토양 오염의 화학 | 토양의 조성

화학적 조성

토양을 구성하는 화학 성분 중 가장 많은 것은 규산(SiO₂)이다. 규산 다음의 것들은 반토(Al₂O₃), 산화철(Fe₂O₃), 석회(CaO), 고토(MgO), 소다(Na₂O), 칼리(K₂O)의 순으로 이들이 전체의 97% 정도를 차지한다. 그밖에는 TiO₂, MnO, P₂O₅, SO₃, H₂O 등이 있다.

 

토양은 지각의 풍화에 의하여 생성되었기 때문에 토양의 무기 성분은 지각의 무기성분과 거의 비슷하다. 다만 암석이 풍화되어 토양이 형성되는 동안 용해성이 큰 것은 용탈되어 적어지고 용해성이 작은 것은 상대적으로 증가되었기 때문에 토양에 함유된 무기성분들의 비율과 지각에 함유된 무기성분들의 비율에는 약간의 차이가 있다. 예를 들면 지각에서 산화철(Fe₂O₃)의 평균 함량은 약 3%인데 대표적인 풍화 퇴적물로 이루어진 충적토에서의 산화철 함량은 약 11% 이다.

 

대부분의 암석은 규산염 광물로 이루어졌기 때문에 풍화되면 다량의 모래를 남긴다. 토양 중의 모래 함량은 토양의 특성을 결정하는 매우 중요한 인자이다. 규산은 알루미나와 결합하여 점토의 중요 부분을 이룬다. 규산과 알루미나 성분의 비를 규반비(SiO₂/Al₂O₃)라 하는데 이것은 토양의 여러 가지 성질에 크게 영향을 준다. 규반비가 낮으면 토양이 매우 견고하여 경작지로서 부적합하게 된다.

 

알루미나는 규산과 결합하여 점토의 중요 부분을 이루지만 철은 알루미나보다 규산과 결합하는 힘이 약하기 때문에 규산과 결합한 것은 적고 대부분 산화물의 형태로 존재한다. 따라서 이 산화물의 형태로 존재하는 토양은 적색 또는 황색을 띠고 있어 토양이 적황색을 나타내는 원인이 된다. 제주도의 토양은 대부분 검은색을 띠고 있는데 이는 현무암 속에 들어 있는 마그네슘 때문이다. 암석의 생성 연대가 오래지 않아서 풍화에 의해 마그네슘이 충분히 용탈되지 않았기 때문이다.

 

석회, 고토, 칼리 및 나트륨은 규산과 결합하여 광물의 일부를 이루거나 치환성 이온으로 토양 교질물의 표면에 흡착되어 있다. 또 석회와 고토는 탄산염으로 존재하는데 우리나라에서처럼 산성이 된 토양에는 탄산염이 용탈되어 아주 적게 존재한다. 이들 이외에도 토양 중에 단지 미량만 존재하여도 작물의 생육에 영향을 주는 붕소, 구리, 코발트, 몰리브덴 등과 같은 미량 원소가 함유되어 있다.

 

 

물리적 조성

토양의 물리적 조성은 토양 입자의 크기로 구분한다. 그리고 토양은 입자의 크기를 입경에 의하여 몇 군으로 분류하고 있다. 토양 입자의 입경 구분에는 여러 방법이 있어 나라마다 조금씩 다르지만 일반적으로 국제토양학회의 분류 기준에 준한다(표 4 참조).

 

 

토양 중 2㎜ 이상의 입자를 체별하여 이것을 자갈(gravel)이라 하고 2㎜ 이하의 부분을 세토(fine soil)라 하여 이화학적 분석시료로 쓴다. 국제토양학회법에서는 입경 0.002㎜(2㎛) 이하의 입자는 이것을 다시 0.0002㎜ 이상과 이하로 세분하여 전자를 조점토, 후자를 세점토라고 부르고 있다. 토성은 토양의 양분 유지와 공급, 물과 공기의 공급, 식물의 생육 등과 밀접한 관계가 있다.

 

 

토양 속의 공기

토양 속의 공기는 우리가 숨쉬는 공간의 공기와 성분이 다르다. 해수면 높이에서 보통 건조한 공기 사이에는 약 21%의 산소와 0.03%의 이산화탄소가 포함되어 있다. 그러나 토양 속에서는 산소의 양이 15%까지 줄어들 수 있고 이산화탄소는 5% 이상으로 증가할 수도 있다. 이는 폐쇄된 공간에서 부분적으로 유기물질들이 산화되기 때문이다. 유기 물질 탄소는 산소와 결합하여 이산화탄소를 형성한다. 이렇게 이산화탄소의 농도가 증가하면 지하수가 산성을 띠게 된다.

 

 

 

토양 속의 물

토양 속의 물은 보통 세 가지 방법으로 보존된다. 물질 입자의 구조 속으로 흡수(absorbed)되기도 하고, 토양 입자의 표면에 흡착(adsorbed)되기도 하고 또 공기가 차 있던 틈새 공간을 차지할 수도 있다. 토양에서 물이 빠져나가는 방법은 네 가지가 있다. 식물이 대사 작용을 하는 동안 식물의 기공을 통하여 발산(transpire)되어 나가거나, 토양의 표면에서 증발되거나, 식물의 산출물(열매 등)로 이동하거나, 중력에 의해 심토(subsoil)와 하층부 암반까지 여과(percolation)과정으로 흘러 내려가는 것 등이다. 여과란 고체 입자들 틈새로 액체가 빠져나가는 것이다. 여과가 잘 되는 토양에서는 작은 틈새에 있는 물까지도 거의 다 자연스럽게 흘러서 빠져나간다.

 

토양의 여과는 토양 입자의 크기와 토양 구성 물질의 화학적인 조성에 따라 결정된다. 점토나 그보다 약간 굵은 입자인 미사의 경우 구성 입자의 크기가 작기 때문에 전혀 또는 거의 여과가 되지 않는 불 침투성의 덩어리로 뭉치는 경향이 있다. 물론 모래, 자갈 그리고 바위 등은 물을 쉽게 통과시킨다.

 

물은 대단히 많은 종류의 물질들을 용해시킬 수 있는 만능용매이므로 토양에서 생산성을 유지하는데 필요한 물질들마저 녹여 없앤다. 이를 용탈 효과(leaching effect)라고 하는데 토양을 통과하여 흐르는 물의 양이 너무 많을 때 나타나는 현상이다. 만일 용탈된 물질들을 다시 복원해주지 않으면 그 토양은 점차 생산력을 잃게 된다.

 

토양이 산성을 갖게 되는 이유는 토양 내 유기 물질들의 산화 때문이기도 하지만 토양을 흘러 지나가는 지하수가 선택적 용탈(selective leaching)을 하는 것도 한 원인이다. 알칼리족과 알칼리 토금속족의 염들은 Ⅲ족과 전이 금속의 염들보다 물에 더 잘 녹는다. 예를 들어 칼슘, 마그네슘, 철 그리고 알루미늄이 들어 있는 토양은 물에 의해 용탈되기 전에는 약 알칼리성 상태이다. 칼슘과 마그네슘의 염이 씻기어 나가고 철과 알루미늄만이 남게 되면 토양은 산성이 된다. 철과 알루미늄 이온들은 물의 수산기(-OH)와 결합하고 수소이온을 방출한다.

 

 

 

부식질

토양 속의 부식질(hurmus)은 동식물의 잔해들이 오래되고 부패하여 형성된 이탄(peat)으로부터 시작하여 광범위하고 다양하다. 이탄은 가연성 물질을 50% 이상 포함한 고도의 유기질 흙으로 석탄과 원유의 전 단계 물질이다. 부식질은 아주 오래 전에 형성된 것은 아니며 썩은 생물의 찌꺼기가 남아있는 흙이다. 그러나 잘 썩어서 흑색을 띠고 있으며 더 이상 분해되기는 어렵다. 식물의 영양원인 부식질은 마치 지효성 캡슐(time-release capsule)과 같다. 즉 양분들이 불용성 상태로 간직되어 있기 때문에 아주 서서히 방출된다는 뜻이다. 부식질은 궁극적으로 광물성 물질과 산화 무기물로 분해된다.

 

부식질은 식물의 영양원일 뿐만 아니라 양질의 토양 구조를 유지하는 데도 중요하다. 부식질이 많은 토양에는 5% 이상의 유기 물질이 풍부하게 있는 반면 우림 지역의 토양에는 부식질층이 지표면에만 얇게 깔려 있다.

 

농업인들의 주요 관심사는 토양의 부식질을 유지하는 일이다. 그러한 목적을 달성하기 위하여 토양에 이탄 이끼(peat moss) 또는 유기질 비료와 같은 부식질을 첨가하기도 한다. 그러나 자연의 식물이 자란 후 그것들이 다시 땅으로 돌아가서 형성되는 부식질에 비교 할 수는 없다. 천연의 부식질을 만들기 위한 목적으로 종종 클로버를 키워 다 자랐을 무렵에 그 땅을 뒤집어 놓는다. 농사일을 하는 사람들이 사용하는 부식질인 퇴비 더미도 토양의 생산력을 유지하기 위한 노력의 일환이다.

 

그러나 부식토 형성을 촉진하기 위해 식물의 잎이나 톱밥같은 유기 물질을 다량 토양에 뿌리면 이것들이 산화되면서 토양을 산성화시킬 수 있다는 사실을 염두에 두어야 한다. 산성 토양을 알칼리성으로 만들려면 석회석을 뿌려줄 필요가 있다. 석회석(CaCO₃)가루를 토양에 뿌리면 석회석의 탄산염 이온이 수소이온과 중탄산염 이온을 형성하여 pH를 증가시킨다.

 

 

 

 

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