토양의 물리적 성질 토양생물학 (제2장) 2010. 3.25 교재: 토양생물학, 이민웅 참고: 토양미생물학 (원리와 응용), David M Sylvia 외 3인 토양학, Mark Coyne 토양의 물리적 성질

▣ 목차 토양의 물리적 성질 1) 토성(Texture) 2) 토양 구조 (soil structure) 3) 토양 층위 (Horizon) 4) 토양 밀도 (Density) 5) 토양 공극 (Pore) 6)토양 통기 (soil air) 7) 토양 색 (soil color) 8) 토양 온도 (soil temperature) 9) 토양 수(soil water) 10) 토양 산도(pH)

1) 토성(Texture) * 토성(Texture)은 토양의 성질을 이해하는 지표다. * 토성이란 토양 내에 포함된 모래(사토), 미사, 점토의 상대적 비율을 가리킨다 * 토성은 투수성, 통기성 등 토양의 물리적 성질과 토지의 생산성에 영향을 미친다 * 공극률이 낮으면 공기의 순환이 원활하지 않고 빗물의 침투가 어렵고, * 공극률이 높으면 물 침투가 잘 되지만, 수분이 빨리 빠져 나가 보수력이 낮다. - 모래(sand): 직경 0.05-2.0 mm - 미사(silt): 직경 0.002-0.05 mm (점토에 비해 표면적이 작고, 입자 사이에 점착 성질도 적다) - 점토(clay): 직경 0.002 mm 이하(표면적은 크며, 점토입자 사이에 물이 보수되고, 수분과 양분의 저장소의 기능) * 공극률: 단위 부피의 토양에 있어서 공기와 수분으로 메워질 수 있는 공간의 양을 말한다.

1) 토성(Texture) * 입자의 크기: 토양 1g속의 입자 수나, 1g을 지면으로 한 cm2 당 표면적으로 분류 표 1: 토양 분류의 입경과 분자수

1) 토성(Texture) * 토양 입자의 함량 분석 (그림 1): - 0,05mm 이하의 미사와 점토의 함유비를 구명 - 토양 시료를 피로인산나트륨 속에 넣고 방치한 후 현탁액 구성입자의 침강 율 분석 - 일정 시간 후 점토 량을 측정하고, 미사는 모래와 점토 함량을 더하여 기본 무게에서 빼면 된다. * 토양의 종류(그림 2): - 토양 3각 표에 따라 토성을 분석(예, 점토:15%, 모래:65%, 미사:30%= 사양토) 그림1: 액체 비중계(Hydrometer) 그림 2: 토양 3 각 표

1) 토성(Texture) * Feel methode에 의한 토성: - 토양을 리본 형태로 만들 수 있는 지를 결정, 점토의 함량으로 구분 그림 1: Feel method에 의한 토성 구분 a) 양토: 리본 형태를 만들기 어렵다, b) 식양토: 부수기 쉬운 형태 c) 점토: 유연한 형태 - 사질: 물의 영향을 받아 분급이 잘 이루어진 모재 - 양토: 모래, 미사, 점토 등이 분포, 분급이 잘 이루어지지 않은 산록지의 토양 - 사양토: 통기, 투수성, 결지성 등의 물리성은 양호, 양분 함량이 약한 토양

1) 토성(Texture) * 식물생육의 기본조건: 물리적 조건이 구비된 후 화학적, 미생물학적 조건이 구비된 토양 * 양질토양(모래, 점토, 유기물이 적당한 토양)이 식물의 생육에 적당 * 식물의 종류 및 품종에 따라 차이가 있음 표 1: 작물과 토성(Texture)과의 관계

2) 토양 구조 (soil structure) * 토양의 구성 성분들이 서로 결합하여 배열되는 상태, * 입자가 집합하여 입단(Aggregate)을 형성하며 공극을 이룸(물의 보유, 공기 유통) * 토양 입단은 입상, 판상, 괴상, 주상에 의해 세분화 된다. 입상 괴상 주상 판상 Bt 층위: 점토가 집적된 층

2) 토양 구조 (soil structure) * 토양 입단(Aggregate) 형성 - 토양 입자를 형성하는 콜로이드의 구성요소 원인: 1. 미사 중에 포함된 광물질과 철과 망간의 콜로이드 상의 산화물, 유기물 등 2. 무기화작용(곰팡이)을 받아 부식되어 점토의 입단화 3. 미생물(균류) 생육 증진으로 입단화 촉진 (지렁이의 배설물에 의한 점성으로 토양 입단화) - 입단 구성은 양이온 흡착력에 영향을 받고, 물 분자는 단단하게 결속되고, 길이는 짧아지며, 강하게 되어 콜로이드 입자가 결합(입자가 단단하게 결합). 점토입자 그림 1: 물 분자에 의한 점토입자의 결합 * 콜로이드: - 현미경으로 확인되지 않는 원자 또는 저분자 입자로(0.1㎛) 다른 물질 속에 분산되어 있는 상태(교질) - 설탕과 같은 결정성 물질과 녹말과 같은 비결정성 물질을 구분하기 위한 개념으로 사용 (결정성 : 크리스털로이드, 비결정성: 콜로이드)

3) 토양 층위 (Horizon) * 토양 층위 : 유기물과 무기물의 복합체로 지형과 층위를 형성 * 토양의 단 층면(profile): 층위를 형성하여 분화된 각 층

3) 토양 층위 (Horizon) * 토양 층위 : 지표에서부터 O층, A층, B층, C층 B층: A층으로부터 유입된 물질들이 집적되는 층 C층: 토양의 모재(母材)가 되는 퇴적물 또는 암석의 풍화물이 쌓여 있는 층

4) 토양 밀도 (Density) * 토양의 고상과 기상으로만 구성된 토양의 용적밀도를 사용 * 용적밀도(bulk density): 일정한 용적의 토양 질량을 토양의 부피로 나눈 값 (g/cm3) - 고상, 액상, 기상의 자연상태의 종합된 밀도(토양무게/부피) - 공기의 유통, 물의 저장능력 등 작물의 생육상태 이해의 기준이 됨 - 용적밀도=건조토양 질량(g) /부피(cm3) * 입자밀도(particale density): 공극이 없는 암석(고상) 자체만의 밀도(2.5-3.0 g/cm3) - 유기물함량이 높은 토양은 낮다 - 진밀도는 일정하고, 유기물과 무기물의 차이가 없는 경우 밀도는 차이가 없다.

5) 토양 공극(Pore space) * 입자와 입자 사이에 공기나 물로 채워지는 공간, 물과 공기의 이동, 미생물의 서식처 * 용적 밀도와 밀접한 관계가 있음 즉, 용적 밀도를 구한 후 공극율(porosity)을 구한다 - 공극율 (%)=100-(가밀도/진밀도x100 ) 예, 400cm3/200g/cm3 물로 포화되면 공극= 50% * 미세한 입자는 밀착되지 않기 때문에 공간이 생성되고 공극이 유지되어 보수력이 높지만 공기와 물의 이동이 어렵다. * 공극 분류: - 비모세관공극(큰 공극, 공기의 통로)과 모세관공극(수분 보유)으로 분류 - 균형유지는 식물생육에 좋은 영향을 끼침 - 거대공극 >75 um, 미세공극 5-30 um, 극미공극 <0.1 um 표 1: 토성별 용적밀도 및 공극량 * 진밀도(particale density): 토양입자 자체만의 비중, 단단한 입자로 토양의 진밀도는 항상 일정(g/cm3) * 가밀도(bulk density): 토양입자간의 부피 뿐만 아니라 공극의 부피를 합한 부피에 대한 비중

6) 토양 통기 (soil air) * 미생물과 식물 뿌리의 호흡으로 CO2 가 생성되고, O2 는 대기보다 적으며 질소는 일정 * 확산 작용: O2 는 대기에서 토양으로, CO2 는 토양에서 대기로 확산(독성화 방지) * 통기가 불량한 토양: 공극의 크기나 양이 작아서가 아니고 물 때문이다(점토) * 공극이 물로 채워지면 산소의 확산율이 느리게 되고 산소의 결핍이 생겨 식물 고사 * 미생물: 토양 공기가 부족하면 활동이 불량하고, 유기물 분해도 느리게 된다 * 작물 생육의 산소 함유량: 10%의 산소 함유 구분 산소(O2) (%) 질소(N2)(%) 이산화탄소(CO2)(%) 대기 20.93 79.01 0.03 토양공기 10-20 75-80 0.1-10 표 1: 대기와 토양공기의 조성, Stebut

7) 토양 색(soil color) * 토양색: 유기물 함량, 배수조건, 통기, 생성조건 등 토양 특성 분석 자료 * 유기물 : 무색에서 변성 (화학적, 미생물학적)하여 흑갈색으로 변함(부식화) * 부식화: 부식화가 클수록 흑색이 짙다 * 토양의 적색, 갈색, 황색 등은 수화된 산화철에 의해 형성된다 * 산화철은 함수도가 높은 경우 황색이며, 탈수 시 적색으로 변함 * 철함수량과 빛깔 과의 관계: 철의 산화=붉은색, 철의 수화=노랑색 * 온대기후: 다량의 광물질로 인하여 토양이 밝은 색 이다. 표 1: 철함수량과 토양 빛깔과의 관계 * 수화작용: 무수물이 함수물로 되는 작용으로 광물이 팽창되고 풍화됨 즉, 기온의 변화로 수화와 탈수가 반복되어 풍화가 진행됨.

7) 토양 색(soil color) * 토양의 성질, 생성과정을 정할 수 있는 요인으로 함수 량에 따라 습윤한 상태는 토양의 빛깔이 짙다. - 색상: 적색, 황색, 녹색 과 같이 40색상으로 분활 - 명도: 물체표면의 반사율로 11단계로 분화 - 채도: 빛깔의 선명 여부(감각적 등보도로 분활) 표 1: 토양의 착색재료와 그 빛깔 그림 1: 여러 가지 토양의 색깔

7) 토양 색(soil color) * 토양의 흑색은 부식의 영향이 크다. * 착색료(철, 부식)의 함량, 토성, 모암, 통기 등에 의해 토양 색이 달라진다 * 밭 토양: 적색, 갈색, 황색, 논 토양: 회색을 뛴다. 표 1: 토양의 착색재료와 그 빛깔 그림 1: 여러 가지 토양의 색깔

8) 토양 온도(soil temperature) * 식물 생육, 미생물활동, 토양생성작용의 주요 요소 * 온도가 낮아지면 유기물 분해가 서서히 진행, 부식물이 쌓이고, 반대로 분해가 빨라짐 * 종자 발아와 생장에 큰 영향을 줌(표 1 참조) * 토양 1g을 1℃ 올리기 위한 열량은 물 1g을 1℃ 올리는데 필요한 열량의 1/5 에 해당 * 토양 수분 함량과 배수는 지온 변화에 영향이 큼(수분이 많을 경우 쉽게 변화되지 않음) * 온도가 높을 수록 생육에 이롭지 않다 표 1: 작물의 발아와 지온과의 관계 [단위: ℃]

9) 토양 수(soil water) * 토양 수분의 보유와 유동은 식물 생육 및 미생물 활성과 이동에 중요한 역할 * 토양 입자에 끌리는 힘에 따라: - 결합수: 토양 표면에 강하게 결합되어 식물이 잘 흡수.이용하지 못하는 물 - 흡습수: 건조한 토양이 공기 중에 있을 때 입자 표면에 흡착되는 물 - 모세관수: 물의 두께가 두꺼워지고, 물의 량이 많아져 공극(모세관)에 채워진 물 - 중력수: 큰 공극으로 이동된 물이 중력에 의해 흘러내리게 되는 물 즉, 지하수 그림 1: 토양 입자에 흡착된 흡습수 그림 2: 모세관수의 내게도

10) 토양 산도 (pH) * 토양산도는 산성. 알카리성을 나타내는 수치이며, pH 7 이 중성 pH= log1/[H+] = -log[H+] - 미리 건조한 토양을 분석하며, 토양과 물의 비율을 1:5 로 사용 * 산성토양: 수소이온[H+]이 많고, 알카리성토양: 수산이온[OH+]이 많다 - 물은 H+와 OH- 이온 농도가 같아 중성이며, HOH H+ OH- 로 해리 됨 * pH 5,5 이하로 산성인 경우 작물의 생육이 나빠지며, 알카리성 토양에서는 인산 및 미량요소 (철 , 망간, 붕소)의 용해가 낮아 영양결핍이 생김. * Na2Co3(sodium carbonate)이 가수분해 될 때 Na은 NaOH(sodium hydroxide) 강한 염기를 나타냄 * K 이온 함유 비료 KCl(염화칼륨)을 사용하면 가수분해되어 강염기인 KOH(수산화칼륨)와 강산인 HCl(염화수소)이 형성되며, 염이 가수분해 되어 토양은 중성(pH 7)으로 된다. * 많은 미생물은 pH 6-7에서 성장하며 방선균은 중성을 선호하며, 균류는 산성토양을 선호 한다.

10) 토양 산도 (pH) - 무기 염류가 물과 작용하여 산과 알칼리로 분해되는 반응. * 가수분해(Hydrolysis): - 무기 염류가 물과 작용하여 산과 알칼리로 분해되는 반응. - 수소 (H+ )이온과 수산 (OH-)이온이 생겨서 산성 또는 알칼리성을 띠게 된다. 염(salt) : 염기의 양이온 + 산의 음이온의 중화 반응 시 물 이외에 생성되는 물질 - 염기의 양이온 : 이온화할 수 있는 OH-을 포함 (Na+, K+, Ca+2. Mg+2, Fe+2, NH4+) - 산의 음이온 : 이온화할 수 있는 H+을 포함 (F-, Cl-, O-2, S-2, 및 NO3-, CO3-2) 예): NaCl, KCl, CaCO3, MgSO4 등 - 중성 염: 이온화할 수 있는 H+, OH-을 포함하고 있지 않은 것 - 염기와 산의 중화반응: NaOH + HCl ―→ NaCl + H2O (수산화나트륨+염화수소-염화나트륨+물)