Evaluation of Integrated (Irrigation-Fertigation) Measures Taken Against Drought in Potatoes in Terms of Mathematical Modeling of Crop Water Production Functions (CWPF)

지구가 온난화됨에 따라, 농부들이 수 세대 동안 의존해 온 강우와 열기의 패턴이 변화하며 더 긴 건조기와 더 강렬한 가뭄을 불러오고 있습니다. 감자와 같이 세계 식량 안보에 필수적인 작물들에게 이러한 변화는 심각한 위협이 됩니다. 과제는 단순히 식물을 살려두는 것뿐만 아니라, 귀중한 자원을 낭비하지 않으면서 식물이 언제 물과 영양분을 필요로 하는지 정확히 아는 것입니다. 과학자들은 오랫동안 식물이 발아에서 개화, 그리고 마지막으로 우리가 먹는 괴경(tuber)을 생산하는 단계에 이르기까지 뚜렷한 생애 단계를 거친다는 것을 알고 있었습니다. 최근 연구를 이끄는 핵심 아이디어는 식물의 수분 요구량이 일정하지 않으며, 생애의 어느 단계에 있느냐에 따라 달라진다는 것입니다. 만약 농부가 잘못된 시기에 식물에 물을 너무 많이 주거나 너무 적게 준다면, 작물은 살아남을 수는 있어도 식량 생산량이 줄어들거나 품질이 낮은 감자를 생산하게 될 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 수학적 모델을 사용하여 각 단계에서 최상의 수확을 내기 위해 식물이 정확히 얼마만큼의 물을 필요로 하는지 지도처럼 그려냅니다. 이 모델들은 농부들이 특히 물이 부족할 때, 언제 관수하고 언제 물을 아껴야 할지 결정하도록 돕는 가이드북 역할을 합니다.

최근 터키의 마르마라 지역에서 수행된 한 연구에서, 한 연구자는 실제 가뭄 조건에 처한 감자 작물을 대상으로 이러한 아이디어들을 테스트하고자 했습니다. 연구자는 부르사 근처의 연구용 농장에서, 주로 칩 제조용으로 사용되는 유명한 산업용 감자 품종인 '헤르메스(Hermes)'를 심고 작업했습니다. 2019년부터 2020년까지 두 번의 재배 시즌 동안, 연구자는 다양한 전략을 실험했습니다. 연구자는 감자 구획을 여러 그룹으로 나누고 6일 간격으로 물을 공급했습니다. 특정 식물 영양소인 인, 칼륨, 칼슘, 황은 감자의 네 가지 주요 생애 단계인 초기 영양 성장기, 개화기, 괴경 형성기, 그리고 마지막 성숙기에 맞춰 점적 관수를 통해 공급되었습니다. 목표는 어떤 물과 영양소의 조합이 가장 많은 감자를 생산하고, 괴경 내부의 고형질(dry matter) 함량으로 측정되는 최고 품질을 만들어내는지 확인하는 것이었습니다. 높은 고형질 함량은 감자의 질감과 풍미를 개선하기 때문에 매우 중요하며, 특히 칩 가공에 있어 그러합니다. 또한 연구자는 잎과 토양을 통해 공기 중으로 손실되는 물의 양, 즉 증발산(evapotranspiration) 과정을 측정하여 식물이 실제로 사용한 물의 양을 추적했습니다.

연구자는 감자가 생애의 모든 단계에서 수분 부족에 똑같이 민감하게 반응하지 않는다는 것을 발견했습니다. 물이 가장 결정적인 시기는 괴경이 형성될 때였습니다. 만약 이 특정 시기에 식물이 충분한 물을 공급받지 못하면 수확량이 급격히 감소했습니다. 개화기와 초기 영양 성장기 역시 중요했지만, 괴경 형성기보다는 약간 덜 중요했습니다. 놀랍게도, 마지막 성숙기는 감자가 전체 무게의 큰 손실 없이 물을 가장 적게 받아들일 수 있는 시기였습니다. 이는 농부가 시즌의 아주 마지막 단계에서 관수를 줄임으로써 전체 수확량에 타격을 주지 않고도 상당한 양의 물을 절약할 수 있음을 의미합니다. 그러나 연구는 품질에 관한 복잡한 절충 관계를 드러냈습니다. 시즌 내내 식물에 충분한 물을 주는 것은 가장 높은 총 중량의 감자를 생산했지만, 이는 오히려 품질을 떨어뜨렸습니다. 식물이 더 많은 물을 받을수록 고형질 함량은 낮아졌으며, 결과적으로 덜 밀도가 높고 가공에 덜 적합할 수 있는 감자가 되었습니다.

이러한 결과를 해석하기 위해, 연구자는 다섯 가지 수학적 모델을 테스트하여 물 사용량과 감자 생산 사이의 관계를 가장 잘 예측하는 모델이 무엇인지 확인했습니다. 이 모델들은 본질적으로 식물의 성장이 수분 스트레스에 어떻게 반응하는지를 계산하는 서로 다른 방식들입니다. 연구자는 각 모델의 예측치를 실제 현장에서 수집한 데이터와 비교했습니다. 연구자는 Rao 모델과 Minhas 모델로 알려진 두 가지 특정 모델이 다른 모델들보다 훨씬 더 정확하다는 것을 발견했습니다. 이 두 모델은 각 단계에서 수분 부족에 대한 감자의 반응을 정확하게 예측하여, 실제 관찰 결과와 놀라운 정밀도로 일치했습니다. 다른 모델들은 수분 스트레스의 영향을 과대평가하거나 과소평가하는 등 덜 신뢰할 수 있는 경향을 보였습니다. 이 발견은 농업 계획가들에게 더 나은 의사결정 도구를 제공한다는 점에서 의미가 큽니다. 더 정확한 모델을 사용함으로써, 농부들은 물 사용량을 최소화하면서 식량 생산량을 극대화하는 관수 일정을 만들 수 있습니다.

또한 이 연구는 영양분 공급의 타이밍이 갖는 중요성을 강조했습니다. 연구자는 식물이 가뭄에 저항하는 데 도움을 주기 위해 네 가지 서로 다른 표현형 단계에 맞춰 특정 영양소를 점적 관수로 공급했습니다. 연구는 이러한 영양소들이 도움이 되기는 했지만, 물 공급의 타이밍이 최종 결과에 결정적인 요인으로 남는다는 것을 발견했습니다. 데이터에 따르면 강우량이 많은 해에는 식물이 수분 스트레스에 덜 민감했지만, 건조한 해에는 관수 전략 간의 차이가 훨씬 더 뚜렷하게 나타났습니다. 연구자는 마르마라 지역, 그리고 아마도 유사한 기후 지역을 위해 가장 좋은 접근 방식은 괴경 형성 단계에 수분 자원을 집중하는 것이라고 결론지었습니다. 또한 연구자는 모델이 강력한 도구이기는 하지만, 정확성을 유지하기 위해 다양한 지역적 조건에 맞춰 테스트되고 조정되어야 한다고 언급했습니다. 이 연구는 신중하고 과학에 기반한 수분 관리가 어떻게 농부들이 불확실한 강우 상황에서도 높은 수확량과 높은 품질을 모두 유지할 수 있게 돕는지 보여줌으로써, 온난화되는 세상에서 감자 작물을 관리하기 위한 명확한 길을 제시합니다.