Introduction
Materials and Methods
공시 재료
LF 사용량 계산
시설 오이 재배시험
공시 재료의 특성 규명
통계 분석
Results and Discussion
LF 처리에 따른 시설 오이의 수확량 평가
LF 처리 유무에 따른 토양 화학성 평가
Conclusion
Introduction
2023년 기준 국내 가축분뇨 발생량은 약 5,087만 톤 수준으로, 발생한 가축분뇨의 약 85% (퇴비 73%, 액비 12%)는 농업적 재활용을 통해 처리되고 있다(MAFRA, 2024). 특히, 국내 농경지에서는 무기질비료 사용 감축을 위한 방안으로 가축분뇨 기반의 유기질비료를 사용하고 있으며, 이는 토양의 양분 공급 외에도 물리화학적 특성을 개선하여 농업생산성을 향상시키고 토양환경을 보전할 수 있다(Rayne and Aula, 2020; Kang et al., 2023). 그러나, 무기질비료와 달리 가축분뇨로 제조한 비료는 비료 내 양분 함량이 균일하지 않고, 사료의 종류 혹은 가축의 사육환경에 따라 특성이 변화하며, 비료화 과정 중 환경적 요인에 따라 성분의 변동성이 크게 나타난다(NAS, 2010; JBARES, 2017). 이러한 가축분뇨로 제조한 비료의 특성은 상대적으로 무기질비료보다 편의성과 농가의 사용 선호도를 감소시키는 요인으로 작용한다(NAS, 2010; Kang and Roh, 2011; Kim et al., 2018). 이로 인해, 국내에서는 가축분뇨를 원료로 하는 비료의 농가 편의성 향상과 관련된 연구가 활발하게 수행되고 있다(Kim et al., 2022; Shim et al., 2022; Le et al., 2024).
가축분뇨를 비료로 활용하기 위해 다양한 연구가 수행되고 있으며, 이는 고형물과 액상물로 분류되어 각기 다른 방법으로 활용되고 있다. 그 중, 돈분은 수분함량이 약 97%에 달하여 액상물을 대상으로 농업적 자원화 연구가 수행되고 있으며, 우분과 계분의 경우에는 고형물을 대상으로 자원화 연구가 진행되고 있다(Jeong et al., 2022). 가축분뇨의 고형물을 상대적으로 다양하게 활용되고 있으며, 퇴비 및 바이오차의 제조 원료로 활용되고 있다. 그 중, 바이오차의 제조 원료로 가축분뇨를 이용한 Lee 등(2024)은 식물성 원료를 사용하였을 때보다 가축분뇨를 원료로 제조한 바이오차의 작물 수확량 증대 효과가 1.89배 높았다고 보고한 바 있다. 반면, 액상물의 경우, 대부분 액비의 형태로만 활용되나, 이는 사용을 위한 추가 시설을 요구하는 경우가 많아 고형물에 비해 상대적으로 활용의 폭이 좁은 편이다. 이에 따라, Park 등(2010)과 Park 등(2011)은 가축분뇨 중 액비를 비료로 활용하기 위한 다양한 방법론을 제시하였으며, 방법론의 주된 내용은 사용의 편의성이 고려된 가축분뇨의 비료화는 효과적으로 무기질비료를 대체할 수 있다고 보고하였다. 또한, 액비가 주로 사용되는 논을 제외한 다른 농경지로 사용 범위를 확장시키는 것이 필요하다고 보고하였다(Park et al., 2011).
따라서, 본 연구에서는 가축분뇨를 활용하여 제조한 비료 중 액체 형태인 여과된 액비(liquid fraction of livestock manure, LF)를 시설 오이 재배지에 공급하였을 때, 시설 오이의 생산량과 토양의 화학적 특성에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.
Materials and Methods
공시 재료
작물 재배 기간 중 LF 처리에 따른 시설 오이 생산량 평가는 강원특별자치도 횡성군 우천면 양적리 582 (128°3′11.21″, 37°27′34.27″)에 위치한 무가온 비닐하우스에서 실시하였다. 비닐하우스 내 시험 토양은 2년간 지속적으로 시설 오이를 재배한 사양토(sandy loam) 토양이었으며, 토양 유형 및 통은 각각 사질답과 고천통으로 조사되었다. 시험 전 토양의 화학적 특성을 분석한 결과는 Table 1에 나타낸 바와 같다.
Table 1.
Chemical properties of soil used in this experiment.
pH | OM | P2O5 | K2O | CaO | MgO | EC |
(g·L-1) | (dS·m-1) | |||||
7.0 ± 0.11 | 33 ± 0.02 | 1,126 ± 0.01 | 1.13 ± 0.05 | 9.9 ± 0.13 | 2.51 ± 0.07 | 1.1 ± 0.19 |
본 연구에서 사용된 LF는 기존 농가에 설치된 관비시설을 활용하기 위해 돼지분뇨를 호기적 조건(aerobic state)에서 충분히 발효시킨 후, 120 mesh 여과기로 걸러 부유 유기물을 모두 제거한 후에 실험에 이용하였다. 여과를 거치지 않은 액비는 부유물이 다량 포함되어 있으며, 이는 기존에 설치된 관비시설을 활용하지 못해 농가의 경제적 부담을 가중시키는 원인으로 작용하기 때문에 본 연구에서는 기존의 관비시설을 활용하기 위한 방안으로 여과한 액비를 사용하였다. 시설 오이 재배시험에 사용한 LF의 화학적 특성을 분석한 결과는 Table 2에 나타낸 바와 같으며, Table 3은 LF 내 중금속 함량을 조사한 결과이다.
Table 2.
Chemical properties of liquid fraction of livestock manure used in this experiment.
pH |
EC (dS·m-1) | OM | TN | NO3-N | NH4-N | P2O5 | K2O | CaO | MgO |
NaCl (%) |
(g·L-1) | ||||||||||
8.57 ± 0.15 | 14.38 ± 1.19 | 1.12 ± 0.01 | 1.64 ± 0.02 | 0.38 ± 0.02 | 0.82 ± 0.20 | 0.10 ± 0.01 | 3.26 ± 0.07 | 0.12 ± 0.03 | N.D. | 0.12 ± 0.01 |
Table 3.
Heavy metal concentrations of liquid fraction of livestock manure used in this experiment.
As | Cd | Cr | Cu | Fe | Hg | Mn | Mo | Ni | Pb | Zn |
(mg·L-1) | ||||||||||
N.D. | N.D. | N.D. | 1.41 ± 0.13 | 37.13 ± 2.35 | N.D. | 2.17 ± 0.33 | 1.48 ± 0.19 | N.D. | N.D. | 15.95 ± 1.72 |
LF 사용량 계산
실험에 사용한 LF는 농촌진흥청에서 고시한 비료공정규격 설정 내 부산물비료 중 가축분뇨 발효액의 기준을 따라 시설 오이 재배실험에 이용하였으며, 살포 기준은 가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률 시행규칙에 준하여 설정하였다. 각 처리구 별 비료 시용량은 농촌진흥청 국립농업과학원에서 제시한 시설 오이의 비료사용처방에 준하여 실시하였으며, LF는 아래 식(1)(질소 소요량 계산식)을 이용하여 처리량을 산출하였다(RDA, 2016).
시설 오이 재배시험
본 연구에서 LF 처리에 따른 시설 오이(Cucumis sativus L. cv. Chwi-cheong) 생육을 평가하기 위해 2023년 7월 27일부터 10월 6일까지 총 71일간 시설 오이 재배시험을 실시하였으며, 비닐하우스 내 시설 오이의 정식 밀도는 2,760 plants·10 a-1이었다. 처리구는 비료 무처리구(untreated unit, Control), 화학비료 단독 처리구(inorganic fertilizer, IF), 그리고 화학비료와 LF를 혼합한 처리구(liquid fraction of livestock manure and inorganic fertilizer, LF+IF)의 총 3개로 설정하였다. IF 처리구는 10 a를 기준으로 양분(N, P2O5, K2O)을 각각 37.88 kg N, 32.25 kg P2O5, 그리고 37.88 kg K2O을 처리한 반면, LF+IF 처리구에서는 42.45 kg N·10 a-1, 11.77 kg P2O5·10 a-1, 그리고 40.16 kg K2O·10 a-1를 처리하였다. 모든 처리구에는 시설 오이의 표준 사용량에 따라 동일한 양의 퇴비를 처리하였다(NAS, 2019). 사용한 비료의 종류, 총 투입량, 사용 시기, 그리고 분시 횟수는 Table 4에 나타내었다. 시설 오이의 수확은 정식 36일 후부터 한달(2023. 9. 6. - 10. 6.) 간 실시하였으며, 일 별 생산량을 모두 합하여 시설 오이의 총 생산량을 계산하였다. 비닐하우스 내 시설 오이의 재배환경에 영향을 미칠 수 있는 환경요인(강수량, 평균 대기기온)을 조사한 결과는 Fig. 1에 나타내었다.
Table 4.
Experimental schedule for evaluating agronomic performance of liquid fraction of livestock manure.
공시 재료의 특성 규명
시험 토양의 물리화학적 특성 분석은 농촌진흥청의 토양 및 식물체 화학성 분석법에 준하여 실시하였다(RDA, 2016). 토양 시료는 경운 작업 이후, 총 3회(비료 처리 전, 시설 오이 1차 수확 전, 시설 오이 27차 수확 후)에 걸쳐 채취하여 수분을 모두 풍건하였으며, 2 mm 체로 걸러 분석에 이용하였다. 토양의 pH와 전기전도도(electrical conductivity, EC)의 경우, 토양 5 g을 증류수 25 mL (1 : 5, w·v-1)로 희석하여 이온전극법(ORION VersaStar Meter, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)으로 각각 분석하였다. 토양 내 유기물(organic matter, OM) 함량은 Tyurin법을 이용하여 적정하였으며, 토양 무기형태의 질소(NH4+, NO3-) 함량은 Kjeldahl 증류법을 이용하여 정량하였다. 토양 내 유효 인산(available phosphorus, Avail. P)의 함량은 Lancaster법을 기반으로 분광광도계(GENESYS50, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)로 비색정량하였다. 치환성 양이온 중 K+, Ca2+, 그리고 Mg2+ 함량은 1.0 N ammonium acetate (CH3COONH4, pH 7.0) 수용액을 이용하여 침출한 액을 유도결합플라즈마 분광분석기(Integra, GBC Scientific Equipments, Australia)를 사용하여 측정하였다.
LF의 분석은 농촌진흥청에서 고시한 비료의 품질검사방법 및 시료채취 기준에 준하여 실시하였다(RDA, 2016). LF 내 질소(N) 전량은 황산법을 기반으로 일정량의 시료를 취하여 Kjeldahl로 분해한 후, 증류하여 적정하였으며, 인산(P2O5)과 칼리(K2O) 전량은 질산을 혼합한 용액으로 microwave로 분석하였다. LF의 중금속 5종(Cu, Fe, Mn, Mo, Zn) 함량은 유도결합 플라즈마(7300dv, Perkin Elmer, USA)를 이용하여 분석하였다.
통계 분석
본 연구에서 처리구간 통계적 유의차는 SPSS 통계 소프트웨어(IBM SPSS Statistics version 26, IBM, USA) 내 분산 분석(one-way ANOVA)을 이용하여 95% 신뢰수준에서 유의성 검증을 수행하였다. 사후 검정은 던컨의 다중검정 법을 이용하여 각 처리구 별 유의차에 따라 알파벳 소문자로 표기하였다.
Results and Discussion
LF 처리에 따른 시설 오이의 수확량 평가
비료 처리 방식에 따른 시설 오이의 총 수확량을 평가한 결과는 Fig. 2에 나타낸 바와 같다. 시설 오이의 총 수확량은 비료를 처리한 토양에서 모두 유의하게 증가하였으며, 특히 IF와 LF+IF 처리구에서 각각 3,726 kg·ha-1와 3,715 kg·ha-1로 분석되어 두 처리구 사이에서 통계적으로 의한 차이를 보이지 않았다. 비료를 처리하지 않은 Control 처리구의 시설 오이 총 수확량은 2,484 kg·ha-1로 다른 처리구보다 유의하게 낮은 수준(p < 0.01)이었으며, 이를 기준으로 IF와 LF+IF 처리구의 시설 오이 생산성 비교 시, 시설 오이 수확량이 각각 1.50배와 1.49배가 증진되었음을 확인할 수 있었다. 무기질비료와 LF를 처리함에 따른 시설 오이의 수확량 변화를 시기 별로 분석하기 위해 수확 시기에 따라 시설 오이의 수확량을 세분화하였으며, 이러한 결과는 Fig. 3에 나타내었다. IF 처리구는 총 27회의 수확 시기 중 13차 수확 시에 241.5 kg·ha-1로 시설 오이의 수확량이 가장 높았으며, LF+IF 처리구에서는 222.0 kg·ha-1으로 5차 수확 시에 가장 높은 수확량을 나타내었다. 또한 14회차를 기준으로 수확 시기(초기, 1 - 14차; 후기, 15 - 27차)를 구분하였을 때, 초기 시설 오이의 누적 수확량은 무기질비료를 처리한 IF 처리구에서 높았던 반면, 후기의 시설 오이의 누적 수확량은 LF+IF 처리구(1,374.0 kg·ha-1)에서 1.06배 높게 조사되었다. 이러한 결과는 시설 오이를 재배하는 기간에 따라 비료의 종류를 선정하는 것이 시설 오이의 수확량을 효과적으로 향상시키는 데에 도움이 됨을 나타낸다. 즉, 시설 오이를 비교적 짧은 기간 재배하여 수확을 하는 경우에는 무기질비료를 사용하였을 때, 수확량을 유의하게 증가시킬 수 있으나, 재배 기간이 상대적으로 긴 경우에는 LF와 무기질비료를 함께 처리하는 것이 시설 오이 수확량 향상에 유리할 것으로 판단된다.
이러한 결과는 시설하우스에서 시설 오이를 재배하였을 때, 작물의 수확량은 비료를 처리한 토양에서 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았으며, 이를 통해 작물의 필요한 양분을 공급함에 있어 비료의 종류는 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다. 그러나, 가축분으로 제조한 액비를 활용하여 시설 오이를 재배한 Park 등(2011)의 연구에서는 시설 오이가 생육하기 위한 양분을 다른 비료(무기질비료, 가축분 액비)로 공급하였을 때, 시설 오이의 수확량의 차이가 존재한다고 보고하였으며, 이는 본 연구와 상충되었다. 본 연구와 유사하게 LF를 사용하여 작물 재배실험을 실시한 Lim 등(2010)은 LF와 무기질비료를 단독 시용하였을 때, 무기질비료보다 LF 단독 시용 처리구에서 작물 생육이 낮았다고 보고하였다. 하지만, 본 연구에서는 시설 오이의 비료 표준 시용량을 충족시키고, 동일한 양분(P2O5)을 공급하기 위해 제1인산암모늄(monoammonium phosphate, MAP)을 처리하였으며, 이에 따라 시설 오이의 총 수확량이 차이를 보이지 않았다.
LF 처리 유무에 따른 토양 화학성 평가
본 연구에서는 시설 오이 재배 시, 시비 형태(무기질비료 단독 처리 혹은 LF와 무기질비료의 혼합 처리)에 따른 토양 화학성 변화를 관찰하기 위해 토양의 화학성을 평가 시에는 비료를 처리하지 않은 Control 처리구는 제외하였으며, 그 결과는 Table 5에 나타낸 바와 같다. IF 처리구에서 토양의 pH는 초기에 높게 증가하여 시설 오이를 재배함에 따라 점차 감소하는 경향을 나타내었으나, LF+IF 처리구에서는 토양 pH의 유의한 감소는 보이지 않았다. 그러나, 시험 중 채취한 토양의 pH는 평균은 pH 7.01로 두 처리구에서 유의한 차이를 나타내지 않았다. 평균 토양 EC의 경우, IF 처리구와 LF+IF 처리구에서 각각 1.89 dS·m-1와 1.52 dS·m-1로 분석되었으며, 무기질비료를 단독 처리한 토양에서 평균 토양 EC는 높게 조사되었다. 시설 오이 재배 중 토양 EC 변화는 비료의 시비 방식에 따라 차이를 나타내었으며, IF 처리구에서는 시설 오이 재배 중 토양 EC가 점차 증가하는 경향을 나타내었다. 하지만, LF+IF 처리구의 토양 EC는 초기에 2.22 dS·m-1로 가장 높았으며, 시설 오이를 모두 수확하고 난 토양에서는 1.01 dS·m-1로 2.24배 낮게 감소하였다. 토양 내 OM 함량은 LF의 시용으로 인해 모든 처리구에서 초기 단계에서 높게 증가하였으며, 시험이 진행됨에 따라 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 토양 내 Avail. P 함량 변화는 토양 EC와 유사한 경향을 나타내었으며, IF 처리구에서는 실험 전 토양의 1,148.02 mg·kg-1에 비해 1.19배 높게 증가한 반면, LF+IF 처리구에서는 1.22배 낮게 감소하였다. 시설 오이 수확 전까지의 치환성 K+ 함량은 IF 처리구와 LF+IF 처리구에서 모두 시험 전 토양보다 낮아진 후에 다시 회복하는 경향을 나타내었으나, 시설 오이의 수확 기간의 치환성 K+ 함량 증진 효율은 IF 처리구에서 2.02배 높게 조사되었다. 치환성 Ca2+ 함량은 IF 처리구에서는 시설 오이 재배에 따라 점차 감소한 반면, LF+IF 처리구에서는 점차 증가하는 경향을 나타내었다. 치환성 Ca2+과 Mg2+ 함량은 서로 상반된 경향을 나타내었으며, 두 처리구의 수확 후 토양의 치환성 Mg2+ 함량 차이는 2.01배이었다.
Table 5.
Changes in chemical characteristics of agricultural soil by fertilization method during the cucumber cropping period.
LF 처리에 따른 토양 pH 및 EC 개선은 LF의 약한 알칼리성(pH 8.57), 높은 N와 수분함량에 기인하며, 이러한 특징은 산성화된 시설하우스 재배지의 pH 완충작용, 염 제어, 그리고 농업용수 절감에 효과적이라고 알려져 있다(Park et al., 2010; Kang et al., 2011; Shin et al., 2023). 본 연구에서도 LF와 무기질비료를 혼합 처리함에 따라 토양 pH는 유지되었으며, 토양 EC는 시설재배지의 적정 범위 수준으로 감소하였다. 또한, 인산이 과잉 집적된 토양에서 시설 오이를 재배한 결과, LF+IF 처리구에서 토양 내 Avail. P 함량이 유의하게 감소하였으나, 이는 LF+IF 처리구의 인산 공급량의 차이에 기인한다고 판단하였다. 본 연구에서는 LF+IF 처리구의 인산 공급량을 20 kg·10a-1 낮게 산정하였으며, 추후 연구에서는 이를 보완하기 위해 동일한 양의 인산을 공급하였을 때의 LF과 무기질비료를 혼합 처리함에 따른 인산 제거 효율을 확인하는 것이 필요하다. 노지 고추 재배 시, LF를 처리하여 양분을 공급한 Lee 등(2023)에서는 무기질비료를 처리한 토양에서는 토양 내 Avail. P 함량이 증가하는 반면, LF를 처리한 토양에서는 감소하는 경향을 나타내어 토양 내 인산 제어를 위한 LF의 사용 가능성을 나타내었다. LF 처리에 따른 토양 치환성 양이온(K+, Ca2+, Mg2+) 함량 변화를 조사한 Lee 등(2020)은 LF 처리에 따라 토양 내 K+ 및 Ca2+ 함량은 증가하는 반면, Mg2+ 함량은 LF 제조에 사용된 원료에 따라 다르게 나타난다고 보고하였다. 돈분을 이용하여 LF를 제조한 본 연구에서는 토양 내 치환성 Mg2+ 함량이 감소하여 적정 범위(1.5 - 2.0 cmolc·kg-1)에 수렴하였으며, 이로 인해 LF는 Mg2+ 조절 용도로 사용이 가능할 것으로 판단된다.
Conclusion
본 연구에서는 화학비료와 여과 액비(LF)의 혼합 시용이 시설 오이의 수확량과 토양 화학성에 미치는 영향을 평가하였다. 시설 오이의 총 수확량을 평가하였을 때, 무기질비료 단독 처리구와 LF 및 무기질비료 혼합 처리구는 각각 3,726.8 kg·10a-1와 3,715.0 kg·10a-1로 통계적 유의차를 보이지 않았으나, 시기 별 수확량에서는 유의한 차이를 나타내었다. 초기 시설 오이의 수확량은 무기질비료를 단독 처리한 토양에서 우수했던 반면, 생육 후기 단계의 시설 오이 수확량은 LF와 무기질비료를 혼합 처리한 토양에서 높게 조사되었다. 토양의 특성 변화를 조사한 결과, LF의 처리는 무기질비료에 의해 과도하게 상승하는 토양의 EC, 유효 인산, 그리고 치환성 Mg2+ 함량을 효과적으로 제어하였다. 그러나, 토양 내 유효 인산의 변동은 시비 방식과 처리량의 영향을 함께 받아 이를 규명하기 위한 추가 연구를 필요로 하였다. 따라서, 무기질비료를 대체하기 위해 사용한 LF는 작물 수확량에 부정적인 영향을 미치지 않았으며, 효과적으로 토양 내 염을 제어하여 지속가능한 토양환경을 조성할 수 있을 것으로 판단된다. 다만, 현재의 LF는 농가의 활용도가 높지 않아 이를 해결하기 위해 웃거름으로의 활용 가능성 혹은 연속 시용에 따른 토양 개선 효과 등을 평가하는 연구가 필요할 것으로 생각된다.