Synergistic effects of vermicompost and phosphate-solubilizing bacteria on wheat growth, phosphorus bioavailability, and soil microbial dynamics in calcareous soils

기술 요약: 석회질 토양 내 밀 재배에 있어서 지렁이 분변토와 인산 가용화균의 시너지 효과

문제 제식
전 세계 육지의 30% 이상을 차지하며 이집트 내 약 6,500만 페단(feddan)에 달하는 석회질 토양은 높은 pH, 높은 탄산칼슘 함량, 그리고 낮은 인(P) 가용성을 특징으로 한다. 이러한 알칼리성 환경에서 인은 불용성 인산칼슘 형태로 침전되는 경향이 있어 작물 생산성을 심각하게 제한한다. 유기물 개량제와 미생물 접종제가 토양 비옥도를 개선할 수 있다는 것은 알려져 있으나, 석회질 조건 하에서 지렁이 분변토와 인산 가용화균(PSB)을 결합했을 때 나타나는 구체적인 시너지 효과가 밀의 성장과 인 생체 이용률에 미치는 영향에 관한 데이터는 부족한 실정이다.

연구 방법론
본 연구는 6반복을 갖춘 난괴법(RCD)을 사용한 온실 포트 실험을 채택하였다. 실험에 사용된 토양은 이집트 보르그 엘 아랍(Borg El Arab)에서 채취한 사양질 석회질 토양으로, 초기 pH는 8.3, 가용 인(P)은 8.3 mg/kg으로 낮았다.

• 처리구: 8가지 처리가 평가되었다:
  1. 대조구 (첨가물 없음).
  2. PSB 단독 접종.
  3. 세 가지 비율의 지렁이 분변토 단독 처리 (10, 15, 20 tons fed⁻¹; 각각 V1, V2, V3로 명명).
  4. 지렁이 분변토 비율과 PSB를 결합한 세 가지 통합 처리 (V1+B, V2+B, V3+B).
• 투입물:
  • 지렁이 분변토: 밀 잔사(residues)와 소의 퇴비를 Eisenia fetida, P. excavatus, Lumbricus rubellus를 사용하여 생산하였다. 이는 19.2%의 유기 탄소와 1.58%의 총 질소(N)를 함유하고 있었다.
  • PSB: 이집트 알렉산드리아의 건강한 밀 근권(rhizosphere)에서 Pikovskaya 배지를 사용하여 분리하였다. 선택된 균주는 약 10⁹ CFU/mL 농도로 배양되었으며, 피트(peat) 기반의 종자 코팅제로 적용되었다.
  • 영양분: 변수 처리구를 제외한 모든 포트에 P (150 mg/kg), K (120 mg/kg) 및 분할 시비된 N (120 mg/kg)을 기초로 투입하여 영양 결핍을 방지하였다.
• 작물: 밀 (Triticum aestivum L., 품종 Giza 171)은 파종 70일 후에 수확되었다.
• 측정 항목: 줄기 및 뿌리 성장(초장, 생중량/건중량, 뿌리 길이, 뿌리털 길이, 표면적), 식물체 내 인 흡수량, 토양 가용 인(Olsen법), 토양 pH, 미생물 생체 탄소, 알칼리성 인산가수분해효소 활성, 미생물 호흡 및 박테리아 수 등을 포함하였다.

주요 결과
연구 결과, 지렁이 분변토와 PSB의 병용 적용이 단독 처리 또는 대조구에 비해 우수한 결과를 나타냈다.

• 식물 성장: V3+B 처리구(지렁이 분변토 20 tons fed⁻¹ + PSB)는 모든 성장 지표를 유의미하게 향상시켰다. 대조구와 비교했을 때, 초장은 21 cm에서 68 cm로, 줄기 생중량은 1.0 g plant⁻¹에서 2.7 g plant⁻¹로, 줄기 건중량은 0.27 g plant⁻¹에서 0.57 g plant⁻¹로 증가하였다.
• 뿌리 구조: 뿌리 발달이 현저히 개선되었다. 뿌리 길이는 3650에서 5100 cm plant⁻¹로 증가하였고, 총 뿌리털 길이는 6.6에서 35.28 mm cm⁻¹ root로 급증하였다. 결합 처리구에서 뿌리 사이의 평균 반거리(r1)가 유의미하게 감소하였는데, 이는 영양분 고갈 영역(depletion zone)이 확장되었음을 의미한다.
• 인 역학:
  • 토양 가용 인: 대조구의 5.4 mg kg⁻¹에서 V3+B 처리구의 25.7 mg kg⁻¹로 증가하였다.
  • 식물체 내 인 흡수량: 0.83에서 4.47 mg P plant⁻¹로 상승하였다.
  • 토양 pH: 결합 처리는 토양 pH를 8.37에서 7.93으로 감소시켰으며, 이는 지렁이 분변토나 PSB 단독 처리보다 더 큰 감소 폭을 보였다.
• 미생물 활성: 통합적 접근 방식은 토양의 생물학적 건강을 크게 증진시켰다. 미생물 생체 탄소는 64.1에서 296.3 mg kg⁻¹로, 알칼리성 인산가수분해효소 활성은 21.8에서 181.5 µg p-NP g⁻¹ h⁻¹로, 미생물 호흡은 0.19에서 1.16 CO₂-C mg g⁻¹ day⁻¹로 증가하였다.
• 상관관계: 식물 성장/인 흡수와 미생물 활성 사이에 강한 양의 상관관계가 관찰되었다 (예: 초장 vs 인 흡수, r = 0.993). 반대로, 토양 pH는 가용 인 및 미생물 생체량과 강한 음의 상관관계를 보였으며, 이는 pH 감소가 인 가용성을 높이는 주요 기전임을 확인시켜 준다.

주요 기여 및 의의
본 논문은 지렁이 분변토와 PSB의 통합 적용이 낮은 인 가용성과 제한된 미생물 활성이라는 이중 과제를 해결하는 강력한 시너지 상호작용을 창출한다고 주장한다.

• 시너지 기전: 저자들은 지렁이 분변토가 PSB의 대사 활동을 자극하는 즉각적으로 사용 가능한 탄소원과 영양분을 제공하여, 유기산 및 인산가수분해효소의 분비를 증가시킨다고 가정한다. 동시에, 지렁이 분변토 분해 과정에서 발생하는 유기산은 토양 pH를 낮추어 인 용해를 더욱 촉진하고 PSB에 더 유리한 환경을 조성한다.
• 지속 가능한 전략: 본 연구는 이러한 통합적 접근 방식이 토양 비옥도와 밀 생산성을 향상시키는 데 효과적이고 지속 가능한 전략이라고 결론짓는다. 이는 화학 비료에 대한 의존도를 낮추면서 토양 미생물 기능을 강화할 수 있는 실행 가능한 경로를 제시한다.
• 한계점: 저자들은 본 연구가 단일 품종과 단일 토양 유형을 대상으로 온실 조건에서 수행되었음을 언급하였다. 그들은 장기적인 효과를 확인하기 위해 다양한 농업 생태 지역에 걸친 현장 검증이 필요함을 강조하였다.

요약하자면, 본 연구는 유기물 개량제(지렁이 분변토)를 특정 미생물 접종제(PSB)와 함께 공동 적용하는 것이 석회질 토양의 제약 조건을 극복하여 밀의 성장을 촉진하고 인의 생체 이용률을 높일 수 있다는 증거를 제공한다.