서 언

대부분의 현대인들은 일상의 대부분을 실내에서 생활하고 있다. 최근 실내 공기 질 악화에 대한 우려와 더불어 실내 공 간의 심미적 효과를 높이기 위하여 실내식물에 대한 관심이 높아지고 있으며, 실내식물은 쾌적한 실내환경 및 업무효율을 늘려주는 사무환경을 제공해주기 때문에 실내식물에 대한 중 요성과 수요가 증가하고 있다(Lee 2005). 실내 환경의 낮은 광도 특성으로 인하여 실내 환경에서도 생존 및 생장할 수 있 으면서도 관상가치가 오랜 기간 유지되는 관엽식물이 실내식 물로 주로 이용된다(Chen and Henny 2008). 기존 연구들을 통하여 실내식물은 심미적 효과뿐 아니라 실내 휘발성유기화 합물(Volatile Organic Compounds, VOC) 농도를 감소시켜주 고(Cruz et al. 2014; Yang et al. 2009), 증산 작용으로 실내 적정 온도 및 습도를 유지시켜주는 등 다양한 순기능을 가지 고 있다(Lee et al. 2008). 뿐만 아니라 사무환경에 실내식물 이 존재할 경우 스트레스와 질병에 걸릴 확률은 줄어드는 반 면, 일 생산성은 향상되어 현대인들의 심리적 건강 측면에서 의 효과도 기대할 수 있다(Bringslimark et al. 2007).

자금우 속에 속하는 산호수(Ardisia pusilla)는 우리나라 남 부 해안지대의 상록수림 아래에서 자생하는 식물로서 붉은 열매가 인상적인 상록성 소관목이며, 주로 삽목을 통해 번식 한다(Lee and Suh 1999). 산호수는 다른 관엽식물과 마찬가 지로 포름알데히드와 톨루엔과 같은 유해 물질을 감소시키며 (Kim et al. 2011b; Kim et al. 2012b), 산호수 추출물에는 항 암, 항염 및 세포 독성 효과가 있는 polyphenol 및 saponin 성분을 함유하여 약재로서의 이용도 가능하다(de Mejía and Ramírez-Mares 2011; Tian et al. 2009). 낮은 광도 환경에서 서식하는 산호수의 경우 자연광을 90% 정도 차광한 광환경과, 일반적인 실내 온도인 25℃에서 가장 잘 생육하여(Lee 2005) 실내 조경 식물로서 적합하고, 호르몬 처리 및 적심 방법 조절 을 통해 키가 작고 분지수가 많은 산호수를 재배하여 상품성 을 증가시킬 수 있다(Lee et al. 2006).

다양한 환경 요인들은 식물의 생육 및 관상가치 유지에 영 향을 미치며, 실내식물의 경우 실내의 환경에 적합한 종으로 구성되어 있으나, 실내 환경 조건에 따라 생육의 변화가 일어 나며, 관상가치에 영향을 미치게 된다. 일반적으로 다양한 실 내식물은 상대적으로 낮은 광도와 25°C 정도의 온도에서 적정 한 생육 및 생리반응을 보여 실내 환경에 알맞은 식물이나, 실 내식물의 더 나은 적정 생육을 위한 실내 광 및 온도 환경조 건에 관련된 많은 연구들이 이루어져왔다(Choi et al. 1998; Kim et al 2012a; Park et al. 2010).

하지만 광과 온도뿐 아니라 식물 생육에 가장 큰 제한 요인이 되는 것은 수분 환경이며(Boyer 1982), 광도와 온도는 실내환경 에 알맞게 고정되어 있어 식물 생육을 위하여 따로 조절하는 것은 어렵기 때문에 실내 환경에서 식물을 관리할 때 적절한 수분조건을 관리해주는 것이 더욱 중요하다고 할 수 있다. 건조 환경이 식물의 생육 및 생리학적 반응에 미치는 영향에 대한 많은 연구가 진행되었으며(Chaves et al. 2003), 일반적으로 식 물이 건조 스트레스를 받았을 때 생육과 광합성이 저하되고, 다양한 생화학적 반응에 변화가 생기며, compactness가 감소하 여 식물의 상품성 또한 감소된다(Chaves et al. 2002; van Iersel and Nemali 2004; Yordanov et al. 2000). 관수주기에 따른 접란 과 디펜바키아의 생육에 대한 연구결과에서는 1주일에 1회 관수 할 경우 가장 생육이 좋았지만 2주일에 1회 또는 1주일에 2회 관수할 경우 수분이 부족 또는 과다하여 식물이 고사하는 결과 를 보였다(Kwon et al. 2015). 산호수의 경우 높은 빈도로 관수 할 시 수분포텐셜은 증가하고 최대양자수율(F_v/_Fm)은 감소하였 으나 모든 관수 주기 처리에서 생육의 차이가 없었으므로 용이 한 유지 관리를 위하여 2주일에 1회 관수도 적절할 것으로 보고 되었다(Kwon and Park 2015).

그러나 최근 수분환경을 조절하는 방법과 건조에 대한 식물 반응의 정량화에 대한 중요성이 강조되고 있고, 이러한 연구에 서 건조 스트레스 정도를 조절하는 것은 중요한 요소가 된다 (Kim and van Iersel 2011; Kim et al. 2012a). 따라서 다양한 환경 측정센서와 자동화 기술의 발전으로 상토의 용적수분함 량(substrate volumetric water content)을 지속적으로 측정함 으로써 관수를 제어하여 상토의 적정수분함량을 유지할 수 있 는 자동관수시스템이 많이 이용되고 있다(Kim et al. 2014). 이러한 시스템을 이용하면 작물을 재배함에 있어 효율적으로 물을 이용할 수 있고, 최적 수분환경을 통한 식물의 생육 증진, 품질 향상 및 생리 반응 규명이 가능하다(Kim et al. 2012a; Rhie et al. 2018). 대부분의 자동관수시스템 및 스마트팜 관련 기술은 생산 측면에서의 효율적 재배에 초점을 맞추고 있으나, 본 시스템은 화훼식물의 재배를 통한 생산뿐만 아니라 생산 이후 식물의 생육 및 관상가치 유지 관리에도 효과적으로 이 용될 수 있다. 조경식물의 이용 시 식물의 유지 관리 중 관수 를 효율적으로 자동화하게 되면, 식물의 적정 생육 유지가 편 리해질 뿐 아니라, 관리에 필요한 물과 노동력을 아낄 수 있어 매우 효과적으로 이용할 수 있다. 그러나, 식물의 생육을 유지 하면서 관상가치를 유지하고 다양한 실내식물의 순기능 발휘 를 위하여는 실내에서의 실내식물 적정 관수 시점을 이해하는 것이 매우 중요하며, 이를 위한 적정 토양수분함량 조건을 규 명할 필요가 있다(Choi et al. 1998). 본 연구는 실내 조경식물 로 많이 이용되고 있는 산호수의 관상가치 유지를 위한 자동 관수시스템 이용 시 최적의 용적수분함량(volumetric water content, v/v) 조건을 알아보기 위하여 실시되었다.

재료 및 방법

식물 재료

본 실험에 사용한 식물 재료는 2018년 1월 22일 과천 분화도 매시장에서 구입한 10cm 화분의 산호수(Ardisia pusilla)를 사용 하였다. LED 형광등(LED FL, Philips Co. Ltd., Netherlands)이 설치된 실내환경 조건에서 6주간 순화기간을 지낸 후 처리를 진행하였다. 순화기간 동안 일주일에 2번 충분히 관수하였고, 균일한 광조건을 위하여 관수시마다 화분의 위치를 시계방향으 로 변경해주었다. 상토 용적수분함량 처리 당일 초기 생육 조사 를 실시하여 48개의 균일한 개체를 선발하였고, 평균 초장 및 SPAD는 각각 17.2±1.7cm, 36.0±4.9이었다.

실험환경 및 측정항목

실험은 2018년 3월 14일부터 4주간 고려대학교 식물환경조 절공학 실험실 내부에 위치한 실내식물 생육상에서 실시하였 다. 실험 기간 동안의 평균 온도, 상대습도 및 광주기는 25.5± 1.3℃, 31.6±5.9%, 16/8h(light/dark)이었으며, 초관에서의 광 도는 약 200μmol･m^-2･s^-1로 유지하였다. 생육 시기에 따른 산 호수의 생장 및 생리반응 변화를 관찰하기 위하여 상토 용적 수분함량 처리 1, 2, 4주 후에 초장, 초폭, 엽수, 엽면적, SPAD, 잎 상대수분함량(leaf relative water content), 지상부 생체중 및 건물중, 광합성률, 최대양자수율(F_v/_Fm)을 측정하였다. 광합성의 경우 휴대용 광합성측정기기(CIRAS-3, PP systems, Amesbury, MA, USA)를 이용하였으며, 측정시 챔버 내의 이산화탄소 농 도는 390ppm, 광도는 200μmol･m^-2･s^-1로 설정하여 측정하였 다. F_v/_Fm은 엽록소형광 측정기기(Junior PAM, Heinz Walz GmbH, Effeltrich, Germany)를 이용하여 20분간 암적응한 잎 의 엽록소 형광값을 이용하여 계산하였다. 또한 상토 용적수 분함량 처리에 따른 자동관수시스템에 의해 관수되는 물의 양 을 측정하기 위하여 하루 간격으로 점적핀을 통하여 나온 관 수량을 측정하였다.

상토 용적수분함량 처리 및 자동관수시스템

상토 용적수분함량이 산호수의 생육 및 관상가치에 미치는 영향을 알아보기 위하여 상토 용적수분함량을 각각 0.3, 0.4, 0.5, 0.6m³․m^-3의 4가지 수준으로 설정하였다. 본 실험에서는 FDR(frequency domain reflectometry) 방식의 토양수분센서 를 이용한 자동관수시스템(Nemali and van Iersel 2006)을 변 형하여 사용하였다. 16개의 토양수분센서(EC-5; Meter Group, Pulman, WA, USA)를 4주차에 수확할 16개의 화분에 각각 삽입 하였고, 모든 토양수분센서는 multiplexer(AM16/32B; Campbell Scientific, Logan, UT, USA)를 통하여 데이터로거(CR1000; Campbell Scientific)에 연결하였다. 데이터로거에 relay driver (SDM-16AC/DC; Campbell Scientific)를 연결하여 토양수분센 서를 통해 측정된 용적수분함량이 설정된 값(θ = 0.3, 0.4, 0.5, 0.6m³․m^-3)보다 낮아졌을 때 관수라인이 연결된 전자밸브 를 열어 점적 관수하도록 하여 설정된 용적수분함량을 지속적 으로 유지하도록 하였다. 처리 시작 전 모든 화분의 상토 용 적수분함량을 0.6m³․m^-3으로 유지하였고, 처리 약 3일 후 각각 의 상토 용적수분함량 처리 설정 값에 모두 도달하였으며, 실 험 기간 동안 화분 내 용적수분함량은 설정된 값에 맞게 유지 되었다(Fig. 1).

실험 설계 및 통계분석

본 실험은 4개의 처리를 4반복으로 하여 난괴법(randomized complete block design)으로 배치하였으며, 처리 1, 2, 4주 후 시기에 따른 분석을 위하여 각 처리 반복마다 균일한 크기의 산호수 3개체를 이용하여 진행하였다. 실험결과의 분석은 통계분 석용 프로그램 SAS(SAS 9.3, SAS Institute, Cary, NC, USA)를 이용하여 이원분산분석을 하였으며, 사후검정으로는 Duncan 다 중검정(Duncan’s Multiple Range Test)을 통하여 5% 유의수준에 서 각 처리구 평균간의 유의성을 검증하였다.

결과 및 고찰

산호수의 생육에 대한 용적수분함량의 효과

실내 환경에서 산호수 생육시 상토 용적수분함량 처리(θ = 0.3, 0.4, 0.5, 0.6m³․m^-3) 및 유지 기간에 따라 다양한 생육 측 정 항목에 있어 유의한 차이가 나타났다. 초장의 경우 모든 수확 시기에서 처리구에 따른 차이를 보이지 않았는데, 처리 1, 2, 4주 후의 평균 초장이 각각 18.2, 18.5, 19.4cm로 전 실 험 기간 동안 약 7.2%의 낮은 증가율을 보여 이는 처리구에 관계없이 산호수의 초장 생육 증가가 매우 저조했기 때문으로 판단된다(Fig. 2). 반면 초폭, 엽면적, 지상부 생체중과 건물중 은 상토 용적수분함량 처리 1, 2주 후에는 처리구에 따른 차 이가 없었으나 처리 4주 후에 처리구에 따른 차이를 보였고, 모든 항목에서 가장 낮은 용적수분함량인 0.3m³․m^-3 처리구의 생육이 가장 저조하였다. 이를 통해 0.3m³․m^-3 정도의 낮은 수 분함량은 산호수의 생육을 억제하고 처리구에 따른 생육 차이 가 나타나기 위하여는 적어도 4주 정도의 유지 기간이 필요함 을 알 수 있었다. 처리 4주 후에 0.4, 0.5, 0.6m³․m^-3 처리구의 엽수는 처리구간 매우 비슷한 것에 비해 0.3m³․m^-3 처리구에 서만 약 30.7% 감소하여 낮은 수분함량에 의하여 엽수가 감 소되었음을 볼 수 있었다. 엽면적의 경우 처리 4주 후 0.3과 0.6m³․m^-3 처리구의 엽면적에서 차이를 보이지 않았으므로 0.6m³․m^-3의 과습한 상토 내 용적수분함량이 산호수의 잎 생 장에 부정적인 영향을 주었을 것으로 판단된다. 지상부 생체 중과 건물중의 두 항목은 시간과 용적수분함량에 따른 생장 변화가 매우 비슷한 경향을 보이므로 낮은 용적수분함량이 산 호수의 생체 내 수분함량만 영향을 미치는 것이 아니라 생육 자체도 억제되었음을 알 수 있다.

일반적으로 식물은 건조 환경에서 낮은 생육 반응을 보이지 만 과도한 관수는 식물의 품질을 떨어뜨리고, 병충해 발생 위 험을 높이므로(Kim et al. 2011a), 실내식물의 용이한 유지, 128 Flower Res. J. (2018) 26(3) : 124-131 관리를 위한 적정 수준의 관수가 필요하다. 또한 산호수를 포 함한 다양한 실내식물은 생육 특성상 느리게 생장하기 때문에 낮은 수분함량에 의한 생장 억제 효과가 나타나기까지 오랜 기간이 필요하므로 건조 환경에 따른 식물의 반응을 관찰할 때 수분함량 유지 기간에 해당하는 시간적 요소가 매우 중요 한 것으로 판단된다.

산호수의 생리반응 및 관상가치에 대한 용적수분함량의 효과

상토 용적수분함량 처리에 따라서 산호수의 기본 생육에만 차이가 있는 것이 아니라, 생리반응에도 차이가 나타나는 것 으로 나타났다. 식물의 잎에서 명반응의 능력을 나타내는 최 대양자수율(F_v/_Fm)의 경우 용적수분함량 처리 2주 후에 처리 구에 따른 차이를 보였고, 생육 반응과 유사하게 0.3m³․m^-3 처리구에서 다른 처리구에 비해 낮은 F_v/_Fm 값을 나타냈다 (Fig. 3). 하지만 처리 4주 후에는 처리구에 따른 차이를 보 이지 않았고, 0.3m³․m^-3 처리구의 F_v/_Fm 값이 0.4, 0.5 및 0.6m³․m^-3 처리구와 비슷한 값으로 증가하였다. 낮은 수분함 량은 산호수 잎의 명반응을 억제할 수 있지만 용적수분함량 유지 기간에 따라 어느 정도 회복되는 양상을 보였다. 엽록소 함량(SPAD)의 경우 모든 수확 기간에서 처리구에 따른 차이 를 보이지 않았지만, 용적수분함량 처리 1주 후에 비하여 처 리 2, 4주 후의 모든 처리구에서 엽록소 함량이 감소하였다. 용적수분함량에 따른 산호수의 다양한 생리반응을 관찰하기 위하여 광합성률, 기공전도도, 및 증산률을 측정하였으나, 실 내식물의 특성상 전반적으로 낮은 광합성률로 인하여 정확한 데이터 해석이 어려웠으며, 유의한 차이를 발견할 수 없었다 (Data not shown). 잎 상대수분함량의 경우 기존 온실 및 실 외에서의 식물 실험에서는 낮은 용적수분함량 처리구에서 낮 아지는 경향이 뚜렷하게 나타났으나, 본 실험의 경우 처리구 간의 잎 상대수분함량의 유의한 차이가 나타나지 않아, 산호 수의 경우 0.3m³․m^-3의 낮은 용적수분함량에서도 잎 상대수분 함량이 감소되지 않았다(Data not shown).

일반적으로 식물의 잎의 명반응은 수분환경에 의해 크게 영 향을 받지 않거나 식물 종에 따라 그 영향이 다르게 나타나는 것으로 알려져 있으나, 건조 환경의 정도에 따라 억제되는 양 상을 보이기도 하며(Souza et al. 2004), 수분 스트레스로 인 해 광합성이 억제되었을 때 과도한 빛 에너지를 분산시키는 non photochemical quenching 메커니즘을 사용한다. 그리고 식물은 다양한 생리적, 분자적 반응을 통해 건조환경에 적응 하므로 실험 기간 동안 수분함량 처리에 따른 F_v/_Fm 값의 차 이가 줄어드는 현상이 기존 연구와 일치함을 알 수 있다 (Yordanov et al. 2000). 본 실험에서는, 0.3m³․m^-3의 낮은 용 적수분함량 처리구에서도 처리 후 일정 시간이 지난 뒤 식물 이 적응하여 F_v/_Fm을 회복하는 결과를 나타내어, 측정 시기 역 시 매우 중요한 요인이라는 것을 보였다.

상토 용적수분함량은 실내식물의 관상가치 및 상품성의 대표 적인 지표 중 하나인 compactness에도 영향을 미친다. 본 실험 에서는 산호수의 초장에 대한 건물중 및 엽면적의 비율로 두 가지의 compactness 지표를 분석하였다. 두 가지 지표 모두 0.3m³․m^-3 처리구에서 가장 낮고, 0.4m³․m^-3 처리구에서 가장 높은 compactness를 나타냈으며, 0.5m³․m^-3 및 0.6m³․m^-3 처리 구는 지표의 종류에 따라 다른 양상을 보였다(Fig. 4). 초장에 대한 엽면적 비율을 기준으로 한 결과에 의하면 상대적으로 높 은 수분함량인 0.5, 0.6m³․m^-3 처리구는 0.3m³․m^-3 처리구와 차이 를 보이지 않았다. 상대적으로 낮거나 높은 수분함량 처리에서 compactness가 낮아지지만, 적정한 수준의 수분함량 처리에서 높은 compactness로 인해 관상가치가 높게 유지되는 현상은 처리 4주 후 수확 시 촬영한 사진을 통해서도 확인할 수 있다 (Fig. 5). 일반적으로 식물이 건조 스트레스를 받을 시 초장은 작아지고 compactness는 높아지는 것으로 알려져 있지만 (Eakes et al. 1991), 건조 스트레스에 의한 초장의 감소율보다 지상부 생체중 및 엽면적의 감소율이 더 크기 때문에 결국 낮은 compactness를 나타낸다는 연구도 있다(van Iersel and Nemali 2004). 따라서 compactness 항목에 있어서 실내식물의 관상가 치를 유지하기 위하여는 적절한 수분관리가 필요할 것으로 보이 며, 본 실험에서는 0.4m³․m^-3 정도의 수분함량을 유지했을 때 산호수의 관상가치가 우수하였음을 알 수 있다.

산호수 최적 생육 및 관상가치 향상을 위한 관수량 분석

0.3, 0.4, 0.5 및 0.6m³․m^-3 처리구에서 평균적으로 하루 동 안 관수된 물의 양은 각각 29.5, 34.5, 40.8 및 38.1mL으로 0.5m³․m^-3 처리구에서 가장 많이, 0.3m³․m^-3 처리구에서 가장 적게 관수되었다. 또한 지상부 생체중이 증가할수록 관수량이 증가하는 경향을 보였다(Fig. 6). 설정된 용적수분함량이 높을 수록 관수량 또한 높을 것으로 예상하였으나 용적수분함량 처 리 정도와 실제 관수량은 비례하지 않았으며, 이는 화분 내의 용적수분함량이 일정 수준에 도달한 후에 그 수준을 유지하기 위하여 추가적으로 관수되는 물의 양은 용적수분함량 처리 정 도 보다는 식물체의 크기에 따른 증산량에 의하여 결정되기 때문인 것으로 판단된다. 또한 0.4, 0.5 및 0.6m³․m^-3 처리구에 서 지상부 생체중의 차이는 없었지만 관수량에 있어서 차이가 나타난 것은 용적수분함량에 따른 상토의 물리성 변화, 실내 환경에서의 실험이라는 점 등의 다양한 요인들이 영향을 미쳤 기 때문이라고 판단된다.

생육 및 생리 반응에 있어서는 0.3m³․m^-3 처리구에서만 저 하된 경향을 보였고, compactness 항목에 있어서는 중간 정도 의 수분함량에서 높은 값을 나타냈으며, 상대적으로 적은 관 수량으로 식물을 생육하면 효율적인 물 사용이 가능하다. 따 라서 종합적으로 살펴보았을 때 0.4m³․m^-3 정도의 수분함량이 산호수 생육 시 가장 적절할 것으로 판단된다. 이는 일반적으 로 실내 환경에서 식물을 관상 목적으로 관리할 시에는 빠른 생장보다는 관상가치를 유지하고 편리하게 관리할 수 있는 효 율적인 수분 관리가 중요하기 때문이다.

실내식물로 널리 이용되고 있는 종 중 하나인 산호수는 용적 수분함량과 처리 지속 기간에 따라 다양한 반응을 보였다. 생장 및 생리 반응의 경우 처리 후 4주가 지났을 때 가장 낮은 수분함 량 처리구에서 저하되는 경향을 보였고, 관상가치의 경우 0.4m³․ m^-3 정도의 수분함량 처리가 적당한 것으로 나타났다. 또한 용적 수분함량 처리 정도보다는 식물체의 지상부 생체중에 의해 관수 량이 결정되었으며 결론적으로 0.4m³․m^-3 정도의 수분함량이 산 호수 생육 시 가장 적절할 것으로 판단된다. 효율적인 물이용과 정량적인 관수를 위한 자동관수시스템은 생산 측면에서의 효율 적 재배를 위해서 뿐만 아니라 화훼작물의 관상 및 이용을 위한 유지, 관리 측면에서도 효과적으로 적용될 수 있으며, 이를 효과 적으로 사용하기 위해서는 다양한 관상 식물 종들의 효율적인 유지 및 관리를 위한 최적 용적수분함량 조건 규명을 위한 연구 가 필요할 것이다.