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토양, 뿌리 그리고 미생물

<토양, 뿌리 그리고 미생물>

토양은 물리, 화학 그리고 생물학적인 복합기질이다. 이것은 또한 고체, 액체, 기체상을 포함하는 이질적인 물질이다. 이들 모든 상태는 무기원소와 상호작용한다. 고체 상태의 무기 입자들은 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 철 같은 영양소의 저장고 역할을 한다. 질소, 인 그리고 황을 포함하는 유기물질을 갖는 입자들도 이들 고체상과 결합한다. 토양의 액체상은 토양용액을 구성하는데 이는 용존성 무기이온을 포함하며 뿌리 표면을 이온의 이동이 일어날 때 매질 역할을 한다. 산소, 이산화탄소, 질소 같은 기체들은 토양용액에 녹아 있지만 뿌리는 주로, 토양 입자 사이의 기체상 간극에서 이들을 흡수한다.

생물학적인 관점에서 보면 토양은 식물 뿌리와 미생물이 무기 영양소를 놓고 심하게 경쟁하는 복잡한 생태계이다. 이런 경쟁에도 불구하고 뿌리와 미생물들은 상호이익을 위해 연합할 수 있다. 이 절에서 토양 특성의 중요성, 뿌리 구조 그리고 식물 무기영양에 있어 균근과의 공생 상호관계에 대해서 다루기로 한다. 질소고정세균과 공생관계에 대해서는 12장에서 자세히 살펴보기로 한다.

1.음으로 하전 된 토양 입자는 무기영양소의 흡착에 영향을 미친다

 

무기 및 유기토양 입자들의 표면은 음전하를 띤다. 많은 무기 토양 입자는 알루미늄과 실리콘의 양이온 형태가 정사면체의 구성을 이룬 결정형 격자이다. 이 정사면체 배열은 산소 원자와 공유결합하여 알루미네이트와 규산염을 형성한다.

유기 토양 입자들은 죽은 동식물과 미생물의 분해 산물에서 유래한다. 유기 입자의 표면 음전하는 토양의 이들 성분에 존재하는 카복실산과 페놀성 그룹에서 수소 이온이 해리되면서 생긴다. 그러나 대부분의 토양 입자는 무기성이다. 무기토양은 입자의 크기에 따라 나누어진다.

-자갈은 2mm보다 큰 입자이다.

-조사는 0.2~2mm 사이의 입자이다.

-세사는 0.02~0.2mm 사이의 입자이다.

-미사는 0.002~0.02 사이의 입자이다.

-점토는 0.002mm보다 더 작다.

규산염을 포함하는 점토 물질들은 구조와 물리적인 특성의 차이에 근거하여 고령토, 황토 그리고 몬모릴로나이트라는 2개의 주요 그룹으로 나눌 수 있다. 고령토 그룹은 일반적으로 풍화된 토양에 존재하며, 몬모릴로나이트와 황토 그룹은 새로운 토양에 존재한다.

암모늄과 칼륨 같은 무기양이온은 무기 및 유기 토양 입자의 표면 음전하에 흡착한다. 이 양이온 흡착은 토양의 비옥도를 결정하는 중요한 요인이다. 토양 입자의 표면에 흡착된 무기양이온은 물에 의해서 토양이 용출될 때 쉽게 쓸려나가지 않으며 이들은 식물의 뿌리가 이용할 수 있는 영양소를 저장하는 역할을 담당한다. 이런 방법으로 흡착된 무기영양소는 양이온교환이라고 알려진 과정에 의하여 다른 양이온과 대체된다. 어떤 토양이 이온을 흡착하고 교환하는 정도를 토양의 양이온교환용량이라고 하며, 이는 토양의 종류에 매우 의존적이다. 양이온교환용량이 큰 토양은 일반적으로 무기영양소를 더욱 많이 저장할 수가 있다.

질산이온과 염소 이온 같은 무기음이온은 토양 입자 표면의 음성 전하에 의해 축출되려는 경향이 있고, 토양용액에서 용해된 채로 존재한다. 따라서 대부분의 농토에서 양이온 교환 용량에 비교하여 음이온 교환 용량은 작다. 음이온 중에서 질산염은 토양용액에서 이동이 가능한 상태로 존재하며 토양층을 통과하는 물에 의해서 용출될 가능성이 크다.

인산 이온은 알루미늄이나 철을 포함하는 토양 입자와 결합할 수 있는데, 왜냐하면 양으로 하전 된 철과 알루미늄 이온은 인산과 교환되는 수산기를 가지기 때문이다. 결과적으로 인산은 단단하게 결합할 수 있으며, 토양에서 인산의 이동성과 이용가능성은 식물 생장을 제한한다.

황산이온은 칼슘이 존재할 때 황산칼슘을 형성한다. 황산칼슘은 용해도는 낮지만, 식물이 생장에 필요로 하는 충분한 황산이온을 방출한다. 대부분의 토양은 상당한 정도의 칼슘을 포함하고 있으며, 따라서 이들 토양에서 황산이온의 이동성은 낮고 용출에 의해서 크게 영향을 받지 않는다.

양이온교환원리 식물생리학

2. 토양 pH는 영양소의 이용 가능성, 토양의 미생물 그리고 뿌리의 생장에 영향을 미친다

 

수소 이온 농도는 토양의 중요한 특성 중의 하나인데, 왜냐하면 그것은 식물 뿌리와 토양 미생물의 생장에 영향을 미치기 때문이다. 뿌리는 일반적으로 pJ5.5~6.6 사이의 약산성 토양에서 잘 자란다. 균류는 산성 토양에서 잘 자라며 세균은 알칼리성 토양에서 잘 자란다. 토양의 pH는 또한 토양 영양소의 이용가능성을 결정한다. 산성은 방출하는 암석의 풍화를 촉진하며 탄산염, 황산염 그리고 인산염의 용해도를 증가시킨다. 용해도가 증가하면 뿌리는 이를 쉽게 흡수할 수 있다. 토양에서의 유기물질 분해량과 강수량 등이 토양의 pH를 낮추는 주요 요인이다. 이산화탄소는 유기물질의 분해 결과로 생성되며 토양수와 평형을 이룬다.

이 반응에 의해 수소 이온이 방출되어 토양의 pH가 낮아진다. 유기물질이 미생물에 의하여 분해되면 암모니아와 황화수소가 생성되는데 이는 토양에서 산화되어 각각 질산과 황산이라는 강산을 만들게 된다. 용출이 일어나 상층부의 토양층으로부터 이들 이온들이 제거되면 토양은 더욱 산성이 된다. 이와는 대조적으로 건조지역에서 토양이 풍화되면 토양에 방출되지만, 강수량이 적기 때문에 이들 이온은 토양 상층부로부터 용출되지 않으며 토양은 알칼리성으로 남게 된다.

 

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