서 론
국내 주요 과채류는 과실의 품질 및 생산성을 증진시키기 위해 환경제어가 가능한 연동형 온실에서 수경재배 방식으로 많은 전환이 이루어졌다. 하지만 수박은 국내 과채류 산업에서 매우 큰 비중을 차지하고 있는 작물이지만(KOSIS, 2021) 여전히 단동온실에서 포복형 토양재배로 이루어지고 있어 병충해 및 작업자의 피로도가 높다. 최근 국내에서 기존 단동온실에 비해 측고가 높은 온실에서 수직형으로 수박을 생산하는데 성공함으로서(Kim et al., 2020) 수박 최대 생산지인 전북 고창에서는 농업기술원을 중심으로 단동 및 연동 온실에서 지주를 이용한 수경재배에 대한 연구를 수행하고 있다. 특히, 중소형 품종의 씨 없는 수박을 중심으로 이루어지고 있다. 기존 연구에서는 지주형 재배는 수박의 포복형 토양재배에서 발생하는 병해충과 작업자 피로도를 감소시킬 수 있고(Kong et al., 2018), I자형과 ∩자형의 수직재배에서 수량 증대가 있다고 보고되었다(Jeong et al., 2018; Kim et al., 2020). 하지만 광포화점이 높고 고온작물인 수박은 파프리카, 토마토와 같이 측고가 높은 연동온실, 그리고 복합환경제어에 대한 연구가 전무한 상태이다. 수직형 재배로 이루어지고 있는 주요 과채류 온실 작물에서는 내부에서 광 환경은 지역 및 계절, 피복재 (Choi et al., 2006; Lee et al., 2022; Yoon et al., 2020), 차광 소재(Salazar-Canales et al., 2021), 온실 방향과 내부에서의 위치(Roberts, 1998; Seo et al., 2021), 그리고 온실 형태(Choi et al., 2013; Jeon et al., 2022; Kim, 2001) 등 다양한 조건에 따라 차이를 나타내고, 이에 품질 및 생산성에 영향을 받는다고 알려져 있다. 따라서 수박도 타 주요 과채류와 같은 유형의 재배방식을 통한 연중 고품질 생산을 위해서는 온실 내부 환경과 생육, 그리고 이를 제어할 수 있는 복합환경제어 기술이 개발되어야 한다. 이에 본 연구는 향후 수박 재배의 첨단화(스마트팜)를 위한 기초자료를 마련하고자 단동 및 연동온실에서 행거형 지주를 이용한 수박 수경재배 시 온실 유형 간 환경 차이, 이에 따른 생육 차이를 알아보고자 수행되었다.
재료 및 방법
시험 온실, 작물, 재배관리
본 시험은 전라북도농업기술원 수박시험장 내 위치한 단동형 온실(폭 6 m, 측고 1.7 m, 동고 3.3 m, 피복재 Polyethylene film)과 무가온 3연동형 온실(폭 8 m, 측고 4.5 m, 동고 5.7 m, 피복재 Polyethylene film)에서 수행되었으며, 두 온실 모두 복합환경제어시스템을 갖추지 않고 있다(Fig. 1 A, B). 시험 품종은 씨 없는 수박 ‘블랙보이(Black Boy)’(triploid, Partner Seed Inc. Korea)’를 이용하였다. 온실 방향 및 재식열은 남북(SN)방향이었고, 행거형 지주를 활용한 유인 방식이었다(Fig. 1C). 단동형 온실(SS)은 2022년 5월 2일, 연동형 온실(MS)은 2022년 5월 20일에 정식하였으며, 정식일은 18일 차이가 났고 정식부터 수확까지 기간은 각각 45일, 59일 동안 진행되었다. 덩굴은 활착 후 어미덩굴을 적심하여 아들덩굴을 3줄기로 유인하여 재배하였다.
하지만 연동온실(MS) 재배 기간 중 수확일을 포함한 약 3주 동안 응애의 발생 피해가 있었다. 응애 발생 초반인 2022년 7월 5일 행거에 걸린 제일 상위 엽만 피해가 생겼으며, 그로부터 6일 후인 7월 11일 응애 피해가 발생한 범위가 중간 지점의 엽까지 넓어졌고(Fig. 2A), 수확일이었던 7월 19일 응애 피해가 하위 엽까지 퍼져 있었다(Fig. 2B).
온실 내부 환경 요소 측정
수집 기간은 첫 수정일부터 수확까지로 수정일은 각각 단동온실(SS) 6월 2일, 연동온실(MS) 6월 18일로 16일 차이였다. 온실 내부의 환경 요소인 기온, 광도(PPFD)은 각 요소의 센서가 장착된 환경계측기(aM-31, Wisesensing, Korea)를 30분 간격으로 자동 저장하도록 설정하여 시험 재식 라인 옆에 지주 높이(토경으로부터 약 1m)에 설치하였다. 식물체 주변의 환경 요소는 일주일 간격으로 오전 11시경에 단동온실(SS) 내 중앙에 위치해있는 식물체와 연동온실(MS) 내 중앙 통로에 위치해있는 10주씩을 지정하여 측정되었다. 식물체별로 잎의 온도(엽온), 기공전도, 증산속도, 수증기압포차는 착과 부위 잎 들 중에서 그늘이 발생하지 않은 잎(Fig. 1C)을 형광 측정기(LI-600, LI-COR, USA)를 이용하여 식물체 당 3개의 잎을 측정하였고, 이를 평균하여 사용하였다. 적산온도는 30분 간격으로 수집된 기온을 일평균기온으로 계산한 후 누적하였고, 적산광량은 30분 간격으로 측정된 광도(PPFD)를 다음 식 (1)을 이용하여 일적산광량(daily light integral, DLI)으로 계산한 후 누적하였다.
DLI : 일누적광량(mol･m-2･day-1)
Pi : PAR의 순간 강도(µmol･m-2･s-1)
Tr : Pi의 1시간 동안 누적광량(Pi × 1,800초 × 2)
DH : 일조시간(hrs)
식물체 광합성 요소와 과실 비대 측정
위의 식물체 착과 부위 잎들 중 그늘이 발생하지 않은 상부 잎을 대상으로 오전 11시경 형광 측정기(LI-600, LI-COR, USA)를 이용하여 엽온(leaf temperature), 기공전도도(stomatal conductance), 증산속도(transpiration rate), 수증기압포차(vapor pressure deficit)를 측정하였고 각각 식 (2), (3), (4)에 의해 계산되었다.
gsw : 기공전도도(mol･m-2･s-1)
gbw : 경계층 전도도(mol･m-2･s-1)
gtw : 총 전도도(mol･m-2･s-1)
E : 증산 속도(mmol･m-2･s-1)
ui : 잎으로의 수증기 흐름 속도(µmol･m-2･s-1)
Wref and Wsam: 잎으로 들어오고 나가는 수증기의 몰 분율(mol･H2O･mol･air-1)
s : 잎의 면적(m2)
VPDleaf : 수증기압포차(kPa)
VPleaf : 잎의 수증기압(kPa)
VPcham : 챔버(온실)의 수증기압(kPa)
식물체 엽면적과 건물중은 수확일에 수거하여 측정하였다. 엽면적은 LI-3000 엽면적 측정기(LI-COR,. Lincoln, Nebraska, USA)를 이용하였고, 건물중은 70°C 건조실에서 72시간을 건조시킨 후 측정하였다. 그리고 수정일부터 수확일까지 온실별 지정된 10주에서 식물체마다 3줄기 중 1개 착과를 시켜 체적량 변화를 일주일 간격으로 조사하였다. 체적량은 줄자를 이용하여 과실의 최대 과장 및 과폭을 측정하였고, 이를 식 (5)에 적용하여 체적량(cm3･fruit-1)을 계산하였다.
V : 과실 체적(cm3･fruit-1)
π : 3.14159265358979….(= 3.14)
r : 반지름(cm) = (과실 최대 과장 + 과실 최대 과폭)/4
통계 분석
실험구 배치는 완전 임의배치로 각 온실 유형별 10반복하였다. SPSS 프로그램(Version 19.0 SPSS Inc., Chicago, USA)을 이용하여 두 집단 간 평균 차이 검증은 95% 신뢰수준(P ≤ 0.05)에서 F-검정을 통한 이분산(Heteroscedasticity of variance) 또는 등분산(Homogeneity of variance) T-검정을 실시하였다. 그리고 주요 요소 간 관계는 회귀 분석(regression analysis)을 실시하였고, 회귀 그래프는 Excel 2016(office 365, microsoft Crop., Canada)을 이용하여 작성하였다.
결과 및 고찰
재배 기간 중 수정일부터 수확일까지 온실 유형별 내부의 일평균 광도 및 기온의 변화를 조사하였다(Fig. 3). 내부 일평균기온은 단동온실(SS)에서는 수정일인 6월 2일에서 수확일인 7월 4일까지 내부 기온은 조금씩 상승하고, 연동온실(MS)에서는 수정일인 6월 18일에서 수확일인 7월 18일까지 내부 기온은 SS보다 높게 유지되는 경향이었다. 내부 일평균광량은 두 온실유형에서 모두 매우 큰 변동을 갖은 경향을 나타내었다. 광량의 큰 진폭은 고창 지역에 6월 초에서 7월 중순까지 자주 비가 내렸기 때문이다(KMA, 2022).
Fig 3의 기간 동안 온실 유형별 내부의 일평균 광도 및 기온으로 나타내었다(Table 1). 일 평균 광도는 SS에서 292.83 µmol･m-2･s-1, MS에서는 292.49 µmol･m-2･s-1로 수정 후 수확일까지의 기간 및 일수가 차이를 나타냄에도 유의한 차이를 보이지 않았다. 일평균기온, 일평균 주간기온, 일평균 야간기온은 MS에서 SS에 비해 각각 3.18, 3.33 및 3.64°C 유의하게 높았다. 그리고 주야간온도차(DIF)는 SS에서 7.08°C, MS에서 6.77°C로 큰 차이를 나타내지 않았다(자료미제시). 변이계수는 일평균광도에서 32.95－42.42%로 기온 요소의 변이계수보다 매우 높아 재배기간 동안 진폭이 심하였다. 특히, 온실에서 환기창의 열림 높이가 낮아 주간에 내부 기온를 낮추는데 MS 보다 비효율적이고(Kim et al., 2022) 피복재 및 철골이 식물체와 더 가까워 복사열이 식물체까지 빨리 전도될 것으로 판단되는데 오히려 기온 낮았다. 이는 MS가 SS보다 1.5 m 정도 낮은 위치에 있었는데 이로 인하여 동쪽 측창 쪽이 막혀 있어 열림 높이가 낮은 것 같은 효과가 나타났기 때문으로 판단된다. 동일환경 하에서 단동과 연동온실 내부의 환경변이에 대한 비교 연구는 찾기가 어려웠다. 일부 논문에서는 두 형태의 온실 모두에서 기온, 상대습도, CO2, VPD 등에서 수평 분포에서 상당한 차이를 나타내고, 상하 간 차이를 나타내고 유동휀에 의해 그 차이를 줄일 수 있다고 하였으나(Ogunlowo et al., 2021), 본 연구의 두 오실은 두 온실은 유동휀이 없어 다소 상이한 결과가 도출된 것으로 판단된다.
Table 1.
Difference in internal daily mean temperature and radiation intensity according to greenhouse type from fertilization date to harvest date, of seedless watermelon ‘Black Boy’
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Greenhouse type | Average internal air temperature (°C) | Daily average internal radiation intensity (µmol･m-2･s-1) | ||
| Daily | Daytime | Nighttime | ||
| Single-span |
28.46 ± 2.8z (CV: 9.87) |
31.47 ± 3.2 (CV: 10.30) |
24.39 ± 2.8 (CV: 11.48) |
292.83 ± 96.5 (CV: 32.95) |
| Multi-span |
31.64 ± 1.7 (CV: 5.40) |
34.80 ± 2.4 (CV: 7.01) |
28.03 ± 1.5 (CV: 5.35) |
292.49 ± 124.1 (CV: 42.42) |
| Significance | *** | *** | *** | NS |
각 온실별 수정일 이후 적산온도와 누적광량의 변화를 분석하였다(Fig. 4). 적산온도의 회귀계수는 SS에서 28.188, MS에서 32.213°C･day-1으로 MS에서 약 4.0325°C･day-1(14.3%) 정도 높았다. 그리고 누적광량의 회귀계수는 각각 13.361과 13.630 mol･m-2･day-1로 거의 동일한 값을 나타내었다.
재배 기간 동안 오전 11시경에 일주일 간격으로 측정한 광합성과 식물체 주변 환경의 상관분석 결과(Table 2), SS에서 엽온과 기공전도도 간에만 상관 관계를 나타내지 않았고, 모두 상호 상관성을 나타내었다. 하지만 MS에서는 PAR 강도와 기공전도도 및 증산속도 간 상관관계가 나타나지 않았다. 특히, SS에서는 MS에서 보다 엽온과 그 주변 PAR 강도 간 상관계수가 높았다.
Table 2.
Correlation among photosynthetic characteristics, leaf temperature, and photosynthetically active radiation (PAR) near the leaf according to greenhouse type from fertilization date to harvest date of seedless watermelon ‘Black Boy’. SS, single span; MS, multi-span greenhouse
식물체 주변의 광도에 따른 엽온의 변화는 광도가 1 µmol･m-2･s-1 증가할 때 SS에서는 0.0034°C, MS에서는 0.0021°C이 증가하여 온도 1°C 높이는 데에는 SS에서는 약 295 µmol･m-2･s-1이 필요하였으나 MS에서는 SS의 1.6배인 476 µmol･m-2･s-1이 필요하였다. 엽온 1°C 증가할 때 증산속도는 SS에서 0.3325 mmol･m-2･s-1이었는데 MS에서는 SS의 1.5배인 0.5110 mmol･m-2･s-1 증가하는 경향을 나타내었다(Fig. 5). 따라서 SS보다 MS에서는 외부에서 유입되는 에너지 변화에 대한 엽온의 변화가 적었는데 이는 엽온 상승에 따른 증산량이 더 많아 식물체 온도를 낮추어준 것으로 판단된다(Bange, 1953). 이러한 연구 결과는 Table 1에서와 같이 MS에서 고온임에도 그 변동(CV)이 낮은 것과 상당히 일치하여 외부 변화에 대한 완충력의 증가로 식물체의 스트레스를 줄여주었을 것으로 판단되었다.
온실 유형에 따라 수확기까지 자란 수박의 식물체 및 과실 특성은 Table 3과 같다. SS와 MS에서 각각 식물체 건물중(과실제외)은 170.0과 184.1 g･plant-1, 엽면적은 10,809.9와 10,684.9 cm2･plant-1로 유의한 차이를 나타내지 않았지만 생체중은 큰 차이를 나타내었다. 과실의 최대 과장과 최대 과폭은 각각 17.0과 17.2 cm, 15.6과 15.2cm였는데 과실 최대 과폭에서만 유의한 차이를 나타내었다. 그러나 수확된 과실 체적은 SS에서 2,642.5 cm3･fruit-1로 MS 1,921.1 cm3･fruit-1보다 1.38배 컸다. 본 연구 중 MS에서는 Fig. 2와 같이 수정 15일 후부터 응애로 인한 잎의 피해가 확인되고 수확 시까지 확산되었다. 따라서 이에 따라 생체중은 매우 큰 차이를 나타내었고 또한 과실 비대가 잘 이루어지지 않았다. 하지만 두 온실 간 건물중 차이를 고려하면 응애가 발생되기 전 기간인 수정 후 15일 정도까지는 MS에서 생장량이 높았던 것으로 판단되는데 이는 수경재배에 따른 충분한 양분 공급과 동일한 수준의 광량에서 기온이 높음으로서 영양생장이 더 왕성하였을 것으로 추정된다. 그리고 기온이 높아지면 습도는 낮아지는데 이러한 높은 온도에 따라 습도도 낮아지면서 건조한 상태가 되어 응애가 발생하였고 확산되었던 것으로 판단된다. 응애는 고온 건조한 환경조건에서 주로 발생하며, 30°C 이상 고온에서 응애의 생식과 발달이 25－30% 높아진다고 알려져 있다(Nickel, 1960). 하지만 오이 재배 온실에서는 높은 습도가 오히려 응애를 방제할 수 있다(Duso et al., 2004)는 상반된 연구 결과도 있어 향후 습도와 함께 재분석이 필요해 보인다.
Table 3.
Difference in growth and fruit size within two types of greenhouse type from fertilization date to harvest date of seedless watermelon ‘Black Boy’
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Greenhouse type | Amount of growth | Fruit size | ||||
|
Fresh weight (g･plant-1) |
Dry weight (g･plant-1) |
Leaf area (cm2･plant-1) |
Fruit length (cm･fruit-1) |
Fruit width (cm･fruit-1) |
Fruit volume (cm3･fruit-1) | |
| Single-span | 3,044.8 | 170.0 | 10,809.9 | 17.0 | 17.2 | 2,642.5 |
| Multi-span | 828.6 | 184.1 | 10,684.9 | 15.6 | 15.2 | 1,921.1 |
| Significance | ** | NS | NS | NS | * | * |
온실 유형별 적산온도와 누적광량를 이용하여 과실 체적량 변화에 대한 선형 회귀모형을 나타냈다(Fig. 6). 두 유형 온실 모두에서 과실 체적 비대는 적산온도와 누적광량에 따라 선형회귀모형을 나타내었다. 누적광량이 1 mol･m-2 증가할 때 SS에서는 3.5484 cm3･fruit-1, MS에서는 4.6216 cm3･fruit-1로 증가하는 경향을 나타내었다(Fig. 6A). 그리고 적산온도가 1°C 증가할 때 SS에서는 2.8080 cm3･fruit-1, MS에서는 2.1417 cm3･fruit-1가 증가하였다(Fig. 6B). 수박은 일반적으로 단일 S자 생장곡선(single sigmoid curve)으로 알려져 있지만 씨없고 중과종이며 생육일수가 대과종에 비해 짧은 원형의 ‘블랙보이’의 과실 생장 패턴이 결정계수가 높은 선형회귀식으로 나타났고, 또한 중간에서 생장이 멈춘 기간이 있어 생장패턴에 대한 재확인이 필요하였다.
Fig. 6.
Linear regression analyses among cumulative fruit volume and cumulative daily integrated air temperature (A) and solar radiation (B) according to greenhouse types from fertilization date to harvest date of seedless watermelon ‘Black Boy’. SS, single span; MS, multi span greenhouse. Bars represent standard error of the mean.
본 연구 기간 중 MS에서 응애 발생에 의한 과실비대가 영향을 받아 두 온실 간 과실비대에 대한 기온이나 광량의 영향력을 명확히 비교하지 못하였다. 하지만 동일 조건에서의 단동 및 연동온실 간 환경 변화를 조사한 연구가 없는 실정에서 환경 요소를 비교한 결과는 의미를 갖는다고 판단된다. 그리고 국내에서 측고가 높은 연동 온실에서 수박 재배가 이루어지지 않은 상황에서 향후 수박의 연중재배를 위한 기초자료로 활용가치가 있을 것으로 판단된다. 하지만 앞에서 말한 바와 같이 동일한 관리 상태에서의 연구가 더 필요하다.
요 약
본 연구는 행거형 지주를 이용한 씨없는 수박 ‘블랙보이’의 수경재배 조건에서 온실 유형별 내부 환경 차이와 이에 따른 생육 차이를 알아보기 위해 수행되었다. 온실 유형은 단동형 온실(Single-span, SS, 폭 × 측고 × 동고 = 6.0 × 1.7 × 3.3 m)과 3연동형 온실(Multi-span, MS, 폭 × 측고 × 동고 = 8.0 × 4.5 × 5.7 m)이며, 두 온실 모두 환경 조절 시스템이 없었다. 수정일부터 수확일까지 온도 요소는 MS에서 SS보다 유의하게 높았지만 일평균 광도(PPFD)는 차이를 나타내지 않았다. 재배 일수의 증가에 따라 적산온도는 MS에서 SS보다 빠르게 증가하였지만 누적광량은 차이를 나타내지 않았다. 잎의 온도에 대한 식물체 주변의 PAR 강도의 영향(회귀계수)이 MS에서 낮아 광도 변화에 따른 식물체 온도의 변화가 적을 것으로 판단된다. SS에서 과실 체적 증가는 누적광량의 1 mol･m-2 증가에 따라 3.5484 cm3･fruit-1 증가하였다. SS와 MS 간 생육 및 과실 특성에 대한 환경 요소의 영향력은 MS에서 응애 피해로 인해 명확히 비교되지 못하였다.
