Introduction
Materials and Methods
Preparation of organic amendments
Experimental setup
Characterization of soil and organic amendments
Statistical analysis
Results and Discussion
Change in the soil properties amended with the varying SCGs-based organic fertilizers
Change in the agronomic performance of leaf kale affected by the varying SCGs-based organic fertilizers
Conclusion
Introduction
기후변화 대응을 위한 환경규제(예, 탄소국경세, 탄소배출권 거래제도, 탄소세 등) 강화 및 친환경 농법 장려 등에 따라 무기질비료 사용량은 점차 감소하는 추세이다(Kang et al., 2023a). 그 예로, 22년 국내 무기질비료 사용량은 410천 톤이었으며, 이는 1999년의 842천 톤보다 2.05배 감소한 수준이었다(KOSTAT, 2024). 무기질비료를 대체하기 위해 많은 농가에서는 유기질비료의 사용을 점차 확대시키고 있으며, 국내 유기질비료 시용 면적은 2009년 13.3천 ha에서 2021년 40.7천 ha로 3.06배 증가하였다(Lee et al., 2022b; KOSTAT, 2023). 유기질비료는 비료 공정규격 설정 상 부산물비료로 분류되며, 2종 이상의 동·식물성 잔재물을 물리적으로 혼합하여 제조된다(Lee et al., 2022a). 현재 국내에서 사용되는 유기질비료의 원료는 전량 수입에 의존하는 실정이며, 이는 수입산 원료의 공급 불안정 및 가격 변동, 품질 불균일 등의 문제를 야기한다(Kim et al., 2017; Cho et al., 2022; Jeon et al., 2024). 대표적인 예시로, 유기질비료 원료 중 피마자박의 수입가격은 2020년 기준 13만 3천원 수준이었으나, 2021년 상반기에 수입된 피마자박의 평균 수입가격은 약 23만 9천원으로 1.80배 높게 증가하였다. 기후변화 대응 및 친환경 농법을 위해서는 유기질비료의 사용을 확대시키는 것이 필요하며, 이를 위해서는 수입의존도가 높은 유기질비료의 원료를 국산화하는 연구가 필요한 실정이다.
바이오매스를 환원성 조건에서 열분해하여 제조하는 바이오차(biochar)는 농업 잔재물 혹은 유기성 폐기물을 이용하여 가격이 저렴하고, 공급이 원활하다는 특징이 있다(Kang et al., 2023b; Lee et al., 2023a). 토양 내 바이오차 처리에 따른 토양 비옥도 증진 및 pH 개선, cation exchange capacity (CEC) 증가는 많은 선행연구를 통해 입증되었으며, 현재에는 토양 내 탄소를 반영구적으로 격리시키는 친환경 물질로 알려져 있다(Kang et al., 2023a, 2023c; Lee et al., 2023b). 그 예로, Kang 등(2024)은 중성 토양 조건에서 왕겨 바이오차를 처리하였을 때, 토양의 탄소 함량이 최대 3.32배 증가한다고 보고한 바 있으며, Park 등(2024)에서는 농경지 토양 내 바이오차의 처리는 토양의 질을 향상시키고, 온실가스 배출을 저감한다고 보고한 바 있다. 또한, Lee 등(2024a)는 바이오차의 종류 및 제조 조건에 따라 토양 내 양분 공급 효율이 달라진다고 보고하였으며, 이는 바이오차를 유기질비료 원료로 사용할 수 있음을 시사한다. 따라서, 본 연구에서는 유기질비료 제조 시 사용되는 수입산 원료의 일부를 바이오차로 대체하였을 때, 바이오차의 혼합 비율에 따른 케일 생육과 토양의 화학적 특성에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.
Materials and Methods
Preparation of organic amendments
바이오차 제조 원료인 커피슬러지(spent coffee grounds, SCGs)는 대전광역시 유성구 소재의 충남대학교 인근 커피숍에서 수거하였으며, 바이오차 제조를 위해 85℃로 설정한 dry oven (OF-12, Jeio-tech, Korea)에서 48시간 이상 건조시켰다. 수분을 제거한 SCGs는 electrical furnace (1,100℃ Box furance, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)를 이용하여 600℃에서 30분간 열분해하였다.
유기질비료는 SCGs 바이오차와 함께 비료 공정규격 설정에 지정된 원료인 대두박과 아주까리유박을 혼합하여 제조하였으며, 제조한 유기질비료는 SCGs 바이오차의 혼합 비율을 기준으로 분류하였다. 이때, SCGs 바이오차가 20% 포함된 유기질비료는 SF20이며, SCGs 바이오차가 30%, 40%, 그리고 50% 포함된 유기질비료는 각각 SF30, SF40, 그리고 SF50로 명명하였다. 유기질비료 제조에 사용된 원료의 혼합 비율은 Table 1에 나타내었으며, 유기질비료 제조에 사용된 SCGs 바이오차의 화학적 특성은 Table 2에 나타낸 바와 같다. 또한, 본 연구에서 SCGs 바이오차가 50% 이상 혼합되는 경우, 유기질비료 내 양분 함량이 유의하게 낮아져 최대 혼합 비율을 50%로 선정하여 유기질비료를 제조하였다.
Table 1.
Blending ratio of organic fertilizer ingredients used in this experiment.
Samples | Blending ratio of ingredients (%, v·v-1) | ||
Biochar | Soybean-meal | Rice bran | |
SF20 | 20 | 60 | 20 |
SF30 | 30 | 50 | 20 |
SF40 | 40 | 40 | 20 |
SF50 | 50 | 30 | 20 |
Table 2.
Chemical properties of spent coffee grounds biochar used in the ingredient of organic fertilizer.
Yield (%) |
pH (1 : 10, H2O) |
EC (dS·m-1) | Salt con. | TC | TH | TN | OM | H:C ratio |
(%) | ||||||||
23.95 ± 0.25 | 11.45 ± 0.05 | 14.91 ± 0.29 | 0.95 ± 0.02 | 68.47 ± 0.41 | 1.56 ± 0.04 | 4.56 ± 0.23 | 89.14 ± 0.45 | 0.27 |
Experimental setup
SCGs 바이오차의 혼합 비율을 달리하여 제조한 유기질비료가 케일(Brassica oleracea var. sabellica) 생육과 토양 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 2022년 10월 14일부터 11월 28일까지 총 45일간 재배 시험을 수행하였다. 재배 시험은 대전광역시 유성구에 위치한 충남대학교 농업생명과학대학 부속 유리온실에서 실시하였으며, 케일은 1·5,000 a-1 크기의 Wagner pot를 이용하였다. 처리구는 유기질비료 무처리구(control)를 포함하여 총 5개로 구분하였으며, 처리한 유기질비료에 따라 SF20 처리구, SF30 처리구, SF40 처리구, 그리고 SF50 처리구로 설정하였다. 온실 내 모든 처리구는 완전임의배치법에 따라 5반복 배치하였다.
본 연구에서는 모든 처리구에 공통적으로 무기질비료를 시용하였으며, 시설 케일의 시비처방기준(N-P2O5-K2O, 45.0-30.0-19.0 kg·ha-1)에 준하여 실시하였다(NAS, 2022). 또한, 무기질비료에 의한 시설 케일의 생육 장애를 방지하기 위해 시험 기간 중 총 2회(기비 1회, 추비 1회)에 걸쳐 분시하였다. SCGs 바이오차를 활용한 유기질비료는 여러 선행연구에서 제시한 유기질비료 사용량을 기준으로 전량 기비로 처리하였으며, 질소(N)를 기준으로 120.0 kg·ha-1 처리하였다(Kang et al., 2022, 2023a). 이때, 토양에 투입된 SCGs 바이오차의 양은 24.0 kg·ha-1 (SF20), 36.0 kg·ha-1 (SF30), 48.0 kg·ha-1 (SF40), 그리고 60.0 kg·ha-1 (SF50)이었다.
Characterization of soil and organic amendments
시설 케일 재배 전과 후 토양의 화학적 특성은 총 8개 항목을 분석하였으며, 다음과 같다: pH, electrical conductivity (EC), total carbon (TC), total nitrogen (TN), organic matter (OM), available nitrogen (Avail. N), available phosphorus (Avail. P), 및 exchangeable cations (K+, Ca2+, Mg2+, Na+). 토양의 pH와 EC는 토양 시료와 증류수를 1 : 5 (w·v-1)의 비율로 혼합한 현탁액을 30분간 진탕한 후, 60분 동안 정치시켜 benchtop meter with pH and EC probe (ORIONTM Versa Star ProTM, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)를 이용하여 각각 분석하였다. 토양 내 TC와 TN 함량은 수분을 제거한 토양 시료를 elemental analyzer (CHN828, Leco Corporation, USA)로 각각 정량하였으며, TC 함량을 분석한 결과에 유기물 보정 계수(1.724)를 곱하여 OM 함량을 계산하였다. Avail. N 함량의 경우, Indophenol blue법(640 nm)과 Bruine법(410 nm)을 이용하여 UV/Vis-spectrophotomer (GENESYS 50, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)로 NH4+와 NO3- 함량을 각각 정량한 후, 결과를 합하여 계산하였으며, Avail. P 함량은 동일한 장비로 Lancaster법(720 nm)을 이용하여 분석하였다. Exchangeable cations는 pH를 7.0으로 교정한 1.0 N ammonium acetate를 이용하여 침출하였으며, inductively coupled plasma-optical emission spectrometer (ICP-OES, ICAP 7000 series ICP spectrometer, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)로 분석하였다.
SCGs 바이오차의 pH와 EC는 시료와 증류수를 1 : 10 (w·v-1)의 비율로 혼합하여 제조한 혼합액을 benchtop meter with pH and EC probe로 분석하였다. 원소(C, H, N) 조성은 elemental analyzer를 이용하여 정량하였으며, OM 함량은 electrical furnace 기반의 회화법으로 분석하였다. SCGs 바이오차 내 염 농도(salt concentration, salt con.)는 ICP-OES를 이용하여 Na 함량을 계산한 후, NaCl의 형태로 환산하여 제시하였다.
Statistical analysis
본 연구는 모두 3반복 수행한 결과를 제시하였으며, 데이터는 평균과 표준편차를 이용하여 제시하였다. 모든 분석 이후, 각 처리구간 유의성 검증을 위해 통계분석을 실시하였으며, 통계분석은 SPSS version 26 (SPSS statistics, IBM, USA)을 이용하여 실시하였다. 사후 검증은 Duncan’s multiple range test를 이용하여 유의수준(significance level, p) 0.05 이하 조건에서 처리구간의 통계적 유의차를 비교하였다.
Results and Discussion
Change in the soil properties amended with the varying SCGs-based organic fertilizers
바이오차를 포함한 유기질비료 처리 후 시설 케일을 재배한 토양의 화학적 특성 변화를 분석한 결과는 Table 3에 나타낸 바와 같다. SCGs 바이오차를 처리한 처리구의 토양 pH는 실험 전 토양(pH 5.72)보다 높게 증가하였으며, SCGs 바이오차의 포함 비율이 증가함에 따라 토양 pH는 증가하여 SF50 처리구(pH 6.14)에서 가장 높게 증가하였다(Table 1). 이와 반대로, 토양 EC는 모든 처리구에서 케일 재배 후에 감소하였으며, control과 SF50 처리구에서 0.23 dS·m-1로 가장 낮게 감소하였으며, 유기질비료 내 SCGs 바이오차의 함량이 증가함에 따라 토양 EC는 더 낮게 감소하는 경향을 나타내었다. 토양 내 TC 함량의 경우, 시험 전 토양(0.15%)과 control 처리구(0.16%)는 서로 통계적으로 유의한 차이를 나타내지 않는 반면, SCGs 바이오차 기반의 유기질비료를 처리한 토양에서는 유의한 증가를 나타내었다. 그 중에서도, SCGs 바이오차가 50% 포함된 SF50 처리구에서 0.30%로 가장 높았으며, SCGs 바이오차 포함 비율에 따라 0.29% (SF40), 0.23% (SF30), 그리고 0.20% (SF20)으로 분석되었다. 토양 내 잔류하는 N 함량을 분석 시, SCGs 바이오차 포함 비율이 증가함에 따라 토양 내 TN 함량은 증가하는 경향을 나타내었으나, 실제 작물이 흡수하는 무기태 N (Avail. N) 함량은 SCGs 바이오차가 20% 포함된 SF20 처리구에서 62.92 mg·kg-1으로 가장 높았다. 이러한 Avail. N 함량의 경향은 Avail. P 함량과 유사한 경향을 나타내었으며, SF20 처리구에서 47.34%로 가장 높게 분석되었다. 치환성 양이온의 함량 변화를 분석 시, 치환성 K+ 함량은 케일 재배 전과 후에 유의한 차이를 보이지 않은 반면, 치환성 Ca2+, Mg2+, 그리고 Na+ 함량은 모두 케일을 재배하고 난 후에 감소하는 경향을 나타내었다. 가장 높은 치환성 Ca2+과 Mg2+ 함량을 보인 처리구는 SF20 처리구이었으며, 각각 7.70 cmolc·kg-1과 3.52 cmolc·kg-1로 분석되었다.
Table 3.
Change in the chemical properties of soils affected by the varying organic fertilizers.
SFXX, treatments of organic fertilizer containing XX% of spent coffee grounds biochar; EC, electrical conductivity; TC, total carbon; TN, total nitrogen; OM, organic matter; Avail. N, available nitrogen; Avail. P, available phosphorus.
바이오차에 의한 토양 pH 증가는 많은 선행연구에서 바이오차의 높은 pH에 기인하는 것으로 보고되었다(Yoo et al., 2020; Kang et al., 2023a, 2023c; Lee et al., 2023a). 본 연구에서도 SCGs 바이오차를 유기질비료의 원료로 이용하여 유기질비료를 처리한 토양에서 pH가 유의하게 증가한 것으로 판단된다. 또한, 많은 선행연구에서 일반적으로 토양 EC도 바이오차 처리에 따라 증가한다고 보고되었으나(Kang et al., 2023c; Lee et al., 2023a, 2023b; Park et al., 2023), Wang 등(2021)에서는 토양 pH가 5.5 이상일 때, 바이오차의 넓은 비표면적과 음전하의 양이온 흡착으로 인해 토양 EC가 감소한다고 보고하였다. 하지만, Wang 등(2021)의 연구와 달리, 본 연구에서는 SCGs 바이오차의 함량이 증가함에 따라 토양 EC와 치환성 양이온 4종(K+, Ca2+, Mg2+, 및 Na+)의 함량이 감소하여 Dahlawi 등(2018)과 Lee 등(2022b)에서 보고한 바이오차에 의한 물리성 개선의 결과인 염의 침출에 의해 토양 EC가 감소한 것으로 판단된다. 바이오차를 포함한 유기질비료 시용에 따른 토양 내 TC 함량의 증가는 Kang 등(2023a)와 Gao 등(2021)에서 보고한 결과와 일치하는 경향을 나타내었다. 바이오차는 탄소를 분해되지 않는 형태로 반 영구적으로 토양 내에 저장하는 것으로 알려져 있으며, 이러한 특징은 토양 내 TC 함량 증가에 기인한다(Park et al., 2024). 또한, 바이오차는 넓은 비표면적 및 표면의 음전하를 띄는 각종 작용기를 이용하여 N을 흡착한 후, 천천히 공급하는 특징을 가지고 있어 토양 내에 N을 비교적 장시간 보유할 수 있다(Kang et al., 2023a; Lee et al., 2023b). 하지만, 본 연구에서 TN 함량은 통계적 유의한 차이를 보이지 않았고, 케일이 이용가능한 N (Avail. N)의 함량은 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 바이오차를 유기질비료 원료로 활용함에 따라 N 흡착을 담당하는 작용기의 활성을 감소시킬 수 있음을 시사한다(Dahlawi et al., 2018; Lee et al., 2022b). 토양 내 Avail. P 함량의 경우에는 토양 내에서 pH에 의해 가용성이 좌우되며, 토양 pH가 중성(pH 7.0)에 가까워질수록 가용성은 증가하는 것으로 알려져 있다(Lee et al., 2023a, 2024a, 2024b). 본 연구에서도 유기질비료 내 SCGs 바이오차의 함량이 증가함에 따라 토양 pH가 증가하였으며, 이로 인해 토양 내 Avail. P 함량이 증가한 것으로 사료된다.
Change in the agronomic performance of leaf kale affected by the varying SCGs-based organic fertilizers
SCGs 바이오차의 혼합 비율을 달리하여 제조한 유기질비료를 시용하였을 때의 케일 생육 변화는 Table 4에 나타낸 바와 같다. 케일의 수량은 SF50 처리구에서 5.18 Mg·ha-1로 가장 높았으며, 이는 무처리구의 3.64 Mg·ha-1와 비교하였을 때, 1.42배 높은 수준이었다. 또한, 케일의 수량(y)은 유기질비료 내 SCGs 바이오차의 함량(x)이 증가함에 따라 증가하는 경향(y = 0.05x + 2.65, R2 = 0.92)을 나타내었으나, SF20과 SF30 처리구는 서로간 통계적 유의한 차이는 보이지 않았다. 케일을 건조한 후에 측정한 바이오매스량은 수량과 유사한 경향을 나타내었으며, SF50 처리구에서 0.58 Mg·ha-1로 통계적으로 유의하게 높았다. 케일의 엽장 및 엽폭은 SCGs 바이오차를 포함한 유기질비료를 처리한 처리구는 서로 통계적 유의차를 나타내지 않은 반면, control 처리구는 엽장과 엽폭이 각각 23.40 cm와 10.98 cm로 유의하게 낮게 분석되었다. 엽수의 경우, SF50 처리구를 제외한 모든 처리구에서 유의한 차이를 보이지 않았으며, SF50 처리구는 19.00 ea·plant-1로 가장 높게 분석되었다. 엽록소 함량은 모든 처리구에서 유의한 차이를 보이지 않았으나, control 처리구에서 56.76 SPAD value로 가장 낮게 조사되었다.
Table 4.
Growth components of leaf kale affected by the varying organic fertilizers.
각 처리구 별 케일의 탄소(C) 및 양분(N, P2O5, K2O) 함량을 조사한 결과는 Fig. 1에 나타낸 바와 같다. 케일 내 C 함량은 수량이 가장 높았던 SF50 처리구에서 40.07%로 다른 처리구보다 유의하게 증가하였다. 케일 내 N와 K2O 함량도 C 함량과 유사한 경향을 나타내어 SF50 처리구에서 가장 높았으나, P2O5 함량은 상반된 경향을 나타내었다. 케일 내 P2O5 함량은 control 처리구에서 4.95%로 가장 높게 분석되었으나, SF50 처리구를 제외한 다른 처리구와 통계적 유의차를 나타내지 않았다.
유기질비료 시용에 따른 작물의 수량 증대는 많은 선행연구에서 보고된 바 있으며, 유기질비료는 천천히 양분을 공급하는 특징으로 인해 작물의 생육 기간 중 양분을 지속적으로 공급하여 작물의 수량을 증대시킨다고 알려져 있다(Kang et al., 2022, 2023a; Lee et al., 2023b, 2024b). 이러한 원인으로, Lee 등(2023a)은 유기질비료는 무기화 과정을 거쳐 작물이 흡수할 수 있는 양분을 추가로 공급하여 작물 수량을 증진시키다고 보고하였다. 유사하게, Lee와 Sung (2023)에서도 완효성의 특징을 갖는 유기질비료는 토양 내 양분 용탈을 감소시키며, 이는 작물의 양분이용효율을 증가시켜 수량 증진에 기여한다고 보고하였다. 본 연구에서도, 수량이 가장 높은 SF50 처리구에서 작물 내 N 함량이 높게 조사되었으며, 이를 통해 SCGs 바이오차 기반의 유기질비료는 작물의 N 이용효율 개선을 통해 수량을 증대시킨 것으로 판단된다. 또한, Lee 등(2024a)과 Kang 등(2023c)에서는 토양 내 바이오차와 유기질비료와 같은 유기 개량제 처리를 통해 작물의 생육 환경을 개선할 수 있으며, 이는 작물의 수량 증진에 기인한다고 보고하였다. 본 연구에서도 SCGs 바이오차 기반의 유기질비료 시용을 통해 토양의 화학성이 적정 범위 내로 개선됨에 따라 시설 케일의 수량이 향상된 것으로 판단된다.
Conclusion
본 연구는 커피박(SCGs)을 바이오차의 형태로 제조한 후, 혼합 비율(20%, 30%, 40%, 50%; v·v-1)을 달리하여 유기질비료를 제조하였으며, 케일 재배 실험을 실시하였다. 그 결과, 유기질비료 내 SCGs 바이오차 혼합 비율이 증가함에 따라 토양 pH와 탄소, 유기물 함량이 증가하였으며, SCGs 바이오차가 50% 혼합된 SF50 처리구에서 가장 높았다. 또한, 실제 작물 생육과 직결되는 토양 내 P2O5과 K2O 함량은 SCGs 바이오차의 혼합 비율과 유의한 상관관계를 나타내지 않은 반면, 작물이 이용가능한 질소 함량은 SCGs 바이오차와 음(-)의 상관관계를 나타내었다. 그럼에도 불구하고, 케일의 수량은 SF50 처리구에서 5.18 Mg·ha-1로 가장 높았으며, 이는 유기질비료를 처리하지 않은 control 처리구보다 1.42배 높은 수준이었다. 따라서, 유기질비료에 포함된 SCGs 바이오차는 토양 혹은 작물에 직접적으로 양분 공급하지는 못하나, 토양의 물리화학적 특성을 개선하여 작물의 수량을 증진시킬 수 있었으며, SCGs 바이오차의 함량이 증가함에 따라 그 효과는 증대되었다. 본 연구의 결과를 통해 유기질비료의 수입산 원료는 국내에서 제조된 바이오차를 이용하여 대체할 수 있으며, 이는 유기질비료의 사용을 확대시켜 기후변화에 적응하는 지속가능한 친환경 농업을 실천할 수 있을 것으로 기대되는 바이다.