차광처리에 의한 삼채의 생육, 수량 및 당함량 변화
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Abstract
This study was aimed at evaluating the growth, yield, and carbohydrate content in the whole Allium hookeri plant with shading treatment in hot summer.
Different shading rate, including 0 (control), 35 or 55%, was employed from the June 21st to August 31st. Daily average air and soil temperature, which were approximately 2.5°C and 3.8°C lower, respectively, were observed with both 35% and 55% treatments in July and August, with no significant difference in daily maximum air temperature. Dry weights were high, approximately 40% and 48% for the shoot and 20% and 12% for the root, with the 35% and 55% treatments, respectively, 8 weeks after shading. Division number was increased by 13% and 19.8% with the 35% and 55% treatments, respectively. The mortality rates of 150 plants were 9.1%, 4.0%, and 1.3% with the 0 (control), 35% and 55% treatments, respectively. At 4 weeks after shading, the highest and lowest sucrose levels in both shoot and root were observed with the 35% and 55% treatments, respectively. At 8 weeks after shading, there was no significant difference in the sucrose content in the shoot among the treatments.
The highest plant growth rate and yield with the 55% treatment may be related with the decrease in both air and soil temperatures, resulting in reducted leaf respiration and thus compensate net photosynthesis.
Keywords:
Allium hookeri, Photosynthesis Rate, Soil Temperature, Solar Irradiance서 언
삼채 (三菜, Allium hookeri)는 백합과 (Liliaceae) Allium 속의 다년생 식물로 원산지는 아열대 지역인 인도, 스리랑카, 미얀마 및 중국 남서부 등이다 (Ayam, 2011). 뿌리가 인삼의 맛과 비슷하다고 삼채(蔘菜) 라고 불리기도 하고 또 쓰고 맵 고 단맛이라는 세 가지 맛 때문에 삼채(三彩) 라고도 한다 (Park and Yoon, 2014).
삼채에는 Allium 속 식물에 주로 함유되어 있는 methyl sulfonyl methane (MSM) 이 풍부하여 항염증 효과가 입증 되었고 (Bae and Bae, 2012), 기능성 채소로서 이용가치가 높아 재배면적이 증가되고 있다 (You and Kim, 2013). 한국 에서 삼채는 노지포장에 3월에 정식하여 지상부의 잎이 마르 고 토양이 동결되기 전 11월 하순부터 12월 초순과 토양이 해동 된 후인 이듬해 3월에 뿌리만 수확한다. 그러나 아직까 지 삼채 채소 경매시장이 활성화 되지 못해 직거래 소규모로 판매하는 실정이다 (Oh et al., 2014).
삼채재배에서 가장 어려운 점은 7, 8월 고온과 강광에 노출 되어 잎의 선단부위가 마르는 잎끝마름증 (leaf-tip burn) 이 나타나 심해지면 고사하게 되어 수량이 현저하게 감소되는 것 이다 (Oh et al., 2014).
식물에게 있어 광은 광합성 효율, 효소 활성 등에 영향을 주는데 식물의 광 민감도에 따라 그 피해 정도가 다르다 (Noguchi et al., 1996). 또한 온도 스트레스는 광합성과 호흡 모두를 저해한다. 온도가 상승하여 식물 호흡률이 빨라지면 광 합성 산물인 전분이나 당이 저장되지 못하고 에너지로 전환되 어 사용됨으로써 식물체의 중량은 감소하게 된다. 일반적으로 식물의 중량은 광합성으로 생산된 전분과 당이 저장되면서 증 가되는데, 생산물인 당의 일부는 저장되고, 나머지 일부가 에 너지로 사용된다. 이러한 광합성은 고온 스트레스에 민감하게 반응하는데 호흡에 상해를 주지 않는 온도 수준에서도 완전히 저해된다고 한다 (Bjorkman et al., 1980).
시설재배에서는 강광과 그에 따른 고온 스트레스를 방지하 기 위하여 차광제를 도포하거나 하우스 내 차광 스크린을 설 치, 또는 기화열을 이용한 포그 분무시스템, 냉방 시설 등을 사용하고 있으며 (Kim et al., 2006; Ha et al., 2012) 노지 재배에서는 차광망을 주로 사용하고 있다 (Yim and Kim, 1995).
차광재배는 작물의 일소현상 피해를 줄이는데 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 최근 새싹채소로 많이 이용되는 돌나물 이 여름철의 고온과 강광에 따른 증산 및 호흡량의 증가로 광 합성 산물의 소모가 커져 생육감소와 품질저하를 초래하는 결 과를 보였는데 (Lee et al., 2007), 차광율을 30%, 50%, 70%, 90%로 처리하여 무처리구와 비교한 결과 50% 차광 처 리구에서 생육이 좋았고 쓴맛도 감소되었다. 또한, 잔대 재배 시 25, 50, 75% 차광율을 처리하였을 때 생육 및 광합성 활 성에 긍정적 효과가 나타났다 (Kim et al., 2012).
이와 같이 차광재배의 효과에 대한 연구는 많으나 삼채 재 배를 위한 차광 연구 결과는 미비한 실정이다. 따라서 본 연 구는 고온기 삼채 노지재배에서 차광률을 달리하여 재배하였 을 때 재배 환경, 식물 생육, 수량 및 광합성산물의 공급부와 저장부의 당 함량 변화를 구명하고자 하였다.
재료 및 방법
1. 실험재료
삼채 (三菜, Allium hookeri) 모주는 충남농업기술원 노지포 장에서 2014년부터 2 년 동안 재배하여 2016년 3월 14일에 그 뿌리를 채취하여 건전한 뿌리를 선별한 후 뇌두로부터 5㎝ 정도 남겨두고 자른 뒤 절단면 큐어링을 위해 약 10℃ 온도가 유지되고 통풍이 잘되는 곳에 3 일 동안 저장한 후 뇌두를 중심으로 1 주씩 분주하여 정식하였다.
정식은 3월 17일에 미사질 양토로 구성된 시험포장 [100㎝ (이랑), 60㎝ (고랑), 2,000㎝ (길이)] 에 재식거리 (20 × 20㎝) 로 3 처리 난괴법 3 반복으로 하였다. 정식 후 잡초 억제와 원활한 수분 유지, 신초 성장이 양호하도록 이랑 위에 볏짚을 덮어 주었다. 토양관리는 정식 7 개월 전에 10 a 당 볏짚과 팽연왕겨를 각각 300㎏ 씩 시용하였고, 정식 4 주전에 10 a 당 유박과 원예용 상토를 각각 300㎏ 씩 시용하였다. 관수관리는 점적관수 방식으로 봄, 가을에는 일주일에 3
관수관리는 점적관수 방식으로 봄, 가을에는 일주일에 3 회 공급하였고 소요 물량은 10 a 당 1 - 3 ton 이었다. 강우가 있 거나 강우가 온 다음 날은 관수를 하지 않았고, 여름철에는 관수횟수를 늘려서 이른 오전 시간과 늦은 오후 시간에 관수 하였다. 정식 전 기비로는 질소 1.26㎏/ha, 인산 2.42㎏/ha, 칼륨 0.97㎏/ha을 시용하였고, 추비는 정식 후 30 일 간격으 로 질소 0.84㎏/ha, 칼륨 0.65㎏/ha를 3 등분하여 3 회 분 시하였다.
2. 차광처리
정식 후 6월 20일까지 무차광 (무처리) 재배하였고 6월 21 일에 잎을 1 회 수확 한 후, 차광망을 설치하여 8월 31일까 지 총 10 주간 차광 시험 하였다.
차광막 설치는 못자리용 강선 (길이 200㎝) 100 개를 지표 로부터 80㎝ 높이로 엇갈리도록 설치하여 잎이 자랄 수 있는 공간을 만든 후 차광망 (Dongwon Co., Daegu, Korea) 35% 와 55%를 설치하였다. 차광시설 내부의 기온과 지온은 데이 터로거 (HOBO data logger, Onsest Computer Corporation, Bourne, MA, USA)를 이용하여 측정하였다
3. 광합성율 조사
광합성율은 차광막 설치 후 39 일째인 7월 30일에 측정하 였다. 광합성기기 (Li-COR 6400, Lincoln, Dearborn, MI, USA)를 이용하여 내장된 청색광과 적색광 LED 광으로 광합 성 유효광 (PAR; photosynthetically active radiation) 을 2,000 μ㏖/㎡/s 부터 1,500, 1,000, 500, 250, 120, 60 μ㏖/㎡/s 까지 순차적으로 감소시키며 CO2 400 ppm 공급조건 에서 측정하였다.
4. 생육특성 조사
차광막 설치 후 28 일 (4 주) 경과한 삼채를 2016년 7월 18일부터 8월 16일까지 7 일 간격으로 조사하였다. 처리구별 로 가장 건전한 20 주씩 선정하여 총 180 주를 채취한 후 잔뿌리가 손상되지 않도록 이물질을 제거한 후 지상부와 지하 부로 나누어 기부부터 가장 긴 잎의 길이와 엽폭을 측정하였 고, 뿌리는 기부부터 가장 긴 뿌리의 근장을 측정하였으며 처 리구별로 각각의 생체중을 측정하였다. 채취한 시료들은 동결 건조기 (Freeze Dryer Pilot scale, Zirbus Technology GmbH, Bad Grund, Germany)를 이용하여 72 시간 동안 동 결건조 한 후 정밀저울 (PG603-S Delta Range, Mettler Toledo, Columbus, OH, USA)로 건물중을 측정하였다.
5. 유리당 조사
건조된 시료는 유리당 분석을 위해 분쇄한 후 40 g 을 80% 의 MeOH 200㎖ 를 첨가하여 초음파추출기로 1 시간 추출 후 최종적으로 24 시간 상온에서 추출한다. 추출액을 0.2㎛의 필터로 여과한 후, 고형 분을 모아 다시 80% MeOH 200 ㎖를 첨가하여 반복 추출 하였다. 얻어진 추출액 을 HPLC로 분석하였다. 유리당은 HPLC (Ultimate 3000, Dionex, Sunnyvale, CA, USA), Detector (Shodex RI-101, Showa Denko, Tokyo, Japan), Sugar-pak column (300 × 6.5㎜, Waters, Milford, MA, USA)을 사용하여 분석하였으며, 기기의 오븐 온도는 70℃로 유지하였다.
유리당 표준품은 glucose (≥ 98%, Junsei Chemical Co., Tokyo, Japan), sucrose, fructose (≥ 99%, Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA) 을 사용하였다. 분석의 정확도를 높이기 위해 3 차 증류수를 용매로 0.5㎖/min의 속도로 흐르 도록 하였으며, 유리당 시료 주입량은 10㎕으로 설정하였다. 최종분석은 운영소프트웨어 (Chromeleon 6.0 Chromatography Data System Software, Dionex, Sunnyvale, CA, USA)를 이 용하였다.
6. 통계분석
통계분석은 SAS 프로그램 (statistical analysis system, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)으로 하였으며 평균 간 비교는 Duncan의 다중범위 검정을 이용하였다. 세 개의 차광 처리에 대한 난괴법 3 반복으로 식물재배하여 생육 분석 (엽 장, 엽폭, 지상부 생체중, 지하부 생체중, 지상부 건물중, 지하 부 건물중, 분얼수)은 차광 후 4 주째인 7월 18일 부터 일주 일 간격으로 총 5 회에 걸쳐 처리별 난괴법 1 반복당 10 개 체씩 선정하여 총 30 개를 조사하였다. 고사 주는 7월 10일에 처리별 난괴법 1 반복당 10 개체씩 선정하여 총 30 개를 1 회 조사하였다. 광합성효율 분석은 차광 5 주 후에 처리별 2 개체씩 선정하여 1 회 측정하였다. 유리당 분석은 차광 후 4 주째인 7월 18일과 차광 처리 8 주 후인 8월 16일에 2 회 걸쳐 처리별 3 개체씩 선정하여 조사하였다.
결과 및 고찰
1. 차광 처리별 온도감소 효과
차광시설 내부의 평균기온은 무처리 (대조구)는 5, 6, 7, 8 월에 각각 20.5, 22.8, 26.0, 27.0℃, 35% 차광구는 6, 7, 8월 에 각각 20.4, 24.6, 26.7℃, 55% 차광구는 6, 7, 8월에 각각 20.3, 24.6, 26.8℃ 였다. 6월에 35% 차광구에서 대조구보다 2.6℃, 55% 차광구에서 3.2℃ 감소된 결과를 얻었다. 7월과 8월 에는 차광처리와 대조구 간 최대 2.5℃ 온도차가 났지만 오후 3 시에 최고 온도는 처리 간 차이를 보이지 않았다 (Fig. 1).
Changes of hourly average air temperature at May (A), June (B), July (C) and August (D) under the different shading rate, 0 (Cont.), 35 or 55%.
차광시설 내부의 평균지온은 대조구에서는 5, 6, 7, 8월에 각각 30.0, 29.2, 30.5, 31.1℃ 였고, 35% 차광구에서 6, 7, 8월에 각각 25.8, 26.6, 27.7℃, 55% 차광구에서 6, 7, 8월에 각각 24.7, 25.8, 27.2℃ 였다 (Fig. 2). 6월에 35% 차광구에 서 대조구보다 3.4℃, 55% 차광구에서 4.5℃ 감소하였다. 7월 에는 35% 차광구에서 대조구보다 3.9℃, 55% 차광구에서는 4.7℃ 감소하였다. 따라서 차광처리가 차광망 내부의 기온 보 다 지온을 더 크게 감소시키는 것으로 나타났다. 앞서 발표된 연구 결과에서 차광처리로 온실 내부 지온이 평균 3.0℃ 감소 된 것과 유사한 결과이다 (Lee et al., 2001). 비록 노지재배 연구결과는 아니지만 차광 처리가 고온기에 온도감소 효과가 있는 것을 입증하는 연구결과들이 있다. 파프리카 여름 시설 재배 시 차광 스크린과 차광제 처리구를 무처리구와 비교하였 을 때 차광제 처리가 시설 내부 온도를 3.3℃ 감소시켰고 이 는 스크린 처리에 비해 1.5℃ 정도 낮았다 (Ha et al., 2012). 다채의 시설재배에서 차광 처리가 시설 내 온도를 평균 2℃ 감소시켰다 (Cho, 2014).
Changes of hourly average soil temperature at May (A), June (B), July (C) and August (D) under the different shading rate, 0 (Cont.), 35 or 55%.
2. 차광처리에 따른 광합성 특성의 변화
전 재배기간 중 오전 10시에 평균 광량은 무처리구에서 1,129W/㎡/s 였고, 35% 차광구는 평균 57%, 55% 차광구는 평균 68% 감소되었다. 오후 2시에 평균 광량은 무처리구에서 1,148W/㎡/s 였고, 35% 차광구는 57%, 55% 차광구는 67% 감소하였다 (Fig. 3).
Daily changes of solar irradiance measured twice in a day at 10:00 (A) and 14:00 (B) under the different shading rate, 0 (Cont.), 35 or 55%.
차광 5 주 후 PAR 수준을 2,000 μ㏖/㎡/s 부터 1,500, 1,000, 500, 250, 120, 60 μ㏖/㎡/s 까지 순차적으로 감소시키 며 광합성율을 측정한 결과 PAR 120 - 500 μ㏖/㎡/s 범위에서 광합성율은 35% >무처리 > 55% 순으로 높았다 (Fig. 4A). PAR 1,000 - 2,000 μ㏖/㎡/s에서는 무처리구와 35% 차광구의 차이가 없었고 55% 차광구에서 가장 낮았다. 차광 55% 처리 구는 PAR 1,000 μ㏖/㎡/s 수준에서 광합성률이 최대에 도달되 는 광포화점이 나타나 5 주간의 차광 기간 동안 광순화가 일 어난 것을 알 수 있었다 (Fig. 4).
Changes in photosynthesis (A) and stomatal conductance (B) at the different photosynthetically active radiation (PAR) intensity under the different shading rate, 0 (Cont.), 35 or 55%. Bars represent means and standard deviation of 2 replications.
본 실험에서 7 월에 측정된 차광재 내부의 PAR 범위가 일 일 평균 300 - 700 μ㏖/㎡/s로 무처리구 (700 - 1,373 μ㏖/㎡/s) 에 비해 50 - 70%로 감소한 결과를 보여 (자료 미제출) PAR 120 - 500 μ㏖/㎡/s 범위에서 광합성율 결과가 의미가 있는 것 으로 생각된다. 증산율은 PAR 60 - 1,000 μ㏖/㎡/s 범위에서 35% >무처리 > 55% 순으로 높았고 1,000 - 2,000 μ㏖/㎡/s 범 위에서는 통계적 유의차가 없었다 (Fig. 4B). 선행 연구에서 차광율이 높을수록 광합성률과 증산율이 감소한다는 결과와 일치된다 (Yoon, 2001).
3. 차광처리에 따른 식물생육 특성 비교
지상부 및 지하부 생체중은 차광 4 주 후 55% 차광구에서 유의적으로 가장 높았고 차광 5 주 후부터 7 주까지는 차광구 에서 무처리 보다 유의적으로 높았다 (Table 1). 지상부 및 지 하부 건물중도 차광 5 주 후 부터 8 주까지 차광구에서 높았 다. 지상부 건물중은 차광 8 주 후 35% 차광구에서 무처리구 보다 40.14%, 55% 차광구에서 47.69% 유의적으로 높았고 차광구 처리 간 유의차는 없었다. 지하부 건물중은 차광 8 주 후 35% 차광구에서 19.50%, 55% 차광구에서 11.94% 유의 적으로 높았다.
Length and width of leaf, fresh weights of shoot and root, dry weights of shoot and root, and tiller number of Allium hookeri grown for 8 weeks after shading under the different shading rate, 0 (Cont.), 35 or 55%.
엽장은 차광 5 주 후부터 차광구가 무처리구 보다 유의적으 로 높았고 35와 55% 처리 간 유의차는 없었다. 엽장은 차광 8 주 후 35% 차광구에서 23.42%, 55% 차광구에서 33.12% 높았다. 엽폭은 처리 간 큰 유의차가 없었다. 분얼수는 차광 8 주 후에 무처리에서 평균 14 개 였고, 35% 차광구에서 무처 리보다 13%, 55% 차광구에서 19.8% 유의적으로 높았다. 잎 끝마름증에 따른 고사주율은 차광 5 주 후 무처리에서 총 150 주 중 평균 13.7 주가 고사하여 9.1%의 고사율을 보였고, 35% 차광구에서 6 주가 고사하여 4.0%의 고사율이 나타났고, 55% 차광구에서 2.33 주가 고사하여 1.3%로 나타났다. 따라 서 고사주 발생은 55% 차광구에서 현저히 감소한 것을 확인 할 수 있었다 (Fig. 5).
Incidence of plant mortality.One hundred fifty plants for each treatment were measured at 5 weeks after shading under the different shading rate, 0 (Cont.), 35 or 55%.
무처리구에서 지상부 및 지하부의 건물중이 급격히 감소된 것은 여름 고온기에 처리구에 비해 상대적으로 높은 기온 및 지온으로 인해 호흡이 증가된 결과로 판단된다. 본 연구에서 는 호흡율을 측정하지는 않았지만 무처리구에서 고온기에 기 온과 지온이 지속적으로 3 - 4℃ 이상 높았으므로 호흡 증가로 인한 순광합성율 감소로 식물체 중량이 낮아진 것으로 보인다. 최근 연구결과에 의하면 차광에 의한 온도저하가 총 광합성율 을 높였다고 한다. 포도 재배에서 고온기에 차광망을 설치하 여 기온을 낮춰줌으로써 광합성률이 30과 50% 차광구에서 무 처리구 보다 더 높았다 (Lee et al., 2015).
4. 차광처리에 따른 지상부, 지하부의 당 함량 변화
지상부 자당 (sucrose) 함량은 차광 4 주 후 35% 차광구에 서 무처리구 보다 26.54% 높았고 55% 차광구에서 31.55% 낮았다. 차광 4 주 후 지상부 sucrose 함량이 35% 차광구에 서 가장 높은 결과는 차광 5 주 후 광합성 유효광량 PAR 120 - 500 μ㏖/㎡/s 범위에서 광합성률이 가장 높았던 결과와 일치되고 sucrose 함량이 55% 차광구에서 가장 낮은 것도 차 광 5 주 후 광합성률이 가장 낮았던 결과와 일치된다. Sucrose 함량 결과와는 반대로 35% 차광구에서 포도당 (glucose)과 과당 (fructose) 함량은 가장 낮았고 무처리구에서 glucose 함량이 가장 높았다. 차광 8 주 후 지상부 sucrose, glucose, fructose 함량은 처리 간 유의차가 없었다 (Table 2).
Sucrose, glucose and fructose contents of Allium hookeri shoots grown for 4 and 8 weeks after shading under the different shading rate, 0 (Cont.), 35 or 55%.
지하부 (뿌리) sucrose 함량은 차광 4 주 후 지상부 sucrose 함량 순서와 일치하여 차광 35% 처리구에서 가장 높 았고 55% 차광구에서 가장 낮았다. 무처리구는 glucose와 fructose 함량이 유의적으로 가장 높았다. 차광 8 주 후 지하 부 sucrose 함량은 55% 차광구에서 무처리보다 33.4% 낮았 고 35%와 대조구 간 유의차는 없었다. Glucose는 55% 차광 구에서 다른 두 처리보다 유의적으로 높았다. Fructose는 차광 4 주 후 보다 무처리, 35, 55% 차광구에서 각각 62.8, 53.7, 46.4% 감소되었고 처리 간 유의차가 없었다. 차광 8 주 후 지상부 sucrose 함량은 처리 간 유의차가 없었던 반면 차광 8 주 뿌리 sucrose는 55% 처리구에서 가장 낮았고 glucose는 가장 높았는데 이는 차광처리로 기온 및 지온이 낮아져 뿌리 로 sucrose 전류량이 무처리구 35% 보다 높고 glucose로 전 환이 촉진된 것으로 판단된다 (Table 3).
Sucrose, glucose and fructose contents of Allium hookeri roots grown for 4 and 8 weeks after shading under the different shading rate, 0, 35 or 55%.
이 결과로 차광 55% 처리구가 생육과 수량에 가장 긍정적 영향을 주었다는 것을 알 수 있다. 고온 극복을 위한 작물별 적합한 차광율 연구 결과들에서 작물별 차광효과가 다르다는 것을 알 수 있다. 차광에 의해 생육이 향상되는 예로 곤달비 차광 재배의 경우 80% 차광 재배 시 다른 차광률에 비하여 더 효과적인 생육결과를 보였고 (Park et al., 2011), 비비추, 수호초, 관중 등도 90% 차광에 의해 생육향상의 효과가 있었 고 노랑꽃창포와 대사초도 각각 60, 40% 차광시 생육이 우수 하다고 하였다 (Kim and Lee, 2009). 산마늘의 경우도 50% 의 차광률이 30과 80%의 차광률에 비해 생육이 가장 우수한 것으로 나타났다 (Park and Bae, 2012). 본 연구에서 75% 차광률을 처리하였을 때 그 다음 해 채취한 뿌리 건물중이 55% 차광구 보다 낮은 결과를 보였다 (자료 미제시).
여름철 고온기에 55% 차광 처리가 무처리 보다 작물 생육 에 장점으로 작용된 것은 차광으로 기온과 지온을 낮추어 증 산율이 감소되고 그로인한 수분 소모를 줄여 잎마름증 발생을 줄이고 뿌리로 당 전류가 정상적으로 진행되어 양수분 흡수가 원활하게 이루어졌기 때문으로 고찰된다. 즉, 차광으로 인한 총 광합성량은 감소되지만 순광합성율을 증가시켜 광합성 효 율을 상쇄시킨 것으로 보인다.
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