서 론
기후변화로 인하여 지구의 온도는 지난 100년간 약 0.7°C 상승하였고, 최근의 온도 상승속도가 과거에 비해 서 2배 이상 빠르게 진행 중이다(IPCC, 2013). 한반도의 온도상승은 지구의 온도 상승속도보다 훨씬 빠른 것으로 발표되고 있으며 온난화의 주범인 온실가스 배출 규제의 움직임이 높아지고 있다. 따라서 이산화탄소의 변화에 대 한 대표농도경로인 RCP 8.5(Representative Concentration Pathway)를 선택하여 탄소배출을 법적으로 제한할 것을 제시하였다(NIMR, 2011). RCP 8.5 조건은 2100년이 되 면 지구의 온도가 현재보다 약 6.0°C 상승하고, CO2 농 도는 940μmol·mol-1 로 높아지며 강수량이 현재보다 20% 정도 증가한다는 가상시나리오이다. 이와 같은 조 건이 된다면, 우리나라는 열대 또는 아열대 기후대로 바 뀌게 되어 현재 재배되고 있는 작물 품종으로는 생산성 이 떨어질 것으로 예상되는 등 농업분야에도 대비가 있 어야 할 것으로 생각된다. 실제로 고추(Lee 등, 2018), 배추(Lee 등, 2016)를 대상으로 RCP 8.5 조건에서 재배 한 결과 고추는 분지가 활발하게 되지만 낙화 및 불수 정과가 다량 발생하여 수량성이 크게 감소하였으며, 배 추는 결구가 되지 않으며 속 썩음 증상이 발생한다는 연구결과를 발표하였다. 따라서 기온상승에 따른 농작물 에 대한 피해분석 및 영향평가가 필요하며 특히 겨울철 동안의 온도 상승이 마늘에 미치는 영향에 대한 연구가 필요한 실정이다.
마늘(Allium sativum L.)은 우리나라 어느 지역에서도 재배가 되는 작물로 남부지역에서는 난지형 마늘, 중북 부지역에서는 한지형 마늘이 재배되고 있으며 항암, 혈 압강하 등 다양한 기능성이 밝혀지면서 1인당 연간소비 량이 6.8kg으로 소비가 많은 작물이다(KOSTAT, 2017). 마늘의 생태적인 특성은 호냉성 채소로 생육에 적합한 최적온도가 18-20°C이고, 인편분화는 10°C에서도 가능 하지만 20°C 전후에서 가장 잘 되며(Lee, 2003), 정식 후 초기 저온의 영향을 받은 후 온도가 상승하면서 구비대가 이루어져 수확을 할 수 있다(Bandara 등, 2000; Rahim 과 Fordham, 2001; Song 등, 2001). 한편 인경비대는 식물호 르몬 등 내적인 요인과 온도 등 외적인 요인의 영향을 받 아 인편이 분화되면서 비대가 된다고 알려져 있다(Takagi, 1990; Sohn 등, 2010). 난지형 마늘은 한지형에 비해서 높 은 온도를 요구하지만 고온 및 다습 조건이 되면 마늘 구 의 무게가 감소하거나 부패증상이 많아져 수량이 떨어지 고(Cho 와 Lee, 2008), 멀칭재배로 인한 지온상승 역시 벌마늘 등 생리장해 발생을 초래한다(Choi 등, 2009)고 알려져 있다. Oh 등(2016)은 주야간 온도가 생육적온 이 상이 되면 잎줄기가 터지거나 마늘구가 갈라지는 등 생리 장해 발생이 많아져 수량이 감소한다고 하였다. 그러나 마늘 재배기간 동안의 온도와 토양수분과의 교호 영향에 대한 연구는 미흡하며, 재배 전 생육 기간 동안의 온도와 토양 수분 함량의 차이를 주는 처리구를 설계하기가 어렵 다. 본 연구는 온도 차 하우스 내에서 재배기간 중 온도 상승과 토양수분 함량에 따른 난지형 마늘의 생장, 생리 장해, 인편분화 및 수량에 미치는 영향을 분석하고자 실 시하였다.
재료 및 방법
시험재료는 난지형 마늘 중 재배면적이 가장 많은 ‘남 도’마늘을 공시하였다. 마늘 종구는 500배액의 벤레이트 티 용액에 2시간 침지하여 소독하였고, 하루 동안 상온 에서 건조시킨 후 파종하였다. 파종은 2016년 11월 10 일에 온도차하우스(길이 25m, 폭 2m)에 90cm 이랑 2개 를 만들고 유공 흑색 비닐(유공간격 20cm×10cm)으로 멀칭한 후 파종하였다. 파종 시 종구의 윗부분이 위로 향하도록 하였고, 흙으로 윗부분을 2cm 정도 묻어 주었 다. 수확은 줄기가 70% 정도 마를 때 하였는데, 고온처 리구가 외기처리구보다 일찍 수확하여 2017년 5월 23일 (파종 후 195일)에 하였고, 일반 외기 처리구는 6월 7일 (파종 후 210일)에 하였다.
처리온도는 온실의 개방 입구로부터 안쪽으로 8-12m 구역은 외기보다 3°C(A+3) 높게, 18-22m 구역에서는 6°C 높게(A+6)유지되도록 6개의 환기팬으로 온도를 제 어하는 시스템(CR1000와 SDM-CD16AC, Campebll Sci. Co., USA)을 이용하였다. 실험이 수행된 토양은 식 양토이며, 토양수분은 적습 처리(OI; optimal irrigation, 0.15-0.28 m3/m3)는 주 1회 290mL 관수하였고, 다습 처 리(EI; excessive irrigation, 0.29-0.38 m3/m3)는 주 2회 580mL로 관수량을 달리하였다. 그리고 토양수분 함량 차이를 위하여 이랑의 높이(적습 처리 20cm, 다습처리 5cm)도 달리하였다. 처리 시설 내 온도 프로파일은 온도 센서를(HMP155A, Campbell Sci. Co. USA) 지상으로부 터 1.9와 0.5m 높이로 하여 온실의 입구로부터 각각 1.2, 10.5 및 22.4m 떨어진 지점(총 6개)에 설치한 후 데 이터 수집 장치(CR-1000, Campebll Sci. Co., USA)를 이 용하여 1시간 단위로 기온을 저장하였다. 토양수분은 각 온도 차가 발생하는 지점의 이랑 정 중앙에 0.1m 깊이로 유전율 방식(FDR: Frequency domain reflectometry)의 토 양수분 함량 측정 센서(10HS, Decagon Devices, Inc. USA)에 데이터로거(HOBO U30, Onset Computer Co., USA)를 연결하여 1시간 간격으로 수집하였다.
조사항목은 처리구별 3반복 5주씩에 대해서 초장, 엽 장, 엽폭, 엽수 등 파종 후 102일에 비파괴방법으로 조사 하였고, 파종 후 195 및 210일에는 처리구별 전수를 대상 으로 마늘을 수확하여 구고, 구폭, 생구중, 인편수 및 인편 중 등을 조사하였다. 생리장해율은 수확한 마늘 전수를 대 상으로 열구, 벌마늘 및 스펀지 마늘을 구분하여 전체 생 산된 마늘 대비 비율을 계산하였다. 온도조건별 마늘의 인 편분화와 관계를 조사하기 위하여, 파종 후 132일에 마늘 구를 세척한 후 칼로 구의 중앙부위를 횡으로 절단하여 광학현미경(Stemi SV2, Zeiss Co., Inc., Jena, Germany) x8배율로 확대하여 구의 횡단면 사진을 촬영하였다.
실험 처리구는 완전임의배치 3반복으로 두었다. 재배 온도와 토양수분처리의 2요인 분산분석을 하였고 각 처 리구별 생장 요인들과 수량의 평균에 대하여 Duncan의 다중 검정을 실시하였다. 통계처리는 SAS 프로그램 (SAS 9.2, SAS Institute Inc., NC, USA)을 이용하였다.
결과 및 고찰
온도 차 하우스의 기온 프로파일을 분석하면, 실험기 간 동안 외기 대비 일 평균이 기온이 3와 6°C로 높게 유지 되었다(Fig. 1). 외기 기온보다 3과 6°C 높은 고온 처리구에서 재배기간 동안 일 평균 최저 기온은 각각 -1.3 및 0.8°C, 잎 평균 최고 기온은 각각 27.0 및 29.3°C이 었으나, 외기의 일 평균 최저 기온은 -3.6°C, 최고 기온 은 24.7°C으로 제어 목표치인 6°C의 기온 차를 구현하 였다. 토양 수분 함량 프로파일을 분석하면(Fig. 2), 외 기 기온에서 과다한 관수 처리구와 최적 관수 처리구의 토양 수분 함량은 각각 0.34와 0.31m3/m3였으며(Fig. 2A), 관수처리 개시 후 두 처리구의 수분 함량은 평균 0.11m3/m3의 차이가 있었다. 고온 처리구에서는 관수처 리 시작 전부터 두 처리구의 토양 수분함량이 약 0.2m3/m3 차이를 유지하고 있었다(Fig. 2B와 C).
파종 후 102일의 비파괴 방법으로 생육을 조사한 결 과는 Table 1과 같다. 초장, 엽폭 및 엽수는 온도에 따 라 고도의 유의성을 보여 고온일수록 그리고 적습처리구 (OI)일수록 컸다. 토양 수분 처리 시작(파종 후 188일)전 부터 고온처리구들(외기기온+3 또는 6°C)에서는 토양 수 분 함량의 차이가 있었으며(Fig 2B와 C), 고온구에서 수 증기압포차가 크므로 토양수분 증발산량이 많아 이랑의 높이 별로 토양수분 함량차이가 있었다. 초장은 외기보 다 6°C 고온구의 적습처리구에서 47.4cm로 가장 컸으며, 엽폭과 엽수 역시 외기보다 6°C 고온구의 적습처리구가 각각 2.4cm, 7.5cm로 가장 컸다. 엽장과 엽초경은 온도 에 따른 고도의 유의성을 보여 6°C 고온구에서 컸으며 외기처리구에서 작았다. 이와같은 결과는 고추 재배시 6°C 고온구의 초장, 생체중 및 건물중이 3°C 고온구와 외기처리구보다 컸고(Lee 등, 2018), 피망(Lim 등, 1997a)과 토마토(Lim 등, 1997b)에서도 일평균 온도가 증가함에 따라서 엽수나 유묘의 건물중이 증가하였다는 결과와 유사하였다.
Table 1. Growth characteristics of garlic as affected by combination of air temperature and soil moisture content at 102 days after sowing.
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마늘 구의 특성을 조사한 결과는 Table 2와 같다. 마 늘 구고는 6°C 고온구의 적습처리구가 41.6mm/bulb 로 가장 컸으며 3°C 고온구의 적습과 다습처리구 및 6°C 고온구의 다습처리구에서 작았다. 마늘의 구폭, 생구중 및 인편수는 온도보다는 토양수분에 의해서 고도의 유의 성을 보였는데, 적습처리구가 다습처리구보다 큰 것으로 나타났다. 쪽당 무게는 온도의 영향이 크게 작용하여 외 기온도의 적습과 과습처리구가 6.0-7.5g/clove이었으나 6°C 고온의 적습과 다습처리구는 3.5-3.8g/clove으로 크 게 감소하였다. 이것은 마늘은 20°C 이상의 온도에서 고 온스트레스를 받고(Oh 등, 2015), 한지형마늘에서 고온 처리구에서 인편중량이 감소(Oh 등, 2016)하였으며, 산 마늘은 25°C 이상의 고온에서 생육이 부진하고 양파는 30°C 이상의 고온조건에서 인경 무게가 감소(Lee 등, 2012)하였다는 결과와 유사하였다. 즉, 저온성 작물인 마 늘을 고온조건에서 재배하면 외기온도에 비해서 마늘 구 의 무게는 크게 감소하지 않지만 6°C 고온구의 경우 마 늘 인편수가 증가하여 마늘 쪽당 무게가 감소한다는 것 을 확인할 수 있었다. 마늘의 구의 무게는 온도와 토양 수분 함량의 영향이 큰 것으로 나타나 외기처리구일수록 그리고 적습처리구에서 큰 것으로 나타났다. 그러나 인 편의 무게는 토양수분의 수준과는 관계없이 고온일수록 낮아졌으며, 이는 고온에서 인편분화가 많아 상품성이 없 는 벌 마늘이 많이 나온 것을 알 수 있었다. 이러한 고온 조건은 이차생장을 일으켜 인편분화를 촉진하기 때문에 인편수가 증가하면서 벌마늘이 된 것으로 생각된다.
Table 2. Bulb characteristics of garlic as affected by combination of air temperature and soil moisture content at 195 and 210 days after sowing.
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상품수량 역시 외기처리구의 적습처리구가 1,884kg/ 10a 로 가장 컸으며 고온구인 6°C 처리구의 다습처리구 가 828kg/10a 로 가장 작았다(Table 3). 수량지수는 외 기의 적습처리구를 기준으로 6°C 고온구의 다습처리구 는 43.9%, 적습구는 54.2%로 크게 낮아졌고, 3°C 고온 구 역시 적습구는 85.7%, 다습처리구는 70.9% 정도를 보였다. 이것은 시험재료로 사용한 남도마늘은 대기온도 보다 3-6°C 고온조건이 되면 수량이 감소하며, 특히 6°C 고온조건이 되면 수량이 50% 정도 감소한다는 결과를 얻었다. 따라서 RCP 8.5 조건이 되면 6°C 까지 상승하 므로 피해를 줄이기 위한 고온에서 인편분화 및 비상품 과율이 적은 신품종 개발과 계절변동성에 맞게 적정 파 종 및 수확 시기 제시와 고온을 극복하여 정상적인 구 비대 및 인편분화를 할 수 있는 실용적 대응기술 개발 이 시급할 것으로 생각된다.
Table 3. Total clove weight and marketable yields of garlic as affected by combination of air temperature and soil moisture content at 195 and 210 days after sowing.
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마늘은 20°C 이상의 온도조건에서 고온스트레스를 받 고(Oh 등, 2015), 양파도 30°C 이상의 고온조건에서 인 경 무게가 감소하여 수량이 감소하였으며(Lee 등, 2012), 한지형 마늘에서 주야간 온도를 달리하여 재배한 결과, 고온 처리구에서 인편 중량이 감소하였다(Oh 등, 2016)는 결과와 유사하였다. 또한 마늘을 대상으로 주야 간 온도를 달리하여 주간온도는 17-23°C, 야간온도는 12-18°C로 유지한 처리구의 마늘 구의 생체중이 가장 컸으며 28/23°C로 처리한 구가 작았다(Wi 등, 2017)는 결과와 유사하였다.
처리별 생리장해 발생은 Fig. 3과 같이 모든 처리구에 서 마늘통이 갈라지는 열구증상이 많이 발생하였지만 식 용하는데 문제는 없었다(data not shown). 그러나 식용 에 문제가 있는 벌마늘은 6°C 고온구의 적습처리구에서 1개가 발생하였고, 나머지 처리구에서는 발생되지 않았 다. 또한 스폰지 마늘은 Fig. 4에서 보는 바와 같이 마 늘 구의 비대가 되지 않고 스펀지처럼 푸석푸석한 마늘 로 상품성이 전혀 없는 것으로 6°C 고온구의 적습처리 구에서 28개가 발생하여 12.9% 발생률로 가장 많이 발 생하였다. 이와 같은 결과는 마늘에서 고온과 저온스트 레스 조건에서 이차생장, 벌마늘 등 생리장해가 발생하 였다는 결과(Choi 등, 2009)와 유사하여 저온성 작물인 마늘은 고온과 다습조건이 되면 쪽당 무게가 감소하고, 스폰지마늘 등 비상품과의 발생이 증가하여 상품수량이 감소하는 것으로 나타났다.
마늘 수확은 잎이 70% 정도 말랐을 때 하였는데, 수 확까지 소요일자는 외기 대비 6°C 고온구가 2주일 정도 빨랐다(data not shown). 고온에 따른 마늘 인편분화 시 기를 보기 위해서 마늘 파종 후 132일(3월 21일)에 마 늘 구를 채취하여 현미경으로 관찰한 결과는 Fig. 5와 같다. 외기온도 조건에서 자란 마늘의 경우 인편분화 증 상이 보이지 않았지만, 3°C 고온처리구에서는 인편분화 초기증상이 관찰 되었다. 6°C 고온처리구는 인편분화가 상당히 진행된 것을 관찰할 수 있었다. 마늘의 인편의 형성과 비대 발달에는 일정기간 휴면이 필요하고 (Yamazaki 등, 1995, 1999), 온도 등 환경조건이 좋아지 면서 ABA 함량 등 호르몬이 증가하면서 비대가 이루지 는 것으로 알려져 있다(Abdullah 와 Ahmad, 1980; Xu 등, 1998; Yamazaki 등, 2002). 결론적으로 마늘은 외기 온도보다 6°C 고온조건이 되면 수량이 50% 정도 감소 하고, 생리장해 발생이 높아지는 것으로 나타났다.
