토양의 물리적 특성은 생태계에서의 토양의 기능과 최적의 토양 관리 방법과 깊은 관련을 가진다. 농업과 토목 공사가 성공하느냐 실패하느냐는 토양의 물리적 특성에 달려있다. 식물 군락의 형태나 이들의 생장, 토양내에서의 수분과 용질의 이동 또한 토양의 물리적 특성과 깊은 관련을 가진다.
토양학자들은 색이나 구조, 토양 단면 등의 다른 물리적 특성에 의해 토양을 분류하고 농업이나 토목공사의 적합성을 결정한다. 토양의 기본적 물리적 특성을 아는 것은 그 자체가 중요한 의미를 가질 뿐 아니라 토양과 관련된 많은 다른 특성을 이해하는 데도 큰 도움이 된다.
이 장에서 논의될 토양의 물리적 특성은 토양 입자와 그들이 입단화되는 방식에 대한 내용이다. 토양을 집으로 생각한다면 토양입자들은 집을 짓는데 필요한 블록에 해당한다. 토성(Soil Texture)는 토양 입자의 크기를 나타낸다. 염 이온들은 점토같은 교질물에 더 많이 흡착되어 있다. 무기 입자가 큰 토양은 자갈이나 모래가 많으며, 교질물이 많은 토양은 점토가 많은데, 자연계에는 이들의 중간적 성질을 갖는 많은 토양이 존재한다.
집을 지을 때는 블록을 쌓은 방식에 따라 벽이나 방 또는 복도의 성질이 결정된다. 유기물과 같은 교질 물질들은 각 입자 사이에 시멘트와 같은 역할을 하여 토양입단을 형성하게 한다. 토양구조(Soil structure)는 토양입자들이 모이는 방식을 나타내며, 이 성질은 토양 공극의 특징을 결정한다.
이 장에서 논의될 물리적 성질은 토양의 무기 입자의 성질과 토양 입자 사이의 공극에 존재하는 토양 수분과 공기에 미치는 영향에 대한 것이다. 토성과 입단은 토양의 식물에 대한 양분 공급력과 식물뿌리가 생활하는데 필요한 수분과 공기의 보유력을 결정한다.
이 요인은 또한 토양이 도로로 이용될 때나 건물을 짓는데 기초가 되는 경우에 또는 경운을 할 때에 토양이 어떻게 작용하는지를 결정해준다. 토양의 물리적 성질은 토양 수분 이동에 영향을 미치게 되며 이러한 과정 중에 침식에 의한 토양의 파괴를 상당부분 조절하기도 한다.
토양 색 Soil color
토양에 대해 먼저 알아야 할 것은 토양의 색이다. 토양의 색은 토양의 작용이나 이용면에는 별 영향을 끼치지 못한다. 하지만 짙은 토양이 엷은 토양보다 태양 에너지를 더 많이 흡수하여 더 빨리 데워진다는 사실은 중요한 예외이다.
토양의 색을 공부하는 주된 이유는 그것을 통해 토양의 조성과 상태를 알 수 있기 때문이다. 토양의 분류와 분석에 있어 색이 중요하게 이용되기 때문에 색을 정확하게 표현하는 표준법으로는 문셀의 기호(Munsell color charts)가 발달하게 되었다. 이 방법에 의하면 적은 양의 토양 샘플을 토색책(soil color book)에 있는 표준색(standard color chip)과 비교한다. 각 색상표는 색상(hue ; 붉은가, 노란가), 명도(chroma ; 0은 칙칙한 회색), 채도(value ;밝은가 어두운가. 0은 검정색)의 세 가지 요소로 설명한다.
토양은 빨강, 갈색, 노랑, 녹색까지 다양한 범위로 나타난다. 어떤 토양은 거의 검은 색이며 어떤 토양은 거의 흰색이기도 하다. 어떤 토양은 밝은 회색이고 어떤 토양은 탁한 회색이다. 흙의 색은 장소마다 틀려 인접한 토양들도 층위마다 색이 다르다. 토양은 또 측면도를 놓고 봤을 때 깊이에 따라 다양한 층에서 색의 변화가 있다. 많은 토양의 층위는 색상 면에서는 유사하지만 명도와 채도 상으로는 다양하다. 하나의 층위나 흙덩어리에서도 입자 하나씩 보면 색깔은 다양하다.
토양색에 영향을 미치는 요인 Causes of soil colors
대부분의 토양색은 토양 입자를 감싸고 있는 산화철이나 유기물질의 색에 의해서 나타난다. 유기물질에 의해 토양은 어두운 색을 나타내며 산화철에 의한 토양색보다 큰 영향을 미친다. 심토층엔 유기물질이 적기 때문에 침철석(goethite)의 노란색, 적절석(hematite)의 빨강, maghematite의 갈색 등 산화철의 색을 선명하게 볼 수 있다. 토양을 구분할 수 있게 하는 다른 광물들은 산화망간(검정), 해록석(glauconite ; 녹색) 등이 있다. 반건조성의 토양에 주로 쌓이는 방해석(calcite) 같은 탄산염은 흰색을 띠게 한다.
토양과 토양색과의 관계 Interpreting soil colors
색은 토양에 관한 많은 사실을 알게 하여 토양을 분류하는 데 광범위하게 쓰인다. 색은 토양단면의 층위를 구별하는 것을 도와준다. 보통 A 층위는 인접한 토양보다 색이 진하고, B 층위는 색이 옅다. 어떤 경우에는 토색이 토양분류의 기준이 되는 경우도 있다. 예를 들어, mollic epipedon은 색이 짙어 명도와 채도가 3 이하인 흙이다. 다른 예로 Rhodic 부분군은 색상 지수가 2.5YR과 10R 사이로 붉은 색이 진해 B 층위로 분류된다. 색깔은 또한 토양의 수분상태에 대한 정보를 주는데, 건조한 토양은 습한 토양보다 옅은 색을 띤다.
철을 가진 광물들이 산화·환원 반응을 겪으면서 토양색에 변화가 일어나기 때문에 수리체제나 배수상태에 대한 아주 중요한 정보를 제공한다. 단면을 봤을 때 밝은 토양은 배수가 잘 되는 토양내에서의 물의 이동이 원활하여 산소가 풍부하다. 장기적인 혐기 상태는 산화철을 화학적으로 환원시켜 색이 옅어지게 되어 회색 상태로 만든다. 위쪽 층위에 존재하는 회색토는 한 색이든 밝은 색과 반점무늬로 섞였든 식물생장기간에 침수되는 것을 알려주어 습지의 경계를 알려준다. 단면도에서 회색토의 깊이는 토양의 배수 깊이를 정하는 데에 쓰인다.
토양에 대해 잘못 생각하는 점 중 하나는 토양의 색과 토성 사이에 관계가 있다고 생각하는 것이다. 예를 들어 따뜻한 지방에 사는 사람들이 “red clay”라는 말을 쓰는데 red라는 색이 꼭 점토를 가리키지는 않는다. 모래 입자도 철광물이 흡착되면 붉은색을 띨 수 있다.
마지막으로 토양은 눈에 띄는 색 때문에 경관에 아름다움을 준다. 예를 들어 따뜻하고 붉은 토양은 열대, 아열대 지역의 특징이고, 어두운 회색과 갈색은 더 시원하고 온화한 지역의 특징이다. 그러므로 Georgia 사람들의 토양에 대한 이미지는 New York 사람의 것과 많이 다를 것이다.
토성(입경분포) Soil texture(size distribution of soil particle)
토양 광물 입자의 크기는 그다지 중요하게 생각되지 않기 쉽지만 토양에서 크기가 다른 입자의 분포를 아는 것은 토양의 작용과 관리에 있어 중요하다. 어느 장소에서 토양을 조사할 때 토양학자들은 토양단면의 토성을 통해 토양에 많은 정보를 얻는다. 따라서 토양 조사에서 토성을 측정하는 것은 무엇보다 중요한 부분이다. 게다가 포장의 토성은 잘 변하지 않기 때문에 토양의 기본적인 특성으로 생각된다.
토양입자의 성질 Nature of soil seperates
토양입자의 지름은 자갈(1m)에서 점토(<10-6m)까지 범위에 걸쳐있다. 토양학자들은 이 입자들을 몇 가지 분류 체계를 통해 토양입자들을 몇 개의 그룹으로 분류하였다. 여기에서는 미 농무성에 의한 분류 기준이 사용되었다. 분류되는 크기의 기준은 임의에 의한 것이 아니라 입자들의 작용 방식과 토양의 물리적 특성에 미치는 영향에 의하여 분류된다.
자갈( Gravels), 율석(栗石 cobbles), 표석(漂石 boulders) 외 다른 굵은 입자들의 직경은 2mm 보다 커서 토양의 작용에 영향을 끼칠 수도 있으나 토성을 결정하는데 이용되는 세사(fine earth fraction) 부분으로 여기지는 않는다. 거친 입자들에 의해 수분을 보유하고 식물의 뿌리가 자라나는 데 필요한 토양의 부피를 감소하지만 빽빽한 토양에서 이들에 의한 공간은 물이 배수되고 뿌리가 파고들 길을 만든다. 입자의 크기가 클수록, 특히 석영 같은 딱딱한 광물로 이루어진 토양은 경우 경작이나 굴착같은 작업을 방해한다.
모래(SAND). 모래입자는 0.05mm∼2mm 크기로 생성 과정에 따라 둥글거나 모가 나 있다. 가장 거친 모래입자는 아마 암석 단편(rock fragment)로 몇 가지 광물을 포함하는데, 원래 대부분의 모래 입자는 석영(quartz ;SiO2)이나 1차 규산염 등 한 가지 광물만 갖는다. 모래입자는 산화철이나 산화알루미늄 등이 흡착되어 갈색, 노랑, 혹은 빨간색을 띤다. 석영이 대부분인 경우에는 일반적으로 모래보다 작은 입자들이 흡착한 식물 양분에 비해 훨씬 적은 양이 흡착되어 있다는 것을 의미한다.
모래의 껄끄러운 촉감은 그냥 눈으로 보아서도 알 수 있다. 모래 입자가 상대적으로 크므로 그 틈도 상대적으로 커 토양에서 물과 공기의 흐름을 좋게 한다. 입자의 크기와 비표면적(specific surface area ; 일정량의 부피나 질량에 대한 표면적)의 관계를 보면 모래입자의 크기가 크기 때문에 비표면적은 상대적으로 낮다. 그러므로 모래 입자는 물을 적게 흡수하고 모래의 비율이 많은 토양은 가뭄이 나기 쉽다. 모래 입자는 점성이 없어서 한 덩어리로 두어도 서로 달라붙지 않는다.
미사(SILT). 직경 0.002mm∼0.05mm인 입자를 미사로 분류하는데 각 미사 입자는 맨눈으로는 볼 수 없고 손으로 비벼도 거친 느낌을 받을 수 없다. 이는 본질적으로 미세모래입자로써 석영을 주 광물로 하기 때문이다. 미사가 풍화작용을 받은 광물로 이루어진 경우에는 작은 크기의 입자들이 풍화작용을 받아 많은 양의 식물 영양분을 빠르게 내놓는다.
미사는 모래와 모양이 비슷한 입자로 이루어졌지만 털처럼 부드럽게 느껴진다. 미사 사이의 공극은 모래의 공극보다 훨씬 작아, 미사가 모래보다 더 많은 양의 물을 함유하고 적게 내보낸다. 하지만, 젖어있을 때에도 미사는 접착성이나 가소성이 크지 않다. 일부 미사 입자에서 약간의 가소성, 점성, 흡수 능력을 보이는 것은 대부분 미사입자에 흡착되어 있는 점토 때문이다. 점성과 가소성이 작기 때문에 미사 토양은 홍수가 났을 때 대체로 쉽게 떠내려가는데 이 과정을 piping이라 한다.
점토(CLAY). 직경 0.002mm 이하인 입자를 점토라 구분하는데 이는 비표면적이 매우 커서 물과 다른 물질들을 끌어당길 수 있는 엄청난 능력이 있다. 점토 한 스푼의 표면적은 축구 경기장만 하다. 이렇게 흡착면적이 넓기 때문에 건조 등 어려운 상황에서도 입자들은 서로 붙는다. 젖었을 경우에 점토는 점착력이 있기 때문에 쉽게 모양을 만들 수 있다.
점토 입자는 크기가 너무 작아서 콜로이드처럼 행동한다. 만약 물에 풀면 금방 가라앉지 않는다. 대부분의 모래나 미사 입자와는 달리 점토 입자는 작은 판상모양을 하고 있다. 점토사이의 공극은 매우 작고 복잡하여 물과 공기의 흐름이 매우 느리다. 각각의 점토입자들은 독특한 특징을 나타내며, 토양의 성질에도 큰 영향을 미친다. 따라서, 팽창과 수축, 가소성, 보수력, 토양 경도, 화학물질 흡착력 등의 특성은 점토의 함량뿐만 아니라 종류와도 관련이 있다.
토양입자의 표면적이 토양특성에 미치는 영향
Influence of surface area on other soil properties
입자의 크기가 작아지면, 표면적과 표면적과 관련한 특성은 매우 커진다. 미세한 콜로이드 점토는 동일한 무게의 중간 크기 모래의 1000배의 표면적을 갖는다. 토성은 여러 면에서 토양 특성에 영향을 미치는데, 그 중 하나가 5개의 기본적인 표면 현상에 관한 것이다.
1. 물은 토양입자 표면의 얇은 막에 존재한다. 따라서 표면적이 커질수록 토양의 보수력은 커진다.
2. 기체나 녹지 않는 화학물질은 광물 입자의 표면적에 끌려가 흡착된다. 따라서 표면적이 클수록 토양이 양분이나 다른 화학물질을 보유하는 능력은 커진다.
3. 풍화는 광물 입자의 표면에서 일어나며 토양용액에 구성입자를 방출한다. 따라서 표면적이 넓을수록 풍화된 광물에서 식물의 영양분이 많이 방출된다.
4. 광물입자의 표면은 때때로 (-),(+) 전하를 띄기 때문에 입자표면과 수막이 서로 끌어당긴다. 따라서 표면적이 넓을수록 밀집된 상태나 분산된 상태에서 토양입자들은 서로 접착하는 성향이 커진다.
5. 미생물은 입자 표면에서 생장하고 군락을 이루는 경향이 있다. 따라서 여러 가지 이유로 인해 미생물이 토양에서 하는 반응은 표면적의 영향을 많이 받는다.
토성 분류 Soil Texture Classes
토성은 우선 넓은 범위로 사토, 양토 그리고 식토의 세 개로 구룹으로 분류된다. 각 그룹 내에 속하는 세부 토성명은 입자들의 크기 분포를 의미하며, 토양의 일반적 물리적 성질을 나타낸다. 12개의 토성[표 2]은 크기가 커서 다루기 쉬운 모래부터 그 크기가 매우 작아 손으로는 다루기 힘든 점토에 이르기까지 일련의 입자들의 크기 순서대로 형성된다.
사토와 양사토는 모래의 특성이 주로 나타나는데, 이는 모래의 함량이 무게단위로 70% 정도 되기 때문이다(점토의 함량은 15% 이하이다). 점토의 특징은 식토, 사질식토 및 미사질 식토에서 나타난다.
양토(Loams). 양토 그룹은 많은 세부단위를 가진다. 이상적인 양토는 모래, 미사 및 점토의 함량이 비슷하게 섞이어 각 입자의 특징이 나타나는 토성으로 정의될 수 있다. 그러나 이러한 정의는 세 입자의 함량이 모두 똑같다는 걸 의미하지는 않는다(그림 7에서 알 수 있다).
이러한 예외는 토양에 있어서 점토의 특성을 살리기 위해서는 점토의 함량이 상대적으로 적어야 하기 때문에 발생한다. 그리고 모래나 미사의 함량이 적은 경우는 토성에 보다 적은 영향을 미치게 된다. 그러므로 식토라는 토성명은 점토의 함량이 20% 까지 함유하는 토양의 토성명에 사용될 수 있다. 그러나 모래나 미사라는 토성명을 사용하는 경우에 있어서는 적어도 그들의 함량이 각각 40% 및 45% 의 함량이 있어야만 사용된다.
대부분의 토양은 양토의 형태를 가진다. 그들은 위에서 언급한 각 입자의 함량이 비슷하게 존재하여 간단히 양토로 분류한다. 그러나 모래의 함량이 많은 양토는 사양토로 분류된다. 같은 방식으로, 미사질 양토, 미사질 식양토, 사질 식양토 및 식양토 등으로 분류될 수 있다.
어떤 토양의 경우에는 돌이나 자갈 등 모래의 성질을 가진 요인들이 토성명이 될 수도 있다. 지름이 2∼75mm인 입자는 자갈이나 조약돌(gravel, pebble)로 명명된다. 지름이 75∼250mm인 입자는 그것이 둥근 모양이면 율석(cobble), 평평한 모양이면 포석(flags)으로 부른다. 그리고 250mm 이상이면 표석(stone, boulders)으로 부른다. cobbly, fine sandy loam은 좋은 예이다.
토성의 개조 Alteration of Soil Textural Class
매우 긴 시간 동안 침식, 퇴적, 집적 및 풍화작용 같은 토양화 과정은 여러 토양단면의 토성을 바꿀수 있지만, 일반적으로 경작같은 토양 관리에 의해서는 포장단위의 토성이 변하지 않는다. 토양의 토성은 다른 토성과 혼합될 때에만 바뀔 수 있다. 예를 들어, 온실용 화분이나 잔디밭에 사용하기 위해 식토의 물리적 특성을 개선하고자 다량의 모래를 섞는다면 토성은 바뀔 수 있다. 그러나, 조경공사와 같이 대단위의 토성변경이 필요한 경우에는 모래나 점토을 투입하여 토성을 바꾸기보다는 자연적으로 공사 목적에 적합한 토양이 되도록 유도하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.
또한, 상토를 만드는 과정 중에 토양에 토탄(土炭-peat)이나 부식질을 혼합하는 것은 토성을 변하게 하지 않는다. 왜냐하면, 토성은 무기입자에 의한 것이기 때문이다. 토성이란 말은 펄라이트, 피트, 스티로폼 및 기타 다른 비토양적 물질을 포함하는 인공적인 것에는 적합하지 않다.
촉감에 의한 토성의 결정
토성을 분류하는 것은 토양학자가 지녀야 할 중요한 능력이다. 촉감에 의해 토성을 결정하는 것은 토양 조사, 토양분류 및 토양의 성질을 연구하는데 있어서 매우 귀중한 가치를 지닌다. 실제로 많은 경험을 바탕으로 어느 토양이든지 촉감에 의해 토성을 파악한 후 토양 조사를 실시할 수 있다.
촉감에 의한 토성결정을 할 경우에는 삼각도를 염두에 두어야 한다.
무기입자의 입경 분석
입경 분석에서 가장 어려운 점은 토양 무기 입자들을 완전히 떼에 놓는 것이다.
그래서 아주 작은 입자라도 다른 입자와 분리되어야 한다. 입자의 분산을 위해서 고성능의 믹서나 초음파기와 함께 화학약품이 사용된다.
모래를 분리하기 위해 체를 이용할 수 있는 반면, 미사나 점토의 분리를 위해서는 침강법이 이용된다. 원리는 간단하다. 토양입자는 물보다 비중이 크기 때문에 입자의 크기에 비례하여 가라앉는다. 즉, 입자가 클수록 더 빨리 가라 앉는다. 이러한 관계를 나타내는 것이 Stokes law이다. 완전한 방정식은 다음에 설명하기로 한다. 이 방정식을 통해 침강하는 속도는 입자 지름의 제곱에 비례한다는 것을 알 수 있다.
V = kd2
이 식에서 k는 중력과 물의 비중과 점도에 의한 가속도와 관련된 상수이다. 가라앉는 시간을 측정한 후 비중계나 피펫 등을 이용하여 현탁액 속의 토양의 양을 측정하여 각 입자의 함량을 결정하면, 토양 입자의 분포 곡선을 그릴 수 있으며 토성을 결정할 수 있다.
곡선이 완만한 경우는 모래, 미사 및 점토의 경계부분에서의 기울기가 급하지 않은 완만한 곡선의 경우는 입경분포의 변화가 점진적이라는 것을 의미한다. 토성명은 모래나 존재하는 입자 중 더 작은 입자를 기준으로 부여된다. 그러므로 모래, 미사 및 점토의 함량을 합하면 100%이다. 자갈이나 돌의 함량은 따로 계산된다. 유기물은 산화에 의해 토양샘플로부터 제거된다. 입경분석과 토성과의 관계는 삼각도표와 같이 도표로 나타낸다. 이러한 토성 삼각도표를 통해 촉감에 의한 포장 토성결정을 정확한 자료를 가지고 체크할 수 있다.