토양 화학성의 비색진단

토양 화학성의 비색진단

 

 

현재까지도 “질소가 많은 것 같다” “적은 것 같다” 등 추상적인 용어로 설명을 하였지만 듣는 사람의 입장에서는 어느 정도가 많은 것이고 적은 것인지 납득하기가 어려웠다. 그러나 이제는 수치로 설명할 수가 있는 시대이다. 토양의 질소함량이 300ppm이나 된다고 말하면 그 지역 표준이 125ppm이니까 175ppm이 많다는 것을 즉석에서 구체적으로 느낄 수 있기 때문이다.

 

이러한 수치는 토양을 분석함으로서 나타나는 것으로 분석방법에는 즙액분석에서와 같은 비색분석(比色分析) 방법이 있고, 측광기(測光機)를 사용하여 시험지 색상의 농도에 따라 표시창에 디지털수치로 나타내는 방법이 있다. 여기에서는 독일제 측광기를 사용하는 분석방법과 일본에서 많이 사용하기 시작한 “닥터소일(Doctor Soil)" 방법에 대하여 설명하고자 한다.

 

① 머코퀀트를 이용한 비색분석

토양의 비색분석에도 독일제 머코퀀트 방식이 비용도 싸게 먹히고 사용법도 간편하여 많이 사용된다. 사용방법은 즙액분석과는 달리 토양분석에는 암모니아태 질소(NH4)를 반드시 분석할 필요가 있다. 일본 지도기관의 분석항목에는 암모니아태 질소의 분석항목이 없지만 일본의 “농업기술대계” 중 토양비료분야를 집필하고 있는 다께다겐(武田健)씨는 암모니아태 질소항목을 설정하고 있다.

 

토양에 요소비료나 유기질비료를 시비하면 암모니아화성균에 의하여 먼저 암모니아태 질소가 되고, 다음 단계에 질산화성균에 의해서 질산태 질소(NO3)가 되는 것으로 벼는 주로 암모니아태로 흡수하고, 밭작물은 주로 질산태로 흡수하면서 암모니아태로도 약 30%를 흡수한다. 그러나 밭작물도 질산태 질소가 부족할 때에는 암모니아태로도 약 70%까지 흡수하기 때문에 질산태 질소는 결핍되었더라도 암모니아태 질소가 존재하면 작물에는 질소가 흡수되는 것이다.

 

다만 높은 지온으로 암모니아태 질소가 단시간에 과잉발생하거나 산소가 부족한 환원상태에서는 조만간 독성가스가 되어 뿌리를 상하게 하지만 그러한 환경이 아닌 상태에서는 정상적으로 뿌리에 흡수된다는 것이 최근의 이론이다. 따라서 토양 중의 암모니아태 질소의 함량도 확인할 필요가 있는 것이다.

 

즙액을 분석할 때에는 작물의 엽병을 채취하여 착즙하지만 토양의 질소분석용 시료액(試料液)은 토양과 물을 중량으로 1:1로 섞어서 30～60분간 용출시켜서 사용한다. 질소성분은 pH에 별로 관계없이 뿌리에 흡수되지만 모세근은 항상 스스로 분비한 유기산에 의하여 강한 산성액으로 둘러싸이기 때문에 한동안은 염산이나 구연산 등으로 pH 3.0액을 만들어 용출시킨 것의 성분함량을 측정하여왔다.

 

독일에서는 인산과 칼륨만은 밭작물 뿌리둘레의 유기산 성질이 젖산칼슘 pH 3.6의 액과 가장 유사하다고 하여 그런 조건에서 용출시키는 것을 권장한다. 이 젖산칼슘용액을 DL용액이라고 하며, pH 3.0 액과 DL pH 3.6액의 용출량은 성분별로 많은 차이가 있다. 토양분석이란 정량분석과는 달리 작황이 좋아지는 방법을 더 중요시하기 때문에 독일식의 추출방법이 좋다고 본다. DL액은 350㎖의 물을 끓여 2.1g의 젖산칼슘을 흔들어 녹인 다음 pH 3.6으로 조절하여 만든다.

 

토양시료의 혼합량은 건토(乾土)를 기준으로 설명되고 있지만 뿌리가 접촉하고 있는 토양은 습토(濕土)이고, 이를 건조시키면 건조과정에서 산화작용이나 미생물작용에 의한 변질이 생기므로 습토상태로 분석하는 것이 세계적인 추세이며, 토질과 수분 정도에 따라 <표 1>를 참고하여 습토로 계량해야 한다.

 

표 1: 토질별 건토 10g와 습토의 중량/g(2㎜ 체로 친 것)
구 분	양 토	사양토	사 토	자갈땅
건토중량	10	10	10	10
습토중량	13.5	13	12.5	11.5

 

▶질산태 질소(NO3)의 진단

2㎜ 체로 친 토양시료 100g(건토기준)을 20～30℃인 증류수 100㎖(cc)에 넣고 30분간 진탕(振湯)하여 여과지로 거른 다음 NO3시험지를 1초간 담갔다가 60초 후의 색상을 비색표와 대조한다. 2배로 희석한 것이지만 희석배수는 고려하지 않아도 된다. 염류농도가 높은 토양은 여과지로 거른 액을 미리 5～10배로 희석하여 측정하고 측정농도에 희석배수를 곱하면 정미(正味)농도가 된다.

 

분석결과 표준 이하로 결핍되었다면 정도가 약하면 수용성 질소를 엽면시비 하던가 관주로 보충한다. 칼슘도 결핍된 상태라면 질산석회[Ca(NO3)2․4H2O], 칼륨도 결핍되었다면 질산가리(KNO3), 마그네슘도 결핍되었다면 질산마그네슘[Mg(NO3)2․6H2O],, 인산도 결핍되었다면 제1인산암모늄(NH4H2PO4)을 포대에 표시된 함량을 계산하여 사용한다. 그러나 과잉일 경우에는 다른 성분의 결핍으로 단백질이나 아미노산으로의 합성이 안 되어 정체되고 있는 것이므로 결핍성분을 보충하여 합성작용을 촉진시켜야 한다.

 

▶암모니아태 질소(NH4)의 진단

20～30℃인 증류수 200㎖에 2㎜ 체로 친 토양시료 50g을 넣고 60분간 진탕(振湯)하여 여과지로 거른 다음 미니비커에 5㎖를 스포잇으로 옮긴다. 여기에 NH4 시약을 10 방울 투하하여 4～5회 흔들어 섞은 다음 시험지의 염색부를 1초간 담갔다가 10초간 반응시킨 후의 색상을 비색표와 대조한다.

 

유안이나 요소비료를 시비하였을 경우에는 암모니아태 질소가 다량 함유되지만 곧 질산화성균이 작용하여 수일 후에는 질산태 질소로 바뀌는 것이므로 시비한지 1주일 이상 된 일반 토양에는 검출되는 경우가 별로 없다. 완숙상태의 유기질 비료에서는 암모니아태 질소가 지속적으로 발생되어 뿌리에 흡수되지만 미숙상태의 유기질비료를 시비한 후 지온이 높으면 급속히 발생하는 관계로 미처 미생물이 작용하지 못하여 독성가스로 변하고 뿌리를 상하게 하기도한다.

 

▶인산(PO4)의 진단

DL 추출액 250㎖(cc)를 용기에 넣고 토양시료를 건토(乾土) 기준으로 5g을 정밀저울로 계량하여 90분간 진탕한다. 상등액(上登液)에 시험지를 1초간 담근 다음 과잉액을 흩뿌려 수평으로 놓고, 흑색병의 시약 PO4-1 1 방울을 염색부에 떨군다. 즉시 시계를 보고 15초간 반응시킨 다음 흩뿌리고 60초 후의 색상을 비색표와 대조하여 농도를 판정한다. 용출액 250㎖에 시료 5g을 희석한 것이므로 판정된 수치에 50을 곱한 수치가 농도이다. 만약 함량이 500ppm 이상으로 많으면 상등액을 희석해야 되고 측정치에는 희석배수를 곱해주어야 한다.

 

토양시료의 첨가량은 건토의 중량을 기준으로 하지만 건조시키는 과정에서 산소와 반응하면 PO4의 함량은 변하는 것이므로 작물이 생육하고있는 상태대로 측정을 하기 위하여 습토(濕土)를 사용하되 함수량(含水量)만큼 증량시켜야한다. <표 4>에서 건습에 따른 중량차가 가장 큰 양토(壤土)의 경우 용출액 250㎖에 토양 5g의 수분 1.75㎖가 추가된다고 해도 양적으로는 약 0.7% 증가하는 것이므로 무시해도 무방한 차이이며, 약간의 차이이지만 뿌리가 느끼는 대로의 함량을 분석할 수 있다.

 

인산이 결핍되었다면 두 가지 원인으로 진단해야 한다. 하나는 시비의 부족으로 결핍되는 경우이고, 다른 하나는 토양에 풍부한데도 마그네슘 결핍이나 칼륨의 과잉 또는 지온부족으로 흡수가 안 되는 경우이다. 시비량이 부족한 것이 원인이라면 수용성 인산(H3PO4), 칼륨도 부족하다면 제1인산가리(KH2PO4), 질소도 부족하다면 제1인산암모늄(NH4H2PO4)을 정도에 따라 엽면시비나 관주로 보충해야 한다. 그러나 다른 원소의 결핍이나 과잉 등으로 흡수가 안 된다면 원인을 찾아 처방해야한다.

 

▶칼륨(K)의 진단

DL 추출액 100㎖(cc)를 용기에 넣고 토양시료를 건토(乾土) 기준으로 10g을 정밀저울로 계량하여 90분간 진탕한다. 내장된 미니시험관 1 개에 상등액 10～20 방울을 넣어 오목한 스탠드에 세우고 다른 1 개의 미니시험관에는 검은병의 K-1 시약을 13 방울 정도 떨어뜨려 세워둔다. 13 방울이란 시험지의 염색부가 잠길 수 있는 깊이가 적절한 양일 뿐 시약이 부족하면 이보다 적어도 시험관을 기울여 담그면 시험지의 반응에는 지장이 없으며, 또한 20 방울 이상을 넣었을 경우에는 4회까지 중복하여 사용할 수도 있다.

 

시험지를 꺼내어 시료액에 1초간 담갔다가 즉시 흩뿌려 시약에 담가서 60초간 반응시킨 색상을 비색표와 대조하여 농도를 판정한다. 본래 시료액을 DL 100㎖에 토양 10+αg을 첨가하여 만들었으므로 희석배수 10을 곱하면 정미농도가 된다. 시약은 2병이 내장되어 있으나 같은 시약으로, 1병이 모두 소모되면 다른 한 병을 사용하면 된다.

 

칼륨만이 결핍된 상태라면 황산가리(K2S4)를 정도에 따라 엽면시비 또는 관주해야 되며, 질소도 부족한 상태라면 질산가리를 엽면시비 또는 관주해야 한다. 그러나 결핍정도가 적은 상태라면 염화가리 비료를 부족한 양만큼 시비하되 한 번에 성분량으로 3㎏ 이상 시비하면 흡수되기 전에 유실되거나 용탈되어 지하수나 하천을 오염시키게 된다.

 

▶칼슘(Ca)의 진단

칼슘의 분석치는 다른 양이온들과 유기물과 및 미생물의 작용에 따라 수시로 변하므로 pH가 적정범위에 해당된다면 칼슘함량도 풍부한 것이기 때문에 pH의 관리를 철저히 하는 것이 더 중요하다. 그러나 토양의 반응과 칼슘성분의 뿌리흡수는 일치하지 않는 경우가 많다. 이러한 이유로 pH가 정상인 밭의 토마토에도 칼슘결핍증이 생기는 일이 흔히 있으며, 토양과 즙액의 함량이 정비례하지 않을 때가 많다.

 

다른 양이온과의 길항작용이 커서 지역에 따라서는 칼슘의 과잉으로 다른 성분의 결핍장애가 많이 나타난다. 증류수 200㎖에 토양시료를 건토기준으로 5g을 첨가 1시간 진탕하여 그 여과액을 시료액으로 사용한다. 40배로 희석을 해도 너무 진하므로 미니비커에 스포잇으로 시료액 10 방울을 넣고 증류수로 5㎖선까지 채운다음 칼슘 시험지의 염색부를 1초간 담갔다가 여분의 액을 세게 흩뿌려 수평으로 정치(定置)한다.

 

즉시 시료액에 분말시약 Ca-1을 뚜껑에 붙은 스푼으로 1스푼(수평) 을 첨가하여 3∼4회 흔들어 녹인 다음 시약 Ca-2 액을 10 방울 투하하여 가볍게 흔들어서 정치해 두었던 시험지를 45초간 담갔다가 여분액을 흩뿌리면서 꺼내자마자 비색표와 대조하여 농도를 판정하고 여기에 희석배수 100을 곱하면 정미 칼슘농도가 된다.

화산회토가 많은 제주도 외에는 칼슘이 과잉으로 함유된 곳이 많다. 이런 지역은 생육기에는 과잉장애가 많지만 열매가 크는 단계에는 다량의 칼슘이 흡수되어 열매의 품질을 향상시키는 장점도 있다. 칼슘만을 보충하려면 수경재배에 사용이 가능한 수용성의 염화칼슘(CaCl2․2H2O)을 사용하며, 질소도 결핍된 상태라면 질산석회[Ca(NO3)2․4H2O]를 사용한다.

 

패화석 등 조개류의 껍질은 칼슘의 함량은 많지만 불용성(不溶性)이어서 소성(燒成)되거나 유기산으로 킬레이트형이 되지 않고는 흡수율이 매우 불량하다. 따라서 고열로 소성하면 수용성칼슘이 증가하여 흡수율이 높아지며, 약 200배의 목초나 식초액에 담가놓으면 칼슘이온(+)이 유기산(-)과 반응하여 킬레이트(Chelate)형이 되어 더욱 수용성(水溶性)칼슘이 증가하고 식물세포에 잘 흡수된다.

 

칼슘성분은 칼륨성분이 너무 많으면 길항작용이 커서 분석치상으로는 함량이 많아도 칼슘결핍증이 나타나는 일이 많다. 잎에 살포하면 묻은 자리에는 흡수되지만 다른 조직으로의 이동은 매우 어려운 성분이며, 줄기와 열매로 잘 흡수되므로 증상에 따라서는 잘못 살포하면 전혀 효과가 나타나지 않는다.

 

▶마그네슘(Mg)의 분석

독일에서도 마그네슘의 비색분석만은 시험지형이 개발되지 않아서 “아콰머크”인 액체의 색상으로 농도를 판정한다. 증류수 50㎖에 토양시료 5g과 염화칼슘(CaCl2)0.0007g을 첨가(10배) 2시간 진탕하여 시료액으로 사용한다. 측정방법은 미니비커에 시료액 1방울과 백색시약 9 방울을 첨가하여 섞은 다음 2 방울만을 다른 미니비커에 옮기고 백색 시약을 5㎖선까지 첨가하면 액의 색상이 변하므로 이를 비색표와 대조하여 함량을 확인한 다음 희석배수 10을 곱하면 정미농도가 된다.

 

마그네슘은 작물에 함유된 양도 적고 가축이 대부분 섭취하는 것이며, 축산물을 마지막으로 먹는 사람의 배설물과 시체가 농경지로 환원되지 못하기 때문에 토양에 결핍될 수밖에 없는 성분이다. 이 성분이 결핍되면 동반흡수되는 인산도 흡수율이 극히 불량해지므로 항상 부족되지 않도록 시비해야한다.

 

표 2: 일반토양의 성분별 함량 표준/ppm
구 분	pH	NO3	NH4	PO4	K	Ca	Mg
일반표준	6.5	80∼150	70∼100	450∼1000	1,200∼2,700	3,500∼ 15,000	1,000∼3,000
농진청	6.5	-	-	60∼570	1,900∼3,760	14,000∼ 16,800	3,000∼4,000
일본武田健	6.5	100∼150	80∼100	450∼1,000	940∼2,115	2,800∼5,300	800∼1,800

 

그러나 비료용으로 판매하는 것은 대부분 구용성(枸溶性)이어서 흡수되기까지 많은 시일이 걸려야하므로 응급조치를 하려면 수용성(水溶性)인 황산마그네슘(MgSO4․7H2O)을 사용하는 것이 좋고, 질소도 부족할 때에는 질산마그네슘을 사용한다.

 

토양이 작물을 건전하게 생육시킬 수 있는 함량을 알아야 많고 적음을 평가할 수 있는 것으로 토질과 작물에 따라 차이는 있지만 일반적으로는 <표 2>의 함량을 표준으로 한다. 그러나 토질과 작형 및 작물과 품종에 따라 차이가 있는 것이므로 일단 일반표준에 접근시킨 다음 작황이 좋은 곳을 기준으로 계속 개량하여가면 그 땅과 그 작물의 노하우(비법)가 축적되는 것이다.

 

또한 지도기관에서는 기준량보다 많은 성분은 시비를 중단하고 부족되는 성분만을 표준에 맞도록 시비하라고 권장하지만 성분량을 당량(當量)으로 환산하여 함량비율이 많은 성분을 기준으로 양이온 치환용량(CEC)를 초과하지 않는 범위 내에서 칼륨:칼슘:마그네슘이 1:5:2가 되도록 시비해야 수확량이 감소하지 않고 고품질로 다수확하면서 토양이 개량되어가는 것이다.

 

CEC와 당량을 계산하는 방법은 다음호에서 설명하기로 하며, 화학비료 기피증을 가진 사람들은 자연산 물질들만 고집하지만 지구상에 자연산이 아닌 물질은 없다. 다만 화공약품이란 순도를 높이기 위해서 가공과정을 거쳤을 뿐이며, 파괴된 양분의 균형을 바로잡으려면 불가피하게 순도가 높은 화공자재를 사용해야한다.

이상의 분석방법은 다음 <표 3>으로 요약할 수 있다.

 

표3: 토양성분별 분석방법
성분별	용출과 희석		시약처리	진행과 판정
NO3	용기에 증류수 100 CC와 토양시료 100g을 혼합 30분 진탕		시약 불필요	시험지 염색부를 1초간 담갔다가 여분액 흩뿌리고 60초 후에 비색 판정
NH4	용기에 증류수 200 CC와 토양시료 50g을 혼합 60분 진탕 여과		미니비커에 5㎖ 옮겨 시약 10방울 적하	시험지 1초간 담갔다 흩뿌려 10초 후의 샌상으로 판정
PO4	DL추출액 250㎖에 건토 5g 상당량 첨가 90분 진탕		시험지 1초간 담근 후 염색부에 시약 1방울 적하	15초 반응후 여분액 흩뿌리고 60초 후에 비색 판정
K	DL추출액 100㎖에 건토 10g 상당량 첨가 90분 진탕, 1 시험관에 시약 13방울 넣음		시험지를 1초간 시료액에 담갔다 흩뿌려 꺼내고	즉시 시약에 60초간 담갔다가 꺼내어 비색 판정
Ca	증류수500㎖+건토5g→진탕, 1시간 용출, 시험지를 1초간 담근 후 시약처리 중 평면 대기		Ca-1분말 1스푼, Ca-2시약 10 방울 첨가 진탕	대기 중 시험지를 45초간 담갔다가 흩뿌리고 즉시 비색 판정
Mg	0.0125m/ℓ액50㎖+건토5g→진탕 2시간	미니비커 1에 즙액 1방울과 시약 9방울 첨가, 그중 2방울을 내장 스포잇으로 비커 2에 옮기고 백색시약을 5㎖까지 첨가, 흑색시약 10방울을 첨가하여 60초 후에 비색표 대조 판정

 

유명한 의사일수록 성의를 베풀 때에는 의학서적을 보면서 처방을 하듯이 농업도 과학영농을 하려면 물리, 화학, 전자, 생물학 등의 온갖 지식을 동원해야 되는 시대이므로 꾸준히 전문지식을 습득하고 모든 자료를 기록을 하면서 조금씩 더 좋게 개선하여가지 않으면 안 된다.