Phosphorus makes the difference: N/P stoichiometry governs greenhouse gas emissions in manure-amended black soils
중국 동북 지역 흑토에서 퇴비 대체는 토양 탄소 및 질소 풀을 향상시키지만, 인(P) 제한을 유발하여 N/P 비율을 높임으로써 온실가스 배출을 악화시키며, 이러한 화학양론적 불균형이 퇴화된 토양 복원 과정에서 지구 온난화 지수를 높이는 주요 동인임을 확인하였다.
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중국 동북 지역의 광활하고 어두운 들판에는 '흑토'라고 알려진 독특하고 비옥한 토양이 수 세대 동안 국가를 먹여 살려 왔습니다. 이 흙은 단순한 흙이 아닙니다. 이는 열을 가두는 온실가스인 탄소를 저장하고, 작물을 키우기 위해 질소와 인 같은 영양분을 순환시키는 살아있는 엔진입니다. 수십 년 동안 농부들은 이 들판의 생산성을 유지하기 위해 화학 비료에 크게 의존해 왔지만, 이러한 관행은 토양의 자연스러운 균형을 해쳐 지구를 따뜻하게 만드는 가스의 급증을 초래했습니다. 이를 해결하기 위해 많은 이들이 토양의 건강을 회복하고 배출량을 줄이기 위해 가축의 천연 폐기물인 퇴비에 눈을 돌렸습니다. 아이디어는 간단합니다. 화학 비료의 일부를 유기질 퇴비로 대체하여 토양에 더 부드럽게 영양을 공급하는 것입니다. 그러나 이 전환의 결과는 하나의 수수께끼였습니다. 때로는 퇴비가 도움이 되기도 하지만, 때로는 문제를 더 악화시키는 것처럼 보이기도 했습니다. 이 수수께일의 잃어버린 조각은 토양 내 영양분의 정밀한 레시피, 구체적으로는 질소와 인 사이의 섬세한 균형에 있을지 모릅니다.
동북지리농업생태연구소의 연구팀은 전형적인 흑토 지역에서 3년에 걸쳐 이 미스터리를 풀기 위해 나섰습니다. 그들은 다양한 조건에서 옥수수를 재배하는 대규모 현장 실험을 구축했습니다. 어떤 구역은 화학 비료만 받았고, 다른 구역은 그 화학 비료의 일부를 유기질 퇴비로 대체했습니다. 그들은 또한 두 가지 토양 처리 방식을 테스트했는데, 하나는 땅을 깊게 갈아엎는 방식이었고, 다른 하나는 '무경운(no-tillage)'이라 불리는, 토양을 건드리지 않고 그대로 두는 방식이었습니다. 목표는 이러한 서로 다른 접근 방식이 토양의 영양 성분을 어떻게 변화시키는지, 그리고 더 중요하게는 토양이 이산화탄소, 메탄, 아산화질소를 얼마나 많이 대기로 방출하는지를 관찰하는 것이었습니다. 그들은 옥수수의 모든 성장 단계마다 토양의 온도, 수분, 그리고 탄소, 질소, 인의 정확한 양을 추적하며 이 가스들을 지속적으로 측정했습니다.
결과는 토양 건강에 관한 이야기에서 놀라운 반전을 드러냈습니다. 연구진은 퇴비를 추가하는 것이 실제로 토양의 탄소와 질소 비축량을 쌓아 올려 땅을 더 풍요롭고 비옥하게 만든다는 것을 발견했습니다. 퇴비가 사용된 무경운 구역에서는 화학 비료만 사용한 구역보다 토양의 탄소 함량이 훨씬 더 빠르게 증가했습니다. 그러나 이 비옥함의 증가는 값비싼 대가를 치러야 했습니다. 탄소를 더 많이 저장한 구역이 온실가스도 훨씬 더 많이 배출했기 때문입니다. 화학 비료만 사용한 구한 구역과 비교했을 때, 퇴비 처리된 토양은 3년 동안 이산화탄소를 최대 57% 더 많이, 아산화질소를 거의 89% 더 많이 배출했습니다. 퇴비가 지구를 식히는 가스인 메탄을 조금 더 흡수하는 데는 도움이 되었지만, 이 작은 이점은 다른 온난화 가스의 막대한 증가에 의해 완전히 압도되었습니다. 연구진이 이 모든 가스를 결합한 총 온난화 영향을 계산했을 때, 퇴비 처리된 들판은 화학 비료만 사용한 들판보다 거의 58% 높은 지구 온난화 지수를 나타냈습니다.
이 역설을 이해하는 핵심은 토양 내 영양분의 비율에서 발견되었습니다. 연구진은 토양에 질소가 부족한 것이 아니라는 것을 발견했습니다. 사실, 퇴비는 너무 많은 질소를 추가하여 식물과 미생물의 생명에 필수적인 또 다른 영양소인 인의 가용성을 밀어내기 시작했습니다. 이것이 인 제한 상태를 만들었습니다. 이러한 불균형한 환경에서 유기물의 분해를 주도하는 토양 속 작은 미생물들은 인을 갈구하게 되었습니다. 이를 얻기 위해 그들은 토양에 저장된 안정적인 탄소를 훨씬 더 빠른 속도로 분해하며 더 열심히 활동했습니다. 이 격렬한 활동은 저장된 탄소를 이산화탄소로 방출하고 부산물로서 다량의 아산화질소를 생성했습니다. 데이터는 질소 대 인의 비율이 토양의 가스 배출량을 예측하는 가장 중요한 요인임을 보여주었습니다. 이 비율이 높을 때, 즉 인에 비해 질소가 과잉 상태일 때, 배출량이 급증했습니다.
이 발견은 화학 비료를 퇴비로 바꾸는 것이 항상 기후에 이득이 될 것이라는 단순한 가정에 도전합니다. 퇴비가 성공적으로 토양의 비옥도를 회복시키고 탄소를 보유하는 능력을 높였지만, 동시에 화학적 균형을 깨뜨려 저축한 것보다 더 많은 열을 가두는 가스를 방출하는 연쇄 반응을 일으켰습니다. 이 연구는 흑토에서의 지속 가능한 농업을 위한 길은 단순히 유기물을 추가하는 것이 아니라, 특정 영양분의 균형을 세심하게 관리하는 것에 달려 있음을 시사합니다. 만약 농부들이 인의 부족 문제를 해결하지 않은 채 계속해서 퇴비를 추가한다면, 의도치 않게 온실가스 방출을 가속화할 수 있습니다. 연구진은 탄소 격리 노력이 지구 온난화 증가라는 대가를 치르지 않도록 하기 위해서는 향후 전략이 질소 대 인의 비율을 모니터링하고 조정하는 데 집중해야 한다고 결론지었습니다.
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