관수 제어방식과 배액 재사용 비율이 딸기 순환식 수경재배의 양분 균형과 생리·환경적 반응에 미치는 영향 = Effects of Irrigation Control and Drainage Recycling Ratio on Nutrient Balance, Physiological, and Environmental Responses in Closed Hydroponic Strawberry Cultivation

국문 초록 (Abstract)

최근 시설원예 분야에서는 물과 비료 사용을 최소화하고, 환경오염을 저감할 수 있는 지속 가능한 재배 시스템의 개발이 중요하게 대두되고 있다. 특히 수경재배에서 배액을 재활용하는 순환식 시스템은 양분 이용 효율을 높이고 폐양액 배출을 줄일 수 있는 대안으로 주목받고 있다. 본 연구는 이러한 딸기 순환식 수경재배 시스템의 적용 효과(관수 제어 방식, 배액 혼합비율)를 생리적·환경적 측면에서 정량적으로 규명하고자 수행되었다.

3.1. 관수 제어 방식이 딸기의 생육과 이온 흡수 특성에 미치는 영향
딸기 순환식 수경재배에서 관수제어를 타이머(TIMER), 근권 함수율 기반(FDR), 일사량 기반(SOLAR) 제어로 비교한 결과, 모든 처리에서 배액의 EC는 1.3∼1.8 dS･m⁻1 범위로 유지되었으며 FDR 처리에서 가장 안정적이었다. 근권 pH는 FDR이 5.8로 높고 SOLAR이 5.3으로 낮았으며, 근권 EC는 SOLAR와 TIMER에서 1.9∼2.0 dS･m⁻1 범위로 상대적으로 높았다. 순환식 처리구에서는 Na와 Cl의 축적이 나타났으나, FDR은 일정한 함수율 유지로 양분 흡수 균형과 염류 축적 완화 효과를 보였다. 생육은 처리 간 차이는 없었지만, FDR 처리에서 관부 직경이 안정적이고 엽병장이 짧아 수분 이용 효율이 높았다. 가스교환 특성은 유의차가 없었으나 SOLAR 처리에서 기공전도도와 증산율이 다소 높아 광합성 활성 유지에 긍정적이었다. 후기 생육기에는 TIMER 처리의 건물률이 대조구(비순환식의 타이머 제어)보다 높았고, FDR 처리의 생산량은 급액량이 50% 감소했음에도 대조구 생산량의 90% 이상을 유지하였다. 당도와 산도, 당산비는 처리가 유의하지 않았다. 결론적으로 FDR 제어는 양분 흡수 균형과 생리적 안정성을 유지하면서 급액량을 절감할 수 있는 효율적인 방식으로 평가되었다.

3.2. 배액 혼합비율이 딸기의 이온 흡수 특성 및 생육에 미치는 영향
배액 재활용률을 30%, 50%, 70%로 설정하여 양분 흡수, 이온 조성, 생육 및 과실 품질에 미치는 영향을 비교한 결과, 배액 EC는 생육 후기(1∼3월)에 급격히 상승하였다. 30%에서는 신규 양액 투입으로 염류 축적이 빠르게 진행된 반면, 70%에서는 희석된 배액의 반복 사용으로 EC 상승이 완만하였다. 재활용률이 높을수록 NH4-N, NO3-N, K, P 농도는 감소하고 Na, Cl, S는 증가하여 비필수 이온의 축적과 선택적 흡수 저하가 나타났다. 특히 70%에서는 NO3-N과 P의 흡수가 현저히 낮고 Na, Cl의 비선택적 흡수가 증가하여 이온 불균형이 심화되었다. 배지 상부층에서는 Na, Cl 축적과 EC 상승이 두드러졌고, 이에 따라 엽수, 엽장, 관부 직경이 감소하는 경향을 보였다. 광합성 특성은 차이가 없었으나, 70%에서 기공전도도가 제한되어 CO₂확산이 저하되었다. 총수량은 처리 간 유의차가 없었으며, 30%와 50%는 대조구와 유사한 생산성을 유지하였다. 평균 과중은 소폭 감소하였으나, 비상품률은 5% 이하로 낮고 품질 지표(TSS, TA, TSS/TA)도 안정적이었다. 따라서 순환식 수경재배에서 30∼50% 재활용은 양·수분 이용 효율을 높이면서 염류 불균형을 최소화하는 최적 범위로 판단되며, 70% 이상 재활용은 Na와 Cl 축적에 따른 생육 저하를 유발할 가능성이 있어 주의가 필요하다.

3.3. 배액 혼합비율이 딸기 과실의 품질과 항산화성에 미치는 영향
배액 재활용 비율(0, 30, 50, 70%)이 양액의 이온 균형과 과실 품질과 항산화 활성에 미치는 영향을 규명하였다. 재활용률이 높을수록 NO3-N과 K는 감소하고 Na, Cl, S가 축적되었으며, 특히 70% 처리에서 Na 농도가 대조구의 약 2배에 달했다. K/N 비율은 상승하고 K/Ca와 K/Mg 비율은 감소하며 N과 K의 고갈을 시사하였고, K보다 N의 고갈이 심하였다. 30% 처리에서 착색 기간이 가장 짧아 안정된 양분 공급이 성숙을 촉진하였다. 수량은 30%와 50% 처리에서 대조구와 유사하거나 높았던 반면, 70% 처리에서는 평균 과중이 감소했다. 과실 품질(TSS, TA, TSS/TA)은 처리 간 차이가 없었다. 항산화 활성은 시기별 변동이 컸으며, 70% 처리에서 일부 활성 증가가 나타나 염류 스트레스 반응으로 해석되었다. 주성분 분석(PCA) 결과, 30%는 균형적 양분 상태와 높은 생산성, 50%는 품질 중심형, 70%는 항산화 중심의 고염 반응을 보였다. 결론적으로 배액의 30∼50% 재활용은 생산성, 품질, 환경효율의 균형을 유지하는 최적 수준이며, 70% 이상은 Na와 Cl의 축적과 질산염과 칼륨 고갈로 인한 생육 저하를 유발할 수 있다.

3.4. 순환식 수경재배 시스템이 물 및 비료 사용과 탄소배출에 미치는 영향
딸기 수경재배에서 순환식 시스템을 적용해 자원 이용 효율을 높이고 비료 및 온실가스 배출 감소 효과를 정량적으로 평가하였다. 2년(2023년 9월∼2025년 4월) 동안 실험 1) 비순환식과 순환식 관수 제어 처리, 실험 2) 순환식 배액 재활용 비율 처리를 수행하여 각 수경재배 시스템을 비교하였다. 순환식 시스템은 비순환식 대비 원수 사용량을 30∼65%, 폐양액 배출을 40∼100%까지 줄였으며, 배액 EC 기준 50% 재활용 이상에서는 배출이 거의 발생하지 않았다. 비료 사용량은 17∼64% 절감되어 비용이 최대 64% 감소하였다. 이러한 절감은 비료생산 및 폐양액 처리 과정의 온실가스 배출 저감으로 이어져, 실제 배출량은 비순환식(123.4 kg CO2･m⁻2) 대비 순환식(93.7 kg CO2･m⁻2)에서 24% 감소하였고, 배액 EC 기준 30%, 50%, 70% 처리에서는 각각 82.4, 58.7, 34.9 kg CO2･m⁻2로 줄었다. 단위 생산량 당 탄소 배출량은 배액 EC 기준 70% 처리에서 64% 저감되어 자원 절약과 탄소 저감의 동시 효과를 입증하였다. 따라서 순환식 수경재배는 물·비료 투입과 폐양액 배출을 최소화해 환경 부하를 줄이는 고효율 저탄소 기술로, 특히 배액 EC 기준 50% 이상 수준의 재활용은 탄소 중립형 딸기 재배와 무배출형 시설원예 실현을 위한 핵심 전략으로 평가된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, in the field of protected horticulture, the development of sustainable cultivation systems that minimize water and fertilizer use and reduce environmental pollution has become increasingly important. In particular, closed hydroponic systems that recycle drainage in strawberry hydroponics are attracting attention as an alternative to increase nutrient utilization efficiency and reduce waste nutrient solution discharge. This study was conducted to quantitatively investigate the physiological and environmental impacts of applying these circulating hydroponic systems (irrigation control methods and drainage mixture ratios).

3.1. Effects of Irrigation Control Methods on Growth, and Ion Uptake Characteristics of Strawberries
In a closed hydroponic cultivation of strawberry, irrigation control methods based on timer (TIMER), root zone water content (FDR), and solar radiation (SOLAR) were compared. The EC of drainage was maintained in the range of 1.3–1.8 dS·m⁻¹, with the FDR treatment being the most stable. Root zone pH was higher in FDR and lower in SOLAR, while EC was relatively higher in SOLAR and TIMER. Recirculating treatments exhibited Na and Cl accumulation, while FDR maintained a constant moisture content, effectively balancing nutrient uptake and alleviating salt accumulation. Growth did not differ significantly among treatments, but FDR treatment exhibited higher water use efficiency due to its stable crown diameter and shorter petiole length. Although there were no significant differences in gas exchange characteristics, the SOLAR treatment significantly increased stomatal conductance and transpiration rate, which were positive for maintaining photosynthetic activity. In the later growing season, the dry matter content of the TIMER treatment was higher than that of the control (open system TIMER control), and the yield of the FDR treatment remained over 90% of the control despite a 50% reduction in irrigation. Sugar content, acidity, and sugar-acid ratio were not significantly affected by treatment. In conclusion, FDR control was an efficient method for reducing irrigation while maintaining nutrient absorption balance and physiological stability, while SOLAR control was evaluated as an effective strategy for improving quality under different light conditions.

3.2. Effect of Drainage Mixing Ratio on Ion Absorption Characteristics and Growth of Strawberries
The effects of drainage recycling rates of 30%, 50%, and 70% on nutrient absorption, ion composition, growth, and fruit quality were compared. The drainage EC increased sharply in the later growing season (January to March). At 30%, salt accumulation occurred rapidly due to the addition of new nutrient solution, whereas at 70%, the increase in EC was gradual due to the repeated use of diluted drainage solution. As the recycling rate increased, the concentrations of NH4-N, NO3-N, K, and P decreased, while Na, Cl, and S increased, indicating the accumulation of nonessential ions and a decrease in selective absorption. In particular, at 70%, the absorption of NO3-N and P was significantly reduced, and the non-selective absorption of Na and Cl increased, worsening the ion imbalance. In the upper layer of the medium, the accumulation of Na and Cl and the increase in EC were prominent, which tended to decrease the number of leaves, leaf length, and crown diameter. There was no significant difference in photosynthetic characteristics, but at 70%, stomatal conductance was limited, reducing CO2 diffusion. There was no significant difference in total yield among the treatments, and the 30% and 50% maintained productivity similar to the control. Although average fruit weight decreased slightly, the non-marketable rate was low at less than 5%, and quality indicators (TSS, TA, and TSS/TA) remained stable. Therefore, in recirculating hydroponics, 30-50% recycling is considered the optimal range for maximizing nutrient and water utilization efficiency while minimizing salt imbalance. However, recycling above 70% requires caution as it may lead to growth decline due to Na and Cl accumulation.
3.3. Effect of Drainage Mixing Ratio on Strawberry Fruit Quality and Antioxidant Activity
The effects of drainage mixture ratios (0, 30, 50, and 70%) on nutrient solution ion balance, fruit quality, and antioxidant activity were investigated. As the recycling rate increased, NO3-N and K decreased, while Na, Cl, and S accumulated. In particular, the 70% treatment showed a Na concentration approximately twice that of the control. The K/N ratio increased, while the K/Ca and K/Mg ratios decreased. The 30% treatment had the shortest pigmentation period, suggesting a stable nutrient supply promoted ripening. While yields were similar to or higher than the control in the 30% and 50% treatments, the 70% treatment decreased average fruit weight. Fruit quality (TSS, TA, TSS/TA) did not differ significantly among treatments. Antioxidant activity fluctuated significantly across seasons, with some activity increasing in the 70% treatment, interpreted as a response to salt stress. PCA results showed that 30% resulted in balanced nutrient status and high productivity, 50% resulted in a quality-focused response, and 70% resulted in a high-salt response focused on antioxidant activity. In conclusion, 30-50% drainage slurry recycling is the optimal level for maintaining a balance of productivity, quality, and environmental efficiency. Above 70% can lead to growth decline due to Na·Cl accumulation and nitrate and potassium depletion.

3.4. The Impact of a Closed Hydroponic System on Water, Fertilizer Use, and Carbon Emissions
We quantitatively evaluated the effectiveness of a closed system in strawberry hydroponics to improve resource efficiency and reduce fertilizer and greenhouse gas emissions. For the 2023/24 growing season, we compared non-circulating systems with 50% recycling of nutrient feed EC, and for the 2024/25 growing season, we compared 30%, 50%, and 70% recycling of nutrient drainage EC. Compared to open systems, the closed system reduced raw water use by 30-65% and waste nutrient solution discharge by 40-100%. At 50% recycling of nutrient drainage EC or higher, virtually no discharge occurred. Fertilizer use was reduced by 17-64%, resulting in a cost reduction of up to 64%. This reduction led to a reduction in greenhouse gas emissions during fertilizer production and waste nutrient solution treatment, with actual emissions reduced by 24% in the circulating system (93.7 kg CO2·m⁻²) compared to the non-circulating system (123.4 kg CO2·m⁻²), and to 82.4, 58.7, and 34.9 kg CO2·m⁻² for 30%, 50%, and 70% drainage EC treatments, respectively. Carbon emissions per unit production were reduced by 64% in the 70% drainage EC treatment, demonstrating the simultaneous effects of resource conservation and carbon reduction. Therefore, circulating hydroponics is a highly efficient, low-carbon technology that reduces environmental load by minimizing water and fertilizer input and waste nutrient solution discharge. In particular, recycling at a level of 50% or more based on the drainage EC is evaluated as a key strategy for realizing carbon-neutral strawberry cultivation and zero-emission facility horticulture.

목차 (Table of Contents)

• 국문 초록 i
• Acknowledgments iv
• 목 차 vi
• List of Tables vii
• List of Figures x
• I. 서 론 1
• II. 연구사 4
• 2.1. 딸 기 4
• 2.2. 수경재배 7
• 2.3. 순환식 수경재배 12
• 2.4. 탄소중립 15
• III. 연구 내용 19
• 3.1. 관수 제어방식이 딸기의 생육과 이온 흡수 특성에 미치는 영향 19
• 3.2. 배액 혼합비율이 딸기의 이온 흡수 특성 및 생육에 미치는 영향 58
• 3.3. 배액 혼합비율이 딸기 과실의 품질과 항산화성에 미치는 영향 95
• 3.4. 순환식 수경재배 시스템이 물 및 비료 사용과 탄소배출에 미치는 영향 121
• IV. 종합고찰 140
• V. 인용문헌 143
• VI. Abstract 164