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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.30 No.8 pp.605-612
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2021.30.8.605

Growth Characteristics and Yields According to EC Concentrations and Substrates in Paprika

Youngsin Hong1,2), Jaesu Lee1)*, Jeonghyun Baek1), Sanggyu Lee1), Sunok Chung2)
1)Department of Agricultural Engineering, National Institute of Agricultural Science, RDA, Jeonju 54875, Korea
2)Department of Biosystems Machinery Engineering, Chungnam National University, Daejeon 34134, Korea
*Corresponding author: Jaesu Lee, Department of Agricultural Engineering, National Institute of Agricultural Science, RDA, Jeonju 54875, Korea Phone: +82-63-238-4182 E-mail: butiman@korea.kr
28/02/2021 06/08/2021 06/08/2021

Abstract


Supply electrical conductivity (EC) concentration of the nutrition solution is an important factor in the absorption of nutrients by plants and the management of the root zone, as it can control the vegetative/reproductive growth of a plant. Paprika usually undergoes its reproductive and vegetative growth simultaneously. Therefore, ensuring proper growth of the plant leads to increased yield of paprika. In this study, growth characteristics of paprika were examined according to the EC concentration of a coir and a rockwool substrate. The supply EC was 1.0, 2.0, and 4.0 mSꞏcm-1 applied at the initial stages of the growth using the rockwool (commonly used by paprika farmers) and the coir substrate with a chip and dust ratio of 50:50 and 70:30. For up to 16 weeks of paprika growth, EC concentrations of 1.0 and 2.0 mSꞏcm-1 were found to have a greater effect on the growth than EC at 4.0 mSꞏcm-1. The normality (marketable) rate of fruit, the soluble solid content, and paprika growth showed that the coir was generally better than the rockwool regardless of the supply EC concentration. The values of the yield per plant at an EC concentration of 4.0 mSꞏcm-1 was mostly similar at 1.6 kg (coir 50:50), 1.5 kg (coir 70:30) and 1.5 kg (rockwool), but the yield of the rockwool was 88%, which was lower than 98% and 94% yield of the coir substrate. Therefore, this concludes that coir substrate is more effective than rockwool at improving paprika productivity. The results also suggest that the use of coir substrate for paprika has many benefits in terms of reducing production costs and preventing environmental destruction during post-processing.



파프리카 수경재배 시 EC 농도와 배지에 따른 생육 및 수량 특성

홍영신1,2), 이재수1)*, 백정현1), 이상규1), 정선옥2)
1)농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부
2)충남대학교 바이오시스템공학과

    1. 서 론

    디지털 농업에서 시설원예재배는 비닐이나 유리 온실 과 같은 시설에 ICT (Information and Communication Technologies)를 활용하여 원격으로 관찰하거나, 현장 에서 자동으로 작물의 생육환경을 적절하게 유지, 관리 하는 것이 목적이다. 즉, 농업인의 경험과 감각에 의존했 던 주관적, 추상적 농사기술이 센서, 네트워크 및 컴퓨팅 기술을 기반으로 계량화 및 객관화한 데이터로 저장되고, 수많은 경험적 데이터를 인공지능을 통해 의사결정 및 생산량 예측을 할 수 있도록 체계화 및 자동화하는 것이 다(Baek et al., 2019). 여러 환경 요인들의 변화에 따라 작물의 생육상태를 진단하고 예측하면, 수확시기나 수확 량을 예측함으로 생산관리를 최적화할 수 있고, 환경 및 생육정보 데이터를 분석하여 적절한 생육 관리를 할 수 있다.

    파프리카(Capsicum annuum L.)는 국내 소비뿐 아니 라 수출을 많이 하는 작물로 농가의 주요 소득원 중 하나 이다. 최근 파프리카는 토경재배 보다는 수경재배를 많 이 하는데 수경재배 시 사용되는 배지는 주로 코이어 (coir) 배지나 암면(rockwool) 배지이다(Rhee et al., 2011). 국내에서 초창기 파프리카 수경재배는 암면을 배 지로 사용하는 생산방식이 일반적이었으나, 가격이 비싸 고, 사후 처리의 어려움 때문에 상대적으로 저렴하고 사 용 후 폐기가 쉬운 코이어 배지 사용이 급속하게 증가하 였다(An et al., 2009). 코이어 배지 도입 초기에는 보수 력이 지나치게 높아 과습에 약한 작물 재배에는 적합하 지 않았으나, 최근 배지의 균일성이 향상되었고, 칩과 더 스트의 비율 조절을 통해 배지 내 공극량을 조절할 수 있 게 되면서 사용이 늘어나게 되었다(Kim et al., 2014). 수경재배 시 배지는 물리성 및 화학적 특성이 중요하다 (Milks et al., 1989;Nelson, 1991). 물리적 특성은 배지 종류 및 입자 크기에 좌우된다. 화학적 특성은 작물에 적 합한 근권환경을 결정하는 요인이며 pH, EC, 다량원소 및 미량원소 함량 등이 역할을 한다(Gabriels et al., 1986). 코이어 배지는 코코넛 과실의 열매껍질에서 추출 된 섬유질로 배지에 적합한 물리성과 화학성을 가지고 있으며 코이어의 섬유와 가루 등을 혼합한 더스트(dust) 와 코코넛 중과피를 자른 칩(chip)으로 구성된다(Evans and Stamps, 1996; Nazari et al., 2011). 코이어 배지는 무기양분을 함유한 유기배지이면서 배지의 pH가 낮고, 초기의 수분 흡수력이 낮은 특성이 있어서 코이어 칩과 더스트를 적당 비율로 혼합하여 공극을 확보하거나 생육 중에 함수율을 조절할 수 있는 장점이 있다. 칩이 80% 함유된 코이어 배지를 사용하면 배수력이 높아서 50% 함유된 배지보다 급액량을 높여서 연구하였다(An et al., 2009). 그러나 농가마다 칩과 더스트 혼합비율을 50:50 또는 70:30 등으로 사용하고 있는 점에서 혼합비율에 따 른 효과 검증이 필요하다. 또한, 많은 농가에서 양액 공급 효율이 높다는 점에서 암면 배지를 사용하고 있지만, 암 면 폐기는 환경오염을 초래하기 때문에 사후 처리에 어 려운 점이 있다. 정식부터 1그룹 착과기의 배지 함수량을 55%, 1그룹에서 3그룹까지는 65%, 4그룹 이후는 60% 가 가장 좋다고 하였으며, 파프리카 생육에 배지 함수량 조절은 중요한 요인이기에 이에 관한 연구가 필요하다고 하였다(Lee et al., 2011).

    파프리카는 영양생장과 생식생장을 동시에 하므로 적 절한 생육을 유지하는 것은 수확량과 밀접한 관계가 있 다(Rylski and Spigelman, 1982;Bakker and Uffelen, 1988;Pressman et al., 1998). 최적의 생육환경 조성을 위해서는 온도, 광량(Lee et al., 2014)과 같은 온실환경, 근권부 조건(Choi et al., 2014), 양수분 흡수(Gosselin and Trudel, 1986) 등을 모니터링하고 이를 통한 생육진 단이 가능한 스마트팜 기술 적용이 필요하다. 파프리카 는 생육 중에 영양생장이 강하면 착과율이 떨어지고, 생 식생장이 강하면 줄기, 잎 등의 생장이 느려진다(Kim et al., 2005;Lee and Cha, 2009). 파프리카 생육초기에는 EC 1.5 - 2.5 mS·cm-1가 EC 1.0 mS·cm-1이하와 3.0 mS·cm-1이상에서 보다 초장, 경경, 엽면적, 생체중, 건물 중 등에 효과적이라고 하였다(Cho et al., 2015). 본 연구 는 코이어 배지와 암면 배지의 특성 및 양액 EC에 따른 파프리카의 생육 분석을 통하여 스마트팜 도입 시 근권 환경 모니터링 및 최적 관리를 위한 자료로 활용하고자 수행하였다.

    2. 재료 및 방법

    2.1. 파종 및 양액 관리

    파프리카 품종은 적색계인 ‘나가노’ (cv. nagano, RIJK Zwaan, Netherlands) 품종을 사용하였다. 파종은 2020년 3월 30일에 암면 트레이 240공에 1공당 1립씩 하였고, 질석(vermicurite)으로 덮었다. 정식은 5월 8일 (파종 후 40일)에 U자로 절곡하여 정식하였다. 양액은 네델란드 파프리카 조성표를 기준으로 NO3-N 16.0, NH4-N 1.2, P 4.5, K 9.5, Ca 10.8, Mg 4.8, S 8.8(me·L-1)을 이용하여 8월 27일까지 같게 급액 하였 다. 재배기간 동안 양액의 pH는 5.5 - 6.5로 조절하였다. 양액 공급은 맑은 날을 기준으로 각 처리구에 생육 초기 (정식부터 4주간)에는 하루 동안 1주당 2,300 – 2,800 ml, 착과기(정식 5-8주간)에는 3,000 – 3,800 ml, 비대기 (정식 9주간 이후)에는 4,000 – 4,300 ml를 시간제어로 작물 생육단계와 환경에 맞게 조절하였다. 온실 내부 하 루평균 온도는 21 - 31℃(Fig. 1), 평균 습도는 40 - 98%(Fig. 1), 평균 CO2 농도는 400 - 450 ppm(Fig. 2), 하루 누적 광량은 2.7 - 23.1 MJ·m-2(Fig. 2)이었다.

    2.2. 양액 EC 및 배지 처리

    처리는 양액 EC 3수준과 배지종류 3처리로 하였다. 양액 EC는 2.0 mS·cm-1 (표준액) 대비 1.0 mS·cm-1(1/2 배액)과 4.0 mS·cm-1(2배액) 3처리로 하였다. 배지종류 는 코이어 칩과 더스트 비율이 각각 50:50와 70:30인 코이어 배지(100×20×10 cm, 대영 GS, Malaysia) 처리 구와 암면 배지(100×150×7.5 cm, Grodan, Denmark) 에 암면큐브(10×10×6.5 cm, Grodan, Denmark)를 올 린 3처리로 하였다.

    2.3. 생육, 과실 및 근권조사

    생육 특성은 정식 후 112일에 초장, 엽장, 엽폭, 줄기 굵기, 화방높이, 마디수, 엽록소(SPAD 502 Plus, KONICA MINOLTA INC., JAPAN), 엽면적 (LI-3100, Area meter, LI-COR Inc., USA), 생체중 및 건물중 등을 양액 EC 1.0, 2.0, 4.0 mS·cm-1과 코이어 배지 50:50, 70:30, 암면 배지+암면큐브 처리구별 2주씩 3반복으로 총 54샘플을 조사하였다. 과실 특성은 과장, 과폭, 당도 및 1주당 누적 수확량 등을 조사하였다. 배지 별로 근권의 분포를 조사하였다.

    2.4. 통계분석

    통계분석은 SAS 프로그램(SAS 9.2, SAS Institute INC., USA)을 이용하여 각 처리구에 대해 95% 신뢰수 준에서 Duncan’s Multiple Range Test (DMRT) 검정 을 하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1. 생육 특성

    파프리카의 양액 EC와 배지종류에 따른 생육 특성을 조사한 결과는 Table 1과 같다. 초장은 양액 EC 1.0, 2.0 mS·cm-1 처리가 EC 4.0 mS·cm-1 처리보다 좋았고, 같 은 양액 EC 처리의 배지종류에 따른 유의성은 없었다. 줄기직경은 양액 EC 1.0 mS·cm-1 처리가 2.0이나 4.0 mS·cm-1 처리보다 좋은 것으로 나타났고, 엽록소 함량 은 오히려 EC가 높았던 EC 4.0 mS·cm-1 처리가 높은 것으로 나타났다. 엽면적은 양액 EC가 1.0과 2.0 mS·cm-1 일 때 컸고, 코이어 배지가 암면 배지보다 큰 것 으로 나타났다. 생체중과 건물중을 조사한 결과, 전반적 으로 양액 EC와 배지종류에 영향을 받는 것으로 나타났 다(Table 2). 생체중과 건물중 모두 양액 EC 1.0과 2.0 mS·cm-1 처리가 4.0 mS·cm-1 처리보다 큰 것으로 나타 났으며, 코이어 배지가 암면보다 큰 것으로 나타났다. 이 는 양액 EC가 낮으면 높은 처리에 비해서 상대적으로 뿌 리로부터 양액 흡수량이 많아지기 때문에 생육량이 증가 한 것으로 생각된다. 또한 암면 배지를 사용할 때도 양액 EC를 낮게 관리하는 것이 파프리카 생육에 좋은 것으로 나타났다. 코이어 배지가 암면 배지보다 보수력이 높아 서 함수율이 높아지고 EC가 낮아져서 영양생장이 촉진 되어 초장이 길고 잎이 커짐(An et al., 2012)을 확인하 였다. 이것은 양액 EC 1.5 - 2.5 mS·cm-1에서 초장, 줄기 굵기, 엽면적, 생체중, 건물중 등이 양호하다는 결과와 같 다(Cho et al., 2015). Kim et al.(2005)Lee and Cha(2009)는 생식생장이 강하면 줄기, 잎 등의 생장이 느려진다고 한 것처럼 양액 EC 4.0 mS·cm-1일 때 초장 은 26.9 – 30.7 cm, 줄기굵기는 1.00 – 1.95 mm, 엽장은 0.8 – 1.1 cm, 엽폭은 0.5 – 1.1 cm가 다른 처리구에 비 해 작았다(Table 1). An et al.(2012)은 일사제어로 암면 과 코이어 배지에 따른 줄기굵기와 초장은 차이가 없다 고 하였으나, EC가 높아지면 코이어 50:50가 암면보다 초장이 10.9 – 12.9 cm 길고, 줄기굵기는 0.54 – 1.49 mm 굵어져 영향을 받는 것으로 나타났다.

    3.2. 과실 특성

    파프리카의 양액 EC와 배지종류에 따른 과실 특성을 조사한 결과는 Table 3과 같다. 과장 및 과중은 코이어 배지가 암면 배지보다 컸고, 과중은 양액 EC에 따른 유 의성이 있는 것으로 나타났다. 양액 EC와 상관없이 암면 배지의 과장이 코이어 배지보다 짧고 과실 무게도 작게 나타났는데, 코이어 배지가 암면 배지보다 파프리카 생 산성에서 유리하다고 생각되었다. 정상과율은 EC 2.0 mS·cm-1 처리의 코이어 배지가 가장 높았고, EC 4.0 mS·cm-1 처리구의 암면 배지에서 88% 정도로 가장 낮 았다. 이는 코이어 배지가 높은 배수력으로 근권이 안정 되어 뿌리의 활력과 초세가 강해지고 엽면적이 증가하여 과실의 충실도가 높아져(Ito and Kawai, 1994;Ootake et al., 1994) 정상과율이 높아진 것으로 생각된다. 전체 적으로 EC를 낮게 관리하는 것이 EC 4.0 mS·cm-1보다 생산량과 정상과율에 있어서 좋은 것으로 나타났으며 (Table 3), EC 4.0 mS·cm-1 처리구에서 당도는 높으나 불량과율이 높았다(Table 3). 파프리카 재배 시 코이어 배지를 사용하는 것이 암면 배지를 사용할 때보다 과장, 과중, 정상과율이 좋았고, 당도가 좋은 EC 4.0에서도 코 이어 배지의 정상과율이 암면 배지보다 좋다는 결과가 나타났다. 또한, 파프리카 재배 시 EC 1.0과 2.0으로 양 액을 공급하더라도 EC 4.0보다 파프리카 생산량이 많게 나타난 점은 과도한 양액 공급이 생산량에는 영향을 주 지 않음을 나타낸다.

    3.3. 배지 내 뿌리 상태

    배지의 종류별로 뿌리 상태를 관찰한 결과는 Fig. 3과 같다. 코이어 50:50은 뿌리가 고르게 분포되어 있었고, 이것은 양액 공급 시 더스트 함량이 50%가 함유되어 있 어서 배수가 바로 되지 않고 일정 시간 동안 전체 배지 내 에 수분이 머물러 있었기 때문에 뿌리가 전체적으로 분 포된 것으로 생각된다. 코이어 70:30은 아랫부분에 뿌리 가 몰려있는 것으로 관찰되었으며, 이것은 50:50 비율보 다 상대적으로 칩 함량이 많아서 양액공급 시 배수가 빠 르게 진행되어 뿌리가 아래로 몰리는 것으로 판단된다 (Fig. 3). 코이어 칩 80% 함유가 50%보다 배수가 높다 는 것이 확인되었으며 (An et al., 2009), 코이어 배지의 더스트 함유량이 배지 내 수분 함량과 배수에 영향이 있 는 것으로 판단된다. 암면 배지는 코이어 70:30과 같이 아랫부분에 뿌리가 몰려 있는 것으로 나타났다(Fig 3). 양액공급 시 통기성이 우수한 암면큐브를 통과한 수분이 암면 배지 아랫부분에 모이게 되고, 다시 수평으로 이동 하여 일정 높이를 유지한 후 배수되면서, 뿌리가 아래로 몰리게 되는 것과 일치한다(Park et al., 2009).

    파프리카 생육 초기 양액 EC 관리를 낮게 유지하여도 생육 관리와 생산량이 양액 EC를 높게 유지하는 것보다 더 좋았으며, 낮은 EC로 양액 사용량을 줄이고, 배출되는 배액의 EC도 낮추어서 환경오염 및 생산비 절감 효과도 있을 것으로 나타났다. 또한, 생육 초기 코이어 50:50의 뿌리가 고르게 분포된 점은 일정 배지 수분율을 유지하 기 위해서는 코이어 50:50가 효과적인 것으로 나타났으 며, 이는 양액 효율이 높다고 알려진 암면 배지를 코이어 50:50로 대체할 수 있을 것으로 보인다. 결과적으로 파 프리카 생육 초기 코이어 배지가 암면 배지보다 근권과 생육환경 모두 효과적인 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 코이어 배지와 암면 배지의 양액 EC에 따른 파프리카의 생육 특성을 알아보고자 하였다. 파프 리카 농가에서 많이 사용하는 암면 배지와 칩과 더스트 비율이 50:50, 70:30인 코이어 배지를 사용하여 양액 EC를 1.0, 2.0, 4.0 mS·cm-1으로 하여 생육 초기부터 적 용하였다. 파프리카 생육 16주(초기)까지 양액 EC 1.0이 나 EC 2.0 mS·cm-1이하로 관리하여도 생육이나 정상과 율 및 당도에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으며, 파 프리카 생육은 양액 EC와 상관없이 코이어 배지가 암면 배지보다 전체적으로 좋은 것으로 나타났다. 양액 EC 4.0일 때 주당 생산량은 1.6 kg(코이어 50:50), 1.5 kg (코이어 70:30), 1.5 kg(암면)으로 비슷한 생산량을 보였 으나, 암면 배지의 정상과율이 88%로 코이어 배지 98% 와 94%보다 낮게 나타났다. 결과적으로 파프리카 재배 시 코이어 배지가 암면 배지보다 파프리카 생산성에서 유리하다고 할 수 있으며, 코이어 배지를 사용하는 것이 사용 후 폐기 시 환경오염을 줄이는 효과도 있다. 게다가, 배지 내 뿌리 상태도 코이어 50:50가 일정 수분을 유지 하여 배지 전체에 뿌리가 분포된 것을 확인하였으며, 코 이어 70:30은 배수가 빠르게 진행되어 뿌리가 아래로 몰 려서 분포된 것은 낮은 배지 수분율 적용에 활용할 수 있 을 것으로 나타났다. 따라서, 파프리카의 근권환경 모니 터링을 위해서 코이어 배지와 양액 EC 2.0 이하 조건이 파프리카 생산성과 근권 관리에 적용할 수 있음을 확인 하였다. 그러나, 본 연구는 5월에서 8월까지의 파프리카 생육 초기 16주의 결과이며, 중장기 재배 시 결과는 달라 질 수 있고, 온실 환경과 계절에 따라 달라질 수 있다. 따 라서, 정식 시기를 계절별로 다르게 한 연구와 16주 이상 의 중장기 재배 연구가 필요하다.

    감사의 글

    본 성과물은 농촌진흥청 연구사업(세부과제번호: PJ01481003)의 지원에 의해 이루어진 것임.

    Figure

    JESI-30-8-605_F1.gif

    Average temperature and humidity in the greenhouse.

    JESI-30-8-605_F2.gif

    Average CO2 and daily accumulated radiation in the greenhouse.

    JESI-30-8-605_F3.gif

    Roots inside substrate.

    Table

    Effects of EC concentration and substrate on growth characteristics in paprika at 16 weeks

    Effect of EC concentration and substrate on fresh & dry weight of paprika

    Effects of EC concentration and substrate on fruit length, fruit weight, percentage of normality, yield, and soluble solid content of paprika

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