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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.53 No.1 pp.13-21
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2019.53.1.13

Effect of Concentration of Nutrient Solution on Water and Nutrient Uptake of Tomato Cultivars in Hydroponics

Gyeong Lee Choi1, Kyung Hwan Yeo1, Su Hyun Choi1, Ho Jeong Jeong1, Nam Jun Kang2*
1Protected Horticulture Research Institute, NIHHS, RDA, Haman, 52054, Korea
2Department of Horticulture(IALS), Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
Corresponding author: Nam Jun Kang Tel: +82-55-772-1915 Fax: +-55-772-1919 E-mail: k284077@gnu.ac.kr
November 1, 2017 August 28, 2018 September 5, 2018

Abstract


This study was carried out to acquire basic data for a long-term hydroponic culture through investigating water and inorganic ion uptake characteristics at different EC level of nutrient solution of three tomato varieties. Three different tomato varieties, the European type(cv. Daphnis), the Asian type(cv. Super Doterang) and cherry type(cv. Minichal), were used for the investigation. Also, the deep flow technique(DFT) was applied. The three different electrical conductivity(EC) level(1.0, 2.0, 3.0, and 4.0 dS·m-1) of hydroponic nutrient solution were used as variable. At a high EC level of nutrient solution, the leaf area and fresh weight decreased in the early stage, and its growth(plant height, leaf number, leaf area, fresh-weight) was poor with salt stress. Result showed that the higher the EC level of the nutrient solution, the lesser was water uptake. The water uptake was not significantly different from varieties in the first survey, but In the second survey, the ‘Daphnis’ did not show a significant decrease in water uptake in the EC level higher than 2.0 dS·m-1., on the other hand, ‘Super Doterang’ presented very low water uptake. At a low EC level, N, P, and K, were absorbed more than the concentration of the irrigation water, while Ca, Mg, S uptake were low. At a high EC level, almost ions absorbed less than 50% of the initial concentration of irrigation water. Thus, imbalance among ions was severe at low EC level compared to high EC level. ‘Daphnis’ was a variety that effectively utilize nutrients under nutrient stress, showing high absorption at low concentration condition and low absorption at high concentration condition. However, ‘Daphnis’ suffered most seriously by absorbing nutrients excessively.



배양액 농도가 수경재배 토마토의 품종별 생육과 양수분 흡수특성에 미치는 영향

최 경이1, 여 경환1, 최 수현1, 정 호정1, 강 남준2*
1국립원예특작과학원 시설원예연구소
2경상대학교 원예학과(농업생명과학연구원)

초록


배양액의 농도 조건과 품종별 양수분 흡수특성을 구명하여 장기 수경재배를 위한 기초자료를 획득하 고자 연구를 수행하였다. 시험 품종으로 토마토 대과종으로는 적색계인 ‘대프니스’와 도색계인 ‘수퍼도 태랑’ 소과종으로는 ‘미니찰’ 품종을 이용하였다. 담액재배하였으며 배양액의 EC를 1.0dS·m-1, 2.0dS·m-1, 3.0dS·m-1, 4.0dS·m-1로 다르게 공급하였다. 배양액의 EC가 높은 처리에서 초기에는 엽면적, 생체중이 감소하였으며 염류장해가 발생하면서 생육(초장, 엽면적, 경경, 생체중)이 불량해졌 다. 배양액의 EC가 높을수록 수분흡수가 적었다. 수분흡수량은 1차에서는 품종별 차이가 뚜렷하지 않았 으나 2차 조사에서는 ‘대프니스’가 EC 2.0dS·m-1 이상에서도 수분흡수가 크게 감소하지 않았으나 ‘수 퍼도태랑’은 높은 EC 처리에서 수분 흡수가 감소하였다. 배양액의 EC가 낮은 처리에서 무기이온의 흡 수는 N, P, K는 급액농도 보다 높게 흡수된 반면에 Ca, Mg, S는 흡수율이 낮았다. 배양액의 EC가 높 은 처리에서는 대부분의 이온이 초기 투입농도의 50% 이하로 흡수되었다. 따라서 EC가 낮은 처리가 높 은 처리 보다 흡수되고 남은 배양액의 이온간 불균형이 심하였다. 품종 간에는 ‘대프니스’가 저농도에서 흡수량이 많고 고농도에서는 흡수량이 적어 불량한 양분조건에서 양분을 효율적으로 이용하는 품종이었 으나 과잉 흡수된 양분으로 인한 장해 증상은 가장 심하게 나타내었다.



    서론

    토마토(Solanum lycopersicum)의 원산지는 남미 의 서부 고원지대로 알려져 있는데 작물로는 전세계 적으로 토마토 품종은 매우 다양하게 분화되어 있어 여러 가지 방법으로 분류되고 있다. 일반적으로 대 과종과 소과종으로 분류하고 대과종은 과피의 색을 기준으로 동양계와 유럽계로 분류하고 있다. 우리나 라는 맛이 좋은 동양계 품종을 주로 재배하였으나 최근에는 초세 유지가 쉽고, 저장성도 우수한 유럽 계 품종의 재배가 증가하고 있다.

    재배적으로는 수경재배가 수량과 품질 향상에 기 여하고 있어서 2010년 340ha였던 토마토 수경재배 면적은 2016년 575ha 증가하며 주요한 수경재배 작 물로 자리매김 하고 있다(RDA, 2016).

    수경재배에서 작물 반응은 주로 총염류농도(EC), pH 및 이온농도 비율에 의해 결정되는데(Steiner, 1966;De Kreij & Schrevens, 1995;Savvas, 2001) 이에 대한 반응 특성은 작물별로 다르다. 따 라서 작물별 양분흡수 특성을 고려한 배양액을 개발 연구가 수행되고 있으나(Choi et al., 1998;Yu & Bae, 2005), 전용 배양액을 이용할 경우에도 재배 품종(Lee, 1999), 생육단계(Voogt, 1993), 생육시기 (Thompson et al., 2013), 재배환경에 따라 양분 흡수가 특성이 달라지기도 한다.

    그런데 최근에 재배되고 있는 적색계 품종은 이전 에 재배하던 도색계나 소과종과는 양수분의 흡수특 성이 농도조건에 따라 품종 별로 다를 것으로 판단 되기 때문에 이를 구명하고자 연구를 수행하였다.

    재료 및 방법

    1 재배방법

    시험 품종으로 토마토 대과종은 적색계인 ‘대프니 스’(Syngenta Korea, Seoul, Korea)와 도색계인 ‘수퍼도태랑’(Koregon Co., Ansung, Korea)을 이 용하였고, 소과종은 ‘미니찰’(Nongwoobio, Suwon, Korea)을 이용하였다. 2017년 1월 10일에 240공 암 면플러그 판(Grodan, Roermond, Netherland)에 파 종하여 본엽이 2-3매 발생한 시기인 2월 22일 암면 블록(7.5×7.5×6.5cm)에 이식하였다. 이식 전에 암 면블록(UR 암면, 한국)은 EC 1.5dS·m-1인 양액으로 포수하였으며, 육묘기간 동안 EC 1.0-1.5dS·m-1로 양액으로 관수하였다. 3월 10일에 와그너포트(φ256× φ234×297㎜)에 포트당 4주를 정식하여 활착을 위하 여 3일간은 처리에 관계없이 동일하게 EC 1.5dS·m-1 의 양액을 공급하였다.

    배양액은 10.7NO3-N, 3.51P, 5.9K, 6.0Ca, 2.46Mg (me·L-1)인 그로단 토마토 표준배양액을 이용하였 다. 산소공급기를 설치하여 시간당 4회, 1회 5분씩 작동시켜 배양액내 산소가 결핍되지 않도록 하였다.

    2 시험처리 및 조사방법

    배양액의 EC 농도는 1.0, 2.0, 3.0, 4.0dS·m-1 로 처리하였다. 3월 13일부터 처리별로 양액을 공급 하여 토마토가 처리 농도에 적응하도록 하였다. 3월 20일 남은 배양액을 버리고 새 배양액을 용기당 10L씩 채워 토마토를 재배하였으며, 3월 23일에 남 은 양액을 분석하여 1차로 양분흡수량을 계산하였 다. 2차는 과실의 착과와 비대가 이루어지고 있는 시기인 4월 21일에 양액을 투입하여 25일에 교체하 였다. 처리별 3반복으로 시험을 수행하였으며, 양액 투입시와 교체시에 양액을 채취하여 무기이온을 분 석하였으며, 양액교체시 남은 양액의 양을 조사하여 흡수량을 조사하였다. 1일 양액의 흡수량은 계산된 투입 이온량에서 흡수된 배양액량과 분석된 무기이 온의 농도로 계산하였다.

    토마토 생육 조사는 초장, 엽수, 경경, 엽면적, 지 상부 생체중을 4월 25일에 조사하였고 배양액 EC에 대한 가시적인 생육 반응을 5월 12일까지 관찰하여 품종과 EC처리 효과를 F-검정으로 통계처리 하였 다. 초장은 지제부로부터 식물체 전체 길이를 측정하 였고, 엽수는 완전히 전개된 엽 중에서 엽장이 10cm 이상인 것으로, 경경은 본엽 4-5매 사이의 직경을 측정하였다. 엽면적은 LI-3100C(Li-COR, USA)를 이용하여 측정하였다.

    3 양액 분석

    음이온(NO3-, PO43-, SO42-)은 IC(DX-500, Dionex, Massachusetts, USA)의 유속을 0.7mL/min으로 고 정하여 용리액 및 재생액을 흘려보내면서 기준선을 안 정화 시킨 후 혼합 표준액을 이용하여 NO3-와 SO42-는 0, 5, 10, 20ppm, PO43-는 10, 20, 40ppm의 표준 검량선을 작성하였다. 멤브레인 여과지(0.45μm)를 사 용하여 여과 후 시료를 주입하여 분석된 결과치에 희석배수를 곱해서 이온농도를 계산하였다.

    양이온(K, Ca, Mg)은 ICP(ICAP7400, Thermo Scientific, Massachusetts, USA)를 사용하여 분석 하였다. 표준액을 이용하여 K와 Ca는 0, 25, 50, 100ppm, Mg는 0, 12.5, 25, 50ppm의 표준 검량선 을 작성하였고, 분석치에 희석배수를 곱하여 이온농 도를 계산하였다.

    결과 및 고찰

    급액농도 처리 후 44일째인 4월 25일 생육을 조 사하였다. 파종 후 106일이 경과한 묘로써 4~5화방 이 개화하며 하위 화방이 착과하여 비대되고 있는 시기였다. 소과종인 ‘미니찰’은 대과종 두 품종에 비 하여 초장이 길고, 엽수가 많은 경향이었으나 경경, 엽면적과 지상부 무게가 적었다. 배양액 EC농도가 너무 낮거나 높을 경우 엽면적이 감소하여 지상부 중량에 차이를 나타내었다(Table 1).

    배양액의 농도에 대한 반응을 5월 12일까지 관찰 하였을 때 고농도 배양액 처리에서 ‘대프니스’와 ‘미 니찰’은 엽조직 괴사와 ‘수퍼도태랑’은 생장점 부근 의 시들음이 발생하며 품종간에 다른 장해 특성을 나타내었다(Fig. 1).

    엽의 괴사는 ‘대프니스’에서 4월 하순부터 발생하 기 시작하여 증상이 진전되었으며 ‘미니찰’은 5월부 터 발생하여 하엽에서 일부 증상이 나타나며 ‘대프 니스’가 증상이 훨씬 심하게 나타났다. 배양액의 EC 가 높은 4.0dS·m-1처리에서는 작물 전체에 심하게 나타났으며 낮은 EC 에서는 증상이 경미하였다. ‘수 퍼도태랑’은 4월 중순부터 일부 시들음 증상이 발생 하였는데 한낮에 일사량에 비례하여 자동 차광 (50% 차광망 이용) 되었기 때문에 시험 종료까지 완전히 고사하지는 않았다. 이는 일사량(Cedergreen & Madsen, 2003), 기온(Pardossi et al., 2005) 및 근권온도(Rachmilevitch et al., 2006;Lyons et al., 2007) 등의 환경적인 요인이 배양액의 흡 수와 증산에 크게 영향을 미친다는 결과로 미루어 4월 하순과 5월 상순의 갑작스러운 고온과 일사량 의 증가로 근권으로부터 배양액의 흡수에 비하여 증산이 많아 체내 이온 축적이 조장되어 염류장해 를 일으킨 것으로 판단된다.

    토마토 1일 수분 흡수량은 1차 조사에서 150mL 내외였으며 ‘대프니스’와 ‘미니찰’은 EC 1.0dS·m-1 의 수분흡수량이 1.5dS·m-1 보다 적고, 그 보다 높 은 EC 에서는 EC가 높을수록 수분의 흡수가 적은 경향이었다. ‘수퍼도태랑’은 배양액의 EC가 높을수 록 수분 흡수가 적었다. 그러나 품종간의 수분흡수 량 차이는 뚜렷하지 않았다(Fig. 2, A).

    2차 조사에서 토마토 1일 수분흡수량은 ‘수퍼도태 랑’과 ‘미니찰’ 품종은 EC가 높을수록 흡수량이 적어 졌다. ‘대프니스’는 EC 1.0dS·m-1에서 1,642mL로 가장 많아 다른 처리에 비하여 수분흡수가 많았지만 EC 2.0dS·m-1 이상에서 더 이상 수분흡수가 감소 하지 않았다. ‘수퍼도태랑’은 고농도 배양액에서 수 분흡수 장해로 인해(시들음) 다른 두 품종에 비하여 수분의 흡수가 현저히 감소하였다(Fig. 2, B).

    고농도 배양액 공급에 의한 수분 흡수 장해는 여러 연구 결과로 보고된 바 있는데 Schwarz와 Kuchenbuch(1998)는 고농도 배양액 공급에 의해 발생하는 수분흡수 감소는 엽면적 감소에 의해 발생 한다고 하였다. 증산량(수분흡수)에 미치는 엽면적 의 중요성은(Jolliet & Bailey, 1992;Monteinth & Unsworth, 2007) 여러 연구에서 잘 나타나고 있 다. 높은 EC로 인한 수분흡수 장해는 초기에는 주 로 생육 감소(Giuffrida et al., 2008), 엽 생장 감 소가 발생하지만 한계를 넘을 경우 염류가 세포질 에 축적되어 효소 활성을 억제하거나, 세포벽에 축 적되어 세포를 탈수시킴으로써 결국 세포 사멸을 일으킨다(Munns, 2002).

    1차 시기의 토마토 1일 무기이온의 흡수량은 NO3-N 19.6-38.8mg, P 7.3-15.4, K 55.2-122.2mg, Ca 34.7-79.7mg, Mg 3.3-13.1mg이었다. 모든 이온이 배양액의 EC가 높을수록 흡수량이 많아졌는데 품종 별 차이는 없었다(Fig. 3, A, B, C, D, and E).

    2차 시기 무기이온의 1일 흡수량은 ‘대프니스’, ‘수 퍼도태랑’, ‘미니찰’에서 각각 NO3-N는 198-442mg, 158-491mg, 146-527mg이었으며, P는 14.6-82.6mg, 13.0-83.2mg, 14.4-96.5mg이었다. K는 270-621mg, 288-690mg, 204-705mg으로, Ca는 133-369mg, 88-390mg, 93-461g으로, Mg는 37.6-88.2mg, 41.2-98.8mg, 23.4-122.9mg으로 분석되었다.

    이온 종류별 최저 흡수량에 대비하여 최고 흡수량 의 비율은 ‘대프니스’, ‘수퍼도태랑’, ‘미니찰’ 각각 NO3-N는 2.2배, 3.1배, 3.6배, P는 5.7배, 6.4배, 6.7배, K는 2.3배, 2.4배, 3.5배로, Ca는 2.8배, 4.4배, 5.0배, Mg는 2.3배, 2.4배, 5.2배로 나타났 다 ‘대프니스’는 다른 품종에 비하여 저농도에서 이 온의 흡수량이 많고 고농도에서는 흡수량이 적었다. 반면 ‘미니찰’은 다른 품종에 비하여 저농도에서는 흡수량이 적고 고농도에서는 흡수량이 많은 경향을 나타내었다(Fig. 3, a, b, c, d, and e).

    Figure 4는 배양액의 초기 투입농도를 기준으로 수분의 흡수에 대한 양분의 흡수비율을 구한 것이 다. 1차 시기에 배양액 EC가 높을수록 흡수율이 감 소하였는데 1.0dS·m-1, 2.0dS·m-1처리에 비하여 3.0dS·m-1, 4.0dS·m-1 처리의 흡수율이 현저히 감소하였다. 저농도 배양액 처리에서는 NO3-N, K 가 투입농도보다 높은 비율로 흡수되었고, Ca와 S 는 흡수비율이 낮아서 이온 상호간에 불균형이 심하 였다. 소과종인 ‘미니찰’이 대과종에 비하여 S 이온 흡수율이 낮았으며, Ca는 오히려 높았다. 대과종인 ‘대프니스’와 ‘수퍼도태랑’을 비교하였을 때, ‘대프니 스’는 EC 1.0dS·m-1처리에서 NO3-N, K 흡수비가 높았고, EC 4.0dS·m-1처리에서 흡수비가 낮았다.

    2차 시기는 1차에 비하여 전체적으로는 이온흡수 율이 높아졌는데, 특히 고농도 배양액 처리구에서 흡수율이 높아져 EC에 따른 흡수율의 차이가 적어 졌는데 ‘대프니스’는 다른 두 품종에 비하여 투입 EC에 따른 이온간 흡수율의 차이가 크게 나타났다. 또 저농도에서 NO3-N와 K의 흡수율도 다른 두 품 종에 비하여 높았다.

    수경재배에서는 배지의 용량이 적기 때문에 일반 적으로 양액을 과잉공급하고 나머지를 배액으로 배 출시키는 양액공급 전략을 사용하고 있는데, 최근에 는 유기배지의 사용이 일반적이기 때문에 무기배지 에서와는 다른 반응에 의해 특정양분의 집적과 이온 간 불균형이 생리장해를 일으킬 가능성이 높다. 그 런데 적색계인 대과종인 ‘대프니스’가 다른 두 품종 에 비하여 저농도에서는 양분을 능동적으로 흡수하 고, 고농도에서는 이온 흡수를 억제하는 특성을 뚜 렷하게 나타내었으며 이런 특성이 거의 1년에 가까 운 장기재배 기간 동안 변화하는 근권내 양분상태에 적응하여 안정적으로 초세를 유지할 수 있게 하는 요인일 가능성이 있다고 판단되었다. 그러나 극단적 인 고농도 조건(EC 4.0dS·m-1)에서는 염류장해 대 한 민감도는 ‘대프니스’가 높은 것으로 나타나 품종 에 따른 적정한 급액 EC 설정이 매우 중요하며, 본 연구에서는 배지의 특성을 배재한 품종 고유의 특성 을 구명하기 위하여 담액방식의 순수 수경재배를 수 행하였지만 실제 농가에 적용하기 위하여 배지를 이 용한 수경재배에 대한 연구가 추가적으로 수행되어 야 할 것이다.

    감사의 글

    본 연구는 농촌진흥청 기관고유사업(PJ013458)의 지원에 의해 수행되었음.

    Figure

    JALS-53-1-13_F1.gif

    Photograph of tissue necrosis and wilting symptoms by salt stress.

    JALS-53-1-13_F2.gif

    Daily water uptake of tomato plants as affected by different nutrient solution EC. A, The first period(March 20 to 23); B, The second period(April 21 to 25). Values represent the means±standard deviations.

    JALS-53-1-13_F3.gif

    Daily inorganic ion uptake of tomato plants as affected by different nutrient solution EC. Values represent the means±standard deviations. A, B, C, D, and E, first period(March 20 to 23) and a, b, c, d and e; second period(April 21 to 25).

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    Uptake rate of inorganic ion compared to initial input concentration of tomato cultivars as affected by different nutrient solution EC. A, B, and C; first period(March 20 to 23) and a, b and c; second period(April 21 to 25).

    Table

    Growth of tomato cultivars as affected by nutrient solution EC on April 25

    Reference

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