土壌水分

土壌水分とは、土壌中の水分含有量のことです。これは体積または重量で表すことができます。土壌水分の測定は、現場プローブ（例：静電容量プローブ、中性子プローブ）またはリモートセンシング法に基づいて行うことができます。^{[ 1 ] [ 2 ]}

畑に入った水は、流出、排水、蒸発、蒸散によって畑から取り除かれます。^{[ 3 ]}流出とは、地表を流れて畑の端に流れ込む水のことです。排水とは、土壌を通って下向きに、または畑の端に向かって地下を流れる水のことです。畑からの蒸発による水の損失とは、畑の表面から直接大気中に蒸発する水のことです。蒸散とは、植物自体からの蒸発によって畑から失われる水のことです。

水は土壌の形成、構造、安定性、侵食に影響を与えるが、植物の成長に関して最も重要な関心事である。^{[ 4 ]}水が植物にとって不可欠な理由は4つある。

1. それは植物の原形質の80～95％を占める。
2. 光合成に不可欠です。
3. それは、栄養素を植物に運び込み、植物内部に送り込み、植物全体に行き渡らせる溶媒である。
4. それは植物が適切な位置を維持するための膨圧を提供する。 ^{[ 5 ]}

さらに、水は鉱物や有機の溶質やコロイドを溶解して再沈殿させることで土壌断面を変化させ、多くの場合、より低いレベルで変化します。このプロセスは浸出と呼ばれます。ローム土壌では、固形分が体積の半分、ガスが体積の4分の1、水が体積の4分の1を占め、そのうちほとんどの植物が利用できるのは半分だけであり、マトリックポテンシャルによって大きく変動します。^{[ 6 ]}

水は重力、浸透、毛細管現象の影響を受けて土壌中を移動する。^{[ 7 ]}水が土壌に入ると、浮力によって相互に連結したマクロポアから空気を押し出し、空気が閉じ込められている凝集体を破壊します。このプロセスはスレーキングと呼ばれます。^{[ 8 ]}

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。植物が成長すると、根はまず最大の孔（マクロ孔）から水を吸収します。すぐに大きな孔には空気しか入らなくなり、残りの水は中程度および最小サイズの孔（ミクロ孔）にのみ存在します。最小の孔の水は粒子の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。したがって、土壌のすべての水が植物に利用できるわけではなく、土壌の質感に大きく依存します。^{[ 9 ]}飽和状態になると、水が排水されるにつれて土壌から栄養分が失われる可能性があります。^{[ 10 ]}排水場では、土壌が局所的に飽和している圧力の影響で水が移動し、毛細管現象によって土壌の乾燥した部分へと引っ張られます。^{[ 11 ]}植物の水分需要の大部分は、植物の葉からの蒸発（蒸散）によって生じる吸引力によって供給され、より少ない割合が植物内部と土壌溶液間の浸透圧差によって生じる吸引力によって供給されます。^{[ 12 ] [ 13 ]}植物の根は水を求めて、より湿った土壌の微小な場所に優先的に成長しなければなりませんが、^{[ 14 ]}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。^{[ 15 ]}水が不足すると作物の収量に悪影響を及ぼします。^{[ 16 ]}利用可能な水のほとんどは蒸散によって植物に栄養分を吸い込むために使用されます。^{[ 17 ]}

土壌水分は、気候モデリングや数値天気予報にとっても重要です。地球気候観測システムは、土壌水分を50の必須気候変数（ECV）の1つとして指定しました。^{[ 18 ]}土壌水分は、土壌水分センサーを使用して現場で測定することも、さまざまなスケールと解像度で推定することもできます。土壌中のセンサーによるローカルまたはWi-Fi測定から、データ取得と水文モデルを組み合わせた衛星画像まで。各方法には長所と短所があり、そのため、さまざまな技術を統合することで、単一の方法の欠点を減らすことができます。^{[ 19 ]}

圃場容量

浸水した畑は、重力の影響で重力によって水が排水され、水の付着力と凝集力がそれ以上の排水に抵抗するまで排水が続きます。この時点で、畑の許容水量に達したと言われます。 ^{[ 20 ]} その時点で、植物は土壌から水を吸い上げるために吸引力を加える必要があります。慣例として、 吸引力は0.33バールと定義されています。^{[ 20 ] [ 21 ]}

利用可能な水と利用できない水

植物が土壌から吸収できる水を有効水分と呼びます。^{[ 20 ] [ 22 ]}有効水分が使い果たされると、残りの水分は植物が十分な吸引力を発揮してその水分を吸い込むことができないため、利用できない水分と呼ばれます。

萎凋点

萎凋点は、植物が萎れないために必要な最小水分量であり、利用可能な水分と利用できない水分の境界に近似する。慣例として、15 バールの吸引圧と定義されている。この時点では、種子は発芽せず、^{[ 23 ] [ 20 ] [ 24 ]}植物は萎れ始め、種特有の適応により水分補給後に回復できない限り枯死する。^{[ 25 ]}

土壌に水が保持されるのは、水の水素原子が土壌粒子の酸素原子に対して持つ付着力が、水の水素原子が水の酸素原子に対して感じる凝集力よりも強い場合である。^{[ 26 ]}畑が冠水すると、土壌の孔隙空間は完全に水で満たされる。畑は重力によって排水され、圃場容水量と呼ばれる状態に達する。この時点で、最小の孔隙は水で満たされ、最大の孔隙は水とガスで満たされる。^{[ 27 ]}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ある。 ^{[ 28 ]}その結果、粘土分と有機物含有量の多い土壌は、圃場容水量が大きくなる。^{[ 29 ]}基準条件下における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る。総水ポテンシャルは、毛細管現象によるマトリックポテンシャル、塩類土壌の浸透ポテンシャル、および下方への水の移動を扱う際の重力ポテンシャルの合計である。土壌中の水ポテンシャルは通常負の値をとるため、水ポテンシャルのマイナスとして定義される吸引力でも表されます。吸引力は正の値をとり、土壌から水を引っ張ったり押し出したりするために必要な総力と考えることができます。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での吸引力の常用対数は pF と呼ばれます。^{[ 30 ]}したがって、pF 3 = 1000 cm = 98 kPa = 0.98 bar です。     

土壌中の水の保持力は、植物が水を利用できるかどうかを決定します。付着力は、鉱物や腐植の表面に水を強く保持し、凝集力によって水自体にはそれほど強く保持しません。植物の根は、土壌に付着しているごく少量の水に侵入し、最初は凝集力によって軽く保持されている水だけを吸い上げることができます。しかし、水滴が吸い上げられるにつれて、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 1500  kPa (pF = 4.2) に達します。^{[ 31 ]} 1500 kPa の吸引力では、土壌水分量は萎凋点と呼ばれます。この吸引力では、蒸散によって植物から水がまだ失われているため、植物は必要な水分を維持できず、植物の膨圧が失われ、萎凋します。ただし、気孔の閉鎖によって蒸散が減少し、特に干ばつへの適応や順化の下では、萎凋点以下での萎凋を遅らせる可能性があります。^{[ 32 ]}次の段階は空気乾燥と呼ばれ、吸引圧 100,000 kPa (pF = 6) で発生します。最終的にオーブン乾燥状態は吸引圧 1,000,000 kPa (pF = 7) で達成されます。萎凋点以下のすべての水は利用不可能な水と呼ばれます。^{[ 33 ]}  

土壌水分含有量が植物の生育に最適である場合、大きな（マクロポア）および中間の（メソポア）サイズの孔内の水は土壌中を移動し、植物によって容易に利用されます。^{[ 9 ]}圃場容水量まで排水された土壌に残る水の量と利用可能な水量は、土壌のテクスチャーによって決まります。砂質土壌は水を保持する量が非常に少なく、粘土は最大量の水を保持します。^{[ 29 ]}この表に示すように、シルトロームの利用可能な水は体積で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。

上記は土壌の質感に関する平均値です。

水は重力、浸透、毛細管現象の力によって土壌中を移動します。0～33  kPaの吸引圧（圃場容水量）では、水は重力と水圧の差によって生じる圧力勾配の力によって、散水点から土壌中を押し出されます。これは飽和流と呼ばれます。吸引圧が高い場合、水の移動は毛細管現象によって湿った土壌から乾燥した土壌へと引き寄せられます。これは土壌固形物に対する水の付着力によって引き起こされ、不飽和流と呼ばれます。^{[ 35 ] [ 36 ]}

土壌中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. 土壌の質感
2. 土壌構造。粒状構造を持つきめ細かい土壌は、水の浸透に最も適している。
3. 有機物の量。粗い有機物が最も適しており、地表にあると土壌構造の破壊や土壌クラストの形成を防ぐのに役立ちます。
4. 土壌の深さから、硬盤層や岩盤などの不透水層までの深さ
5. 土壌中にすでに含まれている水分量
6. 土壌温度。暖かい土壌はより速く水を吸収しますが、永久凍土などの凍結した土壌は、凍結の種類によっては水を吸収できない場合があります。^{[ 37 ]}

水の浸透速度は、 粘土質の多い土壌では毎時0.25cmから 、砂質土壌や十分に安定化され凝集した土壌構造では毎時2.5cmまで変化する。^{[ 38 ]}水は、水粒子間の表面張力のため、いわゆる重力フィンガーの形で地面を不均一に流れる。^{[ 39 ] [ 40 ]}

生きているか死んでいるかにかかわらず、木の根は土壌を通る雨水の流れのための優先的な経路を作り出し、^{[ 41 ]}水の浸透率を最大27倍に増幅します。^{[ 42 ]}

洪水は一時的に河床の土壌の透水性を高め、帯水層の涵養に役立つ。^{[ 43 ]}

土壌に施用された水は、局所的に飽和している施用点から、不飽和帯などの飽和度の低い領域へと圧力勾配によって押し出されます。^{[ 44 ] [ 45 ]}土壌が完全に湿潤すると、それ以上の水は下方へ移動する（浸出）か、植物の根の範囲外へ浸透し、粘土、腐植、栄養素（主に陽イオン）、および農薬、汚染物質、ウイルス、細菌などのさまざまな汚染物質を運び、地下水汚染を引き起こす可能性があります。^{[ 46 ] [ 47 ]}溶解度の高い順に、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。土壌組成によって異なる。
• 窒素：通常は少量だが、最近硝酸肥料が施用された場合は除く
• リン：土壌中の形態は溶解度が低いため、ごく少量である。^{[ 48 ]}

雨が降ったときに土壌の大きな孔を通って流れ出る水は重力水と呼ばれる。^{[ 49 ]}

米国では、降雨による浸透水量は、ロッキー山脈のすぐ東ではほぼゼロセンチメートルから、アパラチア山脈やメキシコ湾の北岸では1日あたり50センチメートル以上まで変化する。^{[ 50 ]}

水は土壌固体への水の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^{[ 51 ]} 、マクロポアからミクロポアへと吸引勾配が生じる^{[ 52 ]}。いわゆるリチャーズ方程式は、不飽和土壌中の水の移動による土壌中の水分含有量の時間変化率を計算することを可能にする^{[ 53 ]} 。興味深いことに、ロレンツォ・リチャーズに帰属されるこの方程式は、もともと1922年にルイス・リチャードソンによって発表された^{[ 54 ]。}有限水分含有量不飽和帯流法[ ^{56 ] [ 57]を使用して解くことができる土壌水分速度方程式[55 ]}は、垂直^{方向の不飽和}土壌を通過する水の流速を表す。リチャードソン/リチャーズ方程式の数値解法では、土壌水理パラメータの水理関数（保水関数と不飽和透水係数関数）と初期条件および境界条件を与えることにより、Hydrus ^{[ 58 ]}などのソフトウェアを使用して不飽和水の流れと溶質輸送を計算することができます。優先流は、重力によって水を排出する相互接続されたマクロポア、亀裂、根やミミズの通路に沿って発生します。^{[ 59 ] [ 60 ]}

土壌物理学に基づく多くのモデルでは、優先流を二重連続体、二重多孔性、または二重透過性オプションとして表現することが可能になっていますが、これらは一般的に、厳密な物理的根拠なしにリチャーズ解に「後付け」されています。^{[ 61 ]}

土壌中の水の貯蔵と移動と同様に重要なのは、植物が水と栄養素を獲得する方法です。凝集張力理論によれば、土壌水の大部分は、植物の根から葉まで続く長い水の柱（木部液流）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によって植物に吸収されます。^{[ 62 ]}水と溶質の上昇移動（水力揚水）は、根では内皮によって^{[ 63 ]}、植物の葉では気孔コンダクタンスによって制御され、^{[ 64 ]}根と茎の木部導管では、キャビテーション（木部塞栓症とも呼ばれる）によって中断されることがあります。^{[ 65 ]}さらに、植物の根内の塩の高濃度は浸透圧勾配を作り出し、土壌水を根に押し込みます。^{[ 66 ]}浸透吸収は、低温（例えば夜間）や高湿度によって水分蒸散量が少ない時期に重要になり、高温や低湿度ではその逆の現象が起こります。これらのプロセスがそれぞれ溢泌と萎凋を引き起こします。^{[ 67 ] [ 68 ]}

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 か月栽培された単一の冬ライ麦植物の研究では、植物は 13,800,000 本の根を発達させ、その総長さは 620 km、表面積 は 237 平方メートルでした。また、140 億本の根毛が発達し、総長さは10,620 km、総面積は 400 平方メートルで、総表面積は 638 平方メートルでした。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。^{[ 69 ]}つまり、根は土壌体積の 1.2% にしか接触していませんでした。しかし、根の伸長は動的なプロセスとして捉えるべきであり、新しい根が毎日新しい体積の土壌を探査し、一定の成長期間にわたって探査される土壌の総体積を劇的に増加させ、したがってこの期間に根系によって吸収される水の量も増加させます。^{[ 70 ]}根の構造、すなわち根系の空間配置は、植物の土壌水分と栄養分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。^{[ 71 ]} 

土壌中の不飽和水の流れは1日あたり最大2.5cmの速度でしか移動できないため 、根は水を探し求めなければなりません。その結果、根は土壌水分の高濃度を求めて絶えず枯死と成長を繰り返します。^{[ 72 ]}土壌水分が不足し、萎凋を引き起こすほどになると、永久的な損傷が生じ、作物の収量が減少します。穀物ソルガムが、穂が出てから開花、種子形成の段階まで、土壌吸引力が1300kPaという低さにさらされると、生産量が34%減少しました。^{[ 73 ]}

植物が使用する水のほんの一部（0.1%～1%）だけが植物体内に保持されます。大部分は最終的に蒸散によって失われます。同時に、土壌表面からの蒸発も相当な量であり、蒸散：蒸発比（T/ET）は植生の種類と気候によって異なり、熱帯雨林で最大となり、ステップや砂漠で低下します。^{[ 74 ]}蒸散と蒸発による土壌水分損失を合わせたものを蒸発散と呼びます。蒸発散と植物体内に保持される水を合わせたものが消費使用量であり、これは蒸発散とほぼ同じです。^{[ 73 ] [ 75 ]}

農地で使用される水の総量には、表面流出、排水、消費水が含まれます。緩いマルチを使用すると、畑が灌漑された後しばらくの間は蒸発損失が減少しますが、最終的には、総蒸発損失量（植物と土壌）は覆われていない土壌のそれとほぼ同じになり、植物の成長にすぐに利用できる水の量が増えます。^{[ 76 ]}水利用効率は蒸散比で測定され、これは植物によって蒸散された総水量と収穫された植物の乾燥重量の比率です。作物の蒸散比は300から700の範囲です。たとえば、アルファルファの蒸散比は500になる可能性があり、その結果、500キログラムの水で1キログラムの乾燥アルファルファが生産されます。^{[ 77 ]}