Ⅰ. 서 론
밀은 전세계적으로 대표적인 주요 식량작물 중 하나로 (Filip et al., 2023), 국내의 경우 2023년 1인당 양곡 소비량 중 밀 소비량은 30.5%를 차지하며, 2017년 (38.3 kg) 대비 18.2% 증가했음에도 불구하고 자급률은 1.1%로 매우 낮은 수준이다 (MAFRA, 2024). 국내 겨울 밀 (Triticum aestivum L.) 재배는 주로 논토양에서 벼-밀 이모작의 작부체계로 이루어지고 있으며, 강우에 의존하는 천수관개 방식이 관행으로 이루어지고 있다. 이러한 방식은 월동 이전까지는 벼 재배 간 담수 조건으로 인해 토양수분이 유지되어 밀의 필요수량 확보가 가능하나 (Liu et al., 2020), 월동 이후 신장기에서는 봄가뭄으로 인해 강우만으로는 적정 수분 공급에 있어 한계가 있다. 또한 이상기후로 인한 개화기 이후 발생하는 잦은 강우는 적정 수분을 초과하게 되며, 앞서 말한 바와 같이 봄가뭄 및 과습 조건은 겨울 밀 수확량 감소의 주요 요인 중 하나이다 (Harkness et al., 2020). 따라서 봄가뭄 및 이상 강우를 대비하기 위해서는 밀 생육 단계별 물관리 및 재배관리방안 마련을 위한 연구가 필요하다.
국외에서는 밀의 필요수량 충족을 위한 적정 관개량 산정을 통한 밀의 수확량 및 물이용효율 개선 등의 실증 연구가 다수 진행됐다 (Feng et al., 2017; Li et al., 2018; Xu et al., 2018; Li et al., 2019; Hu et al., 2020; Kan et al., 2020; Zeng et al., 2021; Li et al., 2022; Feng et al., 2023). 대표적으로, Feng et al. (2017)과 Xu et al. (2018)는 신장기와 등숙기의 생육 시기에 75 mm를 관개시 수확량이 25~33% 증가하는 것으로 보고하였으며, Li et al. (2019)은 120~150 mm 관개시 물이용효율이 11~18% 향상된 것으로 나타났다. Zeng et al. (2021)은 적절한 관개 (신장기 및 개화기에 각각 60 mm)가 단일 관개 (신장기 120 mm)보다 높은 수확량을 보여 적정 관개의 중요성을 강조하였다.
밀 생육 단계별 필요수량을 고려한 전략적인 토양수분 관리 및 관개방식 수립에 관한 연구도 수행되었다. Fan et al. (2023)과 Si et al. (2023)는 신장기에 관개 시기를 지연시킴에 따라 밀의 건물중 축적과 물이용효율을 향상시킬 수 있음을 밝혔다. 생육 단계별 관개량 및 관개 시기 최적화가 작물생산 효율 향상에 기여하였으며 (Ali et al., 2024), 등숙기에 적절한 관개가 물이용효율을 향상 및 수확량이 증가하였다 (Meena et al., 2019).
한편, Zhang et al. (2018)는 신장기에서 출수기까지 식물의 초장, 잎면적지수 (Leaf Area Index, LAI), 분얼 밀도 등의 지표가 작물 캐노피 발달과 광합성 능력을 평가하기 위한 주요 지표로 선정하였으며, 출수기 이후에는 수확량 결정이 주로 이삭 수, 이삭당 종자 수, 천립중과 같은 지표가 중요하다고 제시하였다. 신장기에 추가적인 관개가 천립중은 10.5%, 수확량은 15.3% 향상되었으며, 생육 단계별 적정 수분 공급이 캐노피 발달과 광합성 능력을 향상함으로써 밀의 생산성과 물이용효율을 극대화하는 데 중요한 역할을 하고 있다 (Wang et al., 2020).
봄 가뭄과 강수 패턴의 급변 등 최근 기후 변화는 밀 생육에 중요한 영향을 미치며, 이에 따라 봄가뭄 대응을 위한 적절한 관개용수의 공급이 필수적이다 (Zhao et al., 2020; Pequeno et al., 2021). 밀 개화기 이전 토양수분이 17% 이하일 경우 종자 수 감소, 등숙기 토양수분이 20% 이하일 경우 등숙률 저하로 나타났다 (Liu et al., 2021; Prasad et al., 2019). Wu et al. (2015)는 분얼기, 신장기, 출수기에 습해가 발생하면 밀의 생육 억제가 수확량에 크게 영향을 미친다고 하였다. 이에 따라 겨울 밀의 생육은 수분 조건에 크게 영향을 받으며, 생육기의 주요 단계 (신장기, 출수기, 등숙기 등)의 선제적 수분 관리와 생육기의 적정한 물관리는 봄철 가뭄과 집중호우로 인한 과습 피해 영향에 효율적으로 대응에 매우 중요하다. 국내 겨울 밀 재배는 주로 관행적인 강우에 의존하고 있어 지역 실정에 맞는 관개전략 개발 등 다양한 재배관리방안을 위한 연구가 필요한 실정이다.
한편, 실시간 토양수분 센서를 활용한 관개용수 관리는 수자원의 효율적 활용뿐만 아니라 기후변화 대응 및 농업생산의 안정성과 지속가능성을 향상한다 (Zhao et al., 2018). Ma and Song (2018)은 월동기 이후 신장기 동안 작물이 흡수할 수 있는 토양수분 깊이가 최대 70 cm까지 증가함을 밝혔으며, 이를 바탕으로 토심별 지속적인 토양수분 모니터링을 통한 적기 수분 공급이 필요함을 강조하였다. 이러한 실시간 모니터링 기반 관개전략은 예측하기 어려운 기상 변화에도 효과적으로 대응하며, 작물의 안정적인 생육과 생산량을 유지하는 데 중요한 역할을 한다.
이와 같이 작물 생육 주기와 환경 조건에 따른 전략적인 용수 공급의 중요성을 강조한 연구가 국내외에서 활발히 진행되고 있지만, 국내 이모작 형태의 논 토양에서 적용 가능한 실증 연구는 부족한 실정이다 (Seo et al., 2021). 특히, 밀 재배 농가의 경우 밀을 벼 재배 후 휴경지 대안으로 여기는 경향이 있어, 파종 이후 관개와 시비 등 추가적인 영농 관리를 하지 않고 있다 (Kang et al., 2014). 따라서 적절한 관개 방안의 수립과 보급은 대표적인 이모작 작물인 국산밀의 자급률과 안정적인 수확량 향상에 필요하다.
본 연구에서는 국내 이모작 논 토양에서의 강우에 의존하는 관행구, ICT 기반 실시간 토양수분 모니터링을 통한 적정 관개구, 그리고 과습 처리구 등 다양한 관개 처리구를 구성하여 각 처리구에서 토양수분 변화, 물이용효율, 생육 단계별 겨울 밀의 작물 특성 및 수확량 등에 미치는 영향을 평가하고 지속가능한 물관리 전략을 마련하고자 한다.
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 시험포장 및 처리조건
본 연구는 2021년 10월 22일부터 2022년 6월 17일까지 전북 남원시 운봉읍에 위치한 국립식량과학원 시험포장 (127°52′E, 35°43′N) 에서 수행하였다 (Fig. 1). 본 연구의 목적은 봄철에 많이 나타나는 밀 경작지에서의 습윤 및 봄가뭄 피해 등을 모사하기 위하여 각각 다른 수분 스트레스 조건을 구현하고, 그에 따른 작물의 생리적 반응 평가 및 적정한 수분 관리 전략을 도출하는 것으로 본 실험은 4개의 처리구로 설계하였다. 처리구 A (무강우 및 무관개)는 Rainout shelter를 전체 생육기간 동안 설치하여 인위적인 가뭄 스트레스 환경을 조성하였다. 처리구 B (무관개: 관행 대조구)는 우리나라의 관행적인 밀 재배 환경인 자연 강우에 의존한 재배 환경을 구현하였다. 처리구 C (ICT 기반 적정 관개)는 실시간 토양수분 모니터링 자료를 기반으로 작물의 필요수량을 적기에 공급한 최적 관개 조건을 구현한 포장이다. 처리구 D (과습 처리구)는 과거 기상자료를 기반으로 과습 피해 조건이 발생한 시기의 강우 조건을 반영하여 토양의 용적포화수분함량을 초과하도록 인위적 추가 관개로 과습 상태를 조성하였다.
관개용수는 시험포장 내 관정 지하수를 사용했으며, 각 처리구별 관개 유입구에 유량계를 설치하여 관개량을 측정하였다. 토양수분은 10개의 층위별 토양 센서 (EP100G-08, EnviroPro, Inc., Australia)를 설치해 센서당 10 cm씩 총 8개의 토심에서 실시간 모니터링을 진행하였다. 또한 유효토양수분 계측을 위하여 토양수분 포텐셜 센서 (Teros 21, meter, Inc., USA)를 각 처리구별 1개를 설치하여 실시간 측정하였다. 고랑 관개시 용수원으로부터의 관개 거리에 따른 관개용수의 수두차에 의한 도달률 등을 고려하기 위하여 용수원에서 가까운 구역을 Zone 1, 가운데 구역을 Zone 2, 그리고 마지막 원거리 구역을 Zone 3으로 각 처리구별 3개의 Zone으로 구분하였다.
관개 처리는 겨울 밀의 주요한 생육시기, 즉 신장기 (Jointing, 3월 1일에서 4월 20일경), 출수기 (Heading, 4월 27일에서 4월 30일경), 개화기 (Anthesis, 5월 3일에서 5월 11일경), 성숙기 (Maturity, 6월 7일에서 6월 13일경)의 실시간 토양수분 모니터링을 통해 포장용수량 (35.5%±5)과 포화수분함량 (46.4%±5)을 기준으로 관개하였다. 처리구 C의 관개량은 5월 2일 15 mm, 5월 6일 30 mm, 5월 10일 75 mm를 공급하여 표토 (0~20 cm)의 수분함량이 포장용수량의 75% 이상 유지하였다. 처리구 D의 경우 3월22일 31.5 mm를 관개하여 출수 전 표토의 수분이 포화수분함량 (-0.5 Kpa 이상)을 초과하도록 처리하였다. 즉, 이러한 조건은 토양 수분 함량이 포화 상태에 가까운 수준을 의미하며, 포장용수량을 초과한 조건을 인위적으로 구현함으로써 토양의 과습 조건을 일정 시간 유지하였다.
품종은 새금강 (Saekeumkang)으로 세조파로 파종하였으며, 관개방식은 고랑 관개로 진행하였다. 파종량은 처리구당 13 kg/10a 수준으로 파종하였으며, 비료는 농촌진흥청 (농사로) 표준시비량 기준으로 N-요소 4.8 kg/10a, P-용성인비 3.2 kg/10a, K-염화가리 1.0 kg/10a를 시비하였고, 생육기간 중 질소 (5.46 kg/10a)를 추비하였다. 기상자료는 시험포장과 인접한 곳에 위치한 남원 기상관측소에서 제공되는 자료를 활용하였다.
토양은 벼-밀 이모작 포장으로 양토로 구성되어 있으며, Table 1은 연구 대상 지역의 수확 전과 후의 평균값 기준으로 분석된 토성을 보여준다. Table 2는 대상 지역의 처리구 및 토심별 토양 물리⋅화학적 특성을 보여주고 있으며, 포장용수량, 위조점 등 토양수분 특성지표를 시료 채취 후 실험실에서 분석하고 보정하였다 (Lins et al., 2020; Kirkham 2023). Fig. 2는 모니터링 동안의 일 기상자료를 나타내고 있으며, 생육기간 총강수량은 268.3 mm, 평균기온은 7.8°C로 나타났다.
Table 1
Soil textures in the experimental treatments
Table 2
Overall characteristics of each soil layer in the experimental treatments
2. 작물지표 모니터링
겨울 밀 샘플링은 출수기 이후 7일마다 군집 및 개체별로 수집 후 분석하였다. 건물중 및 생체중은 시료가 20
20 cm 면적당 밀을 처리구별 Zone 당 총 5개의 시료를 생육 단계별로 3반복씩 샘플링하였다. 건물중 측정은 수집된 밀을 부위별 (종자, 줄기, 잎)로 분리하여 생체중을 측정했으며, 건조기를 통해 72시간 60°C로 건조 이후 건물중을 측정하였다. 수확량은 1 m2의 균일한 생장 구역을 선택하여 Zone별 3개의 시료를 샘플링하였다. 수집된 시료는 탈곡 및 건조 후 곡물 수분기 (PM8188-A, Kett Electric Laboratory, Japan)를 사용하여 시료별 수분함량을 측정해 14%의 수분함량을 기준으로 단위 면적당 수확량과 종자 천립의 무게를 3반복 측정을 통하여 천립중을 계산하였다.
LAI 측정은 PAR/LAI 측정기 (LP-80, Migration Group, Pulman, Washington, USA)를 사용했으며, 맑은 날 10시 30분에서 12시 30분 사이에 신장기부터 등숙기까지 잎의 위쪽과 아래쪽에서 Zone별로 5반복으로 진행하였다. 상대적 엽록소 함량 (SPAD 값)은 엽록소 측정기 (SPAD-502 Plus, Konica Minolta Optics, Inc., Japan)를 사용해 신장기부터 등숙기까지 Zone별로 5반복 측정하였다. 엽록소 형광 측정은 연속 발광 형광계 (PEA+, Hansatech, Inc, UK)를 사용하여 수행하였다. 측정은 맑은 날 10시 30분에서 14시 30분 사이에 신장기부터 등숙기까지 각 Zone별로 상부 5개 잎을 사용하여 측정하였다. 잎에 리프 클립을 가해 30분간 암적응 처리하였으며, 연속 발광 형광기의 빛의 강도를 60%, 방출 지속 시간을 5초로 설정한 후 암적응 상태의 최소 형광 생산률 (Fo), 암적응 상태의 최대 형광 생산률 (Fm), 최대 가변 형광 (Fv=Fm-Fo), 최대 PSII 양자 효율 (Fv/Fm)을 측정하여 광합성 효율을 평가하였다 (Roosta et al., 2018).
3. 물이용효율
물이용효율 (Water Use Efficiency, WUE)의 계산 방법은 다음과 같다 (Sun et al., 2011).
여기서, WUE (kg/ha/mm)는 물이용효율, Y (kg/ha)는 수확량, 
(mm)는 중분한 물의 공급이 있을 경우에 기준작물(알파파 또는 잔디)에 의한 증발산량이며, 
(mm)는 작물증발산량으로 작물 계수 
는 국립식량과학원에서 제공한 값을 사용하였다. 수확량 (기준 수분함량 14%)은 성숙기에서 처리구당 1 ｍ2 면적에서 측정되었다. 작물증발산량은 현장 자동 기상 관측소 (AWS) 데이터와 기상청 자료를 이용하여 Penman-Monteith 방정식을 계산하였다 (Hamid Ahmadi et al., 2024).
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. 토양수분 변화
실시간 토양수분 모니터링 자료 (Fig. 3)에 따르면, 처리구 D의 표토 (지표면으로부터 20 cm까지)의 평균 수분 함량이 28.7%로 가장 높았으며, 그다음으로 처리구 C (25.1%)과 처리구 B (23.0%)의 순으로 나타났다. 처리구 A는 비가림시설에 의해 평균 토양수분 함량이 17.6%로 가장 낮은 수준을 보였으며, 이는 실험 설계에 따라 가뭄 조건이 효과적으로 구현되었음을 보여준다. 처리구 D가 처리구 중 가장 높은 평균 토양수분 함량을 기록한 것은 과습 조건인 과거 기상자료를 기반으로 초과 관개를 처리하였기 때문이다. 처리구 B의 경우, 특히 토양수분의 변화는 강우시 즉각적으로 반응하는 등 강우 의존적 상태를 명확히 반영하였다. 처리구 C는 봄 재배 기간 동안 실시간 센서 기반의 관개로 다른 처리구보다 상대적으로 높은 토양수분 함량을 보였다. 2022년 5월 2일 첫 관개 전까지 처리구 B와 처리구 C의 토양수분 변화 양상은 유사했으나, 처리구 D의 수분 함량은 처리구 B 보다 일관되게 더 높게 나타났다. 관개 처리 효과는 토양수분 모니터링 결과에 뚜렷하게 반영되었다. 전반적으로, 토양수분 모니터링은 다양한 관개전략의 영향을 정확하게 포착하여 실험 설계와 실시간 모니터링 접근법의 타당성을 보여주었다.
Fig. 3
Variations in soil water content across experimental treatments: (a) Treatment A, (b) Treatment B, (c) Treatment C, and (d) Treatment D
처리구에서의 높은 토양수분 보유 능력은 처리구 C가 D에 비해 개화기 이전까지 관개가 이루어지지 않았음에도 불구하고 본 생육단계에서 용수의 과대 공급이 작물 생육의 영향을 미치는 것을 보여 주었다 (Fig. 3(d) 및 Fig. 4(a)). 개화기 전후에 처리구 C는 D보다 더 많은 관개가 이루어졌지만 높은 작물 수분 소비와 기온 상승으로 인해 과습 상태는 발생하지 않았으며, 작물 생육에 최적의 수분 환경이 조성되었다. 이러한 결과는 생육 단계별 작물의 수분 요구를 정확히 모니터링하고, 이에 맞춰 관개량을 조정하는 것이 작물 생산성 향상에 있어 중요함을 시사한다.
Fig. 4
Responses of (a) soil water content, (b) LAI (Leaf area index) (c) maximum quantum efficiency of Photosystem II (PSII), and (d) chlorophyll to precipitation and irrigation by wheat growth stages. Different letters above the bars are significant difference according to Tukey’s Studentized range test at the significant level of 0.05. SPAD stands for Soil Plant Analysis Development
한편, 논 토양의 특성상 심토에 형성된 경반층은 배수 불량 문제를 야기하여 높은 토양수분 상태를 유지시키는 요인으로 작용하였다 (Jafari-Talukolaee et al., 2016). 또한, 해외 밭 토양에서 재배된 밀의 유효근역대는 일반적으로 약 1 m까지 형성되는 반면, 우리나라 논 토양에서 재배된 겨울 밀의 유효 뿌리 길이는 경반층의 영향을 받아 약 40 cm로 제한된다 (Jung and Yoo, 2007).
신장기의 각 처리구 표토의 수분함량은 처리구 A의 토양수분 함량이 평균 35.2%로 다른 3개 처리구보다 높게 나타났다 (Fig. 4(a)). 출수기 처리구 D의 토양수분 함량은 평균 31.6%로 초기 과다 관개에 따른 과습 처리 이후 점진적으로 감소하는 추세를 보였다. 처리구 B의 토양수분 함량은 평균 29.6%였으며, 처리구 C의 토양수분 함량은 평균 29.0%로 두 처리구 간 토양수분 차이는 크지 않았다. 개화기의 처리구 C 토양수분 함량은 평균 24.5%로 관개 처리로 인해 다른 세 처리구보다 상대적으로 높게 나타났다. 성숙기에는 처리구 B의 토양수분 함량은 평균 14.1%였으며, 처리구 D의 토양수분 함량은 평균 14.9%로 6월 초 강우의 영향으로 개화기에 비해 토양수분 함량이 증가하였다. 처리구 간 토양수분 함량의 차이는 유의하게 나타났으며, 처리구 C의 토양수분 함량은 평균 24.5%로 가장 높게 나타났다.
2. 생육시기별 생육 특성 평가
LAI 모니터링 결과, 처리구 A에서는 생육초기 비닐 피복의 온실효과에 따른 높은 기온으로 빠른 생육을 보여 다른 처리구보다 LAI가 높게 나타났으나 시간 경과에 따라 LAI가 낮게 나타났다 (Fig. 4(b)). 처리구 B, C 및 D의 LAI 값은 출수기 이후 빠르게 증가해 개화 후 14일 (Day After Appearance, DAA14)에 최댓값에 도달 후 감소했으며, 이후 처리구 C의 LAI 값은 다른 처리구보다 높게 나타남을 보였다. 또한 처리구 B의 감소 추세가 39.9%로 가장 크게 나타났다.
광합성의 최대 광화학적 효율 (Fv/Fm)은 처리구 간 유의한 차이가 나타나지 않았으나 (Fig. 4(c)), SPAD 값은 처리구 간 유의성 차이가 나타났다 (Fig. 4(d)). 처리구 A의 엽록소 함량은 출수기 이후 강우 차단 시설에 의한 온실효과로 인해 다른 처리구보다 높은 수준을 보였다. 처리구 B와 C의 엽록소 함량은 개화기 (DAA0)에 최대치 도달 이후 감소했으며, 처리구 D의 엽록소 함량은 신장기 관개 처리로 인해 증가 이후 감소한 것으로 나타났다.
3. 수확량 및 WUE 평가
밀 천립중, 수확량 및 WUE는 처리구 C에서 가장 높았으며, 그 다음으로 처리구 B, D, A 순으로 나타났다 (Table 3). 단, 처리구 A의 경우는 강우차단뿐만 아니라 비가림시설 내 온도 상승으로 수확량이 현저히 낮게 나타났다. 이러한 결과는 적정 관개가 이루어진 처리구 C가 수확량, WUE 및 천립중과 같은 생육 지표를 향상시키는 데 중요한 역할을 하고 있음을 보여주었다. 상기의 생육 지표 결과는 일관되게 처리구 C가 다른 처리구를 능가하는 결과를 보여주고 있으며, 처리구 C에서 실시간 적정 관개가 수확량과 자원 효율성을 극대화하는 데 가장 성공적이었다는 것을 보여주었다. 이러한 결과는 Ali et al. (2024)과 Attafy et al. (2023)의 연구와 일치하는 결과로 적정한 관개 관리가 물이용효율과 작물 수량 증대에 중요한 역할을 한다는 점이 확인되었다. 다만, 관개 처리는 수확량에 유의한 영향을 미치지만 단백질 함량에는 유의한 차이가 없다는 Zhang et al. (2017)의 연구와 유사한 경향을 보여주었다. 또한 주요 성장기에 강우가 내리는 습해처리구 D와 같은 경우, 추비를 하지 않는 국내 주요 생산단지에서 강우에 의한 질소 용탈에 따른 낮은 질소 흡수가 단백질 함량 및 수확량을 줄인 사례를 밝혀 추비의 필요성을 강조하였다 (RDA, 2024).
Table 3
Comparisons of wheat grain yield (GY), water use efficiency (WUE), thousand grain weight (TGW), protein content (PC), and number of glumes per spike (NG) in the experimental treatments
4. 고랑 관개에 따른 작물 특성 평가
처리구 C는 5월 10일 관개 시점에서 관개 유입구와 가까운 관개 유입부 (Zone 1)의 토양수분이 가장 높게 나타났으며, 시간이 지남에 따라 관개수는 관개 중간부 (Zone 2)와 관개 말단부 (Zone 3)로 점차 퍼져 각 Zone의 토양수분이 증가하였다 (Fig. 5). 그러나 관개가 종료된 후, 각 Zone 간의 토양수분은 전체적으로 비슷한 수준으로 유지되었다. 이러한 토양수분 분포 패턴은 관개 초기의 수분 공급이 유입구에 가까운 Zone에서 강하게 나타나지만, 시간이 지나면서 다른 Zone으로 고르게 확산된다는 것을 보여주고 있다.
Fig. 5
Temporal and spatial distribution of soil moisture content in the 0–20 cm soil layer of treatment C after a 75-mm irrigation event, illustrating changes across three zones along the irrigation direction at four time points: (a) 14:00, (b) 17:00, (c) 18:00, and (d) 19:00
처리구 C에서 고랑 관개를 통해 용수가 공급된 후, WUE, 천립중, 수확량의 모니터링 결과 Zone별로 유의미한 차이가 관찰되었다 (Fig. 6). WUE의 경우, 처리구 C의 Zone 2가 다른 두 Zone보다 25.9~32.7% 높은 값을 기록하여 가장 높은 수분이용효율을 보였다. 천립중에서도 Zone 2는 다른 Zone보다 2.2~4.8% 높은 수치를 나타났으며, 천립중과 수확량 사이에 일정한 상관관계가 존재하였다. 천립중이 가장 높았던 관개 중간부는 수확량 또한 다른 두 Zone보다 25.1~32.3% 높은 값을 기록하였다. 이는 관개 중간부가 관개용수의 확산 과정에서 적절 토양수준 조건을 만족한 용수의 공급을 받은 결과로 판단된다.
Fig. 6
Comparison of water use efficiency (a), thousand-grain weight (b), and grain yield (c) in three zones of the experimental treatment C. Different letters above the bars are significant difference according to Tukey’s Studentized range test (p<0.05)
이와 같은 결과는 고랑 관개 시, 수분이 초기에는 유입구 근처에서 집중되지만, 시간이 지남에 따라 수분이 다른 Zone으로 고르게 퍼지게 되어, 관개 중간부에서 적정 수분 조건을 달성하게 된다는 것을 보여준다. 이러한 수분 분포의 차이는 각 Zone 간 생산성 차이로 이어질 수 있으며, 이는 수분 공급의 타이밍과 고랑 관개시 주의가 필요하며, 이는 작물의 생산성에 큰 영향을 미칠 수 있다는 것을 의미한다.
5. 고찰
토양수분 조건은 겨울 밀의 LAI 발달과 수확량에 큰 영향을 미쳤다. 처리구 C는 개화기 이후 처리구 B와 D에 비해 LAI 값이 높았으며, 이는 수분 스트레스가 밀의 잎 성장 속도와 면적 확장을 늦추어 LAI를 감소시킨다는 Skendžić (2023)의 연구 결과와 일치한다. 출수기 이후 적정 관개 시기와 관개량의 조절은 이삭의 무게와 곡물 수량을 증가시켰으며, 처리구 C는 신장기 및 개화기에 적정한 관개를 통해 수확량이 20.5% 증가하고, 천립중도 7.7% 증가하였다. 이와 같은 결과는 생육 단계별로 적정 관개가 이루어지면 물이용효율과 수확량이 증가하였다는 사실을 보여준다. Zhang et al. (2018), Xu et al. (2018) 및 Shi et al. (2021)의 연구 역시 신장기와 출수기에 적정한 관개가 수확량, 건물중 및 생체중, 이삭당 곡물 수를 크게 증가하였다고 보고하였다. 본 연구에서 개화기의 관개를 통해 처리구 C는 더 높은 LAI를 유지하고, 잎 노화 속도를 감소시켰다 (Fig. 4(b)). 이는 포장용수량의 75~80% 수준에서 관개 비율을 조절함으로써 추가적인 바이오매스 축적과 밀 수확량 증가에 유의미한 영향을 미쳤다는 Meng et al. (2017)와 Wang et al. (2016a)의 연구 결과와도 일치한다.
SPAD 값은 처리구 간 유의성 차이가 나타났다 (Fig. 6(b)). 이러한 결과는 다양한 수분 스트레스 조건에서 엽록소 함량이 작물의 생리적 반응에 미치는 영향을 반영한 것이다. 특히, 처리구 A의 경우, 비가림시설을 이용한 인위적인 가뭄 조건에서 출수기 이후 엽록소 함량이 다른 처리구에 비해 높은 수준을 보였다 (Liu et al., 2020). 이는 가뭄 스트레스에 대한 작물의 적응 반응 중 하나로써 고온과 건조한 환경에서 엽록소 농도가 높아지는 현상을 보여주었다 (Mu et al., 2022). 반면, 처리구 B와 C의 엽록소 함량은 개화기 (DAA0)에 최대치에 도달한 후 감소하였다. 이는 적정 관개 조건으로 생장 초기의 활발한 광합성 활동이 이루어졌으나, 생장 후반으로 갈수록 엽록소 함량이 감소한 것으로 해석된다. 처리구 D의 경우, 신장기 동안 과도한 관개로 인해 엽록소 함량이 일시적으로 증가하였으나, 이후 과습으로 인한 생육 저해 환경의 영향으로 인해 감소하였다 (Al-Ghzawi et al., 2018). 이러한 결과는 과도한 수분 공급이 작물의 엽록소 함량 및 광합성 효율에 부정적인 영향을 미칠 수 있다 (Wang et al., 2016b).
본 연구는 다양한 수분 관리 전략이 겨울 밀의 엽록소 함량과 광합성 효율에 미치는 영향을 평가하여, 최적의 수분 관리 조건을 설정하는 것이 작물 생산성 향상에 필수적임을 확인하였다 (Thapa et al., 2018; Morgun et al., 2019). 특히, 실시간 토양수분 모니터링을 기반으로 한 적정 관개가 생육 후반기까지 높은 엽록소 함량을 유지하는 데 효과적임을 보여주었다. 처리구 C의 경우, 고랑 관개 초기에는 관개용수 유입구에 가까운 zone 1의 토양수분이 높았으나, 시간이 지나면서 수분이 다른 Zone으로 확산되어 관개 종료 후에는 전체적으로 비슷한 수준이 유지되었다. 그러나 Zone 2에서 WUE, 천립중, 수확량이 가장 높게 나타났는데, 이는 초기 수분 공급의 차이가 생육 결과에 영향을 미쳤기 때문이다. 따라서, 관개용수 공급시 수분의 공간적 분포가 작물의 생산성과 밀접한 관련이 있음을 보여주고 있으며, 본 연구는 향후 적정 관개를 위한 지중 및 지표 관개 방식의 합리적인 재배 관리방안의 개발 등 관개전략 수립에 중요한 자료로 활용될 수 있다.
Ⅳ. 결 론
본 연구에서는 벼-밀 이모작 체계에서의 겨울 밀 재배에 필요한 최적 토양수분 관리를 통한 관개전략의 중요성을 보여주었다. 실시간 토양수분 모니터링 기반의 적정 관개 처리구인 처리구 C에서 수확량과 WUE가 다른 처리구보다 22.3~25.8% 높게 나타났다. 이는 작물의 필요수량에 따른 적정 시기에의 관개가 작물 생산성과 WUE를 극대화하는 데 중요한 역할을 한다는 이전의 연구 결과와 일치하였다. 생육기간 동안, 특히 중요한 개화기에 적정 토양수분을 유지하였기 때문에 천립중은 처리구 C에서 높게 나타났으며, 출수기와 개화기 동안의 적정 관개는 LAI 및 엽록소 함량을 현저하게 개선하여 더 높은 곡물의 품질과 수확량 증가로 나타났다. 반면, 수분 과잉 조건을 구현한 처리구 D는 과도한 토양수분으로 인해 수확량이 감소했으며, 이는 특히 토양수분의 보유 능력이 높은 토양에서 과다 관개의 위험성을 보여주었다. 이러한 결과는 특정 현장 조건을 고려한 맞춤형 관개전략이 필요하고, 고랑 관개의 경우 수두 차이가 토양수분의 공간적 분포에 영향을 미친다는 점을 확인하였다.
실시간 토양수분 자료 기반의 맞춤형 관개전략이 밀의 수확량, WUE 및 곡물의 품질 향상에 필요하다는 사실을 본 연구를 통하여 확인하였다. 이러한 접근법은 우리나라의 이모작 체계에서 농업 생산성과 지속가능성을 향상하는 데 중요하며, 관행적으로 재배되는 밀은 벼 대비 관리가 상대적으로 부족한 현재 상황에서 적정 관개 관리 전략은 더욱 필요한 실정이다. 본 연구는 ICT 기반의 실시간 토양수분 모니터링 기반의 관개 관리방안 수립의 중요성과 그 가능성을 보여주었으며, 겨울 밀 재배에서 관개 및 시비 관리 등 미흡한 부분을 개선함으로써 국내 밀의 안정적 생산 및 자급률을 증대시킬 수 있는 실용적인 방안을 제공하였다.
