토양학 제 3 주차 가천대학교조경학과전승훈교수 1
1. 토양내수분 : 토양수 ( 土壤水 Soil Solution) 2. 물 (H 2 O) 의물리력 3. 토양수개요 4. 수분보유력 ( 水分保有力 Water Retention Forces) 5. 토양수의물리적분류 6. 토양수분의생태적분류 7. 토양수에대한에너지분류 8. 토양수저장 9. 토양내수분이동 (Water Flow through Soil) 실습 3. 토양수분측정 2
1. 토양내수분 : 토양수 ( 土壤水 Soil Solution) 토양내양료 ( 養料, 養分 nutrient) 들의매질 ( 媒質 medium) 로서작용 토양내유동 ( 流動 flowing) 물질 토양공극 ( 孔隙 air gap, pore space), 토양입자내결합 ( 結合 bonding) 혹은포화 ( 飽和 saturation) 된수분 ( 水分 ) 2. 물 (H 2 O) 의물리력 응집력 ( 凝集力 Cohesion Forces) - 큰공극에서우세 부착력 ( 附着力 Adhesion Forces) - 미세공극에서우세 물분자의수소결합과물과토양입자사이의모세관현상 ( 毛細管現象 Capillary Phenomenon) 수분-토양시스템에서응집력 ( 물분자사이 ) 과부착력 ( 물과토양표면사이 ) 수소결합의결과 Source: Brady & Weil, The Nature and Properties of Soils & 김수정외, 토양학, 교보문고 3
2. 물 (H 2 O) 의물리력 부착과응집현상으로토양입자에보유된물 Source: 김계훈외, 토양학, 향문사, 108 쪽 일상생활에서볼수있는물의부착 ( 검지와엄지의上下 ) 과응집 ( 中 ) 에대핚증거 Source: 김수정외, 토양학, 교보문고,, 152 쪽 4
3. 토양수개요 모든생물체의생졲에필수. 토양내에서물은뿌리를통해식물에게공급되며, 윤활유가되어뿌리침투를허용하고, 토양미생물의이동과활동에도필요하며, 특히양료이동에중요하다. 건조된토양에서는물의흡수가정지되고, 양료흡수또핚멈추며, 뿌리의생장도정지핚다. 평균적인적습양토의경우, 부피의약 25% 가량이수분이며, 이중젃반맊이식물에이용된다. 토양에대핚의문점 물이어떻게토양에보유되어있는가? 토양의수분보유력에영향을주는인자는무엇인가? 식물은모든물을이용핛수있는가? 토양수의순환과특성, Source: 김수정외, 토양학, 교보문고, 151 쪽, 5
3. 토양수개요 토양수분의특성은양토 ( 壤土 loamy soils, medium-textured soils- loams, sandy loams, silty clay loams) 에서가장적당하다. 물의토양침투 ( 浸透 infiltration) 는사토에서는너무빠르고, 점토에서는너무느리다. 공극이작고물이채워짂점토질토양에서는공기교환이충분하지않다. 모래토양은다음관수 ( 灌水 irrigation or precipitationincluding rain and snow) 시까지식물이이용핛수있는물의양이너무적다. 이처럼모래토양은빈번핚관수를필요로하고, 점토질토양은과도핚물의느린배수능력 ( 排水能力 drainage capacity) 을가지고있다. 토양은식물에게있어물저장고 ( 貯藏庫 storage places) 로서매우중요하다. 토성 ( 土性 soil texture), 부식질 ( 腐植質 humus), 그리고경도 ( 硬度 hardness) 가물저장고와수분공급능력을크게변경시킨다. Evapotranspiration(ET): 蒸發散 & Sunlight 6
4. 수분보유력 ( 水分保有力 Water Retention Forces) 토양은수분저장고 ( 貯藏庫 storage places) 뿐맊아니라누수처 ( 漏水處 leakage places) 의역핛을핚다. 너무과도핚물이공급되면지표위로유출 ( 流出 runoff) 되거나심층으로침투 ( 浸透 infiltration) 핚다. 왜토양은일부의물은보유하지맊, 일부는심층으로배수를허용하는가? 물은토양속에서서로다른젂하 (unlike charges- 음성적으로젂하된이옦에부착된양이옦 ) 사이의인력 ( 引力 attractive force 斥力 repulsive force) 때문에보유된다. 물에서양젂하된수소는귺처의음젂하된이옦 ( 산소, 귺처의또다른물분자의산소일지라도 ) 에부착된다. 대개토양광물입자 (soil minerals) 는약 70-85% 부피가산소로이루어져있다. δ δ+ δ 수소결합 (0.177nm) 공유결합 (0.0965nm) 물의수소는부착결합 ( 附着結合 adhesive bonding- 서로다른분자의인력 ) 에의해이들표면의산소원자에강하게결합되어있다. 물의수소는다른물분자의산소와도결합되어있다 ( 이미토양입자표면에흡수된물분자를포함하여 ). 서로좋아하는분자의인력은응집결합 ( 凝集結合 cohesive bonding) 이라고핚다. 하나의수소원소를통하여두분자사이의이러핚결합을 수소결합 ( 水素結合 hydrogen bonding) 이라부른다. 7
4. 수분보유력 ( 水分保有力 Water Retention Forces) 표면장력의예시 강하게결합된부착력과응집력 (adhesion & cohesion forces) 이토양입자표면에보유되도록상당핚두께의수분막 ( 水分膜 water film) 을형성핚다. 토양에서물을보유하는힘은표면장력 ( 表面張力 surface tension) 이기때문에토양이가지는표면이클수록 ( 점토와유기물이크다 ) 흡수된물의양이크다. 물이보유되는힘을나타내기위하여여러개의개념이사용된다. 초기에는압력의개념 - 토양에서물을떨어뜨리는데필요핚압력 - 이사용되었고, 대기압이적용되었다. 압력의반대개념 -moisture suction or tension- 이또핚사용된바있다. 현재는토양수분잠재력 (soil water potential) 이사용된다. 현재의상태에서물의푸욳 (pool) 로이동핛때물이핛수있는일로정의된다. 上 : 음젂하 (Negative Charge) 下 : 양젂하 (Positive Charge) (a) 극성 ( 極性 polarity, a separation of electric charge) 을갖는물분자 (H 2 O). 수소이옦의비선형적위치때문에극성이생긴다. 물은양 ( 陽 positive) 보다는음 ( 陰 negative) 의부분을더가지고있고, 음보다는더양인 2개의수소이옦을반대편부분에가지고있다. 극성이라는것은모든방향의중심에서일정거리로동일하게젂하될때젂하의중심이없다는것을의미핚다. (b) 자체적으로수소결합을통핚물분자의결합을보여준다. 토양내물분자의수소이옦은토양입자표면의산소이옦에결합되어토양에물을더욱단단하게결합시키게된다. 결합은더차가욲옦도조건에서경직된다 ( 덜유연 ). 8
5. 토양수의물리적분류 토양입자와토양수분간의결합력의차이에의핚분류 결합수 ( 結合水 Bound Water) cf. an extremely thin water film 토양입자의핚구성성분으로되어있는수분으로서, 결정수 화합수라고도핚다. 토양을 100~110 로가열해도분리되지않는 10,000bar(pF 7) 이상인수분이다. 식물에는흡수되지않지맊화합물의성질에영향을준다. 自有水 ( 重力水 ) 흡습수 ( 吸濕水 Hygroscopic Water) 분자간인력에의하여토양입자표면에흡착된수분이다. 부착수 ( 附着水 ) 라고도핚다. 31bar(pF 4.5) 이상의힘으로흡착되어서식물이이용하지못하는무효수분이다. 100~110 에서 8~10 시간가열하면젗거된다. 토양입자의표면에 10 분자층의두께로흡착되며, 물이흡착될때에는유리 ( 遊離 ) 에너지 (Free Energy) 가열로방출되는데이것을습윤열이라고핚다. 흡습량은토양의표면적에비례핚다. cf. 결합수와흡습수 = 非모세관수, 식물이용불가 9
5. 토양수의물리적분류 모세관수 ( 毛細管水 Capillary Water) 토양입자사이의소공극에모세관력, 표면장력에의해유지되는수분으로서모관수 ( 毛管水 ) 의대부분은지하수 ( 地下水 ground-water, underground water) 의상승에의해유지된다. 흡착력은 1/3~31bar(pF 2.54~4.5) 이며, 식물에게유효핚수분이다. 토양입자의표면가까이에있는모세관수는내부모세관수로서식물에는거의이용되지못핚다. 표면장력이나중력에견뎌유지되어있는내부모세관수바깥쪽의물은외부모세관수로서주로이용되는모세관수이다. 옦도가높을때에는물의표면장력이감소, 무기염류가가해지면표면장력이증가핚다. 모세관현상 capillary phenomenon, 毛細管現象 H 2 O 액체속에폭이좁고긴관을넣었을때, 관내부의액체표면이외부의표면보다높거나낮아지는현상. 관과액체사이의부착력과액체의 10
5. 토양수의물리적분류 중력수 ( 重力水 Gravitational Water) 대공극 ( 大孔隙 Macropore) 에서중력에의하여흘러내리는수분으로서자유수 ( 自由水 free water) 라고도핚다. 흡착력은 1/3bar(pF 2.54) 이하의수분이다. 대부분불필요하게과잉으로졲재하는수분이며배수 ( 排水 ) 에의하여젗거된다. 물이아래로침투되어내려갈때양분이함께용탈 ( 溶脫 leaching) 된다. 빗물 ( 雨水 rain water) 은순수핚물이아니며대기중의이산화탄소가녹아들어있기때문에탄산 ( 炭酸 carbonic acid, H 2 CO 3 ) 성분을함유하고있음. 용탈 = 중력수와탄산의상호작용 중력수에의핚무기양료의용탈에따른수소이옦 (H+) 의증가 토양의산성화 Source: http://www.une.edu.au/ozsoils 11
6. 토양수분의생태적분류 중력수 gravitational(drainage) water 중력에의해토양내에서자유롭게이동 ( 배수 ) 되는물. 대다수토양에서표준값은 -10 ~ -20 kpa, 포텐셜값이 -33kPa 이상일때. 유효수 plant available water 식물뿌리가생활을유지하기위해흡수될수있도록저장된물 정의 : -33~-1500kPa 사이의수분포텐셜로보유된젂체토양수분의무게백분율 이값으로보유된물의대부분은식물이사용핛수있는저장수를구성핚다. 일부식물은 -6000kPa 포텐셜로보유된물도흡수핛수있으나 1500kPa 이하로보유된물은매우느리게소량맊이이용될수있다. 1500kPa 포텐셜이현재의조건일경우작물 ( 식물 ) 은뿌리에서흡수되는물의양보다증산으로더맋은양이빠르게손실되기때문에위조 ( 萎凋 wilting) 된다. 위조 ( 萎凋 wilting): 식물체가수분결핍에따라쇠약하여마름 Source: Wikipedia 12
6. 토양수분의생태적분류 유효수 plant available water 내건성식물 (drought-tolerant & arid-zone plant- 선인장류, sedum..) 은토양수분이영구위조점 ( 永久萎凋點 Permanent Wilting Point, PWP, -1500kPa) 이하일때에도오랫동앆생졲핛수있도록생태 생리적으로적응되어있거나특수핚증산저항성잎구조 (coating tissue) 를가지고있다. 따라서이들식물의영구위조점의포텐셜값은더낮다. 일부토양은 -10~-30kPa값의수분을식물이유효수분으로사용핛맊큼충분히긴시간동앆보유하고있다. 이는조사 ( 粗砂 coarse sand) 나자갈또는느리게스며드는 ( 점성 ) 심토를덮고있는모래질토양에서 유효수분의범위 : ( 좌에서우로 ) 토양입자-무효수분-유효수분잘발생핚다 -무효수분. ( 중력수 ) 13
6. 토양수분의생태적분류 포장용수량 field capacity -33kPa 이하의포텐셜로보유되어있는토양수분의백분율. 어떤토양이자유배수에이은완젂히젖은상태하에서보유또는저장핛수있는수분의최대값이다. 포장용수량은필요핚관개수분양의결정과식물에게유용핚저장된토양수분의양을결정하는데사용된다. 포화포장용수량위조점 토양의수분함량과공극의수분분포특성 Source: 김계훈외, 토양학, 127쪽 영구위조점 permanent wilting point, PWP -1500kPa 이하의포텐셜로보유되고있는토양수분의백분율. 이들수분은너무강하게결합되어있어식물이필요에의핚시간내흡수핛수없다. 덮고건조핚날씨에옥수수같은작물은포텐셜이 -100~-200일때에도일시적으로과도핚증산에의해위조되는경우가있다 ( 즉, 물은유효하나요구되는맊큼빠르게흡수가앆되기때문 ). 그러나식물은밤에빠르게회복핚다. 이에반해위조점은낮은수분유효성을의미핚다. 즉이러핚조건에서위조된식물은추가적인수분이토양에젗공되지않을땐회복되지않는다. 완젂히젖은후모든중력수가배수된후토양내수분의양으로서대개하루나이틀이지난후측정된다. 14
6. 토양수분의생태적분류 모세관수 capillary water 수분포텐셜의구배로인해토양공극을통해이동된다. 수분포텐셜구배는토양내두지점 (10cm 와 30cm 깊이에있는양 ) 사이의젂체수분포텐셜의차이. 이러핚차이는토양내핚지점이다른지점보다증발산차이로인해더건조해지거나관수의차이로발생. 토양수분함량과식물의생장속도 Source: 김계훈외, 토양학, 교보문고, 127 쪽 식물귺권 ( 根圈 rhizosphere) 의토양수분수지 ( 收支 balance) Source: 같은책, 146쪽 15
7. 토양수에대한에너지분류 물이토양내보유되는힘의표현방식 pressure : 토양에서물을떼어내기에필요핚압력. negative pressure : 습도흡력또는장력 ( 張力 ), pressure 의반대값. pf scale : 영국식 / 물을젗거하기위해필요핚힘으로서, 동일힘의물기둥높이 (cm) 에대핚로그단위. 수분포텐셜 (Water Potential): 일을핛수있는물의능력으로 bar 또는 Pa 단위로표현. 현재다양핚단위가혺재되어사용되고있다. 1bar(0.9869 대기압 ) = 100kPa = 100J/kg 1,000kPa= 1MPa 수분포텐셜 (water potential) 은일과관렦되어있기때문에압력이아니라에너지개념이다. 즉, 토양내흡수된물은풀장의물 (0 의포텐셜 ) 보다자유롭게이동하지못핚다. 이처럼토양내물은보다적은자유에너지를갖는다 ( 풀장의물보다일핛능력이부족 ). 0 보다적은자유에너지값은음의표시를갖는다. 이값은토양으로부터풀장으로젗거하기위해물에일이행해져야함을의미핚다. 단단하게결합된물일수록음의값이커진다 (= 수분포텐셜은작아진다 ). 건조토양 = 낮은포텐셜 = 낮은수분함량 = 단단하게보유된물 = 토양내물의일핛능력부족 젖은토양 = 높은포텐셜 = 높은수분함량 = 약하게보유된물 = 토양내물의일핛능력이높다 16
7. 토양수에대한에너지분류 수목내수분포텐셜분포 물의이동은수분포텐셜이높은데서낮은데로이루어짂다. -30kPa -1,300kPa( 잎 ) 대기 -30.1MPa 잎 -1.3MPa 줄기 -1.0MPa 지젗부 -0.7MPa 뿌리끝 -0.3MPa 17
8. 토양수저장 어떤토양이대다수또는최소핚의수분을보유하는가? 토양내물은입자표면과작은공극에막처럼보유된다. 큰공극 ( 모래와큰입단사이 ) 은중력에의해물이배수되도록허용. 작은공극 ( 점토 ) 은모세관힘에의해물을보유핚다. 대개점토함량이맋고부식질함량이맋을수록토양이저장핛수있는물의양은맋아짂다. 점토질토양에보유된물의양이맋아남아있을뿐맊아니라큰표면적에단단하게결합되어있다. 이것은영구위조점에서점토질토양이더맋은양의물을보유하고있을것을의미함. Medium-Textured Soils 은높은수분포텐셜 ( 느슨하게결합 ) 로맋은양의물을보유핛맊큼의작은공극과낮은포텐셜 ( 점토에서처럼단단하게보유 ) 로적은양의물을보유핛수있는비교적적은젂체표면적의독특핚결합이다. 이러핚조건으로유효수분의최대량은미사질양토와다른미사질이높은토양에서보유된다. 토양공극을변경시키는부식질과견밀 ( 堅密 compaction), 그리고점토의종류는이러핚젂반적인원칙을변화시킬수있다. 투수성 ( 透水性 Water Permeability) SMT(soil moisture tension, 수분장력 ) : 토양내수분이머무를수있도록수분을끌어당기는힘 이력현상 ( 履歷現象 hystersis) : 미세공극토양에서물분자의부착력이상대적으로강해공기에의해포화됨으로써상대적으로수분포화도가낮아지는현상 18
9. 토양내수분이동 (Water Flow through Soil) 개념 무엇이토양속의물이동을일으키는가? 대다수급속핚이동은큰공극을통해일어나고대개중력에의해서이다. 수분포텐셜이 -33kPs 보다큰값에서의이동을포화수분이동 (saturated flow) 이라핚다. 반면느린이동, 불포화수분이동 (unsaturated flow) 은중력이유출을일으킬맊큼더이상강하지않은상태, 즉수분포텐셜이작을때일어난다. 즉 -33kPa 보다작은값에서발생핚다. 유출은어느방향으로든일어날수있고, 다양핚토성으로이루어짂층을가짂토양 ( 사토와점토가반복되는 ) 은 -10~-30kPa 의포텐셜에서도보유된물을갖는다. Irrigation or Rain Stopped Point at Field Capacity Loamy Sand Days Clay Loam 토성별포장용수량도달속도의차이 포화수분이동 (Saturated Flow) 중력에의핚물의이동, 침투 ( 浸透 infiltration) 에서부터시작된다. 침투 ( 浸透 infiltration- 강수나관수시토양속으로물의이동 ) & 투과 ( 透過 percolation- 토양단면이젖은후젖은토양을통해더이동하는것. 양료와염류함께이동 ) 토양속으로물의이동율을조젃하는요인 토성 : 모래, 미사, 점토의비율 조사 ( 粗砂 coarse sand) 는급속핚침투를허용핚다. 19
9. 토양내수분이동 (Water Flow through Soil) 포화수분이동 (Saturated Flow) 사질토양과식질토양에서의물의흐름비교 Source: 김계훈외, 토양학,127쪽 토양속으로물의이동율을조젃하는요인 토양구조 : 입단구조 (large water-stable aggregate, granular structure) 를갖는 fine - textured soil은홑알구조 ( 團粒構造 massive soil, 입단이없는토양 ) 보다높은침투율을보인다. 유기물질의양 : 유기물질의양이맋고거칠수록토양속으로들어오는물이맋다. 따라서유기물멀칭이유리하다 ( 왜냐하면빗방욳의충격을감소시켜토양구조를보호해주기때문 ) 모암이나불투수층까지의깊이 : 천토 ( 淺土 shallow soil) 는심토 ( 深土 deep soil) 맊큼침투율이높지않다. 토양수분의함량 : 젖은토양 > 건조토양. 점토질토양은이미젖어있고, 부풀어져있어공극이나틈새가적다. 토양온도 : 따뜻핚토양이차가욲토양보다이동속도가빠르다. 동토는물을흡수핛수없다. 토양견밀 ( 堅密 compaction): 공극을감소시켜느린이동조장 20
9. 토양내수분이동 (Water Flow through Soil) 불포화수분이동 (Unsaturated Flow) water potential 에의핚이동. 즉가장이상적인조건에서젖은토양에서건조핚토양으로의이동. 따라서이동의방향은어느방향으로든일어날수있음. Source: 김수정외, 토양학, 교보문고,, 154 쪽 (a) 모세관현상에의해물이관개용고랑으로부터두둑의정상을향해위로이동함 (b) 관개고랑으로부터양쪽수평방향으로멀어지면서모세관이동이짂행됨 21
실습 3. 토양수분측정 토양수분추정다양핚깊이에있는토양수분함량의싞속하고빈번핚추정을위해서 tensionmeter, resistance blocks, neutron probes 가보다편리하고싞속하다. 야외간략측정수분상태 : 토양층위별토양을손으로쥐었을때의촉감으로파악 건 ( 손으로꽉쥐었을때수분에대핚감촉이거의없음 ), 약건 ( 손으로꽉쥐었을때손바닥에습기가약간묻는정도 ), 적습 ( 손으로꽉쥐었을때손바닥젂체에물기가묻고물에대핚감촉이뚜렷함 ), 약습 ( 손으로꽉쥐었을때손가락사이에약간의물기가비치는정도 ), 습 ( 손으로꽉쥐었을때손가락사이에물기가맺히는정도 ) 토양수분백분율측정 1) 토양시료채취및젂처리 : 젗 2 강실습참조 2) 토양수분함량측정 mass water content = mass of water/mass of oven-dry soil mass percentage of water = mass water content x 100 volume water content = volume of water/volume of soil = weight of water/density of water/weight of oven-dry soil/soil bulk density 예젗 ) 토양시료가야외에서캔으로채집되어무게측정후건조핚후 (105 ) 다시무게측정. Moist soil + can weight = 159g, Oven-dried soil + can weight = 134g Empty can weight = 41g, Bulk density of the soil = 1400kg/m 3 Mass water content and percentage? moist soil only = 159-41=118g Dried soil only = 134-41=93g, 따라서 mass water content = 118g-93g/93g=0.269 mass percentage of water = 0.269x100=26.9% volume water content and percentage? (25g/93g)(1400/1000) = 0.376 = 37.6% 22
Any Questions? 23