토양 삼상

왜 배우는가: 토양 삼상은 토양이 식물 뿌리에 물과 공기와 양분을 어떻게 내주는지를 설명하는 기본 틀이다. 식재기반 조성, 배수, 통기 문제를 진단할 때 가장 먼저 확인하는 항목이라서 시험에서 반복해 묻는다.

출제 이력: 제111회 1교시 4번, 제90회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

토양 삼상은 토양을 고상, 액상, 기상의 세 상으로 나누어 각 상이 차지하는 부피 비율로 토양 상태를 보는 개념이다.

고상은 토양의 골격이고, 액상과 기상은 공극을 나누어 채우는 두 가지 상이다. 세 상의 부피를 합하면 토양 전체 부피가 된다. 답안에는 다음 키워드를 함께 쓴다.

• 고상(Solid phase), 액상(Liquid phase), 기상(Gas phase)
• 공극(Pore space), 공극률(Porosity)
• 용적밀도(Bulk density), 입자밀도(Particle density)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 흙을 한 덩이 떠서 들여다볼 때 흙알갱이, 물, 공기가 각각 얼마씩 차지하는지를 나누어 보는 것이다. 흙알갱이 사이의 틈은 물과 공기로 채워지므로 토양은 알갱이와 틈의 두 부분으로 나뉘고, 틈은 다시 물과 공기로 나뉜다. 이렇게 세 부분으로 나눈 구조를 토양 삼상이라고 한다.

정식으로는 토양을 고상(Solid phase), 액상(Liquid phase), 기상(Gas phase)으로 구성된 3상계로 보고, 각 상이 전체 토양 부피에서 차지하는 비율로 토양의 물리성을 나타낸다. 토양 삼상은 고상, 액상, 기상의 부피 비율로 토양의 물리성을 판단하는 기준이다. 삼상 비율은 식물 생육에 필요한 물과 공기의 양을 한눈에 보여 주는 기본 틀이다.

• 고상: 무기물과 유기물로 이루어진 토양 입자다. 무기물은 암석이 풍화되어 생긴 모래, 미사, 점토이고 유기물은 동식물 잔재와 부식이다. 입자의 크기와 배열이 공극의 크기와 양을 정한다.
• 액상: 공극에 들어 있는 토양수다. 양분이 녹아 있어 뿌리가 양분과 수분을 흡수하는 통로가 된다.
• 기상: 공극에 들어 있는 토양 공기다. 뿌리 호흡과 토양 미생물의 활동에 필요한 산소를 공급한다.
• 공극: 고상 입자 사이의 빈 부분이다. 공극은 액상과 기상이 나누어 차지하므로 공극의 부피는 액상과 기상의 합과 같다.
• 공극률: 토양 전체 부피에 대한 공극 부피의 백분율이다. 고상률을 구한 뒤 100%에서 뺀 값과 같다.
• 용적밀도: 건조 토양의 질량을 공극을 포함한 전체 부피로 나눈 값이다. 공극이 많을수록 낮아진다.
• 입자밀도: 공극을 제외한 고상 입자만의 밀도다. 주성분인 석영의 입자밀도는 약 2.65g/cm3이다.

고상률과 공극률은 다음 식으로 연결된다.

$고상률(%) = 용적밀도 / 입자밀도 × 100$

$공극률(%) = 100 − 고상률(%)$

식의 용적밀도와 입자밀도는 g/cm3 단위를 쓴다. 현장에서는 코어로 흙을 채취해 건조 질량과 부피로 용적밀도를 구하고, 입자밀도를 구한 뒤 이 식으로 고상률을 계산한다. 따라서 용적밀도를 알면 공극률도 함께 알 수 있다.

일반 토양의 구성은 고상이 전체 부피의 절반가량을 차지하고, 나머지 절반이 공극이다. 전체 부피에서 무기물이 약 45%, 유기물이 약 5%를 차지한다. 공극은 다시 액상과 기상이 나누어 가지며, 흔히 고상 50%, 액상 25%, 기상 25%의 비율로 설명한다.

삼상의 비율은 고정된 값이 아니다. 비가 오거나 관수를 하면 물이 공극을 채우면서 기상이 밀려나고, 배수가 되면 공기가 다시 들어온다. 따라서 액상과 기상의 비율은 날씨와 관리 방식에 따라 계속 변한다. 고상은 상대적으로 변화가 작아 토양의 골격을 이룬다.

3. 등장 배경과 필요성

식물은 뿌리로 물과 양분을 흡수한다. 양분은 토양수에 녹아 있어야 뿌리가 흡수할 수 있으므로 액상이 필요하다. 뿌리의 흡수 작용은 호흡으로 얻은 에너지에 의존하고, 호흡에는 산소가 필수적이므로 기상도 함께 필요하다. 이처럼 토양은 고상이 골격을 지탱하는 한편 액상과 기상을 적절히 품어야 식물이 자란다.

문제는 공극이 한정되어 있다는 점이다. 공극 안에서 물과 공기는 자리를 두고 경쟁한다. 수분이 많아져 공극 대부분이 물로 차면 공기가 줄고, 뿌리 호흡이 막혀 뿌리 발달과 양분 흡수가 나빠진다. 반대로 공기가 늘면 수분이 줄어 식물이 수분 부족을 겪는다. 이 통기성과 수분 사이의 균형을 수치로 관리해야 하므로 삼상 개념이 필요해졌다.

조경 현장에서는 이 균형이 쉽게 깨진다. 성토와 객토로 흙을 새로 넣거나, 사람과 차량의 통행으로 흙이 눌리는 답압이 생기면 공극의 크기가 줄어든다. 답압이 심해지면 용적밀도가 커지고, 공극을 통한 산소 공급과 배수가 나빠져 식재 후 활착이 어려워진다. 인공지반이나 식재기반을 새로 조성할 때도 같은 문제가 생긴다.