유기자재 시용이 벼의 생육과 질소이용효율에 미치는 영향*
1)
조정래**․최현석***․이 연**․이상민**․정석규****
Effect of Organic Materials on Growth and Nitrogen Use Efficiency of Rice in Paddy
Cho, Jung-Lai․Choi, Hyun-Sug․Lee, Youn․Lee, Sang-Min․Jung, Seok-Kyu
This study was conducted to evaluate soil nutrient concentrations and N uptake efficiency of paddy rice as affected by nutrient sources from 2009 to 2011. The treatments included chemical fertilizer, compost, oilcake, oilcake 2X, hairy vetch, vetch+rye, and control. Nutrient applications were made at rates equivalent to approximately 90 kg of actual N per hectare. Oilcake had the lowest C:N ratio from the raw materials, but compost had the highest C:N ratio of 34:1. Soil pH and concentrations of C, N, Ca, and Mg were unaffected by nutrient source treatments. N uptake efficiency was the greatest for oilcake-treated rice compared to those treated by NPK, hairy vetch, and compost in 2009 and 2010. Compost- treated rice had the greatest N uptake efficiency in 2011 when the high amount of precipitation occurred.
Key words : C:N ratio, nutrient, organic rice, precipitation, yield
Ⅰ. 서 론
유기농업에서는 화학비료를 사용하지 않고 가축분퇴비, 녹비, 작물잔사 등 여러 가지 유 기물 자원을 이용하여 양분관리를 하는 것이 원칙이다. 유기자재내의 탄소 : 질소비(탄질비) 에 따라서 유기태질소가 토양중에 무기화(N-mineralization) 되는 양분동태와 작물에 미치는
* 본 연구는 국립농업과학원 농업과학기술 연구개발사업(과제번호 : 008560)의 지원에 의해 이루어 진 것임.
** 국립농업과학원 유기농업과
*** 교신저자, 국립농업과학원 유기농업과([email protected])
**** 경희대학교 한방재료가공학과
영향에 관한 시험은 국내에서 1990년대 후반 이후 활발하게 연구 되어왔다(Cha et al., 2010;
Cho et al., 2011; Jeon et al., 2003; Kang et al., 2002; Kim et al., 1998; Lee et al., 1999; Yeon et al., 2007). 작물재배 시 유기자재를 처리하면 자재내의 유기태질소가 토양중에 무기화 (N-mineralization) 되는 속도는 유기자재의 탄질비에 기인한다(Gale et al., 2006). 즉 탄질비 가 낮을수록 질소의 무기화는 빨리 진행되어서 작물의 초기생육을 촉진시킬 수 있다.
녹비작물 재배가 일반화되지 않은 우리나라의 유기재배 농가에서는 가축분퇴비, 채종유 박, 피마자박 등을 양분공급용 자원으로 사용하고 있는데 이러한 유기자재는 질소성분량이 많을 뿐 아니라 다른 무기양분 함량도 풍부한 자원으로 식물에 대한 양분공급효과가 높을 것으로 기대된다. 그러나 현재 농가에서 활용되고 있는 다양한 유기자재들이 논토양에 투 여되었을 때 무기양분으로 분해되고 작물에 흡수 이용되는 양상에 대한 연구는 부족하여 유기재배 실천 농가에 대한 시비기준 제시는 미흡한 실정이다. 대부분의 유기재배 농가에 서 원용하고 있는 작물별 시비처방 기준은 관행농업에서 화학비료를 사용할 때의 기준으 로 유기자재 시용 시에 그대로 적용할 경우 자재별 특성이나 기상환경의 변화에 따라 논토 양 내에서의 분해양상이 달라 작물생육에 지장을 초래하거나 토양내 과잉 축적될 위험도 있다. 그러므로 일조량과 강우양상 등 기상환경의 변화와 시용유기자원의 성분함량에 따른 작물의 질소이용효율에 대한 연구가 시급한 실정이다.
본 연구는 탄질비가 다른 유기자재를 벼 재배 포장에 시비하였을 때 3년간 기상환경이 다른 조건에서 질소의 경시적인 무기화율과 작물의 질소흡수률에 미치는 영향을 구명하고 유기자재의 시비처리 기준을 설정하고자 수행되었다.
Ⅱ. 재료 및 방법 1. 시험장소 및 처리
“ 잦은 강우 조건에서 유기질자재에 따른 유기재배 벼의 수량과 질소이용효율”(Cho et al.,
2011) 에 관한 연구와 연계되는 시험으로 경기도 수원시 당수동에 소재한 국립농업과학원
시험포장에서 추청벼를 이용하여 2009년부터 2011년까지 3년간 수행하였다. 유기자재 투입
량은 농촌진흥청 추천시비량에 의거해서 화학비료와 유기질자재의 질소 성분량 9kg/10a을
기준으로 하여 이앙전 10일에 투입하였다. 처리내용은 화학비료구(NPK), 가축분퇴비(Com-
post), 유박 1배(Oilcake), 유박 2배(Oilcake 2X; 18kg N/10a), 헤어리베치(Hariyvetch), 헤어리
베치+호밀(Vetch+Rye), 그리고 무처리를 포함하였다. 시험전 토양은 pH와 유효인산, 그리
고 치환성 양이온 농도(Table 1)가 모두 벼 재배를 위한 적정 범위 내에 포함되었다. 화학비
료구의 질소원은 요소, 인산은 용성인비, 칼륨은 염화가리로 기비와 분얼비로 분시 하였
다. 유박과 가축분퇴비(돈분왕겨퇴비)는 시중에서 유통되는 제품을 구입하여 사용하였다.
헤어리베치와 호밀은 농촌진흥청 농업과학원 포장에서 생장하고 있는 것을 수확하여 이 용하였다. 베치+호밀처리는 탄질비가 25:1이 되도록 맞춘 후에 질소 투입양을 계산해서 투입하였다.
Table 1. Chemical properties at 0-20 cm depth of paddy soil at pre-treatment (initial) and at three years after treatment
Treatment
pH C N Av. P
2O
5Ex. Cation (cmol+/kg)
(1:5) (g/kg) (mg/kg) K Ca Mg
Pre-treatment
6.1 21 0.18 31 0.28 10.1 1.4
Three years after treatment
NPK 6.5 a
z)15 a 0.11 a 63 b 0.31 b 6.9 a 1.3 a
Compost 6.9 a 22 a 0.16 a 133 a 0.47 a 8.2 a 1.5 a
Oilcake 6.5 a 18 a 0.14 a 51 b 0.29 b 7.1 a 1.4 a
Oilcake 2X 6.7 a 20 a 0.16 a 73 b 0.26 b 7.4 a 1.4 a
Hairy vetch 6.8 a 17 a 0.13 a 62 b 0.37 ab 7.6 a 1.4 a
Vetch+Rye 6.5 a 19 a 0.15 a 69 b 0.38 ab 6.9 a 1.3 a
Control 6.9 a 17 a 0.13 a 31 b 0.35 ab 8.2 a 1.6 a
z)
Means followed by the same letter within a column are not significantly different according to Duncan’s multiple range test at P < 0.05.
2. 조사내용
시용 유기자원들은 시료를 건조하여 잘 분쇄한 후, 전탄소는 회화법으로 정량하였고, H
2SO
4-HClO
4혼합용액으로 시료를 분해하여 전질소는 Indophenol-blue법으로, 인산은 Am- monium vandate 법, 양이온은 ICP(Inductively Coupled Plasma: Labtam 8440, LABTAM CO., Australia) 로 분석하였다. 시험 포장은 5월 중순에 쓰레질 한 후에 40일간 육묘한 ‘추청’ 벼 를 5월 하순에 30cm×15cm 간격으로 기계 이앙하였다. 잡초관리를 위해 이앙 3일 후에 왕 우렁이를 5kg/10a 방사하였다.
토양시료는 시료 투입전과 작물 수확 후에 0~20cm 깊이에서 채취하였으며, 농업과학
원 연구조사 분석기준(농촌진흥청, 2003)에 의거하여 pH(1:5)는 이온전극법으로 전질소
는 Kjeldahl 증류법을 이용하였다. 유효인산은 Lancaster법, 치환성양이온은 1 N ammonium
acetate 로 침출한 후 ICP를 이용하여 분석하였다. 토양용액은 토심 20cm에서 처리 후 3~10 일 간격으로 추출하여 무기태질소를 조사하였다.
수확기인 10월 중순경에 수량 및 수량구성요소를 조사하고, 수확된 벼를 70℃ 건조기에 서 건조한 후에 마쇄하였다. 식물체분석 또한 농업과학기술 연구조사분석기준(농촌진흥청, 2003) 에 의거하여 위의 유기물자재를 분석한 방법과 마찬가지로 조사하였다.
3. 통계분석
시험구배치는 난괴법 3반복으로 하였으며, 자료분석은 SPSS 통계분석을 이용하여 분산분 석 하였고, 평균간 유의차 검증은 Duncan’s multiple range test로 95% 수준에서 분석하였다.
Ⅲ. 결과 및 고찰 1. 기상 현황
시험을 수행한 3년간 수원지역의 기상현황은 Table 2와 같다. 시험기간 중 3년 모두 특징 적인 기상을 보여주었다. 2009년은 비교적 평년 날씨와 가까웠지만 7월 중순 하루에 270 mm 의 폭우가 쏟아지기도 하였고 7월 평균 강수량이 예년의 2배 이상으로 많았다. 2010년 은 생육 후반기에 비오는 날이 많았고 10여년 만에 태풍 ‘곤파스’의 내습이 있었다. 지난 10 년간(2002~2011년) 우리나라의 가을철 강수량 평균은 255mm인데 2010년 강수량은 315mm 로 평년보다 많았으며, 2009년(153mm)과 2011년(226mm)은 평균보다 적었다(KMA, 2011).
또한 지난 10년간 8~9월의 평균 강우일수는 24일이었으나 2010년은 37일이었다. 2011년은 전 년과 달리 생육전반기인 6월과 7월에 비오는 날이 많아 초기 생육에 막대한 영향을 주었다.
Table 2. Weather condition in a sorghum-sudangrass hybrid field from May to September in 2009, 2010, and 2011
Year
Month
May June July August September
Average temperature ( ℃)
2009 18.3 22.1 24.2 25.7 21.6
2010 17.1 23.1 26.0 26.9 22.2
2011 16.2 21.1 25.3 26.1 21.7
Year
Month
May June July August September
Average precipitation (mm)
2009 102 119 766 207 563
2010 101 116 207 373 376
2011 74 392 794 315 33
Average sunshine duration (hrs)
2009 247 213 145 172 218
2010 197 216 129 127 165
2011 196 181 96 113 201
The data was obtained from KMA (2011).
2. 유기자재의 분석
유기자재의 무기성분을 분석한 결과 유박은 다른 자재보다 질소, 인산 그리고 마그네슘 농도가 높았고 탄질비가 가장 낮았다(Table 3). 헤어리베치는 호밀과 가축분퇴비보다 질소, 칼슘, 마그네슘 농도가 높았다. 호밀은 유기자재에서 탄소농도가 47%로 높았으나 질소는 1.0% 로 비교적 낮아서 47:1의 높은 탄질비를 보였고, 칼륨은 3.87%로 가장 높았다. 가축분 퇴비와 호밀은 탄질비가 각각 34:1, 47:1로 관찰되어 질소의 고정화(N-immobilization)가 우 려되었다. 유박과 헤어리베치는 탄질비가 20:1 이하로 자재내의 미생물에 의한 질소의 무 기화(N-mineralization)가 진전되어 토양에 무기태질소의 원활한 공급이 있을 것으로 기대되 었다(Gale et al., 2006).
Table 3. Nutrient concentrations of nutrients applied of organic materials in a sorghum- sudangrass hybrid field in average of 2009, 2010, and 2011
Treatment
Water C N C/N P
2O
5K
2O CaO MgO
(%)
Compost 54 34 1.0 34 1.00 1.96 0.80 0.42
Oilcake 10 42 6.1 7 2.05 2.10 1.78 0.87
Hairy vetch 85 42 2.8 15 0.83 2.81 1.96 0.43
Rye 75 47 1.0 47 0.78 3.87 1.13 0.17
Organic materials were not statistically analyzed, but results were from a bulk analysis derived from
random samples of the organic materials, and were representative of the treatments.
3 년간 유기자재에 의한 벼재배 시험 후 토양의 pH는 처리간에 큰 차이를 보이지 않았다 (Table 1). 토양의 전탄소와 전질소 그리고 칼슘과 마그네슘 또한 처리간에 통계적으로 유 의성 있게 나타나지 않아서 자재시용에 따른 3년 후 토양의 화학성 차이는 특이할 만한 사 항이 관찰되지 않았다. 다만 유효인산은 모든 자재 처리구에서 무처리보다 높았으며, 특히 가축분퇴비에서 높아서(133mg/kg) 토양내 인산축적이 우려되었다.
기상조건이 상이하였던 3년간 시험한 포장의 등숙율과 천립중은 2010년을 제외하고 처 리구간에 별다른 차이가 관찰되지 않았다(Table 4). 예년 기상에 가장 가까웠던 2009년의 수량은 평년 수량을 기록하였으나 기상변화가 심했던 2010년과 2011년은 평년 수량에 크 게 미치지 못하였다. 첫 해의 수량은 유박 2배구와 헤어리베치+호밀구의 수량이 화학비료 처리구 수량을 상회하였다. 유박 2배구는 질소양분 증시의 효과가 나타난 것으로 보이며 헤어리베치+호밀구는 적절한 탄질율(25:1)로 녹비작물의 분해가 적절하게 이루어진 것으로 보인다. 한편 탄질비가 34로 높았던 가축분퇴비구는 유기물 분해가 지연되어 초기 생육이 부진하였으며(자료 미제시) 적정 이삭수를 확보하지 못하여 관행에 크게 미치지 못하는 수
Table 4. Yield components of rice at harvesting stage as affected by nutrient sources Treatment Maturity ratio (%) 1,000 frain wt. (g) Unhulled yield (kg/10a)
2009
NPK 87 a
z)27.5 a 853 ab
Compost 87 a 28.7 a 690 b
Oilcake 87 a 28.1 a 828 ab
Oilcake 2X 83 a 26.6 a 922 a
Hairy vetch 91 a 28.5 a 837 ab
Vetch+Rye 86 a 27.6 a 898 a
Control 87 a 30.1 a 511 c
2010
NPK 86 a 21.9 b 706 a
Compost 90 a 24.4 b 669 ab
Oilcake 83 a 23.9 b 651 ab
Oilcake 2X 69 b 16.2 c 419 b
Hairy vetch 83 a 25.5 ab 669 ab
Vetch+Rye 82 a 23.7 bc 737 a
Control 90 a 26.8 a 674 ab
Treatment Maturity ratio (%) 1,000 frain wt. (g) Unhulled yield (kg/10a) 2011
NPK 86 a 24.3 a 471 ab
Compost 84 a 22.2 a 472 ab
Oilcake 83 a 23.2 a 507 ab
Oilcake 2X 88 a 22.3 a 552 a
Hairy vetch 86 a 23.5 a 492 ab
Vetch+Rye 86 a 22.8 a 507 ab
Control 88 a 21.1 a 406 b
z)
Means followed by the same letter within a column are not significantly different according to Duncan’s multiple range test at P < 0.05.
The data in 2010 was obtained from previous study (Cho et al., 2011).
Fig. 1. Photograph of rice harvesting in 2009 (left), rice lodging treated by oilcake 2X in 2010 (middle), and poor rice growth at 50 days after transplantation in 2011 (right).
량을 기록하였다. 2010년의 성적을 좀 더 자세히 보면 8월 이후 잦은 강우와 태풍에 의한
도복으로 수량이 전반적으로 감소하였다. 등숙율과 천립중은 유박2배가 가장 낮았고(69%,
16.2g), 이와는 반대로 가축분퇴비와 무처리가 비교적 높게 나타났다. 도복은 수량과 특히
쌀 품질저하에 매우 큰 영향을 미친 것으로 알려져 있는데, 도복이 심했던 유박2배구(자료
미제시, Cho et al., 2011)가 완전미 비율이 급격하게 감소해서 등숙율과 천립중을 낮춘 것
으로 판단된다. 따라서 강수량이 많을 것으로 예상되는 시기에는 중간낙수를 철저히 실시
하여 벼뿌리의 심층분포를 유도하여야 할 것으로 판단된다(Lee et al., 1999). 초기생육이 월
등하였던 유박2배구는 태풍에 의하여 도복하여 수량이 무처리구보다 현저하게 감소한 것
으로 판단된다. 가축분퇴비구는 토양중 질소공급이 부족하여 초기 생육이 원활하게 이루어
지지 않았으나 도복이 거의 없어서 유박2배보다 높은 수량을 보인 것으로 판단되었다.
2011 년은 전술한 바와 같이 이앙이후 2개월 이상 비오는 날이 많아 초기 생육이 극히 부진 하였다. 최고분얼기의 분얼정도와 생육상황을 Fig. 1의 사진에서 쉽게 추정할 수 있다. 8월 이후 이러한 생육 상태는 9월 이후의 양호한 기상상황 덕분에 조금 회복되긴 했지만 평균 수량에 그대로 반영되었다. 하지만 모든 처리구에서 대조구보다 높은 수량을 보여주었다.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 Days after treatment
Inorganic N (mg/kg)
NPK Oilcake Oilcake 2X Hairy vetch Vetch+Rye Compost Control
***
