배추 재배 시 무기질 및 유기질 비료 사용에 따른 암모니아 휘산 특성 비교
Comparison of Ammonia Volatilization from Inorganic and Organic Fertilizers during Chinese Cabbage Cultivation
Article information
Abstract
질소 비료에서 발생하는 암모니아(NH3) 휘산은 대기 중 미세먼지 생성의 주요 원인 중 하나로, 환경 및 농업의 지속가능성을 위협하고 있다. 본 연구에서는 배추 재배 중 요소(UR), 퇴비(SMC), 그리고 이들의 혼합처리(UR+SMC) 조건에서 NH3 휘산 특성을 평가하였다. 암모니아 휘산은 정체식 챔버법으로 측정하였으며, 환경 및 토양 요인이 휘산에 미치는 영향은 랜덤 포레스트 기법을 통해 분석하였다. 그 결과, UR 처리구에서 SMC보다 유의하게 높은 NH3 휘산이 발생하였으며, 이는 습윤하고 온도가 높은 조건에서 요소의 빠른 가수분해가 주요 요인으로 작용하였기 때문이다. 반면, SMC는 시비 직후 일시적인 피크를 나타낸 후 휘산이 거의 발생하지 않아, 유기태 질소의 느린 무기화 과정으로 인한 것으로 나타났다. UR+SMC 혼합처리는 가장 높은 누적 암모니아 배출량을 보였으나, 작물 수확량은 UR 단독 처리보다 낮아 환경적 비용에 비해 농업적 이점이 부족한 것으로 보인다. 토양 분석 결과, 질소 비료 투입은 pH, 유기물 함량, 가용성 영양소 농도에 영향을 주었으며, 암모니아 휘산의 주요 환경 요인은 온도와 토양 수분으로 확인되었다. 본 연구를 통해 질소 손실을 저감하면서 작물 생산성을 유지할 수 있는 비료 관리 전략 수립을 위한 과학적 근거 마련이 가능할 것이다.
Trans Abstract
Ammonia (NH3) volatilization from nitrogen fertilizers is a major contributor to atmospheric particulate matter, posing risks to environmental and agricultural sustainability. This study evaluated NH3 emissions during Chinese cabbage cultivation under three fertilization regimes: urea (UR), solid manure compost (SMC), and a combined application of both (UR+SMC). Field-based static chamber measurements were conducted, and the influence of environmental and soil variables on NH3 volatilization was assessed using random forest modeling. Results showed that UR treatments led to significantly higher NH3 emissions than SMC, primarily due to rapid urea hydrolysis under moist and warm conditions. In contrast, SMC exhibited a brief emission peak immediately after application, followed by minimal release, indicating the slower mineralization of organic nitrogen. The UR+SMC treatment resulted in the highest cumulative NH3 loss, highlighting potential risks associated with combined fertilization. However, despite this high emission level, the crop yield in the UR+SMC treatment was lower than that observed with UR alone, suggesting that combined fertilization may not provide agronomic benefits proportional to its environmental cost. Soil analysis revealed that nitrogen inputs altered pH, organic matter content, and available nutrients, while temperature and soil moisture were identified as the dominant environmental drivers of NH3 emissions. These findings provide critical insights for optimizing fertilizer management strategies to reduce nitrogen losses while maintaining crop productivity.
1. 서 론
질소(N)는 작물 생장에 필수적인 영양소로[1], 엽록소 합성과 단백질 생성 등 주요 생리활동에 관여하며, 작물의 생산성과 품질을 결정짓는 중요한 요소이다[2]. 이러한 중요성으로 인해 농업 현장에서는 질소 비료가 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 과도한 질소 비료 사용은 암모니아(NH3) 휘산, 질산염 침출 등 다양한 형태의 질소 손실을 초래하며, 이는 대기오염, 수질오염, 생태계 교란 등 부정적인 영향을 유발한다[3]. 특히 NH3는 대기 중 황산화물(SOX), 질소산화물(NOX)과 반응해 PM2.5를 형성하며, 이로 인해 생성된 PM2.5는 호흡기 및 심혈관계 질환 등 인체 건강에 해로울 뿐 아니라 농업 생산성에도 부정적인 영향을 미칠 수 있다[4]. 또한, 미세먼지는 광합성을 저해하고 작물 생육에 악영향을 미쳐 농업 생산성을 저하시킬 수 있어[5-7], 암모니아 배출 저감은 단순한 환경 보호를 넘어 농업의 안정성과 지속 가능한 생산 기반을 유지하기 위한 핵심 과제로 인식되고 있다.
지금까지의 암모니아 휘산 관련 연구는 높은 질소 함량과 경제성으로 인해 가장 널리 활용되고 있는 무기질 비료, 특히 요소(urea)에 집중되어 왔다[8-12]. 요소는 대표적으로 가장 널리 사용되는 비료이지만, 최근에는 자원순환형 농업, 탄소중립, 유기농 확대 등 지속 가능한 농업을 위한 사회적 요구에 따라 유기질 비료, 특히 가축분 퇴비의 사용이 증가하는 추세이다[13-15]. 유기질 비료는 무기질 비료와 달리 질소의 형태가 다양하고, 미생물 활성에 따라 분해 및 휘산 속도가 달라지는 복합적인 특성을 지닌다[16]. 그럼에도 불구하고 유기질 비료에서의 암모니아 휘산 특성은 아직 충분히 밝혀지지 않았으며, 특히 휘산량을 정량적으로 비교하거나 환경 요인을 체계적으로 분석한 연구는 매우 제한적이다.
암모니아 휘산은 비료의 종류뿐만 아니라 토양의 pH, 수분, 온도, 유기물 함량 등 다양한 환경 요인의 영향을 받는다. 이러한 복합적인 요인 간 상호작용을 이해하고 휘산에 기여하는 주요 인자를 규명하기 위해서는 정량적 기법을 활용한 통합적 접근이 필요하다. 이를 통해 단순 비교를 넘어 비종별 암모니아 배출 특성을 파악하고, 비료 종류와 토양 조건을 고려한 맞춤형 질소 관리에 필요한 기초자료를 제공할 수 있다. 본 연구는 비료 유형 및 토양 특성을 고려한 질소 관리 전략 마련을 위한 과학적 근거를 제공하며, 농업에서 발생하는 암모니아 배출량 산정에 기여하고, 주요 영향 인자에 대한 이해를 기반한 배출 저감 방안 수립에 활용하고자 한다.
본 연구는 배추를 대상으로 무기질 비료(요소)와 유기질 비료(퇴비) 시비 시 암모니아 휘산 특성을 비교･분석하고, 휘산에 영향을 미치는 토양 및 환경 요인을 규명하고자 하였다. 이를 위해 각 비료 처리 조건에서의 암모니아 휘산량을 정량화하고, 토양 특성과의 상관관계를 분석하였다. 특히, 비료 유형과 토양 특성이 암모니아 휘산에 미치는 영향을 보다 정밀하게 파악하기 위해 머신러닝 분석을 적용하여 주요 영향 인자의 상대적 기여도를 평가하였다. 아울러 요소와 퇴비 시비가 배추 생육에 미치는 영향도 함께 분석함으로써, 비료 사용이 환경 뿐만 아니라 작물 생산성에 미치는 영향을 통합적으로 고찰하였다.
2. 재료 및 방법
2.1. 실험 지역 및 처리 조건
실험은 경기도 안성시 미양면 양지리(36°58'42.1"N 127°13' 26.8"E)에 위치한 밭에서 진행하였다(Fig. 1). 배추 재배 시 평균기온은 20.0℃이었으며, 평균 최저 온도와 평균 최고 온도는 각각 6.0℃과 29.7℃이었다. 재배 기간 중 총 강수량은 371.5 mm이었다. 해당 기상 자료는 농촌진흥청과 기상청이 공동 운영하는 ‘농업날씨 365’ 포털(https://weather.rda.go.kr)에서 획득하였다.
Location of the field plot. Source: National Geographic Information Institute, Republic of Korea.
2024년 8월 19일부터 11월 16일까지 약 3개월 동안 배추를 재배하였다. 비료 시비 후 1주일 동안은 암모니아 휘산이 활발하게 일어나는 시기로 판단하여 매일 시료를 채취하였으며, 이후에는 암모니아 휘산 정도를 고려하여 주 2회 또는 주 1회로 간격을 조절하여 시료를 채취하였다. 시험구 면적은 2m ×1.4m였으며, 배추의 재식거리(0.5m×0.5m)에 따라 총 8주(2행×4열)의 배추를 정식하였다. 배추의 품종은 ‘불암’ (Brassica rapa subsp. pekinensis (Lour.) Hanelt)이었다. 배추를 정식한 이랑은 잡초 발생 및 토양 유실 방지를 위해 플라스틱 필름으로 멀칭 처리하였다. 처리구 별로 3개의 챔버를 설치하여 반복 측정을 수행하였다(Fig. 2).
Ammonia sampling process using a static chamber and sponge-based absorber.
배추 재배 시 질소비료는 질소 성분 및 함량이 서로 다른 두 종류의 비료, 즉 요소(urea; UR, CO(NH2)2, 질소 46%, NPKO, ㈜풍농, 대한민국)와 퇴비(solid manure compost; SMC, 질소: 1.8%, 인산 1.9%, 칼륨: 1.6%, 부산물비료, (주)승진 비료, 대한민국)를 사용하였다. 요소는 질소(N) 성분만을 함유하고 있으므로, 인(P) 및 칼륨(K) 성분을 보충하기 위해 인산과 염화칼륨을 함께 시비하였다. 반면, 퇴비는 질소 뿐만 아니라 인산 및 칼륨을 모두 포함하고 있으므로 별도의 인산 및 칼륨 시비 없이 단독으로 처리하였다. 농촌진흥청 비료 사용 지침에 따라 배추 재배 시 표준시비량 320kg/ha의 질소가 시비되었다. 질소 시비량에 따른 암모니아 휘산 변화를 알아보기 위해 배추에 질소 비료를 각각 0, 160, 320kg/ha(표준 질소 시비량 대비 0, 0.5, 1배)로 달리 시비하였다. 기준 시비량 및 비료의 종류에 따라서 시험구의 명칭은 요소의 경우 UR_0.5, UR_1, 퇴비의 경우 SMC_0.5, SMC_1로 명명하였다. 배추는 질소 요구량이 높은 작물이므로, 유기 비료와 무기 비료를 혼합한 시험구(UR+SMC)를 추가로 설정하여, 그에 따른 암모니아 휘산 특성도 함께 관찰하였다. UR+SMC 처리구에서 UR은 320 kg/ha, SMC는 토양 유기물 함량이 25g/kg 이하일 경우 권장되는 760kg/10a를 기준으로 UR과 SMC를 혼용 시비하였다. 요소와 퇴비의 대조군은 질소를 제외하고 인산과 칼륨만 시비된 시험구(PK)로 설정하였다. 비료 살포 후, 5~10 cm 깊이로 토양과 살포된 비료가 충분하게 혼합되도록 하였다.
2.2. 밭에서 휘산된 NH3 채취 및 측정
밭 토양에서 질소 비료와 반응하여 휘산되는 암모니아를 포집하기 위해 정체식 챔버법(static chamber method)을 사용하였다(Fig. 2). 정체식 챔버법은 여러가지 시험구를 대상으로 하는 반복 실험에 적용 가능하며, 높은 회수율로 암모니아를 포집할 수 있는 방법이다[17,18]. 챔버는 아크릴 판으로 자체 제작된 원통형 챔버(높이 30 cm, 직경 12 cm)를 사용하였다. 토양에서 휘산된 암모니아를 포집하기 위하여 스펀지는 폴리우레탄 재질의 원형 스펀지(두께 2cm, 지름 12.5 cm)를 사용하였다. 챔버는 시험구 중앙에 토양 표면으로부터 10 cm 깊이로 설치하였고 그 안에 위아래로 스펀지를 고정하였다. 스펀지는 설치 전, 암모니아 포집을 위해 4% 글리세롤(C3H8O3) 용액과, 1 M 인산(H3PO4) 용액을 1:1 부피 비율로 혼합하여 60 mL를 스펀지에 함침 시키는 과정을 수행하였다. 상부에 위치한 스펀지는 외부의 암모니아 유입을 막아주고, 하부 스펀지는 토양과 비료에서 실제로 휘산된 암모니아를 포집한다. 포집 스펀지를 설치 후 24 h 동안 암모니아를 포집한 후, 두개의 스펀지 중 아래 스펀지만을 회수하여 암모니아 추출을 진행하였다. 회수한 스펀지는 2 M 염화칼륨(KCl) 용액 80 mL로 추출하여 110 mm 종이여과지(ADVANTEC, Japan)를 이용해 여과하였다. 여과된 시료 내에 암모니아 용액의 농도를 분석하기 위해 수질 자동 분석기(EasyChemJunior, SYSTEA, Italy)를 사용하였고, 살리실산법에 따라 분석하였다[19]. 실험에 사용된 인산(H3PO4)은 ㈜대정(시흥, 대한민국)에서 구입하였고, 글리세롤(C3H8O3)과 염화칼륨(KCl)은 삼전화학(평택, 대한민국)에서 구입하였다. 추출된 암모니아의 농도는 2회 반복하여 측정하였다.
휘산된 암모니아 양의 정확한 평가와 분석을 위해 다음 식들을 통해 정량화 하였다.
식 (1)을 통해 단위면적당 1일 동안 배출된 암모니아 휘산 플럭스(V, kg-N/ha ·day)를 계산하였다[20].
V=암모니아 휘산 플럭스(kg-N/ha·day)
M= 정체식 챔버 방법으로 포집된 암모니아(kg-N)
A= 챔버 내 토양 면적(ha)
D= 암모니아 채취 기간(day)
작물 재배 중 총 암모니아 휘산량(F, kg-N/ha)은 식 (2)를 사용하여 계산하였다[21].
F= 총 암모니아 휘산량(kg-N/ha)
Vi= i번째 암모니아 채취 간격에서의 휘산 플럭스(kg-N/ha･day)
Di= i번째 암모니아 채취 간격의 일수(day)
n= 암모니아 채취 횟수
암모니아 총 휘산률(ER, %)은 기존의 Gu et al. [22]의 식을 본 연구 목적에 맞게 일부 변형한 식 (3)을 사용하여 계산하였다.
ER=시비 된 총 암모니아 휘산률 N (%)
F= 총 암모니아 휘산량(kg-N/ha)
TN=시비 된 총 질소량(kg-N/ha)
요소와 퇴비 사용에 따른 배추의 암모니아 배출계수(EF, %)는 식(4)를 이용하여 산정하였다[23].
FN : 두 가지 질소 비료(UR and SMC) 각각의 총 암모니아 배출량(kg-N/ha)
FC : 대조군(비료 없음)의 총 암모니아 배출량(kg-N/ha)
TN : 각각의 질소 비료에서 시비 된 총 질소량(kg-N/ha)
2.3. 토양 및 작물 분석
각 시험구별 0~5cm 깊이의 토양을 토양 오거를 사용하여 실험 전과 후로 채취하였다. 채취한 토양은 풍건 후, No. 100 체를 통과시켜 얻은 0.15 mm 이하의 토양으로 농촌진흥청의 토양화학분석법[24]에 따라 토양의 화학적 특성을 분석하였다. 토양의 pH, EC, 유기물 함량(OM), 유효 인산(P2O5), 양이온교환능력(CEC), 암모니아태 질소(NH4-N), 질산태 질소(NO3-N)를 포함한 토양의 화학적 특성을 분석하였다. 토양의 pH와 EC측정을 위해 토양과 증류수를 1:5 비율로 30분 동안 교반 하였고, pH/EC meter (Seven-multi S40, Mettler Toledo, Switzerland)를 사용하여 측정하였다. 토양의 유기물 함량과 유효 인산은 각각 Tyurin 법[25]과 Lancaster 법[26]에 따라서 분석하였다. 토양의 양이온 치환능력(CEC; cation exchange capacity)은 ammonium acetate로 교환성 양이온(Ca2+, Mg2+, K+)를 추출하여, 유도결합플라즈마 분광분석기(ICP-OES 5100, Agilent Technologies, USA)로 분석하였다. 2M KCl 용액으로 진탕하여 토양의 NH4-N 및 NO3-N을 추출하였고, 각각 indophenol-blue 법[27]과, Brucine 법[28]을 이용해 발색된 시료는 수질 자동 분석기로 분석하였다.
재배 기간 동안 요소와 퇴비 시비가 작물 생육에 미친 영향을 분석하기 위해, 수확 후 배추의 생육 특성을 한국표준재배지침[29]에 따라 평가하였다. 평가 항목은 초장(cm), 엽폭(cm), 엽수(개), 구폭(cm), 구고(cm), SPAD(soil plant analysis development; 엽록소 함량 지수), 생체중(g), 수확량(t/ha)을 조사하였다.
2.4. 피어슨 상관분석과 머신러닝 모델
암모니아 휘산과 영향 요인 간의 관련성을 분석하기 위해 피어슨 상관분석을 수행하였고, 영향 요인의 중요도를 분석하기 위해 랜덤 포레스트(Random Forest) 모델을 적용하였다. 분석은 Python 프로그램을 이용하였으며, 관련 라이브러리로 numpy, pandas, matplotlib, seaborn을 활용하여 데이터 처리 및 시각화를 진행하였다. 머신러닝 모델 구축에는 scikit-learn 패키지의 ensemble, model_selection, preprocessing, metrics 모듈을 사용하였다. 피어슨 상관분석 및 랜덤 포레스트 모델 학습에 사용된 변수는 Table 1에 정리되어 있으며, 종속 변수는 암모니아 휘산 플럭스로 설정하였다. 독립 변수에는 기상 및 토양 환경 요인(대기 온도: Air_Temp; 토양 온도: SL_Temp; 토양 수분: SL_Water)과 함께, 비료 종류 및 시비 수준을 반영한 범주형 변수도 포함하였다. 랜덤 포레스트는 다수의 의사결정 트리를 결합하여 학습 성능을 향상시키는 대표적인 앙상블 기법이다[30]. 이 기법은 주어진 데이터를 기반으로 변수를 예측하거나 분류하고, 예측성능에 가장 크게 기여하는 변수를 식별하여 변수 중요도를 평가하는 데 활용된다[30,31]. 랜덤 포레스트 모델을 훈련하기 위해 획득된 데이터를 8:2 비율로 학습세트와 테스트 세트로 나누었다. 각 모델의 하이퍼파라미터를 최적화하기 위해 랜덤 검색 방법을 적용했으며, 모델 학습 과정에서는 평균제곱근 오차(root mean squared error, RMSE)를 기준으로 성능을 개선하였다. 모델에 고려된 수치적 특징과 비료의 범주적 특징은 Table 1에 모델 학습에 사용된 데이터 세트에 대한 개요는 Table 2에 제시하였다.
Categorical properties of urea and solid manure compost, along with factors influencing ammonia volatilization. Values in parentheses represent nitrogen-based fertilizer inputs (kg/ha).
Overview of the datasets used for model training after pro-processing.
3. 결과 및 고찰
3.1. 배추 밭에서 비료 시용에 따른 휘산 패턴
배추 재배기간 중 질소 비료 사용에 따른 토양 내 암모니아 휘산 변화를 Fig. 3에 제시하였다. 배추 재배 중에는 3번의 비료 시비에 따라 비료 주입 시 암모니아 휘산이 증가하는 양상을 보였다. 기비 후 UR_0.5와 UR_1, UR+SMC 시험구에서는 각각 0.146, 0.291, 0.794 kg-N/ha·day로 나타났고, 첫 번째 추비 후에는 0.150, 0.378, 0.077 kg-N/ha·day, 두 번째 추비 후에 0.029, 0.033, 0.187 kg-N/ha·day의 암모니아 첨두값을 기록하였다. 반면에 SMC의 경우에는 전량 기비로 시비하여 한번의 첨두값을 기록하였으며, SMC_0.5와 SMC_1 시험구에서 기비 후 0.288, 1.437 kg-N/ha·day까지 암모니아 휘산 값이 증가하였다. UR과 SMC 시험구 모두 비료 시비 후 첨두값을 기록한 뒤 점차 배경 수준으로 감소하는 패턴을 보였다.
Ammonia emissions and environmental conditions during the cultivation of Chinese cabbage. (a) Ammonia dailyemissions from UR fertilizer plots. (b) Ammonia dailyemissions from SMC plots. (c) Daily temperature (℃) and rainfall (mm) recorded during the cultivation period. Fertilization events are indicated by arrows in (a) and (b). Error bars represent standard deviations from three replicate measurements.
Fig. 3에서 강우 후 실시한 첫 번째 추비의 경우는 두 번째 추비에서 발생한 암모니아 휘산이 더 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 배추 재배 중 질소 시비 기간에 발생한 강우는 UR의 암모니아 휘산을 촉진시켰다. 강우는 urease 효소의 활성도를 높여[32], 토양 내에서 UR이 암모늄(NH4+) 이온의 형태로 용해되도록 한다. 이로 인해 요소의 가수분해 반응이 가속화되면서 암모니아의 휘산이 증가하게 된다. SMC는 시비 직후 높은 첨두값을 보였는데, 이는 퇴비 내부에 포획되어 있던 암모니아 등의 기체가 외부로 빠르게 방출되기 때문이다. 이러한 초기 휘산 피크는 퇴비 내 유기물의 미생물 분해보다는, 퇴비에 물리적으로 포획되어 있던 고농도의 휘발성 유기 화합물(volatile organic compounds, VOCs) 및 암모니아 가스의 방출이 초기에 발생한다는 선행 연구와 일치한다[33]. SMC의 경우 암모니아의 초기 배출 이후에는 강우나 토양 수분의 증가로 미생물 활성이 촉진되면서 유기물의 가수분해 반응이 진행되고, 이에 따른 암모니아 휘산은 점진적으로 나타난다[34,35].
본 연구에서 한편으로는 배추의 재배 기간 중 특정 시점(재식 후 31 DAT와 46 DAT)에서 암모니아 휘산이 감소하는 경향을 관찰하였다. 이러한 변화를 분석하기 위해 휘산 범위가 감소한 기점을 기준으로 구분한 뒤, 각 구간의 평균기온을 산출하였다. 각 구간의 평균온도를 비교하였을 때 각각 재배 기간 전체 평균보다 약 7oC와 5oC 씩 기온이 감소한 것으로 나타났다. 기온 변화와 암모니아 휘산의 상관관계에 대해서 보고한 Ni et al. [36]의 연구에 따르면, 기온이 낮아질수록 암모니아 휘산이 감소하는 경향이 있다. 따라서 본 연구에서도 재배 기간 중 기온의 감소가 암모니아 휘산 감소에 기여했음을 확인하였다.
3.2. 휘산량 비교
배추 재배 기간 중 암모니아 총 휘산량(NH3-N, kg/ha) 및 휘산률(%)은 Table 3에 제시하였다. UR 및 SMC 시험구 모두 동일한 수준의 질소(320 kg N/ha)를 시비하였음에도 불구하고, UR 처리에서는 SMC 보다 총 휘산량이 높게 나타났다. 이러한 결과는 두 비료 간 질소 형태 및 토양 내 전환 경로의 차이에 기인한 것으로 판단된다. 요소는 토양 중 빠르게 가수분해되어 암모늄(NH4+)으로 전환되며, 이 과정에서 직접적인 암모니아(NH3) 휘산이 유도되어 총 휘산량이 증가한다. 반면, 퇴비는 유기태 질소 함량이 높고 무기화 속도가 느리기 때문에 토양 내에서 암모니아로의 전환이 느리게 일어난다. 이로 인해 암모니아의 생성이 제한되며, 결과적으로 SMC 처리구에서 암모니아 총 휘산량은 UR 보다 낮게 나타난다.
Total ammonia volatilization and emission ratio: Comparison for cabbage cultivation.
UR 및 SMC 시험구 모두 질소 투입량 증가에 따라서 총 휘산량은 높게 나타난 반면, 휘산률은 낮게 나타났다. 이는 투입된 질소량의 증가에 비해 암모니아 휘산량의 증가는 제한적이었기 때문으로 해석된다. Jiang et al. [37]은 휘산률이 낮게 나타나는 경우, 휘산 이외에도 침출, 식물 흡수, 탈질화 등의 다양한 경로를 통해 질소 손실이 발생할 수 있다고 보고하였다. 본 실험에서도 고농도 질소 시비구에서 유사한 경향이 나타났으며, 이는 질소 손실이 단일 경로가 아닌 복합적인 과정을 통해 이루어질 수 있음을 시사한다. 따라서 암모니아 휘산률은 질소 투입량과 반드시 정비례하지 않으며, 토양 특성, 작물의 질소 이용 특성, 그리고 환경 조건 간의 상호작용에 따라 달라질 수 있다.
UR 및 SMC 처리 조건에서의 배추 재배 시 암모니아 총 휘산량을 다른 연구 결과와 비교하여 Table 3에 제시하였다. 본 실험의 총 암모니아 휘산량은 Lee et al. [12]과 Lee et al. [38]의 실험에서 보고된 휘산량 보다 낮았다(Table 3). 암모니아 휘산은 토양의 물리적 특성과 밀접한 관련이 있으며, 특히 입단 구조, 투수성, 양이온 교환 용량(CEC) 등이 중요한 영향을 미친다. Lee et al. [12]과 Lee et al. [38]의 실험에 사용된 양토는 본 실험에서 사용된 사양토보다 점토 및 미사 함량이 높아, 상대적으로 보수성과 CEC가 우수하다. 이러한 특성은 암모늄(NH4+) 이온의 흡착과 보유를 증가시켜 토양 내 체류 시간을 연장시키고, 궁극적으로 암모니아(NH3)로 전환 및 휘산될 가능성을 높이는 요인으로 작용할 수 있다.
3.3. 토양 특성 변화
배추 수확 전후 토양의 물리적 및 화학적 특성을 Table 4에 나타내었고, 비료 사용이 토양 특성 변화에 미치는 영향을 분석하였다. 배추에서 UR과 SMC사용 후 전반적으로 토양 pH가 감소하였다. 질산화 과정(NH4+에서, NO3-로의 전환)에서 양성자(H+)가 방출되어 토양 산성화의 주요 원인 중 하나로 작용하게 된다[39]. 작물의 성장과정 역시 산성화와 밀접하게 연관되어 있다. 작물은 성장 과정에서 토양으로부터 Ca2+, Mg2+, K+ 등의 양이온을 흡수하면서 이에 상응하는 H+를 방출하게 되어 토양이 산성화된다[40]. SMC의 경우에는 토양 미생물에 의해서 유기물이 분해되는 과정에서 생성된 유기산이 생성되어 토양 pH를 낮춘다[41]. 본 실험에서는 질산화 반응, 작물의 양이온 흡수 그리고 미생물 분해 과정에서 생성된 유기산의 영향으로 인해 토양 pH가 감소하였다.
Soil analysis before and after experiments in Chinese cabbage fields.
배추 재배 후 토양 유기물 함량이 증가하였다. 유기물 함량은 질소, 인, 칼륨 등 다양한 영양소의 이용 가능성을 조절하고, 토양 내 탄소 축적 과정에도 중요한 역할을 한다[42]. 토양에 질소 공급이 증가하면 미생물 활동이 활발해져 유기물 분해 속도가 빨라지며, 이로 인해 토양 유기물 함량이 감소할 수 있다. 또한, 토양의 CEC는 주로 점토와 유기물에 의해 결정되며, 유기물의 변화는 CEC에도 직접적인 영향을 미치는 주요 요인으로 알려져 있다[42,43]. 유기물 함량이 증가하면 토양 내 음전하 보유 능력이 향상되어 CEC 역시 증가하는 경향을 보인다[44]. 본 실험에서 배추 재배 후 토양 CEC가 증가한 것은 유기물 함량 증가에 기인한 것으로 해석될 수 있으며, 이는 작물의 뿌리 유기물질 분비 및 식물 잔재의 토양 내 유입에 따른 결과일 수 있다.
유효인산은 토양 내에 다양한 형태로 존재하는 인산 중 작물이 흡수할 수 있는 형태의 인을 의미한다. 이러한 유효인산의 감소는 주로 작물의 인 흡수, 토양 내 불용화와 같은 두 가지 주요 요인에 의해 발생한다. 일반적으로 인산 비료의 충분한 공급은 질소 이용 효율을 향상시켜 암모니아 휘산을 감소시킬 수 있는 반면, 유효인산의 고갈은 작물의 질소 이용을 제한하여 휘산을 증가시킬 수 있다. 본 연구에서 배추 수확 후 토양의 유효인산은 UR시험구에서 감소하는 결과를 보였다. 하지만, 배추 SMC 처리의 경우 유효인산이 증가하였는데 이는 SMC 속 유기물들이 금속 이온과 결합하면서 인산의 용출을 방지하고 고정 형태로 남아 있도록 도왔기 때문이다[45,46]. 본 실험에서 배추 수확 후 토양 내 암모늄 이온(NH4+) 농도는 증가한 반면, 질산 이온(NO3-) 농도는 감소하는 경향을 보였다. 배추는 질산태 질소(NO3-N)에 대한 흡수 선호도가 높고[47], 생육기 동안 많은 양의 질소를 요구하는 작물이기 때문에, 상대적으로 이용되지 못한 NH4+가 토양에 잔류하거나 축적되는 경향이 나타났을 것으로 판단된다.
3.4. 암모니아 휘산 영향인자
3.4.1. 암모니아 휘산 영향요인 상관분석
암모니아 휘산에 영향을 주는 요인을 알아보기 위해 암모니아 휘산량과 토양 온도, 수분, 기온, 습도, 강수량과의 피어슨 상관분석을 진행하였으며, Fig. 4에 변수들 간에 피어슨 상관관계 계수를 사용하여 생성된 열 지도를 나타내었다. 배추 재배 시 토양온도(SL_Temp)와 기온(Air_Temp) 사이에 상관계수는 0.96으로 가장 높은 양의 상관관계를 보였으며(Fig. 4), 그 다음으로는 습도(Humidity)와 강수량(Rainfall) 사이에 높은 양의 상관관계를 보였다. 온도와 수분은 암모니아 휘산량에 영향을 미치는 주된 환경 요인이다[48]. 높은 온도는 토양 urease를 활성화시켜 휘발성 암모니아 생성을 가속화한다[49,50]. 높은 수분 함량은 토양 표면에서 요소가 암모늄으로 가수 분해되는 환경을 조성하여 암모니아 휘산을 유도할 수 있으며, 강우 후 건조 과정에서는 휘산이 더욱 활발해지는 ‘펄스 효과(pulse effect)’가 나타날 수 있다[51,52].
Correlation coefficient between ammonia volatilization and influencing factors of ammonia volatilization in Chinese cabbage. Note: Purple represents positive correlation and white represents a negative correlation.
3.4.2. 암모니아 휘산에 미치는 인자 머신 러닝 분석
본 연구에서는 널리 사용되는 머신러닝 알고리즘 중 하나인 랜덤포레스트 모델을 이용하여 배추 재배 시 암모니아 휘산에 영향을 미치는 주요 매개변수의 영향을 분석하였다. 랜덤포레스트 모델의 예측 성능은 테스트 데이터 기준 결정계수(R2) 0.40, 평균제곱근 오차(RMSE)는 0.05 kg NH3-N/ha·day 로 나타났다. Fig. 5는 랜덤포레스트 모델을 통해 얻은 매개변수들의 중요도를 나타낸다. 배추에서 대기 온도(Air_Temp)의 중요도가 높게 나타났으며, 그 다음으로는 환경 변수 중 대기 온도와 높은 연관이 있는 토양 온도(SL_Temp)가 비교적 높은 중요도를 나타냈다. 기온이 상승하면 암모늄(NH4+)의 생성과 변환이 촉진되어 NH3 가스로의 전환이 빨라지고, 결국 NH3 휘산량이 증가하게 된다[53,54].
Feature importance of environmental factors affecting ammonia volatilization in Chinese cabbage, as determined by the Random Forest algorithm.
암모니아 휘산 영향 변수는 대기 온도(Air_Temp) 다음으로 비료의 영향(UR과 SMC)이 높게 나타났다. 배추는 질소 요구량이 높은 작물로[55], 이로 인해 비교적 많은 양의 질소 비료가 시비되는 경향이 있다. 특히 안정적인 생육을 위해 생육 단계에 따라 여러 차례 분할 시비하는 방식이 일반적으로 적용된다. 이러한 비료 투입의 절대량 증가와 시비 빈도의 증가는 토양 내 암모늄 농도를 일시적으로 높여 암모니아 휘산 가능성을 증대시키는 요인으로 작용할 수 있다. 본 연구에서 비료 요인이 기온을 제외한 환경 변수보다 암모니아 휘산에 더 큰 영향을 미친 것으로 나타난 것은 암모니아 배출을 줄이기 위해서는 시비 방법이 매우 중요함을 시사한다. 환경 변수 중에서는 대기 온도 및 토양 온도 다음으로 토양 수분 함량(SL_Water)의 암모니아 휘산에 미치는 중요도가 높게 나타났다. 토양 수분 함량이 증가하면 암모니아 휘산량이 증가하는 것은 선행 연구 [56,57]와 일치한다. 토양의 수분 함량이 높으면 요소 분해 과정이 촉진되어 암모니아 휘산을 증가시킨다[58].
3.5. 작물분석
배추 재배 시 UR과 SMC의 적용이 작물 생육에 어떤 영향을 미치는지 조사하였다. 조사한 항목과 그에 대한 결과는 Table 5에 정리하였다. 배추의 작물 수확량은 질소 시비량이 증가할수록 증가하였다. 질소비료를 처리하지 않은 시험구에 비해 질소 비료를 처리한 UR과 SMC에서의 수확량이 높게 나타났으며, UR의 단독 사용이 작물 수확량 증진에 효과적이었다. 이는 배추가 짧은 생육 기간(약 3개월) 동안 빠르게 성장해야 하는 작물이므로, 즉시 작물이 이용 가능한 질소(NH4+와 NO3-)를 공급할 수 있는 UR이 질소의 무기화에 시간이 오래 소요되는 SMC보다 배추의 작물 수량 증가에 더 효과적으로 작용했을 가능성이 높다[59].
Phenotypic analysis of several key growth characteristics in crops grown under different nitrogen fertilizer and nitrogen content applications.
McRoberts et al. [60]에 의하면, SMC는 토양 내 유기물(SOM)을 유지하고 식물 흡수를 위한 주요 미량 영양소를 공급하는 데 중요한 역할을 한다고 하였다. 그러나 본 실험 결과에서는 SMC 사용이 작물 수확량 증가에 크게 기여하지 못한 것으로 나타났다. SMC는 토양 개량과 장기적인 토양 비옥도 유지에는 유리하지만, 단기적으로 염에 취약하여 배추 수확량 증가에는 한계가 있을 수 있다[61,62]. 또한, Gupta et al. [63]와 Li et al. [64]에 따르면, 유기비료와 무기비료의 혼합 시비는 토양 내 영양소 축적과 효소 활성을 증진시키고, 미생물 다양성이 증가하며, 작물의 수확량과 영양소 흡수가 향상된다고 보고하였다. 그에 따라, 본 실험에서 UR과 SMC의 혼합 사용이 UR 단독 사용보다 작물의 수확량이 높을 것으로 예상했지만, UR+SMC시험구에서 UR 단독 사용보다 작물 수확량이 증가하지 않는 결과가 나타났다. 부숙이 안된 퇴비를 사용할 경우 퇴비에서 배출되는 암모니아 및 황화수소에 의한 엽채류의 성장이 저해된다[65]. 본 연구에 사용된 퇴비는 부숙도가 70 이상으로 비료의 표준 규격을 만족하지만, 작물의 원활한 생육 및 양분 공급을 위해서는 기준치 이상의 부숙이 필요한 것으로 판단된다.
4. 결 론
농업에서 질소(N)는 식량 안보에 기여하고, 작물 생산에 필수적인 요소이지만, 질소 비료 사용 후 토양에서 발생하는 암모니아 휘산은 대기에서 미세먼지를 발생시킨다. 이는 기후변화에 영향을 미칠 뿐만 아니라 농업 생산에도 위협이 될 가능성이 있다. 따라서, 지속가능한 농업을 위해 비료 종류별 배출 특성과 배출량을 정확히 모니터링하고 이를 기반으로 암모니아 휘산을 줄이는 연구가 필요하다. 본 연구에서는 배추 재배 중 UR과 SMC 사용에 따라 발생하는 암모니아 배출량을 산정하였다. 암모니아 휘산량은 비료 종류에 따라 차이를 보였으며, UR처리 시 SMC처리보다 더 높은 암모니아 배출량이 나타났다. UR 시비 시 강우에 의한 토양 수분 함량이 증가할 경우 요소의 urease 활성이 촉진되어 암모니아 휘산량이 증가한다. SMC는 질소가 유기물 형태로 존재하여 무기태로 전환되기까지 시간이 소요되었기 때문에 암모니아는 주로 초기 시점에만 휘산되었고, 이후에는 거의 발생하지 않았다. 높은 온도는 배추에서 많은 양의 암모니아 휘산을 발생시켰으며, 토양의 수분함량 또한 암모니아 휘산량을 증가시키는 역할을 하였다. 배추 재배 후 UR과 SMC 시험구 모두에서 전반적으로 토양 pH가 감소하였다. 특히, SMC의 경우에는 재배 후 토양에 더 많은 인과 염기가 축적되었다. 배추 재배 시 암모니아 휘산은 다른 환경 영향인자보다도 질소 비료의 사용과 높은 상관관계를 보였다. 수확 후 작물 특성 분석 결과 UR처리에서 SMC보다 더 높은 작물 생육량을 보였다. 본 연구 결과는 농업에서 발생하는 암모니아 배출량 산정에 기여하며, 암모니아 휘산 영향인자 파악을 통해 암모니아 배출량 저감 방안을 마련하는데 도움이 될 것이다.
Notes
Acknowledgement
본 연구는 농촌진흥청 농업과학기술개발연구사업의 연구비 지원으로 수행되었습니다(과제번호: PJ016998). 이에 감사드립니다.
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.