Ⅰ. 서 론

화본과와 두과의 혼파는 파종에 노력이 소요되고 혼파작물이 농약에 대한 내성이 약한 결점이 있다. 그동안 여러 연구에서 두과작물인 완두, 컴온, 벳치, 루핀과 화본과 작물인 호밀, 보리, 연맥 등을 혼파하여 재배하였다 (Dordas and Lithourgidis, 2011). 화본과 작물과 두과작물의 혼파는 질소 손실을 방지하고 수량을 증가시키며 사료 가치향상에 기여할 수 있다 (Haby et al., 2006). 또한 두과 작물과 혼파한 작부 체계는 관행 화학비료 시용에 비해 지구 온난화를 완화시킨다. 관행구의 순지구 온난 잠재지수는 114인데 비하여 두과혼파 초지는 41에 불과하여 환경보존에 순기능이 많다 (Crutzen et al., 2008).

두과 작물의 공중질소고정 혹은 공생적 질소고정에 관한 연구는 특히 유럽을 중심으로 수행되었다. 두과의 대기 중 질소 이용률은 알팔파와 화본과 혼파 초지에서 42%∼91% 이며 ha당 질소 고정량은 80∼222kg (Haby et al., 2006)인 반면 질소자연 존재비를 이용한 연구에서는 개화기에 65∼92% 이었고 ha당으로 환산하였을 때 93 kg∼202 kg 이었으며 그 후 성숙기에는 감소하였다는 보고도 있다 (Haugaard et al., 2010). 반면 유기재배시 레드클로버와 화본과 초지에서는 평균 ha당 185.4 kg이었다고 보고 한 바 있다 (Riesinger ande Herzon, 2010). 이집시안 클로버 (Egytian clove)는 공중 질소 고정율이 64% 였고 이중 70%가 화본 과로 전이되었다고 발표된 바 있으며, 두과에서 대기질소 고정량은 생장의 진전 및 질소 시비량의 차이에 따라 변했는데 완두와 보리, 완두－보리－유채 간작과 완두 단파처리의 사이에 공중질소 고정률은 처리에 따라 58%에서 91% 이었다 (Giambalvo and Paolo, 2010). 브라질에서 행한 연구는 루핀, 카우피, 그리고 흑연맥과 간작한 상추에 이동된 질소는 각각 18%, 17%, 그리고 7%이었다고 보고하였다 (Sakai et al., 2011). 화이트클로버와 화본과 잔디와의 혼파에서 고정된 질소가 라이그래스, 켄터키블루그래스 그리고 크리핑 벤트 그래스에 이동된 질소는 4.2%에서 13.7% 이었다고 하였다 (Mehmet and Acikgoz, 2007). 레드클로버는 77%, 알팔파는 72%의 공중질소를 이용하였다. 사초 중 두 과의 공중질소 이용량을 측정한 결과 39~116 kg/ha/yr였고 이들 두과가 공중질소를 통하여 토양에 남긴 양은 27∼52 kg/ha/yr였다. 생물학적 두과 질소고정은 농장 전체 질소의 18∼19%에 달하였다 (Nimmo et al., 2013).

질소동위원소 희석법과 차이법에서 대부분의 결과 (24개 중 20개)가 유의적인 상관관계가 확인되었다 (Noulas et al., 2015). 최대 연간질소고정투여는 10 kg/ha로 측정되었다. 알프스 고지대의 두과는 라디노 클로버로 지상부 총생체 생산량의 30∼40%를 차지하며 우점종 또는 상호 우점종으로 유럽의 고지대 산지에 상존하는데 ¹⁵N 희석법을 사용하여 라디노클로버의 공생질소 고정량이 10 kg/ha/년을 고정하는 것으로 추정하였다 (Lonati et al., 2015).

지금까지 연구는 주로 산지나 기성초지에서 두과와 화본 과를 혼파한 초지에서의 질소고정 측정이 주류였으나, 본 연구는 보리 및 이탈리안 라이그래스와 각종 두과 혼파시 혼파비율을 달리했을 때, 두과목초의 공중질소 고정률 및 이들의 화본과 작물로의 이동량을 질소 동위원소 희석법 및 차이법을 이용하여 연구하기 위하여 수행되었다.

Ⅱ. 재료 및 방법

본 시험은 나주 소재 전남농업기술원에서 2006년 10월 15일 화본과로 보리 (유연)와 이탈리안 라이그라스 (코윈어 리), 두과로 자운영 (야생종), 크림손클로버 (링카루스), 사료 용 완두 (오스트리아 완두), 헤어리벳치 (오래곤컴온)를 각각 50:50, 60:40, 70:30 그리고 80:20으로 파종하였다. 벼를 수확한 다음 트랙터로 로타리하고 산파하였는데 파종량은 자 운영, 크림슨클로버, 크림손 클로버, 완두가 각각 4, 4, 4, 12 그리고 보리가 16 kg/10a였다. 시험구 배치는 분할구 배치법으로 주구는 화본과 세구는 두과와의 혼파비율이었고 시험구당 면적은 12 m²였다. 파종시 시비량은 N-P-K (50- 120-120 kg/ha)였고, 질소는 1/2은 기비로 1/2는 추비로 그리고 인산과 칼리는 기비로 시용하였다.

질소고정량을 측정하기 위해 각 처리마다 대조구로 보리 단파구를 두었으며 동위원소 희석법에 의한 질소고정량을 측정하기 위하여 4월 15일에 동위원소 처리를 하였는데 99.8%원자 ¹⁵N(NH₄)₂SO₄ 중질소 1 kg를 1 L의 증류수에 용해하여 20×30 cm의 방형틀 (Qudrat)에 살포하였다. 6월 8일에 방형틀 안의 식물체를 수확하고 보리와 완두를 분리하여 건조한 후 분쇄하여 분석 시료로 사용하였다.

식물체의 질소고정능력 측정을 위한 동위원소 분석은 안정성 동위원소 질량분석기 (Isoprime-EA,영국)를 이용하였다. 한편 베치에서 보리로의 이동률은 차이법과 ¹⁵N 희석액법을 이용하여 산출하였으며 이용률 계산은 여러 학자들이 일반적으로 쓰고 있는 방법을 적용하였다 (Chalk and Ladha, 1999; Lee and Park, 2002). 공중질소이용량 추정은 식(1), 차이법과 동위원소 희석법을 이용한 질소고정량 추정 및 이의 화본과로의 이동은 식(2) 및 (3)에 의거하여 산출하였다.

(1) P: proportion N in the above-ground tissue of legume

derived from the atmosphere (Ndfa%) =

(2) The N-difference method

Nleg(=>non-leg) = Nnon-leg(m)–Nnon-leg(p) · R(1).

Pnon-leg(<=leg)= Nleg(=>non-leg)/Nnon-leg(m)

= 1–(Nnon-leg(p) · R/Nnon-leg(m)).

(3) ¹⁵N-dillution method

Pnon-leg(<=atm) = 1–(Enon-leg(m)/Enon-leg(p).

Pleg(<=atm) = 1–(Eleg(m)/Enon-leg(p).

여기서 Leg (두과), nonleg (비두과), soil (토양), root (뿌리), p (단파), m (혼파), ⟹(화살표 방향으로 이동), ⟽(이동으로부터 유래)

본 실험의 통계처리는 SAS Ver.9.2 프로그램을 이용하여 최소 유의차 검정 (Least Significant Different test; LSD test)을 적용하여 5% 유의수준에서 처리구간의 통계적 차이를 검정하였다.

시험 포장의 토양특성은 농촌진흥청 토양화학분석법에 의하여 분석하였고 그 결과는 Table 1과 같다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

Table 2와 3은 보리 및 이탈리안 라이그래스와 혼파한 두과 사초의 ¹⁵N 초과를 조사한 결과이다. 화본과는 차이가 없었던 반면 두과시료에서는 보리와 혼파 비율이 60:40 처리와 다른 혼파비율 사이에 유의적 차이가 있었다. 반면 이탈리안 라이그래스와 두과 혼파 처리구 사이에서는 주구 및 세구 모두에서 처리간 차이가 없는 것으로 나타났다. 보리와 혼파한 처리구가 이탈리안 라이그래스와 혼파한 처리구보다 낮은 결과를 보였다.

이러한 동위원소질소 초과는 시간에 따라 감소하는데 특히 동위원소를 처리한 후 2개월이 지나면 급격히 감소한다고 하며 (Vinther, 2006) 두과는 0.02, 화본과 초지는 0.07 에서 0.37 사이였다 (Lonati et al., 2015)고 보고한 바 있다. 자연존재비와 동위원소 희석법을 이용한 시험을 수행하였던 Oberson et al. (2007)은 화본과 개화기에는 0.06에서 0.13을 유기콩에서는 0.09에서 0.12를 제시한바 있어 본 연구 보다는 낮았다. Goh (2007)은 0에서 0.52 초과를 보고하였고 초과값은 식물의 종류, 계절 그리고 관수여부에 따라 변한다고 하였다.

공중질소고정비율은 Table 4에 제시하였다. 전체 질소이용률 중 공중질소를 이용한 비율은 0%에서 46%로 그 변이가 매우 컸다. 보리와 두과 혼파구에서 주구 중 사료용 완두에서만 유의적 상관이 있었고 이탈리안 라이그래스와 두과혼파구는 주구 및 세구에서 유의적 차이가 인정되지 않았다. 본 연구의 결과는 2종의 혼파와 5종의 두과를 혼파한 초지에 슬러리를 시용했을 때 공중질소 이용율이 최소 75%에서 최고 95%에 이르렀다는 Pirhofer-Walze et al. (2012)의 보고보다 낮았다. 한편 Geijesstam and Martesson (2006)은 완두와 연맥시험에서 0에서 90% 사이의 공중질소 이용비율을 보고한 바 있다. 공중질소 이용비율은 장소, 참조식물의 종류에 따라 65∼93%의 범위였다는 보고도 있다. 본 연구에서 0으로 표시된 것은 Geijersstam and Martesson (2006)의 보고와 같이 고정량이－값을 갖는 것은 0으로 계산하였다. 본 연구에서 공중질소 고정률의 변이가 큰 것은 －값을 0으로 표시하였을 뿐 아니라 수확시의 두과의 식생비율이 1%에서 14%로 (자료 미제시) 낮아 이러한 결과가 나타난 것을 보인다. 다른 학자들은 균일하지 못한 포장조건이 질고정률 측정 오차의 원인이라고 하였다(Chalk and Ladha, 1999). 또한 본 실험지가 밭이 아닌 다른 답리작 조건 때문에 이렇게 큰 변이가 있는 것으로 추정된다.

한편 이집시안 클로버와 단년생 라이그래스를 혼파한 실험에서 초지관리 방법에 따라 17∼75%의 질소가 공중질소에서 유래하였음을 발표한 바 있다 (Giambalvo et al., 2011). 동위원소 자연 존재비를 이용한 완두연구에서 개화 시 65%에서 92% 이었고 성숙기에 26%에서 81% 보였다는 연구결과 (Hauggaard et al., 2010)가 있는 반면 51% 내외를 나타냈다는 보고도 있다 (Riesinger and Herzon, 2010). 완두의 근권 10∼20 cm에 있는 뿌리는 질소의 6.74%가 공중질소 고정에서 유래했다고 하였고(Geijersstam and Martesson,2006) 알팔파와 버뮤다그래스 초지에서는 41%에서 91%의 질소가 대기 중 질소를 고정하여 이용하였다고 한다 (Haby et al., 2006). 화이트클로버+라이그래스 초지에서는 년도가 진행될수록 예취빈도를 높일수록 공중질소 이용 비율은 낮아 졌다는 보고도 있어 (Vinther, 2006) 앞으로 답리작 혼파 조건에서 다양한 실험설계 및 수년에 걸친 연구가 필요함을 시사하고 있다.

차이법에 의한 두과에서의 화본과로의 질소이동량은 12.3 kg에서 106.6 kg/ha로 변이폭이 컸다 (Table 5). 보리 및 이탈리안 라이그라스에서 주구는 공히 통계적 유의차가 없었고 보리와 두과 혼파구에서 50:50을 혼파한 구와 다른 혼 파처리 사이에 유의적 차이성이 있었다. 이탈리안 라이그래스와 두과혼파구 사에서도 혼파비율 사이에 통계적 유의성이 확인되었다. 보리와 이탈리안과 두과 혼파구에서 이탈리안 라이그래스와 두과와의 혼파구가 이동량이 더 많았 다. 이러한 결과는 Lee et al. (2005)이 이동률은 39~58%였고 이동량은 68kg∼94 kg/ha였다고 보고한 바 있으며 또한 다른 실험에서 Lee et al. (2012)이 19.3kg∼126 kg/ha 사이 였다고 발표한 바 있다.

Table 6은 동위원소 희석법으로 처리했을 때 이동량을 나타낸 것이다. 보리와 두과 혼파구는 0∼18 kg/ha가 이동 되었고 이탈리안 라이그래스와 두과와의 혼파에서는 0~51 kg의 범위였다. 두 작물과 두과의 혼파처리구간에는 모두 통계적 유의성이 없었다. 이동량은 차이법과 마찬가지로 이탈리안 라이그래스 두과혼파 조합이 더 많았다. 본 연구와 같은 동위원소 희석법을 사용했을 때 두과가 인접한 화 본과에 공여하는 질소는 ha당 40 kg 정도라 하여 (Pirhofer et al., 2012) 본 연구 보다 적은 결과를 보고하면서 각기 다른 뿌리구조와 재생방식이 질소이동 및 흡수에 영향을 미친다고 하였다. 한편 이동량이 전혀 없었다는 주장 (Giambalvo et al., 2011)과 미미했다는 보고 (Opitz et al., 2005)도 있다. 이와 같은 주장은 앞으로 이 분야에 더 많은 연구가 이루어져야 할 것으로 보인다.

한편 질소이동은 인접화본과 뿐만 아니라 두과에서 두과로 이루어진다고도 하여 (Georg and Kerstin, 2014) 포장과 포트시험을 동시에 수행할 필요성이 제기된다 하겠다. 본 시험은 특히 일반 초지가 아닌 답리작 시험포에서 이루어 졌고 논토양은 미생물 및 지하경의 분포가 달라 본 실험의 결과를 직접 비교하기가 어려운 것도 사실이다. 이러한 특성을 반영한 더 많은 실험과 계속적인 모니터링을 통하여 보다 정확한 데이터를 얻을 수 있는 기법의 개발 및 적용이 필요하다고 사료된다.

Ⅳ. 요 약

본 연구는 전남농업기술원 답리작 시험포장에서 2006년 과 2007년 사이에 보리와 이탈리안 라이그래스와 각종 두 과를 혼파비율을 달리한 처리하여 파종하였다. 주구는 보 리 및 이탈리안 라이그래스와 자운영, 크림손클로버, 헤어 리벳치, 사료용 완두였고 세구는 화본과와 두과를 각각 50: 50, 60:40, 70:30 그리고 80:20이었다. 공중질소 고정량 및 이의 이동을 측정하기 위하여 질소동위원소 (¹⁵N(NH₄)₂SO₄) 를 2007년 4월 15일 처리 후 쿼드랏 안의 식물체를 6월 8일에 수확하여 화본과 및 두과로 분리한 후 안정성동위원 소 질량분석기를 이용하여 분석하였다. 공중질소 고정률은 두과에서 화본과로, 질소이동은 차이법과 동위원소 희석법 을 이용하여 구하였다. 본 실험결과의 주요내용은 동위원 소 초과는 화본과에서는 차가 없었던 반면 보리와 두과와 혼파비율이 60:40인 처리에서 유의적인 차이가 있었다. 그 값은 보리와 혼파한 두과는 0에서 0.54 범위였다. 이탈리안 라이그래스와 두과 혼파에서는 초과 값이 더 높아 보리에서는 0.71에서 0.82, 두과는 0.37에서 1.01 사이였다. 공중 질소 이용비율은 보리와의 조합은 0%∼49.5%, 이탈리안 라이그라스 조합은 0∼60.5%의 범위로 다양한 결과를 나타 내었다. 차이법에 의한 이동량 시험에서는 보리와의 조합에서 12.3∼90.9 kg/ha, 이탈리안 라이그래스 조합에서는 보리보다 더 많아 31.7∼107.8 kg 사이였다. 한편 동위원소 희석법에서는 보리와 두과 혼파조합은 0∼36.1 kg/ha 그리고 이탈리안 라이그래스와 두과 혼파에서는 0∼50.6 kg/ha로 이탈리안 라이그래스 조합이 더 많은 것으로 나타났다. 차이법에 의한 질소 이동량이 동위원소 희석법보다 더 많은 것으로 나타났다.