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배양액 관리기술
가. 원수
배양액을 조제할 때 우선적으로 고려해야 하는 것이 원수의 수질이다. 원수는
보통 지하수나 수돗물을 사용하는 경우가 많은데 원수에 함유되어 있는 칼슘,
마그네슘 등의 비료성분은 비료공급량에서 그 만큼을 제외시키지 않으면
배양액 내에 이들 이온이 점차로 축적되어 작물생육을 저해할 수 있다. 물론
유해성분이 함유되어 있는 경우에는 이들 성분을 제거해야 한다. 따라서 원수는
사용 전에 반드시 수질을 분석하여 적정 수질기준을 초과하는지 그리고 인체나
작물생육에 해로운 중금속 등의 유해성분을 기준치 이상으로 함유하고 있는지
확인해야 한다. 원수에 무기원소가 기준치보다 적게 들어 있으면 배양액을
조제할 때 이를 고려하여 계산하면 되지만 철(Fe)의 경우는 다르다. 일반적으로
원수 중에 함유된 철은 Fe(HCO3)2로 녹아있는데, 공기와 접촉하면 산화되어
Fe(OH)3로 변하여 침전되므로 작물이 직접 이용할 수 없다. Fe(OH)3를 양액
공급관에 집적되면 점적배관이나 노즐이 막히므로 이를 제거해야 한다. 철분을
제거하는 방법에는 원수에 공기를 불어넣는 폭기식과 필터를 이용하여 걸러내는
여과방식이 있다. 고농도의 중탄산(HCO3)은 pH 상승의 원인이 되므로 산으로
중화시켜야 한다. 중화에는 보통 4% 질산(HNO3)과 40% 인산(H3PO4)을이용한다.
나. 배양액조성
배양액은 처음에 조제했을 때의 성분조성이 재배 중에도 변화되지 않으며
불필요한 성분이 축적되지 않는 것이 이상적이다. 따라서 배양액 조성은
작물의 양분흡수 균형과 완전히 일치해야 하고 또 불필요한 성분을 함유하지
않아야 한다. 그러나 작물의 종류 또는 생육단계 등에 따라 양분의 흡수균형이
변화되므로 성분조성을 항상 일정하게 유지하는 배양액 조성을 만든다는
것은 매우 어려운 일이다. 따라서 실제재배에서는 작물의 양분흡수균형과
작물고유의 각 성분에 대한 적응폭을 모두 고려하여 만들어진 배양액조성을
생육단계별로 조절해가면서 사용하고 있다. 한편 비순환식 배양액조성을 순환식
양액재배 시스템에 적용 시 생육기간이 경과됨에 따라 근권 내에 NO3
-, Ca2+, Mg2+, SO42- 등의 무기이온이 다량 집적되어 작물의 생육과 수량이 감
소되므로 순환식 양액재배용 배양액조성도 개발되어 있다.
사용할 배양액조성이 결정되면 비료염을 선택하여 비료량을 계산하고 배양액을
조제해야 한다. 배양액을 조제하는 방법으로는 필요한 비료를 큰 용량의
배양액 탱크에 직접 녹이는 방법과 100∼1,000배의 고농도 원액을 만들어
두고 필요할 때마다 배양액 탱크에 넣어 희석하는 방법이 있다. 직접 녹이는
방법은 배양액농도가 낮으므로 침전은 크게 염려하지 않아도 되지만 실제로
널리 사용되지 않고, 고농도 원액을 조제하여 사용하는 방법이 일반적으로 많이
사용된다. 고농도 원액 조제 시 주의할 점은 비료량은 순도 100%의 비료염을
사용할 경우의 값이므로 순도를 계산해야 하고, 질산칼슘은 공기와 접촉하면
수분을 흡수하여 무게가 달라지므로 항상 밀봉하여 보관해야 한다는 것이다.
또한 원액 탱크는 최소한 A, B 두 개를 준비해야 한다.
다. 배양액농도
배양액의 전이온농도(EC)와 개별 무기양분농도는 작물의 생육, 수량 및 품질에
큰 영향을 미치므로 배양액농도를 어떻게 관리할 것인지를 결정하는 것은
실제 재배에서 매우 중요한 문제이다. 지금까지의 연구결과에 따르면, 작물의
종류에 따라 적정농도가 존재하기는 하나 이것은 생육단계나 환경조건에 따라
변화한다는 것이 밝혀졌다. 따라서 작물별 적정농도 범위를 기본으로 품종,
생육단계나 환경조건에 따른 영향을 고려하여 배양액농도를 관리하게 된다.
일반적으로 생육초기에는 작물의 양수분 흡수량이 적고 생육이 진전됨에 따라
많아지기 때문에 생육초기에는 저농도로 관리하고 생육이 진전됨에 따라
농도를 높여간다. 특히 과채류에서 과실의 비대·수확기, 즉 생식생장기에
접어들면 양분흡수량이 현저히 많아지므로 배양액농도를 높게 관리한다. 잎과
줄기의 생육을 촉진시키기 위해서는 질소를, 과실 생산을 위해서는 인, 칼륨,
칼슘농도를 높이는 등 재배목적에 맞는 성분농도의 조절도 필요하다. 또한
배양액농도는 겨울철에는 높게, 여름철에는 낮게 관리하는데 이것은 계절에
따른 수분소비량의 차이에 따른 것이다. 수분흡수량은 기온과 근권 온도가 높고
일사량이 많을 때 촉진되므로 이러한 조건에서는 배양액농도는 낮게, 그리고
반대의 경우인 겨울철에는 높게 관리한다. 순환식의 경우 비순환식보다 낮게
관리하고 피트모스나 코코피트 등의 유기배지는 낮게 암면과 펄라이트 등의
무기배지는 다소 높게 관리하는 것이 일반적인 배양액 농도 관리방법이다.
토마토의 경우 생육단계별로 3화방 개화기부터 5화방 착과기에 비료흡수량이
가장 많아진다. 그러므로 토마토 양액재배 시 항상 동일한 농도로 급액하게 되면
3화방 개화 때까지 배지 내 양분농도가 저하되고, 반대로 5화방 착과(또는 적심)
이후는 배지 내 양분농도가 상승하게 된다. 육묘기를 포함하여 정식 시에는
급액농도를 낮게, 정식 후부터 서서히 급액농도를 올리고, 3화방 개화기부터
5화방 착과기에는 급액농도를 높게, 그 후에는 서서히 급액농도를 낮춘다.
이러한 생육단계에 따른 급액농도의 조절은 토마토의 흡비 특성에 맞추어
행하는 것이며, 동시에 배지 내 양분농도의 변동을 적게 하여 안정적으로
관리하기 위해서도 필요하다. 동양계 토마토 품종은 초세가 강한 것이 많아서
정식 후 3화방 개화기까지 농도를 높여 관리하면 기형과가 많아지는 경향이
있으므로 급액농도를 1.6∼1.8dS/m 내외로 관리하는 것이 바람직하다.
라. 배양액 pH
pH는 용액 내에 존재하는 수소이온(H+)의 농도를 나타내는 지표이며
0∼14까지의 수치를 가진다. 배양액의 pH는 양분의 용해도와 작물의
양분흡수에 직접적으로 영향을 미치며, 대부분의 작물은 토양재배와
양액재배에서 모두 일반적으로 pH 5.5∼6.5 범위에서 생육이 왕성한데 그
이유는 이 범위에서 대부분의 무기양분의 흡수가 원활히 이루어지기 때문이다.
작물의 이온흡수 특성에 따른 근권부 배양액의 pH 변화를 보면 작물이 양이온(K+, NH4+, Ca2+, Mg2+)을 흡수하면 뿌리에서 배양액으로 수소이온이 방출되어 근권의 pH가 낮아지고 음이온((NO3-, SO42-, H2PO4-)을 흡수하면 수산이온(OH-)이 방출되어 근권의 pH가 높아진다. 이러한 pH 변화는 작물적 요인(작물의 종류, 품종), 생리적 요인(생식생장기, 영양생장기), 환경요인(지상부의 온습도와 광도, 근권온도)에 따라 배양액 내에 존재하는 양이온과 음이온의 흡수비율이 달라지기 때문에 나타나게 된다. 근권의 pH를 적정 수준으로 유지하는 것은 양액재배에서 가장 중요한 배양액관리 중의 하나이다.
배양액의 pH는 5.5∼6.5로 유지하는 것이 좋으나 5.0∼7.0의 범위에서도
작물생육에는 지장이 없는 것으로 알려져 있다. 그러나 pH가 4.5 이하로
떨어지면 칼륨, 칼슘, 마그네슘 등의 알칼리성 염류가 불용화된다. pH가 7.0
이상일 경우에는 철이 침전되어 작물이 이용하기 어렵게 되고 8.0 이상 되면
망간과 인이 불용화 되기 쉽다. 일반적으로 pH가 낮을 때에는 음이온의 흡수가,
높을 때에는 양이온의 흡수가 원활히 이루어진다.
배양액 내 질산태 질소와 암모늄태 질소의 비율도 pH에 영향을 주며 암모늄태
질소가 우선적으로 흡수될 경우 pH가 낮아지고 반대로 배양액의 pH에
따라 원예작물의 질소 흡수특성이 변화하기도 한다. 또한 식물에 있어서
필수원소인 철은 킬레이트의 형태로 공급하지 않으면 pH가 높아짐에 따라
산화철(Fe(OH)3)의 형태로 침전된다. 킬레이트 철의 종류에 따라 Fe-EDTA는
pH 7까지, Fe-DTPA는 pH 8까지, Fe-EDDHA는 전영역에서 사용가능하므로
상황에 맞는 철 급원을 적절히 선택해야 한다. 높아진 pH를 낮추기 위해서는
황산(H2SO4), 인산(H3PO4) 및 질산(HNO3) 등이 사용되며 낮아진 pH를 높이기
위해서는 수산화칼륨(KOH)이나 수산화나트륨(NaOH)이 사용된다. 또한
적절한 비료염을 사용하여 pH를 조절하기도 하는데, 질산암모늄(NH4NO3),
인산암모늄(NH4H2PO4), 황산암모늄((NH4)2SO4) 등이 그 대표적인 비료염이다.
이들 비료의 공통점은 암모늄태 질소(NH4-N)를 함유하고 있다는 것이다.
영양생장기 동안 근권의 pH는 계속적으로 상승되는데 그 이유는 영양생장기
동안 식물이 질산태 질소(NO3-N)를 중점적으로 흡수하여 수산이온(OH-)을
방출하기 때문이다. 따라서 질산태 질소의 흡수를 억제할 수 있는 암모늄태
질소를 공급해줌으로써 근권의 pH 상승을 억제할 수 있다. 그러나 생식생장기
동안에는 식물이 칼륨을 중심으로 한 양이온을 많이 흡수하여 근권의 pH가
낮아지기 때문에 암모늄태 질소가 함유된 비료염을 사용할 경우 근권의 pH가
더욱더 낮아지게 된다. 이를 방지하기 위해서 중탄산칼륨(KHCO3)과 같은
비료를 사용하게 되며 중탄산칼륨은 칼륨 공급원이 될 뿐만 아니라 동시에
pH가 낮아지는 것을 막는 중탄산이온(HCO3-)을 근권에 공급하여 근권의 pH를
안정적으로 유지하도록 도와준다.
배양액 자체의 pH 조절도 중요하지만 배지의 pH를 우선적으로 조절하면 좋다.
피트모스나 수피와 같은 강산성 배지는 배양액의 pH로 배지의 pH를 조절하기
보다는 사용전의 배지에 석회를 시용하여 배지 자체의 pH를 높인 후 작물을
재배한다. 암면, 입상암면, 훈탄, 목탄 등의 알칼리성 배지의 경우 배양액의
pH를 5.2∼5.7로 다소 낮추어 공급하고, 펄라이트, 버미큘라이트 등의 중성
및 약산성 배지는 공급하는 배양액의 pH에 비교적 크게 영향을 받으므로
적정범위로 조절된 배양액을 공급하도록 한다.
마. 배양액 급액 관리
재배방식이나 베드구조 등에 따라 배양액을 공급하는 방법에 여러 가지 형태가
있다. 담액수경이나 박막수경과 같은 순수수경에서 급액은 주로 타이머로
조절한다. 그러나 고형배지경은 점적테이프나 마이크로튜브를 사용하여
점적급액하는 경우가 많아 급액제어도 타이머 이외에 식물의 수분흡수량과
일사량과의 관계를 이용한 일사비례방식, 배지습도를 감지하는 습도센서방식,
액면 변화를 감지하는 수위센서방식, 배지중량 변화를 감지하는 중량방식 등
여러 가지 방식이 이용된다. 급액관리 시에는 1회당 급액량과 1일 급액회수,
급액배관의 막힘 등에 주의해야 한다. 토마토의 증산량은 생육단계나 기후에
따라 크게 변동된다. 충분히 생육한 상태의 토마토의 경우 주당 1일 급액량은
겨울철에 0.8L, 여름철에 1.8L로 토마토의 실제 증산량보다 약간 높은
수치이다. 생육시기별로 보면, 3화방 개화까지는 전개엽수에 맞추어 급액량을
결정한다. 목표로서는 정식 후 1개월은 표준량의 1/3∼1/2, 정식 후 2개월째는
표준량의 1/2∼1/1이다. 최대 증산량은 5화방 개화기 때이지만 3화방 개화
이후는 표준량으로 충분하다. 슬라브 최하부 가까이에 배수구를 만들어 배액이
급액량의 20% 정도가 되도록 급액하고 흐리거나 비 오는 날은 맑은 날의
1/2∼1/3 정도로 급액한다.
바. 배양액 살균
토마토 양액재배 시 병해는 배지 성상 등 배양액의 공급방식에 따라 발생 종류에
다소 차이가 있다. 담액수경에서는 배양액의 순환에 의해 주로 역병, 뿌리썩음병
등이 많이 발생하고 고형배지경에서는 토양전염성 병해로 풋마름병, 선충 등이
주로 발생한다. 수경재배, 특히 순환식 수경재배에서는 배양액 내에 병원균이 침입하면 작물이 치명적인 피해를 받을 수 있다. 그러므로 자외선살균, 오존살균, 모래여과, 막여과, 열처리살균, 초음파처리 등을 실시하여 배액되는 배양액을 살균해야 한다.
(1) 자외선살균
자외선살균은 UV-A(315∼400nm), UV-B(280∼315nm), UV-C(100∼280nm)
중 살균작용이 가장 효과적인 253.7nm의 파장을 이용하여 병원균을 사멸한다.
자외선 살균장치를 이용한 살균 효과는 순환 배양액의 유속과 병원균의
종류에 따라 각각 다른데, 일반적으로 세균 < 사상균 < 바이러스 순으로 높은
조사에너지를 필요로 한다. 자외선 살균의 장점은 친환경적이며 과잉 조사에
의한 피해가 없으며 초기 투자비와 작동비가 저렴하며, 다양한 처리용량이
개발되어 있다는 것이다. 또한 반응시간이 짧고 반응용 저장탱크의 설치가
필요 없으며 첨가제나 부산물이 없을 뿐만 아니라 유지보수가 용이하다는
것이다. 단점으로는 철과 망간의 석영관 흡착으로 자외선 에너지가 감소한다는
것이다. 자외선 살균은 배액에 자외선을 조사하기 전에 모래여과장치 등으로
5um 이상의 고형물질 입자를 여과함으로써 배양액 내의 자외선 투과성을 높여
주어야 한다.
(2) 오존살균
오존살균은 오존의 강력한 산화력으로 배양액내 병원균을 살균하는 방식으로,
배액을 오존처리탱크로 집수한 후 오존을 발생시켜 배양액을 살균한다.
오존살균장치는 살균반응 후 배양액내 용존산소량이 증가하며, EC와
pH의 변화가 없을 뿐만 아니라 오존의 잔류 기간이 짧은 등의 장점이 있다.
단점으로는 오존 살균 후 킬레이트철이 산화철로 변화하기 때문에 활성탄
등으로 제거해 줄 필요가 있으며, 살균 효과를 높이기 위하여 낮은 pH 조건을
만들어 주기 위한 산 공급장치가 필요하다. 또한 오존 처리 후 철, 망간, 아연 등
미량원소의 성분량을 보정해 줄 필요가 있다.
(3) 모래여과
모래여과는 모래를 채운 여과부와 침전조로 구성하여 배양액을 살균하는 방식으
로 배액을 시간당 100∼300l·m-3의 유속으로 여과하여 살균한다. 모래여과장
치는 역병균(Phytophthora spp.)에 특히 효과적이며 위조병균(Fusarium spp.)
의 포자는 3∼7m·day-1의 속도로 90cm 두께의 모래층을 통과하면 살균이 효
과적이다. 모래여과장치는 소규모의 양액재배 시설에서 효과적이며, 설치비용
이 저렴하고 특히 역병균의 감염 작물에서 살균효과가 높다. 모래여과장치의 단
점으로는 모래여과층의 재료와 두께에 따라 상이한 살균 효과를 보이며, 처리 후
용존산소량이 낮아질 수 있다.
(4) 열처리살균
열처리살균은 배액을 집수탱크로 회수하여 유기물입자를 여과한 후 열처리에
의하여 배양액을 소독하고, 액온을 조절한 후 부족한 배양액 성분을 조절하여
급액하는 살균방식이다. 처리온도와 시간에 따라 다르지만 95°C 조건에서
30초간 살균하면 바이러스를 포함한 거의 모든 병원성 미생물이 사멸되며,
세균과 사상균은 55∼60°C에서 5분이면 사멸한다. 가열장치를 이용한
열처리법은 비교적 배양액량이 적은 양액재배방식에 적합하다.
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