Introduction
Materials and Methods
시험포장 및 처리내용
고구마 재배 및 시비관리
토양 및 식물체 분석
N2O 배출량 측정
통계분석
Results and Discussion
바이오차 시용에 따른 토양 물리 ‧ 화학성 변화
고구마 생육, 식물체 양분함량 및 수량
바이오차 시용에 따른 N2O 배출 변화
Conclusions
Introduction
농업부문에서 발생하는 아산화질소 (nitrous oxide, N2O)는 질소질 비료가 투입된 토양에서 질산화와 탈질 과정을 통해 주로 생성되는 주요 온실가스이다. 토양 N2O 생성은 무기태 질소 공급량뿐 아니라 토양 수분, 온도, 산소상태 및 유기탄소 공급에 따라 크게 달라진다 (Parton et al., 1996; Kim et al., 2008). 특히 밭토양에서는 질소질 비료와 유기물 시용 후 N2O 배출이 증가할 수 있으므로, 작물 생산성을 유지하면서 온실가스 배출을 줄일 수 있는 토양관리기술이 요구되고 있다 (Kim et al., 2018; Choi et al., 2022).
바이오차 (biochar)는 바이오매스를 산소가 제한된 조건에서 열분해하여 제조한 탄소질 소재로, 토양 탄소저장과 토양환경 개선을 위한 수단으로 활용되고 있다 (Lehmann and Joseph, 2015). 바이오차는 일반적으로 낮은 용적밀도와 다공성 구조를 가지므로 토양에 시용할 경우 용적밀도를 낮추고 공극률과 수분보유 특성을 개선할 수 있다 (Blanco-Canqui, 2017). 또한 알칼리성 회분과 표면 작용기는 토양 pH와 양이온교환용량 (cation exchange capacity, CEC)에 영향을 미치고, K, Ca 및 Mg 등 양이온성 양분의 보유를 증가시킬 수 있다 (Spokas et al., 2012; Domingues et al., 2020).
바이오차는 토양 통기성, pH, 무기태 질소의 보유 및 미생물의 질소전환 과정에 영향을 주어 N2O 배출을 감소시킬 가능성이 있다. 메타분석에서도 바이오차 시용은 전반적으로 토양 N2O 배출을 감소시켰으나, 감축효과는 바이오차 원료, 열분해조건, 시용량, 토양특성 및 질소비료 형태에 따라 달라지는 것으로 보고되었다 (Cayuela et al., 2014). 반면 일부 조건에서는 바이오차 처리 후 N2O 배출이 증가하거나 저감효과가 나타나지 않은 사례도 보고되어, 토양과 작물조건에 따른 포장 검증이 필요하다 (Lin et al., 2017).
과수 전정 과정에서 발생하는 전정가지는 지속적으로 발생하는 목질계 농산부산물이다. 이러한 부산물을 바이오차로 전환하여 농경지에 환원하면 부산물의 자원순환을 촉진하고 안정한 형태의 탄소를 토양에 저장할 수 있다 (Lehmann and Joseph, 2015). 국내에서는 왕겨 바이오차를 시설 수박 재배지에 처리하여 토양 용적밀도 감소, 공극률 증가 및 작물 생산성 변화를 평가한 바 있으며 (Kim et al., 2022), 배추 재배지에서는 왕겨 바이오차 연용에 따른 온실가스 배출과 토양 탄소수지 변화가 연구되었다 (Park et al., 2024). 그러나 사과 전정가지 바이오차의 시용량과 처리주기를 함께 고려하여 토양 특성, 작물 생산성 및 N2O 배출을 종합적으로 평가한 장기 포장연구는 상대적으로 부족하다.
고구마는 저장근이 토양 내에서 형성 ‧ 비대하므로 토양 용적밀도, 공극률, 토양경도 및 통기성과 같은 물리적 조건의 영향을 받는다. 낮은 용적밀도와 양호한 통기조건은 뿌리 발달과 저장근 형성에 유리하며, 토양 물리성과 양분상태의 변화는 고구마의 생육과 수량에 영향을 미칠 수 있다 (Agbede, 2010). 고구마 수량은 개별 상품괴근중뿐 아니라 주당 저장근수와 크기별 분포에 의해 결정되며, 저장근수의 확보는 상품수량 형성에 중요한 요인이다 (Liang et al., 2023). 또한 K는 광합성 산물의 이동과 탄수화물 대사에 관여하므로 저장근 형성과 수량에 중요한 양분이다 (Liu et al., 2024). 이러한 특성을 고려할 때, 바이오차에 의한 토양 물리 ‧ 화학성 개선이 고구마 저장근의 형성과 생산성으로 이어지는지를 장기 포장조건에서 검증할 필요가 있다.
따라서 본 연구에서는 사과 전정가지로 제조한 바이오차를 서로 다른 시용량과 처리주기로 고구마 재배지에 처리하고, 토양 물리 ‧ 화학성, 고구마 생육과 수량, 식물체 양분함량 및 N2O 배출 특성을 평가하였다. 이를 통해 고구마 생산성, 토양환경 및 N2O 배출을 함께 고려한 바이오차 시용체계 설정을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.
Materials and Methods
시험포장 및 처리내용
본 시험은 2023년부터 2025년까지 전북특별자치도 익산시 정족동에 위치한 노지 시험포장 (35°59′14.63′′N, 126°59′53.68′′E)에서 수행하였다. 시험토양은 예산통에 해당하는 사양토로, 시험 전 모래, 미사 및 점토 함량은 각각 60.2, 23.6 및 16.2%였다. 토양의 용적밀도와 공극률은 각각 1.3 Mg m-3 및 49.9%였으며, pH는 6.8, 유기물 함량은 12.0 g kg-1, 총탄소 함량은 0.9%이었다 (Table 1).
Table 1
Physical and chemical properties of soil used in the experiment.
시험에 사용한 바이오차는 사과 전정가지를 원료로 하여 400°C에서 4시간 동안 열분해하여 제조하였다. 열분해에는 TLUD (top-lit updraft) 방식의 열분해장치[(주)유기산업, Korea]를 사용하였다. 제조된 바이오차의 총탄소, 총질소, 총수소 및 총산소 함량은 각각 70.8, 1.7, 3.8 및 13.2%였으며, H/C와 O/C 몰비는 각각 0.64 및 0.14였다. 바이오차의 pH는 9.6이었고, 총 K, Ca 및 Mg 함량은 각각 1.3, 2.4 및 0.5%였다 (Table 2).
Table 2
Physicochemical properties of biochar used in the experiment.
| Parameter | Concentration |
| Total C (D.W., %) | 70.8 |
| Total H (D.W., %) | 3.8 |
| Total O (D.W., %) | 13.2 |
| Total N (D.W., %) | 1.7 |
| Total K (D.W., %) | 1.3 |
| Total Ca (D.W., %) | 2.4 |
| Total Mg (D.W., %) | 0.5 |
| H:C molar ratio | 0.64 |
| O:C molar ratio | 0.14 |
| pH1:20 | 9.6 |
| Moisture content (F.W., %) | 3.6 |
| Salinity (F.W., %) | 0.05 |
| Hydrochloric acid-insoluble matter (%) | 4.3 |
| As (mg kg-1) | 0.002 |
| Cd (mg kg-1) | ND1 |
| Hg (mg kg-1) | ND |
| Pb (mg kg-1) | 0.003 |
| Cr (mg kg-1) | 0.023 |
| Cu (mg kg-1) | 0.155 |
| Ni (mg kg-1) | 0.003 |
| Zn (mg kg-1) | 0.115 |
시험구는 바이오차 시용주기에 따라 매년 처리 (Annual), 2년 주기 처리 (Biennial) 및 3년 주기 처리 (Triennial)로 구분하였다. Annual 처리구에는 2023년, 2024년 및 2025년에 바이오차를 시용하였고, Biennial 처리구에는 2023년과 2025년에 시용하였으며, Triennial 처리구에는 2023년에만 시용하였다. 각 시용주기는 포장 내 하나의 고정된 대구획에 설정하였으며, 각 대구획 내에서 바이오차 시용량 100, 200, 400 및 800 kg 10a-1 처리구를 각각 3반복으로 배치하였다. 바이오차를 처리하지 않은 무처리구 (CON)는 전체 시험포장에 공통으로 3반복 배치하였다. 따라서 Annual, Biennial 및 Triennial 처리는 단순한 시용빈도뿐 아니라 시험기간 동안 서로 다른 바이오차 시용이력과 누적 시용량을 나타낸다. 예를 들어 BC400의 2025년까지 누적 시용량은 Annual, Biennial 및 Triennial 처리에서 각각 1,200, 800 및 400 kg 10a-1 이었다. 이하 처리명은 시용주기와 시용량을 조합하여 Annual BC100, Biennial BC400 및 Triennial BC800 등으로 표시하였다.
고구마 재배 및 시비관리
시험품종은 고구마 (Ipomoea batatas (L.) Lam.) ‘소담미’였으며, 재식거리는 75 × 25 cm, 재식밀도는 5,333주 10a-1로 하였다. 고구마는 2023년 5월 18일, 2024년 5월 24일 및 2025년 5월 23일에 정식하였으며, 각각 2023년 10월 5일, 2024년 10월 10일 및 2025년 10월 13일에 수확하였다.
혼합가축분퇴비는 정식 5일 전에 760 kg 10a-1을 시용하였다. 화학비료는 토양검정 결과와 노지 고구마 비료사용처방 기준에 따라 N-P2O5-K2O 6.6-14.2-14.2 kg 10a-1 수준으로 산정하였으며 (NAS, 2019), 퇴비로 공급되는 양분을 차감한 후 부족량을 요소, 용성인비 및 염화칼륨으로 보충하였다. 바이오차와 퇴비는 토양 표면에 균일하게 시용한 후 경운하여 약 20 cm 깊이까지 혼합하였다.
토양 및 식물체 분석
토양 시료는 시험 종료 후인 2025년 고구마 수확 후 각 처리구의 표토 0 - 15 cm에서 5지점씩 채취하고 균일하게 혼합하여 하나의 혼합시료로 조제하였다. 토양 화학성은 풍건 후 2 mm 체를 통과시킨 시료를 이용하여 pH, 전기전도도 (electrical conductivity, EC), 유기물, 유효인산, CEC, 교환성 K ‧ Ca ‧ Mg, 총탄소, 총질소 및 무기태 질소를 농촌진흥청 토양 및 식물체 분석법에 따라 분석하였다 (NAAS, 2010).
토양 물리성은 100 cm3 코어를 이용하여 용적밀도를 측정하고, 입자밀도 2.65 Mg m-3를 적용하여 공극률을 산출하였다. 토양 삼상은 고상률, 액상률 및 기상률로 구분하였으며, 중량수분함량은 건조 전후의 토양 질량 차이를 이용하여 산정하였다 (NAAS, 2010).
고구마 생육은 정식 후 약 50 - 60일에 반복당 5주를 대상으로 만장, 줄기직경, 분지수, 마디수, 엽병장, SPAD 값, 절간장 및 지상부 생체중과 건물중을 조사하였다. 수확기에는 총수량과 상품수량, 평균 상품괴근중 및 주당 상품괴근수를 조사하였다. 상품괴근은 개체중에 따라 250 g 초과, 150 - 250 g, 80 - 150 g 및 50 - 80 g으로 구분하였다.
식물체 시료는 생육 중기와 수확기에 채취하여 건조 ‧ 분쇄하였다. 총탄소와 총질소는 원소분석기 (Vario Max Cube, Elementar, Germany)로 분석하였으며, P, K, Ca 및 Mg 함량은 시료를 질산 (HNO3)으로 마이크로웨이브 산분해한 후 유도결합플라즈마 분광광도계 (ICP-OES, Integra Dual, GBC, Australia)를 이용하여 정량하였다 (NAAS, 2010).
N2O 배출량 측정
토양 N2O는 비정체형 밀폐식 챔버법으로 조사하였다. 챔버는 각 처리구에 1개씩 설치하였으며, 재배기간 동안 약 1주 간격으로 챔버 밀폐 직후와 밀폐 30분 후에 가스를 채취하였다. N2O 농도는 μECD (micro-electron capture detector)가 장착된 기체크로마토그래피 (7890B GC, Agilent Technologies, USA)를 이용하여 분석하였다. N2O 플럭스는 챔버 내 농도의 시간에 따른 증가율을 이용하여 다음 식으로 계산하였다.
여기서, F는 단위면적 및 단위시간당 N2O 플럭스, ρ는 표준상태에서의 N2O 가스밀도 (1.96 kg m-3), h는 챔버의 유효높이 (m), Δc/Δt는 챔버 밀폐기간 중 N2O 농도의 증가율, T는 가스 채취 시 챔버 내부의 절대온도 (K)이다. 재배기간 누적 N2O 배출량은 연속된 두 조사시점 사이의 일일 플럭스를 선형보간하여 적산하였다. N2O 배출에 따른 지구온난화잠재력은 IPCC 제5차 평가보고서 (AR5)에서 제시한 100년 기준 지구온난화지수 (265 kg CO2-eq. kg-1 N2O)를 적용하여 산출하였다 (IPCC, 2013). 평균 일일 N2O 배출량은 재배기간 누적 N2O 배출량을 전체 재배일수로 나누어 산출하였다. 처리별 N2O 저감률은 무처리구의 누적배출량을 기준으로 다음과 같이 계산하였다.
여기서, ECON과 EBC는 각각 무처리구와 바이오차 처리구의 누적 N2O 배출량이다.
통계분석
고구마 생육, 식물체 양분함량 및 토양 물리 ‧ 화학성에 대한 처리 간 차이는 R software (version 4.0.0, R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria)를 이용하여 분석하였다. 바이오차 시용량과 시용이력의 조합 및 무처리구(CON)를 각각 하나의 처리수준으로 간주하여 일원분산분석 (one-way analysis of variance, ANOVA)을 실시하였으며, 처리효과가 유의한 경우 Duncan의 다중범위검정 (Duncan’s multiple range test)을 이용하여 평균 간 차이를 비교하였다. 시용주기 (Annual, Biennial 및 Triennial)는 각각 하나의 고정된 대구획에 설정되어 독립적으로 반복 ‧ 무작위화되지 않았으며, 시험 종료시점의 각 처리는 시용주기뿐 아니라 누적 시용량과 시용이력을 함께 반영한다. 따라서 본 연구에서는 시용량과 시용주기를 독립된 두 요인으로 분리한 이원분산분석(two-way ANOVA)은 실시하지 않았으며, 통계적 해석은 개별 처리조합 간 차이를 중심으로 수행하였다. 통계적 유의수준은 P < 0.05로 설정하였다. 고구마 수량자료와 일일 및 누적 N2O 배출량은 반복별 자료가 확보되지 않아 통계분석을 실시하지 않았으며, 처리별 관찰값과 무처리구 대비 증감률을 이용하여 비교하였다.
Results and Discussion
바이오차 시용에 따른 토양 물리 ‧ 화학성 변화
바이오차 시용량과 시용이력을 조합한 처리는 시험 종료 후 토양 용적밀도, 공극률 및 중량수분함량에 유의한 영향을 미쳤다 (P < 0.001, Table 3). 무처리구의 용적밀도와 공극률은 각각 1.44 Mg m-3 및 45.8%였으며, Annual 처리구에서는 용적밀도가 1.13 - 1.31 Mg m-3로 낮고 공극률은 50.4 - 57.4%로 높았다. 특히 Annual BC400과 BC800의 용적밀도는 각각 1.13 및 1.16 Mg m-3로 낮았고, 공극률은 각각 57.4 및 56.3%로 높았다. Triennial 처리구에서도 용적밀도는 1.23 - 1.32 Mg m-3, 공극률은 50.3 - 53.5%로 나타나 대체로 무처리구보다 양호하였다. 반면 Biennial BC800은 용적밀도가 1.51 Mg m-3로 가장 높고 공극률은 42.9%로 가장 낮았다. 따라서 바이오차의 토양 물리성 개선효과는 시용량 증가에 따라 일률적으로 나타나기보다 시험기간 동안의 시용이력과 누적 시용량에 따라서도 서로 다른 양상을 보였다.
바이오차는 낮은 밀도와 다공성 구조로 인해 토양 용적밀도를 낮추고 총공극률을 증가시킬 수 있으며 (Blanco-Canqui, 2017), 장기 포장시험에서도 용적밀도 감소와 입단안정성 향상이 보고되었다 (Burrell et al., 2016). 따라서 Annual BC400과 BC800에서 나타난 용적밀도 감소와 기상률 증가는 바이오차 혼입에 따른 토양 공극구조 변화와 관련된 것으로 판단된다. 반면 Biennial BC800에서 높은 용적밀도가 나타난 원인은 본 자료만으로 명확히 규명하기 어렵다. 해당 처리구는 2023년과 2025년에 바이오차가 시용되어 Annual 처리구와 시용 ‧ 경운 시점이 달랐으므로, 바이오차의 혼합과 토양 재배열 과정이 서로 달랐을 가능성이 있다. 바이오차의 물리성 개선효과는 시용량뿐 아니라 경운, 혼합 정도, 토성 및 포장 내 공간변이에 영향을 받을 수 있으므로 (Hardie et al., 2014; Blanco-Canqui, 2017), 작물과 토양조건에 적합한 시용량과 처리주기를 설정할 필요가 있다.
중량수분함량은 15.6 - 24.3%로 처리 간 유의한 차이를 나타냈으나 (P < 0.001),바이오차 시용량이나 처리주기에 따른 일정한 경향은 확인되지 않았다 (Table 3). Biennial BC800은 용적밀도가 가장 높고 공극률과 기상률이 가장 낮았음에도 중량수분함량은 가장 높았다. 따라서 측정된 중량수분함량을 바이오차에 의한 수분보유능 향상으로 직접 해석하기는 어렵다. 중량수분함량은 채취 당시 토양에 존재한 수분량을 나타내므로, 바이오차의 수분보유 효과를 평가하기 위해서는 포장용수량, 영구위조점 및 토양수분특성곡선과 같은 수리학적 지표를 함께 측정할 필요가 있다 (Hardie et al., 2014; Seyedsadr et al., 2022).
Table 3
Soil physical properties at the end of the experiment.
| Parameter1, 2 |
Bulk density (Mg m-3) |
Porosity (%) | Three-phase composition (%) |
Gravimetric water content (%) | |||
| Solid phase | Liquid phase | Air phase | |||||
|
Annual (once per year) | BC 100 | 1.19 efg3 | 55.0 abc | 45.0 | 18.6 | 36.4 | 15.6g |
| BC 200 | 1.31 cd | 50.4 de | 49.6 | 25.3 | 25.1 | 19.2cd | |
| BC 400 | 1.13 g | 57.4 a | 42.6 | 20.0 | 37.5 | 17.7ef | |
| BC 800 | 1.16 fg | 56.3 ab | 43.7 | 20.0 | 36.4 | 17.3f | |
|
Biennial (once every 2 years) | BC 100 | 1.37 bc | 48.2 ef | 51.8 | 30.0 | 18.1 | 21.8b |
| BC 200 | 1.44 ab | 45.7 fg | 54.3 | 30.7 | 15.0 | 21.4b | |
| BC 400 | 1.30 cd | 51.1 de | 48.9 | 25.7 | 25.4 | 19.8cd | |
| BC 800 | 1.51 a | 42.9 g | 57.1 | 36.8 | 6.1 | 24.3a | |
|
Triennial (once every 3 years) | BC 100 | 1.32 cd | 50.3 de | 49.7 | 25.8 | 24.5 | 19.6cd |
| BC 200 | 1.25 de | 52.8 cd | 47.2 | 23.2 | 29.6 | 18.6de | |
| BC 400 | 1.23 def | 53.5 bcd | 46.5 | 21.2 | 32.3 | 17.2f | |
| BC 800 | 1.28 cd | 51.6 de | 48.4 | 25.6 | 26.0 | 19.9c | |
| CON | 1.44 ab | 45.8 fg | 54.2 | 30.9 | 14.9 | 21.5b | |
| F-value | 16.440 | 16.627 | 33.516 | ||||
| P-value4 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | ||||
| Significance | *** | *** | *** | ||||
2BC 100, BC 200, BC 400, and BC 800 denote biochar application rates of 100, 200, 400, and 800 kg 10a-1, respectively. Annual, Biennial, and Triennial indicate biochar application intervals of one, two, and three years, respectively. CON represents the control without biochar application.
CEC를 제외한 토양 pH, EC, 유기물, 유효인산, 교환성 양이온, 총탄소 및 질소성분은 처리 간 유의한 차이를 나타냈다 (Table 4). 시험에 사용한 바이오차는 pH 9.6의 알칼리성이었으나, 시험 종료 후 토양 pH의 처리 간 차이는 비교적 작았다. 알칼리성 바이오차는 회분에 포함된 탄산염과 K, Ca 및 Mg 등의 염기성 양이온을 통해 산성토양의 pH를 높일 수 있지만, 그 효과는 초기 토양 pH, 완충능 및 시용량에 따라 달라진다 (Jeffery et al., 2011; Spokas et al., 2012). 본 시험토양의 초기 pH는 6.8로 중성에 가까웠으므로 바이오차의 산도 교정효과가 제한적으로 나타난 것으로 판단된다.
토양 유기물과 총탄소는 일부 바이오차 처리구에서 무처리구보다 높은 값을 나타냈으며, Annual BC400과 BC800의 총탄소는 각각 1.17 및 1.32%로 증가하였다. 바이오차는 방향족 구조가 발달하여 일반 유기물보다 미생물 분해에 대한 저항성이 높으므로 토양 탄소저장에 기여할 수 있다 (Lehmann and Joseph, 2015). 따라서 총탄소 함량이 70.8%인 사과 전정가지 바이오차의 반복 시용이 토양 총탄소 증가에 기여한 것으로 판단된다.
CEC와 교환성 K, Ca 및 Mg도 시용량과 처리주기에 따라 달라졌다. 바이오차 표면의 작용기와 산화과정에서 생성되는 음전하의 증가로 토양의 양이온 흡착능이 향상될 수 있으며, 그 정도는 원료, 열분해온도 및 시용량에 따라 달라진다 (Spokas et al., 2012; Domingues et al., 2020). 또한 본 시험의 바이오차에는 K 1.3%, Ca 2.4% 및 Mg 0.5%가 함유되어 있어 이들 성분의 공급원으로 작용했을 가능성이 있다. 그러나 대부분의 화학성 항목에서 바이오차 시용량 증가에 따른 일관된 반응은 나타나지 않았고, 본 시험에서 Annual, Biennial 및 Triennial 처리는 시험기간 동안 서로 다른 시용이력과 누적 시용량을 가지므로, 시험 종료 후 토양 화학성의 차이는 개별 시용량뿐 아니라 반복 시용에 따른 누적효과와 이전 시용의 잔효가 함께 반영된 결과로 평가하는 것이 적절하다고 판단된다.
Table 4
Soil chemical properties at the end of the experiment.
| Parameter1, 2 |
pH (1:5) |
EC (dS m-1) |
OM (g kg-1) |
Avail. P2O5 (mg kg-1) |
CEC (cmolc kg-1) |
Exchangeable cations (cmolc kg-1) |
T-C (%) |
NH4+-N (mg kg-1) |
NO3--N (mg kg-1) |
T-N (%) | |||
| K | Ca | Mg | |||||||||||
|
Annual (once per year) | BC 100 | 7.3 e3 | 0.40 e | 11.4 ef | 197.9 i | 3.7 abc | 0.8 k | 5.8 g | 2.3 d | 0.82 fg | 458.1 a | 3.4 def | 0.09 d |
| BC 200 | 7.6 b | 0.36 f | 13.3 cd | 303.6 f | 3.5 abc | 0.9 g | 6.3 f | 2.0 g | 0.96 c | 459.5 a | 4.0 bc | 0.11 bc | |
| BC 400 | 7.5 c | 0.43 de | 16.2 b | 366.4 d | 4.2 a | 1.3 b | 7.1 ab | 2.2 e | 1.17 b | 454.2 a | 4.2 ab | 0.12 a | |
| BC 800 | 7.5 c | 0.47 bc | 18.2 a | 395.3 b | 4.1 ab | 1.6 a | 6.8 c | 2.3 d | 1.32 a | 450.2 a | 4.4 a | 0.12 a | |
|
Biennial (once every 2 years) | BC 100 | 7.6 b | 0.49 b | 11.8 ef | 363.1 d | 3.6 abc | 0.9 h | 6.3 f | 2.2 e | 0.85 efg | 451.2 a | 3.2 efg | 0.10 d |
| BC 200 | 7.7 a | 0.41 de | 11.6 ef | 255.9 g | 3.5 abc | 0.8 i | 6.5 de | 2.3 bc | 0.84 efg | 453.0 a | 2.8 g | 0.10 d | |
| BC 400 | 7.4 d | 0.49 b | 13.9 c | 347.1 e | 3.8 abc | 1.3 c | 6.7 cd | 2.2 e | 1.01 c | 452.3 a | 4.3 ab | 0.11 d | |
| BC 800 | 7.7 a | 0.41 de | 15.9 b | 370.7 cd | 3.6 abc | 1.2 d | 7.1 ab | 2.4 b | 1.15 b | 450.8 a | 3.0 g | 0.11 bc | |
|
Triennial (once every 3 years) | BC 100 | 7.5 c | 0.54 a | 13.2 c | 414.9 a | 3.1 c | 1.1 f | 7.1 a | 2.3 bcd | 0.96 cd | 454.5 a | 3.8 cd | 0.11 b |
| BC 200 | 7.5 d | 0.44 cd | 11.9 def | 362.2 d | 3.4 bc | 0.9 h | 6.9 bc | 2.3 b | 0.86 ef | 454.2 a | 4.0 bc | 0.10 d | |
| BC 400 | 7.7 b | 0.42 de | 10.9 f | 233.1 h | 3.6 abc | 0.8 jk | 7.2 a | 2.5 a | 0.79 g | 451.9 a | 3.1 fg | 0.10 d | |
| BC 800 | 7.5 c | 0.46 b | 12.2 de | 394.2 b | 3.3 c | 0.8 ij | 6.8 c | 2.3 cd | 0.89 de | 408.9 b | 3.5 de | 0.10 d | |
| CON | 7.5 c | 0.39 e | 11.8 def | 378.5 c | 3.7 abc | 1.2 e | 6.5 e | 2.0 f | 0.86 efg | 382.3 c | 4.3 ab | 0.10 cd | |
| F-value | 52.33 | 22.248 | 41.860 | 358.387 | 1.810 | 552.457 | 29.597 | 89.966 | 58.546 | 36.114 | 20.982 | 10.756 | |
| P-value4 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | 0.104 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | |
| Significance | *** | *** | *** | *** | ns | *** | *** | *** | *** | *** | *** | *** | |
2BC 100, BC 200, BC 400, and BC 800 denote biochar application rates of 100, 200, 400, and 800 kg 10a-1, respectively. Annual, Biennial, and Triennial indicate biochar application intervals of one, two, and three years, respectively. CON represents the control without biochar application.
고구마 생육, 식물체 양분함량 및 수량
바이오차 처리는 고구마의 일부 지상부 생육특성에 영향을 미쳤다 (Table 5). 줄기직경 (P = 0.0018), SPAD값 (P < 0.001), 절간장 (P = 0.0213) 및 경엽 생체중 (P = 0.0371)은 처리 간 유의한 차이를 나타낸 반면, 분지수, 만장, 마디수, 엽병장과 경엽 건물중은 유의한 차이가 없었다.
Table 5
Aboveground growth characteristics of sweet potato at 50 days after transplanting under different biochar application treatments.
| Parameter1, 2 |
Vine length (cm) |
Stem diameter (mm) |
Number of branches (No.) |
Number of nodes (No.) |
Petiole length (cm) |
SPAD value |
Internode length (cm) |
Shoot fresh weight (g plant-1) |
Shoot dry weight (g plant-1) | |
|
Annual (once per year) | BC 100 | 92.0 a3 | 5.9 b | 2.8 cd | 27.6 ab | 19.9 a | 38.4 bcd | 3.4 abcd | 264.1 c | 43.9 c |
| BC 200 | 96.1 a | 6.0 b | 4.9 abc | 27.1 ab | 22.9 a | 41.9 abc | 3.7 abc | 479.3 ab | 64.7 ab | |
| BC 400 | 83.1 a | 6.1 b | 4.8 abc | 25.2 ab | 22.0 a | 43.1 ab | 3.4 abcd | 415.8 abc | 55.3 abc | |
| BC 800 | 91.9 a | 5.7 b | 5.0 ab | 28.0 ab | 21.1 a | 45.1 a | 3.3 abcd | 417.4 abc | 51.2 b | |
|
Biennial (once every 2 years) | BC 100 | 90.7 a | 5.1 b | 4.2 abcd | 28.4 ab | 20.2 a | 38.5 bcd | 3.2 bcd | 330.1 bc | 47.8 bc |
| BC 200 | 92.7 a | 5.4 b | 4.0 abcd | 28.8 ab | 16.0 a | 38.4 bcd | 3.2 bcd | 285.9 c | 48.8 bc | |
| BC 400 | 95.6 a | 5.6 b | 4.2 abcd | 29.1 ab | 20.4 a | 41.3 abc | 3.3 abcd | 393.3 abc | 55.6 abc | |
| BC 800 | 100.4 a | 6.0 b | 3.2 bcd | 26.6 ab | 22.3 a | 42.6 ab | 3.8 ab | 376.9 abc | 50.2 bc | |
|
Triennial (once every 3 years) | BC 100 | 97.0 a | 5.5 b | 4.0 abcd | 24.2 b | 21.4 a | 45.8 a | 4.0 a | 391.5 abc | 48.8 bc |
| BC 200 | 83.8 a | 7.3 a | 5.4 a | 31.2 a | 19.5 a | 41.7 abc | 2.7 d | 391.0 abc | 50.7 bc | |
| BC 400 | 81.5 a | 6.2 b | 2.4 d | 27.4 ab | 17.4 a | 34.2 d | 3.0 cd | 324.3 bc | 56.7 abc | |
| BC 800 | 93.4 a | 7.4 a | 4.7 abc | 29.8 ab | 20.5 a | 39.8 bc | 3.1 bcd | 522.2 a | 67.9 a | |
| CON | 91.0 a | 5.2 b | 4.4 abcd | 27.6 ab | 21.9 a | 37.3 cd | 3.3 abcd | 344.3 bc | 50.9 bc | |
| F-value | 0.631 | 3.233 | 1.945 | 1.055 | 0.963 | 4.404 | 2.289 | 2.076 | 1.795 | |
| P-value4 | 0.805 | 0.0018 | 0.052 | 0.417 | 0.496 | <0.001 | 0.0213 | 0.0371 | 0.0762 | |
| Significance | ns | ** | ns | ns | ns | *** | * | * | ns | |
2BC 100, BC 200, BC 400, and BC 800 denote biochar application rates of 100, 200, 400, and 800 kg 10a-1, respectively. Annual, Biennial, and Triennial indicate biochar application intervals of one, two, and three years, respectively. CON represents the control without biochar application.
고구마 잎의 총탄소, 총질소, 총인, K, Ca 및 Mg 함량은 생육 중기와 수확기 모두 처리 간 유의한 차이를 나타냈다 (Table 7). 생육 중기 K 함량은 무처리구의 75.3 g kg-1보다 다수의 바이오차 처리구에서 높은 값을 나타냈으며, Biennial BC800에서 127.3 g kg-1로 가장 높았다. Ca와 Mg 함량도 처리에 따라 달라졌다. 바이오차는 자체에 포함된 무기성분을 공급하고 토양의 CEC 및 양분보유 특성을 변화시켜 식물체의 양분상태에 영향을 줄 수 있다 (Spokas et al., 2012; Domingues et al., 2020). 고구마는 K 요구량이 높은 작물이며, K는 광합성 산물의 이동, 삼투조절 및 전분합성에 관여하여 저장근 형성과 수량에 영향을 미친다 (Liu et al., 2024). 그러나 생육 중기 잎의 K 함량이 가장 높았던 Biennial BC800의 상품수량은 Annual BC400보다 낮은 값을 나타냈다. 이는 조직 내 특정 양분농도만으로 수량 반응을 설명하기 어렵고, 토양 물리성, 양분 간 균형 및 저장근으로의 동화산물 분배를 함께 고려해야 함을 보여주었다.
고구마의 총수량과 상품수량은 바이오차 시용량과 처리주기에 따라 서로 다른 경향을 나타냈다 (Table 6). 무처리구의 총수량과 상품수량은 각각 4,381 및 4,077 kg 10a-1이었다. Annual BC100, BC200 및 BC400의 상품수량은 각각 5,145, 5,395 및 5,578 kg 10a-1로 무처리구보다 높은 값을 나타냈다. 특히 Annual BC400의 상품수량은 무처리구 대비 36.8% 높았으며, 전체 처리 중 가장 높은 값이었다. 반면 Annual BC800의 상품수량은 4,285 kg 10a-1로 무처리구 대비 차이가 제한적이었다. Biennial BC400의 상품수량은 4,966 kg 10a-1로 무처리구보다 21.8% 높았고, Triennial BC400과 BC800은 각각 5,360 및 4,949 kg 10a-1로 무처리구보다 각각 31.5 및 21.4% 높은 값을 나타냈다. 수량자료는 반복별 값이 확보되지 않아 통계적 유의성을 검증할 수 없었으므로, 이상의 결과는 처리별 관찰값과 무처리구 대비 증감률을 중심으로 해석하였다. 그럼에도 400 kg 10a-1 처리에서는 처리주기와 관계없이 상대적으로 높은 상품수량이 관찰되었다.
Table 6
Yield characteristics of sweet potato at harvest under different biochar application treatments.
| Parameter1 |
Total yield2 (kg 10a-1) |
Marketable yield (kg 10a-1) |
Average marketable root weight (g root-1) |
Number of marketable roots (No. plant-1) | Marketable yield by root weight (kg 10a-1) | ||||
| >250 g | 250 - 150 g | 150 - 80 g | 80 - 50 g | ||||||
|
Annual (once per year) | BC 100 | 5,401 | 5,145 | 221 | 4.4 | 2,037 | 1,805 | 945 | 357 |
| BC 200 | 5,645 | 5,395 | 181 | 5.6 | 2,631 | 1,361 | 1,158 | 245 | |
| BC 400 | 5,796 | 5,578 | 176 | 6.0 | 3,550 | 1,069 | 627 | 332 | |
| BC 800 | 4,547 | 4,285 | 230 | 3.5 | 2,177 | 1,093 | 795 | 220 | |
|
Biennial (once every 2 years) | BC 100 | 4,637 | 4,282 | 123 | 6.5 | 1,339 | 1,232 | 1,375 | 337 |
| BC 200 | 4,420 | 4,137 | 187 | 4.2 | 1,363 | 1,521 | 1,009 | 244 | |
| BC 400 | 5,199 | 4,966 | 171 | 5.4 | 2,331 | 1,511 | 756 | 369 | |
| BC 800 | 4,690 | 4,504 | 148 | 5.7 | 1,900 | 1,595 | 627 | 383 | |
|
Triennial (once every 3 years) | BC 100 | 4,428 | 4,144 | 186 | 4.2 | 1,949 | 913 | 892 | 391 |
| BC 200 | 4,574 | 4,269 | 128 | 6.2 | 2,013 | 1,213 | 668 | 375 | |
| BC 400 | 5,881 | 5,360 | 191 | 5.3 | 1,604 | 1,961 | 1,319 | 476 | |
| BC 800 | 5,276 | 4,949 | 155 | 6.0 | 2,289 | 1,484 | 789 | 387 | |
| CON | 4,381 | 4,077 | 128 | 6.0 | 1,632 | 1,216 | 976 | 253 | |
Table 7
Leaf nutrient concentrations of sweet potato under different biochar application treatments.
| Parameter1, 2 | Mid-growth stage (g kg-1)1 | Harvest stage (g kg-1) | |||||||||||
| Total C | Total N | Total P | Total K | Total Ca | Total Mg | Total C | Total N | Total P | Total K | Total Ca | Total Mg | ||
|
Annual (once per year) | BC 100 | 359.6 ab3 | 32.7 b | 3.0 d | 60.5 f | 11.9 g | 3.9 ef | 356.7 a | 37.5 bc | 4.1 bc | 56.9 bc | 8.5 a | 3. 0a |
| BC 200 | 347.9 e | 33.1 b | 3.4 abc | 71.3 ef | 14.1 ef | 4.1 ef | 348.3 b | 35.2 cde | 4.2 b | 60.8 ab | 6.4 de | 2.5 abcd | |
| BC 400 | 349.3 de | 36.3 b | 3.3 bcd | 88.1 bcd | 16.5 bc | 5.1 abcd | 346.4 b | 34.9 cde | 3.6 ef | 59.7 ab | 6.5 de | 2.4 cd | |
| BC 800 | 358.1 abc | 40.4 a | 3.8 a | 93.7 bc | 14.4 def | 4.5 de | 347.9 b | 32.3 e | 3.5 f | 60.3 ab | 7.7 abc | 2.3 d | |
|
Biennial (once every 2 years) | BC 100 | 349.6 de | 33.6 b | 3.7 ab | 80.0 bcde | 16.4 bc | 4.8 cd | 336.9 de | 33.3 de | 4.4 ab | 59.4 ab | 8.5 a | 2.9 ab |
| BC 200 | 363.1 a | 34.4 b | 3.8 a | 79.0 cde | 17.3 ab | 5.8 a | 334.7 def | 37.6 bc | 4.3 ab | 54.0 c | 5.8 e | 2.8 abc | |
| BC 400 | 354.8 bcd | 35.4 b | 3.8 a | 96.2 b | 17.0 abc | 5.2 abc | 330.3 fg | 37.2 bc | 3.8 de | 62.7 a | 7.6 abcd | 2.5 cd | |
| BC 800 | 349.2 de | 34.5 b | 3.7 ab | 127.3 a | 18.6 a | 5.3 abc | 336.3 def | 37.8 bc | 4.6 a | 60.3 ab | 7.1 bcd | 2.4 cd | |
|
Triennial (once every 3 years) | BC 100 | 352.2 de | 33.1 b | 3.2 cd | 93.2 bc | 18.5 a | 5.6 ab | 330.9 ef | 37.5 bc | 3.5 f | 57.0 bc | 6.7 cde | 2.2 d |
| BC 200 | 349.3 de | 35.3 b | 3.1 cd | 91.8 bcd | 16.6 bc | 5.2 abc | 335.7 def | 39.2 b | 3.9 cd | 56.8 bc | 6.5 de | 2.4 cd | |
| BC 400 | 351.7 de | 35.5 b | 3.3 cd | 85.0 bcde | 15.4 cde | 5.6 ab | 344.6 bc | 36.7 bc | 4.2 bc | 57.4 bc | 8.3 a | 3.0 a | |
| BC 800 | 347.0 e | 34.7 b | 3.3 bcd | 86.4 bcde | 15.9 bcd | 4.9 bcd | 340.1 cd | 36.5 bcd | 4.4 ab | 58.5 abc | 8.7 a | 2.8 abc | |
| CON | 353.1 cde | 33.9 b | 3.1 cd | 75.3 def | 12.7 fg | 3.6 f | 324.6 g | 42.4 a | 3.4 f | 56.2 bc | 7.9 ab | 2.1d | |
| F-value | 7.081 | 2.793 | 6.194 | 9.884 | 13.381 | 10.522 | 20.721 | 6.032 | 18.393 | 2.197 | 7.211 | 4.961 | |
| P-value4 | <0.001 | 0.0155 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | 0.0486 | <0.001 | <0.001 | |
| Significance | *** | * | *** | *** | *** | *** | *** | *** | *** | * | *** | *** | |
2BC 100, BC 200, BC 400, and BC 800 denote biochar application rates of 100, 200, 400, and 800 kg 10a-1, respectively. Annual, Biennial, and Triennial indicate biochar application intervals of one, two, and three years, respectively. CON represents the control without biochar application.
고구마 수량은 평균 저장근중과 주당 저장근수의 조합에 의해 결정되며, 저장근수는 수량과 상품성 형성에 중요한 요인이다 (Liang et al., 2023). Annual BC400은 평균 상품괴근중이 176 g으로 가장 높지는 않았으나 주당 상품괴근수가 6.0개였고, 250 g 초과 괴근수량이 3,550 kg 10a-1로 높게 나타나서, 평균 상품괴근중보다 저장근수 증가가 상품수량 향상에 중요한 요인으로 작용한 것으로 판단된다. 반면 Annual BC800은 평균 상품괴근중이 230 g으로 높았지만 주당 상품괴근수는 3.5개로 적어 전체 상품수량은 상대적으로 낮았다.
고구마는 토양의 물리적 저항과 통기상태에 민감하며, 낮은 용적밀도는 뿌리 발달과 저장근 형성에 유리하게 작용할 수 있다 (Agbede, 2010). Annual BC400에서 가장 낮은 용적밀도와 가장 높은 공극률이 나타난 점을 고려하면, 바이오차에 의한 근권 물리성 개선이 저장근 형성과 비대에 기여했을 가능성이 있다.
바이오차 시용에 따른 N2O 배출 변화
재배기간 중 일일 N2O 플럭스는 작물 정식과 시비 직후 높게 관찰된 후 생육이 진행됨에 따라 감소하는 경향을 보였다 (Fig. 1). 농경지 N2O 배출은 토양 온도, 수분 및 무기태 질소의 영향을 받으며, 질소비료와 유기물 시용으로 질산화와 탈질의 기질이 증가할 때 높아질 수 있다 (Parton et al., 1996; Kim et al., 2008). 고구마 재배 밭토양에서 가축분퇴비 시용량 증가에 따라 N2O 배출이 증가한 사례가 보고된 바 있으며 (Kim et al., 2018), 본 시험에서 초기 N2O 플럭스가 높게 관찰된 것은 정식 전 퇴비와 화학비료 시용에 따른 무기태 질소 공급 증가와 관련된 것으로 판단된다. 누적 N2O 배출량은 무처리구에서 7.42 kg N2O ha-1이었으며, Annual BC100과 Triennial BC100을 제외한 바이오차 처리구에서 대조구인 무처리구보다 낮은 값이 관찰되었다 (Table 8 and Fig. 2). Annual BC400은 6.25 kg N2O ha-1로 가장 낮은 값을 나타내어 무처리구보다 15.8% 낮았고, Annual BC800과 Biennial BC800도 각각 14.9 및 11.8% 낮은 값을 보였다. 일일 및 누적 N2O 배출량의 처리 간 차이는 관찰값과 변화 경향을 중심으로 해석하였으며, 또한 처리별 관찰값은 바이오차 시용량 증가에 따라 일률적으로 낮아지지 않았고, 시용이력과 누적 시용량에 따라서도 서로 다른 양상을 나타냈다.
Table 8
Comparison of cumulative nitrous oxide (N2O) emissions under different biochar application treatments.
| Parameter1 |
Mean daily N2O emission (mg N2O m-2 day-1) |
Cumulative N2O emission (kg N2O ha-1) |
Global warming potential2 (kg CO2-eq. ha-1) |
Reduction3 (%) | |
|
Annual (once per year) | BC 100 | 5.20 | 7.57 | 2,006 (102)4 | -2.1 |
| BC 200 | 4.60 | 6.70 | 1,774 (90) | 9.7 | |
| BC 400 | 4.29 | 6.25 | 1,656 (84) | 15.8 | |
| BC 800 | 4.34 | 6.31 | 1,672 (85) | 14.9 | |
|
Biennial (once every 2 years) | BC 100 | 5.00 | 7.27 | 1,927 (98) | 2.0 |
| BC 200 | 4.79 | 6.97 | 1,846 (94) | 6.0 | |
| BC 400 | 4.59 | 6.68 | 1,769 (90) | 10.0 | |
| BC 800 | 4.49 | 6.54 | 1,732 (88) | 11.8 | |
|
Triennial (once every 3 years) | BC 100 | 5.23 | 7.61 | 2,017 (103) | -2.6 |
| BC 200 | 4.92 | 7.16 | 1,898 (97) | 3.4 | |
| BC 400 | 4.98 | 7.25 | 1,922 (98) | 2.2 | |
| BC 800 | 4.71 | 6.86 | 1,817 (92) | 7.5 | |
| CON | 5.10 | 7.42 | 1,965 (100) | 0 | |
1BC 100, BC 200, BC 400, and BC 800 denote biochar application rates of 100, 200, 400, and 800 kg 10a-1, respectively. Annual, Biennial, and Triennial indicate biochar application intervals of one, two, and three years, respectively. CON represents the control without biochar application.
메타분석에 따르면 바이오차는 전반적으로 토양 N2O 배출을 감소시키지만, 그 효과는 바이오차 원료, 열분해조건, C/N비, 시용량, 토성 및 질소비료 형태에 따라 달라진다 (Cayuela et al., 2014). 본 연구에서 처리별 N2O 배출량이 서로 다른 경향을 나타낸 것도 시험기간 동안의 바이오차 시용이력과 누적 시용량뿐 아니라 토양 물리성과 질소 공급조건의 차이가 함께 작용한 결과로 판단된다. Annual BC400은 용적밀도가 가장 낮고 공극률과 기상률이 높은 처리였으며, 누적 N2O 배출량도 가장 낮은 값이 관찰되었다. 토양 내 기상공극의 증가는 혐기적 조건에서 진행되는 탈질을 제한할 수 있으며, 바이오차의 표면 작용기는 NH4+의 보유와 질소의 이용 가능성에 영향을 줄 수 있다 (Cayuela et al., 2013; Cayuela et al., 2014). 또한 바이오차에 의한 토양 pH 변화도 탈질 최종단계에서 N2O가 N2로 환원되는 과정에 영향을 줄 가능성이 있다 (Cayuela et al., 2013). 그러나 Table 4에서 토양 pH의 변화는 비교적 작았고, 시험 종료 시점의 NH4+-N과 NO3--N만 측정하였으므로 pH 또는 무기태 질소 변화가 N2O 감소의 직접적인 원인이라고 단정하기는 어렵다. 또한 바이오차의 N2O 저감기작은 토양조건에 따라 달라질 수 있으며, 일부 논토양에서는 바이오차 처리 후 ammonia-oxidizing bacteria의 활성이 증가하여 N2O 배출이 촉진된 사례도 보고되었다 (Lin et al., 2017). 본 연구에서는 시험 종료 시점의 NH4+-N과 NO3--N만 측정하여서 재배기간 동안의 질소전환 과정을 직접 설명하기 어렵기 때문에, 구체적인 기작을 규명하기 위해서는 재배기간 중 무기태 질소 및 질산화 ‧ 탈질 관련 미생물의 시기별 조사가 추가적으로 필요하다고 판단된다.
Conclusions
사과 전정가지 바이오차의 시용량과 시용이력을 달리한 처리에서 고구마 재배지의 토양 물리 ‧ 화학성과 식물체 양분함량에 차이가 나타났다. 바이오차 처리에 따라 토양 용적밀도와 공극률이 유의하게 달라졌으며, 대부분의 처리구에서는 무처리구보다 용적밀도가 낮고 공극률이 높은 값을 나타냈다. 토양 pH, 총탄소, 및 교환성 양이온도 처리 간 유의한 차이를 보였으나, 이러한 반응은 단순한 시용량 증가에 비례하지 않았으며, 시험기간 동안의 시용이력과 누적 시용량에 따라 서로 다른 양상을 보였다. 고구마 지상부 생육에서는 일부 항목에서만 처리효과가 나타났으며, 상품수량은 Annual BC400에서 5,578 kg 10a-1로 가장 높은 값이 관찰되었고, Triennial BC400에서도 5,360 kg 10a-1의 비교적 높은 상품수량을 나타냈다. 누적 N2O 배출량은 대부분의 바이오차 처리구에서 무처리구보다 낮은 값을 보였으며, Annual BC400에서 6.25 kg N2O ha-1로 가장 낮아 무처리구 대비 15.8% 낮았다.
종합하면, Annual BC400은 상품수량, 토양 물리성 및 N2O 배출 측면에서 가장 우수한 경향을 보였다. 다만 상품수량과 일일 및 누적 N2O 배출량은 반복별 자료가 없어 통계적 유의성을 검증하지 못하였으므로, 관련 결과는 처리별 관찰 경향으로 판단하였다. 따라서 사과 전정가지 바이오차의 적정 시용기준을 확정하기 위해서는 다양한 토양과 재배조건에서 반복자료를 확보한 추가 포장시험이 필요하다.
