimura, T. and

生させ，付着気泡を除去する方法も検討したが，十分な

Bradford, S.A. (2019): Nanobubble retention in saturated

気泡除去効果は見られなかった．よって本研究で明らか

porous media under repulsive van der Waals and electro-になった比較的大きなプローブを鉛直上向きに設置する

static conditions. Langmuir, 35: 6853–6860.

手法は現時点で最も簡単かつ有効な気泡の影響の低減方

Hamamoto, S., Takemura, T., Suzuki, K. and Nishimura, T.

法であり，重要な知見が得られたと考えられる．また，(2017a): Effects of pH on nano-bubble stability and trans-

TDR では比誘電率に加え，溶液の電気伝導度も測定でき

port in saturated porous media. J. Contam. Hydrol., 208:

る．しかし，電気伝導度の変化傾向は比誘電率と類似していたこと，測定のバラつきが比誘電率よりも大きかった（測定値が安定しなかった）こと，溶存イオンが含まれない蒸留水においては変化が生じなかったことなどから，FB 濃度推定において電気伝導度の利用は効果的ではなく，比誘電率がより優れている．
本研究では水中の FB 濃度推定に限定して検討を行ったが，今後は土中の FB 濃度推定への TDR の活用が期

61–67.
Kojima, Y., Nakano, Y., Kato, C., Noborio, K., Kamiya, K.
and Horton, R. (2020): A new thermo-time domain reﬂectometry approach to quantify soil ice content at temperatures near the freezing point. Cold Reg. Sci. Technol., 174:
103060.
Liu, X., Ren, T. and Horton, R. (2008): Determination of soil
bulk density with thermo-time domain reﬂectometry sensors. Soil Sci. Soc. Am. J., 72: 1000–1005.

待される．飽和土の比誘電率は水中よりも小さいため，

Noborio, K. (2001): Measurement of soil water content and

比誘電率からの FB 濃度推定は挑戦的な課題であると考

electrical conductivity by time domain reﬂectometry: a re-

えられるが，比誘電率に加え土壌の熱特性が測定可能な
サーモ TDR の活用なども含めて検討していく．

view. Comput. Electron. Agr., 31: 213–237.
Regalado, C.M. (2004): A physical interpretation of logarithmic TDR calibration equations of volcanic soils and their

謝辞

solid fraction permittivity based on Lichtenecker’s mixing
formulae. Geoderma, 123: 41–50.

本研究は科学研究費補助金若手研究（21K14940）およRen, T., Noborio, K. and Horton, R. (1999): Measuring soil

研究ノート：TDR を用いた水中ファインバブル濃度推定手法の検討
water content, electrical conductivity, and thermal properties with a thermo-time domain reﬂectometry probe. Soil53

water-treatment technique: A review. Adc. Colloid Interfac., 246: 40–51.
Topp, G.C., Davis, J.L. and Annan, A.P. (1980): Electromag-

Sci. Soc. Am. J., 63: 450–457.
Robinson, D.A., Jones, S.B., Wraith, J.M., Or, D. and Fried-

netic determination of soil water content measurementsman, S.P. (2002): A review of advances in dielectric andin coaxial transmission lines. Water Resour. Res., 16(3):electrical conductivity measurement in soils using time do-

574–582.
柘植秀樹 (2010): マイクロバブル · ナノバブルの基礎. 日本

main reﬂectometry. Vadose Zone J., 2: 444–475.
Seyfried, M.S. and Murdock, M.D. (1996): Calibration oftime domain reﬂectometry for measurement of liquid wa-

海水学会誌, 64(1): 4–10.
上田義勝, 徳田陽明, 二瓶直登, 杉山暁史, 小川雄一, 白神慧一郎 (2015): 微細気泡水の電気化学的特性の定量的評価及ter in frozen soils. Soil Sci., 161(2): 87–98.
Sugimoto, T., Hamamoto, S. and Nishimura, T. (2021): Inhib-

び応用実験との相関について. 混相流, 28(5): 555–562.

ited nanobubble transport in a saturated porous medium:

Wan. J., Veerapaneni, S., Gadelle, F. and Tokunaga, T.K.

effects of deposited colloidal particles. J. Contam. Hydrol.,(2001): Generation of stable microbubbles and their trans-

242: 103854.

port through porous media. Water Resour. Res., 37(5)

田谷千尋, 前田康成, 細川茂雄, 富山明男, 伊藤良泰, 柴田尚紀

(2012): 加圧溶解法により生成したマイクロバブルの気
泡径分布. 混相流, 25(5): 407–414.

:1173–1182.
Wang, Z., Lu, Y., Kojima, Y., Lu, S., Zhang, M., Chen, Y. andHorton, R. (2016): Tangent line/second-order bounded

Temesgen, T., Bui, T.T., Han, M., Kim, T. and Park, H. (2017):

mean oscillation waveform analysis for short TDR probe.

Micro and nanobubble technologies as a new horizon for

Vadose Zone J., 15(1). https://doi.org/10.2136/vzj2015.04.
0054

要

旨

近年，揮発性汚染物質による地下水汚染の浄化方法としてファインバブル（FB）の利用が検討されており，FB の土壌中の挙動解明が進められている．その中で，水中，土中の FB 濃度の原位置測定法が求められている．本研究では水中の FB 濃度に注目し，土壌水分量の測定法として普及している時間領域反射法（TDR）を用いた推定手法を検討した．蒸留水および界面活性剤溶液中で FB を発生させ，3つのサイズの異なる TDR プローブで比誘電率の変化を測定した．TDR プローブは水面に対して水平，または鉛直上向きに設置した．その結果，蒸留水中の FB 濃度は低濃度のため推定が困難だが，界面活性剤溶液中の FB 濃度は推定できる可能性があることが示された．FB に由来する比較的大きな気泡がTDR プローブに付着することで FB 溶液の比誘電率変化が過大評価されるが，比較的大型のプローブを水面に対して鉛直上向きに設置することで気泡の影響を軽減できることが明らかになった．また，比誘電率から FB 濃度へ換算する際には dielectric mixing モデルの使用がより適切であると考えられる．以上のことから TDR による FB 濃度の推定手法は，原位置で簡単に全粒径の合計濃度が推定できる有効な手法である可能性が示された．今後は他の手法との比較が必要となる．また，土中の FB 濃度推定への TDR の活用も期待される．
キーワード：TDR, ファインバブル濃度，比誘電率

バイアル瓶脱気装置セット（アクリル製）
EN-1004

特徴・100mLまでのバイアル瓶を素早く容易に減圧状態にする事ができます（例：15mLバイアル瓶だと、約30本を同時に処理できます）
・消耗品はほとんど無く、破損時も部品交換ができます
セット内容
・バイアル瓶脱気装置本体（真空ゲージ・ミニボールバルブ×2付）
・真空ポンプセット（真空ホース・オイル・オイルミストトラップ付）

ディスクパーミアメーター（負圧浸入計）
EN-2002
ディスクパーミアメーターは、土壌表面に負圧をかけ、フィールドの浸入現象を明らかにする装置です。測定原理に忠実に、持ち運びが容易で安価な製品を提供します。
ディスクパーミアメーターの特長
・亀裂の影響のない浸入現象を測定できる
・短時間、少量の水で測定が終わる
・飽和近くの不飽和透水係数が予測できる製造・販売元（有）エンドウ理化〒001-0910 北海道札幌市北区新琴似10条7丁目3-16☎（011）763-1088
FAX (011) 763-1667
Mail：endo-rika@mb.infosnow.ne.jp

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 149, p.55∼61 (2021)

Arduino と XBee を用いた土壌水分 · 塩分センサネットワークの開発 — 宮城県津波被災農地における土壌水分 · 塩分の計測事例 —石川洋平 1 · 野口卓朗 1 · 宮本英揮 2 · 徳本家康 2

Development of soil moisture and salinity sensor network with Arduino and XBee
— Investigation of soil moisture and salinity at a tsunami-affected ﬁeld in Miyagi —Yohei ISHIKAWA1 , Takuro NOGUCHI1 , Hideki MIYAMOTO2 and Ieyasu TOKUMOTO2

Abstract: We developed a wireless communication network system with Arduino, XBee, and TDT sensors to investigate soil moisture and salinity. The sensor network
system was installed to monitor soil moisture (θ ) and bulk
soil electrical conductivity (ECb ) at three locations in asoybean ﬁeld converted from a paddy ﬁeld of tsunamidamaged farmland, Miyagi. Measured data was available
to download through a Web server. Our sensor network
system allowed us to collect all data without power supply and communication problems after using sleep powersaving mode. Our ﬁnding was local spatial variability ofhigh salinity, inﬂuencing soybean growth at the ﬁeld.
Key Words : sensor network, tsunami-affected farmland,soil moisture, electrical conductivity

ラウド上へのデータの蓄積を実現できる．これは，土壌物理分野の圃場計測において多用される高額なデータロ
ガーを不要とし，比較的安価な土壌水分計測システムの構築の可能性を示唆する．

Arduino と XBee を利用した土壌水分 · 塩分計測シス
テムとして，SDI-12 プロトコル対応の土壌水分 · 塩分センサを利用可能である．1 地点多深度の土壌水分計測の機能を有するこの最小構成システムを，Arduino シリー
ズの中で最も基本的な Arduino UNO（8 bit マイコン）を用いて構築することで，多地点計測で問題となるコストを抑えた「センサネットワーク」に拡張できる．
国内におけるセンサネットワークの既往研究として，
フィールドルータ（FR）を用いた土壌水分計測システム

1. はじめに
近年の土壌水分 · 塩分センサや情報通信技術（ICT）の発達に伴い，土壌環境情報を利活用した精密農業が急速に普及しつつある．ICT の活用に関する農工連携は盛んで，電子情報通信分野においても，Arduino や

Raspberry Pi を制御マイコンとして用いる研究事例が示されており（たとえば，星, 2021; 大山 · 北宅, 2021），小が報告されている（溝口, 2012a; b）．FR は 6 W 程度のソーラーパネルで稼働するインターネット通信装置であり，Bluetooth を介して複数のデータロガーにアクセス
し，データロガーに蓄積されたデータをインターネット
サーバ上に 1 日 1 回転送 · 保存が可能である（小島ら,2016）．ゆえに，FR のシステムではデータロガーの設置数に応じて FR 近傍の多点土壌水分量計測が可能になる．

型の制御マイコンを用いた応用研究の関心は高い．とくに，Arduino では Arduino 言語によるプログラム作
成, 書込みを可能とする統合開発環境（IDE: Integrated

Development Environment）が提供され，センサを扱うための豊富なライブラリが充実している．また，セン
サ周りの近距離通信規格（ZigBee）の無線モジュール（XBee）と携帯電話回線を用いた遠距離通信に対応した無線モジュール（3GIM）を Arduino に搭載することにより（Photo 1），無線通信によるデータの収集およびク
1 Department of Creative Engineering, National Institute of Technology,
Ariake College, 150 Higashihagio-Machi, Omuta, Fukuoka 836-8585,
Japan.
2 Fuculty of Agriculture, Saga University, 1 Honjo, Saga 840-8502, Japan.
Corresponding author: 徳本家康, 佐賀大学農学部.
2021 年 8 月 31 日受稿 2021 年 10 月 7 日受理

Photo 1 Arduino（a）および無線通信モジュール（XBee（b），
3GIM（c））．
Arduino (a) and wireless communication module (XBee (b)，3GIM (c)).

土壌の物理性56

第 149 号

（2021）

Fig. 1 センサーネットワークシステムの概略図．
Diagram of the sensor network system.

これに対して，Arduino と XBee を用いたシステムは，をそれぞれ求めることができる（上村ら, 2020）．しか

子機の増設により測定地点を増やすことができ，子機同し，波形データの取得 · 保存により，データ通信量が増

士の通信を可能とする．すなわち，子機の配置や個数にえるため，本システムでは TDT センサ内でデータ処理

よって，通信距離を拡張できるため，より広範囲な多点された εb および ECb の返り値を読み取る仕様とした．

計測システムの構築が容易になると考えられる．しかし自作基板（Fig. 2（a）
）を介して Arduino UNO に接続

ながら，Arduino と XBee を用いたセンサネットワーク

された TDT センサからのデータを受け取った子機は，システムの多点計測における通信や供給電源問題などの近距離無線通信モジュール（XBee）を用いて親機にデー

検証は不十分であり，システムの有効性を圃場試験によタを送信する（Fig. 1）．接続方法に関して，自作基板はり明らかにする必要がある．

Arduino UNO の汎用入出力端子（GP-IO）に接続でき，
XBee は XBee シールドを介して Arduino UNO に搭載可能である（Fig. 1）．TDT センサには異なる SDI アド
レスを割り振ることにより，各子機の Arduino に複数接本研究では，Arduino, XBee と SDI-12 プロトコル対応のセンサを用いて，津波被災した水田転換畑の除塩後の塩分管理に使えるセンサネットワークの構築を目的とした．津波被災農地を対象とするため，高水分, 高塩分量の計測にも対応可能な TDT センサ（Tokumoto et al., 2021）を利用し, 3 地点 3 深度の土壌水分 · 塩分センサネット
ワークを開発することとした．本稿では，取得データの欠損率と通信方式や電源問題の関連性を検証した上で，圃場の土壌水分 · 塩分の空間的なバラツキを検討した．

(a)

(b)

2． 方法
2.1 センサシステムの開発
本システムは，センサと繋がるエッジデバイスである
子機とそのデータを受け取りクラウド上に送信する親機から構成される（Fig. 1）．Arduino の標準的なプログラ
ム言語である Arduino 言語（C/C++ 言語を基に変更 · 拡
張した言語）を用いて，その制御プログラムを作成することとした．Arduino では，SDI-12 ライブラリが利用可
能であり，センサの返り値を選択することで，データ長の整形が可能となる．TDT センサを用いた水分 · 塩分
計測では，ステップパルス状の透過信号波形を測定し，信号伝播時間および信号強度の減衰量の波形解析に基づ
き，土壌の誘電率（εb ）およびバルク電気伝導度（ECb ）Fig. 2 Arduino UNO に搭載する自作基板の概略図：子機のTDT センサ接続用基板（a），親機の 3GIM 接続用基板（b）．
Self-made printed circuit board (PCB) mounted on Arduino
UNO: PCB for the extension unit to connect with TDT sensor(a) and PCB for the base unit to connect with 3GIM (b).

研究ノート：Arduino と XBee を用いた土壌水分 · 塩分センサネットワークの開発

57

続可能となる．また本システムでは，自作基板上部の回路により，バッテリー残量の低下をアラートとして送信できるようにした．予備実験において，システム動作時に数百 mA の電流の消費を想定して，5 W のソーラーパ
ネルを利用した場合，充電が不十分となり 1 週間程度でシステムダウンする事象が頻発した． その対策として，
本システムで利用したソーラーシステムの電力見積もりを参考に（東京デバイセズ, 2012），独立電源として 20 Wのソーラーパネルと 20 Ah の鉛蓄電池を用いることとした．さらに，スリープモードを導入することで，データ送受信時以外の低消費電力化を図った．
通信デバイスとして XBee を用いた理由は，遮蔽物が無く設置位置が高ければ数百メートルの通信が可能なためである．XBee 設定ソフトウェアである XCTU を用いて，親機に PC を直接接続していれば子機の通信経路を確認できる．また，メッシュネットワークを構成することにより，子機を中継機として利用できる．つまり，親機と各子機の 1 対 1 の通信ではなく，子機間におけるデータ通信を可能とする 1 対 n（子機数）の通信により，データ取得の安定性向上が望める．しかし，雑草の茂りや台風等の自然環境の変化による親機 · 子機間の通信ト
ラブルも考えられる．適切なシステム配置や現場監視によるフィールドシステムの堅牢性 · メンテナンス性の担保は重要な課題である．
子機と同様に，Arduino UNO を親機として採用した．
子機からのデータを受ける XBee モジュールを持ち，自作基板（Fig. 2（b））に接続された 3G 通信モジュール（3GIM）を介して NTT ドコモの FOMA 回線に接続し，Fig. 3 親機におけるデータ送受信手順のフローチャート．
Flowchart of the operating command for data communication
between the extension unit, the base unit, and the cloud serverin our developed sensor network system.

クラウド上のサーバにデータを蓄積する仕組みとした（Fig. 1）．

3 地点 3 深度の計測を行うために，本システムを構成する計 3 台の子機にノード番号を P1，P2，P3 と付し，それぞれ 3 つの TDT センサを接続した．親機からセン
サデータ取得命令を子機に送ることにより（Fig. 3），3
つの子機から集約された 3 深度の εb および ECb の値を取得できるようにした．Arduino は時計機能を有していないため，まずはサーバ上の実時間を取得し，子機へのデータの送受信を行った．データ送受信後には，スリー
プモードによる低消費電力化を図った．
基本的なセンサシステムの開発には Arduino UNO を十分に利用できるが，その際，用途に適した通信モジュールの選定やシステム全体の消費電力の見積もりが重要となる．コロナ禍における半導体不足も考慮し，供給量が潤沢な Arduino UNO でプロトタイプを作るということ
は概念実証（Proof of Concept）の観点からも重要になることを記しておきたい．

2.2 現場観測
Fig. 4 宮城県津波被災農地における計測システムの概略図．
Schematic ﬁgure of our measurement system at a tsunamiaffected ﬁeld in Miyagi.

実験圃場は，宮城県東松島市大曲の津波被災農地である（Fig. 4）．二級河川定川の右岸に位置した地盤沈下区域であり，また津波により海岸堤防と排水機場が損壊し

土壌の物理性

第 149 号

0.65
P2

P3

10

(a) 10 cm

P1

0.55

ECw (dS m-1)

q (m3 m-3)

P1

0.45
0.35

2
0

0.45
0.35
0.25

(d) 10 cm

410(b) 20 cm

P3

6

0.65
0.55

P2

8

0.25

ECw (dS m-1)

q (m3 m-3)

（2021）(e) 20 cm

8
6
4
2
0

0.65

100

100

10

(c) 40 cm

60
0.45
40
0.35
0.25

20
0

ECw (dS m-1)

80

Rain (mm)q (m3 m-3)

0.55(f) 40 cm

8

80

6

60

4

40

2

20

0

0

Rain (mm)58

Fig. 5 3 地点 3 深度における θ および ECw の経時変化．
Temporal changes of θ and ECw at the three different depths of three locations (P1, P2, and P3).

たことによって海水の長期浸水区域に，この圃場は位置する．圃場整備により，海岸堤防，排水機場，排水路等が復旧し，2014 年 9 月には津波堆積土の上に盛土 30 cm

ECw =εw ECbεb − ε0(1)の嵩上げ工事が施工された．盛土下層の水田土壌の塩分

ここで，εw は水の誘電率（25 ◦ C の場合は 78.5），ε0 は濃度を下げるため，2014 年 12 月に縦穴浸透による除塩

ECb が 0 のときの εb である．本研究では，実験圃場の土壌を供試材料として，別途，求めた 3.46 を ε0 として，
（1）式に与えた．

が行われた後，2015 年 3 月には深さ 50 cm の位置に暗渠が埋設された．水田転換畑として，2016 年に大豆が栽培された圃場区画（約 1 ha）を本実験の対象とした．

気象データとして，実験圃場に最も近い石巻地域気象

盛土の土性，乾燥密度（ρb ）および飽和透水係数（Ks ）観測所の降水量データを活用した．なお，本稿では，塩は，粘土質ローム，1.2 g cm−3 , 12 cm d−1 であった．水害が生じた大豆栽培時期（センサ設置後の 2016 年 9 月

田土壌は，それぞれ砂質ローム，1.1 g cm−3 , 1 cm d−1 であった．

12 日 ∼ 9 月 27 日）における水分 · 塩分分布に着目した．
センサ設置前後を含め，合計 4 つの台風の到来により，先述の親機を農道の法面に設置し，各子機を 20 ∼ 30
m 程度の間隔で 3 箇所に設置した（Fig. 4）．各子機に接続した計 3 つの TDT センサを，それぞれ土壌深さ 10
cm，20 cm，40 cm に水平方向に埋設して，転換畑後の εbと ECb を 1 時間間隔で計測した．サーバに蓄積されたデータを，Web 上から随時ダウンロードした後，Younget al.（1997）の校正法を参考にして，独自に求めた εb − θ
関係式（Tokumoto et al., 2021）に基づき εb を θ に変換した．また，計測した εb および ECb を次式（Hilhorst,
2000）に代入することにより土中水の電気伝導度（ECw ）降雨が多く，このような気象条件下でセンサネットワーを推定した．

が連続的に生じ，とくに，9 月 20 日の 18 時以降からのクが正常に作動するかについても併せて検討するためである．測定対象期間における地下水位の平均値は 45.9cm（標準偏差 8.8 cm）であった．

3. 結果と考察
3.1 データ通信および供給電源の課題と対応
実験圃場において，3 地点 3 深度で取得した θ と ECbの経時変化を Fig. 5 に示す．計測期間中は降雨イベント

研究ノート：Arduino と XBee を用いた土壌水分 · 塩分センサネットワークの開発

59

Table 1 本センサネットシステムの地点および深度別におけるデータ欠損率．
Percentages of data missing at observed depths and locations in the sensor network system.
地点
データ欠損率9/20
9/20

18 時以前（％）
18 時以降（％）

地点

P1

地点

P2

P3

深さ

深さ

深さ

深さ

深さ

深さ

深さ

深さ

深さ

10 ㎝

20 ㎝

40 ㎝

10 ㎝

20 ㎝

40 ㎝

10 ㎝

20 ㎝

40 ㎝

2.9
74.4

2.9
74.4

2.9
74.4

0.0
0.0

0.0
0.0

0.0
0.0

0.0
0.0

0.0
0.0

0.0
0.0

効果も期待される．
消費電力の課題に関して，ソーラーパネル（20 W）とバッテリー（20 Ah）を用いた場合，圃場の日照条件においても安定した連続稼働が可能であった．スリープモー
ド導入前の予備実験により，5 W のソーラーパネルでの運用は困難であったが，現状ではオーバースペックの電源システムとなっている．スリープモードの導入により，当初想定した 5 W 以下のソーラーパネルでの運用が可能になれば，本システムの小型化，すなわち，圃場における機器設置の利便性向上が見込まれる．ただし，システム設計では動作 · 静止 · 無線送信時に瞬間的な電力消費が異なる点と天候によるソーラーパネルの発電量の不確実性が高いため，バッテリー容量の更なる検証が必要である．また，メッシュネットワークの拡張に伴う，
Photo 2 実験圃場の P1 地点の区画における大豆の生育状
況．

Growing conditions of soybeans at the sensor location P1.

土壌水分 · 塩分センサの個数および計測頻度の増加により，消費電力量が大きくなるため，適当な計測間隔の確認が必要である．

6 時間降雨強度が 20 mm に達した．それ以降から，子機P1 の XBee モジュールにおけるデータの欠落が生じた．

3.2 水分 · 塩分計測の結果数）を Table 1 に示す．子機 P2，P3 ではデータ欠落が全実験圃場では，2014 年に縦穴浸透による除塩および2015 年の排水整備事業が完了したにも関わらず，2016
年 9 月上旬には部分的な大豆の生育不良が確認された（Photo 2）．とくに，対象圃場の P1 の区画（Fig. 4）ではくなかったのに対して，P1 の欠損率は降雨前後でそれぞ

大豆は立ち枯れ状態であったことから，更なる除塩の必れ 2.9 %，74.4 % であった（Table 1）．また，P1 の深度要性が推察された．

その降雨イベント前後における各計測地点および深度別のデータ欠損率（＝データの欠落数 / 対象期間のデータ

Fig. 5 は，目視により，大豆の立ち枯れが生じた区画
モジュールの腐食や同期不良が考えられた．なお，本計 （P1, P3）と生じていない区画（P2）における，3 深度のθ および ECb の経時変化である．計測期間中には連続的測期間外において，子機 P1 のモジュールを交換し，同な降雨イベントが生じ，合計降水量は 100 mm に達した．
じセンサ接続基板および Arduino を用いて安定したデー
計測された深さ 10 cm の θ は 0.32 ∼ 0.52 m3 m−3 （水タ取得が可能になった．目視による XBee モジュールの分特性曲線による pF 換算で pF 2.5 ∼ pF 1 に相当）の範腐食を確認できなかったが，データ欠落の原因は XBee
囲で変動する一方（Fig. 5a），深さ 20 cm 以深ではほとの動作不良と特定された．
センサネットワークの予備試験や圃場設置時には， んど一定の θ 値を示した（Figs. 5b, 5c）．ECb は，計測地点に関わらず，深さ 10 cm から 40 cm へと土壌が深く
XBee 設定ソフトウェアである XCTU を用いて，子機になるにつれ，増加した（Figs. 5d, 5e, 5f）．とりわけ，計よる 1 : n 通信経路を確認した．XBee はメッシュネッ
測開始直後，3 地点（P1, P2, P3）における深さ 40 cm の
トワークの通信経路を自動的に変更するため, 一部の子
−1
−1
−1 で
EC
b は，それぞれ 4 dS m ，1.8 dS m ，3 dS m
機が故障しても親機との直接通信や別の子機を経由した別のデータ欠損率は同じであり，この原因として，XBee

迂回通信ができる機能を有する．この機能により，子機あり，大豆の生育状態の良しあしと一致した．なお，本のデータ欠落時においてもデータ取得の安定性向上に寄

稿では降雨が多い時期の除塩過程に着目するが，降雨の与したものと推察された．また，本実験では，見通しのない期間にはすべての観測深さで θ は 0.2 m3 m−3 （水良い圃場条件において，親機と子機の無線通信の距離は分特性曲線による pF 換算で pF 3.0 に相当）まで減少す

300 m ほどであったが，センサ周囲の植生状況によってることが観察されている．

は，通信経路の自動変更によるデータ欠損のリスク低減

自然降雨による除塩量を検討するため，土中の塩分

土壌の物理性60(a)

第 149 号

（2021）(b)(c)

Fig. 6 P1 地点における θ (a), ECw (b) および θ · ECw (c) の鉛直分布．
Vertical distribution of θ (a), ECw (b), and θ · ECw (c) at the location P1.

量が高かった P1 地点に着目し，塩分量の鉛直分布を示を伝えたい．様々な電気 · 電子技術の栄枯盛衰が激しいす（Fig. 6）．土壌の塩分量は土壌単位体積当たりの塩分る（Radcliffe and Šimůnek, 2010）．塩分濃度は溶液 EC

VUCA（Volatility, Uncertainty, Complexity, Ambiguity）
な時代において，Arduino-XBee プロジェクトが土壌の
水分 · 塩分計測システム開発の一助となれば著者一同望（ECw ）と正の相関を示すので，「ECw × θ 」を塩分量の外の喜びである．

量（g m−3 ）であり，土壌の塩分濃度と θ の積で表され指標としても良いと考えられる（安中, 花山, 2014）．降謝辞

雨前（9/12）から降雨後（9/25）において，深さ 20 cm
および 40 cm において土壌塩分量の顕著な減少傾向が認められた（Fig. 6c）．しかし，大豆の良好な生育が認められた P2 の区画のように，大豆の良好な生育には「ECw × θ 」を 1 程度までに低下させる必要があると推察される（Tokumoto et al., 2021）．圃場の空間的な土壌塩
分量のバラツキを明らかにするには，より詳細な検討を要するが，更なる除塩量の把握やリーチング計画 · 策定
において，本研究で開発したセンサネットワークは有用であると考えられる．

本 研 究 は JSPS 科 研 費 15K11960,18K02973 お よ び

26511009 の助成を受けたものです．圃場の選定や利用にあたり宮城大学の千葉克己准教授に心より感謝申し上げます．また，システム構築にあたりご支援 · ご助言いただいた有明高専技術部の堀田孝之氏，荻島真澄氏，
池上勝也氏，中島正寛氏，古賀つかさ氏，仙台高専名取キャンパス教育研究技術支援室の小山真二郎氏に心より感謝申し上げます．

4. おわりに

引用文献

宮城県津波被災農地の水田転換畑における研究事例と

安中武幸, 花山 奨 (2014): メロンがトンネル栽培された砂丘

して，Arduino と XBee を用いたセンサネットワークの畑における土壌水分 · 溶質量変動の 5TE センサーを用い開発と高水分 · 高塩分における計測の事例を紹介した．

た測定. 日本砂丘学会誌, 61(1): 1–9．

水田転換畑後には，局所的に生育不良の区画が生じ，圃

小島悠揮, 山下彩香, 伊藤 哲, 三石正一, 溝口 勝 (2016):

場内の塩分分布の不均一性が明らかとなった．センサ

フィールドルータを用いたセンサネットシステムによるネットワークを利用することで，圃場全体の水分 · 塩分
量分布を把握し，生育不良の区画を減少させる水分 · 塩
分量の遠隔管理および予測の可能性が示唆された．今後，通信距離がより長い新たな通信機器の普及も予想されるが，本システムの更なる多点化の検討により，圃場
内における水分 · 塩分量の不均一性の原因究明や除塩過程の把握が期待される．
本稿では，電子 · 情報分野の教員と学生が農学分野の教員と共に取り組んだシステム開発と実証実験を紹介

畑表層の多点土壌水分測定. 土壌の物理性, 133: 19–27.

Hilhorst, M.A. (2000): A pore water conductivity sensor. Soil
Sci. Soc. Am. J., 64: 1922–1925.
星 岳彦 (2021)：施設植物生産現場におけるセンシング · 環
境制御 · AI 応用の歴史 · 現状 · 課題. 電子情報通信学会
誌, 104(6): 526–531．
溝口 勝 (2012a): フィールドモニタリングシステム. 水土の知, 80(9): 50.
溝口 勝 (2012b): SRI の決め手は間断灌漑 — 土壌水分の制
御 — にあり. 熱帯農業研究, 5: 175–178．

した．本研究を通じて「圃場での実証イメージを想像で大山克己, 北宅善昭 (2021): 農園芸分野における情報通信技

きる電子 · 情報系技術者」や「電子 · 情報システム要件術（ICT）の導入状況と今後の展望. 電子情報通信学会誌,を意識できる農業土木技術者」の育成も肝要であること

104(2): 110–114．

研究ノート：Arduino と XBee を用いた土壌水分 · 塩分センサネットワークの開発

61

Radcliffe, D.E. and Šimůnek, J. (2010): SOIL PHYSICS with

上村将彰, 宮本英揮, 登尾浩助 (2020): TDR と TDT による

HYDRUS, p. 249. CRC Press, Boca Raton, London and豊浦砂の水分 · 電気伝導度計測の性能比較. 農業農村工学会論文集, 310: 117–124.

New York.
Tokumoto, I., Chiba, K. and Mizoguchi, M. (2021): Soil salin-

Young, M.H., Fleming, J.B., Wierenga, P.J. and Warrick, A.W.

ity management with the Field Monitoring System (FMS)(1997): Rapid laboratory calibration of time domain re-at tsunami-affected farmlands in Miyagi, Japan. Interna-

ﬂectometry using upward inﬁltration. Soil Sci. Soc. Am.

tional Agrophysics, 35(3): 227–234.

J., 61: 707–712.

東京デバイセズ (2012): ソーラー USB 電源システムキット.

https://tokyodevices.com/items/28

要

旨

本研究では，土壌水分 · 塩分をモニタリングするためのセンサネットワークの構築を目指し，マイコン（Arduino）と無線通信モジュール（XBee），SDI-12 プロトコル対応の TDT センサを用いた無線通信
ネットワークシステムを開発した．宮城県津波被災した水田転換畑の 3 地点 3 深度において，土壌水分量やバルク電気伝導度を測定し，クラウド上で随時，データを取得した．圃場計測では，スリープモードの導入などにより，データ送受信時以外の低消費電力化を図ったことで安定的なデータ受信を実現できた．また，圃場内の塩分濃度のバラツキが大豆生育に影響を及ぼしたことが明らかとなった．
キーワード：センサネットワーク，津波被災農地，土壌水分量，電気伝導度

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 149, p.63∼68 (2021)

M5Stack IoT 開発ボードを利用した栽培環境の遠隔モニタリング
平嶋雄太 1 · 牧 貴広 2 · 古藤田信博 1 · 徳本家康 1 · 宮本英揮 1

Agro-environmental telemonitoring using M5Stack IoT development board
Yuta HIRASHIMA1 , Takahiro MAKI2 , Nobuhiro KOTODA1 , Ieyasu TOKUMOTO1 and Hideki MIYAMOTO1（Arduino IDE）にも対応しているため，既存の Arduino

1. はじめにボードの利用者にとってこのボードの導入障壁は低いだ
けでなく，コードを記述せずにブロックを組み合わせてモノのインターネット（IoT）やビッグデータを活用したデータ駆動型農業への関心が高まるなか，生産環境情報の収集と利用を支援する IoT 技術の開発が盛んになりつつある．なかでも，オープンソース · ハードウェアとして広く知られる Arduino ボードは，これまで電子工作用開発ボードのデファクトスタンダードとしての地位を盤石にしてきた．Arduino の成功は，企業にとって門外プログラムを作成できるビジュアルプログラミング言語にも対応しているため，初学者でも比較的容易に利用しやすい．Grove ポート（Seeed studio 社）を介して，安価な Grove 対応センサをそのまま利用することもできる．
このように，初学者からハイエンドユーザーにいたる多様なユーザーのニーズを満たす仕様となっている点が，M5Stack 社の IoT 開発ボードの最大の魅力である．

不出とされがちなハードウェアの設計情報を完全公開し

IoT の利用拡大とともに，M5Stack 社の IoT 開発ボー

たこと，すなわち，互換デバイスの開発を容易にし，各ドが電子工作における新たなデファクトスタンダードの種センサやモーターやスイッチ等のアクチュエータを動地位を確立しつつある．令和 2 年版情報通信白書（総務作させるためのソフトウェアライブラリの共通化をすす

省, 2020）によれば，世界の IoT プラットフォーム市場

めたことによるところが大きい．初学者向けのチュートは，2018 年から 2023 年にかけて年平均成長率 39 % と

リアルや書籍等の技術情報が充実し，誰もが容易に利用いう急成長の最中にある．我が国でも，「2025 年までにできる Arduino は，農業および土木関連分野において利農業の担い手のほぼ全てがデータを活用した農業を実践用されている（例えば，森, 2015; 河原, 2020）．
近年，M5Stack 社の IoT 開発ボード（Photo 1）の人気が急上昇している．この開発ボードは，ESP32（Espressif

Systems 社）と呼ばれる Wi-Fi/Bluetooth 機能を有する高性能マイコンに加え，液晶ディスプレイ，バッテリー，操
作ボタン，ケース等が実装されたオールインワンタイプの開発ボードである．Arduino 言語による統合開発環境する」ことを目指す政策（農林水産省, 2019）が推進されており，農業生産現場への IoT の導入が加速している．

M5Stack 社の IoT 開発ボードの将来性に着眼した一部の研究者は，既に農業情報教育やビッグデータ研究への導入に着手しているものの，利用のノウハウやその有効性に関する情報の蓄積および公開が待たれる状況にある．
著者らの研究グループは，これまでに調査 · 研究向けの統合型 IoT プラットフォームの開発（宮本ら, 2021）を手掛ける傍ら，Arduino ボードを利用した農業環境計測を通して獲得した知見をベースに，M5Stack の開発ボードを利用した安価なセンサネットワークの開発と応用に取り組んでいる．本稿では，その取り組みの概要について，熱帯果樹の栽培環境計測事例とともに紹介する．
なお，本稿において紹介した IoT 開発ボードの基本的な取り扱いについては，市販の書籍（例えば，高馬, 2020;
下島, 2019）を参考にされたい．

Photo 1

M5Stack 社製の IoT 開発ボード．

1 Faculty of Agriculture, Saga University, 1 Honjo-machi, Saga city, Saga

840-8502, Japan. Corresponding author: 宮本英揮, 佐賀大学農学部.
2 Graduate school of Agriculture, Saga University, 1 Honjo-machi, Saga
city, Saga 840-8502, Japan.

2． 材料および方法
2.1 M5Stack 社製の IoT 開発ボードの性能
M5Stack 社の IoT 開発ボードは，IoT デバイスの開発

土壌の物理性64

第 149 号

(2021)

Table 1 Arduino UNO，M5Stack Basic，Atom Lite の性能の比較．
Arduino UNO

M5 Stack Basic

ATOM Lite

SRAM

ATmega328P（シングルコア，
8 ビット，16 MHz）
2 KB

ESP32（デュアルコア，
32 ビット，240 MHz）
520 KB

ESP32-PICO（デュアルコア，
32 ビット，240 MHz）
520 KB

フラッシュメモリ

32KB

4 MB

4 MB

通信

–

Wi-Fi, Bluetooth

Wi-Fi, Bluetooth

MCU/MPU

位置情報

–

GPS

–

SD カードスロット–≤16 GB–

LCD–

320×240 カラー液晶

–

バッテリー

–

3.7 V/150 mAh

–

スピーカー

–

1W

–

インターフェイス

GPIO, UART, SPI, I2C,
PWM, ADC

プログラミング言語

Arduino (C++)

価格（税込）∗

3,300 円 ∗GPIO, UART, SPI, I2C, I2S,
PWM, ADC, DAC
Arduino (C++), MicroPython,
Blockly
4,565 円 ∗GPIO, UART, SPI, I2C, I2S,
PWM, ADC, DAC
Arduino (C++), MicroPython,
Blockly
1,287 円 ∗∗ スイッチサイエンスの HP（https://www.switch-science.com/）より転載に適している．社名であり，製品名でもある M5Stack と安価な ATOM Lite を利用することとした．ATOM Liteいう名称は，「Modular，5 cm×5 cm，Stackable」の 3 つ単上で利用できる SDI-12（Serial Digital Interface at 1200

語の頭文字に由来するように，標準型の M5Stack Basicbaud）センサの簡易設定アプリ（Photo 2） （牧 · 宮本,2021）を用いて，事前に 0 ∼ 9 のいずれかの SDI アドレ
スを割り当てた TDT（時間領域透過法）センサ（ACCSEN-SDI，Acclima 社）を ATOM Lite に接続し，これをセンサノードとした．このセンサノードを計 3 組自作
し，そのうちの 1 組に I2C（アイ · スクエアド · シー）対
応温湿度センサ（SHT70，Sensirion 社）を追加実装した（Fig. 1）．これらのセンサノードを利用することにより，，Topp 式（Topp et al., 1980）
土壌の見かけの誘電率（ε ）に基づく体積含水率（θ ），バルク電気伝導度（σb ），地は，5 cm×5 cm ほどの本体に複数の拡張モジュールを接続して利用できる仕様となっている（Photo 1）．Arduino
UNO は，8 ビット · 16 MHz のシングルコアのマイコンを実装しているのに対して，M5Stack Basic は，32 ビッ
ト · 240 MHz のデュアルコアの高性能マイコンを実装しており，ﬂoat 型データの処理時間を大幅に短縮できる能力を有することが，IoT デバイス開発における強みとなる（Table 1）．また，Arduino UNO と比べ，M5Stack
Basic に実装されたフラッシュメモリや SRAM は大きい
ため，メモリ不足に起因する動作不良が発生しにくいう
えに，Wi-Fi/Bluetooth モジュールによる無線通信機能も備えている．IoT 開発ボードのラインナップは充実しており，加速度センサを実装したモデルやウェアラブル端
末用モデル等も発売されている．このように，M5Stack社の開発ボードは，データの高速演算と無線通信を安定的に行い，且つ，幅広いユーザーのニーズに応えるための必要最低限の機能を備えている．
現在，M5Stack 社は，個性豊かな複数の開発ボードを供給している．なかでも，2020 年 4 月に発売された小型の ATOM Lite（Photo 1, Table 1）は，バッテリーやGPS を実装していないものの，ESP32-PICO（Espressif
Systems , 2021）を実装した開発ボードとして，驚異的なスピードで利用者が増えており，電子工作の市場を席捲している．本稿では，この ATOM Lite を用いて試作した
センサネットワークの概要および利用状況を後述する．

2.2 ATOM Lite を利用したセンサネットワーク
熱帯果樹温室内の土壌 · 大気環境のための IoT 開発
ボードとして，M5Stack のラインナップの中から小型でPhoto 2 SDI-12 対応センサ用の簡易設定アプリケーション（牧 · 宮本, 2021）．

M5Stack IoT 開発ボードを利用した栽培環境の遠隔モニタリング
温（Tsoil ）の計 4 項目，または，それらに気温（Tair ）および相対湿度（RH ）の 2 項目を加えた計 6 項目を計測することができる．

65

2.3 熱帯果樹の栽培環境の遠隔モニタリング
電源および Wi-Fi 通信設備を有する佐賀大学農学部の熱帯果樹栽培用のガラス温室を，試作したセンサネット

全計測データをいつでも閲覧できるよう，無料で利用

ワークの実証試験サイトとした．このガラス温室は，北できる 2 種類のクラウドサービスの活用を試みた（Fig.

側（間口 8.0 m，奥行 7.6 m，高さ 7.2 m）と南側（間口 7.0

1）．
第 1 のクラウドサービスは，利便性の高いユーザー

m，奥行 7.6 m，高さ 5.4 m）の 2 区画に分かれており，カ
ビや病害虫による被害防止のための循環扇（P2400092,

インターフェイスとして知られる IoT データ可視化

フルタ電機）と，冬季用の暖房設備を備えている．各区

サービス「Ambient （https://ambidata.io/）」である．こ

画では，パパイヤ，パッションフルーツ，マンゴー等のの Ambient は，IoT 開発ボードが収集した各種データの熱帯果樹が試験的に栽培されている．

受信 · 蓄積 · 可視化（グラフ化）することに特化したク

北側区画の 2 株のパパイヤと，南側区画のパッション

ラウドサービスである（下島, 2020）．ひと通りの機能を

フルーツの鉢植えの株元付近に，それぞれセンサノード

無料で利用できるうえに，ハイエンドユーザー向けの追を配置した．2 株のパパイヤのうちの 1 株とパッション

加機能を有料で提供する，いわゆる，フリーミアム型のフルーツの株元にはそれぞれ点滴灌漑用チューブを取りクラウドサービスに分類される．ただし，センサノード付けており，パッションフルーツには 8 時から 5 分間，あたりの計測項目が 8 つを超えると設定が非常に煩雑

パパイヤには 8 時 30 分から 4 分間，それぞれかん水さになり得ること，データの保存期間は最長 1 年であるこれる仕組みとなっている．その株元付近に TDT センサと，ダウンロードした各データの受信時刻は協定世界時（UTC）として表示されること等に留意する必要がある．
計測初学者は，センサノードあたりの計測項目数を 8 以下と定めて，このサービスを利用することを推奨する．
本研究では，5 分間隔で各センサノードにより計測されたデータを，モバイルルータ（FS030WMB1，富士ソフト）を介した LTE 通信により Ambient に送信するための ATOM Lite 用スケッチ（プログラム）を作成した．そして，各 ATOM Lite 上でそれを実行することにより，計測された全データを Ambient 上でグラフ化（Fig. 2）し，スマートフォンやコンピューター上で閲覧できるようにした．
第 2 の ク ラ ウ ド サ ー ビ ス は ，Google Apps Script（GAS）を用いてカスタマイズできる Google スプレッ
ドシート（https://docs.google.com/spreadsheets/u/0/）である．Google スプレッドシートを利用する利点は，①
先述の Ambient と違いデータ保存期間の定めがないこ

Fig. 1Atom Lite を利用したセンサネットワークの仕組み.

と，②センサノードあたりの計測項目数が 8 つ以上でも容易に取り扱えること，③関数やグラフ作成機能を活用して，演算やグラフ化を自由に行うことができること等にある．本研究では，Google ドライブ上に Google スプ
レッドシート用のファイルを作成し，スクリプトエディ
タを利用して，そのシート内にデータの受信用コードを埋め込んだ．そして，前述の ATOM Lite 用スケッチに，

URL エンコードをかけた計測データを Google スプレッ
ドシートに送信するためのコードを追記した．つまり，送信側のスケッチと受信側の Google スプレッドシートとを一対となるように設定することによって，Ambientに加え，Google スプレッドシートにおいても計測デー
タを閲覧できるようにした．ただし，Google スプレッド
シートの利用環境を構築するには，一定のプログラミン
グスキルを必要とするため，計測初学者には Ambient の利用を推奨する．

Fig. 2

Ambient 上で表示されるグラフの一例.

土壌の物理性66

第 149 号

(2021)

し，かん水を行った株元の ε の日変化は小さく，かん水による θ の上昇効果は，パッションフルーツにおいてわずかに認められる程度であった．ただし，かん水したパッションフルーツの ε は，23 時頃から漸増し，かん水を行う 8 時にピークを迎えた後に漸減に転じた．一般に，水の ε は，高温ほど小さい．計測された ε の変化
は，（i）土壌面における水分の蒸発と果樹の蒸散によるPhoto 3

ネットワークカメラで撮影した温室内の様子．

を鉛直方向に埋設し，それを Atom Lite に接続したものをセンサノードとした．北側と南側の区画の境界点に設置したストーンペーパー製百葉箱内に温湿度センサを取り付け，パッションフルーツ用センサノードにそれを接続した．2020 年 9 月 30 日（DOY273）より，各センサ
ノードによる ε ，θ ，σb ，Tsoil の計 4 項目またはそれらに

θ の減少（ε の低下），（ii）かん水に伴う θ の上昇，
（iii）
Wraith and Or（1999）の報告にもある Tsoil による ε の変化等の相乗効果に因るものである．23 時から翌朝まで θの増加につながるイベントはないため，23 時以降の ε の漸増は Tsoil の低下による ε の上昇効果に因るところが大きかったと考える．このような軽微な ε の日変化は認められたが，かん水を行ったパパイヤおよびパッション
フルーツ株元の ε の変化が小さかった理由は，TDT セ
ンサを埋設した場所が点滴によるかん水地点から離れており，3 次元的に広がる浸潤前線による θ の上昇効果が小さかったためであろう．果樹の根はセンサ感知部の存在する深さよりも深い領域まで伸長している可能性が高Tair と RH を加えた計 6 項目を 5 分間隔で計測し，先述の Ambient および Google スプレッドシート上で全計測

い．換言すれば，20 cm 以浅に存在する TDT センサのデータを可視化した．温室内部の様子を観察できるよう

えに，センサの計測データに基づく果樹のかん水制御を

受動型赤外線（PIR）人感センサを搭載したネットワー

行う場合には，土壌水分センサの設置場所 · 深さに関す

クカメラ（ZS-GX6S, YESKAMO）を南側区画の温室側
壁面に併設し，昼夜を問わず温室（Photo 3）を監視できるようにした．なお，本稿では，温室内の暖房開始前後の 1 週間分，すなわち，DOY328 ∼ DOY342 の計測結果を紹介することとする．

3． 結果および考察

感知部の位置と根の分布が一致しない可能性がある．ゆる詳細な検討が必要である．
計測した σb から，施肥管理に資する有益な知見を得ることができなかった（Fig. 3（d））
．σb は，土中水の電気伝導度と θ に加え，Tsoil の関数である．σb に及ぼす θの効果は，他の 2 つの要素による影響と比して相対的に大きいため，かん水を行った 2 地点の σb は，無かん水のそれと比べ高い水準にあった．また，パッションフルー
ツの σb は Tsoil と連動しており，17 時頃にピーク点が認

3.1 温室環境められた（Fig. 3（b），（d））．かん水を行ったのは 8 時

季節の変わり目においても，温室内の温度および湿度頃であり，17 時頃に θ が増大する理由がないこと，また環境は概ね同一水準に保たれたことを確認した．Tair は

地温が 1 ◦ C 上昇すると σb は約 2 % 大きくなること等か

日中に高く，夜間に低くなる一般的な日変化を繰り返し

ら，σb の日変化は Tsoil の影響を強く反映したものと考た（Fig. 3（a））
．Tsoil は，Tair 比べ応答が約 2 時間遅延しえる．TDT センサを利用して得られる ε および σb に基たが，Tair と類似した変化を示し，なかでも，パッション

づき，土中水の電気伝導度を推定可能である（Hilhorst,

フルーツ株元の変化が顕著であった（Fig. 3（b））．RH
下では熱帯果樹が枯死する可能性があるため，計測期間

2000; 平嶋ら, 2020）．しかし，無かん水のパパイヤの株
元の σb は常にゼロを示したことから，施肥の管理の目安となる土中水の電気伝導度を得るためには，TDT セン

最低値（3.4 ◦ C）を示した DOY335 に，Tair が 10 ◦ C 以

サよりも低電気伝導条件において高い精度が期待される下に低下した場合に暖房設備が作動するよう設定したとTrue TDR-315 シリーズに置換するか，別途，高精度電ころ，DOY336 以降の Tair の最低値を 9.4 ◦ C とすること

気伝導度センサを埋設する必要があろう．

は，Tair と真逆の日変化を示した（Fig. 3（a））
．低温環境ができた．このことから外気の温度が著しく低下する冬

3.2 センサネットワークの安定性期においても，温室内の温度環境を暖房利用前と概ね同

Atom Lite と無料のクラウドサービスを利用した場合一の水準に保つことができたことを確認した．

でも，全計測データの欠測率は比較的低く，実用上の果樹の株元付近の土壌水分環境は，かん水の有無にか支障は小さいと判断された．計測期間内の全計測回数

かわらず，同一水準で推移した．かん水を行ったパパイ（27,016 回）に占める各センサノードの欠測率は，0.09

ヤおよびパッションフルーツの株元の ε は，無かん水の∼ 0.32 % であった（Table 2）．LTE の電波環境に加え，パパイヤのそれと比べ高かったことから（Fig. 3（c）），

ルーターとセンサノード間の無線通信環境の変化やセン両者の θ は，より高い水準にあったと考えられる．ただサノードの数により欠測率は変化し得るが，欠測率をゼ

M5Stack IoT 開発ボードを利用した栽培環境の遠隔モニタリング

67

Fig. 3 2020 年 11 月 24 日（DOY329）から同年 12 月 8 日（DOY343）までの（a）気温（Tair ）および相対湿度（RH ），（b）地温（Tsoil ），（c）見かけの誘電率（ε ）（図中の破線は，灌漑を行った時間を示す），（d）バルク電気伝導度（σb ）の経
日変化．

ロとすることは技術的に難しい．その改善のために膨大して，ATOM Lite（Photo 1）を用いたセンサネットワーク

な手間をかけるより，一定の欠測を前提とした運用，例による熱帯果樹の栽培環境計測事例を紹介した．ATOM

えば，一定の欠測を容認する代わりに計測頻度を高く設

Lite は発売から 1 年半ほどしか経過していないものの，定したり，SD カードを実装できる M5Stack Basic（Photo

センサネットワークの構築に適した標準仕様となってい1）に置換してバックアップをとったりするのが，現実的ることが，多くの電子工作愛好家に支持されており，今な対処方法であろう．ただし，計測頻度を高くするほど後，この開発ボードの農業環境計測への利用拡大が期待

センサノードの消費電力量が大きくなるため，電源のなされる．土壌を含む栽培環境のモニタリングは，古くかい屋外でソーラー発電装置を利用して計測する場合は，

ら土壌物理学が最も得意とする研究手法である．計測機

ユーザーには，Atom Lite の消費電力量を抑えるためのディープスリープモードの活用はもとより，発電量と消費電力とのバランスを考慮して適当な計測間隔を見出すことが必要となろう．

4． おわりに
本稿では，M5Stack 社の IoT 開発ボードを利用事例とTable 2 各センサノードの欠測率．
センサノード欠損率（%）∗

パッションフルーツ（かん水）0.32 %
0.09 %
0.19 %

パパイヤ（無かん水）
パパイヤ（かん水）∗ 全測定回数は 27,016 回

土壌の物理性68

第 149 号

(2021)

器は，日々，進化していることから，土壌に関係する周の開発. 2021 年度土壌物理学会大会 講演要旨集, 36–37.

辺分野に向けて新たな機器の利用に関する知見を発信す

宮本英揮, 中村真也, 平嶋雄太, 大山正巳, 大北昭二 (2021):

ることが，土壌物理学に期待される役割の一つであろう．

フィールド計測と環境制御のための統合型 IoT プラット

上述の試作品の試験を踏まえ，TDT センサ（2 個），温湿度センサ，照度センサ，CO2 センサ等を ATOM Liteに接続した多項目計測用センサノードを新たに構築し，2021 年 7 月より，同一温室内にて実証試験を行っている．今後，計測された温室環境データと生産管理情報とを照合し，生産管理 · 予測や病害虫対策等に利用することを目指す予定である．

フォームの開発. 土壌の物理性, 148: 39–43.
森 慎太郎 (2015): Arduino およびクラウド統合型センサネッ
トワークシステムの開発. 情報システム学会誌, 11(1):

57– 64.
農林水産省 (2019): 農業新技術の現場実装推進プログラム.

https://www.maff.go.jp/j/press/kanbo/kihyo03/attach/pdf/
190607-2.pdf （2021. 6. 18）
下島健彦 (2019): みんなの M5Stack 入門, pp. 1–233. リック
テレコム, 東京.

引用文献

下島健彦 (2020): IoT データ可視化サービス「Ambient」について. https://tkrel.com/13832 （2021. 8. 28）

Espressif Systems (2021): ESP32PICOD4 Datasheet (Version 1.9). https://www.espressif.com/sites/default/ﬁles/documentation/esp32-pico-d4 datasheet en.pdf（2021.

6. 18）
Hilhorst, M.A. (2000): A pore water conductivity sensor. Soil
Sci. Soc. Am. J., 64: 1922–1925.
平嶋雄太, 宮本英揮, 弓削こずえ (2020): 時間領域透過法（TDT）センサを活用した干拓農地の土壌水分および塩分の観測. 農業農村工学会論文集, 310: I 21– I 28.
河原和好 (2020): 地盤沈下観測における IoT の適用. 新潟国
際情報大学経営情報学部紀要, 3: 1–12.
牧 貴広, 宮本英揮 (2021): SDI-12 センサの簡易設定キット

総務省 (2020): 令和 2 年版情報通信白書. https://www.soumu.

go.jp/johotsusintokei/whitepaper/ja/r02/pdf/02honpen.pdf（2021. 8. 28）
高馬宏典 (2020): M5Stack & M5StickC ではじめる IoT 入門, pp. 1–232. シーアンドアール研究所, 新潟.

Topp, G.C., Davis, J.L. and Annan, A.P. (1980) : Electromagnetic determination of soil water content: measurements
in coaxial transmission lines. Water Resour. Research, 16:
574–582.
Wraith, J.M. and Or, D. (1999): Temperature effects on soil
bulk dielectric permittivity measured by time domain reﬂectometry: Experimental evidence and hypothesis development. Water Resour. Res., 35: 361–369.

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 149, p.69∼72 (2021)

初心者のための IoT 実習— 温湿度モニタリング機器を作ってみよう —高草木和史 1 · 海津 裕 1 · 溝口 勝 1

Introduction to IoT for beginner, try to build a temperature and humidity monitoring device
Kazushi TAKAKUSAGI1 , Yutaka KAIZU1 and Masaru MIZOGUCHI1

1． はじめにの胸の中では，山本五十六が残した「やってみせ，言って聞かせて，させてみせ，ほめてやらねば，人は動かじ」があった．まずは初心者の自分がやってみせる，そこから2018 年夏，卒業論文に関するゼミ発表の日程が決まっ
た．会議室に集まってギュウギュウの密の状態でゼミを行わなくなり久しいが，当時は対面で活発な質疑応答があったこともあり，発表にはなかなかのプレッシャーがあった記憶がある．

しか日本の農業は変わらないだろう，そんな思いをもった．ここでは，初心者を対象とした IoT 実習のための教材「初心者のためのスマート農業体験キット」を作成し，大学 3 年生を対象に IoT 実習を実施した事例について紹介する．

自分の頭の中には，「農業 情報」というキーワードだ
けは浮かんでいたが，出てくるのは理想論ばかりでそこから具体的な計画は出てこない，何から始めたらよいかもわからないと悩んだ覚えがある．このように新しいことに挑戦する際に，何から始めてよいかわからないという沼にはまることはよくある．

2. スマート農業体験キット
体験キットのコンセプトは，「1 時間以内で，必要最小限の電子部品を組み立てるだけでデータの可視化ができる」ことである．このコンセプトに従い，体験キットはスマート農業の普及においても似たような構図が見ら

電子部品の組み立てが主な作業内容となっている．可視れる．農業従事者の高齢化，農業を魅力ある産業にする化するデータは，身近なもので，かつ取得データの正確ため，農業経営の効率化のためなど，様々な理由で農業性を検証しやすい温湿度を選んだ．

分野における ICT の必要性が叫ばれている．しかし実際の現場はどうかというと，ICT 機器を取り入れたいが何から始めたらよいかわからず途方に暮れている農業関係者が大半であるといえる．また ICT の導入に成功した事
例を見聞しても，どこか他人事のようにとらえてしまう
農業関係者も多くいるように思える．
このような問題の根幹にあるのは，経験不足であると私は考えた．農業 情報という壮大なテーマに対して，まずは自分で手を動かして経験しなければ何も始まらない．スマート農業の普及においても，まずは農業従事者に対して情報工学に関する基本的な学習 · 経験が必要である．そんなことを漠然と考えた挙句，卒業論文の目的が，「情報工学の初心者であり，農学分野に属する筆者自
身が自ら ICT 技術を実践することで，初心者が ICT に関する知識を得る過程で起きる問題点を明らかにすること」になった．等身大な研究テーマではあったが，自分

2.1 機器の構成
Fig. 1 は，作成したモニタリング機器の構成図である．
開発ボードとして通信機能をそなえた ESP-WROOM32を使用した．ESP-WROOM32 は，低価格でありながら Wi-Fi や Bluetooth 通信が可能で，Arduino の代用機として注目を集めているデバイスである．最終的に取得した温湿度を，Wi-Fi 経由でクラウド上にアップロードできるような構成にした．データをアップロード
する先のクラウドとして，Ambient（AmbientData Inc．

https://ambidata.io/）を使用した．Ambient は細かな初期設定をしなくても送信したデータをリアルタイムでグラフ化でき，ユーザー登録のみで無料で使用できるのが特徴である． 完成した際の配線図を Photo 1 に示す．

2.2 電子部品の準備
Table 1 のような部品を秋月電子通商の店頭で購入した．なお，この店はオンライン通販（https://akizukidenshi.

1 Graduate School of Agricultural and Life Sciences, The University ofcom/catalog/）も行っている．ESP-WROOM32 に関して

Tokyo, 1-1-1 Yayoi, Bunkyo-ku, Tokyo 113-8657, Japan. Corresponding
author: 高草木和史.

は，開発ボードを自分で組み立てることも可能だが，組土壌の物理性

70

Fig. 1

第 149 号

(2021)

作成した温湿度モニタリング機器の構成図．

み立てができている ESPr Developer（Switch Science 社）の購入をお勧めする．

東京大学農学部国際開発農学専修 3 年生（20 名）の必修科目「国際農学実験 · 実習Ⅰ」（1 コマ）で教材を使っ

2.3 教材の作成て 2019 年と 2021 年に講義を行った．本専修の学生はPhoto 1 の機器を自作することを目標とし，そこに至文系と理系の学生が混じっている．

る過程を教材としてまとめた．この教材は，（1）L チカ

学生からは「IoT を身近に感じられた」といった，好（LED の点滅），（2）温湿度の計測，（3）計測データのグ意的な感想が得られた．

ラフ表示，のステップで構成される．最初に簡単な配線

3.2 IoT 実習の実際を組み，LED を点滅させて学習の意欲を高め，次にや装してグラフ表示することで実用性を体験させる流れに2019 年は，オフラインで事前に環境をチェックした
WindowsPC をグループで使用したため質問には直接学生の元に出向いて問題を解決できた．しかし，2021 年なっている．

は，コロナ禍で対面での実習ができなかったのでオンや複雑な配線にして温湿度を計測，最後に通信機能を実教材の作成の中で，コードを開発ボードに読み込ませ

ライン実習を実施した．各自に必要部品を事前配布したる工程がある．その際に使用するコードは，教材と共に上で教材の内容を簡単に説明し，電子工作をしたことの配布するテスト済みのサンプルコードを使用することとない大学院生が Zoom 画面越しに実際に組み立てていした．

る手元の様子をカメラで映しながら，組み立て時の注意
点やエラー処理の方法を説明した．これら一連の作業を

3. 初心者のための IoT 実習
3.1 教材の改訂
教材を学部 3 年生の講義に使う前に，同研究室の学部

Zoom で録画し，その動画を学生に共有し，各自で 3 ス
テップの実習をした上で，レポートとして L チカ動画を講義サイトにアップロードするよう指示した．その際，わからない点があれば友人に聞くかメールで教員に質問

4 年生の 2 名を対象に模擬授業を行い教材の問題点を指摘してもらった．Table 2 は指摘された問題点とその原因をまとめたものである．表の 1 ∼ 7 番は教材の内容に関する問題点である．例えば，3 番の「図が小さい」という問題から「誤った回路を作成した」という問題が発生したため，複数スライドに分けて大きな図で回路の作成を指示するように教材に修正を加えた．Table の 8 ∼ 13
番は教材の内容以外の問題点である．例えば，11 番のよ
うに PC 環境の違いが原因で，「図とは違う画面が表示された」という問題が得られた．これらの指摘事項に基づいて教材を改訂した．
Photo 1

温湿度モニタリング機器の配線の完成写真.

初心者のための IoT 実習— 温湿度モニタリング機器を作ってみよう —71

Table 1 温湿度モニタリング機器の作成に用いた電子部品の購入リスト（2021 年 9 月時点）．
部品名称

ブレッドボード

製品名

メーカーカテゴリ

ブレッドボード

Cixi Wanjie
Electronic Co.,Ltd

BB-102（慈渓市万捷

参考価格

概要

（円）

300

電子回路をつなぐボード

URL

https://akizukidenshi.com/
catalog/g/gP-09257/

電子有限公司）
温湿度
センサー

高精度
温湿度センサー

SHT31
ブレッドボード ·

ジャンパー
ワイヤー大

ジャンパーワイヤ15 cm 黒（10 本入）株式会社
秋月電子通商E-CALL
ENTERPRISE
CO., LTD.

https://akizukidenshi.com/
catalog/g/gK-12125/

950

ケーブルの長さは 15cm. 全部

350

で 10 本入り. 体験キット内では 6 本使用する

https://akizukidenshi.com/
catalog/g/gP-02933/

長 い 順 に 各 10 本 ず つ 封 入 ．
ジャンパー
ワイヤー小

ブレッドボード ·ジャンパーワイヤ

14 種類 ×10 本

E-CALL
ENTERPRISE
CO., LTD.

緑，黄色，オレンジ，赤，茶，400

白，灰色，紺色，青，緑，黄色， https://akizukidenshi.com/
オレンジ，赤，無色．体験キッcatalog/g/gP-00288/

ト内では黄色 2 本，オレンジ 4
本，赤 1 本を使用した

ESP-WROOM32 を す ぐ に 使用できるようにピンソケット

ESPr®Developer
開発ボード（ピンソケット
実装済）

Espressif Systems（Shanghai）
Pte. Ltd.

が実装されたもの. 追加で部

1980

品を購入せず回路にすぐ組み込みできる開発ボード．ESP-

https://www.
switch-science.com/
catalog/2652/

WROOM32 ではなくこちらの購入を推奨しているオンラインでの購入の際は, 下
赤外線 LED

5 mm 赤外線 LED

OptoSupply

54

記の 5 個入りが最小価格のようです. 5 mm 赤外線 LED940

https://akizukidenshi.com/
catalog/g/gI-03261/

nm OSI5FU5111C-40（5 個入）
はんだごて

はんだこて台はんだ

ニクロム

太洋電機産業

はんだごて

株式会社

KS-30R（30W）（goot）

はんだこて台

ST-11

鉛フリーはんだ

0.8 mm800

太洋電機産業株式会社

730（goot）
太洋電機産業株式会社

280（goot）

SHT31 のセンサー部分の接合に使用する

SHT31 のセンサー部分の接合に使用する

SHT31 のセンサー部分の接合に使用する

https://akizukidenshi.com/
catalog/g/gT-02536/

https://akizukidenshi.com/
catalog/g/gT-02537/

https://akizukidenshi.com/
catalog/g/gT-06869/

するよう伝えたが，特段の質問はなく，全員が課題を提

4. IoT 実習を終えて出できた．
この講義の動画は下記リンクから閲覧できる．動画の概要欄には教材（講義資料）のダウンロード先のリンクもある．

https://youtu.be/JIePb6XokmM（1 時間 15 分）

動画内では，時々 PC がフリーズしたように見える

4.1 IoT 初学者が陥る課題
IoT 分野の初歩学習の問題点は，大きく分けて，（1）電子部品関連，（2）プログラミング関連の 2 つあることが分かった．

“間” がある．この間は初心者が作業にかかる実際の時間

また初心者が陥る大きな課題として，①必要なもののといえるが，教材としてこの動画を利用する場合には，適宜早送りをしたり停止したりしながら見るとよい．

比較と選択，②用語の解読，③モノづくりの方向性，④問題解決をする良質な情報交換の場がない，といったも

土壌の物理性72

第 149 号

(2021)

Table 2 各センサノードの欠測率．
番号

問題点

原因

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

画像が小さくてスライドが見づらかった

図が小さい

文字が細かくてスライドが見づらかった

文字が小さい誤った回路を作成した

図がみづらい組み立ての手順が終わっても操作の意図が理解されなかった

学習目標がない

2.4.2 のところ 2.5.0 を誤ってインストールした

指示が曖昧「上から二列下から」の表現が分からなかった

指示が曖昧

Arduino exe をクリックするという指示がなかった
インストール時，Windows 版を発見するのに時間がかかった
Arduino が寄付の募集を有料サイトと勘違いした
ツールのメニューで指定した項目（Generic...）に指示が曖昧

Web の表記
Web の表記

写真，図とは違う画面が表示されたPC の環境ライブラリのインストールのエラーとの勘違いした

読込時間が長いシリアルポートを読み込みのエラーとの勘違いした

読込時間が長い

項目の数が莫大のに分類できることが分かった．①必要なものの比較と壌水分センサー（アナログ）に代えることで簡易的に土選択，③モノづくりの方向性は，教材の中でコンセプト

壌水分モニタリングも可能になる．

と必要なものを指定することで解消できる．④問題解決

5. おわりにをする良質な情報交換の場がないに関しては，授業の際に手を動かしながら質問できるハンズオン形式で行うこ

新しいことに挑戦する際に障害になるのは経験不足でとで解消できた．

4.2 実習で陥りやすい問題ある．しかし経験不足を理由に動き出さないのであれば動画では Windows 環境で説明しているが，学生には何も変わらない．卒論を通して初心者であれば，むしろMac ユーザも多い．教材に沿って実習を進めていく過

堂々とわからないと言ってよいことを学部時代に学べ

程で，パソコンの環境によってはシリアルポートから開たのは大変良かった．情報工学の初心者だと堂々と胸を発ボードを読み込めないことが度々あった．IoT 実習を張って，たくさんの教えを乞い，学べばよかったからだ．

するにあたっては事前に PC 環境を調査しておく必要が土壌の物理性の読者が本論を読んで何か新しいことに挑戦する意欲がわけば幸いである．また，情報工学の初ある．

学者であっても，この教材を使って温湿度を計測し，そ4.3 現場での利用上の注意点
今回は室内で IoT 実習を行ったため，配線がむき出しになっている．しかし，実圃場で使用する際には防水 ·防虫 · 熱対策が必須である．特に，湿気による結露によのデータをクラウドにアップロードすることを経験することで，情報技術やスマート農業へのハードルが下がる
ことを期待する．

り回路がショートしないようわずかな隙間でも埋めるよ引用文献

う注意が必要である．

4.4 土壌センサーへの応用

高草木和史, 溝口 勝 (2019): 初心者のためのスマート農業

初心者のための IoT 実習は土壌センサーに興味のある
土壌物理研究者にとっても有用である．すなわち，Fig.
1 のシステム構成図のセンサーを温湿度センサーから土要

体験キットの開発. 農業農村工学会全国大会講演要旨集,

142–143.

旨農業者の IoT の知識の不足がスマート農業の普及を妨げていると考えられる．本研究では初心者である
私が温湿度モニタリング機器を自作する過程で遭遇した問題点に基づいて，初心者が農業 IoT 分野の初歩を手軽に体験するための教材を作成した．その教材を研究室の IoT 初心者に使ってもらったとこ
ろ，サービスに依存する問題と PC に依存する問題が明らかになった．そこで教材に改定を加え 2019年（対面講義）と 2021 年（オンライン講義）に元文系学生を含む学部３年生を対象に実習を行った．その結果，全ての学生が課題を解くことができ，学生アンケートでも好意的な評価が得られた．今後，農学や土壌分野でこの教材を活用することで IoT のハードルが下がり興味を持つ人が増えることを期待したい．なお，教材と実習の様子は YouTube に公開されている．
キーワード：IoT，Arduino，教育，温湿度モニタリング

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 149, p.73 ∼75 (2021)

日本地球惑星科学連合（JpGU）2021 年大会

A-GE27 地質媒体における流体移動、物質移行 及び環境評価（Subsurface Mass Transport and Environmental Assessment）
開催報告
斎藤広隆 1 · 加藤千尋 2 · 濱本昌一郎 3 · 小島悠揮 4 · 森也寸志 5
Hirotaka SAITO1 , Chihiro KATO2 , Shoichiro HAMAMOTO3 , Yuki KOJIMA4 and Yasushi MORI5

1. はじめに
日 本 地 球 惑 星 科 学 連 合（Japan Geoscience Union,

JpGU，2005 設立）は地球科学を中心として，気象，海洋，地質，惑星科学など幅広い学問分野を扱う連合組織
で，土壌物理学会は 2009 年に加盟した．学会加盟以前の 2007 年から，著者らをはじめとする土壌物理学会の会員がコンビーナとして国際セッション「Subsurface Mass

Transport and Environmental Assessment」（以降 Subsurface Mass Transport セッション）を開催している．土壌や岩石からなる地質媒体における物質移動 · 物質循環について，室内実験，現位置試験，フィールド調査，解析 ·評価モデル及び関連応用分野への適用など，広い視点から議論し，国内外における最新成果の交流を図ることを目的として土壌物理，地盤工学，環境工学を中心とする研究発表が行われている．本セッション 15 回目の開催となった 2021 年は，前年度に引き続き新型コロナウィ
ルス（COVID-19）感染拡大の影響を受け，バーチャルなセッションとなったものの，総発表件数 19 件と例年並

態，働き方，家族形態など，あらゆるものに存在する多様性を尊重し，JpGU に関わるすべての人が立場によって差別されることのない心地よい環境で研究教育活動をしていける組織を目指しており，本セッションでもさらにダイバーシティを推進できるよう新たなコンビーナを迎え入れていきたい．

2. 本年度の A-GE27 Subsurface Mass
Transport セッションについて
2021 年度の発表内容は Table 1 に示すとおり，口頭発
表 4 件（うち招待 1 件）
，ポスター発表 15 件（うち招待1 件）の合計 19 件であった．また，ポスター発表者の中の希望者および学生発表者には 4 件の口頭発表終了後に一人 2 分間でポスターを紹介する機会を設けた．海外からの発表は 1 件であったものの，国内の大学に留学している大学院生からの発表もあり，例年通り，農学のみ
ならず理学 · 工学から幅広く発表が集まった．内容的には水 · 物質移動，ガス移動，コロイド，土壌保全，土壌みの発表件数となった．なお本セッションは，セッショ

構造と，ナノスケールからから棚田における土壌保全のンコンビーナに，複数の性別および学位取得後 7 年まで

ようなフィールドスケールまで幅広く議論された．本年のキャリア初期の研究者を含んでおり，大会プログラム

度は口頭発表およびポスター発表それぞれ 1 名ずつ，計においてダイバーシティを推進するセッションとしてロ2 名に招待講演者として発表を依頼した．一人目はカリ

ゴマークが表示された．JpGU では，ジェンダー，年齢，

フォルニア大学マーセド校博士課程在籍中の万代俊之氏

出身，国籍，経歴，身体的特性，価値観や信条，雇用形

で，氏が博士研究とし取り組んでいる Physics Informed

1 Institute of Agriculture, Tokyo University of Agriculture and Technol-

Neural Network（PINN）を用いた水分移動解析について研究紹介いただいた．PINN は有限要素法や差分法とはogy, 3-5-8 Saiwai-cho, Fuchu, Tokyo 183-8509, Japan.
2 Faculty of Agriculture and Life Science, Hirosaki University, 3 Bunkyocho, Hirosaki, Aomori 036-8561, Japan.
3 Graduate School of Agricultural and Life Science, The University ofTokyo, 1-1-1, Bunkyoku, Yayoi, Tokyo 113-8657, Japan.
4 Department of Civil Engineering, Gifu University, 1-1 Yanagido, Gifu
501-1193, Japan.
5 Graduate School of Environmental and Life Science, Okayama University, 3-1-1 Tsushimanaka, Kita-ku, Okayama 700-8530, Japan.

異なり，損失関数に基礎方程式の誤差を含めるニューラ
ルネットワークに基づくシミュレーション手法で，近年物理シミュレーション分野で注目を集めている手法であり，土中水分移動解析における PINN 利用の可能性について大変興味深い議論ができた．二人目の招待講演者は
明治大学の甲斐貴光氏で，農法の違いがリンゴ果樹園土

土壌の物理性74

第 149 号

(2021)

壌の化学性 · 生物性に与える影響についてポスターにていただいた．この場を借りて改めて感謝申し上げる．昨報告をいただいた．

年はバーチャルに慣れていなかったこともあり，時間管

2021 年度も姉妹セッションとして張（産総研），川本（埼玉大）らをコンビーナとした「Energy–environment–water nexus and sustainable development (A-GE41)」が開理などが徹底できず参加者の皆さんにご迷惑をおかけし催された．例年通り，中国，台湾からの研究者が参加しは生じなかった．今後しばらくは土壌物理学会をはじめ

土壌汚染問題，廃棄物問題，水処理問題など環境工学分

国内外多くの学会ではバーチャル発表を活用することがたが，今年度はコンビーナ，発表者共にバーチャル発表の経験も十分で時間管理についても改善され大きな問題

野に関する研究内容を中心に計 11 件（口頭発表 5 件，想定されており，バーチャルであっても活発な質疑が繰

ポスター発表 6 件）の発表があった．来年度以降も，より広げられ違和感ないものとなってきている．一方で，り多くの参加者を集められるように両セッションで連携

バーチャルでは，複数人よる議論が難しい点や，大学院を取りながら進めていきたい．昨年，本年と招待講演者

生のように初めて学会活動に参加する場合において十分

招へい時に気がついたことだが，オンラインで実施するな交流がはかれないなど，いくつか限界も感じてきてい場合は海外在住の研究者にお願いをしやすく，今後対面る．新型コロナの感染もだいぶ落ち着いてきており，来にてオンサイトで学会が開催されるときでも活用できる

年度以降対面での大会開催が叶うように節に願うものでと感じた．渡航を伴う場合は，旅費や相手の予定を考慮

ある．

しなくてはならず，難しいことがあるが，オンラインで講演をいただくのであれば，実現可能性が高まり，多く

JpGU における Subsurface Mass Transport セッション
は， 2022 年度の大会でも土壌物理学会共催のもと，国の聴衆にメリットがある．時差の問題については，例え際セッションとして継続する予定である．原稿執筆時点

ば演者が在カリフォルニアならば午前中のセッションとで 2022 年度大会はハイブリッド開催が予定されている

し，演者が在欧州ならば午後のセッションとするなど工が，今後も開催形式に関わらず「土中（多孔質体）の物

夫次第で，無理なく低予算のまま様々な話題提供を受け質移動」をキーワードとし国内，海外を問わず，また農られる可能性がある．今後もオンラインでの講演につい· 工 · 理などの分野を問わず研究者交流の場となるようて，外国からの著名な研究者の招へいを気軽に行うために継続をしていきたい． 本セッションでの発表件数は年の手段として残しておいても良いかもしれない．

毎に増減はあるものの，大学院生が国際会議で発表する場としては一定の役割を果たしており，今後も大学院生

3. おわりにの発表の機会として検討していただきたい． また，本号に本セッションに関わる JpGU 特集号も組まれている．

2021 年度の JpGU 大会は，当初対面やハイブリッド

JpGU 特集号は 2013 年に企画され今回で 2 回目となる．

での開催を模索したものの，最終的には昨年に引き続本セッションで発表された土壌（多孔質体）中の物質移き完全オンラインのバーチャル大会ということで開催

動に関わる多様な研究内容について，論文として報告さされた．手探りで進めた昨年と異なり，この一年間大会れる予定である．本セッション発表者の成果物としてだ

運営側ならびに我々コンビーナも多くのバーチャル学

けでなく、JpGU 特集号を通して多くの読者の方々に本会を経験してきており，滞りなく開催することができセッションに興味を持っていただき次年度以降の積極的た．本セッション参加者の皆さんには， 昨年に引き続きな参加につながれば幸いである．大会での発表をベース

Zoom による口頭発表やオンライン上のプラットフォー
ム（Conﬁt）でのポスター発表の準備で大変なご協力をとした論文の掲載を今後も促していけるように，本セッションのコンビ―ナが中心となって継続的に特集号を組むなどしていきたい．

日本地球惑星科学連合（JpGU）2021 年大会 A-GE27 開催報告

75

Table 1 2021 年度連合大会物質循環セッション発表課題一覧．
タイトル

発表形式

国内 · 海外

所属

分野

内容
キーワード

1

Numerical simulation of soil moisture dynamics using
physics-informed neural networks

口頭 ∗

海外

大学 ∗∗

農

水移動

2

Improvement of contaminant plume estimation by ageostatistical method considering groundwater ﬂow andnon-negativity

口頭

国内

研究機関

工

物質移動

3

Comparison of experiments and model calculations on thecapillary rise of water and the air entrapment in rock pores

口頭

国内

大学 ∗∗

工

水移動

4

Open-loop system ground source heat pump on the
Nagara River alluvial fan: An assessment of thermal
environmental impact

口頭

国内

大学 ∗∗

工

地中熱

5

Chemical and biological properties of apple orchard soils
under natural, hybrid, and conventional farming methods

ポスター ∗

国内

大学

農

土壌特性

6

Impact of macropore structure and water management on
greenhouse gas emissions, total soil carbon and nitrogen,and soil mineral distribution in agricultural ﬁeld

ポスター

国内

大学 ∗∗

農

土壌構造 ·
物質移動7

Evaluation of radioactive cesium-bearing microparticles
discharged with suspended solids from a small forested
watershed

ポスター

国内

大学 ∗∗

農

放射性物質

8

Evaluating effects of plant roots on soil thermal properties
with a thermo-TDR sensor

ポスター

国内

大学 ∗∗

工

土壌物性

9

Quantifying in-situ ﬁne bubble concentration in water andsoil with thermo-TDR

ポスター

国内

大学 ∗∗

工

測定

10

A laboratory test of heavy metal accumulation by using soil
cooling and heating technique inducing dynamic soil water
freezing and evaporation

ポスター

国内

大学

工

土壌汚染

11

Effect of the gravity differences on early stage water
movement in soils

ポスター

国内

大学 ∗∗

農

水移動

12

Neural network estimation of soil organic matter contents
and its relation to other soil components

ポスター

国内

大学 ∗∗

農

土壌有機物

13

Water and mass transfer in soils and optimal farmland
management in the rice terraces of the Philippine cordillera

ポスター

国内

大学 ∗∗

農

棚田

14

Estimation of soil water retention parameters by ground
penetrating radar reﬂection wave inversion

ポスター

国内

大学 ∗∗

農

物理探査

15

Effects of elevated air temperature and CO2 concentration
on soil CO2 dynamics in an apple orchard

ポスター

国内

大学

農

ガス移動

16

Effect of soil air on pore network properties and masstransport in porous media

ポスター

国内

大学 ∗∗

農

土壌構造 ·
物質移動17

Monitoring of soil gas environment in soybean ﬁelds under
different fertilizer managements

ポスター

国内

大学 ∗∗

農

ガス移動

18

Effects of cation exchange on colloid transport insaturated porous media

ポスター

国内

大学 ∗∗

農

コロイド移動19

Seasonal variation of the effect of ridge orientation onwater and temperature distribution inside ridges

ポスター

国内

大学 ∗∗

農

水 · 熱移動∗ ：招待講演，∗∗ ：発表時大学院生

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 149, p.77 ∼ 79 (2021)

日本地球惑星科学連合 (JpGU) 2021 年大会

A-HW22 流域生態系における物質輸送と循環：源流から沿岸まで（Material transportation and cycling in watershed ecosystems;

from headwaters to coastal areas）開催報告
前田守弘 1 · 入野智久 2 · 小野寺真一 3
Morihiro MAEDA1 , Tomohisa IRINO2 , Shin-Ichi ONODERA3

1. はじめに日本地球惑星科学連合（JpGU）2021 年大会は，米国
地球物理学連合（AGU）とのジョイント大会「JpGU-AGU Joint Meeting 2021」として開催された．本大会は2021 年 6 月に，新型コロナウイルス感染症の影響にルニア大）
準コンビーナ：奥田 昇（神戸大），小林政広（森林研究 ·
整備機構），齋藤光代（岡山大），知北和久（北大），伴 修
平（滋賀県立大），細野高啓（熊本大），安元 純（琉球大）（登録可能なコンビーナ数は 4 名であるが準コンビーナ
もセッションの企画 · 運営に参画している）

より，オンラインで開催された．昨年はポスターセッ

共催学会：日本水文科学会，日本堆積学会，日本第四紀

ションのみであったが，今年は Zoom を用いた口頭発学会，日本海洋学会，陸水物理研究会，土壌物理学会，水表と Conﬁt によるポスター発表が行われた．本稿で

文水資源学会は，本大会で企画されたセッション A-HW22「Material

2. プログラムと講演内容

transportation and cycling in watershed ecosystems; fromheadwaters to coastal areas（流域生態系における物質輸
送と循環：源流から沿岸まで）」の開催概要について報告

発表は口頭 17 課題，ポスター 27 課題で，コロナ渦にする．本セッションは，2019 年，2020 年大会で開催されもかかわらず，例年通りの発表数であった（Table 1）．また「Materials transport and nutrient cycles in watersheds;

た，口頭発表では常時 70 人超えの参加があり，活発な議from headwaters to coastal seas（流域の物質輸送と栄養塩循環 — 源流域から沿岸海域まで —）」の後継企画である．これまで同様に，源流域から沿岸海域における水 ·論が行われた．本セッションでは，森林，河川，流域，湖
沼，海洋などの源流から沿岸に至るフィールドを扱う発表が集まり，趣旨に合致した内容となった．対象物質と物質輸送および栄養塩循環のプロセスとメカニズムの理

しては，窒素，リンなど栄養塩が多かったが，COVID-19

解を軸に据え，幅広い議論を行うことができた．今回もの影響や微生物を扱う内容もあった．また，脱炭素社会

英語セッションのみである．なお，大会 WEB サイトのの構築に向けて，気候変動対策に取り組む研究も多くみ

セッション概要については以下のホームページも参照さられた．手法の面でも，安定同位体，メタゲノム解析，れたい．

流域ガバナンスなどさまざまであり，たいへん勉強に

http://www.jpgu.org/meeting j2021/sessionlist jp/detail/A-HW22.html
コンビーナ：前田守弘（岡山大，代表），入野智久（北大），小野寺真一（広島大学），Adina Paytan（カリフォ
1 Graduate School of Environmental and Life Science, Okayama Univer-sity, 3-1-1, Tsushima-Naka, Kita-Ku, Okayama 700-8530, Japan.
2 Faculty of Environmental Earth Science, Hokkaido University, N10-W5
Kitaku, Sapporo 060-0810, Japan.
3 Graduate School of Advanced Science and Engineering, Hiroshima
University, Kagamiyama, 1-7-1 Higashi-Hiroshima 739-8521, Japan.

なった．一方，オンラインでは時間制限が割と厳しく，
口頭発表では休憩時間の使い方などに課題が残った．また，ポスターセッションでは，ひとつひとつをじっくり見ていると時間を忘れ，余り多くのポスターを訪問できなかった．

3. おわりに流域生態系における物質輸送と循環における物理，
化 学 ，生 物 プ ロ セ ス を 一 体 的 に 理 解 す る こ と を 目 指78

土壌の物理性第 149 号

(2021)

す本セッションは，2022 年大会（http://www.jpgu.org/

親会が開催できなかったのは残念でならない．来年皆様

meetingj2022/）でも継続開催する．代表コンビーナは琉に対面でお会いできるのを今から楽しみにしている．土球大学の安元 純氏が務める．なんといっても，今年は懇壌物理学会会員諸氏の参加を歓迎する．

Table 1 発表タイトル一覧．
List of the presentation titles.
ORAL SESSION
Ricardo Hirata et al. (Invited)

Integrating traditional and new water solutions to increase cities’ resilience in tackling global climate change problems

Christina Richardson et al.
(Invited)

The impact of headwater wildﬁre burns on the export of materials to the coast

Hiroaki Somura et al.
(Invited)

How should we manage a watershed for sustainable water environment?

Gamamada Liyanage Erandi
Priyangika Perera et al.

Suppression of phosphorus release from sediment in an agricultural drainage by placing Iron (III)amended sediment microbial fuel cell

Mariko Iijima et al.

Phosphate bound to calcareous sediments in coastal area inhibit skeletal formation of juvenile coral

Shin-ichi Onodera et al.

Estimation of phosphorus budget and surface water–groundwater interaction in a coastal freshwaterlake, Hachiro-gata, using phosphorus proﬁle in lake bottom sediments nutrient enrichment area

Meththika Vithanage et al.
(Invited)

Inﬂuence of recharge and irrigation return ﬂow on water quality in an intensively irrigated agricultural watershed, Kala Oya, Sri Lanka

Jun Yasumoto et al.

Watershed governance based on participation and consensus for sustainable water resource use insubtropical islands — Contributing to the achievement of the SDGs —Oktanius Richard Hermawan
et al.

Nitrate contamination source identiﬁcation by using multiple isotope ratios in Ryukyu limestone
aquifer, southern Okinawa island, Japan

Mitsuyo Saito et al.

Reconstruction of long-term change in external nitrogen loading and its effect on coastal sedimentof Osaka Bay, western Japan

Anna Fadliah Rusydi et al.

Impact of brackish-water aquaculture on groundwater resources in a coastal alluvial aquifer

Siringan Fernando et al.
(Invited)

Large changes in sediment input based on multi-century sediment record in Bolinao, Pangasinan,
Philippines

Airi Maruyama et al.

Development of a method to reconstruct past winter monsoon variability based on the inter-annual
variabilities of river discharges and snowfall in Hokkaido, northern JapanPOSTER SESSION
Tomohisa Irino et al.

Distribution of sea ice rafted detritus yielded from the sediments of Okhotsk coast of Hokkaido,
northern Japan

Masato Oda et al.

Effect of stream water from nitrogen-saturated forests in the Koise River Basin on nitrogen concentrations in the main river
Hydro-geographical study on the water environment of Asakawa River in Tamagawa river system

Yuko Itoh et al.

Impact of COVID-19 on air pollutants inﬂux into forest ecosystems in Japan

Xin Liu et al.

Long-term trends in zooplankton production and ecological transfer efﬁciency over four decades
in Lake Biwa, Japan

Masahiro Kobayashi et al.

Ken’ichi Osaka et al.

High resolution monitoring for subsidiary nutrient loadings and phytoplankton production in northbasin of Lake Biwa
Hydrological controls on phosphorus export from diffuse source in Lake Biwa basin, central Japan.

Takaaki Ishibashi et al.

The inﬂuence of vertical water mixing on inter-annual nitrogen dynamics in Lake Biwa

Tomoki Yamamoto et al.

Detection of dissolved methylphosphonate in freshwater of Lake Biwa by pre-concentration withiron(III) hydroxide coprecipitation

Syuhei Ban et al.

Shin-ichi Onodera et al.
Takuya Ishida et al.

Estimation of groundwater and lake water interaction in the deeper zone of Lake Biwa, using 18 O
and D in pore water and groundwater
Identiﬁcation of enriched phosphate in groundwater: insights from distribution of phosphate oxygen isotope ratio in aquifer sediments

Kunyang Wang et al.

Long-term estimation on phosphorus ﬂux in a coastal catchment Inﬂuenced by the anthropogenic
land use change

Shuta Ishihara et al.

Analysis for the characteristics of water and nutrient discharge in a sub-basin of Osaka Bay catchment日本地球惑星科学連合 (JpGU)2020 年大会 A-HW22 開催報告

79

Table 1 発表タイトル一覧（続き）．
List of the presentation titles.
Yusuke Tomozawa et al.

Estimation of groundwater ﬂow and a river water contribution to it in an alluvial plain of westernJapan, using tracer methods

Sharon Bih Kimbi et al.

Estimation of landuse change impact on water budget in Higashihiroshima catchment using SWAT

Sharon Bih Kimbi et al.

Flood impact on water quality in a small catchment area: preliminary study

Mitsuyo Saito et al.

Process of spatio-temporal variation in seagrass-seaweed meadows in intertidal areas of Seto InlandSea, western Japan

Toru Iwata et al.

Analysis of coastal seagrass bed distribution using UAV and near-infrared camera data

A.T.M. Sakiur Rahman et al.

Physically based groundwater ﬂow simulation using tracer-aided model in Kumamoto region,Japan

KE-HAN SONG et al.

Quantitative evaluation of groundwater pollution at Ryukyu limestone area in southern Okinawa
Island: Trial application of boron isotope

Maruyama Rio et al.

Metagenomic analysis on the groundwater in the Ryukyu limestone area

Nanami Mizusawa et al.

The effects of groundwater runoff on the coastal bacterial communities near the Ryukyu Limestonearea

Guangzhe Jin et al.

Water environment issues in Chinese megacity delta-sewage impacts on Peral river coastal area

Tram Ngoc Quynh Vo et al.

Assessment of drought trends in the Dakbla watershed, Vietnam

Rizka Maria Maria et al.

Hydrogeochemical evolution mechanisms of groundwater in the Semarang coastal zone, Java Island, Indonesia

Sharif Joorabian Shooshtari etal.

A comparative analysis in modeling surface runoff under climate and land use change in two catchments in Iran and Indonesia

Thanuja Deepani Panangala
Liyanage et al.

Effects of different NH4+ -N contents on N2 O and CO2 emissions from manure compost-amended
soil

型式︓WDR-1-3WET 型

主な特徴● 現場で瞬時に⼟壌⽔分/EC/温度を測定可能● ハウス栽培、露地栽培・植物⼯場等、あらゆる環境に適します● 従来では難しかった体積⽔分率 40%以上の測定も可能● ⼤型カラー液晶搭載による⾼い視認性と、タッチパネルによる直感的な操作性● 計測データはメモリーカードに記録され、1 測定当たり最⼤ 65,000 件の記録が可能

体積含⽔率(VWC)、電気伝導度(EC)、温度(℃)の同時計測を⼿軽に⾏うことが出来る携帯型データロガーです。乾電池で動作させる事が出来、電源の確保が困難なフィールドでの計測に最適です。
■仕様
測定項目 ︓体積⽔分率、電気伝導度(EC)、温度
測定範囲 ︓⽔分 0〜100%、EC 0〜7mS/cm、温度-10〜50℃
測定精度 ︓⽔分±3%、EC±5%、温度±1℃
測定間隔 ︓1/10/30 秒、1/10/30 分、1/3/12 時間
ディスプレイ︓3.5 インチ タッチパネル⽅式
記憶容量 ︓1 測定あたり 65,000 件
サイズ重量︓100×130×35mm、290g(本体)

開発・製造元 株式会社Ａ・Ｒ・Ｐ
販売元

本社 〒114-0024 東京都北区⻄ケ原 1-46-16

営業部－ 弊社ホームページ www.fujiwara-sc.co.jp－

TEL 03-3918-8111 FAX 03-3918-8119

千葉 営業所 TEL 0438-64-0800 FAX 0438-64-0820
つくば営業所

TEL 0298-39-4500 FAX 0298-39-4512

᭩ࠉホ

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性Book review

No. 149, p. 81∼ 82 (2021)

環境保全のための地下水水質化学
地球化学，地下水および汚染 （上）·（下）
C.A.J. アペロ，D. ポストマ 著
中川 啓

監訳

神野健二，広城吉成，糸井龍一，和田信一郎

訳

九州大学出版会

2021 年 5 月 15 日発行 B5 版
（上）349 頁 ISBN978-4-7985-0307-3 定価本体 6,000 円（税別）（下）339 頁 ISBN978-4-7985-0308-0 定価本体 6,000 円（税別）（炭酸塩鉱物の溶解平衡，土壌中の二酸化炭素，炭酸塩反応の速度論的溶解，炭素の同位体）

6 章 イオン交換（CEC，交換反応式，陽イオン交換，拡散二重層）
下巻
7 章 微量元素の吸着（重金属，吸着等温線，吸着の pH 依存性，表面錯形成モデル）

8 章 ケイ酸塩の風化（ケイ酸塩鉱物の風化，土壌における酸性化と緩衝作用）
本書は，C.A.J. Appelo and D. Postma が 2005 年に著した Geochemistry, groundwater and pollution（2nd edition）
を翻訳したものである．上下巻に分かれており，章の構成は以下の通りである（括弧内は章内の主なキーワードになると思われるものを挙げた）．
上巻
1 章 地下水地球化学への入門（地下水水質，濃度単位，サンプリング法，分析精度）

2 章 雨水から地下水になるまで（水文循環，雨水の組成と安定同位体，乾性沈着と蒸発散，水質に関与する諸過程の概要）

3 章 流れと輸送（不飽和 · 飽和流れ，遅延，吸着，拡散，分散）
4 章 鉱物と水（質量作用の法則，溶解度積，イオン強度，生成自由エネルギー，固溶体，反応速度論）

5 章 炭酸塩と二酸化炭素
2021 年 11 月 22 日受稿

2021 年 11 月 22 日受理

9 章 酸化還元過程（酸化還元反応，pe-pH ダイアグラム，一連の酸化還元過程，パイライト（FeS2 ）酸化，硝酸塩還元，鉄還元，硫酸塩還元，メタン生成）

10 章 有機化学物質汚染（有機化学物質の揮発 · 移動 · 吸着 · 反応，重金属錯体の形成）

11 章 数値計算モデリング（移流−反応−分散方程式，モデリングの事例）
土壌物理学分野の主題の一つである水 · 溶質 · 熱移動解析の 1 次元プログラムに HYDRUS-1D（Šimůnek etal., 2013）がある．会員諸氏も利用される機会が多いと思われるが，これに地球化学コード PHREEQC を結合させた HP1（Jacques and Šimůnek, 2005）が HYDRUS-1Dとしてダウンロードしたものには組み込まれており，溶質移動解析のオプションとして選択できる．2 次元解析用の HP2 も HYDRUS（2D/3D）の中に実装されている（Šimůnek et al., 2012）．

PHREEQC は自然環境における水の化学反応を計算するためのプログラムであり，多種多様な物質の化学反応

土壌の物理性82

第 149 号系の情報がデータベースとして含まれている．著者のア
ペロ氏はその開発者の一人である．地下水汚染問題，放射性廃棄物貯留といった分野での長期にわたる実績を有するモデルである．PHREEQC 自体においても 1 次元の移流分散解析が可能であるが，PHREEQC を水 · 溶質移
動解析を得意とする HYDRUS と連成させることによって，HP1 は不飽和帯と地下水帯での鉱物，ガス，交換体，吸着表面との相互作用を含む水中の幅広い生物地球化学
的反応を熱力学的平衡反応，速度論的反応あるいはその複合によって表現しながら，複数の化学物質の移動現象を計算できるものとなっている．したがって，土壌中の複数の物質が複雑な反応を伴う場合を扱うための有効な解析ツールである．しかし，複雑さ故にこれを正しく理解した上で利用するにはこれまで高いハードルがあったと言わざるを得ず，HP1 のユーザーはわが国の土壌物理学の分野において決して多くないものと思われる．本書の原著は PHREEQC を運用するためのバイブルである
が，これが翻訳されたことは我々にとって非常に有益である．今後広く PHREEQC や HP1 が利用されることを通して，研究者や技術者がより深い理解に基づいて土壌や地下水中の化学物質の動態を解釈することができ，モ(2021)と平衡にある帯水層への酸性水の下向き移動を計算
する．

8. pe-pH ダイアグラムにより，任意の酸化還元電位とpH のときのヒ素，窒素，鉄などの様々な化学物質の存在形態を推定する．

9. 硝酸塩還元，硫酸塩還元，鉄還元，メタン生成の段階
的な酸化還元過程を計算する．

10. 有機化学物質であるフェノールの分解をモデル化する．
上記は一部に過ぎないが，このような生物地球化学的現象とそのモデル化について，詳細な理論と豊富な具体例から理解することが可能である．
本文中には適宜内容の理解を促す例題と問題およびその解答が配置されていることに加えて，各章には章末問題があり，その解答も示されている．また，付録として，

PHREEQC のプログラム 15 例が示されており，溶液，鉱物，気体，反応，混合，交換，表面錯形成，輸送，固溶体などの計算例として大いに参考になる．内容は比較的高度な知識を必要とし，難解な点があることは否めない
が，丁寧に着実に取り組みたい良書である．

デル化のさらなる発展 · 向上に大きく貢献することが期

引用文献

待できる．
本書で扱われるいくつかの具体的な場面を以下に紹介

Jacques, D. and Šimůnek, J. (2005):

する．

User manual ofthe multicomponent variably-saturated ﬂow and transport

1. 鉱物の溶解性の計算から地下水中の濃度を予測する．
たとえば，ホタル石 CaF2 の平衡状態が地下水組成を支配している状態や，これに石膏 CaSO4 が加えられたときの水中のイオン組成を求める．

2. 炭酸塩鉱物（CaCO3 ，MgCO3 など）の溶解平衡から，ある pH のときの H2 CO3 ，HCO3 − ，CO3 2− の活量を求める．また，CO2 分圧の上昇によるカルサイ
ト CaCO3 の溶解による水中の Ca2+ 濃度の変化を求める．

model HP1, description, veriﬁcation and examples, version 1.0, p. 79. SCK·CEN-BLG-998, Waste and Disposal,
SCK·CEN, Mol, Belgium.
Šimůnek, J., Šejna, M., Saito, H., Sakai, M. and van
Genuchten, M.Th. (2013): The Hydrus-1D software package for simulating the movement of water, heat, and multiple solutes in variably saturated media, version 4.17, p.
342, HYDRUS software series 3, Department of Environmental Sciences, University of California Riverside, River-3. 地下水の Na+ ，Mg2+ ，Ca2+ 濃度が既知であるとき，それらと平衡状態にある土壌（陽イオン交換容量

side, California, USA.
Šimůnek, J., Jacques, D., Šejna, M. and van Genuchten,

CEC が既知）におけるそれぞれのイオンの吸着濃度

M.Th. (2012) :を求める．

(2D/3D), A coupled code for simulating two-dimensional

4. 海水と平衡にある地下水が淡水に置き換わったときの Na+ ，Mg2+ ，Ca2+ 濃度の変化を求める．
5. 酸化水酸化鉄や有機物への Cd2+ の分配係数を求

variably-saturated water ﬂow,

head transport,so-lute transport and biogeochemistry in porous media,(HYDRUS+PHREEQC+2D), version 1.0, p. 76, PC
Progress, Prague, Czech Republic.

める．

6. フェリハイドライト Fe(OH)3

The HP2 program for HYDRUS

への Pb2+ の速度論的吸着を計算する．

7. ギブサイト Al(OH)3 と交換体（Na+ ，K+ ，Cl− など）

中村公人（京都大学農学研究科）

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 149, p.83 ∼ 85 (2021)

地球環境保全を志向した研究濵田耕佑 1

私事ですが学位を取得して 3 年が経過しました．幸運

2. 国際農研の概要

なことに研究を続けることができており，周囲の環境 ·国際農研はつくばと石垣の 2 つの拠点を有しており，

人々の助けもあってさらに研究の面白さを実感できるよ

研究職員は 100 名程度在籍しています．開発途上地域

うになってきました．本年度より国際農林水産業研究セにおける農林水産業に関する技術向上を図る試験研究をンター（以下，国際農研) で勤務しています．これまで行い，世界の食料 · 環境問題の解決に貢献することを組の研究に触れつつ，国際農研やこれからの研究について織の目的としており，わが国だけではなく，地球全体を紹介させていただきます．

意識した研究ができることに非常にやりがいを感じてい1. これまでの研究

ます．研究職員の専門は非常に幅広く，土壌化学，稲，もともと地球環境のことに興味があり農学部に入りまサトウキビだけでなくバッタ，海洋藻類などなかなかおしたが，土壌水分動態に関するシミュレーションなどに会いする機会のない分野の方もいます．ちなみにどこの惹かれ，今の専門に進みました．博士課程では，作物根研究機関も同じだとは思いますが，土壌物理を専門とすの生育による土壌の透水性 · 保水性の変化を対象としたる研究者はやはり少ないです．研究領域 · グループ間の研究を行いました．模型実験を基に，鉛直二次元場にお隔たりはほとんど無く，それぞれの分野で使われる実験

ける土壌物理性の空間的な差異を考慮したシミュレー
ションモデルを自作し，このような差異が解析精度に与· 測定手法などを共有しやすい環境です．光合成測定やDNA に関する試験，培養や土壌生物のサンプリングなえる影響を検証しました（Hamada et al., 2020）．

ど，土壌物理では馴染みのない手法を目の当たりにし，

博士課程修了後は農研機構 西日本農業研究センター
で水田転換畑を対象に，不透水層（耕盤）が作物の乾燥· 過湿ストレスにどのような影響を与えるかを評価しま

日々刺激を受けるとともに，新しい研究の誕生を予感しています．
石垣拠点にはウェイイングライシメータをはじめとしした．試験スケールが圃場レベルになったこともあり，た様々な設備があり（Photo 1），熱帯 · 亜熱帯地域を対象

センサーの設置計画や管理，データに入り込んでくるノとした技術開発を国内で行うことができるという強みがイズの処理などに苦心したことを覚えております．圃場
データを用いてシミュレーションモデル（SWAP モデル）で解析を行ったところ，干天がしばらく続いた場合，その後の雨で土壌表層が過湿状態になっても耕盤は乾燥状態にあるという，水田転換畑特有であろう現象を見出すことができました（Hamada et al., 2021）．土壌表面の目に見える現象と土壌中の現象が実は大きく異なるという点に土壌物理の面白さを改めて感じました．
このようにこれまでは主に土層構造を考慮に入れた土壌水分動態に注目してきました．しかし農学部に入った
時の地球環境への関心も忘れられず，溶質移動もやりた
いと強く思うようになっていました．そんなとき，現職
場で窒素動態に関連するプロジェクトに参画することなり，これに取り組めるようになりました．
1 国立研究開発法人 国際農林水産業研究センター 熱帯 · 島嶼研究拠点

2021 年 9 月 24 日受稿

2021 年 10 月 7 日受理

Photo 1 国際農研石垣拠点のライシメータ．中央円形 4 基がウェイイングライシメータ．これらの設備はオープンラボ
として公開されている．

84

土壌の物理性第 149 号あります．このウェイイングライシメータは，蒸発散量(2021)

ピン · ネグロス島としています．

の算出はもちろん，下端からの浸透水量の測定や浸透水

現在は炭化物を用いたパイプ試験により，施用深度ののサンプリングも行うことができます．シミュレーショ

評価を行っています．この試験では国頭マージとバガス

ンモデルを構築する上で，素晴らしい環境が揃っている

炭を使用した 4 処理を設けています（炭化物無施用，表と感じています．

面施用，作土層施用，下層施用．炭化物施用量は同量）．

国際農研には「環境」「食料」「情報」という 3 つの研センサーや土壌溶液採取により，表面から施肥した場合

究プログラム（いわゆる柱）があり，私は環境プログラの窒素動態や窒素溶脱の差異を評価しているところですム内の「熱帯島嶼環境保全プロジェクト」に参画してい（Photo 2）．この試験で窒素負荷軽減効果の最も高かった

ます．島嶼について簡単に説明しますと，陸地面積が小施用法を用いて，半炭化物の試験に進む予定です．個人

さく四方を海で囲まれているため，農業をはじめとした的には，サトウキビ深植えに関連した炭化物の下層施用

人間活動の影響を受けやすいという特徴があります．窒について，どのような結果が出るか楽しみにしています．

素肥料や食料の島外からの流入が島嶼内の窒素収支バラ

半炭化物の試験はパイプ試験，石垣拠点内ライシメータ

ンスを悪化させ，周辺環境や地域住民の健康に甚大な影試験，石垣島農家圃場試験，フィリピン農家圃場試験と響を及ぼしているため，早急な対応が求められています．

徐々にスケールアップし，さらにシミュレーションモデ

島嶼では山 · 里（農地）· 海が密接に関わり合っているたル（SWAP-ANIMO や HYDRUS など）を併用すること

め，農地だけを対象とするのではなく，山 · 海も含めたで石垣島，フィリピン · ネグロス島での技術適用を目指

環境負荷軽減に取り組む必要があります．当プロジェク

していきます．

トは土壌，作物，キノコ，マングローブ，海洋生態系，藻4. 展望類など国際農研の多様な研究者の連携により，分野横断
的に山，里，海への適用技術を開発していきます．この中で私は，農地土壌からの窒素負荷軽減を目指した研究に取り組んでいます．

3. 半炭化物施用による窒素負荷軽減の可能性

本年度より第 5 期中長期計画がスタートしています．
まずこの 5 年間で，農地への半炭化物施用技術の確立な
らびにプロジェクト内の他研究課題との連携による周辺海域も含む島全体の環境保全を目指していきます．例えば，本プロジェクトで SWAT モデルによる流域レベル

熱帯では土壌に施用された有機物が速やかに分解されの解析も行いますので，農地からの負荷減少が海域の負るため，土壌の肥沃度が向上しにくいと知られています．

荷にどのように影響するかも明らかにする計画です．ゆそのため作物生育には多量の施肥が必要となりますが，

くゆくは熱帯島嶼だけでなく，世界全体で適用できるよ作物が吸収する窒素量は投入量の半分にも満たず，余剰うな技術を開発し，子供達へ出来るだけ良い環境の地球

窒素は地下水や河川 · 海洋など環境中に放出されていまを残せるようにしたいというのが，私の研究のモチベー

す．窒素負荷軽減策の 1 つに炭化物施用がありますが，ションです．

土壌肥沃度の向上に直接的には関わりません．熱帯島嶼

今，私は異分野の研究者と協働しやすい環境にいます．

において持続的作物生産を行うには，窒素放出量の軽減

この環境を最大限生かして，学術融合的な面白い研究をだけでなく，土壌肥沃度の向上とそれによる施肥量の削行っていきたいと考えています．それと同時に，研究プ減が不可欠です．そこで，私の研究では低温短時間で作

ロジェクトや地球環境に貢献できるよう，自身の拠り所成する「半炭化物」に着目しました．半炭化物には分解である土壌物理の理解を更に深めていこうと思います．

されにくい有機物が残存しているため，熱帯環境下でも急激に分解されることなく，土壌肥沃度の向上に貢献すると考えられます．さらに，炭化物施用と同等の効果も期待され，窒素負荷軽減と施肥量削減の両立の可能性を秘めています．
半炭化物施用を実用化する上で，2 点明らかにすべきことがあります．まず，炭化物については，その焼成温度や施用量が窒素負荷にどのような影響を与えるか評価
されていますが（例えば Kameyama et al., 2012），どのような施用深度が効果的なのか評価した例はほとんどありません．半炭化物は施用効果自体ほとんど明らかになっていません．本研究では，効果的な施用深度と半炭化物の施用効果の評価を実施していきます．なお，半炭化物の施用効果は性状（原料や炭化程度）によって異なりますので，今回は熱帯島嶼で手に入りやすいサトウキビバ
ガスや木質バイオマス（台風による倒木など）を炭化物
原料としました．また，研究対象地は石垣島と，フィリPhoto 2 パイプ試験の様子．各パイプの内径は 20 cm，長さは 100 cm．

土粒子：地球環境保全を志向した研究

引用文献

85

Asakura, M. and Shimizu, Y. (2021). Effect of hardpan
on the vertical distribution of water stress in a converted

Hamada, K., Shinogi, Y., Taniguchi, T., Mochizuki, H. andTakemura, T. (2020): Simulation of soil water and heat

paddy ﬁeld. Soil and Tillage Research, 214: 105161.
doi:10.1016/j.still.2021.105161

transfer under subsurface irrigation considering spatial dif-

Kameyama, K, Miyamoto, T., Shiono, T. and Shinogi, Y.

ferences in soil hydraulic properties. Japan Agricultural(2012): Inﬂuence of sugarcane bagasse-derived biochar

Research Quarterly, 54(2): 153–162.

application on nitrate leaching in calcaric dark red soil.

doi:10.6090/JARQ.54.153

Journal of environmental quality, 41(4): 1131–1137.

Hamada, K., Inoue, H., Mochizuki, H., Miyamoto, T.,

doi:10.2134/jeq2010.0453

true TDR 土壌水分センサ
CACC-SEN-TDR315H ¥45,000(税抜)

ブレークスルーテクノロジーにより、従来大型のシステムでしか可能ではなかった真のTDR測定方式
を小型なセンサーの中に凝縮しました。事実、このコンパクトなセンサーから生の波形データを取得(*)できます。

計測項目

出力

サイズ・重量

体積含水率(0-100%)
土壌バルクEC(0-5dS/m)
地温(-20-50℃)
比誘電率

デジタル(SDI-12)

本体200Ｌ＊553Ｗ＊19Hｍｍ
150mmロッド
440g(10m cable)

宇宙線式 土壌水分測定システム
CHI-CRS-1000B
COSMOS(COsmic-ray Soil Moisture Observing System)は、専用検出器を用いて宇宙線中性子数を測定することにより、それと負の相関性を示す土壌水分を計測するシステムです。半径約300m内の表層土壌水分を非破壊的に計測することができます。また、従来の土壌水分センサ
による点測定ではなく，面スケールの計測となりますので，空間的なばらつきを伴うサイトの面代表値を得ることができます。

計測項目

出力

プローブサイズ・重量

中性子カウント(個/min)

デジタル(RS232)

122.5 cmL x 11.5cmφ
10.4kg(mod) 4.5kg(bare)*システム構築、多チャンネル計測にはCampbell社データロガーをおすすめします

シンプルロガーC-CR1000X ¥398,000(税抜)
自然計測のシステムインテグレータ

クリマテック株式会社
http://www.weather.co.jp

本社：東京都豊島区池袋4-2-11 ＣＴビル6F
TEL 03-3988-6616 FAX 03-3988-6613

札幌営業所：札幌市東区北２２条東８丁目４－５

TEL 011-711-9921 FAX 011-711-9922

会 務 報 告IV. 2021 年度 第 6 回編集委員会
日：2021 年 9 月 30 日

月

I. 2021 年度 第 5 回編集委員会
日：2021 年 7 月 27 日

月

開催形式：オンライン会議

開催形式：オンライン会議

出席委員：宮本（編集委員長），亀山（編集幹事），朝出席委員：宮本（編集委員長），亀山（編集幹事），朝田，岩田，小林，坂口，千葉，中野，濱本

田，岩田，小林，坂口，千葉，濱本
審議事項：

審議事項：

1. 150 号記念号のミニレビューについて，新たな特集

1. 閲読担当したときに困ったこと
2. その他の案について2. その他

報告事項：

1. 最近の集稿状況と今後の予定について
II. 2021 年度 第 3 回事務局会議日：2021 年 7 月 28 日

月

開催形式：オンライン会議
出席委員：取出（会長），諸泉（副会長），宮本（編集議委員長），渡辺（事務局長），小島（庶務幹V. 2021 年度 第 3 回評議員会
月日：2021 年 10 月 18 日事）
，坂井（会計幹事），亀山（編集幹事），

開催形式：オンライン会議

岩間（会計監査），水谷（会計監査）

出

席：取出伸夫，石黒宗秀，飯山一平，岩田幸

題：良，斎藤広隆，百瀬年彦，渡辺晋生，小1. 今年度予算案について
2. 3 年以上の会費未納者について
3. シニア会員への移行について
4. 学会 HP の改修について
5. 関連学協会賞への推薦ついて
6. 150 号記念号ミニレビューの協力依頼
7. 2021 年度学会大会について
8. 企画について
9. その他

III. 2021 年度 第 4 回事務局会議
月日：2021 年 9 月 29 日
開催形式：オンライン会議
出席委員：取出（会長），諸泉（副会長），宮本（編集委員長），渡辺（事務局長），小島（庶務幹杉賢一朗，徳本家康，宮本英揮，溝口 勝，
常田岳志，西村 拓，森也寸志（委員 17 名
中 14 名参加：成立）
審議事項：

1. 2021 年度事業計画（案）2. 2020 年度会計決算（案）· 監査報告
3. 2021 年度会計予算（案）
4. 会費未納者およびシニア会員について
5. 学会賞について
6. 2021 年度総会について
7.「土壌の物理性」の編集作業と編集方針
8. 会則改定案（賛助会員の広告料）
9. 企画について
10. 共催について
11. その他事），廣住（庶務幹事）坂井（会計幹事），
亀山（編集幹事），岩間（会計監査），水谷（会計監査）
議題：

1. 第 3 回評議員会について
2. 学会賞について
3. 学会誌の編集 · 投稿状況について
4. 会員動向について
5. 会員管理システムについて
6. 2021 年度学会大会について
7. 協賛申請
8. 企画について
9. その他

VI. 2021 年度 総会
月日：2021 年 10 月 30 日
開催形式：オンライン会議
次第：1. 学会長あいさつ
2. 議長選任
3. 審議事項（1）2021 年度事業計画（案）（2）2020 年度会計決算（案）· 監査報告
（3）2021 年度会計予算（案）（4）会則改定（設立日の追記，賛助会員の広告料）（案）

土壌の物理性88

第 149 号

4. 報告事項（1）2021 年度学会賞（論文賞）(2021)

協賛事業（1）農業農村工学会 土壌物理研究部会 第 60 回研究

著者：坂井 勝，高橋由奈，丸山篤志

集会

業績：群落熱収支モデルと HYDRUS-1D の連結プ

主催：農業農村工学会土壌物理研究部会

ログラムを用いた畑地の土壌水分量 · 地温予測モデルの構築 — ダイズ栽培圃場における蒸発 ·蒸散の配分割合の検討, 第 146 号, p.3 ∼ 16.

5. 議長解任
6. 論文賞授与式
すべての審議事項について承認された．

開催日：2021 年 10 月 29 日
（2）復興農学会公開シンポジウム — 農業の持続的復興のために —
主催：復興農学会
開催日：2021 年 6 月 26 日
（3）第 72 回コロイドおよび界面化学討論会
主催：日本化学会コロイドおよび界面化学部会※ 2021 年度事業計画
期間：2021 年 4 月 1 日 ∼ 2022 年 3 月 31 日

1. 学会誌「土壌の物理性」の発行
148 号，149 号，150 号
2. 2021 年度土壌物理学会大会 · 総会の開催
日時：2021 年 10 月 30 日

開催日：2021 年 9 月 15 日 ∼ 17 日
（4）界面動電現象研究会「界面の親疎水性と流体力
学的滑り」
主催：高分子学会

水 · 高分子分離に関する研究会
開催日：2022 年 3 月 4 日

場所：オンライン
シンポジウム 「地表面−大気間の物質 · エネルギー
動態のモデル化 — 土壌物理学に求められるもの —」（zoom）
ポスターセッションおよび企業展示（LINC Biz による掲示 · 質疑応答と zoom によるコアタイム）
3. 評議員会の開催
第 1 回（2021 年 4 月 28 日 ∼ 5 月 10 日，オンライン会議およびメール審議）
第 2 回（6 月 23 ∼ 30 日，メール審議）
第 3 回（10 月 18 日，オンライン会議）
以降は，審議事項にあわせて適宜開催

4. 学会賞（論文賞，ポスター賞）の表彰
5. 企画
出版補助

VII. 2021 年度 第 7 回編集委員会
月日：2021 年 11 月 18 日
開催形式：オンライン会議
出席委員：宮本（編集委員長），亀山（編集幹事），朝田，岩田，小林，坂口，千葉，中野，濱本
審議事項：

1. シンポジウム特集の担当（案）
2. その他
報告事項：

1. 149 号発行予定について
2. 150 号記念号ミニレビューの集稿状況

電子版用語集6. その他
共催事業（1）日本地球惑星科学連合 2021 年大会 セッション
共催
開催日：2021 年 5 月 30 ∼ 6 月 6 日

VIII. 2021 年度 第 8 回編集委員会
月日：2021 年 11 月 18 日 ∼ 24 日

流域生態系における物質輸送と循環：源流から

開催形式：メール会議

沿岸まで

出席委員：宮本（編集委員長），亀山（編集幹事），朝主催：日本地球惑星科学連合

地質媒体における流体移動，物質移行及び環境

田，岩田，小林，坂口，千葉，常田，中野，

評価

濱本
審議事項：149 号の発行計画について

89
IX. 2020 年度会計収入 · 支出決算報告
自 2020. 4. 1
至 2021. 3. 31

収入の部
項

目

予算額

決算額

7,869,169

7,869,169

0

正会員会費

959,200

1,256,500

297,300

5,500 円 × 228 口

シニア会員会費

57,60087,00029,4003,000 円 × 29 口

学生会員会費93,000150,000

57,0003,000 円 × 50 口

賛助会費

144,000

202,500

58,5008 社（9 口）出版物売上300,000

295,875▲ 4,125

大会参加費

150,000

161,500

11,500

参加登録費 3,000 円 × 43 人 ＝ 129,000 円，
企業展示 10,000 円 × 1 社 + 22,500 円 × 1 社= 32,500 円

雑収入

97,031

230,277

133,246

学術著作権，科学技術振興機構

9,670,000

10,252,821

582,821

繰越金

合

計

増

減

備

考

39 口

▲：収入減
支出の部
項

目

予算額

決算額

増

1,500,000

1,252,925

247,0759

会誌 144，145，146 号発行費
（論文 HP 管理費含む）

総会，シンポジウム費

600,000

302,840

297,160

オンライン大会業者委託（MONS），オンライン
大会サポート（創文印刷）

通信費

200,000

151,960

48,040

学会誌発送料，請求書類等送付料

文具費

50,0009,746

40,254

封筒，インク，ファイル等

賃金30,000030,000

交通費

300,0000

300,000

会議費

50,000050,000

学会賞選考委員会費

50,00021,14028,860

記念品代

選管委員会費100,000

27,15072,850

名簿印刷

企画準備費

3,000,000

03,000,000

学会管理費

200,000

136,560

63,440予備費

3,590,000

03,590,000

合9,670,000

1,902,321

7,767,679−

8,350,500−

9,670,000

10,252,821▲ 582,821

会誌製作費

計

次年度繰越金
合

計

減

▲：支出増

備

考

地球惑星連合会費，HP 管理費，手数料

土壌の物理性

90
X. 2020 年度会計監査報告

入会 正 会 員

櫻本

啓二郎

学生会員

三原

州人

学生会員

中島

学生会員

章

学生会員

易

学生会員
学生会員

内山

健太郎

東京大学

土壌物理学会

学生会員

清水

皓平

鳥取大学

会計監査

学生会員

井村

友美

長崎大学

学生会員

倉本

菜摘

長崎大学

学生会員

平野

清か

岩手大学

学生会員

井原

崚貴

岡山大学

学生会員

朱

学生会員

鳥居

青波

岐阜大学

学生会員

小堀

壮真

岡山大学

学生会員

Muhamad Ezral Bin Ghazali

2021 年 4 月 1 日
土壌物理学会
足立泰久(2021)XII. 会員消息（2021 年 10 月 31 日まで，敬称略）

会計監査報告書

会長

第 149 号

殿

株式会社堀場製作所
北海道大学

翼 東京農工大学
浩棟 東京大学
ソウメイ

東京大学

Riko Ahmad Maulana 東京大学

顔 北海道大学

筑波大学
会計監査報告2020 年度，土壌物理学会会計の収支決算書ならびに関学生会員

Duan Lifan

筑波大学

学生会員

及川

東京農工大学購読会員

茨城大学図書館

航貴係帳簿類について，2021 年 4 月 1 日に厳正に監査を行った結果，それらの執行は適正であり，提出のとおり相違ないことを確認した．

XI. 2021 年度会計予算
91 ページの通り

退会 正 会 員

藤川

真治

正 会 員

Hiroyoshi Kojima

正 会 員

石森

正 会 員

裕康

横濱

充宏

シニア会員 筑紫

二郎

学生会員

畑野

憲人

学生会員

近藤

紘嗣

現在会員数（2021 年 10 月 31 日現在）
正会員

：

204

シニア会員 ：

257

学生会員

53

：

賛助会員 ：
7—————————————
小 計 ：
289
購読会員 ：
35—————————————
合 計 ：
324

91
XI. 2021 年度会計予算
自 2021. 4. 1
至 2022. 3.31

収入の部
項

目

当年度予算

前年度予算

増

8,350,500
910,800

7,869,169
959,200

481,331▲ 48,400

シニア会員会費

64,80057,6007,200

27 人 × 3,000 円 × 0.8 = 64,800

学生会員会費58,50093,000▲ 34,500

39 人 × 3,000 円 × 0.5 = 58,500

賛助会費

126,000

144,000▲ 18,000

7 社 × 22,500 円 × 0.8 = 126,000

出版物売上

315,000

300,000

15,000

大会参加費

0

150,000▲ 150,000

雑収入

97,27997,031248

合計

9,922,879

9,670,000

252,879

繰越金
正会員会費

減

備

考

207 人 × 5,500 円 × 0.8 = 910,800

42 口 × 7,500 円 = 315,000
2021 年度大会参加費無料
著作権料，その他

▲：収入減
支出の部
項

目

当年度予算

前年度予算

2,000,000

1,500,000

500,000

総会，シンポジウム費

300,000

600,000▲ 300,000

通信費

200,000

200,000

0

会誌，請求書送付料等

文具費

50,00050,0000インク，ファイル，ペン等

賃金

230,000

30,000200,000

交通費

100,000

300,000▲ 200,000

会議費

50,00050,0000

評議員会会場費学会賞選考委員会費

50,00050,0000

賞状 · 記念品代等

0

100,000▲ 100,000

企画準備費

3,000,000

3,000,000

0

学会管理費

600,000

200,000

400,000

予備費

3,342,879

3,590,000▲ 247,121

合9,922,879

9,670,000

252,879

会誌製作費

選管委員会費

計

増

減

備

考

会誌 147，148，149，150 号発行費
（1 号約 50 万円）▲：当年度減シンポジウム開催費

業務アルバイト（質疑音声起こし，J-Stage
登載）

名簿作成，送料，印刷費等
企画準備委員会用積立（出版助成等），
50 万円 ×6 口
ホームページ管理費用，地球惑星連合会費等

92—編 集 後 記—

今月は皆様のご協力により 4 本の論文が掲載されましず申し訳御座いません．当方が勤務する国立大学は 1∼2た．それらの内容も多岐に渡り，土壌物理学の幅広さを

年生の履修登録確認（学生は教員が登録漏れを見つけ実感致します．しかし，筆頭著者に学生が見受けられなてくれるから考えずに履修登録するという悪循環）や保いのが残念です．受稿から受理に至った期間を平均して護者会なども設けられ，研究や学会活動に使える時間がみると 3 か月 23 日間でして，卒業研究の結果を 10 月に益々減っております．今年度から初めて土壌の物理性の投稿できれば卒業前の 2 月に受理に至り，3 月の奨学金編集に携わりましたが，先人達が多忙な中で発行し続け返済免除審査などに間に合う可能性があります．是非，てくれた事に頭が下がります．

学生の皆様にも投稿頂ければ幸いです．

廊下壁面に最新号から 3 冊分の土壌の物理性をパンフ

今回も引き続き Arduino 特集を掲載させて頂きましたが，お忙しい中でご投稿頂きました皆様に御礼を申し上

レットケースに入れて掛けており，通りすがりの学生が読んでくれています！

げます．次号の 150 号にも Arduino 特集が掲載される

坂口敦（編集委員）

予定ですが，その中の１報が私でして，他人に掲載を依頼しておきながら自身の原稿を修正する時間が確保でき

土壌物理学会
事務局構成

会
長
副 会 長
事務局長
庶務幹事
庶務幹事
編集幹事
会計幹事
会計監査

編集委員会

委 員 長
委
員

取出
諸泉
渡辺
小島
廣住
亀山
坂井
岩間
水谷
宮本
朝田
岩田
小林
坂口
千葉
常田
中野
濱本

伸夫
利嗣
晋生
悠揮
豊一
幸司
勝
憲治
嘉之
輝仁
景
幸良
政広
敦
克己
岳志
恵子
昌一郎

三重大学 大学院生物資源学研究科
岡山大学 大学院環境生命科学研究科
三重大学 大学院生物資源学研究科
岐阜大学 工学部
四日市大学 環境情報学部
農研機構 農村工学研究部門
三重大学 大学院生物資源学研究科
滋賀県立大学 環境科学部
三重県 農業研究所
農研機構 農村工学研究部門
農研機構 農業環境研究部門
農研機構 農村工学研究部門
森林研究・整備機構 森林総合研究所
山口大学 大学院創成科学研究科
宮城大学 事業構想学群
農研機構 農業環境研究部門
農研機構 九州沖縄農業研究センター
東京大学 大学院農学生命科学研究科

土壌物理学会会則（1）退会したとき（2）3 年以上会費を滞納したとき
第 1 条 本 学 会 は 土 壌 物 理 学 会（Japanese Society of Soil （3）死亡したとき
Physics）と称する．
附則
第 2 条 本学会は土壌物理に関する研究の進歩と普及を図り， （1）本学会の連絡先は，これを当分の間次に置く．
農業技術および環境科学の発展に貢献することを目的〒514-8507 三重県津市栗真町屋町 1577とし，1958 年 3 月 1 日設立する．
三重大学大学院生物資源学研究科
第 3 条 本学会はその目的を達成するために次の事業を行う.
土壌圏循環学研究室 内（1）研究発表会，討論会および見学会などの開催（2021.10.30 改正）（2）学会誌「土壌の物理性（Journal of the Japanese Society 細則
of Soil Physics）」並びにその他の印刷物の発行（1）シニア会員
1）シニア会員は，これまで正会員であって 60 歳以上の（3）内外の研究，技術の交流および他の学会，諸団体との常勤職に就いていない者
協力
2）シニア会員への変更は，資格を有する会員からの申告（4）優れた論文に対する表彰を受け，事務局が承認する．原則として申告された年（5）その他，本学会の目的を達成するために必要な事業度から適応するが，当該年度中に有資格となった場合
第 4 条 本学会の会員は，正会員，シニア会員（これまで正会
は，次年度から適応する．
員であって 60 歳以上の常勤職に就いていない者），学
3）シニア会員の権利は正会員に準ずる．ただし，会則第生会員および賛助会員，購読会員の 5 種とする．学会
6 条で定める役員および第 9 条で定める委員会委員にへの入会または退会の際は，本学会に届け出なければ就くことはできない．
ならない．
（2011.10.28 制定 2017.10.14 改正）
第 5 条 会員は次の会費を所定の期日までに納めるものとする．
正会員
年額
5,500 円「土壌の物理性」投稿規定
シニア会員
年額
3,000 円
1. 筆頭著者は本学会会員であること．
学生会員
年額
3,000 円
2. 投稿原稿の区分と規定ページは下記による．
（大学院生を含む）
1）「論文」（Original papers）：独創性があり，土壌
賛助会員
一口年額
22,500 円の物理性に関する研究および技術の進歩に寄与す
購読会員
会誌年額
7,500 円ると見なされるもの．一編ごとに論文としての構
広告料成を整えていて，他誌に未発表のものに限る．規賛助会員
定ページを刷り上がり 8 ページ以内とする．
土壌の物理性各号
1 ページ無料
2）「研究ノート」（Notes）：土壌の物理性に関する新2 ページ目以降は10,000 円 / ページ
しい事実や研究方法の改良などの短い報告で，独賛助会員以外22,500 円 / ページ
創性があり他誌に未発表のもの．規定ページを刷り上がり 6 ページ以内とする．
第 6 条 本学会に次の役員をおく．任期は 2 年とする．ただし，
3）「総説」（Reviews）：土壌の物理性に関する主題
3 期連続の重任は認めない．選出方法は次による．
について，それまでの研究を総括し，今後の発展（1）会長 1 名，副会長 1 名，編集委員長 1 名
方向を展望するもの．規定ページを刷り上がり
正会員の中から評議員会によって選出される．
10 ページ以内とする．
（2）評議員4）「解説」（Lectures）：土壌の物理性に関する諸事
イ 15 名 正会員の中から選挙によって選出される．
項の理解を計るための平易な解説，ならびに研究
ロ 3 名以内を会長が正会員の中から委嘱する．
技術の普及交換を進めるための紹介など．規定（3）会計監査 2 名
ページを刷り上がり 8 ページ以内とする．
正会員の中から評議員会によって選出される．
5）「研究紹介」（My research）：現在行っている研（4）事務局長および幹事若干名
事務局長および若干名の庶務，会計，編集の幹事を会
究，他の学会誌等に掲載された論文，研究上の工長が委嘱する．
夫などについての平易な紹介．規定ページを刷り
第 7 条 会長は毎年 1 回以上総会並びに評議員会を招集する．
上がり 6 ページ以内とする．
（1）総会は本学会の最高議決機関であって，事業計画，予6）「資料」（Miscellaneous）：広く会員の参考となる
算 · 決算，会則の変更等を決定する．総会は正会員，
報告や情報．規定ページを刷り上がり 6 ページ
シニア会員および学生会員で構成される．
以内とする．
（2）評議員会は，会員の選挙によらない役員の選出，総会
7）「土粒子」（Readers’ column）：「土壌の物理性」
議案，その他の重要事項を検討する．評議員会の議長周辺のことについての随想や意見など．規定ペーは会長がこれにあたる．
ジを刷り上がり 2 ページ以内とする．
（3）総会および評議員会の議決は委任状を含む多数決とす
8）「講座」（Lecture series）：「解説」と本質的な違る．ただし，会則の変更は，総会出席者の 3 分の 2
いはないが，特に編集委員会が企画して複数回に以上の賛成を要する．
わたって行うものを指す．規定ページを刷り上が第 8 条 本学会の会務は，評議員会および総会の議を経て，会り 8 ページ以内とする．
長，副会長，編集委員長および幹事がこれを執行す
9）「特集」（Topics）
：
「解説」
，
「総説」
，
「論文」
，
「研
る．会務執行に必要な規程は別に定める．
究ノート」が混在したもので，特に編集委員会が第 9 条 本学会に次の委員会をおく．
企画して複数回にわたって行うものを指す．規定（1）選挙管理委員会
ページは上記 1) ∼ 4) に同じ．
正会員の中から評議員会によって選出され，本学会の10）「書評」（Book reviews）：規定ページを刷り上が評議員選挙を管理する．
り 2 ページ以内とする．
（2）編集委員会
11）「巻頭言」（Foreword）：規定ページを刷り上がり
正会員の中から評議員会によって選出される委員によっ
2 ページ以内とする．
て構成され，学会誌その他の印刷物の編集に当たる．
なお，上記区分において，編集委員会が会員また（3）学会賞選考委員会
は会員以外に投稿依頼することがある．
正会員の中から評議員会によって選出される委員に
3. 原稿の採否は編集委員会が決定する．編集委員会は，よって構成され，学会賞を選考する．
「論文」および「研究ノート」については 2 名，その第 10 条 本学会の経費は会費その他の収入を持ってあてる．本
他の投稿原稿には 1 名の閲読者を選んで閲読を依頼す
学会の会計年度は毎年 4 月 1 日に始まり翌年 3 月 31
る．ただし，
「土粒子」
，
「書評」
，
「巻頭言」について日に終わる．
は，この限りでない．
第 11 条 会員が次のいずれかに該当する場合，その資格を喪失
4. 投稿原稿が 2．に記す規定ページを越える場合には，する．
1 ページあたり 10,000 円を著者負担とする．ただし，

編集委員会が会員または会員以外に投稿依頼した原稿の場合はこの限りでない．また，カラー印刷の場合は実費を著者負担とする．
5. 投稿する場合は、投稿原稿（本文，図表含む）および原稿送り状（別紙書式）の PDF ファイルを編集委員長宛に提出する．ただし、編集委員会が別途指示した場合はこの限りではない．
6. 投稿原稿を受け付けた場合，編集委員会は速やかに受付番号と受付日付を明示した電子メールまたは書状を投稿者に送る．また，投稿原稿の掲載を決定した場
合，最終原稿を受領したのちに受理日付を明示した書状を著者に送付する．
7. 著者に対して修正を求めた原稿が，特別な事情なく
6 ヶ月以内に再提出されないときは取り下げと見なす．
8. 著者校正は初校のみとする．また，特に申し出がない限り印刷ずみの原稿は返さない．
9. 掲載された論文等の PDF ファイルを著者に贈呈する．
また，著者は別刷りを印刷業者から購入することができる．
10. 掲載された論文等は土壌物理学会ホームページ上にも掲載する．論文，研究ノート，総説，解説，資料，講座については，掲載誌発行後一年間は土壌物理学会員
のみが閲覧できる．ただし，著者はオープンアクセ
ス（50,000 円：ページ制限なし）を選択することで，ホームページ掲載直後から誰もが閲覧可能な状態とすることができる．
11. 本誌に掲載された論文等の著作権は土壌物理学会に帰属する．
（2017.10.14 改正）

ましい．

11. 閲読終了後に最終原稿を提出するときには，編集委員会が指示する形式の電子ファイルを送付する．
本文
12. 原稿には，閲読作業の効率化を図るため，本文に行番
号を 5 行毎に書き入れる．
13. 章の見出しは 1.，2.，3.，節の見出しは 1.1，1.2，1.3，
項の見出しは 1.1.1，1.1.2，1.1.3 のようにし，字体はゴシック体とする．
14. 略語，略号を使うときには，はじめにそれが出たときに正式名称とともに示す（例：陽イオン交換容量（CEC））．
15. 単位の使い方は，国際単位系（SI）による．
図表
16. 日本語および英語の原稿ともに，図または写真の番号
は Fig. 1，表は Table 2 のように書く．
17. 日本語の論文，研究ノートの場合，図，表，写真の題
名には英語を併記する．
18. 図，表，写真は必要最小限度とし，同一事項を表と図に重複して表示する事は避ける．
19. 図，表，写真は 1 ページに 1 つずつ貼り付け，余白に図表等の番号を記す．
20. 図と写真はそのまま製版されるので，鮮明なものを提出する．
21. 図は 1/2 倍などとおよその縮小率を指定し，2 倍くらいに大きく書く．図の線の太さや文字の大きさは，刷り上がりの大きさを考慮して決める．
22. 地図や顕微鏡写真には定尺をつけ，縮尺や倍率はつけない．
23. 図，表，写真の番号と題名は，別紙にまとめて一覧表「土壌の物理性」原稿執筆要領
とする．
全般的事項
引用文献
1. 原稿は，日本語または英語で執筆する．
24.
本文中で文献を引用する場合は，著者名（西暦），ま2. 日本語の原稿は，A4 判，25 字，26 行とし，上下左右たは（著者名，西暦）とする（例：Tanaka（1994），に 30 mm 以上の余白をとる（4 枚で 1 ページになる）．
（Nakamura and Suzuki, 1981））．著者が 3 名以上の3. 日本語の投稿原稿（ただし，書評は除く）は，はじめ場合は第 1 著者名のあとに—ら，または et al. をつけに日本語で表題，著者名を書き，そのあとに英語で表る（例：山田ら（1978），（Tayler et al., 1945））．
題と著者名（フルネーム）を書いてから本文を書き始める．英語の表題は，冒頭の単語の頭文字のみを大文 25. 引用文献は，本文のあとに著者名の ABC 順に書く．
未発表，私信は引用文献として記載しない．
字とし，それ以降は固有名詞等，特に大文字が必要な場合を除き，全て小文字とする．英語の著者名は名の 26. 引用文献の書き方は以下のようにする．
< 雑誌 >
1 文字目および姓の全てを大文字で記す．また，第 1
森本 聡, 永田 修, 川本 健, 長谷川周一 (2009):
ページ下の脚注に，著者の所属機関と所在地を英語
で，Corresponding Author とする著者の氏名と所属
泥炭林土壌の温室効果ガスの生成と消失．土壌の物理性，113: 3-12.
を日本語で記す．
Fujimaki, H., Ando, Y., Cui, Y. and Inoue, M.
4. 日本語の論文および研究ノートは，英語による表(2008): Parameter estimation of root water uptake
題 · 著者名と本文との間に英語で 300 words 程度のmodel under salinity stress. Vadose Zone Journal,
Abstract と 5 個以内の Key words を入れる．
7: 31-38.
5. 日本語の投稿原稿（ただし，資料と土粒子，書評を除Millington, R.J. and Quirk, J.P. (1959): Permeabilく）は，引用文献の後に日本語で 350 字程度の要旨，
ity of porous media. Nature, 183: 387-388, doi:
および 5 個以内のキーワードを書く．
10.1038/183387a0.
6. 英語の原稿は，A4 判，ダブルスペースで作成する
Bitteli, M., Flury, M. and Campbell, G.S. (2003): A（約 600 words で 1 ページになる）．
thermo dielectric analyzer to measure the freez7. 英語の投稿原稿（ただし，書評は除く）は，Manuscript
ing and moisture characteristic of porous metitle，Full name of authors を書いてから本文を書き始
dia. Water Resour. Res., 39(2): W1041, doi:
める．著者名は First name の 1 文字目および Family
10.1029/2001WR000930.
name の全てを大文字で記す．また，第 1 ページ下
< 単行本 >の脚注に，Address of institutions of authors およびTinker, P.B. and Nye, P.H. (2000): Solute moveCorresponding author を記す．
ment in the rhizosphere, p.308. Oxford University
Press, New York.
8. 英語の論文および研究ノートは，Full name of authors
土壌環境分析法編集委員会編 (1997): 土壌環境分析と本文の間に 300 words 以内の英文 Abstract と 5 個以内の英語の Key words を入れる．
法, pp.129-138. 博友社, 東京.
9. 英語の投稿原稿（ただし，資料と土粒子，書評は除松森堅治 (2005): 地理情報システムを用いた窒素負く）は，引用文献の後に，日本語で表題と著者名，所荷予測モデル. 波夛野隆介 · 犬伏和之編 続 · 環
属機関，所在地，350 字程度の要旨，5 個以内のキー
境負荷を予測する, pp. 60-79. 博友社, 東京.
Jury, W.A. (1996): Stochastic solute transport modワードをつける．なお，著者が外国人のみのために日eling trends and their potential compatibility with
本語部分の作成が困難な場合，英語部分からの和訳にGIS. In Corwin, D.L. and Loague, K. (ed.) Appliより，編集委員会の責任でこれらを作成する．
cation of GIS to the modeling of non-point source
10. 英語の適正化はすべて著者の責任において行うこと．
pollutants in the vadose zone, pp.57-67. SSSA
自然科学論文の執筆や校正に経験のある英語のネイ
Special Publication No. 48, Madison.
ティブスピーカーによってチェックされている事が望<Web ページ >FAO-AGL (2000): Global extent and location of
sodic soils. Available at http://www.fao.org/ag/
AGL/agll/prosoil/sodic.html.（確認年月日）
野菜茶業研究所 (2006): 野菜の硝酸イオン低減化
マ ニ ュ ア ル. http://vegetea.naro.affrc.go.jp/joho/manual/shousan/index.html.（確認年月日）（雑誌のページには p. や pp. をつけない．本の単数ページを示す場合には p.，複数ページを示す場合にはpp. をつける）
その他

27. 本要項のほか，科学技術情報流通技術基準（SIST）に準拠する．

（2012.12.20 改正）[土壌物理分野の SI 使用例]
国際単位系（SI）については多くの出版物で解説されているので，ここには，土壌物理に特に関連の深い単位の使用例を示す．
推奨される単位認められる単位

含水比
kg kg
*
体積含水率
m3 m−3
体積m3
L, cm3 , mL
密度kg m−3 , Mg m−3
濃度
kg m−3 , Mg m−3
g L−1 , mg L−1
モル濃度
mol m−3
mol L−1
力N
水分ポテンシャル J kg−1
kPa, m, cm, **
透水係数
m s−1
cm s−1
イオン交換容量 molc kg−1, cmolc kg−1
回転数
s−1
min−1
収量
kg m−2kg ha−1, Mg ha−1, t ha−1−1

* % 表示は，原則として分母と分子の内容が同じものの場
合にだけ用いる．

** cm H2 O は使わない．

その他，疑問のあるものについては意見を聞いて編集委
員会で検討する．

（2000. 3.10 改正）「土壌の物理性」投稿案内

1. 投稿原稿に対する基本方針

編集委員会は常に会員からの自主投稿を歓迎すると共に，投稿された原稿をなるべく早く，できるだけ掲
載する方向で処理したいと考えています．ただし，「土壌の物理性」に掲載する原稿は読者にとって有益かつ完成したものであることが必要です．編集委員会
は，投稿原稿が「土壌の物理性」に掲載するのにふさ
わしい内容を持つ原稿であるかどうかを基準として，掲載の可否を判断します．なお，他誌との二重投稿は認められません．
2. 投稿原稿に求められるもの
投稿に当たっては，「投稿案内」と共に「投稿規定」「原稿執筆要領」をよく読んでそれに従うと共に，閲読者が多忙な中で時間を割くことをよく理解して最大限に努力して完成した原稿としてから投稿して下さい．投稿原稿に求められるものは下の通りです．
（1） 内容について
1）オリジナリティーがあること（論文，研究ノートの場合）．
2）本誌の読者にとって有益であること．
3）導入，研究手法から結論に至る過程に論理性があること．
（2） 表現について
1）原稿全体の構成が整っていること．
2）表題が適切であること．
3）文章表現が適切であること．
4）英文アブストラクトや和文要旨が適切であること．
5）SI 単位や記号の使い方が適切であること．
6）キーワードが適切であること．
7）英語の表現が適切であること．
3. 投稿原稿の受付
編集委員会は投稿原稿が体裁上最小限必要とする条件を満たしていることを確認した後，原稿を受け付けます．条件を満たしていない場合には，著者への問い
合わせ，もしくは原稿を受け付けずそのまま返稿する場合があります．
4. 閲読の目的と姿勢
編集委員会は受け付けた投稿原稿が「土壌の物理性」
へ掲載するのにふさわしいかどうかを判定する資料を得るために閲読を行います．編集委員会は適任の閲読者を選定し，閲読を依頼します． 編集委員会は閲読者に対して特に次の点について注意をお願いしています．
1）原稿の内容に対する責任は著者にあること．また，原稿の価値は読者が判断するものであること．
2）閲読は内容の批判や討議を行うものではないこと．従って，見解の相違は掲載不適の理由にならないこと．
3）閲読者は投稿者に対して研究指導する立場にないこと．従って，新たな実験や計算の追加要求などは極力避けること．
4）閲読依頼期限を厳守すること．
閲読者から出された問題点について，編集委員
会は原稿が投稿原稿に求められるものを満たすために必要に応じて著者に修正を求めます．ただし，これは著者に対する指導や助言ではありません．原稿の内容に対する責任はあくまで著者にあります．
5. 閲読の手順と投稿原稿の採否（1） 編集委員会は論文，研究ノートについては 2 人，
その他の区分の投稿原稿については 1 人の適任者へ閲読を依頼します．
（2） 閲読者は「2」の投稿原稿に求められる各項目について投稿原稿を評価し，閲読結果を全体意見および個別指摘事項と共に編集委員会へ報告します．
（3） 編集委員会は閲読結果を審議し，投稿原稿の採否を決定します．この際，論文・研究ノートについては原則として下のように取り扱います．
1）閲読者 2 名とも総合判定が A（このまま掲載可）の場合には，閲読結果を受け取った日付で原稿を受理（掲載決定）します．
2）1 名の総合判定は A ，もう 1 名は B（指摘の点が修正されれば掲載可）の場合，または 2 名ともB の場合には，指摘事項について著者に比較的小さな修正を求めます．修正原稿が提出され，編集委員会が修正内容を確認した時点で受理します．
3）1 名の総合判定は B ，もう 1 名は C（指摘の点が修正された後，再閲読する必要あり）の場合，または 2 名とも C の場合には，指摘事項について著者にやや大きな修正を求めます．提出された修正原稿は再び閲読を行います．
4）1 名の総合判定が D（掲載不適）の場合には，第3 の閲読者に判定を依頼することを含め，編集委員会が対応を判断します．
5）2 名の総合判定とも D の場合には，その理由を付けて著者へ返稿します．
6）閲読は 2 回までとし，再閲読においても C または D の判定がある場合には，編集委員会が対応を判断します．
（4）閲読結果の総合判定を D とする理由は次のようなものです．
1）既発表とみなされるもの．
2）重要な部分に根本的な誤りがあるもの．
3）事実に基づいた内容ではなく，単なる主観が述べられているに過ぎないもの（論文，研究ノートの場合）．
4）通説が述べられているだけで，新しい知見が全くないもの（論文，研究ノートの場合）．
5）修正を要する根本的な指摘事項を多く含んでいる
もの．
6）連載形式で構成されており，1 編ごとに独立したものと認めがたいもの．
7）全体構成や文章が粗雑で，内容の判定ができない
もの．
8）内容が本誌の趣旨に合わないもの．
9）その他，本誌に掲載する原稿としてふさわしくな
いもの．

修正を求め再閲読を行うよりも「掲載不適」として練り直してから新たに投稿するよう促した方がよい場合があります．その場合には，「掲載不適」の理由（「3」
者がいるにもかかわらず，その共著者が原稿を読ん参照）を明示して下さい．個別指摘事項への意見は不でないと判断されるような基本的なミスがある場
要です．
合には，閲読を中止して返稿することがあります．
2）修正原稿を返送する場合には，修正結果がすぐに 10. 閲読者から編集委員会へ意見等がある場合は，必ず「編集委員会への意見」として別紙への記入をお願い
分かるような回答書（指摘事項に対応した修正箇します．
所・内容一覧）を作成し，添付して下さい．
3）原稿は一度印刷公表されると末永く評価と批判の（2003. 5.28 改正）対象になります．閲読意見に対しては極力冷静か
つ慎重に対処して下さい．誤解があった場合には，その誤解を解くだけでなく，誤解を受けない
土壌物理学会学会賞規定
ような書き方に改める努力が求められます．
1. 種類4）「掲載不適」で返稿された原稿を再投稿する場合は学会賞に論文賞と優秀ポスター賞をおく．
新規投稿扱いとなります．
「掲載不適」とした理由を十分に確認・検討の上，再投稿して下さい． 2. 論文賞の選考
論文賞は，年 1 回、以下の手順により論文賞選考委員会（2004. 6.29 改正）「以下，選考委員会」で審査し，評議員会で決定する．
（1）賞の対象とする論文は，「土壌の物理性」に，原則「土壌の物理性」閲読の手引きとして前年度（前年 4 月 1 日から翌年の 3 月 31 日まで）に掲載された原著「論文」とする．
1. 閲読依頼期限の厳守をお願い致します．万一，期限内（2）正会員（1 名以上）は, 学会賞受賞候補として（1）に閲読が困難な場合には，速やかに編集委員会事務局に該当する論文を自薦もしくは他薦することができる.
へ連絡して下さい．
（3）（2）に記す論文の推薦は，学会誌「土壌の物理性」
2.「投稿案内」において，下のものを投稿原稿に求めていに公示された募集を受け，所定の書類を必要部数揃え，ます．閲読においても，これらをその基準とします．
期日までに学会事務局に提出しなければならない．
（1）内容について（
4）選考委員会では，（1）に該当する論文の中から，
1）オリジナリティーがあること（論文，研究ノート（2）の推薦も考慮して受賞候補論文（以下，候補論の場合）．
文）を審査 · 選考し，評議員会へ付議する．
2）本誌の読者にとって有益であること．
（5）評議員会では，候補論文が受賞に適格かどうかを3）導入，研究手法から結論に至る過程に論理性があ
判定する．
ること．
3. 優秀ポスター賞の選考（2）表現について
優秀ポスター賞（以下，ポスター賞）は年 1 回，以下
1）原稿全体の構成が整っていること．
の手順により決定する．
2）文章表現が適切であること．
（1）選考の対象は，当該年度の土壌物理学会大会にお3）表題が適切であること．
いて発表されたポスターであって，筆頭者は会員と
4）英文アブストラクトや和文要旨が適切であること．
する．ただし，ポスターの筆頭者が学生の場合に限5）SI 単位や記号の使い方が適切であること．
り，会員外であっても選考の対象に含める．
6）キーワードが適切であること．
（2）ポスター賞は（1）に該当するポスターの中から，
7）英語の表現が適切であること．
選考委員会および会員の投票により選考する．（53.「掲載不適」とする理由としては，下のようなものが件以下）挙げられます．
4. 表彰
1）既発表とみなされるもの．
（1）論文賞は，通常総会において表彰を行う．また会
2）重要な部分に根本的な誤りがあるもの．
誌上に公表する．
3）事実に基づいた内容ではなく，単なる主観が述べ（
2）ポスター賞は，土壌物理学会大会において表彰をられているに過ぎないもの（論文，研究ノートの行う．また，会誌上に公表する．
場合）．
4）通説が述べられているだけで，新しい知見が全く（2002.11.23 制定 2013.10.26 改正）ないもの（論文，研究ノートの場合）．
5）修正を要する根本的な指摘事項を多く含んでいるもの．
土壌物理学会学会賞選考委員会規定
6）連載形式で構成されており，1 編ごとに独立した
1. 目的ものと認めがたいもの．
学会賞選考委員会（以下委員会という）は，論文賞お7）全体構成や文章が粗雑で，内容の判定ができない
よび優秀ポスター賞の選考を行うことを目的とする．
もの．
2. 業務
8）内容が本誌の趣旨に合わないもの．
委員会はつぎの業務を行う．
9）その他，本誌に掲載する原稿としてふさわしくな（1）学会賞規定に基づく論文賞および優秀ポスター賞
いもの．
の選考．
4. 原稿の内容に対する責任はあくまで著者にあります．
（2）土壌物理学会学会賞選考に関するその他の事項．
また，原稿の価値は読者が判断するものです．
5. 閲読は内容の批判や討議を行うものではありません． 3. 構成
委員会は委員長 1 名および委員 5 程度を持って構成
従って，見解の相違は掲載不適の理由にはなりません．
する．
6. 閲読者は投稿者に対して研究指導する立場にありませ（1）委員会は正会員より構成される．
ん．よって，新たな実験や計算の追加要求などは極力（2）委員は評議員会の推薦に基づき総会で決定する．
避けて下さい．
（3）任期は 2 年とする．ただし，再任はさまたげない．
7. 閲読者は著者と直接折衝をしないで下さい．著者との（4）委員長は委員の互選により選出する．
交渉はすべて編集委員会の責任で行います．
（5） 若干名の専門委員をおくことを認める．
8. 閲読者として知り得た印刷前の原稿の内容はいかなる形でも利用・引用等出来ません．厳にご注意下さい． 4. 開催
委員会は年 3 回程度開催する．
9. 著者に修正を求めた後に再閲読で総合判定を D（掲載不適）とすることは，閲読者にとっても著者にとって（2002.11.23 制定 2003.11.22 改正）も非生産的です．完成度の低い原稿などにおいては，

6. その他
1）共著者は全員が原稿に責任を負って下さい．共著

原 稿 送 り 状
受付番号（本会で記入）：
発送年月日

年

区 分

論文

月

日

研究ノート

受付年月日（本会で記入）
総説

解説

資料

年

研究紹介

土粒子

月

日

書評

表題（和文）

表題（英文）

キーワード（日本語：５語以内）

キーワード（英語：５語以内）

著者名 1
ローマ字 ∗

所属

本会

会員 · 非会員

著者名 2
ローマ字 ∗

所属

本会

会員 · 非会員

著者名 3
ローマ字 ∗

所属

本会

会員 · 非会員

著者名 4
ローマ字 ∗

所属

本会

会員 · 非会員

著者名 5
ローマ字 ∗

所属

本会

会員 · 非会員

Corresponding
author の〒住 所・氏 名
電話 ·FAX 番号

TEL. ：

E-mailE-mail ：本文原稿枚数
表
別刷

FAX.：

A4：（
枚

図
（カラー図番号．

枚）
枚

希望しない · 希望する（）

写真（カラー写真番号．
部）

付記：投稿の宛先は土壌物理学会ホームページを参照のこと（http://js-soilphysics.com/）
著者には pdf ファイルを贈呈します．別刷を希望する方は印刷業者から購入することになります．
*著者名は漢字とローマ字の両方を記入してください．

枚）土壌物理学会会員登録用紙 [入会 · 退会 · 登録事項変更]
必要事項をご記入の上，このまま下記宛先に（郵便，FAX，E-mail の添付ファイルなどで）お送
りください。
届出内容

入会

申込年月日

西暦

会員種別

正

· 退会 · 登録事項変更
年月· シニア · 学生 ·

日
購読

· 賛助

氏名
同上ローマ字読み性別

男

生年月（西暦年 · 月）

· 女

西暦

年

月

勤務先

· 自宅

勤務先
勤務先所在地〒

勤務先電話番号 / FAX 番号
勤務先 e-mail自宅住所〒

自宅電話番号 / FAX 番号
自宅 e-mail
会誌の送付先本学会以外の主な所属学会
学生会員のみ記載（本人に連絡が取れないときの連絡先として）指導教官名指導教官 e-mail

本会記入
受付年月日：
承認年月日：
送付先 · 問い合わせ先
土壌物理学会事務局（会計幹事）〒 514-8507 三重県津市栗真町屋町 1577
三重大学大学院生物資源学研究科 土壌圏循環学研究室内

Tel. 059-231-9251 Fax 059-231-9634
E-mail spsyomu@ml.affrc.go.jp

坂井 勝

宛

複写される方に本誌に掲載された著作物を複写したい方は，（社）日本複写権センターと包括複写許諾契約を締結されている企業の従業員以外は，著作権者から複写権等の行使の委託を受けている次の団体から許諾を受けて下さい．著作物の転載 · 翻訳のような複写以外の許諾は，直接本会へご連絡下さい．
〒 107-0052

東京都港区赤坂 9-6-41

TEL：03-3475-5618

乃木坂ビル

FAX：03-3475-5619

学術著作権協会

E-mail：ir@jaacc.jp

Notice about Photocopying
In order to photocopy any work from this publication, you or your organization must obtain permission from thefollowing organization which has been delegated for copyright for clearance by the copyright owner of this publication.
Japan Academic Association for Copyright Clearance (JAACC)
41-6 Akasaka 9-chome, Minato-ku, Tokyo 107-0052, Japan
TEL：81-3-3475-5618

FAX：81-3-3475-5619

E-mail：ir@jaacc.jp

土壌の物理性 第 149 号（会員配布）
発行 土 壌 物 理 学 会

2021 年 11 月 20 日発行〒 514-8507

三重県津市栗真町屋町 1577 三重大学
生物資源学研究科 土壌圏循環学研究室内

電059-231-9583
FAX 059-231-9634
spsyomu ＠ ml.affrc.go.jp
http://js-soilphysics.com/ent
百五銀行 白塚支店（店番 508）
普通 307841 土壌物理学会
口座番号：01350-2-40943

話

E-mail
URL
銀行口座
郵便振替

渡辺 晋生

宛

加入者名：土壌物理学会
編集委員会事務局（投稿原稿送付先）
所在地はホームページ（http://js-soilphysics.com/ent）で最新の物を確認して下さい．

E-mail印

kibyosi@ml.affrc.go.jp
刷

創文印刷工業株式会社〒 116-0011 東京都荒川区西尾久 7-12-16

ISSN 0387‑6012

Journal of the Japanese Society of Soil Physics
No. 149

November, 2021

Contents
Foreword. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Y. SHINOGI
PapersHourly observation and modeling of relationship between dryness of soil and water stress of soybean
measured by stomatal conductance at converted ﬁeld
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A. SAKAGUCHI, T. TSUJI, T. FUJII, H. ARAKI and T. TAKAHASHI

...

1

...

3

Estimation of the propagation distance of a sound wave in soil and the measurement range of an acoustic
resonance method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K. FUKADA, M. NAMBA and Y. KIHARA

...

13

...

23

...

37

...

47

...

55

...

63

...

69

...

73

...

77

...

81

Evaluation of the quantitative use of a cone penetrometer considering diﬀerences between models andbetween operators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M. EBATO
Special session for JpGU2021
Papers
Eﬀects of elevated air temperature and CO2 concentration on soil CO2 dynamics in an apple orchard. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C. KATO, A. ENDO, D. ITO and S. ISHIDA
Notes
Estimating ﬁne bubble concentration in water with a time domain reﬂectometry........................

R. TANIGAWARA, Y. KOJIMA, S. HAMAMOTO and K. KAMIYA

Special session for Arduino
Notes
Development of soil moisture and salinity sensor network with Arduino and XBee — Investigation of soil
moisture and salinity at a tsunami-aﬀected ﬁeld in Miyagi —. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Y. ISHIKAWA, T. NOGUCHI, H. MIYAMOTO and I. TOKUMOTO
Miscellaneous
Agro-environmental telemonitoring using M5Stack IoT development board.............

Y. HIRASHIMA, T. MAKI, N. KOTODA, I. TOKUMOTO and H. MIYAMOTO

Introduction to IoT for beginner, try to build a temperature and humidity monitoring device. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K. TAKAKUSAGI, Y. KAIZU and M. MIZOGUCHI
Miscellaneous
Report of a scientiﬁc session “A-GE27 Subsurface Mass Transport and Environmental Assessment”
on JpGU 2021
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H. SAITO, C. KATO, S. HAMAMOTO, Y. KOJIMA and Y. MORI
Report of a scientiﬁc session “A-HW22 Material transportation and cycling in watershed ecosystems;
from headwaters to coastal areas” on JpGU 2021
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M. MAEDA, T. IRINO, S. ONODERABook review.......................................................................

K. NAKAMURA

Readers’ Column..........................................................................

...

83

Announcements................................................................................................

87

Editor’s Postscript................................................................................................

92

Published by

Japanese Society of Soil Physics
Faculty of Bioresources, Mie University
1577 Kurimamachiya‐cho, Tsu, Mie 514‐8507 Japan
http://js‐soilphysics.com/

K. HAMADA