Introduction
바이오차는 산소가 제한된 조건에서 바이오매스를 열분해하여 얻을 수 있는 탄소 함량이 높은 물질이다(Sohi, 2012). 바이오매스의 열분해 온도가 높아짐에 따라 바이오차의 회수율은 감소하고 탄소함량은 증가한다(Tanaka, 1963). 바이오차는 농업부산물, 축산부산물, 해양부산물, 하수슬러지 등 다양한 부산물들을 이용한 생산이 가능하여, 원료확보를 경제적으로 할 수 있는 장점이 있다(Cao and Harris, 2010; Bird et al., 2011; Ahmad et al., 2012; Cantrell et al, 2012; Kim et al., 2013). 열분해 과정 중 바이오매스 내 탄소는 안정된 탄소로 변화되어, 바이오차의 토양 처리 시 탄소저장과 온실가스 발생을 억제효과를 가진다(Lehmann, 2007; Kim et al., 2014; Lim et al., 2014; Choi et al., 2017).
바이오차는 대부분 알칼리성으로 산성 토양에 처리 시 토양의 pH를 높여 토양 개량 효과를 가지고 있으며, 토양의 생산성 향상 및 중금속 흡착 등의 효과가 있다(Choi et al., 2016). 또한, 최근에는 묘목용 상토에 바이오차를 혼합하는 연구도 진행되고 있다(Seo et al., 2019). Choi (2003)은 폐활성탄을 10 - 30% 첨가하여 재배한 시호(Bupleurum falcatum)의 경장과 경태가 크고 분얼수가 많아 생육이 양호하다고 보고 하였으며, Lee and Kim (2001)은 목탄의 토양 처리가 서양측백나무의 생육에 긍정적인 영향을 관찰하였다. Zhang et al. (2010)은 바이오차와 질소 비료를 함께 처리 시 옥수수의 수확량이 증가하는 경향을 보였으며, 수확량의 증가율은 바이오차의 원료에 따라 달랐다고 보고하였다. 하지만, Lee et al. (2018a)에 따르면 bead제형의 바이오차 2% 처리가 작물의 생육에 긍정적인 영향을 주지만, 5% 처리는 작물에 부정적인 영향을 준다고 보고하여 바이오차를 적용한 작물 생산성에 대한 많은 연구가 필요하다.
토마토(Solanum lycopersicum L.)는 가지과(Solanaceae)에 속하는 일년생 과채류로 국내뿐만 아니라 전세계적으로 생산량 및 소비량이 많아 작물 시장에서 높은 경제적 가치를 가진다(Park et al., 2018). 토마토는 국내에서 1960년대부터 케찹과 같은 토마토 가공식품 식품 소비가 증가하면서 전국적으로 재배하게 되었으며, 방울토마토는 1980년대에 처음 재배되기 시작하였다(Lee, 2004; Kim and Cho, 2009). 2017년 기준 국내 토마토 생산량은 355,107 ton으로 국내 과채류 생산량 중 수박 다음으로 많은 양을 차지하며, 이중 방울토마토의 생산량은 약 32.3%를 차지하는 114,977 ton 이었다(KOSTAT, 2017). 본 연구는 참나무를 이용하여 제조한 제형별 바이오차 함량에 따른 방울토마토의 생육과 토양의 화학성에 미치는 영향을 비교하는 실험을 진행하였다.
Materials and Methods
공시 토양 및 바이오차
공시 토양은 ㈜참그로(Hongseong, Korea)에서 구매한 토양을 2주간 풍건한 후 2 mm 체거름하여 재배실험에 사용하였다. 바이오차는 참나무를 600℃에서 3시간 동안 열분해 후 powder와 pellet제형으로 성형하였다. Powder제형은 바이오차와 가축분퇴비를 2 : 8 (v/v)로 혼합하여 제조하였으며, pellet제형은 바이오차, 커피박, 아주까리박 그리고 미강을 각각 3 : 1 : 5 : 1 (v/v)의 비율로 혼합 후 pellet 제조기(Sps 200 model, Gumgang engineering, Korea)를 이용하여 성형하였다(Table 1). 실험 전 토양 및 바이오차에 대한 특성은 Table 2와 Table 3에 나타내었다.
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Table 3. Chemical properties of biochar used for this experiment. 
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Values represent by means ± SD. EC, electrical conductivity; T-P, total phosphorus; C, carbon; N, nitrogen; OM, organic matter. |
작물 재배 실험
본 시험은 충남대학교 농업생명과학대학 내 설치된 유리온실에서 수행되었다. 작물은 방울토마토(Wonhong 5ho, Danong Co., Ltd., Korea)를 선발하였으며, 파종 후 60일차 모종을 pot (1/2,000 wagner pot)에 정식하여 50일간 재배하였다.
바이오차는 토양 무게 기준으로 투입하였다. 무처리(Control)와 무기질비료(NPK)처리를 대조구, 제형별 바이오차 2% (Powder biochar 2%, Po; Pellet biochar 2%, Pe)와 바이오차 2% + 무기질비료(power biochar 2% + NPK, Po + N; pellet biochar 2% + NPK, Pe + N)로 구분하여 처리하였다. 각 처리구별 3반복 실험하였으며, 온실 내 pot는 난괴법으로 배치하였다.
재배는 농촌진흥청의 영농기술재배 방법에 따라 수행하였으며, 무기질비료는 농촌진흥청 ‘작물별 시비처방기준’(NAAS, 2010)에 따라 N-P2O5-K2O를 22.6-10.6-11.9 kg 10a-1로 시비하였다. 정식 후 매 1일 1회 관수하여 수분을 공급하였다.
작물 생육 및 품질 조사
농촌진흥청이 발간한 ‘농업 과학기술 연구조사분석기준’(NAAS, 2012)에 의거하여 조사하였으며, 작물 생육조사 항목으로 초장, 지상부 생중량, 열매 수와 무게, 열매 직경과 길이, 엽록소 함량을 조사하였다. 초장은 지상부 하단에서 줄기 끝의 길이로 하였으며, 지상부 생중량은 오차를 줄이기 위해 수확 후 바로 측정하였다. 열매의 직경과 길이는 개체 내 상위 5개의 열매의 평균값으로 하였다. 엽록소 함량은 오전 10 - 12시 사이에 MINOLTA Chlorophyll meter (SPAD-501, Japan)를 이용하여 중위엽을 대상으로 3반복 측정하였다. 품질조사는 열매를 착즙하여 디지털 당도계(HI 96801, Hanna Instruments Inc., Woon- socket, RI, USA)로 당도(Brix)를 측정하였다.
토양 및 바이오차 분석
토양
토양은 pH, 전기전도도(electrical conductivity, EC), 유효인산, 총탄소 및 질소, 치환성양이온(K+, Ca2+, Mg2+)을 분석하였다. pH와 EC는 토양과 증류수를 1 : 5 방법으로 pH와 EC meter (ORION versastar pro, Thermo, USA)로 측정하였다. 유효인산은 Lancaster법을 활용하였으며, 총 탄소와 질소는 Elemental analyzer (Flash 1112 series EA, Thermo, USA)로 측정하였다. 치환성 양이온은 pH 7.0으로 교정한 1N-ammonium acetate용액으로 침출 후 유도결합플라즈마 분광계(ICAP 7000series ICP spectrometer, Thermo, USA)를 이용해 측정하였다.
바이오차
바이오차는 pH, EC, 총 인산, 총 탄소 및 질소, 양이온을 분석하였다. pH와 EC는 바이오차와 증류수를 1:10 방법으로 pH와 EC meter (ORION versastar pro, Thermo, USA)로 측정하였다. 총 탄소와 질소는 Elemental analyzer (Flash 1112 series EA, Thermo, USA)로 측정하였다. 총 인산과 양이온(K2O, CaO, MgO)은 Nitric acid와 Ternary용액을 이용한 분해 후 분해액을 각각 Vanadate법과 유도결합플라즈마 분광계(ICAP 7000series ICP spectrometer, Thermo, USA)로 측정하였다.
통계분석
통계분석은 SPSS (IBM SPSS Statistics version 24, IBM, NY, USA)의 일원배치분산분석(ONE way analysis of variance, ANOVA)을 통해 처리구별 95%의 신뢰수준에서 유의차 검정을 수행하였다. 사후검정은 Duncan을 이용하여 초장, 지상부 생중량, 열매 수와 무게, 열매 직경과 길이, 엽록소 함량, 당도를 분석하여 유의차에 따라 알파벳으로 표기하였다.
Result and Discussion
방울토마토 생육 및 품질 특성
작물 생육특성
방울토마토의 생육 조사 결과는 Table 4에 나타내었다. 방울 토마토의 작물 생육은 바이오차 처리구(Po, Pe, Po + N, Pe + N)가 대조구(Control, NPK)에 비해 높게 나타났다. 초장은 Pe가 115.3 cm로 가장 높았으며, 무처리구가 64.0 cm로 가장 낮았다. 바이오차 처리구는 무처리구에 비해 평균 약 42%, NPK처리구에 비해 평균 약 4.4%의 높은 초장을 보였다.
지상부 생중량은 Po + N이 276.4 g으로 가장 높았으며, 무처리구가 44.2 g으로 가장 낮았다. 바이오차 처리구는 무처리구에 비해 평균 약 79%, NPK처리구에 비해 약 33.8% 높은 지상부 생중량을 보였다. Lee et al. (2018b)은 바이오차를 처리한 고추의 생육이 무처리구에 비해 초장, 생중량 등에서 좋은 생육을 보인다고 보고하였다. 본 연구에서도 바이오차 처리구가 무처리구와 NPK처리구에 비해 좋은 생육을 보이는 일치하는 결과를 보였다.
토마토 잎의 엽록소 측정치는 엽면적 당 질소 흡수량과 유의성 있는 정의 상관관계를 보여 식물체의 질소 영양진단의 지표로 활용인 가능하다(Hong et al., 2001). Po + N이 59.3 SPAD로 가장 높은 엽록소 함량을 보였으며, 무처리구가 26.5 SPAD로 가장 낮았다. 바이오차 단독 처리구(Po, Pe)에 비해 NPK 추가 처리구(Po + N, Pe + N)에서 엽록소 함량이 높아지는 경향을 보였으며, 이는 질소비료 시비로 인하여 질소 흡수율이 높아져 엽록소 함량이 높아진 것으로 판단된다.
열매 생육 특성
열매 수와 무게는 바이오차 단독 처리구에 비해 NPK 추가 처리구에서 증가하는 경향을 보였다. Po + N이 각각 49.3 per plant, 276.4 g으로 가장 높았으며, 무처리구가 각각 11.6 per plant, 36.8 g으로 가장 낮았다. 열매 수의 NPK추가에 따른 증가율은 Po + N이 약 44%, Pe + N이 약 32% 증가하였으며, 열매 무게는 Po + N이 약 69%, Pe + N이 약 18% 증가하였다.
열매의 당도 분석 결과, Pe처리구에서 5.6 Brix로 가장 높았으며, Pe + N처리구에서 4.0 Brix로 가장 낮았다. 바이오차 단독처리구가 NPK 추가 처리구에 비해 높은 당도를 보였지만, 처리구간 통계적 유의차는 없었다.
재배 토양 분석
재배 후 토양의 pH는 대조구에 비해 바이오차 처리구의 pH가 높아지는 경향을 보였다. 선행 연구에 의하면 바이오차는 알칼리성의 높은 pH를 갖는 특성으로 토양 투입량에 따라 pH가 증가하는 경향을 보인다(Jeong, 2013; Oh et al., 2014; Oh et al., 2017). 본 실험에서 사용된 토양의 pH는 6.4로 약 산성이었다. 재배 후 토양의 pH는 무처리구가 6.7, 바이오차 처리구가 7.1 - 7.7로 재배 전 토양에 비해 상승하는 경향을 보였다. 재배 후 토양의 pH상승은 토양에 비해 비교적 높은 바이오차의 pH와 토마토의 뿌리에서 수소이온과 질산태질소를 선호하는 경향으로 인하여 pH가 증가된 것으로 판단된다(Kang et al., 2010).
바이오차는 토양에 투입 시 토양의 EC 증가에 기여하는 것으로 보고 되어있다(Jung, 2014). 본 연구에서도 바이오차를 처리한 토양의 EC는 증가하는 경향을 보였으며, NPK 추가 처리구가 더 높은 경향을 보였다. Pe + N이 1.02 dSm-1 로 가장 높았으며, 실험 전 토양(0.16 dS m-1 )에 비해 약 0.86 dS m-1 증가하였다. 방울토마토의 재배 토양의 적정 EC는 3.0 dS m-1 로 초과할 경우 작물 생육에 부정적인 영향을 줄 수 있어, 토양 내 바이오차 처리 시 EC 분석을 통해 적절한 바이오차 처리량에 대한 연구가 선행 되어야 할 것으로 판단된다.
총 탄소, 총 질소, 유기물함량은 바이오차를 시용하지 않은 처리구에 비해 바이오차를 시용한 처리구에서는 증가하였으며, 이는 바이오차의 높은 총 탄소, 총 질소, 유기물 함량으로 인하여 토양 내 함량이 증가된 것으로 판단된다.
Conclusion
본 연구는 제형별 바이오차와 화학비료 혼합처리가 방울토마토의 생육과 토양의 화학성에 미치는 영향을 알아보기 위해 충남대학교 농업생명과학대학 내 유리온실에서 실시하였다. 방울토마토의 생육 특성 조사 결과 초장, 지상부 생중량, 엽록소 함량, 열매 수와 무게는 대조구에 비해 바이오차 처리구에서 좋은 생육 보였다. 엽록소 함량, 열매 수와 무게는 바이오차 단독처리구에 비해 NPK 추가 처리구에서 증가하는 경향을 보였다. 방울토마토 재배 후 토양 분석 결과, 바이오차가 토양에 처리됨에 따라 pH, EC, 유효인산, 총탄소 및 질소, 유기물 함량 등이 증가하는 경향을 보였다. 위 결과로, 방울토마토 재배 시 바이오차 처리는 생육에 긍정적인 영향을 주며, 토양의 화학성을 변화시켜 작물 생산 시 토양개량제로 이용이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 화학비료의 추가 처리 시 바이오차 단독 처리에 비해 방울토마토의 생육을 증가시키는 경향을 보여, 바이오차와 화학비료의 혼합 시용이 작물생육에 긍정적인 효과를 주는 것으로 판단된다.
Authors Information
Jae-Han Lee, Department of Bio-environmental Chemistry, Chungnam National University, Ph. D. student
Deogratius Luyima, Department of Bio-environmental Chemistry, Chungnam National University, Master student
Ji-Young Ahn, Department of Bio-environmental Chemistry, Chungnam National University, Undergraduate student
Seong-Yong Park, Department of Bio-environmental Chemistry, Chungnam National University, Undergraduate student
Bong-Su Choi, National Institute of Biological Resources, Researcher
Chang-Hoon Lee, Department of Fruit Tree, National College of Agriculture and Fisheries, Professor
Taek-Keun OH, https://orcid.org/0000-0003-0215-0427
