농생태학 -8장 토양

농생태학: 지속가능한 먹을거리 체계의 생태학

8장 토양

토양이란 단어는 가장 넓은 의미에서 식물이 달라붙어 있는 지구의 외피 부분을 가리킨다. 이에는 강바닥의 속흙부터 약간의 먼지와 식물 잔재가 있는 바위의 틈새까지 모든 것이 포함된다. 더 구체적으로, 토양은 살아 있는 유기체와 그들의 대사 활동과 부식의 산물이 혼합된 지구의 풍화된 표면층이다(Odum and Barrett 2005). 토양은 암석에서 유래된 물질, 살아 있는 유기체에서 유래된 유기물과 무기물을 포함하고, 공기와 물이 토양 입자 사이의 공간을 차지하고 있다. 독특한 생태학적, 지구물리학적 영역으로서, 토양은 지권地圈(pedosphere; pedon은 고대 희랍어로 토양이나 지구이다)이라고 부르곤 한다. 

토양은 농업생태계의 복잡하고, 생기 넘치고, 변화하며 역동적인 구성요소이다. 그것은 변경될 수 있고, 악화되거나 현명하게 관리될 수도 있다. 신속한 토양 개량을 위한 기계적, 화학적 기술들을 이용할 수 있는 현재 농업의 많은 부문에서, 토양은 주로 수확을 추출하기 위한 어떤 증식 배지처럼 간주되곤 한다. 농민은 토양을 당연한 것으로 여기면서 표면 아래에서 일어나는 복잡한 생태학적 과정에는 거의 주의를 기울이지 않는다. 이와 대조적으로 이 장의 전제는 토양 체계에 대한 철저한 생태학적 이해는 작물에 영향을 미치는 환경 요소로서 토양을 이해하여서, 지속가능한 농업생태계를 설계하고 관리하는 핵심 부분이라는 점이다. 

생태계 그 자체로서 토양은 우리가 지금까지 고찰한 다른 환경 요소보다 더 복잡하다. 이런 복잡성은 우리가 토양 생태계 안의 상호작용과 이 체계에 영향을 미치는 농법의 방식을 이해하기 위한 개체 생태학적 관점의 경계 밖으로 걸어 나가게 한다. 이런 의미에서 또한 토양은 우리가 지금까지 검토한 것들처럼 비생물적 요소에서 멀리떨어져 있다. 이 장에서 우리가 논의할 것처럼, 토양은 매우 생동감 넘친다. 그럼에도 불구하고 우리가 생물적 요소를 포함하여 토양 생태계에서 상호작용하는 모든 구성요소를 고려하더라도, 우린 여전히 작물에 특정 영향을 미치고 농업생태계의 혜택을 위해 관리될 수 있는 바람이나 온도와 매우 흡사한 환경 요소의 전체로서 토양을 이해할 수 있다. 

토양의 형성과 발달 과정

농업의 관점에서 보면, "이상적인" 토양은 무기물 45%, 유기물 5%, 반은 물이고 반은 공기가 들어 있는 공간 50%로 구성된다. 그러나 각각의 위치나 장소는 결국 토양 형성 과정의 최종 결과를 결정하는 독특한 특성이 있기에, 우리가 전형적인 토양이라 부를 수 있는 걸 찾기란 어렵다. 

생물학적 과정은 각각의 특정 기후 지방과 위치에서 물리적, 화학적 과정과 결합하여 토양을 형성한다. 일단 형성되면, 토양은 이런 과정들과 함께 생물학적, 물리적, 화학적 과정으로 인하여 변화하고 발달한다. 경사면, 기후및 식생 덮개의 유형이 다양하기에, 모재료가 매우 유사할지라도 여러 다양한 토양이 서로 나란히 밀접하게 형성될 수 있다. 

토양 형성과 발달의 자연 과정은 상당한 시간이 걸린다. 예를 들어 미국 중서부의 중부 지방에 있는 옥수수와 밀 생산 지역에서는 매년 겉흙이 1200평당 약 0.5-1.5톤 정도만 형성되는 것으로 추산된다(Daily 1995). 이와 대조적으로 이들 지역에서 관행적으로 농사짓는 토지에서는 1200평당 약 4-5톤의 토양이 침식되는 것으로 추산된다(NRCS 2010). 미국 중서부의 토양침식률이 이전 년도에 비해 감소 -예를 들어 1982년에는 1200평당 7톤으로 추산- 한 것으로 추산되었지만, 여전히 자연 과정의 보상 능력을 능가하고 있다.  

겉흙의 형성

전체적으로, 토양 표면과 지구 아래의 단단한 기반암 사이의 통합되지 않은 물질층을 겉흙이라 한다. 겉흙의 가장 기본 요소는 기반암이나 모재의 붕괴로 형성된 토양 입자로 구성된 무기물 성분이다. 어느 특정 위치에서, 토양 입자들은 아래의 기반암에서 유래되었거나, 다른 곳에서 운송되었을 수 있다. 토양의 무기물 입자가 아래의 기반암에서 그곳에 형성되었으면, 그 토양은 잔류토이다. 무기물 입자가 바람, 물, 중력 또는 빙하에 의해 다른 곳에서 운반되었으면, 그 토양은 운적토이다. 

물리적 풍화

암석과 암광물의 풍화는 입자가 그 위치에 있었는지 다른 곳에서 이동했는지에 상관없이 무기물 토양 입자의 원천이다. 물과 바람, 온도, 중력의 결합된 힘이 무기물 자체의 점진적 분해와 함께 암석을 벗겨내고 쪼갠다. 물은 암석의 균열이나 틈으로 스며들 수 있고, 가열과 냉각에 따라 팽창과 수축이 번갈아 가면서 일어나 암석을 부수기 시작한다. 게다가, 균열 속으로 스며든 물에 함유된 이산화탄소는 탄산을 형성해 암석의 무기물에서 칼슘과 마그네슘 같은 원소를 끌어당겨 탄산염을 형성하고, 그 과정에서 암석의 결정구조를 약화시켜 더 많은 물리적 풍화가 일어나도록 더 취약하게 만든다. 더욱 미세한 입자는 중력과 온도 변화, 습윤과 건조의 교대가 결합된 힘에 의해 생성된 물리적 운동으로 촉진되는 더 큰 입자들과 섞인다. 이러한 운동이 일어나는 동안 다른 암석과 연마되는 힘에 의해 더 작은 입자를 형성할 수도 있다. 결국 통합되지 않은 겉흙이 형태를 갖춘다. 

지역의 조건과 지질학적 역사에 따라 겉흙은 최근에 형성되고 가볍게 풍화되었으며 주로 1차 광물로 구성될 수 있거나, 집중적 풍화를 받고 석영 같이 더 단단한 물질로 이루어졌을 수도 있다. 

운송

암석은 더 작고 느슨한 물질로 부수어짐에 따라 그 자리에 머물며 결국 잔류토를 형성할 수 있지만, 더 먼 곳에 운반되어 퇴적될 가능성이 더 큰 운명이다. 바람, 물의 운동, 중력 및 빙하의 이동에 의한 힘이 모두 풍화된 토양입자를 운송할 수 있다. 운송된 토양은 입자가 운송되는 방식에 따라 분류가 달라져, 아래와 같은 이름이 결정된다. 

·중력에 의해 운송된 붕적토

·물의 운동에 의해 운송된 충적토

·빙하의 이동에 의해 운송된 빙하토

·바람에 의해 운송된 풍적토

화학적 풍화

일단 물리적 풍화가 겉흙을 생산하면, 화학적 풍화도 토양에 작용할 수 있다. 화학적 풍화는 모재의 붕괴, 토양의한 형태에서 다른 형태로 물질의 전환, 토양 안에서 물질의 이동을 돕는 자연의 화학적 과정을 포함한다. 토양의 형성과 발달에서는 4가지 화학적 과정이 중요하다. 수화, 가수 분해, 용해, 산화가 그것이다.

수화水和는 무기물의 화학 구조에 물 분자를 첨가하는 것이다. 그것은 결정의 팽창과 파쇄의 중요한 원인이다. 가수加水 분해는 규산염 광물의 원래 결정 구조에 있는 다양한 양이온이 수소 이온으로 대체되어 분해될 때 발생한다. 낮은 산도(pH)를 지닌 겉흙에서, 더 짙은 농도의 수소 이온이 가수 분해를 가속화한다. 살아 있는 유기체의 대사 활동 산물이나 죽은 유기물의 분해로 인한 유기산의 방출도 이 과정에 추가될 수 있다. 용해는 고농도의쉽게 용해되는 무기물(예, 질산염이나 염화물 같은)을 지닌 모재가 물에 용해될 때 발생한다. 석회석은 특히 탄산이 많이 함유된 물에서 용해되기 쉽다. 극심한 경우에 지하수가 흐르는 지역에서 석회석의 용해는 석회암 동굴의 형성으로 이어진다. 마지막으로 산화는 철 같은 원소가 원래의 탈산소화된 형태에서 물이나 공기가 있는 곳에서 산화된 형태로 전환되는 것이다. 결정 구조가 부드러워지는 건 보통 이 과정을 동반한다. 

일단 무기물이 통합된 모재에서 방출되면, 또 다른 중요한 화학적 과정은 2차 광물을 형성하는 것이고, 가장 중요한 게 점토 광물이다. 점토 광물학은 매우 복잡한 연구 분야인데, 점토 형성의 몇 가지 기본 측면을 이해하는 것이 중요하다. 점토의 형성은 식물의 성장과 발달에 극적인 영향을 미치기 때문이다. 

점토 광물은 토양에서 매우 작은 입자이지만, 다른 곳에서 논의할 텐데 보수력부터 양분 가용성에 이르기까지 모든 것에 영향을 미친다. 그것은 규산염 광물이 화학적으로 변경되고 재구성되는 복잡한 과정에 의해 형성된다. 기후 조건과 모재의 결합에 따라 형성되는 2차 광물은 두 가지 기본 유형이 있다. 규산염 점토는 주로 상이한 배열을 가진 아주 미세한 규산알루미늄판과 철과 마그네슘 같은 다른 원소의 존재 유무로 구성된다. 그리고 수산화물 점토는 명확한 결정 구조가 결여되어 있고, 여러 실리콘 이온이 대체된 수화 철과 산화알루미늄으로 구성된다. 

결국 어떤 토양에서 발견되는 점토는 이 두 가지 기본 유형인 2차 점토 광물의 여러 가지 하위 유형이 혼합된 것일 텐데, 1개나 몇 개의 하위 유형이 우위를 차지할 수 있다. 규산염 점토가 우점하면, 양이온을 흡수하기 위한 장소가 풍부하여, 상대적으로 생산 잠재력이 높은 토양을 만든다. 수산화물 점토가 우세하면 -여러 습한 열대 지방처럼- , 양이온을 이용할 수 있는 장소가 더 적어서 양분 양이온을 교환하는 능력이 떨어지기에 농사짓기 더 어려운 토양을 만든다. 

식물의 잔여물이나 살아 있는 유기체의 활동으로 인한 유기물은 모재의 이러한 화학적 풍화 과정에 중요한 영향을 미치고 겉흙의 형성을 매우 가속화한다. 

생물학적 과정

머지않아, 겉흙의 밀도에 따라 식물이 풍화된 물질에 스스로를 확립시킨다. 그들은 광물에서 양분을 끌어내는 뿌리를 내리고 식물의 물질에 잠시 동안 그걸 저장하지만, 결국에는 토양 표면으로 되돌려준다. 깊은 뿌리가 겉흙을 더욱 분해하고, 지표 상층에서 침출된 양분을 포획하며, 토양 표면에 유기물의 형태로 그걸 첨가한다. 그런 다음 식물 잔여물은 그 지역에 확립된 박테리아와 곰팡이, 지렁이 및 기타 토양 유기체의 중요한 에너지원이 된다. 일단 이러한 토양의 살아 있는 구성요소가 확립되면 그들은 토양의 발달을 더욱 조절하고 가속화하며, 그런 다음토양비옥도를 유지하는 데 매우 중요한 생물학적, 화학적, 물리적 과정을 규제하고 수행하는 주요한 역할을 담당한다.  

생물학적으로 조정되는 토양의 발달은 토양의 살아 있는 유기체가 식물의 잔여물과 기타 유기물을 분해하고, 천천히 그것을 더 단순한 형태와 가장 기본적인 구성성분으로 줄임에 따라 발생한다. 분해 과정에서, 새로 죽거나 배설된 유기물은 절지동물, 지렁이, 선충류, 원생동물, 곰팡이 및 박테리아에 의해 토양 먹이그물의 여러 영양 단계를 거침으로써 더 작은 조각과 더 단순한 유기 화합물로 분해된다. 그런 다음 분해된 유기물은 토양 미생물 및 기타 유기체에 의해 부식질이라 퉁칭되는 상대적으로 안정된 유기 화합물로 변형되는 부식화의 과정을 거친다. 우리가 이어지는 본문에서 볼 수 있듯이, 부식질은 토양의 구조, 양분 가용성 및 기타 토양의 특성에 중요한 역할을 담당한다. 무기화의 과정에서, 부식질과 기타 유기물은 주로 균류와 박테리아에 의해 이산화탄소, 질소, 염류, 물 같은 무기(또는 "광물") 화합물로 더욱 분해되어, 일부는 토양에 남고 다른 일부는 대기 중으로 들어간다. 

부식질은 비교적 안정적이지만, 토양에서 제한된 수명을 갖는다. 그 일부는 끊임없이 광물화되고 있지만, 어떠한 형태의 유기물이 토양에 첨가되고 있는 한 새로운 부식질도 계속해서 생산된다. 건강한 토양에서는 새로운 부식질이 형성되는 비율과 광물화로 토양에서 제거되는 비율이 거의 똑같은 평형점에 도달한다. 

토양 층위

시간이 지남에 따라 겉흙에서 국지적인 화학적, 물리적, 생물학적 과정은 층위라고 부르는 토양에서 관찰할 수 있는 층들의 발달로 이어진다. 특정 위치의 층들과 함께 각 토양에 특유의 토양 단면을 제공한다. 토양 단면의 각 층은 뚜렷한 특성의 조합을 갖는다. 

토양 단면

일반적 용어로, 토양 단면은 4가지 주요 층위로 구성된다. 유기물 또는 O층, 그리고 3개의 광물층이다. O층은 토양 표면에 놓여 있다. 바로 아래에 유기물이 축적되고 토양 입자의 구조가 알갱이 모양, 부스러기 또는 판 모양이 될수 있는 A층이 있다. A층 아래에는 A층에서 침출된 물질이 규산염, 점토, 철, 알루미늄이나 부식질의 형태로 축적될 수 있으며, 토양 구조가 덩어리이고 각기둥 또는 원기둥 모양이 될 수 있는 B층이 있다. 마지막으로 풍화된 모재로 구성된 C층이 현지의 모재 또는 그 위치로 이전의 어떤 시간에 운송된 물질에서 유래되어 있다. 특히 강우량이 적은 지역에서는 탄산칼슘과 탄산마그네슘 같은 A와 B층에서 침출되거나 침전된 어떤 물질을 여기에서 발견할 수 있다. 상부의 네 층의 깊이에 따라, 통합된 기반암으로 구성된 R층이 토양 단면의 일부로 포함될 수도 있다. 

각 층 사이의 분할이 거의 구별되지 않기 때문에, 설명된 이들 층은 실제로는 토양 단면에서 연속체를 형성한다. 전형적인 토양 단면은 그림8.1에 개략적인 형태로 제시되어 있다. 각 토양 단면의 각각의 층이 지닌 깊이, 특성, 차이는 토양 물질의 속성(그 색상, 유기물 함량 및 화학적, 물리적 특성), 식생 덮개의 유형 및 기후의 결합된 영향이 미친 결과이다. 

유기물 

광물; 상부 구역의 부식질과 섞임

침전된 점토, 산화철, 산화알루미늄

최소한의 풍화; 가장 높은 부피 밀도

풍화되지 않은 모재

그림8.1 일반적인 토양 단면

토양 층위를 분화시키는 과정은 지방과 지역의 조건에 따라 다양한 방식으로 기능하게 된다. 이들 차이는 표8.1에 요약되어 있는 4가지 토양 발달의 기본 유형을 가져온다. 석회화 과정은 세계의 아습윤부터 건조 기후와 온대부터 열대 기후에 있는 초지 식생의 지역에서 가장 특징적이다. 포드졸화는 습이 오랫동안 식생의 덮개가 되어 왔던 세계의 습윤하고 온화한 지역에서 가장 특징적이다. 라테라이트화는 세계의 습윤한 아열대와 열대우림 지방의 오래되고 매우 풍화된 토양에서 일어나며, 글라이화는 연중 상당한 기간 동안 지표면이나 근처에 물이 머물러있는 토양에서 가장 일반적이다. 하지만 경사면, 배수, 식생, 기반암의 깊이 등 국지적 조건에 따라, 이들 과정의조합이 발견될 수 있다. 전체적으로 토양의 형성과 발달은 토양이 식생에 영향을 미치고 식생이 토양에 영향을 주는 상호적인 과정이다. 

발달 과정	수분	온도	전형적 식생	결과적 특성
글라이화	많음	차가움	툰드라	치밀한 층; 생물학적 활동이 거의 없음
포도졸화	많음	서늘함부터 따뜻함	침엽수 숲, 낙엽수 숲	밝은색의 층; 철과 알루미늄이 많은 황갈색의 B층
라테라이트화	많음	따뜻함부터 뜨거움	우림	매우 깊이까지 풍화됨; 불명료한 충위; 식물의 양분이 적음
석회화	적음	서늘함부터 뜨거움	대초원, 스텝 지대, 사막	칼슘, 질소, 유기물이 풍부한 두터운 A층(사막 제외)

표8.1 토양 발달의 4가지 유형

유기물층의 중요성

자연 생태계에서 O층은 가장 생물학적으로 활발한 단면의 부분이며 생태학적으로 가장 중요하다. 그곳은 식물과동물의 삶과 분포, 토양비옥도의 유지 및 여러 토양 발달 과정에서 중요한 역할을 담당한다. 분해를 책임지는 생물과 미생물은 이 층과 A층의 상부에서 가장 활발하다. 중요한 것은 O층은 일반적으로 농사짓는 토양에서는 대폭 감소하거나 사라지기까지 한다는 점이다. 

지역의 기후와 식생 유형의 조합은 이 층에서 활동을 촉진시키는 조건에 기여한다. 하지만 그와 함께 층의 질은 어떤 종류의 유기체가 번성하느냐에 큰 영향을 받는다. 예를 들어, 박테리아는 거의 중성이거나 약간 알칼리성을좋아하는 반면, 균류는 더 산성인 조건을 선호한다. 토양에 서식하는 응애와 톡토기는 산성 조건에서 더 중요한 반면, 지렁이와 흰개미는 중성이나 그 이상에서 우점하는 경향이 있다.

떼알 구조라 부르는 걸 생성하는 토양 입단의 복잡한 과정은 O층에서 형성된 부식질에 크게 영향을 받는다. 게다가 이 장의 뒷부분에서 논의할 많은 가치가 있는 토양비옥화 과정은 이 중요한 층의 생태학적 특성과 밀접한 관련이 있다. 

토양의 특성

건강한 토양 체계를 개발하고 유지할 뿐만 아니라, 특정 토양 관리 전략에 관한 올바른 판단을 내리기 위하여, 작물의 반응에 영향을 미치기에 토양의 가장 근본적인 속성 가운데 일부를 이해하는 게 중요하다. 

토성

토성은 다양한 입자 크기의 분급으로 나뉘는 총 광물질 토양의 무게 비율로 정의된다. 이 크기의 분급은 자갈,모래, 미사, 점토이다(표8.2 참조). 지름이 2.0mm보다 큰 입자는 자갈로 분류된다. 모래는 맨눈으로 쉽게 볼 수 있으며, 손가락으로 쥐고 문지르면 거칠게 느껴진다. 그것의 표면 대 부피 비율이 낮아 물에 대해 다공성을 만들고, 양분 양이온을 흡착하고 보유하는 능력이 떨어진다. 모래보다는 더 미세한 미사이지만 여전히 외양과 느낌은 거칠거칠하지만, 물과 양분 이온을 더 적극적으로 보유한다. 점토 입자는 육안으로 구분해서 볼 수 없으며, 밀가루 같은 외양과 느낌이다. 점토 입자는 물에 현탁액을 형성할 수 있다는 점에서 콜로이드계이며, 양분 이온 또는 물 분자의 점착을 위한 활성 부위이다. 결과적으로 점토는 토양에서 토양 입자와 물 사이의 가소성과 이온 교환을 포함하여 가장 중요한 토양 속성을 통제한다. 그러나 점토 함량이 너무 높은 토양은 물을 배수할 때 문제가 생길 수 있으며, 건조할 때 균열이 발생할 수 있다. 

범주	지름 범위*(mm)
왕모래 거친 모래 중간 모래 잔모래 고운 모래 미사 점토	2.00-1.00 1.00-0.50 0.50-0.25 0.25-0.10 0.10-0.05 0.05-0.002 <0.002

표8.2 토성의 분급

*미국 농무부 체계에 의하여

대부분의 토양은 토성 분급이 혼합되어 있으며, 각 분급의 비율에 기반하여 그림8.2에 나오는 토양의 이름이 있다. 농업의 관점에서 볼 때, 모래는 토양의 좋은 배수성을 제공하고 경운의 용이성에 기여하지만, 또한 모래기 많은 흙은 쉽게 건조하고 침출로 양분을 상실한다. 다른 극단에 있는 점토는 배수가 잘 되지 않고 쉽게 압축되며 작업하기 어려울 수 있지만, 토양의 수분과 양분을 보유하는 데에는 좋다. 

그림8.2  토성의 이름. 가장 좋은 토양의 유형은 작물과 지역의 조건에 따라 결정된다. 그러나 일반적으로는 상대적으로 동일한 양의 점토, 모래, 미사 -양토라 부름- 를 함유하고 있는 토양은 농업용으로 최적이다. (미국 농무부 도해)

어떤 토성이 가장 좋은지는 그에 재배되는 작물에 달려 있다. 예를 들어, 감자는 모래가 많고 배수가 잘 되는 토양이 덩이줄기의 부패를 방지하고 수확을 더 쉽게 만들기에 가장 좋다. 논벼는 습한 환경에 대한 이 작물의 특정한 적응력 덕분에 점토 함량이 많은 중점토가 가장 좋다. 식양토는 더 건조한 환경에 전반적으로 더 좋을 수 있는반면, 사양토는 습한 환경에 더 좋을 수 있다. 우리가 아래에서 보겠지만, 유기물의 첨가는 혼합물 안에서 입자의관계를 변화시킨다. 

토양 구조

앞에서 설명한 토성의 측면에 더하여, 토양은 개개의 입자들이 입단이라 부르는 다양한 모양과 크기의 무리로 함께 유지되는 방식에 의해 형성된 매크로 구조를 가지고 있다(그림8.3 참조). 토양 입단은 토양의 깊이가 깊어짐에 따라 더 커지는 경향이 있다. 토성은 토양 구조의 중요한 결정요소 가운데 하나이지만, 토양 구조는 일반적으로 토양의 유기물(SOM) 함량, 토양에서 자라는 식물, 토양 유기체의 존재 및 토양의 화학적 상태에 더 의존한다. 좋은 "떼알 구조"는 경작성으로 알려진 토양의 다공성 및 경운의 용이성을 함께 향상시키기 때문에 부스러기나 알갱이 모양의 구조가 농업에 가장 유익하다. 토양의 덩어리가 손으로 뭉갰을 때, 그림8.3에 나와 있는 부스러기나 알갱이 모양의 구조로 쉽게 부수어지면 좋은 떼알 구조가 존재하는 것이다. 

그림8.3 토양 입단의 패턴. (Brady, N.C. and R.R. Weil, The Nature and Properties of Soils, 11th edn., Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 1996.에서 변경)

농생태학의 관점에서, 좋은 떼알 구조는 상당한 의미를 지닌다. 함께 묶여 있는 토양 입자는 특히 식물의 덮개가 최소일 때 연중 언제든지 바람과 물의 침식에 저항한다. 또한 좋은 구조는 토양의 단위부피당 고형물의 중량으로정의되는 낮은 부피 밀도를 유지하는 데 도움을 준다. 낮은 부피 밀도를 지닌 토양은 구멍 공간의 비율이 더 높고(더 높은 다공성), 통기성이 더 좋고, 물의 침투가 더 좋으며(투수성), 물의 저장력이 더 크다. 분명 그러한 토양은 경운하기 더 쉬우며, 식물의 뿌리가 더 쉽게 뻗을 수 있다. 과도한 경운은 토양 유기물의 분해를 가속화하고, 토양 다짐의 가능성을 높이기에 부피 밀도를 높이고 좋은 떼알 구조의 여러 장점을 상실하게 만든다. 

토양 입단의 형성은 근본적으로 두 가지 구성요소를 가지고 있다. 개별 토양 입자 사이의 견인력 정도는 토성에 크게 의존하며, 유기물에 의해 이들 흡착된 입자들의 결합이 이루어진다. 적어도 어떠한 실질적 방식으로도 첫 번째 구성요소는 농민이 쉽게 조작할 수 없지만, 두 번째 것은 농법에 의해 많은 영향을 받을 수 있다. 따라서 좋은 떼알 구조가 유지되고, 저하되거나 개선될 수 있다. 

예를 들어, 토양이 너무 습할 때 중장비로 하는 과도한 경운은 지표면에서 말라 나중에 큰 어려움 없이 부수어질 수 있는 커다란 토양 덩어리를 형성할 수 있다. 압축, 또는 공극 공간의 상실과 부피 밀도의 상승은 떼알 구조의 상실을 나타내며, 농기계의 무게와 과도한 경운으로 인한 유기물의 상실 또는 이 둘의 결합에 의해 야기될 수 있다. 

색상

토양의 색상은 토양 유형의 식별에 가장 중요한 역할을 하지만, 그와 동시에 토양의 발달과 관리의 역사에 관하여 많은 걸 이야기해 줄 수 있다. 진한색의 토양은 일반적으로 특히 온대 지방에서 높은 유기물 함량을 나타낸다.적색과 황색의 토양은 일반적으로 통기성과 배수성이 양호한 조건에서 형성되는 산화철의 높은 수준을 나타내는데, 이들 색상은 모재에서 직접적으로 유래될 수도 있다. 회색 또는 황갈색은 배수가 나쁜 걸 나타낼 수 있다. 이러한 색상은 산소가 풍부한 상태에서 철이 3가철로 산화되기보다는 오히려 2가철로 환원될 때 형성된다. 희끄무레한 밝은색의 토양은 석영, 탄산염 또는 석고가 있는 걸 나타내곤 한다. 표준화된 색상표는 토양의 색상을 측정하는 데 활용된다. 

따라서 토양의 색상은 농민이 활용할 수 있는 작물이나 작부체계의 종류에 따라 바라거나 피하고 싶어하는 특정 종류의 토양 조건을 나타내는 지표가 될 수 있다. 토양의 구조와 화학적 성질에 대한 더 구체적인 분석은 그림을 완성하기 위해 필요한데, 색상은 좋은 출발점이다. 더구나 토양의 색상은 환경의 다른 요소들과 토양의 상호작용에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 태양 광선을 반사하여 토양을 더 차가워지도록 하기 위하여 일부 열대의 농사 체계에서는 지표면에 밝은색의 모래가 많은 토양을 두는 것이 유리할 수 있다. 이와 반대로 추운 겨울이 오는 지역에서 어두운 색의 토양 표면은 봄에 더 일찍 토양의 온도가 상승하고 토양이 더 빨리 마르게 하여, 더 이른 시기에 파종할 수 있게 토양을 준비시킬 수 있다. 

양이온 교환 용량

식물은 2장과 3장에서 기술된 무기 양분을 토양으로부터 용해된 이온의 형태로 얻으며, 그 용해도는 물 분자에 대한 그들의 정전기 인력에 의해 결정된다. 칼륨과 칼슘 같은 일부 중요한 무기 양분은 양전하를 띤 이온의 형태로 있다. 질산염과 인산염 같은 다른 무기 양분은 음전하를 띤 이온의 형태로 있다. 이들 용해된 이온이 식물의 뿌리나 균류를 통해 즉시 흡수되지 않으면, 토양 용액에서 침출될 위험이 있다. 

교질 입자(micelle)로 알려진 판 모양의 구조를 형성하는 개별적이거나 집합체인 점토와 부식질 입자들은 토양에서 더 작고 이동하기 쉬운 양전하를 띤 이온을 보유하는 음전하를 띠는 표면을 갖는다. 양전하를 띤 이온(양이온)을결합시키는 데 이용할 수 있는 교질 입자에 있는 지점의 숫자가 건조된 토양 100g당 양이온의 밀리그램당량으로측정되는 토양의 양이온 교환 용량(CEC)라고 부르는 것을 결정한다. 양이온 교환 용량이 높을수록 양이온을 보유하고 교환할 수 있는 토양의 능력이 더 낫고, 양분의 침출을 막으며, 식물에게 적절한 양분을 제공한다. 

양이온 교환 용량은 점토/부식질 복합체의 구조, 존재하는 교질 입자의 유형 및 토양에 통합된 유기물의 양에 따라 토양마다 달라진다. 다면체는 수분 함량과 관련하여 그들의 인력과 유연성의 지점이 달라지는 격자 모양을 형성한다. 양이온은 인력의 정도가 각기 다른 음전하를 띠는 교질 입자와 휴민산염의 바깥 표면에 달라붙는다. 가장 결합력이 강한 양이온 -비에 의해 첨가된 수소 이온, 유기물을 분해하며 생긴 양전하를 띤 산 및 뿌리 대사에 의해 주어진 산 같은- 은 K+ 또는 Ca2+ 같은 다른 중요한 양분 양이온을 대체할 수 있다. 부식질 형태의 유기물은 훨씬 더 광범위한 표면적 대 부피비를 가지며(따라서 더 많은 흡착 지점) 그것이 교질(콜로이드성)이기 때문에, 양이온 교환 용량을 증가시킬 때 점토보다 훨씬 더 효과적이다. 토양 유기물 함량을 감소시키는 농법은 토양비옥도 유지의 이런 중요한 구성요소를 줄일 수도 있다. 

질산염, 인산염, 황산염 같은 식물의 성장과 발달에 중요한 음이온은 이온 "가교"를 통해 점토의 교질 입자에 더 흔하게 흡착된다. 산성인 조건에서 이들 가교는 수산기(OH) 같은 작용기를 지닌 추가적인 수소 이온의 연계에 의해 형성된다. 중요한 사례는 산성인 조건에서 물 분자의 해리 이후에 형성되는 OH2+와 질산염(NO3-)의 결합이다. 토양 산도는 교질 입자 표면의 전하에 영향을 미치고, 다른 이온이 토양의 교질 입자에서 치환되는지를 조절하기 때문에, 토양에서 이온의 유지와 단기간의 양분 가용성에 크게 영향을 미치어 둘 다 토양비옥도의 핵심 구성요소이다. 

토양 산도와 pH

숙련된 정원사나 농민은 토양의 pH 또는 산-염기 평형의 중요성을 잘 알고 있다. 토양의 전형적인 pH의 범위는 강산성(pH 3)과 강알칼리성(pH 8) 사이이다. pH 7 이상의 토양은 염기성으로, pH 6.6 미만은 산성으로 간주된다. 소수의 식물, 특히 농작물은 pH 5-8 범위 이외에서 잘 자란다. 콩과식물은 산성 토양이 질소고정의 미생물 공생자에게 영향을 미치기에 낮은 pH에 특히 민감하다. 박테리아는 일반적으로 낮은 pH에 의해 악영향을 받는다. 토양 산도는 양분 가용성에 미치는 영향으로도 잘 알려져 있지만, 매우 낮거나 매우 높은 pH에서는 특정 양분을 흡수하기 위한 식물의 능력을 손상시키는 것보다 식물에게 직접적 독성을 미치기 때문에 그 영향은 덜하다. 그러니까 최적 범위의 토양 pH를 유지하는 방법을 찾는 일이 중요해진다. 

여러 토양이 자연 과정을 통해 산성도가 증가한다. 토양 산성화는 토양 단면을 통하여 아래로 이동하는 물의 침출, 식물의 양분 흡수 및 수확이나 방목을 통한 식물의 제거, 그리고 식물 뿌리와 미생물에 의한 유기산의 생산으로 인하여 염기가 상실된 결과이다. 이러한 투입이나 제거 과정에 대한 완충 작용이 제대로 이루어지지 않는 토양은 산성도가 증가하는 경향이 있을 것이다. 

염도와 알칼리도

세계의 건조 및 반건조 지방의 토양은 용해성 또는 불용해성 형태로 염류를 축적하는 것이 일반적이다. 제한적인강우로 추가된 것과 결합된 모재의 풍화로 인해 방출된 염류는 침출로 제거되지 않는다. 강수량이 적고 증발 속도가 빠른 지역에서, Na+와 Cl–같은 용해된 염류는 Ca2+, Mg2+, K+, HCO3–, NO3– 같은 다른 것과 결합되는 게 일반적이다. 관개는 토양에 더 많은 염류를 추가할 수 있는데, 특히 증발 가능성이 높은 지역(9장 참조)에서 증발하는 동안 모세관 현상에 의해 염류가 토양의 표면으로 이동한다. 게다가 질산암모늄 같은 여러 무기 비료는 염류의 형태이기 때문에 염도를 증가시킬 수도 있다. 

중성염(예, NaCl 또는 NaSO4)이 매우 농축된 토양은 염류토양이라 한다. 나트륨이 약한 음이온(HCO3– 같은)과 결합되는 경우, pH가 일반적으로 8.5 이상인 알칼리성 토양이 발생하고, 이렇게 중성염 함량이 높은 토양은 삼투압 불균형으로 인해 식물에 문제가 된다. 알칼리성 토양은 지나친 OH– 이온과 양분 섭취와 식물의 발달이 어렵기 때문에 문제가 된다. 일부 지방에서는 염류-알칼리성 조건이 두 가지 형태의 염류가 존재할 때 발생한다. 적절한 관개와 토양의 물 관리가 이들 조건을 처리하는 중요한 부분이 된다. 

토양 양분

식물은 토양에서 그 양분을 얻기 때문에, 토양에 양분을 공급하는 일이 농업생태계의 생산성을 결정하는 주요한 요소가 된다. 여러 양분 분석방법론이 토양의 다양한 양분의 수준을 측정하기 위해 개발되어 왔다. 특정 양분이 충분한 양으로 존재하지 않을 때, 이를 제한 양분이라 하며 추가해야 한다. 시비 기술은 이러한 요구를 충족시키기 위해 성장하고 발전해 왔다. 그러나 양분의 존재가 반드시 식물이 이용할 수 있다는 걸 의미하지는 않는다는 점을 명심해야 한다. pH, 양이온 교환 용량, 토성을 포함한 다양한 요소가 실제의 양분 가용성을 결정한다. 

수확, 침출 또는 기화 때문에 토양에서 양분이 상실되거나 내보내지기 때문에, 거름은 대부분의 농업생태계에 지속적으로 많이 첨가되어야 한다. 하지만 투입재로서 비료의 비용이 증가하고 있으며, 침출된 비료는 지면과 수면을 오염시킨다. 그러므로 농업생태계에서 양분이 더 효율적으로 순환될 수 있게 하는 방법을 이해하는 일은 장기적인 지속가능성을 위해 필수적이다. 

2장에서 설명했듯이, 주요한 식물의 양분은 탄소, 질소, 산소, 인, 칼륨, 황이다. 이들 양분 각각은 서로 다른 생물 지구 화학적 순환의 일부이자, 독특한 방식으로 토양을 관리하는 것과 관련되어 있다. 탄소의 관리는 유기물의 측면에서 아래에서 논의될 것이다. 토양에 있는 질소는 17장의 상리공생 및 질소고정 박테리아와 콩과식물의 생태학적 역할에 대한 논의에 포함될 것이다. 여기에서는 중요한 토양 양분의 예로서 인이란 양분을 살펴볼 것이다. 인의 효율적 재순환은 원칙적으로 토양에서 일어나는 일에 달려 있기 때문에, 우리에게 지속가능한 양분 관리에 관하여 많은 것을 가르쳐 줄 수 있다.

주된 저장소가 대기 중에 존재하는 탄소 및 질소와 달리, 인의 주요 저장소는 토양에 있다. 인은 인산염의 형태로환경에서 자연적으로 발생한다. 인산염은 무기 인산 이온(특히 PO4 3–) 또는 용해된 유기 화합물의 일부로 토양용액에서 발생할 수 있다. 그러나 인산염의 주요 공급원은 모재의 풍화이다. 그러므로 토양으로 인이 투입되는 것과 농업생태계에서 인의 순환은 이 지질학적 과정의 상대적으로 느린 속도에 의해 제한된다. 

무기 가용성 인산 이온은 식물의 뿌리에 흡수되어 식물의 바이오매스로 통합된다. 이 바이오매스의 인은 바이오매스가 소비되는 방식에 따라 세 가지 다른 경로 가운데 하나를 통해 보내질 수 있다. 그림8.4에 나오듯이, 식물 바이오매스의 소비는 초식성 해충에 의한 것, 동물의 방목에 의한 것, 바이오매스를 수확하는 인간에 의한 것 등  세 가지 경로로 구성된다. 첫 번째 경로에서 인은 배설물이 되어 토양 용액으로 분해되어 들어가 토양에 되돌아간다. 두 번째 경로에서 인은 같은 방식으로 재순환될 수 있지만, 방목하는 동물이 시장에 출하되면 일부 인이 그와 함께 이동한다. 세 번째 경로에서는 추출된 토양으로 인이 되돌아갈 가능성이 거의 없다(인간의 배설물이 거름으로 활용되는 중국의 일부 농촌 같은 몇몇 곳을 제외하고). 

그림8.4 농업생태계에서 인의 순환 경로

식물의 바이오매스 또는 방목하는 동물의 살이란 형태로 인간이 소비하는 인의 대부분은 기본적으로 체계에서 상실된다. 세 번째 경로(인간의 소비)에서 인에게 발생할 수 있는 일의 사례는 그 문제를 설명하는 데 도움이 될 수있다. 인산염은 플로리다의 융기되어 노출된 인산염이 풍부한 해양의 퇴적물에서 채취되어, 용해성 비료로 가공되거나 암석 가루로 분쇄되고, 아이오와에 있는 농장으로 운송되어 대두 생산을 위한 토양에 적용된다. 인산염의형태로 인의 일부는 식물에게 흡수되고, 수확된 콩에 격리되어 캘리포니아로 보내져 두부로 바뀐다. 두부의 소비이후, 유리된 인산염의 대부분은 지역의 하수 체계로 유입되어 결국 그것이 기원했던 곳에서 약 4800km 떨어진해역으로 되돌아간다. 인산염이 풍부한 암석의 충분한 퇴적물이 쌓이고 융기하는 지질학적 과정을 거치는 데 필요한 시간은 인간의 시간 영역을 훨씬 넘어서며, 쉽게 이용할 수 있는 인산염 매장량은 매우 한정되어 있다고 알려져 있기 때문에, 인산염 비료 관리의 현재 관행은 지속불가능하다고 이야기할 수 있다. 

인의 지속가능한 관리를 위하여, 인산염은 그 순환의 토양 성분을 신속히 통과하여 퇴적물에 고정되거나 바다로 씻겨 가지 않도록 식물로 돌아가야 한다. 자라고 있는 바이오매스나 토양 유기물에서 유기 형태로 인을 더 잘 유지하며, 인이 이 유기 형태로부터 유리되자마자 토양 미생물이나 식물의 뿌리가 이를 빠르게 재흡수하도록 보장하는 방법을 찾아야 한다. 

토양의 인을 지속가능하게 관리하는 추가적 구성요소는 토양에서 불용성 인 화합물을 형성하는 것과 관계가 있다. 토양 용액에 있는 인산염은 (특히 철과 알루미늄과) 화학적으로 반응하여 불용성 화합물을 형성하거나, 대부분 생물학적 복구가 미치지 않는 곳에서 점토의 교질 입자에 갇히게 된다. 토양의 낮은 pH는 불용성 형태에서 인산염 고정의 문제를 악화시킨다. 그러나 그와 함께 이들 과정은 농업생태계의 토양에서 인을 유지시키기 위한 강한메커니즘을 제공한다. 토양에 추가된 인산염 비료는 거의 완전하게 유지된다. 캘리포니아의 어떤 농업 토양은 수십 년에 걸친 농사 이후 (쉽게 이용할 수는 없지만) 전체 인의 수준이 매우 높아진 것이 나타났다. 그래서 농업생태계로부터 인이 누출되는 건 매우 작을 수 있는데, 일단 인이 고정되면 그 체계의 토양 성분으로부터 인을 이용할 수 없는 점 때문에 비료의 형태로 이용할 수 있는 인을 더 추가해야 한다. 물론 이러한 "저장된" 인을 유리시키는 생물학적 수단은 지속가능성에 더 잘 기여할 수 있을 것이다. 이들 수단은 토양 유기물의 관리와 관계가 있다. 

특별 주제: 인은 고갈될 것인가?

2차대전 이후에 시작된 세계의 식량 생산과 농작물 수확량의 놀라운 증가는 일반적으로 농민들이 농약과 하이브리드 품종, 무기 비료 같은 "녹색혁명"의 기술을 신속하게 채택한 덕이라고 한다. 이 이야기의 비료 부분에서 질소 성분만 골라내, 보통은 세계적으로 토양에서 식물의 양분 가운데 가장 제한적인 성분인데 문자 그대로 난데없이 산업적인 분량을 만들어내게 된 인류의 새로 얻은 능력이라며 강조하곤 한다. 

인은 관심을 덜 받았지만, 대부분의 측면에서 이 요소는 20세기 후반의 식량 생산 붐에 동등하게 기여했다. 인은 식물의 성장에 매우 중요하며, 고정된 질소와 함께 일반적으로 토양에 그 농도가 충분히 제한되어 있어 농지에 추가하면 생산성을 높일 수 있는 쉬운 방법이었다. 일단 농사 체계가 많은 외부의 투입재 체제에 휩쓸리고 인을 재순환시키는 농법이 종식되면, 높은 생산성 수준을 유지하기 위해서는 고정된 질소와 함께 계속 인을 추가해야 했다. 결과적으로, 세계 농업의 대부분은 오늘날 비료를 만들기 위해 상대적으로 저렴하고 쉽게 이용할 수 있는 인 공급원에 절대적으로 의존하고 있다.

당분간 인은 확실히 풍부하고 비교적 저렴할 것이다. 세계의 생산량은 약 1600억 메트릭톤/년이며, 수요가 증가할 것으로 예상되지만 생산이 부족할 것이 예측되지는 않는다. 그러나 인 공급의 장기적 전망에 대한 우려가 커지고 있다. 핵심 문제는 인이 질소와는 매우 다르다는 점이다. 이 장에서 논의한 것처럼, 질소는 거대한 대기의 저장소에 존재하지만 인은 광물의 형태로만 존재한다. 꽤 농축된 형태의 인은 수백만 년을 거치며 형성된 인광석의 채굴로만 얻을 수 있다. 이런 의미에서, 인은 재생할 수 있는 자원이 아니다. 미래의 어느 시점에 인간은 마지막으로 충분히 농축된 접근할 수 있는 인의 퇴적물을 다 써 버릴 것이다. 

많은 토론, 논의 및 연구는 인 공급이 부족해지기 시작하는 시기에 초점을 맞추고 있다. 이런 모든 관심에도 불구하고, 이번 세기 중반 이전부터 약 300년 뒤라는 믿을 만한 추산을 하면서 시기에 대해서는 거의 동의하지 않는다. 그러나 지속가능성의 관점에서 "인의 생산 정점"에 관한 토론이 그 요점이며, 더 근본적인 쟁점에서 주의를 환기시키는 데에만 도움이 될 수 있다. 인산염 채굴과 무기 비료의 생산이 중요한 부분인 세계의 먹을거리 체계는 다른 여러 이유들 때문에 지속가능하지 않다는 걸 의미한다. 우리가 먹을거리 생산을 지속가능한 토대 위에 두고자 바란다면, 채굴된 인광석에 대한 의존은 인광석의 부족이 문제가 되기 전에 끝내야 한다. 

인 관리에 대한 대안적 접근법 -유기물을 축적해 토양에 인을 되돌리고 토양에서 가용할 수 있는 함유량을 증가시키는 농법의 활용- 은 농업생태계의 건강에 훨씬 더 도움이 되며, 이 장에서 언급했듯이 다른 여러 혜택을 제공한다. 인간과 동물의 배설물에 함유된(그리고 더 작은 규모로 작물 잔여물에 있는) 인을 토양으로 되돌려주는 일은 부영양화를 일으키는 시내와 호수 및 강어귀에서 인을 떨어뜨리는 추가적인 혜택이 있다. 채광된 인의 투입재를 줄이는 일도 카드뮴(대부분의 인광석은 약간의 카드뮴을 함유함)의 축적을 방지하고, 채굴된 인산염을 추출, 가공, 선적하는 데 필요한 화석연료의 소비를 줄이며, 먹을거리 생산에 중요한 요소의 공급을 위하여 전 세계의 6개국(모로코, 중국, 알제리, 시리아, 남아프리카공화국, 요르단)에만 의존하는 위험을 감소시킨다. 인의 매장량이 아직 많기 때문에 우리가 적어도 몇 십 년 동안은 평소대로 이를 유지할 수 있다고 생각하기보다는, 오늘날 어떻게 이 중요한 양분을 더 현명하게 관리할 수 있을지 재고해야 한다.  

토양 유기물과 토양 생물상

토성과 그것의 수직적 층, 화학적 및 물리적 특성, 양분의 함유량은 모두 농업에 매우 중요하다. 그러나 궁극적으로 토양에 관하여 가장 중요한 것은 전체적으로 농업생태계의 살아 있는 부분으로서 기능할 수 있는 능력이다. 이런 맥락에서 살아 있다는 단어는 말 그대로 사용된다. 토양은 살아 있는 유기체의 다양한 집합을 포함하고 지원할 때 농업생태계의 살아 있는 부분이 된다. 총괄하여 토양 생물상이라 부르는 이들 유기체는 결국 그 양분의 기반으로 토양에 있는 유기물에 의존한다. 

토양 생물상과 토양 유기물은 크게 두 가지 이유로 농업에서 중요하다. 첫째, 그것은 토양비옥도의 주요한 결정인자로서, 토양 구조에 이로운 변화를 일으키며 양분의 가용성을 결정한다. 둘째, 그들은 토양의 무기 성분보다 -관리를 통해 개선시킬 수 있어- 더 쉽게 다룰 수 있다. 농지의 토양이 칼슘이 많은 점토질의 양토라면, 항상 그러한 특성을 가지고 있을 것이다. 하지만 토양 유기물을 적절하게 관리함으로써 -그리고 그 토양 생물상을 통하여-농민은 척박하고 취약한 토양과 비옥하고 팔팔한 토양 사이의 차이를 만들 수 있다. 

살아 있지 않은 토양 유기물

토양 유기물은 다양하고 이질적인 성분으로 구성된다. 그것은 지표면의 짚, 죽은 뿌리, 분해의 다양한 단계에 있는 식물 잔여물, 미생물의 대사물질, 부식성 물질, 토양에 살거나 지나가는 동물의 배설물 등을 포함한다. 자연 생태계에서 A층의 유기물 함량은 15-20% 이상까지 될 수 있지만, 대부분의 토양에서는 평균 1-5%이다. 인간의개입이 없으면 토양의 유기물 함량은 주로 기후와 식물성 덮개에 달려 있다. 일반적으로 더 많은 유기물은 시원하고 습한 기후 조건에서 발견된다. 우린 또한 토양에 있는 유기물의 양과 탄소와 질소의 함량 사이에 매우 밀접한 상관관계가 있음을 알고 있다. 토양 유기물 함량의 대략적인 추정치는 총 탄소 함량에 2를 곱하거나 총 질소 함량에 20을 곱하여 얻을 수 있다.

토양에 있는 시기 동안 유기물은 여러 가지 매우 중요한 역할을 하는데, 이들 모두가 지속가능한 농업에 중요하다(Magdoff and Weil 2004; Uphoff et al. 2006; and Cheeke et al. 2012의 보고서 참조). 유기물은 토양 생태계를 구축하고 촉진하며, 보호하고 유지한다. 이미 논의했듯이, 토양 유기물은 좋은 토양 구조의 핵심 구성요소이고, 물과 양분의 유지력을 증가시키며, 토양 표면의 중요한 역학적 보호를 제공한다. 그러나 아마도 그것의 가장 중요한 기능은 토양 생물상을 위하여 토양의 먹이 피라미드의 기초인 먹이 공급원으로 기여하는 것이다.

반(半)자연적 생태계의 방해받지 않는 토양과 달리, 집중적으로 관리되는 농업의 토양은 유기물이 거의 없는 경우도 있다. 시간이 지남에 따라 토양 유기물의 함량을 감소시키는 산업형 농업의 성향은 사실 가장 해로운 결과의 하나로 간주될 수 있다. 다행히도 다양한 농법을 통하여 토양 유기물을 증가시키고 고갈된 토양의 유기물을 건강한 수준으로 회복시킬 수 있다. 

토양 생물상

토양에 서식하는 유기체는 가장 작은 시아노박테리아부터 상대적으로 큰 무척추동물까지 다양하다. 크기가 생태학적 역할과 관련이 있기 때문에, 토양 생물상의 구성원들은 종종 크기에 따라 분류된다. 대형 동물상인 다족류(지네와 노래기) 같은 절지동물과 지렁이는 센티미터 단위로 측정할 수 있을 만큼 크다. 중형 동물상은 주로 톡토기 같은 작은 절지동물과 진드기는 밀리미터 단위로 측정된다. 미소 동물상은 마이크로미터 단위로 측정되는 다양한 원생동물과 선충으로 구성된다. 마지막으로, 다른 유기체를 섭취하는 대신 유기물의 화학적 결합을 부수어 거기에서 방출되는 에너지를 수확함으로써 양분을 얻는 다양한 박테리아와 곰팡이 집단인 미생물상이 있다. 식물의 뿌리도 토양 생물상의 일부이며, 토양의 "거대 식물상"으로 간주될 수 있다.

토양 생물상의 구성원, 특히 미생물상은 잘 알려져 있지 않다. 추정된 수백만 종 가운데 작은 비율만 기술되어 있다. 토양에서 그들의 총 질량은 토양 유기물의 질량에 비해 작지만, 개체의 숫자는 놀랄 만큼 많을 수 있다. 건강한 농업의 토양에서, 차숟가락 하나인 1그램 정도의 토양 안에 10억 마리의 박테리아와 수천 마리의 원생동물이서식하고 있다. 그리고 같은 무게의 토양에 있는 모든 곰팡이의 균사를 한 줄로 배열하면 그 길이가 몇 미터에 이른다. 

토양 생물상을 구성하는 많은 서로 다른 유기체는 복잡한 먹이그물에서 상호작용한다. 미생물상은 식물 잔여물을먹고, 이러한 예전에 살던 유기물을 구성하는 유기 분자를 산화시킴으로써(이는 분해 과정을 완수하는 또 다른 방법임) 에너지를 얻는다. 미소 동물상의 구성원들은 이 미생물상의 종을 먹고, 차례로 더 큰 중형 동물상에게 잡아먹힌다. 어떤 대형 동물상은 중형 동물상에게 포식자가 된다. 지렁이 같은 다른 종류는 식물의 잔여물을 먹는다. 이 먹이그물에서 일어나는 상호작용을 통해 에너지와 물질이 순환되고 변형된다. 

토양 유기물과 토양 생물상이 제공하는 생태계 서비스

토양에 살고 있는 유기체와 토양 유기물은 함께 토양을 비옥하게 만들고, 대량의 외부 투입재 없이 해마다 수확할 수 있는 바이오매스를 산출하는 작부체계를 지원할 수 있는 많은 것을 담당하고 있다. 

·식물성 및 동물성 잔여물을 가장 기본적인 구성 성분으로 분해함으로써, 토양의 유기체가 지구의 생물 지구 화학적 순환 -그에는 인, 질소, 칼륨, 황, 탄소, 산소 등을 포함함- 의 주요한 연결고리가 된다. 

·그들 자신의 몸과 그들이 생성한 비교적 안정적인 부식 물질에 토양 미생물들은 매우 많은 양의 탄소를 격리시킨다.

·식물 폐기물과 죽은 유기체는 질소, 인, 황 같은 많은 양의 식물 양분을 포함하고 있지만, 이들 양분은 토양 생물상의 활동에 의해 유기물에서 방출되기 전까지는 식물이 이용할 수 없다. 

·토양 미생물은 유기물을 먹으면서 토양 입자를 하나로 붙잡는 끈적끈적하고 풀 같은 점질물을 생산하여, 경작성 또는 떼알구조에 기여한다. 

·그 콜로이드성 때문에 토양 미생물이 생산한 부식질은 토양의 양이온 교환 용량을 크게 증가시킨다. 부식 물질에 느슨하게 결합된 양분 이온은 강우나 관개에 의한 침출에는 저항력이 있지만, 식물의 뿌리는 이용할 수 있다. 또한 부식질은 토양의 보수력을 크게 증가시킨다. 

·많은 토양 유기체가 직접적으로 식물의 성장을 촉진한다. 그들이 행하는 한 가지 방법은 식물의 뿌리와 상리공생의 유대를 형성하여 양분을 식물에 제공하는 것이다(예, 근류 박테리아는 대기 중의 질소를 고정시켜 식물이 이용할 수 있게 만들며, 균근은 뿌리털의 양분 흡수를 크게 증가시킴). 일부 토양 미생물은 성장을 촉진하는화합물을 토양으로 방출할 수도 있다. 

·토양 미생물이 대량의 토양 유기물을 먹을 때, 일부 토양 미생물은 다른 경쟁자보다 훨씬 뛰어나며 직접적으로식물의 병원균을 억제할 수 있다. 

·토양 미생물은 석유탄화수소, 염화솔벤트 및 약제를 포함하는 유기 오염물질을 분해하고, 그 독성을 감소시키거나 제거한다. 

분명히 토양 유기물을 최대화하고 토양 생물상의 건강과 다양성을 향상시키는 일은 농민 또는 농업생태계 관리자의 이익을 위한 일이다. 다음 절에서는 이러한 작업을 수행할 수 있는 몇 가지 수단에 대해 설명한다.

토양 관리

오늘날 농사 체계에서 토양은 주로 식물을 떠받치는 도구처럼 취급된다. 그러나 토양이 지속가능한 생산을 위해 관리되며 토양 유기물과 토양 생물상의 역할에 중점을 둔다면, 토양의 역할은 크게 확대된다. 

여러 농민들이 토지에서 많은 수확량을 얻으면 이것이 생산적인 토양의 증거라고 생각한다. 그러나 관점이 농생태학적이며 목표가 유기물 및 토양 생물상과 관련된 모든 토양을 형성하고 토양을 보호하는 과정을 유지하고 촉진하는 일이라면, 생산적인 토양이 반드시 비옥한 토양일 필요는 없다. 우리가 작물을 생산할 수 있게 하는 토양에서의 과정은 지속가능한 농업에서 더욱 중요한 역할을 한다. 비료는 생산을 높이고자 추가될 수 있지만, 양분 순환과 토양의 생태학적 과정 -특히 토양 유기물과 토양 생물상의 역학- 을 통해서만 토양비옥도를 유지하거나 회복시킬 수 있다.   

지속가능성을 위해 노력하는 많은 농민들은 토양의 유기물 함량을 높이거나 유지한다는 목표에 토양 관리의 초점을 맞추었다. 농민들은 토양 생물상을 고려하는 한, 토양 유기물을 비교적 높은 수준으로 유지하는 편이 토양 유기체에 유익하다는 것을 이해하고 있다. 그러나 토양 생물상의 중요성에 대한 인식이 높아지면서 다음과 같은 접근법이 바뀌어야 한다고 주장된다. 그것은 토양 생물상의 다양성과 기능, 풍요의 향상이 주요 목표이며, 이러한 목표를 실현하는 주요한 수단의 하나가 유기물의 투입을 증가시키는 것이란 생각이다. 

유기물 투입을 늘리는 일 이외에도, 토양 생물상을 향상시키는 두 가지 다른 수단이 효과적이란 점이 입증되었다. 경운의 강도를 감소시키고, 작부체계를 다양화하는 일이다(Stockdale and Watson 2012). 세 가지 전략은 모두, 특히 함께 활용될 때 토양 생물상과 토양 유기물에 대한 농업의 잠재적 악영향을 완화시키는 효과를 갖는다. 

유기물 투입의 증가

일단 토양에서 경작을 시작하면, 원래의 유기물 수준을 유지하기 위한 구체적 조치가 취해지기 전에는 감소되기 시작한다. 초기의 급속한 감소 이후에는 감소율이 느려진다. 유기물의 상실된 결과 토양에서는 여러 종류의 변화가 발생한다. 떼알구조가 사라지고, 부피 밀도가 상승하기 시작하며, 토양의 다공성이 나빠지고, -토양 먹이그물의 기반이 토양 유기물이기 때문에- 생물학적 활동이 감소한다. 토양의 다짐과 쟁기바닥층이라 부르는 깊이갈이에 의해 단단해진 토양층의 발달도 문제가 될 수 있다. 

경작되는 토양에서 유기물 함량이 감소하는 정도는 작물과 농법에 따라 다르다. 다음 몇 가지 사례가 있다. 

한 연구에서, 캘리포니아 중부 해안 지역에서 집약적인 채소 생산을 위해 사용되는 두 가지 농업생태계의 토양 상층 25cm에 있는 유기물 함량을 서로 비교하고, 경작되지 않는 초지와도 비교했다. 한 체계는 유기농법을 활용해 25년 동안 농사지었고, 다른 체계는 관행농법으로 40년 동안 농사지었다. 그 연구에서 유기농 체계에서는 유기물 함량이 9.869kg/㎥에서 8.705kg/㎥로 감소하고, 관행농 체계에서는 9.088kg/㎥으로 감소된 것으로 나타났다(Waldon 1994). 유기농 체계에서 퇴비와 겨울철 덮개작물의 형태로 유기물의 투입이 더 많았는데, 집약적 경운과 재배가 관행농 체계에서보다 토양 유기물을 꽤 감소시켰다. 

펜실베니아 쿠츠타운에 있는 로데일 연구소에서 옥수수와 대두 생산 체계를 30년에 걸쳐 나란히 비교한 또 다른 연구에서, 유기농 관리가 특히 합성 투입재를 기반으로 한 관행농 관리와 비교하여 중요한 토양 건강 지표를 상당히 개선했음이 입증되었다. 두 가지 서로 다른 유기농 처리법의 토양은 토양 유기물의 수준이 개선되고, 토양 생물상이 더 활발하고, 보수력이 더 나아지고, 색상이 더 어두우며, 토양입단이 더 안정적인 반면, 관행농의 토양은 30년이란 연구 기간 동안 실제로 토양 유기물이 상실되었다(Rodale Institute 2012).   

워싱턴 동부에서 75년 동안 유기농과 관행농 밀을 생산한 이후의 토양을 비교한 연구에 의하면, 유기농 체게에서는 유기물이 유지될 뿐만 아니라 실제로 시간이 지나며 증가한 한편, 유기농 농민은 관행농과 거의 같은 수준의 생산량을 얻었다(Reganold et al. 1987). 우린 이 세 가지 사례에서 작물의 유형, 투입재 관리, 지역의 환경, 경작 관행 등이 모두 토양 유기물에 대한 농사의 장기적 영향을 결정하는 데 도움이 된다는 것을 알 수 있다. 유기농 관리 자체가 토양 유기물의 중가로 이어지지는 않는다. 토양 유기물의 향상을 구체적 목표로 설정하고 이런 목표를달성하는 데 도움이 되는 관리법을 선택해야 한다. 

농사는 토양 유기물을 고갈시키는 경향이 있기에, 수확과 새로운 유기물 공급원을 -적어도 수확과 분해를 통해 상실되는 걸 대체할 만큼- 계속해서 추가해 주어야 한다. 농업생태계가 자연 생태계와 더 유사하다면, 수확을 위해 재배되고 있는 작물이나 작물 이외에도 다양한 종의 식물이 존재할 것이다. 예를 들어, 열대 지방의 혼농임업 체계(18장 참조)는 많은 수의 식물이 있으며, 그 가운데 대부분은 바이오매스 생산과 토양으로 유기물을 돌려주는 역할을 주로 하는 작물이 아닌 종들이다. 전 세계의 농민들은 그러한 체계로부터 많은 걸 배울 텐데, 대부분은실제적이고 환경적인 압박으로 인해 그보다는 덜 다양한 체계를 관리하게 된다. 그러므로 그들은 체계에 있는 식물이 그걸 해주길 기대하는 대신 자신의 체계에 유기물을 추가하는 방법을 찾아야 한다. 

유기물 투입원은 다양하다. 가장 흔한 건 아래에 설명되어 있다. 토양에 추가되는(또는 되돌아오는) 유기물의 총량이 주요 고려사항이지만, 또 다른 중요한 요소는 유기물 그 자체의 성질이다. 유기물 투입재는 그 탄질비(C/N), 분해성, 토양 pH에 대한 영향 및 다양한 다른 방식에 따라 상당히 달라진다. 유기물 투입재의 다양한 종류에 따라 토양 생물상에 미치는 영향이 다르기 때문에, 작부체계에 추가되는 유기물의 유형을 다양화하는 것이 유리할 수 있다. 

작물 잔여물

유기물의 중요한 공급원은 작물 잔여물이다. 많은 농민들이 인간이나 동물용을 목적으로 하지 않는 작물의 일부를 토양으로 되돌리는 더 나은 방법을 실험하고 있다. 주된 우려는 잔여물이 해충이나 질병의 피신처가 되어 뒷작물에게 전해질 가능성을 처리하는 방법이었다. 토양에 잔여물을 통합시키고, 작물을 돌려짓기하고, 농지에서 걷어낸 잔여물로 퇴비를 만든 뒤 완성된 퇴비를 되돌려주는 적절한 시기가 이 문제를 극복할 수 있는 방법일 수 있다. 이러한 관리 전략과 기타 관리 전략에 대한 연구는 문제가 있는 부산물에서 나온 작물 잔여물을 토양 유기물 관리의 소중한 부분으로 전환시키는 걸 돕고 있다(Unger 1994; Uphoff et al. 2006)그림8.5). 

그림8.5 타이완의 작물 잔여물 태우기. 불태우기는 작물 잔여물을 제거하는 일반적인 방법이다. 토양에 양분을 공급하고 해충과 질병을 방제하는 데 도움은 되지만, 이렇게 태울 경우 대기오염이 심해질 수 있고 작물 잔여물이 유기물로 토양에 통합되는 걸 막는다. 작물 잔여물이 토양 유기물의 유지를 위한 소중하고 유용한 자원으로 간주될 때, 토양에 그를 통합시키는 기술이 불태우기의 대안으로 개발될 수 있다. 

덮개작물

특별히 토양에 "풋거름"으로 통합시키기 위한 식물성 물질을 생산하고자 식물 덮개를 재배하는 덮개작물 재배는 유기물의 또 다른 중요한 원천이다. 덮개작물의 식물은 보통 작물과 돌려짓기로 재배하거나 작물을 재배할 수 없는 시기에 재배한다. 콩과식물을 단독으로 또는 다른 과의 식물 종과 결합하여 덮개작물로 활용하면, 바이오매스의 품질을 크게 향상시킬 수 있다. 생성된 바이오매스는 토양으로 통합시키거나, 분해될 때까지 지표면에 보호용덮개로 놔둘 수 있다. 

캘리포니아 산타크루즈에서 수행된 연구(Gliessman 1987)에서, 벨빈bellbean이라 불리는 지역의 토종 누에콩은 겨울철 습한 시기의 휴경기 동안 곡물용 호밀이나 보리와 함께 결합하여 덮개작물로 재배되었다. 맥류/콩과식물 혼합으로 생산된 총 건물이 콩과식물 단독인 경우보다 거의 2배나 되는 것으로 나타났다. 덮개작물을 활용하고 3년 뒤, 혼합된 덮개에서 토양의 유기물 수준은 8.8%까지 향상되었다. 흥미롭게도 콩과식물만 덮개로 활용한 토양은 3년 뒤에 유기물 함량이 약간 떨어졌는데, 이는 아마 통합시킨 유기물의 더 낮은 탄질비가 미생물의 분해를 더 촉진했기 때문일 것이다. 

덮개작물 재배란 접근법에서 가장 최근의 혁신은 살아 있는 덮개의 활용으로서, 영농철에 작물의 줄 사이에 작물이 아닌 종을 심는 것이다. 살아 있는 덮개는 특히 포도밭, 과수원, 나무농사 체계에서 인기가 좋다. 연구는 덮개작물과 작물 종 사이의, 특히 한해살이 작물 사이에 있는 살아 있는 덮개의 부정적인 상호작용을 최소화하는 방법에 초점을 맞추었다. 또한 연구들에서는 살아 있는 덮개가 곡식 작물에 질소를 제공하고 보존하며, 토양침식을감소시키고, 잡초의 압박을 줄이며, 토양 유기물 함량을 증가시킬 수 있음을 발견했다(Hartwig and Ammon 2002).

똥거름

유기물 함량을 향상시키고자 토양에 동물의 똥거름을 추가하는 건 관행농업과 대안농업 체계에서 모두 오랫동안 계속해 온 농법이다. 동물의 똥거름 적용은 통합된 양분 관리 전략을 위한 중요한 도구이다. 그 방법이 토양 유기물을 증가시키는 동시에 작물의 성장을 위한 양분을 공급할 수 있기 때문이다(Seiter and Horwath 2004; Organic Trade Association 2011). 목장과 비육시설에서는 농지로 되돌릴 때에는 유용한 자원으로 전환되는 대량의 동물 폐기물이 생산되는데, 우리가 이미 1장에서 언급했듯이 그렇게 많은 양의 동물 분뇨를 가두고, 저장하고, 운송하며 적용하는 데에는 여러 문제가 있다. 작고, 통합된 농장의 운영에서는 집약적 채소 생산이나 다른 작물에 활용하고자 마굿간이나 축사에 축적한 동물의 똥거름을 더 쉽게 사용할 수 있다(19장 참조). 중국 농업에서 누에의 배설물 활용은 동물의 똥거름을 활용하는 또 다른 사례이다.  

그러나 어느 규모라도 동물의 분뇨를 직접 적용시키는 건 많은 단점이 있을 수 있다. 악취와 파리는 직접 분뇨를 적용시킨 것과 관련이 있다. 암모니아화를 통한 질소 상실이 매우 클 수 있다. 질산염과 기타 용해성 물질의 유출이 문제가 될 수 있다. 그리고 일단 새로 만든 똥거름이 토양에 통합되면, 파종하기 전에 분해와 안정화를 위한 대기 기간이 생기곤 한다. 이런 문제를 피하기 위해, 미국의 현행 유기농업 인증 기준에서는 새로 만든 똥거름 또는 생똥은 그걸 적용하기 전에 특정한 조건에서 퇴비화시켜야 한다(Organic Trade Association 2011)(그림8.6).

그림8.6 와이오밍주 코디Cody 근처의 목장에서 사용되는 똥거름 살포기. 부숙된 똥거름은 목장의 젖소들에게 먹이는 사료를 재배한 농지로 되돌려준다.

퇴비

토양의 퇴비 개량은 여러 가지 이유로 유기물을 추가하는 매력적인 방법이다. 퇴비의 입자 크기 분포는 균일한 농지 적용에 유리하고, 탄질비가 최적이고, 퇴비에는 보통 잡초의 씨앗이 없으며, 토양 질병이 퇴비 추가로 억제되곤 한다(Chen et al. 2004; Hitchings 2009). 똥거름부터 농작물 부산물 및 깎아낸 잔디에 이르기까지 여러 다양한 유기물 공급원이 퇴비화 과정을 통해 유용한 토양 개량제로 전환되고 있다. 통제된 조건에서 생유기물은 분해와 부식화의 첫 단게를 거쳐서, 그것이 토양에 추가될 때 상당히 안정화되고 토양비옥도 구축 과정에 더 효과적으로기여할 수 있다. 이런 방법으로, 폐기물 -그렇지 않으면 이미 가득 차 있는 매립지로 가게 될 물질을 포함하여- 이 자원으로 전환되고 있다(그림8.7).

그림8.7 캘리포니아 중부 해안에 있는 농장에서 농장의 폐기물이 퇴비로 전환되고 있다. 미생물에 의한 식물성 물질의 분해는 열의 형태로 상당한 양의 에너지를 방출한다. 

지렁이 분변토, 또는 지렁이의 작용을 통해 생산된 퇴비도 인기 있는 토양 유기물의 공급원이 되고 있으며, 특히 소규모 농장과 텃밭 체계에서 그러하다. 신선하고 젖은 유기물, 특히 식재료 찌꺼기가 특별히 퇴비화 능력으로 잘 알려진 지렁이(줄지렁이 같은 붉은 지렁이가 특히 좋음)에 의해 소비되며, 한달에 25kg의 지렁이똥을 생산할 수 있는 작은 가정용 지렁이 사육실이 개발되었다. 이들 분변토는 높은 수준의 인산염, 질소 및 기타 양분으로 알려져 있으며, 토양의 입자를 서로 붙게 하는 다당류도 함유하고 토양 유기물의 개발을 돕는다. 쿠바의 연구자들은 최근 수입이 어려운 비료를 대체하기 위해 설계된 농장 규모의 지렁이 사육 체계를 개발했다. 대규모 체계의 추가 개발은 토양 관리의 개선에 크게 도움이 될 수 있다.

농산 부산물	분뇨
자주개자리 잎 깻묵 사과와 포도 찌꺼기 혈분 골분 면화씨 깻묵 털분 아몬드와 호두 껍질 커피 찌꺼기 카카오 찌꺼기 대두박 왕겨 정원 등의 폐기물	비육우 분뇨 젖소 분뇨 육계 분뇨 산란계 분뇨 칠면조 분뇨 돼지 분뇨 말 분뇨 양 분뇨 염소 분뇨

표8.3 퇴비 생산에 사용되는 유기 폐기물

기타 토양 개량제

다른 유형의 유기질 토양 개량제도 사용할 수 있다. 흄산염, 다시마, 어분, 동물성 부산물, 구아노 등이 출하되어있다. 각각은 특정한 적용법, 장단점 및 활용의 최적 규모가 있다. 각 유기물의 근원은 단기적인 작물의 반응을 조사해야 하지만, 더 중요한 것은 토양 유기물의 발달과 유지에 장기적으로 기여할 수 있다는 점이다. 

하수

유기물의 마직막 공급원은 하수 -세계의 일부 지역을 제외하고는 활용도가 낮음- 이다. 농장을 떠난 양분이 양분순환을 완료하기 위해서는 결국 농장으로 돌아와야 한다. 만약 그것이 유기질 형태로 돌아올 수 있다면, 토양 구축 과정에도 추가될 것이다. 

하수 슬러지로 알려진 처리되고 있는 하수에서 제거된 고형 물질은 수십 년 동안 그 토지에 퍼져 왔다. 건조 중량의 백분률로 하수 슬러지는 질소 6-9%, 인 3-7%, 칼륨 1%까지 함유할 수 있다. 하수 슬러지는 수분 함량 40-70%를 지닌 말린 케이크 모양 또는 과립으로, 또는 수분 80-90%인 액체 슬러리로 적용할 수 있다. 하수 슬러지는 잔디밭, 저하된 방목지, 심지어 과수 아래에도 널리 활용된다. 오수로 알려진 처리된 하수의 액체 부분은 유럽과 미국에서 오랫동안 엄선된 부지에 내려앉도록 적용되었다. 일부 도시는 하수 이용 농장이라 부르는 곳을 운영해 작물, 보통 동물의 먹이와 사료를 생산하는 데 오수를 활용하여 부분적으로 처분 비용을 절감하는 한편, 골프장, 고소도로의 조경, 숲을 관개하는 데 활용하는 경우도 있다. 

그러나 병원균이 적절히 처리되도록 하수를 처리하는 방법에 관해 배워야 할 것이 많다. 수거, 처리, 운송은 모두지속가능한 농업과 함께 폐기물 관리를 연결하는 목표를 염두에 두고 조사되어야 한다. 세계적으로 많은 하수 체계가 산업용 폐기물과 인간의 폐기물을 분리시키지 않는다는 사실은 슬러지를 독성 중금속으로 오염시키기 때문에 그 과정이 대단히 복잡해진다. 그럼에도 불구하고 하수는 앞으로 작물을 생산하기 위한 유기물, 양분, 물의 원천으로 더 중요한 자원이 될 것이다. 하수를 유용한 자원으로 바꾸는 여러 소규모, 전통적 방법은 지속가능성에 대한 중요한 연결고리가 되어 앞으로의 연구에 중요한 기반이 될 수 있다. 

경운 강도의 감소

농업에 퍼져 있는 일반적 통념은 잡초를 방제하고, 유기물을 통합하며, 뿌리의 성장을 위해 토양을 경운해야 한다는 것이다. 그러나 그 일의 잠재적 혜택에도 불구하고, 경운은 토양의 구조를 악화시키고, 유기물 함량을 감소시키며, 토양 생물상을 파괴하고, 토양의 먹이그물을 단순하게 만들며, 토양이 생산성의 일부 요소를 상실하게 만들 수 있다. 이들 이유로, 토양이 어떻게 경운되는지에 관심을 기울이는 일은 토양 생물상과 토양 유기물을 관리하는 데 없어서는 안 될 부분이다. 

토양 경운의 여러 다른 패턴이 존재하지만, 관행농업에서 사용되는 주요한 패턴은 3단계 과정이다. 토양을 뒤집는 깊이갈이, 두둑을 준비하는 2차 경운, 마지막으로 잡초를 방제하기 위한(제초제 사용과 결합되기도 하는) 재식후 경운이 그것이다. 토양침식, 좋은 토양 구조의 상실, 양분 침출은 이러한 경운 패턴과 연관된 잘 알려진 문제이다. 이런 문제에도 불구하고 대부분의 관행농업, 특히 한해살이 곡식과 채소를 생산하는 체계는 광범위하고 반복적인 경운에 의존한다. 

다른 극단에는 경운이 전혀 사용되지 않는 여러 전통농업 체게가 있다. 화전 농업에서, 전통적 농민들은 베어내고 태우는 기술을 활용해 토지를 개간한 다음 씨앗을 심기 위해 파종용 막대로 토양에 구멍을 냈다. 가장 오래 지속된 관리의 역사를 지닌 그러한 체계는 잡초가 많은 식생을 통제하고, 제거된 양분을 대체하기 위해 자연적인 토양 형성 과정을 허용하는 휴경의 필요성을 준수한다. 그늘 아래의 커피나 카카오 같은 여러 혼농임업 체계는 토양의 덮개와 양분 순환을 제공하기 위해 나무라는 체계의 구성요소에 의존하며, 이따금 지표면의 제초만 행한다. 영구적 목초지도 거의 경운하지 않는다. 

전통농법에서 차용된 많은 대안적인 경운 기술이 관행농의 한해살이 작부체계를 위해 개발되고 시험되어 왔다. 이들은 한해살이 작부체계가 광범위하고 반복적인 경운에 의존할 필요가 없으며, 경운의 감소가 토양의 질과 비옥도의 향상에 도움이 될 수 있다는 사실을 입증했다(El Titi 2002; Magdoff and Van Es 2009). 

무경운 기술을 활용하면, 토양의 경운은 실제 묘상으로 제한되어 종자를 파종할 때 이루어진다. 경우에 따라 이전의 작물이 남긴 잔여물에 직접 파종할 수 있는 특수한 농기계가 활용된다. 시비와 잡초 방제 같은 다른 단계는 파종과 함께 완료될 수 있다. 불행히도 많은 무경운 체계가 제초제에 크게 의존하도록 개발되어 또 다른 생태학적 문제를 일으킬 수 있다. 

제초제 사용을 감소시키거나 제거하기 위하여, 많은 경운 감소 체계가 개발되었다. 특히 옥수수와 대두 및 기타 작물의 생산에 성공한 것이 골타기 경운이다(그림8.8 참조). 파종 두둑이 형성되는 최초의 쟁기질 이후에 행하는유일한 경운은 종자 파종, 잡초 관리, 경운한 토양 표면으로 유기물(작물 잔여물, 덮개작물, 똥거름)의 통합 및 두둑 꼭대기에서 고랑으로, 또는 그 반대 쪽으로 토양 표면을 이동시키는 데에 초점이 맞추어져 있다. 특별히 설계된 경운기는 절대로 토양을 깊숙하게 경운하지 않는다. 어떤 골타기 경운 체계는 깊이갈이 없이 몇 년 동안 반족하여 파종할 수 있으며, 토양 교란이 줄어서 토양 유기물과 토양의 구조를 보존하고 토양 생물상의 풍요와 다양성을 향상시키는 데 도움이 된다. 또한 여러 체계에서, 과정의 모든 단계에서 잡초가 발아하고 성장할 기회를 최소화하는 데 초점을 맞추어 제초제를 완전히 제거할 수 있다.    

그림8.8 아이오와주 분Boone에 있는 톰슨Thompson 농장에서 골타기 경운 체계에 활용되는 주문 제작한 경운기의 하나. 이 경운기는 옥수수의 파종 이후 첫 번째 경운을 완료하고 있다. 두둑의 어깨 부분에 있는 토양을 가르고(잡초를 죽임) 다시 밀친다. 딕 톰슨Dick Thompson 씨는 관행농업의 경운이 잡초를 죽였음에도 불구하고 그 방법이 또한 잡초가 재성장하기에 이상적인 교란된 환경을 만든는 사실을 인식한 이후 1980년대에 골타기 경운 체계를 고안했다. 몇 년에 걸쳐 수천 명의 농민과 연구자들이 골타기 경운 체계로 인정받는 "전문가"에게 배우기 위해 톰슨 농장을 방문했다.

작부체계의 다양화

지상부 농업생태계의 다양성은 지하부 생태계의 다양성과 직접적으로 연결되어 있다. 더 많은 유형의 작물이 있을 때 낙엽과 식물의 삼출액, 뿌리를 뻗는 패턴 등에 더 많은 다양성이 존재한다. 이런 다양성이 지하에 더 많은 서식지와 더 광범위한 환경 조건을 만들어 토양 생물상에 더 많은 종이 풍부해지도록 촉진한다. 반대로, 농업에 대한 산업적 접근법으로 특징되는 대규모 단작은 토양 유기체의 풍부함과 다양성을 크게 감소시킨다고 입증되었다. 따라서 토양 생태계의 건강을 향상시키고자 하는 농민은 공간적(섞어짓기, 나무 사이 작부, 혼농임업, 기타 기술을 통해), 시간적(돌려짓기를 통해)으로 자신의 농사를 다양화하려고 고려하는 편이 좋다. 4부에서 보겠지만, 작부체계의 다양화는 다른 다양한 혜택도 있다. 

경관 차원에서 농업생태계의 다양성은 토양 생물상에도 혜택이 될 수 있다. 농지의 빈 공간, 생울타리, 수변 통로, 농사짓지 않는 작은 토지들은 토양 생물상 다양성의 비축소로 작용할 수 있다. 이들 비축소가 경관에 존재하면,농경지에서 소멸된 토양 생물상의 종들이 특정 지방에 존재하는 토양 유기체의 전체에게 더 알맞은 농지를 만들기 위한 관리 방법으로 바뀌었을 때 농지를 다시 식민지화할 수 있다.

지속가능한 토양 관리

토양이 살이 있는 것으로 이해되면 지속가능성을 위한 역동적인 체계 -생태계- 의 관리가 통합된 전체적 체계의 과정이 된다. 건강하고 역동적이며 생산적인 체계의 유지를 촉진하는 과정에 초점을 맞추는 것이 가장 중요하다.비옥도 관리는 양분 순환, 유기물 함량 및 토양 생물상의 풍요와 다양성에 대한 우리의 이해를 기반으로 한다. 시간의 경과에 따라 토양 생태계의 구조와 기능을 유지하는 생태학적 과정에 대한 우리의 이해를 적용하는 일이 가장 중요하다. 그리고 토양 생태계는 복잡하고 역동적이며 끊임없이 변화하는 구성요소의 집합이며 과정이기에, 이러한 복잡성에 대한 우리의 이해가 높아져야 한다. 

좋은 토양 관리는 농업생태계의 전반적인 지속가능성을 달성하는 중요한 부분이다. 22장에서 논의되는 지속가능성에 대한 여러 지표가 토양과 직접적으로 관련이 있다.

생각거리

1. 유기물은 건강한 토양 생태계의 가장 중요한 구성요소의 하나로 간주되지만, 대부분의 농업 활동(즉, 쟁기질,불태우기, 재배, 수확)은 유기물을 제거하고, 감소시키거나 저하시킨다. 토양에서 이 귀중한 자원을 유지하는 가장 실용적인 방법은 무엇인가?

2. 악화된 토양이 예전의 건강한 상태와 비슷하게 회복하는 데 걸리는 시간을 결정하는 주요 요소는 무엇인가?

3. 먼지와 토양의 차이점은 무엇인가?

4. 최근 다양한 농법의 지속가능성을 측정하기 위하여 "토양의 건강"에 대한 몇 가지 지표를 개발하자고 제안되었다. 토양의 건강을 평가하는 데 사용해야 하는 지표는 무엇인가? 

5. 농민이 토양 생태계의 개념을 활용하는 방법을 배우는 게 중요한 이유는 무엇인가?

인터넷 자료

Pedosphere.com 

http://www.pedosphere.com

An online soil science magazine. 

Natural Resources Conservation Service: Soil Quality 

http://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/main/soils/health/

The Soil Quality portion of the NRCS Soils website, with information about soil management practices, soil biology, and soil quality assessment. 

National Sustainable Agriculture Information Service: Soils and Compost 

http://attra.ncat.org/soils.html

Lists publications about soils and soil management. 

US Department of Agriculture, Natural Resources Conservation Service, Soils 

http://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/site/soils/home/ 

The NRCS Soils website, providing extensive sciencebased soil information, including soil surveys from across the nation. 

USDA Web Soil Survey 

http://websoilsurvey.nrcs.usda.gov/app/

Very extensive and updated soil data and information for most of the counties in the United States that can be used for general farm, local, and wider area planning.

읽을거리

Bardgett, R. D. and D. A. Wardle. 2010. Aboveground–Belowground Linkages: Biotic Interactions, Ecosystem Processes and Global Change. Oxford University Press (Oxford Series in Ecology and Evolution): Oxford, U.K. 

A synthetic volume that analyzes the interactions between biotic communities aboveground and belowground, focusing on their important roles in defining community structure and ecosystem functioning, and their responses to climate change. 

Brady, N. C. and R. R. Weil. 2008. The Nature and Properties of Soils. 14th edn. Prentice Hall: Upper Saddle River, NJ. 

One of the most complete reference books on soil as a natural resource; highlights the many interactions between soil and other components of the ecosystem. The recognized primer of soil science.

Cheeke, T. E., D. C. Coleman, and D. H. Wall. 2012. Microbial Ecology in Sustainable Agroecosystems. Advances in Agroecology Series. CRC Press/Taylor & Francis Group: Boca Raton, FL. 

This book brings together soil ecologists, microbial ecologists, and agroecologists working globally to demonstrate how research in soil ecology can contribute to the long-term sustainability of agricultural systems. 

Havlin, J. L., S. L. Tisdale, W. L. Nelson, and J. D. Beaton. 2013. Soil Fertility and Fertilizers: An Introduction to Nutrient Management. 8th edn. Prentice Hall: Upper Saddle River, NJ. 

This book provides a thorough understanding of the biological, chemical, and physical properties affecting soil fertility and plant nutrition. 

Jenny, H. 1994. Factors of Soil Formation. Reprint edition of the 1941 original. Dover Publications: Toronto, ontario, Canada. 

The classic textbook on soil and the soil formation process; emphasizes the soil as a complex system that changes through time. 

Juo, A. S. R. and K. Franzluebbers. 2003. Tropical Soils: Properties and Management for Sustainable Agriculture. Oxford University Press USA: Cary, NC. 

A text that uses an agroecological approach to describe the tropical soil environments of sub-Saharan Africa, Southeast Asia, and South and Central America, focusing on production and management systems unique to each region. 

Logsdon, G. 2010. Holy Shit: Managing Manure to Save Mankind. Chelsea Green Publishing: White River Junction, VT. 

A truly remarkable book about manure and how to turn a waste into a resource for the future sustainability of our food system. 

Magdoff, F. and H. van Es. 2000. Building Soils for Better Crops. 2nd edn. Sustainable Agriculture Network Handbook Series. Sustainable Agriculture Publications: Burlington, VT. 

Very farmer friendly and practical information that explains how ecological soil management boosts soil fertility and yields, while reducing pest pressures and environmental impacts. Stevenson, 

F. J. and M. A. Cole. 1999. Cycles of Soil Carbon, Nitrogen, Phosphorus, Sulfur, and Micronutrients. 2nd edn. John Wiley & Sons: New York. 

An examination of the processes and mechanisms of cycling of both macro- and micronutrients in the soil.