and Mitigating Greenhouse Gas Emissions during Chinese Cabbage Cultivation
Woo-Kyun Park*, Gun-Yeob Kim, Sun-Il Lee, Joung-Du Shin, Hee-Young Jang, Un-Sung Na, and Kyu-Ho So
National Institute of Agricultural Sciences, RDA, Wanju 55365, Korea
(Received: September 14 2015, Revised: January 29 2016, Accepted: April 28 2016)
This experiment was conducted to evaluate the effect of carbonized rice hull (CRH) application on soil carbon storage and N2O emissions from upland soil. It was used at different rates of 0, 5, 10 and 20 Mg ha-1. During the Chinese cabbage cultivation, several soil chemical characteristics such as soil moisture, temperature and soil carbon were observed. Also, CO2 and N2O emissions were monitored. Soil organic matter contents slightly increased with carbonized rice hull applied in all the treatments. The soil carbon contents with application rate of 0, 5, 10 and 20 Mg ha-1 were 0, 1.3, 1.2 and 2.6 g kg-1, respectively. It was observed that soil carbon content was higher with increasing CRH application rate. Total nitrogen contents of soil applied with CRH relatively decreased with the course of time. However, NO3-N contents in the soil with CRH application rate of 5, 10 and 20 Mg ha-1 were 28.6, 25.7 and 21.5 mg kg-1 at the end of experiment, respectively. CO2 emission at the 5 Mg ha-1 application of CRH was higher about 18.9% than non-treatment, whereas those of 10 Mg ha-1 and 20 Mg ha-1 treatment were lower 14.4% and 11.8% compared to non-treatment, respectively.
Also, it was shown that N2O emission reduced by 19.9, 28.3 and 54.0% when CRH was applied at 5, 10 and 20 Mg ha-1, respectively.
Key words: Carbonized rice hull, Soil carbon content, Greenhouse gas, N2O emission
<N2O emission> <Amount of N2O emitted>
Temporal change of N2O emissions (all flux measurements included) and amount of total N2O emitted by different carbonized rice hull treatments during the study period.
1)
*Corresponding author: Phone: +82632382492, Fax: +82632383823, E-mail: sunrise7000@korea.kr
§Acknowledgement: This study was carried out with the support of “Research Program for Agricultural Science & Technology Development (PJ009383)”, National Institute of Agricultural Sciences, Rural Development Administration, Republic of Korea.
Introduction
대기 중의 이산화탄소 농도는 산업혁명 이전보다 인간 활동에 따른 화석연료의 사용과 토지이용에 따른 산림훼손 의 영향으로 그 농도가 높아져 2011년에는 이산화탄소 (CO2) 농도가 391 ppm으로 산업화 이후 40%가 증가하였다 (IPCC, 2014). 아산화질소 (N2O) 역시 산업화 이전보다 약 18% 증 가한 319 ppb으로 질소를 함유한 비료 사용 등 인간 활동에 의한 영향으로 점점 증가되고 있다 (IPCC, 2007). 생물권으 로부터 대기권으로 배출되는 N2O의 약 70%는 토양으로부터 야기되며 (Bouwman, 1990), 총 N2O 배출량의 64%가 인간 활동에 의해 배출되고 있으며, 그 중 92%가 농업활동에 의 해 배출되는 것으로 보고되고 있다 (Duxbury et al., 1993).
그러나 Gu et al. (2009)은 자연 상태에서도 26～30%의 아 산화질소가 농경지로부터 배출되는 것으로 추정하였다. 토 양은 지구상에 해양 다음으로 큰 탄소저장고이다. 지구의 토양탄소 총량은 약 2,500 Gt으로 추산되며, 이 중 토양 1 m 에서 토양유기탄소는 1,550 Gt, 토양무기탄소는 950 Gt이 다. 토양 탄소 총량은 대기 중 탄소 총량 760 Gt의 3.3배이 며 생물탄소 총량 560 Gt의 4.5배에 해당한다 (Batjes, 1996;
Lal, 2007; Lal, 2008). 이와 같이 토양은 온실가스의 배출 원이지만 한편으로는 생물권 중 육상 생태계 내에 있는 탄 소 양의 2/3 이상을 저장하는 탄소 저장고 역할을 한다 (Guanhui et al., 1999). 바이오숯은 유기물을 열분해하여 만들어진 물질로 일반 유기물질에 비하여 잘 분해되지 않 는 특성을 가지고 있어 이를 토양에 투입하게 되면 바이오 숯에 포함된 탄소가 토양 중에 장기간 저장될 수 있어서 기 후변화 완화 효과를 갖는다고 알려져 있다 (Goldberg, 1985;
Lehmann et al., 2006). 즉, 바이오숯은 토양에 현재보다 좀 더 많은 탄소를 축적하고 저장할 수 있도록 돕는 역할에 적용이 가능할 것이다. 토양에 바이오숯을 시용하여 농작물 을 재배할 경우 기후변화 완화 효과 이외에도 pH 증가, 양 이온치환용량 (CEC) 증대, 질소 비료 이용 효율 증가, 미생 물 활성도 증가로 인한 토양개량 등 긍정적 효과가 보고되 고 있다 (Novak et al., 2009; Laird et al., 2010). Hossain et al. (2010)은 토마토 재배에서 바이오차 10 Mg ha-1 시용 시 64% 증수되었으며, Yun et al. (2004)은 양파 재배에서 1 ha당 3 Mg, 5 Mg의 목탄분말 시용 시 각각 7%, 2% 증수되 었으나 10 Mg 이상에서는 감소되는 경향을 보였다 (Yun et al., 2004). 일반적으로 숯의 시용은 밭토양 내 질산화 작용 을 억제하여 대기 중으로 아산화질소 (N2O)의 배출을 억제 하며 궁극적으로 온실가스의 배출량을 효과적으로 저감시 킬 수 있는 것으로 보고되었다 (Case et al., 2013). 우리나 라의 농업분야에서 발생되는 바이오매스 자원은 연간 1,160 만톤으로 추정되고 있으나 자원순환 활용에 대한 연구가 거 의 없는 실정이다 (Park et al., 2011). 농업에서 유래된 미
사용 또는 폐기된 바이오매스 잔사는 잠재 에너지원이며 유 기물 공급원으로 유용하나, 이러한 자원을 방치하거나 소각 하게 되면 환경문제와 더불어 온실가스 배출원이 될 수 있다 (Kim et al., 2013; Jeong et al., 2010). 토양에서 아산화질 소의 배출은 유기물이나 비료 시용을 줄이는 것보다 토양 내 질산화 및 탈질 작용 등 생화학적 과정을 적절히 조절하는 것이 더 큰 효과를 볼 수 있다고 하였다 (Firestone and Davidson, 1989). 또한 바이오숯은 열분해하여 만들어진 물 질로 생물학적 과정에 영향을 크게 받지 않는 난분해성 물 질로 알려져 있다 (Nichols et al., 2000; Ascough et al., 2010). 바이오매스를 공기가 부족한 상태에서 연소시켜 만 든 바이오숯을 토양에 시용하면 숯은 결국 토양으로 되돌아 가서 격리된 형태로 존재 (Case et al., 2013)하게 될 뿐 아 니라 토양 내 아산화질소의 배출량을 줄일 수 있다는 연구 결과들이 보고되고 있다 (Yanai et al., 2007).
따라서 본 연구에서는 농업부문에서 발생되는 유기자원 중 왕겨를 탄화시켜 만든 왕겨숯을 배추 재배 토양에 시용 하여 토양 탄소 저장 및 온실가스 (CO2, N2O) 배출 특성을 구명하고자 수행하였다.
Materials and Methods
본 연구는 왕겨숯 투입량에 따른 토양 탄소 저장 및 CO2
와 N2O의 온실가스 배출 특성을 살펴보기 위하여 전라북도 완주군 이서면에 위치한 국립농업과학원의 시험포장 (위도:
35°82´41.5˝N, 경도: 127°04´36.0˝E)에서 수행하였다. 시험 은 밭 포장 조건에서 Fig. 1과 같이 설치하였고, 시험토양은 사양질로서 화학적 특성은 Table 1과 같다.
본 시험에 사용된 작물은 노지 봄배추로 품종은 진청 (흥 농씨앗)이며 재식거리는 65×45 cm로 하였으며, 본잎이 5～6 매인 육묘를 2015년 4월 23일 정식하였다. 비료 시용량은 농촌진흥청 작물별시비처방기준 (RDA, 2010)의 표준시비방 법에 준하였으며, 평난지대 노지재배의 표준시비량을 기준 으로 N-P2O5-K2O를 320-78-198 kg ha-1를 적용하였다.
질소는 요소를 2회 분시, 인산은 용성인비로 전량 기비, 칼리는 염화칼리를 2회 분시 하였다. 토양 수분관리는 자연 강우를 원칙으로 하였으나 작물재배 후기에 가뭄으로 인하 여 작물의 생육상태를 고려하여 스프링클러를 이용하여 관 수 하였다.
시험구 면적은 380 m2 (20×19 m)로 하였다.
본 시험에 사용된 왕겨숯은 전북 고창군에 위치한 왕겨 탄화물 제조업체에서 구입하여 사용하였으며, 약 350°C에 서 4시간 정도 직접탄화방식으로 조제된 왕겨숯을 사용하 였으며, 왕겨숯의 pH는 9.2, 전기전도도 (EC)는 10.8 dS m-1, 총탄소함량은 579.5 g kg-1 그리고 C/N비는 165.1 이었다 (Table 1B).
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Fig. 1. Description of study area (a,b: The experimental field, c: Soil and mixed materials, d: plastic mulching work, e,f: Gas chamber setup for greenhouse gas capture).
Table 1. Chemical properties of soil used at the experiment.
pH EC OM Av. P2O5
Exch. Cation NO3-N
(mg/kg)
K Ca Mg
A (1:5) dS m-1 g kg-1 mg kg-1 --- cmolc kg-1 ---
6.7±0.3 1.0±0.2 9.8±0.4 403.6±56.3 1.0±0.2 6.2±0.6 2.2±0.1 18.0±6.4
pH EC T-C T-N C/N
B (1:10) dS m-1 --- g kg-1 ---
9.2 10.8 579.5 3.51 165.1
* A: soil, B: Carbonized rice hull
왕겨숯 처리량은 Hossain et al. (2010)과 Yun et al.
(2004)의 연구결과를 바탕으로 본 연구에서는 5 Mg ha-1을 기준으로 1배, 2배, 4배에 해당하는 양으로 왕겨숯을 각각 5, 10, 20 Mg ha-1 처리구와 무처리구를 두었다.
시험구 설치는 처리 간 시험재료의 이동을 최소화하기 위 하여 Fig. 1과 같이 각 시험구에 땅속 10 cm 정도로 묻히게 방부목 틀(가로 2.5 m×세로 3.0 m×높이 0.25 m×두께 3.8 cm)을 설치하였다. 토양과 왕겨숯이 완전혼합 되도록 처리한 후 이랑은 검정배색필름으로 피복하였다.
시험기간 중 토양의 온도 측정은 유전율식 센서를 토양 내 5, 10, 30, 40, 50, 70, 100 cm 깊이에 설치하였다. 토양 수분함량은 텐시오미터를 토양 표면에서 직각으로 꽂아 실 시간으로 측정하였으며, 그 측정치는 데이터로거에 기록되 도록 하였다. 강우량은 시험포장 인근에 위치한 전주기상지 청 (위도: 35°50´27.14˝ N, 경도: 127°07´02.78˝ E, 해발고 도: 61.4 m)에서 측정되는 일별 기상자료를 활용하였다.
토양화학성은 토양시료를 채취하여 풍건 후 2 mm체를 통과시켜 농촌진흥청 토양화학분석법 (NAAS, 2010)에 준하
여 분석하였다. pH (1:5)는 초자전극법, 유기물은 Turin법, 유효인산은 Lancaster법, 치환성 양이온은 1N NH4OAC (pH 7.0)용액으로 침출하여 유도결합플라즈마방출분광기 (Optima 7300DV, Perkin Elmer)로 분석하였다. 제조된 시료의 pH와 전기전도도는 pH/EC meter (Orion 4 Star, Thermo, Singapore) 로 측정하였고, NO3-N는 증류수로 침출하여 이온크로마토 그래피 (850 professional, Metrohm), NH4-N는 2 M KCl로 침출하여 UV/Vis 분광광도계 (Cary 100, Varian)로 분석하 였다. 바이오매스 분석은 식물체 분석법에 준하여 pH (10:1) 는 초자전극법, 전기전도도는 조제된 시료 10 g을 100〜200
㎖ 삼각플라스크에 취하여 증류수 50 ml를 가하고 진탕기 에서 30분간 진탕하였다. 그리고 No. 2 여과지로 여과 후 EC meter로 측정하였다. 총탄소 (T-C)와 총질소 (T-N)는 원소분석기 (Vario Max CN analyzer, Elementar, Germany) 로 분석하였다.
온실가스 포집은 밀폐형상자법 (Denmead, 1979)을 이용 하였다. 설치된 챔버는 아크릴 소재로 지름이 250 mm로 내 경은 240 mm, 챔버의 높이는 위 뚜껑부분이 19 cm 아래 고 정부가 25 cm로 토양 표토 위의 높이가 30～35 cm 정도가 되도록 설치하였다. 각 시험구의 대표 지점에 안정적으로 설치하였다.
온실가스 시료채취는 Yagi (1991)의 방법에 의하여 오전 10시부터 12시 사이에 60 ml 실린지를 이용하여 작물 재배 기간 동안에는 1주일에 2회, 작물 수확 후에는 1주일에 1회 채취하여 분석하였다. 채취한 가스시료의 CO2 농도 분석은 GC-FID (Agilent 7890A)를 사용하였고, column은 Hayesep Q (80/100 mesh)를 충전한 1/8″×1.83 m의 stainless steel tubing column, 그리고 detector의 온도는 250°C로 하였다.
N2O 농도 분석은 GC-ECD (Agilent 7890A)를 사용하였고, column은 Hayesep Q (80/100 mesh)를 충전한 1/8″×3.66 m의 ultiMetal tubing column, 그리고 detector의 온도는 350°C로 하였다 (Park et al., 2014).
단위 시간당 CO2와 N2O의 배출량은 다음의 Eq. 1로 계산 하였다.
F = ρ․273․[273+(처음온도+나중온도)․2-1]-1․H․ΔC h-1 1000-1 (Eq. 1)
F : 단위시간당 배출량 (mg m-2 hr-1) ρ : 가스밀도 (mg m-3)
N2O의 ρ값 (T=273 K)은 다음과 같다.
ρN2O = 1.96, ρN2O-N = 1.25
H : 상자내 수면으로 (또는 토양표면)부터 상자 위쪽 끝 부분까지의 높이
ΔC : 시료 채취 전후의 농도 차 h : 시료 채취 시간
본 연구에서 재배한 봄배추의 생육 및 수량 조사는 수확 기에 배추 한 포기가 가지고 있는 잎 전체의 수를 나타내는 엽수, 배추 잎 중에서 제일 긴 엽의 길이를 나타내는 엽장, 배추 잎 중에서 제일 넓은 잎의 폭을 나타내는 엽폭, 그리고 배추 아래로 처져 있는 잎 부분을 제거한 후의 한 포기 무게 로 나타낸 주중과 배추포기의 바깥 잎을 제거하여 짙은 녹 색 잎이 제거되고 옅은 녹색과 노란 잎만이 남은 배추의 한 포기 무게로 나타낸 구중을 조사하였다.
통계분석은 SAS 9.2 통계패키지를 이용하여 유의수준은 5%의 확률로 하여 Duncan의 다중비교법 (Duncan’s multiple range test, DMRT)으로 검정하였다.
Results and Discussion
본 연구 기간 동안 대기 온도 및 강우량의 경시적 변화는 Fig. 2와 같다. 2015년 4월에서 7월까지 계절에 따른 온도 상승은 평년의 대기 온도와 유사한 경향을 보였으나 대기온 도의 일간 변화폭은 크게 나타났다. 강우량은 평년에 비해 강우 빈도는 적으면서 강우 강도는 강하게 나타나 노지 봄 배추 재배에서 작물생육에는 나쁜 기상조건으로 판단된다.
왕겨숯 투입에 따른 토양수분 변화는 Fig. 3과 같다. 작 물별 적정 수분범위는 물을 많이 요구하는 작물인 배추는 10～20 kPa, 한발에 강한 작물인 고추, 참깨 등은 10～50 kPa, 기타 일반 밭작물과 원예작물은 10～33 kPa가 적정한 것으로 알려져 있다. 또한 포장 용수량은 10～30 kPa 범위 이며, 50～100 kPa에서는 한발 스트레스 시기로 알려져 있 다 (RDA, 2010). 본 연구에서는 2015년 5월 중순에서 6월 말까지 대기 온도의 상승과 가뭄으로 인하여 스프링클러를 이용한 인공관수로 왕겨숯 처리에 따른 토양수분은 비교할 수 없었다. 인공관수로 인하여 토양 수분함량은 모든 처리 에서 높게 유지되었는데, 왕겨숯을 처리하지 않은 무처리구 (CI-0)나 왕겨숯 10 Mg 처리구 (CI-10)와 비교 할 때 왕겨 숯 20 Mg 처리구 (CI-20)에서 토양수분함량이 더 높은 경 향으로 나타났다.
또한 봄배추 수확 전과 수확 후의 토양수분을 비교했을 때 수확 후에 토양수분함량이 더 높은 것은 수확 이후 잦은 강우와 많은 강우량에 의한 결과로 생각된다. 또한 배추 수 확후 배추를 뽑은 자리를 통해 빗물이 쉽게 스며들었던 것 도 한 원인으로 생각된다.
왕겨숯 처리에 따른 토양온도의 경시적 변화는 Fig. 4와 같다.
2015년 5월 초순에 측정한 토양 깊이에 따른 온도 변화를 보면 표토는 21.4°C, 100cm에서는 14.3°C로 토양표면에서
Fig. 2. Temporal change of air temperature and precipitation during the study period.
Fig. 3. Change of soil water contents by carbonized rice hull treatments in upland soils. CI-0 : Application of Carbonized Rice Hull 0 Mg ha-1, CI-5 : 5 Mg ha-1. CI-10 : 10 Mg ha-1, CI-20 : 20 Mg ha-1. Vertical bars are standard errors of the means (n=6). Data followed by the same letter are not statistically different at =0.05.
지중으로 내려갈수록 지온은 하강 곡선을 보여주고 있는데 토양 내부층의 지온과 대기온도 차이에 의한 전형적인 특성 으로 보여 진다. 이러한 경향은 온도의 차이는 있으나 5월 중순까지 지속되었으며, 6월 하순에 토양온도 역시 표토가 36.9°C, 100 cm 깊이에서는 19.7°C로 관측되었다 (Fig. 4A).
6월 중순 이후에는 토양의 표토 온도가 30°C 이상 유지 되면서 부터 토양깊이가 깊어질수록 토양층 아래쪽이 더 낮 은 온도로 관측되었다. 토양 깊이에 의한 온도 차이는 지표 면에서 지중으로 내려갈수록 조사기간 내내 토양온도는 낮 게 유지되었다. 이는 지온이 대기온도로 부터 밀접한 영향 을 받는 것으로 생각된다. 또한 Park et al.(2014)도 대기온 도와 토양 깊이별 토양온도 변화에서 대기온도 변화와 아주 비슷한 양상을 보였으며, 20 cm 깊이에서는 변화폭이 0.5°C 범위로 아주 적고 대기온도에 비해 약간 느린 속도의 변화 를 보였다고한 연구와 유사하였다.
또한 표토에서 지중 10cm 깊이에서 토양온도 변화는 시 험 전기간에 걸쳐 왕겨숯 투입에 따른 차이는 보이지 않았 으나 왕겨숯을 처리하고 작물을 재배하지 않은 처리구에서 대기온도가 높은 6월 하순에는 24.4°C로 다른 처리구 25.
5～28.9°C보다 낮게 측정되었다 (Fig. 4B). 지중 20cm 깊 이에서 토양온도 변화는 대기온도가 상대적으로 낮았던 5 월 중순까지는 왕겨숯 무처리구 (CI-0)에서는 17.8～23.1°C, ha당 5 Mg 처리구 (CI-5)가 17.6～22.3°C, 10 Mg 처리구 (CI-10)에서 19.4～25.5°C, 20 Mg 처리구 (CI-20)가 19.6～
25.8°C로 왕겨숯 처리량이 많을수록 토양 온도가 높았다 (Fig. 4C). 그러나 대기온도가 높은 6월 하순에는 이전에 비 하여 왕겨숯 처리량에 따른 토양 온도 차이가 뚜렷하지 않 았다. 이러한 결과는 왕겨숯 투입에 따른 토양 물리성 변화 와 작물 재배에 따른 작물의 뿌리 및 미생물 활동에 따른 것 으로 판단된다.
(A)
(B)
(C)
Fig. 4. Temporal change of soil temperature by depths of treated carbonized rice hull. A : Soil depth, B : 10 cm depths, C : 20 cm depths. CI-0 : Application of Carbonized Rice Hull 0 Mg ha-1, CI-5 : 5 Mg ha-1. CI-10 : 10 Mg ha-1, CI-20 : 20 Mg ha-1.
밭 토양에서 왕겨숯 처리에 따른 시험전 토양의 화학성 분은 Table 2와 같다.
왕겨숯 처리에 따른 토양 pH는 왕겨숯을 처리하지 않은 무처리구 (CI-0)의 pH 6.7과 유사한 6.7～6.9로 왕겨숯 처 리에 따른 토양 pH 영향은 뚜렷하게 나타나지는 않았다. 전 기전도도는 왕겨숯을 처리하지 않은 무처리구 (CI-0)의 1.0 dS m-1과 같거나 약간 낮은 1.0～0.8 dS m-1로 왕겨숯 처리 량에 따른 영향은 커지 않은 것으로 나타났는데, Jang et al. (2014)의 연구에서도 같은 결과를 보고한바 있다. T-N
과 NO3-N 함량은 왕겨숯 처리량에 따른 영향은 뚜렷하게 나타나지 않았다 (Fig. 5C). 또한 왕겨숯을 처리하지 않은 무처리구 (CI-0)의 토양 중 유효인산 함량은 403.6 mg kg-1 으로 적당한 밭토양의 유효인산함량 350～450 mg kg-1에 비하여 높게 나타났고, 왕겨숯 처리량이 많아질수록 유효인 산 함량이 높아지는 경향을 보였는데, 왕겨숯 처리수준에 따라 480 mg kg-1까지 증가하였다.
Fig. 5는 왕겨숯 처리에 따른 봄배추 재배시험 후의 토양 중 pH, EC, T-N, NO3-N 및 유효인산 함량 변화를 나타내 었다.
봄배추 정식에서 수확까지 약 60일간 재배 후 토양의 pH 는 왕겨숯 처리량에 따른 영향은 미미하였으나 시험 전 토 양에 비해 시험 후 토양에서 약간 낮아지는 경향이었으나 통계적으로 유의한 차이는 보이지 않았다 (Fig. 5A). 전기전 도도의 측정은 토양 또는 토양용액 중에 있는 염분농도의 지표로 사용되고 있다. 용액 중에 존재하는 염류이온의 농도 에 비례하기 때문에 전기전도도를 측정하는데, 본 연구에서 전기전도도는 왕겨숯 무처리(CI-0)에서 10 Mg ha-1 (CI-10) 까지는 처리량이 많아질수록 낮아지는 경향을 보였으나 20 Mg ha-1 (CI-20)처리에서는 낮아지지 않았다.
또한 시험 전 토양에 비해 시험 후 토양에서는 모든 처리 에서 낮아지는 경향이었으나 통계적 차이는 보이지 않았다 (Fig. 5B).
T-N 함량은 시험 전 토양에 비해 시험 후 토양에서 낮아 지는 경향이었으며, NO3-N 함량은 증가되는 경향을 보였으 나 T-N 및 NO3-N 함량 변화에서 왕겨숯 처리수준에 따른 처리구 간에는 통계적 차이가 없었다 (Fig. 5C). 이와 같은 결과는 토양에 공급된 유기물 및 토양 미생물의 분해에 따 른 질소성분의 질산화 작용에 따른 결과로 판단된다. 시험 후 토양의 유효인산 함량은 시험 전 토양에 비해 모든 처리 에서 낮아지는 경향이었으나 왕겨숯 처리수준에 따른 처리 구 간에 차이는 나타나지 않았다 (Fig. 5D). 왕겨숯 처리에 따른 시험 후 토양의 유기물 함량 및 토양 유기물대 질소비 율 은 Fig. 6에 나타내었다.
토양 유기물 함량은 왕겨숯을 처리하지 않은 무처리구 (CI-0)에 비하여 왕겨숯 처리량이 증가할수록 토양 유기물 함량은 비례적으로 증가하였다 (Fig. 6A). 이는 왕겨숯 무처 리구 (CI-0)에 비하여 ha당 5 Mg 처리구 (CI-5), 10 Mg 처 리구 (CI-10), 20 Mg 처리구(CI-20)에서 각각 3, 7.2, 16.3 g kg-1 증가하는 것으로 나타났는데, 왕겨숯을 ha당 1 Mg 토양처리에서 0.6～0.8 g kg-1 증가하는 것으로 분석되었다 (Fig. 6A). 또한 토양 유기물대 질소비도 토양 유기물에서 보여준 바와 같이 왕겨숯 처리량이 증가할수록 증가하는 경 향을 보였다 (Fig. 6B). 이와 같은 결과는 유기물의 C/N비 는 미생물에 의하여 분해되는 과정을 거치면서 낮아지게 된 다. 이것은 미생물에 필요한 에너지원으로서 탄소의 양은
pH EC OM T-C TOC T-N NO3-N Av.P2O5
(1:5) dS m-1 --- g kg-1 --- --- mg kg-1 --- CI-0 6.7±0.3 aa 1.0±0.2 a 9.8±0.4 c 7.3±0.8 c 5.7±0.3 c 0.8±0.2 a 18.0±6.4 a 403.6±56.3 b CI-5 6.7±0.2 a 0.9±0.3 a 12.5±3.4 bc 8.8±1.8 c 7.3±2.0 bc 0.9±0.1 a 17.2±4.4 a 440.4±45.9 ab CI-10 6.7±0.2 a 0.8±0.1 a 16.0±3.2 b 11.3±1.7 b 9.3±1.9 b 0.9±0.2 a 15.5±4.1 a 455.1±57.0 ab CI-20 6.8±0.2 a 0.9±0.1 a 20.1±4.4 a 14.3±2.1 a 11.6±2.5 a 0.8±0.2 a 15.6±4.3 a 479.2±75.5 a
* CI-0 : Application of Carbonized Rice Hull 0 Mg ha-1, CI-5 : 5 Mg ha-1. CI-10 : 10 Mg ha-1, CI-20 : 20 Mg ha-1.
aValues followed by the same letter are not statistically different at ɑ=0.05.
(A) (B)
(C) (D)
Fig. 5. Effect of different carbonized rice hull additions on the soil after experiment pH, soil conductivity, soil nitrogen content and soil available phosphorus content. A : pH, B : Soil conductivity (EC), C : Soil nitrogen content (T-N), D : Soil available phosphorus content (Av. P2O5). CI-0 : Application of Carbonized Rice Hull 0 Mg ha-1, CI-5 : 5 Mg ha-1. CI-10 : 10 Mg ha-1, CI-20 : 20 Mg ha-1. Vertical bars are standard errors of the means (n=6). Data followed by the same letter are not statistically different at
=0.05.
(A) (B)
Fig. 6. Change of soil organic mater content and organic mater content-nitrogen ratio in the soil after experiment by carbonized rice hull treatments. A : Soil organic mater content (OM), B : Organic mater content-nitrogen ratio (OM/T-N). CI-0 : Application of Carbonized Rice Hull 0 Mg ha-1, CI-5 : 5 Mg ha-1. CI-10 : 10 Mg ha-1, CI-20 : 20 Mg ha-1. Vertical bars are standard errors of the means (n=6). Data followed by the same letter are not statistically different at =0.05.
(A) (B)
Fig. 7. Change of soil carbon content in the soil after experiment by carbonized rice hull treatments. A : Soil total carbon (T-C), B : Soil total organic carbon (TOC). CI-0 : Application of Carbonized Rice Hull 0 Mg ha-1, CI-5 : 5 Mg ha-1. CI-10 : 10 Mg ha-1, CI-20 : 20 Mg ha-1. Vertical bars are standard errors of the means (n=6). Data followed by the same letter are not statistically different at = 0.05.
충분하지만 균체 합성에 필요한 질소가 부족하여 유기물의 분해가 느리게 진행되며 토양 중의 무기태 질소인 NH4-N 이나 NO3-N이 미생물의 증식에 이용되게 된다. 즉 토양에 존재하는 무기태 질소의 부동화가 일어나게 되는 것이다 (Mueller et al., 1998). 반대로 C/N비가 낮을수록 질소의 무기화는 빨리 진행된다 (Gale et al., 2006). 유기물의 C/N 비가 대략 30 이상이면 토양질소의 부동화가 일어나고 15 이하이면 무기화가 일어난다 (Cho et al., 1991). 그러므로 탄질율이 높은 유기물과 함께 부족한 질소량을 공급하지 않 으면 미생물은 유기물 중의 풍부한 탄소를 에너지원으로 활 용하면서 부족한 질소를 토양 중에서 취하기 때문에 주변 토양 중의 무기태 유효질소인 NH4-N 또는 NO3-N가 미생 물에 의하여 이용되기도 한다. 이러한 현상은 짧은 기간이 며, 유기물 분해가 완료되면 미생물은 상당수가 사멸되어 질소를 토양에 방출하게 된다 (Yoo et al., 2002)고 알려져 있는데 이러한 현상에 따른 영향으로 판단된다.
시험기간 동안 왕겨숯 처리에 따른 시험 후 토양의 탄소 함량 변화는 Fig. 7과 같다.
왕겨숯을 처리한 시험 전 토양의 총탄소 함량은 Table 2 와 같이 왕겨숯을 처리하지 않은 무처리구 (CI-0)에서는 7.3 g kg-1, 1 ha당 5 Mg 처리구 (CI-5)에서는 8.8 g kg-1, 10 Mg 처리구 (CI-10)에서 11.3 g kg-1, 20 Mg 처리구 (CI-20)가 14.3 g kg-1로 왕겨숯 처리량이 많을수록 토양 탄 소함량도 증가하였다. 토양 중 총유기탄소 함량 변화에서도 같은 경향을 나타내었다. 왕겨숯을 처리한 토양에서 봄배추 를 재배한 후 토양 중 총탄소 함량은 왕겨숯을 처리하지 않 은 무처리구 (CI-0)에서는 7.3 g kg-1, 1 ha당 5 Mg 처리구 (CI-5)가 10.1 g kg-1, 10 Mg 처리구 (CI-10)에서 12.5 g kg-1, 20 Mg 처리구 (CI-20)가 16.9 g kg-1로 왕겨숯 처리량 이 많을수록 토양 탄소함량도 증가하였다. 왕겨숯 처리량에 따른 토양 탄소 증가량은 왕겨숯을 처리하지 않은 무처리구
(CI-0)와 비교할 때 1 ha당 5 Mg 처리구 (CI-5)에서는 2.8 g kg-1의 토양 탄소가 증가하였고, 10 Mg 처리구 (CI-10)는 5.2 g kg-1, 20 Mg 처리구 (CI-20)는 9.6 g kg-1의 토양 탄 소가 증가하였다. 이와 같은 결과는 토양에 시용한 왕겨숯 은 탄화상태 그대로 토양에 저장되어 분해가 쉽게 일어나지 않은 상태로 지속되기도 하지만 토양 유기물 함량 변화에서 언급한 바와 마찬가지로 작물 재배에 의한 식물의 잔사나 뿌리에 의한 영향을 받는 것으로 판단된다. 또한 왕겨숯 처 리에 따른 토양 탄소 증가량은 왕겨숯 1 Mg 처리에서 평균 0.5 g kg-1의 토양 탄소가 증가된 것으로 분석되었다. 그러 나 왕겨 숯과 같은 바이오 숯의 시용량 설정을 위한 안전 상 한기준은 아직까지 알려져 있지 않으나 Lehmann et al.
(2006)은 1 ha당 50 Mg을 한계로 보고하였으나 Kammann et al. (2011)은 바이오차를 100 Mg과 200 Mg을 처리한 결 과 200 Mg 처리가 100 Mg 처리와 비교할 때 수량이 증가되 지 않았다고 보고되고 있어 바이오 숯의 안전 상한기준은 50 Mg～100 Mg ha-1 정도 이하로 설정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
시험기간 동안의 왕겨숯 처리에 따른 CO2 및 N2O 배출 경향은 Fig. 8과 같다. 대기 온도는 토양의 CO2 생산의 중요 한 요소로 작용하여 19세기 말부터 토양의 CO2 flux를 예측 하는데 사용되어 왔으며 (Arrhenius, 1889; Vant't Hoff, 1898). 또한 토양온도 (Gödde and Conrad, 1999), 토양수분 (Stevens et al., 1997; Arnone and Bohlen 1998; Hou et al., 2000) 변화에 따른 N2O 배출 양상이 비슷하다는 보고 들이 알려진 바 있다. 본 연구에서 CO2 배출은 시험 초기에 많은 발생이 있은 후 안정적인 상태에서 서서히 증가되는 경향을 보이다가 6월 중순 이후부터 감소하기 시작하였다.
이는 계속되는 가뭄이 있은 후 많은 강우와 잦은 강우의 영 향으로 판단된다.
본 연구기간 동안의 CO2 누적 배출량은 왕겨숯을 처리하
(A) (B)
Fig. 8. Temporal change of CO2 and N2O emissions by different carbonized rice hull in upland soils(all flux measurements included). A : CO2 emission, B : N2O emission. CI-0 : Application of Carbonized Rice Hull 0 Mg ha-1, CI-5 : 5 Mg ha-1. CI-10 : 10 Mg ha-1, CI-20 : 20 Mg ha-1.
지 않은 무처리구 (CI-0)서는 172.1 g m-2, ha당 5 Mg 처리 구 (CI-5)에서는 197.4 g m-2, 10 Mg 처리구 (CI-10)에서 154.1 g m-2, 20 Mg 처리구 (CI-20)가 156.6 g m-2이 배출 되었다. 왕겨숯을 ha당 5 Mg (CI-5) 처리에서는 왕겨숯을 처리하지 않은 무처리구 (CI-0)에 비해 CO2 배출량은 25.31 g m-2 증가하였다. 반면에 왕겨숯을 ha당 10 (CI-10), 20 Mg (CI-20) 처리에서는 무처리 (CI-0)와 비교할 때 각각 18.0 g m-2, 15.5 g m-2 적게 배출되었다. 이러한 결과는 토 양에 탄질비가 높은 유기물이 가해지면 미생물에 의하여 분 해될 때 탄소는 일부 미생물체로 동화·고정되지만 많은 양 이 CO2로 방출된다 (Yoo et al., 2002)고 하였는데 같은 맥 락으로 생각된다.
N2O 배출은 시험 초기에서 6월 중순까지 적은 발생량을 보였으나 6월 중순 이후부터 증가하는 경향을 보였다. 이 러한 결과는 습한 토양에서는 탈질현상으로 N2O와 N2의 발 생이 증가되고 상대적으로 호기조건의 건조토양에서는 미 생물에 의해 질산화작용이 촉진되는 것으로 알려져 있다 (Davidson, 1991). 반면에 Lemke et al. (1998)은 토양 수분 함량이 높을수록 탈질이 잘 일어나지만, 토양 공극에 대한 용적수분 함량 비율이 90% 이상에서는 아산화질소 배출량 이 급격히 낮아진다고 하였다. 본 연구에서는 CO2 배출 특 성과 마찬가지로 계속되는 가뭄 그리고 많은 강우 또는 잦 은 강우에 따른 영향으로 판단된다. 또한 대기온도는 토양 온도 변화와 밀접한 관계를 가질 뿐 아니라 N2O 배출량에도 영향을 미친다 (Frolking et al., 1998; Parton et al., 1996) 고 하였는데 이러한 영향에 의한 것으로 판단된다. 본 연구 기간 동안의 N2O 배출 누계량은 왕겨숯을 처리하지 않은 무 처리구 (CI-0)에서는 520.3 mg m-2, ha당 5 Mg 처리구 (CI-5)가 420.2 mg m-2, 10 Mg 처리구 (CI-10)에서 357.3 mg m-2, 20 Mg 처리구 (CI-20)가 246.7 mg m-2이 배출되 었다. 따라서 왕겨숯 처리량에 따른 N2O 배출 누계량은 왕 겨숯을 처리하지 않은 무처리구 (CI-0)와 비교할 때 ha당 5 Mg 처리구 (CI-5), 10 Mg 처리구 (CI-10), 20 Mg 처리구
(CI-20)에서 각각 100.1 mg m-2, 163.0 mg m-2, 246.7 mg m-2로 왕겨숯 처리량이 많을수록 N2O 배출량은 감소하였 다. 이와 관련하여 Yanai et al. (2007)은 바이오숯을 무게 비로 10%를 처리하였을 때 아산화질소 배출량이 줄어들었 다고 보고하였으며, Zwieten et al. (2009)은 바이오숯 처리 가 토양 pH를 높여 아산화질소로부터 질소 가스로 환원시 키는 효소활성이 높아짐으로서 아산화질소의 배출량이 줄 어들 수 있다고 하였다.
한편으로는 산소가 부족하고 유기물이 많은 곳에서 탈질 작용이 일어나기 쉬우며 이로 인하여 질소가스나 아산화질 소가 공기 중으로 방출되는데 바이오숯 처리가 토양 통기성 을 높여줌으로서 탈질균의 활성에 필요한 유효태 탄소의 흡 착과 탈질작용의 억제로 아산화질소의 배출량이 줄어들 수 도 있다고 하였다.
시험기간 동안의 왕겨숯 처리에 따른 단위면적당 CO2 및 N2O 배출량은 Fig. 9와 같다.
본 연구에서 봄배추를 노지에 4월 25일 정식에서 7월 15 일까지 배출된 단위면적당 CO2 총배출량을 환산해 보면 왕 겨숯을 처리하지 않은 무처리구 (CI-0)에서는 6.2 t CO2
ha-1, ha당 5 Mg 처리구 (CI-5)가 7.4 t CO2 ha-1, 10 Mg 처 리구 (CI-10)에서 5.3 t CO2 ha-1, 20 Mg 처리구 (CI-20)가 5.5 t CO2 ha-1가 배출되었는데, 왕겨숯 처리에 따른 단위면 적당 CO2 배출량은 왕겨숯을 ha당 5 Mg (CI-5) 처리에서는 왕겨숯을 처리하지 않은 무처리구 (CI-0)에 비해 18.9%인 1.2 t CO2 ha-1 증가하였으나 왕겨숯을 ha당 10 (CI-10), 20 Mg (CI-20) 처리에서는 각각 14.4%인 0.9 t CO2 ha-1, 11.8%
인 0.7 t CO2 ha-1 감축되는 결과를 보였다. 그러나 농경지 에서 배출되는 이산화탄소는 작물의 광합성을 통해 대기 중 의 이산화탄소를 흡수․고정하여 생산한 식량이나 식물체가 다시 분해 또는 연소되거나 식물의 호흡을 통해 대기로 다 시 환원되며 다음 작기에 다시 작물에 의해 흡수되고 다시 배출되는 과정을 반복한다. 따라서 농경지에서 배출되는 이 산화탄소의 흡수나 배출에 따른 온실가스 배출은 없는 것으
(A) (B)
Fig. 9. Amount of total CO2 and N2O emitted by carbonized rice hull treatments during the study period. A : CO2 emission, B : N2O emission. CI-0 : Application of Carbonized Rice Hull 0 Mg ha-1, CI-5 : 5 Mg ha-1. CI-10 : 10 Mg ha-1, CI-20 : 20 Mg ha-1. Data followed by the same letter are not statistically different at =0.05.
Table 3. Comparison yield and growth of Chinese cabbages by carbonized rice hull treatments in upland soils.
Leaves Height Width Weight1) Weight2)
leaf --- cm --- --- kg/plant ---
CI-0 84.8±11.3 aa 37.3±3.2 a 25.0±1.5 a 4.1±0.4 a 2.2±0.3 a
CI-5 79.8±13.1 a 36.8±2.0 a 26.8±2.6 a 4.0±0.4 a 2.0±0.4 a
CI-10 78.0±7.0 a 37.0±3.3 a 26.3±2.1 a 4.1±0.3 a 1.9±0.4 a
CI-20 79.3±8.6 a 38.1±2.7 a 26.3±4.2 a 3.6±0.6 a 2.0±0.4 a
* CI-0 : Application of Carbonized Rice Hull 0 Mg ha-1, CI-5 : 5 Mg ha-1. CI-10 : 10 Mg ha-1, CI-20 : 20 Mg ha-1.
1) Weight per 1 head of Chinese cabbage, (kg/plant).
2) Weight remove the outer leaves of Chinese cabbage.
aValues followed by the same letter are not statistically different at ɑ=0.05.
로 평가되고 있다 (IPCC, 2006).
봄배추를 노지에 4월 25일 정식하여 6월 25일 수확하기 까지 전 기간 동안의 단위면적당 N2O 배출량은 왕겨숯을 처 리하지 않은 무처리구 (CI-0)에서는 12.2 kg N2O ha-1, ha 당 5 Mg 처리구 (CI-5)가 10.7 kg N2O ha-1, 10 Mg 처리구 (CI-10)에서 7.9 kg N2O ha-1, 20 Mg 처리구 (CI-20)가 7.4 kg N2O ha-1이 배출되었는데, 왕겨숯을 처리하지 않은 무처 리구 (CI-0)와 비교할 때 ha당 5 Mg 처리구 (CI-5)가 1.5 kg N2O ha-1, 10 Mg 처리구 (CI-10)에서 4.3 kg N2O ha-1, 20 Mg 처리구 (CI-20)가 4.8 kg N2O ha-1 감소하였다. 또한 봄배추를 수확한 후 6월 25일부터 7월 15일까지 측정된 단 위면적당 N2O 배출량은 왕겨숯을 처리하지 않은 무처리구 (CI-0)에서는 7.3 kg N2O ha-1, ha당 5 Mg 처리구 (CI-5)가 4.8 kg N2O ha-1, 10 Mg 처리구 (CI-10)에서 6.0 kg N2O ha-1, 20 Mg 처리구 (CI-20)가 1.6 kg N2O ha-1이 배출되어 왕겨숯을 처리하지 않은 무처리구 (CI-0)와 비교할 때 ha당 5 Mg 처리구 (CI-5)가 2.5 kg N2O ha-1, 10 Mg 처리구 (CI-10)에서 1.3 kg N2O ha-1, 20 Mg 처리구 (CI-20)가 5.78 kg N2O ha-1 감소하는 것으로 평가 되었다.
봄배추를 노지에 4월 25일 정식에서 7월 15일까지 배출 된 단위면적당 N2O 총배출량을 환산해 보면 왕겨숯을 처리
하지 않은 무처리구 (CI-0)에서는 19.4 kg N2O ha-1, ha당 5 Mg 처리구 (CI-5)가 15.6 kg N2O ha-1, 10 Mg 처리구 (CI-10)에서 13.9 kg N2O ha-1, 20 Mg 처리구 (CI-20)가 8.9 kg N2O ha-1가 배출된 것으로 산정되었다. 이는 왕겨숯 을 처리하지 않은 무처리구 (CI-0)와 비교해 N2O 저감율을 산정해 보면 5 Mg 처리구 (CI-5)가 19.9%, 10 Mg 처리구 (CI-10)에서 28.3%, 20 Mg 처리구 (CI-20)가 54.0% 저감되 는 것으로 평가되었다.
왕겨숯 처리에 따른 봄배추의 생육 및 수량은 Table 3과 같다.
바이오매스 탄화물은 산성토양 개량과 더불어 양이온 치 환능, 양분 및 수분 보유력 증가 등의 다양한 토양개량 효과 와 더불어 작물 수량을 증대 시킬 수 있다고 보고되고 있다 (Chan et al., 2008). 본 연구에서 왕겨숯 처리량에 따른 노 지 봄배추의 생육 및 수량을 조사한 결과 주당 엽수, 엽장, 엽폭 및 주중은 왕겨숯을 무처리 (CI-0), ha당 5 Mg (CI-5), 10 Mg (CI-10)에서는 왕겨숯 처리량에 따른 차이를 보이지 않았다. 그러나 왕겨숯 20 Mg 처리구 (CI-20)에서는 다른 처리구에 비하여 무게가 적었는데 통계적 유의차는 없었다.
구중을 조사한 결과 모든 처리에서 왕겨숯 처리량에 따른 통계적 차이는 없었다. 바이오매스 탄화물은 다공성 성질로
이나 비료 보유력이 증대된다 (Laird et al., 2010a; Lehmann et al., 2006a; Novak et al., 2009)고 하였는데 다른 처리 구 보다 많은 량의 왕겨숯 처리에 따른 양분 흡착력에 기인 하는 것으로 판단된다.
Conclusion
농업부문에서 온실가스 배출을 줄이고자 왕겨를 탄화한 왕겨숯을 밭 포장에 처리하였다. 왕겨는 주곡작물 중 하나 인 벼를 도정할 때 발생되는 부산물이다. 왕겨숯을 무처리, ha당 각각 5, 10, 20 Mg을 토양과 완전혼합 처리하여 봄배 추를 재배한 후 토양 중 탄소저장 특성을 분석하였다. 또한 시험기간 동안에 온실가스 배출에 영향을 주는 토양 중 온 도 및 수분 변화와 더불어 CO2와 N2O에 대한 온실가스 배출 량을 측정하였다.
왕겨숯 처리에 따른 토양 유기물 변화는 모든 처리에서 약간 증가하는 경향을 보였다. 토양 탄소함량은 왕겨숯을 투입하지 않은 무처리구에서는 작물을 재배하기 전과 유사 한 탄소함량을 보였다. 그러나 왕겨숯을 ha당 5, 10, 20 Mg 을 투입한 토양에서 탄소함량은 각각 1.3, 1.2, 2.6 g kg-1 높게 나타나 왕겨숯 투입량이 증가할수록 토양 중 탄소함량 이 높았다. 왕겨숯 처리에 따른 토양 중 총질소 함량은 시험 후 상대적으로 낮아지는 경향을 보였다. 그러나 왕겨숯이 가지고 있는 높은 비표면적과 공극에 의해 토양 중 유기태 질소의 무기화로 인하여 왕겨숯을 ha당 5, 10, 20 Mg을 투 입한 토양에서는 질산태질소 (NO3-N) 함량은 각각 28.6, 25.7, 21.5 mg kg-1으로 시험 전에 비하여 증가하는 경향을 보였다. 왕겨숯 처리에 따른 온실가스 배출특성을 보면, CO2 총배출량은 왕겨숯을 투입하지 않은 무처리구에 비해 왕겨숯을 ha당 5 Mg을 투입한 처리에서는 18.9% 증가하였 으나 왕겨숯을 ha당 10, 20 Mg을 투입한 처리에서는 각각 14.4, 11.8% 저감되는 것으로 나타났으며, N2O 배출량은 왕 겨숯을 투입하지 않은 무처리구에 비해 ha당 5, 10, 20Mg 의 왕겨숯을 투입한 처리에서는 각각 19.9, 28.3, 54.0% 저 감되는 것으로 평가되었다. 따라서 밭토양에서 왕겨숯 처리 는 토양 중 탄소저장 뿐만 아니라 온실가스 감축 효과가 있 는 것으로 나타났지만 현장에서 활용성을 높일 수 있는 적 정 투입량 설정에 관한 연구 등 지속적인 과제수행이 필요 할 것으로 판단된다.
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