서 언
재료 및 방법
실험 I: 지상부 조기가온 효과 구명 연구
실험 II: 근권부 국소난방의 조기가온 효과 구명 연구
결과 및 고찰
실험 I: 지상부 조기가온 효과 구명 연구
실험 II: 근권부 국소난방의 조기가온 효과 구명 연구
서 언
우리나라 시설원예 산업은 기술과 자본 뿐 아니라 운영 과정에 상당한 에너지를 요구되는 새로운 산업으로 변화한다. 시설원예 면적은 2018년도 기준 55,407ha이고 그 중 지상부 난방 면적은 15,784ha, 지하부 난방 면적은 788ha를 차지하고 있다(MAFRA, 2019). 난방방법은 유류난방기에 편중되어 있어(가온면적의 88%) 국제유가의 변동에 연동된 구조를 가지고 있으며 태양열 등 포함한 신재생에너지 이용 비중은 0.88%로 미흡한 실정이다. 또한 에너지단가가 낮은 농사용 전력 사용이 연간 약 20%씩 급속히 증가하고 있는 현실이다(MAFRA, 2019).
시설원예용 난방에너지 비용 절감과 관련한 개발 기술은 히트펌프, 전기난방기, 부산물연료와 같은 (1) 난방비 절감형 공조기 기술, 난방부하 저하를 위한 보온자재, 기능성 피복재 등의 (2) 보온력 향상기술, 난방 범위를 제한하는 국소난방, 동화 산물의 전류 등을 촉진시키는 (3) 변온관리 기술 등이 있으며, 이들은 에너지 절감형 온도 관리기술로 대별된다. 대부분의 국소난방은 근권부를 대상으로 하고 있다(Morgan and O’Haire, 1978; Gosselin and Trudel, 1983; Kawasaki et al., 2014). 딸기 작물은 주로 관부(Sato and Kitajima, 2010)와 근권부(Kim et al., 2010)에 국소난방을 적용한다. 최근 동절기 야간에 관부와 근권부의 국소난방이 에너지소비에 미치는 영향을 시험한 결과에서 근권부 국소난방구(근권온도 20°C+온실공간온도 5°C)와 관부 국소난방구(관부온도 20°C+온실공간온도 5°C)는 대조구(온실공간온도 9°C)에 비해 각각 59%와 65%의 난방유 절감이 되고, 히트펌프 가동에 의한 전기소비를 반영하였을 때 난방비는 각각 55%와 61%가 절감된다고 하였다(Kwon et al., 2019).
최근 작물생산현장에서는 근권 국소난방과 조기가온 기술을 병행하여 사용하고 있다. 일반적으로 근권온도가 낮은 조건에서는 뿌리생육 및 양수분흡수(Gosselin and Trudel, 1983; Tindall et al., 1990) 및 엽면적(Hurewitz and Janes, 1983)이 감소된다. 현재까지 근권난방 연구는 주로 지온의 범위에 따른 생육 및 양수분 흡수(Walker, 1969; Kim et al., 2010), 수확 시기 촉진과 상품성 및 수량성 증대(Choi et al., 1995; Shin et al., 1997) 등 이었다. 시설재배에서 조기가온 개시시점에 대한 연구는 아직까지 미비한 실정이다. 조기가온은 일출 1–2시간 전에 개시되는 것으로 알려져 있지만 작물생산현장에서는 가온 개시시점과 방법에 대하여 많은 혼선이 있다. Kwon et al.(2004)은 오이 잎의 광합성속도, 기공전도도, 증산속도는 2시간 조기가온에서 가장 좋았고, 무처리는 현저히 낮았으며, 오이의 수량은 조기가온 1시간이 11%, 2시간이 16%로 각각 증수되었고, 경제성분석에서도 조기가온 효과가 있음을 증명하였다. 국내 토마토 생산량은 2014년에 최근 10년 간 가장 높은 수준인 49만 9,960톤을 기록한 후 지속적으로 하락하다가 2018년에 전년대비 약 9.5% 증가한 38만 5,657톤으로 집계되었다(KOSTAT, 2019). 토마토는 재배작형에 따라 출하시기가 크게 상이한데, 주요 출하기인 4월부터 7월까지의 생산량이 가장 많고 12월부터 2월은 일조량 감소와 난방비 증가로 도매시장의 반입물량이 감소된다. 따라서, 월별 도매가격은 7월이 kg당 1,752원으로 가장 낮고, 11월이 kg당 3,335원으로 가장 높다(KAMIS, 2020). 2018년 토마토 생산이 가장 많았던 지역은 국내에서 연평균 기온이 가장 낮은 강원도로 6만 2,535톤의 토마토가 생산되어 전국 생산량의 15.1%를 차지하고 강원도에서의 토마토 재배면적은 1,061ha로 전체 6,058ha의 17.5%를 차지한다. 겨울철 합리적 가온방법이 실용화 되면 농가의 수익을 높일 수 있는 장점이 된다. 따라서, 본 연구는 겨울철 토마토 암면배지경에서 적합한 조기가온 개시시점을 구명하고 근권 국소난방이 토마토 수분흡수, 생육 및 수량에 미치는 영향을 구명하고자 수행하였다.
재료 및 방법
실험 I: 지상부 조기가온 효과 구명 연구
식물재배 및 재배환경
본 연구는 서울시 관악구에 위치한 폴리올레핀[Polyolefin, PO (0.15mm)]의 단동형비닐하우스[168m2, 8(W) × 21(L) × 5.5m(H)]에서 수행되었다. 지상부 조기가온 실험은 2017년 11월 27일부터 2018년 1월 29일까지 수행하였다., 지상부 조기가온 시험에 사용한 토마토(Solanum lycopersicum L. cv.Dotearang) 모종은 50일간 40공 플러그에서 육묘한 것을 구입하여 2017년 11월 27일 정식하였다. 정식 방법은 모종을 암면 블록(10 × 10 × 6.5cm, Rockwool, Grotop expert, Grodan Co. Roermond)에 이식하여, 암면 슬러브(100 × 20 × 7.5cm, Grotop Master, Grodan, Roermond)에 4주씩 정식하였다. 정식 전날 수돗물(EC 0.3dS·m-1)로 암면을 충분히 포수하였으며, 슬러브 하단에 40cm 간격으로 3cm 크기의 배수구 6개씩을 뚫었다. 정식 직후 EC농도는 0.5dS·m-1로 급액하였으며 서서히 올려서 정식 2주 후부터는 EC 2.0dS·m-1, pH 6.5수준으로 조정하였다. 급액은 양액시스템(Aqua-M, Shinhan A-Tec, Seoul, Korea)을 이용하여 야마자끼(Yamazaki) 배양액을 공급하였다. 난방은 공기열 히트펌프(Multi V., LG Electronics Inc., Seoul, Korea) 60만kW와 펜코일유니트(SFC-120TFV, Shinwoo Air Conditioning Co. Ltd., Kyunggido, Korea) 4대를 이용하였으며, 시설 내에 균일하게 열 분배가 되도록 하였다. 전 실험기간에 걸쳐 야간 최저온도를 13.5°C로 하였으며, 일몰 90분전 다겹보온커튼을 가동하였다. 시설 내·외부 기상환경(온도, 습도, 일사량, CO2 농도)측정은 신한환경계측시스템(Shinhan SH-3000 V8.0, Kyungnam, Korea)으로 실시하였다. 정식 후 발생되는 측지를 지속적으로 제거하였으며, 착과 촉진을 위하여 토마토톤 500배 희석액을 스프레이로 개화된 화방별에 오전 10시 이전 시간대에 살포하였다. 착과 후 과방별로 착과된 4과를 남겨 놓고 적화 및 적과를 하였다. 적심은 4화방 위 2엽을 남겼다.
급액 처리
급액은 누적일사량 제어(Integrated Solar Radiation-automated irrigation system, ISR)와 물관수액흐름속도 제어(Sap flow-automated irrigation system, SF)로 실시하였다. 물관수액흐름(Sap Flow, SF) 신호가 광량(Solar Irradiance) 신호와 유사하다는 선행 연구결과를 바탕으로(Baek et al., 2018), 일사량 신호를 SF 신호로 대체하여 SF 제어구의 급액 알고리즘에 적용하였다. SF 센서(MSF-01, Telofarm Inc., Seoul, Korea) 32개를 토마토 32개체의 줄기(뿌리에서 20cm 위치)에 각각 설치한 후, 정규화 된 평균 수액 흐름 누적값이 목표 누적일사량(ISR 제어구와 동일)에 도달할 때마다 2분 동안 100mL씩 급액하면서 실시간으로 SF 데이터를 수집하였다. 각 센서의 보정은 다음 fitting curve를 활용하여 수행되었다: u = 9.54 × ((Tm–T)/T) × 0.99), adj. R2 = 0.974 (u: 유속, Tm: 유속이 0일 때 가열 한 후 최대로 상승된 온도, T: 특정 유속이 있을 때 온도 상승) (Baek et al., 2018). ISR 제어구는 누적일사량 130–200J·cm-2·day-1 범위에서 작물의 생육단계에 따라 배액율을 보고 조정하면서 관수 최대 대기시간을 2시간으로 설정하였다. 관수개시는 일출 1시간 후, 관수종료는 일몰 3시간 전에 하였고, 회당 100 ± 2mL를 급액하였다. 두 급액처리 모두 자동 급액 시스템(Aqua-M, Shinhan A-Tec, Seoul, Korea)을 이용하였다.
지상부 조기가온 처리
조기가온 시기는 수세를 안정시키기 위하여 정식 후 1개월이 경과된 2017년 12월 27일부터 2018년 1월 11일까지 16일간 수행되었다. 조기가온 시작 시간은 실험 온실에 직달광이 도달하는 오전 8시를 기준으로 30, 60, 90분전으로 설정하였다. 정식 후 31–34일에는 무처리(Control), 정식후 35–38일에는 7시 30분부터 8시까지 일출 30분전 처리(PH-30), 정식 후 39–42일에는 7시부터 8시까지 일출 60분전 처리(PH-60), 정식 후 43–46일에는 6시 30분부터 08시까지 일출 90분전 처리(PH-90)로 각 처리 당 4일씩 조기가온 하였다. 조기가온 온도 관리는 오전 실험 시작하는 시간에 난방기 설정온도를 25°C로 설정하고, 조기가온 시간이 종료되면 난방설정온도를 다시 야간 난방기 설정온도 13.5°C로 전환하였다.
측정항목 및 측정방법
급액량은 양액시스템에 기록된 자료를 토대로 기록하였고, 배액량은 각 슬라브 하단에 집수 장치를 설치하여 슬라브 배수구에서 흘러나온 배액을 비이커에 집수되도록 하여 측정하였다. 배액율(Drainage ratio, DR)은 다음과 같이 계산하였다.
이 때, DR은 배액률(%), V는 식물체 당 일일 배액량(L), I는 식물체당 일일 급액량(L)이다.
식물체 수분흡수량(Water Uptake, WU)은 다음과 같이 계산하였다(Vermeulen et al., 2007).
이 때, WU는 수분흡수량(kg·day-1), I는 급액량(kg·plant-1·day-1), V는 배액량(kg·plant-1·day-1), dM은 배지무게변화(kg), dt는 측정기간(day)을 나타낸다.
작물의 생장에 따라 수분흡수와 영양 상태를 파악하기 위하여 배액 내 전기전도도(EC)와 산도(pH) 측정은 휴대용 EC/pH 측정기(PC Testr 35 Multi-parameter, SINGAPORE)을 사용하였다. 광합성 속도는 2018년 1월 3일과 1월 10일에 각각 측정하여 총 2회 측정하였다. 광합성이 활발한 오전 10–12시 사이에 광합성 측정기(LI-6400XT, Li-COR, Lincoln, NE, USA)를 이용하여 1화방 위 3번째 잎에서 측정하였다. 광량은 인공광원(670nm red light emitting diodes)을 이용하여 PAR 1,000µmol·m-2·s-1 로 조절하였고, CO2 농도는 400µmol·mol-1, 기온은 17°C로 설정하였다(Ashraf et al., 1994).
통계분석
ISR 제어구와 SF 제어구 64주를 각각 암면배지 한 개당 5주씩 정식하여 난괴법으로 배치하였다. SF 센서값은 32개 개체에서 2분간격으로 저장되는 값의 실시간 평균값을 활용하였다. 각 처리 당 슬라브 1개에 대해 수분흡수량(Water Uptake, WU) 측정을 위해 슬라브 무게 일변화 값, 배액량을 측정하였으며, 식물체에 대한 생육조사는 각 처리 당 4개 식물을 선발하여 수행하였다. 두 급액방식에 따른 조사 결과는 t-test 분석을 위해 SAS 9.2 소프트웨어 패키지(SAS Institute, Cary, NC, USA)를 사용하였다.
실험 II: 근권부 국소난방의 조기가온 효과 구명 연구
식물재배 및 재배환경
근권 조기가온 실험은 2018년 11월 24일부터 2019년 2월 4일까지 실시하였다. 시험에 사용한 토마토 품종(Solanum lycopersicum L. cv.Super Dotearang)은 50일간 40공 플러그에서 육묘한 것을 구입하여 2018년 11월 24일 암면 블록(10 × 10 × 6.5cm)에 토마토 모종을 이식한 후 암면 슬러브(100 × 20 × 7.5cm)에 5주씩 정식 하였다. 급액은 ISR 제어법으로 수행하였다. SF 센서(MSF-01, Telofarm Inc., Seoul, Korea)를 토마토 5개 줄기(뿌리에서 20cm 위치)와 과병(peduncle)에 설치한 후 실시간으로 SF 데이터를 수집하였다.
근권 조기가온 처리
실험 처리는 야간 난방기 온도를 13.5°C로 설정하여 지상부만 난방하는 무처리(Control)와 오전 6시부터 7시 30분까지 90분간 근권 조기가온 하는 처리(RPH-90)로 하였다. 근권 국소난방 방법은 전열이용 난방필름[20(W) × 100cm(L), 90W·m-2]을 이용하여 슬러브 하단에 설치하였고 난방 필름(Heating Film, All Energy, Jeonbuk, Korea)의 설정온도는 19°C로 하였다. 근권 국소난방은 2018년 12월 10일(정식 후 17일)부터 시작하였다.
측정항목 및 측정방법
상품과 기준은 과중 100g 이상으로 하였으며, 식물체 건물중은 실험 종료 후 건조기(HB-504F-0, Inc. Hanbaek science, Korea)를 이용하여 65°C에서 72시간 건조 후 전자저울(HS-4104, Inc. Hansung machine, China)로 측정하였다. 수분이용효율(Water Use Efficiency, WUE)은 다음의 식을 이용하여 계산하였다(Burnett and van Iersel, 2008).
이 때, WUE는 수분이용효률(g·L-1/plant), TFW는 잎, 줄기 과실 총생체중(g), TIV는 총급액량(L), TD는 총배액량(L)이다.
슬러브 내부온도는 FDR센서(WT1000N, Mirae-SensorⓇ, Korea)를 사용하여 10분 간격으로 측정하였다. 그 외 관리 방법은 지상부 조기가온 연구(실험 I)와 동일하게 통제하였다.
통계분석
ISR 제어구는 64주를 암면배지에 배지 한 개당 5주씩 정식하였고, 각 처리 당 실험에 사용한 식물 주수는 5주씩이었다. 각 처리 당 슬라브 1개에서 발생한 배액량을 측정하였다. 식물체에 대한 생육조사와 상품과 수량 및 당도 조사는 각 처리 당 5개 식물에 대해 수행하였다. 물관수액흐름(SF) 모니터링은 각 처리구별 SF센서를 식물체 줄기에 한 개씩 설치하여 총 4개의 센서 신호 결과를 활용하였다. 조사 결과는 t-test 분석을 위해 SAS 9.2 소프트웨어 패키지(SAS Institute, Cary, NC, USA)를 사용하였다.
결과 및 고찰
실험 I: 지상부 조기가온 효과 구명 연구
지상부 조기가온이 하우스 온도와 근권 온도에 미치는 영향
지상부 조기가온 처리 전 후의 하우스 공기온도와 근권 온도를 비교하였을 때 Control 처리의 경우 오전 8시에 기온은 14.8°C, 근권 온도는 14.2°C였고 시설 내 일사량 유입에 따라 9시 30분경부터 기온이 상승하여 9시 47분에 기온은 15.7°C에서 10분 후인 9시 57분에 21.6°C로 약 5.9°C가 상승하였고 근권 온도는 10분동안 약 1°C 높아져 15.8°C를 나타냈다(Fig. 1A). 조기가온 처리구는 온실 온도와 함께 배지 온도가 빠르게 상승하였다(Fig. 1B, 1C, and 1D). PH-30 처리구는 처리 전 7시 30분경에 온실 기온은 16.0 ± 0.5°C, 근권온도는 13.6 ± 0.2°C였으나 조기가온 30분 후인 8시에 온실기온은 26.0 ± 0.2°C, 근권온도는 17.4 ± 0.2°C였다. PH-60, PH-90 처리구의 근권온도는 처리 전 보다 각각 5.0 ± 1.0°C, 8.0 ± 1.0°C 높아졌다. 따라서 조기가온에 따라 기온은 목표온도에 매우 빠르게 상승하는 반면 지온은 기온에 비해 천천히 상승하여 조기가온 시간을 길게 할수록 지온 상승이 빨라졌는데 이는 Heuvelink(1989)가 외기온도보다는 근권온도의 상승속도가 느린 특성이 있다고 한 것과 일치된다. Jones(2007)은 토마토 근권 적정 지온이 20–24°C라고 하였으며, Diaz-Perez et al.(2007)와 Kenndy et al.(2008)은 생육, 수량 및 병해발생에서는 20–26°C가 적정 지온이라고 하였다. Kafkafi(2001)는 낮의 근권 온도가 12°C인 경우 식물호르몬 대사에 영향을 줄 수 있어 적정온도는 20°C라고 하였다. 본 연구에서 야간 암면 슬러브 온도 12.5–14.5°C 유지되었고 조기가온에 따라 근권 온도를 22°C까지 조정할 수 있었으며 조기가온의 효과가 근권 온도와 양의 상관관계를 보이는 것을 알 수 있었다.
Fig. 1.
Representative temperatures of greenhouse and root-zone under different greenhouse heating treatments controlled at 25°C prior to sunrise with 4-day intervals [Control: None heating, PH-30: 30min-heating (07:30-08:00), PH-60: 60min-heating (07:00-08:00), PH-90: 90min-heating (06:30-08:00)] in experiment I.
지상부 조기가온이 급액횟수, 급액개시 및 종료시간에 미치는 영향
식물에서 증산에 의한 잠열의 유·출입은 광량이 100–200W·m-2 이상에서 진행된다고 알려져 있다(Pieruschka et al., 2010). 포도나무의 경우 수관전도도는 공기포차가 증가할수록 감소되는데, 오전 시간대의 광량이 200W·m-2 이하의 경우에는 적용되지 않는다(Lu et al., 2003). 따라서 조기가온 처리에 따른 급액 개시시간을 해 뜬 후 광량이 200W·m-2 에 도달하는 시간을 기준으로 비교하였다. Control 처리구는 두 급액방식에 따른 차이가 없었으나 조기가온 처리구의 급액 개시 시간은 SF 제어구에서 ISR 제어구보다 6–45분 더 빨랐다(Table 1). SF 제어구에서 급액개시 시간은 200W·m-2에 도달하는 시간 기준으로 조기가온 처리를 일찍 할수록 빨라졌는데 이는 그 시간만큼 토마토의 근권 활동 개시 시간도 빨라졌기 때문이라고 생각된다.
Table 1.
Irrigation scheduling under the different heating treatments controlled at 25°C temperature prior to sunrise with 4-day intervals with sap flow (SF)- and integrated solar radiation (ISR)- automated irrigation systems [Control: None heating, PH-30: 30min-heating (07:30–08:00), PH-60: 60min-heating (07:00–08:00), PH-90: 90min-heating (06:30–08:00)] in experiment I
지상부 조기가온이 물관수액흐름속도(Sap Flow Density), 급배액량 및 수분흡수량에 미치는 영향
실험기간 동안의 물관수액흐름속도는 그날의 누적 일사량과 유사한 경향을 보이고 있는 가운데 조기가온 효과를 정확히 나타내기 위하여 그날의 물관수액흐름속도 합계를 누적일사량으로 나누었다. 즉 누적일사량으로 물관수액흐름속도를 나타냄으로 각기 다른 그날의 일사량 차이에 대한 오차를 줄였다. 처리 별 4일간 각 일별 누적 물관수액흐름속도(A: µL·mm-2·day-1)를 일별 누적일사량(B: J·cm-2·day-1)으로 나눈 값의 평균값은 Contol에서는 0.006, PH-30에서는 0.005, PH-60에서는 0.007, PH-90에서는 0.011로, PH-90에서 단위 누적 일사량 당 가장 왕성한 물관수액흐름을 확인할 수 있었다(Table 2). 이것은 조기가온 처리를 일찍 할수록 급액 개시시간이 빨라진 것과 관련이 있다(Table 1). 이와 같이 PH-90 처리구에서 급액 개시시간이 가장 빨라진 것이, Table 2의 PH-90 처리구에서 단위 누적일사량 당 Sap Flow량이 가장 많은 것을 뒷받침하였다고 생각된다. 본 연구에서 사용된 물관수액흐름 센서는 열소실법(Heat Dissipation, HD) 방식으로 Sap Flux Density의 단위인 cm3·cm-2·h-1를 사용한다(González-Altozano et al., 2008). 토마토 줄기 물관수액흐름속도는 약 200g·h-1 (De Swaef et al., 2012)로 알려져 있는데 이를 환산하면 0.2L·h-1(≒55.55µL·s-1)이다. 토마토 줄기의 단면적 연구 결과를(Van der Schoot and van Bel, 1989) 참고하여, 물관 단면적을 50mm2로 가정한 후 계산하였다(= π[(5 × 10-3)2–(3 × 10-3)2] ≒ 5 × 10-5m2 (≒50mm2)). 토마토 물관수액흐름속도는 약 1.1µL·mm-2·s-1(= 55.55µL·s-1 ÷ 50mm2 = 1.1µL·mm-2·s-1)이다. 본 연구에서는 최대 0.1µL·mm-2·s-1로 측정되었는데, 절대수치에 대해서는 아직 더 연구가 필요하다.
Table 2.
Total sap flow density (SF, A), integrated solar radiation (ISR, B) and the ratio A to B under the different heating treatments at 25°C temperature prior to sunrise with 4-day intervals in experiment I
| Treatment |
Date (2018) |
Total SF (µL·mm-2·day-1) (A) |
ISR (J·cm-2·day-1) (B) | (A)/(B) |
Avz [(A)/(B)] |
| Control | 27-Dec | 6.473 | 1,578 | 0.004 | 0.006 |
| 28-Dec | 6.403 | 804 | 0.008 | ||
| 29-Dec | 4.040 | 789 | 0.005 | ||
| 30-Dec | 4.008 | 615 | 0.007 | ||
| PH-30 | 31-Dec | 7.945 | 1,540 | 0.005 | 0.005 |
| 01-Jan | 6.838 | 1,404 | 0.005 | ||
| 02-Jan | 6.460 | 1,242 | 0.005 | ||
| 03-Jan | 7.950 | 1,630 | 0.005 | ||
| PH-60 | 04-Jan | 7.638 | 1,085 | 0.007 | 0.007 |
| 05-Jan | 8.208 | 1,478 | 0.006 | ||
| 06-Jan | 8.166 | 1,607 | 0.005 | ||
| 07-Jan | 6.992 | 816 | 0.009 | ||
| PH-90 | 08-Jan | 7.571 | 597 | 0.013 | 0.011 |
| 09-Jan | 9.574 | 1,213 | 0.008 | ||
| 10-Jan | 10.778 | 1,486 | 0.007 | ||
| 11-Jan | 24.037 | 1,573 | 0.015 |
수분흡수량[Eq.(2)]은 Control 처리구가 가장 낮았고 조기가온을 일찍 시작할 수록 높았으며, 배액율[Eq.(1)]은 차이가 없었다(Table 3). Kramer(1983)는 토마토 지상부를 절단하여 도관으로부터 나오는 일비액량을 측정하였을 때 근권온도를 24°C로 처리한 경우에 가장 많았고 15°C 이하의 저온에서는 낮았는데 이는 토마토의 뿌리 생장이 둔화되고 근권 세포로부터 수분흡수에 대한 저항이 커지며 기공 저항이 높아지기 때문이라고 하였다. Hanping et al.(2017)도 온실 토마토 재배에서 급액이 충분히 공급된 조건에서 물관수액흐름속도와 기후요인 간의 상관관계를 낮(06:00–22:00), 아침(6:00–14:00), 오후(14:00–22:00)로 나누어 관찰하였을 때 낮의 경우 가을과 겨울 재배기는 물관수액흐름속도와 VPD(vapor pressure deficit) > LI(light intensity) > Ta(leaf temperature) 순으로 밀접한 관계를 보였고 봄과 여름 재배기는 LI > VPD > Ta 순으로 관계가 높았다. 본 연구에서는 조기가온으로 인한 VPD 값을 측정하지 않았으나 겨울철 조기가온으로 인한 온실 내 온도 상승으로 VPD 값이 높아진 것도 물관수액흐름을 증가시킨 요인이 된 것으로 보인다.
Table 3.
Irrigation frequency, irrigation and drained volume per plant, drainage ratio, and water uptake per plant under different greenhouse heating treatments at 25°C temperature prior to sunrise at 4-day intervals in experiment I
| Heating |
Irrigation frequency |
Irrigation volume (mL) |
Drained volume (mL) |
Water uptake (L·day-1) |
Drain ratio (%) | |
| Control | ISR | 3.50 b | 175 b | 15.00 b | 0.21 c | 4.84 b |
| PH-30 | 7.25 a | 362 a | 78.13 a | 0.26 bc | 19.25 a | |
| PH-60 | 6.50 a | 325 a | 65.00 a | 0.36 ab | 16.06 a | |
| PH-90 | 6.50 a | 325 a | -z | 0.40 a | -z | |
| Control | SF | 3.25 c | 162 c | 38.44 b | 0.19 c | 20.63 a |
| PH-30 | 6.75 b | 337 b | 78.13 ab | 0.27 bc | 21.911 a | |
| PH-60 | 7.00 b | 350 b | 94.38 a | 0.34 ab | 23.75 a | |
| PH-90 | 8.25 a | 412 a | 104.06 a | 0.40 a | 23.84 a |
조기가온이 광합성속도와 엽면적에 미치는 영향
광합성속도는 SF 제어구의 PH-30에서 광량 892W·m-2 일 때 16.6µmol CO2·m-2·s-1, PH-90에서 광량 812W·m-2 일 때 20.6µmol CO2·m-2·s-1로 PH-90이 PH-30보다 광량이 낮았음에도 불구하고 광합성속도가 활발하였다. ISR 제어구에서도 PH-30에서 광량 897W·m-2 일 때 14.5µmol CO2·m-2·s-1, PH-90에서 광량 807W·m-2 일 때 16.6µmol CO2·m-2·s-1로 PH-90이 PH-30보다 광량이 낮았음에도 불구하고 광합성속도가 활발하였다(Fig. 2). 앞서 발표된 오이 조기가온 연구결과도 본 연구결과와 일치되는데 일출전에 난방온도를 12°C에서 16°C로 올려서 커튼 개방 전 2시간, 1시간 및 0시간 가온 후 광합성속도, 기공전도도 및 증산량을 측정하였을 대 2시간 조기가온 처리에서 가장 높았고 무가온 처리구는 현저히 감소하였다(Kwon et al., 2004). 엽면적은 4일간 PH-30 처리 후 Control 처리와 비교하였을 때 상승폭이 가장 큰 것으로 나타났고 그 다음으로 PH-60과 PH-90 처리간 차이가 컸으며 PH-30과 PH-60 처리간 변화폭이 가장 작았다(Fig. 3). 따라서 조기가온을 통해 토마토의 광합성 효율이 증대되고 생육이 촉진되는 효과가 있음을 알 수 있었다.
Fig. 2.
Photosynthesis rate (Photo) with changes of solar irradiance (SI) under the PH-30 with SF irrigation system (A) and ISR irrigation system (B) at the 3rd of January, 2018 and under PH-90 with SF irrigation system (C) and ISR irrigation system (D) at the 10th of January in experiment I. Data for photosynthesis rate are from single measurement.
실험 II: 근권부 국소난방의 조기가온 효과 구명 연구
근권 조기가온이 배지함수량과 배지온도에 미치는 영향
정식 후 17일부터 73일까지 시설 내부 기온은 13.4–19.9°C이며, 평균기온은 16.3°C로 생육적온을 유지하였고 야간 난방기 설정온도는 13.5°C로 전 생육기간에 걸쳐 설정온도 이상으로 제어하였다. 상대습도는 64–92%이며 평균습도 79%, 누적일사량은 8–1,303J·cm-2·day-1, 평균 이산화탄소(CO2) 농도는 480–818µmol·mol-1 수준으로 유지하였다(unpublished). 본 실험에서 이용한 전열이용 난방필름[20(W) × 100cm(L), 90W·m-2]의 온도 콘트롤러의 불안정으로 근권 조기가온 개시한 12월 10일부터 15일까지는 콘트롤러 설정온도와 실제 측정치 간에 약 4°C 차이가 있어 목표설정온도(23–25°C)를 상회하였는데 난방필름을 이용하여 근권 조기가온 할 때에는 사전에 온도 콘트롤러의 점검이 필요하다. 난방필름의 온도 콘트롤러의 조정이 완료된 12월 15일(정식 후 22일)부터 정식 후 35일까지 배지 내 함수율이 RPH-90 처리구에서 Control보다 높았는데 이 결과는 정식 후 17–22일까지 근권 온도의 목표설정온도 상회로 뿌리로부터 양·수분 흡수가 저해된 것과 관련이 있을 수 있다. Bugbee and White(1984)는 토마토 적정 근권온도는 정식 후 4주까지는 25–30°C, 5–6주는 20–25°C라고 하였다. 정식 후 31일에 측정된 초장, 엽수, 엽폭은 처리별 유의차가 없었고(Fig. 6), 개화율과 착과율도 유의차가 없었다(unpublished). Behboudian et al.(1994)은 두 사과 품종을 지온 34°C에 노출시켰을 때 무기이온 흡수, 뿌리 발달, 엽록소 함량은 품종에 따라 차이를 보였으며, 주/야간 고온의 배지 온도에서 계속적으로 재배되지 않으면 근권 고온이 작물 생리적 반응에 영향을 주지 않을 수 있다고 하였다. 따라서 본 실험에서 초기 온도조정 기간 중의 조기가온 근권온도 영향이 후기 생육과 수량에 영향을 주지 않았을 것으로 판단된다.
정식 후 22일부터 35일까지 RPH-90 처리의 배지 함수율 변화는 Control 처리구와 차이를 좁혔으며, 정식 후 40일 경에는 RPH-90 처리에서 근권 온도 스트레스의 회복으로 정상 생육하였으며 배지 수분 함수율이 Control 처리구 보다 낮아졌다(Fig. 4). RPH-90 처리의 근권 온도는 13.3–19.1°C이며, Control 처리구는 11.0–17.2°C수준을 유지하였다.
근권 조기가온에 따른 물관수액흐름속도 변화
일년 중 가장 광량이 부족한 시기인 1월 4일의 누적광량은 495J·cm-2·day-1이었고, 줄기의 물관수액흐름 총량은 RPH-90 처리구에서는 17.1µL·mm-2·day-1, Control 처리구 에서는 15.3µL·mm-2·day-1으로 RPH-90 처리에서 약 10% 많았다(Fig. 4A). 이 결과는 지상부 조기가온 연구결과와 유사한데, 즉 근권 배지온도 상승, 급액 개시 시기가 빨라지고, 단위 누적일사량 당 SF량이 많아지며, 조기가온을 함에 따라 광 이용 효율이 높아지고 수분 흡수량이 많아지고 광합성속도와 기공전도도 높아진다. 줄기의 처리 간 물관수액흐름속도 변화를 보면 일출 후 15시까지는 일사량의 변화와 같은 경향을 보이고 있으며, 15시 이후에는 광량이 낮음에도 불구하고 일정한 물관수액흐름속도를 나타내는 것을 볼 수 있다(Fig. 5A). 과병의 물관수액흐름속도는 14시 이전까지 줄기에 비해 매우 낮았고 광량과 줄기 물관수액흐름속도가 낮아지기 시작하는 15시경에 가장 높았다(Fig. 5B). 근권온도는 토마토 줄기의 물관수액흐름속도와 밀접한 관련이 있다. Ali et al.(1996)는 3주간 근권온도 20°C 조건에서 재배된 토마토를 근권온도 12°C 조건으로 처리하였을 때 1시간 이내에 물관수액흐름속도가 37에서 17g·h-1로 감소하였고 이 유속은 근권온도 12°C에서 3주간 재배된 토마토의 물관수액흐름속도와 동일하였는데 식물의 근권온도에 대한 빠른 반응은 낮은 온도가 뿌리세포의 막의 점도(viscosity)에 영향을 주어 결과적으로 수분이동이 저하된 것으로 추정하였다. Kafkafi(2001)도 파프리카 펄라이트 재배에서 근권온도를 12°C에서 20°C로 높였을 때 물관수액흐름속도가 250% 증가한다고 보고하였다.
근권 조기가온에 따른 생육 및 수분이용효율
정식 후 31일부터 52일까지 7일 간격으로 토마토의 초장, 엽수, 엽장 및 엽폭을 측정하였을 때 초장, 엽수, 엽폭은 처리별 유의차가 없고 엽장은 RPH-90 처리구에서 44.48 ± 1.45cm, Control이 38.54 ± 1.19cm로 RPH-90에서 유의적으로 높았다(Fig. 6). 정식 후 73일째에 측정된 엽면적과 엽면적비는 RPH-90에서 Control보다 각각 10.3과 23.8% 높아 건전 생육을 하였음을 알 수 있었다(Fig. 7). WUE[Eq.(3)]는 RPH-90에서 Control에 비해 14g·L-1·plant-1(약 7%) 높았으며, 상품과 수량도 23% 많았다(Table 4).
Fig. 6.
Plant height (A), number of leaves (B), leaf length (C) and width (D) under the root-zone heating at 19°C (RPH-90) or 13°C (Control) prior to sunrise in experiment II. Tomato plants were grown for 52 days after transplant with the ISR-automated irrigation. Error bars represent standard errors of 5 plants.
Table 4.
Total irrigation, drained and retained volumes, water use efficiency (WUE) and marketable fruit fresh weight (Fwt.) per plant under the root-zone heating at 19°C prior to sunrise (RPH-90) or 13°C (Control) in experiment II. Tomato plants were grown for 73 days after transplant with the integrated solar radiation-automated irrigation
| Treatment |
Irrigation volume (L) (A) |
Drained volume (L) (B) |
Retained volumey (L) (A-B) |
WUEx (g·L-1) | Marketable fruit fwt. (kg) |
| RPH-90 | 31.9 | 11.7 | 20.2 | 198* | 1.963*z |
| Control | 31.9 | 12.4 | 19.5 | 184 | 1.498 |
Jones et al.(1978)은 연료소비를 줄이기 위한 방안으로 온실전체 난방보다는 근권난방을 제안했었다. 수많은 연구들이 근권 온도가 낮을 경우 식물체내 생장조절제 농도(Ali et al., 1996), 뿌리로 전류(Shishido and Kumakura, 1994), 뿌리 생육(Tindall et al., 1990), 양수분흡수(Gosselin and Trudel, 1983), 엽면적(Hurewitz and Janes, 1983)이 감소한다고 하였다. 하지만 본 연구결과와 같이 난방설정온도 13.5°C로 낮은 온실 온도 조건에서 근권난방 효과에 대한 연구결과가 발표된 것이 많지 않고 또한 근권난방 효과에 대한 연구결과는 상반되기도 한다. Moorby and Graves(1980)는 근권온도 25–30°C 범위에서 생장율, 엽면적, 총건물생산량이 증가하였고 질소, 인, 칼륨의 흡수도 증가되었다고 하였다. Jones et al.(1978)과 Kawasaki et al.(2014)는 온실온도가 낮을 때(각각 9.0°C, 5.9°C) 근권난방이 토마토 수확량을 높이는데 효과가 더 크다고 하였다. 하지만, Gosselin and Trudel(1983)은 실험결과 야간 기온이 18°C, 근권온도가 24°C 일 때 토마토 수확량이 가장 많았지만 온실 기온이 낮고 근권온도가 높은 조건과 온실기온이 높고 근권온도가 낮은 조건에서 재배된 토마토의 수확량은 차이가 없었고 단지 후자가 투여된 에너지만 감소된다고 하였다.
본 연구결과에서 지상부 조기가온을 일출 90분전에 처리하였을 때 단위 누적 일사량 당 물관수액흐름이 왕성하였고 수분흡수량도 가장 높았는데 이는 조기가온을 일찍 할 수록 근권 온도 상승이 빨랐던 것과 관련이 있는 것으로 보인다. 이 결과를 토대로 근권 조기가온을 일출 90분전에 처리하였을 때 수분이용효율, 엽면적과 상품과 생산이 증진되는 효과가 있었다. 앞으로 겨울철 온실 과채류 생산에 에너지 투여를 최소화하고 생산량을 높이기 위한 온실 온도와 근권온도의 상호적 관련성 연구도 필요할 것으로 보인다.
