[논문]산림 사면에서 토양수분 실측 자료, 평형증발 및 에디-공분산방법을 이용한 토양증발비교

곽용석; 김상현; 김수진

doi:10.5322/jes.2013.22.1.119

[국내논문] 산림 사면에서 토양수분 실측 자료, 평형증발 및 에디-공분산방법을 이용한 토양증발비교
Comparison of Soil Evaporation Using Equilibrium Evaporation, Eddy-Covariance and Surface Soil Moisture on the Forest Hillslope 원문보기

한국환경과학회지 = Journal of the environmental sciences, v.22 no.1, 2013년, pp.119 - 129

곽용석 (부산대학교 환경공학과) , 김상현 (부산대학교 환경공학과) , 김수진 (국립산림과학원 산림보전부)

Abstract ▼ AI-Helper

We compared equilibrium evaporation($E_{equili}$) eddy-covariance($E_{eddy}$) with soil moisture data($E_{SMseries}$) which were measured with a 2 hours sampling interval at three points for a humid forest hillslope from May 5th to May 31th in 2009. Accumulations of $E_{eddy}$, $E_{equili}$ for the study period were estimated as 2.52, 3.28 mm and those of $E_{SMseries}$ were ranged from 1.91 to 2.88 mm. It suggested that the eddy-covariance method considering the spatial heterogeneity of soil evaporation is useful to evaluate the soil evaporation. Method A, B and C were proposed using mean meterological data and daily moisture variation and the computations were compared to eddy-covariance method and equilibrium evaporation. The methods using soil moisture data can describe the variations of soil evaporation from eddy-covariance through simple moving average analysis. Method B showed a good matched with eddy-covariance method. This indicated that Dry Surface Layer (DSL) at 14:00 which was used for method B is important variable for the evaluation of soil evaporation. The total equilibrium evaporation was not significantly different to those of the others. However, equilibrium evaporation showed a problem in estimating soil evaporation because the temporal tendency of $E_{equili}$ was not related with the those of the other methods. The improved understanding of the soil evaporation presented in this study will contribute to the understandings of water cycles in a forest hillslope.

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가설 설정

본 연구에서 지표면 토양 내에서 수분흐름방향이 위쪽일 때, DSL내 토양수분감소는 대부분 증발로 빠져나갈 것이라고 가정을 하였다. 설치된 낙엽 층과 지표면사이, 토양깊이 4, 10 cm의 측정된 토양수분 변화값과 에너지방정식으로부터 계산된 DSL를 이용하여 토양증발을 평가하였다(Gwak과 Kim, 2012).
식(1)과 식(2)은 토양깊이 0와 4cm의 토양수분변화를 이용한 토양 증발율(E_soil(0-4), LT^-1)이다(Gwak과 Kim, 2012). Litter는 낙엽 층 깊이로 20 mm로 가정하였다.
지표 온도는 식(5)을 통해 구해지며, 대기온도와는 큰 차이가 없었다. 지표면의 장력을 직접적으로 측정하기는 어렵기 때문에, 10 cm에서의 토양수분특성곡선(Soil Water Characteristic Curve)이 지표면에서도 같다고 가정을 하였다. Fig.
2에서 회색 선을 따라 이동하게 된다. 5월 22일(연구기간시작) 이전의 30 mm의 강우사상이 있어 충분히 토양이 포화 되었다고 판단하여 회색 선을 따라 장력이 변화한다고 가정하였다. T1, T2지점의 토양수분에 따른 장력은 비슷한 거동을 보이고 있다 (Fig.
또한 14시의 DSL값이 실제 주요 증발 깊이 값으로 보이며, 14시는 하루 중에 지표온도와 토양온도가 가장 큰 차이가 나는 시간대(토양증발활동)이다(Fig. 5(b)), 그러므로 14시의 DSL을 하루 중의 평균 DSL¹값으로가정하였다. DSL²는 일단위의 평균 기상자료로부터 결정된 DSL값이다.
또한 A, B, C 방법들의 차이는 결정된 DSL 값 차이가 주요한 이유이다. 이러한 방법론적인 차이가 있음에도 토양증발의 전체적인 변화경향은 비슷할 것이라는 가정 하에, 단순이동평균방법(Simple Moving Average)을 사용하여 비교하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 산림 내 토양증발을 평가하는 방법과 결과를 비교분석을 실시하였으며, 다음과 같은 두 가지 목적을 설정하였다. 첫 번째로는 실측한 토양수분자료를 활용한 방법(Gwak과 Kim, 2012), 에디-공분산법을 통한 토양증발(산)값(Kang 등, 2009) 및 평형증발의 결과를 비교분석하는 것이다.
따라서 본 연구에서는 산림 내 토양증발을 평가하는 방법과 결과를 비교분석을 실시하였으며, 다음과 같은 두 가지 목적을 설정하였다. 첫 번째로는 실측한 토양수분자료를 활용한 방법(Gwak과 Kim, 2012), 에디-공분산법을 통한 토양증발(산)값(Kang 등, 2009) 및 평형증발의 결과를 비교분석하는 것이다. 두 번째로는 Gwak과 Kim(2012)의 토양증발 계산방법에서 시간 규모 차이에 따라 결정되는 토양수분 변화값과 DSL에 대해 세 가지 방법 및 결과를 서로 비교하는 것이다.
첫 번째로는 실측한 토양수분자료를 활용한 방법(Gwak과 Kim, 2012), 에디-공분산법을 통한 토양증발(산)값(Kang 등, 2009) 및 평형증발의 결과를 비교분석하는 것이다. 두 번째로는 Gwak과 Kim(2012)의 토양증발 계산방법에서 시간 규모 차이에 따라 결정되는 토양수분 변화값과 DSL에 대해 세 가지 방법 및 결과를 서로 비교하는 것이다.
본 연구에서 토양수분 측정기간은 2009년 5월 22~31일까지 총 10일 간이며, 22일, 2일 전, 총 강우가 30 mm정도 내렸다. 이 기간 동안에 T1, T2지점의 10 cm에서 장력을 측정하였다(Fig.
본 연구에서 토양수분 측정기간은 2009년 5월 22~31일까지 총 10일 간이며, 22일, 2일 전, 총 강우가 30 mm정도 내렸다. 이 기간 동안에 T1, T2지점의 10 cm에서 장력을 측정하였다(Fig. 1). 토양수분측정 지점은 사면의 3 지점(X, Y, Z)으로 지표면과 토양깊이 4 cm 그리고 10 cm에서 Minitrase TDR장비 (Soil Moisture Equipment, Tucson, AZ)로 매 2시 간격으로 측정하였다(Fig.
1). 토양수분측정 지점은 사면의 3 지점(X, Y, Z)으로 지표면과 토양깊이 4 cm 그리고 10 cm에서 Minitrase TDR장비 (Soil Moisture Equipment, Tucson, AZ)로 매 2시 간격으로 측정하였다(Fig. 1). Z지점의 4 cm은 Multiplexer의 제한된 채널수로 인해 측정되지 못하였다.
본 연구에서 지표면 토양 내에서 수분흐름방향이 위쪽일 때, DSL내 토양수분감소는 대부분 증발로 빠져나갈 것이라고 가정을 하였다. 설치된 낙엽 층과 지표면사이, 토양깊이 4, 10 cm의 측정된 토양수분 변화값과 에너지방정식으로부터 계산된 DSL를 이용하여 토양증발을 평가하였다(Gwak과 Kim, 2012). 토양증발계산시 센서사이의 중간 토양깊이를 경계로 DSL 깊이에 따라 다르게 계산된다.
는 각각 토양깊이 0, 4 cm에서의 토양수분이며, ∆T는 시간 (hr, day)를 말한다. 센서의 설치된 지표하 깊이(4, 10 cm)에 따라서 토양증발율 차이를 비교하기 위해서, 토양깊이 0, 10 cm의 토양수분자료를 이용하여, 50 mm 기준으로 토양증발율을 계산 하였다.
본 연구에서는 기존의 시간단위의 자료를 이용한 방법과, 일(day)단위의 (평균)기상 및 토양수분자료를 이용한 두 가지 방법을 포함하여, 총 세 가지 방법(A, B, C)으로 계산된 일 증발량 값들을 서로 비교하였다.
첫 번째 방법(A 방법)은 본 연구에서 측정 자료의 최소시간단위인 2시간 단위의 토양수분자료(∆T = 2 hr)와 DSL을 이용한 일 단위의 누적 토양증발 값이다. DSL은 2시간별 각각 계산한 것이다.
DSL²는 시간단위의 기상자료가 아닌 일평균 기상자료로만 사용하여 계산된 값이다. 본 연구결과에서는 X지점 0, 4 cm의 토양수분자료에 대해서만 A, B, C 방법으로 증발량을 계산하였다.
본 연구에서는 Kang 등(2009)의 결과인 군락하부에서의 에디-공분산으로 측정한 증발산값을 가지고, 평형 증발식 및 토양수분자료를 이용한 증발량 값들을 비교하였다. 각 방법을 서로 비교할 때, 방법론적인 차이로 인한 시·공간적 차이가 있을시, 직접적인 비교보다는 변화경향분석을 통해 관련성을 파악하는 것은 의미가 있다.
각 방법을 서로 비교할 때, 방법론적인 차이로 인한 시·공간적 차이가 있을시, 직접적인 비교보다는 변화경향분석을 통해 관련성을 파악하는 것은 의미가 있다. 본 연구에서는 평형증발식, 에디-공분산법 그리고 토양수분자료를 이용한 세 가지 방법의 토양 증발 변동경향성분성은 단순이동평균(Simple Moving Average)를 사용하여 비교․분석하였다(식 11).
본 연구에서는 2009년 5월 22~31일까지 총 10일간 측정된 토양수분자료를 이용한 토양증발을 평가하였으며, 더불어 에디-공분산법, 평형증발식에 의해 평가된 토양증발(산)과 비교분석한 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

연구대상지는 경기도 포천시 광릉수목원 내에 위치한 소유역이다(Fig. 1). 연평균 강수량은 1,443.

이론/모형

장력(Ψm)과 토양수분(Θ)는 비 선형관계로 식(9)의 Van Genüchten(1980)함수를 사용하였다.
r_s, r_a는 지표 저항(surface resistance, sm^-1 )과 공기역학 저항 (aerodynamic resistance, sm^-1)를 의미한다. r_a는 Aluwihare와 Watanabe (2003), Camillo와 Gurney (1986)의 방식으로 계산하였다.

성능/효과

5℃이다. 사면은 동쪽을 바라보고 있으며, 식생은 참나무 (Quercus sp), 서어나무 (Carpinus sp)로 활엽수림이 주종을 이루고 있어, 낙엽 층의 평균적인 두께는 약 20 mm인 것으로 확인되었다. 사면의 평균경사는 19˚이고, 토성은 sand (53.
지표면의 토양수분(Θ0cm)은 주간에는 토양수분이 감소하지만, 야간에는 변화하지 않았으며, 전체적으로 Eeddy 변화와 유사하게 일 주기변화를 가지는 것으로 나타났다.
52 mm이다(Kang 등, 2009). 토양수분자료를 이용한 누적 증발량값은 1.91~2.88 mm로, 평형증발보다는 낮게 평가되었고, 에디-공분산방법에 비해 크거나 낮게 평가되었다. 이는 토양구조 및 지역적 지형조건에 의한 토양증발의 공간적 불균질성으로 보인다.
이는 토양구조 및 지역적 지형조건에 의한 토양증발의 공간적 불균질성으로 보인다. 주목할 만 한 점은 24~28일까지 모든 누적 증발율 값이 일정하게 증가하였지만, 29일 이후부터는 평형 증발의 누적 증발증가율은 일정하거나 약간 증가하는 경향을 보이나, E_SMseries의 누적 증발증가율은 약간 감소하는 특징을 보이고 있었다. 이는 평형증발식은 환경조건이 포화가 된다고 가정하지만, 실제는 그렇지 않았기 때문이다.
이는 평형증발식은 환경조건이 포화가 된다고 가정하지만, 실제는 그렇지 않았기 때문이다. 결과적으로, 토양증발의 공간적불균질성이 있다는 점을 감안 했을 때, 전체적으로 에디-공분산 값은 E_SMseries변화 범위이내에 있기 때문에 두 방법의 결과는 큰 차이는 없었다. 지표하 토양수분의 깊이(0-4, 0-10 cm)에 따른 10일 동안의 토양증발량 값 차이는 약 0.
결과적으로, 토양증발의 공간적불균질성이 있다는 점을 감안 했을 때, 전체적으로 에디-공분산 값은 E_SMseries변화 범위이내에 있기 때문에 두 방법의 결과는 큰 차이는 없었다. 지표하 토양수분의 깊이(0-4, 0-10 cm)에 따른 10일 동안의 토양증발량 값 차이는 약 0.2 mm 정도로 평균값에 대해 10%정도로, 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
하루 동안에 DSL의 깊이는 8시부터 급격하게 증가하는 것을 볼 수 있었다. 18시 이후부터는 DSL은 존재하지 않아, 대부분 태양에너지에 의한 지표면으로의 열전달이 있을 경우에만 DSL값이 존재하는 것으로 나타났다. 하지만, 각 시간의 DSL 시계열 변화를 보면, 12시와 14시를 제외한 나머지 시간대에서는 어떠한 일정한 경향을 찾지 못하였다.
52 mm로 다른 방법의 결과들의 중간정도에 해당한다. A 방법은 26일까지는 에디-공분산의 증발 값과 같았지만, 이후부터 낮은 증발율을 보이면서, 최종적으로 각 방법들 중에서 토양증발이 가장 저평가되었다(2.09 mm). 에디-공분산법의 토양 증발(산)량값에 이론적으로 증산의 포함가능성이 있기 때문에, 저평가된 A 방법이 수문학적인 관점에서 가장 토양 증발값에 가깝다고 판단될 수 있다.
이는 토양수분의 선형적 감소변화거동을 하기 때문이다. 에디-공분산의 누적 토양증발(산)량에 대한 각 방법의 누적 토양증발량값 차이는 A 방법 (-17%), B 방법(+17%), C 방법(+22%), 평형증발(+25%)으로 나타났다.
종합적으로 각 방법에 따른 토양증발결과들을 살펴보았을 때, 토양수분자료를 이용한 A, B, C 방법들은 에디-공분산방법과 관련성이 높아, 토양증발을 잘 표현한다고 볼 수 있다. 세 방법을 통한 토양증발량 값 차이는 전체 토양증발량에 비해 크지 않아, 일평균 기상-토양수분자료를 이용한 방법인 C 방법을 사용하는 것도 가능하다.
종합적으로 각 방법에 따른 토양증발결과들을 살펴보았을 때, 토양수분자료를 이용한 A, B, C 방법들은 에디-공분산방법과 관련성이 높아, 토양증발을 잘 표현한다고 볼 수 있다. 세 방법을 통한 토양증발량 값 차이는 전체 토양증발량에 비해 크지 않아, 일평균 기상-토양수분자료를 이용한 방법인 C 방법을 사용하는 것도 가능하다. B 방법이 에디-공분산의 결과와 가장 관련성이 높고, 총 누적 토양증발량 값 차이가 가장 적었기 때문에, 세 방법 중에 가장 정확한 토양증발계산방법으로 판단된다.
1. 총 10일간 에디-공분산법, 평형증발식에 의한 누적 토양 증발량값은 각각 2.52, 3.28 mm이다. 세 지점에서 측정한 누적 토양 증발량값은 1.
28 mm이다. 세 지점에서 측정한 누적 토양 증발량값은 1.91~2.88 mm 범위로, 평형증발식보다는 작고, 에디-공분산방법에 대해서는 크거나 작게 평가되었다. 토양증발의 공간적 불균질성을 고려했을 때, 에디-공분산방법은 토양증발 값으로써 유효하다고 판단하였다.
88 mm 범위로, 평형증발식보다는 작고, 에디-공분산방법에 대해서는 크거나 작게 평가되었다. 토양증발의 공간적 불균질성을 고려했을 때, 에디-공분산방법은 토양증발 값으로써 유효하다고 판단하였다.
2. X, Y지점에서 측정된 지표면 토양수분(0 cm)와 다른 토양깊이의 지표하 토양수분 (4, 10 cm)에 따른 10일 동안의 토양증발량 값 차이는 약 0.2 mm 정도로 평균값에 대해 10%정도로, 차이가 적은 것으로 나타났다.
3. 본 연구에서 제안한 토양수분자료를 이용한 A, B, C방법들은 단순이동평균분석을 통해 에디-공분산 방법과 높은 관련성이 나타났다. 또한 각 방법의 누적 토양 증발량 값 차이가 크지 않아, 토양증발을 적절히 표현한다고 볼 수 있다.
4. 평형 증발식의 누적 증발량값은 에디-공분산법, A, B, C 방법들에 비해 차이가 크지 않았지만, 증발율의 변화거동비교에서는 관련성이 낮기 때문에, 실제 토양증발평가 방법으로 사용하기에는 적절하지 않는 방법으로 판단된다.

후속연구

에디-공분산 방법은 수증기농도와 바람의 공분산을 이용하여 증발산을 계산하게 되는데, 하부군락 내 2 m높이의 타워에서 에디-공분산 시스템으로 측정한 증발산량은 이론적으로 저층에 있는 식생에 의한 증산을 포함하고 있다. 또한 하부군락에서의 순 복사량(R_n), 현열(H), 잠열(LE), 평균바람속도(u), 대기와 토양깊이 10 cm에서의 토양온도(T_a, T_w), 대기습도(h_a)을 측정한 자료들은 토양증발에 관한 유용한 자료를 제공해준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에디-공분산법, 평형증발식에 의해 평가된 토양증발(산)과 비교분석한 결과는?	1. 총 10일간 에디-공분산법, 평형증발식에 의한 누적 토양 증발량값은 각각 2.52, 3.28 mm이다. 세 지점에서 측정한 누적 토양 증발량값은 1.91~2.88 mm 범위로, 평형증발식보다는 작고, 에디-공분산방법에 대해서는 크거나 작게 평가되었다. 토양증발의 공간적 불균질성을 고려했을 때, 에디-공분산방법은 토양증발 값으로써 유효하다고 판단하였다. 2. X, Y지점에서 측정된 지표면 토양수분(0 cm)와 다른 토양깊이의 지표하 토양수분 (4, 10 cm)에 따른 10일 동안의 토양증발량 값 차이는 약 0.2 mm 정도로 평균값에 대해 10%정도로, 차이가 적은 것으로 나타났다. 3. 본 연구에서 제안한 토양수분자료를 이용한 A, B, C방법들은 단순이동평균분석을 통해 에디-공분산 방법과 높은 관련성이 나타났다. 또한 각 방법의 누적 토양 증발량 값 차이가 크지 않아, 토양증발을 적절히 표현한다고 볼 수 있다. 특히 B 방법이 세 방법 중에 가장 정확한 토양증발계산방법으로 판단된다. 이는 또한 토양증발평가에있어서, 14시의 DSL값이 수문학적으로 중요한 의미를 가진다고 할 수 있다. C 방법은 일평균 기상-토양수분자료를 이용한 방법으로, A, B 방법들에 비해 자료의 이용가능성이 높은 장점이 있다. 4. 평형 증발식의 누적 증발량값은 에디-공분산법, A, B, C 방법들에 비해 차이가 크지 않았지만, 증발율의 변화거동비교에서는 관련성이 낮기 때문에, 실제 토양증발평가 방법으로 사용하기에는 적절하지 않는 방법으로 판단된다.
	산림 생태계의 물 순환을 이해하고 정량화하는 것은 무엇을 위해 필요한가?	산림 생태계의 물 순환을 이해하고 정량화하는 것은 수자원 장기 계획 및 관리측면, 지속 가능한 수자원 개발, 생태계관리를 위한 필수요소이다(건설교통부, 2001; 김, 2003). 특히 우리나라의 경우, 국토면적의 약 64%가 산림으로 이루어져 산림 유역 내의 물 순환에 대한 연구는 더욱 절실하다.
	산림 유역 내의 물 순환에 대한 연구의 필요성은?	특히 우리나라의 경우, 국토면적의 약 64%가 산림으로 이루어져 산림 유역 내의 물 순환에 대한 연구는 더욱 절실하다. 그러나 산림 내 물 순환 요소들 중 토양증발에 대한 측정방법 및 정량화에 대한 정보는 미비하여, 수문-기상학적으로 어떤 영향을 미치는지는 파악하기 힘들다. 지표면 토양증발량을 산정하기 위해서 여러 연구들을 수행하였으나, 연구의 대부분은 Penman식을 기초로 증발을 평가하였다(Penman, 1948; Staple, 1974; Konukcu, 2007).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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