서 론

배추(Brassica rapa L. subsp. pekinensis)는 국내에서 김치의 주원료로 소비되는 채소로 연중 생산체계가 확립되어 1년 내내 파종과 수확이 가능하다. 2023년 기준 배추의 재배면적은 29,771ha, 생산량은 2,049,000ton, 생산액은 10,074억원으로 엽근채소 중 가장 큰 비중을 차지하고 있다(MAFRA, 2025). 최근 이상기후로 인한 작황 부진으로 여름배추의 생산량이 급감하고 있으며, 여름작형 배추의 재배면적은 17% 내외이지만 가장 가격 변동성이 큰 작형에 해당한다. 2024년 여름철(6－8월) 기후분석 결과, 전국 평균기온은 25.6°C로 평년(23.7°C)보다 1.9°C 높았으며, 평균 폭염일수는 24.0일로 평년(10.6일)보다 2.3배 많았다. 그에 따라 여름배추 출하기(7－10월)의 도매가격은 2023년과 평년 대비 각각 57.2%, 49.5% 상승하였다(KREI, 2025).

배추는 생육적온은 18－20°C, 결구적온은 15－18°C인 호냉성 채소로 고온에 취약하므로, 여름배추는 주로 해발 600m 이상의 고랭지 지역에서 재배된다. 생육 초기의 고온은 배추 생육에 일시적으로 긍정적 영향을 미치지만, 결구가 형성되는 중후기에는 생리장해와 병해 발생 위험을 증가시키고, 결구 형성을 지연시켜 상품성을 저하시킨다 (Lee 등, 2024). 고랭지배추 평년온도 대비 기온 +2.0－6.0°C 상승 시 정식 후 30일 전까지는 광합성 속도가 증가하지만, 생육후반에는 광합성 효율이 감소하고 내부 무름 증상이 크게 증가하였다(Son 등, 2015). Lee 등(2021)에 따르면 고온 조건(주야간 온도 32/26°C)에 일정기간 노출될 경우 적온 조건(20/16°C) 대비 광합성 속도가 감소하고 산화 스트레스 수준이 증가하였다. 국내에서 생산되는 결구 배추의 경우 일평균 기온이 25°C 이상일 경우 결구 형성이 지연된다(Wi 등, 2020). 토양의 온도가 높을 경우 뿌리의 호흡률이 증가하고 양수분 흡수가 저해되며, 특히 토양온도가 29°C 이상일 경우, 주근 길이와 측근 밀도가 감소하고, 뿌리구조의 변형이 발생한다(Lima 등, 2021). 따라서 고온기 배추의 안정생산을 위해서는 지상부와 근권부의 온도 상승을 억제할 수 있는 새로운 재배기술 개발이 필요하다.

스프링클러는 식물체 주변부에 직접적으로 물을 분사하여 건조한 지역에서 물 이용 효율을 높이는 관개시스템으로 설계 및 이용되고 있다(Chauhdary 등, 2024). 당근을 대상으로 스프링클러 관수 시 고랑관수 대비 18.4%의 물을 절약할 수 있었다(Seidazimova 등, 2016). 미세살수 관개시스템은 고온 및 건조에 대한 작물의 스트레스를 완화시키는 목적에서 다양한 작물에서 활용되고 있다. 미세살수 관수는 감귤(Joa 등, 2022), 포도(Caravia 등, 2017), 대추나무(Liu 등, 2021) 등 과수 및 수목뿐만 아니라 양파(Maina와 Luqman 2022), 토마토(Zhang 등, 2022) 등 노지와 온실에서 재배하는 채소류에도 효과적이라고 보고되었다. 미세살수 장치는 스프링클러 중에서도 비교적 작은 물입자가 분사되어 증발 냉각 효과를 향상시킬 수 있도록 설계되어있다. 밀밭을 대상으로 고온 건조한 바람 발생 1－2시간 전 소량의 스프링클러 관수는 60분 이내에 기온과 상대 습도를 개선하고, 군락 상하부의 미기상을 개선시켜 순광합성률을 증가시키고 수확량을 높였다(Cai 등, 2022). 특히 주간에 스프링클러를 이용하여 관수할 경우 기온하강 효과가 극대화되며, 스페인의 옥수수 재배지역을 대상으로 했을 때 군락 높이 0.5 m 아래의 기온을 3.3－4.4°C 감소시켰다(Cavero 등, 2009).

멀칭은 토양 증발 감소와 침식 방지, 잡초 발생 억제를 통하여 토양의 수분을 보존을 목적으로 이용한다(Iqbal 등, 2020). 멀칭재료의 소재, 색상과 시험 지역, 시기에 따라 그 효과는 달라질 수 있으나, 일반적으로 극단적인 기후 조건, 즉 매우 덥거나 추운 지역에서 멀칭을 통해 온도를 유지할 수 있다(Snyder 등, 2015). 일사량과 기온이 높은 날 흑색필름의 표면 온도는 50°C 이상으로 올라갈 수 있으며, 필름에 직접적으로 접촉하는 식물 부위에 열 손상 또는 건조 피해를 발생시킬 수 있다. 최근 개발된 저온성필름은 복합소재로 개량한 투과성 광반사 멀칭필름으로 지온하강 효과를 목적으로 이용되고있다(RDA 와 Hans Ind Tech, 2022). 개발된 저온성필름 사용 시 일천궁, 강활 등 약용작물의 생육개선 및 고사율 경감에 효과적이라고 보고된 바 있다.

이상기후에 따른 배추의 수급문제를 해결하기 위해 여름배추 생산량을 안정적으로 확보할 수 있도록 지상부와 근권부의 온도상승을 억제할 수 있는 재배기술이 필요하다. 본 연구는 미세살수 장치와 저온성필름을 이용하여 배추의 지상부 및 근권부 고온 피해 경감 효과를 평가하였다. 또한 미세살수의 증발 냉각 효과는 일사량과 기온 조건에 따라 달라질 수 있으므로, 실험2에서는 관수 시점에 따른 온도 변화를 비교하였다.

재료 및 방법

1. 실험 재료 및 장소

본 연구는 전북특별자치도 완주군 이서면 소재 국립원예특작과학원 사양토 포장(35°50′26′′ N 127°02′01′′ E)에서 수행하였으며, 높이가 30 cm, 폭이 30－40 cm인 두둑을 형성하여 포장을 조성하였다. 실험1은 배추는 봄 작형 품종인 ‘춘광’과 가을 작형 품종인 ‘청명가을’을 사용하였다. 배추 모종 900주를 2024년 8월 6일에 65cm × 40cm 간격으로 정식하였으며, 관행에 따라 70일동안 재배 후 10월 14일에 수확하였다. 실험2는 ‘춘광’ 배추 800주를 2025년 5월 29일에 정식하였고, 관행에 따라 63일 동안 재배 후 7월 29일에 수확하였다.

2. 처리 조건

실험1은 관수장치(중형 스프링클러, 미세살수)와 피복자재(흑색필름, 저온성필름)를 요인으로 한 2×2 요인설계로 수행하였으며, 두 품종은 병렬적으로 평가하였다(Fig. 1). 관수장치에 대한 대조구로서 중형 스프링클러는 평지밭에서 관행적으로 사용하는 임팩트 스프링클러(Meganet, Netafim, Tel Aviv, Israel)를 사용했으며, 유량 200L/h, 살수 직경 11m인 장치를 2대 설치하였다. 미세살수는 360도 회전형 스프링클러(SuperNet, Netafim, Tel Aviv, Israel)를 사용했으며, 유량 40L/h, 살수직경 6m인 장치를 10대 설치하였다. 피복자재에 대한 대조구로서 흑색필름은 0.02mm 두께의 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 필름을 사용했다. 저온성필름은 폴리에틸렌(PE)과 탄산칼슘, 이산화규소 등을 이용한 복합 재질의 멀칭 필름(Hans Ind Tech Co. Ltd., Yeongcheon, Korea)을 사용하였다. 실험2는 모두 흑색필름을 피복하였고, 정식 후 5주차까지는 동일한 시점에 미세살수를 이용하여 관수하였으며, 6주차부터 관수 시점을 다르게 처리하였다. 시험구는 오전(9－11시), 오후(13－ 15시), 야간(19－21시)으로 나누어 관수하였다.

Fig. 1.

Irrigation equipment (impact sprinklers, micro-sprinklers) and mulch films (black film, cooling film) used in the Experiment 1.

3. 재배환경 측정

재배기간 동안의 환경데이터는 마이크로 스테이션(Watchdog 1650 Micro Station, Spectrum Technologies Inc., Aurora, IL, USA)를 이용하여 30분 간격으로 기록하였다. 기온과 습도는 로거 내장센서로 측정하였으며, 지온은 지표면으로부터 10 cm 깊이에 토양온도센서(External Temperature Sensor 6' cable, Spectrum Technologies Inc., Aurora, IL, USA)를 설치하여 측정하였고, 일사량은 지면으로부터 1 m 높이에 광센서(LightScout PAR Light Sensor, Spectrum Technologies Inc., Aurora, IL, USA)를 설치하여 측정하였다.

4. 생리반응 조사

고온 스트레스 반응을 분석하기 위하여 광화학 효율과 엽록소 지수를 2주간격으로 품종과 처리별로 5개체씩 조사하였다. PSII의 최대 광화학 효율(Fv/Fm, Maximum photochemical efficiency of PSII)은 완전히 전개된 성엽을 대상으로 20분간 암적응 시킨 후 엽록소형광측정기(MINI-PAM-II, Heinz Walz GmbH, Effeltrich, Germany)를 이용하여 측정했다. 엽록소 지수(SPAD)는 휴대용 엽록소계(SPAD-502, KONICA MINOLTA, Tokyo, Japan)를 사용하여 개체당 3개의 엽을 측정한 뒤 평균값을 기록했다.

5. 생육조사

생육조사는 정식 후 70일차에 15개체씩 수확하여 생체중, 건물중, 엽형태, 엽수, 엽면적 등을 조사하였다. 뿌리를 제외한 지상부의 생체중을 측정하였고, 엽형태는 최장엽의 엽장과 엽폭을 조사하였다. 엽수는 1cm 이상 자란 잎을 대상으로 조사하였고, 엽면적은 엽면적계(LI-3100, Li-Cor, USA)로 측정하였다. 건물중은 7일간 오븐에서 70°C로 열풍건조 건조 후 측정하였다.

6. 통계분석

수집한 데이터의 통계분석은 R 소프트웨어 4.2.0 버전을 사용하였으며, 각 품종 내에서 관수장치과 피복자재 요인에 대해 이원산분산분석(Two-way ANOVA)을 실시하였고, 처리 간 비교는 Duncan’s multiple range test를 이용하여 5% 유의수준에서 사후검정을 수행하였다. 분석 결과는 python 및 R 소프트웨어를 이용하여 시각화하였다.

결과 및 고찰

1. 관수장치 및 피복자재에 따른 재배환경 변화(실험 1)

재배기간동안 두둑의 주간 토양온도(지온)은 저온성필름보다 흑색필름에서 높았다(Table 1). 피복 자재에 따른 온도 차이는 시기에 따라 다르게 나타났으며, 최대온도와 주간온도에서 차이가 컸다. 저온성필름 피복 시, 일중 최고 지온이 생육 초중기(18－31 DAT)에는 흑색필름 대비 평균적으로 6.9°C 낮았으며 생육 중후기(46－59 DAT)에는 4.5°C 하강했다. 이는 생육 진전에 따른 식물체 간 그늘 형성과 9월 하순의 낮은 일사량에 의해 하강 효과가 감쇄된 것으로 보인다. 일중 일사량이 높을 때 피복 자재에 따른 지온 차이가 가장 컸으며, 일사량이 적은 흐린 날에는 처리 간 지온 차이가 작았다(데이터를 표시하지 않음).

관수장치 종류에 관계없이 일중 2시간(11－13시) 관수 시 기온과 지온이 감소하고 상대습도가 증가하였다(Fig. 2). 기온과 상대습도는 관수 종료 30분 후 효과가 작아지지만, 지온의 경우 1시간 이상 지온하강 효과가 유지되는 것을 볼 수 있다. 이는 스프링클러와 미세살수 모두 공중 관수를 통해 필름 표면에 물방울이 맺히면서 기화열에 의한 지표면 냉각과 수분공급에 의한 지온 상승 억제 효과가 동시에 작용한 것으로 판단된다. 관수 동안의 기온하강 및 습도상승 효과는 미세살수 관수에서 가장 컸다(Table 2). 저온성필름 피복 시 미세살수 관수 직후 기온은 5.4°C 하강하고, 상대습도는 70.2%까지 도달하였다. 관수 직후 지온은 흑색필름+미세살수 처리에서 3.5°C 하강하여, 가장 큰 폭으로 변동되었으며, 저온성필름+미세살수 처리에서는 0.5°C 증가로 변동폭이 적었다. 이는 흑색필름의 높은 표면온도가 토양온도를 높인 상태에서 미세살수에 의한 지온하강 효과가 작용한 것으로 보인다. 일중 스프링클러 관수로 군락 기온이 하강하고 상대습도를 증가시키는 결과는 선행 문헌과도 일치했다(Cai 등, 2022). 미세살수에 의한 기온 감소와 상대습도 증가는 결과적으로 수증기압 포차(VPD)의 감소를 야기하며, 이 때 낮아진 VPD는 잎의 기체 교환작용에 영향을 미친다(Liu 등, 2021). 주간에 관수할 경우 기온하강 효과가 극대화되며, VPD의 감소는 잎의 수분포텐셜을 증가시켜 옥수수 작물의 수분손실을 억제할 수 있었다(Cavero 등, 2009). Oh 등(2014)에 따르면 대기온도 대비 4, 7°C 상승 시 배추는 증산률이 증가하고 물 이용 효율(WUE, water use efficiency)이 감소한다.

Fig. 2.

Daily changes in air temperature, soil temperature, and relative humidity on the day without irrigation (Sep 4, 2024) and with irrigation (Sep 5, 2024) using impact sprinklers (A) or micro-sprinklers (b) in the Experiment 1. The daytime solar irradiance was 1,082－1,195 μmol m^-2 s^-1 of photosynthetic photon flux density on both days.

2. 관수장치 및 피복자재에 따른 배추 생리반응(실험 1)

배추 잎의 SPAD 값은 품종에 따라 다른 반응을 보였으며, 저온성필름 또는 미세살수 처리에서 높았다(Fig. 3A). 정식 후 30, 60일차에 저온성필름을 피복한 ‘춘광’ 배추에서 SPAD 값이 높게 유지되는 데, 이는 봄 작형 품종인 ‘춘광’ 배추가 토양의 온도에 민감하게 반응하는 것으로 판단된다. ‘청명가을’ 배추의 SPAD 값은 정식 후 30일차부터 수확기까지 미세살수+저온성필름 시험구에서 가장 높았으며, 임팩트스프링클러+흑색필름 시험구 대비 31.5% 유의적인 차이를 보였다. 임팩트 스프링클러 관수 시 생육후반기로 갈수록 SPAD 값은 비슷하게 유지되거나 낮아지는 경향을 보였지만, 미세살수 관수 시 증가하거나 높게 유지되는 경향을 보였다. 이는 ‘춘광’과 달리 가을 작형 품종인 ‘청명가을’ 배추에서는 토양의 온도보다도 지상부 기온에 민감하게 반응 하는 것으로 판단된다.

수확기의 Fv/Fm 값은 두 품종 모두 미세살수+저온성필름 시험구에서 가장 높았다(Fig. 3B). ‘청명가을’에서는 생육 초기에 임팩트스프링클러+흑색필름 시험구에서 Fv/Fm 값이 0.49로 다른 시험구 대비 유의적으로 낮았으나, 2주후 0.76으로 회복하였다. ‘청명가을’ 배추의 경우, 동일한 필름으로 피복했을 때 생육기간 내에 미세살수 관수 처리에서 Fv/Fm 값이 높은 경향을 보였다. 이는 미세살수에 의한 냉각 효과가 광합성 기구의 안정화에 기여한 것으로 판단된다. 선행 연구에서도 점적관수 대비 미세살수 관개 시 토마토 잎의 일중 PSII 양자수율(Ф_PSII, effective quantum yield of PSII)의 감소 폭이 감소했다고 보고된 바 있다(Zhang 등, 2022). 정오에 20분 이상 미세살수 작동시킨 결과 VPD가 감소하였으며, 이는 대추나무 잎의 순광합성 속도와 기공전도도를 증가시키고 증산량을 감소시켜 결과적으로 물 이용 효율(WUE)을 향상시키며 열매 수확량 증가로 이어졌다(Liu 등, 2021). 마찬가지로, 오이에서도 미세살수에 의한 기온과 엽온 감소, 상대습도 증가는 순광합성 속도 및 Ф_PSII, 기공전도도를 증가시켰다(Xue 등, 2023).

Fig. 3.

Changes in SPAD (A) and Fv/Fm (B) values of ‘Chungwang’ (CG) and ‘Cheongmyeong Gaeul’ (CM) kimchi cabbage leaves according to the treatments at 15, 30, 45, and 60 days after transplanting (DAT). Impact S, impact sprinkler; Micro-S, micro-sprinkler; Black F, Black film; White F, White film. Box-whisker plots indicate the median and interquartile range (25th－75th for each treatment. Cross and rhombus points indicate the outliers and average, respectively. Different letters indicate significant differences for each treatment by Duncan’s multiple range test (P ≤ 0.05, n = 5).

3. 관수장치 및 피복자재에 따른 배추 생육 비교(실험 1)

배추의 생육은 두 품종 모두 미세살수 처리에서 우수했다(Tables 3, 4). ‘춘광’ 배추의 지상부 생체중과 엽면적은 미세살수+흑색필름 시험구에서 가장 높았으며, 임팩트스프링클러+흑색필름 시험구 대비 각각 22%, 37% 높았다. ‘청명가을’ 배추의 지상부 생체중과 엽면적은 미세살수+저온성필름 시험구에서 높았으며, 임팩트스프링클러+흑색필름 시험구 대비 각각 38%, 39% 높았다. ‘춘광’의 경우 엽형태 간 차이가 없었으나, ‘청명가을’의 경우 최장엽의 엽형태는 저온성필름 피복 시 엽장이 짧아졌다. 재배환경과 배추의 생리반응 및 생육 차이를 바탕으로 비교했을 때, 기존 임팩트 스프링클러 대비 미세살수는 온도 저감과 상대습도 상승으로 광합성 효율 및 생육을 개선시켰다. 넓은 범위에 강하게 분사되는 임팩트형과 달리 미세한 입자가 좁은 범위로 분사되어 식물체 주변부의 재배환경을 효과적으로 개선시킬 수 있고, 관수 범위를 고르게 분포시킬 수 있다. 다만, 물 입자가 작기 때문에 풍속이 강한 날에는 관수가 고르게 되지 않는 단점이 있다. 고온기 배추 현장에서 일사량이 높을 때 지상부와 근권부 온도상승을 억제하기 위한 기술로 미세살수와 저온성필름을 동시에 적용한다면, 효과적인 재배관리가 가능할 것이다.

4. 미세살수 관수 시점에 따른 온도하강 효과 분석(실험 2)

실험2에서는 일중 관수시작 시점을 다르게 하여 기온하강 효과를 비교했다. 관수를 하지 않을 경우 세가지 시험구의 일중 기온 및 상대습도 변화는 유사했지만, 오전과 오후 관수 시 기온이 급감하며 야간 관수 시 기온 변화가 나타나지 않았다(Fig. 4). 마찬가지로 상대습도의 증가 효과는 오전과 오후 관수에서만 두드러졌다. 처리 기간동안 Fv/Fm 등 엽록소 형광 지표는 시험구간 유의한 차이가 없었지만, SPAD 값은 야간관수에만 다른 시험구 대비 감소했다(데이터를 표시하지 않음). 각 관수 시점마다 관수 전 기온 대비 1시간 관수 후의 기온 변화를 비교했을 때, 기온하강 효과는 관수 전 온도가 높을수록, 즉 일사량과 기온이 높은 날일수록 증대되었다(Fig. 5). 시험기간 동안 오전 9시부터 10시 사이에 무관수인 경우 기온은 2.0°C가 증가하지만, 관수 시 최대 0.9°C까지 감소하였다(Fig. 5A). 오후 13시부터 14시 사이에 무관수인 경우 기온은 0.6°C가 증가하지만, 관수 시 3.4°C까지 감소하였다(Fig.5B). 반면, 야간 19시부터 20시까지는 관수여부에 따른 기온하강 효과가 나타나지 않았다(Fig.5C). 다시 말해서, 무관수 대비 1시간 오전 또는 오후 관수 시 평균적으로 각각 1.9°C, 2.2°C의 기온하강 효과가 있었다. 특히 일사량과 기온이 높은 날일수록 그 효과가 증대되었다. 선행 연구에서도 주간에 스프링클러 관수 시 군락 하단부로 갈수록 기온 감소폭이 커졌고, 야간 관개 중 미기상의 변화는 미미했다(Cavero 등, 2009). Zheng 등(2021)에 따르면, 포도를 대상으로 12시 30분에 관개 시 가장 냉각 효과가 뛰어났고, 하루에 1시간 미세살수 관수가 광합성 및 과실 수확량 향상에 효과적이었다. 이 선행연구에서는 관수 시간이 길어질수록 관수 종료 후 온습도 변화가 지속되는 시간이 늘어난다는 점도 밝혔으며, 주간 1, 2, 3시간 관수 시 포도 군락의 온습도 변화는 각각 5, 7, 9시간까지 영향을 미쳤다. 밀 군락지에서 스프링클러 관개 시 관수시간이 길어 관수량이 많을수록, 군락 상부뿐만 아니라 하부까지 모든 층에서 온습도 변화가 발생한다고 보고되었다(Cai 등, 2022). 즉 관수장치와 관수 시점뿐만 아니라 관수량과 관수시간이 매우 중요한 온도 조절 요인으로 판단된다. 한편, 포도나무를 대상으로 기온이 38°C 이상인 경우 미세살수를 20분/10분 간격으로 작동시켰을 때 수관 내부의 기온이 3－5°C 감소되었다(Caravia 등, 2017). 연속관수가 아닌 특정 주기에 따라 관수할 경우, 동일한 시간동안 상대적으로 적은 양의 물을 사용함으로써 자원 이용 효율을 높일 수 있다. 따라서 온도 조절을 위한 스프링클러 및 미세살수 관개 시 온습도 상태와 물 이용 효율을 고려한 동적제어 알고리즘 개발이 필요하다. 결론적으로 미세살수와 저온성필름은 고온기 배추 재배에서 미세기상 개선, 생리 안정성 유지, 생산성 향상에 효과적이며, 여름철 배추 안정생산을 위한 유망한 재배기술로 활용될 수 있을 것이다.

Fig. 4.

Daily changes in air temperature and relative humidity according to irrigation times of micro-sprinklers from July 25 to 28, 2025 in the Experiment 2. Morning, 9:00－11:00; Afternoon, 13:00－15:00; Night, 19:00－21:00. Shades indicate the days of non-irrigation.

Fig. 5.

Changes in air temperature during 1-h irrigation using micro-sprinkler at different irrigation times: A, Morning at 9:00－10:00; B, Afternoon at 13:00－14:00; C, Night at 19:00－20:00 in the Experiment 2. Open circles indicate non-irrigation at that time.