근적외선분광법을 이용한 수입 조사료의 사료가치 측정을 위한 검량식 작성

학위논문(석사) -- 서울대학교대학원 : 국제농업기술대학원 국제농업기술학과, 2022.2. 김종근.Currently, Korea is heavily reliant on imports for forages. However, quality analysis is not performed while forage is imported and distributed to the final purchaser. The reason is that the quality analysis of forage is not legally compulsory, and the analysis procedure is complex, time-consuming, and expensive. Therefore, this study was conducted to develop the calibration equation for a rapid and inexpensive quality analysis for imported hays using near infrared reflectance spectroscopy (NIRS). The representative samples of alfalfa hay (227) and timothy hay (360) were collected nationwide. Furthermore, this study compared sample of intact form (cut into 10 cm) with that of ground form to check the possibility of omitting the drying and grinding process. The partial least squares (PLS) was used as a regression method and several mathematical treatments were conducted to develop more accurate calibration equations. The standard error of cross validation (SECV) was used as an evaluation index of the calibration equation, and the coefficient of determination (R2) was used as an index of the correlation between reference values and NIRS prediction values. The R2 values of moisture content, acid detergent fiber (ADF), neutral detergent fiber (NDF), crude protein (CP), in vitro dry matter digestibility (IVDMD), total digestible nutrients (TDN) and relative feed value (RFV) on intact alfalfa hay were 0.74, 0.42, 0.68, 0.89, 0.52, 0.68 and 0.54, respectively. The R2 values of moisture content, ADF, NDF, CP, IVDMD, TDN and RFV on ground alfalfa hay were 0.84, 0.90, 0.97, 0.92, 0.95, 0.97 and 0.93, respectively. The R2 values of moisture content, ADF, NDF, CP, IVDMD, TDN and RFV on intact timothy hay were 0.48, 0.95, 0.75, 0.38, 0.61, 0.75 and 0.61, respectively. The R2 values of moisture content, ADF, NDF, CP, IVDMD, TDN and RFV on ground timothy hay were 0.95, 0.98, 0.94, 0.94, 0.84, 0.94 and 0.96, respectively. Intact alfalfa hay had no trend on derivative. However, ground alfalfa hay had the best results on the fourth derivative with the exception of moisture and NDF contents which had the best results on the second and first derivative, respectively. Intact timothy hay had the best results of calibration on the first derivative with the exception of moisture and CP contents which had the best results in the third derivative. However, ground timothy hay had no trend on derivative. The results of the development of the calibration equations were good and can be used in field. The results of intact form were worse than those of ground form. However, intact form scanning method has a merit which drying and grinding processes can be omitted. Therefore, intact form scanning method can be used in field for quick and rough prediction rather than exact prediction. The calibration results of intact alfalfa hay in this study were poorer when compared to previous reports, most likely because the leaf part of the alfalfa hay was powdered and covered in the scanning cup. This problem could be overcome if the hay is firmly fixed and scanned.현재 우리나라는 조사료 수입에 크게 의존하고 있다. 그러나 조사료를 수입하여 최종 구매자에게 도달하기까지 품질분석이 이뤄지지 않고 있는 상황이다. 그 이유로는 조사료의 품질분석이 법적으로 의무화 되어있지 않고, 분석 과정이 복잡하고, 시간이 오래 걸리며 그리고 비용이 많이 들기 때문이다. 따라서 본 연구는 근적외선분광법 (near infrared reflectance spectroscopy; NIRS)을 이용하여 수입 건초의 신속하고 저렴한 품질 분석을 위한 검량식을 개발하기 위해 수행되었다. 알팔파 건초 227 점과 티모시 건초 360 점을 전국에서 수집하였다. 건조 후 분쇄한 시료의 NIRS 검량 결과가 뛰어나지만, 본 연구에서는 건조와 분쇄의 과정을 생략하고 생 시료의 가능성을 확인하고자 두 시료를 비교하였다. 회귀 방법으로 부분 최소 제곱법(partial least squares; PLS)을 사용하였으며 정확한 검량식을 개발하기 위하여 다양한 수처리 기법을 사용하였다. 교차 검증 표준 오차(standard error of cross validation; SECV)가 검량식을 평가하는 지표로 사용되었으며, 결정계수(coefficient of determination; R2)가 습식 분석값과 예측값의 유사도를 나타내는 지표로 사용되었다. 수분 함량, acid detergent fiber (ADF), neutral detergent fiber (NDF), crude protein (CP), in vitro dry matter digetibility (IVDMD), total digestible nutrients (TDN) 및 relative feed value (RFV)에 대한 알팔파 생 시료의 R2의 값은 각각 0.74, 0.42, 0.68, 0.89, 0.52, 0.68 및 0.54 였으며, 알팔파 분쇄 시료에 대한 R2의 값은 각각 0.84, 0.90, 0.97, 0.92, 0.95, 0.97 및 0.93 였다. 수분 함량, ADF, NDF, CP, IVDMD, TDN 및 RFV 에 대한 티모시 생 시료의 R2의 값은 각각 0.48, 0.95, 0.75, 0.38, 0.61, 0.75 및 0.61 였으며, 티모시 분쇄 시료의 R2의 값은 각각 0.95, 0.98, 0.94, 0.94, 0.84, 0.94 및 0.96 였다. 한편 알팔파 분쇄 시료와 티모시 생 시료는 각각 4차 도함수와 1차 도함수에서 가장 좋은 결과를 나타내었지만, 다른 시료들은 도함수의 추세를 보이지 않았다. 검량식의 개발 결과로 보아 현장에서 사용할 수 있을 것이라 판단된다. 생 시료 스캔 방법은 분쇄 시료 스캔 방법 보다 R2의 값이 낮지만 건조 및 분쇄 과정을 생략하고 현장에서 빠르고 대략적인 수입 조사료의 성분 분석을 예측할 수 있었다. 알팔파 생 시료의 경우 잎 부분이 가루가 되어 스캔 컵을 덮는 현상이 발생하기 때문에 추후 연구에서는 알팔파 생 시료를 단단하게 고정하여 휴대용 NIRS를 이용하여 스캔하면 더 나은 검량식 결과를 유도할 수 있을 것으로 판단된다. 한편 분쇄 시료 스캔 방법은 대부분 성분의 R2의 값이 0.9 보다 높아 좋은 정확도를 나타내었다. 소화율에 대한 티모시 분쇄 시료의 결과가 비교적 낮았는데, 이는 샘플의 수분을 5 % 미만으로 조절하여 더 나은 검량식을 개발한 이전의 보고를 따라 추후 연구에서 더 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이라 판단된다.Abstract I Contents III List of Tables VI List of Figures VIII List of Abbreviations X 1. Introduction 1 1.1 Study background 1 1.2 Aims of research 3 2. Literature review 4 2.1 The definition of near infrared reflectance spectroscopy (NIRS) 4 2.2 The history of NIRS 4 2.3 The process of obtaining calibration 5 2.3.1 Sample collection and analysis 5 2.3.2 Measurement of spectra and mathematical treatment 6 2.3.3 Calibration development 7 2.3.4 Validation of calibration 10 2.4 Evaluation of feed value of forage using NIRS 10 2.4.1 Crude protein 10 2.4.2 Fiber 11 2.4.3 Digestibility 11 3. Material and method 13 3.1 Collection of samples 13 3.2 Spectrum acquisition using NIRS 13 3.2.1 Intact sample 13 3.2.2 Ground sample 14 3.3 Chemical analysis 14 3.3.1 Preparation of chemical analysis 14 3.3.2 Moisture content 14 3.3.3 Crude protein content 15 3.3.4 Fiber content 15 3.4 Digestion analysis 16 3.4.1 In vitro dry matter digestibility 16 3.4.2 Total digestible nutrients 17 3.4.3 Relative feed value 17 3.5 Development of calibration and validation 17 4. Results and discussion 19 4.1 Development of calibration for alfalfa hay 19 4.1.1 Chemical composition of alfalfa hay 19 4.1.2 The characteristics of NIR spectra of alfalfa hay 20 4.1.3 Development of calibration and validation for alfalfa hay 22 4.1.3.1 Moisture 22 4.1.3.2 Fiber 24 4.1.3.3 Crude protein 28 4.1.3.4 In vitro dry matter digestibility 30 4.1.3.5 Total digestible nutrients 32 4.1.3.6 Relative feed value 34 4.2 Development of calibration for timothy hay 36 4.2.1 Chemical composition of timothy hay 36 4.2.2 The characteristics of NIR spectra of timothy hay 37 4.2.3 Development of calibration and validation for timothy hay 39 4.2.3.1 Moisture 39 4.2.3.2 Fiber 41 4.2.3.3 Crude protein 45 4.2.3.4 In vitro dry matter digestibility 47 4.2.3.5 Total digestible nutrients 49 4.2.3.6 Relative feed value 51 5. Conclusion 53 6. Bibliography 54 7. Abstract in Korean 60석

Seed Productivity by Varieties of Italian Ryegrass(Lolium multiflorum Lam.) Sown in Spring in Gangwon Highlands

본 시험은 강원지역에서 봄철 파종한 이탈리안 라이그라스(Lolium multiflorum Lam.) 품종에 따른 종자 생산성을 비교하기 위해 수행되었다. 시험포장은 해발 600m내외의 고지대로 최근 육성된 그린콜(Greencall), 그린팜(Greenfarm) 그리고 코윈어리(Kowinearly) 품종을 공시하여 난괴법 3반복으로 수행하였다. 시험구의 파종은2020년 3월 26일에 하였으며 수확은 평균 출수일로부터 60일째인 7월 2일에 하였다. 출수기는 코윈어리가 5월 8일로 가장 늦었으며 그린팜과 그린콜은 5월 4일에 출수하였다 초장은 코윈어리품종이 가장 컸다. 그러나 코윈어리 품종은 도복이 심하게 일어났다. 이삭의 길이는 품종간에 유의적인 차이가 없었으며 이삭당종자수는 그린팜이 118.5개/spike 로 가장 적었다. 이삭당 종자무게는 그린팜 품종이 0.56 g/spike로 유의적으로 적었으나 천립중은 그린팜이 2.5g으로 가장 무거웠다. 단위면적당 이삭수는 그린팜에서 906개/m2로 가장 많았다. 수확시 종자의 건물함량은 그린팜이 54.3%로 가장 높았고 짚은 코윈어리가 35.3%로 가장 높았다. 종자 생산성은 그린콜이 가장 적었으며 평균 1,493 kg/ha로 나타났다. 채종후의 짚 생산량은 품종간에 유의성이 없었으며 평균건물수량은 3,172 kg/ha로 나타났다. 이상의 결과를 종합하여 볼때 강원지역 고지대에서 봄 파종을 통한 이탈리안 라이그라스 종자생산은 가을 파종에 비해 생산량이 낮지만 향후 생산성을 높일수 있는 다양한 기술의 투입이 필요하며 경제성 분석을 통해 생산단가를 고려하여 결정하는 것이 바람직한 것으로 판단되었다. This experiment was conducted to compare the seed productivity of the Italian ryegrass(Lolium multiflorum Lam.) varieties sown in the spring in Gangwon region. The experiment was randomized block design with three replications. The Experimental field was located in alpine areas of about 600 m above sea level in Gangwon province. The tested Italian Ryegrass varieties were Greenfarm, Greencall and Kowinearly developed by National Institute of Animal Science, RDA. Italian Ryegrass varieties were sown on March 26, 2020, and the harvest was on the 60th day of mean heading date, July 2. The heading date of Kowinearly was May 8, but Greenfarm and Greencall was May 4. The plant length was the largest in the Kowinearly variety. However, the Kowinearly suffered severe lodging. There was no significant difference in the length of spike among varieties, and the number of seeds per spike was the lowest in Greenfarm at 118.5 seed/spike. As for the seed weight per spike, the Greenfarm variety was significantly lower at 0.56 g/spike, but the 1,000 seed weight was the heaviest in the Greenfarm at 2.5g.. The number of spike per unit area was the highest in Greenfarm at 906/m2. The dry matter content of seeds was the highest in Greenfarm at 54.3%, and for straw, Kowinearly was the highest at 35.3%. Seed productivity was not significant among varieties, and the average was 1,493 kg/ha. The yield of straw after seed production was also not significant among varieties (P>0.05), and the average was 3,172 kg/ha. From the above results, the production of Italian ryegrass seeds through spring sowing in the Gangwon region is not much than autumn seeding, requiring the input of various technologies to increase productivity in the future, and it is desirable to determine the production cost through economic analysis was judged.N

Comparison of the Forage Quality and Productivity According to Varieties and Plant Parts of Imported Silage Corn (Zea mays , L)

본 시험은 도입되는 사일리지용 옥수수의 품종과 식물체 부위에 따른 사료가치와 생산성을 비교하기 위하여 수행하였다. 시험에 이용된 옥수수 품종은 미국 Pioneer Hybrid Co.에서 도입된8개 품종(P1184, P1151, P1194, P1543, P1345, P1429, P1443 및 P2105)으로 강원도 평창군에 위치한 서울대학교 평창캠퍼스내에 있는 시험포에서 수행하였다. 수확한 옥수수는 전체 5개 부위(leaf, stem, cob, husk 및 grain)로 분리하여 건조한 후 각 부위별 비율을 산정하였고 사료가치를 분석하였다. 옥수수의 출현율은 P1151 및 P2105품종을 제외하고는 대체로 양호하였다. 출수기는 평균 7월 24일, 출사기는 7월 27일 이었으나 P2105 품종은 7월 28일 및 8월 1일로 늦었고 나머지 품종은 비숫하였다. 초장 및 착수고에 있어서는 P1345 품종이 가장 컸으며(289 및 123 cm), P1151 품종이 가장 작았다(267 및 101 cm). 질병 저항성은P1184, P1443 및 P1429에서 낮았고 P1197 및 P1345는 높았다. 건물함량은 경엽의 경우 P1151 품종에서 19.6%로 가장 낮았으며 P1429 품종에서 24.9%로 가장 높게 나타났다. 암이삭은 만생품종인 P2105 품종이 가장 높았고(55.5%) P1184(54.2%) 및P1345(54.3%) 품종도 유의적으로 높게 나타났다 (p<0.05). P2105, P1429 및 P1194 품종의 경엽 건물수량이 유의적으로 높게 나타났으며 (p<0.05), P2105, P1345 및 P1443 품종의 암이삭건물 수량이 높았다. 5개의 부위로 분리된 식물체(Leaf, Stem, Husk, Cob 및 Grain)의 각 부위별 비율을 살펴보면 대체적으로암이삭에 해당하는 grain과 cob 합의 비율이 50∼60%로 나타나비교적 높은 비율을 보였다. 포엽(husk)와 속대(cob)의 비율은대체적으로 비슷하였으며 잎과 줄기는 약 20% 내외의 비율을 보여주었다. 조단백질 함량은 잎이 가장 높았고 그 다음이 grain이었다. 줄기의 조단백질 함량은 가장 낮았으며 포엽(husk)은 품종간에 유의적인 차이가 없었다(P>0.05). ADF 함량은 곡실을 제외한 나머지 부분은 비슷하였지만 잎 부분이 더 낮은 경향을 나타내었으며 줄기와 잎을 제외한 다른 부위는 품종간에 유의적인차이를 보이지 않았다(p>0.05). NDF 함량은 husk에서는 유의적인 차이가 없었으나 다른 부위는 품종간에 차이를 보였다(p<0.05). 또한 품종별로 부위에 따라 특별한 차이를 보였는데, 줄기는 P2015, 잎은 P1197, 속대는 P1151 포엽은 P1197 그리고알곡은 P1197에서 NDF 함량이 높게 나타났다. 건물 소화율은줄기와 알곡에서 유의적인 차이가 없었으나 잎과 암이삭을 구성하는 포엽과 속대에서는 품종간에 차이가 나타났다. 이상의 결과를 종합하여 볼 때 시험에 P2105 품종의 건물수량이 가장 우수하였으며 알곡의 비율은 P1543 및 P1345에서 우수하였다. 또한사료가치는 잎과 곡실 부분이 높았으며 잎과 줄기가 husk나 cob 보다는 사료가치가 높은 것을 알 수 있었다. silage corn (Zea mays, L) in Pyeongchang. The corns evaluated in this experiment were 8 varieties (P1184, P1151, P1194, P1543, P1345, P1429, P1443, and P2105) introduced from the United States, Pioneer Hybrid Co. The harvested corn was divided into 5 plant parts (leaf, stem, cob, husk, and grain), and the ratio of each part was calculated using dry weight and the feed value was analyzed. The emergence rate of corn was generally good except for the P1151 and P2105 varieties. The average tasseling date was July 24th and the silking date was July 27th, but the P2105 variety was late to July 28th and August 1st, and the remaining varieties were similar. P1345 was the highest (289 and 123 cm), and P1151 varieties were the lowest (267 and 101 cm) in the plant and ear height. Disease resistance was low in P1184, P1443 and P1429, and P1197 and P1345 were high. In the case of stover, the dry matter (DM) content was the lowest at 19.6% in the P1151 and the highest at 24.9% in the P1429. DM content of ear was the highest in the P2105 (55.5%), and P1184 (54.2%) and P1345 (54.3%) were also significantly higher (p<0.05). The DM yield of stover of P2105, P1429 and P1194 varieties was significantly higher (p<0.05), and ear yield of P2105, P1345 and P1443 was higher. The proportions of each part of plants (leaf, stem, cob, husk, and grain) divided by 5 was high, with 50-60% of the ear(grain+cob) ratio. The ratio of husk and cob was roughly similar, and the leaf and stem part showed a ratio of about 20%. The crude protein (CP) content was highest in leaf, followed by grain. The CP content of the stem was the lowest, and the husk was not significantly different among the varieties (p>0.05). The acid detergent fiber (ADF) content was similar to the rest parts except grain, but the leaf part tended to be lower, and other parts except the stem and leaf showed no significant difference between varieties (p>0.05). There was no significant difference in NDF (neutral detergent fiber) content in husk, but there was a difference between varieties in other parts (p<0.05). In addition, there was a special difference by plant parts for each variety, P2015 on the stem, P1197 on the leaf, P1151 on the cob, P1197 on the husk, and P1197 on the grains with high NDF content. IVDMD (in vitro dry matter digestibility) was not significantly different between stems and grains, but there was a difference between varieties in cobs and husks. According to the results, DM yield of P2105 variety was the best in the experiment, and the ratio of grain was excellent in P1543 and P1345. In addition, it was found that the feed value was higher in the leaves and grains, and the leaf and stem had higher feed values than husk or cob.N

Agronomic Characteristics and Productivity of Winter Forage Crop in Sihwa Reclaimed Field

본 시험은 간척지에서의 월동 사료작물의 초종 및 품종에 따른 생육특성 및 생산성을 비교하기 위하여 수행하였다. 본 시험에 이용된 월동 사료작물은 국립식량과학원에서 육성한 품종을대상으로 실시하였다. 귀리(삼한, 조풍, 태한, 다경 및 하이어리), 청보리(영양, 유연, 유진, 다청 및 연호), 호밀(곡우, 조그린 및 대곡그린) 그리고 트리티케일(신영, 세영, 조영, 신성, 민풍 및 광영)에 대하여 2018년 가을에 경기도 화성에 위치한 시화지구 간척지에 파종하여 각각의 표준 재배법을 이용하여 재배하였으며 2019 년 5월에 수확을 하였다. 출현율은 호밀이 가장 낮았으며(84.4%), 청보리, 귀리 및 트리티케일은 비숫한 수준(92.8∼98.8%)을 보였다. 분얼수에 있어서는 트리티케일이 가장 적었으며(416 tiller/ ㎡) 귀리가 가장 많았다(603 tiller/㎡). 출수기에 있어는 호밀이가장 빠랐고(4월 21일) 트리티케일이 4월 26일이었으며 귀리와청보리는 5월 초순(5월 2일 및 5월 5일)으로 늦은 편이었다. 초장은 호밀이 가장 컷으며(95.6 cm) 트리티케일과 청보리는 비숫하였고(76.3 및 68. cm) 귀리가 가장 작았다(54.2 cm). 건물함량은 호밀이 평균 46.04%로 가장 높았으며 나머지 초종은 35.09∼ 37.54%로 비슷한 수준이었다. 생산성에 있어서는 초종 및 품종간 차이가 많았는데 초종별로는 청보리의 건물수량이 가장 높았고(4,344 kg/ha) 귀리는 비숫한 수준이었으며 호밀과 트리티케일은 가장 낮은 수치를 나타내었다. 품종에 있어서도 귀리는 다경및 하이어리가 높았으며(4,283 및 5,490 kg/ha) 청보리는 연호, 유진 및 다청 품종(4,888, 5,433 및 5,582 kg/ha)이 높은 수량을보였다. 사료가치에 있어서 귀리의 조단백질 함량(6.58 %)이 가장 높은 경향을 보였으며 TDN 함량(63.61 %)도 다른 초종에 비해 높았다. RFV에 있어서는 귀리가 평균 119로 높게 나타났으며 다른 3개 초종은 평균 92∼105로 비슷한 수준이었다. 천립중은 트리티케일이 가장 높았으며(43.03 g) 호밀(31.61 g)이 가장낮았다. 염농도에 따른 발아율 평가에 있어서 0.2∼0.4%까지는발아율이 80% 정도를 유지하였고 그 이상에서는 현저하게 낮아졌다. 발아율과 염농도간의 상관계수는 귀리와 보리가 –0.91 및–0.92로 높았으며 호밀은 –0.66로 가장 낮았다. 이상의 결과를 종합하여 볼 때 간척지에서는 청보리와 귀리가 우수한 생산성을 보였으,며 품종간에도 적응성이 달라 간척지에서 사료작물을 재배할때는 적응성이 높은 초종과 품종의 선택이 권장되었다. This study was conducted to compare the agronomic characteristics and productivity according to the species and varieties of winter forage crops in reclaimed land. Winter forage crops used in this study were developed in National Institute of Crop Science, RDA. Oats (Samhan, Jopung, Taehan, Dakyung and Hi-early), forage barley (Yeongyang, Yuyeon, Yujin, Dacheng and Yeonho), rye (Gogu, Jogreen and Daegokgreen) and triticale (Shinyoung, Saeyoung, Choyoung, Sinseong, Minpung and Gwangyoung) were planted in the reclaimed land of Sihwa district in Hwaseong, Gyeonggi-do in the autumn of 2018 and cultivated using each standard cultivation method, and harvested in May 2019(oat and rye: 8 May, barley and triticale: 20 May.) The emergency rate was the lowest in rye (84.4%), and forage barley, oat and triticale were in similar levels (92.8 to 98.8%). Triticale was the lowest (416 tiller/㎡) and oat was the highest (603 tiller/㎡) in tiller number. Rye was the earliest in the heading date (April 21), triticale was April 26, and oat and forage barley were in early May (May 2 and May 5). The plant height was the highest in rye (95.6 cm), and triticale and forage barley was similar (76.3 and 68.3cm) and oat was the lowest (54.2 cm). Dry matter(DM) content of rye was the highest in the average of 46.04% and the others were similar at 35.09∼37.54%. Productivity was different among species and varieties, with the highest dry matter yield of forage barley (4,344 kg/ha), oat was similar to barley, and rye and triticale were lowest. Dakyoung and Hi-early were higher in DM yield (4,283 and 5,490 kg/ha), and forage barley were higher in Yeonho, Yujin and Dacheng varieties (4,888, 5,433 and 5,582 kg/ha). Crude protein content of oat (6.58%) tended to be the highest, and TDN(total digectible nutrient) content (63.61%) was higher than other varieties. In the RFV(relative feed value), oats averaged 119, while the other three species averaged 92∼ 105. The weight of 1,000 grain was the highest in triticale (43.03 g) and the lowest in rye (31.61 g). In the evaluation of germination rate according to the salt concentration (salinity), the germination rate was maintained at about 80% from 0.2 to 0.4% salinity. The correlation coefficient between germination and salt concentration was high in oat and barley (-0.91 and -0.92) and lowest in rye (-0.66). In conclusion, forage barley and oats showed good productivity in reclaimed land. Adaptability is also different among varieties of forage crops. When growing forage crops in reclaimed land, the selection of highly adaptable species and varieties was recommended.N