Introduction
우엉 (Arctium lappa L.)은 아시아와 유럽 지역에서 자생하는 약용작물로서 뿌리채소로 이용하거나 가공하여 다양한 식품으로 활용하고 있으며, 우엉 뿌리는 생리활성물질인 당류성 이눌린 (inulin) 함량이 높아 혈당 상승을 억제하여 당뇨환자에 유익한 것으로 알려져 있다 (Douglas et al., 1992; Kaur and Gupta, 2002; Lee et al., 2003). 우리나라의 우엉 재배면적은 약 220 ha로서 연간 4,700여 톤이 생산되고 있으며, 근채류 중 재배면적과 생산량이 급격히 증가하고 있는 추세이다 (MFAFF, 2014).
우엉의 생산성을 높이기 위해서는 적정량의 양분을 공급하는 것이 중요한데, 일반적으로 질소는 작물생육 제한인자로서 적정수량을 생산하는데 필수적으로 요구되는 원소이다 (Mengel and Kirkby, 1978). 질소 비료가 괴경이나 뿌리 부분을 수확하는 작물의 수량 및 품질에 미치는 영향을 보면, 질소 시용이 최적 크기의 감자 생산과 전분 함량에 영향을 미친다고 하였고 (Salunkhe et al., 1991), 무는 질소 180~200 kg ha-1를 시용했을 때 뿌리의 크기가 가장 컸다고 보고된 바 있다 (Lim et al., 2010; Pervez et al., 2004). 또한, 작물 뿌리 생육과 질소의 관계를 보면 토양 중 질소 유효도의 증가에 따라 토마토와 곡류의 뿌리 생육이 증가한다고 하였으며 (Garton and Widders, 1990; Weston and Zandstra, 1989), 질소 비료의 표층시비는 토양 표층의 토마토 뿌리 밀도를 증가시킨다고 하였다 (Hoad et al., 2001). 그러나 과다한 질소 공급은 작물의 무기성분 함량이나 과수의 과실 색 등 품질과 관련되는 성분들을 감소시킬 수 있다 (Albornoz, 2016; Wang and Cheng, 2011). 벼는 질소 시비량이 증가할수록 잎, 줄기, 쌀의 총질소 함량은 증가하지만 Mg/K 당량비는 감소하였으며 (Song et al., 2006), 사탕무의 경우, 질소 공급이 충분할 때 최적의 수량을 얻을 수 있으나 과다한 질소 공급은 사탕무의 품질을 저하시킬 수 있다고 보고된 바 있다 (Blumenthal et al., 2008). 과수류는 질소 과다 시용이 수용성 당, Mg, Ca 함량을 감소시키고, 산도를 증가시켜 영양학적 품질을 저하시킨다고 하였다 (Wang et al., 2008). 따라서 우엉 재배지의 적정 질소사용량을 설정하기 위해서는 질소 시용에 따른 우엉의 뿌리 생육과 품질과 관련된 유효성분을 평가할 필요가 있다.
본 연구에서는 질소 시용수준에 따른 우엉의 수량을 조사하였고, 우엉 뿌리의 이눌린 함량과 관련된 유리당을 분석하여 질소 시용이 우엉 뿌리의 품질에 미치는 영향을 보고자 하였다.
Materials and Methods
시험포장 및 경종개요 본 실험은 경상북도 안동시 풍천면의 농가 포장에서 수행되었다. 시험포장의 토양통은 낙동통으로 토심이 깊고 사질인 토양이었으며, 토양 화학성은 일반 밭토양에 비해 pH와 인산함량이 다소 높았다 (Table 1 ). 우엉은 장근종인 용야천으로 2015년 4월 6일 파종하여 10월 6일에 수확하였다. 처리구는 단구제로 구당 면적은 90 m2 이었으며, 처리구 당 3반복씩 채취하여 분석하였다.
시험구 처리내용 시험구는 관행 비료 사용량인 N-P2O5- K2O (230-140-210 kg ha-1)를 기준으로 인산, 칼리 시용량은 고정하고 질소 시용량을 0, 50 (N 115 kg ha-1), 100 (N 230 kg ha-1), 150 (N 345 kg ha-1), 200% (N 460 kg ha-1) 수준으로 처리하였으며, 질소비료는 요소, 인산은 용성인비, 칼리는 염화칼리로 시용하였다. 밑거름은 각 처리구 시용량에 대하여 질소 50%, 인산 100%, 칼리 70% 해당량을 시용하였고, 웃거름은 6월 중순에 질소 25%, 7월 중하순에 질소 25%와 칼리 30% 해당량을 시용하였다.
토양 및 식물체 분석 토성 분석은 비중계법 (Gee and Bouder, 1986)을 이용하였고, 토성분류기준은 미농무부법을 따랐다. 토양 및 식물체는 국립농업과학원의 분석법(NIAST, 2000)에 준하여 분석하였다. 토양 pH와 EC는 토양과 증류수를 1:5의 비율로 하여 pH, EC meter로 측정하였고, 유기물은 Tyurin 법, 유효인산은 Lancaster 법, 치환성 양이온은 1 M NH4OAC (pH 7.0)으로 추출하여 유도결합플라즈마 분광광도계 (ICP-OES, GBC, Integra XL Dual, Australia) 로 분석하였다. 식물체는 건조 후 분쇄하여 시료 0.5 g에 conc. H2SO4 1 mL와 50% HClO4 10 mL를 가한 뒤 열판에 가열하여 분해하였다. T-N은 켈달 증류로 분석하였고, P2O5는 Vanadate 법, K2O는 유도결합플라즈마 분광광도계로 분석하였다. 우엉 뿌리의 유리당은 생체 5g에 50% 에탄올 50 mL을 가한 뒤 80°C로 20분간 항온 한 뒤 3분간 냉각시켰다. 10분간 3000 rpm에서 원심분리한 후 HPLC (Shiseido Nanospace SI-2, Shiseido)로 분석하였다 (Table 2).
질소 이용효율 및 회수율 우엉 뿌리의 질소 이용효율과 질소 회수율을 구하기 위하여 다음의 Eqs. 1, 2을 적용하였다 (Baligar et al., 2001). Eq. 2의 우엉 뿌리 질소 흡수량은 뿌리의 질소 함량에 건물중을 곱하여 산정하였다.
질소 이용효율 (Agronomic nitrogen use efficiency, kg kg-1)
= (질소 시용구의 뿌리 수량 (kg) - 무비구의 뿌리 수량 (kg))/ 질소 시용량 (kg) (Eq.1)
질소 회수율(Nitrogen recovery efficiency, %)
= (질소 시용구의 뿌리 흡수량 (kg) - 무비구의 뿌리 흡수량 (kg))/ 질소 시용량 (kg) * 100 (Eq.2)
통계분석 연구결과에 대한 통계분석을 위해 R ver. 3.0.2을 이용하여 Duncan’s multiple range test (DMRT)를 수행하였다.
Results and Discussion
질소 시용량에 따른 우엉 수량 질소 시용수준에 따른 우엉 지상부 건중은 약 3.4 ~ 5.6 Mg ha-1, 뿌리 건중은 5.9 ~ 9.5 Mg ha-1의 범위로 나타났으며, 지상부와 뿌리 최고 수량을 생산했을 때의 질소 시용량은 각각 100% (230 kg ha-1)과 150% (345 kg ha-1) 이었다 (Table 3). 질소 수준별 우엉 건중은 지상부의 경우 질소 100%, 지하부는 질소 150% 수준까지 증가하다가 그 이상에서는 감소하는 것으로 나타났다. Blumenthal et al. (2008)은 질소 시용량이 과다하면 괴경이나 뿌리 크기가 작고, 생육이 미숙하기 때문에 수량이 감소한다고 하였다. 특히 질소 과잉 흡수가 다른 이온의 흡수를 방해하고, 2차 대사산물을 감소시키는 등 결과적으로 수량 감소로 이어질 수 있다 (Albornoz, 2016). 전체 건물중에 대한 뿌리의 비율은 약 62~68% 정도였으나 처리간에 통계적으로 유의하지 않았다. 지상부 비율이 큰 일반 작물의 경우 질소에 대한 수량반응은 뿌리보다 지상부에서 크게 나타나 전체 중 뿌리의 비율은 감소하는데 (Marschner, 1995), 뿌리 작물인 우엉은 일반 작물과 달리 질소 시용량이 뿌리의 비율에 영향을 미치지 않는 것으로 판단되었다. 질소 시용량과 뿌리 수량과의 관계식은 질소 시용량에 따라 수량이 증가하다가 감소하는 2차식의 형태로 나타났으며, 이 식에 의하면 질소 248 kg ha-1에서 최고수량을 생산하는 것으로 나타났다 (Fig. 1 ).
우엉 질소 흡수량과 뿌리의 질소 이용효율 우엉 뿌리의 질소 흡수량은 질소 100%를 시용했을 때 무시용구 대비 약 2.5배 높은 것으로 나타났다 (Table 4). 지상부 또한 질소 100% 처리구에서 가장 흡수량이 많았으나 뿌리에 비해 처리간 흡수량 차이가 크지 않았다. 지상부와 뿌리를 합한 전체 흡수량은 질소 무처리구를 제외하고 통계적으로 유의한 차이는 없었다. 따라서 질소 비료 시용은 우엉의 뿌리 생육에 영향을 미치며, 뿌리 수량을 높이기 위해서는 적정량의 질소 비료를 시용해야 할 것으로 판단된다. 우엉 뿌리 적정 수량을 생산할 수 있는 질소 시용량을 구하기 위하여 질소 kg 당 우엉 뿌리 생산량인 질소 이용효율과 시용한 질소에 대한 작물 흡수율인 질소 회수율을 산정하였다 (Table 5). 질소 이용효율은 50% 처리구에서 가장 높았고, 질소 시용량이 많아질수록 감소하였다. 질소 150% 처리구의 질소 회수율은 50~ 100% 처리구의 절반 수준으로 떨어졌으며, 이것은 시용한 질소 비료를 작물이 이용하는 양보다 토양 중에 남아있거나 손실되는 양이 많은 것을 의미한다 (Garnett et al., 2009). 그러므로 질소 100% 처리구에서 경제적 수량을 생산할 수 있다고 판단된다.
질소 시용에 따른 뿌리 유리당 함량 변화 질소 시용량이 우엉 뿌리의 유효성분에 미치는 영향을 알아보기 위하여 유리당 함량을 분석하였다 (Table 6). 우엉 뿌리에서 분석된 유리당은 fructose, glucose, sucrose였으며, 함량은 fructose > sucrose > glucose 순으로서 glucose 함량은 거의 없는 것으로 나타났다. 이는 Han and Koo (1993)의 결과와 일치하였다. 총 유리당 함량과 fructose, sucrose 함량은 질소 시용량이 많아질수록 감소하였는데, 질소 시용량이 증가할수록 과채류의 수용성 당 함량이 감소한다는 연구결과는 보고된 바 있다 (Kaniszewshi et al., 1987; Parisi et al., 2006). 우엉 뿌리는 많은 양의 이눌린을 축적하고 있는데 (Milani et al., 2011), 이눌린은 fructose로 구성된 β 글리코시딕 결합의 선형 과당 중합체로서 fructose 함량은 이눌린 합성과 관련된다 (Shin et al., 2012; Lee et al., 2015). 그러므로 우엉에서 가장 함량이 높은 fructose가 질소 비료에 영향을 받은 것으로 추측된다.
