Growing by Plant Empowerment(GPE)의 통합적 접근 방식 및 그 기본 원칙 상세 분석
Plant Empowerment(GPE)는 보호된 환경에서 작물을 재배하기 위한 혁신적인 균형 잡힌 방법론을 제시합니다. 이 방법론은 물리 법칙과 식물 생리학에 기반한 통합적인 접근 방식을 특징으로 하며, 건강하고 회복력 있는 식물, 높은 수확량과 품질, 낮은 에너지 비용, 그리고 경제적인 온실 개념을 목표로 합니다.
GPE의 "기본 원칙(Basic Principles)"은 전통적인 재배 방식에서 벗어나, 경험과 지식을 통합적인 접근 방식으로 결합하는 데 중점을 둡니다. 전통적인 방식은 청사진, 모범 사례, 일반적인 식물 생리학 지식, 그리고 재배자의 '녹색 손가락'이나 '감정적 인식'에 의존하는 경향이 있었으며, 이러한 접근 방식은 특정 (외부) 기후 조건에서만 유효하거나, 식물 상태에 대한 잘못된 정보를 제공하거나, 센서 기반 기후 제어가 식물 성장이나 상태와 직접적으로 관련되지 않고, 대부분의 생리학적 지식이 단일 인자 식물 연구에 기반하고 있다는 한계를 가졌습니다. 단일 인자 접근 방식은 한 가지 성장 인자만 변화시키고 다른 조건은 동일하게 유지하지만, GPE 관점에서 보면 여러 성장 인자의 최적 조합만이 최상의 결과를 낳기 때문에, 식물 행동에 대한 단일 인자 연구는 실제로는 모순될 수 있습니다.
GPE는 이러한 한계를 극복하기 위해 식물을 단순한 생물-생리적 유기체로 볼 뿐만 아니라, 에너지 보존 법칙, 질량 보존 법칙과 같은 물리 법칙의 지배를 받는 물리적 대상으로 간주하는 기본 원칙을 도입합니다. 식물의 존재와 발달에 핵심적인 역할을 하는 세 가지 '주요 식물 균형(Primary Plant Balances)' – 에너지 균형, 물 균형, 동화산물 균형 – 은 이러한 물리적 및 식물 생리학적 원칙에 기반하며, 센서와 공식으로 비교적 간단하게 측정 또는 계산할 수 있고 온실 기후 조건과 직접적인 물리적 관계를 가집니다. GPE의 생물-생리적 과정들은 주로 이러한 균형을 유지하는 메커니즘으로 간주됩니다.
GPE의 기본 원칙에서 핵심적인 요소 중 하나가 바로 이러한 **'통합적 접근 방식(Integrated Approach)'**입니다. 이 접근 방식은 GPE를 전통적인 재배 방식과 구분 짓는 특징이며, 식물 성장과 발달을 이해하고 최적화하기 위해 모든 관련 요소를 상호 연관된 시스템으로 간주합니다.
통합적 접근 방식이 GPE 기본 원칙의 맥락에서 의미하는 바:
물리학과 식물 생리학의 통합: GPE는 식물을 에너지와 질량 보존 법칙을 따르는 물리적 객체와 생리적 과정을 수행하는 유기체로 동시에 봅니다. 식물 생리 과정(예: 광합성, 증발)은 물리 법칙에 의해 지배되는 생체 역학 메커니즘(biomechanisms)으로 간주됩니다. 이러한 내부 과정은 식물이 주요 균형을 유지하도록 돕는 역할을 합니다. 기존 연구가 종종 물리 법칙을 무시하고 식물 생리적 과정에만 초점을 맞춘 것과 달리, GPE는 물리학적 관점에서 에너지 균형과 물 균형을 분석하여 식물 행동을 더 정확하게 이해합니다. 예를 들어, 기공 행동과 VPD(증기압 차이)의 관계에 대한 전통적인 설명은 높은 VPD가 기공을 닫게 한다고 보지만, GPE는 물리적 분석을 통해 이것이 부정확하며, 실제로는 잎 내부의 수분 부족으로 기공이 닫히고, 그 결과 잎 온도가 상승하여 측정된 VPD가 증가하는 것이라고 설명합니다. 증발 자체가 에너지 흡수(물리적 과정)에 의해 구동된다는 물리적 통찰은 높은 습도나 낮은 수증기압 차이에서도 에너지가 공급되는 한 증발이 가능하다는 점을 명확히 합니다. 또한, 대류 에너지의 역할은 오랫동안 오해되어 왔으나, GPE는 이를 증발의 중요한 물리적 요소로 인식합니다.
여러 균형의 상호 연관성 및 물리 기반 관리: GPE의 중심에는 세 가지 주요 식물 균형(에너지, 물, 동화산물) 및 세 가지 보조 균형(영양소, 미생물, 호르몬)이 있습니다. 통합적 접근 방식은 이러한 균형들을 상호 연관된 시스템으로 간주하며, 모두 같은 퍼즐 조각으로 봅니다. 물리학은 이러한 균형들이 어떻게 연결되는지 설명하는 데 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 증발은 식물의 에너지 균형에서 나가는 에너지 플럭스(물리적 측면)인 동시에 물 균형의 손실과 직접적으로 관련됩니다. 에너지 보존 법칙에 따라 들어오는 에너지와 나가는 에너지 플럭스의 합은 균형 상태에서 0이어야 합니다. 이러한 물리적 관점에서, GPE는 온실 및 작물의 에너지, 수분, CO₂ 균형을 여섯 가지 기본 균형으로 설정하고 이를 관리합니다. 통합적 접근 방식은 하나의 인자(예: 온도)만 변경하는 단일 인자 접근 방식이 물리적으로 연결된 다른 균형에 예측치 못한 영향을 미쳐 최적의 결과를 얻지 못하거나 오히려 부정적인 결과를 초래할 수 있다는 점을 명확히 합니다. 따라서 최적의 성장을 위해서는 모든 성장 인자를 지속적으로 균형 있게 유지하는 시스템 접근 방식이 필요합니다. 기공은 물리학(증발 구동 에너지)과 식물 생리학(CO₂ 흡수, 수분 상태 조절) 사이의 다리 역할을 하며, 세 가지 주요 식물 균형을 모두 제어하는 중앙 제어 밸브와 같습니다. 기공 행동을 물리적 원리(에너지 균형 기반)로 분석하여 모니터링하는 것은 GPE의 중요한 부분입니다.
물리 기반 데이터의 모니터링 및 제어: GPE의 또 다른 기본 원칙은 물리적 및 식물 생리학적 지식과 통찰력에 기반한 일관된 프레임워크 내에서 센서와 작물 측정에서 얻은 '확실한 사실(hard facts)'에 기반하여 균형을 모니터링하고 제어하는 것입니다. 이는 재배자의 감정이나 주관적인 시각 평가를 대체합니다. '말하는 식물(speaking plant)' 개념은 식물 센서의 발전과 함께 등장했지만, GPE는 식물이 항상 자신의 균형을 유지하려 한다는 통찰력과 물리 및 생리적 원리에 기반한 데이터 해석이 식물의 언어를 이해하는 열쇠라고 봅니다. 피라노미터(광량), 피르게오미터(열 방출), 순복사량계(net radiometer), IR 센서(식물 온도) 등 다양한 센서는 온실 및 작물의 에너지, 물, CO₂ 균형과 관련된 물리적 변수를 측정하여 GPE의 데이터 기반 접근 방식을 지원합니다. 예를 들어, 에너지 균형을 기반으로 환기율을 계산하거나, 복사 에너지 측정을 기반으로 증발을 추정하여 관개 전략을 조정하는 것은 물리적 데이터를 제어에 직접 활용하는 예입니다.
물리 법칙을 고려한 재배 및 기후 제어 전략 통합: GPE는 재배 전략(cultivation strategy)과 기후 제어(climate control)를 통합적인 전략으로 결합해야 함을 강조하며, 이 과정에서 물리 법칙을 고려합니다. 온실 내 균일한 기후 및 공기 순환 확보(열 및 수분 이동의 물리적 원리 관련), 열 방출을 방지하기 위한 스크리닝 전략(복사 에너지 전달 물리), 광합성 개선 및 수분 스트레스 방지를 위한 환기 전략(공기 및 수분 이동 물리), 그리고 최적의 성장 및 식물 건강/회복력을 위한 꾸준한 광량 대비 온도 비율(RTR: Ratio Temperature to Radiation) 유지(에너지와 동화산물 균형 관련) 등이 이러한 통합 전략에 포함됩니다. 재배 계획을 통해 동화산물 소비량(싱크 크기)을 빛의 양에 맞추고, RTR 관리 및 광합성 관리를 통해 동화산물 균형을 조절하는 것은 물리적 입력(빛, 온도, CO₂)과 식물 생리/물리적 과정(광합성, 호흡, 증발)을 통합적으로 관리하는 것입니다. 통합적인 재배 전략 조정은 데이터와 지식에 기반하여 일관성, 예측 가능성, 효율성, 지속 가능성을 높이는 것을 목표로 합니다.
식물 건강 및 회복력 관리의 통합: GPE는 식물 건강 및 회복력(plant health and resilience)을 향상시키기 위해 문제를 치료하는 것보다 예방에 중점을 두며, 이는 통합적 시스템 접근 방식을 통해 달성됩니다. 불균형한 식물은 해충과 질병에 더 취약한 반면, 자연적으로 균형 잡힌 식물은 건강하고 튼튼합니다. 따라서, GPE는 식물의 자연적인 생존 및 번영 능력을 지원하고 강화함으로써 건강과 회복력을 확보합니다. 칼슘 부족, 작물 응결, 높은 뿌리 압력/일액 현상, 공기 순환 부족, 열 방출 문제와 같은 특정 문제들은 종종 식물 균형의 불균형과 관련이 있으며, 이는 단일 인자가 아닌 교란된 식물 균형과 차선책 조건의 조합으로 인해 발생하는 경우가 많습니다. 따라서, 주요 균형을 안정화함으로써 보조 균형(예: 영양소, 미생물)도 안정화하는 데 기여하고, 이는 식물 건강 및 회복력에 긍정적인 영향을 미칩니다.
결론적으로, GPE의 기본 원칙은 식물을 물리적 및 생리적 객체로 보고, 에너지, 물, 동화산물의 세 가지 주요 균형과 세 가지 보조 균형에 초점을 맞추는 것입니다. 이러한 원칙은 물리 법칙과 식물 생리적 과정을 긴밀히 연결하여 통합적인 접근 방식을 통해 실현됩니다. 이는 물리와 생리 지식을 결합하고, 모든 관련 균형과 성장 인자를 상호 연관된 시스템으로 관리하며, 데이터 기반의 모니터링을 통해 재배 및 기후 제어 전략을 통합적으로 조정하는 것을 의미합니다. 이러한 물리학(Physics)에 기반한 통합적이고 균형 잡힌 접근 방식은 식물의 자연적인 힘과 회복력을 극대화하고, 궁극적으로 지속 가능하고 수익성 있는 원예를 달성하는 데 기여합니다.
요약자료 출처 : Plant Empowerment The basic principles
(원저자 ir. P.A.M. Geelen / ir. J.O. Voogt / ing. P.A. van Weel)