[논문]논토양에서 질산 이온이 철의 환원과 인의 용출에 미치는 영향

정종배

doi:10.5338/kjea.2009.28.2.165

논토양에서 질산 이온이 철의 환원과 인의 용출에 미치는 영향
Effect of Nitrate on Iron Reduction and Phosphorus Release in Flooded Paddy Soil 원문보기

한국환경농학회지 = Korean journal of environmental agriculture, v.28 no.2, 2009년, pp.165 - 170

초록
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환원상태가 발달된 담수상태의 토양이나 습지생태계에서 $NO_3^-$는 환원상태의 진전을 지연시키는 완충역할을 할 수 있다. 논토양에서 $NO_3^-$가 Fe의 환원과 그에 따른 P의 가용화에 미치는 영향을 조사하였다. 담수 후 10 cm 깊이 토양의 산화환원전위 변화는 $NO_3^-$를 처리한 토양과 처리하지 않은 토양에서 현저하게 달리 나타났으며, $NO_3^-$의 환원이 일어나는 동안에는 산화환원전위가 330${\sim}$360 mV 범위에서 유지되었다. 그리고 이 기간 동안 Fe의 환원은 현저히 억제되었다. $NO_3^-$를 처리한 토양 용액의 $PO_4^{3-}$ 함량은 담수 이후 0.2${\sim}$0.3 mg/L 수준 또는 그 이하로 유지되었으며, 반면 $NO_3^-$를 처리하지 않은 경우에는 담수 후 9일째부터 Fe의 환원과 함께 토양 용액의 $PO_4^{3-}$ 함량이 급격히 증가하였다. 일반적인 토양에서 무기태 P의 상당부분이 Fe 산화물에 고정된 형태 및 Fe와 결합된 형태로 존재하므로 Fe의 환원에 따라서 $PO_4^{3-}$가 함께 용출되는 것이다. 이상의 결과를 보면 토양중의 $NO_3^-$가 $Fe^{2+}$와 $PO_4^{3-}$의 용출을 조절하는 요인인 것으로 확인할 수 있다. 토양 용액중의 $NO_3^-$ 농도가 1 mg/L 이상으로 유지되는 상태에서는 토양의 산화환원전위가 330 mV 이하로 낮아지지 못하며, 따라서 Fe의 환원과 그에 따른 P의 용출 또한 현저히 억제되는 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The increase in P availability to rice under flooded soil conditions involves the reductive dissolution of iron phosphate and iron (hydr)oxide phosphate. However, since $NO_3^-$ is a more favourable electron acceptor in anaerobic soils than Fe, high$NO_3^-$ loads function as a redox buffer limiting the reduction of Fe. The effect of adding $NO_3^-$ on Fe reduction and P release in paddy soil was investigated. Pot experiment was conducted where $NO_3^-$ was added to flooded soil and changes of redox potential and $Fe_2^+$, $NO_3^-$ and $PO_4^{3-}$ concentrations in soil solution at 10 cm depth were monitored as a function of time. Redox potential decreased with time to -96 mV, but it was temporarily poised at about 330${\sim}$360 mV when $NO_3^-$ was present. Nitrate addition to soil led to reduced release of $Fe_2^+$ and prevented the solubilization of P. Phosphate in pore water began to rise soon after incubation and reached final concentrations about 0.82 mg P/L in the soil without $NO_3^-$ addition. But, in the soil with $NO_3^-$ addition, $PO_4^{3-}$ in pore water was maintained in the range of 0.2${\sim}$0.3 mg P/L. The duration of inhibition in $Fe_2^+$ release was closely related to the presence of $NO_3^-$, and the timing of $PO_4^{3-}$ release was inversely related to the $NO_3^-$ concentration in soil solution. The results suggest that preferential use of $NO_3^-$ as an electron acceptor in anaerobic soil condition can strongly limit Fe reduction and P solubilization.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

는 환원상태의 진전을 지연시키는 완충역할을 할 수 있다. 논토양에서 NO₃^-가 Fe의 환원과 그에 따른 P의 가용화에 미치는 영향을 조사하였다.
실제로 논토양에서 질소의 변환과 인산의 가용화의 관계는 아직 구체적으로 연구된 바 없는데, 논토양에서 벼에 의한 이들 영양원소의 흡수 이용과 주변 환경계로의 인산의 유실 현상을 이해하기 위해서는 이들의 상호 작용을 정확히 구명해야 한다. 본 연구에서는 NO₃^-가 담수상태의 논토양에서 환원상태의 발달 및 Fe의 환원과 P의 용출에 미치는 영향을 조사하였다.

제안 방법

함량을 측정하였다. 산화환원전위는 Eh meter(Fujihara Factory, Tokyo, Japan)로 측정하였으며, 표준전극(Ag/AgCl/Sat. KCl) 전위 206 mV를 보정하였다. 토양 용액은 syringe를 soil moisture sampler에 연결하여 30 mL씩 채취하였다.
처리된 토양을 직경 23 cm 깊이 24 cm 플라스틱 원통에 15 cm 높이로 채웠으며, 이 때 토양 용액 채취를 위해 토양표면에서 10 cm 깊이에 soil moisture sampler(Eijkelkamp, Giesbeek, the Netherlands)를 수평으로 매설하였다. 산화환원전위를 측정하기 위해 백금전극을 동일한 토양 깊이에 설치하였다. 수돗물을 이용하여 담수 깊이 5 cm가 될 때 까지 물을 채웠으며, 시험 기간 동안 증발로 손실되는 물을 매일 보충하여 5 cm 담수 깊이를 계속 유지시켰다.
산화환원전위를 측정하기 위해 백금전극을 동일한 토양 깊이에 설치하였다. 수돗물을 이용하여 담수 깊이 5 cm가 될 때 까지 물을 채웠으며, 시험 기간 동안 증발로 손실되는 물을 매일 보충하여 5 cm 담수 깊이를 계속 유지시켰다. 실험은 25℃ 항온 조건에서 2반복으로 수행되었으며, 실험 장치는 Fig.
시험 시작 후 매일 10 cm 깊이 토양의 산화환원전위와 토양 용액중의 NO₃^- , Fe²⁺, PO₄^3- 함량을 측정하였다. 산화환원전위는 Eh meter(Fujihara Factory, Tokyo, Japan)로 측정하였으며, 표준전극(Ag/AgCl/Sat.
실험은 NO₃^-를 첨가한 토양과 첨가하지 않은 토양으로 구분하여 수행되었으며, 두 토양에 모두 P를 보충하였다. NO₃^-는 분석용 시약 KNO₃를 이용하여 40 mg N/kg 수준으로 처리하였으며, 시험 시작 직전에 토양에 골고루 혼합하였다.
처리된 토양을 직경 23 cm 깊이 24 cm 플라스틱 원통에 15 cm 높이로 채웠으며, 이 때 토양 용액 채취를 위해 토양표면에서 10 cm 깊이에 soil moisture sampler(Eijkelkamp, Giesbeek, the Netherlands)를 수평으로 매설하였다. 산화환원전위를 측정하기 위해 백금전극을 동일한 토양 깊이에 설치하였다.

대상 데이터

대구대학교 부속농장 논 포장에서 채취한 20 cm 깊이 표층 토양을 풍건시킨 후 5 mm 체에 통과시켜 실험에 사용하였다. 공시 토양은 유가통(fine silty, mixed, mesic family of Fluvaquentic Endoaquepts)으로 분류되어 있으며, 주요 이화학적 특성은 Table 1과 같았다.

이론/모형

공시토양의 pH는 1:5 증류수 현탁액을 이용하여 유리전극으로 측정하였고, 유기물은 Walkley-Black 방법으로 분석하였다¹²⁾. 총 인산(과염소산 분해), 유효인산(Bray No.
. 총 인산(과염소산 분해), 유효인산(Bray No. 1) 및 환원가용성 Fe 결합 인산 함량은 농촌진흥청 토양화학분석법에 따라 측정하였고¹³⁾, 토양의 입경분포는 micro-pipette 방법으로 분석하였다¹⁴⁾.
토양 용액은 syringe를 soil moisture sampler에 연결하여 30 mL씩 채취하였다. 토양 용액중의 NO₃^-와 PO₄^3-는 flow injection autoanalyzer FIAstar-5000 system(FOSS Tecator, Hӧganӓs, Sweden)로 측정하였으며, Fe²⁺는 1,10-phenanthroline 방법으로 분석하였다¹⁵⁾.

성능/효과

그리고 이 기간 동안 Fe의 환원은 현저히 억제되었다. NO₃^-를 처리한 토양 용액의 PO₄^3- 함량은 담수 이후 0.2~0.3 mg/L 수준 또는 그 이하로 유지되었으며, 반면 NO₃^-를 처리하지 않은 경우에는 담수 후 9일째부터 Fe의 환원과 함께 토양 용액의 PO₄^3- 함량이 급격히 증가하였다. 일반적인 토양에서 무기태 P의 상당부분이 Fe 산화물에 고정된 형태 및 Fe와 결합된 형태로 존재하므로 Fe의 환원에 따라서 PO₄^3-가 함께 용출되는 것이다.
5와 같았으며, NO₃^-를 처리한 토양과 처리하지 않은 토양에서 현저하게 달리 나타났다. NO₃^-를 처리한 토양에서 용액중의 PO₄^3- 함량은 담수 후 8일째까지 0.2~0.3 mg/L 수준으로 큰 변화 없이 유지되었으며, 8일째 이후부터 일부 감소하는 경향을 나타내었다. 반면 NO₃^-를 처리하지 않은 토양에서는 9일 이후부터 용액중의 PO₄^3- 함량이 급격히 증가하였다.
2와 같았다. 담수 이후 4일째 까지 NO₃^-를처리한 토양과 처리하지 않은 토양에서 모두 용액중의 NO₃^-함량은 급격히 감소하였으며, 6일째까지 NO₃^-를 처리한 토양에서는 처리하지 않은 토양에 비해 20-40 mg N/L 정도 함량이 높게 유지되었다. NO₃^-를 처리하지 않은 토양에서는 담수 후 5일째에 용액중의 NO₃^-가 고갈되었으며, NO₃^-를 처리한 토양에서는 담수 후 12일째에 용액중의 NO₃^-가 고갈되 었다.
담수 이후 환원상태가 현저히 발달한 NO3-를 처리하지 않은 토양에서는 담수 후부터 용액 중의 Fe2+ 함량이 서서히 증가하였으며, 산화환원전위가 –30 mV 내외로 낮아진 8일째 이후부터는 토양 용액중의 Fe2+ 함량이 급격히 증가하였다.
담수 후 10 cm 깊이 토양의 산화환원전위 변화는 NO₃^-를 처리한 토양과 처리하지 않은 토양에서 현저하게 달리 나타났으며, NO₃^-의 환원이 일어나는 동안에는 산화환원전위가 330~360 mV 범위에서 유지되었다. 그리고 이 기간 동안 Fe의 환원은 현저히 억제되었다.
그리고 대부분의 탈질 미생물이 NO₃^-의 환원과정에서 Fe²⁺를 전자공여체로 이용하며, 따라서 NO₃^-의 환원이 일어날 때 동반하여 Fe²⁺의 산화가 일어날 수 있는 것으로도 알려져 있다^9-11). 따라서 탈질작용이 활발하게 일어나는 담수상태의 환원 토양이나 퇴적층에서는 Fe³⁺의 환원이 억제될 뿐만 아니라 일부 생성된 Fe²⁺가 다시 Fe³⁺로 산화되며 이들이 용해된 PO₄^3-를 불용화 시킴으로써 P의 용출이 지속적으로 억제될 것으로 판단된다.
동남아시아지역 논토양의총 P 함량은 대개 200-400 kg P/ha 수준이며 Fe와 결합된 형태의 P가 전체 무기태 P의 75-80%를 차지하는 것으로 조사되어 있고²²⁾, 우리나라 논토양에서도 무기태 P의 70~80%가 Fe와 결합된 형태이다²³⁾. 본 연구에 사용된 토양에서는 Fe와 결합된 P가 총 P 함량의 60% 정도를 차지하였다 (Table 1). 따라서 담수상태의 논토양에서 NO₃^-에 의해 조절되는 Fe 산화물들의 환원 여부가 유효태 P 함량과 작물의 P 흡수에 지대한 영향을 미칠 것으로 판단된다.
물론 Fe 산화물 외에 FePO4의 용해에 따른 PO₄^3-의 용출도 환원상태에서 토양 용액중의 PO₄^3- 함량이 증가하는데 기여할 수 있을 것이다. 이상의 결과를 보면 결국 토양중의 NO₃^-가 Fe²⁺와 PO₄^3-의 용출을 조절하는 요인인 것으로 확인할 수 있다. 본 실험과 같은 토양조건이라면 용액중의 NO₃^- 농도가 1 mg/L 이상으로 유지되는 상태에서는 토양의 산화환원전위가 330 mV 이하로 낮아지지 못하며, 따라서 Fe의 환원과 그에 따른 P의 용출 또한 일어나지 못하는 것이다.
이상의 결과를 보면 토양중의 NO₃^-가 Fe²⁺와 PO₄^3-의 용출을 조절하는 요인인 것으로 확인할 수 있다. 토양 용액중의 NO₃^- 농도가 1 mg/L 이상으로 유지되는 상태에서는 토양의 산화환원전위가 330 mV 이하로 낮아지지 못하며, 따라서 Fe의 환원과 그에 따른 P의 용출 또한 현저히 억제되는 것으로 판단된다.

후속연구

논토양에서는 탈질과 용탈에 의한 N의 손실을 줄이기 위해 암모늄 형태의 질소비료를 심층 시비하도록 권장하는데, 이러한 시비방법은 질소비료의 시비효율을 높임과 동시에 불용성 P의 가용화를 촉진할 수 있는 방법이 될 것이다. 따라서 질소비료의 종류와 시비량 및 시비방법에 따른 토양 P의 가용화와 벼의 P 흡수에 대한 보다 구체적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
NO₃^-가 없는 조건에서 Fe이 전자수용체로 이용되므로 Fe 산화물의 Fe³⁺가 Fe²⁺로 환원되어 용출되고 Fe 산화물이 용해되므로 이들 광물에 흡착 고정되어 있던 PO₄^3-가 함께 용출되는 것이다³⁾. 물론 Fe 산화물 외에 FePO4의 용해에 따른 PO₄^3-의 용출도 환원상태에서 토양 용액중의 PO₄^3- 함량이 증가하는데 기여할 수 있을 것이다. 이상의 결과를 보면 결국 토양중의 NO₃^-가 Fe²⁺와 PO₄^3-의 용출을 조절하는 요인인 것으로 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	논토양에서 NO3-가 Fe의 환원과 그에 따른 P의 가용화에 미치는 영향을 조사한 결과는?	담수 후 10 cm 깊이 토양의 산화환원전위 변화는 NO3-를 처리한 토양과 처리하지 않은 토양에서 현저하게 달리 나타났으며, NO3-의 환원이 일어나는 동안에는 산화환원전위가 330~360 mV 범위에서 유지되었다. 그리고 이 기간 동안 Fe의 환원은 현저히 억제되었다. NO3-를 처리한 토양 용액의 PO43- 함량은 담수 이후 0.2~0.3 mg/L 수준 또는 그 이하로 유지되었으며, 반면 NO3-를 처리하지 않은 경우에는 담수 후 9일째부터 Fe의 환원과 함께 토양 용액의 PO43- 함량이 급격히 증가하였다. 일반적인 토양에서 무기태 P의 상당부분이 Fe 산화물에 고정된 형태 및 Fe와 결합된 형태로 존재하므로 Fe의 환원에 따라서 PO43-가 함께 용출되는 것이다. 이상의 결과를 보면 토양중의 NO3-가 Fe2+와 PO43-의 용출을 조절하는 요인인 것으로 확인할 수 있다. 토양 용액중의 NO3- 농도가 1 mg/L 이상으로 유지되는 상태에서는 토양의 산화환원전위가 330 mV 이하로 낮아지지 못하며, 따라서 Fe의 환원과 그에 따른 P의 용출 또한 현저히 억제되는 것으로 판단된다.
	수생생태계의 부영양화를 결정하는 영양원소는?	질소와 인은 수생생태계의 부영양화를 결정하는 영양원소이며, 주요 수계의 부영양화는 대부분 농업비점오염원에서 유출되는 질소와 인 때문인 것으로 알려져 있다1). 따라서 농경지에서 질소와 인 비료의 시용효율을 극대화하고 유실을 최대한 억제시켜야 한다.
	논토양에서 담수 후 P의 유효도가 증가하는 이유는?	환원상태가 더욱 발달하면 SO42-가 환원되어 H2S로 전환되며 이어서 CH4이 발생한다. 일반적으로 논토양에서는 담수 후 P의 유효도가 증가하는 것으로 알려져 있으며, 이러한 현상은 Fe(III)-P 화합물 및 P를 흡착하고 있는 Fe(III) oxide 광물의 환원에 따른 결과이다3). 그러나 습지와 호수 등의 수생생태계에서 NO3-가 존재하는 조건에서는 Fe(III) oxide 및 Fe(III)-P 화합물의 환원에 따른 P의 용출이 현저히 억제되는 것으로 알려져 있다4-8).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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