지형 경사가 급할수록 침식이 토양생성 속도를 앞질러 층위 발달이 얕은 암쇄토가 생성되기 쉽다.
급경사지에서는 빗물이 스며들기보다 흘러내리며 표토를 깎아 내므로 풍화 산물이 쌓여 단면이 발달할 시간이 부족하다.
- 산성모재(화강암 등)는 Ca·Mg 같은 2가 양이온 함량이 염기성모재(현무암 등)보다 낮다.
- 강수량이 많을수록 풍화·용탈이 활발해 토양생성 속도는 빨라진다.
- 왕성한 식생은 지표를 덮고 뿌리 공극을 만들어 침투수량을 늘린다.
감람석과 흑운모는 를 함유한 철·마그네슘 광물(유색광물)로 쉽게 풍화된다.
광물 속 가 로 산화되면 전하 균형이 깨져 결정 구조가 약해지므로 풍화 저항성이 낮다.
- 석고(황산칼슘)와 방해석(탄산칼슘)은 Fe·Mg를 함유하지 않는 황산염·탄산염 광물이다.
- 백운모와 정장석은 K·Al 규산염으로 Fe·Mg 광물이 아니다.
- 각섬석은 Fe·Mg 광물이지만 백운석은 Ca·Mg 탄산염 광물로 Fe를 함유하지 않는다.
중력퍼텐셜은 기준면으로부터의 높이에 비례하므로 단면에서 가장 높은 지표에서 최대가 된다.
깊어질수록 높이가 낮아져 중력퍼텐셜은 줄어든다.
- 삼투퍼텐셜은 용질이 물의 자유에너지를 낮추므로 항상 음(−)의 값이며, 염류가 쌓일수록 더 낮아진다.
- 압력퍼텐셜은 포화 상태(지하수면 아래)에서 양의 값을 가지므로, 배수가 양호해 불포화일수록 기여도가 줄어든다.
- 담수 토양에서는 깊어질수록 중력퍼텐셜이 줄고 압력퍼텐셜이 그만큼 커져 두 값의 합이 일정할 뿐 비례 관계가 아니다.
점토 함량이 높은 토양은 수분이 많아 열용량이 커서 온도 변화가 작고 느리며, 팽창·수축이 크다.
물은 비열이 커서 데우거나 식히는 데 많은 에너지가 들고, 팽창성 점토는 젖으면 부풀고 마르면 갈라진다.
- 수분보유능력은 높지만 유기물이 점토와 결합해 보호되고 통기가 나빠 분해는 느리다.
- 응집성은 크지만 미세공극이 많아 전체 공극률은 사질토보다 높다.
- 양분저장능(CEC)은 높지만 대공극이 적어 통기성은 나쁘다.
초지에서는 A층이, 삼림지에서는 O층이 발달하므로 설명이 서로 뒤바뀌었다.
초지는 촘촘한 수염뿌리가 땅속에서 죽고 분해되어 두꺼운 유기물 표층(A층)을 만들고, 삼림은 낙엽·낙지가 지표에 쌓여 유기물층(O층)을 이룬다.
- 충분한 수분, 양호한 통기, 따뜻한 온도는 미생물 활성을 높여 무기화를 촉진한다.
- 다습한 혐기 조건에서는 분해가 느려 이탄토처럼 유기물이 축적된다.
- 원생동물 등이 세균·진균을 포식하면 미생물 체내 양분이 배출되어 식물에 대한 양분 공급이 늘어난다.
완숙 퇴비의 미생물은 고온균이 아니라 중온균이 대부분이다.
퇴비화는 중온 단계 → 고온 단계 → 냉각·숙성 단계로 진행되며, 온도가 내려간 숙성 단계에서 중온성 미생물이 다시 우점한다.
- 탄소는 이산화탄소로 빠져나가고 질소는 상대적으로 남으므로 C/N 비는 감소한다.
- 고온 단계에서는 고온성 미생물이 셀룰로스·리그닌 같은 난분해성 물질의 분해를 진행한다.
- 탄소는 기체로 크게 줄지만 무기 영양소는 대부분 퇴비에 남아 손실이 적다.
식물의 외생 균근균은 방선균이 아니라 사상균(곰팡이)에 속한다.
외생균근은 주로 담자균·자낭균이 수목 뿌리 표면을 감싸 형성하며, 방선균은 원핵생물인 세균이다.
- 방선균은 세균이라 균사 폭이 진핵생물인 사상균보다 훨씬 가늘다.
- 흙냄새 성분인 geosmin은 주로 Streptomyces 등 방선균이 만든다.
- Pseudomonas속은 철을 킬레이트하는 siderophore를 분비한다.
○ 토양입자의 분산 및 비산의 감소
○ 강우의 토양침투를 용이하게 함으로써 유거수를 줄임
제시된 효과를 모두 얻는 토양침식 방지법은 식생 피복이다.
식물체와 잔재물이 지표를 덮어 빗방울 타격을 막아 입자 분산·비산을 줄이고, 뿌리와 유기물이 침투를 도와 유거수와 면상·세류침식을 함께 줄인다.
- 수직부초는 홈에 잔재물을 세워 넣어 침투를 돕는 방법으로, 지표 전체의 빗방울 타격을 막지는 못한다.
- 심토경운은 다져진 심토를 깨 투수성을 높일 뿐 지표 입자의 비산을 줄이지 못한다.
- 승수로는 유거수를 모아 다른 곳으로 돌려보내는 시설로, 침투를 늘리거나 비산을 막지 않는다.
부식함량이 높은 유기물을 투입하면 인이 오히려 더 공급되므로 수계로의 인 유출을 줄이는 방법이 아니다.
유기물은 자체에 인을 함유하고, 분해 중 생기는 유기산이 인의 흡착 자리를 두고 경합해 용존 인을 늘린다.
- 균근은 인 흡수를 도와 같은 생육에 필요한 인 시비량을 줄여 준다.
- 보전경운은 지표 잔재물로 토양 침식을 줄여 토양 입자에 붙은 인의 유출을 막는다.
- 동결된 토양에 시비하면 비료가 스며들지 못하고 해빙기 유거수에 쓸려 가므로 피해야 한다.
1지역 토양오염 우려기준 농도가 가장 낮은 중금속은 카드뮴(Cd)이다.
독성이 강한 원소일수록 기준이 엄격하게(낮게) 정해지며, 제시된 원소의 1지역 기준은 Cd(4) < As(25) < Cu(150) < Pb(200) 순으로 높아진다(mg/kg). 괄호 안 원자량은 기준 농도와 관계없다.
- Pb는 200 mg/kg으로 네 원소 중 기준 농도가 가장 높다.
- Cu는 150 mg/kg으로 Cd·As보다 훨씬 높다.
- As는 25 mg/kg으로 독성이 강하지만 Cd보다는 기준이 높다.
argillic층(점토집적층)을 가진 토양은 Alfisols에 속하는 Epiaqualfs이다.
Alfisols는 점토가 표층에서 하층으로 이동·집적한 argillic층과 비교적 높은 염기포화도를 가지며, 습윤 온대에서 안정적으로 발달한 토양이다.
- Hapludids는 어미 -ids가 뜻하는 건조 기후의 Aridisols로 우리나라 기후에 맞지 않는다.
- Udorthents는 층위 발달이 거의 없는 Entisols이다.
- Eutrudepts는 약하게 발달한 cambic층을 갖는 Inceptisols로 argillic층이 없다.
건조한 표면이 젖어 갈수록 매트릭퍼텐셜 기울기가 줄고 공극이 물로 차므로 침투율은 감소한다.
강우 초기에는 마른 토양이 물을 강하게 빨아들이지만, 습윤해지면 침투율이 포화수리전도도 수준까지 낮아져 일정해진다.
- 포화 상태에서는 매트릭퍼텐셜이 거의 0이므로 물 이동은 주로 중력·압력퍼텐셜 차이에 의존한다.
- 매트릭퍼텐셜이 낮은(건조한) 영역에서는 사질토의 대공극이 먼저 비어 수리전도도가 식질토보다 낮아진다.
- 입상구조는 입단 사이 대공극이 잘 연결되어 판상구조보다 포화수리전도도가 크다.
식물 생육이 원만하면 증산이 활발해 현열보다 잠열에 의한 소비가 많아진다.
잎의 증산과 지표 증발에 쓰이는 에너지가 잠열이므로 식생이 무성할수록 잠열 비중이 커진다.
- 낮 동안 지표의 순복사 에너지는 현열, 잠열, 지중 열전달로 나뉘어 소비된다.
- 낮에 토양에 저장된 열은 밤에 장파복사 등으로 대기로 방출된다.
- 포장된 도시 지표는 증발할 물이 적어 잠열 소비가 작고 현열·지중 열전달 비중이 크다.
작물의 물 이용 효율은 소비한 물(증발산량) 대비 수확량으로 나타내므로 수확량에 비례한다.
같은 양의 물을 쓰고 더 많이 수확할수록 물 이용 효율이 높다.
- 소비용수량은 증발산량에 식물체에 남은 소량의 물을 더한 값이라 증발산량과 거의 같다.
- 작물은 건물 1 단위를 만드는 데 수백 배의 물을 증발산하므로 단위 증발산량당 건중량은 1 %에 크게 못 미친다.
- 엽면적 지수가 높으면 캐노피가 지표를 가려 지표 증발은 오히려 줄어든다.
| 구분 | 토성 | 유기물 | pH | CEC (cmolc kg-1) | 치환성 양이온 합계※ (cmolc kg-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| A | 사질토 | 1 % | 5.0 | 6 | 1.8 |
| B | 식양토 | 4 % | 6.5 | 20 | 14.0 |
B 토양은 점토와 유기물이 많아 CEC가 높고, 염기포화도와 pH도 A 토양보다 높다.
염기포화도는 치환성 양이온 합계를 CEC로 나눈 비율이다.
A:
B:
- A 토양은 염기포화도가 30 %로 낮으며, 그래서 pH가 낮다.
- B 토양은 CEC가 높지만 염기포화도도 70 %로 높고, 그 결과 pH가 중성에 가깝다.
- A 토양의 낮은 pH는 pH 의존 전하 비율 때문이 아니라 교환 자리를 산성 양이온(H·Al)이 주로 차지해 염기포화도가 낮기 때문이다.
양이온의 수화 반지름이 커지면 교질 표면에 가까이 다가가지 못해 흡착 세기가 약해진다.
같은 전하라면 수화 반지름이 작은 이온일수록 표면 음전하에 가까이 붙어 강하게 흡착된다.
- 양이온 전하가 클수록 정전기 인력이 커져 강하게 흡착된다.
- 교질의 음전하 밀도가 높을수록 양이온을 끌어당기는 힘이 커진다.
- pH가 높아지면 pH 의존 전하가 음전하로 늘어 흡착 세기가 커진다.
토양용액의 이온 농도가 낮아지면 확산층은 얇아지는 것이 아니라 두꺼워진다.
용액 농도가 낮으면 표면 음전하를 중화할 양이온이 멀리까지 퍼져 분포하고, 농도가 높을수록 확산층이 압축된다.
- 이중층 내부의 흡착 양이온은 용액의 유리 양이온과 교환된다(양이온 교환).
- 음전하 밀도가 높을수록 중화에 필요한 양이온이 많아 이중층이 두꺼워진다.
- 이중층이 얇으면 입자 간 반발력이 줄어 응집(엉김)이 쉬워진다.
○ Langmuir 모델:
Freundlich 모델은 흡착질 농도가 낮은 구간에서 잘 맞고, 고농도 구간에서는 잘 맞지 않는다.
Freundlich 식은 최대 흡착량(포화)을 가정하지 않아 농도가 높아져도 흡착량이 계속 늘어난다고 예측하므로, 표면이 포화되는 고농도 구간을 설명하지 못한다.
- Langmuir 모델은 균일한 표면에서 가역적인 단분자층 흡착을 가정해 최대 흡착량을 구한다.
- 제시된 Langmuir 선형식에서 에 대한 기울기가 이므로 b가 최대 흡착량이다.
- Freundlich 식의 k는 흡착 용량·흡착력의 크기를 나타내는 상수다.
음이온 특이흡착은 알칼리 토양보다 산성 토양에서 더 잘 일어난다.
pH가 낮으면 Fe·Al 산화물 표면이 양전하를 띠고 표면 OH기가 리간드 교환으로 치환되기 쉬워 인산 등의 흡착이 늘어난다.
- Fe·Al 수산화물은 표면 OH기가 많아 음이온 흡착 용량이 높다.
- 정전기적 음이온 교환은 양이온 교환처럼 당량 단위로 화학양론적으로 일어난다.
- 흡착 세기는 황산 이온이 가장 약하고 인산 이온이 가장 강하다.
질소 고정과 직접적인 관련성이 가장 낮은 미량원소는 Zn이다.
질소고정효소(nitrogenase)는 Fe·Mo를 함유하고, 근류균의 질소 고정에는 Co와 Ni도 필요하다.
- Fe는 nitrogenase와 레그헤모글로빈의 구성 성분이다.
- Co는 근류균의 코발라민(비타민 B12) 합성에 필요해 콩과 근류의 질소 고정에 관여한다.
- Ni는 질소 고정 중 생기는 수소를 재이용하는 hydrogenase의 구성 성분이다.
탈질 과정에서 중간 산물인 NO·의 형성은 산성 조건에서 유리하다.
pH가 낮으면 를 로 바꾸는 환원효소의 활성이 억제되어 중간 산물 비율이 높아진다.
- 탈질균은 산소 대신 질산 이온()을 전자수용체로 쓴다.
- 탈질은 중성 부근에서 활발하고 강산성(pH 5 미만)에서는 억제된다.
- 탈질은 배수가 불량하고 에너지원인 유기물이 풍부한 혐기 조건에서 일어난다.
C/S 비가 낮은(30 이하) 유기물이 투입되면 황의 부동화가 아니라 무기화가 일어난다.
미생물이 쓰고 남을 만큼 황이 많으므로 황산 이온이 방출되며, 부동화는 C/S 비가 높아 황이 부족할 때 일어난다.
- 석고 등 무기 황산염이 쌓이는 건조·반건조 지역을 제외하면 표토 황의 대부분은 유기태다.
- 황이 황산으로 산화되면 수소 이온이 생성되어 토양이 산성화된다.
- 대기 중 이산화황 등은 아황산·황산 이온으로 산화되어 강우와 함께 토양에 유입된다.
Illite가 풍부한 토양은 K 저장량이 많을 뿐 아니라 K 공급력도 높다.
Illite는 층간에 K을 고정하고 있어, 교환성 K이 줄면 이 비교환성 K을 서서히 내놓아 공급을 이어 간다.
- 산성 토양은 교환 자리를 H·Al이 차지해 K이 쉽게 밀려나 용탈된다.
- 정장석·백운모·흑운모 등 장석·운모류는 풍화되며 K을 방출하는 공급원이다.
- 식물 흡수는 수용성 K이 가장 쉽고 교환성 K, 광물에 고정된 K 순으로 어려워진다.
일반적으로 는 보다 용해도가 커서 식물 유효도가 높다.
는 산화 조건과 높은 pH에서 난용성 수산화물로 침전하므로, 환원 상태의 가 흡수에 유리하다.
- Fe 유효도는 CEC보다 pH와 산화환원 상태에 좌우된다.
- 석회 시용은 pH를 높여 철 결핍(석회 유도 황화)을 오히려 악화시킨다.
- 인산 비료는 철과 난용성 인산철을 만들어 철 유효도를 떨어뜨린다.
단위 분자당 전자수용력이 가장 큰 것은 황산 이온을 가진 이다.
환원될 때 중심 원소의 산화수 변화가 곧 받는 전자 수다.
황산 이온이 황화물로 환원되면 S의 산화수가 로 바뀌어 전자 8개를 받는다.
- : 질산 이온이 로 탈질되면 N의 산화수가 으로 전자 5개를 받는다.
- : 로 전자 2개를 받는다.
- : 로 전자 1개를 받는다.