재배학 3장 재배환경 - 수분(1) : 작물의 흡수~ 대기 중 수분과 강수

3-3-1 작물의 흡수

(1 ) 작물 생육에 대한 수분의 기본 역할

수분은 어느 물질보다도 작물체 내에 많이 함유되어 있고, 작물체의 2/3이상을 구성하며, 작물생육에 대한 수분의 기본적 역할은 다음과 같다.

1. 식물체 구성물질의 성분이 된다.

2. 원형질의 생활상태를 유지한다.

3. 필요물질을 흡수할 때 용매가 된다.

4. 식물체 내의 물질분포를 고르게 하는 매개체가 된다.

5. 필요물질의 합성, 분해의 매개체가 된다.

6. 세포의 긴장상태를 유지하여 식물의 체제 유지를 가능하게 한다.

(2) 수분퍼텐설

① 수분 퍼텐설의 개념

수분의 이동을 어떤 상태의 물이 지니는 화학 퍼텐셜을 이용하여 설명하고자 도입된 개념으로 작물생리학에서는 삼투압의 개념보다 수분퍼텐설의 개념을 널리 사용 한다. 즉, 물은 퍼텐셜에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하게 된다.

낮은 삼투압 --(물)→ 높은 삼투압 높은 수분퍼텐셜 --(물)→ 낮은 수분퍼텐셜

 

② 수분퍼텐설의 정의와 단위

수분퍼텐셜(water potential)은 열역학에 기초를 두고 있으며，어떤 조건에서 용액 중의 물의 화학퍼텐셜과 기준상태에서 순수한 물의 화학퍼텐셜과의 차를 물의 부분몰용적으로 나눈 값으로 정의되고, 수분퍼텐셜의 단위는 기압단위인 bar 또는 MPa로 나타내는 것이 편리하다.

 

③ 수분퍼텐설의 구성

ㄱ. 삼투퍼텐셜 삼투퍼텐셜은 용질의 농도에 따라 영향을 받는 물의 퍼텐셜에너지로 용질이 첨가될수록 감소하며 항상 음(-)의 값을 가진다.

ㄴ. 압력퍼텐셜 압력퍼텐셜은 식물세포 내에서 벽압이나 팽압의 결과로 생기는 정수압에 따른 퍼텐셜에너지이며, 식물세포에서는 일반적으로 양(+)의 값을 가진다.

ㄷ. 매트릭퍼텐셜 매트릭퍼텐셜은 교질물질과 식물세포의 표면에 대한 물의 흡착친화력에 의하여 나타나는 퍼텐설에너지이며, 항상 음(-)의 값을 가지고, 토양의 수분퍼텐셜의 결정에 매우 중요하다.

 

④ 식물체 내의 수분퍼텐설

식물체 내의 수분퍼텐셜에는 매트릭퍼덴셜은 거의 영향을 미치지 않고 삼투퍼텐설과 압력퍼텐셜이 좌우하므로로 간단히 표시할 수 있다.

1. 세포의 부피와 압력퍼텐설이 변화함에 따라 삼투퍼텐셜과 수분퍼텐설이 변화한다.

2. 압력퍼덴셜과 삼투퍼덴셜이 같으면 세포의 수분퍼텐셜이 0이 되므로 팽만 상태가 된다.

3. 수분퍼덴설과 삼투퍼덴셜이 같으면 압력퍼텐설이 0이 되므로 원형질분리가 일어난다.

4. 수분퍼덴셜은 토양에서 가장 높고，대기에서 가장 낮으며, 식물체 내에서는 중간의 값을 나타낸다.

따라서, 토양ㅡ식물체ㅡ 대기로 이어지는 수분의 이동이 가능하게 된다.

(3) 흡수의 기구

식물세포의 원형질막은 인지질로 된 반투막이며, 외액이 세포액보다 농도가 낮을 때에는, 외액의 수분농도가 세포액보다 높은 결과가 되므로, 외액의 수분이 반투성인 원형질막을 통하여 세포 속으로 확산해 들어가는데, 이를 삼투라 하고, 내,외액 간의 농도차로 인하여 삼투를 일으키는 압력을 삼투압(渗透壓, osmotic pressure)이라고 한다.

삼투로 세포 내에 수분이 많아지면 세포의 크기를 키우려는 압력이 생기는데, 이 압력을 팽압(膨壓, turgor pressure) 이라고 한다. 팽압은 식물의 체제유지를 가능하게 한다. 팽압 때문에 세포막이 늘어나면 세포막에 탄력이 생겨 다시 안쪽으로 수축하려는 압력이 생기는데, 이를 막압(膜整; wall pressure)이라고 한다. 삼투압은 세포 내로 수분이 들어가는 압력이고, 막압은 세포 외로 수분을 배출하는 압력으로 볼 수 있으므로, 실제의 흡수는 삼투압이 막압보다 높을 때 이루어지는데, 이를 홉수압(suction pressure) 또는 DPD(diffu-sion pressure deficit, 확산압차)라고 한다.

그런데 작물의 뿌리는 실제로 토양의 용액으로부터 수분을 흡수하는데, 이때 토양의 수분보류력(水分保留力)은 작물의 수분흡수에 저항하는 작용을 한다. 그리고 토양용액 자체의 삼투압도 작물의 수분흡수에 저항하는 작용을 한다.

토양의 수분보류력과 토양용액의 삼투압을 합친 것을 SMS(soil moisturestress) 또는 DPD’ 라고 하는데, 작물 뿌리가 토양으로부터 수분을 흡수하는 것은 DPD와 SMS 사이의 압력의 차이로써 이루어진다.

 

식물의 조직 내의 세포들 사이에서도 서로 DPD 의 차이가 있는데，이를 DPDD (diffusion pressure deficit difference, 확산압차구배) 라고 하며, 세포들 사이의 수분이동은 이에 따라 이루어진다.

세포가 최대로 수분을 흡수하면 삼투압과 막압이 같아서 홉수압(DPD)이 0 이 되는 상태에 도달하게 되는데, 이 상태를 팽만상태(turges-cence) 라고 한다.

한편, 외액의 농도가 세포액보다 높아질 때에는(세포액의 수분농도가 외액보다 높아질 때) 세포액의 수분이 외액으로 스며나가 원형질이 수축되고 세포막에서 분리하게 되는데, 이를 원형질분리(plasmdysis)라고 한다.

증산이 왕성할 때에는 물관 내의 DPD 가 주위의 세포보다 극히 커지고, 따라서 조직 내의 DPDD 를 극히 크게 하여 흡수를 왕성하게 하며，증산이 활발하지 않을 때보다 10~100배의 흡수를 한다.

이와 같은 물관내의 부압(負歷)에 의한 흡수를 수동적 흡수(passive absorp-tion)라 하고, 앞에서 설명한 세포의 삼투압에 기인하는 흡수를 적극적 흡수( active absorption)라고 한다.

수세미 외의 줄기를 절단하면 절구(切口)에서 수분이 솟아 나오는 소위 일비현상(溢泌現象, exudation)이 생기는데，이는 뿌리 세포의 홉수압, 즉 근압(root pressure)에 의하여 생기며，적극적 흡수의 일종이다. 또한, 적극적 흡수에는 비삼투적 흡수도 있는데, 이는 대사에너지를 소비하여 물관 주위의 세포들로부터 물관으로 수분이 비삼투적으로 배출되는 현상이다. 물은 수분퍼텐셜 이 높은 곳으로부터 낮은 곳으로 이동하며，두 곳의 수분퍼텐셜이 같아서 그 낙차가 0이 되어 수분의 평형상태에 도달하면 이동이 멎는다.

수분퍼텐셜은 용질의 농도가 높거나 또는 압력과 온도가 낮아지면 감소한다. 수분흡수는 뿌리 표면에 접해 있는 토양과 뿌리 내부의 물관부 사이에 수분퍼텐셜의 기울기가 생겨서 일어난다.

 

(4) 근계의 발달과 흡수

토양수분은 강수나 관개로 보급되지만 항시적으로는 모관현상에 의하여 유효수분이 이동하는데, 이를 모관조정작용(capillary adjust-ment)이라고 한다. 그러나 작물의 수분흡수는 수분의 이동속도나 거리보다 근계 뿌리털의 발달에 의존하는 바가 더욱 크다고 한다. 그리고 작물 뿌리의 지하분포는 최대 2m 깊이까지 이른다.

 

3-3-2 작물의 요수량

(1) 요수량의 뜻

작물의 건물 1(g)을 생산하는 데 소비된 수분량(g)을 요수량( water requirement)이라고 한다.

그리고 건물 1(g)을 생산하는 데 소비된 증산량을 증산계수(transpiration coefficient)라고 하는데, 수분소비량은 거의 증산량이므로 요수량과 증산계수는 같은 뜻으로 사용되 있다. 일정량의 수분을 증산하여 축적된 건물량을 증산능률(efficiency of transpiration)이라고 하는데, 이는 요수량과 증산계수의 반대 되는 개념이다.

요수량은 일정 기간 내의 수분소비량과 건물축적량을 측정하여 산출하는 데, 본질적으로는 작물의 수분경제의 척도를 표시하는 것이고, 수분의 절대 소비량을 표시하는 것은 아니다. 대체로 요수량이 작은 작물이 건조한 토양과 가뭄에 대한 저항성이 강하다. 요수량이 큰 작물은 관개를 해 주어야 좋은 생육을 꾀할 수 있다. 또한, 요수량의 변동조건은 작물의 수분경제의 지표가 될 수도 있다.

 

(2) 요수량의 지배요인

① 작물의 종류

요수량은 수수(322), 기장(310), 옥수수(368) 등이 작고, 앨팰퍼(831), 클로버(799) 등이 크다.

횐명아주(948)의 요수량은 극히 크며, 이 잡초는 토양수분을 많이 수탈한다.

 

② 생육단계

건물생산의 속도가 낮은 생육 초기에 요수량이 크다.

 

③ 환경

광부족, 많은 바람, 공기습도의 저하, 저온과 고온, 토양수분의 과다 및 과소, 척박한 토양 등의 환경은 수분소비에 비해서 건물축적을 더욱 낮추어 요수량이 많아진다.

 

3-3-3 대기 중의 수분과 강수

(1) 습 도

대기의 습도가 높지 않고 적당히 건조해야 증산이 활발하며, 양분 흡수가 촉진되어 생육이 좋다. 동화양분의 전류도 공기가 다소 건조할 때 촉진된다. 그러나 과도한 건조는 불필요한 증산을 크게 하여 한해를 유발한다.

공기가 과습하면 증산이 줄고, 병균의 번식을 조장하며, 식물체의 기계적 조직이 약해져서 병해와 도복을 유발하고, 탈곡, 건조작업도 곤란하다.

대기의 습도에 영향을 주는 강수현상을 지상으로 강하하는 속도로 구분하면,

안개는 약 0.003 m/s，이슬비 : 약 0.75 m/s, 가랑비 : 약 4 m/s, 비 : 약 6m/s, 소나기 : 약 7 m/s, 호우 : 약 9.1 m/s, 눈 : 0.5 m/s, 싸락눈 : 약 10 m/s, 우박 : 약 32 m/s 등이다.

 

(2) 이슬

지중해 연안의 포도 재배지와 같이 건조가 심한 지대에서는 이슬의 수분 공급효과도 있다고 하나, 일반적으로 이슬은 기공을 막아서 증산작용과 광합성을 떨어뜨리고 작물을 연약하게 한다. 병균의 침입을 조장한다는 견해도 있다. 못자리에서 이슬을 털어주는 일이 있다.

 

(3) 안개

안개란 극히 작은 물방울이 대기 중에 떠다니는 현상으로, 수평시정이 1km 이하인 상태를 말한다. 짙은 안개는 햇볕을 차단하여 일조시간을 상당히 줄이고，지온을 낮게 하며, 상대습도가 100 %에 가까워 작물에 해롭다. 해무가 심한 지대에서는 해풍(海風)이 불어오는 방향에 방무림(防霧林)을 설치하는 것이 좋다. 잎이 잘 나부끼는 나무가 안개를 헤치는 효과가 크다고 하며, 오리나무, 참나무 등이 알맞으나, 전나무, 낙엽송 등도 심는다. 귀리, 풋베기목초, 순무 등은 안개가 심한 고장에 적응성이 높다.

 

(4) 비

비(rain)란 빗방울 또는 빗방울이 낙하하는 현상을 말하는데, 강우(降雨)라고도 한다. 알맞은 비는 작물생육의 기본요인이며, 부족하면 한해를 일으키고, 과다하면 습해, 수해를 일으킨다. 비가 오래 계속되면 일광부족，공기과습, 토양과습, 온도저하 등을 초래하여 여러모로 작물생육에 해롭다.

 

(5)우박

우박( hail)이란 얼음의 작은 입자 또는 덩어리가 낙하하는 강수현상을 말한다. 우박의 지름은 5~50mm 이나 이보다 더 큰 것도 있다. 적란운(積亂雪)이 강한 상승기류를 타고 성장하여 뇌전(雷電)을 동반하여 내리는 경우가 많다. 우박은 대체로 국지적으로 좁은 띠를 형성하여 내리며, 작물을 심하게 손상한다. 그리고 그 후작용으로 생리적, 병리적 장해를 유발한다. 우박을 미리 예측해서 사전에 수확을 하거나 또는 피복을 해서 피해를 막도록 해야 한다. 우박 뒤에는 약제를 살포해서 병해의 발생을 막고, 또 비배관리를 잘해서 건실한 생육을 꾀하도록 한다.

 

(6) 눈

눈(snow)이란 구름으로부터 낙하하는 눈조각 또는 눈조각이 낙하하는 현상을 말한다.

① 눈의 이점

눈이 오면 월동 중에 토양수분을 공급하여 월동작물의 건조해를 막고 풍식(風姓)을 경감한다. 눈이 깊게 덮이면 눈 밑에 있는 작물의 온도저하를 경감해서 동해(凍害)를 방지하거나 경감한다. 기온이 -20°C 일 때라도 40 cm 의 적설이 있으면 지표온도는 -1°C 정도를 유지한다.

② 설해

눈이 너무 많이 오면 과수의 가지가 찢어지는 등의 기계적 장해를 일오키고, 작물이 적설 밑에 오래 있게 되면 쇠약해지며, 맥류에서는 설부병(雪腐病)을 유발하기도 한다. 눈이 녹을 때 눈사태를 일으키고, 저습지에 습해를 유발하기도 한다. 목야지에서 봄 늦게까지 눈이 덮여 있으면 봄철의 목초생육을 더디게 한다.

③ 설해 대책

적설의 피해가 우려될 때에는 눈을 녹이는 조치를 취한다. 물을 대거나，흙 또는 재를 뿌리거나 한다. 규산석회를 밑거름 삼아 눈 위에 미리 뿌려도(150kg/10a) 눈이 빨리 녹으며, 공장의 매연을 모은 그린애쉬(green ash)를 뿌리면(100 kg/10a) 눈이 1주일 정도는 일찍 녹는다. 설부병이 발생하는 지대에서는 내설성이 강한 품종을 택하도록 하며，적설이 심한 곳에서는 과수를 월동 전에 전정(剪定)하여 불필요한 긴 가지를 잘라주도록 한다. 융설기(融雪期)에는 배수가 잘되도록 피할 필요가 있다.