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2017년도 배추의 노지 재배면적, 생산량 및 단수는 각각 약 30,018ha, 2,286천 톤, 7,615kg/10a이었고, 시설재배는 각각 2,398ha, 109천 톤, 4,574kg/10a이었다(KOSIS, 2018). 배추는 생산량의 90% 이상이 노지에서 재배되고 있기 때문에 기상 및 토양수분 조건에 따라 생산량에 차이가 있을 수 있다. 재배 기간 중 토양수분 결핍 기간이 2주 지속되면 배추 잎의 엽육 조직이 붕괴되는 등 피해를 주며, 4주 이상 가뭄 이 지속되면 충분히 관수한 처리구 생산량의 34%에 불과할 정도로 심각한 피해가 보고되었다(Lee et al., 2015). 또한, 토양의 수분함량이 낮아지면 잎 수분포텐셜이 낮아지고 이로 인하여 기공이 닫히며, 세포 내로 이산화탄소가 정상적으로 공급되지 못하여 C3회로의 카르복실화 효율 등이 낮아질 수 있다(Oh et al., 2014; Oh et al., 2015; Kim et al., 2017).
식물은 많은 양의 물을 증산을 통해 대기 중으로 방출하는데, 식물체가 뿌리에서 흡수한 수분의 1%만이 대사활동에 사용되고 99%는 잎을 통해 빠져나간다(Rosenberg et al., 1983; Salisbury and Ross, 1992). 증산의 통로가 되는 기공의 개폐는 빛, 온도, 습도, 토양수분 등의 환경요인에 의해 영향을 받는다(Turner et al., 1984). 일반적으로 빛이 있으면 기공은 열리지만, 기온이 상승하여 포화 수증기압이 커짐에 따라 잎과 대기와의 수증기압 차이가 커지면서 기공을 닫는다(Wilson and Bunce, 1997). 작물의 수분 스트레스 정도를 파악하여 정밀 관수를 하기 위한 노력이 계속되어 왔으며, 특히, 기공 개폐에 의하여 영향을 받는 작물의 엽온을 측정하여 관수 계획을 수립하는 연구가 활발히 진행되었다. 그리고 배지의 수분 함량을 근거로 작물 생장 최적화 관수 계획을 위한 연구(Choi and Shin, 2019)와 목부액의 물리·화학적 특성을 분석하여 관수 계획을 수립하는 연구(Bhandari et al., 2018; Park et al., 2019)도 진행되었다.
엽온은 주위의 기온과 비슷하게 변화하며 일사량, 바람, 습도 등과 잎의 크기, 형태, 색 및 작물의 생리 작용 등에 의하여 영향을 받으므로 엽온을 정확하게 실시간으로 측정하는 것은 어렵다(Lee and Lee, 2001). 엽온은 낮에는 일사와 기온에 따라 높아지며, 바람과 증산작용에 의해 잎의 수분이 증발하여 엽온이 떨어진다(Kim et al., 1999). Idso(1977)는 작물의 엽온(Tl)과 기온(Ta) 차이가 계절별 물 사용량과 작물 수확량에 관계가 있다고 했으며, 포화수증기압의 차이, 풍속 및 순 복사 등을 표준화하기 위해 작물의 수분스트레스 지수(crop water stress index, CWSI)를 계산하는 모델을 개발하였다. CWSI를 이용한 관수 제어의 간편성과 높은 정밀도 때문에 이에 대한 연구는 Alderfasi and Nielsen(2001), Cremona et al.(2004), Erdem et al.(2010)에 의해 계속되고 있다. 국내에서도 근적외선 온도계로 엽온을 비접촉식으로 측정하여 작물의 온도 변화에 따른 수분스트레스 지수에 관한 연구(Kim et al., 1999, Lee and Lee, 2001)가 진행되었으나, 열전대(thermocouple) 형 온도 센서로 잎의 표면에 접촉하여 온도를 측정하여 CWSI를 개발하는 연구는 미흡한 실정이다.
본 연구는 토양수분함량 수준에 따른 배추의 생장에 미치는 영향과 엽온 데이터들을 이용하여 CWSI를 개발하고, 이를 배추 정밀 관수 시스템에 활용될 프로그램에 사용하기 위하여 수행되었다.
재료 및 방법
실험 재료 및 재배 조건
공시 품종은 ‘춘광’ 배추(Sakada Korea Seed Co., Korea)로 2018년 3월 27일에 105공 플러그 트레이(28mL/셀)에 파종(2립/셀)하였고, 발아 후에는 1주씩 남기고 솎아 주었으며, 벤로형 유리온실(환기온도 25°C 설정)에서 육묘하였다. 28일간 육묘 후 국립원예특작과학원 채소과 시험포장의 비가림 하우스(35°50’ N 127°57’ E, 30 elevation)에 주간 거리를 35cm로 하여 이랑당 2줄씩 정식하였다(2018년 4월 23일). 토양은 사양토로 물빠짐은 양호하며, 정식전에 표준 시비기준으로 밭을 준비하였다. 정식 후 비가림 하우스의 환기 온도를 25°C 조건으로 설정하여 강제 환기되도록 하였고, 하우스 내 기온, 상대습도, 일사량은 1시간 간격으로 데이터로거(U30-NRC, Onset Computer Co., USA)를 사용하여 측정하였다(Fig. 1).
토양수분장력은 정식 후 20일부터 처리하였으며 -20, -100 및 -500kPa의 3수준으로 설정하였고, 장력계(MPS-6, Decagon, USA)의 센서 값을 활용하여 데이터로거(CR1000, Campbell, USA)에 연결된 전자밸브(S-390, Bermard, Israel)로 관수를 제어하였다. 처리 수준별 토양수분함량 차이를 모니터링하기 위하여 1시간 간격으로 TDR(time domain reflectometry) 타입의 센서(CS650, Campbell, USA)로 임의의 1점을 지정하여 15cm 깊이로 측정하였다. 엽온 측정을 위해 데이터로거(CR1000, Campbell, USA)에 연결된 열전대형 온도 센서(T type, 0.4mm)를 처리별로 임의의 5점을 지정하여 잎 뒷면에 부착하였고, 매시간마다 평균값으로 저장하였다.
배추의 생육조사
배추의 생체중, 건물중, 최대엽장, 엽폭, 엽수, 엽면적 및 구중을 정식 후 20일부터 62일까지 2주 간격으로 총 4회 파괴 조사하였다. 엽수는 엽장 1cm 이상의 완전 전개된 잎을 기준으로 측정하고, 엽면적(cm2/plant)은 엽면적 기계(LI-3100, LI-COR, USA)를 이용하여 측정하였다. 생육조사는 완전임의배치법 3반복으로 총 9개체의 배추를 조사주로 선정하였다.
작물 수분 스트레스 지수(Crop Water Stress Index, CWSI)
작물은 수분 스트레스를 받게 되면 기공을 닫고 증산을 최소화시키게 되는데, 이로 인해 엽온은 상승한다. CWSI는 수증기압포차(vapor pressure deficit, VPD)와 식물에서 측정된 엽온(Tl)과 대기온도(Ta)의 차이에서 얻어지는 상대 증산비이다. Tl –Ta와 수증기압 포차가 만나는 점(M)에서 하한경계선(lower base line, LB)까지는 A: [(Tl–Ta)M–(Tl–Ta)LB]이고, 상한경계선(upper base line, UB)에서 점을 통과하는 하한경계선까지의 거리를 B: [(Tl–Ta)UB–(Tl–Ta)LB]라고 하면, A/B를 CWSI라고 정의하였다(Jackson et al., 1981). 하한경계선은 관수가 충분히 제공된 기준선이고, 상한경계선은 관수가 제한되거나 결핍된 기준선으로 결정된다. 작물의 수분 스트레스가 최대일 때 CWSI는 1에 가깝고, 최소일 때 CWSI는 0에 가깝다.
통계 분석
통계 분석은 SAS 프로그램(SAS 9.2, SAS Institute Inc., USA)을 이용하여, 토양수분함량에 따른 배추의 생장 요인들에 대한 평균간 유의차 검정은 p ≤ 0.05에서 Duncan 다중검정을 수행하였다.
결과 및 고찰
토양수분장력 -20kPa에서 토양수분함량이 33.0%으로 충분히 관수된 처리구였다. 토양수분함량 건조 처리구인 -100 및 -500kPa에서는 토양수분함량이 각각 18.3 및 7.6%였다(Fig. 2). 토양수분장력에 따른 배추의 생장을 조사하여 Table 1에 나타내었다. 배추 정식 후 46일에 생체중, 건물중 및 구중은 -20kPa 처리에서 가장 무거웠고, -100 및 -500kPa 순으로 가벼웠으나, 최대 엽장, 엽폭 및 엽면적은 통계적인 유의차가 없었다. 또한 정식 후 60일에 배추 생체중, 건물중 및 구중은 토양수분이 적절하였던 -20kPa 처리에서 무거웠고, -100, -500kPa 순이었으며, 특히 건물중은 토양수분장력 -500kPa에 비해 -20kPa 처리에서 약 1.7배 무거웠다. 또한 배추의 구중은 -20과 -500kPa 처리에서 각각 2,331 및 1,442g으로 충분히 관수된 -20kPa 처리가 1.6배 무거웠다. 본 연구의 결과는 작물의 생장과 수분은 밀접한 관계를 가지고 있는데, 토양수분 결핍은 배추과 채소에서 생장 지연, 구형성과 비대를 저해했다고 보고(Smittle, 1994)와 유사하였다. 토양의 수분 함량은 배추과 작물의 생육에 미치는 영향이 특히 민감하고(Kuo et al., 1988), 배추 식물체내 수분 함량이 약 95%이므로, 체내 생체 대사뿐 아니라 중량의 변화에도 큰 영향을 미친다(HARI, 2000).
Table 1. Growth of Kimchi cabbage under different soil moisture tensions at 46 and 60 days after transplanting
yDifferent letters within columns determined by Duncan's multiple range test (p ≦ 0.05).
정식 후 일수에 따른 건물중과 엽면적을 토양수분장력 처리별로 상관관계를 분석하여 Fig. 3에 나타내었다. 건물중은 -20, -100 및 -500kPa 처리에서 로그함수적으로 결정 계수(r2=0.93 이상)가 높게 상관이 되었고, 엽면적의 결정 계수도 각각 r2=0.95, 0.97 및 0.91로 로그함수적으로 높게 상관되었다. 토양수분장력에 의해 정식 후 20일부터 생장 저해를 받은 수분 결핍(-500kPa) 처리구[건물중= 95.471·ln(정식후 일수) -259.84]는 충분히 관수된(-20kPa) 처리구[건물중= 182.25ln(정식후 일수)–521.95]에 비해 건물중 증가율이 현저히 낮았다. 토양수분이 부족하게 되면 배추의 기공전도도는 급격히 떨어지며, 이로 인한 광합성 및 증산 부족에 의한 생리장해(칼슘결핍 증상)가 발생하고 결구하기 위한 동화산물 축적 및 분배량도 줄어들었다고 보고하였다(Lee et al., 2015; Son et al., 2015).
토양수분장력 처리에 따른 주간 엽온 평균은 -20, -100 및 -500kPa 처리에서 각각 25.9, 26.5 및 30.6°C였으며, 충분히 관수된 처리구(-20kPa)보다 수분 결핍 처리구(-500kPa)에서 약 4.7oC 높았다(Fig. 4). 이는 Hashimoto et al.(1984)이 수분 스트레스를 받은 해바라기의 엽온이 수분을 충분히 공급받은 해바라기의 엽온보다 3-5°C 정도 더 높았다는 결과와 유사하였다. 충분한 수분이 공급된 배추는 광합성을 하는 동안 잎의 기공을 통하여 많은 양의 물을 증산에 의해 잃게 되고, 그 결과 잠열 소실에 의해 엽온이 낮아졌으며, 수분이 결핍된 배추는 잎의 수분 스트레스에 의해 기공이 닫히고 광합성과 증산이 줄게 되어 엽온이 증가했다고 판단된다.
토양수분장력에 따른 배추 엽온(Tl)과 대기온도(Ta)의 차이를 수증기압포차(VPD)에 대비하였을 때, 상한경계선은 수분이 결핍된 처리구인 -500kPa 처리로 적용하였고 직선의 부의 상관관계(기울기: -0.382)였으며, 기울기가 0에 가까워 수증기압포차가 증가하여도 Tl–Ta 온도는 거의 일정했다. 토양수분 장력이 -100kPa과 -20kPa은 각각 y= -2.0423(x) + 1.034 및 y= -1.3329(x)–0.5296으로 직선의 부의 상관관계였으며, VPD가 증가할수록 Tl–Ta 온도는 감소하는 경향을 보였다. 두 처리구 중에 결정계수가 더 높은 -20kPa 처리(r2=0.50)가 하한경계선으로 적용하여 작물 수분 스트레스 지수(CWSI)를 개발하였다(Fig. 5). 본 결과는 오이, 상추, 토마토 등에서 상한경계선은 수분 스트레스가 최대인 상태이고, 하한경계선은 수분 스트레스가 최소인 상태에서 VPD에 따라 엽온과 대기온도 차이가 난다는 결과(Idso, 1982)와 유사하였다.
Jackson et al.(1981)이 제안한 작물 수분 스트레스 지수를 수증기압포차에 따라 나타낸 결과 토양수분장력 -20 및 -100kPa 처리구의 평균은 각각 0.0 및 0.1로 수분 스트레스가 거의 없었으나, -500kPa 처리구의 평균은 1.0으로 극심한 수분 스트레스를 받은 것으로 나타났다(Fig. 6). 따라서 엽온 측정에 의한 CWSI는 토양수분 상태에 따른 작물의 수분 스트레스 정도를 파악 할 수 있고, 기공의 개폐 유무와 증산량을 추정할 수 있는 유용한 지표임을 확인하였다.
CWSI에 따른 건물중 및 엽면적과의 상관관계를 Fig. 7에 나타내었다. CWSI와 건물중은 결정계수가 높았으며(r2=0.93), 로그함수적 상관관계로 y= -1.933ln(x) + 10.329였고, 엽면적도 r2=0.96으로 결정계수가 매우 높았으며, 로그함수적 상관관계로 y= -3.153ln(x) + 29.421였다. 토양수분 결핍(-500kPa) 상태에서 배추는 수분 스트레스를 최소화하기 위해 기공을 닫고 엽온을 상승시켜 CWSI의 증가로 이어졌고, 이로 인한 광합성 및 증산의 감소는 잎의 발달 및 신장에 영향을 미쳤으며 결구 지연으로 건물중이 감소된 것으로 판단된다. 목화(Wanjura and Upchurch, 2000), 옥수수(Yazar et al., 1999), 해바라기(Orta et al., 2002)에서 CWSI와 생장의 상관관계를 보고하였고, 이는 본 연구결과와 유사하였다. Sezen et al.(2014)은 고추에서 CWSI가 증가할수록 수량과 엽면적은 부의 상관 관계였으며, CWSI를 알면 수량을 예측할 수 있다고 보고하였다.
배추에서 토양수분장력에 따른 CWSI와 토양수분 함량과의 상관관계를 분석한 결과 로그함수적[y= -0.687ln(x) + 2.2948]으로 감소하였으며 결정계수(r2=0.56)는 다소 낮았다(Fig. 8). 토양수분장력에 의해 제한적으로 공급된(-500kPa) 수분으로 근권부 토양수분함량은 낮아졌으며 그로 인한 기공 닫힘, 증산 감소 및 엽온의 증가는 높은 CWSI를 나타내었고, 충분히 제공된(-20kPa) 수분으로 근권부 토양수분함량은 높아졌으며 그로 인한 기공 열림, 증산 증가 및 엽온의 감소는 상대적으로 낮은 CWSI를 나타내었다.
본 연구결과에서 충분히 관수된 처리(-20kPa)는 VPD가 증가함에 따라 엽온과 대기온도 차이가 감소하였고, 이는 활발한 증산작용에 의한 잠열 손실의 결과이며 토양 수분이 결핍된 처리(-500kPa)는 VPD의 변화에 관계없이 엽온과 대기온도 차이가 일정하게 유지되었다. 이러한 엽온의 변화로 CWSI를 개발하였으며 토양수분함량이 감소할수록 수분 스트레스 지수는 증가하는 추세를 나타내었다. 따라서 배추의 엽온 측정을 통해 수분 스트레스 정도를 지수로 계산하고 이를 정밀 관수 제어 시스템 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
