Korean Journal of Soil Science and Fertilizer. November 2018. 547-554
https://doi.org/https://doi.org/10.7745/KJSSF.2018.51.4.547

MAIN

  • Introduction

  • Materials and Methods

  • Results and Discussion

  • Conclusions

Introduction

무기질 비료는 작물의 수량을 증대시키고 안정적인 먹을거리 확보를 위하여 기여해 온 중요한 물질로 편리성과 식물이 쉽게 이용할 수 있는 효율성을 가지고 있지만, 장기적 또는 과다시비 될 경우 토양 구조를 악화시키는 단점을 가지고 있다 (Kang et al., 2017). 이로 인해 최근 환경부하를 최소화한 친환경농업이 증가하고 유기질 비료, 녹비작물, 가축분뇨 액비 등의 지원 사업이 지속적으로 추진되어 왔다 (Ok et al., 2016).

하지만, 국내 농가에서는 작물의 안정적인 생산량을 유지하기 위해 무기질 비료가 꾸준히 사용되고 있으며, 그 결과 무기질 비료의 사용량은 2010년 233 kg ha-1에서 2016년 268 kg ha-1으로 무기질 비료의 사용량이 증가되고 있는 추세이다. 현재 우리나라의 ha당 무기질 비료의 사용량은 OECD 주요국가와 비교하여 높은 수준으로 분류되고 있어 장기적으로 볼 때 토양환경을 위한 무기질 비료의 시비 관리가 필요한 실정이다 (Kang et al., 2017).

Biochar는 혐기 조건에서 바이오매스를 열분해 시킨 후 얻어지는 물질로, 진정한 탄소 네거티브 방법은 식물을 biochar로 만들어 토양에 넣는 방법을 제안하면서 많은 관심을 갖기 시작한 물질이다 (Lehman, 2007; Major, 2010). 이로 인해 biochar는 탄소 격리를 비롯해 기후변화 대응, 에너지 생산, 토양개량 및 폐기물 관리 등 다양한 측면에서 효과가 있다고 보고되었다 (Yamato et al., 2006; Case et al., 2012; Angst et al., 2014). Biochar는 작물의 생육을 증진시킬 수 있는 영양성분이 무기질 비료, 녹비작물, 가축분뇨 액비 등과 비교하였을 때 상대적으로 부족하지만, biochar의 토양 시용은 토양 구조를 변화시키고 토양내 공기 및 양수분의 흐름을 원활하게 하여 작물의 생육에 도움을 줄 수 있다고 여러 연구자들에 의해 보고되었다 (Kang et al., 2016). 특히, biochar는 토양의 pH와 CEC를 증가시켜 작물의 양분 이용효율을 증가시키는 특성을 가지고 있기 때문에 적절한 수준의 무기질 비료를 biochar와 함께 토양에 투입 한다면 작물의 수량과 토양의 비옥도를 지속적으로 유지시킬 수 있는 관리방안이 될 것으로 판단된다.

이에 본 연구에서는 옥수수 재배지에서 biochar를 이용하여 무기질 비료의 시용수준에 따른 옥수수의 생산량을 평가한 후 적절한 무기질 비료의 시용수준을 선정하여 향후 무기질 비료의 시비량을 감축하고자 하였다.

Materials and Methods

공시 재료

Biochar를 이용한 무기질 비료 (N, 요소; P, 용과린; K, 염화가리)의 시용수준이 옥수수의 생육에 미치는 영향을 평가하기 위한 시험 지역은 Fig. 1에서 보는 바와 같다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksssf/2018-051-04/N0230510425/images/ksssf_51_04_25_F1.jpg
Fig. 1.

Corn cultivation area in this study.

선정된 시험 지역은 전라남도 광양시 광양읍 세풍리에 위치한 옥수수-배추 윤작 재배지로써 배추 수확 후에 옥수수를 재배하였다. 시험 지역은 미사질 양토의 특성을 가지고 있었고, 재배 시험 전 토양의 용적밀도와 공극률은 각각 1.42 Mg m-3 및 46.4%로 용적밀도가 일반 밭에 비해 높은 편이었다. 공시 토양의 화학적 특성은 Table 1에서 보는 바와 같이 토양의 pH 및 OM 함량은 각각 6.97 및 24.5 g kg-1으로 조사되었다.

Table 1. Chemical properties of experimental soil used in the study.

pHECOMT-NAvail. P2O5Exch. cations (cmolc kg-1)
(1:5)(dS m-1)(g kg-1)(mg kg-1)KCaMgCEC
6.970.4324.51.0782.80.246.530.828.14

공시 작물은 N, P 및 K의 투입에 따라서 긍정적으로 반응하는 하는 옥수수를 선정하였고 (Agegnehu et al., 2016), 옥수수 종자는 당도가 높고 재배지역이 광범위한 고당옥을 선정하여 사용하였다.

본 시험에 사용된 biochar는 전남 순천시 서면에 위치한 순천대학교 부속농장에서 옥수수 수확 후 남은 부산물을 사용하였다. Biochar 제조는 드럼형 제조 장치를 사용하였고, 혐기성 조건을 유지하면서 1시간동안 열분해하였고, 제조된 biochar의 화학적 특성은 Table 2에서 보는 바와 같다.

Table 2. Characteristics of corn waste biochar used in this study.

pHECT-NT-PK
(1:10)(dS m-1)----------------------------------------- (%) -----------------------------------------
10.38.460.271.844.71

실험방법

본 시험을 수행하기 위한 처리조건은 Table 3에서 보는 바와 같다. 처리조건은 control (Cn), inorganic fertilizer (IF), corn waste biochar (BC), 그리고 무기질 비료의 기준 시비량 대비 25% (BC+IF25), 50% (BC+IF50), 75% (BC+IF75) 및 100% (BC+IF100)으로 각각 나누었다. BC의 혼입시기와 혼입량은 Kang et al. (2017)의 연구결과에 준하여 혼입시기는 옥수수 파종 20일 전, 혼입량은 500 kg 10a-1으로 실시하였다. 무기질 비료의 시비량은 농촌진흥청 작물별시비처방 기준에 준하였다. 옥수수는 2018년 4월 6일에 파종하였고, 7월 6일에 옥수수를 수확하였다.

Table 3. Treatment condition of this experiment.

TreatmentN-P-KBiochar
------------------------------------------------ (kg 10a-1) ------------------------------------------------
Cn--
IF14.5-3.00-6.00-
BC-500
BC+IF253.63-0.75-1.50500
BC+IF507.25-1.50-3.00500
BC+IF7510.9-2.25-4.50500
BC+IF10014.5-3.00-6.00500

옥수수 식물체의 생육 특성은 지상부 길이, 생체중 및 단위면적 (m2) 당 바이오매스 생산량을 조사하였고, 수확한 옥수수는 길이, 옥수수와 껍질 그리고 낱알의 무게를 조사한 후 단위면적 (m2) 당 수확량을 산정하였다.

분석방법

본 시험에 사용된 토양 및 식물체의 화학적 특성은 농촌진흥청의 토양 및 식물체 분석법 (NIAST, 2000)에 준하여 분석하였다. 토양 및 biochar의 pH 및 EC는 pH meter 및 EC meter (S230 Mettler Toledo)를 사용하였으며, 토양내 유기물 분석은 Tyurin법으로 하였다. T-N 분석은 Kjeldahl법 (질소자동분석기, Gerhardt autosampler Vapodest 50 carouse, Germany)을 사용하였고, 유효인산 분석은 Lancaster법 (UV2550PC, Pekinelmer)을 사용하였으며, 치환성 양이온은 1N-NH4OAc 용액으로 침출한 후 ICP (ICPE-9000, Shimadzu)를 사용하여 분석하였다.

Biochar는 습식분해법 (H2SO4 + HClO4)으로 전처리하여 T-N은 Kjeldahl법 (질소자동분석기, Gerhardt autosampler Vapodest 50 carouse, Germany)으로 분석하였고, T-P는 Vanadate법 (UV2550PC, Pekinelmer)으로 분석하였으며, K는 ICP (ICPE-9000, Shimadzu)를 사용하여 분석하였다.

무기질 비료의 시용수준에 따른 옥수수의 생육 결과에 대한 통계분석은 SPSS 25 버전을 사용하여 5% 유의수준에서 Duncan’s multiple range test를 수행하였다.

Results and Discussion

옥수수의 생육 특성

옥수수 식물체의 생육 특성을 조사한 결과는 Table 4에서 보는 바와 같다. 식물체의 지상부 길이는 Cn 처리구에서 148 cm plant-1, BC 처리구에서 154 cm plant-1이었고, 무기질 비료가 시비된 처리구에서는 164-171 cm plant-1 범위로 큰 차이 없이 비슷하였다. 옥수수 수확 후 발생된 식물체의 생체중은 처리조건에 따라 차이가 났으며, 특히 BC+IF100 처리구가 다른 처리구에 비해 생체중이 많았다. 옥수수 식물체의 생체중 결과를 이용하여 단위면적 (m2) 당 바이오매스 생산량으로 환산한 결과 BC+IF100 처리구가 4.05 kg m-2으로 가장 많은 생산을 보였고, Cn 처리구가 1.82 kg m-2으로 가장 적은 생산을 보였다. 한편, BC와 수준별 IF 혼합 처리구인 BC+IF25, BC+IF50, BC+IF75 및 BC+IF100 처리구에서 생산된 바이오매스 생산량은 IF 처리구 대비 각각 87.5, 114, 136, 그리고 148%의 결과를 보였다 (Fig. 2).

Table 4. Growth characteristics of plant after corn harvest.

TreatmentPlant heightFresh weightBiomass productivity
(cm plant-1)(g plant-1)-------------------- (kg m-2) --------------------
Cn148a152a1.82a
BC154b184b2.21b
IF170d228c2.74c
BC+IF25164c200b2.40b
BC+IF50167bc260d3.12d
BC+IF75166bc311e3.73e
BC+IF100171d338f4.05f

Means by the same within a column are not significantly different at 0.05 probability level according to Duncan’s Multiple Range Test.

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Fig. 2.

Comparison of biomass productivity after corn harvest.

옥수수 수확 후 처리구별 생육을 비교한 결과는 Table 5와 같다. 옥수수의 단위면적 (m2) 당 생산량은 BC+IF75 및 BC+IF100 처리구에서 각각 3.56 및 3.97 kg m-2으로 IF 처리구 (2.81 kg m-2)에 비해 약 127 및 142% 증가된 수준으로 조사되었다. 이는 biochar 시용으로 인해 토양 물리성이 개선되면서 옥수수 생육에 필요한 양수분의 공급이 원활했던 것으로 판단된다 (Nigussie et al., 2012; Carter et al., 2013). Carvalho et al. (2016) 및 He et al. (2016)은 biochar와 다른 물질의 혼합은 토양의 다각적인 기능을 향상시킬 수 있다고 보고한 바 있기 때문에 본 연구에서 biochar와 무기질 비료의 혼합 처리구가 전반적으로 높은 수확량을 나타낸 것으로 보인다. 또한, Major et al. (2010)은 biochar가 Ca나 Mg 같은 토양내에 부족한 토양 영양분을 공급하여 옥수수의 생육을 개선할 것을 제안한 바 있다. 한편, BC 및 BC+IF25 처리구는 IF 처리구에 비해 옥수수의 생산량이 각각 27% 및 25% 감소되는 결과를 보여주었고, BC+IF50 처리구에서는 IF 처리구에 비해 약간 증가된 옥수수 생산량을 보여주었다. Biochar 시용 후에 작물 생육은 작물의 종류, 기후, 그리고 토양 특성 등에 크게 영향을 받는다 (Gakin et al., 2010; Alburguerque et al., 2013; Karer et al., 2013). Rogovska et al. (2014)는 biochar 시용이 옥수수의 수량과 바이오매스 생산량에 긍정적인 영향을 미친다고 보고한 바 있지만, Asai et al. (2009)는 biochar의 낮은 무기성분 특성과 높은 C/N비로 인해서 식물 생육에 필요한 양분 이용을 제한할 수 있기 때문에 작물의 수확량이 감소될 수 있다고 보고한 바 있다. Biochar는 원재료 및 열분해 제조 조건에 따라서 그 특성이 달라지기 때문에 본 연구에서는 다른 양분의 도움 없이 biochar 자체만으로는 작물의 높은 생산성을 기대하기에 한계가 있었던 것으로 사료된다. 따라서 본 연구에서 biochar를 이용한 옥수수 재배에서는 무기질 비료를 기준 시비량 대비 최소한 50% 이상을 시비하여야 안정적인 옥수수 생산량을 유지할 수 있었다 (Fig. 3).

Table 5. Growth characteristics of corn after corn harvest.

TreatmentTotal weightCorn yieldStrawGrain yieldCorn productivityLength
---------------------------- (g plant-1) ----------------------------(kg m-2)(cm ea-1)
Cn102a78.3a23.7a45.8a1.88a14.8a
BC128b85.5ab42.7b49.4a2.05ab15.1a
IF141c117c23.7a87.9c2.81c16.3b
BC+IF25120b87.8b32.2a62.4b2.11b14.6a
BC+IF50179d126d53.1c90.2c3.03d17.4bc
BC+IF75212e148e63.8d113d3.56e18.3c
BC+IF100213e166f47.8bc128e3.97f17.7c

Means by the same within a column are not significantly different at 0.05 probability level according to Duncan’s Multiple Range Test.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksssf/2018-051-04/N0230510425/images/ksssf_51_04_25_F3.jpg
Fig. 3.

Comparison of corn and grain yields after corn harvest.

토양 특성 변화

옥수수 수확 후 토양의 화학적 특성을 조사한 결과는 Table 6에서 보는 바와 같다. 처리구별 토양 pH는 Cn 처리구에서 6.78, IF 처리구에서 6.77로 옥수수 재배 전 토양의 pH에 비해 감소하였고, biochar가 혼입된 처리구는 7.01-7.48 범위로 pH가 증가하였다. 토양내 OM, T-N 및 CEC는 pH의 경향과 유사하게 biochar가 혼입된 처리구에서 유의성 있게 증가되었다 (Pandey et al., 2016). 바이오매스가 열분해 되면 유기 매트릭스로부터 알칼리 염이 분리되면서 생성물질의 pH를 증가시킨다. 이로 인해 열분해로부터 생성된 옥수수 부산물 biochar는 높은 pH를 가지게 되었고, 토양에 혼입되어 pH를 증가시켰던 것으로 판단된다 (Peng et al., 2011; Kamara et al., 2015). 또한, biochar는 높은 표면적과 전하밀도를 가지고 있어 biochar를 혼입한 처리구내 토양의 CEC를 증가시킨 것으로 보인다 (Liu et al., 2016).

Table 6. Changes in soil chemical properties after corn harvest.

TreatmentpHECOMT-NAvail. P2O5CEC
(1:5)(dS m-1)----------- (g kg-1) -----------(mg kg-1)(cmolc kg-1)
Cn6.79a0.29a22.2a0.87a80.9d7.96a
BC7.48e0.31b25.3b1.02bc74.8b8.26ab
IF6.77a0.29a21.3a0.99b68.6a8.04a
BC+IF257.27d0.33c26.2b1.14d70.7a8.21b
BC+IF507.02b0.34d25.6b1.11d77.4c8.33b
BC+IF757.13c0.37e25.8b1.15d85.6e8.45b
BC+IF1007.01b0.34cd25.5b1.08cd80.8d8.38b

Means by the same within a column are not significantly different at 0.05 probability level according to Duncan’s Multiple Range Test.

Conclusions

본 연구는 biochar와 무기질 비료의 수준별 시용이 옥수수의 생육에 미치는 영향을 평가하여 무기질 비료의 시비량을 절감하기 위한 방안을 제시하고자 하였다. 무기질 비료의 수준별 시용량은 기준 시비량의 25%, 50%, 75% 및 100%를 biochar와 혼입하여 옥수수 재배 시험을 진행하였다. 무기질 비료의 시용수준에 따른 옥수수의 생육은 전반적으로 BC+IF50, BC+IF75 및 BC+IF100 처리구에서 식물체의 길이, 바이오매스 및 옥수수의 생산량 등이 기준 처리구인 IF 처리구에 비해 증가되는 결과를 나타내었고, 무기질 비료 시용수준이 높을수록 옥수수의 생육이 증가되는 유의성을 보여주었다. 하지만, BC+IF25 처리구에서 조사된 옥수수의 생산량 및 생육 지표가 IF 처리구에 비해 감소되는 결과를 보였다. 옥수수 수확 후 조사된 토양의 화학적 특성은 무기질 비료의 수준별 시용에 상관없이 biochar 시용 유무에 따른 결과를 보여주었으며, biochar를 시용한 처리구가 작물의 생장과 관련이 깊은 pH, OM 및 CEC 등의 항목에서 유의성 있게 증가되는 결과를 보였다. 따라서 본 시험의 결과로 미루어 볼 때 biochar와 무기질 비료의 혼입은 옥수수의 생산량을 증가시킬 수 있을 것으로 보이며, 농가에서 biochar를 이용한 옥수수 재배에서는 BC+IF50 조건이 옥수수의 안정적인 생산량을 유지하고 토양 건전성을 유지하는데 적당하다고 판단된다.

Acknowledgements

This work was carried out with the support of “Cooperative Research Program for Agriculture Science & Technology Development (Project No. PJ011227042018)” Rural Development Administration, Republic of Korea.

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