Introduction
Materials and Methods
시험포 조성
시험 처리구 및 재배관리
옥수수 생산성, 질소이용효율, 수량 안정성 지표 평가
토양 및 이화학적 특성 평가
통계분석
Results and Discussion
재배기간 중 기상 특성
경운 유무에 따른 옥수수 수량 및 수량 안정성 평가
경운 유무에 따른 옥수수 질소 흡수량 및 질소이용효율 평가
경운 유무에 따른 옥수수 질소수확지수 평가
경운 유무에 따른 토양 화학성 평가
Conclusions
Introduction
현대 농업은 작물 생산성 향상을 위해 화학비료 투입, 경운과 같은 집약적 토양관리에 크게 의존해 왔다. 이러한 집약적 농업관리는 단기적으로 높은 생산성을 확보하는 데 효과적이지만, 장기적으로는 토양 질 저하, 양분 손실 및 환경부하 증가와 같은 문제를 유발할 수 있다 (Benbi and Brar, 2009; Yang et al., 2024). 특히, 지속적인 경운은 토양 교란을 증가시키고 유기물 분해를 촉진하여 토양 비옥도 저하와 침식 위험을 높일 수 있다 (Lal, 1993; Hussain et al., 2021; Srivastava, 2025).
이러한 문제를 완화하기 위한 대안으로, 보전농업 (conservation agriculture)은 토양 교란을 최소화하고 지표 피복을 유지하며 작부체계를 다양화함으로써 토양자원을 보전하고 생산성을 지속적으로 유지하기 위한 관리체계로 제시되어 왔다 (Knowler and Bradshaw, 2007; Teng et al., 2024). 무경운 (no tillage, NT)은 이러한 보전농업의 핵심 실천기술 중 하나로, 토양 교란 감소와 지표 잔사 유지를 통해 토양 구조, 생물활성, 양분순환 및 수분 보유능력을 개선하는 데 기여할 수 있다 (Mondal and Chakraborty, 2022; Waring et al., 2024; Lyu et al., 2025; Wen et al., 2025). 그러나 무경운이 작물 생산성에 미치는 영향은 일관적이지 않을 수 있다. Pittelkow et al. (2015)는 전 세계 678개 연구, 6,005개 비교 데이터를 메타분석한 결과, 경운 대비 무경운이 평균 5.1% 수량 감소를 보였으나 작물군, 잔사관리, 무경운 지속기간 및 질소 시비량에 따라 작물의 수량 반응이 달라진다고 보고하였다. 이러한 결과는 무경운의 생산성 효과가 단순히 경운 여부에 의해 결정되기보다는 지표 잔사 관리, 양분 공급 및 적용기간 등 재배관리 조건에 따라 달라질 수 있음을 의미한다. 따라서 국내 밭작물 재배환경에서도 이러한 관리조건을 고려하여 무경운의 적용 가능성을 평가할 필요가 있다. 특히 풋거름작물과 결합된 무경운 체계의 장기적인 적용성을 평가하기 위해서는 평균 생산성뿐만 아니라 수량 안정성, 질소흡수 및 질소이용효율을 함께 검토할 필요가 있다.
풋거름작물 (green manure)은 휴경기 또는 주작물 재배 전후 기간 동안 재배하여 토양 표면을 피복하고, 이후 생육한 식물체를 토양에 환원함으로써 유기물과 양분을 공급할 수 있는 대표적인 유기자원이다. 풋거름작물은 재배기간 동안 토양 표면을 피복하여 침식과 양분 유실을 완화하고, 환원 후에는 분해와 무기화 과정을 거쳐 후작물의 양분 공급원으로 작용한다 (Garba et al., 2022; Li et al., 2023). 또한 장기적으로는 토양 유기물 함량을 증가시키고 토양 미생물 및 효소 활성을 증진시키는 등 전반적인 토양 비옥도를 개선할 수 있다 (Chavarría et al., 2016; Chalise et al., 2019; Zhang et al., 2024; Kim et al., 2026). 특히 헤어리베치 (Vicia villosa Roth)와 같은 두과 풋거름작물은 질소고정 능력이 높고 식물체 내 질소 함량이 비교적 높아, 화학비료를 대체하기 위한 풋거름작물로 널리 활용되고 있다 (Pott et al., 2021; Vaziritabar et al., 2024). 따라서 풋거름작물 활용은 보전농업의 지표 피복 기능과 유기물 기반 질소 공급 기능을 동시에 수행할 수 있는 관리수단으로 평가된다.
그러나 풋거름작물로 양분을 공급하는 체계에서는 경운 유무에 따라 잔사가 토양에 혼입되거나 지표에 피복되기 때문에 이에 따른 질소 공급 양상과 후작물 반응이 달라질 수 있다. 일반적으로 경운에 의한 풋거름작물 잔사의 토양 혼입은 잔사와 토양의 접촉을 증가시키고 미생물 접근성을 높여 잔사 분해를 촉진할 수 있으며 (Gaillard et al., 1999), 피복작물 잔사를 토양에 혼입할 경우 지표에 유지한 경우보다 질소 방출이 빠르게 나타날 수 있다 (Jahanzad et al., 2016). 반대로, Liebman et al. (2018)은 두과 피복작물 기반 옥수수 재배에서 경운을 통한 잔사 혼입이 토양의 작물 이용 가능 질소를 증가시켰으나, 토양 질소 공급과 옥수수 수량 간의 관계는 포장 조건에 따라 약하거나 일관되지 않았다고 보고하였다. 이러한 결과는 풋거름작물 잔사의 처리 위치가 질소 방출 양상에 영향을 미치더라도 단기적인 질소 공급 특성만으로 장기적인 작물 생산성과 질소이용 특성을 판단하기 어렵다는 것을 의미한다. 따라서 풋거름작물 기반 무경운 체계를 평가하기 위해서는 장기적인 수량 안정성, 질소흡수 및 이용효율을 종합적으로 고려할 필요가 있다. 특히 총 질소흡수량이나 질소이용효율이 유사하더라도, 흡수된 질소가 영양기관과 알곡에 어떻게 배분되는지를 함께 평가하는 것은 수량 형성과 질소이용 특성을 해석하는 데 중요한 요소이다. 그러나 국내에서 수행된 풋거름작물 활용 연구는 대부분 양분 공급 효과나 단기적인 수량 반응에 초점을 두고 있으며 (Lee et al., 2010; Hwang et al., 2015; Yang et al., 2018), 장기간 반복된 풋거름작물 환원 조건에서 무경운의 생산성 유지, 수량안정성, 질소이용효율 및 알곡으로의 질소 배분, 토양환경에 미치는 영향에 대한 검토는 부족하다.
이에 본 연구는 2015년부터 2024년까지 10년간 수행된 장기 포장시험을 통해 풋거름작물을 활용한 옥수수 재배체계에서 경운과 무경운이 수량 안정성, 질소흡수 및 질소이용효율, 토양화학성에 미치는 영향을 평가하고자 수행되었다. 이를 위해 무처리구, 풋거름작물 환원 경운 처리구 및 풋거름작물 환원 무경운 처리구를 비교하였으며, 옥수수 수량, 지속가능수량지수 (SYI), 질소이용효율 (NUE), 질소수확지수 (NHI), 식물체 질소흡수량 및 토양화학성을 조사하였다. 본 연구를 통해 장기 풋거름작물 환원 조건에서 무경운이 경운 대비 옥수수 생산성과 질소이용효율을 유지하면서도 토양보전형 관리방식으로 적용될 수 있는지 검토하고자 하였다.
Materials and Methods
시험포 조성
풋거름작물 환원 조건에서 경운 여부에 따른 옥수수 수량, 질소이용효율 및 토양 특성의 장기적 영향을 평가하기 위해 포장실험을 수행하였다. 본 시험은 전북 완주군에 위치한 국립농업과학원 시험 포장 (35.8255041°N, 127.047954°E)에서 2015년 조성되어 2024년까지 10년간 수행되었다. 시험포는 토양 균질화를 위해 2015년 시험 개시 전 객토되었으며, 시험전 토양의 평균적인 화학성은 Table 1과 같았다. 시험 전 토양은 pH 5.42로 다소 산성 조건을 보였으며, 유효인산과 유기물 함량은 각각 47.1 mg kg-1 및 11.3 g kg-1로 옥수수 재배 적정범위보다 낮았다 (Table 1). 시험기간 동안 토양 pH 및 유효인산의 교정을 위한 석회질 자재와 인산질 비료는 별도 처리하지 않았다. 따라서 본 시험은 유기물과 유효인산이 낮은 토양에서 풋거름작물을 주요 양분 공급원으로 장기간 반복 환원한 조건에서 수행되었다.
Table 1
Initial soil chemical properties of the field before experiment (2015).
Optimum range of soil chemical properties for maize cultivation was reported in NAS (2019).
시험 처리구 및 재배관리
처리구는 풋거름작물 환원 경운 처리구 (GM_T), 풋거름작물 환원 무경운 처리구(GM_NT), 무처리구 (No fertilizer)의 3처리로 구성하였다. 각 처리구의 면적은 100 m2 (10×10 m)였으며, 난괴법 (randomized complete block design)에 따라 3반복으로 배치되었다. 풋거름작물로는 헤어리베치를 선발하였으며, 매년 전년도 10월에 100 kg ha-1 파종량으로 파종하여 이듬해 5월 옥수수 정식 약 2주 전에 지상부를 예취하였다. 헤어리베치 환원량은 농촌진흥청 옥수수 재배 표준시비량인 178 kg N ha-1을 기준으로 수확된 헤어리베치의 질소 함량을 분석하여 산정하였으며 (NAS, 2019), 초과하거나 부족한 질소량은 바이오매스 투입량 조절을 통해 정밀하게 관리되었다. 시험기간 동안 별도의 인산 및 칼륨 비료는 시용하지 않았다. 10년간 환원 및 피복된 헤어리베치의 평균 탄소함량 (T-C)은 43.8 ± 0.7%, 질소함량 (Total N)은 2.8 ± 0.6%, C/N율은 15.9 ± 3.1 이었다.
경운 처리구 (GM_T)는 예취한 헤어리베치를 5 - 10 cm 길이로 절단하여 토양 표면에 고르게 살포한 후 로터리 경운을 통해 표층으로부터 15 cm 깊이까지 균일하게 혼입하였으며, 무경운 처리구 (GM_NT)는 예취하여 절단한 헤어리베치를 토양 표면에 피복하였다. 무처리구 (No fertilizer)는 질소이용효율 평가를 위한 대조구로서 경운 조건 하에 비료 및 유기질 자원을 일체 투입하지 않았다. 경운 여부를 제외한 모든 재배 및 관리 조건은 처리구 간 동일하게 유지하였다.
공시 작물은 찰옥 4호 (Zea mays L.)를 선정하여 파종 후 20일된 모종을 매년 5월 말 정식하고 8월에 수확하였으며, 연도별 자세한 일정은 Table 2에 나타내었다. 재식 밀도는 열간과 주간을 각각 70 cm와 30 cm로 설정하였다. 옥수수 수확 후 잎과 줄기 등의 지상부 잔사는 토양에 환원하지 않고 포장 외부로 전량 반출하였다. 재배기간 중 기상자료는 기상청 기상자료개방포털에서 수집하였고 (KMA, 2024), 각 연도의 평균기온, 적산온도, 총 강수량 및 재배일수를 Table 2에 제시하였다.
Table 2
Cultivation schedule and meteorological characteristics during the maize growing season (2015-2024).
| Year |
Planting date |
Harvest date |
Growing days | Mean temp. (°C) | Accumulated temp. (°C) |
Total rainfall (mm) |
| 2015 | May 29 | Aug 17 | 80 | 24.2 | 1957.8 | 278.0 |
| 2016 | Jun 04 | Aug 18 | 75 | 26.1 | 1980.4 | 327.0 |
| 2017 | Jun 09 | Aug 23 | 75 | 25.4 | 1932.8 | 709.0 |
| 2018 | May 24 | Aug 07 | 75 | 24.7 | 1876.2 | 500.0 |
| 2019 | May 30 | Aug 13 | 75 | 23.8 | 1805.1 | 304.7 |
| 2020 | May 28 | Aug 14 | 78 | 23.2 | 1836.6 | 1278.6 |
| 2021 | Jun 02 | Aug 12 | 71 | 24.6 | 1773.7 | 525.5 |
| 2022 | May 23 | Aug 19 | 88 | 24.5 | 2184.6 | 645.8 |
| 2023 | May 19 | Aug 03 | 76 | 23.5 | 1785.6 | 1158.9 |
| 2024 | May 24 | Aug 02 | 70 | 25.2 | 1787.6 | 505.7 |
| Mean | - | - | 76.3 | 24.5 | 1892.0 | 623.3 |
옥수수 생산성, 질소이용효율, 수량 안정성 지표 평가
옥수수 생산성 평가를 위해 매년 수확기에 각 처리구 당 무작위로 식물체 10주를 채취하였으며, 수확 후 잎 (leaf), 줄기 (stem), 알곡 (grain)을 부위별로 분리하여 생체중 (fresh weight)을 측정한 후 70°C에서 72시간 동안 건조하여 건물중 (dry weight)을 측정하였다 (NIAST, 2000). 건조된 식물체 중 가장 평균적인 3주를 선발하여 곱게 분쇄하고 원소분석기 (Vario Max CN, Elementar, Germany)를 이용하여 식물체 질소 함량을 분석하였다. 부위별 질소 흡수량 (N uptake)은 각 부위의 건물중에 질소 함량을 곱하여 산출하였으며, 질소이용효율 (nitrogen use efficiency)과 질소수확지수 (nitrogen harvest index)는 아래 식을 이용하여 산출하였다 (Hay, 1995; Lee and Kim, 2025).
수량의 장기적 안정성을 평가하기 위해 지속가능수량지수 (sustainability yield index, SYI)를 다음과 같이 산출하였다 (Wanjari et al., 2004).
여기서 Mean과 SD는 각 처리의 10년간 알곡 수량 평균과 표준편차이며, Ymax는 전체 시험에서 관찰된 최대 수량이다.
토양 및 이화학적 특성 평가
토양 시료는 시험 개시 전 (2015년)과 시험 종료 후 (2025년)에 각 처리구의 0 - 15 cm 깊이에서 채취하였다. 무경운 처리구의 경우 토양 표면에 잔존하는 미분해 풋거름작물 잔사가 토양 시료에 포함되지 않도록 이를 제거한 후 토양시료를 채취하였으며, 모든 시료는 풍건 후 2 mm 체로 통과시켜 화학성 분석에 이용하였다. 토양과 물을 1:5 (w/v) 비율로 침출한 용액을 pH 및 EC meter (Orion star pH/conductivity meter A215, Thermo Scientific, USA) 로 각각 토양 산도 (pH) 및 전기전도도 (Electrical conductivity)를 측정하였다. 토양 전탄소 (T-C) 및 전질소 (T-N)는 원소분석기 (Vario Max CN, Elementar, Germany)를 이용하여 분석하였으며, 토양 유기물 (OM, %)은 측정된 T-C 값에 1.724를 곱하여 산출되었다. 유효인산은 Lancaster법으로 토양 용액 추출 후 비색법으로 측정하였다. 교환성 양이온은 1N NH4OAc (pH 7.0) 용액으로 침출후 여과하여 ICP (Intergra XL Dual, GBC Scientific Equipment, Australia) 로 분석하였다.
통계분석
10년간 반복 측정된 데이터에 대해 ANOVA 분석을 통해 연도 (Year), 경운유무 (Tillage), 상호작용 (Year × Tillage) 효과를 검정하였다. GM_T와 GM_NT 두 처리만을 대상으로 분석하였으며, No fertilizer는 무비 대조구로서 비교 대상에서 제외하였다. 연도 또는 처리 간 통계적인 유의성이 인정되는 경우, Tukey’s test를 이용하여 5% (p < 0.05) 확률의 유의 수준에서 사후 분석을 수행하였다. 모든 통계분석은 SAS software (ver.9.4, SAS Institute Inc., USA)을 이용하였다.
Results and Discussion
재배기간 중 기상 특성
10년간 옥수수 재배 기간 (5 - 8월) 중 평균기온은 23.2 - 26.1°C 범위였으며, 10년 평균은 24.5°C였다 (Table 2). 재배일수는 70 - 88일로 연도 간 다소 차이를 보였고, 10년 평균 재배일수는 76.3일이었다. 적산온도는 1773.7 - 2184.6°C 범위였으며, 평균은 1892.0°C로 조사되었다. 총 강수량은 연도 간 변이가 큰 경향을 보였으며, 특히 2020년과 2023년에 각각 1278.6 mm 및 1158.9 mm로 10년 평균 강수량인 623.3 mm에 비해 약 2배 수준의 강수량을 기록하였다.
일반적으로 옥수수 수량은 생육기간 중 온도, 강수량, 일사량 및 토양수분 조건에 의해 크게 영향을 받으며, 특히 개화기 전후의 수분 스트레스는 종실 형성에 직접적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다 (Zhou et al., 2021; Yang et al., 2023). 본 연구기간 동안 평균기온과 적산온도는 연도 간 차이가 있었으나, 상대적으로 총 강수량의 변동폭이 더 크게 나타났기 때문에, 이후 옥수수 수량의 연차 변동을 해석하는 데 있어 강수량 및 강우 발생 시기가 중요한 기상 요인으로 작용했을 가능성이 있다.
경운 유무에 따른 옥수수 수량 및 수량 안정성 평가
풋거름작물 환원 조건에서 경운 유무에 따른 옥수수 수량 변화를 평가한 결과, 옥수수 알곡 수량은 10년간 연도별로 큰 변동을 보였다 (Fig. 1a). 모든 처리구에서 2018 - 2019년에 상대적으로 높은 수량을 보였으며, 2023년에는 모든 처리구에서 수량 감소가 뚜렷하게 나타났다. 10년 평균 수량은 무처리구에서 2.83 Mg f.w. ha-1였던 반면, GM_T와 GM_NT에서는 각각 8.53 및 8.46 Mg f.w. ha-1로 무처리구 대비 약 3배 높은 값을 나타냈다 (Fig. 1b). 이는 풋거름작물 환원이 장기간 옥수수 생산성 유지에 중요한 양분 공급원으로 기여한 결과로 판단된다.
경운 유무에 따른 수량 차이는 전반적으로 크지 않았다. GM_T와 GM_NT 만을 대상으로 분석한 결과, Tillage 효과는 유의하지 않았으며 (p > 0.05), 이는 풋거름작물 환원 조건에서 무경운이 경운 대비 옥수수 수량을 유의하게 감소시키지 않았음을 의미한다. 서론에서 제시한 바와 같이, 풋거름작물 기반 무경운 체계에서는 잔사가 토양에 직접 혼입되지 않고 지표에 유지되기 때문에 질소 공급 양상과 작물 반응이 경운 조건과 다르게 나타날 수 있다. 그러나 본 연구의 10년 평균 결과에서는 이러한 잔사 처리 위치의 차이가 옥수수 수량의 유의한 감소로 이어지지 않았다. 이는 장기간 반복된 풋거름작물 환원 조건에서 무경운 처리구도 경운 처리구와 유사한 수준의 작물 생산성을 유지할 수 있음을 시사한다. 한편, Year × Tillage 상호작용은 유의하게 나타났으며 (p < 0.05), GM_T와 GM_NT 간 수량 차이는 연도에 따라 일정하지 않았다. 연도별 수량 변화에서 GM_T와 GM_NT는 대부분의 연도에서 유사한 수준을 보였으나, 일부 연도에서는 처리 간 차이가 나타나는 것으로 조사되었다. 특히 2023년에는 모든 처리구에서 전반적으로 낮은 수량을 나타냈으며, 무처리구의 경우 알곡을 거의 형성하지 못할 정도로 뚜렷한 수량 피해를 보였다. 2023년의 재배기간 총 강수량은 1158.9 mm로 10년 평균 강수량인 623.3 mm에 비해 매우 높았다 (Table 2). 그러나 2020년에도 총 강수량이 1278.6 mm로 높았음에도 2023년과 같은 뚜렷한 수량 감소가 나타나지 않았다는 점을 고려하면, 수량 감소는 총 강수량 자체보다 강우가 집중된 시기와 생육단계의 중첩 여부에 더 크게 영향을 받았을 가능성이 있다. 실제로 2023년에는 개화·수분기로 추정되는 DAT 50 - 60 기간의 누적강수량이 416.4 mm로 2020년의 151.4 mm보다 높았으며 (Supplementary Fig. 1), 특히 DAT 57에 290.6 mm의 강우가 집중되었다. 옥수수는 생식생장기, 특히 개화기와 수분기에 수분 스트레스에 민감한 작물로 알려져 있으며, 개화기 침수 또는 과습은 종실 형성 및 이삭 발달을 저해하여 수량 감소를 유발할 수 있다 (Zhou et al., 2021; Yang et al., 2023). 따라서 2023년에 나타난 전반적인 수량 감소는 생식생장기에 집중된 강우와 관련되었을 가능성이 있다.
흥미롭게도, 2023년에 GM_T의 수량은 1.49 Mg f.w. ha-1까지 감소하였던 반면, GM_NT는 5.30 Mg f.w. ha-1로 GM_T보다 유의하게 높은 수량을 나타냈다. 이러한 결과는 극단적 강우와 같은 일부 불리한 기상조건에서 GM_NT가 GM_T보다 상대적으로 높은 수량을 유지하였음을 보여준다. 선행연구에서도 무경운과 지표 멀칭을 병행한 조건에서 고강우 환경의 옥수수 수량 안정성이 높게 나타난 사례가 보고된 바 있다 (Mhlanga et al., 2021). 또한 장기적인 경운 관리는 토양 용적밀도와 공극 구조 등 토양 물리성에 영향을 미칠 수 있으며 (Mondal and Chakraborty, 2022), 장기 무경운과 지표 잔사 유지는 토양의 공극 구조와 수분 이동에 영향을 미쳐 극한강우 조건에서 토양 내 수분 침투와 배수에 영향을 줄 수 있는 것으로 보고되었다 (Qin et al., 2025). 이러한 선행연구를 고려하면, 2023년에 GM_NT가 GM_T보다 높은 수량을 유지한 결과는 무경운과 지표 잔사 유지에 따른 토양 수분환경의 차이와 관련되었을 가능성이 있다. 다만 본 연구에서는 토양수분, 침수 지속시간, 토양 물리성 및 배수 특성을 조사하지 않았기 때문에 이러한 가능성을 직접적으로 확인하기에는 한계가 있으며, 추가적인 검증이 필요할 것으로 판단된다. 또한 2020년에도 총강수량은 1278.6 mm로 2023년과 유사한 수준이었으나, 2023년과 같은 뚜렷한 수량 피해는 나타나지 않았으며, 이는 2020년의 강수는 재배기간 전반에 비교적 분산되었기 때문인 것으로 판단된다.
수량의 장기적 안정성을 평가하기 위해 지속가능수량지수 (sustainability yield index, SYI)를 산출한 결과, GM_T에서 0.337, GM_NT에서 0.438로 나타났다 (Fig. 1b). SYI는 값이 높을수록 연도 간 수량 변동이 적고 안정적인 생산이 가능함을 의미하는 지표로, 장기시험에서 처리 간 수량 안정성을 평가하는 데 널리 활용된다 (Wanjari et al., 2004; Manna et al., 2005) 본 연구에서는 두 풋거름작물 처리구의 10년 평균 수량은 유사하였으나, GM_NT에서 SYI가 더 높게 나타났다. 이는 무경운 처리구가 평균 수량 측면에서는 경운 처리구와 유사하였지만, 일부 연도에서 상대적으로 수량을 더 안정적으로 유지한 결과로 판단된다. 특히 2023년과 같이 전반적인 수량 감소가 크게 나타난 연도에서 GM_NT가 GM_T보다 높은 수량을 유지한 점은 GM_NT의 높은 SYI를 설명하는 하나의 근거로 볼 수 있다. 따라서 장기 풋거름작물 환원 조건에서 무경운은 경운 대비 평균 수량을 감소시키지 않았으며, 수량 안정성 측면에서도 효과적인 관리방식일 가능성이 있다.
Fig. 1
Annual changes in grain yield (a) and 10-year means with sustainability yield index (b) under no fertilizer, green manure with tillage (GM_T) and green manure with no-tillage (GM_NT) conditions. The effects of year, tillage, and their interaction were evaluated using two-way ANOVA. Error bars represent standard error (n = 3). Red asterisks indicate significant differences between GM_T and GM_NT in each year according to Tukey’s HSD test (p < 0.05). The × symbol indicates zero grain yield in the no fertilizer treatment. SYI means sustainability yield index.
경운 유무에 따른 옥수수 질소 흡수량 및 질소이용효율 평가
풋거름작물 환원 조건에서 경운 유무에 따른 옥수수의 질소 함량 및 질소 흡수량을 평가하였다 (Table 3). 각 부위별 (잎, 줄기, 알곡) 질소 함량, 그리고 총 질소 흡수량 모두에서 연도 간 유의한 차이를 보였으나 (Year, p < 0.001), 경운 유무에 따른 차이는 나타나지 않았다 (Tillage, p > 0.05). 이는 무경운 조건에서 풋거름작물 잔사가 토양에 직접 혼입되지 않았음에도, 10년 평균 기준으로 경운과 유사한 수준의 질소 흡수가 이루어졌음을 의미한다. 다만 줄기 질소 함량, 잎 질소 흡수량에서 경운과 무경운에 따른 반응이 연도에 따라 다른 특성을 보였다 (Year × Tillage, p < 0.05). 특히 잎의 질소 흡수량은 GM_T (17.5 kg N ha-1)가 GM_NT (14.9 kg N ha-1)보다 다소 높은 경향을 보인 반면, 알곡 질소 흡수량은 GM_T (36.2 kg N ha-1)와 GM_NT (36.8 kg N ha-1)로 처리 간 차이가 없었다. 이는 무경운 처리구에서 총 질소 흡수량이 경운 처리구와 유사하게 유지되었을 뿐만 아니라, 흡수된 질소의 알곡 배분도 감소하지 않았음을 시사한다.
Table 3
Mean biomass production, nitrogen content, and nitrogen uptake of maize under no fertilizer, green manure with tillage (GM_T), and green manure with no-tillage (GM_NT) over the 10-year experimental period (2015–2024).
| Parameter | No fertilizer | GM_T | GM_NT | ANOVA | ||
| Year | Tillage | Y×T | ||||
| Biomass (Mg d.w ha-1) | ||||||
| Leaf | 0.97 | 2.06 | 1.85 | *** | ns | ns |
| Stem | 1.11 | 2.49 | 2.24 | *** | ns | ns |
| Grain | 0.59 | 3.30 | 3.34 | *** | ns | ns |
| Total | 2.71 | 7.61 | 7.56 | *** | ns | * |
| N content (%) | ||||||
| Leaf | 0.60 | 0.73 | 0.72 | *** | ns | ns |
| Stem | 0.11 | 0.19 | 0.21 | *** | ns | * |
| Grain | 1.18 | 1.07 | 1.08 | *** | ns | ns |
| N uptake (kg N ha-1) | ||||||
| Leaf | 6.5 | 17.5 | 14.9 | *** | ns | * |
| Stem | 1.5 | 4.9 | 4.7 | *** | ns | ns |
| Grain | 8.1 | 36.2 | 36.8 | *** | ns | ns |
| Total | 16.6 | 60.1 | 59.7 | *** | ns | ns |
질소이용효율 (nitrogen use efficiency, NUE)은 투입된 질소 중 작물에 의해 흡수된 비율을 나타내는 지표로, 투입 질소의 작물 이용 정도를 평가하는 데 널리 활용된다 (An et al., 2023; You et al., 2023; Lee and Kim, 2025). 본 연구에서 질소이용효율의 연도별 변화를 평가한 결과, 10년간 연도별로 큰 변동을 보였으나 (Year, p < 0.001) 경운유무 및 상호작용은 모두 유의하지 않았다 (Fig. 2a). 연도별로는 시험 초기 일부 연도에서 GM_T가 상대적으로 높은 값을 보였던 반면, 2020년 이후에는 2024년을 제외하고 GM_NT가 GM_T와 유사하거나 높은 값을 나타냈다. 10년 평균 NUE의 경우 GM_T 25.0%, GM_NT 24.6%로 거의 동일한 수준이었다 (Fig. 2b). 이러한 결과는 풋거름작물 잔사의 경운 유무가 최종적인 작물 질소 흡수와 질소이용효율 차이로 이어지지는 않음을 보여준다. 한편, 경운에 따른 토양 물리적 환경의 변화는 옥수수의 뿌리 생육과 수분 및 양분 이용에 영향을 미칠 수 있다 (Ji et al., 2013). 따라서 경운 유무에 따른 질소흡수 및 질소이용효율의 반응을 보다 명확히 해석하기 위해서는 용적밀도와 뿌리 생육 특성을 함께 고려한 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다. Lü et al. (2025)은 15N 표지 녹비를 이용한 연구에서 경운 및 녹비 전량 혼입 처리보다 무경운 및 녹비 전량 피복 처리시 옥수수의 녹비 유래 질소 흡수량이 높았고, 토양 내 질소 보유가 증가한 반면 질소 손실은 감소하였다고 보고하였다. 이는 장기간 지표에 유지된 풋거름작물 잔사가 점진적으로 분해되면서 작물의 누적 질소 흡수에 기여했을 가능성이 있다. 본 연구에서도 시험 초기에는 2015년, 2018년 및 2019년에 GM_T가 GM_NT보다 높은 값을 보였으나, 2020년 이후에는 2024년을 제외하고 GM_NT가 GM_T와 유사하거나 더 높은 값을 보였다 (Fig. 2). 이는 장기간 반복된 풋거름작물의 지표 피복이 시간이 지남에 따라 무경운 조건에서도 작물의 질소 흡수와 질소이용효율 유지에 기여했을 가능성이 있다. 다만 본 연구에서는 생육기간 중 토양 무기태질소의 시간적 변화를 조사하지 않았기 때문에, 경운과 무경운 조건에서 풋거름작물 유래 질소의 방출 시기와 공급 양상을 직접적으로 설명하는 데에는 한계가 있다. 종합하면, 10년간의 풋거름작물 환원 조건에서 무경운은 경운 대비 옥수수의 총 질소 흡수량 및 질소이용효율을 유의하게 감소시키지 않았다. 또한 알곡 질소 흡수량이 GM_T와 GM_NT 간 유사하게 나타난 점은, 무경운 조건에서도 흡수된 질소가 알곡 생산에 효과적으로 배분될 수 있음을 보여준다. 따라서 장기 풋거름작물 기반 옥수수 재배에서 무경운은 질소 흡수 및 질소이용효율 측면에서 경운과 유사한 수준을 유지할 수 있는 관리방식으로 판단된다.
경운 유무에 따른 옥수수 질소수확지수 평가
흡수된 질소의 알곡 배분 특성을 평가하기 위해 질소수확지수 (nitrogen harvest index, NHI)의 연도별 변화를 조사하였다 (Fig. 3). NHI는 총 질소 흡수량 중 알곡에 축적된 질소의 비율을 나타내는 지표로, 작물이 흡수한 질소가 최종 수확부위인 알곡으로 얼마나 배분되었는지를 평가하는 데 활용된다 (Hay, 1995; Fageria, 2014). 본 연구에서 NHI는 10년간 연도별로 큰 변동을 보였으며 (Year, p < 0.001), 특히 2023년에는 모든 처리구에서 뚜렷한 감소가 나타났다 (Fig. 3a). 무처리구는 풋거름작물 처리구에 비해 전반적으로 낮은 NHI를 유지하였으며, 10년 평균 NHI는 무처리구 46.4%, GM_T 60.0%, GM_NT 63.8%로 나타났다 (Fig. 3b). 이는 풋거름작물 환원이 무비 조건에 비해 옥수수의 질소 흡수뿐만 아니라, 흡수된 질소의 알곡 배분에도 긍정적으로 작용했을 가능성을 나타낸다.
Fig. 3
Annual changes in nitrogen harvest index (a) and 10-year means (b) under no fertilizer, green manure with tillage (GM_T) and no-tillage (GM_NT). The effects of year, tillage, and their interaction were evaluated using two-way ANOVA. Error bars represent standard error (n = 3). Red asterisks indicate significant differences between GM_T and GM_NT in each year according to Tukey’s HSD test (p < 0.05). The × symbol indicates that NHI could not be calculated due to zero grain yield in the no fertilizer treatment.
앞서 총 질소 흡수량 및 질소이용효율에서는 경운 유무에 따른 유의한 차이가 나타나지 않았으나, NHI에서는 경운에 따른 유의한 차이가 확인되었다 (Tillage, p < 0.01). 또한 Year × Tillage 상호작용도 유의하여 (p < 0.01), 경운과 무경운의 NHI 반응은 연도별로 다르게 나타났다. 실제로 잎의 질소 흡수량은 GM_T (17.5 kg N ha-1)가 GM_NT (14.9 kg N ha-1)보다 다소 높았던 반면, 알곡 질소 흡수량은 두 처리구에서 유사하였다 (Table 3). 따라서 GM_NT에서 상대적으로 높은 NHI가 나타난 것은 알곡 질소 흡수량의 증가보다는, 잎 등 영양기관에 축적된 질소 함량이 상대적으로 낮았던 점과 관련된 것으로 판단된다.
이러한 결과는 무경운 조건에서도 총 질소 흡수량과 질소이용효율이 경운 처리구와 유사하게 유지되었으며, 흡수된 질소의 알곡 배분 비율은 오히려 높게 나타났음을 보여준다. 이는 경운 유무에 따른 풋거름작물 잔사의 위치와 질소 방출 양상 차이와 일부 관련될 수 있다. 경운 조건에서는 잔사가 토양에 혼입되면서 토양 및 미생물과의 접촉이 증가하여 분해와 질소 방출이 상대적으로 빠르게 진행될 수 있는 반면, 무경운 조건에서는 지표에 유지된 잔사가 보다 점진적으로 분해되면서 질소 공급 양상이 경운 조건과 달라질 수 있다 (Gaillard et al., 1999; Jahanzad et al., 2016). 본 연구에서 GM_T의 잎 질소 흡수량이 GM_NT보다 다소 높았던 반면 알곡 질소 흡수량은 두 처리구 간 유사했던 점은, 경운 유무에 따라 흡수된 질소의 체내 배분 양상이 달라졌을 가능성을 시사한다. 종합하면, 풋거름작물 환원 조건에서 무경운은 경운 대비 총 질소 흡수량을 감소시키지 않았으며, NHI는 오히려 더 높은 값을 보였다. 이는 무경운 조건에서 흡수된 질소의 알곡 배분 비율이 경운보다 높았을 가능성을 보여주는 결과이나, 그 원인을 명확히 규명하기 위해서는 생육시기별 질소 동태와 식물체 내 질소 재분배 과정에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
경운 유무에 따른 토양 화학성 평가
일반적으로 장기적인 유기물 투입은 토양 pH, 유효인산 및 교환성 양이온 등 토양화학성에 영향을 미칠 수 있으나, 그 반응은 투입 유기물의 종류, 분해 특성, 작물의 양분 흡수량 및 토양의 완충능에 따라 다르게 나타날 수 있다. 10년간의 연속 옥수수 재배 후 풋거름작물 환원 및 경운 유무는 일부 토양화학성에 유의한 영향을 미치는 것으로 조사되었다 (Table 4). 토양 pH는 무처리구, GM_T 및 GM_NT에서 각각 6.16, 6.23 및 6.41로 나타나 풋거름작물 환원에 따라 다소 높은 값을 보이는 경향이 있었으나 각 처리구 간 유의한 차이를 보이지 않았다. 무처리구, GM_T 및 GM_NT의 유효인산 함량은 각각 13.4, 13.5 및 15.4 mg kg-1로 나타났으며, 이는 시험 전 토양의 유효인산 함량인 47.1 mg kg-1보다 낮았다 (Table 1). 이러한 결과는 외부 인산원의 추가 공급 없이 옥수수 지상부를 지속적으로 전량 반출한 재배관리의 영향에 기인한 것으로 판단된다. 토양 EC는 무처리구(0.12 dS m-1)에 비해 풋거름 환원 처리구에서 유의하게 높았으나, GM_T와 GM_NT 간에는 유의한 차이가 없었으며, 모든 처리구에서 시험 전 토양에 비해 유효인산과 마찬가지로 낮은 수준을 나타냈다.
Table 4
Soil chemical properties after 10 years (2025) of continuous maize cultivation under no fertilizer, GM_T, and GM_NT.
| Parameter | No fertilizer | GM_T | GM_NT |
| pH | 6.16 ns | 6.23 ns | 6.41 ns |
| EC (dS m-1) | 0.12 b | 0.15 a | 0.17 a |
| Av.P2O5 (mg kg-1) | 13.4 ns | 13.5 ns | 15.4 ns |
| OM (g kg-1) | 12.3 c | 17.1 a | 14.4 b |
| Total N (g kg-1) | 0.70 b | 0.99 a | 1.00 a |
| C/N ratio | 9.46 a | 9.18 a | 8.53 b |
토양 유기물 함량은 처리구 간 뚜렷한 차이를 보였다. 토양 유기물 함량은 무처리구 (12.3 g kg-1)와 비교하여 풋거름작물 환원 시 유의하게 증가하였으며, 이는 풋거름작물의 장기 환원이 토양 유기물 축적에 유의미한 영향을 미쳤던 것으로 판단된다. 다만 경운 유무에 따라서는 경운 처리구 (17.1 g kg-1)에서 무경운 처리구 (14.4 g kg-1)에 비해 더 높은 유기물 함량을 나타냈다. 일반적으로 무경운은 토양 교란을 감소시켜 토양유기탄소 축적에 유리한 것으로 알려져 있으나, 그 효과는 토심 및 잔사 관리방법에 따라 달라질 수 있다 (Haddaway et al., 2017; Jiang et al., 2025). 한편 헤어리베치는 낮은 C/N ratio로 인해 비교적 빠른 분해와 N 방출이 가능한 풋거름작물이며, Singh et al. (2020)은 헤어리베치 잔사를 지표에 유지한 무경운과 토양 내에 위치시킨 경운 조건 간 잔사의 분해 및 누적 N 방출에 뚜렷한 차이가 나타나지 않았다고 보고하였다. 이러한 결과는 본 연구에서 GM_T와 GM_NT의 총 질소흡수량과 질소이용효율이 유사하게 나타난 결과를 뒷받침하며, 무경운 조건에서도 풋거름 유래 N이 작물에 이용될 수 있었음을 시사한다. 반면 토양 유기물 함량은 잔사의 분해와 N 방출뿐만 아니라 잔사 관리 위치에 따른 풋거름 유래 유기물의 토층 내 분포에도 영향을 받을 수 있다. Muchanga et al. (2020)은 헤어리베치를 토양에 혼입하거나 표면에 멀칭함에 따라 토양 C와 N pool의 반응이 다르게 나타났으며, 헤어리베치 혼입이 토양유기탄소와 질소 관련 특성의 증가에 보다 효과적으로 나타난 사례를 보고하였다. 본 연구에서도 GM_T에서는 헤어리베치가 토양 내에 혼입된 반면 GM_NT에서는 지표에 유지되었으며, 장기간 반복된 잔사 관리 위치의 차이가 0 - 15 cm 토양의 유기물 함량에 영향을 미쳤을 가능성이 있다. 다만 본 연구에서는 깊이별 토양유기탄소와 잔사의 분해 및 잔존량을 직접 조사하지 않았으므로 이에 대한 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.
토양 총질소 함량은 풋거름작물 환원에 따라 유의하게 증가하였다. 무처리구의 Total N은 0.70 g kg-1였던 반면, GM_T와 GM_NT에서는 각각 0.99 및 1.00 g kg-1로 나타났으며, 토양 유기물 함량과 달리 경운 유무에 따른 유의한 차이는 없었다. 헤어리베치는 낮은 C/N 특성으로 인해 지표에 잔사가 유지되는 조건에서도 비교적 빠르게 분해되어 N을 방출할 수 있으며, 방출된 N은 토양에 공급되거나 작물에 이용될 수 있다 (Singh et al., 2020). 따라서 경운 유무에 따라 헤어리베치 투입 후 토양 내 유기물의 분포와 축적은 달라질 수 있었던 반면, Total N에 미치는 영향은 상대적으로 작았던 것으로 판단된다. 종합하면, 10년간의 풋거름작물 환원 후 GM_NT의 토양 유기물 함량은 GM_T보다 낮았으나, pH, EC, 유효인산 및 Total N은 두 처리구 간 유의한 차이를 보이지 않았다. 따라서 장기 풋거름작물 환원 조건에서 무경운은 유기물 함량을 제외한 주요 토양화학성에서 경운과 유사한 수준을 나타냈다.
Conclusions
본 연구에서는 풋거름작물 기반 옥수수 재배에서 경운과 무경운이 수량 안정성, 질소이용효율 및 토양특성에 미치는 장기적 영향을 평가하기 위해 수량, 질소이용효율, 토양 화학성을 평가하였다. 풋거름작물 환원은 무처리구에 비해 옥수수 생산성과 질소 흡수량을 증가시켰으며, 장기 옥수수 재배에서 주요 양분 공급원으로 작용한 것으로 판단된다. 경운과 무경운을 비교한 결과, 무경운 처리구는 경운 처리구와 유사한 수준의 수량, 질소 흡수량 및 질소이용효율을 나타냈으며, 수량 안정성과 질소 분배 측면에서도 긍정적인 가능성을 보였다. 이는 지표에 유지된 풋거름작물 잔사가 장기적으로 축적되고 점진적으로 분해되면서 작물 생육기간 동안 질소 공급에 기여했을 가능성이 있기 때문으로 판단된다. 또한 무경운은 토양 화학성을 크게 저하시키지 않아, 장기적인 풋거름작물 환원 조건에서 토양 비옥도 유지에도 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 다만, 본 연구에서는 풋거름작물 잔사의 분해 속도와 생육 단계별 토양 내 무기태 질소 변동을 직접 조사하지 못하여 경운 및 무경운 조건에서의 질소흡수 및 이용효율 차이에 대한 직접적인 증거를 제시하는 데에는 한계가 있었다. 그럼에도 불구하고, 본 연구는 풋거름작물을 활용한 장기 옥수수 재배에서 무경운이 경운 대비 생산성과 질소이용효율을 크게 저하시키지 않으면서 적용 가능한 토양보전형 관리방식이 될 수 있다는 가능성을 보여준 연구라고 판단된다. 향후 무경운 풋거름작물 재배체계의 현장 적용성을 보다 명확히 평가하기 위해서는 다양한 작물, 토양 및 기상 조건에서의 장기 검증 연구가 필요할 것으로 판단된다.
