토양공극
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1. 개요
토양 공극은 토양 내 빈 공간을 의미하며, 건조 토양 밀도, 공극률, 투수 계수, 침투능 등의 특성을 결정하는 중요한 요소이다. 토양 공극은 크기에 따라 대공극, 소공극, 미세공극, 초미세공극, 내밀공극으로 분류되며, 각 공극은 수분 이동, 미생물 서식 등 토양의 다양한 기능에 영향을 미친다. 토양 공극은 코어 샘플링, 컴퓨터 모델링, 전기 저항 측정 등 다양한 방법으로 측정 및 모델링될 수 있으며, 토양의 물리적 특성을 이해하고 관리하는 데 중요한 역할을 한다.
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| 토양공극 | |
|---|---|
| 토양 공극 | |
| 정의 | 토양의 고체 입자 사이에 존재하는 공간 |
| 구성 요소 | 액체 (물) 및 기체 (공기) |
| 중요성 | 식물의 뿌리 성장에 필요한 공간 제공 물과 공기의 이동 통로 역할 토양 내 생물의 서식지 제공 |
| 공극의 종류 | |
| 크기에 따른 분류 | 거대 공극 (macropore): 물의 빠른 이동, 통기성 향상 미세 공극 (micropore): 물 보유력 증가 |
| 모양에 따른 분류 | 둥근 공극 불규칙한 공극 |
| 공극률 | |
| 정의 | 전체 토양 부피에 대한 공극 부피의 비율 (%) |
| 영향 요인 | 토성 (모래, 실트, 점토 함량) 토양 구조 (입단 구조 발달 정도) 유기물 함량 토양 관리 방법 (경운, 압축 등) |
| 일반적인 범위 | 30 ~ 60% |
| 공극 내 물과 공기 | |
| 물 | 식물 생장에 필수적인 수분 공급 토양 내 화학 반응에 관여 중력수, 모관수, 흡습수 형태로 존재 |
| 공기 | 식물의 뿌리 호흡에 필요한 산소 공급 토양 내 유기물 분해 및 질소 순환에 관여 |
| 관계 | 물과 공기는 공극 내에서 상호 경쟁적인 관계를 가짐 (예: 강우 시 공극이 물로 채워지면서 공기 부족 발생) |
| 토양 공극 관리 | |
| 목적 | 적절한 물과 공기 함량 유지 식물 생장 최적화 토양 건강 증진 |
| 방법 | 유기물 시용: 토양 구조 개선, 공극 증가 적절한 경운: 토양 압축 해소, 통기성 향상 (과도한 경운은 오히려 토양 구조 파괴 가능) 윤작: 다양한 뿌리 시스템을 가진 작물 재배, 토양 구조 및 공극 유지 피복 작물: 토양 침식 방지, 유기물 공급, 토양 구조 개선 |
2. 토양 공극의 정의 및 특성
2. 1. 건조 토양 밀도
토양 밀도는 일정 용적의 건조 토양의 질량을 부피로 나눈 값으로 입자 밀도(진비중, particle density)와 토양 용적 밀도(가비중, bulk density)로 구분한다. 입자 밀도는 공극을 고려하지 않은 입자만의 밀도이며, 주요 광물질인 석영의 밀도는 약 2.65 g/cm3이다. 그러나 토양의 밀도는 그 밀도의 절반보다 작을 수 있다.대부분의 토양의 입자 밀도는 1.0g/cm3에서 1.6g/cm3 사이이다. 그러나 유기징 토양층과 A, B층의 옹적 밀도는 1g/cm3보다 훨씬 낮을 수 있다.
토양 용적 밀도는 유기물이 많을수록 낮아지고, 답압은 용적 밀도를 증가시킨다. 또한 점토의 경우 모래보다 공극량이 많아 단위 부피당 무게가 가벼워져서 용적 밀도가 낮아진다. 따라서 동일한 토양의 공극률과 반비례한다.
건조 겉보기 밀도는 토양을 구성하는 광물 조성과 압축 정도에 크게 의존한다. 석영의 밀도는 약 2.65 g/cm3이지만 토양의 건조 겉보기 밀도는 그 값의 절반 이하일 수 있다. 대부분의 토양은 1.0 ~ 1.6 g/cm3 사이의 건조 겉보기 밀도를 가지지만 유기 토양과 일부 다공성 점토는 1 g/cm3보다 훨씬 낮은 건조 겉보기 밀도를 가질 수 있다.
건조 겉보기 밀도를 구하기 위해서는 코어 샘플을 채취하여, 토양 샘플을 일정 무게가 될 때까지 오븐에서 건조(보통 105 °C에서)한다.
건조 겉보기 밀도는 토양에 공극이 많을수록 낮아진다.
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2. 2. 공극률
공극률은 토양의 총 공극량을 측정한 것이다. 이는 부피 또는 백분율로 측정된다. 토양의 다공성 정도는 토양을 구성하는 광물질과 토양구조 내에서 발생하는 분류의 양에 따라 달라진다. 예를 들어, 사토는 미사질 모래보다 다공성이 더 크다. 미사가 모래 입자 사이의 틈을 메우기 때문이다.공극률()은 다음과 같이 정의한다.
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또는, 공극이 공기와 물의 두 유체로 채워진 불포화 토양의 경우:
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2. 3. 투수 계수
투수계수(K)는 수분이 공극을 통해 쉽게 이동할 수 있는 정도를 나타내는 토양의 특성이다. 이는 인자의 투과성(공극, 답압) 및 포화도에 따라 달라진다. 포화투수계수(Ksat)는 포화된 매개를 통한 수분의 이동을 나타낸다. 투수계수는 어떤 상태이든지 측정 가능하다. 다양한 종류의 장비로도 분석할 수 있다. 포화투수계수를 계산하기 위해 다르시의 법칙이 사용된다. 법칙을 이용한 조정은 토양포화도와 사용한 도구에 따라 달라진다.수리 전도도(K)는 물이 공극을 통해 얼마나 쉽게 이동할 수 있는지를 나타내는 토양의 특성이다. 이는 물질의 투수성(공극, 다짐)과 포화 정도에 따라 달라진다. 포화 수리 전도도(Ksat)는 포화 매체를 통한 물의 이동을 설명한다. 수리 전도도는 어떤 상태에서도 측정할 수 있는 능력을 가지고 있다. 다양한 종류의 장비로 추정할 수 있다. 수리 전도도를 계산하기 위해 다르시의 법칙이 사용된다. 이 법칙의 적용은 토양 포화도와 사용된 기기에 따라 달라진다.
2. 4. 침투능
침투능은 지표면의 물이 토양 내로 스며드는 특성을 말한다. 물은 중력과 모세관 현상으로 인해 공극을 거쳐 토양으로 들어간다. 가장 큰 공극과 틈은 초기 물 유입을 위한 훌륭한 저장소 역할을 하여 빠른 침투를 가능하게 한다. 반면, 작은 공극은 채워지는 데 시간이 더 오래 걸려 중력뿐만 아니라 모세관 힘에도 의존하며, 토양이 더 포화됨에 따라 침투 속도는 느려진다.3. 토양 공극의 종류
공극은 단순히 빈 공간을 가진 토양의 고체성 구조물이 아니다. 다양한 공극의 크기 범위는 서로 다른 특성을 가지며 각 종류의 수와 빈도에 따라 토양에 서로 다른 속성을 부여한다. 널리 사용되는 공극 크기 분류는 브루어(Brewer, 1964)의 분류이다.[1][2][3]
==== 대공극 (Macropore) ====
대공극은 모세관힘이 매우 약하게 작용할 정도로 큰 공극이다. 방해받지 않는 한 수분은 대공극에서 빠져나가며, 보통의 경우 포장 용수량에 따라 공기로 채워진다.[11] 대공극은 식물의 뿌리, 동물의 굴로 인한 균열 뿐만 아니라 단립(ped)과 입단 구조가 분열하면서 발생할 수 있다.[11] 크기는 75 μm 이상이다.[11][4]
==== 소공극 (Mesopore) ====
소공극은 포장용수량에서 물이 가득 담긴 공극 중 가장 크다.[11] 식물에 유용수를 저장하는 능력이 있어 저수공극이라고도 한다.[11] 소공극은 식물로의 수분 이동이 제한이 걸릴 정도로의 모세관력이 그렇게 크지는 않다.[11] 소공극의 특성이 농업과 관개농업에 끼치는 영향 때문에 많은 토양학자들이 매우 많이 연구했다.[11] 크기는 30~75 μm이다.[11][4]
==== 미세공극 (Micropore) ====
미세공극은 공극 내부의 수분이 거의 움직이지 않을 정도로 매우 작으나, 식물은 이 공극에 있는 물도 끌어다 쓸 수 있다.[11][3] 미세공극에서는 수분의 이동이 거의 없기 때문에 용질의 이동은 주로 확산 과정에 따라 이루어진다.[11][4] 크기는 5~30 μm이다.[11][4]
==== 초미세공극 (Ultramicropore) ====
초미세공극(Ultramicropore)은 미생물이 서식하기에 적합하며, 크기는 0.1–5 μm이다.[13][4] 이 공극의 분포는 토성과 토양 유기물에 의해 결정되며, 답압에 큰 영향을 받지 않는다.[12][11][5][3]
==== 내밀공극 (Cryptopore) ====
대부분의 미생물이 들어가기에는 너무나도 작은 공극이다.[12][13][5][3] 따라서 내밀공극 안에 들어있는 유기물은 미생물 분해로부터 안전하다. 토양이 매우 건조하지 않은 한 수분으로 충분히 채워질 수 있으나 식물이 사용할 수 있는 수분은 거의 없으며 수분의 이동도 매우 느리다.[12][13] 크기는 0.1 μm이하이다.[13][4]
3. 1. 대공극 (Macropore)
대공극은 모세관힘이 매우 약하게 작용할 정도로 큰 공극이다. 방해받지 않는 한 수분은 대공극에서 빠져나가며, 보통의 경우 포장 용수량에 따라 공기로 채워진다.[11] 대공극은 식물의 뿌리, 동물의 굴로 인한 균열 뿐만 아니라 단립(ped)과 입단 구조가 분열하면서 발생할 수 있다.[11] 크기는 75 μm 이상이다.[11][4]3. 2. 소공극 (Mesopore)
소공극은 포장용수량에서 물이 가득 담긴 공극 중 가장 크다.[11] 식물에 유용수를 저장하는 능력이 있어 저수공극이라고도 한다.[11] 소공극은 식물로의 수분 이동이 제한이 걸릴 정도로의 모세관력이 그렇게 크지는 않다.[11] 소공극의 특성이 농업과 관개농업에 끼치는 영향 때문에 많은 토양학자들이 매우 많이 연구했다.[11] 크기는 30~75 μm이다.[11][4]3. 3. 미세공극 (Micropore)
미세공극은 공극 내부의 수분이 거의 움직이지 않을 정도로 매우 작으나, 식물은 이 공극에 있는 물도 끌어다 쓸 수 있다.[11][3] 미세공극에서는 수분의 이동이 거의 없기 때문에 용질의 이동은 주로 확산 과정에 따라 이루어진다.[11][4] 크기는 5~30 μm이다.[11][4]3. 4. 초미세공극 (Ultramicropore)
초미세공극(Ultramicropore)은 미생물이 서식하기에 적합하며, 크기는 0.1–5 μm이다.[13][4] 이 공극의 분포는 토성과 토양 유기물에 의해 결정되며, 답압에 큰 영향을 받지 않는다.[12][11][5][3]3. 5. 내밀공극 (Cryptopore)
대부분의 미생물이 들어가기에는 너무나도 작은 공극이다.[12][13][5][3] 따라서 내밀공극 안에 들어있는 유기물은 미생물 분해로부터 안전하다. 토양이 매우 건조하지 않은 한 수분으로 충분히 채워질 수 있으나 식물이 사용할 수 있는 수분은 거의 없으며 수분의 이동도 매우 느리다.[12][13] 크기는 0.1 μm이하이다.[13][4]4. 토양 공극 측정 및 모델링
균열에 대한 기본적인 모델링은 균열의 크기, 분포, 연속성 및 깊이에 대한 간단한 관찰과 측정을 통해 수년 동안 수행되어 왔다. 이러한 관찰은 표면 관찰이거나 구덩이의 프로파일에서 수행되었다. 종이에 균열 패턴을 손으로 추적하고 측정하는 것은 현대 기술이 발전하기 전 사용되었던 한 가지 방법이었다. 또 다른 현장 방법으로는 끈과 반원형 철사를 사용하는 것이 있었다.[6] 반원은 끈의 양쪽을 따라 번갈아 가며 움직였다. 자를 사용하여 반원 내의 균열의 폭, 길이 및 깊이를 측정했다. 균열 분포는 뷔퐁의 바늘의 원리를 사용하여 계산되었다.[6]
Horgan과 Young(2000)은 표면 균열 형성에 대한 2차원 예측을 생성하는 컴퓨터 모델을 제작했다. 이 모델은 균열이 서로 일정 거리 이내로 접근하면 서로에게 끌리는 경향이 있다는 사실을 활용했다. 또한, 균열은 특정 각도 범위 내에서 회전하는 경향이 있으며, 어느 시점에는 표면 집합체가 더 이상 균열이 발생하지 않는 크기에 도달한다. 이는 토양의 특성을 나타내는 경우가 많으며, 따라서 현장에서 측정하여 모델에 사용할 수 있다. 그러나 이 모델은 균열이 시작되는 지점을 예측할 수 없었으며, 균열 패턴 형성이 무작위적임에도 불구하고, 토양의 균열은 많은 경우 무작위적이지 않고 약점선을 따른다.[7]
4. 1. 전통적인 측정 방법
4. 2. 현대적인 측정 방법
이 방법은 균열 크기가 다양한 수분 포텐셜을 갖는다는 사실에 의존한다. 토양 표면에서 수분 포텐셜이 0일 때 모든 공극이 물로 채워진 상태에서의 포화 수리 전도도 추정치가 생성된다. 포텐셜이 점차 감소함에 따라 더 큰 균열이 배수된다. 일련의 음수 포텐셜에서 수리 전도도를 측정함으로써, 공극 크기 분포를 결정할 수 있다. 이것은 균열에 대한 물리적 모델은 아니지만, 토양 내 공극 크기에 대한 지표를 제공한다.[7]Horgan과 Young(2000)은 표면 균열 형성에 대한 2차원 예측을 생성하는 컴퓨터 모델을 제작했다. 이 모델은 균열이 서로 일정 거리 이내로 접근하면 서로에게 끌리는 경향이 있다는 사실을 활용했다. 또한, 균열은 특정 각도 범위 내에서 회전하는 경향이 있으며, 어느 시점에는 표면 집합체가 더 이상 균열이 발생하지 않는 크기에 도달한다. 이는 토양의 특성을 나타내는 경우가 많으며, 따라서 현장에서 측정하여 모델에 사용할 수 있다. 그러나 이 모델은 균열이 시작되는 지점을 예측할 수 없었으며, 균열 패턴 형성이 무작위적임에도 불구하고, 토양의 균열은 많은 경우 무작위적이지 않고 약점선을 따른다.[7]
대형 코어 샘플을 채취하여 아랄다이트와 형광 수지를 함침시킨 후, 연삭 도구를 사용하여 매우 점진적으로 (~1 mm 간격으로) 절단하고 각 간격마다 코어 샘플의 표면을 디지털 방식으로 이미징하여 분석에 사용한다.
공기의 무한한 전기 저항을 이용하여 토양 내의 공극을 매핑할 수 있는데, 특별히 설계된 전기 저항 측정기는 계측기와 토양 간의 접촉을 개선하여 측정 범위를 향상시켰다.[8]
5. 한국의 토양 공극 연구 및 정책 동향
5. 1. 당면 과제 및 향후 방향
참조
[1]
서적
Fabric and mineral analysis of soils
R.E. Krieger
1964
[2]
서적
Encyclopedia of soil science
https://books.google[...]
Springer
2016-07-02
[3]
서적
Glossary of Soil Science Terms 2008
https://www.soils.or[...]
Soil Science Society of America
[4]
서적
Fabric and mineral analysis of soils
John Wiley & Sons
2020-07-28
[5]
서적
Handbook of Soil Science
https://books.google[...]
CRC Press
1999-08-31
[6]
간행물
A method for measuring the development of surface cracks in soils: application to crack development after lowland rice
[7]
간행물
An empirical stochastic model for the geometry of two-dimensional crack growth in soil
[8]
간행물
Electrical resistivity imaging for detecting soil cracking at the centimetric scale
http://soil.scijourn[...]
[9]
서적
Fabric and mineral analysis of soils
[10]
서적
Encyclopedia of soil science
https://books.google[...]
2016-07-02
[11]
서적
Fabric and mineral analysis of soils
2020-07-28
[12]
서적
Handbook of Soil Science
https://books.google[...]
[13]
서적
Fabric and mineral analysis of soils
2020-07-28
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