Introduction
Materials and Methods
공시재료
처리구 설정
암모니아 배출량 평가
공시재료의 특성분석
통계 분석
Results and Discussion
열분해 온도 별 BSG 바이오차의 특성 변화
열분해 온도 별 BSG 바이오차 처리에 따른 토양 화학성 변화
열분해 온도 별 BSG 바이오차 처리에 따른 NH3 배출량 변화
Conclusions
Introduction
농업은 대표적인 기후민감산업 중 하나로, 스마트 팜, 무인 드론, 자율주행 트랙터 등 디지털 신기술이 발전함에도 불구하고, 기후변화로 인해 작물 생산성과 식량안보가 위협받고 있다 (Kim et al., 2023; Kang et al., 2024a). 질소 (nitrogen, N) 비료는 작물 생산성 증대를 위해 꼭 필요한 요소이나, 토양 내 가수분해 및 N 순환을 거쳐 가스 형태로 손실됨에 따라 2차 환경 오염을 유발할 수 있다 (An et al., 2022; Kim et al., 2023; Kim et al., 2024b; Seo and Sung, 2024). 그 예로, 암모니아 (ammonia, NH3)는 중성 토양에 처리한 N의 주요 손실 경로이며, 국내 총 NH3 배출량 (31만 6,300톤, 2024)의 약 80%가 농업부문에서 배출되는 것으로 알려져 있다 (Lee et al., 2024b). 또한, NH3는 악취를 발생시킬 뿐 아니라 대기 중 각종 산화물 (nitrogen oxide, NOX; sulfur oxide, SOX)과 결합하여 황산암모늄 및 질산암모늄을 생성할 수 있다 (Kang et al., 2023c). 또 다른 예시로, 아산화질소 (nitrous oxide, N2O)는 탈질작용을 통해 배출되는 N 손실로, 이산화탄소 (carbon dioxide, CO2)의 약 300배에 달하는 지구온난화지수 (global warming potential, GWP)를 가지고 있다 (Lee et al., 2022b; An et al., 2023; Kim et al., 2024a). 이와 같이 다양한 형태 및 과정을 거쳐 손실되는 N은 작물 생산성을 감소시킬 뿐 아니라 대기 환경 악화 및 기후변화 가속화 등의 2차 피해를 유발할 수 있어 농경지 토양에서 N 손실을 최소화할 수 있는 방안이 필요한 실정이다.
농경지 토양에 투입된 바이오차 (biochar)는 토양 물리성 개선, pH 교정, 그리고 탄소 격리 등의 기능 외에도, 표면의 각종 작용기와 기공 구조를 통해 양분을 흡착하여 토양 내에 고정시킬 수 있다고 보고되었다 (Lee et al., 2023; Kang et al., 2023a; Lee et al., 2024a). 실제로, 농경지 토양에 바이오차를 적용한 선행연구에서는 NH4+이 정전기적 상호결합 (electrostatic reaction)을 통해 바이오차 표면에 흡착됨에 따라 토양 내 N를 고정시킬 수 있다고 보고하였다 (Kang et al., 2024b; Lee et al., 2024c). 하지만, 많은 선행연구에서 보고된 바와 같이, 바이오차의 양분 고정 효율은 제조 원료 및 방식, 열분해 온도 등에 따라 달라져 가장 높은 양분 고정 효율을 위한 원료 별 최적 열분해 조건을 찾는 것이 필수적이다 (Kang et al., 2023a; Lee et al., 2023; Kang et al., 2024b; Lee et al., 2024). 다양한 바이오차 원료 중 맥주박 (brewer’s spent grain, BSG)은 전세계적으로 많은 양이 발생하는 식물성 부산물 중 하나로, 국내에서는 2012년의 런던협약에 의해 해양 투기가 금지되면서 BSG의 친환경 재활용 방안이 필요한 실정이다 (Yoo et al., 2021).
따라서, BSG의 최적 열분해 조건을 설정하기 위해 BSG 바이오차를 300°C, 500°C, 그리고 700°C에서 제조하였으며, 각각의 바이오차는 요소 비료와 함께 토양에 처리하여 토양 특성과 NH3 배출량에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.
Materials and Methods
공시재료
실험에 사용한 BSG는 대전광역시 서구 소재의 맥주 양조장 (The ranch brewing, South Korea)에서 수거하여 80°C로 설정한 dry-oven (Jeio tech, South Korea)에서 48시간 동안 수분을 제거시킨 후, 바이오차 제조에 이용하였다. BSG 바이오차는 산소 유입을 차단하기 위해 스테인리스 용기 (Ø 280 × 120 mm)을 이용하였으며, 전기 회화로 (Lindberg/Blue MTM 1100°C Lab Box Furnace, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)로 제조하였다. BSG 바이오차는 열분해 온도 (300°C, 500°C, 700°C)를 달리하여 제조하였으며, 열분해 시간은 모두 1시간으로 통일시켰다. 본 연구에서 BSG 바이오차는 열분해 온도에 따라 BSG300, BSG500, 그리고 BSG700으로 명명하였다.
공시 토양은 대전광역시 유성구 소재의 충남대학교 농업생명과학대학 부속 농장 내 밭 포장 (36°22'07.1"N 127°21'15.9"E)에서 채취하였으며, 해당 포장은 10년 간 노지배추를 재배한 토양이었다. 토양 시료는 작토층 (5 - 20 cm)을 중심으로 표층의 유기물과 각종 이물질을 제거하여 외부 요인에 의한 교란을 최소화하였다. 채취한 토양은 유리 온실 내에서 2주간 건조하여 수분을 제거하였으며, 2 mm 체에 걸러 시험에 이용하였다.
처리구 설정
열분해 온도 별 BSG 바이오차 처리에 따른 토양 화학성 변화 및 NH3 배출량을 평가하기 위해 처리구는 총 5개로 설정하였다. 그중, 무처리구 (control)의 경우, 순수 토양에서 배출된 NH3를 산출하기 위해 요소 비료와 BSG 바이오차를 모두 처리하지 않았으며, 이 외의 처리구는 요소 비료 처리구 (Nu, N supplied by urea) 및 요소비료와 BSG 바이오차 혼합 처리구 (BSG300 + Nu, BSG500 + Nu, BSG700 + Nu)로 구분하였다. 또한, 처리구 위치에 따른 오류를 최소화하기 위해 모든 처리구는 난괴법 3반복에 따라 배치하였다. 각 처리구 별 아크릴 소재 컬럼 내에는 토양을 4 kg 충진시켰으며, 요소 비료는 토양 표면 기준 20 cm 깊이에서 혼합하였다. 요소 비료는 국내 밭 작물 중 N 시비량이 가장 많은 노지 배추의 시비량 (320 kg N ‧ ha-1; 0.05 g N ‧ kg-1)을 기준으로 처리하였으며, 열분해 온도 별 BSG 바이오차는 토양 중량 대비 3% (w ‧ w-1)인 100 Mg ha-1를 토양과 혼합 처리하였다. 본 연구에서는 BSG 바이오차의 처리에 따른 NH3 배출 영향을 비교하기 위해, 바이오차의 권장 시용량보다 높게 설정하여 실험을 진행하였다.
암모니아 배출량 평가
열분해 온도 별 BSG 바이오차의 NH3 배출량 저감 평가는 환경 요인 (예, 강우, 온도 차, 풍속 등)에 의한 영향을 최소화하기 위해 실내 조건에서 수행되었으며, 시험기간 중 실내 온도는 25 ± 2°C를 유지하였다. NH3 배출량 평가 방식은 선행연구에서 제시된 dynamic chamber (Ø 12 × H 50 cm) method와 acid-trapping method를 결합한 방식을 사용하였으며, 그 모식도는 Fig. 1에 제시하였다 (Kang et al., 2023b; Kang et al., 2023c). 토양에서 발생하는 NH3 가스는 유속을 2.0 L ‧ min-1으로 설정한 air pump로 이동시켜 0.05 N sulfuric acid (H2SO4) 용액이 담긴 유리병으로 포집하였다. 포집한 NH3 시료는 Indophenol blue method를 이용하여 UV/Vis-spectrophotometer (GENESYS 50, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)로 비색정량하였다. 시험기간 중 토양 수분함량은 3일 간격으로 증류수를 처리하여 중량 기준 20% (w ‧ w-1)를 유지시켰다.
시료 포집 주기는 요소 비료 처리 후 18일을 기준으로 12시간 (0 - 18 days after treatment, DAT)과 24시간 (18 - 31 DAT) 간격으로 구분하여 포집을 진행하였으며, 이는 요소 비료 처리에 의한 NH3 배출은 초기에 활발하게 이루어진다는 선행 연구의 결과를 기초로 설정하였다 (Kang et al., 2023b). 일일 NH3 배출량은 아래 Eq. 1을 이용하여 계산하였으며, Eq. 2는 시험 기간 중 총 배출된 NH3의 양을 계산하는 식이다.
위 Eq. 1에서, C는 NH3 시료의 농도 (mg ‧ L-1)를 나타내며, Q는 유속 (2.0 L ‧ min-1), V는 각각 포집에 사용된 용액의 부피 (L), t는 포집 간격 (min), A는 chamber 내 면적 (m2), 그리고 R은 NH3 중 N이 차지하는 비율을 나타낸다. Equation 2에서 Ni와 Di는 각각 i번째 시료 채취 간격과 일일 NH3 배출량을 나타내며, n은 표본 수를 나타낸다 (Kang et al., 2023c).
공시재료의 특성분석
토양의 pH와 electrical conductivity (EC)는 토양과 증류수를 1:5 (w ‧ v-1)의 비율로 혼합한 혼합액을 진탕기 (SH30, FINEPCR, South Korea)를 이용하여 30분간 진탕한 후, 상층액을 pH 및 EC 측정기 (ORIONTM Versa Star ProTM, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)로 각각 측정하였다. Total carbon (TC) 및 total nitrogen (TN) 함량은 dry oven을 통해 수분을 완전히 제거한 시료를 원소 분석기 (CHN828, Leco Corporation, USA)을 이용하여 분석하였다. 또한, TC 함량을 분석한 결과를 이용하여 organic matter (OM) 함량을 계산하였다. Available phosphorus (Avail. P) 함량은 Lancaster method에 따라 토양을 산 용액을 이용하여 침출한 후, 분광광도계를 이용하여 비색정량하였다. 교환성 양이온의 함량은 pH를 7.0으로 교정한 1 N ammonium acetate (NH4OAC) 용액으로 토양을 침출하여 유도결합 플라즈마 분광분석기 (ICP-OES, ICAP 7000 series ICP spectrometer, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)로 분석하였다.
바이오차 제조에 사용된 BSG와 BSG300, BSG500, BSG700의 pH, EC, TC, 그리고 TN 함량은 토양과 동일한 방법으로 측정하였으며, total phosphorus (T-P2O5) 함량은 Molybdate vanadate method에 따라 분광광도계로 분석하였다. BSG 및 BSG 바이오차는 무기조성 (K2O, CaO, MgO) 함량 분석을 위해 산으로 분해하였으며, 시료를 분해한 액은 ICP-OES를 이용하여 정량하였다. 열분해 온도 별 BSG 바이오차의 표면 구조를 확인하기 위해, 주사전자현미경 (SEM, Philips, Netherlands)을 사용하여 SEM 이미지 분석을 실시하였다.
통계 분석
본 연구는 3반복 수행한 결과를 제시하였으며, 각 처리구간 통계적 유의차는 SPSS 통계 소프트웨어 (IBM SPSS Statistics version 26, IBM, New York, USA) 내 분산 분석 (one-way analysis of variance, ANOVA)을 이용하여 95% 신뢰수준에서 유의성 검증을 수행하였다. 사후 검정은 Duncan의 다중검정을 이용하여 각 처리구 별 유의차에 따라 알파벳 소문자로 표기하였다.
Results and Discussion
열분해 온도 별 BSG 바이오차의 특성 변화
열분해 온도 별 BSG 바이오차의 화학적 특성을 평가한 결과는 Table 1에 나타낸 바와 같다. BSG 바이오차의 pH는 열분해 온도가 300°C에서 700°C로 증가함에 따라 4.51에서 7.62로 증가하였으며, BSG700의 pH는 BSG보다 1.86배 높았다. BSG 바이오차의 EC는 바이오차의 열분해 온도 간 통계적 유의한 차이는 보이지 않았으나, pH와 상반된 경향을 나타내어 열분해 온도가 가장 높았던 BSG700에서 0.71 dS ‧ m-1로 가장 낮았다. BSG 바이오차 별 TC 함량은 59.40% (BSG300), 66.12% (BSG500), 그리고 69.23% (BSG700)로 열분해 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었으며, TN 함량도 유사한 경향을 나타내어 BSG700에서 6.98%로 가장 높게 증가하였다. BSG 바이오차 내 T-P2O5 함량은 열분해 온도와 양 (+)의 상관관계를 나타내어 BSG700에서 0.97%로 가장 높게 분석되었으나, BSG500과 유의한 차이를 보이지 않았다. 무기조성(K2O, CaO, MgO) 함량의 경우, 열분해 온도가 증가함에 따라 증가하여 BSG700에서 가장 높았으며, BSG의 K2O (0.39%), CaO (0.19%), 그리고 MgO (0.18%) 함량보다 각각 1.97배, 4.53배, 그리고 5.67배 증가하였다.
Table 1.
Chemical properties of brewer’s spent grain biochars used in this experiment (n = 3).
| Samples | pH | EC1 | Salt conc. | TC | TN | T-P2O5 | K2O | CaO | MgO |
H:C ratio |
| (1:10, H2O) | (dS·m-1) | (%) | (%) | (%) | (%) | (%) | (%) | (%) | ||
| BSG2 | 4.09 ± 0.01 c | 2.69 ± 0.24 a | 0.15 ± 0.02 a | 47.71 ± 0.10 c | 5.19 ± 0.07 d | 0.23 ± 0.01 b | 0.39 ± 0.01 b | 0.19 ± 0.04 c | 0.18 ± 0.01 d | 0.78 |
| BSG300 | 4.51 ± 0.02 c | 0.92 ± 0.08 b | 0.06 ± 0.01 b | 59.40 ± 0.11 b | 6.04 ± 0.06 c | 0.39 ± 0.01 b | 0.46 ± 0.01 b | 0.32 ± 0.01 b | 0.37 ± 0.00 c | 0.47 |
| BSG500 | 6.94 ± 0.01 b | 0.87 ± 0.14 b | 0.06 ± 0.01 b | 66.12 ± 0.23 a | 6.60 ± 0.01 b | 0.85 ± 0.02 a | 0.69 ± 0.02 a | 0.74 ± 0.05 a | 0.87 ± 0.04 b | 0.35 |
| BSG700 | 7.62 ± 0.03 a | 0.71 ± 0.02 b | 0.05 ± 0.01 b | 69.23 ± 0.08 a | 6.98 ± 0.04 a | 0.97 ± 0.04 a | 0.77 ± 0.02 a | 0.86 ± 0.05 a | 1.02 ± 0.04 a | 0.31 |
| p-value | *** | ** | ** | * | ** | ** | * | *** | *** | - |
1EC, electrical conductivity; Salt conc., salt concentration; TC, total carbon; TN, total nitrogen; T-P2O5, total phosphorus.
2BSG was brewer’s spent grain, while BSG300, BSG500, and BSG700 were the BSG biochar pyrolyzed at 300, 500, and 700°C, respectively.
열분해 온도 별 BSG 바이오차의 표면 특성을 분석한 결과는 Fig. 2에 나타내었다. BSG 바이오차의 표면 구조는 열분해 온도가 증가함에 따라 돌기 구조가 점차 부풀어오르는 형태를 나타내었다. BSG와 BSG300를 비교하였을 때, 표면의 세공형태가 뚜렷하게 나타나 열분해 과정을 거치면서 기공의 형성을 확인할 수 있었으나, 기공은 열분해 온도가 증가함에 따라 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 이에 따라, 가장 높은 온도에서 열분해한 BSG700은 300배 수준에서 기공의 형태가 확인되지 않았다. 각 원료 별 표면의 거침 정도 비교 시, 열분해 온도가 증가함에 따라 표면의 거침 정도가 점차 완화되는 경향을 나타내었다.
열분해 온도는 바이오차의 물리화학적 특성 및 표면 구조를 결정하는 필수적인 열역학적 요인으로, 이는 많은 선행연구들을 통해 검증되었다 (Tomczyk et al., 2020; Yoo et al., 2021; Kang et al., 2023a; Kang et al., 2023b; Han et al., 2024). 열분해 온도 증가에 따른 바이오차의 pH 상승은 유기 산과 탄산염의 분해가 가속화됨에 따른 알칼리성 염의 축적으로 인한 것으로 알려져 있으며, 이 외에도 산성 작용기의 감소, 알칼리성 회분의 축적, 그리고 다공성 구조의 발달로 인한 H+의 손실 등으로 인해 바이오차의 pH는 증가한다 (Tomczyk et al., 2020; Yoo et al., 2021; Kang et al., 2024). 또한, 이러한 알칼리성 염의 축적은 바이오차의 EC 증가를 유발할 수 있으나, 본 연구에서는 열분해 조건이 증가함에 따라 BSG 바이오차의 EC는 감소하여 선행연구의 결과와 상반된 경향을 나타내었다. 많은 선행연구에서 바이오차 내 TC 함량은 열분해 온도와 양 (+)의 상관관계를 갖는 것으로 보고된 반면, TN 함량은 아직까지도 논란의 여지가 존재한다 (Hossain et al., 2011; Zheng et al., 2017; Wu et al., 2021; Kang et al., 2024). 한 선행연구에서는 열분해 온도가 증가함에 따라 N을 포함한 작용기가 빠르게 손실되는 화학적 변형을 거쳐 바이오차 내 TN 함량이 감소한다고 보고하였다 (Zheng et al., 2017). 이와 상반된 선행연구에서는 높은 열분해 온도에서 방향족 탄소 고리 내 N이 축적됨에 따라 바이오차 내 TN 함량이 증가한다고 보고하였다 (Kang et al., 2024). 본 연구에서도 BSG 바이오차의 열분해 온도가 증가함에 따라 TN 함량은 유의하게 증가하여 Kang et al. (2024)에서 제시한 N 축적에 기인하는 것으로 판단하였다. 바이오차 내 TN 함량과 유사한 경향을 보인 무기조성의 경우, 많은 선행연구에서 열분해 온도가 증가함에 따라 낮은 휘발성으로 인해 바이오차 내 축적된다고 보고된 바 있으며 (Hossain et al., 2011; Wu et al., 2021), 본 연구에서도 선행연구와 유사하게 BSG 바이오차의 열분해 온도가 증가함에 따라 점차 증가하는 경향을 나타내었다.
열분해 온도 별 BSG 바이오차 처리에 따른 토양 화학성 변화
열분해 온도 별 BSG 바이오차 처리에 따른 토양 화학성 변화는 Table 2에 나타내었다. 토양의 pH는 BSG 바이오차 처리에 의해 증가하였으며, BSG700 + Nu 처리구에서 pH 6.47로 유의하게 높았다. BSG300과 BSG500을 처리한 처리구에서도 토양 pH는 각각 pH 6.25와 pH 6.33으로 증가하였으나, 실험 전 토양 (pH 6.22)과 통계적 유의한 차이를 보이지 않았다. 토양 EC의 경우, Nu 처리구에서 0.71 dS ‧ m-1로 가장 높았으며, 이는 실험 전 토양의 0.27 dS ‧ m-1보다 2.63배 높은 수준이었다. 토양에 처리한 BSG 바이오차의 열분해 온도가 증가할수록 토양 EC 값은 점차 감소하는 경향을 나타내었으며, BSG300 + Nu 처리구 (0.65 dS ‧ m-1)와 Nu 처리구 사이의 유의한 차이는 관찰되지 않았다. 토양 내 TC 및 OM 함량은 실험 전 토양, control, 그리고 Nu 처리구 간 유의한 변화를 나타내지 않았으나, BSG 바이오차를 처리한 토양에서는 열분해 온도에 따라 증가하여 BSG700 + Nu 처리구에서 각각 2.33 g ‧ kg-1과 4.02 g ‧ kg-1으로 가장 높았다. 실험 전 토양의 TN 함량은 0.19 g ‧ kg-1로, control 처리구와 유의한 차이를 보이지 않았으나, 무기질비료를 처리한 Nu 및 BSG 바이오차 처리구에서는 모두 증가하여 BSG500 + Nu 처리구 (0.26 g ‧ kg-1)에서 가장 높게 증가하였다. 토양 Avail. P 함량의 경우, BSG 바이오차의 열분해 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었으며, BSG700 + Nu 처리구에서 227.41 mg ‧ kg-1으로 유의하게 증가하였다. 교환성 양이온 (K+, Ca2+, Mg2+) 중 K+ 함량은 Nu 및 BSG300 처리구에서 0.94 cmolc ‧ kg-1으로 가장 높은 반면, Ca2+ 및 Mg2+ 함량은 BSG500 + Nu 처리구에서 각각 4.83 cmolc ‧ kg-1과 1.76 cmolc ‧ kg-1으로 가장 높았다. 하지만, 본 연구에서 토양 내 교환성 양이온 함량은 BSG 바이오차의 열분해 온도에 따른 차이는 보이지 않았다.
Table 2.
Change in the chemical properties of soil in this experiment (n = 3).
| Treatments |
pH (1:5, H2O) |
EC1 (dS·m-1) | TC | OM | TN | NO3- | NH4+ | Avail. P | Exch. cations (cmolc kg-1) | ||
| K+ | Ca2+ | Mg2+ | |||||||||
| (g·kg-1) | (g·kg-1) | (g·kg-1) | (mg·kg-1) | (mg·kg-1) | (mg·kg-1) | ||||||
| Initial soil | 6.22 ± 0.01 b | 0.27 ± 0.01 d | 0.88 ± 0.02 c | 1.52 ± 0.04 c | 0.19 ± 0.02 b | 7.51 ± 0.28 c | 12.33 ± 1.17 d | 194.78 ± 7.69 bc | 0.86 ± 0.01 b | 4.56 ± 0.33 a | 1.65 ± 0.03 a |
| Control | 6.26 ± 0.03 b | 0.23 ± 0.02 d | 0.92 ± 0.09 c | 1.59 ± 0.16 c | 0.17 ± 0.04 b | 5.49 ± 0.33 d | 8.18 ± 0.37 e | 190.02 ± 9.62 c | 0.85 ± 0.02 b | 4.69 ± 0.28 a | 1.70 ± 0.07 a |
| Nu | 6.04 ± 0.02 c | 0.71 ± 0.05 a | 0.89 ± 0.08 c | 1.53 ± 0.15 c | 0.24 ± 0.04 a | 11.83 ± 1.07 b | 15.11 ± 0.93 c | 199.05 ± 5.42 b | 0.94 ± 0.03 a | 4.68 ± 0.29 a | 1.70 ± 0.08 a |
| BSG300 + Nu | 6.25 ± 0.05 b | 0.65 ± 0.08 ab | 1.61 ± 0.15 b | 2.76 ± 0.28 b | 0.25 ± 0.07 a | 13.23 ± 0.93 ab | 22.37 ± 1.35 a | 203.21 ± 1.20 b | 0.94 ± 0.03 a | 4.67 ± 0.33 a | 1.71 ± 0.10 a |
| BSG500 + Nu | 6.33 ± 0.12 b | 0.59 ± 0.05 b | 2.01 ± 0.47 a | 3.47 ± 0.81 a | 0.26 ± 0.05 a | 14.01 ± 1.10 a | 20.15 ± 0.98 ab | 224.11 ± 8.73 a | 0.93 ± 0.05 a | 4.83 ± 0.34 a | 1.76 ± 0.09 a |
| BSG700 + Nu | 6.54 ± 0.02 a | 0.37 ± 0.04 c | 2.33 ± 0.89 a | 4.02 ± 1.53 a | 0.25 ± 0.02 a | 13.87 ± 0.82 a | 18.95 ± 1.38 b | 227.41 ± 7.10 a | 0.88 ± 0.09 ab | 4.67 ± 0.17 a | 1.76 ± 0.08 a |
| p-value | ** | ** | ** | ** | * | * | ** | ** | ** | ** | *** |
1EC, electrical conductivity; TC, total carbon; OM, organic matter; TN, total nitrogen; Avail. P, available phosphorus; Exch. cations, exchangeable cations.
BSG was brewer’s spent grain, while BSG300, BSG500, and BSG700 were the BSG biochar pyrolyzed at 300, 500, and 700°C, respectively.
바이오차 처리에 따른 토양 pH 및 OM 함량 증가는 많은 선행연구에서 보고되었으며, 이는 대부분 바이오차의 높은 pH 및 TC 함량에 기인한다 (Yoo et al., 2021; Kang et al., 2023b; Lee et al., 2023; Lee et al., 2024c). 다른 선행연구들과 달리, 본 연구에서 사용된 토양 pH는 BSG700을 처리한 토양에서 유의하게 증가하였으며, BSG300 및 BSG500을 처리한 토양에서는 실험 전 토양과 유의한 차이를 보이지 않았다. 하지만, 토양 내 OM 함량은 선행연구와 유사한 경향을 나타내었으며, BSG 바이오차의 열분해 온도가 증가함에 따라 토양 내 OM 함량의 상승폭은 더욱 증가하였다. 본 연구에서 토양 EC는 BSG 바이오차의 열분해 온도가 증가함에 따라 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 일반적으로 바이오차는 열분해 과정을 거치면서 염이 농축됨에 따라 EC가 증가한다고 알려져 있으나 (Bhattacharyya et al., 2024; Kang et al., 2024b), 본 연구의 BSG 바이오차는 열분해 온도가 증가하면서 EC가 점차 감소하여 토양 EC를 감소시킨 것으로 판단된다. 이와 유사하게, BSG 바이오차의 열분해 온도 별 화학적 특성 변화는 토양 TN, Avail. P, 그리고 교환성 양이온 함량에 영향을 미쳤으며, BSG 바이오차 내 양분 함량이 증가함에 따라 토양 비옥도도 증가하는 경향을 나타내었다. 또한, 토양 내 P2O5의 경우, 바이오차 외에도 토양 pH에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있으며 (Lee et al., 2023; Lee et al., 2024c), 본 연구에서 열분해 온도가 증가함에 따라 토양 pH가 약산성에서 중성으로 증가함에 따라 인의 가용성이 증가하여 토양 내 Avail. P 함량이 증가한 것으로 판단된다.
열분해 온도 별 BSG 바이오차 처리에 따른 NH3 배출량 변화
열분해 온도 별 BSG 바이오차 처리에 따른 일일 NH3 배출량 변화는 Fig. 3에 제시하였다. 요소 비료를 처리한 토양의 일일 NH3 배출량은 2 DAT에 급격한 증가를 보인 반면, 요소 비료를 처리하지 않은 control 처리구에서는 시험 기간 내내 기저 배출 형태를 나타내었다. 요소 비료에 의한 일일 NH3 배출량은 2 - 6 DAT 간 활발하게 배출된 이후, 모든 처리구에서 점차 감소하여 30 DAT에 control 처리구와 유사한 경향을 나타내었다. 가장 높은 일일 NH3 배출량은 BSG700 + Nu 처리구의 511.52 g ‧ ha-1 ‧ day-1이었으며, 이는 Nu (431.63 g ‧ ha-1 ‧ day-1), BSG300 + Nu (497.33 g ‧ ha-1 ‧ day-1), 그리고 BSG500 + Nu 처리구 (503.70 g ‧ ha-1 ‧ day-1)의 각각 1.19배, 1.03배, 그리고 1.02배 높은 수준이었다.
Fig. 3.
Change in the daily NH3 volatilization by the different brewer’s spent grain (BSG) biochars amendment. BSG300, BSG500, and BSG700 were the BSG biochar pyrolyzed at 300, 500, and 700°C, respectively. The findings presented in this figure are the mean values of three replicates, and standard deviation are presented in the form of error bars.
총 30일 간 배출된 일일 NH3 배출량을 이용하여 계산한 총 NH3 배출량은 Fig. 4에 나타낸 바와 같다. 본 연구에서 요소 및 BSG 바이오차를 처리하지 않은 control 처리구의 총 NH3 배출량은 0.45 kg ‧ ha-1이었으며, Nu 처리구의 총 NH3 배출량은 10.57 kg ‧ ha-1로 처리한 N의 3.3%가 NH3 형태로 손실되었다. 열분해 온도 별 BSG 바이오차를 처리한 토양 중 BSG300 + Nu와 BSG500 + Nu 처리구의 총 NH3 배출량은 각각 7.34 kg ‧ ha-1와 10.36 kg ‧ ha-1으로 Nu 처리구 (10.57 kg ‧ ha-1)보다 낮은 반면, BSG700 + Nu 처리구는 11.83 kg ‧ ha-1으로 Nu 처리구보다 1.12배 높은 총 NH3 배출량을 나타내었다. 하지만, BSG500 + Nu 및 BSG700 + Nu 처리구는 Nu 처리구와 유의한 차이를 보이지 않았다.
Fig. 4.
Total NH3 volatilization by the different brewer’s spent grain (BSG) biochars amendment. BSG300, BSG500, and BSG700 were the BSG biochar pyrolyzed at 300, 500, and 700°C, respectively. a-b: Each value with different letter within a column are significantly different from each other as determined by Duncan’s multiple range test. The findings presented in this figure are the mean values of three replicates, and standard deviation are presented in the form of error bars.
본 연구에서 제시한 결과는 대기 중 NH3 농도를 제거하지 않은 조건에서 수행됨에 따라 정확한 배출량을 계산하는 것이 아닌, 열분해 온도 별 BSG 바이오차의 NH3 배출 저감 효율을 비교하였다. 이때, 열분해 온도가 각기 다른 BSG 바이오차를 처리한 토양의 일일 NH3 배출량 변화는 유사하게 조사되었으나, 총 NH3 배출량을 평가한 결과는 열분해 온도에 따라 상반된 경향을 나타내었다. BSG300과 BSG500 처리구의 경우, 요소 비료에 의한 NH3 배출량이 Nu 처리구 대비 각각 30.56%와 1.99% 저감되었다. 하지만, BSG700 + Nu 처리구는 요소 비료를 단독 처리한 Nu 처리구보다 높은 총 NH3 배출량을 나타내어 선행연구에서 제시한 바이오차에 의한 NH3 저감 효과와 서로 상반된 경향을 나타내었다 (Lee et al., 2022a; Kang et al., 2024b; Kang et al., 2024b). 많은 선행연구에서는 바이오차는 표면의 작용기와 기공 구조를 통해 토양 내 NH4+을 흡착하여 N 손실을 줄일 수 있다고 보고하였으며 (Shin et al., 2024; Xie et al., 2025), 그 외에도 정전기적 상호작용, CEC, 그리고 이온 결합 등을 다양한 화학적 반응을 통해 토양 내 N을 고정시킨다고 알려져 있다 (Kang et al., 2024a). 본 연구에서 상대적으로 높은 온도에서 열분해한 BSG700은 기공의 구조가 축소됨에 따라 NH4+ 흡착 효율이 감소하여 NH3 배출량을 효과적으로 저감하지 못한 것으로 판단된다 (Table 2). 또한, 토양 내 N의 형태는 pH에 따라 달라지며, 토양 pH가 6.5 이상으로 증가함에 따라 NH3 형태로 손실되는 N의 양이 증가한다 (Kang et al., 2023b; Kang et al., 2023c). 바이오차 적용에 따른 NH3 저감 효과를 보고한 선행연구는 대부분 토양 pH가 약산성인 조건(soil pH < 6.5)에서 수행되어 토양 내 NH4+가 NH3 형태로 전환되는 속도보다 바이오차의 NH4+ 흡착 속도가 더 빠르게 진행되었다 (Kang et al., 2024b). 반면, 본 연구에서는 BSG700을 처리한 토양에서 토양 pH가 6.5 이상으로 상승함에 따라 바이오차의 NH4+ 흡착 효율보다 NH3로 전환이 더 빠르게 이뤄져 요소 비료를 단독처리한 토양보다 높은 NH3 배출량을 보인 것으로 판단된다.
Conclusions
농경지 토양에서의 질소(N) 손실은 작물의 생산량을 감소시킬 뿐만 아니라 2차 환경오염을 유발하여 이를 저감할 수 있는 효과적인 관리 방법이 필요하다. 본 연구에서는 맥주박 (brewer’s spent grain, BSG)을 원료로 열분해 온도 (300°C, 500°C, 700°C)를 달리 제조한 BSG 바이오차의 NH3 손실 저감 효율을 평가하였다. 다른 바이오차와 달리, BSG 바이오차는 열분해 온도가 증가함에 따라 electrical conductivity (EC) 값이 감소하여 높은 바이오차 처리량을 적용하였음에도 불구하고 토양 EC를 적정 수준 (≤ 2.0 dS ‧ m-1) 이하로 유지하였다. 특히, 가장 낮은 온도에서 제조한 BSG300는 BSG500과 BSG700보다 낮은 토양 화학성 개선 효과를 나타내었으나, 농경지 토양에서 배출되는 NH3를 최대 30.56% 저감하였다. 이와 반대로, BSG700는 NH3 저감 효율을 나타나지 않은 반면, 토양 내 양분 및 유기물 함량을 가장 높게 증가시켰다. 따라서, 본 연구에서는 낮은 열분해 온도에서 제조한 BSG 바이오차를 사용하는 것이 농경지 토양에서 배출되는 NH3를 저감시기에 가장 효과적이었으며, 비료공정규격 설정 내 농림부산물 바이오차의 열분해 기준을 고려한 최적 열분해 온도는 350°C로 판단된다. 하지만, 본 연구에서는 실제 바이오차 시용량보다 많은 3% (w ‧ w-1)를 처리하여 실제 농가의 처리량에 따라 바이오차를 시용하였을 때, BSG 바이오차의 NH3 저감 효율을 평가하는 것이 필요하다.
