Original research article

Korean Journal of Soil Science and Fertilizer. 30 November 2023. 431-439
https://doi.org/10.7745/KJSSF.2023.56.4.431

ABSTRACT


MAIN

  • Introduction

  • Materials and Methods

  •   시험장소 및 처리구

  •   토양 화학성 분석

  •   토양 가용성 탄소 분석

  •   토양 β-glucosidase 활성도 분석

  •   통계 분석

  • Results and Discussion

  •   볏짚 환원에 따른 토양 화학성 비교

  •   볏짚 환원에 따른 토양 가용성 탄소 비교

  •   볏짚 환원에 따른 토양 β-glucosidase 활성도 비교

  • Conclusions

Introduction

최근 국내 농업분야 총 메탄 배출량은 11.9 백만 톤 CO2-eq으로 논에서 약 48.1% (5.7 백만 톤 CO2-eq) 정도가 발생한다고 보고되었다 (GIR, 2022). 논에서 메탄 발생의 원인 중 하나는 유기물 공급을 위한 볏짚 시용 (Choi et al., 2017; Gwon et al., 2022)으로 알려져 논에서 메탄 배출을 줄이기 위해 볏짚 투입을 권장하지 않는 추세이다. 하지만 해외연구에서는 볏짚 퇴비가 가축분 퇴비, 밀짚, 콩과 녹비 등 다른 유기물에 비해 메탄 배출량이 적고 토양 비옥도 및 작물 생산성은 높다는 보고가 있다 (Khosa et al., 2010). 또한 최근 국내 연구에서도 논 토양에서 탄소 축적량이 화학비료를 절감한 후 볏짚 퇴비를 처리한 토양에서 화학비료 대비 10.2% 증가한다고 하였다 (Kim et al., 2017). 이처럼 작물 생산과 지력 증진을 위해서는 농경지에 볏짚을 투입하는 것이 중요하다 (Yeon et al., 2007; Wang et al., 2015; Yang et al., 2019; Liang et al., 2021; Byeon et al., 2022).

농경지에 투입된 볏짚은 탄소 축적량을 높일 뿐만 아니라 작물과 미생물에 양분과 에너지를 제공할 수 있다 (Iqbal et al., 2021). 볏짚으로 투입된 유기물이 작물에 양분을 공급하기 위해서는 미생물이 이용할 수 있는 가용성 탄소 (labile organic carbon, LOC) 형태 이어야 한다 (Liu et al., 2022). LOC는 주로 미생물, 식물 등의 잔재나 쉽게 분해되는 비휴믹 물질을 포함하며 (Strosser, 2010; Seo et al., 2015) 토양 탄소의 가장 활동적인 부분으로 양분 순환의 중심이다 (Liu et al., 2022). 열수 추출 탄소 (hot water extractable carbon, HWEC)와 과망간산칼륨 산화 탄소 (permanganate oxidizable carbon, POXC) 두 분획 모두 용존 유기물과 미생물 바이오매스 탄소에서 파생된 탄소를 포함하는데 (Bongiorno et al., 2019) HWEC는 열수 추출을 통해 분획하는 방법으로 미생물에서 파생된 유기 물질과 단당류 등이 광물에 느슨하게 결합되어 있어 미생물이 쉽게 이용할 수 있는 유기 탄소이다 (Haynes et al., 2005). POXC는 HWEC를 포함하는 넓은 범위의 탄소 분획으로 (Strosser, 2010; Park et al., 2013) 과망간산칼륨을 이용하여 산화된 모든 유기 탄소이며 다당류와 리그닌과 같은 난분해 화합물을 포함하여 (Tirol-Padre et al., 2005) 미생물이 잠재적으로 이용할 수 있는 모든 유기 탄소 화합물을 말한다. 따라서 LOC는 미생물의 주요 에너지원으로 간주되며 (Bongiorno et al., 2019) 미생물 활성을 위한 유기 기질로 작용한다 (Haynes et al., 2005).

볏짚은 셀룰로오스가 약 48 - 59%으로 구성되어 있으며 (Go and Sung, 2023) 토양 내에서 이를 이용하려면 미생물의 분해과정이 필요하다. 미생물로부터 생성된 효소는 토양 내 유기 기질의 분해를 촉매하여 양분을 방출하고 유기 탄소의 무기화 과정에 중요한 역할을 한다 (Ahn et al., 2009; Xiao et al., 2015). 특히, β-glucosidase (BG)는 셀룰로오스를 미생물의 성장과 활동에 중요한 탄소 에너지원인 포도당으로 분해한다 (Merino et al., 2016; Adetunji et al., 2017). 또한, 토양 질의 지표로서 탄소 순환과 밀접한 관련이 있다. 따라서 유기 탄소의 초기지표로 이용되며 토양관리의 변화를 빠르게 확인할 수 있다 (Stott et al., 2010).

최근 국내에서는 논 토양에 볏짚을 투입했을 때 탄소 저장 확인을 위한 연구 (Hwang et al., 2019; Byeon et al., 2022)와 온실가스 배출량 감소를 위한 유기물 관리 측면 (Lee et al., 2020; Gwon et al., 2022)에서의 연구가 수행되어 왔고, 볏짚 환원에 따른 토양 내 미생물이 이용할 수 있는 탄소와 탄소 순환에 대한 연구는 부족하다. 따라서 가용성 탄소와 BG 활성도를 통해 논 토양의 볏짚 환원 효과를 확인할 필요가 있다고 판단하였다. 이에 본 연구에서는 양분관리 방법에 따라 관행적으로 이용되고 있는 화학비료와 친환경농업의 실천을 위해 화학비료 대체 및 절감 방안으로 이용되고 있는 풋거름을 처리구로 두어 논 토양에 지속적으로 볏짚을 환원하였을 때 LOC와 BG 활성에 미치는 영향을 비교하여 평가하고자 수행하였다.

Materials and Methods

시험장소 및 처리구

본 연구는 경상국립대학교 시험포장 (35°08'57.0"N 128°05'46.6"E)에서 벼 이앙 전인 2022년 5월 2일에 토양 시료를 채취하였다. 각 처리구의 면적은 15 m2 (3 m × 5 m)로 양분 공급 방법에 따라 화학비료 처리구 (NPK), 풋거름 처리구 (GM)와 볏짚을 환원한 화학비료 + 볏짚 처리구 (NPKR), 풋거름 + 볏짚 (GMR) 처리구로 구분하여 단구제로 구획되었다. NPK는 2011년부터, NPKR, GM 및 GMR은 2016년부터 동일한 처리로 관리되어 왔으며 토성은 모두 식양토 (Clay Loam)로 조성되었다. NPK는 벼 재배를 위한 표준시비량 (N-P2O5-K2O = 9-4.5-5.7 kg 10a-1)에 준하여 시비하였고, GM은 헤어리베치와 보리를 추천 파종량의 25%, 75%로 혼파하여 재배한 후 이앙 전 전량 환원하였다. NPKR와 GMR는 모두 전년도 벼 수확 후 볏짚을 전량 환원하였으며 NPKR은 표준시비량에 준하여 시비하고 GMR은 헤어리베치와 보리를 추천 파종량의 25%, 75% 혼파하여 재배한 후 이앙 전 모두 환원하였다. 각 처리구를 임의로 3구획으로 나누어 토양시료 채취기 (soil auger)를 사용하여 표토 (0 - 15 cm) 부분의 토양을 처리구 당 3반복으로 채취한 후 폴리에틸렌 백에 넣어 균일하게 섞었다. 토양 효소 활성 측정을 위해 채취한 토양을 아이스박스에 보관하여 이동하였으며, 냉장 (4°C) 보관 후 분석에 사용하였다.

토양 화학성 분석

채취한 토양은 풍건 후 2 mm로 체별하여 분석에 사용하였다. pH는 토양과 증류수를 1:5 (w/w) 비율로 혼합한 뒤 30분간 진탕한 후 pH meter (Orion Star pH Conductivity Meter A215, Thermo Scientific, USA)를 이용하여 분석하였다. 유기물 (OM) 함량은 원소분석기 (Vario Max CN, Elementar, Germany)를 이용하여 분석한 총 탄소 (total carbon, T-C) 함량에 변환 상수인 1.724를 곱하여 구하였다.

토양 가용성 탄소 분석

HWEC는 Ghani et al. (2003)의 분석법을 참고하였다. 4 g 토양에 30 mL 증류수를 넣고, 10초 진탕 후 80°C 항온수조에 16시간 둔 후 상등액을 0.45 µm 멤브레인 필터로 여과하여 여과액을 TOC 분석기 (Multi N/C 3100, Analytik Jena, Germany)로 측정하였다. POXC는 Weil et al. (2003)의 분석법을 참고하였다. 2.5 g 토양에 20 mL 0.02 M KMnO4 저장 용액을 넣고 2분 동안 진탕 후, 10분 동안 침전시켰다. 10분 후, 0.5 mL 상등액과 49.5 mL 증류수를 섞은 분석 용액을 UV/Vis 분광 광도계 (Specord 200 Plus, Analytik Jena, Germany)를 이용하여 550 nm에서 흡광도를 측정하였으며, Steven et al. (2019)을 참고하여 Eq. 1을 이용해 산정하였다.

(Eq. 1)
POXC(mgkg-1)=[0.02M×(1-sample/control)]×0.02L×9000Wt

여기서, 0.02는 사용된 KMnO4 저장 용액의 농도 (M), sample은 시료 측정값 (mg L-1), control은 시약 바탕시료 측정값 (mg L-1), 9,000은 KMnO4 1 mol에 의해 산화된 탄소의 mg 변환계수, 0.02는 사용된 KMnO4 저장 용액의 부피 (L), Wt는 토양 시료의 건조 중량 (kg)을 의미한다.

토양 β-glucosidase 활성도 분석

β-glucosidase의 활성도 측정은 Tabatabai (1994)의 분석법을 참고하였다. 먼저 습토 시료 0.5 g을 15 mL tube에 담고 toluene 0.1 mL, citric phosphate buffer (pH 4.9) 1.5 mL, 증류수 0.9 mL, 50 mM ρ-nitrophenyl-nitrophenyl-D-glucopyranoside (PNG) 0.6 mL를 넣고 Vortex로 섞어주었다. 30°C에서 1시간 배양하였으며, Ethanol 8.0 mL를 넣고 교반 후 Advantec No.2 정성여과지로 여과하였다. 여과액에 2 M Tris 2.0 mL 넣고 교반 후 UV/Vis 분광 광도계 (Specord 200 Plus, Analytik Jena, Germany)를 이용하여 400 nm에서 측정하였다.

통계 분석

실험 데이터의 통계 분석은 SPSS version 25.0을 이용하여 독립표본 T검정을 수행하였으며, 5% 유의수준 (p < 0.05)에서 처리 간의 효과를 비교 분석하였다.

Results and Discussion

볏짚 환원에 따른 토양 화학성 비교

처리구별 토양 pH는 NPK (5.9)와 NPKR (5.3) 그리고 GM (5.5)과 GMR (5.5) 모두 각 처리구 간 유의한 차이가 없었다. 유기물 함량은 탄소함량이 높은 볏짚을 지속적으로 환원한 NPKR (24.6 g kg-1)이 NPK (19.5 g kg-1)보다 높았으나, GMR (24.3 g kg-1)과 GM (22.0 g kg-1)은 유의한 차이가 없었다 (Fig. 1). GMR이 볏짚이 공급되었음에도 GM과 유의한 차이가 없었던 것은 지속적인 풋거름 처리로 인해 유기물 함량이 일정범위 유지되어 그 이상 증가하지 않은 것으로 판단된다. Yeon et al. (2007)의 연구에서도 볏짚 퇴비를 23년간 시용함에 따라 유기물 함량이 22 g kg-1에서 33 g kg-1까지 지속적으로 증가하였지만 그 이후로 증가하지 않고 일정하게 유지되었다고 하였다.

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Fig. 1.

Soil organic matter (OM) under different treatments. (A) NPK, chemical fertilizer treatment; NPKR, chemical fertilizer + rice straw treatment, (B) GM, green manure treatment; GMR, green manure + rice straw treatment. Vertical bars represent standard deviations (n = 3) and symbol * indicates significant difference at p ≤ 0.05.

볏짚 환원에 따른 토양 가용성 탄소 비교

볏짚 환원에 따른 토양 LOC 비교를 위해 HWEC와 POXC를 분석하였다. HWEC 분석 결과 (Fig. 2), NPKR은 440.6 mg kg-1로 NPK (309.8 mg kg-1)보다 42% 높았는데 Chaudhary et al. (2017)의 연구에서 벼-밀 윤작구에 화학비료 처리와 함께 짚을 환원하였을 때 HWEC가 42% 높았던 결과와 유사하였다. 이는 볏짚의 기폭효과 (priming effect)로 탄소의 무기화가 촉진되어 헤미셀룰로오스, 단당류와 같은 수용성 유기성분이 방출되었음을 알 수 있었다 (Zhang et al., 2020). GMR (391.5 mg kg-1)은 GM (363.6 mg kg-1)보다 8% 정도 높았으나 통계적으로 유의한 차이는 없었다. 이러한 결과에 따라 논 토양에 볏짚 환원은 풋거름보다 화학비료를 투입한 토양에서 미생물이 쉽게 이용할 수 있는 탄소 함량의 증대에 효과적인 것을 알 수 있었다.

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Fig. 2.

Soil hot water extractable carbon (HWEC) content under different treatments. (A) NPK, chemical fertilizer treatment; NPKR, chemical fertilizer + rice straw treatment, (B) GM, green manure treatment; GMR, green manure + rice straw treatment. Vertical bars represent standard deviations (n = 3) and symbol * indicates significant difference at p ≤ 0.05.

POXC 분석 결과는 Fig. 3과 같다. NPKR이 661.4 mg kg-1로 NPK (565.1 mg kg-1)보다 17% 높았는데 볏짚의 산화 가능한 리그닌 등이 포함되어 POXC 함량에 영향을 미쳤을 것으로 판단된다 (Aumtong and Pongwongkam, 2018). 이와 유사하게 Zhang et al. (2020)의 연구 결과, 화학비료 처리구에 밀짚 환원 시 POXC가 16% 높았다고 하였다. 또한, GMR (687.1 mg kg-1)은 GM (618.8 mg kg-1)보다 11% 정도 높았으나 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 따라서 볏짚 환원으로 미생물이 잠재적으로 이용할 수 있는 탄소 함량의 증가는 화학비료 처리에서 더 효과적인 것으로 나타났다. 위 연구 결과, 볏짚 환원에 의한 LOC의 증대 효과는 이미 유기물이 충분히 투입된 토양 (GM)보다는 장기간 화학비료를 시비하여 유기물 공급이 부족한 토양 (NPK)에서 큰 것을 확인할 수 있었다.

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Fig. 3.

Soil permanganate oxidizable carbon (POXC) content under different treatments. (A) NPK, chemical fertilizer treatment; NPKR, chemical fertilizer + rice straw treatment, (B) GM, green manure treatment; GMR, green manure + rice straw treatment. Vertical bars represent standard deviations (n = 3) and symbol * indicates significant difference at p ≤ 0.05.

볏짚 환원에 따른 토양 β-glucosidase 활성도 비교

처리구별 BG 활성도는 Fig. 4와 같다. BG 활성은 NPKR (257.3 µg PNP g-1 h-1)에서 NPK (188.9 µg PNP g-1 h-1)보다 36% 높았고, GMR은 241.9 µg PNP g-1 h-1으로 GM (155.9 µg PNP g-1 h-1)보다 55% 높게 나타났다. 이는 환원된 볏짚이 분해되면서 BG의 기질인 셀룰로오스를 생성 (Tejada and Benítez, 2014)하였기 때문으로 판단된다. Liu et al. (2022), Zhang et al. (2020), Zhao et al. (2016)의 연구 결과에서도 볏짚과 밀짚의 투입으로 공급된 탄소기질로 인해 BG 활성이 증가했다. 볏짚 환원에 따른 토양 BG 활성도와 HWEC와의 관계는 Fig. 5와 같다. 화학비료 처리에 볏짚을 환원했을 때, BG 활성도와 HWEC의 결정계수 (R2)는 0.694 (p ≤ 0.05)로 유의한 상관관계를 보였고, 풋거름 처리에서는 유의한 상관관계를 보이지 않았다. 따라서 화학비료 처리에 볏짚을 환원하면 BG를 활성시켜 미생물이 쉽게 이용할 수 있는 탄소를 형성할 수 있음을 알 수 있었다 (Zhang et al., 2020). 토양 BG 활성도와 POXC와의 관계 (Fig. 6)는 볏짚 환원에 따른 화학비료 처리와 풋거름 처리에서 모두 약한 상관관계를 보였으나 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 따라서 위 연구결과, 논 토양에 화학비료 또는 풋거름으로 양분을 공급한 후 지속적으로 볏짚을 환원하면 토양 내 탄소기질이 증가됨으로써 미생물 활성을 촉진시키고 BG를 활성시켜 탄소 순환에 기여할 수 있음을 알 수 있었다.

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Fig. 4.

Soil β-glucosidase (BG) activity under different treatments. (A) NPK, chemical fertilizer treatment; NPKR, chemical fertilizer + rice straw treatment, (B) GM, green manure treatment; GMR, green manure + rice straw treatment. Vertical bars represent standard deviations (n = 3) and symbol * indicates significant difference at p ≤ 0.05.

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Fig. 5.

Correlation of soil β-glucosidase (BG) activity with hot water extractable carbon (HWEC) content under different treatments. (A) NPK, chemical fertilizer treatment; NPKR, chemical fertilizer + rice straw treatment, (B) GM, green manure treatment; GMR, green manure + rice straw treatment. The linear regression equation and R2 value are given in each plot.

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Fig. 6.

Correlation of soil β-glucosidase (BG) activity with permanganate oxidizable carbon (POXC) content under different treatments. (A) NPK, chemical fertilizer treatment; NPKR, chemical fertilizer + rice straw treatment, (B) GM, green manure treatment; GMR, green manure + rice straw treatment. The linear regression equation and R2 value are given in each plot.

Conclusions

본 연구는 논 토양에 지속적으로 환원된 볏짚이 토양 내 가용성 탄소 (HWEC 및 POXC) 함량과 BG 활성에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 토양 유기물, HWEC 및 POXC 함량은 NPKR이 NPK보다 통계적으로 유의하게 높았으며, GM과 GMR은 유의한 차이가 없었다. 반면 토양 BG 활성도는 NPKR이 NPK보다 36%, GMR이 GM보다 55% 높았다. 즉, 볏짚은 장기간 화학비료만을 사용하여 토양 유기물 함량이 낮은 논에서 유기물 함량을 높이고, 미생물이 이용할 수 있는 탄소 함량을 증가시키는 효과가 있었다. 반면 지속적으로 풋거름을 투입하여 토양 유기물 함량이 적정범위 이상인 곳에서는 효과가 크게 나타나지 않았다. 또한, 볏짚 환원은 화학비료와 풋거름 모두 탄소 이용에 관련된 효소 활성을 크게 증가시켜 탄소 순환에 기여함을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로 볼 때 화학비료를 주로 사용하여 유기물이 부족한 논에서는 볏짚을 환원하는 것이 토양에 유기물 공급과 가용성 탄소 함량을 높이고 탄소 순환에 효과적일 것으로 생각된다. 또한, 풋거름으로 양분 관리하여 유기물이 충분한 논에서 볏짚 환원은 미생물 활성을 높여 탄소 순환에 기여할 수 있지만 유기물 함량 및 가용성 탄소 함량 증대 효과는 크지 않을 것으로 보인다. 이에 논 토양에서 볏짚 환원은 농경지 양분 관리 방법에 따라 유기물 함량 등 토양 특성을 고려하여 수행해야 할 것으로 사료된다.

Acknowledgements

This study was conducted by the support of “Research Program for Agricultural Science and Technology Development (Project No. PJ01586901)”, National Institute of Agricultural Science, Rural Development Administration, Republic of Korea.

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