⦁ 서론
생산이란 생산 요소를 결합하여 새로운 재화를 만들어 내는 것이며 인류는 생산을 통해 부가가치를 만들어내 문명을 발전시켜 왔다. 이때 생산의 세 가지 요소로는 토지(자원), 노동, 자본이 있으며 전통적 의미의 1차 산업, 특히 농업에 있어서는 문자 그대로의 토지를 기반으로 생산이 이루어지게 된다. 때문에 생산요소인 토지를 기반으로 그것을 농업에 있어서 필요한 중요한 요소들을 포함하는 의미로서 정의된 토양이라는 개념은 농업을 분석하고 연구하며 발전시켜 나가는데 그 중요성과 함께 가장 근간이 되는 것이라고 할 수 있다. 본 과제에서는 토양학의 중요 개념과 원리 중에서 토양수분의 함량과 퍼텐셜에 대한 설명과 그 표현법 및 측정 방법에 대해 정리해보고자 한다.
⦁ 본론
⦁ 토양수분 보유 원리
토양이 수분을 보유한다는 것은 토양 내부의 각각의 입자와 토양에 공급된 물의 분자 사이에 어떤 힘이 작용하여 토양이 수분을 머금고 있다는 의미이다. 그 원리를 이해하기 위해서는 먼저 물의 특성에 대해 알아볼 필요가 있다. 물은 2개의 수소원자와 1개의 산소원자가 공유결합을 하고 있고 105도의 결합각을 이룬 V자 형태의 구조이다. 이러한 구조로 인해 물 분자는 극성을 갖게 되며, 토양 또한 극성을 갖고 있으므로 토양과 물 사이에 인력이 작용하게 되며 물 분자가 토양에 부착된다고 표현한다. 또한 물 자체의 극성으로 인해 물 분자 간에 상대적으로 높인 인력이 작용하여 물은 다른 액체에 비해 표면장력이 강한 특성을 갖게 되며 물 분자끼리 서로 뭉치려는 응집력을 갖게 된다. 이것은 지름이 작은 관을 통해 물이 중력에 반하여 상승하는 현상을 발생시키며 토양에 있어서는 토양 입자 사이의 공극을 통해 수면이 상승하게 되고 이 또한 토양 내 수분 보유에 영향을 주게 된다. 모세관 현상은 관의 지름에 따라 상승 높이가 달라지므로 토양에 적용할 경우에는 모래, 미사, 점토에 따라 물의 상승 높이와 시간에 따른 변화가 달라지게 된다.
⦁ 토양수분 에너지와 퍼텐셜
앞서 토양의 수분 보유 원리에 대해 알아보았는데, 농업에서 작물이 이용할 수 있는 수분을 파악하기 위해서는 토양 수분의 에너지와 퍼텐셜에 대한 이해가 필요하다. 토양이 함유한 수분을 에너지로 표현하면 운동에너지는 0에 수렴하여 위치 에너지만을 갖고 있는 것으로 표현할 수 있다. 수분은 에너지의 상대적 차이에 의해 이동하게 되는데 즉 위치에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 성질을 갖게 된다. 이것을 단위량에 대해 나타낸 것이 토양수분 퍼텐셜이다. 토양수분 퍼텐셜은 다시 중력퍼텐셜과 압력퍼텐셜, 삼투퍼텐셜로 구분할 수 있으며 삼투퍼텐셜은 식물의 뿌리 부분에서 수분 이동이나 염류 토양에서의 수분 이동에 대한 해석을 제외하고는 무시할 수 있다. 중력퍼텐셜은 상대적인 위치에 따라 표현할 수 있는데 항상 양의 값을 갖도록 기준점을 잡아 해석한다. 압력퍼텐셜은 자유수면을 기준으로 삼아 자유수면 아래인 경우는 양의 값을 갖게 되며 자유수면 위에서는 음의 값을 갖아 매트릭퍼텐셜이라는 용어로 표현한다. 이렇게 표현된 토양의 수분퍼텐셜과 작물의 뿌리의 수분퍼텐셜을 비교하면 수분의 이동방향을 파악할 수 있게 된다. 즉 토양의 수분퍼텐셜이 뿌리의 수분퍼텐셜보다 낮다면 뿌리의 수분이 토양으로 이동하게 된다. 다시 말하면 단순히 토양 내 수분함량이 아니라 수분퍼텐셜 차이에 의해 수분의 이동 방향이 결정된다는 것이고 특히 작물이 뿌리와 토양의 수분퍼텐셜 값을 파악하는 것이 중요하게 된다.
⦁ 토양수분특성곡선과 토양의 수분상수
토양의 수분 함량과 그때의 수분퍼텐셜에 대한 상관관계는 토양 수분특성곡선으로 알 수 있다. 식토, 양토, 사토로 구분된 토양의 종류에 따라 토양의 수분 함량에 따른 수분퍼텐셜 값은 아래의 그림과 같은 특성곡선으로 나타난다.
[그림 1] 대표적인 세 가지 무기토양의 수분특성곡선
그림 1을 통해 식토는 양토와 사토와 비교할 때, 같은 수분퍼텐셜 상태에서 훨씬 많은 수분함량을 보이는 것을 알 수 있다. 즉 절대 수분함량이 높다고 해서 수분퍼텐셜도 높다는 의미가 아니라는 것을 알 수 있고 식질 토양에서 수분이 토양과 강하게 결합하는 것을 알 수 있다. 다시 말하면, 식토에서 작물의 뿌리로의 수분 이동이 불리할 수 있음을 보여준다.
토양의 특정 수분퍼텐셜 값이 어떤 의미와 특성을 가지는지 정리한 것이 수분상수이다. 수분퍼텐셜이 0 bar인 경우는 포화수분 상태이며 최대용수량 값을 갖는다. 포장용 수량은 -0.33 bar이며 이 값 이하의 수분퍼텐셜부터 식물이 이용 가능한 유효수분 구간이 시작된다. 일시위조점은 -10 bar로써 식물이 일시적으로 시드는 상태에 접어드는 수분퍼텐셜 값이 되며, 영구위조점은 식물이 영구적으로 시드는 수분퍼텐셜 값으로 -15 bar가 된다. 여기까지는 식물이 이용 가능한 유효 수분에 해당하는 수분퍼텐셜 값이다. 여기서 식물 생육에 가장 적합한 수분퍼텐셜은 포장용 수량이 -0.33 bar가 된다. 이를 바탕으로 토성에 따라 유효 수분 함량이 가장 높은 토양을 산출하면 아래의 그림 2와 같이 점토 함량이 20~30%에 해당하는 미사질 양토 혹은 미사질 식양토가 해당된다고 할 수 있다.
[그림 2] 토성에 따른 유효수분함량 변화
⦁ 토양수분 측정법
⦁ 중량법
0 bar에서 -100 bar까지의 넓은 측정범위를 갖는 수분함량 측정법으로 토양의 무게와 수분의 무게를 측정하여 수분함량을 파악한다. 시료 재사용이 불가한 파괴적 방법이며 상대적으로 측정에 장시간이 소요된다.
⦁ 중성자산란법
방사선을 통해 토양의 수분함량을 측정하는 방법으로 유기물 함량이 높은 토양에는 부적합하며 사전에 관 삽입이 필요하고 장비가 고가이나 시료에 대해 비파괴적이며 반복측정이 가능하다.
⦁ TDR 법
TDR 법은 토양의 유전상수를 측정하여 간접적으로 토양 수분함량을 측정한다. 값이 정확하며 자동화가 가능한 특성이 있다.
⦁ 저항블록법
저항블록법은 수분퍼텐셜 측정이 가능하며 수분퍼텐셜에 따라 블록의 저항이 달라지는 것을 이용한 방법이며 최적작물생육수분에서 부정확하며 개별 보정이 필요하나 자동화가 가능한 특성이 있다.
⦁ 수분장력계법
낮은 수분퍼텐셜 범위에서 정확하며 장비도 저가이고 자동화가 가능하나, 주기적 보수가 필요하고 측정 가능 범위가 제한되는 특성을 갖고 있다.
⦁ 결론
지금까지 토양 수분의 퍼텐셜에 대한 주제를 가지고 토양 내 수분 보유 원리와 토양 수분 에너지 및 퍼텐셜, 토양 수분 상수, 토양 수분 측정법에 대해 정리해 보았다. 물 분자의 특성에 의해 토양은 수분을 함유하게 된다. 이러한 토양 내 수분은 에너지 수준을 기준으로 한 수분퍼텐셜 형태로 표현되어야 작물과 토양 간 혹은 토양과 토양 간의 수분 이동에 대해 파악할 수 있다. 또한 토양의 종류와 여타 변수에 의해 수분함량에 따른 수분퍼텐셜 수준이 달라질 수 있음을 알 수 있고, 수분퍼텐셜의 측정법에는 중량법, 중성자산란법, TDR 법, 저항블록법, 수분장력계법이 있다. 수분의 퍼텐셜에 대해 이해하고 그 측정에 대해 알고 있어야만 토양의 수분 상태를 파악할 수 있고, 그것을 통해 목적에 따른 토양의 수분 보전과 수분관리를 할 수 있게 되어 농업에 유용하게 활용하고 작물의 생산성을 높일 수 있다.