몽골은 높은 산으로 고립되어 있어 대륙성 기후를 나타내므로, 겨울은 길고 기온이 낮으며 여름은 짧다(Northeast Asian Forest Forum, 2006). 연구 대상지는 몽골 불강(Bulgan) 아이막 라샨(Rashaant) 솜 엘센타사라이(Elsentasarkhai) 지역(47° 19’N, 103°42’E, Fig. 1)으로, 연강수량이 203.4 mm인 반건조지이다(Jung et al., 2014). 연평균 기온은 2.06℃이나, 계절에 따른 변이가 심하여 월평균 기온은 여름에는 36.6℃, 겨울에는 -36.2℃까지 변한다. 토성은 사질 토양이며, 양분이 부족한 알칼리성 토양이다(Jung et al., 2014). 2014년 5월, 연구 대상지에 6 m × 7 m 크기로 12개의 처리구를 조성하였다(Fig. 2a). 2년생 백양나무 묘목과 4년생 비술나무 묘목을 수종별로 6개의 처리구에 각각 30본씩 식재하였다. 처리구간 간격은 2 m로 하여 시비 처리가 중첩되지 않도록 하였고, 묘목 간 간격은 1 m로 하여 5본씩 6열로 배열하였다(Fig. 2b). 시비 처리는 처리구별로 무시비(C)와 본당 요소 5 g(N5), 요소 15 g(N15), 황산암모늄 33 g(NS33), 요소 15 g 및 인산칼륨 10 g(N15+PK10), 요소 30 g(N30) 등으로 하였다. 질소 수준에 따른 변화를 관찰하기 위하여 시비 처리를 3개의 질소 수준으로 구성하였고(질소 저수준: N5, 질소 중수준: N15, NS33, N15+PK10, 질소 고수준: N30), 질소 중수준 내에 요소, 황산암모늄, 요소와 인산칼륨의 혼합 처리를 두어 같은 질소 수준에서 비료 형태에 따른 차이를 알아보고자 하였다. 시비량은 본 지역에서 수행되었던 Jung et al. (2014)의 연구를 바탕으로 산정하였다.

Fig. 1. 
Map of Mongolia (a) and location of the study site in Bulgan province (b).

Fig. 2. 
Experimental treatment (C: control, N5: urea 5 g tree^-1, N15: urea 15 g tree^-1, NS33: ammonium sulfate 33 g tree^-1, N15+PK10: urea 15 g tree^-1 and potassium phosphate 10 g tree^-1, N30: urea 30g tree^-1) (a) and planting layout (b).

묘목의 생존율은 모든 묘목을 대상으로 생장이 완료된 2014년 8월에 조사하였고, 묘목의 근원경은 모든 묘목을 대상으로 동년 5월과 8월에 디지털 캘리퍼(Mitutoyo 700-125)를 이용하여 매번 같은 위치에서 측정하였다. 3개월간의 근원경 생장량을 5월에 측정한 초기 근원경 값으로 나누어 근원경 생장률을 산출하였다.

묘목의 활착이 완료된 2014년 8월에 묘목의 생존율이 20% 이하인 처리구(백양나무: N30, 비술나무: NS33, N15+PK10, N30)를 제외하고, 각 처리구당 임의로 3본의 묘목을 선정하여 잎을 채취하였다. 채취한 잎 시료는 65℃에서 건조한 후 분쇄하였다. 원소분석기(Vario Macro CHN, Elementar Analysensystem GmbH, Germany)를 이용하여 분쇄된 잎의 탄소 및 질소 농도를 분석하고, CN율을 계산하였다.

토양 시료는 동년 8월에 각 처리구당 임의의 3개 지점에서 15 cm 깊이까지 채취하였고, 실내에서 풍건하였다. pH와 전기전도도는 토양과 증류수를 1:1비율로 섞어 pH meter 및 EC meter를 이용하여 측정하였다. 치환성 양이온(Ca²⁺, K⁺, Mg²⁺, Na⁺) 및 유효인산 농도는 MehlichⅡ법으로 추출하여 ICP-OES(Varian, Vista PRO, Australia)로 측정하였다(National Academy of Agriculture Science, 2010).

각 처리구간 질소 시비에 따른 묘목의 근원경 생장률, 잎의 탄소 및 질소 농도와 CN율, 그리고 토양의 화학적 특성 차이는 일원분산분석을 이용하여 검정하였다. 또한 사후검정은 Tukey 검정을 이용하였다. 한편, 본 연구에서는 처리구 반복이 없어 자료 분석에 한계가 있으며, 모든 분석에 SAS 9.3 software(SAS Institute Inc., USA)를 사용하였다.

두 수종의 묘목 생존율은 질소 수준에 따라 유사한 경향을 보였고, 비료 형태에 따라 다른 경향을 보였다(Fig. 3a). 백양나무 묘목의 생존율은 대조구와 N5 처리구에서 93.3%로 가장 높았고, NS33(70.0%) > N15+PK10(63.3%) > N15(53.3%) > N30(20.0%) 등의 순으로 감소하였다. 비술나무 묘목의 생존율은 C(66.7%) > N5(43.3%) > N15(30.0%) > N15+PK10(20.0%) > NS33(16.7%) > N30(0.0%) 등의 순이었다. 질소 중수준인 NS33, N15+PK10, N15 처리구에서 묘목의 생존율은 대조구에 비하여 백양나무의 경우 각각 25%, 32%, 43% 감소하였고, 비술나무의 경우 각각 75%, 70%, 55% 감소하였다. 한편, 수종 간 생존율의 차이는 평균 36.1%로 백양나무보다 비술나무에서 낮았다.

Fig. 3. 
Survival rate (a) and growth rate of root collar diameter (RCD) (b) of Populus sibirica and Ulmus pumila seedlings following fertilization treatments. Symbols of each treatment follow those in Fig. 2. Different letters indicate significant differences between treatments (P<0.05) and error bars indicate one standard error of the mean.

백양나무와 비술나무 묘목의 생존율은 질소 수준이 증가함에 따라 감소하였는데, 이는 질소 시비에 의한 수분 부족 때문인 것으로 판단된다. 질소 시비에 의한 증산량의 증가는 식물의 수분 요구량을 증가시키며(Nielsen and Halvorson, 1991), 건조지에서 질소 시비는 건조에 대한 민감도를 증가시키고, 수분 부족 현상을 일으킨다(Snyman, 2002). 한편, 비료 형태에 따른 묘목의 생존율은 백양나무의 경우 황산암모늄 처리에서, 비술나무의 경우 요소 처리에서 높아 수종별로 다르게 나타났다.

모든 처리구에서 생존율이 감소된 비율은 백양나무보다 비술나무에서 크므로, 비술나무가 더 질소 시비에 민감한 것으로 보인다. 또한 질소 처리구뿐 아니라, 대조구에서도 백양나무보다 비술나무가 낮은 생존율을 보이므로 질소 시비 이외의 다른 환경 요인이 영향을 미쳤을 가능성이 있는 것으로 판단된다. 그러나 비술나무는 건조한 환경, pH 9 이상의 알칼리 토양, 염류 토양 등의 조건에 내성이 있는 건조지 주요 조림 수종이며(Heybroek, 1979), 다른 건조지 연구에서 비술나무의 생존율은 88-100%로(Khamzina et al., 2006) 본 연구와 다른 경향을 보였다.

묘목의 근원경 생장률은 백양나무의 경우 질소 수준과 비료 형태에 따라 차이를 보였으나, 비술나무의 경우에는 차이가 없었다(Fig. 3b). 백양나무 묘목의 근원경 생장률은 N30 처리구에서 대조구와 유의한 차이는 없었으나 6.87%로 가장 낮았고, NS33 처리구에서 29.53%로 대조구보다 유의하게 높았다. N5, N15, N15+PK10 처리구에서 백양나무 묘목의 근원경 생장률은 대조구의 근원경 생장률과 유의한 차이가 없었다. 비술나무의 근원경 생장률은 모든 묘목이 고사한 N30 처리구를 제외하고, 4.08-8.49%의 범위로 대조구와 질소 처리구간 유의한 차이를 보이지 않았다.

질소 고수준인 N30 처리구에서 백양나무 묘목의 생장률 감소는 질소의 과다 시비에 의한 것으로 판단된다. Wu et al.(2008)은 질소 과다 시비가 묘목의 생장을 감소시키며 독성을 일으킨다고 보고하였으며, Song et al.(2010)은 건조 스트레스 하에서 질소의 과다 시비는 뿌리의 생장을 감소시키고, 질소 흡수를 제한한다고 보고하였다. 한편, 비료 형태 중 백양나무의 황산암모늄 처리에서만 묘목의 근원경 생장률이 증가하였으며, 근원경 생장률에 대한 요소와 인산칼륨의 영향은 없었다. 이는 황산암모늄의 황 성분이 묘목의 질소 흡수를 촉진시켰기 때문인 것으로 보인다(Salvagiotti et al., 2009). 또한 황산암모늄은 다른 질소 비료와 달리 알칼리 토양에서 독성을 일으키지 않고, 토양 산성도를 개선하여(Chien et al., 2011) 식생생장에 영향을 미친다.

한편, 본 연구에서 질소 시비는 비술나무의 근원경 생장률에 영향을 미치지 못하였다. 묘목 단계에서 줄기로부터 가지가 분지되지 않고 생장하는 백양나무와 달리 비술나무는 줄기로부터 많은 가지가 분지되면서 생장한다(Shi et al., 2004). 따라서 질소 시비가 비술나무 묘목의 생장에 미치는 영향을 보다 명확히 구명하기 위해서는 근원경 생장률뿐 아니라, 묘목의 생물량 측정이 필요한 것으로 판단된다.

백양나무 잎의 질소 농도 및 CN율은 질소 수준에 따라 처리구간 유의한 차이를 보였으나, 탄소 농도는 유의한 차이를 보이지 않았다(Table 1). 대조구에서 잎의 질소 농도는 1.02%로 가장 낮았고, CN율은 44.42로 가장 높았으며, 질소 저수준인 N5 처리구는 대조구와 잎 질소 농도 및 CN율에서 유의한 차이가 없었다. 질소 중수준인 N15, NS33, N15+PK10 처리구에서 잎의 질소 농도는 각각 2.64%, 1.79%, 1.75%로 대조구에서 잎의 질소 농도보다 높았고, CN율은 각각 17.53, 25.04, 25.98로 대조구에서 CN율보다 낮았다. 한편, 비술나무 잎의 탄소 및 질소 농도와 CN율은 처리구간 유의한 차이를 보이지 않았다(Table 1).

백양나무 잎의 질소 농도 및 CN율의 변화는 묘목의 질소 흡수에 의한 것으로 판단된다. 질소 저수준은 백양나무 잎의 질소 농도를 증가시키기에 적은 시비량이었던 것으로 보이며, 질소 중수준은 백양나무 잎의 질소 농도를 증가시켰다. 반면, 비술나무는 백양나무와 달리 질소 저수준뿐 아니라, 질소 중수준에서도 질소 시비에 의한 잎의 질소 농도 증가가 나타나지 않았는데, 이는 질소 시비가 뿌리의 길이와 세근의 양을 감소시키므로(Wu et al., 2008) 질소 흡수율이 저하되었기 때문으로 보인다. 비술나무는 백양나무보다 질소 시비에 민감하게 반응하였으므로, 뿌리 생장에 더 많은 영향을 받았을 것으로 사료된다. 한편, 동일 질소 수준에서 비료 형태에 따른 백양나무 잎의 질소 농도 및 CN율의 차이는 없었으며, 비술나무의 경우 묘목의 생존율이 낮아 C, N5, N15 처리구에서만 잎을 채취하여 비료 형태에 대한 차이를 비교할 수 없었다.

질소 수준과 비료 형태에 따른 토양의 화학적 특성 변화는 백양나무와 비술나무에서 유사한 경향을 보였다(Table 2). 두 수종 모두 토양 내 치환성 칼륨과 유효인산 농도는 N15+PK10 처리구에서 유의하게 높았다. 대조구와 비교하여 N15+PK10 처리구의 치환성 칼륨과 유효인산 농도는 각각 백양나무의 경우 37%(대조구: 0.60 cmol_c kg^-1, N15+PK10 처리구: 0.83 cmol_c kg^-1)와 998%(대조구: 28.04 mg kg^-1, N15+PK10 처리구: 307.95 mg kg^-1) 증가하였고, 비술나무의 경우 62%(대조구: 0.43 cmol_c kg^-1, N15+PK10 처리구: 0.71 cmol_c kg^-1)와 617%(대조구: 22.47 mg kg^-1, N15+PK10 처리구: 161.10 mg kg^-1) 증가하였다. 그 외 치환성 양이온의 농도(Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺), 토양 pH와 전기전도도는 두 수종 모두 처리구별로 유의한 차이가 없거나 일정한 경향을 보이지 않았다.

치환성 칼륨과 유효 인산 농도의 증가는 요소와 인산칼륨의 복합적인 효과가 아닌 인산칼륨의 효과인 것으로 판단된다. 즉, 질소 시비는 토양의 치환성 양이온과 유효인산 농도에 영향을 미치지 못하였다. 본 연구의 결과는 1회 시비의 효과로 질소 시비에 따른 토양 양분의 변화가 없었으나, 반건조지에서 수행된 장기 시비 연구의 경우 질소 시비에 따라 토양의 유효태 양분이 증가하였다는 결과가 보고되었다(Li et al., 1999). 한편, 인산칼륨에 의한 치환성 칼륨의 농도 증가율보다 유효 인산의 농도 증가율이 크게 나타난 것은 토양에 쉽게 흡착하여 이동성이 낮은 인의 특성 때문인 것으로 판단된다(Humphreys and Pritchett, 1971).

질소 시비는 토양 pH와 전기전도도에 뚜렷한 영향을 미치지 못하였다. 특히, 황산암모늄은 황 성분을 포함하고 있어 다른 질소 비료보다 토양 pH를 더 감소시키나(Smiley and Cook, 1973), 본 연구에서는 황산암모늄으로 인하여 토양 pH가 감소하지 않았다. 이는 연구 대상지의 사질 토양에 관수를 병행하여 비료 성분이 쉽게 용탈되었기 때문으로 판단된다.