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토양 수분 방출 곡선 - 정의. 필요한 이유. 사용 방법.

Soil moisture release curves—What they are. Why you need them. How to use them.

토양 수분 방출 곡선은 강력한 도구로 식물의 수분 흡수, 깊은 배수, 유출 등을 예측하는 데 사용됩니다.

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.

A graph showing soil water retention curves for three different soil — **그림 1.** 세 가지 토양에 대한 토양 수분 보유 곡선. 수직선은 필드 용량(왼쪽)과 영구 시들음 지점(오른쪽)을 나타냅니다.

그림 1은 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.

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.

표 1. 광범위하고 집중적인 변수의 예
광범위한 변수	집중 변수
볼륨	밀도
수분 함량	물 잠재력
열 콘텐츠	온도

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.

An illustration of a cruise ship driving past icebergs next to an illustration of molten metal showing heat moving from high to low energy — **그림 2.** 열은 높은 에너지에서 낮은 에너지로 이동합니다.

그림 2는 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. 어떻게?

식물이 사용할 수 있는 물: 수분 포텐셜 측정은 식물의 가용 수분을 명확하게 나타내며, 수분 함량과 달리 식물의 최적 상태는 매우 습한 쪽에 해당하는 약 -2~5kPa부터 건조한 쪽의 최적 상태인 약 -100kPa까지 쉽게 참조할 수 있는 척도가 있습니다. 그 이하로 내려가면 식물은 적자가 발생하고 -1000kPa를 넘어서면 손상을 입기 시작합니다. 식물에 따라 -1000~-2000kPa 이하의 수전위는 영구적인 시들음을 유발합니다.

물의 이동: 토양 물은 항상 높은 수분 전위에서 낮은 수분 전위로 이동합니다. 예를 들어 토양의 수분 전위가 -50kPa인 경우, 물은 더 음의 -100kPa인 토양층으로 이동합니다.

A diagram showing water always moves from a higher energy state to a lower energy state — **그림 3.** 물은 항상 더 높은 에너지 상태에서 더 낮은 에너지 상태로 이동합니다.

이것은 또한 식물-토양 대기 연속체에서 일어나는 일의 근사치입니다. 그림 4에서 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. 이 구배를 만드는 것은 -100MPa의 대기입니다. 따라서 수전위는 시스템에서 물이 어느 방향으로 이동할지를 정의합니다.

A diagram showing an example water potential gradient in a system — **그림 4.** 시스템의 수전위 구배 예시.

수분 함량에 대해 자세히 알아보기

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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.

A photograph of a TEROS 12 soil moisture sensor with ZL6 data logger — TEROS 12 토양 수분 센서( ZL6 데이터 로거 포함).

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 수전위 센서이며, TEROS 32는 유지보수가 적은 장력계로 수전위도 측정합니다.

A photograph of a TEROS 21 soil water potential sensor — TEROS 21 토양 수분 전위 센서.

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 5에서 아래의 세 토양이 수분 함량이 15%인 서로 다른 토양 지평선 층인 경우, 양토 고운 모래의 물은 더 음의 수분 전위를 가지므로 고운 사질 양토 층으로 이동하기 시작합니다.

A graph showing VWC is the extensive variable and water potential is the intensive variable — **그림 5.** VWC는 광범위한 변수이고 수전위는 집중적인 변수입니다.

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.

A graph showing typical soil moisture release curves for three different soils — **그림 6.** 세 가지 토양에 대한 일반적인 토양 수분 방출 곡선.

그림 6은 양토, 미사토, 점토 토양에 대한 일반적인 수분 방출 곡선을 보여줍니다. 100kPa에서 사질토양의 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.

A graph showing optimal water content levels in three different soils — **그림 7.** 세 가지 토양의 최적 수분 함량 수준: 최적(밝은 회색 세로선 왼쪽), 하한(중간 회색 세로선), 영구 시들음점(짙은 회색 세로선 오른쪽).

그림 7은 동일한 수분 방출 곡선으로, 밭 용량 범위(녹색 수직선), 관개 작물에 일반적으로 설정되는 하한선(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

방출 곡선에서 정보를 수집한 후에는 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.

A screenshot from ZENTRA Cloud which illustrates optimal water content as a blue shaded area, making it easy to stay within upper and lower irrigation limits — **그림 8.** ZENTRA cloud 은 최적의 수분 함량을 파란색 음영 영역으로 표시하여 상한 및 하한을 쉽게 유지할 수 있도록 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.

A photograph of HYPROP 2 which creates soil moisture release curves — HYPROP 2는 토양 수분 방출 곡선을 생성합니다.

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.

A photograph of the sample tray for the WP4C dew point potentiameter — WP4C 이슬점 전위차계.

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.

A graph showing combined the HYPROP and WP4C to auto-generate complete, high-resolution soil moisture release curves — **그림 9.** HYPROP 과 WP4C 을 결합하여 완전한 고해상도 토양 수분 방출 곡선을 자동 생성합니다.

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. 아래 동영상에서 토양 수분 전문가인 레오 리베라가 수분 방출 곡선을 사용하여 물에 대한 개별 토양의 거동을 분석하는 방법에 대한 자세한 정보를 제공합니다.