PREDICTION OF NITRATE LEACHING FROM CORNFIELDS AND THE DEVELOPMENT OF RECOMMENDATION MODEL FOR NITROGEN FERTILIZER

金源一 전남대학교 2003 국내박사

This experiment was conducted to predict nitrate leaching from cornfields and to develop a new optimal nitrogen fertilizer recommendation model in cornfields using an Expert System. Changes of soil water content, root distribution, and nitrate concentrations at the 7 different soil types and 2 tillage systems on commercial central Illinois farms were monitored for 3 years from 1992 to 1994. Soil water content and root distribution were analyzed by neutron scattering technique and minirhizotron technique, respectively. A simple computer-based simulation model to predict soil water movement and nitrate leaching in Illinois cornfields with STELLA II program was developed using the soil water and N balance sheets considering annual input and output from the cornfields. This model was verified with the above monitoring data. Finally, Expert System methodology for decision making in N fertilizer recommendations (NES Nitrogen Expert System) to Illinois cornfields was applied to minimize the environmental pollution such as nitrate leaching, to maximize the recovery rate of nitrogen and finally to increase the availability of nitrogen fertilizer. NES was verified with nitrogen fertilizer application experiment data collected from 5 Illinois state experimental stations and 19 Illinois commercial farms. With these results, the considerable amount of nitrogen loss was expected from the current nitrogen recommendation to Illinois cornfields due to an excessive amount and improper period of nitrogen fertilizer application. Therefore, new NES model considering productivity index, soil organic matter content and pre-sidedress nitrate level, may contribute to the reduction of environmental pollution from Illinois cornfields. 본 실험은 옥수수포장에서 용탈되는 질산태질소의 양을 예측하고 전문가체계를 이용한 새로운 질소비료의 적정시비량을 추천하는 모델을 개발하기 위하여 수행되었다. 미국 일리노이 중부지방의 7개 토성과 2개의 경운 방법에 따른 토양수분의 이동, 뿌리 분포 및 질산태질소 함량에 대한 변화를 1992년부터 1994년까지 3년동안 모니터링하였다. 토양수분 함량과 뿌리분포는 각각 중성자 수분측정기와 minirhizotron법에 의해 측정하였다. 또한, 토양수분과 질소의 연간 유입, 유출량 등 수지균형을 이용한 STELLA 컴퓨터 모델 프로그램에 의한 옥수수 포장에서의 토양수분 이동 및 질산태질소 용탈을 예측하였고, 모니터링 자료를 이용하여 모델을 검증하였다. 마지막으로, 용탈 등 질소유실을 최소화하고 회수율을 최대화하여 질소비료의 유효도를 향상시키기 위한 적정 질소시비 추천량 산정 프로그램 개발에 컴퓨터 전문가체계인 Smart Element를 이용하여 옥수수 포장에서의 질소비료 시용량 결정 NES(Nitrogen Expert System)모델을 개발하였고, 이를 5개 일리노이 농사시험장과 19개 농가시험장 옥수수포장의 질소시비량 시험으로서 검증하였다. 따라서, 현행 일리노이의 옥수수포장에 대한 질소 시비량 수준은 부적절한 시비량 결정방법과 시비시기 등에 의한 손실이 예상되며, 생산성지수, 토양중 유기물 함량과 시비전 질산태질소 함량을 고려하여 새로 개발한 옥수수 포장에서의 질소질비료의 시비량 결정이 질소에 의한 환경오염을 저감시키는데 기여하리라 사료된다. 제1장 일리노이 중부지방 옥수수포장 근권에서의 수분과 질산태질소 이동에 대한 토성과 경운의 영향 토양수분과 질산태 질소의 이동에 대한 토양 특성과 경운의 영향을 구명하기 위하여 1992년부터 1994년까지 3년 동안 일리노이 중부지방의 몇 개 토양통이 다른 옥수수 포장에서 토양 수분과 질산태 질소의 함량을 조사하였다. 경작 기간중의 무경운과 경운된 포장에서 30cm 간격으로 깊이 150cm 까지 Neutron Scattering 기술에 의하여 수분함량을 측정하였다. 토양 경작층에서의 수분함량은 경운이나 강우에 의해 수분함량의 영향을 받은 반면 심토에서는 토성에 의해 영향을 받았다. 토양 수분은 점토 함량이 상대적으로 낮은 Saybrook통이나 Catlin통에서 점토 함량이 높아 수분 보유능이 높은 Drummer통, Flanagan통, 및 Ipava통보다 빠르게 이동하였다. 이들 Drummer통, Flanagan통, 및 Ipava통의 높은 유기물 함량은 수분 보유능을 증가시키는 또 다른 이유가 될 수 있다. 또한 옥수수 경작층에서의 수분함량은 경운 포장에서 무경운 포장보다 높았다. 질산태질소의 함량은 토양통에 의한 유의적인 차이는 없었으나, 무경운 포장에서 경운 포장에 비하여 약간 높게 나타났다. 이는 무경운에 의한 질산태질소의 지하수로의 용탈 감소를 의미한다. 제2장 토양수분함량 변화에 따른 옥수수 뿌리분포의 변화 또한 옥수수 뿌리 성장에 미치는 토양통과 경운의 영향을 구명하기 위하여 3년동안 일리노이 중부지방의 및 개 토양통이 다른 옥수수 포장에서 뿌리 분포를 관찰하였다. 무경운과 경운된 포장에서 깊이 75cm 까지 Minirhizotron 기술에 의하여 Video로 촬영을 한 후 뿌리 분포를 관찰하였다. 토양 경작층의 뿌리 분포는 생육 초기 증가하였고, 이후 늦은 여름에는 수분이 고갈되면서 감소하였다. 본 실험에서 뿌리 분포가 토양통에 따라 차이는 보이지 않았으나 토양통에 따른 뿌리분포의 차이는 토양의 유효수분 저장용량에 따라 차이를 보였다. 토양의 투수 속도가 빠른 무경운에서의 뿌리분포가 경운에서의 분포보다 많았다. 생육기간 중 심토 층에서의 옥수수 뿌리는 경운포장보다 전 작물의 뿌리통로를 이용하여 생장하는 무경운 초장에서 2∼3주 일찍 관찰되었다. 결론적으로, 옥수수 뿌리 분포는 30cm 까지의 표토층에서는 토양통보다는 경운에 의한 영향이 크다. 제3장 토양수분과 질소수지계산에 의한 일리노이 옥수수포장에서의 질산태질소 예측모델 단순1차원 STELLA 모델이 토양수분과 질소수지계산에 의해 일리노이 옥수수 포장의 질소용 탈을 예측하기 위하여 개발되었다. 이는 옥수수포장이라는 한정된 생태계 안에서의 물과 질소의 년간 유입량과 유출량을 산정하는데 물의 유입에는 강우량과 유출에는 유거, 증발산 및 배수량이 계산되었다. 질소의 유입량은 질소비료, 강우 및 여러 유기급원에서의 분해에 의한 공급량이 계산되었고 유출량은 식물에 의한 흡수, 유거수 및 용탈, 탈질 등을 포함한다. 모델에는 일일강우량과 증산량 등 2개의 기상자료가 이용되었고, 질소의 형태 변환에 관련된 질소의 무기화, 고정화, 질산태 질소화 및 탈질화의 전환상수들이 토양의 다양한 물리화학성을 고려하여 일차식으로 계산되어 이용되었다. 모델의 결과는 토층에 따른 토양수분 및 질소화합물의 일일 변화량과 손실량이 산출된다. 모델에 의한 물수지는 강우가 많았던 1993년은 늘어난 반면 강우가 적었던 1992년과 1994년에는 줄어들었다. 또한 유기물과 점토가 많은 토양에서 수분의 유출량이 적었다. 질소수지는 1993년 용탈과 유거에 의해 손실이 많았으며 강우가 적었던 1994년 탈질에 의한 손실이 많음을 보였다. 모델에 의한 토양 수분함량은 표준편차를 고려한 측정치와 토양통에 따라 22∼78%, 토층에 따라 30∼70%의 일치를 보였고, 이러한 불일치는 토양수분과 질소화합물의 확산 등 수평적 이동, 다른 형태의 질소 손실, 뿌리의 분포, 영농 형태 및 토양의 여러 특성들이 고려되지 않은 1차원 모델이기 때문이라 사료된다. 제4장 NES 모델 개발 : 질소비료 적정 시용에 대한 전문가체계 일리노이 옥수수 포장에서 질소비료의 적정 시용량 결정에는 작물 수량의 극대화와 더불어 질소손실의 최소화가 고려되어야 하고 이를 대하여 질소전문가체계(NES)가 개발되었다. NES는 전문가의 지식과 사고의 결정과정을 컴퓨터체계로 전환하는 Smart Element program에 의해 만들어졌다. NES는 현재 일리노이 옥수수포장에서 사용중인 생산성지수(PI)와 토양중 유기물함량(SOM) 및 시비 전질산태질소 함량(PSNT)의 요인을 고려하여 시비수준을 결정하였는데 각각의 수준에 따라 49개의 rule 등을 사용하였다. NES는 시스템상에서 성공적으로 작동되었으며 3개의 토양특성(PI, SOM, PSNT)을 입력하여 적정 시비량을 결정하였다. 모델에 대한 검증이 계속될 것이다. NES는 다른 시비량 결정 방법에 비해 환경에 대해 질소의 유입을 현저히 줄일 수 있었다. 제5장 일리노이주의 옥수수 포장에서 질소질 비료의 적정시용에 대한 전문가체계의 검증 제4장에서 개발한 질소질 비료의 적정시비량 산정을 위한 전문가체계 모델인 NES를 일리노이주 옥수수 포장에 적용하여 검증하였다. 본 검증에는 Howard 박사와 5개의 일리노이주 농업 시험장에서 수행한 옥수수에 대한 질소질 비료의 시용 결과를 각각 이용하였고, 현행 일리노이주 옥수수 포장의 질소시비추천량, Hoeft 추천량, 이론적 최대이익 산출추천량 및 NES 추천량 각각의 추천기준에 대한 예상수량, 질소회수율 및 질소유실량을 산정 비교하였다. 생산성 지표(PI), 토양 유기물함량(SOM) 및 시비전 질산태질소 함량 등 3개의 토양특성을 고려한 NES의 추천량이 타 추천량에 비해 가장 적었으며, 이에 따른 질소의 회수율도 가장 높았다. 그러나, 수익면에 있어서는 NES 추천량이 이론적 최대이익 산출추천량에 미치지 못하였다.

Effect of nitrogen fertilization on carbon accumulation by Miscanthus × giganteus in both above and below ground

박연호 서울대학교 대학원 2018 국내석사

Miscanthus is known for its high biomass yield and carbon accumulation, with requirement of relatively low nitrogen fertilizer. Little effort has been made to investigate the effects of nitrogen fertilizer on biomass yield and carbon accumulation. Therefore, this study was conducted to investigate the effects of nitrogen fertilization on biomass yield and carbon accumulation in the above- and below-ground parts of M. × giganteus. Miscanthus plants were cultivated under different fertilizations, 0, 30, 60, 120, and 240 kg N ha-1 year-1, for 6 years. Above-ground biomass yield were assessed every year at harvest in early March. Below-ground biomass including rhizomes and roots was harvested and assessed in the 6th year, when above-ground biomass debris was also assessed. Soil was sampled in the 6th year and total carbon content in soil was analyzed. Cumulative above-ground biomass increased with increasing nitrogen fertilizer level with significant differences between non-fertilized treatment and fertilized treatments. Below-ground biomass also increased with increasing nitrogen fertilizer level up to 60 kg N ha-1 year-1, and thereafter decreased with increasing nitrogen fertilizer level. However, no significant increase in soil total carbon (TC) was observed with nitrogen fertilizer level. In total, carbon accumulated in both above- and below-ground parts of miscanthus for 6 years increased with nitrogen fertilization although soil total carbon was not significantly increased by nitrogen fertilization. Linear regression analysis between nitrogen fertilization and carbon accumulation by miscanthus revealed that miscanthus could accumulate 27.23 t ha-1 annually even at no nitrogen fertilization. Carbon accumulation per unit nitrogen fertilization was estimated to be 0.021 t carbon ha-1 per kg N ha-1.

강원지역에서 트리티케일의 파종시기, 파종량 및 질소시비량이 종자생산성에 미치는 영향

하수성 연세대학교 대학원 2018 국내석사

Hoeng-seong region is the largest Korean cattle-breading farm in Gangwon province, but it depends on other regional breeding forms in the forage production and utility to breed korean native cattle. These make a very large the burden of livestock farmers' production costs, such as transportation restrictions due to the increase in shipping costs and wasting diseases. Therefore Hoeng-seong region need to establish a self-sufficiency system capable of producing and supplying forage by researching survey of feed crops in accordance with the local climate and characteristics, by broadening the area for forage production. Rye is representative winter forage cultivated crop in the Gang-won province. Nevertheless, Most of Hoeng-seong livestock farmers cultivate corn for feed crop, because corn has a higher preference for livestock compared to rye. Therefore, this study was investigated that the effect of proper seeding date, seeding rate and nitrogen fertilization level on seed productivity of 'Joseong', complemented the advantages and disadvantages of rye, a triticale cultivar (X Triticosecale Wittmack ). Also, this study proposed to self-establishment of seed production and forage self-sufficiency system in the Gangwon area. These experiments were conducted on September 2015 to July 2017 in experimental field of Masanri, Hoengseong-gun. We evaluated that the growth characteristics, quantitative component and seed productivity of 'Joseong', a triticale cultivar based seeding date, from January to July 2017. Also, we evaluated the growth characteristics, quantitative component and seed productivity according to seeding rate and nitrogen fertilizer. These results showed that triticales were damaged by cold injury in October 2015, but no damaged in 2016. In the autumn sowing timing related to modulate that triticale flood season, blooming season, and maturing season. The earlier autumn sowing timing showed that triticale's flood season, blooming season, and maturing season were early. On the other hand, our results showed no significant changes in plant height, culm length, panicle length of triticale. We analyzed that the number of grain and Kernel weight. The test port on 30th October 2015 showed heaviest and highest compared to other test port in 2015. Also, the test port on 30th Setember 2016 showed heaviest and highest compared to other test port in 2016. Our study showed that 1,000-kernel weight was heaviest on 10th October for the two year, but liter weight was not significant changes between sowing date. Grain yield showed no significant in 2015, but the test port on 10th October was highest in 2016. The difference of seeding rate and nitrogen fertilization level showed no significant changes in flood season, blooming season, and maturing season in all test port on October 16, April 20, May 5, and June 10. Our results showed no significant changes in plant height and culm length. The panicle length was decreased by seeding rate, but it was no significant. The number of culm and panicle increased at 150 kg/ha seeding rate, but these results showed no significant changes. Also, The number of culm and panicle decreased at 180 kg/ha seeding rate, but these results showed no significant changes. Moreover, seeding rate and nitrogen fertilization level interactions were not effective on the growth characteristics. The number of grain was the highest at the test port combined 150kg/ha seeding rate with 90 kg/ha nitrogen fertilizer level and Kernel weight was the highest at the test port combined 120 kg/ha seeding rate with 90 kg/ha nitrogen fertilizer level. Liter weight and 1000-kernel weight were heaviest 120 kg/ha seeding rate with 60 kg/ha nitrogen fertilizer level, In case of Grain yield it was the highest at the test port combined 120~150 kg/ha seeding rate with 60 kg/ha nitrogen fertilizer level, The effect of the Triticale 'Joseong' on the nitrogen fertilization level was more effective than that of the seeding rate. We demonstrated that proper seeding date for forage self-sufficiency system on October 10, and appropriate seeding rate and nitrogen fertilizer level were 120~150 kg/ha and 60 kg/ha in Yeongseo region in Gangwon province. 횡성 지역은 강원도내 최대 한우 사육지역이다. 하지만 한우를 사육하기 위한 조사료 생산과 이용에 있어서 타 지역 의존적 사육형태를 가지고 있어, 운송비 증가와 소모성 질병 발생으로 인한 운송제한 등 축산농가의 생산비 부담이 매우 큰편이다. 따라서 조사료 생산지역을 광역화하여, 지역 기후와 특징에 맞는 사료작물들을 연구 및 조사하여 조사료 생산과 공급이 가능한 자급화 체계로의 확립이 필요하다. 강원지역에서 대표적으로 재배하는 겨울철 사료작물은 호밀이 있지만, 낮은 가축 기호성으로 한우를 키우는 횡성 축산 농가들은 여름철 사료작물인 옥수수 재배에 치중하고 있다. 따라서 본 실험은 호밀의 장점과 단점을 보완한 트리티케일 국내 육성 품종인 ‘조성’의 적합한 파종시기, 파종량 및 질소 시비수준이 종자생산성에 미치는 영향에 대한 연구를 통하여 강원 영서지역에 채종 재배의 적합성을 평가 및 조사료 자급화를 달성하고자 하였다. 본 실험은 횡성읍 마산리 소재 시험포장에서 2015년 9월부터 2017년 7월까지까지 트리티케일 ‘조성’ 품종의 파종시기에 따른 생육특성과 수량구성요소 및 종실수량을 평가하였고, 2016년 10월부터 2017년 7월까지 파종량과 질소시비수준에 따른 생육특성과 수량구성요소 및 종실수량을 평가하였다. 실험 결과 트리티케일 파종시기간 조기파종인 2015년 9월 30일, 10월 10일 파종에는 한해가 있었으나 2016년의 경우 한해가 없었다. 그리고 가을철 파종시기가 빠를수록 출수기, 개화기, 성숙기가 빨랐으나 파종시기에 따른 트리티케일의 초장, 간장, 수장의 큰 변화는 없었다. 1수영화수와 1수립중은 한해가 있었던 2015년 추파 트리티케일에서는 10월 30일 파종구가, 2016년 추파 트리티케일에서는 9월 30일 파종구가 가장 많고 무거웠다. 그리고 천립중은 2년 모두 10월 10일 파종구가 가장 무거웠지만 리터중은 유의차가 없었다. 종실수량의 경우 2015년 추파 트리티케일에서는 파종시기간 유의차가 나타나지 않았지만, 2016년 추파트리티케일에서는 10월 10일 파종구가 가장 많은 수량을 나타내었다. 파종량과 질소시비수준간 트리티케일의 출현시기(10월 16일), 출수시기(4월 20일), 개화시기(5월 5일), 성숙시기(6월 10일)는 모든 파종구에서 동일 하였다. 그리고 초장, 간장의 경우 유의차가 없었고, 수장은 파종량이 많을수록 길이가 짧아지는 경향을 보였지만 유의차는 없었다. 경수와 수수는 파종량 150 kg/ha에서는 증가하였으나 180 kg/ha에서는 감소하였고, 유의차는 없었으며 생육특성들 모두 파종량과 질소시비수준 상호작용의 효과가 없었다. 1수영화수는 파종량 150 kg/ha, 질소시비수준 90 kg/ha 파종구가 유의차가 나타났고, 1수립중은 파종량 120 kg/ha, 질소시비수준 90 kg/ha 파종구가 유의차가 나타났다. 리터중과 천립중은 파종량 120 kg/ha, 질소시비수준 60 kg/ha 파종구가 유의차가 나타났다. 종실수량의 경우 파종량 120~150 kg/ha, 질소시비수준 60 kg/ha 파종구에서 가장 많았으며, 횡성에서 트리티케일 ‘조성’ 초종의 경우 파종량에 비해 질소시비수준 차이에 효과가 나타났다. 이상의 결과로 강원 영서지역 조사료 자급화룰 위해 추파 트리티케일 적정 파종시기는 10월 10일이며, 적정 파종량과 시비량은 각각 120~150 kg/ha, 60 kg/ha이 적합하였다

몽골 반건조지에서 질소 시비가 백양나무 묘목의 생장 및 생리적 특성에 미치는 영향 연구

장한나 고려대학교 대학원 2016 국내석사

This study was conducted to investigate the optimal amount and type of nitrogen fertilizers for successful afforestation in the desertification area of Mongolia. 2-year-old Populus sibirica seedlings were planted in May, 2015 with applications of urea 5g (N1), 15g (N2), 30g (N3) and ammonium sulfate 33g (NS; same nitrogen amount with N2) to each seedling. Soil nitrogen concentration, measured 3 weeks after the fertilization, was higher in nitrogen treatments compared to the control, and increased as the amount of urea increased. Growth rate (%) of root collar diameter was significantly higher in NS (14.99) only. We speculated that the ammonia toxicity from urea restricted the plant growth in alkaline soils. The high growth rate in NS was due to the decline of soil pH by ammonium sulfate which decrease the ammonia toxicity. Growth rate of height did not differ among treatments. This might be related to the fact that trees focus their growth more on diameter than on height in arid environments. Leaf area and dry weight in nitrogen treatments were not significantly different from the control (10.29cm2, 0.08g). SLA showed no significant differences among treatments. Leaf area and SLA generally increased by nitrogen fertilization. However, the photosynthetic products may be allocated more to roots than to leaves. Chlorophyll contents were significantly different among treatments in August, but not in June and July. The low chlorophyll contents in August may be affected by senescence of leaf. In June and July, net photosynthetic rate was higher in NS and N2 than in the control. Unlike the tendency of photosynthesis, transpiration rate (mmol m-2 s-1) was highest in N2 (2.79), but lower in NS (1.89) than in any other nitrogen treatments. The growth rate of root collar diameter significantly increased in NS only, because the water loss caused by transpiration might have limited the plant growth. According to the results of this study, ammonium sulfate seemed to be more suitable fertilizer than urea for early growth of seedlings in the desertification area of Mongolia. However, as the effects of urea and ammonium sulfate on soils and seedlings were different, further studies would be necessary to determine optimal amount of ammonium sulfate. 본 연구는 몽골 사막화 지역에서 성공적인 조림을 위하여 적정 시비량 및 비료를 선정하고자 수행되었다. 2015년 5월, 2년생 백양나무 묘목을 식재하고 처리구별로 묘목 당 요소 5g (N1), 15g (N2), 30g (N3) 및 N2와 같은 질소량인 황산암모늄 33g (NS) 등을 시비하였다. 시비 후 3주가 경과한 시점의 토양 질소 농도는 대조구보다 질소 처리구에서 높았으며 시비량이 증가할수록 증가하였다. 묘목의 근원경 생장률(%)은 NS 처리구에서만(14.99) 대조구(10.42)보다 유의하게 높았다. 알칼리 토양에서 질소 시비에 의하여 묘목의 생장을 제한하는 암모니아 독성이 발생할 수 있는데, 요소 시비로 발생한 암모니아 독성이 생장에 영향을 미친 것으로 보인다. 반면, NS 처리구에서 생장이 증가한 것은 황산암모늄이 토양 pH를 낮춰 암모니아 독성이 감소했기 때문으로 판단된다. 묘목의 수고 생장률은 처리구간 유의한 차이를 보이지 않았는데, 이는 건조한 환경에서 수목의 생장이 수고생장보다 직경생장에 집중되기 때문으로 판단된다. 질소 시비에 따른 엽면적 및 건중량은 처리구 간 유의성을 보였으나, 대조구(10.29cm2, 0.08g)와 각 질소 처리구 간에는 유의한 차이가 없었다. SLA (Specific Leaf Area)는 처리구 간 유의한 차이를 보이지 않았다. 일반적으로 질소 시비는 엽면적 및 SLA을 증가시키나, 본 연구에서 시비는 식재 당년에 수행된 것으로 광합성 산물이 잎보다 활착을 위해 뿌리 등에 주로 분배되는 것과 관련이 있을 것으로 사료된다. 잎의 엽록소 함량은 6월과 7월에 처리구 간 유의한 차이를 보이지 않았으나, 8월에는 처리구 간 차이를 보였다. 그리고 모든 처리구의 엽록소 함량은 6월과 7월에 비하여 8월에 낮게 나타났는데, 이는 잎의 노화에 의한 것으로 판단된다. 6월과 7월의 순광합성률은 N2와 NS 처리구에서 높게 나타났다. 6월의 증산 속도는 순광합성률의 경향과 달리 N2 처리구에서만 2.79mmol m-2 s-1로 높게 나타났다. 건조지에서 증산은 수분 손실을 야기하여 생장을 제한하므로 NS 처리구에서만 생장이 증가한 것으로 보인다. 본 연구 결과에 따르면 묘목의 초기 생육 증진을 위하여 몽골 사막화 지역에서 요소보다 황산암모늄을 시비하는 것이 더 적합한 것으로 보인다. 요소와 황산암모늄 시비가 토양 및 묘목에 미치는 영향이 다르므로 몽골에서 황산암모늄의 적정 시비량 산정을 위한 추가 연구가 필요한 것으로 사료된다.

Effects of Pre-harvest Sprouting and Nitrogen Fertilization on Morphological and Physicochemical Properties of Floury Rice Powder and Starch : 수발아와 질소시비량에 따른 쌀가루 가공용 벼 품종별 전분의 이화학적 특성 비교 분석

한채민 경북대학교 대학원 2021 국내박사

본 연구의 목적은 쌀가루 가공용 벼의 안정적인 생산을 위해 PHS(Pre harvest sprouting: 수발아) 가 발생한 쌀가루 가공용 쌀의 영양학적, 전분의 이화학적 특성을 확인하여 향후 쌀 가공산업에 기여할 원료소재의 가능성을 제시하고 쌀가루 가공용 벼의 낮은 수량을 보완하고자 미질에 영향을 미치지 않는 질소처리 수준을 확립하여 쌀가루 가공용 쌀의 최대 안정생산성에 기여하고자 하는 것이다. PHS는 수확 전 발아하는 현상으로 이는 쌀 수확량을 크게 감소시키고 쌀 품질을 저하시켜 상당한 경제적 손실을 초래하는 생리장애 요인이다. 특히 가루용 품종의 전분구조 특성상 PHS에 취약한데 가공용 쌀 원료곡 생산 안정성에 영향을 미쳐 농가에 막대한 피해를 준다. 본 연구에서는 성숙단계에서 PHS가 발생한 포장에서 수확한 종실 중 수발아된 시료를 선별 후 재료로 사용하여 실제 포장검정에 따른 결과로 현장 실증 연구의 의의가 크다. Part1에서는 PHS가 발생한 분질미의 영양학적, 이화학적 특성 분석을 통해 저품질 재료로서 폐기가 아닌 다른 용도로 활용될 수 있는 소재로써 잠정적 가능성을 밝히고자 하였다. 배유의 영양성분 분석결과에서 PHS 영향으로 전분의 분해로 인한 당 함량이 증가하고 지방산 조성에서 palmitic acid, 특히oleic acid, linoleic acid가 크게 증가하였는데 이는 영양학적으로 발아현미의 지질 대사물 분석결과와 비슷하였다. 이화학적 특성에서는 PHS 영향으로 쌀가루 입자크기가 작아지고 이로 인해 명도값과 손상전분 함량은 증가하였는데 SEM분석에서도 전분표면에 미세 기공과 홈이 증가된 것을 확인하였다. 아밀로스 함량 감소는 전분 입자 내 물의 이동을 어렵게 만들어 호화시 가열 과정에서 열전달을 어렵게 하였고 호화과정 중 Pasting temperature와 Gelatinization temperature (Tp) 그리고 Gelatinization entalphy를 증가시켰는데 이는 빵을 만들 때 부피 팽창을 조절에 부정적인 영향을 끼칠 것으로 판단된다. 이 같은 특성은 열에 대한 저항성을 나타내는 지표인 Breakdown viscosity 의 증가에서 다시 한번 확인하였다. 그러나 호화점도특성에서는 Peak viscosity, Trough viscosity, Final viscosity값들이 모두 높았는데 이는 PHS 영향으로 전분 표면의 미세 다공 구조가 수분흡수 후 팽윤과정에서 점도용출에 유리한 작용을 하였을 것으로 판단된다. 일반적으로 아밀로펙틴의 단쇄사슬이 많으면 호화될 때 경도가 낮아져 부착성이 높고 노화도가 떨어지는 특성을 나타낸다. 본 연구에서 PHS 영향으로 아밀로펙틴 단쇄 사슬 (DP6-12) 비율이 감소하였는데 실제 제품의 특성에 노화특성에 영향이 있을 것으로 판단된다. 전분의 상대적 결정화도, 전분 표면의 결정화도의 지표인1047/1022cm-1비율의 감소는 PHS 영향에 따른 손상된 전분 구조의 변화로 판단된다. Part 2에서는 쌀가루 가공용 품종의 최대생산 및 안정성 확립을 위한 질소시비량 구명으로 유망 가공용 품종인 신길과 가루미2호를 각각 도복과 병해충, 품종별 특징을 고려하여 신길은 18 (N18), 21 (N21), 24 (N24), 27 (N27)Kg/10a, 가루미2호는 9 (N9), 12 (N12), 15 (N15), 18 (N18)Kg/10a 조건으로 재배하여 쌀의 영양학적 이화학적 분석을 하였다. 두 품종 모두 질소시비 수준의 증가에 따라 단백질이 증가하는 경향을 보였다. 영양학적 구성성분은 가루미 2호는 질소 시비수준에 따라 일정한 경향으로 수분, 조단백질, 조지방, 아미노산 17종 함량이 증가, 탄수화물 함량은 감소하였으며 신길은 출수 후 등숙 초기에 고온장해로 일정한 경향을 보이지 못했다. 전자코 분석에서는 종실특성별로 연질미와 분질미의 방향성분 패턴차이로 두 품종이 명확히 구분이 되었고 신길보다 가루미 2호가 분질특성으로 질소 시비수준에 따라 방향성분이 더 검출이 되었다. 손상전분, 가용/저항전분은 두 품종 모두 질소 시비수준에 따라 전체적으로 감소하는 경향을 보였으나 질소 시비수준에 따른 단백질 함량 증가로 인해 상대적으로 쌀에 포함된 전분함량이 감소하였기 때문이라 판단된다. 이러한 배경에도 불구하고 신길의 N27조건에서는 손상도가 증가하여 건식제분시 전분입자의 호화특성에 영향을 미칠수 있음을 보였는데 호화특성에서는 신길이 질소 시비수준에 따라 알칼리 붕괴도가 증가했고, 호화개시온도가 증가하였다. 특히, 냉각 후 점도가 상승하는 정도를 나타내는 setback viscosity값이 증가하였는데 이는 질소 시비수준에 따라 노화에 대한 안정성이 약해지는 것으로 판단된다. 가루미2호는 질소 시비수준에 따라 알칼리 붕괴도, 점도, 호화온도에서는 경향이 없고 엔탈피는 증가하였는데 제시한 시비수준처리는 호화특성에 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 아밀로펙틴 사슬 길이 분석에서는 질소시비처리가 증가할수록 단쇄 (DP6-12)비율이 적어지는 경향을 나타냈는데 특히, 신길이 변이의 폭이 더 컸다. 이는 가루미보다 신길이 질소 시비수준에 따라 경도가 높아지는 정도가 크고 노화에 더 영향을 줄 수있음을 다시 한번 확인하였다. 그러나 이는 연질미의 일반적인 특징이라고 보기에는 어려우며 초다수 통일계가 질소 시비흡수능력이 일반 벼와 달라 미질측면에서는 다소 아쉬운 측면이 있다. 상대적 결정화도 분석에서는 상대적으로 질소 시비수준이 높은 구간에서 증가하였는데 이는 전분의 무정형 영역에 많이 존재하고 있는 아밀로스 함량이 감소하여 상대적으로 결정성이 증가한 것으로 보인다. 그러나 전분 표면의 결정성과는 일치하지 않아 추후 전분 내부와 외부의 결정성영역에 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다. 이러한 결과를 종합적으로 봤을 때 본 연구는 쌀가루 가공용 벼 품종 이화학특성의 비교분석뿐만이 아니라PHS가 발생한 쌀의 지방산함량과 호화점도가 높아진 특징을 발견하여 점도특성을 이용한 관련 소재의 가능성을 제시하였고 쌀가루용 벼의 최대생산성을 높이기 위하여 미질에 영향을 미치지 않는 질소시비수준을 확립하였다. 이 같은 결과는 특수미 가공용 생산 농가와 쌀 가공업체에 유용한 정보 제공은 물론 가공 식품 산업에서 가공용 쌀 소재의 다양화 및 개발에 크게 기여한다고 판단된다. This study aims to determine the nutritional characteristics of floury rice varieties for processing that had pre-harvest sprouting (PHS) and the physicochemical characteristics of their starches that can help guarantee the stable production of floury rice for processing. Additionally, we intend to present their potential as a new raw material in the future rice-processing industry by establishing the N fertilization level that does not affect the grain quality, which will help increase the production of floury rice varieties for processing and contribute to the maximum stable productivity. PHS can significantly reduce rice yields, negatively affecting palatability and leading to significant economic losses. Notably, floury varieties tend to be vulnerable to PHS, which hurts stable production and negatively affects farm households. This study is meaningful as a field test and evidence-based study that provides results from physicochemical analyses after harvesting the seeds with PHS from paddy field—the rice samples were not artificially treated to have PHS. In Part I, we intended to prove the potential of floury rice products with PHS as a food material by characterizing them nutritionally and physicochemically since they are currently discarded. The nutritional analysis of the endosperm revealed that the decomposition of starch due to PHS resulted in an increase in sugar content and—of fatty acid composition—a significant increase in palmitic acid, specifically in oleic acid and linoleic acid, which makes it nutritionally similar to the results from the lipid metabolites analysis of germinated brown rice. PHS reduced the rice particle size in terms of physicochemical properties, resulting in an increase in the brightness value (L* value) and the content of damaged starch; the number of minuscule pores and grooves on the starch surface were witnessed to have increased in the SEM analysis. The translocation of water into starch particles became challenged by the reduced amylose content, which hindered heat transfer during the heating of gelatinization, increasing the peak temperature of gelatinization and the enthalpy of gelatinization. In the end, these characteristics are regarded as impeding the volume expansion for bread baking. The above findings were also confirmed by the increased breakdown viscosity, an index that reflects the resistance against heat transfer. By contrast, pasting properties were high such as peak viscosity, trough viscosity, and final viscosity values, possibly because the surface structure of starch with fine and numerous pores due to PHS may have benefitted viscosity dissolution during the swelling process after moisture absorption. The abundance of amylopectin short-chains was related to the tendency of high bonding and reduced deterioration properties. In this study, the amylopectin short-chain length (DP6-12) ratio was seen to have been reduced by PHS. We speculate that PHS should also influence the products’ deterioration. The relative crystallinity of starch and the crystallinity of starch surface (1,047/1,022 cm-1), was seen to have reduced, which is regarded as a structural change in the damaged starches affected by PHS. Next, we intended to establish the N fertilization rate to maximize the productivity and stability of floury rice varieties and conducted nutritional and physicochemical analyses of rice after cultivation tests under different fertilization levels, i.e., 18 kg/10 a (N18), 21 kg/10 a (N21), 24 Kg/10 a (N24), and 27 kg/10 a (N27) for Shingil; and 9 kg/10 a (N9), 12 kg/10 a (N12), 15 kg/10 a (N15), and 18 kg/10a (N18) for Garumi 2. We considered the lodging, pests, and variety-dependent characteristics of Shingil and Garumi 2. In both varieties, protein content increased in proportion with the N fertilization levels, while amylose content showed a slight decrease for the last fertilization level. The nutrition components in Garumi 2 revealed constant patterns across different N fertilization levels, i.e., the moisture content, crude protein, crude fat, and 17 kinds of amino acid contents increased but the carbohydrate content decreased. In contrast, Shingil did not show a constant tendency during the early ripening stage due to the damage from high temperatures. Electronic nose analysis clearly distinguished the two varieties by showing the different patterns of aroma components in soft rice and floury rice. Additionally, more aromatic components were detected in Garumi 2 than in Shingil for N fertilization levels due to its floury properties. Damaged starch analysis and digestible/resistant starch analysis revealed an overall decreasing trend for increasing N levels for both varieties, possibly due to the properties of rice sample, i.e., its relative decrease in starch from the increased protein content according to N fertilization. Nevertheless, the level of damage increased in Shingil under the N27 level, which shows that it can affect the gelatinization characteristics of starch particles during dry-milling. The gelatinization characteristics included increased destruction by alkaline conditions and increased onset temperature of gelatinization that depended on N fertilization. Specifically, the setback viscosity value, an index reflecting the increase in viscosity after refrigeration, was shown to have increased, which indicates that the stability against aging and deterioration may be relatively low for the N fertilization levels. There was no apparent trend with Garumi 2 according to N fertilization levels in terms of the degree of alkali destruction, viscosity value, or gelatinization temperature even though the enthalpy values were shown to have increased, suggesting that the N fertilization levels have a limited effect on the gelatinization properties. Analyzing the amylopectin chain length showed a decreased short-chain (DP6-12) ratio with increasing N levels; the difference was more significant in Shingil. Thus, we confirmed that Shingil would experience a greater increase in hardening and a more significant deterioration for N fertilization level compared to Garumi 2. The relative crystallinity was shown to increase by higher levels of N fertilization due to the reduced amylose content that exists primarily in amorphous starches. However, this was not consistent with the crystallinity on the starch surface, warranting an additional study about the determinants that are both internal and external for the starches. In summary, this study compared the physicochemical properties of floury rice varieties, confirmed that the fatty acid content and gelatinization viscosity were increased in rice with PHS, and proved its potential as a novel material for food and industrial products requiring high viscosity property. Based on our findings, we established the N fertilization level that does not affect the grain quality to maximize the productivity of floury rice varieties. We believe that our findings would benefit farm households growing specialty rice for processing and the rice processing industry with valuable data and information, contributing to the diverse application of novel rice materials in the industrial sector.

영서지역에서 귀리의 파종량과 질소시비량이 종자생산성 및 사료가치에 미치는 영향

주송탁 연세대학교 대학원 2017 국내석사

Hoengseong area in Gangwon province is known as the largest breeding ground for Korean native cattle, however most of farmers are depending on import from the other regions. Forage production is most concentrated in Jeolla province, and there is a cost problem on transportation and moreover, an embargo on the imported of forages especially when an animal disease such as mad cow or foot-and-mouth disease periods. Therefore, it is crucial to establish the forage production suitably for the regional self - sufficiency among climate zones. For this purpose, it is easy for farmers to purchase feed crop seeds, and technical and scientific researches on the establishment of forage production systems are needed. Therefore, we aim to achieve feed self - sufficiency by studying the seeding rate and nitrogen fertilization suitable for Gangwon area for the production of forage crop seed. This experiment evaluated the growth characteristics, seed productivity and feed value of straw in oats (Avena sativa L.) based on seeding rate and nitrogen fertilizer in the experimental field of Masanri, Hoengseong-gun, Gangwon Province from March 10, 2016 to July 2016. Experimental results Heading days and days of maturity in all the oats were treated equally both for each 74 days and 12 days. Seed yields of oats were the highest at 100 kg/ha seedling plot among 100, 130, and 160 kg/ha seeding rate, and were the highest at 50 kg N/ha fertilizer level among 0, 30, 50, and 70 kg N/ha fertilizer level. The maximum seed yield was 5041.5 kg/ha in the plot combined 100 kg seeding rate with 50 kg/ha nitrogen fertilizer level, and showed about 39% higher than the lowest plot combined 130 kg seeding rate with 70 kg/ha nitrogen fertilizer level. CP yield was the highest at the plot combined 160 kg seeding rate with 70 kg N/ha nitrogen fertilizer level. The maximum CP yield was 0.82 ton/ha in the plot combined 160 kg seeding rate with 50 kg/ha nitrogen fertilizer level, and showed about 70% higher than the lowest plot combined 130 kg seeding rate with control nitrogen fertilizer level. The maximum TDN yield was 5.97 ton/ha in the plot combined 160 kg seeding rate with 50 kg/ha nitrogen fertilizer level, and showed about 28% higher than the lowest plot combined 130 kg seeding rate with 30 kg nitrogen fertilizer level. The maximum ME yield was 83833.67 MJ/ha in the plot combined 160 kg seeding rate with 70 kg/ha nitrogen fertilizer level, and showed about 30% higher than the lowest plot combined 130 kg seeding rate with 30 kg nitrogen fertilizer level. The maximum KME was 3.50 head/ha/yr in the plot combined 160 kg seeding rate with 50 kg/ha nitrogen fertilizer level, and showed about 30% higher than the lowest plot combined 130 kg seeding rate with 30 kg nitrogen fertilizer level. (KCP+KTDN)/2 was the highest at the plot combined 160 kg seeding rate with 50 kg N/ha nitrogen fertilizer level. The maximum (KCP+KTDN)/2 was 3.87 head/ha/yr in the plot combined 160 kg seeding rate with 50 kg/ha nitrogen fertilizer level, and showed about 38% higher than the lowest plot combined 130 kg seeding rate with 30 kg nitrogen fertilizer level. Therefore, the recommended seeding rate for seed production is 100 kg/ha combined with 70 kg N/ha in Gangwon area. On the other hand for the production of forage using straw optimum seeding rate of 160 kg/ha and 50 kg N/ha are recommended. 강원도의 횡성지역은 한우 최대 사육지임에도 불구하고 조사료 생산은 거의 이루어지지 않아 타 지역 의존적 사육형태를 나타내고 있다. 조사료 생산은 전라도로 편중되어 있어, 운송비에 대한 비용 및 광우병, 구제역과 같은 동물성 질병 발생 시 조사료의 이동이 불가능한 문제점 등이 야기되고 있다. 따라서 조사료 생산지역을 광역화하여 권역별 기후대에 적합한 조사료 생산과 공급이 가능한 자급화 체계로의 확립이 필요하다. 이를 위해서는 축산 농가들이 사료작물 종자 구입이 용이하며, 조사료 생산체계 확립에 대한 기술적, 과학적 연구가 필요하다. 따라서 우선적으로 사료작물 종자 생산을 위한 영서지역에 적합한 파종량과 질소시비에 대한 연구를 통해 조사료 자급화를 달성하고자 한다. 본 실험은 2016년 3월 10일 파종일로부터 2016년 7월 수확일까지 강원도 횡성군 횡성읍 마산리 소재 시험포장에서 파종량과 질소시비량을 기준으로 귀리(Avena sativa L.)의 생육특성과 종자생산성 및 straw의 사료가치를 평가하였다. 실험 결과, 모든 처리에서 귀리의 출수일수 및 성숙일수는 각 74 일, 12 일로 모두 동일하게 나타났다. 귀리의 종실수량은 파종량 100, 130, 160 kg/ha 중 100 kg/ha 파종구에서, 질소시비량 0, 30, 50, 70 kg N/ha 중 50 kg N/ha 시비구가 평균적으로 가장 높은 결과를 나타내었다. 그 중 파종량 100 kg, 질소시비량 50 kg/ha 조합처리구에서 최대 종실수량 5041.5 kg/ha을 보여 가장 낮은 종실수량인 파종량 130 kg, 질소시비량 70 kg/ha 처리구보다 약 39% 이상의 증수를 나타내었다. 조단백질 수량은 160 kg/ha 파종구, 70 kg N/ha 시비구에서 평균적으로 가장 높은 결과를 나타내었다. 그 중 파종량 160 kg, 질소시비량 50 kg 조합처리구에서 0.82 ton/ha를 보여 가장 낮은 수준인 파종량 130 kg, 질소 무시비 처리구보다 약 70% 이상의 증수를 나타내었다. TDN수량은 파종량 160 kg 파종구에서, 질소시비량 50 kg 조합처리구에서 5.97 ton/ha로 가장 높은 수준을 보였는데, 이는 가장 낮은 수준을 보인 파종량 130 kg, 질소시비량 30 kg 조합처리구보다 약 28% 높은 수량을 나타내었다. ME수량은 파종량 160 kg, 질소시비량 70 kg 조합처리구에서 가장 높은 결과를 보였으며, 가장 낮은 수준을 보인 파종량 130 kg, 질소시비량 30 kg 조합처리구보다 약 30% 많은 83833.67 MJ/ha로 가장 높은 생산성을 보였다. 대사에너지(ME)에 의한 가축사육능력 KME값은 파종량 160 kg, 질소시비량 50 kg 조합처리구에서 3.50 두/ha/yr로 가장 낮은 수준을 보인 파종량 130kg, 질소시비량 30 kg 조합처리구보다 약 30% 이상 높은 결과를 나타내었다. 가축사육능력 KCP 와 KTDN 의 평균값은 160 kg 파종구에서 가장 높았으며, 50 kg N/ha 시비구에서 평균적으로 가장 높은 결과를 나타내었다. 그 중 파종량 160 kg, 질소시비량 50 kg 조합처리구에서 3.87 두/ha/yr를 보여 가장 낮은 수준인 파종량 130 kg, 질소 30 kg 조합처리구보다 약 38% 이상 높은 수준을 나타내었다. 이상의 결과로 볼 때 강원 횡성지역 내 귀리 채종 재배를 위한 적정 파종량은 100 kg/ha, 적정 질소시비량은 70 kg N/ha 조합이 적합 할 것으로 판단된다. 한편 straw를 이용한 조사료 생산에 적정한 파종량은 160 kg/ha, 적정 질소시비량은 50 kg N/ha가 적합 할 것으로 나타났다.

窒素 追肥가 大豆의 生育에 미치는 影響

성택경 경북대학교 농업개발대학원 1995 국내석사

大豆의 窒素肥科 및 燐酸의 施肥가 根瘤形成能 및 植物體 成長에 미치는 影響을 調査하기 위하여 圃場試驗한 結果는 다음과 같다. 두品種 공히 窒素施肥 35日후 植物體의 重量은 각각 2.3배, 2.1배 程度 增加 趨勢를 보이나 根瘤의 무게는 오히려 減少하였다. 燐酸 單一 施肥時는 生體重量은 다소 增加하였으나 根瘤의 重量은 각각 1.8배, 3.6배의 增加하였고, CDU 單一 施肥時에는 각각 2.2배, 1.8배의 重量 增加를 보였으며 根瘤의 重量은 각각 0.9배, 0.8배로 減少하였다. 開花期에 追肥를 實施 하였을 때에는 植物의 生體重量은 거의 增加를 보이지 않았으나 根瘤의 重量은 각각 1.5배, 1.1배 增加하였다. 꼬투리 形成期에 追肥를 하였을때 根瘤의 重量은 은하는 1.3배 增加하였으나 만리는 오히려 0.6배 減少 하였다. 그러나 燐酸 單一 施肥區에 1次 追肥를 하였을 때 植物體의 生體重量은 각각 1.8배, 1.5 增加하였고 根瘤의 重量은 0.8배, 0.5배로 減少하였다. 施肥를 하였을 때 植物體中의 總窒素 및 燐酸의 吸收量은 75日째 까지는 점차 증가하다가 이후 약간 減少하였다. 꼬투리의 形成比率은 CDU施肥區에서 가장 높은 比率을 보였으며 窒素의 施肥時 은하와 만리는 각각 45%, 36% 정도 이었으며 燐酸 單一 施肥時 각각 41%, 57%이었다. 種子中의 蛋白質의 含量은 窒素의 施肥時 약간 增加하였으나 脂肪의 含量은 다소 減少하는 傾向으로 窒素施肥時 서로 負의 相關을 보였다. This study was carried out to research the effect of nitrogen -fertilizer additional application at flowering and pod forming stage on growth and nodule forming activity of soybean cv. eunhakong and manlikong in field experiment. The results obtained were as follows; Nitrogen application increassed 2.3 and 2.1 times in the plant growth of two soybean varieties eunhakong and manlikong, respectively whereas nitrogen application decreased in the fresh weight of nodules. Fresh weight of soybean plants gradually increased with application of phosphorus fertilizer and that of nodules increased 1.8, 3.6 times respectively, and increased in growth with CDU fertilizer 2.2 and 1.8 times respectively, but fresh weight of nodules decreased. With additional fertilizer application at flowering stage, the growth of soybean plant was similar to that of nitrogen application only, but nodule weight of soybean plant increased 1.5 and 1.1 times, respectively. With additional fertilizer application at pod forming stage, fresh weight of soybean plant was similar to that of nitrogen application only, but the weight of nodules of eunhakong increased 1.3 times, whereas that of manlikong decreased 0.6 times. Content of total nitrogen and phosphorus with fertilizer application slightly increased in leaf and stem. Pod forming ratio of soybean plants was most with CDU fertilizer application, and that of eunhakong and manlikong with nitrogen application was 45%, 36%, respectively, whereas that of with phophorus application was 41%, 51%, respectively. In protein content among additional fertilizer application, additional fertilizer application resulted in slightly increase but protein content had negative correlation with crude fat.

The Economics of nitrogen fertilizer production in China's small-scale plants as illuminated by the experience of guangdong province

Boykin, Richard Alfriend University of Maryland College Park 1988 해외박사

품종 및 질소 시비량이 벼 종실의 단백질 함량과 조성에 미치는 영향

김진웅 전북대학교 대학원 2011 국내석사

Rice proteins are nutritional, hypoallergenic, and healthy for human consumption. Protein is one of the most important factors affecting eating and processing qualities of rice. Therefore, we examined effects of cultivar and amount of nitrogen (N) fertilizer on the content and composition of proteins in rice grains. Rice cultivars used in this study were cvs. Hopumbyeo, Baekok-chalbyeo, Baeksul-chalbyeo, Bosuk-chalbyeo, Dongjin-chalbyeo, Haepyung-chalbyeo, Hwasun-chalbyeo, Jinbu-chalbyeo, and Sangjoo-chalbyeo. The amounts of N fertilizer applied were 0, 7, 9, and 13 kg/10a. There was a considerable variation in crude protein contents, ranging from 6.6 to 9.7% and 5.7 to 8.5%, respectively, in brown and milled rice of the nine test cultivars. There was also a significant varietal variation in content of the four protein fractions. The mean contents of albumin, globulin, prolamin, and glutelin fractions of brown rice were 1.79, 0.48, 0.05, and 6.94%, respectively. Those of milled rice were 0.51, 0.31, 0.1, and 8.07%, respectively. Prolamin content was 1.4~2.5 times higher in waxy-rice than in non-waxy rice cultivars. Albumin, globulin, prolamin, and glutelin fractions for brown and milled rice were composed of seven, five, one, and five major bands, respectively, and no cultivar- or tissue-specific variations were apparent in the fractional profiles. With the increased N levels, content of crude protein was gradually increased with concomitant increase in all protein fractions. The ratios of protein fractions were similar in brown and milled rice at all N fertilizer levels. Little differences were observed in the number of major protein bands between brown and milled rice at any N level. These results suggest that N fertilizer causes quantitative but not qualitative changes in major fractions of rice proteins. Increase in the crude protein content and glutelin fraction with increased N fertilization could be beneficial for human nutrition but detrimental for general eating quality of rice.

탄소 및 질소 동위원소를 이용한 상승 이산화탄소 및 온도조건에서 벼의 탄소 고정 및 질소 흡수 특성 구명

남홍식 전남대학교 대학원 2010 국내박사

대기 이산화탄소농도([CO₂])와 기온(Tair)상승은 우리나라 주곡인 벼의 생육 전반에 영향을 줄 것으로 예상되기 때문에 이에 대응한 연구가 필요 하다. 본 연구에서는 상승[CO₂]와 Tair가 벼 전체 또는 각 부위(뿌리,줄기,알곡)의 탄소 고정, 건물중 및 질소 흡수에 미치는 영향을 조사하였다. 본 연구는 논을 대상으로 지구온난화 조건 모의를 위해 구축된 TGCs (temperature gradient chambers (TGCs) with or without CO₂fumigation) 에서 포트 실험으로 수행되었다. 벼(Oryza sativa L. subsp. Japonica, cv. Dongjinbyeo)를 2006~2008년까지 3년 동안 각각 2 수준의 [CO₂] (370~384 ppmv와 622~650 ppmv)와 Tair (25.5~26.1˚C와 27.5~28.1˚C) 의 2×2 조합에 노출시켜 3반복 실험하였다. 탄소고정특성 조사를 위해 2006~2007년 시료에 대해서 탄소함량과 탄소 동 위원소비((13)^C)를 분석하였고, 시비 질소의 흡수 및 체내 분배 특성 조사를 위해 2007~2008년 연구에서는 중 질소 표지 요소를 사용하였다. 2006년과 2007년에 대조구와 비교했을 때 Tair 단독 상승에 의한 벼 전체의 탄소 고정량 변화는 없었지만 [CO₂] 단독 상승에 의해서는 6.7~9.4% 증가하였다. 하지만, Tair와 [CO₂]가 동반 상 승할 경우 대조구에 비해 27.9~35.7% 탄소 고정 량이 증가하였다. 이와 같은 Tair와 [CO₂] 동반상승에 의한 소 고정량 증가는 분얼수 증가에 의한 탄소 source(줄기) 용량 증가 및 고온 불임에 의한 탄소 sink(알곡) 용량감소 에 따른 줄기내 탄수화물 집적에 의한 결과로 판단된다. 한편, 전체 탄소 고정 량에 대한 뿌리의 기여도는 낮았지만, 뿌리 탄소량과 전체 탄소량은 유의성 있는 직선관계를 보였는데, 이는 뿌리 량이 증가함에 따라 지상부 생장에 필요한 양분 흡수가 유리하기 때문이다. 벼 시료의 ((13)^C)를 이용하여 탄소동 위원소비 분할효과(Δ)와 세포내 [CO₂](Ci)를 계산한 결과, 상승 [CO₂]에 의 해 Tair조건에 상관없이 기공전도도는 감소함과 동시에 탄소고정 속도는 증가한 것으로 추정되었다. 이와는 반대 로 상승 Tair에 의한 Δ와 Ci의 변화는 크지 않았지만, [CO₂] 수준별로 경향이 상이하였다. 즉, 정상 [CO₂]에서는 Tair 상승에 의해 탄소고정 속도가 증가하는 경향을 보였으며, 반대로 상승 [CO₂]에서는 Tair 상승에 의해 기공전도도가 증가하는 양상을 나타냈다. 따라서, 본 연구는 [CO₂]와 Tair 변화에 노출된 벼의((13)^C) 를 벼 생육기 전체를 포괄하는 가스교환에 대한 지표로서 활용 가능성을 제시하며, 특히 13C는 Tair 보 다는 [CO₂]에 더 민감함을 보여준다. 2007년과 2008년 조사한 건물중 변화 결과 역시 탄소 고정량과 유사하게 Tair 단독 상승에 의한 변화는 없었지 만, [CO₂] 단독 상승에 의해 벼 전체 건물중이 5.7~14.0% 증가하였다. 또한, Tair와 [CO₂]가 동반 상승할 경 우 알곡의 건물중은 감소하였지만, 뿌리와 줄기 건물중 증가에 의해 총건물중도 2007년 28.0%, 2008년 27.4% 증가하였다. 따라서, 지구온난화 조건에서 적응대책이 수립되지 않을 경우 알곡의 건물중은 감소하는 반면 뿌리와 줄기의 건물중은 증가할 것으로 예상된다. 시비질소 흡수효율(%FUE)도 대조구(2007년 46.5%, 2008년 36.7%)에 비해 Tair와 [CO₂] 동반상승에 의해 2007년 59.6%와 2008년 43.8%로 증가하였다. 2008년에 비해 2007 년의 %FUE가 높은 것은 2007년에 사용한 토양의 질소 유효도가 낮아서 시비 질소에 대한 의존도가 높았기 때문으로 판단된다. 따라서, 상승 [CO₂]를 동반한 지구온난화 조건에서는 건물중과 %FNU 모두 증가하였기 때문에, 현재 의 건물중 확보를 목표로 할 경우 시비량을 감소시킬 수 있는 것으로 판단된다. 하지만, 본 연구에서는 각 시비 시기별 다양한 시비 수준의 영향을 조사하지 않았기 때문에 관련 연구를 통해 감비가 가능한 시기와수준 에 대한 명확한 기준 설정이 필요하다. Projected increases in the atmospheric CO₂ concentration ([CO₂]) and air temperature (Tair) are expected to change overall aspects of rice growth. In this study, interactive effects of elevated [CO₂] and Tair on C gain, dry matter yield, and N uptake of whole rice and each rice part (root, shoot, and grain) were investigated by performing pot experiments in six natural sunlit temperature gradient chambers (TGCs) with or without CO2 fumigation. Rice (Oryza sativa L. subsp. Japonica, cv. Dongjinbyeo) plants were grown for three growing seasons (2006, 2007, and 2008) in TGCs under two levels of [CO₂] (ambient and elevated; 380 and 622 ppmV in 2006, 384 and 649 ppmV in 2007, and 370 and 650 ppmv in 2008, respectively) and two daily Tair regimes (ambient and elevated; 25.5 and 27.5˚C in 2006, 25.7 and 27.8˚C in 2007, and 26.1 and 28.1˚C in 2008, respectively) in split-plot design with triplication. To investigate C gain characteristics of rice, C isotope compositions (¹³C/¹²C, expressed as δ¹³C) were analyzed with the samples collected in 2006 and 2007. To estimate uptake efficiency and intra-plant portioning of applied fertilizer N, 15N-urea (5.0 15N atom %) was used in 2007 and 2008. Therefore, in the first part of this thesis, C gain characteristics were reported using the data from 2006 and 2007; and N uptake characteristics were addressed in the second part based on the observation in 2007 and 2008. Across the two years (2006 and 2007), elevation of Tair alone did not cause any significant change in C gain by whole rice as compared with the ambient conditions; meanwhile, elevation of [CO₂] alone tended to increase whole C gain by 6.7 to 9.4% as compared with the ambient. However, when both [CO₂] and Tair were co-elevated, the percent increments of whole C gain relative to the ambient [CO₂] and Tair was 35.7 and 27.9% in 2006 and 2007, respectively. The present data in combination with the published suggested that such increase of whole C gain was achieved mostly by accumulation of shoot C due both to increased C source capacity (shoot) and to inhibition of carbohydrates translocation from shoot to grain caused by reduced C sink capacity (grain). Meanwhile, root C gain was linearly correlated with whole C gain in spite of its lower contribution to whole C, and thus such relationship suggests that increased root biomass is critical to enhance whole C gain of rice. Carbon isotope discrimination (Δ) and intercellular [CO₂] (Ci) which were calculated with C isotope ratio (δ(13)^C) data showed that elevation of [CO₂] reduced stomatal conductance but increased carboxylation rate probably due to elevated Ci regardless of Tair regime. Meanwhile, changes in Δ induced by elevation of Tair were less significant; however, warming-induced increases in carboxylation rate under ambient [CO₂] and in stomatal conductance under elevated [CO₂] seemed to be possible. Therefore, this study shows the potential use of δ13C as time-integrating surrogate of gas exchange in studying C gain characteristics of rice in response to changing [CO₂] and Tair with greater usefulness for [CO₂] effect. In 2007 and 2008, elevation of Tair alone did not cause any change in DMY of whole rice, but elevation of [CO₂] increased whole DMY by 5.7% in 2007 and by 14.0% in 2007 mostly via increased DMY of root and grain but shoot. The greatest DMY was achieved when both [CO₂] and Tair (by 28.0% in 2007 and 27.4% in 2008) were co-elevated largely by increased DMY of root and shoot but grain (its DMY was decreased compared with ambient conditions). Therefore, decrease of grain yield but increase in root and shoot are expected under the projected global warming with concomitant increases in [CO₂] if other adaptation countermeasures are not employed. The %FUE was also higher when both [CO₂] and Tair were elevated; it increased from 46.5 to 59.6% in 2007 and from 36.7 to 43.8% in 2008 by co-elevation of [CO₂] and Tair. The higher %FUE in 2007 was attributed to the lower N availability of soil used in 2007. Therefore, better fertilizer uptake efficiency is expected under global warming with elevation of [CO₂] particularly when the soil N availability is low. As both DMY and %FUE increased by co-elevation of [CO₂] and Tair, it may be possible to reduce N fertilization rate in order to maintain the current DMY of whole rice by 27% from 11.0 g N m^(-2)to about 8.0 g N m^(-2). However, follow-up studies with different rates of fertilizer N in each rice growth stage are required to decide rice growth stage at which N fertilization rate can be reduced or should not.