서 론

현재 대한민국을 포함한 전 세계 농업 생산환경은 기후변화에 따른 고온화와 이상기상 빈발로 인해 작물 생육과 시설재배 안정성이 동시에 위협받고 있다. 시설재배에서 고온기는 환기, 차광, 증발냉각 및 복합냉방 기술을 필요로 하나, 환기와 차광만으로는 극한 고온 조건의 열부하를 충분히 완화하기 어렵다(Sethi and Sharma 2007). 기상청의 장기분석에 따르면 1910년대 대비 2020년대의 폭염일수는 7.7일에서 16.9일로 2.2배, 열대야일수는 6.7일에서 28.0일로 4.2배 증가하였다(Korea Meteorological Administration 2025b). 또한 2024년 우리나라 여름철 평균기온은 25.6°C로 평년보다 1.9°C 높아 1973년 이후 가장 높았고, 열대야일수 역시 평년의 3.1배에 달한 것으로 보고되었다(Korea Meteorological Administration 2025a). 이러한 고온화와 강수 양상의 변화는 시설원예에서 온습도 관리와 병해충 관리의 난도를 높이는 요인으로 작용한다.

딸기(Fragaria×ananassa Duch.)는 국내 시설원예에서 경제적 비중이 큰 과채류로, 2023년 기준 국내 생산액은 1조 5,211억 원 수준으로 보고되었다(Rural Development Administration 2025). 또한 우리나라 신선 딸기 수출은 2024년 기준 67,526.62천 달러, 4,556,900kg으로 집계되어 우량묘의 안정 생산은 내수와 수출 경쟁력 측면에서 모두 중요하다(World Integrated Trade Solution 2024). 딸기는 고온에서 광합성, 생육 및 수량성이 저하될 수 있으며(Kadir et al. 2006), 고온은 육묘생육과정 및 화아분화 지연과 같이 부정적으로 작용하며, 꽃의 크기, 착과 및 과실 비대에 악영향을 줄 수 있다(Menzel 2023).

농촌진흥청은 여름철 딸기 육묘 시 온실 내부온도 상승으로 시들음병, 탄저병, 역병 등 병해와 작은뿌리파리, 점박이응애, 진딧물 등 해충 발생이 증가할 수 있다고 보고하고, 차광률 55% 내외의 차광막, 환기시설 활용, 정밀한 수분관리 및 예방적 방제를 권고하고 있다(Rural Development Administration 2022a, 2022b). 육묘 단계에서 생산되는 플러그묘는 정식시기와 수분관리를 조절하기 쉽고 정식 후 활착 안정성을 높일 수 있으므로(Durner et al. 2002), 고온기 육묘 환경의 안정화는 묘소질 확보를 위한 핵심 관리요소이다.

딸기의 화아분화와 출뢰는 온도와 일장에 민감하게 반응하며, 단일 조건과 온도조건의 상호작용은 품종별 화아분화와 수량 반응을 좌우한다(Sønsteby and Heide 2008). 특히 관부 및 근권부 온도 관리는 생식생장 전환과 초기 수량 형성에 영향을 줄 수 있다. Hidaka et al.(2017)은 고온 조건에서 딸기 관부를 10－20°C로 냉각한 처리에서 1화방 화아분화가 촉진되고 수확초기 상품수량이 증가할 수 있음을 보고하였다. 국내외 연구에서도 배지냉각 또는 관부·근권부 국소냉각은 고설식 딸기 재배에서 착과, 출뢰 및 초기수량 개선 가능성을 보인 바 있다(Ikeda et al. 2007; Kim et al. 2010; Kwon et al. 2019). 최근에는 폐쇄형 육묘시스템에서 순환 냉수 튜브를 이용한 국부 관부 냉각이 고온·장일 조건에서도 화아분화를 유도할 수 있음이 제시되었고(Shin et al. 2025), 꽃눈 분화 유도조건에서 관부직경, 근부 건물중 및 SPAD 등이 묘의 생식생장 전환과 관련된 조기 지표로 활용될 수 있음이 보고되었다(Ndikumana et al. 2025).

따라서 본 연구에서는 개방형 딸기 육묘온실에서 공간 전체를 냉방하기 어려운 현실을 고려하여, 자묘포트 하부에 냉수배관을 접촉시키는 방식의 고온기 딸기 육묘 냉방시스템 프로토타입을 개발하였다. 또한 개발 시스템의 열전달 설계, 자묘포트 하부 및 포트 내부 근권부 냉방효과, 묘소질 지표의 통계적 차이, 본포 정식 후 1화방 출뢰 반응을 분석하여 고온기 딸기 건전묘 생산을 위한 근권부 국부 냉방기술의 적용 가능성을 평가하고자 하였다.

재료 및 방법

1. 실험 온실 및 처리구 구성

본 연구는 전북특별자치도 전주시 국립농업과학원 농업공학부 내 시험용 단동온실에서 수행하였다. 육묘온실은 측창 자동 개폐시스템, 환기시스템, 다겹보온커튼을 갖추었으며, 피복재는 0.10mm, PO (polyolefin) 필름 2중으로 구성되었다. 온실 제원은 폭 7m, 측고 1.5m, 동고 3.8m, 길이 25m이며 바닥면적은 약 175m²이다.

시험작물은 딸기 ‘설향’(Fragaria × ananassa Duch. ‘Seolhyang’)으로 하였으며, 처리구는 고온기 딸기 육묘 냉방시스템을 적용한 냉방육묘구와 측창 개폐 및 송풍팬 중심의 관행 육묘방식으로 관리한 일반육묘구로 구분하였다. 육묘가 진행되었던 기간은 2025년 4월 16일부터 9월 15일까지였으며, 해당 기간에 대한 외부 환경 데이터를 Table 1과 Fig.1에 나타내었다.

Fig. 1

Experiment period external environment data

2. 육묘 냉방시스템의 구성 및 설계

본 연구에서 개발한 육묘 냉방시스템은 온실 공기 전체를 냉방하기보다, 자묘포트 하부 및 근권부에 냉열을 직접 전달하는 국부 냉방방식이다. 딸기 육묘온실은 고온기 습도와 병해 관리를 위해 측창을 개방하고 송풍을 병행하는 경우가 많아 공간 냉방의 효율이 낮다. 따라서 냉수파이프와 포트 하부의 접촉을 이용한 근권부 냉방은 개방형 육묘시설에서 적용 가능한 온도저감 방식으로 판단된다. 본 연구에서 개발된 고온기 딸기 육묘 냉방시스템은 기존 농가의 고설식 육묘베드에 적용할 수 있도록 설계하였다. 철제 지지대 상부에 냉수파이프를 배치하고, 4×8구 경질 플라스틱 자묘포트의 하부 돌출부가 냉수파이프와 접촉하도록 배열하였다(Fig. 2). 냉수파이프는 자묘포트의 1－2열, 3－4열, 5－6열, 7-8열 포트 사이에 위치하도록 설치하여 포트 하부 근권부로 냉열이 전달되도록 하였다. 냉수는 공기열원 히트펌프를 이용하여 2ton급 냉수 축열탱크에 저장한 뒤 순환시켰으며, 배관은 역회수식으로 구성하여 배관 길이 방향의 온도 편차를 줄이고자 하였다. 주요 구성품, 냉수배관 설치 형태 및 운전 알고리즘은 Fig. 3에 제시하였다.

Fig. 2

Schematic diagram and main components of the prototype strawberry seedling cooling system; A) System schematic, B-a) Chilled-water tank, B-b) Cooling pipe on nursery bed, B-c) Air-source heat pump, B-d) Control panels

Fig. 3

Installation details and operating algorithm of the prototype seedling cooling system; A) Explanation of the seedling cooling system configuration, B) Seedling cooling system operation control logic

냉방에 사용한 파이프는 VN 비압력용 경질 PVC관 직관 40A (SDR 13.6)이며, 어미묘 포트 양측으로 4열씩 총 8열을 배치하였다. 각 열의 길이는 20m로 전체 배관길이는 160m였다. 배관 1m 길이에 대해 내부 대류, 관벽 전도, 외부 대류 및 복사를 직렬 열저항으로 가정하고 단위길이당 열유입 q'을 산정하였다. 계산에는 식 (1), (2), (3), (4), (5)를 사용하였다. 여기서 r_i와 r_o는 각각 관 내반지름과 외반지름, h_i는 내부 대류열전달계수, h_o는 외부 등가열전달계수, k_pvc는 PVC 열전도율, T_a는 관 주위 공기온도, T_w는 순환수 설정온도이다. 외부 등가열전달계수 h_o는 Churchill-Bernstein 상관식 기반 대류항과 선형화 복사항을 합산하여 산정하였다(Churchill and Bernstein, 1977). 육묘베드 하부에는 전도 및 복사 열전달만이 아닌 자연대류 또는 강제대류에 의한 열전달도 일어나게 된다. 또한 추후 개선될 육묘 냉방시스템에는 송풍팬이 추가될 예정으로 Churchill-Bernstein 상관식을 적용하였다.

배관 설치환경과 물성치, 풍속별 열전달률 계산 조건은 Table 2와 같다. 계산결과 160m 배관의 열전달률은 대표 풍속 1.0m/s 조건에서 5,157kcal/h로 산정되었다. 1 RT의 냉동능력 3,024kcal/h로 환산하면 최소 2RT급 이상의 히트펌프 용량이 필요하다고 판단되었으며, 혹서기 온실 내부의 급격한 온도 상승과 장치 안정성을 고려하여 4RT급 공기열원 히트펌프와 2ton급 냉수탱크를 적용하였다. 냉방수는 17℃로 유지하였으며, 베드 하부온도 기준 23.5℃를 초과할 때 냉방이 작동되도록 하였다. 23.5℃의 기준은 딸기의 생장점이 위치한 관부의 최적 생육온도가 21－23℃로서 베드 주변의 온도를 이와 유사한 환경으로 유지하기 위함이다. 또한 냉수 설정온도 17℃는 냉수배관과 직접적으로 접촉하는 포트에 냉해 피해를 입히지 않고 주변 공기 온도를 23.5℃로 냉방하기 위한 실험적 설정 온도이며, 예비 실험결과에서는 17℃로 설정 시 주변 냉방효과가 나타나는 것을 확인하였다. 냉방수는 공기열히트펌프에 의해 항상 축열조에 17℃를 유지하고 On/Off 제어에 의해서 설정온도에 따라 냉방수가 공급 및 정지를 반복하도록 하였다.

3. 냉방효과 측정

육묘 냉방시스템의 온도저감 효과는 자묘포트 하부 근권부 주변온도와 포트 내부 근부온도를 대상으로 분석하였다. 자묘포트 하부 근권부 주변온도는 냉방육묘구와 일반육묘구 육묘베드 하부에 온습도센서를 설치하여 측정하였으며, 포트 내부 근부온도는 자묘의 근부 위치에 열전대(Thermocouple)를 삽입하여 측정하였다(Fig. 4). 연구에 사용된 온습도 기록계는 HOBO사의 TR72A-S를 사용하였다. 열전대는 K-type이며, 측정범위 －25~70℃의 측정범위를 가지며, 정확도는 ±0.1℃, ±1%, 직경 5mm이다. 냉방효과 분석을 위한 센서 위치는 본 연구의 목적에 맞춰 베드 하부를 기준으로 하였고, 근부 냉방효과는 근부의 온도 측정을 위해 포트속 뿌리가 위치한 곳을 기준으로 2.5－3.5cm깊이에 설치하였다. 냉방효과 분석에는 냉방실험 기간 중 냉방효과가 가장 뚜렷하게 나타난 2025년 8월 23일의 데이터를 사용하였다.

Fig. 4

Sensor installation locations for cooling effect analysis; A) Measurement locations for temperature and humidity under seedling bed, B) Measurement locations for root zone temperature inside pots

자묘포트 하부 근권부 주변온도는 온실 내부기온 및 일반육묘구와 비교하여 최대 및 평균 온도저감값을 산정하였다. 포트 내부 근부온도는 냉방육묘구와 일반육묘구 간 최대 온도차, 평균 온도차 및 처리별 최고 근부온도를 비교하였다.

4. 묘소질 조사 및 통계분석

육묘 종료기에 묘소질 지표로 관부직경, 초장, 엽병장, 엽장, 엽폭 및 SPAD를 측정하였다. 표본수는 냉방육묘구 60주, 일반육묘구 40주로 하였다. 일반육묘구는 육묘 초기 병 발생으로 일부 개체가 손실되어 균형 표본을 확보하기 어려웠으므로, 확보 가능한 개체 중 생육상태를 대표할 수 있는 표본을 선발하였다. 육묘를 통해 생산된 냉방육묘는 약 1,200주, 일반육묘는 약 600주로서 모집단이 1,000주 이내일 경우 통상적으로 5－10% 표본비율을 사용하고 농업생물분야에서는 30－60주를 표준 모집단 단위로 사용한다. 신뢰수준95%, 허용오차±5% 기준의 공식적 표본수 추정 시 30－80주를 모집단의 표본수로 가정하는 것이 적절하다고 판단하였다. 표본묘는 무작위방식으로 선정하였다.

두 처리구 간 평균 차이는 Welch's t-test로 검정하였다. 또한 이상치 또는 비정규 분포에 의한 평균 검정의 민감도를 보완하기 위해 Mann-Whitney U test를 병행하였다. 처리효과의 크기는 Cohen's d, Hedges' g, Cliff's delta 및 rank-biserial r로 산정하였다. 통계적 유의수준은 p < 0.05로 설정하였다.

5. 본포 정식 후 출뢰 조사

육묘 후 본포 재배 반응을 확인하기 위해 냉방육묘구와 일반육묘구에서 생산된 딸기묘를 2025년 9월 16일 국립농업과학원 농업공학부 내 시험용 단동온실에 정식하였다. 시험용 단동온실은 앞서 언급된 실험온실과 동일하며, 냉방육묘구와 일반육묘구 두 종류를 동일온실 각각 1개동에 정식하여 비교분석하고자 하였다.

출뢰조사는 첫 1화방이 출뢰된 2025년 10월 14일부터 조사하였다. 출뢰수는 조사일마다 각각의 온실에 정식된 1,000주에 대해서 전수조사 형태로 진행되었다. 냉방 및 일반 처리구 모두 약 1,000주가 정식되었으나 보식묘 60주가 포함된 점을 고려하여 냉방육묘구의 누적 출뢰수가 940개에 도달한 시점에서 출뢰조사를 종료하였다.

결과 및 고찰

1. 육묘 냉방시스템의 온도저감 효과

냉방 실험은 2025년 7월 22일부터 9월 15일까지 진행되었으며, 실험기간 중 가장 고온기였던 8월 19일에서 8월 26일까지 7일간의 데이터를 통하여 냉방효과에 대한 평균값을 산출하였다. 또한 고온기 중 가장 높은 외기온을 보인 2025년 8월 23일 자료를 기준으로 그래프로 표현하였다. 자묘포트 하부 근권부 주변온도를 비교한 결과, 냉방육묘구는 온실 내부기온 대비 최대 10.7°C, 평균 6.6°C 낮았다(Table 3, Fig. 5). 일반육묘구와 비교하면 냉방육묘구의 자묘포트 하부 근권부 주변온도는 최대 6.1°C, 평균 4.3°C 낮았다. 해당일 온실 내부 최고기온은 41.8°C로 높았음에도 냉방육묘구의 근권부 주변온도는 관행구 대비 확연하게 낮게 유지되었다.

Fig. 5

Analysis of the cooling effect on the underside of the seedling bed using a seedling cooling system

포트 내부 근부온도는 일반육묘구 대비 냉방육묘구에서 최대 7.6°C 낮았고, 평균 온도차는 3.9°C였다. 일반육묘구의 근부 최고온도는 32.0°C였으나 냉방육묘구의 근부 최고온도는 26.3°C로 낮아졌다(Table 3, Fig. 6). 이는 냉수파이프와 포트 하부의 접촉을 통한 전도 및 포트 하부 미기상 냉각이 실제 포트 내부 근부온도 저감으로 연결되었음을 의미한다.

Fig. 6

Analysis of the cooling effect on the root zone inside the pot using a seedling cooling system

본 연구의 포트 하부 냉수배관 방식은 폐쇄형 육묘시스템이 아닌 개방형 온실에서 근권부 미기상을 낮추는 방식이라는 점에서 선행연구와 차이가 있으며, 온도 민감 기관 주변의 국부 냉각을 통해 고온 스트레스를 완화한다는 기술적 방향은 일치한다.

2. 묘소질 지표의 통계적 차이

묘소질 지표를 분석한 결과, 냉방육묘구는 일반육묘구보다 관부직경, 초장, 엽병장, 엽폭 및 SPAD에서 유의하게 높은 값을 보였다(Table 4, Fig. 7). 관부직경은 냉방육묘구 7.77 ± 1.35mm, 일반육묘구 7.27 ± 1.05mm로 Welch's t-test에서 유의차가 인정되었다(p = 0.041). 초장은 냉방육묘구 30.17 ± 2.82cm, 일반육묘구 25.82 ± 3.43cm였으며(p < 0.001), 엽병장은 각각 21.09 ± 2.43cm와 17.21 ± 3.01cm로 냉방육묘구가 높았다(p < 0.001). 엽폭은 냉방육묘구 5.89 ± 0.52cm, 일반육묘구 5.52 ± 0.78cm로 유의하게 증가하였고(p = 0.010), SPAD 역시 냉방육묘구 46.54 ± 2.05, 일반육묘구 45.40 ± 2.63으로 유의하게 높았다(p = 0.024). 반면 엽장은 냉방육묘구 7.72 ± 0.90cm, 일반육묘구 7.51 ± 0.83cm로 평균값은 높았으나 통계적 유의성은 확인되지 않았다(p = 0.235).

Fig. 7

Comparison of growth effects; A) Comparison of actual growth effects of control group and treatment group following application of cooling seedling system, B) Statistical comparative analysis of growth effects (B-A－B-F, Crown diameter, plant height, petiole length, leaf length, leaf width, SPAD)

효과크기 분석에서도 초장과 엽병장은 Hedges'g가 각각 1.403과 1.443으로 큰 효과크기를 보였고, 엽폭과 SPAD는 각각 0.583과 0.490으로 중간 수준의 효과를 나타냈다(Table 4). 관부직경은 Hedges' g가 0.399로 비교적 작은 효과였으나, 관부직경은 정식 후 활착과 초기 생육, 화아분화 판단에 활용될 수 있는 주요 묘소질 지표라는 점에서 실용적 의미가 있다(Ndikumana et al. 2025). Mann-Whitney U test에서도 초장, 엽병장 및 엽폭은 유의성이 확인되었으며, SPAD는 유의수준 부근의 차이를 보였다. 이러한 결과는 냉방육묘시스템이 고온기 포트 근권부 온도 상승을 완화하여 묘의 생육 안정성과 묘소질 개선에 기여했음을 시사한다.

다만 본 연구의 묘소질 표본은 냉방육묘구 60주, 일반육묘구 40주로 불균형하며, 일반육묘구 일부 개체가 육묘 초기 병 발생으로 손실된 조건에서 확보되었다. 따라서 결과 해석 시 1년차 프로토타입 실험의 현장성을 고려해야 하며, 향후 반복연차와 반복구를 확보한 실험을 통해 처리효과의 재현성을 검증할 필요가 있다.

3. 본포 정식 후 1화방 출뢰 반응

본포 정식 후 1화방 출뢰를 조사한 결과, 최초 출뢰는 냉방육묘구와 일반육묘구 모두 2025년 10월 14일에 1개씩 관찰되었다(Table 5). 따라서 최초 출뢰일 자체는 처리 간 차이가 없었다. 그러나 10월 22일까지는 일반육묘구의 누적 출뢰수가 근소하게 많았던 반면, 10월 24일 이후 냉방육묘구의 출뢰수가 크게 증가하여 조사 종료 시점에는 냉방육묘구의 출뢰수가 일반육묘구보다 11.6% 높았다(Table 5, Fig. 8).

Fig. 8

Comparison results of strawberry first flower cluster budding response according to cooling seedling system

출뢰수 증가는 고온기 냉방육묘를 통해 생산된 묘가 본포 정식 후 초기 생식생장으로 전환되는 과정에서 상대적으로 안정적인 반응을 보였음을 의미한다. 딸기 촉성재배에서 초기 출뢰 및 개화는 11-12월 조기 수확과 초기 수량 확보에 직결되므로, 냉방육묘에 의한 묘소질 개선과 출뢰 반응 증가는 농가 적용성 측면에서 중요한 결과로 판단된다. 다만 본 논문에 포함된 출뢰반응 데이터는 누적 출뢰수 중심의 결과이므로, 향후에는 처리별 총 개체수, 일별 누적 출뢰율, 2화방 출뢰 및 실제 수확량 자료를 함께 확보하여 냉방육묘의 생육·수량 효과를 정량적으로 검증할 필요가 있다.

4. 종합 고찰

본 연구의 프로토타입은 기존 육묘베드 구조를 크게 변경하지 않고, 포트 하부에 냉수배관을 접촉시키는 방식으로 근권부 냉방을 구현하였다. 온실 전체를 밀폐하여 냉방하기 어려운 딸기 육묘시설에서는 국부 냉방방식이 에너지 이용 측면에서 유리할 수 있으며, 근권부 및 관부 주변의 고온 스트레스를 완화함으로써 묘소질 개선과 정식 후 출뢰 안정성 향상에 기여할 가능성이 있다.

반면, 본 연구는 1년차 프로토타입 검증으로서 냉방효과 분석일이 제한적이고, 처리구 간 표본수 및 병 발생 조건이 완전히 균형적이지 못했다. 또한 냉방수 온도, 순환유량, 포트와 배관의 접촉면적, 하부 송풍 및 투습지의 증발냉각 효과가 독립적으로 분리되어 평가되지는 않았다. 또한 육묘베드 하부의 냉방효과와 포트 내부 근부 온도의 냉방효과는 균일하지 않았는데, 이는 포트와 직접적인 접촉이 발생하는 근부와 복사 및 대류 냉각으로 인한 육묘베드 하부의 환경구조상 동일한 냉방효과를 나타내는 것은 어려운 것으로 판단된다. 그러나 향후 연구에서는 냉방효과는 다를지라도 생육적정온도에 도달하는 냉방효과를 보이는 것에 초점을 맞출 필요가 있다. 그리고 향후 연구에서는 냉수 온도와 운전시간, 송풍 조건, 포트 형상, 배관 재질 및 배치 간격을 변수화하여 최적 운전조건을 도출하고, 출뢰율뿐 아니라 수확시기, 초기 및 총수량, 병해 발생률 및 경제성을 함께 분석할 필요가 있다.