1. 각국의 작물하중 설계기준 비교

각국의 온실구조설계용 작물하중을 비교하기 위하여 Table 1에서와 같이 우리나라의 온실구조 설계기준 및 해설 (MAFRA, 1999)과 원예시설의 구조안전기준(RDC, 1995), 네덜란드의 Greenhouses-Design and Construction(NEN, 2004), 일본의 Standard for structural safety of greenhouse (JGHA, 1997) 및 미국의 Structural Design Manual (NGMA, 2004) 등 4개국의 온실설계기준을 대상으로 비 교분석을 실시하였다.

2. 작물하중 측정 실험

본 연구에서는 품종이 각각 “데프니스”, “신동가시오 이”, “축양”, “설향”인 “토마토, 오이, 가지, 딸기 등 4가 지 작물에 대하여 작물하중을 측정하였으며, 측정을 위 한 실험온실의 종류는 Table 2와 같고 Fig. 1은 각 실험 온실의 내·외부 전경 및 설치된 작물하중 측정장치를 보 여주는 사진이다. 딸기의 작물하중은 행잉베드 재배시스 템을 이용하여 재배한 실험용 온실에서 측정하였으며, 그 외의 작물들은 상업용 온실에서 측정하였다. Table 3은 각 작물별 정식일, 재식밀도, 총 주수 및 측정기간을 나타 낸 것이다. 토마토의 재식밀도는 2.35plant·m^-2로 Choi 등 (2013)이 제시한 2.13plant·m^-2보다 약간 더 큰 것으로 나 타났다.

Fig. 1.

Greenhouses for measuring crop load.

작물하중은 Fig. 2 (a)와 같은 하중측정 범위가 0~5kgf 및 0~50kgf인 디지털 푸쉬풀게이지(TRIPOD, 중 국)를 사용하여 측정을 하였다. 이때 측정 게이지를 작 물의 유인 줄 상부 끝에 연결하여 고정장치에 매단 후 작물하중을 측정하였으며, 1시간 간격으로 자동으로 데 이터가 저장되도록 하였다. 또한 측정 오류의 발생여부 를 확인하기 위하여 주기적으로 현장을 방문하여 Fig. 2 (b)와 같은 0~50kgf 측정범위의 휴대용 하중측정기 (EBalance, 한국)를 사용하여 작물하중을 직접 측정하였 다. 각각의 재배작물마다 디지털 푸쉬풀게이지를 사용하 여 작물하중을 2회 측정하고 휴대용 하중측정기를 사용 하여 1~2회 측정하여 총 3회 이상 반복 측정하였다.

Fig. 2.

Crop load measuring devices.

1. 각국의 작물하중 설계기준 비교

Table 4는 각국의 온실구조설계용 작물하중을 비교한 것이다. 네덜란드의 NEN(2004) 기준에서는 작물별로 작 물하중의 최소기준을 제시하였으며, 토마토 및 오이는 재배 베드의 무게는 고려하지 않고 유인된 작물하중만 고려하여 15kgf·m^-2 으로 제시하였고, 딸기는 경량 재배 용기를 포함한 값으로 30kgf·m^-2 으로 제시하고 있으며, 분 재배는 무거운 재배용기를 포함하여 100kgf·m^-2 으로 서는 모든 작물에 대하여 동일한 값인 15kgf·m^-2 으로 제시하고 있다. 우리나라의 MAFRA(1997) 기준에서는 딸기에 대한 기준이 없는 것 외에는 네덜란드의 기준과 동일한 값을 제시하고 있어 기준 작성 시 네덜란드 기 준의 설계 작물하중을 인용한 것으로 판단된다. 또한, 우리나라의 RDC(1995) 기준에서는 일본의 기준과 동일 한 값을 제시하고 있어 일본 기준의 설계 작물하중을 그대로 인용한 것으로 판단된다. 미국의 NGMA(2004) 기준에서는 모든 작물에 대해 최소 10kgf·m^-2 의 작물하 중을 적용하도록 제시하고 있다.

설계 작물하중에 대한 각국의 기준들을 비교분석한 결 과 나라마다 많은 차이를 보여주고 있으며, 우리나라 기 준들은 외국의 기준들을 그대로 인용하고 있는 것으로 나타나 우리나라 실정에 맞는 작물하중 기준이 제시될 필요가 있다고 판단된다. 최근 작물에 따라 재배방식이 다양하기 때문에 작물별로 기준이 정립될 필요가 있다. 특히 최근 우리나라에서는 파프리카나 토마토 재배에도 행잉베드를 많이 사용하고 있기 때문에 이에 대한 작물 하중 기준도 추가될 필요가 있다고 판단된다.

2. 작물하중의 변화

Fig. 3은 장기간에 걸친 작물종류별 작물하중의 변화 를 도시한 것으로, 기호 1과 2는 디지털 푸쉬풀게이지를 사용하여 자동으로 측정한 결과이고 3과 4는 휴대용 하 중측정기를 사용하여 직접 측정한 결과이다. 휴대용 하 중측정기로 직접 측정한 결과는 자동으로 측정한 결과에 대한 검증용으로 사용하였고, 최대작물하중의 산정은 딸 기를 제외하고는 자동으로 연속 측정한 결과만을 사용하 였다.

Fig. 3.

Long term changes of crop load.

Fig. 3 (a)와 (b)는 각각 A온실과 B온실의 토마토 작 물하중의 변화를 도시한 것으로 T-A-1과 T-A-2 및 T-B- 1과 T-B-2 등 디지털 푸쉬풀게이지를 사용하여 자동으로 측정한 결과와 T-A-3과 T-A-4 및 T-B-3과 T-B-4 등 휴 대용 하중측정기를 사용하여 직접 측정한 결과의 경향이 유사하게 나타나 자동으로 측정된 작물하중이 정확하게 측정되었음을 확인할 수 있었다. 다만 B온실에서 2월 25 일경에 자동측정값보다 직접측정값이 훨씬 작은 것은 많 은 수확이 이루어진 줄기에서 측정된 값이기 때문이다. 전체적으로 작물하중이 1월부터 서서히 증가하여 3~4월 에 최대값을 나타내었으며 시기별로 많은 차이가 있었다. 두 온실 간에 하중의 차이가 있었으며, 동일한 온실 안 에서도 측정위치에 따라 주당 중량이 다소 차이를 보여 주었다. 최대작물하중의 산정은 딸기를 제외하고는 자동 으로 연속 측정한 결과만 사용하였으며, A온실에서는 3.5와 3.1kgf·plant^-1(평균 3.3kgf·plant^-1), B온실은 4.2와 3.6kgf·plant^-1(평균 3.9kgf·plant^-1)로 나타나 B온실이 평균 0.6kgf·plant^-1 정도 더 높았다. A온실의 경우 작물하중이 평균 3.3kgf·plant^-1로 나타나 Choi 등(2013)이 측정한 최 대 3.3kgf·plant^-1과 동일한 결과를 보여주고 있다. 또한 토마토의 수확 및 적엽으로 작물하중은 증가와 감소가 반복되는 패턴을 보이고 있으며, 1월의 작물하중 증감 폭 보다 3, 4월의 작물하중 증감 폭이 크게 나타나고 있 는데 이것은 토마토 수확량이 많이 증가했기 때문이다.

Fig. 3 (c)는 오이의 작물하중 변화를 도시한 것이다. 오이는 전 기간에 걸쳐 수확 및 적엽으로 작물하중은 증 가와 감소의 반복된 패턴을 보이고 있으나 기간에 따른 최대하중의 큰 변화는 없었다. 또한 측정위치에 따른 비교 결과 시기에 따라서는 작물하중이 다소 차이가 있었지만 최대하중은 각각 0.7과 0.8kgf·plant^-1(평균 0.75kgf·plant^-1) 로 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.

Fig. 3 (d)는 가지의 작물하중 변화를 도시한 것이다. 가지는 뿌리에서 한 줄기로 올라와 V자 형태로 2줄기로 견인하여 재배하고 있다. 실제로 가지는 토마토나 오이와 같은 넝쿨 작물의 줄기에 비해 줄기 자체가 강성이 있어 완전하게 견인되지 않아 다른 작물 보다 작물하중은 훨씬 작게 측정되었다. 작물하중은 한 줄기만을 측정하였고 주 당 2줄기가 견인재배 되고 있어 측정값의 두 배로 주당 작물하중을 산정하였으며, 두 온실의 작물하중 최대값은 각각 2.0과 1.8kgf·plant^-1(평균 1.9kgf·plant^-1)로 나타났다.

Fig. 3 (e)는 행잉베드 재배시스템에서 재배되고 있는 딸기의 작물하중 변화를 도시한 것이다. S-1 및 S-2는 디지털 푸쉬풀게이지를 사용하여 측정한 결과이고 S-3는 휴대용 하중측정기를 사용하여 직접 측정한 결과이다. 작물하중은 최대값이 1.9, 2.1 및 2.3kgf·plant^-1(평균 2.1kgf·plant^-1) 으로 나타나 재배베드간에 다소 차이를 보여주고 있다. 이는 딸기 정식 전에 베드에 채우는 인 공배지(코코핏)의 양에 따른 차이로 판단된다. 1월의 경 우 양액 공급 시간을 1회 4분으로 하여 총 5회 공급하 였기 때문에 그림에서 보는 바와 같이 배지가 양액을 충분히 흡수하여 작물하중이 지속적으로 최대값을 일정 하게 유지하였다. 그러나 2월부터는 양액 공급 시간을 1 회 3분으로 줄여 5회 공급하였기 때문에 양액 공급량이 줄었고, 또한 일사량의 증가로 증발산량이 많아져서 배 지의 수분 함유량이 낮아 하중이 감소하였다. 그리고 작 물하중이 약 보름 간격으로 감소하다가 증가하는 패턴을 보여주고 있다. 이는 양액 탱크의 수위변화에 따른 결과 로 양액 탱크를 완전히 채웠을 때는 수압이 커져 펌프 가동이 중단된 상태에서도 양액이 계속 공급되어 하중이 최대치에 도달하게 되기 때문이다. 작물하중 최대값은 전 기간 동안 초기의 딸기 정식 때의 작물하중과 거의 동일하게 유지되는 것으로 나타났다. 이는 행잉재배 딸 기의 작물하중은 행잉베드(베드, 배지, 수분)의 하중이 대부분을 차지하여 작물의 무게는 큰 영향을 미치지 않 기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 2월부터는 작물하중 이 약 보름 간격으로 감소하다가 증가하는 패턴을 보여 주고 있다. 하중의 감소는 양액 공급 시간을 1회 3분으 로 줄여 5회 공급하였기 때문에 양액 공급량이 줄었고, 또한 일사량의 증가로 증발산량이 많아져서 배지의 수분 함유량이 낮아졌기 때문이다. 하중의 증가는 양액 탱크 를 완전히 채웠을 때 탱크의 수위와 점적기의 수두차에 의해 수압이 커져 펌프가동이 중단된 상태에서도 양액이 계속 공급되어 하중이 증가했기 때문이다. 작물하중 최 대값은 전 기간 동안 미미하게 증가하였다. 이는 행잉베 드에서 재배되는 딸기의 작물하중은 행잉베드(베드, 배 지, 수분)의 하중이 대부분을 차지하기 때문이다.

Fig. 4는 작물별 작물하중의 시간에 따른 변화를 도시 한 것이다. 작물하중은 하루를 주기로 하여 오전에는 하 중이 증가하고 오후에는 감소하는 경향을 반복하는 것으 로 나타났다. 이는 오전에 작물이 증산을 시작하면서 양 액을 흡수하게 되어 하중이 증가하다가 오후에는 증산속 도가 감소하면서 양액흡수가 줄어들게 되어 하중이 감소 하는 것으로 판단된다.(JGHA, 1994)

Fig. 4.

Daily changes of crop load.

3. 단위면적당 작물하중

Fig. 5는 기존의 작물하중에 대한 설계기준과 비교를 위 해 각 작물별로 단위면적당 최대하중을 나타낸 것이다. 토 마토는 두 온실에 대해 최대 작물하중이 각각 7.8kgf·m^-2 과 9.2kgf·m^-2으로 나타나 평균 8.5kgf·m^-2으로 Choi 등 (2013)이 제시한 7.05kgf·m^-2보다 약간 높게 나타났다. 그 러나 RDA(1994)에서 제시한 값은 평균값 9.94kgf·m^-2 및 표준편차 2.79kgf·m^-2를 고려할 때 최대값은 훨씬 더 크게 나타날 것으로 예상되기 때문에 본 연구의 결과와 큰 차이가 있는 것으로 판단되나 실험방법이 명시되어 있지 않아 정확한 원인은 규명하기 어려웠다. 오이와 가 지는 각각 2.1kgf·m^-2과 2.4kgf·m^-2으로 토마토의 하중보 다 훨씬 낮게 나타났다. 우리나라 MAFRA(1997)의 온 실설계기준에 제시된 작물하중은 토마토와 오이의 경우 15kgf·m^-2으로 본 연구에서 측정된 값보다 훨씬 높았다. 우리나라의 설계기준이 네덜란드의 기준을 그대로 인용 한 것으로 판단되기 때문에 이러한 차이를 고려하여 우 리나라의 작물하중 설계기준에 대한 재검토가 이루어져 야 할 것으로 판단된다. 딸기의 작물하중은 행잉베드를 포함한 중량이 21.0kgf·m^-2로 네덜란드의 설계기준인 30kgf·m^-2보다 훨씬 작았다. 이러한 차이는 주로 국가별 재배방식에 따른 차이 때문으로 판단되고, 특히 본 연구 에서 사용된 중량이 약 0.6kgf·m^-1인 플라스틱 재질의 거터가 2.5kgf·m^-1 내외의 네덜란드에서 사용되는 거터들 (Metro Systems, 2017)보다 훨씬 가볍기 때문인 것으로 판단된다. 이러한 국내외의 차이점들을 고려할 때 본 연 구의 결과와 우리나라의 온실재배현황을 고려하여 작물 하중 설계기준에 대한 체계적인 재검토가 필요할 것으로 판단된다. 또한 본 연구의 결과는 제한된 지역과 온실에 서 측정된 작물하중이기 때문에 설계기준으로 제시하기 위해서는 국내의 다양한 지역과 온실에서 작물하중을 측 정하고 동일한 온실에서도 여러 개의 줄기에서 측정된 작 물하중들의 피크값들을 채택하여 통계분석을 통해 온실구 조설계용 작물하중을 제시할 필요가 있다고 판단된다.

Fig. 5.

Crop load for each crop.