서 론
재료 및 방법
바이오차 제작
작물 생장
분석 프로그램
토양의 무기태질소 및 전탄소 분석
바이오차 투입량 변화에 따른 탄소 격리 산정
결과 및 고찰
방울토마토 생육 변화
토양 무기태질소, 전탄소의 변화
탄소격리
결 론
서 론
세계적으로 지구온난화는 중요한 문제로 지적되고 있으며, 세계 각국에서 온실가스를 저감하기 위한 연구를 진행하고 있다. 주요 온실가스로는 이산화탄소, 메탄 및 아산화질소가 있으며, 이 중 메탄 및 아산화질소의 경우 지구온난화 지수는 이산화탄소의 약 25배, 298배 높다고 보고된 바가 있다(Signor et al., 2013). 농경지에서 발생하는 아산화질소는 질소비료 사용량의 15.3%, 인간의 활동으로 발생하는 양의 약 41.8%를 차지하고 있다고 보고하였다(Denman et al., 2007). 또한 탄소 중립 또는 탄소 격리를 통해 이산화탄소의 대기 배출을 저감하려는 시도가 계속되고 있다. 특히, 바이오차의 경우 탄소저감과 더불어 환경개선제 및 토양개량이 가능하다는 점, 그리고 고품위의 연료로서 이용 가능하다는 점에서 많은 연구가 진행되고 있다(Awasthi, 2022; Downie et al., 2012; Lehmann and Joseph, 2015; Sohi et al., 2010; Wang and Wang, 2019; Weber and Quicker, 2018).
바이오차란, 산소가 부족하거나 없는 상태에서 300－800°C 사이의 고온에서 바이오매스를 열처리하여 얻은 고형 생산물을 말한다(Park et al., 2019). 바이오차는 탄소 격리, 오염토양개선, 토양 개량을 통해 식물 생장 촉진 등의 토양개량제로서의 효과가 보고 되었다. 옥수수 재배지에서 아산화질소 배출에 대해 질소비료와 바이오차 시용효과를 비교하였으며 유박과 바이오차를 혼합하여 시비한 경우 수확량 대비 아산화질소 저감량이 0.51 kg/t으로 효과가 있음을 검증하였다(Lee et al., 2020). 벼 재배 시 적정 바이오차 펠릿 시용량은 60% N으로 나타났으며, 벼 생육기간이 지남에 따라 필요한 암모늄태 질소 성분을 지속적으로 공급할 수 있다고 보고되었다(Shin et al., 2020). Seo 등(2020)은 땅콩 껍질 바이오차와 KMnO4 후처리한 후 및 KMnO4, KOH 후처리를 한 바이오차에서 3가 철과 크롬을 효과적으로 제거할 수 있음을 보고하였다. 또한 일반적으로 버려지는 커피박을 바이오차로 전환 후 프러시안 블루에 담지하여 이를 세슘 흡착 제거 가능성을 확인하여 효과적인 세슘 제거가 가능함이 보고된 바가 있다(Lim et al., 2021). 또한, Lee 등(2022)의 경우, 실제 농촌에서 바이오차에 대한 인식 및 대체 시용에 대한 의사 분석을 진행하여 바이오차에 대한 정부의 가격 지원책이 실시되었을 때, 바이오차 사용 의향이 증가함을 보고하였다. Jeong 등(2013)의 경우, 굴껍질 및 바이오차를 이용하여 토양 산도가 개선되어 CO2 발생 증가 및 미생물 활성 증진의 효과가 나타났다고 보고하였다.
현재 이용되고 있는 바이오차의 경우, 목재 바이오차 또는 훈탄 왕겨라는 이름으로 왕겨 바이오차만이 이용되고 있다. 이에 본 연구에서는 미이용 되어 버려지는 농업부산물을 이용하여 바이오차를 제작하였으며 이를 혼합하여 방울토마토를 재배하였을 때 바이오차의 효과를 알아보고자 하였다. 더불어 바이오차를 통한 탄소격리량을 계산하고 이를 탄소배출권을 통한 경제적 이익을 확인하고자 하였다.
재료 및 방법
바이오차 제작
본 연구는 왕겨, 고춧대, 들깻대 및 시판중인 바이오차(잘자람 바이오차, 창빛농업회사법인, 대한민국)를 이용하였다. 왕겨는 전라남도 장성군의 삼정농업에서 구입하여 이용하였으며, 고춧대와 들깻대는 충청북도 괴산군의 농가에서 수거하여 펠릿으로 성형하였다. 목재펠릿의 경우 여주 산림중앙회의 한나모펠릿을 이용하였다. 왕겨의 경우 농가에서 그대로 바이오차로 제작하여 이용하여 펠릿화를 진행하지 않았다. 왕겨, 고춧대, 들깻대의 경우 400°C에서 한 시간동안 공정하여 바이오차로 전환하였다. 바이오차의 화학적 특성은 다음 Table 1에 나타내었다.
Table 1.
Chemical properties of each biochar
작물 생장
방울토마토 품종은 슈퍼산체리로, 강원도 춘천시의 더팜코리아에서 모종으로 구매하여 정식하였고, 강원대학교에 위치한 99 m2의 유리온실에서 재배하였다. 시험 토양은 원예용 상토를 이용였으며 바이오차는 토양 중량 대비 0.5%, 1% (w/w, 바이오차/토양)으로 처리하여 수준별로 포트에 일정 중량의 토양에 바이오차를 혼합한 후 충진하였다(Fig. 1). 원예용 상토의 화학적 특성은 다음 Table 2에 나타내었다. 음성대조구로 미처리구와 양성대조구로 시판중인 바이오차를 이용하였고 시험구 완전임의 배치 3반복을 이용하여 배치하였다. 방울토마토의 과실 개수는 묘종 이식 후 6일차부터 2일 간격으로 측정하였으며 32일간 측정하였다
Table 2.
Chemical properties of culture soil
|
pH (1:5) |
EC (dS/m) |
Organic matter (g/kg) |
Available phosphate (mg/kg) |
T-N (%) |
T-C (%) | |
| Commercial biochar | 4.72 | 1.55 | 354.7 | 1282.02 | 0.42 | 18.06 |
분석 프로그램
바이오차 대조구 및 무처리군 간의 통계적 유의성을 확인하기 t-test를 진행하였으며, SAS (SAS 9.4, IBM, USA)를 이용하였다.
토양의 무기태질소 및 전탄소 분석
농림축산식품부의 비료관리법(Agriculture, Food and Rural Affairs, 2020)에 의거하여 강원대학교 친환경농산물안전센터에서 시료를 분석하여 토양의 화학성분 변화를 확인하였다. 토양시료는 일주일 간격으로 5주간 채취하였다. NH4+-N과 NO3-N은 채취해 온 습식 토양 5 g과 2 M KCl 25 mL를 1:5 비율로 30분간 왕복식 항온 진탕기에서 진탕하고 NO.2 여과지를 사용하여 여과액을 걸러낸 후 Kjeldahl법을 이용하여 측정하였다(Bremner, 1960). 전탄소(TC)의 경우 5주차 시료만 분석하였으며, 원소분석기(Vario Macro cube, elementar, Germany)를 이용하여 측정하였다. 모든 측정은 3반복 진행되었으며, 평균값을 나타내었다.
바이오차 투입량 변화에 따른 탄소 격리 산정
바이오차 투입량 변화에 따른 탄소 격리와 탄소 저감 효과를 산정하기 위해 다음 식 (1)을 이용하였다(Shin et al., 2016).
SSTC는 토양의 탄소량, T는 바이오차 처리구의 탄소함량, NT는 미처리구의 탄소함량을 나타냈다. SW는 면적당 토양중량(g/cm2)을 의미한다. 이산화탄소의 저감 효과(CO2eqv)를 알아보기 위해 다음 식 (2)를 이용하였다.
CFSC는 토양탄소(1 kg C = 3.664 kg CO2equ)로부터의 CO2 저감 변환 계수이다. 수익성 분석의 경우 이산화탄소 저감효과를 바탕으로 다음의 식 (3)을 이용하여 산출하였다(Shin et al., 2017).
P는 이산화탄소 거래를 통한 가격이며, AM은 CO2 저감의 양(MT/ha), MP는 이산화탄소 거래권의 시장가격(\/MTCO2)이다. MP의 경우, KAU22의 \27,700/MT 및 KAU23 \18,000/MT을 기준으로 계산하였다.
결과 및 고찰
방울토마토 생육 변화
방울토마토의 개수 변화는 Fig. 2로 나타내었다. 시간에 지남에 따라 모든 방울토마토의 개수가 증가하는 것이 나타났다. 14일차의 경우, 들깨 0.5%, 왕겨 1.0% 처리구를 제외한 모든 처리구에서 무처리구 대비 0.11－1.44개의 생산량이 낮게 나타났다. 30일차에는 모든 처리구에서 무처리구에 비하여 평균적으로 0.67－4.17개 생산량이 더 높은 것으로 나타났다. 32일차에서의 바이오차 처리에 따른 방울토마토 개수의 통계적 차이는 왕겨 0.5% 처리구와 들깨 1.0% 처리구에서 통계적 유의성이 나타났으나, 그 외의 처리구에는 통계적 유의성은 나타나지 않았다(Fig. 3). 식물의 길이의 경우, 바이오차의 시비 농도에 관계 없이 고춧대 바이오차의 경우 통계적 유의성이 나타나지 않았으나 그 외의 바이오차 처리구의 경우 무처리구와 비교시 통계적 유의성이 나타났다(Fig. 4). 선행연구(Hossain et al., 2010)의 경우 일반 토양과 바이오차가 혼합한 경우, 일반적인 토양에 비하여 수확량 및 생장 길이의 유의미한 차이가 있다고 보고하였다. 그러나 일반적인 비료가 투입된 일반 토양에서 성장한 토마토와 일반토양에 바이오차만 혼합된 경우, 비료를 투입한 경우 바이오차 시비 대비 높은 수확량이 보고되었다. 또한, 상업용 상토 및 계분 혹은 지렁이분 퇴비를 바이오차와 일정 비율 혼합하여 바질 및 토마토를 재배한 경우, 혼합비율에 따라 기존의 상업용 상토만 이용한 경우와 유의미한 차이가 발생한다는 것이 보고되었다(Huang et al., 2019; Huang et al., 2020). 본 연구의 결과는 일반적인 비료와 달리 바이오차의 낮은 분해성으로 천천히 바이오차 내 영양분이 방출하여 특정 바이오차 시비 조건에서 유의미한 차이가 발생하였다고 판단하였다.
토양 무기태질소, 전탄소의 변화
5주간 토양 내의 질산태 질소와 암모니아태 질소를 확인하였으며 Fig. 5로 정리하였다. 질산태 질소의 함량의 경우 시판 바이오차 1% 처리구 2주차에서 320 mg/kg으로 가장 높게 나타났다. 들깻대펠릿 바이오차를 제외한 모든 처리구와 무처리구에서 2주차를 정점으로 감소하는 경향이 나타났다. 들깻대펠릿 바이오차의 경우, 1주차를 정점으로 감소하는 경향이 나타났다. 암모니아태 질소의 경우, 질산태 질소와 유사한 경향이 나타났다. 암모니아태 질소의 경우 시판 바이오차 0.5% 처리구 2주차에서 385.8 mg/kg으로 가장 높게 나타났다. 농도에 상관없이 무처리구, 시판 바이오차 처리구 및 고춧대 펠릿 바이오차 처리구의 경우 2주차에서 정점으로 이후 감소하였으나, 왕겨 및 들깻대 펠릿 바이오차의 경우 1주차에서 정점을 나타내고 이후 감소하는 경향이 나타났다. 시판 바이오차의 경우 먼지 비산으로 인한 화재, 오염등을 방지하기 위하여 일정량의 수분(20%) 이상을 권장하고 있다(Camps-Arbestain et al., 2015). Table 1에 나타난 함수율과 같이 타 바이오차의 경우 2%이하의 낮은 함수율을 가지고 있으나, 시판 바이오차의 경우 55%의 높은 함수율을 지니고 있어 전 질소의 경우 낮게 측정된 것으로 판단된다. Park 등(2019)의 경우, NO3-N은 9일차에 0.05% 처리구에서 102.0 mg/kg으로 가장 높게 나타났으며 9일차 이후부터 감소하는 경향이 나타났다고 보고하였다. 또한, NH4-N의 경우 3일째에서 가장 높았으며 14일째부터 바이오차 처리구에서 대조구보다 낮은 NH4-N함량이 나타났다고 보고하였다. 본 연구와 비교 시, NO3-N은 선행연구와 비슷한 경향이 나타났다고 판단되나, NH4-N의 경우에는 바이오차 함량에 상관없이 왕겨바이오차와 들깻대 바이오차 처리구는 선행연구와 비슷한 경향성이 나타났으나 대조구, 시판바이오차 및 고춧대 바이오차 처리구의 경우 선행연구보다 지연되어 결과가 나타났다. Velli 등(2021)의 결과에서도 작물 재배 전 NO3-N와 NH4-N이 각각 466.56 ± 27.44, 76.33 ± 1.29 mg/kg에서 재배 후 12.52 ± 1.43, 5.89 ± 1.59 mg/kg으로 감소한 것으로 나타났다.
탄소격리
전탄소의 경우 Fig. 6으로 정리하였다. 전탄소의 경우 무처리구의 경우 13.26%로 나타났다. 바이오차 처리구의 경우 15.27%－26.44%까지 다양하게 나타났다. 특히, 들깻대 바이오차의 1% 처리구의 경우 26.44%로 다른 바이오차 처리구 중에서 가장 높게 나타났다. 전탄소를 바탕으로 탄소격리량을 계산하였다(Table 3). 무처리구의 경우 397,800 kg/ha의 탄소가 있는 것으로 추산되었으며 이를 기준으로 바이오차의 탄소 격리 효과는 60.300－395,400 kg/ha로 계산되었다. 이를 이산화탄소 환산량으로 계산하면 220.94－1448.76 MT/ha로 나타났다. KAU22의 \27,700/MT 및 KAU23 \18,000/MT을 기준으로 계산하면 최소 \3,976,906/ha－\40,130,253/ha의 경제적 이익을 얻을 수 있다고 나타났다.
Table 3.
Carbon sequestration amount and carbon credit price according to biochar fertilization
결 론
바이오차 처리에 따른 방울토마토 개수의 경우, 무처리구에 비하여 바이오차 처리구가 높게 나타났으나, 들깻대펠릿 바이오차를 제외한 나머지 바이오차 처리구에서 통계적 유의성은 없는 것으로 나타났다. 그러나 길이의 경우 고춧대펠릿 바이오차를 제외한 모든 바이오차 처리구에서 무처리구에 비하여 유의미한 생장이 확인되었다. 이는 영양분이 많은 원예용 상토의 사용 및 바이오차에서 방출된 영양분의 이유로 판단되나, 바이오차의 낮은 분해율로 통계적 유의성에 영향을 끼칠 만큼의 차이는 나타나지 않은 것으로 판단된다. 바이오차의 시비량의 따른 질산태 및 암모늄태 질소의 경우 무처리구에 비하여 초반 1－2주간은 바이오차 처리구가 대체로 높게 나타났으나, 이후 점차 무처리구와 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. T-C를 측정을 바탕으로 한 바이오차 시비에 따른 탄소격리 효과가 있는 것으로 나타났으며 탄소배출권 가격으로 계산한다면 최대 \40,130,253/ha로 나타났다. 본 연구에서 높은 탄소함유량이 나타났는데 이는 일반 농지에 비하여 높은 유기물을 함유한 원예용 상토에 크게 영향을 받았을 것으로 판단된다. 추후 연구에서는 원예용 상토가 아닌 일반 농지에서 바이오차를 이용하여 작물 생장을 파악하는 것이 필요하다.
위의 결과들을 통해 바이오차의 시비를 통해 농업생산력의 감소시키지 않으며 탄소격리를 통한 친환경 농업을 가능하게 할 것으로 판단되며, 향후 연구에서는 단기간의 결과가 아닌 전과정평가(LCA, Life Cycle Assessment)등의 분석을 적용하여 바이오차 시비를 통한 탄소격리의 경제성 분석 및 장기 재배를 통한 바이오차의 시용 효과에 대한 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
