토양의 화학적 성질

토양에 존재하는 원소는 90여 종에 달한다. 그러나 그 함량에서 보면 토양을 구성하는 주된 원소는 산소, 규소, 알루미늄, 칼슘, 철, 마그네슘 등 몇 개 원소에 불과하다.

토양에서 물리적으로 또는 화학적으로 가장 활성이 높은 점토는 모래나 혹은 미사에 있는 1차광물과는 판이하게 성질이 다른 2차광물로 이루어져 있다. 이 점토광물은 규산과 알루미늄을 기본구성성분으로 하여 이루어져 있으나, 이들의 결합방식 혹은 생성될 때의 주변환경의 차이로 인하여 점토광물의 종류는 다양하다.

점토광물의 작은 입자는 토양유기물인 부식과 함께 콜로이드상태로 존재하며 이들은 일반적으로 음으로 하전되어 있다. 따라서 토양의 콜로이드는 양이온을 흡착할 수 있으며 흡착된 양이온은 용탈이 되지 않고 식물에 흡수 이용된다.

1. 토양의 화학적 조성

⼑주요 조성 원소 : 산소 46.6%, 규소 27.7%, 알루미늄 8.1%, 칼슘 3.6%, 나트륨 2.8%, 칼륨 2.6%, 마그네슘 2.1%

⼑주요성분 : 규산(SiO₂) 62∼91%, 알루미나(Al₂O₃) 5∼14%,

산화철(Fe₂O₃)2∼6%, CaO 0.01∼5.5%, K₂O 0.16∼2.9%

TiO₂ 0.5∼1.1%, 기타 MgO, Na₂O, P₂O₅, MnO, SO₃, N 소량

2. 점토광물과 양분보존력

⼑점토광물의 분류 : 규산염 점토광물(결정, 비결정), 가수산화물(결정, 비결정)

⼑주요 결정질 규산염 점토광물 : 카올리나이트군, 일라이트군, 몬모릴로나이트군

– 카올리나이트군(Al₄Si₄O₁₀(OH)₈) : kaolinite, halloysite, 가수halloysite

·우리나라 주점토광물로 온난습윤지대의 배수양호한 곳에 발달(규소용탈)

·규산4면체층과 알루미나 8면체층이 1:1로 결합

·결정단위간 수소결합으로 결합력이 강하여 층 사이로 물분자 출입불가, 습윤, 건조에 의한 수축 팽창 없음 → 변두리전하(동형치환 없음)

·양이온교환용량 : kaolinite 3∼15, halloysite 5∼50cmol⁺/kg

– 일라이트군(가수운모, K₂(Si₆Al₂)Al₄O₂₀(OH)₄)

·2:1형 광물로 규산4면체층 Si⁴⁺의 15% 정도가 Al³⁺로 동형치환되어 음전하를 가지며 구조단위층간 K⁺이온이 음전하를 중화하며 단단한 결합을 이루어 비팽창성 광물이나 K⁺이온이 풍화에 의해 없어진 정도에 따라 어느 정도 수축, 팽창 가능

·풍화가 더욱 진전되어 K⁺가 제거되면 버미큘라이트(팽창성 광물)로 됨

·양이온교환용량 : 25∼40cmol⁺/kg * vermiculite : 80∼150cmol⁺/kg

– 몬모릴로나이트군(Si₈(AlMg)₄O₂₀(OH)₄) : 산성백토, 벤토나이트

·2:1형 광물로 알루미나8면체의 Al³⁺이 Mg²⁺ 또는 Fe²⁺로 동형치환되어 음전하를 가지며 결정단위간 결합이 약하여 물이 층 사이를 쉽게 출입가능 → 팽창성 점토광물, 양이온교환용량 : 60∼100cmol⁺/kg

⼑혼층형 점토광물 : 상기 점토광물의 결정단위체들이 2종 이상 혼합됨

·chlorite는 2:1형 결정단위층 사이에 Mg8면체층이 규칙적으로 혼입된 2:2(또는 2:1:1)형으로 Mg²⁺의 일부가 Al³⁺과 동형치환되어 양전하를 나타내며 이 양전하는 2:1형 광물의 음전하와 중화됨

·양이온교환용량 : 10∼40cmol⁺/kg

⼑비정질 점토광물 : allophane

·제주도 토양에 주로 분포하는 알로판은 화산회로 생성

·부식흡착 및 강한 인산고정력 가짐, 양이온교환용량 : 20∼40cmol⁺/kg

⼑가수산화물 : Fe(OH)₃, Al(OH)₃ (결정질 또는 비결정질)

·고온다습(아)열대의 강우량이 많은 지역에서 규산염 점토광물도 분해되어 대부분의 규산이 용탈되고 용해도가 낮은 Fe₂O₃, Al₂O₃ 등 2·3산화물의 수산화물만 남은 상태로 비팽창성이며 점착성 없음

·인산고정력 높으나 양이온교환능력은 매우 작음(0∼3cmol⁺/kg)

3. 토양콜로이드의 전하

점토입자 중에서도 아주 작은 입자들은 수분이나 이온을 다량 흡착하며 물 속에서는 거의 가라앉지 않는다. 또한 증발하면 겔(gel)상태로 되어 굳어지는 등 콜로이드성질을 나타낸다. 콜로이드는 물질의 특성이 아니라 크기에 의해서 결정되는 것으로서, 토양의 경우에는 일반적으로 무기입자의 크기가 1μm보다 작은 것을 콜로이드라 한다. 부식에서는 이보다 큰 입자도 콜로이드의 성질을 나타내는 것이 있는 것으로 알려져 있다.

토양콜로이드는 대체로 음전하를 띠고 있으나 콜로이드용액의 pH에 따라서는 양전하를 띠기도 한다. 즉 토양콜로이드는 음전하 및 양전하를 띠는 양성 콜로이드이다. 이들 전하특성은 토양콜로이드의 종류에 따라 독특하게 나타난다.

⼑동형치환 : 규산 4면체, 알루미늄 8면체의 중심원자(Si⁴⁺,Al³⁺)가 저원자가의 양이온과 치환 → 과잉음전하 발생(영구전하)

⼑변두리 전하 : 결정단위 가장자리에 있는 ―Si―OH 또는 ―Al―OH의 해리(pH의존전하)

⼑수산화물의 전하

―Al―OH₂⁺ ↔ ―Al―OH ↔ ―Al―O^–

←- 낮아짐 ——- pH ——- 높아짐 -→

⼑유기콜로이드의 전하

RCOOH ←―—―→ RCOO^–

←―—―→

-NH₃⁺ ←―—―→ -NH₂

←- 낮아짐 — pH — 높아짐 -→

4. 양이온 교환용량(cation exchange capacity, CEC)

양이온 교환은 토양에 있어서 매우 중요한 현상이다. 토양에 흡착된 Ca, Mg, K 등은 교환성이기 때문에 식물에 의하여 쉽게 이용이 되는 것이며, 또한 토양에 비료로 시용된 암모니아태 질소(NH₄⁺) 또는 칼리성분(K⁺) 등은 양이온이기 때문에 흡착이 되어 토양에 저장이 되는 것이다. 이 흡착된 NH₄⁺ 또는 K⁺는 유실이 되지 않지만 양이온 교환에 의하여 토양용액으로 나와 뿌리를 통하여 흡수 이용된다. 토양콜로이드의 교환성 수소의 비율이 높아지면 산성 토양으로 되지만 석회를 시용하여 흡착된 수소를 Ca과 교환시켜 중화시킴으로써 산도가 교정된다. 점토의 입자주변에 Na⁺이 많이 흡착되어 있으면 입자들이 분산되어 토양의 물리성이 식물생육에 매우 불리한 쪽으로 변한다. 이러한 현상은 간척지의 제염과정에서도 나타나는데, 석고를 시용하여 Ca²⁺으로 흡착된 Na⁺를 치환시켜 불리한 물리성을 개량한다. 수질오염을 일으키는 중금속 예를 들면 Pb²⁺, Cd²⁺ 등이 토양에 들어가면 토양콜로이드는 이들을 흡착하여 지하수로의 이동을 억제하게 될 것이다.

토양이 양이온을 흡착할 수 있는 능력을 양이온 교환용량이라 한다. 토양의 양이온 교환용량은 무기 및 유기콜로이드가 흡착할 수 있는 양이온의 총량이다. 유기물의 양이온 교환용량은 매우 높으며, 점토입자의 양이온 교환용량은 점토광물의 종류에 따라 그 값이 매우 다르다.

<토성과 양이온 교환용량>

용액 속의 양이온의 농도가 높을수록 그리고 원자가가 큰 양이온일수록 토양에 흡착되기 쉽다. 원자가가 같으면 수화된 원자직경이 작을수록 콜로이드 입자표면이 가까이 이동하여 강하게 흡착된다.

토양으로 침입하기 쉬운 이온이 입자표면으로부터 떨어져 나오기는 어려운 것이므로, 침입력과 침출력의 순위는 반대가 된다. 토양에서 가장 흔한 교환성 양이온에 대하여 다른 조건이 같을 때 이들의 순위를 표시하면 다음과 같다.

교환침입력 : Al³⁺∼H⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺〓NH₄⁺>Na⁺

교환침출력 : Al³⁺∼H⁺<Ca²⁺<Mg²⁺<K⁺〓NH₄⁺<Na⁺

토양콜로이드 입자표면에 흡착되어 있는 양이온 중 수소와 알루미늄 이온을 제외한 양이온들, 즉 칼슘, 마그네슘, 칼륨, 나트륨 등은 토양을 알칼리성으로 만들려는 경향이 있으므로 교환성 염기라 한다.

교환성 양이온의 총량 혹은 양이온 교환용량에 대한 교환성 염기의 양을 염기포화도라 하며 다음 식과 같이 계산한다.

(양이온 교환용량에 대한 수소이온의 양을 수소포화도라 하며, 칼슘·마그네슘·칼륨 및 나트륨의 양을 각각 칼슘·마그네슘·칼륨 및 나트륨포화도라 한다.)

5. 산성토양과 개량

1) 산성토양의 원인

⼑식물뿌리나 미생물 활동 → CO₂, 유기산 생성

– CO₂ ＋ H₂O → H₂CO₃ → H⁺ ＋ HCO₃^–, HCO₃^– → H⁺ ＋ CO₃^2-

– 유기산 : RCOOH → RCOO^– ＋ H⁺

⼑요소, 암모니아태질소 시비 → 질산화 작용

세균

– NH₄⁺ ＋ 2O₂ → NO₃^– ＋ H₂O ＋ 2H⁺

⼑살균제나 비료속의 S → 황산으로 산화

– 2S ＋ 3O₂ ＋ 2H₂O → 2SO₄^2- ＋ 4H⁺

⼑화석연료 연소에 의한 매연 → SO₂, NO 빗물용해

⼑식물뿌리의 활동 → 이온균형 위해 H⁺방출(양이온 흡수)

⼑작물수확 → 수확물 중 염기제거

⼑토양모암 → 산성암 풍화(화강암, 화강편마암)

⼑많은 강우량 → 염기용탈

2) 산성토양과 식물생육

⼑직접적인 영향

– 작물뿌리에 흡수 → 단백질응고, 효소작용 방해 → 양분흡수력, 세포투과성 약화 → 불필요한 염류투과 → 양분균형 교란

⼑간접적인 영향

– Al, Mn, Cu, Zn, Pb 용해도 증가, Mo 결핍

– 용탈심한 조건에서 미량원소 용탈

– 유익한 소동물, 미생물 활동억제

– 토양물리성 악화

– 비료효과 저하 : 특히 인산

⼑작물별 산성 저항력

– 매우 강 : 벼, 밭벼, 담배, 철쭉류, 소나무류

– 강 : 무, 대두, 감두, 호밀, 고구마, 싸리나무류

– 약간 강 : 토마토, 밀, 감자, 옥수수, 참나무류

– 약 : 팥

– 매우 약 : 보리, 가지, 완두, 시금치, 파, 알팔파, 자운영, 양파, 아스파라거스, 느티나무류

3) 산성토양의 개량

산성 토양을 개량하는 방법을 직접적인 방법과 간접적인 방법으로 나눌 수 있다. 직접적인 방법은 석회를 주는 방법이고 간접적인 방법은 유기물을 공급하여 완충능을 증대하고 미량요소를 공급하며, 인산의 고정을 예방하는 것이고, 다른 하나는 내산성 식물을 재배하는 것이다. 벼나 밭벼, 담배, 철쭉꽃 및 소나무 등은 대표적인 내산성 식물이다.

석회는 여러 가지 종류가 있다. 생석회, 탄산석회, 그리고 고토석회도 많이 쓰인다. 용해도 또는 반응속도로 보아 생석회와 소석회는 속효성이며 탄산석회는 지효성이다.

석회를 토양에 시용하면 중화반응이 일어나며 산성이 개량된다.
 

석회의 효과는 분도말에 따라 다르며, 고운 것은 빨리 반응하고 일찍 효력이 끝나는 반면, 거친 것은 늦게 반응하지만 오래 간다.

석회를 주면 부분적으로 pH 8까지 올라간다. 이때 암모니아태 질소성분이 있으면 암모니아질소의 휘산이 일어난다. 또한 석회와 인산질 성분이 직접 닿으면 인산이 불용성의 인산석회로 되어 인산고정이 일어난다. 따라서 석회를 미리 주어 산도를 교정한 후에 비료를 시용하는 것이 바람직하다.

<석회물질의 중화력>