Correlation between fertilizer application, soil chemical properties and mineral nutrient contents in Forage Barley (Hordeum vulgare L.)

Hee-Jeong Je; Hyeon-Ji Cho; Mi-Jin Lee; Young-min Jin; Young Han Lee; Yejin Lee

doi:10.7745/KJSSF.2025.58.3.369

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Short communication

Korean Journal of Soil Science and Fertilizer. 31 August 2025. 369-375
https://doi.org/10.7745/KJSSF.2025.58.3.369

Correlation between fertilizer application, soil chemical properties and mineral nutrient contents in Forage Barley (Hordeum vulgare L.)

Hee-Jeong Je¹^*

Hyeon-Ji Cho¹

Mi-Jin Lee¹

Young-min Jin¹

Young Han Lee¹

Yejin Lee²

¹Researcher, Department of Environmental Agriculture Research, Gyeongsangnam-do Agricultural Research and Extension Services, Jinju 52733, Korea

²Researcher, Department of Soil and Water Environment, National Institute of Agricultural Sciences, RDA, Wanju 55365, Korea

^{*Corresponding Author}

License (open-access, http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/):

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

ABSTRACT

Fertilizer use in forage barley production has a strong correlation with both soil chemical properties and the mineral nutrient contents of the barley itself. However, there is still an incomplete understanding of the relative importance of different traits and how they interact to affect forage yield. We investigated 50 farms in Gyeongsang-do areas to assess correlations among fertilizer use, soil chemical properties, and nutrient uptake. The average fertilization rates for forage barley were N-P₂O₅-K₂O = 18.9-4.1-10.4 kg 10a^-1. Correlations were observed between NPK fertilization, soil organic matter, and the nutrient content of forage barley. The average rate of potassium fertilizer application showed a correlation with the nitrogen content and yield in forage barley. Soil EC, NO₃-N and exchangeable K were correlated with the nitrogen and potassium contents in the forage barley. Based on these results, this study provides fertilizer recommendations for forage barley cultivation based on soil chemical properties and the nutrient uptake characteristics of the crop. By following these recommendations, farmers can contribute to the balanced management of soil nutrients and reduce excessive fertilizer input through the application of appropriate fertilizer rates.

Correlation among fertilizer application rates, soil chemical properties and nutrient content of Forage Barley (Hordeum vulgare L.) (n = 50).

		N fert	P fert	K fert	pH	EC	OM	NO₃-N	T-N	Avail. P₂O₅	Ex. K	Ex. Ca	Ex. Mg	$K / \sqrt{(C a + M g)}$
Yield		0.143	0.216	0.369^*	-0.039	0.158	-0.047	-0.027	0.118	-0.012	0.170	-0.085	-0.119	0.211
Nutrient content	N	0.007	0.074	0.291^*	-0.113	0.501^*	-0.217	0.434^*	-0.105	0.085	0.422^*	-0.046	0.163	0.050^*
	P	-0.056	0.082	0.174	-0.238	0.221	-0.012	0.209	0.194	0.205	0.006	-0.089	-0.065	0.036
	K	0.132	0.098	0.240	0.109	0.535^**	-0.031	0.292^*	0.067	0.182	0.626^**	0.025	0.273	0.631^**
	Ca	-0.229	-0.231	0.242	-0.070	-0.393^**	0.156	-0.205	0.208	-0.024	-0.191	-0.149	-0.091	-0.210
	Mg	0.033	-0.045	-0.114	0.072	-0.121	0.026	0.051	-0.218	0.077	-0.093	-0.008	0.209	-0.032

Pearson correlation coefficients, ^*p < 0.05, ^**p < 0.01.

Keywords

Fertilizer

Forage barley

Mineral nutrient contents

Soil chemical properties

MAIN

Introduction
Materials and Methods
청보리 재배 농가 조사 및 시료 채취
토양 이화학성 및 식물체 성분 분석
통계분석
Results and Discussion
청보리 재배지의 토양화학성, 비료사용량
청보리 식물체 무기성분 함량과 토양 화학성과의 상관관계
Conclusions

Introduction

청보리는 2000년대 중반부터 조사료 급여 및 수입 대체 목적으로 국내 동계 사료작물 활용성이 평가되었으며, 한우의 성장과 육질 향상에 청보리 사일리지가 효과가 있다고 사료 작물로서의 이용성이 보고되었다 (An et al., 2023). 청보리는 남부지방의 논 뒷그루 재배에 적합하여 전북, 전남, 충남지역 등에서 2,244 ha 이상 재배되고 있으며, 이 외에도 국내 전 지역에서 재배되고 있다 (MAFRA, 2022). 그러나 현재까지 농가에서는 표준 양분관리 지침이 없어 경험에 의존하여 시비가 이루어지고 있는 실정이다.

공익직불제 시행에 따라, 참여 농가는 공익직불법 시행규칙 제5조에 근거하여 토양검사 결과에 기반한 비료 사용량을 적용하고, 농경지의 토양화학성이 기준에 적합하도록 관리할 의무가 있다 (MAFRA, 2022). 토양환경정보시스템 (흙토람)에서는 재배면적이 큰 주요 작물에 대한 비료사용처방서를 제공하고 있으나, 소면적으로 재배하는 일부 작물에 대해서는 비료사용기준이 없어 비료 적정량 사용 지도에 어려움이 있는 실정이다 (An et al., 2024). 공익직불제의 토양 화학성분 이행점검 항목은 pH, 유기물, 유효인산, 교환성 칼륨이며, 농업환경변동조사 결과에 따르면 우리나라 밭토양의 평균 유효인산, 교환성 양이온은 적정 범위를 초과한 상태이다 (RDA, 2021). 사료용 청보리의 비료시비량은 곡실용 보리에 비해 작물의 양분흡수량이 많아 상대적으로 많은 양의 비료를 시비한다고 알려져 있다 (RDA, 2007). 현재 청보리의 시비방법으로 질소질 비료는 파종기와 이듬해 생육 재생기에 50%씩 나누어 주고, 인산과 칼리질 비료는 전량을 밑거름으로 준다. 이는 맥류의 경우 질소질 비료를 한꺼번에 많이 주면 지상부 생육이 과번무하여 식물체가 도복되기 때문에 안정적인 생산을 위해 3요소 균형시비를 권장하고 있다 (Ju et al., 2011; RDA, 2007). 토양 내 양분의 결핍 및 과잉은 작물의 수량과 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있으며 (Song et al., 2022), 사료작물의 안정적인 생산을 위해서는 적정량의 질소 공급이 필수적이다. 따라서 작물의 양분 관리를 위해서는 어떤 토양 화학성분이 수량성과 관련되고, 식물체의 양분 흡수에 영향을 미치는지 분석이 필요하다. 국외에서는 보리와 밀 재배 시 토양 화학성과 작물 양분흡수 관계를 비교한 있으며 (McDonald, 2006), 국내에서도 간척지에서 청보리 생육, 수량 및 양분흡수 관계를 나타낸 사례가 있다 (Lee et al., 2013). 최근에는 구지뽕나무, 뽕나무에서 비료사용량, 토양화학성, 양분함량간의 상관관계를 바탕으로 회귀식을 작성하여 토양검정 비료사용기준을 설정하고자 하였으며 (Song et al., 2022; Song et al., 2023), 또한 수단그라스 수량에 따른 토양화학성, 비료사용량 및 질소이용효율과의 관계를 분석한 바 있다 (Seo et al., 2024).

본 연구는 청보리 재배농가의 실태조사를 통해 비료사용량과 토양 화학성, 양분 함량간의 상관관계를 분석하였으며, 추가적으로 회귀식을 도출하여 청보리의 토양검정 비료사용기준을 설정할 수 있을 것으로 판단된다.

Materials and Methods

청보리 재배 농가 조사 및 시료 채취

청보리의 비료사용량과 수확량 조사 및 시료채취를 위해 경상남도 산청군 (13농가), 합천군 (13농가), 고성군 (9농가), 사천시 (3농가), 함안군 (3농가), 그리고 경상북도 경주시 (9농가)를 포함하여 총 50농가를 조사 대상으로 선정하였다. 조사 대상 농가의 평균 재배면적은 938 m²이었다. 비료사용량은 농가에서 사용한 유기질비료와 무기질비료 사용량을 단위면적 (kg 10a^-1)당 환산하였다. 청보리 수확량은 2022년, 2023년에 농가에서 수확한 총량을 단위면적으로 환산하였다. 청보리 식물체 시료는 호숙기에 지상부를 채취하여 분석하였으며, 토양 시료는 각 필지에서 지표면으로부터 15 cm 깊이까지의 표토를 5개 지점에서 채취하였다.

토양 이화학성 및 식물체 성분 분석

토양시료는 음지에서 7일간 풍건한 후 2 mm 체를 통과시켜 분석시료로 사용하였다. 토양 화학성분은 토양 및 식물체 분석법 (NIAST, 2000)에 준하여 분석하였다. 토양 pH와 EC는 토양과 증류수의 비율을 1:5로 하여 진탕한 후 pH meter (Orion 520A pH meter, Orion research Inc., Boston, USA), EC meter (Orion 3 STAR EC meter, Orion research Inc., Boston, USA)로 분석하였다. 유기물은 Tyurin법으로 적정하였고, 유효인산은 Lancaster법으로 비색계 (UV-1650PC, Shimadzu co., Kyoto, Japan)로 분석하였다. 교환성 양이온은 1M NH4OAc로 추출하여 ICP-OES (PerkinElmer Avio 550 Max, USA)로 분석하였고 질산태 질소는 Kjeldahl법으로 정량하였다.

청보리의 무기성분 분석은 80°C 건조기에서 24시간 건조 후 분쇄기 (RM100 Mortar Grinder, Retsch, Germany)를 사용하여 270 mesh로 조제한 후 건물 0.5 g을 습식 분해하여 농촌진흥청 토양 및 식물체 분석법으로 분석하였다 (NIAST, 2000). 분석된 양분함량은 전체 식물체의 건물량으로 환산하여 청보리의 양분 흡수량을 산정하였다.

통계분석

청보리 재배농가의 비료사용량, 수확량, 식물체 양분함량, 토양화학성은 Pearson correlation으로 상관관계를 구하였다. 통계프로그램 SAS 9.4 (SAS Institute Inc., USA)를 이용하였다.

Results and Discussion

청보리 재배지의 토양화학성, 비료사용량

청보리 재배지의 평균 토양화학성 분석 결과, 유기물함량은 평균 34 g kg^-1, 유효인산 287 mg kg^-1이었으며, 교환성칼슘과 마그네슘 함량은 각각 6.7 cmol_c kg^-1, 1.3 cmol_c kg^-1로 나타났다. 토양 pH는 적정범위가 36% 수준에 이었으며, 52%에서 적정범위보다 낮게 나타났는데, 일부 농가에서는 벼 재배 후 논토양에서 재배함에 따라 적정범위보다 낮게 나타난 것으로 판단된다. 유기물은 64%가 적정범위를 초과하였으며, 반면에 유효인산은 72%에서 적정범위보다 낮게 나타났고, 교환성 칼륨과, 마그네슘은 각각 52%, 68%로 적정범위보다 낮게 나타났다 (Table 1). 작물의 원활한 양분흡수를 위해서는 토양의 pH를 적정 수준으로 유지하는 것이 중요하므로, 토양검정을 통해 주기적으로 석회질 비료를 시용할 필요가 있다.

Table 1

The average chemical properties and distribution of soils cultivated with Forage Barley (Hordeum vulgare L.) (n = 50).

		pH (1:5)	EC (dS m^-1)	OM (g kg^-1)	NO₃-N (mg kg^-1)	T-N (g kg^-1)	Avail. P₂O₅ (mg kg^-1)	Exch. cations (cmol_c kg^-1)
		pH (1:5)	EC (dS m^-1)	OM (g kg^-1)	NO₃-N (mg kg^-1)	T-N (g kg^-1)	Avail. P₂O₅ (mg kg^-1)	K	Ca	Mg
Average ± SD¹ (range)		6.2 ± 0.8 (4.9 - 8.5)	0.4 ± 0.4 (0.1 - 2.1)	34 ± 10.1 (11.9 - 55.1)	7.4 ± 10.4 (0.3 - 71.2)	0.2 ± 0.1 (0 - 0.4)	287 ± 241.3 (20 - 1366)	0.70 ± 3.03 (0.07 - 3.03)	6.7 ± 4.5 (2.8 - 27.5)	1.3 ± 0.6 (0.4 - 3.3)
Optimum range²		6.0 - 7.0	≤2.0	20 - 30	-	-	300 - 500	0.5 - 0.8	5.0 - 6.0	1.5 - 2.0
Distribution of soil samples (%)	Sub optimal	52.0	-	4.0	-	-	72.0	52.0	38.0	68.0
	Optimal	36.0	-	32.0	-	-	14.0	12.0	24.0	24.0
	Super optimal	12.0	-	64.0	-	-	14.0	36.0	38.0	8.0

¹Standard deviation;

²Optimum range of chemical properties in the upland soils (NIAS, 2022).

청보리 재배지의 평균 수량은 3,144 kg 10a^-1이며, 조사된 50농가 중 24농가에서 이탈리안 라이그라스와 혼파하여 재배하고 있었다 (Table 2). 간척지 밭토양에서 청보리 재배 시 28.1 - 33.8 ton ha^-1의 수확량을 보여, 본 연구 결과와 유사한 수준임을 확인하였다 (Lee et al., 2014).

Table 2

The yield and nutrient uptake of Forage Barley (Hordeum vulgare L.) (n = 50).

	Yield (kg 10a^-1)	Amount of fertilizer application (kg 10a^-1)			Nutrient uptake of plant (kg 10a^-1)
		N	P₂O₅	K₂O	N	P₂O₅	K₂O	CaO	MgO
Maximum	9,439	59.1	10.2	28.3	34.1	22.6	48.1	10.5	3.0
Minimum	397	0	0	0	1.4	0.8	2.1	0.4	0.2
Average ± SD¹	3,144	18.9 ± 10.6	4.1 ± 2.6	10.4 ± 10.5	12.7 ± 7.0	6.6 ± 3.7	18.5 ± 10.8	2.8 ± 2.5	1.6 ± 1.0

¹Standard deviation.

청보리 재배농가의 화학비료 공급량과 액비성분함량 환산값을 합산한 평균 비료사용량은 N-P₂O₅-K₂O = 18.9-4.1-10.4 kg 10a^-1로서, 작물별 비료사용처방 (NIAS, 2022)의 청보리 비료 표준사용량인 N-P₂O₅-K₂O = 12-10-10 kg 10a^-1와 비교하였을 때 칼리를 제외한 질소는 과다 투입되고 있었으며, 인산은 적게 투입되고 있었다. 이탈리안 라이그라스 등 사료작물은 대체로 질소 요구량이 높으나 (NIAS, 2022), 질소 비료를 과다하게 사용하지 않도록 주의가 필요할 것으로 사료된다.

농가의 비료사용량과 토양 화학성의 상관관계를 분석한 결과는 Table 3과 같다. 질소 비료는 토양화학성과 유의한 상관관계를 보이지 않았고, 인산 비료는 EC와 양의 상관을 보였으며, 유기물함량과는 Song et al. (2022)이 보고한 바와 같이 음의 상관을 나타났다. 칼리 비료는 pH, 유기물함량과 음의 상관, EC와 양의 상관관계를 보였다 (p < 0.05). 칼리는 염화칼리나 황산칼리 모두 생리적으로 산성비료이기 때문에 토양 pH와 부의상관을 보인 것으로 판단된다 (Kim et al., 2022). 노지 밭에서 질소 비료는 토양에 잔류하기보다 휘산되거나 용탈되기 쉬워 토양 무기태질소와 총 질소와 유의한 상관을 보이지 않은 것으로 판단되며 (Lim et al., 2014), 질소보다 상대적으로 이동성이 적은 인산과 칼리 비료는 토양의 총 이온함량과 관련있는 EC와 상관관계가 있는 것으로 판단된다.

Table 3

Correlation between soil chemical properties and fertilizer application rates of Forage Barley (Hordeum vulgare L.).

	pH	EC	OM	NO₃-N	T-N	Avail. P₂O₅	Ex. K	Ex. Ca	Ex. Mg
N fert.¹	-0.211	0.150	-0.124	0.042	-0.187	-0.076	0.099	-0.187	-0.263
P fert.	-0.214	0.270^*	-0.338^*	0.058	-0.142	-0.243	0.084	-0.163	-0.259
K fert.	-0.285^*	0.454^*	-0.324^*	0.234	-0.145	-0.098	0.247	-0.203	-0.272^*

¹Fertilizer application rates; Pearson correlation coefficients,

^*p < 0.05.

청보리 식물체 무기성분 함량과 토양 화학성과의 상관관계

청보리의 평균 양분흡수량은 N-P₂O₅-K₂O = 13-7-18 kg 10a^-1, CaO와 MgO는 각각 3, 2 kg 10a^-1 이었다. 청보리 수확기에 채취한 식물체의 평균 무기성분함량은 N 1.5%, P 0.8%, K 2.1%, Ca 0.4%, Mg 0.2% 이었으며 (Table 4), 기존 연구결과로 보고된 청보리의 식물체 무기성분 함량 순서인 K₂O>N>P₂O₅>CaO>MgO와 비슷한 양상을 보였다 (Lee et al., 2013)

Table 4

The average and range of nutrient contents in Forage Barley (Hordeum vulgare L.) (n = 50).

	N (%)	P (%)	K (%)	Ca (%)	Mg (%)
Forage Barley	1.5 ± 0.48 (0.7 - 2.6)	0.8 ± 0.12 (0.5 - 1.2)	2.1 ± 0.70 (0.9 - 3.9)	0.4 ± 0.30 (0.1 - 1.5)	0.2 ± 0.03 (0.1 - 0.3)

청보리 재배지의 비료사용량, 토양화학성과 수량, 식물체 무기성분 간에 상관관계를 구하였다 (Table 5). 청보리 수량은 질소와 인산 비료와 유의한 상관이 없었으나, 칼리 비료와 정의 상관 관계를 보였다. 이와 유사하게 칼륨 공급량이 청보리의 이삭수, 낟알 수, 낟알 무게 등 주요 수량 구성요소에 영향을 미친다고 보고된 바 있다 (Azzawi et al., 2021).

Table 5

Correlation among fertilizer application rates, soil chemical properties and nutrient content of Forage Barley (Hordeum vulgare L.) (n = 50).

		N fert.¹	P fert.	K fert.	pH	EC	OM	NO₃-N	T-N	Avail. P₂O₅	Ex. K	Ex. Ca	Ex. Mg	$K / \sqrt{(C a + M g)}$
Yield		0.143	0.216	0.369^*	-0.039	0.158	-0.047	-0.027	0.118	-0.012	0.170	-0.085	-0.119	0.211
Nutrient content	N	0.007	0.074	0.291^*	-0.113	0.501^*	-0.217	0.434^*	-0.105	0.085	0.422^*	-0.046	0.163	0.050^*
	P	-0.056	0.082	0.174	-0.238	0.221	-0.012	0.209	0.194	0.205	0.006	-0.089	-0.065	0.036
	K	0.132	0.098	0.240	0.109	0.535^**	-0.031	0.292^*	0.067	0.182	0.626^**	0.025	0.273	0.631^**
	Ca	-0.229	-0.231	0.242	-0.070	-0.393^**	0.156	-0.205	0.208	-0.024	-0.191	-0.149	-0.091	-0.210
	Mg	0.033	-0.045	-0.114	0.072	-0.121	0.026	0.051	-0.218	0.077	-0.093	-0.008	0.209	-0.032

¹Fertilizer application rates; Pearson correlation coefficients,

^*p < 0.05,

^**p < 0.01.

토양화학성은 전반적으로 청보리의 무기성분 함량과 유의한 상관관계를 나타내었으며, 식물체의 질소와 칼륨함량은 토양의 EC, 질산태질소, 교환성칼륨, $K / \sqrt{(C a + M g)}$ 과 정의 상관관계를 보였다. 식물이 칼륨을 흡수할 때 질산태질소는 동반 이온으로 같이 이동하며, 질산태질소의 흡수는 칼륨 흡수를 증진시킨다고 보고된 바 있다 (Song et al., 2023). 또한 질소는 인, 칼륨 등 다량원소와 상승관계가 있기 때문에 (Rietra et al., 2017), 토양 전반적인 비옥도가 청보리의 양분 흡수에 복합적으로 영향을 미친 것으로 보여진다. 특히 토양의 질산태질소 함량이 높을수록 청보리의 질소 함량이 증가하는 경향을 보였는데, 질소 시비량이 증가할수록 청보의 출수 및 성숙기가 지연되고 도복도 다소 발생하였으며 (Kim et al., 2009), 맥주보리의 경우 질소 이용효율이 감소한 사례가 보고한 바 있어 (Kassie et al., 2019), 청보리의 질소 적정 수준 유지가 필요할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구는 청보리 재배지를 대상으로 농가의 비료사용량, 토양화학성, 양분 함량 간의 상관관계를 분석하였으며, 비료사용기준을 설정하기 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Conclusions

청보리 재배지의 질소비료 평균사용량은 과다하게 공급하는 경향을 나타낸 반면, 인산비료의 평균사용량은 표준사용량에 비해 적게 투입되는 경향이었다. 청보리 재배지의 비료사용량, 토양화학성과 식물체 무기성분 간의 상관관계를 확인하였으며, 청보리 재배농가의 칼리 비료사용량은 청보리의 질소함량과 수량 간의 정의 상관을 보여 사용한 칼리비료는 청보리에 흡수되어 수량에 영향을 미치는 것으로 확인할 수 있었다. 토양 화학성 중 EC, 질산태질소, 교환성칼륨은 청보리의 질소, 칼륨함량과 상관관계를 보여 청보리의 양분 흡수에 영향을 미친 것으로 나타났다.

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

Je HJ: Writing-original draft, Data curation, Visualization, Cho HJ: Data curation, Lee MJ: Validation, Resources, Jin YM: Data curation, Writing-review & editing, Lee YH: Supervision, Writing-review & editing, Lee YJ: Supervision, Conceptualization.

Data Availability

Data will be provided on reasonable request.

Acknowledgements

This work was supported by “Research Program for Agriculture Science & Technology Development (project No.PJ01557709)”, Rural Development Administration, Republic of Korea.

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Korean Journal of Soil Science and Fertilizer ISSN:0367-6315(Print) 2288-2162(Online) 한국토양비료학회 학회지

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Correlation between fertilizer application, soil chemical properties and mineral nutrient contents in Forage Barley (Hordeum vulgare L.)

ABSTRACT

Correlation among fertilizer application rates, soil chemical properties and nutrient content of Forage Barley (Hordeum vulgare L.) (n = 50).

MAIN

Table 1

The average chemical properties and distribution of soils cultivated with Forage Barley (Hordeum vulgare L.) (n = 50).

Table 2

The yield and nutrient uptake of Forage Barley (Hordeum vulgare L.) (n = 50).

Table 3

Correlation between soil chemical properties and fertilizer application rates of Forage Barley (Hordeum vulgare L.).

Table 4

The average and range of nutrient contents in Forage Barley (Hordeum vulgare L.) (n = 50).

Table 5

Correlation among fertilizer application rates, soil chemical properties and nutrient content of Forage Barley (Hordeum vulgare L.) (n = 50).

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References