2-1. 토양의 중요성, 정의, 형성 과정, 토양 단면

토양이란?

우리는 토양에서 자란 것을 먹으며 토양 위에서 살아갑니다. 토양은 인간 뿐만 아니라 지상의 모든 생명체의 필수적인 천연 자원이자 서식지로 지구 전체 생물 종의 1/4 ~ 1/3 가 토양에 서식합니다. 불과 1 g 의 토양에는 수 km에 달하는 진균(fungi)의 균사가 뭉쳐있고, 수십~수천종에 달하는 세균(bacteria) 및 고균(archaea)이 10억 마리 까지 존재할 수 있습니다.

토양은 현재 인류가 직면한 가장 큰 위기인 기후 변화에서도 중요한 역할을 합니다. 현재 우리는 우리가 배출한 온실 가스의 50%는 다시 토양과 바다에 저장되는데, 이를 '탄소 격리(carbon sequestration)' 라고 합니다. 극지방의 영구동토층(permafrost)에는 엄청난 양의 유기 탄소가 수천년간 분해되지 않고 저장되어있습니다. 하지만 현재 지구 온난화에 의해 영구동토층이 녹고 유기 탄소가 분해되면서 엄청난 양의 탄소가 대기중으로 배출되고 있습니다 (그림 1). 화석 연료의 사용도 마찬가지로 땅 속에 저장된 엄청난 양의 유기 탄소를 대기로 방출하고 있습니다.
 

그림 1. 녹고있는 극지방의 영구동토층(permafrost)

저는 종교인은 아니지만, 성경에서도 사람을 '흙의 먼지'로 빚었다고 할 정도로 옛날 사람들도 토양을 생명의 원천이라 생각한 것을 알 수 있습니다.

이렇게나 중요한 토양이지만, 우리는 토양에 대해 얼마나 알고 있을까요? 심지어 토양에 대해 정의하라고 하면 아마 잘 떠오르지 않을 것입니다.
 
위키피디아에서 찾아본 토양의 정의는 다음과 같습니다.
 

암석이나 동식물의 유해가 오랜 기간 침식과 풍화를 거쳐 생성된 땅을 구성하는 물질

 
너무나 흔한 토양이지만, 그 정의는 생각보다 복잡합니다. 토양의 정의를 제대로 이해하기 위해 이제부터 토양의 형성 과정 및 특성에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

토양의 형성

토양은 어떻게 생겨날까요? 위 정의에 따르면 토양은 암석과 동식물의 유해의 침식 및 풍화물, 즉 광물(mineral)과 유기물(organic material)로 이루어져 있습니다. 그 외에도 토양은 공기와 물을 포함하고 있습니다. 토양은 평균적으로 45%의 광물, 5%의 유기물, 그리고 각 25%의 물과 공기로 이루어져 있습니다. 
 

그림 2. 토양의 수평층

먼저 토양 광물이 어떻게 형성되는지 알아보겠습니다. 토양 광물은 모재(parent material)에서 유래하는데 이는 암석(rock)의 침식, 빙하 작용, 퇴적 작용 등에 의해 형성됩니다 (그림 1). 모재는 이름 그대로 토양의 엄마 재료라 할 수 있습니다. 모재는 가열과 냉각, 결빙과 해동, 그리고 물, 바람, 얼음에 의한 마모로 인해 더 작은 입자로 붕괴됩니다. 이러한 물리적 마모는 1차 광물을 형성하는데 이는 모재의 성분과 크게 다르지 않으며 석영(quartz), 장석(feldspar), 운모(mica) 등이 포함됩니다. 1차 광물이 화학적 또는 생물학적 풍화를 거치면 2차 광물이 형성됩니다. 특히 2차 광물 중 하나인 장석(feldspar)은 알루미늄 규산염의 한 종류이며 지각 무게의 41%를 차지하는데, 장석의 풍화는 많은 토양의 중요한 구성 요소인 점토(clay)를 형성합니다 (그림 3). 물론 장석 외에도 다양한 암석들이 서로 다른 점토 입자를 형성합니다. 2차 광물에는 그 외에도 철과 알루미늄의 산화물과 수산화물, 이산화규소, 탄산염과 황산염 등이 포함됩니다. 여담이지만 장석이라는 광물과 토양을 구성하는 미세한 점토가 같은 결정으로 이루어져있다니, 만물이 도의 관점에서 보면 하나라는 장자의 만물제동(萬物齊同) 사상이 떠오릅니다.
 

그림 3. 터키산 장석 (왼) 및 점토 입자를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 모습 (오)

 
토양 유기물은 모재로부터 1차 광물이 형성 되는 동안 유기체들이 정착하면서 축적됩니다. 아직 토양이 없는 곳에 생물이 정착하는 과정을 1차 천이라 하며, 1차 천이에 관여하는 생물들을 개척종(pioneer species)이라 합니다. 이들은 양분이 없는 척박한 환경에 정착해야 하기 때문에 광합성과 질소 고정을 모두 할 수 있어야 합니다. 개척종에는 주로 남세균(cyanobacteria), 남세균/녹조류(green algae)와 진균의 공생체인 지의류(lichen), 이끼(moss)  등이 포함됩니다. 이들이 자라고 죽으면서 유기물이 표면에 축적되는데, 시간이 지남에 따라 이 유기물은 토양 광물과 결합하여 얇은 토양층을 형성합니다. 그 결과 다른 식물과 미생물들이 정착하기 좋은 환경이 되고, 다양한 생물이 정착하고 죽으면서 토양은 점점 더 두꺼워지게 됩니다. 
 
유기물은 크게 입자성 유기물(particulate organic matter)과 토양 유기물(soil organic matter, SOM)로 나눌 수 있습니다. 입자성 유기물은 토양에서 손이나 체로 걸러낼 수 있는 큰 유기체의 잔해들입니다. 반면 SOM은 일반적으로 매우 작고 점토 입자 표면에 달라붙어 있는 유기물을 말합니다.

종합해보면 토양의 형성에는 모재, 기후, 유기체, 지형, 시간 이렇게 5가지가 영향을 미칩니다 (Hans Jenny, 1941).
 

토양 단면

토양은 형성 과정 동안 다양한 수평층(horizontal layer)을 형성합니다. 앞서 말한 5가지 토양 형성 요인들의 강도에 따라서 각 수평층의 두께가 달라지며, 서로 다른 토양 단면(soil profile)이 형성됩니다 (그림 4).

그림 4. 수평층의 구분 (좌), 토양 단면에 따른 토양의 12 가지 분류 (우)

 
토양 단면은 위에서부터 다음과 같은 수평층으로 구성됩니다:

1. O 또는 L-F-H horizon: 유기물 층(organic layer)
   배수가 잘 되지 않아 물로 포화되어있고, 이끼, 사초류 및 수생 식물로 이루어진 유기물층은 O horizon, 고지대의 배수가 잘 되는 숲에서 잎이 쌓여 생긴 유기물 층은 L(litter)-F(fermented)-H(humus) horizon이라 부른다.
2. A horizon: 표층토(surface soil, top soil)
   식물 잔해와 뿌리가 분해되어 축적된 검은색 유기물인 부식(humus)과 광물질 토양(mineral soil)로 구성됨. 많은 생물들이 살아가기 좋은 환경.
3. E horizon: 용탈층(eluviation layer)
   점토, 광물 및 유기물이 물에 의해 침출되어 남은 모래, 실트, 침출 저항성 물질로 이루어진 층. 일부 토양에서는 누락되지만 오래된 토양 및 산림 토양에는 자주 발견됨. 
4. B horizon: 하층토(subsoil)
   침출된 점토, 광물 및 유기물이 축적되는 곳.
5. C horizon: 모재(parent material)
6. R horizon: 기반암(bedrock)

지금까지 토양의 중요성과 정의, 형성 과정 및 토양 단면에 대해 알아보았습니다. 다음 시간에는 토양의 물리화학적 특성에 대해 알아보도록 하겠습니다.
 

참고문헌

Paul, E. (Ed.). (2014). Soil Microbiology, Ecology, and Biochemistry. Academic Press.