土壤传感器
传感技术为智能农业做出贡献的可能性（东北农田再生篇）——土壤传感器的力量使农业大数据的获取变得更容易
全球变暖引起的气候变化导致气温上升和海平面上升，全球在不断出现干旱的同时，因大雨造成的损害也在不断增加。世界各地的海洋和陆地都遭受到各种不良影响。其中，对农田土壤带来的不良影响是，造成植物停止生长等农业危害，严重影响到食物供给的稳定性。想要实现可持续性农业，就需要对遭受不良影响的土壤尽快采取应对措施。
2011年日本发生的东日本大地震使大规模的农田因海啸受到损害。由于担忧农作物会因海水入侵遭受盐害，所以在灾后重建工作中，对受灾农田广泛实施了除盐作业。并且还以除盐后的农田为对象，开展了活用土壤传感器进行盐分浓度观测的实证试验。传感技术能为农业做出什么样的贡献呢？为此我们采访了原东北大学研究生院的菅野均志副教授，向他了解了一下有关除盐作业的概要以及传感技术在智能农业中的活用。
全球变暖会给土壤和农作物带来哪些危害呢？
――据说盐害会给农业带来严重危害，那么对于农业来说土壤有多重要呢？
土壤有适合作物生产的土壤和并非如此的土壤。即使说是“适合作物生产”，这其中也包括各种各样的因素。例如从物理性方面来说，关键是土壤要具备良好的排水性，不会影响到农作物的根部生长。另外，从化学性方面来说，土壤要能很好地供给农作物所需的养分水分。从生物性方面来说，土壤要具备多种微生物和生物，并非是只繁殖特定病原菌之类的偏颇性质。这些方面都受到重视。
实际上并不能这样单纯区分，根据不同目的，适于农业的土壤的性质也不同。
――您在自身专业的土壤学中，具体开展什么样的研究？
土壤学是从多个方面开展研究的一门学问，例如土壤是如何形成的、具有什么样的成分和特性、如何利用等。在这当中，我的专业领域是土壤肥料学。一直以来主要研究植物的生长和养分吸收，因土壤和作物的相互作用会发生怎样的变化。
――受全球变暖的影响，气候变化正在不断蔓延全世界，土壤学方面存在哪些课题呢？
在日本，因暴雨等引起的水灾大多与全球变暖有关。而另一方面，世界上也存在一些地区，担心受气候变化的影响会降雨减少。而这类地区开始出现的问题是土壤中的盐类聚集和对农作物造成的盐害。
――为什么降雨量少会造成盐害呢？
在日本这样全年都会下雨的湿润地带，雨水量多于从地表蒸发的水量，所以土壤中不易残留盐分。而在半干旱地带，地下水上升到地表蒸发的水量多于雨水量。其结果就是，地下水中含有的盐分会停留在地表附近（盐类聚集），有时这就会成为导致作物盐害的原因。另外，不适当的灌溉有时也会引起农田的盐类聚集。
――也就是说，发生盐害后土壤的性质发生变化，同时也会影响农作物的生长。
盐害对农作物造成的主要影响是，受植物根部生长深度的土壤中聚集的盐分浓度的影响，农作物的水分吸收会受到抑制，养分也会严重失衡。作物会因此而无法正常吸收必要的养分水分。
另外，盐害有时也会对土壤的物理性和生物性产生影响，因此，土壤如果出现盐分聚集，就会变成不适合作物生产的土壤。
在东日本大地震后的海啸受灾地盐害调查中活用土壤传感器
――在2011年发生的东日本大地震中，以东北地区的太平洋沿岸部为中心的农田因海啸而严重受灾，除了用水排水设施的损坏、瓦砾等异物的流入、土壤流失的灾害以外，海水入侵对作物生产造成的影响（盐害）也非常令人担忧（照片1）。
那是一次极其罕见的大范围海水入侵灾害，但在日本是有可能发生的。海啸导致海水的盐分大量流入农田，造成土壤的盐分浓度暂时性上升。由于这种状态无法种植农作物，所以在灾后重建工作中，开展了大规模的除盐作业，将淡水渗透至地下来冲去盐分。
淹灌几天淡水，等水田中的水位下降后，测量土壤的盐分浓度。如果浓度依然很高，则反复进行淡水淹灌作业。以此操作流程为基础，将盐分浓度降低到了不影响作物生产的水平（基准值）。
灾后重建工作的除盐作业主要从2011年开始实施3年。第1年以内陆的海水入侵地区为中心，第2年和第3年以沿岸部的海啸受灾严重地区为中心开展实施。最后，近99%的重建地区在3年内完成了除盐工作。
――对除盐后的农田盐分浓度进行时变性测量时，使用了土壤传感器是吗。
在发生震灾两年后的2013年，东北大学和村田制作所联合开展了“海啸受灾农田的多模式传感器的实证实验”，在该项实验中，他们向宫城县3处受灾地的农户提出请求，希望能在完成除盐作业的一部分水田里，插入土壤传感器进行监测。他们实施的无线环境监测系统的实证实验是，在1块插秧后的水田中，以10cm、20cm、30cm的深度分别在多处埋入土壤传感器，通过无线通信，持续收集整个种植期间的数据。
用于实证试验的土壤传感器是能够同时监测地温和EC（*1）值的多模式（*2）土壤传感器，因为土壤中的盐分含量越高，电流就越容易流动，所以就将测量出的EC值作为盐分浓度的指标加以使用，并对其变化进行了持续性观测。
*1 指“导电性(Electrical Conductivity)”，表示电流的流动性。单位是S/m（西门子每米）。因为流动的电流会根据土壤水分中含有的离子浓度的变化而变化，所以也就是盐分浓度的指标。
*2 指能够同时处理多个数据的方式。该项实证实验使用了具有温度传感器功能和EC传感器功能的多模式传感器。
――请您为我们具体讲解一下在实证实验中是如何使用土壤传感器测量盐分浓度变化的？
最初的方式是，通过无线通信将土壤传感器每30分钟测量到的地温和EC值的数据发送到设置在水田旁的无线环境监测系统的母机上，并积累在存储卡中。我们每两周去水田回收一次存储卡，并把数据输入电脑，观测数值的变化。另外，利用回收的机会，在埋有土壤传感器的周边插入土钻，采集不同深度的土壤样品。并且使用这些土壤样品，通过以往的方法来测量土壤EC值，同时还与土壤传感器测量到的EC值进行了比较（照片2）。
――通过该项实证实验，您发现了哪些传感器活用的可能性呢？
我认为，通过无线环境监测系统，用土壤传感器进行测量的话，可以在多处同时且持续获取到数据。这样一来，不仅可以分析盐分浓度的场所和不同深度的变化，还可以分析发生变动的环境因素。例如，下雨后，或排掉水田里的水以备收割水稻时等，还可以精密地观测到因天气变化和农业生产工程的影响等导致的盐害风险。另外，值得庆幸的是，实证实验中使用的所有水田在种植期间也都没有确认到盐分浓度的上升。
智能农业中活用传感器的课题是与以往资产的数据连携
――您对传感技术在未来智能农业中的重要性有什么看法？
在2013年的实证实验中，能持续每30分钟获取到数据，对我来说是未曾有过的体验。以往测量土壤EC值的方法是，采集土壤样品，测量其水悬浮液的EC值。每次采取样品，都需要前往现场。测量频度也是每周或每月一次。如果没有传感器，像这样每30分钟1次的持续性测量是不可能实现的。换句话说，如果活用传感器，就能简单地获取到与农业相关的大数据。我认为这对未来的智能农业至关重要。
另一方面，使用土壤传感器测量EC值的方法实际上与我们在农学领域测量盐分浓度时使用的土壤EC值的测量方法略有不同。在农学领域，通常会测量水和土壤混合的水悬浮液的EC值（土壤EC值），用其来判断土壤的盐分浓度。然而土壤传感器测出的EC值是间隙水的盐分浓度和各种土壤特性的复杂函数。因此，土壤EC值和通过土壤传感器得到的EC值之间的关系，有可能会因土壤种类和水分状态的不同而发生变化，所以如何详细了解两者之间的关系性是存在的课题。
――未来将如何填补这种数据相关性的差距呢？
在今后的研究中，需要将过去测量的大量有关土壤的数据和用传感器新测量到的数据结合起来进行研究。我听说从2022年6月到2023年3月，将进行“分析地表根系水稻盐害耐受性因素的实证实验”，届时会使用东北大学和村田制作所联合开发的进化后的新土壤传感器，能够积累到结合以往数据的新数据。
――像这样逐一去解决存在的课题，会有助于实现农业领域的DX（数字化转型）和智能农业等是吗。
土壤不是会突然发生变化的东西，所以土壤分析并不太需要收集实时性的数据。而另一方面，在产量（农作物的收获量）出现多少差异等农作物生长模型的研究中，却需要温度、水分状态、日照、风向、甚至肥料的用量和内容等各种各样的数据。一直以来，人们都是利用每个固定期间的气温、地温、水分状态的平均值来构建产量预测模型的。
对使用土壤传感器等环境监测系统获取的观测值加以活用，一定会对此类研究做出重大贡献。我认为，活用各种各样的传感器，可以实时获取更多的数据，进行更高精度的产量预测，还可以思考方案来修正以往的生长模型，不断推进研究。
菅野均志
原东北大学研究生院副教授。专业是土壤学“了解土壤和植物的相互作用，阐明受火山灰影响的土壤特性与形成等”。1968年出生于宫城县，毕业于东北大学农学部。研究生院前期课程中途退学后，历任同大学的教务职员、助手、助教，自2017年4月起任副教授（土壤立地学领域）。2022年3月末从大学提前退休，目前在学习自家的农业。著作有《Inorganic Constituents in Soil : Basics and Visuals（合著）》（施普林格新加坡出版社）、《土壤的秘密--食物·环境·生命--（分担执笔）》（朝仓书店）、《最新农业技术土壤施肥vol.4--挑战东日本大地震的农田污染--（分担执笔）》（农文协）、《新版 如何教授土壤（分担执笔）》（古今书院）等。
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