Introduction
Materials and Methods
대파 재배시험 포장의 이화학성 및 관비 공급
토양 및 식물체 분석
작물 생장률, 영농효율, 인산 이용효율 산정
Results and Discussion
인산 관비 공급에 따른 작물 생육과 양분흡수
인산 밑거름과 관비공급에 따른 유효인산 함량과 이용효율
Conclusions
Introduction
인은 식물의 정상적인 생육을 위한 필수 원소로서 에너지 저장, 단백질 합성 등의 역할을 한다 (Doydora et al., 2020). 인산은 토양에 쉽게 흡착되고 양이온과 빠르게 결합하여 침전되는 특성이 있으며, 작물의 인 이용률은 15 - 30%로 낮은 편이다 (Mohammad et al., 2004; Syers et al., 2008; Menezes-Blackburn et al., 2018). 따라서 장기간 경작을 통해 퇴비와 비료를 준 곳은 토양 내에서 인산의 고정과 작물의 낮은 이용효율로 인해 토양에 인산이 집적된 것을 볼 수 있다. 인산질 비료는 주로 생육 초반에 뿌리의 활착과 작물의 생육을 증진시키기 위해 밑거름으로 주는데 (Grant et al., 2001), 기존의 밑거름 공급 방법이 작물의 인산질 비료 이용효율에 유리한지 검토할 필요가 있다.
인산질 비료의 분시 효과에 대한 연구결과는 많지 않으나, 양이온이 많은 석회질 토양은 칼슘과 쉽게 결합하기 때문에 관비로 인산을 나누어 공급하는 것이 비료 이용효율을 높이기에 효과적이라는 일부 연구결과들을 확인할 수 있으며, 토마토, 옥수수, 감자 등 일부 채소 작물에 대해 연구가 수행되었다 (Papadopoulos, 1992; Carrijo and Hochmuth, 2000; Eissa, 2018; Kang et al., 2021). 인을 나누어서 주면 전량 밑거름으로 준 것에 비해 토양과 접촉하는 시간을 줄일 수 있고, 관비로 공급할 경우 1회당 시용하는 인산질 비료의 양이 적기 때문에 인의 고정을 줄일 수 있다고 보고된 바 있다 (Colomb et al., 2007; Kang et al., 2021).
관비 시스템은 재배여건에 따라 물과 양분 공급을 제어할 수 있기 때문에 작물의 양분이용효율을 높이는 효과가 있다 (Incrocci et al., 2017). 국립농업과학원에서는 주요 시설재배 작물에 대하여 질소, 칼리 뿐만 아니라 인산을 포함하여 1주 단위의 관비 공급량을 설정하여 보급하고 있다 (NAS, 2021). 국내에서 관비연구는 대부분 딸기, 오이 등 시설재배 작물을 대상으로 수행되었으나 (Lee et al., 2021; Kim et al., 2022), 노지는 시설재배와 달리 강우에 의한 양분 손실 등 재배여건이 다르므로 노지 작물에도 시설재배지의 관비 인산 웃거름 공급 방법을 적용할 수 있는지 확인할 필요가 있다.
대파는 노지 스마트팜 시범사업의 대상작물로 전남 지역에 많이 재배하고 있으며, 양 ‧ 수분 제어 스마트팜 기술을 적용하기 위해서는 관비를 적용한 양분 공급 기준이 필요하다. 또한 시험 대상지는 pH가 높고 유기물 함량이 낮은 사질 토양으로 인산의 이용효율이 낮을 것으로 예상되며, 인산 이용효율을 높이기 위해 인산 관비공급을 고려해 볼 수 있다. 따라서 본 연구는 pH가 높은 토양에서 대파를 재배했을 때 인산 관비공급 효과를 확인하고자 인산 전량 밑거름, 밑거름 50%와 관비 50% 공급, 인산 전량 관비 공급으로 처리하여 작물 생산성과 양분 이용효율, 시기별 토양 유효인산 함량을 비교하였다.
Materials and Methods
대파 재배시험 포장의 이화학성 및 관비 공급
전남 신안군 자은면 백산리에 위치한 대파 재배 농가 포장에서 시험을 수행하였다. 대파는 5월에 정식하고 11월부터 이듬해 2월까지 수확하는 작형이며, 본 실험에서는 2022년 5월 17일에 대파를 정식하였고, 11월 2일에 수확기 조사를 수행하였다. 시험 포장의 토성은 양질사토이며, 배수가 원활한 토양이었다. 시험 전 토양의 pH는 7.6이고, 토양 유기물 함량은 10 g kg-1이었으며, 토양 유효인산과 양이온 함량은 밭토양 적정범위에 근접하였다 (Table 1).
Table 1.
Physical and chemical properties of the experimental soils.
| Soil texture (%) |
pH (1:5) |
EC (dS m-1) |
NO3-N (mg kg-1) |
OM (g kg-1) |
Avail. P2O5 (mg kg-1) | Exch. cations (cmolc kg-1) | |||||
| Sand | Silt | Clay | K | Ca | Mg | ||||||
|
Experimental soils | 79.5 | 13.5 | 7.0 | 7.6 | 0.8 | 28 | 10 | 511 | 0.42 | 5.5 | 2.2 |
|
Optimum range† | - | - | - | 6.0 - 7.0 | <2.0 | - | 20 - 30 | 300 - 500 | 0.50 - 0.80 | 5.0 - 6.0 | 1.5 - 2.0 |
†Optimum range of chemical properties in the upland soils (NAS, 2022).
국립농업과학원의 토양검정 비료추천기준 (NAS, 2022)을 적용하였으며, 비료사용량은 N-P2O5-K2O = 182-40-166 kg ha-1으로 밑거름은 5월 3일에 처리하였고, 나머지 웃거름은 관비로 공급하였다. 대파의 인산 관비 공급 효과를 보기 위해 인산 무비구 (P0), 전량 밑거름 구 (P100:F0), 밑거름과 관비를 절반씩 나누어 공급한 구 (P50:F50), 전량 관비구 (P0:F100)로 구분하여 처리하였다. 인산 밑거름은 용성인비로 공급하였고, 인산 관비는 Monopotassium phosphate (0-52-34)로 공급하였다. 질소와 칼리는 선행 연구를 통해 노지 대파의 관비 적정 비율로 선정된 비율에 따라 전 처리구에 동일하게 밑거름으로 질소 40%, 칼리 60% 해당량을 주고, 관비로 질소 60%, 칼리 40% 해당량을 공급하였으며, 비료는 요소와 황산칼리를 이용하였다 (Lee et al., 2022). 신안지역에서는 겨울에 대파를 수확하기 위해 정식 후 3개월간 밑거름으로 양분을 공급하고, 8월 중순 이후부터 웃거름을 주기 시작하기 때문에 농가의 비료사용 방식에 따라 정식 후 90일부터 수확기까지 동일한 양으로 나누어 1주일 간격으로 공급하였다 (Table 2).
Table 2.
Fertilization rates of experimental plots for the green onion cultivation.
|
Ratio of P fertilization (%) |
Basal fertilization rates† (N-P2O5-K2O, kg ha-1) |
Fertilization rates by drip fertigation‡ (N-P2O5-K2O, kg ha-1) |
| Control (P 0) | 72.8-0-99.6 | 109.2-0-66.4 |
| P100:F0 | 72.8-40.0-99.6 | 109.2-0-66.4 |
| P50:F50 | 72.8-20.0-99.6 | 109.2-20.0-66.4 |
| P0:F100 | 72.8-0-99.6 | 109.2-40.0-66.4 |
각 처리별 시험구 면적은 140 m2이며, 단구제로 배치하되 임의로 3구간을 나누어 시료채취와 수량조사를 실시하였다. 관수는 정식 후부터 7월 20일까지 -33 kPa을 기준으로 공급하다 대파 생체량 증가로 7월 21일부터 -15 kPa 기준으로 공급했으며, 비료는 각 처리 별 관수통에 넣어 물과 혼합하여 공급하였다. 비료공급 시기에 강우가 발생한 경우는 강우가 끝난 후 관비를 공급하였다.
토양 및 식물체 분석
토양은 시험 전과 대파 재배기간 중 지표면에서 15 cm 깊이까지 균일하게 채취하였다. 채취한 토양은 풍건 후 2 mm 체로 거른 후 분석에 이용하였다. 토양과 식물체 분석은 국립농업과학원의 토양 및 식물체 분석법에 따랐다 (NAS, 2000). 토성은 비중계법 (Gee and Bouder, 1986)으로 분석하였다. 토양 pH와 EC는 토양과 증류수를 1:5의 비율로 진탕한 후 pH, EC meter (Thermo scientific, USA)로 측정하였으며, EC는 측정값에 희석비율인 5를 곱한 값으로 표기하였다. 질산태질소는 습토와 2 M KCl을 1:5의 비율로 진탕하고 질소 자동분석기 (BRAN+LUEBBE, Germany)로 분석하였다. 유기물은 Tyurin법에 의하여 0.4 N K2Cr2O7 ‧ H2SO4 혼합용액을 넣고 5분간 가열한 후 적정하여 유기물 함량을 구하였으며, 유효인산은 Lancaster법으로 토양용액을 침출한 후 720 nm에서 UV Spectrometer (Hitachi, Japan)로 비색정량 하였다. 교환성 양이온은 1 M NH4OAC (pH 7.0)으로 침출하여 ICP (Thermo scientific, USA)로 분석하였다.
대파는 뿌리를 제외하고 지상부 전체를 80°C에서 48시간 동안 건조한 후 건물중을 측정했으며, 식물체 성분은 건조한 식물체를 분쇄하여 0.5 g을 황산으로 습식 분해하였다. 식물체 분해액은 증류수로 희석하여 여과한 후 N, P, K 함량을 분석했다 (Lee et al., 2017). 대파의 양분흡수량은 지상부 건물중에 성분함량을 곱하여 구하였으며, 처리 간 비교를 위해 SAS 7.13 (SAS Institute Inc., USA)을 이용하여 Duncan’s multiple range test (DMRT)를 수행하였다.
작물 생장률, 영농효율, 인산 이용효율 산정
작물 재배기간 중 인산 관비공급에 따른 작물 생장을 비교하기 위하여 상대 생장률 (relative growth rate, RGR)을 산정하였다. 각 처리별 일정기간의 전, 후의 식물체 1주당 건물중 차이를 기간으로 나누어 구하였다 (Hoffmann and Poorter, 2002) (Eq. 1).
( : dry weight, : day)
인산질 비료 시용에 따른 생산 효율을 나타내는 영농효율 (agronomic efficiency, AE)는 Eq. 2와 같이 산정하였고, 인산 이용효율 (phosphorus use efficiency, PUE)은 Eq. 3에 따라 산정하였다 (Aquino et al., 2021).
( : dry weight of P applied treatment, : dry weight of control, : applied fertilizer amount)
( : amount of P absorbed by crop in the treatment, : amount of P absorbed by crop in the control, : applied fertilizer amount)
Results and Discussion
인산 관비 공급에 따른 작물 생육과 양분흡수
대파 재배기간 동안 인산 관비공급에 따른 생장량 차이가 있는지 확인하기 위하여 시기별 상대 생장률 (RGR)을 비교했다 (Fig. 1). 대파는 50일까지 거의 건중이 증가하지 않다가 51일차부터 생장량이 증가하기 시작했다. 본 시험포장은 정식 후 90일 이후부터 관비를 주기 시작했기 때문에 정식 후 90일까지는 인산 밑거름 공급 여부에 따른 생육 차이를 확인할 수 있었다. 정식 후 51 - 90일까지는 인산 전량을 밑거름으로 공급 (P100:F0) 했을 때 가장 RGR이 컸고, 인산 관비를 공급하기 시작한 90일차 이후부터 수확기까지 인산 전량 관비공급 (P0:F100)에서 RGR이 가장 컸다. 121 - 170일까지 인산 전량 관비공급 (P0:F100) 처리구의 RGR은 인산 밑거름 공급 (P100:F0)보다 5.5% 증가했으며, RGR은 인산 50% 해당량을 관비로 공급 (P50:F50)한 처리구가 4.1 g g-1 day-1, 인산 전량 관비공급 (P0:F100)이 4.2 g g-1 day-1로 유사하였다. 대파와 같은 과에 속하는 양파의 경우 인산 분시횟수가 많을수록 수확량이 증가했으며 (Aquino et al., 2021), 토마토에 인산 관비공급 시 인산 밑거름 시용량의 50%만 공급해도 최대 수량을 수확한 사례가 있다 (Carrijo and Hochmuth, 2000). 본 연구에서도 인산 관비공급이 대파 생장률 향상에 도움이 되는 것을 확인할 수 있었다.
대파 잎의 인산농도는 50일에 인산 밑거름 전량 공급에서 가장 높았고, 그 이후에는 인산 관비공급에 따른 차이는 없었다 (Table 3). 대파 잎의 칼리농도는 50일에는 인산 밑거름 전량 시용 (P100:F0)에서 가장 많았고, 수확기인 170일에는 인산 전량 관비공급 (P0:F100)에서 가장 많아 인산공급에 따라 증가하는 경향을 보였다. 대파 잎의 질소함량은 전반적으로 수확기로 갈수록 감소했으며, 인산 시용 여부 및 관비 공급비율에 따른 유의한 차이는 없었다.
Table 3.
The nutrient content of green onion leaf according to phosphorus application ratio by fertigation.
|
Ratio of
P fertilization (%) | N (%) | P2O5 (%) | K2O (%) | |||||||||
| Days after transplanting | Days after transplanting | Days after transplanting | ||||||||||
| 50 | 90 | 120 | 170 | 50 | 90 | 120 | 170 | 50 | 90 | 120 | 170 | |
| Control (P 0) | 2.18 ns† | 2.10 ns | 1.80 ns | 2.05 ns | 0.91 b‡ | 1.15 ns | 1.18 ns | 0.90 ns | 3.12 b | 3.18 ns | 3.44 ns | 2.82 c |
| P100:F0 | 2.62 | 2.17 | 2.10 | 2.08 | 1.01 a | 1.15 | 1.08 | 0.90 | 3.96 a | 3.22 | 3.59 | 3.43 b |
| P50:F50 | 2.51 | 2.12 | 1.76 | 2.09 | 0.94 b | 1.25 | 1.18 | 0.89 | 3.37 b | 2.74 | 3.18 | 3.76 ab |
| P0:F100 | 2.46 | 2.16 | 1.89 | 2.09 | 0.93 b | 1.27 | 1.29 | 0.92 | 3.03 b | 2.99 | 3.52 | 3.93 a |
대파의 인산 흡수량은 관비 처리 전인 90일차 까지 처리 간 차이가 없었으나, 관비 처리 이후인 120일차부터 인산 관비 공급비율이 클수록 흡수량이 증가하기 시작했다 (Table 4). 생육 중반 이후인 120일에 대파 지상부 수량이 증가함에 따라 인산 전량 관비공급 (P0:F100)에서 가장 흡수량이 많았으며, P100:F0의 1.6배 수준이었다.
Table 4.
The phosphate uptake of green onion according to phosphorus application ratio by fertigation.
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Ratio of P fertilization (%) | P2O5 uptake (kg ha-1) | |||
| Days after transplanting | ||||
| 50 | 90 | 120 | 170 | |
| Control (P 0) | 6.9 ± 0.35 ns† | 21.6 ± 2.67 ns | 18.5 ± 2.59 c‡ | 37.4 ± 7.98 b |
| P100:F0 | 7.2 ± 0.35 | 26.9 ± 2.67 | 22.7 ± 2.03 bc | 48.1 ± 4.44 ab |
| P50:F50 | 7.6 ± 1.07 | 24.6 ± 5.35 | 26.2 ± 4.59 b | 54.2 ± 12.59 ab |
| P0:F100 | 6.5 ± 0.12 | 23.5 ± 2.05 | 36.8 ± 4.81 a | 62.1 ± 7.69 a |
인산질 비료 공급에 따른 생산성을 의미하는 영농효율은 인산 밑거름이나 관비 공급비율에 따른 유의한 차이는 없었으나, 수확기의 건중과 인산 흡수량은 인산 전량을 관비로 공급했을 때 (P0:F100) 가장 많았으며, 인산 이용효율 또한 61.5%로 가장 높았다 (Table 5). 대파의 인산 이용효율에 대한 국내 연구결과는 없으나, 국외에서 유사한 작물인 양파에 인산질 비료를 분시했을 때 효과를 보면 인산질 비료를 전량 분시했을 때 영농적 효율은 4.4%로 전량 밑거름 대비 약 4 - 8배 높았으며, 인산 이용효율은 약 3배 높았다 (Aquino et al., 2021). 옥수수의 경우 인산질 비료를 토양에 시용했을 때 인산 이용효율은 13%, 관비 공급시 24.7%로 89.5% 효율이 증가했다고 보고된 바 있다 (Iqbal et al., 2013). 따라서 인산 관비공급은 작물의 인산 흡수율을 높이는데 효과적인 것을 알 수 있었다.
Table 5.
Dry weight, agronomic efficiency and phosphorus use efficiency of green onion according to phosphorus application ratio by fertigation.
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Ratio of P fertilization (%) |
Dry weight (kg ha-1) |
Agronomic efficiency (%) |
Phosphorus use efficiency (%) |
| Control (P 0) | 4.1 ± 0.17 c† | - | - |
| P100:F0 | 5.7 ± 0.80 b | 3.9 ± 2.08 ns‡ | 26.6 ± 9.70 b |
| P50:F50 | 6.0 ± 0.96 ab | 4.8 ± 2.53 | 42.0 ± 19.60 ab |
| P0:F100 | 6.8 ± 0.24 a | 6.8 ± 0.66 | 61.5 ± 15.38 a |
인산 밑거름과 관비공급에 따른 유효인산 함량과 이용효율
토양 유효인산은 시기별 인산 공급량에 따라 달라졌다. 밑거름으로 공급한 구는 120일까지 유효인산이 평균 670 - 843 mg kg-1으로 가장 높게 유지되다가 수확기에는 인산 무비구와 비슷한 수준으로 감소했다 (Fig. 2). 인산 관비공급 시험구 (P50:F50, P0:F100)의 재배기간 중 토양 유효인산 함량 변화는 시험 전 토양 대비 생육 초반부터 수확기까지 각각 13 - 22%, 8 - 25% 내외로 일정하게 유지되는 경향을 보였다. 처리구별 전체 시기의 평균 유효인산 함량은 P100:F0에서 680 mg kg-1, P50:F50에서 622 mg kg-1, P0:F100에서 589 mg kg-1로 관비 공급비율이 클수록 낮게 유지되는 것을 확인하였다.
대파 정식 후 120일차 토양 유효인산과 인산 흡수량을 비교해보면, 토양 유효인산 함량이 가장 높았던 인산 전량 밑거름 공급 (P100:F0)에서는 22.7 kg ha-1의 인산을 흡수했고, 토양 유효인산 함량이 가장 낮았던 인산 전량 관비공급 (P0:F100)에서 36.8 kg ha-1으로 약 60% 이상 흡수량이 많았다. 인산질 비료는 토양에 쉽게 고정되는 특성 때문에 밑거름으로 전량을 공급하면 토양의 인산 함량을 높일 수 있으나, 작물의 이용률은 떨어질 수 있다. 생체량이 증가하는 시기에 인산을 관비로 공급하면 토양에 고정되기 전 작물이 뿌리로 흡수할 수 있기 때문에 인산 흡수량이 증가하고, 토양 유효인산 함량이 증가하지 않은 것으로 판단된다.
인산 분시에 대한 사례를 보면, 옥수수 재배 시 인산질 비료를 나누어 공급했을 때 토양 중 가용성 인의 함량이 높았으며, 특히 석회질 토양에서 인산 관비공급은 인의 고정을 줄여 인의 흡수를 증가시켰다 (Kang et al., 2021). 또한 토양 pH가 높고, 유기물 함량이 낮은 반건조 지역에서 병아리콩 재배 시 인산 밑거름 처리와 1주 간격으로 관비로 인산을 공급한 처리를 비교했을 때 관비로 나누어 공급한 처리의 인산 이용률이 높았다 (Chtouki et al., 2022).
인산은 Ca, Mg, Fe, Al 등 양이온과 빠르게 결합하여 양분 유효도가 떨어질 수 있으며 (Zhu et al., 2018), 석회질 토양에서 인산질 비료 시용 후 시간에 따른 토양의 가용성 인 함량을 비교했을 때 3시간 만에 인산 유효도가 급격히 감소했다는 연구결과가 있다 (Jalali and Ranjbar, 2010). 또한 pH가 높고, 유기물함량이 낮으며, CaCO3가 많은 토양은 인의 유효도를 높이기 위해 인을 분시하거나, 관비로 공급하는 방법이 효과가 있다고 보고된 바 있다 (Mohammad et al., 2004; Kang et al., 2021; Chtouki et al., 2022). 시험토양 또한 유기물 함량이 낮은 사질 토양이고, pH가 7.6으로 약 알칼리성이기 때문에 관비공급을 통해 인산의 고정을 줄이는 것이 작물의 이용효율을 높이는데 유리했을 것으로 판단된다.
본 연구에서 대파의 재배 기간은 6개월 이상이고, 정식 3개월 이후부터 생체량을 키우기 위해 웃거름 공급을 시작했기 때문에 생육 중반 이후에는 밑거름으로 시용한 인산질 비료의 효과가 감소하고, 비대기에 인산을 관비로 공급했을 때 이용효율이 클 수 있다. 따라서 노지 대파 여름 정식, 겨울 수확 작형에서는 인산질 비료를 작물 정식 전에 밑거름으로 농경지 토양에 전체적으로 살포하는 것보다 작물 뿌리 근처에서 관비로 공급하는 것이 인의 고정을 줄이고, 작물의 인산흡수를 높이는 것을 알 수 있었다.
Conclusions
pH가 높고 사질인 토양에서 대파 재배 시 인산 밑거름 토양 살포와 관비 공급에 따른 작물 인산흡수와 수량, 토양 유효인산 변화를 비교한 결과, 수확기에 잎의 인산함량과 흡수량은 차이가 없었으나 대파 수량은 인산 관비 공급비율이 클수록 증가했다. 토양 유효인산 함량은 인산 밑거름 공급 시 생육 중반까지 가장 높다가 수확기에 감소했으나, 관비로 공급했을 때는 유효인산 함량 변화가 크지 않았다. 따라서 pH가 높은 토양에서 인산질 비료를 관비로 공급하는 것은 토양의 인 고정을 줄이고, 대파 생산성을 높이는데 유리할 것으로 판단된다. 추가적으로 토양 pH에 따른 인산 관비 공급효과를 평가할 필요가 있으며, 대파 외에도 과채류 등 관비 재배 작물에 적용하기 위해서는 작물별로 인산 관비효과를 검증하는 현장실증 연구가 필요할 것이다.
