서 론
국내 수경재배 면적은 1990년 8.2ha에서 2013년 1,665ha로 급격히 증가하였다. 이중 파프리카(Capsicim annuum L.)의 재배면적은 2010년 424a에서 2013년 575a로 35.6% 증가하였다(aTkati, 2014). 파프리카의 수 경재배 비율은 95%로 토마토, 오이 등 다른 작물에 비 해 매우 높지만, 대부분 고형배지를 이용한 비순환식 수 경재배이고 순환식 수경재배는 5% 미만에 불과하다.
최근 환경오염에 대한 관심이 증가하면서 수경재배온 실에서 배출되는 폐양액이 환경오염에 미치는 문제가 주 목 받고 있다. 해외에서는 이미 이와 같은 문제에 대하 여 1989년 독일에서 논의를 시작하였고, 네덜란드에서는 1994년 Waste Water Disposal Decree 법령을 제정하여 2004년부터 수경재배 농가는 100% 순환식 수경재배로 전환하도록 하였고, 2027년까지 온실에서 사용되는 어떠 한 비료성분도 외부로 방출하지 않기로 농가와 정부간 협약을 맺고 진행 중이다. 하지만 국내에는 아직 이와 같은 폐양액 배출에 대한 관련 규제가 없는 상황이다.
순환식 수경재배는 폐양액의 재사용을 통해 질소나 인 산염과 같은 비료염의 배출을 감소시켜 환경오염을 최소 화 할 수 있고, 비료와 원수 사용량을 절감하여 경제성 도 높일 수 있다. Van Gemert(1994)는 파프리카 수경재 배시 순환식 수경재배의 원수사용량은 7,229톤/ha/년으로 비순환식 수경재배에 비해 29% 절감되고, N, P, K, Ca, Mg, S의 연간 비료 사용량도 각 47, 39, 44, 55, 49, 56% 절감된다고 보고하였다. 또한 Van Os(1994)는 배액 율은 20%로 하는 토마토 수경재배시 배액을 전량 폐기 할 경우 손실되는 비료량은 N, P, K, Ca, Ma 각각 147, 71, 282, 126, 60kg/ha 이며, 배액을 재사용 하는 오이 수 경재배의 경우는 비순환식 수경재배에 비하여 수분소비 량, 양분배출량, 비료값이 각각 21, 80, 35% 절감되고, 상추는 29, 100, 50%, 국화는 15, 65, 20% 절감 된다고 보고하였다.
하지만 이와 같은 순환식 수경재배의 장점에도 불구하 고 비순환식 수경재배에 비해 10-15% 비싼 초기투자비, 설치 후에도 2주 간격의 재사용 양액 분석에 따른 운영 비, 병 발생과 배양액관리 기술에 대한 농가의 막연한 불안감등으로 인해 실제 순환식 수경재배를 적용하고 있 는 농가는 매우 적은 실정이다(Nam 등, 2004).
Adams 와 Ho(1995), Lopez 등(1996), Zekki 등(1996) 은 순환식 수경재배시 재배기간이 길어지게 되면 순환이 진행될수록 배양액내 이온들의 불균형이 심각해져 작물 생육 및 수량에 부정적인 영향을 미친다고 보고하였다.
하지만 Dhakal 등(2005)는 28%의 유기물을 함유한 배지를 사용한 토마토 재배시 순환과 비순환식 수경재배 의 생산량 차이가 없었다고 보고하였고, Hao 와 Papadopoulos(2002)와 Zekki 등(1996)이 실시한 토마토 암면재배에서의 순환과 비순환 수경재배의 차이의 연구 에 따르면 배액 재사용에 의한 생육 및 수량이 유의적 인 차이를 보이지 않아서 상업용 재배온실에서도 경제적 으로 적용 가능하다고 하였다.
이러한 상반된 연구결과를 보이는 이유는 식물이 양분 을 흡수하는 농도는 배액 성분뿐 아니라 환경 조건과 생육단계에 따라 변하고, 식물이 가진 이온 선택성에 의 해 스스로 유리한 생육발달을 유지하는 것의 영향으로 생각된다(Abram, 1980;Van Noordwijk, 1990 J. Le Bot, 1997).
순환식 수경재배를 적용하기 위해선 행잉거터, 배액회 수장치, 살균장치 등 필수적인 설비의 설치·운영이 일정 규모 이상의 면적에서만 가능하기 때문에 국내에서 수행 된 관련 연구는 대규모 유리온실이 위치한 겨울작형에 편중되어있고 중·소규모의 농가가 대부분을 차지하는 여 름작형에서 수행된 연구는 전무한 실정이다. 따라서 본 연구는 EC 기준 순환식 수경재배에서 배액 재사용율에 따른 여름재배 파프리카의 생육과 수량의 특성을 분석함 으로써 여름작형 농가의 순환식 수경재배 적용시 기초자 료로 활용하고자 수행되었다.
재료 및 방법
본 실험은 2015년 3월 18일부터 2015년 9월 30일까 지 25주 동안 강원도 옥계에 소재한 유리온실에서 수행 되었다. 공시 품종은 적색계 ‘Maranello’ (Enza Zaden, The Netherlands)으로 2015년 1월 15일 파종 하였다.
시험구는 배액 재사용율을 기준으로 1. 100% 양액 (NS) + 0% 배액(D), 2. 80% NS + 20% D, 3. 70% NS + 30% D, 4. 50% NS + 50% D 총 4개를 9주씩 3반복으로 배치하여 코크피트배지(Bio Grow Air+. 120cm × 12cm × 7.5cm)에 재식밀도가 m2 당 6.8줄기 가 되도록 정식 하였다.
정식된 식물들은 복합환경제어 시스템 (Integro, Priva B.V, The Netherlands)을 사용하여 24시간 평균온도가 20-23ºC로 유지되도록 관리하였으며, 온실 내 이산화탄 소 농도는 400-700ppm으로 유지 될 수 있도록 액화탄 산(Sundo Chemical)를 시비하여 조절하였다.
배양액은 네덜란드 PBG양액(비순환식)을 사용하여 전 생육기간 공급하였으며, 모든 시험구의 공급 EC는 2.8dS·m-1 기준하였다. 또한, 관수량은 배지 내 EC, 함수 율 등을 3.5-5.0dS·m-1와 55-65% 범위에서 유지될 수 있 도록 일일 공급량을 조절하였고, 병해충은 천적과 친환 경 농약을 사용하여 IPM 방식으로 관리하였다.
생육조사는 전 생육기간을 6마디씩 나누어 총 여섯 단 계로(Group 1: 1-6 마디, Group 2: 7-12마디, Group 3: 13-18마디, Group 4: 19-24마디, Group 5: 25마디 이상) 구분하여 초장, 개화위치, 경경, 엽장, 엽폭, 엽형, 엽면 적, 마디수, 절간장, 착과여부, 낙과여부, 수확여부, 평균 과중, 착색기간을 매주 조사하였다. 초장은 지제부부터 생장점까지의 길이, 개화위치는 생장점부터 완전히 개화 된 꽃까지의 길이, 엽장과 엽폭은 개화위치를 결정하는 마디의 잎을, 경경은 1주 전의 생장점의 높이를 기준으 로 측정하였고 엽면적 지수, 수확율, 상대적 생산량은 다음 식을 이용하여 산정하였다.
엽면적 = 엽장(cm) × 엽폭(cm) × 0.6 × 재식밀도 × {본엽수 + (측지엽수 × 0.7)}
수확율(%) = {수확 된 마디수(ea) / 총마디수(ea)} × 100
상대적 생산량(%) = {생산량 / 0% 재사용 시험구의 생 산량} × 100
수확과일의 크기는 무게를 기준으로 L(210-180g), M(150-180g), S(120-150g), 비상품(210g이상, 120g이하)로 구분하였다. 배액의 pH, EC 및 무기이온 변화는 NH4+, NO3-, PO43-. K+, Ca2+, Mg2+, SO42-, Cl-, Na+, Fe, Mn, B, Zn, Cu, Mo를 6월부터 9월까지 월 1회 분석하였다. 양이 온은 유도결합플라즈마발광광도기(ICP-730 ES, Varian, USA)를 사용하였고, 음이온은 이온크로마토그래프(ICS- 3000, Dionex, USA)을 사용하여 농도를 분석하였다.
본 실험을 위해서 측정된 양적 수치들은 SPSS(Ver. 22, IBM, USA) 프로그램을 이용하여 평균과 표준오차로 표 시하였고, 시험구별 유의성은 각 생육시기별로 다중범위 검정 분석법을 활용하여 5% 수준에서 검정하였다.
결과 및 고찰
생육단계별 초장 조사 결과는 Table 1에 나타내었다. 0% 재사용 시험구의 초장이 236cm, 30% 재사용 시험 구의 초장이 257cm로 유의적인 차이를 보이지 않았다. 이러한 결과는 파프리카 토양 수경재배시 EC 1.5dS·m-1 를 기준으로 폐양액을 희석하여 공급시 새양액에 비하여 초장의 차이가 없었다는 Zhang 등(2010a)의 연구와 토 마토 토양 수경재배시 폐양액과 관비용 양액 2종의 초 장이 차이가 없었다는 Zhang 등(2010b), Dhakal 등 (2005)의 보고와 일치하였다. 경경은 생육 초기인 1, 2그 룹시에는 시험구간 차이를 보였지만 3그룹이상 진전될수 록 점차적으로 비슷하게 되어 차이가 나타나지 않았다. 이는 초기 생육기에는 상대적으로 작물의 선택 흡수성이 약하여 배양액의 이온 불균형에 의한 영향을 크게 받기 때문이라고 생각된다(Abram, 1980). 엽면적은 배액혼합 율이 많을수록 작아지는 경향을 보였다. 특히 폐양액을 사용하지 않은 시험구의 엽면적이 504로 30% 재사용 361에 비해 약 1.4배 높았다. 개화위치는 1그룹에서 20% 재사용 시험구가 3.3cm 로 다른 시험구에 비해 상 대적으로 생식생장의 형태를 보였다. 특히 1, 2그룹 모 두 강한 생식생장으로 유도되던 20%는 첫 그룹 수확 후 착과 부하가 약해지면서 3그룹에 강한 영양생장의 형태를 보였다. 5그룹 에서는 50% 재사용 시험구가 강 한 영양생장의 형태를 보였는데, 이는 후기생육에 착과 수와 생육의 균형에 의한 영향으로 생각된다.
Table 1.
Effect of drainage reusing ratio under EC-based nutrient control in closed-loop soilless culture on the growth of summer-cultivated paprika.
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전체 생육 마디수와 수확율에 대한 조사 결과는 Table 2에 나타내었다. 생육 마디수는 50% 재사용 시험구가 0% 재사용 시험구에 비해 1.4마디 적었지만 유의적인 차이를 보이지는 않았다. 수확 마디수는 0% 재사용 시 험구가 11.1마디, 50% 재사용 시험구가 8.7 마디로 유 의적인 차이를 보이며 배액을 재사용 할수록 수확마디가 적어지는 경향을 나타내었다. 본 실험의 결과와는 달리 Dhakal 등(2005)과 Zhang 등(2010a)는 순환식 수경재배 시 수확과수에 차이를 보이지 않았다고 보고하였는데, 이는 토양재배와 고형 배지경 재배의 근권부 환경차이로 인한 영향으로 판단된다. 수확율 역시 수확마디와 동일 한 경향을 보이며 0% 재사용 시험구가 33.2%로 가장 높았고 50% 재사용 시험구가 27.6%로 가장 낮았다.
Table 2.
Effect of drainage reusing ratio under EC-based nutrient control in closed-loop soilless culture on the yield of summer-cultivated paprika
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배액 재사용에 따른 생산량 감소를 비교하기 위해 생 육단계별 상대적 생산량을 Fig. 1에 나타내었다. 생육 초기인 1그룹은 20%, 30%, 50% 재사용 시험구에서 각 각 30%, 35%, 45%의 생산량이 감소하였고, 이러한 경 향은 2그룹과 4그룹에서도 나타났다. 하지만 3그룹에서 는 모든 시험구에서 생산량 감소를 보이지 않았고 오히 려 50% 시험구의 생산량은 13% 증가하였을 뿐 아니라 5그룹에서도 5% 증가하였다. 이는 3그룹과 5그룹의 개 화위치와 경경이 영양생장의 형태를 나타낸 것으로 보아 과일을 생산하기에 충분한 동화산물이 생성된 것의 영향 으로 판단된다(Table 1).
Fig. 1
Effect of drainage reusing ratio under EC-based nutrient control in closed-loop soilless culture on Relative Yield of summer-cultivated paprika. Relative yield (%) = {yield of each group / yield of 0% reuse mixing ratio} × 100. Vertical bars indicate the standard deviation of the sample means (n = 80).
총 생산량 가운데 비상품과의 비율과 상품과중 L, M, S사이즈의 비율은 Fig. 2에 나타내었다. 모든 시험구에서 상품과중 L, M, S 사이즈의 비율은 약 55%, 25%, 15% 로 구분되었다. L사이즈의 비율은 30% 재사용 시험구가 58%로 가장 많았고 M사이즈의 비율은 0% 재사용 시험 구가 29%로 가장 많았다. 비상품과의 비율은 0%, 20%, 30%, 50% 재사용 시험구에서 각각 2%, 4%, 4%, 7%로 증가하는 경향을 보였다.
Fig. 2
Effect of drainage reusing ratio under EC-based nutrient control in closed-loop soilless culture on ratio of marketable fruit and unmarketable fruit. L size is from 180g to 210g. M size is from 150g to 180g. S size is from 120g to 150g. Unmarketable is over 210g or under 120g. Vertical bars indicate the standard deviation of the sample means (n = 80).
파프리카는 장기간 생육하며 생육단계별 양분 흡수량 이 변화하기 때문에(Marti 와 Mills, 1991) 배액을 희석 하여 공급 목표에 맞는 EC로 조정을 한 뒤, 새로 조성 된 양액과 혼합하여 공급하였을 때 발생하는 배액내의 무기이온의 농도를 Fig. 3에 나타내었다. NO3-는 배액을 재사용하지 않은 경우는 생육이 진전되어도 일정하게 유 지되었지만 배액 재사용시 7월의 함량이 급격히 증가하 였다. 이는 여름철로 접어들면서 배액내의 NO3- 집적량 이 높아지지는 것으로 인해 공급량 자체에 함류랑이 높 았던 것의 영향으로 생각된다. NH4+ 역시 재사용 시험구 의 함량이 상대적으로 높았다. 하지만 이러한 NH4+와 NO3-의 집적이 생육에 미치는 영향은 발견할 수 없었다. 0, 20, 30% 재사용 시험구의 PO43-, K+, Ca2+, Mg2+, SO42-, Na+의 변화는 미미하였다(data not shown). 30% 재사용 시험구에서 6월에 다소 결핍되는 양상을 보이지 만 모든 원소들이 동일하게 감소하였기에 특정원소의 결 핍으로 인한 생육적 문제가 발생하지 않았다.
SO42-의 함량은 생육이 진전되어도 증가하지 않고 오 히려 약간 감소하였는데, 이는 SO42-의 함량이 마지막 샘플 분석기에 약 2배이상 증가하였고(Ahn 등, 2010), 은 생육이 진전 될수록 SO42-의 함량이 증가하였다는 연 구결과(Zekki 등, 1996)와 일치하지 않았다. 이와 같이 재사용에 의한 배액내의 무기이온의 불균형 정도가 크지 않았던 이유는 양액 공급시 배액을 원수로 희석 한 후 설정한 비율에 따라 희석한 배액과 새 양액을 혼합하여 공급하였기 때문에 재혼합을 통한 불균형이 개선 되었고 CEC와 유기물 함량이 높은 코크피트 배지가 완충작용을 해준 것으로 생각된다.
결론적으로 코크피트 배지를 사용한 파프리카 순환식 수경재배시 배액을 희석하여 새양액과 혼합하여 재사용 할 경우 초기 생육의 저하로 인한 생산량 감소를 유의 하여 관리한다면 중기생육 이후부터는 무기이온의 불균 형이 발생하여도 작물생육이 안정기에 접어들어 재사용 으로 인한 생육 및 수량 감소를 우려하지 않아도 될 것 으로 판단된다.
