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Effects of Green Manure Crops on Tomato Growth and Soil Improvement for Reduction of Continuous Cropping Injury through Crop Rotation in Greenhouse
Effects of Green Manure Crops on Tomato Growth and Soil Improvement for Reduction of Continuous Cropping Injury through Crop Rotation in Greenhouse
Korean Journal of Plant Resources. 2015. Apr, 28(2): 263-270
Copyright © 2015, The Plant Resources Society of Korea
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  • Received : July 07, 2014
  • Accepted : February 02, 2015
  • Published : April 30, 2015
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유진 정
일섭 노
권규 강
kykang@hknu.ac.kr
Abstract
본 연구는 시설하우스 내 토마토 연작장해 경감을 위해 단기 녹비작물 재배가 토마토의 생육특성 및 수량에 미치는 영향을 알아보기 위해 토마토 시설재배지에 헤어리베치와 호밀을 단파 및 혼파로 구분하여 파종하였으며, 생육된 녹비작물의 양분공급량과 녹비작물의 토양환원 후 토양의 이화학적 특성 그리고 녹비작물 환원 후 후작물인 토마토의 생육특성 및 토마토 시들음 병원균의 밀도를 조사한 결과, 녹비작물의 질소(N), 인(P 2 O 5 ), 칼륨(K2O), 칼슘(CaO) 및 마그네슘(MgO) 공급량은 헤어리베치의 경우 각각 26.2, 5.8, 10.2, 6.6, 및 1.5 ㎏/10a였으며, 호밀은 각각 9.1, 4.2, 11.8, 3.8, 및 3.1 ㎏/10a였고, 혼파의 경우는 단파와 유사한 경향이었다. 토마토 시설재배지에서 녹비작물의 토양환원 전・후 토양의 pH는 대조구와 별다른 차이 없이 6.37-6.52 범위였으며, EC는 헤어리베치(2.64 dS/m) 및 호밀(2.62 dS/m) 처리가 대조구(헤어리베치-2.80 dS/m, 호밀 -2.91 dS/m)에 비해 낮았다. 토양 중 유기물, T-N 및 avail.P 2 O 5 함량은 녹비작물 처리가 대조구에 비해 증가하는 경향이었다. 녹비작물 토양환원에 따른 후작물인 토마토 생육은 녹비작물 처리는 대조구에 비해 우수한 생육을 보였으나, 관행처리와는 비슷한 생육을 보였다. 또한 녹비처리에서 토마토 시들음병원균의 밀도가 현저하게 감소하였다. 이상의 결과를 종합할때, 토마토 시설재배지에서 녹비작물의 시용은 비료로서 충분한 가치가 있으며, 녹비작물 토양 환원 후 토양화학성을 개선함으로써 시설하우스 토마토 연작재배지의 연작장해를 경감할 수 있을 것으로 사료된다.
Keywords
서 언
최근 국민 소득의 증가와 함께 고품질 신선편이의 수요가 급증하면서 이를 위한 시설채소 재배면적은 해마다 증가하여 2010년 약 10만 5천 ha를 차지하고 있다( 농림수산 식품부 2010 ). 시설 재배작물은 무, 배추, 오이, 상추, 호박, 참외, 딸기, 토마토, 가지 등이 대부분을 차지하고 있으며, 대규모화에 따라 동일 시설 내에서 같은 작물의 연작이 계속되고 있다( Son ., 2011 ). 시설하우스 재배토양은 외부와 격리되어 천연무기물 공급원인 강우가 차단될 뿐 아니라 시설 내 온도가 높아 하층에서 상층으로 토양수분이 이동하며, 농약, 화학비료 및 유기물의 과다시용으로 시설 내 토양 이화학성이 열악해진다고 보고되고 있다( Allotey ., 1997 ). 밭작물에서 연작장해는 토양 물리화학성변화, 알레로파시 및 생물학적 요인 등( Bernstein, 1975 ; Wright and Upadhyaya, 1996 ; Cho ., 2006 )으로 윤작은 연작 장해를 해결하는 데 유효하며, 그 효과로는 토양 유기물의 공급 · 유지, 토양 물리성 개선, 토양의 양분 흡수권의 확대, 토양 양분의 균형 유지 및 병해충 발생의 억제 등이 알려져 있다( Wright and Upadhyaya, 1996 ; Kim ., 2002 ; Lee ., 2006 ). 비닐하우스에서 발생하기 쉬운 작물의 생장장해는 여러가지가 있으나 일반적으로 연작장해에 의한 토양 내 특정양분의 소모, 토양 물리화학성 악화, 전작물의 뿌리나 작물유체의 분해과정에서 생성되는 독소물질이 토양 중에 축적되어 생육장해를 발생하는 것과 토양의 병원성 미생물, 선충 등에 의한 흡수장해가 알려져 있다( Kim ., 2002 ; Lee ., 2006 ). 이와 같은 지력저하에 대한 대책의 하나로서 지속가능한 농법으로 지력회복 가능한 녹비도입에 대한 연구가 보고되고 있다( Allotey ., 1997 , Nam ., 2007 ; Cho ., 2006 , 2011 , 2012 ). 녹비작물이란 토양개량, 작물의 생육촉진 및 양분공급 등을 목적으로 재배하는 작물로 퇴비처럼 발효시키지 않고 재배된 신선한 식물체를 토양에 갈아엎어 투입하는 작물로서 양질의 유기물을 얻을 수 있고 미생물의 먹이가 많으므로 토양 유효미생물의 증식이 활발하여 토양개량 효과가 크다( Chang and Drenge, 1955 ; Jun ., 2002 ; Lee et al ., 2011). 또한, 녹비만으로도 토양개량, 작물의 생육촉진, 양분공급, 토양 유실방지 및 토양물리화학성 개량효과가 있으며, 자연경관 보전 등의 많은 장점이 있다( Shon ., 1999 ; Jun ., 2002 ; Cho ., 2006 , 2010, Jeon ., 2010 , 2011 , 2012 ; Lee ., 2013 ). 녹비작물 중에서 헤어리베치는 콩과식물로서 다른 두과 녹비작물에 비해 10 g ㎏ -1 이상의 높은 질소 고정능을 갖고 있으며, C/N율이 15 미만으로 낮아 토양에 환원되면 8주 만에 75∼80%가 분해되어 후작물에 양분공급이 가능하여 질소공급을 위한 녹비작물로 중요시되고 있으며, 토양개량, 미생물 번식 증가, 토양수분의 조절, 잡초 발생의 억제, 토양 침식 경감, 대기정화 등 여러 가지 기능을 갖고 있다( Shon ., 1999 ; Jun and Park 2001 ; Cho ., 2006 , 2011 , Jeon ., 2010 , 2012 ; Lee ., 2013 ). 본 논문은 토마토 시설재배지에 녹비작물 재배가 토양에 미치는 영향을 알아보기 위해 두과의 해어리벳치와 화본과 호밀를 단파 및 혼파하여 토마토 연작재배지에서 녹비작물의 양분공급 특성, 녹비작물 토양환원 따른 토양의 이화학적 특성 및 토마토의 연작장해 경감효과를 구명하고자 한다.
재료 및 방법
- 시험포장
본 연구는 2010년부터 2013년까지 4년간 경기도 일죽면에 위치한 토마토 시설재배지를 선정하였고, 크기는 가로 6.7 m, 세로 100 m로 총면적은 670 ㎡이었으며, 시험토양의 이화학적 특성은 Table 1 과 같다. 시험토양은 pH 6.6~6.7, 전기전도도(electrical conductivity, EC) 2.52~2.83 dS m -1 , 토양유기물(organic matter, OM) 함량 22.1~23.8 g ㎏ -1 , 총 질소(total-nitrogen) 함량 1.72~1.74 g㎏ -1 , 유효인산(available phosphorus) 함량 1464~1519㎎ ㎏ -1 , 치환성 칼륨(exchangeable potassium) 함량 1.42~1.46 cmol c -1 , 치환성 칼슘(exchangeable calcium) 함량 5.59~5.91 cmol c -1 , 치환성 마그네슘(exchangeable magnesium) 함량 1.85~1.98 cmol c -1 의 분포를 보였다. 시험 토양의 토성은 미사질 양토였다.
Chemical properties of soil used in this studies
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zEC, electrical conductivity; yOM, soil organic matter; xT-N, total-nitrogen.
- 녹비작물재배
본 시험에 사용된 녹비작물의 파종은 헤어리베치 및 호밀을 단파 및 혼파로 구분하여 처리하였으며 처리구의 경우 대조구(무처리), 관행 처리구, 녹비작물 단파 및 혼파 처리구로 설정하였다. 토마토 연작재배지에서 녹비작물 파종량은 단파의 경우 헤어리베치 및 호밀을 각각 10a당 9 ㎏되게 파종하였고, 혼파의 경우는 헤어리베치 및 호밀을 각각 10a당 4.5 ㎏씩 1:1의 비율로 혼합하여 파종하였다( Table 2 ).
Treatment condition of green manure crop
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zHV; Hairy vetch.
- 조사항목
녹비작물의 양분공급량은 각 녹비작물의 T-N, T-P, K, Ca 및 Mg 함량과 생체중량을 고려하여 계산하였으며, 나온 결과를 N, P 2 O 5 , K 2 O, CaO 및 MgO의 비료공급 형태로 환산하였다. 녹비작물의 토양환원 전・후 토양의 이화학적 특성 조사는 녹비작물 토양환원 전인 2010년 9월 20일에 채취한 토양과 2011년부터 2013년까지 매년 녹비작물 환원 후에 각 처리구별 토양을 채취하였으며, 토양 화학성의 경우는 pH, EC, OM, T-N, Avail, P 2 O 5 , 치환성양이온 및 무기성분 함량을 조사하였다. 녹비작물 토양환원 후 토마토의 생육특성은 토마토 정식 2개월 후에 대조구(무처리), 관행처리구, 녹비작물 단파 및 혼파 처리구에서 토마토 생육 특성을 조사하였다. 토마토의 생육특성은 초장 및 줄기 직경, 생체중 및 건물중을 조사하였다. 녹비작물 토양환원 후 토마토 재배 후 토양을 이용하여 토마토 시들음 병원균의 밀도는 대조구(무처리), 관행처리구, 녹비작물 단파 및 혼파 처리구로 구분하여 조사하였다.
- 분석방법
각각의 시험구내 5곳으로부터 작토(깊이 0~20 ㎝)로부터 채취한 토양은 식물 잔여물을 제거하고, 건조한 후에 2 ㎜ 체를 통과한 것을 화학성분 분석에 사용하였다. 화학성분 분석은 농촌진흥청 농업과학기술원 토양 분석법( NIAST, 2000 )을 적용하여 pH와 EC는 토양과 증류수의 비율을 1:5로 희석한 후 pH meter(Orion 520A pH meter, Orion Research Inc., Boston, USA)와, EC meter (Orion 3STAR EC meter, Orion Research Inc., Boston, USA)로 측정하였다. T-N은 Kjeldhal 법으로, NH 4 -N은 건토 5g을 0.5M K 2 SO 4 50 ㎖로 용액으로 침출 후 MgO로 알카리화하여 증류법으로 정량하였으며, NO 3 -N은 NH 4 -N을 정류 후 devarda’s alloy를 가하여 NO 3 -N을 NH 4 -N로 전환시켜 증류법으로 정량, 유기물은 Tyurin법으로 측정하였으며, 유효인산은 Lancaster법으로 비색계(UV-1650PC, Shimadzu Co., Kyoto, Japan)를 사용하였다. 치환성 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 나트륨 등의 양이온은 1M NH 4 OAc로 추출하여 ICP(DV-4300, Perkin-Elmer, Norwalk, USA)로 분석하였다. 식물체 분석은 습식분해법(H 2 SO 4 :HClO 4 =1:1)으로 전처리하여 T-N은 Kjeldahl법(질소자동분석기, Gerhardt autosampler Vapodest 50 carouse, Germany)으로 분석하였고, T-P는 Vanado molybdate법(UV 2550PC, Perkinelmer)을 사용하였다. 무기성분 함량은 습식분해법으로 분해된 용액을 ICP (DV-4300, Perkinelmer)를 사용하여 각각 분석하였다( NIAST, 2000 ). 또한 분석된 토양 화학성은 SAS 프로그램 9.1.3 버전(2006)을 사용하였다.
결과 및 고찰
- 토마토재배지에서 녹비작물의 생육특성
토마토 시설재배지에 녹비작물의 단작 및 혼작 등 재배방법에 따른 초장, 생체중 및 건물중을 조사한 결과 Table 3 과 같다. 각 처리구별 생체중 및 건물중 함량은 헤어리베치의 경우는 46.0 및 4.8 g plant -1 이었으며, 호밀은 16.8 및 3.2 g plant -1 로 헤어리베치가 높은 경향이었다. 단작 및 혼작에 따른 녹비 1주당 생체중 및 건물중은 단작의 헤어리베치가 가장 높게 나타났고, 그 밖의 처리구에서 거의 유사한 결과를 얻었다.
Growth characteristics of green manure crops
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zHV; Hairy vetch.
- 토마토 재배지에서 녹비작물의 성분함량
토마토 시설재배지에서 녹비작물의 양분 흡수 비율은 단작의 경우 헤어리베치의 질소 함량은 3.29%, 호밀의 질소함량은 1.67%였으며, 혼작의 경우 헤어리베치 질소는 3.02%, 호밀의 질소는 1.35%로서 헤어리베치의 질소가 호밀 보다 높았다( Table 4 ). 헤어리베치는 호밀에 비해 식물체내 질소함량 및 기타 무기물 함량이 높고, C/N율이 낮아서 포장에서 분해가 빠르다. 생육 후 토양에 피복하고 2주 정도 지나면 모두 분해되어, 후 작물 재배 시 질소비료 시용량도 감소시킬 수 있다고 하였다( Lee , 2013 ). 녹비작물 생육 시기별 무기성분 함량은 재배기간이 길어짐에 따라 감소하였다. 질소의 경우도 생육초기에 함량이 높고 생육이 진행됨에 따라 낮아지는 경향을 보였다. 단파에 비해 혼파의 경우 녹비작물에 포함된 질소의 함량이 감소하였다. C/N율이 높은 호밀은 헤어리베치와 혼파재배 시 초기에 질소를 생산할 수 있는 장점이 있으며 뿌리가 깊어 토양의 통기성을 좋게 하는데 이는 Jeon . (2011) 의 보고와 일치하였다. 또한 녹비작물 수확 후 미량원소 Fe, Mn, Cu 및 Zn 함량은 단작 및 혼작에 따라 거의 유사한 결과를 얻었다. 또한 녹비작물 수확 후 미량원소 Fe, Mn, Cu 및 Zn 함량은 단작 및 혼작에 따라 거의 유사한 결과를 얻었다.
Nutrient content after harvest of green manure crop in tomato continuous cultivation
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zHV; Hairy vetch.
- 녹비작물의 biomass 생산량 및 양분공급량
토마토 시설재배지 토양에서 녹비작물 단파 및 혼파에 따른 biomass 생산량은 단파 처리구인 경우 헤어리베치(2,183 ㎏/10a)가 호밀(2,154 ㎏/10a)에 비해 높은 경향으로 녹비작물 환원 시 토양 유기물 공급면에서 호밀 보다는 헤어리베치가 효과적 일 것으로 판단된다. 혼파의 경우 2,169 ㎏ 10a -1 로 단일처리인 헤어리베치 및 호밀과 유사성을 보였다. 건물중 면에서 볼 때 단파처리구의 헤어리베치와 호밀이 각각 515 ㎏ 10a -1 , 509 ㎏ 10a -1 로 나타났으며, 혼파처리에서 405 ㎏ 10a -1 로 나타나 단일재배지가 높은 biomass량을 보였다( Table 5 ). 흔히 두과인 콩과 화본과인 헤어리베치를 여름과 겨울철에 파종하여 실험했을 때, 겨울철에는 두 녹비작물 간에 별 다른 차이 없이 비슷한 biomass 량을 보였으나, 여름철에 콩은 4 ㎏/ha였으며, 헤어리베치는 7.7 ㎏/ha로 큰 차이가 있다고 보고된 바 있다( Lee . 2008 , Kim ., 2013 ).
Biomass productions after harvest of green manure crop in tomato continuous cultivation
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zHV; Hairy vetch.
또한 토마토 시설재배지 토양에서 생육된 녹비작물의 토양환원 시 인(P 2 O 5 )공급량은 단파의 경우 헤어리베치가 5.8 ㎏/10a, 호밀이 4.2 ㎏/10a였고, 혼파는 헤어리베치가 3.1 ㎏/10a, 호밀이 2.5 ㎏/10a였다. 토마토 시설재배지에서 녹비작물의 토양환원 시 질소 (N) 공급량은 단파의 경우 헤어리베치가 26.2 ㎏/10a, 호밀은 9.1 ㎏/10a였고, 혼파는 헤어리베치 13.5 ㎏/10a, 호밀이 3.5 ㎏/10a였다. 칼륨(K 2 O) 공급량은 단파의 경우 헤어리베치가 10.2 ㎏/10a, 호밀이 11.8 ㎏/10a였고, 혼파는 헤어리베치가 4.1 ㎏/10a, 호밀이 5.2 ㎏/10a였다. 토마토 시설재배지에서 녹비작물의 토양환원 시 CaO 공급량은 단파의 경우 헤어리베치가 6.6 ㎏/10a, 호밀이 3.8 ㎏/10a였고, 혼파는 헤어리베치가 2.8 ㎏/10a, 호밀이 2.0 ㎏/10a였다. 또한 MgO 공급량은 단파의 경우 헤어리베치가 1.5 ㎏/10a, 호밀이 3.1 ㎏/10a였고, 혼파의 경우 헤어리베치가 1.6 ㎏/10a, 호밀이 3.2 ㎏/10a였다( Table 6 ). 지금까지 몇 몇 연구자들은 양분공급에 있어서 녹비작물 종류, 예취높이 및 녹비작물 혼파비율이 중요한 영향을 미친다고 보고한 바 있다( Jeon ., 2011 , 2012 ). 본 연구에서도 헤어리베치와 호밀의 예취높이 및 혼파비율을 설정한다면 양분공급효과는 증대될 수 있을 것으로 판단되며, 과잉으로 공급되는 K와 같은 성분들을 감소할 수 있을 것으로 판단된다.
Nutrient contribution of green manure crop in tomato continuous cultivation
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zHV; Hairy vetch.
- 녹비 토양환원 전・후 화학적 특성
토마토 시설재배지에서 녹비작물의 토양 환원 전・후 토양의 pH 및 EC는 녹비작물을 토양에 환원한 후 모든 처리에서 약간씩 감소하는 경향을 보였으며, 특히 호밀을 토양에 환원한 처리구에서 가장 낮았다( Table 7 ). 토양의 EC는 염류가 집적되기 쉬운 시설재배지에서 대체로 높은 경향을 보이기 때문에 뿌리에서 토양수 이용률을 저하시키고( Bernstein, 1975 ), 이온의 불균형과 과다 이온의 존재에 의한 이온 독성 발현과 타 유효 이온의 흡수를 저해하여 작물의 생육장해를 유발할 수 있다고 보고된바 있는데( Chang and Drenge, 1955 ; Cho ., 2006 ), 토마토 시설재배지의 연작장해 경감을 위해 헤어리베치 및 호밀과 같은 녹비작물의 시용이 토양의 EC를 경감시킬 수 있는 방안이라 판단된다. 또한 유기물의 함량은 녹비작물 단파 및 혼파 처리구가 처리전 토양(대조구)에 비해 약간 증가하는 경향이었으며, 녹비작물 처리구별 유기물 함량의 증가량은 혼파처리(0.7 g/㎏) > 호밀 (0.5 g/㎏) > 헤어리베치 (0.2 g/㎏) 순이었다. T-N 함량은 녹비를 토양에 환원한 후 모든 녹비 처리구가 처리 전 토양(대조구)에 비해 증가하는 경향을 보였다( Table 7 ). 녹비작물 중에서 두과 녹비는 공중질소를 고정하는 능력이 있어 토양에 환원시킨 후에 분해속도가 화본과 녹비에 비해 질소함량이 증가한다고 알려져 있다( Sung ., 2008 , Jeon ., 2011 ). 본 연구에서도 두과인 헤어리베치가 화본과인 호밀보다도 질소 함 량이 높게 나타났다. 또한 토마토 시설재배지에서 녹비작물의 토양 환원 전・후 토양의 양이온 함량 및 무기성분 함량은 Table 8 과 같다. 양이온 중 K의 함량은 호밀이 포함된 처리구의 경우는 약간 증가하는 경향이었고, 헤어리베치는 감소하는 경향이었다. 무기성분 함량은 전반적으로 녹비작물 처리 전(대조구)에 비해 약간 증가하는 경향이었다.
Chemical properties in soil before/ after incorporation of green manure crop
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zHV; Hairy vetch.
Exchangeable cation properties in soil before / after incorporation of green manure crop
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zHV; Hairy vetch.
- 후작물(토마토) 생육특성 및 토마토 시들음 병원균의 조사
각 녹비작물의 토양 환원 후, 토마토 생육특성을 조사한 결과 Table 9 와 같다. 녹비작물 처리는 대조에 비해서는 우수한 생육을 보였으나, 관행처리와는 비슷한 생육을 보였다. 이와 같이 녹비작물의 시용만으로도 토마토의 생육에 일정부분 양분공급이 가능할 것으로 판단되며, 화학비료와 적절히 혼합 한다면 토마토의 높은 생산성과 화학비료의 절감효과를 동시에 만족할 수 있을 것으로 사료된다. 녹비작물의 토양환원 후에 토마토 시들음 병원균의 변화를 조사한 결과는 Table 10 과 같다. 단파의 헤어리베치구와 호밀구에서 처리 전 시들음 병원균의 밀도는 각각 3.1 × 10 5 CFU/g과 3.7 × 10 5 CFU/g이었으나 녹비작물을 혼입한 후, 그 밀도는 각각 2.6 × 10 4 CFU/g와 2.9 × 10 4 CFU/g으로 현저하게 감소하는 경향을 보였다. 또한 혼파처리에서도 유사한 결과을 얻었다. 따라서 녹비작물이 토양에 혼입되어 알레로파시 역할을 통해 균의 밀도를 현저하게 감소시킨다고 하였다( Nam ., 2007 ; Lee ., 2008 ; Yang ., 2011 ., Lee ., 2013 ).
Growth characteristics of tomato
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zHV; Hairy vetch.
Change ofPseudomonas corrugatadensity in soil before/ after incorporation of green manure crop
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*30days after incorporation of green manure crop, Pseudomonas corrugata density of 20 ㎝ depth soil *Colony numbers in selected medium for Pseudomonas corrugata zHV; Hairy vetch.
Acknowledgements
이 논문은 농촌진흥청의 연구비 지원(PJ007358)에 의해 이루어진 결과로 이에 감사드립니다.
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2010 농림수산식품 주요통계 1 - 592