Introduction
Materials and Methods
시험 포장 및 처리구
처리내용
시험 토양 및 유기물원의 이화학적 특성 분석
작물 생산성 평가
온실가스 포집 및 분석방법
지구온난화잠재력
토양유기탄소 (Soil Organic Carbon, SOC) 분획 분석
통계분석
Results and Discussion
봄 재배 후 토양의 화학성 변화
작물 생육 및 생산성 평가
온실가스 배출량
온실가스 누적 배출량과 총 지구온난화잠재력(GWP)
유기물원 종류에 따른 토양 탄소 및 질소의 축적 양상
토양 유기탄소 축적량
토양 화학성과 온실가스 배출량간의 상관관계
Conclusions
Introduction
지구 온난화의 심화는 폭염, 가뭄, 홍수 등 극단적인 기상 재해를 전 세계적으로 빈번하게 발생시키고 있으며 (IPCC, 2021), 농업 부문에서 배출되는 온실가스는 이러한 기후변화의 중요한 원인 중 하나로 지적되고 있다. 한편 농경지 토양은 대기 중 이산화탄소를 저장할 수 있는 중요한 탄소 저장고로서 기능하며, 특히 토양 유기탄소 (soil organic carbon, SOC)는 토양 비옥도 유지와 탄소 격리에 동시에 기여하는 핵심 인자로 평가된다 (Lal, 2011). SOC는 미생물 분해 과정을 통해 질소 등 양분을 공급하여 작물 생육을 지원하는 동시에, 토양 내 탄소를 축적함으로써 기후변화 완화에 기여한다. 최근에는 용이분해성 (labile) 유기탄소 및 유기질소 분획이 SOC 변화에 민감하게 반응하는 지표로 제시되면서, 토양 품질 평가와 지속가능한 농업관리 수준을 진단하는 핵심 지표로 활용되고 있다 (Lal, 2011; Khan et al., 2021).
이러한 SOC의 중요성이 부각됨에 따라 토양 내 탄소 축적을 촉진하는 재생유기농업 기법과 토양 관리기술에 대한 관심이 증가하고 있다. 가축분퇴비 및 유기질비료와 같은 유기물 자원의 투입은 SOC 함량 및 탄소저장량을 증가시키고, 동시에 작물 생산성을 향상시키는 것으로 보고되어 왔다 (Hwang et al., 2019; Kwon et al., 2022; Byeon et al., 2023; Yun et al., 2024; Lee et al., 2024b). 또한 작부체계와 윤작·휴경 관리 등은 토양 이화학성, SOC 축적, 온실가스 배출 특성에 유의한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다 (Kim et al., 2025; Sainju et al., 2025). 한편 농림부산물에서 유래한 바이오차는 상대적으로 안정적인 형태의 탄소를 토양에 공급함으로써 장기적인 탄소저장을 증진시키고, 토양 구조 개선과 보수력 향상 등을 통해 작물 생육에 긍정적인 효과를 나타낸다고 보고되었다 (Lehmann and Joseph, 2015; Park et al., 2024; Lee et al., 2024a). 그러나 이러한 관리 기술들은 SOC 축적을 증진시키는 동시에 N2O, CO2, CH4 배출을 변화시켜, 탄소격리와 온실가스 배출 간 상충관계를 유발할 가능성이 제기되고 있다.
기존 연구는 주로 노지 밭토양 및 논에서 녹비작물과 윤작 체계를 활용하여 SOC 축적과 온실가스 배출 특성을 평가한 사례가 많으나 (Ranathunga et al., 2025), 영농 현장의 상업용 시설재배지에서는 엽채류의 연작이 일반적이며, 공간과 작형의 한계로 인해 녹비작물의 활용이 제한적이다. 시설재배지는 집약적 투입과 빈번한 경운·관수가 이루어져, 노지에 비해 토양 온·수분 조건 및 유기물 분해 양상이 상이하며, 그에 따라 온실가스 배출 패턴과 SOC 축적 특성이 기존 연구의 노지 밭토양 및 논과 다르게 나타날 가능성이 크다. 특히 국내 유기 시설 엽채류 재배지에서 연작과 윤작, 다양한 유기물원 및 바이오차 시용을 동시에 고려하여 SOC 함량과 SOC stock, 토양 이화학성, 온실가스 누적 배출량 및 지구온난화잠재력 (global warming potential, GWP)을 통합적으로 비교·평가한 연구는 상대적으로 부족하다. 따라서 유기 시설 엽채류 재배지를 대상으로 작부체계와 유기물 관리의 차이가 토양 탄소 축적과 온실가스 배출에 미치는 영향을 구명할 필요가 있다.
본 연구는 1년 미만의 단기 실험 결과라는 한계가 있으나, 국내 유기 시설재배지 내 작부체계 및 유기물 관리에 따른 토양 탄소 동태와 온실가스 배출 특성을 통합적으로 구명함으로써, 후속 장기 연구를 위한 기초자료로 활용하고자 하였다.
Materials and Methods
시험 포장 및 처리구
본 연구는 경기도 안성시 보개면에 위치한 한경국립대학교 부속 농장 내 유기 시설재배 포장에서 수행하였다. 처리 전 시험포장의 주요 토양 이화학적 특성은 Table 1에 제시하였다.
Table 1.
Chemical properties of greenhouse soils before treatments (June 2023).
| Treatment1 |
pH (1:5) |
EC (dS m-1) |
TC (%) |
TN (%) |
OM (g kg-1) |
Av. P2O5 (mg kg-1) | Exch. cations (cmolc kg-1) | ||
| K | Ca | Mg | |||||||
| RC-AC | 6.7 | 0.46 | 1.04 | 0.10 | 17.9 | 408 | 2.02 | 8.0 | 2.2 |
| RC-OrF | 6.4 | 0.74 | 1.98 | 0.19 | 34.1 | 712 | 2.24 | 8.9 | 2.3 |
| RC-BC | 6.7 | 1.16 | 1.65 | 0.17 | 28.4 | 735 | 2.58 | 12.9 | 3.5 |
| CR-AC | 6.3 | 0.58 | 1.28 | 0.14 | 22.1 | 568 | 1.39 | 9.4 | 2.4 |
| CR-OrF | 6.3 | 0.59 | 0.83 | 0.10 | 14.3 | 590 | 1.20 | 6.8 | 2.0 |
| CR-BC | 6.9 | 0.29 | 1.00 | 0.10 | 17.2 | 695 | 1.48 | 10.4 | 3.0 |
전체 시험 포장은 두 개의 시설하우스로 구획하였으며, 재배체계에 따라 연작 (repeated cultivation, RC) 처리구와 윤작 (crop rotation, CR) 처리구로 배치하였다. 각 재배체계 내에서는 투입 유기물원의 종류에 따라 세부구 (sub-plot)를 설정하였고, 가축분퇴비 (animal compost, AC), 유기질비료 (organic fertilizer, OrF), 바이오차 (biochar, BC) 처리구로 구성하였다. 개별 처리구의 면적은 2.5 m × 8.5 m로 동일하게 구성하였다.
작물재배는 2023년 가을부터 2024년 봄까지 진행되었다 (Fig. 1). 연작 (RC) 처리구는 돌산갓 (Brassica juncea)을 2023년 9월 7일부터 11월 2일까지 재배한 후, 동계 기간 (2023년 11월 3일 - 2024년 4월 5일) 동안 휴경하였다. 이후 2024년 4월 6일부터 6월 17일까지 다시 돌산갓을 재배하였다. 윤작 (CR) 처리구는 2023년 4월 10일부터 6월 14일까지 시금치 (Spinacia oleracea L.)를 재배한 포장에 돌산갓 (Brassica juncea)을 2023년 9월 7일부터 10월 30일까지 재배하였다. 동계 기간에는 녹비작물인 헤어리베치 (Vicia villosa)를 2023년 10월 30일에 파종하여 2024년 3월 28일까지 재배하였다. 봄 작물인 돌산갓을 정식하기 전, 생육한 헤어리베치는 지상부를 절단하여 토양 표면에 피복 (mulching) 처리하였다. 이후 2024년 4월 6일부터 6월 17일까지 돌산갓을 재배하였다.
처리내용
처리별 시비량은 국립농업과학원에서 제시한 작물별 비료 표준사용량 처방 (시금치 6.5 kg N 10a-1, 돌산갓 15.5 kg N 10a-1)을 기준으로 결정하였다. 가축분퇴비는 우분 40%, 계분 20%, 돈분 5%를 포함하고 유기물 함량 30% 이상을 보증하는 시판 제품을 사용하였으며, 시비량은 4,000 kg ha-1로 하였다. 유기질비료는 질소-인산-가리-유기물 함량이 각각 12-3-5-70%인 제품 (유기농업자재 공시번호: 2-3-608)을 사용하였고, 작물별 질소 요구량에 맞추어 시금치 재배 시 540 kg ha-1, 돌산갓 재배 시 1,290 kg ha-1을 시용하였다. 해당 유기질비료는 성분 함량이 규격화되어 있어 작물별 질소 공급량을 정량적으로 조절할 수 있으며, 유기농업자재로 공시되어 유기 시설재배지에서 사용이 허용된 상용 자재라는 점을 고려하여 유기질 시비 처리구의 대표 자재로 선정하였다. 바이오차는 2023년 가을에는 왕겨 바이오차 (유기농업자재 공시번호: 3-3-640)를, 2024년 봄에는 왕겨와 계분을 혼합하여 저온탄화한 바이오차 (유기농업자재 공시번호: 3-3-278)를 사용하였으며, 모두 20,000 L ha-1 수준으로 처리하였다. 가축분퇴비, 유기질비료, 바이오차는 모두 시판 제품을 구매하여 사용하였고, 각 유기물원은 작물 정식 전에 전량을 토양과 충분히 혼합하여 기비로 시용하였다. 투입된 유기물원의 화학적 특성은 Table 2에 제시하였다.
Table 2.
Chemical properties of different types of organic amendments used in this study.
| Material1 |
TC (%) |
TN (%) |
C/N (%) |
P2O5 (%) |
K2O (%) |
CaO (%) |
MgO (%) |
| AC | 30.57 | 3.58 | 8.55 | 3.37 | 4.07 | 4.23 | 1.83 |
| OrF | 15.30 | 12.19 | 1.26 | 0.69 | 1.25 | 0.95 | 0.54 |
| BC | 47.97 | 1.48 | 32.45 | 0.84 | 1.46 | 4.25 | 0.85 |
시험 토양 및 유기물원의 이화학적 특성 분석
토양 시료는 작물 수확 후 처리구별로 채취하여 105°C에서 24시간 건조한 뒤 2 mm 체를 통과시켜 분석에 사용하였다. 토양의 화학적 특성은 국립농업과학원의 토양 화학분석법 (NIAS, 2000)에 준하여 분석하였다.
토양 pH와 전기전도도 (EC)는 토양과 증류수를 1:5 (w/v) 비율로 혼합하여 측정하였다. 총탄소 (total carbon, TC)와 총질소 (total nitrogen, TN) 함량은 원소분석기 (Vario MAX CUBE, Elementar, Germany)로 분석하였다. 토양 유기물 (organic matter, OM) 함량은 참고자료로서 측정된 TC 값에 van Bemmelen 계수인 1.724를 곱하여 산정하였다. 유효인산 (available P2O5)은 Lancaster 법으로 추출하여 분광광도계 (KA-P II, Soiltek, Korea)로 측정하였다. 양이온교환용량 (cation exchange capacity, CEC)은 1N-NH2 OAc (pH 7.0) 용액으로 침출한 후 유도결합플라즈마 분광분석기 (ICP-OES 5800, Agilent, USA)로 분석하였다.
토양의 물리성 분석을 위해, 용적밀도 (bulk density)는 Core법을 이용하여 0 - 15 cm 깊이에서 토양을 채취하고 105°C에서 건조 후 무게를 측정하여 산정하였다. 토양 유기탄소 저장량 (soil organic carbon stock, SOC stock)은 IPCC 가이드라인 (2021)에 따라 아래 Eq. 1을 이용하여 계산하였으며, 자갈 함량은 0으로 간주하였다.
투입된 가축분퇴비, 유기질비료, 바이오차의 화학적 특성 분석은 토양 분석과 동일한 전처리 과정을 거쳤다. 총탄소 (TC)와 총질소 (TN)는 원소분석기 (Vario MAX CUBE, Elementar, Germany)를 사용하였다. 인산 (P2O5) 함량은 Lancaster법으로 추출하여 분광광도계 (SPECORD 200 PLUS, Analytik Jena, Germany)로, 칼륨 (K2O), 칼슘 (CaO), 마그네슘 (MgO) 함량은 유도결합플라즈마 분광분석기 (INTEGRA XL DUAL, GBC, Australia)로 각각 정량 분석하였다.
작물 생산성 평가
작물 생육조사는 수확기에 각 처리구별로 수행하였다. 조사 항목은 엽수 (No. of leaves), 엽장 (leaf length), 엽폭 (leaf width) 및 SPAD 값으로 설정하였다. 각 처리구는 3반복으로 수확하였으며, 반복당 5주를 임의 선발하여 생육 특성을 조사하였다.
작물 수량은 처리구별로 수확한 개체의 수확량을 합산하여 산출하였다. 처리별 총 수확량을 측정한 후, 이를 기준으로 10a당 총 수량 (kg 10a-1)으로 환산하여 작물 생산성을 평가하였다 (Choi et al., 2025).
온실가스 포집 및 분석방법
온실가스 (N2O, CH4, CO2) 시료 채취는 간이폐쇄정태법 (static closed chamber method)을 이용하여 수행하였다 (Kim et al., 2025). 이를 위해 불투명 아크릴 재질의 원통형 챔버 (직경 25 cm, 높이 45 cm)를 제작하여 사용하였다. 챔버는 작물 정식 1주일 전에 각 처리구 토양 표면에 약 10 cm 깊이로 매설하여 고정하였다. 가스 시료 채취 시에는 챔버를 밀폐한 상태에서 외부 공기와의 접촉을 차단하였으며, 챔버 내 작물체는 내부 기체 환경에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 제거하였다. 온실가스 시료는 각 처리구의 챔버에서 오전 10:00–12:00 사이에 주기적으로 채취하였고, 포집된 시료는 가스크로마토그래피 (GC 8890, Agilent, USA)를 이용하여 N2O, CH4, CO2 농도를 분석하였다. 온실가스 배출 플럭스는 챔버 내 농도 변화율을 이용한 Eq. 2의 산정식을 적용하여 계산하였다 (Nakayama et al., 2020).
여기서, ρ는 표준 상태 (STP)에서의 각 기체 밀도 (CH4: 0.657 mg cm-3, N2O: 1.977 mg cm-3, CO2: 1.977 mg cm-3), V는 챔버의 스페이스 부피 (m3), A는 챔버의 단면적 (m2), ΔC/Δt는 시간당 농도 증가 속도 (mg m-1 h-1), T는 챔버 내부의 평균 온도 (°C)이다.
재배기간 동안의 누적 배출량은 각 측정일의 일일 배출량 (mg m-2 day-1)을 합산하여 계산하였으며, 측정일 사이의 배출량은 선형 보간법 (linear interpolation)을 통해 추정하였다. 연작 (RC)과 윤작 (CR) 처리구 간의 동일 기간 비교를 위해, 윤작 처리구의 헤어리베치 재배 기간 (동계)은 누적 배출량 산정에서 제외하였다. 시험기간 중 시설재배지의 온도 변화를 조사한 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 연작과 윤작 처리구간의 온도 변화 양상은 비슷하였다.
지구온난화잠재력
지구온난화잠재력 (global warming potential, GWP)은 각 온실가스 배출량을 이산화탄소 당량 (CO2-eq)으로 환산하여 산정하였다. 환산계수는 IPCC 제5차 평가보고서 (AR5) 기준을 적용하였으며, N2O=265, CH4=28, CO2 = 1을 각각 곱하여 합산하였다 (IPCC, 2014).
토양유기탄소 (Soil Organic Carbon, SOC) 분획 분석
토양의 용이분해성 유기탄소 및 질소는 순차적 추출법 (sequential extraction)을 이용하여 증류수 추출 (water-extractable) 분획과 온수 추출 (hot-water-extractable) 분획으로 나누어 분석하였다 (Lee et al., 2023; Wachira et al., 2024).
먼저, 증류수 추출 유기탄소 (water extractable organic carbon, WEOC)와 질소 (water extractable organic nitrogen, WEON) 분석을 위해 토양 시료 3 g에 증류수 30 mL (1:10, w/v)를 첨가하였다. 이 혼합액을 30분간 교반한 뒤, 3,600 rpm에서 20분간 원심분리하여 상등액을 분리하였다.
다음으로, 온수 추출 유기탄소 (hot water extractable organic carbon, HEOC)와 질소 (hot water extractable organic nitrogen, HEON) 분석을 위해, 상기 과정 후 남은 토양 잔사에 다시 증류수 30 mL를 가하고 와류 혼합 (vortexing)하였다. 이 현탁액을 80°C 항온기에서 16시간 동안 정치시킨 후, 원심분리 (3,600 rpm, 20분)하여 상등액을 분리하였다.
각 단계에서 분리된 상등액은 0.45 µm 멤브레인 필터로 여과하였으며, 여과액에 포함된 용이분해성 유기탄소와 질소 함량은 TOC 분석기 (enviro TOC, Elementar, Germany)를 이용하여 정량 분석하였다.
통계분석
실험 결과는 SPSS Statistics 25.0 (IBM, USA)을 이용하여 분석하였다. 처리구 간 평균 차이는 이원분산분석 (two-way ANOVA)을 통해 검정하였으며, 유의성이 확인된 경우 Duncan’s multiple range test를 사후검정으로 실시하였다. 모든 분석에서 유의수준은 p < 0.05로 설정하였다.
Results and Discussion
봄 재배 후 토양의 화학성 변화
봄 재배 이후 토양의 화학성을 분석한 결과, 작부체계와 유기물원 투입이 여러 화학적 지표에 유의미한 영향을 미치는 것으로 나타났다 (Table 3). 다만, 처리 전 토양 (Table 1)에서 이미 일부 화학성의 불균일성이 확인되었기에, 관찰된 차이는 처리에 따른 효과와 초기 토양의 이질성이 복합적으로 작용한 결과로 해석된다. 따라서 본 연구에서는 초기값의 영향을 보정하고 처리의 순수한 효과를 추정하기 위해 변화량 (Δ값) 분석을 병행하였다.
Table 3.
Soil chemical properties under crop rotation and types of organic matter treatments.
| Treatment1 |
pH (1:5) |
EC (dS m-1) |
TC (%) |
TN (%) |
OM (g kg-1) |
Av. P2O5 (mg kg-1) | Exch. cations (cmolc kg-1) | ||
| K | Ca | Mg | |||||||
| RC-AC | 6.6 | 1.07 | 2.73 | 0.24 | 47.04 | 654 | 2.50 | 13.2 | 4.3 |
| RC-OrF | 5.8 | 1.81 | 2.23 | 0.26 | 38.39 | 826 | 2.63 | 13.1 | 4.3 |
| RC-BC | 5.9 | 4.01 | 2.28 | 0.29 | 39.23 | 901 | 3.74 | 20.9 | 9.0 |
| CR-AC | 6.2 | 0.95 | 2.10 | 0.23 | 36.23 | 858 | 2.01 | 9.9 | 3.4 |
| CR-OrF | 5.8 | 2.02 | 1.92 | 0.25 | 33.08 | 925 | 2.13 | 10.8 | 4.2 |
| CR-BC | 6.5 | 0.59 | 2.50 | 0.23 | 43.11 | 828 | 1.55 | 11.9 | 4.0 |
| Optimum level | 6.5 - 7.0 | 2≥ | 25 - 35 | 350 - 450 | 0.65 - 0.80 | 5.0 - 6.0 | 1.5 - 2.0 | ||
처리 후 토양 pH는 유기물 분해 과정에서 발생하는 유기산과 질소 산화의 영향으로 전반적으로 적정범위보다 낮게 유지되었으며, 이는 토양 산성화를 보고한 선행연구 결과들과 일치하였다 (Rengasamy, 2010; Byeon et al., 2023). 토양 전기전도도 (EC)는 모든 처리구에서 증가 (0.3 - 2.85 dS m-1)하였는데, 이는 유기물 분해 및 무기화 과정에서 방출된 이온들이 토양 내 염류 농도를 높였기 때문으로 해석된다 (Lee et al., 2024).
토양 유기물 (OM) 함량은 모든 처리구에서 적정범위를 상회하였으며, 특히 연작에서는 가축분퇴비 (AC)가, 윤작에서는 바이오차 (BC)가 토양 유기물 축적에 가장 효과적이었다. 이는 각 유기물원의 높은 유기물 함량이 직접적으로 기여한 결과로, 기존 연구에서도 유사한 경향이 보고된 바 있다 (Lee et al., 2024a; Sainju et al., 2025).
그러나 유효인산, 칼륨 (K), 칼슘 (Ca), 마그네슘 (Mg)과 같은 주요 양분 함량은 모든 처리구에서 적정범위를 크게 초과하는 과잉 집적 (초과비율 약 31.8 - 494.3%) 현상이 관찰되었다. 이는 투입된 유기물원이 다량의 양분을 공급함과 동시에 토양 내 양이온 교환 용량을 증가시킨 결과로 보이지만 (Kwon et al., 2022; Yun et al., 2024), 장기적으로는 염류장해 및 양분 불균형을 유발할 수 있는 잠재적 위험 요인으로 작용할 수 있다.
작물 생육 및 생산성 평가
봄 재배기 돌산갓 수확기에 작부체계와 유기물원 조합에 따른 작물 생육 및 생산성을 평가한 결과, 일부 지표에서만 유의한 차이가 관찰되었으며, 전반적으로는 처리 간 차이가 제한적이었다 (Table 4). 개체당 생체중은 49.2-73.4 g 범위로, RC-OrF 처리에서 가장 높고 CR-OrF 처리에서 가장 낮은 값을 보여 두 처리 간에는 유의한 차이가 인정되었으나 (p < 0.05), 나머지 처리구는 이 두 처리 사이의 중간 수준으로 통계적 차이가 크지 않았다. 반면, 건물중, 엽장, 엽폭 및 엽수는 처리 간 유의한 차이가 나타나지 않아 (p > 0.05), 본 시험기간 동안 작부체계 및 유기물원 차이가 지상부의 형태적 생육 특성에는 크게 반영되지 않은 것으로 해석된다.
Table 4.
Crop (mustard greens) growth and yield under crop rotation and types of organic matter treatments.
| Treatment1 |
Fresh weight (g) |
Dry weight (g) |
Leaf-length (cm) |
Leaf-width (cm) |
No. of leaves (No.) | SPAD |
Yield (kg 10a-1) |
| RC-AC | 54.7 ab | 21.4 a | 24.7 a | 12.3 a | 7.5 a | 43.0 a | 586.9 ab |
| RC-OrF | 73.4 a | 22.3 a | 25.8 a | 14.0 a | 7.9 a | 38.9 b | 787.5 a |
| RC-BC | 69.6 ab | 21.9 a | 25.3 a | 12.8 a | 7.4 a | 39.3 b | 746.8 ab |
| CR-AC | 61.0 ab | 21.5 a | 27.4 a | 13.3 a | 7.3 a | 34.7 c | 654.5 ab |
| CR-OrF | 49.2 b | 20.7 a | 23.2 a | 11.3 a | 7.2 a | 38.5 b | 527.9 b |
| CR-BC | 63.4 ab | 21.5 a | 24.4 a | 11.5 a | 6.9 a | 31.9 d | 680.2 ab |
10a당 수량은 527.9 - 787.5 kg 10a-1 범위로, RC-OrF 처리에서 787.5 kg 10a1로 가장 높았고, CR-OrF 처리에서 527.9 kg 10a1로 가장 낮아 두 처리 간에는 유의한 차이가 나타났다 (p < 0.05). 다만 처리 전 토양의 불균일성이 확인되었고, 처리 전 (Table 1)에서 RC-OrF의 TC·TN·OM·유효인산이 CR-OrF보다 높게 나타나는 등 초기 비옥도 차이가 존재하였으므로, 본 작기에서의 수량 차이는 SOC 변화 (ΔSOC)만으로 해석하기보다 초기 토양 조건 및 양분 공급 특성의 영향을 함께 고려할 필요가 있다.
온실가스 배출량
시험 기간 중 온실가스 배출 특성을 분석한 결과, N2O, CH4, CO2 배출량은 작부체계 및 유기물원 투입에 따라 뚜렷한 차이를 보였다 (Fig. 3).
N2O 배출량은 가을 재배에서는 작부체계 간 유의미한 차이가 없었으나, 봄 재배에서는 연작 (0.067 mg m-2 h-1) 대비 윤작 (0.132 mg m-2 h-1)에서 현저히 높게 나타났다. 이는 윤작 과정에 투입된 헤어리베치와 같이 상대적으로 C/N비가 낮은 유기물이 토양에서 빠르게 분해되며 무기태 질소 (NH4+, NO3-)의 가용성을 급격히 높였고, 이에 따라 질화 및 탈질 과정이 촉진되었기 때문으로 해석된다. 이러한 결과는 녹비작물 시용이 N2O 배출의 ‘핫스팟 (hotspot)’을 형성할 수 있다는 기존 연구들과 일치한다 (Curtin et al., 2006; Kwon et al., 2022; Kim et al., 2024).
반면, CH4 배출량은 두 작기 모두에서 0에 근접 (검출한계 0.01 mg m-2 h-1)하여 순 배출량이 거의 없는 것으로 나타났다. 일반적으로 CH4은 혐기성 조건에서 메탄생성균 (methanogens)에 의해 생성되지만 (Park et al., 2024), 본 시설 내 시험 포장이 호기적 상태로 유지되었기 때문에 메탄 배출이 효과적으로 억제된 것으로 보인다 (Kim et al., 2024; Park et al., 2024).
CO2 배출량은 연작보다 윤작에서 일관되게 높게 측정되었다. 이는 윤작을 통해 다양하고 분해 용이한 유기탄소원이 공급되면서 토양 미생물의 활성과 총 토양 호흡이 촉진된 결과로 해석된다. 이러한 경향은 유기물 투입이 토양 탄소 전환율을 높인다는 선행연구들과 부합한다 (Hwang et al., 2019; Lee et al., 2024b). 다만, 토양 호흡 증가는 미생물 활성의 지표임과 동시에 토양 유기탄소 (SOC)의 손실을 의미할 수 있다는 점에서 양면적 해석이 필요하다.
윤작과 같은 작부체계는 N2O와 CO2 배출을 유의미하게 증가시킬 수 있으며, CH4 배출은 밭토양의 호기적 상태와 같은 물리적 환경에 더 크게 좌우됨을 확인하였다. 이는 토양 비옥도 증진을 위한 농경지 관리가 단기적으로 특정 온실가스의 배출을 늘리는 상충 관계 (trade-off)를 야기할 수 있음을 시사한다 (Lee et al., 2024b; Park et al., 2024).
온실가스 누적 배출량과 총 지구온난화잠재력(GWP)
온실가스의 누적 배출량과 총 지구온난화잠재력 (GWP)을 Table 5에 제시하였다.
Table 5.
Cumulative greenhouse gas emissions and total GWP under crop rotation and types of organic matter treatments. during the autumn and spring growing seasons in an organic greenhouse.
| Treatment1 | N2O Emissions (kg ha-1) | CH4 Emissions (kg ha-1) | CO2 Emissions (t ha-1) | Total GWP (t CO2 eq. ha-1) | |||||
| autumn | spring | autumn | spring | autumn | spring | autumn | spring | ΔTGWP3 | |
| RC-AC | 0.79 ab2 | 0.55 e | 0.06 a | 0.17 a | 1.06 b | 1.63 d | 1.27 b | 1.79 b | +0.52 ± 0.12 ab |
| RC-OrF | 0.97 ab | 1.91 bcd | 0.17 a | 0.09 a | 1.39 b | 1.59 d | 1.65 b | 2.10 b | +0.45 ± 0.11 ab |
| RC-BC | 1.12 ab | 1.16 cd | 0.04 a | 0.20 a | 1.80 b | 2.31 bc | 2.10 b | 2.62 ab | +0.52 ± 0.13 ab |
| CR-AC | 0.38 b | 1.68 bc | 0.04 a | 0.29 a | 1.51 b | 2.48 bc | 1.61 b | 2.93 ab | +1.32 ± 0.21 ab |
| CR-OrF | 0.39 b | 2.94 a | 0.08 a | 0.25 a | 1.30 b | 2.96 b | 1.41 b | 3.74 a | +2.33 ± 0.24 a |
| CR-BC | 1.25 a | 2.33 bc | 0.25 a | 0.23 a | 4.30 a | 3.25 a | 4.64 a | 3.87 a | –0.77 ± 0.18 c |
N2O 누적 배출량은 계절에 따라 상반된 경향을 보였다. 가을 재배기간에는 연작 (평균 0.96 kg ha-1)이 윤작 (0.67 kg ha-1)보다 배출량이 높았으나, 봄 재배기간에는 반대로 윤작 (2.31 kg ha-1)이 연작 (1.21 kg ha-1)보다 월등히 높았다. 이러한 계절적 차이는 유기물원의 종류와 작부체계가 토양의 질소 동태 (dynamics)에 미치는 영향이 다르기 때문으로 해석된다 (Lee et al., 2024a; Ranathunga et al., 2025). 특히, RC-AC 처리구에서는 봄철 N2O 배출량이 오히려 감소하였는데, 이는 질소 고정 (immobilization)이 일시적으로 우세했기 때문으로 추정된다.
CH4 누적 배출량은 모든 처리구에서 유의적인 차이 없이 (p > 0.05) 미미한 수준이었다. 이는 시설 재배지의 밭토양이 호기적 상태를 유지하여 메탄 생성 (methanogenesis)이 효과적으로 억제되었음을 재확인시켜 준다 (Park et al., 2024; Ranathunga et al., 2025).
CO2 누적 배출량은 두 작기 모두 윤작이 연작보다 유의하게 높았으며 (p < 0.05), 특히 CR-BC 처리구에서 가장 높은 값을 기록했다. 이는 윤작 시 투입된 헤어리베치와 다양한 작물 잔재물이 토양에 풍부한 유기탄소원을 공급하여 미생물 호흡을 강력하게 촉진했기 때문으로 해석된다 (Kwon et al., 2022; Kim et al., 2025).
총 지구온난화잠재력 (GWP)은 N2O와 CO2 배출 패턴을 종합적으로 반영하여, 두 작기 모두 바이오차 (BC) 처리구에서 가장 높은 경향을 보였다. 바이오차 처리구의 CO2 배출 증가는 바이오차 자체의 분해보다는, 고표면적과 높은 pH로 인해 토양 미생물 활성 및 공존 유기물 분해를 촉진하는 ‘점화효과 (priming effect)’가 주요 원인으로 해석된다 (Lehmann and Joseph, 2015). 사용된 바이오차는 왕겨 부산물로 제조된 것으로, 높은 탄소 함량 (47.97%)과 고표면적으로 인해 미생물 호흡 자극이 강화되었을 가능성이 있다(Lee et al., 2024a; Lee et al., 2024b; Ranathunga et al., 2025).
유기물원 종류에 따른 토양 탄소 및 질소의 축적 양상
투입 유기물원 종류에 따른 토양의 용이분해성 탄소 및 질소를 분획한 결과, 처리구별로 뚜렷한 차이가 나타났다 (Fig. 4). 토양 내 용이분해성 탄소 및 질소는 미생물에 의해 쉽게 분해되어 양분 순환 속도를 결정하는 핵심 인자이다. 이들 분획은 미생물 생장의 직접적인 에너지원이자 양분 공급원으로 작용하며, 그 양과 질은 토양의 단기적인 비옥도와 무기화 잠재력을 평가하는 중요한 지표로 활용된다 (Lee et al., 2023).
Fig. 4
Labile soil organic carbon fractions under different treatments after the autumn and spring growing seasons. Bars indicate SD (n = 3). Different letters denote significant differences among treatments by DMRT at p > 0.05. RC, repeated cultivation; CR, crop rotation; AC, animal compost; OrF, organic fertilizer; BC, biochar.
용이분해성 유기탄소 (WEOC)의 재배 전후 증가율은 연작 (33.26 - 239.12%)보다 윤작 (94.78 - 524.36%) 처리구에서 현저히 높았으며, 특히 CR-OrF 처리구는 524.36%로 가장 큰 증가폭을 보였다. 상대적으로 분해가 어려운 온수 추출 탄소 (HEOC)의 증가율 역시 윤작 처리구 (61.85 - 244.08%)가 연작 (5.89 - 93.41%)보다 높았다. 이는 윤작 시스템에서 투입된 다양한 유기물이 토양 미생물 활성을 촉진하여, 토양 내 활성 유기탄소 풀 (active carbon pool)을 효과적으로 증대시켰음을 의미한다 (Kwon et al., 2022; Ranathunga et al., 2025).
용이분해성 질소 (WEON, HEON) 분획 또한 탄소와 유사한 경향을 보였다. 특히 CR-OrF 처리구는 WEON과 HEON 증가율이 각각 292.10%, 799.44%로 모든 처리구 중 가장 폭발적인 증가세를 기록했다. 이는 C/N비가 낮은 유기질비료가 윤작의 다양한 유기물과 시너지 효과를 일으켜 토양 내 질소 무기화 및 용이분해성 질소의 축적을 강력하게 촉진했음을 시사한다 (Lee et al., 2023; Lee et al., 2024a).
이러한 결과는 앞서 분석한 온실가스 배출 특성과 직접적으로 연결된다. 윤작 처리구, 특히 CR-OrF에서 관찰된 용이분해성 유기탄소 (WEOC)의 급격한 증가는 미생물 호흡을 자극하여 CO2 배출량을 높이는 직접적인 원인으로 작용했을 것이다. 동시에, 용이분해성 질소 (WEON, HEON)의 과잉 축적은 질화-탈질 과정을 통한 N2O 배출 잠재력을 크게 높였음을 의미하며, 이는 실제 N2O 배출량 결과와도 일치한다 (Gomez and Gomez, 1984; Lee et al., 2023; Ranathunga et al., 2025).
토양 유기탄소 축적량
유기물원 투입에 따른 토양 유기탄소 (SOC) 축적량을 분석한 결과, 작부체계와 유기물원의 상호작용이 명확하게 나타났다 (Table 6). 가을 재배 후 SOC 함량은 RC-BC (23.31 g kg-1) > RC-OrF (19.26 g kg-1) > RC-AC (16.49 g kg-1) > CR-BC (11.16 g kg-1) > CR-AC (7.94 g kg-1) > CR-OrF (4.05 g kg-1) 순으로 나타났으며, 전반적으로 연작 처리구에서 윤작 처리구보다 높은 값을 보였다. 또한 동일한 재배체계 내에서는 바이오차 처리구가 가장 높은 SOC 함량을 나타냈다. 봄 재배 후에는 RC-AC (27.28 g kg-1) ≥ CR-BC (25.00 g kg-1) ≥ RC-BC (22.75 g kg-1) ≒ RC-OrF (22.27 g kg-1) ≥ CR-AC (21.02 g kg-1) ≥ CR-OrF (19.19 g kg-1) 순으로 나타나, 가을과 봄 작기 모두에서 유기물원 투입이 SOC 축적에 기여함을 확인할 수 있었다.
선행연구에서는 장기간 퇴비 시용이 SOC 증가와 공극률 개선, 그리고 토양 용적밀도 감소를 유도한다고 보고한 바 있다 (Lee et al., 2023). 본 연구에서도 유기물원 투입에 따라 SOC 함량이 전반적으로 증가하였으나, 일부 처리구에서는 오히려 토양 용적밀도가 증가하는 경향을 보여 기존 보고와 상이한 결과를 나타냈다. 이는 단기간 실험에 따른 일시적 변동일 가능성이 있으며, 장기적 추적 연구를 통해 명확히 구명할 필요가 있다.
SOC 저장량 (SOC stock)은 RC-AC 처리구에서 가장 높았으며, 그 외에는 CR-BC ≥ RC-BC ≒ RC-OrF > CR-AC ≒ CR-OrF 순으로 나타나 연작 처리구의 저장량이 다소 우세하였다. 그러나 SOC stock 증가율을 살펴보면, 가을 대비 봄 재배 후 CR-OrF (392.63%) ≥ CR-AC (177.16%) ≒ CR-BC (115.63%) ≒ RC-AC (77.81%) > RC-OrF (11.04%) ≒ RC-BC (4.26%) 순으로 윤작 처리구의 증가율이 뚜렷하게 높았다. CR-OrF 처리에서 SOC 함량은 가을 4.05 g kg-1에서 봄 19.19 g kg-1으로 증가하여 절대 증가량은 15.14 g kg-1이었다. 이는 0 - 15 cm 토양층에서 약 30.5 Mg C ha-1의 증가에 해당한다. SOC stock의 상대적 증가율은 초기 SOC 값이 낮아 과대 표기된 결과이며, 이를 보정하기 위해 ΔSOC 값 (봄 - 가을 차이, 동일 깊이 0 - 15 cm 기준)을 함께 제시하였다 (Table 6). ΔSOC 분석에서도 CR-OrF 처리구가 가장 큰 절대 증가량을 보여, SOC 축적 효과가 뚜렷함을 확인할 수 있었다. 따라서 처리 효과를 평가할 때는 절대 증가량과 상대적 증가율을 함께 고려하는 것이 필요하다. 또한 일부 처리구 간 절대 SOC 함량 차이는 통계적으로 유의하지 않았으므로 (p > 0.05), 장기적 경향 검증이 필요하다. 그럼에도 불구하고 CR-OrF는 모든 처리 중 가장 큰 SOC 증가를 보여, 윤작과 유기질비료 투입이 토양 탄소 축적에 있어 중요한 역할을 함을 시사한다. 이는 윤작에서 다양한 작물 잔재물과 유기물원이 반복적으로 투입됨에 따라 탄소 축적률이 장기적으로 더 크게 나타날 수 있음을 시사한다 (Lee et al., 2023; Ranathunga et al., 2025).
Table 6.
Soil organic carbon, bulk density, and soil carbon stock under crop rotation and types of organic matter treatments during the autumn and spring growing seasons in an organic greenhouse.
| Treatment1 | SOC (g kg-1) | Bulk density (Mg m-3) | SOC stock (Mg C ha-1) | ||||
| autumn | spring | autumn | spring | autumn | spring | ΔSOC3 | |
| RC-AC | 16.49 c2 | 27.28 a | 1.13 | 1.21 b | 27.85 b | 49.51 a | 21.66 ± 2.1 ab |
| RC-OrF | 19.26 b | 22.27 bc | 1.26 | 1.21 b | 36.40 a | 40.42 bc | 4.02 ± 1.5 c |
| RC-BC | 23.31 a | 22.75 bc | 1.15 | 1.23 ab | 40.27 a | 41.99 bc | 1.72 ± 0.9 c |
| CR-AC | 7.94 e | 21.02 cd | 1.18 | 1.24 ab | 14.10 d | 39.16 c | 25.06 ± 2.8 ab |
| CR-OrF | 4.05 f | 19.19 d | 1.28 | 1.33 a | 7.76 e | 38.27 c | 30.51 ± 3.2 a |
| CR-BC | 11.16 d | 25.00 ab | 1.26 | 1.21 b | 21.05 c | 45.38 ab | 24.33 ± 2.5 ab |
토양 화학성과 온실가스 배출량간의 상관관계
토양 화학적 특성 변화가 온실가스 배출에 미치는 영향을 파악하기 위해 상관분석을 실시하였다. 토양 유기탄소 (soil organic carbon, SOC) 함량은 누적 CO2 배출량과 통계적으로 유의한 정의 상관관계 (r = 0.866, p < 0.05)를 보였다. 이는 토양 유기물이 미생물의 주요 에너지원이자 호흡 기질로 사용되기 때문에, 유기탄소 함량이 높을수록 토양 미생물의 활성이 증가하여 CO2 배출이 촉진되었음을 시사한다. 한편, 토양 pH는 누적 N2O 배출량과 부의 상관관계 경향 (r = -0.569)을 보였으나 통계적 유의성 (p > 0.05)은 나타나지 않았다. 이는 바이오차 시용으로 pH가 상승한 RC-BC 처리구에서 N2O 배출이 현저히 감소했으나, CR-BC 처리구에서는 상대적으로 높은 배출량을 보여 관계성이 약화되었기 때문으로 해석된다. 하지만 토양 pH 상승이 N2O 환원 효소 (N2O-reductase) 활성을 촉진하여 N2O 배출을 저감할 수 있다는 기존의 보고 (Cayuela et al., 2014)를 고려할 때, 처리구 간의 복합적인 요인에 의해 그 효과가 다르게 발현되었을 가능성이 있다. 이와 같은 변수 간의 상호작용을 명확히 구명하기 위해서는 향후 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
Conclusions
본 연구는 유기 시설 엽채류 재배지에서 작부체계 (연작, 윤작)와 유기물원 (가축분퇴비, 유기질비료, 바이오차) 조합이 토양 화학성, SOC 축적 (ΔSOC), 및 온실가스 배출에 미치는 영향을 평가하였다. 봄 재배 후 OM은 모든 처리에서 적정범위를 상회하였고, 연작에서는 가축분퇴비, 윤작에서는 바이오차가 유기물 축적에 가장 효과적이었다. 한편, 유효인산 및 교환성 K·Ca·Mg 등 주요 양분은 모든 처리구에서 적정범위를 크게 초과하여, 장기적으로 염류장해 및 양분 불균형 위험이 시사되었다. 온실가스 배출에서 CO2는 두 작기 모두 윤작이 연작보다 높았으며, N2O는 봄 작기에서 윤작이 증가한 반면 가을에는 반대 경향을 보여 계절 의존성이 확인되었다. SOC 축적은 윤작-유기질비료 처리구에서 ΔSOC가 30.51 Mg C ha-1 (≈30.5)로 가장 크게 나타나 윤작 - 유기질비료 조합의 탄소 축적 잠재력을 보여주었으나, 바이오차 처리에서는 CO2 배출 및 GWP가 높은 경향을 보여 priming effect를 고려한 관리가 요구된다. 따라서 유기 시설재배지의 지속가능한 관리를 위해서는 시비량 최적화 및 양분 과잉 집적을 억제하는 관리와 함께, 단기 변동을 넘어서는 장기 모니터링을 통한 효과 검증이 필요하다.
