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ISSN : 1226-9999(Print)
ISSN : 2287-7851(Online)
Environmental Biology Research Vol.36 No.4 pp.471-478
DOI : https://doi.org/10.11626/KJEB.2018.36.4.471

Effect of Organic Waste Application on Soil Chemical Properties and Organisms under Zelkova serrata Cultivation

Jinu Eo*, Myung-Hyun Kim, Hyung-kyu Nam, Soon-Ik Kwon, Young-Ju Song
National Institute of Agricultural Sciences, RDA, Wanju 55365, Republic of Korea
Corresponding author: Jinu Eo, Tel. 063-238-2507, Fax. 063-238-3823, E-mail. eojiny@korea.kr
19/08/2018 15/10/2018 22/10/2018

Abstract


The purpose of this study was to investigate effects of reusable organic wastes, on soil organisms and chemical properties. Bone meal, de-oiled cake, and oyster shell were applied and abundances of soil organisms were measured at 3 and 15 months, after treatment in soil under sawleaf zelkova cultivation. Soil organisms are affected, by the quality of applied organic wastes. Abundance of microorganisms was higher in oyster shell treated soils than in untreated soils, suggesting that soil pH is a driving force, altering abundance and structure of the microbial community. Increase in abundance of bacterivorous nematodes was observed under treatment with bone meal and de-oiled cake, but there was slight change in abundance of fungivorous and herbivorous nematodes. Abundance of herbivorous nematode was positively correlated with plant growth, at 15 months after treatment. Response of microarthropods in the Collembola and Oribatida was not apparent. Abundances of primary consumers were not significantly correlated with microorganisms. This study suggested that organic waste influences soil organisms primarily by altering soil chemical properties and bottom-up effects may not occur in trophic reactions.



유기성폐기물이 느티나무 재배지 토양의 화학성 및 생물에 미치는 영향

어 진우*, 김 명현, 남 형규, 권 순익, 송 영주
농촌진흥청 국립농업과학원 기후변화생태과

초록


    서 론

    유기성폐기물은 식품생산과정에서 원료를 일차적으로 가 공할 때 배출되며 폐기과정에서 환경 또는 경제적인 문제를 일으킬 수 있다. 일부 폐기물은 식물에 필요한 양분을 함유 하고 있기 때문에, 이것을 식물재배에 재활용하는 것은 환 경보전과 지속적 생산에 유리하다 (Jeng et al. 2006;Nelson and Janke 2007;Lee et al. 2008). 이러한 유기물을 투입해 양분을 공급하기 위해서는 투입된 유기물의 안정적 분해가 필요하며, 토양의 양분과 화학성 변화에 대한 다양한 연구가 있었다 (Nelson and Janke 2007;Castro et al. 2009).

    토양생물은 양분공급에서 유기물의 분해와 물질순환에 중 요한 역할을 한다. 미생물은 효소생성을 통해 유기물을 화학 적으로 분해하며, 바이오매스는 직접 양분의 공급원이 되기 도 한다 (Coleman et al. 2004). 토양동물은 유기물을 물리적 으로 분쇄하여 유기물 분해에 참여한다 (Mikola and Sulkava 2001;Filser 2002). 또한 유기물 분해의 속도와 효율성은 토 양생물의 밀도와 다양성에 영향을 받는다 (Bettiol et al. 2002). 따라서 토양생물의 군집과 밀도에 관한 정보는 물질 투입에 따른 토양환경 변화를 이해하는 데 도움이 된다.

    느티나무 (Zelkova serrata)는 조림과 조경에 이용되는 수 목으로 일반적으로 다년간 육묘한 후에 식재하기 때문에 장 기간의 양분관리가 필요하다. 따라서 투입된 유기물의 분 해 및 양분동태와 관련하여 토양생물의 역할을 구명할 필요 가 있다. 또한, 식물의 생장이나 종특이성은 토양생물에 영향 을 주며 토양화학성 보다 영향이 클 수 있으므로 (Burns et al. 2015), 식물과 토양생물의 반응을 종합적으로 고찰해야 한다. 우리나라에서도 일부 폐기물을 이용한 느티나무 재배가 연구 된 바 있고 (Ryu et al. 2010), 느티나무가 서식하는 산림 토양 의 미생물 군집특성에 대한 연구가 있다 (Kim et al. 2015).

    본 연구의 목적은 유기성 폐기물 투입에 따른 토양화학성 변화와 토양생물의 반응을 구명하는 것이다. 또한 토양미생물, 미소동물 및 식물 간의 양적인 먹이연쇄반응을 알아보기 위해 상관분석을 통해 연관성을 분석하였다. 유기성폐기물 중에 식 물에 필요한 주요 양분을 함유하는 유박, 골분, 굴패화석을 선 택하여 효과를 비교하였다. 골분과 유박은 질소와 인이 풍부 하며 (Jeng et al. 2006;Nelson and Janke 2007), 굴패화석은 칼슘이 풍부하여 토양 pH를 증가시킨다 (Lee et al. 2008).

    재료 및 방 법

    1. 실험처리 및 식물조사

    본 연구에 사용한 폐기성 유기물인 골분, 유박, 굴패화 석 분말은 지역의 생산자로부터 구입하였으며, 성분조성은 Table 1에 나타내었다. 실험은 참깨 등의 밭작물을 재배하 던 포장에서 실시하였다. 실험구는 난괴법으로 배치하였고, 각 처리구의 크기는 3 m×5 m이었다. 각 유기물을 5 t ha-1 로 토양 표면에 살포한 후 로터리로 혼입하였다. 느티나무 (Zelkova serrata) 2년생 실생묘를 각 처리구별로 1 m×1 m 간격으로 재식하였다. 잡초의 관리는 정기적으로 손제초를 하였으며 제초제는 사용하지 않았다. 식물의 생장조사는 15 개월 후에 실시하였으며, 각 처리구별로 묘목 5개씩 기저부 직경을 측정하여 재배기간 동안의 생장변화를 계산하였다.

    2. 토양화학성 분석

    토양화학성과 미생물 조사를 위한 토양시료의 채취는 재 식 후 3개월과 12개월에 실시하였다. 처리구별로 식재된 느 티나무 주위의 토양을 오거를 이용하여 0~15 cm 깊이로 4~5 군데에서 채취하여 혼합하였으며, 뿌리 등의 잔사를 제 거하였다. 미생물의 인지질지방산 (Phospholipid fatty acid; PLFA) 분석을 위한 토양은 냉동건조하여 2 mm 체로 거른 후 분석할 때까지 초저온냉동고에 보관하였다. RDA (2002) 에 따라 상온에서 건조한 토양시료를 2 mm 체에 통과시 킨 후 토양화학성을 분석하였다. 토양 pH와 EC (Electronic conductivity)는 토양과 증류수의 비율을 1 : 5로 하여 그 현탁액을 pH 미터와 EC 미터로 각각 측정하였다. 총탄 소 및 총질소함량은 CN 분석기 (Vario Max CN, Elementar Analysenesysteme, Germany)를 이용하여 측정하였으며 토 양유기물 함량은 측정한 총탄소함량을 참고하여 계산하였 다. 유효인산함량은 Lancaster법으로 측정하였으며, 치환성 양이온함량은 1 N NH4OAc (pH 7.0)으로 침출한 후 그 여 과액을 ICP (Integra XL DUAL, GBC Scientific Equipment, Australia)를 이용하여 측정하였다.

    3. 토양미생물 인지질지방산 분석

    토양미생물의 군집변화를 알아보기 위하여 미생물의 인 지질 지방산 (PLFA; phospholipid fatty acid)을 분석하였 다. 토양 5 g에 혼합액 (chloroform : methanol : buffer=1 : 2 : 0.8, v/v/v)을 넣고 지질을 추출한 후 silicic acid column으 로 neutral-, glyco- 및 phospho-lipid로 분리하였다. 내부표 준물질로는 fatty acid methyl ester 19:0를 사용하여 인지질 을 메틸화한 지방산에 첨가하였다. 지방산의 정성 및 정량 은 MIDI Sherlock Microbial Identification System (MIDI Inc., Newark, DE)을 이용하여 분석하였다. 전체 PLFA 중 에서 주요 지표지방산은 미생물 지방산 지표들을 이용하 여 분류하였다 (Kaur et al. 2005). 단불포화지방산은 16:1 ω5c, 17:1 ω8c, 18:1 ω7c, 포화지방산은 14:00, 15:00, 16:00, 17:00, 18:00, 20:00을 지표지방산으로 이용하였다. 호기성균 은 16:1 ω7t, 혐기성균은 cy19:0을 사용하였다. 그램음성균 의 지표 지방산은 18:1 ω7c, 19:0cy ω8c, 17:1 ω8c, 그램양 성균은 i14:0, i15:0, a15:0, i16:0, i17:0, a17:0, 세균은 그램 음성균과 양성균을 모두 이용하였다. 방선균은 10Me16:0, 10Me17:0, TBSA10Me18:0을 이용하였다. 곰팡이는 18:2 ω6,9c, AM 곰팡이는 10Me16:0, 10Me17, 10Me18:0를 지표 로 분석하였다.

    4. 토양미소동물 조사

    토양미소동물은 선충과 미소절지동물을 대상으로 토양 내 밀도를 조사하였다. 선충은 베르만깔대기법을 이용하여 20 g 의 토양을 48시간 동안 2반복으로 추출하였으며, 분리한 개 체는 TAF 용액에 보관하여 개체수와 섭식형태를 조사하였 다. 선충의 섭식형태는 Yeates et al. (1993)의 분류방법에 따 라 세균섭식성, 곰팡이섭식성, 식물섭식성으로 구분하였으 며, 포식성선충은 밀도가 매우 낮았기 때문에 제외하였다. 미 소절지동물은 툴그렌장치에 300 mL의 토양을 96시간 동안 거치하여 추출하였으며, 광학현미경을 이용해 톡토기와 응 애로 분류하였다 (Aoki 1999).

    5. 통계분석

    유기성폐기물이 토양화학성, 미생물 PLFA, 식물생장에 미 치는 영향을 알아보기 위해 ANOVA 결과가 α=0.05 수준에 서 유의한 경우 최소유의차 (LSD; least significant difference) 방법을 이용하여 처리간 비교하였다. 미생물 PLFA, 미소 동물 밀도, 기저부직경변화 사이의 관련성을 알아보기 위 해 상관분석을 실시하였다. 모든 통계과정은 SAS9.1 (SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)를 이용하여 수행하였다.

    결 과

    1. 토양화학성 및 식물생장

    토양화학성은 유기성폐기물의 처리에 의해 영향을 받았다 (Table 2). 패화석 처리에 의해 토양의 pH와 칼슘 농도가 증 가하였다. 골분처리구에서 재식 후 3개월에 무처리구보다 질 산태질소 농도가 증가하였으나, 12개월 후에는 유의적 차이 가 없었다. 식물의 기저부직경은 골분처리구에서만 유의적 으로 증가하였다 (Fig. 1).

    2. 토양미생물

    패화석 처리구가 무처리구보다 미생물 총 PLFA가 높았으 며, 방선균과 균근균의 밀도는 3개월 후에만 높았다. 하지만 세균의 PLFA 밀도는 처리간 뚜렷한 차이가 없었다 (Table 3). 골분처리구의 그램음성균과 그램양성균 비율은 3개월 후에 무처리구와 유의적 차이는 없었지만 다른 유기물처리구에 비해 높았다 (Table 4). 호기성세균과 혐기성세균의 비율은 패화석처리구가 유박처리구보다 높았다. 포화지방산과 불포 화지방산 비율은 처리 15개월 후에 패화석처리구가 무처리 구보다 낮았다. 미생물 PLFA 지표 중 Cyclopropyl과 전구체 의 비율은 3개월 후에 패화석처리구가 다른 유기물 처리구 보다 낮았다 (Table 4).

    3. 토양미소동물

    미생물을 섭식하는 선충은 폐기물 처리에 대해 섭식성 별 다른 반응을 나타내었다 (Table 5). 세균섭식성 선충은 가 장 우점했던 섭식군으로 선충 총밀도의 평균 81.1%를 차지 하였으며, 3개월 후 골분과 유박 처리구에서 증가하였다. 그 밀도는 토양화학성 중 질산태질소 (r=0.27, p=0.39) 및 pH (r=0.14, p=0.66)와 유의적 상관관계는 없었으며, 다른 요 소들과도 상관관계를 보이지 않았다. 곰팡이섭식성 선충은 전체의 9.5%를 차지하였으며, 처리간 차이가 없었다. 미소절 지동물 중 톡토기와 날개응애의 밀도는 처리간 유의적인 차 이는 없었으며, 토양화학성과도 상관관계가 없었다. 생물 반 응간 연관성을 보면 미생물과 이를 섭식하는 생물군 간에 유 의적 상관관계는 없었으나, 식물의 기저부직경변화와 식물 섭식성선충의 밀도간에 양의 상관관계가 15개월 후에 있었 다 (Fig. 2).

    고 찰

    1. 토양화학성 및 식물생장

    느티나무는 다른 수종에 비해 비료요구도가 클 수 있으며 (Cho et al. 2015), 골분처리구에서 기저부직경변화가 무처 리구보다 컸던 것은 토양의 질산태질소가 증가하여 식물생 장이 촉진된 것으로 추측된다. 패화석처리구에서 토양 pH와 칼슘농도가 증가하였으며, 이것은 기존의 보고와 일치한다 (Goupil et al. 2015). Lee et al. (2008)은 굴패화석 처리가 토 양의 pH, C, N을 모두 증가시켰고, 배추의 생육도 증가시켰 다고 하였다. 본 연구에서도 토양화학성에는 유사한 효과가 있었으나, 식물의 생육을 증진시키지는 않았다. 이것은 식물 에 따라 토양화학성 변화에 대한 반응이 다를 수 있기 때문 인 것으로 보인다.

    2. 토양미생물

    유기물의 투입은 토양미생물의 먹이가 되는 기질을 증가 시키고 토양화학성을 변화시켜 이차적으로 미생물군집에 영 향을 줄 수 있다. 골분, 유박, 패화석은 토양미생물의 활동 을 촉진하는 것으로 알려졌다 (Lee et al. 2004;Mondini et al. 2008;Gougoulias et al. 2010). 분해자인 미생물의 밀도 는 C/N율에 영향을 받으며 (Marschner et al. 2003), 골분과 패화석은 C/N율이 낮기 때문에 세균중심의 분해구조를 형 성할 것으로 예측하였으나, 세균의 PLFA 밀도는 처리간 뚜 렷한 차이가 없었다 (Table 3). 미생물 밀도는 유기물함량과 밀접한 관계가 있다는 보고가 있으나 (Antisari et al. 2013;Zhen et al. 2014), 본 연구에서는 유기물함량과 총 PLFA 수 치간에 유의적인 상관관계는 없었다. 그램음성균과 그램양 성균 비율은 토양양분 수준을 반영할 수 있는데 (Kaur et al. 2005), 그램음성균의 우점은 고양분 상태로의 진행을 나타 낸다 (Yao et al. 2000;Kaur et al. 2005). 따라서 골분처리구 에서 이 비율이 일시적으로 다른 처리구에 비해 높았다는 것 은 토양양분이 높았던 것을 반영한다.

    패화석처리구에서 총 미생물 PLFA 수치가 높았던 것 은 유기물처리간 토양의 유기물, 질산태질소, 유효태인산 의 차이가 적었던 점을 고려한다면, 양분 이외의 다른 기작 을 통해 영향을 미쳤을 가능성이 있다. 미생물 PLFA 지표 중 Cyclopropyl과 그 전구체의 비율은 토양양분의 수준 등 의 환경스트레스를 나타내는 지표이며 (Kaur et al. 2005), 수 치가 낮다는 것은 pH 등에 의한 환경스트레스가 낮다는 것 을 의미한다. 칼슘처리는 pH를 높이고 그램음성균과 곰팡이 에 더 많은 영향을 미칠 수 있다 (Zhao et al. 2015). 대부분 의 토양세균은 pH에 대해 적응범위가 협소하다 (Fernandez- Calvino and Baath 2010; Rousk et al. 2010). 패화석에 의한 산성토양의 pH 증가는 토양세균에게 유리한 환경조건을 형 성했을 가능성이 있지만, 세균 PFLA 수치는 처리간 차이 가 없었다. 이것은 세균이 분류군에 따라 pH 증가에 다양한 반응을 보일 수 있기 때문인 것으로 추측된다 (Narendrula- Kotha and Nkongolo 2017).

    토양미생물은 유기물 분해활동을 통해 식물의 생장을 증 가시킬 수 있다 (Bettiol et al. 2002;De Deyn et al. 2004). 골 분처리구에서 질산태질소가 증가한 것은 분해자에 의한 유 기물 분해가 증가한 결과로 보여진다. 반대로 식물의 생장이 증가하면 뿌리분비액이나 잔사로 공급되는 기질이 증가하여 토양미생물의 밀도가 증가할 수 있으나, 토양미생물과 식물 생장과의 양적인 상관관계는 없었다. 기저부직경은 골분처 리에서만 증가하였으며, 총 PLFA 수치는 칼슘처리구에서 높 은 경향이 있었다. 이러한 결과는 유기성폐기물의 투입에 의 한 양분 증가가 식물의 생장과 미생물밀도 증가를 동반하는 것은 아니라는 것을 보여준다.

    3. 토양미소동물 및 먹이연쇄반응

    유기물의 투입은 토양화학성을 변화시켜 토양미소동물 에 직접적으로 영향을 줄 수 있다. 세균섭식성선충은 토양의 pH 및 질산태질소와 각각 양과 음의 상관관계를 갖는다는 보고가 있다 (Liu et al. 2006;Song et al. 2016). 이들의 밀도 가 처리간 차이가 있었지만 질산태질소 및 pH 등과 상관관 계가 없었기 때문에 토양화학성의 직접적인 영향은 적었다 고 보여진다. 톡토기나 날개응애도 토양의 pH나 유기물함량 등의 화학성에 영향을 받을 수 있으나 (Vilkamaa and Huhta 1986;Wissuwa et al. 2013), 이들의 밀도와 토양화학성 사이 에 유의한 상관관계가 없었다.

    세균섭식성 선충은 토양세균을 섭식하는 주요 동물로 이 들의 밀도 증가는 역으로 세균의 밀도나 군집구조에 영향 을 줄 수 있다 (Xiao et al. 2014). 먹이사슬에서 상향식 반응 은 토양 먹이망을 변화시키는 주요 요소이며 다양한 섭식관 계에 의해 구성된다 (Polis and Strong 1996). 교란에 의해 토 양생태계는 번식이 빠르고 한 세대가 짧은 동물상이 우점한 다 (Berkelmans et al. 2003). 세균섭식성 선충의 밀도가 골분 과 유박 처리구에서 증가하였다는 것은 외부의 자극에 빠르 게 반응했다는 것을 보여준다. 이러한 생물군의 많은 종들은 환경이 유리할 때 세대가 짧고 번식율이 높은 특징을 보인 다 (Filser 2002;Ferris and Matute 2003). 세균섭식성 선충은 패화석 처리구에서 pH나 양분의 증가에도 불구하고 증가하 지 않았으며 이전 보고와 일치하였다 (Hyvonen and Persson 1990). Zhao et al. (2015)도 칼슘시비에 의해 세균은 크게 증 가하였지만 선충의 밀도는 차이가 없었다고 하였다. 세균 및 곰팡이와 이들을 섭식하는 미소동물과 유의적 상관관계가 없었던 것은 먹이사슬에서 미생물에 기인하는 상향식 연쇄 반응이 일어나지 않을 수 있다는 것을 의미한다.

    자활성선충의 밀도는 식물의 생장에 의해 영향을 받을 수 있으며 (Cortois et al. 2017), 세균섭식성 선충은 물질 투입 에 의해 다른 섭식군의 선충보다 크게 영향을 받을 수 있다 (Song et al. 2016). 하지만 본 연구에서는 세균섭식성 선충이 나 곰팡이섭식성 선충은 식물생장과 상관관계는 없었다. 다 만, 기저부직경변화와 식물섭식성선충의 밀도간에 유의적 상관관계가 부분적으로 나타난 것은 유기물투입에 의한 식 물생장 증가가 뿌리에서 직접 양분을 섭취하는 생물에 영향 을 미칠 수 있다는 점을 보여준다. 느티나무 주변의 초본류 에 의해 영향을 받았을 가능성도 있으나 주기적으로 제초를 했기 때문에 잡초의 직접적인 연관성을 증명하기는 어렵다. 식물생장과 식물섭식성선충의 양적 관계는 토양환경이나 식물의 종에 따라 달라질 수 있다 (van der Stoel et al. 2006; Carrascosa et al. 2014). 따라서 이러한 상향식 연쇄반응이 느티나무에 의한 직접적인 효과인지를 확인할 수 있는 추가 적인 연구가 필요하다.

    적 요

    식품생산과정에서 발생하는 유기성폐기물인 골분, 유박, 굴 패화석을 토양에 투입한 결과 일부 처리구에서 토양생물 과 화학성이 영향을 받았다. 골분은 토양의 질산태질소를 일 시적으로 증가시켰고, 패화석은 pH를 증가시켰다. 골분은 느 티나무 생장을 증진시키는 효과가 있었기 때문에 이차적으 로 토양생태계에 영향을 미칠 수 있다. 미생물 PLFA는 패 화석에 의해 증가하였으며 환경스트레스를 나타내는 지표 도 낮은 경향이 있었다. 이것은 패화석이 양분 증가보다는 pH 증가를 통해 미생물의 서식환경을 개선하는 효과가 있 다는 것을 보여준다. 토양미소동물 중에는 세균섭식성 선충 만이 유박과 골분 처리구에서 증가하였다. 이들 밀도와 세균 PLFA 간에 상관관계는 없었다. 다만 식물생장과 식물섭식 성선충의 유의적 상관관계는 유기물투입이 식물을 통해 이 차적으로 토양생태계에 영향을 줄 수 있다는 것을 부분적으 로 보여준다. 따라서 유기성폐기물 처리는 토양화학성 변화 를 통해 일차적으로 미생물 군집에 영향을 주지만, 미생물을 섭식하는 생물군에게 상향식의 양적인 연쇄반응을 일으키지 않을 수 있다는 것을 시사한다.

    Figure

    KJEB-36-471_F1.gif

    Basal diameter change affected by application of organic materials.

    KJEB-36-471_F2.gif

    Correlational relationships between soil organisms at 15 months after organic amendment. Numbers indicate correlation coefficient between two variables. *p<0.05.

    Table

    The C/N ratios and nutrient concentrations of the organic waste

    The chemical properties of soils amended with organic waste

    Microbial PLFA affected by organic materials

    The PLFA characteristics of soil after application of organic wastes

    The abundances of nematodes belonging to four different trophic groups

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