Introduction
Materials and Methods
토양 샘플링 및 칼럼실험 디자인
토양 및 식물체 이화학성 분석
온실가스 샘플링 및 분석
침출수 수집 및 질소 용탈량 분석
식물체 생장 및 수량 분석
통계 분석
Results and Discussion
양분의 투입 위치 및 형태에 따른 뿌리의 발달 특성
양분의 투입 위치 및 형태에 따른 콩의 생육 특성과 수량 변화
양분의 투입 위치 및 형태에 따른 질소 용탈 특성
양분의 투입 위치 및 형태에 따른 아산화질소 배출 규모 및 패턴
양분의 투입 위치 및 형태에 따른 수량당 아산화질소 배출량
Conclusions
Introduction
토양에서 발생하는 온실가스는 지구온난화를 가속화하며, 이는 전 지구적 기후변화를 심화시키는 요인으로 작용한다. 특히 이산화탄소 (CO2) 대비 지구온난화지수 (GWP)가 273배에 달하는 아산화질소 (N2O)의 경우 전체 인위적 배출량의 약 60%가 농업 토양에서 기인한다 (Tian et al., 2020; IPCC, 2021). 농경지에서 배출되는 N2O의 대부분은 토양에서의 질산화 및 탈질화 과정에서 발생되고, 질소 비료는 이들의 주요 기질이므로 (Butterbach-Bahl et al., 2013; Kuypers et al., 2018), 기후변화 완화를 위해서는 질소 시비 관리 전략의 개선이 필수적이다. 특히 비료의 투입 위치와 방식은 토양 내 질소의 동태 및 산화·환원 조건에 직접적인 영향을 미치기 때문에, N2O 발생량을 효과적으로 저감할 수 있는 핵심 관리 요소로 평가받는다. 그 중에서도 대표적인 전략으로 심층시비법 (Deep fertilizer placement)이 제안되어 왔다 (Lotfollahi et al., 1997). 이러한 심층시비는 작물의 생육 및 수량을 향상시키고, 아산화질소 배출과 암모니아 휘산의 감소 및 환경 부하를 줄이는 데 기여하는 것으로 보고되었다 (Liu et al., 2015; Rychel et al., 2020; Wang et al., 2025). 다만 용탈 측면에서는 심층시비에 따른 유의한 저감 효과가 확인되지 않았으며, 시비 깊이에 따라 토층별 질소 분포가 변화할 수 있다 (Hou et al., 2021). 무엇보다 논 토양에서의 심층시비 평가는 주로 ‘벼’를 대상으로 ‘무기질비료’ 투입에만 집중되어 왔다는 명확한 한계가 있다 (Miah et al., 2016). 따라서 벼 이외의 타 작물 전환 토양에서 무기질비료를 대체하거나 보완할 수 있는 다양한 유기 자원을 활용한 심층시비 연구가 요구된다.
무기질비료 위주의 심층시비가 가진 한계를 극복하기 위해, 심층에 퇴비와 같은 유기물을 투입하는 연구가 진행되어 왔다. 토양 심층에 유기물을 투입할 경우 용적밀도 감소 등 토양의 물리적 개량 효과가 확인되었으며, 양이온교환용량 (CEC)와 관련된 유기 탄소가 축적되어 작물 수량 증대에 기여하는 것으로 보고되었다 (Ramos et al., 2018; Hall and Edwards, 2025). 그러나 분뇨나 미성숙 퇴비처럼 무기태 질소 비율이 높은 유기물을 심층에 과량 시비할 경우, 오히려 질산 축적 및 용탈이 증가한다는 환경적 부작용도 보고된 바 있다 (Yang et al., 2017). 이러한 퇴비 단독 처리의 문제점을 보완하기 위해 최근에는 퇴비나 biochar 등의 유기물을 무기질비료와 병용하는 접근이 주목받고 있다. 상추 재배 등에서 biochar와 무기질비료를 혼합 처리했을 때 단독 처리 대비 작물 생장과 생산성이 향상됨이 입증되었다 (Park et al., 2021; Cho et al., 2024). 따라서 유기·무기 병용 심층시비 기술의 환경적·농업적 평가는 토양의 배수성과 물리성이 취약한 환경에서 특히 그 중요성이 대두된다.
우리나라 논은 전체 경지면적의 약 절반 (50.6%)을 차지하며 (Statistics Korea, 2025), 담수 재배 특성상 배수가 불량하고 지하수위가 높다 (Kim et al., 2023b). 최근 쌀 공급 과잉과 밭작물 자급률 저하 문제를 해소하기 위해 논에서 콩 등의 밭작물을 재배하는 정책이 확대되고 있으나 (Seung et al., 2024), 논 토양 특유의 낮은 통기성과 불량한 배수성은 작물의 뿌리 생육을 저해하고 수량 변동성을 높이는 주요 원인이 되고 있다 (Jung et al., 2011). 현재 한국 정부는 23.7%에 그치는 낮은 밭작물 자급률 문제와 쌀 공급과잉 문제를 해소하기 위해 논에서 밭작물 재배를 장려하는 정책을 지속적으로 시행하고 있다. 이러한 정부의 정책적 지원으로 인해 논콩 재배면적은 매년 증가하는 추세이다 (Yu et al., 2020). 특히 콩은 약 40%에 달하는 단백질과 약 20%에 달하는 지방을 함유한 주요 식량 자원으로, 식용유 및 발효·가공식품의 원료로 활용되는 전략적 작물이다 (Park et al., 2016). 하지만 논 토양의 낮은 통기성과 배수불량은 밭작물 생육에 악영향을 주는 주요 원인으로 지적된다 (KRC, 2004). 따라서 논 토양에서 밭 토양으로 전환했을 때 작물 재배 시 양분 흡수를 도우며, 토양의 물리적 환경을 개선시킬 시비 전략이 필요한 실정이다. 결론적으로, 논 토양을 밭 토양으로 전환하여 콩을 재배할 때, 작물의 양분 흡수를 돕고 불량한 물리적 환경을 개선하기 위한 선진화된 시비 전략이 시급하다. 기존 선행 연구들에서는 무기질비료와 퇴비/biochar를 병용하여 심층시비할 경우 발생하는 온실가스 배출, 양분 이동 및 작물 생육 간의 상호작용이 충분히 평가되지 않았다. 그러므로 본 연구는 퇴비/biochar와 무기질비료의 시비 위치 차이가 논 토양에서 재배되는 콩의 생육과 수량뿐 아니라 온실가스 배출 및 양분 이동에도 영향을 미칠 것으로 가설하였다. 이를 검증하기 위해 본 연구에서는 퇴비/biochar와 무기질비료의 시비 깊이를 달리하여 논 토양에서 콩 재배 시 온실가스 배출, 양분 이동 및 작물 생육 반응을 비교 평가하였다. 즉 본 연구의 목적은 유기혼합물과 무기질비료의 시비 깊이에 따른 1) 온실가스 배출량, 양분 용탈과 같은 환경적 변화를 평가하고, 2) 콩의 생육 및 수량 특성을 분석하여 심층시비 기술의 효과를 평가하는 데 있다.
Materials and Methods
토양 샘플링 및 칼럼실험 디자인
본 연구의 칼럼 시험은 국립식량과학원 밭작물개발부 (경남 밀양시)내 온실에서 수행하였다. 시험을 위해 부내 논 포장에서 논 표토토양을 채취하였다. 채취된 논 토양 (clay loam)은 1년간 휴식기를 갖고 토양 내 양분이 안정화되도록 하였다. 시험에 투입되기 전 토양의 이화학성을 분석한 결과 질소, 인산 유기물 등이 시험에 영향을 줄 요인이 없는 것을 확인하였다 (Table 1). 본 연구에 사용된 혼합 가축분 퇴비 (친환경 땅기운, 고산농협)와 biochar (바이오차, 세경)은 상용화된 제품을 구입 후 기본 이화학성을 분석하였다 (Table 2). 퇴비는 계분이 주원료로 톱밥, 왕겨가 혼합 되어있고 각 성분 함량은 표준규격에서 벗어나 있지 않게 나타났다. 바이오차는 목재를 고온 열분해하여 만든 고탄소 고형물로 구성되어 있고 표2에서 나타났듯이 성분구성이 표준규격에서 크게 벗어나지 않았음을 확인하고 시험에 투입하였다. 바이오차 표준규격은 TC가 건물중의 40% 이상을 요구하는데 본 실험에 투입된 바이오차는 TC가 56.6%로 문제가 없었습니다 (RDA, 2021). 본 시험을 위해 용탈액 수집과 온실가스 측정이 가능한 플라스틱 칼럼을 제작하였다 (Fig. 1A). 칼럼의 크기는 길이 30 cm, 너비 30 cm, 높이 60 cm이며, 하단부에 용탈액 수집을 위한 집수구가 설치되었다. 논 토양은 칼럼의 높이 60 cm까지 충진 되었으며, 충진 과정에 각 처리구에 맞게 비료와 퇴비/biochar 혼합물 (유기혼합물)을 투입하였다. 유기혼합물은 퇴비와 biochar가 중량비로 1:1 (w/w)로 섞어서 준비하였다. 무기질비료 시비는 농촌진흥청 작물별 시비처방기준 (NAS, 2022)에 따라 3-3-3.2 (N-P2O5-K2O) kg 10a-1로 설정하였으며, 퇴비와 biochar의 시비량은 각각 1000 kg 10a-1으로 처리하였다. 시험처리는 양분 투입 깊이에 따라 다음과 같이 나뉘어졌다 (Fig. 1B); ① 지표에 유기혼합물과 무기질비료를 처리한 처리구 (SISO), ② 지표에서 20 cm 깊이에 유기혼합물과 10 cm 깊이에 무기질비료를 처리한 처리구 (DIDO)를 구성하였고, ③ 지표에 유기혼합물, 20 cm 깊이에 무기질비료를 처리한 처리구 (SODI), ④ 지표에 무기질비료와 20 cm 깊이에 유기혼합물을 처리한 처리구 (SIDO)로 구성하였다. 각 처리구는 10반복으로 수행되었으며, 시험 기간은 2025년 6월 17일부터 11월 6일까지 총 143일간 관찰하였다. 총 50개의 컬럼은 국립식량과학원 밭작물개발부내 유리온실에 단구제로 컬럼들을 배치하였다. 각 처리구마다 10개의 반복구들 중 5개의 반복구는 콩 생육과 수량, 뿌리, 온실가스, 질소 유출량 조사용으로 사용되었고, 나머지 5구는 매달 1개씩 토양내 양분잔류량을 조사하기 위해 컬럼 한면을 열어 깊이별로 토양시료를 채취하였다. 토양시료를 채취한 컬럼은 파기하였다. 총 시험기간 동안 매일 오전 10시에 지표에서 10 cm깊이에 토양수분 센서 (Spot ON; innoquest, USA)를 꽂아서 용적수분함량이 25% ~ 30% 사이가 유지되도록 관개를 실시하였다. 한번 관개시 투입량은 50 ml를 일정하게 투입하여 유출수를 충분히 확보하면서도 수분함량이 과습하지 않게하는 조건을 모든 컬럼에 동일하게 유지하였다.
Table 1
Chemical and physical properties of experimental soil.
| pH | EC1 | TN | TC | Av. P2O5 | Exch. cations (cmolc kg-1) | Soil texture | |||
| (1:5) | (dS m-1) | (g kg-1) | (g kg-1) | (mg kg-1) | K | Ca | Mg | ||
| 6.0 | 0.07 | 1.49 | 1.22 | 88.5 | 0.69 | 7.4 | 1.3 | Clay loam | |
Table 2
Chemical properties of the compost and biochar used in the experiment.
| Parameter | pH | EC1 | TN | TC | Av. P2O5 | Exch. cations (cmolc kg-1) | ||
| Unit | (1:5) | (dS m-1) | (g kg-1) | (g kg-1) | (mg kg-1) | K | Ca | Mg |
| Compost | 7.63 | 15.49 | 26.00 | 206.30 | 294.89 | 0.97 | 0.24 | 0.17 |
| Biochar | 9.80 | 16.50 | 2.01 | 566.71 | 132.91 | 52.41 | 8.14 | 2.55 |
Fig. 1
(A) Schematic diagram of the experimental apparatus designed for leachate collection and greenhouse gas measurement. The system consists of a plastic column (30×30×60 cm) packed with paddy soil featuring collection drawers at the base for leachate sampling, and a separate gas sampling chamber (30×30×30 cm) equipped with a thermometer, simplified sampling tube, and air circulation fan. (B) Diagram of treatments: Surface organic fertilizer and inorganic fertilizer (SISO), deep inorganic fertilizer (10 cm) and deep organic fertilizer (20 cm) (DIDO), surface organic fertilizer and deep inorganic fertilizer (20 cm) (SODI), and surface inorganic fertilizer and deep organic fertilizer (20 cm) (SIDO).
토양 및 식물체 이화학성 분석
본 연구에 사용된 토양의 분석은 시험 전에 이루어졌고 시험기간 동안에는 위에 설명하였듯이 매달 1회 칼럼통을 해체하여 지표에서 0 - 10 cm, 10 - 20 cm, 20 - 30 cm 깊이에서 채취하였다. 채취된 토양은 풍건 후 체 거름 (<2 mm)하여 보관하였으며, 토양 시료는 농업과학기술원 토양화학분석법 (NIAST, 2000)에 따라 화학적 특성을 분석하였다. 토양의 pH, 전기전도도 (Electrical conductivity, EC) 측정을 위해 토양과 증류수 (1:5, w/w)를 진탕한 후 각각 pH meter (Orion Star 2-Star; Thermo Scientific, USA)와 EC meter (Orion 3-Star; Thermo Scientific, USA)로 측정하였다. 또한 토양 유기물 함량 (OM) 측정을 위해 Tyurin법을 사용하였으며, Kjeldahl법을 통해 토양 전 질소 및 식물체 질소 함량 (TN)을 측정하였다. 토양의 유효인산 (Av. P2O5)은 Lancaster법을 통해 정량 하였으며, 교환성 양이온 (Exchangeable K+, Ca2+, Mg2+)의 추출은 1N NH4OAc (pH 7.0)로 추출한 후 ICP-OES (OPTIMA 5300DV, PerkinElmer, USA)으로 분석하였다.
온실가스 샘플링 및 분석
깊이별 유기혼합물과 무기질비료 처리에 따른 온실가스 배출량 변화는 너비 30 cm, 길이 30 cm, 높이 30 cm 크기의 챔버를 이용한 closed-chamber method로 측정하였다 (Maier et al., 2022). 가스 채취를 위해 챔버를 밀폐하여 0분 20분 40분에 가스를 포집하였으며, 농도증가가 선형인지 확인하였다. 샘플링은 일 평균 온도에 가까운 오전 10시부터 12시 사이에 수행하였다 (Parkin and Venterea, 2010). 시비 후 첫 주 동안에는 2-3일 간격으로, 이후에는 2주 간격으로 가스를 채취하였다. 온실가스 시료는 냉장 보관 후 가스 크로마토그래프-질량분석계 (8890 GC system, Agilent Technologies, USA)를 이용하여 정량 하였다. Agilent 8890 가스크로마토그래프 시스템과 Agilent 질량 선택적 검출기를 결합하여 채취된 가스를 분석하였다. 배출된 일일 온실가스 배출량 및 누적 온실가스 배출량을 Eq. 1과 Eq. 2를 이용하여 계산하였다.
여기서, Δg/Δt는 챔버 내부의 기체 농도 변화율 (g m-3 min-1)을 의미하며, d는 기체밀도 (g m-3), T는 챔버 내부의 공기 온도 (K), V는 챔버의 부피 (m3), A는 챔버의 표면적 (m2), k는 시간 변환 계수 (1440 min day-1), a는 면적 환산 계수 (10000 m2 ha-1)를 나타낸다. 시료 채취 시점의 챔버 내부 공기 온도를 이용하여 계산하였다. Eq.2에서 Ri는 i번째 측정일의 아산화질소 배출속도 (g ha-1 day-1)를 의미하고, Di는 i번째 측정주기를 해당하는 일구 (day)이고, n은 총 기체채취 횟수이다. 누적 GHG 배출량은 각 측정 기간 평균 flux에 기간을 곱한 값을 누적하는 방식으로 계산하였다.
침출수 수집 및 질소 용탈량 분석
침출수는 각 칼럼의 하단 배출구에서 관수 다음날 각 컬럼통마다 총 50 ml의 침출수를 채취하였으며, 채취된 침출수는 이온 크로마토그래피 (Dionex ICS-2100; Thermo Fisher Scientific, USA)를 이용하여 NO3-, NO2-, NH4+의 농도를 분석하였다. 컬럼에 투입되는 물을 투입 전에 채취하고 (원수), 침출수와 함께 양분 (NO3-, NO2-, NH4+)함량 분석을 2주마다 진행되었다. 콩 재배기간 동안 총 10회 채취하고 총 채취한 침출수량은 각 컬럼별로 500 ml이었다. 각 컬럼별 용탈량은 침출수 양분함량에서 성분별로 총량을 합하고 원수의 양분 농도를 차감하고 채취한 침출수 부피를 고려하여 총 양분 용탈량을 산정하였다.
식물체 생장 및 수량 분석
무기질비료와 유기혼합물을 투입하고 2일 후인 6월 19일에 콩을 파종하였다. 콩 품종은 대찬으로 각 칼럼마다 2주를 남겨서 수확기까지 재배하였다. 생육 조사는 농촌진흥청 연구조사분석기준 (RDA, 2012)에 준하여 수확기 (11월 6일)에 실시했다. 처리구의 콩을 전수조사하여 경장, 경태, 생체중, 건물중, 수량 및 협수를 조사했다. 경장은 지면으로부터 최선단 잎까지의 길이로 측정하였고, 경태는 버니어 캘리퍼스를 이용하여 지면과 접하는 주경의 굵기를 측정했다. 경장과 경태는 칼럼 내 생육이 가장 우수한 개체의 값을 사용했고, 생체중, 건물중, 수량의 경우 칼럼 내 모든 개체의 합으로 계산했다. 건물중은 70°C에서 48시간 건조 후 측정했으며, 협수는 칼럼 내 모든 개체의 협수 합으로 산출했다. 수량은 수확한 콩 종자를 기준으로 산출한 seed weight (g column-1)으로 정의했으며, Eq. 3에서 투입 질소 (g) 대비 수확량 (g)을 통해 질소 부분요인생산성 (PFP)을 산정했다.
뿌리 시료 조사를 위해 칼럼 전체를 물로 세척하여 뿌리 시료를 채취했으며, 뿌리 형태적 형질은 라이조박스 (rhizobox)를 사용하여 뿌리의 평면 이미지를 촬영함으로써 측정했다. 이미지는 Canon EOS M200 카메라를 이용해 6000×4000 해상도로 획득했다. 이미징 박스 내부에는 뿌리 구조의 가시성을 높이기 위해 시료 뒤편에 백색 LED 광원을 배치하였으며, 스케일 보정 (scale calibration)을 위해 밀리미터 (mm) 단위의 눈금이 있는 자를 모든 이미지에 포함했다. 촬영된 이미지는 WinRHIZO 소프트웨어를 통해 분석되어 최종적으로 뿌리의 형태적 형질 데이터를 추출하는 데 사용되었다.
단위 수확량당 아산화질소 배출량 (Yield-scaled nitrous oxide emission, YSNE)은 단위 수확량당 온실가스 배출 강도를 반영하는 지표로, 배출 저감과 생산성의 균형을 동시에 평가하는 데 활용된다 (van Groenigen et al., 2010; Kim et al., 2023a). 이를 계산하기 위해 Eq. 4에서 칼럼별 평균 수확량 대비 누적 아산화질소 배출량의 비를 계산하였다.
여기서, cumulative N2O emission은 시험기간 동안 토양에서 배출된 누적 아산화질소 총량 (g N2O ha-1)이며 Crop yield는 수확된 작물의 단위 면적당 수량 (g ha-1)이다.
통계 분석
본 연구의 분석자료 중 무기질비료 및 유기혼합물의 처리 깊이에 따른 N2O 배출량 분석을 R (version 4.4.2; R Foundation for Statistical Computing, Austria)을 사용하여 수행하였다. 온실가스 데이터 특성의 경우 분포 가정을 안정적으로 확인하기 어려웠고 처리 내 변동이 컸기 때문에 비모수 검정 방법인 Kruskal-Wallis test를 통해 유의성을 검정하였으며, 사후 분석으로 Dunn’s test를 실시하여 유의차를 검정하였다. 생육 특성 및 수량 구성요소의 통계적 유의성을 평가하기 위해 one-way ANOVA를 실시하였으며, 사후 분석으로 Tukey’s HSD를 수행하였다. 뿌리 생육특성은 welch ANOVA를 수행하였으며, Games-Howell’s test를 통해 유의차를 검정하였다. 뿌리 생육 특성은 90% 신뢰수준 (p < 0.10)에서 유의차를 표시하였으고, 그 외의 통계적 유의성은 95% 신뢰수준 (p < 0.05)에서 검정 및 유의차를 표시하였다.
Results and Discussion
양분의 투입 위치 및 형태에 따른 뿌리의 발달 특성
양분 투입 깊이를 다르게 처리하여 수확 후 콩의 뿌리발달을 분석한 결과, 심층에 무기질비료와 유기혼합물 모두 처리한 경우에 다른 양분처리보다 뿌리 형태적 특성들이 더 발달된 것으로 나타났다 (Table 3). 뿌리 길이는 DIDO에서 가장 긴 길이 (30.03±6.15 m)를 나타냈으며, SISO에서 26.04 ± 8.14 m, SIDO에서 24.83 ± 5.80 m, SODI에서 19.74 ± 4.57 m로 나타났다. DIDO는 SODI 대비 34.3% 더 큰 뿌리 길이를 보였으며 둘 사이는 통계적으로 유의하였다. 뿌리 표면적의 경우 DIDO에서 711.84 ± 198.99 cm2으로 가장 큰 값을 보였고, SISO, SIDO, SODI는 각각 565.06 ± 169.44 cm2, 604.70 ± 186.18 cm2, 519.17 ± 86.13 cm2를 나타났다. 뿌리 총 부피 또한 DIDO에서 35.84 ± 14.91 cm3으로 가장 크게 나타났으며, SIDO, SODI 그리고 SISO가 30.65 ± 13.86, 30.23 ± 9.95, 23.71 ± 9.31 cm3로 나타나 SISO 대비 DIDO가 33.8% 컸으나 통계적인 유의차는 존재하지 않았다. 잔뿌리의 개수 (Tips)의 경우도 DIDO에서 가장 높은 4550.00 ± 1043.23 개로 가장 많았으며, SISO에서 4000.00 ± 1298.42 개, SIDO에서 3520.50 ± 591.81 개, SODI에서 2571.50 ± 855.46개가 관찰되었다. 이때 DIDO는 SODI 대비 통계적으로 유의한 차이를 보였다. 평균 뿌리 직경의 경우 SODI에서 0.98 ± 0.18로 다른 처리구에 비해 통계적으로 유의하였고, SIDO, DIDO, SISO는 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다. 양분의 시비 깊이에 따른 뿌리 형태 반응은 작물 종류, 양분 형태 및 토양 조건에 따라 다르게 나타날 수 있다. Hansel et al. (2017)은 콩을 대상으로 인산질비료를 20 cm 깊이에 deep band application한 결과, 5 cm 깊이에 band application한 것에 비해 20-25 cm 토층의 뿌리 길이 밀도가 증가하고, 심토층에서 직경 0.5 mm 미만 잔뿌리의 분포가 확대되었다고 보고하였다. 본 연구에서도 DIDO는 SODI 대비 뿌리 길이, 표면적 및 잔뿌리 개수가 유의하게 높게 나타났다 (p < 0.05).
Table 3
Root morphological characteristics of soybean under different fertilizer placement treatments.
|
Root Unit1 |
Root length (m) |
Surf. area (cm2) |
Root volume (cm3) |
Tips no. |
Av. diam (mm) |
| SISO | 26.0 ± 8.14 a2 | 565.1 ± 169.44 ab | 23.7 ± 7.21 a | 4000.0 ± 1298.42 ab | 0.8 ± 0.02 b |
| DIDO | 30.0 ± 6.15 ab | 711.8 ± 198.99 a | 35.8 ± 14.91 a | 4550.0 ± 1043.23 a | 0.9 ± 0.10 b |
| SODI | 19.7 ± 4.57 b | 519.2 ± 86.13 b | 30.2 ± 9.95 a | 2571.5 ± 855.46 b | 1.0 ± 0.18 a |
| SIDO | 24.8 ± 5.80 ab | 604.7 ± 186.18 ab | 30.7 ± 13.86 a | 3520.5 ± 591.81 ab | 0.9 ± 0.05 b |
1Treatment abbreviations: Surface organic fertilizer and inorganic fertilizer (SISO), deep inorganic fertilizer (10 cm) and deep organic fertilizer (20 cm) (DIDO), surface organic fertilizer and deep inorganic fertilizer (20 cm) (SODI), and surface inorganic fertilizer and deep organic fertilizer (20 cm) (SIDO), root surface area (Surf. area) and average diameter (Av. diam).
심층 양분 투입에 따른 뿌리 반응은 주로 옥수수 및 벼를 대상으로 연구되어 왔다. 토양 심층 (10-20 cm)에 무기질비료를 처리할 경우 표층 시비 대비 뿌리 길이와 표면적, 직경이 증가하며 (Jiang et al., 2018; Chen et al., 2022), 뿌리가 양분이 집중된 토양 층을 향해 굴화성을 띠며 깊고 넓은 뿌리 시스템을 형성한다고 보고되었다 (Yamazaki et al., 2026). 이는 심층시비가 전근권에서 뿌리 흡수 효율과 질소 이용성을 동시에 향상시켜 작물 생육에 긍정적인 영향을 미친다는 기존 연구 결과들과 궤를 같이한다 (Niedziński et al., 2023; Lee et al., 2025). 본 연구의 콩 뿌리 분석 결과 역시 이러한 선행 연구의 경향에 부합하였으며, 유기혼합물의 역할이 두드러졌다. 분해가 느린 퇴비를 심층 (10-20 cm)에 처리할 경우, 작물 후기까지 지속적인 양분 공급이 이루어져 생육과 수량 증가에 긍정적인 영향을 준다는 보고가 있다 (Niedziński et al., 2023). 또한 biochar는 토양의 통기성을 대폭 개선하여 뿌리 발달을 돕는다. 실제로 식질 토양에 biochar를 처리했을 때 통기성이 30.8% 향상된 보고가 존재한다 (Blanco-Canqui, 2017). 또한 Gaurav et al. (2025)은 지 (대조구), 지표에서 5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm 깊이에 바이오차를 처리하여 옥수수의 뿌리 성장을 실시간으로 연구한 결과, 바이오차가 깊이 투입될수록 뿌리의 길이와 부피가 바이오차 투입깊이와 비례하여 증가하였다. 대조구 대비 20 cm 깊이에 바이오차가 투입된 옥수수 뿌리 길이는 최대 48.2%, 뿌리 부피는 42.7%까지 증가하였다. 반면 같은 연구에서 바이오차가 깊이 투입될수록 뿌리 직경은 감소하는 경향을 보였다. 본 연구에서도 관행적인 SISO에서는 양분의 하향 이동제한으로 인해 뿌리의 형태적 발달이 표층에 국한되거나 뚜렷하지 않았던 반면, 무기질비료와 유기혼합물을 심층에 투입한 DIDO에서 가장 우수한 뿌리길이와 부피 등과 같은 뿌리특성에서 발달이 관찰되었다.
양분의 투입 위치 및 형태에 따른 콩의 생육 특성과 수량 변화
콩의 처리구별 생육 특성 분석 결과, 전반적인 생육 지표는 DIDO에서 가장 우수하게 나타났다 (Table 4). 생체중은 DIDO가 132.78 ± 15.23 g column-1으로 가장 높았고, SIDO가 112.13 ± 30.79 g column-1으로 그 다음이었다. SISO 및 SODI는 각각 89.78 ± 8.14 g, 86.44 ± 16.90 g column-1으로 DIDO 대비 통계적으로 유의하게 낮은 수치를 나타내었다 (p < 0.05). 경장은 DIDO와 SIDO가 다른 처리구 대비 48.00 ± 6.41 cm, 52.31 ± 4.96 cm로 가장 높았고, SODI가 45.88 ± 6.61 cm 로 그 다음이었다. SISO는 35.31 ± 3.78 cm 로 DIDO 및 SIDO 대비 통계적으로 낮았다 (p < 0.05). 반면에 경태 및 주당 협수는 처리구 간 통계적으로 유의하지 않았다 (p > 0.05). 이는 양분의 투입 위치가 줄기 굵기나 협수보단 작물의 생체량 및 수직적 생장에 더 큰 영향을 미쳤음을 시사한다. 종실 무게는 DIDO에서 55.85 ± 8.89 g column-1로 다른 처리구 대비 통계적으로 유의하게 높은 수치를 나타내었다 (p < 0.05). 다만 SIDO, SODI 및 SISO는 각각 33.85 ± 12.93 g column-1, 32.85 ± 2.14 g column-1 및 29.28 ± 6.07 g column-1으로 서로 간 통계적인 유의한 차이는 관찰되지 않았다. 이러한 생육의 차이는 종실 및 작물 질소 부분요인생산성 (PFP)에서 더욱 뚜렷하게 나타났다 (Fig. 2). DIDO에서 PFP값은 20.02 g g-1으로 가장 높게 나타났고 이는 관행 처리인 SISO (10.49 g g-1) 대비 90.85% 높은 효율을 보였다. 반면 SIDO와 SODI의 PFP 값은 각각 12.13 g g-1, 11.77 g g-1로 조사되어, SISO와 유사한 값을 보였다. 이러한 결과는 심층에 양분을 공급할 경우 작물 생육 후기까지 질소가 토양 내에서 안정적으로 유지되며, 그 결과 질소흡수효율과 종실 생산성이 동시에 향상될 가능성을 시사한다. 콩 재배에서 심층에 비료를 투입한 시험을 수행한 Takahashi and Ohyama (1999)는 콩 재배에서 요소를 심층시비할 경우 관행 대비 10-20%의 수량 증대 효과가 나타난다고 보고하였다. 또한 Wu et al. (2026)의 메타분석에 따르면 심층시비가 관행 시비에 비해 수량 평균을 13.88%, 질소이용효율은 36.27% 증가시킨다고 보고하였다. 즉 포장 시험 보고 및 메타분석결과를 종합하면, 심층에 시비하는 방식은 작물 수량에 긍정적이라고 볼 수 있다. Wu et al. (2017)은 15N 동위원소를 이용한 추적 연구를 통해 질소 이용 효율을 추적한 결과, 5-20 cm 토양 층에 비료를 투입한 경우 작물이 흡수하는 질소량이 증가하였고 특히 심층에 처리한 질소가 흡수율 증가에 영향을 준다고 결론 내었다. 따라서 관행 시비 대비 심층시비의 경우 질소이용효율이 21.2-32.0%에서 58.7-84.6%까지 크게 증가하였다. 밭 토양 옥수수 재배 시험에서 표층 시비 (5 cm) 대비 심층시비 (15 cm, 25 cm) 처리를 비교한 결과, 시비 깊이가 깊어질수록 수량이 유의하게 증가하였으며, 15 cm 시비 시 5.68%, 25 cm 시비 시 13.83%의 수량 증대 효과가 확인되었다 (Wu et al., 2021b). 40편의 포장 시험 결과를 메타분석한 Nkebiwe et al. (2016)에 따르면, 표층 시비 대비 심층시비는 작물의 수량을 평균 3.7%, 지상부 양분 함량을 11.9% 유의하게 증가시키는 것으로 보고되었다. 다만 본연구에서는 DIDO를 제외한 다른 처리들은 콩 생육과 수량에서 지표에 처리한 SISO와 비슷한 결과를 보였다, 앞서 설명한 선행연구들은 단일 양분원 전체를 심층에 배치하고 (Takahashi and Ohyama, 1999; Wu et al., 2017) 밭토양에서 연구를 수행하여 작물의 수량증가 결과를 밝혔다. 본 연구에서는 두가지 양분원 중 하나만 심층에 배치하고 논토양에서 실험을 한 것이 기존 연구결과들처럼 심층에 한가지 양분을 넣기만 한 것과 같은 생육과 수량의 차이가 나타나지 않은 것으로 판단된다. Wu et al. (2025)는 유기물과 무기질 비료를 서로 상호작용할 수 있는 위치에 있는 것이 작물에 더 긍정적인 시너지를 발생시킨다고 밝혔다. 따라서 본 연구결과 논토양에서는 DIDO처럼 심층에 무기질, 유기질 비료를 모두 투입하는 것이 콩의 생육과 수량을 모두 개선하는 것으로 판단된다.
Table 4
Growth characteristics of soybean under different fertilizer placement treatments.
| Treatment1 | Fresh weight (g) | Height (cm) | Stem diameter (mm) | Pods column-1 |
| DIDO | 132.8 ± 15.23 a2 | 48.0 ± 6.41 a | 7.7 ± 0.54 a | 65.9 ± 23.1 a |
| SISO | 89.8 ± 8.14 b | 35.3 ± 3.78 b | 7.7 ± 1.21 a | 44.5 ± 14.5 a |
| SIDO | 112.1 ± 30.79 ab | 52.3 ± 4.96 a | 7.6 ± 0.80 a | 43.4 ± 6.7 a |
| SODI | 86.4 ± 16.90 b | 45.9 ± 6.61 ab | 6.5 ± 0.36 a | 47.5 ± 4.4 a |
1Treatments are represented as Surface organic fertilizer and inorganic fertilizer (SISO), deep inorganic fertilizer (10 cm) and deep organic fertilizer (20 cm) (DIDO), surface organic fertilizer and deep inorganic fertilizer (20 cm) (SODI), and surface inorganic fertilizer and deep organic fertilizer (20 cm) (SIDO). Values are presented as mean ± standard deviation.
Fig. 2
Soybean grain yield and partial factor productivity of nitrogen (PFP-N) under different fertilizer placement treatments. Bar charts represent the soybean grain yield (g column-1). Line and symbol charts represent the PFP-N (g g-1). Error bars indicate the standard deviation of the mean (n = 5). Different lowercase letters above the bars indicate statistically significant differences at p < 0.05. Treatment abbreviations: Surface organic fertilizer and inorganic fertilizer (SISO), deep inorganic fertilizer (10 cm) and deep organic fertilizer (20 cm) (DIDO), surface organic fertilizer and deep inorganic fertilizer (20 cm) (SODI), and surface inorganic fertilizer and deep organic fertilizer (20 cm) (SIDO).
양분의 투입 위치 및 형태에 따른 질소 용탈 특성
무기질 비료 및 유기혼합물의 처리위치에 따른 용탈량과 심층처리된 질소 시비량에 대한 용탈 비율을 알아보기 위해 처리되지 않은 토양에 대한 보정으로 계산된 용탈량과 용탈 비율을 Fig. 3에 나타내었다. 질소의 경우 처리구 간 통계적 차이는 나타나지 않았다 (p > 0.05). SIDO에서 406.84±37 mg N column-1, DIDO, SISO, SODI가 각각 349.91±78.74, 376.45±37.15 그리고 328.52±56.84 mg N column-1으로 질소 용탈량이 나타났다. 다만 투입된 비료 대비 용탈된 질소 비율은 차이를 보였다. 심층에 무기질비료가 투입된 경우 (SODI) 처리 비료 대비 질소 용탈률이 60.4%로 나타났고 심층에 유기혼합물이 투입되었을 경우 질소는 DIDO가 12.0%, SIDO가 9.5%의 용탈비율을 나타내었다. 이러한 차이는 비료의 분해 양상과 biochar의 상호작용에 의해서 기인한 것으로 판단된다. Chien et al. (2009) 에 따르면 요소의 형태로 시비되는 질소는 수시간에서 수일 내에 가수분해되어 암모늄이온으로 전환되거나 암모니아로 휘산된다고 보고했다. 또한 온도에 따라 활성이 다르지만 암모늄 이온은 수일 안에 NO3- 로 전환되어 용탈이 쉬워진다 (Havlin et al., 2014). 하지만 biochar 처리는 다공성 및 큰 비표면적 때문에 토양의 수분 보유능을 증가시키고 NH4+ 흡착 및 보유를 증가시킬 수 있다 (Lehmann et al., 2003). 유기물의 투입은 질소 유기화와 토양 수분보유력 개선을 유도하고 결과적으로 NO3-의 용탈을 억제할 수 있다 (Cao et al., 2021; Wei et al., 2021). 따라서 심층에 무기질비료를 처리한 경우에 심층에 퇴비와 같은 유기혼합물 투입하거나 함께 투입한 것 보다 용탈되는 질소의 비율이 높은 것으로 해석되었으며, biochar가 심층에 처리된 토양에서 용탈되는 질소의 비율이 감소하였다.
Fig. 3
Cumulative nitrogen (N) leaching and relative leaching ratio under different fertilizer placement treatments. Bar charts represent the cumulative N leaching (mg N column-1). Line and symbol charts represent the relative leaching ratio to applied fertilizer N (%). Error bars indicate the standard deviation of the mean (n = 5). ns indicates no significant differences among treatments (p > 0.05). Treatment abbreviations: Surface organic fertilizer and inorganic fertilizer (SISO), deep inorganic fertilizer (10 cm) and deep organic fertilizer (20 cm) (DIDO), surface organic fertilizer and deep inorganic fertilizer (20 cm) (SODI), and surface inorganic fertilizer and deep organic fertilizer (20 cm) (SIDO).
양분의 투입 위치 및 형태에 따른 아산화질소 배출 규모 및 패턴
토양에 퇴비와 비료 처리 깊이에 따른 누적 N2O 배출량은 통계적으로 유의한 차이를 보였다 (Fig. 4). 관측 기간 동안 누적 배출량은 다음과 같은 순서로 나타났다: SISO 466.87±50.28, SODI 260.58±26.87, SIDO 249±120.02, DIDO 205.12±136.91 g-N ha-1로 SISO와 DIDO 간의 통계적인 유의성이 존재하였다 (p < 0.05). DIDO는 SISO보다 평균 누적 N2O 배출량이 57% 낮은 배출량을 나타냈으며, 이는 기존 연구들에서 심층시비 처리 시 N2O 배출량이 30-60% 감소한다고 밝혀진 점과 유사한 결과이다 (Liu et al., 2015; Wu et al., 2021a; Rychel et al., 2023). 토양에서 생성된 가스의 대기로 확산은 가스 생성 깊이와도 밀접한 관련이 있다. 토양이 포함된 다공성 매질에서의 유체 유동에 대한 실험을 한 Millington and Quirk (1961)의 보고에 따르면, 유체의 확산은 거리의 영향을 받는다. 실제로 심부 토양 (80 cm)에 질소원(15N-NO3-)을 처리하여 추적관찰한 Clough et al. (1999)에 따르면, 15N-NO3-로부터 발생한 N2O가 지표로부터 확산되며 N2로 추가 환원됨에 따라, 기존 표층 시비 연구의 N2O 회수율 (3.0-3.9%) 대비 현저히 낮은 0.31% (0.06-0.67%)의 회수율을 기록함을 보고하였다. 한편, 토양 유기물로 고정된 (Immobilization) 15N 비율은 54% (41-73%)에 달해, 심층 토양 환경에서 미생물 동화 작용이 질소 손실을 억제하는 주요 기작임을 시사하였다. 즉 질소의 심층시비 시 토양 내 체류기간이 길어져, 생성된 아산화질소가 여러 경로로 소모될 수 있기 때문에 관행 표층 시비 대비 심층시비 처리가 아산화질소 배출량 감소에 효과적이다.
Fig. 4
Cumulative nitrous oxide (N2O) emissions (g ha-1) during the 143-day column experiment under different fertilization depth treatments. The bar charts represent the mean values, and the error bars indicate the standard deviation of the mean (n = 5). Different lowercase letters above the bars indicate statistically significant differences at (p < 0.05). Treatment abbreviations: Surface organic fertilizer and inorganic fertilizer (SISO), deep inorganic fertilizer (10 cm) and deep organic fertilizer (20 cm) (DIDO), surface organic fertilizer and deep inorganic fertilizer (20 cm) (SODI), and surface inorganic fertilizer and deep organic fertilizer (20 cm) (SIDO).
모든 처리구에서 일일 N2O flux는 시비 직후인 6월 중순부터 7월 초순 사이에 가장 집중적으로 발생하였으며, 약 2주간의 대량 발생기 이후 급격히 감소하는 패턴을 보였다 (Fig. 5). 관측 초기, 관행적인 표층 시비 처리구인 SISO는 피크 발생기간 동안 평균 19.48 g ha-1 day-1을 기록하며 가장 큰 N2O flux 발생량을 나타냈다. 반면, DIDO 처리구와 SIDO 처리구는 동일 기간 동안 배출 피크의 평균이 각각 9.51, 6.73 g ha-1 day-1로 상대적으로 낮게 나타났다. 이는 표층에 시비된 비료와 유기물이 대기 중의 풍부한 산소에 의해 유기물 분해와 질산화 과정이 촉진되었기 때문으로 판단된다. Clough et al. (1999)는 깊은 층에서 발생한 N2O는 지표로 확산 과정 중 N2로 환원된다고 보고하였다. 또한 상대적으로 높은 biochar의 pH가 시비된 질소 주변 토양의 국부 pH에 관여하여 N2O 환원을 촉진한 것으로 판단된다 (Cayuela et al., 2014). 이에 따라 심층에 퇴비가 처리된 DIDO와 SIDO에서 아산화질소의 배출량이 감소한 것으로 보인다. 7월 중순부터 8월 말까지는 모든 처리구에서 기저 배출 수준의 N2O flux가 관측되었으나, 9월 하순경 심층 유기혼합물 처리구 (DIDO, SIDO)에서 각각 4.82, 1.57 g ha-1 day-1의 소규모 2차 피크가 일시적으로 관찰되었다. Pansu and Thuriès (2003)는 첨가 유기물의 C 및 N 전환이 단일한 속도로 진행되기보다는, 분해성이 높은 labile fraction (불안정 분획)의 빠른 초기 분해와 resistant fraction (난분해성 분획)의 상대적으로 느린 후기 분해로 설명될 수 있음을 제시하였다. 이러한 관점에서 볼 때, 심층 처리구에서 관찰된 2차 피크는 유기혼합물의 일부 질소가 후기 단계에서 점진적으로 무기화되면서 일시적으로 N2O 생성 조건을 형성한 결과로 해석될 수 있다. 반면 표층 퇴비 처리구에서는 산소와의 접촉이 상대적으로 크고 초기 무기화 및 질산화가 빠르게 진행되어, 주요 N2O 배출이 초기 피크에 집중된 것으로 판단된다. 유사하게, 표층 퇴비 또는 유기물 시용 연구에서도 N2O 배출이 시용 직후 초기에 집중되는 경향이 보고된 바 있다 (Hayakawa et al., 2009; Hu et al., 2023).
Fig. 5
Daily N2O emissions during soybean cultivation under different placement treatments of inorganic fertilizer and organic mixture. Treatment abbreviations: Surface organic fertilizer and inorganic fertilizer (SISO), deep inorganic fertilizer (10 cm) and deep organic fertilizer (20 cm) (DIDO), surface organic fertilizer and deep inorganic fertilizer (20 cm) (SODI), and surface inorganic fertilizer and deep organic fertilizer (20 cm) (SIDO).
양분의 투입 위치 및 형태에 따른 수량당 아산화질소 배출량
처리구별 YSNE는 통계적으로 유의한 차이를 보였다 (p < 0.05). SISO에서 137 g Mg-1로 가장 높은 YSNE를 보였으며, SIDO와 SODI에서 75 g Mg-1을 나타냈다. 반면 DIDO에서 45 g-N Mg-1 로 가장 낮은 YSNE를 보였다. SISO와 DIDO는 통계적으로 유의한 차이를 보였으나, SIDO 및 SODI의 경우 다른 처리구와 비교하여 유의한 차이를 나타내지 않았다. YSNE는 단위 수확량당 N2O 배출량을 나타내는 지표로, 작물 생산 효율과 온실가스 환경 부하를 통합적으로 평가하는 데 활용된다 (Shcherbak et al., 2014). SISO의 YSNE가 DIDO 대비 3.1배 높게 나타난 것은 두 가지 상반된 요인이 동시에 작용한 결과이다. SISO와 같이 질소가 토양 표면의 호기-혐기 경계층에 집중되면 질산화 및 탈질이 활발히 유도되어 높은 N2O 배출량이 발생할 수 있다 (Van Kessel et al., 2013). 결과적으로 질소가 질화 및 탈질에 의해 소실 되었으므로 수확량 증가 효과는 제한적이었다. 이는 질소 손실이 수량 확보로 이어지지 못하는 비효율적 경로에 해당한다. 반면 DIDO는 심층시비에 의해 N2O 배출이 억제되는 동시에 작물 수량이 증가하는 방향으로 작용하였으며, 이는 Chen et al. (2021)의 메타분석에서 심층시비가 면적 기준 N2O 배출을 일부 증가시킬 수 있으나 YSNE를 평균 20.1% 감소시킨다는 결과와 일치한다. YSNE를 감소시키는 경로는 (1) N2O 배출 감소, (2) 수확량 증가, (3) 두 가지의 동시 발현으로 분류되는데, DIDO는 세 번째 유형에 해당하여 질소 부분요인생산성과 환경 부하 저감을 동시에 달성한 처리구로 평가된다.
Conclusions
본 연구는 논 토양 환경에서 유기혼합물과 무기질비료의 시비 깊이가 콩 재배 시 온실가스 배출, 양분 동태 및 콩 생육에 미치는 복합적인 영향을 평가하였다. 연구 결과, 유기혼합물을 20 cm에 투입하고 10 cm에 무기질비료를 투입한 처리구가 환경 부하 저감과 농업 생산성 증대에 효과적인 시비 방법임을 확인하였다. 관행적인 표층 시비 대비 심층시비는 누적 N2O 배출량을 유의미하게 감소시켰으며, 단위 수확량당 온실가스 배출 평가에서도 가장 낮은 수치를 기록하여 생산성 손실 없이 온실가스 배출을 저감할 수 있음을 입증하였다. 또한, 양분을 심층에 공급함으로써 작물의 형태적 특성들이 더 발달하였고, 이러한 심층부로의 뿌리 네트워크 확장은 생체중과 종실 수량의 증가 및 관행 대비 약 90% 향상된 PFP로 이어졌다. 질소 용탈량의 경우, 비료의 처리 위치 및 유기혼합물 병용 여부에 따른 통계적으로 유의미한 차이가 관찰되지 않았다. 이는 유기혼합물을 20 cm에 투입하고 20 cm에 무기질비료를 투입한 처리구가 관행적인 표층 시비 대비 수계로의 추가적인 양분 유실 위험을 유발하지 않으면서도, 온실가스 배출 저감과 질소 부분요인생산성 향상을 동시에 달성할 수 있음을 시사한다. 비록 포장에서의 검증이 필요하겠지만, 유기혼합물을 20 cm에 투입하고 10 cm에 무기질비료를 투입하는 시비 기술은 작물의 양분 흡수 효율과 수량을 극대화하는 동시에 기후변화의 주요 원인인 온실가스 배출을 효과적으로 완화할 수 있는 지속 가능한 토양 관리 전략으로 활용될 수 있을 것이다.
