농작물 수확에 영향 주는 토양 염분, 개선할 방법은?

2019-01-23 10:26:21 조선우 기자
▲토양의 염분은 세계적으로 작물 생산의 주요 문제로 대두되고 있다(사진=ⓒ픽스니오)

농작물 생산량과 깊은 관계가 있는 것 중의 하나가 바로 토양 염분이다. 토양에 염분이 있으면 농작물 생산량이 줄어들기 때문. 이 문제를 해결하기 위해 개발된 솔루션에는 박테리아를 사용해 농작물 생산량을 증가하는 방법과 방사선을 사용해 새로운 품종을 개발하는 방법, 태생적으로 염분 내성이 있는 퀴노아 같은 작물량을 늘리는 방법이 있다.

토양의 염분 문제

토양의 염분은 세계적으로 농작물 생산의 주요 문제로 대두되고 있다. 염분은 Na+, K+, Ca2+, Mg2+ 및 Cl- 등을 포함해 토양의 천연 요소 중 하나다. 그러나 시간이 흐르면서 빗물에 의해 토양의 상층부가 씻겨 내려가 토양 속 미네랄에서 염분이 배출된다.

그리고 염분은 먼지나 비로 인해 토양에 침전된다. 물에 일정량의 염분이 함유되어 있는 경우 농지의 관개 시스템 또한 염분 축적으로 이어진다. 적절한 배수 시설로 토양의 염분 농도를 낮게 유지할 수 있다. 그러나 2,000헥타르에 이르는 비옥한 경작용 토지가 매일 토양 속 염분 축적으로 악화되고 있다.

쌀과 밀 같은 대표적 농작물은 고농도의 토양 염분에 특히 취약하다. 유엔식량농업기구(FAO)에 따르면, 쌀 최대 생산국은 ▲중국(28%) ▲인도(21%) ▲인도네시아(10%) ▲방글라데시 (7%) ▲베트남(6%) ▲태국(4%) 및 미얀마(4%) 순이다. 한편, 밀 최대 생산국은 ▲중국(18%) ▲인도(13%) ▲러시아(8%) ▲미국(8%) ▲프랑스(5%) ▲캐나다(4%) 및 독일(4%) 순이다. 특히, 해양 지역에서 토양 염분으로부터 농작물을 보호할 방법은 거의 없는 실정이다. 하지만 최근 박테리아를 사용하는 솔루션이 개발됐다.

염분 토양에서 식물 성장을 촉진하는 근권 박테리아

에스토니아생명과학대학의 율로 니네메츠 박사 연구팀은 식물 성장 촉진 근권 박테리아(PGPR)인 브레비박테리움 리넨 RS16(Brevibacterium linens RS16)을 처리한 쌀의 염분 내성을 조사했다.

토양의 염분이 증가하면, 쌀의 산화 스트레스가 높아지고 식물 성장에 필요한 광합성 작용이 줄어든다. 그리고 쌀은 광합성 비율에 따라 변화하는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 배출한다. 연구팀은 VOC를 분석해 쌀의 건강 상태를 추론할 수 있는 비침습적 방법을 개발했다.

연구팀은 비교를 위해 염분 민감성 쌀 품종과 염분 내성 쌀 품종을 재배했다. 그리고 이 작물에 성장 촉진 박테리아를 처리했다. 토양의 염화나트륨(염분) 농도 또한 무염분에서 100밀리몰까지 다양하게 비교했다.

염분 스트레스는 광합성률을 낮추고 VOC 배출을 증가시킨다. 그러나 모든 염분 상태와 품종에 박테리아를 추가하자 광합성률이 증가하고 VOC 배출이 줄어들었다.

연구 결과, 브레비박테리움 리넨 RS16는 모든 조건에 있는 식물 성장에 유익한 것으로 확인됐지만 특히 염분 농도가 높은 논의 쌀 성장에 적합했다. 고염분 토양에서 자라는 밀 같은 다른 작물에도 이 박테리아가 유용한지 확인하기 위해 추가 연구가 진행될 예정이다.

염분 내성이 있는 돌연변이 육종

농작물의 영양소 혼합물에 추가 성분을 더한 대체제로 식물을 변형할 수 있다. 이는 돌연변이 육종을 사용해 개발한 것이다. 변종으로도 알려진 돌연변이 육종은 다른 품종과의 교배로 원하는 특징이 있는 돌연변이체를 생산하는 방법이다. 1930~2014년 사이 3,200종 이상의 돌연변이 식물 또는 종자가 만들어졌다.

국제원자력기구(IAEA)가 최근 개최한 식물돌연변이종과 바이오기술에 대한 국제 심포지엄에서 기후 상태가 변화하는 환경에서 방사선을 사용해 작물 다양성을 개선할 수 있는 방안이 제시됐다. 방사선은 DNA의 변화를 유발하고 식물의 돌연변이 과정 속도를 높여 농작물의 다양성을 증가시킨다. 이렇게 개발된 다양성 종은 토양 염분에 대한 내성이 강하다.

쌀 최대 생산국은 중국이지만, 사실 인도가 가장 규모가 큰 수출국가다. 인도는 2000년대 초반 개발한 CSR-30을 포함해 방사선을 사용해 광범위한 쌀 품종을 생산하고 있다. 그리고 이렇게 개발된 품종은 염분 내성이 개선되어 해안 지역에서도 재배가 적합하다.

토양의 염분 농도가 높은 국가의 새로운 대표 작물, 퀴노아

▲퀴노아는 토양 염분에 내성이 강하다(사진=ⓒ위키미디어 커먼즈)

토양 염분을 해결하는 또 다른 솔루션은 퀴노아 같이 본래 염분 내성이 있는 농작물을 주요 작물로 기르는 것이다. 식용 작물인 퀴노아는 여러해살이 식물로 식물학적으로 시금치 및 아마란스와 관련이 있다.

비록 다른 대표 작물처럼 널리 재배되지는 않지만(밀과 쌀 생산의 0.02%에 불과), 퀴노아는 단백질, 식이섬유, 비타민B을 함유하고 있으며 밀이나 옥수수, 쌀보다 많은 양의 식이 미네랄이 들어있는 반면 글루텐은 들어있지 않다.

퀴노아는 기원 약 5,000년 전 남미의 북서지역에서 최초로 재배되기 시작했다. FAO에 따르면, 퀴노아 최대 생산국은 페루(53%), 볼리비아(44%) 및 에콰도르(3%) 순이다. 그리고 이집트가 2005년부터 퀴노아를 재배하기 시작했다.

하지만 최근 이집트 농무부가 퀴노아 재배를 확대하는 국가적 캠페인을 펼칠 예정이라고 발표하면서 조만간 이집트가 최대 생산국으로 떠오를 것으로 보인다. 이집트 인구가 서서히 증가하고 있으며 기후 변화도 눈에 띌 정도로 급변하고 있는 상황에서 식량 안보에 대한 우려로 시작된 움직임이다. 여기에 세계 최대 밀 수입국인 이집트에서 밀에 대한 의존성이 줄어들고 있는 것도 이 같은 캠페인의 영향이라고 볼 수 있다.

사우디아라비아의 킹압둘라과학기술대학의 마크 테스터 교수에 따르면, 퀴노아의 최대 장점은 염분 내성이 강하다는 것이다. 즉, 질이 낮은 관개용수로 인해 악화되어 가는 토지에서도 자랄 수 있다는 의미다. 관련 분야 연구자들은 퀴노아가 대표 작물이 되기까지 약 10년 정도 걸릴 것이라고 전망하고 있다. 하지만 그 후, 밀과 쌀에 대적할 수 있을 것이라고 덧붙였다.

[리서치페이퍼=조선우 기자]

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