日本には、畑地潅漑（かんがい）と呼ばれる方法を用いて農作物の水やり作業を計画的に行っている地域があります。この記事では、畑地潅漑における土壌水分センサーの利用について解説していきます。
目次
1．畑地潅漑とは
2．土壌水分センサーの種類
3．畑地潅漑における土壌水分センサーの利用について
4．畑地潅漑に適した土壌水分センサー
5．まとめ
1．畑地潅漑とは
畑地潅漑とは、ダムや用水路、貯水池に貯めた農業用水を利用して農作物の水やり作業を行う方法のことを指します。
使用する設備は、移動式の大型スプリンクラーや多孔式の潅水チューブなどで、干ばつ等の影響を受けることなく潅水作業を計画的に実行できるのが特徴です。
栽培する作物は、キャベツや白菜、ネギなどの露地栽培の野菜で、全国の産地を対象にその整備が進められています。
2．土壌水分センサーの種類
土壌水分センサーには、大きく分けて2つのタイプがあります。
1）土壌の誘電特性を利用したタイプ
土壌の誘電特性を利用したタイプは、「土壌を構成する水・空気・土粒子の3要素の中で比誘電率が最も大きい水が土壌全体の比誘電率を決める」という性質を利用して土壌水分を測定する土壌水分センサーです。TDR方式、TDT方式、WCR方式、ADR方式、キャパシタンス方式など様々な種類があります。
・TDR方式（Time Domain Reflectometry ※時間領域反射法）
TDR方式は、土壌に埋設した金属ロッドに流したマイクロ波が通過する時間を計測して土壌の比誘電率を測定する土壌水分センサーです。
1970年代にカナダで開発された測定方式で、誘電特性から土壌水分を測定する方法の元祖といわれています。
・TDT方式（Time Domain Transmission ※時間領域透過法）
TDT方式は、TDR方式と同様、マイクロ波が通過する時間を計測して土壌の比誘電率を測定する土壌水分センサーです。
違いは、U文型にループしたセンサー部で、片側から照射したマイクロ波が検出器に戻る時間を計測します。その形状から土壌に埋設して使用することは難しく、耕起直後の作土層や砂地でしか使用できない特徴があります。
・WCR方式（Water Content Reflectometer ※含水率反射率計）
WCR方式は、金属ロッドに流したマイクロ波が反射して戻る回数を基に土壌の比誘電率を測定する土壌水分センサーです。
通常より太く設計されたセンサー部が特徴で、メーカーが作成した校正式を基に計算した値のみを出力します。
・ADR方式（Amplitude Domain Reflectometry ※振幅領域反射法）
ADR方式は、TDR方式・TDT方式・WCR方式と同様、土壌の誘電特性を利用して土壌水分を測定する土壌水分センサーです。
他の方式と比較して「土壌の電気伝導度の影響が少なく、測定精度も高い」というメリットがありますが、高額な製品が多く、他の方式でも十分な精度で測定できるようになったため、国内での使用があまり報告されなくなりました。
・キャパシタンス方式（静電容量方式）
キャパシタンス方式は、電圧をかけたセンサー内のコンデンサーで計測した静電容量を基に土壌水分を測定する土壌水分センサーです。
「静電容量は比誘電率の影響を受ける」という性質から、TDR方式等と同様、土壌の誘電特性を利用した土壌水分センサーとして知られています。
2）マトリックポテンシャルを利用したタイプ
マトリックポテンシャルを利用したタイプは、「土壌が水分を吸収する力（マトリックポテンシャル）」を利用して土壌水分を測定する土壌水分センサーです。テンシオメーター方式と呼ばれる製品を中心に様々な種類の製品が発売されています。
・テンシオメーター方式
テンシオメーター方式は、ポーラスカップと呼ばれる素焼きのカップを使用した土壌水分センサーです。
センサー周辺の土壌水分が、マトリックポテンシャルによって吸収されると、テンシオメーターに充填した水が外部に吸引される仕組みを利用して土壌水分量を測定します。
「水は通すが空気は通さない」という性質を持つ素焼きカップ内の水圧を測定すれば、その土壌のマトリックポテンシャルを知ることもできます。
・キャパシタンス式土壌水分センサーを応用した方式
この方式は、キャパシタンス式土壌水分センサーのセンサー部に素焼きの板をサンドイッチした土壌水分センサーです。
土壌の誘電特性をマトリックポテンシャルに換算してくれるのが特徴で、テンシオメーターが苦手な乾燥土壌の測定にも向いています。
・電極式ポテンシャル方式
電極式ポテンシャル方式は、ナイロン素材など繊維質で包んだ電極棒の中で発生する電気抵抗を利用して土壌水分を測定する土壌水分センサーです。
土壌の誘電特性を利用した方法の普及で一度は廃れましたが、マトリックポテンシャルを利用した方法への応用をきっかけに、その有効性が見直されました。
テンシオメーターと比較して測定の精度は落ちますが、安価な価格とメンテナンスの手軽さから農業現場での活用が進んでいます。
3．畑地潅漑における土壌水分センサーの利用について
1）畑地潅漑における土壌水分センサーの利用
畑地灌漑における計画用水量は、農林水産省が制定した基準書および技術書に記載された内容を基に決定しています。
土壌水分の測定については、テンシオメータ方式などマトリックポテンシャルを利用した測定方法を主流としていましたが、「ポーラスカップと呼ばれる素焼きのカップと土壌の接触に十分に留意する必要がある」等の技術的要因やTDR方式等を採用した土壌水分センサーの普及を背景に、土壌の誘電特性を利用した測定が追加されました。（平成27年改定）
2）畑地潅漑における使用の注意点
土壌の誘電特性を利用したタイプの土壌水分センサーにはプローブと呼ばれる探針が付いています。
表層付近にあるプローブ長さ分の土層の平均的な体積含水率を測定する場合には、センサーを鉛直方向に挿入・埋設して、そのまま測定できますが、所定の深さを中心に影響範囲内の平均的な体積含水率を測定する場合には、人間が作業できる位の大きな穴を掘り、鉛直な掘削断面を作成して、未撹乱部にセンサーを水平方向に挿入する必要があります。
この時、問題になるのが「深くなるほど硬度が高くなる」という土壌本来が持つ特性で、実際の測定ではプローブ部の全てを未撹乱部に挿入できない事例が確認されています。
掘った穴の原状復帰については、「設置後の土の埋め戻しは測定に影響が生じないよう掘削前と同等な状態の回復に努める」としていますが、埋め戻し後に降った雨が測定結果に大きな影響を及ぼしてしまう事例もあるようです。
土壌水分センサーの中には、プロファイルプローブと呼ばれる探針を鉛直方向に挿入・埋設して深さ約1mの平均的な体積含水率を測定する製品もありますが、プローブを1mの深さ全部に隙間なく埋没することは難しく、実際よりも少ない水分量を測定してしまったケースが数多く報告されています。
4．畑地潅漑に適した土壌水分センサー
農業・食品分野の研究を専門に扱う国立の研究機関である農研機構（農業・食品産業技術総合研究機構）は、畑地灌漑用水量計画に適した土壌水分センサーとして、キャパシタンス方式を採用した製品を挙げています。
農研機構が実施した研究では、現行の畑地灌漑用水量計画で標準的に使用されているテンシオメーター方式と同等の測定結果が確認できたほか、テンシオメーター方式の土壌水分センサーが苦手としていた乾燥土壌の測定にも成功しました。
キャパシタンス方式（静電容量方式）の土壌水分センサー
５．まとめ
畑地潅漑は、農作物の生育に必要な水やり作業を計画的に実行するだけではなく、品質の向上や収量の確保にも役立つとされています。畑地潅漑を用いた農作物の栽培で土壌水分センサーを使用する際にはぜひこの記事を参考にしてみてください。最後まで読んでいただきありがとうございました。
参考文献
・「現地圃場における土壌水分観測について思うこと」中村公人氏
https://js-soilphysics.com/downloads/pdf/138053.pdf
・畑地灌漑用水量計画へのキャパシタンス土壌水分センサーの適用