서 론
재료 및 방법
실험장소 및 기간
실험재료
재배 시스템 및 실험 설계
모듈 내부 고형배지 및 양액조건
스마트컨테이너 내부 환경 조건
종자의 발아검정
작물의 생육조사와 수확조사
통계분석
결과 및 고찰
발아율 검정
생육조사 결과
수확조사 결과
적 요
서 론
대마(Cannabis sativa L.)는 삼과(Cannabaceae)에 속하는 일년생 초본식물로, 인류 역사상 가장 오래된 재배 작물 중 하나이며 섬유, 식품, 의약 등 다양한 용도로 활용되어 왔다(Clarke & Merlin, 2013).
의료용 대마(Cannabis sativa L.)는 최근 cannabidiol(CBD) 기반 의약품 산업의 성장과 함께 고부가가치 작물로 주목받고 있으며, 세계적으로 의료용 대마의 합법적 이용 범위가 점차 확대되고 있다(Andre et al., 2016; ElSohly et al., 2017). 또한, 세계보건기구(WHO)는 cannabidiol(CBD)의 낮은 남용 가능성과 비향정신성 특성을 근거로 규제 완화를 권고하였으며(WHO, 2018), 이에 따라 여러 국가에서 의료용 대마의 합법적 이용이 확대되고 있다. 국내에서도 ｢마약류 관리에 관한 법률｣개정을 통해 의료용 대마 성분 의약품의 제한적 사용이 허용되었으며, 규제자유특구 제도를 통해 산업적 활용 기반이 점진적으로 마련되고 있다(Republic of Korea, 2018; 2019). 그리고 의료용 대마는 꽃 부위의 생산량과 품질이 산업적 가치와 직접적으로 연결되기 때문에, 균일한 생육 및 안정적인 생산성 확보가 중요한 재배 요소로 인식되고 있다.
의료용 대마는 환경 조건 변화에 민감하게 반응하는 작물로 알려져 있으며, 광, 온도, 수분 및 근권부 환경에 따라 생육과 생산성이 크게 달라질 수 있다(Caplan et al., 2017). 최근에는 시설재배 시스템을 기반으로 환경 제어를 통한 생산성 향상 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 특히 근권부(rhizosphere) 환경 제어의 중요성이 강조되고 있다. 근권부 환경은 뿌리의 생리 활성, 양분 흡수 및 수분 이용 효율과 밀접하게 관련되어 있으며, 이는 최종적인 생체중 및 건물 생산량에 직접적인 영향을 미친다(Drew, 1997).
식물의 근권부(rhizosphere) 환경은 생육과 생산성에 직접적인 영향을 미치며, 특히 산소 공급은 뿌리 호흡과 에너지 대사에 필수적인 요소이다(Armstrong, 1979; Drew, 1997). 토양 내 산소 부족은 뿌리의 호흡 저해, ATP 생성 감소 및 양분 흡수 저하를 유발하여 작물 생육을 제한하는 주요 요인으로 작용한다(Drew, 1997). 이러한 문제를 해결하기 위해 근권부 산소 공급을 증가시키는 다양한 기술이 개발되어왔으며, 대표적으로 산소화 관개(oxygation) 및 토양 통기(root-zone aeration) 기술이 있다(Bhattarai et al., 2005). Bhattarai 등(2006)은 토마토 재배에서 근권부 공기 공급이 수량과 수분 이용 효율을 유의하게 향상시킨다고 보고하였으며, 후속 연구에서도 다양한 작물에서 생산성 증가 효과가 확인되었다(Bhattarai et al., 2011). 또한 최근 연구에서는 관개수 내 용존 산소를 증가시키는 방식뿐 아니라 토양 내 직접적인 공기 공급이 뿌리 발달과 생리 활성 증진에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다(Jin et al., 2023). 이러한 결과는 근권부 산소 가용성 증가가 작물 생산성 향상에 핵심적인 요인임을 시사한다.
기존의 근권부 산소 공급 기술은 주로 관개수 내 용존 산소 농도를 증가시키는 방식에 집중되어 있으며, 토양 공극 내 공기 조성을 능동적으로 제어하는 접근은 상대적으로 제한적으로 연구되어 왔지만, 또한 의료용 대마와 같은 고부가가치 작물에서는 시설재배 환경 조건이 의료용 대마의 생육과 생산성에 영향을 미칠 수 있음이 보고되었으며(Rodriguez-Morrison et al., 2021), 최근에는 시설재배 기반의 의료용 대마 생산 시스템에서 근권부 환경이 의료용 대마의 생육 및 꽃 생산량에 중요한 영향을 미치는 것으로 보고된 바 있다(Yep & Zheng, 2020). 또한 반밀폐형 온실 환경에서 상토 배지 조성에 따라 의료용 대마의 성장 속도와 최종 수확량에 미치는 영향에 관해 보고된바 있으나(Bernstein et al., 2023), 근권부 공기압 공급과 같은 능동적 공기 제어가 의료용 대마의 생육 및 생산성에 미치는 영향에 대해서는 여전히 충분히 규명되지 않았다.
따라서 본 연구에서는 토양 기반 의료용 대마 재배 시스템에서 재배기 하단부를 통해 압축공기를 주기적으로 공급하여 근권부 공기압 환경을 형성하고, 이에 따른 의료용 대마의 생육 특성 및 꽃 생산성 변화를 분석하고자 하였다. 특히 근권부 공기압 공급이 생육 특성, 꽃수 및 건물 생산량 향상에 긍정적인 영향을 미칠 것이라는 가설 하에 품종별 반응 차이를 비교·분석하였다. 본 연구 결과는 토양 기반 의료용 대마 재배에서 근권 환경 제어 기술의 적용 가능성을 평가하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
재료 및 방법
실험장소 및 기간
경상북도 안동시 풍천면 도양리 1267-6에 위치한 헴프규제자유특구의 의료용 대마 실증구역에 설치한 농업용 스마트컨테이너 재배시설에서 진행하였으며, 고형배지경에 고부가가치 작물인 의료용 대마를 대상으로 근권부 공기압 급여 기술인 ‘그로와이드’의 기술 실증을 위한 의료용 대마재배 시험을 2024년 4월 26일부터 2024년 8월 19일까지 총 2회에 걸쳐 진행하였다.
실험재료
본 실험에 사용된 시험재료는 미국 Verdabio社에서 육종한 의료용 대마 품종인 VB1과 VB4, VB5를 식물검역을 거쳐 수입하여 사용하였다. 재배기간은 2024년 4월 26일 파종하여, 동년 5월 8일 그로와이드 모듈에 이식하였으며, 동년 8월 19일까지 재배한 뒤 수확하였다.
재배 시스템 및 실험 설계
재배에 필요한 장비는, 수직다단재배를 기반으로 개발중인 ‘그로와이드’를 Fig. 1과 같이 1단으로 구현하여 설치하였으며, 탈부착이 가능한 재배 모듈과 모듈의 상부에 급수 라인을 설치하여 양액기와 연결하여 양액을 자동 제어로 공급했다. 공기압 급여를 위한 공기압 배관을 하부에 설치하고, 경원콤프레샤(주)의 오일프리 왕복동 컴프레셔를 사용하여 생성된 공기압을 리시버 탱크에 보관하여 시간에 맞게 토출되도록 하였다. 토양 내 공기압 처리구의 재배대에는 7 bar의 출력 압력을 설정하고, 각 재배대 모듈에 투입되는 입력 압력은 2 bar로 제어하였다. 공기압은 전용 배관을 통해 주 5일(오전 1시, 오후 5시) 간 회당 5분씩, 일 2회 공급하였으며, 대조구에는 공기압을 제외한 모든 환경 요소를 동일하게 설정하였다. 재배 모듈의 규격은 38 cm × 58 cm × 38 cm로 처리구와 대조구 각각 18개씩, 총 36개를 사용하였다. 공기압 처리가 독립적으로 가해지는 재배열을 총 2열을 배치하고, 열 사이에는 작업 통로를 두었으며, 각 배관 라인의 중간에는 밸브를 설치하여 공기압 공급 여부를 구분하였다. 각 열 내에는 VB1, VB5, VB4 품종을 각각 3모듈씩 총 2회 배치하였으며, 하나의 모듈에는 같은 품종이 2개체씩 식재되었으며, 같은 품종끼리는 구분을 위하여 3모듈씩 연속 배치하되 품종간의 위치 편향을 최소화하기 위하여 각 열 내 품종 배치 배열 순서는 다르게 하여 Fig. 2와 같이 배치하였다. 공기압 처리 적용 단위는 모듈에 각각 주입되고, 측정단위는 모듈 내 개체를 수집하였다. 추가로 본 연구는 규제자유특구 내 제한된 컨테이너 재배시설에서 수행된 파일럿 규모의 실증시험으로, 실험 조건상 공기압 처리구와 대조구의 완전무작위 배치 및 독립 블록 반복 구성에는 제한이 있었다. 따라서 본 연구의 통계분석 결과는 동일 재배시설 조건에서 관찰된 처리 반응을 평가한 것으로 해석되어야 하며, 처리 효과의 일반화를 위해서는 독립 배관 라인과 블록 반복을 포함한 추가 검증시험이 필요하다.
모듈 내부 고형배지 및 양액조건
모듈 내부에 들어갈 고형배지경의 재료로서는 깨비농장社의 깨비상토(원예용 프리미엄) 50 L 1포와 깨비농장 펄라이트 50 L를 약 3.3:1(v/v) 비율로 혼합하여 사용하였다. 모든 실험군에 동일한 조건의 양액처방을 사용하였으며, 재배의 양액조건은 정식 초기 3주간 N:P:K=9.5:1.5:14(%)의 비율로 하여 하루 4시간 간격으로 총 4회, 240초씩 급수하여 1일 급수량 2,080 ml로 설정하여 급수하였고, 영양생장중기에는 동일한 비율의 양액을 7시간 간격으로 1일 1회 급여하여 560 ml 급수하였으며, 영양생장말기에는 화아분화 촉진을 위하여 N:P:K=4.62:38.88:27.57(%)의 비율로 조절하여 7시간 간격으로 1일 2회 300초 급수하여 980 ml로 급수하였으며, 생식생장으로 완전히 전환한 이후에는 7:52:17의 비율로 7시간 간격으로 1일 2회 300초씩 총 1,400 ml의 양액이 들어가도록 설정하였으며, 영양생장기의 총기간 동안은 EC 1.5(±0.15) dS/m, pH 6.0(±0.5)을 기준으로 동일한 환경을 조성하였다.
스마트컨테이너 내부 환경 조건
내부 환경은 주간 25°C(±2°C)로 유지되도록 하였으며, 내부 상대습도는 70%(±10%) 유지하였으며, 스마트컨테이너 내부 전범위를 커버하는 회전 선풍기를 천장에 설치하고, 컨테이너 중앙에 전열교환기를 설치하여 내부 공기의 흐름이 특정 부분에 고립되지 않게 설정하여 내부 환경을 고르게 유지하였다. 스마트컨테이너 형식의 억제 재배이기 때문에 태양광을 이용하지 않았으며, 에이팩의 식물생장등(LED)를 활용하여 식물생장등을 영양생장기 ON:OFF는 18:6(hour)로 고정하였고, 생식생장기에는 12:12(hour)로 고정하여 사용하였으며, PPFD는 600 μmol·m-2·s-1로 설정하였으며, 내부 벽을 반사패널을 부착하여 LED 파장의 오차범위를 최소화하였다.
종자의 발아검정
종자의 발아검정은 발아율(GR, germination rate), 발아세(GE, germinative energy), 평균발아일수(ADG, average days to germination), 발아속도지수(PI, promptness index of seed germination), 총 발아율의 50%가 발아된 일수를 나타내는 발아기(T50, time to 50% germination)을 측정했다. 발아를 위한 파종은 2024년 4월 26일 VB1, VB4, VB5를 각각 50립씩 파종하였으며, 발아율은 (최종발아수/파종수)×100%로 하였으며, 발아세는 파종 후 4 일차가 되는 시점으로 일괄 계산하였으며, 평균 발아일수는 발아율 70%에 도달한 시점을 기준으로 계산하였다. 발아속도지수는 PI=∑[(T – ti+1)ni] 식에서 T: 총조사 일수, ti: 치상후 조사일수, ni: 조사당일의 발아수로 대입하여 계산하였다. T50은 파종일로부터 전체 파종 종자의 누적 발아율이 50%에 도달한 시점까지의 경과일수로 산정하였다.
작물의 생육조사와 수확조사
생육조사는 정식 이후 매주 1회 실시하였으며, 품종 및 처리유무별로 각각 4개의 의료용 대마 개체를 무작위로 선정하여 측정하였다. 영양생장기에는 초장(PH, plant height), 가지수(NB, number of branches), 엽장(LL, leaf length), 엽폭(LW, leaf width), 엽수(NL, number of leaves)를 조사하였으며, 생식생장기 전환 이후에는 착화수(NF, number of flowers)를 조사하였다. 수확 시에는 품종 및 처리유무별로 각각 10개의 의료용 대마 개체를 무작위로 선정하여, 개체별 총 생체중과 평균 생체 수확량을 측정하였으며, 50°C에서 48시간 건조한 뒤, 건물중과 평균 건물수량을 산출하였으며, 건물률은 총 생체중에 대한 총 건물중의 백분율로 계산하였으며, 건물중의 일부를 헴프규제자유특구 규정에 따라 경북바이오산업연구원(GIB, Gyeongbuk Institute for Bio Industry)에 제출하였다.
통계분석
본 실험에서 얻어진 모든 데이터는 의료용 대마의 품종(cultivar)과 공기압 처리(air-pressure treatment)에 따른 생육 및 수량 반응을 비교하기 위하여 평균값 ± 표준편차(mean ± standard deviation)로 나타내었다. 생육조사는 처리구 및 품종별로 무작위 선정한 4개체를 대상으로 수행하였으며, 수확조사는 처리구 및 품종별 10개체를 대상으로 수행하였다. 또한 수확 관련 형질에 대해서는 변이계수(coefficient of variation, CV)를 산출하였다.
초장(Plant height), 엽수(Number of leaves), 꽃수(Number of flowers)의 생장곡선은 생육조사 데이터를 이용하여 3-parameter logistic growth model로 회귀분석하였다. 사용된 식은 다음과 같다. y=L/(1+exp(-k(t-t0))), 여기서 L은 최대 생장 한계값(asymptote), k는 생장속도 상수(growth rate constant), t0는 변곡점(inflection point, days after planting)을 의미한다. 모형의 파라미터는 Python scipy package의 scipy.optimize.curve_fit 함수를 이용한 nonlinear least squares 방법으로 추정하였으며, 결정계수(coefficient of determination, R2)를 통해 적합도를 평가하였다.
품종 및 공기압 처리와 이들의 상호작용이 생육과 수량 형질에 미치는 영향을 분석하기 위해 이원분산분석(Two-way ANOVA)을 수행하였다. 특히 생육 데이터는 시기별 처리 효과를 비교 분석하고자 각 조사일별로 Two-way ANOVA를 실시하였다. 모든 통계 분석 및 시각화는 Python을 이용하였다.
결과 및 고찰
발아율 검정
의료용 대마 품종별 종자 발아 특성을 분석한 결과는 Table 1과 같다. 발아율(GR)은 VB1과 VB4가 각각 88.0%로 동일하게 나타났으며, VB5는 100.0%로 가장 높았다. 발아세(GE)는 VB1이 88.0%로 가장 높았고, VB5(86.0%), VB4(84.0%) 순으로 나타났다. 평균발아일수(ADG)는 VB1이 4.00일로 가장 짧았으며, VB4(4.09일), VB5(4.28일) 순으로 나타났다. 발아속도지수(PI)는 VB5(48.25)가 가장 높았고, VB1(44.00), VB4(43.50) 순으로 나타났으며, T50은 모든 품종에서 약 4일 이내로 유사하였다. 종합적으로 3개의 품종의 간극이 크지는 않지만 VB5는 높은 발아율과 PI 값을 보여 발아 활력 측면에서 우수한 경향을 보였으며, VB1은 상대적으로 빠른 발아 속도와 높은 발아세를 나타냈다. VB4는 전반적으로 중간 수준의 발아 특성을 보였다. 이러한 결과는 동일 조건에서도 품종 간 발아율과 발아 속도에 차이가 있음을 확인할 수 있었다.
Table 1.
Germination performance of three medical cannabis cultivars.
| Cultivar | GR (%) | GE (%) | ADG (day) | PI | T50 (day) |
| VB1 | 88.0 | 88.0 | 4.00 | 44.00 | ~4.00 |
| VB4 | 88.0 | 84.0 | 4.09 | 43.50 | ~4.00 |
| VB5 | 100.0 | 86.0 | 4.28 | 48.25 | ~4.00 |
생육조사 결과
파종부터 수확까지 약 115일로 총 3.8개월의 재배기간이 소요되었으며, 정식 후 수확까지는 약 103일로 약 3.4개월이 소요되었다. 공기압 처리에 따른 생육 반응을 조사한 결과는 Table 2와 같다. 초장은 대조구가 처리구보다 높은 값을 나타내는 경향을 보였으며, 그중에서도 VB4의 미처리구가 127.3으로 가장 높았다. 이러한 결과는 근권 내 산소 공급 증가가 반드시 지상부 생장(초장)을 촉진하지는 않는다는 기존 보고와 일치한다. 일반적으로 토양 내 공기공급(soil aeration)은 뿌리 호흡과 대사 활성에는 긍정적인 영향을 미치지만, 간헐적 공기압 처리는 식물체의 에너지 분배를 영양생장에서 생식생장으로 전환시키는 요인으로 작용할 수 있다(Glinski & Stepniewski, 1985; Drew, 1997). 특히 본 실험에서 초장은 감소한 반면 모든 품종에서 화서 수가 증가한 결과는, 공기압 처리가 근권 환경 변화를 통해 생식생장 관련 형질 증가와 연관되었을 가능성을 시사한다. 이러한 경향은 근권 산소 공급 증가 시 지상부 길이 생장보다 수량 및 생식기관 발달이 우선적으로 증가한다는 Bhattarai et al. (2006)의 보고와도 일치한다.
Table 2.
Growth characteristics of three medical cannabis cultivars.
| Cultivar | Treatment | PH (cm) | NB | LL (cm) | LW (cm) | NL | NF |
| VB1 | Treated | 81.3 ± 8.51 | 30.0 ± 0.0 | 12.7 ± 0.9 | 1.75 ± 0.2 | 495.5 ± 25.2 | 474.8 ± 32.5 |
| VB1 | Control | 91.0 ± 3.6 | 30.0 ± 0.0 | 12.9 ± 0.2 | 2.00 ± 0.1 | 507.5 ± 16.3 | 428.3 ± 65.2 |
| VB4 | Treated | 107.8 ± 10.3 | 28.0 ± 0.0 | 11.8 ± 0.5 | 1.75 ± 0.1 | 692.0 ± 58.4 | 629.3 ± 99.3 |
| VB4 | Control | 127.3 ± 25.8 | 28.0 ± 0.0 | 12.6 ± 1.8 | 1.83 ± 0.2 | 593.0 ± 20.0 | 103.0 ± 17.8 |
| VB5 | Treated | 92.3 ± 3.2 | 30.0 ± 0.0 | 11.4 ± 0.5 | 2.00 ± 0.1 | 579.3 ± 39.2 | 435.0 ± 69.8 |
| VB5 | Control | 107.8 ± 14.2 | 32.0 ± 0.0 | 11.5 ± 1.7 | 1.93 ± 0.2 | 485.8 ± 76.3 | 164.3 ± 123.5 |
그로와이드 모듈을 통한 공기압 처리에 따른 3가지 품종의 의료용 대마의 초장에 관한 생장곡선은 Fig. 3와 같으며 이에따른 품종 및 처리구별 초장의 생육조사 결과에 관한 이원분산분석 결과는 Table 3과 같다, 전반적으로 전형적인 S-curve(sigmoidal growth pattern)를 나타냈다. 즉, 초기 생장 지연기, 급속 생장기, 생장 둔화기의 3단계가 명확하게 구분되었다. 초기 구간(05/08~05/20)에서는 모든 품종 및 처리구에서 생장량이 크지 않아 완만한 증가를 보였으며, 이는 활착 및 초기 생육 적응 단계로 판단된다. 이후 05/20~06/24 구간에서 급격한 생장 증가가 나타났고, 특히 06/03~06/24 구간에서 모든 처리구의 생장곡선의 기울기가 가장 크게 나타나 최대 생장속도 구간으로 해석된다. 6/24이후부터는 생장 증가율이 점차 감소하며 07/02 이후 대부분의 구간에서 정체기에 근접하는 양상을 보였는데, 이는 영양생장에서 생식생장으로 전환되면서 초장 신장이 제한된 결과로 판단되며, 영양생장에서 생식생장으로의 전환은 생장점의 발달 프로그램 변화를 동반하며, 이로 인해 생장 패턴이 변화한다는 개념과 일치한다(Gilbert, 2000). 공기압 처리에 따른 결과로는, 3가지 품종 모두에서 처리구가 대조구에 비해 초장 생장이 억제되는 경향을 보였다. 이러한 결과는 간헐적 공기압 스트레스가 식물체 내 에너지 분배를 영양생장에서 생식생장으로 전환시키는 요인으로 작용할 수 있다는 보고(Glinski & Stepniewski, 1985)와 일치하며, 근권 산소 공급 증가 시 지상부 길이 생장보다 생식기관 발달이 우선적으로 증가한다는 Bhattarai et al. (2006)의 결과와도 부합한다. 전체적으로 초장 생육은 공기압 처리보다 품종의 영향을 더 크게 받는 경향을 보였다. Two-way ANOVA 결과(Table 3), 품종 효과는 대부분의 조사 시점에서 유의하게 나타났으며(p < 0.001), 처리 효과는 일부 조사 시점에서 유의하였다. 반면 품종 × 처리 상호작용은 전 기간 동안 유의하지 않아, 공기압 처리에 대한 초장 반응은 품종 간 큰 차이를 보이지 않았다.
Table 3.
Summary of two-way ANOVA for plant height across the sampling dates.
엽수에 관한 생장곡선(Fig. 4)과 이에따른 품종 및 처리구별 엽수의 생육조사 결과에 관한 이원분산분석 결과는 Table 4와 같다, 전반적으로 전형적인 S-curve(sigmoidal growth pattern)를 나타냈다. 초기(05/08~06/03)에는 증가폭이 작았으며, 이후 06/03~06/24 구간에서 급격한 증가가 나타나 지수적 생장기가 형성되었다. 특히 06/17~07/02 사이에서 가장 가파른 기울기를 보이며 최대 생장속도에 도달하였고, 이후 07/15 이후부터는 증가율이 감소하면서 점차 포화 단계에 접근하였다. 이는 생육 초기에는 엽 형성이 제한적이다가, 환경 적응 및 광합성 능력 확보 이후 급격히 증가하고, 이후 생식생장 전환과 함께 엽 생성이 둔화되는 일반적인 생리적 패턴과 일치한다. 품종별 차이로는 VB4에서 가장 우수한 엽생산 능력을 보였으며, Two-way ANOVA 결과(Table 4), 엽수는 생육 후기(07/02~07/29)에서 품종 및 처리 효과가 유의하게 나타났다. 반면 품종 × 처리 상호작용은 대부분의 조사 시점에서 유의하지 않아, 공기압 처리에 따른 엽수 증가 경향은 품종 전반에서 공통적으로 나타난 것으로 판단된다.
Table 4.
Summary of two-way ANOVA for number of leaves across sampling dates.
꽃수에 관한 생장곡선(Fig. 5)은 초장 및 엽수와 달리 초기 생육기 동안 거의 증가하지 않다가 일정 시점 이후 급격히 증가하는 지연형 S-curve(sigmoidal pattern with lag phase)를 나타냈다. 07/22 까지는 모든 처리에서 꽃수가 낮은 수준을 유지하였으며, 07/29를 기점으로 급격한 증가가 시작되었다. 이는 영양생장에서 생식생장으로 전환되는 시점과 일치하는 것으로 판단된다. 이후 07/29~08/12 구간에서 가장 큰 증가폭을 보였으며, 08/12 이후부터는 증가율이 둔화되며 포화 단계에 진입하는 양상을 나타냈다. 또한 모든 품종에서 공기압 처리구가 대조구에 비해 꽃수가 증가하는 경향을 보였지만, VB1품종에서는 통계적인 차이를 보이진 못했다, 공기압 처리가 개화 및 생식생장 촉진에 영향을 미칠 가능성을 시사하였다. 이러한 결과는 근권 산소 공급 증가 시 생식기관 발달 및 수량이 우선적으로 증가한다는 Bhattarai et al. (2006)의 보고와 비슷한 경향을 보였지만, VB1 품종에서는 상대적으로 처리 반응 폭이 적게 나타났다. 꽃수에 대한 Two-way ANOVA 결과(Table 5), 공기압 처리 효과는 모든 조사 시점에서 매우 유의하게 나타났다(p < 0.001). 또한 생육 후기(08/05 이후)에는 품종 × 처리 상호작용 또한 유의하게 나타나, 공기압 처리에 대한 개화 반응이 품종에 따라 다르게 나타났음을 시사하였다. 특히 VB4와 VB5 품종에서는 처리구에서 꽃수 증가가 뚜렷하게 나타난 반면, VB1에서는 상대적으로 반응 폭이 제한적이었다.
Table 5.
Summary of two-way ANOVA for number of flowers across the sampling dates.
또한, 공기압 처리에 따른 3가지 의료용 대마 품종별 초장, 엽수, 꽃수에 관련한 생장곡선의 정량적 피팅결과는 각 생육 형질에 대한 logistic growth model의 parameter(L, k, t0) 및 결정계수(R2)는 Table 6과 같다.
Table 6.
Parameters of logistic growth model fitted to plant height, leaf number, and number of flowers for three cultivars (VB1, VB4, and VB5) under treated (air pressure) and control conditions.
L: asymptote (maximum value); k: growth rate coefficient; t₀: inflection point (days after planting, DAP); R²: coefficient of determination. Curves were fitted using a three-parameter logistic model: y = L / (1 + exp(−k(t − t₀))), and the parameters were estimated by nonlinear least squares using Python.
수확조사 결과
공기압 처리에 따른 의료용 대마 꽃의 생체중 반응은 Table 7과 같으며, 품종 및 처리 효과에 대한 Two-way ANOVA 결과는 Table 8과 같다. 품종별 평균 생체중은 VB4에서 가장 높게 나타났으며, 특히 공기압 처리구에서 332.7 ± 39.8 g으로 가장 높은 값을 기록하였다. VB5 또한 처리구에서 평균 생체중이 증가하는 경향을 보였으나, VB1에서는 처리구와 대조구 간 큰 차이가 나타나지 않았다.
Table 7.
Fresh weight of flowers as affected by the air-pressure treatment.
| Cultivar | Treatment | Mean fresh weight (g) | CV (%) | Total fresh weight (g) |
| VB1 | Treated | 247.81 ± 62.92 | 25.4 | 2,4783 |
| VB1 | Control | 250.9 ± 28.5 | 11.3 | 2,509 |
| VB4 | Treated | 332.7 ± 39.8 | 12.0 | 3,327 |
| VB4 | Control | 280.6 ± 98.1 | 34.9 | 2,806 |
| VB5 | Treated | 243.7 ± 80.2 | 32.9 | 2,437 |
| VB5 | Control | 216.8 ± 49.2 | 22.7 | 2,168 |
Table 8.
Two-way ANOVA summary for fresh weight.
Two-way ANOVA 결과(Table 8), 품종 효과(Cultivar)는 유의하게 나타났으며(p = 0.001), 품종 간 생체중 차이가 존재하는 것으로 확인되었다. 반면 공기압 처리 효과(Treatment)는 통계적으로 유의하지 않았으며(p = 0.133), 품종 × 처리 상호작용(Cultivar × Treatment) 또한 유의하지 않은 것으로 나타났다(p = 0.403).
그러나 일부 품종에서는 공기압 처리구에서 평균 생체중이 증가하는 경향이 관찰되었다. 특히 VB4와 VB5에서는 처리구의 평균 생체중이 대조구보다 높게 나타났으나, 이러한 경향은 통계적으로 유의한 수준에는 도달하지 않았다. 이러한 결과는 공기압 처리에 대한 반응이 품종에 따라 다르게 나타날 가능성을 시사하지만, 처리 효과를 일반화하기 위해서는 추가적인 반복 실험과 후속 검증이 필요할 것으로 판단된다.
또한 근권 산소 공급 증가는 작물의 근권 환경 개선 및 생산성 향상에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다는 기존 연구(Drew, 1997; Jin et al., 2023)와 유사한 경향을 나타냈다. 그러나 본 연구에서는 공기압 처리에 따른 생체중 증가 경향은 관찰되었으나 통계적 유의성은 제한적으로 나타났다.
공기압 처리에 따른 의료용 대마 꽃의 건물중 반응은 Table 9와 같으며, 품종 및 처리 효과에 대한 Two-way ANOVA 결과는 Table 10과 같다. 모든 품종에서 공기압 처리구가 대조구보다 높은 평균 건물중을 나타냈으며, 특히 VB4와 VB5 품종에서 증가폭이 크게 나타났다.
Table 9.
Dry weight of flowers as affected by the air-pressure treatment.
| Cultivar | Treatment | Mean dry weight (g) | CV (%) | Total dry weight (g) | Dry matter (%) |
| VB1 | Treated | 83.91 ± 21.32 | 25.4 | 8393 | 33.94 |
| VB1 | Control | 73.9 ± 8.4 | 11.3 | 739 | 29.5 |
| VB4 | Treated | 132.1 ± 15.8 | 12.0 | 1,321 | 39.7 |
| VB4 | Control | 107.9 ± 37.7 | 34.9 | 1,079 | 38.5 |
| VB5 | Treated | 99.8 ± 32.9 | 32.9 | 998 | 41.0 |
| VB5 | Control | 76.1 ± 17.3 | 22.7 | 761 | 35.1 |
Table 10.
Two-way ANOVA summary for dry weight.
VB4의 경우 처리구 평균 건물중은 132.1 ± 15.8 g으로 대조구(107.9 ± 37.7 g)보다 약 22.4% 증가하였으며, VB5 또한 처리구에서 약 31.1% 높은 건물중을 나타냈다. 반면 VB1에서는 증가폭이 상대적으로 제한적으로 나타났다.
Two-way ANOVA 결과(Table 10), 품종 효과(Cultivar)와 처리 효과(Treatment)는 모두 유의하게 나타났으며(p = 0.001, p = 0.003), 품종 간 차이와 공기압 처리에 따른 건물중 증가 효과가 확인되었다. 반면 품종 × 처리 상호작용(Cultivar × Treatment)은 통계적으로 유의하지 않은 것으로 나타났다(p = 0.575).
이러한 결과는 공기압 처리가 전체적으로 의료용 대마의 건물 축적 증가에 긍정적인 영향을 미칠 가능성을 시사한다. 특히 VB4와 VB5 품종에서 처리구의 평균 건물중이 높게 나타났으나, 품종별 반응 차이에 대한 통계적 상호작용은 확인되지 않았다.
또한 근권 산소 공급 증가는 뿌리 활력 유지와 양분 흡수 효율 향상에 긍정적인 영향을 줄 수 있다는 기존 연구(Bhattarai et al., 2006; Jin et al., 2023)와 유사한 경향을 나타냈다.
다만 본 연구에서는 배지 내 산소 농도 및 근권부 물리화학적 특성을 직접 측정하지 않았기 때문에, 이러한 생리적 기작을 직접적으로 규명하기에는 한계가 있다. 따라서 향후 연구에서는 근권 산소 농도, 산화환원전위 및 뿌리 활력 등을 함께 측정하여 공기압 처리의 생리적 작용기작을 보다 정밀하게 분석할 필요가 있다.
적 요
본 연구는 토양 기반 재배 시스템에서 근권부 공기압 공급이 의료용 대마(Cannabis sativa L.)의 생육 및 생산성에 미치는 영향을 평가하기 위해 수행되었다. 실험은 경상북도 안동시에 위치한 스마트컨테이너 재배시설에서 2024년 4월부터 8월까지 수행되었으며, Verdabio사의 VB1, VB4, VB5 품종을 대상으로 공기압 처리구와 대조구를 비교하였다. 공기압 처리는 재배 모듈 하단부를 통해 주기적으로 압축공기를 공급하는 방식으로 적용하였다.
1. 발아 특성 분석 결과, 세 품종 모두 88.0~100.0%의 발아율을 나타내 전반적으로 양호한 발아 특성을 보였다. VB5는 가장 높은 발아율과 발아속도지수를 나타내 우수한 발아 활력을 보였으며, VB1은 평균발아일수가 가장 짧아 상대적으로 빠른 발아 특성을 나타냈다.
2. 생육 조사 결과, 초장(Plant height)은 전반적으로 공기압 처리구에서 감소하는 경향을 나타냈으며, 품종 효과는 대부분의 조사 시점에서 유의하게 나타났다(p < 0.001). 반면 처리 효과는 일부 시점에서만 유의하게 나타났고, 품종 × 처리 상호작용은 유의하지 않아 공기압 처리에 대한 초장 반응은 품종 간 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 근권부 산소 공급 증가가 지상부 신장생장을 직접적으로 촉진하지 않을 가능성을 시사하였다.
3. 엽수(Number of leaves)는 전반적으로 전형적인 S자형 생장곡선을 나타냈으며, 생육 후기(07/02~07/29)에서 품종 및 처리 효과가 유의하게 나타났다. 반면 품종 × 처리 상호작용은 대부분 유의하지 않아 공기압 처리에 따른 엽수 증가 경향은 품종 전반에서 공통적으로 나타난 것으로 판단되었다.
4. 꽃수(Number of flowers)는 초기 생육기 동안 증가폭이 작다가 생식생장 전환 이후 급격히 증가하는 지연형 S자형 생장곡선을 나타냈다. Two-way ANOVA 결과, 공기압 처리 효과는 모든 조사 시점에서 매우 유의하게 나타났으며(p < 0.001), 생육 후기에는 품종 × 처리 상호작용 또한 유의하게 나타났다. 특히 VB4와 VB5 품종에서 공기압 처리구의 꽃수 증가 경향이 뚜렷하게 나타난 반면, VB1에서는 상대적으로 반응 폭이 제한적으로 나타났다.
5. 생체중(Fresh weight) 분석 결과, 품종 효과는 유의하게 나타났으며(p = 0.001), 품종 간 생체중 차이가 확인되었다. 반면 공기압 처리 효과와 품종 × 처리 상호작용은 통계적으로 유의하지 않았다. 그러나 VB4와 VB5 품종에서는 처리구의 평균 생체중이 대조구보다 높게 나타나는 경향이 관찰되었다.
6. 건물중(Dry weight) 및 건물률(Dry matter percentage) 분석 결과, 모든 품종에서 공기압 처리구가 대조구보다 높은 값을 나타냈다. Two-way ANOVA 결과, 품종 효과(p = 0.001)와 처리 효과(p = 0.003)는 모두 유의하게 나타났으며, 공기압 처리에 따른 건물중 증가 경향이 확인되었다. 반면 품종 × 처리 상호작용은 통계적으로 유의하지 않았다(p = 0.575). 특히 VB4와 VB5 품종에서 처리구의 평균 건물중 증가폭이 상대적으로 크게 나타났으며, 이는 그로와이드 기술을 통한 근권부 공기압 공급이 건물 축적 및 생식생장에 긍정적으로 작용할 가능성을 시사하였다.
종합적으로, 근권부 공기압 공급은 의료용 대마의 영양생장보다는 생식생장 및 건물 생산량 증가에 보다 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 그 반응 양상은 품종에 따라 다르게 나타났다. 특히 VB4와 VB5 품종에서 공기압 처리 효과가 상대적으로 크게 나타나 품종 특성이 공기압 처리 반응에 중요한 요인으로 작용할 가능성이 확인되었다.
의료용 대마는 꽃 생산량 및 건물 생산성이 산업적 가치와 직접적으로 연결되는 작물이므로, 본 연구에서 관찰된 꽃수 및 건물중 증가 경향은 재배 생산성 측면에서 의미 있는 결과로 판단된다. 또한 공기압 처리에 대한 품종별 반응 차이는 향후 근권 환경 제어 기술 적용 시 품종 선발이 중요한 요소가 될 수 있음을 시사한다.
아울러 본 연구는 토양 기반 의료용 대마 재배 시스템에서 근권부 공기압 공급 기술의 적용 가능성을 평가한 초기 연구 중 하나라는 점에서 의의가 있다. 특히 제어환경농업(CEA) 기반 재배환경에서 근권부 공기 제어가 의료용 대마의 생식생장 및 건물 생산성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다는 점에서 학술적 가치가 있는 것으로 판단된다.
따라서 공기압 처리 기술의 실용화를 위해서는 품종별 반응 특성을 고려한 최적 처리 조건 설정이 필요할 것으로 판단된다. 또한 향후 연구에서는 배지 내 산소 농도, 근권부 물리·화학적 특성 및 뿌리 생리 반응 등을 함께 분석하여 공기압 공급의 생리적 작용기작을 보다 정밀하게 규명할 필요가 있다. 한편, 본 연구에서는 헴프규제자유특구 내 재배 및 의료용 대마 취급 절차와 관련된 제한으로 인해 카나비노이드 함량 분석에 필요한 시료 확보 및 분석 과정에 제약이 있었으며, 이에 따라 품질 특성에 대한 충분한 평가가 이루어지지 못하였다. 따라서 향후 연구에서는 관련 분석 프로토콜 및 시료 처리 절차를 보완하여 카나비노이드 함량과 품질 특성에 대한 정밀한 평가가 추가적으로 수행될 필요가 있다.
