서 론
재료 및 방법
재배환경 설정
시험재료 및 재배관리
조사방법
통계처리
결과 및 고찰
수분 스트레스 수준에 따른 감자의 생육변화 분석
수분 스트레스 수준에 따른 감자의 수량변화
수분 스트레스 수준에 따른 감자의 생육 스트레스 분석
정밀 관수 조건에서 감자의 수분 스트레스 반응과 엽면 생육지표 기반 수량 예측 분석
적 요
서 론
최근 기후 변화로 우리나라의 봄철 감자 재배기간 동안 강수 양상이 불규칙해지고 있으며(KMA, 2025), 감자는 수분 스트레스에 민감하기 때문에 생산성 저하가 우려된다(Jacques et al., 2020). 가뭄 발생 정도를 정량화하기 위해 McKee et al. (1993)이 제안한 표준강수지수(SPI, Standardized Precipitation Index)는 강수량만으로 가뭄의 강도와 지속성을 평가할 수 있으며, 현재 세계기상기구(WMO)의 대표적인 기상학적 가뭄 지표로 활용되고 있다. 최근 5년간 주요 재배지역의 SPI 분석 결과, 일부 연도에서는 SPI3값이 –1.5 이하로 ‘보통 가뭄’에 해당하는 수치를 기록하여 감자가 생육기간 중 지속적인 수분 스트레스를 받을 수 있음이 확인되었다(Fig. 1).
Fig. 1.
Temporal variations of standardized precipitation index (i.e., SPI1, SPI2, and SPI3) averages in major spring potato- producing regions in Korea, namely Seoul, Busan, and Daegu, from 2020 to 2025 based on June 10. The SPI1, SPI2, and SPI3 values reflect the cumulative precipitation over one, two, and three months prior to June 10, respectively, corresponding to the potato growing season. Data were derived from records of the Korea Meteorological Administration.
감자는 뿌리 분포가 얕아 토양 수분 조건에 민감하게 반응하며, 특히 괴경 형성과 비대기에 수분 요구도가 높아 수분 스트레스에 취약하다(Dalla Costa et al., 1997). 생육 후기의 수분 제한은 지상부 생육 저해(Albiski et al., 2012), 동화산물 전류 감소 및 괴경 비대 억제로 이어져 최종 수량 형성에 부정적인 영향을 미친다(Van Loon, 1981). 따라서 기후변화로 인한 재배기간 중 가뭄이 발생할 수 있는 상황에서, 감자의 수분반응을 정밀하게 평가할 수 있는 비파괴적 모니터링 도구의 필요성이 제기되고 있다.
최근 디지털 기반 생육 모니터링 기술의 발전으로, 드론 영상이나 원격탐사 이미지를 활용한 NDVI 기반 분석은 감자를 포함한 다양한 작물에서 널리 적용되고 있다(Sun et al., 2022). 그러나 이러한 원격 기법은 온실과 같은 제배환경에서는 적용에 한계가 있으며, 개별 식물체 수준에서 생리적 반응을 세밀하게 평가하기 위해 휴대용 엽분광계나 근접센서를 활용한 연구가 필요하다.
특히 감자에서는 NDVI를 활용한 수분 스트레스 평가가 다수 보고되었으나, 폴라보놀 축적을 반영하는 FRI (Flavonols Reflectance Index)와 카로티노이드 함량을 반영하는 CRI1 (Carotenoid Reflectance Index1)을 적용한 사례는 여전히 제한적이다(Merzlyak et al., 2005; Agati et al., 2011; Yoon et al., 2021). 또한 최근 감자 잎의 분광 특성을 이용하여 수분함량을 탐지한 연구(Liu et al., 2018)도 있으나, 반사율 변화 확인에 국한되어 있어 식생지수를 통한 정량적 평가는 충분히 이루어지지 않았다.
따라서 본 연구에서는 봄감자 품종인 ‘수미’와 ‘조풍’을 대상으로 자동 점적관수 시스템을 이용해 비가림 온실 내에서 다양한 수분스트레스 수준을 조절하고, 생육 및 수량 반응을 분석하였다. 또한 NDVI와 더불어 FRI 및 CRI1을 적용하여 감자의 수분스트레스 진단 가능성을 검토하고자 하였다.
재료 및 방법
재배환경 설정
전라북도 완주군 이서면 국립식량과학원에 위치한 비가림 온실에서 재배하였으며, 다양한 관수 조건에서 생육 반응을 관찰하기 위해 출현이 완료된 이후에 자동점적관수를 실시하여 수분을 차등적으로 공급하였다.
시험기간 동안 대조구를 관수량(100%)를 20분으로 설정하여 각 관수처리별로 주 2회 관수를 공급하였으며(Table 1), 토양수분센서 TEROS12 (METER Group, USA)를 이용하여 설정한 관수량이 토양수분함량에 잘 반영되는지를 확인하였다(Fig. 2).
Table 1.
Daily irrigation time (min/event) by water treatment level under drought stress conditions. After sowing, all plants were irrigated uniformly to ensure seedling establishment. Once emergence was completed, irrigation frequency was fixed at twice per week using an automated drip system, and the irrigation amount was differentially adjusted according to each treatment’s assigned percentage and corresponding irrigation time.
| Irrigation Amount (%) | Irrigation Time (min/event) | Water (L/event) |
| 100% | 20 min | 11.07 L |
| 80% | 16 min | 8.85 L |
| 60% | 12 min | 6.64 L |
| 40% | 8 min | 4.43 L |
| 20% | 4 min | 2.21 L |
| 10% | 2 min | 1.11 L |
시험재료 및 재배관리
본 실험에 사용한 감자(Solanum tuberosum L.)는 조생종인 ‘수미(Sumi)’와 ‘조풍(Jopung)’으로, 농촌진흥청 고령지 농업연구소에서 씨감자를 분양받았다. 파종할 감자는 280 g 이상의 건전하며, 싹 세력이 균일한 씨감자를 선별한 후 절단 및 소독하였다.
싹 틔운 감자는 3월 초순에 정식하였으며, 한 동에 한 골씩 차등적으로 수분처리가 들어갔다. 한 골에 두 품종씩 앞뒤로 정식하였고, 총 2동에 난괴법으로 정식하였다. 한 골에 총 80개체씩 재식 간격은 30 cm로 하였다. 시비방법은 전량기비하였고, 농촌진흥청 표준시비법을 따랐다(RDA, 2020). 조사구 지점은 각 골에서 품종별로 8지점씩 개체를 선별하였다.
조사방법
다양한 수분 스트레스 수준에서의 작물의 생육을 관측하기 위해 괴경비대기의 초장, 엽수를 측정하였다. 또한 수분 스트레스를 확인하기 위해 광합성 활성이 높은 제3엽과 제4엽을 대상으로 CI-710s Leaf Spectrometer (CID Bio-Science, Inc., USA)를 이용하여 식생지수를 산출하였다.
엽분광계(CI-710s)를 이용한 생육 스트레스 반응 진단에 사용된 FRI (Flavonols Reflectance Index), CRI1 (Carotenoid Reflectance Index 1), NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)는 각각 플라보놀 축적, 카로티노이드 함량, 광합성 활력 등 식물의 생리적 상태를 정량적으로 반영하는 주요 식생지수이다. FRI는 플라보놀의 반사율 특성을 기반으로 하며, 수분 스트레스에 대한 방어 반응으로 항산화 물질인 플라보놀 성분이 축적될 때 값이 증가한다(Merzlyak et al., 2005). 이 지수가 높게 나타나면 식물이 스트레스를 받고 있다는 생리적 징후로 해석될 수 있다. CRI1은 잎에서의 카로티노이드 함량을 정량적으로 반영하며, 값이 감소하면 광보호 역할을 하는 색소인 카로티노이드가 줄어들고, 상대적으로 엽록소 손상 및 광합성 능력 저하가 가속화될 수 있음을 의미한다(Gitelson et al., 2002). NDVI는 생육 활력과 녹색도(greenness)를 나타내는 대표 지수로, 값이 낮아질수록 광합성 효율 및 생육량이 저하된 상태로 해석되며, 스트레스 강도가 높다는 것을 의미한다(Tucker, 1979).
수확 후에는 지상부 건중을 측정하고 무게 기준별로 분류하여 수량 및 상서수량을 조사하였다. 상서수량은 총 수량 중 80 g 이상에 달하는 상품성 있는 감자를 말한다(Lee et al., 2022).
통계처리
각 처리구는 8반복 이상의 데이터를 평균하여 분석에 활용하였으며, 토양수분함량과 생육·생리·수량 지표 간의 관계 및 건물중과 수량 지표 간의 관계를 산점도를 통해 시각화하고, 결정계수(R2)를 이용하여 상관성을 나타내었다.
결과 및 고찰
수분 스트레스 수준에 따른 감자의 생육변화 분석
수분 스트레스에 따른 감자의 생육 반응을 분석하기 위해, 비가림 온실에서 자동 점적관수 시스템을 활용하여 수분 스트레스 수준을 정밀하게 설정한 환경에서 감자를 재배하였다. 이후 나타난 생육반응은 Wagg et al. (2021)이 제시한 토양 수분 한계치를 참고하여 해석하였다. 이들 연구에서 영구 시들음점(Permanent Wilting Point, PWP; 14.5%)은 작물이 더 이상 수분을 이용할 수 없는 임계점으로 정의된다. 한편, 지상부 생장은 괴경 비대기에 대부분 완료되므로(Kolbe & Stephan-Beckmann, 1997), 이 시기를 기준으로 초장과 엽수를 조사하였다(Fig. 3).
초장의 경우, 두 품종 모두 토양 수분함량이 감소할수록 정량적으로 감소하는 경향을 보였으며, 특히 적정 수분함량(20%) 대비 PWP (14.5%)보다 낮은 13% 이하의 조건에서는 초장 생장이 현저히 억제되었다(Fig. 3a, b). 엽수 또한 토양 수분함량이 감소할수록 정량적으로 감소하는 경향을 보였으며(R2 > 0.94), 두 품종 모두 토양수분함량이 1 %p 감소 시 평균 약 0.3엽이 줄어드는 것으로 나타났다(Fig. 3c, d). 이는 수분 조건이 엽수 변화에 영향을 미친다는 것을 의미하지만, 본 연구에서는 괴경 비대기의 한 시점만을 조사하였기 때문에 이러한 감소가 실제로 잎의 형성이 저해된 결과인지, 아니면 형성된 잎의 탈락으로 인한 결과인지는 구분하기 어렵다. 따라서 엽수 변화와 원인을 명확히 밝히기 위해서는 생육단계별 잎 형성과 탈락 과정을 확인하는 후속 연구가 요구된다.
수분 스트레스 수준에 따른 감자의 수량변화
토양수분함량에 따른 수량을 분석한 결과 두 품종 모두 토양 수분함량이 감소할수록 지상부 건물중, 수량, 상서수량이 모두 감소하였다(Fig. 4). 두 품종 모두 영구 시들음점(PWP, 14.5%)에 근접한 15% 이하의 토양수분함량에서 급격한 감소를 보였으며, 특히 상서수량의 경우 수미는 13% 이하에서, 조풍은 10% 이하에서 상서수량을 얻기 어려웠다(Wagg et al., 2021). 상서수량의 경우 조풍이 수미보다 모든 처리에서 수량이 많이 나타났는데(Fig. 4e, f), 수분 스트레스에서도 해당 품종이 상서수량을 확보하는 데 유리한 특성을 지녔다기보다는, 상대적으로 더 굵은 괴경을 형성하는 품종 특성에 기인한 것으로 판단된다.
Fig. 4.
Yield responses of two potato cultivars to soil water content during cultivation in an optimized greenhouse. The panels show shoot dry weight ((a): Sumi; (b): Jopung), total tuber yield ((c): Sumi; (d): Jopung), and marketable tuber yield (i.e., >80 g) ((e): Sumi; (f): Jopung). * SM: Sumi; *JP: Jopung
한편, 수확 후 수량 및 상서수량을 지상부 건물중 간의 회귀분석 결과, 모두 높은 상관성(R2 > 0.95)이 확인되었다(Fig. 5). 이는 생육 단계에서의 지상부 건물중이 최종 수량을 정량적으로 예측할 수 있는 유의한 지표임을 시사하며, 특히 상서수량과의 높은 상관성은 상품성 있는 수량 예측에 있어서도 그 활용 가능성을 보여준다.
수분 스트레스 수준에 따른 감자의 생육 스트레스 분석
토양 수분함량이 부족해지면 감자는 생육 기간 동안 수분 스트레스를 받아 노화가 촉진되고, 엽록소 함량이 감소하는 등 생리적 저해 반응이 나타난다(Obidiegwu et al., 2015; Gervais et al., 2021). 이러한 변화는 광합성 색소의 변동이나 생육 활력 저하로 이어지며, 본 연구에서는 이를 정량적으로 평가하기 위해 괴경 비대기 시점에 휴대용 엽분광장비를 이용해 식생지수를 측정하였다.
FRI (Flavonols Reflectance Index), CRI1 (Carotenoid Reflectance Index 1), NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)는 각각 플라보놀 축적, 카로티노이드 함량, 광합성 활력을 반영하는 주요 식생지수이다. FRI는 수분 스트레스 시 폴라보놀 축적이 촉진되면 값이 증가하며(Merzlyak et al., 2005), CRI1은 감소할수록 카로티노이드 함량 저하와 관련된 광보호 기능 약화를 나타낸다(Gitelson et al., 2001). NDVI는 광합성 활력과 녹색도를 반영하는 지표로, 값이 낮아질수록 생육량이 저하된 상태로 해석된다(Tucker, 1979). 분석 결과, 두 품종 모두 토양수분함량에 따라 FRI, CRI1, NDVI가 뚜렷한 반응 경향을 보였다. FRI는 수분함량이 낮아질수록 증가하여 수분 스트레스 상황에서 플라보놀을 축적이 촉진됨을 시사하였다(Fig. 6a, b; Merzlyak et al., 2005). CRI1은 감소 경향을 보여, 카로티노이드 감소와 이에 따른 광보호 기능 약화를 반영하는 것으로 해석된다(Fig. 6c, d; Gitelson et al., 2001). NDVI는 수분 부족이 심화될수록 크게 감소하여, 괴경 비대기 시점의 광합성 활력 및 생육 활력 저하와 밀접하게 관련됨을 확인할 수 있었다(Fig. 6e, f; Tucker, 1979).
이러한 결과는 수분 부족이 생육 활력 저하, 방어물질 축적, 조기 노화와 같은 일련의 생리적 변화를 유발하고, 궁극적으로 괴경 생장과 수량 감소로 이어질 수 있음을 보여준다(Figs. 3, 4, and 6). NDVI를 활용한 감자의 비파괴적 생육 진단은 이미 여러 연구에서 보고되었으나(Tucker, 1979; Liu et al., 2018; Sun et al., 2022), 플라보놀 및 카로티노이드 관련 지수(FRI, CIR1)를 적용하여 수분 스트레스 반응을 정량화한 사례는 아직 드물다. 따라서 본 연구는 제한된 재배환경에서 휴대용 엽분광계를 이용해 감자의 수분 스트레스 반응을 평가하고, 이를 생육 및 수량 특성과 연계하여 분석했다는 점에서 실용적 의의가 있다.
정밀 관수 조건에서 감자의 수분 스트레스 반응과 엽면 생육지표 기반 수량 예측 분석
정밀 관수 조건에서 수행된 본 연구는 자동 점적관수 시스템을 이용해 감자에 다양한 수분 스트레스 수준을 처리하였고, 그에 따른 생육 및 수량 반응을 분석하였다. 초장과 엽수는 수분 스트레스 수준에 따라 명확한 차이를 보였으며, 두 품종 모두 민감하게 반응하였다(Fig. 3). 또한 지상부 건물중, 총수량 및 상서수량은 토양 수분함량이 감소할수록 정량적으로 감소하는 경향을 보였으며(Figs. 4, 5), 특히 지상부 건물중과 수량 간의 높은 상관관계는 생육 지표를 활용한 수량 예측 가능성을 시사하였다(Fig. 5).
FRI, CRI1, NDVI 등 엽면 생육 지표 역시 수분 스트레스 수준에 따라 민감하게 반응하였으며(Fig. 6), 이는 드론이나 위성 기반 기술 활용이 어려운 온실과 같은 환경에서도 간단한 엽면 측정만으로 수분 스트레스를 진단할 수 있음을 보여준다.
본 연구는 비가림온실 조건에서 수행되어 외부 강수요인의 간섭을 최소화 하였다. 이러한 조건은 수분 스트레스 수준별 감자 생육과 수량, 그리고 식생지수의 변화를 정량적으로 분석하는데 유리하였다. 다만, 본 연구에서 토양수분을 단계적으로 구분하여 처리하였기 때문에 실제 현장에서 나타나는 연속적인 수분변화 과정을 반영하지는 못하였다. 또한 전 생육기간 동안 동일한 수분 스트레스 수준을 처리하였기 때문에, 생육단계별 수분스트레스 반응 특성을 반영하지 못한 점에서 한계가 있다. 향후 연구에서는 품종을 다양화하여 생육단계별로 차등적인 수분처리와 다양한 환경조건을 고려한 추가 검증을 통한 본 결과의 적용성을 보완할 필요가 있다.
적 요
기후 변화로 인해 봄철 감자 재배 기간 중 강수량의 불균형과 가뭄 발생 빈도가 증가하고 있다. 이에 본 연구에서는 봄감자 품종 ‘수미’와 ‘조풍’을 대상으로 자동 점적관수 시스템을 활용해 수분 스트레스 수준을 정밀하게 조절하고, 이에 따른 생육 및 수량 반응을 분석하였다.
1. 초장과 엽수는 두 품종 모두 토양수분함량이 낮아질수록 감소하는 경향이 나타났다.
2. 수량 구성요소인 지상부 건물중, 총수량, 상서수량은 수분 스트레스 수준에 따라 정량적으로 감소하였고, 지상부 건물중과 수량 간의 회귀분석 결과 높은 상관성을 보여 생육지표로서의 예측 가능성이 확인되었다.
3. 엽분광 기반 식생지수(FRI, CRI1, NDVI)는 수분 스트레스에 민감하게 반응하였으며, 토양수분함량이 낮을수록 FRI는 수분스트레스에 대한 방어로 인해 증가하고, CRI1와 NDVI의 감소는 각각 조기노화와 생육 활력 저하를 보여주었다.
4. 이러한 결과는 디지털 생육진단기술을 융합하여 온실에서 재배하는 감자의 수분 스트레스 반응 특성을 정량적으로 평가할 수 있음을 보여주며, 기후변화 대응형 생육 관리 및 수량 예측 모델 개발을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
