서 언
우리나라 절화 장미의 재배면적은 2022년 기준 226.2ha로 96%가 시설에서 재배되고 있다(MAFRA 2023). 특히 온실에서 연중 생산되므로 재배시설의 환경 관리가 생산성에 큰 영향을 미치며, 불량한 환경 조건은 다양한 생리장해를 유발하게 된다(Kim and Lieth 2012). 우리나라는 사계절이 뚜렷하며 여름철 고온 다습하고 겨울철 춥고 건조한 특성을 가지고 있다. 계절별 환경변화가 크기 때문에 재배 시설의 환경 관리에 어려움이 많고 연중 균일한 품질의 장미 꽃을 생산하기 용이하지 않다(Yeon and Kim 2017). 특히 겨울철에는 시설 난방비 저감을 목적으로 밀폐 수준이 높아 시설 내 습도가 높고 수증기압차가 작아지면서 식물의 기공 개폐 기능을 약화되고 수확 후 절화의 수분 손실이 상대적으로 많아져서 수명이 단축되고 잿빛곰팡이 발생이 늘어나는 원인이 되기도 한다(In et al. 2016).
최근 들어 ICT 기술을 시설재배에 접목한 스마트팜(smart farm)이 늘어나고 있으며, 첨단 ICT, 빅데이터, 자동화/로봇 기술을 이용하여 생산성과 품질을 극대화하고 수익 창출형 모델을 확립하는 것이 smart farm의 목표이다(Zhang et al. 2023). 국내 시설원예 스마트팜 보급은 파프리카, 토마토, 딸기 등 과채류 위주로 널리 보급되고 있으나, 화훼작물에 대한 보급은 많지 않은 실정이다(Lee et al. 2016).
한편, 1990년대 후반부터 2000년 중반까지 절화 장미를 대상으로 자동제어온실 보급 사업이 활성화되었으나, 이후 투자 감소와 시설 노후화로 인해 절화 장미 생산성이 점차 감소하고 있다(MAFRA 2023). 겨울철은 일년 중 절화 장미의 품질 및 생산성이 가장 크게 요구되는 시기로 생산농가의 주요 소득 계절이다. 따라서 본 연구는 겨울철 장미 시설재배에서 절화품질에 대한 관행의 수동제어와 스마트제어 방식을 비교 분석하여 스마트팜 도입 필요성을 확인하고자 실시하였다.
재료 및 방법
시설환경 제어방식
경기도 파주시 조리읍 뇌조리 소재 L농가가 절화 장미를 재배 중으로 시설환경 제어방식이 다른 시설 두 곳을 대상으로 하였다. 두 시설 모두 2008년도에 설치한 플라스틱 연동하우스시설로 면적은 각각 3,636m2이며, 전기난방방식, 보광시스템, CO2시비장치가 구비되어 있고 암면배지에서 절화용 장미 ‘Beast’를 양액으로 재배하고 있었다. 다만, 시설환경 제어는 수동제어방식(수동제어)과 스마트팜 시스템에 의한 자동제어 방식(스마트제어)으로 관리되었으며, 겨울철 난방 설정 18°C, 환기 설정 28°C로 동일하였다. 두 곳 모두 전기히터 및 보광용 고압나트륨등을 이용해 겨울철 난방관리를 하였다. 설치된 스마트팜 시스템(Bandiburri_V2M, Nare Trends Inc., Bucheon, Korea)은 16개 채널로 실내외 시설환경 데이터를 축적하고 CCTV 영상과 알람 기능이 탑재되어 있으며, 설정 치에 따른 천·측창 및 커튼 개폐, 난방 및 보광 시스템 등 모바일 어플리케이션 전용 자동제어 기능도 구비되어 외부에서 시설환경 제어가 가능한 편리성을 갖추었다. 1세대 스마트팜 수준에서 별도 알고리즘 없이 설정치 기준으로 on-off 제어 형식으로 천·측창 및 커튼 개폐, 난방 및 보광 시스템을 운용하였다.
시설환경 비교분석
2019년 1월 1일부터 2월 28일까지 데이터로거(Watchdog 1450 Data Logger, Spectrum Technologies Inc., USA)를 이용하여 시설 내부 기온, 상대습도, 배지온도, VPD, 광량 1시간 간격으로 측정하였다. 광량은 일적산광량(daily light integral, DLI)으로 환산하였고, 기온은 하루 중 최대 치(ATmax), 최소치(ATmin), 평균치(AT)로 구분하였으며, 배지 온도와 상대습도 및 VPD는 하루 평균치로 계산하였다. 센서 들은 온실 중앙과 남북방향 가장자리 세 곳을 지정하여 1.8m 높이로 설치하였고, 배지온도 센서는 암면 큐브에서 꽂아 하단 slab 3cm 깊이에 센서 끝을 위치시켰다.
절화품질 비교분석
‘Beast’ 품종 대상으로 개화 성기인 1월 23일과 2월 20일 오전에 수확적기(꽃받침이 모두 벌어지고 가장 바깥쪽 꽃잎 2 장이 열린 상태)인 개화주 30송이를 채화하여 습식으로 서울시 동대문구 소재 서울시립대 환경화훼연구실로 운반하고 충분히 흡수시킨 상태에서 절화품질과 수명을 조사하였다. 절화품질은 절화장, 생체중, 엽수, 꽃잎수(폭 1cm 이상), 건물중 (70°C, 72시간 건조)으로 구분하여 측정하였다. 절화수명을 조사하기 위해 20송이를 유통규격 60cm로 재절단한 후 수 돗물(pH 7.5, EC 0.1dS·m-1) 700mL를 채운 유리병에 2송이씩 정치하고, 기온 20±0.8°C, 상대습도 42±11%, 광량 10±0.2 PPFD 24시간 명 조건 실내에서 관찰하였다. 이틀 간격으로 절화수명 종료 여부 및 증상을 조사하였다. 절화수명 종료현상은 잿빛곰팡이(꽃잎 한장에서 50%이상 발생), 꽃목굽음, 꽃잎마름, 꽃잎탈리, 청색화 등으로 구분하였다(Lee and Kim 2019).
통계분석
통계분석용 프로그램인 SAS package(Statistical analysis system, version 9.4, SAS Institute Inc. USA)를 이용하여 ANOVA(analysis of variance) 분석을 실시하였으며 각 처리 간의 유의성은 DMRT(Duncan’s multiple range test) 5% 수준으로 하였다.
결과 및 고찰
제어 방식에 따른 온실환경 특성
수동제어와 스마트제어에 따른 겨울철 1월과 2월 시설 환경을 측정하여 비교하였다. 두 시설간 일적산광량은 유의적인 차이를 보이지 않았고 두 곳 모두 DLI 최저 기준치 13 mol･m-2･d-1(RAD 2018)를 상회하였으며 1월보다 2월에 21~45% 증가하였다(Table 1, Fig. 1A). 현대 절화용 장미 생육적온은 주간 24~27°C 야간 15~18°C이며, 주･야간 온도는 절화의 수량과 품질을 좌우하는 주요요인으로 주･야간 온도차가 10°C 내외로 관리하는 것이 알맞다(Kim and Lieth 2012). 온실 내 최고･최저 기온 설정치는 각각 18°C, 28°C로 수동제어와 스마트제어 시설 모두 18~29°C 범위로 생육 적정 범위에서 1~2월 모두 안정적으로 관리되었으며 (Fig. 1C), 스마트제어 시설에서 최고기온은 28°C인 반면, 수동제어 시설에서는 29°C로 다소 환기 관리가 불량하여 고온에 노출되었음을 알 수 있었다. 근권부 온도 환경을 알아보고자 배지온도(ST)를 측정한 결과, 두 곳 모두 평균 19~20°C로 유지되었으나, 2월로 시간이 지날수록 수동제어 시설에서 배지온도가 23±3°C로 점차 상승하고 편차도 커지는 등 안정성이 감소하는 경향을 나타냈다(Fig. 1D). 장미 뿌리의 생장과 활력, 지상부로의 양수분 이동 등을 고려한 적정 근권 온도가 20°C 내외(Kim et al. 2001)인 것을 고려할 때 수동제어 시설에서의 배지온도 상승은 뿌리노화와 절화품질에 영향을 줄 수 있을 것으로 생각된다(Kim and Lieth 2012). 한편, 겨울철 보온을 위해 틈새환기를 매우 낮게 관리함에 따라 시설 내 상대습도는 손쉽게 올라가며 대체로 적정범위인 70%를 웃도는 것이 일반적이다(Yeon and Kim 2017). 두 곳 모두 평균 70~80%의 상대습도를 나타냈는데(Table 1), 앞서 배지온도의 추세와 마찬가지로 시간이 지날수록 수동제어 시설의 상대 습도가 상승하고 편차도 커져서 상대습도 유지에 불안정성이 높아지는 경향을 나타냈다(Fig. 1B).
절화품질 특성
‘Beast’ 생체중과 건물중은 환경제어 방식과 채화시기에 따라 유의적인 차이를 보였다(Table 2). 전반적으로 스마트제어 시설에서 생체량(FW, DW)과 절화장, 화경장이 유의하게 증가하였으며, 평균 DLI가 높았던 2월보다 오히려 1월에서 절화품질이 우수하였는데, 이것은 2월 상순 DLI의 감소(Fig. 1A)와 1월과 2월 중순에 채화했기 때문에 월 평균 DLI의 수치와 크게 영향을 받지 않은 것으로 생각된다(Yeon and Kim 2017). 꽃잎수와 엽수는 큰 차이가 없었는데, 적정범위 보다 낮은 온도에서 화아기관 발달 정지신호가 늦어지고 동시에 영양생장 기간이 길어지면서 꽃잎수와 엽수가 증가하는 것으로 보고되고 있지만(Shin et al. 2023), 본 연구에서는 스마트제어 및 수동제어 시설 모두 적정온도 이상을 유지했기 때문인 것으로 판단된다. 한편, 스마트제어 시설에서 절화품질이 전반적으로 증가한 것은 재배기간 중 시설환경과 연관이 있음을 상호 상관분석을 통해 확인되었다(Table 3). 절화의 FW는 배지온도(ST)와 부의상관(R=-0.6***), DW 역시 ST, AT, RH와 모두 부의상관(-0.5***, -0.5**, -0.4*)을 나타냈다. 절화장과 화경장 역시 ST와 부의상관(-0.6**, -0.5**)를 보였다(Table 3). 이것은 실제 1~2월 근권부 온도가 적정치에서 점차 상승하였고(19~23°C), 기온과 상대습도 역시 적정치보다 점차 상승하고 편차도 커지면서 나타난 결과로 생각된다. 이와 같이 겨울철 시설 온도, 습도와 같은 환경인자의 적성범위를 벗어나는 불안정성은 스마트제어 온실보다는 수동 제어 온실에서 빈도가 높게 나타났고, 1월보다는 기온이 상승하는 2월에 적정범위를 이탈하는 폭이 커지는 경향을 보였다 (Table 1, Fig. 1). 절화수명은 품종에 따라 다르지만 생육환경, 수확 후 관리 등과 같은 복합적 요소에 의해 결정되며 특히 낮은 수분포텐셜과 빛에 대한 기공 개폐기능에 직접적으로 영향을 받게 된다(Fanourakis et al. 2012). 본 연구에서는 관행의 수동제어 시설에서 재배된 절화의 수명이 6.8일로 스마트제어 시설의 절화(10.6일)보다 44% 낮아졌다(Table 2). 적정범위를 넘어 높은 상대습도에서 재배된 장미 절화의 경우 기공개폐기능의 상실되면서 저장 중 수분이 빠르게 소실됨에 따라 절화수명이 품종에 따라 3~27% 단축된 보고가 있다 (Fanourakis et al. 2013). 또한 높은 상대습도는 수확 후 장미 절화 저장 중에 잿빛곰팡이 발생의 주원인으로도 알려져 있다(Kim et al. 2022). 본 연구에서 상대습도는 수동제어 시설보다는 스마트제어 시설에서 낮았으며, 1월보다는 2월에 낮았는데 ‘Beast’의 절화수명 역시 유사한 경향을 나타냈다 (Table 1, 2). 절화수명의 종료 증상을 조사한 결과, 꽃잎마름 25~35%, 잿빛곰팡이 65~75%로 잿빛곰팡이 발생이 2배 이상 높게 나타났고, 특히 상대습도가 높았던 수동제어 시설 절화에서 잿빛곰팡이 발생이 현저하게 증가하였다(Fig. 2). 겨울철 시설 보온 및 난방 비용 절감 차원에서 부적정한 환기 관리로 인한 상대습도의 상승이 원인으로 생각되며, 과도한 상대습도 조건은 장미 절화의 품질과 수명에 부정적으로 작용 하게 된다(Lee and Kim 2019). 실제로 절화수명은 적정범위에서 AT와 부의상관(-0.4**), ST와 RH와도 부의상관(각각 -0.4*, -0.4*)을 보인 반면, 생체량(DW)와는 고도의 정의상관 (0.9***)를 나타냈다(Table 3).
이상에서 겨울철 절화 장미 재배에서 스마트제어 방식이 관행의 수동제어 방식과 비교할 때 기온, 배지온도, 상대습도의 적정 관리와 절화품질 및 수명 증진에 효과적이었다. 비용 및 기술 접목 측면에 대한 추가 검토가 필요해 보이지만, 본 연구를 통해 스마트제어 방식이 시설환경관리 측면에서 겨울철 고품질 절화 장미 생산에 유리하다는 것을 확인하였다.
