식물생육의 기반이 되는 토양에 대하여 4

4) 용적밀도
 밀도는 일반적으로 고체의 단위체적당 중량으로 정의되며 토양에는 적용되지 않는데 그것은 토양은 공극성 매체이기 때문이다. 공극 체적은 중요한 토양 구성원이며 토양의 비중을 나타내는 데 포함되어야 한다. 용적밀도는 이러한 개념이 포함된 용어이다. 그것은 공극량이 포함된 토양의 단위체적당 건조중량으로 정의된다. 고체와 공극이 구성하는 전체 체적은 통상 전체적으로 지칭된다. 용적밀도는 다음과 같이 계산된다.

용적밀도, Mg/㎥ = 건조중량, Mg/전체적,㎥

 산림토양의 용적밀도는 유기물층의 0.2Mg/㎥로부터 잘 다져진 사질토양의 1.8Mg/㎥까지 다양하다. 토양 무기입자의 밀도는 평균 2.65Mg/㎥이며 주로 석영과 다른 경량 원소들로 구성되어 있음을 알 수 있다. 따라서 토양의
용적밀도는 이 값을 넘지 않는다. 고체물질 50%를 가진 가상적인 토양의 용적밀도는 1.33Mg/㎥이다. 답압이 이루어져 토양층의 용적밀도가 1.75Mg/㎥를 넘는 사질토양과 1.55Mg/㎥를 넘는 점토질토양에서는 뿌리의 침투가 방해된다 (Veihmeyer와 Hendrickson, 1948). 용적밀도는 일반적으로 토양층의 깊은 곳으로 갈수록 증가한다. 이러한 추세는 유기물 함량과 토양동물의 활동 감소, 많은 토양에서 보편적으로 나타나는 실트와 점토의 증가, 그리고 자갈 이상 크기 입자의 증가에 기인한다. 상부층으로부터 가해지는 토양압에 의한 압박 때문에 하부층에서는 습윤과 건조 또는 동결과 해빙에 따른 팽창과 수축이 제대로 일어나지 않는다. 표면층의 용적밀도는 1,0~1.3Mg/㎥의 범위로 나타난다. 수목의 생장에 지장 없는 토양의 경우 심토의 용적밀도는 1.2~1.5Mg/㎥의 범위를 보인다.
 거칠고 굵은 입자의 토성을 갖는 토양에서는 통상적으로 미세한 토성을 갖는 토양에서보다 공극량이 적어지는데 그것은 적은 표면적, 높은 입자충진도, 적은 유기물 함량 때문이다. 유기물은 토양구조의 발달을 촉진하고 공극률을 증가시킨다. 공극률 또는 총공극량은 다음 식에 의해서 계산된다.

전체공극량, % = 100-(용적밀도/2.65 Mg/㎥ ×100)

 용적밀도가 1.33Mg/㎥인 토양은 총공극량이 50%이다. 토양입자의 밀도를 2.65Mg/㎥로 가정했을 때 용적밀도가 2.06Mg/㎥인 토양은 총공극량이 22%이다. 용적밀도과 공극량은 서로 반비례 관계에 있다. 점토는 토양구조의 발달을 촉진하기 때문에 중간과 미세 토성을 갖는 토양은 사질토양보다 공극률이 높고 용적밀도가 낮다. 그러나 공극률 또는 총공극량은 토양수 함유, 배수, 통기의 중요한 결정 요인인 공극의 크기별 분포를 알려주지는 않는다.

5) 토양수
 토양수는 다음 네 가지 측면에서 중요하다.
(1) 수목은 중산작용을 위하여 많은 양의 물을 필요로 하며 이 물은 대부분 토양에서 공급된다.
(2) 토양은 수목이 필요로 할 때 적당한 양의 물을 공급할 수 있어야 한다.
(3) 토양은 충분한 양의 물을 저장하고 있어야 하며, 물이 토양에 재공급될 때까지 일정기간 동안 수목이 필요로 하는 수분을 충족시켜주어야 한다.
(4) 토양수는 수용액으로서 양분과 다른 수용성염의 치환과 이동에 관여한다(Brady, 1990).
 토양수는 토양의 공극 속에 들어가며, 토양이 물로 포화되었을 때는 모든 공극을 채우게 된다. 이때 토양공극에는 공기가 전혀 없게 된다. 배수가 진행되면서 가장 큰 공극이 먼저 비워지고 중력에 의해서 더 이상 물이 움직이지 않을 때까지 순차적으로 작은 공극까지 배수가 이루어진다. 이 시점에서 토양 쪽으로 물을 끌어당기는 힘은 중력과 같게 되고 이때 수분함량을 포장용수량이라한다. 이 끌어당기는 힘은 점토와 유기물 입자의 표면의 음전하와 공극 안에 공기물의 접촉면이 형성되어 생기는 모세관력에 기인한다 (Hillel, 1980), 전자의 경우 수막은 입자의 표면에 위치한다. 수막이 두꺼울 경우 물분자의 바깥층은 표면전하로부터 비교적 멀리 떨어지게 되어 분자 결합력은 약해진다. 이때 물 분자들은 다른 힘이 가해졌을 때 비교적 자유롭게 움직인다. 이 다른 힘에는 중력, 모세관력, 수분이 토양으로부터 식물 뿌리로 이동하면서 증가하는 토양수분포텐셜이 포함된다. 토양이 건조되어 수막이 얇아지면 흡인력은 증가하고 물 분자들은 토양수분포텐셜의 감소로 이동이 자유롭지 못하게 된다. 이때 물 분자를 이동시키기 위해서는 더 많은 힘이 가해져야 한다. 수분은 수막이 두꺼운 곳에서 얇은 곳으로, 토양수분포텐셜이 높은 곳으로부터 낮은 곳으로 이동한다. 뿌리의 수분 흡수로 인하여 뿌리에서 가장 가까운 부분의 수막이 먼저 얇아진다. 물은 토양수분포텐셜 경사를 따라 두꺼운 수막에서 얇은 수막을 향하여 이동한다. 토양 내 수막이 얇아져서 물에 작용하는 매트릭포텐셜이 분자의 이동을 막으면 수분이 뿌리로 이동하지 못하게 되며 이를 위조점이라고 한다. 대공극 안에 있는 물 분자는 소공극에서보다 이동이 더 자유롭기 때문에 수분은 대공극에서 소공극으로 이동하며 가장 큰 공극이 먼저 비워지게 되고 가장 작은 공극이 마지막으로 비워지게 된다. 어떤 수분은 매우 작은 공극 안에 뿌리가 흡수하려는 힘보다 큰 힘으로 끌려 있기 때문에 식물에 이용될 수 없다. 중력에 의해 토양을 빠르게 빠져나가는 수분도 역시 식물에 이용될 수 없다. 포장용수량과 위조점 사이의 수분함량은 가용수분으로 정의된다. 공기가 차 있다가 포장용수량이 형성될 때 수분을 갖는 공극을 대공극이라고 하며, 가용수분을 갖는 공극을 중간공극이라고 한다. 위조점일 때 수분을 갖는 공극을 미세공극이라고 한다.
 토성은 토양구조와 유기물에 의한 변화와 더불어 포장용수량, 위조점, 가용수분에 영향을 미친다. 모래가 약 4~5%의 가용수분을 함유하는 데 비하여 실트질양토는 약 24%까지 포함할 수 있음을 보여준다. 점토는 모래보다 가용수분이 약간 많을 뿐이다. 가용수분의 양은 토양층마다 다르며, 일반적으로 표토에서 가장 많고 깊이가 증가함에 따라 총 공극량과 공극의 크기의 감소로 적어지게 된다. 미세한 실뿌리는 표면층에 집중되어 있다. 그 결과 토양층의 상부는 하부보다 더 자주 그리고 더 빨리 건조된다. 토양층이 건조해지면 토양의 하부는 수분의 공급처로서 중요한 역할을 하며 상부보다 더 많은 수분을 공급하게 된다.
 수분은 포화 및 불포화된 상태에서 토양 사이를 이동한다. 포화된 상태에서는 수분이 중력에 의해 대공극 사이를 이동한다. 포화 시 수분이동 속도는 총 공극량과 토양층 내 두 지점 간의 높이 차에 의해 결정된다. 포화이동은 봄에 눈이 녹을 때, 폭풍우 시, 또는 많은 양의 물을 관수할 때 나타난다. 이때 수분은 매트릭포텐셜 또는 모세관력이 작용하는 중간 및 미세공극을 통과한다. 대부분의 토양에서는 불포화이동이 진행된다. 불포화이동은 수분함량, 시간에 따른 두 지점 간의 수분함량 변화 및 공극의 크기 비율과 관련이 있다. 뿌리의 흡수표면과 토양의 흡인력 차이로 인하여 수분이 토양에서 뿌리로 이동한다.
 세 개의 서로 다른 토성에서의 수분특성에서 큰 공극은 흡인력이 낮고, 작은 공극은 흡인력이 높기 때문에 공극 크기 분포를 비교하는 데 이용될 수 있다. 두 흡인력 사이의 곡선 밑면적은 같은 직경을 갖는 공극의 부피로 볼 수 있다. 모래는 실트질양토 또는 점토보다 총 공극량이 적지만 대부분의 공극은 대공극이며 공극의 평균 크기는 더 크다. 모래는 점토 성분을 갖고 있지 않아서 미세공극과 입단이 거의 없다. 포화이동은 모래 사이에서 빠르게 진행되며, 따라서 투수속도는 중간 또는 빠른 속도를 나타내며 가용수분은 거의 없게 된다. 사질토양에서 가늘거나 매우 가는 모래가 아니면 불포화이동은 거의 나타나지 않는다. 실트질양토와 점토는 다양한 공극 크기를 갖는다. 따라서 투수속도가 빠르고 수분의 보유량도 중간 정도 또는 많은 양을 갖게 된다. 이들 토양에서는 입단 형성이 잘되어 불포화이동이 비교적 쉽게 일어나며 공극 사이의 수분 연결이 잘 된다. 연결된 수분은 물의 이동로 역할을 한다. 점토는 실트질양토보다 토양 다짐이 잘 발생하여 작은 공극의 비율이 높아지고, 따라서 수분의 연결이 어려워질 수 있다. 이것은 수분의 이동을 감소시키며 이용 불가능한 수분이 많아지게 된다. 이러한 조건은 점토질 토양의 단점이 된다. 경작 또는 답압에 의해 토양에 물리적인 변경을 가하면 구조의 증진 또는 파괴 여부에 따라 공극의 크기 분포와 총 공극량에 이롭거나 해로운 영향을 주게 된다.