토양비료학 및 실험

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효영 마
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1 토양의화학적성질 1. 점토광물 2. 토양교질 (colloid) 의전하 3. 토양교질과양이온치환 4. 음이온치환과흡착 5. 토양반응 6. 토양의산화환원반응

2 점토광물 토양광물질의종류 토양교질 (colloid) 의종류 점토광물의기본구조 주요점토광물의구조와특성

3 토양광물의종류 1차광물 - 용암의응결과정을통하여결정화된, 화학적으로변화를받지않은것 - 석영, 장석, 휘석, 운모, 각섬석, 감람석 2차광물 - 1차광물이풍화되는과정에서새로이생성 - 결정형광물 ; 규산염광물 ( 카오리나이트, 버미큐라이트등 ) - 비결정형광물 ; 금속의산화 / 수산화물 ( 알로판등 )

4 점토광물 광물 - 일정한물리, 화학성과결정성을지닌천연무기화합물 점토 - 입경 0.002mm이하의토양무기광물입자 점토광물 : 점토크기의특정광물 - 표면전하를띤교질성 (colloid) 의미세입자 - 토양중점토는대부분 2차광물로구성

5 토양교질의종류 토양교질 (colloid) 은질량에비하여매우큰표면적과표면에전하를가진아주작은입자 토양교질은점토광물과유기교질물로구분 토양교질은양 / 수분의흡착, 이온교환, 토양반응, 산화환원등의여러가지이화학적현상에관여

6 점토광물의기본구조 결정질규산염점토광물은규산 4 면체와알루미나 8 면체가결합하여 결정단위를이루고있는교질입자

7 점토광물의기본단위 O -2 or OH - Si +4 (r=0.39a ) Al +3, Mg +2 (r=0.78a ) 규산 4 면체 (silica tetrahedron) 알루미나 8 면체 (alumina octahedron)

8 규소 4 면체 규소이온이 4개의산소원자와결합한구조를규소4면체라하고, 규소4면체들이산소를공유하면서 Si-O-Si 가교로연결되어규소4면체층 ( 규산판, silica sheet) 을만든다. 규소판은규소4면체 6개가정육각형을이루면서배열, 정육각형내부의공극에비료로시용된 NH + 나 K + 이온이고정될수도있다.

9 알루미나 8 면체 알루미늄원자가 6개의산소원자또는수산기와결합하여 8개의면을가지는구조로배열 알루미늄 8면체가 8면중한면에서결합하여사방으로연결된모양의알루미늄판 (alumina sheet) 을만든다. 알루미늄판의내부에는공극이없으므로식물영양성분의고정이일어날수없다.

10 점토광물의결정단위 O Si O or OH Al or Mg O or OH Si O Adsorbed cations and water O Si Tetrahedral sheet O or OH Al or Mg Octahedral sheet O or OH Si Tetrahedral sheet O Layer Interlayer Layer

11 주요점토광물의구조와특성 점토광물은크게나누어규산염점토광물과금소 ( 철 / 알루미늄 ) 산화물및수산화물이있으며, 결정질과비결정질로세분 토양중주요규산염점토광물 - koalinite, smectite, vermiculte, illite, chlorite

12 Kaolinite 카올린나이트는규산 4 면체층과알루미나 8 면체층이 1:1 로하나의결정단위를이룬광물 온난습윤기후하에서주로염기물질이심하게용탈되면서생성된광물, 우리나라토양중의점토광물은대부분이 kaolinte 임 : 고령토 결정단위사이의결합이강하여물분자가출입할수없기때문에비팽창성점토광물이다 - 음전하량 : 3 15 cmol c /kg

13 Smectite 2개의규산4면체층사이에 1개의알루미나8면체층이하나의결정단위를이룬 2:1 형점토광물군의팽창성광물 montmorillonite; 스멕타이트의알루미나8면체에서 Al 3+ 가 Mg 2+ 로동형치환

14 Montmorillonite 결정구조는 2:1 격자형으로팽창성이며, 음전하량은 cmol c /kg 분쇄되어분말도가커지면변두리전하가증가하여음전하량은더욱증대 마그네슘이많은조건하에서염기성규반염광물이서서히풍화되는조건에서재합성된광물, 우리나라에서는울산, 포항에서생산

15 Illite 구조는몽모리오나이트와같으나규산4면체층의 Si 4+ 15% 정도가 Al 3+ 로동형치환 동형치환으로생긴음전하는규산층과알루미나층사이에 K + 이끼어들어중화 운모류광물이풍화되는동안탈수되거나칼륨마그네슘등염기가용탈될때생기는 2:1 격자형점토광물로비팽창성 음전하량은 cmol c /kg

16 Vermiculite 운모류, 일라이트, 클로라이트등에서칼륨과마그네슘이용탈되는조건에서생성 Illite나유사한광물들의 2:1층사이의칼륨이온이용액중의수화된 Mg 등과치환되면서생성 음전하량은 cmol c /kg

17 Chlorite 운모류나 1 차광물등으로부터칼륨이용탈되는조건에서생성되는혼층형 결정단위가 2:1 층과 brcite 층 (Mg 팔면체층 ) 이규칙적으로섞여있는 2:1:1 격자형 음전하량은 cmol c /kg Tetrahedral sheet Octahedral sheet Tetrahedral sheet Brucite K K K sheet K K Tetrahedral sheet Octahedral sheet Tetrahedral sheet

18 비결정형규산염점토광물 Amorphous volcanic aluminosilicates: allophane, imogolite Allophane 화산회토양의주요점토광물음전하량 : ph 의존전하 150 cmol c /kg 양전하 : 부식흡착, 인산고정력매우강

19 금속산화물 Fe oxide(feooh): geothite Yellow; found in highly weathered soils of the tropics; iron oxide clays are well aggregated and easy to work Fe oxide(fe 2 O 3 ): hematite Al oxide[ Al(OH) 3 ]: gibbsite Colorless; low fertility; found in highly weathered soils of the tropics except where temperatures are very high

20 토양교질 (colloid) 의전하 점토광물의전하생성 유기교질의전하

21 점토광물의전하생성 점토광물의표면에는음전하가존재하기때문에각종양이온의흡착력을가진다. 점토표면에서의음전하의생성원인 1. 동형치환 (isomorphous substitution) 2. 변두리전하 (edge charge) 3. ph의존전하 (ph dependent charge)

22 동형치환 (isomorphous substitution) 규산4면체나알루미나8면체의중심원자가결정구조의변화없이다른원자로치환되는현상 규산4면체에서 Si 4+ 대신에 Al 3+ 로, 알루미나8면체에서 Al 3+ 가 Mg 2+ 로동형치환되면산소원자또는수산기는중화되지못하고음전하생성 동형치환에의해서생성된음전하는 ph 등이토양환경에따라변하지않으므로영구적전하 (permanent charge) 동형치환은 illite, vermiculite, smectite, chlorite 등 2:1형또는혼층형광물에서많다.

23 동형치환 (isomorphous substitution) Octahedral sheet neutral Net negative charge

24 변두리전하 (edge charge) 점토광물의분말도증가 음전하생성 격자형결정구조의변두리에서연결이절단 되면서생기는음전하

25 ph 의존전하 (ph dependent charge) 1. 약산성조건에서는교질표면에전하가거의생기지않으나, ph 가올라가면교질의 OH 그룹에서수소이온을방출하고음전하가생성된다. 이반응은가역반응이다.

26 ph 의존전하 (ph dependent charge) 2. 토양 ph 가올라가면양전하를띠고있는수산화알루미늄복합체이온 [ Al(OH) 2+ ] 이 OH - 이온과반응하여불용성의 Al(OH) 3 로되면서음전하생성 >Al (OH) 2- Al(OH) OH - >Al (OH) Al(OH) 3 kaolinite, allophane, humus, Fe/Al 산화물및수산화물등은대부분 ph- 의존전하를갖는다.

27 유기교질의전하 부식은여러가지기능기로부터수소이온을방출하거나받아들임으로서음전하아양전하가생성 부식의등전점은 ph 3 정도로낮기때문에보통토양에서는순음전하의양이압도적으로많다. 또한 ph가높을수록수소이온의해리가증가하므로음전하의양이증가한다.

28 토양교질과양이온치환 토양교질의양이온치환기작 토양교질과확산이중층 양이온치환용량과염기포화도

29 토양교질의양이온치환기작 양이온치환 (cation exchange); 토양교질표면에흡착된양이온과토양용액중양이온이서로치환되는현상 토양교질표면에흡착되는주요양이온 Ca 2+ Mg 2+ H + Na + K + [Al 3+ Al(OH) 2 + Al(OH) 3 Al(OH) 4- ] 교질표면에흡착되는양이온의비율은비료나석회등의시용에의해서변화 식물뿌리에의한흡수나용탈에의하여서도양이온의흡착비율변화

30 양이온치환용량과염기포화도 양이온치환용량 (cation exchange capacity) 염기포화도 (base saturation percentage)

31 양이온치환용량 토양이양이온을흡착할수있는능력을양이온치환용량이라고하며, 양이온을흡착할수있는음전하의총량이라고할수있다. 건조토양 1kg이흡착할수있는양이온의총량으로표시하며, cmol c kg -1 로표시한다. 1 cmol c means 1/100 mole of charge units (1 cmol of Ca 2+ = 2 cmol c = 2me/100g)

32 염기포화도 토양교질에흡착된양이온 - 산성이온 : H + 과 Al 3+ - 치환성염기 : Ca 2+, Mg 2+, K +, Na + 염기포화도 - 양이온치환용량에대한치환성염기의비율치환성염기량 %BS = X 100 양이온치환용량

33 토양반응 토양의 ph 토양 ph의중요성 토양산성의종류 토양의완충작용

34 토양의 ph 토양의반응은토양이나타내는산성, 중성또는알카리성정도를말하며, ph로표시 토양 ph는토양중의각종양분의유효도, 유해물질의용해도, 식물뿌리및미생물의생리화학반응을좌우하는매우중요한토양의화학적성질이다.

35 ph ph 란용액중에존재하는수소이온 ( H + ) 농도의역수의대수로정 의되며, 농도단위는 moll -1 이다. 순수한물의해리 ph = -log[h + ] HOH H + + OH - [H + ][OH - ] Kw = = 1 x [HOH] Kw = [H + ][OH - ] = 1 x [H + ] = [OH - ] = 1 x 10-7 따라서순수한물의 ph 는 ph = -log[h +] = -log(1 x 10-7 ) = 7 이다 수소이온의농도 [H + ] 는 ph 가 1 단위변하면 10 배, 2 단위변하면 100 배로변한다.

36 토양의 ph 범위 구분 ph 범위 아주강한산성 (extremely acid) <4.5 매우강한산성 (very strongly acid) 강한산성 (strongly acid) 약한산성 (medium acid) 매우약한산성 (slightly acid) 중성 (neutral) 알카리성 (mildly alkaline) 약한알카리성 (moderately alkaline) 강한알카리성 (strongly alkaline) 매우강한알카리성 (very strongly alkaline) >9.0

37 토양 ph 의중요성 가 ) 무기성분의용해도에영향 - ph 4~5( 강산 ) 에서 Al, Mn이용해되어독성, 미량요소 (B, Zn, Fe, Ca) 용해도증가 - 약산 ~ 중산성 (ph 6~7) 에서대부분의다량요소 ( 질소, 칼리, 칼슘, 인등 ) 유효도높음나 ) 토양미생물의활성에영향 - 사상균 ( 곰팡이 ) 는넓은 ph범위에적응 - 세균, 방선균은산성에약함다 ) 강우량이많은지역에서 Ca, Mg, K, Na 이온용탈 산성화라 ) 산성의원인 : 강우, 모암, 부식, 작물에의한양분수탈, 산성비료 ( 황산암모니움 )

38 토양의 ph 와비료성분의유효도 ph N P 2 O 5 K 2 O 평균

39 식물생육과산성장해 수소이온에의한해작용 알루미늄에의한해작용 작물양분의결핍 토양생물의활성감퇴 기타유해이온의증가

40 완충작용 토양의완충작용 (buffer action) 토양에산혹은염기성물질을투입하여도 토양 ph 의변화를억제하는작용 colloid-h + NH 4 OH colloid-2h + CaCO 3 colloid-nh 4 + HOH colloid-ca + CO 2 + HOH 토양완충능은 CEC 가클수록커지고, 유기물과점토함량이많을수록크다

41 토양의산화환원반응 산화환원반응 Reduction-Oxidation Reactions 산화환원을지배하는조건 산화환원전위와작물생육

42 산화환원반응 산화 (oxidation) 는원자, 분자또는이온이전자를잃는것, 환원 (reduction) 은전자를얻는것 산화반응과환원반응은항상동시에일어난다 Oxidation Fe 2+ Fe 3+ + e - Reduction 산화반응은에너지를방출하고, 환원작용은수소 이온을소모하므로토양 ph 증가

43 산화환원전위 산화환원계의용액에백금전극을담그면전극의표면과용액사이에생기는전위차를산화환원전위 (Eh) 라고하며, 표준수소전극의전위차 [Eh = 0 volt] 를기준으로상대적전위차를나타낸다. Eh는 Nernst의식을이용하여산화물과환원물의농도비로결정

44 산화환원전위 Eh 값은전위차 (voltage); mv로표시 Eh값이클수록산화물질의농도가환원물질농도보다크며, 산화상태를나타냄 보통밭에서는 Eh 6 가 500mv 정도이며, 300mv 정도되면생육이저해 산화환원전위는토양이호기성상태인지협기성상태이지를, 토양중화합물의형태를추정하는지표가된다.

45 산화환원을지배하는조건 토양의통기성 토양수분의포화도 토양미생물의활동

46 논토양의산화환원전위 논토양이담수되면처음에는산소를전자수용체로이용하는미생물이활동, 산소가고갈되면곧토양중다른화합물중의산소를전자수용체로이용하는미생물이활동하여환원은더욱진행 환원이진행됨에따라질산이먼저환원되고다음이망간, 철화합물및황산염의순으로환원 O 2 > NO 3 - > Mn 4+ > Fe 3+ > SO 4 2- > CO 2

47 산화환원전위와작물생육 탄소환원에의한유해물질의생성 환원상태에서는토양중유기탄소나이산화탄소가환원되어유기산이나메탄가스생성 무기성분및수분흡수저해 2 가철의생성과인산의유효도 산화상태에서시용한인산은인산철로고정, 환원상태에서는인산의용해도증가 (2 가철인산 ) 토양중황의산화환원 ; H 2 S, FeS 질소의산화환원 ; 질산화작용, 탈질작용

PowerPoint 프레젠테이션

PowerPoint 프레젠테이션 2015 년 09 월 24 일 한국농수산대학 Contents Ⅰ. 토양과비료의정의및기능 Ⅱ. 토양의물리화학적성질 Ⅰ. 토양과비료의정의및기능 Ⅰ 2 토양이란? - 토양이란지각을덮고있는부드러운물질로암석의풍화산물인무기물과생물 ( 동물, 식물미생물등 ) 로부터유래한 유기물로구성된고상, 액상, 기상으로구성된것을말함 공기 25% 토양의생성 광물 45% - 토양의 3 상