Introduction
Materials and Methods
시험 설계
N2O 배출량 평가
토양 특성평가
통계분석
Results and Discussion
FDP 및 N 감비 적용에 따른 토양 화학성 변화
FDP 및 N 감비 적용에 따른 N2O 배출량 변화
Conclusions
Introduction
많은 산업부문에서 4차 산업혁명 기술 연계를 통해 기술적 발전을 도모하고 있으나, 대표적인 기후민감산업인 농업부문은 여전히 기후변화로 인해 농업 생산성과 식량안보가 위협받고 있다 (Seok et al., 2024; Kang et al., 2025). 질소 (nitrogen, N) 비료는 농업 생산성 향상을 위해 사용이 필수적이나, 생태계 내에서 고정, 질산화, 그리고 탈질화 과정을 통해 암모니아 (ammonia, NH3) 혹은 아산화질소 (nitrous oxide, N2O) 등의 형태로 휘발된다 (Kang et al., 2024a). 그중에서도, 이산화탄소 (CO2)보다 310배 온실효과가 높은 온실가스인 N2O는 토양에 처리된 N 비료가 질산화 및 탈질화 과정을 거쳐 대기로 배출된다고 알려져 있다 (An et al., 2023). 농경지 토양에서의 과도한 N2O 배출은 토양 비옥도 및 작물 생산성을 감소시키고, 대기 질 및 기후변화를 악화시킴에 따라 효과적인 N2O 관리 방안이 필요하다.
토양에서의 N 손실은 주로 토양 표면에서부터 약 15 cm 이내의 깊이에서 이루어지며, 이는 비료의 종류, 시용 방법, 그리고 처리량 등의 영향을 받는다 (Wu et al., 2021; Hong et al., 2023; An et al., 2024; Kang et al., 2024). 국내 농업부문에서는 비료의 종류 및 처리량에 따른 N 손실을 주로 평가하고 있어 국내 토양 조건에서 N 비료 시용 방법과 관련된 연구는 상대적으로 미흡한 실정이다 (Seo et al., 2024). 그 예로, 토양 내 N 처리량 별 N2O 배출량 변화를 평가한 연구에서는 토양에 유기 N 처리량이 증가할수록 N2O 배출량이 감소하며, 무기질비료 단독 처리 대비 최대 47% 저감시킬 수 있다고 보고하였다 (An et al., 2023). Takeda et al. (2021)에서는 N 처리량과 N2O 배출량의 상관관계를 분석하였으며, N 처리량이 증가함에 따라 누적 N2O 배출량과 처리한 N 대비 N2O 손실률이 모두 증가한다고 보고하였다.
N 비료를 토양 내 30 cm 깊이에 처리하는 기술인 깊이 거름주기 (fertilizer deep-placement, FDP) 기술은 토양 내 N의 질산화 과정을 억제하여 N 손실을 줄일 수 있을 것으로 기대되는 기술이다 (Hong et al., 2025). 하지만, 국내 사례 중 벼를 재배하는 논에 적용된 사례가 없어 본 연구에서는 FDP 적용 여부에 따른 논 토양에서의 N2O 배출량 평가를 통해 토양에 N 비료 처리 방식에 따른 N2O 배출 저감 효율 및 토양 화학성 변화를 확인하고자 하였다.
Materials and Methods
시험 설계
본 연구는 대전광역시 유성구 소재의 충남대학교 농업생명과학대학 내 부속 논 포장 (36°22’03’’ N, 127°21’17’’ E)에서 실시되었으며, 해당 포장은 20년 이상 벼를 재배한 장기연용 포장이었다. 시험에 사용한 벼 (Oryza sativa L.)는 신동진 품종을 이용하였으며, 2024년 6월 7일부터 10월 15일까지 총 130일간 재배하였다. 시험을 실시한 포장의 모래, 실트, 그리고 점토의 함량은 각각 65.6%, 19.0%, 그리고 15.4%이었으며, 토성과 토양목은 각각 사양토 (sandy loam)와 Inceptisols로 분류되었다 (Kang et al., 2023; Kang et al., 2024b; Kim et al., 2024). 시험기간 중 환경요인 변화를 조사한 결과는 Fig. 1에 나타내었다.
본 연구에서 FDP 적용에 따른 N2O 배출량 평가를 위해 198.0 m2 (9.0 m × 22.0 m) 크기의 처리구는 총 3개로 구분하였으며, 모든 처리구의 면적을 합산한 전체 총 면적은 594.0 m2이었다. 본 연구에서 챔버는 각 처리구 내에 3반복 배치하였으나, 시험 현장 여건 상 처리구는 1반복으로 구성하여 시험을 실시하였다. 관행 처리구 (control)는 무기질비료 (N-P2O5-K2O, 90-45-57 kg·ha-1)를 전층시비하였으며, FDP 적용 처리구 (FDP)는 Hong et al. (2023)에서 제시한 장비를 기초로 무기질비료를 토양 25 - 30 cm 층위에 시용하였다. 또한, 본 연구에서는 FDP 적용에 따라 작물의 N 이용 효율이 증가한다는 선행연구 결과를 기초로 FDP와 N 비료를 20% 저감한 함께 적용한 FDPrf 처리구를 설치하여 FDP의 N 비료 저감 효율을 평가하고자 하였다 (Li et al., 2021; Wu et al., 2021; Hong et al., 2023). 본 연구에서 N, P2O5, 그리고 K2O 공급을 위한 무기질비료는 각각 요소, 용성인비, 그리고 염화칼륨을 사용하였다. 모든 처리구는 이앙 15일 전에 관개를 실시하였으며, 이앙 후 35일 (35 days after treatment, 35 DAT)부터 49 DAT까지 2주 간 중간물떼기를 실시하였다.
N2O 배출량 평가
FDP 적용에 따른 N2O 배출량 변화는 간이폐쇄정태 챔버법 (closed-chamber method, ø 25.0 × H 20.0 cm )를 기반으로 평가하였다 (Lee et al., 2024a; Kim et al., 2024; Shin et al., 2024a). 가스 형태의 N2O 시료는 벼 재배기간 중에는 오전 10시에서 12시 사이에 매주 1회 채취하였으며, 벼를 수확한 이후에는 2주에 1일 간격으로 포집을 실시하였다. 채취한 N2O 시료는 가스 크로마토그래프 (GC, Agilent 6890N, Agilent Technologies Inc., USA)를 이용하여 정량하였으며, 시험 기간 중 배출된 일일 N2O 배출량 및 누적 N2O 배출량을 계산한 식은 아래 Eqs. 1과 2에 각각 나타내었다 (An et al., 2024).
위 식에서 p는 N2O의 밀도 (mg L-1)를 나타내며, V는 챔버 내 부피 (L), A는 챔버 내 면적 (m2), Δc/Δt는 포집 시간 동안의 N2O 농도 변화 (ppmv), 그리고 T는 챔버 내 온도 (K)를 나타낸다. 또한, Ri와 Di는 각각 i일째의 일일 N2O 배출량과 포집 간격을 나타낸다 (An et al., 2024; Kim et al., 2024).
토양 특성평가
본 연구에서는 FDP 적용 및 N 감비에 따른 토양 특성 변화를 확인하기 위해 총 2회에 걸쳐 토양을 채취하였으며, 시험 전 토양을 채취한 후에 처리구 구분을 실시하였다. 시험 후 토양의 경우, 벼 수확 후 지표로부터 40 cm의 토양을 10곳에서 무작위로 채취하였으며, 충분히 혼합한 시료를 3반복 분석하였다. 토양 pH 및 전기전도도 (electrical conductivity, EC)는 건조한 토양과 증류수를 1:5 (w v-1) 비율로 혼합한 후, pH 및 EC 미터 (ORIONTM Versa Star ProTM, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)를 이용하여 각각 측정하였다. 토양 내 유기물 (organic matter, OM) 및 총 질소 (total nitrogen, TN) 함량은 원소분석기 (CHN828, Leco Corp., USA)를 이용하여 분석하였으며, OM 함량은 토양 내 총 탄소 함량을 이용하여 계산되었다. 또한, 토양 내 유기탄소 변화량 분석을 위해 시험 후 토양은 총 탄소함량에서 무기탄소 함량을 제외하는 TC-IC 법을 이용하여 토양 유기탄소 (soil organic carbon, SOC) 함량을 계산하였으며, 각 SOC 함량과 면적 (198.0 m2), 벼 재배일 수 (총 130일)를 이용하여 처리구 별 SOC 변화량을 도출하였다. 무기태 형태의 NH4+과 NO3- 함량은 각각 Indophenol blue 법과 Brucine 법을 이용하여 분광광도계 (GENESYS50, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)로 비색정량하였으며, 유효인산 (available phosphorus pentoxide, Avail. P2O5)은 Lancaster 법에 준하여 분석하였다. 교환성 양이온 (exchangeable cations, Exch. cations, K+, Ca2+, Mg2+, Na+) 함량은 1 M NH4OAC로 침출한 액을 유도결합 플라즈마 (ICP-OES, iCAP 7000 series, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)로 측정하였다.
통계분석
FDP 적용에 따른 N2O 배출량 및 토양 화학성 변화는 3반복 실시한 결과를 평균과 표준편차의 형태로 제시하였다. 본 연구에서는 SPSS 프로그램 (IBM, USA)의 일원배치 분산분석 (p < 0.05) 및 던컨의 다중검정 분석을 이용하여 처리구 간 통계적 유의차를 조사하였다.
Results and Discussion
FDP 및 N 감비 적용에 따른 토양 화학성 변화
FDP 및 N 감비 적용에 따른 토양 화학성 변화를 평가한 결과는 Table 1에 나타내었다. 벼 재배 후 토양 pH는 모든 처리구에서 감소하였으며, 가장 낮은 pH를 보인 control 처리구 (pH 5.30)는 시험 전 토양의 pH 6.20 보다 0.9 만큼 낮았다. 반면, 토양 EC는 모든 처리구 (control, 0.45 dS m-1; FDP, 0.47 dS m-1; FDPrf, 0.50 dS m-1)에서 증가하는 경향을 나타내었다. 토양 비옥도를 나타내는 OM 함량은 FDP 적용으로 인해 감소하여 17.55 g kg-1으로 가장 낮았다 (Kim et al., 2025). 또한, 이러한 경향은 토양 특성 중 OM 함량과 유사한 항목인 유기탄소 변화량에서도 확인되었으며, 재배 기간 중 유기탄소 변화량도 FDP 적용에 따라 감소하였다 (Fig. 2). 본 연구에서 토양 내 TN 및 NH4+ 함량과 NO3- 함량은 FDP 적용에 따라 서로 상반된 경향을 나타내어 TN 및 NH4+ 함량은 FDP 처리구에서 각각 1.3 g kg-1와 27.9 mg kg-1으로 가장 높았다. 토양 NO3- 함량의 경우, FDP 및 N 감비 적용에 따라 점차 감소하여 FDPrf 처리구에서 35.8 mg kg-1로 가장 낮은 수준이었으며, FDP 처리구는 37.5 mg kg-1로 FDPrf 처리구보다 높게 분석되었다. 토양 Avail. P2O5 함량은 TN 및 NH4+ 함량과 유사한 경향을 나타내어 control 처리구 (239.6 mg kg-1) 대비 FDP 및 FDPrf 처리구에서 각각 29.9 mg kg-1 및 33.1 mg kg-1만큼 높게 증가하였다. 토양 내 Exch. K+와 Mg2+ 함량은 무기질비료 처리 및 FDP 적용에 따른 차이를 나타내지 않는 반면, Exch. Ca2+ 함량은 FDP 및 N 감비 적용에 따라 5.32 cmolc kg-1으로 가장 높게 증가하였다.
Table 1
Changes in soil chemical properties affected by application of fertilizer deep-placement and 20% N reduced fertilization in rice cultivation.
| Treatments | pHw | EC1 | OM | TN | NH4+ | NO3- | Avail. P2O5 | Exch. cations (cmolc kg-1) | ||
| (1:5) | (dS m-1) | (g kg-1) | (g kg-1) | (mg kg-1) | (mg kg-1) | (mg kg-1) | K+ | Ca2+ | Mg2+ | |
| Initial soil | 6.20 | 0.41 | 20.41 | 0.82 | 11.2 | 27.1 | 178.9 | 0.36 | 5.47 | 0.70 |
| Control | 5.30 | 0.45 | 19.82 | 1.17 | 20.0 | 42.9 | 202.4 | 0.36 | 5.00 | 0.68 |
| FDP2 | 5.58 | 0.47 | 17.55 | 1.32 | 27.9 | 37.5 | 232.3 | 0.38 | 5.27 | 0.65 |
| FDPrf | 5.59 | 0.50 | 18.19 | 1.28 | 27.0 | 35.8 | 235.4 | 0.38 | 5.32 | 0.67 |
작물의 뿌리는 N 흡수를 위해 H+ 이온을 방출하며, 이는 N 시비에 따른 토양 산성화를 유발하는 원인으로 작용한다 (Li et al., 2023; Kang et al., 2024a; Shin et al., 2024b). 또한, H+ 이온은 토양의 질산화 과정 중에서도 배출될 수 있으며, FDP 적용에 의해 토양 심층부 내에서 N가 NH4+ 형태로 잔류함에 따라 토양 표층의 질산화 및 토양 pH 감소를 억제할 수 있다. 본 연구에서도 FDP 적용에 따라 N 비료의 질산화가 억제됨에 따라 근권층 토양의 pH 감소를 방지하였으나, N 비료 사용량을 20% 절감하였음에도 토양 pH의 유의한 변화는 조사되지 않았다 (Lee and Sung, 2023). FDP 적용에 따른 pH 교정 및 N 비료의 질산화 저해 효과는 토양 내 NH4+ 및 NO3- 함량 변화와 유사한 경향을 나타내어 토양 pH가 낮아질수록 토양 내 NO3- 함량은 증가하는 경향을 나타내었다. 본 연구에서는 FDP 적용에 의해 토양 TN 함량과 무기태 N 함량의 합이 증가하는 반면, N 감비에 따른 차이는 유의하지 않은 것으로 조사되었다. 논 토양에 FDP를 적용한 선행연구에서는 N 비료의 질산화 및 요소 가수분해 효소 활성 억제로 인해 토양 내 N 함량이 증가하며, NO3- 형태로 유실되는 N을 80% 감소시켜 토양 내 TN 함량이 크게 증가한다고 보고하였다(Cao et al., 1984; Danying et al., 2019). 본 연구에서도 FDP 적용 토양에서 토양 TN 및 무기태 N 함량이 높게 증가하여 선행연구와 유사한 경향을 나타내었다. 다만, 본 연구에서는 시험 포장을 1반복 설계함에 따라 외부 요인에 의한 토양 N 변동은 객관적으로 비교하기 어려운 한계점을 포함하고 있다. 토양 내 N 함량 외에도, 토양 pH는 P2O5 및 Exch. Ca2+ 함량의 가용성을 결정하는 요인으로 작용하며, 일반적으로 pH가 8.0 이하인 토양에서 pH가 증가할수록 양분 가용성은 증가한다 (Lee et al., 2024b). 본 연구에서도 FDP 적용하여 FDP 및 FDPrf 처리구는 control 처리구보다 유의하게 높은 토양 pH를 나타내어 토양 내 높은 Avail. P2O5 및 Exch. Ca2+ 함량을 유도한 것으로 판단된다. 본 연구에서 FDP 적용은 토양 pH 및 양분 함량 개선과 함께, 토양 내 유기탄소 함량이 감소한다고 보고하였으며, 이러한 결과는 토양 내 탄소격리 측면에서 부정적으로 작용함을 나타낸다.
FDP 및 N 감비 적용에 따른 N2O 배출량 변화
FDP 및 N 감비 적용에 따른 일일 N2O 배출량 변화를 분석한 결과는 Fig. 3에 나타낸 바와 같다. 농경지 토양에서의 N2O 배출은 토양 표면에서 이루어지며, 논 토양에서는 중간물떼기 혹은 낙수 실시 이후에 N2O가 배출된다고 알려져 있다 (Lim et al., 2024). 이에 따라, 본 연구에서도 N2O 배출 시기를 중간물떼기 기간 (35 - 49 DAT)과 수확을 위한 낙수 이후 (100 DAT)로 구분하여 N2O 배출량을 비교하였다. 중간물떼기 기간 중 일일 N2O 배출량은 유의한 변화를 보이지 않았으나, 일일 최대 N2O 배출량은 control, FDP, 그리고 FDPrf 처리구에서 각각 4.97 g ha-1 day-1, 5.68 g ha-1 day-1, 그리고 6.89 g ha-1 day-1이었다. 반면, 벼 수확을 위한 낙수 실시 이후, 일일 N2O 배출량은 급격하게 증가하는 추세를 보였으며, 120 DAT에 일일 최대 N2O 배출량을 나타내었다. 가장 높은 일일 최대 N2O 배출량은 control 처리구의 87.15 g ha-1 day-1이었으며, FDP 및 N 감비를 적용함에 따라 일일 최대 N2O 배출량은 감소하여 FDP와 FDPrf 처리구에서 각각 64.73 g ha-1 day-1와 51.34 g ha-1 day-1이었다.
FDP 및 N 감비 적용에 따른 누적 N2O 배출량 비교 시, 중간물떼기 시기의 누적 N2O 배출량은 모든 처리구에서 기저 배출 형태를 나타내었으며, 호기 환경 형성에 따른 N2O 피크는 관찰되지 않았다. 이에 따라, 본 연구에서는 해당 기간 중 누적 N2O 배출량을 비교하는 것은 유의하지 않다고 판단하여 누적 N2O 배출량은 전체 시험기간을 합하여 평가하였다 (Fig. 4). 이때, control 처리구는 1.19 kg·ha-1로 가장 높은 누적 N2O 배출량을 나타내었다. 반면, 본 연구에서 FDP의 적용으로 인해 누적 N2O 배출량은 27% 감소하였으나, FDP와 N 감비를 동시에 적용한 토양과 유의한 차이를 나타내지 않았다.
Fig. 4
Total N2O emissions influenced by application of fertilizer deep-placement and 20% N reduced fertilization during the rice cultivation. n.s., not significant; FDP, fertilizer-deep placement; rf, 20% N reduced fertilization. ** was denoted the statistically significant differences at significant level (p) < 0.01. The standard deviation was presented along with the mean value (n = 3).
일반적으로, 논 토양에서의 N 손실은 토양 표면에서 주로 이루어져 중간물떼기 혹은 낙수 실시 이후에 N2O 배출량이 급격하게 증가한다고 알려져 있다 (Lim et al., 2024). FDP 기술을 통해 토양 심층부에 N 비료를 적용하는 경우, 토양 표면에 존재하는 N의 질산화를 억제하고, 토양 내 NH4+ 형태로 저장함에 따라 N2O 배출량을 저감할 수 있다(Liu et al., 2016; Zhang et al., 2022; Wu et al., 2023). 하지만, 본 연구에서는 중간물떼기 기간 중 지속적인 강우의 영향으로 토양이 혐기적 상태에 머물면서 N2O 배출이 원활하게 이루어지지 못해 100 DAT 이후에 일일 N2O 배출량이 관측된 것으로 판단된다 (Fig. 4). 그러나, 선행연구와 유사하게, FDP 적용에 따른 N2O 배출량 변화는 N를 NH4+ 형태로 고정하여 N2O 배출을 억제하였으며, 이는 토양 표면에 축적된 N의 질산화 및 탈질화 과정 (NO3-에서 N2O)을 억제하여 대기 중으로 휘산되는 것을 방지한 것으로 생각된다 (Wu et al., 2021; Kang et al., 2024a; Park et al., 2024). 본 연구에서도 FDP 및 FDPrf 처리구에서 control 처리구보다 낮은 총 N2O 배출량을 보여 선행연구와 유사한 경향을 나타내었다.
Conclusions
본 연구는 질소 (N) 비료 시용 방식 중 깊이 거름주기 (fertilizer deep-placement) 및 N 20% 감비를 적용하여 논 토양에서의 N2O 배출 저감 효율을 평가하였다. FDP 적용에 따른 토양 N 동태를 확인하였을 때, 토양 내 총 질소 및 NH4+ 함량은 유의하게 증가하였으나, N 감비 유무에 따른 차이는 보이지 않았다. 또한, FDP 적용 토양의 pH는 관행 농법보다 높게 유지됨에 따라 P2O5 및 Ca2+ 가용성을 증진시켜 비옥도를 개선하는 반면, 유기물 함량은 더 낮게 감소하였다. 벼 재배기간 중 N2O 배출량의 경우, 관행 농법을 적용한 토양에서는 1.19 kg·ha-1이 배출되었으나, FDP 적용에 따라 누적 N2O 배출량은 27% 감소하여 0.87 kg·ha-1이 배출되었다. 하지만, 누적 N2O 배출량은 토양 N 함량과 유사한 경향을 나타내어 N 20% 감비에 따른 유의한 차이는 보이지 않았다. 따라서, 논 토양에서 N 비료 처리 방식은 N2O 배출량을 효과적으로 감소시킬 수 있으나, 유기물 분해를 촉진할 수 있어 유기물원과 함께 적용하는 것이 효과적일 것으로 판단된다. 다만, 본 연구에서 제시한 결과는 1년간 수행한 결과를 보고하였으며, FDP의 반복 적용에 따른 토양 특성 및 N2O 배출에 미치는 영향을 평가하여 FDP 기술의 효과를 확인하는 것이 필요할 것으로 생각된다.
