서 론
재료 및 방법
1. 시험재료 및 재배조건
2. 송풍덕트
3. 광합성 조사
4. 과실 특성 조사
5. 통계분석
결과 및 고찰
1. 송풍 덕트 온실 내부 환경 특성
2. 광합성 특성
3. 과실 특성
서 론
최근 시설재배는 스마트농업과 ICT기술을 적용하여 작물과 환경 등을 관리하고 있으며, 기존 작물재배방식도 작물에 따라 수경, 베드, 유인 재배 등으로 변화되고 있다. 고온기 시설재배는 온실 내부 온도가 생육한계를 넘어서기 쉬워 온도를 내리기 위한 환기 효율이 중요하다. 온실 환기는 내부 온도와 습도(Breuer와 Knies, 1995), CO2 조절, 결로 방지(Fernandez와 Bailey, 1992; Fernandez와 Bailey, 1994), 공기 순환(Wang 등, 2000), 지붕 환기(Yeo 등, 2016) 등으로 온실 내부 환경을 적절하게 유지하는 작물 생육 관리의 요인이다. 환기창의 환기 효율, 외부 풍향 ∙ 풍속에 따른 온실 내외부의 변화와 온도 변화 등 환기 특성을 분석한 연구가 진행되고 있다(Bot, 1983; Sase 등, 1984; Fernandez와 Bailey, 1992; Wang 등, 2000). Yeo 등(2021)은 고온기 온실환경 제어를 위해 포그, 유동팬, 히트펌프, 근권부 냉방 등을 설치하여 파프리카에 대한 작물 재배시험을 하여, 고온기 온실 내부 온도가 3－4℃ 낮아졌고, 평균 수분 부족은 3.7g·m-3 감소하였다. Rhee 등(2015)은 여름철 재배 시 포그와 유동팬을 이용하면 온실 내부 온도가 2－3℃ 낮아지고, 최고 35℃ 이하로 온도를 관리할 수 있으며, 습도는 80%로 조절할 수 있다고 하였다. 또한, 고온기에 포그 냉방과 공기 순환팬을 동시에 사용하였을 때 온실 내부 온도를 6－7℃까지 내릴 수 있다고 하였다(Park 등, 2020). Choi 등(2015)은 근권부 공기 순환 덕트로 냉방을 하여 고온기에 파프리카를 재배한 결과 근권과 지상부 온도관리에 효과적이라고 하였다.
참외(Cucumis melo)는 전통적인 포복 재배 작물로써 많은 노동력이 필요하고, 생산량을 증가시키기 어려워 지주재배와 줄기 유인 재배 등이 시도되거나(Bae 등, 1998), 수경재배의 한 형태인 버미큘라이트를 포대에 담아서 재배하는 포대재배도 시도되었다(Shim 등, 2003). 지주재배는 참외의 당도를 높이고 비상품과(기형과, 발효과)를 감소시켜서 생산성이 향상되고, 줄기 유인 재배는 과실수가 증가는 되었으나 포복재배 대비 투입 노동력이 높아지고(Bae 등, 1998), 장시간 쪼그리고 앉아서 정지와 유인을 해야 하므로 작업자의 근골격계 질환이 많이 발생하고 있다. 토경재배는 연작으로 인한 염류집적 및 토양전염병 등에 취약하여 수경재배 방식으로의 전환이 필요하여(Jun과 Jo, 2002; Jun 등, 2012), 참외를 시설에서 수경재배 했을 때 토경재배보다 생산량과 과실 품질이 향상되었다(Jun과 Jo, 2002). Lee 등(2021)은 참외 재배 시 상향과 하향 줄기 유인했을 때 포복재배 대비 작업자의 노동 강도가 크게 줄었다. 또한, 멜론이나 수박 등은 착과를 1－2개로 제한하여 재배하고 수확하기 때문에 착과 절위가 과실 품질에 영향을 미쳐서 착과 위치가 중요하다. 착과 절위가 높으면 과실 무게는 증가하지만 당도가 낮아지는 경향이 나타났고(Lee와 Lee, 1996; Hwang 등, 1998; Park 등, 1995; Park 등, 2015), Hwang 등(1998)과 Lee와 Lee(1996)은 수박에서 저절위 착과는 과실 생산량이 감소하고 재배기간이 단축되어 병해충 피해가 감소하는 반면, 상위절위 착과는 착과시기가 늦어지면서 병해충 피해가 증가할 수 있다고 하였다. 게다가 참외의 고온기 재배는 생육과 착과율의 급격한 저하로 재배가 어렵고(Jun과 Jo, 2002), 생육 속도가 빨라지면서 잎의 노화도 빠르게 나타난다. Buchanan-Wollaston 등(1997)과 Worku 등(2007)은 잎 전개가 완료되면 광합성속도가 가장 높아지고, 이후에는 잎의 노화와 함께 광합성속도는 점점 낮아진다고 하였다. 이처럼 고온기 작물재배는 어려움이 많아서 농가에서는 고온기 동안 휴작을 하거나 시설 보수 등을 하는 경우가 일반적이나, 고온기 작물 재배는 작물의 생산 시기를 앞당길 수 있어서 농가 수입 증가와 시설의 활용도를 높일 수 있다.
본 연구는 송풍 덕트를 활용하여 고온기 온실 내부 온도를 적절히 관리하고, 착과 시기를 달리한 참외를 수직∙수경재배해서, 온실 내부 환경과 생육 특성을 분석하여 새로운 재배법 개발에 활용하고자 하였다.
재료 및 방법
1. 시험재료 및 재배조건
본 실험은 전북 완주군 이서면에 있는 반밀폐 벤로형 첨단디지털 비닐온실에서 수행하였다. 첨단온실은 벤로형 지붕으로 연속형 천창 구조였으며 동고 8.3m, 측고 7.0m, 폭 24m, 길이 40m로 면적은 960m2였다. 고온기 냉방부하에 따라 자연환기, 강제환기(SFT-S2504, Sysco, Korea), 포그시스템(Geen Control System, Korea), 히트펌프(ACHH040LET2, LG, Korea) 등 순차적으로 냉방이 가동되었다. 이와 더불어 송풍 덕트를 재배 베드 아래에 설치하여 고온기 온실 내부 공기를 순환시켰다. 송풍 덕트의 재질은 폴리에틸렌 필름이며, 두께 0.15mm, 길이 30m, 지름 30cm, 천공열 1줄, 천공 지름 2cm, 천공수 360개였다(Table 1). 송풍 덕트 5m 지점의 평균풍속은 10.84m·s-1, 풍량은 4,685m3·h-1였다(Table 1). 행잉거터식 재배 베드는 상향식 유인(upward, UW) 또는 하향식 유인(downwoard, DW)을 위해 바닥에서 각각 80cm와 1.8m 높이에 설치하였다.
Table 1.
Specification of the air duct.
|
Items
|
Value
|
|
Air duct
|
Diameter (cm)
|
30
|
|
Length (m)
|
30
|
|
Thickness (mm)
|
0.15
|
|
Area (cm2)
|
706.5
|
|
Velocity (m·s-1)
|
10.84
|
|
Air flow (m3·h-1)
|
4,685
|
|
Duct hole
|
Diameter (cm)
|
2
|
|
Row
|
1
|
|
Number of holes
|
360
|
|
Hole distance (cm)
|
16.7
|
|
Area/hole (cm2)
|
16.7
|
|
Total area (cm2)
|
1,130
|
참외(Cucumis melo)‘깔꾸리꿀’(cv. Ggalgguriggul, Saengnong Ltd., Korea)을 육묘하여 4－5엽이 전개된 2022년 7월 1일에 정식하였다. 행잉거터식 재배 베드 위에 코이어 칩과 더스트 비율이 70:30으로 구성된 코이어 배지(100×20×10cm, Daeyoung GS, Malaysia)를 올렸다. 코이어 배지는 정식 전 5일 동안 물을 가득 채운 후 포습하여 코이어 배지 1개당 3주씩 재식거리 30cm로 정식하였다. 수직재배 시 참외의 줄기유인은 UW과 DW으로 하였다(Fig. 1). 착과 절위는 아들덩굴 5마디 이하에서 발생하는 손자덩굴을 모두 제거하는 처리를 상위절위(대조구)로, 아들덩굴 1마디에서 발생하는 손자덩굴에 착과 처리하는 저절위로 하였다(Fig. 1).
Fig. 1.
Stem string and fruiting node conditions for the study. UW: upward, DW: downward.
양액은 야마자키 멜론 배양액을 사용하였다(Table 2). 양액EC는 0.8－2.0dS·m-1, pH는 6.0으로 관리하여 0.8－2.5L/일/주로 생육단계에 맞게 공급하였다. 온실 내부 일평균온도는 15－27℃, 상대습도는 73－98%(Fig. 2), CO2 농도는 431－731ppm, 일적산광량은 0.55－2.32MJ·m-2(Fig. 3)이었다.
Fig. 2.
Average temperature and humidity in the oriental melon greenhouse.
Fig. 3.
Average CO2 concentration and accumulated radiation in the oriental melon greenhouse.
Table 2.
Chemical properties of the Yamazaki nutrient solution for the oriental melon.
|
Fertilizer
|
Concentration (mg·L-1)
|
|
Macro
|
KNO3 |
202
|
|
Ca(NO3)2·4H2O
|
826
|
|
Fe-EDTA(12.5%)
|
16
|
|
KNO3 |
404
|
|
MgSO4·7H2O
|
369
|
|
NH4H2PO4 |
152
|
|
Micro
|
H3BO3 |
1.2
|
|
MnSO4·7H2O
|
0.625
|
|
ZnSO4·7H2O
|
0.09
|
|
CuSO4·5H2O
|
0.04
|
|
Na2MoO4·2H2O
|
0.013
|
2. 송풍덕트
재배베드 아래에 송풍 덕트를 설치하고 길이 30m 덕트의 1m, 15m, 29m 부근에 온 ∙ 습도센서(TR-71wb, T&D Corporation, Japan) 3개씩 UW과 DW 처리구에 각각 설치하여, 10분 간격으로 2022년 7월 21일부터 9월 14일까지 측정하였다(Fig. 4).
Fig. 4.
Air duct under the cultivation-bed. UW: upward, DW: downward.
3. 광합성 조사
참외 잎의 엽령은 엽장과 엽폭이 1cm인 것을 1일로 하여 3일 간격으로 47일까지 광합성 측정기(LI-6400, Portable Photosynthesis System, LI-COR Inc., Nebraska, USA)를 활용하여 오전 10시에서 12시 사이에 측정하였다. 참외 잎은 햇빛을 바라보고 있는 잎을 대상으로 무작위로 선택한 6개의 샘플을 3－5일 간격으로 3회씩 측정하여 그 중앙값을 이용하였다. 광합성 측정은 온도 25℃, CO2 농도 400ppm, 광도(PPFD) 1,000µmol·m-2·s-1의 조건으로 하였다.
4. 과실 특성 조사
과실 특성 조사는 각 처리구별 수확 과수 79개로 총 316개에 대해서 과장, 과폭, 과중, 당도, 소과율(270g 이하)을 조사하였다.
5. 통계분석
본 연구에서 통계분석은 SAS 프로그램(SAS 9.2, SAS Institute Inc., USA)을 이용하였다. 광합성 측정값과 과실 특성 HF-UW와 HF-DW, LF-UW와 LF-DW 처리구의 평균간 유의성 검정은 분산분석(analysis of variance, ANOVA)을 실시한 뒤, Duncan의 다중범위검정(Duncan's multiple range test, DMRT)을 적용하여 5% 수준에서 실시하였다.
결과 및 고찰
1. 송풍 덕트 온실 내부 환경 특성
송풍 덕트와 온실 내부의 온도와 습도를 비교하기 위해 상향(UW)과 하향(DW) 재배 베드 아래에 설치된 송풍 덕트 시작 지점에서 각각 1m, 15m, 29m에 있는 센서와 온실 내부 온 ∙ 습도센서가 위치한 DW-15m와 비교한 결과 전체적으로 온실 내부 온도는 17.7－33.9℃를 유지하였고, 송풍 덕트는 12.6－33.3℃을 유지하였다(Fig. 5). 온실 내부 습도는 60.9－95.2%를 송풍 덕트 습도는 34.0－94.0%였다(Fig. 6). 송풍 덕트와 온실 내부의 온도 차이는 UW에서 11.8－14.2℃와 DW에서 12.1－15.8℃로 나타났다(데이터 미제시). UW과 DW 재배 베드의 습도 차이가 1－3%로 비슷하게 나타났다(데이터 미제시). 온실 내부 습도는 포그가 작동되면서 일정하게 유지되고 있어서, 송풍 덕트의 습도는 크게 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. Fig. 7은 온실 내부와 송풍 덕트 온도를 일평균으로 나타냈다. 온실 내부 평균온도가 26℃로 유지되고, 송풍 덕트 온도는 위치에 따라 차이가 있으나 25℃ 이하로 유지되는 것으로 나타난 점은 고온기 송풍 덕트 냉방이 효과가 있는 것으로 판단된다. 또한, UW 재배 베드 송풍 덕트 온도가 약 22－24℃로 DW 재배 베드 송풍 덕트 온도 약 23－25℃보다 낮고, DW-15m와 UW-29m의 온도가 비슷하게 나타난 것은 재배 베드 높이 1m 차이로 인하여 두 지역의 공기 유동 환경이 비슷하게 발생하는 것으로 판단된다. Yu 등(2014)이 높이에 따른 풍속분포를 분석한 결과 높이가 높아지면 풍속이 증가하고 공기 유동 정체지역이 줄어든다고 하였다. 게다가, Jeong 등(2020)이 전자유체역학(computational fluid dymamics)으로 온실 내부 환경을 예측할 때 작물과 재배 베드 높이에 따라 공기 유동이 다르게 나타났다는 것과 작물이나 재배 베드가 저항으로 작용한 결과인 것으로 생각된다. 이는 재배 베드 높이에 따라 풍속을 높이는 방법이나 천공 수를 늘려서 공기 저항을 해결할 수 있고, 온실 내부 온도를 균일하게 만들어서 작물 생육의 균일성도 확보할 수 있을 것(Kim 등, 2004; Yu 등, 2014; Jeong 등, 2020)으로 판단된다.
Fig. 5.
Variation of the temperature between the duct (DW-15m) and the greenhouse.
Fig. 6.
Variation of the relative humidity between the duct (DW-15m) and the greenhouse.
Fig. 7.
Average temperature of the oriental melon greenhouse compared with air duct sensors. UW: upward; DW: downward.
2. 광합성 특성
광합성속도는 잎 전개 후부터 꾸준하게 증가하여 10일에 20.8μmol CO2·m-2·s-1이었고, 19일에 21.3μmol CO2·m-2·s-1로 조금씩 높아지더니, 32일에 23.4μmol CO2·m-2·s-1로 가장 높았다(Table 3, Fig. 8). 이후 38일에는 16.8μmol CO2·m-2·s-1로 낮아지고, 47일에는 7.6μmol CO2·m-2·s-1로 크게 낮아졌다(Table 3, Fig. 8). 참외 고온기 수직 ∙ 수경재배 시 참외 잎의 광합성능력은 잎 전개 후 32일까지는 증가하였으나, 그 이후에는 속도가 떨어지는 것으로 나타났다. 이 결과는 고온기 송풍 덕트를 이용하여 재배 베드 아래에서 냉방을 함으로써 온실내부 온도가 평균 26℃로 일정하게 유지되고(Fig. 7), 포그 시스템을 통하여 습도도 일정하게 유지되어(Fig. 7) 환경이 균일하게 되었다. 또한, 고온기 강한 외부 일사로 인하여 참외 잎은 32일에 잎 전개가 완료되면서 광합성속도가 최고점에 이르게 되고, 그 이후로 광합성속도가 급격히 낮아지면서 퇴화한다는 Buchanan-Wollaston 등(1997)과 Worku 등(2007)의 주장을 뒷받침한다. 게다가, Rhee 등(2015)은 온실 내부 온도 상승으로 작물의 양분 흡수 불균형으로 인한 호흡량 증가로 광합성속도가 감소하여 생육이 억제된다고 하였다. 따라서, 고온기 참외의 적엽은 잎 전개가 완료되고 1－2주 이후에 하는 것이 참외 생육 관리에 도움이 될 것으로 판단된다.
Table 3.
Photosynthesis by the leaf age of the oriental melon.
|
Day
|
Net photosynthetic rate (µmol CO2·m-2·s-1)
|
Stomatal conductance
(mol·m-2·s-1)
|
Transpiration rate
(mmol H2O·m-2·s-1)
|
|
1
|
2
|
3
|
Average
|
Standard
deviation
|
|
1
|
7.3
|
7.4
|
8.8
|
7.8
|
0.66
|
0.22
|
4.45
|
|
4
|
17.5
|
17.7
|
18.7
|
17.9
|
0.52
|
0.38
|
2.67
|
|
7
|
19.1
|
20.5
|
19.9
|
19.8
|
0.60
|
0.73
|
7.03
|
|
10
|
21.4
|
20.2
|
20.9
|
20.8
|
0.49
|
073
|
6.42
|
|
13
|
22.6
|
20.0
|
20.2
|
20.9
|
1.20
|
0.74
|
6.28
|
|
19
|
23.0
|
20.5
|
20.6
|
21.3
|
1.17
|
0.63
|
3.77
|
|
21
|
22.0
|
22.0
|
21.4
|
21.8
|
0.30
|
0.74
|
4.95
|
|
24
|
21.7
|
22.9
|
22.5
|
22.3
|
0.51
|
0.68
|
5.93
|
|
28
|
22.1
|
23.4
|
23.0
|
22.8
|
0.57
|
0.52
|
3.34
|
|
32
|
23.7
|
23.7
|
22.8
|
23.4
|
0.40
|
0.24
|
1.91
|
|
34
|
21.1
|
20.7
|
21.5
|
21.1
|
0.31
|
0.60
|
3.19
|
|
38
|
17.9
|
17.0
|
15.4
|
16.8
|
1.02
|
0.37
|
2.55
|
|
44
|
12.8
|
9.8
|
9.8
|
10.8
|
1.40
|
0.05
|
0.41
|
|
47
|
6.3
|
9.6
|
6.8
|
7.6
|
1.45
|
0.10
|
1.08
|
Fig. 8.
Photosynthesis rate of the oriental melon.
3. 과실 특성
착과 절위별 과실 특성을 저절위 상향(LF-UW), 저절위 하향(LF-DW), 대조구인 상위절위 상향(HF-UW), 상위절위 하향(HF-DW) 처리별로 살펴보면 과장은 12.6-13.4cm로 처리간 유의성이 있었으며, 과폭은 7.9－8.6cm로 유의성이 없었다(Table 4). 과중은 LF-UW과 HF-DW보다 LF-DW과 HF-UW이 각각 535.8g과 503.8g으로 가장 무거웠다. 당도는 12.9－15.7°Brix로 LF-UW, HF-DW, HF-UW, LF-DW 순으로 높았다(Table 4). 따라서, Lee와 Lee(1996), Hwang 등(1998), Park 등(1995)과 Park 등(2015)이 착과 절위가 높으면 과실무게는 증가하지만 당도가 낮아진다고 한 결과와 다르게 LF-UW을 제외한 나머지 처리구의 과중과 당도가 높게 나타났다. 그러나, 저절위 재배 시 대조구인 HF-UW보다 과장, 과폭, 과실무게가 비슷하거나 높게 나타났다. 또한, 소과율은 LF-DW와 HF-UW 처리구는 1.3%, LF-UW와 HF-DW 처리구는 3.9%로 나타났다(Table 4). 과실 품질은 LF 착과 시에도 과실 비대와 당도가 떨어지지 않기 때문에 LF에 착과하여 참외를 재배할 수 있음을 확인하였다. 또한, Wee 등(2018)은 과중이 생산량을 결정하는 요인이라고 하였고, Kim 등(2007)과 Lim 등(2020)은 당도가 과실 품질에 중요한 역할을 한다고 하였다. LF-DW의 과장, 과폭, 과중, 당도가 가장 높게 나타났고, HF-UW(대조구)가 LF-UW과 HF-DW 처리구 보다 과장, 과폭, 과중, 당도가 높게 나타났기 때문에 HF-UW와 LF-DW 처리구가 상품과 생산에 유리한 것으로 판단된다(Table 4). 게다가, Hwang 등(1998)과 Lee와 Lee(1996)가 LF 착과 시 생산량이 감소한다는 결과는 본 연구에서는 나타나지 않았다. 따라서, 참외의 고온기 수직 ∙ 수경재배법 개발에 LF 착과와 DW 재배를 활용하면 과실 생산 시기를 앞당기는 효과로 농가 수익을 높일 수 있으며, 고온기에도 작물을 계속해서 재배할 수 있어서 시설 활용도를 높일 수 있을 것으로 판단된다.
Table 4.
Characteristics of the oriental melon fruit as affected by the fruiting node.
|
Treatmentsz |
Fruit length
(cm)
|
Fruit width
(cm)
|
Fruit weight
(g)
|
Soluble solid content
(°Brix)
|
Unmarketable fruit
(%)
|
|
HF-UW (control)
|
13.2 ay |
8.5 a
|
503.8 a
|
14.3 b
|
1.3
|
|
HF-DW
|
12.6 b
|
8.1 a
|
443.7 b
|
13.4 c
|
3.9
|
|
LF-UW
|
12.8 b
|
7.9 a
|
448.8 b
|
12.9 c
|
3.9
|
|
LF-DW
|
13.4 a
|
8.6 a
|
535.8 a
|
15.7 a
|
1.3
|
Acknowledgements
본 연구는 농촌진흥청 연구사업(과제번호: PJ016761022023)의 지원에 의해 이루어진 것임.
References
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