Introduction
Materials and Methods
포트실험 준비
시험 처리구 및 재배 관리
배추 생육, 생산성 및 질소이용효율 평가
토양 이화학적 특성 평가
통계분석
Results and Discussion
요소, 유안 혼용에 따른 배추 중간 생육 및 생산성 평가
시비에 따른 배추의 질소이용효율 평가
시비에 따른 토양 화학성 평가
생산성 증대에 영향을 미친 요인
Conclusions
Introduction
질소 (Nitrogen, N)는 식물 생장에 필수적인 영양소로, 광합성, 단백질 합성 및 세포 대사에 직접적으로 관여하며 (Wang et al., 2024), 질소 비료의 적절한 공급은 농업 생산성과 작물 품질을 향상시키는 중요한 요소 중 하나이다. 하지만, 최근 농경지 면적이 지속적으로 감소하는 상황을 감안할 때, 안정적인 식량 생산을 위해 집약적 농업은 필수적인 선택이 되고 있다 (Valin et al., 2014). 질소 비료의 전 세계 수요는 연평균 약 2.6%씩 증가할 것으로 전망되며 (IFA, 2011), 이에 대응하기 위해 합리적인 질소 시비관리 기술의 개발이 필수적이다. 질소 비료의 부적절한 사용은 작물 생산성을 저해할 뿐만 아니라, 휘산 (volatilization), 질산화 (nitrification), 용탈 (leaching) 및 탈질 (denitrification)과 같은 다양한 손실 과정으로 인해 토양 산성화, 지하수 오염 및 온실가스 배출 증가와 같은 환경 문제를 초래할 수 있다 (Harrison and Webb, 2001; Backes et al., 2016; Lee et al., 2025). 이러한 문제를 해결하기 위해 질소 이용효율 (nitrogen use efficiency, NUE)을 극대화하는 전략이 중요하게 여겨지고 있으며, 이를 위해 작물 생육 단계에 따라 적절한 질소 공급 형태를 조절하는 것이 필요하다.
일반적으로 질소 비료는 종류와 처리 방식에 따라 토양 반응과 질소 이용 효율이 큰 차이를 보이며, 이에 따른 작물 생산량과 토양 환경에 미치는 영향 또한 다양하게 나타날 수 있다. 그 중 요소와 유안은 대표적으로 사용되는 질소 비료로, 각각 화학적인 특성이 달라 작물과 토양에 미치는 영향이 다르게 나타난다. 특히 국내에서 널리 사용되는 요소 (Urea, CO(NH2)2)는 질소 함량이 높고 (약 46%) 경제성이 뛰어나 전 세계의 모든 질소 비료 사용량의 약 73%를 차지한다 (Motasim et al., 2024). 그러나 요소는 토양에서 유레아제효소 (urease)에 의한 가수분해 과정을 거쳐 암모니아태 질소 (NH4+-N)로 변환된 후 빠르게 질산화 (nitrification)되어 질산태 질소 (NO3--N)로 전환되며, 이 과정에서 토양에 시비된 요소의 절반 이상이 가스 형태 (NH3 및 N2O) 또는 용탈 (NO3-) 등의 형태로 손실되어 질소이용효율을 낮춘다 (Kumar et al., 1988; Sutton et al., 2011; Lu et al., 2012; An et al., 2023). 반면, 유안 (ammonium sulfate, AS, (NH4)2SO4)은 요소의 절반에 해당하는 21%의 질소를 함유하며, 요소와 달리 별도의 효소에 의한 분해과정을 거칠 필요 없이 암모니아태 질소를 즉각적으로 공급할 수 있다. 특히 작물의 생육 초기에 영양분 공급이 용이하고 토양입자에 흡착하여 용탈 위험이 상대적으로 낮아 작물 생산량에 긍정적인 영향을 미친다 (Chien et al., 2011). Fageria et al. (2011)의 연구에 따르면 동일 량의 질소 처리 하에서 유안을 처리할 경우 요소에 비해 벼 정조 수량을 약 22% 증가시키는 것으로 조사되었으며, Swify et al. (2022)의 연구에서는 요소와 유안을 함께 혼용하여 처리시 옥수수 수량을 요소 단용 처리에 비해 8 - 11% 가량 개선시키는 것으로 보고되었다. 뿐만 아니라, 질소 손실 측면에서 유안은 요소에 비해 토양 pH를 낮춰 암모니아 (NH3) 휘산을 효과적으로 저감 시킨다 (Li et al., 2022a). 벼 재배시 요소 대비 유안의 시용은 NH3 배출량을 78% 감소시켰으며 (Norman et al., 2009), 벼와 배추 재배 토양에서는 요소 처리구 대비 유안 처리구에서 NH3 휘산량을 각각 53%, 28% 저감 시키는 것으로 보고하였다 (Lee et al., 2024). 또한, 유안은 식물의 필수원소 중 하나인 황(SO42-)을 함유하고 있어 식물의 단백질 합성과 효소 활성에 기여할 수 있다 (Bhatla et al., 2018). 다만, 유안의 이러한 특성은 시비 후 토양 pH를 급격히 낮추어 산성화를 유발할 수 있으며 (Chien et al., 2011), 산성화가 심해질 경우 뿌리 생육을 저해시키고 유용한 양이온 성분 (Ca2+, Mg2+)의 용탈을 촉진할 가능성이 있다 (Haling et al., 2011). 따라서, 작물의 생산성을 증진시키면서도 환경으로의 질소 손실과 토양에 미치는 부정적 영향을 최소화할 수 있는 합리적인 시비 관리 기술의 개발이 필요하다.
질소 비종별 특성을 고려할 때, 요소와 유안을 혼합하여 시비하는 것은 각 비료의 장점을 극대화하면서도 단점을 상쇄할 수 있는 효과적인 전략이 될 수 있다. 특히, 요소와 유안의 혼합 시비는 토양내 용출 속도의 차이로 인해 질소를 보다 지속적으로 공급하여 작물이 생육 단계별로 최적의 질소원을 활용할 수 있도록 하며, 동시에 토양 pH 변화를 완화하여 뿌리 생육과 양분 흡수를 개선할 가능성이 높을 수 있다. 하지만 이러한 혼합 시비 전략이 작물의 생산성 및 질소이용효율, 토양 특성에 미치는 영향에 대한 연구는 여전히 한정적이며, 시비량이 상대적으로 많은 배추와 같은 작물을 대상으로 체계적인 연구가 필요하다.
배추 (Brassica rapa subsp. pekinensis)는 국내에서 가장 널리 재배되는 대표적인 엽채류 중 하나로, 김장철을 비롯하여 연중 소비가 지속적으로 이루어지는 주요 작물이다. 2023년 기준 국내 배추 재배 면적은 16,471 ha로, 전체 엽채류 중 가장 넓은 면적을 차지하며 노지재배 ‧ 시설재배 ‧ 고랭지재배 등을 포함하여 다양한 환경에서 연중 생산이 이루어지고 있다 (MAFRA, 2023). 배추는 생육 전반에 걸쳐 질소 요구량이 높은 작물로 꼽히며, 비교적 짧은 재배 기간 (약 70일) 동안 빠르게 생장하기 때문에 질소 시비 전략이 생산성 및 질소 이용효율에 미치는 영향을 단기간 내에 평가할 수 있는 모델 작물 중 하나다. 따라서 본 연구는 배추 재배 시 요소 (Urea)와 유안 (AS)의 혼용 처리가 배추 생산성 증진에 미치는 영향과 그 영향요인 (질소 이용효율, 생육특성, 토양 화학성 등)을 평가하기 위하여 포트 실험을 수행하였다. 이를 위해 요소와 유안을 단용 및 혼용 처리하고 배추의 생육, 지상부 및 지하부 생산성, 질소 이용효율, 전반적인 토양 특성을 비교 ‧ 분석하였다. 본 연구를 통해 요소와 유안의 혼합 시비에 따른 작물 생산성 증진에 대한 원인을 구명하고, 배추 재배에서 질소 이용효율 증진을 위한 합리적인 질소 시비 관리 전략을 제시하고자 한다.
Materials and Methods
포트실험 준비
요소 유안의 혼용이 배추 생육 및 수량특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 포트실험을 수행하였다. 포트실험을 위해 전라남도 순천시에 위치한 국립 순천대학교 주변 밭토양에서 채취되었으며, 시험 전 토양의 화학성은 Table 1과 같았다. 일반적인 밭 토양에 비해 pH가 다소 높고, 유효인산의 함량이 낮은 특성을 보였다. 이전 연구와 동일한 방식으로 채취한 토양은 자연 건조 후 10 mm 체에 통과시킨 다음, 토양 4 kg을 와그너포트 (1/5,000 a)에 용적밀도 1.2 g cm-3 (약 17 cm 높이)가 되도록 충진하였다 (Lim et al., 2024).
Table 1.
Initial properties of soil used in the pot experiment.
시험 처리구 및 재배 관리
농촌진흥청에서 제시한 배추 재배 표준시비량 (N-P2O5-K2O-CaO = 320-78-110-2000 kg ha-1)을 기준으로 요소, 유안, 용성인비, 염화가리, 석회고토의 성분비를 고려하여 질소 (N) - 인산 (P2O5) - 가리 (K2O) - 석회 (CaO)를 각각 0.64 - 0.16 - 0.22 - 4.00 g pot-1로 처리하였다. 시비 후 약 5 cm 깊이로 토양과 혼합하였으며, 일반적으로 밭 작물 재배 시 질소비료를 분시하는 것이 권장되나, 본 연구에서는 포트 실험의 특성을 고려하여 실험 변수를 최소화하고 동일한 조건에서 혼용 효과를 비교하기 위해 전량 기비로 시비하였다 (NAS, 2019). 각 포트는 완전 임의배치법으로 3반복 처리하였고, 처리구는 질소 무처리구 (control, PK), 요소 단용 처리구 (Urea), 유안 단용 처리구 (AS), 요소와 유안을 각각 50% 씩 처리한 혼용 처리구 (Urea+AS)로 구성하였다. 모든 처리구는 control을 제외하고 동일량의 질소가 투입되었으며, 질소 비료의 종류를 제외한 모든 시비 및 재배 관리는 동일하게 관리되었다. 시험에 사용된 공시 작물은 가을동화 배추 (Brassica rapa subsp. pekinensis)를 선정하여 파종 후 20일된 모종을 2024년 9월 26일에 포트 당 1포기 정식하였으며, 11월 26일에 수확하여 총 61일간 재배하였다. 본 포트실험은 별도의 온실이나 실내 시설을 이용하지 않고 외부 환경 조건에서 진행되었으며, 생육기간 동안 물관리는 주 1 - 2회 토양이 충분히 젖을 때까지 모든 처리구에 동일하게 관수하였다.
배추 생육, 생산성 및 질소이용효율 평가
배추 생육 조사를 위해 재배기간 중 배추의 엽장 (leaf length), 엽폭 (leaf width), 엽수 (number of leaves), SPAD value을 정식 35일 후 조사하였다. 엽장 및 엽폭은 배추 개체 외곽에서 3-5번째 위치한 잎 3장을 선정하여 각각 잎의 가장 긴 부분과 가장 넓은 부분에서 측정하였다. 엽수는 잎 길이가 5 cm 이상인 잎 만을 대상으로 개수를 기록하였다. SPAD value는 휴대용 엽록소계 (SPAD-502 Plus, Konica Minolta, Japan)를 이용하여 완전히 전개된 최근 최상위 잎 3장을 측정하였으며, 각 잎의 중앙부분에서 3회 반복측정한 평균값을 사용하였다.
배추 생산성은 수확 후 지상부 (shoot) 및 지하부 (root)를 분리하여 70°C에서 72시간 동안 건조한 후 건조 중량 (dry weight)을 측정하였다 (NIAST, 2000). 건조된 지상부 및 지하부는 개별적으로 측정 후 합산하여 총 건중량을 산출하였다. 질소 함량 분석을 위해, 건조된 식물체를 곱게 분쇄하여 원소분석기 (EA2400Ⅱ, Perkin Elmer, USA)를 이용하여 분석하였으며, 질소 이용 효율 (nitrogen use efficiency, NUE)은 아래 식을 이용하여 산출하였다 (Fageria and Baligar, 2005; An et al., 2023).
Nf : 질소비료 처리구의 작물 질소 흡수량 (g N pot-1)
Nu : 대조구 (control)의 작물 질소 흡수량 (g N pot-1)
Na : 비료 질소 투입량 (g N pot-1)
토양 이화학적 특성 평가
시험 전과 수확 후 토양시료는 풍건하여 2 mm 체로 거른 후 화학성 분석에 이용하였다. 토양과 물을 1:5 비율로 침출한 용액을 pH meter (Orion star A211, Thermo Scientific, Indonesia)와 Conductivity meter (Orion star A212, Thermo Scientific, Indonesia) 로 각각 토양 산도 (pH) 및 전기전도도 (electrical conductivity)를 측정하였다. 토양 탄소 및 질소 함량은 원소분석기 (EA2400Ⅱ, Perkin Elmer, USA)를 이용하여 분석하였으며, 유효인산은 Lancaster법으로 토양 용액 추출 후 비색법으로 측정하였다. 치환성 양이온은 1N NH4OAc 용액으로 침출하여 ICP-OES (Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrophotometer, Perkin Elmer Model OPTIMA 8300, USA)로 분석하였다. 토양 내 Water extractable N은 토양을 3차 증류수에 추출하여 Total organic carbon analyzer (TOC-L, Shimadzu, Japan)로 측정하였다. 토양 내 무기태 질소로서 NH4+-N 및 NO3--N을 분석하기 위해 토양을 2M KCl에 추출한 후 각각 Salicylate법 (Kempers and Zweers, 1986) 및 카드뮴 환원법 (Dorich and Nelson, 1984)을 활용하여 AQ400 (SEAL Analytical, USA) 분석 장비로 측정되었다.
통계분석
통계분석은 SAS software (ver.9.4, SAS Institute Inc., USA)를 이용하여 ANOVA 분석을 수행하였다. 처리 간 통계적인 유의성이 인정되는 경우, LSD test를 이용하여 5% (p < 0.05) 확률의 유의 수준에서 사후 분석을 수행하여 처리 간 효과를 비교하였다.
Results and Discussion
요소, 유안 혼용에 따른 배추 중간 생육 및 생산성 평가
요소 및 유안의 혼용이 배추의 중간 생육에 미치는 영향을 평가하기 위해 정식 35일 후 생장 특성을 조사하였다 (Fig. 1). 특히, 작물의 전반적인 생육 평가를 위해 엽장 (leaf length), 엽폭 (leaf width), 엽수 (number of leaves), SPAD 지수를 조사하였으며, 이는 잎의 광합성 및 양분 이용상태, 생육 단계별 작물의 생리적 반응을 평가하기 위한 주요 지표로 다양한 연구에서도 활용되고 있다 (Tholen et al., 2012; Mohammed et al., 2018; Li et al., 2022b). 엽장의 경우 질소 무처리구 (13.0 cm) 대비 질소비료 시비에 따라 유의하게 증가하였으며, 특히 요소 유안 혼용 처리구 (25.4 cm)에서 가장 높은 값을 나타냈다. 이는 요소 단용 처리구 (22.1 cm)와는 통계적으로 유의한 수치였으나, 유안 단용 처리구 (23.8 cm)와는 통계적 유의차가 없었다 (Fig. 1a). 엽폭 은 질소 무처리구(7.7 cm)와 비교하여 질소비료 시비에 따라 유의하게 증가하였으며, 유안 단용 처리구 (15.2 cm) ≒ 요소 유안 혼용 처리구 (14.6 cm) > 요소 단용 처리구 (12.7 cm) 순으로 낮은 수치를 나타냈다 (Fig. 1b). 엽수 또한 질소 무처리구 (10.7개)와 비교했을 때, 모든 질소 비료 처리구에서 엽수가 유의하게 증가하였다. 특히 요소 유안 혼용 처리구 (15.3개)에서 가장 높은 값을 보였으나 요소 단용 처리구 (15.0개), 유안 단용 처리구 (14.7개)와의 통계적인 차이는 없었다 (Fig. 1c). SPAD 값은 잎의 엽록소 함량을 간접적으로 반영하며, 광합성 효율 및 질소 이용 상태를 평가하는 핵심 지표이다 (Kim et al., 2005; Li et al., 2022b). 본 연구에서 SPAD 값은 질소 무처리구 (26.9)에 비해 질소비료 시비에 따라 유의하게 증가하였다. 특히 유안 단용 처리구 (38.2)에서 가장 높게 나타났으며, 이는 요소 유안 혼용 처리구 (34.4)와의 통계적 유의차는 없었으나 요소 단용 처리구 (32.6)와는 유의한 차이를 보였다 (Fig. 1d). 전반적인 생육 특성은 질소 무처리구 대비 질소비료 처리구에서 유의하게 증가하였으나, 질소 비료 종류에 따라서는 큰 생육 차이가 없는 것으로 조사되었다. 다만, 엽장 및 엽수가 요소 유안 혼용 처리구에서 가장 높았으며, 이들의 개선 효과가 광합성 효율 등에 긍정적 영향을 미치는 것으로 판단된다.
Fig. 1.
Leaf length (a), leaf width (b), number of leaves (c), and SPAD value (d) of Chinese cabbage under different N fertilization regimes at 35 days after transplanting. Different letters for each row showed a significant difference at p ≤ 0.05 according to LSD test. Error bars represent standard deviations (n = 3).
요소 및 유안의 혼용이 배추의 생산성에 미치는 영향 평가하기 위해 수확 후 배추의 지상부 (shoot) 및 지하부 (root)의 건물중을 조사하였다 (Fig. 2). 배추 지상부 생산성은 모든 질소 비료 처리구에서 질소 무처리구 대비 유의하게 증가하였다 (Fig. 2a). 요소 단용 처리구 (18.1 g pot-1)와 유안 단용 처리구 (22.8 g pot-1)는 질소 무처리구 (5.29 g pot-1) 대비 생산량을 각각 약 3.4, 4.3배 증가시켰다. 흥미롭게도, 모든 시비 처리구에서 동일한 양의 질소가 투입되었음에도 불구하고 요소 유안 혼용 처리구 (31.1 g pot-1)에서 배추 생산성이 다른 시비처리에 비해 유의하게 증가하는 결과를 나타냈다. 지하부 생산성 또한 질소 무처리구에 비해 질소 시비 처리구에서 유의하게 높았으며, 특히 요소 유안 혼용 처리구 (4.17 g pot-1)가 가장 큰 수치를 나타냈고 이후 요소 단용 처리구 (3.10 g pot-1), 유안 단용 처리구 (2.69 g pot-1), 질소 무처리구 (1.23 g pot-1) 순서로 낮았으나 이들 간 통계적인 차이는 없었다 (Fig. 2b). 지상부와 지하부를 합한 총 생산성의 경우 지상부 생산성과 동일한 경향으로, 요소 유안 혼용 처리구 (33.1 g pot-1)에서 요소 단용 처리구 (18.1 g pot-1)와 유안 단용 처리구 (22.8 g pot-1) 대비 통계적으로 유의하게 높은 수치를 나타냈다 (Fig. 2c).
이전 연구들에 따르면, 질소비료로 유안을 처리할 경우 요소 대비 작물 수량이 증가하는 경향이 보고된 바 있다 (Fageria et al., 2011; Swify et al., 2022). 본 연구에서도 요소와 비교하여 유안을 처리할 경우 배추의 생산성을 약 20% 증진시키는 결과를 나타냈다. 이러한 차이는 유안이 신속하게 암모니아태 질소를 공급하여 배추의 초기 생장에 긍정적인 영향을 준 반면, 요소는 효소에 의한 분해과정을 거치면서 유효태의 질소 공급이 상대적으로 지연되었기 때문에 수량차이가 나타난 것으로 판단된다. 또한, 요소의 경우 가수분해 과정에서 국소적으로 pH가 급격히 상승하여 NH3 휘산에 의한 질소 손실이 상대적으로 높았을 가능성이 있다 (Motasim et al., 2024). 본 연구에서도 요소처리구에서 낮은 질소이용효율과 상대적으로 높은 토양 pH가 확인된 점을 고려하면 (Tables 2 and 3), NH3 휘산으로 인한 질소 손실이 생산성 감소에 영향을 미쳤을 것으로 판단된다. 반면, 요소와 유안을 혼용할 경우 유안 단용 처리구와 비교하여도 생산성을 약 30% 유의하게 증진시키는 것으로 나타났는데, 이러한 결과는 아마도 요소와 유안을 혼합하여 시비함으로써 유효한 질소의 공급 기간이 상대적으로 연장되어 질소이용효율이 증진된 결과일 것으로 판단된다. 결과적으로, 요소와 유안의 혼용은 중간생육 증가에는 큰 영향을 나타내지 않았으나, 생육 중반 이후부터 생육 개선 효과가 나타난 것으로 추정되며, 아마도 질소이용효율 증진과 밀접한 관련이 있을 것으로 판단된다.
시비에 따른 배추의 질소이용효율 평가
질소 시비에 따른 배추의 질소이용효율을 평가하기 위해 식물체내 질소함량 및 흡수량을 평가하였다 (Table 2). 식물체내 질소 함량 (N content)은 질소 무처리구와 비교하여 질소 비료 처리구에서 전반적으로 증가하였으며, 특히 유안 단용 처리구 (28.1 g N kg-1)에서 통계적으로 유의하게 높은 값을 보였고, 이후 요소 유안 혼용 처리구 (21.5 g N kg-1), 요소 단용 처리구 (20.5 g N kg-1), 질소 무처리구 (18.9 g N kg-1) 순으로 낮은 결과가 나타났으나 이들 간 유의미한 차이는 관찰되지 않았다. 특이하게도, 유안 단용 처리구에서 지상부 및 지하부 모두 유의하게 높은 질소 함량을 나타냈는데, 이는 일반적으로 높은 유안 비료의 용해도와 이로 인한 생육 초기 단계에서 질소 흡수가 증가되었기 때문으로 추정된다. 다만, 요소와 유안 혼용 처리구에서 생육 후반기에 유안 단용 처리구와 유사한 수준의 질소 흡수가 이루어졌더라도 혼용 처리구에서 더 높은 생산성을 나타냄에 따라 체내 질소 함량이 희석 효과로 다소 감소한 것으로 추정된다.
각 처리구의 질소 흡수량 (N uptake)을 평가한 결과 (Table 2), 질소 무처리구와 비교하여 질소비료 처리 시 흡수량이 유의하게 증가하는 결과를 나타냈다. 특히 요소 유안 혼용 처리구 (0.38 g N pot-1)에서 가장 높은 질소 흡수량을 보였으며, 그 뒤로 유안 단용 처리구 (0.35 g N pot-1), 요소 단용 처리구 (0.22 g N pot-1), 질소 무처리구 (0.06 g N pot-1) 순으로 낮아졌다. 이는 배추의 생산성과 밀접한 관련이 있는 것으로 판단된다. 특히, 유안 단용 처리구는 지상부 및 지하부 모두 식물체내 질소 함량이 비교적 높았음에도, 전반적인 생산성이 요소 유안 혼용 처리구에 비해 낮아 결과적으로 질소 흡수량이 다소 낮은 결과를 나타냈다. 요소 단용 처리구에서는 질소비료 처리구 중 가장 낮은 질소흡수량을 나타냈다. 결과적으로 질소이용효율 (nitrogen use efficiency, NUE)을 평가한 결과, 본 연구에서는 요소 유안 혼용 처리구에서 요소 단용 처리구 (24%) 대비 2배 이상 증가한 50%로 가장 높은 값을 나타냈으나, 유안 단용 처리구 (46%)와 통계적 유의차는 없는 것으로 나타났다. 이는 배추 생산성 결과와 동일한 경향으로, 질소 이용효율의 증진이 결과적으로 작물 생산성 증대에 기여했음을 시사한다 (Fig. 2). 질소이용효율은 작물이 투입된 질소 비료를 얼마나 효율적으로 생체량으로 전환하는지를 나타내는 핵심 지표이며 (Fageria and Baligar, 2005), 다양한 작물의 생장과 질소흡수량 간 밀접한 상관관계가 있는 것으로 알려진 바 있다 (Gastal and Lemaire, 2002; Ren et al., 2015). 요소 유안 혼용 처리구에서는 가장 높은 질소 이용효율을 나타냈는데, 이러한 결과는 용해도가 다른 두가지 비료를 혼합 시비하면서 작물이 이용가능한 질소가 비교적 장기간 존재했기 때문인 것으로 판단된다. 유안 단용 처리구의 경우 요소 유안 혼용 처리구와 통계적인 차이는 없으나 다소 낮은 질소 이용효율을 나타냈다. 이는 유안 단용 처리구에서 식물체내 높은 질소함량에도 불구하고, 초반에 국한된 암모니아태 질소 공급에 의한 생육 후반기 질소 부족 또는 급격한 토양 산성화로 인해 뿌리 기능이 억제되어 상대적으로 생산성이 낮았던 영향인 것으로 판단된다 (Table 3). 반면, 요소 단용 처리구에서 질소이용효율이 유의하게 낮았던 것은 배추 생육 초기에 유효한 질소의 공급 비중이 상대적으로 적어 초기 생육 반응이 늦었을 수 있고, 요소가 분해 ‧ 질산화 되는 과정에서 질소손실 (휘산, 탈질, 용탈 등)이 크게 발생했기 때문인 것으로 판단된다. 이러한 결과는 생육 전반에 균형 잡힌 질소의 공급이 단순한 체내 질소 축적보다 생산성 증대에 더 중요한 영향을 줄 수 있는 것으로 판단된다.
Table 2.
Characteristics of Chinese cabbage N contents, N uptake, and N use efficiency under different N fertilization regimes after the harvesting.
시비에 따른 토양 화학성 평가
시비에 따른 토양 화학성 변화를 평가하기 위해 배추 수확 후 토양의 전반적인 화학성을 조사하였으며, 그 결과 질소비료 처리가 토양의 pH와 무기태 질소 농도에 유의한 영향을 미치는 것으로 나타났다 (Table 3). 일반적으로 배추의 생육과 품질에 적합한 토양 pH 범위는 일반적으로 pH 6.0 - 6.5로 알려져 있으며 (NAS, 2019), pH가 7 이상일 경우 생육 저하 및 품질 감소가 보고된 바 있다 (Jo et al., 2010). 본 연구에서는 질소 무처리구와 비교하여 질소비료 처리시 토양 pH가 유의하게 낮은 결과를 나타냈다 (Table 3). 특히 유안 단용 처리구는 유안이 포함하는 황산 (SO42-)의 산성화 효과로 인해 토양 pH가 6.38로 가장 낮았으며, 이는 질소 무처리구 (7.52) 및 요소 단용 처리구 (7.25)와 비교하여 현저히 낮은 수치였다. 반면 요소 유안 혼용 처리구 (6.66)의 경우 상대적으로 산성화가 완화된 결과를 보였는데, 이는 요소의 알칼리화 효과와 유안의 산성화 효과가 부분적으로 상쇄된 결과로 토양 pH 감소가 완화되었던 것으로 판단된다. 또한, 본 연구에서 사용된 토양의 pH가 다소 높은 점을 고려할 때 (Table 1), 유안 처리가 토양 pH를 배추 생장에 최적화된 범위 (6.0 - 6.5)로 조정하는데 기여했을 가능성이 있다. 이러한 적정 pH 조성은 배추 생산성 증대에 긍정적인 영향을 미친 것으로 판단된다.
토양 내 총 질소 함량 (Total N) 및 Water extractable N은 처리구 간 유의한 차이를 보이지 않았다 (Table 3). 이는 수확기 시점에서 질소 비료 처리에 따른 총 질소 함량의 누적 변화가 크지 않았으며, 투입된 질소가 대부분 작물에 의해 흡수되거나, 기타 다양한 과정으로 손실된 결과로 판단된다. 질소비료 처리에 따라 토양 암모니아태 질소 (NH4+-N)가 유의하게 증가하였으며, 유안 단용 처리구 (3.55 mg kg-1)에서 유의하게 높고 요소 유안 혼용 처리구 (2.49 mg kg-1) > 요소 단용 처리구 (2.30 mg kg-1) > 질소 무처리구 (1.57 mg kg-1)순으로 나타났다. 이는 유안을 통해 즉각적으로 공급된 다량의 암모니아태 질소가 토양입자에 흡착 ‧ 잔류했거나 토양 pH 감소로 질산화가 저해되어 더 오래 잔류했을 것으로 판단된다. 또한, 황산염 환원 세균에 의해 DNRA (nrfA) 경로가 활성화되면서 질산태 질소가 암모니아태 질소로 전환 및 축적되었을 가능성도 고려될 수 있다 (Bourceau et al., 2023). 질산태 질소 (NO3--N)는 암모니아태 질소보다 전반적으로 낮은 경향을 보였으며, 이는 배추가 상대적으로 질산태 질소를 선호하여 흡수하고 (Kim et al., 2018; Song et al., 2021), 본 연구에서 사용된 사질양토 (sandy loam)에서 질산태 질소의 용탈이 활발하게 이루어졌기 때문일 것으로 판단된다. 본 연구에서 토양 내 질산태 질소를 평가한 결과, 질소 무처리구에서 0.40 mg kg-1로 유의하게 높았으며 시비 처리 간 통계적인 차이는 없었으나 요소 유안 혼용 처리구 (0.19 mg kg-1) > 요소 단용 처리구 (0.14 mg kg-1) > 유안 단용 처리구 (0.11 mg kg-1) 순으로 낮은 값을 보였다. 이는 질소 처리 시 작물의 질소 흡수가 활발했던 반면, 질소 무처리구에서는 작물의 생육이 제한되면서 상대적으로 적은 질소 흡수량에 의해 토양 질산태 질소가 더 많이 잔류했기 때문으로 판단된다.
무기태 질소인 암모니아태 질소와 질산태 질소는 모두 작물생육에 필수적이나, 적절한 시기와 작물요구도에 따라 공급하는 것이 더욱 중요하다. 요소와 유안은 모두 암모니아태 질소 비료로 동일한 공급 형태를 가지지만 토양 내 분해 및 용출 과정에서 차이를 보인다. 유안은 시비 후 즉각적으로 암모니아태 질소를 공급하여 작물의 초기 생육을 촉진할 수 있으나 (Chien et al., 2011), 이러한 특성은 후반기 생육에 필요한 질소 공급이 부족해질 가능성을 내포한다. 반면, 요소는 토양에서 효소에 의한 가수분해 과정을 거쳐 암모니아태 질소로 전환되는 과정이 필요하므로 상대적으로 초기 질소 공급량이 낮을 수 있으며, 동시에 요소 분해 과정에서 NH3 휘산 등 질소 손실이 발생한다. 그러나, 요소와 유안을 혼용할 경우, 유안에서 초기 질소를 신속히 공급하고, 요소에서 점진적으로 질소가 방출되어 생육 기간 전반에 걸쳐 보다 균형 잡힌 질소 공급이 가능할 수 있다. 하지만, 이전의 연구에서 수확기 시점의 잔류 질소 수치는 토양 내 질소의 시간적, 공간성 가변성으로 인해 생장 기간 동안의 질소 변동을 완전히 설명하지 못한다고 보고했다 (Stenger et al., 1998; Ten Berge et al., 2007). 그럼에도 불구하고 Swify et al. (2022)의 연구에서는 요소 단용 처리와 비교하여 요소 및 유안을 함께 혼용하여 처리할 경우 옥수수 재배기간 전반적으로 암모니아태 및 질산태 질소 모두 유의하게 높게 유지하는 것으로 보고된 바 있다. 결과적으로 이는 배추의 생육 단계별 질소 요구량을 충족시키는 데 기여할 수 있으며, 단용 처리구 대비 혼용 처리구에서 질소이용효율 및 생산성 증가로 이어졌을 것으로 판단된다. 이러한 결과는 비료 공급 방식에 따른 질소의 지속적인 가용성과 작물의 생육 단계별 질소 흡수 특성이 주요 요인임을 시사한다. 다만, 본 연구에서 사용된 토양의 초기 pH가 비교적 높은 점을 고려할 때, 비료 시용 후 pH 변화가 작물 생육에 일정 부분 영향을 미쳤을 가능성도 배제할 수 없다. 그러나 Swify et al. (2022)의 연구에서도 요소 단용 처리보다 요소 유안 혼용 처리가 질소 이용 효율을 높이고 암모니아태 및 질산태 질소의 지속적인 공급을 유지하는 데 기여하는 것으로 보고된 바 있다. 이를 종합하면, 본 연구에서 나타난 요소 유안 혼용 처리의 생산성 증진 효과는 pH 변화에 따른 일시적인 영향보다는, 질소 공급의 지속성과 작물의 생육 단계별 흡수 특성이 주요 요인으로 작용했을 가능성이 높다. 다만, 본 연구에서는 수확 후 잔류하는 무기태 질소 분석만으로 질소 시비에 따른 질소 변동을 정확히 추정하는 데 분명한 한계가 있다. 향후 작물 재배 시기별 무기태 질소 변동을 조사하여, 혼용 처리에 따른 작물 생산성 및 질소 이용효율 증가에 대한 기작을 명확히 규명할 수 있을 것으로 판단한다.
Table 3.
Soil nitrogen-related parameters under different N fertilization regimes at harvest.
| Parameters | Control | Urea | AS | Urea + AS |
|
pH (H2O, 1:5) Total N (g kg-1) Water extractable N (mg kg-1) 2M KCl extractable N (mg kg-1) NH4+-N NO3--N Total inorganic N |
7.52 a1 0.79 ns2 6.87 ns 1.57 c 0.40 a 1.97 b |
7.25 b 0.87 ns 6.41 ns 2.30 bc 0.14 b 2.45 b |
6.38 d 0.83 ns 6.92 ns 3.55 a 0.11 b 3.67 a |
6.66 c 0.89 ns 7.04 ns 2.49 b 0.19 b 2.68 b |
생산성 증대에 영향을 미친 요인
배추의 생산성을 증가시킨 주요 요인을 평가하기 위해 피어슨 상관분석 (pearson correlation analysis)을 수행하였다 (Fig. 3). 배추 생산성은 중간 생육 특성 (엽장, 엽폭, 엽수), 총 질소 흡수량, 질소 이용효율, 토양 pH, 무기태 질소 등과 유의한 상관관계를 보였다. 전반적인 중간 생육 특성은 생산성과 밀접한 상관관계를 보이는 것으로 조사되었으며 결과적으로 요소와 유안의 혼용은 배추 생육을 유지 또는 개선할 수 있으며, 생산성 증진에도 긍정적 영향을 미친 것으로 판단된다. 총 질소 흡수량 (r = 0.953, p < 0.001), 질소이용효율 (r = 0.820, p < 0.001)은 생산성과 강한 양의 상관관계를 나타냈다. 이러한 결과는 작물이 흡수한 질소량이 많을수록 생산성이 증가하며, 투입된 질소가 효율적으로 활용될수록 생산성 증대에 긍정적인 영향을 미칠 수 있음을 시사한다 (Vaziritabar et al., 2024). 따라서 요소와 유안의 혼용은 질소 흡수량 및 질소이용효율을 증진시키면서 생산성을 유의하게 증진시켰던 것으로 판단된다. 작물의 총 질소 흡수량은 토양의 암모니아태 질소 (r = 0.701, p < 0.01)와 총 무기태 질소 (r = 0.665, p < 0.05)와 유의한 양의 상관관계를 나타냈다. 이러한 결과는 토양 내 무기태 질소가 작물의 질소 흡수 및 생산성 증가에 중요한 역할을 했을 가능성을 시사한다. 다만, 수확기 시점의 결과는 작물 생장기간 전반의 질소 변동을 설명하진 못하나 요소와 유안 혼용 처리구에서 생산성이 가장 높았던 점을 고려하면, 혼합 시비가 무기태 질소 공급의 속도와 지속성을 조절하는 데 기여했을 것으로 판단된다. 초기 및 후기 질소 공급이 균형적으로 유지되면서 무기태 질소가 지속적으로 공급될 수 있었고, 결과적으로 작물의 질소 흡수량과 생산성 증가로 이어졌을 가능성이 크다. 토양 pH는 생산성과 유의한 음의 상관관계를 보였으며(r = -0.786, p < 0.01), 본 연구에 사용된 토양의 pH (7.3)가 배추 재배 최적 pH (6.0 - 6.5)와 비교하여 다소 높았던 것을 고려하면 유안 처리를 통해 낮아졌던 토양의 pH가 생산성에 긍정적인 영향을 준 것으로 판단된다. 또한, 요소와 유안의 혼용은 질소비료 단용 처리와 비교하여 토양의 pH를 비교적 안정적으로 완충하는 효과가 있는 것으로 판단되며, 이는 작물 생육에 보다 적합한 토양 환경을 조성하는 데 기여할 수 있다. 따라서, 요소와 유안의 혼용 시비는 무기태 질소의 지속적인 공급과 토양 pH 완충 조절을 통해 배추의 질소 이용 효율을 극대화하고 생산성을 증진시키는 효과적인 시비 전략이 될 수 있을 것으로 기대한다.
Conclusions
본 연구에서는 요소 (Urea)와 유안 (AS)의 혼용 처리가 배추 생산성 증진에 미치는 영향을 평가하고 그 영향 요인을 평가하기 위해 질소 이용효율, 생육특성, 토양 화학성을 평가하였다. 요소 또는 유안 단용 처리구에 비해 혼용 처리구에서 배추 생산성이 유의하게 증가되었으며, 이는 작물 질소 흡수량 및 이용 효율의 개선과 유의미한 정의상관 관계가 있는 것으로 조사되었다. 또한, 토양 내 총 무기태 질소와 암모니아태 질소 농도가 배추 생산성과 유의한 정의 상관관계가 있는 것으로도 나타났다. 특히, 혼용 처리시 배추 생육 기간 전반에 걸쳐 무기태 질소가 균형 있게 지속적으로 공급될 수 있었던 것으로 추정되며, 이로 인해 식물이 생육 단계별로 최적의 질소원을 보다 효과적으로 흡수할 수 있었기 때문인 것으로 보인다. 본 연구에서는 작물의 생장 단계별 토양 내 무기태 질소 변동을 조사할 수 없어 직접적인 증거를 제시할 수 없었으나, 혼용 처리는 단용 시비보다 질소 이용효율을 개선하여 궁극적으로 배추 생산성을 증진시킬 수 있다는 충분한 가능성을 보여준 연구라고 사료된다. 향후 요소와 유안 혼용 처리에 따른 작물 생산성 증진 메커니즘을 보다 정밀하게 규명하기 위해 질소동위원소 (15N)를 활용한 연구와 다양한 작물 재배 및 토양 조건에서 현장 적용성을 평가한 연구가 함께 이루어져야 할 것으로 판단한다.
