국가농림기상센터

농업기상학

제목: 물

작성일: 2019-11-05
조회수: 3126

제4장 물

1. 물의 특성

물은 식물 세포를 구성하는 주요 물질로서 여러 가지 목적으로 이용되고 있다. 물은 세포 내 염류의 확산 매질인 동시에 용매로서 생화학반응에 참여한다. 또 물은 압축해도 부피가 늘지 않으므로 흡수한 세포는 팽윤하여 세포 내 압력을 유발하므로 식물체를 지지할 수 있게 한다. 뿐만 아니라 증발잠열, 비열, 열전도율이 커서 온도 조절 목적으로 쓰임새가 많다. 이 밖에도 물의 극성은 다른 극성 물질을 용해시키고, 특히 이온에 대한 용매로서 매우 알맞은 성질이다.

1.1 물리학적 특성

물 분자와 같이 양성자 10개, 전자 10개를 가진 물질들(CH₄, NH₃, HF, Ne) 가운데 물은 유난히 비등점(boiling point)과 융해점(melting point)이 높다(그림 4-1).
즉, 생물학적 과정이 일어나는 0∼50℃ 사이에 액체 상태로 존재하는 물질은 물뿐이다. 이것은 물 분자 사이에 수소결합(hydrogen bonding)이라고 하는 강력한 인력이 작용하기 때문이다. 물 분자는 H-O-H 결합인데, 산소원자는 전기적 음성도가 강하여 수소원자로부터 전자를 끌어당기므로 부분적인 음전하를 띤다. 반면 두 개의 수소원자는 부분적인 양전하를 띠므로 인접한 다른 물 분자의 산소원자와 정전기적 인력이 작용한다(그림 4-2).
이 인력이 물 분자 간 수소결합을 형성하며, 결합 에너지는 20kJmol^-1이나 된다. 물 분자 간 결합은 액체용매의 질서도(order)를 증가시키므로 국소적으로 물이 결정체 모양으로 나타나며 용액상에서 분자간 상호 작용이나 방향성을 결정하는 중요한 조건이 된다.
모든 물 분자들이 수소결합에 의해 상호 결합되어 있는 상태가 바로 얼음이다. 얼음의 융해열은 0℃에서 6.03kJmol^-1인데, 이것은 물 분자 한 개당 두 개씩의 수소결합이 존재함을 상기할 때, 총 40kJmol^-1 가운데 15%에 해당한다. 따라서 0℃의 물은 85%의 수소결합이 온전한 상태로 남아 있게 된다. 나아가 0℃ 물을 25℃까지 데우는 데는 (0.0754kJmol^-1)(25℃)=1.9kJmol^-1 이 소요되므로 25℃의 물은 80% 이상의 수소결합이 풀리지 않은 상태라 할 수 있다. 만약 25℃ 물에 남아 있는 수소 결합을 모두 해체하기 위해서는 (0.80)(40kJmol^-1) = 32kJmol^-1 이 필요한데, 물의 증발잠열 44kJmol^-1@25℃의 73%가 바로 이 수소결합의 해체에 쓰인다는 뜻이다. 참고로 나머지는 van der Waals 의 힘을 극복하고 부피 팽창에 쓰이는 에너지이다.
이 밖에도 물의 물리학적 특성으로는 강력한 표면장력, 모세관 상승, 인장강도, 전기 음전도 등을 들 수 있다.

1.2 물의 화학적 퍼텐셜

화학적 퍼텐셜(potential)이란 어떤 물질의 열역학적인 자유 에너지를 가리키며, 이는 일에 쓰일 수 있는 에너지이다. 동식물은 생존을 위해 자유 에너지를 지속적으로 사용해야만 하는데, 만약에 자유 에너지의 발생원을 제거한다면 생물은 평형 상태로 전이되어 결국에는 생명이 멈추게 된다. 이 자유 에너지의 근본적인 발생원은 태양이며 광합성은 복사에너지를 자유 에너지로 변환하는데, 이 자유 에너지는 먼저 중간 형태인 ATP같은 에너지 교환 매체 속에 저장되었다가 CO₂와 H₂O가 반응하여 생성되는 탄수화물의 화학결합 속에 저장된다. 광합성의 역반응인 호흡과정에서 자유 에너지는 다시 ATP 같은 에너지 교환매체로 변환된다. 아미노산의 세포 내 수송, 혈액순환, 두뇌의 전기 활동, 혹은 무거운 물체를 들어올리는 등 모든 생물학적 일들은 이 자유 에너지에 의해 가능하게 된다. 따라서 분자 수준으로부터 지구 규모에 이르기까지 모든 생물학적 과정에 있어서 자유 에너지의 양은 시간이 지남에 따라 줄어들게 마련이다.
한 시스템 내의 모든 화학 성분에는 각각 해당하는 자유 에너지가 있으며, 어떤 성분 mol 당 자유 에너지를 그 성분의 화학적 퍼텐셜이라고 한다. 따라서 하나의 물질이 여러 성분으로 구성된 경우 이 물질의 화학적 퍼텐셜은 그 성분 조성에 의해 결정되는데, 덧붙여 다른 요인들도 관여하고 있다. 여기서 각 성분별 자유 에너지의 크기에 영향을 주는 환경적 요인에 대해 생각해 보자. 우선 화학적 퍼텐셜은 시스템의 <임의성> 혹은 <무질서도(randomness)>, 즉 엔트로피에 의존한다. 농도는 이 임의성의 정량적 표현이다. 다시 말해 수동적 확산 과정에서 전기적으로 중성인 분자들이 한 위치에서 다른 위치로 자발적인 이동을 하고 있다면 이들은 반드시 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 가고 있을 것이다. 즉, 이 분자들은 화학적 퍼텐셜이 낮아지는 방향으로 진행하는 것이다.
Fick의 확산방정식은 이러한 화학적 퍼텐셜 개념을 내포하고 있다고 볼 수 있다. 화학적 퍼텐셜은 또한 압력, 구체적으로 유체의 압력에 의해 달라진다. 예컨대 혈관 속의 혈액, 송유관 속의 기름, 목부 내의 수액은 압력차에 따라서 자발적인 이동 방향이 결정되는 것이다. 이밖에도 전하를 띤 물질의 경우 전위차가 보다 중요한 수송의 구동력이 된다. 또한 수고(樹高)가 높은 나무에 있어서는 중력도 무시 못할 영향 요인이다. 종합적으로 화학적 퍼텐셜은 농도, 압력, 전위차, 중력에 의해 결정된다고 생각할 수 있다. 이것을 식으로 나타내면 다음과 같다.

(4.1)

여기서 는 어떤 성분 j의 화학적 퍼텐셜(Jmol^-1), 는 기준상태에 있어서 j의 화학적 퍼텐셜(Jmol-1), R는 기체상수, T는 절대 온도, 는 농도, 는 lmole의 부피, 는 전하수, F는 패러데이 상수, E는 전위차, 는 질량, g는 중력 가속도, h는 기준점에서의 높이이다.
는 성분 j가 어떤 기준 상태에서 갖는 화학적 퍼텐셜로 미지항이지만 우리가 관심을 갖는 것은 , 즉 화학적 퍼텐셜의 상대적인 값이며, 어떤 경우에나 는 동일한 값이므로 실용상 문제가 되지 않는다. 성분 j가 물인 경우 액체용액에 용질이 존재하면 상대적으로 물의 <농도>가 낮아지는 것을 의미하므로 물의 화학적 퍼텐셜은 낮아진다. 이것은 이 용액의 삼투압(Π)이 높이지는 것을 뜻하므로 다음 관계가 성립된다.

(4.2)

여기서 아래첨자 w는 물을 의미하며, 용질이 가해질수록 순수한 물(a_w=1.0)보다 a_w는 낮아진다. 따라서 RT ln a_w는 전체적으로 음의 값을 갖는다. 반면 용질이 가해지면 삼투압은 높아지는데 부호는 항상 양이다. 물은 전하를 띠지 않으므로 z_w=0, 당연히 z_jFE 항은 소거된다. 물의 밀도는 1,000kg m-^{3?/sup>이므로 1mole, 혹은 18.0×10^-3kg의 물이 더해지면 물의 부피는 18.0×10^-6m³씩 증가한다. 즉, 이다. P는 대기압과 액체용액의 내부압력 간 차이를 가리킨다. 종합적으로 물의 화학적 퍼텐셜은 다음과 같이 나타낼 수 있다.}

^(4.3)

여기서 는 1mole의 물을 시스템 내의 한 지점에서 기준 상태(대기압, 시스템과 동일 온도, 중력측면에서 높이가 0)의 순수한 물에 도달하도록 하는데 필요한 일을 가리킨다. 식물에 있어서 수분생리를 다룰 때 흔히 사용하는 물 퍼텐셜(Ψ)은 1mole 대신 단위 부피를 기준으로 표현한 것인데,

(4.4)

이다. 여기서

는

로서 물의 밀도를 가리킨다. 이 식은 삼투압이 커질수록 물 퍼텐셜은 낮아지고, 수압이 커지면 그 반대임을 보여준다. 토양 수분을 대상으로 할 경우에 P는 τ(matric potential)로 대치되며, 이는 물과 토양 입자 경계에서 생성되는 부의 압력(tension=negative hydrostatic pressure)이므로 작아질수록 물 퍼텐셜은 낮아진다. 관례적으로 물 퍼텐셜의 성분을 나타낼 때

등으로 표기한다. 즉,

가 된다.
수증기의 물 퍼텐셜은 수증기의 분압에 따라 달라지는데 다음 식으로 간단히 나타낼 수 있다.

(4.5)

여기서 RH는 상대습도(단위:%)이다. 순수한 물의 표면에서는 기체상태 물과 액체 상태 물의 화학적 퍼텐셜은 동일하며 그 값은 0이 될 것이다. 수면으로부터 연직상방으로 올라갈수록 ρ_wgh 항은 양의 방향으로 커지므로 다른 항은 반드시 음의 방향으로 작아지게 된다. 그러나 식물체를 대상으로 할 경우 h가 1km에 이르더라도 수증기 분압의 감소는 7%에 머물러 중력 퍼텐셜의 의미는 그리 크지 않음을 알 수 있다.
식물체 내 혹은 토양 공극(空隙)의 수증기나 잎-대기 경계면에서의 수증기를 고려해 보면 상대습도값의 변화에 따라 수증기의 물 퍼텐셜은 매우 큰 범위에서 변함을 알 수 있다. 예컨대 20℃에서

는 135MPa인데 RH가 100%일 때의 물 퍼텐셜이 0인 경우부터 50%일 때 -93.6MPa까지 내려간다. 상대습도가 99.6%에 도달하여도 수증기의 물 퍼텐셜은 -0.54MPa(즉 -5.4bar)에 머물러 일반적인 식물체 내 물 퍼텐셜 범위인 -0.3내지 -3MPa을 고려한다면 대기 중 상대습도가 아무리 높더라도 식물체 내의 물은 끊임없이 대기 중으로 유출될 수 있음을 짐작케 한다. 사막에서 자생하는 식물들 가운데는 엽 수분 퍼텐셜이 -5.5MPa에 달하는 것도 있는데, 이 경우일지라도 대기 습도가 96%까지 올라가지 않는 한 증산에 의한 수분손실을 막을 수는 없다.

2. 경지의 물수지

식물을 포함한 모든 생물의 체내에 있어서 물질운송(양분, 호르몬, 생성물 등)은 물을 매개로 혹은 그의 이동에 수반하여 이루어지고 있다. 개체의 내부 뿐만 아니라 생태계 내부에 있어서 여러 가지 물질도 물의 이동에 따라 운반되고, 그것에 의해 개체나 생태계의 생명 활동이 유지되고 있는 것도 많다. 이와 같이 이동한다고 하는 점이 물의 중요한 성질로 되어 있다. 지구상에 있어서 물의 이동은 먼저 증발에서 시작된다(그림 4-3). 태양 에너지에 의해 잠열을 얻어서 해양이나 육지에서 증발한 물은, 대기 중으로 응결하여 잠열을 방출하며 재차 해양이나 육지에 돌아온다. 육지에 돌아온 물은 토양 중이나 생물체 내 등의 여러 가지 경로를 거친 뒤, 다시 증발하여 대기로 나간다. 이와 같이 물은 태양 에너지를 매개로 하여 지표면과 대기 사이를 끊임없이 순환하고 있다. 그러한 물순환 속에서 여러 가지 물질과 에너지의 흐름이 생기고, 지구상의 생명 활동이 지탱되어 가고 있다.
경지는 지구상 물순환계의 일부이고, 이곳의 물 흐름은 작물의 생육이나 수량에 커다란 영향을 ********다. 경지에 있어서 물의 흐름은 여러 가지 과정을 함축하고 있고, 이들이 상호 강력하게 연관되어 동시에 진행되고 있다. 이것을 전체적으로 파악하고 평가하는 데는 경지의 물수지를 생각하여 보면 알기 쉽다. 물수지란 질량의 보존법칙을 물에 대해 적용한 것이다. 질량의 보존법칙에 의하면 물질은 새롭게 생기거나 소멸하거나 하는 일은 없고, 상태가 변화하거나 장소가 이동하는 것뿐이다. 이 원리에 따라 경지에의 물의 유입, 유출, 저류 변화의 제반 질량 관계를 나타낸 것이 물수지 식이다.
물수지를 가장 단순한 모양으로 표현하면 다음과 같이 된다.

(4.6)

여기서, 은 어떤 일정기간에 대상 경지에 유입된 물의 양, 은 유출된 물의 양이다. 이 기간의 경지의 수분량 변화를 로 표시하고 있다. 대상으로 하는 토양의 깊이는 임의이나, 농업면에서 생각하면 근권의 깊이 정도가 적절할 것이다. 이제 밭토양에 주어진 강수 혹은 관개수의 행방을 생각해 보자. 강수의 어떤 부분은 토양 중에 침투하며 잔여분은 지표상에서 흘러나간다(runoff, 유거). 토양 중에 침투한 물은 토양면을 통하여 증발하거나 식물에 의해 흡수된 후에 잎에서 증산되고, 어떤 것은 더 깊은 토층으로 배수된다. 나머지는 토양 중에 저장된다. 경우에 따라서는 심층의 토양에서 상승 보급되는 것도 있을 것이다. 이것들이 ,의 각각을 구성하게 된다. 즉, 를 토양 수분량의 변화라고 하면 식(4.6)은 다음 식과 같이 고쳐 쓸 수 있다.

(4.7)

는 강수량, 는 관개수량, N은 순표면 유출수량(유출량과 유입량의 차), E는 증발량, T는 증산량, D는 심층 배수량(상승 보급일 때는 부의 값으로 한다)을 각각 나타낸다.
같은 방법으로 담수하의 논에 있어서 물수지를 생각해 보자. 토양은 물로 포화되어 토양 수분량 변화는 무시되므로 경지의 수분량 변화는 담수량의 변화로서 나타난다. 따라서 식(4.7)은 를 담수량 변화로 바꿔 읽으면 이것이 논의 물수지 식으로 된다.
물수지의 이론은 단순하지만 와 를 제외한 각 항의 추정은 그렇게 용이하지 않다. 특히 측정이 어려운 것은 E와 T인데, 양자를 구별하여 측정하는 것도 곤란하기 때문에 일괄하여 증발산량(ET)으로서 취급하는 일이 많다. 앞에서 경지에 있어서 열수지가 기술되었으나, 열수지의 잠열항과 물수지의 증발산항은 같은 현상을 에너지 보존과 질량보존이라는 양 측면에서 나타낸 것이다. 이와 같이 포장에 있어서 열과 물의 흐름이 서로 밀접하게 결합된 불가분의 관계에 있는 것을 잊어서는 안된다.

3. 토양 중의 수분

토양은 여러 가지 크기의 토립자와 생물유체 및 그 부식물 등이 복잡하게 얽혀서 골격을 형성하고 있다. 이들을 제외한 공간을 공극(空隙)이라 하는데, 토양 공극은 좁고 구불구불한 무수한 관(직경은 수 ㎛에서 mm에 이른다)이 서로 종횡으로 연결된 형태를 취하고 있다고 생각해도 좋다. 토양 공극은 물과 공기가 존재하는 공간이며 동시에 이동하는 통로이다. 이와 같이 토양은 고상, 액상, 기상의 삼상으로 되나, 그곳에 들어 있는 수분의 양은 장소나 시간에 따라 크게 달라진다.
수분의 양을 표현하는 방법으로서는 고상질량 m_s에 대한 액상질량 m_w의 비를 딴 함수비

(4.8)

및 어떤 토양 체적 에 포함되는 액상체적의 비율을 나타내는 체적 함수율

(4.9)

의 두 가지가 자주 사용된다. 여기서 ρ_d(g cm^-3)는 흙의 가비중(m_s/V_t), ρ_w(g cm^-3)는 물의 비중이다.

3.1 토양 중의 수분함량 측정

3.1.1 노건법
토양 수분을 결정하는 가장 일반적인 방법으로, 채토 시료(습토)의 질량을 측정한 후 105℃로 건조시켜(24시간 정도), 건토의 질량을 측정한다. 양자의 차가 액상의 질량으로 식(4.8)에 의해 함수비가 구해진다. 또 미리 일정 체적(V_t)를 샘플로 채취하여 두면 건조밀도(ρ_d = m_s/V_t)가 즉시 구해지고, 식(4.9)에서 체적 함수율이 구해진다.

3.1.2 전기저항 측정
전극을 봉입한 석고, 나일론, 유리섬유 등의 블록을 흙 중에 매설하여 토양수와 평형시킨 다음 전기저항을 측정한다. 미리 구해 둔 저항치와 수분량 간의 관계로부터 수분량을 구한다. 단, 토양수 중의 염류가 저항치에 주는 영향, 석고의 변질 등에 주의할 필요가 있다.

3.1.3 유전율
흙의 유전율이 수분량에 의해 달라지는 것을 이용한다. 전극을 직접 토중에 매설하여 고주파 영역(30∼200MHz 정도)으로 유전율을 측정하고, 미리 구하여 둔 수분량과의 관계식에 의해 수분량을 구한다.

3.1.4 중성자 산란
중성자는 수소원자와 충돌하면 현저하게 감쇄한다. 토양 중 수소원자는 주로 토양수 중에 존재하므로 중성자가 감쇄하는 형태를 통해 수분량 변화를 추정할 수 있다. 그러나 공간 분해능이 낮아 수십 cm 정도 영역의 평균치가 얻어질 뿐이다.

3.1.5 기타
감마선의 투과나 반사가 수분량에 따라 틀리는 것과, 토양의 열전도율이나 열용량이 수분과 함께 증가하는 것 등을 이용하여 수분량을 구하는 방법도 시행되고 있다.

3.2 토양의 물 퍼텐셜

지금까지 기술한 수분량은 어디까지나 물의 존재량을 규정할 뿐이다. 그러나 식물이 시드는 때의 수분량을 비교해 보면, 점질토양 쪽이 사질토양보다 훨씬 많은(수배 이상의 경우도 있다) 수분을 포함하고 있다. 이와 같이 토양 수분을 평가하기에는 그 수분 상태의 질적인 척도인 물퍼텐셜을 포함시킬 필요가 있다.
토양수의 퍼텐셜은 매트릭 퍼텐셜 과 삼투 퍼텐셜의 두 성분으로 구성되어 있다. 토양이 물로 포화된 경우를 제외하면 토양수는 토양 공극에 발생하는 표면장력이나 토립자 표면에 있어서 흡착력의 영향을 받아 대기압보다도 낮은 압력 상태를 취한다. 이러한 압력의 저하분이 매트릭 퍼텐셜이며, 완전하게 포화되어 있을 경우 0, 수분이 감소함에 따라 음의 값(부압, 즉 대기압하의 물을 접촉시킨 경우에 흡인하려는 압력)을 취한다. 매트릭 퍼텐셜은 토양 구성입자와의 상호작용에 의한 토양수의 화학 퍼텐셜 저하분에 상당한다. 한편, 토양수의 퍼텐셜은 용질이 녹아듦에 따라 저하되므로 삼투 퍼텐셜을 고려해야 하지만 그 농도가 극히 낮으므로 실용상 무시할 수 있다.
물 퍼텐셜의 절대값을 cm 단위의 수두압(水頭壓 : 수주의 높이로 환산한 압력)으로 표시하고 상용대수를 취하여 pF값이라고 부르기도 한다. 예를 들어서 Ψ=-1bar=-10⁶dyne cm^-2인 경우에 cm로서 pF값은 이 된다.
수분 퍼텐셜값과 이 때 토양 중에 유지되는 수분량 간 관계를 나타낸 것이 수분 특성 곡선인데(그림 4-4), 토양의 보수성, 토양수의 이동을 생각할 때 기본이 되는 정보이다.
토양의 보수성과 연관된 기술적으로 중요한 개념들을 수분상수라 한다. 이것은 작물이 이용하는 관점에서 토양수를 계급화한 것이다(그림 4-5).
경지의 토양 수분 상태를 연속적으로 측정하는 방법에는 텐시오미터법이 가장 일반적이다. 이것은 매트릭 퍼텐셜 성분을 직접 측정하는 방법이다. 장치는 세라믹 컵과 그것에 연결되는 압력계로 구성된다. 세라믹 컵이 토양과 밀착하도록 설치하면 컵 안의 물과 토양수는 압력평형에 도달한다. 이 때의 압력계를 읽은 값이 매트릭 퍼텐셜이 된다. 측정은 실용적으로 -0.6∼-0.7bar 까지가 한도이므로 건조하기 쉬운 밭토양에서는 사용에 제한점이 많다.
다른 측정법으로서 토양수와 평형인 수증기압을 측정하여 이것의 수분 퍼텐셜을 구하는 사이크로미터법이 있다. 사이크로미터법으로서는 삼투 성분도 포함한 완전한 수분 퍼텐셜이 측정된다(그림 4-6).

3.3 토양 중의 수분 이동

3.3.1 포화토양 중의 물의 흐름
담수한 논과 같이 공극이 물로 채워지고 포화되었을 경우, 물의 압력과 중력의 작용에 의해 물의 흐름이 일어난다. 이 때 흐르는 수량은 다음의 Darcyqjqclr에 의해 나타낸다.

(4.10)

여기서 q(cm s^-1)는 단위토양 단면을 단위시간에 통과하는 물의 체적(체적 flux), Q(㎤s^-1)는 유량, A(㎠)는 단면적, K(cm s^-1)는 (포화)투수계수, ΔH(cm)는 ΔL의 양단에 걸치는 전수두(수주 높이로 나타낸 물의 압력, 즉 수두압과 중력 퍼텐셜의 합)의 차, ΔL(cm)은 토양층 두께, 그리고 ΔH/ΔL은 전수두 구배이다. Darcy 법칙을 열전도에 있어서 Fourier 법칙과 비교하면, 양자가 같은 모양을 하고 있는 것을 알 수 있을 것이다. 각각의 법칙에서 전수두 구배나 온도 구배가 흐름의 구동력이 된다. 투수계수는 각각의 토양에 특유한 물성치이고 공극의 양이나 직경에도 관계가 있다. 그 예로서 모래에서는 10^-1∼10^-2, 화산회 토양에서는 10^-2∼10^-3, 중점토에서 10^-5cm s^-1 보다도 작은 값을 갖는다. 이 법칙은 논의 담수심 저하나 지하수면 아래쪽 토양의 물 흐름 등을 알기위해 쓰인다.

3.3.2 불포화 토양 중 물의 흐름
논이나 지하수면하라는 특수한 경우를 제외하면, 토양수의 흐름은 거의가 불포화토양 중에 생기고 있다. 토양이 불포화 상태면 토양수의 매트릭 퍼텐셜이 저하한다. 매트릭 퍼텐셜은 토양수가 나타내는 (부의) 압력이고, 토양이 습해서 매트릭 퍼텐셜이 큰 곳(압력이 높은 곳)에서, 건조하여 매트릭 퍼텐셜이 작아진 곳(압력이 낮은 곳)으로 향하여 토양수는 이동하려고 한다.
또 당연한 것이지만, 중력은 위치가 높은 곳에서 낮은 방향으로 물을 이동시키려고 한다. 양자, 즉 부의 압력과 중력의 작용에 의해 불포화토양 중의 수분이 이동한다. 물은 수주 높이로 나타낸 매트릭 퍼텐셜과 중력 퍼텐셜의 합이 큰 쪽에서 작은 쪽으로 이동한다. 수평 방향의 이동이면 중력 퍼텐셜은 무관하고, 각 지점의 매트릭 퍼텐셜이 같아질 때까지 물이 이동한다.
불포화 토양 중 물의 플럭스에 대해서도 Darcy 법칙이 확장된다. 구동력으로 되는 것은 양 지점 간의 매트릭 퍼텐셜과 중력 퍼텐셜 합의 구배이고, 포화시의 전수두 구배에 대응한다. 불포화 흐름에 있어서 근본적으로 다른 점은 투수계수가 수분량에 의해 크게 변화하는 점이다. 투수계수는 통수 공극의 수나 직경에 의존하기 때문에 포화시에 최대로되며 수분이 감소함에 따라 급격히 작아져 특히 불포화 투수계수로 불린다(그림 4-7). 불포화 토양 중의 흐름의 해석은 포화의 경우에 비해 복잡하나, 상기 Darcyqjqclr과 연속방정식(질량보존의 일례)을 조합시켜 수치 계산하면 다양한 조건하에서의 흐름을 예측할 수 있다.

3.3.3 수분 이동의 여러 사례
포장에 있어서 토양수의 이동은 대기의 조건이나 식물의 활동에 대응하여 매우 복잡한 양상을 나타낸다. 여기서는 이들의 이동을 몇 개의 유형으로 분해하여 생각해 보자. 그러나 현실세계의 실제 이동은 이처럼 단순하지 않고 외부의 변화에 따라 몇 개의 유형이 중복되어 나타난다는 것을 잊어서는 안 된다.

◈침윤
토양 중에 물이 스며드는 현상으로 물의 진행 방향에 물이 도달한 부분과 미도달 부분의 경계를 이루는 것처럼 보이는 전선이 형성된다. 처음에는 토양도 건조해 있어 매트릭 퍼텐셜의 구배도 크나, 습윤역이 깊어질수록 0에 가까워지므로 중력 퍼텐셜 구배만으로 물 이동이 일어나게 된다. 이 때문에 침투능(지표면으로부터 스며드는 물의 플럭스)은 처음에 크다가 점차 작아지고 일정치(최종 침투능)에 가까워진다(그림 4-8). 침투능 i(cm·sec^-1)는 다음 식으로 표현된다.

(4.11)

여기서 s는 토양과 침윤 조건에 관계하는 상수, t는 시간, ic(cm s^-1)는 최종 침투능으로서 침윤부의 투수계수와 비슷할 경우가 많다. 강우나 관수가 침투능을 넘는 경우에는 지표에 담수가 생기고 표면 유거(表面流去, surface runoff)가 일어난다.

◈침윤 정지 후의 물의 이동
지하수위가 깊은 곳에서는 침윤 전선이 지하수면까지 도달하지 않고 어떤 깊이까지 침윤층이 형성된 시점에서 침윤이 완료된다(그림 4-9). 이후 침윤층의 물은 아래로 흐르고 침윤층의 수분이 감소되면서 아래로 퍼져간다. 지하수위가 높아서 침윤 정지시에 전선이 지하수면에 도달해있는 경우에는 토양수는 지하수면을 향해 하강하여 평형 상태가 된다(그림 4-10).

◈증발에 따르는 수분 이동
충분한 강우 뒤 포화에 가까운 토양에서 일어나는 증발은 대기 조건(일사, 풍속, 온습도)에 의해 결정되고, 대기 조건이 일정하면 증발 속도도 일정한 추세를 보인다(이와 같이 대기 조건만이 제한조건인 때의 증발속도를 증발능이라고 함). 그러나 토양의 건조가 진행되면 어떤 시기에서 증발 속도가 줄어들기 시작한다. 전자를 항률건조기, 후자를 감률건조기라고 한다.
토양이 건조하면 불포화 투수계수 K는 낮으나, 토양 표면의 건조에 의해 매트릭 퍼텐셜 구배는 증가한다(그림 4-11). 이 구배 증가가 K 감소분을 보충하고 증발면에 충분한 물을 보급할 수 있는 동안은 대기 조건이 증발 속도를 결정하므로 항률건조기로 된다. 그러나 건조가 계속되어 불포화 투수계수가 더 떨어지면 증발면에의 수분 보급, 즉 토양의 수분 이동이 제한 인자가 되어 감률건조기에 들어선다.
항률기의 지속기간은 토성에 의해 크게 달라지는데 사질토양보다도 점질토양 쪽이 훨씬 길다. 이것은 통상의 수분 상태에서는 수분감소에 따른 불포화 주수계수의 저하가 사질토양에서 훨씬 크기 때문이다. 가물 때 토양 수분을 보존하기 위해 지표면을 갈아엎는 일이 있는데, 이것은 토양 구조를 엉성하게 하여 불포화 투수계수를 저하시키는 효과가 있다.

◈뿌리에 의한 흡수에 따른 수분 이동
식물은 뿌리에서 흡수하여 잎에서 대기 중으로 물을 증산시킨다. 뿌리가 흡수할 수 있는 것은 토양보다도 낮은 수분 퍼텐셜을 가지기 때문이며, 더 낮은 수분 퍼텐셜을 가진 잎이나 대기를 향하여 물은 이동하여 간다. 이러한 물 이동은 제9장에서 논의되는 SPAC(토양-식물-대기 연속계)이라 불리는 동적 시스템 속에서 이해되어야 한다. 식생이 없는 경우에는 토양면에서의 증발이 토양수의 흡원(sink)이었다.
그러나 식생하에서는 토양면에 덧붙여 뿌리 표면에도 흡원이 있기 때문에 깊은 곳까지 수분 감소가 생기기 쉽고, 또 감소 속도도 빠르다(그림 4-12). 뿌리로 향하는 물의 흐름은 역시 불포화의 흐름이고, 뿌리 부근 토양의 매트릭 퍼텐셜 구배와 불포화 투수계수에 의해 정해진다. 이 곳의 건조가 진행될 경우 증발 때와 같이 흡수면에의 수분 보급이 불충분하게 되고 흡수가 제한되어 생육에도 영향을 준다.

4. 대기 중의 수분

4.1 대기 습도의 표현

대기압 P, 기온 T, 부피 V 그리고 질량이 m인 공기 덩어리가 있다고 생각하자. 이 공기의 밀도는 으로 표현할 수 있다. 만약 이 공기 덩어리 속에 수증기가 포함되어 있다면 수증기만의 질량 는

(4.12)

로 나타낼 수 있다. 여기서 는 물의 분자량(18.016g mol^-1)이다.
수증기를 제외한 건조 공기만의 질량은

(4.13)

가 되는데 이 때 는 건조 공기의 분자량(28.966g mol^-1)이다. 따라서 이 공기 덩어리의 전체 질량은

(4.14)

가 된다 건조 공기에 대한 수증기 분자량의 비(ε)는 18.016/28.966=0.622이므로 상기 공기의 밀도 계산식은 다음과 같이 바뀐다.

(4.15)

대기 중의 수증기 함량을 표현하는 방법은 매우 다양한데 공기 덩어리 전체 질량에 대한 수증기의 질량비를 비습(specific humidity)이라하며, 다음 식으로 정의된다.

(단위 : kg kg^-1)

(4.16)

Dalton의 분압법칙에 따르면 기압 P는 주로 질소와 산소로 이루어진 건조 공기에 의해 발생되는 와 수증기에 의해 생기는 수증기압 로 구성된다. 관행적으로 수증기압은 대신 로 표현하므로 로 쓸 수 있다.
비습과 수증기압 사이에는 다음 관계가 성립한다.

(4.17)

한편, 공기 덩어리 전체의 부피에 대한 수증기 질량의 비를 절대습도라 하며, 다음 식으로 정의된다.

(단위 : kg m^-3)

(4.18)

또한 공기 덩어리 속에 들어 있는 건조 공기 질량에 대한 수증기 질량비를 혼합비(mixing ratio)라고 하며, 다음 식으로 정의된다.

(단위 : kg kg^-1)

(4.19)

여기서

이며,

는 P에 비하여 매우 작기 때문에

의 근사식이 많이 쓰인다.
밀폐된 용기 속에서 자유수면과 접해 있는 공기는 증발-응결과정을 반복하다가 궁극적으로 평형 상태에 도달하는데, 이 때의 수증기압을 포화 수증기압이라고 한다. 포화 수증기압은 온도상승과 함께 지수함수적으로 증가하는데(그림 4-13), 경험적으로 얻은 다음 근사식에 의해 그 값을 추정할 수 있다.

(단위 : hPa)

(4.20)

실생활에 널리 쓰이는 상대습도는 현재 온도에서 포화 수증기압에 대한 실제 수증기압의 비를 백분율로 나타낸 것이다. 상대습도는 항상 온도와 함게 사용될 때만 정량적인 작업에 유효하다.
포화 수증기압과 실제 수증기압 간의 차를 포화 수증기압차, 혹은 줄여서 포차(vapor pressure deficit)라 한다. 포차는 공기의 대략적인 건조력을 의미하며 증발산 속도 역시 포차의 크기로부터 대충 추정이 가능하다.
현재 주어진 기온을 가진 공기 덩어리가 부피와 압력을 그대로 유지한 때 포화 상태로 가기 위해서는 온도를 낮추는 수밖에 없다. 이렇게해서 응결이 일어났을 때 이 공기가 가진 온도를 이슬점 온도, 혹은 줄여서 노점(露點, dew point)이라 부른다. 노점 이하로 계속 온도를 떨어뜨리면 과잉의 수증기는 이슬로 맺히게 된다. 수증기압으로부터 노점을 추정할 수 있는 경험식은 다음과 같다(일본농업기상학회, 1988).

(4.21)

여기서 는 노점온도(℃), 는 수증기압(hPa)이다.

4.2 접지층의 습도 구조

대기 중 수증기의 급원(source)은 육지 표면이나 해수면이므로 지표 부근에 풍부하고 위로 올라갈수록 농도가 낮아진다. 특히 대류권을 벗어나기 전에 구름으로 응결되거나 강수에의해 되돌아오므로 지구상에 커다란 수문학적 순환계를 형성한다. 농경지에서는 주간에 증발산에 의해 대기 중에 수증기를 공급하며, 야간에는 응결에 의해 일부를 되돌려 받고 있으므로 일중 수증기압의 변화 추세는 그림 4-14와 유사하다. 하지만 상대습도로 표현하면 이 추세는 반전되어 야간에 가장 높다(그림 4-15). 상대습도값은 기온과 달리 일평균값을 계산할 때 최고와 최저값의 중간을 취해서는 안된다. 이는 기온에 대한 상대습도의 의존 양상이 직선적이지 못하기 때문이다.

4.3 이슬

대기 중 수증기, 혹은 대기 습도는 식물의 수분대사와 밀접한 관련이 있으므로 별도의 장에서 다루도록 하고, 여기서는 이슬의 농업적 의미에대해 언급하겠다. 건조 지역에서는 이슬이 식물의 이용가능 수분으로서 상당한 중요성을 갖는데, 캐나다 밴쿠보에서는 여름철 강수량의 12∼14%가 이슬에 의해 공급된다고 하며, 미국의 워싱턴주에 흔한 다글라스 전나무 숲은 요수량의 20%를 이슬로부터 얻는다고 한다. 그러나 우리나라와 같은 습윤기후 지역에서는 이슬에 의한 식물병 발생에 더 큰 관심을 가질 수밖에 없는데, 벼의 도열병이나 감자역병 발생을 예찰하기 위해서는 기온과 함게 엽면 습윤 지속시간이 중요한 요소로 알려져 있다. 기상청 정규관측소에서는 이슬의 양이나 결로 여부를 측정하지 않으므로 <상대습도가 90% 이상이면 식물잎에 이슬이 맺힌다>는 간단한 판별법 등, 표준 기상자료로부터 엽면결로 여부를 추정하는 방법이 개발되어 왔다(Gleason et al., 1993). 최근에는 데이터로거에 연결하여 간단하게 이슬을 검지할 수 있는 수감부가 무인 기상관측 장비와 함께 보급되고 있다.

4.4 대기 습도 측정법

대기 중의 수증기 함량을 측정하는 장비를 습도계(hygrometer)라고 통칭하지만, 널리 이용되고 있는 것들은 측정 원리에 따라 다섯 종류로 분류할 수 있다.
건습구습도계(psychrometer)는 사실상 두 개의 온도계로 구성되며 건구 온도와 습구 온도를 동시에 측정하여 다음 식에 의해 수증기압을 계산하도록 되어 있다.

(4.22)

여기에서 T와 T_w는 건구와 습구 온도(℃), P는 대기압, e_a는 현재의 수증기압, e_s는 습구 온도에서의 포화 수증기압, 그리고 의 값을 갖는 상수(엄밀하게는 온도에 따라 다르며 반드시 3∼4 ms^-1 이상의 통풍 속도하에서만 상수임. 통상 0.000662를 쓰며 습구가 결빙되면 0.000583)이다. 가장 널리 사용되는 것은 전동식 팬을 부착한 Assman식 통풍 건습계이다. 그러나 군락 내부에서 사용할 때는 통풍에 의해 미기상이 교란되므로 미세 열전대선을 사용하는 등 특별한 디자인이 필요하다.
모발 습도계는 머리카락이 주변 습도에 따라 신축하는 성질을 이용한 것인데, 그 길이가 상대습도와 직선적인 관계에 있어 제작이 간편하고 실내에서 사용하기 좋다. 머리카락 길이는 물에 젖으면 오히려 수축하는 성질이 있으므로 야외에서는 사용하기 곤란하다.
노점 습도계는 노점 온도에 달한 거울면에 서리는 매우 얇은 수막을 광학적 방법으로 잠지함으로써 직접 노점을 측정하는 장비이다(그림 4-16). 거울을 냉각시키는 방법은 열전대 회로에서 인위적으로 전류를 흘리면 접점의 온도가 내려가는 소위 Peltier 효과를 이용한다.
수증기를 흡수(absorption)하거나 표면에 수증기가 흡착(adsorption)되면 그 화학적 혹은 전기적 성질이 변하는 물질이 있는데, 염화리튬을 적신 섬유는 대기 습도가 11% 이상이면 수증기를 흡수하기 시작하면서 전기저항이 감소한다. 특수 화학처리된 스티렌 수지는 그 표면에 수증기가 흡착되면서 역시 전기저항이 감소한다. 이들의 저항값을 측정하여 이미 작성된 상대습도-저항 곡선에서 그에 상당하는 상대습도를 찾아낸다. 이들은 통풍이나 천을 물에 적시는 등의 작업이 필요없으므로 무인 기상관측용 센서로 널리 쓰이고 있다.
적외선이 물분자에 잘 흡수되는 성질을 이용하여 적외선 기체분석기(infrared gas analyzer, IRGA)를 대기 습도 측정에 이용하기도 한다. 이 방법의 특징은 습도 측정값이 정확할 뿐 아니라 반응 속도가 매우 빠르다는 점이다. 매우 빠른 반응이 필요한 와상관법(eddy correlation)에는 다른 파장의 전자파를 이용한 습도계(예 : 121.56mm 의 Lyman-α)가 쓰인다.
이슬의 양은 전자 저울을 이용한 라이시미터(lysimeter)로 측정할 수 있지만 고가이며 구하기도 어렵다. 반면 이슬 지속시간은 인쇄회로기관(PCB)에 격자형 전극을 매설한 모조엽 방식의 수감부가 비교적 싼 가격에 보급되고 있어 식물병 예찰사업에 활용될 가능성이 높다. 그러나 이들의 표면 특성은 식물의 잎과는 큰 차이가 있어 자료의 해석에 주의 해야 한다.

【참고문헌】

·	일본농업기상학회(日本農業氣象學會) 관동지부(關東支部), 『농업기상(農業氣象)의 측기(測器)와 측정법(測定法)』, 농업기술협회(農業技術協會), 1988, p. 332.
·	이정택, 윤성호, 정영상, 「우리나라에 있어서의 벼군락 내의 열수지에 의한 이슬지속 시간의 추정」, 『농시논문집(토양비료편)』 31, 1, 1989, pp. 1-5.
·	황규홍, 윤진일, 「무인 기상관측용 결로센서의 건습전이저항 특성」, 『한국기상학회지』 32, 2, 1996, pp. 223-228.
·	Buck,A.L., New equations for computing vapor pressure and edhancement factor. Journal of Applied Meteorology 20, 1981, pp. 127-1532.
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·	Rosenberg,N.J., B.L.Blad, and S.B.Verma. Microclimate : the Biological Environment(2nd ed). Wiley, 1983, p. 495.

1.1 물리학적 특성

(4.1)

(4.2)

^(4.3)

(4.4)

이다. 여기서

는

등으로 표기한다. 즉,

가 된다.
수증기의 물 퍼텐셜은 수증기의 분압에 따라 달라지는데 다음 식으로 간단히 나타낼 수 있다.

(4.5)

(4.6)

(4.7)

(4.8)

및 어떤 토양 체적 에 포함되는 액상체적의 비율을 나타내는 체적 함수율

(4.9)

의 두 가지가 자주 사용된다. 여기서 ρ_d(g cm^-3)는 흙의 가비중(m_s/V_t), ρ_w(g cm^-3)는 물의 비중이다.
3.1 토양 중의 수분함량 측정

(4.10)

여기서 q(cm s^-1)는 단위토양 단면을 단위시간에 통과하는 물의 체적(체적 flux), Q(㎤s^-1)는 유량, A(㎠)는 단면적, K(cm s^-1)는 (포화)투수계수, ΔH(cm)는 ΔL의 양단에 걸치는 전수두(수주 높이로 나타낸 물의 압력, 즉 수두압과 중력 퍼텐셜의 합)의 차, ΔL(cm)은 토양층 두께, 그리고 ΔH/ΔL은 전수두 구배이다. Darcy 법칙을 열전도에 있어서 Fourier 법칙과 비교하면, 양자가 같은 모양을 하고 있는 것을 알 수 있을 것이다. 각각의 법칙에서 전수두 구배나 온도 구배가 흐름의 구동력이 된다. 투수계수는 각각의 토양에 특유한 물성치이고 공극의 양이나 직경에도 관계가 있다. 그 예로서 모래에서는 10^-1∼10^-2, 화산회 토양에서는 10^-2∼10^-3, 중점토에서 10^-5cm s^-1 보다도 작은 값을 갖는다. 이 법칙은 논의 담수심 저하나 지하수면 아래쪽 토양의 물 흐름 등을 알기위해 쓰인다.
3.3.2 불포화 토양 중 물의 흐름
논이나 지하수면하라는 특수한 경우를 제외하면, 토양수의 흐름은 거의가 불포화토양 중에 생기고 있다. 토양이 불포화 상태면 토양수의 매트릭 퍼텐셜이 저하한다. 매트릭 퍼텐셜은 토양수가 나타내는 (부의) 압력이고, 토양이 습해서 매트릭 퍼텐셜이 큰 곳(압력이 높은 곳)에서, 건조하여 매트릭 퍼텐셜이 작아진 곳(압력이 낮은 곳)으로 향하여 토양수는 이동하려고 한다.
또 당연한 것이지만, 중력은 위치가 높은 곳에서 낮은 방향으로 물을 이동시키려고 한다. 양자, 즉 부의 압력과 중력의 작용에 의해 불포화토양 중의 수분이 이동한다. 물은 수주 높이로 나타낸 매트릭 퍼텐셜과 중력 퍼텐셜의 합이 큰 쪽에서 작은 쪽으로 이동한다. 수평 방향의 이동이면 중력 퍼텐셜은 무관하고, 각 지점의 매트릭 퍼텐셜이 같아질 때까지 물이 이동한다.
불포화 토양 중 물의 플럭스에 대해서도 Darcy 법칙이 확장된다. 구동력으로 되는 것은 양 지점 간의 매트릭 퍼텐셜과 중력 퍼텐셜 합의 구배이고, 포화시의 전수두 구배에 대응한다. 불포화 흐름에 있어서 근본적으로 다른 점은 투수계수가 수분량에 의해 크게 변화하는 점이다. 투수계수는 통수 공극의 수나 직경에 의존하기 때문에 포화시에 최대로되며 수분이 감소함에 따라 급격히 작아져 특히 불포화 투수계수로 불린다(그림 4-7). 불포화 토양 중의 흐름의 해석은 포화의 경우에 비해 복잡하나, 상기 Darcyqjqclr과 연속방정식(질량보존의 일례)을 조합시켜 수치 계산하면 다양한 조건하에서의 흐름을 예측할 수 있다.
3.3.3 수분 이동의 여러 사례
포장에 있어서 토양수의 이동은 대기의 조건이나 식물의 활동에 대응하여 매우 복잡한 양상을 나타낸다. 여기서는 이들의 이동을 몇 개의 유형으로 분해하여 생각해 보자. 그러나 현실세계의 실제 이동은 이처럼 단순하지 않고 외부의 변화에 따라 몇 개의 유형이 중복되어 나타난다는 것을 잊어서는 안 된다.

(4.11)

4.1 대기 습도의 표현

대기압 P, 기온 T, 부피 V 그리고 질량이 m인 공기 덩어리가 있다고 생각하자. 이 공기의 밀도는 으로 표현할 수 있다. 만약 이 공기 덩어리 속에 수증기가 포함되어 있다면 수증기만의 질량

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