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 하나이며, 토양 수분(즉, 토양 수분 함량/토양 수분 잠재력)은 대부분의 식물에게 즉각적인 물 공급원이기 때문입니다. 토양 수분이란 무엇인가요? 아래에서는 토양 수분의 정의와 토양 수분과 함께 사용되는 몇 가지 중요한 과학 용어에 대해 종합적으로 살펴봅니다.

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 봅니다. 그러나 토양의 수분 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

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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.

체적 수분 함량 측정 방법

대부분의 체적 수분 함량 측정은 어떤 종류의 센서를 사용하여 이루어집니다. METER 수분 함량 센서는 커패시턴스 기술을 사용합니다. 이 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 함량은 좋은 첫 번째 원칙 측정이지만 시간이 많이 걸리고 파괴적이며 시간 단위의 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 특수설치 도구( )를 사용하여 교란을 줄입니다(작동 방식을 보려면 동영상을 시청하세요).

채도: 생각과 다릅니다.

용적 수분 함량 측면에서 오븐 건조 토양은 정의상 0% VWC입니다. 이는 하나의 정의된 끝점입니다. 순수한 물은 100%로 척도의 다른 쪽 끝에 있습니다. 많은 사람이 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 6에서 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 물과 음료수 잔의 물을 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 3).

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 7에 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 8에서 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 9는 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.

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

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

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 10은 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 포텐셜이 올바른 측정값입니다. 식물이 물을 얻을 수 있는지 파악하려면 수분 전위를 측정해야 합니다. 이에 대한 자세한 내용은 다음 문서를 참조하세요: "토양 수분이 알아야 할 모든 것을 알려주지 못하는 이유" 문서를 참조하세요. 그러나 물을 줄 시기나 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.

어떤 수분 함량 센서가 애플리케이션에 가장 적합할까요?

20분 분량의 이 웨비나에서는 콜린 캠벨 박사가 토양 수분 함량 측정 방법의 차이점을 설명합니다. 그는 과학적 측정 이론과 각 방법의 장단점을 살펴봅니다. 또한 다양한 유형의 현장 연구에 적용할 수 있는 기술과 최신 센싱이 단순한 센서 이상의 의미를 갖는 이유에 대해서도 설명합니다.

배우기: 

• 중량 측정법, 정전용량, 시간 영역 반사 측정법(TDR), 시간 영역 전송(TDT), 주파수 영역 반사 측정법(FDR), 저항 센서 등의 기반이 되는 측정 이론
• 다양한 현장 상황에 적용되는 기술
• 센서 유형을 선택할 때 중요한 요소
• 일부 방법이 연구용이 아닌 이유
• 최신 센싱은 단순한 센서 그 이상입니다.
• 고유한 애플리케이션에 적합한 가격 대비 성능 비율을 결정하는 방법

관련 자료 토양 수분이란 무엇인가요?

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.(도서 링크)

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.