방송통신대학교 농학과, 농업직, 지도사, 연구사 대비 - 토양학 핵심 요약정리 - 3 토양의 물

3. 토양의 물

 

■ 학습개요
토양은  고상(토양입자),  입상(토양수분),  기상(토양공기)으로  이루어졌다.  토양에서  물과  연관되어  일어나는  현상은  오래  전부터  중요한  관심사가  되어  왔다.  이번  강의에서는  토양이  수분을  보유할  수  있는  원리를 
설명하고,  토양수분을  에너지와  포텐셜  개념으로  이해하도록  한다.  또 토양수분과  관련된  각종  상수를  설명하고,  토양수분  측정법을  이해한 후,  마지막으로  토양수분의  보전  및  관리방안을  학습한다.

■ 학습목표
1. 토양수분  보유  원리를  설명할  수  있다.
2. 토양수분  에너지와  포텐셜을  설명할  수  있다.
3. 토양수분  상수를  설명할  수  있다.
4. 토양수분  측정법을  설명할  수  있다.
5. 토양수분의  보전  및  관리방안을  설명할  수  있다.

 

■ 주요용어의 정리 

부착력/응집력
: 부착력은  토양입자와  물분자  사이의  인력이고,  응집력은  물분자  사이의  인력이다.
토양수분포텐셜
: 단위량의  토양수분이  갖는  에너지.  그의  절대량을  측정할  수  없으므로  어떤  기준을  설정하여  이를  중심으로 
정의한다.
토양수분특성곡선
: 토양의  수분함량과  수분장력  간의  관계를  나타낸  것으로  토성,  구조  및  유기물함량  등에  따라  다르다.
포장용수량
: 물을 충분히 주거나 비가 많이 내려 토양이 물로 포화된  후  1일~3일이  지나  대공극의  물은  다  빠지지만  소
공극의  물이  그대로  남아  있을  때의  토양수분함량으로 매트릭포텐셜은  –1/3  bar이다.
유효수분
:포장용수량과  위조점  사이의  수분으로  식물에  이용될 수  있는  수분을  말한다.

<목차>

1. 토양에 의한 수분보유
2. 토양수분의 에너지와 퍼텐셜
3. 토양수분특성곡선 및 수분상수
4. 토양수분 측정법
5. 토양 내 수분의 이동
6. 토양수분의 보전 및 관리 

 

1. 토양에 의한 수분보유 

 

물의구조

 

 

 

부착력과 응집력

물의 내부와 표면과 물분자에 작용하는 응집력

토성별 모세관현상

 

2. 토양수분의 에너지와 포텐셜

토양수분 에너지
 토양수분 에너지 =  운동에너지 ( ≒ 0 ) +  위치에너지
- 토양수분은 위치에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동
- 수분 이동은 기준점을 중심으로 한 위치에너지의 상대적 차이에 의함

토양수분 퍼텐셜
 토양수분 퍼텐셜 = 단위량의 토양수분이 갖는 에너지
1 ) 에너지 = ( 질량 ) x ( 중력가속도 ) x ( 높이 )
→ 퍼텐셜 = ( 에너지 )/( 무게 ) = ( 높이 = 압력수두 , cm)
2 ) 에너지 = ( 부피 ) x ( 압력 )
→ 퍼텐셜 = ( 에너지 )/( 부피 ) = ( 압력 , bar/mbar)

* 성분퍼텐셜
 총퍼텐셜 =  중력퍼텐셜 +  압력퍼텐셜 +  삼투퍼텐셜

 중력퍼텐셜
- 주어진 위치의 물체가 저장하고 있는 퍼텐셜
- 늘 (+) 값을 갖도록 기준점을 가장 낮은 곳으로 삼음

 압력퍼텐셜
- 토양수분이 받는 압력에 의한 퍼텐셜
- 자유수면을 기준으로 , 자유수면 아래 (+):  압력퍼텐셜
자유수면 : (0) 자유수면 위 ( - ):  매트릭퍼텐셜

 삼투퍼텐셜
- 용질이나 분자가 있을 때 주변의 퍼텐셜이 낮아지는 것
- 염류토양이나 토양 / 식물뿌리 접촉면처럼 염류농도가 높은 곳을 제외하고는 삼투퍼텐셜의 영향은 무시됨

* 수분퍼텐셜과 수분이동

 

 

3. 토양수분특성곡선 및 수분상수

 

대표적인 세가지 무기토양의 수분특성곡선

 

토양수분특성곡선
 토양장력 vs.  수분함량을 나타낸 곡선
 토양마다 다름
 토양 수분 압출장치로 구할 수 있음

 

토양수분 압출 장치

토양수분 이력현상

 

* 토양수분 이력현상
 마른 토양이 수분을 흡수하면서 얻는 토양수분특성곡선과 포화토양이 수분을
잃어버리면서 구하는 토양수분특성곡선이 일치하지 않는 현상
 원인
잉크병 현상
공극에 갇힌 공기의 영향
팽창 / 수축에 따른 토양구조의 변화

수분상수

 

 

수분상수(식물 흡수 측면 분류)
 포장용수량(field capacity)
- 수분퍼텐셜 -0.033MPa(-1/3 bar)로 토양에 유지되는 수분
- 일반적으로 식물 생육에 가장 적합한 수분
 위조점(萎凋點, wilting point)
- 일시위조점(-10 bar) vs. 영구위조점(-15 bar)
→ 유효수분 = (포장용수량 수분) - (영구위조점 수분)

 

토성에 따른 유효수분함량 변화

 

수분상수(물리적 분류)
 오븐건조 수분(oven-dry water)  
- 105oC 오븐에서 건조시킨 토양에 잔류하는 수분
- 토양광물이나 화합물을 구성하는 성분으로 들어 있는 물
- 결합수 또는 결정수라 함
- 포텐셜이 -1000MPa(-10000 bar) 이하인 수분

 공기건조 수분(air-dry water)
- 토양을 건조한 대기 중에서 건조시켰을 때 토양에 잔류하는 수분
- 퍼텐셜이 -100MPa(-1000 bar) 이하인 수분

 흡습수(hygroscopic water)
- 습도가 높은 대기 중에 토양을 놓아두었을 때 대기로부터 토양이 흡수하는 수분
- 퍼텐셜이 -3.1MPa(-31 bar) 이하인 수분
- 토양입자와 물분자 간의 정전기적 결합에 의하여 토양입자 표면에 2~3개 정도의 물분자층으로 흡착(두께 0.0002mm 이내)
- 105oC에서 제거 가능

 중력수(gravitational water)
- 퍼텐셜이 -0.033MPa보다 큰 수분
- 중력으로 이동할 수 있어 쉽게 제거
- free water(자유수)라고도 하며 대공극에 존재하는 무효수분

 

4. 토양수분 측정법

토양수분측정법(요약)

 

 

1) 중량법
토양수분함량
= (젖은 토양무게-마른 토양무게)/(마른 토양 무게) X 100%
= (수분무게)/(마른 토양 무게) X 100%
- 표준 토양수분 측정법
- 105~110oC 건조
- 방법 간단, 장비 저가(오븐, 저울)
- (상대적) 장시간 소요
- 파괴적(시료 재사용 불가)
Cf) 용적수분함량 = 중량수분함량 X  토양용적밀도

2) 중성자산란법

 

 

241Am + Be → fast neutron
Fast neutron + H → slow neutron
Slow neutron(계측)
- 비파괴, 반복측정 가능
- 방사선 취급자격 필요, 장비 고가

3)TDR법

 

 

- 토양의 유전상수(dielelctric constant)를 측정하여 간접적으로 토양 수분함량을 측정하는 방법.
- 토양의 유전상수는 3상의 구성비에 따라 달라질 수 있으나 물의 유전상수는 80 정도로 공기와 토양입자들에 비하여
상대적으로 훨씬 크기 때문에 가시적으로 측정되는 토양의 유전상수는 토양의 수분함량에 비례함.

4) 저항블록법

 

 

- 석고, 나일론, 고분자물질로 제조된 블록의 저항 측정
- 저항 ∝ (1/전기전도도) ∝ (1/수분함량)
- 자동화 가능, 최적 작물 생육 수분에서 부정확, 개별 보정 필요.

5) 토양수분장력계 법

 

 

- 낮은 장력범위에서 정확
- 측정 가능 범위 제한
- 장비 저가
- 자동화 가능(자동관수, 관비)
cf) 관비(fertigation): 관개(irrigation) + 비료(fertilizer)
- 주기적 보수 필요

 

5. 토양 내 수분의 이동

 요인
- 수분함량
- 토성
- 염류농도
- 온도 차이

 종류
- 포화 토양에서 수분 이동
- 불포화 토양에서 수분 이동
- 증기상태 이동

* 포화토양에서 수분의 이동

 

달시의 법칙

 

 포화수리전도도 (K)
- 토양의 투수성 또는 배수성의 척도
- 토성과 용적밀도 등의 토양특성에 따라 달라짐
- 점토함량이 많으면 낮고 ,  모래함량이 많으면 높음

 

 

* 불포화 토양에서 수분의 이동

• 포화상태에 비하여 물의 이동이 매우 느리나 식물 수분 공급에 매우 중요함
• 수분함량이 많은 곳에서 적은 곳으로 지속적으로 이동 (상하좌우 이동 가능)
- 동력: 매트릭포텐셜 기울기(건조 정도)

증기상태 이동

일종의 확산현상으로 수증기압의 차이에 의하여 발생.
(Fick’s law: 확산량은 거리에 따른 농도차에 의하여 좌우된다)
J: 확산량, D: 확산계수
f: 농도, x: 거리
수분: 젖은 토양 → 마른 토양
염분: 많은 토양 → 적은 토양
온도: 높은 토양 → 낮은 토양

 

 

6. 토양수분의 보전 및 관리

농업에서 수분 관리의 세 가지 기본 요령
 수분보전 :  강우량이 충분하지 않을 때 강우를 가능한 한 많이 토양에 보전
 배수 :  토양에 물이 과잉으로 존재할 때 과잉의 물 제거
 관개 :  강수량이 충분하지 않을 때 인위적으로 토양에 물 공급

침투 조절
 정의 :  물이 토양표면을 거쳐 토양 내부로 스며듦
 중요성 :  토양수분 함양 ,  토양 침식 방지 ,  홍수 예방
 방법 :  경운 ,  객토 ,  입단화 촉진 ,  멀칭 ,  토양개량제 (PAM)  시용 ,  석고 시용

증발 조절
 원리 :  주변의 대기상태 변화 ,  표토 수분 양 감소
- 잡초 제거
- 휴한기 :  다음 작물 재배에 이용할 수분 토양 저장
- 멀칭 :  증발 억제 , ( 잡초 발생 억제 ,  토양전염성병 전파 방지 )
- 중경 ( 中耕 )

관수
 관수시기
- 토양수분의 상태를 파악하여 적정한 수준을 유지하는 선을 기준으로 결정
- Tensiometer 법으로 토양의 수분을 연속적으로 측정하면서 필요 시 수분
공급 ( 포장용수량 ~ 초기위조점 )
- 실제 ( 유효수분의 50~85%  소모 시 수분공급 )

 관수 시 고려사항
- 작물의 요수량
- 생육기별 수분요구도
- 토양환경
- 기상조건
- 재배방식

 관수의 종류
- 지표관수 (surface irrigation)

 

 

- 살수형 관수 (sprinkle irrigation):  수동식 관수 ,  고정식 살수 노즐이나 스프링
클러 ,  이동식 붐 (boom)  또는 조리개 스프레이어 (sprayer),  로봇 (robot)  붐 스 프레이어

 

살수형관수

 

- 점적 관수 (trickle irrigation)

 

 

- 지중 관수 (subsurface irrigation)

 

 

배수
 명거배수 :  땅속이나 지표에 넘쳐 있는 물을 땅 위에 도랑을 파서 배수하는 방법

 

 

 암거배수 :  땅속이나 지표에 넘쳐 있는 물을 지하에 매설한 관로나 투수성의 수로를 이용하여 배수하는 방법

 

 

 

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■ 연습문제

1.  문제:  토양입자에  의하여  수분이  보유되는  데에  작용하는  두  가지  인력으
로  옳게  짝지은  것은?
①  원심력,  응집력  ②  원심력,  구심력
③  부착력,  구심력 ④  부착력,  응집력
정답:  ④ 
해설:  토양-수분계에서  토양입자에  의하여  수분이  보유되는  데에는 부착력과  응집력  두  가지  인력이  작용한다.

 

2. 문제: 토양입자와 물분자 사이의 인력을 무엇이라고 하는가?

① 부착력 ② 흡입력

③ 응집력 ④ 인장력

 

정답: ①

해설: 응집력: 물분자끼리 서로 당기는 힘

부착력: 토양입자와 물분자 사이의 인력

 

3. 문제: 토양수분에 대한 설명 중 옳은 것은?

① 토양의 고체입자 표면에는 응집력이 크게 작용한다.

② 토양입자표면으로부터 더 멀리 떨어지면 부착력이 더 크게 작용한다.

③ 토양입자표면에서 가까울수록 물분자들은 부착력에 의하여 자유롭게 뭉친다.

④ 부착력보다 응집력이 더 크게 작용할 때 토양수분은 이동하기 쉽게 된다.

 

정답: ④

해설: 토양의 고체입자표면에서는 부착력이 상대적으로 크게 작용하고, 토양입자표면으로부터 더 멀리 떨어지면 부착력보다 응집력이 더 크게 작용한다. 토양의 고체입자표면에서 멀리 떨어질수록 물분자들은 응집력에 의하여 비교적 자유롭게 서로 뭉쳐 있게 된다. 그러므로 토양입자표면으로부터 멀리 떨어져 있는 수분은 비교적 쉽게 움직일 수 있을 뿐 아니라 식물이 손쉽게 이용할 수 있는 것이다.

 

4. 문제: 토양의 수분포텐셜에 대한 다음 설명 중 잘못된 것은 무엇인가?

① 소금물의 포텐셜은 순수한 물의 포텐셜보다 크다.

② 물은 포텐셜의 차에 의하여 이동한다.

③ 주로 수분이 지닌 위치에너지의 정량적 개념이다.

④ 여러 성분포텐셜로 구분할 수 있다.

 

정답: ①

해설: 단위량의 토양수분이 갖는 에너지를 토양수분포텐셜이라 하며, 물은 에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다. 소금물은 소금분자로 인하여 물분자가 자유롭지 못해 물 에너지(포텐셜)가 순수한 물보다 낮다.

 

5. 문제: 토양수분포텐셜의 성분포텐셜이 아닌 것은?

① 중력포텐셜 ② 압력포텐셜 ③ 장력포텐셜 ④ 삼투포텐셜

 

정답: ③

해설: 토양수분포텐셜은 위치에 의한 중력포텐셜, 수압에 의한 압력포텐셜(또는 장력에 의한 매트릭 포텐셜), 물에 녹아 있는 용질에 의한 삼투포텐셜 등으로 구성되어 있으며 다음의 식 (3-3)과 같이 표현할 수 있다. 여기서, Ф는 토양수분의 총포텐셜, Z는 중력포텐셜, P는 압력포텐셜, 그리고 П는 삼투포텐셜을 각각 나타낸다.

토양 내 수분이 대기압보다 높은 수압을 받고 있을 때 수분이 지닌 압력포텐셜은 양의 값인 반면, 수분이 대기압보다 낮은 압력(일반적으로 장력)하에 있을 때는 항상 음의 압력포텐셜을 지닌다. 즉, 자유수면을 가준으로 하여 아래에 존재하는 수분은 양의 압력포텐셜을, 자유수면의 수분은 영의 압력포텐셜을, 그리고 자유수면 위에 존재하는(모세관에 의하여 상승한)수분은 음의 압력포텐셜을 지닌다. 특히 음의 압력포텐셜은 ‘매트릭포텐셜’(metric potential)이라는 또 다른 용어로 불려진다.

 

6.   젖은  토양의  무게가  150g,  110oC에서  건조시킨  토양의  무게가 
120g이라고  할  때  이  토양의  수분함량은?
①  15% ②  20%
③  25% ④  30%
정답:  ③
해설:  중량법에  의한  토양의  수분함량은
(수분무게)÷(마른토양  무게)x100%  =  30g/120gx100%  =  25%이다.

 

7. 문제: 용적밀도가 1.33g/cm3이고 수분함량(무게기준)이 25%인 토양수분함량은 부피(%)로는 얼마인가?

① 15% ② 20%

③ 25% ④ 33%

 

정답: ④

해설: 용적수분함량(%) = 중량수분함량(%)×용적밀도 = 25×1.33=33.25%

 

8.  문제:  어떤  토양의  포장용수량이  35%,  위조점이  10%일  때  이  토양의  유효수분은?
①  25% ②  35% ③  45% ④  55%
정답:  ①
해설:  토양의  유효수분은  (포장용수량  수분  –  위조점  수분)  =  35%  -  10%  =  25%

 

9. 문제: 포장용수량 때의 수분장력(매트릭포텐셜로 표기함)은 얼마인가?

① 31기압 ② 15기압 ③ 5기압 ④ 1/3기압

 

정답: ④

해설: 포장용수량에서의 매트릭포텐셜은 –1/3bars이며, 수분상태로는 식물이 생육하기에 가장 좋은 조건이다. 위조점에서의 매트릭포텐셜은 –15bars, 흡수계수의 매트릭포텐셜은 –31bars이다.

 

10. 문제: 토양의 수분장력이 같다면 다음 중 수분함량이 가장 높게 유지되는 토양은?

① 사토 ② 양사토 ③ 사양토 ④ 식양토

 

정답: ④

해설: 포장용수량과 위조점 사이의 수분이 식물에 이용될 수 있는 수분으로 될 때 이를 유효수분이라 한다. 포장용수량과 위조점이 토양마다 다르기 때문이 유호수분의 양도 토양마다 달라진다. 유효수분의 양은 점토와 부식의 함량이 증가할수록 어느 수준까지는 증가하지만 그 수준을 벗어나면 오히려 감소할 때도 있다.

11. 문제: 수분함량의 측정방법이 아닌 것은?

① 수은압력법 ② 전기저항법 ③ 중성자산란법 ④ 중력법

 

정답: ①

해설: 토양수분함량 측정법은 중량법(gravimetry). 전기저항법(electrical resistance), 중성자산란법(neutron scattering), 전자기적 방법(electromagnetic methods)이 있다.

 

12. 문제: 토양단면을 통한 수분이동에 대한 다음 설명 중 옳지 않은 것은?

① 토성이 같을 경우 입단화의 정도에 따라 수분이동 양상은 다르다.

② 수분이 토양에 침투할 때 토성이 미세할수록 침투율은 증가한다.

③ 각 층위의 토성과 구조에 따라 수분의 이동양상이 다르다.

④ 토양을 구성하는 점토교질물의 영향을 받는다.

 

정답: ②

해설: 수분이 토양에 침투할 때 토성이 미세할수록 침투율은 감소한다.

 

 

13. 문제: 동일한 수분함량에서 다음 중 물은 어느 토양에 가장 강하게 보유되어 있는가?

① 식토 ② 양토 ③ 사토 ④ 사양토

 

정답: ①

해설: 식토는 동일한 수분포텐셜에서 양토 혹은 사토에 비해 훨씬 많은 물을 보유한다. 또한 동일한 수분함량에서 물은 식토에서 양토나 사토에 비하여 훨씬 강하게 보유되어 있다.

 

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■ 핵심요약정리

1. 토양이  수분을  보유하는  것은  토양입자와  물분자  사이에  작용하는  인력(부착력)과  물분자  사이에  작용하는  인력(응집력)의  결과로  나타나는  현상이다. 
2. 토양수분은  토양-수분  경계면에서  매우  다양한  힘에  의하여  영향을  받기때문에  그  안에  에너지를  저장할  수  있다.  자연계의  여느  다른  물질처럼  토양수분은  다양한  양과  형태의  에너지를  함유한다.  토양수분   문제에서  중요한  것은  수분이  보유한  에너지의  절대량이  아니라  기준점을  중심으로  한  위
치에너지의  상대적인  차이이다.  에너지  개념으로  수분상태를  기술하는  것은 단지  그  자체의  함량뿐  아니라  수분이  토양,  식물  및  대기  사이를  연속으로 순환하기  때문에  특정  시간,  장소에서  수분  흐름의  방향을  결정할  수  있는 장점이  있다.
3. 주어진  조건에서  토양에  수분이  많고  적음은  작물의  생육,  나아가  농업생산성과  밀접한  관계가  있다.  우리는  토양의  수분함량과  수분장력을  작물의 생육과  관련된  상수(흡습계수,  포장용수량,  위조점,  유효수분  등)들로  정의해왔는데,  이들  토양수분상수는  토양의  종류에  따라  달라진다.
4. 토양이  보유하고  있는  수분함량과  토양수분의  에너지상태는  식물이  생장하는  데  매우  중요하며,  대부분  토양의  물리적,  화학적  특성은  토양수분함량과  밀접하게  연관되어  있다.  토양의  수분을  측정하는  데는  수분의  함량을  측정하는  경우(중량법,  전기저항법,  중성자산란법,  전자기적  방법  등)와  토양수분의  장력  또는  수분포텐셜을  측정하는  경우(토양수분장력계  이용법)  두 가 지로  구분할  수  있다.
5. 토양  내에서  수분이  이동하는  것은  액체상태로  이동하는  경우(포화상태, 불포화상태)와  증기상태로  이동하는  경우로  구분할  수  있다.  액체상태로  토양  내에서  수분이  이동하는  것은  다시의  법칙(Darcy’s  principle)으로  설명할 수  있다.
6. 토양에서  수분관리는  토양을  어떠한  목적에  사용하느냐에  따라  그  관리요령이  달라진다.  농업생산을  늘리고자  하는  경우에  수분을  관리하는  데는 수분보전(비의  양이  충분하지  않은  지역),  배수(습윤한  지역),  관개(강수량이 충분하지  않은  지역)  세  가지  요령이  필요하다. 

 

 

 

 

 

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