농업직, 농업연구사, 농촌지도사, 방통대 - 토양학 정리- 10 토양화학성

제 10 장 토양 반응과 식물생육

 

**주요 학습 내용**

1. 토양산성의 종류에 대한 이해

2. 토양산성화의 원인에 대한 이해

3. 산성 토양에서의 작물의 피해에 대한 이해

4. 산성 토양의 개량 방법에 대한 이해

5. 알카리 토양에 대한 이해

6. 산화환원전위에 대한 이해

Ⅰ. 토양 반응 

토양반응이란 토양이 산성인가 알카리성인가를 나타내는 말하는 것으로 흔히 pH 값으로 나타내며, pH 값이 7.0이면 중성, 7.0 이하이면 산성, 7.0 이하이면 알칼리성이다

1. 토양반응의 표시

① 토양반응은 pH 값으로 나타내는데, 이는 용액중에 존재하는 수소이온 농도의 역수의 대수를 취한 값이다

 

 

② [H+]이란 토양 중에 존재하는 수소이온의 농도를 나타낸 것으로서 g/ℓ 또는 mole/ℓ를 나타낸다. 예를 들어 pH가 7 이면 토양 중에 존재하는 수소이온의 양은 10-7g/ℓ이다.

③ 토양 중 수소이온이 102(= 100)배 감소하면 pH는 6에서 8이 되며, 수소이온이 103(=1000)배 증가하면 pH는 7에서 4로 된다

 

2. 토양산성의 종류

산성토양이란 토양 중 수소이온의 농도가 10-7g/ℓ 이상인 토양을 말한다. 즉, pH 7 이하의 토양을 말한다

1) 활산성 - ① 토양 용액 중에 존재하는 수소이온에 의한 산성으로 작물생육에 직접적인 영향을 미친다

② 토양시료에 증류수를 가하여 측정하는데, 일반적으로 시료와 증류수의 비율은 1 : 1 이며 증류수의 비율을 크게 할 수록 pH 값은 높아진다

③ 증류수 대신 농도가 높은 CaCl2나 KCl을 사용했을 때의 pH 값은 이중층 내부의 H+이 용출되기 때문에 매우 낮은 값을 나타낸다.

2) 잠산성 - 이중층 내부에 흡착되어 있는 수소이온에 의한 산성이다.

ⅰ) 가수산성 - 약산 용액(CaCOOH, NaCOOH 등)으로 용출되는 수소이온에 의한 산성 으로 이중층 외부에 흡착된 수소이온에 의한 산성이다

- 산성초기에 나타나는 산성으로서, 치환산도보다 항상 높은 값을 나타낸다.

ⅱ) 치환산성 - 강산 용액(KCl)으로 용출되는 수소이온에 의한 산성이다

- 산성의 정도가 상당히 진행된 후의 산성으로 염기의 결핍을 초래한다.

- 토양반응을 중화하기 위해 석회를 시용하기 위해서는 치환산성을 측정 해야 한다. 즉, 치환산성이 크면 석회시용량도 많다.

 

 

 

 

 

Ⅱ. 토양의 산성화

토양이 산성화가 된다는 것은 토양 중에 수소이온이 증가한다는 의미와 토양 염기가 용탈된다는 의미가 있다

 

1. 토양 산성화의 원인

1) 규산염광물과 가수산화물의 분해

① 점토나 부식에 흡착된 H+의 해리는 토양산성화의 원인이 될 수 있다

② 점토광물 중의 Al+3이 용해되어 토양용액 중으로 용출되면 Al+3은 물과 반응하여 가 수분해(Al+3+H2O ↔ Al(OH)+2+H+) 반응을 하게 되고 이 반응에서 H+ 생성되어 토양 산성화를 일으킨다

2) 부식에 의한 산성화

① 부식의 카르복실기(COOH)와 수산기(OH)에서 H+ 해리로 인하여 산성화를 초래한다

② 유기물 분해에 의해 생성되는 CO2와 여러 가지 유ㆍ무기산에 의하여 산성화가 초래된다

3) 비료에 의한 산성화

① SO4-2와 Cl-를 가진 생리적 산성비료, 예를 들면 황산암모늄, 염화암모늄, 황산칼륨 등 을 연용하면 산성화가 초래된다

② 질산화작용에 의하여 산성화가 초래되기도 한다

☞ 2NH4+ + 4O2 = 2NO3- + 2H2O + 4H+

③ 뒷거름 연용과 공장이나 광산에서 흘러 들어오는 폐수에 의하여 산성화가 초래된다

4) 기후 - ① 많은 비로 인하여 발생되는 토양염기의 용탈로 인하여 토양은 산성화된다

② 우리 나라 토양 산성화의 주원인으로서 장마철의 집중호우로 인한 토양 침식 은 토양 중 염기의 용탈을 발생시켜 토양은 산성화가 된다

 

2. 산성토양에서의 작물의 피해

1) 수소이온에 의한 해작용

① 토양용액 중 수소이온 농도의 증가로 인하여 뿌리의 양ㆍ수분 흡수력이 저하된다

② 증가된 수소이온에 의하여 식물의 뿌리 세포가 파괴된다

2) 알루미늄과 중금속 이온들의 유효도 증가

① 산성에서 활성 알루미늄 이온의 농도가 증가되어 광독작용을 일으키며 인산을 고정 하여 인산 결핍을 초래한다

② 중금속 이온의 유효도가 증가되어 식물에게 광독작용을 일으킨다

3) 작물양분의 결핍

① 산성화 과정에서 발생하는 염기의 용탈작용으로 인하여 양분부족현상이 발생한다

② 산성에서 대부분의 양분유효도는 감소한다

③ 산성에서 용해도가 큰 미량요소는 유실 또는 용탈로 말미암아 그 절대량이 부족하다

4) 토양 생물의 활성 감퇴

① 산성토양에서 사상균을 제외한 미생물의 활동이 감소하여 질소고정작용을 비롯한 미 생물에 의하여 일어나는 식물에게 유용한 작용이 정지하게 된다

② 지렁이와 같은 토양동물의 활동이 감소한다

☞ 결론적으로 토양 산성화는 토양의 모든 성질(물리성ㆍ화학성)을 악화시켜 작물생육을 저해한다

 

3. 토양반응과 작물양분의 유효도

① 작물양분의 대부분은 pH가 중성부근에 이르면 유효도가 증가한다

② FeㆍMnㆍZnㆍCa 등의 필수미량원소들의 유효도는 산성에서 높으며, 중성∼알칼리성에 서는 유효도가 낮기 때문에 결핍되기 쉽다

③ Mo은 산성에서는 유효도가 낮으나, 중성∼알칼리성에서 유효도가 증가한다

④ 인산 이온의 유효도

ⅰ) 인산은 중성에서 유효도가 가장 높으며, 산성이나 알카리성에서는 유효도가 감소 할 뿐만 아니라 산성에서는 Fe과 Al에 의해, 알칼리성에서는 Ca에 의해 고정작용 이 일어난다

ⅱ) 산성토양에서는 수용성보다는 염기성의 구용성 용성인비가 효과적이다

ⅲ) 마그네슘 함량이 적은 토양에 인산을 많이 시용하면 마그네슘의 결핍이 더욱 조장 되므로, 마그네슘 함량이 적은 산성토양에서는 마그네슘을 시용 후에 인산을 시용 하면 효과적이다

[ 토양반응에 따른 인산의 형태와 인산고정 ]

 

 

 

⑤ 붕소(B) - ⅰ) 우리나라 전작지 토양 중의 유효붕소함량은 평균 0.15ppm으로서 붕소요 구량이 많은 작물을 재배하려면 붕소의 인위적 공급이 필요하다

- ⅱ) 붕소결핍으로 인하여 보리의 불임현상, 사과나무의 新梢의 고사 및 叢生 現像, 포도나무의 검은빛썩음병, 알팔파ㆍ클로버 등에서의 채종불능현상 등이 발생하고 있다

[ 토양 중에 함유되어야 할 유효붕소의 함량별 작물의 예 ]

 

 

[ 식물의 필수원소 함량평균 <건물중기준> ]

 

 

 

4. 산성토에서의 작물에 따른 생육정도

① 저항력이 가장 강한 작물 - 논벼ㆍ밭벼ㆍ귀리ㆍ소나무

② 저항력이 강한 작물 - 밀ㆍ조ㆍ옥수수ㆍ20일 무ㆍ메밀ㆍ고구마ㆍ감자ㆍ토란ㆍ수박  ㆍ아마ㆍ싸리나무

③ 저항력이 다소 강한 작물 - 무우ㆍ토마토ㆍ잠두ㆍ피ㆍ참나무

④ 저항력이 약한 작물 - 가지ㆍ고추ㆍ쌀보리ㆍ완두ㆍ클로버ㆍ당근ㆍ우엉ㆍ파ㆍ아카시아

⑤ 저항력이 가장 약한 작물 - 보리ㆍ시금치ㆍ상치ㆍ자운영ㆍ콩ㆍ팥ㆍ양파ㆍ삼나무 ㆍ느티나무

 

Ⅲ. 산성토양의 개량

산성토양에서는 많은 수소이온과 부족한 양분으로 말미암아 작물생육에 불리하므로 수소이온을 제거하거나 부족한 염기를 공급하므로써 산성토양을 개량해야 한다.

1. 석회시용에 의한 반응교정

① 반응교정을 위한 석회시용시 시용하는 석회의 중화력은 분말도에 따라 다르다. 즉, 시 용하는 석회입자의 입경이 클수록 산도를 교정하는 속도는 느리지만 유실 및 용탈량이 적은 반면, 석회입자의 입경이 작을수록 산도를 교정하는 속도는 빠르나 유실 및 용탈 량이 많다. 따라서 입경이 작은 석회물질을 소량씩 자주 시용하는 것이 가장 효과적인 시용법이다

② 산성토양 개량 물질로는 탄산석회석분말, 규회석, 석회석분말, 백운석 등이 있는데, 일 반적으로 소석회(수산화칼슘, Ca(OH)2)가 가장 효과적이며 널리 사용되며, 알카리성은 생석회(산화칼슘, CaO)가 가장 크다.

③ CEC가 높을수록, 유기물 함량이 많을수록 잠산성이 높으므로 석회를 더 많이 시용한다.

 

 

 

그림 1. 수산화칼슘(소석회)을 시용했을 때의 변화

 

☞ 석회소요량 검정법

재배 될 작물에 가장 최적의 pH로 교정하기 위해 정확한 석회소요량을 알아야 한다

① 완충곡선법 -ⅰ) 석회를 가해 주면서 pH와 첨가량과의 관계곡선을 그린 후 석회시 용량을 결정하는 방법이다

ⅱ) 거의 반영구적으로 사용 가능하며, 정확한 석회소요량을 알 수 있 으나, 완충곡선을 구하는데 시간과 노력이 많이 요구되므로 간이검 정용으로는 알맞지 않다

ⅲ) 현장에서 쇤쉽게 석회소요량을 검정할 수 있는 ORD형 간이토양검 정기가 사용된다

② 완충용액법 - ⅰ) 토양에 완충용액을 가한 다음 pH를 조사하여 치환성수소이온들을 중화하는 데 필요한 석회물질의 양을 계산하여 석회소요량을 결정 하는 방법이다

ⅱ) 실험실 내에서 매우 간단히 할 수 있으나, 고성능의 pH-meter가 필요하며 pH 측정방법이 능숙해야 한다

③ pH 측정법 - ⅰ) 토양의 pH을 측정한 후 토성 및 유기물 함량을 고려하여 석회소 요량을 결정하는 방법이다

ⅱ) 토성과 유기물 함량을 미리 조사해야 하며, 토성과 유기물 함량을 안다면 매우 편리한 방법이다

④ 치환산도법 - ⅰ) 치환성수소의 함량을 구한 다음 석회소요량을 결정하는 방법이다

ⅱ) 시간이 오래 걸리므로 실험실 내에서나 사용 가능하다

ⅲ) 보통 산성에 강한 작물을 재배할 때 적용한다

ⅳ) 가수산도법은 산성에 약한 작물에 적용한다

☞ 완충곡선법에서의 석회소요량 계산법 <탄산칼슘(CaCO3)을 시용하는 경우>

① pH 6.5까지 높이는 데 소요된 염기의 양이 20me/100g이라 하자

② 탄산칼슘(CaCO3)의 당량은 이다

③ 따라서 pH 6.5까지 높이는 데 소요된 염기의 양을 탄산칼슘으로 치환하면

20me/100g × 50 = 1000mg이므로 토양 100g당 탄산칼슘 1g이 소요된다

④ 1ha의 표층 20cm 깊이까지의 흙의 무게를 약 250만 kg이라고 하자

⑤ 토양 100g당 1g이 소요되므로, 250만 kg의 토양에 시용하려면

ton이므로 1ha당 25ton의 탄산칼슘이 소요된다

 

2. 유기물 시용

① 토양반응을 직접 교정하는 효과는 적지만, 토양부식을 증대하므로 CEC와 완충능을 증 대하며 토양의 물리화학적 성질을 개선하고 유용미생물의 활동과 번식을 촉진시키는 데 매우 효과가 크다

② 유기물에 함유되어 있는 질소ㆍ인산ㆍ칼리를 비롯한 망간ㆍ붕소ㆍ마그네슘 등의 양분을 공급하는 효과도 있다

③ 산성토양에서 고정되기 쉬운 인산이온의 비효를 증진시킬 수 있다

④ 산성토양의 성질개선에는 완숙유기물보다 미숙유기물이 효과적이다.

 

3. 그 밖의 방법

① 산성에 강한 작물을 재배한다

② 미량원소 및 인산과 칼리질 등 부족한 양분을 시용한다

③ 근류균을 접종한다

 

4. 토양 산성화의 방지책

① 적절한 작부체계를 세워서 토양의 나지기간을 단축시킨다

② 산성비료나 뒷거름 등의 연용를 피하고 중성이나 알칼리성 비료 시용한다

③ 토양부식의 증가를 위해 유기물을 시용한다

④ 석회는 한꺼번에 다량 시용이 아니라 매년 계획적으로 시용한다

 

Ⅳ. 알칼리 토양

우리 나라에 존재하는 알카리토 양은 NaClㆍMgCl2 등을 다량 함유한 해성충적물질에서 유래된 간척지토양에서 그 제염이 불충분한 토양 또는 바닷물의 침입을 받는 토양 등이 있다.

 

1. 작물의 알칼리 장해

① 토양 용액의 EC(전기전도도 또는 비전도도)의 증가로 인하여 삼투압이 증가하므로 식 물세포의 원형질분리와 뿌리절임현상 등이 유발된다

② 알칼리이온의 증가로 인하여 이온균형이 파괴되므로 길항ㆍ상조작용 등이 유발된다

③ 알칼리 토양은 Na+을 많이 함유하므로 토양 물리성이 파괴된다

 

2. 알칼리토양의 개량

① 충분한 담수원을 확보하여 가을부터 이른 봄까지 계속 담수하여 제염해야 하며, 알칼리 토양을 개량하기 위해한 수질로는 Ca+2을 다량 함유한 경수가 좋다

② 토층 내부의 제염 촉진을 위해 배수시설(명거ㆍ암거)을 설치한다

③ 제염된 부분의 토양입자 분산방지를 위해 석회를 시용한다

④ 유기물 시용으로 토양 중 염분의 농도를 낮춘다

⑤ 사탕무, 면화, 수수, 보리, 알팔파 등의 내염성 작물을 재배한다

 

Ⅳ. 산화환원전위

토양의 산화환원전위는 식물양분의 가급성ㆍ유해물질의 생성 등과 관계가 있고, 또한 배수의 필요성을 나타내는 지표로서 크게 도움을 주기 때문에 토양의 생산력과 관계가 있는 중요한 성질인 것이다.

1. 산화환원전위(Eh)

1) 산화와 환원

① 산소와 결합하면 산화반응이며, 산소와 분리되면 환원반응이다

② 전자(e-)와 분리되면 산화반응이며, 전자(e-)와 결합하면 환원반응이다. 따라서 전자 의 이동으로 인하여 양쪽엔 전위차가 발생하게 되는데, 산화환원전위란 이 전위차를 의미한다.

 

 

2) 산화환원전위(Eh)

① 측정 - 백금전극을 토양용액에 삽입하여 측정하게 되는데, 산화상태의 토양에서는 전 자가 전극에서 용액으로 이동하는 산화반응이, 환원상태의 토양에서는 전자가 용액에서 전극으로 이동하는 환원반응이 일어난다. 따라서 전극표면과 용액 사이에 전위차가 발생하며, 이 전위차가 산화환원전위이다

② 단위 - Eh의 절대치는 얻을 수 없기 때문에 규정수소전극의 Eh를 0으로 한 비교치 로 나타내게 되며, 전위차로 표시하고 mv로 나타내는데, 값이 클수록 토양은 산화상태이며, 값이 작을수록 환원상태이다

③ pH와는 직선적 관계에 있다. 즉, pH와 Eh의 관계는 25℃에서 Eh/pH는 -0.0591/n'volt 이다. 따라서 담수로 인하여 토양이 환원상태가 되면 pH는 증가한다.

 

2. 산화환원전위를 지배하는 요인

① 산화상태에서는 Eh가 높고, 환원상태에서는 낮다

② 토양에 담수를 할 경우, 유기물이 많거나 비옥한 토양은 미생물활동이 양호하므로 척박 한 토양보다 더욱 급격히 Eh가 저하한다

③ 식질토양은 수분이동이 느리므로 사질토양보다 환원상태가 서서히 발달한다

 

3. 산화환원전위와 작물 생육

① 토양의 환원으로 인하여 인산을 비롯한 무기성분들의 유효도가 증가한다

② 심한 환원상태에서는 CO2가 CH4나 citric acid 등으로 변화하며 황화수소 등 환원성 유 해물질이 다량 생성되므로, 식물생육이 불량해진다. 따라서 간단관수나 중간 낙수를 실시 하여 산소를 공급해야 한다.



※ 혹시 부족하지만 저의 글의 내용이 도움이 조금이라도 되었다면, 단 1초만 투자해 주세요. 로그인이 필요없는 하트♥(공감) 눌러서 블로그 운영에 힘을 부탁드립니다. 그럼 오늘도 좋은 하루 보내세요^^