Original research article

Korean Journal of Soil Science and Fertilizer. 31 May 2024. 88-95
https://doi.org/10.7745/KJSSF.2024.57.2.088

ABSTRACT


MAIN

  • Introduction

  • Materials and Methods

  •   수단그라스 재배 농가 조사 및 시료채취

  •   토양 이화학성 및 식물체 성분 분석

  •   수량 및 질소이용효율

  •   통계 분석

  • Results and Discussion

  •   수단그라스 비료사용 실태

  •   건물수량에 따른 토양 화학성 비교

  •   수단그라스 수량에 따른 질소이용효율

  •   상관분석과 주성분분석

  • Conclusions

Introduction

작물의 생산 효율성은 토양 비옥도에 따라 결정되며, 토양 비옥도는 다량 영양소와 미량 영양소의 가용성에 따라 결정된다 (Tale and Ingole, 2015). 질소는 아미노산, 엽록소, 핵산, ATP 및 식물 호르몬과 1차 또는 2차 대사산물의 구성 원소로써 (Frink et al., 1999), 식물 생장과 발달에 필수적인 역할을 한다.

수단그라스 (Sorghum × drummondii)는 수수 속 (genous)에 속하는 작물로 수수 및 수수-수단그라스 교잡종과 함께 대표적인 하계 사료작물로 알려져 있다. 특히 수단그라스는 난지의 건조한 토양에서 잘 자라며 재생력이 왕성하여 1년에 4 - 5회 예취가 가능하며, C4 열대성 작물로 C3 작물에 비해 환경적응성이 높아 건초, 청예용, 사일리지용 및 바이오 에너지 등 다양한 용도로 이용되고 있다. 농림축산 통계에 (MAFRA, 2022) 따르면 국내 재배면적 3,452 ha로 지속적으로 확대되는 추세이나, 표준비료사용량의 부재로 대부분의 재배 농가는 시비처방이 설정되어 있는 유사작물인 청예용수수류의 시비기준에 맞추어 시비처방을 하고 있다. 특히, 질소공급은 수단그라스 수량과 품질에 중요한 영향을 미치며 (Choi et al., 2022), 공급량과 방법은 기후, 토양 비옥도, 품종 및 이용목적에 따라 달라진다 (Iptas and Brohi, 2002). 따라서 양분 손실을 최소화하면서 작물의 수량과 품질을 향상시키기 위해서는 수단그라스 재배지의 토양 및 식물 영양 특성을 파악하고 두 특성 간에 미치는 영향에 대한 분석을 통해 생산성을 평가하고 적정 비료량을 설정하는 것이 중요하다. 복숭아, 인삼, 딸기, 키위, 구지뽕나무 등의 작물은 토양화학성과 식물체 잎의 양분함량과의 관계를 바탕으로 적정 비료 기준을 제시한 바 있다 (Seo et al., 2002; Jin et al., 2009; Choi et al., 2010; Kim et al., 2022; Song et al., 2022). 따라서, 본 연구에서는 수단그라스 재배농가의 수량에 따른 질소비료사용량, 토양화학성, 식물체 질소함량, 질소이용효율 등을 분석하여, 생산성에 대한 환경 또는 재배요인의 영향을 평가하고자 수행하였다.

Materials and Methods

수단그라스 재배 농가 조사 및 시료채취

수단그라스 비료사용량 및 수량 조사, 시료 채취를 위해 충북 (괴산, 충주, 옥천, 음성, 보은, 영동, 진천, 청주)지역 재배농가 (n = 24)를 대상으로 2021년에 수단그라스가 재배되는 5 - 10월에 조사를 실시하였다. 농가별 비료사용 실태는 비종별 사용량과 성분함량을 분석하였으며, 단위면적 (ha) 당 NPK 공급량은 화학비료 성분량과 작물별 비료사용처방 (RDA, 2019)에서 제공한 가축분 우분퇴비 성분함량의 평균값 (N-P2O5-K2O = 0.58-0.84-1.38%)을 적용하여 환산하였다. 수량 조사는 수확기에 면적 0.5 m × 0.5 m을 지면에서 10 cm 이상 높이로 예취하여 생초 수량을 측정하였으며, 토양 시료는 지표면으로부터 15 cm 깊이까지 균등한 부피를 채취하였다.

토양 이화학성 및 식물체 성분 분석

토양 화학성 분석은 종합검정실 분석 매뉴얼에 준하여 (RDA, 2013), 토양 건조 후 2 mm 체로 쳐서 분석 시료로 사용하였다. 토양 pH와 EC (electrical conductivity)는 토양과 증류수를 1:5의 비율로 진탕한 후 pH meter (STARA2115, Thermo, USA)와 EC meter (YSI 3200, Ohio, USA)로 측정하였다. 유기물 함량은 Tyurin법으로 적정하였고, 유효인산은 Lancaster법으로 비색 측정 (Cary3500, Agilent, USA)을 하였다. 총질소 함량은 Dumas법으로 분석하였다 (VarioMax CN analyzer, Elementar, Germany). 교환성 양이온은 1 N ammonium acetate (pH7.0)로 추출하여 유도결합플라즈마 분광광도계 (5800 ICP-OES, Agilent, USA)로 분석했다. 수단그라스를 채취하여 잎, 줄기 및 이삭 (spikelet)으로 분리하여 건조 (72°C, 48시간)·마쇄 후 총질소 함량 (VarioMax CN analyzer, Elementar, Germany)을 분석하였다.

수량 및 질소이용효율

수량은 수확기에 면적 0.5 m × 0.5 m을 지면에서 10 cm 이상 높이로 예취하여 생초 수량을 측정하였으며, 순환식 열풍건조기로 건조 (65°C, 72시간) 후 건물수량을 산출하였다. 수단그라스의 질소 흡수량은 식물체 질소함량에 총 건물중을 곱하여 계산하였다. 질소 처리량은 화학비료 처리량과 처리된 퇴비함량의 환산한 값을 합산하였다. 질소이용효율을 평가하기 위해 아래의 식을 이용하였다 (Wen et al., 2003; Dobermann, 2005).

(Eq. 1)
Nitrogenuseefficiency(NUE,kgkg-1)=yieldwithappliedN(kgha-1)/amountof(nutrient)Napplied(kgha-1)
(Eq. 2)
Nitrogenrecovery(NR,%)=Nitrogenuptake(kgha-1)/amountof(nutrient)Napplied(kgha-1)×100

통계 분석

토양 화학성, 수량 및 질소이용효율 등 자료는 처리 간 평균을 비교하기 위해 IBM SPSS statistics 25 통계프로그램을 이용하여 분산분석을 하였고, 분석결과 유의성이 인정되는 경우 (p < 0.05), Tukey-HSD 사후검정을 하였다. 또한 변수 간의 연관성을 분석하기 위해 R프로그램 (R Studio, v.4.0.3.)을 이용하여 상관분석 (Pearson’s correlation)과 주성분분석 (principal component analysis, PCA)을 실시하였다.

Results and Discussion

수단그라스 비료사용 실태

충북지역 수단그라스 재배농가 (n = 24)를 대상으로 비료사용량 실태를 조사하였다 (Table 1). 24농가 중 7농가는 우분퇴비만 밑거름으로 사용하였다. 14농가는 밑거름으로 우분퇴비와 복합비료 (N-P2O5-K2O = 21-17-17%)를 사용하였으며 그 중 5농가는 웃거름으로 요소비료를 사용하였다. 나머지 3농가는 밑거름으로 우분퇴비만을 처리하고, 웃거름으로 요소비료를 사용하였다. 조사 결과 퇴비 사용량은 단위면적 (ha) 당 5,000 - 90,000 kg 으로 변이가 컸으며 평균 약 37,563 kg을 공급하였다. 화학비료 사용량의 경우, 질소는 157.6 kg ha-1 (43.9 - 264.0), 인산과 칼리는 46.5 kg ha-1 (26.7 - 102.0)을 공급하는 것으로 조사되었다. 수단그라스 재배농가의 화학비료 공급량과 퇴비 성분함량 환산값을 합산한 평균 질소, 인산 및 칼리 공급량은 288.1, 342.7 및 545.5 kg ha-1이었으며, 최소 농가는 평균의 19 - 22%, 최대 농가는 181 - 221%를 공급하여 농가별로 큰 차이를 보였다. 수단그라스와 유사작물인 청예용 수수류의 퇴비 추천량 20,000 kg ha-1와 청예용 수수류의 표준 비료사용량인 질소-인산-칼리 = 250-150-150 kg ha-1를 작물별 비료사용처방 (RDA, 2019)에서 제공한 가축분 우분퇴비 성분함량의 평균값 (N-P2O5-K2O = 0.58-0.84-1.38%)을 적용하여 환산한 적정 시용량 (질소-인산-칼리 = 370-320-430 kg ha-1) (NIAS, 2022)과 비교했을 때 질소는 적게 시비하고 있었으며, 인산, 칼리는 과다 시비하고 있는 것으로 나타났다. 따라서, 수단그라스의 비료사용 불균형으로 양분의 결핍 또는 과다현상이 발생할 것으로 예상되며, 이는 수단그라스 표준 비료사용기준 설정이 필요하다.

Table 1.

Fertilization of sudangrass farmland (n = 24).

Division Base fertilization
(kg ha-1)
Additional fertilization
(kg ha-1)
Total
(kg ha-1)
Compost1 N
(21)2
P2O5
(17)
K2O
(17)
N
(Urea)3
P2O5 K2O N P2O5 K2O
N P2O5 K2O
Mean 217.9 315.5 518.4 70.9 46.5 46.5 86.7 - - 288.1
(100)
342.7
(100)
545.5
(100)
Maximum 522.0 756.0 1,242.0 126.0 102.0 102.0 138.0 - - 522.0
(181)
756.0
(221)
1,242.0
(228)
Minimum 29.0 42.0 69.0 31.5 25.5 2.55 9.0 - - 116.0
(40)
76.0
(22)
103.0
(19)

1Compost : N-P2O5-K2O = 0.58-0.84-1.38%.

2Compound fertilizer contents (%).

3Fertilizer type.

건물수량에 따른 토양 화학성 비교

수단그라스 재배농가의 건물수량을 전체 평균 수량 16,234 kg ha-1을 기준으로 단위면적 (ha) 당 20,000 kg 초과, 10,000 - 20,000 kg, 10,000 kg 미만의 3그룹으로 분류한 후, 해당 농가의 평균 토양 화학성을 분석하였다 (Table 2). 분석된 모든 화학성은 그룹 간에 유의적인 차이를 보이지 않았으며, 유효인산과 교환성 양이온은 적정 범위에 비해 다소 높은 경향을 보였다. 유효인산이 높은 재배농가의 경우, 우분퇴비와 화학비료의 공급량이 높은 특성이 확인되었다. 우분퇴비나 돈분퇴비를 화학비료와 혼용하였을 때 화학비료의 인산이 유기물 (퇴비)과 결합하여 토양에 집적된다는 연구결과와 (Lee et al., 2020; Lee et al., 2021) 유사한 것을 알 수 있다. 또한, 교환성 칼륨과 칼슘이 수단그라스 수량과 관련이 있는 것으로 나타났는데, 토양 교환성 Ca/K ratio가 20,000 kg 초과에서는 11.9, 20,000 - 10,000 kg에서는 8.9, 10,000 kg 미만에서는 18.4이었다. Mg/K ratio는 20,000 kg 초과에서는 3.9, 20,000 - 10,000 kg에서는 3.4, 10,000 kg 미만에서는 5.5이었다. 비료사용처방서 (RDA, 2022)의 토양 교환성 양이온의 적정범위로부터 계산한 청예용수수류 재배의 적정 Ca/K ratio 10, Mg/K ratio 3과 비교했을 때 10,000 kg 미만에서 Ca과 Mg이 K에 비해 과다한 것으로 나타났다. 작물이 수량을 최대로 생산하기 위해서는 교환성 Ca, Mg 및 K 간의 적정 비율이 필요하며 불균형할 경우, 수량이 감소할 수 있다 (Kopittke and Menzies, 2007). 교환성 양이온은 유기물 투입량에 따라 증가한다고 알려져 있는데 (Yamashita, 1967; Oh and Kim, 2013), 본 연구에서도 퇴비 공급량이 많은 농가에서 교환성 양이온이 높은 경향을 보였으며, 토양의 교환성 Ca/K의 비가 수단그라스 수량에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

Table 2.

The average chemical properties and distribution of the soils cultivated with sudangrass.

Group1 pH
(1:5)
EC
(1:5)
OM
(g kg-1)
TN
(%)
Av. P2O5
(mg kg-1)
Exch. cations (cmolc kg-1) Ca/K Mg/K
K Ca Mg
I (High) 6.6 ± 0.6 ns3 0.8 ± 0.7 ns 33 ± 11 ns 0.3 ± 0.2 ns 632 ± 453 ns 1.43 ± 1.16 ns 6.8 ± 2.0 ns 2.4 ± 0.9 ns 11.9 ± 12.4 ns 3.9 ± 3.7 ns
II (Middle) 6.8 ± 0.7 0.7 ± 0.7 29 ± 8 0.3 ± 0.1 343 ± 206 1.47 ± 0.97 6.6 ± 2.5 2.5 ± 1.2 8.9 ± 10.2 3.4 ± 4.2
III (Low) 6.9 ± 0.8 0.7 ± 0.6 30 ± 10 0.2 ± 0.1 641 ± 381 0.73 ± 0.72 7.7 ± 3.5 2.3 ± 1.2 18.4 ± 13.5 5.5 ± 5.2
F-value 1.391 0.582 0.376 1.643 2.141 1.506 0.383 0.050 1.277 0.480
Optimum range2 6.0 - 7.0 - 20 - 30 - 300 - 550 0.50 - 0.80 5.0 - 6.0 1.5 - 2.0 - -

1Group : High (>20,000 kg ha-1), Middle (10,000 - 20,000 kg ha-1), Low (<10,000 kg ha-1)

2Optimum range is recommended by NIAS (2022).

3ns : not significant at P < 0.05 (Tukey’s HSD).

수단그라스 수량에 따른 질소이용효율

수단그라스 수량에 따른 질소이용효율 (nitrogen use efficiency, NUE)과 질소회수율 (nitrogen recovery, NR)을 분석하였다 (Table 3). 수량은 그룹 간에 1.5 - 2.0배 가량 차이를 보였으나, 질소공급량은 수량과 반대의 경향을 보였다. 특히, 과도한 질소공급은 수단그라스의 수량에 부정적인 요인으로 나타났다. 질소이용효율과 질소회수율은 수량 그룹 간에 유의적인 차이를 보였는데, 질소이용효율은 I (114.6 kg kg-1), II (68.1 kg kg-1) 및 III (30.7 kg kg-1)의 순이었으며, 질소회수율도 I (138.9 kg kg-1), II (71.8 kg kg-1) 및 III (33.6 kg kg-1)의 순이었다. 따라서, 그룹별 총질소 투입량에 대한 화학비료와 가축분퇴비의 비율을 계산한 III (Low)에서 퇴비 공급비중이 많았으며 전체적인 질소공급량은 많았으나 상당량의 질소원이 퇴비로부터 공급되어 퇴비의 양분가용화율을 고려할 때 질소이용효율 및 질소회수율이 낮게 나타난 것으로 판단된다. Lee et al. (2012)에서도 수수-수단그라스의 질소이용효율이 화학비료 처리 대비 축분퇴비 처리에서 낮게 나타난 것으로 보고되었다.

Table 3.

Yield and nitrogen use efficiency of sudangrass.

Group Yield
(kg ha-1)
N content
(%)
N fertilization
(kg ha-1)
NUE
(kg kg-1)
NR
(%)
I (High) 27,018 ± 3,175 a1 1.2 ± 0.3 ns 275.8 ± 123.4 ns 114.6 ± 50.4 a 138.9 ± 56.6 a
II (Middle) 13,146 ± 1,739 b 1.1 ± 0.3 245.4 ± 133.5 68.1 ± 37.6 ab 71.8 ± 37.3 b
III (Low) 8,538 ± 1,588 c 1.2 ± 0.6 343.2 ± 133.0 30.7 ± 22.5 b 33.6 ± 17.8 b
F-value 142.09 0.17 1.19 9.52 13.87

1Different letters in a column indicate a significance at p < 0.05 (Tukey’s HSD).

상관분석과 주성분분석

비료공급량, 토양 화학성 및 작물 인자 간의 상관관계를 분석하였다 (Table 4). 비료사용량은 질소회수율 (-0.494*), 질소이용효율 (-0.652**)과 부의 상관을 보였다. 토양 총질소 함량은 유기물 (0.796**), 유효인산 (0.622**), 교환성 칼륨 (0.562**), 칼슘 (0.513*) 및 마그네슘 (0.551**)과 정의 상관을 보였으며, 또한 질소회수율과도 정의상관 (0.502*)을 나타냈다. 작물 인자 중, 건물중은 질소회수율 (0.709**), 질소이용효율 (0.698**)과 정의 상관을 보였다. 퇴비의 공급이 토양 중 유기물, 유효인산 및 교환성 양이온의 증가에 영향을 준다는 보고 (Kim and Park, 2001; Kim et al., 2021)와 비교할 때, 퇴비의 공급은 토양 화학성과 비료공급은 작물 인자와 밀접한 상관관계가 있는 것으로 판단된다.

Table 4.

Pearson coefficients between soil and plant parameters (n = 24).

STN1 pH EC OM Av. P2O5 Ex. K Ex. Ca Ex. Mg PTN2 NR NUE DM
N fert. 0.092 0.290 -0.221 -0.118 0.101 -0.265 0.294 0.290 0.205 -0.494* -0.652** -0.026
STN 0.211 0.173 0.796** 0.622** 0.028 0.562** 0.513* 0.551** 0.502* 0.208 0.374
pH 0.264 0.073 0.478* -0.069 0.561** 0.400 0.101 -0.127 -0.137 -0.154
EC 0.045 0.241 0.079 0.188 0.110 0.097 0.439* 0.425* 0.287
OM 0.279 -0.026 0.418* 0.220 0.342 0.374 0.221 0.194
Av. P2O5 0.097 0.550** 0.446* 0.540** 0.278 0.044 0.124
Ex. K -0.168 0.096 0.102 0.314 0.307 0.230
Ex. Ca 0.721** 0.347 -0.004 -0.161 0.008
Ex. Mg 0.497* 0.125 -0.086 0.128
PTN 0.282 -0.115 0.000
NR 0.890** 0.709**
NUE 0.698**
DM

1STN : Soil total nitrogen.

2PTN : Plant total nitrogen.

Pearson correlation coefficients, *p < 0.05, ** p < 0.001.

주성분 분석을 통해 수단그라스 수량 그룹별 토양화학성, 질소공급량 (nitrogen fertilization, NF), 식물체 질소함량 (nitrogen content, NC), 질소이용효율 (nitrogen use efficiency, NUE) 및 질소회수율 (nitrogen recovery, NR) 간의 관련성을 분석하였다 (Fig. 1). 건물중 (DM), NUE, NR, EC 및 교환성 K는 수량에 관련성이 높았으며, NF는 관련성이 적었다. 또한, 식물체 질소 (NC), pH, 총질소 (STN), 유기물 (OM), 유효인산, 교환성 칼슘과 마그네슘은 수단그라스 수량과 관련성이 낮은 것으로 나타났다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksssf/2024-057-02/N0230570202/images/ksssf_2024_572_88_F1.jpg
Fig. 1.

Biplot of the principal component analysis for soil and plant parameters. Different colors of vectors indicate the scale of contribution: high (red) and low (blue).

Conclusions

충북지역의 수단그라스 재배농가 (24농가)를 대상으로 수량에 따른 토양화학성, 비료사용량 및 질소이용효율과의 관계를 분석하였다. 전체적으로 수량은 토양화학성에 의해 영향을 받지 않았으나, 교환성 칼륨, 칼슘 및 마그네슘의 비는 수량에 영향을 주는 것으로 나타났다. 질소 공급량 측면에서는 과도한 질소 공급이 수량에 부정적인 영향을 미쳤으며, 질소이용효율과 질소회수율은 수량에 따라 유의미한 차이를 보였다. 따라서, 퇴비 및 화학비료 사용량의 조절이 토양화학성과 수단그라스 생산성에 중요한 영향을 미치며, 수단그라스의 용도별 비료사용처방서의 개발이 필요하나 현재 수단그라스의 표준 또는 토양검정비료사용 처방기준이 부재하여 보편적으로 사용가능한 비료검정량을 우선적으로 설정한 후 추후 연구를 통해 용도별로 세분화가 필요함을 제안한다.

Funding

This work was supported by the “Research Program for Agriculture Science & Technology Development (Project No. RS-2021-RD009117), Rural Development Administration, Republic of Korea.

Conflict of Interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

Author Contribution

Seo BM: Data curation, Writing-original draft, Visualization, Ahn HM: Data curation, Park KW: Data curation, Kim MJ: Data curation, Kim JH: Data curation, Lee YJ: Formal analysis, Project administration, Sung JK: Supervision, Conceptualization, Writing-review & editing.

Data Availability

Data will be provided on reasonable request.

Acknowledgements

The authors thanks Chungbuk Agricultural Research and Extension Service for providing the research sites and experimental materials.

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