서 론
인공광 이용형 식물공장(plant factory with artificial lighting, PFAL)은 인공광과 환경제어 기술을 이용하여 외부 기상 조건과 무관하게 안정적인 작물 생산이 가능한 시스템으로, 최근 채소류 생산뿐 아니라 고품질 접목묘 생산을 위한 기반 시설로 활용성이 확대되고 있다(Kozai and Niu, 2019). PFAL은 온·습도, CO2 농도, 공기 흐름, 광량 등이 정밀하게 조절되는 폐쇄형 환경이기 때문에 계절적·기상적 변동에 민감한 묘 생산 단계에서 특히 장점을 갖는다(Goto, 2012). 국내외 연구에서도 접목 직후의 활착과 순화 단계 및 초기 육묘에서 PFAL을 활용하면 생장 균일성 향상, 생리장해 감소, 병해 억제 등 긍정적 효과가 보고된 바 있다(Jo et al., 2021; Ding et al., 2023). 이러한 특성은 여름철 고온과 잦은 이상기후로 인해 온실 묘생산의 안정성이 떨어지는 국내 육묘 산업 구조를 고려할 때 더욱 중요한 의미를 갖는다(An et al., 2021b).
한편, PFAL 환경에서 묘 생산의 품질과 경제성은 광·온도 환경뿐 아니라 관수 전략(irrigation management)에 크게 좌우된다. PFAL에서는 증산량 변동이 상대적으로 작고 근권 수분 변화가 급격하지 않기 때문에, 관수 빈도 및 관수량을 재조정할 여지가 크다고 알려져 있다(Miyama, 2024). 특히 저면관수(sub-irrigation)는 노동력 절감, 환경부하 감소, 양액 재이용 효율 증가 등의 장점이 있어 PFAL 육묘 시스템에서 표준 관수 방식으로 활용되고 있다(Ferrarezi et al., 2015). 그러나 토마토 접목묘와 같은 과채류 묘는 접목 후 뿌리 회복과 초창기 생장 과정에서 수분 요구가 민감하게 변화하기 때문에, 관수 빈도 설정이 생육, 건물 생산, 수분 이용 효율(water use efficiency)에 미치는 영향에 대한 체계적인 연구가 필요하다(Moon et al., 2023).
접목 후(post-grafting) 토마토 묘는 활착과 순화를 거쳐 생육 단계로 이동하는 과정에서 지상부와 지하부의 생장 균형이 빠르게 변하며, 이 시기 수분 공급은 묘의 품질과 정식 후 활착성에 중요한 영향을 미친다(Jo et al., 2021). 그러나 지금까지의 연구는 주로 접수·대목의 초기 재배 단계 또는 온실 기반 육묘 환경에서의 관수 수준 비교에 집중되어 있었고, 접목 후 전 기간을 PFAL에서 관리하면서 저면관수 빈도를 달리했을 때 수분흡수 특성, 생육 반응, 생체·건물축적, 생장 균형(T/R률 등)이 어떻게 변화하는지를 정량적으로 분석한 연구는 제한적이다.
특히 PFAL에서는 환경이 안정적인 만큼 관수 빈도 감소가 생육 저하로 직결되지 않을 가능성도 제기되어 왔으나(Kozai and Niu, 2019), 실제로 어느 수준까지 관수 빈도를 줄일 수 있는지, 그리고 묘소질 측면에서 허용 가능한 범위가 어디인지에 대한 실험적 근거는 여전히 축적이 부족하다. 또한 PFAL의 경제성 확보를 위해서는 불필요한 관수·양액 사용을 줄이는 것이 중요하기 때문에, 관수 빈도별 자원 이용 효율을 비교하는 연구도 필요하다(Saito et al., 2020).
이에 본 연구는 인공광 이용형 식물공장 환경에서 접목 후 토마토 접목묘를 대상으로 저면관수 빈도를 달리하여, 트레이 단위 수분흡수 특성, 초장·엽수 등 생육 변화, 기관별 생체·건물중, 건물률 및 T/R율 변화를 통합적으로 분석하였다. 이를 통해 PFAL 기반 토마토 접목묘 생산에서 묘질을 유지하면서 수분 및 양액 사용량을 최소화할 수 있는 적정 관수 빈도를 규명하고자 하였다.
재료 및 방법
실험 재료로는 호반영농조합법인에서 생산한 접목묘로, 접목 시 원예용 상토(Bio Plug, Farm Hannong Co. Ltd., Seoul, Korea)를 충진한 50공 플러그 트레이(73ml/cell, Bumnong Co. Ltd., Jeongeup, Korea)에 이식하고 접목 후 LED 활착실에서 5일간 순화하여 활착이 완료된 토마토 접목묘를 사용하였다. 접수 품종은 도태랑다이아(Takii Korea Co & Ltd., Seoul, Korea), 대목은 B블로킹(Takii Korea Co. Ltd., Seoul, Korea)이었다. 실험은 연암대학교 스마트팜 내 식물공장형 육묘시스템에서 수행하였다. 재배실은 백색 LED를 광원으로 하는 다단 선반 구조로, 명·암기 온도는 각각 25/18℃, 명암주기는 14/10h로 설정하였다. PPF(photosynthetic photon flux)는 재배면 상부에서 350μmol·m-2·s-1 수준으로 유지하였다. 상대습도는 명·암기에 각각 약 60/90%로 설정 및 관리하였다. 그리고 관수는 육묘용 한국원시 조성의 1배액(pH 6.5, EC 1.5dS·cm-1)을 이용하여 저면관수하였다.
실험 시작 전 트레이를 충분히 관수하여 초기 수분 상태를 균일하게 맞추었고, 저면 관수 방식으로 1일 2회(2T1D, 오전 9시·오후 4시), 1일 1회(1T1D, 오전 9시), 2일 1회(1T2D, 오전 9시)의 세 가지 관수 처리구를 설정하였다. 처리 간 관수 시각 외의 재배 환경 조건은 동일하게 유지하였다. 저면관수는 육묘 트레이를 식물공장형 육묘시스템 재배베드에서 양액이 채워진 물받이 트레이(540×280mm, Bumnong Co. Ltd., Jeongeup, Korea)로 이동 배치하여 트레이 하부 구멍을 통해 배지로 양액이 흡수되도록 하였다. 관수 시간은 각 처리에서 트레이 중량이 포화상태에 도달할 때까지 침지시켰고, 평균 관수 시간은 약 10분이었다. 저면 관수 후 트레이는 물받이 트레이에서 육묘시스템의 베드로 이동하였다.
수분흡수량은 각 관수 시점마다 관수 직전과 직후의 트레이 중량을 전자저울(SW-5, CAS Co., Ltd., Seoul, Korea)로 측정한 후, 두 시점의 차이로부터 트레이당 수분흡수량(kg·tray-1)을 계산하였다. 이렇게 측정된 일일 수분흡수량을 이용하여 조사 기간별 수분흡수 패턴을 분석하였고, 2일 간격으로 누적 수분흡수량을 산정하여 처리 간 차이를 비교하였다. 수분흡수량 측정을 위한 트레이 수는 처리당 3판으로 하였으며(n = 3), 각 트레이의 값은 독립적인 반복으로 간주하였다. 생육 조사는 관수 처리 시작 후 3일 간격으로 24일까지 실험 시작 전 조사 포함 총 9번 실시하였다. 각 조사 시 처리당 임의로 선발된 8개체에 대해 초장과 엽수, 생체중과 건물중을 측정했고, 측정값을 통해 건물율과 TR율을 계산하였다. 통계 분석은 SAS System 9.5(SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)을 이용하여 Duncan의 다중 검정을 실시하였다.
결과 및 고찰
1. 수분흡수 특성
저면관수 빈도에 따른 50공 플러그 트레이의 일일 수분흡수량은 재배 초기(0－3일)에는 처리 간 차이가 거의 없었으나, 중기 이후부터 처리 간 차이가 뚜렷하게 나타났다(Fig. 1). 1T1D 처리는 4－9일 구간에서 가장 높은 수분흡수량을 보였고, 이후 시기에서는 2T1D와 유사한 수준으로 유지되었다. 반면 1T2D 처리는 전 기간 동안 다른 두 처리보다 일관되게 낮은 값을 나타냈다. 누적 수분흡수량은 재배 기간 동안 2T1D와 1T1D 처리에서 유사한 증가 패턴을 보였으며, 1T2D 처리에서는 두 처리보다 일관되게 낮은 값을 나타냈다(Fig. 2).
Fig. 1
Water absorption patterns of a 50-cell tray in grafted tomato transplants grown in a plant factory with artificial lighting during post-grafting transplant production under different sub-irrigation frequencies. Different letters indicate significant differences according to Duncan’s multiple range test at p ≤ 0.05 (n = 3)
접목 후 초기 단계는 뿌리 발달이 가장 빠르게 진행되는 시기로, 배지 내 산소 공급이 뿌리 생리 안정성에 중요한 영향을 미친다(Jo et al., 2021; Moon et al., 2023). 본 연구에서 초기 1T1D 처리의 일일 수분흡수량이 2T1D보다 높게 나타난 것은, 지나치게 잦은 저면관수가 배지의 공기-수분 균형을 저해하여 뿌리 활착 초기의 수분·산소 이용에 불리하게 작용했을 가능성이 있다. 이러한 기작은 Fig. 1에서 4－9일 구간에서 1T1D 처리의 수분흡수량이 가장 높게 나타난 결과와도 부합한다.
관수 빈도가 높아질수록 배지의 수분함량 저하 속도가 완화되고, 토양수분포텐셜 감소와 목부 수압잠재력 상승이 억제된다는 보고가 있는데(Miyama, 2024), 본 연구에서도 유사하게 고빈도 관수 처리에서 트레이 단위 수분흡수량이 안정적으로 유지되었다. 다만 2T1D 처리에서 가장 많은 수분이 사용된 반면, T1D 처리는 2T1D보다 누적 수분흡수량이 감소하였음에도 불구하고 트레이 단위 수분흡수 패턴 자체에서는 큰 변동이 나타나지 않았다는 점이 특징적이다. PFAL 환경에서는 온·습도, CO2 농도, 광량이 일정 범위로 유지되기 때문에 동일 작물이라도 온실이나 노지 재배보다 증산량 변동이 작고, 이에 따라 관수 빈도 변화에 대한 생리적 반응 또한 완화되는 경향이 있다(Goto, 2012; Kozai, 2013; Kozai and Niu, 2019). 본 연구에서 1T1D 처리의 누적 수분흡수량이 2T1D보다 감소했음에도 수분흡수 특성이 비교적 안정적으로 유지된 것은, PFAL 환경이 관수 간격 증가에 따른 일시적 수분 변동을 일정 부분 완충했기 때문으로 해석된다. 반면 1T2D 처리에서는 전 기간 동안 수분 흡수량이 가장 낮았고, 특히 재배 후기에 그 차이가 더욱 확대되었다. 이는 2일 1회 관수 조건에서 배지의 건조 주기가 상대적으로 길어져 수분 공급의 불안정성이 누적되었음을 시사하며, 저면관수 시스템에서 과도한 관수 간격이 생육 및 생리장해를 유발할 수 있다는 선행 보고와도 부합한다(Ferrarezi et al., 2015; An et al., 2020; Miyama, 2024).
2. 생육 분석
토마토 접목묘의 초장은 모든 처리에서 재배 기간 동안 지속적으로 증가하였으나, 재배 중·후기로 갈수록 처리 간 차이가 뚜렷하게 나타났다(Fig. 3). 종료 시점에서 2T1D와 1T1D 처리의 초장은 유사한 수준이었으나, 1T2D 처리에서는 초장 신장이 둔화되었다. 엽수 또한 전반적으로 증가하였으나 1T2D 처리에서는 후반부 잎 분화 속도가 저하되어 다른 두 처리에 비해 다소 낮은 수준을 나타냈다. 관수 간격 연장은 근권부 수분 부족을 통해 세포 신장과 잎 분화를 제한할 수 있으며, 온실 및 PFAL에서 토마토·가지과 접목묘를 대상으로 한 연구에서도 관수량 또는 관수 빈도 감소는 초장과 엽수 증가 둔화 및 줄기 직경 감소와 연관되어 있음이 보고된 바 있다(An et al., 2021a; Moon et al., 2023). 본 연구의 1T2D 처리 결과는 이러한 패턴과 일치하며 PFAL에서도 지나치게 긴 관수 간격은 지상부 생육을 제한할 수 있음을 보여준다. 반면 1T1D 처리의 초장과 엽수는 2T1D 처리와 대부분의 조사 시점에서 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않아, PFAL 환경에서는 하루 1회 관수만으로도 지상부 생장을 안정적으로 유지하는 데 충분한 것으로 나타났다. 또한 접목 후 초기 단계에서의 뿌리 발달은 관수 빈도에 민감하게 반응할 수 있는데, 본 연구에서 1T1D 처리의 초기 수분흡수량이 2T1D보다 높았던 결과는 과도한 관수 빈도가 초기 뿌리 활착과 수분·산소 균형에 유리하지 않을 수 있음을 나타낸다.
Fig. 3
Plant height and number of leaves of grafted tomato transplants grown in a plant factory with artificial lighting during post-grafting transplant production under different sub-irrigation frequencies (n = 8). Different letters indicate significant differences among treatments at each sampling date according to Duncan’s multiple range test at p ≤ 0.05
기관별 생체중은 모든 처리에서 재배 기간 동안 증가하는 경향을 보였으나 종료 시점에서는 처리 간 차이가 뚜렷하였다(Fig. 4). 잎과 줄기 생체중은 2T1D와 1T1D 처리에서 유사한 수준이었으며, 1T2D 처리에서는 현저히 낮은 경향을 보였다. 뿌리 생체중 또한 1T2D에서 가장 낮았는데, 이는 수분 공급 부족이 뿌리 발달을 우선적으로 저해했기 때문으로 풀이된다. 한편, 2T1D 처리에서 뿌리 생체중이 상대적으로 높게 나타난 것은 고빈도 관수에 의해 근권 내 수분 공급이 안정적으로 유지되면서 초기 뿌리 신장에 유리하게 작용했을 가능성을 시사한다. 건물중 역시 유사한 경향을 보였으며, 1T2D 처리에서는 잎·줄기·뿌리 건물중 모두 감소하였다(Fig. 5). 이는 수분 부족이 광합성과 동화산물 생산을 제한하여 건물축적량 감소로 이어졌다는 것을 의미하며, 이는 PFAL에서 관수량을 지나치게 줄일 경우 생육 저하와 건물중 감소가 동반될 수 있다는 Moon et al.(2023)의 연구 결과와도 부합한다. 한편 1T1D 처리의 건물중은 2T1D와 유사하거나 약간 낮은 수준을 보였으나, 동화산물 축적량이 크게 저하된 것은 아니었으며 이는 PFAL의 균일한 환경 조건이 적정 수준의 관수량 감소를 허용할 수 있음을 보여주는 결과이다(Goto, 2012; Kobayashi and Tabuchi, 2022). 이는 초기 뿌리 발달 단계에서의 산소 공급과 수분 균형이 이후 동화산물 축적에 중요한 영향을 미친다는 선행 연구와도 일치하며(Jo et al., 2021; Moon et al., 2023), 본 연구에서 1T1D 처리의 건물중이 2T1D와 유사하게 유지된 이유 중 하나로 해석될 수 있다.
Fig. 4
Fresh weight of leaves, stems, and roots in grafted tomato transplants grown in a plant factory with artificial lighting during post-grafting transplant production under different sub-irrigation frequencies (n = 8). Different letters indicate significant differences among treatments at each sampling date according to Duncan’s multiple range test at p ≤ 0.05
Fig. 5
Dry weight of leaves, stems, and roots in grafted tomato transplants grown in a plant factory with artificial lighting during post-grafting transplant production under different sub-irrigation frequencies (n = 8). Different letters indicate significant differences among treatments at each sampling date according to Duncan’s multiple range test at p ≤ 0.05
건물률은 재배 기간 동안 완만하게 증가하였으며 처리 간 차이는 크지 않았다(Fig. 6). 이는 관수 빈도 차이가 식물체 내 수분 함량(건물률)에 직접적인 변화를 유발하기보다는, 절대적인 생체중 및 건물중 수준에 더 큰 영향을 미쳤음을 의미한다. 이러한 경향은 PFAL 및 온실 재배 연구에서도 유사하게 보고된 바 있다(Ferrarezi et al., 2015; Moon et al., 2023). T/R율은 접목 직후에는 뿌리 발달이 미흡하여 높게 나타났으나 재배 5일 전후를 기점으로 급격히 감소한 후 안정되는 양상을 보였다. 이는 접목 후 활착 및 순화 과정에서 뿌리 발달이 빠르게 진행되는 일반적인 패턴과 일치하며(Jo et al., 2021), 처리 간 T/R율 차이가 크지 않았던 것은 긴 관수 간격(1T2D)에서 지상부와 지하부 생장이 동시에 억제되었기 때문으로 판단된다. 따라서 PFAL에서 관수 빈도는 지상부·지하부 간 생체 분배 비율보다는 각 기관의 절대적 성장량에 더 직접적인 영향을 미치는 요인으로 해석된다.
Fig. 6
Dry matter content and top/root ratio of grafted tomato transplants grown in a plant factory with artificial lighting during post-grafting transplant production under different sub-irrigation frequencies (n = 8). No significant differences were detected among treatments; therefore, statistical group letters are not shown
본 연구는 인공광 이용형 식물공장(PFAL) 환경에서 접목 후 토마토 접목묘 생산에 적합한 저면관수 빈도를 평가하고자 수행되었다. 실험 결과, 2일 1회 관수는 수분흡수량과 생육이 전반적으로 저하되어 PFAL에서 적용하기 어려운 관수 수준으로 판단되었으며, 1일 2회 관수는 생육은 우수하였으나 수분·양액 사용량이 가장 많았다. 반면 1일 1회 저면관수는 주요 생육지표가 1일 2회 관수와 유사한 수준을 유지하면서도 수분 사용량을 효과적으로 절감하여, 생육 안정성과 자원 이용 효율을 동시에 확보할 수 있는 가장 적절한 관수 전략으로 평가되었다. 본 연구 결과는 PFAL에서 접목 후 토마토 접목묘를 안정적이고 효율적으로 생산하기 위한 기본 관수 기준으로 활용될 수 있을 것이다.
