Effect of Temperature and Plow Pan on Water Movement in Monolithic Weighable Lysimeter with Paddy Sandy Loam Soil during Winter Season

Effect of Temperature and Plow Pan on Water Movement in Monolithic Weighable Lysimeter with Paddy Sandy Loam Soil during Winter Season

Mijin Seo, Kyunghwa Han*, Kangho Jung, Heerae Cho, Yongseon Zhang, and Seyeong Choi

Division of Soil & Fertilizer, National Academy of Agricultural Science, Wanju 55365, Korea

1

Extension Planning Division, Gyeongsangbuk-do Agricultural Research & Extension Services, Daegu 41404, Korea

(Received: June 20 2016, Revised: August 3 2016, Accepted: August 11 2016)

The monolithic weighing lysimeter is a useful facility that could directly measure water movement via layers, drainage, and evapotranspiration (ET) with precise sensors. We evaluated water movement through layers and water balance using the lysimeter with undisturbed paddy sandy loam soil, Gangseo soil series (mesic family of Anthraquic Eutrudepts classified by Soil Taxonomy) during winter season from Dec. 2014 to Feb. 2015.

Daily ET indicated up to 1.5 mm in December and January and 2 mm in February. The abrupt increase of soil water tension at the depth of 0.1 m, when soil temperature at the same depth was below 2°C, was observed due to temporary frost heaving. The surface evaporation was less than reference ET below -15 kPa of soil water potential at the depth of 0.1 m. The maximum drainage rate was similar to the saturated hydraulic conductivity of a plow pan layer. Both upward and downward water movement, related to ET and drainage, were retarded by a plow pan layer. This study demonstrated that the lysimeter study could well quantify water balance components even under frost heaving during winter season and that a plow pan with low permeability could act as a boundary that affects drainage and evapotranspiration.

Key words: Winter season, Evapotranspiration, Drainage, Water balance, Lysimeter

Water input and output through the lysimeter with undisturbed paddy sandy loam soil from Dec. 2014 to Feb. 2015.

1)

*Corresponding author: Phone: +82632382432, Fax: +82632383822, E-mail: [email protected]

§

Acknowledgement: This study was supported financially by a grant from the research project (No. PJ010867) of National Institute of

Agricultural Sciences, Rural Development Administration, Republic of Korea.

Introduction

육상생태계 대기-식물-토양-수계의 물질순환에서 물과 물질의 이동 및 변환의 핵심역할을 하는 토양환경은 이종적 다공성 매질일 뿐만 아니라 지하에 가려져 있어 그 특성을 직접적으로 측정하기 어렵다. 최근 지구온난화, 가뭄 등 이 상기상 발생빈도 증가 등의 기후변화에 대응하기 위해 토양 을 통한 물과 용질의 이동을 자연적인 토양구조 그대로 정 밀하게 직접 측정할 수 있는 비교란 중량식 라이시미터의 활용이 확대되고 있다 (Meißner et al., 2010). 라이시미터 는 대기-식물-토양을 통한 물의 이동에 따른 물수지 (Water balance)를 측정할 수 있는 시설이며, 중량값은 10 g 정밀도 로 무게의 변화에 따른 물수지 인자들의 정밀한 측정이 가 능한 시설이다.

그러나 아시아의 주 토지이용인 벼 재배토양에 대해서는 적용된 바 없다. 또한 이제까지 연구가 주로 벼 재배시기인 봄에서 가을까지에 집중되어 있어 동절기에 일어나는 벼 재 배토양에서의 물의 이동에 대한 연구는 미흡한 실정이다.

동절기는 작물이 주로 생육하는 봄, 여름, 가을과 달리 강 수, 기온 등 기상현상에 의해 주로 영향을 받는다 (Hong et al., 2012; Longobardi, 2008; Wilson et al., 2005). 상대적 으로 낮은 일사량으로 지표증발량이 낮은 동절기에 내리는 강수는 토양수분과 지하수로 저장될 수 있어 동절기 후 작 물의 생육을 위한 농업용수 확보로 매우 중요하다.

밭과 달리 벼 재배를 위해 담수 후 써레질을 하는 논토양 은 써레질시 분산된 토양입자가 공극을 메워 투수속도가 매 우 낮은 층이 형성된다 (Han et al., 2010; Kirchhof et al., 2000; Kyuma, 2004). 이 층은 표토 바로 아래에 형성되며, 이 층의 낮은 투수속도로 담수기에 산소가 쉽게 고갈되어 혐기적 조건이 형성될 수 있다 (Kyuma, 2004). 투수속도가 낮아 물 이동이 제한되는 이 층을 쟁기바닥층이라 하며 담 수기의 관개용수절약에 기여할 수 있다 (Han et al., 2010;

Kyuma, 2004). 특히, 심토의 점토함량이 상대적으로 낮아 배수가 원활한 사양토일 경우 쟁기바닥층은 토양단면에서 가장 투수속도가 낮은 전 토층의 투수제한 층위로 작용하게 된다. 그러나 가을에 낙수 후 토양이 건조되기 시작하면 표 면에서부터 균열이 발생하여 새로운 토양구조 형성과정에 들어간다 (Cabangon and Tuong, 2000). 균열생성정도, 균 열깊이 등은 토양특성에 따라 다를 수 있다 (Cabangon and Tuong, 2000; Kirchhof et al., 2000). 만약 균열의 깊이가 쟁기바닥층까지 확장된다면 포화수리전도도가 크게 증가될 수 있을 것이다 (Hillel, 1998). 즉, 벼 수확 후에 동절기의 논토양 투수속도는 담수기와 다를 수 있으며 이에 대해 아 직 연구된 바 없다. 현재까지는 국내외 물이동과 토양수분 특성 분석 연구는 주로 밭조건에서 이루어져 왔다 (Brooca et al., 2010; Gwak et al., 2015; Hong et al., 2012; Hur et

al., 2014; Joo et al., 2010; Kim et al., 2005; Longobardi, 2008; Oh et al., 1999; Yoo and Ryu, 1998). 지하배수의 경 우 주로 광역적 지하수 함양량 추정에 대한 연구가 대부분 이었다 (Bae and Lee, 2004; Lee and Lee, 2011; Moon and Woo, 2001).

자연의 토양구조 그대로 옮겨 놓은 논토양 단면과 정밀 센서를 장착한 라이시미터는 물의 유입 후 층위간 이동, 그 리고 배수와 증발산 등의 물의 이동을 직접 측정할 수 있다.

본 연구에서는 비교란 중량식 라이시미터를 이용하여 동절 기에 논토양에서의 층위별 물이동 특성, 증발산량, 지하배 수량, 토양수분저장량 등 물수지를 분석하였다.

Methods and Materials

연구지점의 개황 전라북도 완주군 국립농업과학원

(National Institute of Agriculture Sciences; NAS) 내에 위 치한 정밀 중량 라이시미터 시설을 이용하여 연구를 수행하 였다. 연구지점은 북위 35°49’29”, 동경 127°2’46.4”, 해발 33 m에 위치해 있다. 우리나라는 몬순 기후의 영향으로 여 름철에 강수량이 집중되어 있어 습하고 더우며 겨울철에는 건조하고 춥다. 연구지점의 평년 (1981-2010) 강수량은 1,313 mm yr

였으며 동절기 (12월~2월) 동안의 강수량은 104 mm 로 총 강수량의 약 8% 정도였다 (KMA, 2011). 기온은 연평 균 13°C였으며, 동절기 동안은 1.1°C였다 (KMA, 2011). 국 립농업과학원 자동기상관측시스템으로 측정된 2014년 12월 부터 2015년 2월까지 동절기 동안의 강수량은 약 124 mm로 평년 값보다 높았으며, 평균기온은 0.2°C로 평년 값보다 낮 았다.

연구토양 및 작물 본 연구는 비교란 상태의 논 토양

으로 구성된 표면적 1 m

, 깊이 1.5 m의 라이시미터를 이용 하였다. 실험은 반복없이 진행하였다. 작물은 동계작물 호 밀을 11월 19일 파종한 상태로, 12월과 1월은 지상부 생육을 관찰할 수 없었고, 2월 말 기온이 상승하면서 초장이 최대 2 cm 내외로 관찰되었다. 인위적인 관개는 하지 않았다. 연구 토양은 내륙의 하성평탄지에서 발달된 강서통 (mesic family of Anthraquic Eutrudepts)에 속하며 배수는 대체로 약간 양호한 상태이다 (RDA, 2015). 층위별로 10% 이하의 점토 함량을 가지고 있으며 50% 이상의 높은 모래 함량과 30%

이상의 미사 함량을 나타내며 사양토의 특성을 보인다.

토양단면의 자세한 층위별 속성은 USDA-NRCS의 기준 (Schoeneberger et al., 2012)을 따라 기록하였으며 Table 1 과 Fig. 1과 같다. 토심 1.5 m는 Ap, BAg, Bw1, Bw2, BC, C의 6개 층위로 구분되었다.

라이시미터 물수지 분석 물수지는 Eq. 1과 같으며 P

Table 1. Physical properties of study soil.

Soil series Horizon Soil depth (cm)

Bulk density (Mg m

)

Distribution of soil particles (%)

Soil texture

Sand Silt Clay

Gangseo

Ap 0~13 1.20 52.6 37.4 10.0 Sandy loam

BAg 13~28 1.33 52.8 39.2 8.0 Sandy loam

Bw1 28~69 1.41 50.1 40.9 9.0 Loam

Bw2 69~95 1.36 61.4 32.6 6.0 Sandy loam

BC 95~130 1.40 59.8 34.2 6.0 Sandy loam

C 130~150 1.42 57.4 34.6 8.0 Sandy loam

· Ap - 0 to 13 cm. Dark gray (5Y 4/1) fine sandy loam; common fine prominent strong brown (7.5YR 4/6) mottles; weak fine granular structure; common fine pores; friable, slightly sticky and slightly plastic; many fine roots; clear smooth boundary.

· BAg - 13 to 28 cm. Grayish brown (2.5Y 5/1) fine sandy loam;

common fine distinct strong brown (7.5YR 5/6) mottles; many fine rice roots; weak coarse prismatic structure; common fine pores; friable, slightly sticky and slightly plastic; common fine rice roots; clear smooth boundary.

· Bw1 - 28 to 69 cm. brown (10YR 4/3) loam; common medium distinct brown (7.5YR 4/4) mottles; weak coarse prismatic structure; friable, slightly sticky and slightly plastic; common fine pores; few fine roots; clear smooth boundary.

· Bw2 - 69 to 95 cm. Mottled, brown (10YR 5/3), dark yellowish brown (10YR 3/3) fine sandy loam; friable, slightly sticky and slightly plastic; common fine pores; weak coarse prismatic structure; clear smooth boundary.

· BC - 95 to 130 cm. Brown (10YR 4/3) fine sandy loam;

common fine distinct grayish brown (10YR 5/2) mottles; weak coarse subangular blocky structure; friable, slightly sticky and slightly plastic; few fine pore; gradual smooth boundary.

· C - 130+ cm. Dark brown (10YR 3/3) sandy loam; common fine distinct grayish brown (10YR 5/2) mottles; structureless (massive); loose, non-sticky and non-plastic.

Fig. 1. Soil profile picture and description of undisturbed paddy soil used in this study.

는 강우량 (mm), I는 관개량 (mm), ET는 증발산량 (mm) (여기서, ET = ETa, 실증발산량), D는 지하배수량 (mm), RO는 지표유출량 (mm), ΔS는 토양수분변화량 (mm)을 나 타낸다.

ΔS = (P+I) – (ET+D+RO) (Eq. 1)

본 연구에서는 관개를 하지 않았고 지표유출 또한 없었 기 때문에 Eq. 1은 Eq. 2와 같이 나타낼 수 있다.

ET = P– D-ΔS (Eq. 2)

라이시미터로부터의 지하배수량 (D)은 강수로부터 작물

에 의한 증산과 토양으로부터 지표증발의 영향 그리고 토양

특성의 영향이 반영된 결과이다. 토양층을 통과하여 자유

배수되는 물은 100 ml 배수마다 횟수를 카운팅하여 지정된

시간 동안의 배수량을 측정하는 장치 (Tipping counter, UGT,

Germany)에 의하여 측정되었다. 또한 토양수분장력과 토양

온도는 토심 10, 30, 55, 85, 125 cm 층위마다 설치된 수분

Fig. 2. Weighable-lysimeter vertical view. It has three 10 g-resolution load cells for measuring weight (a), has tipping counter, which counts the number of times for every 100 ml of drained water, for measuring a drainage amount (b), and has sensors for five layers (10, 30, 55, 85, and 125 cm depths) for measuring soil water content (c).

장력계 (Tensio160, UGT, Germany)와 수분/지온/염도 측 정기 (UMP-1, UGT, Germany)를 이용하여 측정되었다. 라 이시미터의 단면 디자인은 Fig. 2와 같다. 시간별 강수, 토 양수분장력, 지하배수, 라이시미터 총중량 데이터를 바탕으 로 2014년 12월부터 2015년 2월까지 일별, 월별 자료를 구 축하였으며, 계산된 증발산량은 FAO Penman-Monteith (Allen et al., 1998)로 추정한 기준증발산량 (ET

)과 비교· 분석하 였다.

층위별 토양분석 층위별 토양분석을 위한 시료는

2013년 10월 라이시미터 설치를 위한 토양단면 채취시 층위 별로 3인치 코아 시료를 3반복으로 채취하였다. 이 때 원추 형 관입저항계 (Eijkelkamp, Netherland)를 이용하여 토양 의 깊이별 관입저항을 측정하여 쟁기바닥층의 특성을 분석 하였다. 토양의 용적밀도는 코아법 (Blake and Hartge, 1986) 을 이용하였으며 토양입자분포는 비중계법 (Gee and Bauder, 1986)을 이용하였고 토성분류기준은 USDA-NRCS의 기준 (Schoeneberger et al., 2012)을 따랐다. 층위별 포화수리전 도도는 3인치 비교란 코아시료를 이용하여 실험실 내에서 100 mm day

이상은 정수위법으로 100 mm day

미만은 변수위법으로 3반복 측정하였다 (Klute and Dirksen, 1986).

포화수리전도도의 추정값은 토양입자 프랙탈차원을 이용한 추정식인 Han et al. (2010)의 방법과 토양입자분포와 용적 밀도를 이용한 Saxton et al. (1986)의 방법을 이용하였다.

Results

논토양 층위별 포화수리전도도 연구대상 토양인 강

서통은 하천유역 충적지에 분포한 세사양토이다. 표토는 수 전화 작용을 받아 회색을 띠고 B층과 C층은 갈색 또는 황갈 색이나 회색을 띤 반문이 존재하였다 (Fig. 1). 뿌리가 분포 하는 Ap층은 약한 입상구조를 나타낸 반면 B층은 약한 주 상구조, C층은 무구조를 나타내었다. 쟁기바닥층은 매년 경 운에 의해 달라질 수 있는데 관입저항으로 볼 때 토심 20~40 cm 층위에 나타났다 (Fig. 3). 즉, 회색을 띠는 BAg 층과 Bw1에 걸쳐 분포하였다.

Ap층은 매년 경운과 써레질 등으로 투수속도가 변화하는

층으로 BAg층 이하 5개 층위에 대해 포화수리전도도를 측

정하고 추정치와 비교하였다 (Fig. 4). 쟁기바닥층이 시작되

는 깊이인 BAg층위가 3 mm day

로 낮았으나 하위 층위는

평균 30~435 mm day

로 상대적으로 높게 나타났다. 표준

편차 또한 BAg층에서 0.5 mm day

로 가장 낮았고 하위 층

Fig. 3. Soil penetration resistance of undisturbed paddy soil used in this study. Horizontal bars mean the standard deviation of penetration resistance for each 5 cm depth.

Fig. 4. Saturated conductivity of soil horizon and the comparison with the value estimated by Han et al. (2010) and Saxton et al.

(1985). Vertical bars mean the standard deviations of the measured values.

위는 10~393 mm day

로 높게 나타났다. Han et al. (2010) 과 Saxton et al. (1985)의 추정치와 비교한 결과 BAg층에 서 가장 큰 차이를 나타내었으며 하위 층위에서는 차이가 상대적으로 작았다 (Fig. 4). 5개 층위에서 측정치와 추정치 의 평균제곱근편차인 RMSD는 Han et al. (2010) 방법에서 112 mm day

로 Saxton et al. (1985) 방법의 2,465 mm day

보다 20배 작게 나타났다.

동절기 논토양 물수지 2014년 겨울은 평년에 비해

기온이 낮았으며 월평균 기온은 12월이 가장 낮고 1월, 2월 순으로 높아졌다. 이에 반해 동절기 일평균 지온은 2월 9일 에 토심 0.1 m에서 0.7°C로 가장 낮았는데, 이는 일평균 기 온이 -6.8°C로 최저를 나타낸 12월 16일과는 다르게 나타났 다 (Fig. 5). 강수량는 12월에 59 mm로 가장 많았으며 1월, 2월 순으로 적었다 (Table 2). 12월의 경우 유입된 물이 주 로 지하배수로 유출되는 특성을 나타내었으며 증발산량은 10 mm 정도로 낮게 나타났다 (Table 2, Fig. 6). 1월은 12월 에 비해 강수일수가 작아 증발산량이 12월보다 약 두 배 높 은 19 mm를 나타내었으며 지하배수량은 12월의 60 mm에 비해 24 mm로 작았다. 이러한 경향은 2월에 더욱 강해져 배수량이 7 mm로 작고 증발산량이 29 mm로 높게 나타났 다. 동절기 전체로 볼 때 124 mm 강수가 라이시미터로 유 입되었으며 지하배수로 91 mm, 증발산으로 58 mm가 라이 시미터 밖으로 유출되었다. 동절기 물수지는 -25 mm로 토 양수분함량이 감소된 것으로 나타났다.

토양층위별 수분포텐셜과 배수량 연구기간 중 토양

수분포텐셜의 변동은 토심 0.1 m에서 변동폭이 가장 크고

토심이 깊어질수록 변동폭이 작아져 1.25 m에서는 약 -3

kPa로 일정한 경향을 나타내었다 (Fig. 7). 특히 토심 0.1 m

에서는 밤과 낮의 수분포텐셜 변이가 나타났으며 저온의 맑

은 날일수록 상대적으로 크게 나타났다. 토심 0.1 m에서 온

도가 2°C 이하를 나타내는 날에는 수분포텐셜이 일시적으

로 감소하였다. 수분포텐셜 감소 크기는 최저 지온을 나타

낸 2월 9일에 가장 컸으며 1월 3일과 1월 18일에도 상대적으

로 큰 감소 피크를 나타냈다. 이 피크는 온도가 상승하면서

다시 이전상태로 회복되었으며, 동결에 의해 토양표면에 서

Fig. 5. Daily variation of precipitation and air and soil temperature in the study site from Dec. 2014 to Feb. 2015.

Table 2. Monthly water balance through the lysimeter with undisturbed paddy soil during winter season from Dec. 2014 to Feb.

2015 (in mm).

Water balance Variable 2014

Dec.

2015 Jan.

2015

Feb. Total

Water input Precipitation 59.0 43.1 21.8 123.9

Water output

Drainage 60.2 23.7 7.0 91.1

(73%)

Evapotranspiration 9.7 19.1 28.8 57.6

(46%)

DW Soil water change -11.1 0.3 -14.0 -24.8

†

The ratio of each variable to precipitation.

Fig. 6. Water input and output through the lysimeter with undisturbed paddy soil from Dec. 2014 to Feb. 2015.

릿발이 생겼을 때와 일치하는 것으로 나타났다. 토심 0.3 m 에서의 수분포텐셜은 서릿발이 생긴 날 피크가 나타났으나 토심 0.1 m에서 보다 그 크기는 작았다. 이에 반해 토심 0.55 m 이하에서의 수분포텐셜은 지표면 동결에 의한 영향 을 받지 않는 것으로 나타났다.

라이시미터 하부로 유출되는 지하배수량은 12월 초· 중 순에 가장 높게 나타났다. 지하배수의 유출 속도는 최대 4.8 mm day

였으나 이는 단 1회 나타났으며 경시적 배수 속도 곡선의 극값은 3~3.6 mm day

였다. 중력에 의한 빠 른 배수가 일어나는 대공극의 구분기준인 -6 kPa을 기준 (Mcdonald, 1967)으로 수분포텐셜의 변동곡선을 분석하여 보면 12월 초· 중순 동안 전 층위의 토양수분포텐셜이 -6 kPa보다 크게 나타나고 특히 토심 0.1 m와 0.3 m에서의 수 분포텐셜이 토심 1.25 m보다 크게 나타남을 알 수 있었다.

12월 말부터 토심 0.1 m와 0.3 m의 수분포텐셜이 -6 kPa이 하로 떨어졌으며, 1월에 토심 0.55 m가 -6 kPa이하로 낮아 졌고, 토심 0.85 m 수분포텐셜의 변동곡선은 2월 이후 -6 kPa보다 약간 낮아졌다. 이는 Fig. 6의 전 토층의 평균수분 함량의 감소와 유사한 경향이었다. 강수에 따른 배수속도의 극값은 12월에 가장 높은 값을 나타냈으며 이후 점차 줄어 들다가 2월 중순 이후 0.5 mm day

이하로 떨어졌다. 동절 기 동안 토심 1.25 m의 수분포텐셜은 -6 kPa 이상인 -3 kPa이 지속적으로 유지되었다.

토양층위별 수분포텐셜과 증발산량 ^{지표면에서의}

증발산은 지하배수와 반대방향인 상향이동이다. 지표에 가 까운 토심에서 수분포텐셜이 낮을수록 상향의 수분플럭스 가 형성된다. 1월과 2월에 강우 후 건조과정 동안 지표로 갈 수록 수분포텐셜이 낮게 형성됨이 보여졌다 (Fig. 7). 12월 과 1월의 일 증발산량은 0~1.5 mm를 나타내었으며 2월에 최대 2 mm까지 증가하였다.

연구기간 동안 크게 3번의 젖음-마름 과정 (1차: 12월 하 순, 2차: 1월 중순, 3차: 1월말~2월초)이 나타났다. 강수 후 토심 0.1 m에서는 급격한 수분포텐셜의 감소가 일어났다. 1 차와 2차의 경우 토심 0.3 m와 0.55 m는 수분포텐셜의 감 소가 거의 유사한 반면, 3차에서는 토심 0.3 m는 토심 0.1 와 유사한 기울기로 감소하고 토심 0.55 m는 완만한 감소 곡선을 보였다. 이 때 기온은 1월에 비해 상대적으로 낮았 지만 구름 없이 맑은 날이 연속되었다. 2월 중순에 20 mm 정도의 강우가 있었으나 이후 기온 및 일사량이 상승하면서 깊이별 토양수분포텐셜이 감소되는 경향을 나타내었다. 3 차의 젖음-마름 과정에서 일 증발산량을 기준증발산량 (FAO Penman-Monteith 추정)과 비교한 결과 지표면이 젖어 있 는 건조 초기에는 기준증발산량보다 높게 나타났고 8일 후 유사한 값을 나타내다가 10일 후부터는 기준증발산량보다 낮게 나타남을 알 수 있었다 (Fig. 8). 8일째 표토 10 cm 깊

이의 토양수분포텐셜은 -15 kPa이었고 12일째는 -17 kPa 에 해당하였다.

Discussion

이종적 다공성 매질인 토양에서 물의 이동에 대한 이해 는 수자원 관리뿐 아니라 농경지에서 작물생산, 물의 흐름 에 따른 양분, 화학물질 등의 관리에 매우 중요하다 (Goss and Eulers, 2009). 저온으로 식물의 생장이 제한되는 동절 기는 대기-토양-수계의 순환계로 축소될 수 있다. 또한 포 장에서 분리된 라이시미터 토양의 경우 중력에 의해 배수되 어 라이시미터 밖으로 유출된 물은 다시 토양으로 유입될 수 없기 때문에 대기-토양의 상호작용으로 다시 축소될 수 있다. 동절기 기상은 저온과 일교차로 일중 상대습도의 변 화가 크다. 맑은 날의 경우 정오의 상대습도는 30~50%, 자 정에는 100%에 육박한다. 일사량, 상대습도, 기온 등이 복 합적으로 작용하여 표토에서 일중 수분포텐셜이 밤과 낮에 따라 변동한 것으로 파악되었다. 최저토양온도는 최저기온 인 날과 달랐는데, 이는 토양수분함량에 의한 것으로 보인 다. 물은 열용량이 높아 온도가 급격히 낮아지는 것을 막아 줄 수 있다 (Hillel, 1998). 최저기온을 나타낸 12월 16일은 토양수분함량이 포화근처로 높고 강설로 인한 보온효과도 예측할 수 있었다. 반면 2월 9일은 표토의 수분포텐셜이 -15 kPa이하로 낮아져 12월 16일에 비하여 수분함량이 낮았다.

토양이 동결되어 서릿발이 형성되면 건조시와 같이 수분장 력이 증가하고 상층부로의 물이동이 유도된다 (Bronfenbrener and Bronfenbrener, 2010). 그러나 기온이 상승되어 물이 녹아 수일내에 원래의 수분포텐셜로 돌아가는 일시적 서릿 발이었다. 이러한 일시적 서릿발은 1월 3일과 1월 18일에도 관찰되었는데, 서릿발 발생온도는 토심 0.1 m에서 토양 온 도 2°C 이하인 것으로 나타났다. 따라서, 작물의 동해예방 을 위해서는 2°C 이상으로 관리하는 것이 필요하다고 본다.

토양단면을 통한 물의 이동은 강수일수가 잦고 흐린 날 이 지속되어 지표증발요구량이 낮을 시 아래로의 이동, 즉 배수가 주가 된다 (Hillel, 1998). 토양이 포화근처의 수분함 량을 가진 12월 초· 중순 최대 배수속도는 쟁기바닥층 포화 수리전도도와 유사하게 나타났다. 이는 쟁기바닥층이 물의 하향이동을 제한함을 보여준다 할 수 있다. 이처럼 투수속 도 제한 층위의 물이동 속도는 전 토층의 물의 하향이동을 결정하게 된다. 광역적 물수지 평가를 위해서는 기지의 자 료로 포화수리전도도를 추정하는 것이 매우 중요하다. Saxton et al. (1986)은 다양한 토성에서 토양의 수분보유특성에 대 해 연구하여 추정식을 도출하였고, Han et al. (2010)은 우 리나라 논토양의 쟁기바닥층의 포화수리전도도를 실측하고 토양입자분포프랙탈 차원을 이용하여 식을 추정한 바 있다.

두 추정법 모두 경험식으로 추정식 도출에 사용된 토양으로

Fig. 7. Change in soil water potential at five depths and drainage rate from the lysimeter with undisturbed paddy soil from Dec.

2014 to Feb. 2015.

Fig. 8. Comparison of daily evapotranspiration from paddy soil with reference evapotranspiration estimated by FAO PM method during soil drying period.

적용범위가 한정되는데 연구토양은 적용범위의 경계선상에 있었다 (Han et al.. 2010; Saxton et al., 1986). 포화수리 전도도 실측치보다 Saxton et al. (1986) 방법의 추정치는 백 배 이상으로 크게 나타나 논토양의 수리 특성을 제대로 반 영하지 못하는 것으로 판단되었다. Han et al. (2010) 방법 의 추정치 또한 Bw1이하에서는 표준편차 이내의 차이를 나

타내었으나 쟁기바닥층 출현 층위인 BAg에서는 10배 이상

의 차이를 나타내었다. 이는 연구대상토양의 점토함량이

10% 이하의 사양토이지만 미사와 세사함량이 상대적으로

높아 써레질 후 침전과정에서 토양입자가 치밀하게 쌓일 수

있어 투수속도가 매우 낮아진 것으로 보여진다. 미사와 세

사함량이 높은 토양의 쟁기바닥층에 대해서는 Han et al.

(2010)의 추정식을 보완할 필요가 있다고 판단된다.

토양이 불포화 상태로 가면서 배수속도는 -6 kPa을 기점 으로 크게 변화되는 것으로 나타났다. -6 kPa이하로 대공 극의 물이 비워진 후는 지표증발요구량에 따라 물이 모세관 상승하는 상향이동이 우세하게 나타났다. 2월 초 토양수분 포텐셜이 감소되는 기울기의 차이가 토심 0.3 m와 0.55 m 사이보다 토심 0.1 m와 0.3 m 사이에서 작게 나타났다. 이 것은 서릿발에 의한 수분포텐셜 감소가 토심 0.3 m까지만 나타나고 토심 0.55 m에는 나타나지 않은 것과 연관되어 있 다. 투수속도가 매우 낮은 난투수층이 존재할 경우 물의 하 향이동뿐 아니라 상향이동도 제한될 수 있다 (Hillel, 1998;

Miyazaki, 1993).

저온으로 호밀이 자라지 못해 거의 나지 상태와 비슷한 2 월 초순 (3차 젖음-마름과정)에 지표증발량과 기준증발산 량을 비교했을 때 토심 0.1 m의 -15 kPa에서 상호간 유사 한 값을 나타내고 그보다 작아지면서 지표증발량이 기준증 발산량보다 작게 나타남을 알 수 있었다. Allen et al. (1998) 은 지표가 물로 포화되어 있을 때 기준증발산량보다 증발량 이 높고 포장용수량에서 기준증발산량과 같아진다고 보고 한 바 있다. 포장용수량에 해당하는 토양수분포텐셜은 토양 특성에 따라 다를 수 있다. 본 연구의 결과로부터 논 세사양 토의 토심 0.1 m에서 -15 kPa이 기준증발산량과 일치되는 시점이라는 것은 지표증발량 산정에 중요한 정보가 되리라 판단된다.

Conclusions

본 연구에서는 비교란 중량식 라이시미터를 이용하여 동 절기 물수지 실측치와 저온에서의 서릿발 생성온도, 건조시 기준증발산량대비 지표증발량 변화기점 등에 대한 정량적 수치를 밝혔다. 특히, 논에서의 배수와 증발산은 쟁기바닥 층이 경계로서 제한인자가 됨을 확인할 수 있었다. 강수량 이 많고 저온이었던 2014년 12월부터 2015년 2월까지 강수 의 73%가 지하로 배수되었다. 이는 논이 지하수 함양에 긍 정적인 역할을 함을 보여주는 예라 할 수 있다.

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