농업직, 농업연구사, 농촌지도사, 방통대 - 토양학 정리- 6 토양수분과 토양공기

제 6 장 토양수분과 토양공기

 

**주요 학습 내용**

1. 토양수의 표시법에 대한 이해

2. 토양수의 물리적 분류에 대한 이해

3. 토양수의 특정항수에 대한 이해

4. 토양수분의 이동에 대한 이해

5. 토양공기의 특징에 대한 이해

Ⅰ. 토양수의 흡착력과 표시법 

 

1. 흡착력

토양 중의 수분은 부착력(토양입자 표면과 물분자와의 결합)과 응집력(물분자간의 결합)에 의해 존재한다

 

2. 토양 수분 표시법

① 토양수는 토양에 의한 물의 흡착력으로 표시하는데, 이는 토양 중에 간직된 물을 토양 입자로부터 떼어내는 데 필요한 힘을 의미한다

② 토양에 의한 물의 흡착력은 bar(mbar)나 기압과 같은 압력(atm)으로 나타내며, 水柱높 이의 대수를 취한 pF(장력)로도 나타낸다

③ 토양수가 적으면 토양입자로부터 떼어내는데 많은 힘이 들며(장력이 높다), 토양수가 많 으면 토양입자로부터 떼어내는데 적은 힘이 든다(장력이 낮다)

* 참 고

1atm = 1.0133bar = 1.033kg/cm2 = 1,033cm 水柱 = 760mm Hg柱 = pF 3

 

Ⅱ. 토양수의 물리적 분류

토양입자와 토양수분간의 결합력의 차이에 의한 분류를 토양수의 물리적 분류라 한다.

1. 결합수(combined water)

① 토양입자의 한 구성 성분으로 되어 있는 수분으로서, 결정수ㆍ화합수라고도 한다.

② 토양을 100∼110℃로 가열해도 분리되지 않는 10,000bar(pF 7) 이상인 수분이다

③ 식물에는 흡수되지 않지만 화합물의 성질에 영향을 준다.

 

2. 흡습수(hygroscopic water)

① 분자간 인력에 의하여 토양입자 표면에 흡착된 수분이다

② 31bar(pF 4.5) 이상의 힘으로 흡착되어서 식물이 이용하지 못하는 무효수분이다

③ 100∼110℃에서 8∼10 시간 가열하면 제거된다.

④ 토양 입자의 표면에 10분자층의 두께로 흡착되며, 물이 흡착될 때에는 遊離에너지가 열로 방출되는데 이것을 습윤열이라고 한다

⑤ 흡습량은 토양의 표면적에 비례한다

 

3. 모세관수(capillary water)

① 토양입자 사이의 소공극에 모세관력ㆍ표면장력에 의해 유지되는 수분으로서 모관수의 대부분은 지하수의 상승에 의해 유지된다

② 흡착력은 1/3∼31bar(pF 2.54∼4.5)이며, 식물에게 유효한 수분이다

③ 토양입자의 표면 가까이에 있는 모세관수는 내부모세관수로서 식물에는 거의 이용되지 못한다

④ 표면장력이나 중력에 견뎌 유지되어 있는 내부모세관수 바깥쪽의 물은 외부모세관수로서 주로 이용되는 모세관수이다

⑤ 온도가 높을 때에는 물의 표면장력이 감소, 무기염류가 가해지면 표면장력 증가한다

 

4. 중력수(gravitational water)

① 대공극에서 중력에 의하여 흘러내리는 수분으로서, 중력수 또는 자유수라고 한다.

② 흡착력는 1/3bar(pF 2.54) 이하의 수분이다

③ 대부분 불필요하게 과잉으로 존재하는 수분이며 배수에 의하여 제거된다.

④ 물이 아래로 침투되어 내려갈 때 양분이 함께 용탈된다.

 

Ⅲ. 토양수의 특정항수

한 토양내에서 토양수의 토양입자에 의한 흡착력은 연속적으로 변화되고 있지만, 토양수의 운동성 또는 토양의 물리성에 주어지는 영향이 비교적 확실하게 변하는 수분량이 있게 된다. 이것은 토양수의 성질을 이해하는데 매우 중요하며, 그 주요한 것을 들어보면 다음과 같다.

 

1. 흡습계수

① 풍건토양을 포화습도의 대기 중에 두었을 때 토양입자와 수분과의 결합력을 의미하는 것으로, 풍건토양의 수분함량을 나타낸다

② 풍건토양의 일정량을 100∼110℃로 가열하여 줄어든 수분량을 건토에 대한 중량 백분율 로 환산하여 쉽게 구할 수 있는데, 이를 흡습계수 또는 흡습도라 한다

③ 흡습도는 토양입자의 표면적에 의해 결정되는데, 모래가 많을수록 적어지고 점토나 부 식이 많을수록 커진다.

④ 포화습도 상태에서는 31bar이며, 50%의 관계습도에서는 1,000bar이다

[ 몇 가지 토양의 흡습도와 표면적 ]

 

 

2. 위조점 및 위조계수

위조점은 식물뿌리의 흡수력의 세기에 따라서도 다르며, 식물의 종류에 따라 흡착력도 다소 다르다.

1) 초기위조점

① 토양수분이 점차 감소됨에 따라 식물이 시들기 시작하는 수분량이다

② 흡착력은 약 10bar(pF 3.9)이며, 관수를 하면 회복 가능한 수분상태이다

2) 영구위조점

① 초기위조점을 넘어 계속해서 수분이 감소되면 포하습도의 공기 중에 둔다 하더라고 시든 식물은 회복되지 않는데, 이 때의 수분량을 영구위조점이라 한다

② 흡착력은 약 15bar(pF 4.2)이다

③ 일반적으로 위조계수는 영구위조점을 말한다.

3) 유효수분

① 포장용수량에서 위조점(영구위조점) 사이의 수분량을 말한다

② 무효수분은 영구위조점 이상의 수분을 말한다

 

3. 수분당량

① 물로 포화시킨 토양에 중력의 1,000배(1,000G)에 상당하는 원심력을 작용시킬 때 토양 중에 남아 있는 수분이다

② 큰 공극 중의 모세관수의 대부분이 제거된 상태이며, 이 때의 흡착력은 0.5∼1bar이다

 

4. 포장용수량

① 많은 물이 토양에 가해진 후 과잉수의 대부분은 대공극을 통하여 중력에 의해 透水된 후 표층토의 수분량을 포장용수량이라고 한다. 즉, 중력에 저항해서 표면장력에 의한 모세관작용으로 소공극에 남아있는 수분량이다

② 흡착력은 1/3bar(pF 2.54)이다

 

5. 최대용수량

① 중력에 견뎌 모세관이 물로 최대로 포화되어 있는 상태, 즉 머물고 있는 수면과 접촉한 바로 위 토양에 함유된 수분이다

② 토양의 전공극이 수분으로 포화된 상태이며, pF 값은 0이다

③ 자연에서는 배수가 불량하고 지하수면이 높은 곳에서 나타난다.

④ 최소용수량은 수면으로부터의 거리가 멀고 수면과 연결되는 모세관작용의 영향을 받지 않은 때에 보유된 수분으로서, 표장용수량과 거의 같다.

 

6. 최적수분함량

① 식물에 이용되는 물은 0.1∼10bar라고 할 수 있는데, 이것은 모세관수와 중력수의 일부 로서 유효수의 범위에 들어가지만, 식물의 생육에 대해서는 최적수분이라고 할 수 없다.

② 작물이 정상적으로 생육하기 위해서는 유효수분 중에서도 0.1∼1bar의 물이어야 하며, 1bar(1기압)만 넘어도 작물의 생육은 순조롭지 못하게 된다.

③ 식물의 생육에 대한 최적수분함량은 토양의 이화학적 성질ㆍ식물의 종류 및 생육시기ㆍ 기후조건 등에 따라 다르지만, Wollny는 일반농작물의 수분적량은 용수량의 60∼80%라 고 하였다.

7. 점착점

토양입자의 점착성이 증가하여 손이나 용기에 토양이 더럽게 묻지 않는 상태 를 점착점 또는 점조점이라고 한다

[ 토양수분의 장력계수 ]

 

 

 

Ⅳ. 토양수의 이동

 

1. 포화이동

① 모든 공극이 물로 차였을 때의 물의 이동으로서 중력에 의하여 아래로 이동한다

② 공극을 통과하는 투수량은 水頭의 기울기와 매체의 단면적에 비례하고, 매체의 길이에 반비례한다.

③ 라이시미터(lysimeter) - 투수량을 측정하는 기구로서, 침투수와 함께 용탈되는 염류의 용탈상황도 알 수 있다

☞ 포화이동의 이론적 배경 - “Darcy의 법칙” ⇒

식에서, f : 토양 공극을 통과하는 물의 속도(cm/sec)

k : 포화투수계수(cm/sec)

h : 수면으로부터 토양의 하단까지의 수두차(cm)

l : 물이 통과하는 토양의 두께(cm)

Q : 단위시간당 매체를 통과한 물의 유출량(cm3/sec)

A : 물이 통과하는 매체의 전체 단면적(cm2)

 

2. 불포화이동

중력수가 빠지고 난 다음에 포장용수량 상태에서 모관수의 이동으로서 토양 수분 이동의 대부분은 불포화이동이다

1) 원동력 - 모세관력ㆍ장력ㆍ표면장력ㆍ수막조절작용

2) 이동력 - ⅰ) 모세관의 반경에 반비례하고 표면장력의 2배에 비례한다

ⅱ) 공극이 작으면 느리게 이동하나 멀리 이동하므로, 식토의 경우 이동속도 는 느리지만 이동거리 및 지하수의 이동 높이는 높다

ⅲ) 공극이 크면 빠르게 이동하나 멀리 이동하지 못하므로, 사토의 경우 이동 속도는 빠르지만 이동거리 및 지하수의 이동높이는 낮다

 

3. 수증기의 이동

① 토양 공기 중 관계습도는 거의 100%이다

② 수증기는 수증기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다

③ 모(세)관 응축 - 대공극에서는 수증기 상태이다가 소공극에서 수분으로 응축되는 현상

 

Ⅴ. 토양수분의 증발산

1. 증발 - 수분이 지표면이나 수면에서 대기 중으로 확산하는 현상

2. 증산 - 수분이 식물체에 흡수되어 기공 등을 통하여 대기 중으로 확산하는 현상

3. 증산계수 - 식물의 건물 1g을 생산하는데 필요한 증산량(g)의 값을 증산율 또는 증산 계수라고 하는데, 대략 200∼1,000 정도이다

4. 토양수분의 증발억제

① 피복법

② 지표면을 얇게 경운하여 모세관을 끊어 수분증발 억제한다. 하지만 잘못 실시하면 수분 증발을 초래하므로 주의해야 한다

③ 잡초제거

④ 방풍림 설치

⑤ 내건 재배법(dry farming) - 휴한기에 비가 올 때마다 경운하여 토양 중에 수분 저장

 

Ⅵ. 토양의 수분상태

여러 가지 환경조건에 따라 토양수분의 변화의 질서를 나타내는 토양의 성질을 토양수분의 상태(soil moisture regime)라고 하는데, 이것은 식물에 수분을 공급하는 것 이외에 풍화와 용탈 또는 물의 포화상태에서의 식물뿌리의 산소결핍 등에 대한 수분의 유효성을 나타내게 된다. 이러한 토양수분의 상태는 지역적인 특성에 따라 다음과 같이 5가지로 나누어 생각할 수 있다.

1. Aquic 토양

① 습윤하고 물로 포화되어 있는 토양이다.

② 유리산소가 거의 없으며 하층토는 심한 환원(청회색의 환원층)상태여서 작물재배가 불가능하다

 

2. Udic 토양

① 물로 포화되지는 않으나 연중 습윤한 토양이다.

② 배수불량지나 저지대에 위치하며 하층에는 회색을 나타내는 glei 층 발달한다.

③ 용존산소가 부족하고 산성이며 낮은 비옥토로 작물재배에는 불리한 토양이다.

 

3. Ustic 토양

① Aquic과 Udic 토양의 중간적 수분함량을 보이는 토양이다.

② 다른 조건이 좋으면 작물재배에 유리한 유효수로서 역할을 한다

4. Aridic 토양 - 가장 건조한 토양으로 관수를 해야만 작물을 재배 할 수 있는 토양

5. Xeric 토양 - 겨울에는 습윤하고 여름에는 건조한 토양으로 전형적인 지중해성 기후 의 토양이다

 

* 보충정리

일반적으로 전강우량의 약 20%는 유거수로서 지표를 흘러 지나가고, 그 나머지 80%는 토양 중으로 스며 들어간다. 토양 중으로 스며 들어간 물 중 약 30%는 지하수가 되며, 그 나머지 70%는 토양에 머물러 중력적 상태의 토양수로 존재 하게 된다.

 

Ⅶ. 토양 수분 측정

 

1. 중량법

- 습윤한 토양 무게 측정 후 100∼110℃의 건조기에 5∼6 시간 건조하여 무게를 측정하 여 이 차이로 수분 함량 측정한다

 

2. 석고블록법(저항괴법)

- 석고로 만든 block의 수분을 전기전도도, 열전도도 등으로부터 측정하여 이것과 평형 상태에 있는 주위의 토양수분을 구한다

 

3. 중성자법

- 중성자의 감속정도를 측정하여 수분량을 측정하는 것으로서, 같은 장소에서 토양구조 를 파괴하지 않고 빠르고 쉽게 수분함량을 시간별ㆍ깊이별로 반복해서 여러 번 측정할 수 있다

 

4. tensiometer법(장력계법)

- 포장용수량 이상의 수분에 이용되는 것으로서, 물이 보유한 장력만을 측정한다

 

Ⅷ. 토양 공기

1. 토양 공기 조성의 특징

토양공기는 대기공기에 비하여 산소의 농도가 낮고, 이산화탄소의 농도가 높다

① 산소의 농도가 낮은 원인

- 식물뿌리와 미생물의 호흡으로 인한 산소의 손실이다

② 이산화탄소 농도가 높은 원인

- 식물뿌리와 미생물의 호흡ㆍ석회시용ㆍ유기물 분해로 인한 이산화탄소의 증가

 

[ 대기와 토양 공기의 조성 ]

 

 

 

2. 공기 유통

1) 공기의 이동방향

- 산소는 대기에서 토양으로 이동하며, 이산화탄소는 토양에서 대기 중으로 이동한다

2) 공기 유통의 원동력

- 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 현상인 확산작용이 공기 유통의 가장 큰 원동력이며, 그 밖에 온도변화ㆍ토양수분 경감ㆍ바람ㆍ기압의 변화 등의 원인이 있다.

3) 공기 유통 불량시 생물활동

① 미생물 - ⅰ) 산소부족으로 인하여 호기성 미생물의 활동이 줄고 혐기성 미생물의 활 동왕성해진다

ⅱ) 혐기성미생물의 활동에 의해 토양물질이 환원작용을 받아서 환원성 유 해 물질들이 생성ㆍ집적되며 유기물의 분해가 느려져서 결국 식물생육 에 불리하게 작용한다

② 식물 - ⅰ) 산소부족으로 인하여 뿌리의 정상적인 호흡이 불가능하게 된다

ⅱ) 뿌리의 호흡이 불량해지므로 양분 및 수분의 흡수가 저하되어 식물생육이 불량해진다

ⅲ) 정상적 생육을 위해서는 손실된 산소의 재공급이 원활하게 이루어져야 하 는데, 이를 산소확산율(ODR)이라 하며, 20×10-8g/cm2/min 이하에서는 뿌 리 생육이 정지되고 30∼40×10-2g/cm2/min 이상에서 잘 자랄 수 있다

③ 작물의 산소 요구량 -ⅰ) 높은 작물 : 토마토, 감자, 사탕수수, 완두, 보리

ⅱ) 중간 정도인 작물 : 옥수수, 밀, 연맥, 대두

ⅲ) 낮은 작물 : 기장, 풀 종류

④ 통기불량으로 인하여 CO2가 증가하면 이것이 환원작용을 받아 메탄가스(CH4)ㆍ유기 산 등의 유해물질이 되어 식물생육에 불리하게 작용하며, 물과 반응하여 탄산화작용 을 일으켜 토양산성화를 초래한다

 

3. 토양 공기 유통의 조성책

1) 토양처리 - ① 명거나 암거 배수 시설 설치

② 심경

③ 세사를 객토하여 식질 토양을 개량

④ 유기물, 석회 물질 및 토양 개량제 등을 시용하여 작토의 입단화를 조장

2) 재배적 조치 - ① 작물 재배 기간 중 중경

② 파종할 때 미숙 퇴구비를 두껍게 덮지 않는다.

③ 벼 육묘시는 아건(못자리 그누기), 본답에서는 중간 낙수

④ 답전 윤환 재배

⑤ 습한 밭토양에서의 작물의 휴파나 습답에서의 벼 휴립 재배

 

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