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태겨 강전
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1 한국환경농학회지제 28 권제 4 호 (2009) Korean Journal of Environmental Agriculture Vol. 28, No. 4, pp 연구보문 시설재배지토양에서유기자재투입이염류활성도에미치는영향 이슬비 1) 이창훈 2) 홍창오 3) 김상윤 1) 이용복 4) 김필주 1,5)* 1) 경상대학교응용생명과학부 (BK 21 Program), 2) University of Illinois, 3) South Dakota State University 4) 국립농업과학원, 5) 경상대학교농업생명과학원 (2009 년 12 월 11 일접수, 2009 년 12 월 26 일수리 ) Effect of Organic Residue Incorporation on Salt Activity in Greenhouse Soil Seul Bi Lee 1), Chang Hoon Lee 2), Chang Oh Hong 3), Sang Yoon Kim 1), Yong Bok Lee 4), and Pil Joo Kim 1,5)* ( 1) Division of Applied Life Science, Graduate School (Brain Korea 21 Program), Gyeongsang National University, Jinju, , South Korea, 2) Department of Crop Sciences, University of Illinois, 1102 S. Goodwin Avenue, Urbana, IL 61801, USA, 3) Plant Science Department, South Dakota State University, 1110 Rotunda Lane North, Brookings, SD 57007, USA, 4) National Academy of Agricultural Science, Suwon, , South Korea, 5) Institute of Agriculture and Life Science, Gyeongsang National University, Jinju, , South Korea ABSTRACT: In Korea, salt stress is one of the major problems limiting crop production and eco-environmental quality in greenhouse soil. The objective of this study was to evaluate the effectiveness of organic residues (Chinese milk vetch, maize stalk, rice straw, and rye straw) for reducing salt activity in greenhouse soil. Organic residues was incorporated with salt-accumulated soil (EC, 3.0 ds m -1 ) at the rate of 5% (wt wt -1 ) and the changes of electrical conductivity (EC) was determined weekly for 8 weeks under incubation condition at 30. The EC, microbial biomass carbon (MBC), and water soluble ions in soil was strongly affected by C/N ratio of organic residues. After 8 weeks incubation, the concentration of water soluble NO 3 -, Ca 2+, and Mg 2+ was significantly decreased in organic residues having high C/N ratio (maize stalk, rice straw, and rye straw) incorporated soil compared to organic residues having lower C/N ratio (Chinese milk vetch) incorporated soil. The EC value in Chinese milk vetch incorporated soil was higher than control treatment. In contrast, maize stalk, rice straw, and rye straw amended soil was highly decreased the EC value compared to control and Chinese milk vetch applied soil after 4 weeks incubation. Our results indicated that incorporation of organic residues having high C/N ratio (>30) could reduce salt activity resulting from reducing concentration of water soluble ions. Key Words: Electrical conductivity (EC), Green manure, Salt accumulation, Salt activity 서론 우리나라에서시설재배지면적은국민소득증대에의한신선채소의요구도가증가하면서 1980 년약 18 천 ha 에서 1995 년약 82 천 ha 까지크게확대되어왔다. 이후난방용유류값의상승으로일정수준의재배면적을유지하고있으나 2006 년총농경지 ( 약 1824 천 ha) 의약 4.5% ( 약 81.5 천 ha) 에해당만큼우리농업의중요한영농형태로자리잡고있다 1,2). * 연락저자 : Tel: ; Fax: E-mial: pjkim@gnu.ac.kr 시설재배지토양은일반노지토양과달리내부가년중고온으로과량의시비가행해지고있어우리나라토양중대표적인염류집적지 (saline soil) 로분류되고있다. 전국시설재배토양의평균전기전도도가 1970 년대부터이미농촌진흥청의작물재배적정수준 2 ds m -1 를초과하였으며, 1980 년대최고 3.7 ds m -1 까지높아진바있다 3). 시설재배지토양에과다시비에의해필요이상투입된양이온 (K +, Na +, Ca 2+, Mg 2+, NH 4 + 등 ) 과음이온 (NO 3 -, Cl -, SO 4 2-, HPO 4 2- 등 ) 이침전형태로표층토에집적되어 EC 값을크게높이게된다 4) 년이후시설재배지의시비현황은작물에따라다소차이는있지만, 노지재배보다평균질소 21%, 인산 52%, 칼리 34% 정도가과잉시비되고있으며, 화학비료와병행하여시용되고있는퇴비역시 ton ha -1 의많은 397

2 398 이슬비 이창훈 홍창오 김상윤 이용복 김필주 양이투입되고있는것으로조사된바있다 5). 토양내집적염류는작물의발아억제와유묘성장에가장큰장해를유발할수있으며 6-8), 작물성장과정에서도삼투압현상에의한수분과양분흡수저해, 불균형적양분흡수등으로주로근권신장의장해를유발하고지상부의생육을불량하게하여생산성과품질을저하시키는것으로알려져있다 9). 시설재배지토양의합리적양분관리방안은토양의비옥도와작물의양분요구도에근거한적정한시비관리가이상적인것으로받아들여지고있다. 그러나이러한양분관리시스템의완벽한구현을위해서는각작물의생육과양분흡수특성에대한정확한이해가필요하며, 토양과양분의상호반응특성등과같은관련요인의완벽한자료확보가전제되어야할것이다. 그러나현재까지작물의생리및양분흡수특성그리고적정시비관리방안등에대해수많은연구가수행되어왔으나작물의생육조건을이상적으로만족시키면서토양내염류집적을방지할수있는완벽한양분관리시스템구축까지는요원한것으로평가되고있다. 일반적으로작물의시비양분흡수이용률은양분과작물의종류, 토양의이화학적특성등에따라큰차이가있으나, 시비질소와인산의양분이용률은각각 30% 와 10% 을체넘지못하는것으로보고되고있다 10). 자연스럽게농민은작물의생산성을높이기위해많은량의시비를실시하고, 잉여양분은토양내집적되는악순환이집약적농업의농경지에서는흔히되풀이되는문제로인식되고있다. 특히강우유입이차단되어있는시설재배지토양은일반노지토양에비해과잉양분으로인한염류집적에보다취약한여건이다. 시설재배지내집적된염류를제거하기위해현재많은농가에서는토양세척, 제염식물재배, 객토등의고전적인방법을사용해오고있다. 특히시설재배지가많은부산경남지역에서는하절기벼를재배하거나, 벼재배없이 1-2개월의반복적인환수를실시하고있다. 그러나이러한제염방식은염류제거에우수한효과를가지고있으나, 세척된염은 2차수질오염을유발하고귀한양분의손실이발생한다는측면에서문제가될수있다. 현재많은시설재배지농가에서염류피해를완화하고토양내유기물함량을증진시키기위해수확후작물잔재물과다양한청초녹비작물을많은량투입하고있다. 농민들사이에이러한유기자재투입은염류피해경감에좋은효과가있는것으로예기되고있으나, 이에대한과학적조사자료는아직보고되지못하고있다. 본연구에서는현재우리나라시설재배지여건에서토양의염류활성도저감을위해투입가능한네가지식물잔재를선발하였으며, 처리시간에따른토양내염류활성도변화를조사하였다. 그리고염류집적지토양에서염류활성도저감을위한투입가능한최적의유기잔재물을선발하고자한다. 재료및방법 토양및유기자재선발유기자재투입이시설재배지토양내염류의활성도에미치는영향을조사하기위해경남진주시수곡면의시설딸기재배지표층토에서미사질양토를공시토양으로채취하여자연건조후 2 mm 이하로사분하여실험에이용하였다 (Table 1). 본시설재배지는 10년이상연속적으로딸기를재배하고있으며, EC 값이 3.0 ds m -1 로우리나라 1990년대평균정도의염류집적도를가지고있는토양이었다. 공시유기자재로는우리나라농가에서토양유기질원으로많이사용되고있고탄질율 (C/N ratio) 이서로다른 4가지식물잔재 ( 자운영, 옥수수대, 볏짚, 호밀짚 ) 를선발하였으며 (Table 2), 건조후 2 mm 이하로사분하여분석및 Incubation 실험에이용하였다. Table 1. Chemical properties of the soil used in the incubation test Parameters Mean SD ph (1:5, H 2O) Electrical Conductivity (ds m -1 ) T-C (g kg -1 ) T-N (g kg -1 ) Available P (mg kg -1 ) Ex. Cations (cmol + kg -1 ) K Ca Mg Water soluble cations (mg kg -1 ) K Ca Mg NH 4 Water soluble anions (mg kg -1 ) NO 3 SO 4 PO 4 Cl Soil texture Silt loam Table 2. Total carbon, nitrogen and phosphorus concentration of the selected plant residues Plant Total concentration (%, wt wt -1 ) Ratio residue C N P C/N C/P N/P Chinese milk vetch Maize stalk Rye straw

3 시설재배지토양에서유기자재투입이염류활성도에미치는영향 399 Incubation 실험선발된 4가지식물잔재가시설재배지토양의염류활성도에미치는영향을평가하기위해, 선발된건조토양 500 g에식물잔재를 5 % (wt wt -1 ) 을각각 3 반복씩완전혼합하여, 암조건의 30 C (± 2 C) 항온조건에서 8주간 Incubation하면서 EC 값의변화를정기적으로조사하였다. 이때토양은증류수를이용하여수분함량을포장용수량의 70% (wt wt -1 ) 수준으로실험전기간동안일정하게유지하였다. 토양및식물체분석 Incubation test 과정중총 4번 (1, 2, 4, 8주째 ) 에걸쳐습토상태의토양 EC 값변화를조사하였다. 기타토양의이화학적특성은농촌진흥청의토양화학분석법 (RDA, 2000) 에의거다음과같이분석하였다. 토양의 ph와 EC 값은 1:5 물침출법, 유기물함량은 Wakley and Black 법 11), 총질소함량은킬달증류법, 유효인산함량은 Lancaster 법, 치환성양이온 (Ca 2+, Mg 2+, K +, Na + ) 함량은 1 M NH 4-acetate 용액 (ph 7.0) 로침출후 ICP-AES (Inductively coupled plasma absorption emission spectrophotometer, GBC model X-100, Australia) 로정량하였다. 수용성양이온 (K +, Ca 2+, Mg 2+ ) 과음이온 (NO - 3, Cl -, SO 2-4 and HPO 2-4 ) 함량은 1:5법에의해 30분간물로침출한다음 0.45 μm cellulose acetate membrane filter 로여과후각각을 ICP와 IC (Ion chromatography, Ionpac AS14 column, Dionex 3000, Camberley, UK) 를이용하여정량하였다. 수용성 NH + 4 의함량은 Indophenol blue법으로 667 nm에서 UV-VIS(Spectronic 20, Genesys, USA) 을이용하여측정하였다. 공시식물잔재는 70 항온건조기에서 72시간동안건조후사분하여총무기양분함량분석에이용하였다. 이때질소와탄소함량은원소분석기 (CHNS-932, Leco, USA) 로인산과칼륨은 Ternary solution (HNO 3:H 2SO 4:HClO 4 = 10:1:4, v v -1 ) 분해후 ICP-AES로정량하였다. 결과및고찰 염류집적토양에선발된 4가지공시식물잔재를 5% (wt wt -1 ) 비율로혼합처리한토양과무처리토양을 30 항온에서유지하면서토양내염류활성도 (EC 값 ) 변화를조사하여 Fig. 1과같은결과를얻었다. 유기물잔재의투입없이수분만가했던무처리토양 (control) 의 EC 값은약 8주간의 Incubation 기간동안시간이경과함에따라일정하게높아지는경향을보였다. 시험전본토양의 EC 값이약 3.0 ds m -1 이었으나, Incubation 이진행되면서서서히높아져 8주경과후에는 EC 값이약 215% (6.44 ds m -1 ) 까지높아지는것을확인할수있었다. 이와같은현상은시설재배지현장에서실제충분히일어날수있는현상으로판단되며, 각종작물의재배초기종자발아 및유묘의근권발달등에염류피해를유발할수있는수준으로판단된다. US Salinity Laboratory의염류집적지분류기준에따르면 EC 값이 4 ds m -1 이상의토양을 Saline soil 로분류하고있으며 12), 염에대해민감한작물들에대해염해를나타낼수있을만큼의높은염농도로서받아들여진다. 특히, 감자, 딸기, 양파, 무, 오이, 토마토, 양상추등은 EC값이 4 ds m -1 이상에서염에의한피해가나타나는민감한종으로알려져있다 13). 이상과같이 Incubation 과정중무처리토양의 EC 값이꾸준히높아지는것은다음의몇가지원인이작용한것으로판단된다. 첫번째토양의이화학적특성의분석에이용되고있는토양분석법의토양시료제조법에서기인하는것으로생각된다. 일반적으로추천되고있는토양제조법은토양의건조후사분하여사용할것을권하고있다 14). 이러한건조과정에서습토내존재하는많은양의활성무기이온들이불용성염으로전환될수있고, 일부는토양입자와강하게흡착고정될가능성이높게된다 15). 따라서건조토양을약 30분정도의물추출에의한수용성염의함량만을조사하게되는기존의토양 EC 분석법은현장습토가가지는본래 EC값보다다소낮게분석될가능성이높은것으로평가된다. 건조토양내존재하는불용성염이포장용수량수준의수분공급과 30 고온으로유지되면서그용해도가크게증가하여 EC 값을크게높였을것으로판단된다. 이외에도처리토양의 Incubation 과정중토양내포함되었던미분해성유기물이무기화되면서질산태질소와같은무기이온으로전환되어토양내 EC 값증가에영향을준것역시하나의원인으로판단된다. 토양내염류활성도, EC 값을낮추기위해투입된식물잔재의투입효과는투입자재의탄질율 (C/N 율 ) 에따라다소다른경향을볼수있었다 (Fig. 1와 Fig. 2). 탄질율이낮은 EC (ds m -1 ) Control (no organic residue) Chinese milk vetch Maize stalk Rye straw Weeks after incubation setup Fig. 1. Changes of EC values in soil amended with 5% (wt wt -1 ) of plant residues during the incubation at 30 under dark condition.

4 400 이슬비 이창훈 홍창오 김상윤 이용복 김필주 Table 3. Concentrations of water soluble ions in soil amended with 5 % organic residues on the 8th week of incubation Control Chinese milk vetch Maize stalk Rye straw LSD 0.05 Anions (mg kg- 1 ) Cl - - NO 3 2- SO 4 3- PO 4 Cations (mg kg -1 ) K + Ca 2+ Mg 2+ + NH Sum (anion+cation) 자운영 (C/N 율 16.8) 은토양 EC 값이투입 1주차부터무처리구토양에비해월등히높았으며, Incubation이진행됨에따라 EC 값은더크게높아지는현상을볼수있었다. 결과적으로자운영의투입은염류집적지토양내염류활성저감에는효과가없는것으로평가된다. 이는미생물분해성이높은자운영이토양에서무기화되면서질산태질소와같은자유형태의무기이온의함량을크게증대되었기때문으로해석된다. 본실험에서자운영 5% 처리토양을 8주간 Incubation 실시한후수용성이온함량을조사한결과 (Table 3), 질산태질소를포함한전체이온의함량이무처리구및타유기물처리구에비해월등히높아진것을볼수있었다. 자운영과달리탄질율이높은식물잔재 (C/N 율약 30 이상 ) 투입은무처리구와비교하여 Incubation 전기간내내토양의염류활성도를낮추는효과가우수한것으로확인되었다. 그러나탄질율에있어큰차이가나는 3가지식물잔재 ( 옥수수대볏짚호밀짚 ) 간토양 EC 값저감효과는큰차이가없는것으로조사되었다. 결과적으로탄질율 30 이상의유기성잔재투입은토양내염류활성도저감에거의비슷한효과를가지고있는것으로판단된다. 이상과같이높은탄질율의유기물투입이토양내염류의활성도를낮추는것은다음의몇가지원인으로반응기작을고려할수있다. 일차적으로투입식물잔재의무기이온의흡착효과가염류농도저감에부분적으로기여했을것으로기대된다. 일반적으로수용성음이온의농도가 EC에가장많은영향을미치지만비닐하우스토양과같이염이집적된토양에서는양이온도 EC에많은영향을미친다 16). 본시험에서염류농도저감에효과를보인옥수수대, 볏짚, 호밀짚처리구의수용성 Ca 와 Mg 농도가 control 처리구에비해유의성있게감소되었다 (Table 3). 이는유기물의분해과정에서생성된 organic ligands 가용액중의다가양이온을흡착시킨결과로해석할수있을것이다 17). 또한가지중요하게생각할수있는반응기작으로서유기물투입에의한미생물증식효과를생각할수있다. 유기물의분해과정에서유출되는무기태질소는투입되는유기물의 MBC (mg/kg) Control Chinese milk vetch Maize Rye Weeks after incubation setup Fig. 2. Changes of microbial biomass carbon (MBC) concentration in soil amended with 5% (wt wt -1 ) of plant residues during the incubation at 30 under dark condition. C/N 율과토양의질소함량에따라차이는있지만상당량이미생물에의해부동화가일어난다 18). 특히, C/N 율이 25 이상인유기물의투입은미생물의생육에필요한질소를토양으로부터흡수하기때문에미생물과식물간에질소경쟁이발생되는것으로알려져있다 19). 따라서 C/N 율이낮은자운영처리는무기화에의한질소공급량이미생물에의한부동화량보다높았기때문에 Incubation 과정에서질산태질소함량이증가되어 EC를증가시킨것으로해석된다. 반면, C/N 율이높은식물잔재 ( 옥수수, 볏짚, 호밀짚 ) 처리구는미생물의생육과증식에필요한질소원을유기물분해과정에서유출되는질소보다토양중무기태질소를더많이이용하여 EC를감소시킨결과로판단된다. 실제본연구에서도유기잔재투입에따른토양내 Microbial biomass carbon 함량의큰증가를확인할수있었으며 (Fig. 2), Microbial biomass carbon 함량과 EC값간에부의상관관계를확인할수있었다 (Table 4). 무처리와자운영처리구의토양 EC 값은 Incubation 개

5 시설재배지토양에서유기자재투입이염류활성도에미치는영향 401 Table 4. Correlation between soil EC value and soluble ion and microbial biomass C (MBC) concentrations in soil amended with 5% organic residues on the 8th week of incubation Soluble anions (mg kg -1 ) Cl - NO 3 - SO 4 2- PO 4 3- Soluble cations (mg kg -1 ) K + Ca 2+ Mg 2+ NH 4 + MBC (mg kg -1 ) Correlation coefficient (r) EC (ds m -1 ) *** *** * *** 0.889*** ** *, **, *** denote significance at 5.0, 1.0, 0.1% level, respectively. 시후시간이경과함에따라다소지속적으로증가하는경향이보였다. 그러나상대적으로탄질율이높은식물잔재 ( 옥수수대, 볏짚, 호밀짚 ) 처리구의토양 EC 값은초기 4주까지는급격하게증가하였으나이후일정한수준이유지되었다. 본결과를통해염류가집적된시설재배지토양에서염류의활성을낮추기위한유기질원의투입은가급적탄질율이 30 이상의식물잔재를선발하는것이바람직할것으로판단되며, 작물이염에대해가장민감한시기인발아및근권안정화를위해염의활성도를낮추기위해서는작물의파종과정식약 1달이전에투입하는것이바람직할것으로판단된다. 요약 시설재배지염류집적지토양에서염류활성도저감과유기물함량증진을위해농가에서투입하고있는유기성자재가토양의 EC 값에미치는영향을조사하기위해, 탄질율 (C/N 율 ) 이다른자운영옥수수대볏짚과호밀짚을투입하여항온조건에서토양 EC 값변화를조사하여다음과같은결과를얻었다. 탄질율이낮은자운영의투입은무기화과정중생성되는무기태질소에의해토양 EC 값을무처리토양에비해크게높이는효과가있었으며, 탄질율이 30 이상인나머지 3개의식물잔재는토양의 EC 값저감에효과가우수하였다. 결론적으로염류집적지의염류활성도저감을위해서는탄질율 30 이상의고탄질율식물잔재를작물의파종과정식최소한달전에투입하는것이바람직한것으로조사되었다. 감사의글 본연구는경남지역환경기술개발센터에서시행한환경기술연구개발사업 ( ) 의지원을받아수행되었으며, 참여연구원인이슬비와김상윤은교육과학기술부 BK 21 Program에의해지원받았습니다. 이에대해감사드립니다. 참고문헌 1. MAF (Ministry of Agriculture and Forestry). (1981~1998) Statistical yearbook of agriculture and forestry. Republic of Korea. 2. MAF (Ministry of Agriculture and Forestry). (2007) Statistical yearbook of agriculture and forestry. Republic of Korea. 3. RDA (Rural Development Authority, Korea). (1999) Fertilization Standard of Crop Plants. Rural Development Administration (RDA). Suwon (in Korean). 4. Jung, G. B., Ryu, I. S. and Kim, B. Y. (1994) Soil texture, electrical conductivity and chemical components of soils under the plastic film house cultivation in northern central areas of Korea. J. Korean Soc. Soil Sci. Fert. 27(1), (in Korean with English summary). 5. Park, B.G., Jeon, T.H., Kim, Y.H. and Ho, Q.S. (1994) Status of farmers' application rates of chemical fertilizer and farm manure for major crops. J. Korean Soc. Soil Sci. Fert. 27, Bernstein, L. (1962) Salt affected soils and plants. Proceedings of the Paris Symposium, UNESCO May Arid Zone Res. 18, Garg, B.K. and Gupta, I.C. (1997) Saline Wastelands Environment and Plant Growth, Scientific Publishers, Jodhpur, India. 8. Ramoliya, P.J. and Pandey, A.N. (2002) Effect of increasing salt concentration on emergence, growth and survival of seedlings of Salvadora oleoides (Salvadoraceae). J. Arid Environ. 51, Mer, R.K., Prajith, P.K., Pandya, D.M. and Pandey, A.N. (2000) Effect of salts on germination of seeds and growth of young plants of Hordeum vulgare, Triticum aestivum, and Brassica juncea. J. Agro. Crop Sci. 185 (4), Shenoy, V.V. and Kalagudi, G.M. (2005) Enhancing plant phosphorus use efficiency for sustainable cropping. Biotech. Adv. 23,

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428 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Vol. 51, No. 4, 2018 Introduction 비료는식물에영양을주거나식물의재배를돕기위하여토양에시용하는물질을뜻하며 (RDA, 2017), 비료중화학비료는저렴한가격, 편

428 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Vol. 51, No. 4, 2018 Introduction 비료는식물에영양을주거나식물의재배를돕기위하여토양에시용하는물질을뜻하며 (RDA, 2017), 비료중화학비료는저렴한가격, 편 Korean J. Soil Sci. Fert. Vol.51, No.4, pp.427-434, 2018 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Article https://doi.org/10.7745/kjssf.2018.51.4.427 pissn : 0367-6315 eissn : 2288-2162 Estimation