Original research article

Korean Journal of Soil Science and Fertilizer. 30 November 2023. 386-397
https://doi.org/10.7745/KJSSF.2023.56.4.386

ABSTRACT


MAIN

  • Introduction

  • Materials and Methods

  •   공시재료

  •   재배 방법 및 작물 생육 조사

  •   토양 및 식물체 분석

  •   바이오차 분석

  •   통계 분석

  • Results and Discussion

  •   고춧대 바이오차 처리수준에 따른 상추 생산성 평가

  •   고춧대 바이오차 처리수준에 따른 식물체 질소 흡수량

  •   상추 재배 후 토양 화학성 평가

  • Conclusions

Introduction

국내 농경지에서 발생하는 농업부산물의 연간 발생량은 2018년 기준 1,000만 톤 이상으로 추정되고 있다 (An et al., 2019). 국내 농업부산물의 68%에 해당하는 볏짚, 왕겨 등의 노지작물 부산물은 퇴비의 부자재, 가축 사료 및 축사 깔짚 등으로 자원화되고 있으나 고추, 토마토, 파프리카와 같이 대부분 시설에서 재배되는 시설작물 부산물은 적절한 자원화 방법이 없어 대부분 방치 또는 소각한다고 알려져 있다 (Lee et al., 2012; Yu et al., 2013). 특히, 시설재배 면적 중 양액재배 면적이 2005년 677 ha, 2011년 3,009 ha, 2021년 4,271 ha로 꾸준히 증가하는 추세이며 (MAFRA, 2005-2021), 이전에는 토양환원 방식으로 부산물을 처리했던 시설농가들이 점차 고형배지 및 수경 등의 양액재배 방식으로 방법을 변경하면서 부산물을 효과적으로 처리하기 어려운 실정이다 (Park et al., 2021a; Heo et al., 2022). 또한, 소각 또는 매립에 의존하는 처리 방식은 유해가스를 발생시켜 심각한 대기오염의 원인이 되고 있으며, 부패 시 발생하는 침출수의 경우 수질 및 토양오염을 일으키고 있어 이를 해결하기 위한 적절한 처리 방법이 요구되고 있다 (Zhang et al., 2008; Lee et al., 2017). 바이오에너지 전환, 퇴비 등을 활용하여 자원화하는 방법이 연구되고 있지만 (KREI, 2014), 국내 바이오에너지 전환 방법은 대부분 목질계 바이오매스를 활용하고 있어 농업용 바이오매스는 거의 이용되지 못하고 있으며 퇴비화의 경우 미부숙, 악취 등의 문제로 매년 발생하는 농업 부산물을 자원화하는 데 어려움이 존재한다 (KREI, 2017; Lee et al., 2017).

이러한 문제를 보완하고 농업부산물을 농업적으로 자원화하기 위해 최근에는 바이오차를 활용하는 방안이 관심을 받고 있다. 바이오차 (biochar)는 바이오매스 (biomass)와 숯 (charcoal)의 합성어로 산소가 제한된 혐기 조건에서 바이오매스를 약 300 - 800°C의 고온에서 열분해하여 생성된 다공성 고형 물질이다 (Novak et al., 2009; Laird et al., 2010). 바이오차는 탄소 이중 고리 및 방향족 형태의 구조를 가지고 있어 (Liu et al., 2015), 토양에 처리되었을 때 오랜 기간 안정적인 탄소의 형태로 저장될 수 있으며, 농업부산물과 같은 유기물질이 분해될 때 발생하는 이산화탄소 배출을 차단하는 탄소격리 역할로 인해 기후변화 문제에 대응할 수 있는 물질로도 알려져 있다 (Lehmann, 2007; Woo, 2013). 바이오차는 수분 및 양분보유력이 높아 토양개량 효과가 있는 물질로 알려져 있으며, 토양에 투입되었을 때 토양 pH와 양이온 교환 용량 (cation exchange capacity, CEC)을 증가시켜 작물의 양분이용효율을 향상시키는 것으로 보고되었다 (Lehmann and Joseph., 2009; Singh et al., 2010; Ahmad et al., 2012; Wu et al., 2012). 또한, 중금속 및 유기오염물질을 제거하는 흡착제로도 활용되고 있어 농업부산물을 농업적으로 자원화하기에 다양한 이점을 가지고 있다 (Laird et al., 2010; Ok et al., 2010; Ahmad et al., 2014).

현재 농업분야 탄소 중립과 관련하여 농경지에 탄소를 축적하기 위한 연구가 다양하게 진행되고 있으며 그 중 하나가 바이오차 제조 연구이다. 현재까지 바이오차 제조 및 적용에 관한 연구는 볏짚, 왕겨, 과수전정지 등 바이오차의 제조 조건 및 특성 평가에 대한 연구가 진행되고 있다 (Bi et al., 2019; Jung et al., 2020; Kim et al., 2022b). 이에 본 연구에서는 시설작물 부산물의 농업적 자원화 및 농경지 부분의 탄소 중립을 위한 기반 기술개발을 위해 선행연구를 통해 제조된 시설작물 부산물 바이오차의 작물 적용성 및 토양영향평가를 실시하고 이를 통해 시설작물 부산물 바이오차의 적정사용기준 설정을 위한 기반 자료로 활용하고자 하였다.

Materials and Methods

공시재료

본 실험에서 사용된 공시토양은 국립농업과학원에 위치한 밭 토양을 채취하여 사용하였고 화학적 특성은 Table 1에서 보는 바와 같다. pH가 7.1인 토양을 사용했으며, OM 햠량은 13 g kg-1, 교환성 양이온 K, Ca, Mg 및 Na은 각각 0.44, 8.7, 1.6 및 0.14 cmolc kg-1으로 조사되었다. 실험에 사용된 고춧대는 경남 함안 시설고추 농가에서 수거하여 70°C dry oven에서 48시간 건조 후 연질과 목질을 적절한 비율로 섞어 4 - 5 cm 길이로 균일하게 전처리 하였다. 바이오차 제조는 드럼형 제조 장치 (Cultural camp ceramics kiln, STI, Korea)를 사용하였고 장치 내부로 질소가스 (10 psi)를 주입하여 혐기성 조건을 만든 후 400°C에서 2시간 동안 열분해 하였다. 본 연구에서 고춧대로 제조된 바이오차는 PB (pepper stem biochar)로 명명하였으며 제조된 바이오차의 화학적 특성은 Table 2와 같다.

Table 1.

Chemical properties of soil used in this experiment.

pH
(1:5)
EC
(dS m-1)
OM
(g kg-1)
Av. P2O5
(mg kg-1)
Exch. cations (cmolc kg-1) T-N
(%)
K Ca Mg Na
7.1 0.7 13 267 0.44 8.7 1.6 0.14 0.09
Table 2.

Chemical properties of pepper stem biochar used in this experiment.

pH
(1:10)
EC
(dS m-1)
T-C
(%)
T-N
(%)
P2O5
(%)
K2O
(%)
CaO
(%)
MgO
(%)
Na2O
(%)
10.0 56 60 1.1 4.8 3.8 2.3 0.7 0.2

재배 방법 및 작물 생육 조사

바이오차 처리량에 따른 작물 생육 및 토양 화학성 평가를 하기 위해 전북 완주군에 위치한 국립농업과학원 유리온실에서 포트 재배 실험을 진행하였다. 재배 작물은 상추 (열풍 적치마, Lactuca sativa L.)를 사용하였고, Wagner pot (가로 17.4 × 세로 16 × 높이 20 cm3)를 활용하여 실험을 진행하였다. 바이오차의 사용량은 6수준 (100, 200, 400, 800, 1,000 및 2,000 kg 10a-1)으로 설정하였다. 처리구는 바이오차 단일 처리구 (pepper stem biochar, PB) 및 바이오차와 무기질 비료 혼합 처리구 (NPK+Pepper stem biochar, NPK+PB)로 나눠 구분하였으며, 각각의 처리구에 무처리구 (no fertilizer, NF)와 NPK 처리구 (inorganic fertilizer, IF)를 대조구로 구성하였다. 본 연구의 비료 처리량은 농촌진흥청 비료사용처방에 제시되어 있는 시설상추 표준시비량 (N-P2O5-K2O = 7.0-3.0-3.6 kg 10a-1)에 준하여 처리하였다. 기비 (N-P2O5-K2O = 3.5-3.0-1.8 kg 10a-1)는 정식 1주 전 처리하였으며, 웃거름 (N-P2O5-K2O = 3.5-0.0-1.8 kg 10a-1)은 정식 3주 후 7일 간격으로 2회 분시하였다. 상추의 총 생육 기간 (23.04.19 - 23.05.30)은 40일이었으며, 바이오차 투입량에 따른 작물의 생육 특성을 관찰하기 위해 상추 정식 후 15일, 30일, 40일 총 3회에 걸쳐 엽장, 엽폭, 엽수 및 엽색도를 측정하였다. 엽장과 엽폭은 포트에서 가장 큰 엽을 측정하여 평균값을 사용하였고, 상추의 엽록소 함량을 평가하기 위한 엽색도 (SPAD-502 Plus, Konica minolta, Japan)는 완전히 전개된 가장 가장 큰 엽을 총 5회 측정한 후 평균값을 사용하였다.

토양 및 식물체 분석

작물 재배 전과 후의 토양 화학적 특성을 평가하기 위해 농촌 진흥청의 토양 및 식물체 분석법 (NIAST, 2000)에 준하여 분석을 진행하였으며, 시료는 풍건 후 2 mm 체를 통과한 토양을 사용하였다. 토양의 pH와 전기전도도 (electrical conducitivity, EC)는 시료와 증류수를 1:5 비율로 혼합 후 현탁액을 각각 pH meter (Orion5 star, Thermo Scientific, USA)와 EC meter (Orion star, Thermo Scientific, USA)로 측정하였으며, EC는 측정값에 희석배율을 곱하여 결과를 도출하였다. 유효인산 (Av. P2O5)은 Lancaster법으로 비색계 (UV-1900i, Shimadzu, Japan)를 이용하여 720 nm 파장에서 흡광도를 측정하였으며, 교환성 양이온 (Exch. K, Ca, Mg 및 Na)은 1 M NH4OAC 용액으로 침출하여 유도결합 플라즈마 발광광도계 (ICP-OES, GBC, Australia)로 분석하였다. 또한, 토양 유기물 (organic matter, OM) 함량은 35 mesh 체를 통과한 토양 0.5 g을 원소분석기 (Vario Max, Elementar Analysensysteme GmbH, Germany)로 분석하였으며, 총탄소함량 (%)에 유기물 환산 계수 (1.724)를 곱하여 결과를 도출하였다.

재배 후 작물의 질소 흡수량을 평가하기 위해 70°C dry oven에서 48시간 건조 후 분쇄한 시료를 원소분석기 (Vario Max, Elementar Analysensysteme GmbH, Germany)를 사용하여 분석하였으며, 상추의 질소흡수량은 아래와 같은 식으로 산정하였다 (Eq. 1).

(Eq. 1)
Nitrogenuptake(kg10a-1)=Dryweight(kg10a-1)×Totalnitrogen(%)100

바이오차 분석

바이오차의 pH와 EC는 시료와 증류수를 1:10 비율로 혼합 후 30분간 교반하여 ADVANTEC No. 6 Filter paper로 여과한 현탁액을 각각 pH meter (Orion5 star, Thermo Scientific, USA)와 EC meter (Orion star, Thermo Scientific, USA)로 측정하였으며, EC는 측정 값에 희석 배율을 곱하여 결과를 도출하였다. 또한, 인산 및 양이온의 전함량 분석을 위해 Microwave (Mars-X, CEM, USA) 산분해법을 사용하였으며, 시료 0.3 g에 HNO3 10 mL을 가한 후 여과한 분해액으로 각각 전함량을 분석하였다. 총인산은 Vanadate법을 사용하였으며, 항온 30°C에서 15분간 발색 후에 비색계 (UV-1900i, SHIMADZU, Japan) 470 nm 파장에서 흡광도를 측정하였고, 양이온은 유도결합 플라즈마 발광광도계 (ICP-OES, GBC, Australia)를 활용하여 측정하였다. 총질소 (total nitrogen, T-N)와 총탄소 (total carbon, T-C)는 원소분석기 (Vario Max, Elementar Analysensysteme GmbH, Germany)를 사용하여 분석하였다.

통계 분석

통계분석은 바이오차 처리에 따른 상추 생육 및 토양 화학 특성을 비교하기 위해 SPSS statistics 27을 사용하여 ANOVA 분석을 하였으며, DMRT (Duncan’s multiple range test)로 처리구간 평균차이에 대한 사후검정을 유의수준 5%에서 실시하였다.

Results and Discussion

고춧대 바이오차 처리수준에 따른 상추 생산성 평가

Fig. 1에서 보는 바와 같이 바이오차 단일 처리구 (PB)의 상추 생산량은 무처리구 (NF)와 통계적으로 유의적이지 않았으며, 바이오차 처리수준 (PB100 - PB2000)에 따라서도 차이를 보이지 않았다. 반면, 무기질 비료 처리구 (NPK)와 바이오차 단일 처리구 (PB)에서 각각 1,989 및 1,124 - 1,320 kg 10a-1로 생산량에서 차이를 보이며, 바이오차의 단일 처리는 양분공급능력 부족으로 작물 생육에 영향을 주기 어렵다는 Hunt et al. (2010)의 연구와 유사한 결과를 보였다.

바이오차와 무기질 비료 혼합 처리구 (NPK+PB)에서는 NPK+PB2000 (2,720 kg 10a-1) ≥ NPK+PB800 (2,688 kg 10a-1) = NPK+PB1000 (2,688 kg 10a-1) ≥ NPK+PB200 (2,648 kg 10a-1) ≥ NPK+PB400 (2,514 kg 10a-1) ≥ NPK+PB100 (2,274 kg 10a-1) > NPK (1,989 kg 10a-1) > NF (1,116 kg 10a-1)로 NPK 처리구 (NPK) 및 무처리구 (NF)보다 작물 생산량이 약 30 - 132% 증가하였다 (Fig. 2). 이러한 경향은 바이오차와 함께 양분공급능력이 있는 무기질 비료 및 퇴비의 투입으로 작물 생육이 증가한다는 선행연구 (Chan et al., 2007; He et al., 2016; Kang et al., 2018)와 유사하였다. 또한, 바이오차 처리로 인해 토양의 물리적 구조가 개선되어 상추의 생장에 영향을 주는 양수분의 흐름이 원활해짐으로써 높은 생산량이 나타난 것으로 판단된다 (Jeffery et al., 2011).

NPK+PB 처리구의 처리수준에 따른 생산량 평가에서는 NPK+PB100 (2,274 kg 10a-1)와 NPK+PB200 (2,648 kg 10a-1)의 처리구에서 16% 증가하며 바이오차의 처리량이 증가함에 따라 상추 생산량도 증가하였지만, 그 이상의 바이오차 처리량과 상추 생산량과는 통계적으로 유의성을 나타내지 않았다.

이처럼 상추 생산성 평가 결과를 종합해 봤을 때 다공성인 바이오차가 토양과 혼합되어 토양 내 공기 흐름과 수분 침투성을 향상시킨 것으로 보이며 (Oh et al., 2017), 바이오차와 무기질 비료의 혼합으로 상추의 양분이용효율이 향상되어 결과적으로 상추의 생산량이 증가한 것으로 보여진다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksssf/2023-056-04/N0230560409/images/ksssf_2023_564_386_F1.jpg
Fig. 1.

Yield of lettuce under different application levels of pepper stem biochar without inorganic fertilizer (Different letters above the bars indicate significant differences among the different treatments within the same experiment, at p < 0.05).

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksssf/2023-056-04/N0230560409/images/ksssf_2023_564_386_F2.jpg
Fig. 2.

Yield of lettuce under different application levels of pepper stem biochar with inorganic fertilizer (Different letters above the bars indicate significant differences among the different treatments within the same experiment, at p < 0.05).

Tables 3 and 4에서 보는 바와 같이 바이오차와 무기질 비료의 혼합 처리구 (NPK+PB)가 바이오차 단일 처리구 (PB)보다 엽장, 엽폭, 엽수에서 더 나은 생육 상태를 보였다. PB 처리구의 처리수준 따른 상추의 엽장, 엽폭, 엽수는 무처리구와 비교했을 때 통계적으로 유의성이 발견되지 않았으며, NPK+PB 처리구의 엽장, 엽폭 (21.7, 12.2 cm)은 무처리구 (17.9, 9.3 cm)보다 전체적으로 증가하는 경향을 나타냈다.

Table 3.

Growth characteristics of lettuce by biochar without inorganic fertilizer.

Treatment Fresh weight
(g)
Leaf length
(cm)
Leaf width
(cm)
Leaf number
(ea)
SPAD
(value)
NF 33.5 b 17.9 ab 9.3 bc 18.3 a 19.9 ab
NPK 59.7 a 19.5 a 11.2 a 21.3 a 23.3 a
PB100 38.1 b 18.1 ab 9.5 b 19.3 a 23.3 a
PB200 39.6 b 17.5 b 9.2 bc 19.7 a 20.9 ab
PB400 35.4 b 17.4 b 9.1 bc 18.0 a 20.6 ab
PB800 33.7 b 17.5 b 8.6 c 19.3 a 18.8 b
PB1000 39.2 b 19.1 b 9.3 bc 20.3 a 19.1 ab
PB2000 35.2 b 17.7 ab 8.9 bc 18.7 a 18.6 b

NF: no fertilization, NPK: inorganic fertilizer treatment, PB: pepper stem biochar treatment.

Means by the same letter within a column are not significantly different at 0.05 probability level according to DMRT.

Table 4.

Growth characteristics of lettuce by biochar with inorganic fertilizer.

Treatment Fresh weight
(g)
Leaf length
(cm)
Leaf width
(cm)
Leaf number
(ea)
SPAD
(value)
NF 33.5 d 17.9 b 9.3 c 18.3 b 19.9 e
NPK 59.7 c 19.5 b 11.2 b 21.3 a 23.3 c
NPK+PB100 68.2 bc 22.4 a 12.0 a 21.0 a 24.7 bc
NPK+PB200 79.4 a 21.6 a 12.1 a 23.0 a 25.3 bc
NPK+PB400 75.4 ab 21.7 a 12.1 a 22.7 a 28.6 a
NPK+PB800 80.6 a 21.9 a 12.0 a 22.7 a 26.1 abc
NPK+PB1000 80.6 a 21.5 a 12.2 a 21.7 a 26.6 ab
NPK+PB2000 81.6 a 21.3 a 12.7 a 23.3 a 24.7 bc

NF: no fertilization, NPK: inorganic fertilizer treatment, NPK+PB: inorganic fertilizer + pepper stem biochar treatment.

Means by the same letter within a column are not significantly different at 0.05 probability level according to DMRT.

엽록소 함량의 지표로 사용되는 엽색도는 NPK+PB 처리구에서 NPK 처리구와 PB 처리구보다 각각 13 및 29% 높은 수치를 나타냈다. 이는 Kang et al. (2022)의 연구에서 왕겨 바이오차와 목초액 혼합 처리구가 무처리구 및 NPK 처리구보다 엽색도 함량이 높았던 결과와 유사하였다.

한편, 본 연구에서는 바이오차 처리수준 (100, 200, 400, 800, 1,000, 2,000 kg 10a-1)과 작물 생산성의 연관성을 비교해 보았지만, PB 처리구와 NPK+PB 처리구 모두 처리수준에 따른 유의성을 발견하지 못했다.

이와 달리 다양한 선행연구에서 처리수준에 따른 작물 생육의 연관성이 보고되었는데, Carter et al. (2013)은 왕겨 바이오차의 처리량 (25, 50, 150 g kg-1)이 증가할수록 상추의 생육이 증가한다고 보고하였으며, Kang et al. (2017)은 옥수수 부산물 바이오차 처리량 (500, 1,000, 1,500 및 2,000 kg 10a-1)이 증가할수록 작물의 생체중이 감소했다고 보고했다. 또한, Hong et al. (2020)의 선행연구에서는 왕겨 바이오차와 상토 배지를 10, 30, 50 및 70%의 비율로 혼합 후 처리하여 상추의 생체중을 평가한 결과 50%까지 증가 후 70%에서 감소하는 경향을 보이며 바이오차의 과량 투입이 작물의 생산성에 부정적인 영향을 끼친다고 평가했다.

이처럼 바이오차는 바이오매스 원료와 재배 작물의 종류, 바이오차 처리수준에 따라 생육 및 생산량에 영향을 줄 수 있기 때문에 각각의 특성에 맞는 바이오차 적정 사용기준을 설정하는 것이 중요하다고 판단된다.

고춧대 바이오차 처리수준에 따른 식물체 질소 흡수량

바이오차 처리 수준에 따른 상추의 질소 흡수량 결과는 Fig. 3에서 보는 바와 같으며, PB 처리구와 NPK+PB 처리구를 구분하여 나타내었다. 상추의 질소 흡수량은 PB 처리구에서 각각 1.8, 1.7, 1.9, 1.6, 1.7 및 1.5 kg 10a-1로 조사되었으며, 대조구인 무처리구 (1.6 kg 10a-1)와 통계적으로 유의성을 보이지 않았다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksssf/2023-056-04/N0230560409/images/ksssf_2023_564_386_F3.jpg
Fig. 3.

Nitrogen uptake of lettuce under different application levels of pepper stem biochar without inorganic fertilizer and with inorganic fertilizer (Different letters above the bars indicate significant differences among the different treatments within the same experiment, at p < 0.05).

NPK+PB 처리구의 질소 흡수량은 4.1 - 4.9 kg 10a-1 범위로 PB 처리구보다 2.6배 높은 질소 흡수량을 보였으며, NPK 처리구 (3.7 kg 10a-1) 보다도 20% 높은 수치를 나타냈다. Park et al. (2021b)의 연구에서는 NPK와 바이오차가 토양에 혼합 처리되면서 작물의 질소 가용성이 높아졌다고 보고하였으며, NPK와 소나무 목재 바이오차를 혼합 처리한 선행연구에서도 모든 처리구에서 대조구보다 상추의 질소 흡수량이 10% 이상 높다고 보고되며 본 연구와 유사하였다 (Lee et al., 2019).

본 실험의 최대 바이오차 처리수준인 PB2000 및 NPK+PB2000 처리구에서 질소 흡수량이 가장 낮게 나타났는데, 이는 기준량 이상의 바이오차가 토양에 처리되면서 작물의 양분이용효율 및 질소 유효도가 감소되었다고 보여진다 (Asai et al., 2009; Hong et al., 2020). 이러한 결과는 왕겨 바이오차 처리량 (1,000, 2,000 및 4,000 kg ha-1)이 증가할수록 수박잎의 질소 흡수량이 낮아졌던 Kim et al. (2022b)의 연구와도 유사한 경향을 보였다.

상추 재배 후 토양 화학성 평가

상추 재배 후 바이오차 단일 처리와 바이오차와 무기질 비료 혼합 처리에 따른 토양의 화학성 평가는 Tables 5 and 6에서 보는 바와 같다. 토양 pH는 재배 후 모든 처리구에서 재배 전보다 증가하는 경향이었으며 특히, PB2000 처리구와 NPK+PB2000 처리구의 토양 pH는 7.7 및 7.6으로 재배 전 토양 (7.1)과 비교하여 가장 많이 증가하였다. 이는 열분해 과정에서 바이오매스와 결합되어 있던 무기물이 분리되어 알칼리화가 되었고 바이오차의 표면에 존재하는 다양한 활성 작용기 (active functional groups)가 토양 내 수소이온 (H+)과 결합하면서 pH가 증가한 것으로 판단된다 (Laird et al., 2010; Ahmad et al., 2012; He et al., 2019).

EC는 재배 전 0.7 dS m-1에서 재배 후 0.7 - 1.6 dS m-1범위를 보였으며, 본 연구의 바이오차 최대 처리량인 PB2000 (1.6 dS m-1) 처리구 및 NPK+PB2000 (1.3 dS m-1) 처리구에서 가장 높은 수치를 나타냈다. 이는 열분해 과정에서 다양한 알칼리성 염들이 포함된 바이오차가 만들어졌고 (Cantrell et al., 2012; Kim et al., 2022a), 높은 EC 특성을 가진 고춧대 바이오차가 토양에 혼합되면서 높아진 것으로 판단된다. 또한, 포트 재배 특성상 염류 제거를 위한 원활한 침출이 일어나지 않아 바이오차 처리량이 최대인 처리구에서 EC가 가장 높았던 것으로 보여진다 (Dahlawi et al., 2018).

배 전정가지 바이오차를 사용하여 토양 화학성을 평가한 선행연구에서는 바이오차 처리량 (100, 200, 300 kg 10a-1)이 증가할수록 토양 EC와 NO3-N가 낮아져 시설재배지의 염류 축적 완화에 효과가 있다고 연구된 바 있다 (Jang et al., 2018). 이는 바이오차 처리가 작물의 양분이용효율과 질소 흡수율을 증가시켜 토양 EC 및 NO3-N가 낮아졌다고 보고하였다. 또한, 바이오차의 물리적 이온흡착 특성으로 토양 내에 다양한 이온이 흡착되면서 EC가 감소했다는 연구와도 유사한 결과를 보였다 (Ding et al., 2010).

바이오차 처리량이 증가할수록 교환성 양이온도 증가하는 경향을 보였는데, 이는 바이오차가 다공성이며 표면에 많은 활성 작용기 및 음전하를 가지고 있어 교환성 양이온이 높아진 것으로 판단된다 (Liang et al., 2006). 특히, K+의 PB2000 및 NPK+PB2000의 교환성 양이온은 1.20 및 1.06 cmolc kg-1으로 무처리구와 약 4배의 차이를 보이며 Ca2+과 Mg2+보다 유의미하게 증가하였다. 본 연구와는 달리 교환성 양이온이 감소했다는 선행연구에서는 바이오차의 영양 물질 흡착 특성으로 인해 기존 토양의 양이온이 음하전된 바이오차 표면에 흡착되어 결과적으로 교환성 양이온이 낮아진다고 보고하였다 (Koh et al., 2022).

재배 후 토양 유기물 함량은 무기질 비료 혼합 처리 여부와 관계없이 바이오차 투입량이 증가할수록 높아지는 경향을 보였다. 고온으로 열분해된 바이오차는 높은 탄소 함량을 가지는 특성이 있어 토양에 처리되었을 때 토양 내 유기탄소 함량을 증가시킨다. 이와 관련한 선행연구에서는 토양 내 높은 탄소함량은 유용 미생물이 서식하는 데 유리하며, 작물 생산성 향상과 연관이 있다고 보고하였다 (Rogovska et al., 2011; Xu et al., 2014). 하지만 본 연구에서는 바이오차 처리량에 따라 유기물 함량이 증가하여 토양 유기물 적정 범위에 가까워지는 경향을 보였지만, 작물 생산성과는 유의미한 차이를 나타내지 않았다.

이처럼 바이오매스 원료의 종류와 열분해 제조조건에 따라 바이오차 처리시 토양의 화학적 특성이 달라지는 것으로 보여진다.

Table 5.

Soil chemical properties after lettuce harvest.

Treatment pH
(1:5)
EC
(dS m-1)
OM
(g kg-1)
Av. P2O5
(mg kg-1)
Exch. cations (cmolc kg-1) T-N
(%)
K Ca Mg Na
NF 7.3 bc 0.7 c 13 d 275 cd 0.28 e 7.1 a 1.3 c 0.15 d 0.08 b
NPK 7.3 c 0.7 c 14 d 276 cd 0.26 e 7.4 a 1.3 c 0.14 d 0.09 b
PB100 7.4 bc 0.7 c 13 d 270 d 0.32 de 7.3 a 1.4 bc 0.18 c 0.08 b
PB200 7.5 b 0.7 c 15 cd 275 cd 0.35 d 7.5 a 1.5 bc 0.19 c 0.09 b
PB400 7.3 bc 0.7 c 15 cd 283 bc 0.45 c 7.2 a 1.5 bc 0.20 c 0.08 b
PB800 7.4 bc 0.9 b 17 bc 289 b 0.65 b 7.3 a 1.5 ab 0.23 b 0.09 b
PB1000 7.5 b 1.0 b 19 b 288 b 0.66 b 7.5 a 1.5 ab 0.25 b 0.09 b
PB2000 7.7 a 1.6 a 25 a 315 a 1.20 a 7.8 a 1.6 a 0.35 a 0.11 a
Recommended 6.0 - 6.5 ≤2 25 - 35 350 - 450 0.65 - 0.80 5.0 - 6.0 1.5 - 2.0 - -

NF: no fertilization, NPK: inorganic fertilizer treatment, PB: pepper stem biochar treatment, NPK+PB: inorganic fertilizer + pepper stem biochar treatment.

Means by the same letter within a column are not significantly different at 0.05 probability level according to DMRT.

Table 6.

Soil chemical properties after lettuce harvest.

Treatment pH
(1:5)
EC
(dS m-1)
OM
(g kg-1)
Av. P2O5
(mg kg-1)
Exch. cations (cmolc kg-1) T-N
(%)
K Ca Mg Na
NF 7.3 bc 0.7 c 13 de 275 cd 0.28 e 7.1 a 1.3 c 0.15 d 0.08 b
NPK 7.3 c 0.7 c 14 d 276 cd 0.26 e 7.4 a 1.3 c 0.14 d 0.09 b
NPK+PB100 7.2 d 0.7 de 13 de 285 b 0.32 de 7.2 a 1.5 a 0.16 d 0.08 bc
NPK+PB200 7.5 ab 0.7 cde 12 e 275 b 0.25 e 7.4 a 1.2 c 0.15 d 0.07 c
NPK+PB400 7.3 cd 0.8 cd 13 de 282 b 0.37 d 7.2 a 1.4 ab 0.19 c 0.08 bc
NPK+PB800 7.3 cd 0.8 bc 16 c 279 b 0.49 c 7.4 a 1.4 ab 0.23 b 0.08 abc
NPK+PB1000 7.4 bc 0.9 b 17 b 289 b 0.58 b 7.2 a 1.5 a 0.24 b 0.09 a
NPK+PB2000 7.6 a 1.3 a 20 a 302 a 1.06 a 7.3 a 1.5 a 0.33 a 0.09 a
Recommended 6.0 - 6.5 ≤2 25 - 35 350 - 450 0.65 - 0.80 5.0 - 6.0 1.5 - 2.0 - -

NF: no fertilization, NPK: inorganic fertilizer treatment, PB: pepper stem biochar treatment, NPK+PB: inorganic fertilizer + pepper stem biochar treatment.

Means by the same letter within a column are not significantly different at 0.05 probability level according to DMRT.

Conclusions

본 연구는 시설작물 부산물인 고춧대를 활용하여 바이오차로 제조하고 이를 토양에 투입했을 때 나타나는 토양 특성 및 작물 생육에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. 바이오차 단일처리 및 바이오차와 무기질 비료 혼합처리로 구분하여 실험을 진행하였으며, 상추 재배 토양에 바이오차를 각각 100, 200, 400, 800, 1,000 및 2,000 kg 10-1으로 처리하였다. 바이오차 단일 처리구에서는 작물 생육 및 토양 화학성 평가에서 유의미한 차이를 나타내지 않았으며, 바이오차와 무기질 비료 혼합 처리 시에는 대조구와 비교했을 때 작물 생육 및 생산량이 증가하는 경향을 보였다. NPK+PB 처리구의 처리수준에 따른 작물 생산량 변화에서 NPK+PB100 - NPK+PB200 처리구에서는 바이오차 사용량이 증가했을때 생산량도 증가하는 경향이었지만, 그 이상의 처리에서는 통계적으로 유의적인 차이를 보이지 않았다. 토양 화학성은 무기질 비료 혼합 처리 여부와 관계없이 바이오차 처리량이 증가할수록 토양 비옥도 및 작물 생육에 관련이 있는 pH 및 OM 함량이 증가하는 결과를 보였다. 따라서 본 연구의 결과를 종합해 봤을 때 시설작물 부산물 바이오차와 무기질 비료를 혼합하여 처리하는 것이 상추 생산량을 증가시킬 수 있는 것으로 보이며, 농경지에 활용할 때는 10a 당 200 kg을 처리하는 것이 토양 비옥도를 안정하게 유지하며 상추 생산성을 향상시키는데 적합한 것으로 판단된다.

Acknowledgements

This study was carried out with the support of “PJ016756” Rural Development Administration, Republic of Korea.

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