최근 편리함과 측정의 정확성으로 인해 Capacitance sensor가 토양수분 연구나 물관리에 국제적으로도 널리 이용되고 있다. 이 연구는 Capacitance sensor (EnviroSCAN, Sentek Ltd.)가 화산회토양이 많이 분포하는 제주도 지역에서도 활용성이 있는 지를 알아보기 위해 유기물함량이 다른 제주도의 대표적인 토양 종류를 이용하여 Calibration 시험을 수행하였다. 시험 결과 화산회토양에서는 비화산회토양과 달리 센서의 Scaled frequency와 토양의 용적수분함량 간에 Calibration식이 로그식 형태로 나타내는 것이 일반적으로 적용되는 지수식 형태로 나타내는 것보다 상관이 더 높게 나타났다. 또한 화산회토양이 많이 분포하는 지역에 서는 토양수분함량이 높아 습하거나 매우 적어 건조할 경우에는 Capacitance sensor에 의한 수분함량 측정값이 건조기를 이용한 수분함량 값보다 과소하게 측정될 수 있었다. Capacitance sensor를 이용하여 화산회토양에서 토양 수분함량을 정확하게 측정하기 위해서 Calibration식에 적용될 수 있는 현실적인 계수값을 제시하였다. 또 현재 이용되는 EnviroSCAN capacitance probes의 활용성을 제고하기 위해서 계수값을 유기물함량별로 추정하는 식을 제시 하였다. Capacitance sensor를 이용하여 토양수분함량을 정확하게 측정하기 위해서는 사전에 토양의 공극분포, 유기물함량, EC 등 측정여건을 파악하여 조절하는 것이 필요하였다.
최근 편리함과 측정의 정확성으로 인해 Capacitance sensor가 토양수분 연구나 물관리에 국제적으로도 널리 이용되고 있다. 이 연구는 Capacitance sensor (EnviroSCAN, Sentek Ltd.)가 화산회토양이 많이 분포하는 제주도 지역에서도 활용성이 있는 지를 알아보기 위해 유기물함량이 다른 제주도의 대표적인 토양 종류를 이용하여 Calibration 시험을 수행하였다. 시험 결과 화산회토양에서는 비화산회토양과 달리 센서의 Scaled frequency와 토양의 용적수분함량 간에 Calibration식이 로그식 형태로 나타내는 것이 일반적으로 적용되는 지수식 형태로 나타내는 것보다 상관이 더 높게 나타났다. 또한 화산회토양이 많이 분포하는 지역에 서는 토양수분함량이 높아 습하거나 매우 적어 건조할 경우에는 Capacitance sensor에 의한 수분함량 측정값이 건조기를 이용한 수분함량 값보다 과소하게 측정될 수 있었다. Capacitance sensor를 이용하여 화산회토양에서 토양 수분함량을 정확하게 측정하기 위해서 Calibration식에 적용될 수 있는 현실적인 계수값을 제시하였다. 또 현재 이용되는 EnviroSCAN capacitance probes의 활용성을 제고하기 위해서 계수값을 유기물함량별로 추정하는 식을 제시 하였다. Capacitance sensor를 이용하여 토양수분함량을 정확하게 측정하기 위해서는 사전에 토양의 공극분포, 유기물함량, EC 등 측정여건을 파악하여 조절하는 것이 필요하였다.
Capacitance soil moisture sensor is extensively used by soil research and irrigation management with its convenience and accuracy. This experiment was conducted to evaluate the acceptability of capacitance soil moisture sensor, named EnviroSCAN made by Sentek Ltd., in Jeju Island where volcanic ash ...
Capacitance soil moisture sensor is extensively used by soil research and irrigation management with its convenience and accuracy. This experiment was conducted to evaluate the acceptability of capacitance soil moisture sensor, named EnviroSCAN made by Sentek Ltd., in Jeju Island where volcanic ash soils are widely distributed, and to calibrate it to various soils with different amount of soil organic matter. For sensor calibration equation of volcanic ash soils, a logarithm function is better than a typical power function of non-volcanic ash soils. So there are possibilities of under evaluated in soil water contents in very wet and very dry conditions by using typical power function with volcanic ash soil areas. We suggested practical coefficients of typical calibration equation for using capacitance sensor in volcanic ash soils, also suggested equations for estimation of them with soil organic matter contents. The measurement of soil water content with a capacitance sensor can be affected by some soil characteristics such as porosity, soil organic matter content, EC, etc. So those factors should be controlled for improving the accuracy of measurement.
Capacitance soil moisture sensor is extensively used by soil research and irrigation management with its convenience and accuracy. This experiment was conducted to evaluate the acceptability of capacitance soil moisture sensor, named EnviroSCAN made by Sentek Ltd., in Jeju Island where volcanic ash soils are widely distributed, and to calibrate it to various soils with different amount of soil organic matter. For sensor calibration equation of volcanic ash soils, a logarithm function is better than a typical power function of non-volcanic ash soils. So there are possibilities of under evaluated in soil water contents in very wet and very dry conditions by using typical power function with volcanic ash soil areas. We suggested practical coefficients of typical calibration equation for using capacitance sensor in volcanic ash soils, also suggested equations for estimation of them with soil organic matter contents. The measurement of soil water content with a capacitance sensor can be affected by some soil characteristics such as porosity, soil organic matter content, EC, etc. So those factors should be controlled for improving the accuracy of measurement.
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문제 정의
최근 편리함과 측정의 정확성으로 인해 Capacitance sensor 가 토양수분 연구나 물관리에 국제적으로도 널리 이용되고 있다. 이 연구는 Capacitance sensor (EnviroSCAN, Sentek Ltd.)가 화산회토양이 많이 분포하는 제주도 지역에서도 활용성이 있는 지를 알아보기 위해 유기물함량이 다른 제주도의 대표적인 토양 종류를 이용하여 Calibration 시험을 수행하였다. 시험 결과 화산회토양에서는 비화산회토양과 달리 센서의 Scaled frequency와 토양의 용적수분함량 간에 Calibration식이 로그식 형태로 나타내는 것이 일반적으로 적용되는 지수식 형태로 나타내는 것보다 상관이 더 높게 나타났다.
이 연구에서는 제주도에 많이 분포하는 유기물함량이 서로 다른 세 종류의 토양 (비화산회토 1, 화산회토 2종)을 시험재료로 하여, 수분함량과 Capacitance sensor를 이용하여 SF 값을 측정하고, 이를 바탕으로 적합한 Calibration식을 작성해보고, 최근 많이 이용되는 Multisensor capacitance probes가 화산회토 지역에서도 그 효용성이 있는 지 검증해보고자 하였다.
제안 방법
또한 화산회토양이 많이 분포하는 지역에서는 토양수분함량이 높아 습하거나 매우 적어 건조할 경우에는 Capacitance sensor에 의한 수분함량 측정값이 건조기를 이용한 수분함량 값보다 과소하게 측정될 수 있었다. Capacitance sensor를 이용하여 화산회토양에서 토양 수분함량을 정확하게 측정하기 위해서 Calibration식에 적용될 수 있는 현실적인 계수값을 제시하였다. 또 현재 이용되는 EnviroSCAN capacitance probes의 활용성을 제고하기 위해서 계수값을 유기물함량별로 추정하는 식을 제시하였다.
Capacitance sensor를 이용하여 화산회토양에서 토양 수분함량을 정확하게 측정하기 위해서 Calibration식에 적용될 수 있는 현실적인 계수값을 제시하였다. 또 현재 이용되는 EnviroSCAN capacitance probes의 활용성을 제고하기 위해서 계수값을 유기물함량별로 추정하는 식을 제시하였다. Capacitance sensor를 이용하여 토양수분함량을 정확하게 측정하기 위해서는 사전에 토양의 공극분포, 유기물함량, EC 등 측정여건을 파악하여 조절하는 것이 필요하였다.
토양수분센서로 수분함량을 측정한 후에는 측정 지점 주위에서 3개의 코어시료를 채취하였다. 용적밀도의 변동에 따른 수분함량 측정의 차이를 검정하기 위하여 1회 측정 시 각 토양에 대하여 3-5개 정도 서로 다른 용적밀도가 되도록 토양을 충진한 후 측정을 하였다. 용적수분함량은 100 ml 코어로 채취한 토양시료의 중량을 잰 후 이를 105℃의 건조기에서 24시간 이상 건조시킨 후 중량을 재어 용적밀도, 중량수분함량을 계산한 후 이로부터 환산하였다.
용적밀도의 변동에 따른 수분함량 측정의 차이를 검정하기 위하여 1회 측정 시 각 토양에 대하여 3-5개 정도 서로 다른 용적밀도가 되도록 토양을 충진한 후 측정을 하였다. 용적수분함량은 100 ml 코어로 채취한 토양시료의 중량을 잰 후 이를 105℃의 건조기에서 24시간 이상 건조시킨 후 중량을 재어 용적밀도, 중량수분함량을 계산한 후 이로부터 환산하였다.
, 2005). 용적수분함량을 측정하기 위하여 가로, 세로, 깊이가 각각 40, 40, 40 cm인 플라스틱 상자에 가급적 용적밀도가 균일하도록 토양을 충진하여 수분함량을 측정하였다. 토양수분센서로 수분함량을 측정한 후에는 측정 지점 주위에서 3개의 코어시료를 채취하였다.
시험은 통풍이 잘되고 그늘진 하우스에서 수행하였다. 채취한 세 종류의 공시토양에 충분한 양의 물을 흡수시킨 다음 망사가 깔린 바닥에 넓게 펼쳐 시간이 지남에 따라 수분이 지속적으로 감소되도록 하면서 수분함량의 변화를 측정하였다. 토양수분의 측정은 처리 1일 후부터 3개월 정도의 기간에 토양이 건조되는 상태를 고려하여 시험 전에 잘 섞은 후 7회 수행하였고, 매회 중량법에 의한 수분함량과 용적밀도를 측정하기 위한 코어 시료도 별도로 채취하였다.
채취한 세 종류의 공시토양에 충분한 양의 물을 흡수시킨 다음 망사가 깔린 바닥에 넓게 펼쳐 시간이 지남에 따라 수분이 지속적으로 감소되도록 하면서 수분함량의 변화를 측정하였다. 토양수분의 측정은 처리 1일 후부터 3개월 정도의 기간에 토양이 건조되는 상태를 고려하여 시험 전에 잘 섞은 후 7회 수행하였고, 매회 중량법에 의한 수분함량과 용적밀도를 측정하기 위한 코어 시료도 별도로 채취하였다. 토양수분함량을 측정하기 위한 Capacitance sensor는 호주의 Sentek (Ltd.
대상 데이터
시험에 이용된 토양은 제주도 제주시에 위치한 온난화대응농업연구센터 시험포장내의 유기물함량이 각각 다른 암갈색 비화산회토양 (Dark brown soil, DBS), 농암갈색 화산회토양 (Very dark brown soil, VDBS), 흑색 화산회토양 (Black soil, BS)의 세 가지를 대상으로 하였다. 각 토양의 유기물함량은 암갈색 비화산회토양이 35 g kg-1, 농암갈색 화산회토양이 70 g kg-1, 흑색 화산회토양이 248 g kg-1로 유기물 함량이 비교적 높은 토양이었으며, 각각의 토양에 대한 입경분포는 Table 1에 나타내었다.
시험은 통풍이 잘되고 그늘진 하우스에서 수행하였다. 채취한 세 종류의 공시토양에 충분한 양의 물을 흡수시킨 다음 망사가 깔린 바닥에 넓게 펼쳐 시간이 지남에 따라 수분이 지속적으로 감소되도록 하면서 수분함량의 변화를 측정하였다.
용적수분함량을 측정하기 위하여 가로, 세로, 깊이가 각각 40, 40, 40 cm인 플라스틱 상자에 가급적 용적밀도가 균일하도록 토양을 충진하여 수분함량을 측정하였다. 토양수분센서로 수분함량을 측정한 후에는 측정 지점 주위에서 3개의 코어시료를 채취하였다. 용적밀도의 변동에 따른 수분함량 측정의 차이를 검정하기 위하여 1회 측정 시 각 토양에 대하여 3-5개 정도 서로 다른 용적밀도가 되도록 토양을 충진한 후 측정을 하였다.
이론/모형
토양수분센서의 Calibration 식을 알아보기 위하여 제조사에서 제시한 이론을 적용하였다. 토양수분함량과 반응하는 Scaled frequency (SF)는 공기와 물 매체 중의 주파수의 차와 토양수분과 물 매체의 주파수 간의 비율로서 아래와 같이 나타낼 수 있다.
성능/효과
따라서 SF는 공기와 물의 주파수 차이에 대한 공기와 토양의 주파수 차이의 비율을 의미하게 되며, 0보다는 크고 1보다는 작은 값을 가지게 된다. 계산된 SF값은 코어로 측정된 용적수분함량과 비교하여 이로부터 적합한 관계식을 도출하였다.
대부분의 토양에서 Capacitance sensor를 이용할 때 지수식으로 나타내는 것이 적합하다는 그 간의 결과들을 고려할 때 화산회토양은 비화산회토양과 다른 경향을 나타내고 있음을 보여주고 있다 (Paltineanu and Starr, 1997). 또 이로부터 일반토양에 적용되는 지수 식을 이용하여 토양수분함량을 추정하였을 때 화산회토양에서는 토양수분함량이 매우 많거나 또는 아주 낮아 건조한 상태에서는 센서로 측정된 토양수분함량이 토양수분함량의 절대값보다 낮게 추정되고, 중간 정도의 토양수분함량에서는 절대값보다 높게 추정될 것으로 판단되었다.
시험 결과 화산회토양에서는 비화산회토양과 달리 센서의 Scaled frequency와 토양의 용적수분함량 간에 Calibration식이 로그식 형태로 나타내는 것이 일반적으로 적용되는 지수식 형태로 나타내는 것보다 상관이 더 높게 나타났다. 또한 화산회토양이 많이 분포하는 지역에서는 토양수분함량이 높아 습하거나 매우 적어 건조할 경우에는 Capacitance sensor에 의한 수분함량 측정값이 건조기를 이용한 수분함량 값보다 과소하게 측정될 수 있었다. Capacitance sensor를 이용하여 화산회토양에서 토양 수분함량을 정확하게 측정하기 위해서 Calibration식에 적용될 수 있는 현실적인 계수값을 제시하였다.
또한, 이러한 경향은 시험 토양 중 공극률이 가장 높고 토양유기물함량이 가장 많은흑색 화산회토양에서 심하게 나타나므로 Andic soil properties와도 상관이 있는 것으로 추정되었다. 물리적으로는 화산회토양특성이 강해질수록 토양 내에서 매우 미세한 공극의 분포가 증가하는 경향이므로 이와 관련이 있는 것으로 추정되었다.
)가 화산회토양이 많이 분포하는 제주도 지역에서도 활용성이 있는 지를 알아보기 위해 유기물함량이 다른 제주도의 대표적인 토양 종류를 이용하여 Calibration 시험을 수행하였다. 시험 결과 화산회토양에서는 비화산회토양과 달리 센서의 Scaled frequency와 토양의 용적수분함량 간에 Calibration식이 로그식 형태로 나타내는 것이 일반적으로 적용되는 지수식 형태로 나타내는 것보다 상관이 더 높게 나타났다. 또한 화산회토양이 많이 분포하는 지역에서는 토양수분함량이 높아 습하거나 매우 적어 건조할 경우에는 Capacitance sensor에 의한 수분함량 측정값이 건조기를 이용한 수분함량 값보다 과소하게 측정될 수 있었다.
여기서, Y는 SF, X는 용적토양수분함량 (%), a, b, c는 사용자가 입력할 수 있는 계수이다. 실험 결과 화산회토양에서는 Calibration식이 로그식으로 표현되어야 하지만 현재 지수식 형태로만 제공되고 있으므로, 유효수분범위에서 지수식에 적합한 최적의 계수를 찾아서 이용하는 것이 실용적이다.
세 토양 모두에서 SF와 용적수분함량 간에는 일정한 관계가 있음이 나타나지만 세 가지 토양 간에는 그 경향이 다르게 나타나고 있는 점도 있었다. 측정된 수분함량의 범위에서는 대체로 같은 SF값에 대하여 암갈색 비화산회토양, 농암갈색 화산회토양, 흑색 화산회토양 순으로 수분함량이 높았고, 그 차이는 수분함량이 낮아질수록 커지는 경향이었다. 이러한 결과는 Capacitance sensor를 이용하여 토양수분함량의 변화경향을 보고자 할 경우에는 큰 차이가 없을지라도 그 절대량을 정확하게 측정하고자 할 경우에는 세 가지 토양에서 각기 다른 형태의 Calibration 식을 적용하여야 함을 분명하게 나타내고 있다.
후속연구
반면 암갈색 비화산회토양은 a, b, c 세 개의 계수값 중에서 c값에서만 근소한 차이를 보이고 있으므로 우리나라에 흔히 있는 유기물함량이 낮은 일반적인 토양에서는 default로 제시되는 값을 이용하더라도 측정에 큰 오차는 없을 것으로 판단되었다. 반면, 토양의 공극률 분포가 일반적인 경우에서 많이 벗어나거나, 유기물함량이 높거나, 또는 토양 용액 중의 EC가 높은 지역에서 토양수분함량을 Capacitance sensor를 이용하여 정확하게 측정하고자 할 경우에는 그 지점에서 Calibration을 수행한 다음 이용하는 것이 바람직할 것이다.
실험의 결과에서는 화산회토양에서 Capacitance sensor를 이용하여 토양수분함량의 절대값을 측정하거나 지속적으로 모니터링하고자 할 경우에는 센서 제작업체에서 제시하는 Calibration식을 이용하기 보다는 시험하고자 하는 현장에서 Calibration과정을 거쳐 식을 보정하여 이용하여야 할 것으로 판단된다. 현재 Sentek (Ltd.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유전율은 무엇인가?
유전율은 부도체가 외부에 전자기장이 주어졌을 때 얼마나 민감하게 반응하는 지를 나타내는 지표로서, 유전율의 일부를 나타내는 유전상수 (Dielectric Constant)는 물질마다 고유의 특성값을 나타낸다. 토양 내에서는 토양입자 (고체), 물 (액체), 공기 (기체) 등의 유전율은 각각 다르고, 그중 물의 유전율이 가장 크므로, 토양수분의 많고 적음에 따라 유전율이 영향을 크게 받게 된다.
제주도에 많이 분포하는 Andisols들이 토양수분과 관련된 물리적 특징으로는 무엇이 있는가?
화산회토양이라고 불리는 Andisols은 Ammonium oxalate 침출성 Al + ½Fe 함량이 높고, 용적밀도가 낮으며, 인산 흡착력이 높은 특징을 가지고 있다. 특히 제주도에 많이 분포하는 화산회토양들이 토양수분과 관련된 물리적 특징으로는 공극률과 유기물함량이 높은 토양이 많다는 점이다. 그 간의 연구에 의하면 토양수분을 측정하는 Capacitance sensor와 실제 토양수분함량 간의 관계도 화산회토양에서는 비화산회토양과 다르게 나타나고 있다고 보고된 바도 있다.
Andisols의 용적밀도와 흡착력은 어떠한가?
화산회토양이라고 불리는 Andisols은 Ammonium oxalate 침출성 Al + ½Fe 함량이 높고, 용적밀도가 낮으며, 인산 흡착력이 높은 특징을 가지고 있다. 특히 제주도에 많이 분포하는 화산회토양들이 토양수분과 관련된 물리적 특징으로는 공극률과 유기물함량이 높은 토양이 많다는 점이다.
참고문헌 (13)
Bell, J.P., T.J. Dean, and M.G. Hodnett. 1987. Soil moisture measurement by an improved capacitance technique, part II. Field techniques, evaluation and calibration. J. Hydrol. 93:79-90.
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Geesing, D., M. Bachmaier, and U. Schmidhalter. 2004. Field calibration of a capacitance soil water probe in heterogeneous fields. Aust. J. Soil Res. 42:289-299.
Jabro, J., B. Leib, and A. Jabro. 2005. Estimating soil water content using site-specific calibration of capacitance measurements from sentek enviroscan systems. Appl. Eng. Agric. 21:393-399.
Oh, Y.T., D.S. Oh, K.C. Song, J.S. Shin, and J.N. Im. 1998. Application of dielectric sensor for soil moisture measurement. Korean J. Soc. Soil Sci. Fert. 31:85-94.
Paltineanu, I. and J. Starr. 1997. Real-time soil water dynamics using multisensor capacitance probes: Laboratory calibration. Soil Sci. Soc. Am. J. 61:1576-1585.
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