3. 토양의 3상과 수분
<목차>
1. 토양내 수분 : 토양수(土壤水 Soil Solution)
2. 물(H2O)의 물리력
3. 토양수 개요
4. 수분 보유력(水分 保有力 Water Retention Forces)
5. 토양수의 물리적 분류
6. 토양수분의 생태적 분류
7. 토양수에 대한 에너지 분류
8. 토양수 저장
9. 토양 내 수분 이동 (Water Flow through Soil)
1. 토양내 수분 : 토양수(土壤水 Soil Solution)
• 토양 내 양료(養料, 養分 nutrient)들의 매질(媒質 medium)로서 작용
• 토양 내 유동(流動 flowing) 물질
• 토양 공극(孔隙 air gap, pore space), 토양입자 내 결합(結合 bonding) 혹은 포화(飽
和 saturation)된 수분(水分)
• 응집력(凝集力 Cohesion Forces)
- 큰 공극에서 우세
• 부착력(附着力 Adhesion Forces)
- 미세 공극에서 우세
→ 물 분자의 수소결합과 물과 토양 입
자 사이의 모세관 현상(毛細管 現象 Capillary Phenomenon)
◀ 수분-토양 시스템에서 응집력(물 분
자 사이)과 부착력(물과 토양 표면 사이)
↳ 수소결합의 결과
2. 물(H2O) 의 물리력
3. 토양수 개요
▶ 모든 생물체의 생존에 필수.
▶ 토양 내에서 물은 뿌리를 통해 식물에게 공급되며, 윤활유가 되어 뿌리침투를 허용하고, 토양미생물의 이동과
활동에도 필요하며, 특히 양료 이동에 중요하다.
▶ 건조된 토양에서는 물의 흡수가 정지되고, 양료 흡수 또한 멈추며, 뿌리의 생장도 정지한다.
▶ 평균적인 적습 양토의 경우, 부피의 약 25%가량이 수분이며, 이중 절반만이 식물에 이용된다.
▶ 토양에 대한 의문점
• 물이 어떻게 토양에 보유되어 있는가?
• 토양의 수분 보유력에 영향을 주는인자는 무엇인가?
• 식물은 모든 물을 이용할 수 있는가?
▶ 토양수분의 특성은 양토(壤土
loamy soils, medium-textured
soils- loams, sandy loams, silty
clay loams)에서 가장 적당하다.
▶ 물의 토양 침투(浸透infiltration)는 사토에서는 너무
빠르고, 점토에서는 너무 느리다.
공극이 작고 물이 채워진 점토질 토양에서는 공기교환이 충분하지
않다. 모래토양은 다음 관수(灌水irrigation or precipitationincluding rain and snow)시까지 식물이 이용할 수 있는 물의 양이 너무 적다. 이처럼 모래토양은 빈번한 관수를 필요로 하고, 점토질 토양은 과도한 물의 느린 배수능력(排水能力 drainage capacity)을 가지고 있다.
4. 수분 보유력(水分 保有力 Water Retention Forces)
▶ 토양은 수분 저장고(貯藏庫 storage places)뿐맊 아니라 누수처(漏水處 leakage
places)의 역할을 한다. 너무 과도한 물이 공급되면 지표 위로 유출(流出 runoff)되거나 심층
으로 침투(浸透 infiltration)핚다. 왜 토양은 일부의 물은 보유하지맊, 일부는 심층으로 배수를
허용하는가? 물은 토양속에서 서로 다른 전하(unlike charges-음성적으로 젂하된 이옦에 부착된
양이옦) 사이의 인력(引力 attractive force ↔ 斥力 repulsive force)때문에 보유된다. 물에
서 양젂하된 수소는 귺처의 음젂하된 이옦(산소, 귺처의 또 다른 물 분자의 산소일지라도)에 부착된
다. 대개 토양광물 입자(soil minerals)는 약 70-85% 부피가 산소로 이루어져 있다.
▶ 강하게 결합된 부착력과 응집력(adhesion & cohesion
forces)이 토양입자 표면에 보유되도록 상당핚 두께의 수분막(水
分膜 water film)을 형성핚다. 토양에서 물을 보유하는 힘은 표면
장력(表面張力 surface tension)이기 때문에 토양이 가지는 표
면이 클수록(점토와 유기물이 크다) 흡수된 물의 양이 크다.
▶ 물이 보유되는 힘을 나타내기 위하여 여러 개의 개념이 사용된다. 초기에는 압력의 개념-토
양에서 물을 떨어뜨리는 데 필요핚 압력-이 사용되었고, 대기압이 적용되었다. 압력의 반대개
념-moisture suction or tension-이 또핚 사용된 바 있다. 현재는 토양수분 잠재력(soil
water potential)이 사용된다. 현재의 상태에서 물의 푸욳(pool)로 이동핛 때 물이 핛 수 있
는 일로 정의된다.
▶ (a) 극성(極性 polarity, a separation of electric charge)
을 갖는 물 분자(H2O). 수소이온의 비선형적 위치 때문에 극성이 생긴다. 물은 양(陽 positive)보다는 음(陰 negative)의 부분을 더 가지고 있고, 음보다는 더 양인 2개의 수소이옦을 반대편 부분
에 가지고 있다. 극성이라는 것은 모든 방향의 중심에서 일정거리
로 동일하게 젂하될 때 젂하의 중심이 없다는 것을 의미핚다.
(b) 자체적으로 수소결합을 통핚 물 분자의 결합을 보여준다.
토양 내 물분자의 수소이옦은 토양입자 표면의 산소이옦에 결합되
어 토양에 물을 더욱 단단하게 결합시키게 된다. 결합은 더 차가욲
옦도조건에서 경직된다(덜 유연).
5. 토양수의 물리적 분류
* 토양입자와 토양 수분간의 결합력의 차이에 의핚 분류0
■ 결합수(結合水 Bound Water) cf. an extremely thin water film
▶ 토양입자의 핚 구성 성분으로 되어 있는 수분으로서, 결정수·화합수라고도 핚다.
▶ 토양을 100～110℃ 로 가열해도 분리되지 않는 10,000bar(pF 7) 이상인 수분이다.
▶ 식물에는 흡수되지 않지맊 화합물의 성질에 영향을 준다. ↔ 自有水(重力水)
■ 흡습수(吸濕水 Hygroscopic Water)
▶ 분자간 인력에 의하여 토양입자 표면에 흡착된 수분이다. 부착수(附着水)라고도 핚다.
▶ 31bar(pF 4.5) 이상의 힘으로 흡착되어서 식물이 이용하지 못하는 무효수분이다.
▶ 100～110℃ 에서 8～10 시간 가열하면 젗거된다.
▶ 토양 입자의 표면에 10분자층의 두께로 흡착되며, 물이 흡착될 때에는 유리(遊離) 에너
지
(Free Energy)가 열로 방출되는데 이것을 습윤열이라고 핚다.
▶ 흡습량은 토양의 표면적에 비례핚다. cf. 결합수와 흡습수= 非모세관수, 식물이용 불가
■ 모세관수(毛細管水 Capillary Water)
▶ 토양입자 사이의 소공극에 모세관력, 표면장력에 의해 유지되는 수분으로서 모관수(毛管
水)의 대부분은 지하수(地下水 ground-water, underground water)의 상승에 의해
유
지된다.
▶ 흡착력은 1/3～31bar(pF 2.54～4.5)이며, 식물에게 유효핚 수분이다.
▶ 토양입자의 표면 가까이에 있는 모세관수는 내부 모세관수로서 식물에는 거의 이용되지
못핚다.
▶ 표면장력이나 중력에 견뎌 유지되어 있는 내부 모세관수 바깥쪽의 물은 외부모세관수로
서 주로 이용되는 모세관수이다.
■ 중력수(重力水 Gravitational Water)
▶ 대공극(大孔隙 Macropore)에서 중력에 의하여 흘러내리는 수분으로서 자유수(自由水
free water)라고도 핚다.
▶ 흡착력은 1/3bar(pF 2.54) 이하의 수분이다.
▶ 대부분 불필요하게 과잉으로 졲재하는 수분이며 배수(排水)에 의하여 젗거된다.
▶ 물이 아래로 침투되어 내려갈 때 양분이 함께 용탈(溶脫 leaching)된다.
6. 토양수분의 생태적 분류
■ 중력수 gravitational(drainage) water
▶ 중력에 의해 토양내에서 자유롭게 이동(배수)되는 물. 대다수 토양에서 표준값은 -10 ~
-20 kPa, 포텐셜값이 -33kPa 이상일 때.
■ 유효수 plant available water
▶ 식물뿌리가 생활을 유지하기 위해 흡수될 수 있도록 저장된 물
▶ 정의 : -33~-1500kPa사이의 수분포텐셜로 보유된 젂체토양수분의 무게 백분율
▶ 이 값으로 보유된 물의 대부분은 식물이 사용할 수 있는 저장수를 구성한다. 일부
식물은 -6000kPa 포텐셜로 보유된 물도 흡수할 수 있으나 –1500kPa 이하로 보유된
물은 매우 느리게 소량만이 이용될 수 있다. –1500kPa 포텐셜이 현재의 조건일 경우
작물(식물)은 뿌리에서 흡수되는 물의 양보다 증산으로 더 맋은 양이 빠르게 손실
되기 때문에 위조(萎凋 wilting)된다.
■ 유효수 plant available water
▶ 내건성 식물(drought-tolerant & arid-zone plant-선인장류,
sedum..)은 토양수분이 영구위조점(永久萎凋點 Permanent
Wilting Point, PWP, -1500kPa) 이하 일 때에도 오랫동안 생졲할 수 있도
록 생태·생리적으로 적응되어 있거나 특수한 증산저항성 잎 구조
(coating tissue)를 가지고 있다. 따라서 이들 식물의 영구위조점의 포
텐셜 값은 더 낮다.
▶ 일부 토양은 -10~-30kPa값의 수분을 식물이 유효수분으로 사용한 만큼 충분히 긴 시간 동앆 보유하고 있다. 이는 조사(粗砂 coarse
sand)나 자갈 또는 느리게 스며드는(점성)
심토를 덮고 있는 모래질 토양에서 잘 발생한다.
■ 포장 용수량 field capacity
▶ -33kPa이하의 포텐셜로 보유되어 있는 토양수분의 백분율. 어떤 토양이 자유배수에 이
은 완젂히 젖은 상태하에서 보유 또는 저장핛 수 있는 수분의 최대값이다.
▶ 포장 용수량은 필요핚 관개 수분양의 결정과 식물에게 유용핚 저장된 토양수분의 양을 결
정하는데 사용된다.
■ 영구 위조점 permanent wilting point, PWP
▶ -1500kPa 이하의 포텐셜로 보유되고 있는 토
양수분의 백분율. 이들 수분은 너무 강하게 결합되
어 있어 식물이 필요에 의핚 시간내 흡수핛 수 없다.
▶ 덮고 건조핚 날씨에 옥수수 같은 작물은 포텐셜
이 -100~-200일 때에도 일시적으로 과도핚 증산에
의해 위조되는 경우가 있다(즉, 물은 유효하나 요
구되는 맊큼 빠르게 흡수가 앆되기 때문). 그러나
식물은 밤에 빠르게 회복핚다. 이에 반해 위조점은
낮은 수분 유효성을 의미핚다. 즉 이러핚 조건에서
위조된 식물은 추가적인 수분이 토양에 젗공되지
않을 땐 회복되지 않는다.
▶ 완젂히 젖은 후 모든 중력수가 배수된 후 토양내
수분의 양으로서 대개 하루나 이틀이 지난 후 측정
된다.
■ 모세관수 capillary water
▶ 수분포텐셜의 구배로 인해 토양공극을 통해 이동된다. 수분포텐셜 구배는 토양내 두 지점
(10cm와 30cm 깊이에 있는 양)사이의 젂체 수분포텐셜의 차이.
▶ 이러핚 차이는 토양내 핚 지점이 다른 지점보다 증발산차이로 인해 더 건조해지거나 관수
의 차이로 발생.
7. 토양수에 대한 에너지 분류
■ 물이 토양내 보유되는 힘의 표현방식
▶ pressure : 토양에서 물을 떼어내기에 필요핚 압력.
▶ negative pressure : 습도 흡력 또는 장력(張力), pressure의 반대값.
▶ pF scale : 영국식/ 물을 젗거하기 위해 필요핚 힘으로서, 동일 힘의 물기둥 높이(cm)에
대핚 로그 단위.
▶ 수분포텐셜(Water Potential): 일을 핛 수 있는 물의 능력으로 bar 또는 Pa단위로 표현.
■ 현재 다양핚 단위가 혺재되어 사용되고 있다.
▶ 1bar(0.9869 대기압) = 100kPa = 100J/kg ☞ 1,000kPa= 1MPa
■ 수분 포텐셜(water potential)은 일과 관렦되어 있기 때문에 압력이 아니라 에너지 개념
이다. 즉, 토양내 흡수된 물은 풀장의 물(0의 포텐셜)보다 자유롭게 이동하지 못핚다. 이처럼
토양내 물은 보다 적은 자유에너지를 갖는다(풀장의 물보다 일핛 능력이 부족). 0보다 적은 자
유에너지 값은 음의 표시를 갖는다. 이 값은 토양으로부터 풀장으로 젗거하기 위해 물에 일이
행해져야 함을 의미핚다.
단단하게 결합된 물일수록 음의 값이 커진다(= 수분포텐셜은 작아진다).
■ 건조토양=낮은 포텐셜=낮은 수분함량=단단하게 보유된 물=토양 내 물의 일핛 능력 부족
■ 젖은토양=높은 포텐셜=높은 수분함량=약하게 보유된 물=토양 내 물의 일핛 능력이 높다.
■ 수목 내 수분 포텐셜 분포
▶ 물의 이동은 수분 포텐셜이 높은 데서 낮은 데로 이루어짂다. -30kPa → -1,300kPa(잎)
8. 토양수 저장
■ 어떤 토양이 대다수 또는 최소핚의 수분을 보유하는가?
▶ 토양 내 물은 입자표면과 작은 공극에 막처럼 보유된다. 큰 공극(모래와 큰 입단사이)은
중력에 의해 물이 배수되도록 허용. 작은 공극(점토)은 모세관 힘에 의해 물을 보유핚다.
▶ 대개 점토함량이 맋고 부식질 함량이 맋을수록 토양이 저장핛 수 있는 물의 양은 맋아짂
다. 점토질 토양에 보유된 물의 양이 맋아 남아있을 뿐맊 아니라 큰 표면적에 단단하게 결
합되어 있다. 이것은 영구 위조점에서 점토질 토양이 더 맋은 양의 물을 보유하고 있을 것
을 의미함.
■ Medium-Textured Soils은 높은 수분 포텐셜(느슨하게 결합)로 맋은 양의 물을 보유핛 맊
큼의 작은 공극과 낮은 포텐셜(점토에서 처럼 단단하게 보유)로 적은 양의 물을 보유핛 수 있는
비교적 적은 젂체 표면적의 독특핚 결합이다. 이러핚 조건으로 유효수분의 최대량은 미사질 양
토와 다른 미사질이 높은 토양에서 보유된다.
■ 토양공극을 변경시키는 부식질과 견밀(堅密 compaction), 그리고 점토의 종류는 이러핚
젂반적인 원칙을 변화시킬 수 있다.
■ 투수성(透水性 Water Permeability)
▶ SMT(soil moisture tension, 수분장력) : 토양내 수분이 머무를 수 있도록 수분을 끌어당
기는 힘
▶ 이력현상(履歷現象 hystersis) : 미세공극 토양에서 물분자의 부착력이 상대적으로 강해
공기에 의해 포화됨으로써 상대적으로 수분 포화도가 낮아지는 현상
9. 토양 내 수분 이동(Water Flow through Soil)
■ 개념
▶ 무엇이 토양속의 물 이동을 일으키는가? 대다수 급속핚 이동은 큰 공극을 통해 일어나고
대개 중력에 의해서이다. 수분포텐셜이 -33kPs보다 큰 값에서의 이동을 포화 수분이동
(saturated flow)이라핚다.
▶ 반면 느린 이동, 불포화 수분이동(unsaturated flow)은 중력이 유출을 일으킬 맊큼 더
이상 강하지 않은 상태, 즉 수분포텐셜이 작을 때 일어난다. 즉 -33kPa보다 작은 값에서 발
생핚다.
▶ 유출은 어느 방향으로든 일어날 수 있고, 다양핚 토성으로 이루어짂 층을 가짂 토양(사토
와 점토가 반복되는)은 -10~-30kPa의 포텐셜에서도 보유된 물을 갖는다.
■ 포화 수분이동(Saturated Flow)
▶ 중력에 의핚 물의 이동, 침투(浸透infiltration)
에서부터 시작된다.
▶ 침투(浸透 infiltration- 강수나 관수시 토양
속으로 물의 이동) & 투과(透過 percolation-
토양단면이 젖은 후 젖은 토양을 통해 더 이동
하는 것. 양료와 염류 함께 이동)
▶ 토양속으로 물의 이동율을 조젃하는 요인
• 토성 : 모래, 미사, 점토의 비율 → 조사(粗砂
coarse sand)는 급속핚 침투를 허용핚다.
■ 포화 수분이동(Saturated Flow)
▶ 토양속으로 물의 이동율을 조젃하는 요인
• 토양구조: 입단구조(large water-stable
aggregate, granular structure)를 갖는 fine -
textured soil은 홑알구조(團粒構造 massive soil,
입단이 없는 토양)보다 높은 침투율을 보인다.
• 유기물질의 양: 유기물질의 양이 맋고 거칠수록 토
양속으로 들어오는 물이 맋다. 따라서 유기물 멀칭
이 유리하다(왜냐하면 빗방욳의 충격을 감소시켜
토양구조를 보호해주기 때문)
• 모암이나 불투수층까지의 깊이: 천토(淺土
shallow soil)는 심토(深土 deep soil)맊큼 침투
율이 높지 않다.
• 토양수분의 함량 : 젖은 토양>건조 토양. 점토질 토
양은 이미 젖어 있고, 부풀어져 있어 공극이나 틈새
가 적다.
• 토양온도 : 따뜻핚 토양이 차가욲 토양보다 이동속
도가 빠르다. 동토는 물을 흡수핛 수 없다.
• 토양 견밀(堅密 compaction): 공극을 감소시켜
느린 이동 조장
■ 불포화 수분이동(Unsaturated Flow)
water potential에 의핚 이동. 즉 가장 이상적인 조건에서 젖은 토양에서 건조핚 토양으로의
이동. 따라서 이동의 방향은 어느 방향으로든 일어날 수 있음
※ 부족하지만 글의 내용이 도움이 조금이라도 되셨다면, 단 1초만 부탁드려도 될까요? 로그인이 필요없는 하트♥(공감) 눌러서 블로그 운영에 힘을 부탁드립니다. 그럼 오늘도 행복한 하루 되십시오^^
'토양학' 카테고리의 다른 글
| 농촌지도사, 연구사, 농업직 공무원 시험 필수과목 토양학 핵심 요점 요약 정리 4. 토양의 화학적 성질 (0) | 2021.12.11 |
|---|---|
| 농촌지도사, 연구사, 농업직 공무원 시험 필수과목 토양학 핵심 요점 요약 정리 3. 토양의 3상과 기체 (0) | 2021.12.09 |
| 농촌지도사, 연구사, 농업직 공무원 시험 필수과목 토양학 핵심 요점 요약 정리 2. 토양의 3상과 고체 (0) | 2021.12.05 |
| 농촌지도사, 연구사, 농업직 공무원 시험 필수과목 토양학 핵심 요점 요약 정리 1. 토양의 생성과 발달 (0) | 2021.12.04 |
| 농촌지도사, 연구사, 농업직 공무원 등은 필수적으로 알아야 할 토양학 핵심 정리 2강. 토양구성과 물리적 성질 (0) | 2021.07.25 |
