텃밭 토양 관리 - 11 (질소비료-2)

네이버 카페 '지성아빠의 나눔세상' 에서 제가 2021년부터 연재하던 글입니다. 

여기로 복사해서 옮겨옵니다. 

 

 

 

다수확 농사비법? 이런 것은 아닙니다.

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농사짓는데 이런 것까지 알아야 하나? 생각되지만

읽고나면 뭔가 도움이 된 듯한, 그런 이야기를 적어 보려고 합니다.

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내용이 이어지는 연재글입니다.

이전 게시글 확인 안하신 분들은 먼저 읽고 이 글을 읽으시는게 도움됩니다.

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▶ 공기중의 78%는 질소입니다.

산소가 대부분이라고 생각하셨던 분들도 계실테지만,

우리가 숨쉬는 공기의 대부분은 질소로 구성됩니다.

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질소는 질소 원자 두 개가 아주 단단하게 결합한 형태의 N2 분자로 존재합니다.

너무나 단단하게 붙어있는 바람에

수십억년의 진화과정을 거치면서도 대부분의 생명체는 질소를 이용하지 못합니다.

질소 원자는 다른 것들과 쉽게 붙어서 화합물을 이루지만

일단 두 개가 모여서 강한 삼중결합으로 분자상태가 되면

거의 반응하지 않는 안정된 기체가 됩니다.

 

 

반응하지 않기 때문에 대기의 대부분은 질소로 이루어집니다. 어디에도 끼이지 못하고 그냥 남아있는거죠.

지구에 있는 산소의 양은 질소보다 훨씬 많지만 대기 중에는 얼마 없습니다.

산소는 반응성이 아주 크기 때문에 일찌감치 다른 물질과 결합하여 암석에 숨어 있습니다.

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우리도 숨을 쉬면서 질소를 들이마시지만

어느곳에도 사용하지 못하고 공기 속에 있는 산소만 이용할 뿐입니다.

산소는 반응성이 좋아서 곧 우리 몸의 피 속으로 들어가고 에너지를 만들지만, 질소는 아무 반응이 없습니다.

내쉬는 공기의 대부분도 질소가 차지합니다.

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과자 포장 내에 질소 충전을 하는 것도

산소 호흡을 하는 호기성 미생물을 차단하기 위한 이유도 있지만

질소는 내용물과 전혀 반응을 하지 않기 때문입니다.

그냥 공기를 넣으면 공기 중의 산소와 반응을 해버리거든요.

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< 질소 고정 >

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질소는 식물의 세포와 엽록소를 구성하고, 대부분의 화학반응에 관여합니다.

질소는 아미노산을 만드는 기본 원소이고 질소가 있어야 단백질도 만들어집니다.

뿌리에서 질소 성분을 흡수하지 못하면 식물은 죽습니다.

그렇다면

화학비료를 뿌리지 않는 곳의 식물들은 어떻게 질소를 얻을 수 있을까요?

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단단한 질소 분자의 결합을 끊어서 다른 화합물 상태로 만드는 몇 가지 힘이 존재합니다.

그런 과정을 질소 고정 이라고 부릅니다.

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다시 말씀드리면

단단하게 결합되어 안정된 상태로 있는 질소 분자를

반응성이 높은 질소 화합물(암모니아, 질산염, 이산화질소 등)로 변환하는 과정을 질소 고정이라고 부릅니다.

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N2 형태의 질소가 식물이 이용할 수 있는 암모늄이온(NH4+)이나 질소산화물(NOx) 의 형태로 바뀌는 과정입니다.

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1. 번개에 의한 질소 고정

번개가 칠 때는 그 주위의 온도가 순간적으로 태양의 표면 온도보다 몇 배로 높아집니다.

급격히 팽창하는 공기 때문에 큰 천둥소리가 나죠.

온도가 몇 만도로 높아지는 곳에 있는 질소 분자들은 그 열을 견디지 못하고 갈라집니다.

원자 상태로 갈라진 질소원자는 곧 근처에 있는 산소와 결합하여 질소산화물이 만들어집니다.

빗물에 섞인 질소산화물은 땅으로 떨어져서 식물이 흡수할 수 있는 양분이 될 수 있습니다.

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"천둥번개 많은 해는 풍년 든다" 라는 속담이 있죠. 정확합니다.

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2. 미생물에 의한 질소 고정

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일부 세균들은 질소를 고정할 수 있습니다.

긴 진화과정에서 얻은 놀라운 능력이죠.

이 미생물들에 의해 매년 엄청난 양의 질소가 땅 속으로 고정되고 식물이 이용할 수 있는 영양분이 됩니다.

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남조류나 자색세균 같은 광합성 세균 종류도 질소 고정이 가능하고

아조토박터나 바실러스 같은 세균도 질소 고정이 가능합니다.

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질소를 고정하는 세균들은 철(Fe)을 보조인자로 갖는 효소를 이용합니다.

철(Fe)은 공기중의 산소를 만나면 산화되어 버리니 제 역할을 못합니다.

산화된다는 뜻은 녹이 슬어버린다는 뜻입니다.

그래서 질소를 고정하는 세균들은 혐기 조건(산소가 없는 조건)을 만들기 위해서 많은 노력을 하게 됩니다.

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▶ 뿌리혹 박테리아 라고 들어보셨나요?

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질소 고정을 하는 세균 중 『뿌리혹 박테리아』 라는 이름을 가진 세균이 있습니다.

질소 고정 세균 중에서 제일 잘 알려진 이름일겁니다.

뿌리혹 박테리아는 콩과 식물의 뿌리에서 기생이 아닌 공생을 하는 세균입니다.

(세균과 박테리아는 같은 말입니다)

이름이 뿌리혹 박테리아 이지만 종류도 아주 많습니다.

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콩과 식물은 잘 아시죠?

콩이나 완두, 토끼풀, 칡, 자운영, 갈퀴나물, 헤어리베치, 아까시나무 같은 식물입니다.

이런 식물들 뿌리에는 뿌리혹 박테리아가 공생하고 있고 질소 고정을 하며 식물에 질소를 공급합니다.

 

 

뿌리혹 박테리아는 호기성 세균입니다. 에너지를 얻는데 산소가 필요하다는 뜻입니다.

살기 위한 에너지를 만들기 위해서는 산소가 필요하고, 질소 고정을 위해서는 산소가 없는 환경이 필요하죠.

난감한 일입니다.

뿌리혹 박테리아는 독특한 방법으로 이 문제를 해결합니다.

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▶ 뿌리혹 박테리아는 콩과 식물의 뿌리에서 나오는 플라보노이드를 감지해서 뿌리에 접근합니다.

뿌리 표면에 도착하면 신호를 보내는 물질(Nod factor)을 분비해서

뿌리 세포 분열을 촉진시키고 구조적인 변형을 일으킵니다.

깊은 곳까지 침투한 뿌리혹 박테리아는 뿌리에 영향을 주는 성장 호르몬을 분비해서 그 자리에 혹을 만들게 합니다.

콩과 식물의 뿌리에 자신이 살 집을 만드는 것이죠.

이후

뿌리혹 박테리아는 헴 단백질을 만들고, 식물세포는 글로빈 단백질을 만듭니다.

두 개가 모여서 헤모글로빈이 만들어집니다.

헤모글로빈 이라는 이름은 자주 들어보셨죠? 우리 몸 피 속에 있는 적혈구에서 산소를 운반하는 물질입니다.

뿌리혹에서 만들어진 헤모글로빈은

우리 몸의 적혈구에 있는 헤모글로빈과 비슷한 역할을 합니다.

이 헤모글로빈은 뿌리혹 내부의 산소를 빼서 저장하게 됩니다.

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▶ 덕분에 뿌리혹 박테리아는

산소가 없는 뿌리혹 안에서 질소고정을 하고, 산소가 필요할 때는 헤모글로빈에서 산소를 뽑아 쓸 수 있습니다.

안정적인 활동영역을 만든 뿌리혹 박테리아는

식물의 뿌리에서 포도당을 공급받고, 식물에게는 암모니아(질소비료)를 제공하며 공생합니다.

 

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▶ 질소는 단백질을 만드는 기본 물질입니다.

콩과 식물은

척박한 환경에서 다른 식물들이 아주 힘들게 얻는 질소를 풍부하게 얻고

귀한 단백질을 열매(콩)에 가득 저장하는 사치를 부릴 수 있습니다.

모든게 뿌리혹 박테리아 덕분이죠.

그래서 우리는 콩의 단백질을 이용해서 된장을 맛있게 만들 수 있습니다.

단백질은 다른 미생물이 진행하는 발효과정에서 아미노산으로 분해되어 된장 특유의 맛과 향을 만듭니다.

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우리가 먹는 식물성, 동물성 단백질은 전부 질소를 기본으로 만들어지고

그 질소는 대부분 공기중의 질소를 뿌리혹 박테리아를 비롯한 세균들이 분해해서 만듭니다.

이 세균들이 없었다면 지구상의 생명체는 지금처럼 번성하지 못했을겁니다.

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⊙ 잔디밭에서 잔디를 이기며 세력을 넓히는 토끼풀(클로버) 때문에 고생하시는 분들 계시죠?

토끼풀이 잔디를 이기는 것은 타감작용의 영향과 뿌리혹 박테리아 때문입니다. 토끼풀도 콩과 식물이거든요.

잔디가 못얻는 질소비료를 풍족하게 얻을 수 있기 때문에 척박한 땅일수록 토끼풀은 주위 식물을 이깁니다.

질소비료를 조금만 뿌려주세요.

그러면 뿌리혹 박테리아와 토끼풀의 공생이 일부 깨어지고, 잔디가 조금 유리한 위치를 잡을 수 있습니다.

물론 질소비료를 뿌리면 편하게 잡초제거가 된다고 오해하지는 않으시겠죠.

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같은 이유로 콩을 재배할때는 질소비료의 양 조절을 잘 하셔야 합니다.

콩은 성장에 필요한 질소의 대부분을 뿌리혹 박테리아를 이용해서 만듭니다.

약간의 부족함을 채워주는 정도로 사용하시면 문제 없지만

질소비료의 양이 많아지면 안준것보다 못한 결과가 나옵니다.

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⊙ 칡과 아까시나무가 산 속에서 다른 식물을 이기며 세력을 넓히는 이유가 궁금하셨죠?

칡과 아까시나무도 콩과 식물이고, 콩과 식물은 뿌리에서 질소 고정을 하기 때문입니다.

남들이 못먹는 귀한 질소비료를 혼자 먹는 거죠.

덕분에 잘 크기도 하고,

흙 속에 질소 성분을 풍부하게 만들어서 다른 식물들이 잘 자랄 터전을 만드는 큰 역할도 합니다.

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⊙ 자운영이나 헤어리베치 같은 콩과 식물들이 녹비작물(풋거름)로 많이 쓰이는 이유도 같은 이유입니다.

이전 게시글에서 혼작,간작,윤작 이야기를 할 때 말씀드린 내용입니다.

콩과 식물을 다른 농작물과 교대로 심으면 질소 비료를 뿌린 것과 같은 효과를 줍니다.

콩과 식물은 땅을 비옥하게 만드는데 큰 역할을 합니다.

병충해가 줄어드니 농약 사용량도 줄일 수 있고, 질소가 땅으로 공급되니 비료 사용량도 줄일 수 있습니다.

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토끼풀도 잔디밭이나 텃밭에서는 잡초 취급을 받지만, 과수원에서는 애써서 키우는 식물입니다.

초생재배라고 부르죠.

다른 풀이 나는 것을 막는 역할도 하고, 흙 표면을 햇빛과 빗물로부터 보호하며 침식을 막고,

질소 고정으로 인해 땅을 기름지게 만드는 역할을 합니다.

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3. 산업적 공정에 의한 질소 고정

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앞시간에 말씀드렸던 인공적인 암모니아 합성입니다.

하버가 기술 개발을 하고 보슈 라는 사람이 촉매를 개선하여 대량생산의 틀을 닦았기 때문에

하버-보슈 공정 이라고 부릅니다.

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이 방법으로 매년 1억 2천만 톤의 질소가 암모니아로 바뀝니다.

만들어진 암모니아의 대부분은 화학비료를 만드는데 사용됩니다.

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암모니아(NH3)는 질소 원자(N)와 수소 원자(H)의 결합입니다.

질소는 공기 중에서 얻으니 수소를 어딘가에서 얻어야 되겠죠.

그 수소는 메탄(CH4)을 분해해서 만듭니다.

그 메탄은 천연가스의 주 성분입니다.

전 세계 천연가스 생산량의 5% 정도가 암모니아를 만드는데 사용됩니다.

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메탄(CH4)에서 수소(H)를 빼면 탄소(C)가 남죠?

남은 탄소는 산소와 결합하여 이산화탄소가 되고 공기중으로 배출됩니다.

하버-보슈 공정으로 암모니아를 합성하는 과정에서 매년 수 억 톤의 이산화탄소가 만들어져서 공중으로 날아갑니다.

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< 질소의 순환 >

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물의 순환이라는 말은 들어보셨죠?

비나 눈으로 땅에 떨어지는 물은 우리가 마시기도 하고 씻기도 하는 생활용수로 사용되고

하천을 지나 바다로 흘러가고

때로는 얼음으로 바뀌기도 하고 빙하를 이루며 흘러내리기도 하지만

결국, 다시 증발해서 구름으로 바뀌고, 다시 비나 눈으로 떨어집니다.

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기체, 액체, 고체 등으로 상태는 바뀌지만

지구에서 보면 물이라는 것은 그냥 그대로 있는 것입니다.

상태를 바꿔가며 돌아다닐 뿐입니다.

이것을 물의 순환 이라고 부릅니다.

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▶ 질소도 순환합니다.

여러가지 화합물의 형태로 결합하여 모양과 위치를 바꾸긴 합니다만

결국 질소가 새로 생기는 것도 아니고 없어지는 것도 아닙니다.

상태를 바꿔가며 돌아다닐 뿐입니다.

이것을 질소의 순환 이라고 부릅니다.

▲ 환경교육포털(keep.go.kr)에서 가져온 그림입니다

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▶ 번개나 박테리아에 의한 질소고정, 유기물의 분해에 의해 질소는

암모늄이온(NH4+) 이나 질산이온(NO3-)의 형태로 땅에 공급됩니다.

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▶ 암모늄이온(NH4+)은 그 상태로 식물 뿌리에서 흡수되기도 하고

질산이온(NO3-)으로 바뀌어서 식물 뿌리에 흡수되기도 합니다.

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▶ 흡수되지 않은 질산이온(NO3-)은 미생물에 의해 질소(N2)로 바뀌며 다시 공중으로 날아갑니다.

토양에 산소가 부족하면 이 반응이 빨라집니다. 미생물들이 질산이온의 산소를 빼버립니다.

토양에 공극이 많으면 아까운 질소비료가 공중으로 날아가는 것을 줄일 수 있습니다.

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▶ 밭에서 자라는 농작물은 암모늄이온(NH4+)보다 질산이온(NO3-)을 더 좋아합니다.

토양에 공극이 많고 산소가 풍부하면 암모늄이온(NH4+)은 질산이온(NO3-)으로 잘 바뀝니다.

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이해하기 어려우신가요?

두 번, 세 번 그림과 같이 읽어보시길 권해드립니다.

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다시 정리합니다.

지난 시간에 질산태질소 에 대해 말씀드렸죠?

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위 그림에 나오는 것처럼

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▶ 질산이온(NO3-) 형태의 질소를 『질산태 질소』​ 라고 부르고

▶ 암모늄이온(NH4+) 형태의 질소를 『암모니아태 질소』​ 라고 부릅니다.

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우리가 땅에 공급하는 모든 질소 성분의 화학비료는

이 두가지 형태로 식물에게 공급됩니다.

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1. 질산태 질소는 음이온( - ) 이라서 토양( - )에 달라붙지 않습니다.

토양 용액 속에 그냥 녹아 있으니

▷ 식물 뿌리가 빨리 흡수할 수 있다는 장점이자 단점이 있고

▷ 토양을 산성화시키지 않는다는 장점이 있고

▷ 음이온이니 식물 뿌리가 흡수할 때 주위의 양이온 양분을 같이 흡수할 수 있다는 장점이 있고

▷ 물을 많이 주거나 비가 많이 오면 땅 밑으로 빠져버린다는 단점이 있습니다.

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2. 암모니아태 질소는 양이온( + ) 이라서 토양( - )에 잘 달라붙습니다.

토양 용액이 아니라 토양 알갱이에 붙어 있으니

▷ 식물 뿌리가 흡수하는데 시간이 조금 걸린다는 장점이자 단점이 있고

▷ 흡수과정에서 토양을 산성화시킨다는 단점이 있고

▷ 양이온이니 식물 뿌리가 주위의 양이온 양분을 같이 흡수하는 것을 방해한다는 단점이 있고

▷ 물이 흘러도 땅 밑으로 잘 안빠진다는 장점이 있습니다.

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앞 시간에 칼슘(Ca)에 대해 말씀드렸지만

질소는 칼슘과 다릅니다.

위 그림에서 보듯이 공중으로 날아가 버리거든요.

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▶ 질소비료의 양이 많아지면

땅 밑으로 물과 함께 빠져서 지하수, 하천, 바다를 오염시키는 주범이 되기도 하고

탈질작용으로 인해 공중으로 날아가 버리기도 합니다.

농작물에 장해를 일으키는 것은 기본입니다.

상추같은 작물의 질산염 농도를 높여서 먹는 사람의 건강을 해치기도 합니다.

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⊙ 질소는 이런식으로 순환하기 때문에

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▶ 질소비료는 조금씩, 자주 주셔야 합니다.

땅에 뿌려주는 질소비료의 반 이상이 물과 함께 빠지거나 공중으로 날아갑니다.

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예를 들어서 300평 밭에 질소비료가 100kg 필요할 때

한꺼번에 기비(밑거름)로 100kg 을 다 주면

농작물은 부쩍 키가 크고 짙은 녹색으로 바뀌며 겉으로는 좋아지는 듯이 보이지만

짙은 질소 농도 때문에 장해가 생기고, 약해지고 온갖 병충해에 시달리게 됩니다.

시간이 조금 지나면 질소가 다 빠지기 때문에 질소 부족에 시달립니다.

질소비료는 적어도 두 번, 혹은 세 번 정도 나눠서 주셔야 합니다.

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기비(밑거름)로 질소비료를 많이 주는 행동은

돈을 써가며 농작물을 괴롭히는 행동이고, 돈을 공중으로 날려보내는 행동이고, 환경오염에 돈을 쓰는 행동입니다.

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​< 다음에 계속됩니다 >

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※ 저작권 논란을 피하기 위해 본문에 사용된 사진이나 그림은 외국사이트에서 가져옵니다.

물론 허락은 안받았습니다.

이 게시글은 가능한 카페 내에서만 소비해주시길 부탁드립니다.