깔개물질의 종류에 따른 한우-경종 결합 농가의 양분순환 구조 분석 Analysis of Nutrient Cycling Structure of a Korean Beef Cattle Farm Combined with Cropping as Affected by Bedding Material Types원문보기
본 연구에서는 깔개물질에 의한 양분 유입 및 축사 내 분뇨 방치 및 퇴비화 과정 중 발생하는 양분손실이 양분순환에 미치는 영향을 조사하기 위해 전남 지역 한우 농가(사육두수 100두, 경지 면적 2.5 ha)를 대상으로 사료$\rightarrow$ 가축 $\rightarrow$ 분뇨 $\rightarrow$ 퇴비 $\rightarrow$ 토양 $\rightarrow$ 사료의 양분순환구조를 분석하였다. 분뇨에 의해 발생한 질소와 인산을 기준으로 비교했을 때, 톱밥을 깔개물질로 사용할 경우 질소 1.6%, 인산 3.1%, 왕겨의 경우 질소의 14.2%와 인산 27.4%가 추가로 공급 되는 것으로 나타났다. 따라서, 양분수지 또는 양분순 환구조 분석에서 깔개물질의 종류와 사용량도 고려할 필요가 있다. 양분순환구조의 가장 큰 특징은 우사내 분뇨의 야적기간(21일)과 퇴비화 기간(90일) 동안에 발생하는 물질과 양분의 손실이었다. 톱밥퇴비의 경우 이 기간 동안 질소의 78.4%, 인산의 9.5%가 손실되었으며, 왕겨퇴비의 경우 각각의 손실률은 81.6%와 10.3%였다. 톱밥 퇴비의 물질 및 양분 손실률이 낮은 것은 톱밥의 C/N 비와 난분해성인 리그닌 함량이 높아서 유기물 분해가 상대적으로 느리게 일어났기 때문으로 판단되었다. 기존의 양분수지 연구는 대부분 분뇨 발생 시점의 양분함량을 기준으로 계산하였지만, 본 연구의 결과에 의하면 분뇨 발생 이후부터 농 경지 시용 이전까지 발생하는 양분손실과 이에 영향 을 미치는 깔개 물질의 특성을 고려하여야만 정확한 양분수지 구명이 가능한 것으로 나타났다.
본 연구에서는 깔개물질에 의한 양분 유입 및 축사 내 분뇨 방치 및 퇴비화 과정 중 발생하는 양분손실이 양분순환에 미치는 영향을 조사하기 위해 전남 지역 한우 농가(사육두수 100두, 경지 면적 2.5 ha)를 대상으로 사료$\rightarrow$ 가축 $\rightarrow$ 분뇨 $\rightarrow$ 퇴비 $\rightarrow$ 토양 $\rightarrow$ 사료의 양분순환구조를 분석하였다. 분뇨에 의해 발생한 질소와 인산을 기준으로 비교했을 때, 톱밥을 깔개물질로 사용할 경우 질소 1.6%, 인산 3.1%, 왕겨의 경우 질소의 14.2%와 인산 27.4%가 추가로 공급 되는 것으로 나타났다. 따라서, 양분수지 또는 양분순 환구조 분석에서 깔개물질의 종류와 사용량도 고려할 필요가 있다. 양분순환구조의 가장 큰 특징은 우사내 분뇨의 야적기간(21일)과 퇴비화 기간(90일) 동안에 발생하는 물질과 양분의 손실이었다. 톱밥퇴비의 경우 이 기간 동안 질소의 78.4%, 인산의 9.5%가 손실되었으며, 왕겨퇴비의 경우 각각의 손실률은 81.6%와 10.3%였다. 톱밥 퇴비의 물질 및 양분 손실률이 낮은 것은 톱밥의 C/N 비와 난분해성인 리그닌 함량이 높아서 유기물 분해가 상대적으로 느리게 일어났기 때문으로 판단되었다. 기존의 양분수지 연구는 대부분 분뇨 발생 시점의 양분함량을 기준으로 계산하였지만, 본 연구의 결과에 의하면 분뇨 발생 이후부터 농 경지 시용 이전까지 발생하는 양분손실과 이에 영향 을 미치는 깔개 물질의 특성을 고려하여야만 정확한 양분수지 구명이 가능한 것으로 나타났다.
In this study, we analyzed nutrient cycling structure of a small farm (cattle of 100 heads and arable lands of 2.5 ha) in Jeonnam province to investigate the effects of nutrients input by the addition of bedding materials (sawdust and rice hull) and nutrients loss before the application to the soils...
In this study, we analyzed nutrient cycling structure of a small farm (cattle of 100 heads and arable lands of 2.5 ha) in Jeonnam province to investigate the effects of nutrients input by the addition of bedding materials (sawdust and rice hull) and nutrients loss before the application to the soils (the period during manure storage in the feedlot and composting process) on nutrient cycling structure. Sawdust and rice hull added as bedding materials increased N by 1.6% and 14.2% and $P_2O_5$ by 3.1% and 27.4%, respectively, relative to the amount of nutrients produced by excretion. This result suggests that the addition of nutrients via bedding materials should be considered for better estimation of nutrient balance. The most significant characteristics of the nutrient cycling structure was loss of mass and nutrients during the storage (21 days) and composting period (90 days). During this period, 78.4% of N and 9.5% of $P_2O_5$ was lost from sawdust compost; meanwhile, the percentages of loss for rice hull compost were 81.6% and 10.3%, respectively. A lower percentage of nutrients loss in sawdust compost than that in rice hull compost was attributed to the relatively slow decomposition rate of organic materials in the sawdust compost which has higher C/N ratio and lignin contents. Therefore, it was concluded that estimation of nutrient balance should be conducted based on nutrient contents in the final compost being applied to the lands rather than the amount of nutrients contained in the livestock excretion. In addition, the effects of bedding materials on nutrient losses should be also taken into account.
In this study, we analyzed nutrient cycling structure of a small farm (cattle of 100 heads and arable lands of 2.5 ha) in Jeonnam province to investigate the effects of nutrients input by the addition of bedding materials (sawdust and rice hull) and nutrients loss before the application to the soils (the period during manure storage in the feedlot and composting process) on nutrient cycling structure. Sawdust and rice hull added as bedding materials increased N by 1.6% and 14.2% and $P_2O_5$ by 3.1% and 27.4%, respectively, relative to the amount of nutrients produced by excretion. This result suggests that the addition of nutrients via bedding materials should be considered for better estimation of nutrient balance. The most significant characteristics of the nutrient cycling structure was loss of mass and nutrients during the storage (21 days) and composting period (90 days). During this period, 78.4% of N and 9.5% of $P_2O_5$ was lost from sawdust compost; meanwhile, the percentages of loss for rice hull compost were 81.6% and 10.3%, respectively. A lower percentage of nutrients loss in sawdust compost than that in rice hull compost was attributed to the relatively slow decomposition rate of organic materials in the sawdust compost which has higher C/N ratio and lignin contents. Therefore, it was concluded that estimation of nutrient balance should be conducted based on nutrient contents in the final compost being applied to the lands rather than the amount of nutrients contained in the livestock excretion. In addition, the effects of bedding materials on nutrient losses should be also taken into account.
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문제 정의
따라서 자연순환농업 시스템에서 보다 정확한 양분순환 구조 분석을 위해서는 이와 같은 깔개물질에 따른 퇴비화 과정 중 양분변화를 고려할 필요가 있다. 본 연구는 단위 농가를 대상으로 깔개물질 투입에 의한 양분의 추가 유입 및 투입되는 깔개물질에 따른 축사내 분뇨 방치 및 퇴비화 과정 중 발생하는 양분 변동을 고려하여 자연 순환농업 시스템의 양분순환구조를 분석함으로써 양분순환 과정에서 깔개물질의 역할을 구명하기 위해 수행되었다.
본 연구에서는 깔개물질에 의한 양분 유입 및 축사 내 분뇨 방치 및 퇴비화 과정 중 발생하는 양분손실이 양분순환에 미치는 영향을 조사하기 위해 전남지역 한우 농가(사육두수 100두, 경지 면적 2.5 ha) 를 대상으로 사료 - 가축 - 분뇨 - 퇴비 - 토양 - 사료의 양분순환구조를 분석하였다. 분뇨에 의해 발생한 질소와 인산을 기준으로 비교했을 때, 톱밥을 깔개물질로 사용할 경우 질소 1.
분뇨 원단위는 축종은 물론 생육단계와 급여 사료의 종류에 따라 달라지기 때문에 본 연구에서 제시한 양분 발생량은 실제 발생량과 차이를 보일 수 있다. 하지만, 본 연구의 목적은 단순한 양분 수지 분석이 아니고 톱밥과 왕겨를 깔개물질로 사용했을 때 깔개물질의 종류에 따른 양분순환구조 변동이기 때문에 양분 발생량이 상호 동일할 경우 결과 해석에 큰 무리가 없는 것으로 판단된다.
가설 설정
또한, 퇴비화 과정에서 수반되는 양분 수지 변화(깔개 물질투입에 의한 양분의 추가 유입 및 퇴비화 과정 중 양분 손실)를 고려하지 않는 대신 발생 분뇨에 함유된 양분 전체가 토양으로 환원된다는 가정 하에 양분 수지를 분석하는 경향이 있다. 예를 들면, 축사 환경 관리 또는 퇴비화 과정 중 퇴비화를 촉진시키기 위해 톱밥이나 왕겨와 같은 깔개물질이 인위적으로 투입되는데, 이들 깔개물질의 질소와 인 함량은 상이하기 때문에 전체 양분수지에 대한 영향이 상이할 것으로 예상된다.
제안 방법
양분함량 분석 방법 깔개물질, 퇴비, 사료 작물의 건물 중은 시료를 65"C의 가열건조기에서 72시간 건조한 후 수분함량을 산출하여 조사하였다. 퇴비의 질소 함량은 휘발성 질소의 손실을 방지하기 위해 동결건조기(FREEZE DRYER, Ilshin-lab, korea)로 건조하여볼 밀(MM20, Retsch, Germany)로 곱게 분쇄한(<0.
42 mm) 후 원소분석기(IsoPrime-EA, Micromass, UK) 로 분석하였다(Bremner, 1996). 깔개물질과 사료작물은 가열건조기에서 건조하여 같은 방법으로 분쇄한 후 원소분석기로 분석하였다. 각 시료의 인산(P2O5)함량은 HNO3-HC1O4로 산분해한 후 Ammonium paramolybdate-vanadate법으로 발색시켜서 분광광도계(Genes ys 6, Thermo, USA)를 이용하여 470 nm에서 흡광도를 측정하여 계산하였다(Kuo, 1996).
단계별 양분 순환 분석 양분순환구조는 사료 — 분뇨 — 퇴비 — 토양 — 사료의 단계별로 질소와 인산에 대해서 조사하였다. 사료 급여량은 두당 1일 급여 사료 종류(조사료 및 농후사료) 및 양, 사료의 수분 및 양분 함량을 조사하여 농가에서 사육되고 있는 100두에 급여되는 사료 중 질소와 인산 함량을 연 단위로 계산하였다.
수확된 총체벼와 총체보리에 대해 생체중과 질소 및 인산 흡수량을 조사하였다. 모든 양분순환구조는 해당 농가의 한우 사육두수(100 두)와 경작지 면적(2.5 ha)를 기준으로 환산하여 분석하였다.
벼 수확 후 동일 수준의 퇴비를 투입하여 총체보리(영양 보리, 파종량 20 kg 10 a-1)를 재배하였다. 수확된 총체벼와 총체보리에 대해 생체중과 질소 및 인산 흡수량을 조사하였다.
하지만 본 연구에서 제시한 바와 같이 퇴비화 과정에서 수반되는 다양한 양분 수지 변화를 반영하지 못한다는 단점이 있다. 본 연구에서는 대상 농가의 사료 가축 - 분뇨 - 퇴비 - 토양 - 사료로 연결되는 연간 양분순환구조를 톱밥퇴비(Fig. 1) 와왕겨퇴비(Fig. 2)로 구분하여 조사하였다. 퇴비 종류별 큰 차이가 없이 분뇨(양분) 발생량과 경지면적의 불균형에 의해 일부 퇴비는 외부로 반출되었는데 톱밥 퇴비의 경우 전체 발생 양분(질소 4, 154 kg, 인산 1, 204 kg) 중 질소 8.
대해서 조사하였다. 사료 급여량은 두당 1일 급여 사료 종류(조사료 및 농후사료) 및 양, 사료의 수분 및 양분 함량을 조사하여 농가에서 사육되고 있는 100두에 급여되는 사료 중 질소와 인산 함량을 연 단위로 계산하였다. 가축분뇨에 의한 양분 발생량은 농촌진흥청(2006)의 축종별 양분배설총량에 대한 “가축단위 기준안 보고” 자료를 이용하였다.
벼 수확 후 동일 수준의 퇴비를 투입하여 총체보리(영양 보리, 파종량 20 kg 10 a-1)를 재배하였다. 수확된 총체벼와 총체보리에 대해 생체중과 질소 및 인산 흡수량을 조사하였다. 모든 양분순환구조는 해당 농가의 한우 사육두수(100 두)와 경작지 면적(2.
각각 분석하였다. 이를 위해, 한우 30두를 수용할 수 있는 우사 2개소에 각 깔개물질 3톤(습윤 기준)을투입한 후 우사 1개소 당 한우 30두를 사육하였다. 21 일 후 분뇨와 깔개 혼합물질을 우사 밖으로 이동하여 비 가림 조건에서 90일간 퇴비화 시켰다.
8 m 였다. 퇴비 더미는 20일 간격으로 교반하였고 교반시 마다 충분한 수분을 공급하였다. 퇴비화 전의 분뇨 혼합물과 퇴비화 후의 퇴비 습윤 중량을 측정하고 시료를 채취하여 건조하여 건물중을 계산하였으며, 건조 시료에 대해 질소와 인산 함량을 분석하였다.
후 수분함량을 산출하여 조사하였다. 퇴비의 질소 함량은 휘발성 질소의 손실을 방지하기 위해 동결건조기(FREEZE DRYER, Ilshin-lab, korea)로 건조하여볼 밀(MM20, Retsch, Germany)로 곱게 분쇄한(<0.42 mm) 후 원소분석기(IsoPrime-EA, Micromass, UK) 로 분석하였다(Bremner, 1996). 깔개물질과 사료작물은 가열건조기에서 건조하여 같은 방법으로 분쇄한 후 원소분석기로 분석하였다.
퇴비 더미는 20일 간격으로 교반하였고 교반시 마다 충분한 수분을 공급하였다. 퇴비화 전의 분뇨 혼합물과 퇴비화 후의 퇴비 습윤 중량을 측정하고 시료를 채취하여 건조하여 건물중을 계산하였으며, 건조 시료에 대해 질소와 인산 함량을 분석하였다.
현재 농가에서 자가 퇴비를 생산할 때 가장 많이 이용되는 깔개물질은 톱밥과 왕겨이기 때문에 퇴비를 중심으로 한 양분순환구조는 톱밥과 왕겨 퇴비에 대해 각각 분석하였다. 이를 위해, 한우 30두를 수용할 수 있는 우사 2개소에 각 깔개물질 3톤(습윤 기준)을투입한 후 우사 1개소 당 한우 30두를 사육하였다.
대상 데이터
2008년 10월 현재 축산과학원에 문의한 결과 최신의 원단위 조사는 현재 진행 중이기 때문에 연구대상 농가에서 1년 동안 한우 100두를 사육하는 과정에서 발생하는 양분의 총량은 농촌진흥청(2006)의 축 종별 양분 배설 총량에 대한 “가축단위 기준안 보고” 자료를 이용하여 계산하였다. 분뇨 원단위는 축종은 물론 생육단계와 급여 사료의 종류에 따라 달라지기 때문에 본 연구에서 제시한 양분 발생량은 실제 발생량과 차이를 보일 수 있다.
사료 급여량은 두당 1일 급여 사료 종류(조사료 및 농후사료) 및 양, 사료의 수분 및 양분 함량을 조사하여 농가에서 사육되고 있는 100두에 급여되는 사료 중 질소와 인산 함량을 연 단위로 계산하였다. 가축분뇨에 의한 양분 발생량은 농촌진흥청(2006)의 축종별 양분배설총량에 대한 “가축단위 기준안 보고” 자료를 이용하였다.
대상 농가의 한우 사육두수는 100두이며 사료 생산을 위한 경지 면적은 2.5 ha였다.
경우는 매우 드물다. 본 연구에서 깔개 물질인 톱밥과 왕겨의 100두 기준 연간 투입량은 톱밥이 173.8톤 이며, 왕겨는 173.8톤 이었다(Table 3). 또한 이를 양분으로 환산하였을 경우 톱밥에 의한 질소와 인산 투입 량은 각각 66 kg과 36 kg 이었으며, 왕겨는 각각 584 kg과 320 kg 으로 조사되었다(Table 3).
연구 대상 농가 본 연구는 전라남도 영암군 도포면에 위치한 경종-한우 농가를 대상으로 2006년에 수행되었다. 대상 농가의 한우 사육두수는 100두이며 사료 생산을 위한 경지 면적은 2.
총체사료 작물의 양분흡수량 완성퇴비의 농경지 (2.5 ha) 시용(질소 110 kg N ha1 기준 시용, 총체 벼와 보리 2작)에 의해 질소 550 kg이 투입되었으며 인산은 톱밥퇴비 투입에 의해 669 kg, 왕겨퇴비 처리에 의해 561 kg이 토양에 투입되었다. 전반적으로 총체 벼의 생체중이 총체보리 보다 높았으며, 그 결과 질소와 인산의 흡수량도 총체벼가 많았다(Table 5).
이론/모형
깔개물질과 사료작물은 가열건조기에서 건조하여 같은 방법으로 분쇄한 후 원소분석기로 분석하였다. 각 시료의 인산(P2O5)함량은 HNO3-HC1O4로 산분해한 후 Ammonium paramolybdate-vanadate법으로 발색시켜서 분광광도계(Genes ys 6, Thermo, USA)를 이용하여 470 nm에서 흡광도를 측정하여 계산하였다(Kuo, 1996).
성능/효과
3%로 질소에 비해 손실률이 낮았다. 그 결과 최종적으로 농가에서 이용할 수 있는 퇴비의 건물중은 톱밥퇴비의 경우 86톤, 왕겨퇴비는 70톤이었으며 각각의 질소 및 인산 함량은 톱밥 퇴비의 경우 895 kg과 1, 089 kg이었고, 왕겨퇴비는 859 kg과 1, 335 kg이었다(Table 4). 이와 같이 퇴비화 과정 중 질소 손실은 기존의 연구와 일치하는데, Michel et al.
톱밥 퇴비의 물질 및 양분 손실률이 낮은 것은 톱밥의 C/N 비와 난분해성인 리그닌 함량이 높아서 유기물 분해가 상대적으로 느리게 일어났기 때문으로 판단되었다. 기존의 양분 수지 연구는 대부분 분뇨 발생 시점의 양분함량을 기준으로 계산하였지만, 본 연구의 결과에 의하면 분뇨 발생 이후부터 농경지 시용 이전까지 발생하는 양분손실과 이에 영향을 미치는 깔개 물질의 특성을 고려하여야만 정확한 양분수지 구명이 가능한 것으로 나타났다.
8톤 이었다(Table 3). 또한 이를 양분으로 환산하였을 경우 톱밥에 의한 질소와 인산 투입 량은 각각 66 kg과 36 kg 이었으며, 왕겨는 각각 584 kg과 320 kg 으로 조사되었다(Table 3). 이를 분뇨에 의한 양분 발생량과 비교하면 톱밥의 경우 질소는 1.
6%를 가축분뇨퇴비로 대체할 수 있다고 하였다. 본 연구 대상 농가의 경지면적(2.5 ha)에서 벼를 재배할 경우 (시비량 110 kg N ha-1, 45 kg P2O5 ha-1) 필요 질소와 인산량은 각각 275 kg과 112.5 kg으로 계산되며, 벼와 보리 2모작일 경우에는 약 550 kg과 225 kg이 요구된다. 따라서, 본 농가에서 발생하는 분뇨에 의한 질소와 인산의 발생량은 각각 필요량의 7.
5 ha) 를 대상으로 사료 - 가축 - 분뇨 - 퇴비 - 토양 - 사료의 양분순환구조를 분석하였다. 분뇨에 의해 발생한 질소와 인산을 기준으로 비교했을 때, 톱밥을 깔개물질로 사용할 경우 질소 1.6%, 인산 3.1%, 왕겨의 경우 질소의 14.2%와 인산 27.4%가 추가로 공급되는 것으로 나타났다. 따라서, 양분수지 또는 양분순환구조 분석에서 깔개물질의 종류와 사용량도 고려할 필요가 있다.
3톤과 유사하였다. 사료 급여량을 양분함량으로 환산하였을 경우 질소와 인산에 대해 각각 볏짚이 443 kg과 285 kg, 총체조사료가 474 kg과 281 kg, 라이그라스가 143 kg과 62 kg, 농후사료가 4, 767 kg과 2, 685 kg으로 조사되었으며, 양분의 연간 전체 투입량은 질소가 5, 827 kg 인산이 3, 313 kg이었다(Table 1).
사료에 의한 양분 투입량 한우의 두당 1일 사료급여량은 볏짚이 2.47 kg, 총체조사료 2.19 kg, 라이그라스 0.27 kg, 농후사료 5.99 kg이었으며, 이를 연간 100두 기준으로 환산하면 조사료와 농후사료 급여량은 각각 178.0톤과 218.7톤으로 계산되었다(Table 1). 이와 같은 급여량은 Kim(2004) 등이 홍성군을 대상으로 전체 한우 사육두수(27, 921두)에 대한 조사료 및 농후사료 급여량 조사 결과를 이용하여 계산한 연간 100 두당 급여량인 136.
32 g head-1 day1이다. 이를 이용하여 농가의 한우 사육두수인 100두에 대한 연간(365일) 질소와 인산 발생량을 계산한 결과 각각 4, 088 kg과 1, 168 kg 이었다(Table 2). Kim(2004)이 홍성군을 대상으로 수행한 연구결과를 100 두로 환산하면 질소와 인산 발생량은 각각 약 1, 991 kg과 931.
이상의 양분순환구조 분석 결과를 이용하여 최종완성퇴비 중 질소함량, 총체사료의 질소시비량, 보유경지면적을 근거로 대상 농가의 적정 사육두수와 경지면적을 제안할 수 있었다. 현재의 경지면적이 수용 가능한 한우 사육두수는 톱밥퇴비의 경우 61두, 왕겨 퇴비의 경우 64두이며, 현 사육두수를 유지하기 위해 필요한 추가 경지 면적은 톱밥퇴비의 경우 1.
5 ha) 시용(질소 110 kg N ha1 기준 시용, 총체 벼와 보리 2작)에 의해 질소 550 kg이 투입되었으며 인산은 톱밥퇴비 투입에 의해 669 kg, 왕겨퇴비 처리에 의해 561 kg이 토양에 투입되었다. 전반적으로 총체 벼의 생체중이 총체보리 보다 높았으며, 그 결과 질소와 인산의 흡수량도 총체벼가 많았다(Table 5).
퇴비화 90일 후 퇴비에 함유된 질소의 함량은 톱밥과 왕겨퇴비에서 가축분뇨 발생시점 기준으로 질소는 각각 78.4%와 81.6%가 손실된 것으로 나타났다. 반면, 인산의 경우 톱밥퇴비와 왕겨퇴비에서의 손실률이 각각 9.
후속연구
인산의 낮은 이동성을 고려하면 흡수되지 않은 인산은 토양에 잔류할 가능성이 매우 높다. 따라서 현재와 같은 퇴비 이용 조건에서는 토양 중 인산 축적 량이 지속적으로 증가하여 작물 양분 불균형 및 환경오염 등의 문제가 우려 되며 이를 해결하기 위해서는 퇴비화 과정 중 발생하는 질소 손실을 경감하여 퇴비 중 질소 함량을 적정 수준으로 유지함으로써 토양에 투입되는 인산 함량을 감소시킬 수 있는 방법 개발이 필요하다. 또한, 퇴비를 작물의 인산 요구량 기준으로 시용하고 부족한 질소는 타 질소원의 공급으로 균형을 맞추는 방안도 모색할 필요가 있다(Eghball and Power, 1999; Eghball, 2002).
이와 같이 가축분뇨 발생 시점부터 완성퇴비까지의 시간 동안 상당한 질소 손실이 발생했으며, 질소 손실량은 깔개물질에 따라 차이가 있었다. 따라서, 향후 농업분야에서 양분순환 또는 양분수지 분석을 위해서는 이와 같은 질소 손실을 고려할 필요가 있는 것으로 판단된다.
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