[논문]인산염 이온 형태에 의한 pH 변량 모형

소재우; 소순일; 남상용

doi:10.7235/hort.2015.15058

인산염 이온 형태에 의한 pH 변량 모형
pH Variance Model Depending on Phosphate Ion Form 원문보기

원예과학기술지 = Korean journal of horticultural science & technology, v.33 no.6, 2015년, pp.854 - 859

소재우 (강원대학교 시설농업학과) , 소순일 (삼육대학교 원예학과) , 남상용 (삼육대학교 원예학과)

초록
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본 시험은 배양액 내 pH 변화에 따른 이온과 EC의 모형을 구명하고자 수행하였다. 배양액 내 $HPO_4{^{-2}}$와 $H_2PO_4{^-}$의 변량에 따른 pH가 변하는데, pH 4.0-5.0은 EC의 변량이 상승하고, pH 5.0-7.0은 EC의 변량이 완만하고, pH 7.0-8.0은 다시 상승하였다. 배양액 내 다량원소의 변량을 보면, pH가 상승할수록 K, Ca, N, P의 이온 농도도 증가하는데, 특히 K과 P의 변량이 크게 나타났다. 반면 Mg와 S의 변량은 일정하게 유지되었다. 배양액의 IBM(ion balance model)에 따른 분석에서, EC의 변량은 크게 변하지 않고, 이온의 균형점이 a분면에서 d분면으로 이동하면 pH가 상승하면서 음이온 보다 양이온이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 pH 변량이 높을수록 EC 중앙선으로부터 멀어져 배양액의 이온 불균형이 증가되었다. $HPO_4{^{-2}}$와 $H_2PO_4{^-}$의 변량에 대한 K와 Ca의 당량비 보정은 pH가 증가할수록 K는 감소하지만 Ca는 증가하였고, EC 변량의 영향보다 큰 것으로 나타났다. K와 Ca의 당량비 보정에 따른 pH 변량은 0.97의 이차 다항식 상관모형을 나타냈다. 본 연구를 통해 인산염의 구배에 따른 pH, 이온, EC의 변량에 대하여 pH 변량 모형이 구명되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This experiment was performed to develop a model for nutrition ion concentration and EC in regard to change in pH from 4.0 to 8.0 in nutrient solution. The pH changes according to the variation of $HPO_4{^{-2}}$ and $H_2PO_4{^-}$ in the nutrient solution while variation of EC increased from pH 4.0 to 5.0, stabilized from pH 5.0 to 7.0 and increased again from pH 7.0 to 8.0. For the variance of major elements in the nutrient solution, K, Ca, N and P increased while pH was higher, especially the variables for K and P were increased largely. On the other hand, variables of Mg and S were stable. Based on analysis of the ion balance model of nutrient solution, the cation increased than anion over rising the variation of pH while balance point of ion moved from a-side to d-side. In addition, the imbalance increased while it moved away from the EC centerline as variance of pH increased. It was larger than effect of EC variance to correction values of equivalence ratios of K and Ca about variation of $HPO_4{^{-2}}$ and $H_2PO_4{^-}$ while as variance of pH increased, K decreased but Ca increased. These showed the result that variance of pH about correction values of equivalence ratios of K and Ca gave a second-degree polynomial model rating of 0.97. Through this research, it was identified the pH variable model about variance among pH, ion and EC according to gradient of phosphate.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이온균형모형(ion balance model; IBM)은 배양액 내 이온의 함량비율과 EC의변화 특성을 4분면으로 구획하여 양이온과 음이온의 함량 변화를 통해 EC의 변화와 구배를 해석하였다(Soh and Lee, 2012). 따라서 본 연구는 배양액 내 HPO₄^-2와 H₂PO₄^-의 함량 비율 변화에 의해 이온과 EC의 변량을 추정하여 배양액 내 pH의 변화에 의한 이온 균형에 대해 구명하고자 한다.

제안 방법

또한 배양액 내 각각의 이온 당량도는 Robinson and Strokes(1959)와 Tanji(1960)의 등가 이온 방법에 따라 산출하였고, Soh et al.(2012)의 이온균형 모형에 따라 이온과 EC의 정점을 연결한 4분면에 분포 양상으로 양이온과 음이온의 변화 추이와 EC의 농도 변화를 분석하였다. K⁺과 Ca⁺²의 비율에 따른 pH와 EC의 변화 특성을 구명하기 위해 Steiner(1961)의 양이온에 따른 pH 변화 모형에 따라 설계한 후 Rush(2005)에 따라 pH 4.
K+ 과 Ca+2의 비율에 따른 pH와 EC의 변화 특성을 구명하기 위해 Steiner(1961)의 양이온에 따른 pH 변화 모형에 따라 설계한 후 Rush(2005)에 따라 pH 4.0-8.0에서 K+과 Ca+2의 함량비율을 각각 1, 10, 50, 100배로 설계하였다.
배양액 내 pH 변화에 따른 K⁺, Ca⁺², EC의 추정은 상기의 동일한 방법으로 산출하였다. 모형 설계 과정에서 이온 변량 표본은 40점으로 정하여 3반복으로 수행하였다. 상기의 통계 분석은 SAS(Ver.
배양액 pH 보정을 K⁺/Ca⁺²의 당량비 조성하였을 때, K, Ca, pH의 변량 그리고 이로 인한 K, Ca, EC의 변량을 분석하였다(Fig. 5). K, Ca, pH 간의 관계에서 pH가 상승할수록 K은 감소하였지만 Ca은 증가하는 경향을 보였는데, K⁺과 Ca⁺²의 당량비 보정에서 Ca의 당량이 K의 당량과 비교해 2배의 이온가를 가지기 때문이다.
배양액 내 Soh and Lee(2012)에 따른 pH 변량에 대한 K⁺/Ca⁺²의 당량비를 통한 보정과 Rush(2005)에 따른 배양액 농도 변화에 따른 이온 밸런스 특성을 살펴보기 위해 각각 1, 10, 50, 100 배율로 설계하여 pH, K⁺, Ca⁺², EC의 변량을 분석하였다. 이를 위해 pH 변량에 따른 K⁺, Ca⁺², EC의 신뢰도 검정을 수행하였다(Fig.
0에서 K⁺과 Ca⁺²의 함량비율을 각각 1, 10, 50, 100배로 설계하였다. 배양액 내 pH 변화에 따른 K⁺, Ca⁺², EC의 추정은 상기의 동일한 방법으로 산출하였다. 모형 설계 과정에서 이온 변량 표본은 40점으로 정하여 3반복으로 수행하였다.
배양액 내 pH는 pH 메타(HI 98140, Hanna Inst., USA)와 EC는 EC 메타(HI 99300, Hanna Inst., USA), 질소는 자동증류기(Büchi 323, Büchi, Switzeland), 인산은 460nm에서 비색계(UV 2100, Shimadzu, Japan), 무기 양이온은 원자흡광광도계(Perkin Elmer 3100, Perkin Elmer, USA), 음이온 분석은 이온크로마토그래피(DX-120, Dionex, USA)를 이용하여 매일 수집하여 분석하였다.
배양액 내 pH의 변화와 EC 변화의 변화 추이를 분석하였다(Fig. 1). Steiner(1980)의 pH 변량 모형에 따르면 HPO₄^-2와 H₂PO₄^-의 변량에 의한 pH 변량이 pH 4.
1 수준으로 보정하였다. 배양액내 무기 이온의 농도는 공급 배양액에 누적되는 다량 원소의 농도를 기준으로 하였다. 또한 배양액 내 각각의 이온 당량도는 Robinson and Strokes(1959)와 Tanji(1960)의 등가 이온 방법에 따라 산출하였고, Soh et al.
상기의 K와 Ca의 당량비 보정에 따라 pH의 변화를 분석하였다(Fig. 6). K⁺/Ca⁺²의 값이 감소하면 pH는 감소하고, K⁺/Ca⁺²의 값이 증가하면 pH는 증가하였다.
, Korea)를 공시하여 100주씩 3반복으로 총 300주를 정식하였다. 수경재배방법은 박막수경재배 시설 하에서 서울시립대학교 순환식 잎상추 전용 배양액(NO₃-N 10.6, NH₄-N 1.0, P 2.0, K 6.7, Ca 4.0, Mg 2.0, S 2.0meq･L^-1)을 이용하여 초기 배양액 기준을 pH 5.8과 EC 1.6dS･m^-1으로 설정하였다.
, EC의 변량을 분석하였다. 이를 위해 pH 변량에 따른 K⁺, Ca⁺², EC의 신뢰도 검정을 수행하였다(Fig. 4). 대부분의 K⁺, Ca⁺², EC의 표본값이 신뢰 수준 p = 0.

대상 데이터

본 실험은 청치마 상추(Jincheongmat, Kwonnong Seed Co., Korea)를 공시하여 100주씩 3반복으로 총 300주를 정식하였다. 수경재배방법은 박막수경재배 시설 하에서 서울시립대학교 순환식 잎상추 전용 배양액(NO₃-N 10.

데이터처리

모형 설계 과정에서 이온 변량 표본은 40점으로 정하여 3반복으로 수행하였다. 상기의 통계 분석은 SAS(Ver. 9.02, SAS Institute Inc., USA)와 Minitab(Ver 15.1, Minitab Inc., USA)을 이용하여 신뢰수준 0.05에서 가설 검정을 수행하였다.

이론/모형

이러한 pH 변화가 배양액 내 양이온 변량, 음이온 변량, EC 변량에 대하여 어떠한 영향을 주는지 구명하기 위해 Soh et al.(2012)에 의한 이온균형모형에 따라 분석하였다(Fig. 3). 이온균형모형은 양이온과 음이온을 대각선 방향으로 4개의 분면으로 구획하여 이온 밸런스를 분석할 수 있다.
배양액내 무기 이온의 농도는 공급 배양액에 누적되는 다량 원소의 농도를 기준으로 하였다. 또한 배양액 내 각각의 이온 당량도는 Robinson and Strokes(1959)와 Tanji(1960)의 등가 이온 방법에 따라 산출하였고, Soh et al.(2012)의 이온균형 모형에 따라 이온과 EC의 정점을 연결한 4분면에 분포 양상으로 양이온과 음이온의 변화 추이와 EC의 농도 변화를 분석하였다.
배양액의 pH 변화에 따른 이온 변량을 구명하기 위해 Steiner(1980)의 pH 변화에 의한 HPO₄^-2/H₂PO₄^-의 변화율에 따라 pH 4.0-8.0 범위에서 0.1 수준으로 보정하였다. 배양액내 무기 이온의 농도는 공급 배양액에 누적되는 다량 원소의 농도를 기준으로 하였다.

성능/효과

K, Ca, pH 간의 관계에서 pH가 상승할수록 K은 감소하였지만 Ca은 증가하는 경향을 보였는데, K⁺과 Ca⁺²의 당량비 보정에서 Ca의 당량이 K의 당량과 비교해 2배의 이온가를 가지기 때문이다. K, Ca, EC 간의 관계는 pH, K, Ca의 관계보다 급격한 변화를 보였다. 이는 pH 보정을 K⁺/Ca⁺²의 당량비로 산출할 경우 이온 함량 변화에 직접 적인 영향을 주기 때문이다.
4). 대부분의 K⁺, Ca⁺², EC의 표본값이 신뢰 수준 p = 0.05 안에 포함되는 것으로 나타나 Steiner(1980)가 제안한 mutual ratio 배양액 모형에서 pH 보정값을 K⁺와 Ca⁺²의 당량비의 설계가 가능한 것으로 확인되었다.
이처럼 배양액내 a분면과 d분면간의 대칭 이동은 배양액 내 EC 변화는 거의 나타나지 않고, 양이온과 음이온간 이온 밸런스의 변화가 심하게 나타났다는 것을 의미한다. 따라서 pH의 변화가 배양액 내 무기 이온의 균형을 크게 변화시키는 것으로 pH 변화에 따라 작물의 무기이온 흡수 특성뿐만 아니라 순환식 배양액에서 pH 변화에 의해 무기 이온 함량까지 변화 시킨 것으로 나타났다. 배양액 내 pH가 5.
배양액 내 pH 변화에 의해 낮은 EC 농도와 음이온이 상대적으로 많이 분포하는 특성을 보이는 a분면에서 높은 EC 농도와 양이온이 상대적으로 많이 분포하는 d분면으로 이동하였다. 따라서 배양액 내 pH 변화가 EC 변화보다 양이온과 음이온의 당량 비율을 크게 변화시켜는 것으로 나타났다. 이처럼 배양액내 a분면과 d분면간의 대칭 이동은 배양액 내 EC 변화는 거의 나타나지 않고, 양이온과 음이온간 이온 밸런스의 변화가 심하게 나타났다는 것을 의미한다.
2). 배양액 내 pH가 낮아질수록 S를 제외한 무기 이온들이 감소하였고, pH가 높아질수록 S를 제외한 무기 이온들이 증가하였다. 배양액 내 pH 변화에 따른 각 이온의 변화량을 보면 K, Ca, N, P은 상승하였다.
따라서 순환식 배양액에서 H⁺와 OH^-구배는 Ca과 K에 의한 HPO₄^-2와 H₂PO₄^-의 변량에 크게 작용하는 것으로 생각된다. 본 연구를 통해 HPO₄^-2와 H₂PO₄^-의 구배에 따른 pH, 이온, EC의 변량에 관한 pH 변량 모형이 구명되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수경재배에 있어 중요한 요소는 무엇인가?	수경재배에 있어 중요한 부분 중 하나는 배양액이고 이러한 배양액을 만들 때 사용되는 적절한 무기이온들의 조성과 그 비율이 작물에 따라 다양하다. 배양액의 초기 설정 으로 무기이온이 공급되면 생산 환경에 맞춰 작물이 생육 하면서 이온 흡수 특성이 다양하게 나타나고 이에 따라 배양액의 EC와 pH는 변하게 된다.
	배양액 내 pH 모형 설정이 중요한 이유는 무엇인가?	0에 근접하면 HPO4-2가 100%에 이르게 된다(Trejo-Téllez and Gómez-Merino, 2012). 따라서 HPO4-2 와 H2PO4-의 농도 변화가 배양액 내 다양한 pH 구배에 영향을 주며 이로 인해 pH 모형 설정이 중요하다(De Rijck and Schrevens, 1997).
	배양액에 무기이온을 공급하면 어떤 현상이 발생하는가?	수경재배에 있어 중요한 부분 중 하나는 배양액이고 이러한 배양액을 만들 때 사용되는 적절한 무기이온들의 조성과 그 비율이 작물에 따라 다양하다. 배양액의 초기 설정 으로 무기이온이 공급되면 생산 환경에 맞춰 작물이 생육 하면서 이온 흡수 특성이 다양하게 나타나고 이에 따라 배양액의 EC와 pH는 변하게 된다. 이러한 변화 양상은 작물의 종류 및 재배 시스템에 맞춰 무기이온의 기준을 설정을한 후 배양액 농도의 배율에 따른 조성을 통하여 이온 밸런스 특성을 추정할 수 있도록 배양액의 설계와 해석이 연구 되어 왔다(Rush, 2005).

참고문헌 (15)

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Tanji, K.K. 1960. Predicting specific conductance from electrolytic properties and ion association in some aqueous solution. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 33:887-889.
Trejo-Tellez, L.I. and F.C. Gomez-Merino. 2012. Nutrient solutions for hydroponic systems, p. 1-22. In: Toshiki A. (ed). Hydroponics - A standard methodology for plant biological researches. InTech, Janeza Trdine 9, 51000 Rijeka, Croatia.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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