Introduction
Materials and Methods
처리구 조성 및 내용
토양 특성 분석
통계분석
Results and Discussion
토양 비옥도 변화
수확량 비교
온실가스 발생량
Conclusions
Introduction
최근 식량안보 및 기후변화 문제로 인해 지속가능한 농경지 토양 관리의 중요성은 더욱 강조되고 있으며, 이를 위해 토양의 비옥도 유지 또는 증진을 위한 활동이 요구된다. 토양 비옥도의 감소는 토양 유실, 양분 불균형 등에 의해 발생할 수 있으며, 이는 건강한 작물 생산에 큰 방해 요인으로 작용한다 (Ayoub, 1999; Tan et al., 2005).
토양의 비옥도를 증진하기 위해서는 토양 양분 관리 뿐만 아니라 토양 건강성 증진이 동시에 이뤄져야 하며, 그 방안으로 무기질비료와 유기질비료를 혼합 처리하는 방식을 들 수 있다 (Efthimiadou et al., 2010; Hernández et al., 2014; Xin et al., 2017). 가축분 퇴비는 우리나라 농경지에 오랜 기간 사용된 대표적 유기질비료로 무기질비료 감축을 위한 대체 비료로 활용되고 있으며, 양분적 측면 외에도 토양 용적밀도, 입단화, 보수력 및 생물학적 특성 등을 개선시켜 토양 건강성을 향상시킨다 (Rayne and Aula, 2020). 실제로 무기질비료 사용량 중 질소 밑거름을 유기질비료로 대체 투입 시 마늘, 상추, 애호박과 같은 작물의 수확량과 토양 비옥도 향상에 도움을 줄 수 있어, 밑거름을 유기질비료로 사용하는 방안이 제시된 바 있다 (Kim et al., 2020, 2021). 더욱이 최근에는 기후변화 문제를 해결하기 위해 농업분야에서 무기질비료 대체를 통한 N2O 저감과 토양의 탄소 저장량 증대 방안으로 가축분 퇴비 활용을 권장하고 있다.
하지만 우리나라 밭토양은 현재 N, P2O5, 및 K2O가 평균 3.89, 2.80, 2.04 kg 10a-1이 과다하게 처리되어 작물의 양분흡수량에 비해 초과양분이 발생하고 있으며 (Kim et al., 2018), 유기질비료의 과다 사용 역시 토양의 양분 불균형을 초래하여 작물 생산성에 영향을 줄 수 있으므로 (Zikeli et al., 2017), 유기질비료에 대한 적절한 사용이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 2년간 현장 조건에서 농촌진흥청에서 제공하는 작물별 표준 시비처방 기준에 준하여 무기질비료와 유기질비료를 다양하게 처리했을 때 토양 특성 변화 및 옥수수 생산량을 조사하였다.
Materials and Methods
처리구 조성 및 내용
본 시험은 강원도 철원군에 위치한 밭 토양에서 2021년에서 2022년까지 연구를 수행하였다. 처리구는 3반복으로 각 면적이 5 m2가 되도록 조성했고, 각 구역의 토양 화학성 분석 결과를 바탕으로 청예용 옥수수 (Zea mays L., Gwangpyungok)의 비료사용 처방량을 산정했다. 시험 전 토양은 청예용 옥수수의 토양 화학성 적정기준 대비 유기물과 유효인산이 낮은 것으로 나타났다 (Table 1).
Table 1.
Soil chemical properties before fertilizer application used in this study.
†Optimal soil properties for forage maize cultivation (NIAST, 2019).
시험 처리 내용은 비료를 처리하지 않은 무처리 (CON), 비료사용처방 처리구 (IF), 비료사용처방량의 무기질비료 투입량 중 각각 25, 50, 75, 100%를 계분 퇴비로 대체한 처리구 (IF75 + OF25, IF50 + OF50, IF25 + OF75, OF100)와, 비료사용처방량과 100% 대체 계분 퇴비량을 함께 적용한 처리구 (IF100 + OF100)로 구성되었다 (Table 2). 작물 재배는 2년동안 매년 5월에 1회씩 기비하고, 비료 처리 후 2주 뒤 직파하였으며, 초장이 20 cm 일 때 추비하였다. 재배 기간은 약 100일 정도였으며, 2차년도에 수확한 옥수수 이삭의 건물중을 측정해 수확량을 산정하였다.
Table 2.
Fertilizer recommendation rate for maize cultivation.
토양 특성 분석
토양 시료는 hand auger를 이용해 시험 전과 2년차 수확 후 각 처리구 내에서 채취 하였으며, 풍건 후 2 mm 체를 통과시킨 뒤 토양 및 식물체 분석법 (NIAST, 2000)에 준하여 pH, EC, 유기물, 유효인산, 치환성양이온 (Ca, K, Mg), 무기태 질소 (NH4+, NO3-)를 분석하였다.
통계분석
본 시험의 처리 간 유의성 분석은 SAS 프로그램 (SAS version 9.4, SAS Inc., USA)를 이용한 분산분석 (ANOVA)을 수행하였으며, Duncan’s Multiple Range Test로 사후 검정하였다.
Results and Discussion
토양 비옥도 변화
2년간 각 처리구 별 작물 재배 이후 토양 유기물 함량은 유기질비료 처리량이 증가함에 따라 높아졌으며 (Fig. 1a), 대부분의 처리구에서 청예용 옥수수 생육의 적정 유기물 함량 범위에 도달한 것을 확인할 수 있었다. 비료 처리에 따른 유효인산 함량은 유기질비료 투입 비율이 높아질수록 유의하게 증가하였으며, OF100 토양의 유효인산 함량은 IF100 대비 9.2% 높은 것으로 나타났다 (Fig. 1b). Thepsilvisut et al. (2022)의 연구에서 계분 퇴비를 670 kg 10a-1 만큼 처리해 작물 생육기간 동안 5.4 g kg-1의 유기물함량과, 26 mg kg-1의 인산함량이 증가한 결과를 보였으며, 이러한 결과는 유기질비료의 투입으로 토양비옥도가 높아진 것을 나타낸다 (Adekiya and Agbede, 2017; Ashworth et al., 2020). 또한 유기질비료의 공급은 토양 유기물 함량을 증가시켜 토양 내 탄소 축적량을 높인다 (Lee et al., 2021). IF25 + OF75는 CON 대비 2.7 mg kg-1의 토양 유기물을 추가 격리해 무기질비료 사용처방 처리구 (IF100)에 비해 1.5배 높은 탄소 저장 효과를 보였다.
토양 내 무기질소의 함량은 무처리구 대비 증가하는 경향을 보였으나 유의한 차이를 나타내지 않았고, 치환성 칼륨 함량도 비료 처리에 의한 유의적 차이를 확인할 수 없었다 (Fig. 1c, 1d).
Fig. 1.
Soil properties after two years of cultivation of maize under different inorganic and organic fertilizer treatments (Details of the treatments are provided in Table 2). Different letters indicate significant difference by Duncan’s multiple range test (p < 0.05).
수확량 비교
비료를 처리한 모든 처리구에서 CON 대비 높은 수확량을 보였다 (Fig. 2). 무기질비료와 다량의 유기질비료를 혼합 처리한 IF25 + OF75는 IF100 대비 35% 증가했고, IF100 + OF100 처리구와 통계적으로 유사한 수준의 수확량을 보였다. 이는 작물이 잠재적 수확량 한계에 도달하면 양분이용효율이 감소한다는 점을 감안할 때 (Setiyono et al., 2010), IF25 + OF75 처리에서 옥수수 생장에 요구되는 양분이 충분히 공급된 것으로 판단된다. 결과적으로 유기질비료 처리가 유효인산 등 토양 내 양분 함량을 높여 토양비옥도를 증진하고, 토양 유기물과 직접적 관련이 있는 토양의 용적밀도, 보수력, 양분 보유력, 토양효소 활성 등을 높여, 작물 수확량 증대에 기여한 것으로 보인다 (Amusan et al., 2011; Rayne and Aula, 2020).
Fig. 2.
Forage maize yield in 2nd year under different inorganic and organic fertilizer treatments (Details of the treatments are provided in Table 2). Different letters indicate significant difference by Duncan’s multiple range test (p < 0.05).
온실가스 발생량
농경지에 사용한 질소질 비료는 아산화질소 (N2O) 배출의 주요 원인으로 알려져 있으며, 온실가스 감축을 위한 적절 시비 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 현장에서 N2O 배출량을 직접 측정하지는 않았지만 우리나라 온실가스 배출권거래제 상쇄제도 외부사업 방법론인 ‘부산물비료를 이용한 질소질 비료 사용 저감 방법론’에 준하여 비료 투입량, 비료 내 질소 함량, 비료의 종류에 따른 배출계수를 이용해 N2O 발생 예측값을 산정하였다 (IPCC, 2006). 그 결과 Fig. 3과 같이 IF100 + OF100를 제외한 모든 처리구의 N2O 배출 예측값이 비슷한 수준으로 나타났다. Choi et al. (2022)에 따르면 2년간 현장 조건에서 고추를 재배한 결과 무기질비료 사용 시 N2O 배출량은 11.6 kg N2O-N ha-1이었고, 가축분 분상퇴비와 가축분 입상퇴비 처리 시 N2O 배출량은 각각 5.6와 5.5 kg N2O-N ha-1로 무기질비료 처리보다 N2O 배출을 평균 48% 감축한 것으로 나타났다. 하지만 Kim et al. (2017)의 연구에서는 고구마 재배 환경에서 가축분퇴비의 시용 토양에서 무기질 질소비료 처리 토양보다 N2O의 배출량이 유의적으로 높은 것으로 나타났다.
이는 토양의 특성 및 환경 조건 그리고 비료 종류별 사용량에 따라 N2O 배출량이 달라질 수 있음을 보여주는 근거로, 정확한 온실가스 배출량을 평가하기 위해서는 다양한 현장 조건에서 지속적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
Fig. 3.
Estimated value of nitrous oxide emissions under different fertilizer treatments (Details of the treatments are provided in Table 2).
Conclusions
무기질비료와 유기질비료의 혼합 처리 결과 유기질비료 처리 비율이 높아질수록 토양 내 유기물과 유효인산의 함량이 증가하여 옥수수 수확량이 증가한 것으로 나타났고, 토양 탄소 증진 효과를 얻을 수 있었다. 이에 향후 기후변화에 대응한 지속가능한 농업 및 탄소 농법에 시비처방에 따른 적정 양분 공급 및 유기질비료 대체 처리는 매우 효과적일 것이라고 판단된다. 그리고 유 ‧ 무기질비료 혼합 처리 및 온실가스 배출, 토양탄소 저장 등에 관한 지속적인 연구를 통해 다양한 작물 및 토양에 활용가능성을 검증해야 할 것으로 판단된다.
