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문제 정의
- 본 연구에서는 바이오차의 토양 처리시 행동특성을 구명하기 위해 국내 생산된 왕겨 바이오차와 음식물쓰레기 바이오차에 대해 물리화학적 특성을 조사하고 항온조건에서 상추발아시험, 토양 컬럼 시험을 수행하였다. 시험토양은 점토함량이 6%로 낮은 세사양토였고 바이오차 처리수준은 10 MT ha-1였다.
- 그러나 음식물쓰레기 바이오차의 경우 높은 염 함량으로 토양 처리 시작물의 발아율 저하가 나타났다. 이는 각종 부산물을 활용한 바이오차를 농업적으로 활용하기 위해서는 먼저 작물이나 토양 및 수계 등 주변 환경에 유해한 요소가 있는지를 확인할 필요가 있다는 것을 보여주는 사례라 하겠다. 반면 왕겨 바이오차의 경우 유기탄소량 증가 외에도 포화수리전도도의 증가 등의 토양 물리성 개선 효과를 함께 보여주었다.
제안 방법
- ) 종자 20개를 파종하고 25℃ 항온기에서 10일간 발아율을 관찰하였다. 10일 후 증류수 배지의 pH와 EC를 측정하였고 토양배지는 pH, EC, 토양유기탄소함량을 측정하였다. 측정방법은 토양 및 식물체 분석법(NIAST, 2000)의 방법을 따랐으며 pH (H2O, 1:5)는 pH meter(Orion, USA) 로 측정하였고 EC는 EC meter(EcoScan, Japan)로 측정하였다.
- 치환성양이온은 1 M NH4OAC 추출법, 양이온치환용량(CEC)는 토양을 1 M NH4OAC로 포화 후 에틸알코올로 공극의 NH4+를 씻어낸후 증류법으로 NH4+를 정량하여 측정하였다(NIAST,2000). 바이오차 비료성분 분석 및 중금속함량은 비료의 품질검사 및 시료채취 기준 (RDA, 2010)의 방법을 따랐으며 5회 채취 분석하여 성분의 균일성을 살펴보았다.
- RHB는 부산물비료로 등록되어 농경지 시용용으로 판매되고 있는 것인 반면 FWB는 탄화 후 압착시켜 번개탄 등의 연료용을 사용되고 있는 것이었다. 바이오차의 총 탄소 및 질소의 분석은 시료를 막자로 곱게 갈아 원소분석기(LECO1000, US)를 이용하여 분석하였다. 치환성양이온은 1 M NH4OAC 추출법, 양이온치환용량(CEC)는 토양을 1 M NH4OAC로 포화 후 에틸알코올로 공극의 NH4+를 씻어낸후 증류법으로 NH4+를 정량하여 측정하였다(NIAST,2000).
- 발아시험은 Table 2와 같이 증류수배지와 토양배지에서 각각 바이오차를 무처리 및 1배, 2배로 3반복으로 처리하였다. 이 때 1배 처리량은 채취포장의 표토 10 cm에 처리할시 (용적밀도 1.
- 본 연구에서는 왕겨 바이오차(RHB)와 음식물쓰레기 바이오차(FWB)를 연구대상으로 선정하여 성분함량을 분석하고 밭 사양토에 두 바이오차를 처리하여(토양처리량 10 MT ha-1) 그 효과를 항온조건에서 상추발아율, 토양이화학성 및 토양 컬럼을 통한 수용성유기탄소의 용탈량을 통해 평가하였다.
- 005 M SrBr2·6H2O (EC-1 dS m-1)를 Mariotte bottle을 이용하여 일정수두를 유지하면서 계속 흘려주었다. 이 때 유출되는 용액을 분획수집기를 이용하여 약 15 mL 씩 분획 수집하여 유출액 중 총유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)를 TOC 분석기(GE Sievers, US)를 이용하여 분석하였다. 컬럼 시험동안 정수위를 유지하였으며 포화 컬럼의 수리전도도(K25)는 다음의 식으로 계산하였다(NIAST, 2000).
- 증류수배지는 petri dish를 사용하였고 토양은 500 mL 비이커를 사용하였다. 처리된 각 용기에 적상추(Lactuca sativa L.) 종자 20개를 파종하고 25℃ 항온기에서 10일간 발아율을 관찰하였다. 10일 후 증류수 배지의 pH와 EC를 측정하였고 토양배지는 pH, EC, 토양유기탄소함량을 측정하였다.
- 바이오차의 총 탄소 및 질소의 분석은 시료를 막자로 곱게 갈아 원소분석기(LECO1000, US)를 이용하여 분석하였다. 치환성양이온은 1 M NH4OAC 추출법, 양이온치환용량(CEC)는 토양을 1 M NH4OAC로 포화 후 에틸알코올로 공극의 NH4+를 씻어낸후 증류법으로 NH4+를 정량하여 측정하였다(NIAST,2000). 바이오차 비료성분 분석 및 중금속함량은 비료의 품질검사 및 시료채취 기준 (RDA, 2010)의 방법을 따랐으며 5회 채취 분석하여 성분의 균일성을 살펴보았다.
- 컬럼은 3인치코아(Φ75 x h75 mm)를 사용하였고, 풍건 토양 약 350 g에 RHB와 FWB를 10 MT ha-1에 해당하는 양을 처리한 후 컬럼에 충진하였다.
- 측정방법은 토양 및 식물체 분석법(NIAST, 2000)의 방법을 따랐으며 pH (H2O, 1:5)는 pH meter(Orion, USA) 로 측정하였고 EC는 EC meter(EcoScan, Japan)로 측정하였다. 토양유기탄소함량은 건조토양을 막자로 잘 간 후 원소분석기(LECO1000, US)를 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
- 토양탄소함량은 약 7 g kg-1으로 비옥도가 낮은 토양이었다. 시험에 사용한 바이오 바이오차는 두 종류로, 미곡처리장의 탄화시스템을 통해 생산된 왕겨 바이오차(RHB)와 음식물쓰레기를 건조한 후 탄화시켜 얻은 음식물쓰레기 바이오차(FWB)이었다. RHB는 부산물비료로 등록되어 농경지 시용용으로 판매되고 있는 것인 반면 FWB는 탄화 후 압착시켜 번개탄 등의 연료용을 사용되고 있는 것이었다.
- 시험에 사용한 토양은 점토함량이 6%로 낮은 세사양토로 토양특성은 Table 1과 같다. 토양탄소함량은 약 7 g kg-1으로 비옥도가 낮은 토양이었다.
- 3 Mg m-3) 10 MT ha-1에 해당하였다. 증류수배지는 petri dish를 사용하였고 토양은 500 mL 비이커를 사용하였다. 처리된 각 용기에 적상추(Lactuca sativa L.
이론/모형
- 10일 후 증류수 배지의 pH와 EC를 측정하였고 토양배지는 pH, EC, 토양유기탄소함량을 측정하였다. 측정방법은 토양 및 식물체 분석법(NIAST, 2000)의 방법을 따랐으며 pH (H2O, 1:5)는 pH meter(Orion, USA) 로 측정하였고 EC는 EC meter(EcoScan, Japan)로 측정하였다. 토양유기탄소함량은 건조토양을 막자로 잘 간 후 원소분석기(LECO1000, US)를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
- 크롬 및 아연 또한 허용량 이하지만 100 mg kg-1이상으로 나타났다. 1 M NH4OAC 추출 양이온 또한 FWB에서 높게 나타났으며 특히 나트륨함량이 100 cmolc kg-1이상으로 매우 높게 나타났다. 반면 양이온 교환용량은 RHB에서 더 높게 나타났다.
- 토양배지에서도 무처리 10일째 평균 85%로 증류수 배지와 유사하게 나타났다. RHB 처리구에서 발아율 10일째에 평균 58%*-70%로 증류수배지에서 무처리보다 낮았으며 1배구보다 2배구가 높게 나타났으나 유의한 차이는 보이지 않았다. 반면 FWB에서는 상추종자가 발아되지 않았다.
- Table 3은 바이오차 주성분함량을 나타내고 있다. RHB이 FWB보다 탄소 및 질소함량이 낮게 나타났고 탄소와 질소의 비는 RHB이 32로 FWB보다 약 두 배 높게 나타났다. 인산과 칼리 또한 FWB가 높게 나타났다.
- 이는 상대적으로 증류수배지에서보다 토양에서 바이오차 처리율이 낮고 토양이 갖는 완충능력 때문으로 사료된다. 그럼에도 2일째 발아율은 무처리와 RHB에 비해 FWB의 발아율이 현격하게 낮아 염해의 영향이 바이오차 시용 초기에 크게 나타날 수 있음을 알 수 있었다. 토양배지에서 10일 후 pH가 6.
- 3 dS m-1의 임계값을 갖는 염해에 약한 작물이다. 따라서 FWB 처리는 상추와 같이 염해에 약한 작물에 피해를 줄 수 있다고 판단할 수 있었다.
- 무처리에 비해 RHB를 처리한 컬럼이 무처리의 두 배 이상의 포화수리전도도를 나타내었으며 공극률 또한 무처리에 비해 높게 나타났다. 따라서 RHB 처리로 물의 이동에 주로 관여하는 대공극량이 증가한 것으로 판단할 수 있었다. 대공극량의 증가는 포화수리전도 도를 높일 뿐 아니라 통기성 또한 높여 토양 물리성을 개선할 수 있다.
- 1 dS m-1무처리에 비해 높게 나타났다. 따라서 바이오차의 특성에 따라 처리 후의 토양 특성이 크게 좌우됨을 알 수 있었다. 토양유기탄소함량의 경우, 무처리에 비해 바이오차 처리구가 높았으며 동일수준 처리 시 RHB가 FWB보다 더 높게 나타났다.
- 반면 유출액이 공극부피 9 이상 누적된 후에는 처리 간 농도가 유사하게 나타났다. 따라서 밭 사양토에 왕겨 및 음식물쓰레기 등 부산물을 원료로 제조한 바이오차 처리로 토양유기탄소함량이 증가하여 수용성유기탄소 용출 등의 완충기능이 강화될 수 있는 반면 원료자체에 포함된 염 및 중금속은 바이오차의 농업적 사용을 제한할 수 있다고 판단할 수 있었다.
- Kaiser 등(2001) 은 수용성 유기 양분의 손실은 토양 중 수용성 유기물질의 이동성에 따른다고 보고하였으며 Bolan 등(2004)은 점토 및 수산화물과 같은 흡착체 함량이 낮은 토양에서 수용성 유기물질의 흡착이 낮게 나타났다고 보고하였다. 따라서 시험토양과 같이 점토함량이 낮은 사양질 토양에서 바이오차 처리로 증가된 흡착력은 수용성 유기물질의 이동성을 낮추어 지하수로 질소, 인 등의 영양물질 부하가 저감될 수 있을 것으로 사료된다.
- 바이오차 시용 토양 컬럼에서 물로 유출되는 유기탄소량을 알아보기 위해 시험에 사용된 컬럼의 물리적 특성은 Table 8에 나타나 있다. 무처리에 비해 RHB를 처리한 컬럼이 무처리의 두 배 이상의 포화수리전도도를 나타내었으며 공극률 또한 무처리에 비해 높게 나타났다. 따라서 RHB 처리로 물의 이동에 주로 관여하는 대공극량이 증가한 것으로 판단할 수 있었다.
- 시험토양은 점토함량이 6%로 낮은 세사양토였고 바이오차 처리수준은 10 MT ha-1였다. 왕겨 바이오차와 음식물쓰레기 바이오차는 탄소와 질소의 함량비에서 큰 차이를 보였는데 왕겨 바이오차가 32로 음식물쓰레기 바이오차에 비해 약 두배 높게 나타났다. 음식물쓰레기 바이오차는 염분함량이 퇴비규격 1%를 초과하였고 중금속함량도 왕겨 바이오차에 비해 높게 나타났으며 반복 간 변이도 크게 나타났다.
- 요컨대, 부산물인 왕겨와 음식물쓰레기를 이용하여 생산된 두 종류의 바이오차를 밭 사양토에 10 MT ha-1 수준으로 처리한 결과 토양유기탄소함량이 증가하고 컬럼에서 유출되는 초기 유기탄소량이 작아져 바이오차 처리로 높아진 토양의 흡착능을 확인할 수 있었다. 그러나 음식물쓰레기 바이오차의 경우 높은 염 함량으로 토양 처리 시작물의 발아율 저하가 나타났다.
- 왕겨 바이오차와 음식물쓰레기 바이오차는 탄소와 질소의 함량비에서 큰 차이를 보였는데 왕겨 바이오차가 32로 음식물쓰레기 바이오차에 비해 약 두배 높게 나타났다. 음식물쓰레기 바이오차는 염분함량이 퇴비규격 1%를 초과하였고 중금속함량도 왕겨 바이오차에 비해 높게 나타났으며 반복 간 변이도 크게 나타났다. 상추발아 시험 결과 왕겨 바이오차 처리구의 경우 무처리와 유사한 발아율을 나타낸 반면 음식물쓰레기 바이오차는 발아율이 무처리에 비해 낮게 나타났으며 발아초기에 특히 뚜렷하였다.
- 바이오차 처리에 따른 상추종자의 발아율은 Table 6에나타나 있다. 증류수배지에서 발아율은 무처리에서 5일째 평균 72%, 7일째 85%로 나타났으며 표준편차가 13%로 발아 변이계수가 15%정도로 나타났다. 토양배지에서도 무처리 10일째 평균 85%로 증류수 배지와 유사하게 나타났다.
- 토양배지의 경우, 증류수 배지에 비해 FWB 처리구에서도 10일째 57%-70%정도의 발아율을 나타내었으며 RHB 처리의 경우 무처리와 유사한 수준으로 발아율이 높았다. 이는 상대적으로 증류수배지에서보다 토양에서 바이오차 처리율이 낮고 토양이 갖는 완충능력 때문으로 사료된다.
- 포화 토양 컬럼(Φ75 × h75 mm)시험에서 왕겨 바이오차 처리에서 투수속도가 무처리 및 음식물쓰레기 바이오차에 비해 높게 나타났다.
- 한편 유출액 누적부피 9 pore volumes 이상에서는 무처리와 RHB와 FWB의 처리 컬럼 유출액의 유기탄소농도가 거의 유사하게 나타났으며 TOC 농도는 약 20 mg L-1 수준이었다. 이는 RHB와 FWB의 처리 컬럼에서 토양 중 수용성 유기물질을 바이오차가 흡착함과 동시에 처리한 바이오차에서 유기물질이 물로 용출될 수 있기 때문으로 생각된다 (Nguyen et al.
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