Korean J. Soil Sci. Fert. Vol.52, No.4, pp , 2019 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Article

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1 Korean J. Soil Sci. Fert. Vol.52, No.4, pp , 2019 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Article pissn : eissn : Growth Stage-Based Fertigation Guideline for Greenhouse Spring Chinese Cabbage Seul-Bi Lee, Yang-Min Kim, Ye-Jin Lee, Yo-Sung Song, Deog-Bae Lee, and Jwakyung Sung 1 * Division of Soil and Fertilizer, National Institute of Agricultural Sciences, RDA, Wanju 55365, Korea 1 Department of Crop Science, College of Agriculture, Life and Environment Sciences, Chungbuk National University, Cheongju 28644, Korea *Corresponding author: jksung73@chungbuk.ac.kr A B S T R A C T Received: September 4, 2019 Revised: October 29, 2019 Accepted: November 4, 2019 With increasing fertigation, the precise fertigation schedule by crop growth stage has been consistently required as a guideline for stable crop production. The aim of this study is to develop the fertigation guideline for spring cabbage. To achieve this goal, we firstly investigated the nutrient uptake pattern of Chinese cabbage, which grown in pots filled with sandy loam soil in a greenhouse from April to June in 2018, and determined optimal nutrient (N, P and K) supply by growth stages. Based on soil NO 3-N based recommendation, nitrogen (N) supply was divided into 4 levels (0.5N, 0.75N, 1.0N and 1.5N). Soil NO 3-N concentrations somewhat differed from growth stages, and 1.5N represented the highest level. Chinese cabbage showed linear growth patterns and there was no clearly significant difference in growth and nutrient uptake by N supply levels except for 0.5N treatment. The relative growth (expressed as a dry weight) of Chinese cabbage occupied 60% and 40% of total accumulated growth (average of 0.75 and 1.0N) at 40 and 60 days, respectively. Mineral uptake (N, P, K) of Chinese cabbage by growth stages showed a linear pattern in general. N was taken up 54% and 46% of total uptake, P uptake 56% and 44%, and K uptake 59% and 41% at 40 and 60 days, respectively. Conclusively, we carefully suggest that the fertigation guideline for Chinese cabbage could save fertilizer supply through daily nutrient demand and target yield, and thus alleviate the problems in relation to nutrient accumulation in greenhouse soils. Keywords: Chinese cabbage, Growth stage, Fertigation, Soil-testing-based fertilization Weekly fertigation scheduling (g 10a -1 ) of N, P 2O 5 and K for greenhouse spring Chinese cabbage. Fertilization level was estimated based on mineral uptake, nutrient use efficiency and target yield (1 Mg 10a -1, FW). Growth stages Weeks after transplanting Cultivation : early April ~ late June Plant density : 4,000 plant 10a -1 N P 2O 5 K 2O Early stage Leaf elongation Heading Total requirement 1,830 1,080 3,330 C The Korean Society of Soil Science and Fertilizer. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non- Commercial License ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

2 430 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Vol. 52, No. 4, 2019 Introduction 관개 ( 물 ) 와비료 ( 양분 ) 공급은시설재배작물의안정적생산을위한중요인자로알려져있다 (Sinclair and Rufty, 2012). 작물의연중재배가가능한시설재배지는화학비료와가축분퇴비를다량시용하여토양염류집적과작물연작장해를야기하고있으며 (Kim et al., 2012), 과잉의양분은토양질악화와환경부하를통해농업생태계를악화시킨다 (Gao et al., 2017). 농업의지속성유지, 작물의안정적인수량과품질을확보하기위해서는작물생육단계에맞춰적절한시기에적절한양의양분공급이필요하다 (Mattson and van Iersel, 2011). 관비 (fertigation) 는관개수를통해비료를공급하는방식으로, 비료의공급시기, 공급량및공급농도의조절이용이하다 (Hagin et al., 2002). 비료를관비형태로공급하는경우, 양분의흡수율은 50-90% 로, 입상비료양분흡수율 (10-40%) 의 2배이상높다. 이러한관비의비료이용효율은비료의용탈량을감소시켜비료공급량을 40-60% 정도절약할수있다 (Kumar and Singh 2002; Ebrahimian et al., 2014; Chauhdary et al., 2017). Chauhdary et al. (2017) 은균형잡힌관비를통해비료시용량을 25% 줄일수있어작물생산의경제적측면에서유리하다고하였다. 감자, 고추, 양파, 오이, 브로콜리, 토마토및엽채류등고소득작물에대한관비연구들이많이수행되었다 (Moujabber et al., 2002; Ewais et al., 2010; Badr et al., 2011). 관비재배로상추, 시금치, 무등엽근채류의생산성이향상되었고 (Kim, 1970), 관상용고추와방울토마토에서도작물수량과품질이향상되었다고하였다 (Cho et al., 1998; Kang et al., 2003). Jung et al. (2005) 와 Ha et al. (2015) 은오이와애호박관비재배시질소효율이각각 40%, 25% 증가한다고하였다. Ha et al. (2015) 은우리나라시설재배토양의높은양분집적특성으로인해, 관비로양분을공급할경우표층시비에비해양분이용효율이높아질수있기때문에양분공급량을줄여야한다고하였다. 우리나라관비재배면적 ( 점적관수 ) 은 2017년도기준으로 23,974 ha로시설온실관수시설의약 46% 를차지하고있고, 관비면적은매년꾸준하게증가하고있다 (MAFRA, 2018). 우리나라시설배추의재배면적은 2,398 ha로전체엽채류중두번째로재배면적이크다 (MAFRA, 2018). 배추의비료공급량은표준비료사용량과토양검정비료사용량으로설정되고있으며시설배추의표준비료사용량은질소-인산-칼리가 kg 10a -1 이며, 현재는밑거름과웃거름의비율 ( 질소 35:65, 인산 100:0, 칼리 55:45) 만제시되어있다 (NIAS, 2017). 이중토양검정에의한비료사용량은작물별양분흡수량과토양에함유된양분함량을고려한비료사용량으로농경지의양분집적을예방하고양분을골고루공급할수있는합리적인비료사용량으로알려져있다 (NIAS, 2017). 그러나영농현장에서는농가경험에의존해관비로비료를공급하는경우가많아과학적인작물별관비공급계획수립이필요한실정이다. 일반적으로관비로양분을공급하면표층시비에비해양분이용효율이높아작물을안정적으로생산하기위해서는양분이필요한시기에필요한양만큼을공급할수있도록설계된매뉴얼개발이필수적이다 (Azad et al., 2018). 본연구에서는시설봄배추관비재배시요구도가가장높은질소를 4개수준으로공급한후생육단계별로생육과양분흡수양상을파악하였다. 또한이를바탕으로시설봄배추관비재배시질소, 인산및칼륨의적정웃거름관비공급량을설정하였다. Materials and Methods 공시재료및재배전북완주군이서면에위치한국립농업과학원구내종합유리온실에서포트당 10 kg씩충진하여 ( 용적밀도 1.3 g cm -3 ) 결구품종인 진청 ( 팜한농 ) 을공시품종으로하여 2018년 4월 17일에정식하고 6월 27일

3 Growth Stage-Based Fertigation Guideline for Greenhouse Spring Chinese Cabbage 431 에수확하였다. 시험전토양이화학성분석결과는 Table 1과같다. 토양 ph와치환성칼슘함량은시설배추토양적정범위보다약간높았으나, 대부분의화학성은적정범위보다낮았다. 토양검정질소공급량은 29.5 kg 10a -1 (y = x; y: 질소비료사용량, x: 토양중질산태질소, NIAS, 2017) 이었고, 인산과칼리의공급량은각각 15.6, 20.9 kg 10a -1 로하였다. 밑거름과웃거름공급비율은질소는 35:65, 인산은전량밑거름으로공급하고, 칼리는 55:45을적용하여 (NIAS, 2017), 밑거름은 1.0배기준으로 10a 당질소는 10.3 kg, 인산은 15.6 kg, 칼리는 11.5 kg 수준으로처리하여토양과혼합하였다질소의웃거름공급량은토양검정량을기준으로 0.5배, 0.75배, 1.0배, 1.5배수준별로처리하고 (Table 2), 질소 ( 요소 ) 와칼리 ( 염화칼리 ) 웃거름을배추정식후본엽이 5매전개되는때부터시작하여 20일후에, 그후로는 10일간격으로총 3회에걸쳐관비시설을통해공급하였다. 물관리는밭작물물관리지침 (NIAS, 2018) 에따라 1회관수량을설정하였고 33 kpa 이상에서관수하였다. Table 1. Physico-chemical properties of the soils prior to Chinese cabbage cultivation. Soil texture ph EC NO 3-N OM Av. P 2O 5 Ex. Cations (cmol + c kg -1 ) (1:5) (ds m -1 ) (mg kg -1 ) (g kg -1 ) (mg kg -1 ) K Ca Mg Sandy loam optimum range* < *Optimum range for Chinese cabbage cultivation in greenhouse soil (NIAS, 2017). Table 2. Nitrogen(N), phosphate and potassium supply (kg 10a -1 )with treatments for Chinese cabbage cultivation. Treatments N P 2O 5 K 2O Basal Supper-dressing Basal Basal Supper-dressing 0.5N N N N 28.8 생육조사, 식물체및토양분석배추정식후 40일부터 10일간격으로 3회에걸쳐식물체 ( 지상부 ) 를채취하여건물중과양분흡수량을분석하였다. 식물체를건조 (80 C, 48시간 ) 하여마쇄한후, 식물체분석시료 0.5 g에식물체분해액 (377 mm H 2 SO % HClO 4 ) 으로습식분해하여여과 (Whatman No.6) 하였다 (Lee et al., 2017). 여과액을증류수로 10배희석한후, 질소는질소자동분석기 (Auto analyzer 3, BRAN+LUEBBE, Germany) 로 660 nm에서측정하였다. 인산은 UV-Spectrometer (Hitachi, Japan) 을이용하여 880 nm에서측정하였다. 칼리등양이온함량은 ICP (GBC, Intergra XL, Australia) 를이용하여측정하였다 (Lee et al., 2017b). 양분흡수량은지상부의건조무게당 N, P, K 함량을곱하여산정하였으며, 재식밀도는 10a 당 4,000주를적용하였다. 토양이화학성분석은농촌진흥청분석법에준하여실시하였다 (NAAS, 2000). 토양건조후, 2 mm 체로쳐서분석시료로사용하였고, 질산태질소는습토 5 g에 2M KCl 25 ml 30분간진탕후여과 (Whatman No.2) 하여질소자동분석기로분석하였다 (440 nm) (Lee et al., 2017a). ph와 EC는토양과증류수 1:5의비율로 30분간진탕한후 ph meter/ec meter로측정하였다. 유효인산은토양시료 5g에 Lancaster 용액 (333 mm Acetic acid + 1.5N Lactic acid + 30 mm Ammonium Fluoride mm Sodium Hydroxide + 50 mm Ammonium Sulfate, ph 4.25) 20 ml를넣

4 432 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Vol. 52, No. 4, 2019 고 10분간진탕하여여과 (Whatman No.2) 한후증류수로희석하여 UV-Spectrometer를이용해측정하였다 (720 nm). 양이온분석은건토 5 g에 1N Ammonium acetate (ph 7.0) 25 ml을가하여 30분간침출후여과 (Whatman No.2) 하여 ICP로분석하였다. 웃거름공급량산정시설봄배추의웃거름공급량산정을위해생육단계별양분 ( 질소, 인산, 칼리 ) 흡수량을구하여각생육단계를고려하여일주일단위로환산하였다. 일평균흡수량을구하기위해 n+1차시기의양분흡수량에서 n차시기양분흡수량의차이를일수로나누어계산하였다. 최종차수의흡수량은최종수확기양분흡수량에서바로앞시기의흡수량을모두합하여뺀차이를계산하였다. 총양분흡수량에웃거름공급비율을곱하여웃거름공급량을산정하였다. 웃거름공급비율은질소는 65%, 인산은 50%, 칼리는 45% (NIAS, 2017) 로하였고, 양분의이용효율은질소, 인산및칼리를각각 90%, 50% 및 80% 를적용하였다 (Kumar and Singh, 2002). 배추의생육단계는건물중과밭작물물관리지침 (NIAS, 2018) 을참고하여구분하였다. 시험구배치및통계분석본실험의시험구배치는완전임의배치법 3반복으로하였다. 각실험결과를엑셀프로그램을이용해평균치와표준편차를계산하였다. 질소수준별처리간비교를위해 SAS 프로그램으로 ANOVA분석을실시한다음, 통계적유의성이인정될경우 Tukey 검정을실시하였다. Results and Discussion 배추생육특성및토양화학성배추의생장량은정식 40일까지질소공급량에영향을받지않았으나, 결구기에질소공급량이증가함에따라생장량도증가하는경향을보였다 (Table 3). 건물중기준으로배추생장량은정식 40 일까지는 kg 10a -1, 정식 60일에는 kg 10a -1 였다. 이는 2017년기준시설봄배추재배단수인 4,574 kg 10a -1 ( 생중 ) 에비하여 (MAFRA, 2018), 다소낮은것으로판단되었으며, 향후재배환경, 품종의영향을고찰할필요가있는것으로판단된다. 이러한경향은시설상추및시설참외의질소공급수준별생육결과와도유사하여 (Jung et al., 2010; Lee et al., 2018) 질소공급량이작물의생육에직접적인영향을미치는것이확인되었다. 토양검정을통해배추재배에필요한비료량을관비시스템을이용하여웃거름으로공급하는경우질소처리 0.75배, 1.0배및 1.5배간유의적차이가없어, 질소의이용효율을최대 25% 까지증가시킬수있을것으로판단된다 (Table 3). Lee et al. (2018) 는시설상추에서파종후 60일까지는질소수준별처리간에생육차이가크지않아생육초기 ( 유묘기 - 엽신장기 ) 에는관비농도를낮추어작물의양분독성을방지하는것이유리하고, 관비재배시웃거름질소이용효율이토양검정질소웃거름량의최대 50% 까지증가한다고하였다. Table 3. Effect of nitrogen supply on Chinese cabbage growth (kg 10a -1, DW) cultivated during Spring season (from April to June). Days after transplanting N supply level 0.5N 0.75N 1.0N 1.5N c 187.4ab 160.3bc 205.5a b 279.5ab 306.2a 311.8a * Different letters for each row are significantly different at P 0.05 according to Tukey s test.

5 Growth Stage-Based Fertigation Guideline for Greenhouse Spring Chinese Cabbage 433 시설봄배추의수확기토양화학성은질소처리수준에따라토양중 EC, 질산태질소함량, 치환성칼륨및칼슘함량은다소증가하는경향을보였다 (Table 4). 특히토양질산태질소함량이낮은 0.5배에서 1.0배처리구에서는 4-32 mg kg -1 으로낮은수준이었으나 1.5배처리구에서 97 mg kg -1 으로크게증가하였다. Sandal and Kapoor (2015) 는관비및관개수를부적절하게관리할경우직접적으로질산태질소손실에영향을주기때문에물과질소비료투입에유의해야한다고한바와같이, 토양의질산태질소집적을고려할때, 배추의질소관비공급량은토양검정질소웃거름량 1.5배보다낮게유지하는것이토양의염류집적및그에따른환경영향을최소화할수있을것으로판단되었다. 또한시설배추재배시토양질산태질소함량이 mg kg -1 정도로유지되는질소 0.75배와 1.0배처리구에서배추의적정생육이정상적인것으로나타났다. Hong (1998) 은토마토질소무비재배에서질산태질소함량이 28.8 mg kg -1 이었고 Kang and Hong (2004) 은시설토마토재배시질산태질소함량의하한과상한기준을각각 50, 280 mg kg -1 이라하였다. 시설배추재배를위한토양질산태질소하한및상한기준마련을위해토양비옥도별무비재배구의질산태질소함량에대한추가고찰이필요하다. Table 4. Chemical properties of the soils after Chinese cabbage cultivation with N supply levels. Treatments ph EC NO 3-N OM Av. P 2O 5 Ex. Cations (cmol + c kg -1 ) (1:5) (ds m -1 ) (mg kg -1 ) (g kg -1 ) (mg kg -1 ) K Ca Mg 0.5N 6.2a 0.4c 3.7d bc 3.5c 1.4c 0.75N 6.0b 0.4c 17.9c c 3.2d 1.4b 1.0N 6.1ab 0.7b 32.0b ab 3.8b 1.3c 1.5N 5.7c 1.8a 97.2a a 4.1a 1.6a * Different letters for each column are significantly different at P 0.05 according to Tukey s test. 배추의양분흡수특성및관비웃거름공급량배추의생육단계별질소, 인산, 칼리의흡수량은생장량과마찬가지로생육기간이경과함에따라증가하는양상을보였다 (Table 5). 질소의경우정식 40일까지전체질소흡수량의 60%, 이후결구기인정식 60일까지 40% 를흡수하였다. 인산은정식 40일까지전체인산흡수량의 56%, 이후결구기인정식 60일까지는 44% 를흡수하였다. 칼리는동일한시기에대해각각 60% 와 40% 를흡수하는것으로나타났다. 질소는아미노산의 amino groups을생성하고핵산의 purine과 pyrimidin 염기의고리구조에결합해존재하며, 에너지항상성 (Homeostasis), 신호및단백질조절기작에관여하여생육초기에상당부분의흡수가일어나는것으로판단된다. 비단백질화합물로질소는보조효소 (Co-enzyme), 광합성색소 (Photosynthetic pigments), 2차대사체, polyamine의생화학에필수적이다 (Tischner, 2000; Orsel et al., 2002). 인산은 3인산 (triphosphate) 핵산의형태로 DNA와 RNA의기본골격을형성하고세포막의음전하를형성하는역할을한다 (Gaude et al., 2008). 칼리는 proton을액포의루멘으로축적시키는액포 PPase 효소를활성화시키고탄소대사와관련된 pyruvate kinase, phosphofructokinase, ADP-glucose starch synthase 등많은효소의활성화에관여한다 (Marschner, 1995; Maathuis, 2009). 시설봄배추의생육단계별건물생산성, 양분흡수량및관비공급에의한양분이용효율을고려하여산정한웃거름공급량은 Table 6와같다. 정식후 2주까지는생육초기배추의활착기간으로웃거름공급없이밑거름을통해물과양분을공급하는것이합리적일것으로판단된다. 이를바탕으로설정된관비웃거름질소공급량은경엽신장기 ( 정식

6 434 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Vol. 52, No. 4, 2019 Table 5. Daily mineral uptake rate (g 10a -1 day -1, average of 0.75N and 1.0N) of Chinese cabbage cultivated during Spring season (from April to June). Days after transplanting Mineral uptake N P K ± ± ± ± ± ± 12.6 Table 6. Weekly fertigation scheduling (g 10a -1 ) of N, P 2O 5 and K for greenhouse spring Chinese cabbage. Fertilization level was estimated based on mineral uptake, nutrient use efficiency and target yield (1 Mg 10a -1, FW). Cultivation : early April ~ late June Weeks after Growth stages Plant density : 4,000 plant 10a -1 transplanting N P 2O 5 K 2O Early stage Leaf elongation Heading Total requirement 1,830 1,080 3,330 후 3주 - 정식후 6주 ) 까지는매주질소 210 g 10a -1 이필요하고, 결구기 ( 정식후 7주 - 정식후 9 주 ) 에는 330 g 10a -1 이요구되었다. 시설수박의경우, 재배시기및생육단계별질소웃거름공급량은봄작기에는생육초기 -최성기-생육후기에 %, 여름에는 % 의비율로공급하는것이생육과수량에효과적이라고보고된바와같이 (Sung et al., 2016), 관비로질소를공급하는경우에는작물의생육특성을고려한생육단계를구분하여공급하는것이효과적일것으로판단된다. 인산웃거름공급량은경엽신장기 ( 정식후 3주 - 정식후 6주 ) 까지는 120 g 10a -1 가필요하고, 결구기 ( 정식후 7주 - 정식후 9주 ) 에는 200 g 10a -1 이필요한것으로계산되었다. Alam (2005) 은노지밀재배시인산웃거름공급으로생산성과인산흡수량이약간증가한다고하였다. 우리나라의전통적인인산시비방법은밑거름중심이었으나 (NIAS, 2017), 작물의양분흡수량, 관비를통해인산공급시이용효율등을감안할때인산웃거름공급량설정이필요한것으로판단된다. Lee et al. (2018) 은시설상추에서생산성과인산흡수량을감안할때인산웃거름공급이필요하다고하였다. 향후작물생산성뿐만아니라인산의이동성, 토양집적을고려한인산웃거름공급량설정에대한고찰이필요하다. 칼리웃거름공급량은경엽신장기 ( 정식후 3주 - 정식후 6주 ) 까지는 345 g 10a -1 이필요하고, 결구기 ( 정식후 7주 - 정식후 9주 ) 에는 650 g 10a -1 이필요한것으로나타났다. 전체웃거름을관비로공급시양분별공급비율은질소- 인산-칼리가약 1.7:1.0:3.1의비율로공급하는것이작물생육에가장유리한것으로나타났다. Chauhdary et al. (2019) 는반건조기후에서옥수수재배시점적관수를관비요구량의 100% 를매일공급할때가장생산성이높다고추천하

7 Growth Stage-Based Fertigation Guideline for Greenhouse Spring Chinese Cabbage 435 였다. Sandal and Kapoor (2015) 은관비스케쥴등모듈을개발하는데중요한요인은토양유형, 유효태질소, 인산, 칼리함량, 유기탄소, 토양 ph, 토양포장용수량, 유효수분용량범위, 토양입자크기분포, 작물유형, 생리학적생육단계등을고려할필요가있고, 효과적인관비스케쥴설계를하려면첫째, 작물 토양특이적양분관리, 둘째, 작물의요구도에맞는양분공급타이밍, 셋째, 유효근권부아래로의수용성양분의용탈을최소화할수있는효과적인관개수조절기술이필요하다고하였다. 시설작물재배를위한현장적용성이높은관비스케줄을개발하기위해다양한요인과환경영향부분에대한추후고찰이필요하다. Conclusions 시설봄배추재배시생육단계별양분흡수량을바탕으로관비웃거름공급량을설정하였다. 시설봄배추의생육단계별건물량은질소공급량과선형적인관계를보였고, 배추의생산성, 토양의질산태질소함량등을고려할때토양검정웃거름질소 0.75배와 1.0배가가장적합하였다. 시설봄배추양분 (N, P, K) 흡수량은경엽신장기에는 55-60%, 결구기에는 40-45% 를흡수하는것으로나타났다. 이러한배추생육과양분흡수특성을바탕으로목표수량에따른관비공급스케쥴을설정한결과, 경엽신장기 ( - 정식 6주 ) 에는생중량 1톤생산을기준으로질소 210, 인산 120, 칼리 345 g 10a -1 를공급하고, 이후결구기 ( 정식 7주 - 9주 ) 에는질소 330, 인산 200, 칼리 650 g 10a -1 을공급해야하는것이가장효과적인것으로나타났다. 향후관비스케줄의현장적용성을높이기위해서는토양검정및양 수분센서를연계한실시간맞춤형관비공급량설정과다양한토양특성, 수분등환경요인을고려한관비모듈개발이필요할것으로판단된다. Acknowledgement This study was carried out with the support of Research Program for Agricultural Science & Technology Development (Project No.PJ010899), National Institute of Agricultural Sciences, Rural Development Administration, Republic of Korea. References Azad, N., B. Javad, R. Vahid, F. Abbasi, and M. Navabian Developing an optimization model in drip fertigation management to consider environmental issues and supply plant requirements. Agric. water manag. 208: Badr, M.A., A.S. Taalab, and E.W.A. Tohamy Nitrogen application rate and fertigation frequency for drip irrigated potato. Australian J. Basic and Applied Sci. 5: Chauhdary, J.N., A. Bakhsh, B.A. Engel, and R. Ragab Improving corn production by adopting efficient fertigation practices: Experimental and modeling approach. Agric. water manag. 221: Chauhdary, J.N., A. Bakhsh, M. Arshad, and M. Maqsood Effect of different irrigation and fertigation strategies on corn production under drip irrigation. Pak. J. Agric. Sci. 54: Cho, Y.D., S.K. Joung, and J.C. Heo Effects of fertigation system on the yield and quality of cherry tomatoes in plastic house. Korean J. Soc. Hort. Sci. and Tech. 16(1):142 (Abstr.). Ebrahimian, H. and E. Playán Optimum management of furrow fertigation to maximize water and fertilizer

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