농경지 토양에서 암모니아 배출에 미치는 요인들의 특성
Investigation of Factors Influencing on Ammonia Emission from Soils in Agricultural Land
Article information
Abstract
목적
토양에서 암모니아 배출에 미치는 영향에 관한 문헌 고찰을 통하여 주요 요인들을 파악하고, 암모니아 배출 감소를 위한 대책을 설립한다.
방법
농업, 암모니아, 미세먼지 등의 키워드를 활용하여 학술검색을 수행하였으며, 수집된 문헌에 대하여 토양의 특성이 암모니아 배출에 미치는 영향에 대해서 각 항목별로 정리하였다.
결과 및 토의
암모니아의 대기 중으로 배출은 잠재적으로 농업인의 경제적 수익을 감소시킬 뿐만 아니라 초미세먼지(PM2.5) 형성에 전구물질로 작용하여 대기 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 국내 암모니아 주요 배출원 중에서 농업이 차지하는 비중은 78% 정도로 보고되고 있다. 본 연구에서는 토양에서 암모니아 배출은 암모니아 비료의 종류, 토양수분, pH, 온도, 양이온교환용량, 유기물, 토성에 영향을 받는다. 토양수분의 증가는 암모니아 배출량을 증가시킨다. 토양 pH가 증가함에 따라서 암모니아 배출량이 증가하는데 특히 7.5 이상에서 크게 증가한다. 토양 온도의 증가는 요소의 가수분해 속도와 암모니아 가스로 전환하는 속도를 증가시켜 암모니아 배출이 증가한다. 양이온교환용량이 큰 토양은 암모늄을 흡착시켜서 암모니아 배출을 감소시킨다. 점토 함량과 토양 유기물 함량이 높은 토양은 토양 pH 변화에 완충성이 커서 암모니아 배출을 감소시킨다.
결론
토양에서 암모니아 배출에 대한 기작 및 원인에 대한 이해를 바탕으로 최적의 토양 관리 및 환경 관리를 통해서 대기 중으로의 암모니아 배출을 저감 할 수 있다.
Trans Abstract
Objectives
Major factors affecting ammonia emission from the soil and strategies to reduce ammonia emission were investigated through literature surveys.
Methods
An academic search was conducted using keywords such as agriculture, ammonia, and fine dust, and the effects of soil characteristics on ammonia emission were summarized for each factor.
Results and Discussion
Emissions of ammonia into the atmosphere can reduce economic returns for a farmer and negatively impact the atmospheric environment by acting as a precursor to PM2.5 formations. It is reported that agriculture accounts for 78% of the total ammonia emission sources in Korea. Ammonia emission from the soil is affected by the type of ammonia fertilizer, soil moisture, pH, temperature, cation exchange capacity, organic matter, and soil texture. An increase in soil moisture increases ammonia emissions. As soil pH increases, ammonia emissions increase, noticeably above 7.5. An increase in soil temperature increases the rate of hydrolysis of urea and the rate of conversion to ammonia gas, resulting in increased ammonia emissions. Soils with high cation exchange capacity adsorb ammonium to reduce ammonia emissions. Soils with a high clay content and soil organic matter content are more buffered to changes in soil pH, reducing ammonia emissions.
Conclusion
Based on understanding the mechanisms and causes of ammonia emission from the soil, it is possible to establish soil and environmental management to reduce ammonia emissions into the atmosphere.
1. 서 론
최근 미세먼지 농도가 급격히 증가함에 따라 국내 주요 산업에서 발생하는 대기오염물질과 더불어 농업에서 발생하는 암모니아 배출에도 관심이 커져가고 있다. 미세먼지는 아주 작은 크기의 인체에 유해한 입자상 오염물질로서 크기에 따라 미세먼지(PM10)와 초미세먼지(PM2.5)로 구분한다. 2차 생성 미세먼지란 공장 굴뚝이나 자동차에서 배출된 황산화물(SOx) 및 질소산화물(NOx) 물질이 공기 중에 있는 물질과 반응하여 생성된 지름 2.5 μm 이하의 초미세먼지(PM2.5)를 말한다[1]. 우리나라 초미세먼지의 72% 이상이 2차 생성 미세먼지로 밝혀진 바 있다[2]. 경유차나 공장에서 주로 배출되는 질소산화물과 황산화물은 암모니아와 결합해서 미세먼지가 형성된다. 질소산화물이 암모니아와 반응하면 질산암모늄을 생성하고 다른 한편으로 암모니아는 대기 중의 오존과 반응하여 질산암모늄을 생성하기도 한다. 그리고 황산화물은 암모니아와 반응하여 황산암모늄으로 바뀌어서 미세먼지의 주요 성분이 되는 것이므로 미세먼지를 줄이려면 암모니아 배출도 함께 관리해야 한다[3].
질소는 인과 칼륨과 함께 작물 생장에 필요한 필수적인 요소로 작물 재배 과정에서 다량의 질소 비료의 시비가 이루어진다. 시비된 일부의 질소는 암모니아(NH3) 형태로 대기중으로 휘산되며, 농경지에서 배출된 암모니아는 대기 환경의 질에 악영향을 미친다. 또한, 질소에 의한 암모니아 손실은 작물 생산에 이용을 감소시키고[4,5], 작물의 질소 사용 효율에 부정적인 영향을 미친다. 시비된 질소 중에서 밭에서는 약 12.8%, 논에서는 17.9%가 대기중으로 암모니아 형태로 배출되는 것으로 보고되고 있다[6]. 토양에 침적된 암모니아는 토양 산성화를 일으킬 수 있고, 온실가스인 아산화질소(N2O) 배출의 2차 공급원이 될 수 있으며, 지표수의 부영양화를 촉진할 수 있다[7]. 질소 비료는 달성 가능한 에너지 효율 측면에서 최적화된 Haber-Bosch 공정을 통해 생산되고 있음에도, 세계 에너지 생산량의 2%와 연간 CO2 배출량의 1%를 차지하며, NH3-N kg당 12.1 kWh의 에너지가 소요된다[8,9]. 따라서 대기중으로 암모니아 유실 감소 및 질소 비료 사용의 절감은 에너지 사용 및 CO2 배출 저감에 기여하게 된다.
국내 암모니아 주요 배출원으로는 농업이 78%, 생산공정이 13%, 기타 면오염원이 4%, 도로이동 오염원이 3.5%로 조사되었으며, 농업 부문에서의 연간 배출량은 244,335 톤으로 압도적으로 높은 수준을 보였다[10]. 농업 부문의 높은 암모니아의 배출량은 국내 뿐만 아니라 다른 지역 및 국가에서도 보고되고 있다. 유럽(EU)은 농업 부문의 암모니아 배출량은 약 94%로[11] 가장 많은 비중을 차지하고 있으며, 미국에서는 86%를[12], 중국에서는 농업 부문이 82%를 차지한다[13].
가축사육과 농경지 작물 재배 과정에서 배출되는 암모니아(NH3)는 초미세먼지 형성에 기여하는 대기오염물질로 알려져 있다. 암모니아는 주로 가축사육, 분뇨처리 과정, 비료 살포 및 산업공정에서 배출된다. 농경지에서 암모니아 배출에 미치는 중요 인자는 토양 pH, 토양수분함량, 대기 온도, 토성, 질소 형태 등 다양한 환경요인이 관계되어 있다[14]. 농경지에서 암모니아 배출량은 배출원인 화학비료, 가축분 퇴비 시용량 및 시용방법이 가장 크게 좌우한다. 농경지에서 암모니아 배출은 질소 손실이며, 이는 곧 작물의 질소 이용률을 낮추는 원인이 된다. 암모니아 배출에 의한 질소 손실은 양분 투입 종류에 대한 선택 또는 경종 방법 개선 등에 의해서 경감시킬 수 있다고 판단된다. 본 연구에서는 토양에서 암모니아 배출에 영향을 받는 요인들을 파악하고 기존의 연구들을 조사하여 암모니아 배출 감소 대책을 위한 방향을 얻고자 하였다.
2. 비료에서 암모니아 배출 경로
질소질 비료에서 발견되는 질소의 주요 형태는 암모늄(NH4), 질산염(NO3) 및 요소(CO(NH2)2)와 이들을 조합한 다른 형태이다. 암모늄 또는 암모늄 형태의 비료로부터 질소의 작물 이용 가능성은 질소의 침출, 유출, 탈질 및 암모니아(NH3) 휘발을 통해 질소가 손실된다. 암모니아 배출을 통한 질소 손실은 Fig. 1과 같다[15].
National ammonia emission classification. (a) past and (b) present systems.
요소(urea, CO(NH2)2, 질소 46%), 황산암모늄(유안, (NH4)2SO4, 질소 21%), 질산암모늄(NH4NO3, 질소 34%), 질산요소암모늄(urea ammonium nitrate, CO(NH2)2+NH4NO3, 질소 28~32%)과 같은 암모늄(NH4) 형태의 비료는 암모니아(NH3) 배출로 인한 질소 손실에 취약하다. 이 중 요소 비료가 토양에 시용되면 토양에서 자연적으로 발생하는 우레아제 효소에 의해 가수 분해되어 탄산암모늄으로 전환되고 그런 다음 암모늄의 일부가 암모니아 가스로 전환되어 대기로 휘발 및 손실될 수 있다.
비료 종류 중 요소(Urea) 및 암모늄(NH4) 형태의 비료는 전 세계 질소 비료 소비량의 약 50%를 차지하고[16], 농업에서 질소질 비료로부터 암모니아 배출은 총 질소 손실의 최대 50%를 차지하는 것으로 보고되었다[15,17-19].
아래 식은 요소로부터 암모니아 배출이 일어나는 경로이다[16,20]. (Eq 1~3).
일반적으로 농경지 토양에서 암모니아가 가스 상태로 토양에 적용되면 물과 반응하여 암모늄 형태로 된다. 암모니아는 염기이며, 아래 식과 같이 토양용액에서 수소이온과 반응하고 토양 내 암모늄 이온(NH4+)은 수산화 이온(OH-)과 반응하여 기체 상태인 암모니아(NH3)로 전환되고 다량의 암모니아가 대기 중으로 배출된다[20]. (Eq. 4-5).
질소질 비료의 토양 시용에 따른 암모니아 배출은 토양환경과 비료 관리에 따라 암모니아 배출을 제어할 수 있다, 예를 들어, 토양으로부터 암모니아 배출을 암모니아 배출을 줄이기 위해 질소질 비료를 지하 깊이 시용하는데, 토양의 깊은 곳에 비료를 시용하는 이유는 암모니아가 배출될 수 있는 토양의 깊은 곳과 토양 표면 사이의 경로 길이를 연장하여 배출을 지연 또는 감소시키기 위해서이다[21,22].
국내 농경지에서 암모니아 배출량은 활동도 자료와 배출계수를 이용하여 산정하고 있다. 비종별 질소함량에 해당 암모니아 배출계수와 활동도를 곱하여 산정하고 있다.
여기에서 Ei는 비료 사용에 따른 오염물질 i의 배출량(kg/yr), A는 비료 사용량 (ton/yr), N은 제품별 질소함량 (%), 100은 질소함량을 고려한 단위 환산계수, EFi는 오염물질 i의 배출계수(kg/ton)이다.
기존의 농업 분야의 분류체계에서는 비료 사용 농경지와 분뇨관리에 대해서만 배출량을 산정하고, 농경지를 세분화(논, 밭 등)하지 않고 획일적으로 관리하였다. 최근 개선 체계에서는 기존 비료 사용 농경지를 논, 밭으로 새롭게 나누고, 세분류로 무기질비료와 유기질비료로 세분화하고, 세세 분류를 추가로 설정하여 관리하고 있다. 세세분류로 무기질 비료에 요소, 복합비료, 황산암모늄, 기타 4종과 부산물비료로 부숙 유기질과 액비 2종으로 분류하였다[23]. 국내 배출계수 중 요소와 복합비료는 국가고유 배출계수이지만 다른 세분류 비료에 대해서는 US EPA에서 제시된 값을 차용하고 있다. 또한 국내 대기정책지원시스템(Clean Air Policy Support System, CAPSS)에 따르면 비료사용 농경지 분류체계는 논과 밭을 구분하지 않고 배출 계수가 적용되고 있다[24]. 국내 암모니아 배출량 산정은 농업협동조합중앙회에서 공급된 비료량을 활동도 자료로 활용하여 암모니아 배출량 산정을 하는데, 월간 사용량을 산정할 수 있는 방법이 없어 연 사용량을 4월에서 10월까지 균등하게 배분하여 월별 배출량으로 보고하고 있다[24].
국외 문헌에 따르면 암모니아 배출량은 비료의 종류에 따라서 다른 배출량을 보이며, 기후 및 토양 등 다양한 환경 변수에 따라서 다른 결과가 보고되고 있다. 중국의 북부 평원 지역의 밀 재비지에서 요소, 황산암모늄, 복합비료의 암모니아 배출계수를 측정한 결과 각각 12.0%, 8.5%, 그리고 4.5%으로 요소 비료가 다른 2종의 비료에 비하여 높은 배출계수를 나타냈다[25]. 반면에, Martins 등[26]의 연구 결과에서는 옥수수 재배지에서 암모니아 배출량을 조사한 결과 요소에서 암모니아 배출량은 3.2%으로 낮았으며, 황산암모늄 및 다른 비료 처리구와 비교하여 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았다. 따라서 국외에서 보고된 암모니아 배출량을 차용하기 보다는 국내 실정에 맞는 국가 고유의 암모니아 배출계수의 개발이 필요하다.
3. 토양의 특성에 따른 암모니아 배출 영향 인자
토양으로부터 암모니아 배출은 토양의 pH[22,27], 토성(soil texture), 양이온 교환용량(CEC), 토양 유기물(SOM) [28-30], 토양 온도 및 토양 수분 함량에 의해 영향을 받는다[31,32]. 살펴보았으며, Fig. 2를 통해 암모니아 휘발 포함한 질소 순환 개략도를 나타내었다.
Schematic of nitrogen cycling including ammonia volatilization in the soil–plant–atmosphere environment.
3.1. 토양 수분
암모니아 배출 속도는 가스 확산도와 관련이 있으며[33], 이는 토양 중력 수분 함량(WC), 토양 용적밀도 및 토성의 영향을 받는다[34]. 토양수분은 시용된 질소 비료의 운명을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 습한 토양 표면에서 요소 비료 시용은 가수분해 속도를 촉진하고 토양 중 고상을 제외한 액상과 기상부분을 고려한 수분포화도(water filled pore space, WFPS)의 증가로 인해 토양으로 이동이 감소함에 따라 암모니아의 배출을 증가시킨다[35]. Al-Kanani 등[36]은 토양의 질소질 비료 시용 후 토양 수분 함량이 증가하여 토양 수분이 포화상태로 이를 때까지 암모니아 배출은 선형적으로 증가한다고 하였다. 이와 같이 습한 토양 표면과 요소 비료의 장기간의 접촉은 암모니아 발생을 증가시켜 질소 손실을 촉진시키는데, 이는 요소가 토양용액에 잘 녹고 토양으로부터 흡습성이 높다는 것과 관련이 있다. 결과적으로 과립 상태의 요소는 수분과 접촉할 때 용해되며, 토양에 시용한 후 가수분해가 발생하여 암모니아 배출을 통해 질소가 손실될 수 있다. 반면에 상대 습도가 낮은 건조한 토양에 질소 비료를 시용하면 암모니아 배출이 감소한다[35]. 토양 수분량에 따라 암모니아 배출의 차이가 있으며, 포장용수량(15~18% w/w)에서 가장 암모니아 배출이 적고 (시용한 질소의 2% 미만이 암모니아로 배출), 토양수분이 포화상태(23% w/w)에서는 암모니아의 많은 배출이 보였으며, 시용된 질소의 약 12% 정도가 암모니아로 배출되었다고 하였다[37]. 최대 암모니아 배출은 토양 표면의 토양수분함량이 포장용수량 또는 그 근처에 있을 때, 그리고 며칠 동안 포장용수량 상태에서 느린 속도로 건조 조건으로 향할 때 발생하는 것으로 알려져 있다[38].
3.2. 토양 pH
암모늄(NH4+)에서 암모니아(NH3-) 전환은 토양 pH에 의해 좌우된다. 암모니아는 토양 중 pH가 높아지면 OH-가 암모늄과 반응하며 암모니아의 형태로의 전환이 빠르게 이루어진다[39,40]. 특히, 토양의 pH가 7.0 이상일 때 암모늄이 암모니아로 전환되어 대기 중으로 손실될 수 있는 적정 조건이라고 알려져 있다[41]. 따라서 토양의 pH를 낮춤으로써 암모니아의 배출량을 저감시킬 수 있다.
질소질 비료의 질소는 토양 미생물이 생산하는 효소인 우레아제(urease)에 의하여 가수분해가 되는데, 가수 분해가 일어나는 동안 질소질 비료의 과립 주위에 초기 pH가 증가한다. pH가 7.5를 초과하면 암모니아 손실이 급격히 증가하고, pH가 높은 토양은 산성 토양보다 암모니아 배출이 더 많아진다. 일반적으로 산성~중성 토양(pH 5.0~7.0)은 암모니아 배출을 감소시고 pH 7.0 이상이면 암모니아 배출을 촉진시키는데, pH > 7.0에서는 암모니아 배출에 더 민감하다[42]. 그리고 요소의 시용 은 토양의 암모늄 농도를 증가시킬 뿐 만[32] 아니라 요소의 가수 분해 과정에서 양성자에 대한 요구도가 높음에 따라 토양 pH가 증가하면서 이온 균형을 암모늄에서 암모니아로 이동시켜 암모니아 배출에 영향을 미친다[22,43]. 토양 pH의 증가에 저항하는 토양, 즉 pH에 대한 완충능이 큰 토양(점토 함량이 높은 토양 또는 유기 물질이 많은 토양)은 일반적으로 완충능이 작은 사질 토양(sandy texture)보다 암모니아 배출이 적다[44]. Ferguson 등 은[29] 요소가 토양용액에 용해되어 가수분해 될 때, 토양 pH가 증가함에 따라 암모니아 배출 가능성이 높다고 하였으며, 암모니아 배출은 pH가 7.5 이상인 토양에서 높다고 하였다[45]. 석회질 토양보다 pH가 낮은 탄화숯(coal char; 일종의 바이오 차)를 첨가하면 요소의 가수분해 동안 토양 pH와 암모니아 배출을 감소시킬 수 있다. Char(바이오 차, 코올 차 등)는 토양 중 토양 탄소를 증가시키고 토양 개량제로 적합한 물질이며 식물 성장에 필수적인 영양소를 함유하는 탄소가 풍부한 유기재료 중 하나이다. 유기 탄소가 풍부한 물질을 첨가하면 토양 유기 탄소를 증가시키고 토양 특성을 개선하며 작물 수량을 증대시키는 데 긍정적인 영향을 준다[46]. 이 밖에도 폴리머 코팅 완효성 비료는 비료의 과립 주위에 토양 pH의 증가를 감소시키고, 질소의 느린 방출로 기존의 질소 비료에 비해 암모니아 휘발이 적다[47].
3.3. 토양 온도
일반적으로 토양 온도가 증가하면 토양에 요소의 용해도가 증가함과 동시에 암모니아 배출이 증가한다. Ernst 등 은[27] 토양 온도가 증가하면 토양용액에 녹아있는 암모니아는 농도가 증가하고 이때 데워진 토양용액은 암모니아 가스를 더이상 토양 공극에 저장할 수 없게 되어 가스 상태로 대기로 빠져나가 암모니아 배출이 증가하게 된다. 따라서 토양 온도 증가는 요소의 가수분해 속도와 암모늄을 암모니아 가스로 전환하는 속도를 증가시켜 암모니아 배출이 증가하게 된다. 예를 들어, 토양수분 함량이 동일하게 유지될 때 토양 온도를 45℉(7.2℃)에서 60℉(15.6℃)로 높이면 암모니아 배출이 두 배가 된다고 하였다[27]. Havlin 등 은[38] 토양에서 암모니아 배출은 우레아제(urease; 요소를 이산화탄소와 암모니아로 가수분해 하는 효소) 활성으로 인해 온도가 증가함에 따라 암모니아 배출이 증가하는 것으로 알려져 있으며, 건조한 기후 지역에서는 토양 표토층에서 암모니아 발생과 관련된 미생물 반응이나 화학 반응이 쉽게 일어나지 않기 때문에 암모니아 배출은 일반적으로 낮다고 하였다. Mclnnes 등 은[48] 암모니아의 일별 배출량 변동에서 토양 온도와 수분 함량의 변동과 일치한다고 보고했다. 높은 토양 pH와 토양온도는 토양용액에 용해된 암모니아의 농도를 증가시키고 이때 온도가 높아진 토양용액은 많은 암모니아 가스를 보유할 수 없기 때문에 대기로 암모니아의 배출 속도가 높아진다[47].
논에서 암모니아 배출과 온도에 대한 관계를 보면, Hargrove 등은[49] 논에서 논물 온도 1℃ 상승함에 따라 암모니아 배출량은 약 0.25% 증가한다고 하였고, McGarry 등 은[50] 낮은 토양 온도에서 암모니아 배출이 낮은 원인은 질소의 가수분해 지연으로 원인을 찾을 수 있다고 하였다. 그러나 낮은 토양 온도에서는 암모니아 배출을 감소시키는 것이 아니라, 암모니아가 형성되는 속도를 감소시킨다. 즉, 낮은 토양 온도는 암모늄과 암모니아가 질산염으로 전환을 지연시키거나, 점질토양에 결합 되는 것을 감소시키거나, 미생물에 의해 고정을 경감시키거나, 식물에 의해 흡수되는 속도를 감소시켜 암모니아가 형성되는 속도를 감소시킨다. 그리고 낮은 토양 온도는 토양수분을 더 오래 유지시켜 암모니아 배출을 천천히 오랜 기간동안 배출이 된다[51] Jones 등 은[52] 암모니아 배출은 토양 온도가 70℉(21.1℃) 이상 증가한다고 하였으나, 기온이 영하에 가까운 온도에서도 암모니아 배출은 있으며 특히, 요소를 시용한 토양에서 암모니아 배출은 토양 온도가 낮은 경우(<5℉; -15℃)에도 발생할 수 있다고 하였다. Engel 등 은[51] 12월에 토양이 눈으로 덮여 있을 때에도 토양 온도가 30℉(-1.1℃)일 때 토양에 비료 시용 후 5주 이내에 토양에 시용된 질소의 약 12%가 암모니아 배출을 통해 손실되었으며, 따라서 토양 표면은 질소비료 시용시 토양이 얼어도 암모니아 배출이 일어난다고 하였다.
3.4. 토양의 양이온교환용량, 유기물, 토성
암모니아 배출은 주로 토양 양이온교환용량(CEC) 및 토양 완충 능력에 의해 제어되고 토양 유기물(OM)과 함께 토성(soil texture)에 관련되어 있다[28-30].
일반적으로 점토 함량과 양이온교환용량이 양의 상관관계가 있기 때문에 양이온교환용량의 중요한 지표이다. 완충 능력이 높은 토양(양이온교환용량이 높은 토양, 점토 함량이 높은 토양 및 유기물이 높은 토양 등)은 빠르게 변화는 토양 pH를 제한시키고 점토 입자에 대한 암모늄의 흡착 증가로 인해 암모니아 배출 속도를 감소시킨다. 예를 들면, 낮은 양이온교환용량 및 토양 유기물, 낮은 pH, 낮은 토양 완충 능력 및 더 큰 pH 변화를 갖는 사질 토양은 높은 양이온교환용량, 토양 유기물 및 완충 능력을 갖는 미사 또는 점토 토양에 비해 암모니아 배출로 인해 질소의 손실을 초래할 수 있다[53]. Keller 등 은[54] 점토 함량과 토양 유기물 함량이 높은 토성은 토양 pH 변화에 저항성이 커서 암모니아 배출을 감소시킨다고 하였으며, 토성에 따른 암모니아 배출 시험에서 미사질 양토에 비해 사양토에서 암모니아 배출이 3배가 높았다고 하였다.
양이온교환용량이 큰 토양은 더 많은 암모늄을 함유할 수 있어 휘발을 통해 암모니아의 손실 가능성을 줄일 수 있다. 암모니아 배출 위험은 양이온교환용량이 낮고 토양 pH 완충능력이 낮은 모래 토양에서 가장 높다. 반면에 토양에 유기물이 많고 다량의 잔류물 있는 점질 토양은 미생물 활동 증가로 인한 휘발을 증가시킬 수 있다. 특히, 질소질 비료가 잔류물 위에 놓이면 더 많은 암모니아 배출을 유발할 수 있다[37]. Duan Zhenghu은[55] 다변량 분석법을 적용하여 토양 특성과 암모니아 배출에 미치는 영향과의 상관관계에서 암모니아 휘발율은 토양 pH, CaCO3 및 총 염분 함량과 양의 상관관계가 있었지만, 유기물 함량, 양이온교환용량 및 점토 함량과는 음의 상관 관계가 있음을 보여주었다. 세 가지 음의 상관 인자 중 양이온 교환용량은 암모니아 배출과 가장 높은 상관관계를 보였으며, 세 가지 양의 상관 인자에서는 pH가 높은 상관관계를 보였다. 이러한 결과는 암모니아 배출은 pH가 낮을수록 낮았고, 양이 온교환용량이 높을수록 낮았다. 양이온교환용량과 암모니아 배출 관련 시험에서 같은 토양 온도 조건하에 요소 비료를 시용한 3~6일 후, 요소의 가수분해 지연으로 암모니아가 발생을 하지 않았는데, 이는 토양의 양이온교환용량이 높은 원인이였으며, 결론적으로 토양 물리적 및 화학적 특성(토성, 토양 유기물, 토양 양이온교환용량)이 암모니아 배출에 미치는 영향은 토양온도 및 토양수분함량의 효과보다 훨씬 크다고 하였다[50].
제올라이트(알루미노실리케이트 광물)는 토양산도를 개량하는 토양 개량제로 높은 양이온교환용량을 가지고 있어서 암모니아 배출을 감소시킨다고 보고하였다[56]. 바이오차(biochar)는 토양 질소가 변형하는 동안 암모늄(NH4)를 토양이 보유할 수 있으며 바이오차의 높은 표면적으로 인해 암모니아 배출을 감소시킬 수 있다[57-58]. Panday 등 은[59] 탄화숯(coal char)를 양토에서 13.4 Mg C/ha, 그리고 사질양토에서 10.1 Mg C/ha을 첨가하면 암모니아 배출이 각각 24%와 26~37% 감소하였다고 하였으며, 또한 탄화숯의 투입으로 인한 암모니아 배출 감소가 탄화숯의 높은 표면적(0.08 m2/kg)과 높은 양이온교환용량(46.9 cmolc/kg)으로 인해 토양 중 질소가 변형하는 동안 증가된 암모니아태 질소(NH4-N)의 토양 흡착 및 보유와 관련이 있다고 하였다. Ferguson 등 에[29] 따르면 H+ 완충 능력이 낮은 토양은 요소가 용해되고 가수 분해 될 때 토양 pH가 증가함에 따라 암모니아 배출 가능성이 크다고 하였다[29]. 숯(char)은 탄소가 풍부한 유기적 수단 중 하나이다. 토양 탄소를 향상시키거나 회복시키는 데 적합한 물질이며, 식물 성장에 필수적인 영양소를 함유하고 있다. 유기 탄소가풍부한 물질을 첨가하면 토양 유기 탄소를 증가시키고 토양 특성을 개선하며 작물 수확량을 향상시키는데 긍정적인 영향을 줄 수 있다[46]. 숯(Char)의 흡착 특성을 이용한 암모니아 배출 감축 연구는 이전에 많은 연구가 이루어졌다[59].
암모니아 배출은 다양한 토양과 환경의 조건 및 비료관리 방안에 의해 영향을 받는다. 그러므로 암모니아 배출을 감소시키기 위해서 질소질 비료의 질소의 손실을 줄이는 시비관리, 토양수분 조절을 통한 관개 방법, 그리고 토양에서 다양한 경운방법 등 재배관리를 통하여 암모니아 배출 저감이 가능하다. 암모니아 배출을 감축시키기 위한 다른 하나의 방법은 질소질 비료 절감을 위한 녹비재배, 질소 손실 방지를 위한 토양 유실 억제 및 지력 보강, 토양 침식으로 미세먼지 발생 방지를 위한 지표면 멀칭(건초, 부직포 등 투수성이 큰 재료) 등 주요 오염원을 개선(최소화)하기 위한 최적영농관리방안(best management practices, BMP)을 개발하는 것이다[60].
4. 결 론
요소와 암모늄 형태의 비료는 일반적으로 작물 생산을 최적화하는 데 사용되지만 시용 후 토양 표면에 남아있을 때 암모니아 가스로 손실되기 쉽다. 비료가 암모니아 배출로 인해 양분이 손실되어 농가의 경제적인 문제뿐만 아니라 환경에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 암모니아 배출로 인한 질소질 비료의 손실은 pH, 토성, 토양 온도 및 토양수분 함량과 같은 다양한 토양 특성에 의해 제어된다. 토양 및 작물 관리 요인(비료 공급원, 비료 시용 시기 및 시용 방법 등)과 환경 조건이 다른 농업 현장에서 암모니아 배출을 예측하기 어렵게 만든다. 일반적으로 높은 토양 pH, 토양 온도 상승 및 토양수분 증가는 암모니아 배출 가능성을 증가시키지만, 비료 시용 후 강우량과 관개량 등의 물 관리 그리고 경작을 통한 토양 관리는 암모니아 배출 가능성을 감소시킨다. 더 나아가, 토양 양이온교환용량 및 토양 완충능 증대는 암모니아 배출 가능성을 감소시킨다. 토양으로부터 암모니아 배출에 영향을 미치는 요인과 메커니즘을 이해하면 농업인은 암모니아 배출을 최소화하는 최적관리기법(Best Management Practice, BMP)를 선택할 수 있다.
Acknowledgements
본 연구는 농촌진흥청 공동연구사업(과제번호: PJ016998)의 지원에 의해 이루어진 것임.
Notes
Declaration of Competing Interest
The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.