결과및고찰
공시 시료의 특성
국내에서 가시박 종자가 5월부터 발아가 시작하는 것을 고려해 볼 때, 본 연구에서 채취한 7월은 다양한 생장 시기의 가시박이 분포하는 시기이므로 생장단계를 줄기의 길이로 구분하였다. 10-30 cm의 가시박의 경우 3-5 매의 작은 잎으로 구성되어 있었으며 덩굴손은 발달하지 않았으며, 30-100 cm의 가시박 시료는 줄기 하부에는 큰 잎이, 줄기 상부에는 작은 잎이 혼재하였으며 짧은 덩굴손은 존재하는 상태였다. 100-200 cm의 가시박 시료는 줄기 하단부에서는 목질화가 진행되는 것이 관찰되었으며 매우 다양한 크기의 잎이 존재하였으며 덩굴손도 매우 길게 존재하였다.
본 실험에 사용한 가시박 시료의 총 탄소와 총 질소의 함량을 정량분석 하였다(Table 1). 가시박 시료 구분 시 줄기길이가 짧을수록 어린 식물체를 의미하며, 어릴수록 질소의 함량이 높아지면서 동시에C/N율은 낮아지는 경향성(10.5 → 8.6 → 7.4)을 보였다. Kim 등(2014)은 질소 고정능력이 있는 대표적인 콩과(Leguminosae) 작물인 헤어리베치, 레드클로버, 그리고 알팔파의 C/N율 각각 10.4, 9.4, 8.9로 보고한 바 있다. 본 연구에 사용한 가시박은 박과(Cucurbitaceae)임에도 불구하고 가시박의 높은 질소 요구도와 그에 따른 질소의 흡수 및 축적으로 콩과작물에 준할 만큼의 낮은 C/N율을 나타내었다(Asaeda et al., 2011). 식물체의 토양 환원 시 식물체의 분해와 질소의 방출과정은 식물체의 C/N율이 낮을수록 방출 속도가 빨라지며(Seo et al., 1998), 토양 질소 유기화의 기준 C/N율인 25를 고려해볼 때(Allsion 1966), 세 종류의 가시박 시료 모두 토양 환원 시 분해 초기부터 질소가 방출되어 토양에 공급될 것으로 판단된다.
가시박 환원에 따른 토양 특성 변화
대조구 및 세 종류의 가시박 시료 환원 그리고 aging 이후 토양 화학성을 확인하였다(Table 2). 대조구 토양의 pH는 7.98로 중성이었으며 유기물과 무기태질소의 함량도 적은 것으로 나타났다. 가시박이 환원된 토양의 경우 토양 pH는 증가하는 경향이 나타났으나 유의한 수준은 아니었으며 EC에 소폭의 변화가 나타났다. T-N의 경우 대조구 대비 가시박 처리구에서 유의한 증가가 나타나지 않았는데, 이는 가시박 식물체 내 탄소(37-39%)에 비해 상대적으로 낮은 질소(4-5%) 함량과 더불어 매우 적은 가시박 투입량(토양 무게에 대비하여 0.1-0.125% 수준으로 투입) 때문에 질소 공급효과가 약하게 나타난 것으로 판단된다. 반면 무기태질소는 모든 가시박 처리구에서 유의하게 증가하였다. 토양 미생물에 의한 유기질소의 무기화작용은 C/N율이 낮을 때 빠르게 진행되는데, 본 연구에 사용한 세 종류의 생장 시기별로 채취한 가시박 시료는 모두 낮은 C/N율(7.4-10.5)을 나타내어 이들이 토양에 환원된 후 미생물에 의해 빠르게 분해되어 토양 무기태질소의 함량을 유의하게 증가시킨 것으로 판단된다(Lee et al., 2011; Lee et al., 2012). 특히 가장 어린 가시박(10-30 cm)이 환원된 처리구에서 무기태질소가 가장 많이 증가하였고 나머지 두 처리구에서는 유사한 정도로 증가하였다. 가시박 생장 시기에 따른 무기태질소 공급효과의 차이는, 어린 가시박 시료의 C/N율이 7.4로 가장 낮아 분해에 조금 더 유리하다는 점과 가시박의 생장이 지속 될수록(100-200 cm) 리그닌과 같은 조직이 증가하여 미생물에 의한 분해속도가 상대적으로 느리다는 점에 기인한 것을로 판단된다.
질소함량이 상대적으로 높은 콩과작물을 이용하여 화학비료 사용량을 저감하는 연구는 활발히 진행되어왔다. 헤어리베치를 밭에 환원함으로써 콩과 옥수수의 생산량이 증대한 연구 결과도 보고된 바 있으며(Seo and Lee, 2003; Kim et al., 2011), Kim 등(2014)는 헤어리베치뿐만 아니라 레드클로버와 알팔파를 시용하였을 때 토양 무기태 질소가 증가하는 것을 확인하였다. 본 연구 결과를 통해 토양 질소 공급을 통한 비옥도 증진효과가 콩과작물 뿐만 아니라 본 연구 결과를 통해 비콩과작물인 가시박에서도 나타남을 확인할 수 있었으며 이러한 결과는 후속 작물의 생장에도 영향을 미칠 것으로 판단된다.
가시박 환원에 따른 상추의 생장량 변화
앞선 결과에서 가시박의 생육 시기에 따른 차이는 있었지만 가시박의 토양 환원은 무기태질소를 유의하게 증가시켰으며, 이러한 증가는 후속 상추 재배 시 상추의 생장에도 유의한 영향을 주었다(Table 3). 추가적인 질소의 투입이 없었던 대조구(Control)에서 상추가 평균 1,478 mg/dish(생중량 기준)로 생장하였고, 가시박 환원을 통한 질소가 공급된 모든 처리구에서는 상추의 생장량이 유의하게 증가하였다. 특히, 식물이 쉽게 이용할 수 있는 무기태질소의 함량이 가장 높았던 10-30 cm 가시박 처리구에서 상추 생장량이 2,465 mg/dish로 가장 높게 나타났으며 이 값은 대조구와 비교 시 167% 증가한 것이다. 30-100 cm와 100-200 cm 의 가시박시료가 처리되었을 때에도 각각 144%와 120% 이상 상추 생장량이 증가하였으며, 위 실험 결과를 이용하여 토양 내 무기태질소의 함량과 상추의 생장량 사이의 관계도 확인하였다(Fig. 1). 대조구 대비 토양 무기태 질소의 함량 분포와 그에따른 상추의 생장량은 양의 상관관계를 보여주었으며 (r=0.9409) 이는 앞서 예상한 결과와 일치하는 것으로, C/N율이 낮아 미생물 분해에 용이한 가시박의 토양 투입은 토양중 무기질소의 증가뿐만 아니라 실제 작물의 생장량까지 증가시키는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다. 특히, 크기가 작은 가시박 시료를 투입한 처리구에서의 무기질소함량과 상추의 생장량이 가장 높았으며, 채취한 가시박의 줄기 길이가 길수록 상추의 생장량은 점점 감소하는 경향을 보였다.
상추의 질소이용효율 변화
농경지에서 투입된 질소를 작물이 효율적으로 흡수·이용하지 못하거나 또는 식물이 이용가능하지 못한 형태로 남아있는 질소는 질소 유실에 의한 수계오염부하 증대 또는 대기로의 방출로 지구온난화에도 영향을 줄 수 있다(Jin et al., 2005; Mosier et al., 1998). 따라서 가시박의 토양 투입이 환경에 미치는 영향을 간접적으로 확인하기 위하여 상추의 질소이용효율(Nitrogen use efficiency, NUE)을 계산하였으며 토양 총 질소에 대한 산출물(상추의 바이오매스)의 비율로 Table 3에 표현하였다(Chang et al., 2011). 상추가 토양내 질소를 이용한 효율은 상추생장량이 가장 많았던 어린 가시박 처리구(10-30 cm)에서 1.28 (N in lettuce-g/N in soil-g)으로 가장 높게 나타났으며 상추 생장량 경향과 동일한 순서로 감소하였다. 생장량과 질소이용효율의 동일한 경향성 결과를 통해 가시박 환원에 따른 추가적인 질소 공급이 상추의 질소이용효율을 감소시킬 정도로 과하지 않은 것으로 나타났기 때문에, 본 연구에서 사용한 적정량의 가시박 토양환원에 의한 수계 또는 대기로의 질소 방출영향은 매우 미미할 것이라 판단된다.
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