[논문]토마토 재배를 위한 바이오차 최적시용 비율 평가

박도균; 홍승길; 장은숙; 신중두

doi:10.17137/korrae.2019.27.1.39

토마토 재배를 위한 바이오차 최적시용 비율 평가
Assessment of an Optimum Biochar Application Rate for Tomato(Solanum lycopersicum L.) Cultivation 원문보기

유기물자원화 = Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, v.27 no.1, 2019년, pp.39 - 48

박도균 (국립농업과학원 기후변화생태과) , 홍승길 (농촌진흥청 기술협력국 국외농업기술과) , 장은숙 (국립농업과학원 기후변화생태과) , 신중두 (국립농업과학원 기후변화생태과)

초록
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본 연구의 목적은 원예작물을 대상으로 밭에서 바이오차 시용에 따른 토마토 재배 시 바이오차의 적정 시용비율을 구명하고, 탄소 격리량을 산정하는 것이다. 바이오차는 0.01%, 0.03%, 0.05% 및 0.07%(w/w, 토양/바이오차)로 구분하여 처리하였으며, 비료는 N-P-K, 20.4-10.3-12.2kg $10a^{-1}$를 기비와 추비로 나누어 시용하였고, 돈분퇴비는 $440kg\;10a^{-1}$를 기준으로 전량 기비로 투입하였다. 토양 이화학성의 결과를 보면 토양중의 $NO_3-N$함량은 바이오차 처리 9일 후 가장 높게 나타났지만 처리간 유의성은 없었지만(p>0.05) NH4-N 함량은 바이오차 처리 후 14일 후 바이오차 처리구에서 낮게 나타났다. 토양중의 $P_2O_5$ 함량은 바이오차 처리 후 19일 후 0.01%를 제외한 바이오차 처리구에서 낮게 나타났다. 토양 중 $K_2O$ 함량은 바이오차 처리 후 6일 때 대조구와 비교하였을 때 0.01%와 0.03%가 높게 났다. 하지만 다른 처리구와 비교 하였을 때 유의차가 인정되지 않았다. 질소 효율성을 보면 0.05%에서 가장 높았으며, 또한 토마토 생육도 바이오차 처리량에 관계없이 좋았다. 바이오차 0.05% 시용구에서 질소 효율성 및 토마토 생육과 수량이 가장 높게 나타났다. 바이오차 투입량 변화에 따른 탄소 격리량 산정에서는 0.03% 처리에서 $2.83mg\;kg^{-1}$으로 가장 높게 나타났지만, 토마토 수량 측면에서 바이오차 적정 시용비율은 0.05%라고 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Objective of this study was to evaluate an optimum biochar application rate and estimate the carbon sequestration based on the soil chemical properties and growth responses for biochar application during tomatoes cultivation. The treatments consisted of control as recommended application rates of fertilizers, 0.01%, 0.03%, 0.05%, and 0.07% of biochar application(w/w, biochar:soil). For effects of soil chemical properties, the $NO_3-N$contents in the soil were peaked at 9 days after transplanting. But there was not significant difference(p>0.05) among the treatments during cultivation periods. However, $NH_4-N$ contents in the biochar treatment were lower than the control until 14 days of transplanting. $P_2O_5$ contents in the biochar treatments were lower than that of the control until 19 days after transplanting except 0.01% of biochar application plot. $K_2O$ contents in soils treated with 0.01% and 0.03% of biochar were higher until 6 days after transplanting than that in the control. For N use efficiency of biochar application, it was observed that the 0.05% biochar application plot was highest among the treatments. The highest carbon sequestration was estimated at $2.83mg\;kg^{-1}$ for 0.03% of biochar application. However, it is considered that the optimum biochar application rate was 0.05% for tomato cultivation, considering the growth characteristics and yield components.

주제어

표/그림 (9)

표 Table 1. Physiochemical Properties of Soil Used in this Study
그림 Fig. 1. Changes in temperature and irrigation amounts during tomato cultivation in the greenhouse over time.
그림 Fig. 2. Changes of NO₃-N contents in the soil incorporated with different ratios of biochar during tomato cultivation.
그림 Fig. 3. Changes of NH₄-N contents in the soil incorporated with different ratios of biochar during tomato cultivation.
그림 Fig. 4. Changes of P₂O₅ contents in the soil incorporated with different ratios of biochar during tomato cultivation.
그림 Fig. 5. Changes of K₂O contents in the soil incorporated with different ratios of biochar during tomato cultivation.
표 Table 2. Estimation of the Nitrogen Use Efficiency with Different Ratios of Biochar Application
표 Table 3. Estimation of the Efficiency Rates for Carbon Use with Different Ratios of Biochar Application
그림 Fig. 6. Comparisons of tomato yield with different ratios of biochar application.

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험은 바이오차 시용량에 따른 작물 생육 반응과 바이오차 적정 시용비율을 구명하고, 탄소 격리량을 산정하기 위해 수행하였다. 토양 이화학성의 결과를 보면 NO₃-N 및 K₂O 함량은 바이오차 처리 후 시간이 경과할수록 높게 나타났고, NH₄-N 및 P₂O₅은 시간이 지날수록 바이오차 처리구에서 낮게 나타났다.
일반적 작물에 대한 적정 바이오차 시용량은 1~2%이지만 바이오매스 생산 한계 및 바이오차의 높은 단가로 인한 바이오차의 저투입량에 대한 토마토 생육 반응에 대한 연구가 전무한 실정이므로, 본 연구는 토마토 재배에서의 바이오차 적정 시용 비율을 구명하고, 탄소 격리량을 산정하기 위해 수행하였다.

제안 방법

시험 토양은 식양토(clayey loam)로서 토마토 재배 추천 시비량에 준하여 비료와 퇴비를 시용하였다. 바이오차는 토양 중량 대비 0.01%, 0.03%, 0.05% 및 0.07%(w/w, 바이오차/토양)로 처리 수준별로 포트에 일정 중량의 토양에 비료, 퇴비와 바이오차를 혼합한 후 충진하였다. 비료 시용량은 N-P-K, 20.
5 cm)에 파종하였으며, 파종 후 2주 된 묘를 원통형 원예용 포트(25∅ × 25 × 30 cm)에 정식하였다. 재배시설은 측창, 출입문 등에 0.2mm 방충망을 설치하고 밀폐한 2중 유리온실에서 시험을 수행하였다. 시험 토양은 식양토(clayey loam)로서 토마토 재배 추천 시비량에 준하여 비료와 퇴비를 시용하였다.
토양의 TC(total carbon) 및 TN(total nitrogen)는 원소분석기(Vario EL Ⅱ, Elementar, Germany)를 이용하여 측정하였다. 건조시킨 후 2mm 체에 거른 토양을 곱게 갈아, 350mg씩 정량하여 캔에 담은 후 950℃에서 WO₃를 촉매로 사용하여 분석하였다.

대상 데이터

2 kg 10a^-1를 기비와 추비로 나누어 시용하였고, 돈분퇴비는 440 kg 10a^-1를 기준으로 전량기비로 투입하였다. 바이오차는 고창 단위협동조합에서 왕겨를 소재로 하여 만든 제품을 구매하여 사용하였다. 시험구 완전임의 배치 3반복을 이용하여 배치하였다.
2mm 방충망을 설치하고 밀폐한 2중 유리온실에서 시험을 수행하였다. 시험 토양은 식양토(clayey loam)로서 토마토 재배 추천 시비량에 준하여 비료와 퇴비를 시용하였다. 바이오차는 토양 중량 대비 0.
토마토 품종은 완숙토마토용으로 농우바이오에서 시판하는 썬글로브로, 육묘용 트레이포트 50구(5∅ × 5 × 5.5 cm)에 파종하였으며, 파종 후 2주 된 묘를 원통형 원예용 포트(25∅ × 25 × 30 cm)에 정식하였다. 재배시설은 측창, 출입문 등에 0.

데이터처리

주당 생체중은 뿌리를 제외한 식물체의 전체 무게를 조사하였다. 통계처리는 처리간에 유의차를 분석하기 위해 3반복 완전임의 배치법에 대한 SAS 9.0(SAS Institute, Carry, NC, USA)을 이용한 ANOVA 분석을 하였으며, 결과는 평균과 표준편차로 나타내었다.

이론/모형

NH₄-N과 NO₃-N은 채취해 온 습식 토양 5g과 2M KCl 25mL를 1:5 비율로 30분간 왕복식 항온 진탕기(JP/NTS-3000, Eyela, Japan)에서 교반 속도 200rpm으로 진탕한 후 Whatman 0.2 ㎛ Nyl w/GMF 여과지를 사용하여 여과액을 걸러낸 후 UV Spectrophotometer 측정용 키트 (C-Mac, Korea)로 질산성 질소 분석은 Chromotropic Acid 방법, 암모니아성 질소 분석은 Salicylate 방법으로 각각 분석하였다.
P₂O₅-P와 K₂O의 분석은 Melich Ⅲ(1984) 분석법을 이용하여 토양 2g에 추출액 20mL를 가하고 5분간 왕복식 항온 진탕기를 이용하여 교반 속도 200rpm으로 진탕한 후 Whatman 0.2 ㎛ Nyl w/GMF 여과지를 사용하여 여과액을 걸러 낸 후 UV Spectrophotometer을 사용하여 PO₄와 K측정용 키트로 Molybdovanadate 및 Tetraphenylborate 방법을 이용하여 각각 분석한 후 변환하여 산출하였다.
토마토 생육 및 수량조사는 정식 후 60일에 농촌진흥청 농업과학기술 연구조사 분석기준³¹⁾을 적용하여 수확기에 각 포트마다 조사를 실시하였다. 주당 생체중은 뿌리를 제외한 식물체의 전체 무게를 조사하였다.
토양 화학성분은 토양화학분석법³⁰⁾을 적용하여, 토양의 pH와 EC는 토양 5g에 25mL 증류수를 가하여 1:5 비율로 30분간 왕복식 항온 진탕기(JP/NTS-3000, Eyela, Japan) 에서 교반 속도 200rpm으로 진탕한 후, Whatman 0.2 ㎛ Nyl w/GMF 여과지를 사용하여 여과 후 pH/EC meter(Orion 4 star, Thermo scientific, USA)로 측정하였다.

성능/효과

7 mg kg^-1으로 가장 높았으며, 그 이후 감소하는 경향을 보였다. 그러나 정식 후 14일째 이후로 바이오차 처리가 대조구보다 NH₄-N 함량이 적게 나타났다(Fig. 3).
토양 이화학성의 결과를 보면 NO₃-N 및 K₂O 함량은 바이오차 처리 후 시간이 경과할수록 높게 나타났고, NH₄-N 및 P₂O₅은 시간이 지날수록 바이오차 처리구에서 낮게 나타났다. 바이오차 0.05% 시용구에서 질소 이용 효율성 및 토마토 생육과 수량이 가장 좋게 나타났으며, 탄소 격리량 산정은 0.03% 처리에서 2.83 mg kg^-1으로 가장 높게 나타났다. 토마토 수량 측면을 고려하면 바이오차 적정 시용비율은 바이오차 투입 0.
바이오차 비율에 따른 토양 중 NO₃-N의 함량은 바이오차 0.05% 처리구에서 정식 후 12일에 102.0 mgkg^-1으로 가장 높게 나타났으며, 토마토 정식 후 9일을 정점으로 점차 감소하는 경향을 보였다(Fig. 2).
바이오차 처리별 토마토의 수량을 알아보기 위해 조사한 결과는 대조구보다 각 바이오차 처리구에서 수량이 높게 나타났고 특히 바이오차 투입량 0.05% 처리에서 가장 높게 나타났다(Fig. 6).
바이오차 투입비율에 따른 토양 중 K₂O 함량 변화를 보면, 정식 후 6일째에 바이오차 0.01%에서 7.5 mg kg^-1으로 가장 낮았으나 정식 후 11일 이후부터 모든 처리구에서 K₂O 함량이 올라가는 경향을 보였다. 이에 대조구와 각 처리구를 비교하였을 때 유의차는 인정되지 않았다(p>0.
바이오차를 토양에 처리하여 토마토를 재배할 경우 같은 영양분을 공급하였을 때 토양에 남아있는 질소가 많아 실질적인 질소이용효율도 높아져 비료의 사용량도 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 이는 바이오차의 양분보유능력에 대한 기존 연구결과³⁴⁾와도 같았으며, 질소의 토양 내 보유능력증가에 따른 질소 휘산량의 감소와도 연관될 것으로 판단된다.
본 연구는 토마토를 재배할 경우 바이오차 적정 시용비율과 탄소 격리량을 산정하기 위해 바이오차의 투입량을 변화시켰기 때문에 다른 작물 연구 결과와 비교하여 상호 비교하는 것은 바람직하지 않다고 생각된다. 이러한 관점에서 본 시험의 결과로 밭 토양에서 토마토를 재배하기 위한 바이오차 적정 시용량은 0.05%인 것으로 판단된다.
처리별 바이오차의 탄소 격리량 산정은 수식1에 의해 산출하였다(Table 3). 이산화탄소 저감 효과는 수식2에 의해 산정되었고, 바이오차 0.03% 처리구에서 2.83 mg kg^-1로 높게 나타났으며, 탄소 격리량은 바이오차 0.03% 처리구에서 0.77g kg^-1으로 가장 높게 산정 되었다. 탄소 격리를 위한 바이오차 팰렛형 완효성 비료를 사용하여 상추 재배를 하였을 때, 상추 수량을 13% 증가 시켰으며, 작물 재배 시 토양 탄소격리 및 온실가스 완화를 위해 유용하다고 보고하였다²⁷⁾.
처리별 바이오차 비율에 따른 NH₄-N 함량을 보면 정식 후 3일째 대조구가 103.7 mg kg^-1으로 가장 높았으며, 그 이후 감소하는 경향을 보였다. 그러나 정식 후 14일째 이후로 바이오차 처리가 대조구보다 NH₄-N 함량이 적게 나타났다(Fig.
처리별 질소 소모율은 0.05% 처리에서 1.34g로 가장 크게 나타났고 바이오차 시용에 따른 질소 효율성을 보면 0.05% 처리에서 0.12g로 가장 높았으며, 바이오차 투입량 0.05% > 0.07% ≃ 0.03% > 0.01%순으로 나타났다(Table 2).
본 실험은 바이오차 시용량에 따른 작물 생육 반응과 바이오차 적정 시용비율을 구명하고, 탄소 격리량을 산정하기 위해 수행하였다. 토양 이화학성의 결과를 보면 NO₃-N 및 K₂O 함량은 바이오차 처리 후 시간이 경과할수록 높게 나타났고, NH₄-N 및 P₂O₅은 시간이 지날수록 바이오차 처리구에서 낮게 나타났다. 바이오차 0.

후속연구

5배 증가하였지만³⁶⁾ 토양에 12 ton⋅ha^-1이상 과다하게 사용할 경우 양분 흡착으로 인한 작물 생육 부진이 올 수 있기 때문에 작물에 따른 적정 시 용량을 검토할 필요가 있다³⁷⁾. 본 연구는 토마토를 재배할 경우 바이오차 적정 시용비율과 탄소 격리량을 산정하기 위해 바이오차의 투입량을 변화시켰기 때문에 다른 작물 연구 결과와 비교하여 상호 비교하는 것은 바람직하지 않다고 생각된다. 이러한 관점에서 본 시험의 결과로 밭 토양에서 토마토를 재배하기 위한 바이오차 적정 시용량은 0.
이처럼 바이오차는 작물 수량 증대와 토양 환경 관리에 매우 유용한 유기물 자원으로서 향후 장기적인 시용 효과 및 온실 가스 저감에 대한 지속적인 연구가 필요 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오차의 탄소 격리, 온실가스 저감효과등의 효과가 주목받게 된 배경은?	세계적으로 지구 온난화는 중요한 문제로 부각되고 있으며, 많은 연구자들과 연구 기관들이 온실가스(greenhouse gas, GHG)와 관련된 다양한 실험을 수행하고 있다. 대기 중의 온실가스 농도는 산업혁명이 시작된 이후로 계속해서 증가하고 있으며, 많은 국가들이 온실가스의 중요성을 깨닫게 되었다. 주요 온실가스로 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4) 및 아산화질소(N2O)가 있으며, 이 중 메탄과 아산화질소의 지구 온난화 지수(global warming potential, GWP)는 이산화탄소보다 각각 25배, 298배 높다1).
	바이오차란?	바이오차는 산소가 부족하거나 전혀 없는 상태에서 바이오매스를 열처리 하여 얻은 탄소성 생산물로 1000℃ 이상 고온에서 만들어지는 숯과 구별 된다7). 바이오차는 탄소 격리, 온실가스 저감 효과, 오염토양의 안정화 및 토양개량을 통한 식물 생장촉진 등 토양개량제로서의 효과가 보고되고 있으며, 토양의 유기탄소를 증가시켜 토양에 탄소를 고정하는 능력이 뛰어나 세계적으로 주목받고 있다8).
	바이오차의 특징은?	바이오차는 산소가 부족하거나 전혀 없는 상태에서 바이오매스를 열처리 하여 얻은 탄소성 생산물로 1000℃ 이상 고온에서 만들어지는 숯과 구별 된다7). 바이오차는 탄소 격리, 온실가스 저감 효과, 오염토양의 안정화 및 토양개량을 통한 식물 생장촉진 등 토양개량제로서의 효과가 보고되고 있으며, 토양의 유기탄소를 증가시켜 토양에 탄소를 고정하는 능력이 뛰어나 세계적으로 주목받고 있다8). 토양 내 질소순환을 통하여 발생하는 아산화질소의 발생을 저감하기 위한 방법으로 바이오차가 각광 받고 있으며, 바이오차 또한 토양에 첨가하여 토양 내 탄소를 격리시킴으로써 기후 변화를 완화시킬 수 있는 방법중 하나로 여겨지고 있다9).

저자의 다른 논문 :

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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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