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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.54 No.2 pp.15-23
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2020.54.2.15

Effects of Additional Nitrogen Application and Harvest Time to Ratooning Sorghum × Sudangrass for Bio-ethanol Production

Gam-Gon Kim1, Won-Sang Park1, Na-Young Choi1, Young-Hyun Jeong1, Sam-Churl Kim2, Young-Ho Joo1, Chae-In Na3*
1Department of Applied Life Science (Insti. of Agri. and Life Sci.), Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
2Department of Animal & biotechnology (Insti. of Agri. and Life Sci.), Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
3Department of Agricultural Plant Science (Insti. of Agri. and Life Sci.), Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
*Corresponding author: Chae-In Na TEL: +82-55-772-1878 FAX: +82-55-772-1879 E-mail: nachaein@gnu.ac.kr
February 18, 2020 March 16, 2020 March 16, 2020

Abstract


The focus of the study was to investigate biomass yield and theoretical ethanol yield affected by summer harvest and following additional N application to the ratooning crop. The field research was conducted for two years (2017 and 2018) with four different levels of N treatments (0, 50, 100, and 150 kg N/ha; 0N, 50N, 100N, and 150N) after summer harvest (DAT, day after summer harvest treatment). Canopy height increased about 3.0-fold from DAT23 to DAT48 in 2017 and increased about 2.9-fold from DAT26 to DAT48 in 2018. There was a significant difference in chlorophyll contents between the control and N treated within a month after fertilizer application. Summer harvests at 61 days after planting in 2017 (8.6Mg/ha) and 83 days after planting in 2018 (11.0Mg/ha), respectively. Biomass yield was 1.4-folds (avg. of 12.3Mg/ha) greater for N treated comparing to control at DAT107 in 2017; hence, 2.5-folds (avg. of 5.6Mg/ha) greater for N treated comparing to control at DAT113 in 2018. Theoretical ethanol potential (TEP) change was only within range of 5% in the different N level and harvest period. Total TEY was 7,944L/ha at DAT107 in 2017 and 7,163L/ha at DAT76 in 2018. The result indicates that to maximize TEY, additional N application is needed which increase biomass yield. Thus, the appropriate N level was 100kg N/ha or above, the harvest of ratooning crop should be performed after two month or later.



수수 × 수단그라스 예취 후 재생과정에서 바이오에탄올 생산에 적절한 수확시기 및 질소시비 수준 연구

김 감곤1, 박 원상1, 정 용현1, 최 나영1, 김 삼철2, 주 영호1, 나 채인3*
1경상대학교 응용생명과학부(농업생명과학연구원)
2경상대학교 축산생명학과(농업생명과학연구원)
3경상대학교 농업식물과학과(농업생명과학연구원)

초록


본 연구는 수수 × 수단그라스 바이오에탄올 생산을 위한 적정 수확 시기 및 수확 후 재생과정에서 요구되는 적정 질소 시비 수준을 파악하기 위해 수행되었다. 포장 실험은 2017부터 2018년까지 실시했으며, 시험구 배치는 난괴법(RCBD)으로 여름 수확 후 질소 추비 수준을 달리하여(0, 50, 100, 150 kg N/ha; 0N, 50N, 100N, 150N) 처리하였다. 재생과정에서 canopy height은 2017년 여름 수확 후(DAT, day after summer harvest treatment) DAT23에서 DAT48로 경과함에 따라 약 3.0배, 2018년 DAT26에서 DAT48로 경과함에 따라 약 2.9배 신장하였다. 엽록소 함량은 재생과정 초기 질소 무처리구와 질소처리구간 유의한 차이가 나타났으나, DAT48 이후 처리 간 차이는 없었다. 여름 수확은 2017년 파종 후 61일 뒤, 2018년 파종 후 83일 뒤 각각 이루어졌으며 건물수량은 8.6Mg/ha, 11.0Mg/ha로 차이를 보였다. 생육시기별 2차 수확의 건물수량은 2017년의 경우 생육이 진전됨에 따라 꾸준히 증가하였으며, 2018년에는 DAT76까지 증가하였다. 2017년 DAT107에서 무처리구(9.0Mg/ha)에 비해 질소 처리구(12.3Mg/ha)에서 1.4배 높았으며, 무처리의 수량이 낮았던 2018년 DAT113에서는 무처리구(2.3Mg/ha)에 비해 질소 처리구 (5.6Mg/ha)로 2.5배 높았다. 수확물의 바이오에탄올 품질을 나타내는 바이오에탄올 수율(TEP)는 생육 후기 cellulose와 hemicellulose 비율 감소로 일부 줄어들었으나, 전체적인 TEP변화는 생육시기 나 추비수준과 관계없이 5% 이내로 큰 차이는 없었다. 총 바이오에탄올 수량(total TEY)은 2017년 DAT107에서 7,944L/ha, 2018년 DAT76에서 7,163L/ha로 추정되었다. 따라서 TEY를 높이려면 수확물의 단위면적당 건물중을 증가시키 는 재배방법이 필요하다. 여름 수확 후 충분한 재생을 위해서 필요한 질소 추비 수준은 100kg N/ha 이상이었으며, 2차 수확은 여름 수확 실시 후 2개월 이상 경과 한 이후 실시해야 한다.



    National Research Foundation of Korea
    NRF-2017R1C1B5016480

    서론

    최근 전 세계적으로 바이오 매스에서 유래된 바이오 연료 생산 에 관심이 높아지고 있다. 수수류는 단위 면적당 연간 생산량이 높아 목질계 바이오 연료 생산에 유리하다(Undersander, 2003). 수수 × 수단그라스(Sorghum × sudangrass, forage sorghum)는 C4작물이며 예취 후 그루터기 생육(ratooning)이 활발한 특징을 가지고 있다(Venuto & Kindiger, 2008). 따라서 수수 × 수단그라스 의 연간 2회 이상 수확 가능한 특성을 활용해 단위 면적당 생산량을 높이는 작부체계 연구가 필요하다(Goff et al., 2010, Shoemaker & Bransby, 2010). 특히 작부체계에서 적절한 예취시기 선정 및 예취 후 재생 능력을 높이는 연구는 필수적이다. 수수 × 수단그라스 시비량에 대한 국내 선행연구에 따르면 적정 질소시비량은 250kg N/ha 이상으로 보고하였고(Jung et al., 2015), 다른 연구 결과에서 는 질소시비 350kg N/ha 처리구에서 가장 수량이 높은 것으로 보고 하였다(Lee et al., 1992). 이러한 결과는 비료시비 방법에 따른 차이로 보인다. 앞서 언급한 국내 선행 시비 연구에는 수수 × 수단 그라스에 총 3번 나누어 시비하는 경우와 예취 전, 후 2번 나누어 시비하는 방식 등이 있었다(Jung et al., 2015;Lee et al, 1992). 이처럼 국내 수수 × 수단그라스 연구는 대부분 여름 수확에 한정된 연구이며, 여름 수확 후 재생에 대한 연구는 부족한 상황이다. 따라 서 국내 수수 × 수단그라스 바이오매스 생산 증대를 위한 여름 수확 시기 및 여름 수확 후 적정 시비량 확립이 필요한 실정이다.

    우리나라 국민 생활 수준이 높아짐에 따른 식습관의 변화로 1인 당 연간 쌀 소비량은 2005년 82.0kg에서 2019년 59.2kg로 감소하 였다(KOSIS, 2019). 국내 벼 재배면적 감소에도 불구하고 벼 생산 성 향상과 소비량 감소 등으로 구조적 공급 과잉이 우려되고 있다. 답전윤환은 농경지를 보다 효율적이고 합리적으로 활용할 수 있는 기술로 양분 이용성 증대, 토양의 통기성 및 투수성 증가 등의 효과 가 있다(Skaggs et al., 1982). 따라서 논을 효과적으로 활용하기 위한 방안으로 목질계 바이오에너지, 사료용 작물 재배 등 비식용 작물을 이용한 적정 작부체계 연구가 필요하다.

    우리나라의 에너지 소비량은 2018년 기준 307Mtoe로 세계 6위 이며, 에너지 소비량이 증가하고 있는 추세이다(Enerdata, 2018). 세계적으로 에너지 소비량 증가에 따라 화석 에너지원 고갈 가능 성, 기후 변화 등에 대비하기 위해 화석연료 대체 에너지원으로 개발하고자 노력하고 있다(Kim et al. 2011, Kim et al. 2013). 현재 바이오에탄올은 수송용 화석연료의 대체 에너지원으로 가치 를 인정받아 생산량이 증가하고 있다(Karuna & Lee, 2007). 국내 에서는 신재생에너지 연료 혼합의무화(RFS)제도를 도입하여 바이 오 연료 이용을 의무화하고 있으며, 바이오에탄올 생산량 또한 2017년에 475,087kt로 꾸준히 증가하고 있다. 바이오에탄올은 총 3세대로 나뉘며 1세대는 유지 및 당질계, 2세대는 목질계 그리고 3세대는 해조류로 구분된다. 1세대 바이오에탄올은 식량자원을 원 료로 사용함에 따라 곡물가 변동 및 식량부족의 사회적 문제를 발생시킬 수 있다(Ko., 2011). 반면 2세대 목질계 바이오에탄올은 대부분 곡물 수확 후 부산물 등으로 생산 가능해 원료수급이 용이 하며, 지속가능한 장점이 있다(Mahlia et al., 2020, Sunde et al., 2011, Wang et al. 2013). 따라서 목질계 바이오에탄올의 중요성 이 세계적으로 높아지고 있으며, 최근 상용화 수준의 목질계 바이 오에탄올 생산 기술이 개발되고 있다. 바이오에탄올 생산 연구에서 는 수확시기를 늦춰 조직 내 섬유질 함량을 높임으로 바이오에탄올 생산을 증진 시킬 수 있다고 보고하였다(Varvel et al., 2008). 한편 다른 연구에서는 최대 수량이 나오는 시기에 수확하여 높은 바이오 에탄올 생산을 할 수 있다고 보고하였다(Lemus et al., 2008). 하지 만 국내 목질계 바이오에탄올 생산성 향상을 위한 작물 재배 연구 는 미흡한 실정이다(Kim et al., 2007). 따라서 바이오에탄올을 생산에 적절한 작부체계 연구가 필요하다. 국내 바이오에탄올 함량 분석 방법은 주로 HPLC를 이용한 측정법이 쓰이고 있다(Bang et. al., 2009, Jeon et al., 2017, Lee, 2008). 하지만 HPLC를 이용한 바이오에탄올 함량분석 과정 방법은 복잡하고 비용적 측면 에서도 비효율적이다. 보다 신속하고 비용적 측면에서 유리한 방법 으로 Goff et al (2010)Liu et al (2014, 2015) 연구에서는 상용화된 조사료 품질 평가방법인 NDF, ADF, ADL 함량을 이용 해 바이오에탄올 잠재수율을 파악하는 방법을 제시하였다.

    따라서 본 연구는 답전윤환에서 적절한 수수 × 수단그라스 예취 시기 및 예취 후 질소시비 수준에 따른 지상부 생육 및 수확량 변화를 파악하고, 바이오에탄올 수량을 파악해 적절한 작부체계를 확립 및 바이오에탄올 수율 추정방법에 대해 제시하고자 한다.

    재료 및 방법

    1. 실험 포장 특성

    본 실험은 경남 진주시 대곡면에 위치한 경상대학교 부속농장 (45°14′35″N 128°09′22″E)에서 2017년에서 2018년도에 걸쳐 실 시하였다. 2017년 시험포장 토양조건은 일반 논토양과 비교하여 pH 7.0과 EC 0.3Ds로 양호했으며, 유기물 함량은 6.8g/kg, 유효 인산 함량은 104.1mg/kg으로 다소 낮았다(Table 1). 치환성 칼륨, 칼슘, 마그네슘함량 또한 평균 논토양에 비해 낮은 함량을 나타냈 다. 2018년의 경우 pH 6.3과 EC 0.2dS로 양호했으며, 유기물 함 량은 7.0g/kg, 유효인산 함량은 104.1mg/kg으로 다소 낮았다. 치 환성 칼륨, 칼슘, 마그네슘 함량 또한 평균 논토양에 비해 낮은 함량을 보였다. 실험기간 중 기상자료는 부속농장 내에 설치된 기 상청 무인자동기상관측장비(automatic weather station) 974호 자 료를 이용하였다(Fig. 1).

    2. 재배 방법 및 시비처리

    파종 전 경운, 기비(100-81-81kg/ha), 로터리를 순차적으로 실시 하였다. 파종은 수수 × 수단그라스 BMR품종인 HoneychewBMR 을 사용했으며, 파종 시기는 2017년 5월 19일 및 2018년 5월 11일 에 실시하였다. 파종량은 30kg/ha 수준으로 조파하였다. 조간거리 를 16cm 간격으로 롤식 인력파종기(AP-2, Agritecno Yazaki, Korea)를 이용하였다. 예취 후 질소시비 수준 및 예취 시기에 따른 생육차이를 파악하기 위해 2017년 파종 후 61일 뒤인 7월 19일과 2018년 파종 후 83일 뒤인 8월 2일에 지상으로부터 15cm 높이로 예취 하여 여름 수확을 실시하였다. 여름 수확 후(DAT, day after summer harvest treatment) 질소 시비 수준에 따른 재생과정에서 생육 및 수량 차이를 보기 위해 질소 시비 수준(0, 50, 100, 150kg N/ha; 0N, 50N, 100N, 150N)을 달리하여 추비하였다. 요소비료 를 이용했으며, 균일한 시비를 위해 휴대용 비료살포기(WE-B, WOLF Garten, Germany)를 사용하였다.

    3. 지상부 생육 및 수확량 조사

    지상부 생육변화를 알아보기 위해 canopy height과 엽록소 함량 을 측정하였다. Canopy height은 2017년(8/11, 9/5, 10/17; DAT23, 48, 90), 2018년(8/28, 9/19, 10/15; DAT26, 48, 74) 각각 3회 측정하였으며, 처리구 당 10개체를 무작위로 선발하여 측정하였다. 엽록소 함량의 경우 2017년(8/11, 9/5, 10/17; DAT23, 48, 90), 2018년(8/28, 9/19, 10/20; DAT26, 48, 79)에 각각 3회 측정하였 으며, 엽록소 함량 측정기(CCM-300, OPTI-Sciences, USA)를 이용 하여 처리구 당 5개체를 무작위로 선발하여 측정하였다. 여름 수확 수량조사는 전체 포장 예취 직전에 실시하였다. 예취 및 추비 후 2차 수확의 수량조사는 2017년(8/10, 9/8, 10/26; DAT21, 48, 107), 2018년(9/12, 10/17, 11/23; DAT41, 76, 113) 각각 3회에 걸쳐 실시하였다. 생체중은 각 처리구당 3m2 면적을 지상으로부터 약 15cm 높이에서 예취한 뒤 매달림저울(hanging scale)을 이용해 측정하였다. 건물률 추정을 위해 약 1kg을 subsampling하여 70℃ 에 순환 열풍건조기에 완전 건조시킨 후 단위 면적당 건물 수량을 산출하였다.

    4. 바이오매스 섬유질 가치 및 바이오 에탄올 분석

    수수 × 수단그라스 바이오매스 품질을 분석하기 위해 건물수량 을 각각 측정한 뒤 완전 건조한 시료를 ANKOM200(ANKOM Technology, NY, USA)를 사용하여 NDF (neutral detergent fiber) 및 ADF (acid detergent fiber) 함량을 분석하였다(Goering & Van Soest, 1970, Na et al., 2014). ADL (acid detergent lignin) 함량은 Daisy Incubator (ANKOM Technology, NY, USA)를 이 용하여 함량을 분석하였다. Cellulose함량과 hemicellulose는 NDF, ADF, ADL을 이용하여 추정하였다; Cellulose % = ADF - ADL, Hemicellulose % = NDF – ADF (Hindrichsen et al., 2006). 수수 × 수단그라스의 바이오에타올 함량을 파악하기 위해 cellulose와 hemicellulose와 함량을 산출 후 바이오 에탄올 수율(Theoretical ethanol potential, TEP; Wallace et al., 2005)을 계산하였다. 이 론적 바이오에탄올 수량(Theoretical ethanol yield, TEY)을 파악 하기 위해 TEP함량과 biomass(Mg/ha)값을 곱하여 다음과 같은 계산식으로 추정하였다;

    • Hexose (H) = [%Cellulose + (%Hemicellulose×0.07)] × 172.82

    • Pentose (P) = [%Hemicellulose×0.93] × 176.87

    • TEP (L/Mg) = [H+P] × 4.17

    • TEY (L/ha) = TEP × Biomass Yield (Mg/ha)

    5. 실험 설계 및 통계 분석

    실험구의 배치는 난괴법(RCBD)으로 4반복하였다. SAS program( Ver. 9.4) PROC MIXED를 이용하여 통계분석을 실시하였 으며, 수확량과 건물률은 일원배치 분산분석(one way ANOVA)을 실시하였다(random factor는 block, fixed factor는 예취 후 질소 처리). 각 시기별 canopy height와 엽록소 함량은 반복측정 분산분 석(Repeated measures ANOVA)를 통해 실시하였다. 통계적 유의 성 검정을 위해 최소 유의차 검정(Least Significant Difference Test, LSD)을 통해 5% 유의수준에서 실시하였다.

    결과 및 고찰

    1. 지상부 생육조사 및 수량

    파종 시기인 5월 평균 기온은 2017년 18.4℃, 2018년 18℃로 진주지역 30년 평균(17.9℃)과 비슷한 양상을 나타냈다. 여름 수확 부터 재생과정인 7월에서 9월까지는 2017, 2018년도 간 차이가 크지 않았다. 한편 수확 후 재생과정에서 생육 후기인 10월 평균 온도는 30년 평균이 14.9℃, 2017년 15.9℃였으나, 2018년도 경 우 평균 13.2℃로 평년 대비 다소 낮았다(Fig. 1).

    식물체 canopy height는 2017년 DAT23에서 DAT48로 경과 함에 따라 73cm에서 217cm로 약 3.0배 신장하였으며, 2018년의 경우 DAT26에서 DAT48로 경과 함에 따라 55cm에서 158cm로 약 2.9배 신장하였다(Fig. 2). 2017년(DAT23), 2018년(DAT26) 모두 생육 초기 질소 시비 수준에 따른 canopy height 차이는 발생 하지 않았으나 DAT48에는 차이가 발생하였다. DAT48 이후의 경우 생육이 진전되고 출수함에 따라 질소처리 수준에 따른 canopy height 차이는 감소하였다. 최대 canopy height는 2017년도 에는 319cm, 2018년도에는 201cm였다.

    엽록소 함량에 있어 2017, 2018년도 모두 생육 초기 질소시비 수준에 따른 차이가 있었다(P-Value < 0.05). 2017년 DAT23에 100N, 150N 수준에서 엽록소 함량이 높았으며 150N수준에서 529mg/m2으로 가장 높았다(Fig. 3). 생육 초기 100N, 150N 처리 구에서 엽록소함량이 증가한 이유는 질소시비에 따른 반응으로 보 인다. 2018년의 경우 DAT26에서는 50N 이상 처리구에서 엽록소 함량이 높았으며, 특히 100N 수준에서 554mg/m2으로 가장 높았 다. 2017, 2018년 모두 DAT48 이후 차이는 없었는데, 이는 생육 진전에 따른 성숙으로 인해 차이가 감소한 것으로 보인다.

    전체 여름 수확량은 2017년 8.6Mg/ha, 2018년 11.0Mg/ha로 상대적으로 파종 후 생육 기간이 긴 2018년에 수확량이 더 높았다 (P-Value<0.05). 여름 수확 후 재생과정에서 지상부 건물중은 2017 년, DAT21(1.3Mg/ha)에서 DAT48(7.0Mg/ha)로 진전됨에 따라 약 5.4배, DAT48에서 DAT107(11.6Mg/ha)로 진전됨에 따라 약 1.7배 각각 증가하였다(Fig. 4). 그리고 생육 초기인 DAT21 및 DAT48에서는 질소 추비 수준에 따른 유의한 차이가 없었으나, 생 육 후기인 DAT107의 경우 무처리구에 비해 100N, 150N에서 유의 한 차이가 나타났다. 특히 150N 처리의 경우 건물중은 무처리구에 비해 1.5배 높은 13.1Mg/ha였다. 2018년에는 DAT41(2.7Mg/ha) 에서 DAT76(5.3Mg/ha)로 진전됨에 따라 건물중이 약 2.0배 증가 하였으나 DAT113(4.9Mg/ha)로 진전됨에 따라 건물중이 약간 감 소하는 경향을 보였다(Fig. 4). 2018년도의 생육 후기 건물중이 감소하는 현상은 여름 수확이 2017년에 대비 늦어짐에 따라 생육 후기의 저온과 하위엽 탈립 및 도복에 의한 것으로 보인다. 2018년 도에는 전 생육기에 걸쳐 질소 추비 수준에 따른 무처리구와 처리 구간의 유의한 차이가 있었는데, 특히 DAT113, 150N 처리구에 서의 건물 수확량은 무처리구에 비해 2.7배 높은 6.1Mg/ha였다. 무처리의 수량이 상대적으로 낮은 2018년도의 경우 질소 추비에 따른 수량증진의 효과가 더 큰 것으로 보인다.

    건물률은 2017, 2018년 모두 생육이 진전됨에 따라 증가하였으 며, 질소 시비 수준에 따른 큰 차이는 없었다. 년도 별 건물률은 2017년 DAT21, 48, 107에서 각각 13.8%, 15.4%, 28.3%로 증가 하였고, 2018년 DAT41, 76, 113에서 각각 12.8%, 21.3%, 27.4% 로 증가하였다(Fig. 5). 재생 과정에서의 건물률 증가는 생육 후기 노화에 의한 탈수 때문으로 보인다.

    2. 바이오매스 품질 및 바이오에탄올 수량

    바이오매스 품질로써 NDF와 ADF는 2017년 여름 수확 후 DAT48 까지 질소처리수준에 따른 차이는 없었으나, DAT107로 경과함에 따라 무처리구에서 NDF 61.22%, ADF 34.61%로 높게 나타났다(Table 2). 2018년도에는 NDF와 ADF는 질소처리 수준 에 따른 차이는 없었으며, 평균적으로 무처리구에서 높은 경향을 보였으며 DAT76에 무처리구에서 61.13%로 가장 높았다(Table 3). 무처리구의 NDF와 ADF가 높은 이유는, 질소 공급이 충분히 이루어지지 않은 환경에 따른 조기 노화로 인해 발생한 것으로 보인다. Cellulose와 hemicellulose는 재생과정에서 작물 생육 후 기에 감소하는 경향을 보였으며, 질소시비 수준에 따른차이는 크게 없었다. 시기별 cellulose 함량 변화는 2017년 DAT21, 48, 107에 서 각각 평균 27.35%, 30.16%, 28.17%이었고, 2018년 DAT41, 76, 113에서 각각 평균 29.73%, 27.25%, 25.24%로 생육 후기 감소하였다(Table 2, 3). Hemicellulose는 2017년 DAT21, 48, 107에서 각각 평균 29.73%, 27.25%, 25.24%이었고, 2018년 DAT41, 76, 113에서 각각 평균 23.96%, 22.55%, 19.84%로 생 육 후기 유의하게 감소하였다(Table 2, 3). 이러한 현상은 생육 후기 줄기 내 단당류 축적으로 cellulose와 hemicellulose의 상대 적 비율이 감소한 것이 그 원인으로 보인다(Na et al., 2016).

    수확한 바이오매스의 품질을 나타내는 지표 중 하나인 바이오에 탄올 수율(Theoretical ethanol potential, TEP)은 생육 후기 평균 2017년 389L/Mg(DAT107), 2018년 334L/Mg(DAT113)으로 가장 낮은 값을 나타냈다. 이러한 현상은 생육 후기 cellulose와 hemicellulose 비율 감소의 영향으로 보인다(Na et al., 2016). 생 육 후기 질소 추비 수준에 따른 TEP의 경우 무처리에서 2017년 418L/Mg, 2018년에 359L/Mg으로 가장 높았다. 이러한 양상은 생육후기 질소부족으로 인한 조기 노화로 NDF와 ADF비율 증가 에 따른 현상으로 보인다(Na et al., 2014). 이론적 바이오에탄올 수량(Theoretical ethanol potential yield, TEY)은 단위면적당 생 산할 수 있는 최대 에탄올 함량을 나타내는 지표이다. 본 연구에서 여름 수확의 TEY는 2017년, 2018년에 각각 3,500L/ha, 5,168L/ha 이었다(Table 2, 3). 여름 수확 후 2차 수확 TEY의 경우 2017년 생육이 진전됨에 따라 DAT21, 48, 107에서 각각 535, 2,935, 4,444L/ha로 증가하였다. 질소 추비 수준에 따른 TEY는 2017년의 경우 100N 이상 처리하였을 때 유의하게 높았으며, 특히 DAT107, 150N 수준에서 4,880L/ha로 가장 높았다. 생육 후기 DAT107에 서는 TEP 감소에도 불구하고 수량 증가에 따라 TEY는 증가하였 다. 2018년 TEY 경우 DAT41, 76, 113에서 각각 1,021, 1,995, 1,605L/ha로 변화하였는데 DAT46에서 DAT76까지는 증가하다가 그 이후 감소하는 양상을 보였다. 질소 추비 수준에 따른 TEY는 2018 년도의 경우 50N 이상 시비하였을 경우 높았으며, 특히 DAT76, 150N 수준에서 2,239L/ha로 가장 높았다. 생육시기에 따른 TEY 차이는 생육 후기 개화 및 생식생장 진전에 따른 하위엽 탈립과 도복으로 건물중이 감소하여 TEY 또한 감소한 것으로 보인다.

    Total TEY(여름 수확 + 2차 수확)는 2017년 DAT21, 48, 107 에서 평균 4,035, 6,435, 7,944L/ha로 증가하였으며(Table 2), 2018년에는 DAT41, 76, 113에서 평균 6,189, 7,163, 6,773L/ha 이었다(Table 3). 2017년과 2018년 total TEY 차이는 크지 않았 으나 2017년 total TEY는 조기에 여름 수확이 이루어져 여름 수확 량은 적었으나, 재생과정 중 적정 온도로 인해 2차 수확량이 상대 적으로 높았다. 반면 여름 수확이 상대적으로 늦추어진 2018년은 생육 기간이 길어짐에 따라 여름 수확량은 증가했으나 재생 과정 후기 저온으로 인해 2차 수확의 수확량이 감소하였다.

    3. 고찰

    본 연구는 수수 × 수단그라스의 예취 후 재생과정에서 바이오에 탄올 생산에 적절한 수확 시기 및 질소 시비 수준을 파악하기 위해 진행되었다. 2017년 파종 후 61일 뒤, 2018년 파종 후 83일 뒤 여름 수확이 각각 이루어졌으며 수량은 각각 8.6, 11.0Mg/ha로 차이를 보였다. 예취 후 재생에 따른 생육시기별 수확량은 2017년 DAT21, 48, 107로 진전됨에 따라 1.3, 8.0, 11.6Mg/ha으로 꾸준히 증가하였으며, 2018년 DAT41, 76, 113로 진전됨에 따라 2.7, 5.3, 4.9Mg/ha로 DAT76까지 증가하였다. 재생과정 중 질소 시비 수준 에 따른 2차 수확량은 2017년 DAT107에서 무처리구(9.0Mg/ha)에 비해 질소 처리구(12.3Mg/ha)에서 1.4배 높았으며, 2018년 DAT113 에서 무처리구(2.3Mg/ha)에 비해 질소 처리구(5.6Mg/ha)로 2.5배 높았다. 이는 상대적으로 재생시 환경조건이 부적절할 경우(2018년) 질소 추비에 따른 수량증진 효과가 더 큰 것을 알 수 있다. 바이오에 탄올 수율(TEP)는 생육 후기 cellulose와 hemicellulose 비율 감소 로 약간 줄었으나, 전체적인 TEP 변화는 생육시기 및 추비수준과 관계없이 5% 이내로 큰 차이는 없었다. 따라서 이론적 바이오에탄 올 수량(TEY)의 증감에 미치는 영향은 수확물의 품질을 나타내는 TEP보다 시비수준이나 수확시기의 영향을 더 받음으로 재배방법 에 있어서 수확량을 늘리는 시비수준과 수확시기 설정이 필요하다. 이를 위해 예취 후 재생을 위한 추비는 필수적이며(Khair., 1999), 본 연구에서 적정 질소 추비 수준은 100kg N/ha 이상이었다. 2차 수확은 예취 후 약 2달 경과 후 실시해야 충분한 수량을 얻을 수 있다. 본 연구를 바탕으로 예취 후 질소시비 수준에 따른 수량변화 의 원인 및 수수 × 수단그라스의 지하부 형태학적 차이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

    감사의 글

    본 논문은 2017년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한 국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. NRF-2017R1C1 B5016480).

    Figure

    JALS-54-2-15_F1.gif

    Monthly average, maximum and minimum air temperatures for 2017, 2018 (from on-site) and 30-year average for Jinju (available at Korea Meteorological Administration, http://www. weather.go.kr). Arrows indicates date for planting and harvest events (summer, 1st, 2nd, 3rd).

    JALS-54-2-15_F2.gif

    Changes in plant canopy height (mean±SE) affected by additional N application at day after treatment (DAT) 23, 48 and 90 in 2017 (A), 26, 48 and 74 in 2018 (B). Values followed by different letters indicate significant differences within a date (LSD, P-value<0.05).

    JALS-54-2-15_F3.gif

    Changes in chorolophyll contents (mean±SE) affected by additional N application at day after treatment (DAT) 23, 48 and 90 in 2017 (A), 26, 48 and 79 in 2018 (B). Values followed by different letters indicate significant differences within a date (LSD, P-value<0.05).

    JALS-54-2-15_F4.gif

    Changes in biomass yield (mean±SE) affected by additional N application at day after treatment (DAT) 21, 48 and 107 in 2017 (A), 41, 76 and 113 in 2018 (B). Values followed by different letters indicate significant differences within a date (LSD, P-value<0.05).

    JALS-54-2-15_F5.gif

    Change in DW to FW ratio (mean±SE) affected by additional N application at day after treatment (DAT) 21, 48 and 107 in 2017 (A), 41, 76 and 113 in 2018 (B). Values followed by different letters indicate significant differences within a date (LSD, P-value<0.05).

    Table

    Soil chemical characteristics of the experimental site

    Sorghum× sudangrass feedstock quality as neutral detergent fiber (NDF), acid detergent fiber (ADF), acid detergent lignin (ADL), cellulose, hemicellulose, theoretical ethanol potential (TEP), theoretical ethanol yield(TEY) and total theoretical ethanol yield by additional each N application at 2017

    Sorghum × sudangrass feedstock quality as neutral detergent fiber (NDF), acid detergent fiber (ADF), acid detergent lignin (ADL), cellulose, hemicellulose, theoretical ethanol potential (TEP), theoretical ethanol yield(TEY) and total theoretical ethanol yield by additional N application at 2018

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