미세기상과 심층시비가 ‘후지' 사과나무 생육에 미치는 영향 : 인위적 고온 환경에서 사과나무 잎의 광합성 및 엽록소 형광 반응 = Influences of Microclimate and Deep placement of Fertilizer on the Growth of ‘Fuji' Apple Trees

국문 초록 (Abstract)

기후 변화는 평균기온 상승과 극한 기상 현상의 증가를 통해 토양 온도와 수분 조건을 변화시키며, 이는 유기물 분해와 양분 이동을 가속화하여 토양 양분 공급의 안정성을 저하시킬 수 있다. 이러한 변화는 농업생태계의 안정성 과 작물 생산성에 부정적인 영향을 미친다. 또한 댐 건설과 같은 대규모 수자 원 개발은 주·야간 기온과 상대습도 등 지역 미세기상(microclimate)을 변화 시켜 작물 생육 환경에 추가적인 영향을 미친다. 우리나라는 지구 평균보다 빠른 온난화와 여름철 고온 현상을 경험하고 있으며, 이는 과수 재배 환경의 불안정성을 심화시키고 있다. 사과(Malus domestica Borkh.)는 기온과 수분 조건에 민감한 온대 과수로, 고온 및 수분 불균형은 광합성 저하와 과실 품질 악화로 이어질 수 있다. 따 라서 기후 변화와 댐 건설에 따른 미세기상 변화가 사과 생육과 품질에 미치 는 영향을 규명하고, 심층시비와 같은 적응 전략의 효과를 평가할 필요가 있 다. 1. 인위적 고온 환경에서 사과나무 잎의 광합성 및 엽록소 형광 반응 기후 변화로 인한 고온 환경은 사과나무의 생육에 부정적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 특히 온대성 작물인 사과는 고온 조건에서 총광합성량이 감소하고, 과실의 착색 및 당도 형성이 저해되는 경향을 보인다. 그러나 국내 에서는 고온 조건에서 재배된 사과나무의 광합성 반응에 관한 연구가 제한적 으로 보고되어 있다. 이에 본 연구는 온실 조건에서 재배한 사과나무 유목을 대상으로 광합성 특성과 엽록소 형광 반응을 구명하고자 수행되었다. 재배 기간 동안 온실과 외부 평균기온 차이는 2022년에는 외부 기온 20.1℃ 에 온실 기온 21.9℃로 1.8℃였고, 2023년에는 외부 기온 20.3℃에, 온실 기온 22.3℃로 2.0℃였다. 연도별 광합성 속도는 2022년에 평균은 11.2 μmolCO2·m-2·s-1이고 7월에는 8.9 μmolCO2·m-2·s-1 가장 낮았고, 9월에는 12.6 μmolCO2·m-2·s-1로 가장 높았 다. 2023년에는 평균 광합성 속도가 13.3 μmolCO2·m-2·s-1였으며, 7월에 10.3 μmolCO2·m-2·s-1 로 최저치를 보였고, 9월에는 17.0 μmolCO2·m-2·s-1로 최고 치를 나타냈다. 엽온에 따른 광합성 속도는 32℃에서 최댓값인 16.0 μmolCO2·m-2·s-1를 나 타냈으나, 39℃에서는 7.3 μmolCO2·m-2·s-1로 급격히 감소하였다. 엽록소 형광 효율(Fv/Fm)은 29℃~38℃에 0.79에서 0.80으로 안정적으로 유지되었으나, 39℃ 에 0.74로 감소하였고 42℃에서는 0.59로 현저하게 저하되었다. 상관분석결과, 엽온은 광합성 속도(r = -0.66, p ≤ 0.01), 엽록소 형광 효율 (r = -0.62, p ≤ 0.01), 기공 전도도(r = -0.88, p ≤ 0.01)와 유의한 음의 상관 관계를 보였다. 반면, 광합성 속도는 엽록소 형광 효율(r = 0.80, p ≤ 0.01) 및 기공 전도도(r = 0.81, p ≤ 0.01) 와 강한 양의 상관관계를 나타냈다. 2. 댐 건설에 따른 미세기상 변화가 사과나무의 생육 및 품질에 미치는 영향 영주댐 건설 및 운영에 따른 국지적 기상 변화가 사과 과수원의 생육 특성 과 과실 품질에 미치는 영향을 분석하였다. 조사는 2012년부터 2024년까지 총 13년간 수행하였다. 일평균 기온의 변화는 영주시의 연평균 기온은 11.2℃에서 13.4℃로 2.17℃ 상승하였으며, 비교 지역인 안동시와 청송군에서도 각각 2.02℃와 2.55℃ 상승 하였다. 영주댐 조사 지역의 사과나무 만개일은 평균 10.0일 앞당겨졌고, 비교 지역 에서는 평균 11.5일 빨라졌으며, 이러한 개화 시기의 변화로 인해 전 지역에서 반복적인 서리 피해가 발생하였다. 병해충 발생은 지점 간 차이는 있었으나, 전반적으로는 영주댐의 국지적 영 향보다 전국적인 기후 변화에 따른 연도별 발생 경향이 더 크게 나타났다. 수 확일은 2012년 대비 2024년에 조사 지역에서 평균 7.67일, 비교 지역에서 평균 7.50일 늦어졌다. 사과의 품질 지표인 색도, 과형지수, 과중, 경도, 가용성 고형분 함량 및 적 정산도는 조사 지역과 비교 지역 간에 뚜렷한 차이나 일관된 경향을 나타내지 않았다. 만개일, 수확일 및 재배 기간의 관계 분석에서는 기온 상승은 개화기 의 조기화와 재배 기간의 연장을 초래하였으며, 이에 따라 과실의 성숙 과정 과 수확시기에 변화를 유도하는 것으로 나타났다. 3월~4월 평균기온과 만개일 간에는 유의한 음의 상관관계가 확인되었다(조 사 지역 r = -0.667, p ≤ 0.05; 비교 지역 r = -0.642, p ≤ 0.05). 이러한 현상 은 3월~4월의 기온이 상승할수록 개화가 앞당겨지고 기온이 하강할수록 지연 되는 경향을 의미한다. 한편, 영주댐 담수 전후를 기준으로 조사 지역과 비교 지역 간 평균기온의 유의한 차이는 관찰되지 않았으며, 과실 품질 지표에서도 일관된 변화 양상은 나타나지 않았다. 이러한 결과는 영주댐 담수로 인한 미세기상 변화가 사과 과수원의 평균기온 및 과실 품질에 미치는 영향이, 광범위한 기후 변화의 영 향에 비해 상대적으로 제한적임을 알 수 있다. 3. 심층시비에 따른 ‘후지' 사과나무의 생육 및 품질 댐 건설 이후 이상고온에 따라 급증하는 녹조 현상을 개선하기 위한 오염원 저감 방안의 일환으로 심층시비(deep placement of fertilizer, DPF)와 표층시비 가 사과나무의 생육, 과실 품질 및 토양 양분 보유에 미치는 영향을 규명하기 위하여 수행하였다. 표층시비는 수령 10 년 이하의 나무에는 주당 10 kg, 10 년 이상의 나무에서 20 kg 의 퇴비를 표층에 시용하였으며, 심층시비는 수폭 끝부 분을 천공한 후 10 년 이하에는 주당 6 kg, 10 년 이상에서는 8 kg 의 퇴비를 투입하였다. 생육 조사에서 처리 1년 차에는 표층시비에서 신초길이, 엽록소 지수 및 건 체중이 더 높았으나, 2 년 차에는 처리 간 유의한 차이가 나타나지 않았다. 과 실 품질에서는 2 년 차에 심층시비 처리구에서 과색과 과중이 유의적으로 향 상되어 사과 품질 개선에 긍정적인 효과를 보였다. 반면 과형지수, 가용성 고 형분 함량, 경도 및 적정산도는 처리 간 유의한 차이가 없었다. 엽질소 함량은 심층시비 처리에서 1 년 차 2.76%, 2 년 차 2.73%로 나타나, 표층시비의 2.63%와 2.65%에 비해 높은 수준을 유지하였다. 이러한 결과는 심 층시비가 사과나무의 양분 흡수 효율을 증진시킨 것으로 보인다. 토양 내 양분 잔류량 또한 심층시비 처리구에서 현저하게 증가하였다. 질산태질 소(NO₃-N)는 표층시비 대비 1 년 차 2,471%, 2 년 차 423%, 유효인산(P₂O₅)은 각각 2,076%와 6,811%, 치환성 칼륨(K₂O)은 288%와 632% 증가한 것으로 나타 났다. 심층시비를 확대 적용한 과수원 조사에서도 엽면적과 주간 단면적이 표층시 비처리에 비해 증가하였으며, 과색과 과중이 개선되는 동일한 경향이 확인되 었다. 이러한 결과를 종합하면, 심층시비는 퇴비 사용량을 50% 이상 절감하면 서도 사과나무 생육과 과실 품질을 안정적으로 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 양분 흡수 효율과 토양 양분 보유력을 향상시키는 과수원에 적합한 친환경적 시비 방법으로 평가된다. 추가 주요어: 고온 적응, 국지적 기상 변화, 과실 품질, 기공 전도도, 만개일, 사과나무, 수확일, 엽온, 온실, 영주댐, 지속 가능한 농업, 친환경농업, 퇴비 절 감, 표층시비

목차 (Table of Contents)

• 1. 연구 배경 1
• 1.1. 서론· 1
• 1.2. 기후 변화와 환경 변동 2
• 1.3. 기후 변화에 대비한 수자원 댐· 3
• 1.4. 기후 변화의 농업 영향 4
• 1.5. 기후 변화에 대한 사과나무(Malus domestica Borkh.)의 민감도 5
• 1.6. 한국 사과 생산에 미치는 영향 6
• 1.7. 연구 필요성 6
• 1.8. 연구 목표 7
• 2. 인위적 고온 환경을 통한 사과나무 잎의 광합성 및 엽록소 형광 반응 8
• 2.1. 서언 8
• 2.2. 재료 및 방법 11
• 2.2.1. 식물 재료 및 생육 조건 11
• 2.2.2. 광합성 속도(Phtosynthesis rate) 및 엽온도 측정 11
• 2.2.3. 엽록소 형광(Chlorophyll fluorescence) 효율 측정 12
• 2.2.4. 측정 일정· 12
• 2.2.5. 통계 분석· 13
• 2.3. 결과 및 고찰 14
• 2.3.1. 온실 및 외부 온도 비교 14
• 2.3.2. 하루 동안 광합성 속도 및 엽록소 형광 효율(Fv/Fm) 16
• 2.3.3. 사과나무의 월별 광합성 속도 및 엽록소 형광 효율 19
• 2.3.4. 사과나무 엽온에 따른 광합성과 엽록소 형광의 변화· 25
• 2.3.5. 엽온도에 따른 광합성 속도, 엽록소 형광 효율과 전기전도도의 상관관계·· 29
• 3. 댐 건설에 따른 미세기상 변화가 사과나무의 생육 및 품질에 미치는 영향 32
• 3.1. 서언 32
• 3.2. 재료 및 방법 35
• 3.2.1. 조사 지역 및 공시 작물 35
• 3.2.2. 기상 자료· 35
• 3.2.3. 사과의 생육 및 수확량 및 품질 조사 37
• 3.2.3.1. 개화기 및 서리 발생 조사 37
• 3.2.3.2. 착과량 및 병해충 발생 조사 37
• 3.2.3.3. 수확시기 및 과실 품질 조사 38
• 3.2.4. 담수 이후 사과나무의 생육 조사· 39
• 3.2.5. 영주댐 건설 지역의 만개 일과 2월~4월 온도의 상관관계 분석 39
• 3.2.6. 영주댐 담수 전후 기상 변화에 따른 사과 생육 및 품질 비교· 40
• 3.2.7. 통계 분석· 40
• 3.3. 결과 및 고찰 41
• 3.3.1. 조사 지역과 비교 지역의 평균기온 변화 41
• 3.3.2. 조사 지역과 비교 지역에서 사과 만개기 변화· 43
• 3.3.3. 조사 지역과 비교 지역에서 서리 및 우박피해 조사· 45
• 3.3.4. 조사 지역과 비교 지역에서 최종 적과 후 착과량 조사 48
• 3.3.5. 조사 지역과 비교 지역에서 사과의 병해충 조사 51
• 3.3.6. 조사 지역과 비교 지역에서 연도별 사과 수확일의 변화· 54
• 3.3.7. 조사 지역과 비교 지역에서 사과의 과실 품질 조사 56
• 3.3.8. 영주댐 담수 이후 조사 지역과 비교 지역에서 사과나무의 생육 조사·· 68
• 3.3.9. 조사 지역과 비교 지역에서 만개일, 수확일과 재배 기간과의 관계·· 78
• 3.3.10. 조사 지역과 비교 지역에서 만개 일과 2월~4월 일평균 온도의 상관 관계·· 80
• 3.3.11. 영주댐 건설 후 담수에 따른 사과의 개화, 생육기간 및 과실 품질 비교·· 82
• 4. 심층시비에 따른 ‘후지' 사과나무의 생육 및 품질 85
• 4.1. 서언 85
• 4.2. 재료 및 방법 88
• 4.2.1. 실험 재료 및 장소 88
• 4.2.2. 시비 처리 및 방법 88
• 4.2.3. 생육 조사· 91
• 4.2.4. 과실 품질 조사 93
• 4.2.5. 토양분석 93
• 4.2.6. 통계 분석· 95
• 4.3. 결과 및 고찰 96
• 4.3.1. 심층시비 과수원에서 사과나무의 생육 특성 96
• 4.3.2. 심층시비 과수원에서 사과 과실의 품질 특성 99
• 4.3.3. 심층시비 과수원에서 사과나무 엽질소 분석 102
• 4.3.4. 심층시비 과수원에서 연차별 토양 양분 잔류량 비교 104
• 4.3.5. 심층시비를 확대 적용한 과수원에서 사과나무의 생육 특성 107
• 4.3.6. 심층시비를 확대 적용한 과수원에서 사과 과실의 품질 특성 ·· 109
• 5. 결론 112
• 참고문헌 114
• Abstract 141