• 재료 및 방법
• 결과 및 고찰
• 적 요
• 사 사

 유기농업에서는 화학비료를 이용하지 않는 것을 원칙으로 하기 때문에 양분관리는 주로 녹비, 퇴비, 유기질 비료, 작물잔사 등 각종 유기물(유기자재)에 의해서 공급된다. 질소는 작물재배에 있어 가장 영향을 많이 주는 요소이며, 농경지에 과다 투여 되었을 때는 수질오염원으로 작용하기 때문에 적정시비관리가 필수적이다. 농경지에 투여된 질소는 암모니아를 통한 휘산이나 탈질과정을 통해서 손실이 되기 때문에 완효성 비료 이용이나 시비방법 개선 등 손실을 최소화 할 대책도 필요하다(Choudhury & Kennedy, 2005). 각 작물은 요구하는 양분량이나 가장 많이 필요로 하는 시기가 각각 다르기 때문에 유기자재에 의한 양분공급이 적절히 이루어지기 위해서는 각 유기자재의 양분함량에 대한 특성 및 무기화속도에 대한 정보가 필수적이다. 유기자재의 작물에 대한 양분공급능력을 알아 보기위해서는 유기자재를 투입한 양분에 작물을 재배하여 양분이용효율을 측정할 수도 있지만 실험실 조건에서 유기자재와 토양의 항온실험을 통해서도 무기화 경향을 추정해 볼 수 있다. Lee et al.(2012)은 항온실험으로 논토양 조건을 설정하여 탄질비가 다른 유기자재의 무기화 양상을 destructive 방법으로 실험 하였으나, 항온시기별 토양중 무기태질소는 일정한 경향이 관찰되지 않았다. 따라서 이러한 문제점을 개선하기 위해서는 토양에 유기자재를 혼합한 후 non-destructive 방법(일명 세탈법)으로 지속적으로 물로 무기화된 질소를 용출하고 용출된 누적 무기태질소를 이용하여 무기화량을 추정 할 수 있는 시험이 요구된다.

유기물은 종류에 따라 탄소와 질소, 그리고 분해가 쉬운 성분에서부터 리그닌과 같이 분해가 어려운 다양한 유기물질로 이루어져 있다. 가축분과 같은 유기자재는 위생이나 잡초 혼입 등을 고려하여 퇴비화를 거쳐 토양에 살포하는데 양분이용효율은 가축분 자체보다 떨어진다(Jensen, 2002). 각각의 유기자재는 탄소:질소(탄질비)가 높을수록 무기화가 천천히 진행되고 질소 이용효율도 떨어진다. 또한 유기자재는 온도, 수분, 산소공급 및 토양특성 등에 의해서도 무기화되는 속도가 크게 차이가 나며 분해가 어려운 리그닌이 많이 포함될 경우 분해속도가 떨어진다(Probert, 2005; Morvan & Nicolardot, 2009). 유기자재의 탄질비가 20~30일 경우 무기화와 유기화가 균형을 이루게 되며 탄질비가 이보다 높았을 때는 유기화가 더 진행됨으로 토양중의 무기화된 질소는 줄어들게 된다(Vigil & Kissel, 1991; Hoffland et al., 2010).

유기물의 무기화는 미생물에도 양분을 공급함으로 토양생물상에 큰 영향을 준다고 알려져 있다(Kara, 2000). 무기화에 의해 유기물로부터 유래된 암모니아태 질소와 질산태 질소는 작물에 주요 질소원으로 이용되는데 대부분의 밭작물에서는 질산태질소가 주요 양분공급원으로 이용된다. 이는 토양 용액중에 질산태질소가 많고 질산태 질소는 비교적 토양중 이동이 쉬워 작물에 이용되기 쉽기 때문이다. 하지만 논과 같은 혐기 조건에서는 질산태질소 보다는 암모니아태 질소가 많이 존재하고 질소흡수는 질산태와 암모니아태 질소의 상호작용에 의해 조절된다고 알려져 있다(Youngdahl et al., 1982). 본 시험은 국내 유기농업에서 자주 이용되는 유박, 녹비, 퇴비 등을 이용하여 논조건에서 유기자재에 의해 공급될 수 있는 질소량을 항온실험을 통해 추정하고자 수행하였다.

재료 및 방법

유기물(유기자재)의 양분공급 효과를 구명하기 위해서 탄질비가 다른 총 17종의 유기자재를 이용하여 실험실에서 수행하였다. 시험에 이용된 유기자재는 옥수수잔사, 알팔파, 수단그라스, 수수, 들깨잔사, 볏짚, 배추, 별꽃, 네마장황, 퇴비I, 퇴비II, 퇴비III, 유박, 토마토잔사, 수박잔사, 피마자박이었고, 요소를 포함하였다. 식물체 유기자재는 국립농업과학원 포장에서 수행되었던 밭토양 작물시험에서 채취하여 시험에 이용하였다. 옥수수잔사, 들깨잔사, 토마토잔사, 수박잔사는 수확물을 제외한 잔사를 시험에 이용하였다. 퇴비는 경기도 인근의 퇴비공장 세 곳에서 채취한 축분(돈분왕겨)퇴비 이었고, 유박은 시중에서 유통되는 제품을 이용하였다. 

담수조건에서 항온시기별 토양중 무기태질소 측정에 의한 유기자재의 무기화량 계산시 문제점을 개선하고자 토양에 유기자재를 혼합한 후 지속적으로 물로 무기화된 질소를 용출하고 용출된 누적 무기태질소를 이용하여 무기화량 추정을 시도하였다. 150 g의 미사질양토에 탄질비가 다른 17종의 유기자재를 25 mg 질소량기준으로 혼합하여 담수상태에서 25 °C로 보관하였다. 1, 2, 3, 4, 6, 8, 16, 21주째에 250 mL 유리칼럼(Corning Inc., Corning, USA) 안에 든 샘플에서 200mL의 물로 여러 차례에 걸쳐 무기태 질소와 수용성 인산을 추출하는 Stanford & Smith (1972)의 세탈법을 이용하였다(Fig. 1). 시험에 사용된 토양은 미사질양토이며, pH는 6.7이었고, 탄소와 전질소는 각각 12.0과 1.2 g/kg, 인산은 508mg/kg로 분석되었고, 칼륨, 칼슘 및 마그네슘은 각각 0.69, 4.31 및 0.82 cmol⁺/kg이었다. 입경의 분포비는 모래가 70.3%, 미사가 25.6%, 점토가 4.1%이었고, 수분보유력은 21.3%이었다. 순무기화량은 유기자재 처리시 토양중 무기화된 질소(NH₄-N + NO₃-N)에서 유기자재를 처리하지 않은 토양의 무기화된 질소량을 빼서 계산하였다. 

Fig. 1. Non-destructive method for the measurement of mineralization in organic materials and urea.

유기자재의 무기성분 분석은 시료를 건조하여 잘 분쇄한 후, H₂SO₄-HClO₄ 혼합용액으로 시료를 분해하여, 전탄소와 전질소는 건식산화법으로, 인산은 Ammonium vandate법으로 분석하였다. 용출액중 무기태질소(NH₄-N + NO₃-N)는 FIA분석기(Lachat QuickChem 8000, Lachat Inc., Loveland, USA)로 인산은 비색법을 이용하여 분광광도계(UV-2450, Shimadzu Scientific Inc., Tokyo, Japan)로 720 nm에서 분석하였다. 시험처리는 처리당 3반복으로 하였다. 

결과 및 고찰

탄질비(C/N)와 탄인비(C/P)가 무기화에 미치는 영향에 대한 연구에서는 탄질비 20~30이 무기화와 유기화가 균형을 이루고 있었고, 탄인비 112~501에서 인산고정화가 시작되었다(Enwezor, 1976). 본 시험에서는 볏짚의 탄질비가 53.2로 가장 높았고, 옥수수잔사가 41.9, 퇴비II가 33.9로 탄질비 30:1 이상을 보였다(Table 1). 요소를 제외하고 유박과 피마자박이 탄질비 10:1 이하를 나타내어 유기물의 빠른 무기화 가능성이 기대되었다. 축분퇴비 간에도 퇴비II는 퇴비I과 퇴비III보다 높은 탄질비를 보였는데, 이는 퇴비II가 상대적으로 낮은 전질소 농도(1.1%)를 보였기 때문으로 판단된다.

Table 1. Nitrogen and carbon contents in organic materials and urea.

농경지에 투입되는 유기자재의 양분공급능력을 추정하기 위한 연구는 포장조건 이외에도 다양한 항온실험을 통하여 이루어지고 있고, 항온실험은 온도, 습도 등을 통제함으로써 일관성 있는 결과를 얻을 수 있다. 계산된 누적값인 순질산태질소의 누적량(Net accumulated NO₃-N)을 비교한 결과는 Fig. 2와 같다. 담수 토양 중 질산태 질소는 급격히 없어지고 유기자재 무처리 토양보다 낮은 값을 나타내었다. 이는 유기자재 투입에 의해 미생물의 생육이 활성화 되었지만 담수에 의해 혐기화 된 토양조건으로 암모니아태에서 질산태질소로의 전환이 어려운 상태에 기인한 것으로 추정된다 (Carlyle & Than, 1987).

Fig. 2. Changes of accumulated net NO₃-N contents in organic materials and urea in a 21 weeks periods at the constant temperature chamber under a paddy condition.

 토양 중 암모니아태 질소는 일반적으로 KCl이나 CaCl₂로 침출하지만 본 실험은 연속적으로 토양 중 무기태 질소를 씻어내야 하므로 KCl이나 CaCl₂이 토양에 영향을 줄 수 있으므로 물로 추출하였다(Fig. 3). 침출수 중 암모니아태 질소의 누적량을 가지고 유기자재를 처리하지 않은 토양과 비교한 결과 탄질비가 높은 일부 유기자재(옥수수잔사, 수수, 들깨잔사, 볏짚)가 항온 초기 순무기화량이 낮은 마이너스값을 보였다. 8주차에 유기자재의 암모니아태 질소 누적량은 최대로 용출되었고 그 이후에는 거의 관찰되지 않았는데, 이는 세탈법에 의해 암모니아가 거의 빠져나갔으며 그 이외는 미생물에 의해 고정된 것으로 추정된다. 세탈법을 이용한 Stanford & Smith(1972) 연구에서 밭토양의 호기조건에서 토양 중 무기태 질소를 추출하였다고 보고하였는데, 이러한 방법이 논토양과 같은 담수 조건에서도 이용될 수 있음을 증명하였다. 이전 밭토양실험과 비슷하게(Lee et al., 2012), 대부분의 유기자재는 탄질비가 낮을수록 높은 무기화량을 보였다(Fig. 4). 벼는 질산태질소 보다 주로 암모니아태 질소를 흡수하므로 논조건에서 투입된 유기자재내의 유기물이 무기화되는 암모니아태 질소의 용출형태를 분석함으로써 벼재배시 질소공급에 필요한 유기자재의 투입을 결정할 수 있을 것으로 판단된다(Havlin et al., 2005). 그러나 퇴비의 경우 탄질비 차이가 크지 않은 두 종류의 퇴비(퇴비 I과 III, Table 1)에서 무기화량의 큰 차이가 관찰되었다(Fig. 4). 이는 퇴비원료 및 퇴비의 부숙화 정도에 따라 토양 중에서 무기화되는 정도가 다를 수 있다는 것을 보여 준다. 이전 시험에서도 투입된 식물체잔사의 탄질비가 비슷하더라도 유기태질소의 무기화 되는 속도가 다르게 나타났다(Lee et al., 2012). 이는 유기자재내의 탄소 성분이 분해되기 쉬운 펙틴이나 헤미셀룰로오스로 이루어져 있으면 무기화가 빨리 진행되었고, 반면에 탄소원이 분해되기 어려운 리그닌이나 셀룰로오스로 주로 구성되어 있으면 분해율이 느리기 때문에(Probert, 2005; Morvan & Nicolardot, 2009) 퇴비의 무기화되는 정도에 영향을 끼쳤던 것으로 사료된다. 한편, 유기자재투입 후 4개월간의 암모니아태 질소 용출량은 녹비인 알팔파의 경우 화학비료인 요소보다 질소용출량이 많았으며, 유기벼재배에 많이 쓰이는 유박도 요소대비 80% 정도의 용출량을 보여주었다(Fig. 3).

Fig. 3. Changes of accumulated net NH₄-N contents in organic materials and urea in a 21 weeks periods at the constant temperature chamber under a paddy condition.

Fig. 4. Relationship between accumulated NH₄-N and C/N ratio of organic materials and urea at 16 week at the constant temperature chamber under a paddy condition (1 Urea, 2 Alfalfa, 3 Castor oilcake, 4 Soybean oil cake, 5 Cabbage, 6 Stellaria media, 7 Compost III, 8 Tomato residue, 9 Clotararia, 10 Sudangrass, 11 Compost I, 12 Watermelon residue, 13 Millet, 14 Perilla residue, 15 Compost II, 16 Maize, 17 Rice straw).

침출수 중의 인산함량을 측정한 결과 유기자재 투입은 토양 중의 수용성 인산 함량에도 영향을 미치는 것으로 나타났다(Fig. 5). 퇴비I과 II는 수용성인산의 용출을 증가시켰고, 반대로 볏짚을 제외한 유기자재의 투입은 토양 중 수용성인산을 줄어들게 하는 것을 보여주었다. 이는 인산을 함유하지 않은 요소는 다른 유기자재 처리구 보다 수용산인산이 높게 나타난 결과로 유추해 볼 수 있다. 질소의 무기화와는 다르게 인산은 토양 중의 미생물 활동으로 토양에 고정된 인산을 수용성 인산으로 변환시켜서 요소 처리구에서 높게 나타난 것으로 판단된다(Carlyle & Than, 1987). 옥수수잔사는 미생물활동에 의한 인산고정으로 인산용출이 억제되는 것으로 사료된다.

Fig. 5. Changes of accumulated water soluble P₂O₅ in organic materials and urea in a 21 weeks periods at the constant temperature chamber under a paddy condition.

적 요

유기농업에 자주 이용되는 축분퇴비와 작물잔사를 이용하여 질소무기화율을 추정하기 위한 항온실험을 수행하였다. 순무기화량은 유기자재 처리시 토양중 무기화된 질소(NH₄-N + NO₃-N)에서 유기자재를 처리하지 않은 토양의 무기화된 질소량을 빼서 계산하였다. 담수 조건(논토양조건)에서 용출법을 이용하여 25°C에서 0, 1, 2, 3, 4, 6, 8, 16, 21주차에 무기화량을 조사하였다. 담수조건의 토양에 유기자재를 혼합한 후 지속적으로 물로 무기화된 질소를 용출하고 용출된 무기질소의 합을 이용한 무기화량을 추정하였다. 투입된 자재는 옥수수잔사, 알팔파, 수단그라스, 수수, 들깨잔사, 볏짚, 배추, 별꽃, 네마장황, 퇴비I, 퇴비II, 퇴비III, 유박, 토마토잔사, 수박잔사, 피마자박, 요소 이었고, 수행된 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 알팔파는 가장 높은 질소용출량을 나타내었다.
2. 자재 투입으로 토양 중 질산태 질소는 축적되지 않았다.
3. 침출수 중 암모니아태 질소의 누적량은 대부분의 유기자재에서 탄질비가 낮을수록 높은 무기화량을 보였다.
4. 볏짚과 퇴비I과 II를 제외한 대부분의 유기자재는 인산의 무기화를 증가시키지는 못하였다.

사 사

본 연구는 농촌진흥청 국립농업과학원 농업과학기술 연구개발사업(과제번호: PJ008590012012)의 지원에 의해 이루어진 것임.