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토양수분은 식물 생육에 직접적인 영향을 미치고 수분이 부 족할 때 생리활성을 제한하기 때문에 토양의 보수력 증진, 토 양구조 안정 및 물리성 개선 등 식물이 이용할 수 있는 토양 의 유효수분 범위를 확대하는 연구가 진행되어왔다(Kim et al. 2013).
고흡수성 폴리머(Superabsorbent Polymer, SAP)는 토양 의 보수력을 향상시키는 하나의 방안으로 여겨진다. SAP는 흰 분말 형태이며 자기 무게의 200~1000배까지 물을 흡수하여 겔(gel) 상태가 되는 물질이다(Jang et al. 2021). SAP는 농 업, 원예분야까지 다양한 산업에서 활용되고 있다(Kim et al. 2013;Lepoutre et al. 1976). SAP는 토양의 보수력을 증진 시키는 효과 뿐 아니라 토양구조의 공극을 만들어 토양의 물 리성을 개선할 수 있다(Po 1994). SAP는 토양용적수분함량 을 증가시키며 토양 표면에서의 증발산량을 감소시킬 수 있다 (El-Dewiny 2011). 또한 수분흡수력과 수분보유력을 유지하 는 능력이 뛰어나 관수 횟수를 줄일 수 있다고 알려져 있다 (Akhter et al. 2004).
국화는 국내외에서 인기가 높은 상업용 화훼작물로 우리 나라에서는 가을에 자연 개화하며, 화아형성과 발달이 짧은 일장에 의해 유도되는 대표적인 단일식물이다(Cathey and Borthwick 1961). 분화용 국화는 크게 가든멈과 포트멈으로 나눌 수 있는데, 가든멈은 주로 노지에서 가을에 한 작형만 집 중 출하되며, 포트멈은 시설 내에서 암막과 전조시설을 활용 하여 10cm 내외의 소형화분에서 연중 출하되는 재배특성이 있다(Won et al. 2012). 포트멈은 형태적으로 절화용 국화에 비해 분지성이 우수하며 절간길이가 비교적 짧은 초형을 가지 고 있다(Crater 1992).
효율적인 물관리는 온실 재배에서 생산비용 절감과 밀접한 관계가 있어 화훼작물 재배시 중요한 고려사항이다. 한편 토 양수분센서를 활용한 자동관수시스템은 토양수분을 모니터링 하여 관수를 제어하여 일정하게 유지할 수 있으며(Nemali and van Iersel 2006), 상업용 종묘장에서 일반적인 표준관 개와 토양수분센서를 사용한 관수를 비교하였을 때 물사용량 을 최대 83% 절약할 수 있다(Van Iersel et al. 2009).
다양한 수분함량 내에서 국화의 최적 재배 연구가 진행되 었으며, 토양 수분장력이 -1.5 및 -3.5kPa로 유지되는 조건 이 국화의 높은 생산성을 유지하면서 물 사용을 최소화하였다 (Lieth and Burger 1989). 가든멈 국화의 관행적인 재배 방 식과 토양수분센서를 통해 토양수분함량을 조절한 자동관수 시스템방식을 비교하였을 때 8~34.9%의 물을 절약할 수 있 었다(Rhie et al. 2018). 하지만 국화 재배에 SAP를 활용한 연구는 미비한 실정이며 더욱이 토양수분센서를 활용한 자동 관수시스템내에서의 연구도 전무하다.
따라서 본 연구는 다양한 비율의 SAP를 배지에 첨가하고 분화용 국화인 ‘포트멈’의 생육차이를 비교하고자 한다. 또한 토양수분센서를 활용한 자동관수시스템을 활용하여 SAP가 첨 가된 배지의 재배기간 물 사용량을 비교하고 물 사용 절감 효 과에 대해서도 알아보고자 한다.
재료 및 방법
식물재료
실험은 배재대학교 원예실습동 내에 있는 온실에서 실시 되었고, 지름 15cm인 화분에 원예용상토(Sunshine Mix#5, Sun Gro Horticulture, Agawam, MA, USA)를 충진하여 이식하였다. 식물은 한국자생식물 생산자협의회의 공급을 통 해 개화하지 않은 포트멈 국화(Chrysanthemum morifolium Ramat.) ‘Majestic’ 품종을 성묘 상태로 수급하였다. 초기 국 화의 초장과 초폭은 평균 14cm, 23cm였다. 온실의 실험기 간 평균온도는 23.5℃ 정도였으며, 습도는 75.5% 정도였다.
고흡수성 폴리머
SAP는 단량체로 N,N-dimethylacrylamide(DMAAm, Tokyo Chemical Industry, Japan)와 Potassium acrylate(KA)가 사용되었다. 이 때, KA는 27%(w/v)의 Potassium ccarbonate (Samchun, Korea) 수용액을 교반 하에 30%(w/v)의 아크릴산 (Sigma-Aldrich, Germany)수용액에 천천히 가하여 준비되었 다. 먼저, 증류수에 가교제(Laponite-XLG, BYK, Germany)와 가교 제의 박리를 위한 분산제(Sodium pyrophosphatetetrabasic, Sigma-Aldrich, Germany)를 첨가한 뒤, 두 단량체를 전체 반응 물의 20%(w/v) 및 3:7(KA:DMAAm)의 비율로 첨가하였다. 그 다음, 반응물에 개시제(Potassium persulfate, KPS, Sigma-Aldrich, Germany) 및 촉매 N,N,N’,N’-tetramethylethlylenediamine (TEMED, Sigma-Aldrich, Germany)을 첨가하여 최종적인 전구체 용액을 준비하였다. 전구체 용액은 밀폐된 상태로 40℃의 오븐에서 24시간 동안 자유 라디칼 중합이 이루어졌다. 중합이 완료된 SAP는 증류수에서 3일 간의 팽윤 과정을 통해 미반응 잔류물을 제거한 뒤에 사용되었다. 준비된 SAP의 팽윤도는 273.3±17.1(g/g)의 거동을 나타냈다(Fig. 1).
자동관수시스템 설정
자동관수를 위하여 FDR(Frequency Domain Reflectometry) 방식의 토양수분센서(EC-5; Decagon devices, Pullman Washington, USA)를 이용하여 화분의 토양 수분을 VWC (Volumetric Water Content, v/v)로 측정하였다. 센서를 통하 여 측정된 값을 Data logger(CR1000; Campbell scientific, Logan, Utah, USA)내에 저장하였다. 측정된 수분이 설정한 값 보다 낮아지면 16ch Relay(SDM CD16AC/DC controller, Campbell scientific, Logan Utah, USA)로 전자밸브를 열어 점적호스(Aquadrip 3000, samin, hwaseong gyeonggi-do, Korea)를 통해 관수하였다. 관수시간은 5분으로 설정하였으 며, 1회 관수시 400mL의 물이 관수 되도록 설정하였다. 다음 관수를 위한 측정은 관수가 끝난 시점에서 5분 이후로 설정하 여 관수 여부를 조절하였다. 토양수분센서 보정식은 Kang et al.(2019)의 VWC=0.1771mV-52.968, R2=0.99 보정값으로 사용하였다. 관수의 경우 POT당 점적핀으로 관수하였으며, 상토 용적수분함량을 동일하게 유지하기 위해 처리구당 토양 수분센서를 3개씩 꽂아 평균값을 대표값으로 설정하여 관수 하였다. 초기 토양 VWC의 값은 가든멈 국화의 최적 생육 조 건 연구(Rhie et al. 2018)의 0.50m3･m-3을 기준으로 설정 하였다.
실험 처리 및 통계분석
SAP의 농도처리는 15cm 화분의 부피(1600mL)의 0, 0.05, 0.1, 0.2%를 배지에 섞었으며, 처리비율의 경우 기존에 상업 용으로 판매되는 토양보습제 제품인 테라코템(Terracottem, 테라그린, Korea)의 사용량을 기준으로 설정하였다. 토양수 분의 설정값은 0.50m3･m-3 조건으로 조성하였으며, 본 실험 은 4개처리를 3반복으로 하여 난괴법으로 배치하였으며 각 반복마다 포트멈 국화 4개체를 이용하였다. 실험기간은 2021 년 9월 15일부터 11월 17일까지 진행하였으며, 11월 17일에 수확하였다. 생육조사 평가항목으로는 초장, 초폭, 꽃수, 뿌리 길이, 생체중, 건물중, 개화소요일수였다. 건물중은 드라이 오 븐에서 80℃로 72시간 건조시킨 후에 측정하였다. 개화소요 일수는 전체 70%가 개화하기까지의 기간을 측정하였다. 통 계분석은 SPSS(SPSS 23.0, IBM Corporation, USA)으로 분산분석(ANOVA)하였으며, 유의한 경우에는 5% 유의수준에 서 Tukey’s HSD(honestly significant difference) test를 통해 사후검정 하였다.
결과 및 고찰
SAP 농도 처리에 따른 토양수분 변화
Fig. 2는 실험기간동안 토양수분센서를 통하여 VWC를 모 니터링한 값을 나타낸 것이다. 실험기간 동안 VWC 초기 설 정 값인 0.50m3･m-3가 지속적으로 유지되었음을 확인할 수 있으며, Kim et al.(2011)의 실험에서 페튜니아의 재배기간 동안 토양수분센서를 활용한 자동관수 시스템이 설정범위 0.40m3･m-3내에서 토양수분을 유지하였던 것과 동일하게 나 타났다. VWC가 처리에 따라 감소되는 것은 SAP 농도의 차이 로 토양수분이 다르게 조절되었기 때문으로 판단된다. 실험에 서 VWC 설정값을 유지한 것으로 보았을 때, FDR 방식의 토 양수분센서와 자동관수시스템을 적용하게 되면 토양수분을 제어하는데 있어 효과적이라고 판단된다.
SAP 농도 처리에 따른 식물 반응
SAP 농도에 따른 국화의 초장, 초폭, 꽃수에서 유의적인 차 이가 나타나지 않았으며(Fig. 3), 지상부와 지하부의 생체중, 지상부의 건물중 또한 차이가 나타나지 않았다(Table 1). 그 러나 지하부의 건물중은 SAP 농도 0, 0.05, 0.1, 0.2%에 따 라 1.3, 1.4, 1.5, 1.7g으로 0.2% SAP 고농도 처리구에서 가 장 높게 나타났으며, 통계적으로 유의적인 차이가 나타났다. 본 실험에서 사용된 SAP의 팽윤도는 273.3±17.1 (g/g)로 부 피가 약 300배 늘어난다는 것을 의미한다. 이때 SAP는 토양 구조를 단립구조에서 입단구조로 만드는 효과를 가지고 있으 며, 토양구조를 안정시켜 토양의 물리성을 개선할 수 있는 토 양 개량제로서 사용될 수 있다(Lee et al. 2001). 본 실험에 서도 SAP가 토양구조를 안정화하여 근권부의 생장을 촉진한 것으로 판단된다. 개화소요일수는 0, 0.05, 0.1, 0.2% SAP 처리구에서 각 20, 21, 21, 21일로 대조구와 1일의 차이를 보였으나 통계적인 차이는 없었으며, 뿌리길이에서도 처리구 는 각각 26.5, 27.9, 28.9, 30.0cm로 SAP의 농도가 증가할 수록 길어지는 추세를 보였으나 통계적인 차이는 나타나지 않 았다(Table 1).
SAP 농도 처리에 따른 관수량 비교
FDR 토양수분센서를 활용한 자동관수시스템으로 관수량을 측정했을 때, 실험기간동안 관수량은 SAP 농도 0, 0.05, 0.1, 0.2%에 따라 각각 43.5, 37.2, 30.1, 29.4L로 대조구에서 가 장 많은 물이 소비되었으며 0.1, 0.2% SAP 처리구는 대조구 에 비해 약 32% 정도 물 사용량이 절약되었다(Fig. 4). 이는 배지 내 포함된 SAP가 토양 수분 보유력을 향상시켰음을 보 여준다. 기존 연구에서 SAP가 혼합된 배지가 대조구에 비해 수분함량이 2.6~16.5% 높게 유지된다고 하였으며(Yun et al. 2016), Yoo et al.(1990)의 연구에서도 사양토, 양토, 양 질 사토의 수분 보유력이 SAP처리에 따라 증가되었다고 하였 다. Shahid et al.(2012)는 0.1~0.4%(w/w)의 폴리아크릴아 미드 기반 고흡수성 하이드로겔을 물과 함께 시용했을 때 사 양토의 수분 보유율이 약 60~100%까지 증가한다고 보고하였 다. 이와 같이 SAP는 토양의 수분 보유력을 증대시키고 관수 빈도를 줄일 수 있다(Fonteno and Bilderback 1993). SAP 가 수분 보유력 향상뿐만 아니라 토양의 구조를 안정화하여 식물생육에 대한 긍정적인 효과를 나타낼 수 있으나, 추후 식 물에 따른 SAP의 최적 배합비에 대한 연구가 필요하다.
SAP 농도 처리에 따른 국화의 생육 반응에서 초장, 초폭, 꽃수, 생체중, 건물중, 뿌리길이, 개화소요일수 등 모든 처리 에서 통계적인 차이가 없었다. 이는 모든 처리간의 생육적인 차이가 없다고 말할 수 있으며, 실험기간동안 처리구에 따라 관수량의 차이만 나타났다. 따라서 화분재배시 SAP를 사용하 게 되면 관행관수법과 동일한 생육을 유지하면서 물 관수량을 절감할 수 있다. 한편 SAP가 근권부에 미치는 생리적 작용에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 생각된다.
