서 론
사계절이 뚜렷한 기후를 갖고 있는 우리나라에서 작물 을 연중재배하기 위해서는 작물생산시설의 활용이 필수 적이며, 고온기와 저온기에 시설내 환경관리를 통해 작 물의 생육에 적절한 환경을 제공하는 기술이 반드시 필 요하다. 고온기에는 외부의 높은 온도와 시설내로 유입 되는 광량의 증가로 시설내 온도가 지나치게 상승하며, 이를 완화하기 위해 측창과 천창을 개방하므로 발생하는 이산화탄소의 불균형과 시설내 건조의 문제 등으로 작물 을 재배하기 불량한 환경이 초래된다. 따라서 농가의 경 쟁력을 고려하여 저비용 고효율의 고온기 시설 냉방법의 개발이 매우 중요하다(Kim 등, 2006; Ha 등, 2012).
전 세계적으로 작물생산시설에 사용되고 있는 냉방법 으로는 환기, 차광, 증발냉각 등이 있다. 환기나 차광은 시설내 온도가 33°C 전후일 때 효과가 있으며, 40°C 이 상의 고온인 경우에는 fan-pad 시스템, Fog나 mist 시스 템, 또는 수막시설 등의 증발냉각을 이용하는 것이 효과 적으로 보고되어 있다(Sethi와 Sharma, 2007). 차광 스 크린을 설치하는 차광법은 시설내로 유입되는 일사량의 일부를 차단함으로 고온기 복사열에 의한 온도상승을 억 제하고, 일소방지 등의 효과를 얻을 수 있지만(Lee 등, 1998a, 1998b), 설치비용이 많아 농가가 쉽게 적용하기 에 어려움이 있다. 또한 증발냉각을 이용하는 냉방법도 과다한 시설비와 운영비로 경제적 부담이 매우 크고, 야 간의 과습 등의 문제로 적극적인 사용이 어려운 실정이 다(Lee 등, 2006; Lee 등, 2001; Woo, 2000).
과다한 시설투자비용을 하지 않으면서 고온기 시설내 고온과 건조의 문제를 해결하기 위해 도입할 수 있는 냉방법에 대한 관심이 높아지고 있다(Ha 등, 2012). 차 광제는 시설투자를 하지 않으므로 초기 투자비와 유지관 리비가 적고, 다양한 수준과 선택적 광파장 차단과 투과 가 가능한 장점이 있다(An 등, 2010). 포그시스템은 고 온기 온실의 온습도를 조절하여 작물 생육에 좋은 환경 을 조성할 수 있는 것으로 알려져 있다(Lee 등, 2011). 따라서 고온기 시설의 온도와 상대습도를 가장 경제적으 로 관리할 수 있는 방법으로 차광제와 포그시스템의 복 합사용에 대한 연구가 필요하다. 또한 우리나라의 플라 스틱 하우스의 70~80%를 점하고 있는 단동하우스에서 는 하우스 구조, 설치경비에 따른 경제성 등의 문제로 사용할 수 있는 냉각법이 제한적이다.
따라서 본 실험은 광파장 선택형 차광제와 이류체 포 그시스템을 이용하여 고온기 작물의 생육 제한요인으로 작용하는 시설내 고온과 건조문제를 해소할 수 있는 적 정 냉각법을 구명하기 위하여 수행되었다.
재료 및 방법
고온기 차광제와 이류체 포그시스템을 이용한 시설내 환경관리 실험은 2013년 5월 30일부터 9월 30일까지 수 행하였다. B-블로킹을 대목으로 하고, 유니콘을 접수로 접목한 방울토마토 접목묘를 공시재료로 사용하였다. 파 종 및 육묘는 논산 늘푸른육묘장에서 하였고, 정식 및 실험은 충남 아산시 배미동 소재 단동 플라스틱 하우스 (폭 7m, 길이 38m, 측고 2.5m, 동고 3.8m) 4개동에서 수행하였다.
전 실험기간 중에 처리외의 재배조건은 모두 동일하게 적용하였다. 4개동 모두 토경재배를 하였고, 각 동마다 열 간격은 80cm, 그루 간격은 25cm로, 재식밀도는 3.3 그루/m2로 하였다. 실험처리당 작물은 총 876주를 재배 하였고, 처리당 20주씩 조사하였다. 실험 전에 퇴비를 충분히 주었으며, 재배기간 동안 생육단계에 따라 야마 자키 토마토 전용배양액을 EC 0.5~2.0dS·m–1 농도로 점 차 증가하여 공급하였다. 급액제어는 타이머 제어법을 이용하여 맑은 날 기준 1일 3~4회, 1회 4분간 주당 300mL씩 급액 하였고, 흐리거나 우천 시에는 급액을 하 지 않았다.
실험처리는 차광제(ReduHeat, Mardenkro B.V., Netherlands) 와 이류체 포그시스템을 설치하지 않은 대조구(Non), 이 류체 포그시스템만 설치하여 작동한 처리(Fog), 차광제 만 도포한 처리(Coat), 외부에 차광제를 도포하고 내부 에 이류체 포그시스템을 작동한 처리(F&C)의 총 4 처리 구로 실험하였다. 차광제는 6월 4일에 차광제만 도포한 처리(Coat)와 외부에 차광제를 도포하고 내부에 이류체 포그시스템을 작동한 처리(F&C)를 2개동에 살포하였다. 이류체 포그시스템은 온실 내부온도가 28°C 이상이거나 상대습도가 75% 이하로 낮아지면 120초 작동하고 90초 휴식하는 방법으로 일일 작동시간은 오전 9시부터 오후 6시까지로 하였다. 본 실험의 특성상 반복처리는 하지 않았다.
처리효과를 구명하기 위해 시설내외의 광도(PAR)와 광 량(Watt), 온도, 상대습도, 작물의 품온을 조사하였다. 처리 시설내부의 광도 측정에는 PAR 센서(Sol-PAR, RainWise, INC, USA)와 데이터로거(HTR-20, Useem INC, Korea)를 이용하였고, 광량 측정에는 Watt 센서(Sol-Joule, RainWise, INC, USA)를 이용하였다. 작물의 품온 측정은 적외선 온도계(testo 830, Testo Korea, Germany)를 이용하여 생장점에서 10~13번엽 중에서 광에 노출되어 있는 잎을 선택하여 측정하였고, 시설내외의 온습도는 온습도 센서 와 데이터로거(HTR-20, Useem INC, Korea)를 이용하여 측정하였다. 시설외부 온습도는 각 처리당 1개 위치에 2 반복으로 총 8개의 센서를 설치하여 조사하였고, 시설내 부 온습도 조사에는 각 처리당 높이별로 3개 위치에 2 반복으로 총 9개씩 센서를 설치하여 조사하였다.
조사된 데이터는 사분위수 범위(IQR: InterQuartile range)를 검사하여 오차범위 내의 값을 SPSS 통계패키 지를 이용하여 통계처리 하였고, 표현은 시그마플롯 ver.10(Systat Software Inc, UK)을 이용하였다.
결과 및 고찰
7~8월 기간 동안 맑은 날(일일평균일사량이 400W 이 상인 날) 실험온실내로 유입되는 일사량(열량)은 냉각법 을 적용하지 않은 대조구(Non), 이류체 포그시스템을 이 용한 증발냉각법 적용 처리(Fog), 차광제를 도포한 처리 (Coat), 외부에 차광제를 도포하고 내부에 이류체 포그시 스템을 작동한 처리(F&C) 순으로 많았다(Fig. 1). 적외 선 선택 차광제를 도포한 2가지 처리(Coat, F&C)에서 통계적 유의성이 있게 시설내 유입되는 일사량이 감소하 는 것을 확인하였다. 특히 시설내 유입되는 일사량은 맑 은 날에 처리간 차이가 크게 나타났다. 따라서 시설내 유입되는 일사량을 감소하여 시설내 온도하강을 하기 위 해서는 적외선 선택 차광제를 활용하는 것이 효과적인 것으로 판단된다.
시설내로 유입되는 일사량을 감소하는 방법으로는 차 광제를 도포하는 것이 효과적인 것으로 나타났으나, 시 설내 기온을 낮추는 방법은 이류체 포그시스템을 작동하 여 증발 냉각하는 방법이 더 효과적인 것으로 조사되었 다(Fig. 2). 이류체 포그시스템을 이용한 증발냉각법은 대조구보다 3~5°C, 차광제 처리구보다 2~3°C 정도 시설 내 온도를 낮출 수 있는 것으로 나타났다. 이는 시설내 부 온도가 35°C 이하에서는 환기나 차광법이 효과가 있 으나, 40°C 이상의 고온에서는 증발냉각법이 효과적이라 는 Sethi와 Sharma의 보고(2007)와 유사한 결과이다.
이류체 포그시스템을 작동하는 증발냉각법의 경우에는 시설내 온도하강 뿐만 아니라 상대습도를 상승하는 효과 가 있는 것으로 나타났다(Fig. 3). 맑은 날에는 이류체 포그시스템을 작동한 처리구들에서 대조구와 차광제 도 포처리에 비해 약 20% 이상 높은 60~65%의 상대습도 로 조사되어, 본 실험에서는 적정 상대습도에 도달하지 못했으나 추후에 이류체 포그시스템의 작동방법을 조절 한다면 시설내 건조 문제를 해결할 수 있을 것으로 사 료된다. 또한 고온기 시설내 고온건조한 환경으로 인한 작물의 생육과 상품성 저하 문제도 해결할 수 있는 대 안이 될 것으로 사료된다.
작물의 엽온(품온)에 영향을 주는 요인에는 시설내 온 도와 상대습도를 들 수 있다. 일반적으로 건강하고 활력 적인 작물은 활발한 증산으로 엽온(품온)이 기온보다 3~5°C 정도 낮고, 병에 걸린 작물은 증산이 정상적으로 이루어지지 않아서 엽온과 특히 병반 부위가 기온보다 2~3°C 높다고 보도되어 있다(Bernard 등, 2013; Giorio, 2012; Vermeulen, 2012). 다른 처리구에 비해 대조구의 품온이 10% 이상 (약 6°C 이상) 높은 것으로 조사되었 는데(Fig. 4), 이는 대조구의 시설내 높은 기온과 낮은 상대습도로 인해 작물이 정상적인 증산작용을 하지 않기 때문인 것으로 사료된다.
차광제의 도포처리나 이류체 포그시스템의 작동이 시 설내 PAR(Photosynthetically Active Radiation)에 미치는 영향을 구명하기 위해 Quantum sensor를 이용해 측정해 본 결과(Fig. 5), 냉각법을 적용하지 않은 대조구(Non), 이류체 포그시스템을 이용한 증발냉각법 적용 처리 (Fog), 차광제를 도포한 처리(Coat), 외부에 차광제를 도 포하고 내부에 이류체 포그시스템을 작동한 처리(F&C) 순이었고, 차광제를 도포한 처리(Coat)와 외부에 차광제 를 도포하고 내부에 이류체 포그시스템을 작동한 처리 (F&C) 간에는 통계적 유의성이 없어서 차이가 없는 것 으로 조사되었다. 본 실험에서 사용한 차광제는 적외선 선택차광 기능이 있는 제품이었으나, 조사결과에 따르면 PAR도 일부 차광하는 것으로 나타났다.
고온기 환경조절을 위해 본 실험에서 사용된 처리에 대한 소요비용 및 운영비용을 추산해 본 결과는 다음과 같다(Table 1). 대조구의 경우 차광제와 제거제 구입비용 및 살포에 소요되는 노동력의 소모 등이 없으므로 환경 조절을 위한 추가비용은 없으나, 혹서기에 단동플라스틱 하우스에서는 고온과 건조로 인해 작물재배가 매우 어려 워 거의 이루어지지 않는다. 이류체 포그시스템은 대부 분의 농가가 지하수를 이용하기 때문에 물 이용에 대한 비용은 발생하지 않으며, 단지 시스템 작동을 위한 전기 료만 발생한다. 하루 9시간동안 120초 작동 90초 휴식을 반복하면 1일 작동시간은 5.1시간이며, 사용하는 전력량 은 3 kW이므로 2개월간 전기사용료는 약 40,000원으로 추산되어 운영비용은 매우 저렴한 것으로 판단된다. 또한 이류체 포그시스템은 약제 방제시에 매우 효과적으로 사 용할 수 있어 그 활용도가 연중 가능할 것으로 사료된 다. 그러나 초기 설치비용이 많이 소요되고, 설비이기 때문에 사용연한을 10년으로 산정하고 매해 10%의 감 가삼각을 고려해야 하는 단점도 있다. 차광제 도포는 별 다른 설비를 하는 것이 아니라 피복재에 화학약품으로 차광막을 형성하는 방법으로 구조적으로 냉방이나 차광 설비가 불가능한 단동플라스틱하우스에 차광 및 냉방법 으로 사용할 수 있는 매우 효과적이고 경제적인 방법이 다. 그러나 이 방법도 운영비는 소요되지 않으나, 해마 다 도포와 제거를 해야 하므로 차광제와 제거제 비용 및 인건비가 매번 소요되는 단점이 있다. 이류체 포그시 스템과 차광제 도포를 함께 하는 것은 고온기 환경관리 에 가장 효과적이나 비용이 많이 소요된다.
Table 1.
Costs for installation and operation for the treatments.
| Treatmentz | Installation cost (won/10a/10year) | Operation cost (won/10a/10year) | Total (won/10a/10year) |
|---|---|---|---|
| Non | 0 | 0 | 0 |
| Fog | 6,000,000 | 400,000 | 6,400,000 |
| Coat | 10,050,000 | 0 | 10,050,000 |
| F&C | 16,050,000 | 400,000 | 16,450,000 |
z Non is not treated, Fog is to fog by two-fluid fogging system, Coat is to spray onto the greenhouse surface with shading coating agent, and F&C is to use fogging and coating together. Installation cost: Cost for installation including labor. Operation Cost: Cost for water and electricity needed for operation.
대조구, 차광제 도포, 이류체 포그시스템을 이용한 증 발냉각 및 차광제 도포와 이류체 포그시스템의 복합처리 에 대한 경제성 분석은 매우 어렵다. 왜냐하면 각 처리 별 소요비용을 계산하고, 가장 효과적으로 고온기 환경을 조절할 수 있는 처리의 선택은 가능하다. 그러나 처리에 의해 증대되는 생산량 및 상품성을 금액으로 환산하는 것은 매우 어렵다. 생산량의 증대나 상품성의 향상은 환 경에 의한 영향도 있지만 재배자의 기술, 재배방법, 관수 관리 등 다른 요인에 의한 영향 및 편차가 매우 크게 존재하기 때문이다.
충남 지역 토마토 농가에서는 고온기(7~8월)에 고온건 조한 온실내 생육환경으로 작물재배가 부적합하므로 9월 에 정식하여 다음해 6월에 마치는 작기를 대부분 선택 하고 있다. 그러나 본 실험을 통해 고온기 단동플라스틱 하우스에서도 작물의 생육에 적합한 환경을 제공할 수 있는 것으로 구명되어, 차광제 도포나 이류체 포그시스 템 작동, 또는 두 처리의 복합처리로 충남 토마토 농가 및 유사한 작기를 채택하고 있는 농가에서도 고온기에 단동플라스틱하우스에서 토마토를 재배하는 것이 가능하 여 연중 안정적인 토마토 생산이 가능할 것으로 판단되 었다.
따라서 차광제 도포, 이류체 포그시스템을 이용한 증 발냉각 및 차광제 도포와 이류체 포그시스템의 복합처리 등을 실시하면 고온기 시설내 광, 온도, 상대습도 환경 을 효과적으로 조절이 가능하며, 이 중 가장 효과적인 방법으로는 이류체 포그시스템과 차광제 도포를 함께 하 는 것이었다. 그러나 효과와 경제성을 함께 고려한다면 이류체 포그시스템을 활용하는 것이 가장 좋은 것으로 판단된다. 그리고 측고가 낮은 단동하우스의 경우에는 구조적인 제약이 있으므로 이류체 포그시스템의 설치보 다는 광선 선택형 차광제를 도포하는 것이 더 좋은 방 법으로 사료된다.
