방송통신대학교 농학과, 농업직, 지도사, 연구사 - 토양학 핵심 요약정리 - 13 비료성분의 토양 중 변동

13. 비료성분의 토양 중 변동

 

■  학습개요
이  장에서는  토양에서  일어나는  질소,  인,  칼륨  및  황과  그  화합물의 변환과  동태를  학습한다.  천연적으로나  인위적으로  토양에  공급된  이들 원소와  그  화합물의  형태는  다양한  물리적,  화학적  현상과  함께  생물학
적  작용에  의하여  변화되며,  이러한  과정은  각종  환경요인과  토양생물의 영향을  받는다.  이들  기본  영양소의  토양  중  행동은  토양관리와  시비방법에  따라서  달라지며,  비료성분의  관리와  이용효율  측면에서  매우  중요
한  의미를  갖는다.

 

■  학습목표

1. 자연계의  질소순환고정에  대해  설명할  수  있다.
2. 토양  중  유효인산과  인산의  토양  중  불용화에  대해  설명할  수  있다.
3. 칼륨의  토양  중  변동을  설명할  수  있다.
4. 토양  중  황의  변동과  작물생육에  대해  설명할  수  있다.

 

■  주요용어

암모니아화작용
: 유기물에  들어  있는  유기태  질소가  미생물의  작용으로 무기태인  암모니아태  질소로  변하는  생물학적  과정.
질산화작용
: 암모니아태  질소가  미생물의  작용에  의하여  아질산태질소를  거쳐  질산태  질소로  산화되는  반응.
탈질작용
: 토양에서  미생물  작용에  의해  질산염  및  아질산염  등이  환원되어  대기  중으로  휘산하는  것.  질산이  아산화 
질소(N2O),  산화  질소(NO)  또는  질소  기체(N2)로  되어 달아나는  현상.
질소고정
: 공기  중에  존재하는  분자  상태의  질소를  이용하여  질소화합물을  만드는  반응.  질소고정에는  공업적인  질소
고정과  생물학적  질소고정이  있는데  생물학적  질소고정은  질소고정미생물들이  가지는  질소고정효소
(nitrogenase)의  작용에  의하여  토양을  포함한  자연환경하에서  이루어짐.  이  과정은  지구상의  질소순환과정의 
일부를  이루는  과정일  뿐만  아니라  식물의  질소영양원을  확보하는  데  있어서  중요한  과정임.
특이산성토양
: 강의  하구나  해안지대의  배수가  불량한  곳에서  늪지퇴적물을  모재로  하여  유기물과  황의  함량이  높고  석회함
량이  적은  지역에서  생성된  점질토.  황의  함량이  많기때문에  산성황산염토양이라고도  함.  습윤한  상태에서는 
황이  토양  중의  철  등과  황화물을  형성하거나  황화수소의  형태로  존재하기  때문에  토양반응은  보통  중성임. 
그러나  인공배수,  굴착,  심경,  대기접촉  등으로  황이 산화되면  황산이  생기기  때문에  pH  2~4까지  떨어지는 
매우  강한  산성반응을  나타내며  특징적인  jarosite  반문이  생김.

<목차> 

1. 질소의 순환과 변동
2. 인산의 변동
3. 칼륨의 변동
4. 황의 변동

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* 식물양분의 토양 중 동태
- 식물은 토양으로부터 필요한 양분의 대부분 흡수
- 토양에 부족한 양분은 비료로부터 보충
- 비료로 시용된 양분의 일부분만 식물이 흡수 이용, 나머지는 대부분 무효화, 불가급태화, 유실
- 유효태(available form = 가급태, 可給態)
식물이 바로 흡수 이용할 수 있는 양분의 형태
_ 토양수분에 녹아 있거나 쉽게 녹을 수 있는 형태
_ 토양교질에 흡착되어 있으며, 쉽게 교환, 침출 가능한 형태

* 토양에서 비료 성분의 변동
⑴ 물리적 현상
용탈(溶脫, leaching), 세탈(洗脫, eluviation), 휘산(volatilization)
⑵ 화학적 현상
산화, 환원, 고정(fixation), 흡착, 치환, 가수분해, 용해
⑶ 생화학적 과정
미생물이 생산하는 각종 효소에 의한 변화(산화, 환원, 가수분해 등)
⑷ 생물학적 손실
작물 수확에 의한 제거, 미생물체의 형성(부동화, immobilization)

 

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1. 질소의 순환과 변동 

* 자연계의 질소
광물 중에는 작물이 이용할 수 있는 질소가 없음
주요 공급원: 유기태 질소화합물(동식물의 유체)
대기 중의 N2 gas 유래 화합물

* 토양 중의 질소화합물
유기태 질소(작물 직접 이용 불가능): 92-93% 이상
무기태 질소(작물 이용 가능): 1-2%에 불과(시비에 의존)

토양권에서 질소의 변환

1) 토양질소의 형태

 전질소: 0.02-0.5%(농경지 토양) 
 전질소의 40-50%는 부식과 결합된 아미노산 및 아미노당
 토양 질소의 화학적 형태(토양 상층부 A층)
유기태: 전질소의 95% 이상
아미노산, 아미노당, amide, 비가수분해성
무기태: NH4+, NO3-, 소량의 NO2-

- NH4+은 점토나 부식에 흡착되기도 하나 밭토양에서는 대부분 1~2일 내에 NO3-로 산화
- NO3-는 흡착되지 못하므로 강우 시 쉽게 용탈
- NH4+는 일부 규산염광물에 고정(비교환성)

* 토양 질소의 중요한 변환(암모니아 휘산) 

 토양용액 중의 NH4+ 은 염기성 조건에서 가스로 되어 대기 중으로 휘산
NH4+ + OH- → NH3 + H2O
 토양의 NH4 + : 비료에서 대부분 유래
황산암모늄, 인산암모늄, 암모니아수, 요소, 계분, 기타 부숙 유기질비료
 석회암 풍화토이거나 석회비료 시용 직후, 간척지 토양 등에서 암모늄태 질소비료를 사용하면 휘산에 의한 손실이 큼

* 토양 질소의 중요한 변환(용탈, leaching)

 토양 중에 침투한 물에 용해된 가용성 성분이 용액의 상태로 표층에서 하층으로 이동하거나, 또는 토양 단면 외부로 제거되는 과정
 NO3 -와 NH4+ 이온 형태의 질소가 용탈(leaching)
 특히 토양교질에 흡착되지 않는 NO3-이온은 쉽게 용탈됨
Cf) 지하수 오염 유발(청색증, 고창증)
 CEC가 높은 토양에서 NH4+ 의 용탈 가능성은 낮음

* 토양 질소의 중요한 변환(세탈, eluviation)

 토양을 구성하는 성분이 현탁상태(懸濁狀態) 또는 용액상태로서 토양층에서 이동‧제거되는 작용
 강우나 관개에 의하여 지표수 유거 발생 시 토양 침식과 함께 질소 손실
NO3-, NH4+,  흡착 질소(NH4+), 유기물 질소

 

* 토양 질소의 중요한 변환(암모늄 고정)

 광물질토양에는 비교환성 NH4+ 존재
- 원래 모암에 들어 있던 NH4+ 
- 2:1형 광물 특히 illite의 격자 안에 끼어 들어간 NH4+
 규산염광물 격자 중에 비교환성 NH4+ 의 일부가 비교환성 칼륨과 같은 위치에 결합
- 운모 500 ppm
- 칼리 장석 140 ppm
- illite 900 ppm
 고정된 NH4+는 식물이 흡수이용, 질산화 작용 어려움
 비료로 준 NH4+이 어느 정도 고정되는지, 또 고정된 NH4+의 이용률이 어느 정도인지 명확하지 않음

토양 질소의 중요한 변환(암모늄 고정)

2:1형 점토광물의 층 사이에서 일어나는 NH 4 + 고정

토양 질소의 중요한 변환(암모니아화 작용)

 유기태 질소화합물이 분해되어 무기화되는 첫 단계
단백질 → 아미노산 → NH4+
R-NH2 + H2O → R-OH + NH3
 불용성 유기물이 가용성으로 전환: 질소의 가동화
 생성된 NH3는 NH4+ 이되며, 조건에 따라 다른 미생물군에 의해 NO2- 와 NO3-로 산화됨(질산화작용)
 질소 무기화 작용의 속도는 유기물의 C/N 비, pH, 수분함량, 토양 온도 및 통기성의 영향을 크게 받음
 반대로 무기태 질소화합물이 유기태로 변화는 질소의 부동화(不動化, immobilization) 

유기물 C/N 비(탄질비, 탄질률, C/N ratio)의 영향
 유기물의 C/N 비는 토양질소의 무기화 또는 유기화(부동화)의 방향을 결정하는 중요한 인자
C/N 비 20 이하: 무기화 진행
C/N 비 30 이상: 부동화 진행
 대개 C/N 비가 작은 유기물: 분해되기 쉬운 유기물
 외부에서 질소가 공급되지 않을 경우 분해 속도
콩과식물 잔재 >  목본 및 곡류의 짚
 토양에 곡류작물의 짚이나 덜 썩은 퇴비를 시용 → 토양의 NH4- N 및 NO3 -N이 미생물에 의하여 일시적으로 부동화 → 식물이 흡수할 수 있는 질소 부족 → 질소기아(N-starvation) 현상 발생

유기물과 토양미생물의 탄질률

탄질률이 유기물의 분해속도에 미치는 영향

* 토양 질소의 중요한 변환(부동화 작용)

 무기태질소인 NO3-나 NH4+ 이온이 식물/미생물에 흡수되어 식물, 미생물체를 구성하는 단백질 등의 유기화합물이 되는 과정
 질소가 식물/미생물체의 구성물질로 동화하거나 부식물의 형성에 이용되는 것으로 그 C/N 비는 10 정도로 내려간다.
 C/N 비: 20 이하 → 질소의 무기화 활발 / C/N 비: 30 이상 → 질소의 부동화 활발
 C/N 비가 높은 유기물을 시용하면?
- 토양 NH4 -N 및 NO3-N이 미생물에 의하여 일시적으로 부동화.
식물이 흡수할 수 있는 질소 부족: 일시적 질소기아 현상
- 미생물이 사멸하면, 부동화되었던 질소는 분해, 무기태로 전환

토양 질소의 중요한 변환(질산화작용)

 NH4+ 가 산화되어 NO3-으로 되는 과정
NH4+ + 3/2 O2→ NO2-+ H2O + 2H+ + 65 kcal
NO2- + 1/2 O2 → NO3- + H2O + 18 kcal
암모니아 산화균: Nitrosamonas, Nitrosococcus 등
아질산 산화균: Nitrobacter, Nitrococcus
 질소비료나 유기물의 분해에서 생성된 NH4+ 은 배수, 통기성이 양호한 조건에서 산화되어 NO3-로 전환
 토양에서 질산화 작용에 미치는 주요인자 = 산소, 수분, pH, 온도 등

 토양에서 질산화 작용에 미치는 주요 인자
- 산소: 질산화균은 호기성이므로 토양 통기상태가 중요 (산소 분압이 21%일 때 최적)
- 수분: 최대 용수량의 50~60% (밭토양 조건)
- pH: 6~8
- 온도: 25~35℃
- 기질과 염류 농도: 1,000 ppm NH4+ -N, 100 ppm NO2-N 정도

질산화 억제제(Nitrification inhibitor)
 질산화작용을 억제할 수 있는 합성물질
Ex. N-serve, DCD, TU, AM, MBT, ST
 암모늄 비료와 함께 사용하면?
- 암모늄(NH4+)의 질산화 억제
- NO3-의 용탈, 탈질에 따른 질소 손실 방지
- 시설원예에서 N2O 가스 장해 방지
- 목초의 NO3-과잉 축적에 의한 장해 저감

토양 질소의 중요한 변환(탈질작용)

 NO3-이 환원되어 gas 상태의 질소로 전환
NO3- → NO2- → N2O, NO, N2
 논 토양과 같은 산소가 부족한 환경조건에서 발생
 혐기성 미생물의 호흡과정에서 O2 대신 전자수용체로 이용
 NH4+ 이 질산화 작용에 의하여 NO3-으로 산화한 다음 환원층 토양으로
이동한 후 N2로까지 환원
 탈질 작용에 관여하는 미생물
Pseudomonas 속, Achromobacter 속, Micrococcus 속, Thiobacillus속, Bacillus 속 등

토양 질소의 중요한 변환(질소 고정)

 생물학적 질소고정: 공기 중의 유리 질소 고정작용
N2 → NH3
 공기중의 N2 가 미생물의 작용으로 유기질소화합물로 전환
 독립질소고정 세균, 공생질소고정 세균, 남조류 등
 단서 질소고정균(non-symbiotic nitrogen fixation bacteria)
독립생활, Azotobacter, Clostridium 등
 공서 질소고정균(symbiotic nitrogen fixation bacteria)
콩과 식물과 공생하는 근류균: Rhizobium 속
 콩과 식물은 필요한 N의 1/3을 토양에서, 2/3는 공중 N 고정에서
 질소고정량: 10.1 kg/acre/년(단서균), 150~200 kg/ha/년

질소고정
1. 공생
1.1 뿌리혹 형성(O)
1.1.1 콩과 식물 – rhizobia, bradyrhizobia
1,1.2 비콩과 식물 – actinomycetes(Frankia속)
1.2 뿌리혹 형성(X) - Azolla-Anabaena complex
2. 비공생 - cyanobacteria

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2. 인산의 변동

토양 중 인산의 함량

 P로 0.02~0.08%
 무기 및 유기화합물 형태로 존재
 유기태 인의 비율: 광질토양 작토 중 인의 약 25-65% 범위
 무기태 인은 미풍화토에서는 인회석의 형태나 모암의 규산염에 Si와 치환된 형태로 소량 존재
 일반 토양에서는 새롭게 합성된 여러 가지 무기화합물로 존재. 이들 인산화합물은 매우 미세한 입자 또는 이온형태로 점토에 흡착되어 있으므로 점토부분에 비교적 높은 함량으로 존재
 식물이 필요로 하는 인산은 화학비료, 퇴비 등 유기질비료, 
작물수확 후의 잔재, 원래 토양에 존재하는 무기 및 유기인산화합물 등으로 공급
 식물은 H2PO4- 나 HPO42- 형태로 흡수

* 토양 인산의 이동 

토양 중 유효인산의 공급과 손실

* 토양 중 인산화합물

 무기인산염
 유기인산화합물
 흡착된 인산
 용액 중 인산

토양 중 인산화합물(무기인산염)

- 정인산(orthophosphoric acid)염으로 대부분 잘 용해되지 않는 염류 인산과 결합하는 금속원소: Ca, Fe, Al
- 이들 원소가 다양한 인산염 형성
- 인산의 Ca염은 치환 정도와 부가물의 종류에 따라 여러 종류가 있고 용해도에도 차이가 있음

토양에 흔히 존재하는 칼슘화합물

* 토양 중 인산의 함량(유기인산화합물)

- 피틴(phytin): 토양의 유기 인산화합물 중 가장 많음 / 전체 유기 인산화합물의 50%에 이르는 수도 있음
- 핵산: 5~10%
- 각종 인지질, 당류의 에스터, 인 단백질 등: 1~2%
- 부식물의 Al 또는 Fe 복합체에 결합된 인산: 토양에 따라서는 높은 비율을 차지하는 경우도 있음

* 토양 중 인산의 함량(흡착된 인산)

- 토양에 존재하는 많은 인산은 토양교질에 흡착된 인산
- 흡착체의 표면에 결합되는 강도에 차이가 많음
- 흡착된 인산은 산성토양에서 식물에 이용될 수 있는 공급원
- 인산의 흡착체가 되는 교질
Fe과 Al의 산화물 및 수산화물
점토광물과 유기물
석회석

* 토양 중 인산의 함량(토양용액 중 인산)

- 토양 용액 중에 있는 인산 이온 형태 : H2PO4-, HPO4 2-
- 두 이온의 비율은 pH에 따라 다르며 산성화된 토양에는 H2PO4-가 많으며
pH 6.0 이하에서는 대부분을 차지함
- 토양 용액의 인산 이온 농도는 일반적으로 매우 낮음
0.001~30 ppm 범위
비옥한 토양에는 0.3~3.0 ppm 정도
Cf) 최대 수확량의 95% 수확량을 얻기 위한 토양용액 중 P의 농도(mg/L).
카사바(0.005), 땅콩(0.01), 옥수수(0.05), 토마토(0.20), 결구 상추(0.30)

pH별 인산 이온의 상대적 존재 비율

* 인산의 불용화(고정)

- 토양용액에 있는 인산 이온이나 비료의 가용성 인산은 토양 안에서
비교적 빠르게 불용성 염이 되거나 토양광물에 강하게 흡착되어 불용화
- 산성토양: 높은 Al3+, Fe3+가 인산과 결합하여 난용성염으로 침전
중성 이상 토양: 높은 Ca2+이 인산과 결합하여 인회석으로 침전

 인산 이온 H2PO4- 과 HPO42- 의 흡착은 편의상 특이적(specific)인 것과 비특이적(non-specific)인 것으로 구분
 비특이적 흡착: 흡착체의 양전하에 음이온인 인산이 결합
 특이적 흡착: 인산이나 규산 등의 음이온이 점토광물과 산화물 흡착체 표면의 Al 또는 Fe 원자에 인산 이온이 결합되는 것
 특이적 흡착은 비특이적인 경우보다 항상 더 강한 결합 형성 →  작물에 이용되기 어려운 형태
Cf) 토양 유기물 시용: 인산흡착 억제(복합체 형성, 광물표면 피복)

* 비료로 시용한 인산의 변동

 비료에 들어 있는 가용성 인산의 일부는 식물에 흡수되며 나머지 많은 부분은 고정 또는 흡착되어 새로운 인산화합물이 되고 이는 다시 느리게 식물에게 인산 공급
 인산의 유효성은 토양 pH의 영향을 크게 받음
pH가 높은 토양: Ca과 결합하여 인산3석회 형성
특히 석회질토양에서는 점차 용해되기 어려운 형태로 전환

석회질토양에서는 점차 용해되기 어려운 형태로 전환

 pH 7 이하의 산성토양에서는 인산의 흡착이 일어나기 쉬움
 알칼리성에서 안정하던 apatite는 산성에서 잘 분쇄된 인광석의 형태로 바뀜
 산성 토양용액 중에는 Al3+ , Fe3+
이온이 유리되어 있어 인산과 결합하여 주로 난용성염 형성, 침전

Variscite (AlPO4 · 2H2O)
Strengite (FePO4· H2O)
 pH가 높은 토양: Ca과 결합하여 인산3석회 Ca3(PO4)2 형성
 특히 석회질 토양에서는 점차 용해되기 어려운 형태로 전환

 비료로 준 인산의 유효성에 영향을 끼치는 토양 화학성
pH, 산화화원전위(Eh)
- 논토양의 환원층에서 인산의 화학적 형태가 변하고,
따라서 용해도가 증가하여 유효성이 커짐
FePO4 → Fe3 (PO4)2 : 2가 철 인산화합물 용해도 높음
→ Eh가 낮아지게 되면 pH는 높아져 인산 고정 약화
→ 유효인산은 논토양에서 많아지는 잇점이 있음
 인산의 세탈은 심층에서 배수되는 토양보다 표면에서 배수되는 토양에서 높은 편임. 
세탈에 의한 인산의 손실은 많지 않음

 비료로 시용한 인산염은 식물이 이용하는 비율이 매우 낮음(10-20%)
 석회 시용으로 pH를 조정하면(6.0~7.0으로 유지) 인산의 고정을 최소로 줄일 수 있음
 인산이 토양입자와 빨리 반응하지 못하도록 비료 입자를 크게 하는 것도 적절한 방법(산림용 비료)
 퇴비 등 유기물과 함께 시용하는 것도 인산비료의 유효성을 증가시키는데 도움이 됨
 토양에서 고정된 인산은 완전한 손실은 아니며 수년간에 걸쳐 느리게 작물이 이용하게 됨

* 인산질 비료의 비효 증진 방법

 토양의 인산 고정력을 감소시키기 위하여, 토양 산도 교정 → 중성,  유기물 사용(부식 증가)
 건토(乾土) - 유기태 인산의 분해촉진, 고정 인산의 유리 촉진
 인산 비료와 토양과의 접촉을 적게 해야: 퇴비/녹비와 혼합시용
 시비 위치에 주의: 인산이 이동을 못하므로 뿌리 근처에 사용
 사용시기에 주의: 밑거름이 유리
 인산질 비료의 선택
인산 고정력이 큰 토양에서는 구용성 인산 선택, 입상비료 선택
 인산질 비료의 사용량: 기온이 낮은 지역에는 보통 사용량의 2~3배
 토양의 담수처리: 토양이 환원상태로 변화, 인산의 용해도 증가
 토양의 인산 고정력을 감소시키기 위하여,
토양 산도 교정 → 중성,  유기물 사용(부식 증가)
 건토(乾土) - 유기태 인산의 분해촉진, 고정 인산의 유리 촉진
 인산 비료와 토양과의 접촉을 적게 해야: 퇴비/녹비와 혼합시용
 시비 위치에 주의: 인산이 이동을 못하므로 뿌리 근처에 사용
 사용시기에 주의: 밑거름이 유리
 인산질 비료의 선택
인산 고정력이 큰 토양에서는 구용성 인산 선택, 입상비료 선택
 인산질 비료의 사용량: 기온이 낮은 지역에는 보통 사용량의 2~3배
 토양의 담수처리: 토양이 환원상태로 변화, 인산의 용해도 증가

cf) 무기질 인산
• 수용성 인산
• 가용성 인산
수용성 + Peterman 용액(시트르산 암모늄 용액, pH 9.6) 용해성
• 구용성 인산(citrate-soluble phosphate)
2% 시트르산 용액(pH 2.1)에 녹는 것

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3. 칼륨의 변동

 칼륨(K)은 여러 토양 광물의 성분으로 토양중에 존재
 이들 광물의 풍화작용에 의하여 용출되는 K나 비료로 공급되는 K는 교환형 또는 비교환형으로 존재
 대개 토양에 가장 많이 있는 형태는 비교환형이나 한 가지 형태로만 그대로 있는 것이 아니라 조건에 따라 바뀜  
 질소, 인산과 달리 유기태 칼륨은 거의 존재하지 않음
 K 함량,  
보통 토양: 0.2-3.3%
염류 토양: 2.5-6.7%

 토양 중 칼륨의 3가지 형태(상호 평형관계)
수용성 K, 교환성 K, 비교환성 K(고정된 것, 광물 중)
 교환성 K: 광질토양에서 전 K의 1~2%에 불과하지만, 식물생육과 관련된 주요 유효태 K
 K 포화도가 낮으면 비교환성 K로부터 공급
 K 포화도가 높으면 비가역적 고정작용

토양 중 주요 칼륨 형태 사이의 평형

* 유효태 칼륨

 식물에 유효한 형태의 K
토양용액의 이온 K+, 교질에 흡착된 교환성 K+
 식물의 흡수 및 용탈로 인해 근권토양에서 K+ 이탈하면 비교환성 K가 교환성으로 변환해 새로운 평형 형성

K 고정

토양광물 일라이트와 운모에서 일어나는 K + 의 고정

 

유효 칼륨의 공급과 손실

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4. 황의변동

 황은 질소와 비슷하게 지권, 생물권 및 대기권을 순환하는 풍부한 성분. 
모든 생물이 이용하는 원소이므로 그 사이에 일어나는 변화가 다양함
 토양에 존재하는 형태도 다양함
- 토양용액의 SO42-
- 광물에 흡착된 SO42-
- SO42- 함유광물
- S 함유광물 및 유기태 황 화합물
- 원소상태의 황
- 황화수소(H2S)
 환경조건에 따라 산화, 환원, 무기화 또는 유기물화(부동화), 흡착, 용탈, 휘산 등의 변환과정을 거침

 황은 원소상태로 퇴적되어 있는 것 이외에 화합물의 형태로 화성암에
0.05~0.3% 범위로 존재
 호기적 조건에서 풍화되면 SO42- 까지 산화
 토양 중의 함량은 다양
강우량이 많은 습윤한 지역: 0.02~0.2%
이암(泥岩): 1%
해안지대: 3.5%
 습윤한 지역 토양에서는 SO42-의 집적이 별로 문제가 안되나 건조한 지역에서는 지하수의 상승을 따라 토양에 집적
 혐기조건에서는 Fe 또는 Cu의 황화물로 됨
 습윤기후지대 토양에는 호기적 조건이면 황은 주로 유기물 형태로 존재

 

토양 중에서 일어나는 황의 변환

 황은 인위적 또는 자연적인 여러 과정을 통하여 토양에 공급
황 함유 비료 - 황산염비료
식물의 잔재 및 유기질비료
대기의 황화합물: SO2, SO3, H2S, CH3 -SH 등
 토양에 유입된 무기 황은 유기물로 전환: 부동화 작용
 유기태 황화합물은 미생물에 의해 분해되면 결국 SO42-, SO32-와 같은 식물이 흡수할 수 있는 형태가 됨: 황의 무기화작용(mineralization)
 그 외 황의 주요 변환은 무기태 황의 산화 및 환원 과정

황의 변동(산화과정)

 FeS ＋ H2O ＋ O2 → Fe(OH)2 ＋ S0
 FeS는 시간이 경과함에 따라 FeS2
(황철광, pyrite)로 되었다가, 산화적 환경에 있게 되면 SO42-까지 산화

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■ 연습문제

1.  다음  중  암모니아  휘산이  일어날  가능성이  가장  적은  경우는?
①  석회암  풍화토양 ②  제염이  충분히  되지  않은  간척지
③  산성토양 ④  석회질  비료를  한  번에  많이  시용한  직후
정답  :  ③ 
해설  :  암모니아  휘산은  토양이  염기성  반응을  나타내는  곳에서  많이  일
어남.

2.  토양광물  내에서  고정되는  양상이  암모늄이온(NH4+)과  유사한  것은?
①  Ca2+ ②  K+  ③  PO43-  ④  NO3-
정답  :  ② 
해설  :  K+은  2:1형  점토광물에서  고정되는  양상이  NH4+와  유사함.

3.  다음  유기물  중  질소기아(nitrogen  starvation)가  발생할  가능성이  가장 
높은  것은?
①  옥수수대(탄질률  70) ②  가축분뇨(탄질률  20)
③  알팔파(탄질률  13)  ④  방사상균(탄질률  6)
정답  :  ①
해설  :  탄질률이  30∼35  이상으로  높은  유기물을  시용할  경우  미생물은 
유기물에서  부족한  질소를  토양  중  NH4+나  NO3-를  흡수하여  보충함
으로써  식물이  흡수할  수  있는  질소가  일시적으로  부족해지는  질소기아를  유발함.

 

4. 문제: 비료성분이 토양에서 변동되는 과정 중 화학적 현상이 아닌 것은?

① 휘산 ② 산화

③ 환원 ④ 용해

정답: ①

해설: 물리적 현상에 의한 것: 휘산, 용탈, 세탈

 

5. 문제: 토양 상부층(주로 A층)에서 질소의 95% 이상이 유기태이다. 그 구성 성분함량이 잘못 표기된 것은?

① 아미노산 질소 5~15% ② 아미노당 질소 5~15%

③ 아미드질소 15% ④ 비가수분해성 30%

정답: ①

해설: 토양 상부층(주로 A층)에서 질소의 95% 이상이 유기태이며, 그 구성을 보면 아미노산 질소가 30∼50%, 아미노당 질소 5∼15%, 아미드태 질소 15%, 비가수분해성인 것이 30% 가량이다. 무기태 질소로는 NH4+과 NO3-가 대부분이다.

 

6. 문제: 토양의 pH가 염기성일 때 토양 중의 암모늄질소(NH4-N)가 생성하는 것은?

① NO3 + H2O ② NH3 + H2O  ③ N2 + H2O ④ R-NH2 + CO2

 

정답: ②

해설: 토양의 pH가 염기성이면 토양용액 중의 암모늄(NH4+)이 암모니아로 되어 대기 중으로 휘산된다.

 

NH4+ + OH- → → NH3(g) + H2O

CO(NH2)2 → → NH3 + CO2 + H2O

 

7. 문제: 질소 함유 유기화합물이 분해되어 식물이 흡수할 수 있는 형태의 질소로 바뀌는 첫 단계에서 생성하는 질소 형태는?

① NH3 ② NH4  ③ N2 ④ NO3

정답: ①

해설: 질소를 함유하는 유기화합물이 분해되면서 질소가 무기물 형태로 유리된다. 이러한 무기화작용(mineralization)은 단백질분해 미생물을 포함하여 매우 다양한 토양 미생물의 작용을 통해 일어난다. 대부분 아민 형태인 유기물의 질소는 무기화과정에서 아래 반응식과 같이 암모니아로 떨어져 나오는데, 이를 암모니아화작용(ammonification)이라고 한다. 생성된 NH3는 토양 용액에서 물과 반응하여 NH4+이 된다.

R-NH2 (아미노산이나 유기 아민화합물) + H2O

→ NH3 + R-OH (또는 다른 화합물)

NH3 + H2O → NH4+ + OH-

 

8. 문제: 토양 중 암모니아와 같은 무기질 질소가 유기태로 변하는 작용은?

① 탈공작용 ② 부동화 작용  ③ 용탈작용 ④ 휘산작용

정답: ②

해설: NH4+은 토양조건에 따라 여러 미생물군에 의해 NO2-를 거쳐 NO3-까지 산화된다. 반대로 무기태 질소화합물 NH4+과 NO3-가 미생물에 흡수 동화되어 유기태로 변화하며, 이를 질소의 부동화(immobilization)라고 부른다.

 

9. 문제: 탄질비가 높은 곡류작물의 짚이나 덜 썩은 퇴구비를 토양에 시용하면 미생물은 토양 중의 NH4+이나 NO3-를 흡수하여 유기물에서 부족한 질소를 보충한다. 이와 같이 미생물에 의하여 일시적으로 토양의 무기질소가 부동화됨으로써 식물이 흡수할 수 있는 질소가 부족해지는데, 이를 무엇이라 하나?

① 질소용탈 ② 질소탈질  ③ 질소기아 ④ 질소휘산

 

정답: ③

해설: 탄질률이 30∼35 이상으로 높은 유기물을 시용할 경우 미생물은 유기물에서 부족한 질소를 토양 중 NH4+나 NO3-를 흡수하여 보충함으로써 식물이 흡수할 수 있는 질소가 일시적으로 부족해지는 질소기아를 유발함.

 

10. 문제: 논에 요소나 암모늄태 질소비료를 시용하면, NH4+은 토양 표면의 산화층에서 대부분 어떤 형태로 산화되는가?

① NH3 ② NH4  ③ N2 ④ NO3

정답: ④

해설: 질산화작용은 NH4+이 NO3-로 산화되는 과정이며, 특정한 미생물에 의하여 이루어지는 생물학적 현상이다. NH4+을 함유한 질소비료나 요소와 유기물의 분해에서 생성된 NH4+은 산소공급이 원활한 환경에서 아래와 같은 두 단계의 반응을 거쳐 NO3-로 산화된다. 질산화에서 NO2-의 산화과정은 빠르게 진행되므로 토양 중의 NO2- 함량은 보통 낮은 편이다.

 

NH4+ + 3/2O2 → NO2- + H2O + 2H+

NO2- + 1/2O2 → NO3- + H2O

 

11. 문제: 토양에서 일어나는 질산화작용을 억제하면 어떤 효과가 있는가?

① 고정작용억제 ② 산성화방지

③ 인산흡수율증가 ④ 탈질작용 억제

정답: ④

해설: 산소가 부족한 혐기적인 환경조건에서 일부 미생물이 호흡과정에서 NO3-를 전자수용체로 이용하는데, 결과적으로 NO3-는 기체화합물인 NO, N2O, N2 등으로 환원되어 대기 중으로 유실된다. 이를 탈질작용이라고 하며, 특히 논토양에서 질소비료의 효율을 떨어뜨리는 중요한 원인이 된다. 따라서 nitrapyrin 등의 질산화억제제(nirification inhibotors)를 요소나 암모늄태 질소비료와 함께 사용하면 질소의 유실과 채소류와 목초의 NO3- 과잉 축적을 막을 수 있다.

 

 

12. 문제: 토양의 pH가 5.5일 때 가장 많이 존재하는 인산의 종류는?

① HPO42- ② PO43-

③ Fe3(PO4)2 ④ H2PO4-

정답: ④

해설: 토양용액 중에 있는 인산 이온은 H2PO4- 및 HPO42-이다. 이 두 이온의 비율은 토양 pH에 따라 다르며, pH 6.0 이하의 토양에서는 H2PO4-가 대부분을 차지한다. 토양용액의 인산 이온의 농도는 다른 다량원소에 비해 일반적으로 매우 낮아 0.001～1.0mg/L 범위이다.

 

13. 문제: 다음 중 식물이 흡수 이용할 수 있는 유효성이 큰 칼륨은?

① 치환성 K와 토양용액 중 K ② 조암광물과 점토광물의 K

③ 점토광물 표면의 치환성 K ④ 토양광물에 고정된 K

정답: ①

해설: 식물이 흡수 이용할 수 있는 칼륨의 형태는 토양용액이나 교질에 교환성으로 흡착되어 있는 K+ 이온이며, 점토광물의 구성성분이나 광물격자에 고정된 형태로 존재하는 비교환성의 칼륨은 쉽게 이용될 수 없다.

토양에서 일어나는 주요 칼륨 형태 사이의 평형

 

14. 문제: 식물은 황SO42- 형태의 무기황을 흡수하여 무슨 화학적 과정을 거쳐 유기화합물로 동화되는가?

① 산화작용 ② 환원작용

③ 가수분해작용 ④ 킬레이트화작용

정답: ②

해설: 토양에 들어간 황은 식물이나 미생물에 의해 유기화합물로 동화되는데, 식물은 SO42- 형태의 무기 황을 흡수하여 환원과정[SO42- → SO32- → -SH (유기태 S)]을 거쳐 유기화합물로 동화한다. 유기화합물의 황은 다시 미생물에 의하여 분해되면 결국 SO42-와 같은 식물이 흡수 할 수 있는 형태로 무기화된다. 동화와 무기화 과정 외에 무기태 황의 다양한 산화 및 환원과정이 토양에서 항상 일어난다.

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■ 핵심요약정리

1.  토양  중  질소의  변화는  매우  복잡하여  다양하다.  대기권,  생물권,  토양권 사이에서  질소는  끊임없이  순환하며  생물에게  필요한  형태로  이용된다.  중요한  질소의  변환  과정은  암모니아화작용,  아민화작용,  탈질작용,  질산화작용, 흡착작용,  용탈  및  유실에  의한  손실  등이다.
2.  일반  농경지  토양에서는  인산과  칼륨의  유효성은  토양의  성질과  상태에 따라  다르며,  인산은  토양  반응이  산성에서  염기성에  이르는  넓은  범위에서 토양교질물,  염기  등에  의하여  흡착,  고정  또는  이온교환에  의하여  무효한 형태로  변화되거나  미생물들이  먼저  이용하여  작물이  흡수할  수  없는  형태
로  되기  쉽다.
3.  칼륨은  토양에  수용성,  치환성,  비치환성  등의  형태로  존재하며  각각  유효성이  다르나  비치환성인  것도  작물에  전혀  무효한  것은  아니다.  광물의  구성성분으로  존재하는  칼륨이  점차  용출되어  유효하게  되며,  반명  수용성  및 교환성인  것이  광물의  결정에  고정되어  무효한  형태로  변하기도  하나  조건의  변화에  따라  다시  토양용액  중에  방출되어  식물이  이용하게  된다. 
4.  황은  토양  중  행태가  질소와  유사하다.  무기태와  유기태의  황이  미생물에 의하거나  화학적  과정에  의하여  쉽게  변한다.  황의  변동은  질소와는  달리  토양의  성질이나  작물생육에  대하여  영향을  끼치기  쉽다.  특히  환원된  황화합물인  황화수소  가스는  작물에  해를  입히게  된다.



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