토양 염도 조절

토양 염분 조절은 토양 염분 문제를 통제하고 염분 농경지를 매립하는 것과 관련이 있다.

토양 염분 조절의 목적은 염분에 의한 토양 저하를 방지하고 이미 짠(염분) 토양을 매립하는 것이다. 토양 매립은 토양 개량, 재활 치료, 회복 또는 개선이라고도 불린다.

염화작용의 일차적인 원인은 관개다. 관개에 사용되는 강물이나 지하수에는 물이 증발한 후에도 흙에 남아 있는 염분이 들어 있다.

토양 염도를 조절하는 일차적인 방법은 관개수의 10~20%가 토양을 침출할 수 있도록 하는 것인데, 토양은 적절한 배수시스템을 통해 배출되고 배출된다. 배수수의 염분 농도는 보통 관개수보다 5~10배 높아 소금 수출량이 소금 수입량과 일치해 축적되지 않는다.

토양 염분 문제

짠(살린) 토양은 염분 함량이 높은 토양이다. 일반적으로 소금은 염화나트륨(NaCl, "테이블 소금")이다. 따라서 식염수 토양도 탄산염 토양이지만 식염수가 아닌 알칼리성 토양도 있을 수 있다.

UN대학의 연구에 따르면, 약 6천 2백만 헥타르 (24만 평방 마일, 1억 5천만 에이커)가 영향을 받고 있는데, 이는 1990년대 초의 4,500만 헥타르 (17만 평방 미, 1억 1천만 에이커)에서 증가한 것이다.^[1] 전 세계 인구의 10% 이상이 거주하는 인도-강아지 평야에서는 소금에 영향을 받는 땅에서 재배되는 밀, 쌀, 사탕수수, 면화의 수확 손실은 각각 40%, 45%, 48%, 63%가 될 수 있다.^[1]

염분이 많은 토양은 건조지역과 반건조지역의 관개토지에서 공통적인 특징이자 환경문제로, 농작물 생산이 부진하거나 거의 이루어지지 않는다.^[2] 그 문제들은 종종 지하로 자연적인 지하 배수의 부족으로 야기되는 높은 수면 테이블과 관련이 있다. 지표면 아래 배수가 잘 안 되는 것은 대수층의 운반 능력이 부족하거나, 예를 들어 대수층이 지형적 우울증에 있는 경우 물이 대수층을 빠져나올 수 없기 때문일 수 있다.

세계적으로 식염수 토양 발전의 주요 요인은 강수량 부족이다. 대부분의 자연적인 식염수 토양들은 지구의 건조 지역과 기후에서 발견된다.

일차원인

인공 염화의 일차적인 원인은 관개수로 들여온 소금이다. 강이나 지하수에서 파생된 모든 관개수는, 그러나 '단맛'은 물이 증발한 후에도 흙에 남아 있는 염분을 함유하고 있다.

예를 들어 소금 농도가 0.3g/l(약 0.5FdS/m에 해당하는 0.3kg/m³에 해당)이고 관개수의 연간 공급량이 10,000m³/ha(거의 3mm/day)라고 가정하면 매년 3,000kg의 소금/ha가 나온다. 충분한 자연 배수가 없고(수분이 많은 토양에서와 같이) 염분을 제거하기 위한 적절한 침출 및 배수 프로그램이 없는 경우, 이는 장기적으로 높은 토양 염도와 농작물 수확량 감소로 이어질 것이다.

관개에 사용되는 물의 대부분은 이 예에서보다 높은 염분 함량을 가지고 있는데, 이것은 많은 관개 프로젝트들이 훨씬 더 많은 연간 용수 공급을 사용한다는 사실에 의해 복합적으로 나타난다. 예를 들어, 사탕수수는 연간 약 2만³ m/ha의 물을 필요로 한다. 그 결과 관개 부위는 연간 3,000kg/ha 이상의 소금을 받는 경우가 많고, 일부는 연간 10,000kg/ha의 소금을 받는 경우도 있다.

이차원인

염화작용의 2차적인 원인은 관개토지에 물이 고이는 것이다. 관개는 관개 토지의 자연수지에 변화를 일으킨다. 관개 사업에서 많은 양의 물은 식물이 소비하지 않고 어딘가로 가야 한다. 관개 프로젝트에서 모든 관개수를 식물에 소비하는 100% 관개 효율을 달성하는 것은 불가능하다. 최대 달성 가능한 관개 효율은 약 70%이지만 보통 60% 미만이다. 이는 최소 30%는 되지만 보통 40% 이상은 관개수가 증발하지 않고 어딘가로 가야 한다는 것을 의미한다.

이런 방식으로 유실된 대부분의 물은 지하에 저장되어 있어 지역 양식업자들의 원래 수문학을 상당히 변화시킬 수 있다. 많은 양식업자들이 이러한 양의 물을 흡수하고 운반할 수 없기 때문에, 물 테이블이 솟아올라 물이 범람하게 된다.

침수 문제는 다음과 같은 세 가지 문제를 야기한다.

• 얕은 물대와 뿌리 영역의 산소 부족은 대부분의 농작물의 수확량을 감소시킨다.
• 대수층을 통한 제거가 막히면서 관개수와 함께 유입되는 염분이 축적되는 결과를 초래한다.
• 지하수가 위로 스며들면서 더 많은 염분이 토양으로 유입되고 염분이 악화된다.

관개 토지의 대수층 조건과 지하수 흐름은 여기에 예시된 바와 같이 토양 염화에 중요한 역할을 한다.^[3]

• 관개토지의 토양 염화에 대한 대수층 조건의 영향의 예시
• 

  대수층이 좋은 기단지 하부의 토양 염분화

• 

  대수층이 좋은 평지 미개척지의 토양 염분화

• 

  대수층이 없는 관개 평지에서의 토양 염분화

• 

  높은 관개에서 해안 삼각주의 토양 염화

염분영향부

보통, 농경지의 염화 작업은 20~30%의 순서에 따라 상당한 범위의 관개 사업에 영향을 미친다. 그 정도의 토지의 일부에 있는 농업을 버리면 새로운 소금과 물의 균형이 이루어지며 새로운 평형에 도달하고 상황이 안정되게 된다.

인도에서만 수천 평방 킬로미터가 심하게 염화되었다. 중국과 파키스탄은 별로 뒤떨어지지 않는다(아마도 중국은 인도보다 소금에 영향을 받는 땅이 더 많을 것이다). 전 세계 식염수 323만 km²의 지역 분포는 세계 FAO/UNESCO 토양 지도에서 도출한 다음 표에 나와 있다.^[4]

공간변동

염분화 과정의 원칙은 상당히 이해하기 쉽지만, 토지의 특정 부분이 왜 문제를 겪고 다른 부분이 그렇지 않은지를 설명하거나, 토지의 어느 부분이 희생양이 될 것인지를 정확하게 예측하는 것은 더욱 어렵다. 그 주된 이유는 시간과 공간의 자연 조건의 변화, 보통 관개수의 고르지 못한 분포, 그리고 농업 관행이 계절적 또는 연간적으로 변화하기 때문이다. 기복이 있는 지형이 있는 땅에서만 예측이 간단하다. 즉, 퇴화 지역이 가장 많이 저하될 것이다.

관개 프로젝트에서 구별 가능한 하위 영역에 대한 소금과 물 균형^[3] 준비 또는 농수-수분-염도 모델을 사용하면 문제의 범위와 심각성을 설명하거나 예측하는 데 도움이 될 수 있다.^[5]

진단

측정

토양 염도는 g/l의 온도에서 토양 용액의 염분 농도로 측정하거나 dS/m의 전기 전도성(EC)으로 측정한다. 이 두 단위의 관계는 약 5/3 : y g/l => 5y/3 dS/m이다. 바닷물의 염분 농도는 30g/l(3%)이고 EC는 50dS/m일 수 있다.

토양 염도를 결정하는 기준은 토양의 포화 페이스트 추출물에서 나온 것이며, EC는 ECe로 작성된다. 추출물은 원심분리하여 얻는다. 염도는 포화 페이스트보다 2:1 또는 5:1의 물:토양 혼합물(g당 g의 물)에서 원심분리 없이 더 쉽게 측정할 수 있다. ECe와 EC의_2:1 관계는 약 4이므로 : ECe = 4 EC이다_1:2.^[8]

분류

흙은 ECe > 4일 때 식염수로 간주된다.^[9] 4 < ECe < 8>에서는 흙을 약간 식염수라고 하고, 8 < ECe < 16>에서는 (더 많이) 식염수라고 하며, ECe > 16 심한 식염수라고 한다.

작물 허용 오차

민감성 작물은 이미 약간의 식염수 토양에서 활력을 잃고, 대부분의 작물은 식염수 토양에 부정적인 영향을 받으며, 심한 식염수 토양에서는 염분 저항성 작물만이 번성한다. 와이오밍 대학과 앨버타 정부는 식물의 염분 내성에 관한 자료를 보고한다.

염분조절의 원리

배수는 토양 염도를 조절하는 일차적인 방법이다. 이 시스템은 관개수의 소분수(약 10~20%, 배수 또는 침출수분수)가 관개사업에서 배출되고 배출될 수 있도록 해야 한다. ^[12]

염도가 안정적인 관개지역에서는 보통 배수수의 염분농도가 관개수보다 5~10배 높다. 소금 수출은 소금 수입과 일치하고 소금은 축적되지 않을 것이다.

이미 염분이 함유된 토양을 매립할 때, 배수수의 염분 농도는 관개수의 염분 농도(예를 들어 50배 이상)보다 훨씬 높을 것이다. 소금 수출은 소금 수입을 크게 초과하여 같은 배수 분율과 함께 급속한 탈염화가 일어날 것이다. 1~2년이 지나면 토양 염도가 너무 낮아져 배수수의 염도가 정상값으로 내려오고 새롭고 유리한 평형상태에 도달하게 된다.

건기와 우기가 뚜렷한 지역에서는 우기에만 배수시설을 가동할 수 있으며, 건기에는 폐쇄할 수 있다. 이러한 점검 또는 통제된 배수 관행이 관개수를 절약한다.

염분이 많은 배수수의 방류는 하류 지역에 환경 문제를 일으킬 수 있다. 환경 위험은 매우 신중하게 고려해야 하며 필요한 경우 완화 조치를 취해야 한다. 가능한 한, 배수는 염분이 함유된 유출물이 가장 적은 피해를 주는 경우에만 습기로 제한해야 한다.

배수 시스템

토양 염분 조절을 위한 토지 배수는 보통 수평 배수 시스템(왼쪽 그림)에 의해 이루어지지만, 수직 시스템(오른쪽 그림)도 채용된다.

짠물을 배출하도록 설계된 배수시설도 물대를 내린다. 시스템 비용을 줄이려면 인하폭을 최소한으로 줄여야 한다. 물 테이블의 가장 높은 허용 수준(또는 가장 얕은 허용 깊이)은 관개 및 농업 관행과 농작물의 종류에 따라 달라진다.

많은 경우에 계절 평균 물 테이블 깊이가 0.6 ~ 0.8m이면 충분히 깊다. 이것은 물 테이블이 때때로 0.6 m(관개 또는 폭풍우 직후 0.2 m) 미만이 될 수 있다는 것을 의미한다. 이는 다른 경우 물 테이블이 0.8m(예: 1.2m)보다 깊다는 것을 자동으로 의미한다. 수분 테이블의 변동은 식물의 뿌리에서 발생하는 이산화탄소(CO₂) 배출과 신선한 산소(O₂) 흡수가 촉진되는 동안 토양의 호흡 기능에 도움이 된다.

그다지 깊지 않은 물 테이블의 설치는 결과적으로 높아진 물 테이블로 인해 농작물 수확량이 부정적인 영향을 받을 수 있고 관개 물이 절약될 수 있기 때문에 과도한 밭 관개가 저해된다는 추가적인 이점을 제공한다.

물 테이블의 최적 깊이에 대해 위에서 설명한 내용은 매우 일반적이다. 왜냐하면 어떤 경우에는 필요한 물 테이블이 표시된 것보다 더 얕을 수 있고(예: 논) 다른 경우에는 훨씬 더 깊어야 하기 때문이다(예: 일부 과수원). 상수도의 최적 깊이의 확립은 농업 배수 기준의 영역에 있다.^[13]

토양 침출수

토양 표면 아래의 토양과 물표면의 바도세 구역은 다음과 같은 4가지 주요 수문학적 유입 및 유출 요인의 적용을 받는다.^[3]

• 비와 관개수(Irr)가 토양 표면(Inf)을 통해 토양으로 침투:
• Inf = 비 + 관개
• 식물을 통한 토양수 증발 및 토양 표면을 통한 직접 공기 유입 (Evap)
• 불포화구역 토양에서 지하수로의 물의 유입(Perc)
• 모세관 흡입력에 의해 불포화 구역으로 이동하는 지하수의 모세관 상승(Cap)

안정 상태에서(즉, 장기적으로 불포화 구역에 저장된 물의 양은 변하지 않는다) 불포화 구역의 물 균형은 다음과 같다. 유입 = 유출:

• Inf + Cap = EVAP + Perc 또는 :
• 관개 + 비 + 캡 = EVAP + Perc

그리고 소금 밸런스는

• Inr.Ci + Cap.Cc = EVAP.Fc.Ce + Perc.Cp + S

여기서 ci는 관개수의 염분농도, cc는 모세관 상승의 염분농도로서 지하수 본체의 상부의 염분농도와 같으며, fc는 식물에 의해 증발되는 총 증발량의 분수, ce는 식물의 뿌리가 차지하는 물의 염분농도, cp는 염분농도, cp는 염분농도이다.S는 불포화 토양에서 염분의 저장량을 증가시키는 것이다. 이것은 강우량이 염분을 함유하지 않는다고 가정한다. 해안가에서만 이것은 사실이 아닐지도 모른다. 또한 유출이나 표면 배수가 발생하지 않는 것으로 가정한다.
식물에 의해 제거된 양(Evap).Fc.Ce)는 일반적으로 무시할 수 없을 정도로 작다.Fc.Ce = 0

염분 농도 Cp는 불포화 지역(Cu)에서 토양 염분 농도의 일부로 간주할 수 있다:Cp=LeCu, 여기서 Le는 침출 효율이다. 침출효율은 종종 0.7에서 0.8의 순서로 나타나지만,^[14] 구조 상태가 좋지 않은 무거운 점토 토양에서는 더 적을 수 있다. 포르투갈 타구스 강 삼각주의 레지리아 그란데 폴더에서 침출효율이 0.15에 불과한 것으로 밝혀졌다.^[15]
토양 염도를 높이고 원하는 수준의 Cu를 유지하기 위해 토양 염도를 피하고 싶다고 가정하면 다음과 같다.
Ss = 0, Cu = Cd 및 Cp = Le.Cd. 따라서 소금 밸런스는 다음과 같이 단순화할 수 있다.

• 퍼크레Cd = Irr.Ci + Cap.참조

이 염분 밸런스를 충족하기 위해 필요한 집수수를 Lr(수출 요구량)과 동일하게 설정하면 다음과 같은 사실이 확인된다.

• Lr = (Irr.Ci + Cap.참조) / LE.Cd .

여기에서 대체하는 Irre = EVAP + Perc - Rain - Cap 및 rearranging은 다음을 제공한다.

• Lr = [ (Evap−Rain).Ci + 캡(Cc-Ci) ] / (Le)Cd − Ci) ^[12]

이를 통해 염도 조절을 위한 관개 및 배수 요건도 계산할 수 있다.
(반)습지 구역 및 기후 지역의 관개 프로젝트에서는 (지하로 스며드는 관개수의 비율을 나타내는) 현장 관개 효율을 고려하는 침출 요건을 점검하는 것이 중요하다.
원하는 토양 염도 수준 Cd는 소금에 대한 농작물 내성에 따라 달라진다. 미국 ^[10]와이오밍 대학과 캐나다 ^[11]앨버타 정부는 농작물 허용량 데이터를 보고한다.

스트립 크롭: 대안

배수(고수층)와 토양 염도 문제로 수자원이 부족한 관개지에서는, 스트립 크롭은 때때로 다른 모든 스트립이 관개되고 그 사이에 있는 스트립이 영구적으로 함몰되는 동안, 스트립 크롭은 토지의 스트립으로 행해진다.^[16]

관개용 스트립의 물 적용으로 인해 그들은 더 높은 물 테이블을 가지고 있어 오염되지 않은 스트립으로의 지하수 흐름을 유도한다. 이 흐름은 관개용 스트립의 지표면 아래 배수 기능을 하며, 여기서 물대는 너무 얕지 않은 깊이로 유지되고, 토양의 침출이 가능하며, 토양 염도를 허용 가능한 낮은 수준에서 조절할 수 있다.

비방사성(희생)에서는 토양이 건조하고 모세관이 올라오면서 지하수가 올라오고 염분을 남겨두고 증발하기 때문에 이곳에서는 토양이 염분을 흡수한다. 그럼에도 불구하고, 그들은 염분 저항성 풀이나 잡초를 뿌리면서 가축을 위해 어느 정도 사용할 수 있다. 게다가 유용한 소금 저항성 나무는 카수아리나, 유칼립투스 또는 아트리플렉스처럼 심을 수 있는데, 나무들은 뿌리가 깊고 습한 아질의 염도가 상토보다 낮다는 것을 명심해야 한다. 이런 방법으로 바람의 침식을 조절할 수 있다. 이 무균 스트립은 소금 수확에도 사용될 수 있다.

토양 염분 모형

컴퓨터 모델은 물과 용질 운송에 대한 토양(예를 들어 SWAP,[17]DrainMod-S,[18]UnSatChem,[19]과 Hydrus[20])에서 사용할 수 있는 대다수의 물의 불포화 토양에서 이류 소금의 분산을 위해 픽의 차동 convection–diffusion 방정식과 결합하여 그 움직임을 리차드의 미분 방정식에 기초한다.s

모델은 가변 불포화 토양 수분 함량, 수력, 유지 곡선, 불포화 유압 전도도, 분산도 및 확산도 사이의 관계와 같은 토양 특성 입력을 요구한다. 이러한 관계는 장소에 따라, 그리고 때때로 매우 다양하며 측정하기가 쉽지 않다. 또한 이곳의 토양 염도가 공간적으로 매우 가변적이기 때문에 농부의 현장 조건에서는 모델을 교정하기 어렵다. 모델은 짧은 시간 단계를 사용하며 시간당 수문학적 현상의 데이터 베이스는 아니더라도 최소한 매일의 시간이 필요하다. 전체적으로 이것은 꽤 큰 프로젝트에 모델 적용을 충분한 시설을 갖춘 전문가 팀의 업무로 만든다.

월별 또는 계절별 물과 토양 균형 및 경험적 모세관 상승 함수에 기초한 ^[5]솔트모드와 같은 단순한 모델도 이용할 수 있다. 그것들은 관개 및 배수 관행에 관한 장기 염도 예측에 유용하다.

LeachMod는 ^[21][22]SaltMod 원리를 사용하여 다양한 루트 존 레이어에서 토양 염도를 모니터링한 침출 실험을 분석하는 데 도움을 주며, 모델은 시뮬레이션 토양 염도 값으로 관찰된 적합도를 얻을 수 있도록 각 레이어의 침출 효율 값을 최적화한다.

지형의 변화에 따른 공간적 변화는 SahysMod와 같은 염도 um 지하수 모델을 사용하여 시뮬레이션하고 예측할 수 있다.

참고 항목

• 알칼리 토양
• 생물학적 친화성 – 관개를 위한 소금물 사용
• 바닷물에 대한 작물 내성
• 담수화 – 물질에서 소금 및 미네랄 제거
• 할로피테 – 소금강화식물
• 할로톨러런스 – 높은 염도에 적응
• 농작물의 염분 내성
• 생물학의 나트륨

참조

외부 링크