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문제 정의
- 특히, 토양수분 함량에 큰 영향을 미치는 토양 표면에서의 물의 침투 (infiltration)특성이나 토양 단면 내에서의 투수 (permeability)특성에 대한 연구는 전혀 없는 형편이다. 따라서 본 연구는 인삼재배를 위한 답전윤환지 토양에서의 관개나 습해에 영향을 줄 수 있는 침투 및 투수특성을 측정해 개선해야할 물리적ㆍ화학적 특성이 무엇인지를 살펴보고, 원래 토양에 다른 토양을 적토하는 것이 토양 물리성 개선을 이루어 낼 수 있는지를 살펴보고자 수행했다.
제안 방법
- 이때, 투수에 대한 토양 특성 분석에 유리하도록 토양단면에 대한 분류특성이나 물리적 특성에 대한 기술을 첨가했다. GPM은 측정시에 각 토양 층위의 깊이에 맞게 오거를 이용해 원형 구멍을 팠고, 투입관을 원형 구멍에 바닥이 닿도록 투입하고 가운데의 공기관 (air tube)를 이용해 바닥으로부터 각각 5 cm와 10 cm의 수두를 주고 그 때의 투수량을 측정했는데, 시간변화에 따라 토양수분 함량이 충분히 포화되어 토양 단면 내에서의 투수량이 일정해 질 때 까지 측정 했으며, 토양단면 진단 지점 (Fig. 1)의 1~2 m 이내 인근 3개 지점 (암거배수관 매설지점 직상부 포함)을 선정해 3반복으로 동시에 측정했다 (Fig. 4). 암거배수의 특성을 파악하기 위해 측정 가능한 토양의 층위가 10 cm 이상의 두께가 되어야 하는 것은 제한조건이다.
- GPM은 토양을 파괴하지 않고 토양 층위별로 측정해야 하기 때문에 먼저, 토양단면에 대한 층위구분을 실시했다. 대표 토양에 대한 층위구분은 한국토양총설 (ATI, 1992)에 제시되어 있어 이를 참고해 토양 단면의 층위구분을 실시했으며, 측정을 실시할 층위와 깊이를 결정했다. 이때, 투수에 대한 토양 특성 분석에 유리하도록 토양단면에 대한 분류특성이나 물리적 특성에 대한 기술을 첨가했다.
- 토양학에서는 강우나 관개에 의한 물의 토양침투를 나타내는 용어를 구분해서 사용하는데 침투는 계 (phase)가 다른 즉, 기체상인 대기로부터 고체상인 토양표면으로 물이 침투할 때 사용하는 용어이며, 투수는 동일한 고체상인 토양단면 내에서의 물의 이동을 나타낼 때 사용하는 용어이다. 따라서, 토양에서의 물의 이동을 기술하기 위해서는 침투와 투수로 구분해서 사용해야 하며, 본 시험에서는 이를 측정하기 위해 원반형 장 력 침투 측정 장치 (DTI, Disc Tension Infiltrometer)와 Guelphpemeameter (GPM)를 사용했다. 그리고, 침투속도와 투수속도 측정 결과는 포화수리전도도로 표시되며, 현장에서 측정한 관계로 현장 포화수리전도도 (field saturation hydraulic conductivity, Kfs)로 통칭되어 진다.
- DTI를 사용함에 있어 주의할 점은 매트릭 퍼텐셜을 3단계 이상 (일반적으로 3, 6, 12 cm) 주어야 하는데, 이것은 DTI에서 디스크로 물이 빠져나오는 기본 높이가 2~3 cm에 있으므로 최소 매트릭 퍼텐셜은 3 cm이상이어야 하기 때문이다. 본 연구에서는 현장의 침투조건에 따라 3 cm~15 cm 사이에서 3~4 단계의 매트릭 퍼텐셜로 측정했다. 한편, 측정을 위해 표토에 고운 모래를 5-10 ㎜ 깔아 DTI의 디스크가 측정면과 공기가 통하는 부분이 없이 접촉이 잘 되도록 디스크를 설치했으며, 디스크는 바로 측정이 가능하도록 측정전에 물에 담가서 포 화시켰으며, 측정본체 (water reservoir와 bubbling tower)와 디스크가 수평을 이루도록 했다.
- 54 cm 작은 bubbling tower에서 수두 (water head)를 유지해 주고, water reservoir에서 감소하는 수위를 읽고 기록했는데, 시간에 따른 수위 감소를 기록하고 시간변화에 따른 수위 감소가 일정해지면 측정을 멈추고, 다시 bubbling tower의 수위를 변화시키고 시간과 수위감소 측정을 반복해서 실시했다. 수위변화는 높은 퍼텐셜 (12 cm)로부터 낮은 퍼텐셜 (3 cm)쪽 으로 퍼텐셜을 낮추어가며 측정을 진행했다.
- 여러 층위 (layer)로 구성된 토양 단면 내에서 물의 이동은 GPM (Fig. 3)을 이용해 측정했다. GPM은 오거홀 (auger hole)방식의 투수속도 측정 장치로 Reynold and Elrick (1986)의 모형을 이용해 침투속도처럼 현장의 포화수리전도도를 측정한다.
- 식 (1)의 불포화수리전도도를 (2)의 불포화수리전도로 치환 해 다음의 식 (3)을 얻었다. 이 식은 침투되는 물의 양을 포 화수리 전도도와 매트릭 퍼텐셜의 함수로 나타내므로, 현장에 서 DTI로 측정한 물의 양과 메트릭 퍼텐셜의 관계를 통해 포화수리전도도 값을 이 식을 활용해 구했으며, 이론적으로 한계 침투속도와 포화수리전도도 값이 같아지므로 계산된 포화 수리전도도를 통해 한계 침투속도를 결정했다. 이렇게 결정된 침투속도는 측정 시에 물에 의한 공기의 포집 때문에 현장 포화수리전도도 (K fs)로 불리며, 그 값은 실험실에서 측정하는 포화수리전도도보다 작은 것이 일반적이다.
- 대표 토양에 대한 층위구분은 한국토양총설 (ATI, 1992)에 제시되어 있어 이를 참고해 토양 단면의 층위구분을 실시했으며, 측정을 실시할 층위와 깊이를 결정했다. 이때, 투수에 대한 토양 특성 분석에 유리하도록 토양단면에 대한 분류특성이나 물리적 특성에 대한 기술을 첨가했다. GPM은 측정시에 각 토양 층위의 깊이에 맞게 오거를 이용해 원형 구멍을 팠고, 투입관을 원형 구멍에 바닥이 닿도록 투입하고 가운데의 공기관 (air tube)를 이용해 바닥으로부터 각각 5 cm와 10 cm의 수두를 주고 그 때의 투수량을 측정했는데, 시간변화에 따라 토양수분 함량이 충분히 포화되어 토양 단면 내에서의 투수량이 일정해 질 때 까지 측정 했으며, 토양단면 진단 지점 (Fig.
- 측정은 지름이 2.54 cm로 지름이 5.1 cm인 water reservoir보다 2.54 cm 작은 bubbling tower에서 수두 (water head)를 유지해 주고, water reservoir에서 감소하는 수위를 읽고 기록했는데, 시간에 따른 수위 감소를 기록하고 시간변화에 따른 수위 감소가 일정해지면 측정을 멈추고, 다시 bubbling tower의 수위를 변화시키고 시간과 수위감소 측정을 반복해서 실시했다.
- 본 연구에서는 현장의 침투조건에 따라 3 cm~15 cm 사이에서 3~4 단계의 매트릭 퍼텐셜로 측정했다. 한편, 측정을 위해 표토에 고운 모래를 5-10 ㎜ 깔아 DTI의 디스크가 측정면과 공기가 통하는 부분이 없이 접촉이 잘 되도록 디스크를 설치했으며, 디스크는 바로 측정이 가능하도록 측정전에 물에 담가서 포 화시켰으며, 측정본체 (water reservoir와 bubbling tower)와 디스크가 수평을 이루도록 했다. 또한, 본체와 디스크 사이의 연결튜브에 공기가 없도록 해주었으며, 디스크는 포화 전에 디스크를 감싸 주는 측정용 압력 막 (membrane)을 접히지 않고 평평하게 디스크의 밑바닥과 밀착되도록 잘 감싸주었다.
대상 데이터
- 본 연구를 위한 대상토양은 음성에 위치한 국립원예특작과 학원 산하의 인삼특작부 구내 포장을 대상으로 했다. 이곳은 원래 논과 밭으로 구성된 곳이었는데, 재배를 위해 모든 논에 대해 점토가 섞인 석비레를 평균적으로 약 1.
- 원래의 논토양 (예천통)으로부터 인삼재배를 위해 적토된 측정 대상토양은 Fig. 1에 나타나 있듯이 4개의 층위로 구분되는데, 원토양을 제외한 3개층은 적토 작업 시 적토재료나 섞인 정도의 차이에 따라 구분되었으며, 표토부터 30 cm까지의 토성은 양질사토 (LS)였으며, 30~70 cm, 70~120 cm는 사토였고, 원래토양인 논토양은 사질양토 (SL)로 나타났다 (Table 1). 그리고 130 cm 부근의 토양은 물에 잠긴 상태로 되어 있는데 (Fig.
이론/모형
- DTI (Fig. 2)는 현장에서의 침투속도를 측정하기 위해 수리 전도도 예측 공식인 Gardner (1958)와 Wooding (1968)의 방정식을 사용했다. Gardenr의 방정식은 매트릭 퍼텐셜 (matric potential, cm)과 포화수리전도도 값을 이용해 불포화수리 전도도를 추정하는 모형으로서 다음의 식 (1)과 같다.
- 토성, 용적밀도 및 화학성 분석은 농업과학기술원에서 발간한 ‘토양 및 식물체 분석법 (2000)’을 따랐으며, 토양수분 함량과 지온은 토양수분 함량과 지온 측정 겸용 센서인 WET2 (Delta-T Devices Ltd., UK)를 사용했고, 경도는 야마나까 경도계를 (Daiki, Japan), 전단강도 (shear strength)는 바람개비 형태의 측정장비 (Eijklkamp. Netherland)를 사용했다.
성능/효과
- 1에 나타나 있는 것처럼 원토양인 논토양에 고여 있는 지하수와 인위적 토층 생성에 따른 토양 내 물길의 끊김이 토층 내에서의 물의 이동에 부정적 영향을 주고 있음을 의미하며, 이런 결과로 인해 답전윤환을 위해 석비레나 거친 입자로 객토나 적토를 하는 것은 암거배수 등의 배수시설을 동반하지 않는다면 토층 내에서의 물의 이동을 개선시킬 수 없음을 알 수 있다. 따라서 답전윤환 경작지에서 인삼재배를 위해 객토나 적토를 하는 행위는 유공관 등을 이용해 배수시설을 하는 것이 바람직할 것으로 여겨지며, 시설들 간의 간격도 5 m 보다는 좁은 간격으로 설치해야 배수시설로서의 역할을 제대로 수행 할 수 있을 것으로 여겨지므로 답전윤환된 적토된 토양에서 인삼을 재배할 경우에는 이와 같은 물의 이동특성을 참고해야 재배의 실패 위험성을 감소시킬 수 있을 것이다.
- 지표면으로부터 50 cm 지점에서 측정한 30~70 cm 층위에서의 투수속도는 2.34 cm·hr−1 로 시간당 23.4 ㎜ 이하의 강우에 견딜 수 있는 속도이며, 70~ 120 cm 층위에서의 투수속도는 암거배수시설이 매설된 지점에 서는 5.23 cm·hr−1 로 상당히 빠른 속도로 배수가 될 수 있음 을 알 수 있었지만, 5 m 간격의 암거배수시설들의 중간에 시설이 되어 있지 않은 지점에서는 0.18 cm hr−1 로 사토인 토성에도 불구하고 매우 느린 속도를 보여주고 있다.
후속연구
- 양이온 함량 역시 Ca를 제외하고는 적정범위에 미치지 못한다. 이러한 결과로 볼 때 답전윤환된 현재의 토양은 인삼재배를 위해서는 질산 등을 이용해 pH를 낮추어야 하며, 유기물을 투입해 주어야 하고, 질소 및 인산질 비료를 시용해 질산태질소 및 유효인산 함량도 높여주어야 한다. 또한, K와 Mg도 보충해 주어야 한다.
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