토양광물 종류별 토양의 점토활성도를 구분하기 위하여 우리나라 390개 토양통을 점토광물과 함수산화광물을 기준으로 점토광물 조성이 다른 7개의 토양을 선정하여 토양광물 종류에 따른 점토의 CEC와 비표면적을 비교하였다. 토양 CEC에 대한 점토의 비가 0.7 이상인 토양은 사암을 모재로 Chlorite를 주광물로 하는 토양, 안산암질반암을 모재로 Smectite를 함유한 토양, 화산재를 모재로 Allophane과 Ferrihydrite가 주광물로 이루어진 토양이었으며, 점토활성도 0.3-0.7인 토양은 회장석을 모재로 Kaolin이 주광물 토양, 하성퇴적토를 모재로 Kaolin, Illite, Vermiculite가 혼합된 토양이었다. 또한 점토활성도 0.3이하인 토양은 화강암 및 화강편마암 모재의 Kaolin을 주광물로 Geothite와 Hematite가 함유된 적황색계 토양, 석회암 모재의 Illite와 Vermiculite를 주광물로 Gibbsite, Geothite, Hematite가 함유된 적황색계 토양이었다. 토양의 점토활성도는 점토의 CEC, 점토의 비표면적과 상관이 있어서 점토활성도가 높은 토양에서는 점토의 CEC가 높고 점토의 비표면적이 넓었다. 따라서 토양의 점토활성도는 기존의 점토광물의 정성과 정량분석을 실시하지 않고도 토양의 일반적인 분석을 통하여 토양 중 점토광물의 조성을 추정하고 토양의 물리-화학적 특성을 예측하는데 유용한 기준이 될 것으로 생각된다.
토양광물 종류별 토양의 점토활성도를 구분하기 위하여 우리나라 390개 토양통을 점토광물과 함수산화광물을 기준으로 점토광물 조성이 다른 7개의 토양을 선정하여 토양광물 종류에 따른 점토의 CEC와 비표면적을 비교하였다. 토양 CEC에 대한 점토의 비가 0.7 이상인 토양은 사암을 모재로 Chlorite를 주광물로 하는 토양, 안산암질반암을 모재로 Smectite를 함유한 토양, 화산재를 모재로 Allophane과 Ferrihydrite가 주광물로 이루어진 토양이었으며, 점토활성도 0.3-0.7인 토양은 회장석을 모재로 Kaolin이 주광물 토양, 하성퇴적토를 모재로 Kaolin, Illite, Vermiculite가 혼합된 토양이었다. 또한 점토활성도 0.3이하인 토양은 화강암 및 화강편마암 모재의 Kaolin을 주광물로 Geothite와 Hematite가 함유된 적황색계 토양, 석회암 모재의 Illite와 Vermiculite를 주광물로 Gibbsite, Geothite, Hematite가 함유된 적황색계 토양이었다. 토양의 점토활성도는 점토의 CEC, 점토의 비표면적과 상관이 있어서 점토활성도가 높은 토양에서는 점토의 CEC가 높고 점토의 비표면적이 넓었다. 따라서 토양의 점토활성도는 기존의 점토광물의 정성과 정량분석을 실시하지 않고도 토양의 일반적인 분석을 통하여 토양 중 점토광물의 조성을 추정하고 토양의 물리-화학적 특성을 예측하는데 유용한 기준이 될 것으로 생각된다.
This research investigated classification of clay activity degree by different clay mineral components. Based on compositions of different clay and oxide minerals within 390 soil series in Korea, 7 soils were selected to analyze for CEC and specific surface area of clay minerals. As a result, soils ...
This research investigated classification of clay activity degree by different clay mineral components. Based on compositions of different clay and oxide minerals within 390 soil series in Korea, 7 soils were selected to analyze for CEC and specific surface area of clay minerals. As a result, soils were mainly composed with Chlorite originated from sandstone, Smectite originated from Andesite porphyry and combination of Allophane and Ferrihydrite originated from volcanic ash, if the ratio of CEC value to clay content (degree of clay activity) was greater than 0.7. If the degree of clay activity was ranged between 0.3 and 0.7, soils were composed mainly with Kaolin originated from anorthite. Soils with this ratio also was composted with combinations of Kaolin, Illite and Vermiculite originated with river deposits. When the degree of the activity was less than 0.3, soils were commonly red-yellowish color and composed with two different minerals. One type of composition was Kaolin originated from granite and granite gneiss and the soils contained Geothite and Hematite. The other type was composited mainly with Illite and Vermiculite minerals originated from granite. These soils contained Gibbsite, Geothite and Hematite. The degree of clay activity was highly related with CEC and specific surface area. The greater degree of the activity displayed greater values of clay CEC and specific surface area. It is not easy to measure actual quantity and compositions of clay minerals, while the degree of clay activity can be measured from routine soil analyses. As a conclusion, the degree of clay activity may be not just a simple but also powerful tool to estimate physical-chemical properties of soils and to evaluate the soil classification in Korean soils.
This research investigated classification of clay activity degree by different clay mineral components. Based on compositions of different clay and oxide minerals within 390 soil series in Korea, 7 soils were selected to analyze for CEC and specific surface area of clay minerals. As a result, soils were mainly composed with Chlorite originated from sandstone, Smectite originated from Andesite porphyry and combination of Allophane and Ferrihydrite originated from volcanic ash, if the ratio of CEC value to clay content (degree of clay activity) was greater than 0.7. If the degree of clay activity was ranged between 0.3 and 0.7, soils were composed mainly with Kaolin originated from anorthite. Soils with this ratio also was composted with combinations of Kaolin, Illite and Vermiculite originated with river deposits. When the degree of the activity was less than 0.3, soils were commonly red-yellowish color and composed with two different minerals. One type of composition was Kaolin originated from granite and granite gneiss and the soils contained Geothite and Hematite. The other type was composited mainly with Illite and Vermiculite minerals originated from granite. These soils contained Gibbsite, Geothite and Hematite. The degree of clay activity was highly related with CEC and specific surface area. The greater degree of the activity displayed greater values of clay CEC and specific surface area. It is not easy to measure actual quantity and compositions of clay minerals, while the degree of clay activity can be measured from routine soil analyses. As a conclusion, the degree of clay activity may be not just a simple but also powerful tool to estimate physical-chemical properties of soils and to evaluate the soil classification in Korean soils.
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제안 방법
공시토양은 우리나라 390개 토양통 중에서 점토함량이 유사하면서 점토광물 조성이 상이한 7개의 토양을 선발하였으며, 7개의 토양은 주요광물이 Allophane인 오라통, Chlorite가 주광물인 용곡통, Kaolin이 주광물인 산청통, Smectite가 주광물인 나산통, Kaolin-Illite-Vermiculite가 혼합된 호남통, 적황색토양으로 Kaolin이 주광물에 함수산화광물이 함유된 송정통, Mixed Minerals을 주광물로 함수산화광물이 함유된 평창통이었다. 각각의 토양 층위 중 해당 토양통을 대표하는 토양층 토양을 채취하여 풍건 후 2mm체를 통과시켜 사용하였으며, 공시토양의 분류 및 토지이용과 시료 채취지점은 Table 1과 같다.
우리나라 390개 토양통을 점토광물과 함수산화광물을 기준으로 7개의 주요 점토광물 조성이 다른 대표적인 토양통을 선정하여 점토광물과 토양의 물리·화학적 관계를 구명하였다.
pH는 토양과 물의 비율을 1:1로 하여 초자전극법으로 측정하였으며, 유기물 함량은 Walkley-Black법으로 정량하였다. 인산흡수계수는 2.5%-(NH4)2HPO4 (pH 7.0) 용액으로 침출하여 비색계로 측정하였으며, 치환성 Ca, Mg, Na 및 K는 1N-NH4OAc (pH 7.0) 용액으로 침출하여 원자흡광분광분석기로, 양이온치환 용량 (CEC)은 1N-NH4OAc (pH 7.0)로 포화한후 ethanol로 과잉의 NH4를 세척한 후 증류하여 정량하였다. 점토의 비표면적 (Specific surface area)은 Ethylene Glycol Monoethyl Ether (EGME)로 포화시킨 후 과량의 EGME는 흡출 제거한 후 EGME 흡착량을 평량하여 표면적을 분석하였다.
0) 용액에서 분산시켜 침강법으로 2 μm 이하의 점토를 분리 채취하여 점토의 화학조성은 토양시료와 융제 (LiBO3)를 1:5 비율로 혼합하고 1,000℃에서 용융하여 Bead형태로 만든 후, Philips model PW-2400형 X-선형광분석기 (XRF)를 사용하였다. 점토 광물의 동정 및 정량은 조암광물과 점토광물로 나누어 실시하였다. 조암광물의 정량은 X-선회절분석법으로 Chung (1974)의 매트릭스 플러싱법 (matrix flushing method)을 적용하여 대조물질로는 표준물질인 강옥 (Al2O3, colundum)을 50 wt% 혼합해서 측정한 기준 강도비 (RIRs, reference intensity ratios)를 사전에 작성한 후 비교하는 방법을 적용하였다.
점토의 광물조성은 일정량의 토양시료 (50-100g)에 30% H2O2로 유기물을 제거한 후, 2 L용 침강병으로 시료를 옮기고 Na2CO3 (pH 10.0) 용액에서 분산시켜 침강법으로 2 μm 이하의 점토를 분리 채취하여 점토의 화학조성은 토양시료와 융제 (LiBO3)를 1:5 비율로 혼합하고 1,000℃에서 용융하여 Bead형태로 만든 후, Philips model PW-2400형 X-선형광분석기 (XRF)를 사용하였다.
토양광물 종류별 토양의 점토활성도를 구분하기 위하여 우리나라 390개 토양통을 점토광물과 함수산화광물을 기준으로 점토광물 조성이 다른 7개의 토양을 선정하여 토양광물 종류에 따른 점토의 CEC와 비표면적을 비교하였다.
대상 데이터
공시토양은 우리나라 390개 토양통 중에서 점토함량이 유사하면서 점토광물 조성이 상이한 7개의 토양을 선발하였으며, 7개의 토양은 주요광물이 Allophane인 오라통, Chlorite가 주광물인 용곡통, Kaolin이 주광물인 산청통, Smectite가 주광물인 나산통, Kaolin-Illite-Vermiculite가 혼합된 호남통, 적황색토양으로 Kaolin이 주광물에 함수산화광물이 함유된 송정통, Mixed Minerals을 주광물로 함수산화광물이 함유된 평창통이었다. 각각의 토양 층위 중 해당 토양통을 대표하는 토양층 토양을 채취하여 풍건 후 2mm체를 통과시켜 사용하였으며, 공시토양의 분류 및 토지이용과 시료 채취지점은 Table 1과 같다.
7인 토양은 Kaolin이 주광물인 산청통, Kaolin, Illite, Vermiculite가 혼합된 호남통 토양이었다. 점토활성도 0.3이하인 토양은 산화광물이 함유된 적황색계 토양으로 Kaolin가 주광물인 송정통, Illite와 Vermiculite가 주광물인 평창통 토양이었다. Van Wambeke (1992)에 의하면 점토활성도가 낮은 토양은 주로 Alfisols, Ultisols, Oxisols로, 주요광물은 석영, Kaolinite, 산화철 및 알루미늄 등이며, Kaolin 광물은 치환성 이온들이 점토광물 입자의 외부에 결합되므로 광물 구조 변형을 초래하지 않을 뿐 만 아니라 토양특성에 미치는 영향이 작아 점토 활성도가 매우 낮은 것으로 알려져 있다.
이론/모형
토양의 입경분석은 30% H2O2로 유기물을 분해하고, 5% sodium hexametaphosphate로 분산시켜 pipette법으로 측정하였다. pH는 토양과 물의 비율을 1:1로 하여 초자전극법으로 측정하였으며, 유기물 함량은 Walkley-Black법으로 정량하였다. 인산흡수계수는 2.
점토광물의 정량은 정향시편 (prefered-oriented section)을 만들어 Mg 포화, Mg-glycerol 포화, K포화 및 300℃, 500℃에서 3시간 가열 처리하여 Philips model PW-1710을 이용하여 CuKα 단일파장 (λ = 1.5406 Å)으로 Ni-filter를 사용하여 저면간격의 변화를 관찰한 후, X-선 회절분석상의 피크 면적 (peak Area)에 무게인자 (weighting factors)를 사용하는 방법으로 Biscaye (1965), Heath and Pisias (1979), Wilke et al. (1984), Ottner et al. (2000)의 방법에 따라 각 광물의 특징적인 피크 중 대표적인 피크는 Ethylene Glycol 처리로 팽윤시킨 후 smectite는 18Å (001), illite는 10Å (002), kaolin은 7Å (001), chlorite는 7Å (002), vermiculite는 14Å (001)로 하였으며 7Å 피크는 3.58Å (002)의 kaolin 피크와 3.54Å (004)의 chlorite 피크의 상대적 강도비율에 따라 kaolin 피크면적과 chlorite 피크면적을 추정하였다.
점토 광물의 동정 및 정량은 조암광물과 점토광물로 나누어 실시하였다. 조암광물의 정량은 X-선회절분석법으로 Chung (1974)의 매트릭스 플러싱법 (matrix flushing method)을 적용하여 대조물질로는 표준물질인 강옥 (Al2O3, colundum)을 50 wt% 혼합해서 측정한 기준 강도비 (RIRs, reference intensity ratios)를 사전에 작성한 후 비교하는 방법을 적용하였다. 점토광물의 정량은 정향시편 (prefered-oriented section)을 만들어 Mg 포화, Mg-glycerol 포화, K포화 및 300℃, 500℃에서 3시간 가열 처리하여 Philips model PW-1710을 이용하여 CuKα 단일파장 (λ = 1.
토양의 입경분석은 30% H2O2로 유기물을 분해하고, 5% sodium hexametaphosphate로 분산시켜 pipette법으로 측정하였다. pH는 토양과 물의 비율을 1:1로 하여 초자전극법으로 측정하였으며, 유기물 함량은 Walkley-Black법으로 정량하였다.
54Å (004)의 chlorite 피크의 상대적 강도비율에 따라 kaolin 피크면적과 chlorite 피크면적을 추정하였다. 화산회토 중 Allophane과 Ferrihydrite 함량은 Parfitt (1989)와 Childs (1985)에 따라 0.2 M NH4-Oxalate로 침출하여 원자흡광분광분석기로 분석하였다.
성능/효과
Table 5에서 주요한 점토의 구성광물별 점토의 CEC를 살펴보면, Allophane이 주광물인 오라통의 점토의 CEC는 259.0 cmolc kg-1으로 가장 높았고, Smectite가 함유된 나산통의 점토 CEC가 40.5 cmolc kg-1, Illite와 Vermiculite를 주광물로 산화광물이 함유된 평창통은 38.0 cmolc kg-1, Chlotite가 주광물인 용곡통은 34.6 cmolc kg-1, Illite와 Kaolin을 주광물로 산화광물이 함유된 송정통은 25.5 cmolc kg-1, Kaoline이 주광물인 산청통은 23.7 cmolc kg-1로 점토 중 광물 조성에 따라 차이를 보였다. 또한 Allophane의 CEC는 다른 점토광물과는 달리 층간 양이온의 교환이 아닌 구성성분과의 화학반응에 의해 발생하는 것으로 알려져 있다 (Birrell and Fieldesi, 1952).
그러나 본 연구에서는 점토함량 15%이하인 용곡통이나 점토함량 15∼25%의 세립질 토양의 OM과 CEC가 점토함량이 많은 미립질 토양보다 높게 나타나 토양의 CEC는 점토 함량보다는 점토광물 종류와 함량, 유기물 수준에 따라 상이한 결과를 보인 것으로 추정되었다.
, 1951)한다는 점을 고려하면 대상토양 대부분은 토양 생성년대가 오래된 토양이었다. 따라서 공시토양의 입도분포는 오라통을 제외하고 토양의 발달로 미사에 대한 점토 함량의 비가 낮은 토양이었으며, 특히 모암의 석기가 미세한 평창통에서 점토함량이 많았다.
이상으로 토양 CEC에 대한 점토 cmolc kg-1의 비가 0.7 이상인 토양은 사암을 모재로 Chlorite를 주광물로 하는 토양, 안산암질 반암을 모재로 Smectite를 함유한 토양, 화산재를 모재로 Allophane과 Ferrihydrite가 주광물로 이루어진 토양이었으며, 점토활성도 0.3-0.7인 토양은 회장석을 모재로 Kaolin이 주광물 토양, 하성퇴적토를 모재로 Kaolin, Illite, Vermiculite가 혼합된 토양이었으며, 점토활성도 0.3이하인 토양은 화강암 및 화강편마암 모재의 Illte와 Kaolin을 주광물로 Geothite와 Hematite가 함유된 적황색계 토양, 석회암 모재의 Illite와 Vermiculite를 주광물로 Gibbsite, Geothite, Hematite가 함유된 토양이었다.
이와 같이 점토활성도는 점토광물 종류에 따라 토양 특성을 지배하는 영향이 달라 Smectite와 같이 점토활성도가 높은 점토광물은 소량이라도 토양의 물리·화학적 특성에 크게 영향을 미치는 반면에 Kaolin이나 산화광물과 같이 활성도가 낮은 점토광물을 주요한 광물인 종으로 이루어진 토양은 영향이 작았다.
점토의 CEC를 점토활성도와 비교하면 (Fig. 2), 점토활성도 0.7 이상으로 Chlorite가 주광물인 용곡통, Smectite가 함유된 나산통, Allophane과 Ferrihydrite이 주광물인 오라통에서는 평균 111.3 cmolc kg-1이었으며, 점토활성도 0.7이하로 Kaolin이 주광물인 산청통, Kaolin, Illite, Vermiculite가 혼합된 호남통, 점토활성도 0.3이하의 산화광물이 함유된 적황색계 토양으로 Illite와 Kaolin이 주광물인 송정통과 Illite와 Vermiculite가 주광물인 평창통 토양에서는 평균 28.8 cmolc kg-1이었다. 한편, Hyun et al 등 (1991)의 우리나라 토양의 토성별 CEC에 관한 보고에 따르면 우리나라 토양의 점토 CEC는 평균 24 cmolc kg-1으로 범위는 17.
토양모재를 중심으로 공시토양의 주요한 점토광물의 조성을 살펴보면, 회장석에서 유래한 산청통은 Kaolin, 안산암질 반암에서 유래한 나산통은 Smectite와 함께 석영 (Quartz), 화강암 및 화강편마암에서 유래한 송정통은 Illite와 Kaolin, 사암에서 유래한 용곡통은 Chlorite, 하성퇴적토 모재의 호남통은 Chlorite, Illite, Vermiculite, 석회암에서 유래한 평창통은 Illite, Vermiculite, 화산회에서 유래한 오라통은 비결정질 광물과 더불어 Allophane과 Ferrihydrite이었다. 한편, Gibbsite, Geothite, Hematite 등의 산화광물은 화강암 및 화강편마암에서 유래한 송정통, 석회암에서 유래한 평창통에 함유되어 있었다.
토양의 점토함량에 따른 유기물 함량과 양이온 치환용량 (CEC)은 점토함량 15% 이하, 모래함량 85% 이하로 중립질 토양인 용곡통은 OM 28.0 g kg-1, CEC 11.7 cmolc kg-1이었으며, 점토함량 15-25 %의 세립질 토양인 오라통은 OM 131.0 g kg-1, CEC 44.0 cmolc kg-1이었다. 한편, 점토함량 25%이상의 미립질 토양인 산청·송정·호남·평창·나산통에서는 OM 5.
토양통별 토양입자 분포 및 화학적 특성을 Table 2에서 살펴보면, 토양 중 모래 함량이 많은 토양은 사암에서 유래한 용곡통, 미사함량이 많은 토양은 화산회에서 유래한 오라통과 하성충적층을 모재로 하는 호남통이었다. 점토함량이 많은 토양은 석회암에서 유래한 고평통으로 모재의 석기 (matrix)가 미세한 모암에서 발달한 토양이었다.
후속연구
이와 같이 점토활성도는 점토광물 종류에 따라 토양 특성을 지배하는 영향이 달라 Smectite와 같이 점토활성도가 높은 점토광물은 소량이라도 토양의 물리·화학적 특성에 크게 영향을 미치는 반면에 Kaolin이나 산화광물과 같이 활성도가 낮은 점토광물을 주요한 광물인 종으로 이루어진 토양은 영향이 작았다. 따라서 토양 CEC에 대한 점토의 비인 점토활성도 (clay activity)는 토양 중점토광물 종류를 반영하므로, 기존의 X-선회절분석 (X-Ray Diffraction analysis), 열분석 (Thermal Analysis), 적외선흡광분석 (Infrared Spectroscopy analysis), 전자현미경 (Electron microscope) 관찰을 통한 점토광물의 정성과 정량분석 대신에 토양의 일반적인 분석만으로도 토양 중 점토광물의 조성을 추정하고 토양의 물리-화학적 특성을 평가할 수 있을 것으로 생각된다.
따라서 토양의 점토활성도는 기존의 점토광물의 정성과 정량분석을 실시하지 않고도 토양의 일반적인 분석을 통하여 토양 중 점토광물의 조성을 추정하고 토양의 물리-화학적 특성을 예측하는데 유용한 기준이 될 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
점토광물의 토양의 물리·화학적 특성은 어떤 영향을 미치는가?
적정한 양분의 공급에 영향을 미치는 토양의 물리·화학적 특성은 점토함량과 종류, 무정형광물, 유기물의 성상에 따라 특정 성질의 결과에 영향을 미친다. 점토광물의 수화과정에서 수반되는 독특한 팽윤성 (swelling property), 점성 (viscosity) 및 요변성 (thixotropy) 등과 같은 물리성과 pH, 양이온․음이온 치환능력, pH 완충능력과 이온평형 등은 점토를 구성하는 점토광물 종류와 함유정도에 따라 분산 입도 및 형상, 체표면적 (surface area), 층간 및 표면 전하 등에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다 (Low, 1992; Van Olphen, 1992; Schoonheydt, 1995).
작물 생산성을 결정하는 요소는 무엇인가?
작물 생산성은 주로 기후, 토양물리성, 물과 양분의 공급에 의해 결정된다. 토양의 구성요소 중 점토광물과 유기물은 이온 및 분자상 물질, 가스를 흡수·흡착할 수 있고, 토양의 종류에 따라 상이하다.
토양의 구성요소 중 점토광물과 유기물은 어떤 요인에 따라 상이한가?
작물 생산성은 주로 기후, 토양물리성, 물과 양분의 공급에 의해 결정된다. 토양의 구성요소 중 점토광물과 유기물은 이온 및 분자상 물질, 가스를 흡수·흡착할 수 있고, 토양의 종류에 따라 상이하다. 이러한 수착특성은 대기와 지하수계간의 완충지대 역할을 하면서 식물에 안정된 광물 성분을 공급한다.
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