Introduction
Materials and Methods
작물 포트재배시험
작물생육조사 및 토양화학성 분석
토양탄소축적량 평가
통계분석
Results and Discussion
바이오차 혼합 유기질비료 사용에 따른 작물 생육 특성 평가
바이오차 혼합 유기질비료 사용에 따른 토양 화학성 및 토양탄소축적량 평가
Conclusions
Introduction
최근 지구온난화로 인해 예상치 못한 이상기후가 발생하면서 다양한 산업 분야에서 피해가 확산되고 있다 (IPCC, 2019). 특히 농업 분야에서는 기후 변화로 인해 작물의 생육조건이 악화되어 식량 공급의 불안정이 우려되고 있으며, 이를 대응하고 피해를 최소화하기 위한 연구가 진행되고 있다 (Lee et al., 2021a). 그 중에서도 농경지에 탄소를 저장하고 축적하기 위한 기술이 주목받고 있는데, 이를 위해서는 토양 내 탄소의 축적이 필수적이다. 토양탄소는 토양 내 탄소 저장 및 축적 과정에서 핵심적인 역할을 하며, 토양 유기물의 주요 성분으로 수분, 온도, 토양 미생물 등의 영향에 따라 토양 내에서 저장기간이 달라질 수 있다 (Lee et al., 2012; Cho et al., 2018). 이러한 토양탄소를 효과적으로 관리하는 것은 농경지 탄소 저장 기술의 중요한 요소로 여겨지고 있다. 농경지에서 탄소를 저장할 수 있는 방법에는 유기물 투입, 피복작물 재배, 무경운 등이 있으며, 대표적인 농경지 유기물 투입 방법은 유기질비료, 퇴비 및 바이오차 등의 사용이 있다 (Lee et al., 2021b).
유기질비료는 비료공정규격상 부산물비료에 포함되며, 원료의 종류에 따라 혼합유박, 혼합유기질비료, 유기복합비료 등으로 구분된다 (RDA, 2017). 유기질비료는 양분을 공급하는 기능이 있으며, 자연에서 유래된 원료로 구성되어 있어 친환경 농업 정책의 일환으로 유기질비료 지원사업과 같은 정책적 지원을 받고 있다. 이러한 유기질비료는 토양에 투입되면 미생물에 의해 분해되어 식물에 필수 양분을 제공하는 동시에, 토양유기물을 축적하는 기능도 수행한다 (Kim et al., 2019). 그러나 기존의 유기질비료는 최근 많은 주목을 받고 있는 바이오차에 비해 토양내 양분과 유기물은 축적하지만, 안정적이고 지속적인 탄소 축적에는 다소 한계가 있는 것으로 보고되고 있다 (Kim et al., 2023).
바이오차는 농업부산물과 같은 원료를 무산소 조건하에 고온 (350°C 이상)에서 열분해하여 형성된 탄화물로, 높은 내구성과 분해 안정성 덕분에 토양에서 장기적으로 탄소를 저장할 수 있다. 그러나 바이오차 자체로는 식물 생장에 필요한 주요 양분을 공급하지 못하여 단독으로 사용될 경우 비료로서의 역할이 제한적이다. 유기질비료는 바이오차에 부족한 양분을 보충할 수 있는 특성을 가지고 있으므로 유기질비료와 농업부산물에서 유래된 바이오차의 적절한 조합을 통해 양분 공급과 더불어 안정적인 탄소 축적을 동시에 실현할 수 있는 비료 제조 기술을 개발하는 것이 필요하다.
따라서 본 연구는 토양 내 탄소 저장 능력을 극대화 할 수 있는 유기질 비료와 바이오차의 최적 혼합 비율을 도출하고자 하였다. 이를 위해 유기질비료와 국내 농업 부산물로부터 생산된 바이오차의 혼합 비율에 따른 상추 생육, 토양 화학성 및 토양탄소축적량을 포트 실험을 통해 종합적으로 평가하였다.
Materials and Methods
작물 포트재배시험
농업부산물로부터 유래된 바이오차와 유기질비료의 혼합 비율에 따른 작물 생육 및 토양 화학성 평가를 위해 상추 (Lactuca sativa L.) 포트재배시험을 실시하였다. 재배시험에 사용된 포트는 와그너포트 (1/5000 a, ф174.6 × ф160.4 × 197.5 mm)이며, 포트당 토양 3 kg을 충진하였다. 재배시험에 사용된 토양의 화학적특성은 Table 1에 나타난 바와 같다. 바이오차의 제조를 위해 참깻대 부산물을 활용하여 열분해 조건을 400°C 및 2시간으로 설정하여 탄화 장비 (Cultural camp ceramics kiln, ㈜STI, Korea)를 통해 제조하였다. 본 실험의 처리구는 무처리구 (No fertilizer, NF), 무기질비료 처리구 (inorganic fertilizer, IF), 바이오차 혼합 처리구 (biochar derived from agricultural waste mixed organic fertilizer, BAOF)이며, 제조된 바이오차와 유기질비료와의 혼합 비율을 총 4개의 조건 (유기질비료:바이오차 = 100:0. 90:10, 80:20 및 70:30)으로 설정하였으며, 포트 토양의 0 - 15 cm 이내의 표토에 혼합하여 처리하였다. 포트 토양 작물의 비료사용량은 농촌진흥청 작물 별 비료사용처방기준 (RDA, 2022)에 따라 무기질비료는 N-P2O5-K2O = 7.0-3.0-3.6 kg 10a-1로 사용하였다. 유기질비료 (Table 2)는 무기질비료의 질소 함량 (7 kg 10a-1)과 동일한 수준을 유지하고자 유기질비료의 질소 함량을 기준으로 계산하여 175 kg 10a-1를 투입하였고, 이를 유기질비료와 바이오차의 혼합 총량이 되도록 설정하였다. 재배 토양의 수분 조건은 포장용수량이 되도록 유지하여 실험을 진행하였으며 처리구의 배치는 임의 배치로 3반복으로 설정하여 수행하였다.
Table 1.
Chemical properties of soil used in this experiment.
| Sample |
pH (1:5) |
EC (dS m-1) |
OM (g kg-1) |
Av. P2O5 (mg kg-1) | Exch. cations (cmolc kg-1) | |||
| K | Ca | Mg | Na | |||||
| Soil | 6.9 | 0.7 | 14 | 192 | 0.3 | 7.1 | 1.0 | 0.1 |
Table 2.
Chemical properties of organic fertilizer and carbonization agricultural waste used in this experiment.
| Sample |
pH (1:5) |
EC (dS m-1) |
TC (%) |
TN (%) |
TP (%) |
K (%) |
Ca (%) |
Mg (%) |
Na (%) |
O/C (molar ratio) |
| OF1 | 6.2 | 48.9 | 42 | 4.5 | 1.2 | 2.4 | 0.4 | 0.5 | 0.1 | - |
| BAOF2 | 10.2 | 55.9 | 59.8 | 1.1 | 5.0 | 3.6 | 2.3 | 0.7 | 0.2 | 0.32 |
작물생육조사 및 토양화학성 분석
작물 생육을 평가하기위해 작물의 엽폭, 엽장 및 생체중을 조사하였고 70°C 조건의 건조기에서 건조한 다음 수분을 정량하였다. 토양화학성 평가를 위해서 토양분석은 국립농업과학원에서 발간한 토양 및 식물체 분석법 (NIAST, 2000)에 준하여 분석하였다. pH 및 EC는 수확 후 시료를 채취하여 풍건조건에서 전처리한 토양시료와 증류수를 1:5 (w/v)비율로 30분 동안 교반한 혼합액을 pH meter (Orion star A121) 및 EC meter (Orion star A212)로 각각 측정하였다. 유효인산은 Lancaster법, 교환성 양이온은 1M 아세트산 암모늄 용액 (pH 7.0)으로 침출하여 유도결합플라즈마 발광광도계 (ICP-OEC, GBC, Australia)로 교환성 양이온 (K, Ca, Mg, Na) 함량을 분석하였다.
토양탄소축적량 평가
토양탄소축적량 평가를 위해 토양 깊이 0 - 15 cm에서 시료를 채취하였으며 풍건 및 분쇄하여 2 mm체에 통과된 시료를 분석에 사용하였다. 토양탄소함량 (Soil carbon, SC)은 원소분석기 (Vario Max, Elementar, German)로 산출하였다. 토양탄소축적량 (soil carbon stock, SC stock)은 아래의 식을 이용하여 산정하였다.
통계분석
통계분석은 바이오차 혼합 유기질비료 사용에 따른 작물의 생육특성과 토양 화학성 및 토양탄소축적량 비교를 위해 SPSS statistics 27을 활용하여 ANOVA 분석을 실시하였으며, duncan’s multiple range test (DMRT)로 처리구간 평균 차이에 대한 사후 검정을 유의 수준 5%에서 실시하였다.
Results and Discussion
바이오차 혼합 유기질비료 사용에 따른 작물 생육 특성 평가
바이오차 혼합 유기질비료 사용에 따른 작물의 생육 특성을 평가하기 위해 포트 실험을 통한 상추의 생육 특성을 조사하였고, 그 결과는 Table 3에 나타난 바와 같다. 무처리구 대비 BAOF 처리구에서 엽장과 엽폭의 생육이 각각 1.70 - 1.84배, 1.58 - 1.78배 증가하였다. 이는 BAOF 처리구에서 상추에 양분 공급이 효과적으로 이루어진 것으로 볼 수 있으며, IF 처리구와 통계적으로 유사한 생육 수준을 보인다는 점에서 유기질비료와 바이오차의 혼합이 작물 생육에 긍정적인 영향을 미친 것으로 판단된다. 상추 수량은 BAOF 처리구 중 유기질비료와 바이오차의 혼합비율이 100:0일 때 가장 높게 나타났으며, 바이오차의 혼합 비율이 증가함에 따라 수량이 일부 감소하였으나 통계적 유의차를 나타내지 않았다. 무기질비료는 작물이 바로 사용할 수 있는 무기화 형태로 존재하여 작물 생육에 빠르게 영향을 미치지만, 유기질비료는 무기화 과정을 거친 뒤 작물에 흡수되기 때문에 상대적으로 작물에 양분 공급이 느리게 나타난다고 알려져 있다 (Kim et al., 2020). 하지만 BAOF 처리구에서는 바이오차의 혼합으로 인해 작물 생육에 대한 양분 공급 효과가 보완된 것으로 판단된다. 또한 바이오차는 유기질 비료에 비해 안정적인 형태의 탄소를 함유하고 토양 내 양분을 흡착하여 양분보유능에 기인한다고 알려져 있는데 (Gross et al., 2021; Han et al., 2014), 작물의 생육 초기에는 유기질비료로 인한 양분 공급이 발생되고 이후에는 혼합된 바이오차의 지속적인 양분 공급에 의해 작물 생육이 증진된 것으로 판단된다. 위 결과를 통해 유기질비료와 바이오차가 혼합될 경우 작물의 생육과 수량에 긍정적인 영향을 미치며, 장기적으로 안정적인 양분을 공급할 수 있음을 확인하였다. 작물 생산량의 경우 IF 처리구와 BAOF 처리구의 혼합비율이 100:0 일 때 생산량이 통계적으로 가장 높게 나타났으며, 바이오차의 혼합비율이 증가함에 따라 생산량이 통계적으로 일부 감소하는 경향을 나타내었다. 이처럼 바이오차의 처리 수준에 따라 작물 생육 및 생산량에 영향을 줄 수 있으므로 바이오차와 유기질비료의 적정 혼합 비율을 선정하여 사용하는 것이 중요하다고 판단된다.
Table 3.
Growth characteristics of lettuce under different treatments of fertilizer.
| Treatment | Yield | Leaf | SPAD | |||
|
Length (cm) |
Width (cm) |
Number (ea) | ||||
| NF1 | 1,123 b | 8.7 c | 5.1 c | 8 c | 16.4 b | |
| IF2 | 2,132 a | 16.1 a | 9.2 a | 12 a | 23.1 a | |
| BAOF3 | 100:0 | 2,077 a | 14.8 b | 8.1 b | 11 a | 22.1 ab |
| 90:10 | 2,013 ab | 16.2 a | 9.0 a | 12 a | 23.9 a | |
| 80:20 | 1,981 ab | 15.6 a | 9.1 a | 12 a | 21.2 ab | |
| 70:30 | 1,877 ab | 16.0 a | 9.1 a | 10 b | 20.7 b | |
바이오차 혼합 유기질비료 사용에 따른 토양 화학성 및 토양탄소축적량 평가
바이오차 혼합 유기질비료 사용에 따른 토양의 화학성 변화 및 탄소축적량을 분석한 결과는 다음 (Table 4)과 같다. 토양 pH에서는 실험 처리 간에 통계적으로 유의미한 차이가 없었으나, 탄소축적량에서는 통계적으로 뚜렷한 변화가 관찰되었다. BAOF 처리구에서 토양탄소축적량은 바이오차의 혼합 비율이 높아질수록 증가하는 경향을 보였는데, 이는 바이오차가 생성되는 과정에서 휘발성 물질이 감소되고 탄소 함량이 증가하여 안정된 형태의 고정 탄소가 형성되며 (Spokas, 2010), 탄화과정을 통해 탄소 함량이 높아진 바이오차의 처리량이 증가하였기 때문이다 (Han et al., 2024). 또한 바이오차는 그 자체로도 생물학적 요인에 의한 분해의 영향이 낮은 탄소 구조를 가지기 때문에 토양 내에서 장기간 잔류하여 탄소 저장 효과를 높일 수 있다 (McLaughlin et al., 2009).
Table 4.
Changes in soil characteristics after pot test under different treatments of fertilizer.
| Treatment |
pH (1:5) |
EC (dS m-1) |
SC stock (t C ha-1) |
Av. P2O5 (mg kg-1) | Exch. cations (cmolc kg-1) | ||||
| K | Ca | Mg | Na | ||||||
| NF1 | 7.3 a | 0.6 c | 10.01 b | 275 b | 0.27 b | 7.0 a | 1.3 a | 0.15 b | |
| IF2 | 7.3 a | 0.6 bc | 10.19 b | 276 b | 0.27 b | 7.3 a | 1.3 a | 0.14 c | |
| BAOF3 | 100:0 | 7.3 a | 0.7 bc | 10.26 b | 279 b | 0.26 b | 7.6 a | 1.4 a | 0.19 b |
| 90:10 | 7.2 a | 0.8 b | 10.35 b | 278 b | 0.25 b | 7.5 a | 1.3 a | 0.15 b | |
| 80:20 | 7.4 a | 0.9 a | 11.22 a | 366 a | 0.44 a | 7.7 a | 1.4 a | 0.33 a | |
| 70:30 | 7.3 a | 0.7 bc | 11.93 a | 285 b | 0.26 b | 7.4 a | 1.4 a | 0.16 b | |
| Optimal range‡ | 6.5 - 7.0 | ≤2 | - | 250 - 400 | 0.40 - 0.60 | 6.0 - 7.0 | 2.0 - 2.5 | - | |
토양탄소축적량은 BAOF 처리구에서 바이오차의 혼합 비율이 높아짐에 따라 증가하는 양상을 보였으며, 구체적으로 BAOF (70:30)에서 11.93 t C ha-1, BAOF (80:20)에서 11.22 t C ha-1, BAOF (90:10)에서 10.35 t C ha-1, BAOF (100:0)에서 10.26 t C ha-1의 순서대로 나타났다. 이러한 결과는 유기질비료에 바이오차의 혼합 비율이 증가함에 따라 토양 내 탄소 고정이 촉진된 것으로 볼 수 있다. 또한 pH와 EC 등 토양의 주요 화학성의 변화가 통계적으로 유의미하지 않았다는 점에서 유기질비료에 바이오차를 혼합할 경우 토양의 화학적 특성을 안정적으로 유지하면서 주로 토양의 탄소 고정에 기여하는 것으로 볼 수 있다. 따라서 유기질비료만 사용할 경우 지속적인 양분과 탄소의 공급이 어려우나, 바이오차를 혼합하면 토양 내 양분의 체류시간이 증가하고 탄소 격리 효과를 나타낼 수 있다고 판단된다. 위 결과를 바탕으로, 작물 생육에 긍정적인 영향을 미치며 토양 탄소고정량을 늘릴 수 있는 유기질 비료와 바이오차의 최적 혼합 비율은 BAOF70:30으로 선정되었다.
Conclusions
본 연구는 유기질비료와 바이오차의 혼합 비율이 작물 생육 특성, 토양의 화학적 특성 및 토양 탄소축적에 미치는 영향을 평가함으로써, 농경지에 토양 탄소축적능이 향상된 유기질 비료의 최적 제조 조건을 선정하고자 하였다. 연구 결과에서 유기질비료에 바이오차를 혼합할 경우 작물의 생육에 긍정적인 영향을 미치는 동시에 토양 탄소의 축적량을 증가시키는 효과를 나타냄을 확인할 수 있었다. 특히 유기질비료와 바이오차의 혼합 비율이 70:30일 때 안정적인 작물 생육과 가장 높은 탄소축적량을 나타냈으며, 이를 최적의 혼합 비율로 선정할 수 있었다. 본 연구결과를 통해 유기질비료의 단독 사용 보다 바이오차를 혼합하여 사용할 때 지속적이고 안정적인 양분과 탄소의 공급 효과를 제공할 수 있음을 확인하였으며, 이는 농경지 탄소 중립 실현에 기여할 수 있는 기초 자료로 활용 될 수 있을 것이다. 향후 다양한 작물과 환경 조건에서의 농업적 활용 가능성을 확인하기 위해서는 장기 연용 실험을 통한 추가 평가가 필요할 것으로 사료된다.
