서 언
재료 및 방법
실험 재료 및 수액 흐름 측정
재배 환경의 측정
기상자료를 이용한 증발산량의 산출
통계분석
결과 및 고찰
배추 수액 흐름과 기상과의 관계
토양 수분 변화에 따른 배추 측정 부위, 엽위별 수액 흐름의 일 변화
수액 흐름의 일사량 및 증발산량과의 관계
식물체 근접 지면 등 위치에 따른 온습도 분포 특성
토양 수분 감소 조건에서 근접 온습도의 변화
서 언
물은 작물 생장에 필수적인 요소 중의 하나이다(Afzal et al., 2010). 배추는 95%의 수분을 가지고 있어 어느 작물보다도 물의 영향이 크다. 고랭지배추 재배는 대부분 노지 재배로 2007년 이후 가뭄이 매년 반복되면서 인위적인 관수가 이루어지고 있다. 그런데 관수 시기를 놓치거나 부적절한 관수로 인해서 오히려 경제적인 수준의 작물 피해가 종종 발생한다. 작물 재배에서 합리적인 물 관리를 위해서는 토양 수분 센서에 의한 어느 특정 시점 또는 지점에서 계측을 하는 것보다는 토양 수분 및 작물의 상태와 기상 요인을 고려한 복합적인 방법으로 물 관리 정보를 판단하여 결정하는 것이 좋다(Colaizzi and O’Shaughnessy, 2019; Lee et al., 2019a; Lee and Kim, 2021).
작물재배에 있어 토양 수분을 관리하기 위해서는 다양한 요소들을 고려해야 한다. 자연적으로 물을 충분하게 공급할 수 없을 경우 필수적으로 관개해야 하며, 이 때 토양의 보수성, 용수의 질, 관개 용량은 물론 관개시점, 1회 관개량 등을 결정하여 작물의 생육, 물의 효율적 이용 등을 고려해야 한다. 이러한 결정 요인들은 일사, 온도, 습도, 풍속으로 대표되는 다양한 기상 요인, 작물 및 토양 조건 등에 의해 결정된다. 특히 물이 부족한 재배여건에서 경제적 작물의 관수 계획을 수립하는데 있어서 언제, 얼마만큼의 양을 어떻게 줄 것인지가 중요한 문제로, 많은 연구자들의 주요 관심 사항이었다. 이들을 결정하는 수단으로 미기상을 기반으로 하는 증발산량(Nam et al., 1997; Green et al., 2006; Al-Ghobari and Mohammad, 2011; Uddin et al., 2013; Nam et al., 2019), 경직경 변화(Shin and Lee, 1999), 작물수분스트레스 지수를 활용한 관수 계획 수립(Lee et al., 2019b) 등 다양한 방법에 의한 스마트 관수는 작물 생산량의 증가나 물의 효율적 이용을 위해 이미 재배 현장에서 활용되고 있다.
수액 흐름(sap flow)은 다양한 작물에서 식물체에 기반한 관수 지표로 활용되어온 생체 정보 중의 하나이다(Fernandez et al., 2001; Nadezhdina et al., 2007). 그런데 수액 흐름 센서의 측정 부위의 파괴적인 침습 특성 때문에 초본 식물에서는 이용이 곤란하여 주로 수목에서 이용되었다(Woo, 1999; Mao et al., 2017). 이후 줄기를 감싸는 방식의 수액 흐름 센서가 개발되어 토마토나 파프리카와 같은 줄기가 있는 작물에서도 이용되었다(Sakuratani, 1984). 최근에 배추와 같은 엽경채류에서도 측정이 가능한 미세 수액 흐름 센서(micro sap flow sensor)가 개발되었다(Baek et al., 2018; Telofarm, 2020).
본 연구에서는 새로이 개발된 미세 수액 흐름 센서를 이용하여 미기상과 토양 수분 변화에 따른 배추에서 반응을 분석하고, 아울러 배추 주변과 재배 토양 근접의 미기상 변화 패턴을 분석하여 이들로부터 관수 관리에 이용할 수 있는 지표를 개발하고자 하였다.
재료 및 방법
실험 재료 및 수액 흐름 측정
본 연구를 위해서 배추 품종 ‘춘광(Sakata Korea co., Seoul, Korea)’을 해발 750m의 평창 대관령(N37°68'42'', E128°72'81'')의 비가림 하우스에 2019년 6월24일에 정식하였다. 정식 후 30일 지난 배추(Fig. 1A)를 실험에 사용하였다. 배추 근경(Fig. 1B and 1C)에 부착된 잎 바깥쪽 중륵(Fig. 1D)의 가운데 엽맥에서 미세 수액 흐름 센서(Telofarm co., Seoul, Korea) (Fig. 1E)로 측정하였다. 배추의 수액 흐름 값은 크기가 다른 많은 잎과 그 중의 엽맥의 일부에서 측정한 것으로 출력 값을 표기하였다. 다양한 토양 수분 조건에서 수액 흐름의 반응을 알아보기 위하여 토양 용적 수분 센서(WT-2000, Mirae Sensor, Seoul, Korea)를 이용하여 토양 용적 수분 함량을 10–70%로 유지하였다. 구체적으로는 토양 용적 수분을 20–30% 범위로 유지한 토양, 20–30%에서 10%까지 낮아진 토양, 그리고 10% 내외의 건조한 토양에서 충분히 관수하여 토양 용적 수분을 60–70%로 급격하게 증가시킨 후 배추에서 수액 흐름을 조사하였다.
토양 수분 감소 조건에서 근접 온습도의 변화를 측정하기 위해서 배추 품종 ‘춘광’을 162공의 플러그 트레이에 30일간 육묘하여 2020년 4월 10일에 65cm × 35cm 간격으로 정식하여 비가림으로 재배하였다. 정식 시에는 전체적으로 동일하게 관수를 하고 1주일 후부터 관수를 제한하여 토양 수분이 점점 줄어든 상태를 조성하였다.
재배 환경의 측정
수액 흐름 측정과 동시에 일사량(FLA613GS; Ahlborn, Bavaria, Germany), 풍속(FVA915S; Ahlborn, Bavaria, Germany), 기온-상대습도(FHA646; Ahlborn, Bavaria, Germany) 및 지온(ZA9030FS2; Ahlborn, Bavaria, Germany)은 데이터로거(Almemo®5690; Ahlborn, Bavaria, Germany)를 이용하여 10분 간격으로 수집하였다. 토양 수분을 측정하기 위해서 FDR 센서(WaterScout SM-100; Spectrum Technologies, TX, USA)를 이용하였다. 배추 재배 토양과 배추 근접 주위 온도 및 습도의 일 변화 패턴을 분석하여 토양의 수분 상태를 진단할 수 있는지 여부를 평가하였다. 이를 위해서 배추 옆의 지면 위 1, 4, 8, 16 및 50cm 높이에서 소형 데이터로거(Watchdog 450; Spectrum Technologies, TX, USA)로 배추 주위의 온도 및 습도의 일 변화 패턴을 측정하였다.
기상자료를 이용한 증발산량의 산출
증발산량은 일사량, 기온, 상대습도 및 풍속에 따라 Penman-Monteith의 공식(Allen et al., 1998)에 의해 계산하였다. 또한 수액 흐름에 기반을 둔 증발산량은 증발산량과 수액 흐름과의 관계로부터 산출하였다.
통계분석
실험결과에 대한 통계 처리는 SAS 프로그램(Statistical Analysis System version 9.4, SAS Institute, Cary, NC, USA)을 이용하여 분산분석 및 회귀분석을 실시하였고, 처리의 차이에 대한 유의성을 검정하기 위해서 피셔의 최소유의차방법(p < 0.05)을 이용하여 분석하였다.
결과 및 고찰
배추 수액 흐름과 기상과의 관계
2019년 8월 1일부터 2019년 8월 11일 구간(Fig. 2A(2))에서는 수액 흐름이 일사량의 변화와 같은 양상을 보였는데, 해가 뜨면서 서서히 증가하기 시작하여 오후 1시경에 최고점에 이르고 서서히 감소하였다. 일사량의 크기에 따라서는 일사량과 수액 흐름을 비교한 결과 각각의 변화율에 있어 차이가 있었다(Fig. 2B). 구체적으로는 7월 28일부터 7월 30일 구간(Fig. 2A(1))에서 낮 동안 일사량이 1000W·m-2로 높았음에도 수액 흐름은 높지 않았다. 또한 8월 13일부터 8월 15일 구간(Fig. 2A(3))에서는 낮 동안에도 일사량이 높았음에도 수액 흐름은 높지 않았다. 이는 재배 시기, 재배 장소에 따라 일사량 외에도 습도, 바람, 토양 수분 등 다양한 요인이 수액 흐름에 관여한다는 기존 연구결과와 일치하였다(Smith and Allen, 1996; Ffolliott et al., 2003; Fernandez et al., 2008; Uddin et al., 2013). 이처럼 일사량이 증가하더라도 수액 흐름이 증가하지 않는 것은 수액 흐름이 한계치 이상에서는 늘 일사량에 따라 변하지 않기 때문인 것으로 판단된다.
한편 수액 흐름은 일사량과 마찬가지로 대체로 기온의 변화(Fig. 2C)와 동일 하였는데, 이는 기온의 일중 변화가 주로 일사량의 영향을 많이 받기 때문이다(Kim et al., 2008). 또한 수액 흐름은 관수로 인해 지온이 급격히 낮아진 경우에는 그에 따른 반응이 곧바로 나타나지 않은 것으로 보아 지온은 수액 흐름에 즉각적으로 영향을 미치지는 않는 것으로 보인다(Fig. 2D). 상대습도(Fig. 2E)는 수액 흐름의 변화와 역의 증감 관계를 보였고 상대습도는 기온에 따라서 변화하므로 상대습도에 따른 특이할 만한 반응은 확인되지 않았다. 그리고 낮 동안에는 일사량과 바람(Fig. 2F)의 영향을 분리하여 수액 흐름과의 관련성을 파악하기가 곤란하였다. 다만 밤 동안에 바람이 있는 경우 수액 흐름이 상승하는 경향이 있었다. 한편 토양 수분 변화(Fig. 2E)와 수액 흐름의 변화(Fig. 2G)를 살펴보았을 때, 토양 수분 10%이상 범위에서는 토양 수분 함량의 변화에 대한 뚜렷한 수액 흐름의 변화가 관찰되지 않았다.
토양 수분 변화에 따른 배추 측정 부위, 엽위별 수액 흐름의 일 변화
배추 엽 위치별 수액 흐름을 조사한 결과, 잎의 중륵에서는 수액 흐름의 변화폭이 컸으나 근경에서는 중륵에 비해서 그 변화폭이 작았으며 지온의 변화와 유사하였다(Fig. 3A). 잎의 중륵에서는 낮 동안에는 일사량, 기온 및 수액 흐름의 변화가 유사하였다(Fig. 3B and 3F). 반면, 일사의 영향이 없는 밤 동안에는 온도의 변동 구간이 짧아지는 양상을 보였으며, 수액 흐름의 경우도 이와 유사하였다. 또한 지온이 점점 낮아짐에 따라 수액 흐름도 점점 낮아지는 것으로 보아 수액 흐름의 변화에는 기온과 함께 지온의 영향을 다소 받은 것으로 판단된다(Fig. 3B, 3C and 3D). 다만 토양 수분이 22%에서 10%로 낮아졌음에도 수액 흐름의 변화 양상은 이와 유사하지 않았다(Fig. 3E). 이는 토양 수분 포텐셜이 –10 ~–25kPa 수준으로 배추가 생육하기에 충분한 토양 수분 상태였기 때문에 수액 흐름이 둔감하게 반응한 것으로 추측된다.
한편, 충분히 전개된 배추 잎의 엽서에 따른 수액 흐름은 좀 더 오래된 외부 쪽에 있는 잎에서 낮고 안쪽의 잎에서 높은 경향을 보였다(Fig. 3B). 특이하게 15번째 잎에서 수액 흐름이 급격하게 증가하였는데, 이는 측정 부위 아래쪽 중륵에 에 병이 발생하여 상부로 이동하는 물의 흐름이 한쪽으로 치우쳐 나타난 결과로 이해된다(Ahn et al., 2019).
토양 수분이 점점 건조해지다가 급격히 증가할 경우 수액 흐름의 변화를 살펴 보았다(Fig. 4). 토양 수분 함량을 10%에서 6%로 낮춘 다음에 충분히 관수를 한 경우 그에 따른 수액 흐름의 변화는 없었다. 이는 지나치게 토양이 건조하여 배추 뿌리의 활력이 매우 떨어진 상태에서 물이 공급되었기 때문인 것으로 추측된다. 앞에서와 마찬가지로 토양 수분에 대한 수액 흐름의 반응은 민감 하지는 않았지만 토양수분이 감소함에 따라 수액 흐름이 낮아지는 경향성이 있는 것은 분명하다(Fernandez et al., 2008).
수액 흐름의 일사량 및 증발산량과의 관계
수액 흐름의 일 중 변화는 해가 뜬 후 일사량과 함께 증가하는 추세를 보였고 일사량이 줄어 들면서 다시 낮아지는 경향을 보였다(Fig. 5A). 흐린 날(최대 151W·m-2)과 맑은 날(최대 752W·m-2) 충분히 전개된 잎에서 측정된 수액 흐름과 일사량은 정의 직선적 관계를 보여 기존 연구 결과(Chen et al., 2014)를 잘 뒷받침하였다. 그렇지만 흐린 날과 맑은 날에 수액 흐름이 가장 낮은 시각(08:00경)과 높은 시각(13:00경)의 수액 흐름의 비율은 각각 1.24 및 1.25로 유사한 반면 일사량의 비율은 각각 1.64 및 3.93으로 수액 흐름의 비율 차이보다 더 컸다. 이는 일사량의 증가에 따라 수액 흐름이 증가하나 그 증가가 비례적이지는 않다는 것을 의미한다. 즉, 수액 흐름은 일사량보다는 식물체 자체, 토양 수분 등 기타 요인에 따라서 영향을 받기 때문이라고 판단된다. 그런데 이런 경우에 식물체의 상태가 정상적이라는 것을 감안하면 기타 요인 중에서 토양 수분의 영향이 가장 컸을 것으로 추측된다. 그러나 다만 앞에서 언급하였듯이 토양 수분에 대한 수액 흐름의 반응이 민감하지 않으므로 관수 지표로서 토양 수분 상태를 판단함에 있어서 수액 흐름만으로 판단하기 보다는 증발산량 등과 같이 토양 수분과 관련된 요소와 복합적으로 판단하는 것이 좋을 것으로 판단된다.
한편 최고 온도, 최저 습도 및 평균 일사량을 근거하여 Penman-Monteith 방정식(Allen et al., 1998)으로 일 증발산량(PMET)을 산출한 후 수분 흐름과의 관계를 알아보았다(Fig. 5B). 수분 흐름은 일사량과의 관계와 마찬가지로 측정 기간 중 수분 흐름의 일 평균값과 PMET는 정의 관계를 나타냈다. 다만 잠재적 증산과 실제 증산 사이의 관계가 광범위하게 분산되어 있기 때문에 기존 연구 결과(Granier and Loustau, 1994; Lundblad and Lindroth, 2002)와 유사하게 증산이 감소하기 시작하는 토양 수분에 대한 한계를 판단하기 어려웠다. 증발산량은 작물 수분 관리의 지표로 활용할 수 있는 요소 중의 하나이다(Nam et al., 1997; Nam et al., 2019). 여러가지 기상요인들은 수액 흐름에 영향을 미치고 또한 증발산량의 변화도 기상의 영향을 크게 받으므로(Smith and Allen, 1996; Ffolliott et al., 2003; Uddin et al., 2013), 수액 흐름을 이용해서 증산량을 쉽게 계산을 할 수 있다(Escalona et al., 2002; Zhang et al., 2011; Kišš and Manina, 2019). Fig. 5B의 수액 흐름과 PMET의 관계로부터 수액 흐름에 기반을 둔 증발산량(SFET)을 산출할 수 있다. 누적 증발산량에 의한 토양 수분 관리는 식물체의 상태를 고려한 것이 아니므로 토양 수분을 완벽하게 제어할 수 있는 수단은 아니라고 생각된다. 여기서 수액 흐름은 본질적으로 식물의 물 사용량 또는 증산량과 동등한 지표다(Tai et al., 2010; Forster, 2020). 토양 수분 관리 시 여러 가지 기상 요인, 토양수분 및 식물체의 상태를 종합적으로 판단하는 것이 이상적이라는 측면에서(Kramer, 1983), 관수 관리에 있어(Yoon et al., 2020) 수액 흐름만을 사용하기에는 한계가 있다(Fernandez et al, 2008; Yoon et al., 2020). 그런데 표준 상태의 토양 수분 조건에서의 증발산량과 실시간 증발산량의 비율을 이용해서 산출되는 상대 증발산율에 의한 관수 시기를 결정하는 방법(Green et al., 2006)을 참고하여 토양 수분이 낮아지면 수액 흐름이 줄어드는 특성을 고려하여 PMET에 대한 SFET의 비율(Relative evapotranspiration ratio, RETR)를 관수 시기를 결정하는 지표로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 여기서 RETR가 1보다 낮아지면 토양 수분이 충분하지 않은 조건이라고 판단 할 수 있다는 의미이다. 왜냐하면 PMET와 달리 SFET는 적어도 토양 수분의 영향이 내포된 값이기 때문이다. SFET와 RETR은 다음과 같이 계산되었다.
SFET = 3.5 × PMET – 2.6
RETR = SFET/PMET
앞으로 관수 시기 결정에 활용하기 위한 작물 별 적절한 RETR 결정에 대하여는 연구가 좀 더 진행되어야 할 것으로 여겨진다.
식물체 근접 지면 등 위치에 따른 온습도 분포 특성
2019년 9월 20일부터 2019년 10월 8일까지 배추 근접 지표면과 높이에 따른 온도와 상대 습도를 측정하였다(Fig. 6). 지면 1cm 위에서 측정한 상대 습도를 제외하고 나머지 위치에서는 유사하였다. 그런데 상부 위치에 비해 지표면 근접 기온은 밤에는 더 높고 낮에는 더 낮았고, 상대 습도는 낮 동안에 습도가 가장 높았던 반면 밤 동안에는 온도가 더 높게 유지되는데도 불구하고 상대 습도가 가장 높았다. 물론 상대 습도는 1cm 지표면 근접 위치를 제외하면 온도 변화와 반대로 나타나는 습공기 변화의 일반적인 양상을 보였다. 이는 지표면 1cm 위치는 지면에 근접해 있어서 위쪽 공기의 영향을 가장 적게 받는 위치로 토양 표면과 배추의 증발산에 의해 유발된 습기로 말미암아 나머지 위치와 다른 패턴을 보인 것으로 판단된다. 습공기선도에 따르면 상대 습도는 온도와 반비례하므로 낮 동안에 온도가 높아지면 상대 습도는 낮아지는 변화를 보인다. 아마도 밤 동안에 온도가 높음에도 더 높은 습도를 보이는 것은 적어도 1cm 위치까지는 지속적으로 지중으로부터 공기 중으로 수분이 계속 공급되었을 것으로 추정된다. 이런 결과는 토양이 그다지 건조하지 않았다는 것을 의미하고 반대로 상부의 다른 배추 근접 부위와 동일한 패턴을 보인다면 토양이 건조해져 있다는 신호의 의미로 판단된다. 결론적으로 작물체와 지면에 인접한 상대 습도도 상부 기상의 영향을 많이 받겠지만 그 외에도 토양 중의 수분 함량이나 작물체의 증발산, 작물체 캐노피(canopy)에 의한 차폐의 영향도 받기 때문에 작물체에 인접한 대기 중의 상대 습도와 기온은 작물 재배 시 물 관리에 관계되는 요인이 종합적으로 반응한 결과라고 판단된다. 식물체 캐노피의 온도와 기온의 비율로 수분 스트레스를 평가할 수 있는데(Idso and Reginato, 1982), 이는 식물체 주변 미기상 변화가 토양 수분 상태를 나타내는 것으로 이해된다. 따라서 근접 온습도의 이상 변화는 배추 재배 토양의 수분 상태가 일부 반영되어 나타난 결과라고 볼 때, 토양 수분 관리에 있어 하나의 지표가 될 수 있을 것으로 판단된다.
토양 수분 감소 조건에서 근접 온습도의 변화
한편 Fig. 7은 토양 수분이 점점 줄어드는 상태에서 2020년 5월 11일부터 2020년 5월 30일까지 근접 온습도의 변화를 조사한 것이다. 5월 18일 이전부터 5월 19일 01:00경까지는 밤에 지면 위 1cm 높이에서의 온습도 변화를 살펴보면, 온도는 높고, 상대 습도도 높은 시기(Fig. 7C(1)), 온도는 높고, 상대 습도는 낮은 시기(Fig. 7C(2)), 온도는 높고, 상대 습도가 높은 시기(Fig. 7C(3))로 구분되었다. 이처럼 Fig. 7C의 (1)구간에서처럼 토양 수분이 낮을 때, 상대 습도가 낮은 것은 토양 수분 부족에 의한 시그널이라고 판단된다. 그런데 계속해서 토양 수분이 부족한 상태로 유지된 상태의 Fig. 7C의 (3)구간에서 다시 상대 습도가 높았을 때, 지면으로부터 먼 위치의 야간의 상대 습도가 95%이하로 낮아서 토양 수분이 부족함에도 불구하고 지면 근접 상대 습도가 높게 나타난 것으로 보인다. 즉 밤에 지표면에서 떨어진 배추 상단의 상대 습도가 95%이하로 낮은 경우에는 앞에서 언급한 밤에 토양 수분이 충분할 때 나타나는 습공기의 온도와 습도의 이상 변동과 토양 수분 상태의 관계가 밀접할 것이라고 판단하는 논거의 예외 현상이라고 볼 수 있다. 따라서 근접 온습도 환경에 기반한 토양수분 관리를 위해서 일몰 후 배추 상부의 상대 습도가 95%이상이면서 동시에 근접 온습도의 이상 변동이 나타날 때로 조건을 한정하여 판단하는 것이 타당할 것으로 여겨진다. 그런 측면에서 근접 온습도 이상 변동 유무에 의한 관수 시기의 시그널은 결국 토양 수분, 공기 유동, 배추 수분 상태 및 배추 상단의 상대 습도를 모두 수렴한 결과라고 판단된다. 이를 토대로 온습도의 지표면 근접 부위와 상부의 온습도의 비가 1보다 크고 작음에 따라 토양의 수분 상태를 판단할 수 있을 것으로 보인다(Table 1). 즉, 식물체 주변의 근접 습도에 가장 크게 영향을 미치는 것은 강우 등에 의해 좌우되는 공중 습도를 제외하면 토양 수분이라고 판단하기 때문이다.
Table 1.
Soil water conditions | ||||||
Enough | Shortage | Normal | ||||
Air temperature ratio | on/upTR > 1 | on/upTR < 1 | on/upTR < 1 | on/upTR > 1 | ||
RH ratio | on/upHR > 1 | on/upHR < 1 | on/upHR > 1 | on/upHR < 1 |
최근 가장 스마트한 관수 관리는 토양 수분 조건, 기상 조건, 식물체의 상태, 증발산량을 종합적으로 판단하여 이루어지고 있다(Colaizzi and O’Shaughnessy, 2019). 이에 본 연구에서 제시한 근접 온습도에 의한 관수 시그널도 배추 재배 주변 미기상 환경이 복합적으로 표출되는 새로운 관수 관리 지표로써 활용할 수 있지 않을까 여겨진다.