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1. 토양수분의 분류와 흡착력 2. 수분항수와 토양수분의 이동 3. 토양수분의 측정 및 관리
토양수분
물의 중요성과 특성
토양의 수분 보유력
토양의 수분포텐셜
토양수분상수
토양수분의 이동
토양수분의 측정과 관리
물의 중요성
모든 생명형상의 근원
- 식물세포의 80-95%, 체세포유지
- 인체의 65%, 뇌와 폐의 80% 차지
- 광합성, 증산 등 생리대사작용의 중심
자연현상의 중심
- 폭풍, 강우, 증발
- 암석의 풍화, 토양생성작용
- 물질의 용매, 운반체
물분자의 구조적 특징
-산소원자를 중심으로 2개의 수소원자가 104.5o의 각도로 결합하여 전기적으로 위치 편중으로 극성을 띰: 물의 용매적 성질
- 물 한 분자의 산소와 다른 분자의 수소간에 강한 수소결합으로 안정되어 있음: 물이 안정된 물질
-물분자는 독립적이 아니므로 액체상태에서도 얼음구조가 완전하게 없어지지 않음. 얼음이 물보다 비중이 낮음(겨울 수서생물 생존)
물의 물리적 특성
상온에서 액체( M/W 18, M.P 0 oC )
- 황화수소(H2S, 분자량 34, 기체), 메탄(CH4, 분자량 34, 기체 ),
- 융해열(액화): 0 oC 1g의 얼음물 1.44kcal/mole, 80cal/g
비열(specific heat)이 높음(1 oC올리는데 1cal필요).
- 아연: 0.0297 cal, 철 0.106cal, 수은 0.033 cal, 공기: 0.170 cal,
비점이 높음( B.P 100.2 oC).
황화수소(-59.5 oC), 메탄가스(-161.3 oC), 네온가스(Ne, -246 oC)
기화열(기체화) : 540cal/g, 9.71Kcal/mole
용매적 성질을 가짐: 무기염류의 용해
* 생명현상의 근간: 광합성, 증산, 체세포유지, 체온조절 등
토양의 물 보유력 원리
1.토양입자의 물분자에 대한 인력의 크기
부착력(adhesive): 토양입자와 물분자 사이의 인력
-고체입자표면에 가까울수록 부착력 증가: 이동 불가
응집력(cohesive): 물분자 사이의 인력
-고체입자표면에서 멀어질수록 응집력 증가: 이동용이
2. 토양공극의 모세관 현상: 표면장력과 관계
토양공극의 크기와 분포(모세관 유사)
모세관이 가늘수록 물의 상승높이는 높음
- 토양공극도 불균일한 모세관, 소공극이 기여
토양의 수분포텐셜(soil water potential)
토양수분포텐셜: 어떤 지점이 단위량의 수분이 가지는 에너지량
지점간의 토양수분 이동은 포텐셜의 차이로 발생
총 포텐셜=삼투포텐셜 + 압력포텐셜 + 매트릭포텐셜
-삼투포텐셜(solute potential):토양용액에 녹아 있는 용질에 의하여 생기는 삼투압이 가지는 에너지
*용질의 농도가 높을수록 낮아짐, 간척지, 근접시비
-압력포텐셜(presure potential): 위치에너지의 차이에 의하여 생기는 포텐셜
- 매트릭포텐셜(matric potential): 토양자체의 물리적 특성에서 비롯되는 부착력, 응집력, 모세관현상, 표면장력 등의 차이에 의하여 생기는 포텐셜
수분포텐셜의 표현 단위
pF 값=수주의 높이의 대수(logarithm)
- 1기압=101,325 newton/m2),
- 1기압(pressure)= 수두(head) 1,020cm(통상 1,000cm 간주)
* pF= log(H)= log 103 = 3
Bar단위(1 bar=100,000 newton/m2)
- 1기압=약 1bar=1,013 mbar
Pa(pascal) 단위(압력단위: 1pa=1 newton/m2)
-1bar=100,000pa=100kpa=0.1 Mpa(megapascal)
참고: 1 Newton=105 dyne(힘의 단위:1dyne=1g의 물체가 1cm/(second)(second)의 가속도를 가지는데 필요한 힘)
토양수분 상수(soil moisture constant)
포장용수량(field capacity)
-공극을 가득채운 물중 중력에 견디지 못하는 물이 지하로 빠져나가고 남은 상태의 수분함량, 가장 이상적 3상분포를 가짐
-주로 대공극의 물이 빠져나가고 소공극을 채우고 있는 물이 남음.
위조점(wilting point) = 위조계수(wilting coefficient)
-식물이 시들게 되는 때의 토양이 가지고 있는 수분함량
-일시위조: 조건이 좋아지면 식물이 회복되는 상태의 수분조건
-영구위조: 시든 식물을 습기로 포화된 조건으로 처리하여도 잎의 팽압이 회복되지 않고 시들어 죽는 상태의 수분 조건
유효수분(available water)
-포장용수량 상태와 위조점 상태의 수분의 차이에 해당되는 수분함량(포장용수량에서 위조하수량을 뺀 값)
기타 토양수분 상수
모관수(capabillary water): 모세관 현상에 의하여 보유되고 있는 상태의 수분 함량
-식물이 주로 흡수 이용하는 물, 주요 유효수분
중력수(gravitational water): 중력에 의하여 토양에서 빠져 나오는 물: 식물이 이용 불가.
흡습수: 건조토양입자가 방치하였을 때 대기의 습도와 평형을 유지하기 위하여 흡수하는 수분함량: 식물이 흡수이용불가.
화학수(결합수): 토양광물의 화학구조내 구성성분으로 존재하는 물:일반적인 건조방법(105oC, 24시간 건조)으로는 제거 불가능, 식물이 흡수 이용불가.
토양수분상수별 장력 (불포화토양에서 매트릭포텐셜은 항상 음의 값)
토양시료 채취에 의한 토양수분 측정 -장비/방법간단, 저렴, 파괴적, 작물 피해, 직접적 수분스트레스 파악 불가 -일부 토양유기물이 건조중 산화로 오차 발생, 시료의 채취, 운송중 오차
<중량법: 채취시료 105oC, 24시간 건조>
토양수분(wt)=100 x (습토무게-건토무게)/건토무게
-습토무게: 현지 포장에서 채취한 젖은 상태의 토양무게
-건토무게: 마른 상태의 토양무게 (105oC, 24시간 건조)
-토양수분의 무게 비 현황 파악. 수분스트레스 정도는 불명
<용량법: 일정용량의 코아 시료사용, 기타: 중량법 동일>
토양수분(v)=100 x [(시료채취용) 코아 중의 습토무게-코아 중의 건토 무게)]/일정용량
- 물 1g은 1cm3으로 간주, 시료채취 코아는 보통 100cm3사용
- 토양수분(중량,용량)과 용적밀도, 3상 상태를 동시에 검정파악
우리나라 밭토양의 토성별 유효수분
다음중 토양수분에 대한 설명중 가장 맞게 설명한 것은
1). 토양수분장력이 같다면 사토나 식양토나 같은 토양수분함량을 가진다.
2). 토양수분함량이 같다면 토성이 달라도 식물이 이용할 수 있는 유효수분은 같은 량이다.
3). 토성에 따라 토양수분이 달라도 같은 값의토양수분장력을 가졌을 때는 식물이 수분을 흡수할 수 있는 조건은 같다.
4). 토양수분함량과 토양수분장력은 같은 의미로 사용된다.
토양을 교란하지 않는 수분 측정 -작물/토양 비 파괴, 연속 측정가, 수분스트레스 파악, 관개응용 용이,
전기저항법(electrical resistance): 전기저항 측정
- 석고 블록[양극(+,-)판 탑재], 저항계
- 표준곡선(calibration c.) : 토양수분 x 전기저항 간의 함수
- 건조토양의 수분스트레스 파악에 유리
- 간척지 등 염류 토양에 부적합(오차), 과습토양( 전기저항 0)의 측 정 불능, 표준곡선을 구하는 난점(장기간 필요)
텐쇼메타 법(tensiometer): 장력 측정
- 세라믹 컵(다공성), 진공계(vacuum gauge)
- 적정수분관리를 위한 관개시기 조절에 적합
- 측정 범위 협소(0-0.8bar), 건조토양 적용 불가
토양수분 연구에 사용되는 측정법 - 측정정밀, 고가, 복잡, 조작불편, 비실용적
중성자 산란법(neutron scattering),
고속중성자가 물분자의 H원자와 충돌시 에너지를 잃고 저속중성자로 변하는 것을 이용, 표준곡선(상대적 저속 중성자의 량과 토양용량수분과의 함수관계)을 사용하여 측정,
토양수분의 이동 연구용에 적합, 모든 범위 사용 가능
토양 속에 물 이외의 H-원자를 가진 물질(유기물)이 많은 토양에서는 오류 발생 가능성있음.
싸이크로메타법(thermocouple psychrometer)
열전쌍선(thermocouple wire)에 전류를 흘리며 접점부위의 온도가 낮아짐에 따라 수분이 응축되었다가 중단하면 응축된물이 기화하면서 기화열을 뺏겨 온도가 하강하게 되는 데 이 온도변화를 이용하여 수분 측정,
측정법위: 3-15기압
토양수분 표현방법 간의 상호 관계
용량-과 중량기준 토양수분 간의 상호관계
- 용량기준 토양수분(v/v, %)=
중량기준 토양수분(wt, %) x 용적밀도
길이단위 토양수분(cm)과 용량기준 토양수분
-길이단위 토양수분(cm)=
[용량기준 토양수분(v/v, %) x 토양깊이]/100
<예제> 중량기준 토양수분(wt, %)이 30%이고, 용적밀도가 1.2cm3/g인 토양에서 토심 30cm에 있는 토양수분의 양은 몇 cm인가?
-용량기준 토양수분(v/v,%)= (30 x 1.2)=36
-길이단위 토양수분(cm)= [36 x 30]/100= 10.8cm
토양수분 이동관련 혼동하기 쉬운 용어
관입(penetration): 토양에 다른 물체가 뚫고 들어가는 현상
침투(infiltration): 물이 토양표면의 경계로부터 토양단면속으로 들어가는 현상
투과성(permeability):액체, 기체 또는 식물 뿌리가 토양이나 토층을 관입하거나 통과할 수 있는 특성
투수(percoration): 토양과 같은 다공질 매체를 통하여 물이 하향으로 이동하는 현상, 토양에서는 강우나 관개수의 하향이동에서 주로 포화/거의 포화된 토양에서의 이동
수리전도도(hydraulic conductivity): 토양과 같은 다공성 매체의 투수성을 나타내는 것.
토양수분이동(water movement)
물의 이동방향, 이동거리, 이동속도
-중력(gravity), 매트릭포텐셜, 수리전도도 등에 의하여 결정
포화수분이동(saturation flow)
-중력에 의한 이동(gravitational flow), 수계의 물 흐름과 동일
불포화수분이동(unsaturation flow)
-높은 포텐셜 영역에서 낮은 포텐셜 영역으로 이동
토양수분단면:
-포화지역(saturated zone),이행지역(transition zone), 전달지역(transmission zone), 습윤지역(wetting zone), 습윤전선(wetting front)
토층으로 이루어진 토양의 물 이동
<아주 서서히 토양표면에 물이 공급될 때(점적관수)>
위에 식토층, 아래에 모래층을 가진 토양
- 이동방항: 내려가려는 힘(중력)과 올라가려는 힘(모세관형상)의 차이에 의하여 결정
- 식토층(모관공극): 올라가려는 힘> 내려가려는 힘
- 모래층(비모관공극): 올라가려는 힘< 내려가려는 힘
* 물은 위층을 모두 포화시킨 후에 아래의 모래층으로 이동
위에 조립질층, 조립질층, 아래에 세립질층을 가진 토양
-조립질층(비모관공극): 올라가려는 힘< 내려가려는 힘, 높은 수리전도
- 세립질층(모관공극): 올라가려는 힘> 내려가려는 힘, 낮은 수리전도
* 물은 위층을 모두 포화시킨 후에 아래의 모래층으로 이동
선택류(preferential flow)
외부에서 토양에 유입되는 물은 토양매트릭스와 물리적 성질이 매우 다른 구조공극, 생물공극, 균열 등의 대공극이 존재할 때 토양매트릭스의 영향보다는 대공극에 우선적으로 물길이 형성되는 물 이동
장점: 침투와 투수를 증가시킴, 유거수 감소, 유무경운제배는 지렁이 등 토양동물에 의한 생물공극 증가로 토양통기성, 배수성, 물의 침투성과 투수성 등이 개선되어 유리
단점: 지하수 오염(농약, 기타 유해 화학 물질 등)
* 지하수 개발시 페구멍을 잘 밀봉하지 않으면 지하수 급속 오염으로 치유 불능
식물에 의한 물의 흡수 이동
토양-식물-대기연속체의 수분포텐셜
-수분이동방향(수분 포텐셜): 높은곳낮은 곳, 토양(-10 … -1,000)
식물잎(-200 … -1,500)대기(-10,000 … -20,000J kg-1)
-작물의 흡수
* 흡수용이: 토양수분 P- 식물 P=높은 값, 두꺼운 수막(포장용수량)
* 흡 수 난: 토양수분 P- 식물 P=낮은 값, 얇은 수막(위조점)
염류토양(saline soil), 근권에 과비된 토양
- 삼투포텐셜(osmotic potential): 토양용액<식물체 수액
- 수분이동: 뿌리토양용액, 식물 고사
* 토양용액에 용질이 많이 용해될수록 용액의 수분포텐셜은 낮아짐
식물의 수분흡수 양상
- 먼저 표토의 수분을 흡수, 부족시 뿌리를 심토부위로 신장하여 흡수,
- 표토에만 관개시 뿌리가 표토에만 분포
물의 순환과 수자원 현황
물의 순환(hydrolic cycle):
지표(태양에너지) 증발대기수증기압 상승강우
강우의 행로
(1)빗물유거수(runoff)강, 바다, 호수 증발
(2)빗물침투수투수(percoration)중력수,gravitational water)지하수(ground water)펌핑관개증발, 증산
(3)빗물침투(infiltration)토양입자의 수막 형성식물증산
지구상의 물 저장: 바닷물( 97%), 지표수/지하수(3%)
우리나라 수자원의 현황과 문제점
-수자원부존량: 약 1,267억톤(연강우량 1,274mm, 면적 99,450km2)
*증발산 및 지하침투: 45%(570억톤), 하천유출:55%(697억톤)
-물이용량: 댐 103, 지하수 26, 하천수 172, 계 301억톤(부존량의 24%),
-하천유지용수: 64억톤(31%), 산업활동용수 237억톤(79%)
산업용수 237억톤: 생활용수 26%, 공업용수 11%, 농업용수 63%
절수 농업기술의 중요성
총용수량 중 농업용이 최대:
- 산업용수중 농업용 비율: 한국 63%, 미국 80%
농산물생산에 필요한 물량:
- 계란 1개:151리터, 소고기 1kg: 20,865리터
물 보전(water conservation)의 중요성
-수량증대 기여: 적정 수분유지시 생육량 증가
-유거수 감소: 토양침식, 저지대 홍수 피해, 수질오염 등 감소
물보존의 방법:
(1). 침투율(infiltration) 향상과 유거수(runoff)감소
-심경(경반층 파괴), 토성개량, 구조개선, 유기물 시용, 멀칭, 보존농법(등고선, 계단식, 대상재배 등),
(2)증발산 감소: 방풍림조성, 잡초제거, 멀칭, 증산억제제 이용,
수분관리의 중요성
작물생리
-과잉상태: 토양환원 유해물질 생성, 근활력 감소 및 과습피해
-건조 상태: 한발해, 양분유효도 감소
배수불량토양의 관리
-지표배수(surface drainage): 수직배수 불량지(불투수층 존재),
-지하배수(subsurface drainage): 암거배수(mole drainage)
한발시의 물관리
-지표관개(surface irrigation), 고랑관개: 평탄지, 저렴, 물 낭비
-지하관개(subsurface irrigation),관개파이프 메설: 평탄지,고가
-스프링쿨러 관개(sprinkler irrigation): 경사지, 고가, 관개효율
-점적관개(drip irrigation): 경사지와 평탄지, 고가, 관개수 절감
관개시의 고려사항
관개효과:
-언제(최적시기, 관개방법), 얼마만큼(1회 관개량, 연중 관개량), 어떤 방법(지표, 지하, 살수, 점적 등), 어떻게(관개속도, 자재특성, 관개효율)
고려사항:
-작물의 종류및 생산목표, 포장조건(지형, 토성), 경제적 여건, 투입노력 및 기술수준 등
관개방법의 선정 기준
관개량의 산정
최대보유량: 포장용수량
관개량(톤)=관개유효토심 x 토양의 용적밀도 x 재배면적 x (포장용수량-관개시점의 토양수분량)/관개효율
-주) 관개유효토심(관개깊이, cm), 재배면적(m2), 용적밀도(Mg/m3), 포장용수량 및 토양수분(중량 %), 관개효율(%)
<계산 사례>
포장면적 10a(1,000m2), 관개유효토심 10cm, 용적밀도 1Mg/m3, 포장요수량 25%, 관개시 토양수분 15%, 관개효율 50% 인 경우의 관개량은 ?
-계산) 관개량(톤)=0.1m x 1 Mg/m3 x 1,000m2 x(25%-15%)/50% =100 Mg x 0.2 =20톤
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