작물의 무기 영양 생리

 작물을 구성하고 있는 물질 중에서 수분을 제거하고 남는 것을 '건물'이라고 하며 건물은 약 95%의 유기물과 5%의 무기물로 구성되어 있다. 무기 성분은 식물에서 차지하는 구성 비율이 아주 낮지만, 유기물의 합성과 분해 등 대사 작용에 큰 영향을 미치는 무기 양분이다. 단백질에는 질소와 황이 함유되어 있고, 엽록소는 질소와 마그네슘이 중요한 구성 성분이다. 핵산에는 질소와 인, ATP와 NADPH에는 인, 그리고 효소에도 무기 원소가 함유되어 있어 무기 양분 없이는 중요한 생리적 기능을 수행할 수 없다.
 무기 양분은 토양에서 주로 무기 이온의 형태로 얻어지는 원소로서 주로 작물의 뿌리를 통하여 식물 안으로 흡수된 후 작물의 각 부분으로 수송하여 다양한 기능에 사용된다.
식물을 구성하는 건물은 주로 산소/탄소/수소 등으로 이루어져 있는데, 이들은 물이나 공기 중에서 충분히 공급된다. 물이 부족한 곳에서는 관수하고, 밀폐된 온실에서 작물을 재배할 때는 이산화탄소의 보충 시비도 효과가 있지만 포장에서는 탄소를 인위적으로 공급하지는 않는다. 

 무기 양분은 주로 뿌리를 통하여 흡수되며, 무기 양분의 종류와 함량은 토양 성분에 따라 다르다. 경작지에서 생산성이 높은 작물을 재배할 때는 일정한 토지에서 재배하는 작물의 수가 한정되어 있기 때문에 토양에 함유된 무기 양분과 재배 작물이 요구하는 무기 양분이 일치하지 않는 경우가 많다. 또, 생산물을 수확한 후 토양에 다시 되돌려주지 않아 무기 양분의 자연적인 순환도 이루어지지 않는다. 그러므로 작물에 필요한 무기 양분이 부족한 경우가 많고, 계속하여 생산성을 높이기 위해서는 부족한 무기 양분을 비료로써 보충해야 한다.

 

 따라서, 양질의 식량이나 사료를 생산하기 위해서는 작물의 생육에 필요한 무기 양분의 종류, 생리적 기능, 흡수, 이동 공급 방법 등에 대하여 깊은 이해가 필요하다. 

 작물을 구성하고 있는 원소를 분석한 결과 약 60여 종의 원소가 확인되었으나 이들이 모두 작물의 생명 유지나 생장에 꼭 필요한 것은 아니다. 작물의 구조나 대사에 꼭 필요한 원소는 이들 가운데 일부인데, 이들은 결핍 시 작물의 생장, 발육 또는 생식 생장에 치명적인 문제를 유발하므로 필수 원소라고 한다.

 물과 공기로부터 얻는 3개의 대량 원소와 토양으로부터 얻는 16개의 무기 원소만이 작물의 필수 원소이다. 작물은 이 가운데 3개의 필수 원소는 산소/이산화탄소/물로부터 공급받으며, 토양으로부터 16개의 필수 원소를 뿌리로 흡수하므로 추가적인 광만 공급되면 작물이 필요로 하는 모든 화합물을 합성하여 살아갈 수 있다.

 작물에 대한 필수 소의 기준은 그 원소가 없으면 생육이 불량하고, 종자를 맺을 때까지 살아남지 못하여 생활사를 완성할 수 없거나, 마그네슘이 엽록소의 구성분이고, 질소가 단백질의 구성분인 것처럼 어떤 원소가 작물의 필수적인 분자나 구성분을 이루고 있다면 그 원소를 필수 원소라고 하는데, 19개 필수 원소는 앞의 두 가지 기준에 모두 잘 맞는다.

 필수 원소는 직접 식물체 내에서 작용해야 하며 다른 원소의 공급을 보다 더 용이하게 하거나 다른 원소의 효과에 대항작용을 하면 안 된다는 정의도 있다. 예를 들면, 셀레늄은 인산의 흡수를 억제하므로 인산에 예민한 식물에는 간접적으로 인산의 독성을 막아줌으로써 생장을 촉진 시키는 것으로 알려져 일반적으로 셀레늄을 필수 원소로 분류하지 않는다. 한편, 어떤 원소의 결핍 증상이 단지 그 원소의 공급만으로 회복될 수 있을 때 그 원소가 필수 원소라고 정의할 수도 있다. 그러나 칼륨을 루비듐으로 대체할 수 있고, 고등식물에서 염소는 비록 높은 농도가 요구되지만, 브롬으로 대체할 수 있어 이 정의에 의하면 칼륨/몰리브덴/염소는 필수 원소가 될 수 없으므로 이러한 정의는 적합하지 않다.

 16개의 필수 원소 중 산소/탄소/수소/질소/칼륨/칼슘/마그네슘/인/황 및 규소의 10개 원소는 건물에 0.1% 이상 함유되어 있어 이들을 대량원소 또는 주요 원소라고 한다. 그러나 염소/철/붕소/망간/아연/나트륨/구리/니켈 및 몰리브덴 등 9개 원소는 미량만이 필요하므로 이들을 미량원소라고 하며, 많이 흡수하면 오히려 해를 받기도 한다.

 대량원소 중에서 산소/탄소/수소는 물이나 이산화탄소에서 공급된다. 그러나 나머지 16개 원소는 토양의 모암에서 유래된 것으로 이를 필수무기원소라고 하며, 그중 질소는 공기 중에서 유래한다.

 지각의 평균 화학적 조성은 산소, 규소, 알루미늄, 철, 칼슘, 마그네슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인, 망간, 황 순으로 많이 함유되어 있다. 특히, 식물이 가장 많이 흡수하는 질소는 토양에 많이 함유되어 있지 않고, 칼륨과 인은 토양에 비교적 많이 함유되어 있으나 대부분이 물에 녹지 않는 불 용태로 존재하여 식물이 충분히 흡수할 수 없으므로 작물을 재배할 때 질소/인 및 칼륨은 주로 비료로써 보충해 주는데, 이것을 비료의 3요소라고 한다.

그러나 칼슘/마그네슘/황은 식물이 비교적 많이 흡수하는 성분이지만 토양에도 많이 존재하며, 특히 황은 화석연료를 사용하는 곳에서는 공기나 빗물에서도 공급되므로 이들을 비료로써 공급하는 일은 드물다. 그중 칼슘과 마그네슘은 토양의 산도를 중화하기 때문에 이들이 함유된 물질은 흔 토양의 산성을 중화시킬 목적으로 사용된다.

 

미량원소 중 철과 망간은 토양에 많이 존재하지만, 산화상태로 있으면 물에 녹지 않는다. 그러나 배수가 불량한 토양에서는 환원되어 가 용태로 되기 때문에 이들의 해독작용이 나타나기도 한다. 그리고 배춧과 채소와 콩과작물은 붕소 요구량이 많아 이것의 사용 효과가 있고, 석회암지대에서는 토양의 산도가 높아 벼에서 아연 결핍이 문제 되기도 한다.

관련 문헌: 변종용ㆍ윤성중ㆍ이인중ㆍ김도순, 삼고 작물 생리학(서울: 향 문사, 2014), 74-77p