Introduction

토양온도는 농작물의 생육에 필요한 산소와 수분함량, 양분의 가용화와 이동은 물론 토양 중에서 서식하는 병해충의 밀도에도 많은 영향을 준다. 토양온도는 지표면의 태양열, 복사, 일조시간 그리고 일사량에 따라 일일, 계절 그리고 연도 별로 다르게 나타나며(Hillel, 1982), 태양광의 반사, 즉 알베도에 영향을 미치는 지표면의 수분함량, 토색, 경사도 그리고 식생 피복도 등에 따라서도 달라진다. 식생은 지표면에 도달할 수 있는 햇빛의 양을 조절한다. 식생이 없는 나지 토양은 식생이 있는 토양보다 더 빨리 식거나 따뜻해진다(Brady and Weil, 1999).

사질토와 거친 입자의 토양은 비슷한 색의 식질토 보다 더 빨리 따뜻해지고 차가워진다. 지면에 도달한 햇빛의 양은 정면과 측면, 경사도 및 식생의 피복도에 따라 달라지며(Russell, 1973), 토성도 온도 변화에 중요한 역할을 한다. 모래 토양은 점토 토양보다 열용량과 열전도도 그리고 기화 냉각이 작아서 봄에 더 빨리 따뜻해진다(Akter et al., 2015). Yakuwa (1946)와 Chang (1968)은 일본 홋카이도(북위 43.06°, 동경 141.34°)에서 토성별 1일 최고 온도와 최저 온도의 차이를 조사한 결과, 사토가 가장 컸고 다음으로 양토, 토탄, 식토 순이었다.

지표면의 수분 함량은 감지되는 열과 잠재 열을 분할하고 증발을 통해 온도와 습도의 순환에 영향을 준다(Pan and Mahrt, 1987). Avondale 지방의 양토에서 용적 함수율이 0.04일 때 알베도는 0.30이었으나, 0.28에서는 0.14로 낮았다(Idso et al., 1975). 다습한 토양은 더 어둡고, 태양광도 더 많이 흡수하지만, 건조한 토양보다 온도 상승이 늦다. 이것은 물의 높은 비열에 기인하며, 온난화 동안 많은 양의 에너지를 소비하기 때문이라고 한다. 토색은 토양이 따뜻해지거나 냉각되는 속도에 영향을 미친다. 어두운 토양은 반사성이 강한 밝은 토양보다 더 많은 열을 흡수하기(Oke, 1978) 때문이다.

토양온도는 농작물의 지하부와 지상부의 생육은 물론 병원성 미생물의 활동에도 크게 영향을 미친다. 채소를 시들게 하는 Fusarium병의 발생은 토양환경과 밀접한 관련이 있다고 한다. 딸기 시들음병(Fusarium wilt)은 토양온도가 16℃ 이하일 때는 발병되지 않고, 25 - 28℃에서 잘 발생 된다고 한다(RDA, 2024). 시들음병은 토마토와 박과채소의 경우 사양토에서 발생이 심하며(Yang et al., 2000), 사질토가 식질토에 비해 Fusarium oxyporum이 잘 증식된다(Stover, 1956). 딸기 시들음병 발생 토양은 무발병 토양보다 전기전도도(electric conductivity, EC), 질소, 인산 농도가 높았고 pH는 낮다(Nam et al., 2005).

본 연구는 2021년 10월 완주군 삼례읍 소재 동일 하우스에서 지점에 따라 국소적으로 딸기가 시들어 죽는 현상을 발견하고 그 원인과 대책을 모색하고자 시들음병이 심하게 발병된 곳과 외관상 피해가 나타나지 않은 곳의 토양온도, 토성, 토양화학성 등의 토양환경을 조사·분석하였다. 동일 하우스 내부에서 토성의 차이가 따른 딸기 시들음병의 발생을 확인하고 토양의 온도와 수분함량, 화학성의 변화를 파악하고자 본 연구가 수행되었다.

Materials and Methods

동일 하우스 내 딸기 시들음병 피해 확인

2021년 10월 완주군 삼례읍 석전리 851번지 소재의 비닐하우스에 심어진 딸기가 국소적으로 시들어 죽었다. 죽은 딸기의 관부를 잘라 실체현미경으로 40배 확대해 본 결과 전형적으로 시들음병에 의해 죽은 것을 확인할 수 있었다(Fig. 1). 이에 동일 하우스 내부에서 딸기 시들음병이 국소적으로 발생된 원인을 밝히고 대책을 모색하고자 관련 토양환경을 조사·분석하였다.

2021년 딸기 정식기의 완주군의 기온과 지온 자료

딸기 시들음병 피해가 발생한 농가 포장에서 직선으로 13 km 떨어진 완주군 농업기술센터에 있는 무인 기상관측자료에서 2021년 9월 1일 - 10월 9일까지 관측자료를 추출한 다음 평균기온, 최고기온, 평균지온, 최고 지온을 비교 분석하였다.

Fig. 1.

Occurrence of Fusarium wilt in the same plastic greenhouse.

토성 및 토양 화학성 분석

토양시료는 발병지와 무병지에서 auger를 이용하여 0 - 15 cm 깊이로 채취하여 음지에서 자연 건조시킨 후 2 mm 체를 통과시켜 분석시료로 사용하였다. 토성분석은 분산제로 5% sodium hexametaphosphate (Sigma-Aldrich Co., USA)를 넣고 비중계법을 이용하였고(Kim et al., 2006), 토성의 판정은 미국 농무성법의 분류기준을 따랐다(Gee and Bauder, 1986).

토양 중 양분함량 분석은 농촌진흥청 토양화학분석법(NAAS, 2010)에 따랐다. 즉, 토양 pH는 토양과 증류수를 1 : 5 (w/v)로 혼합하여 30분간 진탕한 후 pH meter (Mettler Toledo, Switzerland)로 측정하였고, 전기전도도(EC)는 conductivity meter (Mettler Toledo, Switzerland)로 측정하고 환산하였으며, 유기물은 Walkley-Black법, 유효인산은 Lancaster법으로 측정하였고, 교환성 K, Ca, Mg은 1 N ammonium acetate로 침출한 후 원자흡광광도계(atomic absorption spectrophotometer, AAS; SpectrAA 55B, Varian, USA)로 분석하였다.

하우스 내부 토양온도와 함수율의 조사

동일 하우스 내의 발병지와 무병지에 10 cm 깊이로 지중온도계(TEROS Gen2, Meter, USA)를 설치하였고 2021년 11월 10일부터 2021년 12월 3일까지 15분 간격으로 측정된 data를 logger (ZL6, Meter Group, Inc., USA)에서 내려받아 분석하였다.

또한 2022년 4월 동일 하우스 내의 발병지와 무병지에 10, 20, 30 cm 깊이에서 토양 깊이별 함수율과 온도 변화를 토양수분센서(WT-3000, Mirae Sensor, Korea)로 측정하였다. 본 연구에서 측정된 데이터는 Excel의 데이터 분석을 통해 통계적 유의차를 검정하였다.

Results and Discussion

딸기 정식기와 활착기의 온도와 시들음병 발병 분석

기온이 28℃ 이상인 환경에서 딸기 시들음병이 발생하기 쉽다(RDA, 2024). 시들음병이 발병된 농가와 13 km 떨어진 완주군 고산면 소재 농업기술센터에서 측정된 2021년 9월 1일부터 10월 9일 사이의 일일 평균기온은 28℃보다 낮았지만, 일일 최고기온이 28℃보다 높은 날수는 23일이나 관찰되었다(Fig. 2).

Fig. 2.

Daily air temperature at Gosan-myeon, Wanju-gun from Sept. 1 to Oct. 10 2021.

높은 기온이 딸기 시들음병 발병이 조장시켰을 것이다. 토양온도가 25℃를 넘으면 딸기 시들음병의 발생이 조장된다(RDA, 2024). 2021년 9월 1일부터 10월 9일 사이 일일 평균지온이 25℃보다 높은 날수는 3일이었지만, 일일 최고 지온이 28℃보다 높은 날수는 전체 40일 중 34일이나 되었다(Fig. 3). 이같이 높은 지온이 딸기 시들음병 발병을 조장시켰을 것이다.

Fig. 3.

Daily soil temperature at Gosan-myeon, Wanju-gun from Sept. 1 to Oct. 10 2021.

발병지와 무병지 토성과 화학성 비교 평가

동일 하우스 내에서 딸기 시들음병 발병지 토양은 모래 51.2%, 미사 25.5% 그리고 점토 23.3%로 구성된 사질식양토였으며, 무병지 토양은 모래 38.6%, 미사 44.1%, 점토 17.2%로 구성된 양토이었다(Table 1).

딸기 재배에 적합한 토성은 배수가 양호한 사양질 토양부터 약간 양호한 식양질 토양으로서(Lee et al., 2019), 딸기 시들음병이 발병된 농가 포장은 딸기 재배에 적합한 토성이었다. 그렇지만 이상고온의 내습으로 딸기에 피해가 발생된 것이다. 따라서 하우스 내부 지온과 기온을 낮추는 기술의 개발과 활용이 시급하다고 본다.

딸기 시들음병 발병지의 토양화학성을 보면 무병지 대비 pH와 토양 유기물 함량은 낮았고, 칼륨 함량과 EC가 통계적으로 유의하게 높았다. 발병지와 무병지 공통으로 농촌진흥청의 비료사용처방 프로그램의 양분 적정함량 기준과 비교해 보면, 농가의 토양 pH는 적정 이하였으며, 토양 인산, 칼슘 함량은 적정 기준을 초과하였으며, 이병지 토양에서 그 정도가 심했다(Table 2). 근권부의 pH는 비료의 종류와 사용량, 작물의 비료흡수 특성, 관개수의 중탄산농도, 토양의 종류에 따라 달라지며, 근권부의 pH가 5.5 - 6.5를 유지할 경우 작물의 생육은 우수하다(Nelson, 2003). 딸기는 양이온 흡수량이 많아 근권부의 pH가 낮은 작물이며(Choi et al., 2010; Shin et al., 2013), 딸기 ‘설향’ 품종은 특히 NH₄⁺나 K⁺ 등 1가 양이온의 흡수량이 많고 근권부의 pH를 산성 쪽으로 변화시키는 특성이 있다(Lee et al., 2015). 토양이 산성화되면 근권부의 Ca 및 Mg의 불용화에 따른 그 흡수량이 저하된다(Nelson, 2003). 또한, 대부분 작물은 pH가 낮아지면 사이토키닌이나 오옥신의 활성이 떨어져 뿌리 발근이나 신장이 나빠진다(Yamazaki, 1982).

딸기 시들음병은 산성토양에서 발생이 증가하며(Nam et al., 2005), pH 6.7인 토양에서 자란 딸기가 다른 토양 pH에서 자란 것보다 시들음병 발생이 가장 적었다(Fang et al., 2012). 한편, 토양의 높은 EC는 F. oxysporum f. sp. lactucae에 의한 상추 시들음병 발생에는 영향이 없었다(Chitarra et al., 2013)는 연구결과를 볼 때, 농가 포장에서 시들음병 발생과 EC와는 관계가 낮은 것으로 생각된다. 이상의 연구 결과를 볼 때, 발병지 토양 화학성을 개량하기 위해서는 작물 재배 중에는 KOH나 K₂HPO₄^3-를 관비로 공급하고, 작물 재배 전에는 토양에 석회를 시용하여 토양 pH를 향상시켜야 할 것이다.

사질식양토와 양토의 토양 함수율 차이

토성은 토양 공극의 기하학적 배치와 불연속에서 영향을 미치고 있어서 토양의 수분 보유능을 다르게 한다. Rout와 Arulmozhiselvan (2019)은 7개 토성의 토양으로 포트실험을 한 결과, 식토나 양토에서는 건조중 중량 함수율 감소율이 일정하였으나, 사토에서는 급격히 감소되었으며, 사질식양토와 식양토에서는 중간 정도를 나타내었다고 하였다.

토양에서 유기 탄소(soil organic carbon, SOC)의 축적이나 손실은 토양으로 탄소의 유입과 토양 유기물(soil organic matter, SOM)의 무기화 간의 균형의 결과이다. 주어진 기후에서 토성은 포화율과 수분 고갈율에 영향을 줘서 결과적으로 토양 유기물의 무기화 조절에 중요한 역할을 한다.

일반적으로 토양 유기물의 분해 가능성은 미사와 점토와 같은 미세한 광물 입자의 비율이 증가함에 따라 감소하는데, 이는 미세 기공에서의 물리적 고립, 미세 응집체에서의 폐쇄, 광물 표면으로의 흡착을 통해 토양 유기물을 물리화학적으로 보호하는 기회가 증가하기 때문이다(Hassink, 1992; Beare et al., 1994; Kravchenko and Guber, 2017). 미시적 규모에서 토성은 토양 매트릭스의 실제 수분 분포에 영향을 미치며, 미사나 점토와 같은 미세한 구조가 많은 토양에서 더 많은 수분이 존재하여 미생물 활동에 영향을 미친다(Ruamps et al., 2011). 또한 토성에 따라 공극의 부피와 점토 함량, 유기물 함량이 달라 동일한 환경에서도 토양 수분 함량은 각각 다르다(Dobriyal et al., 2012).

본 연구에서 동일 하우스 내에 있는 양토와 사질식양토에서 자라는 딸기 시설하우스에 동일하게 관비를 공급하고서 1주일이 지난 2022년 4월 28일 토양이 보유하고 있는 수분 함량을 비교하였다. 10 cm 토심에서 양토의 함수율은 22.4%인 반면 사질식양토는 21.8%였으며, 20 cm 토심에서 양토의 함수율은 30.2%였으나, 사질식양토는 26.6%였고, 30 cm 깊이에서 양토는 32.9%였으나 사질식양토는 30.5%로써, 양토 재배지에서 함수율이 사질식양토 재배지보다 통계적으로 유의하게 높게 나타났다(Table 3). 이 같은 함수율의 차이는 Tables 1과 2에서 보는 바와 같이 양토 재배지는 미사질 식양토 대비 모래 함량은 12.6%가 낮고, 미사 함량은 19.6%가 높았던 반면에 점토함량은 5.9%가 낮았고 토양 유기물 함량도 5 g·kg^-1이 더 높은 양토에서 보수력이 높았을 것이며, 그 결과 함수율이 높았던 것으로 보인다.

사질식양토와 양토에서 토양온도의 차이

2021년 11월 23일부터 동년 12월 3일까지 토양온도의 경시적 변화를 보면, 딸기 시들음병의 발병지인 사질식양토가 무병지인 양토 대비 토양온도가 높았다. 이때 지온이 가장 높았던 2021년 11월 25일 15시 평균지온은 사질식양토에서는 18.3℃였던 반면, 양토에서는 16.4℃로써 그 차이는 1.9℃에 달하였다. 같은 기간 중 지온이 가장 낮았던 11월 30일의 평균 지온을 보면 사질식양토에서는 14.6℃, 양토에서는 13.8℃로 관측되어 그 차이는 0.8℃였다(Fig. 4).

Fig. 4.

Difference of soil temperature between sandy clay loam site and loam site in the same plastic film house on Nov. 23 to Dec. 3 2021.

토양온도는 물과 양분의 섭취에 영향을 미치며, 그로 인한 신진대사작용은 뿌리와 새싹의 성장에 영향을 미친다(Hogue and Neilson, 1986). 토양온도는 입사하는 태양열의 복사 또는 일조량에 따라 수시로 변한다(Hillel, 1982).

토성은 온도 변화에 중요한 역할을 한다. 사토는 식토보다 더 빨리 따뜻해진다. 이는 낮은 열용량, 낮은 열전도도 그리고 낮은 기화 냉각 때문이다. 일본 홋카이도(북위 43.06도, 동경 141.34도)의 다양한 토양에서 온도 변화 실험에서 토성별 최고지온과 최저지온간의 일교차의 크기는 사토가 가장 컸고, 다음으로 양토, 토탄, 식토 순으로 감소한다(Yakuwa, 1946; Chang, 1968).

10 cm 깊이의 토양온도를 보면 적색토에서는 최고 35.7℃, 최저 24.1℃로 나타났고, 사토에서는 26.1 - 42.3℃, 점질토에서는 23.3 - 33.0℃, 이탄토에서는 25.1 - 38.8℃이었다(Akter et al., 2015).

최고 지온의 발현은 사질식양토와 양토 간에 1시간의 시차가 있었다. 즉, 2021년 11월 26일 최고 지온이 관찰된 시점을 보면, 발병지인 사질식양토에서는 16시였으나 무병지인 양토에서는 17시였다(Fig. 5).

Fig. 5.

Difference of maximal soil temperature between sandy clay loam and loam in the same plastic film house on Nov. 26 2021.

관비를 일정 시기에 일정량을 공급했다고 해도 모래가 많은 토양은 점토가 많은 토양보다 지표면의 수분 함량이 낮았을 것이다. 태양열이 지표면에 도달하고서 보수력이 좋은 양토에서는 지표면의 증발 작용을 통해 대기 중으로 온도가 방출되지만, 보수력이 낮은 사질식양토에서는 증발에 의한 열 방출이 상대적으로 작아 지표면에 흡수된 열이 지중으로 확산되기 때문으로 보인다.

나지 상태에서 모래 토양은 장파를 가장 많이 방출했으나(-649.88 W·m^-2), 토양에 수분이 충분하거나 식생으로 덮이면 지표면에서 장파 복사가 더 작아졌으며, 거친 입자의 토양은 열용량이 낮았고 미세한 것보다 장파선을 복사가 더 컸다(Akter et al., 2015). 하루 중 장파 복사는 정오에 점차 증가했고, 13 - 15시 사이에 정점에 도달했으며 시간이 지남에 따라 감소되었다(Akter et al., 2015). 이상의 연구 결과를 볼 때, 딸기묘의 정식기와 활착기 사이인 2021년 9월 1일부터 10월 9일 사이 사질식양토에서 양토에서 보다 지온이 더 높았을 것이며, 그로 인해 사질식양토에서 시들음병 발생으로 인해 고사된 것으로 추정되었다.

한편, 2022년 4월 28일 동일 하우스에서 토양 깊이별로 관측한 온도를 보면, 10 cm 깊이에서 양토는 21.1℃, 사질식양토는 22.5℃였고, 20 cm 깊이에서 양토는 21.3℃, 사질식양토는 23.0℃였고, 30 cm 깊이에서 양토는 21.1℃, 사질식양토는 22.4℃였다. 발병지인 사질식양토가 무병지인 양토보다 지온이 1.3 - 1.7℃ 높았다(Table 4).

토양온도는 토양에서 일어나는 생물화학적 변화에 영향을 미치며 물리적 및 화학적 과정을 지시하는 중요한 특징이다. Feldhake와 Boyer (1986)는 13, 21, 29℃ 토양온도 조건에서 증발산량을 측정한 결과, 토양온도가 높아짐에 따라 증발산량이 증가하였다고 하였다. 지온은 미사질 식양토가 양토보다 더 높아 증발산에 의한 수분 손실도 많았을 것이다.

종합고찰

딸기를 정식한 동일 하우스에서 동일한 방식으로 관비를 공급하였으나, 1/3 면적의 딸기는 시들어 죽었고 2/3 면적의 딸기는 외관상 피해가 관찰되지 않았다. 이 같은 부분적인 피해 원인을 규명하고자 토양환경을 분석한 결과 시들어 죽은 곳은 사질식양토였고, 시들음병이 발생하지 않은 곳은 양토였음을 알 수 있었다.

시설재배지 사용되는 관주용 비료는 인산(phosphoric acid)이 함유된 화학적 산성비료이다. 화학적 산성비료 사용에 따라 토양은 산성화된다. 양토의 pH는 5.6, 사질식양토의 pH는 5.2로써 두 곳 모두 적정 범위 이하였다. 이 중에서 사질식양토의 낮은 pH는 딸기 시들음병을 증가시키는 요인이 되었을 것이다(Nam et al., 2005; Fang et al., 2012).

토양온도는 사질식양토는 양토 대비 10 cm 깊이 지온은 1.4℃가 높았고, 20 cm 깊이 지온은 2.7℃, 30 cm 깊이 지온은 1.3℃가 높았다. 높은 지온은 토양에서 증발산에 의한 수분 손실을 가속시켜 종국에는 수분 부족을 일으킬 수 있다.

딸기 재배지의 사질식양토는 양토보다 점토함량은 6.1% 높았으나, 모래 함량은 12.6%가 많고 미사함량은 19.4%가 낮았고, 이같이 토양 중 모래, 미사, 점토 함량은 보수력에 영향을 주었을 것이다. 이는 낮은 열용량, 낮은 열전도도 그리고 낮은 기화 냉각 때문이다. 시들음병이 발생한 사질식양토는 시들음병이 발생하지 않은 양토에 비해서 토양 함수율은 10 cm 깊이에서 0.6%, 20 cm 깊이에서는 3.6%, 30 cm 깊이에서는 2.4% 낮았다.

토성은 온도 변화에도 중요한 역할을 한다. 함수율이 높은 양토의 표면에 도달한 태양열은 수분 증발과 함께 대기 중으로 날아가서 지온은 크게 상승하지 않았고, 그로인한 식물체온도 높지 않아 증산량도 급격히 증가하지 않았겠지만, 사질식양토는 양토보다 수분 보유력이 낮은데다가 지온 상승으로 인한 증발량은 물론 체온 상승으로 증산량도 늘어난 결과, 시들음병이 심하게 발생된 것으로 보여진다(Fig. 6).

Fig. 6.

Impact of soil texture on the occurrence of Fusarium wilt of strawberry in the fertigation culture.

딸기 활착기 시들음병 피해를 막기 위해서는 저항성 품종 선택, 정식 전 토양 소독, 생물적 방제, 윤작, 무병묘, 위생, 장비 소독 등이 있다(Koike and Gordon, 2015; Gordon et al., 2016). 하지만 지구온난화로 인해 딸기 활착기 고온이 내습하는 경우가 많아질 것이며 딸기 정식기와 활착기 시들음병 피해를 막기 위해서는 하우스 기온 강하 방법, 하우스 시설구조 개선, 지표면 복사열 저감 기술, 토양 중 잠재열 강하 기술 등을 고려해 볼 수 있다. 하우스 기온 강하 방법으로는 하우스 내부에 포그나 미스트를 분사시켜 증발열을 날려 보내거나, 환기팬을 가동하는 방법 등이 있다. 지온 상승에 의한 시들음병 방지를 위해서는 딸기가 활착된 10월 상순에 비닐을 피복하는 방법도 있다.

시들음병 피해 방지를 위한 토양 pH 교정은 딸기 정식 전과 후에 따라 다르다. 딸기 정식 전이면 토양검정에 따라 석회요구량에 따라 석회를 살포하면 되고, 딸기 재배 중에는 토양 중 칼리와 인 함량을 고려하여 KOH나 K₂HPO₄와 같은 관주용 비료를 사용하는 기술의 활용도 가능하다.

Conclusion

시설하우스의 입구 1/3 면적의 딸기는 시들어 죽었으며, 2/3 면적의 딸기는 별 피해가 없었다. 농가포장에서 동일한 비닐하우스 안에서 딸기(품종: 설향)가 국소적으로 시들어 죽은 원인을 규명하고자 토성과 화학성, 토양수분함량 그리고 지온을 분석한 결과는 다음과 같다.

딸기 시들음병은 평균 기온 28℃에서 발병하기 쉬운데, 2022년 9월 1일부터 10월 10일 사이 1일 최고기온이 28℃보다 높은 날수는 23일이나 관찰되었다.

시들음병 발병지의 토성은 모래 51.2%, 미사 25.5%, 점토 23.3%로 구성된 사질식양토이었으나, 무병지 토양은 모래 38.6%, 미사 44.1%, 점토 17.2%로 구성된 양토이었다. 사질식양토는 무병지인 양토와 대비하여 pH가 통계적으로 유의하게 낮았다. 토양 양이온과 EC가 높았다. 사질식양토에서 지온은 양토 대비 10 cm 깊이에서는 1.4℃가 높았고, 20 cm 깊이에서는 2.7℃, 30 cm 깊이에서는 1.3℃가 높았다. 이같이 높은 지온은 딸기의 체온도 높인 결과 수분의 증산량을 급격히 증가시켰을 것이다. 사질식양토에서 함수율은 양토 대비 10 cm 깊이에서는 0.8%, 20 cm 깊이에서는 3.6%, 30 cm 깊이에서는 2.4%가 낮아서 식물체의 수분대사를 교란했을 것이다. 이러한 일련의 원인으로 인해 사질식양토에 정식된 딸기식물체가 심하게 시들어 죽은 것으로 생각되었다.