나무의사 산림토양학 요약 _ 4 토양유기물

1. 토양유기교질물

1) 부식의 교질특성

토양유기물이 교질의 특성을 지니게 되는 것은 부식때문이다.
부식의 비표면적과 흡착능은 층상의 점토광물에 비하여 훨씬 크다.
부식의 등전점(교질입자의 순전하가 0일때의 pH)은 대게 3정도로 낮으며, 따라서 토양의 pH가 3이상이면 부식은 순 음전하를 가진다.
이러한 유기물의 전하 특성은 토양의 양이온교환능력을 높이는 데 중요한 역할을 한다.

2) 부식의 주요 작용기

carboxyl : R-C=O(-OH)
enol : R-CH=CH-OH
penolic OH : Ar-OH
qulinone : Ar=O
부식이 가지는 음전하의 55%가 carboxyl기의 해리에 의한 것
R-COOH = R - COO- + H+

3) 토양 pH에 따른 점토와 유기물의 양이온 교환용량

pH의존적인 유기물 전하의 특성을 보여준다.
점토광물의 영구전하는 pH에 따라 변화가 적으므로 점토의 CEC변화가 크지 않다.
유기물의 전하 특성은 토양 pH 완충력을 높이는 데 중요한 역할을 한다.

 

2. 토양의 이온교환

1) 양이온의 중요성

치환성 K Ca Mg 등은 식물영양소의 주된 공급원이다.
산성토양의 pH를 높이기 위한 석회요구량은 CEC가 클수록 많아진다.
흡착된 Ca2+ Mg2+ K+ Na+ NH4+ 등의 이온들은 쉽게 용탈되지 않는다.
토양에 비료로 사용하는 K+ NH4+등은 토양에서 이동성이 급격하게 감소된다.
중금속(Cd2+ Zn2+ Ni2+ Pb2+ 등)을 흡착하여 지하수 및 지표수로의 이동을 억제함으로써 오염확산을 방지한다.

2) 양이온교환용량

cation exchange capacity (CEC)
건조토양 1kg이 교환할 수 있는 양이온의 총량을 cmolc로 나타낸다. (cmolc/kg 또는 cmol+/kg)
토양의 양이온교환용량은 무기 및 유기 콜로이드가 흡착할 수 있는 양이온의 총량이다.
유기물의 양이온 교환용량은 매우 높으며, 점토입자의 양이온교환용량은 점토광물의 종류에 따라 그 값이 매우 다르다.

 

예상문제 ) 1kg의 토양의 음전하 전량을 Na 이온이 중화시키고 있다. Na 이온이 많으면 입단화를 파괴하므로 모든 Na이온을 Ca이온으로 교환하고자 한다. 토양의 음전하에 결합되어 있는 Na이온의 통량이 2.3g이라면 몇 g의 Ca(OH)2이 필요한가?
(단, Na은 23g/mol, Ca(OH)2은 74g/mol이다.)

> 해당 토양 1kg의 Na 총량은 2.3g = 0.1mol = 10cmolc
이토양의 CEC는 10cmolc/kg
Ca(OH)2 1mol (74g) = 200cmolc (Ca이온은 2개의 양전하를 가짐)
200:74 = 10:x
x=3.7
10cmolc/kg이 되기 위해 3.7g의 Ca(OH)2가 필요함

 

3) pH와 양이온교환용량

철과 알루미늄의 산화물 및 유기물의 음전하가 대부분의 pH의존성 음전하(pH-dependent negative charge)이고, 규산염 점토광물의 음전하는 부분적으로 pH의존성 전하이다. 따라서 토양의 양이온교환용량은 pH의 변화에 따라 변한다.
산성인 경우 수소이온(H+)의 농도가 높아 -Si-OH기, -Al-OH기 및 -COOH기의 해리가 잘 일어나지 않기 때문에 양이온교환용량이 낮다. 그러나 pH가 높아지면 이들의 용해가 증가하므로 양이온교환용량이 커진다.
점토광물이 음전하를 띄는 이유는 동형치환으로 인한 영구적 음하전과 pH의존성전하인 일시적 음하전때문이다.

4) 염기포화도

토양콜로이드 입자의 표면에 흡착되어 있는 양이온 중 토양을 산성화시키는 수소와 알루미늄 양이온을 제외한 양이온들, 즉 Ca Mg K Na등은 토양을 알칼리성으로 만들려는 경향이 있기 때문에 교환성염기 라고 한다.
염기포화도 (%) = 교환성염기의 총량(cmolc/kg) / 양이온교환용량(cmolc/kg) x 100

예상문제 ) 어떤 토양의 양이온교환용량(CEC)이 16.0cmolc/kg이고, Al과 H이온이 4.2cmolc/kg일 때, 염기포화도는?

교환성염기의 양 : 16.0 - 4.2 = 11.8 cmolc/kg
염기포화도 = 11.8/16 x 100 = 73.7%

교환성 염기는 토양을 알칼리성으로 만들려는 경향이 있다. 교환성 수소와 알루미늄은 반대로 토양을 산성으로 만들려고 한다.
따라서 pH가 낮은 산성토양에서는 염기포화도가 낮고, pH가 7 또는 그 이상인 알칼리성 토양에서는 염기포화도가 높다.

5) 음이온교환

토양이 이온교환반응을 통하여 보유할 수 있는 최대의 음이온양을 건토량 1kg당 전하량(cmolc)으로 나타낸 것을 음이온교환용량(anion exchange capacity, AEC)이라고 하며, cmolc/kg으로 나타낸다.
토양 및 비료학적 특면에서 가장 중요한 음이온특이흡착은 인산의 고정이다.
인산이온은 Cl-, NO3- 등의 이온과 달리 양(+)하전을 가지는 토양은 물론 음(-)하전을 갖는 토양에서도 강하게 흡착되어 고정된다. 인산은 Fe 또는 Al과 강하게 흡착하며 불용화되는 성질이 있기 때문에 강산성 또는 약산성토양에서도 흡착이 잘 일어난다.

3. 토양의 이온흡착

흡착이란 이온등의 용질(피흡착제, 흡착질 absorbate)이 용액으로부터 고형입자의 표면(흡착제 absorbent)으로 이동하여 집착되는 현상
이온흡착은 양이온교환현상과 달리 표면에서 공유결합 및 수소결합 등을 통하여 이루어지며 흡착력은 물리적 흡착에 비하여 훨씬 강하다.

1) 토양반응

토양이 나타내는 산성 또는 알칼리성의 정도를 토양반응이라 하며 보통 pH로 나타낸다.
강우량이 많은 지역의 토양은 모재가 염기성이더라도 Ca2+, Mg2+, K+, Na+ 등 염기가 빗물에 의하여 용탈되어 산성으로 된다. 또한 CO2가 물에녹아 탄산(H2CO3)이 되고, 탄산의 용해로 H+이 생성된다.
생성된 H+에 의하여 염기가 치환되고, 치환된 염기는 빗물에 의해 용탈되어 토양이 산성화된다.
작물의 생육에 적절한 토양의 pH는 무기질 토양에서 6.5, 유기질 토양에서 5.5정도로 알려진다.
수소이온의 생성 : 토양산성에 가장 영향을 끼치는 양이온은 토양에 흡착되어 있는 H와 Al이다.

2) 알칼리성

미량원소인 B Zn Fe Cu 등은 pH가 높아짐에 따라 유효성이 낮아져 결핍되기 쉽지만 Mo은 다른 미량원소와는 달리 오히려 낮은 pH에서 유효도가 높아진다.
pH의 상승은 식물에 의한 Cd Pb 및 Zn의 흡수를 억제시킨다.

3) 산성

pH 4~5의 강산성이 되면 Al과 Mn의 해작용으로 식물의 생장이 방해되기도 함
토양이 산성이 되면 뿌리혹박테리아의 활성이 떨어지고, 유기물을 분해하는 미생물의 활성도 감퇴하고, 질소를 비롯한 식물영양소의 무기화가 느려짐
토양의 pH가 6 이하가 되면 대부분의 영양원소들의 유효도가 낮아짐

4) 토양의 완충능력

외부로부터 어떤 물질이 토양에 가해졌을 때, 그 영향을 최소화 할 수 있는 능력
토양의 양이온치환능력이 클수록 완충용량이 커지며, 점토나 부식물이 많은 토양일수록 pH완충용량이 커서 pH값을 변화시키기 위해 더 많은 석회를 사용해야 함

4. 토양의 산도

1) 활산도

토양용액에 해리되어 있는 H이온과 Al이온에 의한 산도

2) 잠산도

토양입자에 흡착된 교환성 수소 및 교환성 알루미늄에 의함
교환성산도(=염교환산도), 염류용액으로 용출됨 (완충성이 없는 KCl, NaCl와 같은 염용액에 의해 용출)
잔류산도, 비완충성 염용액으로 침출되지 않음. 석회물질 또는 특정 pH의 완충용액으로 중화되는 토양 산도. 유기물 or 규산염점토에 비교환성형태로 결합된 Al이온, H+이온와 밀접한 관계

3) 토양산성화의 원인과 대책

- 토양산성화는 근본적으로 H+의 농도가 높아지고, 알칼리 양이 감소하기 때문이다.
- 토양용액에 수소이온이 존재하면 토양콜로이드의 표면에 흡착된 교환성 염기인 Ca2+, Mg2+, K+, Na+ 등이 수소이온과 교환되고, 교환된 염기는 물에 이동에 의하여 용탈된다.
- 토양 산성화의 중요과정
a. 토양 중 식물의 뿌리나 미생물의 호흡으로 생성되는 이산화탄소가 물에 녹아 탄산이 되고, 용해된 탄산의 해리로 수소이온이 생성됨. 또한 미생물에 의하여 유기물이 분해될 때 유기산이 생성되기도 함
b. 비료성분으로써 토양에 사용한 암모니아태를 비롯한 질소질 비료의 NH4+이 질산화 작용에 의하여 수소이온을 생성하기도 한다.
c. 철의 황화물이 지역에 따라서는 토양에 많이 들어있으며, 또한 살균제나 비료속에 부성분으로 들어있는 황이 미생물의 작용이나 화학적 반응을 통하여 황산이온으로 산화되면 수소이온이 생성되어 산성의 원인이 된다.
d. 농경지 토양에서 작물을 수확하면 수확물 중에 들어있는 Ca, Mg 및 K도 함께 제거되므로 결국 토양으로부터 염기를 제거하는 결과를 초래하여 토양을 더 산성화 시킨다.

4) 석회요구량

- 교환산도에 의한 방법
전체토양량/토양시료량 x 전산도(meq) x 50(mg/meq) = CaC03요구량 (CaCO3, 1meq=50mg)
* 실제 석회물질의 석회입량,입도 및 토양과의 혼합상태 등에 따라 중화효과가 다르기 때문에 이 계산값에 1.3~1.5의 포장계수를 곱한 값을 사용한다.
- 완충곡선에 의한 방법
전체토양량/토양시료량 x 곡선에서 얻은 석회의 요구량 = CaC03요구량

5) 산성토양을 개량하는 방법

직접적인 방법 : 석회사용 (속효성 : 생석회 CaO, 소석회 Ca(OH)2 / 지효성 : 고토 CaCO3)
간접적인 방법 : 유기물을 공급하여 완충능력을 증대시키고, 미량요소를 공급하여 인상의 고정을 예방하는 방법
석회의 효과는 석회의 분말도에 따라 다르며, 입자의 분말이 거칠수록 늦게 반응하지만 효과는 오래 지속된다.

특이산성토양 발달과정

6) 특이산성토양

강의 하구나 해안지대의 배수가 불량한 곳에서 늪지 퇴적물을 모재로 하여 발달한 토양으로 황철석(pyrite, FeS2)과 같은 황화물(sulfide)을 많이 함유하고 있다.
인위적인 배수를 통해 통기성이 좋아지면 황철석의 산화과정으로 pH 4.0이하의 강한 산성을 띄게 되므로 일반적인 산성토양과 구분하여 특이산성토양이라 한다.
배수가 되기 전의 습윤 또는 담수상태에서는 황화합물들이 환원상태로 존재하기 때문에 이러한 토양도 중성인 것이 보통이다.
특이산성토양은 강산성으로 인하여 철,알루미늄, 망간 등의 함량이 많아지고, 황화수소(H2S)의 발생으로 작물에 피해가 생긴다.
토양을 계속 담수상태로 유지시키면 황화물의 산화가 억제되어 산성의 발달을 제어할 수 있다.

5. 알칼리토양과 염류토양

해안지대나 건조 및 반건조지대의 내륙지방에서는 염류의 집적에 의하여 염기포화도와 토양용액 중 염기의 농도가 높아지고, 토양이 중성 내지 알칼리성이 된다.
NaCl, CaCl2, MgCl2, KCl 등의 가용성 염류의 용탈이 쉽게 일어나지 않는 환경조건에서는 알칼리성을 띈 염류토양이 발달한다.
이러한 토양에서는 pH가 너무 높거나 Na 및 기타 염류함량이 많아서 식물의 생장에 피해를 준다.

1) 나트륨성토양

(=알칼리 토양, 알칼리토양을 다른 염류토양과 구별하기 위하여 나트륨성 토양이라고 함)
나트륨성토양은 pH가 8.5이상으로 강알칼리성이어서 많은 식물의 생육이 저해된다.
이 토양은 염류토양보다 가용성 염류의 농도가 높지 않지만, 교환성 나트륨비가 15%이상으로 이러한 토양을 통상적으로 알칼리토양이라고 한다.
알칼리 토양은 교질이 분산되어 있어 경운하기가 어렵고, 투수속도가 매우 느리며, 시간이 경과하면 분산된 점토가 아래로 이동하여 경반층을 형성하며 수분의 이동을 차단하고, 뿌리의 성장에 불리하게 작용한다.
알칼리 토양은 농경지 토양으로 가장 불리한 토양 중 하나로서 석고 CaSO4를 이용하여 개량하는데, 토양의 개량성(Ca)을 높이고, 교환산 나트륨퍼센트를 낮추어 토양의 화학성과 물리성을 개량한다.

2) 염류토양

염류토양은 대부분 염화물, 황산염, 질산염 등의 가용성 염류가 비교적 많고, 가용성 탄산염은 보통 들어 있지 않다. 간혹 비교적 용해되기 어려운 CaSO4, CaCO3, MgCo3 등이 들어있기도 하다.
표면에 Ca와 Mg의 SO4또는 Cl의 염들이 축척되어 염류층이 형성되기도 하고, 건조기에는 백색을 나타내므로 백색 알칼리 토양이라 부르기도 한다.
토양의 pH는 대게 8.5이하이고 교환성 나트륨 퍼센트가 15 이하이다.
토양교질물이 Ca2+이나 Mg2+과 같은 2가 양이온에 대한 친화력이 Na+보다 크기 때문에 염류토양의 나트륨 흡착비는 13이하이다.
높은 염류농도 떄문에 대부분의 식물이 생육할 수 없다. 교질물이 고도로 응집되어 있어 토양 구조가 양호하다.

3) 염류나트륨성 토양

염류나트륨성 토양은 염류토양과 알칼리토양의 중간적인 특성을 지닌다.
교환성나트륨은 15%가 넘고, 나트륨흡착비가 13이상으로 높다는 점이 염류토양과 다른 점이다.
염류나트륨성 토양의 물리,화학적 조건은 염류토양과 유사하다.
가용성 염류가 토양에 많이 남아있으면 교질에 Na의 양이 많아지지만, 만일 가용성 염류가 한 때 아래로 용탈되면 pH가 8.5이상이 되고, Na이 교질을 분산시켜 경운,투수 및 식물 뿌리의 성장에 적합하지 않은 구조가 된다.

4) 석회질토양

석회질토양은 충분한 양의 CaCO3를 가지고 있어 묽은 염산을 가하면 거품반응을 일으키는 토양을 말한다.
반 건조지역에서 흔히 나타나며 pH 7.0~8.3으로 토양의 구조와 비옥도가 양호하며 관개와 배수만 잘하면 농경지로 적합한 토양이다.

5) 알칼리토양과 염류토양의 개량

배수체계를 확립하여 교환성 Na나 가용성 염류들을 효과적으로 용탈시켜야 한다.
석고나 석회석분말 첨가로 교환성 Na을 침출시키고, 침출된 Na을 중성의 황산염, 탄산염으로 전환한다.
황분말을 이용하면 느리긴 하지만 산화되어 황산이 생성되고, 용액의 Na과 결합학거나 CaCO3을 용해시켜 가용성 Ca이 교환성 Na과 치환되어 토양의 pH와 물리적 상태가 좋아진다.

6. 토양의 산화환원반응

전자를 잃어버리는 것을 산화반응, 반대로 전자를 얻는 것을 환원반응이라고 한다.
산화환원전위 : 표준 수소전극의 전위차(Eh=Ovolt)를 기준으로 상대적인 전위차를 나타낸다. 어떤 물질이 전자를 잃고 산화되거나 환원되려는 감도를 나타내는 것.
Eh값은 산화환원전위를 나타내는 지표이며, 단위는 volt이다.
산화형 물질의 비율이 높으면 Eh값이 높아지고, 환원형 물질의 비율이 높아지면 Eh값이 낮아진다.

1) 토양의 산화환원전위

통기성과 배수성이 불량한 토양은 산소가 충분히 공급되지 않기 때문에 산소 대신 다른 전자수용체를 이용함
환원이 진행됨에 따라 질소(NO3)와 망간 및 철화합물이 환원되고, 토양의 산화환원전위가 크게 낮아진다.
논토양의 표토층은 황적색의 산화층으로 되고, 표토층 아래에서는 산소가 쉽게 고갈된다.
NO3, 철(Fe) 망간(Mn) 등이 전자수용체로 이용되어 환원되고, 청회색을 띈 환원층이 형성된다.
유기물이 존재하면 산소가 신속하게 고갈되고 토양이 혐기적인 상태가 된다.
혐기성미생물의 밀도가 높아지면 유기물의 혐기적 분해가 진행되고, 산소대신 다른 화합물들이 전자수용체로 이용되어 환원된다. 제일 먼저 NO3-가 이용된다.

논토양에서 무기질소의 산화와 환원

cf. 통기성과 이온형태 (토양물리)

산소가 충분할 때는 산화반응과 토양미생물의 산화대사활동이 활발하고, 반대로 산소가 부족한 경우 NO3 Fe3+ SO42- 등이 전자수용체로 작용하여 환원되고 유기물의 분해 또한 환원적으로 일어나기 때문에 CO2 대신 CH4이 발생함
환원상태에서 발생하는 CH4 NH3 H2S 등은 식물에 유해할 수 있고, Fe2+와 Mn2+형태는 용해도가 높기 때문에 식물에 피해를 유발할 수 있다.
황은 통기성이 좋은 산화상태에서는 SO42-, 환원상태에서는(논토양) S2-로 변한다. S2-로 변한 황은 Fe2+ Mn2+ Cu2+ Zn2+등과 반응하여 불용성황화물을 형성함

 

 

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