제 2 장. 토양의생성과분류 * 교재 2 장중 p. 39-49 관련 2.1. 토양의정의와구성물질 (1) 토양의정의 - 토양은암석의풍화산물로서모암, 지형, 기후, 유기물, 시간등의형성요소들에의해그성질이결정됨. - Joffe (1949): Soil is natural body of mineral and organic constituents, differentiated into horizons, of variable depth, which differs from the material below in morphology, physical make-up, chemical properties and composition, and biological characteristics. - Brady and Weil (1996): The collection of natural bodies occupying parts of the earth's surface that support plants and that have properties due to the integrated effect of climate and living matter acting upon parent materials, as conditioned by relief, over periods of time. - Fitz Patrick (1986): The space-time continuum forming the upper part of the earth's crust and supporting plant life. (2) 토양의구성물질 - 4대성분 : 무기물, 유기물, 수분, 공기 - 고체상, 액체상및기체상이공존 14
* 고체상 : 암석의풍화산물인무기물과각종동식물에서유래된유기물등 * 액체상 / 기체상 : 여러종류의물질과이온이함유되어있는수분과산소와이산화탄소등의기체가혼재 - 온대성기후에서발생되는풍화과정 (Brady and Weil, 1996) * 매우천천히풍화된광물 계속적인파쇄 풍화되기어려운광물 ( : 석영, 백운모 ) ( 크기의감소 ) ( : 석영 ) * 천천히풍화된광물 변질 규산염질점토 ( : 장석류, 흑운모 ) ( 물리적 / 화학적 ) * 쉽게풍화된광물 분해 / 재결정 기타규산염질점토 ( : 방해석, 감람석, 휘석 ) 분해 / 산화 / 수화 Fe, Al 산화물 유기산용액 Fe 3+, Al 3+ 의유기화합물 가수분해 규산 용해 가용성이온 ( : Ca 2+, Mg 2+, K + Fe 2+, SO 2-4 ) 2.2. 토양의생성 (1) 토양의생성요인 ( 요소 ) - 토양생성에영향을주는 5가지인자 : 기후, 유기물, 모암, 지형, 시간 - 이들은상호복합적으로영향을줌 ( 교재 p. 40 표 2-1 참조 ). 1) 기후 (climate) - 가장큰영향인자 ( 기온, 강수량 ) 15
- 모암의풍화정도를조절 - 토양유기물의생화학반응및식물성장에도영향 - 따라서, 춥고건조한지역보다는고온다습한지역에서토양형성이용이하고토양성질도상이함. * 교재 p. 41-42 그림 2.1과 2-2 참조 2) 유기물 (organic matter) - 토양생물의역할 : 토양내에유기물첨가, 영양분 ( 질소등 ) 공급및순환, 토양의상하교란을유도 ( 식물성장과토양발달에중요한역할 ) 토양의질을결정 - 따라서, 유기물이풍부한초지에서생성된토양일수록색깔이검고함수량도높으며양이온교환능력도높음. 3) 모암 (parent rock) - 생성된토양의투수율, ph 등을결정 - 점토광물의종류를결정 ( 따라서, 모암을알면점토의성질을유추가능 ) - 토양의원소조성에중요 결국, 식생 ( : 활엽수림, 침엽수림 ) 을결정 4) 지형 (topography) 16
- 지면기울기 ( 경사 ; slope) 등 : 물의배수속도를조절 - 풍화정도, 토양생성속도, 토양성질등을조절 - 따라서, 배수성이낮은평탄한지형에서는경사지역에비해토양의생성및분화가빠르며, 급경사지역에서는토양표층의침식에의해토층의깊이가감소 5) 시간 (time) - 오랜시간동안안정된조건에서풍화될수록성숙한토양이생성 (2) 풍화작용 (weathering) - 여러암석이오랜시간지표에노출되면물리적 / 화학적 / 생물학적작용이발생 1) 물리적 (physical) 풍화 - 조암광물의화학적인변화없이물리적인파쇄에의해입도가작아져표면적이증가되는현상 - 한대지방일수록화학적풍화에비해우세 - 압력변화, 온도변화, 염류의작용, 생물의작용등 * 압력변화 : 지하심부에있던암체가융기되거나상부의암체가침식되어지표에노출되면압력이감소 기존암체의연약한부분에틈이발생하여부서짐 물, 공기및생물의작용이활발 17
* 온도변화 : 온도의변화에의해암석의수축과팽창이반복적으로일어남 틈이생기면물과공기및생물의영향 * 염류의작용 : 건조지방에서는물의증발에의해가용성염류물질이광물질로침전 * 식물의작용 : 식물뿌리의성장 2) 화학적 (chemical) 풍화 - 빗물과지하수에포함된용존물질 ( 산소, 질소, 이산화탄소, 유기산등 ) 과암석간의화학반응 - 용해, 가수분해, 산화, 수화, 이온교환, 킬레이션 (chelation) 등 * 용해 : 광물이나이온이단순용출되어모암이화학적으로변화 ) 암염의용해 ) 석회암의용해 : 순수한물속에서의탄산염의용해도는매우낮지만 (CO 2 분압 0.00031 atm, 25 에서 52 mg/l), 물속에염류 ( 식 2-1) 나 CO 2 ( 식 2-2, 2-3) 가용해되어있으면훨씬잘용해 CaCO 3 + 2NaCl CaCl 2 + Na 2 CO 3 ( 식 2-1) CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 ( 식 2-2) MgCO 3 + CO 2 + H 2 O Mg(HCO 3 ) 2 ( 식 2-3) * 가수분해 : 용해와유사하지만, 물의 H + 이온이나 OH - 이온이 18
광물의용존이온을치환 ; 산이관여할때 산성가수분해 ; 장석, 휘석, 각섬석, 감람석, 방해석등의풍화 ( 식 2-4, 2-5; 식 2-6) KAlSi 3 O 8 + 8H 2 O Al(OH) 3 + 3H 4 SiO 4 + KOH ( 식 2-4) 2KAlSi 3 O 8 + 11H 2 O Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 + 4H 4 SiO 4 + 2KOH ( 식 2-5) CaCO 3 + 2H 2 O Ca 2+ + 2OH - + H 2 CO 3 ( 식 2-6) * 산화 : 규산염광물또는황화물에포함된 Fe 2+ 와 Mn 2+ 등이대기중의산소에의해산화 ( 식 2-7); 산성광산배수 (acid mine drainage; ph<4) 의형성 ( 식 2-8) 2Fe 2 SiO 4 + O 2 + 10H 2 O 4Fe(OH) 3 + 2H 4 SiO 4 ( 식 2-7) 4FeS 2 + 15O 2 + 14H 2 O 4Fe(OH) 3 + 16H + + 8SO 4 2- ( 식 2-8) * 수화작용 (hydration): 무수광물 + 물 유수광물 ( : 적철석 갈철석 ) * 킬레이션 (chelation): 생물이분비하는산또는생물의부패로인한산에의한암석의용해또는파괴 3) 생물학적풍화 - 식물의유기적작용 : 물리적 / 화학적풍화를가속화 ( : 식물뿌리의성장 ; 식물뿌리끝부분에서발생된물질에의한화학적풍화 ; 호흡작용과증발작용 ) 19
2.3. 토양단면 (soil profile) 1) 토양층준 (soil horizons): 모암의풍화가계속되면서보다성숙한토양이형성되면지표면에평행한층들이형성됨. 2) 토양단면 (soil profile): 토양층준의수직적분포 ( 교재 p. 43 그림 2.3 참조 ) 3) 토양단면의형성과정 1 변형 (transformation): 풍화, 유기물분해등토양성분의분해와결합과정 2 이동 (translocation): 유기및무기물질이물과유기물에의해상하로이동하는과정 3 첨가 (addition): 잎, 대기먼지, 지하수등에의한성분의첨가 4 제거 (loss): 지하수에의해 토양성분이빠져나가는작용 - 이러한과정에의해토양의구성물질, 물리화학적특징, 유기물의함량및조직이변화되면서토양단면이형성됨. 20
4) 토양단면의구성 - 통상상부에서하부로가면서그특성에따라 5개의주요토양층 (master horizons) 인 O층, A층, E층, B층, C층 ( 이들전체를 solum 이라함 ) 과모암층 (bedrock) 인 D층또는 R층으로분류 (Brady and Weil, 1996) - FAO에서는 O층의상부를 H층 ( 수분으로포화된유기물층으로서점토질이 60% 이상인토양에서는 30% 의유기물이, 점토질이그이하인경우에는 20% 정도의유기물을함유하는토양층 ) 으로더분류 (Fitz Patrick, 1986) - O층 (organic horizon) 1 유기물이집적 2 동식물유해들의분해정도에따라, 생물조직의원형을분별할수있는 O1층과생물조직이분해되어있는 O2층으로세분. 또는, O1층 ( 일부동식물의유해만분해되어있는토양층 (fibric)), Oe층 ( 동식물의유해가반정도분해되어있는토양층 (hemic)), Oa층 ( 대부분의동식물유해가분해되어있는토양층 (sapric)) 으로구분. 3 보통 O층은동식물의유해가쌓여서형성됨. 초지의경우는 O층의형성이불완전하며, 경작지에서는주로 A층과혼재되어나타나기도함. 21
- A층 1 토양의생성작용이진행되면서상부의물질이하부로용탈되거나이동되어변화하는토양단면부분 2 주로무기질과유기질이혼합되어있으며, 유기물이충분히분해되어 (humidified) 흑색을띔. 3 A층의미립자들은하부로이동되므로주로큰입자의성분으로구성 4 토양시료를채취할때, 상부토양 (topsoil) 이라함은보통 A층을지칭 (cf 하부토양은 B층에해당 ) - E층 1 전통적인토양층준구분방법에서는 A층을 A1( 유기및무기물이혼재된부분 ), A2( 규산염점토와 Fe, Al 산화물이용탈되는부분 ), A3( 하부의 B층과의경계 ) 로세분하였는바, E층은무기성분의용탈 (leaching) 이우세한 A2 및 A3층에해당 2 점토및철과알루미늄산화물이용탈되고, 사질및이질크기의풍화에강한저항성광물 ( 특히석영 ) 이존재하는토양층 3 A층에비해토양의색깔이밝음. - B층 22
1 A층에서내려온규산염점토, Fe/Al 산화물및유기물이집적되어 (accumulated) 있는토양층 2 식물의뿌리가거의없으며, 기둥모양또는덩어리모양의토양이형성됨. 3 특히온대지역에서는무기성분이다량축적되어있으며, 건조또는반건조지역의토양에서는탄산칼슘과황산칼슘등의염이쌓이기도함. - C층 1 산화된토양으로서다양한색을가짐. 2 토양생성작용과직접적인관련성은없으며 ( 따라서, 일부토양학자들은 soil horizon으로인식하지않고단지층위 (layer) 로구분하기도함 ), 토양과모암의파편으로구성 - D층또는 R층 : C층하부에위치하며, 풍화의흔적이없는단단한암반으로구성. - 이러한토양의수직단면은기후, 식생, 배수정도에따라다양하게분포되고있으며, 각토양단면의일부가빠져있는경우도있음. 온난다습한기후에서는토양단면의발달이잘이루어지지만, 일부건조지역, 반건조지역, 한랭기후지역등에서는이들단면층의 23
일부가잘형성되지않는경우가많음. * podzol형단면 : 온대성기후지역에서특징적이며, O, A, B, C층의경계가뚜렷하고광물질이고르게분포 * ferralsol형단면 : 주로열대성기후에서형성되며, 각층의경계가뚜렷하지않고유기물및광물질이토양의상층에밀집. 그림. 다양한종류의토양단면도 24
2.4. 토양분류체계 (1) 토양분류및분포조사 - 넓게는항공사진, 적외선사진, 자외선사진등을통하여기본적인 토양의분포를조사 - 세부적으로는, 토성 (soil texture), 색깔, 경사도, 토양심도, 침식의 정도, 자갈의유무, 배수상태등의형태적특성을파악하고, 정밀한 물리화학적성질을측정하여분류 (2) 분류단계와분류체계 - 다양한토양의분류단계와분류체계 ( 교재 p. 49 표 2.3 참조 ) 분류법 단계 체계 Avery's system (1973) 4종 major group, group, subsroup, series Canadian system 6종 order, great group, subgroup, family, series, type, French system (1967) 4종 class, subclass, group, subgroup A : subaqueous or underwater soils Kubiёna's system 3종 B: semiterristrial or flooding and ground water soils (1953) C : terristrial or land soils South African System(1977) 2종 soil forms(41 members), soil series(504 members) USDA system (1975) 6종 order, suborder, great group, subgroup, family, series USSR system class, subclass, ranges, types, subtypes, genera, species, 10종 (1968) varieties, categories, phases * 이외에도 FAO, Del Villar's system(1937), Leeper's system(1956), Northcote's system(1971), FitzPatrick's system(1971) 등이있음. 25
- 우리나라에서는 1975 년에개정한미국농무성 (USDA) 의 분류방법 (soil taxonomy) 을채택 표 ) USDA 분류체계 ( 교재 p. 48 표 2.2 참조 ) 토양목어원특징 Mollisols mollis 는연함 Vertisols verto 는뒤집음 Spodosols spodos 는목회 ( 木灰 ) Aridisols Andisols Alfisols Ultisols Entisols Oxisols aridus 는건조 주로초지나활엽수분포지역에서발달하며, 유기물의함량이높아검은표층을가진것이특징 팽창형점토의함량이높으며 (35% 이상 ), 우기와건기의구분이명확하고변화가빠른지역에서형성된다. 건조기에는토양이갈라져틈이생긴다 유기물과비정질의 Al, Fe 산화물로형성된집적층을가지며회색의용탈층이있다 건조지역에서발달하는토양으로서유기물의함량이낮고염기포화율이높은편이다 임시로정한토양목으로화산활동에의해형성되어 'andesite' 에서 60% 이상이화산분출물로구성되고가비중이 0.9g/cm 3 유래이하이다. 대부분 allophane과알루미늄유기산복합체로구성되어있으며양이온교환능력과흡착력이높다 alfi 는 Fe ultimus 는마지막 ent 는 recent oxide 는산화물 회색또는갈색의표토층으로습윤한기후에서발달하며, Al, 표층의하부에는양이온의 75% 이상이 Ca, Mg, Na 등을함유한점토광물집적층이있다 온난및열대지방의습윤한토양으로하부는산화철이집적되어있어적색을띠며염기공급능력이낮다 (35% 이하 ) 토양층의분화가없거나미약한무기토양으로서침식이일어나는경사지에서최근에형성된토양이다 열대기후에의해심하게풍화된토양으로서카올리나이트, 석영및 Al, Fe 산화물로구성되어있다 Inceptisols inceptum 은시작 토층의분화가분명하지않은미숙토로서유기물이농집되기도하며, 비교적습윤지역이나산림지역에서발달 Histosols histos 는조직 연중물에포화된소택지와같은습한지형에서형성되며, 유기물의함량이높다 1 6 단계, 즉目 (order), 亞目 (suborder), 大群 (great group), 亞群 (subgroup), 族 (family), 統 (series) 으로구분하고, 전세계의토양을 26
11개의目 (order) 로분류 2 토양아목 (soil suborder) 은토양의함수율, 모암, 식생의역할등물리화학적인특성에의해분류되며, 대군 (great group) 은점토, 철분, 부식의집적도, 토양의온도, 염기포화도, 수분상태등을기준으로분류함. 아군 (subgroup) 은대군들과의상호비교를통해세분화하며, 토양층위의두께, 광물학적조성, 토양반응, 투수성등의성질에따라족 (family) 으로세분함. 또한, 특징적인토양을대표하여토양통 (soil series) 으로구분 Inceptisols Aridisols Mollisols Spodosols Mild weathering Various conditions Dry to desert Short grasses, desert shrubs Semi-arid and grassland Mollic epipedon Cool, wet, sandy, acid Coniferous forests Oxisols Wet, tropical Entisols forests, extreme weathering Various conditions on volcanic ejecta Warm to hot, high base status, high Moist, mildly acid Broadleaf forests Wet tropical and subtropical forests Silicate clays, Fe, Low activity clays, Fe, Al oxides activity clays Al oxides Andisols Vertisols Alfisols Ultisols Slight Degree of weathering and soil development Strong 그림. 풍화작용과토양발달에따른토양목의변화 (Brady and Weil, 1996) 27
표 ) 토양분류방법 ( 요령 ) 주요개념 40cm 이상의유기물층또는유기물에의해불투수층이토양하부에존재하는유기성토양물질을가진토양 아니오 spodic층 ( 알루미늄과유기탄소로구성된토양층 ) 을수반한점토질과철산화물이제거되지않은토양 아니오표토의 2m 이내가 spodic층으로구성된토양 아니오표토의 2m 이내가산화층 (oxic horizon) 으로구성된토양 아니오 50cm 심도까지점토질이 30% 이상이며수축 / 팽창성을가진토양 아니오건조하면서 salic층 ( 석고로구성된토양층에비해냉수에서도용해할수있는 2차염류를많이함유한토양층 ) 을가진토양 아니오점토질층 (argillic horizon) 과물질집적층 (fragipan) 을가지고있으며, 점토질층아래 1.25m까지 35% 이하또는물질집적층아래 75cm까지낮은염기포화도를갖는토양 아니오불투수층또는표층에서 1.8m까지 50% 이상의염기포화도를갖는연한조직의유기토양으로 0.6% 이상의유기탄소함유를함유 아니오점토질층또는 natric층 ( 주상또는덩어리형태로이루어져있으며가용성 Na이 15% 이상포화되어있는토양층 ) 또는물질집적층으로구성된토양 아니오토층의분화를시작하면서다양한토양층이혼재되어있으며교환성 Na이 15% 이상인토양 아니오기타토양 ( 토층의분화가없거나미약한토양으로서가장최근에형성된토양 ) 토양목히스토졸안디졸스포도졸옥시졸버티졸아리디졸얼티졸몰리졸알피졸인셉티졸엔티졸 28
- 응용지질학자와토목공학자들은토양의공학적인성질, 특히 토양의구성물질의종류와입도의분포를기초로하는통일분류법 또는카사그란데분류법을이용함. 구성물질의 50% 이상이 200 mesh (0.074 mm) 이상의입도를가지면조립질토양, 그이하의입도를 가지면세립질로구분함. 표 ) 응용지질학자및토목공학자들이사용하는토양의통일분류체계 주요구분 부호 토양족명칭 입도분포가좋은자갈 (well-graded 세립질이 5% GW gravel) 미만 (clean 조립질토양자갈및입도분포가나쁜자갈 (poorly-graded gravel) GP ( 구성물질의자갈질흙 gravel) 50% 이상이 세립질이 12% GM 실트질자갈 (Silty gravel) 0.074 mm 미만 (dirty gravel) GC 점토질자갈 (Clayey gravel) 이상의 SW 입도분포가좋은모래 (well-graded sand) 세립질이 5% 입도를갖는입도분포가나쁜모래 (poorly-graded 모래및미만 (clean sand) SP 것 ) sand) 모래질흙세립질이 12% SM 실트질모래 (Silty sand) 미만 (dirty sand) SC 점토질모래 (Clayey sand) 세립질토양 ML 실트 (Silt) ( 구성물질의실트 ( 비가소성 ) MH 운모질실트 (Micaceous silt) 50% 이상이 OL 유기질실트 (Organic silt) 0.074mm CL 실트질점토 (Silty clay) 이하의입도점토 ( 가소성 ) CH 가소성점토 (High plastic clay) 를갖는것 ) OH 유기질점토 (Organic clay) 유기물이우세한것 PT 고유기질점토 (Peat and Muck) * 참고 : C( 점토결합재를갖는입도분포가좋은것 ), G( 자갈 ), H( 액성한계가 50% 이상인것 ), L( 액성한계가 50% 이하인것 ), M( 실트함유 ), O( 유기질 ), P( 세립이거의 없고입도분포가불량 ), S( 모래 ), W( 세립질이거의없고입도분포가균질 ) 29
[ 보충자료 ] 30
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