Introduction

정부의 조사료 생산기반 확충 사업과 다양한 보조금 지급으로 조사료 생산이 점차 증대되고 있으며, 국내 가축두수 증가 및 축산물 소비량 증가로 조사료 재배의 중요성이 높아지고 있다 (Jeong et al., 2020; Oh et al., 2021). 특히, 조사료 중에서 동계 사료작물인 이탈리안 라이그라스 (Lolium multoflorum Lam, Italian Ryegrass, IRG)의 재배면적이 점진적으로 증가하고 있는 추세이다 (Kang et al., 2020; Byeon et al., 2021). IRG는 우수한 내습성으로 겨울철 논에서 벼의 후작으로 재배하기에 용이하여 효율적인 작부체계가 가능하며 (Oh et al., 2021), 높은 수량성과 사료가치로 가축의 기호성이 좋기 때문이다 (RDA, 2022; Choi et al., 2025). 또한, 기후변화로 인한 평균온도 상승으로 호밀과 같은 타 작물보다 생산성, 품질면에서 우수한 IRG의 재배 선호도가 높아지고 있다 (Oh et al., 2021). 이러한 이유로 IRG는 2022년 기준, 사료작물 재배면적의 76%, 동계 사료작물의 87%를 점유하고 있다 (Yu et al., 2024). 초기 IRG는 내한성이 약하여 전국적으로 크게 확대되지 못하였으나 농촌진흥청 국립축산과학원에서의 품종 연구로 내한성이 개선된 ‘코윈마스터 (Choi et al., 2008)’, ‘코윈어리 (Choi et al., 2011)’. ‘그린팜 (Ji et al., 2011)’과 같은 품종이 개발되어 전국적으로 확대되었으며 이와 함께 단위면적당 생산성도 증대되었다 (Lee et al., 2020a; Choi et al., 2025).

IRG의 연구는 다방면에서 수행되고 있는데, 국립축산과학원을 중심으로 품종 개발 연구와 (Kim et al., 2022; Woo et al., 2024), 품종별 및 단파, 혼파 재배 시 생산성, 사료가치 비교 (Kim et al., 2010; Seo et al., 2010) 연구가 수행되고 있다. 타 작물보다 내염성이 강한 작물로 간척지에서의 제염연구가 수행되고 있으며 (Jang et al., 2020; Yun et al., 2021) 건조기술과 관련한 건조 방법에 따른 수분변화 및 발아율 (Choi et al., 2025) 연구도 수행되고 있다. 또한, IRG는 기상 환경에 따라 다양한 수량이 나타나기 때문에 기상조건과 관련하여 지역에 따른 생육특성 및 생산성 비교 연구도 수행되고 있다 (Lee et al., 2020b; Byeon et al., 2021; Li et al., 2024).

IRG는 대표적인 다비성 작물임에도 불구하고 비료 시용량에 따른 생산성을 분석한 연구는 비교적 부족하며 증발산량 및 물수지와 같은 물관리 연구는 더욱 제한적이다. 비료는 작물의 생장에 직접적인 영향을 주기 때문에 비료 시용량에 따라 작물의 증발산량이 달라지므로 작물계수와 물 필요량이 다르다. IRG는 우수한 내습성과 달리 가뭄에는 매우 취약한 작물로 월동시 또는 월동 후의 토양 보습력을 유지하거나 봄철 가뭄에 대비할 수 있도록 물관리가 필요하다. Yu et al. (2024)는 질소 시비량을 다르게 하여 IRG 품종 평가 및 생산성을 비교하였고, Kim et al. (2016)은 춘파재배시 질소뿐만 아니라 인산과 칼리의 시비량을 달리하여 연구를 수행하였으나 생산성 및 사료가치에 관한 연구로, IRG의 수확량에 따른 증발산량 등을 연계한 사례는 없었다. 특히, 최근 기후변화에 따른 이상기후로 인해 파종 및 수확기에 잦은 강우가 발생하여 IRG의 적기 파종이 이루어지지 못하거나 월동률 감소도 발생하고 있어 IRG 재배시 물수지 분석을 통해 기상요소를 분석할 필요가 있다.

물수지 분석은 물의 유입량과 유출량을 산출하여 작기 동안의 작물 및 토양의 수분 이동을 파악할 수 있다. 물수지를 분석하는 것은 작물 재배기간 동안 기상과 관개량과 소비량을 파악할 수 있어 중요하다. 라이시미터는 물수지에 필요한 요인을 실측할 수 있는 도구로 많이 활용되고 있으며 중량식 라이시미터는 물의 유입과 유출되는 값을 수치화하여 확인할 수 있어 활용도가 높다 (Ok et al., 2018). Park et al. (2024, 2025), Yang et al. (2025)은 중량식 라이시미터를 활용하여 물수지 평가뿐만 아니라 작물의 물 이용효율 및 물 필요량을 산정하여 결과를 제시함에 따라 수분 이동 연구에 적합한 도구임을 증명하였다.

따라서, 본 연구에서는 중량식 논 라이시미터에서 이탈리안 라이그라스의 비료 시비량에 따른 수확량 분석과 물수지 분석을 수행하여 비료 시용량과 연계한 물관리 연구의 기초자료를 제공하고자 수행하였다.

Materials and Methods

중량식 라이시미터 개요

중량식 라이시미터는 국립농업과학원 (NAS) 토양수분이동실험동에 위치하고 있으며 표면적 1 m², 깊이 1.5 m의 원통형 라이시미터이다. 라이시미터는 교란되지 않은 자연상태의 논 토양이 충진되어 있다. 라이시미터 하단에는 로드셀 (3EA)이 설치되어 있어 무게 변화를 측정할 수 있으며 측정 데이터는 데이터 로거 (UGTLog, UGT, Germanay)에 1시간 단위로 수집되어 물 유입량과 유출량을 정량적으로 산정할 수 있다 (Fig. 1).

Fig. 1

The weighable lysimeter vertical structure (a: weightable lysimeter b: load cell (3EA); c: drainage measurement device. d: sensors for measurements of soil water tension, soil water moisuture, temperature, and electrical conductivity, e: groundwater control device, f: automatic data logger, g: surface runoff measurement tool (Seo et al., 2016; 2017; Kim et al., 2018).

연구 작물 및 실험 조건

본 연구의 시험작물은 이탈리안 라이그라스 (Lolium multiflorum Lam., Italian Ryegrass, IRG)로 동계 사료작물이며 품종은 조생종인 코윈어리 (Kowinearly)이다. 파종은 2024년 10월 31일, 수확은 2025년 5월 8일로 총 190일 동안 재배하였으며 파종량은 IRG 7.1 kg 10a^-1로 하였다. 작물의 생육단계는 생육 일정을 참고하여 달관조사를 통해 유묘기, 재생기, 신장기, 수확기 4단계로 구분하였고 유묘기는 10월 31일부터 1월 7일, 재생기는 1월 7일부터 3월 7일, 신장기는 3월 8일부터 4월 16일, 마지막으로 수확기는 4월 17일부터 5월 8일로 하였다. 작물 재배는 작물별 표준재배법을 준용하였으며 비료는 작물별 비료사용처방 (NIAS, 2022) 표준시비량 기준으로 파종기 (밑거름), 2월 하순 (웃거름)에 2차례 시용하였다. 1배 처리구는 N:P₂O₅:K₂O=14.0:12.0:12.0 kg 10a^-1, 2배 처리구는 N:P₂O₅:K₂O=28.0:24.0:24.0 kg 10a^-1 투입하였다 (Table 1). 물관리는 적습관개로, 강수 이외에 추가적인 관개는 1회 실시하였다 (생육단계: 신장기). 토성은 실트질식양토 (silty clay loam, SiCL)와 양토 (loam, L), 사양토 (sandy loam, SL)로 3가지를 활용하였으며 토양의 물리적 특성은 Table 2와 같다. 토성은 Gee and Bauder (1986)의 비중계법으로 산정하여 미국농무성 토성삼각표를 기준으로 결정하였다.

이탈리안 라이그라스를 재배하기 전 벼를 재배하였고, IRG 파종전 토성 및 비료시용량에 따른 토양의 이화학적 특성은 Table 3에 나타내었다. 토양 화학성은 국립농업과학원 토양 분석법 (NAAS, 2011)에 준용하여 유기물함량은 Tyurin법, 유효인산은 Lancaster법을 기준으로 산정하였다. 교환성양이온의 경우 1.0 M NA₄OA_C (pH 7.0)으로 추출하여 유도결합플라즈마 분광광도계 (ICP-OES, GBC, Integra XL, Australia)로 분석하였다.

기상데이터 수집

라이시미터 인근에 설치된 기상대에서 강수량과 평균온도, 일사량 등의 기상데이터를 1시간 단위로 수집하여 분석하였고, 평년 (1991 - 2020) 데이터는 전주기상대에서 1991년부터 2020년까지의 기상자료를 수집하였다. 물수지 분석을 위한 강수량은 기상대에서 수집한 강수량과 라이시미터에서의 무게 변화를 비교하여 산정하였다.

생육조사 및 수확량

IRG의 생육 및 수확량은 수확일에 조사하였고 조사항목은 초장, 엽색도, 생체중, 건물중이다. 각 베셀에서 3반복으로 식물체를 채취하여 채취 당일 초장과 엽색도 (SPAD) 및 생체중을 조사한 후, 건조기에 식물체를 건조하여 (60°C) 건물중을 측정하였다.

물수지 산정

물수지 산정시 필요한 요소는 증발산량, 강우량, 관개량, 지하유출량, 지표유거량이며 증발산량과 강우량, 관개량은 라이시미터의 중량 변화에 의해 물 유입과 유출량을 계산하였고, 지하유출량은 지하부에 위치한 티핑카운터로 자동으로 계측하였으며, 지표유거량은 지하부에서 80 L 실린더에 샘플링하여 직접 무게를 측정하였다. 수집 ‧ 분석한 데이터를 Eq. 1의 식으로 물수지 분석을 수행하였다.

여기서, ∆SW는 토양수분변화량 (mm), P는 강우량 (precipitation, mm day^-1), I는 관개량 (irrigation, mm day^-1), ET는 증발산량 (evapotranspiration, mm day^-1), D는 지하유출량 (Drainage, mm day^-1), R은 지표유거량 (runoff, mm day^-1)이다.

통계분석

본 연구는 처리구당 2반복 처리구를 두어 총 라이시미터 12개를 활용하였다 (3토성 × 2반복구 × 2비료처리). SPSS (ver. 28)을 활용하여 1) 토성에 따른 초장 및 수확량의 통계적 유의차를 분석하기 위해 분산분석 (one-way analysis of Variance, ANOVA)을 수행하였으며 사후검정으로는 Duncan’s의 다중검정을 실시하였다. 2) 비료시비량 차이에 따른 초장 및 수확량 차이를 분석하기 위해 독립표본 t-test를 수행하여 1배와 2배 처리구별 통계적 유의성을 분석하였다. 두 분석방법 모두 p-value 0.05 신뢰수준에서 수행하였다.

Results and Discussion

연구기간 동안의 기상특성

재배기간 동안의 기상조건은 Fig. 2와 같다. 평년 (1991 - 2020)과 비교하기 위해 월별로 평균온도와 강수량, 일사량을 분석하였다. 평균온도는 평년과 7.7°C로 유사하였으며 누적일사량은 1,966.9 MJ m^-2로 평년 (2,318.1 MJ m^-2) 대비 85% 수준이었고 총강수량은 247.6 mm로 평년 (301.2 mm)보다 82% 수준으로 적었다. 재배기간 동안 강수량은 상대적으로 4월과 5월에 많았으며 특히 5월은 평년보다 강수량이 많아 평균온도가 낮고, 누적일사량이 적었다. 평균온도와 누적일사량이 3월부터 상승하였고 3월 5일부터 4월 11일까지 강우량이 8.8 mm로 적은 편이었다.

Fig. 2

Comparison of meteorological data for Normal years(1991 - 2020) and cultivation year (average temperature and precipitation by month (a), cumulative solar radiation (b)).

공시토양 이화학적 특성

모든 토성에서 5.6 - 6.0으로 약산성 토양에 유기물함량은 사양토 (약 17 g kg^-1)를 제외한 양토 및 실트질식양토는 20 - 26 g kg^-1로 적정 범위였으며, 유효인산은 실트질식양토는 80 - 105 mg kg^-1로 적정 범위였으나 양토와 사양토는 300 mg kg^-1 이상으로 일반적인 논토양보다 높은 편이었다.

IRG 생육조사 및 수확량

IRG의 생육조사 및 수확량 데이터는 Table 4와 같다. 토성별 비교시, 1배 처리구에서 초장은 124.5 - 126.2 cm (125.4 cm), 엽색도 (SPAD)는 39.6 - 41.5 (40.1)로 초장 및 엽색도는 통계적 유의차가 없었다. 생체중 및 건물중은 실트질식양토 < 사양토 < 양토 순으로 많았으며 생체중은 실트질식양토와 사양토 간의 유의한 차이는 없었으나 (p > 0.05) 양토는 유의차가 있는 것으로 나타났다 (p ≤ 0.05). 건물중은 3가지 토성 모두 차이가 있었다. 2배 처리구의 초장과 생체중은 실트질식양토 < 사양토 < 양토 순이었으며 실트질식양토와 양토간의 명확한 유의차를 보였다. 건물중은 1,175.4 - 1,561.3 kg 10a^-1 (평균 1,379.8 kg 10a^-1), 엽색도는 38.8 - 46.4 (평균 42.6)로 통계적으로 유의한 차이가 없었다.

비료 처리구별 비교시, 초장은 양토에서 128.5 cm로 2배 처리구에서 컸고 실트질식양토와 사양토는 각각 126.2 cm, 122.7 cm로 1배 처리구에서 컸다. 생체중과 건물중은 모든 토성에서 1배보다 2배 처리구에서 많았으나 2배 처리구 대비 1배 처리구에서 생체중은 88 - 89%, 건물중은 97 - 99% 수준으로 뚜렷한 차이가 없었으며 통계적으로도 유의차를 확인할 수 없었다 (p ≥ 0.05).

토성에 따른 차이는 통계적으로 유의한 차이를 보였는데 양토에서 초장이 가장 길고 수량이 많았고 이는 토양의 화학성보다 물리적 특성에 의한 것으로 판단된다. 양토는 실트질식양토보다 과습의 영향이 적고, 사양토보다는 양분 및 수분보유력이 높아 IRG의 생육환경에 적합했던 것으로 판단된다. Frisk et al. (2022) 연구에서 장기과습이 라이그라스에 미치는 영향을 평가하였을 때 과습은 작물의 생산성에 부정적인 영향을 주며 건물중 및 초장을 감소시켜 전체적인 생산량을 감소시킨다고 보고하였다.

반면에, 비료시용량에 따른 처리구별은 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 일반적으로 비료 시용이 많을수록 활발한 길이생장으로 초장이 길며, 작물생산량이 증가하지만 본 연구에서는 비료 2배 처리는 통계적으로 유의한 영향을 확인할 수 없었다. 질소질 비료는 과다할 경우 도복 (쓰러짐)의 원인이 되어 수량 감소로 이어질 수 있고 (Yu et al., 2024), 질소는 일정량 도달하면 시용량이 증가하여도 질소이용효율 (NUE, Nitrogen Use Efficiency)이 감소하여 생산성의 차이가 없고 오히려 수량이 감소할 수 있다 (He et al., 2022; Kim and Kim, 2023). Phohlo et al. (2022)는 라이그라스를 포함한 목초재배시 질소 200 kg N ha^-1 미만으로 시비하였을 때 질소이용효율이 가장 높았으며 시비량이 증가하여도 수확량이 증가하지 않았다고 보고하였다. 인산과 칼리는 과다한 시비로 인해 직접적인 수량 감소보다는 인산은 일정량에 도달하면 증량하여도 수량 변화가 없다고 연구된 바 있으며 (Oo et al., 2023), 칼리는 마그네슘의 흡수와 이동을 저해시켜 생장 및 수량의 감소를 초래할 수 있다 (Xie et al., 2020). Kasongo et al. (2013)은 이탈리안 라이그라스 재배시 커피폐기물 (인산 0.18 %, 칼리 2.49% 포함) 시용을 통해 인산과 칼륨 공급을 증가시켰을 때, 토양 및 식물체는 인산과 칼리의 함량이 높아졌으나, 건물중은 비례하여 증가하지 않는다고 보고하였다. 인산 및 칼리는 임계농도 이상은 생육량 증대보다 토양의 화학성 개선에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

따라서, 연구결과를 종합적으로 평가하면 이탈리안 라이그라스의 생육은 양토 (Loam)에서 재배할 때 생육이 가장 양호하였으며 비료 시용량이 많아도 생산량에 유의한 영향을 주지 않으므로 표준시비량을 적용하여도 생산성을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

물수지 산정 결과

토성 및 처리구별 물 유입량과 물 유출량을 이탈리안 라이그라스의 생육단계별로 산정하여 물수지를 평가하였다 (Table 5).

토성별 비교시, 물 유입량은 1배 처리구는 양토에서 308.4 mm, 2배 처리구는 사양토에서 310.2 mm로 가장 많고 실트질식양토에서 가장 적었다. 관개량은 모든 처리구에서 20 mm으로 같으므로 라이시미터 베셀의 수위에 의해 유효강수량에 따른 차이가 있었으나 유사한 값을 보였다. 물 유출량을 분석한 결과, 증발산량은 1배와 2배 처리구 모두 실트질식양토 < 사양토 < 양토 순으로, 양토에서 1배 처리구는 476.4 mm, 2배 처리구는 479.0 mm로 가장 많았다. 증발산량은 작물의 수확량과 양의 상관관계를 가지며 (Gómez-Candón et al., 2023), Table 4와 같이 양토에서 가장 많은 생체중 (5,779.3 - 6,489.8 kg 10a^-1), 건물중 (1,539.9 - 1,561.3 kg 10a^-1)으로 활발한 증산작용으로 증발산량이 높았던 것으로 보인다. 지하유출량은 1배 처리구는 양토 < 사양토 < 실트질식양토 순으로 높았고, 2배 처리구는 사양토 < 양토 < 실트질식양토 순으로 높았다. 일반적으로 사양토에서 모래함량이 높으므로 지하로 배수되는 양이 많지만, 실트질식양토에서 높게 나타난 이유는 점토함량이 높을수록 겨울철에 여러 번의 수축과 팽창이 반복되면서 토양 균열이 발생하였기 때문으로 판단된다 (Keith and Germann, 1982). Kim et al. (2023)과 Yang et al. (2025) 연구에서도 같은 경향으로 나타났다. 지표유거량은 동절기에 발생량이 많지 않으나 재배기간 동안 3월 중 1차례 있었으며 1배와 2배 처리구 모두 사양토에서 가장 높았다.

물 유출량을 생육단계별로 분석한 결과, 증발산량은 신장기에 가장 많고 지하유출량은 재생기에 가장 많았다. 신장기는 기상의 평균온도가 상승하는 시점이며 강수발생 및 강수량이 적어 일사량의 증가로 증발산량이 높았던 것으로 판단된다. 지하유출량의 경우, 재생기는 겨울철에 토양의 수축과 팽창 작용에 의해 균열이 형성되어 높게 나타난 것으로 보인다.

비료 시비량에 따른 차이를 비교한 결과, 1배와 2배 처리구의 물 유입량은 유사하였다. 연구지점이 동일하므로 같은 기상요소의 영향을 받아 유효강수량이 유사하였으며, 관개량이 20 mm로 같았다. 물 유출량 분석시, 총 증발산량은 2배 처리구에서 높았고, 지하유출량과 지표유거량은 1배 처리구에서 높았다. 생육단계별로 분석하였을 때, 증발산량은 유묘기와 재생기에서는 비료시용량에 따른 뚜렷한 차이가 없었으나, 신장기와 수확기에서 2배 처리구에서 높은 값을 나타내었다. 그러나, t-test 수행 결과 통계적으로 1배와 2배 처리구의 유의한 차이는 없었다. 이는 비료시용이 많을수록 작물의 초장 및 수확량이 증가하지만 식물체의 엽면적 또한 증가하므로 토양에서의 증발량이 감소하여 상쇄작용으로 인해 증발산량의 차이가 적었던 것으로 보인다. Kala et al. (2014)는 LAI (Leaf Area Index)를 2배로 증가시킨 모의실험에서 식물의 증산량이 증가하였으나 토양의 증발량은 그보다 약 2배 감소하였다고 보고하였다. 지하유출량과 지표유거량은 강우의 영향으로 1배와 2배 처리구 모두 재생기에서 가장 높았지만 유사한 경향을 보였다.

물 유입량에서 물 유출량을 감하여 물수지를 산정한 결과, 전반적으로 음의 값을 나타냈다. 물 유입량에 비해 물 유출량이 높았으며, 재배기간 동안 충분한 강수로 인해 관개량이 적었다. 동계작물은 하계작물보다 평균온도가 낮고 일사량이 적으므로 물 필요량이 적고, 특히 이탈리안 라이그라스는 1월과 2월에 월동을 하는 작물로 전반적으로 물 필요량이 적어 관개량이 적다. 토양의 수분변화를 생육단계에 따라 분석한 결과, 모든 생육단계에서 물 유입량에 비해 물 유출량이 높았고 특히, 신장기에서 상대적으로 물 유입량 대비 물 유출량이 많았다. 이는 강수량이 적고 이에 따라 관개도 실시하였으나 작물의 생육이 활발하여 증발산량이 가장 높았기 때문에 물 유입량과 물 유출량의 차이가 가장 컸다. 유묘기는 음의 값을 나타내긴 하였으나, 다른 생육단계에 비해 낮은 수치로 물 유입량과 물 유출량의 차이가 상대적으로 적은 것을 알 수 있다. 이처럼 생육단계를 구분하여 작물의 물수지를 분석함으로써 기상요소와 증발산량의 영향을 함께 파악할 수 있으며, 생육단계별 수분 이동과 관개의 필요시점을 파악하는 등 작물 관리의 기초자료로 활용할 수 있다.

Conclusions

본 연구에서는 중량식 라이시미터를 활용하여 토성과 비료 시용량에 따른 이탈리안 라이그라스의 생육량을 분석하여 생육단계별 물수지를 평가하였다. 생육조사 결과, 토성에 따른 차이에서 통계적 유의차를 보였으며 양토에서 가장 양호한 생육상태를 나타내었다. 이는 양토가 실트질식양토보다 과습의 영향이 적고, 사양토보다 양분과 수분보유력이 높아 생육 환경이 적합했던 것으로 판단된다. 이에 반해 비료 시용량에 따른 차이는 뚜렷한 경향을 확인할 수 없었다. 1배 처리구에 비해 2배 처리구에서 높은 생체중 및 건물중을 보였으나 유의한 차이를 확인할 수 없어 표준시비량만 적용하여도 생산성을 기대할 수 있을 것으로 판단된다. 물수지를 분석한 결과, 물 유입량은 같은 연구지점에서 수행하여 동일한 기상요소의 영향으로 유효강수량이 유사하였고, 관개량은 20 mm로 같으므로 물 유입량은 유사한 경향을 보였다. 물 유출량은 토성에서는 생육상태가 가장 양호했던 양토에서 증발산량이 높아, 물 유출량이 가장 높았다. 비료 시용량에 따른 차이는 1배 처리구보다 2배 처리구에서 총 증발산량이 높아, 물 유출량이 높았지만 유의한 차이는 없었다. 지하유출량은 배수능력이 높은 사양토에서 많은 일반적인 경향과 달리 동계작물임에 따라 토양의 균열형성이 잘 되는 실트질식양토에서 높았다. 본 연구결과는 표준시비량의 1배와 2배 시용량에 따른 이탈리안 라이그라스의 생육단계별 물과 양분관리의 기초적인 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.