Short Communication

Korean Journal of Soil Science and Fertilizer. November 2020. 635-642
https://doi.org/10.7745/KJSSF.2020.53.4.635

ABSTRACT


MAIN

  • Introduction

  • Materials and Methods

  •   왕겨 활성바이오차 혼합 비료 시용에 따른 배추 재배

  •   통계분석

  •   왕겨 활성바이오차 혼합 비료의 경제성 평가

  • Results and Discussion

  •   왕겨 활성바이오차 혼합 비료 시용에 따른 배추 생육 효과

  •   왕겨 활성바이오차 혼합 비료의 경제성 평가

  • Conclusions

Introduction

우리나라는 쌀 농업 기반으로 볏짚과 왕겨는 국내에서 발생하는 대표적인 농업부산물로 연간 약 601만톤에 이른다 (Lee et al., 2017). 이 중 재활용되는 것은 극히 일부분이며, 대부분은 버려지거나 소각되어 각종 유해가스와 온실가스를 발생시키고 있다 (Zhang et al., 2008). 최근 폐기되는 농업부산물을 바이오차로 재활용하는 연구가 수행되고 있는데 (Kim et al., 2019), 농업부산물을 바이오차로 활용하는 것은 최근 탄소 격리, 재생 에너지, 폐기물 관리, 농업 생산성 개선 및 환경 복원 관점에서 중요한 기능을 하기 때문에 세계적으로 관심을 받고 있다 (Woo, 2013). 농업적 측면에서 넓은 표면적과 높은 pH를 갖고 있는 바이오차는 산성토양 개량 및 미생물 활성도 증가 등의 토양개량 효과가 있으며 (Larid et al., 2010), 수분 및 양분 보유력이 높아 농업 생산성을 크게 향상시킬 수 있다 (Woo, 2013).

이처럼 여러 목적으로 이용할 수 있는 바이오차는 제한된 산소 조건하에서 바이오매스 전환 기술을 통하여 생산되는 다공성 탄소 소재로 (Zhang et al., 2017) 화학적으로 안정적인 탄소 결합 형태를 유지한다 (Mathews, 2008). 이러한 화학 구조식 때문에 생물학적 요인에 의해 쉽게 분해되지 않는 난분해성 물질로도 알려져 있다 (Nichols et al., 2000; Ascough et al., 2010). 최근 온실가스 감축 정책과 맞물려 비료개발에서도 온실가스 저감형 비료의 개발이 활발히 이루어지고 있는 추세에 있다. Zhang et al. (2010)은 바이오차를 논 토양에 시용하여 CO2 발생량을 줄인다고 발표하였으며, Lim (2017)은 고추, 배추 등 밭 작물에 적용 가능하고 온실가스를 감축할 수 있는 비료를 개발하여 고추에서 밑거름 량 18%와 온실가스 배출량 30%, 그리고 배추에서는 밑거름량 24%와 온실가스 배출량 57%를 각각 줄일 수 있다고 하였다. Cho (2014)는 용출 제어형 코팅 비료를 개발하여 벼 파종상에 사용하였고, 일반 비료 대비 사용량이 65% 이상 절감되고 아산화질소 (N2O) 발생량은 44% 이상 절감된다고 하였다. Park (2015)은 요소-점토 광물 복합체 비료를 개발하여 질소 사용량을 20 - 30% 감소시키고 아질산 가스의 사용을 감소시킨다고 하였다. 국내에서는 화학비료의 사용량을 절감시키거나 화학비료의 이용효율을 높여 사용량을 절감시키는 등의 기술로 온실가스 발생을 감소시키려 하는데, 아직까지 활성바이오차를 이용한 온실가스 저감형 비료의 개발이 이루어지고 있지 않다. 현재 바이오차를 이용한 농업적 이용에 대한 연구에 따른 실용화는 활발히 진행되고 있으나, 바이오차의 가격이 높아 실질적으로 농업분야에서 토양개량제나 탄소격리 소재로서의 활용이 어려운 실증이다. 따라서 바이오차의 표면적을 넓혀, 흡착능을 증가시키고 탄소 함량을 높여, 소량의 시용에도 이용효율성을 높이는 방법으로 활성 바이오차를 활요하는 방법을 모색하고 있다. 활성바이오차는 농업부산물을 탄화하여 생산한 바이오차를 초임계장치를 이용한 고온 습식 처리를 통하여 얻을 수 있는데, 기존 바이오차에 비해 표면적은 700배 이상, 공극 면적은 95배 이상 증가하며 유기화합물에 대한 흡착력은 120배 증간된다 (Xiao et al., 2018). 따라서 본 연구의 목적은 왕겨 활성바이오차를 이용한 입상형 완효성 비료 시용에 따른 배추 생육효과를 평가하기 위해 본 연구를 수행하였다.

Materials and Methods

본 연구에서는 농업부산물의 Black carbon화를 통해 왕겨활성바이오차를 5% 함유하는 왕겨 활성바이오차 혼합 비료를 공시하였다 (Table 1). 왕겨 활성바이오차 혼합 비료의 제조에 관하여는 이전 논문에 서술되어 있다 (Jung et al., 2020).

Table 1.

Components of activated rice hull biochar mixed fertilizer.

Treatments Mixture Ratio (%) Fertilizer formula
(N-P-K, %)
Activated biochar Urea Potassium sulfate Dolomite
Activated biochar 5% 0.4 66.6 28.0 5 30-0-13

왕겨 활성바이오차 혼합 비료 시용에 따른 배추 재배

왕겨 활성바이오차 혼합 비료 사용량 절감효과를 구명하기 위한 시험은 경기도 수원에 위치한 서울대학교 농생명과학대학 포장에서 실시하였고, 작물은 배추 (추월)로 재식거리 60×40 cm으로 하여 30일 육묘를 2019년 9월 3일에 정식하였다.

시험구 배치는 난괴법 3반복이며, 처리구는 무시용구 (Non-fertilizer), 관행구 (Conventional practice), 대조구 (Control), 그리고 왕겨 활성바이오차 혼합 비료 처리구는 밑거름 시용량에 따른 밑거름 100% + 웃거름 왕겨 활성바이오차 혼합 비료 (100% 왕겨 활성바이오차 혼합 비료), 밑거름 80% + 웃거름 왕겨 활성바이오차 혼합 비료 (80% 왕겨 활성바이오차 혼합 비료), 밑거름 60% + 웃거름 왕겨 활성바이오차 혼합 비료 (60% 왕겨 활성바이오차 혼합 비료) 및 밑거름 40% + 웃거름 왕겨 활성바이오차 혼합 비료 (40% 왕겨 활성바이오차 혼합 비료) 처리구로 구성되어있다. 시비량은 농촌진흥청 작물별 비료사용처방 기준에 의거하여 시비하였고 (RDA, 2017), 왕겨 활성바이오차 혼합 비료 처리구는 밑거름으로 일반 시판 비료로 사용하여 질소 기준 11 kg 10a-1, 8.8 kg 10a-1, 6.6 ka 10a-1, 4.4 kg 10a-1가 되도록 시비하였다. 웃거름으로는 왕겨 활성바이오차 혼합 비료를 질소 기준 21kg 10a-1이 되도록 시비하였고 밑거름 시비 시기에 동시에 시비 후 토양 혼화 처리하였다. 관행의 경우 밑거름, 웃거름 둘 다 일반 시판 비료를 사용하였고, 밑거름은 질소 기준 11 kg 10a-1가 되도록 하여 정식 전에 시비 후 토양 혼화하였다. 웃거름은 멀칭재배로 인해 농촌진흥청 시비 기준의 2배가 되도록 질소 기준 21 kg 10a-1를 정식 후 20일 간격으로 2회 골뿌림으로 시비하였다 (Table 2).

배추 생육 조사는 정식 2주 후부터 2주 간격으로 엽장, 엽폭 및 엽색도 (SPAD)를 측정하였으며, 수량은 정식 후 70일에 최종 수확 후 생체중을 측정하였다.

Table 2.

Application times and amounts of modified supplemented activated rice hull biochar mixed fertilizer (10a).

Treatments Components Additional application Total
Fertilizer ARHBMF 1st 2nd Amounts (kg) Times
Conventional
fertilizer
21-17-17
(52.4 kg)
- 18-0-16 (55.6 kg)
46-0-0 (24.1 kg)
18-0-16 (55.6 kg)
46-0-0 (24.1 kg)
211.8 3
Control 20-5-8
(160 kg)
- - - 160.0 1
100% ARHBMF 21-17-17
(52.4 kg)
30-0-13
(68.5 kg)
- - 120.8 1
80% ARHBMF 21-17-17
(41.9 kg)
30-0-13
(68.5 kg)
- - 110.4 1
60% ARHBMF 21-17-17
(31.4 kg)
30-0-13
(68.5 kg)
- - 99.9 1
40% ARHBMF 21-17-17
(21.0 kg)
30-0-13
(68.5 kg)
- - 89.5 1

ARHBMF: activated rice hull biochar mixed fertilizer.

통계분석

통계 분석은 SAS 9.2 version (SAS, Inc., Cary, NC, USA)을 이용하여 처리 간에 배추 생육 특성을 비교하기 위해, 배추 생육 구성 요소에 대해 ANOVA, 표준 오차 및 Duncan 다중 검정을 하였다.

왕겨 활성바이오차 혼합 비료의 경제성 평가

개발된 왕겨 활성바이오차 혼합 비료를 농촌진흥청 농업경영자료 (2019)를 기준으로 관행 시비와 기존 시판 중인 완효성 비료 대비 비용 절감 효과에 대한 경제성 분석은 비료 제조비용 산출, 사용량에 따른 비료 비용 및 사용 횟수에 따른 인건비를 산출하여 비용 절감율 계산을 아래 수식을 사용하여 관행 시비와 시판 중인 완효성 비료에 대하여 비교하였다 (RDA, 2019).

(Eq. 1)
RC(%)=(1-CBCC)×100

RC = Reduction rate of cost (%)

CC = Application cost of conventional farming fertilizer practice

CB = Application cost of activated rice hull biochar mixed fertilizer

Results and Discussion

왕겨 활성바이오차 혼합 비료 시용에 따른 배추 생육 효과

배추 엽색도 측정 결과로, 배추 정식 37일 후부터는 무처리와 처리구 간 차이가 나타나기 시작하였으나, 처리구 간에 큰 차이를 보이지는 않았다 (Fig. 1). 배추의 엽장은 정식 37일 후 60% 왕겨 활성바이오차 혼합 비료 처리구에서 관행 대비 유의성 있게 (p < 0.05) 높게 나타났다 (Table 3). 배추의 엽폭은 정식 37일 후 100% 왕겨 활성바이오차 혼합 비료 처리구가 다른 처리구에 비해 유의성 있게 높게 나타났다 (Table 4). Oh et al. (2017)은 바이오차의 투입량이 증가하면 배추 생육에 좋지 않은 영향을 미친다고 보고하였는데, 본 시험에서는 배추 생육에 긍정적인 결과로 나타났다. 이는 바이오차가 비료 성분 중의 NH4-N을 흡착함으로서 (Choi et al., 2015), 토양 중으로 NH4-N를 천천히 방출하게 됨에 따라 배추 생육에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 판단된다.

/media/sites/ksssf/2020-053-04/N0230530423/images/ksssf_53_04_23_F1.jpg
Fig. 1

Effect on leaf color of cabbages to different application ratios of basal fertilizer (p < 0.0866).

Table 3.

Effect on leaf length of cabbages with different treatmnets.

Treatments Leaf length (cm)
DAT 15 DAT 24 DAT 37
Non fertilizer 18.0 ± 2.3d 29.2 ± 2.6c 35.4 ± 3.4d
Practice 19.8 ± 1.9bc 31.5 ± 1.5ab 37.9 ± 2.8c
Control 17.7 ± 1.9c 30.0 ± 1.8bc 38.8 ± 2.3bc
100% ARHBMF 20.4 ± 1.4a 32.2 ± 1.5a 40.1 ± 1.2ab
80% ARHBMF 19.7 ± 1.8b 33.0 ± 1.7a 41.0 ± 1.7a
60% ARHBMF 18.4 ± 1.7bc 31.8 ± 2.4a 40.8 ± 1.9a
40% ARHBMF 17.5 ± 2.0bc 30.1 ± 2.2bc 39.3 ± 1.6abc
F-value 5.12 6.69 10.89
Pr>F 0.00137 0.001 0.001

Mean values followed by different letters, which indicate significant differences (p < 0.001) among treatments with One-way ANOVA by mean comparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSD analysis for leaf length and width.

ARHBMF: activated rice hull biochar mixed fertilizer. DAT: days after transplant.

Table 4.

Effect on leaf width of cabbages to different application ratio of basal fertilizer.

Treatments Leaf length (cm)
DAT 15 DAT 24 DAT 37
Non fertilizer 11.9 ± 1.5d 21.7 ± 2.2d 26.6 ± 2.7d
Practice 13.5 ± 1.0bc 24.6 ± 2.0ab 31.5 ± 2.6c
Control 13.0 ± 1.8c 22.4 ± 2.9cd 33.2 ± 2.4bc
100% ARHBMF 15.3 ± 0.6a 25.9 ± 1.8a 35.3 ± 1.2a
80% ARHBMF 14.3 ± 1.4b 24.0 ± 2.1bc 33.8 ± 1.6ab
60% ARHBMF 13.7 ± 1.3bc 24.0 ± 1.7bc 33.4 ± 2.3b
40% ARHBMF 13.7 ± 1.6bc 23.7 ± 2.6bc 32.9 ± 2.2bc
F-value 5.12 6.69 5.46
Pr>F 0.001 0.001 0.001

Mean values followed by different letters, which indicate significant differences (p < 0.001) among treatments with One-way ANOVA by mean comparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSD analysis for leaf length and width.

ARHBMF: activated rice hull biochar mixed fertilizer. DAT: days after transplant.

왕겨 활성바이오차 혼합 비료 시비량 절감에 따른 배추 수량 조사결과, 100% 왕겨 활성바이오차 혼합 비료 및 80% 왕겨 활성바이오차 혼합 비료 처리구에서 관행 대비 각각 11%, 5% 증가하였으며, 60% 왕겨 활성바이오차 혼합 비료 처리구에서 관행과 비슷하게 나타났다 (Table 5). Kim et al. (2019)의 biochar pellet 완효성 비료 최적 시용 량을 질소 40%로 결정한 시험에서, 바이오차를 함유한 펠렛형 완효성 비료도 기비 사용량을 40% 절감하였을 경우 관행과 비슷한 수량을 보였다는 결과와 마찬가지로 본 실험에서도 밑거름 사용량 40%가 절감되는 것으로 나타났다. 왕겨 활성바이오차 혼합 비료와 관행구를 비교하였을 때, 시비 횟수는 2회 절감할 수 있고. 시비 량은 52.8% 절감되는 것으로 나타났다. 시판중인 완효성 비료의 권장사용량과 비교하면 시비량이 37.6% 절감되는 것으로 나타났다.

Table 5.

Effect on cabbage yield components to different application ratios of basal fertilizer.

Treatments Head length (cm) Head width (cm) Fresh weight (kg 10a-1) Yield index (%)
Non fertilizer 22.5 ± 3.0c 17.0 ± 3.1c 1.91 ± 0.89c 49
Conventional practice 28.1 ± 1.2ab 21.7 ± 2.1a 3.88 ± 0.55ab 100
Control 26.9 ± 1.0b 21.2 ± 1.5ab 4.14 ± 0.57ab 107
100% ARHBMF 29.1 ± 2.4a 21.7 ± 2.5a 4.31 ± 0.56a 111
80% ARHBMF 28.4 ± 1.6ab 19.8 ± 2.2ab 4.06 ± 0.37ab 105
60% ARHBMF 27.5 ± 1.8ab 21.4 ± 2.0a 3.88 ± 0.70ab 100
40% ARHBMF 27.3 ± 2.7b 19.3 ± 2.8b 3.79 ± 0.40b 98
F-value 15.35 7.24 19.84 -
Pr>F 0.001 0.001 0.001 -

Mean values followed by different letters, which indicate significant differences (p < 0.001) among treatments with One-way ANOVA by mean comparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSD analysis for leaf length and width.

ARHBMF: activated rice hull biochar mixed fertilizer.

왕겨 활성바이오차 혼합 비료의 경제성 평가

배추에 바이오차 혼합 비료 사용 시 비용은 56,412원 10a-1이었고, 관행 비료 사용 시 비용은 147,505원 10a-1이었다. 시판 중인 완효성 비료를 사용할 경우 발생하는 비용은 144,000원 이었다. 관행 시비 시 가장 많은 비용이 발생하였으며, 왕겨 활성바이오차 혼합 비료 사용시 가장 적은 금액이 발생하였다 (Table 6).

Table 6.

Benefit analysis of activated rice hull biochar mixed fertilizer during cabbage cultivation.

Division Fertilizer
purchasing cost
(Won 10a-1)
Labor cost of
top-dressing
(Won)
Application cost
(Won)
Benefit
(Won)
Benefits
(%)
Activated rice hull biochar
mixed fertilizer (A)
56,412 None 56,412 B-A = 91,093
C-A = 87,588
B-A : 61.8%
C-A : 60.8%
Conventional practice (B) 90,409 57,096 147,505
Control (C) 144.000 None 144,000

ARHBMF: activated rice hull biochar mixed fertilizer.

왕겨 활성바이오차 혼합 비료 사용 시 관행 대비 비료 비용이 33,997원 10a-1절감되는 것으로 나타났으며, 추비 시비에 따른 노동 비 57,096원이 발생하지 않아 총 91,093원 10a-1이 절감되는 것으로 나타났다. 기존 시판 중인 완효성 비료 대비해서는 왕겨 활성바이오차 혼합 비료 시용 비용에서 87,588원 10a-1이 절감되는 것으로 나타났으며, 추비 시비에 따른 노동 비는 차이가 없어 총 87,588원 10a-1이 절감되는 것으로 나타났다. 따라서 왕겨 활성바이오차 혼합 비료 사용 시 처리비용이 관행 대비 61.8% 절감되는 것으로 나타났고 대조구 대비 60.8% 절감되는 것으로 나타났다.

비료 가격은 비료 함량 21-17-17과 18-0-16은 각각 20 kg 당 10,150원과 7,750원이었으며, 요소 8,600원으로 산정하였고 (Agricultural management data of RDA, 2019), 시판 완효성비료는 20 kg당 18,000원으로 왕겨 활성바이오차 혼합 비료는 활성 야자수 기준 88,000원, Dolomite은 30 kg에 17,600원, Potassium sulfate은 20 kg에 18,400원으로서 시장가격을 기준으로 산정하였다. 노동비용은 성인남성 하루 8시간 기준 114,190원으로 하여, 추비 노동력을 300평 (10a)에 2시간 기준으로 산정하였다 (Agricultural management data of RDA, 2019). 왕겨 활성바이오차 혼합 비료 공정 비용 산출 시 왕겨를 원료로 한 왕겨활성바이오차가 상용화가 이뤄지지 않아 야자수 활성바이오차의 단가로 경제성 분석을 실시하였고, 정확한 왕겨활성바이오차를 함유한 완효성 비료의 경제성 분석하기 위해서는 왕겨 활성바비오차의 상용화가 이뤄져야 할 것으로 판단이 된다.

Conclusions

바이오차 혼합 비료의 시용에 따른 배추 생육에 미치는 효과를 평가하기 위하여 본 연구를 수행하였다. 비료 사용량 절감효과 구명을 위한 생물검정에서 배추의 수량은 60% 왕겨 활성바이오차 혼합 비료를 사용한 처리구에서 대조구와 유사한 수량이 나타났으며, 이를 통해 밑거름 시비량 40% 감량 효과가 있는 것으로 확인되었다. 총 시비량은 관행 대비 52.8% 절감되고, 시비 횟수 1회 처리로 포기당 3.5 kg로서 가장 높았고, 수량 지수는 대조구 대비 20% 증가하였다. 따라서 왕겨 활성바이오차 혼합 비료 효과는 시판중인 완효성 비료의 권장사용량과 비교하면 시비량이 33.7% 절감되는 것으로 나타났다. 경제성평가를 한 결과 처리비용이 관행 대비 61.8%절감되는 것으로 나타났고, 시판되고있는 완효성 비료 대비 60.8% 절감되는 것으로 나타났다.

Acknowledgements

This work was performed with the support of the “Cooperative Research Program for Agricultural Science & Technology Development (Project No : PJ01381401)”, Rural Development Administration, Republic of Korea.

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