25년 1회차

정답은 백운모(1차 광물)와 방해석(2차 광물)의 짝이다.

1차 광물은 마그마가 식으며 정출된 뒤 화학적 변질을 받지 않은 광물이고, 2차 광물은 풍화 과정에서 새로 생성되거나 용액에서 침전된 광물이다. 백운모는 화성암의 조암광물이고, 방해석은 용액에서 침전되는 탄산염 광물이다.

• 각섬석과 흑운모: 둘 다 화성암에서 정출된 1차 광물이다.
• 감람석과 휘석: 둘 다 고온에서 정출되는 1차 광물이다.
• 백운석과 석고: 둘 다 침전으로 생기는 2차 광물이라 1차 광물 자리가 맞지 않는다.

환원 조건에서는 철 결합 인의 유효도가 오히려 증가하므로, 감소한다는 설명이 옳지 않다.

담수 등으로 토양이 환원되면 Fe(III) 산화물이 Fe(II)로 환원·용해되면서 표면에 결합해 있던 인산이 용액으로 방출된다.

• 알칼리성 토양: 인산이 칼슘과 결합해 난용성 칼슘인산염이 되므로 유효도가 낮다.
• 석회 시용: 산성 토양에서 Fe·Al에 의한 인 고정이 줄어 유효도가 증가한다.
• 깁사이트: Al 수산화물 표면의 OH와 인산 사이에 배위자 교환(특이흡착)이 일어나 인이 불용화된다.

흡착 강도는 $\mathrm{H^+} > \mathrm{Ca^{2+}} > \mathrm{NH_4^+} > \mathrm{Na^+}$ 순이다.

양이온은 전하가 클수록, 수화반지름이 작을수록 콜로이드에 강하게 흡착된다. $\mathrm{H^+}$는 1가지만 수화반지름이 매우 작고 콜로이드 표면과 강하게 결합해 가장 앞서며, 1가 중에서는 수화반지름이 큰 $\mathrm{Na^+}$가 가장 약하다.

• $\mathrm{Ca^{2+}}$을 맨 앞에 두고 $\mathrm{Na^+}$를 $\mathrm{NH_4^+}$보다 앞에 둔 배열: $\mathrm{H^+}$와 $\mathrm{Na^+}$의 위치가 모두 맞지 않다.
• $\mathrm{Ca^{2+}}$을 맨 앞에 두고 $\mathrm{NH_4^+}$, $\mathrm{Na^+}$ 순으로 둔 배열: $\mathrm{H^+}$는 2가 양이온보다도 강하게 흡착된다.
• $\mathrm{H^+}$를 맨 앞에 두었으나 $\mathrm{Na^+}$를 $\mathrm{NH_4^+}$보다 앞에 둔 배열: $\mathrm{Na^+}$는 1가 중 가장 약하게 흡착된다.

토양의 양이온교환은 중금속 이온을 흡착해 오염 확산을 막는 완충 역할을 한다.

음전하를 띤 토양 콜로이드는 $\mathrm{Cd^{2+}}$, $\mathrm{Pb^{2+}}$ 같은 다가 중금속 양이온을 강하게 붙잡아 지하수로의 용탈을 줄인다. CEC가 클수록 이 여과·완충 능력이 크다.

• 교환성 양이온의 용탈: 콜로이드에 흡착되어 있어 용액 중 이온보다 쉽게 용탈되지 않는다.
• 비료 $\mathrm{K^+}$과 $\mathrm{NH_4^+}$의 이동성: 교환 자리에 흡착되어 이동성이 오히려 억제된다.
• 석회요구량: CEC가 클수록 완충능이 커서 교환성 산을 중화하는 데 더 많은 석회가 필요하다.

균근 균사는 토양 입단화를 촉진하므로, 억제한다는 설명이 옳지 않다.

균사는 미세한 공극까지 뻗어 토양 입자를 물리적으로 얽어매고, 글로말린 같은 점착성 물질을 분비해 입자를 결합시킨다.

• 근권 확장: 균사가 뿌리가 닿지 못하는 범위까지 뻗어 인 등 양분 흡수를 늘린다.
• 수지상체: 내생균근인 arbuscular mycorrhizae는 피층 세포 안에 수지상체를 만들어 양분을 교환한다.
• 하티그망: 외생균근은 균사가 피층 세포 사이로 들어가 그물 모양의 하티그망을 형성한다.

배수가 불량한 토양은 환원 상태에서 철이 Fe(II)로 바뀌어 회색·청회색을 띤다.

산소가 부족하면 적갈색을 내는 Fe(III) 산화물이 환원·용탈되고, 남은 기질이 회색이나 청회색을 띠는 글레이화가 일어난다.

• 화산회토: 부식과 알로판이 결합해 축적된 유기물 때문에 검은색을 띤다.
• 망간 함량: 망간 산화물은 반점이나 결핵으로 국소적인 검은색을 만들 뿐, 밭토양 전체의 색은 주로 유기물과 철 산화물이 결정한다.
• 건조한 토양: 수분이 빠지면 빛 반사가 커져 젖은 토양보다 밝은색을 띤다.

논이나 습지에서도 암모니아 휘산은 감소하지 않으며, 담수 표면에 시비하면 오히려 크게 일어날 수 있다.

휘산은 $\mathrm{NH_4^+} \rightleftharpoons \mathrm{NH_3} + \mathrm{H^+}$ 평형이 $\mathrm{NH_3}$ 쪽으로 이동할 때 일어난다. 담수 표면은 조류의 광합성으로 낮 동안 pH가 상승하므로 휘산이 촉진된다.

• 심층시비: 흙이 덮여 $\mathrm{NH_3}$가 대기로 빠져나가기 어려워 휘산이 줄어든다.
• pH와 온도: 높을수록 $\mathrm{NH_3}$ 비율과 휘발성이 커져 휘산이 증가한다.
• 유기질 비료: 유박도 무기화 과정에서 암모늄이 생성되므로 휘산이 발생한다.

입단화는 통기성과 함께 보수성도 향상시키므로, 보수성이 억제된다는 설명이 옳지 않다.

입단 사이에는 배수·통기를 맡는 대공극이, 입단 내부에는 물을 붙잡는 소공극이 함께 발달한다.

• 식물 생육: 통기·배수·보수가 균형을 이뤄 뿌리 생장에 유리하다.
• $\mathrm{Na^+}$ 다량 공급: 점토가 분산되어 입단이 붕괴하므로 대공극이 감소한다.
• 입단의 정의: 유기물, 철산화물, 탄산염 등이 결합제로 작용해 입자를 덩어리로 묶은 것이다.

시안은 유류에도 중금속류에도 속하지 않는다.

발문은 유류 또는 중금속류로서의 대상 물질을 묻는다. 시안은 탄소와 질소로 이루어진 무기 유해물질로, 석유계 성분도 금속 원소도 아니다.

• 벤젠: 석유계 유류의 주요 방향족 성분(BTEX)이다.
• 톨루엔: 벤젠과 함께 유류 오염의 대표 지표 물질이다.
• 카드뮴: 대표적인 중금속이다.

황화물이 많은 특이산성토양은 담수 상태에서 환원 조건이 유지되어 산이 생기지 않으므로, 담수화는 산성화의 원인이 아니다.

이런 토양은 배수·건조로 산화될 때 황화물(황철석)이 황산으로 바뀌며 강한 산성을 띤다. 오히려 담수 유지가 산성화를 억제하는 관리법이다.

• 질산화작용: $\mathrm{NH_4^+}$이 $\mathrm{NO_3^-}$로 산화되면서 $\mathrm{H^+}$가 생성된다.
• 뿌리와 미생물의 호흡: 방출된 $\mathrm{CO_2}$가 물에 녹아 탄산이 된다.
• 염기성 양이온 흡수: 뿌리가 전하 균형을 맞추려 $\mathrm{H^+}$를 방출한다.

Ca와 Fe는 체내 이동성이 낮아 결핍 증상이 어린 잎에서 먼저 나타난다.

재이동이 어려운 원소는 오래된 잎에서 생장점으로 옮겨가지 못하므로 새 조직부터 결핍된다. 반대로 이동성이 큰 N·P·K·Mg는 오래된 잎에서 먼저 증상이 나타난다.

• Ca, P: P는 이동성이 커서 오래된 잎에서 먼저 결핍된다.
• Mg, P: 둘 다 이동성 원소로 하위 잎에서 결핍 증상이 나타난다.
• Mg, Fe: Mg는 재이동되어 오래된 잎의 엽맥 사이 황화가 먼저 나타난다.

유기물 분해 중 생기는 유기산은 난용성 양분을 녹이거나 킬레이트하여 유효도를 높인다.

유기산은 Fe·Al과 결합한 인을 방출시키고 미량원소와 킬레이트를 형성해 식물이 흡수하기 쉬운 형태로 유지한다.

• 부식 유입과 CEC: 카복실기·페놀성 수산기 등 pH 의존 음전하가 많아 CEC를 증가시킨다.
• 리그닌 함량: 분해가 어려운 성분이라 함량이 높을수록 분해가 느려진다.
• $\mathrm{Al^{3+}}$ 독성: 부식이 흡착·킬레이트하면 독성이 줄어든다.

토양의 용적수분함량은 30 %이다.

공식: $\theta_v = \dfrac{V_w}{V_t} \times 100$
물의 질량: $720 - 600 = 120\ \mathrm{g}$ → 물의 밀도가 $1\ \mathrm{g/cm^3}$이므로 부피 $120\ \mathrm{cm^3}$
대입: $\theta_v = \dfrac{120}{400} \times 100 = 30$

질량수분함량 $\dfrac{120}{600} \times 100 = 20$에 용적밀도 $\dfrac{600}{400} = 1.5$를 곱해도 같은 값이 나온다. 입자밀도는 공극률 계산용이라 이 문항에는 필요하지 않다.

크롬은 산화 상태에서 6가 크롬이 되어 독성이 강해지므로, $\mathrm{Cr^{3+}}$이 되어 독성이 강해진다는 설명이 옳지 않다.

$\mathrm{Cr^{3+}}$은 환원형으로 수산화물로 침전해 이동성과 독성이 낮다. 반면 산화형인 $\mathrm{Cr^{6+}}$(크롬산 이온)은 용해도가 높고 발암성이 있다.

• 비소: 아비산 이온(3가)이 비산 이온(5가)보다 독성이 강하다.
• 중금속 오염원: 광산 폐광석·광미의 유입이 주요 원인이다.
• Yellow Boy: 광산 배수의 철이 산화되어 노란 수산화철 침전으로 쌓이는 현상이다.

모세관 상승 높이는 관의 반지름에 반비례하므로, 지름이 클수록 수면이 상승한다는 설명이 옳지 않다.

$h = \dfrac{2\gamma\cos\theta}{\rho g r}$에서 반지름과 밀도가 클수록 상승 높이가 작아진다. 따라서 미세 공극이 많은 점토질 토양에서 모세관 상승이 높다.

• 용액의 밀도: 분모에 있으므로 밀도에 반비례해 상승한다.
• 메니스커스 밑의 압력: 오목한 수면 아래 압력이 대기압보다 낮아 물이 끌려 올라간다.
• 부착력과 응집력: 물과 관벽 사이 부착력, 물 분자 사이 응집력(표면장력)이 원인이다.

생물학적 질소고정은 nitrogenase가 $\mathrm{N_2}$를 $\mathrm{NH_3}$로 바꾸는 환원 반응이다.

이 효소는 ATP와 전자를 사용해 질소의 삼중결합을 끊고 환원하며, 산소에 약해 산소가 차단된 환경이 필요하다.

• Azotobacter: 식물과 공생하지 않는 자유생활(비공생) 질소고정균이다.
• 불용성 유기태 질소의 암모늄 전환: 질소고정이 아니라 무기화(암모니아화) 과정이다.
• 질소 유효도 증가: 토양 무기태 질소가 많으면 뿌리혹 형성과 질소고정이 억제된다.

판상구조는 토층을 수평 방향으로 갈라놓는 힘으로 형성되어 얇은 판이 겹친 모양을 이룬다.

압밀 등으로 수평 방향의 분리면이 생기면 판상구조가 되며, 물의 수직 이동과 뿌리 신장을 방해한다.

• 분류 기준: 모양(형태), 크기, 발달 정도로 분류하며 수분함량은 기준이 아니다.
• 입상구조: 유기물이 많은 표토에 발달하며 경운에 의해 쉽게 파괴되는 등 영향을 크게 받는다.
• 생물의 영향: 뿌리의 압력·분비물과 미생물의 점착 물질도 구조 형성에 크게 작용한다.

유기물 집적층은 Bh, 가용성 염류 집적층은 Bz로 표기한다.

B층 종속 기호 h는 이동한 유기물(부식)의 집적, z는 석고보다 잘 녹는 염류의 집적을 뜻한다.

• Bk와 Bo: 탄산염 집적층과 잔류 Fe·Al 산화물 집적층이다.
• Bq와 Bt: 규산 집적층과 점토 집적층이다.
• Bn과 By: 교환성 나트륨 집적층과 석고 집적층이다.

식물체의 농도는 P 3.0 %, K 4.0 %이다.

용액 속 양 = 농도 × 부피
P: $150\ \mathrm{mg/L} \times 0.1\ \mathrm{L} = 15\ \mathrm{mg}$
K: $200\ \mathrm{mg/L} \times 0.1\ \mathrm{L} = 20\ \mathrm{mg}$

건조 식물체 $0.5\ \mathrm{g} = 500\ \mathrm{mg}$에 대한 비율
P: $\dfrac{15}{500} \times 100 = 3.0$
K: $\dfrac{20}{500} \times 100 = 4.0$

작부관리인자(C)는 목초, 콩, 고추, 옥수수 순으로 커진다.

C인자는 작물이 지표를 덮어 빗방울 충격과 유거를 막는 정도를 반영하며, 피복도가 높고 맨땅 노출 기간이 짧을수록 값이 작다. 연중 지면을 촘촘히 덮는 다년생 목초가 가장 작고, 밭작물 중에서는 콩, 고추, 옥수수 순으로 값이 커진다.

• 목초 다음에 콩, 옥수수, 고추 순으로 둔 배열: 옥수수의 C값이 고추보다 크다.
• 콩을 맨 앞에 두고 고추, 옥수수 순으로 둔 배열: 다년생 피복 작물인 목초보다 콩의 C값이 작을 수 없다.
• 콩을 맨 앞에 두고 옥수수, 고추 순으로 둔 배열: 목초와 옥수수의 위치가 모두 맞지 않다.

볏짚 분해 시 질소가 부족해 순 부동화가 일어난다.

볏짚 탄소: $100 \times 0.5 = 50\ \mathrm{g}$, 볏짚 질소: $100 \times 0.01 = 1\ \mathrm{g}$
미생물 동화 탄소: $50 \times 0.4 = 20\ \mathrm{g}$
미생물 필요 질소: $20 \div 10 = 2\ \mathrm{g}$

필요량 2 g이 볏짚 질소 1 g보다 많으므로 부족분 1 g을 토양 무기태 질소에서 가져다 쓴다.

• 암모늄 독성 증가: 무기태 질소가 미생물에 흡수되어 오히려 줄어든다.
• 요소 비료 요구량 감소: 질소 기아를 보충해야 하므로 오히려 늘어난다.
• 암모늄태 질소 증가: 미생물이 암모늄을 우선 흡수하므로 증가하지 않는다.

CEC는 12 $\mathrm{cmol_c/kg}$, 염기포화도는 66.7 %이다.

환산: $\mathrm{cmol_c/kg} = \dfrac{\mathrm{g/kg}}{M} \times z \times 100$
$\mathrm{H^+}: \dfrac{0.01}{1} \times 1 \times 100 = 1$
$\mathrm{K^+}: \dfrac{0.78}{39} \times 1 \times 100 = 2$
$\mathrm{Ca^{2+}}: \dfrac{0.80}{40} \times 2 \times 100 = 4$
$\mathrm{Mg^{2+}}: \dfrac{0.25}{25} \times 2 \times 100 = 2$
$\mathrm{Al^{3+}}: \dfrac{0.27}{27} \times 3 \times 100 = 3$

CEC: $1 + 2 + 4 + 2 + 3 = 12$
염기(K, Ca, Mg) 합: $2 + 4 + 2 = 8$
염기포화도: $\dfrac{8}{12} \times 100 = 66.7$

• CEC 7과 염기포화도 13.3 조합: 7은 이온가(전하수)를 곱하지 않은 몰수 합이라 CEC가 아니다.
• CEC 7과 염기포화도 86.7 조합: CEC부터 전하수를 반영하지 않은 값이라 맞지 않다.
• CEC 12와 염기포화도 33.3 조합: 33.3은 산성 양이온(H, Al)이 차지하는 비율이다.

중질유는 휘발성이 낮아 토양증기추출법(soil vapor extraction)으로 처리하기에 적합하지 않다.

이 기술은 불포화대에 진공을 걸어 기체상 오염물질을 뽑아내므로 증기압이 높은 휘발성 유기물에 효과적이다. 중질유는 생물학적 처리나 열처리 등이 적합하다.

• soil flushing: 세정액을 주입해 중금속 등 오염물질을 씻어낸다.
• landfarming: 오염토를 펼쳐 경운하며 미생물로 유류를 분해한다.
• bioventing: 공기를 주입해 미생물 분해를 촉진하며 휘발성 오염물질에 적용한다.

방선균은 중성~알칼리성에서 잘 자라고 산성에 약하므로, pH 5.0 이하에서 주로 활동한다는 설명이 옳지 않다.

강한 산성 토양에서 난분해성 물질 분해를 주도하는 것은 사상균이다. 감자 더뎅이병을 토양 pH를 낮춰 억제하는 것도 방선균이 산성에 약하기 때문이다.

• 감자 더뎅이병: 방선균인 Streptomyces 속이 일으킨다.
• 흙냄새: 방선균이 분비하는 지오스민(geosmin) 때문이다.
• 내수성 입단: 균사와 점착 물질이 토양 입자를 결합시켜 입단 형성에 기여한다.

부식산은 알칼리에는 녹지만 산에는 녹지 않으므로, 산·알칼리 모두에 가용성이라는 설명이 옳지 않다.

부식물질은 용해도로 구분한다. 산과 알칼리 모두에 녹는 것은 풀브산, 둘 다에 녹지 않는 것은 휴민이다.

• 흑갈색 고분자: 부식산은 분자량이 크고 짙은 갈색~흑색을 띤다.
• 1가 양이온과의 염: $\mathrm{Na^+}$ 등과는 물에 녹는 염을 만든다.
• 다가 양이온과의 염: Ca, Mg, Fe 등과는 가교 결합해 잘 녹지 않는 염을 만든다.