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ISSN : 1226-9999(Print)
ISSN : 2287-7851(Online)
Korean Journal of Environmental Biology Vol.32 No.4 pp.327-334
DOI : https://doi.org/10.11626/KJEB.2014.32.4.327

Changes in Crop Yield and CH4 Emission from Rice Paddy Soils Applied with Biochar and Slow-release Fertilizer

Daegyun Kim, Kwangrae Cho, Taejin Won, In-tae Bak, Gayoung Yoo1,*
Crop Research Division Gyeonggi-do Agricultural Research and Extension Services 283-33, Byeongjeomjungang-ro, Hwaseong-si, Gyeonggi-do, Korea
1Department of Environmental Science and Engineering College of Engineering, Kyung Hee University
Corresponding Author: Gayoung Yoo, Tel. 031-229-5788, Fax. 031-203-4589, gayoo@khu.ac.kr
November 10, 2014 December 7, 2014 December 8, 2014

Abstract

Emission reduction of CH4 (methane gas) from rice paddy soil is a very important measure for climate change mitigation in agricultural sector. In this study, we investigated the changes in crop yield and CH4 emissions in response to application of biochar and fertilizers. The experimental site is located in Hwasung, Kyunggido and experimental design is the split-plot method with three replicates. Treatments included rice straw (RS) and biochar (BC) amendments nested with the conventional NPK fertilizer (NPK) and slow release fertilizer (SRF). Control was also prepared with the soil with the conventional NPK fertilization with no amendment. Measurement of CH4 emission was conducted during the growing season of 2014 using a dynamic chamber method. The results showed that application of rice straw increased daily CH4 emission rate by 15%, while application of biochar reduced daily CH4 emission rate by 38%. When we combined biochar application with slow release fertilizer, CH4 emission was reduced by 45%. Further, the crop yield was also increased in all treatments compared with the control except for the treatment of rice straw application with slow release fertilizer. Overall results imply that biochar amendment to agricultural soil can be an effective strategy to decrease annual CH4 emission with no reduction in crop yield.


논토양에서 바이오차르 투입 및 완효성비료 시용에 따른 메탄발생량과 작물생산량 변화

김 대균, 조 광래, 원 태진, 박 인태, 유 가영1,*
경기도농업기술원 작물연구과
1경희대학교 공과대학 환경학 및 환경공학과

초록


    Rural Development Administration
    PJ009253012014

    서 론

    논토양에서 메탄발생은 농업부문 전체 온실가스 배출 량의 약 5~30%를 차지하고 있다(Houghton et al. 1990).

    토양에서의 메탄 발생은 절대 혐기조건에서 유기물이 메탄 생성균에 의해 분해되면서 일어나므로 논토양에서 의 물관리 및 유기물 관리조건은 메탄발생에 있어서 주 요한 인자로 작용한다(Le Mer and Roger 2001). 우리나라 는 2020년까지 BAU(Business As Usual) 대비 30%의 온 실가스 감축을 공표하였고 이에 따라 농업부문도 7.4% 만큼의 배출량 저감을 이행해야 하므로(RDA 2010) 논 토양에서의 메탄발생 저감기술의 개발은 국가적으로도 중요한 과제라 할 수 있다.

    논토양에는 볏짚을 환원하거나 녹비작물을 재배함으 로써 반복적 경작에 따른 토양의 질 저하를 방지하는 관리방법이 널리 적용된다 (Shin et al. 2003; Yang et al. 2010). 그러나 이러한 유기물의 투입은 재배기간중에 메 탄발생의 증가를 가져오게 되므로 온실가스 저감 측면 에서 순배출의 증가를 가져올 수 있다. 온실가스 배출을 저감하면서 동시에 토양 질의 개선을 가져올 수 있는 관리 방법으로 바이오차르라는 물질의 논토양 투입이 제안되고 있다 (Liu et al. 2011; Yu et al. 2013). 바이오차 르란 유기물을 산소를 차단한 상태에서 열분해한 부산 물을 말하는데, 바이오차르에 포함된 탄소는 화학적으로 매우 안정하여 미생물이 잘 분해하지 못하므로 탄소 저 장효과를 갖고 있고, 바이오차르의 다공성 성질로 인해 오염물질이 흡착되어 정화효과를 보이기도 하며, 수분이 나 비료 보유력이 증대되어 궁극적으로 작물의 생산성 이 높아진다고 보고된다 (Lehmann et al. 2006; Novak et al. 2009; Laird et al. 2010). 바이오차르의 이러한 긍정적 효과와 더불어 추가적으로 바이오차르의 토양투입이 논 토양에서 메탄발생을 저감하게 된다면 기후변화 완화와 생산성 증가를 동시에 기대할 수 있는 지속가능한 농업 관리 전략으로 자리잡을 수 있을 것이다.

    바이오차르 투입에 따른 메탄발생의 변화는 Rondon et al. (2005)Karhu et al. (2011) 등에 의해 보 고되었는데, 이는 바이오차르를 토양에 투입함에 따라 토양의 수 분보유력이 증대되고 이로인해 동일한 수분함량에서도 호기성 공극이 많이 확보되어 호기성 메탄산화균의 활 동이 증대된 것으로 설명하였다. 한편, 논토양에서 비료 시용에 따른 메탄발생량의 변화는 비료의 종류 및 시비 량, 토양 유기물 함량 등에 따라 상이하게 보고되고 있 다. Banger et al. (2012)은 155개의 논토양에서 질소비료 시비에 따른 메탄발생량의 변화를 정리한 메탄연구에서 1 kg 질소 투입당 약 0.27 kgCH4 ha-1 season-1만큼 증가 한다고 밝혔다. 질소비료 투입에 따른 토양 메탄발생량 증가 메카니즘으로는 두 가지를 제안하였는데, 하나는 메 탄산화균이 분비하는 효소인 methane mono-oxygenase는 기질 특이성이 낮아 NH3 및 NH4+을 산화하는 ammonium mono-oxygenase처럼 작용할 수 있으므로 (Hanson and Hanson 1996) 메탄의 산화가 저해되어 메탄발생이 증가하는 것이고, 다른 하나는 질소비료 시용에 따라 작 물의 생산량이 증가하여 토양으로 유입되는 탄소기질의 양이 증가하므로 메탄생성균의 활성도가 촉진되는 것이 다. Ko et al. (2002)의 연구에 따르면 요소, 유안, 완효성시 비의 세 가지 질소비료에 따른 메탄 배출량을 관찰했을 때 요소 시비구 대비 유안 시비구에서 메탄 배출량이 31.6%, 완효성시비 시비구에서 1.1% 감소하였다고 보고 되었다. 또한 국립식량과학원에서 1998년에서 1999년 질소비료 종류별 메탄 배출량을 비교하기 위하여 요소, 황산암모늄, 완효성 비료를 각각 시용한 결과 요소 (329 kg ha-1 year-1)>황산암모늄(303 kg ha-1 year-1) >완효성 비료(264 kg ha-1 year-1) 순으로 메탄 배출량이 변화하였 다고 보고하였다.

    본 연구에서는 논토양에 바이오차르 및 질소를 포한 함 완효성화학비료를 시용함으로써 변화하는 메탄 발생 량을 조사하였다. 메탄 발생량과 작물생산량의 변화를 함께 연구함으로써 실용적인 바이오차르 및 화학비료 관리방안을 제안할 수 있도록 하였다.

    재료 및 방법

    1.시험장소 및 시험방법

    본 연구는 경기도 화성시 기산동에 위치한 경기도농 업기술원의 벼 재배시험 포장에서 수행하였다. 시험 전 토양 중의 유기물(organic matter: OM) 함량은 Table 1에 서와 같이 22 g kg-1으로 벼 재배에 적당한 OM 함량인 25~30 g kg-1 (NIAST, 2010)에 비해 다소 낮았으며, 배 수가 약간 불량인 미사질양토였다(Table 1).

    시험구의 면적은 5.9 m×31 m=182.9 m2로 단구제로 배치하였으며, 구 당 메탄 포집용 챔버는 3반복으로 설 치하였다. 시험에 사용한 벼 품종은 추청벼로써 4월 25 일 종자를 파종하여 5월 25일에 30 cm×14 cm의 이앙 거리로 기계이앙 하였다. 물관리는 수확 2주전까지 상시 담수를 유지하였다.

    시험처리별 시용량은 ha 기준으로 1번 처리는 화학비 료(대조구)로써 벼 재배 표준시비량의 3요소인 N-P2O5- K2O=90-45-57 kg에 해당량을 공통으로 시용하였으며, 2 번 처리는 볏짚 5Mg과 화학비료 (1번처리 동일)를, 3번 처리는 볏짚 5Mg에 완효성비료 (“LONGSTAR Pajongsang”) N 45 kg 해당량을 처리하였다. 4번 처리는 바이오 차르 2Mg에 화학비료(1번 처리 동일), 5번 처리는 바이 오차르 2Mg에 완효성비료 N 45 kg 해당량을 처리하였 다(Table 2). 화학비료 처리의 경우 N는 요소, P2O5은 용 과린, K2O는 염화가리로 각각 시용하였으며, N는 기비 50%, 분얼비 20%, 수비 30% 분시하였고, 인산은 전량 기비, 칼리는 기비 70%, 수비 30% 각각 분시하였다. 완 효성비료의 성분량은 N-P2O5-K2O=30-6-6%이었으며 파 종시 모판에 사용하여 1회 시용하였다.

    시험에 처리한 유기물인 생볏짚 (rice straw)은 시험년 도 전년도에 수확된 생볏짚을 가을(11월)에 콤바인으로 절단하여 토양에 시용 후 경운하였다. 시험에 사용한 바 이오차르는 강진군 농협에서 판매하는 제품으로, 왕겨를 소규모 반응기(DCH-400, 1.4m×5.2m×5 m, L×W×H) 내에서 500~600°C의 온도조건으로 열분해한 부산물이 다. 열분해 반응기는 한국 대원 GSI에서 제작하였다. 대 상지의 기상자료는 경기도 오산시 외삼미동 관측소 자 료이며 자료는 http://203.247.66.10/weather/observation/ aws_table_popup.jsp의 주소에서 받았다.

    2.메탄채취 및 분석방법

    메탄 채취용 챔버는 폴리카보네이트 (polycarbonate)를 이용하여 제작되었으며 가로, 세로, 높이는 각각 60 cm, 60 cm, 120 cm이었으며 (Fig. 1) 처리당 3반복의 챔버내에 는 묘수는 3본씩 8주 식재되도록 조절하였다. 메탄시료 는 주 2회, 매회 오전 10시 30분부터 11시까지 20 mL 바 이알로 자동 채취되도록 하였다(Kim et al. 2010). 가스채 취방법은 챔버의 윗 뚜껑을 닫자마자 1차로 채취하고 다시 30분경과 후 2차로 채취되도록 하였다. 바이알은 채취할 때 박스 내부에 펌프와 이중 니들이 있으며 샘 플 채취시 니들이 자동으로 상하왕복 구동장치에 의해 서 아래로 내려와서 바이알의 내부로 삽입되고 펌프가 30초간 작동하여 챔버 내부에 있는 샘플을 바이알 속으 로 유입되게 되며 30초 이후엔 이중니들 한쪽만 빠지게 하여 5초간 대기하면서 바이알속 기압을 대기압과 평형 되도록 맞춘 후 니들을 상부의 원래 취치로 복귀하며 샘플채취가 끝나게 된다. 또한 시료 채취시 마다 온도와 논물로부터 챔버 상단까지의 유효높이를 조사하였다. 채 취된 바이얼 내 메탄분석은 3개 포트 가스 채취 밸브(3 Port gas sampling valve)가 장착된 GC-FID (7890GC, Agilent) 로 분석하였으며, column은 Capillary HP-PLOT/Q 30m×0.530 mm 이었고 운반기체(carrier gas)는 N2로 유 속을 분당 10mL로 조절하였다(Table 3).

    3.메탄 배출량 계산

    메탄 배출량(flux, F)은 아래 식(1)에 의하여 계산하였 다.

    F = ρ × V / A × Δ c / Δ t × 273 / 또는 F = ρ × h × Δ c / Δ t × 273 / T
    (1)

    F: 단위시간 당 단위면적에서 배출되는 CH4의 양(mg CH4 m-2 hr-1)

    ρ: CH4의 밀도를 고려한 변환계수(mg m-3)

    A: 가스포집장치의 바닥면적(m2)

    V: 가스포집장치내 공기의 체적(m3)

    h: 가스포집장치내 유효높이(논물로부터의 높이, m)

    Δc/Δt: 가스포집장치내 CH4 농도의 평균증가속도(ppmv hr-1)

    T: 가스포집장치내 평균기온 (K), pCH4=0.714 (T=273 K)

    4.토양과 투입물질 분석 및 기타 조사방법

    토양분석은 토양 및 식물체 분석법 (NIAST 2000)에 준하였다. 기상자료는 경기도농업기술원내 예찰답에 있 는 자동기상관측기(AWS)의 기상자료를 이용하였다. 토 양 산화환원전위(Eh)는 백금전극을 토심 15 cm 깊이에 묻고 Eh 미터(Ecoscan, Eutech)를 이용하여 측정하였다. 벼의 생육 및 수량조사는 농업과학기술 연구조사분석기 준 (RDA 2012)에 준하여 조사하였다. 통계분석은 SAS 9.2 통계패키지를 이용하여 유의수준은 5%의 확률로 하 여 Duncan의 다중비교법 (Duncan’s multiple range test, DMRT)으로 검정하였다.

    결과 및 토의

    1.시험재료의 이화학적 특성 및 시험기간의 기후

    시험재료로 사용된 바이오차르와 바이오차르의 원료 인 왕겨의 물리적 특성중 하나인 입경분포를 조사한 결 과 바이오차르는 1~2 mm 19%, 1~0.5 mm 33%, 0.5~ 0.25 mm 28% 등 입경분포가 골고루 퍼져 있었으며, 바 이오차르의 원료인 왕겨는 입경분포 비율이 >2 mm 이 상이 85% 로 대부분이었다. 고른 입경분포 비율로 인하 여 바이오차르의 용적밀도가 왕겨에 비하여 높았다 (Table 4). 시험에 투입물질로 사용된 바이오차르와 볏짚 의 화학성을 분석한 결과는 Table 5와 같다. 바이오차르 의 총 질소 함량은 0.57%, 총 탄소 함량은 47.02%로 원 료인 왕겨에 비해 높았다. 반면 볏짚 처리구에 들어갈 볏짚의 총 탄소와 질소의 함량은 왕겨 바이오차르와 비 슷한 수준이었다.

    전년 (2013년)도 11월 추경을 실시하고 평년과 2013, 2014년 동계기간의 평균온도의 변화(Fig. 1)는 2013년도 에는 -2.5°C로 저온으로 경과된 반면 2014년도는 2.4 °C로써 전년도에 비하여 4.9°C가 더 높음으로써 상대적 으로 높은 기온으로 동계기간을 경과하였는데, 이로써 년도별 동계기간의 평균 온도가 양해 년도에 크게 차이 남을 알 수 있었으며, 온도의 차이는 토양속에 매몰되어 있는 볏짚의 분해정도에 영향을 줄수 있음을 예측할 수 있었다. 반면 벼 재배기간 동안의 평균온도는 2013년은 24.1°C, 2014년은 23.3°C로 큰 차이가 없었다(Fig. 2). 벼 재배기간동안의 총 강우량은 2013년에는 797.1 mm에 비하여 2014년에는 599.0 mm로 적었으며, 2013년, 2014 년 모두 평년의 1,140.2mm에 비해서는 특히 낮은 강우 량을 보였다(Fig. 3)

    2.메탄 일일 배출량

    주요 생육기간중 시험처리별 시간당 메탄 배출량의 변화 (Fig. 4)는 NPK 처리와 RS+NPK 처리에서 전생육 기간 높고, BC+NPK, BC+SRF 처리에서는 낮게 경과하 여 바이오차르의 시용이 메탄발생을 감소시키는 경향을 확인할 수 있었다. 또한 RS+NPK와 RS+SRF를 비교해 보면 NPK 처리보다 완효성비료를 처리한 RS+SRF에서 메탄발생량이 감소함을 알수 있었다. 시험처리별 일일 메탄 배출량을 비교한 결과는 Fig. 5와 같이 NPK 처리 만 했을 경우 일일 메탄 배출량(kg ha-1 day-1)은 1.37이 었던 반면, RS+NPK 처리구에는 1.58로 15%가 더 많이 발생되었다. Ko et al. (2011)은 논토양 메탄발생량이 토 양 유기물 함량의 순서와 일치하였으며, 논 토양 온실가 스 배출량과 토양 유기물 함량 사이에는 고도로 유의한 양의 상관 관계가 있다고 하였는데 본 시험에서도 유기 물 함량이 높은 볏짚 처리구에서 메탄 발생량이 높게 나타난 것을 알 수 있다. Yagi et al. (1990)은 유기물원으 로 볏짚 시용시 NPK구에 비하여 1.8~3.5배의 메탄이 더 배출 되었다고 하였으며, Ju et al. (2013)은 벼 재배 논에서 ha당 볏짚 0, 3, 5, 7Mg을 시용하여 일일 메탄배 출량 (kg ha-1 day-1)을 측정한 결과 무처리에서 1.99 kg 이었고 볏짚 5Mg에서는 2.81 kg으로 많이 증가하였으 나, 본시험에서는 Fig. 5에서와 같이 볏짚 5 Mg 처리시 무처리 대비 증가폭이 상대적으로 적었다. 이는 11월에 볏짚을 시용하고 경운한 후 경과하는 동계기간의 평균 온도가 2013년~2014년이 높았음으로 시용한 볏짚이 많이 분해되었기 때문으로 사료된다. 본 연구에서 바이 오차르 투입에 따른 메탄발생의 저감은 바이오차르의 다공성 성질로 인해 논토양 내의 통기성이 확보되어 혐 기성 메탄발생 미생물의 활성이 저하되었기 때문으로 추측된다. 이와 같은 관찰은 Yoo and Kang (2012)에서도 유사하게 보고되었다.

    RS+NPK와 RS+SRF를 비교해 보면 RS+NPK 처리 보다 완효성비료를 처리한 RS+SRF에서 메탄발생량이 감소함을 알수 있었는데, 이는 Jung et al. (2013)의 연구 결과와 일치하였다. 이들은 완효성 비료를 처리한 경우 메탄의 발생이 약 50%가 절감된다고 보고하였다. 한편, BC+NPK, BC+SRF 처리에서는 일일 메탄발생량이 특 히 적었는데, BC+NPK 처리시 0.85 kg, BC+SRF 처리시 0.75 kg로써 NPK와 비교하면 각각 62%, 55%로 메탄발 생량이 크게 줄었다. 토양 Eh의 변화는 메탄발생과의 일 정한 경향이 보이지 않았지만 (Fig. 5), 이는 본 실험의 조건이 메탄의 발생이 충분히 일어날 수 있는 조건인 Eh -250~-300 mV 이하로 유지되었기 때문인 것으로 사료된다.

    3.생육 및 수량

    초장은 이앙후 30, 60, 140일후, 분얼수는 30, 45, 60, 75 일에 조사한 결과(Table 6) 초장은 BC+NPK 처리구에서 가장 크고, 분얼수 또한 많았으며 생육기간이 길어질수록 바이오차르가 포함된 BC+NPK, BC+SRF 두 처리에서 다른 처리구에 비하여 초장과 분얼수가 많아지는 경향 이 관찰되었다. 건물중 (Mg ha-1)의 변화에서도 이앙후 60일, 14일로 갈수록 초장과 분얼수가 많았던 BC+NPK, BC+SRF 처리에서 무거워서 이앙후 140일에는 각각 13.07, 13.06 Mg으로 대조구 NPK 처리의 12.22 Mg보다 많아지는 경향을 나타내었다.

    수확기 벼의 수량구성요소와 벼의 수량은 Table 7과 같다. BC+NPK, BC+SRF 처리시 바이오차르를 제외하 면 NPK와 SRF는 쌀수량에는 동일한 효과를 제공한 것 으로 판단되었다. Won et al. (2014)은 10 a당 NPK 표준시 비량과 동일한 SRF는 육묘상자당 500 g이라고 하였는데 본 시험에서도 육묘상자당 500 g이 사용되었으므로 수량 은 비슷하게 확인되었다. 수량에 비슷한 효과를 나타내 는 NPK와 SRF에 바이오차르가 더해진 BC+NPK, BC+ SRF 처리시 다른 처리에 비하여 수수가 각각 18.3, 18.2 개로 다른 처리구의 17.4~17.8개에 비하여 많아서 ha 당 쌀수량은 각각 5.44, 5.45 Mg로 대조구인 NPK 처리 보다 쌀수량은 두처리에서 모두 7%가 증수되었다.

    Figure

    Changes in temperatures of the two winter seasons from October to February of the following year. Green line is the temperature change from Oct 2012 to Feb 2013 (Average -2.5°C) and blue line is the temperature change from Oct 2013 to Feb 2014 (Average 2.4°C). Red line is the change in average temperature during the same period from 2003~2012.

    Changes in temperatures of the two growing seasons from May to September. Green line is the temperature change in 2013 (Average 24.1°C) and blue line is the temperature change in 2014 (Average 23.3°C). Red line is the change in average temperature during the same period from 2003~2012.

    Comparison of precipitations during the growing seasons in 2013 and 2014. Green bars are the amount of precipitation in 2013 (Average 797.1 mm) and blue bars are the amount of precipitation in 2014 (Average 599.0 mm). Red bars are the amount of average precipitation during the same period from 2003~2012.

    Changes in CH4 emission rates from the paddy soils by NPK, RS+NPK, RS+SRF, BC+NPK, and BC+SRF treatments. Values represent mean of 3 replicated samples.

    Changes in soil Eh values in the paddy fields by NPK, RS+NPK, RS+SRF, BC+NPK, and BC+SRF treatments. Values represent mean of 3 replicated samples.

    Table

    Physico-chemical properties of paddy soil before the experiment in 2012

    Description of experimental treatments

    Analysis conditions for CH4 measurement using gas chromatography

    Particle size distribution of biochar and its raw material, rice husk

    Chemical properties of applied materials

    Changes in the plant growth status after transplanting of paddy rice

    *DAT stands for day after transplanting.
    **Values represent mean of 3 replicated samples.

    Yield components and grain yields

    *Numbers with different letters stand for significant difference at 5% probability level.
    **Values represent mean of 3 replicated samples.

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