나무의사 산림토양학 요약 _ 6 토양비옥도와 식물영양

1. 토양비옥도

토양비옥도는 식물이 필요로 할 때 적절하게 공급하여 생육을 가능하게 하는 토양의 능력. 토양비옥도는 토양생산성 뿐만 아니라, 토양의 물리 화학적 특성과 밀접하게 관련되어 있다.
(토양생산성은 작물의 생육에 관여하는 토양의 총체적인 능력)

 

2. 필수식물영양소

1) 필수식물영양소의 자격요건

a. 해당원소가 결핍되었을 때에는 식물체가 생명현상을 유지할 수 없다. 즉, 발아, 생장, 개화, 결실 등의 식물의 일생이 완성되는 과정에 있어서 꼭 필요한 원소이어야 한다.
b. 해당원소는 그 원소만이 가지는 특이적인 기능이 있어야 하며, 다른 원소에 의하여 그 기능이 대체될 수 없다.
c. 해당 원소는 식물의 대사과정에 직접적으로 관여하여야 한다.
d. 해당 원소는 필수성이 특정식물에만 한정되는 것이 아니고 모든 식물에게 공통적으로 적용되어야 한다.이러한 필수영양소는 현재 16가지이나, 일부학자들은 코발트(Co) 니켈(Ni)을 필수식물영양소에 포함시키기도 한다.

염색식물에게는 Na이 필수적이고, 벼에는 Si의 필수성이 인정된다.
일부식물에게만 필수성이 인정되거나 일부 생육환경조건에서만 식물 생육에 유리한 작용을 하는 원소를 유익한 원소라고 정의하며 NI, Co, Na, Si 이외에 Se, Al, Sr, V등이 포함된다.
특정영양소의 결핍처리를 할 수 있는 방법은 수경재배와 사경재배이다.
필수영양소 16원소 : C H O N P K Ca Mg S Fe Zn B Cu Mn Mo Cl
인(P)은 화학반응성이 매우 커서 토양에서는 산화물의 형태로 존재한다. 식물에 의하여 흡수되는 형태는 인산(H2PO4- 또는 HPO42-)이다. 그러나 토양,식물체 및 비료 중에 존재하는 인산의 함량을 상업적관행에 의해 오산화인(P2O5)으로 표기하는 경우를 흔히 보게 된다.
칼륨(K)의 경우도 흡수되는 형태는 K+이나 관례상 K2O의 산화물로 표기하고 있다. K를 K2O로 전환하기 위해서는 1,2를 곱해주어야 한다.

2) 필수식물영양소의 분류

필수식물영양소의 분류,흡수형태,주요기능

3) 영양소의 흡수형태

- 양이온형태로 흡수되는 영양소 : N Ca Mg K Fe Mn Zn Cu
- 음이온형태로 흡수되는 영양소 : N P S Cl B Mo
- 잎을 통해 흡수될 수 있는 영양소 : C H O S (주로 CO2, H2O O2 SO2 형태)
- 뿌리를 통해 흡수될 수 있는 영양소 : N P K Ca Mg S Zn Cu Fe Mo B Mn Cl
- 유효영양소 : 토양용액에 존재하는 영양소와 토양교질에 흡착된 교환성 영양소를 포함한 쉽게 용액중으로 유리될 수 있는 형태의 영양소를 합한 것

4) 식물의 필수영양소함량

살아있는 식물체에서 가장 많은 것은 물, 그 다음은 유기물, 가장 적게 존재하는 것은 이온형태의 무기물이다.
무기물의 함량은 매우 적지만, 이온균형 및 삼투압 조절과 같은 무기물형태로서의 기능과 함께 유기물을 만드는 중요한 역할 때문에 식물생리학적인 측면에서 무기물은 매우 중요하다.
- 식물은 종류별로 각 영양소에 대한 요구도가 다른데, 이는 유전적으로 결정 된 것. 주어진 환경조건 하에서 토양 중의 영양소를 흡수할 수 있는 능력 또한 식물에 따라 다르다.
- 식물체의 영양소함량은 토양 중 영양소의 유효도에 따라 좌우된다.
- 식물의 잎, 줄기, 뿌리, 과실 등의 기관에 따라서 영양소의 함량이 다르다.
- 어린식물체나 조직일수록 N P K 의 함량이 비교적 많지만, 식물이 성숙하면서 점차 Ca Mn Fe B의 함량이 상대적으로 많아진다.
- 영양소 농도는 %(100중의 1), ppm(1,000,000중의 1), mg/kg으로 표현한다. (mg/kg = mg/L = ppm)

 

3. 식물영양소의 유효도

1) 토양 토양용액 - 식물 관계

2) 유효태영양소

토양중에 존재하는 총영양소중에서 식물이 직접 흡수할 수 있는 형태의 영양소
식물의 뿌리에 일정속도(D:확산계수)이상으로 이동될 수 있어야 한다.
토양용액의 이온과 평형상태를 유지하고 있는 교환성 양이온들은 쉽게 토양용액 중으로 유리될 수 있으므로 유효태 영양소에 포함시킨다.
교환성이 아닌 영양소일 경우에도 토양용액과 쉽게 평형을 이루는 것이면 유효태 영양소로 간주한다.

3) 영양소의 유효도에 관계되는 요인

토양요인(토양용액, 영양소 공급기작, 영양소 완충용량), 식물요인
- 식질토양은 양이온교환영량이 크고 유기물 함량이 많아 사질토양보다 토양용액 중의 영양소농도가 높고 완충용량이 크다.
- 사질토양이면서 대공극이 많을수록 영양소의 공급이 빨리 일어날 수 있지만 완충용량이 낮다. 동일한 토양에서 수분함량이 적을 수록 토양용액 중의 농도가 높다.(희석효과)
- 식물영양소의 유효도는 토양 속 영양소의 물리적, 화학적 상태와 식물 뿌리와의 관계를 종합하여 결정하며 정량적으로 표현하기가 매우 어렵다.

a. 토양용액
토양용액 중에는 수용성 이온들이 녹아있고, 이들은 토양의 교환성 이온들과 평형을 유지하려고 한다.
토양용액 중 양이온 함량은 보통 Ca > Mg > K > Na의 순이다. 주된 음이온은 NO3 SO4 Cl 등이고, H2PO4 나 HPO4형태로 존재하는 인산의 농도는 매우 낮다.
토양용액은 시비, 강우, 식물에 의한 영양소 흡수 및 미생물의 활성에 의해 쉽게 변화하고, 또한 빠르게 평형에 도달하도록 동적반응(30분이면 충분히 평형상태)이 진행된다.

b. 영양소의 공급기작
뿌리차단(root interception), 집단류(mass flow), 확산(diffusion)이 있다.

(1) 뿌리차단
접촉교환학설 : 뿌리와 토양교질 표면이 접촉하여 뿌리에서 배출되는 H+이 토양교질 표면에 흡착된 다른 양이온과 교환되고 교환된 양이온이 뿌리에 흡수된다는 것. 토양용액 중의 유리영양소와도 접촉이 가능함.
뿌리차단에 의해 흡수될 수 있는 영양소 양은 단위부피당 뿌리의 양이 많을수록 많아진다.
표토 20cm 내 토양 중 뿌리의 상대적 부피는 1% 미만이므로 뿌리차단에 의해 식물이 흡수할 수 있는 영양소의 양은 토양 중 유효태 영양소의 1% 미만일 것이다.

(2) 집단류
물의 대류현상으로 확산과 대비되는 개념.
식물의 증산작용으로 수분퍼텐셜의 기울기가 형성되며 토양 중의 물은 뿌리 쪽으로 집단류형태로 이동하여 흡수된다.
집단류의 원리에 따라 뿌리에 공급되는 영양소 양은 식물이 흡수하는 물 양과 물 속 영양소 농도에 의하여 좌우된다.
대부분 토양에서 Ca Mg NO3 Cl SO4와 같은 양이온 농도가 높기 때문에 집단류에 의해 작물이 필요로하는 대부분의 양이 공급된다.
인산이나 칼륨과 같이 토양용액 중 농도가 낮은 경우 식물이 요구하는 양을 충분히 공급할 수 없으며 확산을 통하여 주로 공급된다.

(3) 확산
불규칙적인 열운동에 의하여 이온이 높은 농도에서 낮은 농도쪽으로 이동하는 현상
뿌리표면 토양의 농도가 높으면 이온이 토양쪽으로, 반대의 경우에는 토양용액에서 뿌리쪽으로 이동한다.
영양소의 농도기울기에 따라 이온이 뿌리쪽으로 확산된다. (뿌리가 영양소를 흡수하면 뿌리근처 토양의 농도가 멀리떨어진 토양에 비해 낮아진다.)
확산에 의하여 주로 공급되는 이온은 칼륨과 인산이다.

Fick의 법칙
F = -D(dC/dx)

F : 확산율 (단위시간당 단위면적당 이동한 이온의 양) [mol/cm2*sec]
D : 확산계수 [cm2/sec]
dC/dx : 뿌리의 표면과 뿌리로부터 일정 거리의 토양용액 사이의 영양소의 농도기울기 [mol/cm3/cm]

영양소의 확산율은 농도기울기에 비례. 뿌리근처와 토양사이의 영양소농도차가 증가할 때 확산율은 증가.
토양용액의 확산계수는 물의 확산계수보다 훨씬 작다.
음이온이 양이온보다 큰 확산계수값을 갖는 것은 음전하를 띈 토양교질의 영향때문이다.
인산이 가장 작은 확산계수값을 갖는다. 인산은 토양교질에 쉽게 흡착 고정되기 때문이다.
토양은 영양소의 공급원 역할, 뿌리는 수용체 역할
전체적으로 영양소의 함량이 많은 토양에서는 뿌리 근처와 토양 사이의 영양소농도의 기울기가 크며, 따라서 확산율도 크다.

c. 완충용량
토양용액 중의 농도를 일정하게 유지시키려는 능력을 영양소의 완충용량이라고 한다.
토양용액 중의 유리 영양소의 농도를 강도요인(intensity, I)이라 하고, 흡착태영양소의 총량을 양적요인(quantity, Q)이라고 한다.

토양의 완충능력 비교

완충용량 = 흡착된이온의 농도변화(=양적요인의 변화) / 토양용액의 이온농도변화(= 강도요인의 변화)

토양A는 큰 완충력을 가진 것이며, 양적요인이 식물에 의하여 흡수 제거되더라도 용액 중의 해당 영양소의 변화(=강도요인의 변화)가 적다. 토양B는 완충력이 작은 토양이며, 같은 양의 영양소가 흡수 제거되더라도 용액중의 농도변화가 크게 나타난다.
토양의 완충용량은 양이온교환용량이 큰 토양일수록 크다. 예를 들어 유기물함량이 많고 smectite성 점토광물을 함유한 토양의 완충용량은 유기물함량이 적은 kaolinite성 토양의 완충용량보다 훨씬 크다.

 

나무의사 산림토양학 요약 _ 7 필수식물영양소