Introduction
Materials and Methods
시험구 조성
시료 채취 및 분석
통계 처리
Results and Discussion
토양 및 식물(잎) 추출액의 EC 및 염소이온 농도
토양 및 식물(잎) 추출액의 EC와 염소이온 농도 간 관계
토양 염해 및 작물 감수성에 대한 접근법
Introduction
시설재배에 있어서 토양의 염류 집적은 작물 생산성을 저해하고 토양의 지속성 및 건강성을 저하시키는 중요한 요인들 중 하나로 인식된다 (Kong et al., 2018). 이는 시설재배지가 노지보다 과다한 양분투입이 이루어지고 (Park et al., 1994), 시설 내 높은 기온이 증발산 요구량을 크게 상승시킴으로써 지속적인 관개에도 불구하고 표토에 양분집적이 촉진되기 때문으로 여겨진다. 이러한 염류집적 토양들의 평가에 있어서 전기전도도 (EC)는 일반적으로 가장 널리 활용되는 지표이며, 포화추출액 EC를 기준으로 염류성, 염류나트륨성 등으로 구분하는데 중요한 역할을 한다 (Rhoades, 1996). EC가 반영하는 용액 중 이온들의 조성 측면에서 볼 때, 나트륨 이온은 염류 집적에 의한 물리화학적 토양 질 저하와 함께 식물의 독성발현에 가장 영향이 큰 양이온으로 알려져 있다 (Wong et al., 2010). 한편 음이온들 중에서는, 염소이온이 염해지 식물생육 저하에 가장 밀접한 관련이 있는 것으로 알려져 있다 (Xu et al., 1999). 아울러, 질산이온 역시 염류 집적 토양의 EC와 밀접하게 관련되어 되어 영향을 미치는 것으로 연구되어 왔다 (Chung et al., 2005).
노지와 비교해 이미 높은 수준의 염류 집적을 보이는 시설재배지의 경우, 한 작기 중 시비량의 차이가 단기간 토양 염도에 어떻게 영향을 미치는지 파악하는 것은 쉽지 않아 보인다. 이는 토양이 기본적으로 큰 공간적 불균질성을 보일 뿐만 아니라, 작물의 생육, 관개 및 용탈 등 토양관리 인자들의 시공간적인 변화 역시 매우 크기 때문에 이미 높은 수준의 EC 혹은 이온 함량의 변동 역시 매우 클 것이기 때문이다. 한편, 최근 유기성 폐자원을 활용하는 방안의 하나로, 음식물류 폐기물을 퇴비화 혹은 유기질 비료화하여 농경지에 투입하고자 하는 사회적 움직임이 증가하고 있다 (Lee et al., 2015; Cho et al., 2021). 음식물류 폐기물 (음폐) 퇴비 혹은 음폐혼합 축분 퇴비, 음폐혼합 유기질 비료 등은 잠재적으로 토양 유기물 함량 증가, 수분 보유능 및 양분 공급력 증대, 작물의 생육 촉진 등 일반적인 유기물 투입으로 나타나는 다양한 토양의 물리화학성 개선 효과를 기대할 수 있으나 (Kwon et al., 2009; Kim et al., 2021), 원재료의 높은 염분 및 나트륨 함량에 의한 토양 질 저하에 대한 우려도 같이 보고되고 있다 (Lee et al., 2016). 특히, 시설재배지에서와 같이 이미 높은 수준의 염류 집적이 이루어진 토양에서 음폐혼합 유기자원들을 투입했을 경우에는 노지에 비해 상대적으로 추가적인 염도 상승의 여부를 EC 혹은 치환성 양이온 함량의 증가로 파악하기 어려운 면이 있다.
이에 본 연구는 EC가 높은 시설재배지에서 양분요구도와 내염성에서 차이를 보이는 토마토와 상추에 대해 무기질 비료와 음폐혼합퇴비의 시비량에 따른 토양 및 식물체의 염도 반응을 조사하였다. 염소이온은 토양 전기이중층 내 치환 반응에 의해 복잡한 행동 패턴을 보이는 나트륨이온과 비교해, 토양 매질에 거의 흡착되지 않기 때문에 단기간의 토양 용액 중 변화를 상대적으로 잘 나타낼 수 있는 장점이 있다. 따라서, 연구의 목적은 (1) 두 작물 시설재배지에서 생육기간 중 토양과 식물 잎의 EC와 염소이온 농도 변화를 조사하고, (2) EC와 염소이온의 관계를 이용하여 시비량 및 음폐혼합퇴비의 투입이 토양 및 식물체에 미치는 영향 정도를 파악하며, (3) 작물 간 염도 및 염소이온에 대한 감수성 차이를 조사하고자 하였다.
Materials and Methods
시험구 조성
경기도 이천 소재 시설재배지에서 토마토 (품종 도태랑)와 상추 (품종 탑그린)를 각각 표준 권장시비량 기준 50% 무기질 비료 처리를 대조구 (Con)로 하고, 무기질 비료를 100% 처리하는 구 (F100)와, 대조 처리에 더해 음폐혼합퇴비를 질소 기준으로 100%, 200%, 300% 수준으로 기비 처리하는 시험구들을 (각각 C100, C200, C300) 3반복 완전임의 배치하여 2020년 4월부터 8월까지 재배 시험을 수행하였다. 대조구는 음폐혼합퇴비의 감비 및 화학비료 대체 효과를 파악할 수 있도록 설정되었다. 토마토와 상추의 표준시비량은 각각 116 kg N, 103 kg P2O5, 41 kg K2O ha-1와 35 kg N, 30 kg P2O5, 18 kg K2O ha-1로 하였다. 시험 전 시설재배지 공시토양의 성질과 사용된 음폐혼합퇴비의 성질은 각각 Table 1과 Table 2에 제시되어 있다.
Table 1.
Chemical properties of the examined greenhouse soils.
Table 2.
Chemical properties of the applied food-waste combined manure compost.
|
Na† (%) |
TN
(%) |
Cl- (%) |
NO3- (%) |
NO2- (%) |
Orth. P
(%) |
EC (1:10)
(dS m-1) |
| 1.5 | 1.5 | 1.2 | 0.1 | ND | 0.01 | 4.1 |
시료 채취 및 분석
토양과 식물체 시료들을, 토마토의 경우 정식 후 5회 (26, 43, 60, 78, 106 DAT, days after transplanting), 상추의 경우 4회 (15, 22, 39, 56 DAT)에 채취하였다. 채취된 표토 20 cm 시료들은 풍건 후 2 mm 체를 통과시킨 다음, 탈이온수로 1:5 추출하고 (1시간 교반) 원심분리한 (16,000 g, 10 min) 후 전기전도도 (EC)와 염소이온 농도를 분석하였다. EC는 기준온도를 25°C로 하여 측정하였다. 염소이온 농도는 Lee et al. (2017)의 AgCl 침전에 따른 EC 변화를 측정하는 dEC 법에 따라 분석하였으며, 분석 농도 범위를 0 - 100 ppm으로 줄여서 실시하였다. 이 분석방법은 ion chromatography에 상응하는 분석법으로 보고되었다. 한편, 식물체는 한 개체로부터 다수의 잎을 절단 채취 후 생중량 1 g 기준 1:20 비율로 분쇄균질화한 후, 16,000 g에서 10분 간 원심분리하고 0.45 µm 나일론 필터를 통과시킨 다음, 토양시료들과 동일하게 EC 및 염소이온 농도에 대해 분석하였다. 사용된 음폐혼합퇴비는 탈이온수로 1:10 비율로 1시간 교반 추출 후, 염소이온, 질산이온, 아질산이온, 인산이온에 대해 분석하였다. 질산이온은 Salicylic acid nitration법 (Cataldo, 1975)의 방법에 따라, 아질산은 Griess-Illosvay법 (Mulvaney, 1996), 인산이온은 몰리브덴 청법으로, 일반 토양 화학성들은 농촌진흥청 표준 분석법 (NIAST, 2000)에 따라 실시되었다.
통계 처리
토양과 식물체의 처리 별 차이에 대한 유의성 평가는 t 검정에 따라 실시하였고, EC와 염소이온 간 유의성 평가 역시 t 검정을 사용하였으며, 마이크로소프트 엑셀의 내장 함수를 이용하여 실시하였다.
Results and Discussion
토양 및 식물(잎) 추출액의 EC 및 염소이온 농도
시험에 사용된 토마토, 상추 포장들은 다른 시설재배지들과 유사하게 이미 상당히 높은 수준의 염류집적이 이루어진 상태이고 (Table 1), 토양이 보이는 높은 공간적 불균질성 대비 한정된 반복 횟수 (n = 3)에 영향을 받아, 생육기간 중 분석된 각 처리구들의 토양 EC와 염소이온 농도는 (토마토 5회, 상추 4회) 전반적으로 시비의 형태 (무기질 비료 vs. 음폐혼합퇴비), 시비 수준 (질소 기준 50 - 300%), 그리고 재배 기간 경과에 있어서 유의한 차이가 없었다. Fig. 1은 높은 토양 불균질성을 감안하여 각 처리구들 별로 측정된 개별 토양시료들의 EC와 염소이온의 분포를 보여주고 있다. 이 생육기간 전반에 걸친 분석에서도 시비 형태와 수준에 따른 차이, 그리고 심지어 토마토와 상추 간에도 유의한 차이가 확인되지 않았다. 따라서, 시설재배지와 같이 높은 수준의 염류 집적을 보이는 토양에서는 단순한 EC와 염소이온 농도 분석 만으로 시비 영향 혹은 염해 가능성 여부를 평가하는 것은 한계가 있다고 여겨진다.
Fig. 1
EC (a) and chloride concentrations (b) of soil extracts obtained from tomato and lettuce fields. The soil samples were collected at 26, 43, 60, 78, and 106 DAT for tomato and 15, 22, 39, and 56 DAT for lettuce. Since there was no significant temporal trend in both EC and chloride concentration over the growing season, all the measured individual data in each treatment were combined to show the differences among treatments. Con: control (chemical fertilizer 50% against the standard recommended N input for each crop, F100: chemical fertilizer 100%, C100-300: control + food-waste combined manure compost (FWC) with N equivalent to 100% to 300% of the standard fertilization for each crop. The p values represent the significances of difference between tomato and lettuce in each treatment.
한편, 식물 잎 추출액 중 EC와 염소이온 농도 역시 각 처리구의 시기 별 분석에서는 시비 형태와 수준, 그리고 재배 기간 경과에 따라 유의한 차이가 없었고, 전체 생육 기간에 걸친 분석에서도 유사한 경향이었다 (Fig. 2). 하지만, 토마토와 상추 간에 매우 뚜렷한 차이가 있었고, 토마토가 상추에 비해 전체적으로 대략 1.4배 (p < 0.05) 높은 EC를 보인 반면, 염소이온 농도의 경우 상추가 토마토에 비해 1.5배 (p < 0.001) 높은 수준을 보였다. 이러한 식물체 간 차이는 식물의 이온 흡수 (EC) 및 내염성과 염소이온 흡수 및 염소이온 내성에 의한 차이를 잘 보여준다고 할 수 있다. 일반적으로, 식물의 염소이온 독성 발현의 임계치는 식물의 내성에 따라 4 - 7 혹은 15 - 50 g kg-1 수준으로 매우 다양하다고 알려져 있고 (White and Broadley, 2001), 식물의 염소이온에 대한 내성은 뿌리에서 줄기로의 염소이온 이동을 차단하는 능력에 의존하는 것으로 보고된 바 있다 (Storey, 1995). 상추는 상대적으로 토마토에 비해 내염성이 약한 것으로 알려져 있고, 본 연구의 결과들은 이온 및 염소이온 흡수에 대한 식물 간 차이를 비교적 잘 보여준다고 여겨진다.
Fig. 2
EC (a) and chloride concentrations (b) of plant extracts obtained from tomato and lettuce fields. The plant samples were collected at 26, 43, 60, 78, and 106 DAT for tomato and 15, 22, 39, and 56 DAT for lettuce. Since there was no significant temporal trend in both EC and chloride concentration over the growing season, all the measured individual data in each treatment were combined to show the differences among treatments. Con: control (chemical fertilizer 50% against the standard recommended N input for each crop, F100: chemical fertilizer 100%, C100-300: control + food-waste combined manure compost (FWC) with N equivalent to 100% to 300% of the standard fertilization for each crop. The p values represent the significances of difference between tomato and lettuce in each treatment.
토양 및 식물(잎) 추출액의 EC와 염소이온 농도 간 관계
토양 시료들의 단순 EC 및 염소이온 농도 분석결과와 달리, [Cl-]-EC 간 회귀분석 결과는 식물체 간에 무기질 비료 및 음폐혼합퇴비 처리에서 모두 유의한 차이를 보였다 (Fig. 3). 토마토는 상추에 비해 약 3배 높게 시비하였고 (질소 기준), 이 작물 간 시비량의 차이는 [Cl-]-EC 간 기울기 차이로 반영된 것으로 여겨진다. 아울러, 동일한 작물에 대해서 무기질 비료와 음폐혼합퇴비 처리 간에도 기울기가 다른 경향이 확인되었으며, 이는 음폐혼합퇴비의 높은 염소이온 농도에 기인한 것으로 판단된다. 따라서, 다소 많은 오차를 수반한다고 가정할 때 (p = 0.38 - 0.41; 동일 작물에 대한 화학비료와 음폐혼합퇴비 처리 간 차이의 유의성), 음폐혼합퇴비의 처리수준 (100 - 300% N)에 따라 상추는 최대 5%, 토마토는 최대 10% 정도 화학비료 대비 토양 중 염농도 상승효과가 있을 것으로 추정할 수 있다. 이 차이는 미미할 수 있으나, 장기연용에 따른 효과는 상당히 클 수 있는 가능성을 보여준다고 여겨진다.
Fig. 3
Relationship between EC and chloride concentration in soil extracts: (a) comparison between tomato and lettuce fields fertilized with chemical fertilizers (Con + F100), (b) comparison between tomato and lettuce fields fertilized with FWC (C100-300). The p value represents the significance of the difference between the slopes. The slopes were significantly different in both comparisons, indicating that the approach can detect a different response of each field to fertilization. In addition, the slope difference became enlarged when FWC was amended (panel b).
한편, 식물체 잎 중 [Cl-]-EC 간 관계는 토마토와 상추 간에 매우 뚜렷한 경향 차이가 확인되었다 (Fig. 4). 토마토는 잎 중 EC가 변화하더라도 비교적 낮고 일정한 염소이온 농도를 유지하는 반면, 상추는 염소이온의 농도가 매우 유의하게 EC 증가와 선형적으로 비례하였다. 특히, 음폐혼합퇴비 처리의 경우, 기울기가 무기질 비료에 비해 약 20% 정도 증가하였고, 이는 이온 및 염소이온의 흡수가 높고 내염성이 약한 식물의 경우 음폐혼합퇴비의 시용에 훨씬 더 취약할 수 있음을 의미한다고 여겨진다.
Fig. 4
Relationship between EC and chloride concentration in plant extracts: (a) comparison between tomato and lettuce fields fertilized with chemical fertilizers (Con + F100), (b) comparison between tomato and lettuce fields fertilized with FWC (C100-300). The p value represents the significance of the difference between the slopes. The slope of lettuce fertilized with FWC increased by about 20% compared with that obtained from chemically fertilized plants.
토양 염해 및 작물 감수성에 대한 접근법
본 연구의 결과들은 시설재배지와 같이 높은 수준의 염류 집적을 보이는 토양에서는 단순한 EC와 특정 이온농도 분석 만으로 시비 영향 혹은 염해 가능성을 파악하는데 한계가 있으며, EC와 이들 이온들 간의 상관관계를 이용하는 것이 보다 효과적인 접근이 될 수 있음을 제시한다고 여겨진다. 아울러, 토양 이온들 중 지금까지 많이 연구되어 온 질산이온, 인산이온 등은 미생물 및 뿌리 흡수에 의해 다소 변동이 클 수 있지만, 상대적으로 생물체 흡수가 낮은 염소이온 혹은 황산이온 등이 좀 더 염해 혹은 작물 감수성을 연구하는데 유리하게 활용될 수 있음을 보여준다고 여겨진다.
