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서 론
논토양에서 메탄발생은 농업부문 전체 온실가스 배출 량의 약 5~30%를 차지하고 있다(Houghton et al. 1990).
토양에서의 메탄 발생은 절대 혐기조건에서 유기물이 메탄 생성균에 의해 분해되면서 일어나므로 논토양에서 의 물관리 및 유기물 관리조건은 메탄발생에 있어서 주 요한 인자로 작용한다(Le Mer and Roger 2001). 우리나라 는 2020년까지 BAU(Business As Usual) 대비 30%의 온 실가스 감축을 공표하였고 이에 따라 농업부문도 7.4% 만큼의 배출량 저감을 이행해야 하므로(RDA 2010) 논 토양에서의 메탄발생 저감기술의 개발은 국가적으로도 중요한 과제라 할 수 있다.
논토양에는 볏짚을 환원하거나 녹비작물을 재배함으 로써 반복적 경작에 따른 토양의 질 저하를 방지하는 관리방법이 널리 적용된다 (Shin et al. 2003; Yang et al. 2010). 그러나 이러한 유기물의 투입은 재배기간중에 메 탄발생의 증가를 가져오게 되므로 온실가스 저감 측면 에서 순배출의 증가를 가져올 수 있다. 온실가스 배출을 저감하면서 동시에 토양 질의 개선을 가져올 수 있는 관리 방법으로 바이오차르라는 물질의 논토양 투입이 제안되고 있다 (Liu et al. 2011; Yu et al. 2013). 바이오차 르란 유기물을 산소를 차단한 상태에서 열분해한 부산 물을 말하는데, 바이오차르에 포함된 탄소는 화학적으로 매우 안정하여 미생물이 잘 분해하지 못하므로 탄소 저 장효과를 갖고 있고, 바이오차르의 다공성 성질로 인해 오염물질이 흡착되어 정화효과를 보이기도 하며, 수분이 나 비료 보유력이 증대되어 궁극적으로 작물의 생산성 이 높아진다고 보고된다 (Lehmann et al. 2006; Novak et al. 2009; Laird et al. 2010). 바이오차르의 이러한 긍정적 효과와 더불어 추가적으로 바이오차르의 토양투입이 논 토양에서 메탄발생을 저감하게 된다면 기후변화 완화와 생산성 증가를 동시에 기대할 수 있는 지속가능한 농업 관리 전략으로 자리잡을 수 있을 것이다.
바이오차르 투입에 따른 메탄발생의 변화는 Rondon et al. (2005) 및 Karhu et al. (2011) 등에 의해 보 고되었는데, 이는 바이오차르를 토양에 투입함에 따라 토양의 수 분보유력이 증대되고 이로인해 동일한 수분함량에서도 호기성 공극이 많이 확보되어 호기성 메탄산화균의 활 동이 증대된 것으로 설명하였다. 한편, 논토양에서 비료 시용에 따른 메탄발생량의 변화는 비료의 종류 및 시비 량, 토양 유기물 함량 등에 따라 상이하게 보고되고 있 다. Banger et al. (2012)은 155개의 논토양에서 질소비료 시비에 따른 메탄발생량의 변화를 정리한 메탄연구에서 1 kg 질소 투입당 약 0.27 kgCH4 ha-1 season-1만큼 증가 한다고 밝혔다. 질소비료 투입에 따른 토양 메탄발생량 증가 메카니즘으로는 두 가지를 제안하였는데, 하나는 메 탄산화균이 분비하는 효소인 methane mono-oxygenase는 기질 특이성이 낮아 NH3 및 NH4+을 산화하는 ammonium mono-oxygenase처럼 작용할 수 있으므로 (Hanson and Hanson 1996) 메탄의 산화가 저해되어 메탄발생이 증가하는 것이고, 다른 하나는 질소비료 시용에 따라 작 물의 생산량이 증가하여 토양으로 유입되는 탄소기질의 양이 증가하므로 메탄생성균의 활성도가 촉진되는 것이 다. Ko et al. (2002)의 연구에 따르면 요소, 유안, 완효성시 비의 세 가지 질소비료에 따른 메탄 배출량을 관찰했을 때 요소 시비구 대비 유안 시비구에서 메탄 배출량이 31.6%, 완효성시비 시비구에서 1.1% 감소하였다고 보고 되었다. 또한 국립식량과학원에서 1998년에서 1999년 질소비료 종류별 메탄 배출량을 비교하기 위하여 요소, 황산암모늄, 완효성 비료를 각각 시용한 결과 요소 (329 kg ha-1 year-1)>황산암모늄(303 kg ha-1 year-1) >완효성 비료(264 kg ha-1 year-1) 순으로 메탄 배출량이 변화하였 다고 보고하였다.
본 연구에서는 논토양에 바이오차르 및 질소를 포한 함 완효성화학비료를 시용함으로써 변화하는 메탄 발생 량을 조사하였다. 메탄 발생량과 작물생산량의 변화를 함께 연구함으로써 실용적인 바이오차르 및 화학비료 관리방안을 제안할 수 있도록 하였다.
재료 및 방법
1.시험장소 및 시험방법
본 연구는 경기도 화성시 기산동에 위치한 경기도농 업기술원의 벼 재배시험 포장에서 수행하였다. 시험 전 토양 중의 유기물(organic matter: OM) 함량은 Table 1에 서와 같이 22 g kg-1으로 벼 재배에 적당한 OM 함량인 25~30 g kg-1 (NIAST, 2010)에 비해 다소 낮았으며, 배 수가 약간 불량인 미사질양토였다(Table 1).
시험구의 면적은 5.9 m×31 m=182.9 m2로 단구제로 배치하였으며, 구 당 메탄 포집용 챔버는 3반복으로 설 치하였다. 시험에 사용한 벼 품종은 추청벼로써 4월 25 일 종자를 파종하여 5월 25일에 30 cm×14 cm의 이앙 거리로 기계이앙 하였다. 물관리는 수확 2주전까지 상시 담수를 유지하였다.
시험처리별 시용량은 ha 기준으로 1번 처리는 화학비 료(대조구)로써 벼 재배 표준시비량의 3요소인 N-P2O5- K2O=90-45-57 kg에 해당량을 공통으로 시용하였으며, 2 번 처리는 볏짚 5Mg과 화학비료 (1번처리 동일)를, 3번 처리는 볏짚 5Mg에 완효성비료 (“LONGSTAR Pajongsang”) N 45 kg 해당량을 처리하였다. 4번 처리는 바이오 차르 2Mg에 화학비료(1번 처리 동일), 5번 처리는 바이 오차르 2Mg에 완효성비료 N 45 kg 해당량을 처리하였 다(Table 2). 화학비료 처리의 경우 N는 요소, P2O5은 용 과린, K2O는 염화가리로 각각 시용하였으며, N는 기비 50%, 분얼비 20%, 수비 30% 분시하였고, 인산은 전량 기비, 칼리는 기비 70%, 수비 30% 각각 분시하였다. 완 효성비료의 성분량은 N-P2O5-K2O=30-6-6%이었으며 파 종시 모판에 사용하여 1회 시용하였다.
시험에 처리한 유기물인 생볏짚 (rice straw)은 시험년 도 전년도에 수확된 생볏짚을 가을(11월)에 콤바인으로 절단하여 토양에 시용 후 경운하였다. 시험에 사용한 바 이오차르는 강진군 농협에서 판매하는 제품으로, 왕겨를 소규모 반응기(DCH-400, 1.4m×5.2m×5 m, L×W×H) 내에서 500~600°C의 온도조건으로 열분해한 부산물이 다. 열분해 반응기는 한국 대원 GSI에서 제작하였다. 대 상지의 기상자료는 경기도 오산시 외삼미동 관측소 자 료이며 자료는 http://203.247.66.10/weather/observation/ aws_table_popup.jsp의 주소에서 받았다.
2.메탄채취 및 분석방법
메탄 채취용 챔버는 폴리카보네이트 (polycarbonate)를 이용하여 제작되었으며 가로, 세로, 높이는 각각 60 cm, 60 cm, 120 cm이었으며 (Fig. 1) 처리당 3반복의 챔버내에 는 묘수는 3본씩 8주 식재되도록 조절하였다. 메탄시료 는 주 2회, 매회 오전 10시 30분부터 11시까지 20 mL 바 이알로 자동 채취되도록 하였다(Kim et al. 2010). 가스채 취방법은 챔버의 윗 뚜껑을 닫자마자 1차로 채취하고 다시 30분경과 후 2차로 채취되도록 하였다. 바이알은 채취할 때 박스 내부에 펌프와 이중 니들이 있으며 샘 플 채취시 니들이 자동으로 상하왕복 구동장치에 의해 서 아래로 내려와서 바이알의 내부로 삽입되고 펌프가 30초간 작동하여 챔버 내부에 있는 샘플을 바이알 속으 로 유입되게 되며 30초 이후엔 이중니들 한쪽만 빠지게 하여 5초간 대기하면서 바이알속 기압을 대기압과 평형 되도록 맞춘 후 니들을 상부의 원래 취치로 복귀하며 샘플채취가 끝나게 된다. 또한 시료 채취시 마다 온도와 논물로부터 챔버 상단까지의 유효높이를 조사하였다. 채 취된 바이얼 내 메탄분석은 3개 포트 가스 채취 밸브(3 Port gas sampling valve)가 장착된 GC-FID (7890GC, Agilent) 로 분석하였으며, column은 Capillary HP-PLOT/Q 30m×0.530 mm 이었고 운반기체(carrier gas)는 N2로 유 속을 분당 10mL로 조절하였다(Table 3).
3.메탄 배출량 계산
메탄 배출량(flux, F)은 아래 식(1)에 의하여 계산하였 다.
F: 단위시간 당 단위면적에서 배출되는 CH4의 양(mg CH4 m-2 hr-1)
ρ: CH4의 밀도를 고려한 변환계수(mg m-3)
A: 가스포집장치의 바닥면적(m2)
V: 가스포집장치내 공기의 체적(m3)
h: 가스포집장치내 유효높이(논물로부터의 높이, m)
Δc/Δt: 가스포집장치내 CH4 농도의 평균증가속도(ppmv hr-1)
T: 가스포집장치내 평균기온 (K), pCH4=0.714 (T=273 K)
4.토양과 투입물질 분석 및 기타 조사방법
토양분석은 토양 및 식물체 분석법 (NIAST 2000)에 준하였다. 기상자료는 경기도농업기술원내 예찰답에 있 는 자동기상관측기(AWS)의 기상자료를 이용하였다. 토 양 산화환원전위(Eh)는 백금전극을 토심 15 cm 깊이에 묻고 Eh 미터(Ecoscan, Eutech)를 이용하여 측정하였다. 벼의 생육 및 수량조사는 농업과학기술 연구조사분석기 준 (RDA 2012)에 준하여 조사하였다. 통계분석은 SAS 9.2 통계패키지를 이용하여 유의수준은 5%의 확률로 하 여 Duncan의 다중비교법 (Duncan’s multiple range test, DMRT)으로 검정하였다.
결과 및 토의
1.시험재료의 이화학적 특성 및 시험기간의 기후
시험재료로 사용된 바이오차르와 바이오차르의 원료 인 왕겨의 물리적 특성중 하나인 입경분포를 조사한 결 과 바이오차르는 1~2 mm 19%, 1~0.5 mm 33%, 0.5~ 0.25 mm 28% 등 입경분포가 골고루 퍼져 있었으며, 바 이오차르의 원료인 왕겨는 입경분포 비율이 >2 mm 이 상이 85% 로 대부분이었다. 고른 입경분포 비율로 인하 여 바이오차르의 용적밀도가 왕겨에 비하여 높았다 (Table 4). 시험에 투입물질로 사용된 바이오차르와 볏짚 의 화학성을 분석한 결과는 Table 5와 같다. 바이오차르 의 총 질소 함량은 0.57%, 총 탄소 함량은 47.02%로 원 료인 왕겨에 비해 높았다. 반면 볏짚 처리구에 들어갈 볏짚의 총 탄소와 질소의 함량은 왕겨 바이오차르와 비 슷한 수준이었다.
전년 (2013년)도 11월 추경을 실시하고 평년과 2013, 2014년 동계기간의 평균온도의 변화(Fig. 1)는 2013년도 에는 -2.5°C로 저온으로 경과된 반면 2014년도는 2.4 °C로써 전년도에 비하여 4.9°C가 더 높음으로써 상대적 으로 높은 기온으로 동계기간을 경과하였는데, 이로써 년도별 동계기간의 평균 온도가 양해 년도에 크게 차이 남을 알 수 있었으며, 온도의 차이는 토양속에 매몰되어 있는 볏짚의 분해정도에 영향을 줄수 있음을 예측할 수 있었다. 반면 벼 재배기간 동안의 평균온도는 2013년은 24.1°C, 2014년은 23.3°C로 큰 차이가 없었다(Fig. 2). 벼 재배기간동안의 총 강우량은 2013년에는 797.1 mm에 비하여 2014년에는 599.0 mm로 적었으며, 2013년, 2014 년 모두 평년의 1,140.2mm에 비해서는 특히 낮은 강우 량을 보였다(Fig. 3)
2.메탄 일일 배출량
주요 생육기간중 시험처리별 시간당 메탄 배출량의 변화 (Fig. 4)는 NPK 처리와 RS+NPK 처리에서 전생육 기간 높고, BC+NPK, BC+SRF 처리에서는 낮게 경과하 여 바이오차르의 시용이 메탄발생을 감소시키는 경향을 확인할 수 있었다. 또한 RS+NPK와 RS+SRF를 비교해 보면 NPK 처리보다 완효성비료를 처리한 RS+SRF에서 메탄발생량이 감소함을 알수 있었다. 시험처리별 일일 메탄 배출량을 비교한 결과는 Fig. 5와 같이 NPK 처리 만 했을 경우 일일 메탄 배출량(kg ha-1 day-1)은 1.37이 었던 반면, RS+NPK 처리구에는 1.58로 15%가 더 많이 발생되었다. Ko et al. (2011)은 논토양 메탄발생량이 토 양 유기물 함량의 순서와 일치하였으며, 논 토양 온실가 스 배출량과 토양 유기물 함량 사이에는 고도로 유의한 양의 상관 관계가 있다고 하였는데 본 시험에서도 유기 물 함량이 높은 볏짚 처리구에서 메탄 발생량이 높게 나타난 것을 알 수 있다. Yagi et al. (1990)은 유기물원으 로 볏짚 시용시 NPK구에 비하여 1.8~3.5배의 메탄이 더 배출 되었다고 하였으며, Ju et al. (2013)은 벼 재배 논에서 ha당 볏짚 0, 3, 5, 7Mg을 시용하여 일일 메탄배 출량 (kg ha-1 day-1)을 측정한 결과 무처리에서 1.99 kg 이었고 볏짚 5Mg에서는 2.81 kg으로 많이 증가하였으 나, 본시험에서는 Fig. 5에서와 같이 볏짚 5 Mg 처리시 무처리 대비 증가폭이 상대적으로 적었다. 이는 11월에 볏짚을 시용하고 경운한 후 경과하는 동계기간의 평균 온도가 2013년~2014년이 높았음으로 시용한 볏짚이 많이 분해되었기 때문으로 사료된다. 본 연구에서 바이 오차르 투입에 따른 메탄발생의 저감은 바이오차르의 다공성 성질로 인해 논토양 내의 통기성이 확보되어 혐 기성 메탄발생 미생물의 활성이 저하되었기 때문으로 추측된다. 이와 같은 관찰은 Yoo and Kang (2012)에서도 유사하게 보고되었다.
RS+NPK와 RS+SRF를 비교해 보면 RS+NPK 처리 보다 완효성비료를 처리한 RS+SRF에서 메탄발생량이 감소함을 알수 있었는데, 이는 Jung et al. (2013)의 연구 결과와 일치하였다. 이들은 완효성 비료를 처리한 경우 메탄의 발생이 약 50%가 절감된다고 보고하였다. 한편, BC+NPK, BC+SRF 처리에서는 일일 메탄발생량이 특 히 적었는데, BC+NPK 처리시 0.85 kg, BC+SRF 처리시 0.75 kg로써 NPK와 비교하면 각각 62%, 55%로 메탄발 생량이 크게 줄었다. 토양 Eh의 변화는 메탄발생과의 일 정한 경향이 보이지 않았지만 (Fig. 5), 이는 본 실험의 조건이 메탄의 발생이 충분히 일어날 수 있는 조건인 Eh -250~-300 mV 이하로 유지되었기 때문인 것으로 사료된다.
3.생육 및 수량
초장은 이앙후 30, 60, 140일후, 분얼수는 30, 45, 60, 75 일에 조사한 결과(Table 6) 초장은 BC+NPK 처리구에서 가장 크고, 분얼수 또한 많았으며 생육기간이 길어질수록 바이오차르가 포함된 BC+NPK, BC+SRF 두 처리에서 다른 처리구에 비하여 초장과 분얼수가 많아지는 경향 이 관찰되었다. 건물중 (Mg ha-1)의 변화에서도 이앙후 60일, 14일로 갈수록 초장과 분얼수가 많았던 BC+NPK, BC+SRF 처리에서 무거워서 이앙후 140일에는 각각 13.07, 13.06 Mg으로 대조구 NPK 처리의 12.22 Mg보다 많아지는 경향을 나타내었다.
수확기 벼의 수량구성요소와 벼의 수량은 Table 7과 같다. BC+NPK, BC+SRF 처리시 바이오차르를 제외하 면 NPK와 SRF는 쌀수량에는 동일한 효과를 제공한 것 으로 판단되었다. Won et al. (2014)은 10 a당 NPK 표준시 비량과 동일한 SRF는 육묘상자당 500 g이라고 하였는데 본 시험에서도 육묘상자당 500 g이 사용되었으므로 수량 은 비슷하게 확인되었다. 수량에 비슷한 효과를 나타내 는 NPK와 SRF에 바이오차르가 더해진 BC+NPK, BC+ SRF 처리시 다른 처리에 비하여 수수가 각각 18.3, 18.2 개로 다른 처리구의 17.4~17.8개에 비하여 많아서 ha 당 쌀수량은 각각 5.44, 5.45 Mg로 대조구인 NPK 처리 보다 쌀수량은 두처리에서 모두 7%가 증수되었다.
