기상청(氣象廳) 지온(地溫) 측정(測定) 토양(土壤)의 물리적(物理的) 성질(性質)과 겉보기 열확산(熱擴散) 계수(係數) 산정(算定)

Physical Properties and Apparent Thermal Diffusivity of the Soils where Soil Temperature is Measured Regularly

우리나라에서 토양(土壤) 온도(溫度)를 정규적으로 관측(觀測)하고 있는 기상청(氣象廳) 산하(傘下) 기상대(氣象臺) 및 관측소(觀測所) 관측(觀測) 노장(露長)의 토양시료(土壤試料)를 채취(採取)하여 토양(土壤)의 열전도(熱傳度) 특성(特性)과 관련이 깊은 토양(土壤)의 용적밀도(容積密度), 토성(土性), 유기물(有機物) 함량(含量) 등 물리적(物理的) 특질(特質)을 분석(分析)하였으며, 토양(土壤)의 열확산(熱擴散) 계수(係數)를 산출(算出)하였다. 기상청(氣象廳) 산하(傘下) 기상대(氣象臺) 및 관측소(觀測所) 토양(土壤)의 물리적(物理的) 특성(特性)을 조사한 결과(結果) 0-10cm의 표토(表土)는 52%가 사양토(砂壤土)였으며, 양토(壤土)와 미사질양토(微砂質壤土)가 38%, 그리고 식양토(埴壤土) 및 미사질식토(微砂質埴土)가 10%이었다. 이들 토양(土壤)의 열특성(熱特性)과 관계가 깊은 용적밀도(容積密度)는 사토(砂土)가 $1.41g/cm^3$, 양토(壤土)와 미사질양토(微砂質壤土)가 $1.33g/cm^3$, 그리고 식양토9埴壤土) 및 미사질식토(微砂質埴土)가 $1.21g/cm^3$로 토성(土性)이 미세할수록 낮은 값을 보였다. 열확산(熱擴散) 계수(係數)는 평균(平均) $3.53{\times}10^{-3}cm^3/sec$이었으며, $1.159-8.401{\times}10^{-3}cm^3/sec$의 범위에 있었다. 특히 유기물(有機物) 함량(含量)이 높고 용적밀도(容積密度)가 낮은 제주도(濟州道) 토양(土壤)의 열확산(熱擴散) 계수(係數)는 표토(表土)에서 $2{\times}10^{-3}cm^3/sec$으로 다른 지역의 토양(土壤)보다 현저히 낮았다. 토심(土深) 30cm 이하(以下) 토양(土壤)의 열확산(熱擴散) 계수(係數)는 평균(平均) $6.81{\times}10^{-3}cm^3/sec$로 $1.54-16.12{\times}10^{-3}cm^3/sec$의 범위를 보여 표토(表土)보다 높았다. 열확산(熱擴散) 계수(係數)로부터 계산(計算)된 표토(表土)의 일주간(日週期) 불역심(不易深)(damping depth)은 5.92-13.65cm였으며, 깊이 30cm이하의 연주기(年週期) 불역심(不易深)은 124-342cm이었다. 한편, 실험실내(實驗室內)에서 열선막대법에 의하여 측정(測定)된 열확산9熱擴散) 계수(係數)와 용적밀도(容積密度) 및 토양수분함량(土壤水分含量)과의 관계로부터 열확산(熱擴散) 계수(係數)를 추정(推定)할 수 있는 중회귀(重回歸) 모델을 이용하면 토양온도(土壤溫度)가 부족한 지점(地點)의 열확산(熱擴散) 계수(係數)를 추정(推定)할 수 있게 되었다.

Soil temperature is one of the important environmental factors which control all the physical, chemical and biological processes in soil including germination and root growth of plants and other organisms living in the soil ecosystem. Soil water and nutrient availability and mobility are temperature dependent. Soil temperature change is depended primarily upon energy exchange in soil surface, meteorological variance and physical properties of the soils which are closely related to heat transfer mechanism. In this study physical properties including bulk density, soil texture and organic matter content were measured and thermal diffusivity on the soils was calculated. Soil samples from the 66 meteorological stations under the Korea Meteorology were collected and the physical parameters were measured. To obtain relationship between thermal diffusivity and soil water content a heat probe thermal diffusivity measurement apparatus was designed and used in this experiment. According to the survey on soil physicsal properties on the 66 meteorological stations, the 52% of the surface soil texture were sandy loam and laomy sand or sand, 38% were loam and silty loam, and 10% were clay loam and silty clay loam. The bulk density which was closely related with thermal properties showed average of $1.41g/cm^3$ for sandy soils, $1.33g/cm^3$ for loam and silty loam soils, and $1.21g/cm^3$ for clay loam and silty clay loam soils. The apparent thermal diffusivity of the upper layer from 0 to 30cm ranged from 1.16 to $8.40{\times}10^{-3}cm^3/sec$ with average of $3.53{\times}10^{-3}cm^3/sec$. The apparent thermal diffusivities of the Jeju soils of which organic matter contents were high and the bulk densities were low were near $2{\times}10^{-3}cm^3/sec$. The thermal diffusivity of snow measured in Chuncheon ranged from 0.822 to $2.237{\times}10^{-3}cm^3/sec$. The damping depth calculated from the thermal diffusivity ranged from 5.92 to 13.65cm for daily basis and 124 to 342cm for yearly basis. The significant regression equation to estimate thermal diffusivity with bulk density and soil water content was obtained by the heat probe in laboratory.