Introduction

토양 전기전도도 (EC)는 염류집적을 판단하는 간접적인 지표이다. 토양의 EC가 증가하면, 삼투압 문제로 인해 작물 생육이 저해될 수 있다. 현장진단은 토양 내 생육제한인자를 찾기 위해 고안된 방법으로 토양을 64가지 조건으로 구분하여 진단하고 있다. 이때 제일 먼저 토양 EC를 이용하여 삼투압이 높은지, 낮은지를 구분하고 이후에 다른 항목의 분석치를 이용하여 진단하게 된다 (Kim et al., 2018). 현장진단 시에 삼투압이 높고 낮음에 대한 구분은 2 dS m^-1를 기준으로 하고 있으며, 이는 토양검정 적정범위와 동일한 수치이다. 하지만 국내 시설재배지의 평균 EC는 2 dS m^-1를 상회하고 있는 실정이다 (NAS, 2021). 또한 국내 시설재배지의 유기물함량은 논, 밭, 과수원에 비해 높은데, 2020년 기준 국내 시설재배지의 평균 유기물함량은 38 g kg^-1으로 적정범위인 20~30 g kg^-1을 상회하고 있다. 국내 영농활용 정보에 따르면, 유기물함량이 증가함에 따라 토양 EC 기준도 올라갈 수 있다고 하였다 (Nongsaro, 2012).

Ayers & Westcot (1985)은 작물별로 염류 저항성을 구분하고 있어 동일한 EC 수준에서 작물이 받는 스트레스는 상이하다고 하였다. 가령 상추와 같은 엽채류는 염류저항성이 약한 편이고, 호박의 경우 염류저항성이 높은 편에 속한다. 동일한 토양에서 재배를 하더라도 작물에 따라 염류집적에 의한 피해 정도는 다르다고 할 수 있다. 토마토는 FAO에서 염류저항성이 보통 (Moderate)인 작물로 분류되어 있으며, 국내 시설재배지의 약 3,229 ha (KOSIS, 2020) 면적을 차지하는 작물이다. Alam et al. (2021)은 토마토를 이용하여 염류 스트레스에 관한 연구를 수행하였으며 연구결과 모든 유전자형에서 염류 농도가 상승함에 따라 형태적 발달과 생리적 기능이 저하된다고 하였다. 특히 이러한 감소는 생육초기인 유묘 단계에서 잘 나타난다고 하였다.

이처럼 토양의 염류집적 효과는 유기물 함량과 작물 종류에 따라 다르게 나타날 수 있다. 그러나 현재 현장진단에서는 이를 고려하지 않아, 보다 정확한 진단을 위해 시설재배지의 유기물 함량과 작물의 염류저항성을 반영한 기준이 필요하다. 따라서 본 연구는 현장에서 보다 적확하게 염류집적에 의한 생육장해 현상을 진단하기 위하여 염류저항성이 보통인 토마토를 대상으로 토양 현장진단 EC 수준별 초기 생육 상태 비교를 통해 토마토 초기 생육에 적정한 EC 수준을 찾고자 하였다.

Materials and Methods

EC조절 물질 선별

토양 EC에 미치는 영향이 큰 물질을 선별하여 처리하기 위해 토양검정 데이터와 현장진단 데이터가 함께 존재하는 지번의 데이터를 이용하여 상관분석 (Table 1) 하였는데, 해당 데이터는 모바일 흙토람 내 현장진단 ‧ 처방 시스템을 통해 축적된 데이터이다. 현장진단 ‧ 처방 시스템은 토양검정 데이터를 활용한 토양검정유형과 현장진단 결과를 바탕으로 처방해주는 서비스이다 (Kim et al., 2018). 상관분석 결과 현장진단 EC (O_EC)와 양의 상관계수 값이 높은 K (r=0.5271)과 NO₃^- (r=0.6810)를 이용하여 EC를 조절하였다. 질소 (N)와 칼륨 (K)은 양분 성분 중 인 (P)보다 Salt index가 높은 물질이다 (Mortvedt, 2001). 또한 질산가리 (KNO₃)는 토양의 pH를 낮추지 않고 양분을 공급할 수 있는 양분 성분이기도 하다 (Lee et al., 2001).

시험토양 조제

시험토양은 점토함량 12.7% 수준의 양토 (loam)로 유기물함량이 우리나라 과채류 시설재배지의 평균 유기물함량인 38 g kg^-1 (NAS, 2021)과 유사한 43 g kg^-1인 토양을 사용하였다. 교환성 칼슘은 적정범위보다는 높았으나 전국 시설재배 평균치 (10.9 cmol_c kg^-1)와 유사한 수준이었다 (Table 2).

본 연구에서는 토양을 큰 화분에 담고 다량의 증류수를 이용하여 축적된 염류를 제거하는 용탈 작업을 통해 토양 EC를 1 dS m^-1 수준까지 낮춘 후에 농도별 KNO₃ 용액을 이용하여 토양에 균일하게 침투시켜 토양 EC를 증가시켰다. 이때, 토양 1 kg당 400 mL의 용액을 사용하였으며, 토양 EC를 1 dS m^-1증가시키는 데 필요한 KNO₃ 용액의 농도는 0.02 M이었다 (Fig. 1). 이를 이용하여 EC를 1 dS m^-1(EC1), 2.5 dS m^-1(EC2.5), 5 dS m^-1(EC5), 7 dS m^-1(EC7), 10 dS m^-1(EC10), 15 dS m^-1(EC15), 20 dS m^-1(EC20)로 조절하였다.

Fig. 1.

Increase in soil EC depending on KNO₃ concentration.

토양 화학성 분석 및 현장진단

토양화학성은 시험 전, 시험 후에 분석하였고, 재배 기간 중에는 토양화학성 현장진단을 수행하였다. 토양화학성 분석항목은 pH, EC, 유효인산 (Avail.P₂O₅), 유기물함량 (OM), 교환성 칼륨 ‧ 칼슘 ‧ 마그네슘이었고, 현장진단 조사항목은 pH, EC, 질산이온 (NO₃^-), 인산이온 (PO₄^3-), 염소이온 (Cl^-), 황산이온 (SO₄^2-) 6가지 항목이었다. 토양 화학성 분석은 농촌진흥청 토양분석법 (NAAS, 2010)에 준하여 수행하였다. 유효인산은 Lancaster법을 이용하여 분석하였고, 유기물함량은 Tyurin법, 교환성 양이온 (K, Ca, Mg)은 아세트산암모늄 (CH₃COONH₄)을 이용하여 침출하고 유도결합플라즈마 분광광도계 (ICP-OES, GBC, Australia)를 이용하여 분석하였다.

현장진단은 Kim et al. (2018)이 수행한 방법을 참고하여 수행하였다. 시약스푼과 자체 제작한 5 mL 샘플컵을 이용하여 표토 (습토)를 채취하고, 증류수로 1:5 (v/v) 침출한 후에 pH와 EC를 분석하였다. 이후에 2번 여과지로 여과하고, 여과된 용액을 이용하여 질산이온 (NO₃^-), 인산이온 (PO₄^3-), 염소이온 (Cl^-), 황산이온 (SO₄^2-) 농도를 분석하였다. 이온성분은 현장진단용 휴대용 분석 기기 (Rapid-d, Technel, Korea)를 이용하여 1 mg L^-1 단위로 농도를 측정하였다.

식물체 생육조사 및 화학성 분석

작물은 토마토 (Lycopersicon esculentum)를 이용하였고, 품종은 대과종 중 과실이 약간 작고, 좋지 않은 환경에서도 잘 적응하는 특징을 가진 ‘대프니스’를 사용하였다 (Choi et al., 2018). 포트는 1/5,000a 와그너 포트를 이용하였고, 포트당 3 kg씩 토양을 담은 후에 20일간 키운 토마토 모종을 이식하고 35일간 재배하였다. 염류장해 현상은 정식 후 생육 초기에 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있다 (Yadav et al., 2019). EC 수준에 따른 토마토 초기 생육을 비교하기 위하여 마디수, 마디길이, 줄기 직경, 초장, 생체중, 건중을 비교하였다. 마디수는 잎이 달려있는 모든 마디의 수를 세고, 마디 길이는 가장 긴 마디의 길이를 재었다. 초장은 생장점 끝점까지의 길이를 측정하였고, 줄기 직경은 개화화방의 갈라지는 지점 2 cm 아래 가장 굵은 지점을 측정하였다. 개화화방이 없는 경우에는 가장 큰 엽의 엽이 갈라지는 지점의 줄기를 측정하였다. 재배 종료 후에 식물체 시료는 지상부를 채취하여 생중 (fresh weight) 및 건중 (dry weight)을 측정하였다. 이후 분쇄한 시료 0.5 g을 진한 황산과 과염소산을 이용하여 가열 분해하고 식물체 분석 매뉴얼 (NIAST, 2000)을 참고하여 총질소 (T-N), 인산 (PO₄^3-), 양이온을 분석하였다.

통계 분석

각 시험구는 통계분석을 위해 3반복 처리하였다. 상관분석 및 분산분석은 SAS Enterprise Guide 7.1 (64 bit)를 이용하여 수행하였다. 분산분석은 유의수준 5% 수준에서 수행하고, 사후 검정으로 DMRT (duncan’s multiple range test)을 이용하여 각 처리 간 차이에 대한 유의성 판정을 하였다.

Results and Discussion

토양 화학성 변화

작물 이식 전 (시험전)과 작물 제거 후 (시험후)의 토양 교환성 칼륨 (Exch.K), 질산태 질소 (NO₃^--N) 농도를 분석하고 그 변화를 Table 3에 나타내었다. EC1, EC2.5, EC5 처리구에서 NO₃^--N 평균 농도는 감소하였고, EC10, EC15, EC20 처리구에서는 NO₃^--N 평균 농도가 증가한 것으로 나타났다. 토양 내 교환성 칼륨의 평균 농도는 시험전과 시험후에서 차이가 미미하였다.

토양화학성 현장진단

정식 후 토양 화학성 현장진단은 총 3차례 (7일 후, 21일 후, 32일 후)로 나누어 실시하였다 (Table 4). pH는 크게 변화가 없었고, EC는 수분 및 작물 흡수로 인해 다소 변동이 있었다. 시간이 지날수록 NO₃^- 이온 농도는 감소하고 이에 EC 또한 낮아졌다. 현장진단 기기 (Rapid-d)는 NO₃^- 농도를 500 mg L^-1까지 측정할 수 있는 장비로 EC10 이상 처리구부터는 측정범위를 넘어가 측정이 불가능하였다. 한편, EC5 이상의 처리구부터는 토양 내 수용성 인산의 농도가 줄어드는 결과를 보였다. 이는 EC 상승과 함께 토양 화학적 환경 (pH 등)이 변화하면서, 인산이온이 다른 양이온과 결합하여 고정되거나 용해도가 감소했을 것으로 판단된다. Rapid-d를 이용하여 분석한 황산이온과 염소이온의 분석 결과는 반복 및 시기별 차이가 커서 비교하기는 어려웠으나, 대부분 적정범위 이내로 측정되어 황산이온 (SO₄^2-)이나 염소이온 (Cl^-)에 의한 작물 피해는 적었을 것으로 판단된다.

식물체 조사

재배실험 종료 후 토마토 생육상태 영상과 생육조사 결과를 각각 Fig. 2과 Table 5에 나타내었다. 마디수, 줄기직경은 EC7 처리구부터 유의미하게 감소하였고, 초장 및 생체중, 건중은 EC5 처리구부터 유의미하게 감소하였다. Rhee et al. (2007)은 토마토 지상부 건중과 뿌리의 생체중은 EC 7.5 dS m^-1에서 유의미하게 감소하였다고 하였는데, 본 연구에서는 건중의 경우 EC5 처리구에서 유의미하게 감소하는 경향이었다. 하지만 마디수, 줄기 직경의 분석결과와 함께 종합적으로 볼 때 선행 연구와 유사한 결과를 보였다고 판단된다. 지상부 바이오매스가 가장 좋은 EC2.5 처리구 식물체의 건중을 기준으로 다른 처리구와의 생육비를 계산하고 비교하였다. EC15 이상 처리구에서는 EC2.5 처리구 대비 10% 미만으로 생육 수준이 떨어져 더 이상 생육이 어려웠다.

Fig. 2.

Inhibition of early tomato growth with increasing on-site diagnosis soil EC.

식물체 내 화학성을 분석하여 Table 6에 나타내었다. 생육이 가장 좋지 않은 처리구는 EC20으로 생육량이 너무 적어 식물체 사진은 있으나 화학성 분석을 수행할 수 없었다. EC15 처리구에서 토마토의 칼륨, 철, 망간 흡수량이 크게 증대되는 것으로 나타났는데, Constán-Aguilar et al. (2015)의 연구결과에 따르면 KCl 처리 농도가 올라갈수록 칼륨의 흡수농도가 올라가며 토마토의 라이코펜, 베타 카로틴 성분의 농도는 증가하고 안토시아닌 성분은 감소하며, 항산화 기능이 향상된다고 한 바 있으며, Kleiber & Grajek (2015)은 망간의 흡수량이 증대됨에 따라 작물의 수확량은 감소될 수 있다고 하였다. 반면, 인산의 흡수율은 칼륨과 달리 EC7 처리구까지는 증가하다가 EC15 처리구에서 감소하는 것으로 나타났다. 현장진단 토양의 수용성 인산 농도는 질산이온 (NO₃^-) 농도가 증가할수록 감소하는 경향을 보였으나, 초기 식물체 내 인산의 농도 감소는 EC15 처리구부터 나타났다.

Conclusions

현장진단 토양 EC 수준에 따른 토마토 초기 생육 비교를 위하여 KNO₃ 농도별 처리를 통해 토양 EC 수준을 조절하여 토마토를 대상으로 35일간 재배 실험하였다. 시험전 대비 시험후의 토양 NO₃^--N 농도는 EC5 처리구까지는 감소하였고, EC7 이상인 처리구에서는 감소하지 않았다. 재배기간 중 현장진단한 결과, pH 변화는 적고, NO₃^- 농도가 줄어듦에 따라 EC도 낮아지는 경향을 보였다. KNO₃ 처리농도 증가에 따라 토양 내 수용성 인산의 농도는 줄어드는 경향을 보였으며, 이로인해 초기 토마토 생육에서 식물체 내 인산 함량의 감소는 EC 15 dS m^-1 이상부터 일어났다. 식물체 조사결과로 초장, 생체중, 건중은 EC 5 dS m^-1를 초과하는 토양에서 유의미하게 감소하였는데, 특히 EC 15 dS m^-1를 초과하는 토양에서 EC2.5 처리구 대비 생육량이 10% 미만으로 감소하였다. KNO₃로 인한 EC 증가는 Ca과 Mg, Na, Fe의 흡수에는 영향이 없었으나 Mn의 흡수량은 유의미하게 증가하였다. 실험 결과, 유기물함량이 43 g kg^-1인 토양에서 토마토 초기 생육에 적정한 현장진단 EC는 5 dS m^-1 미만이었다. 따라서 토양 현장진단 EC가 5 dS m^-1이상인 토양에서는 어린 토마토 재배를 삼가고, 재배를 해야할 시에는 적절한 염류집적 해소 방안을 강구해야 할 것으로 판단된다.