서 론

우리나라에서 벼의 재배면적과 생산량은 2021년 기준 각각 732천 ha, 388만톤으로 2012년보다 재배면적은 13.7%, 생산량은 3.1% 감소한데 반해, 1인당 쌀 소비량은 18.5%나 크게 줄어들고 있고, 매년 WTO 체제에 따른 저율과세 의무수입물량(TRQ)으로 약 41만톤의 쌀이 수입되고 있어 쌀의 공급과잉이 우려되고 있다(KOSIS, 2021). 이에 정부에서는 벼의 재배면적 조정과 적정 생산을 통한 쌀 수급안정을 위하여 ‘3低3高 운동’을 추진하고 있으며, 질소비료 사용량을 줄이고 쌀 품질을 향상에 노력하고 있다.

질소는 쌀의 수량과 품질에 영향을 미치는 중요한 요소로서 질소가 부족하면 생육이 불량해지고 수량이 감소하며, 질소가 과다하면 병해충과 도복의 발생이 많아지고, 심복백미와 동할미가 많아지며, 단백질 함량이 높아져 밥맛이 떨어지게 된다(Kim et al., 2009; Song et al., 2006). Faraji et al. (2013)은 질소 함량이 높아지면 쌀알 내 철분의 함량이 증가하고, 단백질 함량이 높아지면 쌀알의 깨짐이 감소한다고 보고하였다. 또한, 종자 배유 세포에 저장된 단백질 함량이 높으면 곡물의 탄력성을 유도하고 도정과정에서 발생하는 쌀알의 균열을 감소시켜 도정률을 증가시킨다(Leesawatwong et al., 2003).

우리나라의 벼 재배 시 질소의 표준시비량은 다수성 품종의 육성과 농업기술의 발달 등으로 70년대 후반 15 kg/10a에서 80~90년대 11 kg/10a를 거쳐 현재 9 kg/10a까지 지속적으로 감소되어 왔다(Lee et al., 2010). 하지만 쌀 수매 기준이 수량 위주로 이루어지고 있고, 양곡관리법에 쌀의 포장 및 용기에는 단백질 함량을 제외한 외관품위 등급만 의무표시사항으로 규정(Korean Law Information Center)하고 있어 농업인들은 벼의 수량증가를 위해 질소를 표준시비량보다 많이 시용하고 있는 실정이다. 일본의 경우, 1975년 이후 쌀 생산조정 정책에 따라 수량보다 밥맛을 중시하게 되면서 전국 농가 평균 질소시비량이 1978년 12 kg/10a에서 2006년 6.8 kg/10a까지 감소하였다(Kondo et al., 2009).

따라서 질소의 사용량을 줄이고 쌀의 품질을 높이기 위해서는 양곡관리정책의 보완과 고품질 쌀 생산을 위한 질소 시비체계 개선이 필요하다.

따라서, 본 연구에서는 우리나라 주요 재배 벼 품종 21종을 대상으로 질소 시비수준에 따른 수량과 품질의 정량적 변화를 구명하여, 품종별 고품질 쌀 생산을 위한 최적 질소 시비량을 제시하고자 하였다.

재료 및 방법

본 시험은 2018년부터 2020년까지 3년간 수원의 국립식량과학원 중부작물부 벼 재배시험포장에서 수행하였다. 시험품종은 최고품질 벼 품종 15종을 포함하여 국내 주요 벼 재배품종 21개(해담쌀, 오대, 운광, 청품, 대보, 고품, 해품, 삼광, 하이아미, 진수미, 수광, 신동진, 칠보, 호품, 새일미, 호평, 현품, 일품, 새누리, 영호진미, 미품)로 구성하였다. 각 품종에 대해 요소비료를 사용하여 질소시비량을 5수준(0, 3, 5, 7, 9 kg/10a)으로 처리하였으며, 인산, 칼리는 용성인비와 염화가리를 사용하여 표준시비량에 따라 모든 시험구에 각각 4.5, 5.7 kg/10a으로 동일하게 처리하였다. 질소는 기비 50%, 분얼비 20%, 수비 30%로 분시하였고, 인산은 전량 기비로 주었으며, 칼리는 기비 70%, 수비 30%로 분시하였다. 각 품종의 재식간격은 30 × 14 cm로 주당 3본으로 손이앙하였으며, 각 연도별 이앙시기는 2018년에 5월 28~29일, 2019년에 5월 28~30일, 2020에 5월 27~29일이었다. 기타 재배관리는 농촌진흥청 표준재배법에 준하여 수행하였다.

벼의 수량과 수량구성요소는 농촌진흥청 농업과학기술 연구조사분석기준(RDA, 2012)에 따라 조사하였다. 외관품위는 백미 도정 후 곡물검사기(Cervitec 1625, Foss, Denmark)를 사용하여 완전립, 싸라기, 분상질립, 피해립, 열손립 비율을 조사하였으며, 총 질소함량은 백미 중 완전립을 선별한 후 원소분석기(Vario Max CN, Elementar, Germany)를 이용하여 Dumas법으로 분석하였고 총 질소함량에 단백질 환산계수 5.95를 곱하여 단백질 함량을 계산하였다. 토양 내 총질소는 매년 시험 전 시험포장의 표토층(0~15 cm)을 auger로 3반복 채취하여 그늘에서 풍건 시킨 후 2 mm 체를 통과시켜 시료를 조제하였으며, 원소분석기(Vario Max CN, Elementar, Germany)로 시료를 고온에서 연소시킨 후 가스의 열전도도를 측정하여 정량하였다. 2018년의 경우 품종별로 시험구 구분없이 처리별로 토양 총질소를 분석하였고, 2019년과 2020년은 품종별로 시험구를 구분하여 토양 총질소를 분석하였다. 통계분석은 R 3.5.1 버전을 이용하여 5% 유의수준에서 일원분산분석(ANOVA), 최소유의차검정(LSD), 상관분석을 수행하였다.

결과 및 고찰

국내 주요 벼 21품종을 2018년부터 2020년까지 3년간 질소 시비량을 다르게 재배하여 수량과 품질 변화를 분석하였다. 쌀의 완전미 수량은 모든 품종에서 질소 시비수준이 증가할수록 증가하였고, 품종마다 증가하는 추세는 차이가 있었다(Gewaily et al., 2018). 모든 공시품종의 3년간 평균 완전미 수량은 표준 질소 시비량 9 kg/10a으로 재배했을 때와 비교하여 질소 시비량 0, 3, 5, 7 kg/10a으로 재배했을 때 각각 28%, 22%, 11%, 8% 감소하였다. 각 품종별 질소 시비량에 따른 완전미 수량에는 차이가 있었으며, 조생종(해담, 오대, 운광), 중생종(청품, 대보, 고품, 해품, 하이아미), 중만생종(삼광, 진수미, 수광, 신동진, 칠보, 호품, 새일미, 호평, 현품, 일품, 새누리, 영호진미, 미품) 등 품종의 숙기별로 표준 질소 시비량 대비 질소 무비구의 완전미 수량 감소율은 조생종, 중생종, 중만생종 각각 28.3%, 30.2%, 27.4%로 재배기간이 긴 품종일수록 질소 무비 재배 시 수량 감소율이 상대적으로 낮았지만(Sharma et al., 2018), 완전미 수량은 품종별 완전미율에 따라 차이가 있어, 기존 연구결과와는 차이가 있는 것으로 판단되었다.

품종별로 완전미 수량은 질소 시비량이 증가함에 따라 유의하게 증가하는 경향을 나타내었으며, 모든 품종이 표준 질소 시비량 9 kg/10a으로 재배하였을 때 가장 높은 수량을 나타내었다. 해담, 오대, 청품, 대보, 고품, 삼광, 하이아미, 진수미, 수광, 신동진, 칠보, 호품, 새일미, 호평, 새누리, 영호진미, 미품 등 17품종은 질소 시비량 7 kg/10a으로 재배했을 때, 표준 질소 시비량 9 kg/10a으로 재배했을 때와 비교하여 전체 시험기간 중 2회 이상 완전미 수량에서 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았고, 특히, 해담, 하이아미, 진수미, 신동진, 칠보, 새일미, 미품 등 7품종은 3년간 모든 시험에서 완전미 수량에 유의한 차이를 나타내지 않았다. 운광, 해품, 현품, 일품 등 4품종은 질소 시비량을 7 kg/10a로 감비하였을 때, 완전미 수량이 3년간 2회 감소하였다(Table 1).

쌀의 완전미 수량에 완전미율과 수량 중 어떤 것이 더 영향이 큰지를 알아보기 위해 상관분석을 실시하였다. 상관분석결과 완전미 수량은 완전미율과 쌀 수량에 모두 고도로 유의한 상관을 나타내었고, 상관계수는 각각 0.43, 0.93으로 완전미 수량은 쌀 수량에 더 큰 정의 상관관계가 있는 것으로 나타났으며, 완전미율과 쌀 수량 간에는 유의한 상관이 없었다(Fig. 1). 쌀 수량은 질소 시비량이 증가할수록 증가하지만 과도한 질소량은 오히려 수량감소를 초래할 수 있기 때문에 완전미 수량을 높이기 위해서는 적절한 질소 시비체계가 필요할 것으로 판단되었다(Gewaily et al., 2018; Zhao et al., 2022; Zhu et al., 2017).

Fig. 1.

Correlation matrix between head rice yield, head rice ratio, and milled rice yield from 2018 to 2020.

벼의 수량구성요소는 주당수수, 수당립수, 등숙률, 천립중 등으로 벼의 수량 결정에 중요한 역할을 한다. 이들 수량구성요소와 완전미 수량과의 상관분석결과, 주당수수, 수당립수, 등숙률의 상관계수는 각각 0.39, 0.28, 0.33으로 완전미 수량과 정의 상관관계에 있었으며, 천립중과는 유의한 상관을 나타내지는 않았다(Fig. 2).

Fig. 2.

Correlation matrix between the yield component in rice from 2018 to 2020.

주당수수는 연차간 차이는 있었지만 질소 시비량이 증가함에 따라 증가하였고(Fig. 3A), 수당립수는 질소 시비량에 큰 영향을 받지 않았고 연차간 변이도 적었다(Fig. 3B). 유수형성기의 일조부족은 단위면적당 이삭수를 감소시킬 수 있기 때문에(Lee et al., 2016), 2019년 주당수수가 낮은 것은 7월 하순경 유수분화기에 일조부족에 의한 영향으로 판단되었다(Fig. 4A). 등숙률은 연차별로 다른 경향을 나타내었다. 2018년의 경우 질소 시비량이 증가함에 따라 증가하였지만, 2019년은 질소 시비량이 증가하더라도 큰 영향이 없었으며, 2020년에는 감소하였다(Fig. 3C). Zhao et al. (2022)은 질소 시비량이 증가할수록 낟알의 등숙이 억제되어 벼의 수량과 품질을 낮춘다고 하였다. 이러한 보고는 2018년과 2019년의 결과와는 차이가 있었고, 2020년의 결과와는 다소 일치하는 것으로 판단되었다. 2018년의 등숙률이 다른 두해에 비해 낮은 것은 등숙 후기 평균기온이 9월하순 18.5℃, 10월상순 15.9℃, 10월중순 12.0℃로 낮았기 때문으로 판단되었다(Fig. 4B). 등숙기 21℃이하의 저온은 낟알의 등숙을 지연시키고, 중요한 성장 및 발달과정에 영구적인 손상을 입혀 최종적으로 수확량 감소를 일으킬 수 있으며, 16℃이하로 6일 이상 유지될 경우 등숙률이 유의하게 낮아질 수 있다(Ali et al., 2021; Jacobs & Pearson, 1999). 천립중은 질소 시비량이 증가하여도 큰 변화가 없었고, 2018년도를 제외한 2019년과 2020년은 연차간 변이도 적었으며, 2018년은 낮은 등숙률의 영향으로 천립중이 낮은 것으로 판단되었다(Fig. 3D). Gewaily et al. (2018)은 주당수수, 수당립수, 천립중은 질소 시비량이 증가함에 따라 증가한다고 하였으나, 연구 결과, 주당수수는 질소 시비량의 증가에 따라 증가하였지만, 수당립수와 천립중은 큰 영향이 없었다. 종합적으로 고려할 때, 질소 시비량 증가에 따른 완전미 수량의 증가에는 수량구성요소 중 주당수수가 가장 큰 역할을 하는 것으로 판단되었다.

Fig. 3.

Changes in the yield component according to the amount of nitrogen application from 2018 to 2020. The error bar indicates the average value of the standard error of each variety. A: Number of panicles per hill, B: Number of grains per panicle, C: Grain filling rate, D: 1000-grain weight.

Fig. 4.

The sunshine time (A) and the average temperature (B) of the test region from 2018 to 2020.

질소 시비량이 증가할수록 주당수수는 모든 시험품종에서 증가하였고, 수당립수는 오대, 하이아미, 호품, 일품, 새누리 등 5품종에서 증가하였으며, 등숙률은 오대에서만, 천립중은 일품, 새누리, 영호진미, 미품 등 4품종에서 질소 시비량이 증가할수록 감소하였다(Table 2). 이와 같이 주당수수, 수당립수, 등숙률, 천립중은 품종의 유전적 특성에 따라 큰 차이가 있으며, 유전형의 차이에 의해 품종별로 수량성에 차이를 나타내었다(Gewaily et al., 2018).

백미의 외관품위는 양곡관리법에 따라 쌀의 등급판정에 중요한 요소로서, 완전미, 싸라기, 분상질립, 피해립 등의 함량에 따라 ‘완전미’, ‘특’, ‘상’, ‘보통’으로 구분되며, 완전미율이 높고, 싸라기, 분상질립, 피해립 등이 낮아야 더 높은 등급으로 결정된다. 질소 시비량의 증가에 따른 백미의 외관품위 변화를 조사한 결과, 완전미율은 연차간 변이는 있었지만 질소 시비량에 큰 영향을 받지 않았고 어느 정도 일정하게 유지되는 경향을 나타내었으며(Fig. 5A), 이것은 완전미율은 질소 시비량이 많으면 증가한다는 기존의 보고와는 차이가 있었다(Zhou et al., 2018). 싸라기의 비율은 질소시비량이 증가함에 따라 큰 차이는 나타나지 않았으나, 2018년을 제외하고 2019년과 2020년에는 질소를 주지 않은 시험구에 비해 9 kg/10a를 주었을 때, 싸라기 비율은 감소하는 경향을 나타내었다(Fig. 5B). 질소 시비량이 증가하면 쌀의 단백질 함량이 증가하고 이로 인해 쌀의 경도가 높아져 싸라기의 비율이 감소한다고 보고되고 있으나, 본 연구에서는 뚜렷한 경향성을 나타내지는 않았다(Zhao et al., 2022). Fig. 5C에서 보는 바와 같이 분상질립의 비율은 질소 시비량이 증가할수록 증가하였으나, 연차간에는 차이가 존재하였다(Zhou et al., 2018), 그 밖의 피해립, 열손립 등은 질소 시비량의 변화와는 연관이 없는 것으로 판단되었다(Fig. 5D). 2018년의 경우 2019년과 2020년보다 완전미율이 낮고, 싸라기와 분상질립 등의 비율이 높게 나타났다. 이것은 출수기(7월말~8월말) 이후 등숙기 고온에 기인한 것으로 판단되었다(Liu et al., 2021). 2018년도 평균기온을 보면 7월 상순부터 8월 중순까지 평균기온이 2019년과 2020년도보다 높았으며, 최근 10년간 평균보다도 높은 수준이었다(Fig. 4B).

Fig. 5.

Changes in the white rice appearance according to the amount of nitrogen application from 2018 to 2020. The error bar indicates the average value of the standard error of each variety. A: Head rice ratio, B: Broken rice ratio, C: Floury rice ratio, D: The others ratio.

2018년에 숙기별로 품종을 분류하여 외관품위를 비교한 결과, 모든 질소 시비수준에서 완전미율은 조생종이 중생종과 중만생종보다 낮았고(Fig. 6A), 분상질립 비율과 피해립 등 기타비율에서는 조생종이 중생종과 중만생종보다 현저히 높은 비율을 나타내었다(Fig. 6C, 6D). 하지만 싸라기의 비율에서는 뚜렷한 차이를 나타내지 않았다(Fig. 6B). 이것은 8월 중순 이후에 출수하는 중생종과 중만생종은 등숙기에 고온에 노출되지 않아 완전미율 등 외관품위에 영향이 없었지만, 7월말에서 8월초에 출수하는 조생종의 경우 등숙기에 20일 이상 고온에 노출되어, 완전미율이 떨어지고, 분상질립 비율이 높아지는 등 외관품위가 낮아진 것으로 판단되었다(Liu et al., 2021).

Fig. 6.

Changes in the white rice appearance according to the amount of nitrogen application in 2018. A: Head rice ratio, B: Broken rice ratio, C: Floury rice ratio, D: The others ratio.

품종별 완전미율은 해담에서만 질소 시비량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었으나, 다른 품종들은 유의한 차이를 나타내지는 않았다. 싸라기 비율은 고품, 삼광, 칠보, 현품 등 4품종에서 질소 시비량 증가에 따라 유의하게 감소하였고, 호평은 5% 유의수준에서 유의성은 인정되었으나 통계적으로 그룹화되지는 않았다. 분상질립의 비율은 해담, 운광, 대보, 고품, 해품, 삼광, 하이아미, 수광, 신동진, 호품, 호평, 현품, 일품, 새누리 등 14품종에서 질소 시비량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. 피해립 등 기타비율에서는 통계적으로 유의한 차이는 없었다(Table 3). 품종마다 차이는 있지만 질소 시비량의 증가함에 따라 외관품위가 나빠지는 경향이 있으므로 고품질 쌀 생산을 위해서는 질소 시비량의 조절이 필요할 것으로 판단된다.

쌀의 단백질 함량이 높으면 쌀이 딱딱해 지고, 취반 시 밥의 점성과 조직감을 나쁘게 하여 밥맛이 떨어지게 된다(Ahn & Kim, 1996; Cha et al., 1982; Choi, 1996; Kim et al., 2012; Lee & Oh, 1991). 양곡관리법에서는 쌀의 단백질 함량 기준을 ‘수’는 단백질 함량 6.0%이하, ‘우’는 6.1~7.0%, ‘미’는 7.1%이상으로 규정하고 있으나, 의무적으로 표시해야하는 사항은 아니다(Korean Law Information Center, 2022). 쌀의 단백질 함량은 2018년과 2019년의 경우 질소 시비량이 증가할수록 감소하다가 질소 시비량 7 kg/10a에서 가장 낮은 함량을 나타내었고, 9 kg/10a에서 다시 증가하는 경향을 나타내었으나, 2020년의 경우 질소 시비량이 증가함에 따라 지속적으로 증가하는 경향을 나타내었다(Fig. 7). 기존 연구 결과들은 2020년 단백질 함량의 변화와 같이 질소 시비량이 증가할수록 쌀의 단백질 함량은 증가한다고 보고되고 있으므로(Song et al., 2006; Zhao et al., 2022; Zhu et al., 2017), 2018년과 2019년의 결과는 토양의 양분상태와 기상의 영향으로 단백질 함량의 차이가 발생했을 것으로 판단되었다. 2018년부터 2020년까지 시험 전 토양 내 총질소 함량은 포장별, 연차별 차이가 있었으며(Table 4), 일조시간도 연차별로 차이가 있어(Fig. 4A), 향후 토양과 기상조건에 따른 쌀 단백질 함량 변화에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단되었다.

Fig. 7.

Changes in the protein content according to the amount of nitrogen application from 2018 to 2020. The error bar indicates the average value of the standard error of each variety.

품종별로 표준 질소 시비량 9 kg/10a에서 시험기간 중 2회 이상 쌀 단백질 함량 6.0%를 초과한 품종은 해담, 오대, 운광, 하이아미, 진수미, 호품, 새일미, 호평, 현품, 일품, 새누리, 영호진미, 미품 등 13품종으로 이중 질소 시비량을 7 kg/10a으로 감비하여 재배한 경우, 시험기간 중 2회 이상 쌀 단백질 함량이 6.0%이하로 낮아진 품종은 해담, 진수미, 호품, 호평, 현품, 새누리, 영호진미 등 7품종이었다. 표준 질소 시비량으로 재배 시 쌀 단백질 함량 6.0%을 1회 초과한 품종은 대보, 고품, 해품, 수광, 신동진, 칠보 등 6품종으로 이들 품종은 질소 7 kg/10a으로 재배 시, 고품, 수광, 신동진, 칠보 등 4품종은 시험기간 중 3회, 대보와 해품은 2회 쌀 단백질 함량 6.0%이하를 나타내었다. 청품과 삼광은 연차별 모든 질소 시비수준에서 쌀 단백질 함량이 6.0%이하를 나타내었다. 양곡관리법 기준 ‘수’등급의 비율을 높이기 위해서는 품종에 따라 질소 시비량 7 kg/10a으로 재배하는 것을 고려해 볼 필요가 있다고 판단되었다(Table 5).

위의 결과를 종합하면, 질소 시비량 7 kg/10a으로 감비재배 시 완전미 수량의 감소가 적은 해담 등 17품종 중 질소 시비량 7 kg/10a로 재배 시 단백질 함량이 6.0%를 2회 초과한 오대, 하이아미, 새일미, 미품 등 4품종을 제외한 13품종은 질소 7 kg/10a으로 감비 재배하더라도, 완전미의 수량 감소는 최소화 하면서 쌀의 단백질 함량을 6.0% 이하로 낮출 수 있어, 고품질 쌀 생산이 가능할 것으로 판단되며, 해품과 현품은 완전미의 수량이 다소 감소하더라도 품질향상에 따른 소득이 정책적으로 지원된다면 질소 시비량 7 kg/10a으로 감비 재배가 가능할 것으로 판단되었다.

적 요

우리나라 주요 재배 벼 품종의 고품질 쌀 생산을 위한 최적 질소 시비량을 제시하기 위하여, 우리나라 주요 벼 21품종을 공시하여 질소 시비량에 따른 수량과 품질변화를 검토한 결과는 다음과 같다.

1.3년간 평균수량은 표준 질소 시비량 9 kg/10a으로 재배했을 때와 비교하여 질소 시비량 0, 3, 5, 7 kg/10a으로 재배했을 때 각각 28%, 22%, 11%, 8% 감소하였으며, 수량성과 질소 시비량 감소에 따른 수량 감소 경향은 품종별로 차이가 있었다.

2.주당수수는 질소 시비량이 증가함에 따라 증가하였으나, 수랑립수와 천립중에는 큰 변화가 없었고, 수당립수는 다른 수량구성요소에 비해 상대적으로 연차변이가 적었으며, 질소 시비량에 따른 수량구성요소의 변화는 품종의 유전적 특성에 따라 큰 차이를 나타내었다.

3.완전미율은 질소 시비량의 증가에 큰 영향을 받지 않고 어느 정도 일정하게 유지되는 경향을 나타내었고, 싸라기 비율은 약간 감소하였으며, 분상질립은 증가하였다.

4.쌀의 단백질 함량은 2018과 2019년의 경우 질소 시비량이 증가할수록 감소하다가 질소 시비량 7 kg/10a에서 가장 낮았고, 9 kg/10a에서 다시 증가하는 경향을 나타내었으나, 2020년의 경우 질소 시비량이 증가함에 따라 지속적으로 증가하는 경향을 나타내었다.

5.품종별로 표준 질소 시비량 9 kg/10a에서 시험기간 중 2회 이상 쌀 단백질 함량 6.0%를 초과한 품종은 해담 등 13품종으로 이중 질소 시비량을 7 kg/10a으로 감비하여 재배한 경우, 시험기간 중 2회 이상 쌀 단백질 함량이 6.0%이하로 낮아진 품종은 해담, 진수미, 호품, 호평, 현품, 새누리, 영호진미 등 7품종이었다.