TDR-315 センサーを用いた土壌水分量およびバルク電気伝導度計測

Soil moisture and electrical conductivity measurements using a TDR-315 sensor

丹野真衣 1・平嶋雄太 1・宮本英揮 1

1佐賀大学農学部

要旨

デジタル TDR センサー(TDR-315)の性能評価を行うために，NaCl 溶液と混合した豊浦砂を供試材料

とした水分・EC 計測実験を行い，既往の TDT センサー(Acclima)の測定結果と比較した。TDT センサー

と同様に，TDR-315 で測定したTDRとそれから求められた値との間には，一意的な経験的関係が認め

られた。TDTセンサーと違って，TDR-315は低バルク EC 条件における EC変化を感知できたことから，

広範なバルク EC条件における水分・EC同時計測に適したセンサーであることが判明した。

キーワード：TDR-315, バルク電気伝導度, 体積含水率

Key words:TDR-315, Bulk electrical conductivity, Water content

１.はじめに

土中の水分量・電気伝導度(EC)を同時に測定

できる時間領域反射法(TDR)が多用されてきた。

しかし，同軸ケーブル延長時に多発する解析エラ

ー，精度低下，温度依存性問題などに加え，測

定機器一式が高額であることが，特に他分野の利

用者がTDRを敬遠する一因になっている。近年，

ケーブルテスターを必要としないデジタル TDRセ

ンサー(TDR-315)が国内外で流通しており，その

性能に対する関心が集まっているものの，詳細な

性能試験結果は報告されていない。本研究では，

豊浦砂を供試材料として，TDR-315 による水分・

EC 計測実験を行い，既に国内で利用拡大がす

すむ TDT(Acclima)の性能と比較した。

２.方法

アクリルチャンバー(高さ 10 cm，内径 15 cm)の

下端にセラミックフィルターを敷き，溶液電気伝導

度(w : 0.1，10.0，19.9 dS m-1

)の異なるNaCl溶液

で洗浄した豊浦標準砂を，高さ 6 cm まで沈降充

填した (Fig.1)。TDR-315(ACC-TDR-315)および

自作の 4極 ECセンサー(直径 0.3 cm，長さ 3 cm)

を高さ 3 cm の位置に水平に固定した。下端に所

定のサクションを与えることにより排水を促し，積

算排出水量から体積含水率( )を求めた。CR800

データロガーに接続した TDR-315 で，見かけの

Fig.1 実験装置の模式図

Fig.2 w = 0.1 dS m-1における TDR波形

Fig.3 w = 19.9 dS m-1における TDR波形

誘電率 (TDR)，バルク EC(TDR)，体積含水率

(TDR)を，4極 EC センサーでバルク EC(4probe)を

測定した。TDR-315 を自作インターフェイスに接

続し直し，TDR 波形をコンピュータに取り込んだ。

以上の計測をサクションを段階的に変化させなが

ら反復し，測定値を TDTのそれ 1)と比較した。

３.結果と考察

TDR 波形の形状は， とw とともに変化した

(Fig.2，Fig.3)。w = 19.9 dS m-1の高水分条件で

は，ケーブルテスターを用いた一般的な TDR

と同様に，信号の減衰によって波形が平滑化し，

立上り点を検出できなかった(Fig.3)。しかし，そう

した極端な高バルク EC 条件を除けば，感知部先

端における反射を示す立上り点の時間は， とと

もに大きくなる傾向が認められた(Fig.2，Fig.3)。

TDT センサーの場合 1)と同様に，wによらず，

とともにTDRは増加し，両者の間には Topp式 2)

と類似した一意的な経験的関係が認められた

(Fig.4)。また，TDT の場合 1)に比べ，得られたデ

ータ数は少ないものの，修正混合モデルに基づ

き出力されたTDRと との二乗平均平方根誤差

(RMSE)は 0.01 m3 m

-3 となり，TDT に比べ

TDR-315 の精度が高かった。ただし，w = 19.9

dS m-1の ≥ 0.31 m

3 m

-3は，信号の減衰による解

析エラーが多発した条件である。エラー発生条件

の共通性は，信号伝播時間計測に基づく両法の

測定原理の共通性に因るものであろう。

低バルク EC条件では，TDTによる EC出力値

(TDT)はゼロとなるものの 1)，TDR-315は十分な測

定感度を有した(Fig.5)。特に，w = 0.1 dS m-1の

低水分条件では，併設した 4極 ECセンサーの感

度不足により，水分量の変化に伴うバルク EC の

変化を捉えることができず，測定値(4probe)は変化

しなかったが，TDR は明確な応答を示した(Fig.5)。

この結果は，TDR-315 センサーが，低バルク EC

条件の EC計測に適していることを示す。

Hilhorst の式 3)に基づき，土中溶液の EC(𝜎w′ )

を決定できた。Hilhorst の方法 3)に倣って算出し

た𝜎w′ は，同式の適用条件外の低水分条件( ≤

0.1 m3 m

-3)を除けば，wと概ね一致した(Fig.6)。

４.おわりに

対 TDT の観点から，TDR-315 による水分・EC

計測の性能評価を行った結果，TDR-315 は良好

な水分計測精度を有すること，低バルク EC 条件

を含む広範なバルクEC条件における水分・EC計

測に適していることが明らかになった。

引用文献: 1) 松本ら(2015): 日本生物環境工学会 2015

年宮崎大会講演要旨集, 238-239., 2) Topp et al.(1980):

Water Resour. Res., 16, 574-582., 3) Hilhorst. M.A.(2000):

Soil Sci.Soc.Am.J., 64, 1922 - 1925.

Fig.4見かけの誘電率(TDR,TDT)と体積含水率( )との

関係

Fig.5バルク電気伝導度(4probe)とバルク電気伝導度

(TDR,TDT)との関係(()内の数はデータ数)

Fig.6 Hilhorst式 3)に基づき計算した土中溶液電気伝

導度(𝜎w′ )と溶液電気伝導度(w)との関係(()内

の数はデータ数)