기여자

환경 측정 캠페인을 시작하는 대학원생이든, 숙련된 연구원이든, 관개 관리에 관심이 있는 재배자든, 어느 순간 토양 수분을 측정해야 한다는 사실을 깨달았을 것입니다. 왜 그럴까요? 물 가용성은 생태계 생산성의 주요 동인 중 하나이기 때문에 토양 수분(즉, 토양 수분 함량/토양 수분 잠재력)은 대부분의 식물에게 즉각적인 물 공급원입니다. 토양 수분이란 무엇인가요? 아래는 토양 수분 측정에 대한 포괄적인 설명과 토양 수분과 함께 사용되는 몇 가지 중요한 과학 용어에 대한 설명입니다.

토양 수분은 무엇을 의미할까요?

토양 수분은 단순히 토양의 수분량을 아는 것 이상의 의미를 가집니다. 측정 방법을 결정하기 전에 알아야 할 기본 원칙이 있습니다. 다음은 실제로 알아내고자 하는 내용에 집중하는 데 도움이 될 수 있는 몇 가지 질문입니다.

• 토양에 저장된 물에 관심이 있으신가요?
• 생산을 극대화하기 위해 1차 생산성에 사용할 수 있는 물에 더 신경을 쓰시나요, 아니면 사이트의 최대 생산량을 이해하시나요?
• 토양의 수분과 용질 이동을 연구하고 계신가요?
• 농작물의 물 사용을 최적화하는 것이 목표인가요?
• 토양 수문학을 모델링하고 계신가요?

이러한 질문 중 어떤 질문에 관심이 있는지에 따라 토양 수분은 매우 다른 의미를 가질 수 있습니다.

측정해야 하는 변수 파악

대부분의 사람들은 토양 수분을 토양 수분 함량이라는 한 가지 변수로만 바라봅니다. 그러나 토양의 물 상태를 설명하려면 물의 양을 나타내는 수분 함량과 물의 에너지 상태인 수분 포텐셜이라는 두 가지 유형의 변수가 필요합니다.

토양 수분 함량은 광범위한 변수입니다. 크기와 상황에 따라 달라집니다. 총 단위 부피 또는 질량당 물의 양으로 정의됩니다. 기본적으로 얼마나 많은 물이 있는지를 의미합니다.

포텐셜은 물질이나 에너지의 강도 또는 품질을 설명하는 '집약적' 변수입니다. 종종 온도와 비교되기도 합니다. 온도가 사람의 쾌적도를 나타내는 것처럼, 수분 포텐셜은 식물의 쾌적도를 나타낼 수 있습니다. 물의 포텐셜은 전위가 0인 순수한 물을 기준으로 물의 몰(단위 질량, 부피, 무게) 당 포텐셜 에너지입니다. 토양에서 소량의 물을 제거하여 순수하고 자유로운 물 웅덩이에 저장하는 데 필요한 작업으로 수분 포텐셜을 볼 수 있습니다.

집중 변수와 광범위한 변수에 대해 자세히 알아보기

"연구자를 위한 수자원 잠재력에 대한 전체 가이드"를 다운로드하세요.

토양 수분 함량: 단지 양일 뿐입니다.

이 문서에서는 토양 수분 함량을 측정하는 두 가지 방법, 즉 중량 측정 수분 함량과 부피 측정 수분 함량에 대해 간략하게 살펴봅니다.

중량 측정 수분 함량은 토양 질량당 물의 질량(즉, 토양 그램당 물의 그램)입니다. 질량을 측정하여 토양 수분의 양을 직접 측정하기 때문에 토양 수분 함량을 측정하는 주요 방법입니다. 토양 수분 함량은 밭에서 채취한 젖은 토양의 무게를 측정하고 오븐에서 건조한 다음 마른 토양의 무게를 측정하여 계산합니다.

따라서 중량 측정 수분 함량은 젖은 토양 질량에서 건조한 토양 질량을 뺀 값을 건조한 토양 질량으로 나눈 값과 같습니다. 즉, 물의 질량을 토양 질량으로 나눈 값입니다.

체적 수분 함량은 토양의 총 부피당 물의 양입니다.

체적 수분 함량은 중량 측정 수분 함량과 동일하지만 부피 기준으로 보고된다는 점이 다릅니다.

예를 들어, 알려진 토양 부피의 구성 요소는 그림 1에 나와 있습니다. 모든 구성 요소의 합계는 100%입니다. 체적 수분 함량(VWC)은 물의 양을 총 토양 부피로 나눈 값이므로 이 경우 VWC는 35%가 됩니다. VWC는 ^cm3/cm3 또는 피트당 인치로 보고되기도 합니다.

중량 측정 및 VWC: 벌크 밀도에 따른 연결

중량 측정 수분 함량(w)은 토양의 건조 부피 밀도(⍴)를 곱하여 부피 측정 수분 함량(ϴ)으로 변환할 수 있습니다._b)를 곱하면 됩니다(방정식 3).

중량 측정 수분 함량은 토양에 얼마나 많은 수분이 있는지 측정하는 첫 번째 원리(또는 직접적인) 방법이기 때문에 현장에서 또는 원격으로 감지되는 거의 모든 VWC 측정값의 보정을 개발하고 판독값을 검증하는 데 사용됩니다. 유전체 센서가 있는 경우 전자기장에서 판독한 값을 토양 수분 함량으로 변환하는 관계가 있습니다. 따라서 체적 수분 함량이 정확한지 확실하지 않은 경우 토양을 샘플링하여 중량 측정 수분 함량을 측정하고 벌크 밀도 샘플을 채취하여 직접 확인하세요.

토양 수분 101 보기

토양 수분은 단순히 토양의 수분량을 아는 것 이상의 의미를 가집니다. 측정 방법을 결정하기 전에 알아야 할 기본 원칙에 대해 알아보세요. 20분 동안 진행되는 이 웨비나에서 알아보세요:

• 토양 수분이 단순한 양 이상의 의미를 갖는 이유
• 수분 함량: 수분 함량의 정의, 측정 방법 및 수분 함량이 필요한 이유
• 수분 잠재력: 수분 잠재력의 정의, 수분 함량과 다른 점, 수분 잠재력이 필요한 이유
• 수분 함량, 수분 포텐셜 또는 둘 다 측정해야 하는지 여부
• 각 유형의 파라미터를 측정하는 센서

체적 수분 함량 측정 방법

대부분의 체적 수분 함량 측정은 어떤 종류의 센서를 사용하여 이루어집니다. METER 수분 함량 센서는 정전용량 기술을 사용합니다. 이러한 센서는 물의 '극성'을 이용해 수분 함량을 측정합니다. 어떻게 작동하나요?

그림 2는 물 분자를 보여줍니다. 위쪽에는 산소 원자가 있는 음극이 있고 아래쪽에는 수소 원자 두 개가 있는 양극이 있습니다. 전자기장(그림 3)을 토양에 도입하면 이 물 분자가 눈에 띄게 됩니다. 전자기장의 방향이 반대라면 물 분자는 반대 방향으로 춤을 출 것입니다. 따라서 수분 함량 센서로 전자기장을 생성하면 해당 전자기장에 대한 물의 영향을 측정할 수 있습니다. 토양에 물이 많으면 더 큰 효과를 볼 수 있습니다. 정전용량 기술에 대해 자세히 알아보세요.

센서로 토양 수분 함량을 측정하는 이유는 무엇인가요?

토양 수분 함량 센서를 사용하면 토양에서 일어나는 일을 이해하는 데 사용되는 강력한 도구인 시계열(그림 4)의 가능성을 열 수 있습니다. 중량 측정 수분 함량을 측정하려면 샘플 또는 일련의 샘플을 채취하여 실험실로 가져와야 합니다. 시계열이 필요한 경우, 이는 기본적으로 항상 현장에서 샘플링을 해야 하기 때문에 비실용적입니다.

수분 함량 센서를 사용하면 토양 수분 함량의 변화 시기를 자동으로 측정하고 프로필에서 깊이를 비교할 수 있습니다. 또한 이러한 곡선의 모양은 토양의 수분에 어떤 일이 일어나고 있는지에 대한 중요한 정보를 제공합니다.

표 1은 다양한 토양 감지 방법을 비교한 것입니다.

중량 측정 수분 함량	VWC 센서	원격 감지(SMOS)
첫 번째 원칙/직접 방법	시계열에 편리한 기능	제한된 규모의 시계열 작업 가능
시간 소모적	시간 경과에 따른 프로파일 감지 지원	공간 샘플링에 매우 강력함
파괴적	덜 방해
단 한 번의 스냅샷

표 1. 토양 감지 방법 비교

중량 측정 수분 함량은 좋은 첫 번째 원칙 측정 방법이지만 시간이 많이 걸리고 파괴적이며 특정 시점의 스냅샷만 제공합니다. 토양 수분 함량 센서는 시계열을 제공하고, 시간에 따른 프로파일 감지가 가능하며, 센서를 토양에 삽입하더라도 파괴적인 샘플링을 피할 수 있습니다. 원격 센싱은 제한된 규모의 시계열을 제공하지만 수분 함량을 측정하는 데 중요한 공간 샘플링에는 매우 강력합니다. METER 토양 수분 센서는 현장 교란을 최소화하도록 설계된 특수 설치 도구로 교란을 줄입니다(작동 방식을 보려면 동영상을 시청하세요).

토양 수분 보기: 설치가 중요한 이유와 올바른 설치 방법

정확한 토양 수분 데이터를 얻으려면 올바른 센서 설치가 최우선 과제입니다. 토양에서 측정할 때 밀도의 자연적인 변화로 인해 2~3%의 정확도 손실이 발생할 수 있지만, 설치가 잘못되면 10% 이상의 정확도 손실이 발생할 수 있습니다. 잘못된 설치는 토양 수분 데이터에서 가장 흔한 오류의 원인이지만, 매번 완벽한 설치를 보장하는 기술이 있습니다. 센서 설치 전문가인 크리스 챔버스가 더 스마트한 토양 수분 센서 설치가 필요한 이유와 이를 달성하는 방법을 설명합니다.
알아보세요:

• 좋은 토양 수분 데이터의 모습
• 다양한 설치 문제가 데이터에 나타나는 방식(예: 에어 갭, 센서 느슨함, 토양 유형 변경, 수심 교차)
• 정확한 설치를 보장하는 방법
• 새로운 TEROS Borehole Installation Tool 에어 갭과 현장 교란을 줄이면서 일관성을 개선하는 방법
• 올바른 설치를 위해 다른 과학자들이 하는 일

채도: 생각과 다릅니다.

용적 수분 함량 측면에서 오븐 건조 토양은 정의상 0% VWC입니다. 이는 하나의 정의된 엔드포인트입니다. 순수한 물은 100%로 척도의 다른 쪽 끝에 있습니다. 많은 사람들이 100% VWC가 완전히 포화된 토양이라고 생각하지만 그렇지 않습니다. 토양 유형에 따라 포화되는 수분 함량은 다릅니다.

이를 포화도로 보는 한 가지 방법이 있습니다:

포화도 % = VWC/다공성 * 100

특정 토양 유형의 다공성을 알고 있다면 포화 상태의 수분 함량을 대략적으로 추정할 수 있습니다. 그러나 현장에서 토양이 포화 상태에 도달하는 경우는 거의 없습니다. 왜 그럴까요?

그림 5에서 토양이 물을 흡착하면서 토양 입자에 달라붙는 수막을 형성하는 것을 볼 수 있습니다. 또한 공기로 채워진 기공 공간도 있습니다. 현장 조건에서는 이러한 공기 공간을 제거하기가 어렵습니다. 이러한 공기 포획으로 인해 포화도가 특정 토양 유형에 대한 이론적 포화도 최대값과 거의 같지 않습니다.

물 잠재력이란 무엇인가요?

수분 포텐셜은 토양의 수분을 설명하는 데 사용되는 또 다른 변수입니다. 앞서 언급했듯이, 이는 토양의 에너지 상태 또는 전위가 0인 순수한 물을 기준으로 한 물 한 몰당 포텐셜 에너지로 정의됩니다. 이는 무엇을 의미할까요? 이 원리를 이해하려면 토양 샘플의 물을 음료수 잔에 담긴 물과 비교해 보세요. 유리잔의 물은 상대적으로 자유롭고 사용 가능한 반면, 토양의 물은 표면에 결합되어 있으며 용질에 의해 희석될 수 있고 심지어 압력 하에서도 희석될 수 있습니다. 결과적으로 토양의 물은 "자유" 물과는 다른 에너지 상태를 갖습니다. 자유 상태의 물은 에너지를 사용하지 않고도 접근할 수 있습니다. 토양수는 보유하고 있는 에너지와 동등하거나 그 이상의 에너지를 소비해야만 추출할 수 있습니다. 수분 포텐셜은 토양 샘플에서 물을 추출하기 위해 얼마나 많은 에너지를 소비해야 하는지를 나타냅니다.

수전위는 중력 전위 + 행렬 전위 + 압력 전위 + 삼투 전위라는 네 가지 구성 요소의 합입니다(방정식 4).

매트릭 전위는 토양 표면에 달라붙는 물과 관련이 있기 때문에 토양에 관한 한 가장 중요한 구성 요소입니다. 그림 6에서 매트릭스 전위는 토양 입자에 달라붙는 수막을 생성하는 요소입니다. 토양에서 물이 빠져나가면 공기로 채워진 기공 공간이 커지고 매트릭 전위가 감소함에 따라 물이 토양 입자에 더 단단히 달라붙게 됩니다. 아래 동영상을 통해 매트릭스 전위가 실제로 어떻게 작용하는지 알아보세요.

수분 전위 구배는 토양에서 물 흐름의 원동력입니다. 그리고 토양 수분 전위는 식물이 사용할 수 있는 물을 나타내는 가장 좋은 지표입니다(여기에서 그 이유를 알아보세요). 수분 함량과 마찬가지로 수분 전위는 실험실과 현장에서 모두 센서로 측정할 수 있습니다. 다음은 다양한 유형의 현장 수분 전위 센서의 몇 가지 예입니다.

수전위 예측을 통한 물의 이동 예측

그림 6에 표시된 것처럼 물은 두 위치가 평형을 이룰 때까지 에너지가 높은 위치에서 에너지가 낮은 위치로 이동합니다. 예를 들어 토양의 수분 포텐셜이 -50kPa라면, 물은 더 음의 -100kPa 쪽으로 이동하여 더 안정된 상태가 됩니다.

이것은 또한 식물의 토양 대기 연속체에서 일어나는 일의 근사치입니다. 그림 7에서 토양은 -0.3MPa이고 뿌리는 -0.5MPa로 약간 더 마이너스입니다. 이는 뿌리가 토양에서 물을 끌어올린다는 것을 의미합니다. 그런 다음 물은 이 잠재적 경사면을 가로질러 잎을 통해 목질부를 통해 위로 이동합니다. 그리고 -100MPa의 대기가 이 구배를 만드는 원동력입니다. 따라서 수전위는 시스템에서 물이 어느 방향으로 이동할지를 정의합니다.

식물용수란 무엇인가요?

식물 가용 수량은 토양 또는 재배 매체의 밭 용량과 영구 시들음점 사이의 수분 함량 차이입니다(아래 정의 참조). 대부분의 작물은 토양이 영구 시들음점 근처까지 건조해지면 수확량이 크게 감소합니다. 작물 수확량을 극대화하려면 일반적으로 토양 수분 함량을 영구 시들점 이상으로 유지해야 하지만, 식물 가용 수량은 토양 내 수분 저장소의 크기를 알려주기 때문에 여전히 유용한 개념입니다. 토양 유형에 대한 기본적인 지식만 있으면 현장 토양 수분 센서로 측정한 값으로 밭의 수용력과 영구 시들음점을 추정할 수 있습니다. 이러한 센서는 작물 수확량과 물 사용 효율을 높이기 위한 관개 관리 결정을 안내할 수 있는 지속적인 토양 수분 함량 데이터를 제공합니다.

필드 용량이란 무엇인가요?

토양 수분 용량은 "토양에 물을 적신 후 2~3일 후 자유 배수가 무시해도 남아있는 질량 또는 부피 기준의 수분 함량"으로 정의됩니다. 토양 과학 용어집. 미국 토양 과학 협회, 1997. 미세한 질감의 토양의 경우 -33kPa, 모래 토양의 경우 -10kPa의 수분 함량으로 가정하는 경우가 많지만 이는 대략적인 시작점일 뿐입니다. 실제 현장 용량은 토양 프로파일의 특성에 따라 달라집니다. 현장에서 모니터링한 수분 함량 데이터를 통해 결정해야 합니다. 필드 용량 데이터를 보고 있다면 그 지점에 어떻게 도달했는지 아는 것이 좋습니다.

일반적으로 필드 용량을 수전위 측면에서 지정하지만, 실제로는 흐름 속성이라는 점을 인식하는 것이 중요합니다. 물은 중력 전위 구배의 영향을 받아 토양 프로파일에서 아래로 이동합니다. 물은 계속해서 아래로 이동하지만 토양이 건조해지면 유압 전도도가 급격히 감소하여 결국 증발 및 증산 손실에 비해 하향 흐름이 작아집니다. 토양을 새는 양동이로 생각해보세요. 식물은 뿌리 영역을 통해 아래로 내려가는 물의 일부를 잡으려고 노력합니다.

영구 시들음점이란 무엇인가요?

눈금의 반대쪽 끝은 영구 시들음점입니다. 영구 시들음점은 해바라기에서 실험적으로 결정되었으며 -15bar(-1500kPa, Briggs and Shantz, 1912, 9페이지)로 정의되었습니다. 이는 해바라기가 시들어 하룻밤 사이에 회복할 수 없는 토양 전위입니다. 이론적으로는 터거 압력이 완전히 손실되어 식물이 시들어 버린 빈 탱크입니다. 그러나 -1500kPa가 모든 식물의 시들음 지점은 아닙니다. 많은 식물이 다른 지점에서 '시들기' 때문에 일부 식물은 -1500kPa보다 훨씬 빨리 영구적인 손상으로부터 자신을 보호하기 시작하고 일부는 훨씬 후에 시들기 시작합니다. 따라서 -1500kPa는 토양에서 유용한 기준점이지만 선인장은 -1500kPa에 신경 쓰지 않을 것이고, 폰데로사 소나무는 그 지점에서 시들지 않을 것이 분명하다는 점에 유의하세요. 따라서 식물이나 작물마다 다른 의미를 가질 수 있습니다(자세히 알아보기: M.B. Kirkham. 토양과 식물 물 관계의 원리, 2005, 엘스비어).

를 사용하여 토양의 영구 시들음 지점을 빠르고 쉽게 확인할 수 있습니다. WP4C.

토양 유형: 시야를 투과하는 렌즈

수분 함량에 대한 의미 있는 결론을 도출하려면 토양 유형에 대해 알아야 합니다.

그림 8은 모래에서 점토까지 가장 일반적인 텍스처 클래스를 나타낸 차트입니다. 모든 텍스처는 입자 크기 분포가 다릅니다. 표 2는 -1500kPa(영구 시들음점)에서 각 텍스처 클래스의 수분 함량이 다르다는 것을 보여줍니다. 이는 필드 용량에서도 마찬가지입니다.

텍스처	FC(v%)	PWP(v%)
모래	5	1
양토 모래	10	2
사질 양토	17	6
모래 점토 양토	32	19
Loam	27	14
샌디 클레이	38	28
미사 양토	27	13
실트	24	10
점토 양토	36	23
미사질 점토 양토	36	22
실트 클레이	40	28
클레이	42	32

표 2. 다양한 토양 질감에 대한 대표적인 필드 용량 및 영구 시들음 지점

흥미롭게도 사질 점토 양토는 현장 용량(수분이 많은 토양)에서 32%의 VWC를 가질 수 있지만, 점토의 경우 32%의 VWC는 영구 시들음 지점입니다. 즉, 센서를 설치할 때 토양 샘플을 채취하여 토양의 질감과 토양에서 어떤 일이 일어나고 있는지 확인해야 합니다. 이는 토양 유형에 변화가 있는 경우, 즉 토양 프로파일의 변화나 사이트마다 공간적 변동성이 있는 경우 특히 중요합니다. 수분 잠재력은 상황에 따라 변하지 않는다는 점에 유의하세요. 이러한 모든 토양 유형에서 -33kPa는 점토이든 모래이든 -33kPa입니다. 미사토 토양을 일종의 중간 질감 토양으로 본다면 -33kPa 수분 함량은 27%이고 -1500kPa 수분 함량은 13%입니다. 일반적인 벌크 밀도에서 총 기공 공간은 약 50%입니다. 이 공간이 모두 채워지면 토양은 포화 상태가 됩니다. 따라서 포화 상태에서 시작하여(필드 용량이 -33kPa라고 가정할 때) 필드 용량에 도달하기 위해 물의 절반이 빠져나가게 됩니다. 남은 물의 약 절반은 식물이 사용할 수 있는 물입니다. 식물이 가능한 모든 물을 추출한 후에는 식물이 사용할 수 있는 물과 거의 같은 양의 물이 토양에 남아 있지만 식물에서 제거할 수 없습니다.

는 PARIO 는 모든 토양의 토양 유형과 입자 크기 분포를 자동으로 측정하는 기기입니다.

토양 수분 보유 곡선

토양 수분 보유 곡선(수분 방출 곡선 또는 토양 수분 특성 곡선이라고도 함)을 사용하여 설명할 수 있는 수분 전위와 체적 수분 함량 사이에는 관계가 있습니다. 그림 9는 세 가지 토양에 대한 예시 곡선을 보여줍니다. X축은 로그 척도의 수분 전위이고 Y축은 체적 수분 함량입니다. 토양 수분 보유 곡선은 각 토양에 고유한 물리적 지문과 같습니다. 이는 수분 잠재력과 토양 수분 함량 간의 관계가 토양마다 다르기 때문입니다. 이 관계를 통해 곡선을 따라 각기 다른 토양이 어떻게 행동하는지 알아낼 수 있습니다. 물이 토양을 통해 빠르게 배수되는가, 아니면 뿌리 영역에 고여 있는가와 같은 중요한 질문에 답할 수 있습니다. 토양 수분 보유 곡선은 식물의 수분 흡수, 깊은 배수, 유출 등을 예측하는 데 사용되는 강력한 도구입니다. 여기에서 그 원리에 대해 자세히 알아보거나 토양 수분 201을 시청하세요.

는 HYPROP 는 습한 범위에서 토양 수분 보유 곡선을 자동으로 생성하는 도구입니다. HYPROP 와 를 결합하여 전체 토양 수분 범위에 걸쳐 유지력 곡선을 생성할 수 있습니다. WP4C.

토양 수분: 수분 함량 또는 수분 잠재력이 필요한가요?

토양 수분 측정 캠페인을 시작하기 전에 다음과 같은 질문을 스스로에게 해보세요:

• 토양에 얼마나 많은 물이 저장되어 있는지 알아야 하나요?
• 물이 어느 방향으로 움직일지 알아야 하나요?
• 식물에 물을 줄 수 있는지 알아야 하나요?
• 식물의 토양에 얼마나 많은 물이 있는지 알아야 하나요?
• 언제 물을 주어야 하는지 알아야 하나요?

토양에 저장된 물의 양만 알고 싶다면 토양 수분 함량에 초점을 맞춰야 합니다. 물이 어디로 이동할지 알고 싶다면 수분 전위를 측정하는 것이 좋습니다. 식물이 물을 얻을 수 있는지 이해하려면 수분 전위를 측정해야 합니다.

이에 대한 자세한 내용은 문서에서 확인하세요: "토양 수분으로 알아야 할 모든 것을 알 수 없는 이유" 문서를 참조하세요. 그러나 언제 물을 주어야 하는지, 또는 식물을 위해 토양에 얼마나 많은 물이 저장되어 있는지 알고 싶다면 수분 함량과 수분 잠재력이 모두 필요할 것입니다. 토양에 물리적으로 얼마나 많은 물이 있는지 알아야 하고, 식물이 어느 시점에 물을 얻을 수 없는지 알아야 하기 때문입니다. 이 문서에서 그 원리에 대해 자세히 알아보세요: "물을 줄시기: 이중 측정으로 수수께끼를 풀다" 문서를 참조하세요.

관련 자료 토양 수분이란 무엇인가요?

커컴, 메리 베스. 토양과 식물 물 관계의 원리. 아카데믹 프레스, 2014.

테일러, 스털링 A. 및 게일린 L. 애쉬 크로프트. 물리적 에다 폴로지. 관개 및 비 관개 토양의 물리학. 1972.

힐렐, 다니엘. 토양 물리학의 기초. 아카데믹 프레스, 2013.

데인, 제이콥 H., G. C. 토프, 게일런 S. 캠벨. 토양 분석 물리적 방법의 방법. No. 631.41 S63/4. 2002.

어떤 수분 함량 센서 방식이 애플리케이션에 적합할까요?

토양 수분 센서의 차이점을 이해하면 혼란스러울 수 있습니다. 아래 두 차트는 가장 일반적인 토양 수분 감지 방법과 각각의 장단점, 그리고 각 방법이 어떤 상황에서 유용할 수 있는지 비교한 것입니다. 모든 METER 토양 수분 센서는 고주파 커패시턴스 감지 기술과 설치 도구를 사용하여 설치가 간편하고 최대한의 정확도를 보장합니다. 각 측정 방법에 대한 자세한 내용은 토양 수분 102 웨비나를 시청하세요.

토양 수분 센서의 종류

센서	장점	단점	사용 시기
저항 프로브	1. 데이터 로거로 연속 측정 수집 가능 2. 최저 가격 3. 저전력 사용	1. 정확도 저하: 토양 유형 및 토양 염분 함량에 따른 보정 변화 2. 시간이 지남에 따라 센서 성능 저하	1. 수분 함량 변화 여부만 알고 싶고 정확도는 신경 쓰지 않는 경우
TDR 프로브 (시간 도메인)	1. 데이터 로거로 연속 측정 수집 가능 2. 토양별 보정(2~3%)으로 정확도 향상 3. 신호가 사라질 때까지 염분에 민감하지 않음 4. 리뷰어들로부터 인정받음	1. 정전용량보다 사용법이 더 복잡함*. 2. 구멍이 아닌 트렌치를 파야 하므로 설치에 시간이 소요됨 3. 높은 염분에서 작동을 멈춤 4. 많은 전력 사용 (대용량 충전식 배터리)	1. 실험실에서 이미 시스템을 소유하고 있는 경우. 커패시턴스보다 더 비싸고 복잡하며, 연구에 따르면 TDR과 커패시턴스 모두 보정 시 정확도가 동등하다고 합니다.
정전용량 센서	1. 데이터 로거로 연속 측정 수집 가능 2. 일부 유형은 설치가 쉽습니다. 3. 토양별 보정(2~3%)으로 정확도 향상 4. 적은 전력 사용 (태양 전지판이 거의 또는 전혀없는 소형 배터리) 5. 저렴하고 지출하는 비용으로 더 많은 측정을 얻을 수 있습니다.	1. 높은 염도(포화 추출물 8 dS/m 이상)**에서 부정확해집니다. 2. 일부 저품질 브랜드는 정확도, 성능이 떨어집니다.	1. 많은 측정 위치가 필요합니다. 2. 배포 및 유지 관리가 간편한 시스템이 필요합니다. 3. 저전력이 필요한 경우 4. 지출 비용당 더 많은 측정이 필요한 경우
중성자 프로브	1. 대용량 측정 2. 염분에 민감하지 않음 3. 가장 오랫동안 사용되어 온 방법이기 때문에 리뷰어들로부터 존경받습니다. 4. 토양 센서 접촉 문제의 영향을 받지 않음	1. 비싸다 2. 작동하려면 방사선 인증서가 필요합니다. 3. 매우 시간 집약적임 4. 연속 측정 불가	1. 인증이 있는 프로그램에 이미 중성자 프로브가 있고 중성자 프로브 데이터를 해석하는 방법을 이미 알고 있습니다. 2. 접촉 유지가 문제가 되는 고염분 또는 팽창 수축 점토 토양을 측정하고 있습니다.
COSMOS	1. 매우 큰 영향력(800m) 2. 자동화 3. 넓은 지역의 변동성을 평활화하여 지상 트루싱 위성 데이터에 효과적임. 4. 토양 센서 접촉 문제의 영향을 받지 않음	1. 가장 비싼 2. 측정량이 제대로 정의되지 않고 토양 수분 함량에 따라 변화함 3. 초목과 같은 혼란 요인으로 인해 정확도가 제한될 수 있음	1. 넓은 지역의 수분 함량 평균을 구해야 할 때 2. 위성 데이터를 지상 트루트레이싱하는 경우

*Acclima와 Campbell Scientific은 대부분의 TDR 시스템이 직면하는 복잡성 문제를 극복하는 온보드 측정 회로를 갖춘 TDR 센서/프로파일 프로브를 제작합니다.
** 측정 주파수에 따라 달라지며, 주파수가 높을수록 감도가 낮아집니다.

센서의 이점 비교

	저항	TDR	커패시턴스	중성자 프로브	COSMOS
가격	최저	보통에서 높음	낮음에서 보통	높음	최고
정확성	낮음	높음* (토양별 보정 포함)	높음* (토양별 보정 포함)	낮음(현장 보정을 통해 개선됨)	알 수 없음
복잡성	쉬운	쉬운 중급자	쉬운	어려움	어려움
전원 사용	낮음	보통에서 높음	낮음	N/A	높음
염분 민감도	익스트림	1. 저염도에서 중간 염도에서는 없음 2. 높은 염도에서는 예	높은 염도에서는 예	아니요	아니요
내구성	낮음	높음	높음	높음	높음
영향력 규모	프로브 A와 프로브 B 사이의 작은 면적	프로브 길이와 전자기장의 모양에 따라 0.25리터 ~ 2리터	프로브 길이와 전자기장의 모양에 따라 0.25리터 ~ 2리터	토양이 젖었을 때 직경 20cm 구, 토양이 건조했을 때 직경 40cm 구	직경 800미터

*일부 저품질 브랜드는 정확도가 낮고 성능이 좋지 않습니다. TDR 및 커패시턴스 센서의 정확도를 위협하는 가장 큰 요인은 설치 불량으로 인한 에어 갭이며, 그 다음으로는 토양의 점토 활동(예: 스멕타이트 점토), 그리고 염분입니다.

최신 토양 수분 센서를 만나보세요

METER는 설치 불일치, 센서 간 변동성, 센서 검증과 같은 우수한 정확도의 장애물을 제거하기 위해 새로운 TEROS 센서 라인을 만들었습니다. TEROS 토양 수분 센서는 설치 도구, 매우 견고한 구조, 센서 간 변동성 최소화, 대량의 영향, 고급 데이터 로깅을 통해 일관되고 완벽한 설치를 결합하여 최고의 성능, 정확도, 사용 편의성, 신뢰성을 저렴한 가격에 제공합니다.

더 자세히 알고 싶으신가요? 아래 웨비나에서 토양 수분 전문가인 레오 리베라가 새로운 TEROS 센서 라인을 개발하는 데 20년을 투자한 이유를 설명합니다.

현장 센서의 정확도를 높이는 방법

정확도를 높이려면 토양별 보정을 고려하세요. METER의 토양 수분 센서는 수분 함량의 강력한 함수인 토양의 유전 상수를 측정하여 토양의 체적 수분 함량을 측정합니다. 그러나 모든 토양이 동일한 전기적 특성을 갖는 것은 아닙니다. 토양 부피 밀도, 광물학, 질감 및 염분의 변화로 인해 현재 METER 센서의 일반적인 광물 보정은 대부분의 광물 토양에서 약 ± 3~4%, 토양이 없는 성장 기질(화분 토양, 돌 울, 코코 열매 등)에서 약 ± 5%의 정확도를 제공합니다. 그러나 토양별 보정을 통해 토양 및 토양이 없는 기질에 대해서는 정확도가 ± 1 ~ 2%로 증가합니다. 토양 수분 센서 사용자는 체적 수분 함량 측정의 정확도를 최대한 높이기 위해 토양별 보정을 수행하거나 토양별 보정 서비스( )를 사용할 것을 권장합니다.

 

	TEROS 12	TEROS 11	TEROS 10	EC-5	10HS
조치	체적 수분 함량, 온도, 전기 전도도	체적 수분 함량, 온도	체적 수분 함량	체적 수분 함량	체적 수분 함량
영향력 규모	1010 mL	1010 mL	430 mL	240 mL	1320 mL
측정 출력	디지털 SDI-12	디지털 SDI-12	아날로그	아날로그	아날로그
현장 수명	10년 이상	10년 이상	10년 이상	3~5년*	3~5년*
내구성	최고	최고	최고	보통	보통
설치	높은 정확도를 위한 설치 도구	높은 정확도를 위한 설치 도구	높은 정확도를 위한 설치 도구	수작업으로 설치	수작업으로 설치

표 1. 토양 수분 센서 비교 차트

*현장 조건이 일반적으로 따뜻하고 습한 경우 TEROS 같은 수명이 긴 센서를 선택하세요.

 

몇 개의 토양 수분 센서가 필요합니까?

연구 현장에 설치된 토양 수분 센서의 개수에 따라 가설을 증명할 수도 있고 완전히 놓칠 수도 있습니다. 가장 완벽한 토양 수분 정보를 얻기 위해 몇 개의 센서를 설치해야 할까요? 모든 시나리오를 포괄하는 정답은 없습니다. 연구 목표, 정확도 요구 사항, 규모, 현장별 특성 등이 모두 필요한 센서의 수에 영향을 미칩니다. 또한 토양 수분은 공간적, 시간적으로 가변적입니다. 이러한 가변성의 원동력을 이해하면 연구자들은 샘플링 방법에 대한 인사이트를 얻을 수 있습니다.

가변성을 이해하는 것은 어려울 수 있습니다.

연구 지역 내에서 토양 수분 변동성은 토양 질감, 식생 피복의 양과 유형, 지형, 강수량 및 기타 기상 요인, 관리 관행, 토양 수리 특성(토양에서 물이 얼마나 빨리 이동하는지)의 차이로 인해 발생합니다. 연구자들은 토양 수분의 다양성을 파악하기 위해 얼마나 많은 샘플 위치가 필요한지 파악하기 위해 지형적 특징의 변동성을 고려해야 합니다.

토양 수분 함량은 강수량, 가뭄, 관개, 증발산량, 계절적 날씨 및 식생의 다양성과 관련된 예측 가능한 패턴에 따라 시간에 따라 변화할 수 있습니다(Wilson et al., 2004). 이는 이해하기 쉬운 개념이지만, 시간적 역동성과 공간적 역동성 간의 상호작용으로 인해 발생하는 변동성을 고려하면 더욱 복잡해집니다.

토양 수분 데이터는 종종 가정에 도전합니다.

다음 예는 시뮬레이션 데이터를 사용하여 공간적, 시간적 차이가 토양 수분 함량에 미치는 영향을 설명합니다. 첫 번째 예에서는 동일한 연구 사이트에 대해 습하고 건조한 조건에서 토양 수분 함량을 시뮬레이션하고 확률 밀도 함수(PDF)를 계산했습니다. 이 예는 토양 수분 PDF를 설명하는 매개변수가 고정된 것이 아니라 토양 수분 조건에 따라 시간에 따라 변화한다는 것을 보여줍니다.

두 번째 예에서는 조건이 습하지도 건조하지도 않은 단일 시점에 대한 토양 수분 함량을 시뮬레이션합니다. 결과 PDF는 연구 사이트 내에 토양 수분 함량의 '집단'이 두 개 이상 있음을 나타냅니다(그림 11). 이는 여러 가지 요인으로 인해 발생할 수 있습니다. 토양 질감이 다른 지역(예: 건조한 모래와 습한 미사토 지역)이 있거나, 연구 지역에 저지대 지형과 인접한 언덕이 포함되어 있거나, 연구 지역에 다양한 유형의 식생 피복이 있는 경우일 수 있습니다.

위의 두 가지 간단한 예는 시간과 공간에 따른 토양 수분의 복잡한 특성을 보여줍니다. 두 예 모두 현장 조건에서 토양 수분 함량으로 작업할 때 정상에 대한 가정이 항상 유효하지 않을 수 있음을 시사합니다(Brocca et al., 2007; Vereecken et al., 2014).

토양 수분 센서는 몇 개나 있나요? 상황에 따라 다릅니다.

연구 지역의 "실제" 평균 토양 수분 함량을 측정하는 것이 목표인 경우, 샘플링 계획은 위에서 설명한 변동성의 원인을 고려해야 합니다. 연구 지역에 언덕과 계곡, 다양한 유형의 캐노피 피복, 계절에 따른 강수량의 변화가 있는 경우, 주요 이질성 원인을 나타내는 지역에 센서를 배치해야 합니다. 대신 연구 지역이 상당히 균질하거나 연구자가 토양 수분 함량의 시간적 패턴에만 관심이 있는 경우(예: 관개 스케줄링), 데이터의 시간적 자기 상관 관계로 인해 더 적은 수의 토양 수분 센서가 필요할 수 있습니다(Brocca et al., 2010; Loescher et al., 2014).

현장에서의 연속 측정으로 토양 수분 함량에 대한 탁월한 이해 제공

토양 수분 함량은 시간과 공간에서 매우 역동적입니다. 일부 연구자들은 현장 샘플링을 통해 이러한 역동성을 모두 포착하기는 어렵고 노동 집약적이지만, 일부 연구자들은 이 방법을 선택하기도 합니다. 환경 과학의 다른 많은 분야와 마찬가지로, 토양 수분 거동에 대한 가장 깊은 통찰력은 현장 센서 네트워크를 사용한 연구에서 나타나고 있습니다(Bogena et al., 2010; Brocca et al., 2010). 대부분의 응용 분야에서 현장의 연속 측정을 사용하면 토양 수분 함량에 대한 탁월한 이해를 얻을 수 있습니다.

이 주제에 대한 자세한 내용은 아래 게시글을 참조하세요.

참고 자료

바로니, G., B. 오르투아니, A. 파치, C. 간돌피. "옥수수 작물 밭에서 표면 토양 수분의 시공간적 변동성에 대한 식생 및 토양 특성의 역할." 수문학 저널 489 (2013): 148-159. 기사 링크.

브로카, L., F. 멜론, T. 모라마르코, 및 R. 모비델리. "토양 수분의 공간적-시간적 변동성 및 규모에 따른 추정." 수자원 연구 46, 2 (2010). 기사 링크.

브로카, L., R. 모비델리, F. 멜론, T. 모라마르코. "이탈리아 중부 실험 지역의 토양 수분 공간 변동성." 수문학 저널 333, 2 호 (2007): 356-373. 기사 링크.

Bogena, H. R., M. Herbst, J. A. Huisman, U. Rosenbaum, A. Weuthen 및 H. Vereecken. "토양 수분 함량 변동성 측정을 위한 무선 센서 네트워크의 잠재력." 바도세 구역 저널 9, no. 4 (2010): 1002-1013. 기사 링크 (오픈 액세스).

Famiglietti, James S., 류동렬, 아론 A. 버그, 매튜 로델, 토마스 J. 잭슨. "규모에 따른 토양 수분 변동성에 대한 현장 관찰." 수자원 연구 44, 1 (2008). 기사 링크 (오픈 액세스).

가르시아, 곤잘로 마르티네즈, 야코프 파쳅스키, 해리 베리켄. "토양 수리적 특성이 토양 수분의 공간 평균과 변동성 사이의 관계에 미치는 영향." 수문학 저널 516 (2014): 154-160. 기사 링크.

코레스, W., T. G. 레이체나우, P. 피너, C. N. 코야마, H. R. 보고나, T. 코넬리센, R. 바츠 등 "시공간적 토양 수분 패턴-플롯에서 집수 규모 데이터를 사용한 메타 분석." 수문학 저널 520 (2015): 326-341. 논문 링크 (오픈 액세스).

로셔, 헨리, 에드워드 에어스, 폴 더피, 홍얀 루오, 맥스 브런크. "북미 생태계 간 토양 특성의 공간적 변화와 샘플링 설계 지침." PLOS ONE 9, 1 (2014): e83216. 논문 링크(오픈 액세스).

튤링, 아드리안 J. 및 피터 A. 트로흐. "토양 수분 변동성 역학에 대한 이해도 향상." 지구물리학 연구 편지 32, no. 5 (2005). 기사 링크 (오픈 액세스).

베리켄, 해리, J. A. 후이스만, 야코프 파쳅스키, 카스텐 몬츠카, J. 반 데르 크루크, 헤이 보게나, L. 바이허뮬러, 마이클 허브스트, 곤잘로 마르티네즈, 얀 반더보르흐트(Vereecken, Harry, J. A. Huisman, Yakov Pachepsky). "현장 규모에서 토양 수분의 시공간적 역학에 대하여." 수문학 저널 516 (2014): 76-96. 기사 링크.

윌슨, 데이비드 J., 앤드류 W. 웨스턴, 로저 B. 그레이슨. "시간적 및 공간적 토양 수분 관측에서 변동성의 원인을 식별하고 정량화하기." 수자원 연구 40, 2 (2004). 기사 링크 (오픈 액세스).

어떤 센서 설치 방법이 가장 적합할까요?

물 보충 및 사용 패턴은 토양 프로파일의 깊이에 따라 토양 수분의 공간적 변화가 크게 발생합니다. 따라서 프로파일 수분 함량을 정확하게 측정하는 것이 모든 물 예산 연구의 기초가 됩니다. 프로파일을 정확하게 모니터링하면 물 사용량, 심부 침투량, 식물 사용을 위해 저장된 물의 양을 알 수 있습니다.

측정 오류를 방지하는 방법

고품질 체적 수분 함량 측정을 위한 세 가지 일반적인 과제는 다음과 같습니다:

1. 토양 수분 센서가 방해받지 않는 토양에 설치되었는지 확인하기
2. 측정 부피에서 뿌리 및 생체 기공에 대한 방해 최소화
3. 프로브와 프로브 주변으로 우선적으로 흐르는 물 제거

모든 유전체 프로브는 프로브 표면에서 가장 민감합니다. 프로브와 토양 사이의 접촉이 끊어지거나 프로브 표면에서 토양이 압축되면 큰 측정 오차가 발생할 수 있습니다. 표면에 물이 고여 있거나 프로브 설치 구멍을 따라 우선 경로로 흐르는 경우에도 큰 측정 오류가 발생할 수 있습니다.

토양 수분 센서를 설치하려면 항상 약간의 땅을 파야 합니다. 토양을 최대한 적게 교란하면서 어떻게 하면 프로파일을 정확하게 샘플링할 수 있을까요? 다섯 가지 프로파일 샘플링 전략의 장단점을 살펴보세요.

우선 순위 흐름은 상용 프로파일 프로브의 일반적인 문제입니다.

프로파일 프로브는 프로파일 수분 함량 측정을 위한 원스톱 솔루션입니다. 하나의 프로브를 하나의 구멍에 설치하면 다양한 깊이에서 측정값을 얻을 수 있습니다. 프로파일 프로브는 잘 작동할 수 있지만 적절한 설치가 까다로울 수 있고 허용 오차가 엄격합니다. 프로브의 전체 표면을 따라 접촉을 보장할 수 있을 만큼 하나의 깊은 구멍을 정밀하게 드릴링하는 것은 어렵습니다. 접촉을 개선하기 위해 다시 채우면 재포장 및 측정 오류가 발생합니다. 또한 프로파일 프로브는 특히 액세스 튜브의 긴 표면에서 우선 흐름 문제가 발생하기 쉽습니다. (참고: 새로운 TEROS Borehole Installation Tool 은 우선 흐름을 제거하고 현장 방해를 줄이면서 원하는 깊이에 센서를 설치할 수 있습니다.)

트렌치 설치는 고된 작업

트렌치 측벽을 통해 다양한 깊이에 센서를 설치하는 것은 쉽고 정밀한 방법이지만, 실제 트렌치를 파는 작업은 많은 노력이 필요합니다. 이 방법은 포장이나 우선적인 물 흐름 문제 없이 방해받지 않는 토양에 프로브를 설치합니다. 하지만 굴착을 수반하기 때문에 일반적으로 다른 이유로 트렌치를 파거나 토양이 너무 돌이 많거나 자갈로 가득 차서 다른 방법이 작동하지 않는 경우에만 사용됩니다. 과도한 가장자리 효과를 피하기 위해 굴착된 영역을 원래의 토양과 거의 같은 밀도로 채우고 다시 포장해야 합니다.

오거 측벽 설치로 작업량 감소

단일 오거 홀의 측벽을 통해 프로브를 설치하면 중장비 없이도 트렌치 방식의 많은 장점을 누릴 수 있습니다. 이 방법은 Bogena 등이 사용했습니다. EC-5 프로브. 그들은 여러 깊이에 동시에 프로브를 설치할 수 있는 장치를 만들었습니다. 트렌치 설치와 마찬가지로, 가장자리 효과를 피하기 위해 구멍을 샘플링 전 밀도로 채우고 다시 포장해야 합니다.

시추공은 토양층을 교란하지만, 현장에 미치는 상대적인 영향의 크기는 트렌치 설치에 비해 매우 작습니다. 트렌치는 길이 60~90cm, 폭 40cm 정도일 수 있습니다. 시추공 설치는 소형 핸드 오거를 사용하여 수행되며 TEROS Borehole Installation Tool 를 사용하면 트렌치 면적의 2~3%에 불과한 직경 10cm의 구멍을 만들 수 있습니다. 현장 교란의 규모가 최소화되기 때문에 대공, 뿌리 및 식물의 교란이 적고 현장이 훨씬 빠르게 자연 상태로 돌아갈 수 있습니다. 또한 작은 시추공 내부에서 설치 도구를 사용하면 토양과 센서의 접촉이 양호하고 분리해야 할 토양이 적기 때문에 지평선 층을 분리하고 정확한 토양 밀도로 재포장하는 것이 훨씬 더 쉽습니다.

다중 구멍 설치로 장애 방지

각 깊이마다 별도의 접근 구멍을 파면 각 프로브가 해당 구멍의 바닥에 있는 방해받지 않는 토양에 설치됩니다. 모든 방법과 마찬가지로 리필된 오거 구멍으로 물이 우선적으로 흐르지 않도록 주의해야 하지만, 단일 구멍에서 모든 측정이 이루어질 때처럼 한 구멍에서 실패해도 모든 데이터가 위태로워지지는 않습니다.

이 방법의 가장 큰 단점은 프로파일의 각 깊이마다 구멍을 파야 한다는 것입니다. 하지만 구멍이 작기 때문에 일반적으로 쉽게 파낼 수 있습니다.

단일 구멍 설치는 가장 바람직하지 않습니다.

하나의 구멍을 뚫고 바닥에 센서 하나를 설치한 다음 구멍을 재포장하고, 재포장된 토양에 원하는 깊이에 센서를 설치하면서 이동하면서 프로파일 수분을 측정할 수 있습니다. 그러나 재포장된 토양은 교란되지 않은 상태와 다른 부피 밀도를 가질 수 있고 토양을 굴착, 혼합, 재포장하는 동안 프로파일이 완전히 변경되기 때문에 이 방법은 논의된 방법 중 가장 바람직하지 않은 방법입니다. 하지만 일부 목적에 따라서는 단일 홀 설치가 전적으로 만족스러울 수도 있습니다. 설치가 주변 토양과 평형을 이루고 뿌리가 토양으로 자라도록 허용되는 경우, 교란된 토양의 상대적인 변화는 주변 토양의 변화를 반영해야 합니다.

참조

Bogena, H. R., A. Weuthen, U. Rosenbaum, J. A. Huisman 및 H. Vereecken. "SoilNet - 지그비 기반 토양 수분 센서 네트워크." AGU 가을 회의 초록에서. 2007. 기사 링크.

추가 설치 도움말

아래 동영상에서 센서 설치 전문가인 크리스 챔버스가 더 스마트한 토양 수분 센서 설치가 필요한 이유와 이를 달성하는 방법을 설명합니다. 학습하기:

• 좋은 토양 수분 데이터의 모습
• 다양한 설치 문제가 데이터에 나타나는 방식(예: 에어 갭, 센서 느슨함, 토양 유형 변경, 수심 교차)
• 정확한 설치를 보장하는 방법
• 새로운 TEROS Borehole Installation Tool 에어 갭과 현장 교란을 줄이면서 일관성을 개선하는 방법
• 올바른 설치를 위해 다른 과학자들이 하는 일

사이트 장애가 데이터에 영향을 미치는 5가지 방법과 이에 대한 대응 방법

토양 수분을 측정할 때는 현장 교란이 불가피합니다. 우리는 현장의 토양이 많이 교란되더라도 토양 센서가 토양 수분에 대해 알려줄 것이라는 생각으로 스스로를 안심시킬 수 있습니다. 또는 센서 바늘이 교란되지 않은 토양에 삽입되기 때문에 센서 주변의 토양 특성이 변해도 상관없다고 생각할 수도 있습니다. 사실 현장 교란은 중요하며, 토양 수분 데이터에 미치는 영향을 줄일 수 있는 방법이 있습니다. 아래에서는 현장 교란과 연구자가 데이터의 불확실성을 줄이기 위해 설치 기술을 조정하는 방법을 살펴봅니다.

아직은 비방해 방식이 효과적이지 않습니다.

토양 수분 센서를 설치하는 동안 대표적인 측정값을 얻으려면 가능한 한 최소한의 토양 교란을 발생시키는 것이 중요합니다. 위성, 지표 투과 레이더, COSMOS와 같이 교란을 일으키지 않는 방법이 존재합니다. 그러나 이러한 방법은 수분 함량에 대한 단일 접근 방식으로는 실용적이지 않은 문제에 직면해 있습니다. 위성은 설치 공간이 넓지만 일반적으로 토양의 상위 5~10cm를 측정하며 해상도와 측정 빈도가 낮습니다. 지표 투과 레이더는 해상도는 뛰어나지만 비용이 많이 들고, 하부 경계 깊이를 알 수 없는 경우 데이터 해석이 어렵습니다. 지상 기반의 비침습적 중성자 방식인 COSMOS는 최대 직경 800미터의 영역에서 위성보다 더 깊은 곳까지 연속적으로 측정할 수 있습니다. 그러나 많은 응용 분야에서 비용이 많이 들고 초목과 토양 모두에 민감하기 때문에 연구자들은 두 신호를 분리해야 합니다. 이러한 방법은 아직 토양 수분 센서를 대체할 준비가 되어 있지 않지만 토양 수분 센서가 제공할 수 있는 실측 데이터와 함께 사용하면 잘 작동합니다.

1. 교란의 결과는...교란입니다.

연구 현장이 교란된 후 토양이 자연 상태로 돌아가는 데는 최대 6개월 또는 그 이상이 걸릴 수 있습니다. 영향을 미치는 요인으로는 강수량(습한 기후가 건조한 기후보다 '정상'으로 더 빨리 회복됨), 토양 유형, 토양 밀도 등이 있습니다. 연구자들은 평형이 회복되기를 기다리면서 처음 두세 달 동안의 데이터를 무시하는 것이 일반적입니다. 연구자들이 땅을 파면 성숙한 풀이나 식물을 제거한 다음 다시 심습니다. 이러한 식물은 다시 복원하기 어려운 경우가 많으며, 대규모 교란이 발생하면 상당수의 식물이 잘 자라지 못하거나 죽습니다. 이러한 식물은 더 이상 물을 흡수하지 않기 때문에 물 균형이 변화하여 토양 수분 데이터에 중대한 영향을 미칠 수 있습니다. 표면적을 덜 교란하는 옵션을 사용하면 식물의 사망률을 줄이고 결과를 개선할 수 있습니다.

2. 매크로포어 분쇄는 치명적일 수 있습니다.

토양이 이동하거나 압축되면 토양의 구조를 형성하고 물의 이동을 가능하게 하는 다양한 크기의 작은 모세관인 미세 기공과 거대 기공에 불균형적인 영향을 미칩니다. 부지 교란과 토양 재포장은 토양 대공극을 파괴하여 물이 더 느리고 다른 경로를 따라 이동하게 합니다. 이는 결국 변경된 구역 아래의 재충전에 영향을 미칩니다. 토양을 덜 제거하는 설치 옵션은 이 문제를 최소화할 수 있습니다.

3. 토양 밀도를 제대로 파악하기 어려운 경우

다짐의 반대는 토양이 너무 느슨하게 다시 포장될 때 발생합니다. 이로 인해 시추공이나 트렌치 벽의 측면을 따라 우선적으로 흐르게 되어 정상보다 더 많은 물이 해당 구역으로 이동하게 됩니다. 이 과도한 물은 종종 센서 바늘이 삽입된 토양에 흡수되어 토양 수분 데이터를 왜곡합니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 시간을 계획하여 구멍을 적절한 밀도로 조심스럽게 재포장해야 합니다. 이는 표면에 약간의 언덕이 생길 때까지 흙을 추가하고 층층이 포장하여 고여 있는 것을 방지하는 방식으로 이루어집니다. 표면이 평평하면 시간이 지나면서 흙이 함몰될 수 있습니다. 큰 구덩이는 상당한 크기의 함몰을 유발하여 물을 우선적으로 모으고 센서 주변의 토양에 물이 침투하는 방식을 바꿀 수 있습니다.

4. 지평선 층이 섞이면 수문학이 혼동됩니다.

설치 구덩이를 다시 포장하는 동안 토양 지평선 층을 혼합하면 토양의 수리학적 특성이 크게 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 토양에 모래 지평선 A와 점토 지평선 B가 있는 경우, 이 두 층을 뒤집거나 혼합하면 분명한 결과를 초래할 수 있습니다. 일부 토양층은 쉽게 구분할 수 있는 반면, 다른 토양 유형은 구분하기 어려운 지평선을 가지고 있습니다. 따라서 토양 수문학의 변화를 방지하기 위해 토양을 조심스럽게 제거하고 층별로 되돌려 놓아야 합니다. 연구자들은 설치 구덩이 주변에 방수포를 깔고 토양을 한 층씩 조심스럽게 제거하여 방수포 위에 순서대로 올려놓음으로써 이를 달성할 수 있습니다. 이러한 층이 섞이기 쉽기 때문에 시작하기 전에 층을 기억할 수 있는 방법을 준비하는 것이 도움이 됩니다. 센서 설치 후 연구자는 토양 층을 역순으로 구덩이로 되돌려 각 층 사이에 정확한 밀도로 다시 포장해야 합니다.

5. 루트 시스템 망가뜨리기-데이터 망가뜨리기

특히 연구자가 성숙한 관목과 나무가 있는 지역을 파헤쳐 토양 수분 센서를 설치하는 경우, 큰 뿌리 시스템을 파괴할 수 있습니다. 뿌리는 토양에서 수분을 고갈시키는 주요 메커니즘이므로 뿌리가 죽으면 전체 연구 지역의 토양 수분 측정 대표성이 달라집니다. 센서 근처의 모든 뿌리가 죽으면 측정값이 실제보다 수분이 더 풍부한 것으로 나타날 수 있습니다. 연구자들은 전략적으로 배치된 시추공을 사용하여 뿌리 시스템을 더 적게 방해함으로써 이 문제를 줄일 수 있습니다.

트렌치 설치 - 최선인가요, 최악의 아이디어인가요? 상황에 따라 다릅니다.

트렌치 설치의 한 가지 장점은 연구자가 전체 토양 프로파일을 볼 수 있어 하드팬 층을 더 쉽게 식별하고, 지평선과 토양 유형을 결정하고, 토양 구조와 형성을 파악할 수 있다는 점입니다. 그러나 큰 트렌치를 파면 엄청난 양의 토양이 제거됩니다. 그리고 모든 토양을 다시 채우면 많은 거대 기공이 부서지고 토양에 수압 불연속성이 생겨 물이 센서에서 인위적으로 우회하거나 센서로 향할 가능성이 높아집니다. 연구원이 시간을 절약하기 위해 백호를 사용할 경우 상황은 더욱 악화됩니다. 백호의 트랙과 패드는 특히 토양이 젖은 경우 토양을 압축하고, 큰 삽은 식물과 뿌리 시스템을 찢어버립니다.

프로파일 프로브 - 너무 가까워서 아직 멀었습니다.

프로파일 프로브는 토양 교란을 덜 일으키는 작은 시추공을 사용하기 때문에 매력적입니다. 그러나 프로파일 프로브의 단단한 직선형 폼 팩터는 토양과 센서가 잘 접촉하려면 완벽하게 수직인 벽이 필요합니다. 안타깝게도 시추공의 측면이 완벽하게 수직인 경우는 드뭅니다. 토양 벽을 따라 곡선과 구덩이가 있습니다. 직선형 프로파일 프로브는 연결성이 좋은 경우가 드물고, 설치 시 공극과 우선 흐름으로 인해 문제가 발생하는 경우가 많습니다. 프로파일 프로브 사용자는 종종 두꺼운 진흙 슬러리로 다시 메워 보정을 시도하지만, 이 방법에는 토착 토양이 아닌 흙이 유입되고 토양이 마르면서 발생하는 균열로 인한 부정확성 등 여러 가지 문제점이 있습니다.

시추공 방식이 승리하는 이유

시추공은 토양층을 교란하지만, 현장에 미치는 영향의 상대적 크기는 트렌치 설치에 비해 매우 작습니다. 트렌치는 길이 60~90cm, 폭 40cm 정도일 수 있습니다. 시추공 설치는 소형 핸드 오거를 사용하여 수행되며 TEROS Borehole Installation Tool 를 사용하면 트렌치 면적의 2~3%에 불과한 직경 10cm의 구멍을 만들 수 있습니다. 현장 교란의 규모가 최소화되기 때문에 대공, 뿌리 및 식물의 교란이 적고 현장이 훨씬 빠르게 자연 상태로 돌아갈 수 있습니다. 또한 작은 시추공 내부에서 설치 도구를 사용하면 토양과 센서의 접촉이 양호하고 분리해야 할 토양이 적기 때문에 지평선 층을 분리하고 정확한 토양 밀도로 재포장하는 것이 훨씬 더 쉽습니다.

사이트 장애를 완전히 없앨 수는 없지만 규모를 제어할 수는 있습니다.

현장 교란이 토양 수분 데이터에 미치는 영향을 줄이기 위한 핵심은 교란의 규모를 조절하는 것입니다. 대규모 굴착은 더 넓은 지역에 영향을 미치는 반면, 작은 시추공은 주변 식물과 토양 수리 특성에 미치는 영향이 훨씬 적어 연구 현장을 훨씬 더 빠른 속도로 자연 상태로 되돌릴 수 있습니다.

토양 수분 방출 곡선에 대한 심층 분석

토양 수분 방출 곡선(토양-수분 특성 곡선 또는 토양 수분 보유 곡선이라고도 함)은 각 토양 유형에 고유한 물리적 지문과 같습니다. 연구자들은 특정 수분 조건에서 특정 토양에 있는 물의 운명을 이해하고 예측하는 데 이 곡선을 사용합니다. 수분 방출 곡선은 다음과 같은 중요한 질문에 답합니다. 어떤 수분 함량에서 토양이 영구적으로 시들게 되는가? 얼마나 오래 관개해야 하는가? 아니면 물이 토양을 통해 빠르게 배수될 것인가 아니면 뿌리 영역에 고여 있을 것인가? 수분 방출 곡선은 식물의 수분 흡수, 깊은 배수, 유출 등을 예측하는 데 사용되는 강력한 도구입니다.

토양 수분 방출 곡선이란 무엇인가요?

수분 전위와 체적 수분 함량 사이에는 그래프를 사용하여 설명할 수 있는 관계가 있습니다. 이러한 데이터를 종합하면 토양 수분 방출 곡선이라는 곡선 모양이 만들어집니다. 토양 수분 방출 곡선의 모양은 각 토양마다 고유합니다. 토양 질감, 부피 밀도, 유기물의 양, 기공 구조의 실제 구성과 같은 많은 변수의 영향을 받습니다.

그림 13은 세 가지 토양에 대한 예시 곡선을 보여줍니다. X축은 대수 척도의 수분 전위이고 Y축은 체적 수분 함량입니다. 토양 수분 함량과 수분 전위(또는 토양 흡입력) 사이의 이러한 관계를 통해 연구자들은 특정 토양 유형에서 물의 가용성과 물의 이동을 이해하고 예측할 수 있습니다. 예를 들어 그림 13에서 영구 시들음점(오른쪽 세로선)은 토양 유형에 따라 수분 함량이 다르다는 것을 알 수 있습니다. 고운 사질 양토는 5% VWC에서 영구 시들음을 경험하는 반면 미사 양토는 거의 15% VWC에서 영구 시들음을 경험합니다.

광범위한 변수와 집중적인 변수

토양 수분 방출 곡선을 이해하려면 광범위한 특성과 집중적인 특성을 설명할 필요가 있습니다. 대부분의 사람들은 토양 수분을 토양 수분 함량이라는 한 가지 변수로만 바라봅니다. 그러나 환경의 물질 또는 에너지 상태를 설명하려면 두 가지 유형의 변수가 필요합니다. 광범위한 변수는 물질이나 에너지의 범위(또는 양)를 설명합니다. 그리고 집중 변수는 물질 또는 에너지의 강도(또는 품질)를 설명합니다.

광범위한 변수	집중 변수
볼륨	밀도
수분 함량	물 잠재력
열 콘텐츠	온도

표 1. 광범위하고 집중적인 변수의 예

토양 수분 함량은 광범위한 변수입니다. 환경에 얼마나 많은 물이 있는지를 설명합니다. 토양 수분 잠재력은 집중적인 변수입니다. 이는 환경 내 물의 강도 또는 품질(대부분의 경우 가용성)을 설명합니다. 이것이 어떻게 작동하는지 이해하려면 열의 관점에서 광범위한 변수와 집중적인 변수를 생각해 보세요. 열 함량(광범위한 변수)은 공간에 얼마나 많은 열이 저장되어 있는지를 설명합니다. 온도(집중 변수)는 실내의 품질(쾌적도) 또는 신체가 실내의 열을 어떻게 인지하는지를 설명합니다.

그림 14는 북극에 있는 대형 선박과 방금 불에 달궈진 핫로드를 보여줍니다. 이 두 항목 중 열 함량이 더 높은 것은 무엇일까요? 흥미롭게도 북극에 있는 배가 핫로드보다 열 함량이 높지만 온도가 더 높은 것은 핫로드입니다.

핫로드를 우주선에 접촉시키면 에너지의 흐름에 영향을 미치는 변수는 무엇일까요? 집중 변수인 온도가 에너지의 이동 방식을 결정합니다. 열은 항상 높은 온도에서 낮은 온도로 이동합니다.

열과 마찬가지로 토양 수분 함량은 단지 양일 뿐입니다. 물이 어떻게 움직일지 또는 식물이 편안하게 지낼 수 있는 수준(식물 가용수)을 알려주지는 않습니다. 그러나 집중 변수인 토양 수분 잠재력은 물의 가용성과 이동을 예측합니다.
"연구자를 위한 수분 잠재력에 대한 전체 가이드" 다운로드하기

수분 방출 곡선 데이터의 출처는 어디인가요?

토양 수분 방출 곡선은 현장 또는 실험실에서 만들 수 있습니다. 현장에서는 토양 센서를 사용하여 토양 수분 함량과 토양 수분 잠재력을 모니터링합니다.

METER의 쉽고 신뢰할 수 있는 유전체 센서는 ZL6 데이터 로거를 통해 실시간에 가까운 토양 수분 데이터를 cloud (ZENTRA Cloud). 이를 통해 엄청난 양의 작업과 비용을 절약할 수 있습니다. TEROS 12는 수분 함량을 측정하며 TEROS 시추공 설치 도구로 간단하게 설치할 수 있습니다. TEROS 21은 설치가 간편한 현장 수분 전위 센서입니다.

실험실에서는 METER의 HYPROP 와 WP4C 를 결합하여 전체 토양 수분 범위에 걸쳐 완전한 토양 수분 방출 곡선을 자동으로 생성할 수 있습니다.

실험실과 현장의 수분 방출 곡선을 비교해보십시오.

토양 수분 방출 곡선 사용 방법

토양 수분 방출 곡선은 체적 수분 함량이라는 광범위한 변수와 수분 잠재력이라는 집중적인 변수를 함께 연결합니다. 광범위한 변수와 집중적인 변수를 함께 그래프로 표시하면 연구자와 관개 관리자는 토양 수분이 어디로 이동할지 등 중요한 질문에 답할 수 있습니다. 예를 들어 아래 그림 15에서 아래의 세 토양이 수분 함량이 15%인 서로 다른 토양 지평선 층인 경우, 고운 모래 사질 양토의 물은 더 음수 전위를 가지므로 고운 모래 사질 양토 층으로 이동하기 시작합니다.

토양 수분 방출 곡선은 물을 언제 켤지, 언제 끌지 등의 관개 결정을 내리는 데도 사용할 수 있습니다. 이를 위해 연구자나 관개 담당자는 체적 수분 함량(VWC)과 수분 잠재력을 모두 이해해야 합니다. VWC는 재배자에게 얼마나 많은 관개를 적용해야 하는지 알려줍니다. 그리고 수분 잠재력은 작물이 물을 얼마나 사용할 수 있는지, 언제 물을 중단해야 하는지를 알려줍니다. 작동 방식은 다음과 같습니다.

그림 16. 세 가지 토양에 대한 일반적인 토양 수분 방출 곡선그림 16은 양토, 미사토, 점토 토양에 대한 일반적인 수분 방출 곡선을 보여줍니다. 100kPa에서 사질 토양 수분 함량은 10% 미만입니다. 그러나 미사토양에서는 약 25%, 점토 토양에서는 40%에 가깝습니다. 필드 용량은 일반적으로 -10에서 -30kPa 사이입니다. 그리고 영구 시들음 지점은 약 -1500kPa입니다. 이 영구 시들음점보다 건조한 토양은 식물에 물을 공급하지 못합니다. 그리고 밭의 수용력보다 더 습한 토양에서는 물이 토양 밖으로 빠져나가게 됩니다. 연구자/관개자는 이 곡선을 보고 각 토양 유형에 맞는 최적의 수분 함량 수준을 확인할 수 있습니다.

그림 17은 동일한 수분 방출 곡선으로, 밭 용량 범위(녹색 수직선), 관개 작물에 일반적으로 설정되는 하한(노란색), 영구 시들음점(빨간색)을 보여줍니다. 연구자/관개자는 이 곡선을 사용하여 미사토양 수분 전위가 -10~-50kPa 사이로 유지되어야 한다는 것을 알 수 있습니다. 그리고 이러한 수분 전위에 해당하는 수분 함량은 관개 담당자에게 미사토양 수분 함량 수준을 약 32%(0.32m3/m3)로 유지해야 함을 알려줍니다. 토양 수분 센서는 이 최적 한도보다 높거나 낮을 때 이를 알려줍니다.

ZENTRA 모든 것을 단순화

릴리스 곡선으로부터 정보를 수집하면, METER의 ZL6 데이터 로거와 ZENTRA Cloud 를 사용하면 최적의 수분 수준을 유지하는 프로세스를 간소화할 수 있습니다. 상한과 하한은 ZENTRA cloud 에서 설정할 수 있으며, 실시간에 가까운 토양 수분 데이터(파란색 음영)에 겹쳐진 음영 띠로 표시되므로 언제 물을 켜고 꺼야 하는지 쉽게 알 수 있습니다. 이러한 제한에 근접하거나 초과하면 자동으로 경고가 전송되기도 합니다.

토양 수분으로 관개 개선에 대해 자세히 알아보기

현장에서 수분 방출 곡선을 만들 수 있나요? 예, 가능합니다.

수전위 센서와 토양 수분 센서를 현장에 배치하면 연구자의 지식 기반에 더 많은 수분 방출 곡선을 추가할 수 있습니다. 또한 지질 공학 엔지니어와 관개 과학자의 주요 관심사는 주로 불포화 토양의 현장 성능이므로 실험실에서 생성한 곡선에 현장 측정을 추가하는 것이 이상적입니다.

아래 웨비나에서는 METER 연구 과학자인 콜린 캠벨 박사가 최근 불포화 토양 범미국 회의에서 발표한 논문을 요약합니다. Campbell 외(2018)의 " 현장에서 생성된 토양 수분 특성 곡선과 실험실에서 생성된 곡선 비교" 논문은 TEROS 21 보정된 행렬 전위 센서와 METER 수분 함량 센서를 사용하여 현장에서 생성된 SWCC가 실험실에서 생성된 것과 얼마나 잘 비교되는지 설명합니다.

잠깐, 더 있습니다.

토양 수분 방출 곡선은 이 글의 범위를 넘어 훨씬 더 많은 통찰력과 정보를 제공할 수 있습니다. 연구자들은 토양 수축 팽창 용량, 양이온 교환 용량 또는 토양별 표면적과 같은 많은 문제를 이해하는 데 이 곡선을 사용합니다. 다음 동영상에서는 토양 수분 전문가인 레오 리베라가 수분 방출 곡선을 사용하여 물과 관련된 개별 토양의 거동을 분석하는 방법에 대한 자세한 정보를 제공합니다.

부록

이 섹션에서는 다음에 대해 읽어보세요:

1. TDR과 정전용량 센서 비교
2. ECH2O 센서 대 TEROS 센서
3. 토양 수분 데이터 수집: 8가지 모범 사례

1- TDR과 커패시턴스가 핵심을 놓칠 수 있는 이유

어떤 토양 수분 함량 센서가 어떤 용도에 가장 적합한지 고려할 때, 무엇을 측정하는가라는 당연한 질문을 간과하기 쉽습니다. 넓은 측정 주파수 스펙트럼(유전체 분광법이라고 함)에서 유전 유전율을 살펴보는 연구자에게는 시간 영역 반사 측정법(TDR) 과 정전 용량을 비교하는 것이 올바른 질문입니다. 이러한 데이터에는 수분 함량 및 전기 전도도와 함께 부피 밀도를 측정할 수 있는 기능과 같은 중요한 정보가 있습니다. 이것이 원하는 측정이라면 현재로서는 단 하나의 기술만 가능합니다: TDR입니다. 전도성 막대를 따라 이동하는 전기 펄스의 반사율에는 광범위한 주파수가 포함되어 있습니다. 디지털화하면 이러한 주파수를 고속 푸리에 변환으로 분리하여 추가 정보를 분석할 수 있습니다.

그러나 대다수 과학자의 목표는 단순히 토양 수분 함량을 순간적으로 또는 시간에 따라 정확하게 모니터링하는 것이므로 복잡하고 비용이 많이 드는 TDR 시스템이 필요하지 않을 수 있습니다.

두 기술의 이론적 배경

커패시턴스와 TDR 토양 수분 센서 기술은 둘 다 주변 매체의 유전 유전율을 측정하기 때문에 종종 함께 그룹화됩니다. 실제로 개인이 이 두 가지를 혼동하여 특정 프로브가 실제로 정전 용량을 사용할 때 TDR을 기반으로 수분 함량을 측정한다고 생각하는 경우가 드물지 않습니다. 다음은 두 기술의 차이점에 대한 설명입니다.

커패시턴스 기법은 매체를 유전체로 사용하는 커패시터의 충전 시간을 측정하여 매체의 유전체 유전율을 결정합니다. 먼저 커패시터를 시작 전압 V_i 에서 전압 V_f 까지 충전하는 데 걸리는 시간(t)과 인가 전압( V_f.

여기서 R은 직렬 저항이고 C는 커패시턴스입니다. 커패시터의 충전은 그림 1에 설명되어 있습니다:

저항과 전압 비율이 일정하게 유지되는 경우 커패시터의 충전 시간 t는 다음에 따라 커패시턴스와 관련이 있습니다.

병렬 플레이트 커패시터의 경우 커패시턴스는 커패시터 플레이트 사이의 매체의 유전 유전율(k)의 함수이며 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

여기서 A는 플레이트의 면적이고 S는 플레이트 사이의 간격입니다. A와 S도 고정된 값이기 때문에 커패시터의 충전 시간은 주변 매체의 유전 유전율의 단순 선형 함수(이상적으로는)입니다.

토양 프로브는 평행 플레이트 커패시터는 아니지만, 방정식 7에 표시된 관계는 플레이트 형상에 관계없이 유효합니다. 시간 영역 반사 측정법(TDR)은 매체에 둘러싸인 전송 라인을 따라 전자파가 전파되는 데 걸리는 시간을 측정하여 매체의 유전 유전율을 결정합니다. 전자기 펄스가 전송 라인의 길이를 이동하여 돌아오는 통과 시간(t)은 다음 방정식에 의해 매체의 유전 유전율 k와 관련이 있습니다.

여기서 L은 전송 라인의 길이이고 c는 빛의 속도(진공 상태에서 3 x 108m 초)입니다. 따라서 유전 유전율은 다음과 같이 계산됩니다.

따라서 TDR 프로브를 따라 전자기파가 전파되는 시간은 통과 시간의 제곱과 고정 값(c/2L)의 함수일 뿐입니다. c와 L은 각각 상수이고 길이가 고정되어 있기 때문에 이론적으로 TDR 측정은 커패시턴스 센서에 비해 토양 및 환경 조건에 덜 민감하게 영향을 받습니다. 그러나 높은 염분으로 인해 반사율 파형이 감소하거나 온도가 엔드포인트를 변경하면 TDR 출력의 해석에 상당한 오류가 발생할 수 있습니다.

빈도에 따라 정확도가 달라집니다.

An oscillating voltage must be applied to a TDR or capacitance sensor to measure the reflection or charge time in the medium. The frequency of the oscillation is important because it is widely accepted that low frequencies (<10 MHz) are highly susceptible to changes in salinity and temperature. Because there is no limit on the possible input frequencies for either technique, it is important to verify the frequency of the soil moisture device used.

METER에서 제조한 정전용량 센서는 고주파를 사용하여 토양 염분이 판독값에 미치는 영향을 최소화합니다. 그러나 사용되는 주파수는 일반적으로 50~100MHz로 TDR에 비해 상당히 낮습니다. 커패시턴스 프로브의 고주파는 토양의 모든 수분을 '감지'하는 동시에 구형 커패시턴스 프로브에 존재하는 토양 염분으로 인한 대부분의 오류를 피할 수 있을 만큼 충분히 높습니다. 정전용량 센서의 회로는 수분 함량의 극히 작은 변화도 해결하도록 설계할 수 있기 때문에 NASA는 화성에서 수분 함량을 측정하는 데 정전용량 기술을 사용했습니다. 정전용량 센서는 많은 회로를 필요로 하지 않으므로 비용이 저렴하여 달러당 더 많은 측정이 가능합니다.

커패시턴스 센서는 TDR과 마찬가지로 설치가 비교적 쉽습니다. 측정 프롱은 TDR 프로브보다 짧기 때문에 구멍에 삽입하기가 덜 어려울 수 있습니다. 커패시턴스 센서는 에너지 요구 사항이 더 낮은 경향이 있으며 데이터 로거의 소형 배터리 팩으로 현장에서 수년 동안 지속될 수 있습니다.

잘못된 설치 방법으로 인한 오류

요약하면, 측정 이론은 다소 다르지만 TDR과 커패시턴스는 모두 유전 유전율을 측정하여 체적 수분 함량을 얻습니다. 역사적으로 볼 때 TDR과 커패시턴스 모두 널리 사용되고 있지만, 극심한 가격 차이로 인해 커패시턴스에 비해 TDR의 가치가 더 크다고 인식하는 사람들도 있습니다. 일반적으로 두 기술 모두 체적 수분 함량을 합리적으로 측정할 수 있으며, 측정 오류는 기술 자체의 한계보다는 잘못된 설치 방법으로 인한 경우가 더 많습니다. 새로운 TEROS Borehole Installation Tool 은 실수를 방지하는 토양 수분 센서 설치로 데이터 불확실성을 줄입니다. 이 도구는 기계적 이점 덕분에 현장 교란을 최소화하면서 모든 토양 유형(단단한 점토 포함)에 일관되고 완벽하게 설치할 수 있습니다. 센서를 균일한 압력으로 수직으로 똑바로 설치한 다음 부드럽게 풀어주어 공극과 우선 흐름을 방지합니다. 따라서 TEROS 정전용량 토양 수분 센서 라인은 시중에 나와 있는 유사한 센서보다 불확실성이 적고 정확도가 높습니다.

2ECH₂O 토양 수분 센서와 TEROS 센서 중 어느 것이 더 낫나요?

오늘날의 커패시턴스는 매우 정확합니다.

1970년대에 정전용량 기술을 토양 수분 측정에 처음 사용했을 때 과학자들은 전자기장이 얼마나 빨리 충전되고 방전되는지가 성공에 매우 중요하다는 사실을 곧 깨달았습니다. 주파수가 낮으면 토양 염분이 측정값에 큰 영향을 미쳤기 때문입니다. 시간이 지남에 따라 이러한 새로운 이해와 전자 장치의 속도 발전이 결합되어 기존의 커패시턴스 방식을 성공적으로 조정할 수 있게 되었습니다. METER 센서와 같은 최신 커패시턴스 센서는 고주파(70MHz)를 사용하여 토양 염분이 판독값에 미치는 영향을 최소화합니다.

정전용량 센서의 회로는 극히 작은 부피의 수분 함량 변화도 해결하도록 설계할 수 있어 NASA가 화성에서 수분 함량을 측정하는 데 METER의 정전용량 기술을 사용했을 정도입니다. 정전용량식 토양 수분 센서는 설치가 쉽고 전력 요구 사항이 낮은 경향이 있습니다. 데이터 로거의 소형 배터리 팩으로 현장에서 수년 동안 사용할 수 있습니다.

TEROS _ECH20: 신뢰할 수 있는 동일한 기술

TEROS 및 _ECH20토양 수분 센서 모두 수천 편의 동료 검토 논문에서 발표된 신뢰할 수 있는 고주파(70MHz) 정전 용량 기술을 사용합니다. 그림 20은 _ECH205TE 및 TEROS 12의 보정 데이터를 보여줍니다.

그러나 새로운 TEROS 라인은 캘리브레이션 기술, 설치 도구, 더 나은 원자재의 발전을 활용하여 내구성과 정확성, 설치가 더 쉽고 빠르며 일관성이 높고 강력하고 직관적인 실시간 데이터 로깅 및 시각화 시스템과 연결된 센서를 생산합니다(그림 21).

다음은 새로운 수분 함량 센서( TEROS ) 제품군에서 변경되는 몇 가지 사항입니다:

센서 간 변동성 최소화: TEROS 11/12 센서는 정확도를 극대화하고 센서 간 변동성을 최소화하는 동시에 센서 비용을 합리적으로 유지하는 완전히 새로운 보정 절차를 사용합니다. 따라서 설치하는 모든 센서가 다음 센서와 정확하게 판독될 것이라고 확신할 수 있습니다.

대량의 영향력: TEROS 11/12 센서는 1리터의 영향력을 제공합니다(대부분의 센서가 일반적으로 200mL인 것에 비해).

신뢰할 수 있고 수명이 긴 센서 성능: 날카롭게 개선된 고품질 스테인리스 스틸 바늘은 딱딱한 토양에도 쉽게 삽입되며, 내구성이 뛰어난 에폭시 충전재를 사용하여 현장에서 최대 10년 동안 센서의 수명을 유지할 수 있습니다. TEROS 12는 중간 바늘 안쪽에 온도 센서를 완벽하게 배치하여 바늘이 견고하면서도 토양 온도 변화에 매우 민감하게 반응합니다.

설치 오류 감소: 새로운 TEROS Borehole Installation Tool 설치 실수를 방지하고 모든 토양 유형(단단한 점토 포함)에 일관되고 완벽하게 삽입하는 동시에 현장 교란을 최소화합니다. 센서는 균일한 압력으로 측벽에 완벽하게 수직으로 설치한 다음 공극을 방지하기 위해 부드럽게 풀어줍니다.

검증 표준: TEROS 정확도 검증 표준을 통해 센서 반복성을 확인할 수 있습니다. 다른 토양 수분 센서에는 이 기능이 없습니다. 검증 클립을 센서에 끼우고 로거에 연결하기만 하면 됩니다. 올바른 범위 내에서 판독되면 센서가 정상인 것입니다.

원활한 데이터 수집: 쉽고 안정적인 데이터 수집을 위해 TEROS 센서와 새로운 ZL6를 통해 모든 데이터가 거의 실시간으로 전달되는 cloud.

왜 TEROS 이길까요?

새로운 TEROS 센서 라인은 설치 불일치, 센서 간 변동성, 센서 검증과 같은 정확도 저해 요소를 제거하기 위해 개발되었습니다. TEROS 토양 수분 센서는 신뢰할 수 있는 동일한 _ECH20기술을 사용하지만 전체 데이터 세트의 정확도를 최적화하기 위해 _ECH20라인을 뛰어넘습니다. 일관되고 완벽한 설치, 매우 견고한 구조, 센서 간 변동성 최소화, 대량의 영향력, 고급 데이터 로깅을 결합하여 경제적인 가격으로 최고의 성능, 정확도, 사용 편의성, 신뢰성을 제공합니다.

3-토양 수분 데이터 수집: 8가지 모범 사례

모든 연구자의 목표는 연구의 전체 기간 동안 사용 가능한 현장 데이터를 확보하는 것입니다. 좋은 데이터 세트는 과학자가 특정 애플리케이션에서 환경 요인의 동작에 대한 결론을 도출하거나 무언가를 배우는 데 사용할 수 있는 데이터 세트입니다. 그러나 많은 연구자들이 고통스럽게 발견했듯이 좋은 데이터를 얻는 것은 센서를 설치하고 현장에 두고 돌아와서 정확한 기록을 찾는 것만큼 간단하지 않습니다. 미리 계획을 세우고, 데이터를 자주 확인하고, 정기적으로 문제를 해결하지 않으면 데이터 로거 케이블이 뽑혀 있거나 설치류에 의해 손상된 센서 케이블을 발견하거나 결과를 해석할 데이터가 충분하지 않은 등의 불쾌한 경험을 하게 되는 경우가 종종 있습니다. 다행히도 대부분의 데이터 수집 사고는 양질의 장비와 약간의 신중한 사전 고려, 그리고 약간의 준비로 피할 수 있습니다.

실수하지 마세요.

다음은 사람들이 연구를 설계할 때 흔히 저지르는 실수 중 시간과 비용을 낭비하고 데이터의 활용을 방해할 수 있는 몇 가지 실수입니다.

• 사이트 특성화: 사이트, 사이트의 가변성 또는 데이터 해석을 안내하는 기타 영향력 있는 환경 요인에 대해 충분히 알려져 있지 않습니다.
• 센서 위치: 센서가 연구 목표에 맞지 않는 위치에 설치됨(즉, 토양에서는 센서의 지리적 위치와 토양 프로파일의 위치가 모두 연구 질문에 적용 가능해야 함).
• 센서 설치: 센서가 올바르게 설치되지 않아 부정확한 판독값이 발생합니다.
• 데이터 수집: 센서와 로거는 보호되지 않으며, 지속적이고 정확한 데이터 기록을 유지하기 위해 데이터를 정기적으로 확인하지 않습니다.
• 데이터 배포: 다른 과학자가 데이터를 이해하거나 복제할 수 없음

연구를 설계할 때 다음 모범 사례를 사용하여 데이터 수집을 간소화하고 데이터의 사용 가능성과 궁극적으로 게시 가능성을 저해하는 감독을 피하세요.

사전 설치 준비로 시간과 비용 절약

현장에 나가기 전에 실험실에서 센서를 설치하면 연구자가 센서의 작동 방식을 이해하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 과학자들은 다양한 토양 유형에서 토양 센서 수치를 측정하여 다양한 시나리오에서 예상되는 토양 수분 값을 확실히 이해할 수 있습니다. 현장에 가기 전에 센서를 파악하면 연구자들은 올바른 설치 방법과 설치에 소요되는 시간을 파악하는 데 도움이 되며, 센서가 잘못 판독되는 등의 문제를 진단할 수 있습니다. 이 기간 동안 설치에 필요한 도구와 장비가 무엇인지 파악할 수 있습니다. 지퍼 타이, 펜치, 마커, 손전등, 배터리 등 중요한 도구가 들어 있는 전용 설치 도구 상자를 준비해 두면 현장을 오가는 데 드는 시간을 절약할 수 있습니다.

연구자가 프로그래밍이 필요한 데이터 로거를 사용하는 경우, 2주 전에 프로그래밍 언어를 배워 로거를 위한 프로그램을 작성하는 방법을 이해해야 합니다. 플러그 앤 플레이 방식의 cloud 데이터 로거라도 ZL6 와 같은 플러그인 데이터 로거라도 연구 장소가 기지국 범위 내에 있는지 확인하는 등 사전 설치 준비 작업이 필요합니다.

계획이 가장 중요합니다.

연구자는 지도와 함께 현장 계획을 세워야 하며, 설치에는 일반적으로 생각보다 두 배의 시간이 걸린다는 점을 기억하세요. 현장 계획이 있으면 특히 시간에 쫓길 때 인적 오류를 크게 줄일 수 있습니다. 연구 현장에 도착하면 과학자들은 계획에 따라 설치하고 이동하면서 지도에 조정 사항을 기록할 수 있습니다. 이 단계는 향후에 자신이나 다른 동료가 문제가 있는 센서를 찾아서 파헤쳐야 할 때 상당한 시간을 절약해 줍니다. 잘못될 수 있는 상황에 대비한 백업 계획을 세우는 것도 중요합니다. 예를 들어, 특정 깊이의 토양이 너무 바위가 많다면 어떻게 해야 할까요? 또는 기상 관측소나 습도 센서를 2미터 지점에 설치할 수 없다면 어떻게 될까요? 연구자들은 몇 주 또는 몇 달 동안 현장에 돌아갈 수 없는 경우가 많기 때문에 원래 계획이 제대로 작동하지 않을 경우 어떻게 해야 할지 생각해야 합니다.

사이트 선택은 연구의 성패를 좌우할 수 있습니다.

과학자는 사이트를 선택하기 전에 데이터 수집의 목표를 명확하게 정의해야 합니다. 데이터로 무엇을 할 것인지 알아야 데이터가 올바른 질문에 답할 수 있습니다. 목표가 이해되면 연구자는 센서를 어디에 배치할지 파악할 수 있습니다.

연구자가 센서를 어디에 배치할지 결정할 때 직면하게 되는 가장 중요한 문제는 가변성입니다. 예를 들어 토양을 연구하는 과학자는 경사, 모양, 식생 유형, 깊이, 토양 유형 및 토양 밀도와 같은 가변성 요인을 이해해야 합니다. 캐노피를 연구하는 경우, 식물 덮개의 이질성을 이해하고 그에 따라 배치해야 합니다. 연구자가 데이터를 비교하는 경우, 센서 배치에 일관성을 유지해야 합니다. 즉, 지상 높이 또는 지하 깊이가 사이트마다 일정해야 합니다. 모든 변동성의 원인을 모니터링할 수 있는 방법은 없으므로 연구자는 가장 중요한 원인을 모니터링해야 합니다. 변동성에 대해 더 자세히 알아보려면 "토양 수분 센서: 몇 개가필요한가요?"를 참조하세요.

사이트 선택도 실용적이어야 합니다. 연구자들은 모든 것이 올바르게 작동하는지 확인하기 위해 가능한 한 자주(최소 한 달에 한 번 권장) 데이터를 살펴봐야 하므로 데이터 로거에 액세스할 수 있어야 합니다. 셀룰러 데이터 로거를 사용하면 특히 원격지에서 데이터에 훨씬 쉽게 액세스할 수 있습니다. cloud 에 데이터를 업로드하면 과학자들은 사무실에서 편안하게 매일 데이터에 액세스하고, 공유하고, 문제를 해결할 수 있습니다.

또한 데이터 로거 위치를 선택할 때는 번개가 칠 경우 전압 전위 변화를 일으킬 수 있는 긴 전선을 피하세요. 센서를 꽂기 쉬운 위치를 선택하고, 케이블이 로거에서 빠지지 않도록 여분의 케이블을 기둥에 지퍼 타이로 묶어 스트레인 릴리프용으로 사용하세요. 센서의 플러그를 뽑거나 연결이 끊어지면 연구에 치명적일 수 있습니다.

더 많은 메타데이터-더 많은 인사이트

연구자가 연구 현장에서 더 많은 메타데이터를 기록할수록 데이터를 더 잘 이해할 수 있고 장기적으로 더 많은 시간을 절약할 수 있습니다. 다음과 같은 일부 데이터 로거는 ZL6 와 같은 일부 데이터 로거는 GPS 위치, 기압, 센서 일련 번호와 같은 중요한 메타데이터를 자동으로 기록합니다. 또한 토양 온도나 미기후 모니터링과 같은 보조 측정도 메타데이터의 또 다른 소스가 될 수 있습니다. ATMOS 41과 같은 올인원 기상 관측소는 기상 이벤트를 자동으로 기록하며 토양 수분, 수분 잠재력 또는 기타 데이터를 벤치마킹하거나 실측할 수 있는 중요한 방법이 될 수 있습니다.

현장 기기에 의해 자동으로 기록되지 않는 현장 정보를 문서화하기 위해, 많은 과학자들은 공유된 현장 특성 워크시트를 만들어 현장에서 일하는 다른 동료들에게 정보를 제공하는 데 사용하는 것이 실용적이라고 생각합니다. 향후 데이터 인사이트와 공개에 중요한 메타데이터는 토양 유형, 토양 밀도, 피복 유형, 측정 간격, 원시 데이터 및 사용된 보정 유형, 관개 시스템에 대한 메모(있는 경우), 토양 수분 센서가 어느 깊이에 설치되어 있는지, 현장을 선택한 이유, 수확과 같이 데이터 수집에 영향을 미칠 수 있는 이벤트 또는 데이터 분석 시 기억하기 어려운 기타 정보 등이 있습니다. 이 정보는 게시할 시점에 중요한 정보가 될 것이며, 공유된 위치( cloud)에 저장해 두면 골치 아픈 일을 줄일 수 있습니다.

설치 - 정확성의 핵심

과학자가 정확한 데이터를 원한다면 올바른 센서 설치가 최우선 순위가 되어야 합니다. 예를 들어, 토양에서 측정할 때 밀도의 자연적인 변화로 인해 2~3%의 정확도 손실이 발생할 수 있지만, 잘못 설치하면 10% 이상의 정확도 손실이 발생할 수 있습니다. 센서를 올바르게 설치하는 데는 많은 시간이 걸리지 않으므로 연구자는 지침을 주의 깊게 읽어야 합니다(자세한 내용은 "토양 수분 센서: 어떤 설치 방법이 가장 적합할까요?"를 참조하세요). 센서를 설치한 후 오거 구멍이나 트렌치를 닫기 전에 반드시 ZSC휴대용 순간 판독 장치로 센서를 확인하여 판독값이 정확한지 확인하세요. 한 시즌 분량의 잘못된 데이터를 수집한 후 나중에 센서를 파내야 하는 번거로움이 있을 수 있습니다.

또한 각 센서에 센서 유형, 설치 깊이 및 기타 중요할 수 있는 정보를 라벨에 표시하세요. 수백 개의 센서를 설치하는 연구자들은 전자 라벨링 장치를 구입하여 센서에 바코드를 붙이기도 하지만 테이프와 영구 마커로도 가능합니다. 라벨을 데이터 로거 내부에 넣어 날씨로부터 보호하세요.

유지보수 = 안심

어떤 대가를 치르더라도 센서를 보호하는 것은 연구에 매우 중요합니다. 연구자는 노출된 센서 케이블을 PVC 파이프 또는 유연한 전기 도관 내부로 연결하고 데이터 로거 기둥까지 약 60cm(2피트) 정도 연결하는 것이 중요합니다. 이렇게 하면 설치류나 삽에 의한 손상을 방지할 수 있습니다. 또한, 케이블이 데이터 로거를 잡아당기지 않고 단단히 고정되도록 UV-저항성 지퍼 타이로 케이블을 기둥에 깔끔하게 묶습니다(스트레인 릴리프가 있는지 확인). 현장 방문 시 데이터 로거의 씰을 검사하여 균열이 있는지 확인하는 것도 좋습니다. 데이터 로거의 씰에 균열이 있는 경우 내후성이 없는 것일 수 있으므로 교체해야 합니다. 고객 지원팀에 연락하여 무료로 교체해 주세요.

또한 연구자들은 문제를 해결하기 위해 가능한 한 자주 실제 데이터를 확인해야 합니다. 한 과학자는 같은 높이의 양자 센서와 비교하여 자신의 고온도계 데이터에서 오류를 발견했습니다. 실제 값을 살펴본 후에야 새가 태양 복사 센서를 더럽혀서 연구의 상당 부분을 쓸모없게 만들었다는 사실을 발견했습니다. 결국 그는 양자 센서의 데이터를 계산해야 했는데, 그 정확도가 떨어졌습니다. 데이터를 정기적으로 확인하면 연구 프로젝트에 해가 될 수 있는 문제를 예방할 수 있습니다. 새로운 ZENTRA Cloud 과 ZL6 를 사용하면 연구원들이 매일처럼 자주 문제를 해결하고 데이터를 그래프로 그릴 수 있습니다. 추세를 파악하거나 오류를 발견하는 데 2~3분만 투자해도 몇 주 동안 손실되는 데이터를 절약할 수 있습니다.

타이밍이 가장 중요합니다

이전 버전과 마찬가지로 ZL6는 이전 버전과 마찬가지로 데이터의 평균을 구합니다. 따라서 연구자가 평균을 원하지 않는다면 데이터를 더 자주 기록해야 합니다. 그러나 많은 양의 데이터를 생성한다고 해서 반드시 목표에 도달하는 것은 아닙니다. 중요한 것은 연구 가설과 관련된 시계열을 포착하고 이해하는 것입니다. 연구자가 토양 수분의 연간 추세를 이해하려고 하는데 5분 단위의 데이터를 수집한다면, 토양 수분은 1분 단위로 크게 변하지 않기 때문에 유용하지 않은 데이터를 대량으로 생성하게 될 것입니다. 그러면 연구자는 데이터를 얇게 만들기 위해 후처리를 해야 합니다. 하지만 연구의 목표가 토양에 물이 침투하기 시작하는 순간을 파악하는 것이라면 1분 이하의 간격으로 데이터를 캡처하는 것이 중요합니다. 이러한 연구자에게는 즉각적인 변화를 기반으로 판독 이벤트를 트리거할 수 있는 캠벨 사이언티픽 데이터 로거가 필요합니다. 그러나 대부분의 사람들은 필요한 데이터의 양을 과대평가합니다. 태양 복사열을 측정할 때는 15분마다 측정하는 것으로 충분할 가능성이 높습니다. 증발산량의 경우 30분마다 데이터를 기록하는 것이 일반적입니다. 이러한 경우와 다른 많은 경우에서 5분마다와 같이 짧은 기록 간격은 너무 빈번할 수 있습니다.

연구자들이 종종 잊어버리는 또 다른 중요한 단계는 데이터 로거의 시간 측정 빈도를 모두 일치시키는 것입니다. 한 연구자가 15분마다 읽는 데이터 로거를 두 개 가지고 있고 다른 연구자가 매시간 읽도록 로거를 설정한 경우, 시간별 데이터만 사용할 수 있습니다.

데이터 해석 - 틀에서 벗어난 사고

과학자가 데이터에서 오류를 발견하더라도 반드시 센서가 고장 났기 때문만은 아닙니다. 종종 흥미로운 센서 수치는 토양이나 환경에서 어떤 일이 일어나고 있는지에 대한 이야기를 들려줍니다. 데이터 해석은 때때로 어려울 수 있으며, 연구자들은 실제 상황을 이해하기 위해 현장에 다시 방문해야 할 수도 있습니다. 예를 들어, 그림 22에서는 토양 수분 센서가 고장난 것처럼 보이지만 과학자가 더 자세히 조사한 결과 증발산량이 침투량보다 높다는 것을 발견했습니다.

또한 연구자는 데이터를 해석하기 위해 틀에 박힌 생각에서 벗어나야 할 수도 있습니다. 몇 가지 다른 방식으로 데이터를 살펴볼 수 있습니다. 그림 23은 데이터를 그래프로 표시하는 전통적인 시간적 방법을 보여줍니다. 그림 24에서는 동일한 데이터를 완전히 다른 방식으로 볼 수 있습니다.

연구자들은 수분 함량 데이터를 수분 방출 곡선을 사용하여 수분 포텐셜로 변환할 수도 있습니다(그림 25 참조).

수전위 데이터가 확보되면 데이터는 다음과 같이 표시됩니다:

동일한 데이터를 세 가지 다른 방식으로 플로팅하면 연구자가 기존의 시간 그래프에서는 알아차리지 못했던 문제나 이슈를 발견할 수 있습니다.

데이터를 효과적으로 활용하기

실험을 진행하는 동안 약간의 추가 시간을 투자해 올바르게 진행하면 시간, 노력, 비용을 절약하는 데 큰 도움이 됩니다. 준비, 계획, 명확하게 정의된 연구 목표, 적절한 장소 선정, 설치, 유지보수, 타이밍, 올바른 데이터 해석은 연구 프로젝트를 손상시킬 수 있는 일반적인 데이터 사고를 예방하는 데 큰 도움이 됩니다. 최종 결과는? 공개하거나 의사 결정에 사용할 수 있는 데이터입니다.

ZENTRA Cloud 작동 방식 보기

아래 동영상에서는 콜린 캠벨 박사가 ZENTRA Cloud 이 데이터 수집 프로세스를 어떻게 간소화하는지, 그리고 연구자들이 왜 데이터 없이 살 수 없는지에 대해 설명합니다. 그런 다음 ZENTRA Cloud 기능에 대한 라이브 투어를 제공합니다.

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어떻게 ZENTRA Cloud 가 수백 명의 연구자들을 위해 데이터 수집과 관리를 어떻게 혁신하는지 알고 싶으신가요? 라이브 테스트 계정에 대한 액세스를 요청하거나 가상 투어를 통해 ZENTRA Cloud 의 사용 방법 등을 살펴보세요.

토양 수분 데이터 해석 방법

토양 수분에 대해 자세히 알아보세요. 아래 웨비나에서 콜린 캠벨 박사가 놀랍고 문제가 되는 토양 수분 데이터를 해석하는 방법에 대해 설명합니다. 또한 다양한 토양, 현장 및 환경 상황에서 예상되는 사항에 대해서도 설명합니다.