Introduction

FAO는 2050년까지 세계인구가 약 23억 명까지 증가할 것으로 예측함에 따라 농업생산에 대한 비료 수요의 증가와 식량 요구량이 늘어날 것으로 예상하였다. 무기질비료는 작물의 무기 양분 공급 수단으로 적정량 사용 시 작물 수확량 향상과 직결되지만 작물의 양분요구량과 무관하게 오남용 시, 비료 성분의 손실에 따른 경제적 손해 및 환경에 부정적 영향을 초래한다. 특히, 과용된 비료 성분이 토양에 침투하여 토양 및 지하수의 오염원으로 작용하고, 일부 구성 성분은 대기 휘산 후, 대기 중에서 온실가스로 작용하여 점진적으로 기후변화에 일조한다. 국내 밭작물 재배환경은 외국의 대면적 기계화농업과 달리 소면적으로 운영되며 노지재배와 비닐멀칭재배가 일반화 되어있다. 관행 밭작물 재배 시 토양에 시비된 비료성분은 강우량 또는 관개량에 따라 유실이 빈번하게 발생하므로 비료를 나누어 시비하고 있다. 이러한 비료시비방법은 낮은 시비 효율을 초래하고 재배기간 작물이 요구하는 영양성분보다 더 많이 토양에 잔류되어 있는 영양성분은 농업환경부하의 원인이므로 시비관리방법의 개선이 절실히 요구된다.

비료에 대한 미래의 주요 연구과제는 식물의 양분 요구량에 잘 부합하는 양분관리기술 개발로 양분이용효율을 증가시키는 것이다 (Grant, 2005). 또한 양분 손실에 따른 환경오염을 줄이기 위한 지속적인 관심 역시 증대되고 있다 (He et al., 2018; Holly et al., 2018). 이러한 요구에 대한 대안 중 하나가 완효성비료의 개발이다. 완효성 비료는 작물이 필요로 하는 비료 성분을 전 생육기간 동안 지속적으로 공급할 수 있도록 만들어진 비료이다. 비료 성분이 토양 중에서 서서히 용출되어 작물이 양분을 필요로 할 때 이용 할 수 있도록 하며, 강우나 관개에 의한 양분 제거율을 감소시킴으로써 투여 빈도를 줄여 노동력을 절감 할 수 있다. 또한, 환경 부하를 감소시켜 양분이용효율 (nutrient use efficiency, NUE)을 향상시키는데 도움을 준다 (Cong et al., 2010). 최근 대두되고 있는 완효성 비료의 형태는 양분 용출제어비료 (controlled release fertilizer, CRF)이다. 이는 피복물질의 조성과 구조에 따라 인위적인 용출조절이 가능하므로, 작물의 생육특성에 맞춰 비료를 용출시켜 양분의 이용효율을 증가시키고 농경지로부터 유출되어 환경오염을 줄일 수 있는 비료라 할 수 있다. 그러나 완효성 피복 비료는 일반 속효성 무기질비료에 특수한 피복물질을 처리하기 때문에 가격이 관행비료보다 3 - 5배 높은 단점을 가지고 있다. 이에, 일반 화학비료 대비 구입 가격이 높은 완효성 비료가 경제성을 갖추기 위해서는 양분의 이용효율을 높여 시비량을 줄이거나, 1회 시비만 함으로써 추비에 따른 노동비를 절감하여 생산비를 낮추는 등, 생산비 부담을 낮출 수 있는 완효성 비료의 개발과 그에 따른 시비방법 개선을 위한 연구가 더욱 필요하다. 본 연구는 완효성 비료의 양분 용출 기작, 제형별 용출 형태, 작물생육에 대한 완효성 비료의 시비효과 등을 검토하여, 향후 국내 밭작물 대상 완효성 비료의 개발 및 활용·상용화 관련된 기본 정보를 제공하고자 한다.

A brief history of slow- and controlled-release fertilizer development

최초의 완효성 비료 (slow or controlled release fertilizers, SRFs or CRFs)는 1950년대에 착안되어 1980년대와 1990년대에 개발이 이루어졌다. 상업적으로 이용 가능한 최초의 CRF는 질소 (N)비료였으며, 이후에는 가리 (K)와 인산 (P) 및 기타 미량요소를 포함하는 비료도 개발되었다. 완효성 비료는 수용성 무기질 비료와 달리 양분이 용출되는 양을 제어하기 위해 피복 기술이 적용된 비료다 (Obreza and Rouse, 2006). 피복에 사용한 물질은 유황 (S)이었으며, 이 재료는 저렴하고 융점이 낮기 때문에 피복재료로서 일반적으로 사용되었다 (Trenkel, 1997). 용융된 유황을 무기질 비료 (예, 요소) 표면에 분사하여 유황 피복 요소비료 (surfer coated urea, SCU)를 생성할 수 있었다. 이 제품은 처음 Tennessee Valley Authority (TVA)에 의해 약 40년 동안 상업적으로 생산되어 사용되었다 (Trenkel, 1997). 이 비료는 균열이 있었으며, 이 균열을 방지하고 미생물에 의한 분해를 감소시키기 위해 표면에 방수제를 도포하였고 점토 (attapulgite)를 첨가함으로써 비료 용출을 제어하였다. 그러나 이 제품의 단점은 피복 표면에 지속적으로 균열이 생기기 때문에 양분 용출 속도가 일정하지 않아서 평균적으로 양분의 1/3이 너무 빨리 용출되었거나, 1/3이 너무 늦게 용출되는 경향을 보였다 (Shaviv, 2001). 이러한 단점을 보완하기 위한 방법으로 기존 완효성 피복비료에 고분자 합성수지를 한 겹 더 피복하여 비료의 용출 속도를 조절하는 방법이 개발되었다.

또 다른 유형의 수지 피복 비료는 1967년 캘리포니아에서 소개된 ‘Osmocote (Scotts-Sierra Horticultural Products, Marysville, OH)’라 불리는 알키드 유형이었다. 이 수지는 디시클로펜타디엔 (dicyclopentadiene)과 글리세롤 에스터 (glycerol ester)와 공중합체 (copolymer)로 이루어져 있어서, 피복 두께와 CRF의 조성을 달리하여 양분 용출 속도를 제어할 수 있었다 (Sartain and Kruse, 2001). 이 피복 기술은 N-P-K 복합비료와 요소 등과 같은 다양한 비료에 적용할 수 있었으며, 종묘장, 시설재배, 감귤류 및 딸기 생산과 같은 고부가가치 작물 재배에 주로 이용되었다.

다른 유형의 피복 비료는 폴리우레탄 (polyurethane) 피복을 기반으로 제조되었다. 이것은 비료의 표면에 폴리이소시아네이트 (polyisocyanates)와 폴리올 (polyol)을 반응시켜 내마모성 CRF를 형성한다. 이 기술을 이용한 비료를 반응층 피복비료 (reacted layer coated fertilizer, RLCF)라고 부른다. 이 비료의 장점은 양분의 용출 패턴과 속도를 적절하게 관리하는 데 있다. 이 기술을 적용한 제품은 Polyon (Pursell Technologies, AL, USA), Plantacote (Aglukon GmbH, Dusseldorf, Germany) 및 Multicote (Haifa Chemical, Haifa, Israel) 등이 있다 (Trenkel, 1997; Shaviv, 2001).

입상 비료를 피복하기 위한 다른 기술은 피복 물질로 열가소성 수지가 이용된다. 피복 물질은 빠르게 건조되는 염소계 탄화수소 용매에 용해된다. 여기에 사용되는 열가소성 폴리머는 물에서 매우 비투과성이기 때문에, 에틸렌-비닐아세테이트 (ethylene-vinyl acetate, EVA) 및 계면 활성제를 용출 제어 첨가제로 사용하여야 한다. 이때 용출 패턴은 용출제어제 (피복 물질) 수준에 의해 제어 된다. 또한, 활석을 피복에 배합하여 용출 속도 조절이 가능하다. 비료에 적용될 수 있었으며 (Sartain and Kruse, 2001), 일반적으로 판매되는 제품은 Meister (Chisso-Asahi Fertilizer Corp., Japan)과 Nutricote (Chisso-Asahi Fertilizer Corp., Japan)이었다.

나노 기술이 과학 연구 및 기술 개발 분야로 등장하기 시작하면서 농업분야 에서도 나노기술에 대한 탐구가 시작되었다. 2000년대 초반에는 토양 내 나노입자 (Nano particles, NP)의 행방 및 식물과의 상호작용을 이해하는데 초점을 맞추었지만, 2010년대에 들어서며 지속 가능한 농업에 대한 관심이 커지고, 양분 관리 방법 개선 필요성이 대두되며 나노 기술을 비료에 적용하기 위한 연구 개발이 가속화 되었다. 나노비료 (Nanofertilizers)는 NP로 양분을 코팅하거나 NP를 캡슐화하여 영양 성분을 삽입하는 등의 방식을 통해 양분 방출량을 제어하면서 손실되는 양을 최소화하고 토양 비옥도를 상승시키며 장기적으로 작물 생산성 향상에 도움이 될 수 있다 (Khan et al., 2021; Kaur et al., 2023).

Characteristics of slow- and controlled-release fertilizers

완효성 비료는 용출방법에 따라 미생물에 의한 분해나 화학적 분해에 의해 서서히 용출되는 용출지연비료 (Slow-release fertilizer, SRF)와 비료의 용출을 조절하는 양분 용출제어비료 (Controlled-release fertilizer, CRF) 두 가지로 분류할 수 있다. SRF는 물질 자체의 화학적 특성에 따라 천연물질 (퇴비, 가축분류, 식물찌꺼기 등)과 합성물질 두 가지 유형으로 분류된다 (Shukla et al., 2006). 반면 CRF는 양분의 용출 속도와 형태 및 기간을 조절할 수 있도록 무기 또는 유기물질로 비료가 피복되어 있거나 캡슐화 된 것을 말한다 (Du et al., 2006; Trenkel, 2010; Loper and Shober, 2012).

완효성비료의 종류

완효성 비료는 제조방법에 따라 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 첫째는 피복 비료로 속효성 비료의 입자표면에 물 등 외부환경으로부터 접촉을 차단할 수 있어 용매에 잘 녹지 않게 피복하는 물리적 방법이고, 두 번째는 비료물질을 화학적으로 반응시켜 만드는 합성비료로 염이나 미생물에 의해 쉽게 분해되지 않게 제조하는 방법이다.

물리적 방법으로 제조되는 완효성 질소 비료는 용해성 물질이 연속체에 분산되어 용해 속도를 제한하는 소수성 중합체 또는 매트릭스로 피복된 과립 또는 정제의 형태로 제조 될 수 있다. 피복물질은 유기 고분자와 광물 기반의 무기 피복으로 나눌 수 있다 (Wang et al., 2013). 유기 중합체 피복은 수지 또는 열가소성 물질을 기반으로 하는 반면, 무기물질 피복은 황 또는 기타 광물질을 기반으로 한다. 매트릭스 제조에 사용되는 물질은 소수성 물질 및 겔 형성 중합체로 더 나누어진다. 후자는 본질적으로 친수성이며 물에서 양분의 용출율을 감소시킨다. 실제로, 양분의 제어 용출을 위한 기질의 사용은 피복된 비료보다 일반적이지 않은 반면, 겔을 기반으로 한 기질은 개발 단계에 있으며 아직 초기 단계이다 (Costa et al., 2013).

오늘날까지 다른 고분자 재료와 고분자가 아닌 다른 재료는 완효성 비료의 피복제로 시험되었다. 그 중에서도 neem, 유황, 수지 및 기타 합성 고분자가 피복제로 많이 사용된다 (Saleh et al., 2003; Kantheti et al., 2013). 폴리머 코팅 외에도, 시멘트 (cement) 또는 시멘트/합성고무 (cement/elastomer) 코팅, 미세 결정질 왁스 (microcrystalline wax), 파라핀 (paraffin) 또는 합성 왁스, 알킬아민 광물성오일 (alkylamine mineral oil) 조합 및 요소 리그노술폰산염 (lignosulfonate) 결합제, 아민 또는 아민복합체와 같은 다른 비료 피복이 사용되어왔다. 그러나 대부분이 난분해성이고 값이 비싸며 환경 위해성을 가지고 있다 (Saleh et al., 2003). 완효성 비료의 피복에 사용되는 여러 가지 합성 고분자는 예측 가능한 물리 화학적 특성과 같이 일관성과 맞춤식 특성을 설정하기 위해 천연 물질에 비해 명백한 이점을 보이지만, 고분자로 코팅된 피복 비료는 여전히 토양에서 합성 물질의 잔류성에 문제가 되고 있다 (Kolybaba et al., 2006). Umar et al. (2022)은 산화 아연 (ZnO) NP을 이용하여 Zn 피복 요소비료를 개발, 스테아르산 (stearic acid)과 파라핀 오일 (paraffin oil) 및 파라핀 왁스 (paraffin wax)를 결합제로 사용하여 ZnO NP와 Zn nanobentonite로 피복된 요소는 완효성 비료로 작용이 가능하다고 보고하였다. 일반적으로 사용되는 피복 비료의 장점과 단점은 Table 1에 요약되어 있다.

완효성비료의 용출기작

완효성 비료는 피복 물질의 성질과 물리적 특성에 따라 다양한 양분 용출 기작을 가지고 있다. 토양에 시비된 완효성 비료는 삼투압에 의한 물의 내부침투 (water penetration), 피복비료 내부의 부피 팽창 (swelling) 및 피복 표면의 부분적 파손 (cracking)로 인한 확산 (diffusion)으로 양분을 방출한다 (Fig. 1). 완효성 비료의 피복층은 부분적으로 친수성이고 부분적으로 소수성이어야 한다는 보고가 있는데, 친수 특성은 피복막을 통과하는 물의 흐름을 용이하게 하여 비료 양분의 수송을 가능하게 한다. 동시에, 소수성 특성은 피복막의 파괴 및 비료의 신속한 용출을 방지한다 (Choi and Meisen, 1997; Azeem et al., 2014).

Fig. 1.

Nutrients release mechanism of coated controlled-release fertilizer.

일반적으로 국내에서 유통되는 완효성 비료의 용출 특성은 다음과 같다.

∙정상 용출: 물질 또는 화학 물질을 식물이 사용할 수 있는 형태로 변형시키는 것인데, 이 변형은 가수분해, 용해 및 분해를 통해 일어난다.

∙지연 용출: 완효성 비료의 양분 용출은 일반적인 무기질 비료 (예, 요소, 황산암모늄, 질산암모늄 등)보다 용출 속도가 지연되어야 한다. 예를 들어, 완효성 질소 비료가 토양에 시비되었을 때, 생육 단계별 작물의 양분 요구량에 맞게 양분의 용출을 제어하여야 한다.

국내/외 완효성 비료 기준은 비료에서 15% 이하의 양분 (식물이 흡수할 수 있는 형태)이 24시간 안에 용출되지 않아야 하고, 28일 내로 75% 이상 용출되지 않으며, 완효성 피복 비료의 기간이 명시된 용출기간 동안 사용 가능 한 양분이 적어도 75%이상 용출되어야 한다 (Naz et al., 2014).

Ţolescu and Iovu (2010)에 따르면, 완효성 피복 비료는 (1) 식물의 양분흡수과정에서 비료의 용출기간을 연장 시키거나, (2) 식물이 흡수할 수 있는 양분이 필요시기에 용출되어야 하며, 기존 무기질 비료보다 용출기간이 상당히 긴 하나 이상의 양분을 포함해야 한다. Shaviv (2005)는 ‘Slow or controlled release’이라는 용어는 양분의 용출 속도, 지연 기간 및 형태에 영향을 주는 요소를 제어하는 것으로 정의하였고, 느리게 용출되는 비료를 생산 할 때, 용출기간을 제어할 수 있는 비료만을 사용 할 수 있음을 밝혔다. 따라서 완효성 피복 비료는 일반 무기질 비료보다 상대적으로 양분의 용출속도가 지연되는 것과 관련이 있으나, 용출 속도, 지연 시간 및 용출 형태가 완전히 통제되지는 않는다. 한편, Association of American plant food control officials (AAPFCO, 1995)는 보다 더 정확한 정의의 완효성 피복 비료 기준을 다음과 같이 제시하였다.

∙용출 제어 비료 (Slow or controlled release fertilizer): 토양에 시비하였을 때, 일정기간 동안 양분 용출을 지연시키고, 무기질 비료보다 훨씬 더 오랜 기간도안 식물에 양분 (요소, 질산암모늄, 염화칼륨, 인산암모늄)을 공급하는 비료이다. 용출 제어 비료는 작물 생육 단계에 부합하여 작물 생육 초기와 생육 중/후기에 필요한 양분을 공급하는 특성을 가지고 있다.

∙안정화 질소 비료 (Stabilized nitrogen fertilizer): 대표적인 안정화 질소 비료는 질산화 억제제로서 암모니아태 질소 (NH₄⁺-N)가 질산태 질소 (NO₃^—-N)로 산화되는 과정을 억제하는 물질이다.

천연물질로 만들어진 SRF의 양분용출 기간은 토양수분 및 온도에 의해 좌우되며 토양 미생물 활동에 따라 달라진다. 합성 SRF는 펠릿 형태로서 물에 녹지 않으며, 용출기간은 토양 수분 및 온도에 따라 달라진다. 우리나라 뿐 아니라 세계적으로 상용화되고 있는 Methylene urea (MU)와 Latex coated urea (LCU) 및 Isobutylidene diurea (IBDU) 등이 이에 속한다. 합성 SRF의 양분용출은 20일에서 최대 18개월까지 조절이 가능하다 (Trenkel, 2010). 합성 SRF는 천연 SRF (유기물질) 보다 훨씬 고농도의 단일 양분 (예, 질소 28%)을 함유할 수 있는 특징이 있다 (Clapp, 1993).

완효성 비료의 제형별 용출 형태

완효성 비료는 전 생육기간동안 작물이 이용할 수 있는 양분을 공급하는 비료이다. Shaviv (2005)는 양분 용출 속도와 형태를 제어하는 모델을 제시하였는데, 피복된 완효성 피복 비료가 일반 완효성 비료보다 다양한 형태의 양분 용출 특성을 지니고 있다고 하였다. Salman et al. (1990)은 완효성 피복 비료가 소수성과 중합체 물질로 피복되어 있어서 용출 형태에 따른 속도를 제어하는 특성을 가지고 있다고 하였다. 특히, 고분자 물질로 피복된 완효성 비료는 세 가지 형태 (포물선, 선형 및 S자형)로 양분의 용출을 제어한다 (Fig. 2). 선형 (linear)과 S자형 (sigmoidal)의 양분 용출 형태는 포물선 용출 (parabolic)보다 식물의 양분 속도와와 잘 부합된다고 알려져 있다 (Shaviv, 2005).

Fig. 2.

The patterns of temporal release from coated fertilizers.

SCU에서 요소의 용출은 일반적으로 포물선 형태를 따른다. 고분자 물질로 피복된 완효성 비료는 선형 및 S자형 유형으로 분류되며 (Shoji and Gandeza, 1992), 선형 용출 비료는 지체기간 없이 목표기간에 75% 또는 그 이상의 누적 용출율을 보여야하며, S자형 용출 비료는 일정기간 양분 용출이 지연되어야 하며, 이후부터 목표기간까지 80% 또는 그 이상의 누적용출율을 나타내는 비료이다. 따라서 선형과 S자형의 차이점은 양분지체기간을 조절하는데 있으며, 이 차이는 피복 물질의 조성과 두께에 따라 달라질 수 있다 (Fujita and Shoji, 1999).

Effects of controlled release fertilizers on crop growth

비료의 시비이용효율을 높이고 환경 문제를 줄이기 위한 완효성 비료의 시비효과는 양분 공급을 작물의 필요시기에 일치시키고 양분을 지속적으로 공급하는 두 가지 요소에 달려 있다.

작물의 생장 곡선

작물의 생산성과 수량에 영향을 미치는 요인은 재배환경 (기후 및 토양), 재배방법 (양분 관리 등) 및 품종이다. 작물 생육 특성은 어떤 재배환경이나 재배방법 및 품종에 따라 다를 수 있지만, 대부분의 작물의 생장 곡선은 S자 형태로 생육 초기에 완만한 곡선 형태로 증가하다가 생육 중기에는 생장 속도가 급격히 높아지고 생육 후기에는 다시 완만한 생육 증가를 보이거나 더 이상 증가하지 않는다 (Fig. 3).

Fig. 3.

A sigmoid pattern of crop growth curve.

식물에 대한 생장을 표현하기 위하여 많은 학자들은 수많은 함수를 만들고 사용해 왔으며, 작물의 생장 속도와 형태를 다양한 모델로 표현할 수 있었다. 대표적인 모델인 Logistic 모델은 식물의 생장 모의에 널리 쓰이는 모델이다 (Shi et al., 2016). Logistic 모델은 벨기에의 Verhulst에 의해 1938년에 인구증가의 이론식으로 고안되었으나, Pearl and Reed (1920)에 의해 재발견되어 생태학분야에서 가장 많이 알려진 모델이다. Logistic 함수식은 (Eq. 1)과 같으며, 여기에서 k는 생장 속도, L은 최대 생장량, X₀는 최대 생장량의 1/2에 도달하는 시간이다.

이론적으로, Logistic 모델은 대칭적인 생장률을 나타내며, 이를 통해 최대 생장률과 생장속도를 정확하게 추정 할 수 있는 모델로 알려져 있다 (Shi et al., 2016). 물론, 이 모델이 모든 작물 종의 생장 특성을 예측하는데 사용되기는 어렵지만, 여러 연구 보고에 의하면, 곡류, 엽채류 및 과채류의 생장 특성이 S자형 곡선으로 생장하기 때문에 Logistic 모델로 생육 단계별 생장률과 생장속도를 예측할 수 있다고 하였다 (Yin et al., 1995; Yin et al., 2003; Shi et al., 2016).

작물생육에 대한 완효성 비료의 시비효과

식물-토양 시스템 내에서 양분 손실 경로는 생물학적/화학적/물리적 반응에 의해 나타난다. 따라서 이상적인 비료는 작물의 양분 흡수 패턴에 맞게 비료의 용출을 제어하여 토양의 잉여 양분을 줄이고 양분이용효율을 높일 수 있는 비료이다 (Fig. 4). 식물의 총 양분 요구량과 필요시기는 작물 및 품종에 따라 다르지만, 생육기간에 따른 식물의 양분흡수 형태는 일반적으로 S자형이다 (Zhang et al., 2004). 대부분의 식물은 적정한 온도와 수분조건에서 발아하며, 생식을 위한 급속한 생장을 시작한다. S자형 양분공급 형태를 사용하여 식물의 양분 수요와 일치시키는 것은 작물생육에 있어 최적의 영양을 제공하고 잉여 양분의 손실을 줄일 수 있다 (Oertli, 1980; Hauck, 1985; Shaviv and Mikkelsen, 1993).

Fig. 4.

Sigmoidal release of nutrients is synchronized with the crop nutrients requirement over the growing season.

작물에 대한 완효성 비료의 시비효과는 여러 문헌에 의해 보고되었는데, Guertal (2000)는 SCU와 폴리올리핀수지 피복 요소비료 (polyolefin coated urea, PCU)의 고추 수량에 대한 시비 효율을 일반 관행시비구와 비교하였는데, PCU의 시비량이 관행구보다 적음에도 불구하고 고추의 수량이 차이가 없었다는 결론을 제시하였다. 국내에서도 고추전용 완효성 복합비료를 개발하여 수량과 품질을 평가하였는데, 관행시비구와 비교하여 고추 수량과 무기성분 함량 차이는 없었다 (Lee et al., 2007). 벼의 경우, Yang et al. (2012)은 관행시비구 질소 시비량의 1/3에 해당하는 완효성 요소 비료를 시비하여 질소이용효율과 수량을 평가하였다. 질소이용효율은 관행시비구보다 27.6 - 22.9% 높았고 곡물수량은 3.0 - 5.9% 증가했다고 보고하였다. 국내 연구에서도 같은 연구결과가 보고되었으며, 관행 질소비료 시비량의 60%를 처리한 완효성 비료 처리는 관행비료 처리에서의 벼 수량과 차이가 없었다 (Back and Kim, 2000). Zhao et al. (2013)은 질소 시비량이 일반관행구보다 50% 적었음에도 불구하고 알곡 수량은 관행시비구와 차이가 없었고 암모니아 휘산량이 51.3 - 91.3% 감소되었다고 보고하였다. 이는 완효성 비료의 장점이 잘 나타난 결과로, 생육기간 작물이 필요한 양분을 적재적소에 공급하여 질소이용효율이 증가된 결과이다. Lee et al. (2005)은 벼논에서 질소 행방에 관한 연구를 수행하였는데, 완효성 비료 처리구가 NPK 처리구 (관행구)보다 암모니아 휘산량을 67% 감소시켰다고 보고하였다. 또한 완효성 비료 처리구의 질소이용효율이 49.0 - 51.2%으로 관행구 (27.4%)보다 약 2배 증가하였으며, 이러한 결과는 벼 수량 증가에 영향을 미쳤다. Tian et al. (2016)은 조숙성 유채의 완효성 비료 처리가 양분이용효율과 양분흡수량 및 종자 채종량에 미치는 효과를 보고하였다. 화학비료 시비량보다 11.0% 적은 완효성비료 처리구가 관행시비구보다 종자 채종량이 14.5% 증수되었다. 이는 완효성 비료 처리에서 양분흡수량과 질소이용효율이 유의적으로 증가하였기 때문이다. Song et al. (2001)은 난지형 마늘 재배에 있어서 시비노력 절감과 품질향상을 위한 완효성 비료의 시용효과를 보고하였다. 생육은 관행재배 대비 완효성 비료 처리가 양호하여 초장이 4 - 6 cm 더 길었고 엽초경이 2 mm 이상 두꺼웠으며 엽수도 많았다고 보고하였다. 엽록소 함량 조사에서는 관행재배가 추비의 영향으로 엽록소 함량이 완효성 비료 시험구보다 높았으나 완효성비료 처리구는 엽장이 길고 엽폭이 넓었으며 식물체 전체 중량이 무거웠다고 보고하였다. 특히 수량은 관행대비 5% 증수 되었으며, 완효성 비료 시비에 따른 노동시간이 10 a 당 3.5시간으로 관행 대비 24%의 시비노력 절감을 가져왔다고 보고하였다. 완효성비료는 구입비용이 높아 원예용 등 고부가가치 용도로만 사용되고 있다. 옥수수, 밀 및 기타 곡물 등의 농작물에 완효성 비료를 사용하기 위해서는 구입가격이 낮고 양분이용효율이 우수한 새로운 완효성 비료가 개발되어야 한다고 주장하였다 (Blaylock et al., 2005). 폴리머 피복 비료는 제조비용이 이전 완효성 비료보다 낮아 경제성이 높으며 질소의 용출을 작물의 생장에 잘 부합되는 비료로 알려져 있다. 관행시비량보다 25 - 35%의 낮은 시비수준의 폴리머 피복 비료 처리구에서 옥수수 수확량은 감소하지 않았다. 이러한 폴리머 피복 완효성 비료는 기존 완효성 비료보다 비용을 크게 줄여 옥수수 및 밀 등 곡물을 생산하는 농가에게 큰 이익을 줄 것이라고 보고하였다 (Blaylock et al., 2005). Lee and Min (2022)은 동계작형 양파에서 완효성비료의 시비 수준 및 관행 NPK시비를 비교한 결과, 양파 생장과 구근 수확량은 처리에 따른 유의한 차이를 보이지 않았지만, 완효성 비료 처리 시 구근에서 N, K, S, 잎에서 K, Ca의 흡수량이 증가하는 경향을 보였으며 완효성 비료를 토양검정시비 50% 수준으로 시비한 경우 타 처리구에 비해 양분 이용효율이 높게 나타났다고 보고하였다. Lee and Sung (2023)은 노지 재배 당근에 기비로 완효성 비료를 시용하였을 때 단일비료 처리에 비해 약 24%의 유의적 수량 증가보였고, 통계적 유의성은 없었으나 NUE 역시 완효성 비료가 단일비료에 비해 다소 높게 나타났다. 기비와 추비의 비율에 따른 생산성과 NEU를 조사한 결과 기비로 완효성 비료를 사용하되 전량 기비로 시비하기 보다는 기비와 추비의 비율을 5:5나 3:7로 조절하여 공급하는 것을 추천하였다.

Effect of controlled-release fertilizers application on reduction of non-point source pollution from the soils

질소 비료가 농경지에 시비되면 질소는 대기-식물-토양-수계 시스템 내에서 순환한다. 세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 요소는 작물의 생산성 증진에 기여하는 대표적인 질소비료이다. 요소는 시비 직후 토양에서 무기태 형태 (NH₄⁺, NO₃^-)로 가수분해되며, 이 무기태 질소는 생지화학적 반응에 따라 질소순환 과정을 거친다. 토양에 시비된 무기태 질소의 일부는 암모니아 가스형태로 휘산 (NH₃ volatilization)되거나 토양의 상태 (호기조건)에 따라 질산화 과정을 거쳐 질산태 질소 (NO₃^-—N)로 전환된다. 질산태 질소는 식물에 흡수되거나 용탈, 유거 및 탈질 과정에 의해 환경으로 유출된다. 이러한 결과로 농경지에 시비된 요소의 이용효율은 대부분 30 - 40%정도로 낮으며, 나머지 양분은 잠재적 환경 유출량으로 간주된다 (Constable et al., 2003). 이렇게 요소는 작물생산성을 증진 또는 유지하는 역할을 하지만 동시에 환경 위해성을 촉발시키는 원인이 된다.

농경지 비점오염원 경감

완효성 비료는 관행시비구의 50% 또는 그 이하의 시비량으로 시비이용효율을 높이고 작물 수량을 증가시켜 상대적으로 농경지에서 유출되는 비점오염원을 현저히 경감시키는 비료이다. 비점오염원 발생은 작물 재배지역의 기후, 토양 특성 및 비료 시비 방법에 따라 달라진다. Kim et al. (2023)은 고랭지배추를 대상으로 SRF와 관행 비료 시비를 비교한 연구에서 두 비료 모두 배추 수확량은 유의한 차이를 보이지 않았지만, 관행 비료 처리에서 양분 배출량이 더 높게 나타났다. 이는 재배 기간 중 비료 성분이 식물에 의해 활용되지 못하고 손실되었음을 시사한다고 하였다. Chang et al. (2011)은 재배환경 (기후와 토양)이 같은 조건에서 논벼로부터 발생하는 비점오염원을 완효성 비료를 시용함으로서 줄일 수 있다고 보고하였는데, 수계로 유출되는 총 질소 (T-N)를 약 4.9% 감소시켰으며 대기로 배출되는 질소를 약 39% 감소시켰다고 하였다. 국외 연구자들도 작물의 지속적 생산과 아울러 환경오염을 경감시키는 방법으로 완효성 비료 연구에 몰두하고 있다. Chen et al. (2010)은 완효성 비료를 환경친화적 비료로서 피복된 질소 비료 (요소)의 가수분해 속도를 지연시킴으로서 질소산화물 생성을 감소시킬 수 있다고 하였다. 또한, 이 비료는 토양 유기물 함량을 증가시킬 수 있다고 하였는데, 이는 요소를 피복하는 물질에 따라 상이할 수 있다. 예를 들면, 과거에는 난분해성 고분자 물질을 사용하여 요소를 피복하였지만, 현재는 키토산, 전분, 셀룰로오스, 리그닌, 식물잔사, 바이오차 등 천연재료를 사용하여 요소를 피복하는 기술이 개발되고 있기 때문이다 (Chen et al., 2010; Azeem et al., 2014).

Effects of controlled-release fertilizers on mitigating greenhouse gas emissions

농경지에서 주로 배출되는 온실기체는 메탄 (CH₄)와 아산화질소 (N₂O)이다. CH₄는 혐기적인 환경에서 유기물이 분해 시 발생하는 것으로 알려져 있는데 (IPCC, 2007), 벼 재배를 위한 담수 상태의 논은 혐기적인 조건을 형성하여 CH₄ 배출을 증가시킨다 (Lagomarsino et al., 2016). 현재, 중간 물떼기와 같은 논물관리 기술을 개발 및 적용하여 논에서 발생하는 CH₄ 배출량 감축을 꾀하고 있다 (Minamikawa et al., 2006; Itoh et al., 2011; Ma and Lu, 2011; Kim et al., 2012; Ahn et al., 2014; Gwon et al., 2019). N₂O는 호기적인 토양 환경에서 질소의 질산화 및 탈질화에 의한 중간 부산물로 발생하는 것으로 알려져 있다 (Schreiber et al., 2012). N₂O의 지구온난화지수 (Global warming potential, GWP)는 298로, 소량 발생하여도 온난화 효과가 크기 때문에 배출량을 낮추는 것이 중요하다. 농경지에서 발생하는 N₂O의 45%는 토양에 시용한 질소질 비료로부터 유래한다 (Syakila and Kroeze, 2011). 국내에서 주로 사용하는 요소는 속효성 비료로 비료효과를 유지하는 기간이 짧고 양분이용효율이 낮다 (Lee et al., 2005; Lee et al., 2020). 반면, 완효성 비료는 관행에서 사용하는 속효성 비료 (요소)보다 시비량이 1/3이상 적고 작물 생육기간 중 작물이 필요로 하는 시기에 맞추어 질소 성분이 용출되어 질소 손실률이 낮아 N₂O 배출량을 감축 할 수 있다 (Kim et al., 2012; Gwon et al., 2019).

Lyu et al. (2019)는 완효성 비료의 시비구는 요소시비구보다 Greenhouse gas intensity (GHGI)가 감소한다고 보고 하였으며, Xiao et al. (2019)는 복숭아 재배 시 완효성 비료를 사용하면 작물이 N₂O 배출에 미치는 영향이 25% 감소하고, 비료의 질소 유출이 50% 감소했다고 보고하였다. 한편, Gwon et al. (2019)은 벼 논에서 물관리 방식과 완효성 비료를 이용한 양·수분 복합관리 기술을 적용하였는데, 그 결과 논물얕게대기와 완효성 비료를 함께 적용하는 방법이 온실가스 (CH₄) 감축에 가장 효과적이라 보고하였다. Jang et al. (2023)은 중간물떼기 20일 및 완효성비료의 복합 적용이 대조구 (중간물떼기 10일, 요소 처리)에 비하여 낮은 GHGI 값이 나타났다고 보고하였다. Sikora et al. (2020)은 배추에 완효성비료를 사용하면 하여 관행농법에 비해 상품성과 수확량이 상승하고, 작물재배 및 생산 전 과정에서 N₂O 배출량이 감소하였다고 보고하였다. 완효성 비료를 합리적으로 사용하면 GHG 배출량과 기후변화를 감소시킬 수 있으므로 농업생산 현장에서 완효성 비료의 사용을 확장해야 한다고 시사하였다.

Conclusions

세계적으로 많은 농업 생산량의 요구에 따라 무기질비료의 수요와 사용량이 증가하는 추세이다. 무기질비료는 작물의 생장에 필수적인 무기 양분 공급 수단이지만 오남용시 농가의 경제적 손실을 가져오는 것은 물론이고 환경에 부정적 영향을 야기한다. 이에 환경부하를 최소화하며 작물의 양분사용효율을 향상시키는 재배기술에 대한 요구가 생겨났고, 이러한 요구에 대한 대안 중 하나가 완효성 비료의 개발이다.

완효성 비료는 작물이 필요로 하는 비료 성분이 토양 중에서 서서히 용출되어 작물의 전 생육기간 동안 지속적으로 양분을 공급할 수 있도록 만들어진 비료로 제조 방법에 따라, 속효성 비료의 입자 표면에 용매를 피복하여 외부로의 접촉을 물리적으로 차단하는 피복비료와 비료의 원 물질을 화학적으로 반응시켜 염이나 미생물에 의한 분해를 어렵게 하는 합성비료가 있다. 일반적인 완효성 비료의 피복 표면의 부분적 분해로 인해 양분이 용출되기 시작하여, 생육 단계별 양분 요구량에 맞추어 양분 용출량을 제어하는 것을 목표로 한다. 특히, 선형 (linear)과 S자형 (sigmoidal)의 양분 용출 형태가 식물의 양분 요구 단계와 잘 부합한다고 알려져 있다. 농경지에 시비된 비료는 작물 생산성을 증진·유지하는 역할을 하지만 동시에 잉여양분의 유출을 통해 환경 위해성을 촉발시킨다. 완효성 비료는 시비이용효율을 높여 농경지에서 유출되는 비점오염원과 온실기체를 현저히 경감시킨다. 또한, 완효성 비료의 피복재로 천연재료를 사용하는 기술이 개발되고 있어 피복 물질로 인한 환경부하를 최소화 하고 있다.