Split injection with BNI breaks the trade-off between NH3 and greenhouse gas emissions in rice-wheat rotations

농부들은 오랫동안 작물을 먹이는 데 있어 어려운 선택에 직면해 왔습니다. 늘어나는 세계 인구를 위해 충분한 식량을 재배하려면 질소 비료를 살포해야 하지만, 그 살포 방식이 종종 일련의 환경 문제를 일으키곤 합니다. 농부들이 건조한 비료를 논밭 표면에 뿌리면, 그 질소의 상당 부분이 암모니아 가스 형태로 공기 중으로 빠져나가 스모그와 산성비의 원인이 됩니다. 만약 이 문제를 해결하기 위해 비료가 공기 중으로 빠져나가지 못하도록 토양 깊숙이 묻으려 한다면, 또 다른 문제가 발생합니다. 묻힌 질소가 이산화탄소보다 훨씬 더 효과적으로 열을 가두는 강력한 온실가스인 아산화질소로 변할 수 있기 때문입니다. 수십 년 동안 과학자들은 작물 수확량을 희생하지 않으면서도 암모니아의 상승과 온실가스의 형성을 모두 막을 수 있는 방법을 찾기 위해 고군분투해 왔습니다.

중국 타이후 지역의 벼-밀 논밭에서 한 연구팀은 이 딜레마를 해결할 수 있는 것으로 보이는 새로운 접근 방식을 테스트했습니다. 그들은 두 가지 특정 기술을 결합했습니다: 액체 비료를 두 번에 걸쳐 토양 깊숙이 주입하는 것과, 질소의 화학적 분해를 늦추는 천연 물질을 첨가하는 것입니다. 두 번의 완전한 재배 주기에 걸쳐 관찰된 결과에 따르면, 이 조합은 암모니아와 온실가스 배출을 줄일 뿐만 아니라 곡물 수확량도 증가시켰습니다. 이 연구는 식물에 질소를 전달하는 위치와 방식을 바꿈으로써, 농부들이 인구를 먹여 살리는 동시에 공기와 기후를 보호할 수 있음을 시사합니다.

실험은 벼를 여름에 재배하고 밀을 겨울에 재배하는 집약 농업 지역에서 진행되었습니다. 연구진은 질소를 관리하는 다양한 방법을 비교하기 위해 일련의 시험 구역을 설정했습니다. 한 그룹은 전통적인 처리를 받았습니다: 건조한 요소 비료를 세 차례에 걸쳐 논밭 표면에 뿌리는 방식입니다. 다른 그룹은 동일한 표면 비료를 줄은 양만큼 받았습니다. 세 번째 그룹은 줄어든 양의 비료를 받되, 수수 뿌리에서 유래하여 암모늄이 질산염으로 전환되는 과정을 자연스럽게 늦춰주는 생물학적 질화 억제제를 추가했습니다. 마지막으로, 이번 돌파구의 핵심이 된 그룹은 수용성 액체 비료를 10cm 깊이의 토양 속에 두 번 주입받았습니다. 이 주입은 시즌 시작 시점에 한 번, 그리고 이후 작물의 성장 요구에 맞춰 다시 한 번 이루어졌습니다. 이 심층 주입 그룹은 생물학적 억제제 사용 여부에 따라 나누어 테스트되었습니다.

결과는 방법론 간의 극명한 대조를 보여주었습니다. 전통적인 표면 살포 방식은 막대한 양의 암모니아 손실을 초래했습니다. 벼 재배 시즌에는 표면 처리 방식으로 인해 헥타르당 46kg 이상의 질소가 암모니아 가스로 방출되었습니다. 밀 재배 시즌에는 헥타르당 거의 14kg의 손실이 발생했습니다. 이러한 손실은 공기를 오염시킬 뿐만 아니라 농부에게는 돈 낭비를 의미합니다. 연구진이 표면 비료에 생물학적 억제제를 추가했을 때 문제는 더욱 악화되었습니다. 억제제는 질소의 분해를 성공적으로 늦췄지만, 비료가 표면에 놓여 있었기 때문에 질소가 가스로 쉽게 빠져나갈 수 있는 상태로 더 오래 머물게 되었습니다. 밀 재배 시즌에 이 조합은 비료를 줄였을 때보다 암모니아 손실을 67%나 증가시켰습니다.

그러나 심층 주입 방식은 결과를 완전히 바꾸어 놓았습니다. 액체 비료를 10cm 아래로 밀어 넣음으로써, 연구진은 식물 뿌리가 닿을 수 있는 곳에 질소를 효과적으로 가두었습니다. 억제제 없이 비료를 주입한 구역에서는 암모니아 손실이 헥타르당 1kg 미만으로 떨어졌으며, 이는 비료를 전혀 사용하지 않은 대조군과 통계적으로 차이가 없는 수준이었습니다. 질소가 대기에서 멀리 떨어진 토양 깊은 곳에 묻혀 있었기 때문에 공기 중으로 빠져나갈 수 없었던 것입니다.

이러한 질소와 공기의 물리적 분리는 온실가스 문제도 해결했습니다. 연구는 농업의 주요 온실가스인 아산화질소와 메탄 배출량을 측정했습니다. 전통적인 표면 방식은 이 가스들의 가장 높은 배출량을 기록했습니다. 심층 주입 방식은 억제제 없이도 벼에서 거의 60%, 밀에서 43%의 아산화질소 배출량을 크게 줄였습니다. 연구진이 심층 주입 방식에 생물학적 억제제를 추가했을 때 그 감소 폭은 더욱 극적이었습니다. 벼 재고 시즌에는 아산화질소 배출량이 전통적인 방식에 비해 71% 감소했습니다. 밀 재배 시즌에는 54% 감소했습니다. 주로 물이 차 있는 벼 논에서 발생하는 메탄 배출량 또한 심층 주입과 억제제 결합 방식을 사용할 때 벼에서 약 34%, 밀에서 47% 감소했습니다.

이 성공의 메커니즘은 질소가 토양 내에서 어떻게 이동하고 변화하는지에 달려 있습니다. 비료를 표면에 뿌리면 산소가 풍로한 최상층에 머물게 되어, 박테리아가 이를 빠르게 질산염으로 전환하게 만들고, 이는 결국 아산화질소로 배출되거나 씻겨 내려가게 됩니다. 반면 비료를 깊게 주입하면 산소가 적은 구역에 머물게 되어, 식물이 선호하는 형태인 암모늄 상태로 유지됩니다. 생물학적 억제제는 암모늄을 질산염으로 바꾸려는 박테리아의 활동을 더욱 늦춥니다. 질소가 토양 깊은 곳에 유지되고 암모늄 형태로 보존됨으로써, 기후를 해치는 가스로 전환될 기회가 차단되는 것입니다. 연구진은 직접 토양을 측정함으로써 이를 확인했으며, 암모늄이 주입 지점 근처에 집중되어 있는 반면 질산염 수치는 낮게 유지됨을 보여주었습니다.

환경적 이점 외에도, 이 새로운 방식은 수확량을 개선했습니다. 분할 심층 주입과 생물학적 억제제를 사용한 구역이 모든 방식 중 가장 높은 수확량을 기록했습니다. 벼 수확량은 전통적인 방식에 비해 거의 6% 증가했고, 밀 수확량은 거의 20% 급증했습니다. 이는 연구진이 이 구역들에 총 질소 투입량을 줄였음에도 불구하고 달성한 결과입니다. 전통적인 방식은 벼 재배에 헥타르당 300kg의 질소를 사용한 반면, 새로운 방식은 180kg만을 사용했습니다. 이 새로운 방식의 효율성 덕분에 더 많은 비료가 공기나 토양으로 손실되지 않고 곡물로 전달될 수 있었습니다. 경제성 분석에 따르면, 액체 비료의 높은 비용과 주입에 필요한 특수 장비 비용에도 불구하고, 환경 피해 감소와 작물 가치 증대로 인한 절감액이 전체적인 수익성을 더 높게 만들었습니다.

이 연구는 농업 기술에 대한 중요한 교훈을 강조합니다. 즉, 해결책의 '배치'가 해결책 그 자체만큼 중요하다는 것입니다. 생물학적 억제제는 표면에서 사용되었을 때 암모니아 문제를 악화시켰습니다. 그러나 동일한 억제제가 심층 주입과 함께 사용되었을 때, 그것은 매우 효과적인 시스템의 일부가 되었습니다. 깊은 배치는 암모니아의 탈출을 막아줌으로써, 억제제가 공기 오염이라는 대가 없이 질산염 형성을 늦추는 본연의 역할을 수행할 수 있게 했습니다. 이 심층 주입과 생물학적 억제제의 결합은 농부들을 오랫동안 괴롭혀온 상충 관계(trade-off)를 끊어낼 수 있는 길을 제시합니다. 이는 비료를 식물이 필요로 하는 곳에 직접 전달하기만 한다면, 식량 생산을 늘리면서 동시에 질소 오염과 온실가스 배출을 줄이는 것이 가능하다는 것을 입증합니다. 연구진은 이 방식이 널리 보급되기 위해서는 대규모 액체 비료 주입을 위한 더 나은 기계 장치가 필요할 것이라고 언급하면서도, 더 깨끗하고 생산적인 농업의 잠재력이 이제 분명히 손에 닿을 곳에 와 있다고 말했습니다.