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🗂️ 논문 정보
- DOI: 10.1002/jsf2.87
- ISO 690: CIRIMINNA, Rosaria, et al. Volcanic ash as multi‐nutrient mineral fertilizer: Science and early applications. JSFA reports, 2022, 2.11: 528-534.
- 저자: Rosaria Ciriminna, Antonino Scurria, Giuseppe Tizza, Mario Pagliaro
- 카테고리: 지구과학, 지질학
📄 논문 대표 이미지
✨ 논문 핵심 요약
서론
화산 토양은 전 세계적으로 고도의 비옥함으로 잘 알려져 있으며, 특히 인도네시아, 멕시코, 하와이, 카마차카 반도, 이탈리아 남부, 필리핀, 일본 등의 지역에서 발견됩니다. 이러한 토양은 화산재의 추가를 통해 비옥도를 장기간 유지합니다. 그럼에도 불구하고, 화산재를 비료로 사용하는 사례는 제한적입니다. 이는 화산재가 토양 비료로서의 잠재력을 입증한 여러 연구에도 불구하고, 이러한 정보가 널리 알려지지 않았기 때문입니다. 본 연구는 화산재를 농업 비료로 활용하는 것이 농민과 활화산 인근 거주민에게 경제적 기회와 환경적 이점을 제공할 수 있음을 강조합니다.
방법론
본 연구는 화산재가 다양한 영양소를 함유한 광물 비료로서의 역할을 조사합니다. 화산재는 토양 내 미생물 효소에 필요한 미량 금속을 보충하고, 핵심 요소들의 생지화학 순환을 촉진하는 촉매 작용을 합니다. 이 연구는 화산재의 화학적 구성과 농업에의 적용 가능성을 탐구하며, 인도네시아 파판다얀 화산에서 얻은 화산재를 사용한 감자 덩이줄기 성장 사례를 통해 그 유용성을 검증합니다. 또한, 화산재가 토양 비옥도와 구조에 미치는 장기적 영향을 조사하고, 화산재를 토양 개량제로 사용할 때의 이점을 강조합니다.
결과
연구 결과, 화산재의 첨가는 감자 수확량과 전분 함량을 증가시켰습니다. 화산재를 첨가한 토양에서 NPK 비료의 양을 줄였을 때도 수확량이 증가하는 현상이 관찰되었습니다. 이는 화산재에 포함된 미량 금속들이 토양 내 미생물 과정을 촉진하여 수확량을 증가시키는 것으로 해석됩니다. 러시아에서 수행된 실험에서는 화산재를 전통적인 무기질 비료와 결합하여 사용했을 때 감자 수확량이 평균 47% 증가했습니다. 또한, 화산재의 첨가는 이동성 인산염, 칼륨의 함량 증가 및 토양의 염기 포화도를 증가시켰습니다.
결론
화산재는 다기능적이고 효과적인 다영양 미네랄 비료로서, 탄소, 질소, 황, 인 등 기본 영양소의 생지화학적 순환에 기여합니다. 이 연구는 화산재가 농업에 유용한 자원으로 활용될 수 있는 가능성을 제시하며, 특히 활화산 근처에 거주하는 사람들에게 경제적 기회와 환경적 이점을 제공할 수 있음을 강조합니다. 화산재의 대규모 사용은 순환 경제의 새로운 패러다임 하에서 중요한 환경적 이점을 가져올 것으로 예상됩니다. 본 연구는 화산재를 비료로 활용하는 방안에 대한 통합된 그림을 제공하며, 이러한 진보를 가속화할 수 있을 것으로 기대됩니다.
📖 논문 상세 요약
Introduction
화산 토양은 특히 인도네시아, 멕시코, 하와이 제도, 카마차카 반도, 이탈리아 남부, 필리핀, 일본 등의 지역에서 발견되는 고도로 비옥한 안디솔(또는 안도솔, 일본어로 '검은 토양'을 의미)로 잘 알려져 있습니다. 이러한 토양은 화산재의 간헐적인 추가를 통해 빠른 풍화 작용으로 영양분을 제공함으로써 장기적인 지상 생태계의 비옥도를 갱신합니다. 그럼에도 불구하고, 화산재를 비료로 의도적으로 사용하는 경우는 여전히 제한적입니다. 이는 2010년대에 발표된 여러 연구에서 화산재가 토양 비료 및 조절제로서의 효과를 명확히 입증했음에도 불구하고 놀라운 일입니다. 예를 들어, 미국의 학자들은 2012년에 화산재(2004년 그림스뵈튼 분화 및 2010년 에이야피아틀라요쿨 분화에서 나온 현무암재와 트라키안디사이트 재)를 시뮬레이션된 토양에 추가했을 때 발아율과 성장률이 높아지고, 건강한 외모의 곡물 식물이 빠르게 성장하는 결과를 보였습니다. 그러나 이러한 연구 결과는 실용적인 정보가 부족하고 산재되어 있으며 일반적으로 최신 상태로 유지되지 않아 농부들이 이러한 비료화 잠재력을 인식하지 못하고 있습니다.
본 연구는 2022년 3월 에트나 화산의 분화로 인해 시칠리아 정부가 최소 1500만 유로의 경제적 비용을 추산한 바와 같이, 화산재 처리가 높은 경제적 비용을 발생시키는 문제에 주목합니다. 화산재는 다양한 영양분을 함유한 광물 비료로서, 토양 내 미생물 효소에 필요한 미량 금속을 보충하여 N, C, P, S와 같은 핵심 요소의 효율적인 생지화학 순환을 촉진하는 촉매 작용을 합니다. 이러한 발견은 2010년대 러시아의 카마차카와 인도네시아에서 주로 입증되었으나, 활화산 근처에 거주하는 사람들과 학계에서는 여전히 잘 알려져 있지 않습니다. 이 연구는 화산재를 농업 비료로 활용하는 것이 농민과 활화산 인근에 거주하는 인구에게 경제적 기회를 제공할 뿐만 아니라 중요한 환경적 이점을 제공한다는 점을 강조하며, 이러한 진전을 가속화하기를 기대합니다.
A multi-nutrient mineral fertilizer
본 연구에서는 화산 폭발 시 대기 중으로 방출되는 화산재(VA) 미립자가 다양한 크기와 형태로 배출되며, 이 중 큰 입자는 몇 시간 내에, 미세한 입자는 며칠에서 몇 달 후에 수천 킬로미터 떨어진 곳까지 이동한다고 설명합니다. 화산재는 다양한 영양소를 함유한 광물질 비료로서, 토양 내 미생물 효소에 필요한 미량 금속을 보충하여 N, C, P, S 등 주요 원소의 효율적인 생물지화학 순환을 촉진하는 촉매 작용을 합니다. 이는 러시아의 카마차카와 인도네시아에서 주로 연구되었으며, 활발한 화산이 있는 지역에서 대규모로 접근 가능하고 과잉 생산된 화산재를 농업 비료로 사용하는 것은 농민과 활화산 인근에 사는 사람들에게 중요한 경제적 기회를 제공하며 환경적 이점도 제공합니다. 본 연구는 이러한 진전을 가속화하기를 희망하며, 화산재의 화학적 구성이 농업에 즉각적으로 중요함을 강조하며, 특히 인도네시아 파판다얀 화산의 VA가 감자 덩이줄기 성장에 사용된 사례를 통해 그 유용성을 보여줍니다.
본 연구는 화산재가 토양 비옥도와 구조에 미치는 장기적인 영향을 조사하며, 화산재를 토양 개량제로 사용할 때의 이점을 강조합니다. 연구자들은 화산재가 토양에 첨가될 때, 특히 신선한 화산재가 비료로서 작물 재배 비용을 낮출 수 있음을 발견했습니다. 이는 화산 폭발로 인한 단기적인 부정적 영향(화산재 낙하)을 사회적 이익(저렴한 비료의 지역적 원천)으로 전환시킬 수 있다는 점에서 중요합니다. 또한, 러시아에서 수행된 개방형 농업 실험에서는 카마차카의 화산재를 전통적인 무기질 비료와 결합하여 사용했을 때, 감자 수확량이 평균 47% 증가하는 결과를 보고했습니다. 이러한 결과는 화산재가 토양 비옥도를 향상시키고, 작물 생산성을 증가시킬 수 있는 유망한 자원임을 시사합니다.
본 연구에서는 화산재의 첨가가 감자 수확량과 전분 함량을 증가시키는 것을 관찰하였습니다. 특히, 화산재를 첨가한 토양에서는 NPK 비료의 양을 기존 120kg/ha에서 60kg/ha로 줄였을 때 평균 수확량이 37%에서 62%로 증가하는 현상을 발견하였습니다. 이는 화산재에 포함된 미량 금속들이 토양 내 미생물 과정을 촉진하여 수확량과 전분 함량을 증가시키는 것으로 해석되었습니다. 또한, 이러한 현상은 화산재가 토양 효소 활성에 미치는 영향과 관련이 있을 것으로 추정되며, 이는 토양 미생물과 효소가 토양 비옥도에 중요한 역할을 하는 바이오지화학적 순환에 기여하기 때문입니다. 이 연구 결과는 화산재를 광범위한 비료로 활용할 수 있는 가능성을 제시하며, 화산재가 연간 사료용 풀의 수확량과 원료 단백질 함량을 증가시키는 것을 확인하여 이러한 촉매 작용 메커니즘을 뒷받침합니다.
러시아 학자들은 2021년 이동성 인산염, 칼륨의 함량이 각각 7-21%, 16-77% 증가하고, 토양의 염기 포화도가 9.27% 증가하는 것을 발견했습니다. 또한, 이동성 Co, Mn, S, Zn, Cu의 함량이 각각 32%, 29%, 20%, 23%, 8% 증가했다고 보고했습니다. 이들은 재의 화학 원소 누적 농도 대비 토양 내 전체 농도의 비율로 정의된 잠재 비옥도 지수(PFI)를 도입했으며, 재의 기본성이 높을수록 비옥도 지수가 높다는 역관계를 밝혔습니다. 동시에, 인도네시아의 국제 연구팀은 2005년 탈랑 산 폭발 직후 수집한 신선한 테프라를 사용하여 테프라가 대기 중 이산화탄소를 포집하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 이 연구는 테프라가 초기 식물의 성공과 새로운 토양 형성을 통해 매우 높은 비율(연간 헥타르당 1.8-2.5톤 CO2)로 토양 유기 탄소를 축적할 수 있음을 보여주었습니다.
Outlook and perspectives
화산재는 탄소, 질소, 황, 인과 같은 기본 영양소의 생지화학적 순환에 관여하는 토양 미생물에 미량 금속을 공급하는 촉매 메커니즘을 기반으로 하는 다기능적이고 효과적인 다영양 미네랄 비료입니다. 이 메커니즘은 소량의 화산재(2.5에서 7.5 t/ha)를 사용하여 넓은 토양 면적을 비옥하게 할 수 있음을 제안하며, 주로 러시아의 카마차카와 인도네시아에서 실시된 실험을 통해 2010년대에 철저히 입증되었습니다. 그럼에도 불구하고, 이러한 발견은 활발한 화산 근처에 사는 사람들과 학계에서 잘 알려져 있지 않습니다. 디지털 시대에는 활동적인 화산 주변에 사는 주민들이 화산재의 실용적 사용에 대한 정보를 인터넷을 통해 공유하기 시작했으며, 몇몇 소규모 회사들은 화산재를 비료로 상업화하고 있습니다. 이는 과학적 발견이 수십 년 동안 제한된 관심을 받다가 재발견되는 또 다른 예로, 화산재를 미네랄 비료로서 연구하는 것은 글로벌 사회 및 환경적 중요성을 가진 과학적 발견입니다.
화산 폭발은 종종 농업 활동에 해롭지 않으며, 때로는 이로울 수도 있음이 밝혀졌습니다. 예를 들어, 2021년 카나리아 제도의 라 팔마 섬에서 발생한 화산 폭발 이후, 수천 헥타르의 바나나 농장에서는 중금속이나 희귀 원소 오염이 관찰되지 않았으며, 바나나 과육에서의 몰리브덴(Mo) 농도는 이 미량 원소의 영양 섭취를 증가시켜 일일 영양 섭취 요구량의 최대 35%까지, 심지어 최악의 시나리오에서도 허용 일일 섭취량의 5%를 초과하지 않았습니다. 또한, 북미의 한 회사는 유타주의 고대 화산재 채굴지에서 추출한 고농축 광물질 실리카 광석을 이용한 농업용 비료 및 토양 개량제를 70년 이상 성공적으로 상업화하여 다양한 작물의 성장에 긍정적인 영향을 보고하고 있습니다. 이러한 사례들은 화산재(VA)를 토양 미네랄 비료로 대규모 활용하지 않는 이유에 대해 잘못된 정보의 역할을 재고하게 합니다.
본 연구는 순환 경제의 새로운 패러다임 하에서 화산재를 다양한 영양소를 함유한 비료로 활용하는 것이 농민과 활성 화산 근처에 사는 사람들에게 경제적 기회를 제공한다는 점을 강조합니다. 이러한 화산재의 대규모 사용은 특히 생물성 폐기물에서 얻은 새로운 세대의 유기 비료와 결합할 때 중요한 환경적 이점을 가져올 것으로 예상됩니다. 이 연구는 분산되어 있고 잘 알려지지 않은 연구 결과들로부터 통합된 그림을 제공함으로써, 이러한 진보를 가속화할 수 있을 것으로 기대됩니다.
📚🔄 논문 전체 번역
화산재를 다영양소 광물 비료로: 과학과 초기 응용
초록
화산재는 다영양소 광물 비료로, N, C, P, S와 같은 주요 요소의 효율적인 생지화학적 순환을 위한 토양 세균 효소에 필요한 미량 금속을 보충하는 촉매 작용 메커니즘을 통해 상대적으로 적은 양으로 넓은 토양 표면을 비옥하게 할 수 있습니다. 이러한 발견은 2010년대 러시아의 캄차카와 인도네시아에서 주로 입증되었으며, 이 두 지역은 활발한 화산 활동이 있는 세계의 지역입니다. 이러한 발견은 아직 잘 알려지지 않았습니다. 신흥 순환 경제의 원칙을 충족시키면서, 쉽게 구할 수 있고 과잉 공급되는 테프라를 농업 비료로 대규모로 사용하는 것은 활화산 근처에 사는 농부와 인구 모두에게 중요한 경제적 기회를 제공하며, 또한 중요한 환경적 이점을 제공합니다. 통합된 그림을 제공함으로써 이 연구는 이러한 진전을 가속화할 수 있기를 바랍니다.
1. 서론
화산토는 그 뛰어난 비옥함으로 잘 알려져 있습니다.1 인도네시아, 멕시코, 하와이 제도, 캄차카 반도, 이탈리아 남부, 필리핀, 일본과 같은 지역과 국가에서 흔히 볼 수 있는 안디솔(또는 안도솔, 일본어 안도에서 유래한 "검은 토양")은 테프라/화산 암반에서 유래한 매우 비옥한 화산토입니다.2
가장 많이 인용된 화산토 관련 도서 중 한 장에서는 “화산재의 간헐적인 추가는 화산 퇴적물의 빠른 풍화로 인한 영양소 공급원을 제공함으로써 육상 생태계의 장기적인 비옥 상태를 갱신한다”고 설명하고 있습니다.3
하지만, 화산재를 비료로 의도적으로 사용하는 일은 여전히 일반적으로 제한적입니다(아래 참조).
이는 2010년대에 발표된 여러 최근 연구에서 화산재의 토양 비료 및 개량제로서의 효과가 명확히 입증된 점을 고려할 때 다소 놀랍다고 할 수 있습니다. 예를 들어, 미국의 연구진은 2012년 초, 화산재(2004년 Grimsvötn 분화의 현무암질 화산재와 2010년 Eyjafjallajökull 분화의 트라키안데사이트 화산재)를 모의 토양에 첨가하면 발아율과 성장률이 높아지며, 이탄과 석영 모래를 혼합한 토양보다 외관상 더 건강하고 빠르게 성장하는 곡물 식물이 생산된다는 사실을 밝혔습니다.4
유사한 결과가 6년 뒤 이집트 연구진에 의해 훨씬 더 큰 규모로 확인된 바 있으며, 이번에는 2015년 초 인도네시아 파판다얀 화산에서 수집한 화산재를 고체 비료 및 개량제로 사용하여 재배한 감자 작물에서 이러한 효과가 관찰되었습니다.5
위에서 언급한 2012년 회의 발표4는 10년 동안 9회만 인용되었습니다. 이집트의 연구5 역시 오픈 액세스 논문임에도 아직 인용되지 않았는데, 이는 보통 유료 저널과 비교해 무제한 접근권이 보장되고 인용 빈도도 높은 점을 감안하면 의외입니다.6
실용적인 가치가 있는 정보는 드물고, 흩어져 있으며, 일반적으로 업데이트도 되지 않습니다. 예를 들어, 2022년 3월 말 현재 "화산재를 토양 비료로"라는 쿼리로 두 개의 대형 연구 데이터베이스를 검색했을 때 관련 결과가 반환되지 않았습니다.7
이로 인해, 노지나 온실에서 작물을 재배하는 농부들은 일반적으로 화산재의 비료 잠재력을 인식하지 못하고 계십니다. 반면, 활화산 근처에 거주하시는 분들은 화산재와 분쇄된 용암석의 비료 잠재력을 인지하고 계십니다.
예를 들어, “선인장과 다육식물을 위한 용암과 부서진 팽창 점토로 만든 천연 식물 과립”은 독일에서 7L 한 묶음에 리터당 €0.91에 대체 화분용 토양으로 온라인 판매되고 있습니다.8 반면, 시칠리아에서는 에트나 산 용암석 가공 분말 잔여물이 20kg 한 묶음에 €30(kg당 €1.5)에 토양 비료 및 식물 강화제로 판매되고 있습니다.9
그러나 이러한 상황은 건축 환경에 떨어진 화산재에는 해당되지 않습니다. 오히려 도로, 광장, 건물 등에 쌓인 화산재는 수집되어 농민들에게 공급되기보다는 많은 비용을 들여 폐기물로 처리되고 있습니다. 예를 들어, 2022년 3월 에트나산 화산재 분출로 피해를 입은 42개 도시의 건축 환경에서 화산재를 제거하기 위해 시칠리아 정부는 최소 1,500만 유로의 비용이 들 것으로 추산하였습니다.10
화산재는 다중 영양소 미네랄 비료로서, N, C, P, S와 같은 주요 원소의 효율적인 생지화학적 순환을 위한 토양 박테리아 효소에 필요한 미량 금속을 보충하는 촉매 역할을 통해, 비교적 적은 양으로도 넓은 토양 표면을 비옥하게 할 수 있습니다.
이러한 사실은 2010년대 러시아 캄차카와 인도네시아에서 주로 입증되었는데, 이 두 지역은 활화산이 많은 세계적인 활화산 지대임에도 불구하고, 이 발견은 대형 활화산 인근에 거주하시는 분들뿐만 아니라 학계에도 잘 알려지지 않은 상황입니다.
폐기물로 간주되던 자원을 재사용한다는 순환경제의 핵심 원칙도 충족하는 화산재의 농업 비료화는 농부들과 활화산 근처 거주민들께 중요한 경제적 기회를 제공함과 동시에, 중요한 환경적 이점도 가져다줍니다.
이 연구에서는 이러한 정보를 종합적으로 제시함으로써, 앞으로 이러한 진전이 더욱 가속화되기를 기대합니다.
2. 다중 영양소 광물 비료
폭발적인 화산 분출 동안, 화산재(Volcanic Ash, VA) 미세 입자와 함께 파이로클라스틱 암석(크기 > 256 mm), 라필리(2-64 mm), 미세 블록(각진 또는 아각진 덩어리, 64-256 mm) 및 미세 폭탄(둥글거나 반둥근 덩어리, 64-256 mm)이 대기 중으로 방출됩니다.11
더 큰 VA 입자(d > 63 µm)는 개별 구성 입자요소;미세 화산재 입자(d < 63 µm)는 며칠에서 몇 달에 걸쳐 침전되며, 분화구에서 수천 킬로미터 떨어진 곳까지 운반되는; 보다 더 큰 크기, 낮은 밀도 및 더 높은 최종 낙하 속도를 가진 입자 집합체로 몇 시간 내에 침전됩니다.13 개별 마그마의 특성(구성, 유변학 및 가스 함량 포함)에 따라 화산재는 일반적으로 중량 기준으로 약 50% 실리카(현무암 화성암 유형, 48.5%)에서 최대 ~80% SiO2 함량을 가지는 유문암 유형으로 구성됩니다.14 화산재는 총 알칼리(Na2O 및 K2O) 및 실리카 함량에 따라 주요 화성암 유형인 현무암, 현무암질 안산암, 안산암, 데사이트 및 유문암으로 화학적으로 분류된다는 점을 간단히 상기시킵니다.15
슬래그 실리케이트 기반 비료는 중세 유럽에서 사용되기 시작했습니다. 실리콘(Si)은 특히 스트레스가 많은 환경에서 식물의 성장과 수확량에 상당한 이점을 제공하며, 식물의 곰팡이 및 세균성 질병과 해충 피해에 대한 저항성을 강화합니다.16
Mahmoud와 공동 연구자들이 인도네시아의 파판다얀 화산에서 채취한 VA의 조성을 간단히 살펴보면, 알칼리 성분 중 MgO와 CaO가 포함되어 있어 농업에 즉각적인 관련성을 시사합니다.
표 1. Mahmoud와 공동 연구자들이 이집트의 토양에서 감자 덩이줄기 성장을 위해 사용한 인도네시아 파판다얀 화산의 화산재의 원소 조성(Ref.5에서 재생산, 친절한 허가와 함께)
자세히 살펴보면, 표 1은 실리카와 알루미나의 알루미노실리케이트의 Si 및 Al 성분 외에도 네 가지 일반적인 알칼리 금속과 알칼리 토금속 K, Na, Ca, Mg가 토양보다 테프라에 더 높은 농도로 존재함을 보여줍니다. 반면 (표 3에 표시되지 않음) VA의 Cr(0.033 mg/g)과 Ni(0.010 mg/g) 농도는 토양에서 발견되는 농도(각각 0.041 및 0.019 mg/g)보다 낮습니다.
VA의 전자 광물 영양소가 매우 생체 이용 가능하다는 사실은 감자 덩이줄기에서 그 함량이 유의미하게 높았다는 결과로 나타납니다(표 2). 또한, 테프라로 비료를 준 토양에서 감자 덩이줄기의 미생물군이 질소와 철을 제외한 모든 영양소를 유의미하게 생체 이용 가능하게 만드는 토양 효소의 향상된 활동을 보여줍니다.
친수성 VA가 첨가된 토양의 습도가 크게 증가한 것을 보고하면서, 학자들은 화산재가 토양 비옥도를 높이는 데 안전하게 사용될 수 있을 뿐만 아니라 토양 개량제로서의 특성도 가지고 있다고 결론지었습니다.5
표 2. 인도네시아 파판다얀 화산의 화산재와 황산칼륨(대조군)으로 비료를 준 이집트 토양에서 재배된 감자 덩이줄기의 영양소 함량. (Ref.5에서 재인용, 친절한 허가를 받음)*
* 수확 시점(식재 후 115일)에 수확한 덩이줄기 샘플
6년 전, 화산 폭발 직후 토양에 화산재를 첨가한 즉각적인 효과를 조사한 연구가 거의 발표되지 않았음을 주목한 미국의 화산학자 에드워즈와 수어드는 빠르게 성장하는 곡물 씨앗을 시험 작물로 사용하여 제어된 환경에서 약 6주간의 성장 실험을 수행했습니다(이탄은 상업용 석영 모래, 2004년 그림스보튼 화산 폭발에서 나온 현무암질 화산재, 2010년 에이야피아틀라요쿨 화산 폭발에서 나온 트라키안데사이트 화산재와 알려진 비율로 혼합되었습니다).4
모든 실험에서, 두 가지 다른 조성의 화산재로 만들어진 모의 토양에서 자란 씨앗들은 더 높은 발아율, 더 높은 성장률을 보였으며, 석영 모래와 혼합된 이탄으로 만든 토양보다 외관상 더 건강한 식물을 생산했습니다.
장기 연구가 화산재가 토양 생성 과정에서 어떻게 변화하여 장기적인 토양 구조와 비옥도에 영향을 미칠 수 있는지를 문서화하는 데 중요하다고 결론지은 학자들은 신선한 화산재가 비료로서의 이점을 강조하며, 화산 폭발로 인해 혼란을 겪는 국가에서 작물 재배 비용을 낮출 수 있다고 언급했습니다.4 이는 "화산 폭발과 관련된 단기적인 부정적 영향(화산재 낙하)을 사회적 이익(저렴한 비료의 지역 공급원)으로 전환"하는 것입니다.4
그 후 10년 동안, 이 연구(학회 발표)는 9번의 인용을 받았습니다.17 그러나 인용된 연구 중 하나인 2016년 러시아의 자카리키나와 공동 연구자들은 캄차카 화산재와 전통적인 광물 비료를 결합하여 재배한 감자의 첫 번째 공개 필드 농업 실험 결과를 보고했습니다.18
구체적으로, 시벨루치 화산에서 새로 떨어진 VA와 오크레오스 토양에서 나온 VA가 2.5–7.5 t/ha의 비율로 토양에 적용되었으며(약한 일반적인 화산재 낙하 시 토양에 퇴적되는 화산재의 양과 비교 가능), 기본 영양소인 질소, 인, 칼륨을 각각 120 kg/ha와 60 kg/ha의 비율로 포함한 전통적인 NPK 광물 비료와 결합되었습니다.
주목할 만하게도, 신선한 VA가 상업용 NPK 비료의 다양한 용량과 결합하여 사용된 첫 해 이후, 감자 수확량이 평균 47% 증가한 것으로 관찰되었으며, 이는 31%에서 63% 사이로 변동했습니다(표 3 참조). 유사하게, 오커러스 지평선의 테프라를 사용할 경우 평균 52% 증가가 관찰되었으며, 이는 다양한 실험 옵션에 따라 37%에서 72% 사이로 변동했습니다. 이 발견은 신선한 재보다 화학적 조성이 풍부한 오커러스 오래된 재의 결과로 설명되었습니다.
표 3. 오커러스(ashold)와 신선한(ashf) 화산재 및 NPK 상업 비료로 비옥하게 한 토양에서 자란 감자 괴경의 질산염과 전분. (Ref.18에서 허가를 받아 각색)a
a배경1 = N120P120K120 용량의 광물 비료 추가; 배경2 = N60P60K60 용량의 광물 비료 추가.
놀랍게도, 캄차카에서 일반적으로 사용되는 120 kg/ha 비율에서 60 kg/ha로 NPK 비료의 양을 절반으로 줄였을 때 더 높은 수확량 증가가 달성되었으며, 평균 수확량 증가는 37%에서 62%로 증가했습니다.
토양에 추가된 VA의 양이 적음(2.5에서 7.5 t/ha, 즉 250에서 750 g/m2 사이)에도 불구하고, 학자들은 더 높은 감자 수확량과 감자 괴경의 전분 농도가 3-5% 증가한 것은 추가 영양소 때문이 아니라, 토양의 미생물학적 과정을 개선하는 VA에 미량으로 존재하는 수많은 금속의 촉매 활동 때문이라고 결론지었습니다.
이 가설에 따르면, Mn, Zn, Mo, Cu, Fe와 같은 미량 원소의 존재는 토양 미생물 군집에서 박테리아 세포의 발달과 번식을 가속화하며, 이는 토양에 효소를 방출하여 식물이 흡수하는 가치 있는 영양소로서 생체 이용 가능한 광물 염을 용해시킵니다.
화산재 추가가 토양 효소 활동에 미치는 영향은 아직 연구되지 않았지만, 토양 미생물과 토양 효소가 탄소, 질소, 황 및 인과 같은 원소 영양소의 생지화학적 순환에서 중요한 역할을 하기 때문에 토양 비옥도에 결정적으로 영향을 미친다는 것은 잘 알려져 있습니다.19 또한, 칠레 안디솔에서의 효소 활동 연구는 경작을 하지 않는 토양에서 매우 높은 활동을 보여주었습니다.20
이러한 주목할 만한 발견은 러시아어, 중국어 및 일본어로 처음 출판된 과학 및 기술 저널의 영어 번역본을 소유한 출판사가 소유한 유료 저널인 The Journal of Volcanology and Seismology에 게재되었습니다. 이 저널들은 불행히도 다른 국가에서는 비교적 적은 독자를 보유하고 있습니다.
Zakharikhina와 Litvinenko가 이끄는 팀은 연구를 계속하여 캄차카의 화산 활동과 토양 및 식생의 지구화학에 관한 두 편의 연구를 발표했으며,23 화산재를 토양의 생물 생산성을 향상시킬 수 있는 광범위한 비료로 식별하는 연구(러시아어로)를 발표했습니다.
그 연구에서 팀은 테프라로 비옥하게 한 토양에서 연간 사료용 풀의 수확량 증가 결과를 보고했습니다. 수확량이 32% 증가함과 동시에 원단백질 함량이 증가하여 앞서 언급한 촉매 작용 메커니즘을 확인했습니다. 사료용 풀의 농작물 수확량 증가 외에도, 수확 후 토양은 이동성 인의 함량이 7-21%, 칼륨이 16-77% 증가했으며, 기초 포화도가 9.27% 증가했습니다. 배경에 비해 이동성 Co(32% 증가), Mn(29% 증가), S(20% 증가), Zn(23% 증가) 및 Cu(8% 증가)의 함량 증가도 발견되었습니다.23
마침내 2021년에 러시아 학자들은 잠재적 비옥도 지수(PFI)를 도입했는데, 이는 재 속의 화학 원소의 누적 농도를 토양 내 전체 농도에 대한 비율로 정의됩니다 (PFI = ∑Сiva/Сisoil).24 더 기본적인 재가 더 나은 비료 효과를 낸다는 경험적 발견을 확인하면서, 연구팀은 PFI와 재 속의 SiO2 농도 사이에 역관계가 있음을 밝혔습니다. 재의 기본성이 높을수록(실리카 함량이 낮을수록) 잠재적 비옥도 지수가 높아집니다.
같은 시기에, 인도네시아에서 Faintis가 이끄는 국제 팀에 의해 테프라를 비료로 사용하는 것에 대한 몇 가지 주요 발견이 독립적으로 보고되었습니다. 2005년 4월 12일 서부 수마트라의 탈랑산 분화 직후 수집된 신선한 테프라를 사용하여, 팀은 테프라가 대기에서 탄소를 포착하는 데 중요한 역할을 하며, 테프라 퇴적 후 시작되는 초기 식물 천이와 새로운 토양 형성에 기여한다는 것을 발견했습니다.25
구체적으로, 테프라는 자연적인 테프라 퇴적을 시뮬레이션하기 위해 0, 2.5, 5 cm 두께로 적용되었으며, 매일 250 mL의 물을 4년 동안 침투시키며 물을 주었습니다. 2개월 후, 청록색 조류(시아노박테리아)가 맨 표면의 테프라 층을 식민지화하여 조류 매트를 형성하기 시작했습니다. 16개월 후, 표면은 지의류의 녹색 생물막으로 변형되었습니다(그림 1).
그림 1. (a) 탈랑산의 테프라가 토양 표면에 적용된 모습; (b) 4개월 후 테프라 층의 표면; (c) 16개월 후 2.5 cm 테프라 층의 표면; (d) 18개월 후 5.0 cm 테프라 층의 표면. (Ref.25에서 재생산, 친절한 허가와 함께).
마침내 24개월 후, 관다발 식물(풀과 관목)이 자라기 시작했습니다. 테프라 색상의 매트릭스는 시간이 지남에 따라 밝은 회색에서 매우 옅은 갈색으로, 그리고 옅은 갈색으로 점차 변화하여 토양의 색상에 가까워졌으며, 이는 Fe의 방출과 유기 탄소의 축적 때문입니다.
가장 높은 유기 탄소 함량인 1.22%는 46개월의 배양 후 토양 아래의 2.5 cm 테프라 층에서 발견되었습니다.25 이 획기적인 연구는 새로 퇴적된 테프라가 선구 식물의 정착을 통해 대기에서 CO2를 포착하여 매우 높은 비율로 토양 유기 탄소를 축적할 수 있음을 보여주었습니다. 이는 연간 헥타르당 1.8-2.5 t CO2에 해당합니다.
Fiantis 팀은 선구적인 연구를 계속하여 결국 "활용되지 않은 자연 솔루션"으로 여겨지는 농경지에 화산재를 적용하는 논문을 발표했습니다.26 이는 활화산이 있는 국가들에게 테프라를 사용하여 영양분을 공급하고 대기에서 CO2를 줄이도록 촉구하며, "탄소가 0%인 화산재가 약 10%의 유기 탄소를 가진 토양으로 변할 수 있다"고 설명했습니다.2
4. 전망과 관점
화산재는 다목적이고 효과적인 다영양소 광물 비료로, 그 촉매 작용 메커니즘은 탄소, 질소, 황, 인과 같은 원소 영양소의 생지화학적 순환에 관여하는 토양 미생물군에 미량 금속을 공급하는 데 기반을 두고 있습니다.18 이 메커니즘은 Zakharikhina와 Litvinenko에 의해 처음 제안되었으며, 소량(2.5~7.5t/ha, 즉 250~750g/m² 범위)을 사용하여 광범위한 토양 표면을 비옥하게 할 수 있습니다.
주로 러시아의 캄차카18,21와 인도네시아25,26에서 이루어진 실험을 통해 2010년대에 이러한 발견이 확고히 입증되었지만, 지금도 대규모 활화산 근처에 사는 인구와 학계 사이에서는 잘 알려져 있지 않습니다.
1855년 De Beaumont와 1881년 Ricciardi는 베수비오 산과 에트나 산 토양의 비옥함을 알칼리 금속과 인산 무수물의 풍부함에서 비롯된다고 설명했습니다.27 약 한 세기 후, 1961년 d’Hotman de Villiers는 모리셔스에서 장기 현장 실험 후 시험 작물로 사탕수수를 사용하여 토양 개량제로 화산 현무암 분말을 도입할 것을 제안하였으나, 적용 비율은 200~400t/ha로 상당히 높았습니다.28
따라서 화산재를 광물 비료로 연구하는 일은 수십 년 동안 관심이 제한되었다가, 최근에 와서야 대규모(및 글로벌) 사회적·환경적 중요성을 재발견하게 된 과학적 발견의 대표 사례라 할 수 있습니다. 이와 비슷한 사례로는, 펙틴의 항균 활성29이나 가치 있는 생리활성 화합물의 원천으로 시아노박테리아가 재발견된 것 등이 있습니다.30
작은 규모로는, 다영양소 광물 비료로서 화산재(VA)의 실용적인 사용이 점차 증가하고 있습니다. 40억 명이 넘는 사람들이 정기적으로 인터넷을 사용하여 정보를 공유하는 디지털 시대에 접어들면서, 활화산 인근에 거주하시는 분들께서 화산재의 실제 활용 모습을 동영상으로 공유하시기 시작하였습니다. 예를 들면 시칠리아의 에트나 산31,32 근처나 필리핀 탈 화산 주변의 농민들이 있습니다.33 비슷하게 2016년 코스타리카의 TV에서는 투리알바 화산 폭발 후 화산재가 비료로 판매되는 소식도 방송되었습니다.34
유럽, 북미, 남미의 여러 소규모 회사들은 이미 분말 형태의 "용암석"9, "용암과 부서진 팽창 점토로 만든 과립"8, 20kg 봉지에 20달러에 판매되는 "화산암 분말"35이나, 폭발 당시에 바로 수집된 신선한 화산재를 직접 시판하고 있습니다.34 화산재의 경우, 용암석을 사용할 때처럼 입자 크기 10~500μm 사이의 용암 미세입자 전체를 쓸 필요가 없습니다.36
대규모 화산 폭발 시, 폭탄이나 라필리 등을 포함한 대량의 화산재가 도달한 지역에서는 농작물이 즉시 손실될 수밖에 없습니다. 하지만, 상대적으로 적은 양의 화산재만 도달한 더 먼 지역의 식물에는 해당하지 않습니다(예: 기원후 79년 베수비오 산 폭발 당시 헤르쿨라네움은 다량의 테프라와 부석 아래 매몰되었습니다).
방금 언급한 작물에 대한 직접 피해 외에는, 화산 폭발이 농업 활동에 해롭지만은 않다는 점도 있습니다. 예를 들어, 카나리아 제도 라 팔마 섬에서는 2021년 폭발로도 바나나 농장이 광범위하게 보전되었습니다. 이때 바나나 과육 내 Mo(몰리브덴) 농도가 높아져, 오히려 일일 권장 섭취량의 35%까지 도달했으나, 독성 금속은 허용량의 5%를 넘지 않았던 것으로 확인되었습니다.37
활화산 경사면에 풍부히 쌓인 테프라를 직접 수집하거나, 대규모 폭발 후 건축 환경에 쌓인 테프라를 모아 먼 토양에 비료로 활용하는 방법도 있습니다. 대규모 폭발의 경우, 화산재(VA)를 풍화된 토양 지역으로 운반하여 토양 회복에 활용하자는 아이디어는 2016년 인도네시아 연구진이 처음 제안하였습니다.38
하지만, 5년 뒤 Fiantis 연구자는 "화산재가 널리 사용되지 않고, 충분한 연구도 이뤄지지 않았다"고 계속해서 지적하였습니다. 대규모로 화산재(VA)를 토양 광물 비료로 사용하는 현상이 정착되지 않은 데에는, 기업들과 기업가들 사이에 퍼진 부정확하거나 오해를 일으키는 정보도 결코 무시할 수 없는 요인입니다.
예를 들어, 2019년 유명 과학 저널 기사에서는 리튬 이온 배터리 재활용률이 매우 낮았던 2010년까지의 데이터만 인용된 반면, 전 세계적으로는 이미 58%의 리튬 배터리가 재활용되고 있었습니다. 이런 오해를 부르는 정보는 언론에서도 자주 보도되어, 결국 중국 외 지역의 재활용 산업 발전을 지연시켰습니다.
대부분의 비료 회사 관리자와 농학자 분들께서는 미국 유타의 고대 화산재 매장지에서 채굴한 고도로 광물화된 복합 실리카 광석을 농업 비료 및 토양 개량제로 상업화하여 70년 넘게 식물 성장과 활력 증진에 판매 중인 사실을 아시면 놀라실 것입니다.
온실 토마토(수확량 79% 증가 및 토마토 영양성분 대폭 증가), 감자(판매 가능 감자 수량 10% 증가), 와인 포도(수확량 3.5% 및 당도 20.6% 상승), 밀(수확량 7.2% 증가) 등 다양한 작물의 성과가 회사 홈페이지에 수록된 여러 연구에서 보고되고 있습니다.
비용이 높을 뿐더러, 합성 광물 비료가 토양과 수환경에 부정적인 영향을 준다는 사실도 이제 충분히 밝혀졌습니다. 여기에는 토양 내 부식질과 생물 다양성 감소, 중금속 축적, 토양 산성화, 수체 부영양화 등이 포함됩니다.
기존에는 폐기물로 처리하던 무기 및 유기 부산물을 상품화하려는 신흥 순환경제의 핵심 원칙을 충족시키면서, 접근이 용이하고 공급도 풍부한 화산재를 적정량의 다영양소 비료로 활용하는 것은 활화산 인근의 농부와 모든 주민께 중요한 경제적 기회를 제공하게 됩니다.
이 분야의 선구적 연구자들이 분명하게 언급했듯이, 대규모 활용이 이뤄진다면 특히 바이오 폐기물에서 유래한 신세대 유기비료와 결합할 때 상당한 환경적 이점을 얻으실 수 있습니다.
지금까지는 분산되어 있고 널리 알려지지 않은 연구 결과였으나, 이러한 내용을 통합해 제시함으로써 본 연구가 해당 분야의 빠른 발전에 도움이 되기를 기대합니다.
🌐 논문 링크
링크: https://scijournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/jsf2.87
👤 작성자
문지기 baibel
🔎 검토
문지기 baibel
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