기여자

수분 잠재력을 측정하는 이유는 무엇인가요?

한 생태학자는 경사 방향이 식물의 가용 수분에 미치는 영향을 연구하기 위해 광범위한 토양 수분 센서 네트워크를 설치했습니다. 그는 방대한 양의 토양 수분 데이터를 수집했지만 결국 식물이 사용할 수 있는 물의 양을 알 수 없어 좌절했습니다.

그의 좌절은 혼자가 아닙니다. 정확하고 저렴한 토양 수분 센서 덕분에 토양 수분 측정이 대중화되었지만, 많은 사람이 알게 된 것처럼 좋은 망치라고 해서 모든 토양 수분 문제를 해결할 수 있는 것은 아닙니다. 수분 함량은 얼마나 많은 물이 있는지만 보여줄 수 있습니다. 수리 전도도는 물이 얼마나 빨리 이동할 수 있는지를 보여줍니다. 그러나 물 잠재력은 식물이 물을 사용할 수 있는지, 물이 움직일 수 있는지, 어디로 갈 것인지를 보여줍니다.

집중 변수는 규모나 상황에 따라 변경되지 않습니다.

수분 잠재력과 수분이 필요한 이유를 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.

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 1은 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 배에 접촉시키면 에너지가 어떻게 흐르게 될지 결정하는 변수는 무엇일까요? 집중 변수인 온도가 에너지의 이동 방식을 결정합니다. 열은 항상 높은 온도에서 낮은 온도로 이동합니다.

집중 변수와 광범위한 변수에 대해 자세히 알아보세요.

수분 함량으로 물의 이동 방식을 예측할 수 없습니다.

열 함량과 마찬가지로 수분 함량도 양입니다. 광범위한 변수입니다. 크기와 상황에 따라 달라집니다. 다음과 같은 역설을 생각해 보세요:

• 용적 수분 함량이 상당히 낮은 토양은 식물이 사용할 수 있는 수분이 많을 수 있고 수분 함량이 높은 토양은 거의 없을 수 있습니다.
• 중력은 프로파일을 통해 물을 아래로 끌어내리지만, 물은 수면에서 토양으로 이동합니다.
• 평형 상태의 인접한 두 토양 패치는 수분 함량이 크게 다를 수 있습니다.

이러한 경우와 다른 많은 경우에서 수분 함량 데이터는 물이 어떻게 움직이는지 예측하지 못하기 때문에 혼란을 야기합니다. 수분 포텐셜은 물의 에너지 상태를 측정하여 직관을 거스르는 물의 움직임의 실체를 설명합니다. 온도가 사람의 쾌적도를 정의하는 것처럼, 수분 포텐셜은 식물의 쾌적도를 정의합니다. 수전위를 알면 식물이 어떤 환경에서 잘 자랄지 또는 스트레스를 받을지 예측할 수 있습니다.

수분 전위가 식물의 쾌적성 수준을 정의하는 방법

토양, 점토, 모래, 화분용 흙 및 기타 매체는 모두 물을 보유하는 방식이 다르기 때문에 수분 함량은 식물의 '편안함'을 나타내는 지표가 될 수 없습니다. 수분 함량이 30%인 모래를 상상해 보세요. 표면적이 낮기 때문에 모래가 너무 젖어 있어 식물이 최적의 상태로 성장하기 어렵고 뿌리에 통기성이 부족해져 포화 상태에 빠질 위험이 있습니다. 이제 동일한 수분 함량 30%의 미세한 질감의 점토를 생각해 보세요. 점토의 표면이 물을 결합하여 식물이 사용할 수 있는 수분을 감소시키기 때문에 점토는 촉촉하게만 보일 수 있으며 식물이 최적의 '편안함'에 훨씬 못 미칠 수 있습니다.

수분 포텐셜 측정은 식물의 가용 수분을 명확하게 나타내며, 수분 함량과 달리 식물의최적 상태는 매우 습한 쪽인 약 -2~5kPa에서 건조한 쪽인 약 -100kPa까지 쉽게 참조할 수 있는 척도가있습니다. 그 이하로 내려가면 식물은 적자가 발생하고 -1000kPa를 넘어서면 손상을 입기 시작합니다. 식물에 따라 -1000~-2000kPa 이하의 수전위는 영구적인 시들음을 유발합니다. 표 1은 몇 가지 작물 유형에 대한 쉬운 참조 척도를 보여줍니다. 식물은 이 적정 수분 전위 범위 내에서 유지될 때 스트레스를 받지 않고 더 많은 수확량을 얻을 수 있습니다.

대부분의 애플리케이션에는 수분 전위와 수분 함량이 모두 필요합니다.

수분 함량보다 수분 전위가 식물의 가용 수분을 더 잘 나타내지만, 대부분의 상황에서는 수분 전위 센서와 토양 수분 센서를 모두 사용하는 것이 유용합니다.

수분 잠재력의 강도 측정이 저장되거나 필요한 물의 양으로 직접적으로 해석되지는 않습니다. 수분 함량 정보는 관개 관리 및 물 균형 연구와 같은 애플리케이션에서도 필요합니다. 자세한 내용은 다음을 참조하세요: "물을 줄때 - 이중 측정으로 미스터리 풀기"를 참조하세요.

물의 잠재력 101 보기

이 웨비나에서는 더그 코보스 박사가 수분 함량과 수분 잠재력을 구분하고, 수분 잠재력의 이론과 적용, 주요 구성 요소, 그리고 수분 잠재력이 연구자 및 관개 관리에 미치는 영향에 대해 설명합니다.

물 잠재력 정의

물의 포텐셜은 샘플에서 기준이 되는 순수한 자유수 풀로 물의 양을 무한히 운반하는 데 필요한 물의 양당 에너지입니다. 이것이 무엇을 의미하는지 이해하려면 토양 샘플의 물과 음료수 잔의 물을 비교해 보세요. 유리잔의 물은 상대적으로 자유롭고 사용 가능한 반면, 토양의 물은 용질에 의해 희석되고 압력이나 장력을 받고 있는 표면에 결합되어 있습니다. 실제로 토양의 물은 "자유" 물과는 다른 에너지 상태를 가지고 있습니다. 자유 상태의 물은 에너지를 사용하지 않고도 접근할 수 있습니다. 토양수는 에너지를 소비해야만 추출할 수 있습니다. 토양 수분 포텐셜은 토양 샘플에서 물을 끌어내기 위해 얼마나 많은 에너지를 소비해야 하는지를 나타냅니다.

토양 수분 전위는 차동 특성입니다. 측정이 의미를 가지려면 기준이 지정되어야 합니다. 일반적으로 지정된 기준은 토양 표면의 순수한 자유 물입니다. 이 기준의 수분 전위는 0입니다. 물을 빼내려면 에너지를 추가해야 하기 때문에 환경의 수분 포텐셜은 거의 항상 0보다 작습니다.

물 잠재력에 대한 두 가지 핵심 질문에 대한 답변

1. 물의 움직임

물은 항상 높은 전위에서 낮은 전위로 흐릅니다. 이것이 열역학 제2법칙, 즉 에너지가 집중 변수의 기울기를 따라 흐른다는 법칙입니다. 그림 3에 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.

2. 식물 용수 가용성

액체 상태의 물은 토양에서 뿌리를 거쳐 식물의 목질부를 통해 잎으로 이동하고, 결국 잎의 기공에서 증발합니다. 이 흐름의 원동력은 수전위 구배입니다. 따라서 물이 흐르기 위해서는 잎의 수분 전위가 토양의 수분 전위보다 낮아야 합니다. 그림 4에서 토양은 -0.3 MPa이고 뿌리는 -0.5 MPa로 약간 더 마이너스입니다. 이는 뿌리가 토양에서 물을 끌어올린다는 것을 의미합니다. 그런 다음 물은 목질부를 통해 잎을 통해 위로 이동합니다. 그리고 -100 MPa의 대기가 이 구배를 만들어냅니다.

관개 전문가와 과학자들은 수분 함량 센서와 함께 수분 전위 센서를 사용하여 식물의 수분 가용성을 파악합니다. 그림 5에서 수분 함량이 감소하는 지점과 식물이 스트레스를 받기 시작하는 비율을 관찰할 수 있습니다. 또한 토양에 수분이 너무 많으면 수분 함량이 수분 전위 센서가 식물의 스트레스를 감지하기 시작하는 지점보다 높아지는 것을 인식할 수 있습니다. 연구자들은 이 정보를 사용하여 12%~17%의 부피 수분 함량에서 식물의 최적 범위를 파악할 수 있습니다. 이 범위보다 낮거나 높으면 수분이 너무 적거나 많은 것입니다.

토양 수분 전위가 식물의 물 가용성을 나타내는 방법에 대해 자세히 알아보려면 '물을 주어야 할 때'를 읽어보세요:이중 측정으로 수수께끼 풀기"를 참조하세요.

수전위 이름, 범위 및 단위

그림 6은 다양한 범위를 측정하는 여러 가지 수분 전위 측정기가 있다는 것을 보여줍니다. 동영상( LABROS )을 통해 METER 계측기를 결합하여 전체 범위의 토양 수분 잠재력을 측정하는 방법을 알아보세요. 여기에서 수분 전위를 측정하는 방법과 어떤 기기가 어떤 용도로 사용되는지 자세히 알아보세요.

수분 잠재력은 흔히 물 장력, 토양 흡입력, 토양 기공 수압이라고도 합니다. 일반적으로 토양 수분 전위를 설명할 때 메가파스칼(MPa), 킬로파스칼(kPa), 막대, 미터(_mH2O), 센티미터(_cmH2O), 밀리미터(_mmH2O) 등의 압력 단위를 사용합니다.

수전위는 실제로 질량 단위당 에너지로 측정되므로 공식 단위는 킬로그램당 줄이지만 물의 밀도를 고려하면 단위는 킬로파스칼이 되므로 일반적으로 압력 단위를 사용하여 설명합니다.

수분 전위 구성 요소

총 수분 잠재력은 네 가지 구성 요소의 합입니다.

• 매트릭스 전위: 물과 표면의 결합
• 삼투 전위: 물 속의 용질과 결합
• 중력 전위: 중력장에서 물의 위치: 중력장에서 물의 위치
• 수압 잠재력: 수압 또는 공압으로 인한 물의 압력

수전위 계산 방법

토양 수분 전위는 중력 전위 + 행렬 전위 + 압력 전위 + 삼투 전위의 네 가지 구성 요소의 합입니다(방정식 1).

매트릭 전위는 토양 표면에 달라붙는 물과 관련이 있기 때문에 토양에 관한 한 가장 중요한 구성 요소입니다. 그림 7에서 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 결합하게 됩니다.

매트릭스 잠재력

매트릭스 전위는 물이 수소 결합과 반데르발스 힘에 의해 대부분의 표면에 끌어당겨지기 때문에 발생합니다. 토양은 작은 입자로 구성되어 있어 물을 결합할 수 있는 표면이 많습니다. 이러한 결합은 토양 유형에 따라 크게 달라집니다. 예를 들어 모래 토양은 입자가 커서 표면 결합 부위가 적은 반면 미사토양은 입자가 작고 표면 결합 부위가 더 많습니다.

아래 동영상을 통해 매트릭스 잠재력이 실제로 작동하는 모습을 시각화해 보세요.

다음 그림은 세 가지 유형의 토양에 대한 수분 방출 곡선을 보여 주며 표면적의 영향을 보여줍니다. 10%의 수분을 함유한 모래는 매트릭 잠재력이 높으며 유기체와 식물이 물을 쉽게 이용할 수 있습니다. 10%의 물을 함유한 미사토는 매트릭 전위가 훨씬 낮고 물의 가용성이 현저히 떨어집니다.

행렬 전위는 항상 음수 또는 0이며 포화되지 않은 조건에서 토양 수분 전위를 구성하는 가장 중요한 요소입니다.

여기에서 수분 방출 곡선과 토양 수분 전위와 토양 수분 함량 간의 관계에 대해 자세히 알아보세요.

텐시오미터와 TEROS 21은 모두 현장에서 매트릭스 전위를 측정하는 토양 수분 전위 센서입니다. 어떤토양수분 전위 센서가 용도에 적합한지 알아보려면 "어떤 토양 센서가 적합한가요?"를 읽어보세요.

삼투 전위

삼투 전위는 물에 용해된 용질에 의한 물의 희석과 결합을 설명합니다. 이 전위는 항상 음수입니다.

삼투 전위는 용질의 통과를 차단하는 반투과성 장벽이 있는 경우에만 시스템에 영향을 미칩니다. 이는 실제로 자연에서 매우 흔한 현상입니다. 예를 들어, 식물 뿌리는 물은 통과시키지만 대부분의 용질은 차단합니다. 세포막도 반투과성 장벽을 형성합니다. 덜 분명한 예로는 공기와 물의 경계면이 있는데, 물은 증기상에서는 공기로 통과할 수 있지만 염분은 남게 됩니다.

물 속의 용질 농도를 알고 있다면 다음 방정식을 통해 삼투 전위를 계산할 수 있습니다.

여기서 C는 용질의 농도(mol/kg), ɸ는 삼투계수(대부분의 용질에서 -0.9~1), v는 몰당 이온 수(NaCl= 2, _CaCl2= 3, 자당= 1), R은 기체 상수, T는 켈빈 온도입니다.

삼투 전위는 항상 음수 또는 0이며 식물과 일부 염분의 영향을 받는 토양에서 중요합니다.

중력 전위

중력 전위는 중력장에서 물의 위치 때문에 발생합니다. 중력 전위는 토양 표면의 순수하고 자유로운 물의 지정된 기준과 관련하여 현재 위치에 따라 양수 또는 음수가 될 수 있습니다. 중력 포텐셜은 다음과 같습니다.

여기서 G는 중력 상수(9.8m ^s-2)이고 H는 기준 높이에서 토양 표면까지의 수직 거리(지정된 높이)입니다.

압력 잠재력

수압 전위는 물에 가하거나 당기는 수압 또는 공압을 말합니다. 이는 시스템의 더 넓은 영역에 걸쳐 작용하는 보다 거시적인 효과입니다.

자연 환경에는 양압 잠재력의 몇 가지 예가 있습니다. 예를 들어, 지하수 표면 아래에는 양압이 존재합니다. 호수나 수영장에서 수영을 할 때 이 압력을 직접 느낄 수 있습니다. 마찬가지로 수면 아래로 내려갈수록 수두압 또는 양압 전위가 발생합니다. 식물의 터거 압력과 동물의 혈압은 양압 전위의 두 가지 예입니다.

압력 전위는 다음에서 계산할 수 있습니다.

여기서 P는 압력(_Pa)이고_PW는 물의 밀도입니다.

압력 전위는 일반적으로 양수이지만, 그렇지 않은 중요한 경우도 있습니다. 하나는 식물에서 발견되는 경우인데, 식물에서 음의 압력 전위가 토양에서 뿌리를 통해 잎으로 물을 끌어올리는 경우입니다.

수분 전위 및 상대 습도

수전위와 상대 습도는 켈빈 방정식에 의해 관련되어 있습니다. 온도와 습도를 알고 있다면 다음 공식을 사용하여 수전위를 계산할 수 있습니다.

여기서 Ψ는 수전위(MPa), _HR은 상대 습도(단위 없음), R은 보편 기체 상수(8.3143 J ^mol-1 K ^-1), _MW는 물의 질량(18.02 g/mol), T는 켈빈 온도입니다.

수전위란 무엇인가요? 기억해야 할 사항

물 잠재력:

• 환경 내 물의 에너지 상태를 설명합니다.
• 유기체를 위한 물의 가용성을 정의합니다.

요점

• 물은 항상 높은 전위에서 낮은 전위로 흐릅니다.
• 이것은 열역학 제2법칙으로, 에너지가 집중 변수의 기울기를 따라 흐른다는 것입니다.

여기에서 '수위란 무엇인가'라는 질문에 대한 자세한 답변을 찾아보세요: 기본 수위 페이지로 돌아가거나 애플리케이션에서 수위를 사용하는 방법에 대해 전문가와 상담하세요.

추가 연구를 위한 토양 수분 잠재력 참조

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

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

힐렐, 다니엘. 토양 물리학의 기초. 아카데믹 프레스, 2013. 책 링크

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

물 잠재력 201 보기

콜린 캠벨 박사의 웨비나 "물 잠재력 201: 올바른 기기 선택하기"에서는 수전위 측정의 어려움과 다양한 수전위 기기를 선택하고 사용하는 방법 등 수전위 기기 이론을 다룹니다.

어떤 수전위 방법이 나에게 적합할까요?

기본적으로 물의전위를 측정하는 방법은 크게 두 가지, 즉 장력계와 증기압 측정 방법뿐입니다. 장력계는 습식 범위에서 작동하며, 물의 끓는점을 지연시키는 특수장력계의 범위는 0에서 약 -0.2MPa까지입니다. 증기압 방식은 약 -0.1MPa에서 -300MPa(0.1MPa는 99.93% RH, -300MPa는 11%)까지의 건조한 범위에서 작동합니다.

과거에는 이러한 범위가 겹치지 않았지만 최근 장력계와 온도 감지 기술의 발전으로 인해 상황이 바뀌었습니다. 이제 뛰어난 방법과 최고의 장비를 갖춘 숙련된 사용자라면 실험실에서 전체 수전위 범위를 측정할 수 있습니다.

하지만 2차 측정 방법을 살펴봐야 하는 이유가 있습니다. 증기압 방법은 현장에서 유용하지 않으며, 장력계의 정확도를 높이기 위해서는 지속적이고 세심한 유지 관리가 필요합니다( 자동 충전 버전의 장력계를 사용할 수 있지만).

또한 석고 블록, 압력판 및 여과지와 같은 전통적인 방법도 있으므로 이해해야 합니다. 이 섹션에서는 각 방법의 장점과 한계에 대해 간략하게 설명합니다.

압력 플레이트

압력판은 1930년대에 LA 리차드에 의해 도입되었습니다. 실제로 시료의 수전위를 측정하지는 않습니다. 대신 시료에 압력을 가하고 다공성 세라믹 플레이트를 통해 과도한 물이 흘러나오도록 하여 시료를 특정 수분 전위로 가져옵니다. 시료가 평형을 이루면 시료의 수분 전위는 가해진 압력과 같아집니다.

압력판은 일반적으로 토양 수분 특성 곡선을 만드는 데 사용됩니다. 토양 샘플이 압력 하에서 특정 수분 전위에 도달하면 연구자는 플레이트에서 샘플을 제거하고 건조시켜 수분 함량을 측정할 수 있습니다. 압력판 장치에서 다양한 압력에서 이러한 측정을 수행하여 토양 수분 특성을 생성할 수 있습니다.

압력판의 정확도는 다른 보조 측정 방법을 교정하는 데 자주 사용되기 때문에 중요합니다.

압력판에는 평형 문제가 있습니다.

압력판으로 정확한 수분 방출 곡선을 만들려면 시료가 지정된 압력에서 완전히 평형을 이루었는지 확인해야 합니다. Gee 등(2002), Cresswell 등(2008), Bittelli와 Flury(2009)를 비롯한 여러 검토자들은 이 가정에 문제가 있다고 지적했습니다.

특히 낮은 수전위에서는 압력판의 세라믹 기공 막힘, 시료 내 흐름 제한, 토양 수축으로 인한 플레이트와 토양 사이의 수압 접촉 손실, 플레이트의 압력이 해제될 때 물의 재흡수 등으로 인해 오류가 발생할 수 있습니다. 낮은 수위에서는 낮은 수리 전도도로 인해 평형에 도달하는 데 몇 주 또는 몇 달이 걸릴 수 있습니다. Gee 등(2002)은 15bar 압력판에서 9일 동안 평형을 이룬 샘플의 수전위를 측정한 결과, 예상했던 -1.5MPa가 아닌 -0.5MPa로 나타났습니다. 특히 수분 방출 곡선을 구성하여 수력 전도도를 추정하고 플랜트 가용 수량을 결정할 때 -0.1MPa(-1bar) 미만의 전위에서 압력판을 측정하면 상당한 오차가 발생할 수 있습니다(Bittelli and Flury, 2009).

또한, 베이커와 프라이드먼(2009)은 이론적으로 토양 매트릭스가 양압 하에서는 흡입할 때와 다르게 배수된다는 것을 입증했습니다. 이들은 흡입을 통해 달성한 평형 수분 함량은 자연 조건에서 발생하는 수분 함량과 크게 다를 것이라고 가정합니다. 추가 테스트가 필요하지만 일화적인 증거가 이 아이디어를 뒷받침하는 것으로 보입니다. 궁극적으로 압력판은 일부 애플리케이션의 경우 습식 범위(0 ~ -0.5 MPa)에서 충분한 정확도를 가질 수 있지만 다른 방법이 더 나은 정확도를 제공할 수 있으며, 이는 모델링 또는 교정을 위해 데이터를 사용할 때 특히 중요할 수 있습니다.

증기압 방법

WP4C 이슬점 습도계는 현재 이 기술을 사용하는 몇 안 되는 상용 기기 중 하나입니다. 기존의 열전대 습도계와 마찬가지로 이슬점 습도계는 밀폐된 챔버에서 샘플을 평형화합니다.

챔버의 작은 거울은 이슬이 맺히기 시작할 때까지 냉각됩니다. 이슬점에서 WP4C 은 거울과 시료의 온도를 0.001◦C 정확도로 측정하여 시료 위 증기의 상대 습도를 측정합니다.

장점

이 이슬점 습도계의 최신 버전은 -5 ~ -300 MPa에서 ±1%의 정확도를 가지며 비교적 사용하기 쉽습니다. 대부분의 시료 유형은 5~10분 안에 분석할 수 있지만 젖은 시료는 더 오래 걸립니다.

제한 사항

높은 수전위에서는 포화 증기압과 시료 챔버 내부의 증기압 사이의 온도 차이가 사라질 정도로 작아집니다.

온도 측정의 해상도 제한으로 인해 증기압 방식이 장력계를 대체할 수는 없을 것입니다.

이슬점 습도계의 측정 범위는 -0.1 ~ -300 MPa이지만, 특수 기술을 사용하면 -0.1 MPa를 초과하여 측정할 수 있습니다. 장력계는 여전히 0 ~ -0.1 MPa 범위의 측정값에 가장 적합한 옵션입니다.

장력계와 바람/신들러 기법

는 HYPROP 는 바람/쉰들러 증발법을 사용하여 수전위 범위의 토양에서 수분 방출 곡선을 만드는 독특한 실험실 기기입니다.

Hyprop 는 두 개의 정밀 미니 장력계를 사용하여 포화 상태의 ^250cm3 토양 샘플 내에서 다양한 수준의 수분 전위를 측정하는 동시에 샘플이 실험실 저울 위에 놓여 있습니다. 시간이 지남에 따라 시료가 건조되고 기기는 변화하는 수분 전위와 변화하는 시료 무게를 동시에 측정합니다. 무게 측정값을 통해 수분 함량을 계산하고 수분 함량 변화와 연관된 수분 전위의 변화를 플롯합니다.

결과가 확인되고 선택한 모델(예: 반 제누흐텐/무알렘, 바이모달 반 제누흐텐/무알렘 또는 브룩스 및 코리)에 따라 건조 범위 및 포화도 값이 계산됩니다.

장점

Hyprop 는 정확도가 높고 습한 범위에서 완벽한 수분 방출 곡선을 생성합니다. 곡선을 완성하는 데 3~5일이 걸리지만 기기는 무인으로 작동합니다.

제한 사항

Hyprop의 범위는 장력계의 범위로 제한되지만, 미니 장력계는 비등 지연 기능으로 인해 -250kPa(-0.25MPa) 이상으로 측정하는 데 사용되었습니다.

250kPa 이하에서는 장력계가 캐비테이션됩니다. 고급 사용자는 세라믹 장력계 컵의 공기 유입 지점에 곡선에 최종 지점을 추가할 수 있습니다(-880kPa; -0.88MPa).

장력계

물의 포텐셜은 시료의 물과 순수한 자유 물로 이루어진 기준 풀의 물 사이의 포텐셜 에너지 차이를 측정한 것입니다. 장력계는 이 정의를 실현한 것입니다.

장력계 튜브에는 (이론적으로) 순수한 자유 물이 들어 있습니다. 이 저장소는 투과성 멤브레인을 통해 토양 샘플에 연결됩니다. 열역학 제2법칙에 따라 물은 멤브레인의 양쪽에서 에너지가 같아질 때까지 저장소에서 토양으로 이동합니다. 그러면 튜브에 진공이 생깁니다. 장력계는 음압 게이지(진공계)를 사용하여 진공의 강도를 측정하고 수위를 압력으로 설명합니다.

장점

장력계는 아마도 가장 오래된 유형의 수전위 계기이지만(초기 개념은 적어도 1908년 리빙스턴으로 거슬러 올라갑니다), 여전히 매우 유용할 수 있습니다. 실제로 습한 범위에서 고품질의 장력계를 능숙하게 사용하면 정확도가 뛰어날 수 있습니다.

제한 사항

장력계의 범위는 진공을 견디는 튜브 내부의 물의 능력에 의해 제한됩니다. 물은 본질적으로 비압축성이지만, 가장자리나 모래와 같은 수면의 불연속성은 물의 강한 결합이 파괴되고 캐비테이션(저압 비등)이 발생하는 핵 형성 지점을 제공합니다. 대부분의 텐시오미터는 플랜트에서 사용할 수 있는 범위의 중간인 -80kPa 정도에서 캐비테이션이 발생합니다.

하지만 독일의 METER Group Ag는 정밀한 독일 엔지니어링, 세심한 제작, 디테일에 대한 광적인 관심 덕분에 현대적인 클래식 텐셔미터를 제작합니다. 이 장력계는 정확도가 매우 뛰어나며 (신중한 작업자를 통해) -250kPa까지 확장할 수 있는 범위를 제공합니다.

2차 방법: 수분 특성 활용하기

수분 함량은 수분 포텐셜보다 측정하기 쉬운 경향이 있으며, 두 값은 서로 연관되어 있으므로 수분 함량 측정을 통해 수분 포텐셜을 구할 수 있습니다.

특정 토양 매트릭스에 물이 흡착 및 탈착될 때 수분 전위가 어떻게 변화하는지를 보여주는 그래프를 수분 특성 또는 수분 방출 곡선이라고 합니다.

물을 담을 수 있는 모든 매트릭스에는 지문처럼 고유하고 독특한 수분 특성이 있습니다. 토양에서는 구성과 질감의 작은 차이도 수분 특성에 큰 영향을 미칩니다.

일부 연구자들은 특정 토양 유형에 대한 수분 특성을 개발하고 그 특성을 사용하여 수분 함량 판독값에서 수분 전위를 결정합니다. 행렬 전위 센서는 열역학 제2법칙을 활용하여 더 간단한 접근 방식을 취합니다.

행렬 전위 센서

매트릭스 전위 센서는 수분 특성이 알려진 다공성 물질을 사용합니다. 모든 에너지 시스템은 평형을 지향하기 때문에 다공성 물질은 주변의 토양과 수분 전위 평형을 이루게 됩니다.

다공성 물질의 수분 특성을 사용하여 다공성 물질의 수분 함량을 측정하고 다공성 물질과 주변 토양 모두의 수분 전위를 결정할 수 있습니다. 매트릭스 전위 센서는 다양한 다공성 물질과 여러 가지 방법을 사용하여 수분 함량을 측정합니다.

정확도는 사용자 지정 보정에 따라 달라집니다.

매트릭스 전위 센서는 정확도는 좋지만 우수하지는 않습니다. 최악의 경우, 이 방법은 토양이 더 젖어 있는지 건조해지는지 여부만 알려줄 수 있습니다. 센서의 정확도는 다공성 물질을 위해 개발된 수분 특성의 품질과 사용된 물질의 균일성에 따라 달라집니다. 정확도를 높이려면 기본 측정 방법을 사용하여 사용되는 특정 재료를 보정해야 합니다. 이 방법의 감도는 수분 전위가 변화함에 따라 수분 함량이 얼마나 빨리 변하는지에 따라 달라집니다. 정확도는 수분 함량 측정의 품질에 따라 결정됩니다.

정확도는 온도 민감도에 영향을 받을 수도 있습니다. 이 방법은 등온 조건에 의존하기 때문에 달성하기 어려울 수 있습니다. 센서와 토양 사이의 온도 차이로 인해 상당한 오류가 발생할 수 있습니다.

제한된 범위

모든 행렬 전위 센서는 유압 전도도에 의해 제한을 받습니다. 토양이 건조해지면 다공성 물질이 평형을 이루는 데 시간이 오래 걸립니다. 수분 함량의 변화도 작아지고 측정하기 어려워집니다. 젖은 상태에서는 센서의 범위가 사용 중인 다공성 물질의 공기 유입 전위에 의해 제한됩니다.

필터 용지

여과지 방법은 1930년대에 토양 과학자들이 당시 사용 가능한 방법의 대안으로 개발했습니다. 특정 유형의 여과지(휘트먼 42호 애쉬리스)가 다공성 매체로 사용됩니다. 샘플은 여과지 배지와 평형화됩니다. 샘플은 일정한 온도에서 밀폐된 챔버에서 여과지와 평형을 이룹니다. 여과지의 중량 측정 수분 함량은 건조 오븐을 사용하여 측정하고, 수분 전위는 여과지의 미리 결정된 수분 특성 곡선으로부터 유추합니다. Deka 등(1995)은 완전한 평형을 이루려면 최소 6일이 필요하다는 사실을 발견했습니다.

범위

여과지의 범위는 일반적으로 완전히 평형화될 경우 -100MPa까지 허용되는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 그림에서 볼 수 있듯이 온도 구배로 인한 오차는 0에 가까운 수전위에서 매우 커집니다.

이 방법은 저렴하고 간단하지만 정확하지는 않습니다. 등온 조건이 필요한데, 이는 달성하기 어려울 수 있습니다. 작은 온도 변화에도 상당한 오류가 발생할 수 있습니다.

상용 매트릭스 전위 센서

석고 블록: 저렴하고 간단한

석고 블록은 종종 관개 이벤트의 간단한 지표로 사용됩니다. 석고 블록은 주변 토양의 변화에 반응하는 석고 블록의 전기 저항을 측정합니다. 전기 저항은 수위에 비례합니다.

장점

석고 블록은 매우 저렴하고 사용하기 매우 쉽습니다.

단점

판독값은 온도에 따라 달라지며 정확도가 매우 낮습니다. 또한 석고는 특히 식염수 토양에서 시간이 지남에 따라 용해되어 교정 특성을 잃게 됩니다. 석고 블록은 습하거나 건조한 상태만 알려줄 뿐 그 이상은 알려주지 않습니다.

세분화된 매트릭스 센서: 쉽고 저렴하지만 정확도가 제한적입니다.

석고 블록과 마찬가지로 입상 매트릭스 센서는 다공성 매질에서 전기 저항을 측정합니다. 석고 대신 합성 멤브레인과 보호용 스테인리스 스틸 메쉬로 둘러싸인 입상 석영을 사용합니다.

장점

입상 매트릭스 센서는 석고 블록에 비해 수명이 길고 습한 토양 조건에서도 작동합니다. 온도 변화를 측정하고 보정하여 성능을 향상시킬 수 있습니다.

단점

측정은 온도에 따라 달라지며 정확도가 낮습니다. 또한 토양과 센서의 접촉이 양호하더라도 입상 매트릭스 센서는 물이 미세한 토양에서 입상 매트릭스의 거친 매체로 들어가는 능력이 감소하기 때문에 매우 건조한 조건으로 평형을 이룬 후에는 재습윤 문제가 발생합니다. 젖은 쪽에서는 매트릭스의 공기 유입 가능성에 의해 범위가 제한됩니다. 입상 매트릭스 센서는 매트릭스의 가장 큰 기공이 배수되기 시작할 때만 수분 함량/전위 측정을 시작할 수 있습니다. 또한 이러한 센서는 시간이 지남에 따라 용해되는 석고 펠릿을 사용하므로 장기적인 안정성이 떨어집니다.

세라믹 기반 센서

세라믹 기반 센서는 세라믹 디스크를 다공성 매체로 사용합니다. 센서의 품질은 세라믹의 특정 품질에 따라 달라집니다.

각 디스크마다 다소 독특한 수분 특성이 있기 때문에 정확도가 제한됩니다. 세라믹 소재의 균일성은 정확도를 높여주지만 범위가 크게 제한됩니다. 각 개별 센서를 맞춤 보정하면 정확도가 크게 향상되지만 시간이 많이 소요됩니다. 최근 캘리브레이션 기술의 혁신으로 더 나은 상용 캘리브레이션 옵션이 제공될 수 있습니다.

젖은 상태에서는 세라믹의 공기 유입 가능성에 따라 측정 범위가 제한됩니다. 세라믹 기반 센서는 세라믹의 가장 큰 기공이 배수되기 시작할 때만 수분 함량/전위 측정을 시작할 수 있습니다. 건식에서는 낮은 수분 전위에서 배수되는 작은 기공에 포함된 전체 다공성에 의해 범위가 제한됩니다.

두 가지 유형이 있습니다:

방열 센서

방열 센서는 세라믹의 열전도도를 측정하여 세라믹의 수분 함량을 측정합니다. 히터와 열전대가 포함된 세라믹 실린더를 사용하여 기준 온도를 측정하고 몇 초 동안 가열한 다음 온도 변화를 측정합니다. 온도 변화와 로그 시간을 비교하여 세라믹의 수분 함량을 파악합니다. 수분 함량은 세라믹 디스크의 수분 특성을 사용하여 수분 전위로 변환됩니다. 센서는 가열되기 때문에 예비 전력이 많은 시스템(예: Campbell Scientific 데이터 로거 또는 이와 동등한 제품)으로 전원을 공급해야 한다는 점에 유의하세요.

정확성

개별적으로 맞춤 보정하지 않는 한 방열 센서의 정확도는 보통 정도에 불과합니다.

범위

매우 건조한 쪽에서는 열 전도도 곡선의 감도가 매우 높기 때문에 방열 센서의 유용성이 건조한 범위(-1 ~ -50 mPa)에서 확장됩니다. 젖은 상태에서는 방열 센서가 세라믹의 공기 유입 전위에 의해 제한을 받습니다.

유전체 매트릭스 전위 센서

유전체 매트릭스 전위 센서는 세라믹 디스크의 전하 저장 용량을 측정하여 수분 함량을 결정합니다. 그런 다음 디스크의 수분 특성을 사용하여 수분 함량을 수분 전위로 변환합니다.

유전체 기술을 사용하기 때문에 이 센서는 물의 작은 변화에도 매우 민감합니다. 모든 세라믹 기반 센서와 마찬가지로 매트릭스 전위 센서도 정확도를 높이기 위해 맞춤형 보정이 필요합니다.

장점

유전체 매트릭스 전위 센서는 저전력으로 유지보수가 필요 없습니다.

단점

보정하지 않으면 센서의 정확도는 판독값의 ±40%에 불과합니다. 하지만 최근 맞춤형으로 보정된 센서 버전은 판독값의 ±10% 정확도를 보장합니다.

수분 잠재력 측정 방법에 대한 추가 리소스

1. 지, 글렌든 W., 앤더슨 L. 워드, Z. F. 장, 게일런 S. 캠벨, J. 매티슨. "유압 비평형이 압력판 데이터에 미치는 영향." 바도세 구역 저널 1, 1 호 (2002): 172-178.
2. Cresswell, H. P., T. W. Green, N. J. McKenzie. "토양 수분 보유를 결정하기위한 압력판 장치의 적절성." 미국 토양 과학 협회 저널 72, 1 호 (2008): 41-49.
3. 비텔리, 마르코, 마르쿠스 플루리. "압력판으로 결정된 수분 보유 곡선의 오류." 미국 토양 과학 협회 저널 73, no. 5 (2009): 1453-1460.
4. 베이커, 라파엘, 샘 프라이드먼. "불포화 토양 역학: 물리적 기초에 대한 비판적 검토." 공학 지질 학 106, 1 (2009): 26-39. 기사 링크.
5. Deka, R. N., M. Wairiu, P. W. 음타쿠와, C. E. 멀린스, E. M. 비넨달, J. 타운엔드. "토양 매트릭스 전위 측정을위한 필터-종이 기술의 사용 및 정확성." 유럽 토양 과학 저널 46, 2 (1995): 233-238. 기사 링크.

물 잠재력 보기 301

레오 리베라가 습식 엔드 텐셔미터 데이터(HYPROP)와 건식 이슬점 데이터(WP4C)를 사용하여 실제로 중간에서 일치하는 곡선을 만드는 방법을 알려드립니다.

이러한 기술을 통해 연구자들은 잠재적으로 기기의 사양을 뛰어넘을 수 있습니다. 히스테리시스의 영향과 습식 범위로 이동할 때 필요한 시료 준비 방법의 변경 등 이러한 측정을 둘러싼 문제에 대해 알아보세요.

수자원 잠재력 활용

토양 수분 방출 곡선

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 받으며, 이러한 변수는 현장마다, 토양마다 다를 수 있습니다.

그림 9는 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 1에서 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.

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 10에서 아래의 세 토양이 수분 함량이 15%인 서로 다른 토양 지평선 층인 경우, 고운 모래 사질 양토의 물은 더 음수 전위를 가지므로 고운 모래 양토 층으로 이동하기 시작할 것입니다.

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 11은 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 12는 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 관개자에게 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 곡선에서 정보가 수집되면, METER의 ZL6 데이터 로거와 ZENTRA Cloud 를 사용하면 최적의 수분 수준을 유지하는 프로세스를 간소화할 수 있습니다. 상한과 하한은 ZENTRA cloud (실시간 데모 받기)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. 한도에 가까워지거나 한도를 초과하면 자동으로 경고가 전송되기도 합니다.

토양 수분으로 관개 개선에 대해 자세히 알아보기

실험실 곡선 - 이제 그 어느 때보다 쉬워졌습니다.

15~20년 전에는 실험실에서 완전하고 상세한 토양 수분 방출 곡선을 얻는 데 수개월이 걸렸지만, 그 이후로 많은 발전이 있었습니다. 왜 그럴까요?

수분 방출 곡선에는 항상 두 가지 취약한 부분이 있었는데, 바로 0~ -100kPa 사이의 제한된 데이터 범위와 어떤 기기로도 정확한 측정을 할 수 없는 -100kPa에서 -1000kPa 사이의 간격이었습니다. 0에서 -100kPa 사이에서는 토양이 수분 함량의 절반 이상을 잃게 됩니다. 압력판을 사용하여 수분 방출 곡선의 이 구간에 대한 데이터 포인트를 만들면 곡선이 단 5개의 데이터 포인트에 기반한다는 것을 의미합니다.

그리고 그 격차가 있습니다. 가장 낮은 장력계 수치는 -0.085MPa에서 끊긴 반면, 역사적으로 가장 높은 WP4 수전위 측정기 범위는 -1MPa에 간신히 도달했습니다. 이로 인해 플랜트 가용 범위의 한가운데에 곡선에 구멍이 생겼습니다.

2008년 독일의 METER Group AG는 0~-0.1MPa 범위에서 100개 이상의 데이터 포인트를 생성할 수 있는 계측기( HYPROP)를 출시했습니다. 이를 통해 해당 곡선 구간에서 20배 이상의 데이터로 해상도 문제를 해결했습니다.

2010년, METER Group 에서 새롭게 디자인된 WP4C 수전위 측정기를 출시했습니다. 정확도와 범위가 크게 향상되어 이제 WP4C 에서 텐셔미터 범위까지 정확한 판독값을 얻을 수 있습니다. 사용 HYPROP 새롭게 디자인된 WP4C를 사용하여 숙련된 실험자는 이제 완전한 고해상도 수분 방출 곡선을 만들 수 있습니다. 실험실에서 완전한 토양 수분 방출 곡선을 만드는 방법에 대한 자세한 내용은 수분 방출 곡선 앱 가이드를 참조하세요.

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.

토양 수분 방출 곡선을 애플리케이션에 어떻게 사용할 수 있는지 알고 싶으신가요? 문의하기-연구자들이 토양-식물-대기 연속체를 측정하는 데 도움을 준 수십 년의 경험을 가진 토양 과학자들이 있습니다. 또는 토양 수분 방출 곡선 웨비나를 시청하세요: 토양 수분 201: 수분 방출 곡선 공개.

수자원 잠재력: 약간의 역사

토양의 불포화 수분 흐름에 대한 이해

지난 세기에 접어들면서 미국 농무부 토양국(BOS)은 농업의 난해한 문제를 해결하기 위해 여러 명의 순수 물리학자를 영입했습니다. 그중 한 명이 에드거 버킹엄이었습니다. 1902년 토양국에 부임했을 때 버킹엄은 이미 열역학에 관한 저서를 집필한 상태였습니다. 토양 연구소에서 처음 수행한 실험은 토양 내 기체 이동에 관한 것이었지만, 궁극적으로 그는 토양 내 불포화 수분 흐름 문제를 고려하게 되었고, 이 실험을 통해 토양 물리학에 가장 큰 공헌을 하게 됩니다.

고전 물리학자인 버킹엄은 수학을 사용하여 토양에서 물이 흐르는 방식을 둘러싼 미스터리와 혼란을 조사했습니다. 수분 함량이 불포화 토양에서 흐름을 주도하지 않는다는 사실을 깨달은 버킹엄의 과제는 그 흐름을 주도하는 힘을 설명하는 것이었습니다. 그는 전기 및 열력장과 그로 인해 발생하는 플럭스에 자연스럽게 익숙했습니다. 이러한 개념은 그가 "모세관 전도도"라고 부르는 경사면에 의해 토양에서 생성되는 추진력에 대한 편안한 아날로그 개념이었습니다. 버킹엄은 이 플럭스를 설명하기 위해 옴의 법칙과 푸리에의 법칙을 사용했습니다.

1902: 에드거 버킹엄이 토양 연구소에서 일하게 됩니다. 열역학에 대한 그의 경험은 토양의 불포화 수분 흐름에 대한 이해의 시작이 되었습니다.

1930s: LA Richards가 '모세혈관 전도도'를 효과적으로 측정할 수 있는 최초의 기기 중 하나인 압력판을 개발합니다.

1940s: LA 리차즈와 존 몬테이스가 열전대 심리계를 사용하여 토양 샘플의 수분 전위를 측정하는 방법을 설명하는 논문을 발표합니다.

1951: DC 스패너가 열전대 심리미터를 사용하여 토양의 수분 전위를 측정하는 데 최초로 성공했습니다.

1983: METER가 최초의 상업용 열전대 열전대 심리계(나중에 TruPsi로 알려진 SC-10)를 출시합니다.

실험실에서 수분 전위 측정

1907년 에드거 버킹엄이 '모세관 전도도'를 설명하고 시연했지만, 이를 효과적으로 측정하기에는 한참 멀었습니다. 이를 위한 최초의 기기는 1930년대에 LA 리차드가 만든 압력판입니다. 압력판은 시료의 수전위를 측정하지 않습니다. 대신 시료를 특정 수전위까지 끌어올리는 역할을 합니다. 이 기기는 압력을 가해 시료에서 다공성 세라믹 판으로 물을 밀어냅니다. 시료가 평형을 이루면 이론적으로 물의 전위는 가해진 압력과 같아집니다.

토양 샘플이 압력 하에서 특정 수분 전위에 도달하면 연구자는 상관관계가 있는 수분 함량을 측정할 수 있습니다. 다양한 압력에서 이러한 측정을 수행하여 토양 수분 특성을 파악할 수 있습니다.

증기 방법

압력판이 도입된 지 10년이 지난 후 미국의 L. A. 리차즈와 영국의 존 몬테이스는 열전대 심리계를 사용하여 밀폐된 챔버에서 시료를 증기와 평형시키고 증기의 상대 습도를 측정하여 토양 시료의 수분 전위를 측정하는 방법을 설명하는 논문을 발표했습니다. 평형 상태에서 증기의 상대 습도는 시료의 수분 전위와 직접적인 관련이 있습니다.

1818년 독일의 발명가 에른스트 페르디난트 아우구스트(1795-1870)가 만든 심리 온도계라는 용어는 그리스어로 "냉기 측정기"라는 뜻입니다. 심리계는 두 개의 동일한 온도계로 구성됩니다. 한쪽(건구)은 건조한 상태로 유지되고 다른 한쪽(습구)은 포화 상태로 유지됩니다. 습구 온도와 건구 온도 사이의 온도 차이를 사용하여 공기의 상대 습도를 계산할 수 있습니다.

열전대 온도계

토양 샘플 위의 상대 습도를 측정하는 데 사용된 최초의 온습도계는 매우 작아야 했습니다. 두 개의 온도계는 작고 깨지기 쉬운 열전대로 만들어졌습니다. 열전대는 서로 다른 두 개의 도체를 한 지점에서 결합하여 만든 온도 센서입니다. 열전대는 온도 구배를 전기로 변환하여 온도 변화를 측정할 수 있습니다.

열전대 심리계는 1951년 이전에 DC 스패너에 의해 수전위 측정에 처음 성공적으로 사용되었지만, 측정이 어려웠습니다. 원하는 결과를 얻기 위해 스패너는 비스무트 안티몬으로 직접 와이어를 만들어야 했는데, 존 몬테이스에 따르면 로담스테드의 흄 후드에는 이러한 실험의 흔적이 수년 동안 남아 있었습니다.

다른 사람들은 그의 측정을 반복하는 데 어려움을 겪었습니다. 샘플을 평형화하는 데 최대 일주일이 걸렸고, 깨지기 쉬운 열전대는 종종 단 한 개의 샘플만 읽다가 끊어지곤 했습니다. 그럼에도 불구하고 1961년에 이르러 Richards는 수전위 측정의 미래로 증기법을 분명히 보았습니다(Richards와 오가타, 1961).

Decagon(현 METER)은 1983년 최초의 상업용 열전대 심리계(SC-10 열전대 심리계 샘플 체인저, 이후 TruPsi)를 출시했습니다. 이 기기는 섬세한 열전대를 사용했지만 밀폐된 인클로저 안에 넣어 보호했습니다. 9개의 샘플을 동시에 평형화하여 열전대 아래에서 회전시키며 측정했습니다.

각 측정 전에 습구 열전대를 작은 물통에 담가두었습니다. 열전대의 전기 출력은 나노 전압계로 전송되어 온도의 변화가 멈추는 시점을 확인하기 위해 모니터링해야 했습니다.

노점 수분 전위 측정기

1990년대 후반, 데카곤(현 미터)은 증기압을 이용해 수전위를 측정하는 개선된 방법인 이슬점 포텐셔미터(WP4C )를 생산하기 시작했습니다. 이 기기는 심리계와 마찬가지로 챔버 내부에 밀폐된 시료 위의 증기압을 측정합니다. 두 기기 모두 열역학적 원리를 기반으로 하는 기본 방법입니다.

사이크로미터와 달리 이슬점 전위차계는 냉각 거울 이슬점 센서를 사용합니다. 챔버의 작은 거울은 이슬이 맺히기 시작할 때까지 냉각됩니다. 이슬점에서 WP4C 은 0.001°C 정확도로 거울과 시료의 온도를 모두 측정하여 시료 위 증기의 상대 습도를 측정합니다. 시료의 수분 전위는 시료 온도와 이슬점 온도 사이의 차이와 선형적으로 관련되어 있습니다.

이슬점 센서에는 몇 가지 장점이 있습니다. 작업자가 상대적으로 숙련되지 않은 경우에도 더 빠르고 정확한 측정값을 제공합니다. 또한 냉각 거울 센서는 물을 추가할 필요가 없으므로 시료 위 증기의 수분 함량을 증가시키지 않습니다.

이 측정은 보정이 아닌 열역학적 원리에 기반하여 수전위를 결정하는 기본 방법이라는 장점이 있습니다.

이 기기의 최신 버전은 온도를 1000분의 1도까지 분해할 수 있어 -0.5MPa의 젖은 시료도 뛰어난 정확도로 측정할 수 있습니다.

질문이 있으신가요?

저희 과학자들은 수십 년 동안 연구자와 재배자들이 토양-식물-대기 연속체를 측정할 수 있도록 지원해 온 경험을 가지고 있습니다.

• 전문가와 상담하기
• 견적 요청하기
• 관개 관리에 대한 전체 가이드 다운로드