※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。
序章
このドキュメントは、不飽和帯の土壌物理調査の背景情報を提供します。土壌特性と土壌水分の状態の決定に使用される国際規格 (ISO 10573, ISO 11267, ISO 11274, ISO 11275, ISO 11461 など) をよりよく理解することができます。
土壌は、液体 (水)、気体、および生物相が固体の多孔性マトリックス内に密接に混合されたもので構成されています。水は特に重要な土壌成分です。土壌中の水の状態は、水の流入 (浸透、上向きの毛管フラックス) および/または蒸発散と排水による損失によって引き起こされる水圧条件の変更に応じて、絶えず変化します。飽和土壌は一般に、総土壌体積の 30% から 50% の含水量を持っています。上部の不飽和層では、量は少なくなりますが、土壌と環境に応じて、体積で 10% 未満から 30% 以上まで、時間の経過に伴う含水量の変動が顕著です。場合によっては、大雨の後や春先など、飽和状態になることもあります。
土壌中に存在する水の量に関する知識は役に立ちます。スメクタイトまたは同様の鉱物が支配的な土壌など、鉱物粒子の表面に吸着されたかなりの量の容易に除去できない水を保持することができますが、ほとんどの土壌水分は細孔空間に保持されます。細孔のサイズと形状、およびその中に存在する水の量によって、そこに水が保持される強さと、水が通過する容易さが決まります。水の流れは、ポテンシャル エネルギー勾配に応じて発生します。したがって、土壌の保水および透水係数の特性、ならびに圃場の土壌水分ポテンシャルに関する情報は、土壌の水分状態をより完全に理解するのに役立ちます。特定のプロジェクトでこれらの土壌特性のどれを決定する必要があるかは、調査対象の問題の性質によって異なります。
土壌の質は、土壌の用途によってのみ定義できます。たとえば、自然の湿地に適した土壌水分条件は、米以外の穀物生産には適していません。土壌の質は、環境問題や農業生産に特に関連しています。特に重点が置かれている場合は、土壌水分の特性を知る必要があります。
- a)植物の成長を維持するための土壌水分の利用可能性、
- b)浅瀬の水面条件の維持または変更、
- c)点、線、または拡散汚染源による土壌汚染。
さらに、土壌水分は地表水と地下水の質にとって重要です。土壌水の移動は、多くの場合、可溶性汚染物質が地表水と地下水に運ばれるメカニズムです。
水は、植物の生命にとって重要な役割を果たします。水はそのままで、栄養素を土壌から植物へ、または植物を通して輸送します。種子の発芽にも重要です。農業生産は、水ストレスを最小限に抑えるために、作物への水の供給を維持することに依存しています。過剰な土壌水分は問題ですが、利用可能な間隙の多くが水で満たされた場合、酸素の欠乏により根の成長が制限され、極端な場合には植物の死に至る可能性があります.土壌水分の利用可能性は、特定の場所で生育する自然植生の特性を決定する上で重要な場合がよくあります。特定の植物群落の維持は、定期的な水ストレスおよび/または水過剰に依存する場合があります。工場の水の使用は、大気中の蒸発需要によって促進されます。蒸散に利用できる水の量は、土壌の水分含有量、保水曲線、不飽和帯の透水係数など、いくつかのパラメーターによって定量化できる土壌の物理的品質によって決まります。
多くの場合、帯水層への涵養率や工場の水の使用による排水、ひいては水位の維持を決定するのは土壌被覆です。浅層地下水抽出の農業および環境への影響の評価は、土壌の物理的および水文地質学的方法の使用によって促進されます。水の移動の方向と速度を理解するには、飽和ゾーンと不飽和ゾーンの両方における間隙水ポテンシャルと透水係数の測定が不可欠です。
汚染物質は、拡散、点または線の汚染によるものであるかに関係なく、通常、水流によって土壌を通って運ばれます。汚染物質は通常、水の流れによって地表から運ばれます。特定の汚染物質が土壌に侵入したり通過したりする過程で、多くのプロセスがその運命に影響を与えます。水の流れの経路と流量の特定は、汚染物質の移動時間と、劣化または収着に関連する遅延の可能性を判断するために不可欠です。不飽和帯を超えて移動する水と汚染物質は、地表水および/または地下水汚染を引き起こします。したがって、土壌物理調査は汚染研究の重要な部分です。
土壌水分は、農業、林業、環境研究、水文学、水文地質学、土木工学など、さまざまな土壌および地球科学のいくつかの分野の調査に関連しています。それぞれが独自の調査方法を開発しており、その多くは重複しています。環境および農業目的で土壌水と土壌の質を考慮する場合、その目的は、土壌の質の状態の評価を可能にする方法論の十分な統合であるべきです。土壌の質を扱う組織は、土壌水分測定の標準化された方法、定義、単位、および記号の標準化されたセットにアクセスできる必要があります。これにより、決定の信頼性が保証され、他の場所の結果との比較が可能になります。
条項 4 の不飽和帯における土壌水の物理学の単純化された理論は、参考文献 [3] および [5] とほぼ一致しています。
Introduction
This document provides background information for soil physical investigations of the unsaturated zone. It enables a better understanding of the International Standards used for the determination of soil properties and the status of the soil water (e.g. ISO 10573, ISO 11267, ISO 11274, ISO 11275, ISO 11461, etc.).
Soil comprises an intimate mix of liquids (water), gases and biota within a solid porous matrix. Water is a particularly important soil component. The state of water in a soil changes continually in response to modifications of hydraulic conditions caused by inputs of water (infiltration, upward capillary flux) and/or losses due to evapotranspiration and drainage. Saturated soils generally have a water content of 30 % to 50 % of the total soil volume. In the upper unsaturated layers quantities are smaller, but water content fluctuation with time is marked, from less than 10 % to more than 30 % by volume, depending on the soil and environment. In some cases, for example after heavy rain, in early spring, saturated conditions should also appear.
Knowledge of the quantity of water present in soil is useful. Most soil water is held in pore spaces, although certain soils, e.g. those dominated by smectites or similar minerals, can hold considerable quantities of non-easily-removable water adsorbed on mineral particle surfaces. The size and shape of a pore and the amount of water present within it determine how strongly water is held there and how easily water may flow through it. Water flow occurs in response to potential energy gradients. Therefore information as to the water retention and hydraulic conductivity properties of a soil, as well as field soil water potentials, gives much fuller understanding of soil water conditions. Which of these soil properties should be determined for a particular project will depend on the nature of the problem being studied.
Soil quality can only be defined in terms of the intended use of a soil; e.g. soil water conditions favourable for a natural wetland are not appropriate for grain production, except rice. Soil quality is particularly relevant to environmental issues as well as agricultural production. Soil water characteristics should be known, especially those where the emphasis is on
- a) the availability of soil water to sustain plant growth,
- b) the maintenance or modification of shallow water table conditions,
- c) soil contamination caused by point, line or diffuse sources of pollution.
In addition, soil water is significant to the quality of surface and ground waters. Soil water movement is often the mechanism by which soluble pollutants are transported to surface and ground waters.
Water plays an essential role in the life of plants, directly as such and in transporting nutrients from the soil to and through the plant; it is also crucial to seed germination. Agricultural production depends upon sustaining a supply of water to crops so that water stress is minimized. Excess soil water is problematic, however, for if much of the available pore space is water-filled, lack of oxygen may limit root growth, and in extreme cases lead to plant death. Soil water availability is often significant in determining the character of the natural vegetation which grows in a given location. Maintenance of a given plant community may depend upon regular periods of water stress and/or water excess. Plant water use is driven by the atmospheric evaporative demand. The amount of water available for transpiration is determined by the physical quality of the soil, which can be quantified by several parameters including the soil water content, the water retention curve and the hydraulic conductivity of the unsaturated zone.
In many cases, it is the soil cover which determines recharge rates to the aquifer, as well as discharge due to plant water use, and hence maintenance of water levels. Assessment of the agricultural and environmental impact of shallow ground-water extraction is facilitated by use of soil physical and hydrogeological methods. Measurements of pore-water potentials in both the saturated and unsaturated zones, and of hydraulic conductivities, are essential to understand the direction and rate of water movement.
Pollutants, whether due to diffuse, point or line contamination, are usually transported through soil by water flow. Pollutants are usually transported from the surface by water flow. Many processes influence the fate of a particular pollutant as it moves into and through the soil. Identification of water flow pathways and flowrates is essential to determine pollutant travel times and the possibility of degradation or sorption related retardation. Water and pollutants which move beyond the unsaturated zone cause surface and/or ground water pollution. Soil physical investigations are therefore an important part of pollution studies.
Soil water is relevant to the investigations of several branches of the various soil and earth sciences, including agriculture, forestry, environmental studies, hydrology, hydrogeology and civil engineering. Each has developed its own methods of investigation, many of which overlap. In considering soil water and soil quality for environmental and agricultural purposes, the aim should be satisfactory integration of methodologies to permit the evaluation of soil quality conditions. It is important that organizations dealing with soil quality should have access to standardized methods of soil water measurement, and a standardized set of definitions, units and symbols, so that reliability of determinations is assured, and comparisons with results from elsewhere are possible.
The simplified theory of the physics of soil water in the unsaturated zone in clause 4 is broadly in line with references [3] and [5].