토양 산성화

토양 산성화(soil acidification)는 수소 양이온이 축적되어 토양 pH가 낮아지는 현상이다. 화학적으로 이는 양성자 공여체가 토양에 첨가될 때 발생한다. 공여체는 질산, 황산 또는 탄산과 같은 산일 수 있다. 또한 토양에서 반응하여 양성자를 방출하는 황산 알루미늄과 같은 화합물일 수도 있다. 산성화는 칼슘, 마그네슘, 칼륨, 나트륨과 같은 염기 양이온이 토양에서 용출될 때도 일어난다.

토양 산성화는 지의류와 조류가 암석 표면을 분해하기 시작하면서 자연적으로 발생한다. 토양이 발달함에 따라 산은 이러한 용해 과정을 지속한다. 자연 생태계에서 시간의 흐름과 풍화에 따라 토양은 더욱 산성으로 변한다. 토양 산성화 속도는 다양할 수 있으며, 산성비, 농업, 오염과 같은 요인에 의해 증가한다.

 원인 

 산성비 
강수는 대기 중의 이산화 탄소로부터 형성되는 탄산으로 인해 자연적으로 산성을 띤다. 이 화합물은 강수의 pH를 약 5.0~5.5 정도로 만든다. 강수가 자연적인 수준보다 낮은 pH를 가질 때, 토양의 급격한 산성화를 초래할 수 있다. 이산화 황과 질소 산화물은 대기 중의 물과 반응할 때 산성비 생성을 유도할 수 있는 더 강한 산의 전구체이다. 이러한 가스들은 번개나 화산 폭발과 같은 자연적 원인이나 인위적 배출로 인해 대기 중에 존재할 수 있다. 산성비가 흐르면서 칼슘과 같은 염기성 양이온이 토양에서 용출되며, 이는 알루미늄과 양성자 수치를 증가시킨다.

산성비와 눈에 포함된 질산과 황산은 산림 토양의 산성화에 서로 다른 영향을 미칠 수 있으며, 특히 겨울 동안 눈이 쌓이는 지역에서는 계절에 따라 차이가 나타난다. 눈은 황산보다 질산을 더 많이 포함하는 경향이 있으며, 결과적으로 봄철 짧은 기간 동안 질산이 풍부한 눈 녹은 물이 고산지대 산림 토양을 통해 용출될 수 있다. 이 물의 양은 연간 강수량의 최대 50%에 달할 수 있다. 눈 녹은 물의 질산 분출은 지하수와 지표수로 유입되는 배수 pH를 단기간에 급격히 감소시킬 수 있다. pH의 감소는 물고기에게 독성이 있는 Al3+를 가용화할 수 있으며, 특히 호흡을 위해 다량의 물을 통과시키는 미성숙한 아가미 시스템을 가진 갓 부화한 치어에게 치명적이다. 눈 녹은 물의 분출이 지나가면 수온이 상승하고 호수와 하천에서 용존 유기물이 더 많이 생성된다. 배수 중의 Al 농도는 감소하고 유기산과 결합하여 물고기에 대한 독성이 약해진다. 비의 경우, 질산 대 황산의 비율은 약 1:2로 감소한다. 비의 높은 황산 함량은 질산만큼 토양에서 Al3+를 많이 방출하지 않을 수 있는데, 이는 부분적으로 토양에 의한 SO42-의 보유(흡착) 때문이다. 이 과정은 토양 용액으로 OH−를 방출하여 두 산에서 첨가된 H+로 인한 pH 감소를 완충한다. 유기물이 풍부한 산림 바닥의 유기물 토양층 또한 pH를 완충하며, 이후 하부의 광물층으로 용출되는 H+의 부하를 감소시킨다.

 생물학적 풍화 

식물의 뿌리는 양성자와 유기산을 방출하여 토양 광물을 화학적으로 풍화시킴으로써 토양을 산성화한다. 토양 위에서 죽은 식물의 잔해가 부패하면서 유기산을 형성하여 토양 산성화에 기여할 수도 있다. O층(유기물층)의 낙엽으로 인한 산성화는 토양에 염기성 양이온을 적게 돌려보내는 소나무속, 가문비나무속, 전나무속과 같은 침엽수 아래에서 활엽수 아래보다 더 뚜렷하게 나타난다. 그러나 식생에 기인한 토양 pH의 차이는 종종 해당 식생이 존재하기 전부터 이미 존재했을 수 있으며, 그러한 환경을 견디는 종이 선택되도록 돕는다. 기존 생물량(Biomass) 내의 칼슘 축적 또한 토양 pH에 강력한 영향을 미치며, 이는 종에 따라 달라질 수 있다.

 모질물 
특정 모질물 또한 토양 산성화에 기여한다. 화강암과 그와 관련된 화산암은 풍화 시 규산을 생성하는 유기 석영을 많이 포함하고 있기 때문에 "산성"이라고 불린다. 또한 이들은 칼슘과 마그네슘 함량이 상대적으로 낮다. 셰일이나 석탄과 같은 일부 퇴적암은 황화물이 풍부하며, 이것이 수화 및 산화되면 규산보다 훨씬 강한 황산을 생성한다. 많은 석탄 토양은 식물이 왕성하게 자라기에는 너무 산성이고, 석탄은 연소될 때 산성비의 강력한 전구체를 방출한다. 해성 점토 또한 많은 경우 황화물이 풍부하며, 이러한 점토가 산화 상태로 배수되면 매우 산성화된다.

 토양 개량제 
화학 비료와 같은 토양 개량제는 토양 산성화를 유발할 수 있다. 황 기반 비료는 산성화 효과가 매우 클 수 있는데, 원소 황과 황산철이 그 예이다. 반면 황산 칼륨과 같은 다른 비료는 토양 pH에 유의미한 영향을 주지 않는다. 대부분의 질소 비료가 산성화 효과를 가지는 가운데, 암모늄 기반 질소 비료는 다른 질소원보다 더 산성화를 촉진한다. 암모니아 기반 질소 비료에는 황산 암모늄, 인산 이암모늄, 인산 일암모늄 및 질산 암모늄이 포함된다. 요소나 퇴적물과 같은 유기 질소원은 산성화 효과가 덜하다. 질산 칼슘, 질산 마그네슘, 질산 칼륨, 질산 나트륨과 같이 암모늄이 거의 없거나 아예 없는 질산염 비료는 산성화하지 않는다.

 오염 
공기 중으로 배출된 질소가 결국 토양에 쌓이면서 산성화가 발생할 수도 있다. 가축 사육은 인위적인 암모니아 배출의 약 65%를 차지한다.

이산화 황과 질소 산화물의 인위적 발생원은 산성비 생성 증가에 중요한 역할을 한다. 화석 연료의 사용과 자동차 배기가스는 각각 황 가스와 질소 산화물의 가장 큰 인위적 기여자이다.

알루미늄은 토양을 더욱 산성으로 만들 수 있는 몇 안 되는 원소 중 하나이다. 이는 알루미늄이 물에서 수산화 이온을 빼앗고 수소 이온을 남김으로써 이루어진다. 결과적으로 토양은 더욱 산성화되어 많은 식물이 살 수 없는 환경이 된다. 토양 내 알루미늄의 또 다른 결과는 뿌리 성장을 억제하는 알루미늄 독성이다.

 농업 관리 관행 
단일 재배 및 화학 시비와 같은 농업 관리 방식은 종종 토양 산성화, 퇴화, 토양 매개 질병과 같은 토양 문제를 일으키며, 궁극적으로 농업 생산성과 지속 가능성에 부정적인 영향을 미친다.

 영향 

토양 산성화는 토양 내 식물과 유기체에 피해를 줄 수 있다. 식물의 경우, 토양 산성화는 뿌리를 더 작고 덜 튼튼하게 만든다. 산성 토양은 때때로 뿌리 끝을 손상시켜 성장을 더욱 저해한다. 식물의 키가 작아지고 종자 발아율도 감소한다. 토양 산성화는 식물의 건강에 영향을 미쳐 피복도를 낮추고 식물 밀도를 떨어뜨린다. 전반적으로 식물의 성장이 저해되는 현상이 관찰된다. 토양 산성화는 멸종 위기 식물 종의 감소와 직접적인 관련이 있다.

토양 내에서 산성화는 미생물과 동물상의 다양성을 감소시킨다. 이는 토양 구조를 악화시켜 침식에 더 취약하게 만들 수 있다. 토양에서 이용 가능한 영양소가 줄어들고, 식물에 대한 독성 원소의 영향이 커지며, 질소 고정과 같은 토양 생물학적 기능에 결과를 초래한다. 최근의 연구에 따르면 사탕수수 단일 재배는 토양 산성을 유발하고, 토양 비옥도를 낮추며, 미생물 구조를 변화시키고 활동을 감소시키는 것으로 나타났다. 또한 사탕수수 단일 재배로 인해 대부분의 유익한 박테리아 속은 크게 감소한 반면, 유익한 곰팡이 속은 반대 경향을 보였다. 따라서 토양 산성 완화, 토양 비옥도 및 토양 효소 활동 개선, 식물과 토양에 유익한 미생물 구조 개선 등은 지속 가능한 사탕수수 재배 시스템을 개발하기 위한 효과적인 조치가 될 수 있다.

더 큰 규모에서 토양 산성화는 이러한 영향들로 인한 농업 생산성 손실과 연결된다.

산성수와 토양 산성화가 식물에 미치는 영향은 경미할 수도 있고, 대부분의 경우 중대할 수도 있다. 식물 생명에 치명적이지 않은 경미한 경우로는 산성 조건에 덜 민감한 식물이나 덜 강한 산성비 등이 있다. 또한 경미한 경우에도 산성수가 식물의 자연 pH를 낮추어 결국 식물이 죽게 될 수 있다. 산성수가 식물로 유입되면 중요한 식물 미네랄이 용해되어 씻겨 나가게 되며, 이는 궁극적으로 영양 미네랄 부족으로 식물을 죽게 만든다. 더 극단적인 중대한 경우에는 경미한 경우와 마찬가지로 필수 미네랄 제거라는 손상 과정이 발생하지만 훨씬 더 빠른 속도로 진행된다. 마찬가지로 토양과 식물 잎에 내리는 산성비는 잎의 왁스질 큐티클을 건조하게 만들며, 이는 궁극적으로 식물에서 외부 대기로의 급격한 수분 손실을 유발하여 식물을 고사시킨다. 식물이 토양 산성화의 영향을 받고 있는지 확인하려면 식물 잎을 주의 깊게 관찰하면 된다. 잎이 녹색이고 건강해 보인다면 토양 pH는 식물 생명에 정상적이고 수용 가능한 수준이다. 그러나 식물 잎의 잎맥 사이가 황변한다면 이는 식물이 산성화로 고통받고 있으며 건강하지 않다는 것을 의미한다. 더욱이 토양 산성화로 고통받는 식물은 광합성을 할 수 없다. 산성수로 인해 식물이 말라 죽으면 엽록체 소기관이 파괴된다. 광합성을 할 수 없게 되면 식물은 자신의 생존을 위한 영양분이나 호기성 생물의 생존을 위한 산소를 생성할 수 없게 되며, 이는 지구상의 대부분의 종에 영향을 미치고 궁극적으로 식물 존재의 목적을 끝내게 된다.

 예방 및 관리 
토양 산성화는 장기적인 작물 생산에서 흔히 발생하는 문제로, 석회, 유기 개량제(예: 짚 및 거름) 및 바이오 숯 적용을 통해 줄일 수 있다. 산성 토양에서 재배되는 사탕수수, 대두 및 옥수수 작물에서 석회 적용은 영양분 복원, 토양 pH 증가, 뿌리 생물량 증가 및 식물 건강 개선을 가져왔다.

추가적인 산성화를 방지하기 위해 다음과 같은 다양한 관리 전략이 적용될 수 있다: 산성화를 덜 시키는 비료 사용, 질산태 질소 용출을 줄이기 위한 비료량 및 시비 시기 고려, 산 중화 능력이 있는 물을 이용한 적절한 관개 관리, 수확된 작물 내의 질소 대비 염기성 영양소 비율 고려 등이다. 황 비료는 작물의 회복률이 높은 반응성 작물에만 사용해야 한다.

이산화 황과 질소 산화물의 인위적 발생원을 줄이고 대기 오염 제어 조치를 통해 전 세계적으로 산성비와 토양 산성화를 줄이도록 노력해야 한다.

이러한 현상은 캐나다 온타리오주의 여러 호수에서 관찰되었으며, 물의 pH와 알칼리도가 개선되는 것으로 나타났다.

 같이 보기 
 산성 황산염 토양
 염류토양
 민물 산성화
 해양 산성화

 각주 

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분류:토양화학