수경재배 현장 관리 기술

1. 진주시농업기술센터 황 종 헌 조직의 변화를 주도하는 수경재배전문지도연구회 수경재배 현장 관리 기술

2. 수경재배란? 기초 수경 기술(수질) 기초 수경 기술(수질) 기초 수경 기술(수질) 질의시간 차 례 수경재배 현장관리 기술

3. 수경재배란 ?

4. 수경재배 특징 • 수경재배란 • 물이나 고형배지를 이용하여 작물의 뿌리를 지지하고 최적 농도의 배양액을 적량 공급하는 무토양 재배방식 • 장단점 • 장점 : 청정채소 , 연작장해 회피, 대량생산 , 생력화 • 단점 : 초기시설비, 기술 필요

5. 수경재배 용어해석 • 수경재배와 양액재배 • 광의의 해석으로 수경재배와 양액재배는 같은 의미 • 양액재배는 전체를 의미하며 그중 배지가 물일 떄 수경재배라 하나 영양소가 양액이기 때문에 양액재배에 속함 • 양액재배는 무토양재배(soilless culture), 수경재배(water culture, hydroponics) 또는 용액재배(solution culture), 탱크농업(tank farming), 또는 베드농업(bed farming) 등이 있으나 2000년에 한국수경재배연구회에서 모두 수경재배로 통일

6. 수경재배 분류 • 비고형배지 수경 • 담액식 수경(deep flow culture) • 박막 수경(nutritional film technigue) • 분무 수경(aeroculture, aeroponics) • 고형(인공)배지 수경 • 사경, 역경, 암면, 펄라이트, 코코넛야자껍질 • 기타(훈탄, 왕겨, 톱밥, 혼합) • 기타 수경 • 성형용기 재배 • 식물 공장

7. 수경재배 필요조건 • 작 목 • 생산지 및 출하지 여건에 부합되는 작목, 장기적 전망에 의한 작목선택(관리 노동력, 가격, 시설내용, 기술 등) • 환     경  • 일조시간, 일장, 최대 최소 광량, 총 일사누적량, 최고 최저 온도, 주야간 온도변화, 습도, 풍속과 풍향, 강우량, 적설량 등 • 용     수 • 용수량(1ha 온실에 50톤/1일), 수질, 수온, 염류 종류 및 량 • 수질 : EC 0.5이하, pH 5.5∼7.0 • 시 설 비 • 무리한 시설투자 지양 (여건에 알맞게) • 일부지역 투자비용이 생산비용에 못미침

8. 국내 수경재배 현황 • 재배 면적(ha) • 1991(6ha), 1993(23),1995(34), 2000(680), 2008(800) • 세계 7위 • 작목별(2008년) • 채소 • 파프리카>엽채류>토마토>방울토마토>딸기>상추>오이>고추 • 화훼 • 장미>국화>나리>분화류 • 지역별 • 채소 • 경기>전남>경남>강원>충남>전북>경북 • 화훼 • 경기>경남>전북>전남>제주>충남>경북

9. 기초 수경재배 기술 (수질)

10. 수경재배 용수 • 수경재배 전 수원 확보 및 수질 분석 후 시설 설치 • 원수 분석시 가능하면 무기물은 물론 중금속 등도 분석 • 수도물, 지표수 또는 하천수를 원수 사용 가능 • 암반관정수 • 암반가 반드시 수질이 좋은 것만은 아니며 퇴적암 지대의 경우 수질이 더 악화된 곳이 많음 • 무리한 개발 불필요 • 원수 수량은 생각보다 많이 사용되지 않음(50톤/일 이내) • 원수 중 중탄산(HCO3-) 이온량 매우 중요 • 중탄산이온을 무시하고 배양액 조제 시 재배 실패 사례 많음 • 배지 등의 pH와 매우 밀접함 • 중탄산 농도가 200ppm 이상이면 다른 원수 사용

11. 수질 • EC와 이온함량 기준 수질 분류

12. 수질 • 국내 양액재배 방법별 적정용수기준(서울시립대, 95) • * A : 시판되는 양액재배용 비료를 이용하는 경우 • * B : 단비로 배양액 원액을 조성하는 경우 • * C : 단비로 원액을 조성하고 양이온과 미량원소가 배지내에 집적되므로 재배중 수시 세척

13. 수질 • 50ppm이하의 중탄산(HCO3)은 pH 완충작용이 있음 • HCO3이온은 많을수록 pH가 높아짐 • 석회암지역은 탄산칼슘이나 탄산마그네슘이 많아 미량 원소 침전    • 모암이 바다인 퇴적암지대는 나트륨, 염소, 마그네슘, 염분 과다 • 염분이 과다하면 토마토는 Ca 흡수 저해, 딸기 고염도 피해 • Na이 80ppm 이상인 용수를 사용하면 K 결핍 발생 • 용수의 철분은 Fe(HCO3)2형태이나 공기와 접하면 붉은 Fe(OH)3의 형태로 침전으로 점적기가 막힘

14. 수질 구성 인자 • 무기염류 : 단위 me/l, ppm(mg/l) • 염류농도 : EC • 산도 : pH • 공기를 만나면 침전하는 물질 : Cu, Zn, Mn, Fe • 양이온 : Ca, Mg, Na, NH4, K • 음이온 : Cl, SO4, CO3(탄산 이온), HCO3, NO3, PO4, B • 기타 이온 : F, Li • 중금속 • 기타 • 기름종류, 농약, 병원균

15. EC • 측정단위 : dS/m • EC 과다 • 뿌리의 수분 흡수력 저하로 생산성 감소 • 총염류 함량(total dissolved solids, TDS) • 표시 : ppm 혹은 mg/l • EC * 640 or 700 (오차: 20%) • EC가 1이면, 총염류 농도는 700 ppm 정도 • 토양 EC • 일반적으로 용수 EC의 1.5배정도 • 배지 표면으로부터의 증발과 증산에 의해 짙어짐

16. pH • pH가 적정범위를 벗어나면 • 양분의 유효도 저하 • 뿌리의 흡수능력 저하 • pH가 낮으면 • Ca, Mg 부족 • 급액시스템 부식 • 침전으로 급액장해 발생 • pH가 높으면 • 침전 : Ca, P, S • 흡수 저해 : 미량원소(Fe, Cu, Mn, Zn)

17. HCO3(중탄산 이온) • 중탄산 특성 • 탄산이나 중탄산이온은 배양액의 pH 상승 • 중탄산이 적으면 pH를 올리기 위해 탄산수소칼륨 첨가 • 알칼리성인 탄산과 중탄산 이온은 저농도이므로 일반적으로 문제가 안되나 100ppm 이상 시 교정 필요 • 지하수에서 CO2와 HCO3-의 관계 • 중탄산의 pH 상승 원리 • HCO3-＋H2O → OH-＋CO2＋H2O • 중탄산은 용수를 알칼리성으로 만듬 • 산을 첨가하여 중화시켜야 함 • 중탄산이 많을수록 첨가되는 산의 양도 많아짐 • 산이 많이들어가면 배양액 조성이 달라짐 • 탄산칼슘과 탄산마그네슘은 침전으로 급액시스템 이상

18. 기타 이온 • 염분(Na, CI) • 고농도로 존재하면 배양액의 삼투압 상승으로 뿌리의 흡수 능력이 저하 • 다른 필수원소의 흡수를 저해 • SO4 • 양이온을 침전시키나 고농도의 가능성이 낮음 • 용수에 Na, Cl, SO42-이 있으면 이들은 흡수가 잘 안 되므로 과잉이 되어 K, Ca, Mg 등의 흡수를 저해 • NH4, NO3, PO4, K • 수질오염과 관계가 많고 생활하수, 축산폐수 등에 의한 오염 • Fe, Mn • 침전을 일으키고, 철분이 많으면 Mn과 인이 결핍되기 쉽고 Mn이 많으면 철이 결핍되기 쉬움

19. 주요 요인별 수질 허용량 • EC • 민감한 식물은 2dS/m 이하, 중 정도 내성 작물은 4 이하 안전 • pH • Ca, Mg, CO3, HCO3가 높지 않으면 6.0~8.0 허용 • 중탄산이온 • 3me/l (183ppm) 이하이며 50ppm 이 바람직함 • Na • 3me/l (69ppm) 이하 • Cl • 3me/l (108ppm) 이하이면 두상관수 가능, • 4me/l까지는 뿌리대사 장해 무 • 붕소 • 1.5ppm 이상시 과잉장해(식물에 따라 붕소 내성 다름) • Fe, Mn • 1 ppm 이상이면 침전을 일으키는 문제 발생

20. 원수 수질 개선방법 • 용수 • 용수의 EC가 너무 높다면 EC가 낮은 물과 혼합하여 공급 • 빗물 사용 이 유리함 • 이온 제거 • 역삼투법, 증류법, 이온교환법, 전기투석법 • 철분 여과 • 산소 접촉에 의한 침전과 모래필터 여과 병행 • 철분을 제거하는 방법으로는 여과법과 용수에 공기를 불어넣는 폭기법이 있음 • 유기물 정화 • 모래필터 여과

21. 원수 수질개선 방법 • 중탄산의 중화 • pH를 적절하게 유지하기 위해 용수의 HCO3- 양을 측정 • 배양액의 pH를 보정에 필요한 산의 양을 계산 후 배양액 조제 • 인산(H3PO4) 또는 질산으로 (HNO3) 중화 • 염산과 황산은 염류를 다량 함유하고 있기 때문에 사용 안함 • 20ppm 이하시 완충능이 없어서 pH 변화 심함 • 탄화수소칼륨 KHCO3으로 중화 : 물1톤 당 77g 첨가 • 중탄산 50ppm으로 올라감 • 수돗물 잔류염소 제거 • 2∼3일 정도 정치후 사용 • 티오황산나트륨(하이포, Na2S2O3) 중화 : 톤당 2.5g

22. 수질대처 방법 화 란 화 란 캐나다 스페인

23. 기초 수경재배 기술 (배양액 조성)

24. 이 온(ion) • 원자는 양성자(양전하를 띤)와 전자(음전하를 띤)의 개수가 같음 • 전자를 잃거나 얻었을 때 생긴 전기를 띤 원자나 원자단을 가리켜 이온이라 함 • 전자를 잃을 경우에는 양전하를 띠어 양이온이 되고, 전자를 얻는 경우에는 음전하를 띠어 음이온이 됨 • 원자 1개당 잃거나 얻는 전자의 개수에 따라 1가 이온, 2가 이온이라 하며, 일반적으로 3가 이온까지 존재

25. 원자가(valence) • 어떤 원소의 원자 1개와 결합한 수소원자의 개수 • 수소의 원자가는 ＋1이라 정함 • 이온이 될 수 있는 원소의 원자가는 잃거나 얻은 전자수와 동일 • 분자를 이루는 원자의 원자가의 총합은 '0' • 예시) • 물(H2O)에서 산소 1개는 수소 2개와 결합하므로 산소의 원자가는 －2가 • CaO에서 칼슘 1개는 산소 1개와 결합하고, 산소의 원자가가 －2이므로 분자의 원자가 합이 0이므로 칼슘의 원자가는 ＋2가

26. 원자량, 분자량, 당량 • 원자량 • 탄소의 질량을 12로 정하고 이를 기준으로 하여 정한 원자량의 상대적 질량 • 분자량 • 분자를 이루는 모든 원자의 원자량의 합 • 예) H2O 분자량 = 수소 원자량 × 개수 ＋ 산소 원자량 × 개수18     =          1    × 2   ＋         16    × 1 • 당량(equivalent) • 한 원소의 원자량을 그 원소의 원자가로 나눈 것 • 당량 = 원자량 / 원자가 

27. 당량 계산 • 칼슘 • 원자량이 40.1이고, 원자가가 2이므로 당량은 20.05이다. • 질산이온(NO3-) • 이온량은 62이고, 이온가가 1이므로 당량도 62이다. • 질산칼슘[Ca(NO3)2] • 분자량은 164이며 이 중에는 칼슘이 40.1(2당량), 질산이온은 124(2당량)가 들어 있다. 즉, 같은 당량 수만큼 들어 있다. • 질소(N) • 질소는 NO3-N 또는 NH4-N으로 표시되는데 이는 질산 형태의 질소 및 암모니아 형태의 질소를 나타내는 말 • 이 경우 성분은 모두 N이므로 이들의 1당량은 14로 계산한다.

28. 수경재배 관련 원소

29. 용 액(solution) • 용액 • 물에 물질이 녹아 있는 것 • 용액은 용질과 용매를 합한 것 • 용질 • 녹아 있는 물질 • 용매 • 녹이는 역할을 하는 물 • 수용액 • 용매가 물일 경우의 용액 • 그러므로 배양액은 수용액의 일종 • 수경재배에서는 용질로는 필수영양소의 무기염을, 용매로는 물만을 사용

30. 농 도(concentration) • 용액 내에 용질(배양액에서는 이온)이 얼마나 녹아 있는가를 나타내는 것을 농도라 하며 다음과 같은 표시법이 있음 • 퍼센트농도(percent concentration) • 용액 100g 중에 녹아 있는 용질의 질량(g) • %농도 = 용질의 질량 / 용액의 질량 x 100 • 예) 물 80g에 KNO3이 20g 녹아 있을 때의 KNO3의 %농도는 25이다. • ppm(part per million) • 용액 1리터중에 녹아 있는 용질의 mg수(1/1,000,000) • ppm  (단위：mg/L)= 용질의 질량 / 용액의 부피      • 예) KNO3이 101g 녹아 있는 용액 10리터가 있을 때 이 용질의 농도를 ppm으로 나타내면 10100ppm이다.

31. 농 도(concentration) • 몰농도(M：molarity) • 몰농도(M)란 • 용액 1L 중에 녹아 있는 용질의 몰수 • M (mol/L, mM＝10-3M) = 용질의 몰수 / 용액의 부피(리터) • 예) KNO3이 101g 녹아 있는 용액 10L가 있을 때 이 용액의 몰농도는 0.1M • 몰(mol) • 몰이란 아보가드로의 수(6.02×1023개) 만큼의 알갱이의 모임을 말하며 알갱이 종류에 따라 아래와 같이 구분 • 원자 1몰：아보가드로의 수만큼의 원자＝1그램 원자량 • 분자 1몰：아보가드로의 수만큼의 분자＝1그램 분자량 • 이온 1몰：아보가드로의 수만큼의 이온＝1그램 이온량

32. 농 도(concentration) • 규정농도(N：normality) • 규정농도(N)란 용액 1L 중에 녹아 있는 용질의 당량 수 •  N (단위：e/L) = 용질의 당량수 / 용액의 부피(리터) • 용질의 원자가가 1일 경우에는 규정농도와 몰농도는 같음 • 원자가가 2일 때에는 규정농도 값이 몰농도 값의 2배 • 규정농도(N) ＝ 몰농도(M) × 원자가(이온가) • 규정농도는 e/L 외에 me/L로도 표기 • e는 equivalent의 약자로 당량수를 나타내며 1N은 1e/L와 같음. • 1me/L는 규정농도의 1000분의 1(10-3)로, 배양액 중의 영양소의 농도는 낮기 때문에 me/L를 많이 사용 • 예) 용액 1L에 KNO3이 101g 녹아 있을 때에는, 당량이 101g 이므로 1N 혹은 1e/L

33. 농도표시 및 환산 방법 • 배양액 이온농도 표시 • ppm, mM(mmol), μM(μmol), me/L • ppm은 배양액 1L에 들어가는 무게(mg)이므로, 배양액을 만들 때 비료의 무게를 재는 데 편리하나, 뿌리가 흡수하는 것은 이온이므로 원소간의 비율이나 개수 등에는 부적합 • 일반적으로 배양액 조성시 이온의 개수를 나타내는 mM이나 me/L를 사용하며, 미량 원소에는 ppm 사용 • 배양액 농도는 낮으므로 몰농도, 규정농도는 미사용 • 이온간 비율 고려 시 또는 P, Fe, B, Mn처럼 원자가가 변하는 것은 me/L 사용 • 전이온농도란 배양액 총이온 농도로 단위는 mg ion/L, mM

34. 농도표시 및 환산 방법 • 예제) 질산칼슘 656.4g이 물 4L에 녹아서 질산칼슘 용액 5L인 경우 농도 계산 • 질산칼슘의 분자식은 Ca(NO3)2, 분자량은 164.1g, 칼슘과 질산(NO3-)의 원자가는 각각 2와 1이다. • 용액에 포함된 칼슘과 질산의 몰수는 각각 4와 8이다. 또 질량은 각각 160.4와 496g이며, 당량수는 각각 8이다. • 물 1g은 1mL라고 생각할 수 있으므로, 다음과 같이 질산칼슘에 대하여 여러 가지의 농도를 계산할 수 있다. • %농도：656.4 / (656.4＋4,000 )×100 ≒ 14.1% • 몰농도：4(녹아 있는 몰농도) / 5(용액의 부피)＝ 0.8M • 규정농도：8(당량수) / 5(용액의 부피) ＝ 1.6N • ppm：656.4(질산칼슘의 무게)×103/ 5(용액의 부피)＝131,280ppm

35. 전기전도도 • 전기전도도란 • 전기를 통하는 정도이며 배양액은 mmho/cm나 dS/m로 표시 • 전기전도도는 이온의 이동성, 전하(2가 이온이 1가 이온보다 큼), 농도 및 온도에 비례 • 용액의 전기전도도는 온도를 변화 1℃당 2% 정도가 변하므로 측정시의 용액의 온도를 명기(보통 25℃를 기준) • EC로는 이온의 개별적인 농도를 알 수는 없으나 전체 농도를 아는 데는 편리하며 이온 농도가 높을수록 EC값이 큼 • 보통 1me/L가 약 0.1dS/m • 식물은 일반적으로 1∼2mmho/cm의 범위에서 재배하며 이 이상시 위조, 생육 억제, 열과 등의 현상 발생

36. pH(potential of hydrogen) • pH란 수소이온 농도의 역에 상용 로그한 것 • pH ＝ － log10 [H+] • 수소이온이 많을수록 pH는 낮으며 산성을 띔 • pH가 6에서 5로 '1' 만큼 낮아진 것은 수소이온이 '10배' 많아진 것으로 pH의 변화는 민감함 • 수소이온이 많아진다는 것은 상대적으로 수산화이온이 감소한 것

37. 배양액 조성용 비료염 • 식물 필수 영양소 : 16종 • 10대원소 : C, H, O, N, P, S, K, Ca, Mg, Fe • 미량원소(6종) : B, Mn, Cu, Mo, Zn, Cl • 수경재배용 영양소 • 13가지 영양소를 포함하는 비료 사용 • C, H, O는 공기나 물로부터 얻어짐 • 수경재배 배양액용 비료염 결정요인 • 용해도 • 가격 및 순도 • 식물생육과의 관계 • 구입 및 조제의 용이성 • 원소간의 비율

38. 비료염 종류(다량요소)

39. 비료염 종류(미량요소)

40. 배 양 액 조 성 ○ 다량원소 (g/물1톤)

41. 배 양 액 조 성 ○ 미량원소 (g/물1톤)

42. 농축 배양액 조제 순서 1 • 비료염 준비 후, 무게를 따로따로 정확하게 측정 • 비료 처방량은 순도가 100%이므로 순도 계산 • 조해성이 강한 질산칼슘등은 공기와 접촉하면 수분 흡수로 무게가 달라지므로 항상 밀봉 보관 • 탱크는 하나면 되지만 배양액 통은 최소 A, B 두 개 준비하고 소요량보다 10% 정도 적게 물을 넣어둠 • 배양액 통에 적량의 물을 넣고 비료를 한 종류씩 녹이고, 잘 안 녹으면 펌프를 이용 휘저어 주거나 온도를 올림 • 배양액 통 A에는 KNO3,Ca(NO3)2·4H2O와 FeEDTA를 넣음 • 칼슘염을 황산염 혹은 인산염과 같이 녹이면 석고(CaSO4)나 일인산칼슘[Ca(H2PO4)2]이 생겨 침전

43. 농축 배양액 조제 순서 2 • 배양액 통 B에는 나머지를 넣되 미량 원소를 녹인 후에 다량 원소를 녹여줌 • 질산칼륨은 두 가지 액에 나누어 녹이면 잘 녹는다. • 녹이는 순서는 H3BO3, MnSO4·4H2O, KNO3, MgSO4·7H2O, NH4H2PO4순 • 순도가 낮은 비료 사용시 침전 발생 • 배양액 통에 다 녹인 후, 필요할 때마다 희석사용 • 배양액 pH 측정 후 산도 조절 • 적정 pH보다 높으면 H2SO4를 이용해 낮추고, 낮으면 KOH으로 높임 • pH가 높으면 Fe++, Mn++, PO4---, Ca++, Mg++ 등이 불용화 • 적정 pH는 5.5∼6.5이지만 작물에 맞추어 조절, EC도 측정하여 배양액 조제가 잘 되었는지 확인

44. 배양액 농축액 분리의 원칙 • 농축 배양액 제조시 반드시 두 개 이상의 탱크에 분리 제조 • 비료염의 침전(결합) 방지 • A 탱크에는 칼슘과 철 비료를 • B 탱크에는 인과 황이 함유된 비료를 넣어 • 칼슘과 인(Ca(H2PO4)2) 또는 칼슘과 황(CaSO4), 인산과 철의 결합 방지 • 이들은 한번 결합하면 다시금 용해가 안되므로 양액성분의 변화는 물론 점적관을 막아 정확한 급액 방해 • 특히 인산을 농축액에 직접 첨가할 경우 반드시 B 탱크에만 넣어야 함

45. 기초 수경재배 기술 (배양액 관리)

46. 무기이온의 흡수와 pH <토양재배 : 적정범위 pH 6.2∼6.9>  <수경재배 : 적정범위 pH 5.6∼6.2>

47. pH와 양분 흡수 • 배양액의 pH • 5.5∼6.5가 적합하나 5.0∼7.0의 범위까지 허용 • pH가 낮을 때에는 일반적으로 음이온의 흡수 좋음 • pH가 높을 때에는 양이온의 흡수 좋음 • pH가 4.5 이하로 떨어지면 • Ca, Mg, K 등과 같은 알칼리성 염류 불용화 • pH가 7 이상일 때 • 철이 Fe(OH)3로 침전되어 식물이 이용할 수 없음 • pH가 8 이상일 때 • Mn과 P이 결핍

48. 근권 pH의 영향

49. pH변화 모식도

50. 재배 기간 중 pH의 변화 • 배양액의 조성 및 농도가 작물이 흡수하는 조성 및 농도와 다를 경우 • 영양소 흡수는 적극적 흡수(N,P,K)와 소극적 흡수(Ca,Mg)로 나눔 • 적극적으로 흡수되는 이온은 고온 고광도일수록 흡수가 많아서 pH가 높아짐 • 저온 저광도일수록 흡수가 적어져서 pH가 낮아짐 • (NH4)2SO4, NH4Cl과 같은 암모늄염을 다량 사용 • 암모늄을 다량 흡수하기 때문에 pH가 낮아짐 • pH 상승 • 음이온의 흡수가 왕성하기 때문이고, pH 하강은 양이온의 흡수가 왕성할 때 나타남