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시설 과채류의 환경관리 8

양액재배와 양분관리

1. 원수의 수질

  양액토경재배에서는 소량 점적관수를 하기 때문에 염분농도가 높은 물을 사용하더라도 장해를 입지 않는다고 한다. 그것은 다량으로 시용함으로써 작물에 흡수되지 않고 토양에 잔류해서 염류집적의 원인이 되어버리는 토경재배와 직접 작물의 뿌리에 영향을 주거나 배양액농도를 높여 침투압을 상승시켜 흡수능을 저하시켜버리는 양액재배와 비교하는 것에 의하여 설명된다.

  그러나 비료를 용해하기 쉽게 하거나, 점적노즐이 막히는 것을 방지하기 위해서는 원수의 수질은 중요한 요소이다. 물리적인 요인으로서는 점토광물이나 모래 등의 입자가 없을 것, 녹조등의 물이끼류가 없어야하며 만일 이러한 것이 있을 경우에는 필터나 모래 등의 여과기를 통할 필요가 생긴다. 화학적인 요인으로서는 양액재배의 원수에 요구되는 특성이 필요하다. 예를 들면, 과잉의 철, 망간은 필수 미량성분이지만 침전물이 되어 점적 노즐을 막히게 하는 원인이 된다. 이러한 것을 제거하는데는 모래여과가 싸고 효과적이다. 여과는 흄관에 큰돌, 자갈, 모래의 순으로 채워 모래에 발생하는 철 세균을 이용한다. 또한 원수에 고농도의 중탄산이 포함되어 있는 경우에는 pH를 상승시켜(①), 다량의 산을 더하여도 pH를 저하시키는 것이 불가능하다. 그래서 미리 4%정도의 질산(②) 혹은 40%정도의 인산(③)으로 중화한다. 반대로 원수에 중탄산이 거의 포함되어있지 않고 pH가 낮고 불안정한 경우에는 탄산수소칼륨을 첨가해서 pH를 높여 안정시킨다.

      ① HCO3 + H2O → OH- + CO2 + H2O
      ② HCO3 + HNO3 → NO3- + H2O + CO2
      ③ HCO3 + H3PO4 → H2PO4- + H2O +CO2

2. 시설과채류의 양분흡수량

  토마토의 수량을 8t/10a 이라 가정하면 흡수되는 질소, 인산, 칼륨, 석회, 고토량은 각각 23.6, 10.0, 55.3, 21.0, 5.0kg/10a 이다. 토마토는 칼륨, 석회, 고토 염기의 흡수량이 많다.

  토마토의 생육은 영양생장과 생식생장을 계속해서 생육후기까지 활발하게 양분흡수를 계속하는 연속흡수형이다(그림 1). 그 때문에 생육후기까지 토양 중에 어느 정도의 양분을 필요로 하기 때문에 비효가 지속하도록 하는 시비법이 필요하게 된다(그림 2). 토마토 이외의 파프리카, 가지, 오이, 딸기 등의 시설과채류도 모두 연속흡수형이며, 토마토와 마찬가지로 비효를 지속시키는 시비법이 필요하다. 이들은 추비 중점형의 시비를 행하며 항상 토양중의 질소 레벨을 10mg/100g정도로 유지할 필요가 있다.

그림 1. 채소 군별과 질소 흡수과정의 형태(相馬, 1996)

그림 2. 억제 오이의 최저질소 필요량 (相馬, 1996)

  그런데, 시설 과채류의 재배에는 수량을 최대로 하는 것을 목적으로 하기 때문에 시비가 그림 3의 점 C에서 점 D의 범위에서 관리되고 있다. 그러나 보다 많은 수확을 얻기 위하여 과잉시비에 의한 장해가 발생하기 시작하는 점 D부근의 수준으로 시비하는 수가 많다. 비료의 효율적인 이용에서 본다면 시비수준은 점 C 혹은 이것보다도 약간 낮은 점 B의 수준으로 충분하다. 이 수준 이상의 시비는 수량에 크게 관련되지 않는다. 그러기 위해서는 과채류의 양분흡수특성을 이해해 토양특성에 의한 양분의 동태 등을 정확하게 파악해서 그것에 기초로 한 시비관리를 행하는 것이 중요하다.

그림 3. 토양 유효성분과 관련된 기본원리 (伊達, 1988)

3. 양분의 동태와 흡수

  (1) 암모니아태질소와 질산태질소

  질소는 식물체내에서 단백질, 핵산, 엽록소, 산소 등 중요한 화합물의 구성성분으로 식물의 생명유지에서 아주 중요한 역할을 하고 있다. 작물은 이 질소를 토양에서 주로 암모니아태질소나 질산태질소인 무기태질소의 형태로 흡수하고 있다. 요소 등 유기태질소는 토양 중에 암모니아태질소로 분해된다.

  암모니아태질소 비료는 일반적으로 가격이 저렴하며 시용된 암모니아태질소는 토양 콜로이드에 흡착되어 필요량이 토양용액으로 용출된다. 암모니아태질소는 저지온에서 흡수되기 쉬운 성질이 있다. 암모니아태질소가 토양 중에 다량 축적되면 암모니아가스 장해의 원인으로도 되며 칼슘, 칼륨, 마그네슘 등 양이온의 흡수를 방해한다. 암모니아태질소는 식물체내에서는 유독하다.

  질산태질소는 토양 콜로이드에 흡착되지 않기 때문에 관수 등으로 유실되기 쉬워 지하수 오염의 원인이 된다. 질산태질소는 저지온에서 흡수되기 어렵다.

  밭에서 시용된 질소비료는 그 형태에 따라 질화세균 등 미생물의 작용이나 가수분해에 의해 형태변화를 하여 주로 질산태질소로서 작물에 흡수된다. 그러나, 요소태질소나 암모니아태질소로 시용된 초기의 단계에서는 암모니아태질소가 흡수의 주체라고 생각된다. 흡수된 질산태질소는 뿌리에서 잎으로 전류되어 거기서 산소의 작용에 따라 암모니아태질소로 바뀌어 글루타민을 거쳐, 글루타민산 그 외 아미노산 합성에 이용된다(그림 4). 암모니아태질소로 흡수되는 경우에는 식물체내에서의 환원작용은 이루어지지 않으며, 직접 글루타민 생성이 이루어진다. 이 환원작용은 에너지를 필요로 하며 동화산물과 온도를 필요로 하기 때문에 저온이거나 광이 부족하여 동화산물이 부족한 경우에는 질소과잉에 의한 장해발생의 원인이 된다.

그림 4. 배지 및 식물체중의 질소 형태변화의 모식도 (宇田川, 2000)

  (2) 인산

  인의 흡수형태는 정인산이온(H2PO4-)이다. pH 7 이상에서는 정인산이온이 감소하고 흡수량도 감소한다(그림 5). 산성토양에서는 알루미늄이나 철이 불용화하여 이것이 토양 중 혹은 뿌리 내에서 인과 결합하여 난용성의 인화합물이 되어 인의 흡수나 뿌리에서 지상부로 인이 옮겨가는 것이 방해받게 된다.

  토양중에서 인의 불용화를 토양의 인산흡수라 하고, 토양 100g당 인산(P2O5)흡수량을 인산흡수계수라 한다. 보통의 밭 토양의 인산흡수계수는 300전후이지만 일본에 많은 화산회토양에서는 알루미늄이나 철이 많으므로 1,500이상으로 높다. 이에 대한 대책은 ①토양산도의 교정, ②추비 등 유기물의 시용. ③토양에 흡수되기 어려운 구용성( 溶性) 인산비료의 추비 등이 있다.

  인은 토양 중에서의 이동거리가 작으며, 확산에 의해서 뿌리 표면에 도달할 수 있는 것이 뿌리면에서 불과 1mm이내이다.

  인의 흡수는 에너지 소비를 수반하는 능동적인 것이며, 낮은 지온이나 일조부족 등으로 뿌리의 흡수작용이 저하하면 흡수량이 감소한다.

  인 부족의 영향은 생육초기에 크고 후기에 적으며, 인이 토양 중에서 이동하기 어렵기 때문에 토경재배에서는 전량 기비로 시용한다. 낮은 지온에서 정식하는 경우에는 뿌리 가까이에의 시비(肌肥)나 근부비료(스타터)로서 인을 시용하는 것이 초기생육에 좋다.

  인이 부족하면 광합성산물인 전분에서 당으로의 대사가 방해받아 잎에 전분이 과잉 축적되어 잎이 광택을 잃은 진한녹색이 된다. 하엽은 변색하여 낙엽지며, 잔뿌리의 발달이 불량해진다.

그림 5. 배양액의 pH와 인산이온의 형태 및 강낭콩의 인산 흡수량과의 관계(Hendrix, 1967)

(3) 칼륨

  칼륨은 토양 중에서는 토양 콜로이드에 흡착되어 있는 양이 적으며 거의 토양용액에 용존해 있다. 생육기간을 통해서 계속 흡수되므로 질소와 함께 항상 시용해야 한다.

  암모니아태질소, 칼슘, 마그네슘 등 다른 양이온의 과잉흡수로 길항적 흡수방해나 토양의 건조, 낮은 지온에 의한 흡수방해로 흡수량이 부족할 수 있다. 칼륨을 과잉흡수하면 다른 양이온흡수를 방해하여 칼슘이나 마그네슘이 결핍하게 된다.

  칼륨의 결핍증은 생육초기에는 나타나지 않고, 생육이 어느 정도 진행된 후 하엽의 잎가(葉緣) 및 선단이 황색으로 변하여 떨어지게 된다.

  (4) 석회

  석회를 비료로서 시용하는 것은 드물며 통상은 토양 pH를 교정(산성토양을 적정 pH로 교정)하기 위하여 시용된다. 그러나, 그 흡수량은 많으며 체내에서는 다시 이동하기 어려우므로 생육기간을 통해서 항상 흡수될 필요가 있다. 칼슘의 흡수는 물과 함께 이루어지므로 물의 흡수가 방해받으면 칼슘의 흡수량도 감소한다.

  칼슘은 세포벽, 세포막의 외표면, 액포에 많이 분포하고 붕소와 함께 세포의 밖에서 생리작용을 하고 있다.

  칼슘은 사관부(체관부)에 존재하지 않고 대부분은 도관부를 통하여 체내를 이동한다. 이동에는 물의 존재가 필요하며 증산이 많은 부위로 많이 이동하고 생장점이나 미전개엽, 과실 등 증산이 적은 부위로는 이동하기 어렵다. 이러한 기관으로의 이동은 성숙엽의 증산이 감소하는 야간에 주로 행해지며 야간의 환경조건이 이러한 기관으로의 물의 이동을 억제하는 조건인 경우에 결핍증이 많이 생긴다.

  (5) 고토

  고토도 비료로서 시용하는 것은 드물다. 석회시용만으로는 고토/석회비를 무너트리므로 고토석회와 같이 석회시용시에 동시에 시용된다.

  마그네슘은 엽녹소의 구성원소로서 알려져 있지만 엽록소를 구성하고 있는 마그네슘은 식물체내 전 마그네슘의 10%이하에 지나지 않고 대부분은 이온의 형태로 세포질, 엽록체, 핵, 액포 등으로 존재한다.

  마그네슘의 결핍증은 산성토양과 같은 치환성 마그네슘이 적은 토양에서 많이 발생하는 것은 당연하지만 암모니아태질소, 칼륨, 칼슘 등 양이온 농도가 높은 토양에서도 길항작용에 의하여 마그네슘의 흡수가 방해를 받는다. 저온기에 성숙엽의 엽맥간이 희게 변하는 마그네슘 결핍은 낮은 지온에 의해서 마그네슘의 흡수력이 저하하는 것과 칼륨의 길항작용에 의해 마그네슘이 흡수되지 않는 것에 의한다.

  (6) 망간

  망간은 엽록체에 많이 포함되어 명반응(광에 의한 물의 분해)의 촉매로서 직접 광합성에 관계하고 있다. 망간은 토양에서는 Mn2+, Mn3+, Mn4+ 등의 형태로 존재하고, Mn2+는 주로 콜로이드에 흡착해 있으며 치환성 망간이라고 한다. 작물이 흡수하는 것은 Mn2+이다. 치환성 망간은 pH 및 산화환원 전위의 저하, 망간 환원균의 증가, 망간 산화균의 감소에 의해 증가한다.

  시설재배에서는 다량의 석회시용으로 pH가 상승하여 망간 결핍증이 발생하기도 있다. 상위엽의 클로로시스, 잎 뒷면의 함몰반, 잎가나 가운데 잎맥(中肋脈) 부근의 흑갈색 얼룩이 진다.

  또한, 토양 pH가 5.0이하에서 치환성 망간이 100ppm이상인 포장(육묘 배양토)이나 배수불량의 포장에서는 망간 과잉증이 발생한다. 하엽의 흑갈색 반점이나 털이 검게 변한다. 또한 과잉 망간이 철이나 칼슘, 마그네슘의 흡수나 이동을 방해하고 상위엽의 클로로시스나 주름, 하엽의 클로로시스를 같이 발생하는 경우가 많다.

  (7) 붕소

  붕소는 세포벽의 형성이나 기능에 관여한다. 토양중의 붕소는 토양용액에 용존하는 것과 토양입자에 흡착되어 있으며 작물은 용존태붕소를 흡수한다. 용존태붕소는 토양의 건조나 높은 pH에 의해서 감소하고 게다가 높은 pH에서는 작물에 흡수되기 어려운 붕소이온이 증가하기 때문에 이러한 조건에서는 결핍증이 발생하기 쉽다. 시설포장에서는 더욱이 많은 비료에 의해 흡수의 감퇴나 칼륨의 길항작용이 생겨 붕소 흡수가 방해를 받는다.

  결핍증은 분열중 혹은 신장중의 어린 조직에 나타나고 토마토의 기형과, 공동과, 이상경의 원인이 된다.

  (8) 철

  철은 엽록체에 포함되어 엽록체·엽록소의 형성이나 기능에 관여하고 있다. 철 결핍은 토양의 알칼리화에 따라 가급태(可給態)의 Fe2+가 불가급태의 Fe3+가 되는 것이나 인, 망간의 과잉흡수나 동, 아연 등의 중금속이 과잉 상태가 되면 길항작용에 의해 발생한다. 철 결핍은 엽록소의 형성이 방해받기 때문에 상위엽에 클로로시스가 나타난다.

  (9) 몰리브덴

  몰리브덴은 질산동화에 관여하고 있다. 토양 중에는 음이온으로 존재하고 산성 토양에서는 철이나 알루미늄에 고정되어 불용화 한다.

4. 배양액의 기본조성

  (1) 양액재배의 배양액

  배양액에는 다량요소로서 질소, 인, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 유황이 있으며 미량요소로서 철, 망간, 붕소, 동, 아연, 몰리브덴 및 염소가 있다.

  다량요소를 공급하기 위해 사용되고 있는 비료는 주로 질산칼륨, 질산칼슘, 인산암모니움, 황산마그네슘, 인산칼륨의 5종류의 비료이다. 또한 미량원소를 공급하기 위해서는 킬레이트 철(Fe-EDTA), 황산망간 또는 염화망간, 붕소, 황산동, 황산아연, 몰리브덴산나트륨, 염화나트륨이 사용된다. 그러나 빗물이외의 양액재배용 원수인 우물물 등에는 필요한 양의 동, 아연, 몰리브덴, 염소가 포함되어 있으며, 구태여 시용하지 않기도 한다.

  양액재배용 비료의 특징은 모든 비료가 용해도가 높은 수용성의 염으로 물에 용해한 상태로 식물에 직접 흡수 가능한 것이 요구된다. 더욱이 질산태질소를 질소원의 대부분으로 사용하고 있다. 양액재배에서는 미생물에 의한 질산화성작용을 기대할 수 없기 때문에 시용되는 암모니아태질소는 작물에 그대로 흡수된다. 암모니아태질소는 다량으로 흡수되면 암모니아의 과잉장해가 발생하기 때문에 그 시용 농도를 제한할 필요가 있다.

  양분흡수 밸런스가 작물에 따라 다르기 때문에 적정한 배양액 조성도 작물마다 다르다. 또한 같은 작물에서도 생육 단계나 환경조건에 따라 흡수 밸런스가 다르다. 그러나, 작물의 배양액조성에 대한 허용범위는 비교적 넓으므로 현상에서는 작물의 평균적인 양분흡수 밸런스에 기초한 야마자키처방이 널리 이용되고 있다(표 1).

  미량요소의 농도는 결핍증과 과잉증을 발생시키는 사이의 농도로 관리되고 있다(표 2)

표 1. 주된 다량요소 조성(me/ℓ)

표 2. 미량 요소 조성

  (2) 양액토경재배의 배양액

  양액토경재배에서는 토양의 양분 공급능 등의 기능을 적극적으로 이용하기 때문에 작물이 필요로 하는 양분을 모두 공급하는 양액재배 만큼의 엄밀함은 요구되지 않는다. 또한 토양의 질화작용도 이용할 수 있으므로 질소원으로서 요소와 같은 유기태질소나 암모니아태질소도 이용 가능하다. 그래서 배양액 작성 비료는 일반적으로 토경재배용의 비료로 행하여지기도 한다. 또한 자동액비혼입기의 이용에서 농후액비를 이용하는 경우가 많으나 그 성분도 질소, 인산, 칼리의 3요소를 주체로 한 것이다. 이 경우에도 질소에 대한 인산과 칼륨의 비율을 바꾼 여러 가지 액비가 판매되고 있으며 대상작물이나 생육단계에 따라 사용하는 액비를 바꾸고 있다. 일반적으로 시설과채소류에서는 정식 직후는 인산의 비율이 높은 액비를 사용하고, 그 후에 칼륨의 비율이 높은 액비를 이용한다.

  만약 자기가 농후비료액을 만들 경우에 주의할 점은 녹이는 비료에는 작물이 흡수하기 어려운 성분이 포함되어 있지 않은 것을 선택하는 것이다. 예를 들면 황산이온을 포함한 유안(황산암모니움), 유가(황산칼륨), 과석(과린산석회)이나 염소를 포함한 염안(염화암모니움), 염가(염화칼륨) 등이다. 이러한 비료를 사용하면 황산이나 염소가 토양 중에 잔류해 토양 pH를 저하시킬 뿐만 아니라 토양으로부터 칼슘을 얻어 황산칼슘과 염화칼슘으로 되어 염류집적의 원인이 되어 토양 EC를 높이고 만다(그림 6, 표 3)

그림 6. 비료의 연속시용에 따른 토양의 EC 및 pH의 변화 (小野, 1996)

고스트레스 : 황산암모늄, 과린산석회, 염화칼륨  /  저스트레스 : 질산암모늄, 인산칼륨, 질산칼륨

표 3. 비료의 화학형태와 각 작후의 토양의 화학성

 주) 황산암모늄구 : 황산암모늄, 인산암모늄, 황산칼륨
      염화암모늄구 : 염화암모늄, 인산암모늄, 염화칼륨
      질산암모늄구 : 질산암모늄, 인산암모늄, 질산칼륨

  그래서 가능한한 초안(질산암모니움), 인안(인산암모니움), 인가(인산칼륨), 초가(질산칼륨) 등의 양액재배용 배양액 작성에 이용되는 비료를 이용한다.

시설 과채류의 환경관리 7

양액재배와 수분관리

1. 시설채소의 필요 수량

  건물 1g을 생산하는 데에 필요한 수분의 g수(증산계수)는 토마토 : 350, 가지 : 420, 파프리카 : 630, 오이 : 760으로 토마토는 생육에 필요한 수분이 적어서 별 문제가 없지만, 오이는 많은 수분이 필요하다.

  토양수분이 적어지면 토양용액농도가 높아져 흡수량이 감소한다. 특히 토양염류농도가 높으면 바로 흡수가 불가능하게 된다(그림 1). 식물체내의 수분이 부족하게 되면 잎에 있어서 ABA(abscisic 산)의 생성이 촉진되어 기공이 닫혀 증산이 저하한다. 증산의 저하는 엽온의 이상상승을 일으켜, 잎마름의 원인이 된다. 기공이 닫히면 이산화탄소가스의 확산저항(기공저항)이 커져 광합성도 저하한다(그림 2, 3). 한편, 뿌리에 의한 양분의 흡수도 불량해지며 특히, 인, 칼륨, 칼슘, 붕소, 몰리브덴 등은 토양의 건조에 따른 흡수량의 감소가 현저하다.

  한편, 뿌리가 흡수작용을 함으로서 양분흡수나 생장을 위한 에너지를 얻는다. 흡수작용에는 광합성산물과 산소가 필요하다. 수분공급이 과다하면 뿌리로의 산소공급이 부족하고, 뿌리의 생육불량이나 부패가 발생한다. 토경재배나 양액토경재배는 토양의 공극에 존재하는 산소를 뿌리가 흡수하는 방식이다.

그림 1. 토양의 함수량과 침투압 (高野, 1993)

그림 2. 토양수분과 광합성, 증산의 관계 (鴨田 등, 1973)

그림 3. 토마토 엽내수분과 광합성 속도와의 관계 (伊東, 1973)

(A) : r = +0.863, y = -45.196 + 0.665x
(B) : R = +0.850, y = -115.815 + 1.536x

2. 배지의 수분관리

  (1) 토경재배에서의 수분관리

  한발에 견디는 성질을 나타내는 내한성(耐旱性)은 근계가 깊은 작물일수록 크며 근계의 깊이는 관수방식에 따라서도 영향을 받으며 모종를 정식한 후 관수를 제한하면 근계가 깊어져 건조에 견딜 수 있게 된다.

  관수를 개시하는 적기(관수점)는 토양수분이 더 이상 감소하면 생육에 저해가 생기는 토양수분점, 즉 생육저해점에 도달했을 때가 적기이다. 단지, 생육단계에 따라서 적기가 다르며 토마토에서는 경엽의 과번무를 막기 위하여 과실 비대기까지는 건조기미로 하고 그 이후는 다수분(多水分)으로 한다. 단, 과실발육기에 토양을 건조기미로 하면 당도가 높은 과실을 얻을 수 있다.

  정식 후 활착까지는 시들지 않도록 잎에 물을 주고, 제 3화방 개화기까지의 생육전기는 pF2.5, 적심까지의 생육중기는 pF2.3, 적심후의 생육후기는 pF2.3으로 한다.

  관수량은 포장용수량(pF1.7)부터 관수점까지의 수분량이 적량이다. 그 이상으로 관수하더라도 중력수가 되어 흘러버리게 된다(그림 4). 관수량을 알기 위해서는 증발계를 이용하여 충분히 관수한 후에 관수점에 도달할 때까지 사이의 증발량을 측정한다. 통상은 20∼25mm이다.

그림 4. 토양수분의 분류와 물포텐셜 및 수분항수

 [ 열과 ]

 토마토·파프리카
  토양건조후의 다량관수→방사상 열과
  과실의 어깨부위가 직사일광으로 노화하고 다량관수→동심원상의 열과
  ①유기질 시용→배수성과 보수성→토양수분의 안정화, 다량 관수를 제한한다.
  ②과실표면에서의 수분흡수를 시키지 않는다.

  일반적으로는 작물마다 그 생육단계에 따라 적당한 토양수분이 제시되어 있다(표 1).

표 1. 딸기의 생육단계와 적정 토양수분 함량(pF) (本多)

  (2) 양액토경재배에서의 수분 관리

  1930년에 이스라엘의 플라스가 물이 새고있는 수도꼭지 부근의 나무가 다른 수목에 비해 싱싱하게 잘 자라고 있는 것에 착안해 작물의 뿌리에 필요한 물을 한 방울씩 공급하는 관개시스템을 고안하였다. 이 점적관개 시스템은 1945년 이후의 플라스틱 제조기술의 진보에 따라 발전보급되어 1954년에 액비자동 주입장치가 개발되어 관수동시시비로 되었다.

  양액토경재배의 수분시용량은 지표면에서의 증발량과 작물체에서의 증산량의 합계량을 시용하는 것이 기본이다. 시용량의 결정에는 2종류가 있다. 하나는 토양수분(pF값)에 의한 방법이며, 또 다른 하나는 작물의 증발량에 의한 방법이다. 작물의 증발량은 일사량과 작물의 크기(엽면적)에 크게 영향을 받는다. 온도, 습도, 멀칭의 유무의 영향도 크다.

  그러나, 수분시용량을 결정하는 두 방법 모두 실제로 해보면 매우 어렵다. 현지 농가의 재배와 동일한 기상현상과 토성을 가진 시험포장에서 동일 파종일, 정식일의 작물을 재배하여 그 수분관리상황을 참고하는 것이다. 또는 일반적인 재배로 필요로 하는 수분량을 밝혀서 그것을 기초로 메뉴얼화 하는 것이다. 기상 변화에 대한 대응은 개개의 생산자에 맡기게 된다. 이 경우 안전을 생각하여 약간 많이 공급하도록 한다.

  (3) 과채류 뿌리의 흡수특성과 배양액 공급

  토마토는 오이나 가지에 비해서 산소부족 영향을 받아, 10%내외까지는 잘 자라지만 그보다 적어지면 급격하게 생육이 나빠지며 2%에서는 고사하게 된다. 뿌리에의 산소공급이 부족하면 토마토에서는 지표부에 기근(노출된 뿌리)이 발생한다. 또한 수분 스트레스에 의한 물질생산이 떨어져 수량은 저하하지만 수확과의 당도는 향상한다.

  오이는 토양공기중의 산소 부족에 잘 견디며 1%내외에서도 생육하지만 10%보다도 20%라고 하는 것처럼 산소가 많을수록 한층 더 생육이 좋아진다. 가지는 가장 저농도에서도 견디며 10%와 20%에서는 생육에 거의 차가 보이지 않으며, 잎은 10%정도에서 무성하게 자란다(표 2). 또한 피망의 뿌리는 산소요구도가 높으며 다량의 관수 등으로 토양중의 산소가 적어지면 뿌리의 활력이 떨어지며 생육장해를 일으키거나 또한 단기간이라도 담수하게 되면 고사할 수가 있다(그림 5).

표 2. 토마토, 오이, 가지의 생육에 미치는 토양공기중 산소농도의 영향 (位田, 1956)

그림 5. 토양중의 산소농도와 시설 과채류의 경엽중·근중과의 관계(籠橋 등, 1970)

시설 과채류의 환경관리 6

양액재배와 배지 1

1. 배지의 종류

  양액토경재배는 토양의 양분공급능, 양분흡착능, 완충능 등의 화학적 기능을 이용함과 동시에 소량 점적관수에 의해 작물에 수분을 공급하므로 보수성 등의 물리적 기능도 중요하다. 토양에 따라서는 그러한 성질에 큰 차이가 있으며, 개개의 토양에 대해서 검토할 필요가 있다.

  일반적으로 부식이 많은 충적토나 화산회토는 화학적 기능이 높으며 보수성도 좋지만 사질토는 부식함량이 적으며, 양분흡착능이 떨어지며 보수성도 나쁘다(그림 2-1). 또한 양액재배의 고형배지에 이용되고 있는 다양한 배지도 그 보수성 등 물리성은 크게 다르다.(그림 2-2).

그림 2-1  토양의 종류와 삼상 조성 (美園, 1961)

그림 2-2  고형배지경에 이용되고 있는 배지의 pF 차이에 따른 삼상분포 (信岡, 2001)

2. 배지의 pH

  (1) pH변동의 요인

  토양 pH는 다양한 요인으로 변동하지만 토경재배에서는 염기포화도의 변화가, 양액재배에서는 양·음 이온의 흡수의 언밸런스가 주요인이다(그림 2-3). 결국, 양이온이 흡착되면 작물체에서 수소이온이 용출하여 pH가 저하한다. 음이온이 흡착되면 중탄산이온이 용출해서 pH가 상승한다(그림 2-4).

그림 2-3  배지 pH의 변동요인 모식도(宇田川, 2000)

그림 2-4  작물 뿌리에 의한 양이온·음이온 흡수에 따른 배양액 pH 변동 모식도(宇田川, 1995)

그림 2-5  배양액 조성을 다르게 한 NFT 딸기(麗紅)배양액 pH의 추이(宇田川)

  토마토 등 가지과 채소는 양이온에 비해 음이온의 흡수량이 많기 때문에 배양액 pH는 상승하는 경향이 있으며, 오이 등 박과 채소는 음이온에 비해 양이온의 흡수량이 많으므로 배양액 pH는 저하하는 경향이 있다. 피트모스 배지에서 오이의 생육·수량이 불량한 것이 관찰되고 있는데, 이것은 배지의 pH가 저하하는 것이 원인이다. 딸기는 뿌리가 건전하여 양분흡수가 많은 시기에는 음이온의 흡수가 많아져 배양액 pH는 상승하며, 피로하여 감에 따라 뿌리가 장해를 입으면 양이온의 흡수가 많아져 배양액 pH는 저하한다(그림 2-5, 2-6).

그림 2-6  토마토, 오이, 딸기 재배중의 배양액 pH의 모식도(宇田川, 1985)

  (2) 채소에의 pH의 영향

  토양의 pH에 따라 양분의 유효성이 다르며(그림 2-7), 작물의 흡수 밸런스에 또한 작물의 흡수량에까지 영향을 미친다. 적정 pH는 6.0∼6.5의 범위이다.

  산성토양

 * 유리알루미늄(pH 5이하)→토양인의 고정→ 유효인의 감소 →알루미늄의 흡수→
    뿌리끝의 핵이나 세포질의 인의 부동화→ 핵산합성이나 세포분열의 저해 → 뿌리의 생장 저해
 * 유리망간 → 망간의 과잉장해
 * 질화균의 활동저하

  알칼리 토양

 * 망간·철·아연·붕소의 불용화 → 결핍증
 * 질화균, 특히 질산화성균의 활동저해

그림 2-7  시판 고형배지에 있어서 pH가 영양성분의 유효성에 미치는 영향 (Paterson, 1982)

시설 과채류의 환경관리 5

바람 환경과 관리요령 1

  엽면에서의 가스교환(탄산가스의 흡수, 산소의 방출)에는 바람이 절대조건이다. 엽면 부근에 정체하고 있는 수증기를 날려버려, 습도를 저하시키므로 증산작용이나 광합성에도 바람이 필요하다.

그림 1. 오이의 광합성·전확산저항에 대한 풍속과 습도의 영향(矢吹 등, 1970)

(a) 오이의 광합성에 대한 풍속과 습도의 영향

(b) 오이의 전확산저항에 대한 풍속과 습도의 영향

  오이에서는 풍속 30∼80cm/초까지는 풍속의 증가와 함께 광합성이 증대하지만, 그 이상의 풍속의 증가는 광합성을 저하시킨다. 적합한 풍속은 습도가 높을수록 상승한다(그림 1). 토마토에 적합한 풍속은 오이보다 약간 빠르며 보통 1.0∼2.0m/초의 풍속이 매우 적합하다(그림 2). 가지는 1.8∼2.0m/초가 한계 풍속이다.

그림 2. 토마토의 광합성에 대한 송풍량과 광강도의 영향(巽·堀, 1969)

  군락으로서 볼 경우 풍속이 늦으면 군락 내부의 중간 정도에서는 탄산가스 농도가 저하하여 물질생산에 있어 탄산가스 농도가 부족하다. 게다가 밑 부분에서는 탄산가스 농도가 높아졌지만 이것은 광이 부족하여 광합성작용보다 호흡작용이 이긴 결과이다.

  시설재배에서는 토마토 부근의 바람은 큰폭으로 제한되기 때문에, 기온이 허용되는 범위내에서는 바깥 공기를 적극적으로 받아들여 시설내외의 공기의 교환을 할 필요가 있다. 또한 시설내의 통풍을 양호하게 하기 위한 재식이나 정지·유인도 고려한다. 또한 실내 공기 순환팬이나 송풍 덕트를 이용하여 인위적으로 바람을 일으킬 필요도 있다.

결  언

  시설채소류의 지상부의 각 환경관리를 개략적으로 설명했다. 일사, 기온, 습도, 탄산가스, 바람 등 개개의 요인이 서로 관련하여 채소의 물질생산이나 전류에 영향을 미쳐, 생장이나 수확물의 양이나 품질에 영향을 주는 것(그림 3)이 이해되었으리라 생각합니다. 대상의 작물을 시설과채류의 토마토, 오이, 파프리카, 가지, 딸기로 했기 때문에 개개의 작물 관리에 관해서는 상세하게 기술할 수 없었습니다. 그러나 작물의 차이를 넘어 공통되는 관리 기술이나 그 기본적인 사고방식은 이해하실 수 있었으리라 생각합니다. 서로 다른 작물간에 공통되는 것, 그리고 작물의 종류에 따라 다른 것, 이것을 분명히 이해해 주시는 것이 본 강의의 목적이고, 그것을 할 수 있으면 경영의 대상으로 하는 작물을 보는 시각도 종래의 것과는 달라지지 않을까요. 본 강의가 경영 개선에 도움이 되기를 기대하고 있습니다.

그림 3. 시설의 환견과 그 관리가 채소의 생리작용에 미치는 개념도(宇田川, 2002)

  - 부록 -

그림 1  식물의 각종 광반응의 분광특성

그림 2  광량자가 가진 에너지는 파장에 따라 다름

광합성유효방사계(A), 광합성유효광량자소계(B). 및 조도계(C)의 상대파장 감도곡선
(라이카사제품 카탈록에서 인용)

표 1. 여러 가지 광원에 대한 광합성유효방사밀도(PAR), 광합성유효광량자밀도(PPFD) 및 조도의 환산치(McCree, 1972로부터 작성)

  예 : 형광등 과을 측정한 결과 조도 1klx 였다고 하면, 그 때의 PAR은 2.73W/㎡이며, PPFD는 12.51mol/㎡이다.

그림 3  과채류의 생육온도 (宇田川, 2002)

표 2  과채에 대한 탄산가스 시용(750∼1,500ppm)의 효과        (Mortensen, 1987에서 개변)

표 3  작업자 및 작물에 대한 허용농도(ppm)

표 4  탄산가스 발생량과 그 특징(靑木, 1985로부터 개변)

그림 4  토마토 과실의 장해발생 조건과 관여하는 시기(齊藤, 1991)

그림 5  가지과실의 장해발생조건과 관여하는 시기(齊藤재, 1991)

표. 과채류의 주된 생리장해(土屋, 1990을 일부 개변)

시설 과채류의 환경관리 4

탄산가스 환경과 관리요령 1

1. 탄산가스 환경의 실태

  대기중의 탄산가스 농도는 대략 0.035%(350ppm)로 동식물의 호흡, 탄소화합물의 연소에 의한 증가와 해수, 강우에 의한 흡수, 식물의 광합성에 의한 흡수로, 이 농도는 비교적 안정되어 있다(표 1). 최근, 화석연료의 과잉 소비에 의해, 탄산가스 농도가 증가하는 경향이다(그림 1).

표 1. 대기의 조성

  재배 토양에서는 토양 미생물의 호흡에 의해 지면으로부터 상시 탄산가스가 방출되고 있으며, 그 양은 지온이 높은 계절, 일시에 많아진다. 토양 미생물은 퇴비나 작물의 찌꺼기를 탄소원으로서 호흡하고 있으므로 그 양이 많은 포장에서 탄산가스 발생량은 많아진다. 또한 시설재배에서는 야간, 작물과 토양미생물의 호흡에 의해 탄산가스 농도는 높아지고 있으나(약 600ppm) 일출과 함께 작물의 광합성에 의해 탄산가스  농도가 저하하기 시작하여, 일출부터 1시간 정도에 대기 농도 이하로 떨어져(최저 약 100ppm), 환기될 때까지 탄산가스 기아 상태에서 생육하고 있다(그림 2).

그림 1. 하와이에서 측정한 대기중 탄산가스 월평균 농도의 경년변동(Moses, 1980)

탄산가스 농도는 봄에 높고, 가을에 낮아지지만 매년 착실히 상승하고 있으며, 그 증가는 지수함수적이다.

  작물은 대기와 토양의 양방으로부터 탄산가스를 공급받고 있지만, 토양에서의 공급량은 유한한 것에 비하여 대기로부터의 공급량은 무한이라고도 할 수 있어 그 양을 결정하는 최대의 요인이 바람이라고 할 수 있다(그림 3).

  기밀성이 높은 비닐하우스에서는 퇴비의 다량 시용에 의해 야간의 탄산 가스 농도는 1,000ppm 이상의 고농도가 되지만, 일출과 함께 급속히 탄산가스 농도가 저하한다. 온도조절을 위해서 환기를 하면 대기의 농도에 가까워지지만 10시경부터 12시경까지는 240ppm이 되어 환기는 충분한 것처럼 생각되나 대기 농도보다도 크게 저하하고 있다(그림 4).

그림 2. 하우스내 토마토의 생장점부근에 있어서 탄산가스 농도의 일변화(伊東, 1973)

그림 3. 노지재배 토마토, 오이에 있어서 탄산가스 농도 프로필 맑은날, 11∼12시 측정(伊東, 1973)

    엽면적 밀도 (10-2 ㎠/㎤)     CO2농도(ppm)            엽면적밀도            CO2농도(ppm)
    ● 고랑사이(도로)에서 측정한 값    ○ 포기사이에서 측정한 값

그림 4.가지 재배 하우스내의 탄산가스 농도의 일변화 (단위 : ppm) (矢吹·織田, 1966)

폭 3m, 양  환기(7:30∼18:00)

  양액재배 온실에서는 지중에서의 탄산가스 공급이 없기 때문에 야간의 농도도 400ppm 전후이고, 일출후 2시간 30분후에는 100ppm이 되어 정오 전후에는 약 70ppm까지 저하하고 있다. 그 후 서서히 농도가 높아지지만 일몰 후의 6시에 간신히 대기 농도에 가까운 300ppm으로 회복했다(그림 43).

그림 5. 토마토 역경재배 온실의 탄산가스 농도분포의 일변화(矢吹·今津, 1965)

 * 주 - 2연동 400㎡, 초장 2m, 수확기, 실내최고기온 26℃, 최저기온 2℃,   12월 25일(기후 : 개었다 흐렸다) 측정

  같은 탄산가스 부족은 터널재배에서도 나타나 야간은 2,000ppm 이상이 되고 있지만, 일출 2시간후에는 100ppm 전후가 되며, 주간에는 80ppm의 극단적인 저농도가 되고 있다(표 2).
  시설재배에서는 겨울철 밀폐된 경우는 상상도 되지 않을 만큼 저농도로 되어 있는 것을 주목해야 한다.

표 2. 비닐터널의 탄산가스 농도   (金關, 1965)