[논문]배 전정지 바이오차 시용이 작물 생육 및 토양이화학성에 미치는 영향

장재은; 임갑준; 박중수; 심재만; 강창성; 홍순성

doi:10.17137/korrae.2018.26.4.11

배 전정지 바이오차 시용이 작물 생육 및 토양이화학성에 미치는 영향
Application Effects of Biochar Derived from Pruned Stems of Pear Tree on Growth of Crops and Soil Physico-chemical Properties 원문보기

유기물자원화 = Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, v.26 no.4, 2018년, pp.11 - 19

장재은 (경기도농업기술원) , 임갑준 (경기도농업기술원) , 박중수 (경기도농업기술원) , 심재만 (경기도농업기술원) , 강창성 (경기도농업기술원) , 홍순성 (경기도농업기술원)

초록
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본 연구는 배 전정지를 사용하여 제조온도와 가열시간별로 바이오차를 제조하여 최적의 바이오차 제조조건을 확립하고 바이오차 시용이 작물 생육과 토양이화학성에 미치는 영향을 구명하기 위하여 수행하였다. 제조온도($300^{\circ}C$, $500^{\circ}C$, $700^{\circ}C$), 가열시간(2, 3, 4 시간)별로 전기로에서 바이오차를 제조하여 성분변화를 조사하였다. 바이오차 제조온도가 높을수록 pH, 칼륨, 마그네슘, 양이온교환용량(CEC)은 증가하였고 이러한 성분변화는 $500^{\circ}C$에서 급격히 일어났다. 하지만 제조온도가 증가할수록 회분함량이 증가하고 전탄소(T-C) 함량과 수율은 감소하여 제한요인으로 작용하였다. 또한 가열시간에 따른 성분변화는 크게 나타나지 않아 가열시간보다는 제조온도에 따라 바이오차의 성분변화가 큰 것으로 나타났다. 따라서 바이오차 성분변화 및 회분, 수율을 고려하여 배 전정지 바이오차 제조조건은 $500^{\circ}C$, 2시간으로 설정하는 것이 바람직할 것으로 생각되었다. 농가 자가제조용 바이오차의 제조조건을확립하기 위해 드럼형 제조장치를 사용하여 배 전정지 바이오차를 대량으로 제조하였을 때에서도 전기로를 사용하여 제조한 바이오차와 주요 성분이 대등함을 확인할 수 있었으며, 이를 사용하여 배추와 토마토를 재배하면서 바이오차의 시용효과를 조사한 결과 무시용 대비 토양의 pH, 유기물(OM), 전탄소(T-C) 함량이 증가하고 EC, NO3-N가 감소하였다. 또한 바이오차 시용시 토양의 용적밀도가 낮아지고 공극률 및 입단율은 높아지는 경향을 보여 토양 물리성이 개선되는 효과가 나타났다. 바이오차를 연용한 결과 바이오차 시용으로 배추 생육 미 및 수량이 증가하였으며, 토마토는 바이오차 연용으로 상품과의 갯수 및 수량이 증가하였다. 드럼형 제조장치를 사용하여 농업부산물 바이오차를 농가에서 자가제조하여 사용할 경우 생산비 절감과 동시에 시설재배지 토양 이화학성 개선에 효과가 있어 친환경 농가의 토양관리에 활용도가 클 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to develop the manufacturing method of biochar using pruned stems of pear tree and its application effect on the crop growth and soil physico-chemical properties. In this study, biochar derived from pruned stems of pear tree at heating temperature of $300^{\circ}C$, $500^{\circ}C$ and $700^{\circ}C$ in heating times of 2, 3 and 4 hours, were tested in the changes of their chemical properties during biochar processing. The pH, Exch. K, Exch. Mg and cation exchange capacity (CEC) increased as the pyrolysis temperature increased during the production of biochar, and the change of these properties rapidly occurred at $500^{\circ}C$. However, as the pyrolysis temperature increased, ash content increased and total carbon (T-C), yield decreased. And the change of the properties in response to the heating time was not shown. It was thought that it would be desirable to set the production conditions of biochar at $500^{\circ}C$ for 2 hours in consideration of the change of chemical properties and the ash content and yield. And also, were conducted the experiments to establish manufacturing method of farm-made biochar using drum biochar manufacturing machine and investigate the application effects of biochar on the cultivation of chinese cabbage and tomato. Application of biochar derived from pruned stems of pear tree could enhance pH, organic matter (OM), total carbon (T-C) of soil. On the other hand, soil electrical conductivity (EC), NO3-N were lowered compared to the control which has no application. The bulk density, porosity and aggregate formation of soil were improved by biochar application. The fresh matter yields of chinese cabbage and tomato were significantly increased in proportion to the application rate of biochar. This study demonstrated the effect of the biochar derived from agricultural byproduct to be as a low cost potential soil ameliorant by physico-chemical properties in eco-friendly greenhouse cultivation.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. The procedure of biochar using drum biochar manufacturing machine.
표 Table 1. The Change of Chemical Properties of Biochar by Manufacturing Method
표 Table 2. Production Yield of Biochar by Pyrolysis Temperature and Heating Time
표 Table 3. Chemical Properties of Produced Biochar Using Drum Biochar Manufacturing Machine
표 Table 4. Chemical Properties of Soil by Biochar Application in Cabbage Cultivation
표 Table 5. Chemical Properties of Soil by Biochar Application in Tomato Cultivation
표 Table 6. Physical Properties of Soil After Biochar Application
표 Table 7. Effect of Biochar Application on Leaf Length and Width of Chinese Cabbage
표 Table 8. The Fruit Weight, Number of Fruit and Sugar Content of Tomato by Biochar Application
표 Table 9. The Fresh Matter Yield of Chinese Cabbage and Fruit Weight of Tomato by Biochar Application

AI 본문요약
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문제 정의

배 전정지를 이용하여 제조온도와 가열시간별로 바이오차를 제조하여 최적의 바이오차 제조 조건을 확립하고 농가 자가제조용 드럼형 바이오차 제조장치를 이용한 바이오차 제조와 이를 이용한 시설재배지 토양이화학성 변화와 작물 생육에 미치는 영향을 조사하기 위해 본 연구를 실시하였다.
경기도내 배 재배면적(2018)은 3,923 ha로 과수 중 가장 많은 면적을 차지하고 있다. 본 연구는 경기도내 농업부산물 중 볏짚 다음으로 생산량이 많은 과수 전정지 중 배 전정지를 사용하여 제조온도와 가열시간별로 바이오차를 제조하여 최적의 바이오차 제조조건을 확립하고 이를 이용하여 시설재배지 염류경감과 토양구조 개선 효과를 구명하여 시설재배지 친환경 토양관리기술을 개발하고자 실시하였다.

제안 방법

농가 자가제조용 바이오차의 제조방법을 확립하고 시용효과를 구명하기 위해 배 전정지를 이용하여 바이오차를 제조하였다. 사용한 바이오차는 농가 활용도를 고려하여 기존 시판되고 있는 훈탄기(OCF-400, 오티엘코리아, Korea)를 드럼형 바이오차 제조장치로 사용하여서 제조하였으며, 제조방법은 Fig.
농업부산물 원료의 원활한 수급을 고려하여 경기도내 과수 중 재배면적이 가장 많은 배나무 전정지를 이용하여 제조온도와 가열시간 등 최적의 바이오차 제조조건을 확립하기 위해 제조온도(300 ℃, 500 ℃, 700 ℃), 가열시간(2, 3, 4 시간)별로 전기로 (Lindberg Blue M, Thermolyne, USA)에서 바이오차를 제조하여 성분변화를 조사하였다.
배추와 토마토를 봄, 가을작기로 연 2회 재배하면서 바이오차 무시용, 배 전정지 바이오차 100, 200, 300kg/10a 시용 등 총 4처리를 두고 시험구를 난괴법 3반복으로 배치하여 2016년까지 2년간 연용하면서 토양 이화학성, 작물생육 및 수량 등을 조사하였다. 배추는 정식후 2개월 후 수확하여 수확기 생육 및 생체중을 조사하였으며 토마토는 처리구별로 정상 과수, 과일의 무게, 당도 등을 조사하였다. 생육 및 수량조사는 농촌진흥청의 농업과학기술 연구조사분석기준¹⁵⁾ 에 준하여 실시하였다.
바이오차의 시용효과 시험은 경기도 화성시 경기도농업기술원내 비닐하우스에서 수행하였다. 배추와 토마토를 봄, 가을작기로 연 2회 재배하면서 바이오차 무시용, 배 전정지 바이오차 100, 200, 300kg/10a 시용 등 총 4처리를 두고 시험구를 난괴법 3반복으로 배치하여 2016년까지 2년간 연용하면서 토양 이화학성, 작물생육 및 수량 등을 조사하였다. 배추는 정식후 2개월 후 수확하여 수확기 생육 및 생체중을 조사하였으며 토마토는 처리구별로 정상 과수, 과일의 무게, 당도 등을 조사하였다.

대상 데이터

바이오차의 시용효과 시험은 경기도 화성시 경기도농업기술원내 비닐하우스에서 수행하였다. 배추와 토마토를 봄, 가을작기로 연 2회 재배하면서 바이오차 무시용, 배 전정지 바이오차 100, 200, 300kg/10a 시용 등 총 4처리를 두고 시험구를 난괴법 3반복으로 배치하여 2016년까지 2년간 연용하면서 토양 이화학성, 작물생육 및 수량 등을 조사하였다.
농가 자가제조용 바이오차의 제조방법을 확립하고 시용효과를 구명하기 위해 배 전정지를 이용하여 바이오차를 제조하였다. 사용한 바이오차는 농가 활용도를 고려하여 기존 시판되고 있는 훈탄기(OCF-400, 오티엘코리아, Korea)를 드럼형 바이오차 제조장치로 사용하여서 제조하였으며, 제조방법은 Fig. 1과 같이 500 L 드럼형 바이오차 제조장치에 수분 10% 이하의 파쇄한 배전정지 80∼90 kg 을 넣고 점화시켜 뚜껑을 덮고, 4∼5시간 후 하단부 개폐구가 닫히면 하단부 개폐구를 10분간 열어 완전히 탄화시키고 연기가 잦아드는 것을 보면서 2∼3시간 후 물을 충분히 흘려 소화시킨 후 비닐하우스 내에서 건조시켜 사용하였다.

데이터처리

통계분석은 SAS 9.2 (Statistical Analysis System Institute Inc. 2002) package를 이용하여 분석하였으며, 측정 결과에 대한 통계 처리는 Duncan’s multiple range test (DMRT) 방법으로 p<0.05 수준에서 유의성을 검정하여 상호 비교하였다.

이론/모형

배추는 정식후 2개월 후 수확하여 수확기 생육 및 생체중을 조사하였으며 토마토는 처리구별로 정상 과수, 과일의 무게, 당도 등을 조사하였다. 생육 및 수량조사는 농촌진흥청의 농업과학기술 연구조사분석기준¹⁵⁾ 에 준하여 실시하였다.
토양 및 식물체 분석은 농촌진흥청의 토양 및 식물체 분석법¹⁶⁾에 준하였다. 토양 pH와 EC는 5배량의 물로 추출하여 초자전극법에 의하여 pH meter (Star A211, Orion, USA)와 EC meter (Hl 9932, Hanna, Korea)로 각각 측정하였으며, 질소는 Kjeldahl 증류법, 유기물은 Tyurin법, 유효인산은 Lancaster법으로 분석하였다. 치환성양이온은 1N-NH₄OAC (pH 7.
토양은 표토 15 cm를 채취 후 풍건하여 2 mm 체를 통과시켜 분석하였다. 토양 및 식물체 분석은 농촌진흥청의 토양 및 식물체 분석법¹⁶⁾에 준하였다. 토양 pH와 EC는 5배량의 물로 추출하여 초자전극법에 의하여 pH meter (Star A211, Orion, USA)와 EC meter (Hl 9932, Hanna, Korea)로 각각 측정하였으며, 질소는 Kjeldahl 증류법, 유기물은 Tyurin법, 유효인산은 Lancaster법으로 분석하였다.
0) 완충용액으로 추출하여 ICP (GBC Integra XL, Australia)를 이용하여 분석하였다. 퇴비와 식물체는 H₂SO₄ -HClO₄ 로 습식분해하여 질소는 Kjeldahl법, 인산은 Vanadate법, 치환성 양이온은 ICP (GBC Integra XL, Australia)를 이용하여 분석하였다. 유기물은 550 ℃ 전기로에서 회화시켜 회화 전후의 감량으로 계산하였다.

성능/효과

배 전정지 바이오차를 연용한 결과 바이오차 시용으로 배추 생육이 양호하고 수량이 증가하였으며, 토마토 상품과의 갯수 및 수량이 증가하였다. 따라서 배 전정지 바이오차는 작물 정식전에 시용하되 작물과 시용량별로 효과의 차이가 있기 때문에 작물의 종류와 토양화학성 및 연용기간 등을 고려하여 시용하는 것이 바람직할 것으로 생각된다.
N가 감소하였다. 또한 바이오차 시용에 의해 토양의 용적밀도가 낮아지고 공극률 및 입단율은 높아지는 경향을 보여 토양 물리성이 개선되는 효과가 나타났다. 배 전정지 바이오차를 연용한 결과 바이오차 시용으로 배추 생육이 양호하고 수량이 증가하였으며, 토마토 상품과의 갯수 및 수량이 증가하였다.
2% 증가하였다(Table 9). 또한 배 전정지 바이오차를 2년 연용하고 토마토 수량을 조사한 결과 바이오차 시용으로 무시용 대비 상품과의 갯수가 증가하였고 과중과 당도는 차이가 없었다(Table 8). 상품과의 총 수량은 봄 작기에 통계적 차이는 없었으나 바이오차 200 kg/10a 시용 시 무시용 대비 5.
배 전정지 바이오차를 2년 연용하여 봄, 가을작기로 작물을 재배하고 2016년 수확기의 배추와 토마토의 생육 및 수량을 조사한 결과는 Table 7, Table 8, Table 9와 같다. 바이오차 시용으로 배추의 엽장 및 엽폭 등 생육이 무시용에 비해 수치적으로 양호하였고(Table 7) 수량은 봄작기에는 무시용 대비 바이오차 300 kg/10a 시용 시 13% 증가하였고, 가을작기에는 20.2% 증가하였다(Table 9). 또한 배 전정지 바이오차를 2년 연용하고 토마토 수량을 조사한 결과 바이오차 시용으로 무시용 대비 상품과의 갯수가 증가하였고 과중과 당도는 차이가 없었다(Table 8).
또한 바이오차 시용에 의해 토양의 용적밀도가 낮아지고 공극률 및 입단율은 높아지는 경향을 보여 토양 물리성이 개선되는 효과가 나타났다. 배 전정지 바이오차를 연용한 결과 바이오차 시용으로 배추 생육이 양호하고 수량이 증가하였으며, 토마토 상품과의 갯수 및 수량이 증가하였다. 따라서 배 전정지 바이오차는 작물 정식전에 시용하되 작물과 시용량별로 효과의 차이가 있기 때문에 작물의 종류와 토양화학성 및 연용기간 등을 고려하여 시용하는 것이 바람직할 것으로 생각된다.
드럼형 제조장치를 이용하여 배 전정지 바이오차를 제조하고 이를 100, 200, 300 kg/10a 2년간 연용하면서 배추와 토마토를 재배하여 2016년 토양화학성을 조사한 결과는 Table 4, Table 5와 같다. 배추 재배시 바이오차 시용으로 봄작기에는 무시용 대비 토양의 T-C 함량이 증가하였고, 가을작기에는 토양의 pH, 유기물, T-C 함량이 증가하는 경향이었다. 또한 바이오차 시용에 의해서 토양의 NO₃-N 및 EC가 통계적으로 낮아져 바이오차 시용이 시설재배지 염류경감에 효과가 있음을 나타내었다(Table 4).
배추와 토마토 시설재배시 배 전정지 바이오차의 시용효과를 조사한 결과 바이오차 시용으로 무시용 대비 토양의 pH, 유기물, T-C 함량이 증가하고 EC, NO_3^-N가 감소하였다. 또한 바이오차 시용에 의해 토양의 용적밀도가 낮아지고 공극률 및 입단율은 높아지는 경향을 보여 토양 물리성이 개선되는 효과가 나타났다.
바이오차를 2년간 연용하고 2016년 가을작기후 토양의 물리성을 조사한 결과는 Table 6과 같이 배추 재배시 바이오차 시용에 의해서 토양의 용적밀도가 낮아졌으며, 이러한 경향은 토마토 재배에서도 유사하게 나타났다. 토마토 재배토양에서는 바이오차 시용시 토양의 용적밀도가 낮아지고 공극률 및 입단율이 통계적으로 유의성 있게 높아져 시설재배지에서의 바이오차 시용으로 토양 물리성이 개선됨을 알 수 있었다.
그 원인은 바이오차 시용에 의한 양분이용효율 증가에 의한 작물의 질소성분 흡수율 증대 및 미생물 활성으로 인한 영향 등으로 판단된다. 토마토를 재배하여 토양화학성을 조사한 결과 바이오차 시용으로 무시용 대비 토양의 pH, 유기물, T-C 함량이 증가하고 EC 가 낮아져 배추재배와 유사한 경향을 나타내었다. 바이오차 시용에 의한 토양화학성 변화는 토양 조건에 따라 차이가 있을 것으로 생각되어 토양조건에 맞는 시용량 기준을 설정하기 위해서는 토양 EC 농도별이나 토양의 무기태질소(NO₃-N) 함량에 따른 바이오차 시용량을 구명하는 시험이 추후 수행되어야 할 것으로 생각된다.

후속연구

농가 자가제조용 바이오차의 제조조건을 확립하기 위해 드럼형 제조장치를 사용하여 바이오차를 대량으로 제조하였을 때에서도 전기로를 사용하여 제조한 바이오차의 주요 성분과 대등한 성분의 바이오차가 제조되어 농가에서 농업부산물을 사용하여 품질이 우수한 바이오차를 자가제조하여 사용할 수 있다는 가능성을 보여주었다. 또한 드럼형 제조장치를 사용하여 사용할 경우 생산비 절감과 동시에 시설재배지 토양 이화학성 개선에 효과가 있어 친환경 농가의 토양관리에 활용도가 클 것으로 기대된다.
토마토를 재배하여 토양화학성을 조사한 결과 바이오차 시용으로 무시용 대비 토양의 pH, 유기물, T-C 함량이 증가하고 EC 가 낮아져 배추재배와 유사한 경향을 나타내었다. 바이오차 시용에 의한 토양화학성 변화는 토양 조건에 따라 차이가 있을 것으로 생각되어 토양조건에 맞는 시용량 기준을 설정하기 위해서는 토양 EC 농도별이나 토양의 무기태질소(NO₃-N) 함량에 따른 바이오차 시용량을 구명하는 시험이 추후 수행되어야 할 것으로 생각된다. 바이오차를 2년간 연용하고 2016년 가을작기후 토양의 물리성을 조사한 결과는 Table 6과 같이 배추 재배시 바이오차 시용에 의해서 토양의 용적밀도가 낮아졌으며, 이러한 경향은 토마토 재배에서도 유사하게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오차(biochar)란?	바이오차(biochar)는 목재칩과 가축분뇨와 같은산림과 농축산업 등에서 발생한 부산물 바이오매스를 열분해(pyrolysis)를 통해 만들어진 물질이다. 전통적인 목탄은 주로 연료로 생산되었으나 바이오차는 토양개량 및 탄소격리, 기후변화의 완화, 재생 에너지 생산 등 다양한 목적으로 이용 가능하다고 보고되어 있다 1-4) .
	토양 염농도 개선을 위한 바이오차가 필요한 이유는?	시설재배지의 경우 작물생산성 증대를 위한 비료및 퇴비 등의 농자재가 다량 투입되고 있으며 자연 강우가 차단된 시설재배지의 특수조건상 과도하게투입된 농자재 성분이 작물의 흡수 이용 후 작토층에 잔류하게 되면서 토양 염류집적이 가속화되고 있다 12) . 이러한 염류집적을 해소하기 위해 풋거름작물 재배, 담수, 토양개량제 사용 등 여러 가지 방법이 적용되고 있고 13) 그 중 토양 염농도 개선을 위한바이오차의 가능성과 이에 대한 연구 필요성의 강조되고 있지만 아직 뚜렷한 과학적인 연구결과는 없는 실정이어서 이에 대한 연구가 필요하다.
	바이오차가 목탄보다 좋은점은?	바이오차(biochar)는 목재칩과 가축분뇨와 같은산림과 농축산업 등에서 발생한 부산물 바이오매스를 열분해(pyrolysis)를 통해 만들어진 물질이다. 전통적인 목탄은 주로 연료로 생산되었으나 바이오차는 토양개량 및 탄소격리, 기후변화의 완화, 재생 에너지 생산 등 다양한 목적으로 이용 가능하다고 보고되어 있다 1-4) .

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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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