Ⅰ. 서론

찰옥수수(Waxy corn)는 특유의 당도와 부드러운 식감으로 소 비자들에게 널리 소비되고 있는 작물이다(Gong and Chen, 2013). Stover는 옥수수 이삭을 수확한 후 토양에 남아 있는 옥수 수 식물체로 줄기, 잎, 웅수 등으로 구성된다. 간식용으로 이용되 는 찰옥수수는 생식생장단계 중 호숙기에 해당하는 풋옥수수로 이삭 수확 후 남는 줄기와 잎 등 stover는 이용되지 않고 있다. 옥수수 곡물 1 kg을 생산할 때 약 1 kg의 stover가 생산된다는 점을 고려하면, stover의 자원화 가능성은 매우 크다(Murphy and Kendall, 2013).

2023년 식용옥수수 종자 소요량은 약 240톤으로, 1 ha당 15 kg의 종자가 필요하다(RDA, 2021). 이를 근거로 식용옥수수 재 배면적을 추정해보면 약 16,000 ha이며, 이 중에서 ‘찰옥4호’, '미 백2호', '대학찰' 등 찰옥수수의 재배면적은 우리나라 전체 식용옥 수수 재배면적의 약 92.5%로 예상된다. 찰옥수수 재배 시 발생하 는 stover의 건물수량은 사일리지용 옥수수에 비해 상대적으로 낮을 것으로 예상되지만, 절대적 생산량은 상당할 것으로 추정된 다. 옥수수 stover를 밭에서 건조되기 전에 수확하면 동물 사료로 효과적으로 활용할 수 있다(Huang et al., 2012). 이러한 stover를 사료 자원으로 효율적으로 활용할 경우, 국내 조사료 자급률 향상 에 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 농업 부산물의 순환 이용을 통한 지속 가능한 농업 시스템 구축에도 긍정적인 영향을 미칠 수 있 을 것이다. 따라서 찰옥수수 stover의 사료화 기술 개발 및 적용 은 국내 축산업의 경쟁력 강화와 환경 친화적 농업 실현을 위한 중요한 전략이 될 수 있다.

식물체 전체를 활용하는 사일리지 옥수수와는 달리 찰옥수수 는 이삭을 수확한 후 남은 stover를 퇴비나 자연 방치하였기 때문 에 그 활용 가치가 저평가되어 왔다. 더불어 일부 stover가 강이 나 하천으로 유입되어 수중 생태계에 부정적인 영향을 미칠 수 있다는 점도 지적되고 있다(Jonathan et al., 2008). 최근 농업 부 산물의 자원화에 대한 관심이 높아지면서, 옥수수 stover의 유용 자원화 가능성에 대한 연구가 시도되고 있다(Katoch et al., 2017;Woźniak et al., 2021).

사료 자원의 가격 상승과 기후 변화로 인한 농업 생산성 감소 로 인해, 효율적인 사료 자원의 확보가 중요한 과제가 되고 있다 (Vera and Muñoz, 2017). 찰옥수수 stover를 사일리지로 활용할 경우, 농가는 풋옥수수 이삭 판매 외에도 추가적인 사료 자원을 확보할 수 있어 경영 효율성을 높일 수 있을 것이다. 특히, 사일 리지로서의 활용은 사료 자급률을 높여 사료비 절감 효과도 기대 할 수 있다. 이러한 이중 수익 구조는 농가의 경제적 자립을 강화 할 뿐만 아니라, 지속 가능한 농업을 촉진하는 중요한 방안으로 작용할 것이다. 나아가, 농업 부산물의 자원화 및 순환 농업에 대 한 관심이 높아지는 현 시점에서, 자급조사료 확보와 함께 찰옥수 수 stover의 사일리지 활용은 자원 효율성을 극대화하는 실질적 인 대안이 될 수 있다.

본 연구는 찰옥수수 stover를 활용하기 위해 품종별 사일리지 활용 가능성을 평가하고, 이를 통해 적합한 품종을 선발하여 찰옥 수수 stover 사료화를 위한 기초자료를 제시하고자 수행되었다. 그리고 이를 통해 농업 부산물의 효율적 자원화를 촉진하고, 지속 가능한 농업 생태계 조성과 농가 소득 향상에 기여할 수 있는 자 료를 제공하고자 한다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 시험장소 및 재료

본 시험은 2024년 농촌진흥청 국립식량과학원 중부작물부 가공 이용연구동 밭작물 시험 연구포장(경기도 수원시, 37°15'53.35''N, 126°59'16.01''E, 고도 31 m)에서 재배시험을 수행하였으며, 시험 에는 국립식량과학원에서 육성한 황금맛찰, 황금흑찰, 흑진주찰, 찰옥4호, 찰옥5호, 일미찰, 수원찰97호 등을 공시하였다(Table 1). 출사 후 약 20일에 풋옥수수 상태의 이삭을 수확한 후, 남은 stover는 황숙기까지 2주간 포장에서 더 재배하였다. 이후 찰옥수 수 stover의 생체중을 평가하고 샘플링한 시료는 순환식 송풍 건 조기에서 65℃로 72시간 이상 건조한 후 건물중을 측정하였다. 건조된 시료는 그라인더(HMF-3250S, Hanil Electronics, Seoul, Korea)로 분쇄하여 사료가치분석에 이용하였다.

2. 재배방법, 생육특성 조사

2024년 4월 26일에 재식거리 60 x 25 cm로 2립씩 난괴법 3반복 으로 파종하고, 4~5엽기에 1주만 남기고 솎아주었다. 시비량은 15-3-6 kg/10a (N-P₂O₅-K₂O)으로 하였고, 질소비료 절반은 기비 로, 나머지는 7~8엽기에 추비로, 인산(P)과 칼륨(K)은 전량 기비로 주었다. 재배관리와 간장, 엽장, 엽폭 등 생육 특성 조사는 농촌진흥 청 농업과학기술 연구조사분석기준에 따라 실시되었다(RDA, 2012). 엽면적은 Qi et al. (2012)의 방법에 따라 엽장 x 엽폭 x 0.75로 계산하였다.

3. 사료가치 분석

건물 수량을 통해 추정한 Total digestible nutrients (TDN)은 Pioneer Hi-Bred사가 제시한 공식에 따라 아래와 같이 계산하였 다(Holland et al., 1990).

조단백질 함량은 TruMac Nitrogen/Protein Analyzer (Leco Corporation, St Joseph, Michigan, USA)를 사용하여 듀마스법 으로 측정하였다(AOAC Method 992.23, AOAC, 1995). 측정된 질소 함량은 6.25의 변환계수를 적용하여 조단백질 함량으로 변 환하였다.

중성세제불용성섬유(Neutral detergent fiber, NDF)와 산성세 제불용성섬유(Acid detergent fiber, ADF)는 ANKOM 2000 Fiber Analyzer (Ankom Technology Corp., Macedon, New York, USA)를 활용하여 Van Soest 법으로 분석하였다(Van Soest et al., 1991). NDF와 ADF 함량을 이용해 TDN, digestible dry matter (DDM), dry matter intake (DMI), relative feed value (RFV) 값을 아래 식으로 산출하였다(Qian et al., 2023).

4. 통계분석

데이터는 3반복으로 수집되었으며, 결과는 평균±표준편차로 표현하였다. 품종 간의 차이는 일원분산분석(One-way ANOVA) 으로 분석하였고, 사후 검정은 Tukey’s honestly significant difference test를 적용하였다. 통계적 유의성은 p<0.05 수준에서 평가하였으며, 통계 분석은 JAMOVI Version 2.2 (https://www. jamovi.org)를 사용하여 수행하였다. 주성분 분석, 계층 군집 분석 은 MetaboAnalyst 6.0 (http://www.metaboanalyst.ca)을 이용하여 분석을 수행하였다(Pang et al., 2022).

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 찰옥수수 품종의 생육특성

국립식량과학원에서 육성한 7개 찰옥수수 품종은 각 품종별로 다양한 생육 특성 차이를 나타냈다(Fig. 1). 출사일수는 황금맛찰 과 수원찰97호가 63일, 64일로 가장 빨랐으며, 검정찰옥수수 품 종인 흑진주찰과 황금흑찰은 71일, 70일로 다른 품종 보다 상대 적으로 출사가 늦은 경향이 나타냈다(Fig. 1A). 기존 찰옥수수 품 종의 출사일수는 찰옥4호 78일, 일미찰 72일, 흑진주찰 74일, 황 금맛찰 69일로 보고되었다(RDA, 2021). 수확기에 찰옥수수 품종 중 찰옥4호와 찰옥5호가 각각 227.7 및 212.3 cm로 가장 키가 큰 품종으로 나타났다. 반면, 흑진주찰은 143.7 cm로 간장이 가 장 작은 품종이었다(Fig. 1B). 일미찰, 수원찰97호와 황금흑찰은 중간 정도의 키를 보였다. 밭토양에서 재배한 국산 사료용 옥수수 의 간장이 220~280 cm 범위 인 것을 고려하면 찰옥4호나 찰옥5 호의 경우 사료용 옥수수의 간장과 비슷한 수준으로 볼 수 있다 (Go et al., 2022). 착수고율은 흑진주찰을 제외한 6개 품종이 50~60% 범위에 분포하였고, 흑진주찰이 69%로 다소 높은 것으 로 나타났다(Fig. 1C). 사일리지 옥수수에서 중요한 수확량은 간 장, 줄기두께, 엽 특성, 건물중 등 여러 요소들이 양의 상관관계가 있다(Naharudin et al., 2021). 또한 식물의 키는 식물의 생장과 환경에 따라 달라지는 식물의 활력을 나타내는 지표로 사용되기 도 한다(Coser et al., 1998). 또한 착수고율은 도복, 기계 수확에 영향을 미치기 때문에 고려되어야 할 중요한 요소이다.

광합성과 연관성이 높은 엽 관련 특성에서 생엽수는 대부분의 품종에서 13~14개의 값을 보였다(Fig. 1D). 찰옥5호와 수원찰97 호의 생엽수는 11~12개 내외로 다른 품종에 비해 적었다. 엽장, 엽폭, 엽면적은 일미찰, 찰옥4호, 찰옥5호, 수원찰97호, 황금맛찰 이 황금흑찰 및 흑진주찰과 유사한 특성을 보였다. 흰찰, 노랑찰 옥수수의 엽장은 80.0~93.7 cm, 엽폭은 11.2~13.2 cm, 엽면적은 684.9~789.9 cm²의 범위를 나타내었으며, 검정찰옥수수인 흑진 주찰과 황금흑찰의 엽장은 각각 68.3 및 73.7 cm, 엽폭은 각각 8.5 및 9.3 cm, 엽면적은 각각 435.8 및 516.9 cm²으로 엽 관련 특성들이 다른 품종에 비해 낮게 나타났다(Fig. 1E-G). 지엽(flag leaf)은 작물의 최상위 잎으로, 생장 후기 광합성의 주요 기여자 이며, 탄수화물 생산과 수량에 큰 영향을 미친다. 또한 이삭엽 (ear leaf)은 이삭에 가장 가까운 잎으로, 이삭으로 공급되는 동화 산물을 생산하는 데 중요한 역할을 한다. 여러 연구에서 최상엽 또는 이삭엽의 광합성 용량이 밀과 옥수수의 곡물 수확량을 결 정하는 핵심요소인 광합성 능력을 부분적으로 나타낼 수 있다고 하였다(Jiang et al., 2004;Kim et al., 2006).

다양한 환경 조건에 대한 적응에 영향을 미칠 수 있는 유전적 다양성을 반영하여 찰옥수수 품종 간 생육 특성에서 유의미한 차 이가 관찰되었다. 국산 사료용 옥수수의 출사일수는 76~95일의 범위를 보인다(NICS, 2009). 일반적으로 찰옥수수의 출사일수는 사일리지용 옥수수 보다 빠른 편이며 본 연구에 사용된 품종들의 출사일수는 63~71일로 사일리지 옥수수와 최대 32일까지 차이를 보였다. 황금맛찰, 수원찰97호, 찰옥5호 등 출사일수가 짧은 품종 들은 조기 수확이 필요한 지역에 적합한 품종으로 보인다. 반면, 식물 키가 크고 엽면적이 넓은 찰옥4호는 더 많은 바이오매스 생 산이 가능할 수 있다. 엽 특성(길이, 너비, 면적)은 광합성 능력을 나타내는 중요한 지표로, 찰옥4호와 찰옥5호에서 볼 수 있듯이 잎이 클수록 성장과 수확량 잠재력이 향상될 가능성이 높다.

2. 찰옥수수 stover의 사료가치와 수량성

찰옥수수 stover의 사료가치 평가와 수량성에 대한 결과는 Fig. 2와 Fig. 3에 나타내었다. 황숙기 수확시 찰옥수수 stover의 수분 함량은 70~76%를 보였으며 품종 간에 차이는 나타나지 않았다 (p<0.05, Fig. 2A). 사일리지용ㅅ 옥수수에서 가축사료의 영양가 와 유용성에 영향을 미치는 주요 요소인 조단백질은 건물기준 5.1~8.8% 범위였으며, 찰옥5호와 일미찰이 각각 4.7 및 5.1%로 조단백질 함량 낮은 품종이었으며, 황금흑찰, 찰옥4호는 각각 8.8 및 8.7%로 조단백질 함량이 높은 품종이었다(Fig. 2B). 조단백질 함량은 반추동물의 미생물에게 필요한 질소를 공급하기 때문에 적절한 조단백질을 함유한 사일리지는 동물의 성장과 우유 생산 등에 필수적이다(Coleman and Moore, 2003). 선행 연구에 따르 면 국산 사료용 옥수수의 조단백질 함량은 품종과 재배조건 에 따라 다양한데, stover의 경우 4.1~8.2%, grain의 경우 7.5~10.1%의 범위를 보이며 grain의 조단백질 함량이 높다(Go et al., 2022). 찰옥수수 stover의 조단백질 함량은 사료용 옥수수 stover와 유사한 수준이었다. NDF 값은 건물기준 흑진주찰이 63.2%, 황금흑찰이 57.2%였으며, 나머지 5개 품종은 품종 간에 유의미한 차이가 나타나지 않았다(p<0.05, Fig. 2C). NDF 값은 검정찰옥수수인 흑진주찰(63.2%)과 황금흑찰(57.2%)이 다른 5개 품종에 비해 크게 높았으며, 다른 5개 품종 간에는 유의미한 차이가 나타나지 않았다(Fig. 2C). ADF 함량 역시 건물기준 흑 진주찰과 황금흑찰이 각각 33.0% 및 32.9%로 가장 높았고, NDF 와 마찬가지로 나머지 5개 품종들은 값이 낮았다(Fig. 2D).

TDN은 사료의 가치를 평가하는 지표 중 하나로, 가축이 먹고 소화하여 이용할 수 있는 양분의 총량이다. ADF에서 추정된 TDN 값은 수원찰97호(69.6%)와 황금맛찰(68.8%)이 가장 높은 값을 보인 반면, 흑진주찰(62.8%)이 가장 낮은 수치를 보였다(Fig. 3A). 건물수량을 기준으로 추정한 TDN은 다른 경향 보였는데, 찰옥5호가 가장 높은 값(9,101 kg ha^-1)을 보였고, 흑진주찰이 가 장 낮은 값(4,752 kg ha^-1)을 보였다(Fig. 3B). 건물중(DMY)은 찰옥5호(15,639 kg ha^-1), 찰옥4호(14,952 kg ha^-1) 에서 높았는 데, 이는 사료 수량과 상관관계가 높아 대규모 생산에 적합할 것 으로 보인다(Fig. 3C). 반면, 흑진주찰(8,166 kg ha^-1)과 일미찰 (9,045 kg ha^-1)은 수량이 낮은 품종으로 나타났다. 밭토양에서 국산 사료용 옥수수 품종의 건물중은 12,950~26,910 kg ha^-1이 며, TDN은 9,920~18,040 kg ha^-1의 수준을 보인다(Go et al., 2022). 옥수수 건물수량 및 TDN에서 옥수수 종실과 속대를 포함 하는 이삭의 비율이 50~60%를 차지하므로, 이삭이 제거된 찰옥 수수 stover의 건물중과 TDN은 이삭을 제외한 사료용 옥수수 수 량과 유사한 수준으로 볼 수 있다(Kim et al., 2020). 상대 사료 가치(RFV)는 건초의 품질을 평가하는 기준으로, 일반적으로 100 이상이면 양호한 사료가치로 볼 수 있다(Celiktas et al., 2020). RFV는 사료의 소화율과 섭취 가능성을 나타내는 데, NDF와 ADF 함량으로 예측된다. 흑진주찰(93.7)을 제외한 6개 품종의 RFV는 100이상이었으며, 수원찰97호(142.7), 황금맛찰(138.3), 찰옥4호(134.1), 찰옥5호(134.1)의 RFV가 특히 높아 사일리지 품종으로서 전반적으로 우수하다는 것으로 나타났다(Fig. 3D). 흑진주찰은 NDF와 ADF 수치가 높고 TDN과 RFV가 낮아 상대 적으로 고품질의 사일리지를 제조하기 어려운 품종으로 평가되었 다. 반면, 수원찰97호는 건물수량, 조단백질, TDN 수치에서 높은 값을 보여 사일리지 생산에 적합할 가능성이 높음을 확인하였다. 황금흑찰은 조단백질 함량이 높아 사료 내 단백질 보충용으로 유 리할 수 있으나, 낮은 건물 수량으로 인해 전반적인 생산성이 제 한될 것으로 보인다. 그러나 본 연구는 수분 함량과 발효 적합성 등의 요소를 추가적으로 고려하지 못한 한계가 있어, 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다.

3. 찰옥수수 품종과 농업 형질 특성 간의 상관관계 및 다변량 분석

다변량 분석법(multivariate analysis)은 작물의 농업적 특성을 평가하는 유용한 방법 중 하나이다(Barth et al., 2022). 특히 계층 군집 분석(hierarchical clusters analysis)과 주성분 분석(principal component analysis)은 다양한 작물 특성을 그래픽으로 표현하여 농업 형질을 비교하고 분류하는 데 이용된다(Barth et al., 2020). 찰옥수수 7개 품종과 15개 조사 항목의 관계를 확인하기 위해 상관 분석, 계층 군집 분석, 주성분 분석을 수행하였다. 계층 군집 분석 결과에서 황금흑찰과 흑진주찰은 NDF, ADF 값이 높고, DMY, RFV 등 사료가치가 낮은 그룹으로 군집화 되었으며, 나머지 5개 품종은 DMY, RFV, TDN 등 사료가치 특성이 높은 그룹으로 군집 화 되었다(Fig. 4A).

ADF는 NDF와 강한 양의 상관관계(r = 0.906)를 보이며, TDNADF E (r = -1.000), RFV(r = -0.942)와는 강한 음의 상관관계를 보였다(Fig. 4B). NDF와 ADF는 식물의 섬유소 함량을 나타내는 중요한 지표로, 섬유질 함량이 증가할수록 ADF를 기준으로 한 소 화율이 감소하는 경향이 나타남을 시사한다. 이는 섬유질 함량이 높을수록 식물 조직이 단단해지고 소화율이 떨어지는 특성을 반영 한 결과로 보인다(Wisbech et al., 2023;Zhang et al., 2024).

건물 수량은 간장(r = 0.863), 엽장(r = 0.738)과 강한 상관관 계를 보이며 키가 크고 옆의 길이가 긴 품종이 더 높은 건물 수량 을 나타내는 것을 반영하였다. 또한 RFV 또한 간장(r = 0.701), 엽장(r = 0.67)과 강한 상관관계를 보이며 사료 가치가 높은 품종 을 선택할 때 간장과 엽장이 선발에 주요한 농업 형질임을 확인 하였다.

주성분 분석 결과에서 PC1은 전체 분산의 59%, PC2는 전체 분산의 12.2%를 설명하며, PC1과 PC2가 전체 변이의 71.2%를 나타내었다(Fig. 5A). Score plot에서 7개 품종은 각각 뚜렷한 군 집을 형성하여 주성분으로 포착된 특성에 상당한 차이가 있음을 보였다. Biplot에서 RFV, TDN, 엽면적, 간장은 PC1과 밀접한 관련이 있는 반면, ADF 및 NDF와 같은 다른 형질은 반대 축을 지향하여 이러한 축에서 품종을 구별하는 데 영향을 주었다(Fig. 5B). 조단백질, 수분 함량, 착수고율과 같은 형질은 다양한 방향 을 보여 PC1과 PC2를 따라 변이를 정의하는 데 서로 다른 정도 에 기여를 하고 있음을 나타내었다. 황금흑찰과 흑진주찰은 PC1 의 음의 방향에 위치하였으며, 찰옥5호, 수원찰97호, 황금맛찰은 PC1의 양의 방향에 위치하며 유사한 군집으로 분류되었다. 찰옥 5호, 수원찰97호, 황금맛찰은 RFV, TDN, DMY, 간장, 엽 연관 특성 등 수량과 관련 있는 특성들과 높은 연관성을 보였다.

Ⅳ. 요약

본 연구는 찰옥수수 stover의 사일리지 활용 가능성을 평가함 으로써, 순환농업 체계 구축과 농가의 부가가치 극대화에 기여할 수 있는 근거를 마련하고자 수행되었다. 연구 결과, 찰옥수수 품 종 간 주요 특성 및 사료화 가능에 대한 차이를 도출하였다. 황금 맛찰과 수원찰97호는 빠른 출사일수로 조기 수확에 적합한 품종 으로 평가 되었으며, 찰옥4호와 찰옥5호는 큰 간장과 넓은 엽면 적으로 인해 높은 바이오매스 생산이 기대되는 품종으로 나타났 다. 반면, 흑진주찰은 엽면적이 작아 바이오매스 축적과 생산성에 서 제한이 있는 품종으로 확인되었다. 사료가치 분석에서는 수원 찰97호와 황금맛찰은 높은 총가소화양분(TDN)과 상대적사료가 치(RFV)를 보이며 사일리지 생산에 적합한 품종으로 평가되었 고, 찰옥5호와 찰옥4호는 높은 건물중(DMY)으로 대규모 사료 생산에 유리한 품종으로 평가되었다. 반면, 흑진주찰은 높은 NDF 및 ADF와 낮은 RFV, TDN으로 인해 사일리지 생산에 부 적합한 품종으로 나타났다. 다변량 분석 결과, 황금흑찰과 흑진주 찰은 높은 NDF와 ADF 값으로 인해 낮은 사료가치를 나타내는 군집으로 분류되었고, 찰옥5호, 수원찰97호, 황금맛찰은 높은 DMY, RFV, TDN 등의 특성을 가진 군집으로 분류되었다. 주성분 분석 에서는 PC1과 PC2가 전체 변이의 71.2%를 설명하며, RFV, TDN, 엽면적, 간장이 주요 특성으로 식별되어 품종 간의 특성 차 이를 명확히 구분하였다. 본 연구는 찰옥수수 stover의 품종별 사 료가치 특성과 사일리지화 활용 가능성에 대한 기초 자료를 제공 함으로써, 찰옥수수 stover를 사일리지 원료로 활용할 가능성을 평가하고, 이를 통해 자급조사료 확보 및 농가 소득 증대에 기여 할 기초 자료를 제시하고자 한다.