토양공기
모든 생명체는 산소가 있어야 한다. 식물의 뿌리도 산소가 필요하고, 미생물도 유기물을 분해하기 위해 산소가 필요하다. 따라서, 식물이 잘 자라기 위해서는 대기와 토양공기의 교환이 잘 일어나야 한다. 공기의 교환은 토양의 물리적 성질에 의하여 영향을 받는다. 공기의 교환에 영향을 끼치는 토양의 물리적 성질은 토양공극의 양과 크기, 온도, 토양의 깊이, 수분함량, 토양 표면의 조건 등이다. 즉, 고상의 비율이 낮을수록 통기성이 좋아지고. 공기의 통로가 되는 대공극이 얼마나 많은가에 따라 토양공기의 교환속도가 달라진다.
토양공기의 조성
대기의 대부분은 질소와 산소이며, 각각 78%와 21%를 차지하고 있다. 나머지 1%는 수증기와 이산화탄소 및 여러 가지 불활성 기체로 구성되어 있다. 대기의 이산화탄소 함량은 약 0.035%로 매우 낮다. 아무리 원활한 통기성이 유지되는 토양이라도 토양 내에서의 산소의 소모와 이산화탄소의 생성이 지속적으로 이루어지는 상황에서는 토양공기의 조성이 일반 대기의 조성과는 달라질 수밖에 없다.
산소와 이산화탄소
토양공기 중의 질소함량은 대기 중의 함량과 비슷하다. 그러나 산소는 식물의 뿌리와 미생물의 호흡으로 적어진다. 표토의 산소는 심토에 비하여 상대적으로 대기와 가까이 있기 때문에 함량이 많고, 심토로 내려갈수록 산소 함량이 비례하여 줄어든다. 토양의 깊이가 깊을수록 산소 함량이 적어지는 정도는 토양공극의 특성과 밀접한 관계가 있다. 토양구조가 발달하고 대공극이 많은 토양은 토양의 깊은 지점까지 산소가 확산할 수 있지만, 점토 함량이 많고 구조의 발달이 약하며 대공극이 적은 토양은 산소함량이 적다. 토양공기 중에서 이산화탄소가 많아지는 양은 산소가 줄어드는 양과 비례한다. 호흡 과정에서 한 분자의 산소가 소모되면 한 분자의 이산화탄소가 생성되기 때문이다. 따라서, 토양공기 중의 산소와 이산화탄소의 함량을 합하면 약 21%로 일정하게 유지된다. 토양공기 중의 이산화탄소는 미생물과 식물 뿌리의 호흡 외에 석회질비료를 시용했을 때도 발생할 수 있다. 토양공기 중에 축적된 이산화탄소는 토양의 pH를 낮출 뿐만 아니라 광물 성분을 녹이거나 침전물을 형성하기도 한다. 미부숙 유기물의 함량이 많은 토양에서는 유기물의 분해가 활발하여 산소의 소모와 이산화탄소의 발생이 매우 활발하기 때문에 이러한 현상이 매우 뚜렷하게 나타난다. 지표면에 가까울수록 대기와의 기체 교환이 빠르게 이루어지고, 토양의 깊이가 깊을수록 확산 속도가 감소할 뿐만 아니라 심층토가 표층토에 비하여 미세 공극이 많으므로 산소의 공급과 이산화탄소의 제거가 원활히 이루어지지 못한다.
산소와 이산화탄소의 교환
대기와 토양공기는 토양공극을 통해 연결되어 있으며, 대기와 토양공기의 분압 차이에 의하여 교환 현상이 나타난다. 이 과정을 통기라 하고, 이러한 특성을 통기성이라고 한다. 산소는 대기의 농도가 높기 때문에 대기에서 토양으로 이동하여 식물과 생물이 이용하게 된다. 반면에, 이산화탄소는 유기물의 분해와 미생물의 호흡으로 토양공기의 농도가 높기 때문에 토양에서 대기로 이동하게 된다. 통기성이 좋은 토양은 식물의 뿌리와 미생물이 필요로 하는 산소를 쉽게 공급할 수 있으므로 양분 흡수와 토양유기물의 분해가 원활하게 일어난다. 반면에, 통기성이 나쁜 토양은 뿌리 호흡이 나빠지고, 유기물의 분해 속도도 느려진다. 토양과 대기 사이에서 일어나는 기체 화합물의 교환은 주로 확산에 의하여 일어난다. 따라서, 대기와 토양공기 사이에 특정 성분의 농도 차이가 생기면 언제든지 확산에 의하여 교환이 일어난다. 즉, 토양 속에서는 산소가 계속 소모되기 때문에 대기의 산소가 계속 공급되고, 토양 속에서 식물의 뿌리와 미생물의 호흡으로 농도가 높아진 이산화탄소는 대기로 계속 공급된다. 이때 교환의 통로가 되는 공극의 특성과 기체의 이동에 영향을 끼치는 온도, 습도, 기압, 지표면의 바람 속도 등이 교환 속도에 관여하는 요인이 된다.
산소확산율
산소확산율은 대기 중의 산소가 토양으로 공급되는 공급률을 말한다. 대공극이 많은 토양에서는 산소확산율이 높아지고, 소공극이 많은 토양에서는 산소확산율이 낮아진다. 토양의 깊이가 깊을수록 산소확산율이 낮아지는데, 보통 토양 깊이 1m에서의 산소확산율은 표토에 비하여 1/2 내지 1/4로 줄어든다. 산소확산율은 단위 시간당 단위면적을 통과하는 산소의 무게로 표시한다.