흙

1. 개요

흙은 지구 생태계를 구성하는 주요 요소로, 토양의 기능, 구성, 생성 과정, 물리적 및 화학적 특성, 영양소, 유기물과 생물, 층위, 분류, 이용, 열화, 개량에 대해 설명한다. 토양은 식물 생장, 폐기물 처리, 물 정화 등 다양한 기능을 수행하며, 무기물, 유기물, 공극으로 구성된다. 토양은 암석의 풍화 작용으로 생성되며, 기후, 식생, 지형 등의 요인에 의해 영향을 받는다. 토양의 물리적 특성으로는 토성, 구조, 밀도 등이 있으며, 화학적 특성으로는 양이온 및 음이온 교환, 반응성(pH), 염기 포화도, 완충 작용 등이 있다. 토양 내 영양소는 식물 성장에 필수적이며, 토양 유기물과 생물은 토양의 비옥도와 생태계에 중요한 역할을 한다. 토양은 층위 구조를 가지며, 다양한 분류 체계에 따라 분류된다. 토양은 농업, 건설, 폐기물 관리 등 다양한 분야에서 이용되며, 토지 황폐화, 토양 산성화, 오염, 침식, 염류화 등의 열화 과정을 겪을 수 있다. 토양 개량은 토양의 질을 개선하고 생산성을 향상시키는 데 기여한다.

2. 토양의 기능과 구성

토양은 지구의 생태계에서 중요한 기본 요소이다. 전지구적 생태계는 오존층 파괴에서 지구 온난화, 열대우림 파괴, 수질 오염에 이르기까지 토양에서 나오는 효과에 큰 영향을 받는다. 토양은 지구의 탄소 순환에서 중요한 탄소 저장고 역할을 하며, 기후 변화와 인간의 간섭에 가장 민감하게 반응할 수 있는 요소 중 하나이다. 지구 온난화 동안 '정귀환 증폭'(positive feedback amplification)에 따라 고온에서의 토양 내 생물 활동량 증가로 인해 대기 중 이산화탄소 증가량 또한 상승할 것으로 예측되었다. 그러나 이 예측은 토양 탄소의 전환율에 대한 최근 지식 정보들을 고려할 때 의문점이 있다.

토양은 매우 중요한 생태계 공급원으로서 공학적 매체, 토양 유기체의 서식처, 영양분과 유기질 폐기물의 재활용 체계, 수질 관리 조절 장치, 대기 구성 조정기, 식물 성장 배지의 역할을 한다. 토양은 이용 가능한 생태적 지위와 서식지 중 매우 큰 범위를 가지므로, 지구의 유전 다양성에서 핵심적인 위치에 있다. 토양 1그램에는 수천 종의 유기체 수십억 마리가 들어있으며, 대부분 미생물이거나 크게는 여전히 미지의 영역에 있는 것들도 있다. 토양 내 원핵생물의 평균 밀도는 대개 1그램에 유기체 10⁸ 마리 정도이다. 반면 바다에서 1ml(그램)에 원핵생물의 생물량은 10⁷ 이상이 안된다. 토양에 포함된 유기질 탄소는 결국 진핵생물의 세포 호흡 과정을 거쳐 대기 중으로 돌아오게 된다. 하지만 대부분은 토양 유기물질의 형태로 토양에 귀속된다. 경작지의 경우, 토양 유기물질의 고갈이 진행됨에 따라 토양 호흡(soil respirarion)이 증가하게 된다. 식물의 뿌리는 산소를 필요로 하기 때문에 기체 포화는 토양의 중요한 특성이다. 토양의 통기성은 서로 연결된 ‘토양 공극’(soil pore)망에 따라 성립되는데, 공극은 식물이 쉽게 활용할 수 있도록 빗물을 붙잡아두고 흡수시켜주는 역할을 하기도 한다. 또, 식물은 지역 대부분이 산발적인 비에서 물을 얻지만 주변에서 물의 지속적인 공급을 필요로 하기 때문에, 토양 용수량은 식물 생존에 있어 매우 필수적이다.

토양은 불순물을 효과적으로 걸러낼 수 있고, 항균성이 있으며, ‘자연 저감 작용’(natural attenuation)으로 오염물질을 감퇴시킬 수 있다. 보통의 경우, 토양은 산소와 메테인에 대하여 순 흡수량을 유지하면서도 이산화탄소와 질산의 순 발산을 겪는다. 토양은 식물체에 물리적 공급, 대기, 수분, 온도 조절, 영양분, 독극물로부터의 보호를 제공한다. 토양은 죽은 유기체를 다양한 영양분 형태로 전환시켜 동식물이 쉽게 영양분을 얻을 수 있도록 해준다.

일반적인 토양은 고체 성분(45% 무기물 및 5% 유기물)이 약 50%이고, 공극(또는 기공)이 50%이며, 그중 절반은 물이, 절반은 기체가 차지한다. 토양의 무기물 및 유기물 함량은 단기적으로는 일정하다고 볼 수 있지만, 토양의 수분 및 기체 함량은 매우 가변적이어서 하나의 증가는 다른 하나의 감소와 동시에 균형을 이룬다. 공극은 공기와 물의 침투와 이동을 가능하게 하며, 이는 토양 내 생명체에게 모두 중요하다. 토양의 일반적인 문제인 토양 다짐은 이 공간을 줄여 공기와 물이 식물 뿌리와 토양 유기체에 도달하는 것을 방해한다.

충분한 시간이 지나면, 분화되지 않은 토양은 두 개 이상의 층으로 구성된 토양 프로필을 형성하게 되며, 이를 토양층이라고 한다. 이러한 토양층은 토성, 구조, 밀도, 다공성, 점착성, 온도, 색상 및 반응성과 같은 하나 이상의 특성에서 차이가 있다. 토양층의 두께는 크게 다르며 일반적으로 경계가 뚜렷하지 않다. 토양층의 발달은 모재의 유형, 해당 모재를 수정하는 과정, 그리고 이러한 과정에 영향을 미치는 토양 형성 요인에 따라 달라진다. 토양 특성에 대한 생물학적 영향은 표면 근처에서 가장 강하며, 토양 특성에 대한 지구화학적 영향은 깊이가 깊어질수록 증가한다. 성숙한 토양 프로필은 일반적으로 A, B, C의 세 가지 기본 주 토양층을 포함한다. 토양층은 일반적으로 A층과 B층을 포함한다. 토양의 생물학적 구성 요소는 주로 토양층에 국한되며 일반적으로 A층에서 더 두드러진다. 표면에서 기반암까지 수직으로 뻗어 모든 토양층의 특성을 보여주기에 충분히 큰 토양 기둥인 페돈은 휴미페돈(대부분의 토양 유기체가 서식하는, 부식 형태에 해당하는 생물학적 부분), 코페돈(광물의 대부분의 풍화가 일어나는 중간 위치), 그리고 리토페돈(하층토와 접촉하는 부분)으로 세분될 수 있다고 제안되었다.

토양의 토성은 토양을 구성하는 개별 모래, 미사, 점토 입자의 상대적인 비율에 의해 결정된다.

개별 광물 입자가 유기물, 물, 기체와 생물적 및 비생물적 과정을 통해 상호 작용하여 해당 입자가 응집되어 응집체 또는 괴상을 형성한다. 이러한 응집체가 식별될 수 있는 경우 토양이 발달했다고 할 수 있으며, 색상, 다공성, 점착성, 반응(산도) 등을 추가로 설명할 수 있다.

물은 토양을 구성하는 물질의 용해, 침전, 침식, 운송 및 퇴적에 관여하기 때문에 토양 발달의 중요한 작용제이다. 토양 공극을 채우는 물과 용해 또는 부유된 물질의 혼합물을 토양 용액이라고 한다. 토양수는 순수한 물이 아니라 수백 가지의 용해된 유기물과 무기물을 포함하고 있으므로, 토양 용액이라고 부르는 것이 더 정확할 수 있다. 물은 용해, 침전 및 용탈 과정에서 토양 단면으로부터 광물을 용출하는 데 핵심적인 역할을 한다. 마지막으로 물은 토양에서 자라는 식물의 유형에 영향을 미치며, 이는 다시 토양의 발달에 영향을 미친다. 이는 반 건조 지역의 띠 모양 식생 패턴의 역학에서 잘 나타나는 복잡한 되먹임 현상이다.

토양은 식물에 영양분을 공급하며, 대부분은 점토와 유기물(콜로이드) 입자에 의해 유지된다. 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.

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).

질소를 제외한 대부분의 식물 영양분은 토양 모재를 구성하는 광물에서 유래한다. 일부 질소는 희석된 질산과 암모니아 형태로 비에서 유래하며, 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. 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.

광의의 토양은 다음과 같은 기능을 가지고 있다. 다음 중 자연 기능에 대해서는 토양의 환경 기능이라고 한다.
* 자연 기능
생물의 생존공간
자연계의 구성 요소
지하수의 매체
* 이용 기능
천연 자원의 존재
거주지・보양지의 존재
농업・임업 용지의 존재
** 기타 경제적·공공적 이용지의 존재
* 자연·문화유산의 존재 장소

식물 생산적 관점에서 보면, 토양은 식물의 배지의 일종이라고 할 수 있다. 대부분의 농업에서는 토양을 배지로 한다.

한편, 배지에 토양을 사용하지 않는 것을 수경 재배라고 한다. 양액 재배의 경우, 배지로서의 토양의 종류는 더욱 세분화되어, 유기질 배지를 토양으로 하여 이를 사용하는 경우에는 양액토경이라고 부르고, 무기질 배지를 사용하는 경우에는 양액 재배라고 부른다.
흙은 암석이 풍화되어 생성된 조립의 무기물 (1차 광물)이나 콜로이드상의 무기물 (점토 광물 또는 2차 광물), 생물의 사체 등과 같은 조대 유기물, 조대 유기물이 미생물 등의 분해자 작용 등에 의해 변질되어 생기는 토양 유기물 (부식) 등을 포함한다.

토양의 고체 성분은 거칠게 충전되어 있기 때문에 흙은 많은 간극을 가진다. 토양 중의 간극은 토양 용액과 토양 공기에 의해 채워져 있다. 토양 용액의 주성분은 물이며, 이 물에 수용성의 염기와 유기물 등이 용해되어 있다. 토양 공기의 주성분은 이산화 탄소, 질소 및 수증기이며, 산소 농도는 대기와 비교하여 낮다. 토양의 간극에는 많은 토양 미생물과 토양 동물이 서식하고 있으며, 이를 토양 생물이라고 부른다.

물 분자의 수소 원자가 흙 입자의 산소 원자와 결합하는 힘(분자간력)이 다른 물 분자의 산소 원자와 결합하는 힘보다 강할 때, 물은 토양에 유지된다. 포화된 물로 현장이 범람하면 토양의 공극은 완전히 물로 채워진다. 현장에서는 포장 용수량까지 중력에 의한 배수가 진행되고, 작은 공극은 물로 채워지고 큰 공극은 물과 가스로 채워지게 된다. 포장 용수량은 흙 입자의 비표면적에 의존한다. 따라서, 점토질 토양이나 유기물이 많은 토양에서는 포장 용수량이 크다. 순수한 물을 기준으로 할 때 물의 단위 체적당 포텐셜 에너지의 상대값을 수분 포텐셜이라고 한다. 총 수분 포텐셜은 모관력(흙 입자와 물 사이의 표면 장력)에 의해 발생하는 매트릭 포텐셜, 염성 토양에서는 삼투압에 의한 삼투 포텐셜, 수직 방향의 물 이동을 다룰 때 위치 에너지에 의한 중력 포텐셜의 합이다. 토양의 수분 포텐셜은 일반적으로 음수 값이므로 수분 포텐셜의 마이너스로 정의되는 서션(흡인압)으로도 표현된다. 서션은 양수 값이며, 토양에서 물을 제거하는 데 필요한 힘으로 간주할 수 있다. 수분 포텐셜과 서션의 단위는 kPa(10³ Pa), bar (100 kPa), cm H₂O (약 0.098 kPa)이다. 서션(cm H₂O)의 상용 로그는 pF라고 한다. 따라서 pF 3 = 1000 cm = 98 kPa = 0.98 bar이다.

물이 토양에 결합하는 힘은 식물이 이용할 수 있는 정도를 결정한다. 흡착력은 물을 광물과 부식질의 표면에 강하게 결합시키고, 물끼리의 결합력은 그보다 작다. 식물의 뿌리는 토양에 흡착되어 있는 아주 작은 물이 있는 곳에 침투할 수 있다. 처음에는 약한 결합력에 의해 유지되는 물을 흡수할 수 있지만, 그러한 물방울이 흡수되어 사라짐에 따라 토양에 물이 흡착하는 힘의 세기는 표면 장력에 의해 서서히 큰 서션을 생성하게 되고, 마침내 1500 kPa (pF = 4.2)에 도달한다. 서션 1500 kPa에서의 토양 수분량을 영구 위조점이라고 한다. 식물은 증산으로 인해 물이 계속 손실되기 때문에 영구 위조점에서는 필요한 물을 얻을 수 없게 되어 식물의 팽압이 손실되어 시든다. 다만, 특히 건조에 대한 적응이나 순응이 있으면 기공이 닫히고 증산이 감소하여 영구 위조점에서 시들기까지의 시간을 늦출 수 있다. 더욱 건조해지면 서션 100 MPa (pF = 6)에서 풍건이 되고, 1000 MPa (pF = 7)에서 로건이 된다. 영구 위조점에서 남아 있는 물을 무효 수분량이라고 한다.

식물의 성장에 적합한 토양 수분량에서는 크고 중간 크기의 공극의 물이 토양을 이동하여 식물이 이용하기 쉬운 상태에 있다. 포장 용수량과 유효 수분량은 토양의 종류에 따라 다르다. 사질토는 보수량이 적고, 점토는 보수량이 가장 크다. 실트롬의 유효 수분량은 체적으로 20% 정도이며, 모래의 유효 수분량은 6% 정도이다.

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📌 열 고정 해제

다양한 토성의 토양의 영구 위조점, 포장 용수량, 유효 수분량 (단위: 체적 %)

토성	영구 위조점	포장 용수량	유효 수분량
모래	3.3	9.1	5.8
사질 로움	9.5	20.7	11.2
로움	11.7	27.0	15.3
실트질 로움	13.3	33.0	19.7
점토질 로움	19.7	31.8	12.1
점토	27.2	39.6	12.4

위의 표는 토성별 평균값이다.

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. 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. 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.

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. 현무암 광물은 Goldich 용해 시리즈에 따라 비교적 빠르게 풍화된다. 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, 이러한 방식으로 유기물과 미세 광물 토양이 시간이 지남에 따라 축적된다. 이러한 초기 단계의 토양 발달은 화산, 인젤베르크, 빙하 퇴적물에서 설명되었다.

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

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.

# 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. 이를 '토양의 3상'이라고 한다.

공극은 물과 공기가 들어오거나 이동할 수 있게 해주는데, 이는 토양 생명체에게 매우 중요하다. 토양에 충분한 시간이 주어지면, 불분명한 토양은 2층 이상의 층 구조로 발달한다. 이 층들은 토성, 입단구조, 토양밀도, 토양경도, 통기성, 토양온도, 토색, 반응성에서 차이를 보인다.

일반적인 토양은 고체 성분(45% 무기물 및 5% 유기물)이 약 50%이고, 공극이 50%이며, 그중 절반은 물, 절반은 기체가 차지한다. 토양의 무기물 및 유기물 함량은 단기적으로 일정하지만, 수분 및 기체 함량은 매우 가변적이어서 하나의 증가는 다른 하나의 감소와 균형을 이룬다.

물은 토양 발달에 있어 용해, 침전, 침식, 운송 및 퇴적에 관여하는 중요한 작용제이다. 토양 공극을 채우는 물과 용해 또는 부유된 물질의 혼합물을 토양 용액이라고 하는데, 이는 순수한 물이 아니라 수백 가지의 용해된 유기물과 무기물을 포함하고 있기 때문이다. 물은 용해, 침전 및 용탈 과정에서 광물을 용출하는 데 핵심적인 역할을 한다. 또한, 물은 토양에서 자라는 식물 유형에 영향을 미치며, 이는 다시 토양 발달에 영향을 미치는 복잡한 되먹임 현상을 보인다.

토양은 식물에 영양분을 공급하며, 대부분은 점토와 유기물(콜로이드) 입자에 의해 유지된다. 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.

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).

질소를 제외한 대부분의 식물 영양분은 토양 모재를 구성하는 광물에서 유래하며, 일부 질소는 희석된 질산과 암모니아 형태로 비에서 유래한다. 대부분의 질소는 세균에 의한 질소 고정의 결과로 토양에서 사용 가능하며, 살아있는 토양 유기체(미생물, 동물 및 식물 뿌리)와 토양 유기물 모두 이러한 재활용에 매우 중요하며, 따라서 토양 형성 및 토양 비옥도에도 중요하다.

토양의 물리적 성질에는 토성, 토양 구조, 겉보기 밀도, 공극률, 일관성, 온도, 색상, 저항률 등이 있다.

4.1. 토성

토성은 토양을 구성하고 있는 고상 중에서 광물 입자(모래, 미사, 점토)의 구성 비율에 따른 토양의 특성 분류이다.

생물 또는 비생물적 요인에 따른 물, 기체, 유기물과 함께 광물질 입자별 상호작용은 자갈화하거나 입단 구조를 이루도록 입자들을 고정시킨다. 입단 구조화가 식별된 토양은 토색, 토양경도, 토양산도, 통기성 면에 있어서 매우 건전한 흙이라 말할 수 있다.

토양의 토성은 토양을 구성하는 개별 모래, 미사, 점토 입자의 상대적인 비율에 의해 결정된다.

개별 광물 입자가 유기물, 물, 기체와 생물적 및 비생물적 과정을 통해 상호 작용하여 해당 입자가 응집되어 응집체 또는 괴상을 형성한다. 이러한 응집체가 식별될 수 있는 경우 토양이 발달했다고 할 수 있으며, 색상, 다공성, 점착성, 반응(산도) 등을 추가로 설명할 수 있다.

토양의 물리적 특성은 작물 생산과 같은 생태계 서비스에 대한 중요도가 높은 순서대로 토성, 토양 구조, 겉보기 밀도, 공극률, 일관성, 온도, 색상, 저항률이다.

토양의 광물 입자는 모래, 미사, 점토로 구성되며, 그 비율에 따라 토성이 결정된다. 토성에 영향을 받는 토양의 성질에는 공극률, 투수성, 침투, 팽윤도, 포장 용수량, 그리고 침식에 대한 강도가 있다. 미국 농무부(USDA)의 삼각 좌표에 의한 토성 구분에서 나타나는 것처럼, 모래, 미사, 점토 중 어느 하나가 주성분이 아닌 (즉, 적절히 혼합된) 토양은 로옴이라고 불린다. 순수한 모래, 미사, 점토도 토양이지만, 전통적인 농업 관점에서는 어느 정도의 유기물이 있는 로옴 토양이 "이상적"이라고 여겨지며, 농업으로 인한 장기간의 작물 수확으로 빼앗긴 영양분을 보충하기 위해 비료나 퇴비가 사용된다. 로옴 토양의 광물 조성은 예를 들어, 질량비가 모래 40%, 미사 40%, 점토 20%이다. 토성은 토양의 성질, 특히 영양분을 유지하는 성질(예: 양이온 치환 용량) 과 물 이동에 영향을 미친다.

모래와 미사는 모암의 물리적 및 화학적 침식에 의해 형성되고, 점토는 모암이 강우에 용해되어 생성된 2차 광물인 경우가 많으며, 운모의 풍화에 의한 경우도 있다. 토양 입자의 비표면적과 토양 입자 표면 이온의 전하는 토양 비옥도에 중요한 역할을 하며, 양이온 치환 용량으로 측정된다. 모래는 비표면적이 가장 작고 양이온 치환 용량이 작다. 미사는 그 다음으로 작고, 점토가 가장 양이온 치환 용량이 크다. 토양에 있어 모래의 가장 큰 역할은 다짐에 대한 내구성이 크고, 토양의 공극률을 크게 하는 것이다. 그러나 이 성질은 순수한 모래에 대한 것이며, 모래가 더 작은 광물과 섞이면서, 모래 입자 사이에 작은 광물이 들어가 공극률이 작아진다. 미사는 광물학적으로 모래와 비슷하지만 비표면적이 크기 때문에 물리화학적인 반응성이 크다. 점토는 비표면적이 매우 크고 많은 음전하를 가지고 있기 때문에, 토양의 물과 영양분 보유 능력을 결정하는 것은 점토의 양이다. 점토질 토양은 바람과 물에 의한 토양 침식에 대한 저항력이 미사질 토양이나 사질 토양보다 크다. 이는 점토는 입자와 입자 사이를 연결하는 힘이 크고, 유기물에 의한 침식 완화 효과 때문이다.

모래는 토양 광물 중 가장 안정적이다. 암석 파편과 1차 석영 입자로 구성되어 있으며, 직경 0.05 ~ 2.0 mm이다 (USDA의 입경 구분). 미사는 직경 0.002 ~ 0.05 mm이다. 점토는 직경이 0.002 mm 이하로 두께가 1 nm (10⁻⁹ m)로 매우 작기 때문에, 광학 현미경으로 관찰할 수 없다. 중간 토성의 토양에서는, 점토가 물에 의해 하방 용탈되어, 하층에 집적된다. 토양 광물 조성의 크기와 광물의 성질 사이에는 명확한 상관관계가 없다. 모래와 미사 입자가 석회질일 수도 있고 석영질일 수도 있으며, 점토 입자 (0.002 mm)가 미세한 석영일 수도 있고 다층의 2차 광물일 수도 있다. 어떤 일정 입경 조성에 속하는 토양 광물은 비표면적 (그것과 관련된 보수성)과 같은 공통의 성질을 가지고 있지만, 양이온 치환 용량과 같은 화학 조성과 관련된 성질은 공통적이지 않다.

직경 2.0 mm 보다 큰 토양의 성분은 암석 또는 자갈로 분류된다. 토양을 토성에 따라 분류하기 위해 입경 조성을 결정할 때는 제외되지만, 명칭에 포함할 수도 있다. 예를 들어, 사질 로옴 토양이 20%의 자갈을 포함하면, 자갈 사질 로옴 토양이라고 부를 수 있다.

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📌 열 고정 해제

토양 입자가 토양의 성질에 미치는 영향

성질	모래	실트	점토
보수성	작음	중간에서 큼	큼
통기성	큼	중간	작음
배수 속도	빠름	중간에서 느림	매우 느림
토양 유기물량	적음	중간에서 많음	많음에서 중간
유기물 분해 속도	빠름	중간	느림
봄의 기온 상승 속도	빠름	중간	느림
다져지기 쉬움	낮음	중간	높음
풍식에 대한 내구성	중간 (세사라면 약함)	약함	강함
수식에 대한 내구성	세사가 아니면 강함	약함	단립화되어 있으면 강함, 그렇지 않으면 약함
팽윤도	매우 낮음	낮음	중간에서 매우 높음
물의 침투를 막는 작용	약함	약함	강함
강우 후의 경운 용이성	양호	중간	불량
오염 물질의 투과성	높음	중간	낮음 (균열이 없으면)
식물의 영양 보유력	낮음	중간	높음
pH 완충능	낮음	중간	높음

4.2. 토양 구조

통상의 토양은 절반 가량이 고상(45%가 무기물, 5%가 유기물)이고 나머지 반은 공극 형태로 비어있는데, 이 공간은 액상(토양수)과 기상(토양공기)으로 채워져 있다. 이를 '토양의 3상'이라고 한다.

공극은 물과 공기가 안으로 들어오거나 이동할 수 있게 해주는데, 둘 다 토양에 존재하는 생명체에게는 매우 중요한 요소이다.
토양에 충분한 시간이 주어지게 되면, 구분이 불분명한 토양은 2층 이상의 토양 층으로 구성된 층 구조로 거듭난다. 이 층들은 토성, 입단구조, 토양밀도, 토양경도, 통기성, 토양온도, 토색, 반응성에 따라 한두 개 이상의 차이를 보인다.

흙의 모래, 실트, 점토 성분이 모여 덩어리가 됨으로써 입단(aggregate)이 형성되고, 입단이 더 큰 덩어리가 된 구조를 페드(ped)라고 한다. 흙 입자가 유기물, 산화철, 탄산염, 점토, 이산화 규소에 의해 접착되고, 동결 융해와 습윤 건조 과정을 통해 입단이 분해되며, 토양 동물, 토양 미생물의 콜로니와 식물 뿌리 끝에 의해 입단이 형성되는 메커니즘을 통해 토양은 명확한 기하학적 형태를 형성한다. 페드는 다양한 형태로 발전한다. 토괴(soil clod)는 페드처럼 형성된 것이 아니라, 경운과 같은 토양에 대한 기계적인 교란에 의해 만들어진다. 토양 구조는 통기성, 물 이동, 열 이동, 식물 뿌리의 성장, 토양 침식에 대한 내구성에 영향을 미친다.

토양 구조는 토성, 유기물량, 미생물 활동, 과거의 토양 생성 과정, 인간의 이용 이력, 토양 생성의 화학적 및 광물학적 조건을 알 수 있는 단서가 된다.

토양 구조의 분류는 다음과 같다.

# 형상(페드의 형태와 배열)
## 판상 (Platy): 두께 1–10 mm의 페드가 판상으로 겹쳐 있다. 산림 토양의 A층과 연못의 침전물에서 발견된다.
## 주상 (Prismatic): 수직으로 길고, 폭은 10–100 mm이다. 윗부분이 평평한 각주상 (Prismatic)과 윗부분이 둥근 원주상 (Columnar)으로 나뉜다. 나트륨 토양의 B층에 점토가 집적되면 생기기 쉽다.
## 괴상 (Blocky): 불완전한 5–50 mm의 정육면체 각진 페드. 날카로운 모서리를 가진 각괴상 (Angular)과 매끄러운 모서리를 가진 아각괴상 (Subangular)으로 나뉜다. 점토가 집적된 B층에서 생기기 쉽고, 물의 침투가 적다는 것을 시사한다.
## 입상 (Granular): 1–10 mm의 다면체 장구형 페드. 입상 (Granular)과 쇄립상 (입단상; Crumb)으로 나뉘며, 쇄립상이 더 다공질이고 이상적인 것으로 여겨진다. 유기물이 있는 A층에서 잘 보인다.
# 크기(페드의 최소 지름): 페드의 형태에 따라 크기 분류가 다르다.
## 세: <1 mm의 판상 또는 입상, <5 mm의 괴상, <10 mm의 주상
## 소: 1–2 mm의 판상 또는 입상, 5–10 mm의 괴상, 10–20 mm의 주상
## 중: 2–5 mm의 판상 또는 입상, 10–20 mm의 괴상, 20-50 mm의 주상
## 대: 5–10 mm의 판상 또는 입상, 20–50 mm의 괴상, 50–100 mm의 주상
## 극대: >10 mm의 판상 또는 입상, >50 mm의 괴상, >100 mm의 주상
# 발달 정도(페드 내의 밀착도): 강도와 안정성을 가져다준다.
## 약도: 약한 결합은 페드가 모래, 실트, 점토로 분해되기 쉽다.
## 중도: 교란되지 않은 토양에서는 페드가 명확하지 않지만, 교란되면 입단, 약간의 파괴된 입단, 약간의 입단화되지 않은 토양으로 나뉜다. 이것이 이상적인 상태로 여겨진다.
## 강도: 토양 층위를 관찰하는 시점에서 명확한 페드가 보이며, 쉽게 부서지지 않는다.
## 무구조: 토양이 점토판처럼 큰 덩어리로 단단하게 굳어져 있거나, 모래처럼 전혀 결합이 없다.

4.3. 공극비, 공극률, 포화도, 함수비

토질역학에서 간극비(e)는 흙 입자의 부피에 대한 간극, 즉 물과 공기의 부피 비로 정의된다.

:$e\; =\; \backslash frac\{V\_v\}\{V\_s\}$

공극률(n)은 흙 전체 부피 V와 공극만의 부피 V_v로부터 다음과 같이 정의된다.

:$n\; =\; \backslash frac\{V\_v\}\{V\}\backslash times\; 100\; (\backslash \%)$

포화도(S)는 물이 차지하는 부피 V_w와 공극의 부피 V_v로부터 다음과 같이 정의된다.

:$S\; =\; \backslash frac\{V\_w\}\{V\_v\}\backslash times\; 100\; (\backslash \%)$

함수비(ω)는 흙 입자 중량 W_s와 물의 중량 W_w를 이용해 다음과 같이 정의한다.

:$\backslash omega\; =\; \backslash frac\{W\_w\}\{W\_s\}\backslash times\; 100\; (\backslash \%)$

:$G\_s\; \backslash omega\; =\; S\; e$

위의 관계식들을 통하여 삼상도에서 V_s = 1이라고 볼 경우, 삼상도의 각 요소들은 다음과 같이 요약할 수 있다.

* $V\_w\; =\; \backslash frac\{S\backslash cdot\; e\}\{100\}$
* $V\_v\; =\; e$
* 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

흙 시료에 물이 포함되었는지, 수중에 흙 시료가 있는지 등 상황에 따라 단위중량은 여러 가지로 정의된다.

; 전체단위중량(total unit weight) 또는 습윤단위중량(moist unit density)
: 공기 중에 있는 습윤 상태의 흙 시료 단위중량을 전체단위중량 또는 습윤단위중량이라고 한다.
:$\backslash gamma\_t\; =\; \backslash frac\{W\}\{V\}\; =\; \backslash frac\{W\_s\; +\; W\_w\}\{V\}\; =\; \backslash frac\{W\_s\; (1\; +\; W\_w/W\_s)\}\{V\}\; =\; \backslash frac\{W\_s\; (1+\backslash omega)\}\{V\}\; =\; \backslash frac\{G\_s\; +\; Se\}\{1+e\}\; \backslash gamma\_w$

; 건조단위중량(dry unit weight)
: 건조되어 물이 없는 경우의 흙 시료 단위중량을 건조단위중량이라고 한다.
:$\backslash gamma\_d\; =\; \backslash frac\{W\_s\}\{V\}\; =\; \backslash frac\{G\_s\; \backslash gamma\_w\}\{1+e\}\; =\; \backslash frac\{\backslash gamma\_t\}\{1+\backslash omega\}$

; 포화단위중량(saturated unit weight)
: 공극이 모두 물로 채워져 있을 때 단위중량을 포화단위중량이라고 한다.
:$\backslash gamma\_\{sat\}\; =\; \backslash frac\{W\}\{V\}\; =\; \backslash frac\{W\_s\; +\; W\_w\}\{V\}\; =\; \backslash frac\{G\_s\; \backslash gamma\_w\; +\; \backslash omega\; G\_s\; \backslash gamma\_w\}\{1+e\}\; =\; \backslash frac\{G\_s\; \backslash gamma\_w\; +\; S\; e\; \backslash gamma\_w\}\{1+e\}\; =\; \backslash frac\{G\_s\; +\; e\}\{1+e\}\backslash gamma\_w$

; 수중단위중량(submerged unit weight)
: 지하수위 아래에 있는 흙의 단위중량을 수중단위중량이라고 한다. 지하수위 아래에 있는 흙은 부력을 받기 때문에, 포화단위중량보다 가벼워져야 하므로 포화단위중량에서 물의 단위중량을 빼준다.
:$\backslash gamma\_\{sub\}\; =\; \backslash gamma\_\{sat\}\; -\; \backslash gamma\_w\; =\; \backslash frac\{G\_s\; +\; e\}\{1+e\}\backslash gamma\_w\; -\; \backslash gamma\_w\; =\; \backslash frac\{G\_s\; -\; 1\}\{1+e\}\backslash gamma\_w$

4.5. 토양 수분

토양의 함수율은 부피 또는 무게로 측정할 수 있다. 토양 수분 수준은 함수율 감소 순서대로 포화, 포장 용수량, 위조점, 기건, 전건 상태가 있다. 포장 용수량은 물 함량이 중력과 평형을 이루는 시점에서 배수된 젖은 토양을 설명한다. 포장 용수량 이상으로 토양에 관개하면 침투 손실의 위험이 있다. 위조점은 식물이 자랄 수 있는 건조 한계를 설명한다. 생육기 동안 토양 수분은 기능 그룹이나 종 풍부도에 영향을 받지 않는다.

유효 수분 용량은 식물이 사용할 수 있는 토양 프로파일에 포함된 물의 양이다. 물 함량이 감소함에 따라 식물은 물을 추출하기 위해 부착력과 흡수성의 증가하는 힘에 저항해야 한다. 관개 일정은 스트레스가 유발되기 전에 고갈된 물을 보충하여 수분 스트레스를 방지한다.

모세관 현상은 토양의 습한 지역에서 건조한 지역으로 지하수를 이동시키는 역할을 한다. 지하 관개 설계(예: 심지형 침대, 지하 관개 화분)는 식물 뿌리에 물을 공급하기 위해 모세관력에 의존한다. 모세관 현상은 염분의 증발 농축을 초래하여 염분화를 통해 토지 황폐화를 유발할 수 있다.

토양 수분 측정—토양의 수분 함량을 측정하는 것은 부피 또는 무게로 표현될 수 있으며—현장 프로브(예: 정전 용량 프로브, 중성자 프로브) 또는 원격 감지 방법을 기반으로 할 수 있다. 토양 수분 측정은 토양 활동의 변화를 결정하는 중요한 요소이다.

물 분자의 수소 원자가 흙 입자의 산소 원자와 결합하는 힘(분자간력)이 다른 물 분자의 산소 원자와 결합하는 힘보다 강할 때, 물은 토양에 유지된다. 포화된 물로 현장이 범람하면 토양의 공극은 완전히 물로 채워진다. 현장에서는 포장 용수량까지 중력에 의한 배수가 진행되고, 작은 공극은 물로 채워지고 큰 공극은 물과 가스로 채워지게 된다. 포장 용수량은 흙 입자의 비표면적에 의존한다. 따라서, 점토질 토양이나 유기물이 많은 토양에서는 포장 용수량이 크다. 순수한 물을 기준으로 할 때 물의 단위 체적당 포텐셜 에너지의 상대값을 수분 포텐셜이라고 한다. 총 수분 포텐셜은 모관력(흙 입자와 물 사이의 표면 장력)에 의해 발생하는 매트릭 포텐셜, 염성 토양에서는 삼투압에 의한 삼투 포텐셜, 수직 방향의 물 이동을 다룰 때 위치 에너지에 의한 중력 포텐셜의 합이다. 토양의 수분 포텐셜은 일반적으로 음수 값이므로 수분 포텐셜의 마이너스로 정의되는 서션(흡인압)으로도 표현된다. 서션은 양수 값이며, 토양에서 물을 제거하는 데 필요한 힘으로 간주할 수 있다. 수분 포텐셜과 서션의 단위는 kPa(10³ Pa), bar (100 kPa), cm H₂O (약 0.098 kPa)이다. 서션(cm H₂O)의 상용 로그는 pF라고 한다. 따라서 pF 3 = 1000 cm = 98 kPa = 0.98 bar이다.

물이 토양에 결합하는 힘은 식물이 이용할 수 있는 정도를 결정한다. 흡착력은 물을 광물과 부식질의 표면에 강하게 결합시키고, 물끼리의 결합력은 그보다 작다. 식물의 뿌리는 토양에 흡착되어 있는 아주 작은 물이 있는 곳에 침투할 수 있다. 처음에는 약한 결합력에 의해 유지되는 물을 흡수할 수 있지만, 그러한 물방울이 흡수되어 사라짐에 따라 토양에 물이 흡착하는 힘의 세기는 표면 장력에 의해 서서히 큰 서션을 생성하게 되고, 마침내 1500 kPa (pF = 4.2)에 도달한다. 서션 1500 kPa에서의 토양 수분량을 영구 위조점이라고 한다. 식물은 증산으로 인해 물이 계속 손실되기 때문에 영구 위조점에서는 필요한 물을 얻을 수 없게 되어 식물의 팽압이 손실되어 시든다. 다만, 특히 건조에 대한 적응이나 순응이 있으면 기공이 닫히고 증산이 감소하여 영구 위조점에서 시들기까지의 시간을 늦출 수 있다. 더욱 건조해지면 서션 100 MPa (pF = 6)에서 풍건이 되고, 1000 MPa (pF = 7)에서 로건이 된다. 영구 위조점에서 남아 있는 물을 무효 수분량이라고 한다.

식물의 성장에 적합한 토양 수분량에서는 크고 중간 크기의 공극의 물이 토양을 이동하여 식물이 이용하기 쉬운 상태에 있다. 포장 용수량과 유효 수분량은 토양의 종류에 따라 다르다. 사질토는 보수량이 적고, 점토는 보수량이 가장 크다. 실트롬의 유효 수분량은 체적으로 20% 정도이며, 모래의 유효 수분량은 6% 정도이다.

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.

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.

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

홍수에 의해 하상의 투수성은 일시적으로 올라가, 대수층의 함양을 돕는다.

토양에 공급된 물은 압력 구배에 의해, 부분적으로 포화된 곳(물이 공급된 곳)에서, 불포화대와 같이 수분량이 더 적은 곳으로 이동한다. 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. 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, 그리고 매크로포어에서 마이크로포어를 향해 서션의 구배가 생긴다. 리처즈 방정식에 의해 불포화대에서의 물 이동을 기술할 수 있다. 불포화 수분 용질 이동의 해석은, Hydrus와 같은 소프트웨어에 불포화 수분 이동 함수(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. 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.

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. 물의 상승 이동과 용액의 재분배(수압 리프트 hydraulic lift)는 뿌리의 내피, 기공의 전도력에 의한 식물의 잎에서 제어되며, 뿌리와 줄기의 도관의 캐비테이션(거품 발생)에 의해 저해될 수 있으며, 엠볼리즘 (xylem embolism)이라고도 한다. 게다가, 식물 뿌리의 높은 염분 농도는 토양수에서 식물 뿌리를 향하는 삼투압 기울기를 만든다. 삼투압에 의한 흡수는 밤과 같은 저온일 때와 습도가 높아서 증산이 적을 때 중요하며, 고온과 저습도일 때는 그 반대이다. 각각 일액 현상과 시듦의 원인이 된다.

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. 뿌리의 구조, 즉 공간적인 뿌리의 배치는, 식물의 물과 영양의 가용성에 대한 순응과, 그 결과로서의 식물의 생산성에 중요한 역할을 한다.

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. 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. 증발산량과 식물에 보존되는 물의 양의 합은 소비 이용량(consumptive use)이며, 증발산량과 거의 같다.

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. 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. 토양의 화학적 특성은 광물 및 유기 콜로이드의 표면 화학에 의해 결정된다. 콜로이드는 1 나노미터에서 1 마이크로미터 사이의 작고 불용성인 입자로, 브라운 운동에 의해 유체 매질에서 부유 상태를 유지할 수 있다. 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. 낮은 양이온 교환 용량(CEC)을 가진 콜로이드는 어느 정도의 AEC를 가지는 경향이 있다. 비정질 및 세스퀴옥사이드 점토가 가장 높은 AEC를 가지며, 그 다음은 산화철이다. AEC의 수준은 가변 전하 토양을 제외하고 토양 콜로이드의 일반적으로 더 높은 비율의 양전하(음전하 대비) 표면 때문에 CEC보다 훨씬 낮다. 인산염은 음이온 교환 부위에 유지되는 경향이 있다.

수산화철 및 수산화알루미늄 점토는 수산화 음이온(OH⁻)을 다른 음이온과 교환할 수 있다. 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.

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

토양 단면에 발달하는 색의 분포는 화학적 및 생물학적 풍화, 특히 산화 환원 반응에 의한 것이다. 토양의 모재의 일차 광물이 풍화되면, 원소는 새로운 다양한 색의 화합물이 된다. 철은 노란색 또는 빨간색의 이차 광물이 되고, 유기물은 검은색과 갈색의 부식이 되며, 망가니즈와 유황은 검은 침전물을 형성한다.

=== 양이온 및 음이온 교환 ===
, , , 문단이 중복되므로 삭제.
=== 반응성(pH) ===
문단이 중복되므로 삭제.
=== 염기 포화도 ===
문단이 중복되므로 삭제.
=== 완충 작용 ===
문단이 중복되므로 삭제.
=== 산화 환원 ===
문단이 중복되므로 삭제.

5.1. 양이온 및 음이온 교환

흙의 콜로이드 입자는 음전하 또는 양전하를 띠어, 각각 양이온 또는 음이온을 표면에 유지한다. 이러한 전하는 다음 네 가지 원인에서 비롯된다.

# 동형 치환: 점토 형성 과정에서 낮은 전하의 양이온이 높은 전하의 양이온을 대체한다. 전하 세기는 거리의 제곱에 반비례하므로, 가장 바깥 층에서의 치환이 효과적이다. 결과적으로 음전하를 띤 산소 원자가 생성되어 양이온을 끌어당긴다.
# 점토 가장자리의 산소 원자는 사면체 및 팔면체 구조가 불완전하여 이온 균형을 이루지 못한다.
# 수산기가 실리카 층의 산소를 대체하는 수산화 과정에서, 점토 수산기의 수소가 이온화되면 산소는 음전하를 띤다 (음이온성 점토).
# 부식질 수산기 그룹의 수소가 용액으로 이온화되면, 점토와 유사하게 산소에 음전하가 남는다.

음전하를 띤 콜로이드에 유지된 양이온은 물에 씻겨 내려가지 않고 식물 뿌리가 접근할 수 있어, 적절한 강수량과 낮은 기온 지역에서 토양 비옥도를 유지한다.

콜로이드에서 양이온 교환 과정에는 계층 구조가 존재하며, 양이온은 흡착 강도에 따라 서로를 대체하는 능력이 다르다(이온 교환). 토양 수용액에 동일한 양으로 존재할 경우, 다음과 같은 순서로 대체가 일어난다.

:Al³⁺ > H⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺ > K⁺와 > Na⁺

다량의 양이온이 첨가되면 질량 작용의 법칙에 따라 다른 양이온을 대체할 수 있다. 이는 양이온성 비료(칼륨 비료, 석회) 첨가 시 주로 발생한다.

토양 용액이 산성화되면(낮은 pH), 콜로이드에 약하게 결합된 양이온은 수소 이온에 의해 용액으로 밀려난다(양성자화). 낮은 pH는 수산기의 수소를 용액으로 유입시켜 콜로이드에 전하를 띤 부위를 만들고, 이는 다른 양이온에 의해 점유될 수 있다. 토양 콜로이드 표면 수산기의 이온화는 pH 의존적 표면 전하로 설명된다. 동형 치환에 의한 영구 전하와 달리, pH 의존적 전하는 가변적이며 pH 증가에 따라 증가한다. 해방된 양이온은 식물이 이용할 수 있지만 토양에서 용탈되기 쉬워 비옥도를 감소시킬 수 있다. 식물은 유기산 합성을 통해 H⁺를 토양으로 배출하여 뿌리 근처 토양 pH를 변화시키고, 콜로이드에서 양이온을 밀어내어 이용한다.

양이온 치환 용량(CEC)은 토양이 양이온을 토양 수용액에서 제거하여 나중에 식물 뿌리가 수소 이온을 방출할 때 교환할 수 있도록 격리하는 능력이다. CEC는 100g의 건조 토양과 결합하는 교환성 수소 양이온(H⁺)의 양이며, 측정 단위는 토양 100g당 1밀리당량(1 meq/100g)이다. 현대적 측정 단위는 킬로그램(cmol/kg)의 오븐 건조 토양당 양전하 센티몰이다.

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

5.2. 반응성 (pH)

토양 반응성은 pH로 표현되며, 이는 토양의 산성 또는 염기성을 측정하는 척도이다. 더 정확하게는 수용액 내 하이드로늄 이온의 농도를 측정하는 것이며, 값의 범위는 0에서 14까지(산성에서 염기성)이지만, 토양의 경우 실질적으로 pH는 3.5에서 9.5 사이이며, 그 범위를 벗어나는 pH 값은 생명체에 유독하다.

25 °C에서 pH가 3.5인 수용액은 리터당 10^−3.5 몰의 H₃O⁺(하이드로늄 이온)을 갖는다(또한 리터당 10^−10.5 몰의 OH⁻). 중성으로 정의되는 pH 7은 리터당 10⁻⁷ 몰의 하이드로늄 이온과 리터당 10⁻⁷ 몰의 OH⁻을 갖는다. 두 농도가 같으므로 서로 중화된다고 한다. pH 9.5는 리터당 10^−9.5 몰의 하이드로늄 이온을 갖는다(또한 리터당 10^−2.5 몰의 OH⁻). pH 3.5는 pH 9.5인 용액보다 리터당 100만 배 더 많은 하이드로늄 이온을 가지고 있으며(9.5 − 3.5 = 6 또는 10⁶) 더 산성이다.

pH가 토양에 미치는 영향은 토양에서 특정 이온을 제거하거나 이용 가능하게 만드는 것이다. 산도가 높은 토양은 알루미늄과 망가니즈를 독성 수준으로 함유하는 경향이 있다. 독성과 필요성의 상충 관계의 결과로, 대부분의 영양분은 적절한 pH에서 식물에 더 잘 이용 가능하지만, 대부분의 광물은 산성 토양에서 더 잘 용해된다. 토양 유기체는 높은 산도에 의해 방해를 받으며, 대부분의 작물은 pH 6.5의 광물 토양과 pH 5.5의 유기 토양에서 가장 잘 자란다. 낮은 pH에서 독성 금속(예: 카드뮴, 아연, 납)은 양이온으로 양전하를 띠고 유기 오염 물질은 비이온 형태로 존재하므로 둘 다 유기체에 더 쉽게 이용 가능하게 된다는 점을 고려할 때, 산성 토양에서 흔히 서식하는 식물, 동물 및 미생물은 자연적 또는 인위적 기원의 모든 종류의 오염에 사전 적응되어 있다는 주장이 제기되었다.

강우량이 많은 지역에서는 일반적이거나 비정상적인 산성비의 하이드로늄 이온이 토양 콜로이드에 부착된 이온에 대해 작용하여 염기성 양이온이 토양에서 제거되면서 토양이 산성화되는 경향이 있다. 높은 강우량은 영양분을 씻어내어, 열대 우림과 같이 매우 산성 조건에서 영양분 흡수에 특히 효율적인 유기체만 토양에 남게 한다. 콜로이드가 H₃O⁺로 포화되면 더 많은 하이드로늄 이온 또는 알루미늄 수산화 양이온이 추가되어 pH가 더욱 낮아진다(더 산성). 토양이 완충 능력을 상실했기 때문이다. 극심한 강우량과 고온 지역에서는 점토와 부식이 씻겨 나가 토양의 완충 능력이 더욱 감소할 수 있다. 강우량이 적은 지역에서는 용탈되지 않은 칼슘이 pH를 8.5까지 올리고, 교환성 나트륨이 첨가되면 토양이 pH 10에 도달할 수 있다. pH가 9를 넘으면 식물 성장이 감소한다. 높은 pH는 미량 영양소 이동성을 감소시키지만, 그러한 영양소의 수용성 킬레이트가 부족을 교정할 수 있다. 나트륨은 석고(황산칼슘)를 첨가하여 감소시킬 수 있는데, 칼슘은 나트륨보다 점토에 더 단단히 부착되어 나트륨을 토양 수용액으로 밀어내어 다량의 물로 씻어낼 수 있기 때문이다.

5.3. 염기 포화도

음전하를 띤 토양 콜로이드 교환 부위(CEC)에서 염기성 양이온이 차지하는 비율을 염기 포화도라고 한다. 만약 토양의 CEC가 20 meq이고 5 meq가 알루미늄 및 하이드로늄 양이온(산성 형성)이라면, 콜로이드의 나머지 위치(20 - 5 = 15 meq)는 염기성 양이온이 차지하고 있는 것으로 간주하여 염기 포화도는 15 ÷ 20 × 100% = 75%가 된다(나머지 25%는 산성 형성 양이온으로 추정). 염기 포화도는 pH와 거의 정비례하며(pH가 증가함에 따라 증가한다). 이는 산성 토양을 중화하는 데 필요한 석회 양(석회 요구량)을 계산하는 데 유용하다. 토양을 중화하는 데 필요한 석회 양은 토양 수용액에 있는 것(유리 산도)뿐만 아니라 콜로이드에 있는 산성 형성 이온의 양(교환성 산도)을 고려해야 한다. 토양 수용액을 중화하기에 충분한 석회를 첨가하는 것으로는 pH를 변경하기에 충분하지 않다. 왜냐하면 토양 콜로이드에 저장된 산성 형성 양이온이 첨가된 석회의 칼슘에 의해 콜로이드에서 밀려나면서 원래의 pH 조건을 복원하려는 경향이 있기 때문이다.

5.4. 완충 작용

콜로이드와 토양수 사이에서 일어나는 양이온 교환은 토양 완충 작용을 하여 토양 pH를 조절하고, 토양 구조를 변경하며, 유익하고 유해한 모든 종류의 양이온을 흡착하여 침투하는 물을 정화한다.

콜로이드 입자의 음전하 또는 양전하는 각각 양이온 또는 음이온을 표면에 유지할 수 있게 한다. 이러한 전하는 네 가지 원인에서 비롯된다.

# 동형 치환은 점토가 형성되는 동안 발생하며, 이때 저가의 양이온이 결정 구조 내 고가의 양이온을 대체한다. 가장 바깥 층에서의 치환이 가장 안쪽 층에서의 치환보다 효과적인데, 전하 세기가 거리의 제곱에 반비례하여 감소하기 때문이다. 결과적으로 순 음전하를 띠는 산소 원자가 생기며 양이온을 끌어당기는 능력이 생긴다.
# 점토 가장자리의 산소 원자는 사면체 및 팔면체 구조가 불완전하므로 이온적으로 균형을 이루지 못한다.
# 수산기는 실리카 층의 산소를 대체할 수 있으며, 이를 수산화라고 한다. 점토 수산기의 수소가 용액으로 이온화되면 산소는 음전하를 띠게 된다(음이온성 점토).
# 부식질 수산기 그룹의 수소도 용액으로 이온화될 수 있으며, 점토와 유사하게 산소에 음전하를 남긴다.

음전하를 띤 콜로이드에 유지된 양이온은 물에 의해 아래로 씻겨 내려가는 것을 방지하며 식물 뿌리가 접근할 수 없는 곳에 위치하여, 적당한 강수량과 낮은 기온 지역에서 토양 비옥도를 유지한다.

콜로이드에서 양이온 교환 과정에는 계층 구조가 존재하며, 양이온은 콜로이드에 의한 흡착 강도가 다르기 때문에 서로를 대체하는 능력이 다르다(이온 교환). 토양 수용액에 동일한 양으로 존재할 경우, Al³⁺는 H⁺를, H⁺는 Ca²⁺를, Ca²⁺는 Mg²⁺를, Mg²⁺는 K⁺와 NH₄⁺를, K⁺와 NH₄⁺는 Na⁺를 대체한다.

하나의 양이온이 다량으로 첨가되면 단순히 숫자의 힘으로 다른 양이온을 대체할 수 있다. 이를 질량 작용의 법칙이라고 한다. 이는 양이온성 비료 (칼륨 비료, 석회)의 첨가로 주로 발생한다.

토양 용액이 더욱 산성화되면(낮은 pH, 즉 H⁺가 풍부함), 콜로이드에 약하게 결합된 다른 양이온은 수소 이온이 교환 부위를 차지함에 따라 용액으로 밀려난다(양성자화). 낮은 pH는 수산기 내 수소가 용액으로 유입되어 콜로이드에 전하를 띠는 부위가 다른 양이온에 의해 점유될 수 있도록 할 수 있다. 토양 콜로이드 표면의 수산기의 이러한 이온화는 pH에 따라 달라지는 표면 전하로 설명된다. 동형 치환에 의해 발생한 영구 전하와 달리, pH 의존적 전하는 가변적이며 pH가 증가함에 따라 증가한다. 해방된 양이온은 식물에 이용될 수 있지만 토양에서 용탈되기 쉬우며, 토양의 비옥도를 감소시킬 수도 있다. 식물은 유기산의 합성을 통해 토양으로 H⁺를 배출하여 뿌리 근처의 토양 pH를 변화시키고, 콜로이드에서 양이온을 밀어내어 식물이 이용할 수 있도록 한다.

산성 양이온(예: 히드로늄, 알루미늄, 철)과 염기성 양이온(예: 칼슘, 마그네슘, 나트륨)이 있다. 음전하를 띤 토양 콜로이드 교환 부위(CEC)에서 염기성 양이온이 차지하는 비율을 염기 포화도라고 한다. 만약 토양의 CEC가 20 meq이고 5 meq가 알루미늄 및 히드로늄 양이온(산성 형성)이라면, 콜로이드의 나머지 위치(20 - 5 = 15 meq)는 염기성 양이온이 차지하고 있는 것으로 간주하여 염기 포화도는 15 ÷ 20 × 100% = 75%가 된다(나머지 25%는 산성 형성 양이온으로 추정). 염기 포화도는 pH와 거의 정비례하며(pH가 증가함에 따라 증가한다). 이는 산성 토양을 중화하는 데 필요한 석회 양(석회 요구량)을 계산하는 데 유용하다. 토양을 중화하는 데 필요한 석회 양은 토양 수 용액에 있는 것(유리 산도)뿐만 아니라 콜로이드에 있는 산성 형성 이온의 양(교환성 산도)을 고려해야 한다. 토양 수 용액을 중화하기에 충분한 석회를 첨가하는 것으로는 pH를 변경하기에 충분하지 않다. 왜냐하면 토양 콜로이드에 저장된 산성 형성 양이온이 첨가된 석회의 칼슘에 의해 콜로이드에서 밀려나면서 원래의 pH 조건을 복원하려는 경향이 있기 때문이다.

5.5. 산화 환원

토양의 대기, 즉 토양 기체는 상공의 대기와 매우 다르다. 미생물과 식물 뿌리가 산소를 소비하고 이산화탄소를 배출하면서 산소 농도는 감소하고 이산화탄소 농도는 증가한다. 대기 중 이산화탄소 농도는 0.04%이지만, 토양 공극 공간에서는 10~100배에 달할 수 있으며, 이는 뿌리 호흡을 억제할 수 있다. 석회질 토양은 탄산염 완충제를 통해 이산화탄소 농도를 조절하지만, 산성 토양에서는 호흡으로 발생한 이산화탄소가 토양 공극에 축적된다. 극단적인 수준에서 이산화탄소는 독성을 띤다. 이는 뿌리와 미생물 호흡(또는 토양 호흡)에 대한 억제 효과를 통해 토양 이산화탄소 농도를 조절하는 음성 피드백이 있을 수 있음을 의미한다.

토양 공극은 최소한 최대 흡습성 지점까지 수증기로 포화되며, 이를 넘어서면 토양 공극 공간에 증기압 결핍이 발생한다. 적절한 다공성은 물의 침투뿐만 아니라 가스가 안팎으로 확산되도록 하는 데에도 필요하다. 가스 이동은 고농도에서 저농도로 확산되며, 확산 계수는 토양 다짐에 따라 감소한다. 대기 중 산소는 토양으로 확산되어 소비되고, 대기보다 과도한 이산화탄소는 다른 가스(예: 온실 가스) 및 물과 함께 외부로 확산된다.

토양 입자와 토양 구조는 토양 다공성과 가스 확산에 큰 영향을 미친다. 가스가 토양 안팎으로 확산되는 속도는 기공 크기가 아닌 토양의 총 공극 공간(다공성)과 기공 상호 연결 정도(또는 반대로 기공 밀폐), 수분 함량, 공기 난류, 온도에 의해 결정된다. 판상 토양 구조와 토양 다짐(낮은 다공성)은 가스 흐름을 방해하며, 산소 결핍은 혐기성 박테리아가 질산염(NO₃)에서 N₂, N₂O 및 NO 가스로 산소를 제거하여 토양에서 질소를 고갈시키는 탈질화라는 유해한 과정을 촉진할 수 있다. 통기된 토양은 메탄(CH₄)의 순 흡수원이지만, 토양에 산소가 고갈되고 온도가 상승하면 메탄(강력한 열 흡수 온실 가스)의 순 생산원이 된다.

토양 대기는 뿌리, 박테리아, 곰팡이, 동물과 같은 다양한 토양 유기체에서 이산화탄소 및 질소 산화물 외의 휘발성 물질 배출이 일어나는 곳이기도 하다. 이러한 휘발성 물질은 화학적 신호로 사용되어 토양 대기를 토양 생태계의 안정성, 역학 및 진화에 결정적인 역할을 하는 상호 작용 네트워크의 장으로 만든다. 생물 기원 물질 토양 휘발성 유기 화합물은 상공 대기와 교환되며, 이는 상공 식생에서 방출되는 양보다 1~2배 정도 낮다.

인간은 가뭄 기간 후 침투하는 빗물이 전체 토양 대기를 씻어내거나 토양을 굴착할 때 '비 온 후' 냄새를 통해 토양 대기에 대한 어느 정도의 아이디어를 얻을 수 있으며, 이는 환원주의 방식으로 페트리코 또는 지오스민과 같은 특정 생화학적 화합물에 기인하는 일괄적인 특성이다.

토양 단면에 발달하는 색의 분포는 화학적 및 생물학적 풍화, 특히 산화 환원 반응에 의한 것이다. 토양의 모재의 일차 광물이 풍화되면, 원소는 새로운 다양한 색의 화합물이 된다. 철은 노란색 또는 빨간색의 이차 광물이 되고, 유기물은 검은색과 갈색의 부식이 되며, 망가니즈와 유황은 검은 침전물을 형성한다.

6. 토양 내 영양소

Nutrient^영어은 식물에 영양분을 공급하며, 대부분은 점토와 유기물(콜로이드) 입자에 의해 유지된다. 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.

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).

질소를 제외한 대부분의 식물 영양분은 토양 모재를 구성하는 광물에서 유래한다. 일부 질소는 희석된 질산과 암모니아 형태로 비에서 유래하며, 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. 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.

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. 콜로이드는 크기가 1 나노미터에서 1 마이크로미터 사이의 작고 불용성인 입자이며, 침강 없이 유체 매질에서 브라운 운동에 의해 부유 상태를 유지할 수 있을 만큼 작다. 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. 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. 살아있는 식물 뿌리 또한 특정 표면적과 관련된 약간의 CEC를 가지고 있다.

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, 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. 따라서 식물 성장을 최적화하려면 토양 용액의 특정 영양소 비율이 필수적이며, 이는 식물 구성에서 계산된 영양소 비율과 다를 수 있다.

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.

그램당 부식토의 영양소와 물을 보유하는 능력은 점토 광물보다 훨씬 크며, 대부분의 토양 양이온 교환 능력은 유기물에 있는 하전된 카르복실산 그룹에서 발생한다. 그러나 물을 충분히 흡수하면 부식토는 물을 유지하는 능력이 뛰어나지만, 건조되면 높은 소수성으로 인해 습윤성이 감소한다. 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, 기후 변화에 민감하게 반응하는 요소 중 하나이다. 지구 온난화가 진행됨에 따라, 흙은 토양 내 생물 활동량 증가로 인해 대기에 이산화탄소를 더할 것으로 예측되었지만, 토양 탄소의 회전율에 대한 최신 지식을 고려하면 의문이 제기된다.

흙은 공학적 매체, 토양 생물의 서식지, 영양분과 유기 폐기물의 재활용 시스템, 수질 조절자, 대기 구성 변경자, 식물 성장 매체로 작용한다. 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. 흙의 원핵생물 평균 밀도는 1그램당 10⁸개 정도인 반면, 해양은 1밀리리터(그램)당 10⁷개 이하이다. 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. 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.

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

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. 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.

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

시간이 지나면, 분화되지 않은 토양은 토양 프로필을 형성하며, 이를 토양층이라 한다. 토양층은 토성, 구조, 밀도, 다공성, 점착성, 온도, 색상, 반응성 등에서 차이를 보인다. 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. 페돈은 휴미페돈(생물학적 부분), 코페돈(광물 풍화 부분), 리토페돈(하층토 접촉 부분)으로 나뉜다.

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

물은 토양 발달의 중요한 작용제이다. 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.

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

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

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

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

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. 현무암 광물은 Goldich 용해 시리즈에 따라 빠르게 풍화된다. 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, 유기물과 광물 토양을 축적한다. 초기 토양 발달은 화산, 인젤베르크, 빙하 퇴적물에서 설명되었다.

토양 형성은 모재, 기후, 지형, 유기체, 시간에 영향을 받는다. (CROPT).

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. 모든 프로파일이 모든 층위를 갖는 것은 아니다. 엔티솔은 층위가 없거나 하나만 있다. 모레인, 화산 원추, 사구, 충적 평원에서 발생한 초기 토양이다. 침식으로 상부 토양층이 손실될 수 있다. 나무 성장도 교란 원인이다. 토양층은 과거 사건을 기록한다. 꽃가루, 유각 아메바, 식물 잔해는 환경 변화를 밝힌다. 방사성 탄소 연대 측정법 등으로 연대 측정이 가능하다. 고토양 화석 토양층은 과거 환경 연구에 활용된다.

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

토양은 구성 성분 공급/소실 양식에 따라 층을 이룬다. 토양층은 평행 경계를 가진 층이다.

식물 유해 등 조대유기물이 표층에 쌓이면 O층(Organic층)이다. O층 아래에는 흑색층(A층)이 있다. 유기물에 의한 흑색화가 불충분하고 풍화된 광물질 층은 B층, 풍화가 덜 된 암석층(모암)은 C층, 미풍화 암반층은 R층이다.

토양층은 토양을 분류하기 위한 중요한 지표이다.

일본 고고학의 "토층"은 토양학적 토양층과 다르다.

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. 고대 이집트는 나일강의 홍수로 운반된 비옥한 토양을 이용해 농업을 발전시켰고, 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.

일본의 토양 분류 체계는 다음과 같다.

9.1. 국제적 토양 분류

최초의 토양 분류 체계 중 하나는 1880년경 러시아 과학자 바실리 도쿠차예프에 의해 개발되었다. 이 체계는 미국과 유럽 연구자들에 의해 여러 번 수정되었으며, 1960년대까지 일반적으로 사용되는 체계로 발전했다. 이 체계는 토양이 토양을 형성하는 재료와 요인에 따라 특정 형태를 갖는다는 아이디어를 기반으로 했다. 1960년대에는 부모 물질과 토양 형성 요인 대신 토양 형태에 초점을 맞춘 다른 분류 체계가 등장하기 시작했다. 이후 이 체계는 더 많은 수정 과정을 거쳤다. 토양 자원 세계 기준은 토양 분류에 대한 국제 기준을 확립하는 것을 목표로 한다.

도쿠차예프는 토양을 5가지 요인(토양 생성 요인)에 기초하여 기후와 그에 따른 식생의 영향을 강하게 받는 대지 토양과 모암이나 지형 등의 영향을 강하게 받아 국지적으로 보이는 간대 토양(비대지성 토양), 그 중간적인 대지 내성 토양으로 분류했다.

대지 토양은 주로 다음과 같이 분류된다.

* 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

간대 토양에는 지중해 연안의 테라로사나 브라질 고원의 테라 로샤, 데칸 고원의 레구르, 그 외에 이탄토 등이 있다.

1960년대에는 토양 생성 요인이 아니라 토양 형태학(en)에 기초하여 토양을 분류한다는 생각에 의한 다른 분류 체계가 생겨났다. 국제 연합 식량 농업 기구(FAO)는 세계 토양도를 만들기 위해 세계의 토양을 분류하는 FAO 토양 분류(en)를 만들었다. 또한 미국 농무부(USDA)는 USDA 토양 분류(en)를 작성했다. 이 두 가지가 세계의 토양 분류로 국제적으로 널리 사용되었지만, 현재 국제적인 표준이 되고 있는 토양 분류는 국제 토양 과학 연합(en)이 정하는 세계 토양 자원 참조 기준(World Reference Base for Soil Resources)이다.

9.2. 대한민국의 토양 분류

대한민국의 토양은 국토 대부분이 오래된 암석층으로 구성되어 있고, 여름철 집중호우로 인해 침식이 심하며, 유기질이 적은 특징을 보인다. 또한, 염기성 토양보다는 산성 토양이 넓게 분포하며, 특히 남부 지방에서 산성도가 강하다. 산성 토양은 농작물 생장에 불리하므로, 화학 비료 사용을 줄이고 유기질 비료를 많이 사용하는 것이 중요하다.

대한민국의 토양 분포는 기후대 및 식물대와 대응하여 나타난다. 북쪽에서 남쪽으로 가면서 포드졸토, 회갈색삼림토, 갈색삼림토, 황갈색토, 적색토 순으로 분포한다.

* 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.

이 외에도 두만강 하류 지역의 과우 지역에는 반건조성 토양인 흑토(黑土)가 분포한다.

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.

토양 물질은 채광, 건설, 조경 개발 산업에서도 중요한 구성 요소이다. 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.

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

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. 토양 유기체는 이들을 대사하거나 그들의 생물체 및 네크로매스에 고정시킨다.

11. 토양의 열화

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

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.

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. 토양 유기물과 토양 광물은 폐기물을 흡착하여 독성을 감소시킬 수 있지만, 콜로이드 형태일 때는 흡착된 오염 물질을 지하 환경으로 수송할 수 있다. 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.

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. 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.

사막화는 건조 및 반건조 지역의 생태계가 악화되는 환경 과정으로, 과도한 방목이나 장작의 과도한 채취와 같이 부적절한 인간 활동으로 인해 자주 발생한다. 가뭄이 사막화를 유발한다는 오해가 흔히 있지만, 가뭄은 건조 및 반건조 지역에서 흔히 발생한다. 잘 관리된 토지는 비가 다시 내리면 가뭄에서 회복될 수 있다. 토양 관리 도구에는 토양 영양분 및 유기물 수준 유지, 경운 감소 및 피복 증가가 포함된다. 이러한 관행은 침식을 제어하고 수분이 있을 때 생산성을 유지하는 데 도움이 된다. 그러나 가뭄 동안 토지 남용이 지속되면 토지 황폐화가 증가한다. 주변 토지에 대한 인구 및 가축 압력 증가는 사막화를 가속화한다. 현재의 기후 온난화가 사막화에 유리할지 불리할지는 의문시되고 있으며, 온도 상승과 관련된 예측 강수량 추세에 대한 상반된 보고서와 동일한 국가 내에서도 지역 간의 심각한 불일치가 존재한다.

흙의 침식은 물, 바람, 얼음, 그리고 중력에 의한 이동에 의해 발생한다. 둘 이상의 침식이 동시에 발생할 수 있다. 침식은 침식된 흙을 원래 장소에서 멀리 운반한다는 점에서 풍화 작용과 구별된다(이동 중인 흙은 퇴적물로 묘사될 수 있다). 침식은 본질적인 자연 과정이지만, 많은 곳에서 특히 부적절한 토지 이용으로 인해 크게 증가한다. 여기에는 비가 많이 오거나 바람이 강하게 부는 시기에 토양을 노출시키는 농업 활동, 과도한 방목, 산림 벌채, 부적절한 건설 활동 등이 포함된다. 개선된 관리는 침식을 제한할 수 있다. 시행되는 토양 보전 기술에는 토지 이용 변경(예: 침식되기 쉬운 작물을 잔디 또는 기타 토양 결합 식물로 대체), 농업 작업의 시기 또는 유형 변경, 계단식 밭 건설, 침식 억제 덮개 재료 사용(덮개 작물 및 기타 식물 포함), 건설 중 교란 제한, 그리고 침식되기 쉬운 기간 및 가파른 경사면과 같은 침식되기 쉬운 장소에서의 건설 회피 등이 있다. 역사적으로 부적절한 토지 이용으로 인한 대규모 토양 침식의 가장 좋은 예는 1930년대에 미국과 캐나다의 대초원을 파괴한 풍식(소위 더스트 볼)이었는데, 당시 이민 농부들은 양국의 연방 정부의 권장으로 정착하여 원래의 단초지를 농작물과 소 사육으로 전환했다.

심각하고 장기적인 수침식 문제는 중국에서 황허 강 중류와 창장 강 상류에서 발생한다. 황허 강에서 매년 16억 톤 이상의 퇴적물이 바다로 흘러 들어간다. 퇴적물은 주로 중국 북서부의 황토 고원 지역에서 물 침식(계곡 침식)으로 인해 발생한다.

토양 파이핑은 토양 표면 아래에서 발생하는 특별한 형태의 토양 침식이다. 이것은 제방 및 댐 붕괴, 그리고 싱크홀 형성을 유발한다. 난류 흐름은 샘 흐름의 입구에서 시작하여 토양을 제거하고 지하 토양 침식이 상향으로 진행된다. 모래 비등이라는 용어는 활성 토양 파이프의 배출 끝부분의 모습을 설명하는 데 사용된다.

토양 염류화는 자유 염이 축적되어 토양과 식생의 농업적 가치를 저하시키는 현상을 말한다. 그 결과로 부식 피해, 식물 성장 감소, 식생 피복 및 토양 구조 손실로 인한 침식, 수질 문제(퇴적) 등이 발생한다. 염류화는 자연적 과정과 인위적 과정이 복합적으로 작용하여 발생한다. 건조한 환경은 염분 축적을 촉진하며, 특히 토양 모재가 염분이 많은 경우에 두드러진다. 건조 지역의 관개는 특히 문제가 된다. 모든 관개수에는 어느 정도의 염분 농도가 포함되어 있다. 관개, 특히 수로에서 물이 새거나 과도한 관개가 이루어지는 경우, 종종 지하 수위가 상승한다. 토지 표면이 염분이 있는 지하수의 모세관대 내에 있으면 급격한 염류화가 발생한다. 토양 염분 관리는 수위 조절과 세척을 통해 이루어지며, 이에는 더 많은 양의 관개수 사용과 타일 배수 또는 다른 형태의 지하 배수가 함께 사용된다.

토양 연구의 역사는 인간이 식량과 사료를 생산하기 위한 절박한 필요성과 밀접한 관련이 있다. 역사를 통틀어, 문명의 번영과 쇠퇴는 토양의 생산 능력에 달려 있었다고 여겨진다. 토양이 농업 생산을 지탱하는 힘을 '지력'이라고 하며, 고대 이집트 이래로 이집트 사회는 나일강의 홍수로 나일강 삼각주 등 유역으로 운반된 비옥한 토양을 사용하여 농업을 행하고 식량을 얻어왔다. 한편 인더스 문명, 메소포타미아 문명, 마야 문명, 아즈텍 문명 등의 멸망은 침식이나 염해와 같은 토양의 황폐화가 한 원인이 되었다.

고대 그리스의 역사가 크세노폰(기원전 450-355년)은 "땅에 자라는 어떠한 잡초라도 토양에 섞으면 똥과 마찬가지로 토양을 비옥하게 한다."라고 적었기 때문에, 녹비의 장점을 설명한 최초의 인물로 평가할 수 있다.

토양의 열화(en)는 인간 또는 자연에 의한 토지의 기능을 해치는 변화 과정이다. 토양 열화에는 토양 산성화(en), 토양 오염, 사막화, 침식, 염해가 포함된다.

농작물 생육과 수확으로 토양 중의 영양분이 감소하는 경우도 많다. 대책으로는 시비나, 토양에 유기물 등을 보급하는 다른 식물과의 윤작 등이 있다.

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.