Comparative Effectiveness of Zeolite- and Biochar-Coated Urea Formulations with Nitrogen Dose Optimization for Enhanced Wheat Productivity and Nitrogen Use Efficiency

기술 요약: 제올라이트 및 바이오차 코팅 요소 제형의 효율성 비교

문제 제기
밀(Triticum aestivum L.) 재배 시스템에서의 기존 요소 시용은 낮은 질소 이용 효율(NUE) 문제를 겪고 있으며, 회수율이 종종 50% 미만으로 떨어지기도 한다. 이러한 비효율성은 기존 요소의 급격한 질소 방출과 작물의 느린 흡수 패턴 사이의 시간적 불일치에서 기인한다. 결과적으로 상당한 양의 질소가 암모니아 휘산(특히 알칼리성 토양에서), 질산염 용탈, 그리고 강력한 온실가스인 아산화질소로의 탈질 작용을 통해 손실된다. 이를 해결하기 위해 합성 폴리머 기반의 완효성 비료(CRF)가 존재하지만, 높은 비용, 화석 연료 원료에 대한 의존도, 다양한 토양 조건에서의 불일치하는 방출 속도, 그리고 미세 플라스틱 축적에 관한 환경적 우려 등의 단점이 있다. 따라서 작물의 수요와 질소 방출을 동기화하면서도 수확량 저하 없이 시용량을 줄일 수 있는, 천연이며 생분해 가능하고 현지에서 조달 가능한 코팅 소재를 평가하는 것이 절실히 필요하다.

연구 방법
본 연구는 파키스탄 우르두사할라 대학교(University of Sargodha)의 통제된 온실 조건 하에서 완전 무작위 설계(CRD)와 요인 배치법을 사용하여 수행된 포트 실험을 채택하였다.

• 실험 단위: 10kg의 사양 점토질 토양(pH 7.8, 낮은 유기물 함량)이 담긴 36개의 포트.
• 처리구:
  • 요인 A (비료 유형): 네 가지 제형을 테스트함: 일반 요소(CU), 님 코팅 요소(NCU), 바이오차 코팅 요소(BCU), 제올라이트 기반 코팅 요소(ZBCU).
    • NCU: 님 오일(우레아제 억제제) 3%로 코팅.
    • BCU: 450°C에서 열분해된 밀 짚 유래 바이오차를 전분 슬러리와 혼합(1:4 비율)하여 코팅된 요소.
    • ZBCU: 아라비아 검을 결합제로 사용하여 암모늄이 포화된 클린토필라이트 제올라이트로 코팅된 요소(코팅 중량의 20%).
  • 요인 B (질소 시용량): 권장 시용량(포트당 800 mg N, 약 240 kg N ha⁻¹에 해당)의 100%, 75%, 50%의 세 가지 시용량을 테스트함.
• 작물 관리: 인산 기비와 함께 밀 씨앗을 파종하였다. 관수는 포장 용수 보유 능력의 70% 수준으로 유지되었다.
• 데이터 수집: 성장 지표(줄기 길이, 엽면적 지수, 분얼 수, 엽록소 함량), 수확량 구성 요소(이삭당 알곡 수, 100립 중량, 생체량), 그리고 수확 지수를 포함하였다. 질소 이용 효율은 질소 부분 요인 생산성(PFPN)을 통해 평가되었다.
• 통계 분석: 데이터는 이원 배치 분산 분석(two-way ANOVA)으로 분석되었으며, 처리 평균값은 p ≤ 0.05 수준에서 던칸의 다중 범위 검정(DMRT)을 사용하여 구분되었다.

주요 결과
연구 결과, 모든 코팅 요소 제형은 일반 요소(CU)에 비해 성장 매개변수, 생리적 특성 및 수확량 구성 요소를 유의미하게(p < 0.001) 개선하였다.

• 코팅 제형의 성능: 제올라이트 기반 코팅 요소(ZBCU)가 대부분의 측정된 매개변수에서 일관되게 가장 높은 값을 나타냈다. 100% 질소 시용 시, ZBCU는 최대 줄기 길이(64 cm), 생체중(62 g pot⁻¹), 건조중(23.2 g pot⁻¹), 100립 중량(6.25 g)을 생산하였다.
• 시용량 최적화 및 수확량 등가성: ZBCU 또는 BCU를 권장 질소량의 75%로 시용했을 때, 일반 요소의 100% 시용과 통계적으로 동일한 곡물 수확량을 생산했다는 점이 핵심적인 발견이다. 이는 수확량 손실 없이 질소 시용량의 25%를 절감할 수 있음을 의미한다.
• 생리적 특성: BCU 처리구에서 엽록소 함량(SPAD 값)이 가장 높았으며(52.4), 그 다음은 CU(46.8)였다.
• 질소 이용 효율: 코팅 제형의 질소 부분 요인 생산성(PFPN)은 일반 요소보다 18~27% 더 높았으며, 특히 낮은 질소 시용량(50% 및 75%)에서 가장 높은 값을 기록하여, 질소 공급이 제한되거나 조절될 때 효율성이 향상됨을 시사하였다.

의의 및 주장
본 논문은 제올라이트와 바이오차를 요소의 천연 코팅재로 사용하는 것이 밀 생산성과 질소 이용 효율을 높이는 실행 가능한 전략이라고 주장한다. 구체적으로, 본 연구는 다음과 같이 단언한다:

1. 천연 코팅(제올라이트 및 바이오차)은 일반 요소 및 님 코팅 요서보다 질소 방출을 작물의 수요와 동기화하는 데 더 우수하다.
2. ZBCU 또는 BCU를 사용할 경우, 수확량 감소 없이 질소 시용량을 25%(권장량의 75% 사용) 줄이는 것이 가능하다.
3. 이 접근 방식은 합성 폴리머 코팅의 위험과 과도한 질소 시용을 완화하는, 경제적이고 환경적으로 지속 가능한 질소 관리 전략을 제공한다.

저자들은 이러한 결과가 반건조 지역의 밀 시스템에서 경제적 수익과 환경적 지속 가능성을 모두 최적화하기 위해 ZBCU 또는 BCU 형태의 75% 권장 질소 시용량을 채택하는 것을 지지한다고 결론지었다.