[논문]토양 수분 변동 조건에서 시비 및 유기물 투입에 따른 CO2와 CH4 방출 특성

임상선; 최우정; 김한용

doi:10.5338/kjea.2012.31.2.104

토양 수분 변동 조건에서 시비 및 유기물 투입에 따른 CO2와 CH4 방출 특성
Fertilizer and Organic Inputs Effects on CO2 and CH4 Emission from a Soil under Changing Water Regimes 원문보기

한국환경농학회지 = Korean journal of environmental agriculture, v.31 no.2, 2012년, pp.104 - 112

임상선 (전남대학교 지역.바이오시스템공학과) , 최우정 (전남대학교 지역.바이오시스템공학과) , 김한용 (전남대학교 식물생명공학부)

초록
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논 생태계를 모의하여 토양에 투입된 비료의 종류(AS, PMC, HV)와 토양 수분 변동조건(습윤기간, 전이기간, 건조 기간)으로 구분하여 $CH_4$과 $CO_2$ 플럭스를 조사하였다. $CH_4$ 플럭스는 0~13.8 mg $CH_4$/m/day의 범위에서 변화하였으 며, 시기적으로 습윤기간 초기와 전이기간과 건조기간 경계 시점에서 높은 값을 보였다. $CO_2$ 플럭스는 습윤 초기에 최대 치를 보이고 지속적으로 감소하다가 전이기간에 다시 상승하 였다. 최종토양의 탄소함량 변화는 대조구에서-5.4%이었고, 비료 처리구에서는-7.5~-16.4%이었다. HV 시용은 타 비종 에 비해 $CH_4$과 $CO_2$ 플럭스를 증가시켰는데, 이는 녹비작물 이 가축분 퇴비에 비해 상대적으로 이분해성으로 배양 초기 에 유기물 분해에 의해 $CH_4$과 $CO_2$ 발생량이 높았기 때문이 다. AS나 PMC 처리구에서 $CH_4$ 플럭스가 대조구에 비해 낮았는데, 이는 AS의 ${SO_4}^{2-}$와 퇴비에 함유된 산화형 물질($Fe^{3+}$, $Mn^{4+}$, ${NO_3}^-$)과 같은 전자 수용체에 의해 습윤기간 중 이들 물질이 전자수용체로 활용되어 $CH_4$ 생성이 감소할 수 있음 을 의미한다. PMC와 HV의 탄소 손실률을 비교하면, HV와 같은 이분해성 유기물에 비해 PMC와 같은 난분해성 유기물 의 시용이 토양 탄소량을 증가시키는 것으로 나타났다. 또한, 본 연구는 HV와 같은 녹비 작물이 질소 공급의 측면에서 화 학비료를 대체할 수 있지만, 화학비료 시용에 비해 $CH_4$ 발생 이 증가할 수 있음을 제시한다. 따라서, 이분해성 유기물(녹비 작물)과 난분해성 유기물(가축분퇴비)을 혼합 시용할 경우 양 분공급과 탄소저장량 증대에 모두 유리할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

BACKGROUND: Agricultural inputs (fertilizer and organic inputs) and water conditions can influence $CH_4$ and $CO_2$ emission from agricultural soils. This study was conducted to investigate the effects of agricultural inputs (fertilizer and organic inputs) under changing water regime on $CH_4$ and $CO_2$ emission from a soil in a laboratory incubation experiment. METHODS AND RESULTS: Four treatments were laid out: control without input and three type of agricultural inputs ($(NH_4)_2SO_4$, AS; pig manure compost, PMC; hairy vetch, HV). Fertilizer and organic inputs were mixed with 25 g of soil at 2.75 mg N/25 g soil (equivalent to 110 kg N/ha) in a bottle with septum, and incubated for 60 days. During the first 30-days incubation, the soil was waterlogged (1 cm of water depth) by adding distilled water weekly, and on 30 days of incubation, excess water was discarded then incubated up to 60 days without addition of water. Based on the redox potential, water regime could be classified into wetting (1 to 30 days), transition (31 to 40 days), and drying periods (41 to 60 days). Across the entire period, $CH_4$ and $CO_2$ flux ranged from 0 to 13.8 mg $CH_4$/m/day and from 0.4~1.9 g $CO_2$/m/day, and both were relatively higher in the early wetting period and the boundary between transition and drying periods. During the entire period, % loss of C relative to the initial was highest in HV (16.4%) followed by AS (8.1%), PMC (7.5%), and control (5.4%), indicating readily decomposability of HV. Accordingly, both $CH_4$ and $CO_2$ fluxes were greatest in HV treatment. Meanwhile, the lower $CH_4$ flux in AS and PMC treatments than the control was ascribed to reduction in $CH_4$ generation due to the presence of oxidized compounds such as ${SO_4}^{2-}$, $Fe^{3+}$, $Mn^{4+}$, and ${NO_3}^-$ that compete with precursors of $CH_4$ for electrons. CONCLUSION: Green manure such as HV can replace synthetic fertilizer in terms of N input, however, it may increase $CH_4$ emission from soils. Therefore, co-application of green manure and livestock manure compost needs to be considered in order to achieve satisfactory N supply and to mitigate $CH_4$ and $CO_2$ emission.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 논 토양을 모의하는 조건에서 토양에 투입된 비료의 종류와 토양수분상태에 따른 CH4과 CO2 플럭스 특성을 평가하기 위해 실험실 조건에서 화학비료(유안), 이분해성 유기비료(헤어리베치), 난분해성 유기비료(가축분 퇴비)를 토양에 혼합 후 수분 변동조건을 습윤기간, 전이기간, 건조기간으로 구분하여 CH4과 CO2 플럭스를 조사하였다.

제안 방법

대조구로 무처리(Control)와 비료 처리구인 AS, PMC, HV를 각 3반복 실험하였다. Septa 마개가 있는 50 mL 유리병에 토양 25 g을 충진 하고 수분함량 25%(v/v)에서 5일간 사전배양한 후, 각 처리별로 벼의 질소 시비량(110 kg N/ha)을 기준으로 투입물을 처리하였다. 별도의 유리병에 동일하게 처리한 후 pH와 EC를 측정하였고, 총탄소 및 질소, 탄질비는 공시재료의 이화학성을 기준으로 계산하였다(Table 2).
토양은 토양산도(pH), 전기전도도(EC), 총탄소, 총질소, 양이온교환용량(CEC), 토성을 분석하였다(Table 1). pH는 토양을 1 M KCl와 1:5(W/V)로 혼합한 후 30분간 교반하여 pH meter (EcoMet P25, Istek, Inc., Korea)를 이용하여 측정하였으며, EC는 pH 측정 후 토양용액을 #42 여과지로 여과 후 EC meter (Orion 3 star, Thermo, Singapore)를 이용하여 측정하였다. 탄소와 질소함량은 원소분석기(FLASHEA-112, Thermo, USA) 로 분석하였다.
논 생태계를 모의하여 토양에 투입된 비료의 종류(AS, PMC, HV)와 토양 수분 변동조건(습윤기간, 전이기간, 건조 기간)으로 구분하여 CH₄과 CO₂ 플럭스를 조사하였다. CH₄ 플럭스는 0∼13.
대조구로 무처리(Control)와 비료 처리구인 AS, PMC, HV를 각 3반복 실험하였다. Septa 마개가 있는 50 mL 유리병에 토양 25 g을 충진 하고 수분함량 25%(v/v)에서 5일간 사전배양한 후, 각 처리별로 벼의 질소 시비량(110 kg N/ha)을 기준으로 투입물을 처리하였다.
Septa 마개가 있는 50 mL 유리병에 토양 25 g을 충진 하고 수분함량 25%(v/v)에서 5일간 사전배양한 후, 각 처리별로 벼의 질소 시비량(110 kg N/ha)을 기준으로 투입물을 처리하였다. 별도의 유리병에 동일하게 처리한 후 pH와 EC를 측정하였고, 총탄소 및 질소, 탄질비는 공시재료의 이화학성을 기준으로 계산하였다(Table 2). 수분을 포화시킨 후 담수심을 1 cm로 하여 25℃ 에서 60일간 항온배양 실험하였다.
항온배양시 매일 증류수를 공급하여 담수심을 유지하였고, 30일째에 과잉 수분을 제거하고 수분 공급을 중단하여 호기적 조건으로 전환하였다. 별도의 유리병에 토양을 충진하고 산화환원전위계(RM-20P, TOA DKK, Japan)를 설치하여 산화환원전위(Eh)를 모니터링 하였으며, 주기적으로 항온배양병을 칭량하여 수분함량을 계산하였다.
별도의 유리병에 동일하게 처리한 후 pH와 EC를 측정하였고, 총탄소 및 질소, 탄질비는 공시재료의 이화학성을 기준으로 계산하였다(Table 2). 수분을 포화시킨 후 담수심을 1 cm로 하여 25℃ 에서 60일간 항온배양 실험하였다.
탄소와 질소 함량은 토양 분석법과 동일한 방법으로 분석하였으며(Table 1), CSD는 72% H2O4를 가하여 분해한 후 전기로(WiseTherm F, DAIHAN Scientific, Korea)에 550℃에서 4시간 가열한 후 감열감량으로 계산하였다(López et al., 2010).
, Korea)를 이용하여 측정하였으며, EC는 pH 측정 후 토양용액을 #42 여과지로 여과 후 EC meter (Orion 3 star, Thermo, Singapore)를 이용하여 측정하였다. 탄소와 질소함량은 원소분석기(FLASHEA-112, Thermo, USA) 로 분석하였다. 무기태 질소(NH₄⁺와 NO₃^-)는 토양을 2 M KCl 용액과 1:5(W/V)로 혼합하고 1시간동안 교반한 후 #42 여과지로 여과한 액을 켈달 증류장치(Pronitro 1.
공시 토양은 미 농무성 Soil taxonomy에 의하면 coarse loamy, mixed, nonacid, mesic family of Fluvaquetic Endoaquepts로 분류된다(Gee and Bauder, 1986). 토양은 토양산도(pH), 전기전도도(EC), 총탄소, 총질소, 양이온교환용량(CEC), 토성을 분석하였다(Table 1). pH는 토양을 1 M KCl와 1:5(W/V)로 혼합한 후 30분간 교반하여 pH meter (EcoMet P25, Istek, Inc.
항온 배양 2, 4, 15, 30, 35, 40, 50, 60일 째 Septa 마개를 닫고 0, 10, 20분 간격으로 가스시료를 채취하여 가스크로 마토그래피(7890A GC System with methanizer, Agilent Technologies, USA)로 CH₄과 CO₂ 농도를 측정하였다. 칼럼은 Porapak Q를 사용하였으며 온도(℃)는 column 50, Front inlet 250, FID 300, methanizer 375이었고, Flow rate(mL/min)는 column이 N₂ 15, FID: H₂ 45, Air 400, N₂ 0.
항온배양 중 탄소손실률을 계산하기 위해 60일 후 유리병에 잔류하는 토양을 칭량하고 건조하였다. 건조 토양은 원소 분석기(FLASHEA-112, Thermo, USA)로 탄소함량을 정량 하였다.
항온배양기간 중에는 산소가 충분히 공급되도록 마개를 열어 두었다. 항온배양시 매일 증류수를 공급하여 담수심을 유지하였고, 30일째에 과잉 수분을 제거하고 수분 공급을 중단하여 호기적 조건으로 전환하였다. 별도의 유리병에 토양을 충진하고 산화환원전위계(RM-20P, TOA DKK, Japan)를 설치하여 산화환원전위(Eh)를 모니터링 하였으며, 주기적으로 항온배양병을 칭량하여 수분함량을 계산하였다.

대상 데이터

전남대학교 부속 논에서 표토(0-20 cm)를 채취하여 풍건한 후 2 mm 체를 통과시켜 실험에 사용하였다. 공시 토양은 미 농무성 Soil taxonomy에 의하면 coarse loamy, mixed, nonacid, mesic family of Fluvaquetic Endoaquepts로 분류된다(Gee and Bauder, 1986).
화학비료는 유안(AS, (NH₄)₂SO₄), 가축분 퇴비는 돈분퇴비(PMC, Pig manure compost), 녹비는 헤어리베치(HV, Hairy vetch)를 사용하였으며. 탄소와 질소 함량은 토양 분석법과 동일한 방법으로 분석하였으며(Table 1), CSD는 72% H₂O₄를 가하여 분해한 후 전기로(WiseTherm F, DAIHAN Scientific, Korea)에 550℃에서 4시간 가열한 후 감열감량으로 계산하였다(López et al.

데이터처리

비료의 종류와 수분조건에 따른 가스 플럭스 차이는 SPSS 17.0(SPSS Inc. Chicago, IL)의 일반선형모형을 이용한 ANOVA 분석으로 평가였으며, 처리효과가 인정될 경우 Duncan의 다중비교를 통해 처리 간 차이를 비교하였다 (a=0.05).

이론/모형

무기태 질소(NH4+와 NO3-)는 토양을 2 M KCl 용액과 1:5(W/V)로 혼합하고 1시간동안 교반한 후 #42 여과지로 여과한 액을 켈달 증류장치(Pronitro 1. J.P. Selecta, S.a, Spain)을 이용하여 MgO와 Devarda’s alloy를 이용하여 연속적으로 증류한 후 산-염기 적정법에 의해 분석하였다(Keeney and Nelson, 1982).
a, Spain)을 이용하여 MgO와 Devarda’s alloy를 이용하여 연속적으로 증류한 후 산-염기 적정법에 의해 분석하였다(Keeney and Nelson, 1982). 양이온 교환능(CEC)은 NH₄OAc-Ethanol-NaCl 연속 침출법으로 분석하였다(Sumner and Miller, 1996). 입경분포(clay:silt:sand)는 피펫법으로 분석하였으며, 토성은 미국 농무성법 분류기준을 따랐다(Gee and Bauder, 1986).
양이온 교환능(CEC)은 NH₄OAc-Ethanol-NaCl 연속 침출법으로 분석하였다(Sumner and Miller, 1996). 입경분포(clay:silt:sand)는 피펫법으로 분석하였으며, 토성은 미국 농무성법 분류기준을 따랐다(Gee and Bauder, 1986).

성능/효과

CH4 플럭스는 0∼13.8 mg CH4/m/day의 범위에서 변화하였으며, 시기적으로 습윤기간 초기와 전이기간과 건조기간 경계 시점에서 높은 값을 보였다.
HV 처리구에서 CO2 플럭스의 경시적 변화는 타 처리와 달리 항온 배양 2일째 최대 플럭스(1.9 g CO2/m/day)를 보인 후 4∼30일 기간 동안 매우 급격히 감소하다가 전이기간에 다시 증가하는 경향을 보였다.
AS나 PMC 처리구에서 CH₄ 플럭스가 대조구에 비해 낮았는데, 이는 AS의 SO₄^2-와 퇴비에 함유된 산화형 물질(Fe³⁺, Mn⁴⁺, NO₃^-)과 같은 전자 수용체에 의해 습윤기간 중 이들 물질이 전자수용체로 활용되어 CH₄ 생성이 감소할 수 있음을 의미한다. PMC와 HV의 탄소 손실률을 비교하면, HV와 같은 이분해성 유기물에 비해 PMC와 같은 난분해성 유기물의 시용이 토양 탄소량을 증가시키는 것으로 나타났다. 또한, 본 연구는 HV와 같은 녹비 작물이 질소 공급의 측면에서 화학비료를 대체할 수 있지만, 화학비료 시용에 비해 CH₄ 발생이 증가할 수 있음을 제시한다.
3). 대조구는 습윤기간의 플럭스가 가장 높았고, AS 처리구는 수분변화에 따른 CH₄ 플럭스 차이가 나타나지 않았으며, PMC 처리구에서는 전이기간 중 CH₄ 플럭스가 가장 높았다(Fig. 3). 한편, HV 처리구는 전이기간 중 CH₄ 플럭스가 가장 낮았지만, 습윤 및 건조기간 동안의 CH₄ 플럭스는 타 처리에 비해 높았다(Fig.
1). 따라서 항온 배양기간을 0-30일까지를 습윤기간, 30-40일을 전이기간, 40-60일을 건조기간으로 구분할 수 있었다.
PMC와 HV의 탄소 손실률을 비교하면, HV와 같은 이분해성 유기물에 비해 PMC와 같은 난분해성 유기물의 시용이 토양 탄소량을 증가시키는 것으로 나타났다. 또한, 본 연구는 HV와 같은 녹비 작물이 질소 공급의 측면에서 화학비료를 대체할 수 있지만, 화학비료 시용에 비해 CH₄ 발생이 증가할 수 있음을 제시한다. 따라서, 이분해성 유기물(녹비 작물)과 난분해성 유기물(가축분퇴비)을 혼합 시용할 경우 양분공급과 탄소저장량 증대에 모두 유리할 것으로 기대된다.
, 2010). 사용한 PMC와 HV의 탄소함량은 각각 295 g C/kg과 401 g C/kg, 질소함량은 27.5 g N/kg과 34.9 g N/kg이었으며, CSD는 PMC에서 27.3%와 HV에서 2.2%였다. 따라서, PMC에 비해서 HV가 이분해성으로 나타났다.
수분 공급을 중단 한 30일 이후부터 지속적으로 증가하여 50일 이후부터는 약 500 mV를 유지하였다. 수분함량도 이에 상응하게 30일까지 50%를 유지하다 건조기간을 모의하기 위해 수분 공급을 중단한 이후 지속적으로 감소하여 최종 수분함량은 33%를 나타냈다(Fig. 1). 따라서 항온 배양기간을 0-30일까지를 습윤기간, 30-40일을 전이기간, 40-60일을 건조기간으로 구분할 수 있었다.
, 2012). 시기적으로 습윤기간 초기, 전이기간과 건조기간 경계 시점에서 상대적으로 플럭스가 높았는데(Fig. 2), 습윤기간 초기의 CH₄ 플럭스는 이분해성 유기물의 급격한 혐기성 분해에 기인한 것으로 판단된다. 전이기간과 건조기간 경계 시점의 경우에는 습윤기간 중 생성되어 토양내 체류된 CH₄이 수분 공급 중단에 의해 형성된 통기성 공극을 통해 배출되었기 때문이다(Yagi et al.
전체 기간 중 각 처리별 평균 CH4 플럭스(mg CH4/m/day) 는 HV(4.5) > Control(1.7) > AS(0.9) > PMC(0.8)의 순서였다(Fig. 3).
전체 평균 CO₂ 플럭스(g CO₂/m/day)는 대조구(0.90)에 비해 AS에서 0.80으로 가장 낮았고 PMC(0.96)과 HV(0.93) 처리구에서 상대적으로 높았지만, 통계적 유의성은 없었다 (Fig. 5). 토양 호흡에 의한 CO₂ 플럭스는 비료 처리량, 유기물 분해도, 수분조건, 온도 등에 영향을 받는다(Ajawa and Tabatabai, 1994; Alluvione et al.
최종토양의 탄소 함량은 대조구에서 0.355 g C/bottle이었고, 비료 처리구에서는 0.338∼0.401 g C/bottle이었으며, 탄소 손실률은 HV(16.4) > AS(8.1) > PMC(7.5) > Control(5.4) 순서로 나타났다(Table 3).
이는 본 연구에서 전체 가스 플럭스를 측정하지 않아 손실된 탄소를 모두 정량하지 못했기 때문이다. 하지만, PMC와 HV의 탄소 손실률을 비교하면, 가축분 퇴비와 같은 난분해성 유기물이 HV와 같은 이분해성 유기물에 비해 토양 탄소량 증대에 유리함을 알 수 있었다. 따라서, PMC와 HV의 양분공급력에 대한 기존 연구를 고 하면, 이분해성 유기물(HV)과 난분해성 유기물(PMC)을 혼합 시용할 경우 양분 공급과 탄소저장량 증대에 유리할 것으로 기대된다.
하지만, 본 연구에서는 산화가능한 질소가 추가로 투입된 AS나 PMS 처리구에서 CH4 플럭스가 대조구에 비해 낮았는데(Fig. 3), 이는 질산화가 억제되기 쉬운 습윤 조건에서 CH4 산화균에 의한 CH4 플럭스 변동은 크지 않음을 의미한다.
한편, 본 연구에서는 AS과 PMC 처리구에서 평균 CH4 플럭스가 대조구(Control)에 비해 낮았는데, 이는 AS나 PMC 처리에 따른 전자 수용체 유효도 변동에 기인한 것으로 판단된다.

후속연구

따라서, PMC와 HV의 양분공급력에 대한 기존 연구를 고 하면, 이분해성 유기물(HV)과 난분해성 유기물(PMC)을 혼합 시용할 경우 양분 공급과 탄소저장량 증대에 유리할 것으로 기대된다.
따라서, 정밀한 환경 제어가 가능한 실내 실험에서 다양한 비료원과 중간 낙수를 모의하는 수분 변화 조건에 따른 논 토양의 CH₄과 CO₂ 플럭스 변화에 대한 연구는 향후 포장 연구를 위해 선행될 필요가 있다. 본 연구에서는 논 토양을 모의하는 조건에서 토양에 투입된 비료의 종류와 토양수분상태에 따른 CH₄과 CO₂ 플럭스 특성을 평가하기 위해 실험실 조건에서 화학비료(유안), 이분해성 유기비료(헤어리베치), 난분해성 유기비료(가축분 퇴비)를 토양에 혼합 후 수분 변동조건을 습윤기간, 전이기간, 건조기간으로 구분하여 CH₄과 CO₂ 플럭스를 조사하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	농경지 토양에서 CH4과 CO2 방출에 대한 주요 영향 인자는?	수분 조건과 비료 종류는 농경지 토양에서 CH4과 CO2 방출에 대한 주요 영향 인자이다(Dalal et al., 2008; Jastraw et al.
	토양 유기물 분해에 의하여 CO2 방출이 증가하지만, 그 정도는 어떤 요인에 따라 상이하게 나타나는가?	, 2009). 한편, 유기물이 풍부하고 토양개량 및 양분공급효과가 우수하여 화학비료를 대체할 수 있는 가축분 퇴비나 녹비는 이들 유기물 분해에 의한 CO2의 발생량이 증가하지만, 그 정도는 투입되는 유기물 기질의 특성에 따라 상이하다(Lee et al., 2010; Lim et al.
	작물 생육기 중 일정 기간 동안 담수상태에서 혐기적 토양 조건을 형성하는 논으로부터 발생되는 CH4는 전 세계 배출량의 어느 정도를 차지하는가?	, 2003). 예를 들면, 밭과 달리 작물 생육기 중 일정 기간 동안 담수상태에서 혐기적 토양 조건을 형성하는 논으로부터 발생되는 CH4은 전 세계 육상생태계 배출량의 10∼15%를 차지한다(Chen et al., 2011; Hűtsch, 1998; IPCC, 2007; Nyberg et al.

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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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