土壌水分

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土壌水分は土壌の含水です体積または重量で表すことができます。土壌水分測定は、現場プローブ(静電容量プローブ中性子プローブなど)またはリモートセンシング法に基づくことができます

フィールドに入る水は、流出排水蒸発または蒸散によってフィールドから除去されます。[1]流出は、地表からフィールドの端まで流れる水です。排水は、土壌を通って下向きに、または地下の畑の端に向かって流れる水です。フィールドからの蒸発水損失は、フィールドの表面から直接大気中に蒸発する水の部分です。蒸散とは、植物自体からの蒸発による畑からの水の損失です。

水は土壌の形成構造、安定性、侵食に影響を与えますが、植物の成長に関して最も重要な問題です。[2]水は4つの理由で植物に不可欠です:

  1. それは植物の原形質の80%-95%を構成します。
  2. 光合成に欠かせません
  3. これは、栄養素が植物に運ばれ、植物に運ばれ、植物全体に運ばれる溶媒です。
  4. それは、植物がそれ自体を適切な位置に保つための濁りを提供します。[3]

さらに、水は、鉱物や有機の溶質コロイドを溶解して再堆積させることにより、土壌のプロファイルを変化させます。これは、多くの場合、より低いレベルで、浸出と呼ばれるプロセスです。ローム土壌では、固体は体積の半分を構成し、ガスは体積の4分の1を構成し、水は体積の4分の1を構成し、ほとんどの植物はその半分しか利用できませ[4]

氾濫したフィールドは、水の接着力と凝集力がそれ以上の排水に抵抗するまで重力の影響下で重力水を排水し、その時点でそれは圃場容水量に達したと言われます[5]その時点で、植物は土壌から水を引くために吸引[5] [6]を適用する必要があります。植物が土壌から引き出すことができる水は、利用可能な水と呼ばれます。[5] [7]利用可能な水が使い果たされると、植物はその水を引き込むのに十分な吸引力を生み出すことができないため、残りの水分は利用不可能な水と呼ばれます、種子は発芽しません。[8] [5] [9]植物は、種固有の適応のおかげで水の補充後に回復できない限り、しおれ始め、その後死にます。[10]水は、重力浸透毛細管現象の影響下で土壌中を移動します。[11]水が土壌に入ると、浮力によって相互接続されたマクロポアから空気を追い出し、空気が閉じ込められた凝集体を破壊します。これはスレーキングと呼ばれるプロセスです。[12] 土壌が水を吸収できる速度は、土壌とその他の条件によって異なります。植物が成長するにつれて、その根は最初に最大の細孔(マクロ細孔)から水を取り除きます。すぐに、大きな細孔は空気だけを保持し、残りの水は中型および最小サイズの細孔(ミクロ細孔)にのみ見られます。最小の細孔内の水は粒子表面に強く保持されているため、植物の根はそれを引き離すことができません。その結果、すべての土壌水が植物に利用できるわけではなく、テクスチャーに強く依存しています。[13]飽和すると、水が排出されるにつれて土壌は栄養分を失う可能性があります。[14]水は圧力の影響下で排水場を移動します土壌が局所的に飽和し、毛細管現象によって土壌の乾燥した部分に引っ張られる場所。[15]ほとんどの植物の水の必要量は、植物の葉からの蒸発(蒸散)によって引き起こされる吸引から供給され、植物内部と土壌溶液の間の浸透圧差によって生じる吸引によって供給される割合は少なくなります。[16] [17]植物の根は水を探し出し、湿った土壌のマイクロサイトで優先的に成長する必要があります[18]が、根系の一部は土壌の乾燥した部分を再び湿らせることもできます。[19]不十分な水は、作物の収穫量を損ないます。[20]利用可能な水のほとんどは、植物に栄養素を引き込むための蒸散に使用されます。[21]

土壌水は、気候モデリングと数値天気予報にとっても重要です。Global Climate Observing Systemは、50の必須気候変数(ECV)の1つとして土壌水を指定しました[22]土壌水分は、土壌水分センサーを使用してその場で測定するか、さまざまなスケールと解像度で推定できます。土壌中のセンサーを介したローカルまたはwifiの測定から、データキャプチャと水文モデルを組み合わせた衛星画像までです。それぞれの方法には長所と短所があり、したがって、異なる手法を統合することで、単一の方法の欠点を減らすことができます。[23]

保水

水の水素原子が土壌粒子の酸素に対して持つ引力の付着力が、水の水素が他の水の酸素原子に対して感じる凝集力よりも強い場合、水は土壌に保持されます。[24]畑が氾濫すると、土壌間隙は完全に水で満たされます。圃場容水量と呼ばれるものに達するまで、重力の下で圃場は排水されます。その時点で、最小の細孔は水で満たされ、最大の細孔は水とガスで満たされます。[25]圃場容水量に達したときに保持される水の総量は、土壌粒子の比表面積の関数です。[26]その結果、高粘土および高有機質土壌はより高い圃場容量を持ちます。[27]参照条件での純水に対する単位体積あたりの水の位置エネルギーは、水ポテンシャルと呼ばれます。総水ポテンシャルは、毛細管現象、塩分土壌の浸透ポテンシャル、および水の移動の垂直方向を処理する際の重力ポテンシャルから生じるマトリックスポテンシャルの合計です土壌の水ポテンシャルは通常負の値であるため、吸引力でも表されます、これは水ポテンシャルのマイナスとして定義されます。吸引力は正の値であり、土壌から水を引き出したり押し出したりするのに必要な総力と見なすことができます。水ポテンシャルまたは吸引力は、kPa(10 3 パスカル)、bar(100 kPa)、またはcm H 2 O(約0.098 kPa)の単位で表されます。cm H 2 Oで表した常用対数は、pFと呼ばれます。[28]したがって、pF 3 = 1000 cm = 98 kPa = 0.98バール。

水が土壌に保持される力によって、植物が水を利用できるかどうかが決まります。付着力、水を鉱物や腐植土の表面に強く保持し、凝集力によってそれ自体にはあまり強く保持しません。植物の根は、土壌に付着している非常に少量の水に浸透し、最初は凝集力によってわずかに保持されている水を引き込むことができる場合があります。しかし、液滴が引き下げられると、土壌粒子に対する水の付着力はますます高い吸引力を生み出し、最終的には最大1500 kPa(pF = 4.2)になります。[29] 1500 kPaの吸引では、土壌水分量はしおれ点と呼ばれますその吸引では、蒸散によって植物から水がまだ失われているため、植物はその水の必要量を維持できず、植物の濁度が失われ、しおれますが、気孔の閉鎖は蒸散を減少させ、したがって、特にしおれ点より下でしおれを遅らせる可能性があります干ばつへの適応または順応の下で。[30]空気乾燥と呼ばれる次のレベルは、100,000 kPaの吸引で発生します(pF = 6)。最後に、1,000,000 kPaの吸引でオーブンの乾燥状態に達します(pF = 7)。しおれ点より下の水はすべて、利用できない水と呼ばれます。[31]

土壌水分量が植物の成長に最適な場合、大中型の細孔内の水は土壌中を動き回り、植物が簡単に使用できます。[13]圃場容水量まで排水された土壌に残っている水の量と利用可能な量は、土壌タイプの関数です。砂質土は水分をほとんど保持しませんが、粘土は最大量を保持します。[27]この表に示すように、シルトロームに利用できる水は20%であるのに対し、砂の場合はわずか6%である可能性があります。

さまざまな土性のしおれ点、圃場容水量、および利用可能な水(単位:体積%)[32]
土性 しおれ点 圃場容水量 利用可能な水
3.3 9.1 5.8
砂壌土 9.5 20.7 11.2
ローム 11.7 27.0 15.3
シルトローム 13.3 33.0 19.7
粘土ローム 19.7 31.8 12.1
粘土 27.2 39.6 12.4

上記は土性の平均値です。

水の流れ

水は重力浸透力、毛細管現象により土壌中を移動します。ゼロから33kPaの吸引力圃場容水量)では、重力と水の圧力によって生じる圧力勾配の下で、適用点から水が土壌に押し出されます。これは飽和流と呼ばれます。より高い吸引力では、水の動きは毛細管現象によって湿った土壌から乾燥した土壌に向かって引っ張られます。これは、水の固形物への付着によって引き起こされ、不飽和流と呼ばれます。[33] [34]

土壌への水の浸透と移動は、次の6つの要因によって制御されます。

  1. 土性
  2. 土壌構造。粒状構造のきめの細かい土壌は、水の浸透に最も適しています。
  3. 有機物の量。粗い物質が最善であり、表面にある場合は、土壌構造の破壊と地殻の作成を防ぐのに役立ちます。
  4. 沼鉄鉱や岩盤などの不浸透性の層までの土壌の深さ
  5. すでに土壌にある水の量
  6. 土壌温度。温暖な土壌は水をより早く取り入れますが、凍結した土壌は凍結の種類によっては吸収できない場合があります。[35]

水の浸透速度は、高粘土土壌の場合の1時間あたり0.25 cmから、砂および十分に安定化され凝集した土壌構造の場合の1時間あたり2.5cmの範囲です。[36]水は、水粒子間の表面張力のために、いわゆる「重力フィンガー」の形で、地面を不均一に流れます。[37] [38]

木の根は、生きているか死んでいるかにかかわらず、土壌を通る雨水の流れのための優先的なチャネルを作成し[39]、水の浸透率を最大27倍に拡大します。[40]

洪水は一時的河床の土壌浸透性を高め、帯水層の涵養を助けます。[41]

土壌に適用された水は、局所的に飽和している適用点から、通気帯などの飽和度の低い領域への圧力勾配によって押し出されます。[42] [43]土壌が完全に濡れると、それ以上の水は下向きに移動するか、植物の根の範囲から浸透し、粘土、腐植土、栄養素、主に陽イオン、および農薬汚染物質を含むさまざまな汚染物質を運びます。ウイルスバクテリア、潜在的に地下水汚染を引き起こします。[44] [45]溶解度が低い順に、浸出された栄養素は次のとおりです。

  • カルシウム
  • マグネシウム、硫黄、カリウム; 土壌組成に応じて
  • 窒素; 硝酸塩肥料が最近適用されない限り、通常はほとんどありません
  • リン; 土壌中のその形態は溶解度が低いため、ごくわずかです。[46]

米国では、降雨による浸透水は、ロッキー山脈のすぐ東のほぼ0センチメートルから、アパラチア山脈とメキシコ湾の北海岸の1日あたり50センチメートル以上の範囲です。[47]

水は土壌固形物への水付着力による毛細管現象によって引っ張られ、湿った土壌から乾燥した土壌へ、そしてマクロポアからミクロポアへの吸引勾配を生み出します。[要出典]いわゆるリチャーズ式により、不飽和土壌中の水の移動による土壌中の含水量の時間変化率を計算できます[49]興味深いことに、リチャーズに起因するこの方程式は、1922年にリチャードソンによって最初に公開されました。[50]土壌水分速度方程式 [51]は、有限含水率の通気帯流法使用して解くことができます。 [52] [53]は、不飽和土壌を垂直方向に流れる水の速度を示しています。リチャーズ式/リチャーズ式の数値解法により、Hydrusなどのソフトウェアを使用して不飽和水流と溶質輸送を計算できます[ 54 ]。優先的な流れは、相互接続されたマクロポア、隙間、根、およびワームのチャネルに沿って発生し、重力の下で水を排出します[55] [56] 土壌物理学に基づく多くのモデルでは、優先的な流れを二重の連続体、二重の多孔性、または二重の浸透性のオプションとして表現できるようになりましたが、これらは一般に、厳密な物理的基盤なしにリチャーズソリューションに「ボルトオン」されています。 。[57]

植物による水分摂取

土壌中の水の貯蔵と移動に等しく重要なのは、植物が水とその栄養素を獲得する手段です。凝集張力理論によると、ほとんどの土壌水は、植物の根から葉につながる長い水柱(木部樹液流)から蒸発(蒸散)する水の引っ張り力によって引き起こされる受動吸収として植物に取り込まれます[58]水と溶質の上昇(水力リフト)は、内皮によって根で調節され[ 59] 、気孔コンダクタンスによって植物の葉で調節され[60]、根とシュートで中断される可能性がありますキャビテーションによる木部血管、木部塞栓症とも呼ばれます。[61]さらに、植物の根の中の高濃度の塩は、土壌水を根に押し込む浸透圧勾配を作り出します。[62]浸透圧吸収は、低温(たとえば夜間)または高湿度によって引き起こされる低水分蒸散の時間帯により重要になり、逆は高温または低湿度下で発生します。それぞれ、ガットとしおれを引き起こすのはこれらのプロセスです[63] [64]

根の伸長は植物の生存に不可欠です。1立方フィート(0.0283立方メートル)のローム土壌で4か月間栽培された単一の冬のライ麦植物の研究は、植物が13,800,000の根を発達させ、全長620 km、表面積237平方メートルであることを示しました。全長10,620km、総面積400平方メートルの140億本の毛根。総表面積は638平方メートルです。ローム土壌の総表面積は52,000平方メートルと推定されました。[65]言い換えれば、根は土壌のわずか1.2%と接触していました。ただし、根の伸長は動的なプロセスと見なす必要があります。これにより、新しい根が毎日新しい量の土壌を探索できるようになり、特定の成長期間に探索される土壌の総量が劇的に増加し、したがって根が吸収する水の量が増加します。この期間のシステム。[66]根の構造、すなわち根系の空間的構成は、植物の土壌水分と栄養素の利用可能性への適応、ひいては植物の生産性において重要な役割を果たします。[67]

土壌中の不飽和の水の流れは1日あたり最大2.5cmの速度でしか移動できないため、根は水を探す必要があります。その結果、彼らは高濃度の土壌水分を求めて絶えず死に、成長しています。[68]土壌水分が不十分で、しおれを引き起こすほど、永久的な損傷を引き起こし、作物の収穫量が低下します。モロコシは、開花期と種子セット期の成長期に種子の頭が出てきたときに、1300 kPaという低い土壌吸引力にさらされた場合、その生産量は34%減少しました[69]

消費使用量と水使用効率

植物が使用する水のごく一部(0.1%から1%)だけが植物内に保持されます。大部分は最終的に蒸散によって失わますが、土壌表面からの蒸発もかなりのものであり、蒸散:蒸発比は植生の種類と気候によって異なり、熱帯雨林でピークに達し、草原砂漠に沈みます[70]蒸散と蒸発による土壌水分の損失は、蒸発散と呼ばれます。蒸発散量と植物に保持されている水は、合計で消費量になります。これは、蒸発散量とほぼ同じです。[69] [71]

農業分野で使用される総水量には、地表流出排水、および消費的使用が含まれます。緩いマルチを使用すると畑が灌漑された後の一定期間の蒸発損失が減少しますが、最終的には、蒸発損失の合計(植物と土壌)が覆われていない土壌の損失に近づき、植物の成長にすぐに利用できる水が増えます。[72] 水の使用効率は、蒸散率によって測定されます、これは、収穫された植物の乾燥重量に対する、植物によって蒸散された総水の比率です。作物の蒸散率は300から700の範囲です。たとえば、アルファルファの蒸散率は500である可能性があり、その結果、500キログラムの水が1キログラムの乾燥アルファルファを生成します。[73]

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参考文献