Unlocking the Sheet and Splash Erosion Mitigation Effects of Engineered Porous Biochar Across Slope Gradients in an Agricultural Loess Soil
본 연구는 변형된 유기 기공 탄소(MGPC) 바이오차를 적용하는 것, 특히 5% 중량 농도로 적용하는 것이 모의 강우 조건 하의 황토에서 시트 및 스플래시 침식을 유의미하게 완화하며, 그 효과는 적용 비율이 높을수록 그리고 경사도가 완만할수록 증가한다는 것을 입증한다.
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토양은 지구의 얇고 살아있는 피부이며, 우리 음식의 뿌리를 붙잡고 우리가 마시는 물을 여과하는 취약한 층이다. 세계 여러 지역에서 이 피부는 황토(loess)로 이루어져 있는데, 이는 매우 비옥하지만 동시에 대단히 취약한 미세한 바람에 날려온 퇴적물이다. 맨땅에 폭우가 내리면, 개별 빗방울의 충격이 토양의 구조를 산산조각 내어 단단한 지면을 씻겨 내려가는 진흙탕으로 만들 수 있다. 시트 침식(sheet erosion)이라고 알려진 이 과정은 가장 영양분이 풍부한 표토를 앗아가며, 빗방ルの 튀김 현상은 미세 입자들을 공중과 물속으로 튀겨 올려 하천을 막히게 하고 땅을 퇴화시킨다. 농부와 토지 관리자들에게 주어진 과제는 환경을 해칠 수 있는 무거운 기계나 값비싼 화학 처리를 사용하지 않고 이 토양을 결합하여 유지할 방법을 찾는 것이다.
이란과 중국의 연구팀은 최근 폐기물을 보호 수단으로 바꾸는 해결책을 테스트하기 위해 연구를 시작했다. 그들은 '공학적 다공성 바이오차(engineered porous bioochear)'라고 불리는 물질에 주목했다. 이것이 무엇인지 이해하기 위해, 수확된 밀대의 줄기, 제재소의 톱밥, 또는 잘라낸 종려나무나 포도나무 가지와 같은 식물 찌꺼기를 산소가 없는 특수 오븐에서 굽는다고 상상해 보라. 열분해(pyrolysis)라고 불리는 이 과정은 식물체를 검은 숯 같은 물질로 바꾼다. 연구진은 여기서 한 걸음 더 나아가, 이 숯을 수산화칼륨으로 화학적으로 활성화하고 매우 높은 온도로 가열했다. 이를 통해 미세하게 서로 연결된 구멍들이 가득한 물질을 만들어냈으며, 이는 스펀지처럼 물을 흡수할 수 있는 높은 다공성을 갖게 되었다. 목표는 이 공학적 물질을 토양에 혼합하는 것이 비의 파괴적인 힘에 맞서는 방패 역할을 할 수 있는지 확인하는 것이었다.
과학자들은 이란의 침식 취약 지역에서 채취한 소량의 황토를 사용하여 통제된 실험실 환경에서 조사를 수행했다. 그들은 가벼운 뿌림부터 무거운 혼합까지 다양한 양의 공학적 바이오차를 토양에 섞어 준비했으며, 화학적으로 활성화되지 않은 티슈 페이퍼 폐기물로 만든 버전도 테스트했다. 또한 이 구획들을 완만한, 보통, 그리고 가파른 경사지를 모사하는 세 가지 각도로 설정했다. 그다음, 레인 시뮬레이터를 사용하여 30분 동안 시간당 70밀리미터의 일정하고 강렬한 폭우를 쏟아붓게 했다. 이 강도는 해당 지역에서 발생할 수 있는 폭풍우에 필적하는 수준이다. 비가 내리는 동안, 그들은 유출되는 물과 지표면 바로 위의 배수구로 튀어 오른 토양 입자들을 주의 깊게 수집하여 정확히 얼마나 많은 토양이 손실되었는지 측정했다.
결과는 놀라웠다. 공학적 다공성 바이오차가 혼합된 구획에서는 처리되지 않은 대조군 구획에 비해 씻겨 내려간 토양의 양이 급격히 감소했다. 가장 효과적인 처리는 바이오차를 중량 대비 5% 포함한 혼합물이었는데, 완만한 경사지에서 짚 유래 바이오차를 사용했을 때 토양 손실을 최대 91%까지 줄였다. 가장 가파른 경사지에서도 바이오차 처리된 토양은 맨땅보다 훨씬 더 잘 버텨냈다. 연구진은 이 물질이 단순히 담요처럼 지표 위에 놓여 있는 것이 아니라, 토양 전체에 혼합됨으로써 물과 토양이 상호작용하는 방식을 변화시킨다는 것을 발견했다. 바이오차의 다공성 구조는 물을 흡수하여 토양 매트릭스 내에 머금으로써, 표면을 타고 흘러내려 퇴적물을 실어 나르는 물의 부피를 줄였다. 또한 이는 토양 입자들이 서로 달라붙도록 도와 빗방울의 충격에 의해 입자들이 떨어져 나가는 것에 저항력을 갖게 했다.
그러나 모든 종류의 바이오차가 똑같이 작동한 것은 아니었다. 짚과 톱밥으로 만든 물질은 특히 강력한 결과를 보여준 반 반면, 티슈 페이퍼 폐기물에서 유래한 바이오차는 효과가 덜했으며 특히 가파른 경사지에서는 불안정했다. 이는 식물 재료의 원래 출처가 매우 중요하다는 것을 시사한다. 숯의 구체적인 구조, 즉 기공의 크기와 수분 보유 능력은 어떤 식물에서 왔는지와 어떻게 가공되었는지에 따라 달라진다. 연구는 또한 적용된 바이오차의 양도 중요함을 밝혀냈는데, 일반적으로 더 많은 양을 투입할수록 더 나은 보호 효과를 제공했지만, 더 많이 추가해도 더 이상의 이득이 없는 한계점도 존재했다. 물의 힘이 가장 강한 가파른 경사지에서도 바이오차는 여전히 작동했지만, 완만한 경사지에 비해 토양 손실 감소 폭이 약간 적게 나타났는데, 이는 이 물질이 강력하긴 하지만 지형의 경사도가 여전히 중요한 요인임을 나타낸다.
연구진은 이러한 결과가 장기적인 현장 시험이 아닌 실험실 시뮬레이션에서 나온 것임을 주의 깊게 명시했다. 실험은 30분 동안만 진행되었으므로, 폭우에 대한 토양의 즉각적인 반응은 포착했으나 바이오차가 노화되거나 토양이 침전됨에 따라 몇 달 또는 몇 년 동안 토양이 어떻게 행동할지는 보여줄 수 없었다. 또한 그들은 물이 토양을 통과하는 정확한 속도나 토양 화학의 장기적인 변화와 같은 모든 물리적 변화를 측정하지도 않았다. 이러한 한계에도 불구하고, 본 연구는 공학적 다공성 바이오차가 토양 침식을 관리하기 위한 실행 가능한 도구라는 강력한 증거를 제공한다. 농업 및 산업 폐기물을 토양 개량제로 전환함으로써, 농부들은 소중한 표토의 손실을 막는 동시에 폐기물이 매립지로 보내지는 양을 줄일 수 있을 것이다. 이 연구는 적절한 유형의 바이오차와 적절한 양이 뒷받침된다면, 귀중한 표토의 손실을 현저히 늦출 수 있어 취약한 구릉 지역의 농업을 위한 지속 가능한 길을 제시할 수 있음을 시사한다.
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