Introduction

작물의 생산성은 기상 환경, 품종 등 여러 요인에 의해 결정되며, 특히 토양의 특성과 양분 순환에 밀접한 관련이 있다 (Yamagishi et al., 2003). 작물의 생산성 증대를 위해 다양한 무기질 비료가 개발되었으나 지속적으로 과도한 무기질 비료를 시비할 경우 토양과 지하수가 오염되고, 이로 인한 작물의 생리적 장애 등 여러 가지 피해가 발생한다고 보고되었다 (Chang and Dregne, 1955; Bernstein, 1975; Gimeno-García et al., 1996; Vitousek et al., 2009; Sun et al., 2012). Ca, Mg, Na, SO₄^2- 등의 양분 집적은 삼투압 구배에 영향을 끼쳐 작물의 수분 흡수를 어렵게 한다. 또한 타 양분과의 길항작용으로 이온 흡수를 저해해 생리장해를 유발하므로, 적절한 토양관리를 통한 토양 환경의 개선이 중요하다 (Chang and Dregne, 1955). 토양 환경 개선은 단순히 토양 내 양분을 많이 보유하는 것이 아니라, 작물의 건강한 생육과 수량 증대를 위해 토양 이화학적 특성과 미생물 활동 등의 생물학적 성질이 조화롭게 어우러진 상태를 의미한다 (Weaver et al., 1994; Yang et al., 2001; Kim et al, 2003; Hong et al., 2009; Kim et al., 2023).

토양 이화학적 특성 및 미생물 활성 등은 재배환경 및 토양 관리에 따라 영향을 받으며, 특히 유기농업은 농약과 무기비료의 사용을 금지하기 때문에 토양 내 양분의 형태가 관행 농가와는 다른 특성을 나타낸다 (Barak et al., 1997; Maeder et al., 2002; Pimentel et al., 2005; Liang et al., 2015). 고추 재배지의 유기농업 토양은 pH, 유기물 함량, 탄질율 (C/N ratio), 유효인산이 관행 대비 높으며, 전기전도도 (EC)는 낮은 수치를 보이는 등 농업 형태에 따라 토양의 화학적 특성의 차이가 보고된 바 있다 (Kim et al., 2020). 또한 국내 유기 농경지 토양 조사 결과, 관행 농경지보다 대부분 용적밀도가 낮고 pH, 전기전도도 및 urease와 같은 효소 활성이 비교적 높은 것으로 나타났다 (Kim et al., 2023).

한편, 유기농업은 유기농 육성 정책 등을 통해 급속도로 성장하고 있으며 (Gomiero et al., 2008), 특히 충청북도의 유기농 재배 면적은 1,634 ha로 2015년 이후로 유기재배 인증 면적이 지속적으로 증가하고 있다 (https://www.enviagro.go.kr). 하지만 관행농가의 경우 1999년부터 주기적으로 각 지역의 농업기술원과 공동으로 토양 실태 조사가 실시되고 있는 것과 달리 유기 농경지의 지역별 토양 조사는 미비한 실정이다 (Kim et al., 2019). 따라서 본 연구는 충북 지역의 유기 농경지에서 토양의 이화학적 및 생물학적 특성을 분석하여, 유기 농경지의 특성을 파악하고 토양 건강성 평가를 위한 기초 자료로 활용하고자 한다.

Materials and Methods

조사지역 선정 및 시료 채취

본 연구는 2023년 기준 국립농산물품질관리원에서 경지유형이 ‘밭’이면서 5년 이상 유기 인증을 받은 충북지역의 토양 시료를 116점 채취하여 토양의 화학적 및 생물학적 특성을 분석하였으며 (Table 1), 채취된 필지에 대한 정보는 Table 2에 제시하였다. 토양 시료는 퇴비가 포함되지 않도록 유기물층을 제거한 후 표토층에서 채취하였으며, 시료의 일관성을 확보하기 위해 필지 내 서로 다른 5곳의 시료를 혼합하여 실험에 사용하였다. 토양 화학적 특성 분석에 사용된 토양은 풍건한 후 2 mm 표준체를 통과한 시료를 이용하였으며, 생물학적 특성에 사용된 시료는 4°C 냉장 보관하여 습토 상태로 사용하였다.

토양 화학적 특성 분석

토양 화학적 특성은 NAAS (2010)의 종합검정실 분석 매뉴얼에 따라 수행되었다. 토양의 pH 및 전기전도도는 토양과 증류수의 혼합물을 1:5 비율로 진탕한 후, pH 미터 (Star A211, Orion, USA)와 전도도계 (VersaStar, Orion, USA)를 사용하여 측정하였으며, 전기 전도도는 측정값에 희석배수를 곱하여 값을 산출하였다. 유기물 (OM) 함량과 총 질소 함량은 원소분석기 (Vario max Cube, Elemental, Germany)를 이용하여 측정하였으며, 유기물 함량은 분석한 총 탄소 (total carbon, T-C) 함량에 변환 계수인 1.724를 곱하여 계산하였다. 유효인산 농도는 Lancaster 방법을 이용하여 비색 분석 (Cary3500, Agilent, USA)하였다. 교환성 양이온은 1 M 암모늄 아세테이트 (pH 7.0)로 추출한 후, 유도 결합 플라즈마 분광광도계 (5100 ICP-OES, Agilent, USA)로 정량하였다.

토양의 생물학적 특성 분석

토양의 생물학적 특성은 토양 호흡량과 효소 활성도를 측정하였다. 토양 호흡량 분석은 300 mL 용기에 습토 100 g을 넣고, 0.5 M NaOH를 담은 vial을 용기 중앙에 고정한 후 밀폐하여 25°C에서 72시간 동안 배양하였다 (Bottomley et al., 2020). 배양이 끝난 후 0.5 M NaOH 용액에 페놀프탈레인 지시약을 추가한 뒤, 1 M HCl을 사용하여 용액이 무색으로 변할 때까지 적정하였다. 이후, 무색으로 변한 용액에 브로로크레졸 그린 지시약을 이용해 용액이 푸른색에서 노란색으로 변화할 때까지 0.2 M HCl로 적정하였다. 이 과정에서 소모된 0.2 M HCl의 양을 다음 식을 사용하여 CO₂ 발생량으로 변환하여 토양 호흡량을 산출하였다.

M : Hydrochloric acid concentration (0.2 mol L^-1)

T : 0.2 M HCl Titrate volume (mL)

44 : CO₂ molecular weigth (g mol^-1)

S : Soil weight (kg)

day : Days of incubation

토양 효소 활성도는 총 4가지 항목 (dehydrogenase, Urease, β-Glucosidase, Phosphatase)에 대해 측정하였다. Dehydrogenase는 2,3,5-Triphenyl tetrazolium chloride (TTC)가 Triphenyl formazan으로 환원된 양을 정량하였다 (Casida et al., 1964). 습토에 CaCO₃를 혼합한 후, TTC와 증류수를 섞어 입구를 밀봉하고 37°C에서 24시간 배양하였다. 배양한 용액은 탈지면으로 막은 깔때기를 이용해 여과하였으며, 이때 탈지면의 붉은색이 없어질 때까지 지속적으로 메탄올을 추가하였다. 여과액은 최종부피가 100 mL가 되도록 메탄올을 mass up한 후, UV/Vis Spectrophotometer를 이용해 485 nm 파장에서 비색 정량하였다. Urease는 100 mL 삼각플라스크에 5 g의 습토와 2.5 mL의 79.9 mM urea 기질을 섞어 37°C에서 2시간 배양하였다. 배양 후 2.5 mL의 증류수와 30 mL의 KCl을 첨가하여 30분간 교반한 후 여과하고, 여과액 1 mL와 증류수 4 mL, 0.3 M NaOH, sodium salicylate solution, 39.1 mM dichlorisocyanurate solution 2 mL를 30분간 혼합교반하여 690 nm 파장에서 비색 정량하였다 (Kandeler and Gerber, 1988). β-Glucosidase와 Phosphatase는 각각 ρ-nitrophenyl-β-D-glucopyranoside (PNG)와 sodium-p-nitrophenyl phosphate (pNPP) 기질을 첨가하여 배양한 후, 전환된 생성물인 p-nitrophenol (PNP)을 400 nm 파장에서 비색 정량하였다 (Tabatabai and Bremner, 1969; Eivazi and Tabatabai, 1988). 즉, β-Glucosidase는 습토에 톨루엔, 구연산-인산완충액, 증류수 및 50 mM PNG 기질을 첨가하고, Phosphatase는 톨루엔, 0.5 M Tris (pH 6.5), 증류수 및 50 mM pNPP 기질을 첨가하여 30°C에서 1시간 배양하였다. 배양 후 Ethanol을 넣고 15초간 교반 및 여과하여, 여과액에 2 M Tris를 넣어 흡광도를 측정하였다.

통계 분석

토양 화학적, 생물학적 특성 등 지역 간 평균 비교를 위해 ANOVA 검정을 하였고, 유의성이 인정되는 처리구는 95% 수준에서 Duncan’s 사후 검정으로 유의성 정도를 분석하였다. 또한, 항목 간 연관성 분석을 위해 Pearson’s correlation 분석으로 상관관계를 평가하였으며, 모든 통계는 IBM SPSS statistics 21 (statistical package for social science, IBM) 통계프로그램을 활용하여 분석하였다.

Results and Discussion

토양의 화학적 특성 결과

토양의 화학적 특성을 분석한 결과, 전기전도도를 제외한 모든 항목에서 지역 간의 유의한 차이가 나타났다 (Table 3). 북부지역은 pH 7.4 (4.6 - 8.4), 토양 유기물 함량 45.1 g kg^-1 (7.0 - 141.9 g kg^-1), CEC 13.9 cmolc kg^-1 (4.2 - 26.4 cmolc kg^-1)로 타지역에 비해 통계적으로 유의하게 높은 수치로 조사되었고, 중부지역은 유효인산 함량에서 849 mg kg^-1 (49 - 1887 mg kg^-1)로 타지역보다 유의하게 높았다.

농촌진흥청의 밭토양 화학성 적정 기준 (NAS, 2017)에 따라 충북 권역별 미달/적정/초과 농가 비율을 조사하였을 때, 북부지역은 pH의 적정 범위를 벗어난 토양 비율이 74%로 가장 높게 나타났으며, 칼슘 이온 (Ca²⁺) 함량에서도 적정 범위보다 높은 평균 10.2 cmolc kg^-1 (3.1 - 20.4 cmolc kg^-1)로 다른 지역보다 높은 수치를 나타냈다 (Table 3, Fig. 1). 이는 주로 강원도 남부의 영월지역과 충북 북부의 제천, 단양 지역에 분포하는 석회암 지대의 특성에서 기인된 것으로, 본 연구에서 채취한 북부지역의 시료 중 81.5%가 석회암 지대에 포함된다 (data not shown). 일반적으로 석회암에서 유래된 토양은 pH가 높고 점토와 칼슘 함량이 풍부한 적색토 특성을 나타낸다 (ATI, 1992; Hur et al., 2009).

한편, 유기물 함량의 적정 범위를 초과한 토양 비율은 북부지역에서 66%로 가장 높았고, 남부지역 40%, 북부지역 31% 순이었다 (Fig. 1). 또한 적정 범위를 나타낸 토양 비율은 북부지역, 중부지역, 남부지역이 각각 26%, 38%, 44%였고, 적정 범위에 미달하는 비율은 8%, 31%, 16%로 나타나, 충북 권역의 유기 농경지에서는 유기물 함량의 과다한 비율이 가장 높았다. 유효인산 함량의 경우 남부지역을 제외한 모든 지역에서 조사 필지의 60% 이상이 적정 범위를 초과하였으며, 교환성 양이온 중 칼슘 이온 (Ca²⁺)은 모든 지역에서 60% 이상, 마그네슘 이온 (Mg²⁺)은 40% 이상에서 영양 과다 현상이 나타났다. 이러한 영양불균형 현상은 지역과 관계없이 다수의 필지에서 나타났으며 이는 유기 농경지에서 주로 가축분 퇴비를 통해 토양 양분 관리가 이루어지기 때문으로 판단된다.

Fig. 1.

Distribution status of soil chemical properties by region of soil managed as organic farming for more than 5 years in Chungbuk province.

선행 연구에 따르면, 유기농가는 절반 이상 (57%)이 가축분이 포함된 부숙 퇴비를 사용하고 있으며, 시비하는 가축분의 종류에 따라 토양 내 유효인산 및 칼슘 이온 (Ca²⁺) 등의 금속 양이온 농도가 다르게 증가하고, 이들이 지속적으로 토양에 축적된다고 보고된 바 있다 (Lee et al., 2004; Yao et al., 2007; Ge et al., 2011; Lee et al., 2017; Lee et al., 2018). 또한 유기재배 기간이 길어질수록 토양의 전반적인 양분 함량이 증가하는 경향을 보이며 (Lee et al., 2004), 특히 관행 재배지의 밭토양에서 상대적으로 경미한 문제로 여겨지는 염류집적 현상이 유기농업에서는 빈번히 나타나고 있다 (Lee et al., 2017). 토양 내 유기물 함량은 작물 생산의 중요한 요소로 유기물 함량과 작물 생산량의 양의 상관관계가 보고된 바 있어 적절한 유기물 시비관리는 필수적이다 (Loveland and Webb, 2003; Schjonning et al., 2018; Hong et al., 2024). 그러나 본 연구에서도 충북의 다수 지역에서 영양불균형 현상이 나타났으며, 현재 충북지역의 유기재배 농가에서는 토양 내 양분을 고려하지 않고 유기물 투입을 위해 퇴비를 과다하게 사용하고 있는 것으로 판단된다. 따라서 토양 검정에 의한 시비 처방으로 적정량의 퇴비를 살포하고 물리성 개선과 과잉 집적된 염류 제거에 효과적인 녹비작물, 두과작물 및 심근성작물을 윤작함으로써 토양의 근본적인 건전성 개선이 필요할 것으로 보인다 (Willer, 1998).

토양의 생물학적 특성 결과

토양 호흡량은 미생물이 유기물 분해 시 에너지 획득 과정에서 방출하는 이산화탄소량을 산출한 것으로, 북부지역은 평균 55.4 CO₂ mg kg^-1 day^-1 (3.6 - 204.4 CO₂ mg kg^-1 day^-1), 중부지역은 46.9 CO₂ mg kg^-1 day^-1 (0 - 202.7 CO₂ mg kg^-1 day^-1)으로 나타났다 (Fig. 2). 이는 이전의 Kim et al. (2023)이 보고한 유기 농경지 토양 호흡량 평균 44.0 CO₂ mg kg^-1 day^-1보다 더 높은 경향을 보여주었으며 남부지역의 농경지는 평균 26.6 CO₂ mg kg^-1 day^-1 (0 - 99.4 CO₂ mg kg^-1 day^-1)로 다소 낮은 활성을 나타냈다.

효소 활성은 토양 내 유기물을 무기태로 전환하여 식물의 양분 가용화에 직접적인 영향을 미치는 중요한 요소로, 토양의 변화에 신속하게 반응하여 토양의 질을 평가하는데 주로 사용된다 (Benitez et al., 2006). 이때, 효소는 기질 특이적이기 때문에 단일 효소 반응으로 토양의 질을 평가하는 데 한계가 있으므로 (Nannipieri et al., 2012), C, N, P 순환에서 중요한 역할을 하는 4가지 효소 (Dehydrogenase, β-Glucosidase, Urease, Phosphatase)를 측정하였다. 그 결과, 토양 내 효소 활성의 모든 항목에서 북부지역과 다른 지역 간의 통계적으로 유의한 차이를 보였다 (Fig. 2). 그 중, C 순환에 관여하는 Dehydrogenase와 β-Glucosidase, N 순환에 관여하는 Urease는 북부지역이 다른 지역보다 통계적으로 유의하게 높았다. 일반적으로 유기물이 풍부할 경우, 토양 내 미생물에게 충분한 기질을 제공하여 바이오매스 함량이 높게 유지되고 높은 효소 활성이 나타나 토양의 효소 활성과 유기물 함량 간의 상관관계가 있다고 보고된 바 있다 (Lagomarsino et al., 2009; Moeskops et al., 2010; Zhao et al., 2010; Mohammadi, 2011). 본 결과에서도 유기물 함량이 다른 지역에 비해 약 1.6배 높은 북부지역에서 Dehydrogenase, β-Glucosidas, Urease 활성이 각각 평균 149.3 TPF µg g^-1 24 h^-1(9.4 - 458.7 TPF µg g^-1 24 h^-1), 111.1 PNP µg g^-1h^-1 (24.2 - 261.2 PNP µg g^-1 h^-1), 210.0 NH₄-N µg g^-1 24 h^-1 (0 - 430.9 NH₄-N µg g^-1 24 h^-1)로 다른 지역에 비해 유의하게 높았으며 이는 유기물 함량에 따라 효소 활성이 증가한다는 결과와 일치한다.

Fig. 2.

Box-plots of soil biological properties of upland soils in Chungbuk province. ^zThe same letter in each column indicated no significant difference in soil parameters from the three different regions determined by Duncan’s multi-range test at p ≤ 0.05.

P 순환에 중요한 역할하는 Phosphatase는 토양 내 유기태로 존재하는 인 (P)이나 유기성 잔해물에서 유래한 인 (P)을 가수분해하는 효소로, 유기물 함량이 증가하거나 pH가 감소할 때 Phosphatase 활성이 증가한다는 여러 연구 결과가 있다 (Joner and Jakobsen, 1995; Sarapatka et al., 2004; Van Aarle and Passard, 2010). 본 결과에서는 북부지역이 평균 453.5 PNP µg g^-1 h^-1 (77.0 - 1596.5 PNP µg g^-1 h^-1)로, 중부지역 880.7 PNP µg g^-1 h^-1, 남부지역 718.4 PNP µg g^-1 h^-1에 비해 가장 낮은 값을 나타났으며 이는 pH의 영향으로 판단된다 (p < 0.05). 토양의 pH는 북부 (7.4) > 중부 (6.4) > 남부 (6.3)순으로, Phosphatase 활성과 역순의 결과가 나타났으며 pH가 낮아짐에 따라 Phosphatase 활성이 증가한다는 결과와 일치한다.

토양의 화학적 특성과 생물학적 특성 간 상관관계

Pearson 상관계수 분석 결과 (Table 4), 토양 화학적 특성과 생물학적 특성의 다양한 항목에서 유의한 상관관계가 나타났다. pH는 토양 호흡량 (r = 0.37), Dehydrogenase (r = 0.56), β-Glucosidase (r = 0.34), Urease (r = 0.51) 등과 양의 상관관계를, Phosphatase (r = -0.64)과는 음의 상관관계를 나타냈다. pH는 토양 화학적 특성 중 중요한 지표로, 양분의 가용성과 미생물 군집, 미생물 활성 등 다양한 생태적 요소에 영향을 미친다 (Frankenberger and Johanson, 1982; Dick and Wang, 2000). 대부분의 생물학적 특성은 pH와의 상관관계가 기존의 선행연구 결과와 유사한 경향을 보였다 (Eivazi and Tabatabai, 1990; Puissant et al., 2019).

유기물 함량은 토양 호흡량 (r = 0.44), Dehydrogenase (r = 0.32), β-Glucosidase (r = 0.20), Urease (r = 0.35)와 양의 상관관계를 보였다. 또한 전질소 함량, 칼슘 이온 (Ca²⁺) 및 마그네슘 이온 (Mg²⁺)도 이들 생물학적 특성과 강한 상관관계를 나타내며, 이는 유기물 함량의 영향에서 파생된 것으로 사료된다. 이러한 결과는 유기물 함량이 증가할수록 생물학적 특성이 더욱 활성화됨을 시사하며, 가축분 퇴비를 장기간 사용하면 토양 내 탄소 (C), 질소 (N) 순환에 관련된 효소의 활성이 증가한다는 Li et al. (2015)의 연구 결과와 일치한다. 그러나 유기물 함량에 따라 칼슘 이온 (Ca²⁺) 및 마그네슘 이온 (Mg²⁺) 또한 높은 양의 상관관계 (r = 0.41)를 보임에 따라, 현재 충북지역 유기 밭토양 농경지에서 문제가 되는 양분 불균형을 초래할 수 있으므로, 토양 내 유기물 투입에 주의가 필요할 것으로 보인다. 또한 토양 화학적 및 생물학적 특성과 농업생산성과 환경 건강에 미치는 영향을 규명하기 위해 추후 토양 관리법 및 수확량 검정 등 환경 요인에 대한 조사가 필요할 것으로 판단된다.

Conclusions

본 연구에서는 충북지역의 5년 이상 유기 인증이 유지된 농가를 중심으로 토양의 화학적 및 생물학적 특성을 분석하여 지역별 비교 평가하였다. 분석 결과, 전기전도도를 제외한 모든 항목에서 지역 간 유의한 차이가 나타났으며, 북부지역의 pH, 유기물 함량 등이 가장 높게 나타났다. 특히, 북부지역에서는 채취한 필지의 74%가 알칼리성 토양으로 나타났으며, 이러한 차이는 주로 석회암 지대의 영향을 받는 것으로 판단된다.

유기물 함량이 30 g kg^-1 이상인 필지 또한 북부지역에서 가장 많이 발견되었으며, 북부지역의 높은 유기물 함량은 토양 호흡량과 Phosphatase를 제외한 효소 활성 증가에 기여하며, 높은 상관관계를 보여주었다. 그러나 북부지역뿐만 아니라 충북의 다수 유기 농경지 필지에서 유기물 함량 및 유효인산 등의 과다로 영양 불균형 문제가 발생하고 있다. 이러한 결과는 유기물의 증가가 생물학적 특성을 활성화시키는 장점이 있지만, 동시에 양분 불균형 문제를 초래할 수 있어 적정한 유기물 투입과 영양 균형을 고려한 관리가 필요하다는 점을 시사한다. 본 연구를 통해 충청북도 내 5년 이상 유기인증을 받은 밭토양의 화학적 및 생물학적 특성을 분석하였으며, 이를 바탕으로 유기 농경지의 토양 건강성를 위한 기초 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.