土壌水分モニタリングとNPK+EC+pHリアルタイム分析の実務ガイド

Summary

土壌水分・NPK・EC・pHを10〜60秒周期でリアルタイム計測し、施肥量を最大30％削減、収量を10〜20％向上させるスマート農業向けモニタリング手法を解説。LoRaで1km超伝送し、クラウド解析により灌水・施肥を自動制御する設計・運用ポイントを示す。

Key Takeaways

土壌水分センサーを30〜60cm間隔、深さ20〜40cmに配置し、10〜60秒周期でサンプリングして灌水量を20〜40％最適化する
NPKセンサーは0〜2000mg/kgレンジ、分解能1〜5mg/kgの機種を選定し、施肥量を15〜30％削減しつつ収量を10〜20％向上させる
ECセンサーは0〜20mS/cm、精度±2％F.S.以上を採用し、塩類集積リスクを可視化して排水・灌水戦略を立案する
pHセンサーはpH4〜9、精度±0.1pHの耐土壌型を選び、pH6.0〜6.8を維持することでN・P・K吸収効率を5〜15％改善する
LoRa/LoRaWANで1〜5km（見通し）通信を構成し、1ゲートウェイあたり50〜200ノードを収容して圃場全体をカバーする
データロガーで1〜5分間隔の送信間引きを行い、バッテリー＋10〜20Wソーラーにより2〜5年の無人運用を実現する
時系列解析としきい値制御を組み合わせ、土壌水分θv 20〜30％、EC 2mS/cm以下を維持する自動灌水アルゴリズムを構築する
導入前に3〜5年分の収量・施肥・灌水データを整理し、初年度ROI 10〜25％、3年累計ROI 50〜100％を目標に投資判断する

土壌水分・NPK・EC・pHリアルタイム分析の概要

スマート農業では、経験則に依存した「勘とコツ」の灌水・施肥管理から、定量データに基づく精密管理への移行が急速に進んでいます。その中核となるのが、土壌水分とNPK（窒素・リン・カリウム）、EC（電気伝導度）、pHをリアルタイムで計測する土壌センサーシステムです。

従来の土壌診断は、採土→ラボ分析→結果取得までに数日〜数週間を要し、その間に圃場条件が変化してしまうという課題がありました。リアルタイム計測を導入することで、10〜60秒オーダーで土壌状態を把握し、灌水・施肥・土壌改良を即時にフィードバックできます。

特に以下のようなB2Bユースケースで導入効果が顕著です。

10ha以上の大規模露地栽培（野菜・穀物・飼料作物）
高付加価値ハウス栽培（トマト・イチゴ・花卉など）
果樹園・茶園・ブドウ園など長期作物
アグリビジネス企業が運営する契約農場・実証圃場

これらの現場では、1〜2％の収量変動が数百万円規模の収益差につながるため、センサー投資のROIが明確に見込めます。

技術的ディープダイブ：センサーとシステム構成

土壌水分センサーの原理と設計

土壌水分は、作物生育と肥料溶脱・塩類集積に直結する最重要パラメータです。主な測定方式は以下の通りです。

TDR（Time Domain Reflectometry）
- 特徴: 高精度（±1〜2％vol）、校正安定
- 課題: コスト高、回路が複雑
FDR/キャパシタンス方式
- 特徴: 構造がシンプル、低コスト、消費電力が小さい
- 課題: 土壌ごとのキャリブレーションが必要

B2B用途では、コストとスケーラビリティの観点からFDR/キャパシタンス方式が一般的です。設計時のポイントは次の通りです。

測定レンジ: 0〜60％vol（体積含水率）
精度: ±2〜3％vol以上
測定深度: 作物の主な根域（例：野菜20〜30cm、果樹40〜60cm）
設置本数: 1haあたり3〜10ポイント（地力と地形のばらつきに依存）
サンプリング周期: 10〜60秒、送信周期は1〜5分に間引き

NPKセンサー：イオン選択電極と光学方式

NPKをリアルタイムで測定するには、以下のアプローチがあります。

イオン選択電極（ISE）方式
- N（NH4+、NO3-）、P（H2PO4-）、K+をそれぞれ専用電極で測定
- レンジ: 0〜2000mg/kg（作物・土壌により設定）
- 精度: ±5％F.S.程度
- メリット: 連続測定が可能
簡易光学・比色方式
- 土壌抽出液をLED＋フォトダイオードで測定
- メリット: センサーコストが低い
- デメリット: 自動連続測定には工夫が必要

実運用では、ISE方式のマルチイオンセンサーを用い、以下を満たす仕様が望まれます。

N: 0〜1000mg/kg、分解能1〜2mg/kg
P: 0〜500mg/kg、分解能1〜2mg/kg
K: 0〜1000mg/kg、分解能1〜5mg/kg
動作温度: 0〜50℃、自動温度補償機能付き

ECセンサー：塩類ストレスと施肥効率の指標

EC（電気伝導度）は、土壌溶液中の総イオン量を示し、施肥過多や塩類集積を早期に検知する指標です。

測定方式: 2極または4極導電率セル
レンジ: 0〜20mS/cm（施設園芸では0〜10mS/cmが主用途）
精度: ±2％F.S.以上
校正: 1.41mS/cm、12.88mS/cm標準液で年1〜2回

一般に、多くの作物で土壌水溶液ECが2mS/cmを超えると塩ストレスが発生しやすくなります。リアルタイムEC監視により、

施肥設計の見直し（濃度・頻度）
灌水量・ドレン率の調整
排水・客土などの土壌改良タイミング

を定量的に判断できます。

pHセンサー：養分可給性と金属毒性のバランス

pHはNPKの可給性、微量要素の溶解度、アルミニウム毒性などに影響するため、リアルタイム監視の価値が高い指標です。

センサー方式: ガラス電極、ISFET（半導体）電極
レンジ: pH4〜9（農地用途）
精度: ±0.1pH
温度補償: 自動補償機能を内蔵

多くの畑作・野菜で目標pHは6.0〜6.8、ブルーベリーなど酸性好み作物では4.5〜5.5が指標となります。リアルタイムpHデータは、石灰施用量の設計や、液肥・養液のpH管理に直結します。

通信・電源アーキテクチャ

圃場全体をカバーするためには、低消費電力・長距離通信と自立電源が必須です。

通信方式
- LoRa/LoRaWAN: 見通し1〜5km、1ゲートウェイあたり50〜200ノード
- Sub-GHz独自プロトコル: プライベートネットワーク構築向け
- セルラー（LTE-M/NB-IoT）: 遠隔圃場やゲートウェイ〜クラウド間に利用
電源構成
- ノード: 3.6Vリチウム電池＋2〜5Wソーラーパネル
- ゲートウェイ: 20〜50Wソーラー＋バッテリー、または商用電源
- 目標: メンテナンスなしで2〜5年連続運用

クラウド・分析レイヤー

センサーデータはクラウドに集約し、以下の分析・制御に利用します。

ダッシュボード表示（マップ＋グラフ）
アラート通知（SMS/メール/アプリ）
自動制御（灌水バルブ、液肥混入機、換気装置など）
時系列解析・機械学習による収量予測

データモデルとしては、1ノードあたり以下のタグを持つ構成が一般的です。

soil_moisture_vol[%]
soil_temp[℃]
N_mgkg, P_mgkg, K_mgkg
EC_mScm
pH
battery_V, rssi_dBm（運用監視用）

アプリケーションとビジネスケース

露地栽培における水・肥料コスト削減

10〜50ha規模の露地栽培では、灌水・施肥コストが総コストの20〜40％を占めるケースが多く、リアルタイムモニタリングによる削減効果が大きくなります。

土壌水分センサーを1haあたり3〜5ポイント設置
NPK＋EC＋pHセンサーを代表地点に1〜2セット設置
ゲートウェイ1台で10〜20haをカバー

導入効果の一例：

灌水量: 15〜30％削減（ポンプ電力も同時削減）
施肥量: 15〜25％削減（窒素肥料中心）
収量: 5〜10％向上
品質ばらつき: 等級落ち率5〜15％低減

これにより、初期投資（センサー・ゲートウェイ・クラウド）の回収期間は2〜4年が現実的な目安となります。

施設園芸・高付加価値作物でのプレミアム戦略

ハウス栽培や果樹園など高付加価値作物では、品質安定とブランド価値向上が主なKPIとなります。

養液栽培: EC・pH・NPKを10〜30秒周期で監視し、自動制御
高糖度トマト: ストレス灌水制御により糖度1〜2°Brix向上
ワイン用ブドウ: 水分ストレス制御により糖酸バランスを最適化

これらのケースでは、単純なコスト削減以上に、

契約単価の5〜15％上昇
出荷ロットのクレーム率低減
GAP・有機認証取得に向けたトレーサビリティ強化

といったビジネス価値が期待できます。

データ駆動型営農指導・契約栽培モデル

アグリビジネス企業やJA、食品メーカーが契約農家にセンサーを配備し、

中央の営農指導センターでデータを一元管理
AIによる施肥・灌水レコメンドを配信
品質・収量のばらつきを抑制

といったモデルも現実化しています。これにより、

工場の原料受け入れ品質の安定
サプライチェーン全体での在庫・廃棄ロス削減
ESG・サステナビリティレポートでの定量的指標提示

が可能になり、B2Bバリューチェーン全体の最適化に貢献します。

比較・選定ガイド

センサー方式・仕様の比較

項目	選択肢	推奨レンジ/仕様	メリット	留意点
土壌水分	FDR/キャパシタンス	0〜60％vol, ±3％	低コスト・量産向き	土壌別キャリブレーション
土壌水分	TDR	0〜60％vol, ±2％	高精度・長期安定	高価・設置工数大
NPK	ISE	N/P/K 0〜1000mg/kg	連続測定可	電極寿命1〜3年
EC	導電率セル	0〜20mS/cm, ±2％F.S.	シンプル・堅牢	定期洗浄・校正必要
pH	ガラス電極	pH4〜9, ±0.1pH	実績豊富	破損リスク・補充液管理
pH	ISFET	pH4〜9, ±0.1pH	耐衝撃・小型	コスト高

通信方式の選定

条件	推奨方式	特徴
圃場〜5km、セルラー不安定	LoRa/LoRaWAN	低消費電力、プライベート網構築可
広域・既存LTEカバレッジ良好	LTE-M/NB-IoT	キャリア網利用、管理容易
小規模圃場（〜数百m）	Sub-GHz独自	シンプル構成、初期費用抑制

導入ステップと評価指標

パイロット圃場（1〜5ha）での実証（6〜12ヶ月）
事前・事後のKPI比較
- 灌水量[m³/ha]
- 施肥量[kgN・kgP2O5・kgK2O/ha]
- 収量[t/ha]
- 等級別出荷比率[%]
経済評価
- 初期投資額（センサー・通信・クラウド）
- 年間運用費（通信料・保守）
- 年間便益（コスト削減＋収益増加）
- 投資回収期間（目標2〜4年）

FAQ

Q: 土壌水分・NPK・EC・pHをすべてリアルタイムで測る必要はありますか？ A: すべてを同時にリアルタイム監視するかどうかは、作物と目的によって異なります。水ストレス管理が主目的であれば、土壌水分＋ECで十分なケースもあります。一方、施肥コスト削減や環境負荷低減を重視する場合は、NPKの連続モニタリングが有効です。高付加価値作物や研究目的では、NPK＋EC＋pHを組み合わせることで、施肥設計と生育反応の因果関係をより精緻に把握できます。

Q: センサーはどのくらいの間隔で設置すればよいですか？ A: 一般的には、土壌水分センサーは1haあたり3〜10ポイントが目安です。地形や土壌条件が均一な圃場では少なめ、不均一な圃場では多めに配置します。深さは作物の主根域（野菜20〜30cm、果樹40〜60cm）に合わせ、必要に応じて2層設置します。NPK・EC・pHセンサーはコストが高いため、代表地点に1〜2セット設置し、他の地点は土壌水分のみというハイブリッド構成が現実的です。

Q: センサーのキャリブレーションやメンテナンス頻度はどの程度必要ですか？ A: 土壌水分センサーは、設置時に土壌サンプルを用いた1回のキャリブレーションで、数年程度運用できるケースが多いです。EC・pH・NPKの電気化学センサーは、標準液を用いた年1〜2回の校正が推奨されます。粉塵や泥の付着が多い環境では、月1回程度の清掃が望ましく、電極寿命は通常1〜3年です。B2B運用では、年次保守契約を結び、定期点検と交換計画を立てることがリスク低減につながります。

Q: リアルタイム分析データをどのように灌水制御に活用できますか？ A: 基本的なアプローチは、土壌水分の目標レンジ（例：体積含水率20〜30％）を設定し、下限を下回ったら灌水開始、上限に達したら停止するしきい値制御です。これにECデータを組み合わせ、ECが2mS/cmを超えた場合は一時的に灌水量を増やして塩分を洗い流すなどのロジックを加えます。さらに、天気予報や蒸発散量モデルと連携することで、翌日の日射・気温を見越した予測制御も可能となり、過不足のない水管理が実現します。

Q: NPKリアルタイムモニタリングの精度は、ラボ分析と比べてどうですか？ A: ラボ分析は標準化された手法により高い精度（誤差数％）が期待できますが、採土から結果取得までの時間遅れが大きいという課題があります。ISE方式のNPKセンサーは、土壌条件や温度の影響を受けやすく、絶対値の精度ではラボに劣ることが一般的です。ただし、相対的な変化やトレンドを追う用途には十分であり、ラボ分析を年1〜2回実施し、センサー値との相関をとることで、実務上有用なキャリブレーションが可能です。

Q: 通信インフラが弱い地域でもリアルタイムモニタリングは可能ですか？ A: セルラー通信が不安定な地域でも、LoRaやSub-GHz無線を用いたプライベートネットワークで圃場内のデータ収集は可能です。ゲートウェイからクラウドへのバックホールは、セルラーが使えない場合、Wi-Fi、衛星通信、あるいは圃場内ローカルサーバーでのオンプレ運用という選択肢があります。リアルタイム性の要件に応じて、数分〜数時間単位のバッチ送信に切り替えることで、インフラ制約を緩和しつつ運用することも現実的です。

Q: 初期投資が高そうですが、どのようにROIを評価すればよいですか？ A: ROI評価では、(1)水・肥料・電力などの直接コスト削減、(2)収量・品質向上による売上増、(3)労務削減やトレーサビリティ強化などの間接効果を分けて算定します。例えば、10ha圃場で年間施肥コスト300万円、灌水関連コスト200万円とすると、20％削減で年間100万円の便益になります。収量5％向上で売上が200万円増加すれば、合計300万円/年の効果です。初期投資600万円であれば、単純回収期間は約2年となり、B2B投資として十分な水準といえます。

Q: センサー導入にあたり、現場オペレーターのITリテラシーが心配です。 A: 現場負担を最小化するには、UI/UX設計と運用体制が重要です。ダッシュボードは専門用語を避け、「OK/注意/危険」の3段階表示や色分けなど直感的なデザインにします。また、日常業務は自動制御とアラート通知に任せ、オペレーターは異常時対応と週次レポート確認に集中できるようにします。初年度はベンダーや営農指導員による伴走支援を組み込み、段階的に運用スキルを移管するのが現実的です。

Q: 土壌条件が大きく異なる圃場でも、同じセンサー設定で運用できますか？ A: 砂質土・粘土質土・有機質土では、同じ含水率でも作物が感じる水ストレスが異なるため、センサー値の解釈としきい値は土壌タイプごとに調整する必要があります。導入初年度に、各圃場での土壌分析結果（粒度組成、有機物、CECなど）とセンサー値、生育状況を紐づけて評価し、圃場別の目標レンジを設定することが重要です。これにより、同一ハードウェアでもソフトウェア設定の最適化で精度の高い管理が可能になります。

Q: 規格や標準に準拠する必要はありますか？ A: 国際的には、センサーそのものよりも、通信・安全・インターフェースに関する標準が重要です。無線通信ではIEEEやLoRaWAN仕様、電気安全ではIECやULの関連規格への準拠が求められる場合があります。また、データ連携の観点からは、OCPPや各種IoTプラットフォームのAPI仕様に合わせることで、将来の拡張性が高まります。公共案件や補助金事業では、特定の規格準拠が要件化されることもあるため、事前確認が不可欠です。

References

IEEE (2020): IEEE 802.15.4-2020 – Low-Rate Wireless Networks for IoT and sensor applications, including agricultural monitoring
IEC (2019): IEC 61010-1:2019 – Safety requirements for electrical equipment for measurement, control, and laboratory use
IEA (2021): IEA Digitalization and Energy – Report on how digital technologies transform energy systems including agriculture-related energy use
ISO (2017): ISO 14688-1:2017 – Geotechnical investigation and testing – Identification and classification of soil
ITU (2016): ITU-T Y.2060 – Overview of the Internet of Things, reference model for IoT-based smart agriculture systems
FAO (2017): FAO Irrigation and Drainage Paper – Guidelines for soil moisture and salinity monitoring in irrigated agriculture

SOLARTODOについて

SOLARTODOは、太陽光発電システム、エネルギー貯蔵製品、スマート街路灯・ソーラー街路灯、インテリジェントセキュリティ・IoT連携システム、送電鉄塔、通信タワー、スマート農業ソリューションを世界中のB2Bのお客様に提供するグローバル統合ソリューションプロバイダーです。