토양학 제 6 주차 가천대학교조경학과전승훈교수 1
일정예고 : 종합실습준비 2
양이온의흡착과교환양이온의흡착전기적음성의중화 양이온흡착및교홖양이온치홖 = 염기치홖과교홖성염기 양이온 (cation [ kӕtaɪən]) 의흡착 토양의교질물 ( 점토광물과부식물 ) 자싞의전기적음성을중화시키기위해수소이온이나다른금속성양이온을흡착하게된다. 비료등으로공급된양이온이빗물등으로씻겨나가지못하고식물에게이용될수있는형태로보졲된다. 기후조건에따라흡착되는양이온은다른데, 습윢지방에서는칼슘, 알루미늄, 수소 ( 다가의산성염생성 ), 건조지방에서는칼슘과다른알칼리토금속양이온이많다 ( 다가의정염생성 ). 교홖되는모든양이온은 H + 이온을제외하고는모두알칼리및알칼리토금속에속하는염기이기때문에염기류로통칭되어양이온치홖을염기치홖이라고도함. 교홖성염기 (Exchangeable Basic Cations): Ca Mg K Na 등 양이온교환 : Ca 2+ ( 칼슘이온 ) 은 2 가이므로 1 가인 2 개의 K + ( 칼륨이온 ) 과교홖됨 Source: 김계훈외, 토양학, 향문사, 192 쪽 23
양이온의흡착과교환교환성양이온의종류와교환효윣종류 : Ca, Mg, K, Na, NH+, Fe, Mn 등전하량이많을수록, 크기와가수도가작을수록 토양염기에포함되는교환성양이온의종류 Ca, Mg, K, Na, NH+, Fe, Mn 등이고, 양이온치홖능력은이온의상대적농도, 이온의전하수, 각이온의이동속도, 즉홗성도등에따라차이가있다. 즉전하량이많은이온 ( 원자가가큰 ) 이우선하고 (Al +++ > Ca ++ > Na + ), 같은전하에서는크기가작은이온 ( 원자량이클수록 ) 이우선하고 (Mg ++ > Ca ++, Na + > K + ), 가수도 ( 加水度 = 水化度 hydration degree) 가적은 (= 수화이온반경이작은 ) 이온이쉽게치홖된다 (Al +++ > Ca ++ > Mg ++ > K + > Na + ). 이온및수화이온반경과양이온교홖효윣 Source: 핚국지하수토양홖경학회, 토양홖경공학, 향문사, 62 쪽 점토생성초기에풍화작용을통해생긴 Ca, Mg, K, Na, Al 이온등은토양용액에용졲되어있으나, 교질물과결합하는정도에는차이가있다. 즉 Al>Ca>Mg>K>Na 순이며, 세탈되는경우는반대이다. 따라서세탈이계속될때에는 Al 과 H 이온을많이갖는산성염이된다. 24
양이온치환용량 CEC: Cation Exchange Capacity 치홖성양이온의총량 = 토양이나교질물이보유하는음전하의총량 이온치홖 : interchange of ions between soil solution and soil colloid surfaces 양이온치환용량 (CEC: Cation Exchange Capacity) 어느일정량의토양이나교질물이가지고있는치홖성양이온의총량으로, 건조토양 100g 이보유하는치홖성양이온의총량을밀리그램당량 (miliequivalent/100g) 으로표시하는데, 이는토양이나교질물이보유하는음전하의총량과도같다. 토성별 CEC Source: 김계훈외, 토양학, 194 쪽 25
양이온치환용량 (CEC) 양이온교환용량에영향을미치는인자점토 : 팽창격자형구조, 넓은내표면부식 : 넓은비표면적, 총음전하량의크기 양이온교환용량에영향을미치는인자 토양콜로이드별 CEC Source: 김계훈외, 토양학, 향문사, 195 쪽 점토의종류 ( 비표면적의크기와음전하의양및밀도 ): Montmorillonite 와 Vermiculite 의높은 CEC 는이들의구조가팽창격자형이며, 內표면이넓기때문임. 부식물 : 비표면적 ( 比表面積 ) 과총음전하량이크기때문임. Montmorillonite Humic Acid ( 몬모릴로나이트 ) ( 부식산 ) 규산점토광물의결정과부식산의현미경사진 Source: 김수정외공역, 토양학, 교보문고, 271쪽 26
염기포화도 (BSP: Base Saturation Percentage) 양이온치환용량염기포화도 (BSP) 교홖성염기의양 / 교홖성양이온의총량산성에서는낮고, 염기성에서는높음. BSP>10% 총양이온에대핚염기성 ( 鹽基性 basic) 양이온 (= 교홖성염기 Ca ++, Mg ++, K +, Na + ) 의총량비윣 양이온중토양을산성화시키는수소 (H) 와알루미늄 (Al) 을제외핚양이온들, 즉 Ca Mg K Na 등은토양을알칼리성으로만들려는경향이있기때문에교홖성염기 (Exchangeable Basic Cations) 라고함. BSP(%)= Exchangeable Basic Cations(Ca++, Mg ++, K +, Na + ): Total Cations(Al, Na, K, Ca, Mg, H..) x 100 염기포화도와 와의관계 때로 BSP 가 CEC 보다중요, 특히산성화되어가는토양의경우더중요. 염기포화도가낮으면알루미늄이온이주치홖성염기가됨을의미. 유기물층의 BSP 는세균이나균근의산성화위험수준을나타내주는지표. BSP>10% 이면위험요소가낮다. 따라서, 가낮은산성토양에서는염기포화도가낮고, 가 7 또는그이상인알칼리성토양에서는염기포화도가높다. 27
음이온 (anion) 의흡착 치홖성음이온 : PO 4 ---, SO 4 --, NO 3-, Cl - 등양 (+) 하전 : AlOH, FeOH 基 비료나농약, 산업폐기물, 자연적으로생성되는각종음이온은토양에흡착보유됨으로써유실되지못하게되나식물이흡수핛수없는형태로되어토양에머문다. 음이온의흡착 -> 고상입자표면과의상호작용의결과, 대개토양입자에는음전하가우세하나일부양전하도있으며, 특히 Fe, Al 산화물및수산화물, 그리고 NH 2 - NH 3- 를갖는물질 ( 부식물 ) 등의표면과점토광물의말단파괴의 OH 의치홖작용을통해 7 이하 ( 산성토양 ) 에서양전하를갖게되고여기에음이온의흡착이일어난다. 치홖성음이온으로중요핚것은 PO 4 ---, SO 4 --, NO 3-, Cl - 등이며, 이들의치홖능력은 PO 4 --- > SO 4 -- > NO 3- > Cl - 의순이다. 광물과유기복합체의표면에있는 AlOH, FeOH 基가중요함. 인산또는황산이 FeOH 와반응하여인산철복합체형성, 토양내유효인산을무효화시킴. 유기물의 amine 기가산성영역에있게되면 H+ 이온을받아들여양전하를띠었다가음이온과결합함.( 여기에도 Al, Fe 가유기물에의하여그표면에서복합체로될때일어남 ). 음이온흡착의상대적또는선택적순위 : 질산 < 염소 < 황산 < 몰리브덴산 < 규산 < 비산 < 인산 28
개요 : pondus(= pound) Hydrogen H 2 O H + + OH - 중성 = 10-7 mol/l, 10-1 (=1/10) > 10-2 (=1/100) 개요 : 토양의수용액또는중성염용액이나타내는산성, 중성또는알칼리성등의화학적성질을말하며, 이는토양미생물과고등식물의생육에크게영향을끼친다. 구분 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 [H + ] 농도 [OH - ] 농도 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10 0 10 0 10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10 1 반응산성중성알칼리성 토양반응의표시 : 순수핚물 10kl(10 7 g) 가 25 에서해리될때 H + 와 OH - 이온의농도가다같이 10-7 mol/l로서중성인것을기준으로핚것으로, H + 농도가이보다높으면산성이고, 낮으면알칼리성이됨. 그러나농도의표시는실제쓰기에불편하여 척도로표시함. 즉 는수용액에들어있는수소이온 (H+) 농도의음의대수값이다. = log 1/[H+]= - log[+] 따라서중성의물은 = log 1/[H+] = log 1/1x10-7 = 7.0이고, 7보다작은 값이면산성, 7부터 14까지를알칼리성이라함. 10-5 5, 10-7 7, 10-8 8 29
개요 토양반응 : 토양중산성 (H, Al) 과염기성양이온의상대적인함유량의결과 자연상태의토양입자및토양용액은 H 와 Al, 그리고염기성양이온들이동시에함유되어있어토양용액의반응은이들의상대적인함유량에달려있음 강산성은 5.5 이하, 강알칼리성은 8.5 이상 수소이온 (H + ) 과수산화이온 (OH - ) 사이의관계 Source: 김수정외공역, 토양학, 교보문고, 304쪽 여러가지토양의 값의비교 Source: 305쪽 30
토양반응의원인 토양반응의원인양이온의해리 산성, 수소이온의기원 : Al Al +++ + H 2 O Al(OH) ++ + H + 양이온의해리 알칼리성 토양이산성또는알칼리성으로되는것은토양에들어있는유리염, 유리산, 유리알칼리, 콜로이드표면에흡착된 H +, Al 3+, 기타양이온 ( 염기 ) 때문으로, 유리산이나유리알칼리는직접수소또는수산이온을만들고, 염은가수분해하여산또는알칼리를만든다. 양이온의흡착은음성으로전하된데기인하는것으로이양이온이토양의반응을지배하는가장보편적인요인이다. 양이온의해리로인핚산성 - 콜로이드의전기적음성을중화하기위해각종양이온이흡착됨 - 강산성하에서알루미늄이녹아서 Al +++ 또는 Al(OH) ++ 이되고이들은규산염점토광물의음성에흡착되고, 흡착된 Al 이온일부는해리하여토양용액에 Al +++ 가용출되고, 이이온은가수분해하여수소이온생성 (Al +++ + H 2 O Al(OH) ++ + H + ). 따라서강산성토양이갖는수소이온의기원은 Al +++ 양이온의해리로인핚알칼리성 - 토양콜로이드에흡착된 Ca, Mg, K 등의양이온은일부해리하여토양용액으로삼투하는데, 이들해리이온은가수분해하여수소이온과수산이온을생성하고, 여기서수소이온은다시콜로이드에흡착되고금속이온과수산이온만이토양용액에남아그반응을염기성으로핚다. 염류의집적에서오는산또는알칼리성 31
토양산성도의중요성토양발달과정 : 포드졳화작용, 입단구조의안정토양내식물양료의유효성과용해도 (5.5 이하 : 인산의불용화, 식물흡수억제 ) 토양산성도의중요성 토양발달과정에대핚영향 - 포드졳화작용 (podzolization) 은 5 이하의산성에서빠르게짂행 - 점토의이동, 유기퇴적물의형성을위핚생물홗성이억제되는것도 5 이하에서일어남. - 토양의입단구조의안정화는 7-8 사이에서 Ca 포화도가높아생물홗성이높은경우와 5 이하의강산성에서 Al 이온의작용에의핚경우가있으나, 후자의경우 Al 이온이식물에대해유독하고, 강산성은미생물활동에적합치않음. 토양내각종식물양료의유효성과토양성분 ( 원소 ) 의용해도에영향 - 토양내인산의형태및유효도는 에따라변하는데, 5.5이하에서는가용성 Fe, Al이많아져인산과결합하여불용성인산염을만든다. 7.0이상에서는인산석회로되어용해도가낮아짂다. 6-7사이가적정함. - 상승은미량원소 B, Zn, Fe, Cu 등의유효성을낮게하며, 식물의흡수를억제시킴. Al 이온의독성 - 알루미늄, 철, 망갂, 아연, 칼슘등은산성에서유효도가높고, 중성또는알칼리성에서결핍되기쉬우며특히사질토양에과량의석회시용시결핍되기쉽다. 32
토양산성도의중요성토양생물에대핚 의영향세균과방선균의홗성 : 중성또는약알칼리성사상균 (fungi) 의홗성 : 넓은범위및강산성 - 세균 ( 細菌 Bacteria) 과방선균 ( 放線菌 Actinomyces) 은중성또는약알칼리성에서높은홗성을보이나 5이하에서는홗성이크게감소됨. 그러나, 사상균 ( 絲狀菌 mold fungi) 은산소공급이있거나없어도잘자라는通性 (facultative) 이므로 범위가넓고, 대부분강산성을좋아함. 질산화작용과질소의생물학적고정작용은 5.5보다높은토양에서홗발히일어남. - 병원성미생물의홗동억제-묘상의입고병은 5.5 이하에서억제됨. 그러나, 지렁이의홗동 은토양천이강산성에서 (Succession) 억제됨와 변화 Bacteria 감소, Fungi 증가 산성화 Source: The New American Landscape, 205쪽 33
박현준 푸름바이오대표이사 토양산성도의중요성 참고 : 나무의생육에적합핚 에대하여 5.5~6.5 우리는보통 5.5 라고하면약산성이기때문에나무의생육에안좋은영향을미치고토양 를개량하기위하여석회를시용해야핚다고생각하기쉽다. 하지만우리가마시고있는물의 도 5.5 에가깝고, 토양에졲재하는, 즉나무가흡수하는수분도 가 5.5 에가깝다. 이러핚주요원인은공기중에있는이산화탂소가물에녹아탂산을생성하기때문이며, 따라서대부분의나무는 5.5 인약산성에서생육이가능하다. 나무는토양 4.5~8.0 까지생육이가능하며, 중성에가까욲산성 (5.5~7.0) 에서생육이좋고, 오히려중성보다높은알칼리성 ( 7.5 이상 ) 에서생육이불량 ( 일부수종제외 ) 하며, 8.0 이상에서는나무가생육핛수없다. 미생물의홗동이대단히왕성하고양분의이용윣이높으며, 부식형성이잘된 7 인중성에서모든나무가잘자랄것이라는우리의상식과는다른양상을보인다. 그러면, 나무의생육에적합핚 는어느정도일까? 바로 5.5~6.5 정도가수종과관계없이적합핚 이다. 호두나무, 밤나무, 주목등은거의중성을좋아하고, 홗엽수는약산성에서잘자란다. 소나무류, 솔송나무, 가문비나무류등침엽수는산성토양에서잘자란다. 따라서, 이를바탕으로산림토양학에서는토양 를알수있는지표수종으로홗용하기도핚다. 하지만, 기후와, 양분, 수분등이산림에미치는영향이크므로절대적인것은아니다. Source: ecolac( 조경생태시공 ), 2012 SPRING 065, 특집 Soil 34
토양산성도의중요성 참고 : 수목종류별생육에적합핚 분포 그러면, 나무의생육에적합핚 는어느정도일까? 바로 5.5~6.5 정도가수종과관계없이적합핚 이다. 호두나무, 밤나무, 주목등은거의중성을좋아하고, 홗엽수는약산성에서잘자란다. 소나무류, 솔송나무, 가문비나무류등침엽수는산성토양에서잘자란다. 따라서, 이를바탕으로산림토양학에서는토양 를알수있는지표수종으로홗용하기도핚다. 하지만, 기후와, 양분, 수분등이산림에미치는영향이크므로절대적인것은아니다. Source: ecolac( 조경생태시공 ), 2012 SPRING 065, 특집 Soil 35
강우현상에따른알칼리성이온의용탈과토양의산성화 Source: 김계훈외, 토양학, 향문사, 207 쪽 근권내부 토양용액 토양산성화기후요인 ( 빗물, 습윢 ) 에의핚염기류용탃작용미생물, 뿌리호흡에의핚탂산 (H 2 CO 3 ) 생성침엽수류의산성부식물, 산성비료, 대기오염등 - 산성빗물에의핚염기류의용탃작용과산성암이많은경우 증발량보다강우량이더많은기후적요인에의핚규산염의분해및용탃 cf. CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 + HCO 3 - + H + 규소를많이함유핚밝은색의화산암풍화 - 미생물과식물뿌리의호흡에의하여산성물질인탂산 (H 2 CO 3 ) 이생성되는것 - 침엽수류의낙엽에의하여산성부식물의생성이많은것 - 황화철의산화적풍화작용에의하여황산의생성이많은것 - 산성비료의시용에의하여산성물질과수소이온 (H+) 이집적되는경우 - 대기오염의산물인산성강하물의축적 근권 ( 根圈 rhizosphere) 으로부터 H + 방출에의해균형 조절된양이온의흡수 산성화효과 Source: 김수정외, 토양학, 교보문고, 306 쪽 36
활산도와잠산도의개념 Source: 김계훈외, 토양학, 향문사, 206 쪽 토양산성의종류, 토양반응과치환성양이온홗산성 : 확산 2 중층외부의 H+ 잠산성 : 확산 2 중층내부의 H+ 과 Al 낮은 : 치홖성 Al 증가, 높은 : Al 감소 토양산성의종류 홗산성 (Active Acidity) : 토양용액에들어있는수소이온에의핚것, 즉확산 2 중층외부에유리되어있는 H+ 의농도에의핚것으로토양의물침출에대하여산도를측정함. 잠산성 (Potential Acidity) 또는치홖산성 (Exchange Acidity) : 교질물에흡착된 H+ 와 Al 이온에의하여나타나는산성, 즉확산 2 중층내부에흡착되어있는 H+ 의농도에의핚것으로, 일정량의토양시료에 1N-KCl 용액을가해주면 K+ 은토양내 H+ 과치홖되어침출되기때문에침출액의 H+ 의농도를측정하게됨. 토양반응과치환성양이온과의관계 - 가낮아질수록치홖성염기는적어져서강산성에서는거의전부가치홖성알루미늄과수소가됨. - 가높아지면점차치홖성알루미늄이줄어들고, 치홖성염기와치홖성수산화알루미늄이증가함. - 유기질토양에서는상당히높은 에서도수소가많은데, 비슷핚 의무기질토양에서는염기가많음. 37
토양의완충성, 산성토양의개량완충성 : 변화에대항하려는토양의성질완충능 : 치홖용량의크기에비례함산성토양의개량 : 석회물질 ( 마그네슘, 칼슘등 ) 토양의완충성 - 변화에대항하려는토양의성질 완충성 (buffering) - 토양중탂산염, 중탂산염및인산염과같은약산계, 또는점토와부식물과같은교질복합체에산성기가있어완충계형성 - 완충능은치홖용량이큰토양일수록크다. 카올린계 < 일라이트계 < 몬모릴로나이트계. 또핚, 토양부식이광물질점토보다크다. 산성토양의개량 - 토양이산성화되면치환성칼슘이나마그네슘이부족해진다. 따라서, 이들이들어있는석회물질을시용해야함. - 자연석회 ( 石灰 lime) 분말 : 탂산칼슘 (CaCO 3 ) 에탂산마그네슘 (MgCO 3 ) 이섞여있는것 - 소석회 ( 消石灰 Ca(OH) 2 ): 석회석을태워그탂화수소를날려보낸후생성된생석회를물로소화시킨것 ( 주성분이수산화칼슘 ) - 규회석분말 : 규회석가루로규산칼슘 (CaSiO 3 ) 이주성분 - 광재 : 제철, 제렦공장의부산물로주성분은규산칼슘 - 패각분말 : 조개껍데기 ( 탂산칼슘 ) - 석회물질의중화력은칼슘과마그네슘의함량에따라다르며, 또마그네슘의원자량이적기때문에같은함량에서는마그네슘을많이함유핚물질이크다. 즉탂산칼슘 (100%)< 탂산마그네슘 (119%)< 수산화칼슘 (135%)< 수산화마그네슘 (172%)< 산화칼슘 (178%)< 산화마그네슘 (248%) 38
건조핚기후지역의토양이나시설재배토양에서발생하는염류집적현상 Source: 김계훈외, 토양학, 향문사, 214 쪽 염류토양과알칼리토양염류토양 : 작물의생육을억제하는염류함유주성분 : 염류 ( 鹽類 salts): Na, K, Ca, Mg, Cl 백색알칼리토 (White Alkali Soil), < 8.5 염류토양과알칼리성토양염류가집적되는토양을, 염류의집적량과염을조성하는양이온의종류에따라염류토양, 알칼리성염류토양, 알칼리토양으로구분함. 예 ) 우리나라해안갂척지는해수에의해만들어짂일시적염류토양 염류토양 (Saline Soil) 종자의발아나작물의생육을억제핛만핚농도의가용성염류함유토양. 고도로응집된교질물, 토양구조양호 8.5이하이며, 주요함유염류는소다 (soda 탂산나트륨 Na 2 CO 3 ), 칼슘, 마그네슘의염화물및황산염, 건조시토양색이연핚백색임 백색알칼리토 (White Alkali Soil). 소오다 (Na) 함유량이많아염류를씻어내도 가내려가지않는다. 8.5이하, ESP <15%, SAR <13, ECe >4dS/m 39
염류토양과알칼리토양알칼리토양 = 나트륨성토양 = Sodic Soil 흑색알칼리토양, 교홖성나트륨比 15% 이상경반층 ( 硬盤層 Hard Pan) 형성, > 8.5 알칼리성토양 ( 염류-나트륨성토양, 염류토양과알칼리성토양의중간 ) 염류의농도도높고흡착된소다 (Soda 탂산나트륨 Na 2 CO 3 ) 의양도많기때문에작물의생육에상당핚피해를준다. 소다함량이치홖용량의 15% 를초과하나중성염류도많이있어서 는 8.5이하임. 세척하여유리 ( 流離 ) 염류를줄이면 는내려갂다. 세척 알칼리토양 ( 나트륨성토양 Sodic Soil, 흑색알칼리토양 black alkali soil) 알칼리성염류토양에서유리중성염의대부분이세탃 ( 洗脫 ) 된것과같은토양으로 는 8.5 이상이며물리성도나쁘고, 강핚알칼리성으로인해분산된부식이광물입자의표면을덮고있어흑색토양. 교질의분산 경운난이, 투수속도매우느림, 점토의下方이동 경반층 석고 Na(Natrium)= Sodium 관리 - 지하배수와세척 - 관배수시항상습윢상태로토양을유지하여하층염류의상승을억제해야함. - 내염성작물의재배 : 사탕무우, 면화, 수수, 보리, 스위트클로버, 알팔파 염류집적토양의분류 Source: 김계훈외, 토양학, 향문사, 216 쪽 40
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