서 론
재료 및 방법
감자재배
비가림 하우스 감자 지상부 생육량 및 수확량 분석
노지재배 식생지수(NDVI) 분석 및 추가 분석지역 지정
노지 재배 생육 및 수량 분석
통계처리
결과 및 고찰
온실재배 시 감자 수확량과 지상부 생육과의 상관관계 분석
노지 재배 시 재배기간 중 식생지수 분석 및 정밀분석 지점 선정
노지 재배에서 감자 수량, 지상부 건물중, 식생지수와의 상관관계 분석
적 요
서 론
감자는 면적당 생산량이 높을 뿐만 아니라 열량이 높고, 단백질, 비타민 및 무기염류 등이 풍부하여 세계적으로 주요 식량작물로 재배되고 있다. 감자는 국내의 경우 쌀 생산량이 충분치 않을 때 구황작물로 주로 재배하였으나 최근에는 가공식품으로 주로 소비되고 있다.
감자는 수량은 품종적 특징, 기상환경, 재배조건에 따라 크게 달라지는 것으로 알려져 있다(Mumford et al., 2023). 감자 수확 전에 수량을 정확하게 예측하는 것은 수확 후 안정적인 저장공간을 미리 확보하고 유통구조 안정화를 위해 중요한 작업이다(Lin et al., 2023). 그러나 감자는 영양번식 작물로 땅속에 있는 줄기 마디로부터 줄기가 나온 뒤 끝이 비대해지며 덩이줄기를 형성하고 이를 수확하여, 수확물이 땅속에 있어 수확 전에는 수량을 예측하기가 어려운 작물이다. 현재까지 감자 수량은 포장에서 직접 표본조사를 통해 예측하고 있어 정확한 수량을 짧은 시간 내에 효과적으로 예측하는 기술 개발을 위한 연구는 꾸준히 진행되고 있다(Reynolds et al., 2000). 감자의 수량을 예측하기 위해 최근 50년간 약 50개가 넘는 프로세스 기반 모델이 개발되어 있으며 이 모델들은 물관리, 이산화탄소 농도, 재배관리 방법, 병해충 및 스트레스 발생에 따라 수량을 예측할 수 있는 기술로 알려져 있다(Singh et al., 2005; Van Delden et al., 2003, Roth et al., 1995). 국내에서도 감자 수확 전 수확량을 예측하기 위해서 기상값을 활용한 연구가 주로 진행되고 있는데 무피복 재배 및 피복재배에서 감자의 생육에 주요 영향을 미치는 일장, 일조량, 온도 등 기상자료를 활용하여 수량성을 예측하여 재배 적지 및 파종기를 설정할 수 있도록 정보를 제공하고 있다(Choi et al., 2014; Lee et al., 2016). 그러나 재배지의 기상을 중심으로 수량을 예측하는 프로세스 기반 모델들은 수량예측을 위해 토양특성, 기상특성 등 반영되는 항목의 범위가 다소 좁아 다양한 지역에 동시에 적용될 수 없는 한계가 있다. 이 때문에 여전히 이렇게 개발된 모델들이 활용적으로 사용되고 있지 않아 더욱 효과적인 수량 예측 기술 개발이 필요한 실정이다.
최근 센싱 기술의 발달로 분광 정보를 농업에 적용하고자 하는 시도가 활발히 이루어지고 있다(Ma et al., 2023; Garcia-Haro et al., 2020). 해외의 경우 감자의 지상부를 분석함으로써 지하부 수량을 분석하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다(Kawsar et al., 2016; Luo et al., 2020; Lui et al, 2023; Liu et al., 2024). 그러나 국내에서는 감자 지상부 분석을 통한 지하부 수량성을 예측하기 위한 연구는 미흡한 실정이다. 이에 본 연구는 감자 지상부 생육과 수량과의 상관관계를 분석하고 지상부 분석을 통해 감자 수확량을 예측하기 위한 정보를 취득하고자 진행되었다.
재료 및 방법
감자재배
감자는 조생종인 수미, 조평을 사용하였으며 전라북도 완주군 이서면에 위치한 국립식량과학원(35°50′2.0′′N, 127°2′44.2′′E)에서 재배하였다. 본 연구는 감자 생육기 중의 지상부 분석을 통해 지하부 수량 예측 가능성을 분석하기 위해 수행되었으며 지상부 생육량을 달리할 수 있도록 재배가 필요하였다. 이에 지상부 생육량을 달리하기 위해 관수량을 조절하여 다양한 한발 처리 구를 조성하였다. 한발처리의 효과를 극대화하여 지상부 건물중 차이를 명확히 재현하기 위해 강우를 차단할 수 있는 비가림 온실을 활용하는 한편, 자연조건에서 지상부 분석을 통한 수량예측을 하기 위해 노지 재배를 동시에 진행하였다. 1회 관수 시간은 감자 재배골의 흙양을 고려하여 흙의 부피와 동일한 물을 공급할 수 있는 관수 시간을 무처리(100%)로 설정하였으며, 한발조건은 무처리 대비 관수 시간을 20%·40%·60%·80%로 조절하여 관수량을 달리하여 조성하였다. 감자 처리구별 출현 시기를 동일하게 하기 위해 이식 후 출현기까지는 관행 조건으로 물관리를 하였으며, 출현 시기 이후 전 생육 기간 중 한발처리를 진행하였다. 비가림 온실의 경우 품종 및 한발처리마다 두 골씩 재배하였으며 한 골마다 25 cm 간격으로 총 100포기의 감자를 재배하였다. 노지 재배의 경우 각 한발처리 및 품종마다 4골씩 재배하였으며 한 골마다 재식거리는 온실과 같이 25 cm 지정하였으며 한골마다 100 포기를 재배하였다. 감자 재배 시기는 봄감자 재배 시기에 맞추어 재배하였으며 건전한 씨감자를 준비하여 싹틀 틔운 뒤 온실재배의 경우 3월 중순, 노지재배의 경우 4월 중순에 씨감자를 심고 재배를 시작하여 6월 중순에 수확하였다. 비료는 파종 전 전량 기비로 주고 그 외 재배방법은 농촌진흥청 표준시비법에 따라 진행하였다(RDA, 2020).
비가림 하우스 감자 지상부 생육량 및 수확량 분석
비가림 온실재배에서 한발처리 후 지상부 생육량을 분석하기 위해 최대 생육기에 각 포기당 중심 줄기의 엽수, 줄기의 키를 조사하였으며 수확 시기에 전체 지상부를 채취하여 포기당 지상부 건물중을 분석하였다. 건물중은 포기당 지상부를 수확 후 70℃에서 3일간 건조하여 조사하였으며 지하부의 경우 포기당 전체 감자를 수확하여 그늘에서 5일간 건조 후 전체 수량과 상품성이 있는 80 g 이상 괴근의 수량을 측정하였다.
노지재배 식생지수(NDVI) 분석 및 추가 분석지역 지정
감자 노지 재배 시 식생지수(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI) 변화를 분석하기 위해 감자 출현 후 수확기까지 전 생육기간 중 약 10일에 한 번씩 다분광 드론(PHANTOM 4 Multispectral, DJI, China)을 이용하여 식생지수를 측정하였다. 드론은 충분한 해상도를 확보하기 위해 낮은 고도인 8 m 및 20 m 고도로, 오전 10시 ~11시 사이에 운행하였으며 취득된 이미지는 PIX4Dfields (http://www.pix4d.com)소프트웨어를 사용하여 포장 전체의 이미지가 보일 수 있도록 정합 후 생육기간 중 전체 식생지수의 변화값을 분석하였다. 분석결과를 바탕으로 식생지수가 가장 높은 시기를 특정 후 식생지수가 다른 부분을 품종당 35곳씩 지정하였다. 감자의 경우 지상부가 커지면서 고랑 사이에 줄기가 누워 고랑을 덮는 것을 감안하여 두 고랑 사이의 중간 지점까지 식생지수 분석 지점이 되도록 분석 폭을 지정하였으며 고랑 내에서는 길이가 1.5 m가 되도록 지정하여 한 분석지점 당 감자 6포기가 들어갈 수 있도록 하였다.
노지 재배 생육 및 수량 분석
노지재배의 경우 생육기 중 식생지수 분석을 통해 지상부 건물중이 다를 것으로 예상되는 지점을 품종별 각 35지점을 선정하여 수확 시 지상부 건물중 및 감자 수량을 조사하였다. 각 조사지점은 충분한 식생지수 및 건물중, 수확량 분석을 위해 감자 6포기가 들어가는 면적으로 동일하게 지정하였다. 지상부 건물중과 감자 수량조사는 비가림 온실재배 시험 분석과 동일하게 진행하였다.
통계처리
통계처리는 SAS 9.4을 사용하였으며 Duncan’s multiple range test (DMRT)로 유의수준 0.05% 수준에서 분석하였다.
결과 및 고찰
온실재배 시 감자 수확량과 지상부 생육과의 상관관계 분석
강우가 차단된 온실에서 관수량 조절을 통해 한발조건을 조성하여 감자를 생육한 뒤 감자 포기당 수확량과 지상부 생육량의 상관관계를 분석하였다(Fig. 1). 시험재료로 사용한 수미와 조평 모두 지상부 건물중과 포기당 전체 수확량과의 상관관계가 유의하게 분석되었으며 두 품종을 종합하여 분석하여도 지상부 건물중과 수확량과의 상관관계가 높은 것으로 확인되었다(Fig. 1A-C). Li et al. (2020)의 연구결과 지상부 생체량과 감자 수확량과의 상관관계는 생육기 모든 시기에서 고도로 유의하게 나타났으며 이는 본 시험의 결과와 유사한 결과로 지상부 생체량 혹은 건물중에 따라 감자 수량이 변화하는 것은 지상부 생육량이 많을수록 광합성량이 증가하여 지하부 감자 생육량이 많아지는 것으로 판단된다.
지상부 건물중과 상품성이 인정되는 80 g 이상 괴경 수량과의 상관관계를 분석한 결과, 수미는 조평에 비해 유의성이 다소 낮은 경향이었으며 품종을 종합하여 분석한 결과 지상부 건물중과 80 g 이상의 괴경 수량과의 상관계수는 0.53으로 낮은 경향이었다(Fig 1D-F). 이는 지상부 생육량은 괴경 전체의 생육에는 영향을 주지만 각각의 괴경 크기에 직접적으로 영향을 미치는 것보다 괴경수 증가 등 전반적인 수량증가에 영향을 주어 지상부 생육량이 80 g 이상의 감자 수량과의 상관관계가 낮아진 것으로 판단된다.
감자의 지상부 건물중은 줄기의 크기, 줄기의 개수 및 줄기가 자라면서 생기는 잎의 개수 등에 따라 증가한다. 감자의 경우 줄기에서 곁가지가 생기는 특성이 있으며 줄기가 연약하여 조사를 위해 줄기를 건드릴 경우 잘 부러지는 경향이 있어 모든 줄기의 생육 및 엽수를 분석하는 것은 어려운 작업이다. 이에 각 포기당 가장 생육이 왕성한 중심줄기의 엽수, 중심줄기의 키과 감자 수량과의 상관관계를 분석하였다(Fig. 2). 분셕 결과, 품종 간의 차이는 있지만 지상부 건물중에 비해 중심줄기의 키 및 엽수는 감자 수량과 상관관계는 높지 않은 것으로 나타났다. 또한 한발처리 조건에 따라 지상부에서 생성된 동화산물이 지하부로 전류되는 양이 변동되는지 확인하기 위해 감자수량과 지상부건물중의 비율을 한발조건별로 분석하였다(Fig. 3). 분석 결과, 대조조건과 한발처리 조건 시 감자수량과 지상부건물중은 유의한 차이가 나지 않는 것으로 분석되어 지상부의 건불중으로 지하부를 분석하는 것이 한발 조건이라는 특정 조건에만 해당되지 않는 것으로 확인하였다. 이에 감자의 지상부 생육량을 가장 손쉽게, 정확하게 측정할 수 있는 방법은 지상부 건물중을 분석하는 방법임을 알 수 있었다.
노지 재배 시 재배기간 중 식생지수 분석 및 정밀분석 지점 선정
노지에서 지상부 생육량을 달리하기 위해 관수량을 달리한 한발 조건을 조성하여 감자를 심은 뒤 재배 기간 중 지상부의 식생지수를 측정하였다(Table 1). 감자 이식 후 약 64일 뒤에 식생지수가 최대가 되었으며 이후 식생지수는 감소하여 수확 직전인 이식 후 93일에 최소값을 나타내었다. 식생지수는 관수량에 따른 차이를 보였으며 관수량이 감소할수록 수치가 낮아지는 것을 보아 지상부 생육량이 관수량에 따라 감소하고 있으며 한발처리가 잘 되고 있는 것을 확인할 수 있었다.
Table 1.
The change of NDVI value under different water treatments in poatato field during cultivation period.
수미와 조평 두 품종에서 지상부 건물중에 따른 식생지수, 수량변화를 분석하기 위해 품종별 지상부 생육량이 다른 35지점을 선정하여 동일한 면적을 대상으로 식생지수를 분석하였다(Fig. 4). 수미와 조평 모두 각 35지점에서 이식 후 64일 식생지수를 분석한 결과 식생지수가 차등적으로 변동되고 있음을 확인하였으며 이를 통해 지상부 건물중이 다른 지점이 잘 선정되었음을 확인할 수 있었다.
노지 재배에서 감자 수량, 지상부 건물중, 식생지수와의 상관관계 분석
감자 노지 재배 시험 시 각 품종당 선정된 35지점의 감자 수확량과 지상부 건물중과의 상관관계를 분석한 결과, 유의한 상관관계가 있음을 확인하였다(Fig. 5(A)). 이는 온실재배와 같은 결과로, 노지 재배에서도 감자 수량 결정에 지상부 생육량이 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 지상부 생육량이 감자 수량에 중요한 영향을 미치는 것이 확인 되었지만 감자 수량을 예측 혹은 예측하기 위해 지상부 생육량을 조사하기는 어려운 일이다. 이에 지상부 생육량을 손쉽게 확인할 수 있는 방법을 찾아보기 위해 식생지수와 지상부 건물중과의 상관관계를 분석하였다. 지상부 건물중과 생육시기별 식생지수 값의 상관관계를 분석한 결과, 지상부 생육량이 최대가 되는 시점인 이식 후 64일경 식생지수와 상관관계가 높은 것으로 나타났으며(Fig. 5(B)), 수확 직전인 이식 후 93일경 식생지수와는 상관관계가 낮은 것으로 나타났다(Fig. 5(C)). 이는 식생지수가 작물의 생체량 뿐만 아니라 엽색도 같이 분석하는 지수로 수확전의 경우 지상부 생체량은 최고 생육기와 비교하여 차이가 없지만 엽록소 함량이 감소하여 엽색이 낮아지기 때문으로 판단된다. Li et al(2020)의 연구결과도 이와 비슷한 경향으로 감자 지상부의 생육량을 이미지로 추출하여 지상부에서 취득한 분광 정보와의 상관관계를 분석한 결과 생육시기에 따라 유의성이 달라지는 것으로 분석되었다. 이를 통해 지상부 분광정보로 지상부 생육량을 판단하기 위해서는 생육량이 분석 시기를 정확하게 설정하여 추진하는 것이 중요한 것으로 판단된다.
감자의 지상부 생육량을 식생지수로 예측할 수 있는 결과를 기반으로, 감자 수확량과 식생지수와의 상관관계를 분석하였다(Fig. 6). 감자 지상부 생육의 최성기 시기의 식생지수와 감자 수확량의 상관계수는 0.84로 매우 높은 것으로 나타났다. 반면 감자 수확 직전의 식생지수와 감자 수량과의 상관계수는 0.69로 낮아지는 경향이었다. 이는 식생지수와 건물중의 상관관계 분석과 같은 결과로 최대 생육기가 지나고 나면 식생지수를 통해 최대 건물중을 확인하기가 어려워지며 그 결과 식생지수를 통한 수확량 예측 정확도도 낮아지는 것으로 판단된다.
본 연구결과를 통해 감자 지상부 건물중을 분석함으로써 최종 수확량을 예측할 수 있고 감자 지상부 건물중은 최대 생육기의 NDVI지수로 분석이 가능함으로 최대 생육기의 NDVI지수로 수확량을 예측할 수 있다는 것이 확인되었다. 이는 감자 재배중에 UAV운행을 통한 식생지수 분석이라는 손쉬운 방법으로 수량예측을 할 수 있는 가능성을 확인한 것으로 큰 의미가 있다. 그러나 본 시험은 지상부 생육량을 달리 조성하기 위해 한발조건을 설정하였으나 실제 재배 시에는 한발 조건뿐만 아니라 비료조건, 병해충 등 다양한 환경변화에 따라 지상부 생육량이 달라지며 병해충 피해에 따라 식생지수의 차이가 발생할 수 있어 다양한 환경조건을 반영하지 못한다는 한계가 있다. 향후 연구에서는 지상부 건물중이 달라지는 다양한 환경을 고려한 시험 분석을 통해 감자 지상부 건물중 식생지수 분석을 통해 수량을 예측할 수 있는 기술의 정확도를 높일 필요가 있다.
적 요
감자의 수량을 식생지수로 예측하기 위해 지상부 건물중과 수량, 식생지수와의 상관관계를 분석한 결과는 다음과 같다.
1.감자 포기당 지상부 건물중은 포기당 전체 수량과 유의한 상관관계를 나타내었으나 상품성에 영향을 미치는 80 g 이상의 감자 수량과의 상관관계는 낮았다.
2.감자 포기당 지상부 건물중은 감자 생육최성기의 식생지수와 유의한 상관관계를 보였으며 상관계수는 수확기가 되면서 낮아지는 경향이었다.
3.감자 포기당 수량은 생육 최성기의 식생지수와 유의한 상관관계를 보여 생육 최성기의 식생지수를 통해 최종 감자 수량의 예측 및 예측이 가능할 것으로 판단된다.
