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Food & Chemistry

Korean Journal of Agricultural Science. 1 December 2025. 481-490
https://doi.org/10.7744/kjoas.520407

Short-term effect of biochar application on crop productivity under varying soil pH conditions

Yun-Gu Kang1†
,
Yong-Jun Kim12†
,
Jun-Yeong Lee1
,
Jun-Ho Kim1
,
Jiwon Choi1
,
Ji-Hoon Kim1
,
Taek-Keun Oh13*
1Department of Agricultural Chemistry, College of Agriculture and Life Sciences, Chungnam National University, Daejeon 34134, Korea
2Department of Rural Development, Agricultural & Technology Center, Gongju City Government, Gongju 32528, Korea
3Department of Bio-Environmental Chemistry, College of Agriculture and Life Sciences, Chungnam National University, Daejeon 34134, Korea
*Corresponding Author
†These authors equally contributed to this study as first author.

© 2025 Institute of Agricultural Science, College of Agriculture & Life Sciences, Chungnam National University

License (open-access, https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/):

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

ABSTRACT

This study evaluated the effects of rice husk biochar (pH 11.0) application on soil properties and Kimchi cabbage (Brassica rapa L. cv. Hwanggeumbaechu) yield under different soil pH conditions. Three soil types, including acidic (pH 3.92), neutral (pH 6.59), and alkaline (pH 8.31), were prepared by adjusting an initial upland soil with 0.1 M hydrochloric acid (HCl) or 0.1 M sodium hydroxide (NaOH), while maintaining other chemical properties constant. Rice husk biochar was applied at 1% (w/w) and compared to an inorganic fertilizer application solely. Biochar application significantly increased soil pH, electrical conductivity (EC), total nitrogen (T-N), organic matter (OM), available phosphorus (Avail. P), and exchangeable Ca2+, with the greatest improvements observed in neutral (pH 6.59) upland soils. Kimchi cabbage showed superior uptake performance of the soil NH4+, NO3−, and Avail. P contents in ranging from pH 6.3 to 6.5, declining under excessive soil alkalinity. Biochar treatment enhanced cabbage yield across all pH conditions, with the highest yield (32.28 Mg·ha-1) in neutral soils, indicating 13% greater than the alkaline counterpart. Nutrient use efficiency (NUE) patterns varied: N and P2O5 uptake decreased with increasing pH beyond neutral, whereas K2O uptake increased under alkaline conditions. These findings indicate that rice husk biochar can improve soil fertility and crop productivity, but its effectiveness depends on initial soil pH. Overly alkaline conditions may reduce the benefits by lowering N and P availability despite improved K uptake. Therefore, soil pH assessment should precede biochar application to maximize agronomic and soil improvement effects.

Keywords
Kimchi cabbage
nutrient use efficiency
rice husk biochar
soil fertility
soil pH

MAIN

  • Introduction

  • Materials and Methods

  •   Preparation of experimental materials

  •   Experimental setup

  •   Characterization

  •   Statistical analysis

  • Results and Discussion

  •   Variations in the soil chemical properties by rice husk biochar application under different soil pH conditions

  •   Variations in the agronomic performance of Kimchi cabbage by rice husk biochar application under varying soil pH conditions

  • Conclusion

Introduction

바이오차(biochar)는 다양한 바이오매스를 환원성 조건에서 열분해하여 제조하며, 이는 안정한 방향족 구조를 포함함에 따라 토양 내 장기간 잔류하여 다양한 토양 특성을 개선하는 것으로 알려져 있다(Kang et al., 2023b; 2024a; Lee et al., 2024b; Shin et al., 2024). 토양 내 바이오차 투입에 의한 양분 개선 효율을 보고한 Shin 등(2024)은 계분을 혼합한 왕겨 바이오차 처리량이 증가함에 따라 토양 비옥도 개선 효율이 증가하며, 토양 내 양분 함량이 무처리구 대비 최대 4.2배 증가하였다고 보고하였다. 또한, 바이오차 처리에 의한 토양 pH 개선 효율을 보고한 Kang 등(2024a)에서도 산성화된 토양 내 처리한 바이오차로 인해 토양 pH가 증가함에 따라 케일의 질소(N) 및 인산(P2O5) 흡수 효율이 유의하게 증가하였다고 보고하였다. 이 외에도, 바이오차 처리는 토양 탄소 격리(Kang et al., 2023b; 2024b; Shin et al., 2024), 미생물 활성 증대(Wang and Wang, 2019; Xie et al., 2022; Wijeysingha et al., 2023), 오염물질 제거(Gong et al., 2022; Kang et al., 2023a; Kim et al., 2024; Lee et al., 2024a), 그리고 작물 생산성 증진(Lee et al., 2023; 2024b; Kang et al., 2024a) 등의 효과가 많은 연구들을 통해 입증되었다. 하지만, 약산성 및 중성 pH 범위에서 수행된 선행연구와 달리, 높은 토양 pH 조건에서 바이오차를 처리한 일부 선행연구에서는 이와 상반된 결과를 보고하였다. 그 예로, Kang 등(2025)은 바이오차로 인해 토양 pH가 증가함에 따라 밭 토양에서 발생하는 암모니아(ammonia, NH3)가 증가하여 토양 비옥도가 감소하여 작물 생산성이 감소하였다고 보고하였다. 또한, Rees 등(2014)은 토양 pH에 따라 바이오차의 중금속 제거 효율이 달라지며, 산성화된 토양에서 바이오차 처리는 중금속 제거 효율은 최대 6.94배 증가시킨다고 보고하였다. 이러한 결과는 다양한 토양 pH 조건에서 바이오차에 의한 영향을 객관적으로 평가하는 것이 필요함을 시사한다.

토양 pH는 작물의 양분 흡수 및 미생물의 활성을 결정하는 중요한 인자 중 하나로, 토양 pH에 따라 작물의 양분 이용 효율(nutrient use efficiency, NUE)이 달라져 작물 생산성 향상을 위해서는 재배 작물 및 경지 유형을 고려한 적정 pH를 유지하는 것이 필요하다(Fig. 1). 일반적으로, 국내 농경지 토양은 약산성을 띄는 경향을 보이며, 이는 철(Fe), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 그리고 붕소(B) 흡수에 유리한 환경이다. 반면, 주로 북아프리카, 중동, 그리고 중국 등에서 발견되는 알칼리성 토양은 다른 양분의 흡수가 감소하고, 칼슘(Ca)과 몰리브덴(Mo)의 흡수가 증가한다고 알려져 있다(Truog, 1947). 이와 같이, 바이오차에 의한 토양 pH 교정 효과는 토양 환경에 따라 다르게 작용할 수 있어 토양 pH 별 바이오차 처리에 따른 영향 평가가 필요한 실정이다.

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Fig. 1.

Diagram representing the variations in nutrient use efficiency (NUE) of crop plants under varying soil pH conditions. This diagram was primarily proposed by Truog (1947) and is represented in this study in an adapted form.

따라서, 본 연구에서는 pH 11.0 왕겨 바이오차의 토양 개량 및 작물에 미치는 영향은 초기 토양의 pH에 따라 결정될 것이라는 가설을 설정하였다. 가설 검증을 위한 작물 재배실험에서는 서로 다른 pH를 가진 3종(pH 3.92, pH 6.59, pH 8.31)의 토양에 왕겨 바이오차 처리하였으며, 그에 따른 토양 특성 및 작물 수량 변화를 평가하였다.

Materials and Methods

Preparation of experimental materials

공시 토양은 충남대학교 농업생명과학대학 내 시험 밭 토양에서 채취하였으며, 실외에서 3주간 풍건시킨 후, 2 mm 체에 걸러 배추 재배시험에 이용하였다. 본 연구에서 채취한 토양의 초기 pH는 pH 6.59로 약산성 - 중성 범위에 속하였으며, 이를 산성 및 염기성 토양으로 제조하기 위해 각각 0.1 M hydrochloric acid (HCl) 용액과 0.1 M sodium hydroxide (NaOH) 수용액을 이용하였다. 이때, 각 수용액은 분무기를 이용하여 수분을 제거한 토양 전체에 살포하였으며, 특정 부분에 염이 뭉치는 것을 방지하기 위해 토양을 지속적으로 섞어주었다. 이에 따라, 토양 pH는 산성(pH 3.92), 중성(pH 6.59), 그리고 염기성(pH 8.31)으로 구분하였으며, pH 조정 과정 중 발생할 수 잇는 토양 특성 변화를 방지하기 위해 pH 6.59 토양을 기준으로 pH를 제외한 모든 화학적 특성을 동일하게 조정하였다(Table 1).

Table 1.

Initial chemical characteristics of three types of agricultural soils classified into their pH value.

Sample pH
(1 : 5, H2O) 		EC
(dS·m-1) 		T-N OM NH4+ NO3− Avail. P Exchangeable cations (cmolc·kg-1)
(%) (mg·kg-1) Ca2+ K+ Mg2+ Na+
Soil 3.92 ± 0.11c 0.35 ± 0.03 0.12 ± 0.01 0.24 ± 0.05 9.60 ± 0.89 15.72 ± 0.78 41.39 ± 2.32 7.42 ± 0.19 0.11 ± 0.01 2.18 ± 0.16 0.14 ± 0.01
6.59 ± 0.05b 0.37 ± 0.02 0.12 ± 0.00 0.26 ± 0.04 9.33 ± 0.42 15.54 ± 2.49 42.53 ± 1.29 7.39 ± 0.22 0.10 ± 0.02 2.22 ± 0.09 0.13 ± 0.02
8.31 ± 0.05a 0.33 ± 0.04 0.12 ± 0.01 0.26 ± 0.02 9.42 ± 0.38 15.11 ± 1.83 42.89 ± 1.62 7.38 ± 0.16 0.11 ± 0.03 2.31 ± 0.22 0.16 ± 0.04
p-value *** - - - - - - - - - -

Values are presented as mean ± standard deviation (n = 3).

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

a - c: Different letters denote significant differences from each other within a column, as determined by Duncan’s multiple range test (p < 0.05).

*** represents the statistically significant difference at p < 0.001.

왕겨 바이오차는 충남대학교 부속 논 포장에서 2022년 10월에 채취하여 건조한 왕겨를 600℃에서 30분간 열분해하여 제조하였으며, 왕겨 바이오차의 화학적 특성을 분석한 결과는 Table 2에 나타내었다.

Table 2.

Chemical properties of rice husk biochar used in Kimchi cabbage cultivation.

pH
(1 : 5, H2O) 		EC
(dS·m-1) 		SA
(m2·g-1) 		T-C T-N T-H T-O T-P2O5 K2O CaO MgO C : N ratio H : C ratio
(%)
11.00 ± 0.01 6.59 ± 0.13 5.30 ± 0.05 54.90 ± 0.20 0.60 ± 0.01 2.11 ± 0.01 5.88 ± 1.98 0.21 ± 0.00 0.78 ± 0.09 0.16 ± 0.05 0.07 ± 0.03 91.5 0.46

Values are presented as mean ± standard deviation (n = 3).

EC, electrical conductivity; SA, surface area; T-C, total carbon; T-N, total nitrogen; T-H, total hydrogen; T-O, total oxygen; T-P2O5, total phosphorus pentoxide.

These chemical characteristics of rice husk biochar, involved in this study, were primarily introduced in Kang et al. (2024b).

Experimental setup

작물 생육 평가는 충남대학교 농업생명과학대학 부속 유리온실에서 2024년 10월 14일부터 12월 13일까지 총 60일간 가을배추(Brassica rapa L. cv. Hwanggeumbaechu)를 이용하여 실시하였으며, 1/5,000 a 크기의 Wagner pot를 이용하여 3반복 수행하였다. 처리구 구성은 크게 바이오차 처리 유무에 따라 구분하였으며, 바이오차를 처리하지 않은 대조구(control)는 무기질비료만 처리되었다. 왕겨 바이오차는 토양 중량 대비 1% (w/w)를 처리하여 토양과 충분히 혼합한 후, 가을배추 재배실험에 이용되었다. 또한, 가을배추 재배관리에 따른 영향을 최소화하기 위해 무기질비료는 시설배추 표준 시비량(N-P2O5-K2O = 178-30-73 kg·ha-1)에 준하여 모든 처리구에 처리하였으며, 관수 및 일조시간도 모두 동일하게 각각 일 1회 및 8시간으로 적용되었다. 재배 중 사용된 농업용수의 pH와 전기전도도(electrical conductivity, EC)는 각각 pH 7.18와 0.33 dS·m-1이었으며, 총 질소(total nitrogen, T-N), 총 인산(total phosphorus, T-P), 그리고 총 유기탄소(total organic carbon, TOC) 함량은 각각 4.82 mg·L-1, 0.15 mg·L-1, 그리고 0.78 mg·L-1이었다.

Characterization

공시 토양과 바이오차의 pH는 시료와 증류수를 각각 1 : 5 (w/v)와 1 : 10 (w/v)의 비율로 혼합한 후, benchtop meter with pH and EC probe (ORIONTM Versa Star ProTM, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)를 이용하여 측정하였으며, 각 시료의 EC도 동일하게 분석되었다. 시료 내 총 탄소(total carbon, T-C), T-N, 총 수소(total hydrogen, T-H), 총 산소(total oxygen, T-O) 함량은 105℃에서 건조시킨 시료를 elemental analyzer (CHN828, Leco Corp., USA)로 분석하였다. 또한, 토양 내 T-C 함량은 토양 유기물(organic matter, OM) 환산계수(1.724)를 이용하여 OM 함량의 형태로 나타내었다(Shin et al., 2024). 토양 내 NH4+ 및 NO3- 함량은 Indophenol blue 법과 Brucine 법을 이용하여 각각 분석하였으며, 유효 인산(available phosphorus, Avail. P) 함량은 Lancaster 법에 준하여 UV/Vis-spectrophotometer (GENESYS50, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)로 비색정량하였다. 토양 내 교환성 양이온 4종(K+, Ca2+, Mg2+, Na+)과 바이오차 내 T-P 및 무기조성(K2O, CaO, MgO) 함량은 유도결합플라즈마 분광 분석법(inductively coupled plasma-optical emission spectrometer, ICP-OES; ICAP Pro, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)를 이용하여 분석하였다. 다양한 pH 조건의 토양 내 바이오차 처리에 따른 가을배추 생육은 Lee 등(2023) 및 Kim 등(2025)에서 제시한 생육 조사 방법에 따라 평가되었으며, 총 6종(예, 수량, 수분함량, 엽장, 엽폭, 엽수, 그리고 엽록소 함량)의 항목을 평가하였다. 또한, 생육조사를 마친 시료는 열풍 건조한 후, elemental analyzer와 ICP-OES를 이용하여 가을배추 내 양분(N, P2O5, K2O) 함량을 분석하여 pH 별 토양 내 바이오차 적용에 따른 작물의 양분 흡수 효율을 비교하였다.

Statistical analysis

본 연구에서는 3반복 실시한 가을배추 재배실험의 결과를 평균과 표준편차(standard deviation, SD)의 형태로 제시하였으며, 각 처리구 간 통계적 유의차는 SPSS 프로그램을 이용하여 95% 신뢰수준(confidence level, p)에서 분석하였다. 또한, 던컨의 다중검정을 이용하여 사후분석을 실시하였으며, 그 결과는 알파벳 소문자의 형태로 결과 내에 나타내었다.

Results and Discussion

Variations in the soil chemical properties by rice husk biochar application under different soil pH conditions

pH가 서로 다른 토양 내 왕겨 바이오차 처리에 따른 토양 화학적 특성 변화를 분석한 결과는 Table 3에 나타내었다. 토양 pH는 왕겨 바이오차를 처리함에 따라 증가하였으며, 산성(pH 3.92) 토양은 pH가 1.37배 증가한 반면, 중성과 알칼리성 토양에서는 각각 1.13배와 1.09배 증가하였다. 토양 EC, T-N, 그리고 OM 함량도 토양 pH 변화와 유사한 경향을 나타내었으나, 초기 토양 pH에 따른 유의한 차이는 보이지 않았다. 또한, 토양 OM 함량은 왕겨 바이오차를 처리하지 않은 토양에서 유의하게 감소하는 경향을 나타내었다. T-N 및 OM 함량은 왕겨 바이오차를 처리한 중성(pH 6.59) 토양에서 각각 0.29%와 0.54%로 산성 및 염기성 토양보다 유의하게 높았다. 교환성 양이온 함량은 무기질비료 및 왕겨 바이오차 처리에 따라 모든 처리구에서 증가하였으나, 교환성 Na+ 함량은 왕겨 바이오차 처리에 따른 유의한 변화를 나타내지 않았다. 교환성 Ca2+ 함량의 경우, 중성 토양에 왕겨 바이오차를 처리함에 따라 7.85 cmolc·kg-1으로 가장 높게 증가하였으나, 교환성 Mg2+ 함량은 왕겨 바이오차를 처리한 알칼리성(pH 8.31) 토양에서 3.07 cmolc·kg-1로 가장 높았다. 이러한 토양의 화학적 특성 변화는 바이오차의 토양 개선 효과가 토양 pH에 따라 달라질 수 있음을 시사하며, pH 6.59 이상인 조건의 토양에서는 pH가 증가함에 따라 바이오차에 의한 토양 비옥도 향상 효과가 감소할 것으로 판단된다.

Table 3.

Variations in the chemical properties of upland soils affected by rice husk biochar application under different soil pH conditions.

Classification pH
(1 : 5, H2O) 		EC
(dS·m-1) 		T-N OM Exchangeable cations (cmolc·kg-1)
(%) Ca2+ K+ Mg2+ Na+
Control Acid 4.29 ± 0.01f 0.40 ± 0.00b 0.11 ± 0.01d 0.22 ± 0.01c 7.31 ± 0.06c 0.14 ± 0.01b 2.55 ± 0.14c 0.15 ± 0.03
Neutral 6.72 ± 0.07d 0.43 ± 0.00b 0.11 ± 0.01d 0.23 ± 0.01c 7.33 ± 0.03c 0.13 ± 0.02b 2.54 ± 0.03c 0.17 ± 0.02
Alkaline 8.55 ± 0.10b 0.42 ± 0.00b 0.11 ± 0.02d 0.22 ± 0.00c 7.26 ± 0.11c 0.14 ± 0.01b 2.57 ± 0.04c 0.18 ± 0.01
Biochar 
application 		Acid 5.24 ± 0.02e 0.51 ± 0.00a 0.20 ± 0.02c 0.46 ± 0.03b 7.54 ± 0.22ab 0.19 ± 0.03a 2.72 ± 0.07b 0.18 ± 0.00
Neutral 7.47 ± 0.06c 0.53 ± 0.01a 0.29 ± 0.01a 0.54 ± 0.01a 7.85 ± 0.08a 0.18 ± 0.02a 2.83 ± 0.15ab 0.18 ± 0.01
Alkaline 9.13 ± 0.07a 0.52 ± 0.00a 0.25 ± 0.02b 0.46 ± 0.07b 7.56 ± 0.14b 0.18 ± 0.03a 3.07 ± 0.06a 0.19 ± 0.02
p-value ** *** ** * * * ** ns

Values are presented as mean ± standard deviation (n = 3).

EC, electrical conductivity; T-N, total nitrogen; OM, organic matter.

a - f: Different letters denote significant differences from each other within a column, as determined by Duncan’s multiple range test (p < 0.05).

*, **, and *** represent the statistically significant differences at p < 0.05, p < 0.01, and p < 0.001; ns, not significant.

초기 토양의 pH 값에 따른 NH4+, NO3-, 그리고 Avail. P 함량의 변화는 Fig. 2에 나타내었다. 토양 pH가 증가함에 따라 NH4+ 함량도 증가하여 중성 범위에서 가장 높은 NH4+ 함량(14.95 mg·kg-1)을 나타내었으나, 토양 pH가 6.42 이상으로 증가함에 따라 NH4+ 함량은 점차 감소하는 경향을 나타내었다(Fig. 2A). 토양 NO3- 함량도 유사하게 왕겨 바이오차 처리로 인해 증가하였으며, 중성 토양에서 24.66 mg·kg-1으로 가장 높은 NO3- 함량을 나타내었다. 다만, NO3- 함량은 NH4+ 함량보다 낮은 토양 pH에서 감소하여 pH 6.10 이상으로 증가할수록 감소하였다(Fig. 2B). 토양 pH 변화에 따른 Avail. P 함량은 가장 큰 변화폭을 나타내어 토양 pH가 pH 4.29에서 pH 7.47로 증가함에 따라 토양 내 Avail. P 함량은 36.94 mg·kg-1에서 56.50 mg·kg-1으로 증가하였으며, 왕겨 바이오차를 처리한 중성 토양에서 Avail. P 증진 효율이 가장 우수하였다(Fig. 2C).

많은 선행연구의 보고와 같이, 본 연구에서도 왕겨 바이오차 처리는 토양 pH 및 OM 함량을 증가시켰으며, 이는 왕겨 바이오차의 높은 pH와 TC 함량에 기인하는 것으로 알려져 있다(Peng et al., 2011; Haider et al., 2022; Kang et al., 2023a; 2024a; Lee et al., 2024a; 2024b). 또한, 왕겨 바이오차는 표면의 작용기 및 미세기공 구조를 통해 양분을 흡착함에 따라 토양 EC 증가를 유도하였으며, 이는 바이오차의 토양 내 양분 흡착으로 인해 EC가 증가한다는 Wang 등(2021)과 Shin 등(2024)의 연구와 일치하는 경향이었다. 또한, 바이오차에 의한 양분 고정은 교환성 양이온 함량을 증진시키는 것으로 보고되었으며, Jeon 등(2024)은 토양 내 유기개량제의 처리량이 증가함에 따라 교환성 K+ 및 Ca2+ 등과 같은 양이온 함량이 높게 증가하였다고 보고하였다. 무기태 N인 NH4+ 및 NO3- 함량은 토양 pH에 따라 거동이 달라지며, Kang 등(2023a)은 토양 pH가 7.0 이상으로 증가함에 따라 NH4+가 NH3 가스 형태로 형태가 전환되어 토양 내 무기태 N 함량이 감소한다고 보고하였다. 또한, Xie 등(2020)은 바이오차 표면의 음(-)전하를 이용하여 NH4+를 흡착함에 따라 NO3- 생성하는 토양 질산화 과정을 저해하여 토양 내 NH4+ 함량을 증가시키고, 휘산되는 N을 방지한다고 보고하였다. 토양 내 P2O5의 거동을 보고한 Lee 등(2024b)은 P2O5의 가용성은 토양 pH가 약산성에서 중성 범위일 때 가장 우수하며, 토양 pH가 알칼리성으로 증가함에 따라 P2O5의 가용성은 점차 감소한다고 보고하였다. 본 연구에서도 왕겨 바이오차 처리로 인해 토양 pH가 과도하게 증가하여 토양 내 양분 함량이 감소하였으며, 이는 작물이 양분을 효율적으로 이용하기 위해서는 반드시 바이오차 처리 전에 토양 pH를 확인하는 것이 필요함을 시사한다.

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Fig. 2.

Variations in the soil NH4+ (A), NO3- (B), and Avail. P (C) contents of rice husk biochar-amended upland soils under different soil pH conditions.

Variations in the agronomic performance of Kimchi cabbage by rice husk biochar application under varying soil pH conditions

토양 pH 조건 별 왕겨 바이오차 처리에 따른 가을배추의 생육 변화를 분석한 결과는 Table 4에 나타내었다. 가을배추의 수량은 초기 토양 pH에 의해 결정되었으며, 토양 pH가 중성에서 알칼리성으로 증가함에 따라 가을배추 수량은 감소하는 경향을 나타내었다. 가장 높은 가을배추 수량은 왕겨 바이오차를 처리한 중성 토양의 32.28 Mg·ha-1이었으며, 이는 왕겨 바이오차를 처리하지 않은 중성 토양보다 1.13배 높은 수준이었다. 알칼리성 토양의 경우, 왕겨 바이오차 처리로 인해 가을배추 수량은 24.93 Mg·ha-1에서 28.62 Mg·ha-1로 증가하였으나, 동일 조건의 중성 토양보다 각각 13% 및 11% 낮은 수량을 나타내었다(Fig. 3). 가을배추 내 수분함량은 모든 처리구에서 유의한 차이를 나타내지 않았으나, 왕겨 바이오차를 처리한 산성 토양에서 94.61%로 가장 높았다. 가을배추의 엽장, 엽폭, 그리고 엽수는 적정 pH 범위(pH 5.5 - 6.5)의 토양에 왕겨 바이오차를 처리함에 따라 유의하게 증가하였으며, 왕겨 바이오차를 처리한 중성 토양에서 각각 25.03 cm, 12.47 cm, 그리고 27.00 ea·plant-1로 가장 높았다. 이와 반대로, 엽록소 함량은 왕겨 바이오차를 처리함에 따라 소폭 감소하는 경향을 나타내었으나, 모든 처리구 간의 통계적 유의한 차이는 보이지 않았다.

Table 4.

Growth characteristics of Kimchi cabbage affected by rice husk biochar application under the different soil pH conditions.

Classification Yield
(Mg·ha-1) 		Moisture (%) Leaf Chlorophyll content
(SPAD)
Length Width Counts
(cm) (ea·plant-1)
Control Acid 26.07 ± 0.13c 92.30 ± 1.99 17.96 ± 0.57d 8.29 ± 1.08cd 20.00 ± 3.61b 42.06 ± 6.24
Neutral 28.63 ± 0.12b 92.60 ± 0.34 21.12 ± 1.26bc 9.34 ± 0.90c 26.00 ± 2.65a 43.08 ± 2.83
Alkaline 24.93 ± 0.37d 89.18 ± 1.43 18.09 ± 0.55d 7.81 ± 0.88d 17.67 ± 0.58c 39.50 ± 5.47
Biochar 
application 		Acid 30.14 ± 2.40ab 94.61 ± 0.50 19.58 ± 1.43c 9.84 ± 0.77c 16.00 ± 4.36c 39.90 ± 3.60
Neutral 32.28 ± 0.75a 93.25 ± 1.32 25.03 ± 0.96a 12.47 ± 0.28a 27.00 ± 3.46a 39.11 ± 4.73
Alkaline 28.62 ± 2.04b 91.18 ± 1.77 23.76 ± 0.60b 11.06 ± 0.14b 24.33 ± 3.21ab 40.07 ± 4.95
p-value ** ns * ** *** ns

Values are presented as mean ± standard deviation (n = 3).

a - d: Different letters denote significant differences from each other within a column, as determined by Duncan’s multiple range test (p < 0.05).

*, **, and *** represent the statistically significant differences at p < 0.05, p < 0.01, and p < 0.001; ns, not significant.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kjoas/2025-052-04/N0030520407/images/kjoas_2025_524_481_F3.jpg
Fig. 3.

Scatter plot representing the changes in Kimchi cabbage yield influenced by pH 11.0 rice husk biochar application under different soil pH conditions.

각 처리구 별 가을배추의 전체 양분 흡수율을 조사한 결과, 수량이 가장 높았던 왕겨 바이오차를 처리한 중성 토양에서 가장 높게 증가하였으며, 각 양분 별 흡수율은 토양 pH에 따라 상이한 경향을 나타내었다(Table 5). 가을배추의 N 흡수 효율은 왕겨 바이오차를 처리함에 따라 모든 처리구에서 증가하였으나, 토양 pH가 중성에서 알칼리성으로 높아질수록 N 흡수율은 감소하였다. 가을배추 내 P2O5 이용 효율은 왕겨 바이오차를 처리한 산성 토양에서 가장 우수하였으며, 토양 pH가 낮을수록 P2O5 흡수율은 증가하였다. 반면, 토양 pH가 높아짐에 따라 K2O 이용 효율은 증가하여 왕겨 바이오차를 처리한 알칼리성 토양에서 3.06%로 가장 높은 K2O 함량을 나타내었다.

Table 5.

Constituent elements content of Chinese cabbage.

Treatment C N P2O5 K2O
(%, w/w)
Control 38.80 ± 0.26 1.69 ± 0.02d 0.29 ± 0.03 2.50 ± 0.02d
38.70 ± 0.30 2.12 ± 0.04b 0.25 ± 0.07 2.58 ± 0.05cd
38.30 ± 0.30 2.00 ± 0.04b 0.23 ± 0.04 2.68 ± 0.04c
Biochar 37.20 ± 0.66 1.82 ± 0.05c 0.32 ± 0.02 2.87 ± 0.07b
38.70 ± 0.82 2.52 ± 0.07a 0.31 ± 0.04 2.94 ± 0.05ab
39.00 ± 0.72 1.64 ± 0.32d 0.30 ± 0.03 3.06 ± 0.03a
p-value ns ** ns *

Values are presented as mean ± standard deviation (n = 3).

a - d: Different letters denote significant differences from each other within a column, as determined by Duncan’s multiple range test (p < 0.05).

* and ** represent the statistically significant differences at p < 0.05 and p < 0.01; ns, not significant.

많은 선행연구에서 보고된 바와 같이, 본 연구에서도 바이오차 처리에 의해 가을배추 수량이 증대되었으며, 이는 토양 pH가 약산성에서 중성 범위일 때 더 효과적이었다(Wang et al., 2021; Lee et al., 2023; 2024b; Jeon et al., 2024; Kang et al., 2024a; 2024b; Kim et al., 2025). 바이오차는 표면의 다양한 작용기 및 미세 기공구조를 이용하여 양분 흡착할 수 있으며, 이는 유기질비료와 같이 양분을 천천히 공급하여 작물의 NUE를 향상시킬 수 있다(Lee and Sung, 2023; Kang et al., 2024a). 본 연구에서도 가을배추 생육기간 중 왕겨 바이오차가 토양 내에서 양분을 서서히 공급하면서 토양 내 작물이 이용가능한 양분이 높게 유지됨에 따라 작물의 수량이 향상되었다고 판단하였으며, 이는 토양 내 양분 함량을 분석한 결과와 일치하였다(Table 3). 또한, 토양 내 높은 가용성 양분 함량은 가을배추의 양분 흡수 효율에도 영향을 미쳤으며, 토양 비옥도가 높을수록 가을배추 내 흡수된 양분 함량이 높게 유지되는 경향을 나타내었다(Park et al., 2024). 비록 왕겨 바이오차의 양분 흡착 기능으로 인해 토양 내 비옥도가 개선되어 작물 생산성 및 양분 흡수 효율이 증가되었음에도, 가을배추의 NUE 차이는 초기 토양의 pH에 따라 결정되었다. 왕겨 바이오차 처리로 인해 토양 pH가 과도하게 증가한 왕겨 바이오차를 처리한 알칼리성 토양에서는 무기질비료를 단독처리한 알칼리성 토양보다 1.15배 높았으나, 동일 조건의 산성 및 중성 토양보다는 각각 1.05배와 1.13배 낮은 수준이었다. 토양 내 N 및 P2O5 흡수 효율도 토양 pH가 중성에서 알칼리성으로 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내어 토양 pH와 양의 상관관계를 나타내었다. 연구결과를 정리하면, 왕겨 바이오차 처리는 토양 비옥도를 개선하여 작물 수량을 증진시킬 수 있으나, 알칼리성 pH를 나타내는 토양에서는 그 효과가 다소 감소할 수 있어 바이오차 시용 전 반드시 토양 pH를 확인하는 것이 필요할 것으로 생각된다.

Conclusion

본 연구는 서로 다른 토양 pH 조건에서 pH 11.0 왕겨 바이오차 처리에 따른 토양 특성 및 가을배추 수량에 미치는 영향을 평가하였으며, 토양 pH는 0.1 M HCl과 0.1 M NaOH를 이용하여 pH 3.92 (산성), pH 6.59 (중성), 그리고 pH 8.31 (알칼리성)으로 구분하였다. 왕겨 바이오차 처리는 전기전도도를 유의하게 증가시켰으나, 초기 토양 pH에 따른 유의한 차이는 보이지 않았다. 토양 내 질소, 인산, 유기물, 그리고 교환성 Ca2+ 함량도 왕겨 바이오차 처리로 인해 증가하는 경향을 나타내었으며, 이는 토양 pH가 중성 범위일 때 가장 높게 증가하였다. 이러한 토양 비옥도 증가는 가을배추의 생산성 증대로 이어졌으며, 왕겨 바이오차를 처리한 중성 토양에서 32.28 Mg·ha-1로 가장 높은 수량을 나타내었다. 알칼리성 토양의 경우, 왕겨 바이오차 처리로 인해 토양 비옥도가 개선됨에 따라 가을배추 수량이 증가하였으나, 과도하게 높은 토양 pH로 인해 동일 조건의 산성 및 중성 토양보다 낮은 가을배수 생산성을 나타내었다. 따라서, 본 연구에서 바이오차 처리는 작물 생산성 향상 및 토양 비옥도 증진에 효과적이었으나, 그 효율은 토양 pH에 따라 달라질 수 있어 바이오차 시용 전 토양 pH를 확인하는 것이 필요하다.

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, Korea (Project No. RS-2022-RD010351).

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