Introduction

엉겅퀴는 산이나 들에서 자라고 초롱꽃목 국화과에 속하는 다년생 풀이고, 우리나라에는 13종 6변종 1품종이 자생하고 있다. 한방에서는 지상부 또는 지하부를 대계라 하여 약용으로 이용해 왔다. 지상부는 개화시기에서 씨가 여무는 5~6월에 채취하고, 뿌리는 가을철에 채취·건조하여 뜨거운 물이나 알코올로 추출하여 토혈 (吐血), 대하 (帶下), 간염, 고혈압 등의 치료에 사용해 왔다 (Ishida et al., 1987; Lee, 1996; Shin, 2010). 또한 지혈작용, 항균작용 및 항암작용이 있는 것으로 알려져 있고 (Lee et al., 2011), 소화기 질환을 치료하는데 쓰이기도 한다.

잎에는 톱니와 더불어 가시가 있지만, 봄에 돋아난 비교적 가시가 연한 어린잎과 부드러운 줄기는 데쳐서 나물이나 국으로 이용하기도 한다. 줄기는 껍질을 벗겨 튀김, 무침, 볶음 등으로 요리하며, 특유의 향이 있고, 촉감이 좋아 차로 이용하는 식물이다 (Lee et al., 2003). 엉겅퀴 잎과 꽃은 생리활성이 우수한 apigenin, luteolin, myricetin 등을 포함한 약 78종의 flavonoids 계열 화합물이 확인되었고 (Chung et al., 2007), 항암성과 항돌연변이성을 갖고 있는 flavonoids는 flavonal계의 quercetin, kaempferol과 flavone 계의 apigenin, luteolin 등이 보고 (Hertog and Hollman, 1996)되어 있고, 이외에도 항염증, 항진균, 신경보호 및 면역증진 활성을 가지고 있다 (Kim and Kim, 2003; Lee et al., 2003: Lee et al., 2002).

지금까지 엉겅퀴에 대한 연구는 엉겅퀴 추출물에 대한 항위염, 항위궤양 효과 (Lee et al., 2011), 항산화성, 항돌연변이원성 및 항암활성 효과 (Lee at al., 2003), 부위별 추출물을 활용한 적혈구와 혈장의 산화적 손상 보호효과 (Kang et al., 2012)와 항산화 및 항염증 효과 (Mok et al., 2012) 등 약리작용에 대한 것이 주를 이루고 있고, 농촌진흥청에서 수행한 재배체계에 대한 연구 (RDA, 2015)에서는 엉겅퀴 파종시기, 육묘기간, 정식방법, 수확시기, 수확물 건조 등에 대해 이루어졌고, 시비기준이나 방법 등에 대한 것은 없다.

엉겅퀴 재배를 위한 적정 시비기준을 마련하여 전라북도 임실을 비롯한 준 산간지역에 널리 자생하는 엉겅퀴의 약용작물로써 가치 증진을 위한 재배방법을 정립하여 주산단지를 조성하고, 지역특산물로 육성하여 농가소득 증대를 도모할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 비료 3요소가 엉겅퀴 약효성분과 토양특성에 미치는 영향을 구명하고, 재배기준을 마련하고자 수행하였다.

Materials and Methods

시험구 및 처리방법

시험에 사용한 엉겅퀴 (Cirsium japonicum var. ussuriense)는 전북농업기술원 약용자원연구소에서 분양받은 종자를 40일간 육묘하고 전북 남원시 주천면 고기리 농가포장 (E127.29.55.84 N35.22.59.84)에 30×20 cm 간격으로 2015년 4월 7일에 정식하였고, 6월 30일에 수확하였다.

시비량은 전북 임실지역 농가에서 사용하고 있는 N-P₂O₅-K₂O=61-70-72 kg ha^-1을 기준량으로 하였다. N, P₂O₅, K₂O 처리구는 각각 농가 시비량의 0 (0%), 0.5 (50%), 1.0 (100%), 1.5 (150%), 2.0배 (200%) 수준으로 처리하였다. 또한 N, P₂O₅, K₂O를 처리하지 않은 무처리 (control) 등 총 16처리를 두었다. 시비방법은 N의 경우 요소, P₂O₅은 용성인비, K₂O는 염화칼리를 처리량에 따라 정식 전에 전량 밑거름으로 시비하였다. 각 처리구 면적은 20 m²였고, 3반복 난괴법으로 배치하였으며, 재배관리는 농가관행에 따라 실시하였다.

생육조사 및 토양분석

엉겅퀴 생육과 수량조사는 수확기에 지상부와 뿌리로 나누어 실시하였고, 건조 후 무기성분과 약효성분 등을 조사하였다. 토양은 시험전과 수확기에 토양 auger를 이용하여 처리구별로 채취하여, 실험실에서 풍건하고 2 mm체를 통과한 것을 국립농업과학원의 토양화학분석법 (NAAS, 2010)과 토양 및 식물체 분석법 (NIAST, 2000)에 따라 분석하였다. 즉, 토성은 micro pipette법으로 입자밀도를 조사하고, 판정은 미국농무부 분류기준을 따랐다 (Gee and Bauder, 1986). 토양 pH와 EC는 풍건토양과 증류수를 1:5 (w/v)로 혼합하고 30분 진탕 후 pH meter (Orion3 star, Thermo Scientific, Singapore)와 EC meter (ORION STAR A212, Thermo Sicentific, Singapore)로 각각 측정하였다. 유기물 함량은 Tyurin법, 유효인산은 Lancaster법, 교환성 양이온 (K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺)은 1 N CH₃COONH₄ (pH 7.0)으로 치환 추출하여 원자흡광분광광도계 (Atomic absorption spectrophotometer, Avanta PM, GBC Scientific Equiment Pty Ltd., Victoria, Australia)를 이용하여 분석하였고 총질소는 CNS 원소분석기 (Vario MAX CNS, Elementar Analysensysteme GmbH, Germany)을 사용하여 분석하였다.

식물체 무기성분 및 약효성분 분석

식물체 시료는 생육과 수량조사를 실시한 후에 증류수로 세척 후 65°C에서 48시간 건조 후 분쇄기 (Pulverisette 5, Fritsch GmbH, Germany)로 분쇄하여 분석용 시료로 사용하였다. 시료는 H₂SO₄와 HClO₄를 사용하여 전처리하고, 인산은 ammonium vanadate법에 의한 비색정량, K, Ca, Mg는 원자흡광분광광도계 (Atomic absorption spectrophotometer, GBC Avanta PM, GBC Scientific Equiment Pty Ltd., Victoria, Australia)를 이용하여 분석하였고, 탄소와 질소 함량은 CNS 원소분석기 (Vario MAX CNS, Elementar Analysensysteme GmbH, Germany)을 사용하여 분석하였다.

엉겅퀴 유효성분을 평가하기 위해 Total-flavonoid, quercetin, quercitrin, rutin, Total polyphenol, tannin을 조사하였다. Quercetin, quercitrin, rutin은 건조한 시료 1 g 을 75% ethanol 50 ㎖로 24시간 추출 여과하고 HCl으로 2.5 N이 되도록 조절하고 80°C에서 40분간 가수분해한 다음, Kim et al. (2006)의 방법을 변형하여 HPLC (Alliance 2695 System, Waters Co., Milford, USA)를 이용하여 분석 하였고, 조건은 Table 1과 같다. Tannin은 Lee et al. (2002)이 사용한 방법을 이용하여 분석하였다. 건조한 시료 1 g을 뜨거운 증류수 100 mL를 넣고 80°C에서 30분 추출 여과한 다음 여액 5 mL에 ferrous tartrate 5 mL, Sorensen's phosphate 15 mL를 가하고 540 nm에서 측정하였다. 이때 표준물질은 ethyl gallate를 사용하였다. Total-flavonoid는 뜨거운 증류수를 이용하여 추출하고 diethylene glycol과 1 N NaOH를 사용하여 발색하고 420 nm에서 측정하였고, 사용한 표준물질은 rutin이었다. Total polyphenol은 뜨거운 증류수를 이용하여 추출하고 50% Folin-Ciocalteu phenol과 2% Na₂CO₃를 사용하여 발색하고 720 nm에서 측정하였다. 이때 사용한 표준물질은 gallic acid이었다.

Table 1. Analytical conditions of HPLC for determining quercetin, quercitrin, and rutin.

통계분석

조사한 자료의 통계분석은 SPSS 19.0K (Statistical Package for the Social Science, SPSSKorea, Seoul, Korea)를 사용하여 실시하였다.

Results and Discussion

토양화학성 변화

엉겅퀴 재배 포장의 토성은 모래 66.5%, 미사 16.6%, 점토 16.9%인 사양토였고, 시험재배 전 토양 화학성은 Table 2와 같다. 시험 전 토양 pH와 EC는 농촌진흥청에 제시한 엉겅퀴의 적정범위에 있었고, 유효인산은 약간 높은 수준이었고, 나머지 성분은 적정범위보다 낮았다.

Table 2. Selected chemical properties of soil in the experimental field before transplanting Cirsium japonicum var. ussuriense.

엉겅퀴를 재배하고 최종 수확하면서 조사한 토양 화학성은 Table 3과 같다. 정식전에 비해 토양 pH와 유효인산을 제외하고 모두 증가하였다. pH는 N, P₂O₅, K₂O 처리량에 따라 통계적인 유의성은 없었고, EC는 N와 K₂O 처리량에 따라 증가하였지만, P₂O₅ 처리구에서는 차이가 없었다. 유기물함량의 경우 비료처리구는 무처리구 (15 g kg^-1)에 비해 5~9 g kg^-1 정도 많았지만, 비료 시비량에 따른 차이는 없었다.

수확기 토양 중 유효인산은 시비전에 비해 모든 처리구에서 감소하였다. N 처리구는 150~182 mg kg^-1 수준으로 처리간에 차이가 없었고, P₂O₅과 K₂O 처리구는 0%를 제외하고 유의성은 없었다. 시비 전에 비해 유효인산 함량이 감소한 것은 엉겅퀴에 의한 흡수와 토양 pH가 감소하여 토양중 인산형태가 불용성 형태로 전환된 것으로 판단된다 (Tan, 2011). 교환성 K은 정식 전에 비해 증가하였고, N 처리량에 따른 차이는 없었다. P₂O₅의 경우 0% 처리구를 제외하고 같은 수준이었고, K₂O 처리구는 처리량에 따라 증가하였다. 교환성 Ca은 N, P₂O₅, K₂O 처리구가 같은 수준을 보였지만, Mg은 N 처리량과 비례관계를 보였고, P₂O₅ 150과 200% 처리구에서는 2.0과 1.9 cmol_c kg^-1 수준으로 가장 많았고, K₂O 처리구에서는 0%를 제외하고 모두 같은 수준이었다. 토양 중 질소함량은 N 100% 이상 처리시 0.10~0.12%로 같은 수준이었고, P₂O₅의 경우도 비슷한 결과를 보였다.

Table 3. Changes of soil chemical properties at harvesting stage of Cirsium japonicum var. ussuriense as influenced by different amounts of N, P₂O₅, and K₂O applications.

엉겅퀴 지상부 성분 함량

N, P₂O₅, K₂O 시비량에 따른 엉겅퀴 지상부의 성분 변화는 Table 4와 같다. 탄소 (C) 함량은 무처리구에 비해 모두 증가하였지만, N과 K₂O의 처리량에 따른 차이는 없었고, P₂O₅의 경우 50% 처리구에서 가장 높았다.

N 함량은 N 처리량에 따른 통계적인 유의성은 없었지만 평균값을 비교해보면 100% 처리량까지 증가하다 감소하였다. 이는 과다 시비할 경우 전량 흡수되는게 아니고, 일부만 흡수 이용되고, 나머지는 토양에 남거나 휘산, 용탈, 탈질 등에 의해 손실된다는 보고 (Park, 2000)와 같이 본 시험에서도 과도한 시비가 행해지면 함량이 감소하였는데 Fig. 1의 비료 이용량을 조사한 결과에서도 확인할 수 있었다. N 100% 수준까지는 흡수량이 증가하였지만, 150% 이상에서는 감소하였다.

P는 N 처리구에서는 통계적인 유의성은 없었지만, P₂O₅ 처리구의 경우 처리량에 따라 증가하는 경향이었지만 150% 처리구에서 다소 낮았다. P 흡수량은 Fig. 1에서 보는 바와 같이 P₂O₅ 100% 수준까지 증가하고 150% 처리구에서 감소했다가 200% 처리구에서 증가한 것을 확인할 수 있었다. K₂O 처리구의 경우 200% 처리구를 제외하고 P함량은 모두 같았다. K 함량은 N 처리량과 관계가 없었고, P₂O₅와 K₂O의 경우 200% 처리구를 제외하고 같은 수준을 보였다. K 이용량은 K₂O 100% 이상 처리시 같은 수준을 보였다. 엉겅퀴에 함유되어 있는 무기성분들은 N, P₂O₅, K₂O의 각각 시비량보다는 이들의 시비 비율에 의해 영향 (Ahn et al., 2015)이 클 것으로 판단된다.

한편 조사한 무기성분 가운데 K 함량이 2.30~3.23%로 가장 많았고, Mg 함량이 가장 낮았다. 어성초를 대상으로 Ahn et al. (2017)이 조사한 결과에서도 같은 결과를 보였고, Cho et al. (2000)의 연구에서도 K > Ca > P > Mg 순으로 검출되었고, Hwang et al. (1997)과 Kim et al. (1997)의 연구에서도 같은 결과였다.

Table 4. Selected nutrient contents in Cirsium japonicum var. ussuriense as affected by different amounts of N, P₂O₅, and K₂O applications.

Fig. 1.

Nutrient concentrations in the leaves of Cirsium japonicum var. ussuriense as affected by different levels of N, P₂O₅, and K₂O applications.

생육 및 수량

N, P₂O₅, K₂O 처리량에 따른 엉겅퀴 수확기 생육과 수량 특성은 Table 5와 같다. N 처리 수준에 따라 초장은 53.7~57.3 cm 이었으며, N 150% 처리구에서 가장 작았고, N 50과 100% 처리구에서 가장 컸다. 처리구별로 조사한 엽폭은 N 100%에서 가장 넓었고, 지상부 무게는 N 150% 수준까지 증가하다 N 200% 처리구에서 감소하는 경향을 보여 수량점감의 법칙 이론을 확인할 수 있었다. Kang (2003)과 Jo et al. (2002)의 연구에서도 질소 농도가 어느 정도 한계를 넘으면 성장이 둔화되는 결과를 보여주었다.

지상부 생체량을 바탕으로 질소시비량과 엉겅퀴 수량간의 관계는 Fig. 2에서 보는 바와 같이 Y = -0.0137x² + 0.2504x + 2.6063의 관계식을 얻을 수 있었다. 이 회귀곡선식에서 최고수량을 얻을 수 있는 질소시비량은 91 ㎏ ha^-1이고, 이때 수량은 37.51 Mg ha^-1이었다. Kwak et al. (2001)에 따르면 작물재배에 적절한 질소시비량을 산출하기 위해서는 최고수량보다 경제적인 이윤을 고려하여 비료사용량을 결정해야 하며, 그 값은 최고 수량의 95%에 해당하는 사용량이라고 하였다. 따라서 본 연구에서 최고 수량의 95% 수준을 얻을 수 있는 질소시비량은 87 ㎏ ha^-1 으로 산출된다.

Table 5. Parameters to evaluate Cirsium japonicum var. ussuriense productivity as affected by different amounts of N, P₂O₅ and K₂O applications.

Fig. 2.

Relationship between yields of Cirsium japonicum var. ussuriense and application levels of N, P₂O₅ and K₂O fertilizer.

P₂O₅ 시비구 엉겅퀴 초장은 56.3~58.3 cm, 엽폭은 7.6~9.1 cm 수준으로 처리량에 따라 차이는 없었다. 수확한 지상부의 생체중과 건물중은 처리량에 따라 통계적인 차이는 없었지만, 평균값으로 비교해 보면 P₂O₅ 150% 처리까지는 증가하였고, 200% 처리에서는 감소하였다. 지상부 생체량을 바탕으로 인산시비량과 엉겅퀴 수량간의 관계식은 Y = -0.0419x² + 0.4354x + 2.5054이었고, 최고수량을 얻을 수 있는 인산시비량은 52 kg ha^-1이고, 이때 수량은 36.36 Mg ha^-1이었다.

K₂O 처리량에 따라 조사한 초장은 55.3~60.3 cm 수준이었으며, K₂O 150% 처리구에서 가장 길었으며, 엽폭은 처리간에 차이가 없었다. 수확한 지상부 생체중과 건물중도 통계적인 차이는 없었지만, 평균값으로 비교해보면 K₂O 150% 처리구에서 가장 많았다. 지상부 생체량을 바탕으로 얻은 관계식은 Y = -0.0128x² + 0.2083x + 2.738이었고, 최고수량을 얻을 수 있는 칼리시비량은 81 ㎏ ha^-1이고, 수량은 35.85 Mg ha^-1 이었다. N과 달리 P₂O₅과 K₂O는 경제적인 적정시비량을 최고수량을 얻을 때 시비량을 적용하므로 엉겅퀴의 표준시비량은 N-P₂O₅-K₂O = 87-52-81 kg ha^-1 수준으로 나타났다.

주요 약효성분으로 알려져 있는 flavonoid와 polyphenol 화합물이 N, P₂O₅, K₂O 처리량에 따라 영향을 받는지 조사하였다 (Table 6). Total-flavonoid의 경우 N 처리구에서는 50%를 제외하고 같은 수준이었고, P₂O₅은 처리량에 따라 차이가 없었으며, K₂O는 0%를 제외하고 차이가 없었다. Flavonoid계 화합물인 quercetin, quercitrin은 N에 영향을 받지 않았지만, rutin은 N 50% 처리시 함량이 가장 많았다. P₂O₅처리구에서 quercetin과 rutin은 P₂O₅의 영향을 받지 않았지만, quercitrin은 P₂O₅ 200% 처리구에서 714 mg kg^-1으로 가장 많았으나 처리량에 따른 상관성은 없었다. K₂O 처리량에 따라 quercitrin과 rutin은 차이가 없었지만, quercetin은 K₂O 50%까지는 증가하다 감소하는 경향을 보였다. Lee et al. (2002)은 삼백초를 재배하면서 퇴비시용량이 증가하면 생육이 좋아지고, quercetin, quercitrin, tannin 함량이 증가하다가 일정량 이상에서는 감소한다고 하였다. 이는 퇴비 시용량이 일정량 이상이면 식물전체 비율 중에서 잎보다 줄기 비율이 많아서 유효성분 함량을 감소시킨다고 할 수 있다. 본 시험에서는 퇴비를 사용한 처리가 없었지만, 질소와 칼리를 50% 수준이었을 때 함량이 가장 많았다.

Table 6. Concentrations of selected phytochemicals in aerial part of Cirsium japonicum var. ussuriense as influenced by different amounts of N, P₂O₅ and K₂O applications.

Total-polyphenol은 인산 처리량에 따라 차이는 없었지만, 질소는 50%를 제외하고 차이가 없었고, 칼리는 200% 처리구를 제외하고 같은 수준이었다. Phenol기를 다량 함유하고 있는 tannin 성분량은 질소 50% 까지 증가하다 감소하였고, 칼리는 200%를 제외하고 통계적인 차이는 없었지만, 평균값은 처리량과 반비례 관계를 보였다. Lee et al. (2000)의 연구에서는 삼백초 전체 tannin 함량을 1.5% 내외로 보고하였는데 본 연구에서의 잎과 줄기에 함유되어 있는 양이 0.23~0.53% 수준을 보여 tannin은 작물과 부위에 따라 차이가 크다는 것을 알 수 있다. 한편 Kim et al. (2006)은 조사한 약효성분의 총량이 2년생이 1년생 보다 21.2% 증가하지만, 3년생일 때는 1년생 보다 오히려 낮아져 재배년차에 따라 약효성분량 차이가 있음을 알 수 있어 엉겅퀴도 연차에 따라 약효성분 함량에 대한 검토가 필요하다고 본다.

따라서 엉겅퀴 지상부의 약효성분 함량을 향상시키기 위해서 관행적으로 사용하고 있는 비료량의 N 50%, P₂O₅ 100%, K₂O 50% 수준으로 처리하는 것이 효과적이라고 판단된다.

Conclusion

N, P₂O₅, K₂O 시비수준에 따라 엉겅퀴 생육과 토양특성에 대한 변화를 조사하고, 엉겅퀴 재배에 적절한 시비기준을 마련하고자 수행하였다. 엉겅퀴 수확기 토양특성은 정식 전에 비해 pH와 유효인산은 감소하였고, EC는 N와 P₂O₅처리량에 따라 증가하였고, 유기물함량은 시비량에 따라 차이가 나타나지 않았다. 교환성 K은 N 처리량에 따라 차이가 나타나지 않았으나, 교환성 Mg은 N 처리량과 비례관계를 보였다. 토양중 질소함량은 N 100% 이상 처리시 차이가 없었다. 질소흡수량은 N 100% 수준까지 증가하였으나 150% 이상에서는 감소하였다. 인 (P) 흡수량은 P₂O₅ 100% 수준까지 증가하였고, 칼륨 흡수량은 K₂O 100% 이상 처리 시 같은 수준을 보였다. 엉겅퀴 지상부 수량을 기준으로 최고 수량을 얻을 수 있는 경제적인 표준시비량은 질소-인산-칼리=87-52-81 kg ha^-1 수준이었다. Total-flavonoid 함량은 N 50%와 K₂O 무처리구 (0%)에서 가장 높게 나타났고, total-polyphenol은 N 50% 처리구에서 가장 높았으며, K₂O 200% 처리구에서 가장 낮은 것으로 나타났다. 따라서 엉겅퀴 지상부의 약효성분함량 향상을 위해서 관행적 비료사용량의 N 50%, P₂O₅ 100%, K₂O 50% 수준으로 처리하는 것이 효과적이라고 판단된다.