Introduction
Materials and Methods
공시토양 특성
계분 바이오차 제작
포트실험
분석방법
통계분석
Results and Discussion
계분 바이오차 처리에 따른 상추 생육조사
계분 바이오차 처리에 따른 작물 양분 분포 특성
계분 바이오차 처리에 따른 토양 특성 변화
Conclusions
Introduction
지구온난화가 심화됨에 따라, 전 세계 각국은 온실가스 농도 안정화를 위한 대응 방안으로 파리협정을 체결하고 온실가스 감축 목표를 설정하여 이를 이행하고 있다 (Song and Song, 2019). 대한민국 역시 파리협정 당사국으로서 장기 저탄소 발전전략 및 국가 온실가스 감축목표 (NDC)를 수립하였으며 2050년 탄소중립 실현을 위한 다양한 정책을 발표하였다 (Seo et al., 2025). 2022년 기준 국내 농업 부문에서 발생한 온실가스는 약 2,300만 톤 CO2eq로, 2012년 대비 110만 톤 CO2eq 감소하였음에도 여전히 국가 전체 온실가스 배출량의 약 3%를 차지하고 있다. 농업 부문 온실가스는 경종 및 축산 분야에서 주로 발생하며, 농경지 면적이 약 150만 ha로 10년 전보다 약 12.4% 감소하였고, 2030년에는 약 10.5% (134만 ha) 감소할 것으로 추정되고 있어 경종 분야의 배출량은 점차 줄어들 것으로 전망된다 (Lee et al., 2024; Seo et al., 2025).
반면, 축산 분야는 육류 소비 증가에 따라 지속적인 성장이 예측되며 (Cho et al., 2022) 총 사육두수는 계속해서 증가할 것으로 예상된다 (Beak et al., 2023). 이에 따라 가축분뇨 발생량도 증가할 것으로 보이며, 장내 발효 및 가축분뇨 처리 과정에서 발생하는 온실가스도 증가할 것으로 예측된다 (Nugrahaeningtyas et al., 2023). 2023년 기준, 국내에서 발생하는 가축분뇨는 일일 137,100톤으로, 이 중 약 114,951톤이 퇴비 또는 액비화 과정을 통해 처리되고 있다. 그러나 이러한 처리 과정에서 상당량의 메탄 (CH4) 및 아산화질소 (N2O)가 배출되는 것으로 보고되고 있어, 일부 연구에서는 퇴비화가 오히려 온실가스를 추가로 배출할 수 있다고 지적하고 있다 (Cao et al., 2019; Jeong et al., 2023). 또한, 농경지 면적의 지속적인 감소와 더불어, 현재 국내 농경지의 질소와 인 수지는 각각 230 kg N ha-1, 46 kg P ha-1로 과잉 공급 상태임에 따라, 환경오염의 원인이 될 수 있다 (Andersen and Gerard, 2021; Jo et al., 2023).
이러한 문제점을 해결하기 위해, 최근에는 가축분뇨의 바이오차화가 주목받고 있다. 바이오차 (Biochar)는 바이오매스 (Biomass)를 산소가 없는 조건에서 고온 열분해하여 생산되는 탄소질 고체로, 높은 탄소 함량과 안정적인 구조로 인해 토양 탄소 고정 효과가 크고 분해가 어렵다 (Lee et al., 2021; Park et al., 2023; Cho et al., 2024). 바이오차를 토양에 적용할 경우, 넓은 비표면적으로 인해 양분 보유 능력이 향상되어 질소 손실을 줄이고 무기질 비료 사용을 감소시킬 수 있으며 토양 구조 개선을 통해 공극률 및 통기성이 증가함으로써 아산화질소의 배출 저감에도 기여할 수 있다. 또한 토양의 pH가 상승함에 따라 탈질균의 활성도 증진되어 N2O를 N2로 환원시키는 효소 반응이 촉진되므로 온실가스 감축 효과를 기대할 수 있다 (Lee et al., 2020). 바이오차의 특성은 생산에 사용되는 원료에 따라 달라지며, 원료별 안정성, 영양 성분, 그리고 탄소 함량에 큰 영향을 받는다 (Ippolito et al., 2020). 가축분 바이오차의 경우 일반적으로 목질계 바이오차보다 인과 질소 함량이 더 높고 (Anyebe et al., 2025), 분해 속도가 더 빠르고 온실가스 배출이 더 적은 경향이 있다 (Mosa et al., 2023). 이러한 특성으로 인해 가축분 바이오차는 토양 비옥도 개선과 동시에 가축분뇨 처리 및 온실가스 저감이라는 이중 효과를 제공할 수 있어 주목받고 있다. 최근 연구들에서는 가축분 바이오차의 토양 화학적 특성 개선과 작물 생육 촉진 효과가 확인되고 있으나 (Shin et al., 2024; Park et al., 2024), 작물별 적정 시용 수준에 대한 체계적인 연구는 여전히 부족하다.
이에 본 연구의 목적은 계분 바이오차를 유기질 비료로 활용하여 다양한 시비 조건에서 상추를 재배함으로써 토양 환경 개선 효과 및 작물 생육에 미치는 영향을 평가하는 데 있다. 이를 통해 농축산 분야에서의 바이오차 활용 가능성을 모색하고, 탄소중립 실현을 위한 유기질 비료로서의 활용 방안을 제시하고자 한다.
Materials and Methods
공시토양 특성
본 연구에서 사용한 토양은 전라남도 순천시 서면에 위치한 국립순천대학교 전작시험포장 (35.0046°N, 127.5176°E)에서 채취하였다. 채취한 토양은 자연건조 후 체질하여 (< 2 mm) 균질화 후 화학적 특성을 분석하였다. Table 1에서 보는 바와 같이 공시토양의 pH는 5.76, EC는 0.38 dS m-1, 유기물은 47.7 g kg-1, T-N은 1.79 g kg-1 이었으며 Av. P2O5는 93.0 mg kg-1을 나타내었다. 일반적으로 상추재배에 적합한 pH (6.5 - 7.0)과 Av. P2O5 (250 - 400 mg kg-1)에 비해 다소 낮은 화학성을 보였다.
Table 1
Chemical properties of the experimental raw soil.
|
pH (1:5 H2O) |
EC (dS m-1) |
O.M (g kg-1) |
T-N (g kg-1) |
Av. P2O5 (mg kg-1) | Exch. Cations (cmolc kg-1) | |||
| K | Ca | Mg | CEC | |||||
| 5.76 | 0.38 | 47.7 | 1.79 | 93.0 | 0.81 | 2.96 | 1.06 | 8.99 |
계분 바이오차 제작
본 연구에 사용된 계분은 전라북도 정읍시 소재 양계장에서 채취하였고, 과수 전정가지는 전남 순천시 소재 복숭아 과수원에서 수거하였다. 수집한 부산물들은 dry oven을 이용하여 완전 건조시킨 후 실험에 사용하였다. 계분 바이오차 (chicken manure biochar, CMBC)는 건조된 계분과 복숭아나무 전정가지에서 유래한 목질계 바이오매스를 중량비 기준 계분 80%, 목질계 바이오매스 20%로 혼합하였다. 혼합된 시료는 바이오차 제조 장치 (GK-1015 모델, STI KOREA)에 투입하여 질소 가스를 주입하지 않은 혐기 조건에서 400°C까지 약 4시간에 걸쳐 승온한 뒤, 400°C에서 2시간 동안 탄화하였다. 생산된 계분 바이오차의 특성은 Table 2와 같다.
Table 2
Chemical properties of the chicken manure biochar.
포트실험
완성된 계분 바이오차의 토양 및 작물 생장 개선 효과를 조사하기 위해 국립순천대학교 유리온실에서 포트 실험을 실시하였다. 포트는 Wagner pot (1 5000a-1)를 사용하였으며, 여과층 형성을 위해 바닥에 자갈 1 kg을 충진하였고, 토양과 계분 바이오차를 혼합하여 총 2 kg이 되도록 처리하였다. 토양에 처리한 계분 바이오차는 3, 5 및 10 Mg ha-1 (CMBC3, CMBC5, CMBC10) 수준으로 시용하였고, 계분 바이오차를 처리하지 않은 처리구를 대조구 (CN)으로 하였다. 또한 농촌진흥청 표준 시비량 (NAS, 2019)에 근거로 하여 질소, 인 및 칼륨을 각각 N 200 kg ha-1, P 590 kg ha-1, K 128kg ha-1 전층 시비한 처리구를 NPK 처리구 (IF)로 하였고, 계분 바이오차와 무기질 비료를 혼합하여 시비한 처리구 (IF+CMBC3, IF+CMBC5, IF+CMBC10)도 추가로 설정하였다. 모든 처리구는 3반복으로 수행되었으며, 재배 작물은 상추를 선정하여 2024년 9월 26일에 파종하여 2024년 10월 24일까지 5주 동안 재배를 진행하였다. 작물별 생육 조사는 매주 목요일에 실시하였고 초장과 엽수를 조사하여 계분 바이오차가 상추 생육에 미치는 영향을 평가하였다.
분석방법
본 실험의 식물체 및 토양은 토양 및 식물체 분석법 (NIAST, 2000)에 준하여 분석하였다. 수확 후 상추의 초장, 엽 수, 건중량을 조사하였으며, 상추 시료는 70°C dry oven에서 건조시킨 후 습식분해법 (H2SO4 + HClO4)으로 전처리하여 T-N은 Kjeldahl법, T-P는 Vanadate법으로 분석하였으며, K의 함량은 ICP (ICPE-9000, Shimadzu)를 사용하여 분석하였다. 작물의 양분흡수량을 Eq. 1에 대입하여 계산하고 이를 통해 각 처리구별 양분 이용 효율을 Eq. 2와 Eq. 3을 이용하여 양분이용효율을 산출하였다.
Y는 질소 (N), 인 (P), 칼륨 (K)를 시비한 후의 수확량을 의미하며, Y₀는 질소를 시비하지 않았을 때의 수확량이다. Upt는 N, P, K를 시비한 후 작물에 의해 흡수된 N, P, K의 양을, Upt₀는 N, P, K를 시비하지 않은 경우 작물에 의해 흡수된 양분의 양을 의미한다. 그리고 Input N, P, K는 바이오차 및 비료를 통해 시비된 N, P, K의 총량 (kg ha-1)을 의미한다 (Kang et al., 2021).
토양의 pH 및 전기전도도 (EC)는 시료와 증류수를 1:5 (w/v) 비율로 혼합한 침출액을 이용하여 각각 pH meter (sr3100, USA)와 EC meter (STC3100C, USA)로 측정하였다. 유기물은 Tyurin법을 통해 분석하였으며, 총 질소 (Total-N)는 Kjeldahl 증류법을 적용하여 정량하였다. 치환성 양이온 (Ca, Mg, K, Na) 분석을 위해서 1 N 아세트산암모늄 (pH 7.0) 용액으로 침출한 후, 여과액을 ICP-OES (ICPE-9000, Shimadzu, Kyoto, Japan)를 이용해 측정하였고, 유효인산은 Lancaster법에 따라 분석하였다.
본 실험에서 사용한 바이오차는 습식분해법 (H2SO4 + HClO4)으로 전처리하여 T-N 분석은 Kjeldahl법을 사용하였다. 바이오차의 pH는 증류수와 1:10 (w/v) 비율로 교반하여 pH meter를 사용하여 측정하였고, C, H와 O의 함량은 원소분석기 (CHN628, LECO)를 사용하여 분석하였으며, 유해 중금속은 (H2SO4+HClO4)으로 전처리 후 ICP (ICPE-9000, Shimadzu, Kyoto, Japan)를 이용하여 분석하였다. 수분 함량은 가열감량법을 이용하였고, 염산불용해물은 비료 공정시험기준을 준수하며 분석하였다. 염분은 IC (Dionex aquion, Thermo scientific)를 통해 Cl- 함량을 측정하여 NaCl 함량으로 환산하였다. 계분 바이오차의 T-N, T-P 및 K 함량은 식물체 분석과 동일하게 진행되었다.
통계분석
본 연구는 총 8개의 처리구를 두고 각 처리구를 3반복으로 배치하였으며, 반복구당 3회 측정을 수행하여 총 72개의 데이터를 수집하였다 (8처리구 × 3반복 × 3회 측정). 상추 생육과 토양 화학성에 대한 처리 간 차이를 검증하기 위해 SPSS (Version 27, IBM Corp., Armonk, NY, USA)를 이용하여 통계분석을 실시하였으며, 유의수준 5%에서 Duncan’s multiple range test를 수행하였다.
Results and Discussion
계분 바이오차 처리에 따른 상추 생육조사
계분 바이오차 처리에 따른 생육조사 결과는 Table 3과 같다. 상추의 생중량은 대조구에 비해 IF, CMBC3 및 CMBC5 처리구가 각각 11.3%, 65.0% 및 36.3% 증가한 모습을 보여주었으며, CMBC10, IF+CMBC3, IF+CMBC5 및 IF+CMBC10 처리구는 각각 -18.0%, -18.5%, -51.2% 및 -18.0%로 대조구에 비해 생육이 감소한 모습을 보였다. 엽수의 경우 대조구와 비교하였을 때 CMBC3 처리구가 33.3%로 가장 확연한 차이를 나타내었으며 대조구보다 감소한 처리구는 존재하지 않았다. CMBC3 처리구의 상추 초장은 대조구와 비교하여 29.0%로 가장 뚜렷한 생육 반응을 나타냈다. 그러나 CMBC10, IF+CMBC3 및 IF+CMBC5 처리구에서는 각각 -7.40%, -3.09% 및 -31.5%로 빈약한 생육을 나타내었다. CMBC3 처리구에서 생중량, 엽수, 초장 모두에서 대조구 대비 가장 우수한 생육 향상을 나타냄을 확인할 수 있었는데, 이는 바이오차가 토양의 pH, 보수력 및 이온교환능력을 증가시키고, 미생물의 주거지 제공 등 다양한 특성에 의해 농업생산성을 향상시켜 작물 생육에 긍정적인 영향을 미친 것으로 판단된다 (Yoon, 2013; Oh et al., 2014; Oh et al., 2017). 이와 같은 바이오차의 긍정적인 특성은 CMBC3 및 CMBC5 처리구의 상추 생육 향상에 영향을 미친 것으로 사료된다. 그러나 CMBC10 처리구에서는 다른 CMBC 단독처리구들과 비교하여 생육이 감소하는 모습을 보이는데 이는 바이오차의 부정적인 효과인 C/N 특성에 의한 질소 유효도 감소, pH의 상승작용으로 인해 생육이 감소한 것으로 판단되었고 (Asai et al., 2009; Hong et al., 2020), 바이오차의 과도한 시용은 오히려 토양 pH, EC 등에 부정적 영향을 미쳐 작물 생육을 저해할 수 있다는 (Jang et al., 2023)의 연구와도 유사하였다. Zhang et al. (2025)의 연구에서는 과도한 바이오차의 시용은 토양 내 무기태 질소(NH4+, NO3-)의 이용 가능성을 저하시킨다고 하였고, Rathinapriya et al. (2025)은 EC 증가로 인한 염류 집적은 삼투 스트레스를 유발하여 뿌리의 수분 및 양분 흡수를 저해할 수 있다고 제시하였다. 이러한 복합적인 생리적 저해 기작이 작용하여 CMBC10 처리구에서 생육이 감소한 것으로 해석된다. 계분 바이오차 단독 처리의 경우, 시비량에 따라 작물 생육이 향상되거나 저조해지는 경향을 보였으나, 무기질 비료와 혼합 처리된 IF+CMBC 계열 처리구는 CMBC 단독 처리구에 비해 상대적으로 낮은 생육 수준을 나타내었다. Wang et al. (2011)의 연구에서 비료를 계속 추가로 시비할수록 그 효과는 점차 감소하고, 일정 수준 이상에서는 수량 증가가 정체되며 수확량의 한계가 나타날 수 있다고 하였다. 따라서 본 연구에서도 양분의 공급이 증가함에 따라 상추의 생육이 감소한 것으로 여겨진다. 또한 Sorensen et al. (2016)은 과도한 바이오차 시비는 양분흡착으로 인한 작물 생육 부진을 일으켰다고 하였고, Park et al. (2019)의 연구에서 바이오차를 0.07% (w/w, 바이오차/토양)으로 시비처리 후 무기질 비료를 혼합 시비하였을 때 생육이 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 무기질 비료와 함께 사용할 때 가축분 바이오차의 적정 시비 수준에 대한 연구가 필요함을 시사한다.
Table 3
Growth characteristics of lettuce under different chicken manure biochar treatments.
| Treatment |
Fresh weight (g plant-1) |
Dry weight (g plant-1) |
Leaf height (cm-1) |
Leaf number (ea plant-1) |
| CN2 | 52.3 abc1 | 2.49 a | 16.2 bcd | 12.0 a |
| IF | 58.2 abc | 2.57 a | 12.4 ab | 12.7 ab |
| CMBC3 | 86.3 c | 4.13 b | 20.9 d | 16.0 b |
| CMBC5 | 71.3 bc | 3.34 ab | 20.5 cd | 15.3 ab |
| CMBC10 | 42.9 ab | 2.09 a | 15.0 ab | 13.7 ab |
| IF+CMBC3 | 42.6 ab | 2.91 ab | 15.7 abc | 12.3 a |
| IF+CMBC5 | 25.5 a | 2.45 a | 11.1 a | 12.7 ab |
| IF+CMBC10 | 42.9 ab | 2.26 a | 17.5 bcd | 14.0 ab |
계분 바이오차 처리에 따른 작물 양분 분포 특성
수확 후 상추의 질소, 인, 칼륨 흡수량을 분석한 결과는 Table 4와 같다. CMBC3 처리구는 무처리구에 비해 각각 73.8%, 186.2%, 76.7% 증가하였다. 이러한 양분 흡수 증가는 바이오차에 포함된 칼륨 (K), 인 (P), 칼슘 (Ca), 아연 (Zn), 구리 (Cu) 등 다양한 양분 성분이 작물에 직접 공급되어 작용한 것으로 판단되며 (Hong et al., 2020), 축산계 퇴비 및 하수오니를 원료로 한 제작된 바이오차는 산성에서 중성 범위의 토양 반응과 비교적 거칠거나 중간 정도의 입도 분포를 가진 토양에서 적용할 때 가장 높은 효과를 보이는 것으로 보고되었다 (Jeffery et al., 2011). 본 연구에서도 계분 바이오차가 작물 양분 흡수, 생육에 긍정적인 영향을 미친 것으로 판단된다. 그러나 바이오차의 시비량이 과다하거나 무기질비료와 혼합 시비하였을 때 양분흡수율이 감소하는 것을 관찰할 수 있었는데, 질소의 경우, 바이오차의 높은 C/N 비율로 인해 질소의 고정화가 유도되어 식물의 질소 흡수가 저해된다는 보고가 있으며 (Lehmann et al., 2002) 실제로 16 t ha-1 수준의 과도한 바이오차 투입 시 질소 비료를 병용하더라도 질소 제한 현상이 지속되어 수량이 오히려 감소하는 부정적인 효과가 관찰되었다 (Asai et al., 2009). 인의 경우에도 유사한 현상이 나타났는데, 이는 바이오차에 의한 토양 pH 상승으로 인해 CaO와 P2O5가 결합하여 침전물이 형성되고, 그 결과 식물의 인 흡수가 저해된다는 연구 결과에서 확인된 바 있다 (Hong et al., 2020). 처리구 별 양분 이용 효율은 Tables 5, 6 및 7과 같다. CMBC3 처리구에서 AE_N과 ARF_N이 각각 13.3 kg N ha-1, 39.0%로 가장 높은 효율을 나타내었으며, 이는 인과 칼륨의 이용 효율에서도 유사한 경향을 보였다. 그러나 계분 바이오차의 시용량이 증가함에 따라 효율은 감소하였다. 이는 Park et al. (2019)의 연구에서도 유사한 경향을 나타내었는데, 바이오차를 토양 중량 대비 0.05% 시용하였을 때 토마토의 질소이용효율이 최대치를 나타내고 0.07%를 시용한 처리구에서는 질소이용효율이 감소하는 결과를 나타내었다. 본 연구에서 바이오차 단독 시비 처리구는 무기질 비료와의 병용 처리구보다 높은 양분 이용 효율을 나타냈으며, 이는 Agegnehu et al. (2016)이 보고한 바이오차의 단독 시비가 질소이용효율을 향상시킨다는 결과와 일치한다. 이러한 경향은 질소뿐만 아니라 인과 칼륨의 이용 효율에서도 관찰되었으며 바이오차 단독 시비가 주요 양분의 이용 효율을 전반적으로 개선할 수 있음을 시사한다. 따라서, 계분 바이오차는 적정 수준에서 단독으로 시용할 경우 양분 이용 효율을 극대화할 수 있으나, 과도한 시용이나 무기질 비료와의 병용 시에는 오히려 효율이 저하될 수 있으므로 시비량에 대한 추가적인 연구가 요구된다.
Table 4
Nutrients uptake and contents of lettuce under different chicken manure biochar treatments.
| Treatment | Nurtients contents (%) | Nutrients uptake (mg plant-1) | ||||
| N | P | K | N | P | K | |
| CN2 | 2.63 a1 | 0.33 a | 2.97 b | 66.0 ab | 8.23 a | 74.7 ab |
| IF | 3.22 a | 0.28 a | 1.98 a | 82.7 ab | 7.30 a | 51.3 a |
| CMBC3 | 2.78 a | 0.57 bc | 3.17 b | 114 b | 23.4 d | 131 c |
| CMBC5 | 3.20 a | 0.66 d | 3.09 b | 107 b | 21.6 d | 103 bc |
| CMBC10 | 3.17 a | 0.66 d | 2.79 b | 66.8 ab | 13.7 ab | 58.3 ab |
| IF+CMBC3 | 2.57 a | 0.62 bc | 3.07 b | 67.6 ab | 17.9 bc | 89.6 abc |
| IF+CMBC5 | 2.49 a | 0.45 b | 3.70 c | 63.3 ab | 11.2 a | 88.0 abc |
| IF+CMBC10 | 1.75 a | 0.61 bc | 4.74 d | 39.5 a | 14.0 ab | 107 bc |
Table 5
Nitrogen use efficiency of lettuce as affected by biochar.
| Treatments |
Input N (kg N ha-1) |
AE_N1 (kg N ha-1) |
ARF_N2 (%) |
| IF4 | 200 | 0.20 a3 | 4.18 ab |
| CMBC3 | 61.5 | 13.3 b | 39.0 c |
| CMBC5 | 103 | 4.13 a | 20.0 b |
| CMBC10 | 205 | -0.98 a | 0.20 a |
| IF+CMBC3 | 262 | 0.80 a | 0.31 a |
| IF+CMBC5 | 303 | -0.07 a | -0.44 a |
| IF+CMBC10 | 405 | -0.29 a | -3.26 a |
Table 6
Phosphorus use efficiency of lettuce as affected by biochar.
| Treatments |
Input P (kg P ha-1) |
AE_P1 (kg P ha-1) |
ARF_P2 (%) |
| IF4 | 59 | 0.68 a3 | -0.79 a |
| CMBC3 | 132 | 6.19 b | 5.74 d |
| CMBC5 | 220 | 1.92 ab | 3.05 c |
| CMBC10 | 440 | -0.45 a | 0.62 ab |
| IF+CMBC3 | 191 | 1.09 a | 2.54 bc |
| IF+CMBC5 | 367 | -0.08 a | 0.53 ab |
| IF+CMBC10 | 449 | -0.23 a | 0.57 ab |
Table 7
Potassium use efficiency of lettuce as affected by biochar.
| Treatments |
Input K (kg K ha-1) |
AE_K1 (kg K ha-1) |
ARF_K2 (%) |
| IF4 | 128 | 0.31 a3 | -9.14 a |
| CMBC3 | 137 | 5.94 b | 20.5 c |
| CMBC5 | 229 | 1.85 a | 6.21 b |
| CMBC10 | 458 | -0.44 a | -1.79 ab |
| IF+CMBC3 | 265 | 0.78 a | 2.81 b |
| IF+CMBC5 | 449 | -0.06 a | 1.87 ab |
| IF+CMBC10 | 586 | -0.20 a | 2.77 b |
계분 바이오차 처리에 따른 토양 특성 변화
상추 수확 후 계분 바이오차 처리에 따른 토양의 화학성을 분석하였다. 수확 후 토양 분석 결과는 Table 8과 같이 계분 바이오차 처리에 따라 pH 및 EC가 증가하는 것을 확인하였다. 이는 Jeong et al. (2013) 및 Oh et al. (2014)의 연구에서도 보고된 바와 같이, 바이오차 시용 시 토양 특성의 변화에서 자주 확인되는 경향이다. 이러한 변화는 바이오차의 높은 비표면적과 회분 내 알칼리 성분의 영향으로 발생하는 것으로 알려져 있다 (Kim et al., 2022; Oh et al., 2014). EC의 경우 계분 바이오차의 투입량이 증가하면서 EC 또한 증가하는 것을 확인할 수 있었는데 이는 바이오차가 열분해되면서 알칼리 및 염기 성분이 분리되어 EC가 증가한다고 보고되었으며 Yoon (2013)과 Kim et al. (2022)의 연구에서도 확인할 수 있었다. 또한 포트와 같이 염류 제거를 위한 침출이 없을 때 바이오차로 인해 EC가 장기적으로 증가한다고 보고된 바 있다 (Saifullah et al., 2018). Ca, K, Mg, Na 모두 계분 바이오차 시비량과 비례하여 증가하는 경향을 나타내었는데, 이는 계분에 많은 양의 양이온이 함유되어 있어 (Chang et al., 1999), 계분 바이오차 내에도 함량이 증가한 것으로 해석된다. 이러한 양이온의 증가는 토양 내 주요 양분의 공급력을 높여 작물의 생육 환경 개선에 긍정적인 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다 (Lee et al., 2016). 특히 Ca, K, Mg 등은 작물 생리 과정에 필수적인 요소로, 계분 바이오차의 시비는 양이온의 공급원으로 기능했을 가능성이 있다 (Kang et al., 2021; Jeffery et al., 2011). 토양 내 총질소량은 계분 바이오차 처리에 따라 CN과 IF 처리구에 비해 최대 247%, 203% 증가하는 결과값을 나타내었다. 바이오차는 표면에 음전하를 띠는 특성이 있어 양이온인 NH4+를 효과적으로 흡착할 수 있으며 (Kang et al., 2021), 일반적으로 pH가 높은 조건에서는 NH4+가 휘발성 형태인 NH3로 전환되어 손실될 우려가 있다. 그러나 Kim et al. (2022) 및 Zhu et al. (2012)은 바이오차가 알칼리성 탄소 성분을 지니고 있어 수용액 내에서 OH- 이온을 방출함으로써 NH4+의 흡착을 유지시키는 역할을 할 수 있다고 보고하였다. 또한, 원료로 사용된 가축분은 비료로서의 영양 성분이 높기 때문에 농경지에 과도하게 살포될 경우 양분 집적 등의 부작용이 클 수 있다고 보고된 바 있으며 (Kim et al., 2018), 이러한 점으로 미루어 보아 계분 바이오차의 시용량이 증가할수록 토양 내 총 질소 함량이 증가한 것으로 판단된다. 토양 내 유기물 함량은 바이오차 시용량에 비례하여 증가하는 경향을 보였으며, 이는 토양 내 바이오차 입자 표면에 유기물과 무기물이 결합하여 안정적인 미세 응집체 (micro-agglomerates)를 형성한 결과로 해석된다 (Kumar et al., 2018). Joseph et al. (2020)의 연구에 따르면 SEM 분석 결과 바이오차 입자 표면에는 다양한 유기물과 무기광물이 결합된 복합 구조가 형성되어 있었으며 이러한 구조는 유기물의 분해 속도를 저하시켜 토양 내 유기탄소의 장기적 저장에 긍정적으로 작용할 수 있는 것으로 나타났다.
Table 8
Chemical properties of soil after harvest as affected by Chicken manure biochar.
| Treatments |
pH (1:5 H2O) |
EC (dS m-1) |
O.M (g kg-1) |
T-N (g kg-1) |
Av. P2O5 (mg kg-1) | Exch. Cations (cmolc kg-1) | |||
| Ca | K | Mg | Na | ||||||
| CN2 | 5.71 b1 | 0.30 a | 59.5 a | 1.62 a | 90.8 b | 3.02 a | 0.42 a | 1.01 a | 0.04 a |
| IF | 4.81 a | 2.11 b | 46.2 a | 1.86 a | 99.3 a | 3.14 a | 0.92 b | 1.16 b | 0.06 a |
| CMBC3 | 7.25 de | 2.32 b | 88.4 cd | 3.12 b | 694 b | 6.93 b | 2.12 c | 2.04 c | 0.49 b |
| CMBC5 | 7.25 de | 4.66 d | 102 cd | 3.32 b | 914 c | 8.37 c | 3.00 e | 2.57 e | 0.92 e |
| CMBC10 | 7.59 f | 6.26 e | 140 e | 5.32 d | 2170 f | 10.9 e | 5.28 h | 4.00 h | 1.85 g |
| IF+CMBC3 | 6.87 c | 3.28 c | 79.6 bc | 3.15 b | 790 b | 8.13 c | 2.57 d | 2.40 d | 0.52 c |
| IF+CMBC5 | 7.07 d | 5.00 d | 85.5 cd | 4.08 c | 1114 d | 8.30 c | 3.36 f | 2.69 f | 0.86 d |
| IF+CMBC10 | 7.38 e | 8.16 f | 109 d | 5.10 d | 1981 e | 10.3 d | 5.05 g | 3.81 g | 1.67 f |
Conclusions
본 연구에서는 계분과 목재 바이오매스를 혼합하여 열분해를 통해 생산된 계분 바이오차가 상추 생육 및 토양 환경에 미치는 영향을 평가하였다. 계분 바이오차 처리구는 전반적으로 관행 처리구 대비 상추의 생중량, 초장 및 엽수가 개선되는 경향으로 비료로서의 효과를 확인할 수 있었다. 그러나 계분 바이오차의 과도한 시용 및 계분 바이오차와 무기질 비료의 혼합처리에서는 상추의 생육이 저조해지는 현상이 관찰되었으며, 이는 양분 과잉 증상에 의한 것으로 판단하였다. 상추의 양분흡수량과 양분 이용 효율은 CMBC3 처리구에서 가장 높은 값을 나타냈고, 수확 후 토양 특성 분석 결과, 계분 바이오차 시용에 따라 토양의 pH, EC, 주요 양이온 (Ca, K, Mg, Na), 총질소 및 유기물 함량이 증가하는 것을 확인하였다. 이는 계분 바이오차가 양분 공급 및 보유능 향상에 기여한 것으로 보인다. 이상의 결과를 종합하였을 때, 계분 바이오차는 작물 생육 및 토양 환경 개선에 긍정적인 영향을 줄 수 있다고 판단된다. 그러나 계분 바이오차의 높은 양분 함량으로 인해 시비량이 증가할 경우, 작물 생육 저해, 양분 불균형 및 양분 이용효율 감소와 같은 부작용이 발생할 수 있으므로 이에 대한 적정 시비 전략 마련을 위한 추가적인 연구가 필요하다. 특히 본 연구는 포트실험으로 수행되었기 때문에 실제 노지 조건에서는 토양의 완충능력에 의해 부정적 효과가 일부 완화될 수 있다. 그럼에도 불구하고 장기간 및 과량 시용 시에는 염류 집적, 양분 불균형과 같은 문제가 여전히 발생할 수 있으므로, 현장 적용을 고려한 적정 시비 수준 검증과 무기질 비료와의 혼합 처리에 따른 최적 관리방안에 대한 후속 연구가 요구된다.
