Introduction
Materials and Methods
시험 포장 및 재배 관리
암모니아 배출량 측정
아산화질소 배출량 계산
작물 수량 조사 및 질소 이용 지표 계산
질소 수지 평가
통계분석
Results and discussion
질소 투입 수준에 따른 NH3 배출 특성
질소 투입 수준에 따른 N2O 배출 특성
질소 투입 수준에 따른 작물 수확량 및 질소 이용 효율
질소 투입 수준에 따른 질소 동태 특성
Conclusion
Introduction
질소 (N)는 작물의 생장과 수량 증대에 필수 양분으로, 농업 생산성 확보에 핵심적인 역할을 한다. 그러나 안정적 생산을 위해 관행적으로 비료가 과잉 시비되는 경향이 있으며, 실제로 2023년 기준 우리나라의 질소 비료 사용량은 경지면적당 14 kg N 10a-1로 세계 평균인 6.8 kg N 10a-1 대비 약 두 배에 달한다 (FAOSTAT, 2025). 이처럼 과잉 투입된 질소는 토양 내에서 미생물에 의해 무기화 및 질산화 과정을 거친 후, 암모니아 (NH3) 형태로 휘산되거나, 탈질 과정 중 아산화질소 (N2O)로 배출되며, 질산염 (NO3-)으로 전환된 후에는 강우나 관개수에 의해 용탈 또는 표면 유출되는 등 다양한 경로를 통해 환경 중으로 손실된다 (Sainju, 2017; Kim et al., 2025). 특히 아산화질소는 지구온난화지수가 이산화탄소 (CO2)보다 273배 이상 높은 강력한 온실가스로, 국제적으로 지속적인 관리 및 감축 대상으로 간주된다 (IPCC, 2023). 최근 전 세계적으로 기후변화 대응을 위한 국가적 책무가 강조됨에 따라, 우리나라는 2050년 탄소중립 선언과 함께 2030 국가온실가스감축목표 (NDC)를 수립하여 부문별 온실가스 감축 전략을 추진하고 있다 (ME, 2020; MAFRA, 2023). 이러한 감축 목표가 실효성을 갖기 위해서는, 단순한 비료 감축량 제안을 넘어 현장 수준에서 질소 투입량 변화에 따른 손실 및 흡수 반응에 대한 구체적인 이해가 병행될 필요가 있다.
질소 투입 수준에 따른 반응 특성을 다룬 연구들이 보고되어 왔다. Shcherbak et al. (2014)은 메타분석을 통해 N2O 배출이 투입량 증가에 비선형적으로 반응하며, 고투입구에서 배출계수가 지수적으로 상승하는 경향을 제시하였다. Pan et al. (2016)은 시비량 증가가 NH3 휘산량 증가로 직접 이어지며, 일정 수준 이후에는 작물 흡수량보다 손실량 증가 폭이 더 크게 나타날 수 있음을 보고하였다. Wang et al. (2019) 또한 전 세계 밭작물 데이터를 분석한 결과, NO3--N 용탈량이 시비량 증가에 따라 선형 또는 지수적으로 증가하는 반응을 보인다고 확인하였다. 이러한 현상은 An et al. (2024)이 제시한 과잉 시비 구간에서의 NUE (Nitrogen Use Efficiency) 감소 경향과도 연결되며 Zhao et al. (2019) 또한 임계 투입량을 초과하면 흡수량 대비 손실 비율이 증가함을 확인하였다. 이러한 선행연구들은 단순 투입량보다, 투입된 질소가 작물 흡수와 손실 경로 간 어떻게 분배되는지를 함께 평가할 필요성을 시사한다. Gibbons et al. (2014)에 따르면 토양 분석을 기반으로 검정시비량을 처방하여 필요한 양에 맞게 질소를 시비하는 것이 가능하다고 제안하였다. 국내에서도 작물별 비료사용처방서 (NAS, 2022)를 시행하고 있으나, 검정시비량 적용에 따른 경로별 질소손실을 종합적으로 평가한 연구는 부족한 실정이다.
이에 본 연구는 다양한 질소 투입 수준 (0, 228, 342, 456 kg ha-1)에 따른 고추 밭의 질소 동태를 정량적으로 분석하고, 대기 (NH3, N2O) 및 수계로의 손실, 작물 흡수를 포함한 질소 흐름 구조를 종합적으로 파악하고자 하였다. 이를 통해 질소 투입 수준에 따른 손실 특성과 이용 효율의 변화를 제시함으로써, 고추 재배 시스템에서의 질소 관리 범위 설정에 활용 가능한 기초자료를 제공하는 것을 목적으로 하였다.
Materials and Methods
시험 포장 및 재배 관리
본 연구는 전라북도 완주군 이서면 소재 국립농업과학원 내 밭 포장에서 진행되었다. 고추 (Capsicum annuum L.)의 품종은 칼라탄 (Calatan)을 사용하였으며, 2024년 5월 2일에 정식하여 9월 3일에 수확하였다. 비료 투입량은 작물 별 비료사용처방 (NAS, 2022)의 검정시비량을 기준 (N-P2O5-K2O=22.8-24.7-29.0 kg 10a-1)으로 하였으며, 질소원으로는 요소 (Urea, 46% N)를 사용하였으며, 인(P)과 칼륨(K)은 각각 용성인비와 염화칼리 비료를 사용하여 공급하였다. 질소 투입량은 0 (N 0), 228 (N 1.0), 342 (N 1.5), 45.6 (N 2.0) kg ha-1로 처리하였다. 기비 투입은 2024년 4월 19일에 실시하였으며, 질소 및 칼륨 웃거름은 2024년 5월 31일, 6월 28일, 7월 29일에 총 투입량의 15%씩, 세 차례 나누어 시용하였다. 실험은 각 처리당 3반복으로 총 12개 시험구로 구성되었으며, 각 시험구 면적은 110 m2였다. 반복구는 동일 포장 내에서 연속 배치하였으며, 정식 전 전면 흑색 비닐 멀칭을 실시하였다. 고추 정식 간격은 관행 재배 기준을 적용하여 조간 약 120 cm, 주간 약 35 cm로 유지하였다. 정식 시 1회 관수를 실시하였으며, 이후 재배 기간 동안 충분한 강수가 지속되어 추가적인 관수는 수행하지 않았다. 본 실험에서는 멀칭 및 정식이 완료된 이후인 5월 8일부터 토양 시료 채취와 가스 포집을 개시하였다. 이 때의 초기 토양의 이화학적 특성은 Table 1에 나타내었다. 재배기간 동안의 기온 및 강수량은 Fig. 1에 나타내었으며, 평균 기온은 25.6°C, 평균 강수량은 12.6 mm였다.
Table 1
Initial soil physicochemical properties.
| Treatment | pH |
EC (ds m-1) |
Organic matter (g kg-1) |
Total C (g kg-1) |
Total N (g kg-1) |
Available P2O5 (g kg-1) |
| N 0 | 6.09 c1 | 1.41 c | 6.42 b | 3.72 b | 0.52 c | 0.28 b |
| N 1.0 | 5.85 d | 2.37 b | 5.76 b | 3.34 b | 0.76 b | 0.26 b |
| N 1.5 | 7.09 a | 2.46 b | 6.01 b | 3.49 b | 0.99 a | 0.26 b |
| N 2.0 | 6.99 b | 2.57 a | 9.24 a | 5.36 a | 0.96 a | 0.32 a |
암모니아 배출량 측정
재배기간 동안 밭에서 배출된 암모니아는 정적 챔버 (Static chamber)법을 통해 측정하였다 (Wang et al., 2004). 챔버는 높이 30 cm, 직경 13 cm의 원통형으로, 내부에는 1 M 인산 (H3PO4) 용액과 4% 글리세롤 용액을 1:1로 혼합한 용액에 적신 원형 폴리우레탄 (polyurethane) 스펀지 2개를 상단과 하단에 각각 위치시켰다. 상단 스펀지를 통해 외부 대기 중 암모니아의 유입을 차단하였고, 하부 스펀지로 토양에서 배출된 암모니아를 포집하였다. 스펀지 교체는 매주 1회 실시하였다. 스펀지에 포집된 암모니아는 2 M 염화칼륨 (KCl) 150 mL를 주입하여 스펀지가 완전히 침지된 상태에서 침출하였다. 침출액의 부피는 매 분석마다 개별적으로 계측하여 배출량 산정에 사용하였다. 침출액의 암모니아 농도는 자동 이온분석기 (San++, Skalar, Netherlands)를 통해 측정하였다. 일일 암모니아 배출량은 측정된 암모니아 농도를 다음 식을 통해 환산하여 단위면적당 배출량으로 계산하였다 (Eq. 1).
여기에서 ENH3는 일일 암모니아 배출량 (kg NH3 ha-1 day-1)이며, C는 침출액의 암모니아 농도 (mg L-1), V는 침출액의 부피 (L), A는 챔버의 단면적 (m-2)이고, D는 가스채취 날짜 간격 (day)을 나타낸다.
아산화질소 배출량 계산
아산화질소 배출량은 정적 폐쇄 챔버 (closed chamber)법을 이용하여 측정하였다 (Denmead, 1979). 챔버는 직경 25 cm, 높이 50 cm의 원통형 구조로 제작하였으며, 각 처리구 토양 15 cm 깊이로 밀폐 설치하였다. 가스 포집은 7일 간격으로 오전 10시부터 30분간 실시하였다 (NIAES, 2015). 챔버 내부 공기는 3way-스톱콕 (stopcock)이 부착된 주사기를 이용해 포집하였으며, 가스크로마토그래피 (7890B, Agilent Technologies, USA)를 통해 농도를 분석하였다. 아산화질소 배출량은 다음 식을 이용해 계산하였다 (Eq. 2).
여기에서 EN2O는 일일 N2O 배출량 (kg N2O ha-1 day-1)이며, Fi는 i번째 측정 시점에서의 단위 면적 및 시간당 아산화질소 배출량 (mg N2O m-2 h-1), Di는 가스채취 날짜 간격 (day)를 나타낸다.
이때, 단위 면적 및 시간당 N2O 배출량 (FN2O)는 Eq. 3을 통해 계산하였다.
여기에서 F는 단위 면적 및 시간당 N2O 배출량 (mg N2O m-2 h-1)이며, ρ는 아산화질소 밀도 (mg m-3)이고, V와 A는 각각 챔버의 부피 (m3) 및 단면적 (m2)이며, ∆c/∆t는 챔버 내 가스농도의 평균 증가 속도 (uL L-1 h-1)이고, T는 챔버내 평균 온도 (°C)이다.
작물 수량 조사 및 질소 이용 지표 계산
고추 수량 조사는 수확기에 2주 간격으로 3회 수확하여 생체중을 농촌진흥청 연구조사분석기준 (RDA, 2012)에 준하여 조사하였다. 고추 최종 수확 조사 시 처리구당 10주를 대상으로 뿌리, 줄기, 잎, 열매에 대해서 시료를 채취하여 생체중을 조사하였다. 이후, 각 부위는 70°C에서 48시간 건조한 뒤 정밀 저울로 건조 중량을 측정하여 조사 개체 수와 식재 밀도를 고려하여 단위면적당 부위별 건물중량 (t ha-1)으로 환산하였다. 건조된 각 부위의 시료는 분쇄 후 토양 및 식물체 분석법 (NIAST, 2000)에 준하여 원소분석기 (Vario MAX cube, Elementar, Germany)를 이용해 질소 함량을 측정하였다.
질소 투입량에 따른 작물의 질소 이용 특성을 비교하고자 질소회수율 (REN, Recovery efficiency of N)을 계산하였다. 질소 회수율은 뿌리, 잎, 줄기, 열매를 포함한 작물 전체의 질소 흡수 비율에 대하여 평가하였다 (Eq. 4) (Ma et al., 2022).
여기서, Napplied는 투입된 질소량 (kg N ha-1), NT는 질소 처리구에서 작물에 흡수된 질소량 (kg N ha-1), NC는 무처리구에서 작물에 흡수된 질소량 (kg N ha-1)을 나타낸다.
질소 수지 평가
질소 수지 (ΔN)는 각 처리구에서의 질소 투입량에서 작물 내 축적량, 암모니아 휘산, 아산화질소 배출, 용탈 추정량을 차감하여 산정하였다 (Eq. 5).
여기서, Napplied는 투입된 질소량 (kg N ha-1), NP는 작물 내 질소 축적량 (kg N ha-1), NV는 암모니아로 휘산된 질소량 (kg NH3−N ha-1), ND는 아산화질소로 배출된 질소량 (kg N2O−N ha-1), NL은 용탈 질소 추정량 (kg NO3−N ha-1)을 나타낸다.
이때, 용탈 질소 추정량 (NL)은 시비 수준에 따른 용탈 특성을 반영하기 위해 Wang et al. (2019)이 제시한 경험식을 참고하여 산정하였다 (Eq. 6). 이 식은 여러 국가의 연구결과를 메타분석하여 시비량과 용탈 간의 관계를 경험적으로 제시한 것으로, 절대적 예측보다는 시비 수준에 따른 상대적 변화를 비교하기 위한 참고모델로 활용되었다. 본 연구에서는 이러한 특성을 고려하여, 각 처리 간 질소 수지 비교 시 보조지표로 적용하였다.
여기서, NL은 용탈 질소 추정량 (kg NO3−N ha-1), Napplied는 투입된 질소량 (kg N ha-1)을 나타낸다.
통계분석
각 처리구 간 유의성 검정을 위해 R 프로그램을 활용하여 분산분석 (ANOVA)을 수행하였고, 유의한 경우 Tukey의 HSD 검정을 통해 5% 유의수준에서 평균 간 비교를 실시하였다.
Results and discussion
질소 투입 수준에 따른 NH3 배출 특성
NH3 배출은 무비 처리구 (N 0)에서는 전 기간에 걸쳐 유의미한 배출이 관측되지 않았으나, 모든 질소 투입구에서는 정식 직후 NH3 배출량이 급격히 증가하였다 (Fig. 2a). N 1.5 및 N 2.0 처리구에서는 정식 후 6일 (DAT 6)에 각각 2.91 및 3.78 kg NH3 ha-1의 높은 배출량이 확인됐으나, N 1.0 처리구는 0.88 kg NH3 ha-1로 상대적으로 낮은 수준을 보였다.
이러한 차이는 적정량 투입 (N 1.0)의 경우, 작물 생장에 필요한 질소량만이 투입되어 토양 내 잔류 질소가 적은 반면, 과잉 투입 (N 1.5, N 2.0) 시 작물의 흡수량을 초과한 질소가 빠르게 가수분해되어 암모니아 형태로 휘산되었기 때문으로 판단된다 (Sigurdarson et al., 2018). 이후 모든 처리구에서의 NH3 배출은 점차 감소하였으며, 추비 시기 직후에는 투입된 질소의 분해로 인해 일시적인 배출 증가가 관측되었다 (Chuong et al., 2020).
고추 재배 기간 동안의 암모니아 총 배출량은 N 0, N 1.0, N 1.5, N 2.0 처리구에서 각각 0.97, 5.90, 11.87, 17.56 kg NH3 ha-1로 (Fig. 2b), 질소 투입량 증가에 따라 NH3 배출량이 유의하게 증가하였다 (p < 0.05). 이러한 경향은 질소 투입량이 많을수록 암모니아 휘산 손실이 증가한다는 선행연구 결과와 일치한다 (Pan et al., 2016).
질소 투입 수준에 따른 N2O 배출 특성
재배기간 중 N2O 배출이 무비구를 제외한 모든 질소 투입구에서 정식 후 20 - 40일 사이에 집중적으로 발생하였으며, 이후 급격히 감소하였다 (Fig. 3a). 해당 기간 동안의 누적 배출량은 N 1.0 N 1.5, N 2.0 처리구에서 각각 0.73, 2.18, 2.01 kg N2O ha-1로, N 1.5 처리구에서 가장 높은 배출량이 확인되었다. 또한, 추비가 수행된 시점 이후에 일시적인 배출 증가가 관찰되었으며, 이는 비료의 추가 투입으로 급증한 무기태 질소가 탈질 과정으로 전환되어 N2O 배출이 증가했기 때문이다 (Ma et al., 2015). 본 연구에서는 질소 투입 수준이 높을수록 N2O 배출량이 지속적으로 높았다고 보고한 선행연구 (Kim et al., 2014; Lee et al., 2014)와 다르게, 두 번째 추비 이전까지는 N 2.0보다 N 1.5에서 더 많은 N2O 배출이 발생하였다. 이는 과잉 질소 투입에 따른 탈질 미생물 억제에 의해 N2O 생성이 일시적으로 제한되었기 때문일 수 있다 (Verma and Sagar, 2020).
재배 기간 동안 발생한 총 N2O 배출량은 0.69, 3.99, 9.00, 9.92 kg N2O ha-1로 질소 투입량이 증가할수록 증가하는 경향을 보였다 (Fig. 3b). 이와 유사하게, Lee et al. (2014)은 질소를 0, 95, 190, 380 kg N2O−N ha-1 수준으로 투입한 실험에서 N2O 배출량이 각각 2.11, 3.17, 5.04, 7.23 kg N2O−N ha-1로, 질소 투입 수준과 N2O 배출량 간에 선형적인 관계가 있다고 보고하였다.
질소 투입 수준에 따른 작물 수확량 및 질소 이용 효율
질소 투입 수준에 따른 고추의 수확량, 질소 축적량 및 질소 이용 효율의 결과는 Table 2에 나타내었다. N 1.0 처리구의 수확량은 37.87 t ha-1로 가장 높았던 반면, N 1.5, N 2.0 처리구에서 각각 29.41, 15.61 t ha-1로 질소 투입 수준이 증가함에 따라 감소하였다. 이는 일정 수준 이상의 질소 투입이 오히려 수량 저하를 초래할 수 있음을 보여주며, Han et al. (2021)이 보고한 질소 투입 수준이 306.36 kg N ha-1 이상일 경우 오히려 고추의 수량이 감소한 결과와 일치한다.
작물 내 질소 회수율은 N 1.0 처리구에서 67.8%였던 것에 비해 N 1.5 및 N 2.0 처리구에서는 각각 28.7%, 7.0%로 감소하였다. 이에 질소 투입량이 일정 수준 이상을 초과할 경우 작물의 생육과 양분 흡수 효율이 동시에 저하될 수 있음이 확인되었다. Zhao et al. (2019) 또한 질소 투입 수준이 302 kg N ha-1 초과할 경우 작물의 질소 이용 효율과 생산성이 모두 저하된다고 보고하였다.
Table 2
Fresh weight, accumulated nitrogen content in different plant parts of red pepper and recovery efficiency of N under different nitrogen application levels.
| Treatment |
Root (t ha-1) |
Stem (t ha-1) |
Leaf (t ha-1) |
Fruit (t ha-1) |
Root (kg N ha-1) |
Stem (kg N ha-1) |
Leaf (kg N ha-1) |
Fruit (kg N ha-1) |
Total (kg N ha-1) |
REN % |
| N 0 | 0.15 b1 | 2.04 c | 1.47 b | 19.37 c | 1.78 c | 9.20 c | 10.03 b | 87.39 d | 108.41 d | |
| N 1.0 | 0.27 a | 5.3 a | 4.2 a | 37.87 a | 4.45 a | 25.17 a | 31.08 a | 202.23 a | 262.93 a | 67.8 |
| N 1.5 | 0.17 ab | 4.27 ab | 2.19 b | 29.41 b | 2.93 b | 20.59 ab | 20.85 a | 162.04 b | 206.42 b | 28.7 |
| N 2.0 | 0.15 b | 3.4 bc | 2.56 b | 15.61 c | 2.23 bc | 19.77 b | 27.10 a | 91.21 c | 140.31 c | 7.0 |
질소 투입 수준에 따른 질소 동태 특성
Table 3에 각 처리구의 질소 수지 결과를 정리하였다. N 1.0 처리구는 작물에 의한 질소 흡수량이 262.9 kg N ha-1로 전체 처리구 중 가장 높았으며, 암모니아 휘산, 아산화질소 배출, 용탈 추정치를 포함한 총 손실량은 29.5 kg N ha-1로 가장 낮았다. 이때 투입된 질소량 (228 kg N ha-1) 보다 높은 작물의 질소 흡수에 의해 ΔN 값이 -64.4 kg N ha-1로 나타났으며, 이는 토양 내 질소가 작물 생육에 활용되었음을 시사한다. 일반적으로, 질소 손실을 최소화하기 위해 질소 투입량은 토양 내 잔존 질소를 고려하여 작물의 요구량을 초과하지 않도록 산정한다 (Cui et al., 2008). 이러한 관점에서, N 1.0 처리구에서는 적정량의 질소가 투입되어 작물 생육은 증진되면서 손실은 줄은 것으로 판단된다. 반면, N 1.5 및 N 2.0 처리구에서는 투입량 증가에도 불구하고 흡수량이 각각 206.4 및 140.3 kg N ha-1로 감소하였고, 총 손실량은 각각 60.3 및 96.0 kg N ha-1로 크게 증가하였다. ΔN 값이 각각 75.3 및 219.6 kg N ha-1로, 질소 과잉 투입에 의해 작물에 흡수되지 못한 질소가 토양에 잔류했음을 시사한다 (Lei et al., 2025). 이러한 잔류 질소는 잠재적으로 하천 부영양화 등의 2차 손실로 이어질 수 있어 (Bi et al., 2023), 장기적으로는 과잉 처리구의 질소 손실량은 본 연구 결과보다 더 증가할 것으로 예상된다.
Table 3
Nitrogen balance under different N application levels in red pepper cultivation.
한편, 본 연구의 가스 배출 모니터링은 기비 후 약 2주가 경과한 시점에서 시작되었으며, 질소 투입량이 증가했음에도 N 1.5와 N 2.0 처리구의 토양 TN 함량이 유사하게 나타난 점 (Table 1)을 고려할 때, 시비 직후 단기간에 상당한 질소 손실이 발생했을 가능성이 있으며, 그 강도는 투입량이 높을수록 더 컸을 것으로 판단된다. 이는 시비 초기 단계의 휘산 및 탈질 반응이 관측에 포함되지 않아, 총 손실량이 다소 과소 추정되었을 가능성을 시사한다. 또한, 용탈에 의한 질소 손실량은 경험식을 기반으로 산정된 추정치로, 토양 물리성이나 강우 및 관개 조건이 직접적으로 반영되지 않았기 때문에 절대량의 정확도에는 한계가 존재한다.
그러나 본 연구 결과는 질소 투입량이 과잉될 경우 질소의 이용 효율이 급격히 저하되고, 손실 경로로의 전환이 우세해지는 경향을 실험적으로 확인하였다는 점에서, 향후 질소 관리 연구의 방향성을 제시하는 근거 자료로서의 가능성을 보여준다.
Conclusion
본 연구는 고추밭에서의 다양한 질소 투입 수준에 따라 질소 손실 및 작물 내 흡수 특성을 정량적으로 평가하였다. 질소 투입 수준이 증가할수록 암모니아 및 아산화질소 배출, 용탈 추정 손실을 증가하는 반면, 수확량 및 질소 흡수 효율은 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 작물의 생육 요구량에 부합하는 적정 수준의 질소 투입이 질소 이용 효율을 향상시키고, 불필요한 질소 손실을 줄여 환경에 미치는 부정적 영향을 줄일 수 있음을 실증적으로 보여준다. 나아가, 본 연구에서 확보한 실측 자료는 APEX (Agricultural Policy/Environmental eXtender)를 비롯한 농업환경 모형의 입력 및 검증에 활용될 수 있으며, 이를 통해 비료 관리와 기후 조건 변화 시나리오에서의 질소 유출과 온실가스 배출을 장기적으로 모의하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 다만, 본 연구에서는 현장 여건상 일부 기간의 가스 모니터링 공백이 존재하였고, 용탈 질소량은 경험식을 기반으로 추정되었으며, 토양 무기태 질소와 물리성 자료를 직접 확보하지 못하였다. 이러한 한계로 인해 질소 수지의 절대값 산정에는 다소 불확실성이 내포될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 동일 포장 조건에서 질소의 흡수, 대기 손실, 수계 손실을 통합적으로 비교한 본 연구 결과는 시비 수준 변화에 따른 질소 이동 특성을 이해하는 데 중요한 기초자료로서의 가치를 지닌다. 본 결과의 신뢰성과 적용성을 향상시키기 위해 다년도 반복 실험 등의 추가 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
