토양 속 질소의 움직임

농경지 질소의 순환

 

토양-식물-대기에서 질소의 순환

 

 

작물체내에 질소가 과잉되면 광합성에 의해 만들어진 탄수화물이 빨리 단백질이나 원형질로 변하여 무질소화합물인 세포벽 물질이나 리그린 형성을 위해 남게 되는 탄수화물량이 적어지므로 세포벽이 얇아지고 잎은 연약해진다. 또한 작물의 병충해, 서리해, 건조해에 대한 저항성도 약화된다. 배추의 경우 결구 초기에 질산태 질소가 과다하면 결구 내부의 어린잎들이 이를 전부 소화하지 못하여 잎자루 속에 질산태질소의 농도가 높아져 깨씨무늬 증상이 발생하는데 이는 중륵에 깨알 같은 작은 흑색 반점이 생기는 증상이다.

작물체내에 질소가 결핍되면 작물의 전체 생장이 저해되며, 작물 아랫부분의 오래 된 잎이 황화되어 시든다. 줄기는 가늘고 딱딱해지며 담녹색이 되며, 뿌리는 생장이 저해된다. 배추의 질소 결핍증은 배추 전체가 왜화되고 아래 잎부터 균일하게 황화 되는데 잎맥 사이부터 황화되기 시작하여 점차 잎맥의 녹색이 거의 없어지고 뿌리의 발육도 불량하나 지상부가 위조하지는 않으며 일찍 노화 한다. 결구후기에 깨씨무늬 증상이 나타나는 경우는 질소가 부족하여 결구 중심부의 생육을 위해 겉잎의 영양분이 중심부로 이동하게 되는데 이때는 바깥 잎의 중륵 부분에 생기기도 한다.

 

질소 결핍증의 진단법

잎의 경우보다 질산태질소의 농도가 낮다 하더라도 그 능력을 벗어나기 때문에 질소대사에 이상이 생겨 깨씨무늬 증상이 나타나는 것으로 알려져 있다. 배추의 질소 결핍증은 토양 중의 질소 함유량이 낮을 때나 볏짚을 다량으로 시용하고 강우량이 많거나 시설재배시 잦은 관수로 질소의 용탈이 많았을 때, 사질토나 사양토와 같이 양이온 치환용량이 적은 토양에서 발생할 수 있다.

 질소는 체내의 이동이 잘되므로 결핍현상이 주로 노화한 부위에서 나타난다. 질소 결핍증은 유황 결핍증과 마그네슘 결핍증, 병해충에 의한 황화현상과 유사하므로 주의 깊게 진단해야 한다. 마그네슘 결핍에 의한 황화는 아래 잎부터 발생하여 잎맥의 녹색이 약간 남아 있기 때문에 구별할 수 있고 병해충에 의한 황화는 낮에 잎이 시드는 위조현상이 나타나고 집단적으로 발생하며 불연속적으로 나타난다. 토양의 전기전도도(EC)를 측정하는 것도 좋은 진단법으로 수치가 낮으면 질소결핍과 관련 있는 것으로 진단할 수 있다.

 

질소 과잉 및 결핍증 대책 

 배추의 깨씨무늬 증상을 막기 위해서는 질소질 비료가 일시에 과다하게 공급되지 않도록 덧거름 위주로 적기에 적량 시비하고 미량요소도 부족하지 않도록 비배관리 및 수분관리에 신경 쓴다. 또한 생육 후기, 즉 결구 후반기에는 질소질이 부족하지 않도록 덧거름에 유의하고 저장 중에 발생하는 것을 방지하기 위해 노후화된 배추는 저장하지 않는다.

일반적인 질소 결핍증을 막기 위해서는 토양 중에 질소 비료를 충분히 시용하고 저온기에는 질산태질소 비료를 시용하는 것이 좋으며 0.2∼2.5%의 요소액을 엽면 살포한다. 또한 멀칭을 하면 시비한 질소의 유실을 막아 주므로 효과가 있고 완숙 퇴비와 유기질 비료의 충분한 시용으로 지력을 높여 결핍증에 대비한다.

질산화 작용

토양에 가해진 유기물이 미생물의 활동에 의하여 분해되고 그 중에 함유되어 있는 질소화합물들은 아미노산으로 분해되며 아미노산은 다시 탈아미노화작용을 받아 암모니아로 생성되어 식물에 흡수 이용되거나 미생물의 영양원이 되며 일부는 질산화작용을 받게된다. 질산화작용은 질산화균에 의하여 일어나는 2단계의 산화반응이다.

 

2NH₃+ 3O₂ → 2HNO₂+   2H2O

 HNO₂+ 1/2O₂ → HNO₃

 

암모니아가 질산으로 산화되는 과정은 전형적인 무기영양세균에 의한 반응이며 이 반응은 아질산을 중간물로 하는 2단계 반응이다. 제1단계의 반응에 관여하는 세균군은 기능상 암모니아 산화균이라고 하며, Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrospira, Nitrosoglea 등의 세균들이 속한다. 제2단계 반응에 관여하는 세균군은 아질산 산화균으로서 Nitrobacter, Nitrocytis 등이 이에 속한다.

 

양분으로서 가해진 비료도 앞에서와 똑같은 과정을 거쳐 암모니아로 되고 다시 질산으로 변화된다.

                  (NH2)2CO(요소) + 2H2O→(NH4)2CO₃

                  CaCN2(석회질소) + H2O+CO₂ → NH2·CN+CaCO₃

 

                  NH₂· CN + H2O→(NH2)2CO

 

                  (NH2)2CO+2H2O→(NH4)2CO₃

 

이들 반응에 의해 생성된 암모니아는 질산화작용에 의해 다시 질산으로 된다. 토양중에서 암모니아의 산화가 일어 날 경우에는 아질산의 대량집적은 보통 일어나지 않지만, pH가 높을 때에는 검출할 수 있을 정도의 아질산이 축적될 수도 있다. 이들 균은 그 산화반응에 의하여 얻어지는 화학에너지를 이용하여 균체의 구성과 생명을 유지하고 있지만 에너지 효율이 매우 낮아 일반적으로 생육속도가 느리다. 따라서 활발한 생육을 위해서는 다량의 암모니아 또는 아질산을 산화해야한다.  

NO3-은 작물이나 미생물에 매우 쉽게 이용되기도 하지만, 음이온이므로 토양에서 이동이 매우 빨라 쉽게 용탈되기도 하고 탈질반응을 통하여 손실된다. 질산화작용은 토양 pH 4.5~7.5 범위에서 잘 일어나며, 매우 산성화된 토양에서는 Ca, Mg 등의 영양소 부족이나 Al의 독성으로 인하여 질산화작용이 저해된다. 알칼리성 토양에서는 NH3가 축적될 수 있으며 질산화균의 작용을 저해할 수 있다. 질산화작용은 포장용수량 정도의 적당한 수분함량에서 가장 잘 일어난다. 토양수분의 함량이 많아질수록 호기적인 반응인 질산화작용이 느려지고 포화상태에서는 산소부족으로 거의 일어나지 않는다. 질산화균이 작용할 수 있는 최적 온도범위는 25~30℃ 이며 5℃ 이하 또는 40℃이상에서는 질산화작용이 크게 저해된다. 

질소고정 작용

고정화 작용(immobilization)은 무기태 질소가 유기태 질소의 형태로 변환되는 반응이다. 이 과정은 무기화 과정의 반대이다. 즉 무기화 과정에서 생성된 무기태 질소를 토양 미생물이 흡수하여 단백질 등 생체 구성물질로 다시 동화시키는 반응이다. 일부 미생물은 불활성의 기체 분자질소(N2)를 식물이 이용할 수 있는 형태로 전환시킬 수 있는 특별한 기능을 지니고 있다. 이들 미생물은 분자상태의 질소를 암모니아로 전환시켜 유기질소화합물을 합성하는데, 이를 생물학적 질소고정 (biological nitrogen fixation)이라고 한다. 공중질소를 고정하는 미생물은 독립생활을 하는 비공생적 질소고정균으로서 아조토박터(azotoqacter)속과 크로스트리디움(clostridium)속이 있고 다른 생물과 공생하는 공생적 질소고정균으로서 Rhizobium 속이 있으며 남조류 등이 질소고정을 하고 있다.

 아조토박터는 호기성의 유기영양세균이며 최적 pH 6.6~7.5, 최저 pH 5.9 최적온도 20~30℃이고, 크로스트리디움은 혐기성의 유기영양세균으로서 최적 pH 6.9~7.3, 최저 pH 5.7 최적온도 28~30℃이다. 또한 호기성유기영양세균으로서 pH 4.5인 산성토양에서 생활하는 베이제린키아(beijerinckia)도 있다. 이들 세균을 농업적으로 활용하기 위해서는 증식이 필요한데 아조토박터의 경우 

가. 다소 탄질율이 높은(33:1보다 큰) 유기물을 가하여 부족한 질소를 공중질소로서 이용하게 하고     

나. 토양중에 질소가 많지 않게 하며 

다. 토양의 pH를 6.0이상으로 한다.

라. 유효인산을 풍부하게 하고 몰리브덴을 시용한다.

 

콩과식물에 의한 질소고정
(단위 : kg/10a)
콩과식물	질소고정량
	고정량	평균
알팔파 라디노클로버 쉬트클로버 레드클로버 일반클로버 화이트클로버 카우피 베 치 완 두 대 두 땅 콩 동 부	5.7~51.0 - ~30.0 8.5~19.3 6.8~34.0 - 6.6~13.3 9.0~15.8 3.5~16.0 6.5~18.3 - ~8.0	22.0 20.0 14.0 13.0 - 11.8 10.3 9.0 8.3 11.3 4.8 4.5

 

콩과식물은 그 생활에 필요한 질소의 1/3을 토양으로부터 얻고, 2/3를 공중질소의 고정에 의하여 얻으며 전 질소의 2/3가 지상부에 들어 있고, 나머지 1/3이 지하부에 들어 있으므로 고정된 질소는 주로 지상부에 해당된다.  

  콩과식물의 질소고정은 여러 가지 환경요인에 따라서 차이가 있고 또한 어느 콩과식물에서는 동일하지 않다.  현재까지 알려진 질소고정의 생화학적 과정은 대기중의 질소가 NHOH(nitrogen hydrate)로 변하고 이것이 환원되어 NH2OH(hydroxylamine)로 되며, 더욱 환원이 진행되면 NH₃또는 옥살아세트산(oxalacetic acid)과 결합하여 옥시미노삭시닉산(oximinosuccinic acid)이 되고, 마지막에는 아스피트산(aspartic acid)으로 된다고 한다. 그리고 하이드록실아민(hydroxylamine)대신 하이드라진(hydrazine)을 경유하여 NH₃로 되기도 한다.

질소의 고정은 두 가지 효소작용에 의하여 이루어지는데 하나는 피루브산을 분해하여 전자와 ATP를 질소활성화 효소에 공급하는 수소공여계이고, 다른 하나는 N₂를 NH₃로 변화시키는 질소활성화계이다. 이 활성화계에서는 Fe, Mo, Co, Cu와 같은 성분을 필수적으로 하고 있다.