‘폴리머’ 이용 토양유실 막는다

‘폴리머(polymer)’ 이용 토양유실 막는다

농진청, 응집력 뛰어난 폴리머 농업적 활용기술 개발

 

 

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농촌진흥청이 응집 성능이 탁월한 화학물질인 ‘고기능성 폴리머’를 이용해 국지성 집중호우로 인한 농경지 침식 및 토양 유실을 막는 방법을 개발했다. 고기능성 폴리머의 농경지 사용방법은 ha당 약 1~5kg의 고기능성 폴리머를 물에 용해시켜 분무기를 이용해 살포하거나 분말형태를 비료 또는 상토와 섞어서 흩뿌리기 식으로 뿌려 사용한다.

 

고기능성 폴리머는 토양 입자를 안정화시키고 서로 응집시켜 토양 표면의 수막현상 및 경화를 방지해 토양 유실을 저감시키는 한편, 빗물의 토양침투수량을 증가시켜 작물 생산성을 향상시키게 된다. 농진청에 따르면 실제 토양 유실이 많은 경사 농경지에서 실험한 결과, 고기능성 폴리머를 뿌린 농경지에서의 토양유실량은 뿌리지 않은 농경지에 비해 약 70~96% 정도 줄었다. 특히 경사 농경지의 경우, 객토 및 질소유실 환산비용 등을 고려했을 때 고기능성 폴리머 사용에 따른 경제적 효과가 약 192천원/ha에 달하는 것으로 나타났다.

 

고기능성 폴리머란 백색 분말형태의 음이온성 고분자 유기응집제로, 국내에서는 화장품, 제지, 과일주스, 접착제, 음식포장재 등에서 광범위하게 사용되고 있으며, 태양광선이나 토양미생물 등에 의해 연간 10% 정도는 자연분해 되고, 수생생물, 어류, 사람 등에게는 무해한 것으로 알려져 있다.

 

실험 예-고흡수성 폴리머의 구조에 따른 흡수율

고흡수성 폴리머는 시판품인 K-SM 아크릴아마이드계의 고흡수성 수지를 powder 형태와 particle 형태 두 가지 종류를 구매하여 사용하였다. 고흡수성 폴리머 powder 형태와 particle 형태 두 종류를 각각 1 g을 넣은 비이커에 증류수 1,000 mL를 넣고 상온에서 10분 단위로 방치한 후 각각을 부직포로 만든 티백(50(L) × 50(W) × 10(H)mm)에 팽윤한 겔을 넣었다. 이후, 30분간 티백에서 물이 충분히 빠지도록 공중에 매달아 방치하고 중량을 측정하여 10분 단위흡수율을 구하였다. 측정한 데이터를 이용하여 아래의 식을 이용하여 흡수율을 계산하였다.

 

 

버섯 폐배지와 고흡수성 폴리머를 이용한 인공경량 토양 개발

박장우, 박기병, 이준석, 이은영*,†

[주]오상킨섹트, *수원대학교 환경에너지공학과

(2013년 6월 3일 접수, 2013년 8월 9일 채택)

 

Development of the Artificial Lightweight Soil Using Spent Mushroom Substrates and Superabsorbent Polymer

Eun Young Lee*,†, Jang-Woo Park, Ki-Byung Park, Jun-Seok Lee

*Department of Environmental Energy Engineering, The University of Suwon (Corp.) Osang Kinsect

(Received 3 June 2013 : Accepted 9 August 2013)

Abstract

This study is about making artificial soil for wall greening using Spent Mushroom substrates (SMS) & Superabsorbent polymer (SAP). and developing new material for wall greening whilst monitoring the physico-chemistry & germination ability of the plant, plant growth and developmental condition of the artificial soil. It was found that the larger the particle size of the superabsorbent polymer the more absorption increased. This showed the plant’s germination rate in soil when Spent Mushroom substrates & Superabsorbent polymer (SAP) were mixed. In the Bermuda grass, the Artificial soil (SMS& SAP 0.5%) showed a 100% germination rate over a period exceeding 7 days compared to Peat-moss that showed a 94% germination rate. In the Kentucky blue grass, however, there was no difference between the Peat-moss and Artificial soil. When general perlite soil was compared with artificial soil in the chicory seed, the Artificial soil showed better results than the general perlite soil in length, leaf volume and fresh-weight. In the plant length, it showed an increase of over 105% (SAP 0.5% or more), 187% (SAP 1% or more). in the leaf volume, an increase of over 123% (SAP 0.5% or more), 145% (SAP 1% or more), in the fresh-weight an increase of over 130% (SAP 0.5% or more), 285% (SAP 1% or more). The artificial soil (SMS & SAP 1%) showed an excellent result in the plant growth and development. Thus, it was found that artificial soil using the SMS & SAP were the only suitable soil materials for wall greening hence suggesting that it could be used for the greening of a blighted area or desert and a variety of agriculture.

Keywords : Spent Mushroom substrates (SMS), Superabsorbent polymer (SAP), Wall greening, Artificial soil, Com,

 

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I. 서 론

 농업폐기물 중 하나인 버섯 폐배지(Spent Mushroom substrates: SMS)는 현재 버섯 생산량의 꾸준한 증가추세에 따라 버섯 생산 후 발생되는 폐배지의 양도 증가함으로 폐배지의 처리 문제가 시급한 상황이다. 현재 까지는 단순히 퇴비의 수분 조절제 및 퇴비 대체제로 사용하고 있으나 부산물의 효율적인 활용측면에서 다각도로 활용할 수 있는 사용처에 대한 연구가 이루어져야 할 것이다. 이를 위해서는 폐배지의 화학 조성 및 특성에 대한 연구가 선행되어야 효율적인 활용이 가능할 것이다.

 버섯 폐배지는 단일 버섯 균주에 의한 부식물이므로 유해균의 생리에 부적합한 화학물질이 잔존해 있을 가능성이 있다¹⁾. 또한, 버섯균에 알맞은 C/N율로 구성된 배지는 영양공급원이 풍부하므로 부식된 후에도 암모니아태 질소(NH₄-N), 질산태 질소(NO₃-N), 유효 인산(P₂O₅), 칼슘(Ca), 칼륨(K) 등 유기(有機), 무기(無機) 양분이 풍부하다.

 버섯을 기르기 위해 많이 사용하는 병재배용 톱밥배지, 비트펄프, 및 톱밥 혼합배지는 상토에 적합한 물리성을 가지고 있다²⁾ 일반적으로 용적 밀도는 식물 생육과 관련된 물리적 성질(배지의 안정성과 압착정도, 공극율 등)을 평가하는 기본 인자인데 상토의 수분 함량, 다짐 정도에 따라 크게 변화하나 일반적인 기준에서 대체로 양호하다³⁾. 따라서, 버섯 폐배지를 상토로 사용하는 것은 자원 활용의 새로운 대안이 될 수 있다.

 하지만, 버섯 폐배지로 주로 이용되는 톱밥이나 왕겨 등의 성분은 셀롤로오스(celloulose) 50% ~ 60%, 헤미셀롤로오스(hemicelloulose) 10%~ 20%, 리그닌(lignin) 10% ~ 20%⁴⁾의 질소를 함유하지 않은 탄소화합물로서 C/N율이 현저히 높다. 따라서, 배지성분에 질소화합물을 첨가하지 않은 채 퇴비화할 경우 미생물의 활동은 억제되며⁵⁾, 이를 토양에 이용할 경우 토양 미생물이 균사체 증식을 위한 체세포형성에 적극적으로 질소를 흡수함으로써 작물은 질소기아 현상으로 식물의 성장을 저해시키며⁶⁾ 수분관리의 어려움이 있는 것으로 보고되고 있다⁷⁾.

 현재 버섯 재배는 봉지 재배 및 병재배 방식 등 기계화 작업이 이루어지고 있는 가운데 개량된 배지로 비트펄프, 폐면배지 등이 주로 이용되고 있으나 이후 발생되는 폐배지의 물리·화학성에 대한 검토가 전무한 실정으로 퇴비의 자원으로서 유용한 유기성 폐기물인 버섯 폐배지의 활용성을 높이기 위한 연구가 필요하다 할 수 있다⁸⁾.

 도시건축물의 벽면, 옥상 등의 입체녹화지역을 포함한 건조한 척박지역에 식생을 유지⁹⁾시키기 위해서는 인공경량토양의 수분을 지속적으로 보유하는 것이 중요한 요소이며, 이를 위한 다양한 소재에 대한 연구¹⁰⁾가 진행되어 왔다.

 특히, 고흡수성 폴리머(Superabsorbent polymer: SAP)는 자체 무게의 수백배 이상 증류수 및 수십배 이상의 1% 생리식염수를 흡수하며, 특히 외압 하에서 물을 보관하는 능력이 뛰어난 고기능성 폴리머의 일종으로 알려졌다¹¹⁾. 고흡수성 폴리머는 수분을 흡수하면 겔(gel)형태의 구조체로 변화가 일어나며 물을 흡수한 겔(gel)에는 겔(gel) 내부에 물을 가두어 두려고 하는 흡수력(고흡수성 폴리머와 물의 친화력, 물의 침투압)과 흡수작용을 억제하려고 하는 힘(고흡수성 폴리머의 3차원 망목에 기인하는 고무탄성력) 등이 작용한다¹²⁾. 결국, 치환력과 침투력의 합계가 탄성력과 평행을 이룬 지점에서 물의 흡수와 분자사슬의 확장은 멈추어지고, 마침내 안정된 형태의 수분 포화상태가 되며 수분을 지속적으로 보관할 수 있게 되며¹³⁾, 고흡수성 폴리머를 토양과 혼합하여 식물을 재배하게 되면 흡수 겔(gel)이 물저장고 역할을 하여 식물을 위한 물의 공급원이 되어 식물이 흡수하는 유효 수분량을 대폭 증가시키게 된다¹⁴⁾.

 따라서, 본 연구에서는 농산 폐기물인 버섯 폐배지에 고흡수성 폴리머를 첨가하여 자연적으로 녹화가 어려운 건조 척박지역의 토양에 식생을 정착 가능한 인공경량토양을 개발하고자 버섯 폐배지와 고흡수성 폴리머의 이화학적 특성 및 식물 생육 효과 등을 검토하였다.

II. 실험재료 및 방법

1. 버섯 폐배지의 화학적 특성 조사

 버섯 폐배지는 강원도 홍천군에 위치한 머쉬택(느타리버섯, 표고버섯), 경기도 안성시에 위치한 용해농산(팽이버섯, 느타리버섯), 충남 아산시에 위치한 버섯나라(양송이버섯, 새송이버섯)의 버섯재배농가에서 각각 재배 후 발생되는 폐배지를 수집하여 실험을 실시하였다.

 폐암면과 버섯폐배지의 pH는 초자전극법, 유기물은 회화법으로 분석하였으며, 바람으로 건조된 시료는 90℃에서 24시간 건조시키고 willy mill을 사용하여 270 mesh로 분쇄한 후 건조된 시료 0.5 g을 습식 분해하여 전질소(T-N)는 Kjeldahl법, P₂O₅는 Vanadate법으로 spectrophotometer(Shimadzu UV-1650-PC, Japan)를 사용하여 380 nm에서 측정하였다. K₂O, CaO, MgO함량은 원자흡광분광광도계(Perkin-Elmeranaylst 300, USA)를 이용하여 K₂O는 766.9 nm, CaO는 423.2 nm, MgO는 285 nm에서 흡광도를 측정하여 정량하였다.

2. 고흡수성 폴리머의 흡수율 조사

2.1. 고흡수성 폴리머의 구조에 따른 흡수율

 고흡수성 폴리머는 시판품인 K-SM 아크릴아마이드계의 고흡수성 수지를 powder 형태와 particle 형태 두 가지 종류를 구매하여 사용하였다.

 고흡수성 폴리머 powder 형태와 particle 형태 두 종류를 각각 1 g을 넣은 비이커에 증류수 1,000 mL를 넣고 상온에서 10분 단위로 방치한 후 각각을 부직포로 만든 티백(50(L) × 50(W) × 10(H)mm)에 팽윤한 겔을 넣었다. 이후, 30분간 티백에서 물이 충분히 빠지도록 공중에 매달아 방치하고 중량을 측정하여 10분 단위흡수율을 구하였다.

 측정한 데이터를 이용하여 아래의 식을 이용하여 흡수율을 계산하였다.

 

2.2. 증류수와 생리식염수에 따른 고흡수 폴리머의 흡수량 조사

 위와 동일한 방법을 적용하되, 증류수와 인위적으로 제조한 4% 생리식염수 1,000 mL를 각각 적용하였다. 흡수율 계산 역시 동일한 식을 적용하였다.

2.3. 고흡수 폴리머의 구조에 따른 토양의 물성 변화 조사

 토양은 일반적인 식물재배용으로 사용되는 배양토와 모래를 250 mL 부피로 각각 포트에 넣고 powder 형태와 particle 형태의 고흡수성 폴리머를 부피 대비 5% 첨가하여 잘 섞은 후 외부 수분 공급이 없는 온실 25 ~ 30℃에서 수분을 일주일 간격으로 1,000 mL씩 관주하면서 강우, 건조 반복 조건으로 60일간 실시하였다.

3. 버섯폐배지와 고흡수성 폴리머 첨가 비율에 따른 식물 생육 비교

3.1. 버섯폐배지와 고흡성 폴리머를 이용한 잔디종자의 발아력 조사

 종자의 발아율 조사는 파종 후 종자의 배가 상토표면에 출현한 시기부터 출현이 완료된 시점까지 조사하였다. 버뮤다그라스와 켄터키블루그라스 종자를 이용하였으며, 대조구로 배양토를 실험구로는 버섯 폐배지에 고흡수성 폴리머를 중량비로 0.5%(w/w), 1%(w/w)혼합하였다. 토양을 채운 후 포트 사이즈가 10 × 5 cm(50공)인 트레이에 파종하고 500 mL의 물을 공급한 후 추가적인 수분 공급 없이 발아력을 확인하였다.

3.2. 버섯폐배지와 고흡성 폴리머를 이용한 Sedum anacampseros의 발근력 조사

 다육식물의 한 종류인 Sedum anacampseros의 발근력을 측정하였다. Sedum anacampseros은 천안 인근의 화훼농가에서 모본을 구매하여, 줄기부분을 분리하여 이용하였다. 위의 3.1의 실험방법과 동일한 실험조건에서, 삽목 후 15일 동안 1회 500 mL의 물을 공급한 후 추가적인 수분 공급 없이 뿌리의 성장을 확인하였다.

3.3. 버섯 폐배지와 고흡성 폴리머를 이용한 치커리(Cichorium intybus)의 생육비교 조사

 다년생 초본류 중에 치커리(Cichorium intybus)를 이용하였다. 위의 3.1의 실험방법과 동일한 실험조건에서 파종하고, 60일 동안 3회에 걸쳐 총 1,500 mL를 제한급수하여 치커리의 초장, 생체중, 엽수를 관찰하고 기록하였다.

 시험구별로 60일 후 생육 중 초장 및 생체중을 측정하였으며, 묘 생육 관리는 일반 관리에 준하였고 농약이나 기타 비료는 살포하지 않고 핀셋과 인력 등을 이용하여 물리적인 방법으로 잡초 및 해충을 제거하였다.

III. 결과 및 고찰

1. 버섯 폐배지의 화학성 조사

 현재 시중에서 버섯재배 후 발생되는 폐배지를 자원으로서 활용하기 위해서 기초적 화학 조성에 대한 조사를 수행하였다(Table 1).

Table 1. Chemical composition of spent mushroom substrates

 버섯의 종류와 재배 방법에 따라 사용되는 배지의 종류가 다르고 이에 따라 발생되는 폐배지의 성상 또한, 차이가 있다. 특히 버섯배지로 주로 이용되고 있는 톱밥, 왕겨 등의 경우 리그닌과 셀룰로우스의 함량이 높아 부숙균의 일종인 버섯균에 의한 분해가 매우 늦어 재배 후 퇴비로서의 이용에 한계가 있다.

 버섯 폐배지는 각각 재배하는 버섯의 종류에 따라 배합 성분 및 성상이 다른 특징을 가지고 있다. 톱밥+왕겨배지의 경우 T-N은 0.56%로 가장 낮은 반면에 유기물은 86.5%로 높게 나타났으며, 폐면+비트펄프 배지의 경우 T-N은 1.36%로 가장 높았으나 유기물에서는 85.4%로 가장 낮은 수치를 기록하였다. 하지만, 전체적으로 버섯 폐배지 성분의 차이는 두드러지지 않는 것으로 나타났다. 또한, 물리적 성상에 있어서도 전체적으로 건조 시 용적 밀도와 수분 보유력이 높은 것으로 나타나 식물의 발아 및 후기 성장에 큰 역할을 수행할 뿐만 아니라 수분공급의 부족에도 안정적인 생육을 유지할 수 있는 효과가 있는 것으로 판단된다.

2. 고흡수성 폴리머의 흡수율 조사

2.1. 고흡수성 폴리머의 구조에 따른 흡수율

 Fig. 1은 powder형과 particle형의 고흡수성 폴리머의 시간의 경과에 따른 수분 흡수율을 비교한 그림이다. 조사 결과 고흡수성 폴리머의 경우 입자의 크기가 클수록 초기 수분의 흡수율이 커지는 것을 알 수 있었다. Powder 형태의 고흡수성 폴리머는 particle 형태 보다 흡수가 본격적으로 진행되는 시간이 20분 빠른 것으로 나타났으나 최종 흡수력은 서로 비슷하게 나타났다. 또한, 수분과의 반응시간 60분 이상 경과 후에는 흡수율이 37,000% 정도로 더 이상 증가하지 않고 포화상태에 도달한 것으로 나타났다.

Fig. 1. Effect of the structure of SAP on the adsorption activity of SAP.

 즉, particle형 고흡수성 폴리머의 구조체에 물과 반응하기위한 공간의 확보가 powder형 보다 유리한 구조에서 물의 흡수력이 증가하는 것으로 사료된다. Powder 형태의 경우 고흡수성 폴리머 분자간의 공극과 구조가 초기에 수분을 흡수하는 데 어려움이 있어 초기의 수분 흡수력에서 particle 형태보다 늦어지는 결과로 판단되어진다. 따라서 고흡수성 폴리머를 이용한 입체녹화 토양 적용 시 입자의 크기가 큰 타입의 폴리머를 활용할 경우 입자 공극에 따른 수분 흡수력과 흡수 속도에서 유리하여 초기 및 후기 식생에 안정성을 유지시키는 데 유리할 것으로 사료된다.

2.2. 고흡수 폴리머의 증류수 및 생리식염수 흡수량 조사

 입체녹화에 있어서 지속적인 수분공급과 함께 식종된 식물의 지속적인 영양분 공급이 중요한 요소이다¹⁵⁾. 그러나, 한정된 공간에서 지속적인 영양성분의 공급은 자칫 인공 지반의 염류 집적으로 뿌리가 썩을 수 있다고 보고되고 있다¹⁶⁾. 고흡수성 폴리머의 경우 염류 및 염분에 오염된 토양의 제염 등에 효과가 있는 것¹²⁾으로 보고되고 있어, 염류 집적에 의한 피해를 최소화하면서 수분을 지속적으로 공급할 수 있는 소재이므로 이를 활용하여 입체녹화용 토양으로 활용할 수 있는지 활용성을 검토하였다.

 Table 2에서는 고흡수성 폴리머를 powder 형태와 particle 형태로 선정하여 증류수 및 생리식염수에 대한 흡수량을 조사한 결과를 정리하였다.

Table 2. The effect of water absorption according to the structure of SAP

 실험결과, 증류수와 4% 생리식염수의 흡수량은 반응 30분 경과 후 평형 수준으로 도달하여 고흡수성 폴리머의 구조적 차이에 따른 변화는 거의 없는 것으로 나타났다. 증류수의 흡수율과 비교한 4% 생리식염수의 흡수율은 9 ~ 10% 수준으로 매우 낮은 수준으로 나타났다. 하지만, 일반적인 식물 적정 재배 토양인 양토, 식양토의 수분 보유력은 건토중량 대비 25 ~ 35%인 것과 비교하였을 때 수분보유력은 100배 정도 높은 결과로 위에서 언급한 바와 같이 고흡성 폴리머는 염류집적 해소 능력뿐만 아니라 염류집적 토양 조건에서도 안정적인 수분의 공급이 가능한 효과를 확인 할 수 있었다. 물에 비해 식염수의 수분 흡수율이 낮은 이유는 삼투현상 및 워터포텐셜로 설명할 수 있다. 삼투현상은 막을 경계로 용질의 농도가 낮은 곳에서 물이 용질의 농도가 높은 곳으로 이동하는 현상이다. 식염수내의 용질 농도는 일반 순수물에 비해 높기 때문에, 식염수를 담은 반응액의 워터 포텐셜이 낮아서 물의 이동이 적고 따라서 낮은 흡수율을 보이는 것으로 사료된다.

2.3. 고흡수 폴리머의 구조에 따른 토양의 물성 변화 조사

 입체녹화 토양의 경우, 외부의 환경 변화가 토양 자체의 구조적 변화를 초래하여 식종되어 있는 식물의 성장을 저해하는 문제점이 제시되고 있다¹⁷⁾. 특히 강우 및 건조 등으로 수분 보유량이 변화되어 토양에 균열이 생기고, 겨울철에는 온도가 급감함에 따라 토양의 서릿발 현상이 발생되며, 강풍 등에 따라 토양이 비산된다¹⁸⁾. 따라서, 고흡성 폴리머의 구조적 특성에 따른 건조 조건에서의 토양 물리적 특성 변화를 관찰하였다.

 관행적으로 사용하고 있는 배양토의 경우 powder나 particle의 두 경우 모두 구조적 변화는 일어나지 않았다(Fig. 2(A), 2(C)). 이는 관행적으로 사용되는 배양토의 경우 첨가제로 들어있는 피트모스, 펄라이트와 같은 다공성 완충재가 수분 보유 조건에 따른 팽창, 수축에 완충적인 역할을 하고있기 때문인 것으로 사료된다.

Fig. 2. Comparison of crack patterns according to soil type. A: Culture medium soil + SAP powder, B: Sand + SAP powder, C: Culture medium soil + SAP particle, D: Sand + SAP particle.

 모래에 고흡수성 폴리머를 첨가한 후 강우 조건과 건조조건을 반복 실험한 결과, particle 형태의 고흡수성 폴리머를 첨가한 실험구(Fig. 2(D))는 수분흡수와 건조에 따른 부피 변화의 정도가 심하여 모래의 균열현상이 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, powder 형태의 고흡성 폴리머가 첨가된 모래실험구는(Fig. 2(B)) 급격한 밀도의 변화가 없어 토양의 균열이 없는 것으로 나타났다. 물빠짐과 보수력이 부족한 모래의 경우 고흡수성 폴리머의 수분 보유능력으로 인해 부피 팽창에 따른 균열 현상이 발생하는 것으로 사료된다. 하지만, 고흡수성 폴리머의 수분 변화에 따른 용적밀도의 변화의 폭이 미세하여 습윤 건조가 반복되는 조건에서 모래를 제외하고는 토양의 균열이나 들뜸현상에 따른 뿌리의 손상 등에도 문제가 없는 것¹¹⁾으로 보고되어 적합한 배합조건 설정 등에 의한 이용성 증대 효과가 있을 것으로 판단된다.

3. 버섯폐배지와 고흡수성폴리머 첨가에 따른 식물 생육 비교

 입체녹화를 위한 인공지반 조성에 있어서 중요한 것은 토양과 토심으로서, 토양은 식물의 생장뿐만 아니라 하중에 영향을 주기 때문에 토양을 경량화 시키는 것이 중요하다¹⁷⁾. 이를 위해서는 인공토양의 배합비율을 증대시키거나 토양개량제를 혼합하여주면 된다. 토양개량제는 식물생장과 토양개선의 효과가 있으며 다량으로 혼합했을 경우에는 배합토의 효과보다도 토양개량제 자체의 성질이 식물의 생육에 작용하게 된다. 그러나 일반적으로 건축물 녹화에서는 허용하중이 낮기 때문에 자연토양과의 혼합보다는 인공경량토 만을 사용하거나 토양개량제와 혼용하여 사용하고 있다¹⁸⁾. 우리나라의 경우 식재용 인공경량토양은 대부분 진주암계통의 펄라이트(perlite)가 이용되며 이외에 피트모스(peatmoss), 코코넛 더스트(coconut dust), 질석(vermiculite), 톱밥(sawdust), 바크(bark), 입상 암면(granular rockwool) 및 다공질의 유리파쇄물이 있다¹⁹⁾. 이러한 인공토양들은 단독으로 사용하기보다 혼합하여 사용할 경우 서로의 물리적 성질을 보완함으로써 식물의 생육에 더 효과적이다. 그중 대립 펄라이트는 자연토양과 혼합하여 사용하는 것이 적합하며, 다공성 유리 파쇄물과 바크를 혼합한 토양은 단독으로 이용할 수 있으며 자연토양과 혼합하여 사용하는 것도 가능하며 대립 펄라이트와 자연토양과 혼용한 것보다 우수한 특성을 나타내고 있다.

 본 연구에서 사용하는 버섯 폐배지는 초기 투입된 배지의 30% 정도로 감소되어 경량성을 가질 뿐만 아니라 버섯에 의한 유기물 변환과 화학적 조성의 변화로 식물을 재배하기 좋은 소재라고 할 수 있다.

3.1. 버섯폐배지와 고흡성 폴리머를 이용한 잔디종자의 발아력 조사

 버섯 폐배지(SMS)와 particle 형태의 고흡수성 폴리머(SAP)를 첨가하여 제작한 토양에서 작물의 발아력을 조사하였다(Table 3).

Table 3. Effects of soil type on the seed germination of the grass

 일반적으로 입체 조경에 있어서 지피식물로 이용되는 잔디류 중에서 난지형 버뮤다그라스와 한지형 켄터키블루그라스를 배양토와 고흡수성폴리머를 첨가한 배양토에 식재한 후 발아력을 조사하였다. 이때 초기 수분을 공급한 이후 추가적인 수분 공급이 없는 조건에서 발아에 영향을 미치는 정도를 확인하였

 버뮤다그라스의 경우, 버섯 폐배지에 고흡수성 폴리머 0.5% 첨가한 인공토양에서 7일 이후에 100%로 발아에 성공한 반면, 배양토에선 7일 째 80%의 발아율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 켄터키블루그라스의 경우, 배양토에선 5일만에 100%의 종자발아를 확인하였으나 버섯 폐배지에 고흡수성 폴리머를 0.5% ~ 1% 첨가하여 제작한 인공토양에서는 7일 후 100% 발아한 것으로 나타났다. 이는 켄터키블루그라스의 경우 한지형으로 겨울 늦게까지 녹색을 띠고 있어 골프장, 절개지의 사면 녹화 등에 주로 사용되는 잔디로 낮은 수분 요구도를 가지고 있어 발아 및 성장에 있어서 버섯폐배지에 고흡수성 폴리머를 첨가한 경우에는 발아에 큰 영향을 보이지 않는 것으로 판단된다.

 발아 초기에 종자에서 발근하는 경우 뿌리가 토양물리성에 따른 발아력에 영향을 미치는 것으로 보고되어있다²⁰⁾. 본 연구에서는 인공토양 조성물의 토양 경도가 종자의 발근을 저해하지 않는다는 사실을 확인할 수 있었다.

3.2. 버섯폐배지와 고흡성 폴리머를 이용한 Sedum anacampseros의 발근력 조사

 버섯 폐배지와 고흡수성 폴리머로 이루어진 인공토양에서의 식물의 발근력을 알아보기 위하여 다육식물의 한 종류인 Sedum anacampseros을 이용하였다. S. anacampseros은 뿌리의 발근력이 우수한 식물로 특히 초기 성장과 생육 후기에 뿌리의 분주를 통해 새로운 개체를 만들어 가는 특징을 가지고 있어 식재 후에 넓게 표면을 도포하므로 조경용 식물로서의 이용성이 높다. 다육식물은 이러한 특징으로 실내 및 실외의 조경용으로 많이 식재되고 있으나, 식재 초기에 뿌리의 발근 등이 생육에 중요한 영향을 주기 때문에 초기 뿌리 생육을 위한 적합한 배양토의 구성이 매우 중요하다. 또한, 식재 표면의 대부분을 지피식물로 활용할 경우 초기의 뿌리 활착성이 매우 중요하므로 식재토양의 영양적 요구도가 매우 높다.

 Fig. 3에서 보는 바와 같이 버섯 폐배지에 고흡수성 폴리머를 첨가한 조건인 경우 S. anacampseros의 뿌리성장에 있어서 배양토 단독으로 재배한 결과보다 우수한 결과를 보였다. 특히 고흡수성 폴리머의 첨가 비율이 높은 경우 뿌리의 길이 성장 뿐 만 아니라 잔뿌리의 형성 또한, 우수한 것으로 나타났다. 이는 지속적인 수분 공급이 없는 경우 고흡수성 폴리머의 초기 수분 흡수력에 의해 성장 초기에 뿌리 발달을 촉진시키는 결과로 사료된다.

Fig. 3. Root growth of Sedum anacampseros according to soil types.

3.3. 버섯 폐배지와 고흡성 폴리머를 이용한 치커리(Cichorium intybus)의 생육비교 조사

 버섯 폐배지와 particle 형태의 고흡수성 폴리머를 함유한 인공토양과 일반 배양토에서 생육하는 치커리(Cichorium intybus)의 줄기생장, 엽수, 생체중을 비교하였다.

 치커리 종자를 배양토와 대비하여 생육을 비교하였을 때 버섯 폐배지와 고흡수성 폴리머 첨가 토양은 신장, 엽수, 생체중 모두 우수한 결과를 확인할 수 있었다.

 버섯 폐배지를 활용한 인공토양에서 생육을 비교한 결과 초장에 있어서는 배양토 대비 SAP(0.5%)첨가구가 105%, SAP(1%)첨가구가 187% 이상 증가하였고, 엽수에 있어서는 SAP(0.5%)첨가구가 123%, SAP(1%) 첨가구가 145% 이상 증가한 것을 확인할 수 있었다. 생체 중에서도 SAP(0.5%)첨가구가 130%, SAP(1%)첨가구가 285% 이상 증가한 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 버섯 폐배지와 고흡수성 폴리머 1%첨가 비율이 식물 생육에 우수한 것으로 판단된다.

 버섯 폐배지의 영양적 요구도는 기존 관행적으로 이용되고 있는 배양토와 비교했을 때 성장에서 효과가 우수한 것으로 나타났다. 첫째로는, 버섯재배과정에서 버섯균에 의해 배지의 주요성분들이 식물이 이용 가능한 형태로 전이되어 식물의 이용성을 증가시킨 것이다. 식물의 생육초기에는 수분요구량이 커서 이것이 성장제한요인으로 작용한다. 그런데 고흡수성 폴리머가 첨가됨에 따라, 수분 요구도에 대한 장애가 해소됨에 따라 성장 촉진효과를 보인 것이다.

Table 4. Growth characteristics of Cichorium intybus according to soil type

IV. 결 론

 본 연구에서는 버섯재배 후 발생되는 버섯 폐배지와 고흡수성 폴리머를 이용하여 입체녹화를 위한 인공토양을 제작하고 제작된 인공토양의 물리 화학적 특성 및 식물의 발아력, 생육 조건 등을 확인하여 입체녹화의 새로운 소재를 개발하고자 하였다.

 버섯 폐배지는 각각의 재배하는 버섯의 종류에 따라 배합 성분 및 성상이 다른 특징을 가지고 있다. 톱밥+왕겨배지, 폐면+비트펄프 배지 등은 전체적으로 성분의 차이는 두드러지지 않는 것으로 나타났다.

 고흡수성 폴리머의 경우 입자의 크기가 커질수록 수분의 흡수율이 커지는 것을 알 수 있었다. Particle 형태의 고흡수성 폴리머는 powder 형태의 구조보다 25.7% 이상 증류수에 대한 흡수율이 증가하였고, 4% 식염수의 경우 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 형태에 따른 고흡수성 폴리머의 증류수에 대한 흡수 속도를 살펴본 결과, particle 형태의 경우 20분 이전, powder형태는 30분 이전에 평형에 도달하였으나 최종 흡수력은 서로 비슷하게 나타났다.

 버뮤다그라스의 발아력을 조사한 결과, 피트모스보다 버섯 폐배지와 고흡수성 폴리머를 0.5% 첨가한 인공토양에서 7일 이후에 100%로 발아에 성공한 반면, 배양토의 경우, 94%의 발아율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 치커리(Cichorium intybus) 종자의 생육특성을 조사한 결과, 배양토 대비 버섯 폐배지와 고흡수성 폴리머를 첨가한 토양은 신장, 엽수, 생체중에서 모두 우수한 결과를 확인할 수 있었다. 초장에 있어서는 배양토 대비 SAP(0.5%) 첨가 시 105%, SAP(1%) 첨가 시 187% 이상 증가하였고, 엽수에 있어서는 SAP(0.5%)첨가 시 123%, SAP(1%)첨가 시 145% 이상 증가한 것을 확인할 수 있었으며, 생체중에서도 SAP(0.5%)첨가 시 130%, SAP(1%)첨가 시 285% 이상 증가한 것을 확인할 수 있었다. 즉, 버섯 폐배지와 고흡수성 폴리머를 1% 첨가한 비율이 식물 생육에 가장 우수한 것으로 보여지며, 이와 같은 결론으로 버섯폐배지와 고흡수성 폴리머를 활용한 인공토양은 입체녹화의 토양 소재로서 적합할 것으로 판단될 뿐만 아니라 다양한 농업용 응용범위, 황폐지나 사막의 녹화 등에까지 그 이용이 확대될 수 있다 판단된다.

감사의 글

 본 연구는 2013년 환경부 “EI” 연구과제의 지원에 의해 이루어진 것이며, 이에 감사드립니다

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