토양수분

토양 수분은 토양의 수분 함유량이다. 부피나 무게로 표현할 수 있다. 토양 수분 측정은 상황 프로브(예: 캐패시턴스 프로브, 중성자 프로브) 또는 원격 감지 방법에 기초할 수 있다.

밭에 들어간 물은 유출, 배수, 증발 또는 증발로 밭에서 제거된다.^[1] 유출수는 표면에서 밭 가장자리로 흐르는 물이다. 배수로는 땅을 통해 아래로 또는 밭 가장자리로 지하로 흘러가는 물이다. 밭에서 증발되는 물의 일부는 밭 표면에서 대기 중으로 직접 증발하는 물이다. 전환은 밭에서 나오는 물의 손실이다. 식물의 증발에 의한 밭

물은 토양 형성, 구조, 안정성, 침식에 영향을 미치지만 식물 성장과 관련하여 가장 중요한 것이다.^[2] 물은 네 가지 이유로 식물에 필수적이다.

1. 식물 원형의 80%~95%를 차지한다.
2. 그것은 광합성에 필수적이다.
3. 그것은 식물 전체에 영양소가 전달되는 용매다.
4. 그것은 식물이 스스로 적절한 위치를 유지하는 터기성을 제공한다.^[3]

게다가 물은 광물과 유기 용해물과 콜로이드들을 용해하고 재입방함으로써 토양 프로파일을 변화시킨다. 종종 낮은 레벨에서 침출물이라고 불리는 과정이다. 황토에서 고형물은 부피의 절반, 부피의 1/4, 그리고 물량의 1/4을 구성하며, 대부분의 식물은 부피의 1/4만 사용할 수 있으며, 모성 전위에 따라 강한 변동을 가진다.^[4]

물에 잠긴 장은 물의 접착력과 응집력이 더 많은 배수에 저항할 때까지 중력의 영향을 받아 중력수를 배출할 것이며, 그 지점에서 중력이 전계 용량에 도달했다고 한다.^[5] 그 때, 식물은 흙에서 물을 끌어내기 위해 석션해야^[5][6] 한다. 식물이 흙에서 끌어낼 수 있는 물을 이용 가능한 물이라고 한다.^[5][7] 일단 사용 가능한 물이 다 소모되면, 식물은 그 물을 끌어들이기에 충분한 흡수를 할 수 없기 때문에 남은 습기를 사용할 수 없는 물이라고 부른다. 15바 흡착점에서는 씨앗이 발아하지 않고,^[8][5][9] 식물이 시들기 시작하고, 종별 적응 덕분에 수분 보충 후에 회복할 수 없는 한 죽는다.^[10] 물은 중력, 삼투, 모세균의 영향을 받아 토양에서 움직인다.^[11] 물이 흙으로 들어가면 부력에 의해 서로 연결된 마크로포어로부터 공기를 분리하고, 슬래킹이라고 불리는 과정인 골재를 분해한다.^[12] 흙이 물을 흡수할 수 있는 속도는 토양과 그 밖의 조건에 따라 달라진다. 식물이 자랄 때 뿌리는 가장 큰 모공(매크로포어)의 물을 먼저 제거한다. 곧 모공이 클수록 공기만 머금고, 남은 물은 중간 크기의 모공(미크로포레스)에서만 발견된다. 가장 작은 모공 속 물은 입자 표면에 너무 강하게 고정되어 있어서 식물 뿌리가 그것을 끌어낼 수 없다. 결과적으로, 모든 토양수를 식물에 사용할 수 있는 것은 아니며, 질감에 대한 의존도가 높다.^[13] 포화 상태가 되면 물이 빠지면서 토양이 영양분을 잃을 수 있다.^[14] 물은 토양이 국소적으로 포화상태에 있는 압력의 영향을 받아 배수장에서 이동하며, 모세균에 의해 토양의 일부분이 더 건조해진다.^[15] 대부분의 식물용수 필요량은 식물 잎에서 증발하여 생기는 흡입(전달)으로부터 공급되며, 낮은 분수는 식물 내부와 토양 용액 사이의 삼투압 차이에 의해 생성된 흡입에 의해 공급된다.^[16][17] 식물 뿌리는 반드시 물을 찾아 모이스터 토양 마이크로사이트에서 우선적으로 자라야 하지만 뿌리 시스템의 일부도 흙의 건조한 부분을 제거할 수 있다.^[18][19] 물이 부족하면 농작물의 수확량이 손상된다.^[20] 이용 가능한 물의 대부분은 식물로 영양분을 끌어들이기 위해 증산에 사용된다.^[21]

토양수는 기후 모델링과 수치적 기상 예측에도 중요하다. 세계기후관측시스템은 토양수를 50가지 필수기후변수(ECV) 중 하나로 명시했다.^[22] 토양수는 토양 수분 센서로 현장에서 측정하거나 토양 내 센서를 통한 국지적 또는 와이파이 조치에서부터 데이터 캡처와 수문학적 모델을 결합한 위성 이미지에 이르기까지 다양한 규모와 해상도로 추정할 수 있다. 각 방법은 장단점을 나타내며, 따라서 서로 다른 기법의 통합은 주어진 단일 방법의 단점을 줄일 수 있다.^[23]

수분 보유

물은 물의 수소 원자가 토양 입자의 산소에 대해 가지는 흡착력이 물의 수소가 다른 물 산소 원자에 대해 느끼는 응집력보다 강할 때 토양에 유지된다.^[24] 밭이 물에 잠기면 토양공극공간이 물로 완전히 채워진다. 가장 작은 모공이 물로 채워지고 가장 큰 모공에는 물과 가스가 채워지는 이른바 자기장 용량에 도달할 때까지, 이 장은 중력의 힘에 의해 배수될 것이다.^[25] 현장 용량에 도달했을 때 보유하는 물의 총량은 토양 입자의 특정 표면적의 함수다.^[26] 그 결과, 높은 점토와 높은 유기 토양들은 더 높은 현장 능력을 가지고 있다.^[27] 기준 조건에서 순수한 물과 비교하여 단위 부피 당 물의 잠재적 에너지를 물 전위라고 한다. 총 물 전위는 모세관 작용, 식염수 토양의 삼투성 전위, 물 이동의 수직 방향을 다룰 때 중력 전위로부터 발생하는 모세관 전위의 합이다. 토양 내 물 전위는 보통 음의 값을 가지며, 따라서 흡인으로도 표현되는데, 이는 물 전위의 음수로 정의된다. 흡입은 양의 값을 가지며 흙에서 물을 끌어내거나 밀어내는 데 필요한 총력으로 간주할 수 있다. 수분 전위 또는 흡입은 kPa(10³ pascal), bar(100 kPa), cm HO₂(약 0.098 kPa) 단위로 표현된다. cm HO에서의₂ 일반적인 흡입 로그는 pF라고 불린다.^[28] 따라서, pF 3 = 1000 cm = 98 kPa = 0.98 bar.

물을 토양에 수용하는 힘은 식물에 대한 물의 이용 가능성을 결정한다. 접착력은 물을 광물과 유머 표면에 강하게 고정시키고 응집력에 의해 스스로에게 덜 강하게 유지한다. 식물의 뿌리는 토양에 달라붙는 아주 작은 부피의 물을 뚫고 들어가 처음에는 응집력에 의해 가볍게 잡히는 물을 끌어들일 수 있다. 그러나 방울이 아래로 내려갈수록 토양 입자에 대한 물의 접착력은 점점 더 높은 흡착력을 생성하며, 마침내 1500kPa(pF = 4.2)까지 증가한다.^[29] 1500 kPa 흡입 시 토양수량을 윌팅 포인트라고 한다. 그 흡입으로 발전소에서 물이 여전히 증발로 인해 손실되고 있기 때문에 식물의 터기성이 상실되고 기공 폐쇄가 증발을 감소시킬 수 있지만, 특히 가뭄에 적응하거나 적응할 때 기공 폐쇄로 인해 소멸점 이하의 기화가 지연될 수 있다.^[30] 공기 건조라고 불리는 다음 레벨은 10만 kPa 흡입 시 발생한다(pF = 6). 마지막으로 오븐 건조 상태가 100만 kPa 흡입(pF = 7)에 도달한다. 시들음 지점 아래의 모든 물을 사용할 수 없는 물이라고 한다.^[31]

토양 수분 함량이 식물 생장에 최적일 때, 대·중간 크기의 모공 속 물은 토양 내에서 이리저리 이동하며 식물들이 쉽게 사용할 수 있다.^[13] 밭 용량으로 배수되는 토양에 남아 있는 물의 양과 사용 가능한 양은 토양 유형의 기능이다. 모래땅은 물이 거의 없는 반면 진흙은 최대량을 유지할 것이다.^[27] 실트 롬에 사용할 수 있는 물은 20%인 반면 모래의 경우 이 표와 같이 부피 기준 6%에 불과할 수 있다.

위의 값은 토양 질감의 평균 값이다.

물의 흐름

물은 중력, 삼투압, 모세혈증으로 인해 흙을 통해 이동한다. 0 ~ 33 kPa 흡인(장 용량)에서 물은 중력의 힘과 물의 압력에 의해 발생하는 압력 경사로의 적용 지점에서 토양을 통해 밀린다. 이를 포화 흐름이라고 한다. 더 높은 흡입으로, 물의 움직임은 더 습한 토양에서 더 건조한 토양으로 모세균에 의해 당겨진다. 이것은 물이 토양 고형물에 접착하여 생기는 것으로 불포화 유동이라고 한다.^[33][34]

토양 내 수분 침투 및 이동은 다음 6가지 요인에 의해 제어된다.

1. 흙질감
2. 토양 구조. 미세한 구조를 가진 질감의 토양이 물의 침투에 가장 유리하다.
3. 유기 물질의 양. 거친 물질이 가장 좋고 만약 표면이 토양 구조의 파괴와 지각의 발생을 막는데 도움이 된다면.
4. 경판이나 암반과 같은 불침투성 층에 대한 토양의 깊이
5. 토양에 이미 있는 물의 양
6. 토양 온도. 따뜻한 토양은 더 빨리 물을 흡수하는 반면, 얼린 토양은 얼지 않는 종류에 따라 흡수되지 못할 수 있다.^[35]

물 침투율은 높은 점토토양의 경우 시간당 0.25cm에서 모래의 경우 시간당 2.5cm, 토양 구조물의 안정화 및 집적화가 양호하다.^[36] 물은 물 입자 사이의 표면 장력 때문에 소위 "중력 손가락"의 형태로 땅속을 고르지 않게 흐른다.^[37][38]

나무 뿌리는 생사를 막론하고 흙을 통해 빗물이 흐를 수 있는 우선적인 통로를 만들어 물의 침투율을 최대 27배까지 확대한다.^[39][40]

홍수는 일시적으로 강바닥의 토양 투과성을 증가시켜 대수선 재충전에 도움을 준다.^[41]

토양에 가해지는 물은 그 적용 지점에서 국소적으로 포화상태인 지점부터 바도세 구역과 같이 덜 포화상태인 지역으로 압입된다.^[42][43] 일단 토양이 완전히 젖으면, 더 이상의 물은 아래로 이동하거나, 식물 뿌리의 범위 밖으로 스며들 것이며, 점토, 유머, 영양소, 주로 양이온과 농약, 오염물질, 바이러스, 박테리아를 포함한 다양한 오염물질과 함께 운반되어 지하수 오염을 잠재적으로 유발할 수 있다.^[44][45] 용해도를 감소시키기 위해 침출된 영양소는 다음과 같다.

• 칼슘
• 마그네슘, 황, 칼륨; 토양 조성에 따라 다름
• 질소; 질산염 비료제가 최근에 도포되지 않는 한 보통 거의 없음
• 인, 토양에서의 그것의 형태는 용해성이 낮기 때문에 매우 적다.^[46]

미국에서는 강우로 인한 수분 침투가 로키 산맥 바로 동쪽에서 거의 0cm에서 애팔래치아 산맥과 멕시코 만의 북쪽 해안에서 하루에 50cm 이상까지 다양하다.^[47]

물은 토양 고형물에 대한 물의 접착력에 의해 모세관 작용에 의해 당겨지며, 습한 토양에서 건조한 토양으로^[48], 마크로포레에서 마이크로포레로 흡입 구배를 생성한다.^{[citation needed]} 이른바 리차드 방정식은 불포화토양에서 물의 이동에 따른 토양 내 수분 함량 변화 시간 비율을 계산할 수 있다.^[49] 흥미롭게도, 리차드에게 귀속된 이 방정식은 원래 리처드슨에 의해 1922년에 출판되었다.^[50] 유한양질 바도세존 유량법을 이용해 해결할 ^[51]수 있는 토양수분속도방정식은 수직방향으로 불포화토양을 통해 흐르는 물의 속도를 기술한다.^[52][53] 리처드슨/리처스 방정식의 수치해법은 하이드러스 등 소프트웨어를 이용한 불포화수류 및 용액운반을 계산할 수 있으며,^[54] 수력함수(수력유지기능 및 불포화수력전도함수)와 초기 및 경계조건의 토양유압 매개변수를 부여한다. 우선적인 흐름은 상호 연결된 매크로포어, 틈새, 뿌리 및 웜 채널을 따라 발생하며, 이 채널은 중력 상태에서 물을 배출한다.^[55][56] 토양물리학에 기반을 둔 많은 모델들은 이제 이중 연속체, 이중 다공성 또는 이중 투과성 옵션으로 선호 흐름을 어느 정도 표현할 수 있게 되었지만, 이것들은 일반적으로 어떠한 엄격한 물리적 기초도 없이 리차드 솔루션에 "볼트 온"되어 왔다.^[57]

식물에 의한 수분 흡수

토양의 물의 저장과 이동에 있어서 동등한 중요성을 가지는 것은 식물이 그것과 그들의 영양분을 얻는 수단이다. 대부분의 토양수는 식물의 뿌리에서 잎으로 이어지는 긴 물기둥에서 증발(전류)하는 물의 당김력에 의해 발생하는 수동 흡수로서 식물에 의해 흡수된다.^[58] 물과 용액의 상향 이동(유압양력)은 내피에 의해 뿌리내리고^[59] 기공 전도성에 의해 식물 잎에서 조절되며,^[60] 뿌리에서 방해를 받아 Xylem 색전증이라고도 하는 공동화에 의해 자일름 혈관을 쏠 수 있다.^[61] 또 식물 뿌리 내 염분의 고농축은 삼투압 구배를 일으켜 토양수를 뿌리 안으로 밀어 넣는다.^[62] 삼투압 흡수는 낮은 온도(예: 밤)나 높은 습도로 인한 낮은 수분 증발이 있을 때 더욱 중요해지고, 그 반대의 경우는 고온이나 낮은 습도에서 발생한다. 그것은 각각 배탈과 사멸을 일으키는 과정이다.^[63][64]

뿌리 확장은 식물 생존에 필수적이다. 황토 1입방피트(0.0283입방미터)에서 4개월 동안 재배한 겨울 호밀 한 그물을 조사한 결과, 이 식물은 총면적 237제곱미터에 총 길이 620km, 총 길이 1만620km, 총면적 400제곱미터의 털뿌리가 140억 그루, 총면적이 638초인 것으로 나타났다.계량기를 달다 황토 전체 표면적은 5만2000㎡로 추정됐다.^[65] 즉 뿌리는 흙의 1.2%만 접촉하고 있었다. 그러나 뿌리연장은 새로운 뿌리가 매일 새로운 토양의 부피를 탐사할 수 있게 하여 일정한 성장기에 걸쳐 탐사된 토양의 총 부피를 획기적으로 증가시키고, 따라서 이 기간 동안 뿌리계가 차지하는 물의 부피를 역동적인 과정으로 보아야 한다.^[66] 뿌리 구조, 즉 뿌리 시스템의 공간적 구성은 식물이 토양 수분과 영양소 가용성에 적응하는 데 있어서, 따라서 식물 생산성에 있어서 중요한 역할을 한다.^[67]

뿌리는 토양에 있는 불포화수 흐름은 하루에 2.5 cm의 속도로만 이동할 수 있기 때문에 물을 찾아야만 한다. 그 결과, 그들은 고농도의 토양 수분을 찾으면서 끊임없이 죽어가고 자라고 있다.^[68] 토양 수분이 부족하면 기화현상을 일으킬 정도로 영구적인 피해가 발생하고 농작물 수확량이 감소한다. 꽃과 씨앗의 성장 단계를 거쳐 종자머리가 출현하는 동안 곡물 수수료가 1300kPa까지 낮은 토양흡입에 노출되자 생산량이 34%나 줄었다.^[69]

소모성 사용 및 물 사용 효율성

식물이 사용하는 물의 극히 일부(0.1%~1%)만 식물 내에 수용된다. 대다수는 궁극적으로 증발을 통해 상실되는 반면, 토양 표면으로부터의 증발도 상당한 반면, 증산:증발률은 식물의 종류와 기후에 따라 달라지며, 열대 우림에서 정점을 찍고 스텝과 사막에서 담그고 있다.^[70] 증발 토양의 수분 손실에 트랜스미션 플러스 증발 토양의 수분 손실을 증발기 발화라고 한다. 증발 가스 배출과 식물에 저장된 물은 모두 소모성 용도에 해당하며, 증발 가스 배출과 거의 동일하다.^[69][71]

농업 현장에서 사용되는 총 용수는 표면 유출, 배수 및 소모성 사용을 포함한다. 느슨한 멀치를 사용하면 밭에 관개한 후 일정 기간 동안 증발 손실을 줄일 수 있지만, 결국 총 증발 손실(식물 + 토양)은 비포장 토양에 근접하게 되며, 식물의 성장에 더 많은 물을 즉시 사용할 수 있게 된다.^[72] 물 사용효율은 식물이 옮겨온 총 물의 수확한 식물의 건조한 무게에 대한 비율인 전환비로 측정된다. 작물의 전출 비율은 300에서 700까지이다. 예를 들어, 알팔파는 전환율이 500이고 그 결과 500킬로그램의 물이 1킬로그램의 건조한 알팔파를 생산할 것이다.^[73]

참조

참고 문헌 목록