서 론
억새는 한국, 중국, 일본과 남아프리카에 자생하는 벼과(Poacea) 억새속(Miscanthus)에 속하는 다년생 초본식물이다(Smith, 1966). 현재 억새는 여러 가지 목적으로 사용되고 있는 작물이다, 억새의 다양한 사용 용도를 정리하자면 다음과 같다. 첫째, 억새는 사료로써 사용되고 있는 작물이다. 억새는 광합성 효율과 수분 이용효율이 높아 척박한 환경에서도 재배가 용이하여 높은 수율을 얻을 수 있는 작물로, 사료로써의 가치가 매우 높다(Seo et al., 2012). 두 번째, 억새는 중요한 관상용 작물 중 하나로, 미국, 호주 등 전 세계적으로 관상용 작물로 널리 이용되고 있다(Darke, 1999; Dougherty et al., 2014; Leblanc et al., 2021). 셋째, 억새는 약용 및 미용적인 목적을 가지고 사용이 가능하다. 억새 뿌리에서 추출된 Methyl 4-hydroxy cinnamat 성분은 화장품 목적의 미백성분으로 기능성분이나 지표성분으로의 가능성이 있다고 보고되어있다(Lee, 2011). 마지막으로 바이오매스로서의 가능성이다. 억새는 C4 식물로, 섬유질계 바이오에너지의 원료로 국내외에서 각광받고 있는 바이오매스 자원 중 하나이기도 하다(Atkinson, 2009).
억새는 대략 40%의 셀룰로오스와 25%의 헤미셀룰로오스, 21%의 리그닌으로 이루어져 있다(Wang et al., 2022). 이러한 높은 바이오매스 수율과 셀룰로오스 함량은 재생 가능한 에너지 자원 생산에 최적화 되어 있어, 석유기반연료를 대체 할 수 있는 지속가능한 연료로 최극 각광받고 있다(Taherzadeh and Karimi, 2007). 또한 알칼리 가수분해과정을 거친 바이오매스의 부산물에서 리그닌을 추출하여 이용하는 기술이 고안되었다(Cha et al., 2020). 이를 통해 바이오매스로써 억새의 이용가치가 상승하고 있다. 이에 부응하기 위해 농촌진흥청에서 개발한 거대억새 1호는 높은 바이오에너지 생산율을 보였으며(Park et al., 2015), 2013년부터 대규모 억새재배단지를 조성하여 바이오에너지 작물 재배에 대한 연구를 지속하고 있으나, 작물 생육에 있어 인위적인 비료 및 농약 사용을 하고 있지 않아 재배 최적화에 대한 연구는 이루어지지 않고 있다(Kang et al., 2013).
이와 같이 효용이 높은 억새를 대규모로 재배하여 많은 양의 바이오매스를 확보하기 위해서는 초기 재식에서부터 수확에 이르기까지 일련의 단계별 재배기술의 확립이 반드시 필요하다. 하지만, 현재 국내 억새 생산을 위한 기초 연구 자료는 부족한 실정이다. 해외 연구를 통해, 억새의 생산에 영향을 미치는 많은 요인 중 생육 초반 2년간 잡초 제거가 생산량을 증가시키는 데 효과적이라는 사실이 알려져 있다(Anderson et al., 2010; Christian et al., 2001; Lewandowski et al., 2000). 잡초 제거에 따른 효과를 국내에서 사용되고 있는 제초제(S-metolachlor, Butachior, Alochior, Pendimethalin)를 사용하여 확인해보고 이를 이용해 단계별 재배기술 구축에 도움이 되고자 한다. 따라서 본 실험에서는 억새를 파종한 뒤, 각각 제초제에 대한 잡초 방제 효과와 억새 초기 성장 증대 효과를 파악하여 단계별 재배기술 확립에 필요한 기초 데이터를 얻고자 한다.
재료 및 방법
억새는 Miscanthus × giganteus를 이용하였다. 총 36개체를 파종하여 실험을 진행하였으며 각 처리당 3반복을 두었다. 2010년 5월 4일에 파종하여, 파종 후 45일이 지난 6월 28일, 113일이 지난 9월 6일, 마지막으로 158일이 지난 10월 20일에 생육 조사를 진행하였다.
본 연구에 사용된 제초제는 시중에서 유통되고 있는 것을 구입하여 사용하였다. 듀알(S-metolachlor)은 신젠타, 논마트(Butachlor)는 아그로텍, 라쏘(Alachlor)와 스톰프(Pendimethalin)는 동부한농의 시중 유통 상품을 사용하였다. 각 실험구에 대한 제초 처리는 무처리, 제초 처리 1회 후 방치, 제초 처리 2회 후 방치, 제초 처리 3회로 나누어 실시하였다. 제초 시기와 방법은 유묘기에 모든 처리구에 유제처리 1회와 입제처리 1회를 진행하였고, 이후 출수기에 1회 처리구를 제외한 처리구에 유제처리 1회, 입제처리 1회를 추가하였다. 마지막으로 1회 처리구와 2회 처리구를 제외한 3회 제초 처리구에 유제 처리 1회, 입제처리 1회를 진행한 뒤, 추가적으로 손제초를 통한 제초 관리까지 진행하였다. 제초제별 처리 농도는 유효 성분을 기준으로 듀알 유제 750 µg/ml, 입제 75 mg/m2, 논마트 유제 1764 µg/ml, 입제 150 mg/m2, 라쏘 유제 874 µg/ml, 입제 150 mg/m2, 스톰프 유제 981 µg/ml, 입제 150 mg/m2을 처리하였다. 손제초는 유관상 억새를 제외한 잡초가 보이지 않을 정도로 제초 작업을 실시하였다.
생육 조사는 초장, 줄기수, 경직경에 대해 진행하였으며, 각 조사 항목의 정의는 다음과 같다.
초장(Plant height): 지표면에서 식물체 최상부까지 길이(cm)
줄기수(Number of stem): 라이좀에서 나온 가지수(ea)
경직경(Stalk diameter): 뿌리에서 제2마디 줄기 두께 측정(mm)
통계 처리는 마이크로소프트 엑셀(Microsoft Corporation, Microsoft Office Excel 2019, Redmond, WA)과 R 프로그램(R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria)을 이용하여 처리하였다. 데이터 분석을 위해 R 프로그램 내의 “dplyr” 패키지, 사후 분석을 위해 “agricolae” 패키지를 이용하여 통계분석을 실시하였다. 처리 제초제에 따른 초장, 줄기수, 경직경 관찰값에 순위를 작성하고, 1위부터 5위까지 각각 5에서 1점을 부여하였다. 순위가 같을 경우 높은 순위의 점수를 부여하였다. 각 제초제 처리시 억새의 바이오매스에 미치는 영향에 대해 억새의 형태를 원통형으로 단순화하여 가정하고 모델을 구성하였다.
Biomass = Density of M × g × Volume of M × g
Volume of M × g = π × (Stalk diameter)2 × Plant height × Number of stem
위 모델에 근거하여 초장, 줄기수, 경직경 관찰값 순위에 따른 가중치를 1.2, 1.5, 2로 부여하여 단순화 모델에서 바이오매스 증가에 영향을 미치는 정도를 조절하여 점수를 부여하였다. 이 점수의 합을 억새에서 각 제초제 처리에 대한 Biomass point라고 정의하였다. Biomass point는 각 관찰값에 가중치를 부여해 만든 값으로 각 그룹의 가지는 값의 절대적인 차이보다 상대적인 차이를 비교하는 것이 필요하다고 판단하여 비모수적 분석 방법인 Kruskal-Wallis 통계분석(Kruskal-Wallis test)(Kruskal and Wallis, 1952)을 수행하였다. 사후 분석으로는 Dunn test를 이용하였고, p 값은 boferonii 방법을 이용하여 조정한 뒤, 통계에 사용하였다. 또한, 각 제초제를 1차, 2차, 3차 처리한 억새의 최종 관찰값을 Kruskal-Wallis 통계분석을 이용하여 분석하였고 이를 통해, 제초제 간 효과의 차이가 있는지 확인하였다.
결과 및 고찰
생육 초기에는 무처리구와 처리구 사이에 육안으로 확연한 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 1). 모든 처리구가 무처리 억새 포장에 비해 생육이 양호하였다. 생육 초기의 차이는 초장, 경직경, 줄기수 등에서 나타났으나 종합적인 평가를 위해 Table 1과 같이 종합 점수를 평가하였다. 그 결과 초반 제초제 처리시 무처리구와 처리구간 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 듀알(S-metolachlar)에서의 효과가 다른 제초제에 비해 적게 나타나는 것도 확인할 수 있었다.
Table 1.
Kruskal–Wallis test results for the first herbicide treatments at the first observation (S-Metolachlor, Butachlor, Alachlor, and Pendimethalin)
| Treatment | Biomass Point |
| Control | 1.57 ± 0.23c,1) |
| S-metolachlor | 3.13 ± 0.47bc |
| Butachlor | 5.20 ± 0.80ab |
| Alachlor | 7.43 ± 1.50a |
| Pendimethalin | 6.17 ± 1.01a |
| Chi-square | 10.98 |
| p-value | 0.03 |
유묘기 제초제를 처리했던 처리 포장과, 생식기까지 유제와 입제를 복합적으로 제초처리한 포장에서도 초장, 경직경, 줄기수 등에서 차이가 나타났으나, 종합적인 평가를 위해, Tables 2, 3과 같이 종합 점수를 평가하였다. 육안으로는 차이를 확실하게 판단할 수 없었으며(Fig. 2), 통계 처리 결과도 마찬가지로 p 값이 0.05 이상의 값을 보이며, 제초제 처리와 무처리구 간 통계적 차이가 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다.
Table 2.
Kruskal–Wallis test results for the first herbicide treatments at the second observation (S-Metolachlor, Butachlor, Alachlor, and Pendimethalin)
| Treatment | Biomass Point |
| Control | 1.57 ± 0.23a,1) |
| S-metolachlor | 6.53 ± 1.87a |
| Butachlor | 6.67 ± 0.67a |
| Alachlor | 6.13 ± 2.19a |
| Pendimethalin | 6.77 ± 0.99a |
| Chi-square | 6.97 |
| p-value | 0.13 |
Table 3.
Kruskal–Wallis test results for the second herbicide treatments at the first observation (S-Metolachlor, Butachlor, Alachlor, and Pendimethalin)
| Treatment | Biomass Point |
| Control | 1.57 ± 0.23a,1) |
| S-metolachlor | 6.67 ± 0.67a |
| Butachlor | 4.13 ± 1.04a |
| Alachlor | 5.70 ± 1.14a |
| Pendimethalin | 6.93 ± 1.57a |
| Chi-square | 7.78 |
| p-value | 0.10 |
출수시기까지 처리포장(제초제 1회), 처리포장(제초제 2회), 2회 처리후 제초관리한 포장 간 생육을 비교하였다. 위와 동일하게도 초장, 경직경, 줄기수에서 각 처리간 차이가 나타났으나 육안으로 차이를 분석해 낼 수는 없었다(Fig. 3). 이 역시, 종합적인 평가를 위해 Tables 4, 5, 6와 같이 종합 점수를 평가하였다. 제초제를 1회 처리하였을 시, 무처리구와 처리구간 통계적인 차이가 나타나지 않았다(Table 4). 제초제를 2회, 생육 초기와 생식생장 시기동안 처리한 경우, 무처리구와 처리구간 차이가 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다. p 값이 0.08로 0.05보다 크게 나타났다(Table 5). 제초제를 2회 처리하고 이후 제초관리까지 한 포장에서는 제초제 처리구와 무처리구 간 통계적 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 듀알(S-metolachlor), 라쏘(Alachlor)와 스톰프(Pendimethalin)에서 통계적으로 유의하게 무처리구에 비해 바이오매스 증가량이 높을 것으로 나타났다(Table 6). 또한, 각 제초제가 관찰한 특성들에 대해 차이를 보이는지에 대해 2회 제초제 처리 후 제초관리한 실험구에서 최종 결과값을 가지고 통계분석한 결과, p 값이 0.05보다 크게 나타나, 제초제별 차이는 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다(Table 7).
Table 4.
Kruskal–Wallis test results for the first herbicide treatments at the third observation (S-Metolachlor, Butachlor, Alachlor, and Pendimethalin)
| Treatment | Biomass Point |
| Control | 1.57 ± 0.23b,1) |
| S-metolachlor | 4.97 ± 1.63a |
| Butachlor | 5.77 ± 1.12ab |
| Alachlor | 7.33 ± 1.33ab |
| Pendimethalin | 6.37 ± 1.39a |
| Chi-square | 8.99 |
| p-value | 0.06 |
Table 5.
Kruskal–Wallis test results for the second herbicide treatments at the second observation (S-Metolachlor, Butachlor, Alachlor, and Pendimethalin)
| Treatment | Biomass Point |
| Control | 2.23 ± 0.89a, 1) |
| S-metolachlor | 7.17 ± 0.60a |
| Butachlor | 3.47 ± 1.27a |
| Alachlor | 5.10 ± 0.46a |
| Pendimethalin | 7.03 ± 1.86a |
| Chi-square | 8.47 |
| p-value | 0.08 |
Table 6.
Kruskal–Wallis test results for the third herbicide treatments at the third observation (S-Metolachlor, Butachlor, Alachlor, and Pendimethalin)
| Treatment | Biomass Point |
| Control | 1.57 ± 0.23b,1) |
| S-metolachlor | 7.83 ± 1.17a |
| Butachlor | 3.80 ± 1.11ab |
| Alachlor | 6.37 ± 1.39a |
| Pendimethalin | 6.77 ± 0.99a |
| Chi-square | 9.69 |
| p-value | 0.04 |
Table 7.
Kruskal–Wallis test results for the final observations after four herbicide treatments (S-Metolachlor, Butachlor, Alachlor, and Pendimethalin). Values are shown for the plant height, number of stems, and stalk diameters of silver grass plants
| Chi-squared | df | p-value | |
| Plant height | 2.6923 | 3 | 0.4415NS |
| Number of stem | 1.7216 | 3 | 0.6321NS |
| Stalk diameter | 5.4926 | 3 | 0.1391NS |
잡초는 작물 생산에 지대한 영향을 미치는 요인 중 하나로, 생산 감소 원인에 11.5%를 차지한다고 알려져 있다(Boopathi, 2010). 작물과 잡초는 한정된 자원인 빛, 이산화탄소, 토양 내 수분, 양분, 공간 등을 두고 경쟁을 벌이며, 이 경쟁에서 우리가 재배하고자 하는 작물이 우위를 차지하게 만드는 것이 수확량 증대에 중요한 역할을 한다(Kaur et al., 2018; Santosh et al., 2018). 특히, 잡초경합한계기간동안 작물이 잡초로부터 받는 영향을 최대한 감소시키는 것이 중요하다(Van Acker et al., 1993). 억새의 경우에는 초기 성장 2년 동안 잡초로부터 받는 영향을 최소화시키는 것이 최종 생산량 극대화에 도움이 된다는 연구가 이미 존재한다(Anderson et al., 2010; Christian et al., 2001; Lewandowski et al., 2000). 본 연구에서 제초제 처리구와 미처리구의 비교를 통해 생육 초반 억새에서 새로운 분지가 나올 때, 잡초와 경합으로 인해 분지수가 줄어들 수 있다는 것을 확인하였다. 잡초가 존재할 경우 작물에서 물, Nitrate, Phospahte 흡수가 줄어들며 특히 가장 크게 영향을 받는 것이 공간 부족으로 인한 분지 감소이다(Vanessa, 2007). 일부 잡초는 땅 속에 뿌리를 내릴 공간이 부족한 상황에 대한 저항성을 가지고 있다(Cook et al., 1996). 이 경우 재배하고 있는 작물에 비해 잡초가 토양에서 한정된 자원을 차지하는 경쟁에서 우위를 차지하고, 이로 인해 재배 작물의 생산량이 줄어들 수 있다. 본 연구에서 잡초를 줄여 토양 내 각 자원에 대한 초기 경쟁을 완화시켰을 경우 억새에서 분지 생성이 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 이로 인해 최종 수확물이 증가할 것을 예측할 수 있다.
결론적으로, 억새에서 바이오매스 수확량을 증대시키기 위해서는 최소 2회 이상의 제초제 처리와 제초 관리가 필요하다.
요 약
과거 억새는 사료용, 관상용, 약용 등으로 활발히 이용되었으며, 최근 바이오매스로써의 이용가치가 높아지고 있는 작물이다. 억새는 40%의 셀룰로오스와 25%의 헤미셀룰로오스, 21%의 리그닌으로 이루어져 있다. 이 중 셀룰로오스는 포도당으로 전환시켜 바이오소재의 원료로 사용이 가능하고, 리그닌은 자외선 차단 효과를 이용하여 자외선 보호필름 등의 소재로 이용이 가능하여 이용가치가 매우 높은 작물이다. 억새의 효과적인 재배를 위해서는 생육 초기 2년간 잡초 제거가 필요하다는 보고가 되어 있으나, 국내 실정에 맞는 각 제초제에 따른 효과가 정립되어 있지 않은 실정이다. 본 연구에서는 억새를 파종한 뒤, 국내에서 널리 사용되고 있는 4개의 제초제(듀알, 논마트, 라쏘, 스톰프)에 대해 각 무처리구와 1회, 2회, 그리고 손제초를 포함한 완전 체초제 처리를 시험하여 각 제초제에 따른 억새의 성장 증대 효과를 확인하였다. 성장 증대를 확인하기 위해 초장, 간장, 수장, 줄기수와 경직경을 확인하였으며, 제초제를 처리하였을 때가 무처리 억새 포장과 비교하였을 때 전반적인 생육이 증대되는 것을 확인할 수 있었다. 특히 줄기 수에서 큰 차이를 보였는데, 이를 통해 억새의 새로운 분지가 토양으로 출아할 때, 잡초의 영향이 큰 것으로 볼 수 있었으며, 최종 바이오매스 획득량을 최적화하기 위해서는 초기 2년간의 잡초 제거가 필요하다는 것을 확인할 수 있었다. 향후 연구에서는 바이오매스를 직접 측정, 무처리구와 비교하여 바이오매스 향상 정도를 확인하여 바이오매스 획득량 증가를 위한 단계별 재배기술 확립에 더 확실한 기초 데이터를 얻는다면 바이오메스 향상에 크게 기여할 것이다.
