곽기웅횡성군 농업기술센터 농촌자원과장kkw3047@k

사람들이 생명활동과 성장을 위해 필요한 영양소로는 탄수화물, 단백질, 지방이 있으며, 이를 흔히 3대 영양소라고 한다. 여기에 더해 비타민과 무기염류 또한 필수 영양소이다. 사람에게 꼭 필요한 영양소가 있듯이 식물에게도 반드시 필요한 영양소가 있는데 이를 “필수 식물 영양소”라고 한다. 필수 식물 영양소로는 탄소, 수소, 산소, 질소, 인, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 황, 철, 아연, 붕소, 구리, 망간, 몰리브덴, 염소의 총 16가지가 있다. 

이 필수 식물 영양소는 식물체의 요구량에 따라 다량영양소, 미량영양소로 분류하는데 다량영양소는 식물의 흡수량을 기준으로 10a(1,000㎡, 300평)당 5~15㎏이 흡수되는 원소로 질소(N), 인(P), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Ma), 황(S)이며, 이중에서 질소, 인, 칼륨은 비료의 3요소라고 하며 가장 많이 화학비료로 제조되어 농업인에게 판매되고 있다. 미량영양소는 10a당 10g~1㎏이 흡수되는 원소로 철(Fe), 망간(Mn), 붕소(B), 아연(Zn), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 염소(Cl)이며 이 중에서 비료로 공급하는 성분은 붕소가 대표적인 원소이고 나머지 원소는 퇴비나 토양 등에서 유래하는 천연 공급량을 주로 이용한다. 유기화학의 아버지라고 평가받고 있는 독일의 화학자인 리비히(Justus von Liebig)는 1840년에 최소양분율의 법칙을 발표하였다(그림 1).

【그림 1】 식물의 최소양분율의 법칙

식물의 생장량은 필수영양소 16가지 중에서 15성분이 다량으로 존재하고 한가지 영양소가 부족한 상태라면 부족한 한가지 영양소로 인해 생장이 제한되게 되는데 이것을 최소양분율의 법칙라고 한다. 즉 부족한 한가지 영양소 때문에 식물이 더 이상 성장하지 못하게 되기 때문에 농업인은 작물을 재배할 때는 작물이 원하는 비료를 골고루 주어야 한다.

식물은 16개 원소만 있으면 성장하는데 문제는 없다.

물질을 이루는 가장 작은 단위를 우리는 원소라고 규정하고 있으며 지구상에는 총 118개의 원소가 존재하며 이들 원소간에 결합으로 물질을 구성하는데 우리가 매일 마시는 물은 수소 원소 1개와 산소 원소 2개가 결합한 것이다. 식물은 지구상에 존재하는 118개의 원소 중에서 16개의 원소만 있으면 성장하는데 문제는 없다. 산소는 식물의 광합성 과정에서 생산되지만 호흡작용에 반드시 필요하다. 수소는 물, 세포막, 단백질을 구성하고, 탄소는 광합성 작용의 필수 원소이다. 이들 산소, 수소, 탄소는 식물체의 대부분을 구성하는 원소이다.
비료의 3요소로는 질소, 인, 칼륨이 있는데 질소는 단백질과 엽록체 구성에 필수적이며, 작물 재배에서 가장 중요한 비료로 여겨져 공급량도 매우 많다. 인은 유기물질인 핵산, 단백질, 인지질 등 원형질의 주요 구성 성분으로 세포의 생장과 번식에 없어서는 안되는 원소이다. 칼륨은 식물 잎에 있는 기공의 개폐에 관여하여 식물 체내 수분조절과 개화결실에 영향을 끼친다. 칼슘은 세포벽 구성 성분으로 식물체내에서 이동성이 작아 결핍이 잘 일어난다. 마그네슘은 엽록소 구성 성분으로 결핍되면 잎이 황백화 되기 쉽다. 황은 단백질 대사에 관여하며 결핍되면 엽록소 형성이 억제되고 콩과 식물은 뿌리혹박테리아의 질소 고정능력이 떨어진다.

필수 다량 영양소 중에 하나라도 없으면 식물은 자라지 않는다.

2000년 7월말경에 강림면에서 파프리카를 재배하는 농업인 나에게 전화를 걸어왔다. 전화의 내용은 이러했다. “7월 5일에 파프리카를 수경재배로 키우기 위해 비닐하우스 수경재배 베드에 심고 파프리카 한그루당 배양액을 하루에 1.5리터씩 주고 한달을 키웠지만 전혀 자라지 않아 지금도 심은 당시와 같은 상태로 있다. 이게 무슨 조화인지 모르겠다 이걸 좀 해결해 달라”
나는 그 파프리카가 심어진 비닐하우스를 방문하여 파프리카를 살펴보았으나 특이한 사항을 찾지 못해서 심겨 있는 파프리카 3그루를 뽑아서 농업기술센터 온실로 가져왔다. 그리고 농업기술센터에서 사용하는 배양액을 뽑아온 2그루의 파프리카에 충분히 주고 나머지 1그루의 파프리카에는 물만 주었다. 다음 날 파프리카를 보고 나는 무척 놀라고 말았다. 농업기술센터에서 사용하는 배양액을 준 2그루의 파프리카의 맨위 부분 즉 생장점이 밝은 연두색으로 변해 있었지만 물만 준 1그루의 파프리카는 뽑아올 당시의 모습 그대로 있었기 때문이다.
내가 놀란 이유는 식물이 자라기 시작하는 시기에 생장점을 보면 밝은 연두색을 띠게 되지만 문제가 된 파프리카의 생장점 부위는 초록색이 짙다못해 검게보여 파프리카 배양액의 문제로 인해 자라지 않고 있다는 것을 알았기 때문이다. 그 날 오후에 파프리카를 재배하는 농업인을 다시 만나 사용하는 파프리카 배양액 조성표를 보여 달라고 하여 사진을 촬영하고 파프리카에 주는 배양액을 1리터 채취하여 돌아왔다. 채취한 배양액은 횡성군농업기술센터 종합분석실에 분석을 의뢰한 후에 사진 촬영해온 배양액 조성표를 꼼꼼히 살펴본 결과 인을 공급해 주는 비료가 하나도 없다는 것을 알았다. 종합분석실에서 배양액을 분석한 결과에서도 인(P)이 전혀 들어 있지 않은 배양액이라고 하였다. 인(P)이 들어간 비료가 없어 파프리카가 전혀 성장하지 못한다는 것을 확인하면서 리비히의 최소양분율의 법칙이 실제로 존재할 수 있다는 것을 알았다. 만약에 토양에 파프리카를 재배하였다면 토양의 완충능력으로 인해 파프리카가 전혀 자라지 못하지는 않았을 것이다. 이후에 파프리카 배양액에 인산질비료를 첨가하여 공급해주었더니 파프리카가 정상적으로 성장하였고 생산량도 많아졌다.

식물도 영양소 공급이 적으면 영양결핍에 걸린다.

사람들 특히 여성에게 칼슘이 부족하면 뼈의 양이 줄어들어 뼈가 얇아지고 잘 부러지는 골다공증이 생기듯이 식물에서도 칼슘이 부족하면 결핍증이 잘 생긴다. 토마토의 꽃이 떨어진 자리인 배꼽이 검게 변하다가 썩어 문드러지는 증상이 발생하는데 이것을 배꼽썩음병 또는 석회결핍증이라고 한다. 이 석회결핍증은 토마토, 배추, 오이, 배추, 백합꽃 등에서 자주 발생된다. 가장 큰 원인은 식물체내에 칼슘 원소가 부족하기 때문이다. 칼슘 즉 석회는 세포막 구성 요소로 식물체를 구성하는 세포의 막을 만드는 원소이기 때문에 식물 내에서 이동하지 못한다. 칼슘은 토양속에서 존재하다가 물과 함께 식물 체내로 들어와서 식물이 자라는 생장점으로 이동하여 새로운 세포가 만들어 질 때 세포막을 형성하여 식물이 자라도록 한다. 만약에 뿌리에서 칼슘을 흡수 하지 못하면 생장점에서는 세포를 만들지 못하기 때문에 조직이 붕괴되어 썩게된다. 왜냐면 세포막 없이 세포를 만들 수 없기 때문이다. 이러한 석회 결핍증은 6월에 고추 밭에서 많이 볼 수 있는데 잘 자라던 고추의 끝이 불에 데인 것처럼 또는 희멀겋게 반점이 생기는 고추를 볼 수 있는데 이것이 칼슘결핍 때문에 생기는 현상이다. 

【그림 2】 토마토 칼슘결핍증(석회결핍증)

배추에 칼슘이 결핍하면 농업인들은 “꿀통배추” 라고 한다. 꿀통배추라고 하는 이유는 배추의 생장점은 배추 안쪽 잎에 있는데 이 생장점이 자랄 때 칼슘공급이 안되어 배추 잎이 누렇게 변하다가 물러져 꿀이 찬 모양이 되기 때문이다. 가을 김장철에 김치를 담기 위해 배추를 반쪽으로 잘랐을 때 볼 수 있는데 특히 비가 예년에 비해 덜 온 해에 많이 볼 수 있다. 칼슘은 물에 녹아 식물에 흡수되는데 비가 오지 않아 배추가 흡수한 칼슘의 양이 적었기 때문이며 사람이 먹는 데에는 아무런 문제가 없다.

특정한 원소 때문에 식물의 기능성이 향상되기도 한다.

마늘은 뛰어난 살균, 항균 작용을 하여 항암식품으로 알려져 있는데 이는 마늘의 독특한 향을 내는 성분인 알린 때문이다. 이 알린은 우리 몸 속에서 단백질과 결합해 알리신이 된다. 알리신은 페니실린보다 더 강력한 살균, 항균력이 있다고 알려져 있다. 그런데 마늘의 기능성 성분인 알린의 구성 성분은 황으로 토양에 황이 많을 때 마늘의 알린의 함량도 높아진다. 그래서 마늘, 양파 그리고 대파를 재배한다면 황이 많이 함유된 황산가리비료를 시비하면 생산량이 늘어 날뿐만 아니라 기능성 성분인 알린의 함량도 높아진다. 또한 식물이 자라는 시기에 따라 영양소 요구량도 달라진다. 토마토의 경우 토마토 열매가 달리기 전에는 질소, 인, 칼륨의 흡수량이 같을 때 잘 자라지만 토마토 과일이 달리면 질소, 인의 요구량보다 칼륨의 요구량이 훨씬 더 많아지게 된다. 그래서 작물의 성장 시기별로 영양소를 주는 양도 달리해야 한다.

식물이 자라는 것은 근본적으로 산소, 수소, 탄소를 이용하여 광합성을 하기 때문이지만 질소, 인, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 황 등의 필수 식물 영양소를 흡수하고 이용하여 각종 산물을 만들어 내기 때문이다. 어느 하나 덜 중요한 성분이 없기 때문에 16가지의 필수 식물 영양소를 식물이 원하는 시기에 원하는 만큼 공급 해 주어야 한다. 즉 농업인은 작물이 요구하는 시기에 맞춰 적절하게 영양소를 공급해야 하며, 이를 통해 작물의 품질과 수확량을 향상 시킬 수 있다.

곽기웅 횡성군 농업기술센터 농촌자원과장  hschamhope@naver.com

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