프로젝트 개요 



- 프로젝트 명칭 : 부족한 관개 시스템을 통한 토양 물 절약과 식물 생산력 향상 

- 기간 : 2018/11/01 – 2019/6/25

- 위치/지역 : 지역 농업 및 환경 분야

- 수혜자 : 

환경과학 분야의 연구생, 관개용수 자원 관리와 관련된 지역 농민, 연구 역량 강화 측면에서 Quaid-i-Azam 대학교

- 주제 : 토양 수질 보전

- 유형 : 조사

- 예산(미국 달러) : 

총 프로젝트 비용 : 승인 금액 1,997 / 실제 금액 1,904

EPLC 보조금 : 승인 금액 1,900 /실제 금액 1,900

NGO 자체 기금 : 승인 금액 0 / 실제 금액 0

* 총 프로젝트 지출 실행률 : 95.14 %

* 보조금 사용 : 99.79%





최종 보고서  



Ⅰ. 소개 

1. 배경 : 

아태지역은 인구증가(2050년 52억 예측), 도시화, 산업화, 기후 변화 상황(IIASA, 2016)으로 인해 물 부족에 가장 취약합니다. 이 모든 분야의 물 수요는 가까운 미래에 심각한 물 부족을 초래하고 있습니다. 예측된 추정치는 34억 명의 사람들이 물 스트레스를 받는 환경에서 살아야 할 것이라는 것을 보여줍니다(IIASA, 2016). 식수와 관개수의 증가하는 수요를 충족하기 위해 그 지역에서 상당한 재충전 때문에 지하수 자원이 급격히 고갈되고 있습니다. 지하수 채취가 가장 많은 상위 5개국 가운데 3개국(인도, 중국, 파키스탄)이 아태지역(AWDO, 2016)에 있습니다. 파키스탄에서는 식량 수요를 충족하기 위해서 추출된 지하수의 34%가 관개용(Margat, van der Gun, 2013)에 사용되고 있습니다. 이것은 지하수 자원의 엄청난 감소를 초래하고 있습니다. 비용이 많이 드는 대체 수원을 찾거나 농작물 생산을 위한 물 사용량을 줄이기 위한 전략을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있습니다. 부족한 관개 시스템은 농작물에 의한 최대 물 사용 효율을 결정하는 데 유리할 수 있습니다. 부족한 관개 관행은 특히 가뭄 상황에서 물과 생산성을 극대화하도록 이끌 수 있습니다. 

파키스탄 등 이 지역의 건조 및 준건조국들의 또 다른 환경 문제는 알칼리성, 염분, 영양소 결핍으로 인한 농업용 토양의 포기입니다. 증가하는 식품 수요를 충족하기 위해, 이러한 토양에서 합성 무기 비료의 집중 사용은 일반적인 관행으로, 질산염과 인산염으로 지하수 오염을 위협하고 있습니다. 따라서 유기적인 수정과 같은 토양 수정의 대체원을 찾고 있습니다. 이러한 유기 토양 첨가제는 토양 기능을 향상시켜 그 생식력과 생산성을 높일 수 있습니다 (Goyal et al. 1999; Usman et al., 2004). 유기적인 수정은 구조, 토양의 물 보유 능력, 그리고 영양 상태와 같은 토양 특성을 강화시킬 수 있습니다. 바이오차르는 최근 토양의 질을 향상시키고, 탄소를 분리하고, 기후 변화를 완화하는 데 귀중한 토양 개선으로 이용될 수 있는 매력을 얻었습니다. 바이오차르는 일반적으로 제한된 산소 조건 하에서 화농분해를 통해 바이오매스로 생산됩니다. 특히, 농업 폐기물을 바이오차르로 전환하면 폐기물 처리나 재활용 문제가 줄어듭니다 (Sirinivasan, Sarmah 2015). 그러나 바이오차르 속성은 생산조건에 따라 크게 좌우되기 때문에, 최대 출력을 낼 수 있는 원하는 제품을 얻기 위해서는 중요한 평가가 필요합니다. 

또한, 바이오차르와 같은 유기적 토양 개선을 적용하여 토양 물 보존은 농작물 수확량에 영향을 미치지 않고 관개수의 사용을 최소화하기 위한 적자 관개 시스템을 촉진할 수 있습니다. 

2. 목표 : 

두 가지 환경 문제를 고려하여, 실험 대상 프로젝트는 폐 오렌지 껍질을 생물 연료로 변환한 다음, 토양의 질을 향상시키고 물 사용량을 보존하기 위해 바이오차르를 적용하는 것을 제안하고 있습니다. 

제안된 프로젝트의 주요 목표는 다음과 같습니다. 

1) 다는 화농 온도에서 폐 오렌지 껍질로부터 바이오차르 생산

2) 생산된 바이오차르의 물리화학 특성화

3) 최대 토양 물 보존을 위한 바이오차르 유형의 최적화 및 적용률

4) 최적 바이오차르를 이용한 온실의 화분 실험에 따른 토양수분보전, 작물 대응 계수 및 작물수 생산성에 대한 적자관개체계의 영향 조사



Ⅱ. 프로젝트 실행 결과 

1. 목표의 결과 : 다양한 화농 온도에서 폐 오렌지 껍질로부터 바이오차르 생산

활동 1 : 오렌지 껍질 폐기물 수집 및 처리

Quaid-i-Azam 대학 캠퍼스의 오두막집에 있는 과일과 주스 가게들에 방문했습니다. 가게 주인들은 오렌지 껍질 폐기물을 별도의 가방에 보관해 달라는 요청을 받았습니다. 그 가방들은 가게 주인들에게 제공되었습니다. 오렌지 껍질 폐기물은 매일 각 상점에서 수거하여 바이오차르 생산을 위한 충분한 양이 확보되었습니다. 약 20kg의 오렌지 껍질이 수거되었습니다. 수거된 오렌지 껍질 폐기물은 플라스틱 시트에 펴 바르고, 햇 빛 아래 말려서 10% 미만의 수분 함량을 가지고 있었습니다. 말린 오렌지 껍질을 잘게 썰어 기계식 그라인더를 이용해 갈아서 10츠 미만의 조각들을 얻었습니다. 마지막으로, 처리된 오렌지 껍질 폐기물은 추가적인 바이오차르 생산을 위해 상자에 저장되었습니다. 

활동 2 : 다양한 화농 온도에서 오렌지 껍질 폐기물로 바이오차르 생산

가공된 오렌지 껍질 공급 원료는 온도 조절기가 장착된 머플로(Vulcan D-550, USA)에서 화농 분해를 통해 열처리를 받았습니다. 특히, 오렌지 껍질 사료 주스는 제한된 산소 조건을 얻기 위해 도자기 십자가에 단단히 싸여 뚜껑으로 덮여 있었습니다. 십자가는 머플로 안에 놓여 있었습니다. 난방 속도는 분당 5℃로 설정되었으며, 최고 온도는 300, 500 또는 700℃로 2시간 동안 고정되었습니다. 다른 온도에서 생산된 바이오차르는 밤새 용광로 내부에서 식고 계량되어 밀폐 용기에 보관되었습니다. 이렇게 해서 BC300, BC500, BC700으로 지정된 세 가지 다른 바이오차르가 생산되었습니다. 여기서 접두사(BC)는 바이오차르를 나타내고 접미사(300, 500, 700)는 화농 분해 온도를 나타냅니다. 

2. 목표의 결과 : 생산된 바이오차르의 물리화학적 특성화

활동 1 : 바이오차르 특성화

생산된 바이오차르에는 전기 전도도(EC), pH 및 수분, 이동 물질, 거주 물질, 재 내용물을 포함한 근위 분석의 특징이 있었습니다. 양적 결과는 표 1에 제시되어 있습니다. 생산 온도가 300℃에서 700℃로 상승하면서 바이오차르 수율이 감소한 것으로 관측되었습니다. 이것은 높은 온도에서 리그닌과 셀룰로오스 분해 때문일 수 있습니다. 이동성 물질은 300℃에서 700℃로 증가하면서 천천히 감소하였습니다. 그러나 500℃를 넘어서는 이동 물질의 감소가 적었습니다. 거주 물질도 온도가 상승하면서 증가했습니다. 거주 물질은 또한 토양의 바이오차르의 안정성과 관련된 고정된 물질로도 알려져 있습니다. 연소 중 유기물질과 알칼리성 광물 잔류물의 축적으로 인해 바이오차르의 온도가 상승함에 따라 재 함량이 증가하였습니다. 

바이오차르의 관측 pH 값은 BC300, BC500, BC700의 각각 6.1, 8,9, 10.22였습니다. 화농성 온도가 증가함에 따라 산성 기능 집단의 제거로 pH 값은 알칼리성이 되었습니다. pH 값의 증가는 높은 탄산화 온도에서 유기 폐기물의 알칼리 염이 축적되었기 때문입니다. 

흥미롭게도 산화 가능한 유기물 C는 BC300(7.86±0.58%)보다 BC500(1.13±0.43%)과 BC700(1.13±0.146)에서 매우 낮았으며, 이는 고온에서 생산된 바이오차르 내 높은 거주 물질과 관련이 있을 수 있습니다. 

생산된 바이오차르는 X선 형광(XRF) 분광계를 사용하여 원소 구성을 분석하였습니다. 그 결과는 표 2에 나와 있습니다. 32.76%~49.39%에 이르는 모든 바이오차르에서 Ca가 주 원소인 것으로 나타났습니다. K함량은 발화 온도가 증가함에 따라 감소하였습니다. 즉 BC300에서 13.76%, BC500에서 7.87%, BC700에서 11.33%입니다. 다른 우려 요소는 상당한 농도의 Fe와 Sr이었습니다. 이러한 결과는 오렌지 껍질에서 추출한 바이오차르에는 독성 성분이 들어있지 않다는 것을 보여주었습니다. 반면 바이오차르에는 토양에서 식물의 성장에 필요한 필수 요소(Ca, K, Fe, Sr)가 풍부했습니다. 

세 개의 바이오차르의 표면 구조는 스캐닝 전자 현미경(SEM)을 사용하여 시각화되었습니다. 결과는 그림 1에 나와있습니다. BC300의 표면은 BC500과 BC700에 비해 다공성이 적고 상대적으로 평탄하다는 것이 관찰되었습니다. 특히 BC700은 다공성 표면이 매우 많았으며, 이는 700℃의 고온에서 화농 분해 시 휘발성 화합물이 제거되었기 때문입니다. 다공성 바이오차르 표면은 토양에 도포했을 때 수분 함량을 유지하는 능력을 나타냅니다. 또한 이러한 구멍은 미생물 개체군의 서식지 역할을 하므로 토양 생물학적 활동이 개선됩니다. 

바이오차르의 표면 화학은 FTIR(Fourier transform infra-red) 분광법을 통해 표면에 존재하는 기능 그룹에서 결정되었습니다. 다른 바이오차르(BC300, BC500, BC700)의 FTIR 스펙트럼은 그림 2에 나타나 있습니다. BC300에는 BC500과 BC700에 비해 서로 다른 집중적인 기능 집단이 포함되어 있는 것이 관찰되었습니다. 화농증 온도가 증가함에 따라, BC500과 BC700에서는 다양한 산성 기능 집단의 방출로 인해 기능 집단의 강도가 감소하였습니다. 3350㎝-1까지의 브로드밴드 전송대는 BC300에서만 OH(수산기) 그룹이 존재하며 BC500에서는 강도가 낮음을 나타냈습니다. BC700에서 이 집단의 부재는 물과 관련된 집단의 제거에 대한 고온의 영향을 보여주었습니다. 마찬가지로 2900㎝-1의 밴드는 C-H2 스트레치의 전형적인 존재를 나타냈습니다. 카복시기 그룹은 BC300에서 BC500 사이의 1400-1578㎝-1, BC700에서 1394㎝-1의 주파수에서 식별되었습니다. 추가적인 산소 함유 기능 그룹(C-O 스트레치)은 인산염, 티올, 황화물 등과 같은 1251-780㎝-1 사이에서 관찰되었습니다. 1251㎝-1의 독특한 아릴기-O 대역은 BC500에서 유래되었습니다. 아릴기-O 스트레치는 기본적으로 큰 링 방향성 화합물(C-O 스트레치)로 구성되어 있어 바이오차르의 안정화와 관련된 방향성을 나타냅니다. FTIR 스펙트럼에서 1032㎝-1에서 고강도 에테르(C-O-C) 비표현화합물이 관찰되었습니다. 

BC500과 BC700의 870㎝-1의 투과 대역은 평평한 굴곡에서 바깥 쪽으로의 방향족 C-H를 나타냈으며, 이는 높은 발화 온도에서 바이오차르의 방향족 구조가 증가하는 것을 보여주었습니다. 일반적으로 700℃(BC700)의 고온에서 생산된 바이오차르에서 대부분의 기능 그룹이 감소하는 것으로 관찰되었습니다. 전체적으로 볼 때 화농성 온도는 바이오차르 특성에 큰 영향을 주었습니다. 

3. 목표의 결과 : 최대토양수보전을 위한 바이오차르 종류 및 적용률 최적화

활동 1 : 토양 채취 및 처리

이 토양은 파키스탄의 Attock에서 채취되었습니다. 상위 20㎝ 벌크 토양 샘플은 농업 현장에서 채취하여 Quaid-i-Azam 대학의 실험실로 가져왔습니다. 그 토양은 일주일동안 공기 중에 말렸습니다. 그리고 나서 그것은 자갈과 이물질을 제거하고 균질화된 토양 입자를 얻기 위해 2㎜ 체에 걸러졌습니다. 처리된 토양은 추가 분석과 실험을 위해 폴리에틸렌 백에 보관되었습니다. 

활동 2 : 토양 특성화

토양 특성화 토양은 토양 질감, 습기, pH, EC, 토양 유기 물질, 수용성 질산염, 인산염 등 기본 토양 매개 변수로 특징지어졌습니다. 그 결과는 표 3에 나와 있습니다. 토양은 모래와 유기물이 낮은(0.91%) 알칼리성(pH 8.3)이었습니다. 

활동 3 : 다양한 바이오차르를 사용한 토양 기둥 실험

다양한 유형의 바이오차르로 토양 물 보존을 결정하기 위해 토양 기둥 실험 설정이 시작되었습니다. 토양은 각 열(250g)에 포장이 되어 각 바이오차르 유형(BC300, BC500, BC700)의 세 가지 다른 적용률이 있었습니다. 토양만 있고 생물량이 없는 제어 토양 기둥도 비교 목적으로 설치되었습니다. 모든 토양 기둥은 우선 토양의 물 보유 능력에 따라 증류수 68㎖로 균형이 맞추어졌습니다. 그런 다음, 부족한 관개 시스템을 기준으로 하여 각 처리마다 관개수의 100%, 80%, 60%, 40%를 적용하였습니다. 누적 증발은 각 토양 기둥의 일일 무게에 의해 결정되었습니다. 누적 증발량은 각 사이클에 대해 계산되었고, 총 누적 증발량은 각 바이오차르 처치의 7개 주기에 걸쳐 계산되었습니다. 누적 증발량은 각 급수 주기에 따라 증가하였습니다. 7 주기가 끝날 때 총 누적 증발량은 각 바이오차르의 5% 적용률이 대초 토양에 비해 증발 손실을 감소시키는 데에 비교적 효과적이었다는 것을 보여주었습니다. 3개의 바이오차르 중, BC500의 5% 적용률은 수정되지 않은 토양보다 토양으로부터의 증발 손실 감소가 훨씬 더 큰 것으로 나타났습니다. 

습식 건조 주기가 끝날 때 기둥의 토양 깊이, 토양 부피 밀도 및 토양 수분 함량을 고려하여, 토양 저수량을 계산하였습니다. BC500 바이오차르는 적용률에 관계없이 모든 관개 적용에 따른 통제에 비해 토양 물 저장이 증가하였습니다. 토양 물 저장의 증가율은 통제와 비교했을 때 BC500 처리에서 21%~111%까지 다양했습니다. 다른 바이오차르(BC300, BC700)는 일부 적용률과 일부 관개 적용에서 토양 물 저장이 감소하는 것을 보였습니다. 따라서 BC500은 다른 바이오차르보다 토양 물을 저장하는 데 있어 유망한 결과를 나타냈습니다. 그럼에도 불구하고 1%의 적용률에서 BC700은 통제 토양과 비교하여 40%의 관개 적용 하에서 가장 높은 토양 저수율(184%)을 얻었습니다. 

활동 4 : 열실험 후 물 보존을 위한 토양분석

토양 기둥 실험을 수행한 후, 각 처리물의 토양에 대한 물 보유 능력 분석을 실시하였습니다. 

일반적으로, 토양에 바이오차르를 적용하면 토양 물 보유 용량이 증가할 수 있다고 보고되었습니다. 그 결과는 이전의 연구 결과와 일치합니다. 특히, 100% 관개 용수 공급 하에서 모든 바이오차르들은 통제에 비해 토양 물 보유 용량이 상당히 증가되었습니다. 또한, 5%의 바이오차르 적용률이 토양 물 보유 용량 향상에 더 효과적이라는 것이 관찰되었습니다. 다른 바이오차르들 중에서 BC500은 통제와 비교했을 때, 적용률이 5%이고 관개 용수 공급량이 40% 미만인 토양 물 보유 용량이 최대로 증가(34%)한 것으로 나타났습니다. 

마지막으로, 토양 기둥 실험을 통해 수정된 토양의 토양수분 보전을 계산하였습니다. 각 바이오차르의 적용률이 5%에 불과해 토양을 통제하는 것에 비해 저수량을 크게 늘린 것으로 추론되었습니다. 

4. 목표의 결과 : 토양 수분 보전에 대한 부족한 관개 시스템의 영향 조사, 최적화된 바이오차르를 이용한 온실 포트 실험에 따른 작물 반응 인자와 작물 수질 생산성

활동 1 : 부족한 관개 시스템에서 토양 수분 보전을 위한 최적 바이오차르 실험

토양 기둥 실험의 전체적인 결과(누적 증발, 토양 수분 저장, 토양 수분 보전 능력 및 보전도)를 바탕으로 BC500이 부족한 관개 시스템 하에서 토양 수분 보전에 적합한 후보지가 될 수 있음을 시사하였습니다. 따라서 BC500의 5%의 적용률이 포트 실험에 최적화된 바이오차르로 선택되었습니다. 

각 화분에 750g의 흙을 담은 플라스틱 화분으로 구성된 온실 화분 실험 세트. 두 가지 치료법, 즉 바이오차르가 없는 치료법과 바이오차르가 적용된 치료법이 적용되었습니다. 서로 다른 바이오차르를 사용한 토양 열 실험의 결과에 기초하여, 생물차 치료에 대해 BC500 바이오차르의 5%(w/w) 적용률을 선택했습니다. BC500은 흙과 완전히 섞여서 포트에 채워졌습니다. 포트에 관개하기 위해 100%, 80%, 60%, 40% 등 부족한 관개 시스템을 사용하였습니다. 토양은 우선 고추(카옌 고추) 묘목을 심는 것에 따라 밭의 용량과 평형을 이루었습니다. 원래 제안서에서는 토마토 식물이 포트 실험을 위해 제안되었습니다. 그러나 현재의 기상 조건 하에서 토마토 식물이 잘 자라지 않았기 때문에 포트 실험은 고추 식물로 반복되었습니다. 

식물의 길이, 잎의 수, 꽃과 과일을 포함한 식물의 생리학적 매개변수가 관찰되었습니다. 처음에는 각 포트에 5개의 묘목을 심었는데, 각 포트에 2개의 식물로 줄어들었습니다. 일반적으로 각 포트에 있는 고추 식물의 길이는 성장 시간에 따라 증가하였습니다. 그러나 바이오차르와 함께 또는 바이오차르가 없는 토양에서 자라는 식물의 길이에서 유의미한 차이가 관찰되지 않았습니다. 게다가 부족한 관개(80, 60, 40% 수분 관개 공급) 또한 식물의 길이에 부정적인 영향을 주지 않았습니다. 흥미롭게도 40%의 수분 공급량에서 바이오차르와 함께 토양에서 자라는 식물들의 길이는 바이오차르 없이 토양에서 자라는 식물들보다 약간 더 높았지만, 그 결과는 통계적으로 유의미하지 않았습니다. 

식물의 길이와 달리, 잎의 수에 대한 데이터는 유망한 결과를 보여주었습니다. 전체 (100%) 관개 시스템 하에서 자라는 식물의 잎의 수는 바이오차르가 없는 토양보다 훨씬 많았고, 이러한 증가가 식물 성장 후기에 더 두드러졌습니다. 그러나 부족한 관개 시스템(80, 60, 40%) 하에서 바이오차르로 수정된 토양에서 자라는 식물의 잎의 수는 전체 관개 수분을 공급받는 식물에 비해 적었습니다. 바이오차르 처리와 상관없이 관개 수분 공급의 40% 미만으로 자라는 식물에서 가장 적은 잎의 수가 관찰되었습니다. 이러한 결과는 100% 및 80% 관개 시스템에서 통제(즉, 바이오차르 미포함)와 비교하여 토양에 대한 바이오차르 적용이 식물 성장을 촉진하는 데 효과적이었다는 것을 보여주었습니다. 수분 공급을 80% 미만으로 더 감소시키는 것은 바이오차르로 수정된 토양에서 식물의 성장에 긍정적인 영향을 주지 않았습니다. 꽃들은 또한 완전한 관개 시스템 하에서 바이오차르를 받는 포트에서만 관찰되었습니다. 

고추 식물을 이용한 포트 실험의 반복과 프로젝트의 시간 제한으로 인해 식물 성장 매개변수는 단기간(32일)동안만 보고됩니다. 그러나 실험은 여전히 진행 중이며, 추가적인 관찰이 지속적으로 이루어지고 있습니다. 다가오는 자료는 과학 논문 작성에 사용될 것입니다. 

전반적으로 고추 식물을 이용한 포트 실험은 최대 80%의 관개 시스템으로 수정된 토양에서 식물 생산성이 향상된 것을 보여주었습니다. 이것은 오렌지 껍질에서 추출한 바이오차르가 부족한 관개 시스템 하에서 고추 식물의 생산성을 향상시키기 위한 값싼 대체 토양이 될 수 있다는 것을 암시했습니다. 





Ⅲ. 예산 집행 결과 

표





Ⅳ. 기타 

1. 제안과 추천 

그 프로젝트는 순조롭게 진행되었습니다. 그러나 여러 과일 가게에서 오렌지 껍질 원료를 수집하는 동안, 때때로 공공의 상호작용이 힘들었습니다. 과학적 지식이 없는 사람들에게 연구 작업의 중요성을 설명하기는 어려웠습니다. 이 프로젝트에 참여한 연구 학생들은 많은 것을 배웠습니다. 그들은 바이오차르 생산과 그 특성화에 대한 새로운 지식을 얻었습니다. 그들은 또한 실험들을 설계하고 프로젝트 목표에 따라 데이터를 해석하는 방법을 배웠습니다. 특히, 시장 사람들과의 사회적 상호작용은 크게 발전되었습니다. 이런 작은 프로젝트는 대학원생들이 그들의 연구 활동을 수행하는 데 정말 도움이 됩니다. 단, 이러한 연구 과제의 연구결과를 실무적으로 이행하기 위해 보조금 증액을 제안합니다. 

2. 기타 모든 사항(강조, 간략한 일화 등)

저는 그 프로젝트를 연구생들과 함께 즐겼습니다. 하지만, 프로젝트 시간은 매우 짧았습니다(8개월). 적어도 12개월은 되어야 합니다. 





Ⅴ. 부록

AWDO. (2016). Asian water development outlook 2016: Strengthening water security in Asia and the Pacific. Mandaluyong City, Philippines: Asian Development Bank. 

Goyal, S., Chander, K., Mundra, M.C. and Kapoor, K.K. (1999). Influence of inorganic fertilizers and organic amendments on soil organic matter and soil microbial properties under tropical conditions. Biology and Fertility of Soils 29, 196-200. 

IIASA. (2016). World Bank Climate Change Knowledge Portal: Agriculture Model by IIASA. 

http://sdwebx.worldbank.org/climateportal/index.cfm?page=country_impacts_agriculture&This Region=Asia&ThisCcode=PAK 

Margat, J. and van der Gun, J. (2013). Groundwater around the World. Leiden, Netherlands: CRC Press/Balkema. 

Sirinivasan, P. and Sarmah, A.K. (2015). Characterisation of agricultural waste-derived biochars and their sorption potential for sulfamethoxazole in pasture soil: A spectroscopic investigation. Science of the Total Environment 502, 471-480. 

Usman, A.R.A., Kuzykov, Y. and Stah, K. (2004). Dynamics of organic C mineralization and the mobile fractions of heavy metals in a calcareous soil incubated with organic wastes. Water Air and Soil Pollution 15, 401-418.