Research Article

Journal of Agricultural, Life and Environmental Sciences. 30 September 2023. 202-214
https://doi.org/10.22698/jales.20230016

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 재료 및 방법

  •   식물재료 및 시험구 배치

  •   콩 지상부생육, 지하부생육 및 수량조사

  •   토양분석

  •   통계분석

  • 결과 및 고찰

  •   토양분석 및 통계분석결과

  •   유기질비료처리가 콩 지상부 형태적 특성에 미친 영향

  •   유기질비료처리가 콩 뿌리 형태적 특성에 미친 영향

  •   유기질비료처리가 콩 수량에 미친 영향

  •   유기질비료처리에 따른 콩 식물체 지상부, 지하부 및 수량관련 형질의 상관관계 분석

  • 요 약

서 론

콩은 전 세계적으로 재배되고 있는 주요 식량작물 중 하나로, 2019년 기준으로 콩은 약 3.54억 톤이 생산되어 옥수수, 벼, 밀, 감자 다음으로 많이 생산된 식량작물이다(Kang, 2021). 우리나라에서 콩은 대부분의 사람들이 섭취하는 식품(된장, 간장, 두부 등)의 원료로 많이 사용되고 있어 수요가 큰 작물이지만 국산콩의 가격 경쟁력이 수입콩에 비해 크게 떨어져 국내에서 콩 재배면적(2013년 8만 ha, 2016년 4만 9천 ha, 2020년 5만 5천 ha, 2022년 6만 3천 ha)은 2013년에서 2016년 사이 크게 감소하다가, 정부의 논 콩 재배 보급으로 재배면적이 소폭 증가하고 있는 추세이다(Kang, 2021; KOSIS; Yoon and Nam, 2009). 재배면적의 감소는 생산량의 감소로 이어져 2013년 콩 생산량(15만 4천 톤)에서 2016년 7만 5천 톤으로 거의 50% 가량 감소하였다. 이후 재배면적이 소폭 증가하면서 2020년 8만 톤, 2022년 12만 9천 톤으로 증가 추세에 있으나, 2013년 생산량에는 미치지 못하는 실정이다(Kang, 2021; KOSIS; The Korean Farmers Fishermen’s News, 2021). 위와 같은 콩 재배 현실에서 2020년 11월 정부는 2030년까지 콩 자급률을 45%까지 높이겠다고 밝혔다(The Korean Farmers Fishermen’s News, 2021). 정부의 목표에도 불구하고 콩 재배면적과 생산량은 크게 증가하지 않고 있다. 그 이유는 소득측면에서 콩 재배가 타 밭작물에 비해 낮고, 전통적으로 콩을 재배하는 경작지가 생산성이 낮은 한계지이거나, 콩을 재배하는 농가의 규모가 영세하기 때문이다(Yoon and Nam, 2009; The Korean Farmers Fishermen’s News, 2021). 따라서 논 타작물 재배 유도를 통해 콩 재배면적을 높여야 하지만 이마저도 타 작물에 비해 지원금액이 낮기 때문에 정부 기대치만큼 콩 재배면적과 생산량이 증가되지 않고 있는 실정이다(The Farmers Newspaper, 2022). 2023년 정부 발표에 따르면 ‘2023년도 전략작물직불제 본격 시행’을 통해 기본형공익직불금에 더하여 논에서 전략작물을 재배하는 경우 추가로 선택형직불금을 지급하기로 결정하여 향후 콩 재배면적은 상승할 것으로 기대하고 있다(Korea Policy Brief, 2023). 위와 같은 상황에서 국내에서 콩 산업을 육성하기 위해서는 장기적인 관점에서 국내 콩 재배에 소요되는 생산비를 줄여 콩 생산단가를 현재 수준보다 낮출 수 있는 콩 재배의 기계화 및 새로운 콩 재배기술의 보급이 필요하다. 따라서 새로운 콩 재배기술의 보급을 통해 생산비 절감이 가장 현실적이 방법이라 생각된다. 이런 측면에서 볼 때, 콩 재배기술 중 하나인 유기질비료 시용과 콩 식물체 생육 및 생산량에 미치는 영향에 대해 연구하는 것이 중요하지만 현재까지 이와 관련된 연구는 부족한 실정이다.

다양한 종류의 온실가스 중 농업분야에서 주로 배출되는 온실가스로 메탄(CH4)과 아산화질소(N2O)가 있으며, 이들은 벼의 논 재배 및 질소비료시용을 통해 많이 배출되는 것으로 알려져 있다(Choi et al., 2021; Kim et al., 2018). 특히, 온실가스 중 메탄과 아산화질소는 이산화탄소에 비해 약 25배(메탄)-310배(아산화질소) 가량 온난화잠재력이 큰 것으로 알려져 더욱 문제가 되고 있다(Kim et al., 2018). 농업생태계에서 배출되는 아산화질소의 배출 경로 중 질소비료시용에 따른 아산화질소의 배출은 토양에 투입된 질소비료가 가수분해나 이온화과정을 거쳐 암모늄태질소가 되고, 질화균과 탈질균의 작용으로 인해 암모늄태질소가 질소가스의 형태로 대기중으로 방출되는 과정의 중간산물로 생성된다(Davidson et al., 1993; Lee et al., 2000; 2019). 콩은 대기 중의 질소를 무기태 형태로 고정하기 때문에 타 작물에 비해 질소비료 시용은 경감되지만 일반적으로 수량 증대를 위해서 적정량의 질소 시비를 필요로 한다(Pooja et al., 2021).

질소비료가 합성된 이후 작물재배 시 질소비료의 시용은 작물생산성의 급격한 증가를 유도하였다. 하지만 농업생태계측면에서 볼 때 과도한 질소비료의 사용은 직접 또는 간접적으로 토양 및 지하수의 산성화를 야기하였다(Cho et al., 2010; 2016). 또한 축적된 반응성 질소화합물은 강과 하천에 유입되어 생태계의 불균형을 유도하는 것으로 알려져 있다(Cho et al., 2016). 최근 들어 강과 댐에서 여름철동안 녹조 발생량이 크게 증가되었다는 뉴스를 많이 접할 수 있는데, 녹조의 발생도 질소와 높은 상관관계를 보이는 것으로 알려져 있다. 물론 녹조 발생에는 온도, 강수량, 인 등 다양한 외부요인도 함께 영향을 미치지만, 질소도 녹조 발생에 있어 배제할 수 없는 주요 인자 중 하나이다(Lee et al., 2019). Lee et al.(2019)는 낙동강 중, 하류 지역의 남조류 개체수와 수질인자간 상관관계를 분석하였고, 이를 통해 낙동강 하류로 갈수록 남조류 발생이 증가하였으며, 이와 높은 상관관계를 보인 요인으로 용존 총 질소, 질산성 질소, 총 질소 등이 있음을 보고하였다. 위의 내용으로 볼 때 하천의 하류로 갈수록 외부에서 유입된 유기성질소와 무기성질소가 증가하고 이러한 원인으로 하천 내 남조류 개체수가 증가하였으며, 외부에서 유입된 무기성질소원 중 하나가 작물재배에서 흔히 사용되고 있는 질소비료라는 사실을 부인할 수 없다. 따라서 본 연구는 콩 재배에서 사용되는 화학비료의 사용을 줄이면서도 콩 수량을 유지하기 위한 연구의 일환으로 유기질비료의 처리가 콩 생육 및 수량에 미치는 영향에 대해 조사하였다.

재료 및 방법

식물재료 및 시험구 배치

본 연구는 경상북도 군위군 부계면(36°06'37.0"N 128°38'42.9"E)에 위치한 경북대학교 부속실험실습장과 경상북도 경산시 용성면 덕천리(35°48'01.9"N 128°53'15.1"E)에 위치한 농가포장에서 실시하였다. 공시품종으로 최근 농촌진흥청에서 대원콩을 대체하기 위해 육성한 품종인 대찬콩을 정부 보급종으로 분양 받아 사용하였다.

2022년 5월 12일과 5월 19일에 군위와 경산에 각각 로터리작업을 진행한 뒤 난괴법으로 가로 9 m × 세로 4.2 m의 시험구을 만들었다. 각각의 시험구에 무처리(Control), 30 kg/10 a의 유기질비료처리[Organic fertilizer 1(OF1)], 60 kg/10 a의 유기질비료처리[Organic fertilizer 2(OF2)]와 60 kg/10 a의 무기질비료처리[Inorganic fertilizer1(IF1)] 배치하고 비료를 처리한 뒤 트랙터를 이용하여 정지작업을 진행하였다. 유기질비료처리는 정부지원사업에 등록된 입상형태의 유기질비료(참편한9, 9-1-2, 누보, 대한민국)를 이용하였고, 대조구로 무처리와 콩 전용비료(엔피코 콩・땅콩비료, 8-8-9, 풍농, 대한민국)처리를 두어 유기질비료처리의 효과를 검정하였다. 종자파종을 위해 군위와 경산 시험포장 모두 70 cm 간격으로 이랑 만든 후 수동파종기(TP110RA, Agritecno Yazaki Korea, Korea)를 이용하여 1구당 2립씩 20 cm 간격으로 종자를 파종하였다. 실험기간 동안 잡초 및 병·해충 방제는 콩 지상부 생육상황을 면밀히 관찰해 가면서 농촌진흥청 표준재배법에 준하여 실시하였다.

콩 지상부생육, 지하부생육 및 수량조사

유기질비료처리에 따른 콩 식물체 지상부 생육(초장, 경태, 및 분지수)을 조사하기 위해 군위포장에서는 종자 파종 후 56일(56 days after sowing, 56 DAS), 70일(70 DAS), 및 84일(84 DAS)에 생육조사를 실시하였다. 한편, 경산포장에서는 파종 후 44일(44 DAS), 58일(58 DAS), 및 72일(72 DAS)에 조사를 진행하였다. 초장은 지면으로부터 최선단 잎까지의 길이로 측정하였고, 경태는 버니어캘리퍼스를 이용하여 지면에 맞닿아 있는 주경의 굵기를 측정하였다. 분지수는 주경에서부터 발달된 곁가지의 수를 계산하여 측정하였다.

유기질비료처리가 협수, 협당립수 및 수량에 미치는 영향을 조사하기 위해 추가적인 조사를 진행하기 위해 2022년 10월 19일(군위)과 2022년 10월 24일(경산)에 각각의 처리구(4줄) 중 가운데 2줄의 이랑에서 5 m만큼 식물체를 채취하여 수량관련 형질 분석에 이용하였다.

유기질비료처리에 따른 콩 지하부 생육을 조사하기 위해서 RGB 영상이미지를 활용하였다. 콩 수량조사를 위해 지상부가 제거된 시험구에서 콩 식물체를 기준으로 30 cm 가량의 원을 그린 다음 삽을 이용해서 지표에서부터 약 30 cm 깊이의 뿌리 샘플을 채취하였다. 채취한 뿌리 샘플은 수돗물로 씻어 흙을 제거하였고, 흙이 제거된 뿌리 샘플은 RGB 영상 취득을 위해 특별하게 제작된 소형 스튜디오에서 촬영하였다. 미러리스카메라(M100, Cannon, Japan)에 EF-M 11-22 mm(F4.0-5.6 IS STM) 렌즈를 부착한 뒤 초점거리를 22 mm로 고정한 상태에서 뿌리 이미지를 측정하였고, 측정된 뿌리 이미지는 뿌리분석전용 소프트웨어(WinRHIZO pro, Regent Instruments Inc., Canada)에서 총 뿌리 길이, 평균 직경, 표면적을 측정하였다. 뿌리 형질분석은 종실관련 형질조사와 동일하게 처리당 10주씩 3반복으로 진행하였다(Fig. 1).

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ales/2023-035-03/N0250350302/images/ales_35_03_02_F1.jpg
Fig. 1.

The process of acquiring a root image from a soybean field and its subsequent analysis. a) a soybean field where the root image was captured. b) the root image captured inside a rhizobox. c) a portion of the captured root image. d) the image after analysis using WinRHIZO software.

토양분석

유기질비료처리 전 토양의 특성을 분석하기 위해 군위 및 경산 실험포장에서 각각의 처리별로 Z형의 5개의 지점에서 토양샘플을 채취하였다. 채취한 토양샘플은 수분을 제거하기 위해 그늘에서 말렸으며, 수분이 제거된 샘플은 경상북도 경산시 농업기술센터에 의뢰하여 pH, 유기물, 유효인산, 치환성 양이온(칼륨, 칼슘, 마그네슘), 전기전도도, 유효규산을 분석하였다.

통계분석

획득한 데이터들의 통계분석을 위해 SAS 9.4(SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)를 사용하였다. 처리간 유의성 검정은 분산분석과 던컨의 다중검정을 실시하였다. 뿌리의 표현형 간 상관관계분석을 검정하기 위해서 R studio (Version 1.3.1093)를 이용하였다.

결과 및 고찰

토양분석 및 통계분석결과

경산과 군위에 위치한 포장에서 실험을 수행하기 전 각 포장의 양분정도를 파악하기 위해 토양분석을 실시하였다(Table 1). 토양산도(pH)와 전기전도도(EC)는 경산과 군위 두 지역 모두 비슷한 수준을 보였다(Table 1). 인, 칼슘 및 마그네슘의 치환성양이온(exchangeable cation)은 경산이 군위보다 조금 높은 수준을 보였으나 그 차이는 크지 않았다. 반면, 유기물함량과 유효인산함량은 군위가 경산보다 높게 조사되었다(Table 1).

Table 1.

Soil pH, organic matter, effective phosphoric acid, exchangeable cations, and electric conductivity of experimental sites

Location pH Organic matter
(g/kg)
Effective
phosphoric acid
(mg/kg)
Exchangeable cation (cmol/kg) Electric
Conductivity
(EC)
Potassium Calcium Magnesium
Gyeongsan 6.1 ± 0.25 29.6 ± 1.98 226.0 ± 20.66 0.7 ± 0.09 9.5 ± 1.64 2.1 ± 0.28 1.3 ± 0.93
Gunwi 6.1 ± 0.31 33.1 ± 1.41 435.1 ± 35.35 0.5 ± 0.09 8.5 ± 0.43 1.7 ± 0.13 1.4 ± 0.63

유기질비료처리에 따른 콩 식물체의 지상부 및 지하부 생육특성과 수량관련 형질에 미친 영향을 파악하기 위해 획득한 표현형데이터를 이용하여 분산분석을 실시하였다. 지상부에서 초장(height)은 처리간(Tre.) 차이가 없는 것으로 조사된 반면 분지수(branch number)와 경태(stem width)는 처리간 유의성이 있는 것으로 조사되었다(Table 2). 군위와 경산의 실험지역(Env.)에 따른 지상부 분산분석 결과 초장, 분지수, 경태 모두 통계적 유의성이 있는 것으로 조사되어 실험지역에 따라 지상부의 생육조사 결과에 차이가 있음을 보였다(Table 2). 뿌리의 형태적 특성 관련 형질들의 분산분석 결과 모든 형질들이 처리간 통계적 유의성 보이지 않았다. 하지만 실험지역간 비교에서 모든 뿌리 형태적 특성 관련 형질들은 통계적 유의성이 있는 것으로 조사되었다(Table 2). 종실관련 형질과 수량에 대한 분산분석 결과 수량(Yield/plot)은 처리간 통계적 유의성이 없었던 반면 실험지역별 유의성과 반복간(Rep.) 유의성은 인정되었다. 위와 같은 결과는 수량의 반복간 차이 즉, 변이가 크기 때문에 나타난 결과로 사료된다(Table 2). 종실관련 형질들[총 꼬투리 수(total pot number), 총 종실 수(total seed number), 총 종실 무게(total seed weight), 100립중(100 seeds weight)]에 대한 분석결과 처리간 통계적 유의성은 없는 것으로 조사되었으나, 이들 형질 중 총 꼬투리 수, 총 종실 수, 총 종실 무게는 실험지역과 반복간 유의성이 있는 것으로 조사되었다(Table 2).

Table 2.

Analysis of variance for shoot, root, and seed traits in soybean plants

Traits Source of Variation DF Type III Sum Square Mean Square F-Value p-Value
Shoot Height Tre.a) 3 155.1 51.7 1.8 0.1576
Env.b) 1 41663.2 41663.2 1410.0 < .0001
Rep.c) 2 183.5 91.7 3.1 0.0467
Tre. × Env. 3 270.0 90.0 3.1 0.0296
Branch number Tre. 3 136.5 45.5 18.4 < .0001
Env. 1 18.7 18.7 7.5 0.0065
Rep. 2 16.4 8.2 3.3 0.0381
Tre. × Env. 3 11.8 3.9 1.6 0.1935
Stem width Tre. 3 261.5 87.2 13.6 < .0001
Env. 1 1066.2 1066.2 166.5 < .0001
Rep. 2 27.9 14.0 2.2 0.1155
Tre. × Env. 3 10.4 3.5 0.5 0.6532
Root Total root length Tre. 3 185901.0 61967.0 1.0 0.4148
Env. 1 6173764.0 6173764.0 95.1 < .0001
Rep. 2 12302.9 6151.4 0.1 0.9096
Tre. × Env. 3 38044.6 12681.5 0.2 0.8994
Surface area Tre. 3 17825.1 5941.7 2.0 0.1119
Env. 1 133678.7 133678.7 45.4 < .0001
Rep. 2 5511.8 2755.9 0.9 0.3934
Tre. × Env. 3 2226.0 742.0 0.3 0.8597
Average diameter Tre. 3 0.1 0.0 0.5 0.6597
Env. 1 3.2 3.2 52.9 < .0001
Rep. 2 0.2 0.1 1.3 0.269
Tre. × Env. 3 0.3 0.1 1.9 0.1254
Number of forks Tre. 3 179223.3 59741.1 0.2 0.9232
Env. 1 52324549.4 52324549.4 140.1 < .0001
Rep. 2 186774.4 93387.2 0.3 0.779
Tre. × Env. 3 1145134.7 381711.6 1.0 0.3838
Seed Total pod number Tre. 3 1020.4 340.1 0.6 0.6073
Env. 1 8437.2 8437.2 15.2 0.0001
Rep. 2 5557.7 2778.9 5.0 0.0074
Tre. × Env. 3 6800.7 2266.9 4.1 0.0075
Total seed number Tre. 3 2968.5 989.5 0.5 0.6825
Env. 1 141426.2 141426.2 71.5 < .0001
Rep. 2 16387.6 8193.8 4.1 0.0171
Tre. × Env. 3 15936.1 5312.0 2.7 0.0473
Total seed weight Tre. 3 288.9 96.3 0.7 0.5748
Env. 1 4310.1 4310.1 29.7 < .0001
Rep. 2 1324.7 662.4 4.6 0.0113
Tre. × Env. 3 2106.5 702.2 4.8 0.0027
100 seeds weight Tre. 3 32.5 10.8 1.4 0.259
Env. 1 542.1 542.1 67.6 < .0001
Rep. 2 2.6 1.3 0.2 0.8506
Tre. × Env. 3 45.0 15.0 1.9 0.1353
Yield/plot Tre. 3 28477.8 9492.6 0.3 0.8624
Env. 2 324368.1 162184.0 4.2 0.044
Rep. 1 1458821.6 1458821.6 37.8 < .0001
Tre. × Env. 6 263813.5 43968.9 1.1 0.4015

Tre.: Treatments; Env.: Environment; Rep.: Replication. In the table, Evn. means experimental locations in Gunwi and Gyeongsan

유기질비료처리가 콩 지상부 형태적 특성에 미친 영향

유기질비료처리에 따른 지상부 형태적 특성은 Fig. 2와 같다. 파종 후 56일(56 DAS) 뒤 군위에서 측정된 초장은 모든 처리간 차이가 없었고, 이런 경향성은 파종 후 70일(70 DAS)과 84일 뒤(84 DAS) 조사에도 동일하게 관찰되었다(Fig. 2A). 반면, 경산에서 측정된 초장은 파종 후 44일(44 DAS)과 58일 뒤(58 DAS) 조사에서 무처리보다 유기질비료와 무기질비료처리에서 초장이 증가된 것으로 조사되었으나, 파종 후 72일 뒤(72 DAS) 조사에서는 처리간 초장의 차이를 확인할 수 없었다(Fig. 2B). 통상적으로 무기질비료와 유기질비료에 포함된 질소는 식물의 생장과 발달에 있어서 가장 많이 필요한 필수원소다(Xu et al., 2012). 그러므로 작물 재배 시 질소비료를 공급하게 되면 초장 및 엽면적이 증가하게 되고, 이에 따라 수량도 증가하는 것으로 일반적으로 알려져 있다(Aminifard et al., 2012; Sun et al., 2020). 하지만 본 실험 결과 유기질비료 및 무기질비료를 처리한 뒤 조사된 초장은 군위와 경산 두 지역 모두 무처리와 차이가 없는 것으로 조사되어 일반적인 비료처리 효과와는 다른 결과를 보였다. 실제로 콩 재배에서 질소비료처리 효과에 대해서 여러 상반된 결과들이 보고되었다. Varvel and Peterson(1992)의 보고에 따르면 콩은 공중질소를 고정하여 자신이 살아가는데 필요한 질소를 공급하지만 실제 콩 건물 중 25-60%에 지나지 않으며, 부족한 질소는 토양을 통해서 공급받는다. 따라서 콩 재배 중 질소비료를 공급하는 것은 콩 생장과 수량에 긍정적인 영향을 미친다라고 보고하였다. 하지만 Welch et al.(1973)의 보고한 결과에 따르면, 미국 일리노이에서 116건의 실험을 통해 콩 품종에 다양한 질소처리 효과실험을 진행한 결과 오직 3건의 실험에서 수량이 증가되는 긍정적인 효과를 얻었다고 보고하였다. Mourtzinis et al.(2018)도 논문을 통해 질소비료의 공급이 콩에서 상반된 수량증가 결과가 유도된 원인으로 다양한 환경적 요인(관개수, 온도 등), 질소비료의 공급방법(기비, 추비, 토양처리, 엽면시비), 토양 내 무기태질소의 함량 및 질소비료의 공급형태(단비, 복비)가 있다고 하였다. 위의 내용들을 종합하여 볼 때 본 실험에서 비료처리에 따른 초장의 차이가 없었던 원인은 위에 언급된 논문에서와 같이 콩을 재배하는 동안 다양한 환경적 원인과 비료의 공급방법이(본 실험에서는 기비하였음) 영향을 미치지 않았나 추정되며, 보다 명확한 결과 도출을 위해서는 추가적인 데이터 분석이 필요하다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ales/2023-035-03/N0250350302/images/ales_35_03_02_F2.jpg
Fig. 2.

Effects of plant height, branch number, and stem width on organic fertilizer application. Lowercase letters indicate significant differences among treatments as determined by the Duncan Multiple Range Test (DMRT) at p < 0.05.

유기질비료처리 후 초장에서는 차이가 없었던 것에 반해 분지수와 경태는 군위와 경산지역 모두 유기질비료처리가 무처리보다 증가한 것으로 조사되었고, 유기질비료와 무기질비료간 비교에서는 통계적 유의성이 없었다(Fig. 2C, D, E, F). 해당 내용들을 종합하면, 본 실험에서 유기질비료의 처리는 초장의 변화에는 영향을 미치지 않았으나, 분지수와 경태는 소폭 상승하는 것으로 조사되었으며, 유기질비료처리의 효과는 무기질비료처리와 유사한 수준으로 조사되었다(Fig. 2).

유기질비료처리가 콩 뿌리 형태적 특성에 미친 영향

뿌리는 식물체를 토양에 고정하여 생육에 필요한 양분과 수분흡수에 중요한 역할을 하기 때문에 작물의 육종 및 재배에서 주요한 관심 대상 중 하나이다(Pooja and Kim, 2022). 이와 같은 이유에서 유기질비료처리 후 콩의 주요 뿌리 관련 형질[총 뿌리 길이(total root length), 뿌리 표면적(surface area), 뿌리 분기점 수(number of forks), 평균 뿌리 직경(average diameter)]들의 변화를 2022년 10월 19일(군위)과 2022년 10월 24일(경산)에 조사하였다(Fig. 3). 총 뿌리 길이는 획득한 영상정보에서 모든 뿌리의 길이의 합으로 본 연구에서는 군위와 경산지역 모두 처리와 무처리간 차이가 없었다(Fig. 2A). 뿌리의 표면적은 2차원상의 이미지에서 뿌리의 길이와 두께에 의해 결정되며, 특히 뿌리 길이의 영향을 많이 받는다(Pooja et al., 2021). 본 실험에서도 기존에 보고되었던 것과 동일하게 유기질비료처리간 총 뿌리 길이의 차이가 없었고, 뿌리 표면적 또한 모든 처리간 차이가 없는 것으로 조사되었다(Fig. 3B). 뿌리 분기점 수는 뿌리에서 측근으로 나누어지는 지점의 수를 말하며, 본 실험에서 유기질비료처리에 따른 뿌리 분기점의 수는 무처리와 차이가 없었다(Fig. 3C). 이와 같은 맥락에서 평균 뿌리 직경도 군위와 경산 모두 유기질비료 처리와 무처리간 차이가 없음을 확인할 수 있었다(Fig. 3D). 따라서 전체적으로 뿌리 형질관련 결과를 요약해 보면, 조사된 뿌리 형태적 특성관련 형질들(총 뿌리 길이, 뿌리 표면적, 뿌리 분기점 수 및 평균 뿌리 직경)은 유기질비료처리에 따라 증가되거나 감소되는 결과를 나타내지 않았으며, 이러한 결과는 대조구인 무기질비료처리에서도 동일하게 조사되었다.

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Fig. 3.

Effects of root morphological traits such as total root length, surface area, number of tips and average diameter on organic fertilizer application. Lowercase letters indicate significant differences among treatments as determined by the Duncan Multiple Range Test (DMRT) at p < 0.05.

Chung et al.(2020)은 태선콩 생육초기에 규산질비료를 처리할 경우 뿌리의 형태적 특성들(총 뿌리길이, 뿌리표면적, 뿌리 분기점 수 등)이 유의하게 증가된다고 보고하였고, 그러한 결과는 실험에 사용된 무기질비료에 포함된 주요 무기이온들이 뿌리의 형태적 특성에 영향을 미쳤기 때문이라고 주장하였다. 본 실험에서는 유기태의 유기질비료를 콩에 공급하였고, 따라서 콩 뿌리의 형태적 특성이 유기질비료처리에서 증가될 것으로 예상하였으나, 조사된 결과는 예상과 달리 유기질비료처리와 무처리간 차이가 없었다. 이와 같은 이유는, Chung et al.(2020)의 실험에서는 태선콩 품종의 생육초기에 규산질비료가 미친 영향을 조사하였고, 특히 태선콩은 Chung et al.(2020)이 선행연구를 통해 규소의 흡수가 많은 품종으로 선발한 품종이기 때문에 실험에 이용된 품종도 다르고, 비료를 처리한 시기도 다르면, 비료를 처리하고 난 뒤 뿌리 형태적 특성을 분석한 시기도 다르기 때문에 상이한 도출되었을 것으로 생각된다. 또다른 이유로 위에서도 언급하였듯 다양한 환경적 요인(관개수, 온도 등), 질소비료의 공급방법(기비, 추비, 토양처리, 엽면시비)으로 인해 처리구에서 기대만큼의 결과가 도출되지 않았을 수 있으며, 마지막으로 본 실험에서 사용된 유기질비료의 처리 농도가 실제 콩 재배에서 기대만큼의 형태적 변화를 유도하기에는 적합한 수준이 아니기 때문에 나타난 결과로도 생각해 볼 수 있으나, 구체적인 내용은 추가연구를 통해 구명할 수 있을 것으로 생각된다.

유기질비료처리가 콩 수량에 미친 영향

유기질비료처리가 콩 수량에 미친 영향을 조사하기 위해 수확당일 처리당 10개체의 콩 식물체를 수확하여 꼬투리 수, 종실 수 및 100립중을 측정하였다(Fig. 4A, B, C). 유기질비료처리에 따른 꼬투리 수는 군위(93개)와 경산(86개) 두 지역 모두 무처리와 처리간 유의성이 없었다(Fig. 4A). 반면, 종실 수는 군위(176개)에서는 유기질비료처리와 무처리간 차이가 없었지만, 경산(139개)에서는 유기질비료처리와 무기질비료처리에서 무처리보다 통계적으로 유의하게 감소된 결과를 보였다(Fig. 4B). 처리당 10개체씩 선발한 콩 식물체에서 수집된 종자를 이용하여 100립중을 측정한 결과 군위에서는 이전 형질들과 동일하게 유기질비료처리와 무처리간 차이가 없었으나, 경산에서는 유기질비료처리와 무기질비료처리에서 무처리보다 오히려 감소된 결과를 나타내었다(Fig. 4C).

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Fig. 4.

Effects of total pods number, total seeds number, 100 seed weight and yield on organic fertilizer application. Lowercase letters indicate significant differences among treatments as determined by the Duncan Multiple Range Test (DMRT) at p < 0.05.

최종적으로 유기질비료처리가 콩 수량에 미친 영향을 파악하기 위해 각각의 처리구(4줄)에서 가운데 2줄만을 선택하여 5 m(7 m2)에 해당하는 모든 식물샘플을 채취한 뒤 수량을 측정하였다. 군위(220 kg/10 a-230 kg/10 a)와 경산(170 kg/10 a-190 kg/10 a) 모두 무처리와 처리간 통계적 유의성이 없었다(Fig. 4D). 일반적으로 유기질 및 무기질비료의 시비는 작물의 생산성을 높이는 것으로 알려져 있다(Chung et al., 2020; Kaur et al., 2005; Natsheh and Mousa, 2014; Sharma and Chetani, 2017; Yadav et al., 1998). 하지만 본 실험에서는 유기질비료처리 뿐만 아니라 무기질비료의 처리도 무처리와 수량의 차이가 없었다. 이런 결과의 원인으로 콩은 공중질소를 고정하여 살아가는데 필요한 무기태 질소를 생산하기 때문에 실제 질소가 포함된 복합비료를 시비했더라도 수량에 큰 영향을 미치지 않았거나, 시비한 무기질비료가 복합적인 환경요인에 의해 콩 수량에 영향을 미치지 않았기 때문인 것으로 추정된다(Mourtzinis et al., 2018; Welch et al., 1973). 또 다른 원인으로 추정할 수 있는 것은 실험은 진행한 군위와 경산포장은 본 실험이 수행되기 전 밭작물을 매년 재배한 곳으로 재배를 위해 매년 비료와 유기물을 투입하였다. 따라서 현재 문제가 되고 있는 다비재배로 인해 토양 내 유기물과 무기물이 풍부한 상태였기 때문에 본 실험에서 추가적인 유기질비료 및 무기질비료를 투입이 있었어도 수량에서 큰 차이가 발생하지 않았을 수도 있다. 실제로 Hong et al.(2009)의 보고에 따르면, 벼에서 적정한 수준의 유기물함량은 2.3-3.4 g/kg 토양이라 언급하였고, 위의 기준으로 볼 때 실험이 진행된 군위와 경산의 토양 내 유기물함량은 각각 33.1 g/kg과 29.6 g/kg으로 대략 10배 이상 많은 양의 유기물이 포함되어 있다고 볼 수 있다. 이런 이유에서 추가적으로 투입한 유기질비료의 효과가 본 실험에서 미비하지 않았나 추정되지만 보다 명확한 결과 도출을 위해서는 더 추가적인 유기질비료의 처리농도 실험과 토양 내 유기물 함량이 적은 지역을 선정하고, 토양 내 유기물의 함량의 차이에 따라 외부에서 투입되는 유기질비료의 효과를 검정하는 실험이 필요하다고 사료된다.

유기질비료처리에 따른 콩 식물체 지상부, 지하부 및 수량관련 형질의 상관관계 분석

유기질비료처리에 따른 지상부, 지하부 및 수량관련 형질들간 상관관계 분석을 통해 수량과 높은 상관성을 보이는 지상부 및 지하부 형질이 무엇인지 파악하기 위해 상관관계 분석을 실시하였고 결과는 Fig. 5와 같다. 지상부 형질들 중에서 초장은 수량과 가장 높은 양의 상관관계를 보였고(r2 = 0.6***), 지하부 형질들 중에서는 뿌리의 길이와 뿌리의 분기점 수가 가장 높은 양의 상관관계를 보였으며(r2 = 0.96***), 수량관련 형질들 중에서는 총 꼬투리수가 주당립수와 가장 높은 양의 상관관계를 보였다(r2 = 0.64***). 위 내용을 수량과 관련 형질들로만 구분하여 비교하면, 분지수는 수량에 큰 영향이 없었던 반면 초장과 경태는 수량과 양의 상관관계를 나타내었다(Fig. 5). 반면, 지하부 형질 중 총 뿌리길이 및 뿌리 표면적은 수량과 음의 상관관계를 나타낸 것으로 볼 때 본 연구에서 뿌리관련 형질들은 수량에 크게 영향을 미치지 않은 것으로 사료된다(Fig. 5).

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Fig. 5.

Correlation analysis among shoot, root and yield related traits in soybean plant after Si fertilizer treatment. Blue circles indicate a positive correlation, red circles indicate a negative correlation. Asterisks (*) indicate significant difference at the 0.05 level; p ≤ 0.05(*), p ≤ 0.01(**), and p ≤ 0.001(***).

일반적으로 작물의 수량은 단위면적당 생산된 동화산물의 영향을 받는다. 따라서 작물의 생산성을 높이기 위해서 초장을 확보하고 이에 따라 최적의 엽면적을 확보하였을 때 동화산물의 생산성을 높이고 반대로 호흡으로 인한 에너지 소비를 낮춰 수량을 극대화할 수 있다. 본 연구결과 콩의 수량은 초장과 가장 높은 상관관계를 보였으며, 상대적으로 지하부 형질들은 수량과 높은 상관관계를 보이지 않았다. 위 내용으로 미루어 짐작해 볼 때 본 연구에서 유기질비료의 처리에도 불구하고 수량과 높은 상관관계를 보인 초장의 차이가 없었기 때문에 유기질비료처리에서의 수량도 무처리와 유의한 차이를 보이지 않을 것으로 사료된다.

요 약

최근 과도한 화학비료 사용에 대한 우려가 커지면서 농작물 재배에서 유기질비료 활용에 대한 관심이 높아지고 있다. 하지만, 콩 재배에서 유기질 비료에 대한 효과는 명확하지 않은 상황이다. 따라서, 본 연구에서는 콩 식물체, 뿌리 및 수량 관련 특성에 대한 유기질비료 처리의 효과에 대해 조사하기 위해 군위와 경산에서 실험을 진행하였다. 우리 실험결과에 따르면 유기질비료처리에 따른 지상부 생육특성은 무처리와 차이가 없었다. 하지만 유기질비료처리에서 소폭 증가된 경태와 분지수를 확인할 수 있었다. 이와는 반대로, 총뿌리길이, 표면적, 분지수, 및 평균 뿌리 직경을 포함하는 모든 형질들은 처리간 차이가 없었다. 상관관계분석에 따르면, 초장은 수량과 가장 높은 양의 상관관계(r2 = 0.6***)를 보였고, 그 다음으로 주당 종자수와 높은 양의 상관관계(r2 = 0.41***)를 보였다. 결론적으로 콩에 유기질비료처리는 무처리구와 비교했을 때 지상부 및 지하부 형질의 뚜렷한 차이를 보이지 않았다. 위와 같은 이유에서 우리 실험에서 유기질비료처리에서 무처리보다 수량이 증가되지 않았다. 그런 이유로 본 실험을 수행한 포장에 이미 충분한양의 유기질비료가 있기 때문에 추가적인 비료처리의 효과가 없었던 것으로 생각된다.

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