Introduction
Materials and Methods
시료 채취 및 토양 특성
컬럼 실험
포트 재배 실험
생육조사 및 분석
Results and Discussion
킬레이트제 처리에 따른 침출액의 화학적 특성 변화
포트실험에서 킬레이트제 처리에 따른 토양 이온의 변화 및 생육량
Conclusions
Introduction
토양 또는 토양용액에 잔류하는 양분은 식물에 의해 흡수된 후, 토양 중에 남거나 용탈된다 (Kim et al., 2010). 하지만 외부환경과 차단된 시설재배지의 경우, 강우에 의한 양분용탈의 효과는 미비하며 시설재배지 내부의 높은 온도로 인하여 수분이 증발하여 토양 공극을 타고 토양 내 염류가 지하수분과 함께 상승되어 염류 집적 현상이 발생 한다 (Kim et al., 1997). 현재 우리나라 전국의 시설재배지 면적은 2023년 기준 83,037 ha 이상으로 1979년 대비 약 16.6배 이상 증가하였다. 농업분야에서 비료는 작물의 성장을 촉진하고 생산성을 향상시키기 위해 토양 또는 작물에 공급되는 영양 물질이며 (Lee et al., 2023), 현재 시설재배지에서는 경작 특성상 좁은 공간에서 집약적으로 많은 생산량을 내야하며, 비료의 적정 사용이 필요함에도 불구하고 과도한 사용과 오랜기간 동안의 연작이 불가피한 실정이다. 이에 따라 현재 시설재배지의 55 - 61%에서 염류집적 문제가 일어난 것으로 보고된 바 있다 (Park, 2004).
염류 집적에 대한 대표적인 해결 방안으로 객토 및 심토반전 (Jun et al., 2002), 담수 제염 (Kim et al., 2010), 녹비작물 재배 (Kang et al., 2009), 바이오차 투입 (Kim et al., 2022), 윤작 (Byeon and Chung, 2015) 등의 다양한 방안이 제시되고 있다. 또한 토양 중 양이온과 킬레이트가 결합하여 작물이 잘 흡수할 수 있도록 도와주거나 불용화된 양분을 용출시키는 킬레이트제를 이용하여 토양 중의 양분을 활용하는 기술이 시설재배지에 작물의 염류 집적 문제를 해결하는 방법으로 개발되었다 (Kim et al., 2013; Lee et al., 2019). 또한 현재는 비료와 혼합사용하여 비료사용량을 효율적으로 줄일수 있는 방법도 연구되고 있다 (Kim et al., 2023). 이러한 킬레이트제는 금속 양이온과 안정한 형태의 착물을 형성할 수 있어서 금속 양이온의 활성을 감소시키고 집적양분의 유효도를 효율적으로 향상시킬 수 있다 (Kabogo et al., 2024). 대표적인 킬레이트제로 합성 킬레이트제에는 DTPA (diethylenetriamine pentaacetic acid, EDTA (ethylenediamine tetraacetic aicd), EDDS (ethylendiamine-N,N’-disuccinate) 등이 있으며 (Kim et al., 2012; Kim et al., 2022), 천연 킬레이트제로 humic acid (HA)가 있다 (Kalaichelvi et al., 2006).
킬레이트제를 이용한 염류집적 해결 방안의 장점은 작물을 재배하면서 염류제거가 가능하며, 또한 관주 방식으로 편리하면서도 수확량이 증대된다는 장점이 있다. 그러나 합성 킬레이트제는 처리시 흡입과 피부접촉의 위험성을 지니며 유기농업에 사용이 불가능하고, 과다 사용시 작물의 고사 (Berg, 2004) 등의 부작용이 발생할 수 있다는 단점이 있다. 반면 천연 킬레이트제인 humic acid (HA)는 양이온 금속과 결합하여 복합체를 형성하는 능력을 가지고 있어 토양에서 식물로 미량 영양소를 전달 (Madhupriyaa et al., 2024), 토양과 물에서 중금속을 제거 (Kabogo et al., 2024), 금속 촉매 작용에 의한 라디칼 형성을 억제 (Rice-Evans et al., 1997), 금속 나노 입자를 환원하고 안정화 (Litvin and Minaev, 2013) 등 다양한 응용 분야에서 유용하게 사용된다. 따라서 킬레이트제 처리기술은 축적양분의 재활용 기술로 농가환경에 맞는 킬레이트제를 활용하여 토양 중에 많이 축적된 염들을 용탈하게 함으로써 식물이 흡수하거나 제거하여 영양에도 도움을 주고 건강한 토양으로의 복원 효과를 기대할 수 있다.
이에 따라 본 연구의 목적은 합성 킬레이트제인 EDTA와 DTPA, 천연 킬레이트제인 HA의 처리가 토양에서의 축적된 염을 킬레이트제를 이용해 작물이 이용할 수 있는 형태로 바꾸거나 용탈시킴으로써 염류제거와 이에 따른 작물 생육에 미치는 영향에 대하여 연구하는 것이다.
Materials and Methods
시료 채취 및 토양 특성
토양 시료는 충남대학교 농업생명과학대학 부설농장에 위치한 시설하우스 (36°22'04"N 127°21'20"E) 토양을 채취하여 사용하였다. 토양시료 채취는 토양 시료 채취기 (Hand auger)를 이용하여 유기물층 (O층)을 제거한 표토 (0 - 30 cm)를 채취하였으며 해당 시설하우스에서 격자식으로 지점을 선정하여 시료를 채취한 후에 하나의 토양시료로 조제하여 사용하였다. 실험 전 토양의 경우 전기전도도 (EC)는 희석배수 5를 곱하여 약 24 dS m-1였으며, 토양의 양이온교환용량 (CEC)는 22.6 cmolc kg-1이었고, Ca, K, Mg, Na 등의 양이온 함량은 각각 9.50, 1.30, 9.18, 2.06 cmolc kg-1으로 일반 농경지 토양의 EC와 양이온 함량의 범위를 초과하는 것으로 나타났다 (Table 1).
Table 1.
Physicochemical properties of soil used for column leaching and plant cultivation experiment.
컬럼 실험
킬레이트제의 이온 용출 능력을 평가하기 위하여 연속 주입식 컬럼실험을 진행하였다. 컬럼은 원통형의 아크릴 (Diameter: 4 cm × Height: 35 cm)로 제작하였다. 모든 컬럼은 2 mm체를 통과한 토양 30 cm를 충진 하였으며, 이때, 컬럼 안 토양의 밀도는 약 1.22 g cm-3이었다. 최 하단부와 상단부에 sea sand를 2 cm 충진 하여 토양의 패임과 유실을 방지하였다 (Fig. 1).
실험에 사용한 킬레이트제 (EDTA, DTPA, HA)는 0.5 mM, 1 mM, 2 mM의 농도로 물과 희석하여 사용하였고, 연동펌프 (MFLX07528-30 DRIVE MFLEX L/S 100RPM, MasterFlex, Cole Parmer, USA)를 이용하여 0.2 mL min-1의 유속으로 주입하였으며, pore volume (PV)의 측정은 컬럼을 통과한 용액이 컬럼을 통과하여 수거되는 시점으로 하였으며, 이때 체류한 시간을 수리학적체류시간 (hydraulic retention time, HRT)으로 하였다 (Table 2). 연속 주입으로 용출되는 시료의 수거는 PV의 양을 기준으로 채취하였으며, 각 컬럼을 통과한 용출액은 10 PV까지 수거하였다. 수거한 용출액은 즉시 용액중의 pH와 EC를 측정하였고, ICP-OES (Optima 3200XL, Perkin Elmer, Waltham, MA, USA)를 사용하여 양이온 (Ca, K, Mg, Na, Fe), Ion Chromatography (DIONEX AQUION, thermo scientific, Sunnyvale, Mexico)를 이용하여 NO3을 측정하였다.
Table 2.
Experimental conditions for column experiment.
| Leaching method |
Material of column |
Size of column (H × D, cm) | Flow late |
Hydraulic retention time |
Pore volume |
| Top-down | Acrylic | 35 cm × 4 cm | 0.2 ml min-1 | 13 hour | 144 ml |
포트 재배 실험
킬레이트제 종류에 따른 작물의 생육과 토양 유효 양분에 미치는 영향을 평가하기 위해 포트규모의 재배실험을 실시하였다 (Fig. 2). 재배 작물은 염에 약한 작물인 상추 (Lactuca saiva, 청치마)를 선정하였다. 토양은 컬럼실험에 사용한 것과 동일한 토양을 사용하였고, 처리구는 물만 처리한 대조구와 킬레이트제 (EDTA, DTPA, HA)를 각각 0.5, 1, 2 mM로 처리한 처리구를 포함하여 총 10개 처리구를 구성하였으며 3반복으로 실시하였다. 각 처리구는 현애분 8호 (외경: 275 mm, 내경: 218 mm, 높이: 248 mm) 포트에 토양 5 kg을 넣어 제작하였다. 이때, 포트 토양의 토양밀도는 약 0.91 g cm-3이었다. 정식 하루 전 각 농도별로 킬레이트제를 관주하였으며, 정식 후 1주일 간격으로 1회씩, 총 4주간 처리하였다. 또한, 정식 후 관주한 직후에 토양용액 채취기 (rhizon soil moisture sampler, Rhizosphere, Wageningen, Netherlands)를 이용하여 1주일 간격으로 포트내의 토양용액을 4주 동안 총 4회 채취하였다. 수확은 30일차에 진행하였으며, 토양은 킬레이트제를 처리하기 전과 생육 이후에 수확하는 시기에 채취하였다.
생육조사 및 분석
킬레이트제의 종류별로 상추의 생육을 조사하기 위해 정식 이후, 30일차에 생중량을 측정하였다. 토양의 유효 양분을 평가하기 위해 포트재배 후 토양을 채취하였고, 채취한 토양은 음지에서 풍건하여 2 mm체를 통과하도록 한 후 토양 분석 시료로 사용하였다. 토양의 pH와 전기전도도 (EC)는 토양 시료와 증류수를 1:5 (w/v) 비율로 혼합한 후, 150 rpm에서 30분간 진탕한 다음, pH 미터 (Orion StarTM A111, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)와 EC 미터 (SevenCompactTM Conductivity Meter S230, Mettler Toledo, Columbus, OH, USA)를 사용하여 측정하였다. 토양 유기물 함량은 Walkley & black법을 사용하고, 유효인산 함량은 Bray No.1 방법을 통해 추출한 후, UV-Vis 분광광도계 (Uvmini-1240, Shimadzu, Kyoto, Japan)를 사용하여 비색 정량 분석을 실시하였다. 양이온 치환 용량 (CEC)은 1.0N NH4OAc (pH 7.0)으로 추출한 후, ICP-OES (Optima 3200XL, Perkin Elmer, Waltham, MA, USA)로 측정하였고, 토성은 비중계법 (Hydrometer Method)을 이용하였다. 채취한 토양용액은 ICP-OES (Optima 3200XL, Perkin Elmer, Waltham, MA, USA)를 사용하여 양이온 (Ca, K, Mg, Na, Fe), Ion Chromatography (DIONEX AQUION, thermo scientific, Sunnyvale, Mexico)를 이용하여 음이온 NO3을 측정하였다.
Results and Discussion
킬레이트제 처리에 따른 침출액의 화학적 특성 변화
킬레이트제 처리에 따른 침출액의 화학적 특성 변화를 확인하기 위해 시간에 따른 침출액의 pH와 EC, 양이온, 음이온을 모니터링 하였으며 결과는 Fig. 3에 나타내었다. 컬럼실험에 사용한 킬레이트제의 pH와 EC는 Table 3과 같으며, 수거된 침출액의 pH (Fig. 3a)의 경우 1PV에서 5.81 - 6.33의 범위로 나타났지만 2PV부터 평균 7.37의 값을 나타내었다. 이는 산성 성분 (ex: H+)이 침출되고 염기성 양이온이 토양 용액으로 방출되어 산도를 중화시키고 pH를 높이기 때문으로 판단된다. 하지만 킬레이트제의 종류별, 농도별로 유의한 차이는 보이지 않았으며 DTPA는 산성물질이지만 토양의 완충능력으로 토양의 pH는 거의 변화가 없었다 (Lee et al., 2019). 전기전도도 (Fig. 3b)의 경우, 모든 처리구에서 49.20 - 52.40 dS m-1로 초기 값이 높았지만 2PV부터 급격 하게 낮아져 점점 감소하는 경향을 보이다가 안정화되어 0.2 - 0.5 dS m-1 수준을 유지하는 것으로 나타났으며, 통계적으로 유의한 차이를 보이진 않았다. 이는 pH의 경향과 유사하게 컬럼내 토양의 함유된 이온들이 킬레이트제에 의해 용탈되어 나오기 때문으로 판단된다 (Kim et al., 1995; Yoo et al., 2005).
Table 3.
Characteristics by concentration of chelating agent solutions.
Fig. 3c는 양이온 모니터링 결과이다. 대조구 대비 EDTA와 DTPA에서 처리농도가 증가할수록 침출액에서 양이온의 양이 증가하였다. 두 킬레이트제 모두 대조구 대비 1 mM의 농도에서는 약 7%, 2 mM에서는 약 15%정도가 증가하였다. 이는 킬레이트제의 영향으로 인하여 물만 처리한 대조구보다 토양 내의 양이온들이 추가적으로 반응 (결합)하여 농도가 증가하였다고 판단하였다. 이러한 결과로 1 PV부터 10 PV까지 양이온의 총합 (Fe, Mg, Ca, Na, K)에서 대조구 대비 킬레이트제 처리 농도가 높을수록 최대 16% 증가하였으며, 이는 물에 용해되는 수용성 양분의 유효도가 높아졌다고 볼 수 있다 (Kim et al., 2012). 특히 EDTA와 DTPA는 대조구와 HA보다 Fe과의 반응성이 좋은 것으로 나타났다. 이는 EDTA와 DTPA의 킬레이트 작용과 킬레이트제 용액의 pH가 2 - 4 정도의 산성을 띄기 때문에 Fe의 용해도가 올라간 것으로 판단된다.
NO3- 모니터링 결과는 Fig. 3d에 나타내었다. 대조구 대비 EDTA 처리구에서는 0.4 - 13%, DTPA에서는 8 - 13%, HA에서는 9 - 17%의 증가률을 보여 HA처리구에서 가장 높은 유출을 나타냈다. HA의 경우 NO3-에 대한 이온 용출력이 더 높은 것으로 나타났다. 선행연구에 따르면 HA는 식물의 NO3-흡수를 증가시킨다 (Tavares et al., 2019). 또한 HA입자는 NO3-에 대해 비교적 높은 친화력을 가지며, NO3 이온이 용해된 HA 뿐만 아니라 주로 고체 HA 입자에 결합하고, 두 개의 흡착 사이트가 있어 HA가 NO3-와 결합하여 NO3-대한 추출력이 높은 것으로 판단된다 (Klučáková, 2010).
포트실험에서 킬레이트제 처리에 따른 토양 이온의 변화 및 생육량
포트 토양 내 용액의 이온 변화를 확인하기 위해 킬레이트제를 관주한 직후에 토양용액 채취기를 이용하여 토양용액의 pH, EC, 양이온, 음이온을 4주간 모니터링하였다 (Fig. 4). 4주 동안의 토양 용액의 처리구별 평균 pH와 EC는 통계적으로 유의하지 않았다. 양이온 (Na, Ca, Mg, K)의 총합은 대조구에 비하여 모든 처리구에서 증가하였다. 0.5 mM, 1 mM DTPA에서 가장 높게 나타났으며, 대조구 대비 각각 58.9%, 54.3% 증가하였다. 나머지 처리구들에서는 약 10 - 39%의 증가율을 보였다. 토양 용액의 용출된 NO3-N은 0.5 mM HA에서 대조구 대비 약 120%가 증가하였으며, 각 킬레이트제 별로는 1 mM DTPA에서 약 78%, 0.5 mM EDTA에서 약 37%가 증가하였다. 컬럼실험과 동일하게 킬레이트제의 NO3-N의 추출력은 HA에서 높은 능력을 보였으나, 킬레이트제의 농도가 높아질수록 반드시 이온의 추출력이 증가하는 것인 아닌 것으로 확인되었다. 선행연구에서도 EDDS와 같은 킬레이트제의 특성에 따라 추출력이 다른 것으로 나타났다 (Kim et al., 2022).
상추 재배 후 채취한 토양의 화학성은 Table 4에 나타내었다. 수확 후 토양의 pH는 실험 전 토양보다 대부분의 처리구에서 증가하여 6.16 - 6.49의 범위였으며, 통계적으로 유의한 차이는 없었다. EC는 C > EDTA > HA > DTPA의 순서로 나타났고, 상추는 2 mM DTPA 처리구에서 가장 낮은 3.63 dS m-1의 값을 보였다. 이는 킬레이트제의 영향으로 염류를 대조구보다 많이 용탈 시킨 것으로 판단된다.
또한 모든 처리구에서 대조구 대비 유효인산이 증가하였으며, HA 처리구에 15 - 33%로 가장 높은 증가율을 보였고, 그 다음으로 EDTA에서 19 - 23%, DTPA에서 12 - 17%의 순으로 높은 증가율을 보였다. 이는 킬레이트제가 금속 이온과 결합하여 인산염과 불용성 복합체를 형성하는 것을 방지하여 인산의 유효도를 상승시킨 것으로 판단된다. 양이온의 경우, 대조구와 통계적으로 유의미한 차이가 없었지만 NO3-에서 0.5 mM DTPA, 2 mM DTPA에서 대조구보다 낮은 함량을 보였다. 이는 용탈로 인하여 토양에 잔존하는 NO3-가 감소한 것으로 판단된다.
생중량은 식물 내의 수분 함량이 포함되는 중요한 성장 지표로서, 건강하고 잘 자란 식물은 더 많은 물을 함유하며 이는 적절한 영양 섭취, 수분 공급 및 대사 기능의 영향을 확인할 수 있는 성장 지표이다. 따라서 상추의 생중량을 기준으로 각 킬레이트제의 최적 투입량은 0.5 mM EDTA, 0.5 mM DTPA, 1 mM HA이며 이때 상추의 생중량은 각각 3.17, 4.13, 3.36 g으로 조사되었다 (Fig. 5). 대조구 대비 생중량이 증가한 이유는 수확 후 토양에서의 유효인산의 증가와 NO3-의 감소를 보았을때, 킬레이트제의 영향으로 양분이 식물이 이용할 수 있는 형태로 바뀌거나 용탈되어 제거되었기 때문에 증가한 것으로 판단된다. 킬레이트제는 임계농도 이상에서는 식물에 시들음증, 괴사를 일으키는 독성이 유발되어 생육이 억제된다는 보고가 있다 (Jeffreys and Wallace, 1968), EDTA의 경우 1 mM이 초과할 경우 시들음증과 식물 고사와 같은 식물독성이 나타났으며 (Vassil et al., 1998). DTPA 또한 1 mM 이상의 농도에서는 생육량이 억제되는 것으로 보고되었다 (Kim et al., 2012).
선행연구의 연구결과와 마찬가지로 본 연구에서도 EDTA와 DTPA의 농도가 0.5 mM을 초과하고 HA의 농도가 1 mM을 초과하였을 때 상추의 생육이 저해되는 것을 관찰하였다. 따라서 킬레이트제를 활용하여 토양의 염류 용탈로 인한 제거시 적정 농도를 투입하는 것이 중요할 것으로 판단되었다.
Table 4.
Soil chemical properties after harvesting Lactuca sativa.
Conclusions
컬럼실험을 통해 염류가 높은 시설재배지 토양에 EDTA, DTPA, Humic Acid의 킬레이트제를 처리하여 염류 제거 효율을 평가한 결과 대조구에 비해 양이온과 음이온의 추출효율이 각각 7 - 16%, 11 - 18% 향상됨을 확인하였다. 이는 킬레이트제의 특성에 따라 Fe, Mg, Ca 등과 같은 양이온과 결합하여 용해도와 이동성을 증가시켜 토양 용액에서의 가용성을 향상시키기 때문이다. 또한 킬레이트제를 처리한 토양에서 상추를 재배한 결과 킬레이트제 처리시 EDTA, DTPA는 0.5 mM, HA는 1 mM의 농도가 생중량이 가장 좋았기 때문에 최적의 농도로 판단되며 최적 농도를 초과할 경우 작물 생장에 악영향을 미침을 확인하였다. 본 연구를 통해 킬레이트제가 시설 재배 및 농업환경에서 염류집적 토양의 염류제거를 통한 이온 균형관리를 최적화하는데 있어서 잠재적인 유용한 역할을 할 수 있음을 평가하였다.
