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ISSN : 1225-8504(Print)
ISSN : 2287-8165(Online)
Journal of the Korean Society of International Agricultue Vol.28 No.1 pp.118-122
DOI : https://doi.org/10.12719/KSIA.2016.28.1.118

The Study of Upland Cropping System Based on Plant Available Nitrogen from Green Manure Crops

Min-Tae Kim†, Jong-Seo Choi, Suk-Jin Kim, Sung-Kook Kim, Eung-Gi Jeoung, Yi-Hoon Park, Kwang-Seop Kim**, Ki-Do Park*, Sung-Gi Heu
Department of Central Area Crop Science, NICS, RDA, Suwon, 16613, Korea
*Research Planning and Coordination Division, NICS, RDA, Wanju, 55365, Korea
**Organic Agriculture Research Institute, Gyeongbuk Agricultural Research & Extension Service, Uiseong, 37339, Korea
Corresponding author +82-31-695-4006kmt6108@korea.kr
March 13, 2016 March 22, 2016 March 24, 2016

Abstract

The cultivation of green manure crops provide various beneficial influences on agricultural systems. However, there have been few studies on the use of green manure crops on upland field in Korea. The purpose of this study is the selection of green manure crop species suitable for subsequent upland crops. For this study, two leguminous green manure crops and four graminaceous crops were used as following: (1) hairy vetch (Vicia villosa Roth), (2) crimson clover (Trifolium incarnatum), (3) barley (Hordeum vulgare L.), (4) rye (Secale cereale L.), (5) triticale (Triticosecale wittmack), (6) wheat (Triticum aestivum L.). Plant-available nitrogen (PAN) release from each green manure crops was estimated using PAN prediction equation. Graminaceous green manure crops produced more biomass (dry plant matter) up to 1.5 times than leguminous crops. However, PAN % was much higher in leguminous crops due to their high nitrogen content (2.4 ~ 4.4%). In late may, hairy vetch was estimated to provide PAN as much as 11kg/10a which meet nitrogen need for nearly all (except waxy corn) upland crops used in this study. However, PAN from crimson clover and graminaceous green manure crops was much lower mainly due to low biomass production and low nitrogen content, respectively. Overall, hairy vetch could be most appropriate green manure crop for upland crop cultivation in Korea.


풋거름작물 유래 질소를 기준으로 한 밭작물 작부체계 선발 연구

김 민태†, 최 종서, 김 숙진, 김 성국, 정 응기, 박 이훈, 김 광섭**, 박 기도*, 허 성기
국립식량과학원 중부작물부
*국립식량과학원 기획조정과
**경상북도농업기술원 유기농업연구소

초록


    Rural Development Administration
    PJ009401

    풋거름작물은 토양 비옥도 증진, 경사지 토양유실 방지, 유휴농지의 경관조성 등 다양한 농업적, 공익적 효과를 가지는 것으로 잘 알려져 있다(Cho et al, 2011; Cheon et al., 2011). 정부에서는 친환경농업 촉진 정책사업의 일환으로 1999 년부터 풋거름종자를 정부 보조 사업으로 농가에 공급하고 있는 데, 국내에서 주로 이용되는 풋거름작물은 콩과의 경우 헤어리 베치, 자운영, 크림손클로버 등이며, 볏과는 청보리, 호밀, 트리 티케일 등이 대표적이다(Kim et al., 2012; Cho et al. 2014).

    국내에서는 주로 논에서 벼 재배시 풋거름작물을 이용한 질 소비료 절감 및 토양지력 증진 효과 등에 관한 연구가 많이 수행되었는데, 특히 질소 공급 능력이 큰 헤어리베치를 이앙 전 풋거름으로 환원하면 증수 효과가 큰 것으로 보고되었다 (Cho et al, 2011; Cheon et al., 2011; Kim et al. 2002). 그에 반해 밭에서 풋거름작물 이용 기술은 옥수수 등 일부 작 물에 대해 연구된 바 있으나(Seo et al., 2000; Seo & Lee, 2008), 아직 연계 기술 개발이 미흡한 실정으로 밭작물의 친환 경 생산을 위한 풋거름작물 이용 기술 개발이 시급하다.

    풋거름 작물의 종류별로 생체량, 생육기간 및 질소 생산성이 상이하기 때문에(Cheon et al., 2011), 토양에 환원해 양분 공 급 효과를 얻으려면 후작물의 질소 요구량 및 적정 파종시기 를 고려하여 가장 적합한 풋거름 작물을 선택해야 한다. 풋거 름작물이 토양에 환원되었을 때 후작물에 대한 질소 가용화율 은 풋거름 작물의 종류에 따라 다르며, 헤어리베치의 경우 대 략 60% 이상이라고 알려져 있다 (RDA, 2010). 그러나 국내 에서 여러 가지 풋거름작물별 유래 질소의 시기별 가용화율에 대한 체계적인 연구는 거의 이루어지지 않은 실정이다.

    국외에서는 식물체의 질소 무기화 예측 모델에 대한 많은 연구들이 수행되었는데, 대부분의 연구에서 탄질율과 질소함 량을 이용하고 있다(Seligman & Van Kuelen, 1981; Knapp et al. 1983; Molina et al., 1983). Vigil & Kissel (1991)은 식 물체가 분해되면서 무기화되는 질소량을 예측하기 위해 8건의 관련 연구 결과를 선정한 후 분석하여 식물체 질소함량과 질 소 무기화율간의 상관관계를 가장 잘 설명할 수 있는 공식을 제안하였는데, Sullivan et al. (2011), Pant et al. (2014)Moore et al. (2013) 등은 이 공식을 이용해 식물체 잔재물 분해 시의 가용 질소량을 유의성 있게 예측할 수 있음을 확인 하였다.

    본 연구에서는 밭에서 이용될 수 있는 다양한 풋거름작물을 선발하기 위하여 볏과 및 콩과 풋거름작물을 밭 토양에서 재 배하고 시기별로 생육 특성 및 PAN 계산식을 적용한 질소 공급 능력을 검토함으로써 각각의 풋거름작물에 적합한 후작 물 작부 체계를 평가하기 위해 수행되었다.

    재료 및 방법

    본 시험은 수원에 위치한 국립식량과학원 시험포장에서 2014년 가을부터 2015년 여름까지 실시하였다. 콩과 풋거름작 물로 헤어리베치(Vicia villosa Roth), 크림손클로버(Trifolium incarnatum)의 2종과 볏과 풋거름작물로 청보리(Hordeum vulgare L.), 호밀(Secale cereale L.), 트리티케일(Triticosecale wittmack), 밀(Triticum aestivum L.)의 4종으로 총 6종을 이 용하였으며, 파종방법은 2014년 10월 5일에 30cm × 5cm 간 격으로 줄뿌림하였다. 이 때 질소, 인산, 칼리 화학비료는 모 두 시용하지 않았다.

    생육 특성 조사는 농촌진흥청의 농업과학기술연구 조사분석 기준(RDA, 2003)에 의거하여 조사하였는데, 풋거름작물 월동 후 4월 13일, 5월 18일, 5월 26일에 각각 0.5 m2 면적 내의 식물체 지상부를 수확하여 생체중을 측정한 다음 50°C에서 48 시간 열풍 건조 후 건물중을 측정하였다.

    생육시기별 질소함량을 조사하기 위하여 각 조사 시기에 풋 거름작물별로 식물체 1kg을 채취하여 열풍 건조한 다음 마쇄 하여 분석용 시료를 조제하였다. 마쇄된 시료는 Elemental analyzer (Vario Max CN)를 이용하여 건식연소법으로 총질소 함량을 측정하였다.

    시험전 토양의 화학적 특성 분석은 작토층을 채취하여 음건 한 다음 2mm mesh를 통과시켜 조제하였다. 농촌진흥청 토양 및 식물체 분석법(NIAST, 2000)에 준하여 pH는 토양과 증류 수를 1:5로 희석해 pH meter로 측정하였고, 유기물함량은 Elemental analyzer (Vario Max CN)를 이용하여 총 유기탄소 함량을 측정한 후 보정계수를 곱하여 구했으며, 유효인산함량 은 Lancaster법으로 추출후 UV 분광광도계로 정량했고, 치환 성양이온은 동시치물법으로 추출하여 ICP ((Inductively Coupled Plasma Spectrometer, GBC SDS-270)로 정량하였다.

    후작물이 이용 가능한 풋거름작물 유래 질소(Plant-available N, PAN) 함량은 건식연소법으로 구한 풋거름작물의 질소함량 을 이용하여 PAN prediction equation (Vigil & Kissel 1991)에 대입하여 다음과 같이 계산하였다.

    PAN  ( % of crop total N ) =-53.44+16.98 ( crop % ×10 )

    구해진 PAN (%)를 최종적으로 풋거름작물별 총 질소생산량 에 곱해 10 a당 kg 단위로 후작물 가용 질소량을 추정하였다.

    통계분석은 R 3.1.0 버전을 이용하여 풋거름작물의 생체량 및 질소함량 등을 5% 유의수준에서 Duncan’s multiple test를 수행하여 처리간의 유의성을 검토하였다.

    결과 및 고찰

    시험전 토양의 화학적 특성

    시험 전 토양의 화학적 특성은 Table 1과 같다. pH는 6.7 으로 일반적인 작물 재배에 적합하였으며, 토양 1 kg당 유기 물함량은 9.3 g, 유효인산은 127 mg으로 다소 낮은 수준이었 다. 치환성 칼리는 밭토양 적정범위인 0.5 ~ 0.6 cmolc/kg보다 높았지만 칼슘과 마그네슘은 낮은 편이었다.

    풋거름작물별 생육 특성

    풋거름작물별 생육 특성은 Table 2과 같다. 월동 후 생체량 은 콩과 풋거름작물에 비해 볏과 풋거름작물이 많은 경향을 보였으며, 볏과 풋거름작물은 호밀, 트리티케일 > 밀 > 보리 순으로 생체량이 많았고 콩과 풋거름작물은 헤어리베치 > 크 림손클로버 순으로 생체량이 많았다. 건중량 기준으로 밀과 트 리티케일은 5월 중순경 생체량이 최대치에 도달하여 더 이상 증가하지 않았으나, 헤어리베치, 크림손클로버, 보리, 밀은 5월 말까지 생체량이 증가하는 추세였다. 5월 말 풋거름작물의 건 물율은 헤어리베치가 30%로 가장 낮았고 나머지는 38~58% 수준으로 식물체의 수분함량이 감소하면서 황변하는 모습을 볼 수 있었다.

    풋거름작물의 생육시기별 질소생산량 및 후작물 이용 가능 질소량

    풋거름작물 식물체의 질소 함량은 Table 3과 같으며, 크림 손클로버를 제외한 모든 풋거름작물에서 4월 중순으로부터 5 월말로 갈수록 낮아지는 경향이었다. 크림손클로버는 조사기 간 중 2.4 ~ 2.9%의 질소함량을 유지하였으며 시간에 따른 감 소 경향은 크게 나타나지 않았다. 질소함량은 콩과가 볏과보 다 높았으며, 특히 콩과 헤어리베치의 질소함량이 3 ~ 4%로 가장 높아 후작물에 대한 질소대체효과가 가장 양호할 것으로 예상되었다. 5월 말 조사한 식물체 질소 함량은 헤어리베치와 크림손클로버가 약 3% 내외로 높은 편이었지만 나머지 볏과 풋거름작물들은 1% 이하의 매우 낮은 질소량을 보였다. 이것 은 개화기가 지나면서 풋거름작물 체내 질소가 지속적으로 감 소한 것의 영향으로 보이는데, 이러한 결과는 Cho et al. (2012) 등이 풋거름작물의 질소함량이 개화기에 가장 높았다 가 생육이 진전함에 따라 점차 감소한다고 보고한 결과와 일 치한다.

    4월 중순에는 풋거름작물의 생체량이 충분하지 않아 총 질 소생산량도 낮은 수준이었지만 5월 중하순에는 대부분의 풋거 름작물의 생육이 최성기를 지난 상태여서 질소생산량 역시 증 가하였다(Table 3). 그러나 후작물이 이용 가능한 풋거름작물 유래 질소량 비율(PAN)은 모든 처리구에서 5월에 비해 4월에 오히려 더 높은 경향을 보였다. 4월 중순에 조사한 PAN은 콩 과 풋거름작물이 30 ~ 60%, 볏과 풋거름작물이 9 ~ 31%였는데 비해 6월 중순에는 콩과 풋거름작물이 31 ~ 46%였으며 볏과 는 극히 낮은 체내 질소함량으로 인해 PAN이 0에 가깝거나 음의 값을 나타내었다.

    PAN으로 추정한 10a당 가용 질소량은 콩과 풋거름작물의 경우 4월 중순에 0.1 ~ 0.6 kg으로 매우 낮은 수준이었으나, 5 월 하순에는 헤어리베치가 11.4 kg로 상당한 양의 질소를 공 급할 수 있는 것으로 조사되었다. 크림손클로버는 낮은 생체 량으로 인해 비교적 높은 PAN 값에도 불구하고 가용 질소량 은 5월 말에 0.7 kg 수준이었다. 한편 볏과풋거름작물은 콩과 에 비해 가용 질소량이 매우 떨어지는 편이었는데, 4월 중순 에 10a당 질소공급량은 0.1 ~ 1.6kg 수준이었으며, 5월 중하순 에는 모든 처리구에서 가용 질소량이 나타나지 않았고 보리를 제외한 볏과 풋거름작물은 오히려 질소 부동화를 일으킬 수 있는 것으로 계산되었다.

    밭 토양에서 풋거름작물을 이용하여 재배가능한 후작물 작부유형

    풋거름작물을 가을에 파종하여 이듬해 후작물로 이용 가능 한 식량작물 작부유형은 질소대체효과를 중심으로 고려했을 때 Table 4와 같다.

    헤어리베치는 5월 중순 이후 콩, 들깨, 고구마, 기장, 수수를 후작물로 하는 경우 질소요구량을 100% 충족 가능하였으며, 찰옥수수의 경우 약 80%의 질소 대체율을 보였다. 볏과 풋거 름작물은 식물체내 질소함량이 콩과에 비해 낮고 5월 중 개화 및 결실기를 지난 후 질소함량이 계속 낮아지기 때문에 중북 부지역에서 파종적기가 5월 하순부터 6월 중하순에 걸쳐 있는 시험대상 후작물에는 질소원으로 사용하기 적합하지 않은 것 으로 사료되며, 단독으로 사용하기보다 콩과작물과 혼파하거 나 질소원의 추가 공급이 필요할 것이다.

    적 요

    중부지역 밭 토양에서 활용가능한 풋거름작물을 선발하기 위하여 볏과 및 콩과 풋거름작물 6종을 파종 재배하여 시기별 생육 특성 및 후작물에 대한 질소공급효과를 평가한 결과는 다음과 같다.

    1. 풋거름작물의 생체량은 볏과가 콩과에 비해 최대 1.5배 이상 높은 편이었으나 볏과의 개화 및 결실기가 5월경으로, 본 시험에서 검토한 대부분의 후작물들의 적정 파종기인 6월 중 순경에는 자연고사 후 건조되어 건물률이 높아지고 식물체내 질소함량이 크게 감소하는 경향을 보였다.

    2. 콩과 풋거름 작물은 5월 중순까지 3% 수준의 질소함량 을 유지하여 PAN값은 30% 정도로 양호했기 때문에 충분한 생체량 확보가 가용 질소량 증대에 핵심적인 요소로 판단되었 다. 본 실험에서는 헤어리베치가 충분한 생체량을 생산한데 비 해 크림손클로버의 생육이 불량한 편으로 질소 대체 효율은 낮은 것으로 나타났다.

    3. 풋거름 작물의 후작물에 대한 가용 질소 비율은 4월 하 순에 콩과 풋거름작물이 30 ~ 60%, 볏과 풋거름작물이 9 ~ 31%였으나 이 시기에는 풋거름작물의 생체량이 많지 않아 총 질소공급량은 0.1 ~ 1.6 kg/10a 수준이었다. 5월 하순에는 풋거 름작물의 생체량이 크게 증가하여 헤어리베치는 후작물에 10 a 당 약 11 kg의 질소를 공급할 수 있었지만 크림손클로버와 볏 과풋거름작물은 각각 낮은 생체량 및 질소함량으로 인해 질소 대체효과가 거의 없었다.

    4. 중부지역 밭 토양에서 후작물에 적합한 풋거름작물은 헤 어리베치가 가장 유리할 것으로 판단되었다. 크림손클로버는 생체량 증대를 위한 재배기술 확보가 선행되어야 할 것이며, 볏과풋거름작물은 질소공급 측면에서는 효율이 떨어지므로 콩 과 풋거름작물과의 혼용이 필요할 것으로 생각된다.

    ACKNOWLEDGMENTS

    본 논문은 농촌진흥청 연구사업 (과제번호: PJ009401, 밭 토양에 적합한 녹비 작물 선발)의 지원에 의해 이루어진 것임.

    Figure

    Table

    Chemical properties of soil before the experiment.

    Yield characteristics of green manure crops at different growth stage.

    *Same letters in a column are not significantly different with Duncan s multiple test at 5% level.

    Nitrogen content, yield and Plant-available nitrogen (PAN) of green manure crops at different growth stage.

    *Same letters in a column are not significantly different with Duncan’s multiple test at 5% level.

    Nitrogen fertilizer replacement rate of green manure crops for succeeding crops.

    1Nitrogen immobilization might be occur when incorporated into soil

    Reference

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