서 론
수박은 여름철 대표 과일로 국내 과채류 산업에서 매우 큰 비중을 차지하고 있는 작물이다. 그리고 최근 국내 1인 가구가 증가함에 따라 중소형이면서 씨가 없는 수박의 소비가 증가하고 있는 추세이다. 광, 기온 등 지상부 환경과 토양온도, 토양수분 등의 지하부 환경 요소들은 복합적으로 작물의 생육 및 생산량에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Heuvelink et al., 2004; Jeong et al., 2009a, 2009b; Marcelis et al., 2004). 작물을 재배하는 데에 있어서 계절 및 지역, 온실 형태(Choi et al., 2013; Jeon et al., 2022; Kim, 2001) 및 피복재(Choi et al., 2006; Yoon et al., 2020) 그리고 온실의 방향과 내부에서의 위치(Roberts, 1998; Seo et al., 2021)에 따라 작물의 생육 및 생산량의 차이를 나타낸다. 수박은 비가림 단동형 하우스에서 포복형 토양재배로 주로 재배되고 있어 다양한 병충해와 더불어 농업인구의 감소 및 고령화로 어려움을 겪고 있다. 이러한 문제를 해결하고자 수직형 유인방법을 개발하고 적용하기 위한 노력을 기울이고 있다. 특히, 전북 고창에서는 씨 없는 수박의 중･소형 품종을 대상으로 수직형 수경재배 방법을 개발하기 위해 연구가 진행중이다. 특히, 기존 단동형 하우스의 낮은 측고를 고려하여 행거형 지주를 활용한 수직형 재배 방식에 중점을 두고 있다. 하지만 아직까지는 환경제어시스템이 갖추어져 있지 않아 고온기나 저온기에 측창 개방 시간에 대한 표준화된 제어가 이루어지지 않고 있다. 이에 따라 환경제어 온실보다 온실 내에서 위치, 작물 높이 등에 따라서 광량, 기온 분포 차이가 크게 발생될 것으로 판단된다. 그러나 현재 수박의 수직형 재배에 따른 환경과 생육 간 관계 분석에 대한 연구가 전무한 상태이다. 이에 본 연구는 행거형 지주 수경재배 방식으로 재배되고 있는 중소형 수박의 단동형 하우스에서 내부 생육 위치에 따른 환경 수준과 광합성 특성의 차이를 알아보고자 수행되었다.
재료 및 방법
시험 온실, 작물, 재배관리
2021년 9월 17일에 전북 고창수박시험장에 정식된 씨 없는 소형 수박 ‘미니미(Minimi, Bayer Co., Ltd., Germany)’로 연구를 수행하였다(Fig. 1A). 단동 하우스의 방향 및 재식열은 남북(S-N) 방향이며, 슬라브로부터 80 cm 높이의 행거형 지주를 활용한 줄기 유인 방식으로 하였고, 3줄기는 행거 높이 길이만큼 자란 후 동쪽에서 서쪽으로 유인되었다(Fig. 1B). 배양액 조성은 A탱크에 질산칼륨 10.1 kg, 질산칼슘 28.32 kg, 킬레이트철 800 g, B탱크에 질산칼륨 10.1 kg, 제1인산암모늄 4.6 kg, 황산암모늄 14.76 kg, 붕산 120 g, 망간 80 g, 아연 8.8 g, 구리 2 g, 몰리브덴 0.8 g으로 조제하였다(500 L, 100배). 공급배양액은 EC 1.8 dS･m-1과 pH 6.2로 조제하여 1회 100－120 cc/dripper로 누적광량 120 J･cm-2으로 제어 공급하였다.
데이터 계측
환경 요소 및 과실 측정은 정식 후 3－4주 후부터 남북 방향의 하우스 내부에서 앞(남쪽)과 뒤(북쪽)의 위치로 구분하여 수행되었다(Fig. 2). 재배기간 동안 하우스 내부 광량(PPFD) 및 기온은 환경계측기(aM-31, Wisesensing, Korea)를 설치하여 모니터링하였다. 그리고 두 위치에서 일주일 간격으로 오전 11시－12시 사이에 상부 엽의 주변 광량, 광질, 그 엽의 온도, 기공전도도(stomatal conductance, SC), 증산속도(transpiration rate, TR), 수증기압포차(vapor pressure deficit, VPD)를 형광 측정기(LI-600, LI-COR, USA)로 3반복으로 측정하였다.
통계 분석
SPSS 프로그램(Version 19.0 SPSS Inc., Chicago, USA)을 이용하여 두 집단 간 평균 차이 검증은 95% 신뢰수준(P ≤ 0.05)에서 F-검정을 통한 이분산(Heteroscedasticity of variance) 또는 등분산(Homogeneity of variance) T-검정을 실시하였다. 그리고 주요 요소 간 관계는 회귀 분석(regression analysis)을 실시하였고, 회귀 그래프는 Excel 2016(office 365, microsoft Crop., Canada)을 이용하여 작성하였다.
결과 및 고찰
온실 내 환경 변화
환경요소 모니터링은 2021년 9월 17일 정식 1개월 후 수박 줄기가 80 cm 높이의 행거형 지주를 넘어오는 10월 16일부터 수확일인 12월 02일까지 진행되었다. 온실 내부 중앙부에서 일평균 기온 및 광량의 변화를 조사하였다(Fig. 3). 일평균 기온은 21.5 ± 6.4°C, 일평균 광량은 181.3 ± 118.0 µmol･m-2･s-1이었으며, 일평균 주간기온은 27.2 ± 5.0, 일평균 야간기온은 16.7 ± 2.3°C로 유지되었다. 일평균 기온의 최저 기온, 최고 기온은 각각 17.7, 24.7°C로 차이는 7.0°C이었고, 일중 광세기는 최저(63.1)와 최고(331.6 µmol･m-2･s-1)로 268.5 µmol･m-2･s-1 차이를 나타내었다. 그리고 조사기간 동안 적산온도는 992.6°C, 총누적광량은 249.0 mol･m-2이었다(자료 미제시). 일평균 기온과 광량 모두 재배 기간 후기로 갈수록 계절성의 영향으로 낮아지는 경향을 보였다. 연구기간 동안 본 지역의 단동 온실 내부에서 광과 기온의 일중 변화를 조사하였다(Fig. 4). 광량은 07시를 기준으로 광량이 급격히 증가하여 12－13시에 최대였고 이후 급격히 감소하여 16시 이후에는 광의 거의 들어오지 않았다. 기온은 07시 이후 급격히 증가하다가 11시에서 13시까지는 큰 변화를 보이지 않았고 이후 급격히 감소, 그리고 야간 중에는 서서히 감소하는 패턴을 보였다.
온실 내 위치별 환경 및 광합성 생리특성
일주일 간격으로 오전 11시-12시 경에 측정된 식물체 주변의 광량 및 광질을 보면(Table 1), 총 광량과 주요 파장은 북쪽보다 남쪽에서 파장에 관계없이 1.20－1.26배 유의하게 높았고, R/FR 비율은 차이를 나타내지 않았다. 이는 남북 방향 간에는 동일한 시각에는 해의 방향과 고도에 따라 광 세기의 차이를 나타나지만 특정 파장의 비율이 감소 또는 증가하지는 않는다는 것을 의미한다. 한 온실에서 남북 방향 간 광량의 광합성 생리에 대한 차이를 가져와 온실 전체 식물체의 균일한 생육과 과실비대가 이루어지지 않는 환경으로 판단된다. 생리적으로 식물체에 광이 조사되면 내적 요인인 앱시스산(abscisic acid), 옥신(auxin), 피토크롬(phytochrome) B 등이 기공 열림(Shimadzu et al., 2019)에 관여하는데 특히, blue와 red 파장의 강도가 기공의 직경 확장에 크게 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Lurie, 1978). 본 결과에서는 두 파장이 1.26배 차이를 나타내었다. 따라서 이에 따라 두 파장에 큰 영향을 받는 기공전도도(Verma et al., 2020)와 수증기압포차(Lee et al., 2012)의 차이를 유발시켜 증산량과 광합성에 영향을 줄 것으로 판단되었다.
Table 1.
Comparison of light quality by location at the apex of seedless watermelon plant in single-span greenhouse
|
Growing locationz |
Solar radiation (photosynthetic photon flux density, µmol･m-2･s-1) |
R:FR ratio | |||
| Total | Blue wavelength | Red wavelength | Far-Red wavelength | ||
| South (A) | 349.2 | 99.6 | 126.7 | 113.2 | 1.11 |
| North (B) | 276.8 | 79.2 | 100.3 | 94.1 | 1.06 |
| Significancey | * | * | * | * | ns |
| A / B | 1.26 | 1.26 | 1.26 | 1.20 | 1.04 |
zSee Fig. 2.
일주일 간격으로 오전 11시-12시 경에 광합성 생리요소인 잎의 SC, TR, VPD와 식물체 주변 환경을 각 위치별로 측정하여 상관분석하였다(Table 2). 남북방향 모두에서 엽온과 광량은 광합성 생리요소들에게 유의한 영향을 주는 것으로 나타났다. 특히, 공통적으로 엽온과 VPD 간 상관계수가 가장 높았다. 그리고 전반적으로 북쪽 위치에서 상관계수값이 높게 나타났다. 이는 11－12시경에 측정한 값으로 남쪽 위치에서는 일출 후 해의 고도가 높아지면서 먼저 충분한 광 조건과 이에 따른 엽온 상승에 적응되었지만 북쪽 위치는 남쪽 위치보다 이러한 적응 시간이 늦게 시작되어 작은 차이에도 반응을 뚜렷하게 나타내었기 때문으로 판단된다. 일반적으로 고온 스트레스는 작물의 광합성 속도를 감소시키고, 증산작용으로 잎 온도를 내리기 위해 SC와 TR을 높인다(Mittlera and Blumwald, 2010; Rajametov et al., 2021). 그리고 기공의 개폐에 따른 SC의 변화는 작물의 온도에 영향을 미치며(Berni et al., 2009), 일사량이 높을수록 TR와 VPD도 높아진다(Tai et al., 2010). 본 연구결과에서도 기존 연구결과들과 동일하게 나타났다. 포복형 수박의 경우 온실 방향에 따라 누적광량의 차이가 나타나고 이는 과실 비대에 상관성을 나타냈다는 보고가 있다(Woo et al., 2022).
Table 2.
Correlation analysis between leaf temperature and solar radiation and photosynthetic elements of seedless watermelon by growing location inside single-span greenhouse
| Growing locationz | Stomatal conductance | Transpiration rate | Vapor pressure deficit | Leaf temperature |
| South | ||||
| Leaf temperature | .368* | .660** | .790** | - |
| Solar radiation | .386* | .664** | .556** | .581** |
| North | ||||
| Leaf temperature | .477** | .742** | .840** | - |
| Solar radiation | .432** | .787** | .834** | .730** |
zSee Fig. 2.
재배 기간 동안 같은 방법으로 측정한 온실 내부 남북 각 방향의 엽 주변 광량 및 엽온의 회귀분석 결과(Fig. 5), 광 세기가 증가함에 따라 모두 로그함수 형태를 나타내었다. 그리고 본 연구에서는 광 세기 약 200 µmol･m-2･s-1 증가까지는 단위 광 세기당 엽온 상승폭이 매우 컸다. 특히, 실측값에서 남쪽 위치에서 그 상승폭이 더 컸다. 이후에는 700 µmol･m-2･s-1 이상의 광 세기에서는 위치에 관계없이 엽온이 다소 낮아지는 경향을 나타내기도 하였으나 전체적으로 상승하지 않고 유지되는 패턴이었다. 이는 광 세기가 증가하다가 일정 수준에 도달하여 이에 따른 엽온 상승으로 증산량의 많아지면서 엽온을 낮추기 때문으로 판단된다(Mittlera and Blumwald, 2010; Rajametov et al., 2021). 광도가 높아짐에 따라 엽온과 기온은 모두 상승하고 엽온이 기온보다 더 민감하게 반응한다고 하였다(Cho and Kwack, 1994). 그러나 작물 엽온과 주변의 기온의 변화 경향에서는 차이를 나타내지 않으며 두 온도 요소 간 평균적으로 약 3.0°C 정도 차이를 나타낸다고 하였지만, 일사량, 풍우, 상대습도 등과 같은 기상조건과 잎의 크기, 형태, 색 및 생리작용 등 작물 생장 및 발달 특성이 관여되어 매우 복잡하다고 알려져 있다(Lee and Lee, 2001).
상기 결과들을 고려하면 남-북 방향의 온실에서는 해의 고도에 따라서 북쪽 위치에서 남쪽보다 식물체에 도달하는 광량이 뚜렷이 낮았다. 광 세기 차이는 엽온에 영향을 주고 이후 TR과 VPD에 영향을 주는 것으로 나타났다. 특히, 이러한 영향은 광이 낮은 북쪽 위치에서 더 큰 관계를 나타내었다. 따라서 향후 광이 낮은 위치에 광 환경을 개선한다면 광이 높은 위치에 비해 수박의 생육 향상에 상대적 효과가 좋을 것으로 판단된다.
요 약
본 연구는 행거형 지주를 이용한 씨 없는 수박 ‘미니미(Minimi)’의 수경재배에서 단동 온실 내 위치에 따른 환경과 광합성 요소의 차이를 알아보기 위해 수행되었다. 온실 유형은 단동 온실(폭:동고 = 6.0:3.3 m)이었으며, 위치는 남북 방향의 온실 내부에서 앞쪽(남쪽)과 뒤쪽(북쪽)으로 하였다. 연구 시기(10월 초－11월 말) 동안 온실 내부의 일평균 광세기(PPFD)는 일평균기온보다 변화폭이 매우 컸고 12－13시에 최대를 나타내었으나 기온은 11시－13시에 큰 변화를 나타내지 않았다. 온실 내부의 식물체 상부에서 광 세기(PPFD)는 남쪽 위치에서 북쪽보다 1.26배 유의하게 높았지만 R:FR은 차이를 나타내지 않았다. 두 지점 모두 식물체 엽온과 광 세기는 SC, TR, VPD와 유의한 상관성을 나타내었다. 이러한 상관성은 광 세기가 낮고 늦게 높은 광세기에 노출된 북쪽 위치에서 더 높게 나타났다.
