Article

Korean Journal of Soil Science and Fertilizer. 30 November 2021. 504-513
https://doi.org/10.7745/KJSSF.2021.54.4.504

ABSTRACT


MAIN

  • Introduction

  • Materials and Methods

  •   대상작물 및 토양

  •   재배시험 및 조건

  •   통계분석

  • Results and Discussion

  •   PAM 처리 유무가 작물의 생육에 미치는 영향

  •   PAM 농도가 작물의 생육에 미치는 영향

  •   PAM 종류가 작물의 생육에 미치는 영향

  • Conclusions

Introduction

토양 유실은 작물이 생육하는 기반인 토양의 물리화학성을 악화시켜 농업과 임업 등의 생산 및 경제적 활동을 저해할 뿐만 아니라 토양자원의 감소로 인해 토양비옥도를 저하시키는 요인으로 작용한다 (Choi et al., 2012; Ministry of Environment, 2012). 특히, 해안가에 위치하는 간척지 내 농경지의 경우 내륙지역에 비해 바람이 강하며 본격적 작물재배가 시작되기 전인 2 - 3월의 풍속이 빠르기 때문에 나지 상태에서의 토양표면의 유실 (풍식)이 우려된다 (Jung et al., 2004). 풍식에 의해 비산된 토양은 인근 하우스 재배지에 낙하하여 투광성을 저하시켜 생산성을 감소시키고 인간과 가축의 호흡기 질환을 발생시키는 등 2차 오염의 원인이 되기도 한다 (Hwang et al., 2008). 이러한 문제의 대책으로 고분자응집제 (polyacrylamide, PAM)의 사용을 고려할 수 있다. PAM은 강력한 흡착관능기를 가지는 유기화합물로 전하를 띠는 미세입자를 결합시키는 능력이 있으며 비용이 저렴하고 처리가 용이하기 때문에 토양물리성 개량, 토양유실 저감, 농업비점오염 저감 등 농업분야에서 다양하게 사용되고 있다 (Green et al., 2000; Choi et al., 2016; Kim et al., 2017). 우리나라 뿐만 아니라 미국의 경우에도 약 40,000 ha에 달하는 농지에서 폭넓게 사용되고 있다 (Sojka et al., 2007). 일반적으로 농업분야에서 사용하는 PAM은 수중 동물들에게 독성이 없는 음이온성을 주로 사용하고 있으며 환경 및 건강상 위해 요인이 거의 없는 것으로 보고되어 있다 (Barvenik, 1994; Sojka et al., 2007). 이러한 PAM을 효율적으로 사용하기 위해 과거 많은 연구가 수행 되었지만 주로 농경지의 사면보호 및 토양유실 방지 등 비점오염을 저감하기 위한 연구가 대부분이다 (Choi et al., 2009; Kim et al., 2013, 2015). 또한 PAM이 토양물리성에 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구도 일부 수행되었으나 (Levy et al., 1992; Wang et al., 2005), PAM이 작물의 생육에 미치는 영향에 대한 고찰은 충분치 않다. 본 연구에서는 풍식의 우려가 큰 간척지 내 농경지에서 재배되는 작물 (콩, 옥수수, 보리)에 PAM의 종류와 농도에 따라 적용하여 유묘기 생육에 미치는 영향을 평가하였다.

Materials and Methods

대상작물 및 토양

본 연구의 대상 작물은 “간척지 영농에 적합한 작물과 재배정보 고시 (RDA, 2018)”에 근거하여 재배면적이 비교적 많은 3종의 작물 콩 (품종: 대찬), 옥수수 (품종: 일미찰), 보리 (품종: 유호)로 선정하였다. 작물의 초기 생육시험에 사용한 토양은 김제시 새만금간척지구 내에 위치한 농촌진흥청 광활시험지 내 밭 (북위 35°49'45", 동경 126°41'06") 토양으로 광활시험지는 새만금간척지구 제5공구에 포함되어 2018년에 조성되었으며 광활면의 서쪽에 위치하고 있다 (Fig. 1). 토성은 비중계법 (Gee and Bauder, 1986)에 따라 토양입자분포 (soil particle distribution) 산정 후 미국 농무성 (United States department of agriculture, USDA) 기준으로 분류한 결과 양질사토 (loamy sand, 모래 76.4%, 실트 20.3%, 점토 3.3%)로 나타났으며, 간척지 토양 특성상 점토 비율이 상대적으로 낮다. 토양과 증류수의 비율을 1:5로 추출하여 측정한 EC는 0.2 - 0.3 dS m-1 정도이다.

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Fig. 1.

Location of study area in Gwanghwal-myeon, Gimje-si, Jeollabuk-do.

재배시험 및 조건

간척지에서 채취한 토양을 5 mm체로 선별하여 토양 내 잔유물 및 자갈 등을 제거하였다. 선별된 토양을 플라스틱 재질의 컵포트 (D 100 mm × H 150 mm)에 충전하고 각각의 작물에 대해 외부 환경변화에 민감한 유묘기 (파종 후 21일)까지 재배하였다. 비료처리는 농촌진흥청 작물별 비료사용처방 (4차 개정판)에 의거하여 적용하였다 (Table 1). 생육시험은 총 3회 수행하였으며, 각 회차마다 완전임의배치법을 적용하였다. 포트 시험에 적용한 고분자응집제는 국내 제조 또는 국내에서 구입이 용이한 5종 (A, B, C, D, E)을 선정하였으며, 주로 음이온성으로 비중이 20°C기준 0.86 - 1.15 g cm-3이며 비산먼지억제제로 사용하는 제품으로 하였다. 살포량은 농도를 5단계 (10, 20, 30, 50, 100 mg L-1)로 설정하고 파종 직후 각 작물별 표면 1.0 mm에 해당하는 양을 고르게 살포하였다 (콩, 옥수수: 4.5 mL, 보리: 4.0 mL). 무처리 포트는 PAM을 살포하지 않고 동일한 방법으로 재배하였다. 이를 통해 PAM 종류 및 농도가 작물의 초기 생육 (초장, 생체중량)에 미치는 영향을 조사하였다. 초장 및 생체중량은 식물체 지제부 기준으로 지상부를 대상으로 비교하였다. 초기 관수량은 콩, 옥수수의 경우 75 mL (약 9.5 mm), 비교적 뿌리가 얕아 포트에 충전한 흙이 적은 보리는 45 mL (약 5.7 mm)로 설정하였으며 매일 포트의 중량을 측정하여 소비된 양을 보충하였다. 또한 작물이 외부환경에 민감하게 반응할 수 있으므로 환경 제어가 가능한 유리 온실에서 재배 실험을 실시하였다 (Fig. 2).

본 연구에서 콩의 발아율을 85.6% (77/90), 옥수수의 발아율은 80.0% (72/90), 보리의 발아율은 98.3% (59/60)로 나타났다. 콩과 옥수수는 3반복 시험 모두 초장과 생체중량이 통계적으로 같은 그룹으로 확인되어 77개, 72개의 데이터를 획득하였으나 보리의 초장과 생체중량은 1차 반복 시험이 2 - 3차 결과와 통계적인 차이가 확인되어 1차 시험의 결과는 제외하고 59개의 데이터에 대해 분석을 실시하였다.

Table 1.

Experimental setup for cereal crop cultivation.

Treatment Soybean Maize Barley
Soil filling (g) 250 250 150
Fertilizer supply (kg 10a-1) N:P:K = 3.0:3.0:3.2 N:P:K = 15.8:3.0:6.3 N:P:K = 7.6:6.6:3.0
Initial irrigation amount (g) 75 75 45

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Fig. 2.

Example of barley cultivated in PAM treated soil pots and its experimental progress.

통계분석

고분자응집제의 종류 및 농도별 처리 유무가 각 작물의 초장 및 생체중량에의 평균에 대한 통계적 차이가 나타나는지 분산분석을 실시하였다. 분산분석의 사후검증은 평균을 크기순으로 정렬하여 평균의 위치에 따라 서로 다른 기준 값을 적용하여 유의 차가 인정될 때 어느 것과 차이가 있는지를 분석하는 Duncan’s multiple range test를 적용하였다. 통계분석은 SAS Enterprise 7.1 (SAS Institute, USA) 프로그램을 이용하였으며, 유의수준은 0.05를 기준으로 분석하였다. 초장 및 생체중량의 통계분석은 작물에 따라 무처리와 PAM 처리 전체에 대한 분석, PAM 농도에 따른 분석 그리고 PAM의 종류에 따른 분석으로 구분하여 진행하였다. 또한 농도에 따른 분석에 상관관계 분석과 Curve Expert Professional 2.2.0 software (Hyams Development, USA)을 활용한 회귀공식의 결정계수로 PAM 농도가 작물의 초기생육에 미치는 영향을 추가적으로 검토하였다.

Results and Discussion

PAM 처리 유무가 작물의 생육에 미치는 영향

콩의 평균 초장과 생체중량은 무처리 31.1 cm와 1.69 g, PAM 처리 30.2 cm와 1.72 g으로 -0.9 cm, +0.03 g으로 나타났으며 95% 신뢰수준에서 통계적으로 유의한 차이는 나타나지 않았다 (Fig. 3). 옥수수의 평균 초장과 생체중량은 무처리 57.2 cm와 3.25 g, PAM 처리 60.3 cm와 3.66 g으로 +3.1 cm, +0.41 g으로 PAM 처리에 따라 증가하였으나, 통계적으로 유의한 차이는 없었다 (Fig. 3). 보리의 평균 초장과 생체중량은 무처리 18.9 cm와 0.247 g, PAM 처리 19.3 cm와 0.255 g으로 +0.4 cm, +0.008 g으로 나타났으며 통계적으로 유의한 차이는 나타나지 않았다 (Fig. 3).

농경지에 토양유실 방지를 위해 PAM을 처리하면 토양의 입단화로 인해 통기성 및 보수성이 향상되어 작물의 생육에 긍정적 효과가 보고된 사례가 있다 (Rubio et al., 1992; Flanagan et al., 2003). 그러나 본 연구에서는 토양의 입단 구조 및 토양의 수분을 측정하기 어려운 포트 재배 시험으로 토양의 물리성 개선과 관련된 조사를 수행하기 어렵다. 따라서 작물의 초기 생육에 PAM의 처리가 긍정적인 영향을 주었다고 단정할 수 없지만, 초장 및 생체중량이 무처리 포트와 통계적인 차이가 없으므로 작물의 초기 생육을 PAM 처리가 방해하지 않는 것으로 판단할 수 있다. 그러나 작물의 최종적인 결과물은 초장 및 생체중량이 아닌 수확량이므로 PAM 처리에 따른 작물의 중 ‧ 후기 생육 및 수확량까지 확인할 수 있는 연구가 꾸준히 진행되어야 간척지 내 농경지에서 PAM 처리가 가져오는 긍정적인 효과를 검증할 수 있을 것이다.

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Fig. 3.

Changes in plant length and fresh weight of each crop at control and PAM-treated pots.

PAM 농도가 작물의 생육에 미치는 영향

PAM의 처리를 하나의 집단으로 볼 때 무처리와 통계적으로 차이가 나타나지 않았으나 농도에 따른 차이가 나타나는지 확인할 필요가 있다. 콩의 평균 초장은 농도 30 mg L-1에서 33.6 cm로 가장 높게 나타났고, 100 mg L-1에서 가장 낮은 26.3 cm로 조사되었다 (Fig. 4). 30 mg L-1과 100 mg L-1은 통계적으로 유의한 차이가 나타났으나, PAM 농도에 따른 콩의 초장은 무처리 31.1 cm와 비교할 때 통계적인 차이가 없는 것으로 분석되었다. 또한 콩의 평균 생체중량도 초장과 비슷한 결과를 나타내었는데 최댓값인 30 mg L-1 (1.88 g)과 최솟값인 100 mg L-1 (1.51 g)사이에서 통계적인 차이가 나타나지는 않았다 (Fig. 4).

옥수수의 평균 초장은 통계적으로 모두 같은 그룹으로 평가되었으나, 10 mg L-1 (56.5 cm)에서 무처리 (57.2 cm)보다 낮은 결과가 나타났다. 옥수수의 평균 생체중량은 무처리 (3.25 g)보다 모든 처리에서 약 0.4 g 이상 무겁게 나타났으나, 통계적인 차이를 보이지는 않았다 (Fig. 4).

보리의 평균 초장은 10 mg L-1에서 20.1 cm로 가장 컸으며, 20 mg L-1에서 17.9 cm로 가장 낮았고, 무처리는 18.9 cm로 조사되었다. 무처리와 모든 PAM 처리에서 통계적인 차이는 나타나지 않았으나, 10 mg L-1와 20 mg L-1사이에는 통계적인 차이가 나타났다. 보리의 평균 생체중량은 초장과 비슷한 결과로 나타났는데 최댓값인 10 mg L-1 (0.0303 g)과 최솟값인 20 mg L-1 (0.0247 g)사이에서 통계적인 차이가 있었다 (Fig. 4). 이러한 결과로부터, PAM의 농도가 작물의 초기생육에 영향을 미친다고 판단하기에는 어려울 것으로 사료 된다.

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Fig. 4.

Response of plant length and fresh weight of each crop with a change of PAM concentration.

본 연구에서는 PAM 처리 농도변화에 대한 초장과 생체중량과의 상관관계를 분석하여 농도변화가 각각에 대해 어떠한 영향을 미치는가에 대한 추가적 검토를 실시하였다. 그 결과 PAM의 처리 농도에 대하여 콩의 초장은 약한 음의 상관관계 (-0.22902)가 나타났고, p값이 0.0451이므로 통계적으로 유의한 결과를 얻을 수 있었다 (Table 2).

Table 2.

Results of pearson correlation coefficient analysis.

Crops Length Weight
Soybean (n = 77) -0.22902 (0.0451) -0.18444 (0.1083)
Maize (n = 72) 0.20848 (0.0788) 0.18261 (0.1247)
Barley (n = 59) 0.01583 (0.9053) -0.01394 (0.9166)

상관분석의 결과를 바탕으로 PAM의 처리 농도가 콩의 초장에 영향을 주는지 CurveExpert Professional 2.2.0 program을 활용하여 다양한 회귀공식의 결정계수를 확인하였으나 (Fig. 5) 결정계수 (R2)가 0.1이하로 낮게 나타났다 (Table 3). 농도가 높아질수록 콩의 초장이 작아지는 경향이 보였으나, 결정계수로 볼 때 단정하기는 어려울 것으로 판단된다. 본 연구에서 PAM 처리농도를 100 mg L-1 이하로 한정하였으며, 100 mg L-1 이하의 농도를 사용할 경우 PAM의 사용과 콩의 생육에 문제가 없는 것으로 사료된다.

그러나 100 mg L-1 정도의 고농도의 PAM은 제조 및 살포 효율이 떨어지기 때문에 풍식저감 효과를 병행하여 검증하고, 적절한 살포량에 대한 추가적 조사가 필요할 것으로 판단된다.

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Fig. 5.

Computational result of regression models and its best fit curve (Rank 1 - 6).

Table 3.

Equation of regression curves of best fit.

Model Equation Std_err R2
Sinusoidal y = a + b × cos(c × x + d)
a = 3.026532, b = 3.026532, c = 0.047387, d = -1.174127
7.099753 0.075228
DR-Hill y = alpha + theta × x^eta/(kappa^eta + x^eta)
alpha = 31.506060, theta = -5.186061, eta = 30.302468, kappa = 50.733408
7.107442 0.073224
Rational Model y = (a + b × x)/(1 + c × x + d × x^2)
a = 30.589926, b = 0.210720, c = 0.003657, d = 0.000061
7.112078 0.072014
Reciprocal Quadratic y = 1/(a + b × x + c × x^2)
a = 0.032534, b = -0.000069, c = 0.000001
7.066285 0.071377
Gaussian Model y = a × exp(-(x-b)^2/(2 × c^2))
a = 31.618498, b = 27.568291, c = 117.924149
7.067858 0.070964
Farazdaghi- Harris y = 1/(a + b × x^c)
a = 0.031880, b = 0.000000, c = 3.103194
7.080584 0.067615
Ratkowsky Model y = a/(1 + exp(b-c × x))
a = 31.414076, b = -6.333902, c = -0.046980
7.085091 0.066428
Exponential
Association 3
y = a × (b-exp(-c × x))
a = 1.976678, b = 17.059668, c = -0.013000
7.105426 0.061061
Linear y = a + b × x
a = 32.008808, b = -0.048974
7.090188 0.052450
Exponential y = a × exp(b × x)
a = 32.010295, b = -0.001614
7.095534 0.051021
Modified Power y = a × b^x
a = 32.010296, b = 0.998387
7.095534 0.051021
Exponential Decline y = q0 × exp(-x/a)
q0 = 32.010304, a = 619.623570
7.095534 0.051021
Bleasdale y = (a + b × x)^(-1/c)
a = 0.996862, b = 0.000001, c = 0.000907
7.143321 0.051019
Harmonic Decline y = q_0/(1 + x/a)
q_0 = 32.006172, a = 590.266350
7.100947 0.049572
Reciprocal y = 1/(a + b × x)
a = 0.031244, b = 0.000053
7.100947 0.049572
Logistic y = a/(1 + b × e^(-cx))
a = 0.005680, b = -0.999823, c = 0.000000
7.148766 0.049572
Lowess Smoothing y = Lowess 7.163768 0.045579
MMF y = (a × b + c × x^d)/(b + x^d)
a = 32.116610, b = 185.093328, c = 19.285766, d = 1.001950
7.218435 0.044052

PAM 종류가 작물의 생육에 미치는 영향

토양유실 저감 등에 PAM을 사용할 경우 토양입자 표면의 흡착성에 따라 효과가 결정된다. 이러한 흡착성은 PAM의 분자량 (molecular weight), 전하 (charge), 전하밀도 (charge density) 등 PAM의 특성과 토성, 유기물 함량, 토양용액의 이온 형태 등의 영향을 받는다. 또한 PAM은 1몰 (mole)당 수천 그램 (g)에서 20 Mg까지 분자량이 다양하며, 분자량이 증가할수록 폴리머 사슬 (polymer chain) 길이와 PAM 용액의 점성 또한 증가하는 특징이 있다 (Barvenik, 1994). 따라서 제조사 (manufacturer)마다 PAM의 특성이 다를 수 있으므로 PAM의 종류에 따른 초기생육 영향 유무를 분석하였다.

콩과 옥수수 그리고 보리의 초장 및 생체중량의 평균값의 크기는 종류에 따라 다르게 나타났으나, 무처리 및 종류에 따른 통계적인 차이는 나타나지 않았다 (Fig. 6). 또한 평균값의 크기가 작물마다 동일한 경향을 보이지 않았는데 이는 작물의 초기 생육에 현재 사용한 PAM의 종류가 큰 영향을 주지 않는다고 판단할 수 있다. 따라서 간척지 내 농경지의 풍식 및 비산먼지의 저감을 위한 PAM의 사용은 작물보다는 저감 효율에 초점이 맞추어 진행될 필요가 있을 것으로 판단되며, 향후 간척지 내 토양에서 PAM의 종류에 따라 살포하여 풍식 및 비산먼지 저감 효율을 정량적으로 평가하는 과정이 필요할 것이다.

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Fig. 6.

Response of plant length and fresh weight of each crop with a change of PAM products.

Conclusions

본 연구는 간척지 내 농경지에서 많이 재배되는 콩, 옥수수, 보리를 대상으로 PAM 살포시 작물의 초기 생육에 미치는 영향을 확인하기 위하여 수행하였다. 실험 처리는 PAM의 종류와 농도로 계획하였으며 정형화된 포트에 표면 1.0 mm에 해당하는 PAM을 살포하고 동일한 조건의 유리 온실에서 21일간 재배 후 초장 및 생체중량의 평균에 대한 통계적 차이가 나타나는지 분산분석을 실시하였다. 무처리와 비교할 때 PAM의 종류와 농도변화에 따른 콩, 옥수수, 보리의 초장 및 생체중량의 평균값은 통계적인 차이를 보이지는 않았다. 그러나 PAM 처리 농도가 높아질수록 콩의 초장이 감소하는 경향이 나타나 상관관계 분석을 수행하였으며, 통계적으로 약한 음의 상관관계 (-0.22902)가 검증되었다. 감소추세를 검토하기 위하여 다양한 회귀공식을 적용하였으나 결정계수가 대부분 0.1이하로 낮게 나타나 설정한 100 mg L-1까지의 PAM 사용에 따른 작물의 초기생육에는 지장을 준다고 판단하기 어려울 것으로 사료된다. 또한 100 mg L-1 정도의 고농도의 PAM은 제조 및 살포가 용이하지 않기 때문에 농도에 따른 풍식저감 효과를 병행하여 검증한다면 효율적인 PAM 농도 설정이 가능할 것으로 기대된다.

Acknowledgements

This study was financially supported by a grant from the research project (No. PJ014244032021) of National Institute of Agricultural Sciences, Rural Development Administration, Republic of Korea.

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