KR102010065B1 - 표토의 재생이 가능한 식물 재배용 적층 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표토의 재생이 가능한 식물 재배용 적층 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제철 부산물인 슬래그를 포함하는 콘크리트 조성물로 제조된 다공성 콘크리트를 포함하는 기저층; 기저층 상부에 형성되며, 제철 부산물인 슬래그를 섬유화 하여 획득되는 암면을 포함하는 피복층; 및 상기 피복층 상에 배치된 적어도 하나의 생육부 및 적어도 하나의 지효성 비료부를 포함하는 식물 재배용 적층 구조에 관한 것이다.

Description

표토의 재생이 가능한 식물 재배용 적층 구조{TOPSOIL RENEWABLE STACKED STRUCTURE FOR PLANT CULTIVATION}
본 발명은 표토의 재생이 가능한 식물 재배용 적층 구조에 관한 것으로, 암면(Rockwool)을 이용하여 표토가 없는 곳에서도 식물 재배가 가능하도록 하며, 표토의 지속적인 유실을 막아 궁극적으로는 표토가 재생될 수 있도록 해 주는 식물 재배용 적층 구조에 관한 것이다.
암석이 잘게 부스러져서 만들어진 토양은, 풍화 과정이 진행되지 않은 암석인 기반암이 풍화되어 돌 조각과 모래로 되어 있는 모질물이 만들어지고, 식물이 자라는 맨 위층으로 유기물질과 광물질이 혼합되어 있는 표토를 형성하게 된다. 그 이후 표토에서 분해된 물질이 지하수의 작용으로 아래로 흘러내려 점토 광물과 산화철을 많이 포함하는 심토층을 형성하게 된다.
이들 토양 중 최상부를 이루고 있는 표토의 경우 보통 지표면으로부터 20cm 내지 50cm 까지가 표토로 정의되는데, 식물이 흡수 및 이용하는 양분 및 수분의 저장 및/또는 공급 측면에 있어서 대단히 중요한 역할을 하고 있다. 그러나 이와 같은 표토는 지나친 경작 활동과 수목의 벌채로 말미암아 빠른 속도로 침식되고 있으며, 표토가 일단 한번 유실되는 경우 다시 표토층을 회복하는 데에는 약 1000년에서 만년까지 시간이 소요된다.
이러한 토양 유실의 원인으로는 경사지가 많은 토양에 집중 호우가 내리는 경우를 들 수 있으며, 특히 벌목 활동이 과도하게 이루어진 지역의 유실 정도가 심해진다. 또한, 열대 우림 지역에서도 삼림이 벌채된 후 토양 유실이 심하게 일어난다. 강한 태양열과 많은 강우량으로부터 토양을 보호하던 열대 우림이 사라지면 표토가 급격하게 유실되는 경향이 있다. 그리고, 도시화 과정, 특히 토목 사업에는 필연적으로 토양 침식이 수반되는데, 건설 현장의 토양은 맨땅으로 노출되어 있거나 진동으로 인하여 토양 구조가 약화되어 있기 때문에 집중 호우 때에는 산사태가 발생하기 쉽다. 1년 동안의 토목 공사 중에 일어나는 토양 유실량은 수십 년간의 농경 활동으로 유실되는 양보다 많은 경우도 있다. 또한, 몽골의 사막 지역과 같이 한 때는 초지였던 지역이 과잉 방목으로 인해 풀을 잃는 경우 다시 회복되지 못하는 이유도 표토가 바람에 유실되어 풀 씨가 발아 및 생육되지 못하기 때문이다.
한편, 식생을 위한 토양 구조와 관련하여 다양한 연구가 진행되고 있으며, 예를 들어 한국특허출원 제2000-0023321호는 폐암면을 이용한 식물재배용 배지에 관한 기술을 개시하고 있다. 암면(Rockwool)은 제철소의 슬라그(Slag)에 현무암 규산질 암석 석회석 등 광석과 해탄을 혼합하여 용로에서 1천5백 내지 1천6백℃로 용융시킨 후 고속 원심력에 의해 망상으로 섬유화한 무기질섬유를 말하는데, 석면과 달리 달리 내열 규산과 석회석이 기본 성분이고 보온 단열재 및 유리 온실의 양액 배지로 사용이 된다. 그러나 암면의 경우 기계적 지지기능이 약하고 물을 머금는 함수(含水)기능이 약하여 보완이 필요하다.
따라서, 이와 같은 암면의 약점을 보완할 수 있고, 나아가 표토의 재생을 유도할 수 있는 식물 재배용 적층 구조가 제공되는 경우에는 관련 분야에서 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명의 한 측면은 과잉방목/벌목, 경작, 토목 작업 등으로 인하여 표토가 유실된 영역에서도 수분 보유 기능과 식물을 재배할 수 있도록 해 주는 표토의 재생이 가능한 식물 재배용 적층 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 견지에 의하면, 제철 부산물인 슬래그를 포함하는 콘크리트 조성물로 제조된 다공성 콘크리트를 포함하는 기저층; 기저층 상부에 형성되며, 제철 부산물인 슬래그를 섬유화하여 획득되는 암면을 포함하는 피복층; 및 상기 피복층 상에 배치된 적어도 하나의 생육부 및 적어도 하나의 지효성 비료부를 포함하는, 식물 재배용 적층 구조가 제공된다.
본 발명의 표토의 재생이 가능한 식물 재배용 적층 구조에 의하면, 다공성 시멘트와 암면(Rockwool)을 사용하여 표토가 없는 곳에서도 식물을 기를 수 있으며, 상부에서 자라는 식물의 뿌리에 의해 자연적으로 다공성 시멘트와 암면이 부숴지면서 표토가 다시 생성될 수 있도록 하여 표토의 지속적인 유실을 막을 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 식물 재배용 적층 구조의 단면을 나타낸 것으로, 식물이 식재되기 전(a)과 후(b)를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 식물 재배용 적층 구조의 사시도를 나타낸 것으로, 식물이 식재되기 전(a)과 후(b)를 도식적으로 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 다공성 시멘트와 암면(Rockwool)을 이용하여 과잉 방목/경작, 벌목, 토목 작업 등으로 인하여 표토가 유실된 장소에서도 식물을 발아/재배할 수 있는 식물 재배용 적층 구조가 제공된다.
보다 상세하게, 본 발명의 식물 재배용 적층 구조는, 제철 부산물인 슬래그를 포함하는 콘크리트 조성물로 제조된 다공성 콘크리트를 포함하는 기저층; 기저층 상부에 형성되며, 제철 부산물인 슬래그를 섬유화 하여 획득되는 암면을 포함하는 피복층; 및 상기 피복층 상에 배치된 적어도 하나의 생육부 및 적어도 하나의 지효성 비료부를 포함하는 것이다.
도 1 및 2는 본 발명의 식물 재배용 적층 구조를 예시적으로 나타낸 것으로, 다공성 시멘트(10)가 기저부에서 기계적 지지와 강우를 자체 내에 있는 기공(Macro/micropore, 20)에 머무르게 함으로써 식물의 뿌리가 이용할 수 있도록 해 준다. 그 위를 덮고 있는 암면(Rockwool)은 보습, 증발 방지 기능을 담당한다 (30). 한편, 종자를 포함하고 있는 생육부 (40)는 종자에게 지속적이면서도 서서히 영양분을 공급하여 주는 지효성 비료(50)에 인접하여 배치되어 있다.
본 발명의 식물 재배용 적층 구조를 표토가 상실된 지역에 시공하는 경우 표토나 종자가 쓸려 내려가지 않으면서도 원활한 생육(60)이 가능한 환경을 형성할 수 있다.
본 발명에 있어서, 다공성 콘크리트 층은 기계적 지지기능이 약하고 물을 머금는 함수(含水)기능이 약한 암면을 보완할 수 있도록 하기 위한 것으로, 본 발명에 적용될 수 있는 콘크리트의 경우 제철유래 슬래그를 기반으로 하여 석고(CaSO4), Ca(OH)2, CaO-Al2O3-SiO2 화합물을 혼합한 상태에서 물과 반응하여 주요 수화물인 에트링자이트(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)를 생성하도록 하여 획득되는 것이며, 슬래그를 포함하고 있어 산성토양에서도 풍화작용에 의해 부분적으로 분해가 일어날 경우 스스로 토양을 중성화시키는 기능을 담당한다.
본 발명에 사용될 수 있는 제철 부산물인 슬래그는 예를 들어 고로에서 나오는 고로슬래그(blast furnace slag)로, 고로슬래그는 제철소 고로에서 선철을 제조하는 과정에서 발생하는 생성물을 말하는 것으로 주원료 (철광석)와 부원료(코크스, 석회석)의 회분에 존재하는 SiO2와 Al2O3 등이 고온에서 석회와 반응하여 생성되며 시멘트와 유사한 성분으로 이루어진다. 선철 1톤 제강시 대략 300kg의 슬래그가 발생한다. 냉각방식에 따라 수재슬래그(용융슬래그를 물로 급냉)와 괴제슬래그(용융슬래그를 대기 중에서 서서히 냉각)로 구분된다.
보다 상세하게, 상기 콘트리트 조성물은 제철 부산물인 슬래그, 및 골재 및/또는 탈황슬래그 미분말을 산과 반응시켜 생성되는 석고를 포함하는 시멘트를 사용할 수 있다. 상기 콘트리트 조성물은 예를 들어 시멘트 100 중량부 당 골재 200 내지 600 중량부 및 물 10 내지 50 중량부를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 상기 기저층은 평균 기공 사이즈가 0.00001 내지 1 mm인 마이크로포어 기저층, 및 평균 기공 사이즈가 1 초과 5mm 이하인 매크로포어 기저층이 적층된 것이 바람직하며, 예를 들어 마이크로포어 기저층 상에 매크로포어 기저층이 적층되거나, 매크로포어 기저층 상에 마이크로포어 기저층이 적층될 수 있다.
상기 마이크로포어 기저층 기저층에 사용되는 골재는 평균 입도가 1mm 내지 2.5mm인 것이 바람직하며, 매크로포어 기저층에 사용되는 골재는 평균 입도가 2.5 mm 초과 5mm 이하인 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 기저층은 설치되는 토양의 상태에 따라 보습기능이 필요한 건조토양의 경우 마이크로포어 기저층 상에 매크로포어 기저층이 적층된 기저층 상에 암면을 배치하고, 강우량이 충분하여 양호한 물빠짐성이 요구되는 지역의 경우 매크로포어 기저층 상에 마이크로포어 기저층이 적층된 기저층 상에 암면을 배치하는 것이 바람직하다.
상기 기저층은 상부 생육부 토사의 유실을 방지하고 강성을 제공할 수 있도록 1~5m 두께로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 2~3 m 두께로 형성된다. 상기 기저층의 두께가 1m 미만인 경우에는 본 발명의 식물 재배용 적층 구조의 강성이 불충분한 경향이 있으며, 5m를 초과하는 경우에는 식물의 뿌리가 단단한 기저층을 제대로 투과하여 암반층에 닿기 전에 성장을 멈추어 추후 분해속도가 저하되어 자연으로 돌아가는 시간이 오래 걸리는 문제가 있으며, 나아가 기저층이 너무 두꺼우면 식물의 뿌리가 이 기저층을 완전히 투과하여 분해하는데 시간이 오래 걸리므로 식물의 기계적 지지와 표토형성에 관여할 수 있는 한 얇게 치설하는 것이 바람직하다.
너무 두꺼우면 식물의 뿌리가 이 기저층을 완전히 투과하여 분해하는데 시간이 오래 걸리므로 식물의 기계적 지지와 표토형성에 관여할 수 있는 한 얇게 치설하는 것이 바람직하다
본 발명의 실시에 있어서, 상기 콘크리트 층은 다공성이므로 투수성을 가질 수 있으며, 상기 콘크리트 층은 무게의 감소를 위해서 발포 콘크리트를 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서 상기 생육부와 지효성 비료부는 도 1에 도시된 바와 같이 구분되는 영역으로 구성될 수 있다. 한편, 도 1에 도시된 계면부(70)는 실질적으로 생육부의 조성과 동일할 수 있는 것이나, 실제 식물이 식재되는 영역을 의미하는 생육부와 개념적으로 구분하기 위한 것으로, 식물이 식재된 영영과 지효성 비료부가 형성되지 않은 영역을 모두 포함하는 개념이다. 한편, 생육부에 지효성 비료부가 혼합되는 경우에는 비료의 농도가 충분히 확산되기 전에 식물의 뿌리 및 줄기부분에 악영향을 끼치는 문제가 있으며, 본 발명과 같이 별도의 영역으로 형성하는 경우에는 천천히 녹아나오면서 식물체가 저농도의 비료를 흡수할 수 있는 효과를 획득할 수 있다.
특히, 질소, 인 및 칼륨을 포함하는 필수원소가 아닌, Ca, S, Mg, Fe과 같은 미량원소의 식물체 내의 필요 요구량을 충족시키기 위해서는 본 발명과 같이 제철슬래그를 이용한 기저층 및 피복층을 적용함으로써 NPK만을 포함하고 있는 단순 비료와는 달리 구조체가 부서지면서 흘러나오는 다양한 미량 성분을 식물체에게 공급할 수 있다. NPK와 같은 성분이 과량으로 존재했을 경우, 식물의 웃자람 현상이나 괴사를 유도할 수도 있기 때문에 지효성 비료를 식물체와 분리하여 처리하여야 한다.
예를 들어, 상기 지효성 비료부와 생육부는 적어도 한 방향의 직선 상에서 교대로 배치되는 것일 수 있으며, 바람직하게 상기 지효성 비료부와 생육부는 교차하는 두 직선 상에서 교대로 배치되는 것으로, 상기 지효성 비료부는 도 1과 같이 생육부 주변의 4면에 배치되는 것일 수 있다. 이와 같이 지효성 비료를 작물 주변에 배치하는 경우 강우, 관개, 분무 또는 살수 시 녹아 자연스럽게 영양분을 암면(Rockwool)으로 스며들게 하여 식물 및/또는 작물에게 장기간에 걸쳐 공급해 줄 수 있다. 예를 들어 본 발명에 있어서 비료부는 속효성인 액비보다는 입상비료가 적합하며, 특히나 수용성이나 잘 녹지 않는 성분으로 코된 입상비료가 적합하다.
상기 기저층 상부에는 암면을 포함하는 피복층이 형성되며, 상기 피복층은 암면을 포함하여 보습 기능을 수행할 수 있으므로, 식물이 발아한 이후 종자가 태양광에 의해 말라서 죽는 것을 방지함으로써 표토가 없는 곳에서도 식물을 생육할 수 있도록 하는 것으로, 1~30cm 두께로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 5~10cm 두께로 형성된다. 상기 피복층의 두께가 1 cm 미만인 경우에는 보습 기능이 불충분한 경향이 있으며, 30cm을 초과하는 경우에는 물빠짐성을 악화시켜 뿌리썩음병이 창궐할 우려가 있다.
본 발명에 있어서 하나의 생육부 당 면적은 1~100 m2 일 수 있으며, 바람직하게는 4~25 m2의 면적이 타당하다. 생육부의 면적이 1 m2 미만인 경우에는 생육에는 큰 문제가 없으나, 시공을 자주하여야 하는 문제가 발생하고, 100m2를 초과하는 경우에는 한 면이 10미터를 초과하여 한 유니트를 운반하는데 어려움이 있을 수 있다.
한편, 상기 생육부는 철 부산물인 슬래그를 섬유화 하여 획득되는 암면을 포함하는 피복층으로 이루어져, 초기에는 아무런 토양없이 암면으로만 이루어져 있으나 점차 식물이 자라면서 떨어뜨린 자체 유기물질과 주변 토양에서 우수에 의해 이동하여 온 토양을 트랩(Trapping)하여 점차 표토층을 형성하고 장기적으로는 분해되어 사라지는 역할을 담당할 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 상기 지효성 비료는 지효성 또는 완효성 비료라면 큭히 제한되는 것이 아니며, 그 구체적인 성분은 식재하는 식물의 필요에 따라 변경될 수 있는 것이다. 보다 상세하게, 상기 비료는 원료에 따라 동물질, 식물질, 광물질 및/또는 잡질 비료일 수 있고, 형태에 따라 고체, 액체 또는 기체일 수 있으며, 함유 성분에 따라 질소질, 인산질, 칼륨질, 규산질 및/또는 석회질 비료 등일 수 있다.
예를 들어, 질소질 비료는 단백질 구성의 주성분, 엽록소 구성 성분으로, KNO3, (NH4)NO3, Ca(NO3)2 등의 질산태 질소(NO3 -) 및/또는 (NH4)2SO4, NH4NO3 등의 암모늄태 질소(NH4 +)일 수 있다.
인산질 비료는 식물의 열매(씨앗), 세포 및 생육에 관여하는 것으로, 복합비료 및 유기질 비료와 혼용 사용하는 것이 바람직하며, 예를 들어 과인산석회, 인산암모늄, 용과린, 쌀겨, 깻묵 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
칼륨질 비료는 식물의 뿌리, 줄기를 튼튼하게, 신진대사를 촉진하는 것으로, 탄산칼륨, 황산칼륨, 염화칼륨, 질산칼륨 등의 무기태 칼륨; 쌀겨, 녹비, 퇴비 등의 유기태 칼륨; 또는 이들의 혼합일 수 있다.
석회질 비료는 뿌리발육촉진, 병 저항력 증진을 위한 것으로, 생석회, 소석회, 탄산석회 등일 수 있다.
한편, 동식물을 원료로 하는 유기질 비료는 작물의 비료, 지력유지, 미생물의 에너지, 토양의 완충작용 등을 하는 것으로, 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.
예를 들어 상기 지효성 비료는 질소, 인 및 칼륨을 포함하는 필수원소; 및 Ca, S, Mg 및 Fe로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 미량원소를 포함하는 비료로 이루어진 것이다.
본 발명의 식물 재배용 적층 구조가 적용될 수 있는 식물은 특히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 풀푸레과, 포도과, 미나리아재비과, 인동과, 으름덩굴과 및 지피식물류로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. 이러한 식물들은 어느 지역에서나 큰 무리없이 자랄 수 있으며, 빠른 성장으로 표토가 유실된 지역의 피도를 높이는 역할을 할 수 있으므로 바람직하다.
본 발명의 식물 재배용 적층 구조는 다공성 시멘트와 암면 위에 지효성 비료가 종자를 중심으로 인접하여 배치되어 연장된 시간동안 종자의 발아/생육 시 도움을 줄 수 있으며, 암면의 특성상 보습기능을 수행하여 발아한 이후 종자가 태양광에 의해 말라 죽는 것을 방지함으로써 표토가 없는 곳에서도 식물을 생육할 수 있다. 또한 기저부에 위치한 다공성 시멘트에는 강우시 빗물이 기공에 고여 함수 기능을 담당하여 뿌리가 자라면서 물을 지속적으로 공급받을 수 있도록 해 준다.
10 : 다공성 시멘트로 이루어진 기저부
20 : 다공성 시멘트 내의 기공(Macro/micropore)
30 : 암면(Rockwool)으로 이루어진 피복부
40 : 종자를 포함하는 생육부
50 : 지효성 비료(Slow releasing fertilizer)
60 : 발아하여 생육단계에 있는 식물
70: 계면부

Claims (10)

  1. 제철 부산물인 슬래그를 포함하는 콘크리트 조성물로 제조된 다공성 콘크리트를 포함하는 기저층;
    기저층 상부에 형성되며, 제철 부산물인 슬래그를 섬유화 하여 획득되는 암면을 포함하는 피복층; 및
    상기 피복층 상에 배치된 적어도 하나의 생육부 및 적어도 하나의 지효성 비료부를 포함하며, 상기 기저층은, 평균 기공 사이즈가 0.00001 내지 1 mm인 마이크로포어 기저층, 및 평균 기공 사이즈가 1 초과 5mm 이하인 매크로포어 기저층이 적층된, 식물 재배용 적층 구조.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 생육부와 지효성 비료부는 구분되는 영역으로 구성되는, 식물 재배용 적층 구조.
  4. 제1항에 있어서, 상기 지효성 비료부와 생육부는 적어도 한 방향의 직선 상에서 교대로 배치되는, 식물 재배용 적층 구조.
  5. 제1항에 있어서, 상기 지효성 비료부와 생육부는 교차하는 두 직선 상에서 교대로 배치되는, 식물 재배용 적층 구조.
  6. 제1항에 있어서, 상기 지효성 비료부는 생육부 주변의 4면에 배치되는, 식물 재배용 적층 구조.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기저층은 1~5 m 두께인, 식물 재배용 적층 구조.
  8. 제1항에 있어서, 상기 피복층은 1~30 cm 두께인, 식물 재배용 적층 구조.
  9. 제1항에 있어서, 하나의 생육부 당 면적은 1~100 m2 인, 식물 재배용 적층 구조.
  10. 제1항에 있어서, 상기 지효성 비료는 질소, 인 및 칼륨을 포함하는 필수원소; 및 Ca, S, Mg 및 Fe로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 미량원소를 포함하는 비료로 이루어진, 식물 재배용 적층 구조.














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