水分保持曲線

水分保持曲線の概要

水分保持曲線とは、土壌の水ポテンシャル（ψ）とその土壌における含水率（θ）との関係を示すグラフです。この曲線は、土壌水分特性とも呼ばれ、土壌の種類によってその形状が異なるため、土壌の特性を理解する上で非常に重要な指標となります。

水分保持の重要性

水分保持曲線は、土壌がどの程度の水分を保持できるか、また植物に対してどれくらいの水分供給が可能かを予測するために利用されます。特に農業分野では、圃場容水量（農地が保持できる水分量）の把握や、土壌の団粒構造の安定性を評価するために重要です。

土壌内に水が入る時と抜ける時では、異なる挙動を示すことがあり、この現象をヒステリシス効果と呼びます。それにより、各プロセス（吸水過程と排水過程）で異なる曲線が現れることがあります。また、水分保持曲線を理解することで、土壌が飽和状態に近い時の水の留まり方や、乾燥した状態での水の保持の仕方について知ることができます。

土壌種類による特性

体積含水率θがマトリックポテンシャルΨに対してプロットされた水分保持曲線から、いくつかの特性が読み取れます。特に、ポテンシャルがゼロに近づくと土壌は飽和し、主に表面張力によって水分が保持されます。含水率が減少するにつれて、水はより強く保持され、土壌の非常に小さな隙間に強く吸着されるため、粒子間の接触点にフィルム状に吸着します。

例えば、砂質土は主に水を毛管力で保持するため、高いポテンシャルで水が抜けやすいのに対し、粘質土は分子間力や浸透圧によって水を保持するため、より小さなポテンシャルまで水が抜けない特性があります。さらに、同じポテンシャルで比較した場合において、通常泥炭土は粘質土に比べて高い含水率を持ち、また粘質土は砂質土に比べても高い含水率を示します。これらの特性は、土壌の間隙率や水分保持特性に大きく依存しています。

モデルとそのパラメータ

水分保持曲線の形状を特徴づけるために、いくつかのモデルが提案されています。その中で、van Genuchtenモデルが広く用いられています。このモデルは次のような数式で表現されます：

$$
θ(ψ) = θ_r + \frac{θ_s - θ_r}{[1 + (α|ψ|)^n]^{1 - \frac{1}{n}}}
$$

ここで、θ(ψ)は水分保持曲線を示し、|ψ|は吸引圧を表しています。θ_sは飽和体積含水率、θ_rは残留体積含水率を示し、αは空気侵入圧に関連するパラメータです。nは間隙径の分布に影響を与えるパラメータとなっており、これらの関係を基にして、土壌の不飽和透水係数との関係を予測するモデルも開発されています。

歴史的背景

水分保持曲線の研究は1907年にエドガー・バックイングによって始まりました。彼は、砂から粘土までの異なる土壌について実験を行い、その結果を基に最初の水分保持曲線を作成しました。研究は48インチの土壌カラムを使用し、側面からの給水によって下部で一定の水位を保つ方法で行われました。この実験により、土壌の異なる物理的特性を理解するための基礎が築かれました。

参考文献

• - Brady, N.C. (1999). The Nature and Properties of Soils (12th ed.). Prentice-Hall. ISBN 0-13-852444-0.

このように、水分保持曲線は土壌科学における重要な要素であり、農業や環境管理においても非常に重要な視点を提供しています。

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