Original Research Article

The Korean Journal of Crop Science. 1 December 2021. 271-278
https://doi.org/10.7740/kjcs.2021.66.4.271

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 재료 및 방법

  •   개구리밥 초종별 잡초발생 양상 조사

  •   물개구리밥 피복에 따른 토양 이화학성 변화 분석

  •   물개구리밥 피복재배에 따른 쌀 수량 및 품질 분석

  • 결과 및 고찰

  •   개구리밥 초종별 논잡초 발생 억제 효과

  •   물개구리밥 피복에 따른 토양 이화학성 변화

  •   물개구리밥 피복재배에 따른 쌀 수량 및 품질

  • 적 요

서 론

국민 소득 향상에 따른 건강식 선호와 식품 기호 변동으로 쌀 소비량은 계속 줄어들지만(Han et al., 2012) 유기농 쌀이나 맛좋은 쌀의 수요는 꾸준하며, 더욱이 환경 보존측면에서 유기농법 등 대체 농법의 중요성이 강조되고 있다. 세계적으로 잡초에 의한 벼 수량 감소는 평균 10~15% 정도로 추정되고, 잡초를 관리 하지 않을 때 수량 감소는 16~86%, 최대 100%에 이른다(Smith, 1983; Zoschke, 1990; Baltazar & De Data, 1992; Kropff, 1993). 일반적으로 잡초는 제초제를 이용하여 관리하지만 과도한 제초제의 사용은 농업생태계를 오염시키고, 제초제에 대한 내성을 가진 잡초발생 문제를 야기한다(Han et al., 2019). 벼 수량 보존을 위한 화학비료의 사용도 장기적으로 토양의 물리적 특성을 나쁘게 하는 요인으로 작용한다(Lui, 1985). 한국에서도 논에서의 잡초방제를 위한 친환경 농법으로 오리나 우렁이를 이용하고 있지만, 오리의 사후 처리문제나 우렁이의 번식력 및 월동피해가 우려되는 실정이다(Kwon et al., 2010).

개구리밥과 같은 부유성 수생식물은 자라면서 햇빛을 차단하여 다른 수생잡초의 생육을 억제하고 공기 중의 질소를 고정하며(Arora & Singh, 2003) 수질 정화에도 역할을 하는 것으로 알려져 있다(Watanabe & Hove, 1996). 한국에 서식하는 개구리밥 종류는 개구리밥(Spirodela polyrhiza), 좀개구리밥(Lemna minor), 물개구리밥(Azollaceae), 분개구리밥(Wolffia arrhiza)이 있는데 개구리밥과 좀개구리밥을 제외한 두 가지 초종은 다른 과에 속하는 식물이다. 물개구리밥은 물개구리밥과에 속하며 작은 수생 양치식물로 질소 고정 능력을 가지고 있는 Cyanobacterium속의 Anabaena azollae와 공생한다. 한국에서는 물개구리밥(A. pinnata)과 큰물개구리밥(A. japonica) 두 종류가 서식하는 것으로 알려져 있다(Lee, 1979). 또한 물개구리밥은 번식력이 빠른 식물로 적정 온도 조건에서 생체량이 배가 되는데 3~5일, 표면적이 2배가 되는데 7~10일 정도 소요되며 개체가 자라 밀집하여 이루어진 매트의 두께가 0.05~0.20 m까지 형성될 수 있다고 알려져 있다(Lumpkin & Plucknett, 1982). 이러한 특성으로 인하여 물개구리밥(Azolla)은 논에서 나는 일년생 잡초 관리나 부가적인 질소 공급원으로서의 농업적 이용가치가 높게 평가되고 있다. 물개구리밥은 토양에 1년 동안 110~330 kg ha-1의 질소를 공급할 수 있다고 알려져 있으며, 특히 중국과 동남아 지역에서는 벼를 재배할 때 물개구리밥을 번식시키는 방법으로 질소비료 대용으로 사용한다(Liu & Zheng, 1989; Lumpkin & Plucknett, 1982; McConnachie et al., 2003). 이러한 물개구리밥의 많은 이로운 특성에도 불구하고, 한국에서는 기후 특성상 겨울을 나기 어려워 그에 대한 연구 및 활용이 다른 국가와 비교하여 여전히 미비하다.

한국에서 물개구리밥을 벼농사에 이용하고 있지 않으나, Lee et al. (2004)의 보고에서 벼가 자라는 논물에 물개구리밥을 방치할 경우 관행 질소량(110 kg ha-1)의 25%, 경운하여 땅속에 매몰시에는 50% 절감 효과가 나타난다는 보고한바 있어 한국에서도 친환경 생물 비료로 이용할 가치가 크다고 발표한 바 있다. 물개구리밥 생물량 내 질소성분과 잡초억제 효과가 쌀 수량의 증대로 연결된다는 보고에서 관행재배와 비교하여 산파 재배한 벼의 경우는 14%의 수량증대와 34%의 잡초억제 효과가 있고, 이앙재배의 경우는 22%의 수량 증가와 52%의 잡초 억제효과가 있다고 하였다(Lee et al., 2004). 한국의 경우 볏짚 조사료 정책으로 90%이상의 볏짚이 수거되고 있어 논토양 지력 저하가 우려되고 있는 실정인데(RDA, 2003), 물개구리밥을 포함한 개구리밥 종류의 부유 초종을 벼와 함께 생육시켜 잡초 생장억제는 물론 화학비료의 사용도 절감하는 효과가 있을 것으로 생각된다. 이외에도 물개구리밥은 생태계에서 다양한 역할을 하고 있다. 예를 들어, Bukingham et al. (1978)과 Lumpkin & Plucknett (1980)은 물개구리밥의 인간 영양식으로서 가능성을 보고하였으며, 물고기와 가축사료(Lumpkin & Plucknett, 1982) 등의 기능이 보고된바 있다. Moran et al. (2006)은 물개구리밥이 많은 양의 이산화탄소를 흡수하면서 백만년 동안 온난화 진행 속도를 늦추는데 기여하였다고 보고하였다. 또한 Singh & Singh (1987)는 물개구리밥 재배에 따른 논 토양내 유기물 탄소의 증가를 보고했는데, 재배조건이나 환경의 차이에 따라 ha당 500 kg에서 최대 42,000 kg까지 보고되어 있다. 물개구리밥에는 단백질, 필수아미노산, 비타민, 생장촉진매개체 그리고 칼슘, 인, 철, 구리, 마그네슘 등 무기질이 품부하게 함유되어 있어 물개구리밥 추출물이 종자 발아에도 유효한 작용을 하는 것으로 발표된 바 있다(Bindhu, 2013). 본 실험에서는 국내에 자생하는 물개구리밥을 이용하여 논 수면 피복 정도에 따른 잡초억제, 토양내 질소성분 증진 등의 효과를 조사하였으며, 이에 따른 쌀 수량 및 품질에 미치는 영향을 조사하였다.

재료 및 방법

논에서 물개구리밥(A. pinnata)을 벼와 함께 재배했을 때 벼 생산성과 토양환경 변화에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 물개구리밥 처리에 따른 잡초 발생 정도, 논토양의 이화학적 특성 변화, 쌀 수량 및 쌀 품질 등을 조사하였다.

개구리밥 초종별 잡초발생 양상 조사

물개구리밥(A. pinnata) 논 수면피복에 따른 잡초발생 억제효과를 조사하기 위하여 우리나라에 자생하는 좀개구리밥(L. minor)을 대조로 실험을 수행하였다(Fig. 1).

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Fig. 1.

Two floating aquatic plants species (A, Lemna minor; B, Azolla pinnata) selected in the present study.

개구리밥 초종별 잡초발생 억제 정도를 조사하기 위한 포장실험은 대구광역시 북구에 위치한 경상북도농업기술원 논 포장에서 2014년과 2015년에 실험을 수행하였으며, 이 지역의 5월에서 10월 중순까지의 벼 재배기간 중 평균기온은 22.9°C정도이다. 시험이 이루어진 2년간의 기온은 개구리밥 처리 후 본격적인 증식이 이루어지는 기간(이앙 후 100일 정도)의 평균기온이 평년보다 0.7~1.8°C 낮은 기온이었다. 시험에 사용된 초종들이 우리나라에서 월동이 원활하지 않은 점을 고려하여 이앙 후 투입처리 하는 방법을 채택하였다. 비료를 시용하지 않은 시험구와 관행 시비(N-P2O5-K2O=9-4.5-5.7 kg/10a)한 시험구에 이앙전 제초제를 살포 하여 포장을 준비하고, 6월 하순경에 중모 상태의 모를 이앙하였다. 6월 상순경 일품벼 중묘를 0.30×0.14 m 재식거리로 기계 이앙하고, 구당 면적을 16 m2로 구획하여 초종별로 3반복으로 처리하였다. 개구리밥 처리는 이앙 15일 경과 후 수면피복정도가 0.1%정도 되도록 투입(500 g/16 m2)하고, 벼가 자라는 동안 5일 간격으로 수면 피복도를 조사하였다. 초종별 수면피복 정도는 조사면적에 대한 처리 초종이 점유하는 면적 비율로 조사하였다. 이후 시험구는 추가적 제초제 처리 없이 관리하면서 무제초구를 대조구로 잡초 초종별 발생 억제 정도를 개구리밥 투입 처리 후 40일경에 조사하였다.

물개구리밥 피복에 따른 토양 이화학성 변화 분석

시험 토양의 이화학적 특성은 2014년과 2015년 4월에 시험 전 토양을, 수확이 끝난 11월에 토양을 채취하여 pH, 유기물, EC, 인산, 총 질소 함량 등을 조사하였다. 비료를 시용하지 않은 시험구와 관행 시비(N-P2O5-K2O=9-4.5-5.7 kg/10a)한 시험구에 이앙전 제초제를 살포하고 정지작업 후 6월 하순경에 중모 상태의 모를 이앙하였으며, 이앙후 15일경과한 시점에 물개구리밥을 투입(500 g/16 m2)하여 벼와 함께 재배하였다. 토양시료는 표토를 포함하여 0.15 m 깊이로 채취하여 분석하였는데, pH는 증류수 1:5 비율로 희석하여 측정하였고, 유기물 함량은 Walkley-Black법으로, 총질소는 환원철법, 유효인산은 Lancanster법으로 1:10 (W/V) 추출하여 분광기(UV-2100, Shmadzu)로 분석하였다. 치환성 양이온은 유도결합플라즈마(OPTMA-5300 DV, USA)를 이용하여 분석하였다.

물개구리밥 피복재배에 따른 쌀 수량 및 품질 분석

시비, 제초, 물개구리밥 피복처리에 따른 쌀 수량 및 품질에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 비료를 시용하지 않은 시험구와 관행 시비(N-P2O5-K2O=9-4.5-5.7 kg/10a)한 시험구에 이앙전 제초제를 살포하고 정지작업 후 6월 하순경에 중모 상태의 모를 이앙하였다. 이후 제초작업 없이 유지한 시험구와 중기제초제를 활용하여 제초한 시험구를 대조로 물개구리밥을 투입하여 재배한 시험구에서 수확한 벼의 수량, 품질 및 밥맛을 조사하였다. 쌀의 품질 및 밥맛 분석을 위하여 10분도로 도정한 백미를 이용하였으며 단백질함량, 아밀로스함량은 쌀품질 자동분석기(FOSS Infratec 1241, Australia), 완전미율은 립형분석기(SATAKE RGQI100B, Japan사)를 이용하여 3반복으로 측정한 값을 평균하였다. 밥맛을 간접적으로 나타내는 측정 장비인 Toyo 미도메터를 이용하여 밥의 표면 윤기정도를 조사하였는데 파쇄립을 제거하지 않은 상태의 백미시료 33 g을 10분간 호화시킨 후 식미측정장치(Toyo MA-90B, Japan)에 장착하여 측정하였다. 취반식미는 근적외선과 가시광선이 시료에 투과 혹은 반사되는 광의 정보를 바탕으로 밥맛을 측정하는 취반식미계(SATAKE rice analyzer STA1B, Japan)를 이용하여 밥의 외관, 경도, 점도에 대한 종합적 점수를 평가하였다.

결과 및 고찰

개구리밥 초종별 논잡초 발생 억제 효과

벼 재배기간 동안 개구리밥 초종별 논 수면 피복정도의 변화를 5일 간격으로 조사한 결과(Fig. 2), 좀개구리밥 처리구에서는 처리 25~30일 경에 75%정도의 피복도를 보이다가 점차 감소하여 출수기 경에는 생육이 거의 마무리되어 수면에서 사라지는 경향이었다. 물개구리밥은 벼 등숙기까지 꾸준히 증가하여 물때기 하는 순간까지도 표면을 완전히 피복한 상태를 유지하였다. 시비유무에 따른 개구리밥 초종별 증식속도는 비료를 시용할 경우보다 무시비구에서 빨랐다(Fig. 3).

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Fig. 2.

Changes in plot area coverage by Lemna minor and Azolla pinnata in paddy field from 30 to 90 days after the inoculation (DAI) of duckweed species.

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Fig. 3.

Changes in plot area coverage by Lemna minor and Azolla pinnata over 60 days from inoculation in a paddy field with or without the application of chemical N-P-K fertilizers.

개구리밥 투입 40일 경(출수기)에 개구리밥 피복처리에 따른 잡초 발생양상을 조사한 결과(Table 1), 두종류의 개구리밥 처리구가 제초하지 않은 대조구에 비해 발생하는 잡초의 종류, 단위면적당 잡초본수, 잡초의 생체중이 현저히 적었고, 좀개구리밥 처리구 보다는 물개구리밥 처리구에서 잡초발생 억제정도가 컸다. 발생 빈도가 높았던 물달개비를 비롯하여 마디꽃, 참방동사니, 자귀풀과 같은 1년생 잡초발생 억제 효과가 높았으며, 무처리에 비해 물개구리밥 피복구에서 잡초 발생이 60% 이상 억제되었다. 무시비구의 경우 관행 시비구에 비해 잡초발생이 현저히 적었지만, 개구리밥 초종을 투입할 경우 유의한 잡초억제 효과를 보였다.

Table 1.

Effects of Lemna minor and Azolla pinnata incorporation on weed species and their emergence rate in a paddy field.

Fertilization Weed control Weed species Total number of weeds
(ea/m2)
Fresh weight of weeds
(g/m2)
Fertilizer free No-weeding MV, SJ, EK 90 b 341 c
Covering with L. minor MV, SJ 85 b 178 d
Covering with A. pinnata MV 64 b 124 d
N-P2O5-K2O
=9-4.5-5.7(kg/10a)
No-weeding MV, SJ, EK, RI, AI, CA 170 a 1,372 a
Covering with L. minor MV, SJ, EK, RI 92 b 614 b
Covering with A. pinnata MV, SJ, EK, RI 89 b 343 c

MV: Monochoria vaginalis, SJ: Scirpus juncoides, EK: Eleocharis kuroguwai, RI: Rotala indica, AI: Aeschynomene indica, CA: Cyperus amuricus

The same letters indicate no difference at 5% significance level using Duncan’s multiple range test.

가볍지만 두꺼운 물개구리밥 매트는 잡초의 생장을 억제 시키는데 이는 햇빛을 차단시킴으로서 어린 잡초 유묘가 자라는데 광부족 현상을 유발하고(Lumpkin & Plucknett, 1980), 물개구리밥 매트의 물리적인 무게 또한 벼에는 피해를 주지 않으면서 잡초를 억제한다(Pons, 1987). Satapathy & Singh (1985)는 물개구리밥으로 방동사니, 여뀌, 피 등의 잡초 억제효과를 보고한바 있으며, Biswas et al. (2005)은 모든 잡초에서 생장 억제효과가 있었으며 발생잡초의 생체무게를 기준으로 무처리에 비해 66~91%의 생장억제 효과가 있었다고 보고 하였다. Ngo (1973)는 주요 논 잡초인 돌피(E. crusgalli)에 대하여 물개구리밥(A. pinnata)이 6주간 50%의 면적에 피복되어 있던 논에서는 약 70%가 방제되었으며, 100% 피복된 논에서는 93% 방제되었다고 하였다. Mandal et al. (1999)은 물개구리밥에 의한 잡초 방제 효과는 밀도나 그 두께에 따라 다르며, 담수 후 잡초가 재출현하기 전에 충분히 피복되어 있어야 한다고 하였다. 물개구리밥은 기온이 20°C를 넘으면 투입 3~4주 정도면 수면을 피복하여 다른 잡초들에 햇빛이 차단되어 자라지 못하게 하는 효과가 있는데 우리나라의 경우 이앙전이나 이앙 후 수일간 수온이 충분히 높지 못한 상황이며, 개구리밥과 좀개구리밥은 비교적 낮은 수온에서 일찍 증식하지만 물개구리밥의 경우는 증식이 안정적인 수온이 될 때까지는 다른 제초법을 병행하여 실시할 필요가 있을 것으로 판단된다.

물개구리밥 피복에 따른 토양 이화학성 변화

벼 생육 중 증식된 개구리밥이 논토양 지력증진에 미치는 영향을 조사하기 위하여 시험전 토양과 물개구리밥을 투입하여 재배한 논에서 벼를 수확한 후 채취한 토양시료의 이화학성을 분석한 결과(Table 2), 관행재배시 벼 수확 후 토양의 pH가 다소 낮아지는 것을 물개구리밥을 투입하여 재배할 경우 시험전 토양과 비슷한 pH를 유지할 수 있었다. 또한 EC, 인, 총 질소 함량이 높아지는 경향이었고, 유기물 함량의 경우 물개구리밥 처리구에서 35g kg-1으로 높았다. Liu (1985)는 화학비료의 70%를 물개구리 밥으로 대처해도 100% 화학비료 처리구와 동일한 수량의 쌀생산이 가능하여 녹비작물로서 효과적이라고 하였고 자운영, 클로버 등에 비해 조단백질 함량이 높고, 인의 함량은 클로버와 비슷하게 높다고 하였다. Singh et al. (1981)은 물개구리밥이 재배되는 논에서는 인산(P)의 유효도가 증가한다고 보고하였다. 수세기 동안 물개구리밥은 공생 질소 고정 능력과 높은 질소 함량으로 인해 중국 남중부 및 베트남 북부 등의 벼 재배지역에서 녹비와 유기성 자원으로 이용되어 왔다(Ferentinos et al., 2002). 벼 재배시 물개구리밥을 이용하면 토양 공극의 증가, 토양 비중의 감소(Anonymous, 1975), 장기간 이용시 토양 밀도의 감소 등 토양의 물리성이 개선된다고 보고되었다(Ventura & Watanabe, 1993).

Table 2.

Changes in soil chemical properties after the harvest of rice with Azolla pinnata incorporation.

Treatment pH
(1:5)
EC
(dS/m)
Organic
matter
(g/kg)
P2O5
(mg/kg)
Exchangeable
cation (cmolc/kg)
Total-N
(g/kg)
K Ca Mg
Before transplanting 6.1 0.29 16.93 77 0.24 4.03 0.74 0.13
After
harvest
No weeding 5.7 0.45 25.3 102 0.26 4.37 0.76 0.21
Herbicide 5.6 0.65 28.0 72 0.42 5.34 0.90 0.22
Covering with A. pinnata 5.6 1.28 31.1 71 0.42 5.08 0.99 0.24
NPK + No weeding 5.6 0.57 24.8 90 0.30 4.50 0.77 0.19
NPK + Herbicide 5.5 0.48 26.6 85 0.28 4.16 0.79 0.21
NPK + Covering with A. pinnata 5.8 0.74 35.0 92 0.31 4.57 0.84 0.25

Chemical fertilizer formula (N-P2O5-K2O) = 9 - 4.5 - 5.7 kg/10a

물개구리밥 피복재배에 따른 쌀 수량 및 품질

물개구리밥 처리 유무에 따른 벼 수량을 조사한 결과(Fig. 4), 비료 시비 유무에 따라 현저한 차이를 보였다. 시비된 토양에서 물개구리밥 피복재배는 무제초구에 비해 쌀 수량이 12~14% 높아져, 제초제를 처리하여 관리한 시험구의 수량과 비슷하였다. 무시비 구의 경우는 전체적인 쌀 수량이 시비구에 비해 현저히 낮은 경향이었으며 물개구리밥을 처리할 경우 벼와 비료성분 경합으로 오히려 수량이 낮아지는 경향을 보였다. 앞선 연구에서 물개구리밥은 잡초의 생체중을 줄여줄 뿐만 아니라 비료효과로 작물의 수량이 증가한다고 보고한바 있는데(Moody & Janiya, 1992; Lumpkin & Pluckett, 1980) 이는 물개구리밥이 질소질 비료 공급원으로 작용하기 때문인 것으로 고정된 질소성분은 벼 생육 중에 바로 이용될 뿐만 아니라 열대지방에서는 물땐 후 빠른 토양환원을 통해 알거름으로 벼에 흡수되기 때문이다.

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Fig. 4.

Effects of Azolla pinnata incorporation on rice yield.

개구리밥 처리구에서 생산된 쌀의 품질, 성분, 밥맛을 분석한 결과(Table 3, Fig. 5), 단백질, 아밀로스, 완전미율은 처리별로 유의한 차이가 없었으나, 물개구리밥 처리구에서 생산된 쌀로 밥을 지었을 때 취반식미 값이 유의한 수준으로 높았다.

Table 3.

Head rice ratio, protein content and amylose content of rice grown with or without chemical fertilizers and Azolla pinnata in a paddy field.

Treatment Head rice (%) Protein (%) Amylose (%)
No weeding 89.7 a 6.3 a 18.4 ns
Herbicide 90.2 a 5.8 c 18.5
Covering with A. pinnata 85.2 b 5.9 c 18.3
NPK + No weeding 87.9 ab 5.8 c 18.4
NPK + Herbicide 89.3 a 5.8 c 18.5
NPK + Covering with A. pinnata 86.3 ab 5.7 c 18.3

The same letters indicate no difference at 5% significance level using Duncan’s multiple range test.

Chemical fertilizer formula (N-P2O5-K2O) = 9 - 4.5 - 5.7 kg/10a

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Fig. 5.

Palatability of cooked rice grown with Azolla in a paddy field.

적 요

논에서 개구리밥의 수면피복은 잡초의 초종, 본수, 생체중의 감소로 잡초발생억제 효과가 있었다. 개구리밥 초종 중 물개구리밥(Azolla)을 처리한 경우 잡초 억제 효과와 더불어 제초하지 않음에도 수량성의 감소는 없었으며 이듬해 토양에 유기물 함량을 높임으로서 토양비옥도를 증진시키는 효과를 보인 것으로 판단되었다. 물개구리밥은 증식이 빠르고 벼 재배시 수량 증가, 암모니아 휘산 방지, 잡초억제 등의 효과가 있으며, 오염된 수질에서는 중금속 제거 효과도 뛰어나 녹비용 사료용 가치 등 농업적가치가 뛰어난 자원이다. 한국에서는 월동을 시켜야 하는 등의 일부 단점이 있긴 하지만 그 활용가치가 뛰어나고 관리가 용이 하므로 친환경 농업의 발전을 위하여 추가적인 연구와 현장 적용 시험이 필요한 것으로 판단된다.

Acknowledgements

We would like to thank Editage (www.editage.co.kr) for English language editing.

References

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