토양 pH

섬네일|343px|right|전 세계 토양 pH 변화. '''<span style="color:red;">빨간색</span>''' = 산성 토양. '''<span style="color:yellow;">노란색</span>''' = 중성 토양. '''<span style="color:blue;">파란색</span>''' = 알칼리성 토양. '''검은색''' = 데이터 없음.
**토양 pH**(soil pH)는 흙의 산성 또는 염기성(알칼리성)을 측정하는 척도이다. 토양 pH는 토양 특성에 대한 질적 및 양적 분석에 유용한 정보를 제공하는 데 사용될 수 있는 주요 특성이다. pH는 수용액 내 하이드로늄 이온( 또는 더 정확하게는 )의 활동도의 음의 로그(밑 10)로 정의된다. 토양에서는 흙과 물(또는  CaCl2와 같은 염 용액)을 혼합한 슬러리 상태에서 측정되며, 일반적으로 3에서 10 사이이며 7이 중성이다. 산성 토양은 pH가 7 미만이고 알칼리성 토양은 pH가 7 초과이다. 초산성 토양(pH  9)은 드물다.

토양 pH는 많은 화학적 과정에 영향을 미치므로 토양의 주요 변수로 간주된다. 특히 다양한 영양소의 화학적 형태를 제어하고 영양소가 겪는 화학 반응에 영향을 미쳐 식물 영양소의 가용성에 영향을 미친다. 대부분의 식물에 대한 최적 pH 범위는 5.5에서 7.5 사이이지만, 많은 식물은 이 범위 밖의 pH 값에서도 잘 자라도록 적응했다.

## 토양 pH 범위 분류

미국 농무부천연 자원 보전국은 토양 pH 범위를 다음과 같이 분류한다.

0~6 = 산성7 = 중성8 이상 = 알칼리성

## pH 측정
pH를 결정하는 방법은 다음과 같다.
*토양 단면 관찰: 특정 단면 특성은 산성, 염류 또는 나트륨 조건의 지표가 될 수 있다. 예시는 다음과 같다.
**유기 표층과 하부 광물층의 통합 불량 – 이는 강산성 토양을 나타낼 수 있다.
**고전적인 포드졸층위 배열, 포드졸은 강산성이므로: 이러한 토양에서는 유기 표층 아래에 옅은 용탈(E)층이 있고 그 아래에 어두운 B층이 있다.
** 석회질층의 존재는 알칼리성 조건에서 존재하는 탄산 칼슘의 존재를 나타낸다.
**기둥형 토양 구조는 나트륨 조건의 지표가 될 수 있다.
*주요 식물상 관찰. 석회기피성 식물 (산성 토양을 선호하는 식물)에는 에리카, 로도덴드론 및 거의 모든 다른 진달래과 종, 많은 자작나무속 (Betula), 디기탈리스(디기탈리스속), 고르스 (Ulex spp.), 그리고 구주소나무 (Pinus sylvestris)가 포함된다. 석회선호성 식물 (석회를 좋아하는 식물)에는 물푸레나무(물푸레나무속), 인동속, 부들레야, 층층나무(층층나무속), 라일락(수수꽃다리속), 그리고 으아리속 종이 포함된다.
*소량의 토양 샘플을 산성에 따라 색이 변하는 지시약 용액과 혼합하는 저렴한 pH 측정 키트 사용.
* 리트머스 종이 사용. 소량의 토양 샘플을 증류수와 혼합한 후 리트머스 종이 한 장을 삽입한다. 토양이 산성이면 종이가 붉은색으로, 염기성이면 푸른색으로 변한다.
*다른 특정 과일 및 채소 색소도 pH 변화에 반응하여 색이 변한다. 블루베리 주스는 산이 첨가되면 더 붉게 변하고, 충분한 염기성으로 적정되어 높은 pH를 나타내면 남색이 된다. 붉은 양배추도 비슷하게 영향을 받는다.
*상업적으로 이용 가능한 전자식 pH 미터 사용. 유리 또는 고체 전극을 촉촉한 토양 또는 토양과 물의 혼합물(현탁액)에 삽입하고, pH는 일반적으로 디지털 디스플레이 화면에 표시된다.
*2010년대에는 토양 추출물에 지시 염료를 첨가하여 토양 pH를 측정하는 분광광도법이 개발되었다. 이 방법은 유리 전극 측정과 잘 비교되지만, 표류, 액체 접합 및 현탁액 효과가 없다는 상당한 장점을 제공한다.

과학 연구 및 모니터링을 위해서는 토양 pH의 정확하고 반복 가능한 측정이 필요하다. 이는 일반적으로 표준 프로토콜을 사용한 실험실 분석을 수반한다. 이러한 프로토콜의 예는 USDA 토양 조사 현장 및 실험실 방법 매뉴얼에 있다. 이 문서에는 토양 pH 측정에 대한 3페이지 분량의 프로토콜에 다음 섹션이 포함되어 있다: 적용; 방법 요약; 간섭; 안전; 장비; 시약; 및 절차.

## 토양 pH에 영향을 미치는 요인
자연 토양의 pH는 토양의 모질물의 광물 조성과 그 모질물이 겪는 풍화 반응에 따라 달라진다. 따뜻하고 습한 환경에서는 토양을 가로지르거나 아래로 이동하는 물에 의해 풍화 생성물이 용탈되면서 시간이 지남에 따라 토양산화가 발생한다. 그러나 건조한 기후에서는 토양 풍화 및 용탈이 덜 강렬하여 토양 pH가 종종 중성 또는 알칼리성이다.

### 산성 유발 요인
많은 과정이 토양 산성화에 기여한다. 이들은 다음과 같다:
* 강우: 평균 강우는 pH 5.6으로 적당히 산성인데, 대기 중 이산화 탄소()가 용해되어 물과 결합하여 탄산()을 형성하기 때문이다. 이 물이 토양을 통해 흐르면 탄산수소염 형태로 염기성 양이온이 용탈된다. 이는 다른 양이온에 비해  및 의 비율을 증가시킨다.
* 뿌리 호흡 및 미생물에 의한 유기물 분해는 를 방출하여 탄산() 농도를 증가시키고 후속 용탈을 유발한다.
* 식물 성장: 식물은 이온 형태(예: , , , )로 영양분을 흡수하며, 종종 양이온을 음이온보다 더 많이 흡수한다. 그러나 식물은 뿌리에서 중성 전하를 유지해야 한다. 추가적인 양전하를 보상하기 위해 뿌리에서  이온을 방출한다. 일부 식물은 또한 중성 pH에서 불용성인 철(Fe)과 같은 금속 영양소를 용해하는 데 도움이 되도록 뿌리 주변의 영역을 산성화하기 위해 유기산을 토양으로 분비한다.
* 비료 사용: 암모늄() 비료는 토양에서 질산화 작용 과정을 통해 질산염()을 형성하며, 이 과정에서  이온을 방출한다.
* 산성비: 화석 연료의 연소는 대기 중으로 황과 질소 산화물을 방출한다. 이들은 대기 중 물과 반응하여 비에 황산과 질산을 형성한다.
* 산화 풍화: 일부 일차 광물, 특히 황화물 및 를 포함하는 광물의 산화는 산성을 생성한다. 이 과정은 종종 인간 활동에 의해 가속화된다.
** 광산 폐기물: 황철석의 산화로 인해 일부 광산 폐기물 근처 토양에서 심각한 산성 조건이 형성될 수 있다.
** 산성 황산염 토양은 침수된 해안 및 하구 환경에서 자연적으로 형성되지만, 배수되거나 굴착되면 매우 산성으로 변할 수 있다.

### 알칼리성 유발 요인
총 토양 알칼리성은 다음 요인으로 인해 증가한다.
* , ,  및 를 함유한 규산염 광물, 알루미노규산염 및 탄산염 광물의 풍화;
* 토양에 규산염, 알루미노규산염 및 탄산염 광물 첨가; 이는 바람이나 물에 의해 다른 곳에서 침식된 물질의 퇴적 또는 덜 풍화된 물질과의 혼합(예: 산성 토양에 석회석 첨가)으로 발생할 수 있다.
* 용해된 탄산수소염을 함유한 물의 첨가(높은 탄산수소염 함량의 물로 관개할 때 발생).

토양에 알칼리성 물질(Na, K, Ca, Mg의 탄산염 및 탄산수소염)이 축적되는 것은 토양을 통해 흐르는 물이 충분하지 않아 용해성 염을 용탈시키지 못할 때 발생한다. 이는 건조한 조건이나 불량한 내부 토양 배수 때문일 수 있다. 이러한 상황에서는 토양으로 유입되는 대부분의 물이 토양을 통해 흐르는 대신 증발하거나 식물에 의해 흡수된다.

토양 pH는 보통 전체 알칼리도가 증가하면 상승하지만, 추가된 양이온의 균형 또한 토양 pH에 큰 영향을 미친다. 예를 들어, 알칼리성 토양에서 나트륨 양을 늘리면 탄산 칼슘의 용해를 유도하는 경향이 있으며, 이는 pH를 증가시킨다. 탄산질 토양은 용해성 양이온 중  또는 가 우세한 정도에 따라 pH가 7.0에서 9.5까지 다양할 수 있다.

## 식물 성장에 대한 토양 pH의 영향

### 산성 토양
광산 근처에는 높은 수준의 알루미늄이 존재한다. 석탄 화력 발전소나 소각로에서는 소량의 알루미늄이 환경으로 방출된다. 공기 중의 알루미늄은 비에 씻겨 내려가거나 일반적으로 가라앉지만, 작은 알루미늄 입자는 오랫동안 공기 중에 남아 있다.

산성 강수는 천연 공급원에서 알루미늄을 이동시키는 주요 자연 요인이며 알루미늄의 환경 영향에 대한 주요 원인이다. 그러나 염분 및 담수에서 알루미늄의 존재는 알루미늄을 공기 중으로 배출하는 산업 공정이다. 산성 토양에서 자라는 식물은 알루미늄(Al), 수소(H) 및 망가니즈(Mn) 독성, 그리고 칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg) 영양 결핍을 포함한 다양한 스트레스를 경험할 수 있다.

알루미늄 독성은 산성 토양에서 가장 널리 퍼진 문제이다. 알루미늄은 모든 토양에 다양한 정도로 존재하지만, 용해된 Al3+는 식물에 독성이 있다. Al3+는 낮은 pH에서 가장 용해도가 높으며, pH 5.0 이상에서는 대부분의 토양에서 알루미늄이 용해성 형태로 거의 존재하지 않는다. 알루미늄은 식물 영양소가 아니므로 식물에 의해 능동적으로 흡수되지 않고, 삼투를 통해 수동적으로 식물 뿌리로 들어간다. 알루미늄은 여러 형태로 존재할 수 있으며, 전 세계 여러 지역에서 성장을 제한하는 요인이다. 알루미늄 내성 연구는 다양한 식물 종에서 수행되어 노출 시 생존 가능한 임계치 및 농도와 기능을 확인했다. 알루미늄은 뿌리 성장을 억제한다. 측근과 뿌리 끝은 두꺼워지고 뿌리는 미세한 가지를 가지지 않으며, 뿌리 끝은 갈색으로 변할 수 있다. 뿌리에서 Al3+의 초기 효과는 근피세포의 세포 확장을 억제하여 파열을 초래하는 것이다. 그 후 칼슘 및 기타 필수 영양소의 흡수 및 운반, 세포 분열, 세포벽 형성 및 효소 활동을 포함한 많은 생리적 과정을 방해하는 것으로 알려져 있다.

양성자(H+ 이온) 스트레스 또한 식물 성장을 제한할 수 있다. 뿌리 세포의 원형질막에 있는 양성자 펌프, H+-ATPase는 세포질의 거의 중성 pH를 유지하기 위해 작동한다. 외부 성장 배지에서 높은 양성자 활성(대부분의 식물 종에 대해 pH 3.0~4.0 범위)은 세포가 세포질 pH를 유지하는 능력을 압도하고 성장이 멈춘다.

망가니즈 함유 광물이 많은 토양에서는 pH 5.6 이하에서 Mn 독성이 문제가 될 수 있다. 망가니즈는 알루미늄처럼 pH가 떨어지면서 용해도가 증가하며, pH 5.6 이하에서 Mn 독성 증상이 나타날 수 있다. 망가니즈는 필수 식물 영양소이므로 식물은 Mn을 잎으로 운반한다. Mn 독성의 전형적인 증상은 잎이 쭈글쭈글해지거나 컵 모양이 되는 것이다.

### 토양 pH와 관련된 영양소 가용성
섬네일|right|토양 pH와 관련된 영양소 가용성

토양 pH는 일부 식물 영양소의 가용성에 영향을 미친다.

위에서 논의한 바와 같이, 알루미늄 독성은 식물 성장에 직접적인 영향을 미치지만, 뿌리 성장을 제한함으로써 식물 영양소의 가용성도 감소시킨다. 뿌리가 손상되므로 영양분 흡수가 감소하고, 매우 강산성에서 초산성 토양(pH3+)에 의해 유발되는 산화 스트레스가 절지동물처럼 두꺼운 키틴질외골격으로 몸이 보호되지 않아 토양 용액과 더 직접적인 접촉을 하는 토양 동물, 즉 원생생물, 선형동물, 윤형동물(미세동물군), 물지렁이과(중동물군) 및 지렁이(거대동물군)에게 영향을 미친다.

토양 생물에 대한 pH의 영향은 토양 먹이 그물의 다양한 기능적 상호 작용에 의해 중재될 수 있다. 실험적으로, 일반적으로 pH 5 이상의 토양에 서식하는 톡토기 Heteromurus nitidus는 포식자가 없을 경우 더 산성인 토양에서도 배양될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 암모니아 방출에 의해 매개되는 지렁이배설물(점액, 오줌, 똥)에 대한 이 동물의 유인 반응은 덜 산성인 토양과 관련된 멀 부식 형태의 지렁이 굴 내에서 먹이와 피난처를 제공한다.

## 토양 생물이 토양 pH에 미치는 영향
토양 생물은 배설을 통해 직접적으로, 그리고 물리적 환경에 작용함으로써 간접적으로 토양 pH에 영향을 미친다. 많은 토양 곰팡이는 모두는 아니지만, 호흡 대사 산물인 옥살산을 배설하여 토양을 산성화한다. 옥살산은 칼슘을 침전시켜 불용성 결정인 옥살산 칼슘을 형성하고, 따라서 토양 용액에서 이 필수 원소를 고갈시킨다. 반대로, 지렁이는 양쪽성 특성을 가진 점액을 배설함으로써 토양 pH에 완충 효과를 미친다.

유기물을 무기물, 특히 점토 입자와 혼합하고 일부에 점액을 접착제로 추가함으로써, 굴을 파는 토양 동물(예: 굴을 파는 설치류, 두더지류, 지렁이, 흰개미, 일부 노래기강 및 파리목 유충)은 멀 부식에서 관찰되는 바와 같이 원시 유기물의 자연 산성을 감소시키는 데 기여한다.

## 토양 pH 변경

### 산성 토양의 pH 증가
미세하게 분쇄된 농업용 석회는 종종 산성 토양에 pH를 높이기 위해 적용된다(석회 시비). pH를 변경하는 데 필요한 석회석 또는 백악의 양은 석회의 메시 크기(얼마나 미세하게 분쇄되었는지)와 토양의 완충 능력에 따라 결정된다. 높은 메시 크기(60메시 = 0.25mm; 100메시 = 0.149mm)는 토양 산성과 빠르게 반응할 미세하게 분쇄된 석회를 나타낸다. 토양의 완충 능력은 토양의 점토 함량, 점토 종류, 유기물 함량에 따라 달라지며, 토양의 양이온 교환 용량과 관련될 수 있다. 따라서 점토 함량이 높은 토양은 점토가 적은 토양보다 완충 능력이 높고, 유기물 함량이 높은 토양은 유기물 함량이 낮은 토양보다 완충 능력이 높다. 완충 능력이 높은 토양은 동일한 pH 변화를 달성하기 위해 더 많은 양의 석회를 필요로 한다. 토양 pH의 완충 작용은 종종 토양 용액에 있는 알루미늄의 양과 양이온 교환 용량의 일부로 교환 위치를 차지하는 알루미늄의 양과 직접적으로 관련된다. 이 알루미늄은 토양분석에서 염 용액으로 토양에서 추출된 다음 실험실 분석으로 정량화될 수 있다. 그런 다음 초기 토양 pH와 알루미늄 함량을 사용하여 pH를 원하는 수준으로 높이는 데 필요한 석회 양을 계산할 수 있다.

토양 pH를 높이는 데 사용될 수 있는 농업용 석회 외의 개량제로는 목회, 산업용 산화 칼슘 (생석회), 산화 마그네슘, 염기성 슬래그 (규산 칼슘), 그리고 굴 껍데기가 있다. 이러한 제품들은 다양한 산-염기 반응을 통해 토양의 pH를 증가시킨다. 규산 칼슘은 H+ 이온과 반응하여 중성 용질인 규산(H4SiO4)을 형성함으로써 토양의 활성 산성을 중화한다.

### 알칼리성 토양의 pH 감소
알칼리성 토양의 pH는 산성화제 또는 산성 유기 물질을 첨가하여 감소시킬 수 있다. 원소 황 (90–99% S)은 의 살포율로 사용되었는데, 이는 토양에서 서서히 산화되어 황산을 형성한다. 황산 암모늄, 질산 암모늄 및 요소와 같은 산성화 비료는 암모늄이 산화되어 질산을 형성하기 때문에 토양의 pH를 낮추는 데 도움이 될 수 있다. 산성화 유기 물질에는 이탄 또는 물이끼속 이탄 이끼가 포함된다.

그러나 탄산 칼슘 함량이 높은(2% 이상) 고pH 토양에서 산으로 pH를 낮추려고 시도하는 것은 매우 비용이 많이 들고 비효율적일 수 있다. 이러한 경우, 칼슘 토양에서 이 영양소의 결핍이 식물 성장 불량의 가장 흔한 원인이기 때문에 인, 철, 망가니즈, 구리 또는 아연을 첨가하는 것이 종종 더 효율적이다.

## 같이 보기
* 광산 배수
* 산성 황산염 토양
* 양이온 교환 용량
* 비료
* 석회 시비
* 유기농 원예
* 산화환원 기울기

## 각주

## 외부 링크
* "A Study of Lime Potential, R.C. Turner, Research Branch, Canadian Department of Agriculture, 1965"

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