윤작물 재배에 의한 인삼 뿌리썩음병 발생 억제 효과

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인삼의 연작장해는 뿌리썩음병에 의한 결주 증가, 토양 이 화학성의 악화, 토양미생물상의 단순화, 타감물질에 의한 자가 독성, 선충에 의한 피해 등과 같은 요인에 의해 발생하는데 (Lee et al., 1989), 이중에서 Cylindrocarpon destructans에 의한 뿌리썩음병 (Kang et al., 2007; Rahman and Punja, 2005)과 인삼 뿌리에서 분비되는 페놀화합물과 같은 독성물질 에 의한 병원균의 증가 및 인삼의 생육억제 (Sun et al., 2013)가 연작장해 발생의 중요한 원인이 된다.

그 외 양분의 과잉 (염류농도, 인산, 질소 등)과 미량원소의 결핍은 연작장해 발생의 집적적인 원인이기 보다는 연작장해 를 증가시키는 요인으로 작용하는데, 염류농도, 인산, 질소 함 량이 높으면 양분의 흡수가 저해되며, 뿌리가 갈변되고 상처 가 유발되어 병원균의 침입이 쉬워진다 (Uhm et al., 2001; Yang et al., 2000). 또한 토양미생물상의 단순화도 뿌리썩음병 발생을 촉진하여 연작장해를 증가시키는 요인으로 작용하는데, 초작지 토양에서는 방선균 (actinomyctes)의 밀도가 높고 재작 지에서는 총세균과 진균의 밀도가 증가되며, Fusarium spp. 총 진균의 비율도 초작지보다 재작지에서 더 많은 경향을 보 인다 (Shin et al., 1985).

그동안 인삼의 연작장해를 경감하기 위해 훈증제를 이용한 토양훈증, 4 ~ 5년간의 벼 재배에 의한 담수처리, 작토층을 깎 아내는 절토, 50cm 정도의 복토, 표토와 심토를 뒤집는 심토 반전, 10년 이상의 윤작물 재배 등의 방법을 이용해 왔다. 토 양훈증 방법은 뿌리썩음병원균을 죽일 수 있는 가장 확실한 방법이나 토양수분이 적으면 가스 발생이 적어지고 점질토양 에서는 흙덩이 발생으로 완전한 살균이 어렵다 (Ahn et al., 1982). 4~5년간 벼 재배는 병원균의 밀도를 낮출 수 있어 효 과적이나 4년근 이상의 포장에서는 병 발생이 많아지는 단점 이 있으며, 논토양은 배수 불량이나 벼 재배시 사용한 화학비 료 등으로 생리장해 발생이 많아 재배면적 확대에는 한계가 있다 (Lee et al., 2013). 절토, 복토 및 심토반전은 소규모 면적에서 활용할 수 있으나 대규모 면적에는 처리비용 부담과 작업 부주의로 인한 재오염 문제가 발생할 수 있다.

인삼뿌리썩음병원균 (C. destructans)은 주로 고려인삼, 미 국삼, 일본삼을 비롯하여 알팔파, 스위트 클로버, 연, 벗풀, 당근, 시크라멘, 떡갈나무, 감자, 전나무, 모란, 사과나무류, 배나무류 등과 같은 수목이나 초본성 식물에서 뿌리를 부패 시키는데 (Booth, 1966), 인삼의 뿌리썩음병은 병을 일으키 는 기주범위가 넓고 인삼과 같은 기주식물이 없어도 토양 속에서 10년 이상 생존할 수 있으므로 효과적인 방제가 어 렵다 (Kang et al., 2007).

실제 토양 전염성 병해를 방제하기 위해서는 토양훈증을 하 거나 화학농약을 관주 처리해야 하는데, 이로 인해 환경오염 이나 농약잔류의 위험이 크므로 윤작 등과 같은 경종적 방법 이나 길항미생물과 같은 생물학적 방법을 이용하여 방제하는 것이 보다 친환경적이라고 할 수 있다.

윤작에 의해 식물병해를 억제하려는 시도가 있었는데, Pythium ultimum의 유주자낭 발아와 균사생장 억제에는 목단, 자리공, 대황의 추출물이 효과적이었으며, 이중 가장 효과가 큰 목단 추출물은 참깨의 발병에는 억제효과가 컸으나 오이에 는 발병 억제효과가 없었다 (Park et al., 1990). 호박을 심기 전 토양에 반건조된 네마장황을 투입하였을 때 식물에 기생하 지 않고 독립생활을 하는 선충의 수와 선충에 길항성이 있는 곰팡이의 수가 증가되었으며, 더불어 호박의 줄기와 뿌리의 생 육이 증가되었다 (Wang et al., 2004). 무 식물체에 들어있는 배당체 (glucosinolates)는 세포가 파괴될 때 효소에 의해 isothiocyanate 등으로 분해되어 항균 활성을 나타내는데, 무 재배는 콩과식물 뿌리에서 콩의 생육에 이익이 되지 않는 작 은 뿌리혹박테리아 혹의 밀도를 감소시키고 식균성 선충의 밀 도를 감소시켜 콩의 생육을 촉진했다 (Pearse et al., 2014). Basil, cumin 및 rose geranium의 정유 성분은 Fusarium spp.에 의해 일어나는 cumin의 뿌리썩음병을 억제했다 (Hashem et al., 2010). 한편, 인삼의 뿌리에서 분비되는 진세 노사이드가 뿌리끝썩음병원균 (Pythium irregulare)의 균사생장 을 촉진했으며 (Yousef and Bernards, 2006), 토양전염성 병 원균인 역병 (Phytophthora cactorum)과 Pythium irregulare 의 균사 생장을 증가시켰다 (Nicol et al., 2003).

그런데 인삼의 뿌리썩음병을 유발하여 연작장해의 주원인이 되는 C. destructans와 식물과의 관계에 대한 연구결과는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 인삼 연작장해가 발생 한 재작지 토양에서 18종의 윤작물을 재배한 다음 인삼의 뿌 리썩음병 발생율을 조사하여 윤작물 재배에 따른 인삼의 뿌리 썩음병 발생에 미치는 효과를 구명하고자 하였다.

재료 및 방법

3. 윤작물의 선정 및 재배관리

시험포트에 재배한 윤작물은 수단그라스 (Sorghum sudanense Staff), 고구마 (Ipomoea batatas L.), 땅콩 (Arachis hypogaea L.), 콩 (Glycine max L.), 들깨 (Perilla frutescens var. japonica Hara), 황기 (Astragalus mongholicus Bunge), 더덕 (Codonopsis lanceolata Siebold), 도라지 (Platycodon grandiflorum A. DC.), 감초 (Glycyrrhiza uralensis Fisch), 네마장황 (Crotalaria juncea L.), 적겨자 (Brassica juncea L.), 청갓 (Brassica juncea Czern), 고추 (Capsicum annuum L.), 상추 (Lactuca sativa L.), 옥수수 (Zea mays L.), 파 (Allium fistulosum L.), 열무 (Raphanus sativus L.), 치커리 (Cichorium intybus L.) 등 18종 이었다.

인삼 재작지 토양으로 제작한 시험포트를 비닐하우스 (높이 3.5 m, 폭 4 m)로 옮긴 다음 윤작물별 표준재배법에 따라 5월 중순부터 파종 또는 육묘한 묘를 이식하여 2013년 10월까지 재배하였으며, 시험포트는 6반복이었다. 재작지 토양에서 뿌리 썩음병 발생을 증가시키고 윤작물의 생육을 촉진하기 위해 무 기성분 함량이 높은 가축분퇴비 (돈분 30%, 톱밥 40%, 수피 30%)를 추비하였는데, 6월 하순경 가축분퇴비를 모든 윤작물 에 포트당 1l씩 추비로 시용하였으며, 퇴비의 무기성분 함 량은 Table 1과 같다. 모든 윤작물은 개화기 때 예취하여 3cm 미만으로 잘게 자른 다음 토양에 다시 섞어 주었다.

Table 1.

Inorganic component of commercial compost used in diseased soil for crop cultivation.

결과 및 고찰

1. 인삼 재작지에서 뿌리썩음병원균의 분리 동정

10년 단위로 윤작을 하면서 총 3번 인삼을 재배한 농가포장 에서 5월 상순경 뿌리썩음병 발생 정도를 조사한 결과 (Table 2) 결주율이 75%로 매우 높아 연작장해 발생이 심하였다. 지 하부를 관찰해 보면 뿌리 끝이 썩어 들어가고 동체에도 흑갈 색 반점과 괴사 증상이 나타나고 있었다.

Table 2.

Soil borne pathogen detected from 4-year-old ginseng in soil occurring replant failure.

재배농가의 의견에 의하면 인삼 수확 후 10년이 경과되어 재작이 가능할 것으로 판단하고 수단그라스와 호밀을 차례로 재배하여 2년간 예정지를 관리한 후 재작을 시도하였는데, 3 년생부터 연작장해 증상이 나타나기 시작하여 지상부 생육이 억제되고 조기에 낙엽이 지는 증상을 보였다고 하였다.

뿌리썩음병에 이병된 인삼에서 병원균을 분리 동정한 결과 (Table 2) Fusarium solani 53.2%, Cylindrocarpon destructans 37.7%, 기타 동정할 수 없는 곰팡이 10.1%가 감염되어 있었다. 인삼의 연작장해를 일으키는 주원인이 되는 뿌리썩음병 병원균 은 C. destructans 이나 대부분 이병된 뿌리에서 F. solani도 같 이 검출되는데 (Lee et al., 2014a, b; Lee, 2004; Punja, 1997), 병원성이 강한 C. destructans가 먼저 감염된 후 F. solani가 감염되어 뿌리썩음병 증상이 더 악화되며 (Lee, 2004; Punja, 1997), Fusarium spp.에 감염되면 인삼 표피에 적변이 생긴다고 하였다 (Lee et al., 2014a).

토양에도 인삼의 뿌리썩음병을 유발하는 주요 병원균인 Cylindrocarpon destructans의 균사, 분생포자, 후막포자 등이 높은 밀도로 존재할 것으로 예상되나 토양에서 이 병원균의 밀도를 측정할 수 있는 기술이 확립되어 있지 않아 토양에서 의 병원균 밀도는 측정하지 못하였다.

2. 윤작물 재배 후 토양화학성의 변화

인삼 재작지 토양에서 윤작물 재배 후 토양에 혼입하여 토 양화학성의 변화를 조사한 결과는 Table 3과 같다. 토양화학 성분 중에서 질산태질소, 나트륨, 인산의 함량은 변이계수가 매우 커 윤작물 재배에 따라 큰 변화를 보였으나 토양산도, 칼슘, 마그네슘은 변이 계수가 작아 함량의 변화가 크지 않 았다. 토양 pH는 처리간에 유의성이 없었으며, 뿌리썩음병에 유의적인 효과를 보인 네마장황, 상추, 파, 열무, 치커리의 경 우 EC, OM, NO₃, P₂O₅, K, Ca는 무처리와 비교하여 모두 유의성이 인정되었으나 Mg은 네마장황과 치커리에서만 유의 성이 인정되었고 Na은 상추와 파에서만 유의성이 인정되었다. 토양산도는 윤작물 재배에 따라 변이폭이 작았는데, 땅콩과 콩을 제외하고 대체로 무처리와 비슷하거나 약간 증가되는 특 징을 보였다. 염류농도는 윤작물 재배에 따라 변이폭이 상당 히 컸는데, 적겨자에서만 감소를 보였고 나머지 윤작물에서는 모두 뚜렷이 증가되었으며, 특히 콩, 네마장황, 땅콩, 수단그라 스, 고추에서 증가폭이 컸다. 일반적으로 윤작물을 재배하면 토양의 염류농도는 감소하는데 (Lee et al., 1989), 본 실험에 서는 식물체를 다시 토양에 혼입하여 환원시켰기 때문에 염류 농도가 증가된 것으로 생각된다. 유기물 함량도 적겨자를 제 외하고 모든 윤작물에서 증가되었는데, 수단그라스, 들깨, 콩 등에서 증가폭이 매우 컸다.

Table 3.

Changes of soil chemical properties by crop cultivation in soil occurring replant failure..

질산태질소 함량은 윤작물 재배에 따라 변이폭이 가장 컸는 데, 모든 윤작물에서 증가되었다. 특히 네마장황, 콩, 땅콩 등 두과작물에서 크게 증가되었는데, 이는 식물체의 질소함량이 높기 때문으로 생각된다 (Seo and Lee, 2005). 인산 함량은 모 든 윤작물에서 크게 증가하였는데, 특히 치커리, 수단그라스, 고 추, 콩 등에서 크게 증가되었다. 보통 가축분퇴비는 질소와 인 산 함량이 높으며, 특히 인산은 토양입자에 쉽게 결합, 축적되 어 인삼의 생리장해를 유발하는데 (Jang et al., 2013), 본 실 험에서도 윤작물의 재배를 위해 사용한 가축분퇴비와 윤작물 을 토양에 혼입한 것이 인산의 함량을 크게 증가시킨 것으로 생각된다.

치환성 양이온 중에서 칼륨 함량은 윤작물 재배에 따라 크 게 증가되었는데, 치커리, 콩, 수단그라스, 네마장황 등에서 증 가폭이 매우 컸다. 칼륨은 가축분퇴비에 많이 함유되어 있으 며, 칼륨 함량이 높으면 K/Mg의 균형이 깨져 인삼에서 황증 발생의 원인이 되므로 사용량 등에 주의가 필요하다 (Lee et al., 2013). 칼슘 함량은 적겨자, 무를 제외하고 나머지 윤작물 모두에서 증가되었는데, 수단그라스, 들깨, 콩 등에서 증가폭 이 컸으나 칼륨보다 그 증가폭이 크지 않았다. 마그네슘 함량 은 적겨자, 청갓, 무, 도라지에서는 약간 감소되고 나머지 윤 작물은 모두 증가되었는데, 수단그라스, 들깨, 치커리 등에서 증가폭이 컸다. 나트륨 함량은 청갓, 적겨자, 땅콩, 파에서 약 간 감소되고 도라지, 네마장황, 무에서는 큰 변화가 없었으며, 나머지 윤작물은 모두 증가되었는데, 특히 치커리, 들깨, 수단 그라스, 고구마 등에서 증가폭이 컸다.

위 결과를 요약해 보면 윤작물 재배로 인한 가축분퇴비의 시용과 윤작물의 토양 혼입으로 토양의 무기성분 함량은 증가 되었는데, 과용시 인삼 생육에 부정적인 영향을 미치는 EC, NO₃, P₂O₅, K 함량은 수단그라스, 땅콩, 콩, 네마장황, 고추 재배시 크게 증가되었으므로 예정지 관리시 윤작물 선정에 주 의가 필요할 것으로 생각된다.

3. 윤작물 재배에 따른 2년생 인삼의 생육특성

인삼 재작지 토양에서 윤작물 1년 재배 후 묘삼을 이식하여 2년생 인삼의 생육특성을 조사한 결과 (Table4) 지상부 생존 율, 경장, 주당근중은 윤작물 재배에 따라 변이폭이 컸으나 초 장, 엽장, 엽폭은 상대적으로 변이폭이 작았다. 뿌리썩음병에 유의적인 효과를 보인 네마장황, 상추, 파, 열무, 치커리의 경 우 초장, 엽장, 엽폭은 무처리와 비교하여 모두 유의성이 인정 되지 않았는데, 경장은 열무에서, 근중은 치커리에서, 지상부 생존율은 네마장황에서만 무처리와 비교하여 유의성이 인정되 었다.

Table 4.

Aerial growth characteristics of 2-year-old ginseng by crop cultivation in soil occurring replant failure.

초장은 윤작물 재배에 따라 증가되거나 감소되었는데, 들깨, 고구마, 파, 옥수수, 수단그라스, 네마장황, 적겨자에서 증가되 었고 황기, 청갓, 더덕, 도라지에서 감소되었다. 경장은 들깨, 고구마, 무, 적겨자, 치커리에서 증가되었고 감초, 청갓, 황기, 콩에서 감소되었다. 엽장과 엽폭은 파, 감초, 들깨, 콩, 수단그 라스에서 증가하였고 황기, 도덕, 도라지, 무에서 감소하였다. 지상부 생존율은 들깨, 고구마, 수단그라스, 네마장황, 옥수수 에서 뚜렷이 증가하였고 감초, 황기, 파에서 감소되었다. 주당 근중은 수단그라스와 고구마에서 증가되었고 나머지 윤작물에 서는 모두 감소되었는데, 특히 감초, 도라지, 치커리, 더덕에서 뚜렷이 감소하였다. 인삼에서 지상부 생존율이 높으면 광합성 을 할 수 있는 잎을 오랫동안 유지할 수 있어 근중비대에 유 리한데 (Kim et al., 2014; Lee et al., 2013), 본 실험에서 수단그라스와 고구마 처리를 제외하고 들깨, 네마장황, 더덕, 옥수수처럼 인삼의 지상부 생존율이 높았던 처리에서도 주당 근중이 증가되지 않았다. 이와 같은 원인은 근중의 증가가 지 상부 생존율보다 토양의 무기성분 과잉 (Hyun et al., 2009) 과 생육억제물질의 존재 (Sun et al., 2013; Seo and Lee, 1993; Lee et al., 2012)에 더 큰 영향을 받았기 때문인 것으 로 생각된다.

위 결과를 종합해 보면 재작지에서 윤작물 재배에 따라 들 깨, 고구마, 수단그라스, 파 등은 인삼 생육을 촉진하였고 황 기, 더덕, 도라지, 감초, 콩 등은 인삼 생육을 억제하였는데, 향후 이와 같은 작물의 재배에 따른 토양이화학성의 변화와 생육억제물질 (alleochemicals)에 대한 자세한 연구가 필요할 것으로 생각된다.

4. 윤작물 재배에 따른 인삼의 뿌리썩음병 억제 효과

인삼 재작지 토양에서 윤작물 1년 재배 후 묘삼을 이식하여 2년생 인삼의 뿌리썩음병 발생 정도를 조사한 결과 (Fig. 1) 뿌리썩음병에 감염되지 않은 건전주 비율은 무처리가 7.8%로 낮은 반면 치커리 40.0%, 상추 31.1%, 열무 31.1%, 네마장황 24.4%, 파 22.2% 로 높아 인삼의 뿌리썩음병 발생 억제에 효 과가 있었다.

Fig. 1.

Inhibition effect on root rot disease of 2-year-old ginseng by crop cultivation in soil occurring replant failure. Brassica 1; Brassica juncea L. (Jeokgyeoja), Brassica 2; Brassica juncea Czern (Cheonggat).

치커리는 국화과 식물로 항균작용 (Street et al., 2014)과 살충작용이 있으며 (Mansour et al., 2014), 뿌리와 잎에 페놀 화합물이 각각 0.104%, 0.044% 함유되어 있고 치커리의 수용 성 추출물은 산묵새, 알팔파, 토끼풀의 발아와 유묘 생장을 촉 진하였다 (Wang et al., 2012). 상추는 국화과 식물로 폴리페 놀 성분이 많이 함유되어 항산화, 항균작용이 높으며 (Liorach et al., 2008), 상추 추출액은 무사마귀병의 휴면포자 발아를 뚜렷이 억제하였다 (Kim et al., 2000). 무에 함유되어 있는 glucosinolates라는 배당체는 뿌리를 갈면 isothiocyanates라는 휘발성 물질로 변화되어 항균, 살충작용을 하는데, Rhizoctonia 에 의한 사과나무의 뿌리썩음병을 억제했다 (Cohen et al., 2005). 반 건조된 네마장황 식물체를 토양에 투입하면 고구마 뿌리혹선충의 밀도가 낮아지고 호박의 줄기와 뿌리의 생육이 증가되었다 (Wang et al., 2004).

무처리보다 낮은 건전주 비율을 보인 윤작물은 고추, 콩, 황 기, 감초, 들깨, 도라지, 땅콩 등으로 나타나 이와 같은 윤작물 은 인삼의 뿌리썩음병 발생을 촉진한다고 볼 수 있다. 특히 콩, 황기, 감초, 땅콩 등과 같은 두과작물의 경우 인삼의 뿌리 썩음병 발생이 촉진되었는데, Oh 등 (2012)도 두과작물인 헤 어리벳치는 화본과 작물인 호밀에 비해 식물병원균을 억제하 는 세균과 방선균의 밀도가 낮고 병 발생을 촉진하는 진균의 밀도가 높다고 하였다. 또한 배지에 질소원 첨가는 인삼 뿌리 썩음병원균 (Cylindrocarpon destructans)의 균사 생장 및 분 생포자 형성을 촉진했다는 보고 (Cho et al., 1997)와 같이 두과식물체에 많이 함유되어 있는 질소성분이 뿌리썩음병 발 생에 부정적 영향을 미쳤을 것으로 생각된다. 고구마, 더덕, 적 겨자, 청갓, 옥수수 등은 건전주 비율이 무처리보다 약간 높거 나 비슷하여 인삼의 뿌리썩음병 발생과 관계가 적은 것으로 보인다.

5. 토양 화학성과 인삼 뿌리썩음병 발생율과의 상관관계

윤작물 재배후 토양화학성과 인삼 뿌리썩음병 발생율과의 상관관계를 분석해 보면 (Table 5) 인삼의 건전주 비율은 질 산태질소와 부의 상관을 보였고 나트륨 함량과 정의 상관을 보여 대체로 질산태질소 함량이 많으면 건전주 비율이 낮아져 뿌리썩음병 발생이 많아지고, 나트륨 함량이 많으면 건전주 비 율은 높아져 뿌리썩음병 발생이 적어지는 특징을 보였으나 모 두 유의성은 인정되지 않았다. Cho 등 (1997)는 질소원의 첨 가는 인삼 뿌리썩음병 생장을 촉진한다고 하였고 Lee 등 (1985)도 질산태질소는 인삼의 결주율을 증가시켰다고 하여 본 실험과 비슷한 결과를 보고하였다. 일반적으로 나트륨 함량이 높아지면 토양염류농도가 상승하여 인삼뿌리썩음병 발생이 증 가할 것으로 예상되었으나 본 실험에서는 정반대의 결과를 보 였으므로 금후 나트륨 함량과 인삼 뿌리썩음병 발생과의 관계 에 대해서는 더 자세한 검토가 요망된다. 토양의 이화학성 중 에서 질산태질소는 칼륨과 고도로 유의한 정의 상관을 보였고 나트륨은 마그네슘과 고도로 유의한 정의 상관을 보였다.

Table 5.

Correlation coefficients between soil chemical properties and the ratio of healthy root in soil occurring replant failure.

감사의 글

본 연구는 농촌진흥청에서 주관하는 인삼 연작장해 경감을 위한 기반기술 개발 및 실용화 연구 과제(과제번호: PJ00857602)의 연구비 지원에 의해 이루어진 결과로 이에 감 사드립니다.

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