Changing soil physicochemical properties, reducing net global warming potential and increasing maize silage yields by one-time high-dose incorporation of vegetable residue in drylands

기술 요약: 건조 지역 내 채소 잔재물의 일회성 고용량 투입

문제 제식
중국은 연간 3억 4천만 톤 이상의 채소 잔재물을 발생시키며, 이는 주요 곡물 짚에 이어 두 번째로 큰 농업 잔재물 발생원이다. 이러한 잔재물은 상당한 영양분(N, P, K)과 유기물을 함유하고 있으나, 높은 수분 함량(>85%)과 낮은 건조 중량 함량(<15%)으로 인해 전통적인 경작지 혼입 방식의 효율성을 저해한다. 거래 시장 및 생산 지역에서의 부적절한 처리는 심각한 환경 오염을 야기한다. 또한, 주요 채소 생산 지역인 황토 고원은 집약적 경작과 불충분한 시비로 인해 토양 퇴화 문제에 직면해 있으며, 현재 수확량은 잠재력의 60% 미만인 경우가 많다. 따라서 환경 완화(온실가스 배출)와 농업 생산성 사이의 균형을 맞추는 채소 잔재물 재활용의 최적 전략을 결정하는 것이 절실히 필요하다.

연구 방법
2개년 현장 실험(2020–2022)이 중국 간쑤성 황토 고원의 반건조 생태계 실험 스테이션에서 수행되었다. 본 연구는 옥수수(Zea mays L.)를 시험 작물로 사용하여 무작위 블록 설계를 활용하였다. 실험 처리는 다음과 같은 요인 조합으로 구성되었다:

• 투입량 (W): 일회성 고용량 채소 잔재물 투입의 세 가지 수준: W1 (800 t·ha⁻¹), W2 (1600 t·ha⁻¹), 그리고 W3 (2400 t·ha⁻¹).
• 투입 깊이 (D): 세 가지 깊이: D1 (10 cm), D2 (20 cm), 그리고 D3 (30 cm).
• 대조군: 잔재물 첨가 없이 표토만을 경운한 무투입 처리(NW).

채소 잔재물은 지역 거래 센터에서 수집된 어린 양배추, 콜리플라워, 셀러리, 아스파라거스 상추의 혼합물로 구성되었다. 2021년에는 무경운 조건에서 옥수수를 재배하였으며, 2022년에는 두둑-고랑 멀칭 기술을 도입하였다.

주요 측정 항목은 다음과 같다:

• 토양 물리화학적 특성: 온도, 수분 함량, pH, 산화환원전위(RP), 용존 유기 탄소(DOC), 무기 질소(NH₄⁺-N, NO₃⁻-N).
• 온실가스(GHG) 배출: 정적 챔버와 가스 크로마토그래피를 사용하여 CO₂, N₂O, CH₄ 플럭스를 모니터링하였다.
• 기후 영향 지표: 직접적인 토양 배출, 농업 작업으로부터의 간접 배출, 잔재물 투입에 따른 탄소 격리 잠재력을 통합하여 순 지구 온난화 지수(NGWP)와 온실가스 집약도(GHGI)를 계산하였다.
• 작물 생산성: 생리적 유백기 단계에서 사일리지 옥수스 바이오매스 수량을 측정하였다.
• 통계 분석: 데이터는 ANOVA, 구조 방정식 모델링(SEM), 피어슨 상관관계, 그리고 요인 중요도 결정을 위한 랜덤 포레스트 분석을 통해 분석되었다.

주요 결과

• 토양 물리화학적 특성: 고용량 투입은 토양 조건을 유의미하게 변화시켰다. 투입량과 깊이는 모두 토양 온도 및 수분 함량과 양의 상관관계를 보였다. 잔재물 투입은 토양 pH의 이상성 반응(초기 증가 후 감소)과 지속적인 산화환원전위 감소를 유도했다. DOC와 NH₄⁺-N 농도는 투입 후 15~30일 사이에 정점에 도달했으며, 투입량에 강하게 의존하여 대조군 대비 각각 최대 4.8배(DOC) 및 139.9배(NH₄⁺-N)까지 증가했다. 반면, NO₃⁻-N 축적은 투입 강도와 역의 관계를 보였다.
• 온실가스(GHG) 배출: 투입량을 늘리면 CO₂, N₂O, CH₄ 배출이 유의미하게 증가했다(대조군 대비 각각 5.15–12.77배, 25.54–70.67배, 0.92–2.24배). CO₂ 배출은 20일째에 정점에 도달하는 삼봉형(tri-modal) 시간적 패턴을 보였다. N₂O 배출은 주로 투입 깊이에 의해 영향을 받았는데, 낮은 투입률(W1, W2)에서는 깊은 투입이 배출을 억제했으나, 가장 높은 투입률(W3)에서는 배출을 증가시켰다. CH₄ 플럭스는 150일 이후 양(+)에서 음(-)의 값(흡수원)으로 전환되었다.
• 순 지구 온난화 지수(NGWP) 및 온실가스 집약도(GHGI): 온실가스 배출 증가에도 불구하고, 고용량 처리구들은 음(-)의 NGWP 값을 나타내어 순 탄소 흡수 효과를 보였다. 투입량과 NGWP 사이에는 강한 음의 상관관계(r = -0.91, P < 0.01)가 존재했다. 대량의 유기 탄소 투입에 따른 탄소 격리 이익이 관련 배출량을 상쇄했다.
• 작물 수량: 사일리지 옥수수 수량은 투입량에 따라 포물선형 반응을 보였다. 중간 수준의 투입량(W1 및 W2)은 수량을 유의미하게 증가시킨 반(대조군 대비 최대 112.4% 증가), 가장 높은 투입량(W3)은 이차적 염류 집적 및 과도한 영양분 축적으로 인해 수량이 감소했다(대조군 대비 17.7–41.1% 감소). 수량은 투입 깊이와 양의 선형 관계를 보였다.
• 최적 전략: 1600 t·ha⁻¹의 투입량(W2)과 30 cm의 투입 깊이(D3)의 조합이 최적으로 식별되었다. 이 처리는 탄소 격리와 수량 사이의 균형을 맞추면서, 작물 생산성 이득을 극대화하고 환경적 영향을 최소화하였다.

의의 및 주장
본 논문은 채소 잔재물의 일회성 고용량 투입이 폐기물 관리와 토양 비옥도 문제를 동시에 해결하기 위해 반건조 황토 고원에 적용 가능한 실행 가능한 전략이라고 주장한다. 본 연구는 이러한 투입이 초기에는 온실가스 배출을 자극하지만, 상당한 탄소 격리 잠재력과 그에 따른 작물 생산성 증대(중간 수준 처리 시)가 이러한 배출을 효과적으로 상쇄하여 순 지구 온난화 지수를 감소시킨다는 것을 입증한다.

저자들은 이 관행이 토양 비옥도를 높이고 합성 비료를 부분적으로 대체하며 작물 수량을 개선하여 지속 가능한 자원 이용을 촉진할 수 있다고 단언한다. 그러나 과도한 투입량(예: 2400 t·ha⁻¹)은 토양 염류화와 수량 감소를 초래할 수 있음을 경고하며, 최적의 투입량과 깊이를 식별하는 것의 중요성을 강조한다. 본 연구는 탄소 격리 목표와 농업 생산성 사이의 균균형을 맞추기 위한 중요한 통찰을 제공하며, 조절된 채소 잔재물 투입, 특히 두둑-고랑 멀칭과 같은 농법적 개입과 결 결합된 방식이 건조 지역을 위한 지속 가능한 관리 전략임을 시사한다. 저자들은 토양 탄소 포화도 및 지속적인 온실가스 배출과 관련하여 이 전략들의 지속 가능성을 완전히 평가하기 위해서는 장기적인 모니터링이 필요하다고 언급하였다.