서 론

충남은 전국 방울토마토 재배 면적의 34%를 차지하고 있으며, 충남 전체 토마토 재배 면적 중 방울토마토의 재배 면적은 81%를 차지하고 있다(MAFRA, 2023). 토마토는 주년재배 작물로 연중 재배하여 출하하고 있으나, 방울토마토 가격이 높은 3월－5월 수확을 위해 일평균 기온이 －2℃ 내외인 12월－2월에도 정식을 하는 농가가 예산, 논산을 중심으로 전체 충남 토마토 재배면적의 약 20%를 차지하고 있다. 이 시기에는 주로 난방을 통해 보온을 하고 있으나, 높아지는 유류비와 시설 노후 등에 따른 이유로 보온이 어려워 농가의 부담이 가중되고 있다. 그에 따라 일부 농가에서는 무가온으로 재배를 하기도 하며 소형터널, 다겹보온커튼 등을 활용하여 보온을 하고 있다(Lee 등, 2007). 그러나 무가온 재배 시 외부 최저기온이 영하로 떨어지면 온실 내부도 생리적 최저 한계온도인 5℃ 이하로 떨어지게 되어 생육이 지연되고, 심하면 작물이 고사하기도 한다(Kang 등, 2012). 다겹보온커튼은 카시미론, 폴리폼, 부직포 등 여러겹으로 두껍게 제조하여 보온 효과가 높지만, 최초 설치 비용이 다소 많이 소요되어 부담이 작용한다(Kwon 등, 2004). 이에 따라 설치가 간편하고 저렴하며 보온 효과가 높은 보온 자재 선발이 요구되는 실정이다.

알루미늄 증착필름은 알루미늄을 고온으로 가열하여 증발시킬 때 나오는 증기를 박막 상태로 밀착시킨 후 박막층의 양쪽을 폴리염화비닐(PVC) 필름이나 폴리에틸렌(PE) 필름으로 감싼 필름을 말하며, 반사율이 커 건축 시 보온자재로 활용하고 있다(Song 등, 2006) 농업에서는 주로 과수 재배 시 과실의 착색을 위해 바닥에 멀칭 하여 사용하고 있지만, 알루미늄 증착필름을 저온기 방울토마토 재배 시 보온 자재로 활용하여 필름의 높은 반사율로 복사 열손실을 방지하고 보온 효과를 극대화할 수 있을 것으로 판단된다. 온도가 다른 두 물체는 복사열의 형태로 열이 교환되며, 일몰이나 일출 시 작물의 품온이 기온보다 높은 상태에서 작물로부터 온실 외부로의 열 교환이 일어나게 된다. 이를 복사 열손실이라고 하며, 작물은 가지고 있는 열을 복사열의 형태로 온실 외부로 방출하게 된다(Baek과 Song, 2020). 알루미늄 증착필름 자재의 반사면을 활용하여 외부로 빠져나가는 복사열을 반사시켜 온실 내부 기온 및 작물 품온을 유지 할 수 있을 것으로 사료된다. 무가온 재배 시 보온을 위하여 온실 내부에 소형 터널을 만들어 난방 체적을 최소화하는 방법이 저온기 수박 등에서 활용되고 있지만(Jeon 등, 2017), 관행적으로 터널 피복 자재로 사용하는 폴리에틸렌 필름은 자재가 투명하여 복사열 손실을 막아주지 못한다. 또한, 온실 피복 자재인 폴리올레핀(PO) 역시 투명한 자재로 측면을 통해 복사열이 빠져나갈 수 있다.

이와 같은 복사열 손실 방지를 위하여 알루미늄 증착필름을 단동형 온실의 터널 피복 자재와 측면 자재로 활용하여 보온력 향상 효과를 알아보고자 본 연구를 수행하였다.

재료 및 방법

본 연구는 실험 1. 무가온 단동형 온실 터널 자재 활용 실험과 실험 2. 가온 단동형 온실 측면 자재 활용 실험으로 구분하여, 각각 2022년 2월 22일부터 2022년 7월 4일까지, 2023년 1월 18일부터 2023년 6월 20일까지 수행하였다.

1. 실험재료 및 작물재배

1.1 실험 1. 무가온 단동형 터널 자재 활용 실험

무가온 단동형 터널 자재 활용 실험에서는 실험재료로 대추형방울토마토 ‘베타티니’(PPS, Korea)를 사용하였으며, 실생으로 2022년 1월 10일에 파종하여 43일간 육묘 후 본엽이 6－7매 전개되고 1화방이 출현하였을 때 재식거리 120cm×40cm로 2022년 2월 22일에 토양 정식하였다. 실험 온실은 충남농업기술원 과채연구소의 2중 플라스틱 단동하우스(폭 7m, 길이 23m, 측고 1.8m, 동고 4m)에서 수행하였다. 재배 시 관수는 텐시오미터(Takemura, DM-8) -10－-15kPa 범위에서 관수하였다. 1화방은 제거했으며, 2022년 4월 5일부터 주 2회 착과제(토마토톤, 영일화학)를 500배 희석하여 살포하였다. 적엽은 수확이 끝난 화방 밑으로 실시하였다. 수확은 2022년 5월 23일에 시작하여, 2022년 7월 4일에 6단 수확을 종료하였다.

1.2 실험 2. 가온 단동형 온실 측면 자재 활용 실험

가온 단동형 온실 측면 자재 활용 실험에서는 실험재료로 대추형방울토마토 ‘베타티니’(PPS, Korea)를 사용하였으며, 실생으로 2023년 12월 5일에 파종하여 44일간 육묘 후 본엽이 6－7매 전개되었을 때 재식거리 120cm×40cm 로 2023년 1월 18일에 토양에 정식하였다. 실험 온실은 충남농업기술원 과채연구소의 2중 플라스틱 단동하우스(폭 7m, 길이 40m, 측고 2m, 동고 4m)에서 수행하였다. 재배는 가온으로 최저 온도 9℃로 설정하여 정식일부터 3월 22일까지 온풍난방하였다. 재배 시 관수는 텐시오미터(Takemura, DM-8) -10－-15kPa 범위에서 관수하였다. 2023년 2월 15일부터 주 2회 착과제(토마토톤, 영일화학)를 500배 희석하여 살포하였다. 적엽은 수확이 끝난 화방 밑으로 실시하였다. 수확은 2023년 4월 17일에 시작하여 2023년 6월 20일에 8단 수확을 종료하였다.

2. 온실 내 터널 설치

2.1 실험 1. 무가온 단동형 터널 자재 활용 실험

터널은 두둑에 폭 1m, 길이 6m, 동고 0.7m로 설치하고 각각 1중으로 폴리에틸렌 필름(두께 0.05mm, 폭 2.4m)과 알루미늄 증착필름(두께 0.02mm, 폭 2.0m)을 피복 자재로 사용하였다(Fig. 1). 터널 개폐는 일몰 1시간 전부터 일출 1시간 후까지 닫아 보온해 주고, 급격한 온도 변화를 방지하기 위해 일출 1시간 후 하우스 내부 기온이 10℃ 이상이 되었을 때 열어주었다. 정식일부터 온실 내부에 터널을 만들어 보온 후 3월 29일 터널을 철거하였다. 처리구는 폴리에틸렌 필름으로 터널을 피복하는 처리(PE)를 관행으로 하였고, 대조구는 알루미늄 증착필름으로 터널을 피복하였다.

Fig. 1.

Installation of polyethylene (PE) film and aluminum (AL) metalized film tunnel under the greenhouse (22nd- March, 2022).

3. 온실 내 측면 필름 설치

3.1 실험 2. 가온 단동형 온실 측면 자재 활용 실험

처리구는 온실 내부 측면을 1중으로 폴리에틸렌 필름(두께 0.05mm, 폭 2.4m)으로 피복하는 처리(PE)를 관행으로 하였고, 대조구는 알루미늄 증착필름(두께 0.02mm, 폭 2.0m)으로 피복하였다. 측면 필름은 높이 1.2m로 설치하여 정식일부터 3월 21일까지 처리 후 제거하였다.

4. 조사항목 및 통계분석

4.1 실험 1. 무가온 단동형 터널 재배 실험

4.2 실험 2. 가온 단동형 온실 측면 자재 활용 실험

실험구 배치는 난괴법 3반복으로 하였다. 생육조사는 정식 후 14일에 시작하여 40개체씩 7일 간격으로 10주간 조사하였다. 조사항목은 농촌진흥청 농업과학기술 연구조사 분석 기준에 준하여 초장, 엽장, 엽폭, 엽수, 경경 등 반복당 20개체씩 측정하였다. 수확량 및 과조사는 반복당 20개체씩 과실이 착색되는 속도에 따라 7일 간격으로 조사하였다. 수확한 방울토마토는 개체별로 개수, 과중, 당도, 경도를 측정하였다. 과중은 전자저울(CAS, CU)로 조사하였으며, 당도는 디지털 당도계(HANNA, HI-96801), 경도는 과일경도계(FUJIWARA, KM-1)를 이용하여 조사하였다. 필름의 복사열 반사 정도 확인을 위하여 열화상 카메라(FLIR, T540)로 열화상 이미지를 촬영하였다. 필름의 보온력 확인을 위한 물리적 특성 조사는 2022년 9월 7일 산업환경연구센터(KATRI)에 의뢰하여 폴리에틸렌 필름과 알루미늄 증착필름의 열저항값(m²·K/W)을 Rct Method로 조사하였다. 온습도센서는 터널 내부 지제부로부터 30cm 위에 설치한 후, 데이터로거(WatchDog, USA)를 이용하여 수집하였다. 통계처리는 R 프로그램을 이용하여 Independent t-test를 통해 차이를 확인하였다.

결과 및 고찰

1. 실험 1. 무가온 단동형 터널 자재 활용 실험

야간에 터널을 닫은 상태에서 터널 내부의 최저기온을 조사하였다(Fig. 2). 2022년 2월 23일부터 3월 29일까지 조사했으며, 터널 내부 야간 최저 온도는 PE 처리보다 AL 처리에서 평균 2.8℃ 높았다. 터널 자재별 외부 최저 기온이 낮을수록 최저기온의 차이가 커지는 경향이었다.

Fig. 2.

Lowest daily temperature changes according to film materials (22nd- Feburary to 29th- March, 2022).

터널을 닫은 상태에서 하루 동안의 야간 터널 내부 습도 변화를 조사하였다(Fig. 3). AL 처리 내부 습도가 PE 처리보다 낮게 조사되었다. 이는 AL 처리 터널 내부의 온도가 높아 필름 안쪽에 결로가 형성되어 습이 결로의 형태로 제거되었기 때문이라고 사료된다.

Fig. 3.

Relative Humidity changes according to film materials in night time (23rd- Feburary to 24th- Feburary, 2022).

터널 자재의 복사열 반사를 확인하기 위해 야간 터널 내·외부를 열화상카메라(FLIR, T540)로 열화상 이미지를 촬영하였다(Figs. 4, 5). AL 처리 터널 외부는 터널 내부의 작물의 복사열을 필름이 반사하기 때문에 복사열 방출을 방지하여 터널 외부 온도가 낮아 푸른색을 띤다. PE 처리 터널 외부는 작물의 복사열이 터널 외부로 방출되어 터널 외부가 붉은색을 띤다. AL 처리의 터널 내부의 최고, 최저 온도는 12.9℃, 5.8℃이며 작물품온은 7.2℃였으나, PE 처리의 터널 내부는 각각 10.8℃, 3.4℃, 5.1℃로 터널 내부 온도는 물론 작물의 품온도 약 2℃ 정도 차이가 났다.

Fig. 4.

Thermal images of tunnel outside (24th- Feburary, 2022, PM 20:30).

Fig. 5.

Thermal images of tunnel inside (left: AL, right: PE, 24th- Feburary, 2022, PM 20:30).

터널 자재가 작물의 생육에 미치는 영향을 확인하기 위하여 생육조사를 실시하였다(Table 1). AL 처리가 PE 처리보다 초장, 엽폭 등 생육이 유의적으로 양호했으며, 엽장, 경경도 생육이 양호했으나 유의적인 차이는 없었다.

처리별로 화방 전개가 완료된 개체 수를 조사하여 개화율(%)을 비교했으며, AL 처리에서 개화율이 약 30% 높았다. 일출 후 터널을 열었을 때 일액 발생률을 조사하였다(Fig. 6). PE 처리는 일액현상(Guttation)이 100% 발생했으나, AL 처리의 일액 발생률은 21%로 낮았다. 이는 야간 내 작물의 품온이 유지되지 못하고, 일출 후 온실 내 기온이 급격하게 올라가고 광이 들어오는 상태에서 기공이 닫힌 상태가 되어 증산을 하지 못하고 일액이 발생한 것으로 사료된다.

Fig. 6.

Comparison of guttation in the morning according to film materials (14. Mar, 2022, AM 10:30).

터널 자재에 따른 숙기 일을 조사했다(Table 2). 과방의 50% 이상이 숙기 된 날(Fig. 7)을 기준으로 PE 처리보다 AL 처리의 숙기 일이 2－3일 빨랐다. 숙기가 빨랐던 것의 과일의 품온이 높아 적산온도에 빨리 도달했기 때문으로 생각된다. 처리별로 수량 및 상품과율을 조사했을 때, AL 처리에서 높은 값을 나타내었으나, 유의적인 차이는 없었다(Table 3).

Fig. 7.

Muturation cluster.

처리별 필름 특성은 Table 4와 같다. 보온력 비교를 위해 열저항값(R-value)을 조사하였다. R-value 값이 클수록 높은 보온력을 가지는 것으로 알려져 있으며(Choi 등, 2019), 알루미늄 증착필름의 R-value 값은 0.055m²·K/W, 폴리에틸렌 필름은 0.008m²·K/W로 알루미늄 증착필름의 R-value 값이 더 크게 조사되었다. 따라서 알루미늄 증착필름의 단열성이 더 높다고 할 수 있다.

2. 실험 2. 가온 단동형 터널 측면 자재 활용 실험

생육정도를 보면 AL처리에서 PE처리보다 생육이 빠른걸 볼수 있다(Fig. 8). 이것은 평균온도가 AL처리의 평균온도가 높았기 때문으로 생각된다(Table 5).

1월 19일부터 필름 철거일(3월 20일)까지의 AL 처리와 PE 처리 온실의 온도를 비교하였을 때, AL 처리에서 1일 평균온도가 약 1.2℃ 높았으며, 처리 기간 내 적산온도는 AL 처리에서 679.7℃, PE 처리에서 621.5℃로 AL 처리에서 58.2℃ 높았다. 이것은 측면으로 복사열을 적게 뺏기기 때문이다(Table 5).

Fig. 8.

Installation of polyethylene (PE) film and aluminum (AL) metalized film in side of greenhouse (18th- January, 2023).

처리별로 일중 온실 내 온·습도 변화를 확인하였을 때, 일출 후 9시부터 일몰 후 8시까지 두 처리 간의 차이가 약 0.8℃로 적었으나, 오후 8시 이후부터 오전 5시까지의 야간 온실 내 온도는 AL 처리에서 PE 처리보다 약 2.8℃ 높았다. 습도는 일출 후 9시부터 일몰 후 8시까지는 두 처리 간 차이가 약 0.6%로 적었으나, 오후 8시 이후부터 오전 5시까지의 야간 온실 내 습도는 PE 처리가 약 2.2% 높았다. 이는 앞서 말한 것과 마찬가지로 야간 이슬점 온도가 4－6℃이기 때문에 이슬점 온도보다 AL 처리의 필름 온도가 약 14℃로 이슬점보다 높아 필름에 결로가 형성되어 습이 결로의 형태로 제거되었기 때문이라고 사료된다(Figs. 9, 10).

Fig. 9.

Daily temperature in greenhouse (18th- Feburary, 2023).

Fig. 10.

Relative humidity in greenhouse (18th- Feburary, 2023).

필름의 복사열 반사를 확인을 위한 야간 열화상 촬영에서 PE 처리 온실에서는 복사열이 외부로 방출되어 전체적으로 낮은 온도를 보이고, AL 처리 온실에서는 비교적 높은 온도를 띄어 전체적으로 붉게 나타났다. 측면 필름을 열화상 카메라로 촬영하였을 때, PE 처리에서는 복사열을 반사하지 못해 측면 필름의 온도가 낮아 어두운색을 띠는 반면, AL 처리에서는 필름이 높은 온도를 띄어 붉게 나타났는데, 이는 필름의 반사면이 복사열을 반사함으로써 필름 표면의 온도가 높아져 붉게 나타난 것으로 사료된다(Figs. 11, 12).

Fig. 11.

Thermal images of inside greenhouse (3rd- Feburary, 2023, PM 19:00).

Fig. 12.

Thermal images of side film in greenhouse (3rd- Feburary, 2023, PM 19:00).

정식 49일 후 처리별로 생육 속도와 개화율을 비교한 결과, AL 처리에서 초장, 절간장, 엽장, 작물품온이 PE 처리보다 유의적으로 높은 값을 나타내었다(Table 6). 또한, 재배 기간 내 1화방부터 8화방까지의 화방 전개가 완료된 개체 수를 처리별로 조사하여 해당 화방의 개화율을 비교하였다. 그 결과, AL 처리에서 PE 처리보다 화방 전개 속도가 최대 0.75화방이 빨랐으며(Table 7), 처리별 첫 수확 일은 AL 처리에서 정식 90일 후인 4월 17일, PE 처리에서 4일 후인 4월 21일로 작물의 생육 증대로 첫 수확일 또한 앞당길 수 있었다. 이러한 결과는 24시간 평균 온도가 1℃ 높아지면 생육이 10% 정도 빨라지고, 과실 생육 속도를 증가시켜 재배기간을 단축시킨다는 실험 결과(Marcelis, 1993; Papadopoulos와 Hao, 1999)와 일치하였다.

8단 재배까지의 처리별 초기 수량, 총수량 및 상품과율을 조사한 결과, 4월 17일부터 5월 9일까지 초기 수량을 조사했을 때, 5월 3일을 제외하고 AL 처리에서 4월 17일 30kg/10a, 4월 21일 45kg/10a, 4월 26일 128kg/10a, 5월 9일 88kg/10a 수량이 많았다(Fig. 13). 이러한 결과는 24시간 평균 온도가 1℃ 높아지면 생육이 10% 정도 빨라지고, 과실 생육 속도를 증가시킨다는 실험 결과(Marcelis, 1993; Papadopoulos & Hao, 1999)와 일치하였다. 재배 종료일까지의 총수량 및 상품수량은 AL 처리에서 4,644kg/10a, 4,044kg/10a였으며, PE 처리에서 3,428kg/10a, 2,805kg/10a로 AL 처리가 PE 처리보다 총수량은 36%, 상품수량은 44% 많았다(Table 8). 처리별로 수량 및 상품과율이 차이가 있는 이유는 재배기간 중 알루미늄 증착필름의 보온 효과로 인해 AL 처리의 온실 내 일 평균온도 및 적산온도가 상승했으며, 이로 인해 작물의 생육이 빨라지면서 같은 재배 기간을 두었을 때, AL 처리에서 첫 수확일이 빠르고, 총 수확량이 증가한 것으로 사료된다. 과실의 당도와 경도는 유의적인 차이가 없었다.

Fig. 13.

Incipient yield according to film materials (17th- April to 9th- May, 2023).

이상의 결과에서 알루미늄 증착필름을 저온기 토마토 재배 시 보온자재로 사용할 때, 알루미늄 증착필름의 반사면이 작물에서 방출되는 복사열을 반사하여, 터널 내부 온도 및 온실 내부 온도 유지에 영향을 주어 작물 생육 또한 증진되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 알루미늄 증착필름을 이용한 보온 효과로 인해 첫 수확 일을 며칠 앞당길 수 있었으며, 적절한 시기에 사용함으로써 재배자에 필요에 맞게 재배 종료일을 조정할 수 있을 것으로도 사료된다. 알루미늄 증착필름 사용에 따른 과일의 당도와 경도에는 차이가 없었으며, 처리에 따른 작물 생육 및 수확량에 차이가 있었다. 따라서 보온력 향상에 의해 작물 생육 속도에 차이가 발생하고, 이것이 수확량에 영향을 주는 것으로 사료된다.