서 론

현대 농업은 인구 증가에 따른 식량 수요를 충족시키기 위해 단위 면적당 생산성을 극대화하는 방향으로 발전해 왔다. 특히 한국과 같이 경지 면적이 제한적인 국가에서는 시설 하우스를 이용한 집약적 농업이 주류를 이루고 있다. 그러나 이러한 고투입-고산출 농업 시스템은 토양 내 양분 과잉 집적, 염류 장해, 그리고 수계 오염이라는 심각한 환경적 부작용을 초래하였다. 특히 질소(N)와 인(P)의 불균형적인 투입은 농업 생태계의 지속 가능성을 위협하는 주요 요인으로 지목되고 있다.

최근 국내 가축 사육 두수 증가에 따른 가축분뇨 발생량 급증은 수질 및 토양 오염 등 환경적 부하를 가중시키는 요인이 되고 있다 (Hur et al., 2015; NIAS, 2010). 특히 2012년 가축분뇨 해양 투기 금지 조치 이후, 가축분뇨를 자원으로 재활용하는 경축순환농업의 중요성이 지속적으로 강조되어 왔다 (Lee et al., 2015). 그러나 기존 가축분뇨 액비는 높은 부유물질 함량으로 인한 관비 시설의 노즐 막힘과 살포 시 악취 문제로 시설 원예 농가, 특히 엽채류 재배 농가에서의 수용성이 낮았다 (Kim et al., 2023).

본 연구의 대상지역 시설 시금치 재배 농가의 토양 분석 결과, 유효인산 함량은 1,028 mg/kg으로 적정 범위(350~450 mg/kg)를 2배 이상 초과하는 것으로 나타났다. 이러한 과잉 인산은 작물의 아연(Zn), 철(Fe) 등 미량 원소 흡수를 방해하는 길항 작용을 일으켜 생리 장해를 유발할 수 있으며, 강우 시 유출되어 수계 부영양화의 원인이 된다. 따라서 시설재배지에서는 인산의 추가 투입을 억제하면서 작물 요구도가 높은 질소와 칼륨만을 선별적으로 공급할 수 있는 고도화된 시비 전략이 요구된다.

이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로 최근 물리적·화학적 공정을 통해 부유물질과 이물질을 제거한 여과액비가 주목받고 있다.

가축분뇨 내의 인(P)은 상당 부분이 입자성 유기물이나 무기 침전물 형태인 콜로이드 상태로 존재한다. 따라서 MF나 UF 공정만으로도 인산의 80~90% 이상을 고형분으로 분리해낼 수 있다. 반면, 무기태질소와 칼륨은 이온 상태로 물에 용해되어 있어 MF/UF 막을 쉽게 통과하여 여과액에 잔존하게 된다. 이 원리를 이용하면 저인산-고질소-고칼륨의 특성을 가진 여과액비 생산이 가능하다. 여과액비는 기존 액비 대비 성상이 균일하여 점적관수 등 관비 시스템을 통한 연중 시비가 가능하며 (MAFRA, 2022), 중금속 및 병원성미생물에 대한 안전성도 높은 것으로 보고되고 있다 (Kim et al., 2023). 더불어 농축 및 성분 조절 기술을 적용해 작물별 맞춤형 시비가 가능하므로, 화학비료를 대체하고 농업 부문의 탄소 배출을 저감할 수 있는 핵심 자원으로 기대된다 (Jung et al., 2025; RDA, 2025).

선행 연구에 따르면, 여과액비는 오이, 브로콜리, 상추 등 시설 채소 작물의 생육과 품질 면에서 화학비료와 대등하거나 우수한 효과를 나타냈다 (Le et al., 2024a; Le et al., 2024b; Park et al., 2012). 실제로 2017년부터 2022년까지 강원도 횡성 및 철원군에서 수행된 지역단위 경축순환농업 실천 생산모델 현장실증 및 추비용 여과액비 실증사업 결과, 여과액비 활용 시 화학비료 대체율은 평균 80~90%에 달했으며 비료 구매 비용 절감 등 경제적 효과를 거둔 것으로 확인되었다 (RDA, 2025; MAFRA, 2022).

그러나 기존 연구들은 주로 작물의 생육 반응이나 화학적 특성 분석에 집중되어 있어, 실제 영농 현장에서의 여과액비 활용이 농가의 비료 구매 비용 및 경영비에 미치는 경제적 효과를 정량적으로 분석한 사례는 부족한 실정이다. 특히 액비 성분 특성에 따른 적정 시비량 산정과 이에 따른 화학비료 대체 효과를 구체적인 수치로 제시하는 것은 농가의 수용성을 높이기 위해 필수적이다.

본 연구는 막여과 공정을 거친 가축분뇨 유래 여과액비가 인산이 과잉 집적된 시설 시금치 재배지에서 화학비료를 효과적으로 대체할 수 있는지, 그리고 이를 통해 농가의 경영비를 실질적으로 절감할 수 있는지를 규명하는 것을 목적으로 한다.

재료 및 방법

1. 실험재료

본 연구에는 경기도 소재 가축분뇨 공동자원화시설에서 생산한 여과액비를 사용하였다. 여과액비는 수거된 가축분뇨를 고액분리기를 이용해 1차로 고형분을 제거한 후, 호기성 폭기조에서 충분히 부숙시킨 액상물을 세라믹 막 필터 시스템으로 2차 여과하여 제조된 것이다 (Figure 1).

Figure 1.

Process flow diagram for the production of filtered liquid fertilizer.

또한 생산된 여과액비는 경기도 포천시 영북면 자일리 일대 시설 시금치 재배 농가 6개소에 공급하여, 토양검정 기반 처방 및 현장 시용 평가에 사용하였다 (Figure 2).

Figure 2.

Locations of participating spinach farms in the study area.

2. 분석 방법

(1) 여과액비 화학적 특성 분석

여과액비의 화학적 분석은 「비료의 품질검사방법 및 시료채취기준」(RDA, 2025) 및 「수질오염공정시험기준」(ME, 2024)에 준하여 수행하였다. TN, NH₄⁺-N, NO₃^--N은 각각 황산법, 증류법, 데바루다합금법으로 측정하였다. P, K, As, Cd, Pb, Cr, Cu, Ni, Zn, Ca, Mg, Fe, Mo, Mn, B는 마이크로웨이브 (QWave1000, Questron Technologies, USA)로 산 가수분해 후 ICP (Spectro Blue, SPECTRO Analitical Instruments, Germany)로 각각 측정하였으며, Hg는 마이크로웨이브 (QWave1000, Questron Technologies, USA)로 산 가수분해 후 수은분석기 (RA-5, NIC, Japan)를 이용하여 측정하였다. 염분 농도는 ICP (Spectro Blue, SPECTRO Analitical Instruments, Germany) 로 정량한 후 NaCl로 환산하여 계산하였다. 그 외 pH와 전기전도도(EC, Electrical Conductivity)는 각각 수질다항목측정기 (YSI-556MPS, Xylem,USA)를 이용하여 측정하였다. 그 외 SS와 COD_Mn은 수질오염공정시험기준의 ES 04303.1c 및 ES 04315.2b 방법으로 분석하였다.

(2) 토양 화학성 분석

토양 화학성 분석은 「토양화학분석법」(NIAS, 2010)에 준하여 수행하였다. 토양 시료는 풍건한 뒤 2 mm 체를 통과시켜 분석에 사용하였다. pH와 EC는 토양과 증류수를 1:5(w/v) 비율로 혼합하여 측정하였다. 유기물은 Tyurin법, 유효인산(Av. P₂O₅)은 Lancaster법으로 분석하였다. 치환성 양이온(K, Ca, Mg)은 1 N ammonium acetate(pH 7.0)로 침출한 후 유도결합플라즈마 광학방출분광기(ICP-OES)로 정량하였다. 또한 질산태질소와 양이온교환용량(CEC)을 분석하여 비료 시용 처방의 기초 자료로 활용하였다.

3. 액비 시비량 산정 및 화학비료 절감 효과 평가

(1) 시비량 산정 기준

시금치 재배를 위한 비료 요구량은 농촌진흥청 국립농업과학원의 「작물별 비료사용처방 기준」(NIAS, 2022)에 준하여 산정하였다. 파종 전 채취한 토양의 화학적 분석 결과를 시금치 표준 시비량 산정식에 대입하여 질소, 인산, 칼리의 적정 시비량을 결정하였다.

여과액비의 최종 시용량은 작물 생육의 제한 인자인 질소(N) 요구량을 기준으로 설정하였다. 토양 검정 시비 처방서상의 질소 추천 시비량을 여과액비 내 총질소(T-N) 함량으로 환산하여 전량 공급하였으며, 이 과정에서 인산 및 칼륨 성분은 별도의 보정 없이 여과액비 시용에 수반하여 공급되도록 하였다.

토양 NO₃^--N 기준: y=18.178-0.091x

y: 질소비료 사용량(kg/10a), x: 토양 NO₃^--N 함량(mg/kg)

토양 EC 기준: y=18.178-4.552x

y: 질소비료 사용량(kg/10a), x: 토양 EC 함량(dS/m)

주)밑거름은 전체 질소 사용량의 40%를 주고, 웃거름은 수확 횟수만큼 나누어 동량을 시용

y=97.624-34.398logx

y: 인산비료 사용량(kg/10a), x: 토양 유효인산 함량(mg/kg)

주)전량 밑거름으로 사용함

y=35.783-100.940x

y: 칼리비료 사용량(kg/10a), x: K/Ca+Mg

주)밑거름은 전체 칼리 사용량의 65%를 주고, 웃거름은 수확 횟수만큼 나누어 동량을 시용

(2) 화학비료 대체 및 경제적 효과 분석

새로운 농업 기술이나 자재의 도입 타당성을 평가하기 위해서는 기술적 효과뿐만 아니라 경제적 실익에 대한 분석이 병행되어야 한다. 이를 위해 농업 경영학에서 널리 사용되는 방법론이 부분 예산법이다. 부분 예산법은 전체 농장 경영을 분석하는 것이 아니라, 특정 경영 의사결정으로 인해 변동되는 수익과 비용 항목만을 분리하여 분석하는 기법이다. 순이익은 (수익 증가 + 비용 절감) - (수익 감소 + 비용 증가)로 계산되며, 이 값이 양수(+)일 때 기술 도입의 경제적 타당성이 확보된다. 본 연구에서는 이 방법론을 적용하여 화학비료 대체에 따른 비용 절감 효과를 정량화하였다. 분석 범위는 비료 자재비의 변동분에 국한하였다. 즉, 여과액비 활용에 따른 경제적 효과는 대조구(관행 화학비료 시비구) 대비 처리구(여과액비 시비구)의 화학비료 구매 비용 절감액으로 정의하여 평가하였다. 비용 산정은 시중에서 상용화된 주요 단일비료인 질소 46%, 인 20%, 칼륨 60%의 유효성분 함량을 기준으로 하였으며, 단가는 2024년 12월 기준 국내 온라인 유통 최저가를 적용하였다(요소 1,200 원/kg, 염화칼륨 1,500 원/kg). 이때 운송비나 살포 인건비와 같이 농가별 변동성이 큰 간접 비용은 배제하고, 순수 비료 자재비만을 비교하여 여과액비의 화학비료 대체에 따른 정량적 절감 효과를 분석하였다. 이는 여과액비의 운송 및 살포 비용이 지자체의 경축순환농업 지원 정책(살포비 보조 등)에 의해 농가 부담이 거의 없거나, 기존 관수 시스템을 활용하므로 추가 노동력이 미미하다는 가정에 기초한다. 비용 절감액 산출식은 다음과 같다.

비용 절감액(원/10a) = (관행화학비료시비구 화학비료투입비용)-(여과액비시비구 추가 화학비료투입비용)

결과 및 고찰

1. 여과액비 화학적 성상

(1) 주요 양분 함량

여과액비의 비료 성분 분석 결과, N 및 K₂O의 함량은 각각 2,242.32 mg/L, 2,640.62 mg/L으로 유사하게 높은 수준을 보였다. 반면, P₂O₅ 함량은 151.80 mg/L으로 다른 다량원소에 비해 매우 낮게 분석되어, 단독 시비 시 인산 공급 효과는 미미할 것으로 판단된다 (Table 1). 막여과 공정을 거친 여과액비의 성분 분석 결과는 가축분뇨의 자원화 측면에서 중요한 시사점을 제공한다. 여과액비의 가장 두드러진 특징은 높은 질소 및 칼륨 함량 대비 극히 낮은 인산 함량이다. 일반적인 돈분 슬러리의 N:P 비율이 2:1 ~ 3:1 수준인 것에 비해 본 여과액비는 약 14.7:1의 비율을 보인다. 이는 막여과 공정이 입자성 인산을 걸러내고 용존성 질소와 칼륨만을 투과시켰음을 입증한다.

(2) 미량 요소 함량

여과액비의 미량요소 함량을 분석한 결과, 나트륨(Na)과 염소(Cl) 함량은 각각 597.21 mg/kg, 1,253.39 mg/kg으로 다른 미량요소에 비해 상대적으로 높은 수준으로 나타났다. 또한 작물 생육에 필요한 부성분인 황(S), 석회(CaO), 철(Fe)은 각각 213.80 mg/kg, 150.53 mg/kg, 103.04 mg/kg으로 함유되어, 별도의 미량요소 비료를 추가 공급하지 않더라도 작물의 기본적인 요구량 충족에 기여할 수 있는 것으로 해석된다. 반면 고토(MgO)과 망간(MnO)은 본 분석에서 검출되지 않았다(Table 2).

(3) 중금속 및 기타 성분 함량

중금속 함량을 분석한 결과, 대부분 항목에서 불검출로 나타났으며, 구리(Cu)만 3.83 mg/kg이 검출되었다. 검출된 Cu 농도는 「비료 공정규격 설정 및 지정」(농촌진흥청 고시)에서 제시하는 가축분뇨발효액비의 구리 허용기준(50 mg/kg) 대비 매우 낮기 때문에 환경적 위해성은 거의 없는 것으로 판단된다(Table 3).

여과액비의 pH는 평균 9.25로 강한 알칼리성을 나타냈으며, 전기전도도(EC)는 23.41 dS/m으로 높은 수준으로 측정되었다. 총고형물(TS)은 8,209.34 mg/L, 화학적 산소요구량(COD_Mn)은 1,644.80 mg/L로 나타나 유기물 및 무기 성분이 비교적 고농도로 존재함을 시사하였다. 한편 부유물질(SS) 함량은 평균 684 mg/L로 낮아져 기존 액비의 고질적 문제였던 점적 호스 막힘 현상을 방지할 수 있는 수준으로 개선되었다. 이는 시설원예 농가에서의 액비 활용성을 높이는 요인이다. 또한 막여과 공정을 통해 SS가 684 mg/L 수준으로 낮아짐에 따라, 기존 액비에서 빈번히 문제 되었던 점적호스 및 노즐 막힘 위험을 완화할 수 있는 수준으로 개선된 것으로 판단된다. 아울러 As, Cd, Pb, Hg 등 주요 중금속은 불검출 또는 기준치 이하로 확인되어 비료 자원으로서의 안전성이 뒷받침되었다(Table 3). 다만 본 여과액비의 EC는 23.41 dS/m으로 높게 측정되었으므로, 폐쇄적인 시설하우스 환경에서 반복 시용할 경우 토양 염류 집적 가능성을 배제할 수 없다. 따라서 현장 적용 시에는 토양 EC의 정기 모니터링과 함께 관수량 조절을 통한 염류 세탈 등 염류 관리가 병행될 필요가 있다.

2. 시금치 시설재배 농장의 토양 화학적 성상

시험대상 농가 토양의 화학적 특성을 분석한 결과, 토양 pH는 평균 6.43으로 시금치 재배 적정 범위(6.5~7.0)보다 다소 낮게 나타났다. 전기전도도(EC)는 2.2 dS/m로 적정 기준(2.0 dS/m 이하)을 초과하여 염류 집적 경향이 확인되었다.

양분 상태를 보면, 유기물(OM) 함량은 25.5 g/kg으로 적정 범위(20~30 g/kg)에 포함되었으나, 질산태 질소(NO₃^--N)는 41.5 mg/kg으로 적정 범위(50~150 mg/kg)에 미치지 못해 질소질 비료의 추가 공급이 요구되는 수준이었다. 반면 유효인산(Av. P₂O₅)은 평균 1,028 mg/kg으로 적정 기준(350~450 mg/kg)을 크게 상회하여 과잉 축적 상태를 나타냈다. 시험 토양은 유효인산(Av. P₂O₅)이 평균 1,028 mg/kg으로 적정 기준을 크게 초과한 반면, 질산태 질소(NO₃^--N)는 적정 범위에 미치지 못해 ‘고인산-저질소’ 중심의 양분 불균형 상태로 진단되었다(Table 5). 이러한 조건에서 인산질 비료를 관행대로 투입할 경우 토양 내 인 축적을 가중시킬 가능성이 크므로, 추가 인 투입을 최소화하면서 질소를 안정적으로 공급할 수 있는 시비 전략이 요구된다. 따라서 저인산 특성을 가지면서 질소 및 칼륨을 동시에 공급할 수 있는 여과액비를 질소 요구량 기준으로 처방·시용하는 접근은, 인산 과잉 시설토양에서 양분 불균형을 악화시키지 않으면서 작물 요구 양분을 충족할 수 있는 합리적 대안으로 해석된다.

시금치는 질소 요구도가 매우 높은 엽채류이다. 질소는 엽록소 구성과 잎의 성장에 필수적이며, 시금치의 상품성(잎의 크기, 색깔)을 결정짓는 핵심 인자이다. 또한 시금치는 칼륨 흡수량도 많은데, 칼륨은 기공 개폐 조절, 효소 활성화, 그리고 세포의 삼투압 조절에 관여하여 염류 스트레스에 대한 내성을 증진시킨다. 인산은 토양 내에서 철, 알루미늄(산성 토양) 또는 칼슘(알칼리성 토양)과 결합하여 난용성 화합물을 형성하므로 이동성이 매우 낮다. 시설 토양에서는 다년간의 과다 시비로 인해 축적된 인은 식물이 이용할 수 있는 수준을 훨씬 상회하게 된다. 따라서 인산 함량이 높은 토양에서는 인산 시비를 중단하고, 토양에 축적된 인산을 작물이 흡수하도록 유도하는 전략이 필요하다. 이러한 의미에서 저인산-고질소-고칼륨의 특성을 가진 여과액비는 인산 과잉 토양의 추가 인산 축적을 억제하면서 질소를 공급할 수 있는 대안이 될 수 있다. 한편, 치환성 양이온의 경우, 칼륨(K)은 0.94 cmol⁺/kg으로 적정 기준(0.45~0.60 cmol⁺/kg)보다 높게 축적된 반면, 마그네슘(Mg)은 1.79 cmol⁺/kg으로 기준(2.0~2.5 cmol⁺/kg)보다 낮게 나타났다(Table 5).

3. 여과액비 시용에 따른 비료 절감 및 경제성 분석

(1) 토양 검정 기반 비료 요구량 및 시비량 산정

「작물별 비료사용처방 기준」(NIAS, 2022)에 의거하여 토양 분석 결과를 반영하고, 시금치 재배를 위한 성분별 적정 시비량을 산출하였다.

인산(P₂O₅)의 경우 시험 포장의 유효인산 함량이 평균 1,028 mg/kg으로 적정 범위(350~450 mg/kg)를 크게 상회하여 과잉 집적 상태를 나타냈다. 이에 따라 작물 생육을 위한 인산질 비료 추가 시비량은 0 kg/10a로 설정되었다. 이는 토양 검정 기반 처방을 통해 불필요한 인산 투입을 배제하고, 관행 시비에서 발생할 수 있는 과다 시비를 차단한 결과로 해석된다.

질소(N)는 토양 내 질산태 질소 함량(41.5 mg/kg)을 고려하여 10a당 31.31 kg의 질소가 필요한 것으로 산출되었다. 이를 여과액비의 총질소(T-N 2,242 mg/kg) 함량으로 환산하여 전량 공급하도록 설계한 결과, 액비 필요량은 약 6,422 kg/10a로 산정되었다.

칼리(K₂O)는 토양 내 치환성 칼륨 함량이 0.94 cmol⁺/kg으로 적정 기준(0.45~0.60 cmol⁺/kg)보다 높은 수준이었으나, 시금치의 높은 칼륨 흡수량을 고려하여 표준 추천량에 준하는 6.42 kg/10a를 산정하였다(Table 6).

여과액비 시비량을 질소 요구량(6,422 kg/10a)에 맞춰 적용할 경우, 여과액비에 포함된 칼륨 성분(2,190 mg/kg)에 의해 약 14.0 kg/10a의 칼륨이 함께 투입되는 것으로 환산되었다. 이는 칼륨 요구량(6.42 kg/10a)을 충분히 상회하는 수준으로, 여과액비 단독 시용만으로도 질소와 칼륨의 요구량을 동시에 충족할 수 있는 조건이 되었다(Table 7).

(2) 화학비료 대체량 및 비료 구매 비용 절감 효과

토양 검정 처방에 따른 화학비료(요소, 염화칼륨) 소요 비용과 여과액비 대체에 따른 절감액을 산출하였다. 단가는 2024년 12월 기준 온라인 최저 유통 가격을 적용하여, 요소(N 46%)는 1,200원/kg, 염화칼륨(K₂O 60%)은 1,500원/kg으로 설정하였다.

관행 시비구에서는 10a당 요소 31.31 kg과 염화칼륨 6.42 kg이 요구되어, 요소 비용 37,569원과 염화칼륨 비용 9,624원이 발생하였으며 총 비료 자재비는 47,193원/10a로 산정되었다. 반면 여과액비 처리구는 질소 요구량에 맞추어 여과액비 6,422 kg/10a를 시용함으로써 질소뿐 아니라 칼륨 성분까지 작물 요구량을 상회하는 수준으로 공급되었다. 이에 따라 추가 화학비료 투입이 필요하지 않아(요소 0 kg, 염화칼륨 0 kg), 관행 시비 대비 47,193원/10a의 비료 구매 비용 절감 효과가 산출되었다. 이를 ha 기준으로 환산하면 471,930원/ha의 경영비 절감이 가능한 것으로 평가되었다(Table 8). 본 경제성 평가는 부분 예산법의 개념에 따라 비료 자재비(요소, 염화칼륨) 변동분만을 대상으로 산정하였으며, 운송비, 살포 인건비 등 농가별·지역별 변동성이 큰 간접 비용은 비교에서 제외하여 순수 비료 구매 비용 절감 효과를 보수적으로 제시하였다.

결 론

본 연구는 경기도 포천 지역 시금치 시설재배 농가를 대상으로, 가축분뇨 유래 여과액비(FLF)의 농업적 적용 가능성과 경제적 효과를 평가하였다. 여과액비는 막여과 공정을 통해 부유물질이 684 mg/L로 낮아 관비(점적관수) 시스템 적용에 적합한 수준을 보였으며, 총질소(2,242 mg/kg)와 칼리(2,641 mg/kg)은 높은 반면 인산(152 mg/kg)은 낮게 나타났다. 시험지 토양은 유효인산이 1,028 mg/kg으로 권장 범위를 크게 초과하여, 질소 요구량 기준의 여과액비 시용이 인산 축적을 가중시키지 않으면서 질소와 칼륨을 공급할 수 있는 최적 전략으로 판단되었다. 또한 여과액비로 화학비료(요소, 염화칼륨)를 대체할 경우 비료 구매 비용이 10a당 47,193원 절감되는 것으로 산출되었다. 이상의 결과는 여과액비가 시설집약 농업에서 양분 불균형(고인산 토양) 관리와 화학비료 절감에 기여할 수 있는 실용적 대안임을 시사한다.