재배학 3장 재배환경 - 토양(3) : 토양 무기성분

3-2-4 토양 중의 무기성분

토양 중에는 각종 무기성분이 함유되어 있어 작물생육의 영양원이 된다. 따라서 그 함량을 알맞게 할 필요가 있다.

(1) 필수원소

작물의 생육에 필요 불가결한 원소를 필수 원소(必J頁元素;(必J頁元素 essential nutrientdements)라고 하는데, 다음의 16 원소를 가리킨다.

즉, 탄소(C), 산소(O), 수소(H), 질소(N), 인(P), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 황(S), 철 (Fe), 망간(Mn), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 붕소(B), 몰리브덴 (Mo) 및 염소(Cl) 이다.

이 중에서 탄소 산소 수소는 이산화탄소(C02)와 물(H20)에서 공급되고, 나머지는 토양성분 중에서 공급되는데, 탄소 산소 및 수소의 3원소를 제외한 3원소를 필수 무기원소( essential mineral elements)라고도 한다. 이 중 질소 인 칼륨 칼슘 마그네슘 및 황의 6 원소(때로는 탄소,산소.수소를 포함한 9원소)는 다량으로 소요되므로 다량원소(多量元素; macro nutrient elements)라 하고, 철, 망간, 구리, 아연, 붕소, 몰리브덴 및 염소의 7원소는 미량만 공급해도되기 때문에 미량원소(micro nutrient elements, minor elements)라고 한다. 규소(Si), 알루미늄(AI), 나트륨(Na), 요오드(I), 코발트(Co) 등은 필수원소는 아니지만 식물체 내에서 검출되며, 특히 규소는 벼를 비롯한 화곡류에서는 중요한 생리적 역할을 한다.

필요한 원소 중에서 토양 중의 자연함량으로는 부족하여 인공적으로 보급할 필요가 있는 것을 비료요소(肥料要素)라고 하며, 이에는 질소, 인, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 철, 망간, 붕소, 아연, 규소 등이 있다. 이 중에서 인공적 보급의 필요성이 가장 큰 질소. 인 및 칼륨을 비료의 3요소라고 하며, 이에 칼슘을 보태어 비료의 4요소라 하기도 한다.

(2) 필수원소의 생리작용

① 탄소, 산소 및 수소

탄소, 산소, 및 수소는 식물체의 90~98%를 차지한다. 엽록소의 구성원소이며, 광합성에 의하여 생성되는 여러 가지 유기물의 구성재료가 된다.

②질소

질소(N)는 엽록소, 단백질, 효소 등의 구성성분이다. NO3-(질산태)과 NH4+(암모니아태)으로 식물에 흡수되고 원형질의 건물은 40~50%가 질소이다. 결핍하면 황백화현상(黃白化現象)이 일어나고 작물의 생장, 개화, 결실을 지배한다. 질소화합물은 늙은 조직에서 젊은 생장점으로 전류되므로 결핍증세는 늙은 부분에서 먼저 나타난다. 과잉하면 도장(徒長)하거나 엽색이 질어지며, 한발, 저온, 기계적 상해, 병충해 등에 약하게 된다.

③ 인

인은 세포핵, 분열조직, 효소(phosphorylase)등의 구성성분으로 어린 조직이나 종자에 많이 함유되어 있다. 광합성, 호흡작용(에너지의 전달), 녹말과 당분의 합성분해, 질소동화 등에 관여한다. 결핍하면 뿌리의 발육이 나빠지고(특히, 생육 초기), 잎이 암녹색이 되어 둘레에 오점(汚點)이 생기며, 심하면 황화하고 결실이 나빠진다.

④ 칼륨

칼륨(K)은 특정 화합물보다는 이온화하기 쉬운 형태로 잎, 생장점, 뿌리의 선단에 많이 함유되어 있다. 광합성, 탄수화물 및 단백질 형성, 세포 내의 수분공급, 증산에 따른 수분상실을 조절하여 세포의 팽압을 유지하게 하는 등의 기능에 관여한다. 이 밖에 여러 가지 효소반응의 활성제(活性劑; activator)로서 작용한다. 결핍되면 생장점이 말라죽고, 줄기가 연약해지며, 잎의 끝이나 둘레가 황화하고, 아랫잎이 떨어지며, 결실이 나빠진다.

⑤칼슘

칼슘〔石灰; Ca]은 세포막 중 중간막의 주성분으로, 잎에 많이 존재하고, 체내에서의 이동이 어렵다. 단백질의 합성과 물질전류에 관여하며, 질소(NO3-)의 흡수, 이용을 촉진한다. 체내의 유독한 유기산을 중화하고 알루미늄(A1)의 과잉 흡수를 억제하여 그 독성을 줄여준다. 분열조직의 생장, 뿌리 끝의 발육과 작용에 반드시 필요하며, 결핍하면 뿌리나 눈[芽:)의 생장점이 붉게 변하여 죽는다. 토양 중에 석회가 과다 하면 마그네슘, 철, 아연, 코발트, 붕소 등의 흡수가 억제된다.

⑥마그네슘

마그네슘[苦土; Mg]은 엽록소의 구성원소로서, 잎에 많다. 체내 이동이 용이하며, 부족하면 낡은 조직에서 새 조직으로 이동한다. 광합성, 인산대사에 관여하는 효소의 활성을 높이고 종자 중의 지유(脂油)의 집적을 돕는다. 결핍하면 황백화현상(黃白化現家; chlorosis)이 일어나고, 줄기나 뿌리에 있는 생장점의 발육이 나빠진다. 체내의 비단백태질소가 증가하고, 탄수화물이 감소되며, 종자의 성숙이 나빠진다. 석회가 부족한 산성토양과 사질양토의 경우 또는 칼리, 염화나트륨, 석회 등을 과다하게 시용한 토양에서 결핍현상이 나타나기 쉽다.

⑦ 황

황(黃; S)은 단백질, 아미노산, 효소 등의 구성성분(methionine, cystine 등)으로 엽록소의 형성에 관여한다. 결핍하면 단백질의 생성이 억제되고, 생육억제와 황백화가 일어나며, 세포분열이 억제되기도 한다. 체내 이동성이 낮고, 결핍중세는 새 조직에서 먼저 나타난다. 콩과작물에서는 뿌리혹박테리아에 의한 질소고정이 감소한다. 황의 요구도가 크고 함량이 많은 작물은 양배추, 양파, 파, 마늘, 아스파라거스 등이다.

⑧ 철

철(鐵; Fe)은 호흡효소의 구성성분으로서 엽록소의 형성에 관여한다. 결핍하면 어린잎부터 황백화하여 엽맥 사이가 퇴색한다. 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 크롬(Cr), 아연(Zn), 몰리브덴(Mo), 망간(Mn), 칼슘(Ca) 등의 과잉은 철의 흡수, 이동을 방해하여 그 결핍상태를 초래한다. 토양용액에 철의 농도가 높으면 인과 칼륨의 흡수가 억제된다. 벼가 과잉 흡수하면 잎에 갈색의 반점이나 무늬가 나타나고, 이것이 점차 확대되어 잎의 끝부터 혹변하여 고사한다.

⑨ 망간

망간(Mn)은 여러 가지 효소의 활성을 높여서 동화물질의 합성 및 분해, 호흡작용, 엽록소의 형성 등에 관여한다. 결핍되면 엽맥에서 먼 부분이 황색으로 변하며, 화곡류에서는 세로로 줄무늬가 생긴다. 생리작용이 왕성한 부위에 많이 함유되어 있고, 체내 이동성이 낮아서 결핍증은 새잎부터 나타난다. 토양이 강알칼리성이거나, 과습하거나 또는 철분이 과다하면 망간의 결핍상태가 초래된다. 과잉하면 뿌리가 갈색으로 변하고 잎이 황백화하여 만곡현상(臂曲現象)이 생기며, 사과에서는 적진병(赤疼病)이 발생한다.

⑩ 붕 소

붕소(棚素; 피는 촉매 또는 반응조절물질로 작용하며, 석회결핍의 영향을 덜 받게 한다고 한다. 생장점 부근에 그 함량이 많고, 체내 이동성이 낮으므로 결핍증은 생장점이나 저장기관에 나타나기 쉽다. 붕소가 결핍되면 분열조직에 갑자기 괴사(necrosis)를 일으키는 일이 많다. 사탕무의 속썩음병, 순무의 갈색속썩음병, 셀러리의 줄기쪼김병, 담배의 끝마름병, 사과의 축과병(縮果病), 꽃양배추의 갈색병, 앨팰퍼의 황색병 등은 붕소결핍 때문에 유발된다. 또한, 붕소가 결핍되면 수정, 결실이 나빠지고, 콩과작물은 뿌리혹〔根瘤〕형성과 질소고정에 방해를 받는다. 석회의 과다, 토양의 산성화는 붕소결핍을 초래하기 쉬우며, 개간지에서 나타난다.

⑪아 연

아연(亞船; Zn)은 촉매 또는 반응조절물질로 작용하며, 단백질과 탄수화물의 대사에 관여하고 엽록소의 형성에도 관여한다. 결핍하면 황백화, 괴사, 조기낙엽 등을 초래하며, 감귤류에서는 잎무늬병, 소엽병, 결실불량 등을 초래한다.

⑫구 리

구리는 구리단백으로서 효소작용을 하며, 광합성, 호흡작용 등에 관여하고 엽록소의 생성을 촉진한다. 결핍하면 황백화, 괴사, 조기낙엽 등을 초래하고 단백질의 생성이 억제된다. 과잉하면 뿌리의 신장이 나빠진다.

⑬ 몰리브덴

몰리브덴(Mo)은 질산환원효소의 구성성분이며, 질소대사에 필요하고 콩과작물 뿌리혹박테리아의 질소고정에도 필요하다. 콩과작물에 그 함량이 많으며, 결핍하면 황백화하고, 모자이크(mosaic)병과 비슷한 중세가 나타난다.

⑭ 염소

염소(鹽素; C1)는 광합성에서 산소발생을 수반하는 광화학반응에 망간과 더불어 촉매적으로 작용한다. 결핍하면 어린잎이 황백화하고, 전 식물체가 위조된다. 토마토의 염소결핍증은 염소의 첨가로 회복되고 사탕무에서 염소가 결핍되면 황백화현상이 나타난다. 염소시용이 섬유작물에서는 유효한 반면, 전분작물, 담배 등에서는 불리하다.

⑮규소

규소(?素; Si)는 필수원소는 아니지만, 화곡류에는 그 함량이 극히 많다. 표피조직의 세포막에 침전해서 규질화를 이루어 병에 대한 저항성을 높이고, 잎을 꼿꼿하게 세워 수광태세를 좋게 하며, 증산을 경감하여 한해(旱害)를 줄이는 효과가 있다. 규소는 줄기나 잎에 있는 인과 칼슘이 곡실로 원활하게 이전되도록 하고, 망간의 엽내 분포를 균일하게 하는 역할을 한다.

⑯ 코발트

콩과작물의 뿌리혹에는 비타민 B12가 많은데, 코발트(Co)는 비타민 B12를 구성하는 금속성분이다. 코발트결핍토양의 목초를 가축에 먹이면 코발트결핍증상이 나타나므로, 미국에서는 결핍초지에 코발트를 살포하는 일이 있다.

⑰나트륨

나트륨(Na)은 필수원소는 아니지만, 셀러리, 사탕무, 순무, 목화, 근대, 양배추 등에서는 시용효과가 인정되고 있다. 나트륨은 기능면에서 칼륨과 배타적 관계이지만, 제한적으로 칼륨의 기능을 대신할 수 있으며, C4식물에서 요구도가 높다.

(3) 무기성분의 과잉해

작물의 생육에 필요한 무기성분이라도 토양 중에 과다하면 피해가 나타난다. 농경지 토양에 유해한 각종 중금속이 과잉 축적되어 직접 또는 간접적으로 다른 성분의 흡수이동을 방해하여 농작물의 생육을 해치는 데까지 이르는 경우를 농경지의 토양오염(土壤汚染; soil pollution)이라고 한다. 해로운 중금속의 주된 배출원은 광산, 제련소, 각종 공장, 각종 소각장, 자동차 등에서 나오는 각종 폐수나 배기가스이다. 농경지토양오염 방지대책으로서 오염물질에 따른 우려기준과 대책기준을 정하여 관리한다.

①구리

뿌리의 신장을 저해하포 철의 결핍증과 비슷한 황화현상을 일으킨다.

②알루미늄

뿌리의 신장을 저해하며, 맥류의 잎에서는 엽맥 사이의 황화를 일으키고 토마토 -당근 등에서는 지상부에 인산결핍증과 비슷한 증세를 나타낸다. 그리고 칼슘 ? 마그네슘 * 질산의 흡수와 인의 체내 이동을 저해한다.

③망간

뿌리가 갈색으로 변하며, 줄기, 잎에 갈색의 반점이나 무늬가 생기고, 잎의 황백화와 만곡도 발생한다. 사과의 적진병은 망간과다가 원인이라고 한다.

④아연

잎이 황백화하며, 콩과작물에서는 잎줄기나 잎의 뒷면이 자갈색으로 변한다.

⑤몰리브덴

토마토, 감자에서는 황색 또는 청색의 무늬가 나타나고, 삼에서는 황백화현상이 나타난다.

⑥2가철

2가철(Fe2+)의 과잉증상으로는 벼의 잎에 갈색의 반점이나 무늬가 나타나고, 이것이 점차 확대되어 끝에서부터 혹변, 고사한다.

⑦니켈

니켈(Ni)이 과잉 축적되면 잎에 철결핍과 유사한 황백화를 초래하고 귀리에서는 녹백색의 줄무늬도 생긴다. 뿌리의 신장이 저해된다.

⑧카드뮴

카드뮴(Cd)이 과잉 축적되면 잎에 현저한 황백화가 나타나고 뿌리의 신장이 저해 된다. 흡수한 식물로 오염식품이나 오염사료를 만들 우려가 있다.

⑨수은

수은(水銀; Hg)이 과잉 축적되면 벼 뿌리의 신장이 현저하게 저해되며, 지상부에서는 과잉해가 잘 나타나지 않는다.

⑩기 타

리튬(Li), 베릴륨(Be), 티탄(Ti), 크롬(Cr), 게르마늄(Ge), 납(Pb), 비소(As), 셀렌(Se) 등도 잎의 황백화 등 다양한 과잉증상이 알려져 있다.

일반적으로 중금속류는 토양 중에서 이동성이 적고, 침투수를 따라 쉽게 용탈되지 않기 때문에 오염된 토양은 제거하고 새 흙으로 바꾸는 것이 좋다. 토양산도를 교정하고 인산을 시용하면 카드뮴의 활성을 낮추어서 흡수를 억제할 수 있다. 중금속류를 특히 많이 흡수하는 식물(양치류)을 심어서 제거하는 방법도 있다.