서 론
재료 및 방법
풋거름 작물 재배 및 생육 조사
토양 및 식물체 양분 함량 분석
통계분석
결과 및 고찰
시험 토양의 화학적 특성
파종방법에 따른 풋거름 작물 생육 및 수량
파종 방법에 의한 풋거름 작물의 양분함량
풋거름 작물 파종 방법에 따른 양분 생산량
적 요
서 론
새만금간척지는 해수면을 매립하여 만들어진 간척 농지로 다른 간척지에 비하여 염농도는 낮으나 토양 내 모래함량 (미사포함)이 50~60%로 많고 유기물 함량이 일반 농경지의 1/10수준으로 매우 낮아 토양 지력도 열악한 수준이다(Sohn et al., 2009; Ryu et al., 2020). 토양 내 무기 성분인 유효인산, 치환성 칼슘은 밭토양 적정범위보다 현저히 낮은 반면 치환성 칼리, 치환성 마그네슘 함량은 적정 범위를 보여 무기 양분 간의 불균형도 심각하였다(Seo et al., 2023; Ryu et al., 2020). 새만금간척지에서 작물의 안정적인 생산을 위해 먼저 낮은 토양의 질을 높이고 불균형이 심각한 무기 성분의 균형을 맞추기 위한 노력이 필요하였다. 토양 지력을 높이는 방법에는 유기물 투입(퇴구비, 산야초, 농산 부산물 활용), 작부체계, 윤작, 풋거름 작물 재배 등 다양한 방법이 있다. 이 방법들 중 동계에 풋거름 작물을 재배하면 토양 지력을 높일 뿐만 아니라 화학비료 대체, 토양 보호, 탄소저감, 농경지 이용율 증대 등 다양한 이익도 함께 얻을 수 있다(Cho et al., 2015; Jeon et al., 2009; Kim et al., 2019). 풋거름 작물은 식물체가 푸를 때 토양에 환원하여 이용하는 작물로 화학비료 대체, 유기물 공급, 토양 유실 방지, 잡초 발생 억제 등의 목적으로 재배하여 이용되고 있다(Cho et al., 2015; Lee et al., 2008). 풋거름 작물은 크게 콩과 작물과 볏과 작물로 나뉘는데 콩과 작물은 질소고정 능력이 뛰어나 질소비료 대체 효과가 우수한 특징이 있으며 헤어리베치, 클로버류가 여기에 속한다(Cline and Silvernail, 2002; Campiglia et al., 2010; Cho et al., 2015). 볏과 작물은 호밀, 보리 등이 있으며 식물체의 건물 수량이 많아 토양에 유기물 공급 효과를 원할 때 주로 이용된다(Constantin et al., 2011; Silva et al., 2020). 작물 재배 방법 중 하나인 혼파(혼합파종)는 2종류 이상의 작물을 동일한 시간대에 같은 공간에서 재배하는 방법이다. Yang et al. (2014)는 간척지에서 밀과 헤어리베치를 혼합하여 재배하면 풋거름 작물의 수량 증진과 양분 생산 면에서 유리하다고 하였다. Malone et al. (2022)는 동계에 호밀을 재배한 다음 토양에 환원하여 질소비료를 공급하였고, Jeon et al. (2009)과 Sohn et al. (2009)은 풋거름 작물을 재배하면 토양 지력 증진 뿐만 아니라 과 양분 공급도 가능하다고 하였다. Becker (1995)에 의하면 콩과 작물은 60일 미만의 짧은 생육 기간에 80~100 kg N/ha의 질소 생산이 가능하다고 하였으며 Talgre et al. (2012)는 풋거름 작물로 ha당 100 kg 질소를 공급하면 다음 작물의 수확량이 10~43% 증가하였다고 하였다. 이렇게 풋거름 작물에 대한 토양 지력과 질소비료 공급 효과, 생육에 관한 다양한 연구들이 진행되었으며 풋거름 작물을 이용한 결과 토양 지력 증진과 양분 공급, 화학비료 대체가 우수하였다는 연구 결과들을 얻었다(Cho et al., 2015; Huang et al., 2015; Sohn et al., 2009; Yang et al., 2023).
다양한 연구결과를 토대로 인위적으로 매립하여 만들어져 지력도 낮고 양분도 매우 불균일한 상태인 간척지 토양에서 안정적으로 작물을 생산할 가장 효과적인 방법은 풋거름 작물을 이용한 작부체계라고 판단되었다. 따라서, 새만금간척지에서 풋거름 작물을 활용하여 토양에 유기물 공급과 동시에 양분을 공급할 수 있는 방법을 찾기 위하여 콩과와 볏과 풋거름 작물의 파종 방법을 달리하여 재배하면서 풋거름 수량과 양분 함량을 분석하였다.
재료 및 방법
풋거름 작물 재배 및 생육 조사
본 시험은 국립식량과학원 새만금간척지(김제) 시험 포장(35°49’N, 126°41’E) 에서 2023년 10월부터 2024년 5월까지 수행되었다. 풋거름 작물은 볏과 작물로 호밀(곡우호밀)을 사용하였고, 콩과 작물로는 헤어리베치(카펠로, 호주)를 사용하였다. 파종 방법은 호밀을 100% 파종(R100), 헤어리베치를 100% 파종(H100), 호밀과 헤어리베치를 각각 50% 혼합 파종(R50H50)한 3처리구를 설정하였다. 풋거름 작물의 재식 거리를 30 × 5 cm 간격으로 2023년 10월 중순에 기계 파종 하였으며, 수확은 이듬 해 봄 5월 상순에 실시하였다. 10 a당 풋거름 작물 파종량은 호밀 14 kg, 헤어리베치 6 kg를 사용하였고, 혼합 파종구는 Fig. 1과 같이 호밀과 헤어리베치를 각각 7 kg과 3 kg을 한 줄씩 교차하여 파종하여 재배하였다.
일반 농경지에서 풋거름용으로 작물을 재배할 때는 토양 내 양분함량이 충분하기 때문에 화학비료 시비없이 작물을 재배한다. 그러나 새만금간척지는 토양 질이 매우 낮아 충분한 풋거름을 생산하기 위하여 최소 시비량을 적용하여 질소 : 인산 : 칼리 = 3 : 3 : 3.4 kg 10 a-1를 전량 기비로 시비하였다. 그 외의 기타 재배법은 농촌진흥청 표준재배법에 따라 재배하였다.
풋거름 작물 생육 및 수량은 토양 환원시기인 5월 10일에 100 × 60 cm 면적의 식물체 지상부를 모두 절단하여 생육과 생체 수량을 측정하였다. 헤어리베치 뿌리의 근류균을 조사하기 위하여 동일면적의 지하부를 채취하여 물로 세척한 다음 뿌리의 근류를 분리하여 80℃의 열풍 건조기에서 24시간 건조하여 무게를 측정하였다. 생육조사가 끝난 시료는 80℃의 열풍 건조기에서 48시간 동안 건조한 다음 건물 수량을 측정한 다음 마쇄하여 분석시료로 사용하였다.
토양 및 식물체 양분 함량 분석
시험 토양은 표토(0~20 cm)을 채취하여 음건한 다음 2 mm mesh를 통과시켜 분석 시료로 조제하여 농촌진흥청 토양 및 식물체 분석법(RDA, 2013)에 준하여 분석하였다. 항목별로 보면 토양 pH와 EC (Electrical Conductivity)는 토양과 증류수를 1:5로 하여 pH-EC 미터기(Thermo, Orion Star A215, Thermo, Indonesia)로 측정하였고, 유효 인산은 Lancaster법으로 비색정량(Libra S80, Biochrom, England) 하였다. 치환성 양이온은 1N-NH4OAc (pH 7.0)으로 침출하여 ICP-OES (Varian, Vista-MPX, USA and Agilent Technologies, 5800 ICP-OES, USA)로 분석하였다. 토양 유기물 함량은 원소분석기(Vario Max cube, Germany)를 이용하여 T-C를 측정하여 1.724를 곱하여 유기물 함량으로 산출하였다.
식물체 분석은 H2O2-H2SO4로 습식 분해하여 분석에 사용하였다. 항목별로 보면 총 질소와 총 탄소함량은 원소분석기(Vario Max cube, Germany)를 이용하여 정량 하였고, 인산 함량은 ammonium vanadate법으로 비색 정량 하였으며, 양이온 함량은 ICP-OES (Varian, Vista-MPX, USA and Agilent Technologies, 5800 ICP-OES, USA)로 측정하였다. 식물체의 C/N율은 원소분석기를 통하여 분석한 T-N, T-C 값을 이용하여 계산하였다.
풋거름 작물의 양분 생산량은 양분 분석 결과를 토대로 생산량을 곱하여 산출하였다.
통계분석
통계 분석은 SAS 9.2 (SAS Institute In. Cray, NC, USA) 프로그램을 사용하여 분산분석을 실시하였으며 Duncan’s multiple test로 유의성을 검정하였다(P<0.05).
결과 및 고찰
시험 토양의 화학적 특성
시험 토양의 화학적 특성은 Table 1과 같이 pH는5.4였고, 염 농도(EC)는 0.2 dS/m로 토양의 산도와 염 농도는 작물 재배가 안전한 수준이었다. 토양 유기물 함량은 5.2 g kg-1으로 밭 토양 적정 범위 보다 약 3.8~5.8배 낮은 수준이었고, 유효인산 함량은 34.9 mg kg-1으로 적정범위보다 약 8.6~15.8배나 낮아 유기물 함량보다 더 심각한 수준이었다(NIAS, 2022). 치환성 양이온인 칼슘 함량은 밭 토양 적정 범위 보다 많이 낮은 반면 마그네슘 함량과 칼리 함량은 적정 범위에 근접한 수준으로 무기 성분 간에 격차가 매우 심한 것으로 확인 되었다.
Table 1.
Changes in the chemical properties of soil before and after the cultivation of green manure crops.
| Treatment** |
pH (1:5) |
EC (ds m-1) |
OM (g kg-1) |
Av. P2O5 (mg kg-1) | Ex. cations (cmolc kg-1) | ||||
| K | Ca | Mg | Na | ||||||
| Before | 5.4a* | 0.20a | 5.2a | 34.9a | 0.4a | 1.1a | 2.1a | 0.2 | |
| After | R100 | 7.1b | 0.28b | 5.4a | 109.6c | 0.62b | 1.8b | 2.3a | 0.10 |
| H100 | 7.0b | 0.25b | 4.8a | 57.5b | 0.68b | 1.7b | 2.3a | 0.06 | |
| R50H50 | 7.0b | 0.27b | 6.6b | 138.2c | 0.69b | 2.0b | 2.2a | 0.06 | |
| Optimal range*** | 6.0-7.0 | - | 20-30 | 300-550 | 0.5-0.8 | 5.0-6.0 | 1.5-2.0 | - | |
* a-d: Means within a column not followed by same letters indicate significant differences (set at 5%) according to DMRT.
** R100 (Rye 100% monoculture), H100 (Hairy vetch 100% monoculture, R50H50 (mixed sowing of 50% rye and 50% hairy vetch).
*** Optimal range: NIAS (2022).
풋거름 작물 재배 후 토양의 무기 성분 함량은 치환성 마그네슘을 제외한 모든 항목에서 시험 전보다 유의적으로 증가되었으나 풋거름 작물의 파종 방법에 따른 차이는 없었다. 밭 토양의 적정 범위 보다 가장 많이 부족했던 유효인산 함량은 시험 전보다 증가하였으며 호밀이 파종된 처리구에서 헤어리베치 파종구보다 유의적인 증가를 보였다. Bak & Lee (2021)은 동계에 호밀을 재배하면 유효인산의 증가에 효과가 있다고 하였고, Seo et al. (2000)는 호밀은 콩과 작물에 비해 인산 고정 효과가 높다고 하였는데 본 연구결과에서도 호밀이 재배된 구에서 유효인산 함량이 크게 증가되었다.
파종방법에 따른 풋거름 작물 생육 및 수량
Table 2는 풋거름 작물 파종 방법에 따른 생육과 수량을 나타낸 표로 초장은 호밀 단파는 168 cm였고, 헤어리베치 단파는 88 cm로 호밀이 헤어리베치보다 약 2배 정도 길었다. 호밀+헤어리베치 혼파의 호밀 초장은 176 cm였고, 헤어리베치는 94 cm로 호밀과 헤어리베치 모두 단파보다 길었다. Kim et al. (2019)은 보리와 헤어리베치 혼파에서 헤어리베치에 의해 고정된 질소의 약 55%가 보리로 이동되었다는 결과로 볼 때 두 작물간에 양분이 공여되어 생육이 좋았던 것으로 판단되었다. 수확시기에 헤어리베치 근류균의 주당 건물수량은 단파보다 혼파구에서 더 많았다. 이는 호밀+헤어리베치 혼파구는 호밀이 질소흡수를 많이 해서 토양 내 질소부족에 의해 뿌리혹박테리아의 활성이 좋아졌기 때문으로 판단되었다.
Table 2.
Growth and dry weight of green manure crops according to Sowing Methods.
| Treatments** |
Plant height (cm) |
Rhizobia Biomass (g/plant) |
Biomass (kg 10a-1) | ||
| Rye | Hairy vetch | Fresh weight | Dry weight | ||
| R100 | 168a* | - | 1,425c | 446b | |
| H100 | - | 88b | 0.30b | 1,183b | 193c |
| R50H50 | 176a | 94b | 0.47a | 1,750a | 502a |
풋거름 작물의 건물 수량은 호밀+헤어리베치 혼파(502 kg 10 a-1) > 호밀 단파(446 kg 10 a-1) > 헤어리베치 단파 (193 kg 10 a-1) 순이었으며 호밀+헤어리베치 혼파에서 가장 많은 풋거름 수량이 생산되었다. 이는 혼파재배에서 단파재배보다 더 많은 수량을 얻었다는 Jeon et al. (2009)과 보리/헤어리베치 혼파로 건물 수량과 양분 생산성이 모두 증대되었다는 Lee et al. (2018)와 연구결과와 같았다. 풋거름 작물 단파보다 혼파에서 초장과 건물 수량이 높았던 이유는 Fig. 1.(오른쪽)과 같이 포복성인 헤어리베치가 호밀을 지지대 삼아 타고 올라가면서 광합성 효율이 높아졌으며, 두 작물이 같이 생장하면서 양분을 공여하였기 때문으로 판단되었다(Kim et al., 2019; Jeon et al., 2009; Lee et al., 2018; Yang et al., 2014).
파종 방법에 의한 풋거름 작물의 양분함량
풋거름 작물의 양분 함량은 Table 3과 같이 T-C(전탄소) 함량은 풋거름 작물의 파종 방법 간에 차이가 없었으나 T-N(전질소) 함량은 호밀 단파는 0.93%이고 헤어리베치 단파는 2.34%로 헤어리베치 단파에서 호밀 단파보다 약 2.5배 더 높았다. 헤어리베치에서 질소 함량이 높았던 이유는 뿌리에서 고정된 질소가 식물체에 공급되었기 때문이었다(Jeon et al., 2009; Yang et al., 2014). 호밀+헤어리베치 혼파구는 1.19%로 헤어리베치 단파보다 낮았으나 호밀 단파보다 높았는데 이는 혼파로 생산된 풋거름에 호밀과 헤어리베치가 섞여 있기 때문이다. 다른 무기 성분 함량도 질소함량과 같은 경향으로 혼파구가 단파구의 양분 함량보다 높거나 낮은 값을 보였다. Bak & Lee (2021)와 Seo et al. (2000)는 호밀 재배로 토양의 유효인산 함량은 증가된다고 하였으며 본 연구에서도 토양 내 유효인산 함량은 증가되었으나 식물체의 인산 함량은 낮아 추후 고정된 유효인산의 이용에 관한 연구가 필요하였다.
Table 3.
Mineral Nutrient Contents of Green Manure Crops According to Sowing Methods in the Saemangeum Reclaimed Land.
| Treatments** | T-N*** | T-C | P2O5 | CaO | MgO | K2O | C/N ratio |
| ------------------------- % -------------------- | |||||||
| R100 | 0.93c* | 44.0a | 0.72b | 0.12c | 0.12b | 1.24c | 47.3c |
| H100 | 2.34a | 41.4a | 0.84b | 0.58a | 0.39a | 3.84a | 20.1a |
| R50H50 | 1.19b | 43.2a | 1.03a | 0.31b | 0.18b | 2.42b | 36.3b |
풋거름 작물의 분해 속도에 밀접한 관계가 있는 C/N율은 보통 25%미만이면 빠르게 분해되어 토양에 양분을 공급한다고 한다(Cho et al., 2015; Lee et al., 2018). Jeon et al. (2009)에 의하면 노지에서 재배한 헤어리베치는 C/N율이 15미만으로 낮아 토양에 환원하면 30일 이내에 약 80% 정도 분해가 된다고 하였다. 새만금간척지에서 호밀+헤어리베치를 혼파구의 C/N율은 36.3으로 25보다 높았고, 헤어리베치 단파구보다 높아 토양에 환원되면 분해가 천천히 이루어져 유실되는 양분함량도 낮아질 것으로 사료되었다(Jeon et al., 2009; Kim et al., 2011).
풋거름 작물 파종 방법에 따른 양분 생산량
Table 4는 풋거름 작물 파종 방법에 따른 질소, 인산, 칼리 생산량을 나타낸 것으로 이들 양분은 작물 생산에 매우 큰 영향을 미친다. 풋거름 작물로 생산된 양분은 칼리가 가장 많았고, 그 다음은 질소, 인산 순이었다. 10 a 당 칼리 생산량은 5.5~12.1 kg으로 헤어리베치가 재배된 처리구에서 가장 많았다. 질소 생산량은 호밀+헤어리베치 혼파에서 6.0 kg 10 a-1로 가장 많았고 호밀과 헤어리베치 단파구는 각각 4.15 kg 10 a-1, 4.52 kg 10 a-1가 생산되었다. 식물체의 질소 함량이 가장 높았던 헤어리베치에서 질소생산량이 낮은 이유는 헤어리베치의 건물 수량이 적었기 때문이었다. 인산 생산량은 호밀 재배된 단파구에서 3.20 kg 10 a-1, 호밀+헤어리베치 혼파구는 5.20 kg 10 a-1이 생산되었고, 헤어리베치 단파구는 3.08 kg 10 a-1로 가장 적었다. 생산된 풋거름 작물을 전량 토양에 환원하고 후 작물로 콩(간척지 추천 시비량 기준, 질소 : 인산 : 칼리 = 6 : 7 : 3 kg 10 a-1)을 재배한다면 풋거름 작물로 생산된 양분함량의 화학비료 대체 효과는 질소는 약 69~100%, 인산은 23~74%, 칼리는 184~405%이었다.
Table 4.
Nutrient production amount through the cultivation of green- manure crops in saemangeum reclaimed land.
| Treatments** | Nutrient production amount | ||
| Nitrogen | Phosphate | Potash | |
| ---------------------- kg 10a-1 ---------------------- | |||
| R100 | 4.1 | 3.2 | 5.5 |
| H100 | 4.5 | 1.6 | 7.4 |
| R50H50 | 6.0 | 5.2 | 12.1 |
적 요
새만금간척지는 매립으로 만든 인위적인 농경지로 토양 내 염 농도는 낮으나 토양 지력이 일반농경지보다 매우 낮고 양분 간에 불균형이 심하여 작물의 안정적인 생산이 어려운 실정이다. 이 농경지의 지력 증진을 위하여 동계에 풋거름작물을 재배하여 건물생산량과 질소비료대체 효과를 분석하였다.
1.풋거름 작물 재배 후 토양의 무기성분 함량은 치환성 마그네슘을 제외한 모든 항목에서 시험 전보다 유의적으로 증가되었으며 파종방법에 따른 차이는 호밀이 재배된 호밀 단파, 호밀+헤어리베치 혼파구에서 증가되었다.
2.풋거름작물의 초장은 호밀 단파는 168 cm, 헤어리베치 단파는 88 cm로 호밀이 헤어리베치보다 약 2배 정도 더 길었으며, 호밀+헤어리베치 혼파구의 호밀은 175 cm, 헤어리베치는 94 cm로 단파보다 혼파구의 초장이 더 길었다.
3.10a당 건물 수량은 호밀+헤어리베치 혼파는 502 kg이 생산되어 호밀 단파(446 kg)나 헤어리베치 단파(193 kg) 보다 약 113~260%가 증수되었다.
4.풋거름 작물 식물체의 양분함량은 질소는 0.93~2.34%, 인산은 0.72~1.03%, 칼리는 1.24~3.84%였으며 이를 통해 토양에 환원 가능한 10 a 당 양분 생산량은 질소는 4.1~6.0 kg, 인산은 1.6~5.2 kg, 칼리는 5.5~12.1 kg이었다.
5.이상의 결과로 볼 때 새만금간척지에서 풋거름 작물을 이용할 때 호밀+헤어리베치를 혼파하여 재배하면 토양 유기물과 양분 공급 면에서 유리 할 것으로 판단되었다.
