Silicate rock remineralizers sustain soil potassium availability and irrigated rice yield in subtropical agroecosystems

기술 요약: 아열대 관개 논 시스템에서의 규산염 암석 재광화제

문제 제기
국가 식량 안보의 핵심 요소인 브라질의 관개 논 생산은 칼륨(K) 관리와 관련하여 상당한 과제에 직면해 있다. 남부 브라질의 수문 지형 토양(primarily Albaqualfs)은 낮은 양이온 교환 용량(CEC)과 높은 수확량(종종 8 Mg ha⁻¹ 초과)을 유지하기에 불충분한 천연 칼륨 비축량을 보유하고 있다. 결과적으로 이 농업 시스템은 광물질 비료에 크게 의존하고 있다. 현재 브라질에서 사용되는 비료의 약 80%는 수입되며, 염화칼륨(KCl)이 지배적인 칼륨 공급원이다. 이러한 의존도는 상승하는 국제 비용과 고용해성 비료(예: 용탈 손실)와 관련된 환경적 우려로 인해 경제적 취약성을 야기한다. 규산염 암석 분말(재광화제)은 다른 영양소와 함께 칼륨을 제공하고 토양 화학성을 개선함으로써 잠재적인 대안을 제시하지만, 아열대 관개 논 시스템에서 KCl의 직접적인 대체제로서의 효능을 검증하는 현장 데이터는 여전히 부족하다.

연구 방법
이러한 지식 격차를 해소하기 위해, 2023/24 재배 시즌 동안 브라 Brazil 남부의 네 곳의 사이트(Capão do Leão, Rio Grande, Camaquã, Rio Grande do Sul)에서 현장 실험이 수행되었다. 본 연구는 여섯 가지 칼륨 시비 처리를 평가하기 위해 4반복의 난괴법(randomized complete block design)을 활용하였다:

1. T1: 칼륨 시비 없음 (대조군).
2. T2: 염화칼륨 (KCl) (관행 관리).
3. T3: 음석 (Phonolite).
4. T4: 사면암 (Syenite).
5. T5: 네펠린 사면암 (Nepheline syenite).
6. T6: 운모 편암 (Mica schist).

규산염 암석 처리구(T3–T6)는 KCl의 100% 용해도와 비교되는 이들의 낮은 수용성(<1%)을 고려하여, 총 칼륨 함량 기준 권장 KCl 시비량의 3배 속도로 적용되었다. 적용 시기는 달랐는데, KCl은 V4 발육 단계에 적용된 반면, 규산염 재광화제는 토양 상호작용 및 풍화 시간을 연장하기 위해 겨울 작물(페르시안 클로버) 파종 15일 전에 혼입되었다.

주요 평가는 다음과 같다:

• 토양 분석: 0–0.20 m 깊이에서 교환성 칼륨(Mehlich-1 및 Ammonium Acetate를 통해)과 총 칼륨(X-선 형광법을 통해)의 정량화. 암석의 광물 조성은 X-선 회절법(XRD)을 통해 결정되었다.
• 식물 분석: 지상부 생물량(AGB) 내 질소(N) 및 칼륨 농도, 초장, 그리고 특정 생육 단계에서의 엽록소 지수(SPAD) 측정.
• 수확량 및 수지: 생리적 성숙기에 벼 곡립 수확량(GY)을 측정하였다. 토양 칼륨 수지는 칼륨 투입량(비료)과 칼륨 유출량(곡립 수출) 및 토양 교환성 칼륨 변화량을 비교하여 계산되었다.

주요 결과

• 토양 칼륨 가용성: 규산염 재광화제의 적용은 모든 사이트에서 토양 교환성 칼륨(Mehlich-1) 농도를 KCl 대비 평균 128% 유의미하게 증가시켰다. 총 토양 칼륨은 처리에 의해 영향을 받지 않았으나, 대체 공급원들은 가용성 칼륨 분율을 성공적으로 유지하거나 향상시켰다.
• 식물 영양 및 생리: 질소 농도는 칼륨 공급원에 의해 영향을 받지 않았다. 그러나 AGB 내 칼륨 농도는 KCl(T2) 및 운모 편암(T6) 처리구에서 약 34 g kg⁻¹로 유의미하게 높았으며, 이는 다른 처리구보다 55% 높은 수치였다. 초장과 엽록소 지수는 사이트별 반응을 보였는데, 특히 T5와 T6는 L1에서 초장을 증가시켰고, T6는 L2와 L4에서 가장 높은 엽록소 지수를 나타냈다.
• 곡립 수확량: 벼 곡립 수확량은 대부분의 사이트에서 기존 KCl 시비 수준(~8.5 Mg ha⁻¹)과 유사하게 유지되었다. 성능은 위치에 따라 차이가 있었으나(예: L2와 L3에서는 T5가 가장 높았고, L4에서는 T6가 가장 높음), 대체 공급원들이 전반적으로 대조군이나 KCl에 비해 생산성을 저하시키지는 않았다.
• 칼륨 수지: 시스템은 모든 사이트에서 양(+)의 칼륨 수지(19–40 kg ha⁻¹)를 나타냈다. 재광화제는 일부 지표에서 KCl보다 100% 이상의 개선 효과를 보이며 더 유리한 토양 교환성 칼륨 수지에 기여하였으며, 이는 토양 프로파일 내 가용 칼륨의 효과적인 축적을 시사한다.

의의 및 주장
저자들은 규산염 암석 분말—특히 음석, 네펠린 사면암, 운모 편암—이 아열대 관개 논 시스템에서 기존 KCl 시비의 실행 가능한 대안이 된다고 결론짓는다. 본 연구는 이러한 재료들이 작물 생산성과 영양 상태를 유지하면서 다음과 같은 독특한 농학적 이점을 제공함을 입증한다:

1. 강화된 토양 칼륨 수지: 용탈되기 쉬운 고용해성 KCl과 달리, 규산염 광물의 점진적인 방출은 영양소 공급을 작물의 수요와 동기화하여 토양 내 교환성 칼륨의 더 큰 축적을 이끌어내는 것으로 보인다.
2. 지속 가능성 및 회복력: 현지에서 조달 가능한 암석 잔재물을 활용함으로써 비료 수입 의존도를 낮추고, 생산 비용을 절감하며, 광업 부산물의 가치 제고를 촉진한다.
3. 시스템 안정성: 결과는 이러한 재광화제들이, 특히 환원 조건(침수)이 광물 풍화를 촉진할 수 있는 시스템에서 구조적 칼륨의 저장고 역할을 함으로써 장기적인 토양 비옥도를 지원할 수 있음을 시사한다.

본 논문은 단일 시즌의 결과가 유망하긴 하지만, 광물 풍화와 누적된 토양 비옥도 개선의 완전한 이점은 연속적인 작기 순환에 대한 평가가 필요할 수 있다는 점을 언급하며 장기적 영향에 대해 신중한 어조를 유지한다. 연구 결과는 이러한 공급원들이 영양소 수입에 의존하는 지역에서 더욱 회복력 있고 지속 가능한 농식품 시스템에 기여할 수 있는 잠재력을 강조한다.