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식물이 성장 하는데 필요한,
식물의 영양생리
식물을 키우는데 있어서 제일 높은 부분을 차지하는 것은 물입니다.
그 다음이 광합성이고 마지막 조금 남은 부분을 비료가 차지하고 있습니다.
그렇지만 이 비료라는 것이 참 묘해서 정작 식물의 배양에서 차지하는 부분은 작지만 비료를 한 것과 하지 않은 것은 무척이나 큰 차이가 나는 것을 볼 수 있습니다.
무기영양의 이해
무기영양소는 토양에서 주로 무기이온의 형태로 얻어지는 무기원소를 말하는데 이 무기영양소는 모든 생물체와 이들의 환경을 통해서 끊임없이 순환하게 됩니다.
이들은 주로 식물의 근계를 통하여 생물권으로 들어가게 되는데 그 역할을 식물이 담당하고 있습니다.
이를 두고 어떤 책에서는 식물은 “지각의 광부”의 역할을 한다고도 합니다.
식물체가 무기이온을 어떻게 흡수하고 동화하는가를 연구하는 것이 무기영양이라고 하는데 이 분야의 연구는 현대 농업과 환경보호의 핵심을 이룹니다. 농업 생산성을 높이기 위해서는 무기영양소 시비가 절대적으로 필요한데, 실제로 대부분의 작물의 생산성은 이들이 흡수하는 무기영양소를 포함하는 비료의 양과 비례하여 증가합니다. 식량의 수요증가를 만족시키기 위하여 질소, 인 칼륨과 같은 일차적인 비료 무기원소들의 세계적인 소비량은 1980년의 1억 1,200만 톤에서 1990년에는 1억 4,300만톤으로 증가하였고 지난 십여년간 일정하게 지속 되었습니다.
식물의 조성
우리가 가꾸는 초본성 원예식물은 생체의 80~95%가 수분으로 구성되어 있는데 정확한 수분 함량은 식물의 종류, 품종, 생육단계, 측정시의 토양 조건, 빛, 온도, 그리고 습도 조건, 풍속, 재배 장소 등에 따라 다르게 나타납니다.
식물체의 수분함량 조사는 일반적으로 80℃에서 약 4~5일간 건조 시킨 뒤 103℃로 24시간 건조한 다음 측정 하는 것이 보통입니다.
표1. 양분의 흡수 형태와 식물체 내의 함량
식물체에서 수분 함량을 제외한 무게를 건물중(乾物重)이라고 하는데, 생체중의 5~20%에 해당됩니다.
건물중의 44~49%는 탄소(C), 42~46%는 산소(O), 5~7%는 수소(H)로 구성되어 있으며, 무기염류는 5~10%정도 됩니다.
즉, 건물중의 90~95%가 탄소, 산소, 수소의 3원소로 구성되어 있는데, 이들은 당, 단백질, 지방 등 다양한 형태로 식물체내에 존재합니다.
식물체 내의 산소와 수소는 물(H2O)로부터, 그리고 탄소는 공기 중의 탄산가스로부터 유래됩니다.
식물체 생체중의 5~20%에 해당되는 건물중에 포함된 각종 주요 무기성분의 함량을 비교하면, 가장 많이 들어 있는 성분이 질소(N)와 칼륨(K)으로 약 1~5%정도의 범위에 있고, 다음으로 칼슘(Ca),마그네슘(Mg),인(P), 황(S), 염소(Cl)가 약 0.1~2% 포함되어 있습니다.
그 다음 미량원소에 해당되는 철(Fe), 망간(Mn), 아연(Zn), 구리(Cu), 붕소(B)는 5~200ppm, 그리고 몰리브덴(Mo)은 0.2~5ppm이 들어 있습니다.
이와 같은 분포는 식물의 종류에 따라 다른데, 콩과 식물은 비교적 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 붕소(B)의 함량이 많은 반면 규소(Si)는 적게 포함되어 있습니다.
십자화과 식물은 다른 작물보다 황(S)이 많고 산성에 강한 식물은 철(Fe), 망간(Mn), 알루미늄(Al)등이 많이 함유하는 반면 내염성 작물은 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 염소(Cl), 황(S)이 많습니다.
그리고 같은 잎이라도 어린 잎과 늙은 잎은 주요 성분에 차이가 있는데 어린 잎에는 N, P, K, Ca, Mg, S 등 모든 성분이 많은 반면, 늙은 잎은 이동이 용이한 성분인 N, K 등은 적고 이동하기 어려운 Ca, Cu, B 등이 많이 분포되어 있습니다.
양분의 공급과 작물 생육
토양에는 모암의 풍화와 유기물의 분해에 의하여 생긴 무기양분의 천연공급이 많으며, 관개수와 빗물에 의해서도 무기양분이 공급되므로 이를 야생식물이 흡수하여 생장합니다. 그렇지만 작물은 천연공급량만으로는 부족한 경우가 많고, 필수원소가 한 가지라도 필요한 양보다 부족하게 되면 대사작용에 영향을 받고, 결과적으로 작물이 정상적인 생육을 할 수 없게 되므로 부족한 양은 비료로 보충해 주어야 합니다.
양액재배를 처음에는 수경재배라고 하였는데, 수경재배라는 의미는 영양소가 들어 있는 수경액 속에 뿌리를 담아서 식물을 생장시키는 것을 의미 합니다. 그러나 최근에 와서는 천연 또는 인공배지(토양)를 이용해서 식물을 재배할 뿐만 아니라 식물을 물이나 배지에 의존하지 않고 공중에 뿌리를 매달아 근권에 양액을 분무시켜서 재배하는 분무수경법 등이 나타나면서 수경재배 보다는 양액재배가 보다 포괄적 의미를 갖게 되었습니다.
우리가 일반적으로 알고 있는 그 토양을 사용하지 않고 암면, 펄라이트, 자갈, 모래, 피트, 버미큘라이트, 톱밥 등에 양액을 공급하여 식물을 가꾸는 것을 무토양재배라고 하며, 아무런 배지도 사용하지 않고 순수한 물만을 사용하여 재배하는 것을 순수수경재배라고 합니다. 그러나 지금은 순수수경이나 무토양재배를 혼용해서 사용하고 있고, 이들 모두가 포괄적 의미의 수경재배 즉, 양액재배의 범주에 속하고 있습니다. 그래서 현재는 수경재배를 ‘토양 이외의 배지(Medium)에서 식물을 기르는 것’이라고 정의하고 있습니다. 일본에서는 이를 ‘양액재배’라고 하는데, 근래 우리나라에서도 ‘양액재배’라는 용어를 선호하며 ‘수경재배’는 순수수경재배를 가르키는 경향이 있습니다.
다시 말해서 양액재배란 ‘토양 이외의 몇가지 배지 또는 무배지 상태에서 식물을 기르는 것’이라고 정의 할 수 있습니다.
작물이 생육하는데 알맞은 환경 하에서 필수원소 중 어느 한 가지만 부족해도 기대하는 수량을 얻을 수 없습니다. 이를 J.F.리비히의 ‘최소량의 법칙’ 이라고 합니다.
동물이나 식물의 생장에 필요한 원소들 중 어느 한 가지 원소라도 부족하게 되면 다른 원소가 아무리 많아도 식물의 생장은 부족한 원소에 의해 제한을 받게 된다는 말입니다만 실제 자연에서는 적용되지 않는 사례도 많습니다.
<리비히의 법칙(최소량의 법칙)의 예>
질소(N)의 공급률이 70%이고 철(Fe)의 공급률이 100%이지만 칼륨(K) 때문에 25%만 생장할 수 있다는 것이 리비히의 최소량의 법칙이다. 물통의 한 귀퉁이가 낮으면 물을 그 이상 담을 수 없는 것과 같은 이치로 설명될 수 있다.
작물의 건물(乾物)은 대부분이 광합성의 산물이지만 무기양분이 부족하면 광합성이 영향을 받으므로 무기양분의 공급이 생육의 제한인자가 되는 경우가 많습니다.
작물체내 무기양분의 농도와 수량과의 관계를 보면 어떤 무기양분이 심하게 결핍될 때에는 그 성분 특유의 결핍증상이 나타나고, 생육이 억제되어 수량이 크게 감소하게 됩니다. 그리고 그 결핍원소를 비료로 공급하면 최적농도가 될 때까지는 수량이 직선적으로 증가하지만 최적 농도에 가까워질수록 수량증가율이 감소하여 소위 수확체감의 법칙(Law do diminishing return)이 작용하게 됩니다.
최적농도보다 약간 부족할 경우에는 결핍증상이 잘 나타나지 않지만 수량은 약간 감소합니다. 또 최적농도보다 어느 정도 더 높은 수준에서는 수량이 증가하지 않고 해작용도 없는 과잉소비를 하지만, 농도가 훨씬 더 높아지면 다른 양분과의 균형이 깨어지고, 염류축적에 의한 장해를 받을 수 있으며, 생리적인 해독작용이 일어날 뿐만 아니라 작물이 병충해를 쉽게 받거나 도복의 해를 입어 오히려 수량이 감소하게 됩니다.
<작물의 무기양분 농도와 수량과의 관계 모식도>
필수 영양소의 종류
식물이 흡수하여 체내에서 발견되는 원소는 92개의 천연 원소 가운데 60여개에 이르고 있으며, 그 가운데 앞서 언급한 10여개의 주요한 무기 영양분이 생리적 역할을 하게 됩니다.
이들 무기 영양분은 아래와 같은 생리적인 작용을 합니다.
1. 세포의 원형질 및 세포막 형성 물질의 공급
2. 세포액의 삼투압 및 산도에 대한 영향
3. 세포액의 완충작용
4. 원형질의 수화도(水和度)에 대한 영향
5. 세포막의 투과성 관여
6. 과다 성분의 과잉해
7. 원소 상호간의 길항작용
8. 생리작용의 촉매작용
이와 같은 생리작용을 하는데 있어서 식물의 요구도에 따라 필수원소인지 단지 유용한 원소인지를 결정하게 됩니다.
우리가 필수원소라고 부르는 원소는 다음 조건에 해당 되어야 합니다.
1. 특정원소가 없으면 식물이 정상적으로 생장할 수 없을 것.
2. 그 원소의 작용이 특수 할 것.
3. 그 원소가 식물 영양에 직접 관여해야 하는데, 필수 대사물질이거나 최소한 필수 원소의 작용에 필요할 뿐 아니라 다른 물질의 이용성을 증진 시킬 것.
이런 조건에서 많은 원소 가운데 약 16개의 원소가 식물의 생육에 필수적이라고 알려져 있습니다.
이들 원소를 필요량에 따라, 비교적 많은 양이 필요한 원소를 다량원소라고 하고, 비교적 소량이 필요한 원소를 미량원소로 나눕니다.
다량 원소 또는 대량 원소에는 C, H, O, N, P, K, Ca, S, Mg가 있고, 미량원소에는 Fe, Cl, Mn, B, Zn, Cu, Mo가 있습니다.
이를 다시 화학적인 성질에 따라 분류해 보면 N, P, S, Cl, B는 비금속 원소이고, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Zn, Cu, Mo는 금속원소에 해당됩니다.
식물체에 이들 원소들이 흡수 될 때는 금속원소는 주로 양이온으로, 비금속원소는 음이온으로 흡수 됩니다.
이 외에 앞서 말씀드린 필수원소가 아닌 유용한 원소는 일부 식물이 필요로 하며, 정상적인 생장 조건에서는 필요 없거나 때로는 어떤 원소의 대용으로 쓰이는 원소를 말하는데 규소(Si), 나트륨(Na)등이 유용한 원소에 해당 됩니다.
식물이 가장 많이 흡수하는 원소인 질소는 토양에 많이 함유되어있지 않고, 칼리와 인은 토양에 비교적 많이 함유되어 있으나 대부분이 물에 녹지 않은 불용태로 존재하여 식물이 충분히 흡수 할 수 없으므로 작물을 재배 할 때 질소, 인산, 칼리(칼륨)는 주로 비료로서 보충해 주는데 이것을 우리는 비료의 삼요소라고 합니다.
그러나 칼슘, 마그네슘, 황은 식물이 비교적 많이 흡수하는 성분이지만 토양에도 많이 존재하며, 특히 황은 화석연료를 사용하는 곳에서는 공기나 빗물에서도 공급되므로 이들을 비료로서 공급하는 일은 드뭅니다. 칼슘과 마그네슘의 경우 토양의 산도를 중화하기 때문에 이들이 함유된 물질은 흔히 토양의 산성을 중화시킬 목적으로 사용되고 있습니다.
미량원소 중 철과 망간은 토양에 많이 존재하지만 산화상태로 있으면 물에 녹지 않습니다. 그러나 배수가 불량한 토양에서는 환원되어 가용태로 되기 때문에 이들의 해독작용이 나타나기도 합니다.
그리고 십자화과 채소와 콩과 작물은 붕소요구량이 많아 이것의 시용효과가 있고, 석회암지대에서는 토양 pH가 높아 벼에서 아연결핍이 문제가 되기도 합니다만 일반적으로 작물을 토양에 재배할 때 미량원소의 과잉이나 결핍은 크게 문제가 되지 않습니다.
PH와 작물 재배
요즘 들어 배양에 무척 관심이 깊어지면서 많이들 듣고 있는 말이pH인데 간단하게 말해서 pH란 용액의 수소이온지수. 수소이온농도를 지수로 나타낸 것입니다. 피에이치 또는 페하라고도 읽습니다.
pH는 용액의 산성도를 가늠하는 척도로서 수소이온농도의 역수에 상용로그를 취한 값입니다. 또는 수소이온농도의 상용로그 값에 마이너스를 붙여서 구할 수도 있습니다.
pH = log10(1/[H+])= -log10[H+]
일반적으로 용액의 수소이온농도는 매우 작은 값이기 때문에 다루기가 불편합니다. 따라서 pH라는 지수를 도입해 간단한 숫자로 용액의 산성도를 나타낸 것인데, pH시험지나 pH meter를 이용해 간단하게 측정할 수 있습니다.
물은 자동이온화과정을 통해 1.0×10-7M(몰농도)의 수소이온과 1.0×10-7M의 수산화이온을 만듭니다. 그래서 중성인 물의 pH는 -log10(1.0×10-7), 즉 7 인 것입니다. 용액 속에 수소이온이 많을수록 작은 값의 pH를 갖고, 수소이온이 적을수록 큰 pH값을 갖는다. 순수한 물의 pH인 7을 기준으로 pH 값이 7보다 작은 용액은 산성용액, 7보다 큰 용액을 염기성용액이라 합니다.
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산 성 중 성 알카리성
대표적인 염기성용액, 즉 알카리성용액으로는 수산화나트륨(가성소다, 양잿물)을 들 수 있습니다.
이 알카리성의 특징은 쓴맛이 난다는 것과 비누처럼 단백질을 녹이는 성질이 있습니다. 예전에 빨래를 할 때 잿물을 썼다고 하는데 잿물 역시 알카리성입니다. 그리고 양잿물과 폐식용유를 이용하여 비누를 만들어 사용하기도 합니다.
산성용액으로는 잘 아시다시피 황산, 염산, 초산(아세트산)등이 있는데 신맛이 납니다.
토양 pH는 일반 작물을 재배에서 아주 밀접한 관계가 있습니다.
일반작물의 배양에서 pH를 5.5~6정도가 좋으나 5.0~7.0의 범위라면 생육에 큰 영향이 없습니다.
그러나 pH가 4.5이하로 떨어지면 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 칼륨(K) 등과 같은 알칼리성 염류는 불용화 되어 식물이 흡수하지 못하게 됩니다. 반대로 pH가 7 이상 일 때에는 철이 Fe(OH)3로 침전되어 식물이 이용할 수 없게 되며 pH가 8 이상일 때에는 망간(Mn), 인(P)이 결핍됩니다. 이 외에도 pH가 높을 경우 아연과 구리 등의 중금속도 불용화 될 염려가 있습니다.
pH가 4 이하이거나 9 이상일 경우에는 뿌리세포의 세포막이 파괴되거나 세포액 중의 K+과 H+이 검출 되는 등 직접적인 해도 나타나게 됩니다.
다량원소의 흡수에는 pH가 6이 가장 적합하고 Fe, Cu, Mn, Zn 과 같은 미량원소에서는 pH 5~6, Mo은 pH 6.5~7이 가장 적합합니다.
#농업기술자료