서 론
딸기의 수경재배는 지상 1m 이상의 높이에 고설베드 를 설치하고, 상토를 베드에 충진한 후 작물을 재배하는 방법이다. 수경재배를 위한 상토는 토양보다 입경이 커 서 양이온치환용량이 낮고(Nelson, 2012), 이로 인해 pH 나 EC 등 근권부의 화학성 변화에 대한 완충력이 낮은 특징을 가진다.
수경재배를 위한 양액은 수질을 고려하여 조제하는데, 수질을 판단하는 여러 항목 중 중탄산(HCO3-)이 원수에 고농도로 존재하면 작물 재배 중 토양용액의 pH를 지속 적으로 상승시켜 근권부에 존재하는 각종 무기이온을 불 용화시키고 각종 생리장해가 발생하는 원인이 된다. Lindsay(2001)은 그의 저서에서 pH 변화에 따라 토양 용액에 존재하는 각종 무기이온의 활성도(activity)가 변 화되는 양상과 불용화 과정, 그리고 불용화 과정에서 다 른 이온과의 결합 등에 관해 보고한 바 있다. 토양용액 의 pH가 상승할 때 토양용액의 인산이나 Fe, Mn, Zn, Cu 및 B 등 각종 미량원소가 불용화되어 흡수량이 감소 하고 각종 생리장해가 발생하는 것은 다수의 저자에 의 해 확인되었고, 이미 식물영양학을 연구하는 연구자들에 게는 보편적으로 받아들이는 사실이다(Bertoni 등, 1992; Romera 등, 1992; Styer와 Koranski, 1996).
상토의 중탄산 농도는 생장이 왕성한 시기에 토양 통 기성이 불량할 경우에도 높아진다. 즉, 작물 생장이 왕 성하여 뿌리의 호흡량이 많은 경우 뿌리에서 발생한 CO2가 적절한 시기에 상토 밖으로 배출되어야 하지만, 관수를 지나치게 자주하여 상토 내의 토양수에 CO2가 집적되면 CO2가 물과 반응하여 중탄산으로 변하여 피해 를 유발한다. 상토 내의 중탄산은 근권온도가 높아지는 시기에도 문제가 되며 일반적으로 10°C부터 40°C까지 온도가 높아질수록 호흡량이 증가하여 상토 내 CO2 집 적량이 증가하는 것으로 알려져 있다(Atkin과 Tjoelker, 2003).
‘싼타’ 딸기의 수경재배에서 고농도 중탄산에 의한 문 제점을 해결하기 위해 연구가 수행된 바 있다. Lee 등 (2014)은 양액의 적정 중탄산 농도가 60-90mg·L-1 수준 이며, 이들 농도 범위에서는 각종 무기원소의 결핍증상 이 관찰되지 않았고 모주 및 자묘의 생장이 양호하였다 고 보고하였다. 그들은 고농도 중탄산에 의해 발생하는 피해를 경감하기 위해 기비로 혼합되는 고토석회의 양을 감소시키거나(Lee 등, 2016a), 관개수에 질산과 인산 등 각종 산을 주입하여 영양번식 중인 딸기의 생장 및 자 묘 발생을 촉진시킨 바 있다(Lee 등, 2016b). 상토에 유 황분말을 처리하여 피해를 줄이는 방법도 보고된 바 있 으며, 유황을 상토에 처리하면 유황이 산화되어 황산 (H2SO4)이 형성되며(Plaster, 2003), 황산이 2H+와 SO42- 로 분해되어 pH를 낮추고 중탄산을 중화시킨다(Gerald 와 Hanlon, 2012). 그러나 유황의 처리수준은 작물의 흡 비특성을 고려하여 결정해야 한다. Lee 등(2014)이 실험 대상으로 삼았던 ‘설향’ 딸기는 양이온 흡수량이 많고 다른 국내육성 딸기 품종보다 토양 pH를 산성으로 변화 시키는 독특한 흡비특성을 가지며(Choi 등, 2012), 이로 인해 관개수의 중탄산 농도가 동일할 경우 다른 품종보 다 유황 처리량을 적게 조절하는 것이 가능하다. 한편 재배면적이 많은 ‘설향’ 딸기에 처음으로 중탄산의 피해 를 줄이기 위한 방법으로 유황처리를 도입한 바 있지만 (unpublished), 상대적으로 재배면적이 적은 타품종에서 는 아직 연구된 바 없고 ‘싼타’ 딸기 또한 중탄산 피해 경감을 위해 수행된 연구결과가 없다.
따라서 코이어 더스트에 소나무 수피를 혼합한 상토를 조제하고, 기비로 혼합되는 유황의 시비수준을 변화시킨 후 ‘싼타’ 딸기를 재배하면서 상토의 pH 변화와 모주 및 자묘의 생장에 미치는 영향을 구명하고, 이를 통해 중탄산 피해를 경감시킬 수 있는 기초자료를 확보하고자 본 연구를 수행하였다.
재료 및 방법
실험을 위해 코이어 더스트(Shinsung Mineral, Goesan, Korea)와 소나무 수피(Keumjeongwon, Yeongi, Korea)를 5:5(v/v)로 혼합한 상토를 조제하였고, 이 상토의 화학성 을 분석한 결과 EC 0.82dS·m-1, pH 5.67, CEC 102.5cmol+·kg-1였다. 필수원소를 공급하기 위한 기비 혼 합량은 Nelson(2012)의 방법을 따랐고, 기비 처리하는 과정에서 유황을 0(무처리), 0.23, 0.45, 0.90 및 1.80g·L-1 으로 수준을 달리하여 상토에 혼합하였다.
기비가 포함된 혼합상토를 충남대학교 내 유리온실의 딸기전용 고설베드에 충진하고, 본엽 3매의 ‘싼타’ 딸기 (Fragaria × ananassa Duch.) 묘를 2014년 3월 20일에 정식하였고, 정식한 후 2주간 지하수만 관수하였다. 지 하수의 화학성은 pH 6.7, EC 0.23dS·m-1, HCO3- 90mg·L-1였고 주요 무기원소 농도(mg·L-1)는 NO3-N 10.2, K 0.5, Ca 22.8, Mg 2.2, Na 11.8, SO4 12.6이었 다. 이후 신엽 3매를 제외한 모든 하위엽을 제거하고, KHCO3를 이용하여 중탄산을 240mg·L-1으로 조절한 Hoagland 용액(Raviv와 Lieth, 2008)을 점적관수하였다. 양액의 공급량과 횟수는 기상환경 조건에 따라 조절하 였으며, 점적관수할 때 배수율(leaching percentage)은 20-30% 이었다. 실험기간 중 온실 내 기상환경은 주/야 간 평균온도 26°C/16°C, 상대습도 30-70%, 오후 2시 기준의 광도 330-370μmol·m-2·s-1 그리고 일장 약 15시 간이었다.
모주 및 자묘의 생육조사는 양액 공급 140일 후 수행 하였으며, 조사항목 및 방법은 Lee 등(2014)에 준하였다. 혼합상토는 매 2주 간격으로 양액처리 2시간 후 시료를 채취하였고 시료의 추출, 추출액의 pH와 EC 측정 및 무기이온 농도 분석 그리고 추출액의 중탄산 농도 분석 은 Lee 등(2014)의 방법과 동일하였고 사용한 기자재 역시 동일하였다. 또한 양액처리 140일 후에 수확한 지 상부 전체의 무기원소 함량을 분석하였으며, Lee(2015) 의 방법에 준하여 수확한 식물체의 수세, 건조, 분쇄 및 분석을 하였고 분석을 위한 기자재 역시 그들과 동일하 였다.
식물 생육조사 및 무기물 함량 분석을 통해 얻은 결과 는 Duncan의 다중검정방법으로 처리구 간 차이를 비교 하였으며, 통계분석은 CoStat 프로그램(Ver. 6.3, CoHort Software, CA, USA)으로 수행하였다.
결과 및 고찰
혼합상토에 기비로 혼합된 유황의 수준 차이가 ‘싼타’ 딸기의 모주 생육에 미치는 영향을 Table 1에 나타내었 다. 기비로 혼합된 유황의 양이 많아질수록 초장, 초폭, 엽병장 및 생체중이 길어지거나 무거워졌다. 그러나 유 황 0.45g·L-1 이상의 세 처리구 간에는 통계적인 차이가 인정되지 않았다. 모주의 전반적인 생육을 판단할 때 무 처리(0g·L-1)구에서 가장 저조하였으며, 유황 첨가량이 0.23g·L-1 이하인 처리구들도 무처리구와 통계적인 차이 가 인정되지 않아 모주의 생육에 뚜렷한 효과가 없음을 알 수 있었다.
Table 1. Influence of the various incorporation rates of sulfur into coir dust+pine bark (5:5, v/v) medium as pre-planting nutrient charge fertilizer on the growth of mother plants 140 days after nutrient solution treatment in vegetative propagation of ‘Ssanta’ strawberry.
| Sulfur (g·L-1) | Plant height (cm) | Plant width (cm) | No. of leaves (each/plant) | Petiole length (cm) | Chlorophyll content (SPAD value) | Fresh weight (g/plant) | Dry weight (g/plant) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 24.1 cz | 15.3 b | 16.8 b | 17.0 b | 38.4 a | 48.9 c | 9.3 c |
| 0.23 | 25.8 bc | 16.8 b | 18.1 ab | 18.3 b | 42.0 a | 66.2 bc | 12.9 bc |
| 0.45 | 28.7 abc | 19.5 ab | 19.3 ab | 19.8 ab | 42.9 a | 73.1 abc | 14.3 abc |
| 0.90 | 31.5 ab | 24.8 a | 21.5 ab | 21.3 ab | 42.4 a | 82.3 ab | 16.4 ab |
| 1.80 | 33.3 a | 26.5 a | 23.0 a | 23.1 a | 43.2 a | 97.2 a | 18.8 a |
상토에 유황의 혼합량 차이가 ‘싼타’ 딸기의 런너 및 자묘 발생에 미치는 영향은 Table 2와 같다. 유황 무처 리구에서 런너의 길이가 가장 짧고 1번 자묘의 건물중 이 가장 가벼웠다. 그러나 유황의 혼합량이 많아질수록 런너 발생과 자묘 생장이 촉진되는 경향을 보였으며, 0.90과 1.80g·L-1 처리구는 더 적은 유황 처리구보다 자 묘 생장이 우수하였지만 두 처리구 간에는 통계적인 차 이가 인정되지 않았다. 두 처리구에서 모주 식물체당 발 생한 자묘의 수는 11-12개였고, 1번 자묘의 생체중은 약 40g 이었다. 이상의 생장에 미치는 영향을 고려할 때 중 탄산 농도가 240mg·L-1인 양액으로 ‘싼타’ 딸기를 재배 할 때 모주와 자묘의 생리장해 발생을 방지하고 생장을 촉진시키기 위해서는 0.90g·L-1의 유황을 처리하는 것이 필요하다고 판단하였다.
Table 2. Influence of the various incorporation rates of sulfur into coir dust+pine bark (5:5, v/v) medium as pre-planting nutrient charge fertilizer on the growth and occurrence of daughter plants 140 days after nutrient solution treatment in vegetative propagation of ‘Ssanta’ strawberry.
| Sulfur (g·L-1) | Runner length (cm/plant) | No. of runners (each/plant) | No. of daughter plants (each/plant) | FW. of 1st daughter plant (g/plant) | DW. of 1st daughter plant (g/plant) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 178.0 cz | 2.3 c | 4.3 c | 18.3 c | 4.6 c |
| 0.23 | 239.8 b | 2.8 c | 6.3 c | 23.1 c | 5.9 b |
| 0.45 | 276.8 b | 3.0 bc | 9.0 b | 30.8 b | 7.4 a |
| 0.90 | 400.3 a | 4.3 ab | 11.3 a | 39.4 a | 8.3 a |
| 1.80 | 405.3 a | 4.5 a | 12.0 a | 41.7 a | 8.5 a |
유황 처리에 의한 딸기 모주의 생장과 식물체에 발현된 생리장해 증상은 Fig. 1과 같다. 유황 0.90 및 1.80g·L-1 처 리구의 모주는 정상적으로 생육한 반면 0 및 0.23g·L-1 처 리구에서는 적은 양의 유황이 고농도의 중탄산을 중화하 지 못해 각종 미량원소 결핍증상이 나타났다. 모주에서 발현된 증상 중 신엽이 엽맥간 황화된 후 신엽 전체의 황화로 변하는 Fe 결핍, 가장 최근에 완전히 전개된 잎 이 엽맥간 황화증상을 나타내는 Mn 결핍, 신엽 가장자 리가 톱니바퀴 형태의 푸른색을 띤 상태에서 엽맥이 푸 른색을 유지한 채 엽신이 황화되는 Zn 결핍, 노엽에서 잎 중앙부가 표백된 것 같은 증상을 보이며 엽맥과 엽 신은 푸르른 상태로 남아있는 Cu 결핍 그리고 신엽부위 가 기형화되는 B 결핍이 발생하였다. 이와 같은 증상이 각종 미량원소의 결핍에 의해 유발되는 증상임은 Choi 와 Lee(2012)의 보고내용을 근거로 판단하였다. 또한 근 권부의 pH가 상승할 때 토양용액의 미량원소 활성도가 낮아지고 식물체에 의한 흡수량이 감소하며, 식물체에 미량원소 결핍증상이 나타난다고 보고한 Lindsay(2001) 및 Nelson(2012)의 내용도 본 연구결과를 뒷받침하고 있 다. 즉, Fig. 3에 나타낸 바와 같이 본 연구의 유황 혼합 량이 적은 처리는 작물 재배기간이 길어질수록 토양용액 의 중탄산 농도가 높아지고 pH가 상승하였기 때문이다. ‘싼타’ 딸기 자묘의 생장 및 발현된 생리장해 증상은 Fig. 2와 같다. 유황 무처리구에 비해 0.45, 0.90 및 1.80g·L-1 처리구에서 자묘 생장이 양호하였으며 특이한 결핍증상은 나타나지 않았다. 그러나 0 및 0.23g·L-1 유 황 처리구에서는 고농도의 중탄산이 중화되지 않아 pH 가 상승하였고, 이러한 결과로 각종 미량원소 결핍증상 이 나타났는데, 각종 증상의 종류 및 발생원인은 앞에서 설명한 것과 동일한 원인 때문이라고 생각한다.
Fig. 2
Influence of the various incorporation rates of sulfur (g·L-1) into coir dust+pine bark (5:5, v/v) medium as pre-planting nutrient charge fertilizer on the growth of 1st daughter plants of ‘Ssanta’ strawberry 140 days after nutrient solution treatment (A, 0; B, 0.23; C, 0.45; D, 0.90; E, 1.80 g·L-1).
Fig. 3
Changes in the concentrations of bicarbonate (A) and pH (B) in soil solution of root media during the vegetative propagation of ‘Ssanta’ strawberry as influenced by the various incorporation rates of sulfur into coir dust+pine bark (5:5, v/v) medium as pre-planting nutrient charge fertilizer. Vertical bars represent standard error of the mean of 5 replications.
유황 처리수준을 변화시킨 코이어 더스트와 수피(5:5, v/v) 혼합상토에서 토양용액의 중탄산 농도와 pH의 변화 는 Fig. 3에 나타내었다. 유황 0.90 및 1.80g·L-1 처리구 에서 시간이 경과할수록 처리 전보다 토양용액 중탄산 농도와 pH가 낮아졌으나, 0 및 0.23g·L-1 처리구는 지속 적으로 높아지는 경향이었고, 0.45g·L-1 처리구는 중탄산 농도와 pH가 전체 영양생장 기간 중 큰 변화없이 일정 한 수준을 유지하였다. 유황을 0.90g·L-1 이상으로 시비 한 처리구의 근권부 pH가 낮아진 이유는 유황으로부터 발생한 H+ 이온이 HCO3-를 물과 이산화탄소로 중화(H+ + HCO3- ⇒ H2O + CO2)시켜 근권부의 중탄산 농도를 감소시켰으며, 이와 같은 방법으로 근권부 pH가 적절한 범위를 유지한 처리에서 ‘싼타’ 딸기의 생장이 우수하였 다고 판단한다.
‘싼타’ 딸기의 토양용액 무기원소 농도는 Fig. 4에 나 타내었다. K 농도는 유황 0(무처리) 및 0.23g·L-1 처리구 에서 약간 상승했고, 0.90 및 1.80g·L-1 처리구에서 낮아 졌다. 이는 유황처리에 의한 pH의 변화에 기인하며, 약 산성이었던 처리구(0.90과 1.80g·L-1)는 토양용액의 H+ 농도가 높아짐으로써 상토의 양이온 치환부위를 점유한 H+의 양이 증가하고, 흡착되지 못한 K이 매 관수 시 배 수공을 통해 용탈됨으로써 토양용액 농도가 낮아졌다고 판단하였다. Ca 및 Mg 농도는 유황의 처리수준에 따른 일정한 경향을 찾을 수 없었다. NO3 및 PO4 농도는 유 황 0 및 0.23g·L-1 처리구가 0.90 및 1.80g·L-1 처리구에 비해 높게 분석되었고, 유황 처리수준이 높을수록 SO4 농도가 높아지는 경향을 보였다. 이러한 결과 또한 근권 부의 pH 변화에 기인한 결과라고 판단한다. 즉, pH가 높아질 경우 토양용액에 존재하는 H+ 농도가 낮아지고 OH- 농도가 높아진다. 따라서 유황 무처리구의 NO3 농 도가 높아진 것은 상토의 음이온 부위에서 OH-와 NO3- 가 길항작용을 하여 NO3-의 흡착량이 감소하고 OH-의 흡착량이 증가하였으며(Nelson, 2012) 토양용액에 자유 이온 상태로 존재하는 NO3-의 양이 증가한 원인이 되었 다고 생각한다. 그러나 토양용액 pH가 알칼리쪽으로 변 할 경우 인산의 형태가 H2PO4 - ↔ HPO4 2- ↔ PO4 3-로 변하며 H2PO4 -에 비해 HPO4 2-와 PO4 3-은 다른 원소와 결합하여 불용화되고 식물체에 흡수되지 못하는 형태이 다(Linsay, 2001). 따라서 유황 시비수준이 낮은 처리구 는 pH가 높게 유지되어 식물체에 의한 흡수량이 적었지 만 토양용액 pH가 약산성으로 유지된 0.90 및 1.80g·L-1 처리구들에서는 흡수량이 많다. 토양용액 내 농도가 낮 게 유지되고, pH가 높았던 처리구들에서는 식물체의 흡 수량이 적어 토양용액 내 농도가 높게 유지되었다고 판 단한다. SO4는 유황의 시비수준이 증가할수록 토양용액 내 산화된 황산의 양이 증가하여 농도가 높게 유지되었 다고 생각한다.
Fig. 4
Changes in the concentrations of macroelements in soil solution of root media during the vegetative propagation of ‘Ssanta’ strawberry as influenced by the various incorporation rates of sulfur into coir dust+pine bark (5:5, v/v) medium as pre-planting nutrient charge fertilizer (A, K; B, Ca; C, Mg; D, NO3; E, PO4; F, SO4).
작물을 재배한 후 지상부 식물체를 수확하여 지상부 무기원소 함량을 분석한 결과는 Table 3에 나타내었다. 다량원소인 총 질소(T-N), P, K, Ca 및 Mg 함량은 유황 1.80g·L-1 처리구가 가장 많았고, 0.90g·L-1 처리구가 다음 으로 많았으며, 0.23 및 0.45g·L-1 처리구에서 비슷하였고, 0g·L-1에서 가장 낮은 함량을 보여주었다. 적절한 중탄산 농도와 pH를 유지한 유황 0.90 및 1.80g·L-1 처리구에서 이들 원소가 불용화되지 않았기 때문에 흡수량이 증가한 것으로 판단하였다. ‘싼타’ 딸기 식물체의 Fe, Mn, Zn 및 Cu 함량은 유황 무처리구에서 가장 적었다. 이는 고 농도의 중탄산으로 인해 토양용액 pH가 높아지고 이들 미량원소의 불용화를 촉진시켜(Alhendawi 등, 1997; Bertoni 등, 1992) 흡수량이 감소한 원인이 되었다고 생 각한다(Fernández Falcón 등, 1986; Bertoni 등, 1992; Linsay, 2001).
Table 3. Influence of the various incorporation rates of sulfur into coir dust+pine bark (5:5, v/v) medium as pre-planting nutrient charge fertilizer on the tissue nutrient contents of ‘Ssanta’ strawberry based on the dry weight of whole above ground plant tissue 140 days after nutrient solution treatment.
| Sulfur (g·L-1) | T-N | P | K | Ca | Mg | Fe | Mn | Zn | Cu |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ---------------------------------- (%) ---------------------------------- | ---------------------- (mg·kg-1) ---------------------- | ||||||||
| 0 | 0.74 cz | 0.19 c | 2.61 c | 0.76 c | 0.25 e | 121.7 c | 83.4 d | 25.6 c | 4.54 c |
| 0.23 | 1.15 b | 0.27 bc | 3.05 b | 1.18 bc | 0.33 d | 155.8 bc | 93.1 cd | 34.5 b | 5.03 bc |
| 0.45 | 1.46 ab | 0.28 bc | 3.45 ab | 1.59 ab | 0.38 c | 168.9 b | 106.4 c | 34.3 b | 6.01 ab |
| 0.90 | 1.54 a | 0.38 b | 3.59 a | 1.64 ab | 0.45 b | 190.4 ab | 128.4 b | 39.6 ab | 6.52 a |
| 1.80 | 1.69 a | 0.53 a | 3.74 a | 1.80 a | 0.51 a | 212.0 a | 144.2 a | 43.7 a | 6.72 a |
본 연구결과를 종합할 때 ‘싼타’ 딸기의 고농도 중탄 산 피해 방지와 적절한 생육을 위해서는 코이어 더스트 와 수피(5:5, v/v) 혼합상토에 0.90-1.80g·L-1의 유황을 기비로 혼합하는 것이 효과적이라고 생각한다.
