Abstract

BACKGROUND:

About 81% of nitrous oxide (N₂O) emissions from agricultural land to the atmosphere is due to nitrogen (N) fertilizer application. Mitigation of N₂O emissions can be more effective in controlling biochemical processes such as nitrification and denitrification in the soil rather than decreasing fertilizer application. The use of urease inhibitors is an effective way to improve N fertilizer efficiency and reduce N₂O emissions. Several compounds act as urease inhibitors, but N-(n-butyl) thiophosphoric triamide (NBPT) has been used worldwide.

METHODS AND RESULTS:

Hot pepper and chinese cabbage were cultivated in five treatments: standard fertilizer of nitrogen-phosphorus-potassium(N-P-K, N-P₂O₅-K₂O: 22.5-11.2-14.9 kg/ha for hot pepper and N-P₂O₅-K₂O: 32.0-7.8-19.8 kg/ha for chinese cabbage), no fertilizer, and NBPT-treated fertilizer of 0.5, 1.0, and 2.0 times of nitrogen basal application rate of the standard fertilizer, respectively in Gyeonggi-do Hwaseong-si for 2 years(2015-2016). According to application of NBPT-treated fertilizer in hot pepper and chinese cabbage, N₂O emission decreased by 19-20% compared to that of the standard fertilizer plot.

CONCLUSION:

NBPT-treated fertilizer proved that N₂O emissions decreased statistically significant in the same growth conditions as the standard fertilization in the hot pepper and chinese cabbage cultivated fields. It means that NBPT-treated fertilizer can be applied for N fertilizer efficiency and N₂O emissions reduction.

Keyword

Horticultural Fertilizer,Mitigation,NBPT,Nitrous Oxide,Urease Inhibitor

서론

기후변화의 원인물질인 온실가스에 대한 이해 및 체계적인 대응을 위해서는 인벤토리 작성이 필요하다. 우리나라의 2014년 온실가스 총 배출량은 691 백만톤 CO₂eq.로 34개 경제협력기구(Organization for Economic Co-operation and Development, OECD) 회원국 중에서는 미국, 일본, 독일, 캐나다, 멕시코에 이어 6번째로 온실가스 배출량이 많다(GIR, 2016).

우리나라 농업분야 온실가스 배출량은 21.3 백만톤 CO₂eq.이며 국가 전체 메탄(CH₄) 배출량의 약 46%, 아산화질소(N₂O) 배출량의 약 60%를 차지한다(GIR, 2016). Isermann(1994)은 농경지에서 대기로 배출되는 N₂O 중에서 81% 정도가 시용된 질소비료에 의해 배출된다고 하였다. 농경지 토양에 요소비료를 시용하면 가수분해로 방출되는 암모늄(NH₄)은 화학적 자급영양생물인 질화균에 의해 NO₂^-, NO₃^-로 산화되고, 이러한 질산화작용의 여러 생화학적 과정을 거쳐서 대기 중으로 N₂O와 NO가 배출된다(Firestone and Davidson, 1989).

우리나라는 농경지에서 비료사용량을 줄이기 위하여 시비 효율 증진비료 개발, 작물 및 품종별 시비법 개발과 개선 등의 연구가 진행되었으며, 밭작물 재배시 N₂O 발생 감축을 위한 재배 기술로는 유기물 시용, 경운 관리, 물 관리, 질산화 억제제 시용, 작부체계, 재배시기 등이 있다(RDA, 2011). 2013년 기후행동할당(Climate Action Reserve)에서 발간한 질소관리(nitrogen management) 보고서에 의하면 온실가스 저감을 위한 질소 관련 기술로는 질소 시비량 감축, 질산화 억제제와 요소분해억제제 사용, 질산화억제제만 사용, 무수상태에서 요소로의 변화(switch from anhydrous to urea), 추비에서 춘비로의 전환(switch from fall to spring application), 완효성비료 사용, 관비, 질소 근권시비, 피복작물을 이용한 질소 시비 등을 소개하였으며, 대부분의 방법은 N₂O 배출량 산정을 위한 표준화된 정량적 방법이 부재한 상태이다(Climate Action Reserve, 2013). Firestone과 Davidson(1989)은 토양에서 N₂O의 배출은 유기물이나 비료 시용을 줄이는 것보다 토양 중에서 발생하는 질산화 및 탈질 작용 등 생화학적 과정을 적절히 조절하는 것이 더 큰 효과를 볼 수 있다고 하였다.

우리나라에서 가장 많이 사용하고 있는 요소비료는 45% 이상의 질소성분으로 질소비료 중 가장 질소성분이 높으며 살포시 각종 식물 및 토양미생물에서 분비되는 요소 가수분해 효소인 우레아제(urease)에 의해 가수분해되어 탄산암모늄을 거쳐 이산화탄소와 암모니아로 분해된다. 첨가된 질소 중 약 40%가 특정 환경 조건하에서 NH₃로 손실되며 합성비료에서 약 10~14%의 질소가 휘발을 통해 손실된다(Park and Park, 2017).

질소 손실을 줄이기 위한 방법으로는 토양 중 요소분해효소 즉 urease의 활성을 억제시키는 화학물질의 사용, 요소의 가수분해를 늦추기 위한 요소의 coating화, 혹은 요소 사용상의 방법개선 등이 있다(Hauck, 1984, Joo, 1992). 요소의 가수분해를 효과적으로 억제시키는 것으로 판명된 요소분해효소 억제물질(urease inhibitor)은 NBPT (N-(n-butyl) thiophosphoric triamide)와 PPD (phenylphosphorodiamidate) 등이 있으며 (Bremner and Chai, 1986; Chai and Bermner, 1986, Cai et al., 1989), NBPT 처리한 요소는 NH₃ 손실을 53% 줄여주며 작물에 따라 –0.8~10.2% 생산량에 영향을 준다고 하였다(Cantarella et al., 2018). NBPT는 세계적으로 가장 안정되게 사용되고 있으며, 대단위 농장규모에서 사용하고 있으나 국내에서 사용된 실적은 없다(Park and Park, 2017). 본 연구에서는 밭작물용 비료 시비효율 증진 및 온실가스 발생 저감을 위하여 경기도농업기술원과 ㈜풍농이 공동으로 개발한 요소분해효소 억제제 NBPT 0.2% 함유된 원예용 비료를 사용하여 작물별 N₂O 발생 감축 효과 및 적정 시용방법을 구명하고자 하였다.

재료및방법

시험장소 및 시험방법

본 연구는 경기도 화성시 기산동에 위치한 경기도농업기술원 내 시험연구포장(37°13′22.50″N, 127°02′22.43″E)에서 2년(2015년~2016년) 동안 수행하였다. 시험전 토양의 이화학적 특성은 Table 1과 같다. 고추밭(예산통)의 pH는 5.1~5.6으로 국내 일반 밭토양의 pH 적정범위(6.0~6.5) 보다 다소 낮았고, 배추밭은 다소 높은 수준이었다. 유기물과 칼륨은 고추밭과 배추밭 모두 적정범위 보다 낮은 수준이었다.

요소분해효소 억제제 NBPT함유 비료 시용 효과 구명을 위해 5처리를 두었다. 처리별 시비량은 Table 2와 같으며, 처리내용은 3요소 표준시비구(N-P-K standard fertilizer, SF)를 대조로 무시비, 질소 표준시비 기비량 0.5배, 1.0배, 2.0배 해당량의 NBPT함유 비료(NBPT-treated Fertilizer, NF)를 시용하였다. 표준시비 및 추비 시용비종은 요소, 용과린, 염화칼리이며, NBPT함유 비료는 기비로만 시용하였다. 고추(배로따, 무한질주)는 2015년 2월 11일에 파종하고 5월 11일에 재식거리 100 × 40 cm로 시험구당 102주(17주 × 6열) 정식하였다. 고추 시험구의 면적은 7.0 m × 6.0 m = 42 m²이며, 처리간 유의성 검정을 위하여 난괴법 3반복으로 배치하였다. 배추(CR황금스타)는 8월 5일 파종하고 8월 24일에 재식거리 75 × 45 cm로 시험구당 126주(18주 × 7열) 정식하였다. 시험구의 면적은 6.0 m × 8.0 m = 48 m²이며, 처리간 유의성 검정을 위하여 시험구는 난괴법 3반복으로 배치하였다. NBPT함유 원예용 비료의 성분함량은 질소 12%, 인산 6%, 칼리 6% 이며, 기비로 시용하였고 추비는 3요소 표준시비구 추비방법과 동일하게 처리하였다.

아산화질소 채취 및 분석방법

N₂O 배출량 분석은 PVC 소재 폐쇄형 원형 챔버(지름 25 cm × 높이 45 cm)를 시험구당 3반복으로 설치하여 주 2회, 매회 오전 10~11시 사이에 Mininert valve가 장착된 60mL Polypropylene syringe로 채취하였다. 시료채취 방법은 챔버의 윗뚜껑을 닫자마자 1차로 채취하고 30분 경과 후 2차로 시료를 채취하였으며, 동시에 최초온도와 30분 후 온도를 기록하였다. N₂O 분석은 12 Port gas sampling valve가 장착된 GC-ECD (Varian 450)로 분석하였으며, column은 Porapack Q (80/100 mesh)이 충전된 1/8″× 3 m의 stainless steel tubing column이었고 detector의 온도는 320℃, 운반기체(carrier gas)는 N₂로 유속을 분당 30 mL로 조절하였다. 온실가스 배출량은 1차, 2차 시료채취 전·후의 챔버 내 N₂O 농도의 변화, 챔버 내 기온의 변화, 시료채취에 소요된 시간, 챔버 유효높이 등을 조사하여 식(1)에 준하여 계산하였다. N₂O 배출량에 대한 지구온난화지수(GWP; Global Warming Potential, CO₂-eq.)는 작물 재배기간 배출된 N₂O에 310을 곱하여 계산하였다(IPCC, 2007). 처리에 따른 유의검정을 위한 통계분석은 SAS 프로그램을 이용하여 일원분산분석으로 차이를 검정하였으며, 사후검정으로 Duncan LSD를 사용하였다. 처리에 따른 온실가스 저감효과는 각 집단간 3반복 온실가스 배출량 전체 자료 평균에 대한 표준불확도의 약 2배에 해당하는 확장불확도를 평균으로부터 각각 상한구간과 하한구간으로 결정하여 각 집단간 평균의 차이를 검정하였으며, 처리 집단에 차이가 없는 경우(p<0.05) 같은 영문자로 표시하였다.

F : 단위시간 당 단위면적에서 배출되는 N₂O의 양 (mgN₂O/m²/hr)

ρ : N₂O의 밀도를 고려한 변환계수 (mg/m³), ρ_N2O = 1.96

h :챔버 내 유효높이 (m)

⊿c/⊿t :챔버 내 N₂O 농도의 평균증가속도 (ppmv/hr)

T : 챔버 내 평균기온 (K)

토양분석 및 기타 조사방법

토양과 식물체 분석은 토양 및 식물체 분석법(NAS, 2000)에 의거 토양분석용 시료는 오가를 이용하여 15 cm 깊이로 토양을 채취한 후 음건하여 2 mm 체를 통과시킨 것을 사용하였다. 토양 pH는 초자전극법에 의거 pH meter (ATI orion 370)로 측정하였으며, 유기물(OM)은 Tyurin법, 유효인산(Av.P₂O₅)은 Lancaster법으로 분석하였다. 토양의 치환성 양이온(Exchangeable cations)은 1N-NH₄OAC(pH 7.0) 완충용액으로 침출하여 유도결합플라즈마 발광광도계(GBC, Integra XMP)로 정량하였다. 식물체의 T-N 성분은 건시료 5g을 습식분해(H₂SO₄ : HClO₄ : 증류수 = 1 : 9 : 4, v/v/v)하여 Kjeldahl법으로 분석하였다. 작물의 생육 및 수량조사는 농사시험연구 조사기준(RDA, 2012)에 준하여 조사하였다.

결과및고찰

고추 재배 시 NBPT 함유 원예용 비료 시용에 따른 아산화질소 배출량

본 연구에서는 고추 재배기간 동안의 N₂O 농도 변화와 함께 기온과 강수량 등의 기상환경 변화를 조사하였으며 연도별 고추 재배기간 동안의 기온과 N₂O 배출량의 변화는 Fig. 1과 같다. 고추 재배기간(5월 1일~9월 30일) 중 2015년, 2016년의 평균기온은 각각 23.3℃, 24.0℃로 평년에 비해 0.7℃, 1.4℃ 높았으며, 강수량은 363.3 mm, 551.0 mm로 평년 대비 33%, 51% 수준이었다. 2015년 고추 정식 후 약 60일까지 강우량은 70.8 mm로 평년 대비 27%로 비가 적게 내렸으며, 2016년에는 고추 정식 후 60일까지 강우량이 262.3 mm로 평년 대비 101%로 2015년 보다 기비 시용 후 비가 많이 오고 기온이 높았으며 강우로 인한 토양수분이 증가함에 따라 질소비료의 탈질 현상이 활발히 일어나 N₂O 배출량이 많은 것으로 생각된다. 이는 토양으로부터 N₂O 발생에 영향을 줄수 있는 요인으로 지온, 강우량, 토양수분함량 및 질화세균의 탈질작용 등을 지적한 선행연구(Cantarel et al., 2011; Kanerva et al., 2007; Wrage et al., 2001)와 연관될 수 있다. 고추 재배기간 동안의 N₂O 배출량 변화는 기비 시용 후 지속적으로 감소하는 경향으로 나타났으며, 고추 정식 후 30, 60, 90일 추비 시용 후 약간 상승하였다가 감소하는 경향을 보였다. 온실가스 배출량을 조사한 2개년의 고추 재배기간 동안의 N₂O 배출량은 연도별 강우 패턴과 기온 등의 기상환경에 따라 다르게 나타났으나, 처리구에 따른 배출량의 경향 및 저감량은 통계적으로 유의하게 나타났다(Table 3). 고추 재배기간 중 발생한 2개년 평균 총 N₂O 배출량은 무시비구(F0) 462 gN₂O ha^-1, 질소 표준시비 기비 0.5배 해당량 NBPT 함유 비료 시비구(NF0.5) 1,274 gN₂O ha^-1, 질소 표준시비 기비 1.0배 해당량 NBPT 함유 비료 시비구(NF1.0) 1,860 gN₂O ha^-1, 3요소 표준시비구(SF) 2,339 gN₂O ha^-1, 질소 표준시비 기비 2.0배 해당량 NBPT 함유 비료 시비구(NF2.0) 5,953 gN₂O ha^-1 순으로 시비량 증가에 비례하여 높았으며, 고추 재배기간 동안의 지구온난화지수(GWP)로 나타낸 CO₂ 상당량 온실가스 배출량은 질소 표준시비 기비 0.5배, 1.0배 해당량 NBPT 함유 비료 처리구에서 표준시비구 대비 각각 43%, 20% 감소하였음을 알 수 있었다.

고추 재배 시 NBPT 함유 원예용 비료 시용에 따른 토양중 화학성 변화

요소분해효소 억제제 NBPT 함유 비료 시용에 따른 고추 정식 후 60일의 토양중 화학성은 Table 4와 같다. 2016년의 경우 3요소 표준시비(대조)에 비해 N₂O 배출량이 적었던 NF0.5 처리에서 질산태질소(NO₃^--N)가 낮게 나타났으며, 토양 pH와 유효인산(Av.P₂O₅), 치환성칼륨(Ex-K) 등은 비료를 시용하지 않은 무처리를 제외한 처리간의 유의미한 차이는 없었다.

고추 재배 시 NBPT 함유 원예용 비료 시용에 따른 고추 생육 및 수량

NBPT 함유 비료 시용에 따른 고추 생육은 초장과 줄기직경 모두 무시비를 제외하고 처리간 차이 없었으며, 건고추 수량도 동일한 경향이었다(Table 5). NBPT 함유 비료 권장 시용량 산정을 위해 2개년 평균 건고추 수량과 3요소 표준시비구 질소 기비 시용량과의 관계식에서 3요소 표준시비구 질소기비 시용량(122 kg/ha)과 수량이 대등한 NBPT 함유 비료 권장 시용량은 100.6 kg/ha로 나타났다(Fig. 2).

배추 재배 시 NBPT 함유 원예용 비료 시용에 따른 아산화질소 배출량

Fig. 3은 연도별 배추 재배기간 동안의 기온과 N₂O 배출량의 변화를 그래프로 표현하였다. 2015년과 2016년의 배추 재배기간(8월 25일~10월 31일) 중 기상환경은 평균기온은 각각 19.1, 19.5℃로 평년에 비해 0.5℃, 0.9℃ 높았으며, 강수량은 75.0 mm, 186.1 mm로 평년 대비 28%, 70% 수준이었다. 2015년 N₂O 배출량의 변화는 기비 시용 후 지속적으로 감소하는 경향이었으나 2016년에는 배추 정식 후 약 15일 동안 77.2 mm 이상의 강우로 토양수분이 증가함에 따라 질소비료의 탈질 현상이 활발히 일어나 N₂O 배출량이 증가했다가 감소하는 패턴을 보인 것으로 생각되며, 이는 N₂O 배출량과 토양 수분함량과의 정의 상관관계 등을 지적한 선행연구와 같은 결과이다(Arone and Bohlen, 1998; Dobbie et al., 1999; Cantarel et al., 2011; Kanerva et al., 2007). 온실가스 배출량을 조사한 2개년의 배추 재배기간 동안의 N₂O 배출량의 경향은 연도별 강우 패턴과 기온 등의 기상환경에 따라 다르게 나타났으나, 표준시비 및 NBPT 함유 비료 처리에 따른 배출량의 경향 및 저감량은 통계적으로 유의하게 나타났다(Table 6). 배추 재배기간 중 2개년 평균 총 N₂O 배출량은 무시비구(F0) 156 gN₂O/ha, 질소 기비 시용량 0.5배 해당량 NBPT 함유 비료 시비구(NF0.5) 512 gN₂O/ha, 질소 기비 시용량 1.0배 해당량 NBPT 함유 비료 시비구(NF1.0) 1,039 gN₂O/ha, 3요소 표준시비구(SF) 1,289 gN₂O/ha, 질소 기비 시용량 2.0배 해당량 NBPT 함유 비료 시비구(NF2.0) 2,889 gN₂O/ha 순으로 배출량이 높게 나타났으며, 배추 재배기간 동안의 지구온난화지수(GWP)로 나타낸 CO₂ 상당량 온실가스 배출량은 요소분해효소 억제제 질소 기비 시용량 0.5배, 1.0배 해당량 NBPT 함유 비료 처리구에서 표준시비구 대비 각각 58%, 19% 감소한 결과를 보였다.

배추 재배 시 NBPT 함유 원예용 비료 시용에 따른 토양중 화학성 변화

요소분해효소 억제제 NBPT 함유 비료 시용에 따른 배추 정식 후 60일의 토양중 화학성은 Table 7과 같다. NO₃^--N는 대조(표준시비)에 비해 N₂O 발생량이 적었던 NF0.5 처리구에서 적은 경향으로 나타났으며 그 외 유효인산(Av.P₂O₅), 치환성칼륨(Ex-K) 등은 처리간의 유의미한 차이는 없었다.

배추 재배 시 NBPT 함유 원예용 비료 시용에 따른 배추 생육 및 수량

NBPT 함유 비료 시용에 따른 배추 생육 조사를 위해 배추 식물체의 건물 중 질소함량을 조사하였으며, 처리구별 질소 시비량으로 나누어 식물체 질소 이용효율을 산정하였다. 정식 후 60일의 배추 식물체의 건물 중 질소함량과 질소 시비량으로 구한 질소 이용효율은 처리간 유의한 차이가 없었으며 (Table 8), 배추 수량은 대조에 비해 NF0.5 처리구는 적고, NF1.0 처리구에서는 대등한 경향이었다. NBPT 함유 비료권장 시용량 산정을 위해 2개년 평균 배추 수량과 3요소 표준시비구 질소 기비 시용량과의 관계식에서 3요소 표준시비구 질소 기비 시용량(128 kg/ha)과 수량이 대등한 NBPT함유 원예용 비료 권장 시용량은 96.7 kg/ha로 나타났다(Fig. 4).

Note

The authors declare no conflict of interest.

ACKNOWLEDGEMENT

This work was supported by Rural Development Administration (Project number: PJ012489032018).

Tables & Figures

Table 1.

Physico-chemical properties of the upland soils used in the experiment

Table 2.

Amount of fertilizer (N-P₂O₅-K₂O) application in the treatments

Fig. 1.

Daily changes of N₂O emissions with different treatments and air temperature in hot pepper upland field in 2015(a), and 2016(b).

Table 3.

Evaluation of the N fertilizer application on N₂O emissions and its GWP (Global Warming Potential) in the hot pepper cultivated field for 2015 and 2016

Table 4.

Changes in pH, NO₃^--N, Av.P₂O₅, and Ex-K after 60 days after treatment (DAT) in 2015 and 2016

Table 5.

Plant length, stalk diameter after 60 DAT and yield in dry weight of hot pepper after harvest in 2015 and 2016

Fig. 2.

Correlation between fertilizer application of N basal dressing and yields in dry weight of hot pepper after harvest for two years (2015 and 2016) average.

Fig. 3.

Daily changes of N₂O emissions with different treatments and air temperature in chinese cabbage upland field in 2015(a), and 2016(b).

Table 6.

Evaluation of the N fertilizer application on N₂O emissions and its GWP (Global Warming Potential) in chinese cabbage cultivated field for 2015 and 2016

Table 7.

Changes in pH, NO₃^--N, Av.P₂O₅, and Ex-K after 60 days after treatment (DAT) in 2015 and 2016

Table 8.

Efficiency of plant N uptake in dry weight of chinese cabbage after 60 DAT and chinese cabbage yields after harvest

Fig. 4.

Correlation between fertilizer application of N basal dressing and chinese cabbage yields after harvest for two years (2015 and 2016) average.

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