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국내 절화장미 생산액은 2005년 1,823억 원에 달하였으나, 최근 주요 수출국인 일본의 엔화 하락으로 인해 수출량이 감 소하면서 745억 원으로 감소하였으며 재배면적은 332ha이며, 이중 수경재배 면적은 약 60%인 191.6ha이다(MAFRA 2015).

수경재배는 배양액의 재사용 여부에 따라 순환식과 비순환 식으로 구분할 수 있으며, 국내 절화장미 재배는 대부분 비순 환식 시스템을 사용하고 있다. 비순환식 수경재배에서 식물에 공급한 배양액 중 흡수하지 못한 배양액은 배액 처리되어 1ha 당 물 6,000톤, 질소 10톤, 인 1톤이 방출되는 것으로 추정된 다(Lee 2014). 방출된 배액은 토양에 염류를 집적시키고 수자 원을 부영양화하여 환경을 오염시킨다. 또한 물과 비료의 소 실은 자원의 낭비를 유발한다. 배액을 회수하여 재사용하는 순환식 수경재배는 손실되는 원수와 비료를 약 30% 절약할 수 있다(RDA 2006). 하지만 순환식과 비순환식 수경재배방식 은 작물의 생리, 생태적 경향이 다를 수 있다. Yang et al. (2003)은 펄라이트와 입상암면을 혼합한 고형배지경을 이용해 장미 순환식 수경재배를 하였을 때 배양액 내 Ca과 Mg의 함 량이 증가하였으며, N는 고광ㆍ고온기의 생육 후반에 집적되 었고, P은 생육 초기에 감소하였다고 보고하였다. Savvas and Passam(2002)도 순환식 수경재배는 Ca과 Mg이 집적되어 K보 다 많은 비료를 절약할 수 있다고 보고하였다. 따라서 순환식 수경재배에서는 무기이온의 균형을 유지하기 위해서 주기적 인 분석과 보정을 실시하여야 무기이온 불균형을 완화할 수 있다고 하였다. 네덜란드에서는 순환식 수경재배를 위해 주기 적으로 배액을 분석하여 보정하는 방식과 개별무기이온 계측 센서를 개발하여 실시간으로 양분농도를 모니터링 하는 방식 이 시도되었다(Bamsey et al. 2012). 하지만 배액을 분석하여 보정하는 시스템에 문제점이 발생하고, 고가의 개별 이온제어 센서는 신뢰성이 낮은 편이어서 실용화되지는 못하고 있다. 따라서 본 연구에서는 장미 순환식 수경재배 시스템에서 배액 혼합 비율이 무기이온의 집적과 절화 생육에 미치는 영향을 알아보고자 하였다.

재료 및 방법

국립원예특작과학원 시험포장 유리온실 50m²에서 2013년 7월에 주간 21cm, 열간 20cm로 스탠다드형 장미 ‘Shiny Orange’ 를 30주씩 3반복으로 암면배지(25cm × 100cm × 7cm, Grodan, Denmark)에 정식된 묘를 사용하였다. 실험에 앞서 전정은 1주당 절곡부의 줄기의 수는 2 ~ 3개, 잎의 수는 30매를 남겼 다. 배양액의 최초 공급은 Table 1과 같은 배양액을 조성하여 공급하였으며, 이후 부족한 양분의 보정에도 사용하였다. 배 양액의 1회 공급량은 약 1주당 150mL씩 하루 중 총 7회 공급 하였다. 절곡 전정 이후 1주일 동안 버려지는 배액 400L를 저 장한 후, 저장한 배액을 원수와 각각 10%와 30%의 비율로 혼 합하여 EC 1.5m·S^-1, pH 6.0으로 보정하여 공급하였다. 흘러 나오는 배액은 저장탱크의 배액과 혼합하여 재사용하였으며, 공급액과 배액의 무기성분 함량은 2주 간격으로 조사하였다. 분석을 위해 채취한 시료는 Whatman No. 2 여과지에 걸러서 Ion Chromatography(761 compact IC, Metrohm, Switzerland) 를 이용하여 NO₃-N, P, K, Ca, Mg, S 함량을 분석하였다.

절화 수량 및 품질은 2014년 5월부터 2014년 6월까지 생산 되는 절화의 길이, 무게, 꽃의 크기, 꽃목 길이, 잎 수를 조사 하였으며, 품질 조사가 끝난 잎을 분리하여 무기 성분을 분석 하였다. 엽 성분 분석은 65°C 건조기에 넣어 이틀간 건조시킨 후 잎을 마쇄하였다. 식물체내 질소 함량의 측정을 위하여 건 조한 시료 0.5g을 칭량하여 100mL 삼각 플라스크에 넣고 진 한 H₂SO₄ 1mL와 50% HClO₄ 100mL 용액을 가한 후 310-410°C 에서 2 ~ 3시간 분해하였다. 분해액은 Whatman No.6 여과지 로 여과한 후 부족액은 증류수를 첨가하여 100mL로 맞추었 다. 이 시료를 N는 질소자동 증류기(Buchi 323, Switzerland) 로 증류한 다음 0.01N H₂SO₄으로 적정하여 건물 중 100g에 대한 무게(g)로 환산하였다. K, Ca, Mg은 ICP-OES (MX2, GBC, Australia)를 사용하여 측정하였다. 광합성량, 증산률 및 기공 전도도는 절화 품질 조사 직전에 완전히 개화한 채 화지의 가운데 5소엽을 대상으로 휴대용 광합성 측정기 (portable photosynthesis system, Li 6400, Li-COR, USA)를 이 용하여 측정하였다.

통계처리는 SPSS 18.0 software를 이용하여 처리결과에 대 한 유의성 검정을 위해 분산분석과 Duncan’s multiple range test를 실시하였다.

결과 및 고찰

배액 내 무기 이온 및 유해물질 함량

배액과 원수의 혼합 비율을 달리하여 혼합 후 배양액을 공 급하였을 때, 10% 혼합 처리 구는 배액 저장탱크에 남아있는 배액의 양이 계속 증가하였으며, 신초의 신장이 진전될수록 증가율은 감소하였다(Fig. 1). 30% 혼합 처리 구는 생육 초기 에 저장탱크의 배액 양이 증가하였으나 증가율은 점점 감소하 여 4주차 이후에는 저장탱크의 배액량이 감소하였으며, 개화 기에는 최초의 양과 비슷한 수준으로 감소하였다. 배액의 pH 는 배액 혼합 비율 간 큰 차이 없이 5.0 ~ 5.5 사이를 유지하였 다. 배액의 pH 저하 원인은 식물의 양이온 흡수에 의한 H⁺이 온의 방출과 유기산의 집적을 들 수 있다. 배액의 pH의 저하 원인을 알아보고자 배액의 acetic acid, formic acid, propionic acid 를 분석한 결과 30% 배액 혼합 처리 구에서 1.4ppm의 acetic acid가 검출되었다(Table 2). 배양액에의 낮은 pH는 Fe 의 흡수를 저해하며, 무기 이온의 불균형적인 흡수를 초래하 여 생육전반에 영향을 미치기 때문에 배액을 재사용하기 위해 서는 보정이 필요하다(Alhendawi et al. 1997). Sonneveld and straver(1993)는 장미에 적합한 배양액의 pH가 5.0 ~ 6.0 이라고 하였으며, Lee et al.(2004)은 배양액의 pH가 4.0 ~ 6.0 에서 광합성률과 증산률이 높게 나타났다고 하였다. 또한 배 액에는 뿌리에서 침출되는 phenol 화합물이 포함되어 있을 수 있다. Jung et al.(2004)은 phenol acid이 종류에 따라 자연 적인 상태에서 보다 약 1,000배의 농도에서 토마토에서 독성 을 나타내었지만, 특정 페놀산은 항균 물질로 고려되어야 한 다고 보고하였다. 배액의 페놀화합물은 ppb 수준에서 검출되 지 않았다(Table 2).

배액의 EC는 10% 배액 혼합 처리 구는 거의 변화가 없었 으나 30% 혼합 처리 구는 1.8dS·m^-1에서 2.0dS·m^-1으로 0.2dS·m^-1 증가하였다. 배액의 다량원소 함량을 분석한 결과 NO₃-N와 Ca 농도의 증가율이 가장 높았다(Fig 2A, F). 다음으 로 Mg, K, S 순으로 높았으며 P은 감소하는 경향이었다(Fig 2B, C, D, E). 배액 내 무기이온 농도 비율은 NO₃-N, Ca, Mg 은 증가하였으며, 농도의 증가율이 낮았던 K, S과 농도가 감 소하였던 P은 감소하였다. 배액 혼합 비율에 있어서 배액 내 다량원소 농도의 증감율은 30% 혼합 처리구가 10% 혼합 처리 구보다 크게 나타났다(Fig. 2).

공급액 분석

순환식 수경재배에서는 배액의 무기이온 별 집적 정도가 달 라 이온간 비율이 변한다(Voogt and Sonneveld 1997). 배양 액 내 양분의 비율은 식물의 양분흡수에 영향을 주어 양분의 과잉 및 결핍 증상을 유발하기 때문에 주기적으로 보정 또는 교체를 해주어야 한다(Lee et al. 2006; Steiner 1980). 배액과 원수를 혼합한 후 EC를 보정하여 공급되는 배양액의 다량원 소 비율은 배액의 이온 간 비율과 보정을 위해 첨가되는 보정 액의 무기이온 비율에 영향을 받았다(Table 1, Fig. 3, 4). 보 정 후 장미에 공급되는 배양액의 NO₃-N는 배액 혼합 처리구 가 대조구인 비순환식 처리구의 농도보다 높았으며, 2주차에 서 4주차로 가면서 증가하였으나, 6주차에 보정을 위해 첨가 하는 보정액의 농도가 낮아짐에 따라 공급액에서도 농도가 낮 아졌다(Fig. 4A). 배액 혼합비율에 있어서 공급액에서 NO₃-N 는 30% 혼합 처리구가 10% 혼합 처리구보다 높은 농도로 공 급되었다. K은 2주차에 배액 내의 농도가 보정을 위해 첨가하 는 배양액의 농도보다 높았으며, 대조구인 비순환식 배양액의 농도보다 높은 농도로 공급되었다. 하지만 6주차로 갈수록 배 액 내의 K 비율이 감소함에 따라 공급액에서도 농도가 감소하 였다(Table 1, Fig. 3D, 4D). 배액 내 K의 비율은 30% 배액 혼합 처리구가 10% 혼합 처리구보다 더 낮았으며, 혼합 후 공 급되는 공급액에서 더 낮은 농도로 공급되었다. Ca는 배액 내 의 비율이 EC 보정을 위해 추가하는 보정액의 비율보다 낮았 으며 비순환식 배양액보다 더 낮은 농도가 공급되었다(Table 1, Fig. 3F, 4F). 또한 배액 내의 Ca 비율이 증가함에 따라 공 급액의 Ca 농도도 증가하였다. 배액 내의 Ca의 비율은 배액 혼합 처리구간 비율의 차이가 없었으나 더 많은 양의 배액이 혼합된 30% 처리구가 더 낮은 농도로 공급되었다(Fig. 4F). Mg와 S는 대조구인 비순환식 배양액에서의 농도 수준과 큰 차이가 없었다. P는 배액에서 농도가 감소하고 배액 내의 비 율보다 보정액의 비율이 높았으나, 배액의 혼합 및 보정 후 공 급하는 배양액에서 농도가 더 높은 수준으로 공급되었다 (Table 1, Fig 2B, 4B). 이는 배액의 pH에 따른 분석에 의한 오차와 배액의 혼합과 EC 보정 과정에서의 기계적인 오차가 원인으로 생각된다.

엽내 무기이온함량, 엽록소 함량 및 광합성량

장미는 품종과 배양액 조성에 따라 잎의 무기이온 함량과 엽록소 함량이 달라지고 광합성량에 차이가 난다(Yeo and Lee 2009). 본 실험에서 엽 내 P, K, Mg, S은 처리구간 차이를 나타내지 않았다(Fig. 5). 그러나 Ca의 함량이 비순환식 처리 구는 70mg·L^-1이었으나, 30% 배액 혼합 처리 구는 64mg·L^-1, 10% 혼합처리구는 60mg·L^-1이었다. 이는 배액 내 Ca의 비율 이 비순환식 배양액에서의 비율보다 낮고, 배액 혼합 처리 구 간의 비율은 비슷하였으나, 30% 혼합 처리구의 혼합 량이 많 음에 따라 공급되는 배양내의 Ca 이온 농도가 낮아졌기 때문 이라 생각된다. 엽내 무기이온함량 분석결과 NO₃-N과 Ca 함 량에 차이가 있었으나, 배액 혼합 처리구와 대조구인 비순환 식 처리구 모두에서 엽록소 함량(SPAD)은 차이를 나타나지 않았다(Table 3). 또한 광합성량(Photosynthesis)을 조사한 결 과에서도 비순환식 처리구와 배액 혼합처리구 모두에서 통계 적인 유의차가 나타나지 않았다.

절화 수량 및 품질

절화 수량은 비순환식 처리구와 배액혼합 처리 구 모두에서 유의한 차이가 나타나지 않았다(Table 3). 이는 Raviv(1998)가 배액을 재사용하였을 때 비순환식 수경재배와 비교해 절화 수 량의 차이가 없었다는 보고와 유사한 결과를 나타내었다. 또 한 절화 길이, 무게, 줄기 굵기, 엽수의 품질에서 비순환식 처 리구와 배액 혼합 처리 구와의 차이가 없었으나, 배액 혼합 처 리 구에서 화고가 좀더 크게 나타났다. 이는 절화의 품질을 동일한 날짜에 조사하였는데, 배액 혼합 처리구의 개화가 조 금 더 빨라졌기 때문이라 생각된다.

결과를 종합해보면 배액 혼합방식의 장미 순환식 수경재배 는 비순환식 수경재배와 비교하여 배양액의 공급에 큰 차이가 없었으며 절화품질 또한 유의한 차이가 나타나지 않았다. 따 라서 장미 순환식 수경재배에서 배액 혼합을 30%까지 사용가 능 한 것으로 판단된다. 또한 배액 내 무기이온의 비율은 무 기이온별 농도와 증가율에 의해서 변하는 것을 확인할 수 있 었다. 하지만 본 실험에서는 미량원소나 Na, Cl과 같은 성분 에 대한 조사가 수행되지 않았다. 또한 데이터를 제시하지는 않았지만 배액 혼합 처리구의 엽록소형광 값이 다소 낮고, 개 화기가 빨라지는 것을 확인하였다. 이는 한번 식재하면 평균 3 ~ 5년 동안 재배하면서 절화를 수확하는 장미에 있어서 수 명의 단축의 요인으로 작용할 수 있으므로 이에 대한 추가적 인 연구가 필요할 것으로 생각된다.