서 론
재료 및 방법
1. 식물재배 및 재배환경
2. 데이터 수집 및 분석
3. 환경데이터
결과 및 고찰
1. 광환경 특성
2. 습공기 특성
3. 근권 온도 특성
4. 탄산가스(CO2) 농도 특성
서 론
IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)는 최근 세계적으로 이상기상이 심화되고 있다고 하였는데(IPCC, 2023) 국내에서도 장마기간의 장기화, 집중호우, 폭염, 저일조 등의 현상이 빈번하게 발생하고 있다. 기상청은 장마철 강우일수가 2023년의 경우 22.2일로 평년보다 32% 증가하였고 2024년은 21.4일로 평년 대비 24% 이상 증가하였다고 보고하였다. 이러한 이상기상은 농작물의 생육, 수량 및 품질에 영향을 주어 농작물 수급의 문제 등 경제적으로 영향을 미친다(Lim 등, 2015; Moriondo 등, 2011). 농작물 중 원예산업의 중요 작물인 과채류의 생산량은 2023년도에 집중호우와 폭염, 일사량 부족 등으로 전년보다 3% 감소한 194만 톤이었는데 생산량 감소폭은 토마토가 12%, 참외는 9% 및 파프리카는 6%로 다른 작목에 비하여 큰 것으로 조사되었다(KOSTAT, 2025). 과채류 생산량과 연관된 착과수와 과실 크기는 동화산물의 생산과 과실로 전류되는 정도에 따라 달라지며 광도가 낮은 조건에서는 착과율이 저하된다(Marcelis 등, 2004). Lee 등(2004)은 일사량 변동에 대한 토마토 단위면적당 수확량(단수) 변동 계수는 0.5－0.7 범위로 일사량이 10% 증가(감소)하면 단수는 5－7% 증가(감소)한다고 하였다. Nisen 등(1988)은 토마토를 포함한 온실 작물 생산에 요구되는 최소한의 누적광량은 일사량이 가장 낮은 11－1월에 약 8.5MJ·m-2·d-1 (2.34kWh·m-2·d-1)로 추정하는데 이는 하루에 일조시간이 약 6시간, 3개월간 500－550 시간이 된다. 우리나라 과채류 생산지의 월별 누적일조시간(hours/month)을 10년간 평균값으로 보면 상주는 194, 춘천은 192, 밀양은 191, 고흥은 185, 부여는 181, 제주는 157시간으로 제주가 다른 지역보다 짧았으며, 월별로는 장마기 6－7월과 저온기 12－1월에 일조시간이 짧은 것으로 조사되었다. 겨울철 일별 누적일사량도 2024년도 기준으로 북춘천은 1067, 충주는 998, 김해시는 1108, 제주는 687J·cm-2·d-1로 제주가 다른 지역보다 61－45% 낮았는데 2022년에도 651J·cm-2, 2023년에도 530J·cm-2로 낮았다(KMA, 2025). 토마토의 생산량과 품질은 재배 환경의 영향을 크게 받는데, 특히 고온과 저온 스트레스에 민감하게 반응하기 때문에 기본적인 기상 환경 요구 사항이 충족되지 않은 지역에서는 재배 시 추가적인 보완 설비가 필요하다(Shamshiri 등, 2018). 특히, 토마토 주요 재배 작형 중 촉성재배는 10－11월에 정식하여 1－5월까지 수확하는 방식으로 겨울철 저온과 약광 조건에서 재배된다. 하지만 아직까지 저온저일조 조건의 온실 환경의 월별과 시간대별 특성을 분석한 연구 자료가 많지 않은 실정이다. 따라서, 본 연구는 전국에서 일조시간이 가장 짧은 제주 동부지역의 겨울철 저온저일조 환경에서 토마토 수경재배 온실의 광량, 습공기 및 근권 온도 특성을 분석하여 안정적인 과채류 생산을 위한 방안을 제언하고자 수행하였다.
재료 및 방법
1. 식물재배 및 재배환경
본 연구는 제주시 구좌읍 김녕리 폴리올레핀[polyolefin, PO(0.15mm), Dabong, IhlshinChemical, Ansan-si, Korea] 단동형 복합환경제어 온실[면적 168m2, 규격 6m(W) × 28m(L) × 4.6m(H)]에서 2022년 10월 30일－2023년 1월 31일, 2024년 11월－2025년 1월까지 2회 실시하였다. 토마토 정식은 여주육묘장에서 60일 재배된 토마토[S. lycopersicum L. ‘Betatini+’(scion), S. lycopersicum L. ‘B.K.O’(rootstock)] 216주를 코코피트 배지(100cm × 20cm × 10cm, chip:dust 5:5, Kyungnong, Seoul, Korea)에 3주씩 정식하였다. 난방은 공기열 히트펌프(SFC -120TFV, Mungsung Ref. and Heat industrial Co., Ltd., Yangju, Korea)를 이용하여 열이 온실 내부에 덕트로 균일하게 분배되도록 하였으며 최저온도가 15－17°C가 되도록 설정하였다. 2022년에서 CO2 시비는 LPG 연소형 CO2 발생기(KCH-21SV, KATSURA, Long An, Vietnam)를 이용하여 2022년 11월 3일부터 2023년 1월 28일까지 오전 10시부터 13시에 목표 CO2 농도(600µmol·mol-1)로 공급하였다.
2. 데이터 수집 및 분석
전 실험 기간동안 외부 온도, 상대습도, 외부 일사량은 스마트팜 복합환경제어반(HRT1000, Hyorimtech Co., Ltd., Jeju, Korea)에 기록되었고, 식물체 생장점 상단의 CO2 농도는 CO2 센서(SH-VT260, SOHA-TECH Ltd., Seoul, Korea)와 데이터로거(nodebox, ioCrops Inc., Seoul, Korea), 일사량은 광센서(S-LIB-M003, Logger H21-USB, Bourne, MA, USA), 엽온 센서(LT-1M, Bioinstruments S.R.L., Chişinău, Moldiva)와 데이터로거(CR300, Campbell Scientific, Inc., Logan, UT, USA)로 측정하였다. 또한 배지의 함수율과 지온은 FDR 센서(CoCo sensor, RF sensor Co., Seoul, Korea)와 데이터로거(WP700, RF sensor Co., Seoul, Korea)에 저장되었다. 2024년의 내부 광센서(ioCropsClima, ioCrops Inc., Seoul, Korea)는 센서 노드박스(nodebox, ioCrops Inc., Seoul, Korea)에 데이터가 수집되었다. 공기 수증기압포차인 VPD (Vapor Pressure Deficit), 절대습도(Absolute humidity, AH), 엽의 증산(Transpiration, TR), Enthalpy(Woo 등, 2000)와 환기율(Ventilation rate) (Geelen 등, 2018)은 다음 식에 적용하여 계산하였으며 계산식은 아래와 같다.
여기에서, DT는 공기 온도(℃), RH는 상대습도(%), LT는 엽온(℃), Energy exhaust(W·m-2)는 내부광량이다.
3. 환경데이터
온실 내·외부 온·습도와 광환경 데이터를 2022년 11월－2023년 1월과 2024년 11월－2025년 1월까지 수집하여 분석하였다(Table 1). 온실 외부 온도는 2022년 11월, 12월과 2023년 1월에 각각 최저 3.18, －2.31, －4.87℃, 최대 24.5, 14.6, 19.2℃, 내부 온도는 최저 11.2, 8.10, 7.90℃, 최대 38.4, 29.6, 31.1℃이었다. 온실 외부 상대습도(relative humidity, RH)는 2022년 11월, 12월과 2023년 1월에 각각 최저 33.7, 37.7, 37.7%, 최대 96.5, 93.3, 97.5%, 내부 습도는 최저 16.9, 23.0, 26.7%, 최대 98.6, 88.1, 96.1%였다. 온실 외부 광도는 2022년 11월, 12월과 2023년 1월에 각각 최대 802, 817, 800W·m-2, 내부 광도는 383, 277, 357W·m-2로 온실 내외부 광도 차이가 50－60% 범위였으며 누적광량은 각각 최고 1520, 1550, 1446, 최저 119, 104, 121J·cm-2·d-1이었다. 온실 내부 일평균 CO2 농도는 2022년 11월, 12월과 2023년 1월에 각각 499, 509, 500µmol·mol-1이었다.
Table 1.
Monthly maximum, minimum and average air temperatures and relative humidity (RH) levels of internal and external greenhouse as well as the carbon dioxide (CO2) concentration and irradiation of internal greenhouse and solar radiation and integrated radiation of external greenhouse from November of 2022 to January of 2023 and from November of 2024 to January of 2025.
온실 외부 온도는 2024년 11월, 12월과 2025년 1월에 각각 최저 5.81, 2.06, -1.12℃, 최대 23.1, 19.0, 13.9℃, 내부 온도는 각각 최저 12.3, 10.7, 8.40℃, 최대 40.9, 29.3, 28.8℃였다. 온실 외부 RH는 2024년 11월, 12월과 2025년 1월에 각각 최저 35.5, 41.0, 44.6%, 최대 95.3, 93.0, 91.8%, 내부 RH는 최저 18.9, 25.8, 30.6%, 최대 85.4, 76.2, 82.6%였다. 온실 외부 광도는 2024년 11월, 12월과 2025년 1월에 각각 최대 768, 777, 806W·m-2이었고, 내부 광도는 366, 326, 335W·m-2로 온실 내·외부 광도 차이가 50－60% 범위로 나타났으며 누적광량은 각각 최고 2090, 1152, 1239, 최저 110, 150, 142 J·cm-2·d-1이었다. 온실 내부 일평균 CO2 농도는 2024년 11월, 12월과 2025년 1월에 각각 483, 457, 473µmol·mol-1이었다.
결과 및 고찰
1. 광환경 특성
온실 내부 광환경 데이터를 2022년 11월－2023년 1월과 2024년 11월－2025년 1월까지 수집하여 시간대별 평균값을 비교하였을 때, 2022년도엔 내부 광량이 11월> 12월> 1월 순으로 1월에 가장 낮았지만, 2024년도에는 3개월간 유사하게 낮은 경향을 보였다. 온실 내부에 100W·m-2 이상의 광량이 도달하는 시간은 2022－2023년의 경우 11월(9시, 114W)> 12월(10시, 110W)> 1월(11시, 104W) 순으로 1월에 가장 늦었으며(Fig. 1A), 2024－2025년의 경우 11월(10시, 107W), 12월(10시, 90W), 1월(10시, 104W)이 유사하였다(Fig. 1B). 이러한 기후적 특성 외에도 온실 내부의 저일조 원인은 온실 내·외부 광량 차이가 50－60% 정도로 큰 것도 중요한 요인이었다(Table 1). 이 결과는 온실 피복재의 미세먼지 등이 원인으로 보이며 실험 온실의 위치가 해안에서 가까운 곳에 위치하여 모래바람에 노출된 것과 관련이 있으며 피복재 세척에 대한 필요성이 대두되었다.
일평균 누적광량 데이터를 2022년 11월－2023년 1월과 2024년 11월－2025년 1월까지 수집하여 비교하였을 때, Nisen 등(1988)이 북반구 국가들의 11월－1월에 온실 작물 재배에 최소한으로 요구되는 광량이라고 제시한 850J·cm-2·day-1 수준 이상으로 측정된 날수가 2022년 11월, 12월과 2023년 1월에 각각 12, 6, 9일이었고, 2024년에는 각각 12, 9, 13일로 심각한 저일조 환경임을 알 수 있다(Fig. 2).
Fig. 2.
Changes in the integrated radiation of external greenhouse from November of 2022 to January of 2023 (ISR-2022) and from November of 2024 to January of 2025 (ISR-2024). The straight line indicates the 850 J·cm-2·day-1 level suggested by Nisen et al. (1988) as the minimum amount of radiation required for the greenhouse crop cultivation in the northern hemisphere countries from November to January.
2. 습공기 특성
온실 내·외부 온도차는 2023년 1월의 경우는 최대 13.7℃(13시)였으며, 온실 내부의 절대습도(AH)와 포화수증기압차(VPD)는 각각 8.84g·kg-1, 7.99mbar로 13시에 가장 높았다(Table 2). 외부 온도는 13시에 최고 4.6℃로 증가하고 VPD도 2.99mbar로 증가하였다. 계산된 환기율(Geelen 등, 2018)은 내·외부의 Enthalpy 차이가 증가함에 따라 높아졌다. 온실 내부의 Enthalpy 평균은 1월 한 달간 38.1KJ·m-3이고 최저 34.6KJ·m-3(24시), 최고 46.7KJ·m-3(13시) 수준을 보였다(Table 2). 온실 내·외부 온도차는 2025년 1월의 경우는 최대 13.8℃(13시)였으며, 온실 내부의 절대습도(AH)와 포화수증기압차(VPD)는 각각 9.91g·kg-1, 11.10mbar로 13시에 가장 높았다(Table 3). 외부 온도는 13－14시에 최고 7.91－7.92℃로 증가하고 VPD도 4.01mbar로 증가하였다. 계산된 환기율은 내·외부의 enthalpy 차이가 증가하면서 높아졌다. 온실 내부의 enthalpy는 최저 36.9KJ·m-3(24시), 최고 56.1 KJ·m-3(13시) 수준을 보였다(Table 3). 일반적으로 fan에 의한 열배출량은 온실 내·외부 공기 enthalpy 차이에 fan의 환기 용량을 곱하여 계산하는데, 이는 공기의 엔탈피가 온도와 습도에 따라 달라지기 때문이다(Geelen 등, 2018). Villarreal- Guerrero 등(2020)은 난방기와 환기의 목표 제어값을 enthalpy 55.8KJ·kg-1수준으로 설정했다고 하였다. 본 연구에서 2023년과 2025년 1월의 VPD 범위는 각각 5.4－8.8mbar, 5.7－9.8 mbar로 적정 수준(5－8mbar)으로 유지된 것을 알 수 있는데(Barker, 1990), 이 결과는 저온기 재배 기간 중 난방기 가동으로 절대습도가 적정하게 유지된 결과로 보인다.
Table 2.
Hourly average of internal and external dry temperature (DT), vapor pressure deficit (VPD), absolute humidity (AH), enthalpy and ventilation rate (Vent) in January 2023.
Table 3.
Hourly average of internal and external temperatures (DT), vapor pressure deficit (VPD), absolute humidity (AH), enthalpy and ventilation rate (Vent) in January 2025.
증산율(Transpiration rate, Tr)은 VPD 값이 높았던 2022년 11월과 비교하여 VPD가 낮은 2023년 1월에 현저히 감소하였다(Fig. 3). 시간대별 Tr 평균값은 2022년 11월에 13시에 94g·h-1로 가장 높았고 VPD는 22mbar였으며, 2023년 1월도 13시에 47g·h-1로 가장 높았고 VPD는 8.8mbar를 기록하여 VPD가 2.5배 낮아짐에 따라 Tr 값이 2배 감소한 것을 알 수 있다. 이 결과는 VPD가 증가할수록 증산율이 높아진다는 선행 연구 결과들과 일치한다(Idso, 1982; Jackson 등, 1981; Woo 등, 2000).
3. 근권 온도 특성
코이어 배지온도 데이터를 2022년 11월－2023년 1월과 2024년 11월－2025년 1월까지 수집하여 시간대별 평균값을 비교하였을 때, 공기와 배지 온도의 하루 중 변동은 다르게 관찰되었다. 공기 온도는 2022－2023년의 경우 오전 9시부터 온실 내부로 유입되는 광량의 증가로 인해 시간당 1℃씩 상승하지만, 배지 온도는 시간당 0.2－0.6℃씩 증가하여 13시에 15℃이상 수준에 도달하였고 16시에 16℃로 가장 높았고 17시부터는 공기온도보다 오히려 높았다(Fig. 4A). 배지온도는 2024－2025년도의 경우는 오전 8시부터 17℃로 유지되었고 오후 2시에 최고 19.6℃로 2022－2023년의 배지 온도보다 21.7% 더 높았는데 이 결과는 2024－2025년에 온실 공기 온도가 2022－2023년에 비해 20.8% 더 높았던 결과이다. 이는 히트펌프 난방 온도를 2022－2023년도의 경우 15℃로, 2024－2025년도는 17℃로 설정한 것과 관련 있다(Fig. 4B). 두 실험 결과에서 저온기의 저일조 온실에서 배지 온도 상승폭은 공기 온도보다 낮고 오후 시간대에는 배지 온도가 공기 온도보다 더 높은 것을 알 수 있다. 과채류 재배에 적합한 근권 온도가 15℃ 이상인 것이 감안하면 저온기의 저일조 환경에서는 근권 온도가 제한 요인이 된다는 것을 알 수 있다.
4. 탄산가스(CO2) 농도 특성
수집한 온실 내부 탄산가스(CO2) 농도 데이터 중 2023년 1월의 광량이 높은 날(Sunny day, 820－1450J·cm-2·d-1)과 흐린 날(cloudy day, 180－290J·cm-2·d-1)을 선택하여 CO2 시비(설정: 600µmol·mol-1, 처리 시간: 10시－13시)를 처리한 날과 처리하지 않은 날(Non-CO2)의 온실 내·외부 CO2 농도차(Ci-Co)를 비교하였다. 광량이 높은 날의 Ci-Co는 CO2 시비를 처리한 경우(CO2) 10시, 13시, 14시(종료 후), 16시(종료 후)에 각각 258(±96.6), 104(±99.8), -11.3(±11.1), -74.1 (±13.0)µmol·mol-1로 14시와 16시에 음의 값을 보여 13시 이후의 추가 공급이 필요한 것으로 보였으며 Non-CO₂의 경우 동시간대에 각각 –84.1(±14.1), -49.8(±31.4), -44.0(±32.1), -30.1(±14.6)µmol·mol-1로 오전 10시부터 16시까지 모두 음의 값을 보였다(Fig. 5A). 흐린 날의 Ci-Co는 CO2 시비를 처리한 경우(CO2) 10시, 13시, 14시(종료 후), 16시(종료 후)에 각각 244(±120), 156(±67.3), 73.6(±7.5), 51.0(±6.2)µmol·mol-1로 감소되었고, Non-CO₂ 처리의 경우도 동시간대에 각각 28.7(±7.9), 13.6(±15.1), 0.2(±9.8), 82.6(±12.6)µmol·mol-1로 14시까지는 감소하는 경향을 보였다(Fig. 5B). Baligar 등(2017)은 광량 450µmol·m-2·s-1 조건에서 작두콩(Jack bean)의 총 건물중이 CO2 시비구(700µmol·mol-1)와 Ambient구(400µmol·mol-1)에서 차이가 거의 없었으나, 광량 100－250 µmol·m-2·s-1 조건에서 CO2 시비구는 Ambient구보다 총 건물중이 72－81% 증가하였다. 따라서, 저온저일조 조건에서 탄산시비의 필요성을 알 수 있다.
본 연구를 종합하여 볼 때, 저온기의 저일조 환경에서 광량 부족으로 인한 낮은 근권 온도와 CO2 농도가 작물의 광합성과 생장에 제한 요인이 될 수 있음을 알 수 있다. 이를 극복하기 위한 기술적 대안인 근권 국부난방을 포함한 변온관리나 탄산가스 시비 등이 필요하다고 판단된다. 겨울 출하기에 저일조는 온실 온도를 높이기 어려워 난방부하가 증가하게 되는데, 이에 대한 대응방안으로 변온관리기술을 적용하여 난방비 절감과 증수 효과를 얻을 수 있다. 변온관리기술은 난방비 절감과 증수효과가 있다고 알려져 있다(Heuvelink, 2000; Koning, 1988; Kwon 등, 2004; Lee와 Moon, 1993; Van Meurs, 1995). 선행 연구에서 일출 2시간 전에 조기 가온을 수행하였을 때 오이 잎의 광합성속도, 기공전도도, 증산속도가 가장 우수하였고 수량은 조기가온 1시간이 11%, 2시간이 16% 각각 증수되었다고 하였다(Kwon 등, 2004). Kang 등(2007)은 착색단고추의 겨울철 시설재배시 탄산가스 시비의 이용효율을 높이기 위한 실험에서 탄산가스 시비 농도(400과 700ppm)와 시비 시간(09:00－12:00(3h)과 09:00－15:00(6h))을 달리하여 정식 후 55일간 처리하였을 때 겨울철에는 광도가 제한 요소로 작용하기 때문에 탄산가스의 높은 농도보다는 시비 시간이 길어질수록 생육이 더 증가하였다고 하였다. 이러한 기술적인 대응으로 원예산업에 중요한 과채류 생산과 수급의 안정화를 꾀할 수 있을 것으로 보인다.
