Negative potassium balances threaten global crop production

기술 요약: 음(-)의 칼륨 수지(Negative Potassium Balances)가 전 세계 작물 생산을 위협하다

문제 제기
칼륨(K)은 효소 활성화, 수분 조절, 광합성 및 스트레스 내성에 필수적인 핵심 식물 영양소이다. 이러한 중요성에도 불구하고, 칼륨 관리는 질소(N)나 인(P)에 비해 역사적으로 소홀히 다루어져 왔다. 이러한 소홀함은 많은 토양이 충분한 천연 칼륨 비축량을 보유하고 있다는 인식, 가시적인 결핍 증상의 부재("숨겨진 굶주림"), 그리고 N 및 P에 비해 칼륨 손실의 직접적인 환경 영향이 낮다는 인식에서 기인한다. 결과적으로, 많은 농업 시스템은 작물 제거량이 투입량을 초과하는 음(-)의 칼륨 수지로 진화하였으며, 이는 점진적인 토양 칼륨 고갈로 이어지고 있다. 저자들은 현재의 칼륨 투입량이 기존 수확량을 유지하거나, 토양 칼륨 비축량의 추가적인 채굴 없이 달성 가능한 수확량을 확보하기에는 불충분하다고 주장하며, 이는 특히 지정학적 무역 분쟁이 가리(potash) 가용성에 영향을 미치는 상황에서 글로벌 식량 안보에 심각한 위협이 된다고 본다.

방법론
글로벌 칼륨 제한의 범위와 심각성을 평가하기 위해, 저자들은 전 세계 곡물, 유지작물 및 섬유 생산량의 약 3분의 2를 차지하는 31개 주요 경작 시스템을 아우르는 포괄적인 다중 지표 데이터베이스를 구축하였다. 데이터셋은 다음을 포함한다:

• 2,200만 개의 토양 샘료: 치환성 칼륨 농도 측정용.
• 66,300개의 K-결핍 수확량 시험: 적절한 N과 P가 공급된 상태에서 K 결핍 처리군과 K 시비 처리군을 비교.
• 117,000개의 현장 수준 투입-산출 K 수지(K balances).

본 연구는 현장 수준의 데이터를 우선시하고, 세밀한 데이터가 없는 경우 국가/지역별 집계치를 활용하여 농가 단위의 K 수지를 추정하는 계층적 접근 방식을 채택하였다. K 수지는 투입량(무기/유기 비료, 관개, 종자)과 산출량(수확된 곡물 및 잔사 제거/연소)의 차이로 계산되었다.

분석은 다음을 통합하였다:

1. 메타 분석(Meta-analysis): K 결핍에 따른 수확량 반응과 경제적 수익을 정량화하며, 반복 실험 횟수와 수확 면적에 따라 가중치를 부여함.
2. 공간 분석(Spatial Analysis): 다양한 생물물리학적 및 관리 맥락에 걸쳐 칼륨 제한을 매핑함.
3. 프로세스 기반 작물 모델링(Process-based Crop Modeling): 달성 가능한 수확량(잠재 수확량의 80%로 정의)을 추정하고, 두 가지 시나리오 하에서 미래의 K 요구량을 투영함: (a) 현재 수확량을 유지하기 위한 중립적 K 수지 달성, (b) 토양 K 고갈을 피하면서 수확량 집약화(달성 가능한 수확량)를 달야하는 경우.

주요 결과

• 토양 칼륨 부족: 대부분의 경작 시스템에서 토양 자체의 칼륨 공급만으로는 현재 수확량 수준의 작물 요구량을 충족하기에 불충분하다. 칼륨 비료를 생략할 경우 모든 시스템에서 평균 11%의 수확량 감소가 나타났으며, 가장 큰 결핍은 남아시아, 동남아시아, 중국, 미국 면화 벨트 및 아프리카 벼 재배 시스템에서 관찰되었다.
• 경제적 타당성: 칼륨 비료 시용은 78%의 경작 시스템에서 순이익을 증가시켰으며, 평균 추가 이익은 ha당 US$285로, 비료 비용 대비 3.7배의 수익률을 나타냈다.
• 제한 요인: 칼륨 제한의 변동은 토양 특성(예: 점토 광물학, 치환성 K 수준), 경작 강도 및 잔사 관리 방식에 의해 결정되었다. 칼륨이 낮은 토양, K 고정 점토, 높은 경작 강도 및 광범위한 잔사 제거를 특징으로 하는 시스템에서 가장 심각한 제한이 나타났다.
• 지역별 K 수지:
  • 음(-)의 수지: 낮은 비료 사용량과 높은 잔사 제거로 인해 남아시아(–42 kg K ha⁻¹ y⁻¹), 동남아시아(–23 kg K ha⁻¹ y⁻¹), 아프리카(–32 kg K ha⁻¹ y⁻¹)에서 지속적인 음의 K 수지가 발견되었다.
  • 새롭게 나타나는 제한: 높은 천연 K 비축량에 의해 과거에 완충되었던 시스템인 미국 서부 옥수수 벨트(–33 kg K ha⁻¹ y⁻¹)와 서부 팜파스(–44 kg K ha⁻¹ y⁻¹)가 지속적인 영양소 채굴로 인해 칼륨 제한 단계로 전환되고 있다.
  • 양(+)의 수지: 브라질 세하두(+46 kg K ha⁻¹ y⁻¹)와 중국의 대부분의 곡물 시스템(+55 kg K ha⁻¹ y⁻¹)은 높은 비료 투입 또는 잔사 유지 덕분에 현재 양의 수지를 유지하고 있다.
• 미래 요구량:
  • 단순히 음의 K 수지를 피하고 현재 수확량을 유지하기 위해서는, 전 세계 칼륨 투입량을 연간 약 1,500만 톤에서 1,930만 톤으로 30% 증가시켜야 한다.
  • 토양 K 고갈 없이 달성 가능한 수확량(잠재력의 80%)을 달성하려면, 전 세계 칼륨 투입량을 1,500만 톤에서 2,470만 톤으로 거의 70% 증가시켜야 한다.
  • 상대적으로 가장 큰 증가가 필요한 지역은 아프리카와 남아시아(+100–103 kg K ha⁻¹ y⁻¹) 및 동남아시아 벼 시스템(+81 kg K ha⁻¹ y⁻¹)이다.

의의 및 주장
본 논문은 현재의 수확량을 유지하고 수확량 집약화를 달성하기 위해서는 칼륨 관리 전략의 실질적이고 즉각적인 변화가 필요하다고 주장한다. 저자들은 감소하는 천연 토양 K 비축량에 의존하는 것은 지속 불가능하다고 강조한다. 본 연구는 다음과 같은 점을 강조하며 글로벌 영양 관리 평가를 위한 "청사진"을 제공한다:

1. 광범위한 제한: 칼륨 제한은 열대 토양에 국한되지 않으며, 장기적인 채굴로 인해 온대 지역의 고수율 시스템에서도 나타나고 있다.
2. 정책적 시사점: 많은 지역의 현재 보조금 구조는 N과 P에 비해 K를 소홀히 하여 불균형을 악화시킨다. 또한, K 유출을 고려하지 않고 사료나 바이오 연료를 위해 작물 잔사를 제거하는 정책은 토양 고갈을 가속화할 것이다.
3. 관리 필요성: 단순한 토양 검정을 넘어선 진단 접근법의 개선이 시급하다. 토양 K 수준만으로는 다양한 경작 시스템에서 K 공급을 예측하기 어렵기 때문이다. 효과적인 관리는 잔사 유지, 유기물 재활용, 그리고 특정 수확량 목표 및 잔사 관리 방식에 맞춤화된 최적의 칼륨 시용률을 통합해야 한다.

저자들은 미래의 식량 수요를 충족하기 위해서는 특히 글로벌 사우스(Global South)에서의 칼륨 비료 사용량을 늘리는 것과 더불어, K 재활용 및 토양 건강을 증진하기 위한 개선된 농업 기술이 병행되어야 한다고 결론짓는다.