Food & Chemistry

Korean Journal of Agricultural Science. 1 December 2024. 643-654
https://doi.org/10.7744/kjoas.510418

ABSTRACT


MAIN

  • Introduction

  • Materials and Methods

  •   공시 재료

  •   시설상추 재배실험

  •   공시 재료의 특성분석

  •   통계분석

  • Results and Discussion

  •   계분 내 왕겨의 포함비율 별 바이오차의 특성 평가

  •   계분 내 왕겨의 포함비율 별 바이오차 처리에 따른 토양 화학성 변화

  •   계분 내 왕겨의 포함비율 별 바이오차 처리에 따른 시설상추의 생육 특성 변화

  • Conclusion

Introduction

일반적으로, 모래 함량이 높은 토양에서는 입단이 형성되지 못해 무구조 혹은 판상형 구조가 형성되며, 이는 토양의 수분 보유력을 감소시키는 원인으로 작용한다(Oh et al., 2022). 이러한 토양은 낮은 양분 및 유기물 함량, 낮은 미생물의 활성, 높은 침수해 및 염해 발생 등의 특징으로 인해 토지 생산성이 일반 농경지의 10분의 1 수준으로 알려져 있다(Oh et al., 2020; Kang et al., 2024b). 국내에서는 농업을 목적으로 조성된 새만금 간척농지가 이에 속하며, 새만금 간척농지는 2023년 기준 전체 국가관리 간척농지(총 32,000 ha)의 약 29.5%를 차지한다. 새만금 간척농지는 증가하는 인구 수에 따른 국내 곡물자급률을 높이기 위해 밭 작물을 재배하도록 요구받고 있으나, 낮은 양분, 유기물, 그리고 수분 보유력으로 인해 밭 작물의 생산성 확보가 어려운 실정이다(Wijeysingha et al., 2023). 따라서, 국내 곡물자급률 향상을 위해서는 대규모 영농이 가능한 새만금 간척농지의 낮은 양분 및 유기물 함량과 수분 보유력을 개선하기 위한 연구가 필요하다.

가축 사육 시 발생하는 가축분뇨는 질소(N), 인산(P2O5), 그리고 탄소(C)가 풍부하게 존재하여 농업부문에서는 주로 퇴·액비로 활용되고 있다(Lee et al., 2024b). 특히, 계분은 다른 가축분뇨보다 높은 양분함량을 보유하고 있어 양분 공급 능력이 우수하다고 알려져 있다(Lee et al., 2024a). 하지만, 농지 면적 감소와 악취 및 온실가스의 발생 등으로 인해 친환경 재활용 기술을 이용한 가축분뇨 관리가 필요하다(Kang et al., 2022; Jeon et al., 2024). 바이오차(biochar)는 유기성 자원을 친환경적으로 재활용할 수 있는 기술 중 하나로, 퇴·액비와 달리 구조적 안정성이 뛰어나 토양 내에서 탄소를 반 영구적으로 격리시킬 수 있다(Chun et al., 2022a; Kang et al., 2023a, 2023b, 2023c; Lee et al., 2024a). 토양에 처리된 바이오차는 높은 표면적과 미세공극을 이용하여 양분을 고정할 수 있으며, 토양 내 양이온 교환 용량(cation exchange capacity, CEC)과 수분 보유력을 개선하여 농업생산성을 향상시킬 수 있다(Kang et al., 2023d; Lee et al., 2023). 토양 내 바이오차 처리에 따른 토양 질 개선 효과는 많은 선행연구에서 보고된 바 있으나, 바이오차의 제조 원료, 열분해 조건, 방법 등에 따라 효과가 모두 다르게 조사되었다(Chun et al., 2022b; Park et al., 2022). 또한, 가축분 바이오차 제조 과정 중 깔짚으로 사용되는 식물성 원료(예, 왕겨, 톱밥, 볏짚 등)의 혼입이 가능하도록 비료공정규격이 고시됨에 따라 가축분 바이오차 내에 식물성 원료의 혼합비율에 따른 바이오차의 토양 질 개선 효과를 평가하는 것이 필요하다.

따라서, 본 연구에서는 계분의 포함비율이 증가함에 따라 토양 내 양분 비옥도가 증가하여 작물 생육이 향상될 것이라고 가설을 설정하였으며, 이를 위해 계분을 이용하여 바이오차 제조 시, 왕겨의 혼합비율을 달리 설정하였다. 또한, 실험적 가설을 확인하기 위해 왕겨의 혼합비율이 다른 계분 바이오차의 화학적 특성 변화를 확인하였으며, 이를 기반으로 새만금 간척농지 토양에 처리함에 따라 토양의 양분 및 유기물 개선 효과를 평가하였다.

Materials and Methods

공시 재료

왕겨의 혼합비율을 달리하여 제조한 계분 바이오차 처리가 간척지 토양 특성에 미치는 영향을 확인하기 위해 새만금 간척지 내 농생명용지에서 토양을 채취하여 시설상추 재배시험에 사용하였다(Fig. 1). 해당 시험 포장의 토성(soil texture)은 사양토(sandy loam)로 분류되었으나, 모래(sand) 함량이 높아 양분 보유력이 낮은 것이 특징이다. 토양은 작토층(5 - 20 cm)을 대상으로 채취하였으며, 유기물과 이물질(예, 조개 껍데기, 폐플라스틱 등)을 모두 제거하여 외부 요인에 의한 교란을 최소화하였다. 채취한 토양은 충남대학교 농업생명과학대학 부속 유리온실 내에서 3주간 건조하여 수분을 모두 제거하였으며, 2 mm 이하로 체거름하여 시설상추 재배시험에 이용하였다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kjoas/2024-051-04/N0030510418/images/kjoas_2024_514_643_F1.jpg
Fig. 1.

Overview of the soil samping points in Seamangeum reclaimed soils of South Korea. Locations of the sampling points are shown as yellow dots.

바이오차는 계분을 주 원료로 사용하여 제조하였으며, 계분은 충청남도 부여시 소재의 퇴비 제조시설에서 원물 형태로 수거하여 사용하였다. 또한, 본 연구에서는 계분 바이오차 내 왕겨의 혼합비율(0 - 100%)을 임의로 조정하기 위해 충청남도 계룡시 소재의 정미소에서 수거한 왕겨를 사용하였다. 각각의 원료들은 비닐하우스에서 2주간 충분히 수분을 제거한 후, 바이오차의 제조 원료로 이용하였다. 바이오차는 계분 내 왕겨가 혼합된 비율을 달리하여 stainless steel barrel (Ø 280 × 120 mm)과 electrical furnace (Lindberg/Blue MTM 1,100℃ Lab Box Furnace, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)로 제조하였으며, 열분해 온도와 시간은 각각 350℃와 1.0시간으로 모두 동일하게 설정하였다. 계분 내 왕겨의 포함 비율에 따라 바이오차를 분류 및 명명한 결과는 Table 1에 나타내었다.

Table 1.

Summary of brief description and abbreviation of poultry manure-based biochar containing the varying rate of rice husk.

Abbreviation Mixing ratio of (w·w-1) Full name
Chicken manure Rice husk
PM10RH0 100.0 0.0 Poultry manure (100%)-based biochar containing 0% of rice husk
PM9RH1 90.0 10.0 Poultry manure (90%)-based biochar containing 10% of rice husk
PM7RH3 70.0 30.0 Poultry manure (70%)-based biochar containing 30% of rice husk
PM5RH5 50.0 50.0 Poultry manure (50%)-based biochar containing 50% of rice husk
PM3RH7 30.0 70.0 Poultry manure (30%)-based biochar containing 70% of rice husk
PM1RH9 10.0 90.0 Poultry manure (10%)-based biochar containing 90% of rice husk
PM0RH10 0.0 100.0 Poultry manure (0%)-based biochar containing 100% of rice husk

PMXXRHYY, poultry manure (XX%)-based biochar containing YY% of rice husk.

시설상추 재배실험

시설상추(Lactuca sativa L. ssp. Jeogchima) 재배실험은 충남대학교 농업생명과학대학 내 부속 유리온실에서 2024년 08월 03일부터 09월 07일까지 총 35일간 실시하였으며, 작물은 1·5,000 a-1 크기의 Wagner pot (Kenis, Japan)를 이용하였다. 본 연구에서는 왕겨의 비율을 달리한 계분 바이오차의 영향을 객관적으로 비교 및 검토하기 위해 선행연구들에서 주로 선정된 시설상추를 이용하였다. 왕겨의 혼합비율에 따른 토양 내 양분 보유력 및 탄소 격리효과 차이를 평가하기 위해 처리구는 총 9개로 구성하였으며, 바이오차의 처리량(1.0 Mg·ha-1, 5.0 Mg·ha-1, 10.0 Mg·ha-1)에 따라 Table 2와 같이 세분화하였다. 무기질비료는 농촌진흥청에서 고시한 시설상추의 시비처방기준(N-P2O5-K2O = 200-59-128 kg·ha-1)에 준하여 처리하였다(NAAS, 2022). 또한, 비료 시용에 따른 작물의 생육 장애를 방지하기 위해 생육 기간 중 총 2회에 걸쳐 분시하였으며, 유리온실 외부의 평균 기온을 고려하여 관수는 재배 기간 중 일 2회 실시하였다.

Table 2.

Summary of experimental setup for evaluating the effect of poultry manure-based biochar on reclaimed soil properties.

Biochar type Biochar application rate
1.0 Mg·ha-1 5.0 Mg·ha-1 10.0 Mg·ha-1
PM10RH0 PM10RH0-1 PM10RH0-5 PM10RH0-10
PM9RH1 PM9RH1-1 PM9RH1-5 PM9RH1-10
PM7RH3 PM7RH3-1 PM7RH3-5 PM7RH3-10
PM5RH5 PM5RH5-1 PM5RH5-5 PM5RH5-10
PM3RH7 PM3RH7-1 PM3RH7-5 PM3RH7-10
PM1RH9 PM1RH9-1 PM1RH9-5 PM1RH9-10
PM0RH10 PM0RH10-1 PM0RH10-5 PM0RH10-10

PMXXRHYY, poultry manure (XX%)-based biochar containing YY% of rice husk.

공시 재료의 특성분석

시험 토양의 토성은 비중계(hydrometer)법을 이용하여 모래(sand), 미사(silt), 그리고 점토(clay) 함량을 각각 계산하였으며, 각각의 함량과 토성 분류표를 기준으로 soil texture를 결정하였다. 토양의 pH와 electrical conductivity (EC)는 수분을 제거한 토양과 distilled water (DW)를 1 : 5 (w·v-1)의 비율로 혼합한 후, 상층액을 대상으로 Benchtop Meter with pH and EC (ORIONTM Versa Star ProTM, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)로 분석하였다. 토양 내 total carbon (T-C) 및 total nitrogen (T-N) 함량은 elemental analyzer (CHN828, Leco Corporation, USA)을 이용하여 정량하였으며, T-C 분석값에 환산계수(1.724)를 곱하여 organic matter (OM) 함량을 계산하였다. 토양 내 available nitrogen (avail. N) 함량은 질소의 무기태 형태인 NH4+과 NO3-의 함량을 Indophenol blue법과 Brucine법으로 각각 분석한 후, 합하여 계산하였으며, 분석에는 UV/Vis-spectrophotometer (GENESYS 50, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)를 이용하였다. 토양 available phosphorus (avail. P) 함량은 Lancaster법을 이용하여 토양을 산 용액으로 침출한 후, UV/Vis-spectrophotometer로 정량하였다. 토양 내 치환성 양이온(exchangeable cations, Ca2+, K+, Mg2+, Na+) 함량은 1.0 N ammonium acetate (NH4OAC)로 침출한 후, 침출하여 inductively coupled plasma-optical emission spectrometer (ICP-OES, iCAP Pro, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)로 분석하였다.

바이오차의 pH와 EC는 시료와 DW를 1 : 10 (w·v-1)의 비율로 분석하였으며, 바이오차 내 염 농도(salt concentration, Salt Con.)는 Na+과 Cl- 함량을 각각 ICP-OES와 질산은법으로 분석하여 가장 낮은 값을 사용하였다. 바이오차의 OM 함량은 회화법을 이용하여 electrical furnace로 분석하였으며, 각 원소(C, H, N, O)의 함량은 elemental analyzer로 정량하였다. 그 중, T-C, total hydrogen (T-H), 그리고 total oxygen (T-O) 함량을 분석한 결과는 H : C ratio, O : C ratio, 그리고 (O+N) : C ratio를 결정하기 위해 사용되었다. 바이오차 내 무기조성(K2O, CaO, MgO, Na2O)과 중금속 8종(As, Cd, Hg, Pb, Cr, Cu, Ni, Zn)의 함량은 질산, 과염소산, 그리고 염산을 이용하여 시료를 분해한 액을 대상으로 ICP-OES와 수은 분석기(DMA-80, Milestone, Italy)로 정량하였다.

통계분석

본 연구는 3반복 수행한 결과를 제시하였으며, 각 처리구간 통계적 유의차는 SPSS 통계 소프트웨어(IBM SPSS Statistics version 26, IBM, USA)를 이용하여 분석하였다. 유의성 검증은 분산 분석(one-way ANOVA)을 이용하여 95% 신뢰수준에서 실시하였으며, Duncan의 multiple range test를 이용하여 사후검증을 실시하였다.

Results and Discussion

계분 내 왕겨의 포함비율 별 바이오차의 특성 평가

계분 내 왕겨의 혼합비율을 달리하여 제조한 바이오차의 화학적 특성을 분석한 결과는 Table 3에 나타내었다. 바이오차의 pH는 왕겨의 혼합비율이 증가함에 따라 점차 감소하는 경향을 나타내었으며, 왕겨를 단독으로 이용한 바이오차(PM0RH10)의 pH가 pH 8.39로 가장 낮았다. 또한, PM10RH0는 pH 10.28로 가장 높은 pH를 보유하고 있었으나, PM9RH1 (pH 10.23)과 통계적 유의차는 보이지 않았다. 바이오차의 EC는 pH와 유사한 경향을 나타내어 PM0RH10에서 2.82 dS·m-1로 가장 낮았으며, 이는 EC가 가장 높은 PM10RH0 (81.67 dS·m-1)보다 약 29배 낮은 수준이었다. 바이오차 내 Salt Con.의 경우, 왕겨의 혼합비율에 따른 유의한 차이를 나타내지 않았으나, 계분 내 왕겨가 70% 이상 포함되었을 때에는 검출치 미만(not detected, N.D.)으로 조사되었다. 바이오차의 OM 함량은 PM0RH10에서 83.20%로 가장 높게 분석되었으며, 왕겨의 혼합비율이 감소함에 따라 점차 증가하는 경향을 나타내었다. 바이오차 내 T-C 및 T-H 함량은 OM 함량과 유사하게 PM0RH10에서 각각 53.62%와 3.36%로 가장 높게 조사되었으며, 바이오차 내 왕겨가 혼합된 비율이 10% 증가함에 따라 T-C와 T-H의 함량은 약 2.05%와 0.16%가 증가하였다. 이와 반대로, T-N과 T-O 함량은 왕겨의 포함비율과 음(-)의 상관관계를 나타내어 PM0RH10에서 각각 3.58%와 21.95%로 가장 높게 조사되었다. 무기조성 함량(K2O, CaO, MgO, Na2O)의 경우, 바이오차 내 왕겨의 혼합비율이 증가함에 따라 점차 감소하는 경향을 나타내었으며, PM10RH0과 PM0RH10 내 K2O, CaO, MgO, Na2O의 차이는 각각 6.59배, 16.25배, 20.73배, 그리고 33.50배이었다.

Table 3.

Chemical characteristics of poultry manure-based biochar containing the varying rate of rice husk.

Biochar pH
(1 : 10, CaCl2)
EC
(dS·m-1)
Salt con. OM T-C T-N T-H T-O K2O CaO MgO Na2O
(wt%)
PM10RH0 10.23 ± 0.12a 81.67 ± 1.88a 0.01 ± 0.00a 50.22 ± 0.83f 32.37 ± 0.54e 3.58 ± 0.23a 1.81 ± 0.07f 21.95 ± 0.42a 4.68 ± 0.14a 5.85 ± 0.03a 3.11 ± 0.03a 0.67 ± 0.03a
PM9RH1 10.28 ± 0.00a 76.93 ± 1.93b 0.01 ± 0.00a 52.60 ± 0.87f 33.90 ± 0.56e 3.27 ± 0.14b 1.92 ± 0.07f 20.45 ± 1.35a 3.86 ± 0.44b 5.67 ± 0.10b 2.72 ± 0.34b 0.55 ± 0.06ab
PM7RH3 10.07 ± 0.01b 63.86 ± 2.12c 0.01 ± 0.00a 56.97 ± 1.01e 36.72 ± 0.65d 2.97 ± 0.10c 2.11 ± 0.04e 16.35 ± 0.52b 3.64 ± 0.39bc 5.39 ± 0.22bc 2.26 ± 0.37c 0.50 ± 0.05b
PM5RH5 9.78 ± 0.07c 47.45 ± 1.43d 0.01 ± 0.00a 65.34 ± 0.19d 42.11 ± 0.12c 2.59 ± 0.04d 2.53 ± 0.02d 14.19 ± 0.76c 3.22 ± 0.17c 5.28 ± 0.07c 2.15 ± 0.10cd 0.45 ± 0.04c
PM3RH7 9.65 ± 0.03d 35.94 ± 2.11e N.D. 75.47 ± 0.85c 48.64 ± 0.54b 1.82 ± 0.08e 2.96 ± 0.03c 12.60 ± 0.41d 1.83 ± 0.18d 3.63 ± 0.32d 0.96 ± 0.08e 0.24 ± 0.04d
PM1RH9 9.27 ± 0.02e 14.23 ± 0.54f N.D. 80.34 ± 0.70b 51.78 ± 0.45a 1.15 ± 0.01f 3.16 ± 0.04b 12.48 ± 0.15d 1.01 ± 0.12e 2.48 ± 0.71e 0.39 ± 0.11f 0.03 ± 0.03e
PM0RH10 8.39 ± 0.03f 2.82 ± 0.04g N.D. 83.20 ± 0.28a 53.62 ± 0.18a 0.76 ± 0.00g 3.36 ± 0.01a 10.69 ± 0.18e 0.71 ± 0.03f 0.36 ± 0.04f 0.15 ± 0.02f 0.02 ± 0.02e
p-value ** ** *** ** ** * * ** ** *** * ***

PMXXRHYY, poultry manure (XX%)-based biochar containing YY% of rice husk.

EC, electrical conductivity; Salt con., salt concentration; OM, organic matter; T-C, total carbon; T-N, total nitrogen; T-H, total hydrogen; T-O, total oxygen, N.D., not detected.

a - g: Within each column values followed by the same small letters are not significantly different at p < 0.05, using Duncan’s multiple range test (n = 3).

*, ** and *** were denote the statistically significant differences at significant level p < 0.05, p < 0.01, and p < 0.001, respectively, based on Duncan’s multiple range test.

바이오차의 H : C ratio는 바이오차의 안정성(aromaticity)을 나타내며, O : C ratio 및 (O+N) : C ratio는 바이오차의 극성(polarity)을 나타내는 지표로 사용된다(Kang et al., 2024a). 국내 비료공정규격 상에서는 H : C ratio와 O : C ratio를 각각 0.70과 0.40 미만으로 설정하도록 고시되어 있다(KLIC, 2024). 본 연구에서 제조한 바이오차는 왕겨의 혼합비율이 증가함에 따라 H : C 비율이 증가하였으며, 왕겨의 혼합비율이 50% 이상일 때, H : C ratio가 0.70 이상으로 조사되었다(Table 4). 비료공정규격 상 바이오차의 H : C ratio는 0.70 미만으로 규정하고 있어 계분 바이오차 내 왕겨는 50% 미만으로 혼합하였을 때, 사용이 가능할 것으로 판단된다. 바이오차의 O : C ratio 조사 결과, O : C ratio는 H : C ratio와 상반된 경향을 나타내었으며, 왕겨를 30% 이상 혼합하였을 때, 기준치(0.40 미만)에 부합하였다. 바이오차 내 왕겨 혼합비율에 따른 중금속 함량 변화를 조사한 결과는 Table 5에 나타낸 바와 같다. 본 연구에서 중금속 8종 중 Cd, Hg, Cr, 그리고 Ni 함량은 모두 검출한계 미만으로 조사되었으며, As와 Pb 함량은 원료의 혼합비율에 따른 유의한 차이를 나타내지 않았다. 바이오차 내 Cu와 Zn 함량은 왕겨의 혼합비율에 따라 점차 감소하는 경향을 나타내었으며, 왕겨가 100% 혼합된 PM0RH10에서 각각 0.02 mg·kg-1과 0.62 mg·kg-1으로 조사되었다.

Table 4.

Aromaticity and polarity indices of poultry manure-based biochar containing the varying rate of rice husk.

Biochar H : C ratio O : C ratio (O+N) : C ratio
PM10RH0 0.67 ± 0.02b 0.51 ± 0.02a 0.60 ± 0.01a
PM9RH1 0.68 ± 0.01b 0.45 ± 0.04a 0.54 ± 0.04b
PM7RH3 0.68 ± 0.00b 0.33 ± 0.01b 0.40 ± 0.01c
PM5RH5 0.72 ± 0.01a 0.25 ± 0.01c 0.31 ± 0.01d
PM3RH7 0.73 ± 0.00a 0.19 ± 0.00d 0.23 ± 0.00e
PM1RH9 0.73 ± 0.00a 0.18 ± 0.00d 0.20 ± 0.00e
PM0RH10 0.75 ± 0.00a 0.15 ± 0.00d 0.16 ± 0.00e
p-value *** ** **

PMXXRHYY, poultry manure (XX%)-based biochar containing YY% of rice husk.

H : C ratio, amotic ratio of hydrogen and carbon; O : C ratio, atomic ratio of oxygen and carbon; (O+N) : C ratio, atomic ratio of nitrogen, oxygen, and carbon.

a - e: Within each column values followed by the same small letters are not significantly different at p < 0.05, using Duncan’s multiple range test (n = 3).

** and *** were denote the statistically significant differences at significant level p < 0.01 and p < 0.001, respectively, based on Duncan’s multiple range test.

Table 5.

Heavy metal concentrations of poultry manure-based biochar containing the varying rate of rice husk.

Biochar As Cd Hg Pb Cr Cu Ni Zn
(mg·kg-1)
PM10RH0 0.02 ± 0.01a N.D. N.D. 0.02 ± 0.00a N.D. 1.09 ± 0.05a N.D. 9.67 ± 0.39a
PM9RH1 0.02 ± 0.00a N.D. N.D. 0.02 ± 0.01a N.D. 0.90 ± 0.16ab N.D. 8.11 ± 1.21ab
PM7RH3 0.01 ± 0.00a N.D. N.D. 0.02 ± 0.00a N.D. 0.82 ± 0.03b N.D. 7.25 ± 0.53b
PM5RH5 0.01 ± 0.00a N.D. N.D. 0.01 ± 0.00a N.D. 0.68 ± 0.06c N.D. 6.15 ± 0.37c
PM3RH7 0.02 ± 0.01a N.D. N.D. 0.01 ± 0.00a N.D. 0.29 ± 0.02d N.D. 2.98 ± 0.32d
PM1RH9 0.01 ± 0.00a N.D. N.D. 0.01 ± 0.00a N.D. 0.08 ± 0.03e N.D. 1.23 ± 0.28e
PM0RH10 0.01 ± 0.01a N.D. N.D. 0.01 ± 0.00a N.D. 0.02 ± 0.01e N.D. 0.62 ± 0.05f
p-value *** - - *** - ** - **

PMXXRHYY, poultry manure (XX%)-based biochar containing YY% of rice husk.

N.D., not detected.

a - f: Within each column values followed by the same small letters are not significantly different at p < 0.05, using Duncan’s multiple range test (n = 3).

** and *** were denote the statistically significant differences at significant level p < 0.01 and p < 0.001, respectively, based on Duncan’s multiple range test.

최근 국내에서는 비료공정규격을 개정하면서 가축분뇨 바이오차의 법적 기준을 고시하였으며, 주 성분인 탄소의 최소 함유량, 유해성분(중금속)의 최대 함유량, 수분함량, 염분 농도, 그리고 탄화 안정도(H : C ratio, O : C ratio) 등을 설정하였다(Table 6). 본 연구에서 제조한 바이오차는 탄소의 최소 함유량과 유해성분의 최대 함유량 기준을 모두 만족하였으나, PM7RH3 (H : C ratio, 0.68; O : C ratio, 0.33)를 제외한 다른 바이오차는 탄화 안정도 기준을 충족하지 못하는 것으로 조사되었다. 이러한 결과는 계분을 단독으로 이용하여 가축분뇨 바이오차 제조하였을 때, 법적 기준을 충족하지 못해 식물성 원료와 혼합이 필요함을 시사한다. 또한, 본 연구 결과에서는 식물성 원료 중 왕겨를 사용하였을 때에는 30%를 혼합하는 것이 가축분뇨 바이오차의 법적 기준을 충족시킬 수 있을 것으로 나타났다. Lee 등(2024a)은 왕겨와 계분을 이용하여 바이오차를 각각 제조하였으며, 계분 바이오차는 법적 고시 기준인 T-C 함량이 30% 미만으로 조사되어 실제 농가에서 사용이 어려운 반면, 왕겨 바이오차는 높은 H : C ratio로 인해 법적 기준에 불충족하였다. 이러한 선행 연구 결과는 본 연구에서 제시한 계분과 왕겨를 7 : 3 (w·w-1)의 비율로 혼합하여 제조하는 방식의 필요성을 나타내었다.

Table 6.

Fertilizer process specification standard for livestock manure biochar.

Minimum amount of
main ingredients
Maximum amount of
hazardous substances
Other specification
1. Carbon content > 30.0% 1. Arsenic (As) 45.0 mg·kg-1
2. Cadmium (Cd) 5.0 mg·kg-1
3. Mercury (Hg) 2.0 mg·kg-1
4. Lead (Pb) 130.0 mg·kg-1
5. Chromium (Cr) 200.0 mg·kg-1
6. Copper (Cu) 360.0 mg·kg-1
7. Nickel (Ni) 45.0 mg·kg-1
8. Zinc (Zn) 900.0 mg·kg-1
1. Moisture content ≤ 30.0%
2. Salinity ≤ 2.0%
3. Hydrochloric acid insoluble matter ≤ 25.0%
4. Carbonization stability (select one)
- H/C molar ratio less than 0.7
- O/C molar ratio less than 0.4

계분 내 왕겨의 포함비율 별 바이오차 처리에 따른 토양 화학성 변화

시설상추 재배 후 토양의 화학적 특성 변화를 분석한 결과는 Table 7에 나타내었다. 시험 후 토양의 pH는 control 처리구, only-urea 처리구, 그리고 PM0RH10을 처리한 처리구(PM0RH10-1, PM0RH10-5, PM0RH10-10)에서 모두 감소하였으며, 무기질비료만 처리한 only-urea 처리구에서 pH 5.98로 가장 낮게 감소하였다. 토양은 바이오차 처리량에 따라 각기 다른 경향을 나타내었으며, 바이오차를 1.0 Mg·ha-1 처리한 토양의 pH는 왕겨가 50% 이하로 혼합된 바이오차를 처리함에 따라 증가하였다. 바이오차의 처리량이 5.0 Mg·ha-1와 10.0 Mg·ha-1인 경우에는 계분이 90% 이상 혼합된 바이오차를 처리하였을 때, 시험 전 토양(pH 6.51)보다 유의하게 높았다. 시설상추 재배 후, 모든 처리구에서 토양 EC는 높게 증가하였으나, 이는 바이오차의 처리량 증가에 기인하는 것으로 나타났다. 계분 내 왕겨의 혼합비율에 따른 토양 EC 변화를 확인하였을 때, 바이오차를 1.0 Mg·ha-1을 처리한 토양에서는 처리구 간 유의한 차이를 나타내지 않았으나, 5.0 Mg·ha-1와 10.0 Mg·ha-1을 처리한 토양에서는 계분 내 왕겨의 혼합비율이 증가함에 따라 토양 EC는 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 토양 내 T-C 함량 변화 조사 시, control 처리구, only-urea 처리구, 그리고 바이오차를 1.0 Mg·ha-1 처리한 처리구에서는 시험 전 토양(0.28%)과 유의한 차이를 나타내지 않았으나, 바이오차를 5.0 Mg·ha-1 이상 처리한 토양에서는 왕겨의 혼합비율이 증가함에 따라 토양 T-C 함량도 증가하였다. 가장 높은 T-C 함량을 보인 처리구는 PM0RH10-10로 1.06%이었으며, 이는 시험 전 토양과 control 처리구보다 각각 3.79배와 3.93배 높게 조사되었다. 시설상추 재배 후 토양 내 T-N과 OM 함량은 T-C 함량과 유사한 경향을 나타내었으나, 토양의 T-N 함량은 계분 내 왕겨의 혼합비율에 따른 유의한 차이를 나타내지 않았다. 토양 내 Avail. N 함량의 경우, 시험 전 토양(54.48 mg·kg-1)과 control 처리구, only-urea 처리구, 바이오차를 1.0 Mg·ha-1 처리한 처리구에서 통계적 유의차를 나타내지 않았으나, 바이오차를 5.0 Mg·ha-1와 10.0 Mg·ha-1을 처리한 토양에서는 유의하게 증가하였다. 토양 내 Avail. P 함량은 시설상추 재배 후 모든 처리구에서 증가하였으며, 바이오차 처리량과 양(+)의 상관관계를 나타내었다. 또한, 토양 Avail. P 함량은 계분 내 왕겨의 포함비율이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내어 PM10RH0-10 처리구에서 360.24 mg·kg-1로 가장 높게 분석되었다. 치환성 Ca2+과 K+의 함량은 토양에 처리한 바이오차 처리량이 높고, 계분 내 왕겨의 혼합비율이 낮을수록 높았으며, PM0RH10-10 처리구에서 각각 3.94 cmolc·kg-1과 1.13 cmolc·kg-1으로 가장 높게 조사되었다. 그러나, 치환성 Mg2+과 Na+ 함량은 시험 전 토양을 포함하여 모든 처리구에서 통계적 유의한 차이를 보이지 않았다.

Table 7.

Chemical properties of experimental soils affected by chicken manure-based biochar containing the varying rate of rice husk.

Treatments pH
(1 : 5, H2O)
EC
(dS·m-1)
T-C T-N OM Avail. N Avail. P Exchangeable cations
Ca2+ K+ Mg2+ Na+
(%) (mg·kg-1) (cmolc·kg-1)
Initial soil 6.51 ± 0.03g 0.28 ± 0.02g 0.28 ± 0.02h 0.09 ± 0.00b 0.48 ± 0.03h 54.48 ± 3.83f 28.33 ± 1.49j 1.86 ± 0.09i 0.91 ± 0.04b 3.71 ± 0.18a 0.18 ± 0.00a
Control 6.11 ± 0.02h 0.26 ± 0.01g 0.27 ± 0.02h 0.09 ± 0.00b 0.47 ± 0.03h 51.73 ± 2.37f 33.21 ± 0.44j 1.87 ± 0.06i 0.74 ± 0.01cd 3.10 ± 0.10b 0.18 ± 0.00a
Only-urea 5.98 ± 0.00i 0.31 ± 0.01f 0.27 ± 0.01h 0.09 ± 0.00b 0.46 ± 0.01h 50.69 ± 1.66f 47.26 ± 2.01j 2.03 ± 0.01h 0.75 ± 0.02cd 3.07 ± 0.16b 0.18 ± 0.00a
PM10RH0-1 6.92 ± 0.03f 0.33 ± 0.01f 0.28 ± 0.02h 0.09 ± 0.00b 0.49 ± 0.03h 51.65 ± 2.22f 95.82 ± 0.33h 2.03 ± 0.01h 0.73 ± 0.01cd 3.00 ± 0.07b 0.18 ± 0.00a
PM9RH1-1 6.82 ± 0.04f 0.35 ± 0.02f 0.31 ± 0.02h 0.09 ± 0.01b 0.53 ± 0.03h 52.77 ± 3.64f 87.90 ± 1.81h 2.06 ± 0.00h 0.73 ± 0.00cd 2.98 ± 0.03b 0.18 ± 0.00a
PM7RH3-1 6.82 ± 0.03f 0.32 ± 0.02f 0.31 ± 0.01h 0.09 ± 0.00b 0.53 ± 0.01h 51.49 ± 1.51f 79.25 ± 2.15h 2.09 ± 0.01h 0.70 ± 0.01d 2.90 ± 0.04b 0.18 ± 0.00a
PM5RH5-1 6.71 ± 0.03f 0.33 ± 0.01f 0.28 ± 0.01h 0.08 ± 0.00b 0.48 ± 0.02h 50.18 ± 1.81f 62.27 ± 5.11i 2.03 ± 0.01h 0.73 ± 0.01cd 3.20 ± 0.06b 0.18 ± 0.00a
PM3RH7-1 6.42 ± 0.02g 0.34 ± 0.03f 0.30 ± 0.03h 0.08 ± 0.00b 0.51 ± 0.05h 53.10 ± 4.26f 54.72 ± 6.44j 2.03 ± 0.01h 0.73 ± 0.01dc 3.12 ± 0.03b 0.18 ± 0.00a
PM1RH9-1 6.23 ± 0.03h 0.35 ± 0.02f 0.30 ± 0.00h 0.09 ± 0.00b 0.52 ± 0.01h 53.69 ± 3.70f 47.56 ± 2.55j 2.04 ± 0.02h 0.70 ± 0.01d 3.01 ± 0.09b 0.18 ± 0.00a
PM0RH10-1 6.11 ± 0.04h 0.33 ± 0.06f 0.30 ± 0.01h 0.09 ± 0.00b 0.51 ± 0.01h 51.24 ± 2.76f 34.92 ± 0.91j 2.04 ± 0.09h 0.73 ± 0.03cd 3.06 ± 0.17b 0.18 ± 0.00a
PM10RH0-5 7.88 ± 0.02b 0.64 ± 0.04c 0.40 ± 0.04g 0.09 ± 0.00b 0.70 ± 0.06g 80.60 ± 1.95b 163.92 ± 3.87b 3.03 ± 0.05cd 0.90 ± 0.02b 2.93 ± 0.04b 0.18 ± 0.00a
PM9RH1-5 7.73 ± 0.02c 0.54 ± 0.01d 0.48 ± 0.03f 0.11 ± 0.01b 0.83 ± 0.06f 75.58 ± 5.40c 127.75 ± 8.12d 2.98 ± 0.04cd 0.83 ± 0.02c 2.96 ± 0.03b 0.18 ± 0.00a
PM7RH3-5 7.55 ± 0.00d 0.53 ± 0.01d 0.53 ± 0.04f 0.11 ± 0.00b 0.92 ± 0.06f 73.76 ± 4.37c 110.61 ± 11.66ef 2.59 ± 0.18e 0.80 ± 0.02c 2.95 ± 0.10b 0.18 ± 0.00a
PM5RH5-5 7.30 ± 0.02e 0.44 ± 0.01e 0.53 ± 0.04f 0.10 ± 0.01b 0.91 ± 0.06f 71.49 ± 5.31c 98.56 ± 3.79f 2.48 ± 0.01f 0.79 ± 0.02c 3.00 ± 0.02b 0.18 ± 0.00a
PM3RH7-5 6.68 ± 0.02g 0.42 ± 0.01e 0.61 ± 0.07e 0.10 ± 0.00b 1.04 ± 0.12e 68.63 ± 3.98cd 86.36 ± 2.65g 2.33 ± 0.05g 0.78 ± 0.01c 2.95 ± 0.07b 0.18 ± 0.00a
PM1RH9-5 6.61 ± 0.04g 0.36 ± 0.01f 0.73 ± 0.04d 0.10 ± 0.01b 1.26 ± 0.06d 66.24 ± 3.59d 72.04 ± 0.99h 2.22 ± 0.06g 0.75 ± 0.01cd 2.98 ± 0.06b 0.18 ± 0.00a
PM0RH10-5 6.56 ± 0.01g 0.33 ± 0.02f 0.73 ± 0.01d 0.09 ± 0.00b 1.26 ± 0.02d 60.23 ± 3.93e 62.01 ± 2.71i 2.21 ± 0.04g 0.70 ± 0.00d 2.89 ± 0.13b 0.18 ± 0.00a
PM10RH0-10 8.01 ± 0.01a 0.78 ± 0.02a 0.73 ± 0.02d 0.12 ± 0.01a 1.26 ± 0.03d 89.65 ± 0.61a 260.24 ± 10.07a 3.94 ± 0.15a 1.13 ± 0.02a 2.94 ± 0.07b 0.18 ± 0.00a
PM9RH1-10 7.82 ± 0.01b 0.76 ± 0.01a 0.74 ± 0.05d 0.12 ± 0.00a 1.28 ± 0.09d 85.87 ± 2.20a 176.90 ± 9.10b 3.55 ± 0.04b 1.05 ± 0.00a 2.95 ± 0.01b 0.18 ± 0.00a
PM7RH3-10 7.61 ± 0.01d 0.70 ± 0.03b 0.82 ± 0.02c 0.11 ± 0.00a 1.41 ± 0.03c 76.04 ± 3.45c 157.67 ± 1.44b 3.20 ± 0.13c 1.00 ± 0.01b 3.00 ± 0.06b 0.18 ± 0.00a
PM5RH5-10 7.42 ± 0.00e 0.69 ± 0.01b 0.84 ± 0.03c 0.11 ± 0.01a 1.45 ± 0.05c 75.97 ± 0.95c 101.92 ± 1.81c 2.89 ± 0.09d 0.95 ± 0.04b 2.97 ± 0.15b 0.18 ± 0.00a
PM3RH7-10 7.39 ± 0.03e 0.69 ± 0.02b 0.97 ± 0.03b 0.12 ± 0.00a 1.68 ± 0.06b 72.49 ± 2.60c 98.32 ± 2.76d 2.83 ± 0.03d 0.88 ± 0.01b 2.96 ± 0.05b 0.18 ± 0.00a
PM1RH9-10 6.87 ± 0.05f 0.67 ± 0.01bc 1.04 ± 0.02a 0.11 ± 0.00a 1.79 ± 0.04a 68.08 ± 2.55d 84.52 ± 1.27h 2.58 ± 0.06e 0.83 ± 0.02c 2.95 ± 0.09b 0.18 ± 0.00a
PM0RH10-10 6.68 ± 0.04g 0.66 ± 0.02bc 1.06 ± 0.04a 0.11 ± 0.00a 1.82 ± 0.08a 65.62 ± 3.57d 49.91 ± 3.48j 2.29 ± 0.03g 0.82 ± 0.01c 2.96 ± 0.04b 0.18 ± 0.00a
p-value * ** ** *** ** * * *** ** ** ***

PMXXRHYY, poultry manure (XX%)-based biochar containing YY% of rice husk.

EC, electrical conductivity; T-C, total carbon; T-N, total nitrogen; OM, organic matter; Avail. N, available nitrogen; Avail. P, available phosphorus.

a - j: Within each column values followed by the same small letters are not significantly different at p < 0.05, using Duncan’s multiple range test (n = 3).

*, ** and *** were denote the statistically significant differences at significant level p < 0.05, p < 0.01, and p < 0.001, respectively, based on Duncan’s multiple range test.

바이오차 처리에 따른 토양 pH 및 T-C, OM 함량 개선 효과는 많은 선행연구에서 보고되었으며, 이러한 개선 효과는 바이오차의 높은 pH 및 T-C 함량에 기인하는 것으로 알려져 있다(Chun et al., 2022a; Kang et al., 2023a, 2024a; Lee et al., 2023, 2024a). 실제로, 본 연구에서도 토양 화학성은 바이오차의 특성에 따라 좌우되었으며, 왕겨의 혼합비율이 높아 상대적으로 낮은 pH를 보유한 PM0RH10 (pH 8.39)를 처리한 토양은 실험 전 토양보다 감소하는 경향을 나타내었다. 또한, 다른 선행연구에서는 바이오차의 처리량에 따라 토양 개선 효과가 달라진다고 보고하였으며, 본 연구에서도 처리량이 5.0 Mg·ha-1 이하인 조건에서 토양 T-C, T-N, 그리고 OM 함량은 바이오차 처리 유무에 따른 유의한 차이를 보이지 않았다(Chun et al., 2022b; Park et al., 2022, 2024; Kang et al., 2023b). 본 연구에서는 바이오차 처리에 따라 토양 내 양분(N, P2O5, Ca2+, K+) 함량이 개선되었으며, 이러한 변화는 바이오차의 이온 흡착 특성과 pH 개선 효과에 기인한다(Kang et al., 2023a, 2023c; Lee et al., 2023). Kang 등(2023a)은 농경지 토양에 처리된 바이오차는 표면의 음(-) 전하를 통해 각종 양이온을 고정할 수 있으며, 토양 내 K+ 및 Ca2+ 함량을 증진시킬 수 있다고 보고하였다. Jeon 등(2024)에서는 토양 내 양분 공급을 목적으로 유기 개량제를 처리하는 경우, 토양 내 양분 보유력 증진 효율은 처리된 유기 개량제 내의 양분 함량에 비례한다고 보고한 바 있다. 또한, Lee 등(2023)은 바이오차에 의해 개선된 토양 pH는 인산의 가용성에 영향을 미치며, 토양 pH가 중성 범위로 개량됨에 따라 인산의 가용성은 2.66배 증가한다고 보고하였다. 공통적으로, 선행연구들은 모두 바이오차 처리는 토양의 양분 보유력을 개선시킬 수 있음을 나타내며, 본 연구에서도 바이오차의 이온 흡착력과 토양 개선 효과로 인해 양분 보유력이 증가하였다고 판단하였다.

계분 내 왕겨의 포함비율 별 바이오차 처리에 따른 시설상추의 생육 특성 변화

계분 내 왕겨의 혼합비율을 달리하여 제조한 바이오차 처리에 따른 시설상추의 생육 특성 변화는 Table 8에 나타낸 바와 같다. 비료를 처리하지 않은 control 처리구의 토양의 시설상추 수량은 1.95 Mg·ha-1이었으며, 무기질비료 처리(only-urea 처리구, 10.61 Mg·ha-1)에 따라 시설상추의 수량은 5.44배 증가하였다. 바이오차 처리량이 1.0 Mg·ha-1에서 5.0 Mg·ha-1으로 증가함에 따라 시설상추의 수량도 증가하는 경향을 나타내었으나, 5.0 Mg·ha-1 이상의 처리량에서는 통계적 유의차를 나타내지 않았다. 계분 내 왕겨의 혼합비율에 따른 시설상추의 수량을 비교하였을 때, 계분 내 왕겨의 혼합비율이 증가함에 따라 시설상추의 수량은 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 가장 높은 시설상추의 수량은 PM10RH0-5 처리구에서 33.93 Mg·ha-1이었으며, 이는 control 및 only-urea 처리구보다 각각 17.40배와 3.20배 높은 수준이었다. 시설상추의 엽장과 엽폭은 control과 only-urea 처리구를 제외한 모든 처리구에서 유의한 차이를 보이지 않았으며, control 처리구에서 6.21 cm와 5.56 cm로 가장 낮게 조사되었다. 엽수의 경우, PM10RH0을 처리한 토양에서 유의하게 높았으며, 바이오차 내 왕겨의 혼합비율이 증가함에 따라 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 또한, 바이오차의 높은 처리량은 시설상추의 엽수를 증진시켰으며, PM10RH0-10 처리구에서 19.00 ea·plants-1로 가장 높았다. 시설상추의 엽록소 함량은 모든 처리구에서 통계적 유의한 차이를 나타내지 않았다.

Table 8.

Growth characteristics of lettuce affected by poultry manure-based biochar containing the varying rate of rice husk.

Treatments Yield
(Mg·ha-1)
Leaf Chlorophyll content
(SPAD value)
Length Width Counts
(cm) (ea·plant-1)
Control 1.95 ± 0.10j 6.21 ± 0.12e 5.56 ± 0.37g 7.00 ± 0.82g 19.58 ± 1.95a
Only-urea 10.61 ± 1.71i 10.89 ± 1.35d 9.86 ± 1.62g 10.33 ± 2.49f 20.02 ± 2.27a
PM10RH0-1 25.58 ± 1.23e 15.21 ± 0.70ab 13.48 ± 0.94d 16.33 ± 1.70c 20.00 ± 0.55a
PM9RH1-1 25.03 ± 2.40e 14.98 ± 0.23c 14.02 ± 0.10d 15.50 ± 0.41d 19.17 ± 0.71a
PM7RH3-1 22.00 ± 2.07f 14.97 ± 0.48c 13.64 ± 0.43d 15.33 ± 0.47d 19.28 ± 0.99a
PM5RH5-1 18.12 ± 1.11g 14.97 ± 0.77c 12.96 ± 0.38e 15.00 ± 0.82d 18.34 ± 0.33a
PM3RH7-1 17.15 ± 4.32g 14.96 ± 1.03c 12.32 ± 0.71f 14.67 ± 1.70d 19.71 ± 1.48a
PM1RH9-1 15.88 ± 3.89h 15.01 ± 1.04c 12.22 ± 0.96f 13.67 ± 1.25e 19.13 ± 1.37a
PM0RH10-1 11.11 ± 4.27i 14.67 ± 2.63c 11.76 ± 1.16f 11.00 ± 0.82f 19.18 ± 0.86a
PM10RH0-5 30.93 ± 1.50ab 15.43 ± 0.14b 14.37 ± 0.22c 18.67 ± 1.25a 21.19 ± 2.13a
PM9RH1-5 28.08 ± 2.87c 15.49 ± 1.30b 13.76 ± 0.97d 18.33 ± 1.25a 19.96 ± 0.79a
PM7RH3-5 27.38 ± 5.44d 15.06 ± 0.87c 13.78 ± 0.58d 17.33 ± 1.70b 19.13 ± 1.85a
PM5RH5-5 25.51 ± 5.61e 14.81 ± 0.99c 13.11 ± 1.24e 17.00 ± 1.63b 19.99 ± 1.86a
PM3RH7-5 23.98 ± 0.00f 14.73 ± 0.11c 13.28 ± 1.18e 16.00 ± 1.63c 19.68 ± 0.61a
PM1RH9-5 23.11 ± 0.49f 14.73 ± 0.57c 12.84 ± 0.32e 15.00 ± 0.82d 19.09 ± 0.93a
PM0RH10-5 21.72 ± 3.26f 14.93 ± 0.80c 12.39 ± 0.66f 14.00 ± 1.63de 21.73 ± 4.19a
PM10RH0-10 33.52 ± 2.79a 16.56 ± 0.94a 16.26 ± 0.78a 19.00 ± 1.41a 22.03 ± 0.80a
PM9RH1-10 30.24 ± 2.13ab 16.72 ± 0.71a 15.84 ± 1.07ab 17.33 ± 1.25b 21.99 ± 6.30a
PM7RH3-10 30.11 ± 2.88ab 16.53 ± 0.93a 15.27 ± 0.26b 17.67 ± 0.47b 20.32 ± 2.23a
PM5RH5-10 29.44 ± 3.19b 16.08 ± 0.10ab 15.14 ± 0.19b 17.67 ± 1.25b 20.76 ± 0.70a
PM3RH7-10 28.35 ± 3.88c 16.03 ± 0.54ab 14.61 ± 0.36c 16.00 ± 1.41c 20.36 ± 2.37a
PM1RH9-10 27.55 ± 4.27d 15.80 ± 1.02ab 14.09 ± 0.74d 14.67 ± 2.05d 20.40 ± 1.34a
PM0RH10-10 25.81 ± 3.22e 15.71 ± 0.53ab 13.97 ± 0.71d 14.67 ± 0.47d 20.14 ± 1.53a
p-value ** *** * ** **

PMXXRHYY, poultry manure (XX%)-based biochar containing YY% of rice husk.

a - j: Within each column values followed by the same small letters are not significantly different at p < 0.05, using Duncan’s multiple range test (n = 3).

*, ** and *** were denote the statistically significant differences at significant level p < 0.05, p < 0.01, and p < 0.001, respectively, based on Duncan’s multiple range test.

바이오차 처리에 따른 작물 수량 증진은 바이오차에 의한 토양 개량 효과으로부터 기인하며, 바이오차에 의한 토양 내 양분 및 유기물 증진은 작물의 생산 효율을 증가시킬 수 있다(Lee et al., 2024a; Park et al., 2024). 또한, 바이오차에 의한 토양 미생물 활성 증가 및 작물의 양분 이용 효율 향상도 바이오차 처리에 의한 작물 수량을 증진시키는 주요 원인으로 알려져 있다(Kang et al., 2023d, 2024a). 본 연구에서도 시설상추의 수량은 바이오차 처리량 및 계분이 차지하는 비율과 양(+)의 상관관계를 나타내었으며, 시설상추는 계분함량이 높은 바이오차를 10.0 Mg·ha-1 처리하였을 때, 33.52 Mg·ha-1로 최대 수확량을 나타내었다. 이러한 결과들은 일반 농경지 토양보다 낮은 양분과 유기물 함량을 보유하고 있는 간척농지 토양에서 작물의 수확량을 증진시키기 위해서는 바이오차의 활용이 필수적임을 시사한다. 하지만, 일부 연구에서 바이오차의 과량 처리는 작물 생육을 저해하는 요인을 작용할 수 있다는 결과를 보고함에 따라 간척농지에서 바이오차를 효과적으로 활용하기 위해서는 최적 시용량을 결정하는 것이 필요하며, 본 연구의 결과에서는 10.0 Mg·ha-1을 처리하였을 때, 작물 생육이 가장 우수할 것으로 판단된다(Khan et al., 2024).

Conclusion

본 연구는 양분 및 유기물 함량이 낮은 새만금 간척농지 토양에서 작물 재배 시, 바이오차의 종류 및 처리량이 시설상추의 생육과 토양 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 바이오차는 계분을 주 원료로 제조하였으며, 바이오차의 종류는 계분 바이오차 내 왕겨의 혼합비율을 달리하여 구분하였다. 종류 별 바이오차의 특성을 분석한 결과, 바이오차의 화학적 특성은 왕겨의 혼합비율에 따라 변화하였으며, 왕겨의 혼합비율이 증가함에 따라 바이오차의 pH, EC, 무기 조성(K2O, CaO, MgO, Na2O) 함량은 감소하는 경향을 나타내었다. 반면, 바이오차의 주요 특징인 탄소 및 유기물 함량은 왕겨의 혼합비율에 따라 증가하는 경향을 나타내었으며, 왕겨를 단독으로 이용한 바이오차에서 53.62%와 83.20%로 가장 높게 분석되었다. 하지만, 비료공정규격에서 고시한 바이오차의 탄화 안정도(H : C ratio와 O : C ratio)를 비교하였을 때, 왕겨를 30% 혼합한 바이오차만이 법적기준을 만족하여 실제 농업현장에서 사용가능할 것으로 판단된다. 왕겨의 혼합비율을 달리한 바이오차의 토양 개량 효과를 확인하였을 때, 계분 내 왕겨의 혼합 비율이 증가함에 따라 토양 pH 및 양분 개량 효율은 감소하였으나, 탄소 및 유기물 함량은 유의하게 높게 증가하였다. 양분 함량이 높은 계분의 함량이 높은 바이오차를 토양에 처리하는 것은 토양 내 유효 질소, 유효 인산, 그리고 치환성 양이온 함량을 효과적으로 증진시킬 수 있었으며, 이에 따라 토양 EC도 증가하였다. 계분 내 왕겨의 혼합비율과 함께 바이오차의 처리량도 바이오차의 토양 개량 효과에 영향을 미쳤으며, 바이오차는 최소 5.0 Mg·ha-1를 처리하였을 때, 토양 내 양분과 유기물 함량을 개선할 수 있었다. 바이오차 내 계분의 비율과 바이오차의 처리량이 증가함에 따라 시설상추의 수량은 유의하게 향상되었으며, 계분을 단독으로 이용한 바이오차를 10.0 Mg·ha-1 처리하였을 때, 33.52 Mg·ha-1로 가장 높았다. 본 연구에서 제시한 결과를 기초로 새만금 간척지 토양 내 양분 및 유기물 함량 증진을 위한 최적의 계분 바이오차 처리 조건은 바이오차의 법적 기준과 토양 및 작물 생육에 미치는 영향을 모두 고려하였을 때 왕겨가 30% 혼합된 계분 바이오차를 10.0 Mg·ha-1 처리하는 것으로 판단된다.

Conflict of Interests

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

Acknowledgements

This research study was conducted with support from a research grant awarded by the Cooperative Research Program for Agriculture Science & Technology Development of Rural Development Administration, Republic of Korea (Project No. PJ017028).

References

1

Chun JH, Kang YG, Lee JH, Yun YU, Oh TK, Yoon MH. 2022a. The combined effect of nitrogen and biochar amendments on the yield and glucosinolate contents of the Chinese cabbage. Journal of King Saud University - Science 34:101799.

10.1016/j.jksus.2021.101799
2

Chun JH, Kang YG, Yu YJ, Lee JH, Yun YU, Oh TK. 2022b. Effects of different nitrogen fertilizer applications on growth of Chinese cabbage (Brassica rapa L. ssp. pekinensis). Korean Journal of Agricultural Science 49:657-666. [in Korean]

10.7744/kjoas.20220049
3

Jeon YJ, Kang YG, Eun JA, Oh TK. 2024. Yield, functional properties and nutritional compositions of leafy vegetables with dehydrated food waste and spent coffee grounds. Applied Biological Chemistry 67:22.

10.1186/s13765-024-00863-0
4

Kang YG, Chun JH, Yun YU, Lee JY, Sung J, Oh TK. 2024a. Pyrolysis temperature and time of rice husk biochar potentially control ammonia emissions and Chinese cabbage yield from urea-fertilized soils. Scientific Reports 14:5692.

10.1038/s41598-024-54307-238453974PMC10920921
5

Kang YG, Lee JH, Chun JH, Yun YU, Hatamleh AA, Al-Dosary MA, Al-Wasel YA, Lee KS, Oh TK. 2022. Influence of individual and co-application of organic and inorganic fertilizer on NH3 volatilization and soil quality. Journal of King Saud University - Science 34:102068.

10.1016/j.jksus.2022.102068
6

Kang YG, Lee JH, Lee JY, Kim JH, Oh TK, Sung J. 2023a. Effect of pyrolysis conditions on chemical properties of carbonized rice husks for efficient NH4+ adsorption. Applied Biological Chemistry 66:45.

10.1186/s13765-023-00806-1
7

Kang YG, Lee JH, Lee JY, Oh TK. 2023b. Effects of application rate and pH of carbonized rice husk on the reduction of NH3 volatilization and soil quality. Korean Journal of Agricultural Science 50:231-239. [in Korean]

10.7744/kjoas.20230018
8

Kang YG, Lee JH, Lee JY, Oh TK. 2023c. Effects of biochar-based fertilizer on ammonia volatilization under controlled conditions. Korean Journal of Agricultural Science 50:437-446. [in Korean]

10.7744/kjoas.500313
9

Kang YG, Lee JY, Kim JH, Oh TK, Yun YU. 2023d. Effects of organic amendments on lettuce (Lactuca sativa L.) growth and soil chemical properties in acidic and non-acidic soils. Korean Journal of Agricultural Science 50:713-721. [in Korean]

10.7744/kjoas.500410
10

Kang YG, Lee JY, Kim JH, Oh TK. 2024b. Quantifying soil organic matter for sustainable agricultural land management with soil color and machine learning technique. Agronomy Journal 116:982-989.

10.1002/agj2.21525
11

Khan S, Irshad S, Mehmood K, Hasnain Z, Nawaz M, Rais A, Gui S, Wahid MA, Hashem A, Abd_Allah EF, et al. 2024. Biochar production and characteristics, its impacts on soil health, crop production, and yield enhancement: A review. Plants 13:166.

10.3390/plants1302016638256720PMC10821463
12

KLIC (Korean Law Information Center). 2024. Setting fertilizer process specifications. Accessed in https://www.law.go.kr on 1 September 2024. [in Korean]

13

Lee J, Yu M, Oketch EO, Nawarathne SR, Kim YB, Chathuranga NC, Maniraguha V, Sta. Cruz BG, Seo E, Park H, et al. 2024a. Effect of dietary protein levels and age on growth performance, total excreta and nitrogen balance of laying hens during the growing phase. Korean Journal of Agricultural Science 51:193-203. [in Korean]

10.7744/kjoas.510210
14

Lee JY, Kang YG, Kim JH, Oh TK, Yun YU. 2023. Effects of nutrient-coated biochar amendments on the growth and elemental composition of leafy vegetables. Korean Journal of Agricultural Science 50:967-976. [in Korean]

10.7744/kjoas.500430
15

Lee JY, Park DG, Kang YG, Kim JH, Kim JH, Choi JW, Yun YU, Oh TK. 2024b. Effect of biochar derived from rice husk and chicken manure on lettuce growth and soil chemical properties. Korean Journal of Agricultural Science 51:271-281. [in Korean]

10.7744/kjoas.510303
16

NAS (National Institute of Agricultural Sciences). 2022. 5th Fertilization Standard of Crop Plants. Rural Development Administration, Wanju, Korea. [in Korean]

17

Oh YY, Jeong KH, Lee SH, Lee KS, Seo BS, Kim KY. 2022. Using reclaimed land for potato cultivation in Saemangeum, South Korea: Determining the optimal nitrogen fertilization rate with the giant Miscanthus used as a source of soil organic matter. Journal of Environmental Science International 31:911-922. [in Korean]

10.5322/JESI.2022.31.11.911
18

Oh YY, Kim SY, Lee KS, Ryu JH, Lee SH, Ock HK, Jung KH, Kang BH, Kim KY. 2020. Assessment of growth and inulin for Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) cultivation in Saemangeum reclaimed land and upland soils. Korean Journal of Environmental Agriculture 39:188-196. [in Korean]

10.5338/KJEA.2020.39.3.22
19

Park DG, Kim HW, Lee HS, Lee MJ, Park HR, Oh TK, Lee SI. 2024. Evaluation of the impact of continuous use of rice hull biochar on greenhouse gas emissions and net ecosystem carbon balance in Kimchi cabbage cultivation. Korean Journal of Environmental Agriculture 43:117-127. [in Korean]

10.5338/KJEA.2024.43.12
20

Park DG, Lee JM, Choi EJ, Gwon HS, Lee HS, Park HR, Oh TK, Lee SI. 2022. Carbon mineralization in different soils cooperated with barley straw and livestock manure compost biochars. Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association 30:67-82. [in Korean]

10.17137/korrae.2022.30.4.67
21

Wijeysingha S, Walpola BC, Kang YG, Yoon MH, Oh TK. 2023. Practical significance of plant growth-promoting rhizobacteria in sustainable agriculture: A review. Korean Journal of Agricultural Science 50:759-771.

10.7744/kjoas.500414
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