Korean Journal of Soil Science and Fertilizer. August 2018. 265-273
https://doi.org/10.7745/KJSSF.2018.51.3.265

MAIN

  • Introduction

  • Materials and Methods

  • Results and Discussion

  • Conclusion

Introduction

국내 시설재배 면적은 2000년에 105,758 ha에서 2016년 83,629 ha로 21% 감소하였고 경남지역은 2000년에 21,043 ha에서 2016년에 13,093 ha로 38% 감소하였다 (KOSIS, 2017). 경지면적도 2016년에 1,644천 ha에서 2017년 1,617천 ha로 감소되었으며 향후 2027년에는 1,506천 ha까지 감소될 것으로 예상된다 (KREI, 2018). 그러나 농업생산액은 2016년에 47조 5,960억 원에서 2017년에는 48조 5,880억 원으로 예상되며 2027년에는 52조 5,560억 원으로 증가할 것으로 추정된다 (KREI, 2018). 국내 농업생산액 증가에 대한 기대는 4차 산업혁명과 농업 생산, 유통, 소비의 결합으로 미래 성장산업화 실현 및 경쟁력 확보 뿐만 아니라 토양 화학성에 대한 빅데이터를 구축하고 활용함으로 합리적인 양분관리를 통해서 실현할 수 있다.

토양 화학성은 작물 생산성과 밀접한 관계가 있는 양분의 수준을 나타내며 토양 생태계를 비롯한 환경과 오염도에 대한 정보를 제공한다. 농촌진흥청에서 토양관리를 위해 분석하는 토양 화학성분은 pH와 EC를 비롯한 유기물, 유효인산, 치환성 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 나트륨, 질산태 질소 등이 있으며 논에서는 유효규산, 밭과 과수원에서는 석회소요량을 분석하여 비료사용처방서를 발급하고 있다 (NAS, 2017).

토양 화학성은 재배작물에 따라 비료시용량과 양분관리 방법이 다르기 때문에 가장 크게 영향을 받으며 그 외에도 피복작물 재배, 유기물 시용, 비료의 종류, 멀칭방법, 토성, 지형 등에 따라 차이가 있다 (Jagadamma et al., 2008; Verma and Sharma, 2008; Ye and Wright, 2010; Moon et al., 2016). 따라서 작물생산성을 높이고 지속가능한 토양 양분관리를 위해서는 주기적으로 토양 화학성을 분석하여 경작지 맞춤형 비료 사용이 필요하다.

이러한 측면에서 본 연구는 경남지역 시설재배지 200개소를 선정하여 2000년부터 2016년까지 4년 주기로 토양 화학성 변동요인을 평가하였다.

Materials and Methods

시설토양 시료채취

경남지역 시설재배지의 토양 화학성분 변동을 주기적으로 파악하기 위하여 2000년에 작물 재배면적을 고려하여 200개 지점을 선정하였고 2016년까지 4년 주기로 동일한 지점을 조사하였다. 토양 시료채취 시기는 수확기인 4월부터 5월 사이에 표토는 0-15 cm, 심토는 15-30 cm 깊이에서 토양시료채취기를 이용하여 1 kg 정도를 3반복으로 채취하였다.

시설토양 분석방법

채취한 토양은 음지에서 36 cm × 29 cm 규격의 평탄한 플라스틱 용기위에 담아 7일간 풍건하여 고무망치로 입자를 분쇄한 후 2 mm 체를 통과된 것을 일반 화학성 분석에 사용하였고 질산태 질소는 습토를 분석에 이용하였다. 토양 화학성은 농촌진흥청 국립농업과학기술원 토양화학분석법 (NAS, 2010)을 적용하여 분석하였다. 시설토양의 pH와 EC는 토양과 증류수의 비율을 1:5로 하여 pH meter (Orion 520A pH meter, Orion Research Inc., Boston, USA)와, EC meter (Orion 3STAR EC meter, Orion Research Inc., Boston, USA)로 측정하였고, 유기물은 Tyurin법으로 정량하였으며, 유효인산은 Lancaster법으로 비색계 (Shimadzu Co., Kyoto, Japan)를 사용하여 분석하였다. 치환성 양이온인 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 나트륨은 1M NH4OAc로 추출하여 ICP (Optima 5300 DV, PerkinElmer Co., Shelton, USA)로 분석하였고 질산태 질소는 킬달법으로 정량하였다.

주성분 및 통계 분석

토양 화학성분의 주성분 및 통계 분석은 SAS 프로그램 9.2 버젼 (2008)을 사용하였다. 연도별 토양 화학성분은 5% 수준에서 Duncan’s multiple range test (DMRT)를 이용하였고 작물별 토양 화학성분은 5% 수준에서 Tukey’s studentized range test를 하였다. 토양 화학성분의 상관관계는 Pearson 상관계수로 분석하였고 토양 화학성분의 주성분 분석을 통하여 연도별 차이를 비교 검토하였다.

Results and Discussion

시설재배 연도별 토양 화학성분

경남지역 시설재배 토양의 연도별 화학성 변화는 Table 1과 같다. 표토 화학성의 2016년도 전체 평균은 적정 수준보다 EC 1.8배, 유기물 1.2배, 유효인산 1.9배, 치환성 칼륨 2.9배, 치환성 칼슘 2.1배, 치환성 마그네슘 2.0배 높게 나타났다. 이러한 결과는 Lee et al. (2013)이 보고한 2012년도 전체 평균보다 EC, 유기물, 유효인산, 치환성 칼륨, 치환성 마그네슘 함량이 약간 높은 경향이었다. pH는 2012년에 7.0으로 가장 높았으며 2000년과 2008년에 6.3으로 가장 낮았다 (p < 0.05). EC 값은 2016년에 3.52 dS m-1로서 2012년 2.88 dS m-1에 비해 유의적으로 증가하였다 (p < 0.05). 이러한 결과는 질산태 질소의 함량 증가와 밀접한 관련이 있는 것으로 판단되었다 (Miyamoto et al., 2015). 유기물 함량은 40 g kg-1으로 2004년 36 g kg-1에서 유의적으로 증가하는 추세였다 (p < 0.05). 유효인산 함량은 2000년에 862 mg kg-1에서 2008년까지 증가하였다가 2012년에 895 mg kg-1으로 낮아졌으며 2016년에 1,065 mg kg-1으로 높아졌다. 농경지 토양의 유효인산 함량은 Table 3과 같이 토양 유기물 함량에 큰 영향을 받기 때문에 (Choi et al., 2010b) 연도별로 편차가 큰 것으로 판단된다. 치환성 칼륨 함량은 2000년 1.69 cmolc kg-1에서 2004년 1.56 cmolc kg-1으로 낮아졌다가 2008년 1.93 cmolc kg-1, 2012년 2.13 cmolc kg-1, 2016년 2.35 cmolc kg-1으로 유의적인 증가를 보였다 (p < 0.05). 그리고 치환성 칼슘 함량은 2000년에 6.4 cmolc kg-1, 2004년 10.1 cmolc kg-1, 2008년 10.5 cmolc kg-1, 2012년 12.5 cmolc kg-1, 2016년 12.8 cmolc kg-1으로 유의적인 증가를 보였다 (p < 0.05). 질산태 질소 함량은 2000년에 177 mg kg-1으로 가장 높았고 2004년 이후 유의적인 감소를 보였다가 2016년에 154 mg kg-1으로 다시 높아졌다. 치환성 나트륨 함량은 2000년에 0.86 cmolc kg-1으로 높은 수준에서 2004년에 0.66 cmolc kg-1으로 낮아졌다가 이후 지속적인 증가를 나타냈다 (p < 0.05). 심토의 화학성은 표토와 유사한 경향을 나타냈으나 pH는 0.1 정도 높아진 반면 EC, 유기물, 유효인산, 치환성 양이온 및 질산태 질소 함량은 낮아지는 경향이었다.

Table 1. Chemical properties of greenhouse soils in Gyeongnam Province (n = 200).

Soil depthYearpHECOMAvail. P2O5KCaMgNaNO3-N
(1:5)dS m-1g kg-1mg kg-1------ Exch. cmolc kg-1 -------mg kg-1
Topsoil20006.3d3.61a39a862c1.69c6.4c3.3c0.86ab177a
20046.6c2.62b 36b990b 1.56c 10.1b3.5bc0.66c 136bc
20086.3d2.95b 36b 1,265a 1.93b 10.5b 3.9a 0.71bc 135bc
20127.0a 2.88b 39a 895c 2.13b 12.5a 3.7ab 0.86ab 107c
20166.8b3.52a40a1,065b2.35a12.8a4.0a0.91a154ab
Optimum level6.0∼6.5<2.025∼35450∼5500.70∼0.805.0∼6.01.5∼2.0--
Subsoil20006.4d2.39a34a745c1.37c6.1d2.8b0.66bc111ab
20046.7c1.76b 28c795c 1.33c 9.0c3.1b0.55c 84b
20086.4d2.26a 30c 1,100a 1.62b 9.8b 3.5a 0.61bc 96b
20127.0a 2.44a 34a 801c 1.96a 11.6a 3.4a 0.78a 91b
20166.9b2.46a33b896b1.94a11.4a3.5a0.72ab117a
Values within a column followed by the same letter are not significantly different at 5% level by DMRT.
NAS (2017): Fertilizer recommendation for crops.

시설재배 작물별 표토의 화학성분

경남지역 2016년의 작물별 시설재배 표토의 화학성 변화는 Table 2와 같다. pH는 딸기재배 토양이 7.0으로 가장 높은 반면 상추재배 토양은 6.4로 가장 낮았다. EC 값은 고추재배지가 5.03 dS m-1, 토마토 5.00 dS m-1, 상추 4.93 dS m-1으로 가장 높았고 딸기재배지가 1.12 dS m-1, 당근 재배토양 2.35 dS m-1, 호박 재배토양 2.60 dS m-1 보다 유의적으로 높았다 (p < 0.05). 이러한 결과는 국립농업과학원 작물별 비료사용처방 기준 (NAS, 2017)과 같이 질소-인산-칼리 표준시비량이 많거나 토양의 질산태 질소함량이 높은 것으로 볼 때 농민들이 웃거름을 과다시비하는 것으로 판단되었다. 유기물 함량은 대부분 작물에서 35에서 47 g kg-1의 수준을 나타냈으나 당근재배지는 21 g kg-1으로 다른 작물재배지 보다 유의적으로 낮았다 (p < 0.05). 시설토양 유효인산 함량은 토마토 재배토양이 1,215 mg kg-1으로 가장 높았으며 고추 1,200 mg kg-1, 수박 1,154 mg kg-1, 상추 1,069 mg kg-1, 호박 1,064 mg kg-1 순이었으며 당근 재배토양이 517 mg kg-1, 멜론 재배토양이 645 mg kg-1으로 유의적인 차이를 나타냈다 (p < 0.05). 이러한 결과는 유기물 함량과 비교해 볼 때 Choi et al. (2010b)이 보고한 바와 같이 가축분 퇴비 등의 시용량에 따른 유효인산 함량이 영향을 받은 것으로 판단되었다. 치환성 칼륨 함량은 수박재배지가 3.36 cmolc kg-1로 가장 높은 반면 당근재배지가 1.22 cmolc kg-1, 딸기 및 상추 재배지가 1.58 cmolc kg-1로 유의적으로 낮았다 (p < 0.05). 치환성 칼슘, 마그네슘 및 나트륨 함량은 당근재배지가 9.5 cmolc kg-1, 2.7 cmolc kg-1 및 0.55 cmolc kg-1, 딸기재배지가 10.1 cmolc kg-1, 2.8 cmolc kg-1 및 0.45 cmolc kg-1로 다른 작물에 비해 낮았다 (p < 0.05). 질산태 질소 함량은 상추재배지가 296 mg kg-1으로 가장 높았으며 딸기재배지가 51 mg kg-1으로 가장 낮았다. 이러한 결과는 Jung et al. (1998)이 보고한 바와 같이 상추재배지의 질산태 질소 함량이 과채류재배지 보다 2배 높은 결과와 일치하였다.

Table 2. Chemical properties of greenhouse topsoils affected by different crops in 2016 (n = 200).

Crop (Site)pHECOMAvail. P2O5KCaMgNaNO3-N
(1:5)dS m-1g kg-1mg kg-1------- Exch. cmolc kg-1 -------mg kg-1
Green pepper (28)6.8ab5.03a 40a 1,200a 2.68ab 14.5a 4.6a 1.28a 165b
Carrot (10)6.5bc 2.35bc 21b 517c 1.22d 9.5b 2.7b 0.55b 98bc
Strawberry (43)7.0a 1.12c 37a 946ab 1.58cd 10.1b 2.8b 0.45b 51c
Melon (7)6.8ab 3.59ab 35a 645bc 1.98bcd 13.7a 4.1a 1.10ab 151bc
Lettuce (10)6.4c 4.93a 40a 1,069a 1.58cd 12.1ab 4.4a 1.03ab 296a
Watermelon (34)6.9ab 4.39ab 43a 1,154a 3.36a 14.0a 4.8a 1.12ab 205ab
Tomato (22)6.7abc 5.00a 46a 1,215a 2.53abc 14.2a 4.9a 1.36a 156b
Squash (15)6.7abc 2.60bc 47a 1,064a 2.23bcd 13.1a 3.7ab 0.70ab 147bc
Other (31)6.7abc 3.85ab 44a 1,172a 2.63abc 13.9a 3.9ab 0.80ab 204ab
Means by the same letter within a column are not significantly different at 0.05 probability level according to Tukey’s studentized range test.

시설재배 표토 양분 과부족율

경남지역 시설재배 표토의 연도별 양분 분포비율은 Fig. 1과 같다. pH는 적정수준인 6.0에서 6.5의 범위보다 부족한 비율은 2000년 27.0%, 2004년 15.5%, 2008년 28.0%, 2012년 8.5%, 2016년 9.0%로 대체적으로 낮아지는 경향이었다. 그리고 적정수준을 초과하는 pH 비율은 2000년 16.5%, 2004년 29.5%, 2008년 40.0%, 2012년 55.5%, 2016년 43.0%로 2008년 이후 높은 수준이었다. 그리고 pH와 밀접한 관련이 있는 치환성 칼슘 함량의 과잉비율이 2000년 44.0%, 2004년 79.5%, 2008년 98.5%, 2012년 96.5%, 2016년 96%로 2004년부터 급격히 높아져서 심각한 불균형 현상을 보였다.

치환성 칼륨 함량은 적정수준 보다 초과된 비율이 2000년 73.5%, 2004년 81.0%, 2008년 84.0%, 2012년 87.5%, 2016년 88.5%로 지속적으로 높아지는 경향이었다. 그리고 치환성 마그네슘 함량도 2000년 63.5%, 2004년 75.0%, 2008년 82.5%, 2012년 82.0%, 2016년 82.5%로 매우 높은 수준을 나타냈다. 따라서 경남지역 시설토양의 치환성 양이온 함량은 적정수준 보다 높은 과잉현상이 심각한 것으로 나타났다. 토양에서 칼슘 함량은 방해석이나 사장석의 석회모암에 기인하거나 외부적인 요인으로 화산퇴적물, 사막의 먼지, 인위적인 투입 등의 영향을 받는다 (Messmer et al., 2014). 토양에 칼슘을 비롯한 칼륨 및 마그네슘의 양이온이 부족하면 토양이 산성화되어 Fe, Mn, Cu, Zn 및 Co 등의 미량성분 함량이 높아지지만 치환성 양이온이 과잉되면 토양 pH가 높아져 미량성분의 결핍현상이 일어날 수 있다 (Fageria and Baligar, 2008; Behera and Shukla, 2014). 일반적으로 토양의 산성화는 강우에 의하여 치환성 양이온의 용탈에 따라 발생되는 경우가 많은데 시설하우스는 강우를 차단하므로 양이온이 축적되기 쉽다 (Behera and Shukla, 2015). 따라서 치환성 양이온의 토양 양분 불균형을 해소하기 위해서는 토양검정을 통한 필요량으로 시용할 필요가 있다 (Choi et al., 2010a). 토양 유기물 함량의 과잉비율은 2000년 73.0%, 2004년 62.0%, 2008년 65.5%, 2012년 57.0%, 2016년 60.5%로 적정수준 보다 2에서 3배 높았다. 시설토양에서 유기물의 적정 시용은 작물 생육 및 수량 증대와 토양 미생물의 유의적인 증가를 기대할 수 있지만 가축분퇴비 등을 과잉시용하면 인산 집적 등의 문제가 발생되므로 적정관리가 필요하다 (Arancon et al., 2006). 토양 유효인산 함량의 과잉된 비율은 2000년 83.5%, 2004년 89.5%, 2008년 90.5%, 2012년 82.5%, 2016년 93.5%로 심각한 양분 불균형 현상을 나타냈다. 이러한 결과는 토양에서 양이온과의 결합으로 인산 시비효율이 낮고 가축분퇴비 등의 인산이 많은 비료를 과량시비하기 때문인 것으로 판단되었다 (Tagliavini et al., 2005; Choi et al., 2010a). 따라서 시설토양은 인산성분이 적은 신선 유기물 시용과 토양 검정에 의한 인산시비가 필요할 것이다. 시설토양의 2016년 부족비율이 높은 성분은 유기물 17.5%, pH 9.0%, 치환성 칼륨 8.0%, 유효인산 3.5%, 치환성 마그네슘 1.5%, 치환성 칼슘 0.5% 순이었으며 과다비율은 치환성 칼슘 96.0%, 유효인산 93.5%, 치환성 칼륨 88.5%, 치환성 마그네슘 82.5%, 유기물 60.5%, pH 73.0% 순이었다.

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Fig. 1.

Frequency distribution of chemical properties of greenhouse soils in Gyeongnam Province (n = 200).

시설재배지 화학성분 간의 상관관계

경남지역 시설재배지 표토의 화학성분 간의 상관관계는 Table 3과 같다. 토양 pH는 치환성 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 나트륨과 고도의 유의성 있는 정의 상관을 나타낸 반면, EC와 질산태 질소 함량과는 부의 상관을 나타냈다 (p < 0.001). 일반적으로 토양 pH는 양이온과 정의 상관을 보이고 음이온과 부의상관을 나타낸다 (Zhang et al., 2016). 또한, 토양 pH는 유기물의 수소이온 반응 (Rukshana et al. 2012), 생물학적인 탈카르복실 작용 (Rukshana et al. 2011), 질산화 작용 (De Vries and Breeuwsma 1987; Barak et al. 1997) 등의 영향을 받는다. 실제 Guo et al. (2010)은 옥수수와 밀의 윤작에서 바이오매스를 제거하면 대략 50%의 수소이온을 생산하여 토양을 산성화 시킨다고 하였다. 그러나 본 연구에서는 토양 pH와 토양 유기물의 상관관계는 나타나지 않았다. 이러한 결과는 Table 1과 같이 시설재배 토양의 경우 토양 pH는 유기물 영향보다 치환성 칼슘, 치환성 마그네슘, 치환성 나트륨 및 치환성 칼륨 함량이 적정수준보다 매우 높기 때문에 영향이 더 큰 것으로 판단되었다. 그리고 시설재배지 pH와 EC 값이 부의 상관을 보인 이유는 Ca 염들의 침전 때문인 것으로 생각되었다 (Choi et al., 2010a). 표토의 EC 값은 질산태 질소, 치환성 나트륨, 마그네슘, 칼륨, 칼슘, 유효인산, 유기물 함량 순으로 정의 상관을 나타냈다 (Miyamoto et al., 2015). 유기물 함량은 유효인산, 질산태 질소, 치환성 양이온들 (칼륨, 칼슘, 마그네슘)과 고도의 정의 상관을 보였다. 이러한 결과는 유기물 공급원으로 양분을 다량 함유한 가축분퇴비 등을 농가에서 많이 시용한 때문인 것으로 판단되었다 (Choi et al., 2010b).

Table 3. A correlation coefficient between chemical properties of greenhouse topsoils in Gyeongnam Province (n = 1,000).

 ECOMAvail. P2O5NO3-NExch. KExch. CaExch. MgExch. Na
pH-0.076*-0.036-0.022-0.262***0.176***0.450***0.245***0.186***
EC0.157***0.220***0.704***0.451***0.227***0.553***0.608***
OM0.440***0.191***0.523***0.313***0.376***-0.016
Avail. P2O50.257***0.468***0.216***0.313***0.045
NO3-N0.320***0.084**0.312***0.245***
Exch. K0.408***0.599***0.284***
Exch. Ca0.474***0.176***
Exch. Mg0.421***

시설재배지의 연도별 표토 화학성분 주성분 분석결과는 Fig. 2와 같다. 주성분 분석으로 PC 1은 40.5%, PC 2는 20.2%를 나타냈으며 전체 60.7%를 나타냈다. 토양 화학성분의 PC 1 주성분은 치환성 칼륨 (1.48), EC (1.26), 유기물 (1.12), 유효인산 (1.07), 치환성 칼슘 (1.06), 질산태 질소 (1.03)의 순으로 정의기여를 하였으며, PC2는 pH (1.04)가 정의 기여를 하는 것으로 나타났다. 특히 주성분 분석결과 연도별 pH 및 치환성 칼슘 함량 변화가 뚜렷하게 나타나 주성분은 Y = 0.6386X (r=0.674)의 방향으로 진행될 것으로 예측되어 토양검정을 통한 토양개량제 시용이 매우 중요한 것으로 생각된다.

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Fig. 2.

Principal components analyses of chemical properties of greenhouse soils in Gyeongnam Province (n = 1,000). The variance explained by the each principal component (PC) axis is shown in parentheses. Bars present standard deviation.

Conclusion

경남지역 시설재배 토양의 합리적인 양분관리를 위해 2000년에 200개소를 선정하여 4년 주기로 화학성 변동을 분석하였다. 시설 토양의 표토 화학성분 평균은 적정수준보다 EC는 1.3-1.8배, 유기물은 1.0-1.2배, 유효인산은 1.6-2.3배, 치환성 칼륨은 2.0-2.9배, 치환성 칼슘은 1.1-2.1배, 치환성 마그네슘은 1.7-2.0배 높았으며 2000년도에 비해 2016년에 유기물, 유효인산, 치환성 양이온 함량이 높아지는 경향이었다. 특히 2016년 표토의 화학성분 과잉비율은 pH 43%, 유기물 61%, 유효인산 94%, 치환성 칼륨 89%, 치환성 칼슘 96%, 치환성 마그네슘 83%로 양분불균형이 심각한 것으로 나타났다. 또한, 주성분 분석결과 pH와 치환성 칼슘 함량이 지속적으로 증가될 것으로 예측되어 토양검정을 통한 적정 토양개량제 시용과 칼슘 함량이 적은 부산물비료 시용이 필요할 것이다.

Acknowledgements

This study was conducted with the support of the Research Cooperating Program for Agricultural Science & Technology Development (Project No. PJ012505212018), RDA, Republic of Korea.

References

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