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장미(Rosa hybrida)는 우리나라에서 계절에 관계없이 가장 인기가 높은 화훼작물로 절화용, 분화용, 정원용(화목류) 등 다양한 용도로 이용되고 있다(RDA 2012). 2019년 국내 절화 류 재배면적 1,183.2ha 중 절화장미는 247ha에서 재배되어 국 화에 이어 두번째로 재배면적이 넓었다(MAFRA 2020). 하지 만 절화 장미를 생산하는 농가수, 면적, 판매량, 판매액은 최 근 10년 이상 국내 화훼산업의 위축과 함께 감소세에 있다 (MAFRA 2020;Park et al. 2013). 그 이유는 내수시장 및 수 출시장의 위축 등 여러 가지가 있지만, 난방용 연료비, 인건비 등 생산비 증가, 시설의 노후화와 환경제어장치 도입의 지연 에 따른 수량과 품질의 정체 등이다(Kim et al. 2015).
2019년 우리나라 화훼재배 총 면적은 4,244ha였고, 이중 시 설재배 면적은 2,024ha로 47.7%를 차지하였으며, 시설재배 면적 중 토경 면적은 57%(1,044ha), 양액재배 면적은 43%(795.3ha) 로 여전히 토경의 비중이 높았다(MAFRA 2020). 양액재배 면적 중에는 고형배지경의 비중이 84.7%로 순수수경에 비해 높았 고, 배지로는 펄라이트(211ha)와 암면(69ha)이 많이 사용되고 있었다(MAFRA 2020).
양액재배는 토양조건에 상관없이 재배 가능하며 영양분 공 급 등 환경조절이 쉽고 상품의 외형적 품질을 높이기가 쉬운 (Park et al. 1990) 반면에, 토경재배에 비해 시설비가 많이 들 며 상품성이 떨어질 수도 있다는 인식이 있다(Park et al. 1999). 멜론의 경우 토경재배에 비해 양액재배로 생산한 과실 이 저장 중 품질이 더 떨어지기도 하는 등(Choi et al. 2001) 품질적인 면에서 차이가 발생하는 경우도 있다.
시설원예에 있어서 생산성 향상을 위해서는 난방비, 인건비 등 생산비를 낮추고 온습도, 광, 이산화탄소 농도 제어, 병해충 방제, 양수분 공급 등을 보다 더 효율적으로 수행할 수 있는 스마트팜 기술의 도입이 필요한데(RDA 2018), 2019년 기준 전체 농가 약 100만 개소 중 거의 절반에 달하는 약 48만 개 농가가 정보화 기기를 활용하고 있었다(KOSTAT 2020). 이에 따라 주요 절화류인 장미의 생산성과 품질 제고를 위하여 ICT 제어를 통해 온실 환경을 조절하는 스마트팜도 점차 늘어나고 있다. 그러나 아직 토경재배와 양액재배의 2가지 재배방식이 함께 존재하는 상황이라 스마트 기술의 도입을 위해서는 두 재배방식 간의 환경요인 차이를 정확히 파악할 필요가 있다.
현재 장미의 생육과 환경에 대한 그간의 연구 결과를 보면 품종, 계절 등에 따라 적정 환경조건은 조금씩 달라지지만, 일 반적으로 생육 적정 기온은 주간 24~27˚C, 야간 15~18˚C, 일 교차 약 1 0˚C이며, 적정 근권온도(지온)는 2 0~25˚C이고, 적정 상대습도는 95% 미만으로 알려져 있다(Dole and Wilkins 2005;RDA 2018;Sakai 1993). 하지만, 시설 재배 현장에서는 아직 환경제어가 완벽하지 못하여 외부 환경의 변화에 따라 적정 범위를 벗어나는 기간이 많고, 환경요소들 간의 상호 영 향도 복잡할 것(RDA 2018)으로 예측된다.
따라서 이 연구는 토경 및 양액재배 방식으로 장미 절화를 재배하는 1세대 스마트 온실을 대상으로 연간 환경 데이터를 수집하여 비교 분석하고, 환경요인들 간의 상관관계를 분석하여 스마트 온실 환경관리의 기초자료를 제공하고자 수행되었다.
재료 및 방법
농가 선정
본 연구를 위해 대구 및 경남 지역에서 시설 면적이 비슷하 고 20년 이상 장미를 재배하고 있으며 플라스틱 하우스에 1세 대 스마트 팜 시스템을 도입하여 활용하고 있는 2개 농가(OS 와 KB)를 선정했다.
OS 농가는 대구광역시 달성군(35°51'58.8"N 128°26'37.9"E) 에 위치하며 재배방식은 점적관수를 이용해 액비를 관비하는 토 경재배였다(Fig. 1A). 9연동의 5,040m2(7m×80m×9동) 플라스 틱 하우스로 에어컨을 이용한 냉방시설과 전기를 이용한 난방시 설이 있었다. 스마트폰 어플리케이션(TeamViewer, TeamViewer GmbH, Göppingen, Germany)을 통해 측창, 천창, 보온커튼, 차광커튼의 개폐를 제어할 수 있었다.
KB 농가는 경남 김해시(35°14'26.2"N 128°58'35.4"E)에 위치 하며 고설식 암면배지경에 점적관수로 양액을 공급하였다(Fig. 1B). 15동 연동의 5,850m2(6m×65m×15동) 플라스틱 하우스로 팬앤드포그(fan-and-fog)의 기화 냉각을 이용한 냉방시설과 전 기를 이용한 난방시설이 설치되어 있었다. 스마트폰 어플리케이 션(TeamViewer, TeamViewer GmbH)을 통해 천창, 측창, 보온 커튼, 차광 커튼, 보광등, 환기팬을 제어할 수 있었다.
데이터 수집 및 분석
환경 특성 중 기온 및 상대습도, 지온(근권 온도) 등 3가지 환경 요인을 측정하기 위해 농가별 온실 내 3개 지점, 즉 중심 부와 가장자리, 그리고 그 중간 지점에 각 1개씩 총 3개의 데 이터 로거(WatchDog 1650 Micro Station, Spectrum Inc., Aurora, IL, USA)를 설치하였는데, 그 속에는 온도 및 습도를 측정할 수 있는 내장 센서가 들어 있었으며, 근권온도를 측정 하기 위해 데이터 로거와 케이블로 연결되는 지중 온도센서 (Spectrum SMEC 300, Spectrum Inc., Aurora, IL, USA)를 설 치하였다. 2019년 1월 1일부터 2019년 12월 31일까지 5분 간 격으로 데이터를 수집했다.
이를 통해 수집된 데이터에서 매일 24시간의 데이터 중 최 고치와 최저치, 일중 총 데이터 평균치, 주간(일출~일몰) 및 야간(일몰~일출)의 각 평균치, 일교차(주간과 야간 평균치의 차이)를 Microsoft Excel(Microsoft, Redmond, WA, USA)을 이용해 정리하였으며, 각 항목들의 월별 평균 값을 구하여 상 관분석 등 통계분석에 활용하였다. 토양 매일의 일출 및 일몰 시각은 각 지역 기상청 데이터를 기준으로 하였다.
각 온실별 기온 관련 항목과 근권부 온도 관련 항목 간의 관계를 알아보기 위해 Microsoft Excel(Microsoft)을 이용하여 회귀분석을 SPSS 25 Software(IBM-SPSS, Armonk, NY, USA) 를 이용하여 상관관계 분석을 실시하였다. 분석을 통해 도출 된 상관계수 r의 크기에 따라 0 이상에서 0.1 이하는 상관관계 없음, 0.1 초과에서 0.3 이하는 약한 상관관계, 0.3 초과 0.7 이하는 뚜렷한 상관관계, 0.7 초과는 강한 상관관계로 분류하 였다(Song 2015).
결과 및 고찰
재배방식 간 온실 환경 비교
토경 방식의 OS 온실과 고설 암면경 방식의 KB 온실을 대상 으로 기온, 상대습도, 근권온도의 월평균 값의 변화를 1년간 비 교한 결과, 월별로 그 차이의 양상이 변화하였다(Fig. 2, 3, 4). 그중 지상부와 근권부의 주간 평균 온도를 비교해 보면, 지상부 온도는 OS 온실이 좀 더 높거나 비슷한 상태로 연중 유지되는 데(Fig. 2C) 반해, 근권부 온도는 KB 온실이 대체적으로 높게 유지되었다(Fig. 3C). 이는 KB 온실의 양액재배 베드가 고설식 으로 공중에 떠 있어 공기와 접촉면이 넓고 배지의 총 부피도 작아서 기온의 영향을 크게 받았기 때문(Albaho et al. 2008)이 라 생각된다. 특히 고온기에 더 높이 올라가고, 기온의 차이가 적고 광량이 감소하는 저온기에는 격차가 좁아졌다.
지상부 온도 일교차를 보면(Fig. 2F), OS 온실에서 고온기 에 일교차가 크게 상승하였는데, 이는 OS 온실에서 주간에는 차광과 환기 외에 특별한 냉방장치가 없는 반면, 야간에는 에 어컨 냉방을 실시하기 때문인 것으로 볼 수 있다. 상대습도의 경우(Fig. 4), 상대습도의 최고치와 야간 평균치를 제외하면 대체적으로 KB 온실이 더 높게 유지되었는데, 이는 OS 온실 은 토양이 그대로 노출되어 있고, KB 온실은 비닐 직조물로 덮여 있으나 밀도가 성긴 편이어서 토양 표면을 통한 증발량 의 차이는 없을 것으로 판단되었으나, KB 온실의 경우 팬앤드 포그 기화냉각을 이용한 간이냉방을 하기 때문에 상대적으로 평균 상대습도가 높았다고 볼 수 있다.
두 온실의 환경 데이터와 장미 재배 시 적정 환경조건(RDA 2018)을 비교해 보면, 적정 주간 기온은 24~27˚C인데, OS 온 실의 연평균 기온은 24.9˚C로 5, 6, 9, 10, 11월 등 5개월 간 적정 범위 내에서 유지되었으며, KB 온실의 연평균 기온은 24.3˚C로 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9월의 7개월간 적정 범위를 유지하 였다.
야간 기온은 15~18˚C가 권장되고 있는데(RDA 2018), OS 온실의 경우 연평균 19.1˚C로 5월과 7월의 2개월의 고온기 일 부를 제외하고 적정치를 초과하였다(Fig. 2E). KB 온실 또한 연평균 20.4˚C로 11월과 12월의 2개월을 제외하면 거의 권장 범위를 초과하였다(Fig. 2E). 또한 기온의 적정 일교차는 10˚C 정도인데(RDA 2018), OS 온실은 연평균 13.4˚C로 1~4월, 10 월, 12월을 제외하면 연중 절반이 적정치를 초과하였고, 특히 고온기에는 야간에 에어컨의 냉방을 실시함으로 인해 일교차 가 18˚C까지 증가하기도 하였다(Fig. 2F). 반면, KB 온실은 연 평균 11.4˚C로 4~12월까지는 적정치 10˚C에 근접하였다.
장미 재배 시 적정 근권온도는 20~25˚C(Sakai 1993)이며, 특 히 겨울철에는 25˚C 이하로 유지되는 것이 좋은데(Dole and Wilkins 2005), 토경 방식인 OS 온실은 연평균 23.8˚C로 8, 9월 의 고온기 일부를 제외하면 연중 대부분이 적정 범위 내에 포함 되었다. 반면 암면재배 방식인 KB 온실의 근권온도는 연평균 25.4˚C로 1, 2, 3, 11, 12월의 저온기에 주로 적정 환경 범위 내에 있었다(Fig. 3). OS 온실에서의 근권부의 최고 및 주간 온도, 평균온도가 각각 연평균 24.5˚C, 23.9˚C, 23.8˚C로 KB 온 실의 최고, 주간, 평균온도의 연평균치인 29.3˚C, 26.3˚C, 25.4˚C 보다 각각 낮아 둘 다 적정치를 초과하긴 했으나 OS 온실이 좀 더 적정치에 가깝게 유지되었다(Fig. 3A, C, D).
적정 상대습도는 95% 이하를 유지하는 것이 좋은데(RDA 2018), OS 온실의 연평균 상대습도는 78.0%, 월평균 최고치는 85.2%였고, KB 온실의 연평균 상대습도는 80.1%, 월평균 최 고치는 85.8%로 두 농가 모두 90% 이하를 유지하여 적정 범 위에 있었다(Fig. 4).
두 온실 모두 장미의 적정 재배 환경(Dole and Wilkins 2005;RDA 2018;Sakai 1993)에서 벗어나는 부분은 많았으나, 토경 방식의 OS 온실은 안정된 지온을 나타내며 암면 배지경에 비 해 온도 변화가 적었다(Fig. 3). 토양의 특성상 최고 및 평균 지온에서 좀 더 적정 환경에 가까운 상태로 유지되며, 고온기 의 야간에는 에어컨 냉방을 실시하여 야간 기온 또한 적정 환 경에 가깝게 유지되었다. 반면 KB 온실은 주간 기온과 기온 일교차가 상대적으로 적정 환경에 더 가까웠다(Fig. 2). 하지 만 KB 온실에는 근권 냉난방 시스템이 설치되지 않았기 때문 에 배지온도가 기온의 영향을 크게 받았으며, 권장 근권온도 보다 높은 결과를 보였다. 장미에 있어서 근권부 온도는 생육 시와 출하 후 품질 모두에 영향을 미치기 때문에(Lee 2001;Lee 2004), 양액재배 도입 시에는 이러한 특성을 감안하여 근 권부 온도 조절에 대한 고려가 있어야 할 것이다.
기온과 근권온도 간의 상관관계
각 온실별 기온과 근권온도 간의 관계에 대해 회귀분석을 실시한 결과, OS 온실과 KB 온실은 상관관계 그래프에서 볼 수 있듯이 OS 온실의 평균 결정계수 0.3146, KB온실은 평균 결정계수 0.8917로 OS온실에서 훨씬 더 산점도가 높은 모습 을 보여, OS온실보다 KB온실이 기온과 근권온도 간 상관관계 가 더 높다고 볼 수 있다(Fig. 5). 토경 방식의 OS 온실에서는 Pearson의 상관계수 r값이 최고온도에서 r=0.414, 최저온도에 서 r=0.255, 평균온도에서 r=0.661, 주간온도에서 r=0.683, 야 간온도에서 r=0.521, 일교차에서 r=0.170으로 최고온도, 평균 온도, 주간온도, 야간온도에서는 뚜렷한 상관관계를, 최저온도 와 일교차에서는 약한 상관관계(Song 2015)를 보였다(Table 1). 반면, 양액재배 방식의 KB 온실에서는 최고온도(r=0.909), 최 저온도(r=0.946), 평균온도(r=0.973), 일교차(r=0.844), 주간온 도(r=0.973), 야간온도(r=0.954) 등 전 영역에서 근권온도와 매우 강한 양의 직선적 상관관계(Song 2015)를 보였다(Table 1).
이는 두 온실 간의 재배방식의 차이에 따른 것으로, OS 온 실은 토경 방식이었으며, KB 온실은 고설식의 암면 배지경이 었기 때문에 기온이 지온 또는 배지온도에 미치는 영향이 달 랐을 것이다. 토양의 온도와 용기에 담긴 배지의 온도는 모두 기온의 영향을 받긴 하나(Chudinova et al. 2006;Gheysari et al. 2010), 그 중에서도 상술한 바와 같이 고설식 배지경에서 암면 베드는 지면에서 떨어져 공중에 떠 있고 배지의 부피도 작아 토경보다 기온의 영향을 좀 더 많이 받기 때문이라 생각 된다. 암면 자체가 토양보다 완충능력이 낮은 데다가 적은 부 피로 공중에 떠 있는 상태에서 한 겹의 비닐로 싸여 있었기 때문에 배지를 둘러싼 공기의 열이 배지로 바로 전달된 것으 로 추론된다. 따라서 고형배지를 사용하는 양액재배에서는 근 권온도 제어 시스템을 설치할 필요가 있다.
배지경은 양수분 관리는 토경과 많이 달라, 훨씬 양액 공급이 빈번하게 이루어지며 양액을 통한 무기양분 및 수분 공급이 고 도로 제어된다(Kwon 1996). 또한 절화 장미의 수량 및 품질 향상을 위해서는 급액 제어가 매우 효율적으로 이루어져야 하 므로(Warren and Bilderback 2004), 배지 내 수분과 상대습도, 기온, 근권온도와의 상관관계에 대한 연구가 좀더 진행된다면 본 연구 결과와 합쳐져 더욱 유용한 정보가 되리라 생각된다.
