풋거름작물 재배 후 추비처리가 더덕의 생육 및 사포닌 함량에 미치는 영향

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더덕 (Codonopsis lanceolata Trautv.)은 초롱꽃과의 다년생덩굴성 식물로 우리나라 약용작물 중 인삼, 오미자 다음으로 많이 재배되는 작물이다. 더덕의 재배면적은 2015년 1,680 ha에서 2016년 2,554 ha로 급격하게 증가하였고, 2017년 2,584ha로 최근 2,500 ha 이상의 대면적 작물로 성장하였다. 생산량 또한 매년 8,500 t 내외로 안정적인 추세이다 (MAFRA, 2018).

더덕은 주로 뿌리를 식용, 약용으로 이용하고 있으며 더덕의 추출물을 이용한 여러 임상 실험결과들이 보고되면서 더덕뿌리의 약리학적 효능이 새롭게 각인되고 있다.

더덕의 대표적인 약효 성분은 사포닌 (saponin)으로 알려져 있으며, 주 사포닌은 lancemasides로서 한국산 더덕에서는 7종의 사포닌이 존재하는 것으로 보고되고 있다. Ichikawa 등 (2009)은 이를 각각 lacemaside A, lancemaside B, lancemaside C, lancemaside E, lancemaside G, foetidissimoside A, aster saponin Hb로 명명하였다.

Lancemasides의 효능은 미백증진, 대장염 완화, 학습결핍증상 개선효과 및 피부염과 염증개선 효과가 있는 것으로 보고되고 있다. 뿐만 아니라 더덕추출물은 더덕의 섭취가 체내지 질축적을 억제하여 비만치료의 잠재적 효과가 있고 (Choi et al., 2013), 항산화 증진에도 관여한다고 알려져 있어 기능성 원료로의 이용성이 주목되고 있다 (Song et al., 2012).

그러나 최근 약용작물의 중금속, 잔류농약 등 안정성이 사회적문제로 대두되면서 소비자들은 농약과 화학비료의 사용에 대한 부정적인 시각을 가지고 있다 (Seo et al., 2009). 이러한 문제점을 개선하기 위하여 화학비료 대신 친환경 자재 (Kim and Park, 2013)를 이용하거나 화학농약 사용을 대체하기 위한 생물학적 방제법 (Jung et al., 2011; Lee et al., 2012)과 같은 친환경 재배 연구가 이루어졌으나 미흡한 실정이다.

더덕은 주로 3 년생 뿌리를 식·약용으로 이용함으로 한번 재배 시 3 년 동안 재배하기 때문에 토양 내 특정양분의 소모, 토양 물리화학성 악화, 토양의 병원성 미생물, 선충 등에 의한 장애 등이 발생할 수 있기 때문에 토양관리가 매우 중요하다. 그러나 최근 농가에서는 경제적인 소득향상을 위해 연작이나 과도한 화학비료 시용으로 인해 토양의 물리화학성이 악화되고 있다.

따라서 토양의 물리화학성을 개선시키고 화학비료를 대체할 수 있는 가장 현실적인 방안은 풋거름작물 재배이다. 풋거름 작물은 주 작물을 재배하지 않는 휴한기에 재배하여 후작물 재배 전 푸를 때 베어서 토양에 넣어 주는 것으로 풋거름작물을 통하여 토양 물리성 개선 및 비옥도를 증진시킬 수 있으며, 토양 내 이용 가능한 질소 (N)를 고정함으로써 작물의 생육 발달에 중요한 역할을 한다 (Ashraf et al., 2004; Jeon et al., 2010).

풋거름작물 중 두과 작물인 헤어리베치는 내한성과 생산성이 높고 특히 질소 고정능력이 두과 작물 중 가장 우수한 것으로 알려져 있어 가장 많이 이용되고 있고 (Seo et al., 2000), 화본과 작물 중 호밀과 청보리는 작물에 질소를 공급하는 능력은 적으나 토양유기탄소를 증가시켜 토양 물리성 개선효과 때문에 많이 이용되고 있다 (Shipley et al., 1992; Sung et al., 2008).

일반적으로 풋거름작물은 주로 두과 작물과 화본과 작물을 혼합하여 이용하는데, 그 이유는 두과 작물의 경우 고정된 질소를 토양에 공급하는 역할을 하며 화본과 작물은 양분의 용탈을 줄이고 토양을 보호하는 토양 물리성 개선효과가 크지만 후 작물의 질소공급능력이 떨어지기 때문에 혼파가 더 유리한 것으로 알려져 있다 (Yang et al., 2014).

또한 적정 탄질비 유지를 통한 토양관리 (Sainju et al., 2005), 토양 내 유효태 질소 함량의 증대와 화본과 작물에 의한 투입된 질소의 유실량 절감을 위해서는 단파보다는 혼파가 유리하기 때문이다 (Lim et al., 2014).

따라서 풋거름작물 두 종 이상을 혼합하여 파종하는 혼파는 단파로 인한 단점을 보완하고 장점을 극대화할 수 있는 효과적인 방법으로써 토양 내 양분함량의 증대 및 후작물의 수량을 증대시킬 수 있다 (Tejada et al., 2008; Cicek et al., 2014).

풋거름작물 재배 후 후작물에 대한 질소 공급능력은 논과 밭에서 10 - 15 일 이내 60% 이상의 질소가 가용화 되는 것으로 나타났고 이후에는 서서히 감소하는 것으로 나타났다 (RDA, 2010).

벼와 같은 작물은 풋거름 작물재배로 전 생육 기간에 필요한 질소량이 충분히 공급될 수 있는 작물이 있는 반면, 고추, 딸기와 같이 생육 기간이 긴 작물의 경우 풋거름작물만으로는 충분한 양의 질소를 공급하지 못하므로 질소비료를 추가로 공급해야 하는 작물들도 있다 (Sung et al., 2008; Kim et al., 2012; Lim et al., 2016).

Lim 등 (2014)에 의하면 밭토양에서 3 - 4 개월이면 풋거름 작물에 의해 고정된 질소가 모두 소비되는 것으로 보고하였다. 따라서 더덕과 같은 영년생 작물들은 풋거름작물 재배로 인해 고정된 질소의 소비 후 추가 시비가 필요하다고 할 수 있다.

현재까지 몇몇 작물에서 풋거름작물을 단파 및 혼파를 하여 토양 내 무기태 질소의 함량을 조사한 연구는 많이 이루어져 왔으나 (Herrera et al., 1997; Toomsan et al., 2000) 풋거름 작물 처리 후 추비로 화학비료가 아닌 유기질 비료시용 효과에 대한 연구는 거의 전무한 실정이다.

따라서 본 연구는 현재 풋거름 작물로 많이 이용 중인 헤어리베치와 호밀를 이용하여 풋거름작물 재배 후 추가 시비로 유기질비료 시용에 따른 토양의 이화학성 변화, 더덕의 생육 및 사포닌 함량 등을 조사함으로써 더덕 재배 시 화학비료 절감을 위한 풋거름 작물의 이용체계를 확립하고자 수행하였다.

재료 및 방법

결과 및 고찰

1. 토양이화학성 변화

풋거름작물별 재배 후 토양의 이화학성을 조사한 결과 pH는 화학비료 (CF) 단용처리가 가장 낮았고 그 다음으로 헤어리베치 (HV)단용처리가 낮은 경향이었고, 전기전도도 (electric conductivity, EC)는 화학비료 (CF)와 헤어리베치/호밀/혼합유기물 (HV/R/MO) 처리에서 가장 높았고 그 외 처리 간에는 차이가 없었다 (Table 1).

Table 1.

Change in soil chemical properties by cultivating green manure crops and additional fertilization application in Codonopsis lanceolata cultivation.

인산 함량은 화학비료 단용처리가 가장 높았고, 그 다음이 헤어리베치 > 헤어리베치/호밀/혼합유기물 > 무처리 > 헤어리베치/호밀 순으로 높은 경향이었다. 치환성 양이온인 Ca, Mg, K의 함량은 처리구간 차이는 있었으나 그 차이는 미미한 수준이었다.

화학비료 시용에 따른 토양의 산성화는 본 시험에서도 확인할 수 있었고, 헤어리베치 처리에서도 토양이 다소 산성화되는 경향을 나타내었는데, Ortiz escobar 와 Hue (2008)는 토양 pH는 풋거름 작물의 유기질소의 무기화에 의해 방출된 NH₃⁺가 수분과 반응을 통해 OH⁻를 생성함으로써 분해 초기에는 토양 pH를 증가시키고 그 이후 질산화 작용 (nitrification)에 의해 NH₄⁺가 NO₃⁻로 변환됨으로써 H⁺를 발생함으로써 토양 pH를 감소시킨다고 보고하였다.

Lawson 등 (2013)도 호밀, 헤어리베치 단·혼용 처리 시 pH가 낮아지고 EC가 증가하는 것은 질소고정 과정에서 H⁺ 이온 활동의 증가와 관련이 있고, EC는 질소 축적에 따른 증가의 결과라고 보고하였다.

따라서 본 실험에서 헤어리베치를 함유하고 있는 처리에서 pH가 다소 낮고 EC가 높은 것은 이미 질산화 작용이 진행되고 있음을 짐작할 수 있다.

인산의 경우 화학비료 시용구에서 매우 높았는데 인산은 질소와 달리 용탈이 잘 안 되기 때문에 토양 중에 집적되는 것으로 보이며 (Anugroho et al., 2010), 헤어리베치와 같은 풋거름작물 재배에 따라 N, K₂O, Ca등과 더불어 토양 중에 많이 축적되는 것으로 보고되고 있다 (Sung et al., 2008).

특히 인산의 경우 논에서 헤어리베치를 재배할 경우 19.7㎏/ha 정도 생산되는 것으로 보고되고 있어 (Kim et al., 2013) 본 실험에서도 헤어리베치 단용처리가 헤어리베치/호밀혼용 및 헤어리베치/호밀/혼합유기물 처리보다 인산함량이 높은 것을 확인할 수 있었다. 혼용처리가 단용처리보다 낮은 것은 호밀이 함유된 혼용처리의 경우 호밀의 인산이용이 영향을 미쳤을 것으로 사료된다.

그 외 치환성 양이온은 풋거름작물 재배에 따라 다소 증가하는 것으로 보고 되고 있으나 본 실험에서는 Ca, Mg, K 등은 풋거름작물에 재배에 따른 처리 간 큰 차이를 나타내지 않았다.

Total 질소함량의 경우 헤어리베치에 의한 질소고정으로 인해 헤어리베치 처리와 헤어리베치/호밀 재배 후 추비처리인 헤어리베치/호밀/혼합유기물 처리에서 질소함량이 당연히 높았고, 헤어리베치/호밀 혼용처리보다 헤어리베치 단용처리에서 고정효과가 더 뛰어남을 알 수 있었다.

특히 화학비료 시용구보다 많은 질소를 함유하고 있었는데 화학비료 시용구는 강우에 의한 용탈이나 작물의 생장에 직접 이용되는데 반해 헤어리베치는 토양환원 후 유기태질소가 분해되어 암모니아태 질소와 질산태 질소와 같은 무기태 질소함량이 증가된 것으로 보인다 (Sung et al., 2008).

그리고 토양내 NO₃⁻는 양이온 형태인 NH₄⁺와 달리 음하전을 띠고 있어 토양 교질과 쉽게 흡착하지 못하므로 강우에 의해 용탈되거나 탈질작용에 의해 손실률이 NH₄⁺보다는 높은 것으로 알려져 있는 바 (Fenn and Hossner, 1985), 본 실험에서도 헤어리베치/호밀/혼합유기물 처리와 헤어리베치 처리에서 NO₃^- 함량이 높았고 이것은 적은 강수와 앞서 언급한 봐와 같이 NH₄⁺가 NO₃⁻로 변화는 질산화 작용과 관련이 있는 것으로 사료된다.

2. 질소비료 절감과 추비효과

헤어리베치 단파와 헤어리베치/호밀 혼파의 파종시기에 따른 질소고정량을 조사하기 위해 9 월, 10 월, 11 월에 각각 파종한 결과, 파종시기가 빠를수록 질소고정량이 증대하였다 (Fig. 1).

Fig. 1.

Effects of green manure crops and additional fertilization application on nitrogen fixation and content in soil. NT; Non-treatment, CF; Chemical fertilizer, HV; Hairy vetch, HV/R; Hairy vetch + rye, HV/R/MO; Hairy vetch + rye + mixed organic matter. CF indicates the amount of nitrogen content in soil by chemical fertilizer application at March. Vertical bars represent standard error of the means (n = 3). Percentage number shows the amount of nitrogen reduction compared with N standard amount of fertilizer (6㎏) in Codonopsis lanceolata cultivation.

이것은 Lim 등 (2011)이 헤어리베치는 파종시기가 늦을수록 초장이 짧아지고 엽수와 줄기수가 감소하여 결과적으로 건물중 감소로 이어진다는 연구결과와 일치한 결과를 나타내었다.

그리고 10월과 11월 파종은 단파와 혼파에서 큰 차이가 없었는데 이것은 앞서 언급한 것처럼 헤어리베치를 늦게 파종함으로써 질소고정을 위한 헤어리베치의 생육이 충분하지 못하였기 때문에 큰 차이가 없는 것으로 판단된다.

단·혼파 시 헤어리베치 단파 처리에서 5.7㎏/10a으로 가장 높았으며 그 다음이 헤어리베치/호밀, 무처리 순으로 낮아 혼파보다는 단파에서 질소고정량이 높은 것을 확인 할 수 있었다. 특히 헤어리베치 단파에서 5.7㎏의 질소고정은 더덕 재배 시 전량 기비로 시용할 경우 질소요구량의 94.2%를 차지하는 비율이다.

화학비료의 경우 3 월초에 기비로 4㎏/10a을 시용하였는데 30%가량이 작물이 이용되거나 용탈되어 약 2.89㎏ 정도 남아 있는데 반해 헤어리베치 처리는 상당량이 무기태 질소로 전환되고 있음을 알 수 있었다 (Fig. 1).

그리고 헤어리베치/호밀처리는 일찍 파종하였을 때도 질소 고정량이 헤어리베치 단파보다 낮은데 이것은 Kim 등 (2013)에 의하면 헤어리베치와 보리를 혼파할 경우 헤어리베치는 공중질소를 고정하여 이용하지만, 보리의 경우 대부분의 질소를 토양 내 질소를 이용하기 때문이라 하였다.

따라서 호밀과 같은 화본과 작물은 주로 질소고정효과보다 토양 개량 및 토양 물리성 개선에 주목적이 있기 (Lim et al., 2012) 때문에 헤어리베치와 호밀의 적정 파종비율을 조절함으로써 토양개량과 질소고정량을 증대 시킬 수 있을 것이라 판단된다. 벼의 경우 보리 (75%) +헤어리베치 (25%)를 혼파한 경우 수량이 약 7%가량 증대하는 것으로 보고 되고 있어 (Kim et al., 2013) 더덕에 있어서도 헤어리베치와 호밀의 적정파종비율 연구는 추가로 수행되어져야 할 것으로 보인다.

더덕의 표준시비량은 N-P-K: 6-6-6㎏/10a이나 척박한 토양에서는 좀 더 많은 시비를 권장하고 있다 (RDA, 2009). 본 실험에서도 더덕의 표준 추비시기에 맞추어 정식 후 70 일경 추비로 혼합유기물을 4㎏/10a을 시용하였을 경우 전체 질소공급량은 8.7 ㎏로 전체 질소공급량인 6㎏보다 45% 정도 초과하는 것을 나타나 헤어리베치 재배와 혼합유기질 비료 시비로 충분히 화학비료를 대체 할 수 있음을 확인할 수 있었다.

이것은 헤어리베치에 의한 질소고정량이 5.7㎏/10a인데 2달 동안 작물이 이용되거나 용탈된 것은 약 30%정도로 헤어리베치의 분해 속도가 매우 느린 것으로 판단된다.

헤어리베치의 경우 경운 후 70 일 후 질소함량이 모두 분해된다는 보고가 있는 반면 (Lim et al., 2014), 토양 중 질소함량이 30 일경이 최고를 기준으로 120 일까지 서서히 감소한다고는 보고 (Sung et al., 2008)등 대기 환경 및 토양조건에 따라 분해속도가 상당히 다른 것으로 보인다.

따라서 본 실험에서는 토양 중 질소함량이 높음에도 불구하고 질소 과잉에 의한 증상이 발생하지 않는 것으로 보아 토양물리성 개선에 따른 지속적인 질소 공급으로 더덕의 생육을 촉진시킬 수 있었던 것으로 판단된다.

더불어 풋거름작물의 혼합비율에 따른 질소고정량 및 혼합유기물 추비 시용량에 따라 질소 공급량의 조절이 가능하기 때문에 이것과 더덕 생육과 관련된 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

3. 더덕 생육조사

풋거름작물 재배에 따른 더덕 (Codonopsis lanceolata Trautv.)의 지상부 생육을 조사한 결과 초장은 헤어리베치/호밀/혼합유기물 처리에서 가장 우수하였고, 그 다음은 헤어리베치 > 헤어리베치/호밀 =화학비료 > 무처리 순으로 생육이 우수한 경향이었다 (Fig. 2). 그러나 풋거름작물과 화학비료 처리구간에 경경은 뚜렷한 차이는 없었다.

Fig. 2.

Growth characteristics of Codonopsis lanceolata under cultivation of green manure crops and additional fertilization application. NT; Non-treatment, CF; Chemical fertilizer, HV; Hairy vetch, HV/R; Hairy vetch + rye, HV/R/MO; Hairy vetch + rye + mixed organic matter. *Vertical bars represent standard error of the means (n = 3). Different letters are significantly different at p < 0.05 by Duncan’s Multiple Range Test (DMRT).

풋거름작물 재배에 따른 지하부 생육을 조사한 결과 근장과 근경은 모든 풋거름작물 처리에서 무처리 보다 높았다 (Table 2).

Table 2.

Characteristics of Codonopsis lanceolata root under cultivation of green manure crops and additional fertilization application.

그러나 풋거름작물 처리 내 단·혼파 및 추비처리구간 차이가 없었으나 헤어리베치/호밀/혼합유기물 처리에서 다소 높은 경향이었고, 지근수는 무처리와 더불어 큰 차이가 없었다.

생근중은 무처리를 제외하고는 통계적으로 유의한 차이가 없었으나 헤어리베치/호밀/혼합유기물 처리에서 가장 우수한 경향을 보였으며, 그 다음이 헤어리베치 단용처리, 헤어리베치/호밀 혼파, 화학비료 순이었다. 건근중과 조사포닌 함량은 다른 처리에 비해 헤어리베치/호밀/혼합유기물와 헤어리베치 처리에서 높은 경향이었다. 이것은 풋거름 작물의 질소고정효과 및 추비시용이 더덕의 생육에 관여하는 것으로 보인다.

Moon 등 (2018)은 더덕의 혼합유기질 비료 시비가 화학비료에 비해 더덕의 지상부 생육 및 수량을 증대시킨다고 하였고, Jeon 등 (2016)은 같은 초롱꽃과인 도라지에서도 유기질비료 시용에 의해 도라지 수량이 증대된다고 하였다.

또한 인삼에서 유기질 비료시용이 수량과 정의 상관이 있다고 하였고 (Lee et al., 1984), 당귀, 지황, 토천궁, 작약, 맥문동 재배 시 유기질 비료 시용에 의해 건근중 및 상품수량이 11 - 34% 증수되고, 유기질 비료 시용에 의한 생육증대로 뿌리의 약효성분이 높아져 수량성과 품질이 향상된다고 하였다 (Choi et al., 1989; Lee et al., 2007; Kim et al., 2014b).

따라서 더덕 재배시에 풋거름작물 재배 및 추비로 유기질비료 시용은 지상부 및 지하부 생장을 유리하게 하여 더덕의 생육과 수량을 증가시킨다고 판단된다.

4. 더덕 사포닌 Lancemaside의 함량

풋거름작물 재배 및 추비시용 따른 더덕의 주요 사포닌을 조사한 결과 lancemaside A가 모든 처리에서 가장 높아 lancemaside A가 더덕의 주 사포닌임을 확인할 수 있었다 (Fig. 3). 그 다음으로 aster saponin이 높았고, lancemaside B, G는 소량 존재하는 것으로 나타내었다.

Fig. 3.

Lancemasides content in Codonopsis lanceolata roots under under cultivation of green manure crops and additional fertilization application.Lan A, B, G and Aster indicate lancemaside A, B, G, and Aster saponin Hb, respectively. NT; Non-treatment, CF; Chemical fertilizer, HV; Hairy vetch, HV/R; Hairy vetch + rye, HV/R/MO; Hairy vetch + rye + mixed organic matter. Vertical bars represent standard error of the means (n = 3). NS,*,**Indicate non-significant and significant at p < 0.05 or < 0.01, by Duncan’s Multiple Range Test (DMRT).

Ichikawa 등 (2009)은 더덕의 주요한 사포닌은 lancemaside A이며 이외에 lancemaside B, C, E, G, foetidissimoside A, aster saponin Hb 등이 존재한다고 하였고, Kim 등 (2014a)은 5 종의 triterpene saponin을 보고하였는데 본 연구에서는 lancemaside A, B, G 및 aster saponin Hb를 포함한 4 종의 사포닌만이 검출되었고, 나머지 사포닌들은 극미량 존재하거나 또는 검출되지 않았다. 이것은 Ichikawa 등 (2009)이 한국산 더덕과 일본 더덕에서 사포닌 차이가 존재한다고 한 것처럼 시료와 추출방법의 차이에 기인하는 것으로 사료된다.

Lancemaside A는 처리간 통계적으로 유의하지 않지만 헤어리베치/호밀/혼합유기물 > 헤어리베치 > 헤어리베치/호밀 > 화학비료 > 무처리 순으로 높은 경향이었다. Lancemaside B와 G는 소량 존재하였고 처리 간 차이가 거의 없었다.

Aster saponin은 헤어리베치/호밀/혼합유기물 처리에서 가장 높았고, 그 다음으로 화학비료 > 헤어리베치/호밀 > 무처리 > 헤어리베치 처리 순으로 높은 경향이었다. 따라서 전체 lancemaside 함량은 헤어리베치/호밀/혼합유기물 처리에서 가장 높았으며 그 다음이 헤어리베치, 헤어리베치/호밀, 화학비료, 무처리 순으로 높았다.

이것은 Fig. 3과 Table 2에서와 같이 헤어리베치/호밀/혼합유기물 처리와 헤어리베치 처리에 의해 지상부 및 지하부 생육이 우수할수록 사포닌 함량은 높아지는 경향을 보여 더덕의 생육과 사포닌 함량간의 밀접한 관련이 있는 것으로 사료된다.

따라서 화학비료 절감을 위한 더덕 재배 시 헤어리베치 단용처리나 헤어리베치/호밀 처리 후 추비로 친환경 재료인 혼합유기물을 시용하는 것이 토양개량효과 및 토양 내 질소고정량을 향상시켜 더덕의 생육을 향상시키고 이로 인한 수량 증대 및 사포닌 함량이 증대되는 것을 확인할 수 있었다.

헤어리베치 단용처리 후 혼합유기물 시용도 헤어리베치/호밀 혼합처리 효과와 같을 것이라 판단되나 토양이화학성을 고려한다면 혼합처리가 필요하다고 보여진다. 더불어 헤어리베치와 호밀의 혼파 시 파종 비율에 따른 질소고정량 및 이에 따른 혼합유기물의 추가 시비량 등에 관한 추가연구가 필요할 것으로 판단된다.

Acknowledgments

본 연구는 농촌진흥청 공동연구사업(과제번호: PJ01383404)의 지원에 의해 이루어진 것으로 이에 감사드립니다.

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