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수전위 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 받아 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.

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집중 변수 대 광범위한 변수

환경에서의 물의 이동은 실제로 물리학적인 문제이며, 이를 이해하기 위해서는 집중적인 변수와 광범위한 변수를 구분해야 합니다. 광범위한 변수는 물질이나 에너지의 범위 또는 양을 설명합니다. 집중 변수는 물질이나 에너지의 강도 또는 품질을 설명합니다. 예를 들어, 물질의 열 상태는 열 함량과 온도 두 가지 측면에서 설명할 수 있습니다.

두 변수는 서로 관련이 있지만 동일하지는 않습니다. 열 함량은 질량, 비열 및 온도에 따라 달라집니다. 열 함량을 측정해서는 두 물체가 서로 닿을 경우 열이 다른 물체로 전달되는지 여부를 알 수 없습니다. 따라서 물체가 뜨거운지 차가운지 또는 만져도 안전한지 여부도 알 수 없습니다.

집중 변수인 온도를 알고 있다면 이러한 질문에 답하기가 훨씬 쉬워집니다. 사실, 집중 변수와 광범위한 변수를 모두 측정하는 것이 중요할 수 있지만, 집중 변수가 더 유용한 정보를 제공하는 경우가 많습니다. 물의 경우, 광범위한 변수는 수분 함량으로, 식물 조직이나 토양에 있는 물의 정도 또는 양을 알려줍니다. 집중 변수는 수분 잠재력이며, 식물 조직이나 토양에 있는 물의 강도 또는 품질을 설명합니다. 물의 가용성과 이동에 관한 많은 질문은 토양 수분 전위를 측정함으로써 가장 잘 답할 수 있습니다.

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 1에 표시된 것처럼 물은 두 위치가 평형을 이룰 때까지 에너지가 높은 위치에서 에너지가 낮은 위치로 이동합니다. 예를 들어 토양의 수분 포텐셜이 -50kPa인 경우, 물은 더 음의 -100kPa로 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 2에서 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.

수분 포텐셜 측정은 식물의 가용 수분을 명확하게 나타내며, 수분 함량과 달리 식물의최적 상태는 매우 습한 쪽에 해당하는 약 -2~5kPa부터 건조한 쪽의 최적 상태인 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 범위 내에서 유지될 때 스트레스를 덜 받고 더 많은 수확량을 얻을 수 있습니다.

관개 전문가와 과학자들은 수분 함량 센서와 함께 수분 전위 센서를 사용하여 식물의 수분 가용성을 파악합니다. 그림 3에서 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 수분 가용성을 나타내는 방법에 대해 자세히 알아보려면 '물을 주어야 할 시기'를 읽어보세요:이중 측정으로 수수께끼를 풀다" 및 "토양 수분 센서가 알아야 할 모든 것을 알려주지 못하는 이유"를 읽어보세요.

수전위 이름, 범위 및 단위

그림 4는 다양한 범위를 측정하는 다양한 수분 전위 계측기가 있음을 보여줍니다. 동영상( LABROS )에서 METER 계측기를 결합하여 전체 범위의 토양 수분 잠재력을 측정하는 방법을 알아보세요. 여기에서 수분 전위를 측정하는 방법과 어떤 기기가 어떤 용도로 사용되는지 자세히 알아보세요.

수분 전위 구성 요소

총 수분 잠재력은 네 가지 구성 요소의 합입니다.

• 매트릭스 잠재력: 물과 표면의 결합력
• 삼투압: 물 속 용질에 결합하는 삼투력
• 중력 전위: 중력장에서 물의 위치
• 잠재적 압력: 수압 또는 공압으로 인한 물의 압력

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.

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 5에서 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 전 위는 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.

토양 수분 전동 공구

토양 수분 방출 곡선(토양-수분 특성 곡선)은 수분 전위와 수분 함량 간의 관계를 보여주며, 각 토양 유형에 고유한 물리적 지문과 같습니다. 연구에 이 곡선을 사용하여 특정 토양에서 물의 운명을 이해하고 예측하세요. 수분 방출 곡선은 물이 토양을 통해 빠르게 배수될 것인가 아니면 뿌리 영역에 고여 있을 것인가와 같은 중요한 질문에 대한 답을 제공합니다. 수분 방출 곡선은 식물의 수분 흡수, 깊은 배수, 유출 등을 예측하는 데 사용되는 강력한 도구입니다.

여기에서 수분 방출 곡선과 토양 수분 전위와 토양 수분 함량 간의 관계에 대해 자세히 알아보세요. 또는 아래 동영상을 시청하세요.

텐시오미터와 TEROS 21은 모두 현장에서 매트릭스 전위를 측정하는 토양 수분 전위 센서입니다.

어떤 현장 수분 전위 센서가 여러분의 용도에 적합한지 알아보려면 "어떤 토양 센서가 적합할까요?"를 읽어보세요. 또는 아래에서 콜린 캠벨 박사의 웨비나 "Water Potential 201"을 시청하세요: 물 전위 측정의 어려움과 장력계와 같은 다양한 물 전위 계측기를 선택하고 사용하는 방법 등 물 전위 계측기 이론을 다루는 "올바른 계측기 선택"( TEROS 21, WP4C, HYPROP, 등을 참조하세요.

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.

기본 사항 마스터하기

이 웨비나에서는 더그 코보스 박사가 수분 함량과 수분 포텐셜을 구분하고 수분 포텐셜의 이론, 적용 및 주요 구성 요소에 대해 설명합니다.