Introduction

지난 수십 년 동안 농업 생산성 향상을 목적으로 비료를 사용하여 왔으며, Heffer and Prud’ homme (2016)는 비료 소비가 2008년에서는 경기 침체와 금융 위기로 소폭 감소하였으나, 이듬해 반등하여 2000년에서 2013년 사이 꾸준히 증가 하였다고 보고하였다. 우리나라의 질소 소비량은 2022년 255 kg ha^-1로 탄소중립 실천을 위한 질소비료 감축이 요구되고 있다 (KOSIS, 2023).

질소는 식물 생육에 반드시 필요한 원소로 생산성과 직결되는데, 세포의 원형질 (protoplasm)을 구성하는 단백질의 구성 원소로 단백질 중 평균 16% 정도가 질소로 알려져 있다 (Kim et al., 2016). 최근 우리나라의 10년 (2012 - 2021년)동안 연평균 질소질 비료 사용량은 133.5 kg ha^-1로 인산질 (79.5 kg ha^-1)과 칼리질 (82.5 kg ha^-1) 비료보다도 많은 양을 사용하고 있다 (KOSIS, 2023).

비료 사용은 생산량을 높일 수 있지만 용탈될 경우 침출, 탈질, 휘산 등으로 비점 오염을 유발 할 수 있다 (Owens and Edwards, 1994; Gruber and Galloway, 2008). 식물의 질소 흡수는 NH₄⁺와 NO₃^- 형태로 흡수하는데, 요소는 가수분해 효소인 urease에 의해 암모니아로 분해된다 (Kim et al., 2016). 유기태 질소는 NH₃의 형태로 손실이 이루어지거나 (Kim et al., 2016), 호기적인 조건에서 미생물에 의해 분해되어 NH₄⁺ → NO₂^- → NO₃^-으로 무기화가 되는데 (Cameron et al., 2013), 중간 생성물인 NO₂^-은 화학적으로 매우 불안정하여 탈질균에 의해 N₂O의 형태로 방출되는 것으로 보고되었다 (Aulakh et al., 2000). 식물이 이용하고 남은 질산태 질소는 강우나 관수에 의해 물에 용해되어 작토층 아래로 용탈 되기 쉬우며 (Nielsen and Jensen, 1990; Zhang et al., 1996), 오염된 지하수 음용으로 청색증 등의 발생 (Knobeloch et al., 2000), 수자원의 부영양화와 녹조 등의 원인 (Cameron et al., 2013)으로 보고한 바 있어, 적정량의 질소비료 사용이 중요하다 (Choi et al., 2022).

특히 동계 밭작물 재배는 봄철 온도 상승 시 양분 가용화가 이루어지며, 봄철 생육 재생기의 질소비료 웃거름 시용에 따라 작물의 질소 흡수, 아산화질소의 대기 이동, 강우 시 질산태질소 이동 등 질소 동태가 달라질 수 있다. 중량식 라이시미터는 질소 이동의 정량적인 측정이 가능한 장비이며, 층위별 토양수분센서와 실시간 중량을 측정하여 수분이동 및 작물 증발산량, 관개와 무관개 질소 용탈량 등을 평가할 수 있다 (Lee et al., 2017; Lee et al., 2018).

본 연구는 동계 중 토양, 작물, 대기 간 질소 동태에 대한 정량적 평가를 하기 위하여 중량식 라이시미터를 이용하여 동계 대표 밭작물인 양파 재배 중 질소 대기 휘산량, 지하 유출량을 평가하였다.

Materials and Methods

라이시미터의 개요 및 처리 내용

본 연구는 전북 완주군 이서면 국립농업과학원에 위치한 비교란 중량식 라이시미터 (UGT, Germany)에서 수행하였다. 라이시미터는 스테인레스 재질로 표면적 1 m², 깊이 1.5 m의 원통형이며, 토양 단면을 그대로 채취하여 설치하였다. 양파 재배구 (onion cultivation, OC)는 2개의 라이시미터로 반복 처리구를 두었으며, 나지 (bare land, BL)는 1개의 라이시미터에서 단일 처리구로 시험을 수행하였다. 분석을 위한 시료는 각 라이시미터에서 3반복으로 채취하였다.

라이시미터에 충전한 토양의 물리적 특성과 재배 전후의 토양 화학성은 지표로부터 10 cm 깊이의 토양을 채취하여 풍건한 시료를 1:5비율로 토양과 증류수를 혼합하여 진탕 (30분)후 pH와 EC를 측정하였으며 토양유기물은 Tyurin법, 유효인산은 Lancsaster법, 교환성 양이온은 1N NH₄OAc 용액으로 침출하여 유도결합플라즈마 분광광도계 (ICP, Varian ESP-730)로 분석하였다.

양파 (Allium cepa L.)의 품종은 ‘카타마루’이며, 2022년 11월 1일에 정식하여 2023년 6월 7일에 수확하였다. 재식간격은 15 cm간격으로 식재하였고 원형인 라이시미터에 1베셀에 평균 20주를 정식하여 표준 재배법 (RDA, 2018)에 따라 재배하였다. 작물별 비료사용처방 기준 (NAAS, 2022)의 표준사용량을 기준으로 돈분 퇴비를 2022년 10월 19일에 4,400 kg ha^-1시용하였고, 비료는 2022년 10월 27일에 밑거름 (N-P₂O₅-K₂O = 80-77-58 kg ha^-1)과 웃거름 (N-P₂O₅-K₂O = 160-0-96 kg ha^-1)은 2023년 2월 20일과 4월 14일에 각각 시용하였다.

양파의 생육조사는 수확일에 구장, 구경, 생체중 등을 처리구 당 10주씩 조사하였으며, 구의 생체중을 단위면적 당 생산량으로 환산하였다.

기상 데이터는 국립농업과학원 중량식 라이시미터 포장에 설치된 자동기상관측시스템으로 기온, 습도, 강수량 등을 측정하였으며, 라이시미터에 설치된 센서를 이용하여 토양 온도, 토양 함수율 (UMP-1, UGT, Germany)을 측정하였다.

유출수의 질소량 측정

라이시미터 지하로 유출된 토양 용액을 전량 채취하여 수질오염공정시험기준 (MOE, 2017)에 준하여 분석하였다. 유출수의 NH₄-N과 NO₃-N는 이온 자동분석기 (QuAAtro, Seal analytical, USA)로 측정하였고, 질소 용탈량은 NH₄-N과 NO₃-N의 합에 유출수량을 곱하여 산정하였다.

질소의 휘산량 측정

암모니아 포집을 위해 각각의 라이시미터에 static chamber를 설치하였으며 챔버의 높이 25 cm, 직경 13 cm이었다. 챔버 내에는 2개의 둥근 스펀지를 설치하였으며, 위쪽 스펀지는 대기에서 유입되는 암모니아 차단용이고, 아래쪽 스펀지는 암모니아 포집용으로 이용하였다. 암모니아 포집을 위해 1 M H₃PO₄와 1% glycerol을 1:1로 혼합한 용액 30 ml를 스펀지에 흡수시켜 챔버에 삽입하였다. 암모니아 샘플링은 비료 시용 후 첫 주는 매일, 2주째는 2일 간격, 3주후부터 일주일 간격으로 오전 9시 30분부터 10시까지 30분간 채취하였다. 암모니아 가스를 흡수한 스펀지를 2 M KCl 150 mL에 침지하여 암모니아를 침출하였다 (Wang et al., 2004). 침출된 암모니아를 인도페놀법으로 분석하였으며, 630 nm의 파장에서 이온자동분석기 (QuAAtro, Seal analytical, USA)로 정량하였다. 암모니아 배출량은 분석된 암모니아 결과 값에 Eq. 1을 통해 환산하였다.

Rav는 암모니아 휘산율 (mg m^-2 day^-1), M은 암모니아 측정 값 (mg L^-1), A는 암모니아 챔버 면적 (m²), D는 측정 간격 (day)이다.

아산화질소 포집을 위해 각각의 라이시미터에 폐쇄형 챔버를 이용하여 포집하였다 (Denmead, 1979). 챔버의 지름이 15 cm, 높이는 45 cm로 PVC소재로 만들어졌다. 가스 포집은 비료 시용 후 첫 주는 매일, 2주째는 2일 간격, 3주 후부터는 일주일 간격으로 30분 (오전 9:30 - 10시)간 포집된 가스를 샘플링 하였다. 채취한 가스 시료는 Gas Chromatography를 이용하여 정량하였으며, 아산화질소 배출량은 분석된 아산화질소 결과 값에 Eq. 2를 통해 환산하였다.

F는 아산화질소량 (µg m^-2 d^-1), p는 가스 밀도 (mg L^-1), A는 챔버 면적 (m²), V는 챔버 체적 (m³), △c는 공기중 아산화질소 가스 값-챔버 내 아산화질소 가스 값 (µL L^-1), △t는 측정종료시간-측정시작시간, T는 챔버 내 평균기온 (K)이다.

Statistical analysis

시험결과에 대한 통계 처리는 SAS (Enterprise Guide V.7.1, SAS Institute Inc., USA)를 이용하였다. 밑거름과 2회의 웃거름 시용 후 21일 동안의 N₂O-N, NH₃-N 발생량과 환경요소간의 상관관계는 피어슨 상관계수 (Pearson’s correlation coefficient)를 이용하여 분석하였다.

Results and Discussion

양파 생육 및 강우에 의한 질소 지하 유출

비교란식으로 충전한 라이시미터의 시험 토성은 사양토, 표토의 용적밀도는 1.27 Mg m^-3이었다 (Table 1). 양파 재배 전 토양의 화학성은 오랜 기간 경작으로 인하여 적정범위보다 나지와 양파 재배구 모두 2배 정도 인산이 집적된 상태였으며, 시험 후 토양의 총 질소는 양파 재배구에서 0.1 g kg^-1이 상승하였으나, 나지에서는 0.3 g kg^-1이 감소하였다 (Table 2).

양파 재배 초기의 일평균 기온은 10.6°C이었고, 점점 기온이 하강하여 월동기에는 -3.0°C, 1차 웃거름 시기에는 2.3°C로 낮았으며, 지온 또한 같은 경향을 보였다. 일 평균 강우량은 1차 웃거름 사용 시 1.3 mm이었고, 2차 웃거름 사용 시기에 일 평균 강우량이 4.4 mm이었다 (Fig. 1A). 양파는 정식 후 활착하기까지 25 - 30일이 소요되며 생장 최저 온도가 4°C인데 (RDA, 2018), 본 시험에서는 정식 30일 후인 2022년 11월30일에 기온이 4°C 이하로 내려가 양파의 초기 활착에는 문제가 없었다. 우리나라의 2006 - 2011년 평균 양파 생산량이 64 - 74 ton ha^-1로 보고되었는데 (RDA, 2018), 본 시험의 양파의 평균 구중이 377.6 ± 77.8 g plant^-1로 단위면적당 생산량으로 환산하였을 때 양파 생산량은72 ± 15 ton ha^-1로 평균 범위에 있었으며, 국립농산물품질관리원에서 양파의 농산물 표준규격을 크기에 따라 S, M, L, 2L로 구분하는데, 수확한 양파의 구장 (91.5 ± 8.1 cm)과 구경 (95.2 ± 8.3 cm)이 2L에 해당되는 크기로 생산량과 형태는 양파 품질 기준에 적합하였다.

동계 작형의 양파 재배는 월동 후 강우량이 많았던 구비대기 (4월21일 - 6월6일)에 60 - 100mm 이상의 집중 강우에 의해 지하 유출수가 발생하였고, 지하 유출수의 질소는 대부분 NH₄-N보다 NO₃-N의 형태로 존재하였다 (Fig. 1B, C, D). 정식 기간인 10월 강수량이 평년 (1991 - 2020) 59.1 mm이었으며, 2022년에는 48.8 mm 로 평년대비 82.5% 수준이었으나, 1차 웃거름 시기인 2월의 강수량은 8.7 mm으로 평년37.3 mm과 비교하여 23.3% 수준으로 적었고, 강우량이 많았던 구비대기인 5월에는 224.0 mm로 85.3 mm 인 평년보다 2배 이상 많았던 것이 양분 용탈에도 영향이 있었을 것으로 생각되었다. 재배기간 동안 나지의 유출수량이 132.7 mm으로 양파 재배구 (82.9 m)보다 1.6배 정도 많이 발생하였다. 강수량이 많았던 구비대기에 양파 재배구에서는 질산태질소의 유출량이 거의 없었던 반면, 나지에서는 4 kg ha^-1정도 질산태질소의 유출이 일어났다. 재배기간 동안 빗물의 질산태질소는 2.4 kg ha^-1로 나지의 유출수의 질산태질소 농도보다 적었던 것으로 보아 토양의 흡착되었던 이온이 탈리 된 것으로 생각된다. 강우량이 많았던 5월 5일에는 두 처리 모두 지하 유출수가 발생하지 않았으나, 3일 후인 5월 8일 양파 재배구에서는 지하 유출수가 0.5 mm발생하였고, 나지에서는 5월 9일 2.4 mm, 5월 10일 2.7 mm, 5월 11일 2.5 mm 등 꾸준히 지하 유출수가 발생함에 따라 이동성이 큰 질산태질소가 집중 강우에 따라 지하로 용탈된 것으로 보인다. 동계작물인 청보리의 생육이 좋았던 사양토에서 증발산량이 높았으며 (Kim et al., 2023), 배추 재배에서 수액 흐름과 증발산량은 정의 상관이 있었고, 토양의 수분 변화에 따라 수액 흐름이 변화하였다고 보고하였던 것 (Kim et al., 2022)과 유사한 결과로서 양파가 증산작용을 통해 토양 수분을 이용하여 나지에 비해 지하 유출수량이 적었다고 판단된다.

비료 사용에 따른 질소 휘산량

양파 재배기간 중 질소비료 사용에 따른 암모니아 휘산량을 비교하였다 (Fig. 2). 비료 시용 5 - 7일 후에 암모니아 휘산량이 급증하였으며, 1차 웃거름 (2월 20일)보다 2차 웃거름 시기 (4월 14일)의 암모니아 휘산율이 높았다. 배추 재배에서 요소 처리 후 4 - 7일 (Lee et al., 2022), 배 과수원에서 복합비료 시용 후 5일차부터 암모니아 배출량이 감소한 기존 연구 사례와 같은 경향이었으며, 암모니아가 질산으로 변환하는 과정에서 휘산 반응이 감소하였기 때문이라고 보고하였다 (Kim et al., 2021). 요소 비료를 시비하면 토양 미생물에 의해 분해되며 이 과정에서 가스 형태로 휘산되는데, 질소 비료 시용량은 밑거름과 2회의 웃거름 모두 동일한 양이었으나 2차 웃거름 시용 후 암모니아 휘산량이 많았던 것은 1차와 2차 웃거름 시용 시기의 기온과 강수량 등의 영향에 의한 것으로 생각된다. 이는 암모니아 휘산량 증가가 기온 및 지온 영향 (He et al., 1999), 토양수분의 증가로 환경적인 영향을 보고하였던 것과 같은 경향이다 (Park et al., 2020; Lee et al., 2022).

Fig. 1.

Daily precipitation, air and soil temperature (A), leachate amount (B), and nutrition (C, D) from lysimeter during winter onion cultivation. *OC, onion cultivation; BL, bare land.

Fig. 2.

Daily ammonia volatilization rates during winter onion cultivation. *OC, onion cultivation; BL, bare land.

Fig. 3은 재배 기간 중 누적 암모니아와 아산화질소 휘산량이며, 양파 재배구의 암모니아 휘산량은 23.3 kg ha^-1, 아산화질소 휘산량은 0.7 kg ha^-1이었다. 동일 기간 나지의 암모니아 휘산량과 아산화질소 휘산량은 각각 5.5 kg ha^-1, 0.4 kg ha^-1으로 질소 비료 사용에 의해 약4.1배 이상의 질소가 대기로 휘산되었다. Hong et al. (2022)은 암모니아 휘산이 무비구에서는 1 kg ha^-1 day^-1이하로 낮았으나, 표층 시비구에서는 7 kg ha^-1 day^-1이상으로 상승하였다 하강하였다고 보고하였으며, 배추 재배에서 요소 비료를 기준량에 0, 0.5, 1과 2배 처리하여 80일간 재배하였을 때 누적 암모니아 휘산량이 0.9, 9.7, 39.3, 75.3 kg ha^-1으로 비료 시용 유무 및 시용량에 따른 암모니아 휘산량을 보고 하였던 것과 같은 경향으로 나타났다 (Lee et al., 2022; An et al., 2023).

Fig. 3.

Cumulative ammonia volatilization (A) and cumulative nitrous oxide emission (B). *OC, onion cultivation; BL, bare land.

나지의 아산화질소 배출량은 양파재배구의 50% 이상으로 나타났는데 Thies et al. (2020)의 시험에서도 아산화질소 배출량이 요소처리구는 0.017 - 0.597 g ha^-1 h^-1와 무처리구는 0.02 - 0.43 g ha^-1 h^-1으로 비료처리의 차이가 적었던 것과 유사한 경향이다. 아르헨티나의 옥수수와 밀 재배에서 요소, 암모니아 비료와 복합 비료에 질산화 억제제를 혼합한 처리에서 아산화질소 배출보다 암모니아 휘산이 많았으며, 옥수수 재배에서는 질소의 휘산이 요소 비료에서 높았으나 밀 재배에서는 처리 간 차이가 없었다 (Vangeli et al., 2022). 이는 본 시험에서도 암모니아 휘산량이 아산화질소 휘산량보다 많았던 것과 같은 경향으로 비료 시용에 따른 질소 휘산량이 양파재배구에서 높았으며, 밑거름과 2차 웃거름 시기보다 1차 웃거름 시기에는 질소 휘산량이 낮았던 것은 토양수분, 온도 등의 환경조건이 토양 미생물 등의 활동에 영향이 있었을 것으로 생각된다.

환경요인과 질소 휘산과의 관계

대기 온습도, 토양의 온도, 토양수분함량과 질소 가스 휘산과의 상관을 분석한 결과, 암모니아 휘산은 토양 온도와 양의 상관이 나타났다 (Table 3). Lee et al. (2022)는 토양 수분함량이 증가되면 요소 분해가 촉진되어 암모니아 배출량이 증가함을 보고하였으며, 토양 공극 내 수분이 차지하는 비율이 47%정도에서는 요소 분해가 빠르게 일어나지만 59%이상에서는 오히려 NH₃ 휘산이 방해된다고 토양 수분과의 상관성을 보고하였다 (Pelster et al., 2019). 본 실험에서도 암모니아 발생량과 토양 수분함량은 양의 경향을 보였으나 유의한 상관은 나타나지 않았으며, 대기 습도와 유의한 양의 상관 (P < 0.05, r = 0.42)이 있었다. 이는 본 실험 포장의 토양수분이 재배 기간 동안 평균 18.3 - 21.0%으로 편차가 크지 않았으며, 시비 후 가스 발생량이 많았던 3주동안에 강우량이 많지 않아 토양 수분이 암모니아 발생에 많은 영향을 미치지 않았던 것으로 생각된다.

토양 온도 또한 암모니아 휘산과 유의한 양의 상관 (P < 0.05, r = 0.49)을 보였는데, 이는 포도재배 시 요소와 가축분퇴비를 시용했을 때 토양 온도와 암모니아 가스 발생이 양의 상관이 있었던 것 (Moon et al,. 2021)과 같은 경향이다. 아산화질소 발생은 대기 및 토양 온도와 유의한 상관은 없었으나 앙파 재배기간 동안 음의 경향을 보였다. 유사 연구 사례에 의하면 봄에 요소 비료 처리 후 아산화질소 발생을 계절별로 모니터링 한 결과 봄에는 온도와 음의 상관, 가을은 온도와 양의 상관을 나타냈는데, 특히 초봄의 낮은 온도에서 곰팡이에 의한 glomalin의 생성이 촉진되어 토양 입단 형성에 따라 산소 확산이 제한되며, 혐기적 조건에서 탈질화에 의한 아산화질소 발생이 일어난다고 하였다 (Thies et al., 2020; Han et al., 2023).

양파 재배 기간 동안 환경 중으로 손실된 질소량을 비교해보면, 대기로 휘산되는 질소 형태 중 N₂는 대기 중 농도가 매우 높아 측정이 어렵기 때문에 본 연구에서는 측정 할 수 없었으나, 질소 탈질화 과정 중 생성되는 N₂O와 NH₃ 휘산량을 비교했을 때 질소비료 사용량의 약 9.2%에 해당하였다. 시험 기간 동안 유거수가 발생하지 않아 유거에 의한 질소 손실을 측정할 수 없었으나, 질소 비료의 약0.4%는 지하 유출로 손실되었고, 작물 흡수량은 130.7 kg ha^-1로 50.4%는 작물이 이용하였다. 양파 수확 전, 후 토양의 표토 중 총 질소 함량은 0.1 g kg^-1이 증가하여 일부 측정하지 못한 질소를 제외하고 나머지 질소는 토양 중에 남아있다고 볼 수 있었다. 양파 재배 시험구와 동일 시기에 나지 토양의 총 질소 함량을 비교한 결과 0.3 g kg^-1이 감소하였고, 앞서 언급한 바와 같이 비경작지에도 아산화질소와 암모니아질소의 대기 휘산과 지하 유출이 일어났다. 질소는 지속적으로 대기와 수계로 순환하기 때문에 경작지에서는 과다한 질소 비료 사용을 유의해야 하며, 비경작지에도 질소가 환경 중으로 손실되지 않도록 관리할 필요가 있었다.

Conclusions

라이시미터를 이용하여 양파 재배 시 질소의 대기, 지하 이동에 대한 정량적 분석을 통해 비료의 양, 비료 주는 시기의 대기 습도, 토양 온도 등 환경적 특성이 질소의 이동에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 적정량의 질소비료를 사용했을 때 9.2%가 대기로 이동하고, 0.4%가 지하로 유출되었다. 작물을 재배하지 않는 나지 상태에서도 토양의 질소 함량이 감소하고, 아산화질소와 암모니아질소의 대기 휘산과 지하 유출이 일어나 지속적으로 대기와 수계로 이동하는 것을 알 수 있었다. 따라서 질소비료 사용에 따른 온실가스 직접배출량을 최소화하기 위해서는 적정량의 질소비료를 사용하는 것이 중요하며, 동계기간에도 본 연구의 나지 토양과 같이 환경 중으로 질소의 손실이 일어나므로 농경지에 질소가 집적되지 않도록 관리할 필요가 있다고 판단된다.