서 론
재료 및 방법
1. 실험재료 및 재배환경
2. 배양액 조성 및 양액관리
3. 조사 및 분석
4. 통계 분석
결과 및 고찰
1. 배지의 물리성 분석
2. 배지의 화학성 분석
3. 재배기간동안의 배액의 화학성 분석
4. 바이오차 혼합 배지 조성에 따른 방울토마토 생육 및 수량 특성
서 론
수경재배(hydroponics)는 토양을 사용하지 않고, 작물 생육에 필요한 무기양분을 포함한 배양액을 작물 뿌리에 직접 공급하는 재배 방식으로, 고품질 농산물 생산과 안정적인 생육 환경 조절이 가능한 현대 농업 기술 중 하나이다(Awad 등, 2017; Choi 등, 2015). 특히, 토양 전염성 병해의 확산을 차단하여 연작장해 문제를 예방할 수 있으며, 물과 양분을 효율적으로 관리함으로써 노동력을 절감하고 수익성을 높일 수 있다(Rajaseger 등, 2023). 이러한 수경재배는 크게 순수수경과 고형배지경으로 구분되며, 국내 수경재배 농가 중 약 91%는 고형배지경을 사용하고 있으며, 나머지 9%는 NFT(Nutrient Film Technique) 등의 순수수경 방식을 채택하고 있다. 고형배지형 수경재배 방식은 물리적 지지력을 확보하고, 영양분의 흡수율을 일정하게 유지할 수 있다는 점에서 실용성이 높다(Shin 등, 2022). 그러나 현재 상업적으로 사용되는 고형 배지는 환경부하가 크고, 폐기 시 처리 비용이 발생하며 재사용이 어려운 단점이 있다. 이에 따라 최근에는 친환경적이고 재생 가능한 소재를 활용한 대체 배지 개발에 대한 관심이 높아지고 있다(Awad 등, 2017; Mihrete, 2025). 이러한 맥락에서 바이오차(biochar)는 유기물 원료를 고온에서 열분해한 탄소질 소재로, 다공성 구조와 높은 흡착력, 완충능 등을 갖추고 있어 수경재배 배지로서의 가능성이 제기되고 있다(Haraz 등, 2020). 이에 따라 최근에는 국내에서 손쉽게 확보 가능한 임산 부산물, 농업 잔재, 산업 부산물 등을 활용한 혼합형 대체배지 개발이 활발히 진행되고 있다. 참나무 수피, 팽연왕겨, 훈탄, 톱밥, 버섯배지 등은 비교적 풍부하게 생산되는 유기성 자원으로, 혼합비 조절을 통해 수경재배에 적합한 물리화학적 특성 확보가 가능하다는 연구 결과가 다수 보고되고 있다(Kwon 등, 2015; Yoon 등, 2024). 이 중 바이오차(biochar)는 유기성 폐기물이나 목재 등을 고온의 열분해 과정을 통해 생성된 다공성 탄소 기반 고형물로 뛰어난 흡습력과 양분 보유력, pH 변화를 완화하는 완충능력을 갖추고 있어 토양 개량재 및 환경 정화 자재로 널리 연구되어 왔다(Joseph 등, 2021). 특히 바이오차의 물리적 특성인 다공성 구조와 높은 공극률은 뿌리의 통기성과 산소 공급을 개선하고 수분 보유력을 높여 수분 스트레스를 완화하는 데 기여한다. 또한 화학적 특성인 높은 양이온교환능력(CEC)과 알칼리성 완충력은 뿌리에서 칼륨, 칼슘, 마그네슘 등 주요 양분의 보유와 점진적 방출을 가능하게 하여 작물의 양분 이용 효율과 생육 안정성을 향상시키는 것으로 보고되고 있다(Lehmann 등, 2011; Yuan 등, 2012). 최근에는 이러한 바이오차를 수경재배 배지로 활용하고자 하는 시도가 늘고 있으며, 바이오차가 배지의 구조적 안정성과 통기성을 개선하는 동시에 양분 흡수율을 높여 작물의 생육 안정성을 높일 수 있다는 가능성이 제시되었다(Rosli 등, 2023). 본 연구는 바이오차의 농업 분야 활용 확대를 위해 대추형방울토마토에서 바이오차를 첨가한 고형배지형 수경재배 시스템을 개발하고, 해당 배지가 대추형방울토마토의 생육 및 품질에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 이를 통해 바이오차 배지의 이화학적 특성, 작물 생육 적합성 그리고 대체배지 자원으로의 가능성을 종합적으로 평가하고자 한다.
재료 및 방법
1. 실험재료 및 재배환경
실험재료는 대추형방울토마토(Solanum lycopersicum) 티와이노나리(Namnong, Korea) 품종을 이용하였다. 재배는 충청남도농업기술원 과채연구소(충청남도 부여군 소재)의 단동 비닐하우스(폭 7.5m × 동고 3.9m × 길이 39m)에서 수행하였다. 실험에 사용된 묘는 충남 부여군 소재 토마토 전문 육묘장에서 40구 플러그 트레이에서 육묘된 것을 구입하였으며 파종 후 45일간 육묘 후 본엽이 7－8매 전개된 모종을 정식하였다(Table 1). 정식은 2025년 3월 21일에 실시하였고, 수확은 2025년 5월 30일부터 시작하여 2025년 7월 8일에 6단까지 수확 후 재배를 종료하였다. 시험은 완전임의배치법(Completely Randomized Design, CRD) 3반복으로 수행하였다. 본 연구에서 사용한 바이오차는 왕겨 열분해 제품인 유기바이오차(YOUGI Co., Ltd., Korea, Seoul)를 사용하였으며, 펄라이트와 피트모스(Miseong Industry Co., Ltd. Korea, Yesan)는 원료를 구입하여 사용하였다. 코이어 배지는 더스트:칩 비율 5:5(v/v)의 Power(Daeyoung GS, Korea, Daegu)를 사용하였다. 처리구는 2024년에 수행한 선행 연구에서 관찰된 배지의 물리적 특성(수분보유력, 공극률 등)과 방울토마토 생산성을 종합적으로 고려하여 총 5개로 구성하였으며, T1(control)은 코이어 단용 처리로 설정하였다. T2는 바이오차:피트모스:펄라이트 = 3:7:0(v/v)로 배합하였고, T3는 3:0:7(v/v)로 배합하였으며, T4는 1:1:1(v/v)로 배합하였고, T5는 2:1:1(v/v)로 배합하였다(Table 2). 배합된 처리구는 그로우백(110 × 30 × 15cm)에 충전하였으며, 모든 처리구에서 자루당 20 L가 되도록 동일하게 맞추었다. 자루당 5개의 구멍을 내고 정식 간격은 160 × 20cm로 하였다. 온실 내 온도, 습도는 환경계측용 데이터로거(Watchdog, Data logger, USA)를 사용하여 15분 간격으로 측정하여 온실 재배 환경을 기록하였다(Fig. 1).
Table 1.
Growth characteristics of tomato seedlings at transplanting.
|
Plant height (cm) |
Leaf length (cm) |
Leaf width (cm) |
No. of leaves (ea) |
Stem diameter (mm) |
Root length (cm) |
| 34.8 ± 0.8 | 16.4 ± 0.8 | 12.0 ± 0.1 | 7.2 ± 0.4 | 3.9 ± 0.3 | 20.5 ± 1.0 |
Table 2.
Composition of substrate used in cherry tomato hydroponic cultivation.
2. 배양액 조성 및 양액관리
양액 공급에는 Yamazaki 토마토 배양액을 사용하였으며, 주요 무기 성분의 조성은 NO3-N 7, NH4-N 0.7, PO4-P 2.0, K 4.0, Ca 3.0, Mg 2.0, SO4-S 2.0me·L-1이었다(Chi 등, 1991). 정식 전에는 배지를 전기전도도(EC) 0.7dS/m로 버퍼링한 후 초기 EC를 2.0dS/m에서 시작하여 생육 단계에 따라 점차 농도를 증가시켜 수확기에는 2.8dS/m로 관리하였다. pH는 5.5－6.0 범위로 유지하였으며, 관수는 누적 일사량 200J/cm2에 도달할 때마다 1회 실시하였다. 급액 시간은 일출 30분 전부터 오후 4시까지 설정하였고, 1회 관수 시 식물체당 100mL의 양액을 공급하였다.
3. 조사 및 분석
3.1 배지의 이화학성 분석
실험 전, 처리구에 해당하는 배지는 각각 500g 이상 채취하여 그늘에서 건조 후 분석하였다. 분석은 농촌진흥청 상토의 표준분석법(NIAST, 2002) 중 원예용 상토의 분석법에 준하여 수행하였다. 시료 취급 과정에서 과도한 다짐을 방지하며 수분상태를 표준화하는 등 시료 교란을 최소화하였다. 물리성 분석 중 용적밀도는 금속실린더(300ml)와 500g의 다짐추를 활용한 추다짐법(compacted bulk density)을 이용하였고 3회 반복 실시하였다.
용적밀도(Mg/m3) = 상토의무게(g)/실린더의 부피(cm3)
배지의 보수력은 15 Bar Pressure Plate Extractor(1500F2, Soilmoisture Equipment Corp., Santa Barbara, CA, USA)를 이용하여 측정하였다(Soilmoisture Equipment Corp., 2018). 각 배지 시료를 ISO 11274와 Soilmoisture 1500F2 매뉴얼에 따라, 아래쪽에서 물이 천천히 스며오도록 하여 충분히 적신 뒤 수분특성곡선 작성에 따라 0.01, 0.3, 3, 5, 15bar의 압력에서 평형 수분함량을 측정하였다. 시료는 링(1093F1, Soilmoisture Equipment Corp.)에 2cm가량의 높이로 충전하여 물에 포화시킨 후 장비에 장착하였으며, 평형에 도달할 때까지 압력을 단계적으로 증가시키며 수분을 추출하였다. 배지의 화학성 분석은 건조 시료를 분쇄 후 2mm로 체가름하여 이용하였다. pH는 시료와 증류수 부피 비율 1:5(v/v)로 추출하여 유리전극법(Orion 520A pH Meter, Thermo Fisher Scientific, USA)으로 측정하였고, EC는 EC Meter(Orion 3STAR EC Meter, Thermo Fisher Scientific, USA)로 측정하였다. 배지의 총질소(Total nitrogen content, T-N), 총 탄소(Total carbon content, T-C) 함량은 원소분석기(Vario Macro Cube, Elementar, Germany)를 이용하여 분석하였다. 배지의 무기성분(P2O5, K2O, CaO, MgO, Na2O) 함량과 중금속(As, Cd, Pb, Cr, Cu, Ni, Zn) 은 총량을 분석하기 위해 시료 1.0g을 150mL의 삼각플라스크에 취하고, 흄 후드 내에서 conc. HNO3 10mL을 가한 후 전열판에 올려 온도를 서서히 180℃까지 상승시켜 1시간 동안 가열 분해 후 냉각하였다. 추가로 HClO4 10ml을 가한 후 1시간 동안 전열판에서 재가열하여 2차 분해를 실시하였으며, 마지막으로 HCl 10ml을 추가한 후 연기를 날려 보내고 분해를 완료하였다. 분해액은 Whatman No. 6 filter paper로 여과한 후 100ml로 mass up 한 여액을 유도결합플라즈마 분광계(Avio 500 ICP-OES, PerkinElmer, USA)로 측정하였다. 모든 분석장치는 분석 전 교정하여 사용하였고, 분석 시료는 3반복 측정 후 평균과 표준편차를 계산하였다. 그리고, 중금속 Hg의 함량은 전자동 수은분석기(DMA-80, Milestone, Italy)로 측정하였다. 시료를 혼합산(질산, 과염소산, 염산)을 활용하여 강열하여 분해한 후 ICP(Avio 500, Perkin-elmer, USA)로 분석하였다. 본 실험에 사용된 바이오차, 피트모스, 펄라이트 원료의 이화학적 특성은 Table 3에, 중금속 분석 결과는 Table 4에 각각 제시하였다.
Table 3.
Physicochemical properties of raw materials.
| Substrate |
Bulk density (Mg/m3) | pH | EC | H/C | T-C | T-N | P2O5 | K2O | CaO | MgO | Na2O | ||||||
|
1:5 (v/v) |
dS/m (v/v) | ------------- %, dry weight ------------- | |||||||||||||||
| Biochar | 0.12 | 10.3 | 0.58 | 58.6 | 0.55 | 0.13 | 0.78 | 0.22 | 0.05 | 0.04 | |||||||
| Perlite | 0.15 | 6.7 | 0.02 | - | 0.9 | 0.00 | 0.00 | 0.08 | 0.02 | 0.00 | 0.60 | ||||||
| Peatmoss | 0.15 | 4.2 | 0.06 | - | 50.1 | 0.82 | 0.04 | 0.05 | 0.27 | 0.11 | 0.04 | ||||||
|
Reference standardsz | <0.5 | 4.0－7.0 | <1.2 | - | - | - | - | - | - | - | |||||||
Table 4.
Heavy metal analysis of raw materials.
| Material | As | Cd | Hg | Pb | Cr | Cu | Ni | Zn |
| ------------------------------- mg/kg, dry weight ------------------------------- | ||||||||
| Biochar | 0.48 | ND | ND | ND | 14.4 | 17.4 | 5.0 | 33.8 |
| Perlite | ND | ND | ND | ND | 6.5 | 10.9 | 1.7 | 2.0 |
| Peatmoss | 0.71 | ND | ND | 3.5 | 0.7 | 15.2 | 0.2 | 19.8 |
|
Reference standardsz | <25 | <4 | <4 | <200 | - | <150 | <100 | <300 |
3.2 배액의 화학성 분석
배액의 화학성 분석은 매일 마지막 급액 종료 30분 후에 배지에서 집수된 배액을 이용하여 수행하였다. 집수된 배액의 총량을 측정한 후, pH는 유리전극법(Orion 520A pH Meter, Thermo Fisher Scientific, USA)으로, EC는 EC Meter(Orion 3STAR EC Meter, Thermo Fisher Scientific, USA)로 각각 측정하였다.
3.3 방울토마토 생육 특성 조사
정식 14일 후부터 7일 간격으로 10주간 초장, 엽장, 엽폭, 엽수, 줄기굵기(경경), 화방 수(꽃이 5개 이상 핀 화방의 수)를 조사하였다. 초장은 지표면에서 생장점까지의 길이, 엽장과 엽폭은 개화화방 아래 2번째 아래 엽을 기준으로 측정하였다. 줄기굵기는 개화화방 아래 2번째 엽의 1－2 cm 아래에서 가장 넓은 부분을 디지털버니어캘리퍼스(CD15CPX, Mitutoyo Corp., Japan)로 측정하였다.
3.4 방울토마토 수량 및 과실 특성 조사
조사는 농촌진흥청 농업과학기술 연구조사 분석 기준에 따라 수행하였다. 과실은 USDA(2016)에서 제시한 토마토 성숙 단계 기준 중 4단계(Pink stage) 이상에서 수확하였으며, 수확된 과실은 과중, 과고, 과폭, 당도, 경도 및 산도를 분석하였다. 과중은 전자저울(CU, CAS Co., Korea)을 이용하여 g 단위로 측정하였고, 과장과 과폭은 디지털버니어캘리퍼스를 이용해 mm 단위로 측정하였다. 당도와 산도는 당산도측정기(SAM-7300plus, G-WON Co., Korea)로, 경도는 과일경도계(KM-1, FUJIWARA, Japan)로 각각 측정하였다. 또한 수확량은 5월 30일부터 7월 8일까지 총 7회에 걸쳐 조사하였다.
4. 통계 분석
그래프 작성은 Origin 프로그램(OriginPro 2025, OriginLab Corp., Northampton, MA, USA)을 사용하였으며. 수집된 데이터는 SAS 프로그램(Statistical Analysis System, V. 9.4, Cary, NC, USA)을 이용하여 분석하였다. 처리간 차이는 분산분석(ANOVA)로 검정하였고, 유의성이 인정된 경우 Duncan의 다중검정(Duncan’s Multiple Range Test)으로 평균간 비교를 수행하였다. 유의수준은 p < 0.05로 설정하였다.
결과 및 고찰
1. 배지의 물리성 분석
본 연구에서는 바이오차를 포함한 다양한 혼합 배지가 수분 보유 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 수분 보유력을 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 2에 제시하였다. 모든 처리구에서 0.01bar의 낮은 압력 조건에서는 수분 보유량이 가장 높았으며, 압력이 증가함에 따라 점차 감소하는 경향을 보였다. 특히 T2 처리구(바이오차:피트모스 = 3:7)는 0.01bar에서 90%의 수분 보유력을 나타내어 가장 높은 값을 기록하였고, 이후 15bar까지 감소하여 17%의 수치를 보였다. 이는 피트모스의 흡습성과 바이오차의 다공성이 복합적으로 작용하여 낮은 압력에서 수분을 효과적으로 유지함을 시사한다. 반면, 펄라이트가 함유된 T3, T4, T5 처리구는 전반적으로 수분 보유력이 낮았으며, 특히 T5 처리구(바이오차:피트모스:펄라이트 = 2:1:1)는 T4 처리구에 비해 모든 압력 단계에서 가장 낮은 수치를 보여주었다. 이는 바이오차의 수분 보유력이 반영된 결과로, 혼합 비율에 따라 수분보유 특성이 현저히 달라질 수 있음을 의미한다. T1 처리구는 0.01bar에서 79%의 수분을 보유하였으며, 15bar까지 감소하였으나 여전히 31%를 유지하여 안정적인 보수성을 보였다. 이는 코이어의 섬유질 구조가 높은 압력에서도 수분을 일정 수준으로 유지할 수 있는 능력을 가졌기 때문으로 판단된다. 그러나 높은 수분 보유력이 항상 식물 생육에 유리한 것은 아니다. 식물이 이용할 수 있는 수분은 포장용수량(0.3bar)과 위조점(15bar) 사이의 유효 수분으로 제한되며, 이 구간에서의 방출 폭이 작으면 실제 이용 가능성이 낮아질 수 있다(Brady 등, 2016). T1(코이어)은 절대 보유량이 크고 안정적인 수분 공급 능력을 가지지만, 상대적으로 방출 변화가 적어 관수 관리에 주의가 필요하다. 반대로 T2는 보유량은 빠르게 줄어들지만 방출성이 높아 식물 이용 가능성이 크며, 관수 직후 과습 위험이 있어 세심한 관리가 요구된다(Raviv와 Lieth, 2008). 혼합 배지의 물리적 특성을 분석한 결과, 모든 혼합 배지 처리구의 용적밀도는 0.13－0.15Mg/m3로, 대조구 코이어(T1, 0.36Mg/m3)보다 현저히 낮았다(Table 5). 이는 혼합 배지에 포함된 바이오차, 펄라이트의 영향으로 공극률이 증가한 결과로 판단된다. 특히 바이오차의 용적밀도는 0.12Mg/m3로 가장 낮아, 바이오차가 배지의 경량화와 통기성 개선에 기여함을 알 수 있었다. 이러한 경량성과 공극률 증가는 뿌리 산소 공급과 발달에 유리한 요인으로 작용할 수 있으며, 이는 기질의 물리적 특성이 작물 생육 안정성을 좌우한다고 보고한 De Boodt and Verdonck(1972)와 Raviv와 Lieth(2008)의 결과와 일치한다. 이와 같은 처리 간 수분 보유 곡선과 공극 구조의 차이는 실제 관수·배수 거동에도 영향을 미칠 수 있다. 따라서 향후 연구에서는 배지 부피에 따른 함수량과 유효수분을 정량화하고, 수분보유곡선 차이를 배액률 및 관수 전략과 연계할 필요가 있다.
Table 5.
Physical and chemical properties of various biochar-based substrate mixtures.
| Substrate |
Bulk density (Mg/m3) | pH | EC | T-C | T-N | P2O5 | K2O | CaO | MgO | Na2O |
|
1:5 (v/v) |
dS/m (v/v) | -------------------------- %, dry weight -------------------------- | ||||||||
| T1y | 0.36 | 5.9 | 0.81 | 48.3 | 0.33 | 0.06 | 0.95 | 0.28 | 0.20 | 0.55 |
| T2 | 0.15 | 4.6 | 0.05 | 53.3 | 0.74 | 0.08 | 0.34 | 0.28 | 0.10 | 0.05 |
| T3 | 0.13 | 9.5 | 0.11 | 9.5 | 0.04 | 0.02 | 0.18 | 0.05 | 0.00 | 0.50 |
| T4 | 0.14 | 4.8 | 0.14 | 30.9 | 0.38 | 0.06 | 0.30 | 0.16 | 0.05 | 0.30 |
| T5 | 0.14 | 5.2 | 0.19 | 40.4 | 0.43 | 0.08 | 0.42 | 0.16 | 0.05 | 0.18 |
|
Reference standardsz | <0.5 | 4.0－7.0 | <1.2 | - | - | - | - | - | - | - |
2. 배지의 화학성 분석
실험 전 처리구별 배지의 화학성은 Table 5에 제시하였다. 배지의 pH의 경우, T3(Biochar:Perlite = 3:7)에서 pH 9.5로 가장 높은 값을 보였고, T2(Biochar:Peatmoss = 3:7)는 pH 4.6으로 가장 낮은 값을 나타내었다. 이는 바이오차와 피트모스의 조합비율에 따라 배지의 화학성이 달라짐을 보여준다(Yuan 등, 2012). 전기전도도는 전반적으로 낮은 수치를 보였으며, 모든 처리구가 0.2dS/m 미만으로 상토 기준(1.2dS/m 이하)에 적합하였다. 인산(P2O5) 함량은 0.06－0.08% 범위로 처리 간 큰 차이를 보이지 않았다. 칼륨(K2O)은 T1(coir dust)이 0.95%로 가장 높았고, T4는 0.28%로 가장 낮았다. 이는 코이어 배지의 높은 칼륨 특성과 일치하며, 바이오차 기반 배지는 상대적으로 칼륨 공급력이 낮을 수 있음을 보여준다. 칼슘(CaO)과 마그네슘(MgO) 함량 역시 T1에서 각각 0.28% 및 0.20%로 가장 높았고, 혼합 배지는 이보다 낮은 수준을 나타냈다. 나트륨(Na2O)은 모든 처리구에서 0.18－0.55% 범위였다. 또한 처리구별 배지의 중금속(As, Cd, Hg, Pb, Cr, Cu, Ni, Zn) 함량은 모두 비료 공정 규격 기준치 이하로 나타나, 수경재배용 배지로 사용하기에 안전하고 적합하였다(Table 6). 결과적으로 바이오차 함량과 조성비에 따라 배지의 pH, EC, 유기탄소 및 질소 함량이 크게 달라졌으며, 이는 재배 초기에 pH 안정성, 통기성 등 다양한 측면에서 생육에 영향을 줄 수 있음을 보여준다. 특히 T2(Biochar: Peatmoss = 3:7)는 높은 유기탄소 및 질소 함량과 낮은 용적밀도로 인해 생육 초기 활착에 유리할 수 있으나, 낮은 pH와 K2O 함량은 고려해야 할 요소이다. 반면 T3(Biochar:Perlite = 3:7)는 높은 pH와 낮은 유기물 함량으로 인해 양분 지속 공급 측면에서의 한계가 나타날 수 있다.
Table 6.
Heavy metal contents of mixed substrate compositions.
| Substrate | As | Cd | Hg | Pb | Cr | Cu | Ni | Zn |
| ------------------------------ mg/kg, dry weight --------------------------------- | ||||||||
| T1y | 0.27 | ND | ND | ND | 7.1 | 34.8 | 2.2 | 26.1 |
| T2 | 0.38 | ND | ND | 2.0 | 4.0 | 17.7 | 1.4 | 27.1 |
| T3 | 0.28 | ND | ND | ND | 9.9 | 12.4 | 3.2 | 17.2 |
| T4 | 0.26 | ND | ND | ND | 14.4 | 17.1 | 4.9 | 21.2 |
| T5 | 0.35 | ND | ND | ND | 15.4 | 16.5 | 7.8 | 23.0 |
| Reference standardsz | <25 | <4 | <4 | <200 | - | <150 | <100 | <300 |
3. 재배기간동안의 배액의 화학성 분석
재배 기간 동안 모든 혼합 배지 처리구의 배액 pH는 5.5－6.5 범위에서 유지되어 방울토마토 생육에 적합하였다(Fig. 3). 이는 혼합 배지가 안정적인 완충능을 가지며 수경재배용 배지로 활용 가능함을 보여준다. 유사하게 Sonneveld와 Voogt (2009)은 혼합 배지에서 pH 5.5－6.5 수준으로 유지될 경우 생육 안정성과 양분 흡수 효율이 가장 높다고 제시하였다. 배지 조성에 따른 배액의 pH 변화 경향은 뚜렷하였다. Fig. 3에서 배액 pH는 모든 처리구에서 초기에 약 5.5－6.0 수준을 유지하다가 생육 후반으로 갈수록 점차 상승하였다. 이는 생육 단계별 양이온·음이온 흡수에 따라 나타나는 현상으로, 특히 후반기에는 질산태 질소(NO3-) 이용이 증가하여 pH가 상승한 것으로 해석된다(Custos 등, 2020). 바이오차 함량이 높은 처리구에서는 배액 pH가 상승하는 경향을 보였고, 피트모스 함량이 많은 처리구에서는 pH가 낮아졌다(Fig. 3). 이는 Yuan 등(2012)가 보고한 바와 같이, 바이오차의 알칼리성 특성과 피트모스의 산성 특성에 기인한 것으로 해석된다. 또한 Chan 등(2009)는 바이오차 첨가 시 토양 및 배지의 산도 완화 효과를 보고한 바 있어, 본 연구 결과와 일치한다. 따라서, 혼합 배지의 비율을 적절히 조절함으로써 토마토 생육 단계에 적합한 근권 환경을 조절할 수 있을 것으로 판단된다. 생육 후기로 갈수록 모든 처리구에서 배액 EC가 점차 증가하였으나, 공급 EC와 배액 EC의 차이는 안정적인 범위 내에서 유지되었다(Fig. 4). 이는 Raviv와 Lieth(2008)이 제시한 수경재배에서의 안정적인 양·수분 관리 기준과 일치하며, 혼합 배지에서도 양·수분 균형이 확보됨을 의미한다. 생육 후기 배액 EC의 증가는 Méndez Cifuentes 등(2023)이 수경재배 토마토에서 보고한 배지 내 염류 축적 및 EC 증가 경향과 유사하다. 또한, Li와 Stanghellini(2001)은 높은 EC 조건하에서 증산율이 감소할 수 있음을 보고하였으며, 본 연구에서도 유사한 경향이 확인되었다.
4. 바이오차 혼합 배지 조성에 따른 방울토마토 생육 및 수량 특성
본 연구에서는 바이오차, 피트모스, 펄라이트의 및 조성비가 상이한 혼합 배지(T1: 코이어, T2: Biochar:Peatmoss = 3:7, T3: Biochar:Perlite = 3:7, T4: Biochar:Peatmoss:Perlite = 1:1:1, T5: Biochar:Peatmoss:Perlite = 2:1:1)가 방울토마토의 생육에 미치는 영향을 분석하였다. 생육지표로는 초장, 경경, 엽장, 엽폭, 엽수, 화방수 등을 조사하였으며, 결과는 Table 7 및 Fig. 5에 제시하였다. 초장은(Plant height) T2 (Biochar:Peatmoss = 3:7)에서 가장 높은 값을 나타내었다(Fig. 5A). 이는 피트모스의 높은 수분 보유력과 바이오차의 높은 용적밀도의 영향으로 초기 생육을 촉진한 것으로 해석된다(Barrett 등, 2016; Raviv 등, 2008). 그러나 후기에는 생육이 정체되거나 다른 처리구에 역전되는 경향을 보였다. 이는 피트모스가 장기 재배 시 pH 감소, 통기성 저하, 염류 축적 등의 근권 악화 요인을 야기할 수 있다는 선행연구와 일치한다(Hoagland와 Arnon, 1950). 경경(Stem diameter)은 5월 초까지 증가하다가 이후 모든 처리구에서 감소하는 경향을 나타냈다(Fig. 5B). 이는 생육 후기로 갈수록 광합성 동화산물의 분배가 생식생장에 집중되거나, 기상 조건 변화에 따른 증산 저하, 또는 배지 내 EC 증가 등과 관련이 있는 것으로 보인다(Li와 Stanghellini, 2001). 엽장(Leaf length)과 엽폭(Leaf width)은 4월 말에 최대값을 기록한 뒤 점차 감소하였다(Fig. 5C, D). 특히 T2와 T3 처리구에서 유의하게 큰 엽장이 관찰되었다. 엽장과 엽폭의 감소는 생식생장으로 전환 및 상부 생장에 대한 에너지 분배와 관련이 있는 것으로 보이며, 유사한 경향은 Raviv와 Lieth(2008)에 의해서도 보고된 바 있다. 엽수(No. of leaves) 및 화방수(No. of cluster)는 처리 간 유의적인 차이는 확인되지 않았다(Table 7, p>0.05). 결과적으로, T2 처리구는 생육 초기에 매우 우수한 생육 촉진 효과를 보였지만, 장기 재배 환경에서는 생육 안정성이 상대적으로 떨어졌다. 반면, T3 및 T4 처리구는 중·후기 생육 안정성과 균형 면에서 우수한 특성을 나타냈다. 최종적으로는 생육 후기에는 모든 처리구에서 주요 생육 지표가 유사한 수준으로 수렴되었으며, 엽수 및 화방수 등의 생식 생장 지표에서도 유의한 차이는 나타나지 않았다. 이는 바이오차 기반 혼합 배지가 코이어 배지 대비 동등한 재배 안정성을 제공할 수 있음을 의미하며, 결과적으로 처리 간 생육 지표상 큰 차이는 없었다고 판단된다. 코이어를 대체하기 위해 개발된 혼합 배지(T2－T5)는 방울토마토 수경재배에서 대조구인 코이어 배지(T1)와 비교하여 동등하거나 더 높은 수량성을 나타냈다(Table 8). 특히 T4 및 T5 처리구는 전반적인 수확량에서 가장 우수한 경향을 보였으며, 이는 바이오차의 양분 완충능, 피트모스의 수분 보유력, 펄라이트의 통기성이 조화롭게 작용한 결과로 해석된다. 이와 유사하게 Chowdhury 등(2024)은 다양한 혼합 배지에서 코이어와 동등하거나 그 이상의 수량을 보고하였으며, Graber 등(2010) 또한 바이오차가 혼합된 배지에서 토마토 수량이 증가하는 경향을 제시한 바 있다. 이러한 결과는 바이오차 기반 혼합 배지가 코이어 배지를 대체 가능한 수경재배용 배지로서 충분한 잠재력을 지님을 시사한다. 과실 품질(당도, 산도, 경도 등)에서는 처리구 간 유의한 차이가 나타나지 않았다(Table 8). Dorais 등(2001)은 수경재배에서 영양분 관리와 환경조건이 과실 품질에 더 큰 영향을 미친다고 보고하였는데, 이는 본 연구 결과에서 배지 조성 간 차이가 뚜렷하지 않았던 이유를 설명한다. 종합적으로, 본 연구에서 사용된 혼합 배지는 생육, 수량성, 과품질에서 기존 코이어 배지와 유사하거나 우수한 성과를 보였으며, 국내 생산 바이오차를 통해 만든 혼합 배지의 실용화 가능성을 충분히 입증하였다. 특히 Graber 등(2010)이 강조한 바와 같이, 바이오차 활용은 자원순환형 농업 및 수입 대체 효과뿐만 아니라 탄소 저감형 원예기술 구현에도 기여할 수 있다. 따라서 본 연구 결과는 저탄소 스마트농업, 수경재배 기반 자원 활용 기술 개발, 대체 배지 등의 분야에서 핵심 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
Table 7.
Growth of tomato plants according to biochar-based substrate treatments.
| Day | Treatmentz |
Plant height (cm) |
Leaf length (cm) |
Leaf width (cm) |
No. of leaves (ea) |
Stem diameter (mm) |
No. of Cluster (ea) |
| March 17 | T1 | 80.8 ± 6.9xaby | 36.2 ± 2.7 ab | 33.5 ± 4.5 ab | 16.2 ± 0.7 a | 10.4 ± 1.5 ab | 1.3 ± 0.4 a |
| T2 | 82.1 ± 5.2 ab | 39.5 ± 2.2 a | 37.3 ± 3.2 a | 16.3 ± 0.9 a | 11.3 ± 1.1 a | 1.6 ± 0.5 a | |
| T3 | 80.7 ± 5.4 a | 35.9 ± 1.8 ab | 31.7 ± 3.0 ab | 16.5 ± 0.7 a | 9.7 ± 1.2 b | 1.3 ± 0.5 a | |
| T4 | 79.6 ± 4.6 ab | 34.2 ± 3.4 b | 30.7 ± 3.6 ab | 15.9 ± 0.8 a | 10.0 ± 1.5 ab | 1.2 ± 0.4 a | |
| T5 | 76.9 ± 3.0 b | 35.1 ± 3.5 ab | 29.4 ± 2.4 b | 16.2 ± 1.2 a | 10.4 ± 1.1 ab | 1.3 ± 0.4 a | |
| May 02 | T1 | 140.8 ± 8.2 ab | 52.3 ± 2.4 b | 39.2 ± 3.1 b | 22.9 ± 1.0 a | 13.0 ± 1.3 a | 3.8 ± 0.4 a |
| T2 | 147.1 ± 7.5 a | 54.2 ± 3.9 ab | 39.2 ± 2.9 b | 23.3 ± 1.1 a | 12.8 ± 1.7 a | 4.1 ± 0.3 a | |
| T3 | 141.9 ± 8.4 ab | 54.7 ± 1.9 ab | 42.4 ± 2.4 ab | 23.6 ± 1.0 a | 12.6 ± 1.9 a | 3.9 ± 0.2 a | |
| T4 | 139.4 ± 8.8 ab | 55.7 ± 2.9 a | 44.7 ± 2.9 a | 23.5 ± 1.0 a | 13.0 ± 1.0 a | 3.9 ± 0.3 a | |
| T5 | 138.8 ± 5.4 b | 53.3 ± 1.8 ab | 40.8 ± 1.9 ab | 23.3 ± 1.3 a | 13.2 ± 1.3 a | 3.9 ± 0.2 a | |
| May 15 | T1 | 186.2 ± 10.9 ab | 52.3 ± 2.3 a | 42.5 ± 4.0 a | 27.6 ± 0.7 a | 11.4 ± 1.5 a | 5.4 ± 0.5 a |
| T2 | 196.4 ± 11.0 a | 47.6 ± 3.3 b | 34.7 ± 2.3 bc | 27.9 ± 1.0 a | 11.3 ± 1.7 a | 5.9 ± 0.2 a | |
| T3 | 189.0 ± 10.1 ab | 49.3 ± 2.4 ab | 34.6 ± 2.0 bc | 28.0 ± 1.0 a | 11.4 ± 1.9 a | 5.7 ± 0.4 a | |
| T4 | 187.3 ± 13.3 ab | 52.2 ± 2.9 a | 38.1 ± 0.5 ab | 28.0 ± 1.3 a | 11.6 ± 1.0 a | 5.7 ± 0.5 a | |
| T5 | 181.7 ± 7.8 b | 48.1 ± 1.8 b | 33.6 ± 0.6 c | 27.6 ± 1.3 a | 10.9 ± 1.3 a | 5.9 ± 0.3 a | |
| May 29 | T1 | 255.8 ± 13.5 ab | 44.5 ± 3.8 b | 29.8 ± 3.2 ab | 33.6 ± 1.0 a | 9.4 ± 1.0 a | 7.7 ± 0.4 a |
| T2 | 259.9 ± 12.5 a | 44.0 ± 2.8 b | 28.9 ± 0.9 b | 34.8 ± 1.9 a | 7.9 ± 0.8 b | 7.9 ± 0.3 a | |
| T3 | 256.6 ± 13.6 ab | 46.2 ± 2.3 ab | 31.3 ± 0.8 ab | 33.9 ± 1.4 a | 8.3 ± 1.0 ab | 7.9 ± 0.3 a | |
| T4 | 255.1 ± 15.8 ab | 48.5 ± 2.0 a | 36.7 ± 3.7 a | 33.5 ± 1.8 a | 8.8 ± 0.8 ab | 7.8 ± 0.4 a | |
| T5 | 246.4 ± 11.6 b | 47.5 ± 2.3 a | 31.8 ± 1.8 ab | 33.7 ± 1.4 a | 8.3 ± 0.6 ab | 7.9 ± 0.3 a | |
| June 12 | T1 | 324.5 ± 12.8 ab | 38.6 ± 2.9 b | 23.9 ± 1.6 b | 39.7 ± 1.4 a | 8.0 ± 0.8 ab | 10.0 ± 0.4 a |
| T2 | 335.9 ± 16.1 a | 43.6 ± 3.3 a | 29.4 ± 1.3 ab | 39.5 ± 1.5 a | 7.5 ± 0.5 b | 10.1 ± 0.2 a | |
| T3 | 309.7 ± 9.6 b | 39.8 ± 3.1 ab | 23.4 ± 0.5 b | 40.2 ± 1.5 a | 7.8 ± 0.5 ab | 10.1 ± 0.2 a | |
| T4 | 326.9 ± 18.2 ab | 44.6 ± 3.0 a | 31.2 ± 1.6 a | 39.9 ± 1.7 a | 8.3 ± 0.9 a | 9.9 ± 0.3 a | |
| T5 | 319.8 ± 13.4 ab | 40.8 ± 3.5 ab | 28.0 ± 2.6 ab | 40.6 ± 2.1 a | 8.2 ± 0.8 a | 10.1 ± 0.2 a |
zT1: Coir dust, T2: Biochar:Peatmoss (3:7, v/v), T3: Biochar:Perlite (3:7), T4: Biochar:Peatmoss:Perlite (1:1:1, v/v), T5: Biochar:Peatmoss:Perlite (2:1:1, v/v)
Table 8.
Fruit quality of cherry tomato grown in different biochar-based substrate treatments.
| Treatmenty |
Yieldx (g/plant) |
Fruit length (mm/fruit) |
Fruit width (mm/fruit) |
Sugar content (°Brix) |
Acidity (%) |
Hardness (kg/cm2) |
| T1 | 1,145 bz | 33.1 a | 26.9 a | 6.9 a | 1.0 a | 0.7 a |
| T2 | 1,161 b | 32.8 a | 26.5 a | 7.0 a | 0.9 a | 0.7 a |
| T3 | 1,150 b | 32.5 a | 26.3 a | 7.0 a | 0.9 a | 0.7 a |
| T4 | 1,198 a | 33.0 a | 26.7 a | 7.0 a | 0.9 a | 0.7 a |
| T5 | 1,249 a | 33.6 a | 27.0 a | 7.0 a | 0.9 a | 0.7 a |
