서 론

농경지에서 배출되는 온실가스 배출가스인 N₂O는 지구 온난화잠재력 (GWP; Global Warming Potential)이 CO₂ 대비 310배로 가장 크다 (IPCC 1996). 대기 중 N₂O 농도는 산업혁 명 이전 270 ppb에서 2006년에 320 ppb로 약 1.2배 증가하였 다 (IPCC 2007). 농업활동에서 N₂O의 주 배출원은 질소비료 및 가축분뇨이며, N₂O의 지구온난화 기여율은 5% 이상인 것으로 알려져 있다 (IPCC 2007). 농업활동에 의한 온실가스 배출감축을 위해서는 먼저 농업부문의 온실가스 발생원과 토 양에 양분공급원별로 온실가스 배출에 미치는 영향을 구체 적으로 평가할 필요가 있다.

비료 종류 중 효과지연성 피복비료는 수용성의 속효성 입 상비료를 안정한 피막으로 피복하여 비료성분의 용출속도를 조절한 것으로서 일명 Coating비료로 불려 지기도 한다. 피 복비료에서 양분의 용출은 피복의 미세한 공극을 통해서 확 산·용출하며, 수지로 피복한 비료는 피막두께의 변화나 용 출조정제의 사용에 따라 용출속도를 임의로 조절 할 수 있다. LCU (Latex Coating Urea)효과지연성 복합비료를 토양에 시 용하면 질소성분이 천천히 용출될 뿐 아니라 오랫동안 지속 되기 때문에 질소성분의 유실과 휘산을 경감할 수 있는 장점 이 있다 (Azeem et al. 2014;LeMonte et al. 2016). 따라서 작 물이 필요로 하는 시기에 양분이 공급되어 비료효과를 증가 시키기 때문에 수량을 증가시키고 분시횟수의 단축 등 시비 노력이 절감되는 이점이 있어 최근에 LCU효과지연성 복합 비료를 기비로만 시용하고 추비를 생략하는 농가가 늘어나 고 있는 추세이다. 이와 같이 LCU효과지연성 복합비료 시용 으로 수량 증대와 더불어 토양에 무기태질소 공급의 조절을 통하여 N₂O 배출을 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 그 리고 헤어리베치는 공중질소를 고정하는 두과 작물로서 다 른 녹비작물 보다 C/N율이 비교적 낮고 (탈질율 10) 분해속 도가 빠른 유기물이다 (Cho et al. 2012). 경작지에서 유기물 투입은 논토양에서는 CH₄ 생성 박테리아에 의해 혐기조건 상태로 유기물이 분해되어 CH₄이 발생하지만 유기물이 밭 토양에서 질소 비료에 의해서만 발생되는 N₂O와는 크게 영 향을 받지 않으므로 N₂O 배출 감축에 기여하고 있다. 따라서 LCU효과지연성 복합비료 시용으로 인한 N₂O 배출과 녹비작 물 시용으로 인한 N₂O 배출 감축효과 등 질소공급원인 비료 한 종류와 N₂O 배출 연구 (Kim et al. 2002, 2010;Seo et al. 2012;Azeem et al. 2014;Sakatar et al. 2015;LeMonte et al. 2016)는 있으나, 질소공급원별로 N₂O 배출 감축효과를 종합 적으로 파악한 연구는 미미하였다.

본 연구에서는 작물 재배시 질소비료와 유기물인 헤어리 베치 그리고 LCU효과지연성 복합비료 등 질소공급원별로 토양에 시용하여 작물의 수량, N₂O 배출 특성 및 N₂O 배출 량 감축 효과 등 종합적으로 파악하고 질소공급원별로 N₂O 배출에 얼마나 영향을 주는지를 정량적으로 밝혀서 온실가 스 배출관리에 필요한 기초자료를 제공하고자 하였다.

재료 및 방 법

1. 처리 및 시료 분석방법

본시험은 전라북도 완주군 이서면에 위치한 국립농업과학 원의 시험포장 (위도: 35°82ʹL41.5ʺN, 경도: 127°04ʹL36.0ʺE) 에서 2016∼2017년 (2년) 동안 수행하였다. 시험 토양은 pH 는 6.2∼7.1, 유기물함량은 7.8∼13.8 g kg^-1로서 특성은 Table 1과 같고 농촌진흥청 토양화학분석법 (NIAS 2010)에 준하였다. 대상작물은 우리나라에서 주요 밭작물인 콩 (대풍) 그리고 고추 (시알)를 공시작물로 하였다. 콩의 파종일은 6월 12일경, 고추의 정식일은 5월 10일경으로 검정 피복 비닐로 멀칭하여 재배하였다. 비료 시용량은 농촌진흥청 작물별 시 비처방기준 (RDA 2006)의 표준시비량을 기준으로 하였으며, 콩 재배에서 NPK 처리는 N-P₂O₅-K₂O를 32-33-37 kg ha^-1으 로 질소, 인산, 칼리 등을 전량 기비하였고 고추는 질소는 요 소로 3회 분시, 인산은 용성인비로 전량 기비, 칼리는 염화 칼리를 2회 분시하였다. 비료 및 유기물처리는 NPK, NPK (질소 성분량 50%)+헤어리베치 생초 (질소 성분량 50%), LCU (Latex Coating Urea)효과지연성 복합비료 (질소 성분량 100%) 등 3처리 3반복으로 각 처리 당 질소성분량 100%에 맞추었다. 헤어리베치의 질소함량은 헤어리베치가 32 g kg^-1 으로 헤어리베치 투입량 (수분함량 75.7%)은 8,800 kg ha^-1 이었다.

토양화학성은 토양시료를 채취하여 풍건 후 2 mm체를 통 과시켜 농촌진흥청 토양화학분석법 (NIAS 2010)에 준하여 분석하였다. pH는 토양을 증류수와 1 : 5 (W/V)로 혼합한 후 30분간 교반하여 pH meter (Orion 4 star, Thermo, Singapore) 로 측정하였고, EC는 pH 측정 후 토양용액을 #42 여과지로 여과 후 EC meter (Orion 4 star, Thermo, Singapore)를 이용 하여 측정하였다. 유효인산은 Lancaster법 (NIAS 2010)으로 720 nm 파장에서 비색계 (AU/CARY 300, Varian, Australia) 로 분석하였으며, 치환성 양이온은 1 M NH₄OAC (pH 7.0) 용액으로 침출하여 유도결합플라즈마 방출분광기 (Optima 7300DV, Perkin Elmer, USA)로 분석하였다. 총질소는 CN analyzer (Vario Max CN, Elementar, Germany)로 분석하였 다.

2. 시료채취 및 온실가스 분석방법

시험포장에서 N₂O는 비정체형 밀폐형태 (Closed Chamber Method)인 순환형 상자법 (Denmead et al. 1979)을 이용하여 외부로의 공기 유출이 없도록 포집하였다. 설치된 chamber 는 지름이 0.25 m, 높이가 0.5 m인 PVC 소재로 제작하였으 며, 가스포집 챔버는 콩과 고추 재배기간 동안 밭 토양 위 작 물과 작물 사이에 고정하여 설치하였고 포집하지 않을 때는 챔버 덮개는 열어두었다. 챔버 재원과 가스포집 형태는 기 존에 검증받았던 방법 (Matthias et al. 1978; Denmead et al. 1979)에 의해 제작하였으며, N₂O 발생원인 토양 위에 챔버 를 설치한 후 챔버 내부와 외부를 단절시켜 챔버 내부에서 단위 시간당 온실가스의 농도 증가율을 측정하였다. N₂O 가 스 포집 방법 (Sebacher et al. 1980;Yagi et al. 1990;Shin et al. 1995)은 가스 채취 시작시점에 가스 포집 즉시 챔버 위쪽 덮개를 덮고, 그리고 30분 후 가스를 포집하여 30분 전 포집 한 농도와 30분 후 포집한 농도차를 이용하여 배출량을 측 정하였다. 가스시료 채취는 Yagi et al. (1991)의 방법에 의하 여 24시간 배출되는 온실가스 농도를 평균한 값의 시간 범 위가 하루에 두 번인 10:00∼13:00시와 오후 16:00∼19:00 시로 나타나 오전과 오후 시간 중에 하나의 시간범위를 선 택하여 가스를 채취하므로 본 시험에서는 10:00∼13:00시 사이에 60 mL 주사기로 1주일에 2회 채취하여 분석하였다. 채취한 공기 시료의 N₂O 기체농도는 10 port와 4 port valve 를 장착한 GC-ECD (7890A, Agilent, USA)를 사용하였고 column은 Porapack Q (80/100 mesh)를 충전한 1/8ʺ×2 m의 stainless steel tubing column, 그리고 Detector의 온도는 320 ℃로 하였다. N₂O 분석 조건은 Table 2와 같다.

N₂O 플럭스 (Minami 1987)는 다음 식 (1)에 따라서 계산하 였다.

ρ는 가스밀도 (mg m^-3)이며, A는 챔버 바닥면적 (m²), V 는 챔버내 공기체적 (m³), ΔcΔt^-1는 챔버내 가스농도의 평 균 증가속도 (10^-6 m³ m^-3 hr^-1) 그리고 T는 챔버내의 평균기 온이다. N₂O의 ρ값 (T=273 K)은 다음과 같다; ρ N 2 O=1.96, ρ N 2 O-N=1.25.

콩과 고추밭에서 N₂O 배출에 관여하는 요인들 중 N₂O 배 출에 어느 정도 영향이 미치는가를 정량적으로 파악하기 위 해 N₂O 배출에 대한 기여도를 평가하였다. N₂O 배출에 대한 기여도를 평가하기 위한 통계분석은 SPSS를 이용하여 다중 회귀분석 (multiple regression analysis)을 하였다. N₂O 배출 에 대한 요인별 기여율은 관여하는 N₂O 배출 요인인 독립변 수 (무기태질소, 토양수분함량, 토양온도)들의 상관계수 값에 이들 각 각의 표준편회귀계수로 곱하여 백분율로 환산하였 고, 결정계수는 기여율을 합하여 중상관계수의 제곱을 하였 다.

결과 및 고 찰

콩과 고추 재배기간 동안 토양수분과 토양온도와 N₂O 배출량의 경시적 변화는 Fig. 1과 같다. 콩과 고추 토양의 N₂O 배출량 변화는 전 생육기간 동안 토양수분과 토양온 도의 변화와 유사한 양상을 보였다. N₂O 배출량은 토양수 분 (Stevens et al. 1997; Arnone and Bohlen 1998; Hou et al. 2000;Kim et al. 2008)과 토양온도 (Gödde and Conrad 1999; Kim et al. 2008)와 정의 상관관계가 있어, 토양수분 함량이 많을수록 그리고 토양온도가 높을수록 N₂O 배출량이 많다 고 하였다.

콩 재배 토양의 N₂O 배출량 변화는 생육 초기인 6월 중순 (6월 21일)부터 7월 중순 (7월 11일)까지 약한달 간은 NPK 처리에서 헤어리베치+N 비료와 LCU효과지연성 복합비 료 처리보다 배출량이 높게 나타났으며, 그 이후 생육중기부 터 수확기까지 배출량은 다른 처리와 비슷한 배출량을 보였 다. NPK 비료 시용 후 초기 생육기간에 질소 비료는 분해속 도가 빨라서 N₂O 배출량이 높은 것으로 나타났다. 헤어리베 치+N 비료와 LCU효과지연성 복합비료 처리는 생육초기부 터 수확기까지 전 생육기간 동안 NPK 비료처리에 비해 낮 은 배출을 유지하였다. 고추 재배 토양의 N₂O 배출량 변화 는 여름철인 6월 중순 (6월 27일)부터 8월 초순 (8월 1일)까 지 높은 배출량을 보였고 NPK 화학비료 처리가 전 생육기 간 동안 배출이 높게 나타났다.

콩과 고추 재배 토양에서 질소공급원 처리별로 N₂O 총 배출량은 Fig. 2에서 보는 바와 같이 NPK 비료처리에서 가 장 많은 배출량 (콩 0.98 kg ha^-1, 고추 2.35 kg ha^-1)을 보였고 LCU효과지연성 복합비료 처리 (콩 0.61 kg ha^-1, 고추 1.17 kg ha^-1) 다음으로 헤어리베치+N 비료 처리 (콩 0.54 kg ha^-1, 고추 1.03 kg ha^-1)로 배출량이 적었다. LCU효과지연성 복 합비료가 같은 화학비료인 NPK 처리보다 N₂O 배출량이 낮은 원인은 일시적 고농도 질소의 분해를 피하고 일정하 게 질소성분이 용출되는 LCU효과지연성 질소비료의 특성 (LeMonte et al. 2016) 때문으로 생각된다. 또한 유기물 종류 들 중에서 비교적 C/N율이 낮은 헤어리베치는 토양에서 유 기물의 분해속도가 빨라 양분의 유효도와 비료이용효율이 높아서 온실가스 배출을 높이지만 (Cho et al. 2012;Alam et al. 2015) 유기물보다 NPK 화학비료가 분해속도가 더 빨라 서 N₂O 배출량이 높게 나타난 것 (Alam et al. 2015)으로 판 단된다.

N₂O 배출에 대한 기여도를 Table 3에 나타냈다. 결정계수 는 콩 0.729, 고추 0.760의 결과를 얻었다. 따라서 N₂O 배출 에 대한 3개의 독립변수 (무기태질소, 토양수분함량과 토양 온도)에 의해 콩에서 71.8%, 고추 75.6%를 설명할 수 있었 다. N₂O 배출량과 토양온도, 토양수분함량 그리고 무기태질 소의 상관 분석한 결과, 콩에서 각 0.658^**, 0710^** 그리고 0.865^**, 고추는 0.764^**, 0.859^** 그리고 0.891^**으로 고 도로 유의하여 N₂O 배출량에 큰 영향을 주는 것으로 나타 났다. N₂O 배출에 영향을 미치는 요인은 콩에서 무기태질 소 (65.5%), 토양수분함량 (19.2%), 토양온도 (15.2%), 그리고 고추에서는 무기태질소 (51.2%), 토양수분함량 (28.8%), 토 양온도 (22.0%) 순으로 나타났으며, 두 작물 모두 무기태질 소의 기여도가 가장 큰 것으로 나타나 N₂O 배출에 가장 큰 영향이 미치는 것으로 나타났다. Arone and Bohlen (1998) 은 N₂O 배출량과 토양 수분함량과는 정의 상관관계가 있다 고 하였으며, Dobbie et al. (1999)은 남부 스코틀랜드의 N₂O 배출량이 조사지역과 기후 차이에 관계없이 토양수분과 밀 접한 관계가 있다고 하였다. 무기태질소, 토양수분, 토양온 도는 밭 토양에서 N₂O 배출에 가장 영향을 미치는 요인들이 다 (Davidson et al. 1993;Parton et al. 1996;Wagner-Riddle et al. 1997;Lemke et al. 1998;Frolking et al. 1998;Jones 2007). Hellebrand et al. (2008)은 유채와 호밀 등 일년생작물 에서 N₂O 배출량과 토양 중 무기태질소인 NO₃^--N은 정의 상 관관계가 있으며, NO₃^--N이 높으면 N₂O 배출량도 많다고 하 였다. 이와 같이 인위적으로 조절이 불가능한 토양온도를 제 외하고 밭 토양에서 온실가스를 감축하기 위해서는 N₂O 배 출에 큰 영향을 주는 토양수분과 무기태질소와 관계가 있는 질소시비량을 조절함으로써 가능하다고 생각된다. 세 가지 요 인 중 N₂O 배출에 가장 크게 영향을 미치는 요인은 무기태질 소 (콩 65.5%, 51.2%), 토양수분함량 (콩 19.2%, 고추 28.8%), 토양온도 (콩 15.2%, 고추 22.0%) 순으로 나타났다. 즉, 무 기태질소가 N₂O 배출에 가장 영향을 미치는 요인으로 분석 되었으며, N₂O 배출에 기여하는 세 가지 요소 중 토양온도 가 N₂O 배출에 대한 미치는 영향은 낮았다. 이는 고추와 콩 재배에서 N₂O 배출에 큰 영향을 주는 요인은 무기태질소이 며 다음으로 토양수분이었다는 선행 연구결과와 일치하였다 (Kim et al. 2010). Iserman (1994)은 농경지 토양에서 대기 로 배출되는 아산화질소의 양 가운데 81%가 질소비료에 의 해 배출된다고 하였다. 농경지 토양에서 아산화질소 배출은 질산화작용이나 탈질작용 등 생물학적인 과정이 가장 중요 하며, 토양에 요소를 시용할 때 요소의 가수분해로 방출되는 NH₄는 화학적 자급영양생물인 질화균에 의해 N₂O^-와 NO₃^- 로 산화되고 이러한 질산화작용의 여러 과정을 통한 생화 학적 경로를 통해 N₂O와 NO를 배출한다 (Firestone et al. 1989). 탈질균은 호흡내에 전자 수용체가 질산화 과정을 통 해 질소산화물을 이용하고 N₂O와 N₂를 배출한다 (Davidson et al. 1993). 그러므로 토양 내 무기태질소 공급을 조절하기 위해 LCU효과지연성 복합비료를 시용하여 아산화질소 배 출량을 줄일 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

Table 4는 콩과 고추 재배에서 비료공급원별 질소비료 이용효율을 나타낸 것이다. 수량은 질소 무처리구에서 콩 이 1.12 톤 ha^-1 그리고 고추 9.81 톤 ha^-1, NPK 처리에서 콩 2.32 톤 ha^-1 그리고 고추 16.38 톤 ha^-1, NPK+헤어리베치 처리에서 콩이 2.25 톤 ha^-1 그리고 고추 16.20 톤 ha^-1, LCU 효과지연성 복합비료 처리에서 콩 2.95 톤 ha^-1 그리고 고 추 18.31 톤 ha^-1으로 가장 높았다. 질소비료 이용효율에서 도 LCU효과지연성 복합비료 처리에서 콩 52.5와 고추 44.7 로 가장 높았다. N₂O 배출량에서도 LCU효과지연성 복합비 료와 NPK+헤어리베치 처리에서 차이를 보이지 않았으며 수량과 질소비료이용효율 그리고 N₂O 배출량 등을 종합적 으로 살펴보면, LCU효과지연성 복합비료 처리가 생산성 및 환경적인 면에서 가장 우수한 것으로 나타났다. 그러므로 토 양내 무기태질소 공급을 조절하기 위해 LCU효과지연성 복 합비료를 시용하여 아산화질소 배출을 줄일 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

적 요

작물 재배시에 질소비료와 유기물인 헤어리베치 그리고 LCU효과지연성 복합비료 등 질소공급원별로 토양에 시용 하여 N₂O 배출에 영향을 주는 요인들의 특성을 조사하였다. 그리고 그 요인들이 N₂O 배출에 얼마나 영향을 주는지를 정 량적으로 밝히고 온실가스 배출의 영향 인자들에 대해 온실 가스 감축 효과를 종합적으로 평가하였다.

N₂O 배출에 영향을 미치는 요인은 토양온도, 토양수분과 무기태질소 등이다. 이 세 가지 요인 중 N₂O 배출에 가장 크 게 영향을 미치는 요인은 무기태질소 (콩 65.5%, 51.2%)> 토양수분함량 (콩 19.2%, 고추 28.8%)>토양온도 (콩 15.2%, 고추 22.0%) 순으로 나타났다. 수량과 비료이용효율은 LCU 효과지연성 복합비료 처리에서 가장 높았다. N₂O 배출량은 LCU효과지연성 복합비료와 NPK+헤어리베치 처리에서 차 이를 보이지 않아 종합적인 결과는 수량과 비료이용효율 그 리고 낮은 N₂O 배출량을 보인 LCU효과지연성 복합비료 처 리가 가장 양호한 것으로 나타났다. 따라서 앞으로 N₂O 배 출을 저감할 수 있는 토양 양분관리 기술 개발 연구가 확대 되면 온실가스 배출저감 대책에 도움이 될 것으로 기대할 수 있다.