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농생태학: 지속가능한 먹을거리 체계의 생태학

9장 토양의 물

물은 끊임없이 식물의 몸체를 통해 흐르고 있다. 증산을 통해 기공을 떠나고 뿌리를 통하여 들어온다. 이러한 이유로, 식물은 토양에서 자신의 뿌리로 이용할 수 있는 일정량의 물이 있어야 한다. 적절한 토양 수분이 없으면, 식물은 빠르게 시들어 죽는다. 따라서 근권 -식물의 뿌리가 침투한 토양의 부분- 에 충분한 수분을 유지하는 일은 농업생태계 관리의 중요한 부분이다.

그러나 토양의 수분 관리는 단순히 강수나 관개를 통해 토양에 충분한 물을 투입하는 문제가 아니다. 토양 수분은 토양과 전체 농업생태계의 생태학 가운데 일부이다. 무수한 요소에 의해 물의 가용성과 보유력이 영향을 받을뿐만 아니라, 물 자체도 많은 역할을 수행한다. 물은 용해성 양분을 운반하고, 토양의 통기와 온도에 영향을 미치며, 토양의 생물학적 과정에 영향을 준다. 선충과 원생동물 같은 토양의 미소 동물상의 여러 구성원은 본질적으로 수생 생물이고, 토양 입자에 부착되어 있는 얇은 물의 막 안에서 산다. 또한 식물 자체가 토양 수분의 분포와 가용성에 영향을 미친다. 그러므로 농민은 물이 토양에서 어떻게 작용하는지, 토양에 있는 물의 수준이 날씨 조건과 농법에 의해 어떻게 영향을 받는지, 물의 투입이 토양 수분에 어떻게 영향을 미치는지, 그리고 작물의 물 수요는 무엇인지 알아야 한다. 

매우 오랜 시간 동안 작물에 정확히 최적인 토양의 수분 가용성은 거의 없다. 물 공급은 하루 종일, 그리고 계절 내내 결핍과 잉여 사이를 오간다. 실제 최적 값은 다른 요소들의 범위에 의해 영향을 받기 때문에 측정하기 어렵고, 조건은 끊임없이 변화하고 있다. 하지만 우린 대부분의 작물에서 최고의 수확량을 증진시키는 수분 조건의 범위에 관하여 많이 알고 있다. 과제는 이 범위 내에서 조건이 유지되는 방식으로 토양의 물을 관리하는 일이다.  

토양에서 물의 이동

자연 생태계에서, 물은 토양 표면에서 강우나 해빙으로 체계에 들어간다. 농업생태계에서 물은 6장에서 설명했듯이 똑같은 근원에서부터 들어가거나, 관개를 통해 추가된다. 토양 수분의 지속가능한 관리는 체계가 사용하는 물의 효율성을 최대화한다는 목표로 이렇게 적용된 물의 운명을 이해하는 데 달려 있다고 해도 과언이 아니다. 

침투

물이 토양 표면에 떨어지거나 적용되어 식물이 이용할 수 있게 되려면 토양으로 침투되어야 한다. 침투는 저절로일어나는 일이 아니다. 토양 표면에서 쉽게 침투할 수 없다면 물은 지표에서 유출되거나 증발로 상실될 수 있다. 침투는 토양의 유형, 경사도, 식생 덮개, 강수 자체의 특성에 영향을 받는다. 모래기의 토양이나 유기물 함량이 높은 토양처럼 다공성이 더 많은 토양은 물이 쉽게 침투되도록 더 개방되어 있다. 평평한 지형은 경사가 있는 지면보다 침투가 잘 일어나고, 매끄러운 경사면은 암석, 흙덩어리, 얕은 구덩이 또는 지표면의 기타 장애물에 의해 발생하는 미세지형의 변화가 일어나는 곳보다 유출수가 더 많다. 지표면에 살아 있거나 잔여물로 존재하는 모든 식생 덮개는 초반에 물이 유입되는 걸 매우 도와준다. 일반적으로 최적인 조건을 가정할 때, 강우의 강도가 더 셀수록 포화가 될 때까지 침투 속도는 더 빨라진다. 그러나 강우가 지나치게 강하면 유출수가 증가할 것이다. 

스며듦

일단 토양 상층이 포화되면, 중력이 초과된 물을 토양 단면으로 더 깊이 끌어당기기 시작한다. 스며듦으로 알려진 이 과정이 그림 9.1에 나온다. 스며드는 속도는 토양 구조, 토성, 다공성에 의해 결정된다. 좋은 떼알구조와 입단 안정성을 지닌 토양은 물이 토양 입자 사이로 자유롭게 이동할 수 있게 한다. 모래질 토양은 더 미세한 토성보다 큰 공극과더 적은 토양 입자 표면적을 가지고 있기에, 물이 가장 빨리 이동하게 될 것이다. 점토 함량이 매우 높은 토양은 처음에는 침투가 빠르지만, 일단 점토 교질 입자들이 물로 팽창되면 공극이 닫혀 이동을 방해할 수 있다. 뿌리의 수로와 동물의 굴, 특히 지렁이의 굴은 물이 스며드는 중요한 경로인데, 토양의 토성과 구조는 아마 빈번하게 경운되는 농업생태계에서 특히 중요할 것이다. 

그림9.1 작부체계의 토양에서 일어나는 물의 이동. (a)물은 강우로 떨어진 뒤 지표면에 침투한다. (b)중력수가 아래쪽으로 스며들고, 모세관 수가 지닌 농지 용수량이 위의 토양을 축축하게 만든다. 이와 함께, 증발과 증산이 시작되어 토양에서 물이 제거된다. (c)중력수가 계속 아래쪽으로 스며들면서, 표면 근처의 토양이 마르기 시작한다. (d)중력수가 지하수면에 도달하면, 대부분의 토양 단면은 농지 용수량에 가깝게 축축해진다. 예외는 증발로 건조해진 토양의 상층이다. (e)지하수면으로 인해 촉촉함이 유지되는 모세관 수대 위쪽의 토양 대부분 말라버리고, 토양이 다시 한번 흡습점에 가까워진다. (Daubenmire, R.F., Plants and Environment, 3rd edn., John Wiley & Sons, New York, 1974.에서 고침)

증발

일단 수분이 토양에 들어가면, 증발을 통해 대기로 상실될 수 있다. 토양 표면에서 일어나는 증발 속도는 지표면 자체의 온도만이 아니라, 지표면 위에 있는 대기의 수분 함량과 온도에 달려 있다. 바람이 특히 고온에서 증발 과정을 크게 가속화한다. 

증발은 지표면에서 발생하지만, 토양 단면 깊숙한 곳의 토양 수분에 영향을 미칠 수 있다. 증발로 인하여 토양 표면에 물이 부족해지면, 물 분자 사이의 인력이 모세관 현상을 통해 아래로 물을 끌어당긴다. 이 과정은 포화 구역이 아주 깊숙한 곳까지 이르거나 상부의 토양층이 너무 건조해져 모세관이 망가질 때까지 계속된다. 토양 표면의열 취득을 늦추고 토양과 대기 사이의 장벽을 제공하는 어떤 덮개 종류나 토양 표면의 덮개가 증발 속도를 늦출 것이다. 

증산

3장에서 설명했듯이, 식물이 발산된 수분으로 잎에서 기공을 통해 물을 상실하여 식물에서 물의 부족을 초래하고 식물의 뿌리가 물을 흡수해 균형을 이룬다. 특히 증발에 영향을 받는 토양층 아래로 침투하는 뿌리에 의해 이렇게 토양에서 물을 생물학적으로 제거하는 것이 토양 생태계 밖으로 물을 이동시키는 주요한 수단이 된다. 이 상실을 대체하기 위하여 물을 추가하지 않으면 식물은 휴면 상태가 되거나 생태계에서 제거된다. 

수압 재분배

증발의 원인이 되는 똑같은 물리적 원리는 그들의 기공이 닫히고 그에 의하여 근권의 한 부분에서 다른 부분으로물이 운송될 때 일부 식물이 그 뿌리의 조직을 통하여 물을 이동시키도록 한다. 이 특별한 능력은 얕은 곁뿌리에서 더 깊은 원뿌리로 이어지는 물관부 통로가 있는 떨기나무와 나무가 지니고 있다. 식물의 뿌리 체계 가운데 일부분이 매우 건조한 토양의 지역에 놓여 있으면, 물은 증산 견인과 유사한 높은 수분 포텐셜이나 압력 포텐셜에 의해 그 뿌리에서 빠져 나오게 힘이 가해진다. 이런 압력 포텐셜은 젖어 있는 토양에 위치한 뿌리에서 물을 끌어당긴다. 물이 식물의 뿌리 체계를 통하여 이동하여 더 건조한 토양에 있는 뿌리에서 스며나와 효과적으로 그 토양을 촉촉하게 만든다. 수압(또는 수문학적) 재분배라고 부르는 이러한 물의 이동은 주로 식물의 기공이 닫히고 근권의 촉촉한 부분에서 증산이 물을 놓고 경쟁하지 않는 야간에 발생한다. 

수압 승강이라 부르는 농업과 가장 크게 관련되는 수압 재분배의 형태에서, 물은 식물의 긴 원뿌리가 침투한 토양의 심층에서 끌어당겨져 곁뿌리가 차지한 지표면 근처의 토양에 재분배된다. 수압 승강은 인간의 먹을거리 대부분이 유래되는 어느 한해살이 식물에서도 발생한다고 알려져 있지 않지만, 농업생태계와는 관련이 있다(Liste and White 2008). 우기와 건기가 교대하는 반건조 지방에서, 작물은 수압 승강을 나타내는 토종 나무나 떨기나무와 함께 재배될 수 있다. 그러한 체게에서 떨기나무나 나무에 의해 지표면에 유입된 수분은 작물의 수확량을 크게 증가시키거나 작물의 풍작과 흉작 사이의 차이를 가져올 수 있다. 

토양 수분 가용성

물과 개개의 토양 입자 사이에서 작용하는 인력은 토양 수분이 식물에 의해 어떻게 유지되고 상실되며 이용되는지를 결정하는 중요한 역할을 담당한다. 이러한 힘을 이해하는 일은 토양 용액의 물리적, 화학적 특성과 토양의 액상 및 토양 입자 자체와는 별도로 용해된 용질을 살펴본다는 걸 의미한다.

토양에서 식물이 이용할 수 있는 수분의 비율은 전통적으로 토양 표본을 채취하여 그 무게를 측정하고, 105℃에서 토양을 24시간 동안 건조시킨 다음 그 건조 중량을 측정해 결정되었다. 건조하는 동안 상실된 수분의 양은 표본 건조 중량으로 나누어 백분율로 표시된 수치로 나타낸다. 

그러나 이 순서는 토양 입자에 대한 물의 접착이란 중요한 변수를 고려하지 않기 때문에, 실제로 토양에서 식물이 이용할 수 있는 물의 양을 측정하기에 적합하지 않다. 토양에서 점토와 유기물의 함량이 증가함에 따라, 물은 토양 입자에 더 강하게 끌리고 뿌리가 흡수하기에 더 어려워진다. 예를 들어 상추는 수분이 15%인 점토질 토양에서는 시들 수 있는 반면, 모래질 토양에서는 작물이 시들해지려면 수분이 6%까지 떨어질 수 있다.

물은 다른 것들과 비교하여 어떤 종류의 토양에 더 단단히 고정되기에, 토양 입자와 수분 사이의 인력을 더 잘 반영하는 수분 함량 백분율 이외의 또 다른 측정이 필요하다. 이 측정은 에너지의 측면에서 토양 수분을 표현함으로써 이루어진다. 물 분자가 토양 입자에 끌리는 힘인 토양의 수분 포텐셜은 1바가 해수면에서의 표준 기압(760mmHg 또는 1020cm의 물)과 같은 흡입 바bar로 표현된다. 이 방법은 토양 용액에서 물의 가용성을 측정하는 수단을 제공하며, 토양 입자의 크기와 유기물 함량에 의해 결정되는 다양한 인력을 고려한다. 

인력의 측면에서 수분 함량과 가용성을 설명하기 위해 여러 가지 특수한 용어가 사용된다. 이들은 다음과 같이 정의되며 그림9.2에 설명되어 있다.

그림9.2 토양 입자에 대한 인력에 따른 토양 수분. 쉽게 이용할 수 있는 물이 고갈되면 영구 시들음점에 도달한다. 농지 용수량은 중력수가 배수된 뒤에 남은 물의 양이다. 

·중력수는 중력의 영향만 받으며 토양 속으로, 토양을 통하여, 토양 밖으로 이동하는 물이다. 비나 관개 직후에이 물은 모든 대공극을 차지하면서 토양의 아래쪽으로 이동하기 시작한다.

·모세관 수는 토양의 미세공극을 채우고 0.3-31흡입 바의 힘으로 입자에 유지되는 물이다.

·부착수(Hygroscopic water)는 토양 입자에 가장 밀착되어 있는 물로서, 보통 31흡입 바 이상이다. 토양을 오븐 건조한 뒤 비화학적으로 결합된 나머지 물이 부착수이다. 

·수화수(Water of hydration)는 토양 입자와 화학적으로 결합된 물이다.

·유효수는 식물 뿌리에 쉽게 흡수되는 토양에 있는 물의 부분이다. 보통 0.3-15흡입 바 사이의 모세관 수이다.  

·농지 용수량은 중력이 아래쪽으로 끌어당겨 대공극의 중력수를 배수시킨 뒤에 토양에 남아 있는 수분으로, 적어도 토양 입자에 0.3흡입 바로 유지된 모세관 수로 미세공극을 채운 것이다.    

·영구 시들음점은 어둡고 습한 환경에 놓아도 식물이 시들고 회복되지 않는 토양의 수분 함량이다. 영구 시들음점은 보통 15흡입 바 미만으로 유지되는 모든 모세관 수가 토양에서 제거될 때 발생한다. 

모든 토양은 입자의 크기가 서로 다르게 혼합되어 있고 유기물 함량이 다양하며, 이런 특성이 보수력을 결정하기때문에, 물 관리 계획을 개발하는 일환으로 토양의 유형을 조사하는 게 중요하다. 대부분의 토양에서, 최적의 성장은 토양의 수분 함량이 농지 용수량 바로 아래로 유지될 때 일어난다. 최적 성장에 필요한 수분이 토양 수분 함량의 전체 범위에 미치지 못하는 것은 분명하다. 

식물의 토양 수분 흡수

식물이 증산하는 동안, 그들은 자신의 기공을 통해 상실한 상당량의 물을 끊임없이 대체해야 한다. 그러나 어느  순간에는 이용할 수 있는 토양수의 작은 비율만 실제로 물을 흡수하는 뿌리 표면에 가까이 있게 된다. 두 가지 과정이 이런 제한을 보완한다. 첫째, 물은 물의 모세관 이동을 통해 뿌리 표면으로 토양을 통해 수동적으로 끌어당겨진다. 둘째, 식물의 뿌리가 흡수하기에 충분한 수분이 있는 지역 쪽으로 토양 안에서 활발히 성장한다.  

물의 모세관 이동

식물이 그 뿌리를 통해 물을 흡수하여 증산을 통해 상실된 걸 대체하기 때문에, 뿌리와 맞닿은 지역의 토양 수분 함량이 감소된다. 이것이 그 지방에서 흡입 에너지를 증가시켜, 주변 토양으로부터 모든 방향에서 수분을 끌어당기는 경향이 있는 더 낮은 수분 포텐셜의 변화도를 만든다. 일반적으로 대부분의 물은 토양 단면에서 더 깊은 곳에서 끌어당겨지는데, 특히 지하수면이 지표면에 가까울수록 더욱 그러하다. 모세관 이동은 부분적으로 토양 입자 표면으로 물 분자를 끌어당기고, 물 분자가 서로를 끌어당기는 원인이 되기도 한다. 모세관 이동이 일어나는 속도는 물 부족의 강도와 토양의 유형에 따라 다르다. 대부분의 모래질 토양에서, 더 큰 크기의 입자가 물을 느슨하게 고정시키기 때문에 이동이 상당히 빠르다. 점토질이 많은 토양에서, 특히 떼알구조가 열악한 그런 토양에서는 이동이 훨씬 느리다. 

물은 모세관 작용을 통하여 하루에 몇 센티미터만 움직일 수 있다는 것이 입증되었다. 하지만 대부분의 뿌리 체계가 차지한 토양의 광대한 용적 때문에, 더 먼 거리로 이동할 필요는 아마 없을 것이다. 식물은 증산율이 매우 높더라도 모세관 이동을 통해 필요한 물의 상당 부분을 얻을 수 있다. 주간에 뿌리층과 맞닿은 곳에서 생성된 높아진 흡입 압력은 야간에는 더 낮은 흡입 압력의 지역으로부터 토양을 통한 물의 이동으로 대체된다. 토양의 수분 함량이 심각하게 고갈되고 식물의 성장이 느려질 때 그러한 이동이 가장 중요한 시기이다. 적절하지 않은 수분이 주변 토양에 존재하면, 식물은 영구 시들음점에 도달한다. 

토양 속으로 확장하는 뿌리

식물은 지속적으로 뿌리를 토양 속으로 확장시켜 새로운 위치에 토양과 뿌리의 접촉이 확립되도록 한다. 뿌리와 잔뿌리, 뿌리털은 모두 토양-뿌리 접속의 광범위한 네트워크를 형성하고자 결합된다. 지속적인 뿌리의 침투와 뿌리 네트워크의 많은 양에도 불구하고, 어느 시기에 식물의 뿌리와 접촉하는 어떤 특정한 토양의 총량은 매우 적다. 대부분의 추산에 의하면, 식물의 뿌리가 차지하는 토양의 부피 안에서 총 토양 입자의 면적은 1% 미만이 실제로 뿌리 표면과 접촉하고 있다. 이 사실은 물의 모세관 이동의 중요성과 물 이동과 뿌리 확장의 상보성을 강조한다. 

대개의 한해살이 식물은 토양 상부의 25-30cm 안에 뿌리의 대부분을 분포시키고, 그 결과 그 층에서 물의 대부분을 흡수한다. 포도와 과수 같은 많은 여러해살이 식물은 훨씬 더 깊게 뻗는 뿌리가 있어 더 깊숙한 토양 단면에서 수분을 끌어당길 수 있다. 하지만 이들 식물조차 가능하면 -영농철의 일반적인 상황- 상부의 층에서 뿌리가 흡수하는 물에 크게 의존할 것이다. 물이 충분하지 않으면, 호박과 옥수수 같은 한해살이 식물조차 증산으로 인한 상실을 대체하고자 더 깊은 뿌리에 의존할 것이다. 

토양 수분과 식물의 물 수요 사이의 관계는 토양의 조건, 강우량 또는 관개 상황 및 작물의 요구 사이의 복잡한 상호작용의 결과이다. 농민들은 영농철 동안 이런 구성요소들 사이의 균형을 유지하고자 노력하지만, 때로는 토양 수분의 초과나 결핍 쪽으로 균형이 치우치는 사건이나 조건이 발생하곤 한다. 

토양의 과다한 물

과도한 물이 장기간 농업생태계에 존재하거나 체계의 밖으로 과도한 물이 이동하는 게 방해를 받을 때, 침수라 알려진 조건이 발생할 수 있다. 많은 강우량, 열악한 관개 관리, 좋지 않은 지형, 빈약한 지표면 물빠짐 등이 침수를 불러오고, 토양 생태계에 그와 관련된 변화를 일으킬 수 있다. 침수된 토양은 강기슭의 퇴적물부터 습지와 늪지, 토탄 늪에 이르기까지 다양하며 전 세계에 걸쳐 발생한다. 계절에 따라 범람하는 곳이라면 물빠짐이 좋은 토양이라도 침수 기간을 겪을 수 있다(그림9.3).

그림9.3 멕시코 타바스코에서 침수로 피해를 입은 옥수수. 과도한 토양 수분은 작물의 생육을 방해하거나 죽이기까지 하는 조건을 만든다.

침수는 전 세계의 농업 체계가 과도한 물을 처리하는 방법을 개발시킬 만큼 빈번하고 널리 발생한다. 최근에는 비용이 많이 드는 배수 시설과 댐 건설이 연루되었다. 이와 대조적으로, 더 단순하고 전통적인 기술은 과도한 물을 제거한다기보다는 오히려 그런 조건에서 작용하는 걸 목표로 한다. 예를 들어, 세계의 여러 습한 지역에서 벼는 습지 농업에 이상적으로 적합한 작물로 재배된다. 

과도한 물의 악영향

공기가 토양 입자들 사이의 공극을 채우는 토양에서는 산소 확산이 빠르고, 생태학적 과정(즉, 뿌리의 대사 및 분해자의 활동)에 대한 O2의 결핍이 거의 없다. 하지만 공극이 물로 채워지거나 포화되면, 산소의 확산율은 매우 감소한다. 포화된 토양에서 산소의 이동은 통기성이 좋은 토양에서의 그것보다 1/1000 이하일 수 있다. 산소의 부족은 뿌리 세포의 호흡을 심각하게 제한하고, 혐기성 미생물의 개체군을 형성시켜 화학적 환원 조건을 조성한다. 

침수된 토양에서 가스 교환 속도가 저하되면 이산화탄소와 기타 가스가 축적된다. 이산화탄소는 뿌리 부분처럼 호흡이 일어나는 모든 곳에 축적되어, 필요한 산소를 대신하고 여러 대사 과정을 제한한다. 기타 가스는 똑같은 조건에서 축적되기 시작한다. 예를 들어, 메탄과 에틸렌은 유기물의 혐기성 분해로 인해 독성 수분까지 증가할 수 있다. 혐기성 유기물 분해의 식물 독성 수용성 분해 산물도 축적되어, 벼 생산 체계에서조차 그 문제점이 지적되고 있다(Chou 1990).

제한된 산소 공급이란 조건에서, 많은 토양 미생물은 자신의 호흡 산화를 위하여 산소 이외의 전자 수용체를 사용한다. 그 결과 수많은 화합물이 화학적 환원 상태로 전환되어 산소가 상실되고 수소가 생성된다. 이는 차례로 토양의 산화-환원(산화 환원 반응) 전위에 불균형을 일으키는데, 이는 전자를 받거나 공급하기 위한 토양의 전위로 측정된다. 제1철과 2가망간 이온(제2철이나 망간보다는)은 환원 조건에서 독성 수준까지 증가한다. 

호흡을 위한 산소 공급원으로 질산염을 사용할 수 있는 어떤 혐기 저항성 미생물은 N2 가스 또는 독성 수준의 아산화질소(N2O)를 유리시킴으로써 탈질소 작용을 유발한다. 암모니아 역시 범람 이후에 증가할 수 있는데, 이는 유기물의 혐기성 분해 때문일 것이다. 게다가 혐기성 활동은 황산염을 익숙한 썩은 달걀의 황화수소(H2S) 냄새가 나는 식물 독성 용해성 황하물로 환원시킨다. 

이전에 설명했던 각각의 조건은 단독으로, 또는 어떤 조합으로 식물의 발달을 제한하게 될 수 있다. 이들 조건으로 식물이 약해지면 특히 뿌리층에서 질병에 더 취약해진다. 범람의 시기도 중요하다. 과도한 토양수 조건에 의한 작물의 부정적 영향에 대한 민감성은 침수가 발생했을 때의 작물의 발달 단계에 따라 달라질 수 있다. 그림9.4의 자료는 침수가 침수된 시기에 따라 다른 방식으로 작물의 성장, 발달, 수확량에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 보여준다.  

그림9.4 동부(Vigna unguiculata) 수확량의 구성요소에 대한 침수 시기의 영향. (Minchin, F.R. et al., J. Agric. Sci., 90, 355, 1978.의 자료)

배수 체계 

배수 체계는 습지 지역을 농업에 더 도움이 되도록 만들고, 과도한 물이나 잦은 홍수가 일어나는 지역에서 우선 간단히 농사를 가능하게 하기 위해 오랫동안 사용되어 왔다. 배수 체계는 저지대가 범람하는 걸 막거나(물을 퍼내거나 증발에 의해 물을 제거한 뒤)지하수면을 낮추어 토양 생태계가 호기성을 유지할 수 있게 하는 제방, 운하,도랑 체계의 건설을 수반한다. 

배수 체계는 2000년 전 로마와 중국의 농민들이 사용해 왔다. 중국의 양쯔강 계곡과 네덜란드의 저지대, 캘리포니아의 삼각주 지역 대부분은 복잡한 배수 체계 없이는 농사지을 수 없었을 것이다. 최근에는 특별한 도랑 파는 기계로 설치할 수 있는 구멍이 뚫린 플라스틱 파이프를 사용하는 지하의 배수 체계가 개발되며 토양 수분을 더 엄격히 통제할 수 있게 되었다. 

하지만 배수 체계는 댓가가 따랐다. 설치와 유지의 경제적 비용 외에도, 배수 체계는 생태학적 비용이 든다. 제거된 물은 양분과 퇴적물이 들어 있어 체계에서 상실되면 대체되어야 한다. 강수량이 변하기 쉬운 지역에서 과도한배수는 건조한 해에 가뭄 피해를 높일 수 있다. 농사철에 증발산량이 많고 배수가 널리 사용되는 일부 지역에서는 배수한 물의 처분 자체가 문제가 될 수 있는데, 특히 잔류농약과 염분 부하가 높아 주변의 자연 생태계를 손상시킬 수 있다. 

습지 적응형 작물

홍수를 배수 체계나 기타 기반시설로 해결해야 할 문제로 처리하는 대신에, 적응을 통해 작물을 재배할 기회로 간주하며 침수를 용인할 수도 있다. 벼(Oryza sativa)은 아마 그러한 작물 가운데 가장 잘 알려진 사례일 것이다.원래 수생 또는 습지대 식물이었던 벼는 습한 서식지에서 번성하는 작물로 재배되어 왔다. 그것의 적응은 공기가 뿌리로 퍼지게 하는 줄기에 있는 특별한 공기 공간 조직과 낮은 산소 농도라는 조건에서도 성장할 수 있는 뿌리, 근권에 있는 적갈색 수산화3가철로 제1철 이온을 산화시키기 때문에 산화 화원 전위가 높은 토양에서 견딜 수 있는 능력, 낮은 산소 요구량으로 인하여 수중에서도 발아하게 되는 종자 등이 포함된다. 다른 작물들은 완전히 습지에 적응하는 건 아니지만, 주기적인 범람을 견딜 수 있는 적응력을 지니고 있다. 예를 들어, 토란(Colocasia esculenta)은 볼록한 알줄기 같은 잎 아래쪽에 산소를 저장할 수 있어 범람에 견딜 수 있다. 

과도한 토양수에 대한 농업생태계 차원의 적응

과도한 물에 대처하기 위하여 농생태학의 초점이 적용될 때, 중간의 접근법이 취해지곤 한다. 물을 제거하거나 습지 적응형 작물로 생산을 제한하기보다는, 다양한 수단을 통하여 지형의 변화가 만들어져 두둑, 토단 또는 지하수면이나 전형적인 높은 수위 위에 토양이 놓여 있는 농지를 형성한다. 

전 세계의 여러 지방에서 사용되는 전통적 방법으로, 토양을 파서 두둑을 높여 쌓고 그 과정에서 운하나 도랑이 형성되는 것이 있다(그림9.5). 운하는 과도한 물을 배수하고, 침식성 퇴적물과 유기물을 포착해 보유하는 역할을한다. 어떤 경우에 운하는 어류의 생산도 가능하게 한다. 건기가 길어진 지역에서 그 체계를 설치하면, 지하수면에서 위로 향하는 물의 모세관 이동이 작물을 유지하기에 충분해질 수 있거나 관개용수를 근처의 운하에서 끌어올 수 있다. 그러한 체계의 사례로는 중국 남부의 주장강 삼각주의 연못-제방 체계와 네덜란드의 운하-농지 체계가 포함된다. 또 다른 사례로, 멕시코 틀락스칼라의 camellone-도랑은 지역의 우기의 범람 상황에 대한 적응으로써 6장에서 상세히 논의되었다. 이들 농업생태계의 대부분은 성공적으로 관리된 오랜 역사를 지니고 있다.

그림9.5 멕시코 타바스코의 습지에서 높임 두둑 농사 체계를 조성하기. 옆쪽 고랑에서 파낸 토양은 높여서 파종을 위한 표면을 만들기 위해 폐기한 사탕수수 섬유질과 함께 쌓는다. 

습지에서 농사지을 수 있는 토양을 만드는 데 활용된 또 다른 전략은 인근 지역에서 암석과 토양, 우물 정 자로 쌓는 재료를 사용하여 얕은 호수 바닥에 토단을 구축하고, 이들 기반의 꼭대기에 호수 바닥의 퇴적물과 식물 부스러기를 쌓아 올리는 것이다. 이런 유형의 체계 사례는 멕시코 계곡의 얕은 호수에서 스페인 침략 이전 시기에 개발된 치남파스chinampas이다.  

토양수의 결핍

증발산을 통해 토양에서 상실된 수분의 비율이 강우나 관개를 통한 투입보다 더 클 때, 식물은 고통을 받기 시작한다. 증발은 토양 상부의 15-25츠에서 물 공급을 격감시키고, 토양에 있는 식물의 뿌리 특성 및 증산 속도에 따라 식물이 증산을 통해 대기로 물을 상실하기에 고갈이 더 깊은 곳까지 연장될 수 있다. 수분이 토양에서 고갈됨에 따라, 지표면 근처의 토양 온도가 상승하기 시작해 증발 속도가 훨씬 빨라진다. 토양 입자에 보유된 쉽게 이용할 수 있는 물이 이러한 과정을 통해 고갈되면, 토양 수분의 수준은 식물이 낮에 일시적으로 시드는 지점까지 떨어질 수 있다. 

일시적인 시들음이 지속적으로 발생하면, 잎이 노래지기 시작하고 성장과 발달은 대체로 지연된다. 잎은 더 천천히 확대되고, 더 작아지며, 더 일찍 노화된다. 스트레스를 받은 잎에서 광합성률이 떨어지고, 더 많은 양의 동화된 광합성 산물이 식물의 뿌리에 저장된다. 작물의 생산이란 관점에서 볼 때, 그러한 반응은 수확할 수 있는 산물을 감소시키기 때문에 부정적이다. 게다가 토양 수분이 가뭄 스트레스 반응이 반복적으로 발생할 만큼 낮으면, 흉작이 최종 결과일 수 있다. 

생태학적 관점에서, 가뭄 스트레스 반응은 식물에게 어떤 적응력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 물 스트레스를 받은 식물의 뿌리에 더 많은 탄소를 배분하면 더 많은 뿌리의 성장이 촉진될 수 있어, 식물이 더 넓은 지역에서 수분을 끌어당길 수 있게 된다. 물 스트레스는 종의 생존을 보장하는 데 도움이 되는 조기 개화, 결실 및 종자 형성을 하게 만들 수 있다. 경우에 따라서 늦여름에 면화 식물의 잎을 말려 수확 전에 고엽제를 뿌리지 않아도 되도록물을 주지 않을 때처럼, 농민은 그러한 가뭄 반응을 실제로 활용할 수 있다. 

많은 식물은 물 스트레스를 받는 조건에서 생존을 돕는 특정한 구조나 대사 경로를 가지고 있다. 주기적으로 물 스트레스를 겪는 지역의 농민들은 이러한 적응 형질의 일부를 나타내는 작물 종과 품종을 잘 찾는다. 가뭄 저항성 작물의 일부 사례로는 특정 선인장 종과 가르반조 콩, 참깨, 피스타치오 같은 견과류 및 올리브와 대추야자 같은특정 뿌리가 깊은 여러해살이 식물이 있다(그림9.6).

그림9.6 스페인 안달루시아의 건지 농장의 올리브. 이 뿌리가 깊게 뻗는 여러해살이 작물은 제한된 강우량과 관개가 어려운 지방에 잘 어울린다. 

관개의 생태학

자연 생태계에서 식생은 기후와 토양 유형에 의해 설정된 토양 수분 상황에 적응한다. 반면, 농업생태계는 그러한 수요를 공급할 수 있는 자연 생태계의 능력을 초과하는 물 수요를 지닌 식물을 도입하곤 한다. 이러한 경우, 관개가 작물에 적절한 토양 수분을 제공하기 위해 사용된다.  

관개는 생태계 기능에 주요한 변화를 나타내며, 특유의 생태학적 문제를 야기한다. 그와 함께, 물 공급 체계는 비용과 에너지의 측면에서 손실이 크다. 장기적인 지속가능성을 달성하려면, 이들의 사용은 생태학적, 경제적 비용에서 균형을 이루어야 한다. 

집수, 저장, 송수 체계는 지표수와 지하수의 흐름에 큰 영향을 미칠 수 있다. 대수층을 과도하게 사용할 수 있으며, 강과 강변, 습지의 생태계는 심각하게 손상될 수 있다. 건강한 수로와 물 공급을 유지하는 일은 수익성 있는 작물 생산을 유지하는 것만큼 중요하기 때문에, 지역과 지방의 수문학에 대한 물 공급 체계의 영향을 고려해야 한다(Postel 2010). 

염분 축적

거의 모든 관개용수에는 축적된다면 작물을 손상시킬 수 있는 염분이 함유되어 있다. 관개는 주로 증발산 잠재력이 높은 지역에서 활용되기에, 시간이 지남에 따라 토양 표면에 퇴적되는 염분을 어쩔 수 없다. 통제되지 않으면 염류집적이라 하여 이것이 축적되어, 특히 염분에 붕소와 셀렌 같은 독성 미량요소가 함유되어 있을 때 작물 생산에 바람직하지 않은 수준에 이를 수 있다(그림9.8). 총 염분 함량은 모mho 단위의 전기 전도도로 측정된다. 적용된 관개용수의 1.0mmho/cm당 물의 염분 함량은 약 640ppm 정도 증가한다. 유입되는 관개용수의 염분을 분석하는 것과 함께 관개되는 토양의 염분 수준을 면밀히 관찰하면 과도하게 축적되는 걸 피할 수 있다. 

그림9.8 중부 캘리포니아에 있는 Kesterson 근처에서 염분이 축적되어 손상된 토지. 관개용수가 주변 농경지에서 배수되면서 증발하여 토양에 독성 염분을 남겼다(사진 출처 Roberta Jaffe).

대부분의 관개 체계에서 필연적으로 축적되는 염분 때문에, 장기간의 지속가능성은 축적된 염분을 토양의 상층에서 제거하는 자연적이거나 인공적인 적절한 배수 없이는 이루어질 수 없다. 강우는 주요한 자연적 침출제이다. 강수량이 충분하지 않으면, 앞서 설명한 것처럼 배수로, 도랑, 운하 같은 체계를 구축해야 한다. 염분을 용해시키기 위해 과도한 관개용수를 주기적으로 적용시켜, 염분이 가득한 물이 생산적인 뿌리층 아래로 침출되거나 농지에서 지표 배수를 통해 제거된다. 

증발산이 많고 관개용수가 감지할 수 있을 만큼 염분 부하가 큰 건조한 지역에서 농업을 행하는 자연스런 결과는농업생태계를 떠나는 물이 적용된 물보다 염분 농도가 더 높아진다는 점이다. 그러므로 유출되는 지역의 토양, 지하수 또는 지표수 체계에 염화가 일어나지 않도록 주의해야 한다. 

생태학적 변화

보통 1년 중 건조한 기간 동안 농업 지역으로 관개용수를 도입하는 건 자연의 생태주기와 이로운 유기체와 해로운 유기체 모두의 생활주기에 중대한 영향을 미칠 수 있다. 자연의 조건에서, 계절에 따른 가뭄은 병해충의 축적을 줄이기 위한 매우 중요한 수단이었을 수 있으며, 다른 지역에서는 서리나 범람이 이들 유기체의 생활주기를 방해하는 역할을 했을 것이다. 이 자연적 방제 메커니즘의 상실은 발생과 인위적인 방제 전략에 대한 저항성 증가의 측면에서 심각한 결과를 불러올 수 있다. 

자연히 건조한 지역으로 관개를 도입하여 생길 수 있는 또 다른 유형의 변화는 지표수 저장 지역이나 물이 적용되는 농경지에서 일어나는 증발량이 증가하여 지역 또는 지방에 생기는 기후변화이다. 대기에 증가한 습도는 병해충 문제의 증가와 연관될 수 있고, 또한 강수의 분포와 양에 생기는 변화와 관련될 수도 있다. 농경지 외부에 미치는 관개의 효과는 지속가능성의 더 큰 맥락이 적용될 때 농경지에서 일어나는 효과와 함께 고려되어야 한다.  

수자원의 최적화된 이용

토양 수분은 토양에서 나오는 물이 작물을 거치는 주요한 경로를 보장하도록 설계된 농업생태계에서 최적으로 관리된다. 그러므로 관리의 초점은 증발을 줄이고 증산을 통한 흐름을 증가시키는 데에 있다. 특히 민물의 가용성과 그 관리가 인류가 직면하고 있는 가장 중요한 문제 가운데 두 가지가 되고 있기에, 이러한 차등을 두는 물 이동을 북돋는 농법이 지속가능성의 중요한 구성요소이다. 

물 이용의 효율성

주어진 물의 양을 가지고 식물이 생산한 바이오매스는 농업생태계에 적용되는 물 이용의 효율성을 재는 척도로 활용될 수 있다. 이 효율성이 증산된 물의 단위당 생산된 건조물로 표현될 때 이를 증산(T) 효율이라 하며, 토양 표면에서의 증발과 증산을 통하여 상실된 물의 단위당 생산된 건조물을 기준으로 계산할 때 이를 증발산 효율이라 한다. 

증산 효율

식물은 상대적 증산 효율이 서로 다르며, 실제 증산 효율은 작물이 자라고 있는 곳의 조건에 달려 있다. 자료에 의하면 옥수수와수수, 조 같은 작물은 건조물 1kg을 생산하기 위해 물을 덜 사용하기 때문에, 상대적으로 높은 증산 효율을 가진다. 이와 대조적으로 자주개자리 같은 콩과식물은 낮은 증산 효율을 가지며, 생산된 건조물 킬로그램당 많은 수분 투입에 의존한다. 대부분의 곡식과 채소 작물은 중간이다. 여러 중요한 작물들의 평균 증산 효율은 표9.9에 나와 있다.

그림9.9 다양한 작물의 평균 증산 효율. 평균값은 전 세계 여러 곳에서 Lyon et al. (1952)가 수집한 자료에서 계산되었다.  

작물이 성숙하려면 많은 양의 물이 필요하다. 예를 들어, 건조물 10,000kg/ha를 함유하고 350의 증산 비율을 가지고 있는 옥수수라는 대표적인 작물은 토양에서 1헥타르당 35cm의 물과 똑같은 양을 끌어올 것이다. 이 수분은 식물이 그걸 필요로 하는 시기에 토양에 있어야 하고, 그렇지 않으면 성장하기 어려워진다. 이 수치에 증발 상실을 더하면, 수분이 제한된 지방에서 수분이 어떻게 생산에 가장 중요한 요인이 되는지 볼 수 있다.

작물의 증산 효율을 높이는 육종에 초점을 맞춘 연구는 증산 효율의 비율을 유의미하게 변경시키는 데 거의 성공하지 못했다(Sinclair 2012). 다른 조건들이 제한되어 있지 않으면, 주어진 기후에서 작물 종 또는 품종의 건조물 단위를 생산하는 데 필요한 물의 양은 상대적으로 일정하다. 광합성률과 식물 내부의 물 흐름에 대한 제한 같은 더욱 다양한 생리학적 변수를 집중적으로 연구해야 한다. 하지만 전반적으로 증산 효율을 변경하는 데 성공하지 못했다는 건 우리가 토양 표면으로부터 증발의 통제 같은 환경 변수의 관리에 계속 초점을 맞추어야 한다는 걸 시사한다. 

증발산 효율

토양 자체는 매우 다양하기에, 증발산 효율도 너무나 다양하다. 그러나 토양에서의 증발에 영향을 미치는 토양과작물의 관리법을 변화시킴으로써 다음과 같이 증발산 효율의 바람직한 변화를 쉽게 얻을 수 있다. 이상적으로 증발 물 상실량에 대한 증산 물 상실량의 비율은 가능하면 높아야 한다. 증발에 대한 더 높은 증산 비율은 식물을 통한 물의 이동이 더 많다는 걸 가리키고, 따라서 사용된 물의 단위당 식물의 바이오매스 생산 잠재력이 더 높다.지속가능한 물 관리는 증산 및 관련된 식물의 성장 및 발달 과정을 위해 더 많은 수분을 보유하도록 증발을 줄이는 데 가장 중점을 둔다. 

증발산의 관리

증산은 식물이 정상적으로 자라고 있는 경우에만 작은 통제를 받는 식물의 과정이기에, 식물이 자라는 방식을 관리함으로써 증발 상실량을 줄이는 데 초점을 맞추는 것이 가장 좋다. 

작물 선택과 농업생태계 설계

식물 종과 농사 시기의 선택은 증산과 증발산 효율 모두에 영향을 줄 수 있다. 옥수수나 수수 같은 물 수요가 덜 강한 작물을 선택하는 건, 증발산이 매우 높고 관개용수가 제한된 지역에서는 토양 수분을 관리하기 위한 좋은 전략의 하나이다. 또한 더 물 집약적인 작물의 재배를 수분 상실 잠재력이 더 낮은 좀 더 시원한 시기로 전환하는것이 유용할 수도 있다. 

더 많은 식생의 덮개는 증발을 극적으로 감소시킬 수 있다. 더 많은 덮개를 얻는 한 가지 방법은 사이짓기 기술을활용하는 것이다. 예를 들어 숲 플랜테이션은 토양 표면에 그늘을 드리우는 반면, 나무가 넓게 떨어져 있는 사과 과수원은 토양 표면이 노출되어 훨씬 더 증발이 일어난다. 하지만 식물 덮개의 증가(더 높은 잎면적 지수)는 더 낮은 증발율이 훨씬 높은 증산률로 상쇄될 수 있어 토양의 수분 저장량이 더 빠르게 소모되기에, 더 건조한 지방에서는 골칫거리가 될 수도 있다.

휴경

미국의 대평원과 호주 남동부의 밀 지대 같은 수분이 제한된 세계의 일부에서, 농민은 토양 수분을 보존하기 위하여 때때로 1년의 농사와 이듬해의 휴경을 번갈아 한다. 휴경하는 동안 작물로 인한 증산 상실을 제거해 농사짓는 해를 위해 토양 수분을 저장하게 된다. 이전 작물에서 나온 밑동은 보통 증발 상실을 제한하고자 휴경하는 동안 토양 표면에 남겨 놓으며, 어떤 종류의 토양 경운이나 제초제 처리가 잡초의 증산 상실을 최소화하고자 휴경하는 동안 사용된다. 그렇지 않으면 목초를 농사짓는 해가 끝날 무렵에 뿌리고, 휴경하는 동안에는 방목되는 덮개로 남겨 놓는다. 휴경하는 해의 적은 강우량이 농사짓는 해의 작물 수확량을 더 낮출 수 있지만, 휴경을 1년 한뒤에 심는 작물은 일반적으로 휴경 없이 심은 것보다 수확량이 더 많다. 사실, 재충전에 충분한 강우량이 휴경하는 동안 내리기만 하면, 농사짓는 해가 가뭄이 든 해가 되어도 흉작의 위험이 훨씬 덜하다(그림9.10).

그림9.10 호주의 밀 농장에서 양을 방목하는 휴경지. 양은 수분을 사용하는 풀을 방제하고, 휴경하는 동안 환금작물로 쓰인다. 휴경하는 동안 얻은 토양 수분은 이듬해 농사짓는 해의 강우량과 결합되어 성공적으로 밀을 수확하게 한다. 비정상적으로 많은 비가 올 때를 제외하고 휴경 없이 밀을 해마다 연이어 생산할 수는 없다. (사진 제공 David Dumaresq)

지표면의 증발 관리

토양 표면에서의 직접적인 증발은 보통 강수로 얻은 수분의 절반 이상을 대기로 되돌려준다. 이러한 증발 상실의정도는 건조한 지방 만이 아니라, 관개가 되는 건조지와 하늘바라기 습한 지방에서도 발생한다. 기타 요소들에 따라, 식물 성장은 지표면 증발을 통한 수분 상실의 결과로 어려움을 겪을 수도 있다. 토양을 덮는 모든 농법이 증발 상실의 감소를 도울 것이다.

유기물 덮개

증발을 감소시키기 위하여(그리고 잡초의 성장과 그 증산 상실을 줄이기 위하여) 덮개로 토양의 표면을 덮는 데 다양한 식물성 및 동물성 재료를 사용할 수 있다. 보통 활용되는 재료는 톱밥, 낙엽, 짚, 퇴비화된 농업 폐기물, 똥거름, 작물 잔여물이 포함된다. 덮개는 수분 상실에 대한 매우 효과적인 장벽을 제공하고, 집약적인 텃밭과 소농 체계 또는 딸기, 블랙베리 및 기타 과수 작물 같은 고부가가치 작물에 특별히 적용하게 된다. 덮개는 작부체계가 경운을 드물게 하거나 주로 손 제초에 의존할 때 가장 잘 작용한다. 

덮개 덮기는 토양수 관리를 위해 실행할 만한 선택지를 제공하지만, 그와 함께 여러 다른 이로운 효과도 있다. 토양을 침식으로부터 보호하고, 토양으로 유기물과 양분을 되돌리며, 표면 반사율(알베도)을 변경하고, 가스 확산을 위한 경계층을 증가시키며, 들어온 강우량이 더 잘 침투되도록 한다. 이 모든 요소가 상호작용한다(그림9.11,9.12).

그림9.11 멕시코 타바스코에서 고추의 열 사이에 덮은 부레옥잠 덮개.

그림9.12 캘리포니아 아로마 근처에서 딸기 두둑 위에 덮은 레드우드 껍질.

인공물 덮개

특수하게 제조된 다양한 종이와 플라스틱이 현재 덮개로 활용되고 있다. 이런 재료는 쉽게 펼쳐지고 토양 표면에단단히 고정될 수 있다. 이들 "덮개"는 파종 두둑 위에 직접 펼치고, 째거나 구멍에 작물을 심을 수 있다. 수분 상실이 크게 감소하고 작물 수확량이 매우 증가한다. 어떤 플라스틱은 집중적인 온실효과도 제공하여, 토양 온도를몇 도나 올린다. 이는 캘리포니아 연안의 딸기처럼 연중 더 서늘한 시기에 심는 작물에 매우 중요한 혜택이다(그림9.13).

그림9.13 캘리포니아 연안에 있는 딸기 두둑의 비닐 덮개. 비닐은 작은 딸기 모종을 옮겨심은 뒤에 적용되고, 비닐을 째서 식물이 그를 통해 성장하게 한다.

작물 잔여물과 경운의 감소

토양의 표면에 농사철에 나온 잔여물을 많이 남겨 놓으면 증발을 더 낮추는 방호벽이 만들어진다. 잔여물 덮개는토양 표면에서 경계층을 보호하고, 지표면으로 향하는 물의 모세관 흐름에 대한 장벽을 제공한다. 덮개 장벽으로생성되는 더 낮은 온도는 아마 증발을 감소시키는 데에도 도움이 될 것이다. 

경운 감소와 무경운 기술은 덮개로 작물 잔여물을 활용하는 것과 결합되곤 한다. 대부분의 경운 감소 체계가 지향하는 주요한 목표는 표면에서의 증발 상실을 감소시키기 위하여 더 큰 토양 덮개를 발달시키는 일이다. 무경운체계에서, 종자는 풀밭이나 이전 작물의 잔여물 아래에 쟁기질이나 로터리 없이 직접 심어져, 식물성 재료가 증발 상실의 장벽으로 남아 있게 한다. 밑동 덮개 덮기는 충분한 토양 덮개를 제공하기 위해 이전 작물이 많은 바이오매스를 생산하는 아습윤과 반건조 지역에서 일반적 농법이다. 잔여물은 썰거나 베어져 표면 위로 골고루 뿌린 다음, 덮개를 관통할 수 있는 특별한 경운기를 뒷그루 작물을 심는 데 사용한다. 토양 수분에 긍정적 영향을 미침에도 불구하고, 경운 감소 체계는 결점이 잠재되어 있다. 여기에는 잡초 관리를 위한 제초제에 대한 의존도 증가, 작물 잔여물로 인한 토양 병원균의 증강 및 더 복잡하고 값비싼 농기계의 필요성이 포함된다.

토양 덮개

토양 표면에 있는 건조한 토양층을 경운하여 만들어지는 먼지 덮개라고도 불리는 천연의 토양 덮개는 우기와 건기 사이에 뚜렷한 구분이 있는 지방에서 수분을 보존할 수 있다. 이 건조층은 지표면으로 향하는 물의 모세관 흐름을 부수고, 그것을 만드는 과정은 건조층 아래의 수분을 이용하고 증산 상실을 증가시킬 수 있는 잡초를 제거한다. 그러나 이들 혜택은 경운 비용의 증가, 비바람에 의한 토양침식 위협 증가, 건조층에서의 유기물 상실 같은 잠재적인 부정적 영향을 비교하고 검토해야 한다.

앞으로의 연구

지속가능성이 주요한 목표인 경우, 토양에 있는 수분을 관리해서 작물이 최상의 성장과 발달을 유지하는 데 필요한 최적의 상태에 가깝게 최대한 유지한다. 이는 물이 과다하면 단순히 그를 제거하고, 또 물이 부족하면 추가하는 것 이상을 의미한다. 지속가능성은 토양에서와 식물-토양의 접점에서 물이 어떻게 기능하는지에 대한 심층적 이해가 필요하다. 물을 흡수하는 것과 식물 바이오매스로 그것이 전환되는 효율은 농업생태계의 지속가능성에 대한 하나의 지표가 될 수 있다. 물 관리 전략의 개발과 실험이 더욱 필요한데, 특히 물이 들어와서 농장을 통하여 지나간 뒤 결국 돌아오는 주변 환경과 연결하는 더 큰 순환과 패턴의 맥락에서 물을 바라보는 전략이 필요하다. 

생각거리

1. 강우량이 부족한 지역에서, 작물 생산에 필요한 토양 수분의 부족은 두 가지 방식으로 처리될 수 있다. (1) 낮은 수준의 수분에 적응한 작물이나 작물을 개발하는 일, 또는 (2) 물 부족을 극복하기 위해 관개를 도입하는 일. 각각의 방법이 지닌 장점과 단점은 무엇인가?

2. 농민들이 관개를 사용하는 일의 후속효과에 대해 자각해야 하는 이유는 무엇인가?

3. 토양에 수분 스트레스를 유발할 만큼 오랜 기간 강우가 없는 기간이나, 토양 생태계에서 혐기 생활이란 제한 조건이 생성될 만큼 오래 침수되는 기간은 작물 손실을 일으킬 수도 있지만 해충의 개체군과 질병을 통제하는 데에 도움이 된다. 이런 자연의 사건이 특정 토양 체계에서 제거되면, 어떠한 해충 및 질병 관리 전략을 그 대안으로 활용할 수 있는가?

4. 도시 지방과 농생태계 사이의 물에 대한 경쟁은 어떻게 자연 생태계에 영향을 미치고 있는가? 어떻게 세 곳 모두의 물 수요에 균형을 이룰 수 있는가? 어떻게 기후변화가 당신의 지역에서 물의 사용에 영향을 미치는가? 

인터넷 자료

AQUASTAT

http://www.fao.org/nr/aquastat

AQUASTAT is the global water information system of the United Nations’ Food and Agriculture Organization (FAO).

Global Water Policy Project 

http://www.globalwaterpolicy.org

International Water Management Institute 

http://www.iwmi.cgiar.org

The Nature Conservancy Rivers and Lakes Initiative 

http://www.nature.org/ourinitiatives/habitats/riverslakes/threat simpacts/rivers-and-lakes-promoting-sustainable-agricul tural-practices.xml

The TNC’s site for programs linking the protection of lakes and rivers with the maintenance of agricultural productivity and sustainability.

읽을거리

Ali, H. 2010. Fundamentals of Irrigation and on-Farm Water Management. Springer: New York. 

A thorough technical approach for understanding irrigation systems, plant–soil water relationships, and agricultural water management. 

Brady, N. C. and R. R. Weil. 2007. The Nature and Properties of Soils, 14th edn. Prentice Hall: Upper Saddle River, NJ. 

The most recent edition of this comprehensive soils textbook, with an extensive section on how water functions in the soil ecosystem. 

Ehlers, W. and M. Goss. 2003. Water Dynamics in Plant Production. CABI: Cambridge, MA. 

Explains the basic principles of water transport, taking into account soil–plant–atmosphere interactions, and their use in soil and agricultural management. 

Essington, M. E. 2003. Soil and Water Chemistry: An Integrative Approach. CRC Press: Boca Raton, FL. 

This book balances agricultural and environmental perspectives in its analysis of the chemical properties and processes that affect organic and inorganic substances in soil and soil water. 

Kirkham, M. B. 2004. Principles of Soil and Plant Water Relations. Academic Press: London, U.K. 

Explores the methods used to measure the status of water in soil and plants, including details on instruments and basic sampling methods. 

Lal, R. and M. K. Shuk (eds.). 2004. Principles of Soil Physics. Taylor & Francis Group: New York. 

This book analyzes the impact of the physical and hydrological properties and processes of soil on agricultural production, the environment, and sustainable use of natural resources. 

Postel, S. 2008. The missing piece: A water ethic. The American Prospect, Special Report: The Global Freshwater Crisis, June 2008. 

An in-depth look into the issues and challenges facing the United States as it tries to establish a sustainable water management policy. 

Singer, M. J. and D. J. Munns. 2006. Soils: An Introduction, 6th edn. Prentice-Hall: Upper Saddle River, NJ. 

A very useful introductory text on soils, with a very good treatment of the management of the soil–water interface. 

Sparks, D. L. 2011. Environmental Soil Chemistry, 3rd edn. Academic Press: San Diego, CA. 

This book illustrates fundamental principles of soil chemistry, and the interactions of soil with other important environmental factors and materials.

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. 

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. 

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. 

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.

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.

유기농업이나 친환경농업, 자연농업 등에 관심이 있는 사람이라면 한번쯤 "토양 생물이 중요하다"는 이야기를 들어보았을 것이다.

그런데 그들이 어떤 역할을 하는 것인지 머리로는 알아도 눈으로 직접 보는 것보다는 못하리라. 그래서 백문이 불여일견이라는 말도 있는 것 아니겠는가? 인간은 시각적 자료와 효과에 가장 민감한 법이다.

어디 한번 토양 생물이 어떤 일을 하는지 직접 보자.

한쪽은 토양 생물이 없는 대조군이고, 다른 한쪽은 토양 생물이 활동하는 장이다.

보름에 걸쳐 어떠한 일이 발생하는지 비교해 보자.

그리고 논밭에서 이런 생물들이 잘 살 수 있는 환경을 조성해주는 게 왜 중요한지 이야기해 보자.

Bioturbation with and without soil fauna from Wim van Egmond on Vimeo.

토양은 대기와 모든 식물을 합친 것보다 더 많은 탄소를 보유하고 있다. 그런데 누가 더 많은 농민이 탄소를 염두에 두고 농사를 짓게 할지 설득할 것인가?

우리는 경고하지 않았다고 할 수 없다. 몇 년 동안 과학자들은 인류 문명이 지구의 연평균 기온을 섭씨2도 이상 올라가지 않도록 해야 한다고 주장했다. 기후변화에 대한 정부간 패널에 의하면, 우리가 그 임계점을 지나면 지구에서의 삶은 훨씬 재미가 없을 것이다. 가뭄, 홍수, 강력한 태풍, 식량 부족, 광범위한 멸종을 생각해 보라. 

현재 숲이 불타고 델라웨어Delaware 크기의 빙산이 남극 대륙에서 떨어져 나가고 있으며, 과학자들은 더 무서운 소식을 전한다: 이번 세기 말까지 2도가 오를 것이다. 탄소 배출을 크게 줄일 수 있더라도 너무 늦었다고 큰 경고가 있었다. 우리가 초과된 온실가스를 대기에서 빨아들일 수 있는 방법을 찾으면 아직 최악의 재앙을 피할 수는 있다. 

이를 수행할 가장 좋은 방법은 무엇인가? 여전히 논쟁의 여기는 있다. 예를 들어, 빌 게이츠가 후원하는 스타트업은 대기에 배출되는 이산화탄소를 지하에 매장하거나 연료로 사용할 수 있는 탄소 팰릿으로 만드는 공장 같은 시설을 실험하고 있다. 그러나 오랜 시간 존경을 받은 저차원 기술의 해결책이 더 실용적일 수 있다. 그건 "탄소 농법"이라 불리는데, 문자 그대로 농장을 이용해 식량을 재배할 뿐만 아니라 토양에 탄소를 안전하게 격리시킨다.  

어떤 면에서, 농민들은 생각치도 못한 기후의 영웅이 된다. 농업은 그 산업이 산림 벌채를 가속화하고, 화석연료로 운영되는 농기계에 크게 의존하며, 수십 억에 이르는 가축이 배출하는 메탄가스 때문에  기후변화의 주범이다. 그러나 농장은 적절히 관리되면 강력한 탄소 흡수원이 될 수 있다.

생물 시간을 다시 떠올려보자. 식물은 광합성을 통해 대기 중의 이산화탄소를 흡수하고 그 대신 산소를 배출한다. 작물이 자라면서 탄소는 땅 위와 속에서 식물의 조직을 만드는 데 사용된다. 줄기와 잎부터 씨앗과 뿌리, 그리고 뿌리털과 뿌리의 삼출물까지 말이다. 더 많은 나무를 심어서 더 많은 탄소를 격리시키는 일은 기후변화에 대응하기 위한 전략으로 널리 알려져 있다. 그런데 땅속에서 일어나는 일이 중요하다. 토양에서 축적되고 서서히 분해되는 식물의 물질은 오랜 시간 동안 토양에 탄소를 저장하는 방법인 토양의 유기물 형성에 기여한다.  

탄소 격리

이를 고려하면, 탄소 농법은 오래된 발상에 대한 새로운 관점이라 할 수 있다. 텃밭 농부부터 대규모 관행농의 무경운 농민까지 지속가능한 농업을 지지하는 사람들은 수십 년 동안 토양 유기물의 중요성을 강조해 왔다. 유기물 함량이 높은 토양은 좋은 토양이 되곤 한다. 가뭄에 더 강하고, 침식이 일어나지 않으며, 유기한 토양생물을 보유하고, 일반적으로 적은 합성 투입재로 작물을 건강하게 재배하는 데 좋다. 그런데 토양 유기물은 약 58%가 탄소 이기도 하기에, 토양에 유기물을 만들고 보호하는 일은 완전히 새로운 차원에서 중요성을 인정받게 되었다. 

세계의 기후변화라는 관점에서 볼 때, 토양은 대기와 모든 식물을 합친 것보다 더 많은 탄소를 보유하고 있어, 지구의 탄소 순화에서 바다 다음으로 두 번째로 큰 주요 구획이다. 토양은 관리하기에 따라 반드시 기후 중립적이지만은 않다. 과도한 방목이나 지나친 경운 같은 관행을 통해 대기로 추가의 탄소를 배출하거나, 혼농임업과 보존농업 같은 방법을 통해 대기의 탄소를 흡수할 수도 있다. 그러나 제대로 운영하면 농장은 기후변화에 대응하는 강력한 도구가 될 수도 있다. 

농경지 토양은 20-30년 동안 연간 3-8기가톤(10억 메트릭톤)의 탄소를 흡수할 수 있다고 "기술적 잠재력"을 추정하는데, 이는 배출량 감축으로 달성할 수 있는 것과 기후를 안정시키는 데 필요한 것 사이의 격차를 좁히기에 충분하다. 토양의 유기물을 증가시키는 것이 농사에 좋은 방법처럼 보이기만 한다면, 다시 말해 토양에 탄소를 구축하는 일이 이제 지구의 생존을 위한 열쇠처럼 보인다.   

그러나 과학적, 정치적, 경제적 이유 등으로 그를 달성하기란 복잡하다. 탄소 농법은 광범위한 개요에서는 단순한 발상 가운데 하나이지만, 상세히 들어가면 매우 복잡하다. Soil Solutions나 Kiss the Ground 같은 대중적 홍보가 전체의 논의를 잘 표현해 주고 있지만, 탄소 농법의 성공은 전 세계의 크고 작은 수억 개의 농장 차원에서 이루어진다. 농민들이 올바른 종류의 실천법을 시행하도록 장려하는, 그리고 그러한 실천법이 무엇인지 정확한 정보를 제공하는 일은 농장의 유형, 토양의 유형, 지역의 기후 조건 및 기타 여러 요인에 따라 구체적 윤곽이 달라지는 다각적 과제이며, 모든 것이 완벽하게 이해되는 것은 아니다. 

그럼에도 불구하고 문제의 촉박함과 잠재적 해결책의 중요성은 어떻게 하면 그 일을 실행시킬지에 관여하도록 농민은 말할 것도 없고, 과학자와 국회의원부터 기업의 임원과 투자자에 이르기까지 다양한 개개인을 집결시키고 있다. 

농업은 환경에서 탄소를 격리시키는 나무를 베어내는 산림 벌채를 가속화하고 있다.

탄소 농법에 대한 새로운 발상은 인간과 가축을 위한 식량과 섬유를 계속 생산하는 동시에, 토양의 탄소를 증가시키는 다양한 실천법을 포용한다. 그것은 기후변화 완화 농업(대기에서 탄소를 흡수하는 방법)과 적응 전략(농민들이 가뭄 같은 기후변화와 관련된 문제에 적응하는 걸 돕기 위한 방법)으로 기능할 수 있기 때문에, 기후에 똑똑한(climate-smart) 농업이라고도 불린다. 탄소 농법은 탄소를 격리시키는 방법으로 권장하는 게 많다. 여러 숲 조성 프로젝트와 달리, 탄소 농법은 농업 생산에서 토지를 제거하지 않는다. 대신 토양의 질을 향상시켜 실질적으로 수확량을 증가시킬 수 있다. 그리고 깊은 땅속의 탄소를 퍼올리는 첨단기술의 제안들과 달리, 탄소 농법은 유익하다고 알려진 곳으로 탄소를 되돌려 놓는 비교적 저렴하고 검증된 방법에 의거한다. 

탄소 농법에 대한 관심은 오래전부터 있었지만, 그 개념은 2015년 11월 파리에서 개최된 COP21 회의 이후 뚜렷하게 드러났다. 국제 기후변화 협상에 대한 가까운 관측통은 최근까지 농업은 토론에서 아예 제외되어 있었다고 지적한다. 일부는 과학의 지체 때문이고, 또 일부는 식량 공급을 관리하는 방법에 대해 강요를 받은 국가들이 있기 때문이다. 파리 협상에서 채택된 자발적 접근법 -각국이 유해한 온실가스를 줄이기 위한 자체적 제안을 제공하도록 함- 으로의 전환은 농업의 해결책을 앞당길 수 있게 했다. 또한 프랑스의 개최자들은 전 세계의 농경지 토양에 연간 0.4% 정도 탄소를 증가시키는 것이 지구의 기후변화를 막는 데 크게 기여할 것이라 제안하는  1000당 4(Four per Thousand)라는 캠페인을 시작해, 2015년 대화를 시작하는 데 도움을 주었다.

그런데 누가 더 많은 농민들이 탄소를 염두에 두고 농사짓도록 설득할 것인가? 최근 사례는 이렇다. 올해 마이크로 소프트는 알칸사스와 캘리포니아, 미시시피 주의 벼농사 농민 7명에게서 처음으로 생긴 탄소배출권을 구입하기로 합의했다. 몇 년 동안 Terra Global Capital, American Carbon Registry, 미국 농무부 Natural Resources Conservation Service (NRCS), 캘리포니아 벼 위원회, White River Irrigation District, Environmental Defense Fund 등을 포함해 여러 협력체의 참여를 통해 이루어졌다.

탄소배출권을 창출하기 위해, 농민들은 논에서 관개용수 관리와 관련된 일련의 실천을 시행하기로 합의했다. 일반적으로 관리되는 논은 이산화탄소보다 몇 배나 강한 온실가스인 메탄가스를 배출한다. 그들의 논에 단기간만 물을 대고 기타 조정을 함으로써, 재배자는 메탄가스의 배출량을 줄이는 동시에 관개용 펌프를 가동하는 연료의 소비를 줄이는 등 여러 절약법을 실현할 수 있다.  

이 프로젝트의 바탕에 있는 연구와 코디네이션은  NRCS와 주요 전력업체인 Entergy Corporation의 후원을 받았다. 중요한 첫 단계는 탄소배출에 대한 기준을 설정하는 비영리법인 American Carbon Registry와 북아메리카에서 가장 중요한 탄소시장을 창출한 캘리포니아 cap-and-trade 프로그램을 감독하는 캘리포니아 Air Resource Board가 승인한 감소-배출 벼 재배법을 인정받는 일이었다. 농업은 "무제한적인" 부문이지만, 북미 어느 곳의 농민이나 "검증된 온실가스 배출 감소 또는 제거 향상"(즉, 격리)을 생산하기 위한 승인된 프로토콜을 따르는 한 배출권을 생성하고 판매할 수 있다고 Air Resources Board 는 명기했다.

이 사례는 미국의 톤소 농법이란 새로 일어난 경관을 형성하는 몇 가지 주요한 역학을 보여준다. 첫 번째는 2013년부터 운영하고 있는 캘리포니아 탄소 시장의 중요성이다. 규제 시설(주로 에너지 공급업체 및 대규모 제조업체)은 어디서나 온실가스를 줄이거나 흡수하기 위한 약속인 이른바 탄소배출권으로 자신의 "준수 의무" 가운데 약 8%까지 충당할 수 있다. 2013년부터 2020년은 20억 달러에 상당하는 8%, 2억 메트릭톤 이상의 탄소배출권을 추가하려는 프로그램을 만든 캘리포니아 법률(2020년까지 캘리포니아의 온실가스 배출량을 1990년 수준으로 줄이겠다고 약속한 2006년의 지구온난화 해결 법안) 초기 기간이다. 지금까지 대부분의 탄소배출권은 임업 프로젝트나 오존층 고갈 물질의 포획과 파괴에 대한 프로젝트를 통해 창출되었는데, 가축과 농경지 프로젝트의 수가 점점 증가하기 시작했다. 

Environmental Defense Fund(EDF)는 탄소 시장과 탄소 농법을 더 잘 연결하기 위해 이 잠재성을 확장하고자 노력해 온 소수의 비영리단체 가운데 하나이다. 핵심 요소는 믿을 수 있는 자료의 가용성이다. EDF의 농업 온실가스 시장 책임자인 Robert Parkhurst 씨는 "온실가스 배출량을 줄이기 위한 농법을 계산할 수 있는 방정식이 필요하다. 사용하기 편해야 한다. 과학을 신뢰해야 한다... 고도의 정확성이 필요하다.  x, y를 하면 일어난다고 말할 수 있어야 한다."고 지적한다. 그리고 농민에게 가치를 돌려줄 수 있도록 가격을 정할 필요가 있다.  현재 탄소배출권은 톤당 약 10달러로 평가되는데, 대부분의 경우 농민의 비용만이 아니라 모니터링과 검증 비용도 포함되지 않을 것이다. EDF 같은 단체는 정량화 체계를 개발하여, 궁극적으로 탄소 농법을 위한 탄소 시장이 스스로 기능할 수 있도록 도움을 주는 것이 자신의 역할이라 본다.  

"농업에서의 일들은 반드시 그렇게 빠른 속도로 움직이는 게 아니다"라고 Parkhurst 씨는 지적한다. "산업에서는 1년에 여러 번 생산라인을 바꿀 수 있다. 하지만 농민은 1년에 한 번만 할 수 있다. 우리는 더 많이, 그리고 빨리 할 수 있도록 시장 신호를 제공하고자 노력하고 있다." 

벼농사의 사례는 "탄소 농법"의 아이디어가 토양의 탄소 격리만이 아니라 다른 두 가지 주요 온실가스인 메탄과 이산화질소의 감소와도 관련될 수 있다는 사실을 강조한다. 역설적이게도, 토양의 탄소 격리를 문서화하고 검증하는 게 메탄이나 아산화질소의 배출량을 줄이는 일보다 훨씬 어렵다. 벼농사 프로토콜은 메탄 배출의 감소를 포함한다. 농업에서 메탄의 배출을 줄이고자 잘 정립한 또 다른 접근법은 낙농장에서 저장된 분뇨에서 탈출하는 메탈을 포획하고 이용하기 위해 분뇨 저장시설에 뚜껑을 설치해 에너지 생산에 활용하는 것이다. (뉴욕주는 2015년 Climate Resilient Farming Program을 세워 여러 시설에 자금을 지원하고 있다.)  EDF도 최근 옥수수 농민이 질소비료를 유의해서 사용하도록 해 질소산화물 배출을 감소시킴에 따라 탄소배출권을 창출할 자격을 얻도록 하는 시범 프로젝트를 발표했다. 트랙터에 탑재해 자료 수집 체계에 연결할 수 있는 비료 장치가 있기에, 이 요소 가운데 일부는 이미 존재한다. 

Parkhurst 씨는 토양에 탄소를 저장하는 걸 예측하고 문서화하는 게 더 어렵다고 지적한다. 지금까지 사용된 주요 메커니즘은 농민이나 목축업자가 상당량의 탄소를 저장하는 초원을 영구적으로 보호하는 일에 보상을 주는 협약인 "회피 보존(avoided conversion)"이다. 이 유형의 협약은 최근 대기로 방출되는 것으로 추정되는 약 5만5천 톤의 탄소배출을 확보한다며 Climate Trust Capital과 오레건 동부의 목장 사이에서 발표되었다. 캘리포니아주 마린 카운티의 Marin Carbon 프로젝트는 탄소 저장 용량을 높이려는 목적으로, 캘리포니아 북부의 방목장에 퇴비를 적용시키는 프로토콜을 제안하며 또 다른 접근법을 추구해 왔다. 그러나 현재로선 이러한 실천에 대한 비용이 잠재적 탄소배출권으로 충당되지는 않는다. 방목지의 과학자들은 초원 토양의 탄소 격리 가능성이 강우량과 토양의 유형에 따라 크게 달라질 수 있다고도 경고한다. 

미국에서 새로이 떠오르는 탄소 농법 경관의 세 번째 주요 특징은 NRCS가 수행하는 중요한 역할이다. NRCS는 농민들이 온실가스 배출량을 계산하고 잠재적 개선 효과를 얻을 수 있도록 돕기 위해 설계된 이른바 COMET-Farm이란 무료 온라인 도구를 만드는 외에도, "보존 재정"을 Conservation Innovation Grants 프로그램 안의 우선순위로 지정했다.  American Farmland Trust와 Nature Conservancy는 물론 EDF를 포함하는 수령자들은 환경 이니셔티브와 탄소 농법에 대한 민간의 투자를 촉진하기 위해 다양한 전략을 추구해 왔다. 이런 사업의 일부는 계량 측정법의 개발을 포함하며, 그 일부는 환경 문제에 대한 새로운 접근법을 파악하고자 여러 단체를 모으는 것이다. 

논은 이산화탄소보다 몇 배나 강력한 온실가스인 메탄을 배출한다. 

그러나 탄소 농법의 지지자들은 탄소 시장이 토양에 탄소 저장을 구축하는 여러 길 가운데 하나 -토양에 탄소를 격리하는 건 지구의 기후변화를 해결하기 위한 필수 전략 가운데 일부일 뿐이다. 현재 탄소 농법의 주요 과제가 토양에 추가된 탄소의 양을 정확히 정량화하는 능력과 관계된다면, 토양의 탄소가 증가함으로 인한 혜택은 명백하다- 일 뿐이고, 경우에 따라서 충분한 인센티브를 제공할 수 있다는 데 동의한다. 

"서로 이득이 되는 큰 기회가 있다"고 COMET-Farm tool과 기타 기후변화 이니셔티브에 참여한 NRCS의 대기과학자 Adam Chambers 씨는 말한다. "토양의 탄소 격리를 개선하면 보수력이 향상되어 가뭄에 대한 저항력이 높아진다. 이것이 바로 캘리포니아의 관심사이다." 탄소 농법에 대한 캘리포니아의 지원은 cap-and trade 프로그램만이 아니라 토양의 탄소 저장과 농업의 온실가스 배출 감소를 줄이기 위해 첫해에 750만 달러가 할당된 새로운 건강한 토양 이니셔티브에서도 나타난다. 다른 주들도 이러한 방향으로 가고 있다. 예를 들어 메릴랜드는 최근  토양의 건강, 탄소 격리 및 2030년까지 온실가스를 4% 감축하기 위한 국가의 약속(2016년 법안에 서명)을 충족시키고자 농업부에서 새로운 건강한 토양 프로그램을 수립하도록 하는 법안을 통과시켰다.

게다가 탄소 농법에 대한 지원은 기업 부문에서도 구체화되고 있다. 월마트는 최근 2030년까지 자사의 유통망에서 온실가스 배출량을 10억 메트릭톤까지 줄인다는 이른바 프로젝트 기가톤을 발표했다. 이러한 감축량 가운데 일부는 농장의 차원으로 돌아갈 것으로 예상된다. Ben&Jerry's는 2015년 회사 전체의 온실가스 감사를 의뢰했다. 그 결과, 아이스크림 파인트당 2파운드의 이산화탄소를 배출하는 것으로 나타났다 -그중 41%는 우유와 크림을 생산하면서. 이 기업은 자신의 탄소 발자국을 개선하기 위한 기금을 마련하고자, 10달러/메트릭톤의 탄소 "세금"을 부과했다. 또한 여러 요소와 함께 온실가스 배출 모니터링을 포함해 생산자들을 위한 품질-인센티브 프로그램을 제공했다. 

이렇게 서로 이질적인 노력들을 결합시킨 건 농업이 엄청난 잠재력을 지니고 있으면서 독특한 과제이기도 한, 기후변화 논의의 새로운 영역을 대표한다는 뜻이다. "한 부문으로서, 농업은 탄소 경제의 다른 부분과 매우 다르다."고 Carbon Cycle Institute의 이사이자 Marin Carbon 프로젝트의 대변인인 Torri Estrade 씨는 말한다. 지금까지 한 가지 차이점은 친환경 에너지나 운송 부문이 누리는 보조금 및 인센티브 지급 수준 등과 같은 걸 제대로 받지 못했다는 것이다. 또 다른 차이점은 서로 다른 접근법이 필요한 생물학적 체계만이 아니라 기술적 체계와 프로세스에 의존한다는 것이다. 

<탄소 농법 해결책(Carbon Farming Solution)>(Chealsea Green, 2016)의 저자이자 Project Drawdown의 연구원인 Eric Toensmeier 씨는 고위급 국제 회의부터 보전 재정에 대한 관심, 바이오플라스틱을 위한 재생원료의 조달까지 자신의 책이 출간된 이후 새로운 분야의 발전에 감명을 받았다고 한다. 트럼프 대통령이 파리 협약에서 미국은 철수하겠다고 발표하며 코끼리를 냉장고에 넣는 일은 이미 긴급한 상황에 놓여 있다. "농민 없이 그곳에 이를 수 없다"고 Toensmeier 씨는 말한다. "5년 전엔 아니었지만, 모든 중요한 사람들이 서로 대화를 시작했다. 매우 흥미롭지만, 이를 바로잡기 위해선 10-15년밖에 남지 않았다."

https://newfoodeconomy.org/how-carbon-farming-could-halt-climate-change/

강원도는 어쩔 것이냐.

지나친 경작, 비료와 농약의 남용, 그리고 토양의 유기물 부족 등으로 강원도 농경지의 흙은 완전히 망가진 상태이다. 

그런데 기후변화의 영향으로 예기치 않은 시기에 많은 비가 쏟아지니 그 비탈밭의 흙이 견디지 못하고 심한 침식이 발생했다고 한다.

이거 이러다 또 감자 수입해다 풀겠구만.

http://m.news.naver.com/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=102&oid=214&aid=0000839636

"퇴비 만들기"라는 말을 여러 곳에서 보았을 겁니다. 그런데 퇴비는 어떻게 만들어지는 걸까요?

여전히 의문이 가득할 수 있습니다. 퇴비는 무엇인가? 퇴비를 뒤집어야 하는가? 모든 재료를 섞으면 되는가? 퇴비가 좋은지 어떤지 어떻게 알 수 있는가? 이제 써도 되는지는 어떻게 아는가? 정말로 퇴비가 만들어진 것인가?

생명역동농법의 선구자인 Ehrenfried Pfeiffer 씨는 이런 이야기를 했습니다. "모든 것을 위한 퇴비가 하나만 있는것도 아니고, 모든 유기물이나 폐기물이 (퇴비더미에 넣은 순간부터 발효와 부패의 모든 단계에 이르기까지) 퇴비로 정의되는 것도 아니다."

그는 20세기에 가장 중요하고 영향력 있는 토양학자 가운데 한 명이다. 그의 연구 주제는 퇴비를 단순히 화학적으로 분석하는 것이 아니라 퇴비나 토양의 생물학적 품질을 어떻게 평가할지에 관한 것이었다. 그는 동료들과 함께 토양과 퇴비를 분석하는 새로운 방법을 개발하고자 노력했다.

색상, 형태, 무늬

색층분석법(Chromatography)은 러시아의 식물학자 미하일 츠베트Mikhail Tsvet가 처음 개발했다. 현재는 다양하게 변형된 방법으로 유체 혼합물에서 여러 성분을 분리할 수 있다. 예를 들어, 특수한 종이에 혼합물을 떨어뜨리면 모세관 현상으로 구성 요소가 서로 다른 속도로 종이에 흡수되어 독특한 무늬를 형성하는 걸 볼 수 있다.

1950년대 파이퍼 씨는 토양이나 퇴비의 부식질 품질을 평가하고자 종이 색층분석법을 활용하는 새로운 방법을 개발했다. 파이퍼의 Round Filter Chromatography라고 알려진 이 방법은 질산은으로 처리된 여과지를 사용한다. 토양이나 퇴비 같은 유기물을 종이에 떨어뜨리기 전 수산화나트륨 용액에 섞는다. 그런 다음 혼합물을 페트리 접시에 붓고, 종이 한가운데에 끼워넣은 심지를 통해 그를 끌어당긴다.

사진1과 사진2를 보라. 각각은 퇴비 샘플의 색층분석이다. 

처음 본 순간, 수치가 없으면 각 퇴비의 가치와 품질을 평가할 수 없을 수도 있다. 이 사진에는 유기물과 질소, 칼륨이나 기타 요소의 양을 나타내는 수치나 백분율이 없다. 그렇다면 궁금해질 것이다. 이러한 특정한 색상, 형태, 무늬의 배열이 어떻게 유기물이 분해되고 변형되었는지를 알려주는 것인가?

사진 1                                                                                                사진 2

형태와 색상의 미묘한 차이에 주의하면서 각각의 색층분석을 자세히 관찰하세요. 각 그림에서 얼마나 많은 부분(zones)을 볼 수 있습니까? 각 부분 사이에는 관계가 있습니까? 사진 중 하나에서 움직임이나 정체된 걸 볼 수 있습니까? 어느 색층분석이 더 통합적이고 전체적으로 보입니까? 가장 건강하고 좋은 퇴비는 어느 쪽 같습니까?

아마 대부분 2번을 선택했을 겁니다. 광범위한 평가를 토대로 할 때, 2번이 실제로도 최고 품질의 퇴비라고 합니다. 하지만 이러한 개별 평가와 색층분석법의 질적 특성 사이의 관계를 설명하기란 쉽지 않습니다. 어떤 이는 그저 '미적'이라고 할 수도 있습니다.

그러나 이런 질적 특성 -형태, 색상, 무늬- 은 토양이나 퇴비 샘플의 객관적 측면과 관련이 있습니다. 종이의 모세관 현상에 의해 양분과 유기물, 부식질 등이 어떻게 분리되는지에 대한 다양한 연구가 이루어졌습니다. 색층분석을 '읽을' 때 반드시 이러한 세부사항에 주의해야 합니다. 이는 색층분석법이 주는 인상의 '더 추상적이고 건조한' 분석에 의해 전달된 정보와 질적 판단이 어떻게 결합하고 추가되는지 주목할 때 더 흥미로워집니다. 그러나 가장 신뢰할 수 있고 포괄적이라면 이러한 판단은 자연스럽게 이루어지지 않습니다. 그것은 여러 경험과 관심에서부터, 농장의 전체적 맥락과 그곳의 문화적 실천에 의해서만 이루어집니다. 그리고 물론 토양과 퇴비를 직접 관찰하는것이 필수입니다.

그런 뒤에야 색층분석법이 농장이나 텃밭의 건강과 비옥도를 분석하는 유용한 도구가 될 수 있다고 생각합니다.

색층분석법 읽기

이 두 색층분석 샘플을 어떻게 질적으로 읽을 수 있는지 자문하고, 우리가 내린 결론의 객관적 의미에 대한 판단을 유보하자. 

두 색층분석 사이에는 분명 충분한 시각적 차이가 존재합니다. 왼쪽 사진에서는 어둡고 칙칙한 바깥쪽의 고리를 볼수 있죠. 그 내부는 더 두껍고 불규칙하며 갈색이고, 조화롭지 않은 고리가 눈에 띕니다. 보라색 원이 대부분을 차지한 사진에서는 한가운데 작은 원이 있습니다. 갈색 고리에서 바깥쪽의 잿빛으로 분출되는 돌출부를 제외하고는 서로 다른 부분 사이의 상호작용이 거의 없습니다. 어떤 부분도 다른 부분과 '관련이 없습니다.' 사진은 전체적으로 정체된 느낌이 듭니다. 

두번째 사진은 마치 눈의 홍채처럼 보입니다. 전체적으로 원심분리기를 돌린 듯이 여과지의 가장자리로 방사되는 움직임이 눈에 띕니다. 다른 모든 걸 감싸고 있는 어두운 고리 대신, 열려 있고 밝은 흐린노란색의 외부 원을 볼 수 있습니다. 창 모양의 형태가 외부층을 관통하며, 각 창의 끝에는 갈색 반점이 있습니다. 안쪽의 주요한 원에는 보라색 대신 갈색빛이 나고 깃털 모양의 방사선이 채워져 있습니다. 사진1과 달리 각 부분은 조화로우며, 다른 부분과 관련이 있고, 서로 침투한다. 이 사진은 움직임, 발달, 조화의 느낌을 줍니다.

사진1은 혐기성의 활기가 없는 저품질 퇴비를 나타내는 반면, 사진2는 좋은 부식질 퇴비에서 추출한 샘플입니다.이 색층분석표를 여러 사람에게 보여주었는데, 놀랍게도 대부분 두번째 사진이 더 좋은 퇴비라고 판단하는 걸 확인할 수 있었습니다. 

이사의 편지

로데일 연구소는 J.I. Rodale 씨가 1947년 칠판에 우리의 좌우명을 처음 적은 이후 농업을 통해 세계를 더 나은 곳으로 만들기위해 전념해 왔다. 건강한 토양 = 건강한 먹을거리 = 건강한 사람이 우리의 모든 사업을 추동한다.그것이 우리가 모든 노력을 시험하는 시금석이다. 

그래도 J.I. 씨는 건강한 토양이 건강한 먹을거리를 기르기 위한 토대라는 사실을 이해했다. 우리는 오늘 J.I. Rodale 씨의 신념과 Robert Rodale 씨의 수고로 펜실베니아 주 커츠타운Kutztown 외곽에 333에이커 규모의 농장에뿌리를 내리고 계속하고 있다. 

로데일 연구소에서 수행한 연구와 홍보활동은 건강한 토양을 기반으로 하는 농업 체계를 창안하기 위함이다. 60년이 넘는 기간에 걸쳐, 우리는 유기농업을 연구하고 세계의 농부와 과학자들과 의견을 나누면서 재배자를 지원하는 정책을 지지하고 있다.  

지난 수십 년 동안 가장 보람찬 발전 가운데 하나는 유기농 농민을 위한 모범사례를 시험하고 개발하면서 모든 농민들이 채택할 수 있는 기술과 방법을 찾았다는 점이다. 

이 특별 프로젝트를 통해 우리는 유기농업 체계에서 경운과 검은비닐의 사용만이 아니라, 무경운 관행농업 체계에서 제초제의 사용과 관련된 토양의 건강 문제를 해결할 수 있다는 걸 발견했다. 목표는 경운과 검은비닐의 대안으로 유기농 농민들이 무경운의 혜택에 접근할 수 있는지와 모든 농민들이 풀을 관리하고 좋은 덮개작물을 죽이기 위하여 검은비닐과 제초제 이외의 도구를 제공할 수 있는지의 여부를 결정하는 것이었다. 

모든 농민들이 그들의 토양을 보호하고 보존하며 시간과 돈을 절약할 수 있는 새로운 방법을 모색함으로써, 기존의 체계 안에서 창의적으로 가능성을 탐구하는 공동 연구가 필요하다. 관행농업과 유기농업 공동체 사이에 지식을 공유하는 일을 더욱 증진시키고, 그 결과를 연구하는 일은 예상보다 더 강하고 탄력적인 농업을 창출하는 데 필수적이다.  

최고의 과학적 연구와 교육을 통하여 우리는 더 지속가능한 먹을거리 체계를 향한 모든 농민의 여정을 지원할 수 있기를 바란다. 

Coach Mark Smallwood

머리말

1988년부터, Northeast SARE는 농사에 대한 지속가능한 접근법을 발전시키고자 교육과 응용연구를 목적으로 보조금을 제공해 왔다. 그 25년은 많은 학습과 많은 성공만이 아니라 도전도 가져왔다. 변화는 위험할 수 있기에 혁신이 늘 쉬운 건 아니다. — 잘 알려진 사례와 결점, 모든 것이 광범위한 지원을 제공하는 경우가 많다. 덮개를 너무 빨리또는 너무 멀리 덮으면 참여하고자 하는 우리의 매우 많은 수혜자들이 멀어지게 할 수 있다.

배경

유기농 무경운과 롤러 크림퍼

로데일 연구소의  2010년 실험밭. 왼쪽 밭은 호밀/털갈퀴덩굴과 함께 검정비닐을 덮고, 오른쪽 밭은 호밀/털갈퀴덩굴을 베어서 덮었다. 

덮개작물 투입량

3년에 걸쳐 덮개작물 질소 투입량은 호밀만 파종한 처리법에서 가장 낮았다. 호밀에 털갈퀴덩굴을 추가하면 질소 투입량은 2배로 늘었다. 

이 도표는 아홉 가지 처리법 각각에서 덮개작물의 평균 질소 투입량이 어떠한지 보여준다. 여기의 수치는 2010년, 2011년, 2012년의 평균값이다. 

이 표는 2012년 6월부터 10월까지 세 가지 다른 종결 처리법에서 월간 최고와 최저 토양 온도를 요약한 것이다. 

미국에서 초기에 지역사회 지원 농업을 시작한 농장의 하나. 농민은 왼쪽부터 Smadar English, Mike Baki, Judy Vonhandorf 씨.

Genesis Farm의 실험밭: 굴린 호밀/털갈퀴덩굴 처리법이 왼쪽, 검정비닐이 오른쪽이다. 두 처리법 사이의 고랑은 Mike Baki 씨의 표준 풀 관리 체계의 일부인 짚으로 덮었다.
 

Douglas Randolph 씨가 농장에서 덮개작물로 호밀과 붉은토끼풀을 심고 있다. 
 

원문 

비닐을 벗기자.pdf