방통대, 농업직, 농촌지도사, 농업연구사 대비 - 재배학 정리 4. 토양특성과 대기환경

4. 토양특성과 대기환경

 

<용어정리>

- 질소기아현상 : 일반토양의 C/N율이 10:1보다 높은 유기물을 토양에 주면 미생물과 작물사이에 질소의 경쟁이 유발되어 일시적으로 작물이 유효성질소의 부족을 겪게 되는 현상을 말한다.

 

- 탈질작용 : 토양 내에 있는 탈질균에 의하여 NO3-이 여러 가지 질소산화물을 거쳐 최종적으로 N2까지 전환되는 반응으로서 배수가 불량한 토양이나 산소가 부족한 토양조건에서 일어난다.

 

- 질소고정 : 식물이 토양으로부터 질소를 얻기 위해서는 먼저 질소가 암모늄이온이나 질산염형태로 바뀌어야 한다. 토양의 암모늄이온이나 질산염은 박테리아에 의해 대기질소나 유기물로부터 생성된다. 질소고정 박테리아는 대기질소를 암모늄이온으로 전환시킨다. 이 과정이 질소고정으로 대부분의 식물이 생존하는데 필수적인 과정이다. 콩과식물은 뿌리의 혹 안에서 상주하는 박테리아에 의해 고정된 질소를 이용한다.

 

- C3식물 : 이산화탄소를 공기에서 직접 얻어 캘빈회로에 이용하는 식물을 C3식물이라고 하는데 그 이유는 이 과정에서 최초로 합성되는 유기물이 3-PGA라는 3탄소화합물이기 때문이다. 벼, 밀, 귀리, 콩 등의 식물이다.

 

- C4식물 : 탄소를 3-PGA대신 4탄소화합물로 고정시키는 효소가 있다. 이 효소는 식물의 탄소고정효소(루비스코)와는 달리 산소와 결합하지 않는다. 그 결과 잎의 이산화탄소농도가 산소 농도보다 훨씬 낮은 조건에서도 탄소를 4탄소화합물로 계속해서 고정할 수 있는 것이다. 옥수수, 수수, 사탕수수가 있다.

 

 1. 토양공기

 

1) 토양의 용기량

- 토양공기의 용적 : 전공극용적에서 토양수분의 용적을 공제한 것

- 토양의 용기량 : 토양의 용적에 대한 공기로 차 있는 공극의 용적 비율로 표시

 

 

< 표  3-4>  대기와 토양공기의 조성 비교

 

 

2) 토양공기를 지배하는 요인

- 토성 : 사질 토양이 비모관공극이 많고 토양의 용기량이 증대됨.

- 토양구조 : 식질 토양에서 입단의 형성이 조장되면 비모관공극이 증대하여 용기량이 증대

- 경운 : 경운작업이 깊이 이루어지면 토양의 깊은 곳까지 용기량이 증대

- 토양수분 : 토양의 함수량이 증대하면 용기량은 적어지고 산소의 농도는 낮아지며, 이산화탄소의 농도는 높아짐.

- 유기물 : 미숙유기물을 시용하면 산소의 농도가 훨씬 낮아짐.

- 식생 : 뿌리의 호흡에 의해 이산화탄소의 농도가 높아짐.

 

3) 토양공기와 작물 생육

(1) 토양용기량

이산화탄소는 물에 용해되기 쉽고, 수소이온을 생성하여 토양을 산성화시킴.

최적용기량의 범위 : 10∼25%

벼ㆍ양파ㆍ이탈리안 라이그라스 : 10%

귀리와 수수 : 15%

보리ㆍ밀ㆍ순무ㆍ오이 : 20%

양배추와 강낭콩 : 24%

 

(2) 토양의 공기 조성과 작물의 생육관계

① 발아

종자의 발아 : 산소의 요구도가 비교적 높음

산소에 대한 요구도가 높은 작물 : 옥수수ㆍ귀리ㆍ밀ㆍ양배추ㆍ완두 등

② 수분흡수 : 산소농도가 낮아지면 뿌리의 호흡이 저해되고 수분흡수가 억제됨

③ 양분흡수 : 산소가 부족할 때에는 칼륨의 흡수가 가장 저해되고 잎이 갈변됨

 

2. 논토양의 일반적 특성

 

1) 토층분화와 탈질현상

작토층 : 산화제1철로 청회색을 띤 환원층

암모니아태질소를 산화층에 주면 질화균에 의해 질화작용을 받아 질산이 됨(NH4+ → NO2 → NO3-).

전층시비 : 논을 갈기 전에 암모니아태질소를 논 전면에 미리 뿌린 다음 갈고 써레질하여 작토의 전층에 섞이도록 하는 것

 

2) 유기태질소의 무기화

유기태질소의 무기화 : 다량의 암모니아가 생성(잠재지력)

잠재지력의 건토효과ㆍ지온상승효과ㆍ알칼리효과를 나타냄.

※ 암모니아태질소를 산화층에 주면 탈질작용, 환원층에 시비

 

3) 토양의 노후화와 추락

노후화답의 개량 : 객토, 심경, 함철자재의 시용, 규산질비료의 시용 등

노후화답의 재배대책 : 저항성 품종의 선택, 조기재배, 무황산근 비료의 시용, 추비 중점의 시비, 엽면시비 등

  

 

 

< 표  4-1>  밭과 논에서의 각 원소의 존재형태

 

 

 

3. 간척지토양

 

1) 간척지토양의 일반적 성질

간척지토양의 모재 : 미세한 입자로 비옥함.

토양의 염화나트륨(NaCl)이 0.3% 이하면 벼의 재배가 가능하나 0.1% 이상이면 염해의 우려가 있음.

간척지토양은 점토가 과다하고 나트륨이온(Na+)이 많아서 작물의 뿌리 발달을 저해하여 생육이 불량함.

 

2) 제염법

- 담수법 : 물을 10여 일 간격으로 깊이 대어 염분을 녹여 배출시키는 것

- 명거법 : 5∼10m 간격으로 도랑을 내어 염분이 도랑으로 씻겨 내리도록 함.

- 여과법 : 땅 속에 암거를 설치하여 염분을 여과시키고 토양통기도 조장

 

3) 작물의 내염성

① 밭작물

강 : 사탕무ㆍ유채ㆍ양배추ㆍ목화

중 : 알팔파ㆍ토마토ㆍ아스파라거스ㆍ수수ㆍ보리ㆍ호밀ㆍ벼ㆍ시금치ㆍ양파ㆍ호박ㆍ고추ㆍ밀

약 : 베치ㆍ완두ㆍ셀러리ㆍ가지ㆍ고구마ㆍ감자ㆍ녹두

② 과수

중 : 무화과ㆍ포도ㆍ올리브

약 : 배ㆍ살구ㆍ복숭아ㆍ사과ㆍ귤ㆍ레몬

 

4) 내염재배

간척지의 벼재배는 이앙법이 유리

조기재배와 휴립재배를 함.

논물을 말리지 않으며 자주 환수

석회시용과 황산암모니아나 황산칼륨 등의 비료의 시용을 피하고 요소ㆍ인산암모니아ㆍ염화칼륨 등을 시용

비료는 여러 차례에 나누어 분시하며 시비량은 많게 함.

 

4. 토양 보호

 

1) 수식(빗물에 의한 침식)의 원인

- 강우 : 10분간에 2mm를 초과하는 강우는 토양침식의 위험이 있음.

- 토양의 성질 : 식토는 빗물의 흡수량이 적어서 침식되기 쉽고 사토는 분산되기 쉽기 때문에 역시 침식을 받기 용이함.

- 지형 : 경사가 급하면 토양이 불안전하며 유거수의 유속이 빨라지므로 침식이 조장

- 식생 : 식생의 피복도가 클수록 침식은 경감

 

2) 수식에 대한 대책

① 조림 ② 초생재배 ③ 단구식재배 ④ 대상재배(Stripe Cropping, 帶狀栽培)

⑤ 등고선경작 ⑥ 토양피복 ⑦ 합리적 작부체계

 

3) 풍식과 대책

풍식 : 토양이 가볍고 건조할 때 센 바람이 불면 발생

*풍식대책

방풍림의 방풍효과 범위 : 그 높이의 10∼15배

피복식물을 재배하여 토사의 이동을 방지

관개를 하여 토양이 젖어 있게 함.

이랑을 풍향과 직각이 되도록 함.

겨울에 건조하고 바람이 센 지대에서는 작물의 높이베기를 함.

 

5. 대기의 성분

 

대기 중 주요 성분의 용량비 : 질소 약 79%, 산소 약 21%, 이산화탄소 약 0.03%(최근 0.036%)이며, 그 외에 수증기, 먼지, 연기의 입자, 미생물, 아황산가스, 그 밖의 오염물질 등이 있음.

작물 생육에 직접적ㆍ간접적으로 영향을 주는 요인 : 수증기와 이산화탄소, 오존의 시간적ㆍ공간적 농도의 변화

 

6. 대기 중의 이산화탄소ㆍ산소ㆍ질소

 

1) 대기 중의 이산화탄소

이산화탄소는 대기 중에 0.03%밖에 없으나 생물권의 탄소순환을 위해 매우 중요함.

잎 주위 공기 중의 이산화탄소농도가 현저히 낮은 경우 : 역으로 엽내에서 외부로 이산화탄소의 유출이 생김(C4식물은 이산화탄소의 유출이 없음).

잎 주위 이산화탄소농도는 바람에 의해 크게 영향 받음.(연풍은 작물생육에 용이)

이산화탄소농도는 겨울에는 약 350ppm으로 높고, 여름에는 약 310ppm으로 낮음.

낮에는 군락에 가까울수록 이산화탄소의 농도가 낮고 밤에는 군락내일수록 높음.

 

 2) 광합성

이산화탄소농도를 대기 중의 농도인 0.03%보다 높여 주면 작물의 광합성이 증대

이산화탄소 보상점 : 이산화탄소농도가 낮아짐에 따라 광합성속도도 낮아지며, 어느 농도에 도달하면 그 이하에서는 호흡에 의한 유기물의 소모를 보상할 수 없는 한계점의 이산화탄소농도

이산화탄소 포화점 : 이산화탄소농도가 증가할수록 광합성속도도 증가하나 어느 농도에 도달하면 이산화탄소농도가 그 이상 증가하더라도 광합성속도는 증가하지 않는 한계점의 이산화탄소농도

작물의 이산화탄소 보상점 : 대기 중의 이산화탄소농도(0.03%)보다 훨씬 낮음.

(예) 사탕무의 이산화탄소 보상점은 최대일사에서 0.003%

 

 

< 그림  1>  작물의 이산화탄소보상점과 포화점

 

 

3) 이산화탄소 농도에 관여하는 구체적인 요인

- 미숙유기물의 시용 : 미숙퇴비ㆍ낙엽ㆍ구비ㆍ녹비를 시용하면 이산화탄소의 발생이 많으며, 탄산시비의 효과를 발생함.

- 바람 : 바람은 공기 중의 이산화탄소농도의 불균형상태를 완화시킴.

- 식생 : 식생이 무성하면 지면에 가까운 공기층의 이산화탄소농도를 높게 하지만, 지표에서 떨어진 공기층은 이산화탄소농도가 낮아짐.

- 지면과의 거리 : 지표로부터 멀어짐에 따라 이산화탄소농도는 낮아짐.

- 계절 : 식물의 잎이 무성한 공기층은 여름철에 광합성이 왕성하여 이산화탄소농도가 낮아지나 지표면과 접한 공기층은 여름철에 이산화탄소농도가 높음.

 

4) 탄산시비

탄산시비의 정의 : 이산화탄소농도를 인위적으로 높여 주는 것

작물의 생육을 촉진하고 수량을 증대시키기 위한 조건 : 적정수준까지는 광도와 함께 이산화탄소농도를 높여 줌.

탄산시비의 효과 : 시설 내의 탄산시비는 작물의 생육촉진을 통해 수량을 증대시키고 품질을 크게 향상시킴.

 

*탄산시비의 방법

시설 내에 유지되어야 할 이산화탄소농도 : 1,000∼1,500ppm이며, 경우에 따라서는 2,000ppm까지도 요구

시비시기와 시간의 결정 : 작물의 광합성 태세, 하루 중의 이산화탄소농도 변화, 광도와 환기시간 등을 고려해야 함.

 

5) 대기 중의 산소

대기 중의 산소농도 21% : 작물의 호흡작용에 알맞은 농도

토양 중의 함수량이 증가하여 포화 또는 담수상태가 지속되면 산소부족으로 양분흡수를 크게 저해

호수나 하천의 물이 부영양화하여 플랑크톤의 발생이 극단적으로 증대하게 되면 물 속의 산소농도가 저하하여 어류가 죽게 됨.

 

6) 대기 중의 질소

질소(N2) : 대기의 약 80%를 차지하며, 대기는 질소의 가장 큰 저장소

식물이 질소를 필요로 하는 이유 : 식물이 대기로부터 질소를 사용하는데 필요한 효소를 만들 수 없기 때문

질소고정(nitrogen fixation) : 공중질소를 암모니아로 고정하는 것

 

* 질소순환

㉠ 질산화작용 : 비료나 유기물로 부터 유리된 NH4+는 질산화작용을 통하여 NO3-로 전환된다.

 

 

< 그림  2>  질산화과정

 

 

 ㉡ 탈질작용

NO3-은 매우 쉽게 작물이나 미생물이 이용하기도 하지만, 음이온이므로 토양에서 이동이 매우 빨라 쉽게 용탈되기도 하고 탈질반응을 통하여 손실된다.

 

대기중으로 손실

↑ ↑ ↑

NO3- → NO2- → NO → N2O → N2

 

㉢ 탄질비(C/N율)와 질소기아 현상 → C/N율이 10:1보다 높은 유기물을 토양에 주면 질소기아현상이 일어난다.

 

톱밥 : 225 : 1 (45 : 0.2)

밀집 : 80 : 1 (40 : 0.5)

콩대 : 40 : 1 (40 : 1)

클로버 : 20 : 1 (40 : 3)

부식 : 10 : 1 (50 : 4.5)

 

㉣ 질화작용(nitrification)을 통해 토양에서 질소고정세균에 의해 생성된 암모늄화합물은 아질산염으로, 그 다음에는 질산염으로 바뀜.

2NH4+ ＋ 3O2 2NO2- ＋ 2H2O ＋ 4H+ ＋ 에너지

2NO2- ＋ O2 2NO3- ＋ 에너지

㉤ 아질산염과 질산염을 흡수ㆍ동화한 후 식물은 NO2-와 NO3-를 단백질과 핵산의 생합성에 사용되는 암모늄으로 다시 바꿈.

㉥ 분해와 암모니아화작용 : 세균과 균류가 질소를 함유하는 배설물이나 유기물 잔해를 분해하는 과정

 

7. 바람과 작물생육

 

1) 풍해

풍해 : 풍속이 시간당 4∼6km 이상인 강풍의 피해

직접적인 생리적 장해 : 호흡의 증대, 광합성의 감퇴, 작물체의 건조, 작물체온의 저하

직접적인 기계적 장해 : 절손ㆍ열상ㆍ낙과ㆍ도복ㆍ탈립 등을 초래

재배환경의 불량화 : 풍식, 염풍의 피해

 

2) 연풍

① 연풍 : 풍속이 시간당 4∼6km 이하의 바람

② 연풍이 작물의 생육에 효과적인 이유

한여름에는 기온과 지온을 낮게 하고, 봄과 가을에는 서리를 막는 효과를 주며, 아울러 수확물의 건조를 촉진

풍매화의 결실을 좋게 함.

이산화탄소농도의 저하를 경감하고 광합성을 조장

광합성을 증대시킴.

양분흡수를 증대시킴.

③ 연풍의 해로운 점 : 잡초의 씨나 병균을 전파하고, 건조할 때에는 더욱 건조상태를 조장하며, 저온의 바람은 작물체에 냉해를 유발함

 

Q1. 질산화작용의 첫 단계를 완수할 수 있는 세균이 아닌 것은?

A : 질산화작용의 첫단계에 관여하는 세균은 Nitrosomonas, Nitrosovibrio, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrosococcus 등 5가지

 

<정리하기>

 1. 암모니아태질소를 산화층에 주면 질화균이 질화작용을 일으켜 질산으로 된다(NH4→NO2→NO3).

질산은 토양에 흡착되지 않고 아래의 환원층으로 씻겨내려가면 탈질균의 작용으로 환원되어 가스태질소로 바뀌어(NO3→NO→N2O→N2), 대기중으로 나가는데 이를 탈질현상이라 한다.

 2. Fe, Mn, K, Ca, Mg, Si 등이 작토에서 용탈되어 결핍된 토양을 노후답이라고 하고, 노후화답을 개량하기 위해서는 객토, 심경, 함철자재의 사용, 규산질비료의 시용과 조기재배, 무황산 비료의 시용 등의 재배적 대책을 세워야 한다.

 3. 염분이 많은 간척지 토양에 적응하는 재배법을 내염재배라고 하는데 내염재배의 요점은 내염성이 강한 작물선택, 조기재배와 휴립재배, 논물의 환수, 석회 및 규산석회를 시용하고, 황산근비료 시용금지 등이다.

 4. 대기의 이산화탄소농도가 높아지면 호흡은 억제되고 광합성은 증대된다. 시설원예에서 이산화탄소농도를 인위적으로 높여 주기 위해 액체 이산화탄소를 시용하는 것을 탄산시비라고 한다.

 5. 바람(연풍)의 이점으로는 증산작용을 자극하며 기공을 통한 이산화탄소의 확산과 이산화탄소 농도 분포의 균일화로 광합성이 증대되며, 화분의 매개, 서리조정, 건조촉진 등이 있다. 바람의 해(강풍)는 도복ㆍ낙과ㆍ열상 등의 기계적 장해와 호흡 증대, 광합성 감퇴, 건조, 체온 강하 등의 생리적 장해, 그리고 재배환경의 불량화로 구분할 수 있다.

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