서 론

온실 내부로 유입되는 광은 작물의 동화산물 합성, 대사작용에 필요한 물질 생산 및 개화반응 등 생장에 필수 요소로, 적합한 광 환경은 매우 중요하며 실내의 온 ∙ 습도와 같은 미기후에 영향을 미치기도 한다(JGHA, 2007; Kim 등, 2000). 광이 고르지 못하면 광량 및 광주기에 따라 작물의 생육과 발육이 달라져(Wi 등, 2021), 생육이 불량해지고 수량이 감소할 수 있다. 광은 온도나 수분처럼 양적 요소로만 작용하지는 않으며 광질, 광도, 명암주기 등의 영향을 받는 환경 인자이며 작물 생산에 직접적인 영향을 미치므로 중요하다(Lee 등, 2010).

광 투과율은 온실의 설치방향에 따라 차이가 크며 우리나라와 같은 중위도 지역에서는 겨울철은 동서동, 여름철에는 남북동 온실의 광 투과율이 높은 편이다(Lee 등, 2010; NAAS, 2015). 위도가 30°보다 높은 지역은 남북동 온실이 동서동 온실보다 겨울철 일사량은 적지만 균일성은 더 높으며 봄에 태양의 고도가 증가할수록 차이는 감소한다(Castilla, 2013). 이처럼 광 투과율과 광 분포는 계절과 온실의 방향에 따라 상이하므로 설치 시에 고려해야 한다. 온실의 설치 방향에 따라서 투입되는 일사량과 바람의 방향이 달라지므로 내부의 광 환경과 온도환경이 달라질 수 있다(Choi 등, 2008). 입사각이 작을수록 광 투과율은 증가하고 투과율은 피복재의 재질이나 형성에 따라 다르며 피복재의 광 확산성이 좋으면 실내의 광 분포는 고르게 분포한다(Nam 등, 2018).

한편 온실 내부의 광량은 피복재, 골조재 및 각종 장치들로 인해 생기는 그늘과 피복재의 입사각 차이로 생기는 부분적인 광량 감소로 위치에 따라 다르다(NIHHS, 2021; Son 등, 2021). 연동온실은 각 동이 연결되는 곡부 아래에서 저광 영역대가 형성되며(NAAS, 2015), 홈통 및 지붕 경사도 등 구조의 영향으로 온실 내부에 그림자가 형성되어 광 분포가 균일하지 않다(Castilla, 2013). 연동온실 내부의 일 누적 일사량 분포는 중앙이 높고 모서리 부분이 낮으며 남쪽이 북쪽보다 높고, 남북동 온실보다 동서동 온실에서 크게 나타난다(NAAS, 2015). 이와 같이 온실의 설치 방향, 피복재 및 동 형식에 따라 내부 광 환경이 달라져 작물 생육과 생산에 직접적인 영향을 미치므로 관련 연구들이 수행되었다. 차광에 의한 광 환경 변화(Lim 등, 2021)와 피복방식 및 필름별 광 투과성(Lee 등; 2013; Moon 등, 2020; Shin 등, 2009) 연구는 온실 전체의 광 분포가 아닌 특정 지점만 다루었고, Choi 등(2008)은 단동온실의 설치 방향에 따른 작물의 생육을 분석하였다. 또한 Lee 등(2014)과 같이 Ray-tracing 기법을 이용하여 연동온실 바닥면의 광도 분포를 시뮬레이션한 연구들은 있으나 실제 연동온실의 광 분포가 작물 생육에 미치는 영향을 분석한 연구는 미미한 실정이다.

온실을 설계할 때 기상재해에 의한 안전성도 중요하나 작물이 재배되는 내부환경을 고려하여 설계가 이루어져야 한다. 따라서 본 연구에서는 연동형 온실의 골조로 인한 내부 광 분포를 검토하기 위하여 위치별(중앙부 및 측면부) 일사량을 실측하였다. 그리고 오전(08:30－12:30)과 오후(12:35－16:30)로 시간대를 구분하여 일사량, 광 투과율 및 일 적산일사량을 분석하고, 토마토의 생육 및 수확량을 위치별로 비교하였다.

재료 및 방법

1. 실험온실 및 환경계측

실험온실은 경남 함안군에 위치한 2연동 플라스틱 온실로 토마토를 수경재배하고 있었으며 원예특작시설 내재해형 규격 설계도 및 시방서(MAFRA와 RDA, 2014)에 등록되어 있는 10-연동-1형이었다. 온실의 규격은 길이 40m, 폭 8m, 측고 5.4m 및 동고 7.4m이며 설치 방향은 남북동이었다. 서까래(SPVHS, ∅59.9 × 3.2t) 간격은 3m이고 서까래 사이에 0.5m 간격으로 간살(SPVHS, ∅19.1 × 1.2t)이 배치되어 있었다. 피복재는 0.1mm 두께의 PO필름으로 피복되었으며 다겹 보온커튼과 알루미늄 스크린은 각각 1층이나, 다겹 보온커튼은 온실 전후면과 측면에도 설치되어 있었다. 실험온실의 외부 및 내부 전경을 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1.

Outside (A) and inside (B) views of an experimental greenhouse.

환경계측을 위하여 일사량은 작물의 영향을 받지 않는 지면으로부터 3.8m 작물 캐노피 위치에 측정 파장 범위 300－1,100nm인 전천일사계(LightScout solar radiation sensor 3670I, Spectrum Tech. Inc., USA)를 중앙부와 측면부의 각 6개 지점, 온실 부근 외부에 1개 지점을 설치하여 총 13개 지점에서 2022년 2월 26일부터 4월 15일까지 5분 간격으로 계측하였다. 중앙부는 곡부의 아래 지점이고 측면부는 골조 및 커튼으로 인한 온실 내로 투입되는 일사량에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 각 동의 끝으로부터 3.2m 떨어진 지점이었다. 또한 Fig. 1의 실내와 같이 다겹 보온커튼의 말리는 폭을 일정하게 유지하였다. 실내 온습도는 센서 내장형 온습도 데이터로거(WatchDog 1650 Data Logger, Spectrum Tech Inc., USA)를 지면으로부터 1.6m 높이에 설치하여 2021년 11월 1일부터 2022년 4월 15일까지 5분 간격으로 측정하였다. 센서 위치는 Fig. 2와 같다.

Fig. 2.

Location of sensors and plants in the experimental greenhouse.

광 분포의 분석 시에는 Fig. 2의 중앙(Center)을 기준으로 종방향 9m, 18m, 27m 지점은 각각 온실의 북쪽, 중심부, 남쪽으로, 횡방향은 동쪽(‒) 및 서쪽(+)으로 구분하여 ‒1.6m, ‒4.8m 지점은 동쪽, 1.6m, 4.8m 지점은 서쪽으로 계측 위치를 나타내었다. Nam 등(2018)은 연동온실의 연결부분은 투과성이 떨어진다고 하였고, NAAS(2015)는 연동온실의 곡부를 저광 영역으로 보고하였다. 이에 본 실험에서는 위치별(중앙부와 측면부), 태양의 남중고도 시간과 실험 기간의 일출 및 일몰시간을 고려한 시간대별 비교를 통하여 연동온실 내부의 일사량, 광 투과율, 일 적산일사량을 분석하였다. 시간대 구분은 08시 30분부터 12시 30분까지를 오전, 12시 35분부터 16시 30분까지를 오후로 구분하였다. 실측한 일사량은 차광하지 않은 날들만 선발하여 시간대에 따라 구분하고 위치별로 평균 및 적산하여 온실 내 광 분포 분석에 이용하였다.

2. 토마토 생육 및 수확량 조사

Fig. 2에서 보는 바와 같이 전천일사계를 설치한 부근에 토마토를 4주씩 선별하여 총 32주에 대하여 생육 및 수확량 조사를 수행하였다. 토마토 품종은 대프니스(Solanum lycopersicum L. ‘Dafnis’, Syngenta Korea)이고, 정식은 2021년 10월 28일, 철거는 2022년 4월 20일에 하였다. 생육 조사는 2022년 1월 4일부터 3월 31일까지 2주 간격으로 초장, 엽수, 화방수, 줄기직경, 엽장, 엽폭 및 엽록소 함량(SPAD-502, Konica Minolta Inc., Japan)을 비파괴 조사 방법으로 7차례 실시하였고, 실험 종료일 4월 15일에는 파괴 조사하였다.

초장은 기저부에서 생장점까지 측정하였고, 엽수는 개화 화방 아래의 완전히 전개한 잎을 기준으로 조사하였다. 줄기직경은 개화 화방을 기준으로 디지털 버니어캘리퍼스(CD-15CP, Mitutoyo Co., Ltd., Japan)를 이용하여 3, 4번째 화방 중간의 최대 직경을 측정하였고, 엽장과 엽폭은 개화 화방에서 3번째 해당하는 잎의 최대 길이 및 폭을 조사하였다. 수확량 조사는 2022년 1월 26일에 첫 번째 수확을 하였고, 약 1－2주 간격으로 실험 종료일까지 11회 조사하였다. 수확한 토마토는 과중, 과수, 과경 및 과폭을 측정하였고, 과실의 과색이 80% 이상 붉게 착색되었을 때(red stage)를 기준으로 상시 수확하였다. 생육 및 수확량 조사 결과를 재배 위치별로 평균을 구하여 비교 분석하였다.

통계분석은 통계프로그램 SPSS Statistics 버전 27(IBM Corp., USA)을 이용하였고, t-test를 통하여 그룹별 평균값의 유의성을 분석하였다. 3D 맵핑(Mapping) 프로그램 Surfer 버전 12(Golden Software Inc., USA)를 이용하여 실험온실의 폭, 길이, 계측지점 및 분석한 수치를 입력하고 수치를 입력하지 않은 공간은 Kriging 보간법을 활용하여 온실 내부의 광 분포를 등온선으로 나타내었다.

결과 및 고찰

1. 온실 내 위치에 따른 시간대별 광 환경 비교

3월 중 외부 일 평균 일사량(612W·m^-2)이 가장 높았던 2022년 3월 22일 하루의 온실 내 위치에 따른 시간대별 일사량, 광 투과율 및 일 적산일사량 분포를 등온선으로 표시하면 Fig. 3과 같다. 이날 외부 평균 일사량은 오전(A) 595.0W·m^-2이고 오후(B)는 629.3W·m^-2로 오후에 34.3W·m^-2 높아져, 중앙부의 동쪽 동을 제외하고 일사량 분포(Ⅰ)는 오전보다 오후에 높게 나타났다. 이는 다겹 보온커튼이 중앙부의 동쪽 동으로 걷히고, 오후의 태양이 서쪽에 있을 때 보온커튼에 의해 생기는 그림자의 영향으로 동쪽 동의 일사량 변화가 거의 없는 것으로 판단하였다. 광 투과율(Ⅱ) 및 일 적산일사량 분포(Ⅲ)는 일사량 분포와 거의 유사하였다. 광 투과율의 시간대별 최고 및 최저는 오전일 때 최고 76%, 최저 56%이고, 오후일 때 최고 73%, 최저 54%로 나타났다. NAAS(2015)는 남북동 5연동 플라스틱 온실(07-자동화-1형)의 남부지역에 대한 봄철(3－5월)기간 투과율을 50.42%로 보고하였다.

Fig. 3.

Hourly variation (A) and (B) of solar radiation (Ⅰ), light transmittance (Ⅱ) and daily accumulated radiation (Ⅲ) distribution in greenhouse on a sunny day (March 22, 2022). A, 08:30－12:30; B, 12:35－16:30.

오전일 때 중앙부의 일 적산일사량 분포(Ⅲ) 범위는 4.9－5.7MJ·m^-2, 측면부는 5.3－6.6MJ·m^-2이고, 오후일 때 중앙부는 4.9－5.9MJ·m^-2, 측면부는 5.8－6.6MJ·m^-2로 나타났다. 한편 NAAS(2015)는 연동온실 내부의 일 누적일사량 분포는 중앙이 높고 구석이 낮으며 남쪽이 북쪽보다 높다고 보고하여, 중앙부가 측면보다 낮고 동북쪽과 남서쪽 모서리 부분이 높은 본 실험 결과와 차이를 보였다. 그 이유는 실험온실은 2연동으로 동수가 적고 양쪽 측면에 설치된 커튼의 영향이 중앙부의 광 분포에 영향을 미친 것으로 판단된다.

Table 1은 중앙부와 측면부에 대한 일사량의 시간대별 평균, 표준편차, 최대편차 및 변이계수를 분석한 결과이다. 위치별 일사량은 모두 유의한(p < 0.01) 차이가 있었고, 동일 시간대의 일사량은 중앙부가 측면부보다 오전 12.6%, 오후 11.4% 낮았다. 그 이유는 커튼과 곡부 물받이 홈통의 영향으로 중앙부가 측면부보다 일사량이 낮게 나타났다. 또한 동일 위치별(중앙부와 측면부)에서 오전과 오후의 일사량은 차이가 거의 없는데 이는 온실의 설치 방향이 남북 방향으로 그늘이 시간 변화에 따라 이동했기 때문에 오전과 오후의 차이가 나타나지 않는 것으로 판단된다. 온실 내 일사량 분포의 균일성은 변이계수를 구하여 분석한 결과 오전은 중앙부, 오후는 측면부의 변이계수가 낮았으며, 변이계수가 낮으면 일사량 분포가 균일하다는 것을 의미한다.

Fig. 4와 Fig. 5는 시간대별 계측지점의 위치에 따라서 일사량의 종방향과 횡방향 변화를 그래프로 나타냈다. 온실의 종방향(북-남쪽) 일사량 분포는 Fig. 4에서 보는 바와 같이 오전은 중앙부가 측면부보다 지점별 15.1%, 8.8%, 10.1% 낮았고, 오후는 중앙부가 측면부보다 지점별 14.8%, 9.4%, 11.7% 낮아 시간대에 따른 위치별 일사량은 중앙부가 측면부보다 모두 낮게 나타났다. 이와 같은 이유는 중앙부는 온실의 곡부 영역으로 보온커튼 및 홈통, 중앙 기둥과 같은 골격재에 의한 차광요인(Castilla, 2013; Lee 등, 2010)이 중앙부의 일사량 분포에 영향을 미치는 것으로 판단하였다. 위치별 오전의 일사량 분포는 북쪽과 남쪽이 비슷하게 높고, 중심이 가장 낮았으나, 오후에는 위치별 분포가 다르게 나타났다. 오후의 측면부 일사량 분포는 오전의 지점별 일사량 분포와 유사하였다. 중앙부는 북쪽에서 남쪽으로 증가하는 경향을 보였다.

Fig. 4.

Hourly variation of longitudinal solar radiation distribution in a greenhouse. A, 08:30-12:30; B, 12:35-16:30.

온실의 횡방향(동-서쪽) 일사량 변화는 Fig. 5와 같으며 중앙부가 측면부보다 시간대별에서 모두 낮게 나타났다. 태양의 위치를 고려하여 오전은 동쪽, 오후는 서쪽의 측면부 일사량을 기준으로 중앙부 일사량과 비교하였다. 중앙부 일사량은 측면부의 일사량보다 오전의 경우에 동쪽 지점은 14.3%, 서쪽 지점은 19.2% 낮고, 오후의 경우는 서쪽 지점은 3.1%, 동쪽 지점은 19.3% 낮게 나타났다. 중앙부 간 일사량을 비교하면 오전의 경우 서쪽 지점이 6.1%, 오후의 경우는 동쪽 지점이 16.7% 낮았다. 이는 다겹 보온커튼이 동쪽 동 중앙으로 걷히고, 오후의 태양이 서쪽에 있을 때 보온커튼에 의해 생기는 그림자의 영향으로 동쪽 지점의 일사량이 오전보다 낮아지고, 서쪽 지점은 서쪽에서 투입되는 일사량으로 인하여 측면부와 유사한 일사량을 보여 오후의 일사량 차이가 나타나는 것으로 판단하였다. 연동온실의 보온커튼 위치는 구조적으로 중앙 기둥 또는 측면에 설치되어 농가의 설치 위치와 크게 다르지 않으므로 개선의 필요성을 확인하였다.

Fig. 5.

Hourly variation of cross directional solar radiation distribution in a greenhouse. A, 08:30－12:30; B, 12:35－16:30.

일 적산일사량은 온실 내부에서 5분 간격으로 측정한 일사량을 위치에 따라서 시간대별로 적산하고 계측 일로 나누어 구하였다. Table 2는 일 누적일사량의 위치에 따른 시간대별 평균, 표준편차 및 최대편차이며 위치별 일 누적일사량은 유의한(p < 0.01) 차이를 보였다. 중앙부가 측면부보다 오전에는 0.6MJ·m^-2, 오후에는 0.5MJ·m^-2 낮았다.

Fig. 6과 Fig. 7은 시간대별 계측지점 위치에 따라서 일 적산일사량의 종방향과 횡방향 분포를 나타냈다. Fig. 6과 같이 종방향의 시간대별 일 적산일사량은 중앙부가 측면부보다 모두 낮았다. 계측지점별로 오전은 14.4%, 9.9%, 13.3% 낮았고, 오후는 15.1%, 8.8%, 10.1% 낮게 나타났다. 오전의 최대 일 적산일사량은 측면부 북쪽지점 4.8MJ·m^-2이고, 최저는 중앙부의 중심지점 3.9MJ·m^-2이다. 오후의 최대 일 적산일사량은 측면부 북쪽지점 4.6MJ·m^-2이고, 최저는 중앙부의 북쪽지점 3.9MJ·m^-2로 나타났다.

Fig. 6.

Hourly variation of cross directional solar radiation distribution in a greenhouse. A, 08:30－12:30; B, 12:35－16:30.

Fig. 7과 같이 시간대별 횡방향의 일 적산일사량은 중앙부가 측면부보다 모두 낮게 나타났다. 오전의 최대 일 적산일사량은 측면부 동쪽지점 4.8MJ·m^-2이고, 최저는 중앙부의 서쪽 지점 3.9MJ·m^-2이다. 오후의 최대 일 적산일사량은 측면부의 동쪽 및 서쪽지점 4.5MJ·m^-2이고, 최저는 중앙부의 동쪽지점 3.6MJ·m^-2로 나타났다.

Fig. 7.

Hourly variation of cross directional daily accumulated radiation distribution in a greenhouse. A, 08:30－12:30; B, 12:35－16:30.

2. 토마토 생육 및 수확량 비교

온실 내부의 온도는 월별로 일출 1시간 후부터 일몰 후 1시간까지를 주간, 나머지 시간대는 야간으로 구분하고 평균을 구하여 토마토 정식 후부터 4월까지의 온도를 Table 3에 나타내었다. 토마토 재배에 적합한 주간의 온도 범위는 21－29.5℃이고, 야간의 온도 범위는 15.5－21℃(RDA, 2020) 이므로 재배기간 온도는 적정 수준으로 유지되었음을 확인하였다.

Table 4는 토마토의 재배 위치에 따라서 중앙부와 측면부의 생육조사 결과를 조사일별로 정리한 것이다. 첫 번째 조사의 엽장과 엽폭을 제외하고는 실험 종료일까지 유의적인 차이는 나타나지 않았다. 초장은 정식 후 100일째까지는 유사하게 크다가 113일째부터 5cm 차이를 보였고 실험 종료일에는 측면부가 중앙부보다 8cm 더 컸다. 엽수, 경경, 엽록소 함량은 차이가 없었고, 엽폭, 엽장도 첫 번째 조사를 제외하면 유의한 차이를 보이지 않았다. 이를 통하여 중앙부와 측면부의 생육은 큰 차이가 없는 것을 확인하였다.

Fig. 8은 중앙부와 측면부에서 재배한 토마토의 1주당 평균 수확량을 수확 날짜별로 누적하여 나타내었다. 중앙부와 측면부의 날짜별 누적 수확량은 통계적으로 유의한 차이는 없었다. 정식 후 생육기간에 따른 1주당 평균 수확량을 분석한 결과 112일부터 중앙부의 토마토 수확량이 측면부의 토마토 수확량보다 증가하였고, 161일에 269g으로 가장 큰 차이를 보였다. 정식 후 169일의 최종 1주당 평균 수확량은 중앙부 4,828g, 측면부 4,851g으로 23g의 차이를 보였고, 중앙부의 토마토 수확량이 0.5% 적게 나타났다(Table 5). Table 5는 중앙부와 측면부의 각 16주에 대한 토마토의 총 수확량 및 재식밀도를 나타낸 것이다. 토마토의 총 수확량은 중앙부 77,253g, 측면부 77,618g으로 유의한 차이는 없었고 중앙부가 365g 낮았다. 중앙부의 일사량이 측면부에 비해 낮으나 수확량의 차이는 미미하였다. 한편 NIHHS(2021)의 연구결과에 따르면 작물은 광보상점 이하일 경우 생육이 저해되고 광포화점 이상일 경우에는 광도가 증가하여도 광합성률은 증가하지 않아 생육에 미치는 영향이 크지 않다고 보고하였다. 본 연구에서 분석한 중앙부의 시간대별 일사량은 오전 275.2W·m^-2, 오후 278.1W·m^-2로 토마토의 광보상점 60W·m^-2보다는 높고, 광포화점 281W·m^-2보다는 낮으나 그 차이가 크지 않아 생육 및 수확량 결과에 미치는 영향이 미미한 것으로 판단하였다(Heuvelink, 2018; Wi 등, 2021).

Fig. 8.

Accumulated yield analysis for plant location in the experimental greenhouse.