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문제 정의
- 현재까지 국내에서 퇴비의 시용과 경운에 따른 토양의 탄소격리와 탄소의 안정화 정도와 관련하여 수행되어진 연구는 부족한 실정이며 해외에서 연구되어진 연구결과들은 대부분 5년 이상의 장기간에 이루어진 연구결과들이었다. 따라서 본 연구는 단기간의 벼재배시험 동안 축분퇴비의 시용량과 경운 유무에 따른 토양 유기탄소의 함량 변화와 토양 탄소의 안정화 정도를 조사하기 위해 실시하였다.
- 본 연구는 벼재배시험 기간 동안 축분퇴비의 시용량과 경운 유무에 따른 토양 유기탄소의 함량 변화와 토양 탄소의 안정화 정도를 조사하기 위해 실시되었다. 벼 기간 동안 퇴비의 시용과 경운 유무에 따라 토양 내 유기탄소 함량의 유의한 증가는 발견되지 않았다.
제안 방법
- 공시토양의 pH와 전기전도도는 풍건된 시료를 토양/증류수 비 1:5(w/w)로 하여 유리막대로 잘 저은 후 pH meter와 EC meter를 이용하여 pH와 EC 값의 변동이 없을 때 값을 읽었으며, 측정값의 일관성을 유지하기 위하여 동일한 측정시간을 적용하였다. 총질소 함량은 킬달증류법(Bremner, 1965; Kjeldahl method)으로 측정하였으며 수확 후 토양의 용적밀도는 core 법(Blake와 Hartge, 1986)으로 실시하였다.
- 추출을 위하여 풍건된 시료 2 g을 플라스틱 튜브에 넣고 10 ml의 증류수를 가하여 토양/물의 비를 1:5(w/w)로 한 다음 30분간 교반하여 혼합 및 분산이 잘되게 하였다. 교반된 튜브는 70℃의 열수에 담궈 18시간 동안 추출 반응 시킨 후 손으로 흔들거나 볼텍스 교반기를 사용하여 3초간 토양을 재부유한 후 5C 여과지로 여과하여 TOC를 분석하였다.
- 부식질은 Janos(2003)이 사용한 방법으로 추출하였다. 먼저 추출효율의 증대를 위하여 0.1M HCl로 세척을 하여 양이온, 철, 수산화알루미늄을 제거하였다. 세척이 끝난 시료는 질소가스 조건하에서 0.
- 퇴비의 시용량에 따른 효과를 검정하기 위해 축분퇴비를 0, 6, 12(추천량), 24 Mg/ha로 처리하였다. 멀칭조건에 따른 효과를 검정하기 위해 축분퇴비를 추천량인 12 Mg/ha로 처리하고 토양과 축분퇴비를 완전히 혼합한 처리구를 경운 처리구로 설정하고 표토에 축분퇴비를 처리하고 토양과 혼합하지 않은 처리구를 무경운 처리구로 설정하였다. 모든 처리구에 질소(N 110 kg/ha)와 인산 (P2O5 30 kg/ha)과 가리(K2O 30 kg/ha)를 동일한 양으로 처리하였다.
- 멀칭조건에 따른 효과를 검정하기 위해 축분퇴비를 추천량인 12 Mg/ha로 처리하고 토양과 축분퇴비를 완전히 혼합한 처리구를 경운 처리구로 설정하고 표토에 축분퇴비를 처리하고 토양과 혼합하지 않은 처리구를 무경운 처리구로 설정하였다. 모든 처리구에 질소(N 110 kg/ha)와 인산 (P2O5 30 kg/ha)과 가리(K2O 30 kg/ha)를 동일한 양으로 처리하였다. 벼 모종을 2012년 11월 8일에 이앙하여 2013년 4월 16일에 수확하여 총 150일간 온실에서 재배하였다.
- 1M HCl로 세척을 하여 양이온, 철, 수산화알루미늄을 제거하였다. 세척이 끝난 시료는 질소가스 조건하에서 0.5 M NaOH로 추출하여, 5C 여과지로 분리하고 여액은 TOC 분석을 하였다. NaOH와 같은 강 알칼리 추출용액을 사용한 추출은 토양 및 퇴적물로부터 부식질을 분리하는데 널리 사용되어 왔다.
- 열수 추출 가능한 탄소는 이동성이 큰 토양유기탄소 안정성의 화학적 평가지표로 사용할 수 있으며(Plante 등, 2011), 이를 위해 Sparling 등(1998)이 사용한 추출방법을 개량하여 사용하였다. 추출을 위하여 풍건된 시료 2 g을 플라스틱 튜브에 넣고 10 ml의 증류수를 가하여 토양/물의 비를 1:5(w/w)로 한 다음 30분간 교반하여 혼합 및 분산이 잘되게 하였다.
- 토양유기탄소 함량측정을 위해 토양시료에 5%의 HCl을 TOC 측정컵이 다 젖도록 충분히 채워주고 실험실 내 오븐에 넣어 시료를 가열시켜 무기탄소 성분을 제거 후 TOC 분석기로 분석하였다. 이 때 가열을 위한 일반적인 온도와 시간은 시료의 유기물 함량에 따라 달라지나, 75~250℃에서 5분~2시간 이내를 적용하며 본 실험에서는 100℃에서 1시간 동안 가열하였다.
- 벼 모종을 2012년 11월 8일에 이앙하여 2013년 4월 16일에 수확하여 총 150일간 온실에서 재배하였다. 재배기간 동안 논토양 조건을 유지하기 위해 수면이 토양으로부터 5 cm가 되게 물을 지속적으로 첨가하였다.
- 침출액 내 탄소의 함량을 측정하기 위해 10% sodium-persulfate(Na2S2O8)와 5% phosphiric acid(H3PO4)를 유기탄소 농도에 따라 조정하여 가함으로써 시료 내 무기탄소를 제거한 다음 TOC 분석기로 분석 하였다.
- 토양유기탄소 함량측정을 위해 토양시료에 5%의 HCl을 TOC 측정컵이 다 젖도록 충분히 채워주고 실험실 내 오븐에 넣어 시료를 가열시켜 무기탄소 성분을 제거 후 TOC 분석기로 분석하였다. 이 때 가열을 위한 일반적인 온도와 시간은 시료의 유기물 함량에 따라 달라지나, 75~250℃에서 5분~2시간 이내를 적용하며 본 실험에서는 100℃에서 1시간 동안 가열하였다.
- 토양유기탄소(soil organic carbon, SOC), 부식질 (humic substances, HS) 및 열수 추출 가능한 탄소(hot water extractable organic carbon, HWEOC)에 대한 탄소의 함량은 Aurora1030 TOC(O.I. Analytical, USA)분석기기를 사용하여 분석하였다.
- 25 g/cm3이 되도록 다졌다. 퇴비의 시용량에 따른 효과를 검정하기 위해 축분퇴비를 0, 6, 12(추천량), 24 Mg/ha로 처리하였다. 멀칭조건에 따른 효과를 검정하기 위해 축분퇴비를 추천량인 12 Mg/ha로 처리하고 토양과 축분퇴비를 완전히 혼합한 처리구를 경운 처리구로 설정하고 표토에 축분퇴비를 처리하고 토양과 혼합하지 않은 처리구를 무경운 처리구로 설정하였다.
대상 데이터
- 논토양에서 축분퇴비의 시용량과 경운이 토양유기탄소의 축적에 미치는 효과를 검정하기 위해 부산대학교 부속농장 내 논토양의 표토(0~15 cm)를 채취하여 풍건세토 후 2 mm 체에 통과시켰다. 1/2000a 와그너 포트에 건조된 토양 15 kg을 충진한 후 가비중이 1.
- 본 연구를 수행하기 위해 경남 밀양시 부북면 오례리의 부산대학교 부속농장(128°72'11"N 35°50'23"E) 내 논토양을 공시토양으로 선정하였다. 대상지역의 토양은 우곡통에 속하는 토양이었으며 점토 7.2%, 미사 37%, 모래 55.8%를 포함하는 사질양토(sandy loam)이었다. 시험에 사용된 공시토양과 축분퇴비의 이화학적 특성은 Table 1에 나타내었다.
- 모든 처리구에 질소(N 110 kg/ha)와 인산 (P2O5 30 kg/ha)과 가리(K2O 30 kg/ha)를 동일한 양으로 처리하였다. 벼 모종을 2012년 11월 8일에 이앙하여 2013년 4월 16일에 수확하여 총 150일간 온실에서 재배하였다. 재배기간 동안 논토양 조건을 유지하기 위해 수면이 토양으로부터 5 cm가 되게 물을 지속적으로 첨가하였다.
- 본 연구를 수행하기 위해 경남 밀양시 부북면 오례리의 부산대학교 부속농장(128°72'11"N 35°50'23"E) 내 논토양을 공시토양으로 선정하였다.
- 일반적으로 퇴비는 퇴비화과정을 겪는 동안 미생물에 의해 쉽게 분해 가능한 형태의 탄소는 제거되어 지고 주로 부식질의 탄소가 존재하게 된다. 본 연구에 사용된 퇴비의 부식질 탄소의 함량과 열수추출 가능한 탄소의 함량은 총 탄소함량의 각각 80.1%와 5.1%로 이러한 사실을 Table 1에서 증명한다. 본 연구에서 퇴비의 시용에 따라 토양 내 부식질의 함량이 Table 2와 같이 증가되는 반면 열수추출 가능한 탄소의 함량이 감소되는 것은 시험에 사용된 퇴비의 높은 부식질 함량에 기인된 것으로 판단된다.
이론/모형
- 부식질은 Janos(2003)이 사용한 방법으로 추출하였다. 먼저 추출효율의 증대를 위하여 0.
- 공시토양의 pH와 전기전도도는 풍건된 시료를 토양/증류수 비 1:5(w/w)로 하여 유리막대로 잘 저은 후 pH meter와 EC meter를 이용하여 pH와 EC 값의 변동이 없을 때 값을 읽었으며, 측정값의 일관성을 유지하기 위하여 동일한 측정시간을 적용하였다. 총질소 함량은 킬달증류법(Bremner, 1965; Kjeldahl method)으로 측정하였으며 수확 후 토양의 용적밀도는 core 법(Blake와 Hartge, 1986)으로 실시하였다.
성능/효과
- 그러나 퇴비의 시용에 의해 쉽게 분해 가능한 형태인 열수추출 가능한 탄소의 함량은 감소하는 결과를 나타내었으며 쉽게 분해되기 어려운 형태인 부식질 탄소의 함량은 증가하였다. 경운을 하였을 때와 유기물을 시용하였을 때 벼의 지하부 바이오매스의 함량이 증가되어지는 결과를 나타내었다. 이상의 결과를 미루어 볼 때 장기적으로 축분퇴비를 지속적으로 시용하고 적당한 경운을 실시한다면 토양 유기탄소의 함량 증대와 안정화 정도를 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 이러한 결과는 본 연구의 짧은 조사기간과 관련이 있는 것으로 판단된다. 그러나 퇴비의 시용에 의해 쉽게 분해 가능한 형태인 열수추출 가능한 탄소의 함량은 감소하는 결과를 나타내었으며 쉽게 분해되기 어려운 형태인 부식질 탄소의 함량은 증가하였다. 경운을 하였을 때와 유기물을 시용하였을 때 벼의 지하부 바이오매스의 함량이 증가되어지는 결과를 나타내었다.
- 퇴비 시용량의 증가에 따라 토양유기탄소의 함량은 Table 2와 같이 다소 증가하는 경향을 나타났으나 통계적으로 유의한 차이는 나타나지 않았다. 또한 시험 전 토양과 퇴비시용 후의 토양 내 유기탄소함량 차이를 조사해본 결과, 퇴비의 시용량을 증가시킴에 따라 Table 3과 같이 유기탄소의 변화량이 다소 증가하는 경향을 나타났으나 통계적으로 유의한 차이는 나타내지 않았다. 본 연구에서 퇴비의 시용에 따라 토양 유기탄소 함량이 유의적으로 증가하지 않은 것은 토양 유기탄소함량 변화의 조사가 단기간에 이루어진 것과 관련이 있는 것으로 판단된다.
- 무경운 처리구의 표토 내 열수추출가능한 탄소의 함량은 Table 4와 같이 경운처리구에 비해 유의하게 높은 것으로 나타났다. 일반적으로 토양 내 유기탄소는 호기적인 조건이나 입단이 파괴되면 보다 쉽게 분해된다(Balesdent 등, 2000; Beare 등, 1994; Doran, 1980).
- 과도한 경운은 토양의 입단을 파괴하고 토양 내 유기물의 함량을 감소시켜 작물의 수량을 감소시킬 수 있으나 적당한 경운은 토양 내 양분의 무기화 및 물리성을 개량하여 작물의 수량을 증대시킨다(Ahmad 등, 1996; Keshavarzpour와 Rashidi, 2008; Ogban 등, 2008). 본 연구에서 무경운에 비해 경운처리에 의해 지하부의 바이오매스 량이 더 많은 이유는 적당한 경운에 의해 토양 물리성 및 통기성이 개량되어 지하부의 생육이 보다 좋아진 것으로 판단된다. 토양의 용적밀도는 Table 3과 같이 무경운 처리구의 표토(0~10 cm)에서 경운처리보다 다소 높은 것으로 나타났으나 다른 토양깊이(10~20 cm와 20~30 cm)에서는 경운처리구에서 높은 것으로 나타났다.
- 본 연구에서 수확기 토양 내 유기탄소의 함량과 유기탄소의 함량변화는 Table 2와 같이 토양의 깊이에 따라 유의한 차이가 없는 것으로 나타났다. Lee 등 (2007)은 스위치그래스를 재배토양에 퇴비를 시용하였을 때 표토(0~5 cm)에서 토양유기탄소의 함량이 유의적으로 증가하였으나 심토(30~90 cm)에서는 유의한 변화를 관찰하지 못하였다고 보고하였다.
- 이러한 대입단의 형성을 위해서는 장기간의 시간이 요구되어 질것으로 판단된다. 본 연구의 연구기간인 150일 동안 퇴비의 시용에 의해 토양 내 대입단의 형성이 유의적으로 증가되지 않은 것으로 판단된다. 이러한 판단에 대한 근거는 수확기에 측정된 토양의 용적밀도를 조사한 결과에 의해 입증되었다.
- 다른 토양 깊이(10~20 cm와 20~30 cm)에서는 무경운과 경운 처리 간에 유기탄소 함량차이를 발견할 수 없었다. 비록 통계적 유의한 차이는 없었지만 무경운 처리구에서 표토 내 유기탄소의 함량이 경운처리구보다 높았다. 이러한 결과는 기존에 이루어진 여러 연구들과 일치하는 결과이다.
- 퇴비를 시용함에 따라 열수추출 가능한 탄소의 함량은 모든 토양깊이에서 유의하게 감소하는 결과를 나타내었다. 토양 내 부식질의 함량은 퇴비의 시용량을 증가시킴에 따라 증가하는 경향을 나타내었으나 통계적 유의한 차이는 발견되지 않았다. 퇴비시용 전후의 토양 내열수추출 가능한 탄소의 변화량을 조사한 결과에서도 유사한 결과를 나타내었다.
- 퇴비시용에 따른 토양의 유기탄소함량의 변화와는 달리 토양 내 열수추출 가능한 탄소의 함량은 퇴비의 시용에 따라 처리구간의 차이를 나타내었다. 퇴비를 시용함에 따라 열수추출 가능한 탄소의 함량은 모든 토양깊이에서 유의하게 감소하는 결과를 나타내었다. 토양 내 부식질의 함량은 퇴비의 시용량을 증가시킴에 따라 증가하는 경향을 나타내었으나 통계적 유의한 차이는 발견되지 않았다.
- 퇴비의 시용량을 증가시킴에 따라 Fig. 1과 같이 벼의 지상부 바이오매스양은 유의한 차이는 없었으나 지하부 바이오매스양은 유의하게 증가되었다. 작물의 지상부에서 고사된 잎이나 잔재물들은 토양의 유기탄소로 환원될 수 있는 바이오매스이다.
후속연구
- 토양 탄소의 안정화 정도의 측면에서 본다면 무경운에 의해 표토 내 유기탄소의 함량이 증가하더라도 열수추출가능한 탄소의 함량이 높아 미생물에 의해 쉽게 분해되어 제거될 가능성이 높다. 그러나 본 연구는 150일 간의 짧은 기간 동안 수행되어 보다 장기적인 측면에서의 해석을 위해서는 연구가 더욱 필요할 것으로 판단된다.
- 반면에 지하부의 바이오매스는 수확 후에도 토양 내에서 남아 토양 유기탄소의 중요한 공급원이 된다. 따라서 장기간 동안 지속적으로 축분퇴비를 시용한다면 토양 유기탄소의 중요한 공급원이 되는 지하부의 바이오매스 양을 증대시켜 결론적으로 토양 탄소의 격리능을 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 경운을 하였을 때와 유기물을 시용하였을 때 벼의 지하부 바이오매스의 함량이 증가되어지는 결과를 나타내었다. 이상의 결과를 미루어 볼 때 장기적으로 축분퇴비를 지속적으로 시용하고 적당한 경운을 실시한다면 토양 유기탄소의 함량 증대와 안정화 정도를 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
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