Effect of Incorporation of Hairy Vetch on Nitrous Oxide Emission from Soils Cultivated with Maize

서 론

아산화질소(N₂O)는 성층권의 오존 파괴와 지구온난화를 유발하는 주된 온실가스 중 하나이며(Ravishankara et al., 2009), 지구온난화 지수(GWP; Global Warming Potential)가 이산화탄소에 비해 298배로 매우 높다(Klaus et al., 2013). 특히 인간 활동 중 농업활동에서 발생하는 N₂O 배출량이 전체의 65%를 차지하며(Søren et al., 2006), 관행농법에서 시행하는 경운, 시비, 그리고 관개는 온실가스의 배출을 더욱 유발하는 것으로 알려져 있다(Upendra et al., 2012).토양환경이 호기적인 조건일 때 토양 내 암모늄 이온(NH₄⁺)은 질산화과정을 거치는 과정에서 N₂O가 발생되고 혐기적 조건에서는 질산 이온(NO₃^-)의 탈질화에 의해 N₂O가 발생한다(Maag and Vinther, 1996). 영농기 퇴비 및 풋거름작물과 같은 유기질 비료나 질소 무기질 비료의 시용은 질소가 무기화 되는 과정에서 N₂O가 발생하기 때문에 지구온난화를 야기하는 주요 요인 중 하나이며, 수확 후 휴경기의 잔여 질소원은 질산태질소로서 용탈될 수 있고 용탈된 질산태질소는 N₂O의 배출원이 된다(Aguilera et al., 2013; Gabriel and Quemada, 2011; Sanz-Cobena et al., 2012). 이에 대한 환경보전 방법으로 휴경기의 풋거름작물 재배는 토양의 질소 유실을 줄이고 N₂O 가스 배출을 저감시킬 수 있다고 보고되고 있다(Liebig et al., 2012).

풋거름작물은 겨울과 봄 동안 재배하여 후작물을 파종하기 직전 수확하고 토양에 환원하는데, 또한 두과작물은 대기의 질소를 고정 함으로서 무기질 비료 없이도 충분한 양의 질소원을 공급해줄 수 있다. Forte 등(2017)의 연구에 따르면 두과작물인 헤어리베치를 휴경기에 재배하여 수확하였을 때, 생산량이 3,300 kg ha^-1 (건물중) 이었는데 이는 130 kg ha^-1의 질소 시비 효과와 같다. 질소 무기질 비료는 토양수분에 쉽게 용해되어 빠른 시일 내에 NH₄⁺ 또는 NO₃^-의 이온으로 전환된다. 무기태 질소들은 식물이 이용하기 쉽다는 장점이 있지만, 흡수되지 못한 질소 이온들은 쉽게 지하수로 용탈되거나 N₂O 가스 형태로 배출되어 환경문제를 일으킨다. 헤어리베치는 유기물로서 화학비료에 비해 비효가 완효성이며 지속적으로 나타나고, 토양의 유용미생물의 영양원이 되기 때문에 토양의 비옥도를 증진시킨다고 알려진 반면, 무기질 비료에 비해 식물의 질소 양분 공급이 불안정하다는 단점이 있다(Tuomisto et al., 2012; Smith, 2004).

우리나라의 경우, 과거 벼 재배시 부족한 질소비료를 대체하기 위해 논에서의 헤어리베치 재배가 대부분 이루어졌지만, 최근 밭작물에서의 헤어리베치 이용도가 확대되고 있다. 현재까지 국내에서 풋거름작물 재배에 따른 농경지에서의 N₂O 배출에 대해 수행된 연구들은 주로 논토양에서의 N₂O 배출에 국한되어 있거나(Haque et al., 2015; Kim et al., 2013), N₂O 가스 배출 조사가 일부 기간에만 이루어져 연간의 총 배출량을 구하는데 어려움이 있다(Lee et al., 2018; Seo et al., 2012).

다수의 연구에 따르면, 풋거름작물의 재배 및 환원은 무기질비료를 대체함으로써, 온실가스 배출을 저감시킬 수 있다고 보고된 한편(Alluvione et al., 2010), 풋거름작물이 토양에서 분해가 되면서 오히려 더 많은 양의 온실가스가 배출 된다는 연구결과도 있다(Frimpong and Baggs, 2010; Huang et al., 2004). 따라서 본 연구에서는 옥수수 재배 밭토양에서 관행 무기질 질소비료를 풋거름작물인 헤어리베치로 대체 시, 연간 N₂O 배출량과 후작물인 옥수수의 수량은 관행에 비해 증가 혹은 감소할 것이라는 가설을 세웠다. 이러한 가설을 검증하기 위해 옥수수 재배 밭토양에 무처리구, 관행 무기질 질소비료 처리구, 헤어리베치 환원 처리구를 설정하여 연간 N₂O의 배출량과 옥수수량의 수량을 비교 분석하였다.

재료 및 방법

공시토양 특성과 기상 데이터

본 연구는 경남 밀양시 삼랑진읍 청학리에 위치한 밭토양(위도: 35°45’N, 경도: 128°81’E)에서 실시하였다. 공시토양은 칠곡통으로 USDA Soil Taxonomy에 의하면 Anthraquic Hapludalfs로 분류된다. 포장의 경사는 7-15%, 배수등급은 약간 양호였다. 토성은 양토로 모래, 미사, 점토의 함량이 각각 42.2%, 39.3%, 18.5% 이었다. 시험 토양의 pH는 6.95, 총 탄소는 10.6 g kg^-1, 총 질소 함량은 1.55 g kg^-1로서 자세한 공시토양 특성은 Table 1과 같다.

시험기간 중 토양수분을 측정하기 위해 센서(5TE Water Content, Temperature, and Electrical Conductivity, Decagon, USA)를 챔버 부근 유효토심 10 cm 깊이에 수직으로 설치하여 3시간 간격으로 측정하였다. 2018년 3월 7일 이전에는 센서 설치가 이루어지지 않아 가스시료 채취일에 portable 토양 수분센서를 이용하여 측정하였다. 한 달에 한번씩 토양 core 시료를 채취하여 전용적밀도를 구하였고 일 평균 용적수분함량 값을 공극률로 나눠주어 토양 공극 내 토양수분이 차지하는 비율(Water Filled Pore Space, WFPS)을 구하였다. 강수량과 대기평균 온도는 밀양에 위치한 기상관측망(밀양자동기상관측소, 경남밀양시 점필재로 5, 위도: 35°49’N 경도: 128°74’E, 시험포장에서 이격거리: 7.48 km)에서 측정하여 기상청 날씨누리(weather.go.kr)에서 제공하는 자료를 이용하였다.

시험구 처리 및 재배관리

동절기의 풋거름작물로써 헤어리베치를 2017년 11월 4일 직접 손으로 산파하였다. 헤어리베치 파종량은 90 kg ha^-1이었다. 다음 해 2018년 5월 25일 헤어리베치를 수확하여 작두로 자른 뒤 해당 처리구 토양에 그대로 환원시켰다. 후작물인 옥수수를 정식하기 전 헤어리베치 잔재가 토양과 고르게 섞이게 하기 위해 2018년 6월 1일 경운로터리를 시행하였고 두둑을 설치하였다. 2018년 7월 24일 옥수수 모종을 이식하였고 10월 4일 수확하였다. 대조군으로 무처리구(Control), 관행처리구(NPK)를 배치하였으며, 옥수수를 정식할 때, 관행처리구는 농촌진흥청의 옥수수 시비처방기준(Rural Development Administration, 2017)에 따라 N-P₂O₅-K₂O를 186-35-74 kg ha^-1시비하였고 무처리구와 헤어리베치 처리구는 질소 비료를 시비하지 않고 P₂O₅-K₂O를 35-74 kg ha^-1시비하였다. 헤어리베치의 수확량은 2,550 kg ha^-1 (건물중) 이었으며, 식물체내 질소함량은 3.2% (wt/wt)로 헤어리베치 환원에 의한 총 질소 투입량은 81.6 N kg ha^-1이었다(Table 2). 각 처리구의 크기는 3 × 4 m² (12 m²)이었으며 난괴법(Randomized complete block design)에 따라 4반복으로 실시하였다.

토양의 화학적 특성 분석

토양 pH와 전기전도도는 토양을 증류수와 1:5로 혼합한 후 30분간 교반하여 pH meter(Orion Star A215, Thermo Scientific Orion, USA)로 측정하였고, 총 탄소는 tyurin 법으로(Allison, 1965), 총 질소는 Kjeldahl 법으로(Bremner, 1965) 분석하였다. 치환성 양이온 K⁺,Ca²⁺,Mg²⁺은 1 N NH₄-acetate(pH 7.0) 용액으로 침출하여 원자흡수 분광광도계(Perkinelmer model 3300, Norwalk, CT, USA)로 분석하였고 유효인산은 Lancaster 법(National Institute of Agricultural Sciences, 2010)을 이용하여 분석하였다.

토양 내 용존유기탄소(Dissolved organic carbon, DOC)는 풍건토양 5 g을 0.01 M NaOH 용액 30 ml를 넣고 30분 실온에서 진탕한 뒤 Whatman No.2로 여과하여 침출하였고 침출액 10 ml 에 0.04 N 중크롬산칼리 황산혼합액 20 ml를 가한 뒤 유기물분석법과 동일하게 실험하였으며 적정액으로 0.02 N 황산 제1철 암모니움 용액을 사용하였다. 토양 내 무기태 질소는 풍건토양 5 g에 25 ml의 2 M KCl을 넣고 30분간 실온에서 진탕한 뒤 Whatman No.2로 여과시키고 침출액을 분석에 사용하였다. 암모늄태 질소(NH₄-N)를 분석하기 위해서 Indophenol Blue 비색법으로(Searle, 1984), 질산태질소(NO₃^-N)는 brucine 법으로(Wolf, 1944) 각각 667 nm, 410 nm 파장에서 UV/VIS Spectrophotometer (Optizen 3220 UV, Mecasy Co. Ldt, Korea)로 분석하였다.

시료채취 및 N₂O 가스 분석방법

N₂O 배출량을 조사하기 위해 closed 챔버방법(Conen and Smith, 1998)을 이용하였고 챔버는 각 처리구 중앙부분에 설치되었다. 챔버 설치 후 2주간의 안정기간을 가진 후 헤어리베치 파종일부터 옥수수 수확 후까지 1년 동안 매주 가스시료를 채취하였고 챔버 안에는 식물체가 자라지 않게 하였다. 가스시료채취는 토양에서 배출되는 온실가스의 24시간 중 평균 배출 시간대인 오전 10시부터 오후 1시 사이에(Cosentino et al., 2012) 30 ml 주사기로 채취하였고 포집시간은 40분으로 설정하였다(Chadwick et al., 2014). 가스시료채취 시 챔버 내 온도는 온도계로 측정하였고, 각 챔버의 토양 표면으로 부터의 높이를 측정하였다. 채취한 가스시료는 가스 크로마토 그래프 질량분석계(GC-MS OP2020, Simadzu, HP-PLOT Q Column)를 이용하여 N₂O를 분석하였다. N₂O flux의 계산식에서ρ는 N₂O의 기체밀도 1.967 mg cm^-3이고, V는 챔버 부피(m³), A는 챔버 바닥 면적(m²), △c/△t는 챔버 내 N₂O 가스 농도의 평균증가속도(mg m^-1 hr^-1), T는 챔버 내 평균온도(K)를 의미한다. N₂O 가스 누적 배출량은 하루 동안의 N₂O 가스 배출량을 일수만큼 더하여 일정 기간 동안 배출된 총 배출량이다. R은 N₂O flux(g ha^-1day^-1)이며 D는 일정 기간을 의미한다.

N₂O flux (g ha^-1 day^-1) = ρ × (V/A) × (△c/△t) × (273/T)

통계분석

질소비료 종류에 따른 N₂O 배출량과 토양 이화학적 특성, 작물 수확량의 변화를 알아보기 위해 Statistix 통계프로그램(버전9.0)을 이용하여 통계분석을 실시하였다(Statistix, 2008). 처리 간의 차이를 비교하기 위하여 조사된 자료는 ANOVA 검증을 통하여 분석하였다. F-test 결과 값이 P<0.05의 범위에서 유의한 경우에만 최소유의차 검정(LSD)을 실시하였다.

결과 및 고찰

기상환경 및 WFPS와 N₂O 배출 경향

휴경기와 옥수수 재배기간 동안 토양에서 발생하는 N₂O 배출량의 변화와 같은 기간 동안의 기상환경과 WFPS는 Fig. 1과 같다. 2018년 5월까지 N₂O flux는 처리구간에 큰 차이가 없는 것으로 나타났다(Fig. 1 (A)). Brady 등(2010)은 질산화과정과 탈질과정에 관여하는 미생물의 활성이 각각 5℃와 2℃에서 눈에 띄게 감소한다고 하였는데, 본 포장시험의 동절기인 2017년 12월부터 2018년 2월까지 일일 기상온도가 5℃ 이하였고 평균 토양온도가 -0.2℃ 이었다(Fig. 1 (B)). 2018년 3월 이후 N₂O flux가 증가한 이유는 평균 기상온도가 9℃로 상승하면서 얼어있던 토양이 녹고 강수량이 증가하면서 WFPS가 45% 이상으로 증대되어 질산화에 의한 N₂O가 발생되기 유리한 조건이 형성되었기 때문으로 판단된다(Fig. 1). 토양 내 WFPS가 30% 이상 60% 이하일 때, 질산화과정을 통해 암모늄 이온(NH₄⁺)이 질산 이온(NO₃^-)로 전환되는 과정 중 N₂O가 발생할 수 있다(Bouwman, 1998). 이와 유사한 결과가 여러 연구들에서 발견되었으며 해당 연구결과에 따르면 토양환경 및 농경지에서 겨울을 지나 봄에 해빙기가 되어 토양 내 미생물 활성이 회복되었고 많은 양의 N₂O가 발생했다(Cates and Keeney, 1987; Goodroad and Keeney, 1984; Wagner-Riddle and Thurtell, 1998). 헤어리베치는 퇴비와 같은 다른 유기체에 비해 C/N 율이 낮기때문에 미생물 활동에 필요한 탄소와 질소를 쉽게 공급할 수 있고(Huang et al., 2004; Gomes et al., 2009; Guardia et al., 2016; Baruah et al., 2016) 무기화 속도가 빨라 2-3주 내에 N₂O 가스로 소실될 수 있다(Forte et al., 2017). 토양에 환원 후 헤어리베치 처리의 N₂O 플럭스는 점차 증가하여, 3주가 지난 2018년 6월 14일에 다소 높게 발생하였다. 8월까지 헤어리베치 처리에서 control 보다 대부분 높은 배출량을 보이다가, 9월부터 모든 처리구에서 N₂O 일일 배출량이 유사하게 나타났다.

NPK 처리에서 2018년 8월 7일 N₂O 배출량이 250 N₂O g ha^-1로 높게 나타났고 이는 control 보다 6.4 배, 헤어리베치 처리 보다 4.8 배 많은 양이었다. 요소비료는 일반적으로 무기화되기 까지 2주 정도 소요되고, 충분한 물이 공급이 되어야 한다(Brady et al., 2010). 한편 WFPS는 질산화과정과 탈질과정에 관여하는 미생물의 활성을 나타내는 간접적인 지표가 될 수 있는데(Linn and Doran, 1984), WFPS가 60% 이상 80% 이하일 때 탈질과정에 의해 N₂O가 가장 많이 발생한다. 반면 80% 이상으로 증가하면 완전탈질에 의해 N₂의 형태로 질소가 배출된다(Bouwman, 1998). 본 포장시험에서 요소비료를 시비하고 2주 뒤, 8월 6일에 26 mm의 강수가 내렸고 WFPS가 63% 이었기 때문에 무기화된 질소의 탈질에 의해 N₂O 발생량이 급격히 증가한 것으로 판단된다(Fig. 1 (C)). 하지만 8월 말에 많은 강수가 있었음에도 불구하고, N₂O 배출량 증가가 발견되지 않았는데, WFPS가 약 92% 이었기 때문에 N₂O가 아닌 N₂ 가스가 발생한 것으로 판단된다.

N₂O 누적배출량

평균 N₂O 누적배출량은 휴경기보다 옥수수 재배기간에서 더 높았다(Table 3). 휴경기 N₂O 누적배출량은 비록 통계적 유의한 차이는 없었으나 평균 배출량은 헤어리베치 처리에서 control과 NPK 처리보다 높게 나타났다. Sanz-Cobena 등(2014)의 보고에 따르면 휴경기에 헤어리베치를 재배하면 청보리를 재배한 처리구와 무처리구 보다 토양 내 NO₃^-의 함량이 높아지고, 탈질화 과정을 통해 N₂O 배출량이 높아진다고 보고하였다. 옥수수 재배기간 동안 N₂O 누적배출량은 NPK 처리에서 4.92 kg ha^-1로 가장 높았다. 유기물인 헤어리베치는 토양에서 천천히 분해가 되는 반면, 요소비료는 분해속도가 빨라 짧은 기간 안에 N₂O 가스로 질소가 유실되었고 누적배출량 또한 높았던 것으로 판단된다. 휴경기와 옥수수 재배기간 동안의 총 연간 누적배출량은 NPK 처리가 6.70 kg ha^-1로 가장 높게 나타났으며, 헤어리베치 처리는 5.41 kg ha^-1, control은 4.33 kg ha^-1로 가장 낮았다. 헤어리베치 처리구에서 N₂O 누적 배출량이 NPK 처리구에 비해 유의하게 낮았던 이유는 헤어리베치의 수확량이 높지 않아, NPK 처리에 비해 투입된 질소량이 현저히 적었기 때문으로 판단된다(Table 2). 헤어리베치의 파종 시기는 9월부터 시작하여 10월 중순까지로, 파종이 빠를수록 수확량과 질소 함량이 증가한다(Seo et al., 2000). Jeon 등(2009, 2011)의 연구에 따르면, 9월 10일, 9월 26일에 헤어리베치를 파종하여 6,000 kg ha^-1, 5070 kg ha^-1의 헤어리베치를 수확하였고, 총 질소량이 각각 209 N kg ha^-1, 169 N kg ha^-1 이었다. 반면 본 포장시험에서는 11월 초 늦은 시기에 파종하였고, 평균 기온이 약 11℃ 으로 씨앗이 발아하기에는 낮은 온도였기 때문에 헤어리베치의 수확량이 2,550 kg ha^-1로 다소 낮아 헤어리베치 환원에 의한 총 질소의 투입량(81.6 N kg ha^-1) 또한 낮았다.

옥수수 수량

옥수수의 이삭 수량은 6.4 kg ha^-1로 NPK 처리에서 유의하게 가장 높았으며, control 과 헤어리베치 처리는 각각 3.9, 3.7 kg ha^-1 이었다(Fig. 2). 옥수수는 질소요구량이 높은 작물이기 때문에(Al-Kaisi and Yin, 2003; Di Paolo and Rinaldi, 2008; Eghball and Power, 1999; Liang and MacKenzie, 1994), 상대적으로 많은 양의 질소를 시비한 NPK 처리에서 옥수수의 수량이 높았다. 반면, 헤어리베치의 환원에 의해 옥수수의 수량 증수 효과가 나타나지 않았는데, 옥수수를 정식하기 전 헤어리베치의 무기화가 일어나 옥수수를 정식한 후 옥수수가 분얼하는 동안에 요구하는 질소량을 충족시키지 못했던 것으로 판단된다. Sievers와 Cook (2018)의 보고에 따르면 헤어리베치는 토양에 환원 후 지상부와 지하부의 식물체가 매우 빨리 분해되기 때문에 질소 유실을 줄이기 위해서는 풋거름작물 환원시기와 주작물 파종시기의 간격을 줄여야 한다고 보고하였다. 옥수수를 수확 후 헤어리베치 환원과 NPK 처리에 따른 토양 내 총 질소와 탄소함량의 유의한 증대는 나타나지 않았다(Table 4). 비록 통계적 유의차는 없었으나 총 질소 함량은 헤어리베치에서 가장 높았다. 그러나 무기태 질소함량은 무처리에 비해 높지 않았다. 즉 헤어베치가 완전히 분해되지 않고 상당부분 유기태 질소 형태로 남아있는 것으로 판단된다. 반면에 NPK 처리구의 총질소 함량은 증대되지 않았으나 무기태 질소 함량은 무처리에 비해 증가하였는 데, 요소형태의 비료 투입으로 인한 결과로 판단된다.

이상의 결과들로 미루어 볼 때 헤어리베치 파종 시기를 앞당겨서 헤어리베치의 발아 및 수확량을 확보하고, 헤어리베치 토양 환원과 옥수수 파종 시기의 간격을 좁혀서 적절한 시기에 질소가 공급될 수 있도록 한다면 옥수수의 질소 이용 효율이 증가하여 더욱 높은 옥수수 수확량을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

결 론

풋거름작물은 무기질 비료를 대체하여 N₂O 가스 배출 저감효과가 있다고 보고되어졌다. 하지만 국내의 연구결과들은 대부분 논토양에서 이루어졌거나 휴경기를 고려하지 않고 경작기에만 집중되어 있어 자료가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 옥수수를 재배하는 밭토양 조건에서 헤어리베치의 재배 및 토양 환원이 연간 N₂O 배출특성에 어떠한 영향을 미치는지 조사하였다. 헤어리베치는 늦은 파종으로 수확량이 적었고, NPK 처리와 비교했을 때 총 질소 투입량이 현저히 낮았다. NPK 처리에서 요소비료는 빠른 무기화와 탈질화로 인해 N₂O 일일 배출량을 급격하게 증가시켰으며 연간 총 누적배출량이 NPK 처리에서 유의하게 높았다. 헤어리베치의 환원 후 식물체는 서서히 분해되어 N₂O 배출량 증가를 보였지만, 연간 총 누적배출량은 관행농법에 비해 낮은 것으로 조사되었다. 옥수수의 이삭 수량은 NPK 처리에서 6.4 kg ha^-1로 헤어리베치 처리에 비해 유의하게 높았다. 본 포장시험에서 헤어리베치 처리는 옥수수의 질소 이용 효율이 낮아 옥수수의 수량을 증대시키지 못하였다. 추후, 휴경기의 헤어리베치 재배는 파종 시일을 앞당겨, 수확량을 증수해야할 것이고, 이때 발생하는 N₂O 가스와 옥수수 수량에 대해 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Note

The authors declare no conflict of interest.

ACKNOWLEDGEMENT

This study was carried out with the support of “Research Program for Agricultural Science & Technology Development (Project No. PJ01340104)”, National Academy of Agricultural Science, Rural Development Administration, Republic of Korea.

Tables & Figures

Table 1. Chemical and physical properties of the studied soil

^a) DOC: dissolved organic carbon.

Table 2. Concentrations of carbon and nitrogen, biomass yield, and total input amount of carbon and nitrogen of hairy vetch

Fig. 1. The N₂O flux (A), air temperature and precipitation (B), and water filled pore space (WFPS) (C) for 1 year.

Table 3. Cumulative N₂O emissions during fallow season, maize season, and total season

Fig. 2. Ear yield response to different nitrogen fertilization.

Table 4. Chemical properties of soil at harvest time

^a) DOC: dissolved organic carbon.

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