Article

Korean Journal of Soil Science and Fertilizer. 30 November 2021. 442-450
https://doi.org/10.7745/KJSSF.2021.54.4.442

ABSTRACT


MAIN

  • Introduction

  • Materials and Methods

  •   시험포장 및 재배관리

  •   처리구 구성

  •   배액 및 관개수 화학성

  •   토양 및 침투수 분석

  •   생장조사 및 평가

  • Results and Discussion

  •   시설배액의 처리 별 침투수 질산태 질소 분석 결과

  •   시설배액의 처리 별 논벼 생장특성

  • Conclusions

Introduction

2019년 시설채소재배면적은 52,094 ha로 2013년 시설채소재배면적 51,058 ha 대비 증가하는 추세이며, 그 중 양액재배는 2019년 기준 3,696 ha로 전체 시설채소재배면적의 7.1%를 차지한다 (KOSIS, 2020). 시설원예단지 1 ha를 기준으로 배액이 연간 2,597 ton이 배출되고 이를 부하량으로 환산하면 질소기준 874.5 kg ha-1, 인기준 155.3 kg ha-1이 배출 되는 것으로 추정된다 (Son et al., 2019).

양액재배 시설은 배액의 처리방식에 따라 배액을 재이용하는 순환식 시스템과 그대로 배출하는 비순환식 시스템으로 나뉜다. 순환식 시스템의 경우 양액재배 시설의 초기 투입비용이 많기 때문에 국내 대부분의 양액재배 시설은 비순환식 시스템이 주를 이룬다 (Kim et al., 2000). 비순환식 양액재배의 문제점은 배출되는 배액이 토양, 하천수, 지하수의 오염을 일으킬 수 있다는 점이다 (Park et al., 2005; Kumar and Cho, 2014; Lee and Kim, 2019). 순환식 시스템을 도입하는 것이 가장 근본적인 해결방안이나 초기투입비용의 부담 등 현실적으로 100% 순환식 시스템의 도입이 어렵기 때문에 배액의 적절한 이용방법을 모색할 필요가 있다 (Hong et al., 2009).

용수 재이용과 관련하여 생활하수 재이용에 관한 연구가 수행되었다. Yoon et al. (1999)은 벼 재배시 생활하수 처리수를 관개하여 벼의 생육을 평가하고, 논 토양에 미치는 영향을 분석하여 단기적으로는 벼의 생육에 장애가 없지만 장기적으로 관개하였을 경우 토양의 염류집적이 우려된다고 하였다 (Yoon et al., 2000) 또한, Kang et al. (2004)은 생활하수 처리수를 이용한 벼 재배시험에서 논 담수수질의 변화와 벼 생육을 평가하여 벼의 총질소 함량이 높게 나타났음을 보고하였고, Shin et al. (2008)은 갈수기에 하수종말처리장 방류수를 관개하여 논의 수질 및 벼 생육을 비교하고, 토양검정시비량의 50% 시비수준에서 대조구와 벼 생육이 비슷한 결과를 확인하였다.

배액을 재이용한 연구에는 관비 및 토경재배가 주로 이루어져왔다 (Kim et al., 2000; Zhang et al., 2006; Hong et al., 2009). Park et al. (2005)은 배액을 고추재배에 재활용하여 생육 및 수확량을 평가하였으며, Choi et al. (2011)은 배추재배 시 배액을 관개수로 활용하여 25% 수준의 화학비료투입으로 대조구와 비슷한 생산량 결과를 보고하였다. Yun et al. (2021)은 상추재배를 위한 배액의 비효를 평가하였는데, 상추의 생육은 요소와 배액을 혼합하여 시용했을 때 관행구와 비슷하였으며, 토양의 잔류 질산태 질소함량이 질소비료 및 배액의 혼합비에 따라 상이하다는 결과를 도출했다. 그러나 시설원예 배액을 논에 투입하여 시설원예 배액의 재이용 가능성을 평가한 연구는 수행된 바 없다.

본 연구에서는 논벼 재배 시 시설원예 배액의 재이용 가능성을 검토하기 위해 시설원예 배액을 희석하여 관개수로 논에 투입하거나 액비 형태로 시비처리하고, 관행재배 벼와 초기생장을 평가하고자 하였다.

Materials and Methods

시험포장 및 재배관리

시험은 전라북도 완주군 이서면 국립농업과학원내 105 m2 (75 m × 15 m) 규모의 논 포장에서 수행하였다. 시험포장의 토성은 양질사토로 점토가 10 - 15%, 모래가 70 - 80%로 물빠짐 좋은 특성을 가지고 있고, 시험 전〮후 토양의 화학적 특성은 Table 1과 같다. 유기물 및 유효인산이 적정범위보다 조금 적고, 치환성 양이온이 적정범위보다 높았지만 특이사항은 없었다.

본 시험에 사용한 벼 품종은 신동진 (Orysa sativa L.)으로 5월 27일에 어린모를 손 이앙하였다. 처리구 당 어린모는 8주를 이앙하였고, 재식간격은 30 cm × 15 cm로 하였다. 담수 높이는 모내기 후 중간낙수 외에는 60 mm로 하였으며, 담수 높이가 30 mm 이하가 되었을 때 관개하였다. 농경지 관리일정은 쌀 품질 고급화 기술을 참고하였다 (RDA, 2019).

Table 1.

Chemical properties of soil before treatment and after mid-drainage.

Texture Treatment pH
(1:5)
EC
(dS m-1)
OM
(g kg-1)
Avail.§ P2O5
(mg kg-1)
Ex.-K
(cmol kg-1)
Ex.-Ca
(cmol kg-1)
Ex.-Mg
(cmol kg-1)
Ex.-Na
(cmol kg-1)
Loamy
sand
Initial 6.0 0.40 21 62 0.49 4.8 1.6 0.1
C 7.1 0.34 10 39 0.44 6.7 2.2 0.1
T1 6.9 0.35 13 16 0.44 6.3 2.0 0.1
T2 7.0 0.31 15 17 0.42 6.1 1.9 0.1
T3 7.1 0.33 16 37 0.42 6.2 1.9 0.1
OR 5.5 - 6.5 25 - 30 80 - 120 0.25 - 0.30 5.0 - 6.0 1.5 - 2.0

Optimum range; Organic matter; §Available; Exchangeable.

C, conventional; T1, ×10 diluted HWS as a fertigation; T2, ×20 diluted HWS as a fertigation; T3, HWS as a fertilizer at the level of 100% of the standard nitrogen fertilization rate.

처리구 구성

시험은 논 포장에 스테인리스 원통형 무저 포트 (직경 80 cm, 높이 50 cm)를 토양에 20 cm 깊이로 설치하여 실시하였다. 처리구는 화학비료를 작물별 비료사용처방 기준 (NAS, 2017)을 참고하여 5월 25일에 기비 (5.0-1.0-1.7, N-P-K kg 10a-1), 6월 11일에 분얼비 (2.0, N kg 10a-1)처리하여 재배하는 대조구 (C), 배액을 10배, 20배로 희석하여 5월 27일, 6월 9일, 6월 24일 30 mm의 관개수로 이용하고, 화학비료로 6월 16일에 분얼비 (2.0, N kg 10a-1) 처리한 희석배액 처리구 (T1, T2), 배액을 화학비료의 질소성분기준 100%로 5월 25일에 기비 (5.0-2.3-5.4, N-P-K kg 10a-1), 6월 11일에 분얼비 (2.0-0.9-2.1, N-P-K kg 10a-1)처리하는 액비형태 처리구 (T3)의 4가지로 구성하였다 (Table 2). 배액의 희석배수는 이앙재배 시 벼생육기 관개용수량이 300 - 800 mm 임을 고려하여 20배 희석배액 기준 질소투입 총량 범위가 7.5 - 20.0 kg 10a-1이 되도록 산정하였고 (Lee and Kim, 2001; RDA, 2019), 두 배가 투입되는 10배 희석배액 처리를 고려하였다. 각각의 처리는 3반복 하였으며, 액비형태 처리구의 경우 가축분뇨 퇴 ‧ 액비 품질관리와 활용에 준하여 처리하였다 (NAS, 2012).

Table 2.

Management schedule of paddy rice production with the treatments.

Date C T1 T2 T3
14 May Tillage, 300 mm depth
17 May Irrigation for 30 mm ponding (irrigation water)
20 May Arrangement of experimental pot
25 May Mineral fertilizer
application
(5.0-1.0-1.7 kg 10a-1
as N-P-K)
- - HWS
(5.0-2.3-5.4 kg 10a-1
as N-P-K)
27 May Transplanting
27 May Irrigation for 30 mm
ponding
Irrigation with 1:10 HWS
for 30 mm ponding
(1.6-0.7-1.8 kg 10a-1
as N-P-K)
Irrigation with 1:20 HWS
for 30 mm ponding
(0.9-0.4-1.0 kg 10a-1
as N-P-K)
Irrigation for 30 mm
ponding
9 Jun. Irrigation for 30 mm
ponding
Irrigation with 1:10 HWS
for 30 mm ponding
(1.6-0.7-1.8 kg 10a-1
as N-P-K)
Irrigation with 1:20 HWS
for 30 mm ponding
(0.9-0.4-1.0 kg 10a-1
as N-P-K)
Irrigation for 30 mm
ponding
10 Jun. Pesticide application
11 Jun. Fertilizer application
(2.0 kg 10a-1 as N)
- - Mixed HWS application
(2.0-0.9-2.1 kg 10a-1
as N-P-K)
16 Jun. - Fertilizer application
(2.0 kg 10a-1 as N)
Fertilizer application
(2.0 kg 10a-1 as N)
-
24 Jun. Irrigation for 30 mm
ponding
Irrigation with 1:10 HWS
for 30 mm ponding
(1.6-0.7-1.8 kg 10a-1
as N-P-K)
Irrigation with 1:20 HWS
for 30 mm ponding
(0.9-0.4-1.0 kg 10a-1
as N-P-K)
Irrigation for 30 mm
ponding
2 Jul. Midsummer drainage (start)
21 Jul. Midsummer drainage (end)

C, conventional; T1, ×10 diluted HWS as a fertigation; T2, ×20 diluted HWS as a fertigation; T3, HWS as a fertilizer at the level of 100% of the standard nitrogen fertilization rate.

배액 및 관개수 화학성

시설원예 배액은 전라북도농업기술원 과채류연구소의 파프리카 연중재배시설에서 배출되는 배액을 사용하였다. 배액은 수집, 운반하고, 혼합, 희석하여 처리하였다. 시설원예 배액 분석은 수질오염공정시험기준에 준하였다 (MOLEG, 2021). 혼합한 배액 농도 및 희석배액의 농도는 Table 3과 같다.

혼합배액의 pH는 5.7으로 약산성이며, EC는 5.36 dS m-1이다. 질산태 질소 농도는 498 mg N L-1, 암모늄태 질소 농도는 2.55 mg N L-1, 총 질소 농도는 504 mg N L-1로 분석되었다. 인산염 인의 농도는 77.3 mg P L-1, 총 인의 농도는 230 mg P L-1으로 나타났다. 10배 및 20배 희석배액의 pH는 평균 7.6 및 7.8로 약염기성을 나타냈고, EC는 각각 평균 0.76 dS m-1, 0.50 dS m-1으로 나타났다. 질산태 질소 농도는 각각 평균 51.0, 26.4 mg N L-1, 암모늄태 질소 농도는 0.10, 0.07 mg N L-1, 총 질소 농도는 53.3, 29.4 mg N L-1였고, 인산염 인의 농도는 8.05, 4.66 mg P L-1, 총 인의 농도는 23.6, 14.4 mg P L-1였다.

관개수 분석도 수질오염공정시험기준에 준하였고, 각 성분의 농도는 Table 3과 같다. pH는 7.3이며, EC는 0.17 dS m-1이다. 질산태 질소 농도는 1.92 mg N L-1, 암모늄태 질소 농도는 0.03 mg N L-1, 총 질소 농도는 2.84 mg N L-1로 분석되었다. 인산염 인의 농도는 0.07 mg P L-1, 총 인의 농도는 0.75 mg P L-1였다 (Table 3).

Table 3.

Chemical composition of hydroponic waste solution (HWS) and irrigation water used in the study.

pH EC
(dS m-1)
NO3-N
(mg L-1)
NH4-N
(mg L-1)
T-N
(mg L-1)
PO4-P
(mg L-1)
T-P
(mg L-1)
K
(mg L-1)
Ca
(mg L-1)
Mg
(mg L-1)
Na
(mg L-1)
T1 7.6 0.76 51.0 0.10 53.3 8.05 23.6 60.2 65.6 13.4 11.4
T2 7.8 0.50 26.4 0.07 29.4 4.66 14.4 32.7 42.2 8.4 11.0
T3 5.7 5.36 498 2.55 504 77.3 230 535 393 92.6 17.9
Irrigation water 7.3 0.17 1.92 0.03 2.84 0.07 0.75 2.17 15.5 3.1 10.4

C, conventional; T1, ×10 diluted HWS as a fertigation; T2, ×20 diluted HWS as a fertigation; T3, HWS as a fertilizer at the level of 100% of the standard nitrogen fertilization rate.

토양 및 침투수 분석

시설배액의 처리가 토양에 미치는 영향을 분석하기 위해서 중간낙수 이후의 토양을 채취하여 시험 전 토양 분석결과와 비교하였다. 시험토양은 풍건토양을 2 mm체 및 유기물 분석 시 막자사발에 으깨어 0.5 mm체에 쳐서 전 처리한 후 분석하였다. pH와 EC는 전처리한 토양을 증류수와 혼합, 진탕한 후 상징액을 pH ‧ Conductivity Benchtop을 사용하여 측정하였다. 유효인산은 토양에 침출액을 첨가한 후 No.2 여과지로 여과하여 UV-Visible spectroscopy를 이용한 비색법으로 측정하였고, 치환성 양이온은 토양에 침출액을 첨가한 후 No.42 여과지로 여과하여 ICP (GBS Scientific Equipment, USA/Integra XL)로 측정하였다. 유기물은 전처리한 토양에 중크롬산칼륨 및 인산을 가하여 생성된 Cr2O72-를 황산제일철암모늄용액으로 적정하여 측정, 환산하였다.

시설배액의 질산태 질소 이동양상을 알아보기 위해서 침투수를 채취하고 분석하였다. 침투수는 토층 15 cm 깊이에 Soil Solution Access Tube (IRROMETER Co, USA)을 설치하여 채취하였으며, 질산태 질소 분석은 UV-Visible spectroscopy (SHIMADZU, JP/UV-2006)를 이용한 자외선/가시선 분광법-부루신법으로 수질오염공정시험기준에 준하였다 (MOLEG, 2021).

생장조사 및 평가

배액의 처리방법에 따른 벼의 초기생장 영향평가를 위해 초장 및 분얼수를 조사하였다. 초장은 지면에서 최장엽 선단까지의 길이로 생장정도를 쉽게 판별할 수 있는 척도이고, 분얼수는 주간을 포함하지 않은 2엽 이상 출현된 가지수로 수량요소인 이삭수를 결정하는 중요 생장항목이다. 초장은 모내기일로부터 3주차, 5주차, 6주차, 7주차에 조사하였고, 분얼수는 모내기일로부터 3주차, 5주차, 6주차, 8주차에 조사하였다. 처리구별로 포트 당 8주의 전 표본을 조사한 후 최댓값 및 최솟값을 제외하여 평균하였으며, R 프로그램을 이용하여 사전분석으로 ANOVA 검정을 실시한 후, agricolae package로 Duncan의 다중범위검정법 (Duncan’s new multiple range test)을 통해 평균제곱오차를 고려하여 처리구 간 평균값을 5% 유의수준에서 비교하였다.

Results and Discussion

시설배액의 처리 별 침투수 질산태 질소 분석 결과

침투수의 질산태 질소 농도는 처리구별로 다른 양상을 보였다 (Fig. 1). 토양에서 질산태 질소는 암모늄태 질소의 질산화 작용을 통해 생성되며, 작물이 쉽게 이용하기도 하지만 음이온으로 토양 교질에 흡착되지 못하여 용탈되고, 담수상태인 논토양의 환원조건에서는 탈질작용으로 N2O, N2로 환원되어 손실된다 (Kim et al., 2020; Yun et al., 2021). 대조구는 암모늄형태의 화학비료를 투입했기 때문에 포트 내 양분흡수 및 탈질작용이 적절하게 이루어져 침투수의 질산태 질소 농도가 시간이 지남에 따라 감소하는 경향을 나타냈다. 희석배액 및 혼합배액을 투입하는 10배, 20배 희석배액 및 액비형태 처리구는 침투수의 질산태 질소 농도가 대조구보다 높았는데, 이는 질산태 질소 형태로 질소양분이 공급되는 배액처리구의 특성상 질산태 질소가 용탈된 결과이다 (Kim et al., 2020; Yun et al., 2021). 또 10배, 20배 희석배액 처리구는 6월 23일에서 6월 28일 이후에 침투수 질산태 질소의 농도가 증가하였는데, 6월 24일에 10배 희석배액 및 20배 희석배액이 관개수로 투입되었기 때문이다. 10배 희석배액과 20배 희석배액의 질산태 질소 농도가 평균 51.0, 26.4 mg N L-1으로 질산태 질소의 투입이 많을수록 침투수 질산태 질소의 농도가 높은 것을 확인할 수 있었다. 이는 처리량의 증가에 따라 토양 중 질소 함량이 증가하기 때문이다 (Choudhary et al., 1996). 액비형태 처리구의 침투수는 초기 기비 및 분얼비를 질산태 질소농도가 높은 혼합배액으로 투입한 결과 대조구보다 질산태 질소가 높게 유지되는 양상을 나타냈지만 크게 변동은 없었다.

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Fig. 1.

Nitrate concentration of the treatments as influenced by infiltration water overtime. C, conventional; T1, ×10 diluted HWS as a fertigation; T2, ×20 diluted HWS as a fertigation; T3, HWS as a fertilizer at the level of 100% of the standard nitrogen fertilization rate.

시설배액의 처리 별 논벼 생장특성

Figs. 2, 3은 대조구 및 배액의 처리 방법에 따른 포트 내 벼의 초장 및 분얼수 생장조사 결과이다. 모내기 3주차 (6월 16일)부터 대조구와 배액처리구 간 초장차이가 확인되었고, 비슷한 경향이 7주차 (7월 14일)에는 뚜렷해지는 것을 알 수 있다. 초장의 경향은 대조구가 가장 크고, 다음으로 액비형태 처리구와 10배 희석배액 처리구가 컸으며, 20배 희석배액 처리구가 가장 작았다. 분얼수는 모내기 후 5주차 (6월 30일)부터 대조구와 배액처리구 간 차이를 보였다. 8주차 (7월 21일) 분얼수의 경향은 대조구가 가장 크고, 다음으로 10배 희석배액 처리구, 액비형태 처리구, 20배 희석배액 처리구 순으로 차이가 나타났다.

배액의 처리가 벼의 초기생장에 미치는 주요 요인을 분석하기 위해 각 양분의 성분별 누적투입량과 생장조사결과의 상관성을 분석하였다. 벼의 초장 및 분얼수에 영향을 미치는 주요 요인은 누적 질소 투입량인 것으로 확인되었다. Figs. 4, 5는 액비형태 처리구를 제외한 각 처리구별 3주차 (6월 15일) 및 5주차 (6월 30일)까지 투입된 누적 질소 투입량과 벼의 초장 및 분얼수의 상관관계를 나타낸 그래프이다. 모내기 후 3주차까지의 누적 질소 투입량과 초장은 R2가 0.984로 높은 상관관계를 보였으며, 분얼수의 R2도 0.968로 높은 상관성을 보였다 (Fig. 4). 또한 모내기 후 5주차까지의 누적 질소 투입량과 초장 및 분얼수의 생장조사 결과는 각각 0.674, 0.735의 R2를 나타내며 높은 상관성을 보였다 (Fig. 5). 벼의 초기생장에는 질소의 투입이 생육에 중요한 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있었다 (Kim et al., 2006). 또한 분얼수는 벼의 수량구성요소 중에서도 가장 수량에 영향을 미치는 요소인 이삭수와 관련이 크기 때문에 결과적으로 최종 벼의 생산량에 영향을 줄 것으로 생각된다 (Bouman and Tuong, 2001). 대조구는 표준시비를 참고하여 성분별로 요소, 용성인비, 염화칼리를 투입했기 때문에 질소의 투입량이 적절하였지만, 1:10, 1:20 처리구의 경우 질소가 관개수의 형태로 공급되기 때문에 초기생장에 필요한 질소가 표준시비량에 비해 부족하여 결과에 영향을 미쳤다고 판단된다. 액비형태 처리구는 대조구와 동일한 질소의 양이 기비로 처리되었지만 생장결과가 낮은 값을 보였는데, 이는 배액의 질소성분 구성이 영향을 미친 것으로 보인다. 암모늄태 질소로 구성된 일반화학비료와 달리 용탈이 잘 되는 질산태 질소로 구성된 배액은 공급되는 총 질소의 양의 상당부분이 용탈이 되어 생장에 이용할 수 있는 질소가 부족했다고 판단할 수 있겠다.

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Fig. 2.

Rice height as influenced by hydroponic waste solution (HWS) concentration overtime. *Duncan’s multiple range test at p = 0.05. C, conventional; T1, ×10 diluted HWS as a fertigation; T2, ×20 diluted HWS as a fertigation; T3, HWS as a fertilizer at the level of 100% of the standard nitrogen fertilization rate.

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Fig. 3.

Rice number of tillers as influenced by hydroponic waste solution (HSW) concentration overtime. *Duncan’s multiple range test at p = 0.05. C, conventional; T1, ×10 diluted HWS as a fertigation; T2, ×20 diluted HWS as a fertigation; T3, HWS as a fertilizer at the level of 100% of the standard nitrogen fertilization rate.

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Fig. 4.

Correlation between total nitrogen (N) and growth of rice (height and number of tillers), from May 27th to June 15th. C, conventional; T1, ×10 diluted HWS as a fertigation; T2, ×20 diluted HWS as a fertigation; T3, HWS as a fertilizer at the level of 100% of the standard nitrogen fertilization rate.

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Fig. 5.

Correlation between total nitrogen (N) and growth of rice (height and number of tillers), from May 27th to June 30th. C, conventional; T1, ×10 diluted HWS as a fertigation; T2, ×20 diluted HWS as a fertigation; T3, HWS as a fertilizer at the level of 100% of the standard nitrogen fertilization rate.

Conclusions

본 연구에서는 시설배액의 논 재이용 가능성을 평가하기 위해 논벼 재배에 배액 처리 형태별로, 벼의 초기생육영향을 평가하였다. 벼의 초기생육 평가를 위한 초장 및 분얼수 결과는 화학비료처리구가 가장 좋았고, 다음으로 10배 희석배액, 액비형태 처리구의 생육이 비슷한 결과를 나타냈으며, 20배 희석배액처리구의 생육이 가장 저조하였다. 배액처리구의 초기생육의 부진한 원인으로는 질소의 누적투입량과 배액의 질소 투입형태 두 가지로 판단할 수 있다. 액비형태 처리구를 제외한 질소의 누적투입량과 생육조사 결과 값이 높은 상관성을 나타냈는데, 3주차에 초장은 0.984, 분얼수는 0.968의 결정계수를 보였다. 결론적으로 시설배액을 재이용하기 위해서는 초기 부족한 질소를 보충 시비하거나 배액의 초기투입방법을 보완하는 등의 관리가 필요할 것으로 판단되며, 본 연구가 시설배액을 논에 재이용하는 연구의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

Acknowledgements

This study was carried out with the support of “Research Program for Agricultural Science & Technology Development (Project No. PJ014190032021)”, Rural Development Administration, Republic of Korea.

References

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