서 언
국화(Chrysanthemum morifolium)는 화형, 화색, 표현형 등 이 매우 다양하여 전세계적으로 중요한 화훼 작목으로 절화, 분화, 화단국의 형태로 이용된다. 국화는 관상용뿐만 아니라 플라보노이드(flavonoid), 터핀(terpene) 등의 이차대사물질들 을 포함하여 한방재료 및 식용으로 널리 활용된다. 또한 새로 운 치료제 및 농작물 등으로 이용할 수 있어 상업적으로 중요 한 작물 중 하나이다(Kumar et al. 2005). 2019년 기준 국내 절화 국화 재배 면적은 309ha, 판매량은 134백만본, 판매금액 은 46,796백만원으로 전체 절화류 생산금액의 26.3%를 차지 하고 있으나, 2006년 재배 면적이 805ha로 최고 수준 이후 감 소하고 있는 실정이다(MAFRA 2006;MAFRA 2019). 이는 대 외적으로 글로벌 시장개방으로 인해 전세계 농업인과 경쟁 상 태가 되었고, 내부적으로는 농업인구의 감소와 고령화, 일손 부족, 급격한 기후변화로 인한 영농환경의 변화, 농산물 가격 의 불안정함에 따른 생산과 소득의 불일치 등이 그 이유로 보 고되었다(Yoon et al. 2017). 또한 우리나라처럼 여름 고온기에 국화를 재배하는 경우에는 기형화가 다수 발생하고(Lawson and Dienelt 1992) 개화시기가 지연되며(Kim et al. 2009) 안 토시아닌 함량이 현저하게 감소되어 품질이 떨어진다(Huh et al. 2008). 겨울 저온기에 재배하는 경우에는 난방 시설을 사 용해야 하므로 생산 비용이 증가하는 문제가 발생한다(Wang et al. 2018). 즉, 일정한 환경을 유지해주지 않으면 연중 균일 한 품질의 국화를 생산하고 공급하는데 어려움이 따르게 된다.
스마트팜은 정보통신기술(ICT, IoT)을 통해 작물의 파종부 터 수확까지 온도, 습도, 이산화탄소, 지온, 일조량 등 생육환 경 정보와 작물의 초장, 수량, 엽면적, 당도 등 생육특성 정보 를 데이터베이스화하여 작물의 최적 생육관리 모델을 구축한 후 이를 도입하여 작물의 생육 품질과 수량을 증대시킴과 동 시에 노동력, 경영비 등을 절감하고 편리한 농업 방식으로 재 배할 수 있다는 장점을 가지고 있다(Lee et al. 2019). 절화 국 화의 경우 절화장, 절화중, 화경, 꽃의 수에 의해 품질이 결정 되며 이는 토양, 광, 온도, 습도 등과 같은 재배 조건에 의해 영향을 받기 때문에(Hwang et al. 2007;Yoo and Roh 2014) 스마트팜 기술을 활용해서 최적의 절화 국화 재배 환경 조건 을 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 농업 선진국인 네덜란 드는 국토 면적이 우리나라의 40%에 불과하지만 척박한 토양 을 극복하기 위해 첨단 농업 기술인 ICT(Information and Communications Technologies)를 개발하였고 정부가 산-학- 연 협업을 이루며 혁신을 추진하여 농업 수출 강국이 되었으 며, 이스라엘은 한정된 면적과 용수 부족을 극복하기 위해 첨 단 IT 기술을 개발하여 작물의 생산 경쟁력을 확보하였다 (Choi et al. 2019;Yeo et al. 2016). 또한 일본은 농업ICT융 합 기술 연구개발을 통해 농업의 국제 경쟁력을 향상시키고자 정부에서 적극적으로 지원하고 있으며 미국은 농무부(U.S Department of Agriculture)를 중심으로 농업ICT융합 R&D 정 책을 장기적으로 추진하고 있다(Kim and Huh 2015).
2016년 말 국내 전체 온실면적은 54,218ha 정도로 세계 2~3위 수준이다. 하지만 농가 당 온실 면적은 0.6ha 정도로 영세하고, 생산성도 네덜란드 등 농업 선진국에 비해 1/2~1/6 정도의 수준으로 효율성이 떨어진다. 이는 정확한 데이터를 활용하는 것이 아닌 경험과 직관에 의존하여 작물을 생산하며 (Lee et al. 2018), 시설재배의 90% 이상이 비닐온실로 시설 내 재배 환경이 열악하여 생산성 증가에 어려움을 겪고 있으 므로 이로 인해 불필요한 에너지 및 노동력 투입 등의 문제가 발생하게 되기 때문이다(RDA 2018). 정부는 다양한 농업 문 제 해결을 위해 ‘4차 산업혁명 위원회’를 설립하고 ICT 기반 스마트팜 기술을 도입하여, 2017년까지 시설원예 스마트팜 4,000ha 보급을 목표로 추진하였으며(KREI 2017) 추가적으로 스마트 온실 보급을 2022년까지 7,000ha까지 확대 보급하고 자 하는 정책을 추진해 농업강국으로 도약하고자 한다. 2016 년 기준 국내 스마트팜은 총 927호 보급되어 있으며 시설원예 분야는 760호이고, 그 중 화훼는 27농가(4%)로 활용이 미미하 다. 하지만 화훼분야 스마트팜 선도농가들의 ICT 도입 이후 생산량이 18.0%, 조수익이 34.4% 상승하였으므로 추가적인 보급 확대가 절실하다(Kim et al. 2016). 이를 위해 토마토, 파 프리카, 딸기, 국화 등 현장에서 활용가능한 가이드라인을 제 시하였으나 아직은 다양한 품목별, 품종별 데이터베이스가 부 족한 실정이다(RDA 2018). 따라서 본 연구를 통해 절화 국화 스마트팜과 관행재배 온실 시설을 비교하고, 토양 환경 및 절 화의 생육 상태를 분석하여 국화 농가의 스마트팜 보급 확대 를 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.
재료 및 방법
농가 분석 및 공시재료
스마트팜과 관행재배 온실의 재배형태에 관한 조사는 경기도 이천시에 위치한 절화 국화 전업농가인 ‘동산농원(Dong-San farm, Icheon)’에서 수행하였다(Fig. 1). 실험의 동일성을 꾀하 기 위하여 동일인이 동일한 품종으로 동일한 지역에서 재배하 는 것을 원칙으로 하여 조사하였다. 시설 유형과 면적, 내부 시설 센서 시스템, 연간 누적 정식 주수 및 연간 기작 수 등을 조사하였다(Table 1). 스마트팜은 ㈜삼일엔지니어링(SAM IL ENGINEERING Co., Ltd, Korea)에서 생산된 제품을 사용하여 2010년에 완공한 곳이다. 일반적 형태의 단동 관행재배 온실 은 1995년 완공된 곳을 선정하여 조사하였다. 본 연구에 사용 된 공시재료는 스마트팜과 관행재배 온실에서 재배된 동일 품 종 스프레이 절화 국화로 ‘아비삭(Abishag)’, ‘포드(Ford)’, ‘헤 나(Henna)’를 사용하여 비교 분석하였다.
토양 분석
토양채취는 토양시료채취기(SL09016, Soil Sampler, Korea을 이용하였다. 토양검정은 국화묘종을 심기 전, 생육 중기(식재 후 6주차), 생육 말기(11주차)에 국화 묘종 뿌리에서 5cm 떨어진 곳에서 토양 지표면의 식물 잔사나 이물질 등을 제거 후 깊이 15cm로 5개소에서 채취하여 혼합 후 500g에 대해 검정을 실시 하였다. 스마트팜과 관행재배 온실에서 모두 채취하였고, 생육 중기와 말기는 품종별로 각각 채취하여 비교 분석하였다. 토양 검정은 이천시농업기술센터(Icheon Agricultural Technology Service Center)에서 결과를 받았다. 토양의 pH와 전기전도도는 pH 미터기(Orion™ Versa Star Pro™ Benchtop pH Meter, Thermo Fisher Scientific, USA)로, 유기물함량은 분광광도계 (Cary 3500 UV-Vis, Agilent Technologies, USA), 유효인산함량 은 측정기(Agilent 4100 MP-AES, Agilent Technologies, USA), 무 기원소분석은 ICP(Inductively Coupled Plasma Spectrometer) 장비(700 ICP-OES, Agilent Technologies, USA)를 사용하여 분 석하였다.
생육 특성 분석
스마트팜 스프레이 절화 국화 ‘아비삭(Abishag)’ 및 ‘헤나 (Henna)’는 2020년 7월 20일부터 9월 25일까지 조사를 수행하 였고 ‘포드(Ford)’는 2020년 8월 3일부터 10월 12일까지 조사하 였으며, 관행재배 온실은 세 품종 모두 2020년 8월 25일부터 10월 12일까지 조사를 수행하였다. 생육 특성은 절화 국화 정 식 후 5주째부터 임의로 각 10본씩 선정하여 2주간격으로 조사 하였다. 절화의 생육 특성은 절화장, 엽수, 줄기직경(중간부, 하 단부), 엽록소 함량을 분석하였다. 엽록소 함량 조사는 절화 국화 잎을 Chlorophyll meter(SPAD-502 plus, KONICA MINOLTA, Japan)를 이용하여 2회 측정 후 평균을 내어 분석하였다.
통계처리
농가 종류에 따른 절화 국화 생육 데이터의 유의성 분석은 SPSS 22.0(IBM Inc, NY, USA) 통계 프로그램을 사용하여 독 립 표본 T-test 방법으로 비교 분석하였다.
결과 및 고찰
스마트팜 및 관행 농가 시설 분석
관행재배 온실은 면적이 1,500m2인데 비해 스마트팜은 면 적이 6,742m2로 약 4.5배 정도 넓었다. 스마트팜은 안개분사 장치로 내부온도를 낮게 유지하는 장치가 있는 반면 관행재배 온실에서는 측창을 열어 두는 것 외에 다른 장치를 설치하지 않았다. 여름 고온기에 국화를 재배할 경우 기형화, 개화지연, 화색 불량 등 문제가 발생하기 때문에(Huh et al. 2008;Kim et al. 2009;Lawson and Dienelt 1992) 안개분사장치가 설치 된 스마트팜에서는 여름에도 우수한 품질의 상품으로 재배가 가능하다고 하였다.
스마트팜에서는 생육을 제어하는 자동시스템을 갖추고 있 는 반면 관행재배 온실에는 없었다. 스마트팜에는 감지장치가 16개로 온, 습도 조절장치, CO2 조절장치, 내부 공기 유통장 치, 광조절 장치와 주변을 살필 수 있는 CCTV가 설치되어 있 었지만 관행재배 온실에서는 CCTV만 설치되어 있었다. 스마 트팜에서는 생육조절과 환경제어가 자동으로 입력된 값에 의 해 조절되지만 관행재배 온실에서는 모든 것을 육안으로 판단 해 수동으로 조절해야 하는 한계가 있었다. 관행재배 온실에 서 재배 시 기상변화가 심한 최근에는 자칫 큰 어려움을 겪을 수 있어 농가에 스마트팜을 점진적으로 설치하여야 할 것으로 생각된다. 스마트팜에서는 다양한 시스템을 활용해 연중 균일 한 환경에서 재배하므로 연간 3.5기작, m2당 연간 129본을 수 확이 가능했으며, 이는 관행재배 온실에서 연간 3기작, m2당 연간 91본을 수확하는 것에 비해 수확량이 증가되었다. 이는 스마트 온실 설치 후 수확량이 감소했다고 응답한 농가는 없 었다는 보고와 일치한 결과를 보였다(Park et al. 2020).
토양 분석
관행재배 온실과 스마트팜의 초기 토양을 검정한 결과 pH는 모두 적정한 6.8~7이었다(Fig. 2). 유기물함량은 관행재배 온실 에서는 적정량인 31g/kg이었지만 스마트팜은 적정량보다 다소 못 미치는 21g/kg로 나타났다. 유효인산은 관행재배 온실은 적 정량인 500mg/kg보다 약 4배가 많은 1,937mg/kg이었고, 스마 트팜에서도 1,355mg/kg로 적정량보다 훨씬 많았다. 칼륨은 관 행재배 온실이 3.08cmol+/kg, 스마트팜은 1.23cmol+/kg이었 다. 칼슘과 마그네슘도 적정량보다 많은 3.1~5.4cmol+/kg로 나 타났다. 전기전도도는 관행재배 온실에서는 7.7dS･m-1로 아주 높았으며 스마트팜에서는 적정수준인 1.4dS･m-1이었다. 국화 묘종을 심기위해 토양을 조성하는 과정을 살펴본 바 pH는 두 처리구에서 적정하게 나타났지만 식물 생장에 많은 영향을 끼치 는 전기전도도는 관행재배 온실에서는 적정치인 2dS･m-1 이하 보다 3.8배정도 높게 나타난 반면 스마트팜에서는 적정 수준을 유지하고 있어 스마트팜에서의 토양관리가 좋은 것으로 나타났 다. 폐쇄적인 시설재배지에서 퇴비 및 화학비료의 과다 사용은 염소, 황산, 질산 등의 집적 유발을 통해 염류 농도가 증가되고 연작할 경우 더 심각해지기 때문에(Lee et al. 2011) 1995년부터 다비성 작물인 국화를 재배한 관행재배 온실에 염류집적이 더 많이 생겨 전기전도도가 높아진 것으로 사료된다.
‘아비삭(Abishag)’, ‘포드(Ford)’, ‘헤나(Henna)’ 3품종을 생 육 6주가 지난 후 토양을 검정한 결과(Fig. 3), 국화 재배 시 적정 pH는 6.0~7.0 사이이며 관행재배온실에서는 6.8~6.9를 보였고, 스마트팜에서는 6.3~6.6으로 모두 적정 pH 값을 보였 다. 유기물함량은 관행재배 온실에서는 적정량인 34~37g/kg, 스마트팜에서는 다소 양이 적은 20~27g/kg이었다. 유효인산 은 관행재배 온실에서 1,851~1,973mg/kg으로 적정량보다 약 4배 정도 많았으며, 스마트팜에서는 1,077~1,573mg/kg으로 약 2~3배 정도 많았다. 칼륨과 칼슘, 마그네슘도 관행재배 온 실과 스마트팜에서 높게 나타났다. 전기전도도는 관행재배 온 실에서 10dS･m-1로 아주 높았고, 스마트팜은 4.4~5.7dS･m-1로 적정 수준보다 높았다. 중기에서의 토양 검정은 재배할 때 가축 분 퇴비나 화학비료를 다량 시용 시 염류 집적 및 토양의 물 리화학적 변화가 생긴다는 보고(Kim et al. 2003)를 통해 병충 해 방제를 위해 농약을 살포하고 추비를 살포하면서 염류집적 이 되면서 전기전도도가 매우 높게 올라간 것으로 추측된다.
‘아비삭(Ahishag)’, ‘포드(Ford)’, ‘헤나(Henna)’ 3품종을 생육 말기인 11주에 토양을 검정한 결과 관행재배 온실에서 pH는 약산성인 6.6~6.7를 보였고, 스마트팜에서는 pH 6.4~6.8로 두 처리구에서 거의 유사한 경향을 보였다(Fig. 4). 유기물함 량은 관행재배 온실에서는 39~41g/kg, 스마트팜에서는 적 정량인 28~29g/kg이었다. 유효인산은 관행재배 온실에서는 1,947~2,129mg/kg으로 생육 중기보다 더 많이 검출되었으며, 스마트팜에서는 1,528~1,593mg/kg으로 나타났다. 관행재배 온실에서는 칼륨과 칼슘, 마그네슘의 함량이 기준치 보다 월 등하게 높게 나타난 반면 스마트팜에서는 대부분이 적정량이 함유된 것으로 나타났다. 전기전도도는 관행재배 온실에서 10dS･m-1로 매우 높았고, 스마트팜은 4.8~5.3dS･m-1로 적정 수준보다 높았다.
절화 생육 특성 분석
스마트팜과 관행재배 온실에서 재배한 ‘아비삭(Abishag)’ 품 종의 형태적인 특성을 2주 간격으로 조사한 결과 스마트팜에 서 절화장은 5주 43.8cm에서 11주에는 87.1cm로 나타났다 (Table 2). 이는 생육 5주차에서 7주차에는 147.5%로 가장 생 육이 왕성하였고, 7주차에서 9주차는 130.0%로 생육이 왕성 하였지만 점차 생육 후반기로 접어드는 경향을 보였다. 9주차 에서 화뢰가 맺힌 11주차에는 생육이 거의 이루어지지 않은 103.8%를 보였다. 관행재배 온실에서는 9주차에서 가장 생육 이 왕성하여 7주차에 비해 164.3%의 성장을 하였고, 11주차에 는 113.5%의 생육을 보였다. 생육에서 초장은 스마트팜이 관 행재배 온실에 비해서 17.9% 길었다. 엽수는 스마트팜에서 재 배한 경우는 34.1개로 관행재배 온실에서 재배한 29.5개보다 약 5개 정도가 많았으며 이는 절화장과 유사한 결과치를 보였 다. 줄기 직경은 하단부에서는 스마트팜이 5.8cm, 관행재배 온실은 5.1cm였고 중간부 경우도 스마트팜은 6.3cm, 관행재 배 온실이 5.3cm로 줄기 직경 또한 모두 스마트팜에서 굵게 나타났다. 생육 후반기에는 절화장보다는 줄기 직경 증가, 경 도 증가에 초점을 두었기 때문에 위와 같은 결과가 나타났다. 엽록소 함량은 재배기간이 길어짐에 따라 짙어지는 경향을 보 여 스마트팜은 5주 41.8에서 11주에는 57.9로 138.5% 증가하 였고 관행재배 온실는 5주 44.7에서 11주 61.1로 136.7%로 비 슷하게 증가하였으나, 함량 자체는 관행재배 온실가 더 높았 다. 국화의 엽록소 함량값은 강광도 조건에서 증가하고, 광도 가 낮아질수록 감소하였다(Lee et al. 2001)는 내용을 통해 관 행재배 온실에서 염록소함량이 많이 나온 것은 스마트팜보다 낮은 높이에서 많은 광량을 받았기 때문인 것으로 판단된다.
스마트팜과 관행재배 온실에서 재배한 ‘포드(Ford)’ 품종의 형태적인 특성을 2주 간격으로 조사한 결과는 Table 3과 같 다. 길이는 스마트팜에서 재배했을 때 5주 30.28cm에서 11주 에는 70.7cm로 234.1%의 신장을 보였다. 생육 5~7주차에서 170.9%로 가장 생육이 왕성하였고, 7~9주차는 120.5%, 9~11 주차에는 114.4%로 점차 더디게 진행되었다. 관행재배 온실 에서는 5주차에 비해 11주차의 초장 신장률은 226.2% 증가하 였다. 5주차에 비해 7주차의 신장률은 138.3%, 7주차보다 9주 차 때의 신장률은 143.0%, 9주차보다 11주차 때의 신장률은 114.4%였다. 관행재배 온실에서의 신장률은 7~9주차때 가장 많이 성장하는 것으로 나타났고 9~11주차는 신장률이 가장 낮았다. 스마트팜 대비 관행재배 온실에서의 생육은 차이를 보였다. 따라서 스마트팜에서 포드를 재배할 때는 5~7주차에 추비를 하는 것이 좋고, 관행재배 온실에서는 7~9주차에 추비 를 해서 포드 품종을 재배하는 것이 좋을 것으로 사료된다. 잎 수는 스마트팜에서 재배한 경우는 30.4개로 관행재배 온실 에서 재배한 30.6개와 유사한 차이를 보였다. 잎의 증가는 두 처리구 모두에서 5~7주차에 가장 많이 증가하였다. 절화 국화 ‘Jinba’로 재배 체계와 절화 품질과의 상관 관계를 분석한 결 과, 잎 수와 토양 pH는 양의 상관 관계를 가장 크게 보였고 토양 EC는 음의 상관 관계가 상대적으로 적었다(Roh et al. 2017)고 보고 하였고 이와 유사한 결과를 얻었다. 줄기 직경 은 마지막 줄기 직경에서는 두 처리구에서 모두 유의성이 없 는 4.7~5.1cm였고, 중간 직경의 경우도 5.1~5.4cm로 상호간 의 유의성은 인정되지 않았다. 따라서 두 처리구간의 줄기 굵 기는 차이가 없는 것으로 나타났다. 이는 온도조건과 재배조 건의 토양의 유기물 및 무기물의 차이에서 비롯한 것으로 생 각된다. 엽록소 함량은 재배기간이 길어짐에 따라 함량이 많 아졌고 스마트팜은 52.5로 관행재배 온실의 64.6보다 월등히 적게 나타났다. 또한 엽록소 함량의 변화율은 스마트팜에서는 107.2~113.6%로 거의 변화 하지 않았고, 관행재배 온실에서 는 105.6~120.0%의 비율을 보였는데 꽃이 피기 시작하는 기 간에 엽록소 함량의 변화가 가장 미미하였다.
스마트팜과 관행재배 온실에서 재배한 ‘헤나(Henna)’ 품종 의 형태적인 특성을 2주 간격으로 조사한 결과 초장은 스마 트팜에서 재배했을 때 5주 34.3cm에서 11주에는 68.8cm로 200.6%의 신장률을 보였다(Table 4). 또한 초장의 생육은 5~7 주차에는 157.1%로 가장 생육이 왕성하였고, 7~9주차는 112.8% 로 생육이 서서히 진행되었고, 9~11주차에는 현저히 떨어진 102.8%였다. 관행재배 온실에서의 초장 신장률은 5주차에 비 해 11주차에 222.2% 증가하였다. 주차별 신장은 5~7주차는 134.7%, 7~9주차156.3%, 9~11주차 105.6%로 7~9주차에 가장 많이 초장이 길어진다는 것을 알 수 있었다. 엽수는 스마트팜 에서는 28.7개였고, 관행재배 온실에서 재배한 경우 41.1개였 다. 국화는 하루에 받는 총광량이 높을수록 잎 수가 증가한다 는 보고(Kjaer and Ottosen 2011)에 따라 높이가 낮은 관행재 배 온실의 총 광량이 많을 것으로 판단된다. 하지만 관행재배 온실에서 재배한 품종이 스마트팜에서 재배한 품종보다 잎이 많은 것은 헤나가 유일했다. 황근의 경우 같은 종이어도 서식 하는 지역의 토양의 영양분 상태에 따라 필요로 하는 수분의 양이 달라지거나, 수분의 양에 따라 필요로 하는 영양분의 양 이 달라 질 수 있다는 보고(Lee et al. 2017)와 일치한다는 결 과를 얻었다. 식물의 종에 따른 차이는 있지만 무궁화과에 속 하는 식물과는 유사한 결과를 얻었다. 이는 초장에서 큰 차이 를 보이지 않은 것과는 대조되는 것으로 추후 이 부분에 대한 연구가 더 필요해 보인다. 줄기 직경은 하단부에서는 스마트 팜에서 재배한 처리구가 5.9cm로 관행재배 온실에서 재배한 5.0cm보다 굵게 나타났다. 중간 직경은 스마트팜에서 재배한 처리구가 6.3cm로 관행재배 온실에서 재배한 5.5cm보다 굵게 나타났다. 엽록소 함량은 재배기간이 길어짐에 따라 함량이 많아졌고 스마트팜은 56.2로 관행재배 온실의 60.2보다 함량 이 낮게 나타났다.
세 품종 공통적으로 스마트팜에서 생육상태가 월등했으나, 엽록소 함량만 낮았다. 이는 조사 수행 기간이 8월~10월로 광 량이 풍부했던 시기였으며, 스마트팜은 광량이 과도할 경우 수시로 조절이 가능하지만 관행재배 온실는 높이가 낮고 광량 조절에 어려움이 있어 직사광선을 그대로 받게 되어 엽록소 함량이 높았을 것으로 판단된다.
