퇴비 이용기술

1. 토양 유기물

가. 토양 유기물의 정의

토양은 암석이나 광물의 파편 또는 식물의 부후산물 등의 고형물과 이들 고형물 사이를 채우고 있는 공기와 물로 되어 있다. 이들을 고상(固相), 액상(液相), 기상(氣相) 즉 토양구조의 3상(相)이라고 한다. 고상은 무기물과 유기물로 되어 있고 토양유기물은 토양의 입단조직에 영향을 미치며 기상과 액상에 미치는 영향도 크다. 토양 유기물은 양적으로 볼 때 적은 양이지만 이들이 토양의 이화학적 및 생물적 성질에 미치는 영향은 크다. 토양유기물은 토양의 양이온 치환용량의 반 이상을 차지하며, 다른 어떤 요소보다 토양입단의 안전성을 유지하는 중요한 인자이다. 토양중의 유기물 즉, 동물과 식물의 잔재는 미생물 작용이나 화학작용을 받아서 분해한다. 각종 동식물 유체는 토양에 들어가면 여러 가지 미생물에 의하여 분해되어 본래의 조직이 변질되거나 합성되어 갈색 또는 암갈색의 일정한 형태가 없는 질상의 복잡한 물질로 되는데 이것을 유기물 또는 부식(腐植)이라고 정의하고 있다. 부식은 토양유기물 가운데 부식화된 부분이며 그 화학적 구조, 구성 및 성질은 아직도 정밀하게 구명되지 못하고 있다.

(그림 Ⅲ-1) 토양의 3상

나. 토양 유기물과 지력

토양의 생산력을 지력이라 말한다. 토양의 생산력은 토양을 관리하는 방법에 따라 커질 수도, 작아질 수도 있다. 지력은 토양의 물리적 및 화학적인 성질에 의하여 좌우되는데 우선 물리적으로 건전해야 한다. 즉 양질의 점토가 다른 토양입자와 적당한 비율로 혼합되어 비료의 흡수저장력이 적당해야 하며 지하수위가 너무 깊거나 얕지도 않아 작물에 대한 수분공급에 부족이 없으면서도, 투수가 비교적 잘되어 작물뿌리의 호흡을 장해하는 물질의 축적이 없어야 한다. 지력의 다른 구성인자는 토양의 화학적 성질이다. 이 인자는 토양의 산도나 양이온, 음이온의 치환용량, 즉 영양분의 흡수 저장력과 같은 구조적인 것과 식물 영양분의 다소 및 그 방출속도 등으로 재분류할 수 있다. 이런 화학적 성질을 보통 토양비옥도라고 한다. 과거에는 토양의 생산력, 즉 지력이 토양의 비옥도와 거의 같은 의미로 쓰일 때가 많았다. 토양의 생산력이 주로 식물영양분의 과다에 의하여 지배되어 이것이 많은 토양은 생산력이 높고 적은 토양은 생산력이 낮았기 때문이었다. 그러나 현재는 물영양분은 화학물질로 쉽게 공급할 수 있다. 문제가 되는 것은 토양의 물리성과 이 성질에 연유된 화학성 및 영양분의 유효화속도 등이라고 할 수 있다. 토양의 물리성을 지배하는 가장 기본적인 인자는 그 토양을 만든 골격인 광물성분과 그들이 위치한 지형 등이지만 토양을 입단화하여 통기성을 좋게 하는 등의 부분적인 물리성 개량은 유기물 시용으로 손쉽게 할 수 있는 실제적인 방법이다. 유기물 시용은 토양부식을 증가시킨다. 토양부식의 증가는 다른 영양분의 증가와 함께 토양질소를 증가한다. 토양부식이 식물영양분을 흡수 저장하여 그 세탈을 줄이는 동시에 미생물의 번식을 촉진하여 공중질소를 더 많이 고정하게 하기 때문이다. 이런 효과 때문에 지력을 유지 증진하는 방법이 유기물의 시용이라고 종래 생각해 왔던 것이다. 사실 부식의 함량이 많은 토양에서는 적은 양의 비료로도 많은 수량을 생산할 수 있다. 그만큼 토양의 양분 공급력이 증가하는 것이다. 즉 척박한 토양에서 시비의 효과가 크고 비옥한 토양에서 시비의 효과가 적게 나타난다. 부식의 함량이 높은 토양은 그렇지 못한 토양보다 생산력이 크기 때문에 토양에 일정량의 유기물을 유지시킨다는 것은 실제 농업에 있어서 중요한 문제이다. 특히 경지 중의 유기물은 매년 환경조건에 따라 다량 소모되기 때문에 이것을 유지시키기 위해서는 유기물의 반복시용이 매우 중요하다. 토양의 부식은 전술한 바와 같이 여러면에서 작물생육에 이롭기 때문에 토양부식의 함량증대는 지력의 증대를 의미하고 있다. 그러나 경우에 따라서는 토양부식의 과다가 작물생육에 좋지 못한 영향을 주기도 한다. 부식토처럼 부식이 월등히 많을 경우에는 부식산에 의해서 산성이 강해지고, 점토의 함량이 부족해서 불리할 경우가 있다. 투수가 잘 안되는 습답에서는 토양공기가 부족해서 유기물의 분해가 저해되어 과다한 축적을 가져오기 쉬운데, 유기물이 과다한 습답에서는 고온기에 분해가 왕성할 때 토양을 심한 환원상태로 만들어서 여러 가지 해작용을 끼친다. 배수가 잘되는 밭이나 투수가 잘되는 논에서는 토양유기물의 분해가 왕성하므로 해마다 넉넉히 주더라도 과다한 축적을 보이지 않는다.

다. 토양 유기물의 기능

토양 비옥도 평가기준으로서 토양부식의 중요성은 재론의 여지가 없다. 유기물 함량은 농경지 토양의 비옥도를 결정짓는 제일 중요한 요인으로 평가되고 있다.

우리 나라 토양의 유기물 함량은 1920년대까지 논이 4.4%, 밭이 3.4 %에 달했으나 현재는 논이 2.7%, 밭은 2.4%에 불과한 실정이다. 최근에 유기성 폐기물 처리 차원에서 퇴비제조 이용량이 증가되고 있으나 60∼70년대에는 화학비료 공업의 발달, 농촌 일손부족 및 증산위주의 농업정책으로 퇴비 이용량이 저조하였다. 최근에는 시설재배나 신농법을 추구하는 농가들을 중심으로 퇴비 수요가 급증하고 있다. 유기물의 주요 기능을 요약하면 다음과 같다.

(1) 식물양분 공급원으로서의 효과

토양부식은 다량요소와 미량요소 공급기능이 있다. 그리고 그 효과는 화학비료와 달리 완효성이며 지속적으로 작물에 양분을 공급한다. 특히 분해 과정에서 이산화탄소를 방출하여 식물의 광합성을 촉진시키고 작물에 생육촉진물질을 공급하는 효과도 있다.

(2) 토양의 이화학성 개선효과

토양부식은 토양입자를 입단화하여 토양의 공극분포도를 늘리고 투수성과 보수성 및 통수성을 좋게 하며 강우에 의한 토양침식을 방지하는 토양물리성 개선 효과가 있다. 토양의 부식은 토양의 점토보다 양이온 치환능력이 더 크므로 부식질 토양은 CEC가 높아 완충 능력을 향상시키는 기능을 한다. 한편 부식은 킬레이트제 기능을 하므로 토양중 활성 알루미늄 생성을 억제시키고 인산 고정을 방지할 뿐만 아니라 토양 인산의 유효화를 촉진시키는 기능을 갖고 있다.

(3) 토양중의 생물상과 그 활성의 유지 및 증진

토양중에 부식함량이 증가되면 토양중 중소 생물과 미생물 수가 증가되고 종의 다양성이 증가되어 생물상이 안정된다. 그 결과 물질순환능이 증가되어 생물학적 토양완충기능이 강화된다. 또한 토양의 미생물의 수와 활성이 증가되어 유해 물질을 분해, 제거 및 안정화시키는 기능이 증대되는 효과가 있다.

<표 Ⅲ-1> 유기물의 토양중 기능과 역할

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(1) 식물 양분 공급원으로서의 효과

ㅇ 다량 요소의 공급원

ㅇ 미량 요소의 공급원

ㅇ 완효적, 지속적, 누적적 양분 공급 효과

ㅇ 이산화탄소의 공급원

ㅇ 성장 촉진 물질 공급

(2) 토양의 이화학성 개선 효과

ㅇ 토양 단립의 형성(점질물 입자에 의한 떼알 조직화)

- 공극분포, 투수성, 보수성, 통수성, 내침식성 등의 개선

ㅇ 양이온 치환 능력 증대

ㅇ 킬레이트 작용

- 활성 알루미늄 생성 억제

- 인산의 고정 방지 및 토양 인산의 유효화

- 불가급태 양분의 유효화

ㅇ 완충능 증대

(3) 토양중의 생물상과 그 활성의 유지 및 증진

ㅇ 중소 생물, 미생물 증가 및 안정화

ㅇ 물질 순환능 증대

ㅇ 생물적 완충능 증대

ㅇ 유해물질의 분해 제거

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라. 토양유기물의 유지

(1) 토양에서 유기물의 분해

식물체를 조성하고 있는 유기물을 분류하면 리그린, 셀루로스, 헤미셀루로스, 전분, 당류, 단백질 등이다. 이 중에서 리그린은 가장 분해되기 어렵고 다음으로 셀룰로스, 헤미셀룰로스이며 전분과 단백질은 분해되기 쉽다. 이 분해작용은 모든 미생물의 활동에 의한 것이며 유기물을 음식으로 이용하기 때문에 분해된다.

분해과정에서 유기물에 함유된 질소와 인산을 무기화시키므로 토양중에 방출하여 양분 공급효과를 가져온다. 유박, 계분 등과 같이 주로 단백질로 구성되어 있는 것은 질소함량이 높으며 토양에 시용하면 분해가 빨라 양분 공급효과가 현저하다. 한편 볏짚류는 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 전분 등이 주성분이기 때문에 온도와 수분이 미생물 활동에 적당하면 빠른 속도로 분해가 진행되므로 질소는 무기화되어 토양중에 공급되는데 이 관계는 유기물의 C/N율에 따라 좌우된다. 따라서 소량은 유기물량으로 대표할 수 있다.

(2) 탄질률과 분해

유기물의 탄질율(C/N률)은 함유된 질소의 양에 따라 범위가 대단히 넓다. 토양유기물의 탄질률을 조사해 보면 보통 경지에서는 약 10정도이다. 유기물의 분해과정에서 탄소와 질소를 방출하기도 하며 부족분은 흡수하여 최종적으로 탄질률 10전후의 부식이 된다. 탄질률이 적을 때 즉 탄소의 양에 대한 질소량이 상대적으로 많을때는 분해도중 과잉의 질소는 암모니아로 되어 없어진다. 탄질률이 높을때는 미생물의 먹이로 질소가 부족하기 때문에 토양중의 다른 유기물로부터 방출되는 질소 또는 공기중의 질소 등을 고정, 이용하게 된다. 이 두 작용의 경계의 탄질률은 약 20이다(그림 Ⅲ-2). 따라서 탄질률이 큰 볏짚과 같은 유기물은 토양중에서 분해되기 위하여 미생물이 암모니아, 초산태질소를 이용하기 때문에 작물이 이용할 질소가 부족하게 되어 일시적으로 작물의 생육을 나쁘게 하는 경우가 있다. 셀룰로스는 볏짚과 같은 식물체에 함유된 유기물의 중심이 되는 물질이지만 분해가 진전됨에 따라 주위의 토양에 함유된 무기태질소와 공기중 질소가 미생물의 작용으로 유기물의 일부로 변화하여 부식으로 된다. 보릿짚은 샐룰로스 등의 탄수화물량에 비해 질소함량이 적어 탄질률이 100이상이 되기 때문에 질소고정량이 많은 반면 볏짚은 탄질률이 60정도이므로 질소고정량이 적다. 단백질 등 분해되기 쉬운 질소화합물을 함유하는 물질 즉 계분, 오니 등은 분해가 빨라 질소의 방출이 대단히 많게 된다. 퇴비는 보통 탄질률이 15인 퇴비를 연용하면 토양중의 질소는 축적되어 간다.

(그림 Ⅲ-2) 유기물의 C/N율과 질소의 무기화율과의 관계

(3) 분해의 조건

유기물의 분해는 유기물의 탄질률과 관계가 있지만 유기물의 종류에 의해서도 지배된다. 퇴비는 발효과정을 거쳤기 때문에 미생물의 먹이가 되기 어려워 토양중에서 분해가 늦다. 퇴비를 연용하면 시용퇴비의 일부는 분해작용을 받고 나머지 부분은 부식으로 되어 토양에 남게 된다. 탄수화물은 주로 이산화탄소, 메탄 등의 가스로 대기중으로 소실된다. 이 분해작용은 토양의 조건에 따라 좌우되며 온도의 영향을 크게 받고 토양의 수분상태, 경운법, 재배법에 따라서도 지배된다. 특히 름기간중에 분해가 왕성하여 대부분이 이시기에 분해가 이루어진다. 논의 담수조건하에는 산소가 부족하기 때문에 미생물의 활동이 약하여 밭에 비하여 분해가 늦다. 그 예로서 퇴비와 볏짚의 분해율을 측정한 결과는 그림 Ⅲ-3과 같다. 경지에서 유기물의 분해를 촉진하여 작물에 양분의 공급량을 많게 하는 작용을 유지하는 것이 지력증진의 목적이므로 경지를 경작하지 않을 때보다 유기물이 축적되기 어려운 조건이 된다.

(그림 Ⅲ-3) 논과 밭의 유기물 분해율

(4) 토양유기물의 유지 및 증진 방안

토양유기물이 많은 토양은 그렇지 못한 토양보다 생산력이 크기 때문에 토양에 일정량의 유기물을 유지 또는 증가시킨다는 것은 실제 농업에 있어서 중요한 과제이다. 특히 경작지의 유기물은 매년 재배 환경조건에 따라 다량 소모되므로 이것을 유지 또는 증가시키기 위해서는 유기물의 되풀이 시용이 중요하다.

<표 Ⅲ-2> 한해 농사로 없어지는 유기물 (kg/10a)

우리나라 논의 경우 1작에 10a당 75kg의 부식이 소요되고 2모작의 논 뒷 그루일때는 10a당 37.5kg(1, 2모작 11.3kg/10ha)이 소요되므로 유기물을 사용 할 때는 이를 고려해야 한다. 경작지 토양의 유기물 함량을 높이는 방법으로는 다음과 같은 것을 생각할 수 있다.

ㅇ 모든 식물의 유체는 토양으로 되돌려 주어야 한다.

ㅇ 유기물이 토양으로 부터 제거되는 수단 즉 토양침식을 막아야 한다.

ㅇ 수량을 높일 수 있는 토양관리법을 적용해야 한다.

ㅇ 유기물을 시용할 때는 토양의 조건, 유기물의 종류를 고려해야 하며 윤작을 하여 질이 좋은 토양유기물이 많이 집적되도록 하여야 한다.