흙

3. 토양의 생성

암석의 풍화작용으로 생성된 물질을 모재(母材)로 하여, 여기에 기후, 식생, 지표 기복 등 여러 생성 인자들이 오랜 시간에 걸쳐 작용하여 토양이 만들어진다.^[46] 대한민국의 토양은 국토 대부분이 고기암층(古期岩層)으로 구성되어 있고, 비는 여름에 집중되며 호우성 강우로 침식이 심한 반면 정적토(定積土)가 많아 모암(母岩)의 성질이 뚜렷하게 나타나고 유기질이 적다. 유기질이 적은 이유는 호우성 집중강우로 표토(表土)의 비료 성분이 유실되고, 여름철 대륙성 더위로 유기질 분해가 심하기 때문이다. 또한, 대한민국의 토양은 염기성 토양이 적고 산성 토양이 넓게 분포하며, 특히 남부 지방에 많다. 산도가 강하면 농작물 생장이 불량해져 수확량이 감소하고, 심하면 경작을 포기하게 된다. 따라서 화학비료 편중 사용을 줄이고 유기질 비료를 많이 사용하는 것이 중요하다.

토양은 유기물이 축적되고 콜로이드가 아래로 씻겨 내려가 점토, 부식토, 산화철, 탄산염, 석고 등이 침전되어 B층이라는 뚜렷한 층을 형성하면서 생성된다.^[46] 모래, 미사, 점토, 부식토의 혼합물은 이전에도 생물 및 농업 활동을 지원하지만, 이러한 구성 요소가 물과 동물의 활동에 의해 한 층에서 다른 층으로 이동하면서 토양 단면에 층(수평선)이 형성된다. 토양 내 물질의 변화와 이동은 뚜렷한 토양층을 만든다. 최근에는 화성에서 형성된 모재와 같이 유기물이 없는 토양과 지구 사막의 유사한 조건도 토양의 정의에 포함된다.^[47][48]

용암류 기반암의 풍화로 시작하여 토양 질감을 형성하는 순수한 광물 기반의 모재를 생성하는 것이 토양 발달의 한 예이다. 토양 발달은 따뜻한 기후에서 잦은 강우가 내리는 최근 흐름의 맨 바위에서 가장 빠르게 진행된다. 이러한 조건에서 식물(질소 고정 지의류와 시아노박테리아, 이후 암생식 고등 식물)은 유기물이 거의 없더라도 현무암 용암에 빠르게 정착한다.^[49] 현무암 광물은 Goldich 용해 시리즈에 따라 비교적 빠르게 풍화된다.^[50] 식물은 다공성 암석에 의해 지지되며, 암석에서 용해된 광물을 운반하는 영양분을 함유한 물로 채워진다. 암석의 갈라진 틈과 주머니, 국지적 지형은 미세 물질을 담고 식물 뿌리를 품는다. 발달하는 식물 뿌리는 다공성 용암을 분해하는 데 도움을 주는 광물 풍화 균근류와 관련되어 있으며,^[51] 이러한 방식으로 유기물과 미세 광물 토양이 시간이 지남에 따라 축적된다. 이러한 초기 단계의 토양 발달은 화산,^[52] 인젤베르크,^[53] 빙하 퇴적물에서 설명되었다.^[54]

토양 형성은 모재, 기후, 지형(기복), 유기체, 시간의 다섯 가지 고전적인 요인에 의해 영향을 받는다.^[55] 이를 기후, 기복, 유기체, 모재, 시간 순으로 재정렬하면 약자 CROPT를 형성한다.^[56]

토양학자 한스 제니(Hans Jenny)는 1941년에 토양의 성질은 토양을 공급하는 지표의 지형, 기후, 동식물상에 반영된다고 주장하며, 다음의 5가지 요소를 토양 생성을 주관하는 5대 요소로 꼽았다.^[278]

# 모재(암석)

# 기후

# 유기체

# 지형

# 시간

4. 토양의 물리적 특성

토양은 농작물 재배와 삼림 성립의 기본 수단이다. 대한민국의 토양은 국토 대부분이 고기암층이고, 여름에 비가 집중되어 침식이 심한 반면 정적토가 많아 모암의 성질을 뚜렷하게 나타내며, 유기질이 적다. 유기질이 적은 것은 호우성 집중강우로 표토의 비료 성분이 유실되고, 여름철 대륙성 더위로 유기질 분해가 심한 것도 원인 중 하나이다. 또한 염기성 토양은 적고 산성 토양이 넓게 분포하며, 특히 남부 지방에 많다. 산도가 강하면 농작물 성장이 불량하여 수확률이 낮아지고, 심하면 경작을 포기하게 된다. 따라서 화학비료 편중 사용을 줄이고 유기질 비료를 많이 사용하는 것이 중요하다.

일반적인 토양은 절반가량이 고상(45% 무기물, 5% 유기물)이고 나머지 반은 공극인데, 이 공간은 액상(토양수)과 기상(토양공기)으로 채워져 있다.^[482] 이를 '토양의 3상'이라고 한다.

4. 1. 토성

4. 2. 토양 구조

4. 3. 공극비, 공극률, 포화도, 함수비

• $V\_w\; =\; \backslash frac\{S\backslash cdot\; e\}\{100\}$
• $V\_v\; =\; e$
• V = 1 + e
• $W\_s\; =\; G\_s\; \backslash gamma\_w$
• $W\_w\; =\; \backslash frac\{S\backslash cdot\; e\}\{100\}\; \backslash gamma\_w$
• $W\; =\; \backslash left(\; G\_s\; +\; \backslash frac\{S\backslash cdot\; e\}\{100\}\; \backslash right)\; \backslash gamma\_w$

4. 4. 단위중량

4. 5. 토양 수분

위의 표는 토성별 평균값이다.

물은 중력과 모세관력과 삼투압에 의해 이동한다. 포장 용수량의 서션 33 kPa까지 물은 중력과 수압에 의해 생기는 압력 구배에 의해 이동하며, 이를 포화 흐름이라고 한다. 서션이 그보다 커지면 물 이동은 토양의 모세관력에 의해 습윤 토양에서 건조 토양으로 이동한다. 이는 물의 토양 입자 표면에 대한 흡착에 의해 생기며, 불포화 흐름이라고 한다.^[421]

토양 속 물의 침투는 다음 6가지 요인에 의해 제어된다.

# 토성

# 토양 구조 (세립토의 단립 구조는 침투에 좋다)

# 유기물량 (조대한 유기물이 좋으며, 토양 표면에 있으면 토양 구조의 파괴와 크러스트 형성을 방지한다)

# 경반이나 기반암과 같은 난투수층까지의 깊이

# 토양 속 수분량

# 토양 온도 (고온인 토양일수록 침투 속도가 크며, 동토는 동결 종류에 따라 물을 흡수하지 못한다)

물의 침투 속도는 점토의 1시간당 0.25cm에서 모래나 단립 구조가 발달한 흙의 2.5cm까지 폭이 있다. 물은 지중을 불균일하게 흐르며, 물 분자의 표면 장력에 의해 이른바 '중력 핑거'(gravity finger)를 형성한다.^[422][423]

나무 뿌리는, 살아있는 것과 죽은 것 모두, 강우 침투가 선택적으로 흐르는 통로를 만들어^[424] 침투 속도를 27배까지 확대한다.^[425]

홍수에 의해 하상의 투수성은 일시적으로 올라가, 대수층의 함양을 돕는다.^[426]

토양에 공급된 물은 압력 구배에 의해, 부분적으로 포화된 곳(물이 공급된 곳)에서, 불포화대와 같이 수분량이 더 적은 곳으로 이동한다.^[427][428] 토양이 완전히 물로 채워져 포화되면, 물은 아래로 이동하며, 식물 뿌리가 있는 범위 밖으로 침투하여, 점토, 부식, 영양, 주요 양이온과 함께, 중금속, 유기 용제, 기름, 농약, 바이러스, 세균과 같은 다양한 오염 물질을 운반하여 지하수 오염의 원인이 될 수 있다.^[429][430] 용출되는 영양소는, 용해도가 높은 것부터 낮은 것으로 나열하면 칼슘, 마그네슘, 인, 칼륨(토양의 조성에 따른다), 질소(질소 비료가 시비되지 않으면 보통 적다), 인(토양 중에서는 용해성이 낮은 형태이므로 매우 적다) 순이다.

미국에서는, 하루에 강우가 침투하는 속도는 로키 산맥 동쪽의 거의 0cm에서, 애팔래치아 산맥과 멕시코만 북쪽 해안의 50cm 이상까지 폭이 있다.

물은 토립자 표면으로부터의 흡착력에 의한 표면 장력 즉 모세관력에 끌리고 있기 때문에, 젖은 곳에서 마른 곳을 향해^[431], 그리고 매크로포어에서 마이크로포어를 향해^[432] 서션의 구배가 생긴다. 리처즈 방정식에 의해 불포화대에서의 물 이동을 기술할 수 있다.^[433] 불포화 수분 용질 이동의 해석은, Hydrus^[434]와 같은 소프트웨어에 불포화 수분 이동 함수^[435](수분 유지 함수와 불포화 투수 계수 함수)의 파라미터와 초기 조건과 경계 조건을 제공함으로써 계산이 가능하다. 매크로포어, 균열, 식물 뿌리와 벌레의 통로를 따라 선택 흐름이 발생하며, 물이 중력에 의해 배수된다.^[436][437] 현재는 많은 토양 물리 모델(이중 연속, 이중 간극, 이중 침투 모델)에 의해 선택 흐름이 표현되지만, 모두 엄밀한 물리적 근거 없이 리처즈 방정식의 해에 추가된 것이다.^[438]

식물이 물과 영양을 흡수하는 것도 토양 내 물의 저장과 이동에 똑같이 중요하다. 응집력-장력 이론(cohesion-tension theory)에 따르면, 많은 토양수는 물의 증산하는 힘이 식물의 뿌리에서 잎까지의 목부수액의 수분 통도에 전달되어 생기는 흡수력에 의해 식물에 흡수된다.^[439] 물의 상승 이동과 용액의 재분배(수압 리프트 hydraulic lift)는 뿌리의 내피^[440], 기공의 전도력에 의한 식물의 잎^[441]에서 제어되며, 뿌리와 줄기의 도관의 캐비테이션(거품 발생)에 의해 저해될 수 있으며, 엠볼리즘 (xylem embolism)이라고도 한다.^[442] 게다가, 식물 뿌리의 높은 염분 농도는 토양수에서 식물 뿌리를 향하는 삼투압 기울기를 만든다.^[443] 삼투압에 의한 흡수는 밤과 같은 저온일 때와 습도가 높아서 증산이 적을 때 중요하며, 고온과 저습도일 때는 그 반대이다. 각각 일액 현상과 시듦의 원인이 된다.^[444]

뿌리의 신장은 식물의 생존에 필수적이다. 겨울의 호밀을 4개월 동안, 1 입방 피트(0.0283m³)의 로움토에서 키운 실험에 따르면, 그 식물은 13,800,000개의 뿌리를 뻗어, 길이는 총 620km, 표면적은 237m²가 되었다. 또한, 털뿌리의 길이는 총 10620km, 면적은 400m², 표면적은 638m²였다. 그리고 로움토의 총 표면적은 52000m²로 추정되었다. 즉, 뿌리는 토양의 1.2%밖에 접촉하지 않았던 셈이다. 그러나 뿌리의 신장은, 매일 새로운 뿌리가 새로운 토양의 체적을 찾아내고, 일정 기간에 토양 내에서 찾아낸 체적은 크게 증가하며, 그 기간에 뿌리에서 흡수되는 물의 체적도 증가한다, 라는 동적인 과정으로 파악해야 한다.^[445] 뿌리의 구조, 즉 공간적인 뿌리의 배치는, 식물의 물과 영양의 가용성에 대한 순응과, 그 결과로서의 식물의 생산성에 중요한 역할을 한다.^[446]

불포화 수분 이동은 하루에 2.5cm 이하이기 때문에, 뿌리는 물을 찾아야 한다. 그 결과, 뿌리는 항상 사멸과 성장을 하면서, 토양 수분량이 많은 곳을 계속 찾는다.^[447] 식물이 시듦을 일으킬 정도로 토양 수분이 부족하면, 식물은 영구적인 피해를 입고, 작물의 수확량은 감소한다. 수수가 종자의 싹트기 기간과 결실 단계에 1300 kPa의 저서션에 노출되었을 때, 생산량이 34% 감소했다.

식물이 이용하는 물 중, 극히 일부(0.1%에서 1%)만이 식물 체내에 남는다. 대부분의 물은 결국 증산작용으로 손실된다. 토양 표면에서의 증발 또한 중요하며, 증산량과 토양 표면에서의 증발량의 합은 증발산량이다. (증산/증발산량)의 비율은 식생의 종류와 기후에 따라 다르며, 열대 우림에서는 크고, 스텝이나 사막에서는 작다.^[448] 증발산량과 식물에 보존되는 물의 양의 합은 소비 이용량(consumptive use)이며, 증발산량과 거의 같다.^[449]

농지에서의 총 물 이용량은 표면 유출, 배수와 소비 이용량의 합이다. 굵은 입자의 멀칭은 관개 후의 증발 손실을 줄이지만, 최종적으로 증발산량의 합은 멀칭을 하지 않은 토양과 비슷해지고, 식물의 성장에 직결되는 물의 양은 늘어난다.^[450] 물 이용 효율은 증산율, 즉 식물에 의한 증산량을 수확 후 식물의 건조 중량으로 나눈 값으로 측정된다. 작물의 증산율은 300에서 700이다. 예를 들어, 알팔파의 증산율은 500 정도이므로, 500kg의 증산으로 건조 중량 1kg의 알팔파가 생산된다.

5. 토양의 화학적 특성

흙의 화학은 식물이 이용할 수 있는 식물 영양소를 공급하는 능력, 물리적 특성, 그리고 생물 개체군의 건강을 결정한다. 또한 흙의 화학은 부식성, 안정성, 흡착을 통해 오염 물질을 흡수하고 물을 여과하는 능력을 결정한다.^[86] 토양의 화학적 특성은 광물 및 유기 콜로이드의 표면 화학에 의해 결정된다.^[86] 콜로이드는 1 나노미터에서 1 마이크로미터 사이의 작고 불용성인 입자로, 브라운 운동에 의해 유체 매질에서 부유 상태를 유지할 수 있다.^[87] 대부분의 토양에는 부식질이라고 하는 유기 콜로이드 입자와 점토의 무기 콜로이드 입자가 들어 있다. 콜로이드의 매우 높은 비표면적과 순 전하는 토양이 이온을 유지하고 방출하는 능력을 갖게 한다.

음이온 교환 용량(AEC)은 토양이 질산염, 인산염과 같은 음이온을 토양 수용액에서 제거하고 식물 뿌리가 탄산염 음이온을 토양 수용액으로 방출할 때 나중에 교환할 수 있도록 격리하는 능력이다.^[103] 낮은 양이온 교환 용량(CEC)을 가진 콜로이드는 어느 정도의 AEC를 가지는 경향이 있다. 비정질 및 세스퀴옥사이드 점토가 가장 높은 AEC를 가지며,^[104] 그 다음은 산화철이다.^[105] AEC의 수준은 가변 전하 토양을 제외하고 토양 콜로이드의 일반적으로 더 높은 비율의 양전하(음전하 대비) 표면 때문에 CEC보다 훨씬 낮다.^[106] 인산염은 음이온 교환 부위에 유지되는 경향이 있다.^[107]

수산화철 및 수산화알루미늄 점토는 수산화 음이온(OH⁻)을 다른 음이온과 교환할 수 있다.^[103] 음이온 부착 강도를 나타내는 순서는 다음과 같다.

: > > > Cl⁻

교환 가능한 음이온의 양은 건조 토양 100g당 수십에서 수 밀리당량의 크기이다. pH가 상승함에 따라 상대적으로 더 많은 수산기가 존재하며, 이는 콜로이드에서 음이온을 대체하여 용액으로 밀어내고 저장소에서 빼낸다. 따라서 AEC는 pH 증가(알칼리성)에 따라 감소한다.^[108]

토양의 전기 저항은 토양이 전류의 전도를 방해하는 정도를 나타낸다. 토양의 전기 저항은 토양과 접촉하는 금속 구조물의 전기 화학적 부식에 영향을 미친다.^[392] 높은 함수율 또는 높은 전해질 농도는 전기 저항을 낮추어 전기 전도도를 증가시키고 부식 속도를 높인다.^[393][394] 토양의 전기 저항 값은 일반적으로 1 Ω·m(염성 토양)에서 100000 Ω·m(결정질 암석 위의 건조 토양)까지의 폭이 있다.^[395]

토양 단면에 발달하는 색의 분포는 화학적 및 생물학적 풍화, 특히 산화 환원 반응에 의한 것이다.^[381] 토양의 모재의 일차 광물이 풍화되면, 원소는 새로운 다양한 색의 화합물이 된다. 철은 노란색 또는 빨간색의 이차 광물이 되고,^[387] 유기물은 검은색과 갈색의 부식이 되며,^[388] 망가니즈^[389]와 유황^[390]은 검은 침전물을 형성한다.

=== 양이온 및 음이온 교환 ===

, , , 문단이 중복되므로 삭제.

=== 반응성(pH) ===

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=== 염기 포화도 ===

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=== 완충 작용 ===

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=== 산화 환원 ===

문단이 중복되므로 삭제.

5. 1. 양이온 및 음이온 교환

5. 2. 반응성 (pH)

5. 3. 염기 포화도

5. 4. 완충 작용

5. 5. 산화 환원

6. 토양 내 영양소

Nutrient^영어은 식물에 영양분을 공급하며, 대부분은 점토와 유기물(콜로이드) 입자에 의해 유지된다.^[40] 영양분은 점토 광물 표면에 흡착되거나 점토 광물 내에 결합되어(흡수) 있거나, 살아있는 토양 유기체나 죽은 토양 유기물의 일부로 유기 화합물 내에 결합되어 있을 수 있다. 이러한 결합된 영양분은 토양 용액의 조성을 완충시키기 위해 토양수가 건조되거나 식물이 영양분을 흡수하거나 염이 용출되거나 산 또는 알칼리가 첨가될 때 상호 작용한다.^[41]

식물 영양분 가용성은 토양 pH에 의해 영향을 받으며, 이는 토양 용액 내의 수소 이온 활성도를 측정하는 지표이다. 토양 pH는 많은 토양 형성 요인의 함수이며 일반적으로 풍화가 더 진행될수록 낮아진다(더 산성).^[42]

질소를 제외한 대부분의 식물 영양분은 토양 모재를 구성하는 광물에서 유래한다. 일부 질소는 희석된 질산과 암모니아 형태로 비에서 유래하며,^[43] 대부분의 질소는 세균에 의한 질소 고정의 결과로 토양에서 사용 가능합니다. 토양-식물 시스템에 들어간 후 대부분의 영양분은 살아있는 유기체, 식물 및 미생물 잔류물(토양 유기물), 광물 결합 형태 및 토양 용액을 통해 재활용된다. 살아있는 토양 유기체(미생물, 동물 및 식물 뿌리)와 토양 유기물 모두 이러한 재활용에 매우 중요하며, 따라서 토양 형성 및 토양 비옥도에도 중요하다.^[44] 미생물 토양 효소는 식물 및 기타 미생물이 사용할 수 있도록 광물 또는 유기물에서 영양분을 방출하거나, 살아있는 세포에 격리(incorporate)하거나, 휘발 (대기 중으로의 기체 손실) 또는 용탈을 통해 토양에서 손실을 일으킬 수 있다.^[45]

흙의 화학은 사용 가능한 식물 영양소를 공급하는 능력과 물리적 특성, 그리고 생물 개체군의 건강을 결정한다. 또한, 흙의 화학은 부식성, 안정성, 흡착을 통해 오염 물질을 흡수하고 물을 여과하는 능력을 결정한다. 토양의 화학적 특성을 결정하는 것은 광물 및 유기 콜로이드의 표면 화학이다.^[86] 콜로이드는 크기가 1 나노미터에서 1 마이크로미터 사이의 작고 불용성인 입자이며, 침강 없이 유체 매질에서 브라운 운동에 의해 부유 상태를 유지할 수 있을 만큼 작다.^[87] 대부분의 토양에는 부식질이라고 하는 유기 콜로이드 입자와 점토의 무기 콜로이드 입자가 들어 있다. 콜로이드의 매우 높은 비표면적과 순 전하는 토양이 이온을 유지하고 방출하는 능력을 부여한다. 콜로이드의 음전하 부위는 양이온 교환이라고 하는 과정에서 양이온을 끌어당기고 방출한다. 양이온 교환 용량(CEC)은 건조 토양의 단위 중량당 교환 가능한 양이온의 양이며, 토양 100g당 밀리당량의 양전하 이온(또는 토양 1kg당 양전하 센티몰; cmol_c/kg)으로 표현된다. 마찬가지로, 콜로이드의 양전하 부위는 토양 내에서 음이온을 끌어당기고 방출하여 토양에 음이온 교환 용량을 부여할 수 있다.

양이온 치환 용량은 토양이 양이온을 토양 수용액에서 제거하여 나중에 식물 뿌리가 용액으로 수소 이온을 방출할 때 교환할 수 있도록 격리하는 능력이다.^[100] CEC는 100g의 건조 토양과 결합하는 교환성 수소 양이온(H⁺)의 양이며, 측정 단위는 토양 100g당 1밀리당량(1 meq/100g)이다. 수소 이온은 단일 전하를 가지며, 건조 토양 100g당 수소 이온 1000분의 1그램은 수소 이온 1밀리당량의 측정을 제공한다. 수소의 40배의 원자량을 가지고 2가의 원자가를 가진 칼슘은 건조 토양 100g당 20밀리당량의 수소 이온 또는 20 meq/100g으로 변환된다. CEC의 현대적 측정 단위는 킬로그램(cmol/kg)의 오븐 건조 토양당 양전하 센티몰로 표시된다.

토양 CEC의 대부분은 점토와 부식질 콜로이드에서 발생하며, 용탈과 분해로 인해 덥고 습하며 젖은 기후(예: 열대 우림)에서 이들이 부족하다는 것은 열대 토양의 겉보기 불임을 설명한다.^[101] 살아있는 식물 뿌리 또한 특정 표면적과 관련된 약간의 CEC를 가지고 있다.^[102]

토양 화학 반응은 양성자 및 전자 이동의 조합과 관련이 있다. 산화는 이동 과정에서 전자를 잃을 경우 발생하며, 환원은 전자를 얻을 경우 발생한다. 환원 전위는 볼트 또는 밀리볼트로 측정된다. 토양 미생물 군집은 전자 전달 연쇄를 따라 발달하여 전기 전도성 바이오필름을 형성하고, 세균 나노와이어 네트워크를 개발한다.

토양 발달에서 산화 환원 인자는 산화 환원 색상 특징의 형성이 토양 해석에 중요한 정보를 제공하는 데 중요하다. 산화 환원 구배를 이해하는 것은 탄소 격리, 생물 정화, 습지 경계 설정, 토양 기반 미생물 연료 전지를 관리하는 데 중요하다.

17개의 원소 또는 영양소는 식물의 성장과 생식에 필수적이다. 이들은 탄소 (C), 수소 (H), 산소 (O), 질소 (N), 인 (P), 칼륨 (K), 황 (S), 칼슘 (Ca), 마그네슘 (Mg), 철 (Fe), 붕소 (B), 망가니즈 (Mn), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 몰리브덴 (Mo), 니켈 (Ni) 및 염소 (Cl)이다. 식물이 생명 주기를 완료하는 데 필요한 영양소는 필수 영양소로 간주된다. 식물의 성장을 촉진하지만 식물의 생명 주기를 완료하는 데 필수적이지 않은 영양소는 비필수 영양소로 간주된다. 이산화탄소와 물에 의해 공급되는 탄소, 수소 및 산소와 질소 고정을 통해 제공되는 질소를 제외하면,^[1] 영양소는 원래 토양의 광물 성분에서 파생된다. 최소율의 법칙은 토양 용액에서 영양소의 이용 가능한 형태가 충분한 비율로 존재하지 않으면 다른 영양소가 식물에 의해 최적의 속도로 흡수될 수 없다고 표현한다.^[129] 따라서 식물 성장을 최적화하려면 토양 용액의 특정 영양소 비율이 필수적이며, 이는 식물 구성에서 계산된 영양소 비율과 다를 수 있다.^[130]

식물이 영양소를 흡수하려면 식물이 이용 가능한 형태로 존재해야 한다. 대부분의 상황에서 영양소는 이온 화합물 형태로 (또는 함께) 토양 수분에서 흡수된다. 광물이 대부분의 영양소의 기원이지만, 토양에 있는 대부분의 영양소 원소의 대부분은 1차 광물 및 2차 광물 내에 결정 형태로 유지되지만, 빠르게 식물이 성장하기에는 너무 느리게 풍화된다. 예를 들어, 미세하게 분쇄된 광물, 장석 및 인회석을 토양에 적용해도 칼륨과 인이 양호한 식물 성장에 충분한 속도로 제공되는 경우는 거의 없는데, 이는 대부분의 영양소가 해당 광물의 결정 내에 결합되어 있기 때문이다.

점토 콜로이드 및 토양 유기물 표면에 흡착된 영양소는 많은 식물 영양소(예: K, Ca, Mg, P, Zn)의 더 접근 가능한 저장소를 제공한다. 식물이 토양 수분에서 영양소를 흡수함에 따라 용해성 풀은 표면에 결합된 풀에서 보충된다. 미생물에 의한 토양 유기물의 분해는 영양소의 용해성 풀이 보충되는 또 다른 메커니즘이며, 이는 식물이 이용 가능한 N, S, P 및 B의 공급에 중요하다.^[131]

그램당 부식토의 영양소와 물을 보유하는 능력은 점토 광물보다 훨씬 크며, 대부분의 토양 양이온 교환 능력은 유기물에 있는 하전된 카르복실산 그룹에서 발생한다.^[132] 그러나 물을 충분히 흡수하면 부식토는 물을 유지하는 능력이 뛰어나지만, 건조되면 높은 소수성으로 인해 습윤성이 감소한다.^[133] 결국, 소량의 부식토가 식물 성장을 촉진하는 토양의 능력을 현저하게 증가시킬 수 있다.

7. 토양 유기물과 생물

흙은 지구의 생태계를 구성하는 주요 요소이며, 흙에서 수행되는 과정은 오존층 파괴와 지구 온난화에서 열대 우림 파괴 및 수질 오염에 이르기까지 광범위하게 영향을 미친다. 흙은 지구의 탄소 순환에 있어 중요한 탄소 저장소 역할을 하며,^[464] 기후 변화에 민감하게 반응하는 요소 중 하나이다.^[465][466] 지구 온난화가 진행됨에 따라, 흙은 토양 내 생물 활동량 증가로 인해 대기에 이산화탄소를 더할 것으로 예측되었지만,^[467] 토양 탄소의 회전율에 대한 최신 지식을 고려하면 의문이 제기된다.^[468]

흙은 공학적 매체, 토양 생물의 서식지, 영양분과 유기 폐기물의 재활용 시스템, 수질 조절자, 대기 구성 변경자, 식물 성장 매체로 작용한다.^[469] 흙은 다양한 생태적 지위와 서식지를 가지므로, 지구의 유전 다양성에서 중요한 부분을 차지한다. 1그램의 흙에는 수천 종에 속하는 수십억 개의 유기체가 포함될 수 있으며, 대부분 미생물이고 아직 탐구되지 않은 부분이 많다.^[470][471] 흙의 원핵생물 평균 밀도는 1그램당 10⁸개 정도인 반면,^[472] 해양은 1밀리리터(그램)당 10⁷개 이하이다.^[473] 흙에 포함된 토양 유기물은 세포 호흡으로 대기 중으로 돌아가지만, 상당 부분은 토양 유기물 형태로 흙에 보존된다. 경작지에서는 토양 호흡 증가로 토양 유기물이 고갈될 수 있다.^[474] 식물 뿌리는 산소를 필요로 하므로, 통기는 흙의 중요한 특성이며, 상호 연결된 토양 공극으로 빗물을 흡수, 유지하여 식물이 쉽게 이용한다. 대부분 지역은 간헐적인 강우량을 보이므로 흙의 토양 수분 보유력은 식물 생존에 매우 중요하다.^[475]

토양은 불순물을 제거하고,^[476] 질병 유발 인자를 죽이며,^[477] 오염 물질을 분해하는 자연 감쇠 능력이 있다.^[478] 토양은 산소와 메테인의 순 흡수를 유지하고 이산화탄소와 아산화 질소의 순 배출을 겪는다.^[479] 토양은 식물에 물리적 지지, 공기, 물, 온도 조절, 영양분, 독소로부터의 보호를 제공한다.^[480] 흙은 죽은 유기물을 다양한 영양 형태로 변환하여 식물과 동물에게 영양분을 제공한다.^[481]

토양 유기물은 유기 화합물로 구성되며, 토양 속에 존재하는 살아있는 동식물 이외의 모든 유기 물질이다. 여기에는 동식물의 유체나 배설물, 이를 분해하는 과정에서 생기는 부식 물질, 토양 미생물의 세포, 토양 미생물이 합성한 물질 등이 포함된다. 전형적인 토양의 바이오매스 구성은 70%가 미생물, 22%가 대형 동물(육안으로 볼 수 있는 정도의 크기의 동물), 8%가 뿌리이다.

토양에는 다수의 토양 생물이 살고 있으며, 대부분은 토양 속에서만 생활한다. 토양 동물에는 고슴도치나 지렁이처럼 큰 동물부터 곤충, 진드기 등 중소형 동물, 원생 동물처럼 작은 동물까지 다양하다. 미생물 또한 중요한데, 곰팡이나 버섯 등의 균류, 세균류와 같은 토양 미생물이 많이 살고 있다. 토양 중의 종속 영양성 미생물은 생물 유체나 배설물, 유해한 유기 화합물 등을 분해하여 이산화탄소나 물 등으로 변환하여 대기나 지하수로 방출한다. 토양에는 식물 뿌리와 공생하여 영양분을 공급하는 균근균이나 근류균 등이 서식하여 식물 생육을 지원하는 한편, 동식물 생육을 저해하는 병원 미생물도 서식한다. 이러한 생물들은 퇴적되는 식물 유체의 분해 및 토양 교반을 통해 토양 형성에 크게 관여한다.

8. 토양 층위

토양에 충분한 시간이 주어지면, 뚜렷하지 않던 토양은 여러 층의 구조로 발달한다. 이러한 층들은 토성, 입자 구조, 토양 밀도, 통기성, 온도, 색깔, 반응성 등에서 차이를 보인다.^[486] 층의 발달은 기반암의 종류, 풍화작용, 그리고 토양 형성 인자에 영향을 받는다. 생물학적 영향은 표면에 가까울수록 강하고, 지구화학적 영향은 깊어질수록 강해진다. 성숙한 토양은 보통 A층(표토), B층(심토), C층(기암층)의 세 층으로 나뉜다. A층과 B층은 서구권에서 '표층'(solum)으로 묶이기도 한다. 토양 내 생물은 주로 A층에 서식한다. A층 위에는 유기물층(O층)이 있는데, 죽은 유기물이 쌓여 만들어진다. 유기물층은 분해 정도에 따라 OL층(낙엽층, 토양으로 분류되지 않음), OF층, OH층(부엽층)으로 나뉜다.

지표면에서 모암까지 모든 토양층의 특성을 보여주는 3차원 구조체를 '토양표본체'(pedon)라고 한다. 이는 '부식표본체'(유기물층~A층), '광물질표본체'(B층), '심층표본체'(C층)로 나뉜다.^[487]

일반적인 토양은 고체(45% 무기물, 5% 유기물)와 공극(50%)으로 구성되며, 공극의 절반은 물, 절반은 기체이다.^[32] 토양의 수분과 기체 함량은 매우 가변적이다.^[33] 공극은 공기와 물의 이동을 가능하게 하여 생명체에게 중요하다.^[34] 토양 다짐은 이 공간을 줄여 생명 활동을 방해한다.^[35]

시간이 지나면, 분화되지 않은 토양은 토양 프로필을 형성하며, 이를 토양층이라 한다. 토양층은 토성, 구조, 밀도, 다공성, 점착성, 온도, 색상, 반응성 등에서 차이를 보인다.^[8] 토양층 발달은 모재, 수정 과정, 토양 형성 요인에 따라 달라진다. 생물학적 영향은 표면 근처에서 강하고, 지구화학적 영향은 깊어질수록 강하다. 성숙한 토양은 A, B, C층을 가진다. 생물은 주로 토양층, 특히 A층에 서식한다. ''페돈''은 ''휴미페돈''(생물학적 부분), ''코페돈''(광물 풍화 부분), ''리토페돈''(하층토 접촉 부분)으로 나뉜다.^[36]

토성은 모래, 미사, 점토 입자의 비율로 결정된다. 개별 광물 입자는 유기물, 물, 기체와 상호작용하여 응집체를 형성한다.^[37] 응집체가 식별되면 토양이 발달했다고 할 수 있다.

물은 토양 발달의 중요한 작용제이다.^[38] 토양 공극을 채우는 물과 용해/부유 물질 혼합물을 토양 용액이라 한다. 토양수는 순수한 물이 아니라 유기물과 무기물을 포함한다. 물은 토양 단면에서 광물을 용출하는 데 핵심적이다.^[39]

토양은 식물에 영양분을 공급하며, 점토와 유기물(콜로이드) 입자에 의해 유지된다.^[40] 영양분은 점토 광물 표면에 흡착되거나, 광물 내에 결합(흡수)되거나, 유기 화합물 내에 결합될 수 있다. 결합된 영양분은 토양 용액 조성을 완충한다.^[41]

식물 영양분 가용성은 토양 pH에 영향을 받으며, pH는 토양 용액 내 수소 이온 활성도를 측정한다. 토양 pH는 풍화가 진행될수록 낮아진다(산성화).^[42]

질소를 제외한 대부분의 영양분은 토양 모재 광물에서 유래한다. 일부 질소는 비에서, 대부분은 세균의 질소 고정으로 얻는다.^[43] 영양분은 유기체, 잔류물, 광물 결합 형태, 토양 용액을 통해 재활용된다. 토양 유기체와 유기물은 재활용에 중요하며, 토양 형성과 토양 비옥도에 영향을 준다.^[44] 미생물 토양 효소는 영양분을 방출, 격리, 휘발, 용탈시킨다.^[45]

토양은 유기물 축적, 콜로이드 이동, 점토, 부식토, 산화철, 탄산염, 석고 침전으로 B층을 형성한다.^[46] 물질 이동은 층(수평선)을 형성한다. 최근 정의는 화성 모재 등 유기물 없는 토양도 포함한다.^[47][48]

토양 발달은 용암류 기반암 풍화로 시작하여 광물 기반 모재를 생성한다. 따뜻하고 강우량이 많은 기후에서 가장 빠르다. 질소 고정 지의류, 시아노박테리아, 암생식 고등 식물은 유기물이 적어도 현무암 용암에 빠르게 정착한다.^[49] 현무암 광물은 Goldich 용해 시리즈에 따라 빠르게 풍화된다.^[50] 식물은 다공성 암석에 의해 지원되며, 영양분 함유 물로 채워진다. 갈라진 틈, 주머니, 지형은 미세 물질을 담고 뿌리를 품는다. 식물 뿌리는 균근류와 관련되어 용암 분해를 돕고,^[51] 유기물과 광물 토양을 축적한다. 초기 토양 발달은 화산,^[52] 인젤베르크,^[53] 빙하 퇴적물에서 설명되었다.^[54]

토양 형성은 모재, 기후, 지형, 유기체, 시간에 영향을 받는다.^[55] (CROPT).^[56]

수평 토양층은 물리적 특징, 구성, 연령이 다르며, 이를 토양층위라고 한다. 층위 명칭은 구성 물질 유형에 따라 결정되며, 토양 생성 과정 지속 시간을 반영한다. 문자, 숫자 약어로 표시된다.^[170] 모든 프로파일이 모든 층위를 갖는 것은 아니다. 엔티솔은 층위가 없거나 하나만 있다.^[171] 모레인,^[172] 화산 원추,^[173] 사구, 충적 평원^[174]에서 발생한 초기 토양이다. 침식으로 상부 토양층이 손실될 수 있다.^[175] 나무 성장도 교란 원인이다.^[176] 토양층은 과거 사건을 기록한다. 꽃가루, 유각 아메바, 식물 잔해는 환경 변화를 밝힌다.^[177] 방사성 탄소 연대 측정법 등으로 연대 측정이 가능하다.^[178] 고토양 화석 토양층은 과거 환경 연구에 활용된다.^[179]

모재가 식물 성장에 적합하면 광물 토양이 생성된다.^[180] 식물 성장은 유기 잔류물을 생성하고, 용존 유기물을 방출한다.^[181] 표면 유기층은 O 층위이며, 유기체 영향으로 활동적인 토양을 만든다. 유기체는 유기물을 분해하여 영양분을 제공한다.^[182] 부식토는 A 층위에 퇴적되고, 유기물은 광물질과 혼합된다(토양 교란). 산성, 추위, 오염은 유기물 축적을 유발한다.^[183][184]

9. 토양 분류

토양은 암석의 풍화작용으로 생성된 물질을 모재로 하여 기후, 식생, 지형 등 여러 요인이 작용하여 오랜 시간에 걸쳐 만들어진다. 토양 연구의 역사는 식량 생산과 밀접하게 관련되어 있으며, 문명의 흥망성쇠는 토양의 생산 능력에 영향을 받았다.^[275] 고대 이집트는 나일강의 홍수로 운반된 비옥한 토양을 이용해 농업을 발전시켰고^[276], 고대 그리스의 크세노폰은 녹비의 장점을 설명하기도 했다.

농작물이 잘 자라는 비옥한 토양도 있는 반면, 잘 자라기 어려운 척박한 토양도 있다. 세계에서 가장 비옥한 토양으로 알려진 체르노젬은 "토양의 황제"라고도 불리며, 우크라이나는 체르노젬을 바탕으로 밀을 대량 생산하여 "유럽의 빵 바구니"로 불리기도 했다.^[455]

일본의 토양 분류 체계는 다음과 같다.

9. 1. 국제적 토양 분류

• 열대의 산화물을 많이 포함한 라테라이트(라토솔, 홍토)
• 열대에서 온대에 걸쳐 있는 적황색토
• 온대에서 냉대에 걸쳐 있는 낙엽 활엽수를 기르는 갈색 삼림토
• 냉대에서 한대에 걸쳐 있는 포드졸
• 한대에서 하층이 영구 동토층으로 되어 있는 툰드라 토
• 그 외, 프레리 토나 중앙 유라시아의 흑토(흑색토, 체르노젬) 등

9. 2. 대한민국의 토양 분류

• 포드졸토: 연평균 기온 5°C 이하인 개마고원 침엽수림대에 분포하며, 산성이 강하다. 이 지역에서는 감자, 귀리, 아마 등 내산성이 강한 작물을 재배한다.
• 회갈색삼림토: 연평균 기온 5°C~10°C 지역의 침엽수와 활엽수가 섞인 숲에 분포하며, 부식이 많아 흑갈색을 띤다.
• 갈색삼림토(褐色森林土): 연평균 기온 10°C~13°C 지역의 낙엽활엽수림에서 볼 수 있으며, 표층이 두텁고 부식이 많아 가장 넓은 면적을 차지한다.
• 황갈색토: 연평균 기온 13°C~14°C 지역의 온화하고 강우량이 많은 남부 지방 낙엽상록활엽수 혼합림대에 분포한다.
• 적색토: 연평균 기온 14°C 이상인 남해안 및 연안 도서 지방의 상록활엽수림대에 분포하며, 고온다습한 환경에서 발달한다.

10. 토양의 이용

흙은 지구의 생태계를 구성하는 주요 요소이며, 전 세계 생태계는 흙에서 수행되는 과정에 의해 광범위하게 영향을 받는다. 흙은 농업에서 식물을 지지하고 주요 영양분의 기반 역할을 한다. 흙의 종류와 이용 가능한 수분은 재배할 수 있는 식물의 종을 결정한다.^[461]

토양 물질은 채광, 건설, 조경 개발 산업에서도 중요한 구성 요소이다.^[188] 흙은 대부분 건설 프로젝트의 기초 역할을 하며, 대량의 토양 이동은 노천 채광, 도로 건설, 댐 건설 등에 관련된다. 토굴집은 건물 벽에 외부 열 질량으로 흙을 사용하는 건축 관행이다. 많은 건축 자재가 토양 기반이다.

폐기물 관리에도 토양 구성 요소가 사용된다. 정화조 침전지는 호기성 유기체 토양 과정을 사용하여 정화조 배출수를 처리한다. 폐수의 토지 적용은 생물학적 산소 요구량을 호기적으로 처리하기 위해 토양 생물학에 의존한다. 매립지는 토양을 일일 복토에 사용하여 폐기물 퇴적물을 대기로부터 격리하고 불쾌한 냄새를 방지한다.

유기 토양, 특히 이탄은 연료 및 원예 자원으로 사용된다. 이탄 토양은 북유럽 국가에서 농업을 위해 일반적으로 사용되는데, 이탄지 사이트는 배수되면 식량 생산에 적합한 토양을 제공하기 때문이다.^[199]

토식증은 흙과 같은 물질을 먹는 관행이다. 동물과 인간 모두 때때로 의학적, 여가, 또는 종교적 목적으로 토양을 섭취한다.^[202]

토양은 물을 여과하고 정화하며 물의 화학 성분에 영향을 미친다. 빗물과 연못, 호수 및 강에서 고인 물은 토양 지평선과 상부 지층을 통과하여 지하수가 된다. 해충 (바이러스) 및 오염 물질은 토양에 의해 여과된다.^[204] 토양 유기체는 이들을 대사하거나 그들의 생물체 및 네크로매스에 고정시킨다.^[205]

11. 토양의 열화

토지 황폐화는 인간의 활동이나 자연적인 과정으로 인해 토지(경제)가 기능을 수행하는 능력이 저하되는 현상이다.^[208] 토양 열화는 토양 산성화, 토양 오염, 사막화, 토양 침식 또는 토양 염류화를 포함한다.^[209]

토양 산성화는 알칼리성 토양의 경우 유익하지만, 작물 생산성, 토양 생물 활동을 저하시키고 토양의 오염 및 침식에 대한 취약성을 증가시켜 토지를 황폐화시킨다. 토양은 처음에는 산성이며, 모재에 염기성 양이온(칼슘, 마그네슘, 칼륨 및 나트륨)이 적을 경우 계속 산성으로 유지된다. 풍화성 광물이 풍부한 모재에서는 염기성 양이온이 강우로 인해 토양 단면에서 용탈되거나 산림 또는 농작물 수확으로 인해 유출될 때 산성화가 발생한다. 토양 산성화는 산성 질소질 비료의 사용과 산성비의 영향으로 가속화된다. 산림 벌채는 수관이 없는 상태에서 토양 영양분 용탈이 증가하여 토양 산성화를 유발하는 또 다른 원인이다.^[210]

흙의 오염은 낮은 수준에서는 종종 흙이 폐기물을 처리하고 동화할 수 있는 능력 안에 있다. 토양 생물군은 주로 미생물 효소 활동을 통해 폐기물을 변환하여 처리할 수 있다.^[211] 토양 유기물과 토양 광물은 폐기물을 흡착하여 독성을 감소시킬 수 있지만,^[212] 콜로이드 형태일 때는 흡착된 오염 물질을 지하 환경으로 수송할 수 있다.^[213] 많은 폐기물 처리 과정이 이러한 자연적인 생물 복원 능력에 의존한다. 처리 능력을 초과하면 토양 생물군이 손상되고 토양 기능이 제한될 수 있다. 황폐 토양은 산업 오염 또는 기타 개발 활동으로 토양이 손상되어 토지를 안전하게 또는 생산적으로 사용할 수 없는 경우에 발생한다. 황폐 토양의 환경 복원은 지질학, 물리학, 화학 및 생물학의 원리를 사용하여 토양 오염 물질을 분해, 완화, 격리 또는 제거하여 토양 기능과 가치를 복원한다. 기술에는 침출, 공기 주입, 토양 개량제, 식물 복원, 생물 복원 및 모니터링 자연 완화가 포함된다. 오염 물질의 확산 오염의 예로는 포도원과 과수원에서 살균제를 반복적으로 살포하여 구리가 축적되는 현상이 있으며, 이는 유기농에서도 발생한다.^[214]

합성 섬유로 만들어진 미세 섬유는 또 다른 유형의 플라스틱 토양 오염으로, 중국 남서부에서 채취한 농경지 토양 샘플의 100%에서 플라스틱 입자가 검출되었으며, 이 중 92%가 미세 섬유였다. 미세 섬유의 공급원은 끈이나 실, 그리고 옷을 세탁한 관개수 등으로 추정된다.^[215] 하수 슬러지 및 퇴비의 바이오 고형물 적용은 미세 플라스틱을 토양에 유입시킬 수 있다. 이는 다른 출처(예: 대기)에서 유입되는 미세 플라스틱의 부담을 더한다. 유럽과 북미에서 발생하는 하수 슬러지의 약 절반이 농경지에 적용된다. 유럽에서는 매년 백만 명의 인구당 113~770톤의 미세 플라스틱이 농경지에 추가되는 것으로 추정된다.^[215]

12. 토양 개량

스멕타이트와 같이 특정 점토를 많이 포함하는 토양은 매우 비옥한 경우가 많다. 예를 들어, 태국 중부의 평야는 세계에서 가장 농업 생산력이 높은 지역 중 하나이다.

그러나 많은 열대 지역 농가에서는 토양에 유기물을 유지하는 데 어려움을 겪고 있다. 예를 들어, 태국 북부의 점토가 적은 토양에서 생산력이 저하되었을 때, 농가는 흰개미 둥지에서 유기물을 가져와 첨가했지만, 장기적으로 지속되지 않았다. 그래서 과학자들은 토양에 스멕타이트의 일종인 벤토나이트를 첨가했다.

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