서 론
재료 및 방법
1. 데이터 수집 환경
2. 정밀 센서의 설치 위치
3. 데이터 수집 및 분석 방법
결과 및 고찰
1. 온실의 공간적 위치에 따른 환경요인의 편차
2. 온실의 수직적 위치에 따른 편차
3. 온실 종류에 따른 온도, 광도 및 CO2 농도 결정계수 비교
서 론
우리나라 시설 면적은 2021년 현재 82,810ha로 전년 대비 2.7% 증가하였다(MAFRA, 2021). 이 중 시설채소 면적은 2020년 기준 52,444ha로 꾸준히 증가하고 있으며(MAFRA, 2020a) 피복재 사용 현황은 2020년 현재 비닐하우스(플라스틱 필름 온실) 52,055ha, 경질판 온실 67ha, 유리온실 321ha로 조사되었다(MAFRA, 2020b). 농산물 소득조사에서 2020년 소득률은 43.4%로 전년 대비 3.1% 증가한 반면 경영비는 전년 대비 9.1%가 증가하였다(RDA, 2021). 이러한 경영비의 증가는 가온 시설 면적의 급격한 증가와 최근 이상기후에 의한 냉난방비의 증가 및 이산화탄소(CO2) 가스 수급 불균형으로 인한 단가 상승이 원인으로 분석된다.
CO2 시비는 일반적으로 액화 탄산가스를 충진하여 기화기를 통해 공급하는 설비를 활용하고 있으며 난방겸용 CO2 시비는 온실재배 작물에 취약한 환경인 저온기에 작물의 품질과 수량을 증가시키는 데 도움이 되고 농가 경영비의 절감이 가능하다. 작물의 광합성 CO2 포화점은 대기 중 농도의 3배 이상이므로 적정한 온도와 광조건에서 CO2를 시비할 경우 과채류뿐만 아니라 엽채류와 화훼류에서도 품질 향상과 수량 증대 효과가 있다. 국화에서는 CO2 시비 농도 700－1,200ppm에서 고온 적응성이 향상되어 고온 스트레스로 인한 화색 퇴화, 개화 지연, 기형화 발생 등의 문제점을 개선할 수 있다는 연구 결과가 있고(Woo 등, 2005), 적절한 양액 EC 조건에서 650ppm의 CO2 시비가 팔레놉시스의 개화 품질을 높였다고 하였다(Cho 등, 2020). 딸기 시설재배에서 CO2 시비를 한 경우 과실 내 sucrose 함량이 증가하였고 생산량이 30－40% 증수되었으며 20°C 온도 조건에서 CO2 시비 농도를 900mg·L-1로 제시하였다(Jeong 등, 1996).
하지만 일부 연구 결과에서는 높은 CO2 농도가 과실 생산량과 품질을 오히려 감소시킨다고 하였다(Koch과 Mooney, 1996; Lee와 Lee, 1994). 토마토 재배에서 CO2 800ppm을 50일 이상 공급하였을 때 초기에는 광합성률이 증가하나 CO2 시비 처리 30일 이후에는 대조구와 비교하였을 때 광합성률에 차이가 없다고 하였다(Lee와 Lee, 1994). 또한, CO2 600ppm 수준에서는 광합성이 촉진되지만 750ppm이나 900ppm 수준에서는 최적 양자수율(optimal quantum yield)이 감소하고 다량원소 결핍 증상과 함께 순광합성량이 감소한다고 하였다(Keutgen 등, 1997). 고농도의 CO2를 장기간 시비하였을 때 나타나는 광합성률 감소에 대한 생화학적 기작은 명확하게 밝혀지지 않았으나 sink-source 불균형, 탄수화물 축적, negative feedback 대사 등이 원인으로 제시되었다(Bowes, 1991; Stitt, 1991). 최근 발표 자료에서 높은 CO2 농도 조건에서 잎에 탄수화물이 과도하게 축적되면 오히려 광합성 능력이 저해된다고 보고하였다. 벼 잎집에서 전분 합성 조절에 관여하는 CO2-responsive CCT protein(CRCT) 발현을 감소시킨(RNAi-knockdown) 벼는 높은 CO2 농도에서 재배되었을 때 잎에 가용성당 함량과 전분 함량은 증가하고 광합성 속도는 상당히 감소하였다. 반대로 전분 합성 조절제인 CRCT를 과발현시켰을 때는 높은 CO2 조건에서 재배된 벼 잎집의 전분 합성에 대한 sink 용량이 향상되어 광합성 능력이 높아졌다(Morita 등, 2016).
따라서 적정 CO2 농도를 설정하여 시비해야 하며, 최근 CO2의 수급 불균형으로 인한 단가의 상승으로 효율적인 CO2 시비 방법에 대한 농가의 요구가 높아지고 있으므로 지역, 시기, 날씨, 온실 면적, 작물 및 생육단계별 적정 CO2 농도 설정이 필요하다.
또한, 온실 내부는 전체 공간이 균일한 온·습도 및 광도를 유지해야 하지만 실제로는 공간적 위치와 수직적 위치에서 환경 계측지점 간 편차가 크고 온실 내 CO2 농도 역시 공간 매트릭스 내에서 측정치의 편차가 큰 것으로 나타나 이는 온실 내부에 CO2 분포가 불규칙한 상태임을 의미한다고 하였으며(Lee 등, 2020), 공기 순환 팬을 이용하는 단동 온실에서 계측지점에 따라 내부 온도는 3.36℃, 상대습도는 13.27%의 유의미한 편차가 보고되었다(Lee 등, 2017).
따라서 본 연구는 환경측정용 센서의 위치에 따른 온실 기상환경의 공간 분포 특성을 조사하고 온실 종류에 따른 온도, 광도 및 CO2 농도의 상관관계를 구명하여 향후 온실 내부의 센서 위치 설정과 온실 종류에 따른 CO2 농도 시비 기준을 수립하는 데 기초 자료를 제공하고자 수행되었다.
재료 및 방법
1. 데이터 수집 환경
본 실험은 전라북도 완주군 이서면(35°50'29.1"N 127°01'45.3"E)의 반밀폐형 폴리올레핀필름(PO; 0.15mm) 온실과 충청북도 진천군 이월면(36°55'49.7"N 127°26'11.8"E)의 벤로형 유리온실(측면 polycarbonate; 5중 16mm, 상부 유리; 저철분 4mm)에서 2021년 9월 7일부터 2021년 11월 1일까지 수행하였다. 벤로형 온실은 최근 신축 온실을 중심으로 확대되고 있는 온실의 형태로 기존 유리온실의 형태에서 측면을 폴리카보네이트 재질로 변경한 형태였다. 조사 기간에 두 온실의 작물 상태는 반밀폐형 온실은 972m2(가로 24m, 세로 40.5m, 측고 7.3m, 동고 8.5m)에 ‘TY 백점’ 대목으로 접목된 토마토 ‘스파이더’ 품종(Solanum lycopersicum cv. Spider)을 2021년 3월 14일에 정식하여 16개 거터에서 거터당 30개의 코코피트 배지에 재배하고 있었으며 11월 초순에 34화방 착과 단계에 있었다. 벤로형 온실의 작물 상태는 6.825m2(가로 105m, 세로 65m, 측고 5.5m)에 파프리카를 2021년 9월 초순에 정식하여 10월에는 1그룹 착과기, 11월에는 1그룹 비대기에 있었다.
CO2 시비는 반밀폐형 온실에서 공기열식 액화 탄산가스 시비기로 09:00－16:00에 800μmol·mol-1을 공급하였고, 벤로형 온실은 수열식 액화 탄산가스 시비기로 착과 촉진기인 10월에는 700μmol·mol-1을 공급하고 그 외에는 600μmol·mol-1을 공급하였다. 복합환경제어기는 반밀폐형 온실은 Magma(GreenCS, Jeollanamdo, Korea), 벤로형 온실은 Connext(Priva, Zijlweg, The Netherlands)를 사용하였다. 벤로형 온실에 설치한 정밀 센서는 적외선 엽온 센서(SI-111-SS, Apogee, UT, USA), 공기 온습도 센서(ATMOS-14, Meter, WA, USA), 그리고 CO2 센서(GMP252, Vaisala, Vantaa, Finland)였으며 측정값은 데이터로거(CR1000X, Campbell Scientific, UT, USA)로 수집되었다.
2. 정밀 센서의 설치 위치
벤로형 온실에서 온도, 상대습도 및 CO2 센서 위치는 온실 내부를 9등분하여 입구에서 시설을 바라보는 기준으로 우측 후부(Right End, 1RE), 중앙 전부(Middle Entry, 2MET), 중앙(Middle Center, 3MC), 중앙 후부(Middle End, 4ME)와 좌측 중앙(Left Middle, 5LM) 지점을 선정한 후 각 지점에서 대표적으로 선택된 작물의 하단부(Lower Canopy, LC), 중간부(Mid Canopy, MC), 상단부(Upper Canopy, UC) 및 차광 커튼 아래의 작물 위 공기층(Upper Air, UA)으로 나누어 설치하였다.
이 기본 설치 외에 CO2 센서는 차광 커튼 윗부분인 지붕 공간 공기층(Roof Air, RF)과 시설 내 지면(Ground, GD)에 추가로 설치하였고 일사량 센서는 중앙부 작물 위 공기층(3MC-UA)에 대표로 설치하였다. 온실 외부 기상환경은 지붕 위(Outside Air, OA)에 온도, 상대습도, CO2 및 일사량 센서가 각 1개씩 설치되었다(Fig. 1).
3. 데이터 수집 및 분석 방법
벤로형 온실의 환경 데이터는 2021년 9월 7일부터 2021년 11월 1일까지 5분 간격 평균 데이터를 수집하였고, 반밀폐형 온실의 환경 데이터는 같은 기간에 1분 간격 평균 데이터를 수집하였다. 공간 및 수직적 위치별 데이터 비교는 벤로형 온실에 설치한 정밀 센서 데이터의 각 시간 단위 평균과 평균 데이터의 위치별 표준편차를 비교하였고, 온도, 광도 및 CO2 농도의 관계성은 반밀폐형 온실과 벤로형 온실의 데이터 수집 기간 내 각 시간의 평균 데이터를 CurveExpert Professional(ver 2.7.3)(Hyams Development, TN, USA) 프로그램을 이용하여 분석하였다.
결과 및 고찰
1. 온실의 공간적 위치에 따른 환경요인의 편차
벤로형 온실의 공간적 위치(Fig. 1A)에 따른 편차는 CO2 농도가 다른 요인보다 큰 것으로 나타났다(Fig. 2). 온실의 하루 중 평균 기온은 19.34－26.14℃ 범위를 유지하였고, 공간적 위치에 따른 편차가 가장 큰 시간대는 오후 3시로 나타났으며, 최고 온도는 5LM에서 26.56℃, 최저 온도는 4ME에서 25.49℃였다(Fig. 2A). 온실의 하루 중 상대습도는 평균 74.38－91.29% 범위를 유지하였고, 공간적 편차가 가장 큰 시간대는 오전 7시였으며, 최고 상대습도는 2MET에서 92.51%, 최저 상대습도는 1RE에서 89.25%였다. 선행 연구에서는 PE 필름의 이중 단동 온실(길이: 95m, 폭: 6m, 측고: 1.2m, 동고: 2.3m)에서 공기 순환 팬을 사용하지 않았을 때 온실 지점 간의 최대 온도차는 3.36℃, 최대 상대습도차는 13.27%였으며 공기 순환 팬을 사용한 경우는 지점 간 최대 온도차가 2.66℃, 최대 상대습도차가 7.10%로 관찰되어(Lee 등, 2017) 본 연구에서 조사한 벤로형 온실보다 온·습도 편차가 큰 것을 알 수 있고 이는 벤로형 온실의 측고가 5.5m로 단동 온실보다 높기 때문으로 보인다(Fig. 2B).
Fig. 2.
Air temperature (air temp., A), relative humidity (RH, B), carbon dioxide (CO2, C), leaf temperature (LT, D) in the spatial location of a Venlo greenhouse (Fig. 1A). Data were hourly collected from September 7 to November 1, 2021. The indicated numbers are the maximum and minimum values among the spatial locations.
CO2 농도는 평균 465－761µmol·mol-1 범위였고, 편차가 가장 큰 시간대는 오후 5시였으며, 최고 농도는 4ME에서 646µmol·mol-1, 최저 농도는 5LM에서 436µmol·mol-1이었다(Fig. 2C). 편차가 가장 컸던 4ME는 액화 탄산가스 공급장치의 메인 배관(50∅)과 가까운 위치이며 공급 배관에 압력 보상 단추가 설치되어 있지만 온실 내 균일한 CO2 분포를 위하여 수평적 공기 유동이 필요한 것을 알 수 있다(Hong과 Lee, 2014).
엽온은 평균 19.49－25.88℃ 범위를 유지하였고 편차가 가장 큰 시간대는 오후 2시였으며 최고 엽온은 5LM에서 26.43℃, 최저 엽온은 3MC에서 25.33℃였다(Fig. 2D). 공간에 따른 엽온과 기온의 편차가 각각 최고 1℃ 이상으로 나타났다.
2. 온실의 수직적 위치에 따른 편차
벤로형 온실의 수직적 위치(Fig. 1B)에 따른 편차는 온도와 상대습도가 다른 요인보다 큰 것으로 나타났다. 평균 기온의 편차가 가장 큰 시간대는 오후 2시대이며, 최고 기온은 UA에서 26.51℃, 최저 기온은 LC에서 25.62℃였다(Fig. 3A). 작물 위 공기층인 UA에서는 광도의 영향으로 온도가 높고, 작물 주변인 LC는 증산의 영향으로 온도가 낮았던 것으로 보인다. 평균 상대습도의 편차가 가장 큰 시간대는 오후 1시대로 나타났으며, 최고 습도는 LC에서 76.90%, 최저 습도는 UA에서 71.74%였다(Fig. 3B). 이 결과는 기온과 반대 결과로 UA에서 기온이 높아짐에 따라 상대습도가 낮아진 것으로 보이며, 또한 이 시간대는 평균 엽온이 가장 높은 시간대로 작물의 증산이 활발해지면서 LC에서 상대습도가 높아진 것으로 판단된다. 따라서, 온습도 환경 데이터는 온실의 수직적 위치별 평균 데이터를 활용하여야 할 것으로 보인다.
Fig. 3.
Air temperature (air temp., A), relative humidity (RH, B), carbon dioxide (CO2, C), leaf temperature (LT, D) in the vertical location of a Venlo greenhouse (Fig. 1B). Data were hourly collected from September 7 to November 1, 2021. The indicated numbers are the maximum and minimum values among the vertical locations.
수직적 위치의 시간대별 CO2 평균 농도의 편차가 가장 큰 시간대는 자정이며, 최고 농도는 RF에서 703µmol·mol-1, 최저 농도는 MC에서 665µmol·mol-1이었다(Fig. 3C). 각 시간대에 평균 CO2 농도가 가장 높은 수직적 위치는 RF와 GD였으며, 특히 지면부인 GD는 작물의 광합성이 활발한 낮 시간대에도 높았는데 이 결과는 CO2 공급 배관이 거터 아래에 설치된 것과 관련이 있는 것으로 보인다. Esmeijer 등(1999)은 공급 배관의 위치를 생장점 아래 50－75cm에 설치할 것을 권장하고 있으며, 본 연구에서도 CO2 농도가 GD 위치에서 높은 것으로 보아 CO2 효율을 높이기 위해서는 공급 배관의 위치를 작물 상단부로 조절할 필요가 있을 것으로 보인다. 따라서 공급 배관의 높이를 생장 단계별로 조절하면 효율적인 CO2 공급 관리가 될 것이라고 판단된다. 한편 엽온은 편차가 가장 큰 시간대인 오전 10시에 최고 온도는 UC에서 25.28℃, 최저 온도는 LC에서 24.42℃였다(Fig. 3D).
3. 온실 종류에 따른 온도, 광도 및 CO2 농도 결정계수 비교
반밀폐형 온실과 벤로형 온실에서 광도에 따른 CO2 농도 변화를 분석한 결과, 하루 중 CO2 농도 변화폭은 벤로형 온실이 반밀폐형 온실보다 큰 것으로 나타났다. 온실 내 CO2 농도는 반밀폐형의 경우(Fig. 4A) 오전 8시 시간대에 442µmol·mol-1로 가장 낮았고, 오전 10시 시간대에 569µmol·mol-1로 가장 높았다가 오후 3시대까지 514µmol·mol-1로 소폭 감소하였으며, 일중 평균 농도는 483µmol·mol-1이었다. 조사 기간 동안 반밀폐형 온실에서는 09:00－16:00에 CO2 800µmol·mol-1이 공급되고 밤시간대는 공조실을 통해 대기 중의 농도 수준으로 유지되고 있어서 낮 시간대의 농도가 야간보다 더 높게 나타났다. 반면 벤로형 온실(Fig. 4B)은 야간에 작물의 호흡작용으로 CO2 농도가 높아져 오전 6시 시간대에 794µmol·mol-1로 가장 높았고, 오후 1시대에 472µmol·mol-1로 가장 낮았으며 평균 농도는 649µmol·mol-1이었다. 벤로형 온실은 조사기간 동안 착과 유도를 위하여 10월 중 700µmol·mol-1을 공급한 것을 제외하고 09:00－16:00에 CO2 600µmol·mol-1이 공급되었다.
두 온실의 낮 시간대 광도에 따른 CO2 농도 변화를 비교하기 위해 두 지역의 기상이 맑은 날과 흐린 날을 선정하여 06:00－18:00의 광도와 CO2 농도를 각각 확인하였다(Fig. 5). 반밀폐형 온실의 맑은 날 CO2 농도 변화는 CO2 공급 시간대에만 평균 농도를 상회하여 최고 546µmol·mol-1 수준을 보였으며, 오전 8시 이전과 오후 4시 이후에는 380－450µmol·mol-1 범위였다(Fig. 5A-1). 반밀폐형 온실의 흐린 날 CO2 농도 변화는 CO2 공급 개시 전에 554µmol·mol-1 수준이었고, 낮 시간대에는 380－470µmol·mol-1 범위를 보였다(Fig. 5A-2). 벤로형 온실의 맑은 날 CO2 농도 변화는 야간에 최고 796µmol·mol-1이었다가 일출 후 농도가 낮아지고 낮 동안 평균 575µmol·mol-1 농도를 나타냈다(Fig. 5B-1). 벤로형 온실의 흐린 날은 CO2 공급 개시 전에 960µmol·mol-1까지 높아졌으며 낮 동안에는 최저 472µmol·mol-1, 평균 699µmol·mol-1로 높았다(Fig. 5B-2).
두 온실의 광도와 온도에 따른 CO2 농도 변화의 상관관계는 시간대별 평균 데이터를 이용하였으며, Curve Expert plot에 데이터를 입력한 결과 반밀폐형 온실의 결정계수(r2)는 0.07, 벤로형 온실의 결정계수(r2)는 0.66이었다(Fig. 6). 반밀폐형 온실에서의 결정계수가 낮은 것은 광도가 증가하는 낮에 CO2 공급 후 환기로 인한 CO2 손실이 적어(Mortensen과 Ringsevjen, 2020) 낮 시간대의 농도가 야간보다 더 높았던 것과 관련이 있다. 외부 공기 유출입이 공조실을 통해 이루어지는 반밀폐형 온실의 경우 CO2 시비 효율이 높은 것으로 판단되며 목표 CO2 시비 농도가 일반 온실과 달라야 할 것으로 판단된다.
선행 연구에서 반밀폐형 온실이 에너지 효율에서 새로운 가능성을 보여준다고 하였는데(Dannehl 등, 2014; Marcelis 등, 2014; Qian, 2017) 본 연구에서도 반밀폐형 온실의 CO2 시비 효율은 공조실을 통한 환기로 인해 CO2가 외부로 유출되지 않으면서 재사용되므로 일반 온실에 비해 효율이 높다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 반밀폐형 온실은 CO2 공급량과 공급횟수를 일반 온실과 다르게 조절할 필요가 있을 것으로 보인다. 벤로형 온실에서는 온실 내외부의 온·습도 및 내부 광량 데이터를 활용하여 환기율을 계산하였을 때(Geelen 등, 2018), 온실 온도가 17－24℃, 상대습도가 80－94%, 외부 온도가 17－26℃, 외부 상대습도가 59－92% 범위에서 계산된 환기율은 최소 3.7m3·m-2·h-1에서 최대 19.82m3·m-2·h-1, 환기횟수는 0.7－3.6회·h-1 범위를 보였다(자료 미제시). 이와 같이 일반 온실에서는 광도와 온도에 따라 환기를 조절하므로 환기에 의한 CO2 손실이 예상되고 이에 대한 능동적인 CO2 공급량 조절이 필요할 것으로 판단된다. 한편 반밀폐형 온실의 공조실을 통과하는 CO2 교환율을 분석하여 대규모 광합성 속도 측정의 가능성이 제시되었으며(Mortensen과 Ringsevjen, 2020) 이를 빠르게 분석하고 대응할 수 있다면 보다 높은 생산성을 확보할 수 있을 것으로 생각된다.
본 연구의 결과를 종합하여 볼 때, 온실 내 CO2 농도는 공간적 분포를 분석하고, 온도와 습도는 작물의 수직적 분포 차이를 측정하여 분석할 필요가 있으며 환기율이 낮은 반밀폐형 온실의 경우 목표 CO2 시비 농도가 일반 온실과 다르게 설정되어야 할 것으로 판단된다.
