Introduction
Materials and Methods
가축분 바이오차 제조 및 안전성 평가
가축분 바이오차 상토 제조 및 특성
배추 재배 실험 방법
분석방법
Results and Discussion
가축분 바이오차 특성 및 안전성 평가
가축분 바이오차 상토 특성
배추 초기 생육 특성
Conclusions
Introduction
최근 들어 축산업의 고도성장으로 인한 집약화 및 대규모화에 따라 사육두수가 꾸준히 증가하는 추세이며, 이로 인해 가축분뇨 역시 지속적으로 증가하는 경향을 보이고 있다 (Kim et al., 2023). 우리나라의 가축분뇨처리 대응방식은 정화방류와 가축분뇨 자원화 대응 방안이 있으며, 자원화 대응 방안으로는 90% 이상이 퇴비, 액비로 자원화되어 농경지에 환원되고 있는 상황이다. 그러나, 우리나라의 경지면적은 2022년에 약 150만ha로 10년 전보다 약 12.4% 감소하였으며, 2030년에는 약 10.5% 감소한 134만ha로 추정하고 있어 살포지 면적 확보는 지속적으로 제한적일 수 있다 (Cho and Yoon, 2024). 또한, 농경지 토양의 양분 과잉 현상으로 퇴비 재고량이 증가하고 있으며, 기상이변, 온실가스 발생 등으로 가축분뇨의 퇴 ‧ 액비 자원화 및 살포 여건이 악화되고 있는 실정으로 이에 대한 방안이 필요한 상황이다.
이러한 문제와 더불어, 현재, 국내 상토업계는 주요 상토 원자재의 수입 의존도가 높아 코로나19 펜데믹 이후 선박 확보, 해상물류 적체 등 운송비용 증가와 원달러 환율 상승 등 외적인 요인들로 인해 국제 원자재 가격 급등, 수급 불안 등의 요인이 작용하여 상토업계가 어려움을 겪고 있다. 특히, 코코피트, 피트모스, 질석 등 상토 주원료의 90% 이상을 수입에 의존하고 있기 때문에 상토의 주원료를 대체할 수 있는 자재가 절실히 요구되고 있는 상황이다.
가축분뇨는 환경문제에 영향을 끼치는 물질로 바이오차로 전환하는 것은 국내는 물론 국외에서도 주목받고 있는 처리방법 중 하나이다 (Qin et al., 2019). 바이오차는 쉽게 분해되지 않고, 낮은 밀도와 높은 보수력, 보비성을 가지고 있으며, 높은 pH, CEC를 가지고 있다 (Lee et al., 2023a; Cho et al., 2024). 가축분을 바이오차로 전환할 경우 상토 주원료를 대체할 수 있을 뿐만 아니라 탄소중립과 가축분뇨 자원화, 그리고 농가 경영 측면에서 이상적인 방안이 될 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구는 가축분 바이오차의 상토 원료로의 활용 가능성을 평가하기 위해 수행되었다.
Materials and Methods
가축분 바이오차 제조 및 안전성 평가
본 연구에 사용된 가축분은 당진지역의 축산농가에서 발생한 우분을 확보하였고, 우분은 발생 후 한달 이내의 우분만을 선별하여 공시재료로 사용하였다. 가축분 바이오차 (LMB, livestock manure biochar)는 스크류킬른을 이용한 간접가열 방식으로 열분해 온도는 400°C로 선정하여 산소가 제한된 조건에서 생산되었다. 생산된 가축분 바이오차의 특성은 pH, O/C, H/C, 탄소, 수분, 염산불용해물 및 염분 함량을 조사하였고, 안전성 평가는 국립농산물품질관리원 고시 제2020-20호 유기농업자재 공시기준과 농촌진흥청 고시 제2022-28호 비료의 품질검사방법 및 시료채취기준에 준하여 비료피해시험으로 진행하였다. 가축분 바이오차는 기준량구에 10a당 300 kg, 2배량구에 10a당 600 kg으로 시험작물 정식 당일 토양혼화처리 하였으며, 무처리구, 기준량구, 2배량구를 시험구로 두고 각 처리구별로 5작물을 15포트, 3반복으로 45포트씩 총 225포트를 배치하였다. 시험작물은 고추 (큰열), 배추 (불암3호), 상추 (그린줄기), 양파 (디스) 및 완두 (청진주)로 선정하였으며, 국립순천대학교 친환경농업센터 육묘실에서 진행하였고, 가축분 바이오차의 시험작물에 대한 비해 특성은 시용량별 및 주차별로 생육상황의 달관조사를 통해 평가하였다.
가축분 바이오차 상토 제조 및 특성
가축분 바이오차를 이용한 상토는 원예용 상토를 목적으로 제조하였다. 본 실험에서 사용한 상토의 조성은 원예용 작물을 재배하기 위해 코코피트 69%, 피트모스 10%, 질석 10%, 제오라이트 5%, 그리고 펄라이트 6%의 용량비율로 배합되었다. 가축분 바이오차 상토는 원예용 상토에 가장 투입이 많은 코코피트를 대체하기 위해 제조하였으며, 가축분 바이오차는 2, 4, 6, 8, 10%의 용량비율로 혼합하였고, 나머지 피트모스, 질석, 제오라이트 및 펄라이트의 비율은 그대로 유지하였으며, 가축분 바이오차가 혼합되지 않은 LMB0%를 대조구로 하였다 (Table 1). 혼합 비율별로 제조된 가축분 바이오차 상토의 특성은 pH, EC와 유해성분을 조사하였다.
Table 1.
Manufacturing process of bed soil using livestock manure biochar.
| Item | LMB10% | LMB2% | LMB4% | LMB6% | LMB8% | LMB10% |
| Cocopeat | 69 | 67 | 65 | 63 | 61 | 59 |
| Peatmoss | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| Vermiculite | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| Zeolite | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| Pearlite | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 |
| LMB | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 |
| Total | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
배추 재배 실험 방법
가축분 바이오차 상토의 효과를 조사하기 위해 배추를 선정하였으며, 시험장소는 국립순천대학교 친환경농업센터 육묘실에서 진행되었다. 배추 재배는 36공 모종트레이에 자체 육묘하여 30일 동안 진행되었으며, 배추의 초기 생육은 발아율, 초장, 엽수를 처리조건별로 조사하였다.
분석방법
본 실험에 사용된 가축분 바이오차와 가축분 바이오차 상토의 기본 특성은 농촌진흥청에서 발간한 토양 및 식물체 분석법에 준하여 분석하였다 (NIAST, 2000). 가축분 바이오차의 pH는 바이오차 시료를 증류수와 1:5 (w/v) 비율로 30분 동안 진탕한 후 pH meter를 이용하여 측정하였고, 상토의 pH와 EC는 증류수와 1:5 (w/v) 비율로 60분 동안 진탕한 후 pH 및 EC meter를 이용하여 측정하였다. 가축분 바이오차의 C, O, H는 원소분석기 (CHN628, LECO)를 이용하여 측정 후 몰비로 O/C 및 H/C를 산정하였다. 가축분 바이오차의 수분함량은 중량법, 염산불용해물은 회화후 HCl로 침출한 후 염산불용해물의 양을 구하였으며, 염분은 염광광도법으로 정량하였다. 가축분 바이오차와 상토의 중금속 함량은 산으로 전처리 후 여액을 ICP (ICPE-9000, Shimadzu, Japan)를 사용하여 분석하였다.
혼합비율별로 제조된 가축분 바이오차 상토 처리에 따른 배추 초기 생육에 대한 통계분석은 SPSS 27 버전을 사용하여 5% 유의수준에서 Duncan’s multiple range test를 수행하였다.
Results and Discussion
가축분 바이오차 특성 및 안전성 평가
가축분의 열분해를 통해 제조된 바이오차의 특성은 Table 2에서 보는 바와 같다. 가축분 바이오차의 pH는 9.4로 조사되었고, O/C 및 H/C는 원재료에 비해 감소하는 경향으로 조사되었으며, 이는 가축분이 열분해되면서 수분이 감소하고 탄소 함량비가 증가함에 따라 O/C, H/C가 감소한 것으로 판단된다 (Kim et al., 2022). 그러나, 가축분 바이오차의 염분과 중금속 함량은 원재료에 비해 상대적으로 증가하는 경향을 보였다. 최근에 발표된 국내 가축분 바이오차에 대한 비료공정규격을 살펴보면, 건물중에 대하여 염분과 중금속 등을 포함하는 규격이 설정되었다. 본 연구에서 제조된 가축분 바이오차와 비교해보면, 염산불용해물과 중금속은 함유할 수 있는 최대량을 초과하지 않았으나, 염분은 공정규격에 비해 약간 높은 값을 나타내었다. 본 연구에서 사용된 가축분 바이오차의 경우 우분만을 사용하여 염분 함량이 높은 것으로 보이며, 향후 깔짚 또는 농업부산물을 추가하여 바이오차로 제조한다면 염분 함량은 낮출 수 있을 것을 판단된다.
Table 2.
Chemical characteristics of livestock manure biochar.
|
pH (1:5H2O) | O/C | H/C |
C (%) |
Water content (%) |
Insoluble in HCl (%) |
NaCl (%) | ||||||
| Raw | - | 0.82 | 1.59 | 35.4 | 55 | 18.0 | 1.9 | |||||
| LMB1 | 9.4 | 0.46 | 0.70 | 43.4 | 1.5 | 24.8 | 2.6 | |||||
|
As (mg kg-1) |
Cd (mg kg-1) |
Cu (mg kg-1) |
Cr (mg kg-1) |
Hg (mg kg-1) |
Ni (mg kg-1) |
Pb (mg kg-1) |
Zn (mg kg-1) | |||||
| Raw | ND2 | 0.11 | 57.1 | 1.9 | ND | 4.3 | 0.74 | 216 | ||||
| LMB | ND | 0.17 | 99.0 | 12.9 | ND | 11.5 | 3.12 | 383 | ||||
가축분 바이오차의 안전성을 평가하기 위해 완성된 가축분 바이오차에 대한 비료피해시험을 진행한 결과는 Fig. 1과 같다. 시험기간 동안 고추, 배추, 상추, 양파, 완두를 21일간 총 3회에 걸쳐 조사한 결과 비료피해는 발견되지 않았으며, 무처리구와 기준량구, 2배량구를 비교하여도 비료피해로 판단될 말한 증상은 나타나지 않았다. 그러나, 가축분 바이오차의 염분 함량이 공정규격을 초과하였기 때문에 가축분 바이오차 제조시 추가적인 농업부산물 투입을 통한 바이오차 제조가 필요할 것으로 판단된다.
가축분 바이오차 상토 특성
가축분 바이오차를 이용하여 생산된 가축분 바이오차 상토의 주요 특성은 Table 3과 같다. 가축분 바이오차 상토는 가축분 바이오차의 혼합 비율이 증가함에 따라 pH, EC를 비롯한 중금속 함량이 점차 증가하는 경향이었다. 이와 같은 결과는 사용된 가축분 바이오차의 기본 특성에 기인한 것으로 판단된다.
Table 3.
Chemical characteristics of bed soil using livestock manure biochar.
| Item | Unit | LMB12% | LMB4% | LMB6% | LMB8% | LMB10% |
| pH | (1:5H2O) | 6.71 | 7.07 | 7.37 | 7.65 | 7.81 |
| EC | (dS m-1) | 0.44 | 0.67 | 1.11 | 1.67 | 2.37 |
| As | (mg kg-1) | ND2 | 0.15 | 0.29 | 0.40 | 0.51 |
| Cd | ND | ND | ND | ND | ND | |
| Cu | 26.9 | 41.6 | 52.9 | 86.2 | 97.5 | |
| Cr | 21.7 | 19.3 | 19.2 | 18.4 | 18.8 | |
| Hg | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | |
| Ni | 14.2 | 12.6 | 12.0 | 11.6 | 12.2 | |
| Pb | 0.28 | ND | 0.24 | ND | 0.74 | |
| Zn | 113 | 135 | 179 | 277 | 352 |
배추 초기 생육 특성
가축분 바이오차 상토 적용에 따른 배추의 초기 생육을 조사한 결과는 Table 4와 같다. 배추의 발아율은 가축분 바이오차 혼입비율에 따른 유의성은 보이지 않았으나, LMB0% 처리구가 96.3%로 가장 높았고, 배추의 초장도 발아율 결과와 유사하게 LMB0% 처리구가 4.83 cm plant-1으로 다른 처리구에 비해 높은 생육을 보여주었다. 배추의 엽수는 LMB0-4% 처리구가 6.61 - 6.90 no. plant-1 범위로 다른 처리구에 비해 많았다. 전반적으로 배추의 초기 생육은 가축분 바이오차의 혼입비율이 증가될수록 감소하는 유의성을 보였다. 상토를 이용한 육묘시험에서 작물의 초기 생육은 상토 제조에 투입되는 원료의 특성에 따라 통기성과 보수성을 포함한 물리성과 pH, EC 등의 화학적 특성에 영향을 받는 것으로 알려져 있다 (Park et al., 2015). 또한, Ouaini et al. (2023)에 의하면, 염분은 다양한 형태의 스트레스와 마찬가지로 작물 생산에 큰 영향을 미친다고 보고하였다. 기본적으로 바이오차는 토양의 물리 ‧ 화학적 특성을 개선할 수 있는 물질로 알려져 있기 때문에, 가축분 바이오차 제조시 염분 함량을 낮출 수 있다면, 상토 원료로의 활용이 가능할 것으로 보이며 (Zhao et al., 2013; Cho et al., 2023), 추가적으로 바이오차의 양분보유능으로 작물의 생육을 증진시킬 있다고 판단된다 (Lee et al., 2023b).
Table 4.
Initial growth characteristics of Kimchi cabbage by bed soil using livestock manure biochar.
| Treatment1 |
Germination rate (%) |
Height (cm plant-1) |
Leaf number (no. plant-1) |
| LMB0% | 96.3 a2 | 4.83 a | 6.61 a |
| LMB2% | 93.5 a | 4.26 b | 6.90 a |
| LMB4% | 92.3 a | 3.84 b | 6.76 a |
| LMB6% | 92.3 a | 3.23 c | 6.34 a |
| LMB8% | 89.8 a | 2.87 c | 5.60 b |
| LMB10% | 88.9 a | 2.72 c | 5.43 b |
Conclusions
본 연구에서는 가축분 바이오차를 상토 원료로의 활용 가능성을 평가하기 위해 우분을 이용하여 바이오차로 제조하였고, 가축분 바이오차의 특성 및 작물에 대한 안전성을 평가하였다. 가축분 바이오차는 염분 함량을 제외한 나머지 항목에서 가축분 바이오차 공정규격에 준하였고, 비료피해시험 결과 작물에 대한 저해현상은 나타나지 않았다. 그러나, 가축분 바이오차 상토를 제조하여 배추의 초기생육을 조사한 결과, 가축분 바이오차의 혼입비율이 많을수록 배추의 초기 생육이 저조하였고 LMB0% 및 LMB2% 처리구에서 발아율, 초장, 엽수의 생육이 가장 좋았다. 따라서, 가축분 바이오차의 비료피해시험과 배추 초기생육을 고려해 볼 때, 가축분 바이오차 제조시 염분의 함량을 낮춘다면, 가축분의 재활용 측면에서 상토 원료로의 활용 가능성이 있을 것으로 판단된다.
