서 론

우리나라 시설채소 재배면적은 2020년 기준 52,444 ha로 꾸준히 증가하고 있으며 비닐하우스 (플라스틱 필름 온실)의 면적이 52,055 ha로 조사되었다 (MAFRA, 2020). 우리나라 비닐하우스는 대부분 송풍과 냉난방 시설이 미비하여 최근 이상기후에 의한 여름철 온도의 증가와 이산화탄소 (CO₂) 농도 불균형으로 작물 생육 불량과 수확량 감소의 원인이 될 수 있다.

대기 중 CO₂ 농도는 산업혁명 이전의 280 ppm에서 증가하여 1994년에는 358 ppm, 1999년에는 376 ppm을 기록하였으며 (Park et al., 2005), 2100년까지는 540~970 ppm으로 증가할 것으로 예측된다 (IPCC, 2013). 온실가스의 농도증가는 지난 100년간 지구의 평균적인 온도를 0.6°C 상승시켰으며, 100년 후의 기온은 지금보다 약 1.4~4.0°C 상승시킬 것으로 예측되었다 (IPCC, 2007). 농업 활동 부분의 온실 가스 발생량은 총 발생량의 약 13.5%로 예측되고 있다 (IPCC, 2007). 유엔 정부 간 기후변화 위원회 (IPCC; Intergovernmental Panel on Climate Change)에서는 20세기 말 대비 기온이 2°C 상승한다면 2030년부터는 전 세계적으로 식량부족을 예상하였다. IPCC의 기후변화 시나리오를 근거로 한반도의 기후변화를 예측하면 2050년까지 기온은 3.2°C 상승 할 가능성 있다고 하였다. 농작물 재배지의 기후는 농업의 생산량과 밀접한 관계를 가지고 있는데, 온대지역의 농작물은 온도가 1~3°C 높아지면 생산량이 증가하지만 그 이상으로 높아지면 오히려 감소한다 (IPCC, 2007). 급격히 변하는 고온은 생육에 결정적인 영향을 미치는 일사량, 온도, 습도의 변화가 동반되어 시설하우스 내 엽채류, 과채류의 재배환경을 어렵게 만든다. 외부 기온의 상승은 하우스 내 내부온도의 상승을 유발하고 하우스 내 작물은 임계점을 벗어나면 고온으로 인하여 채소의 생장을 저해하여 생산량을 감소시키는 문제가 있다 (Lee et al., 2001; Heo et al., 2013).

일반적으로 작물의 생산량을 제한하는 환경적인 요소는 온도, 습도, CO₂와 수분관리 등으로 나눌 수 있다. 대기 중의 CO₂ 농도는 작물 생육에 충분하지 않다. 대기 중의 CO₂ 농도는 300~500 ppm 범위에 있고 세계적으로 CO₂ 농도는 평균 400 ppm이다. 하우스 내부의 CO₂ 농도는 광합성에 중요하다. 작물재배에서 적정 CO₂ 농도를 설정하기 위해서는 하우스 내부 CO₂ 농도를 관리하는 것이 중요하다. CO₂는 물과 함께 광합성의 필수 구성요소이며 시설작물의 생육과 수량을 증가시키는 중요한 요인이다. 시설원예 환경 중 온도, CO₂, 광량, 지온 등 환경 정보는 작물의 성장과 발육에 영향을 미치고 있고, 특히 CO₂ 농도가 낮을 시에서 작물이 광호흡을 할 수 없어 작물 생장 속도가 늦어지기 때문에 CO₂ 농도 제어 관리 시스템이 필요하다.

또한, 가축분뇨 처리 및 농경지 시용은 CH₄, N₂O와 CO₂ 발생의 원인이 되는 것으로 알려져 있다 (Fangueiro et al., 2008; Sherlock et al., 2002; Steinfeld and Wassenaar, 2007). 따라서, 비닐하우스 내 작물 생장을 적절히 관리하기 위해서는 퇴ㆍ액비를 시용하고 있는 비닐하우스의 CO₂ 농도 및 온도에 대한 실태조사가 필요하다.

본 연구는 퇴액비를 시용한 채소 재배 비닐하우스에서 시설내부와 외부의 CO₂ 농도와 온도의 실태를 파악하기 위하여 우리나라 경기도 여주와 충청남도 보령지역에서 가지, 오이, 고추 비닐하우스의 내부와 외부의 CO₂ 농도와 온도를 조사 분석하였다.

재료 및 방법

1. 연구 대상농가

축산분뇨 퇴액비가 시용된 비닐하우스의 내부와 외부의 CO₂ 농도와 온도 변화를 조사하기 위하여 밑거름으로 퇴비를 시용하고 웃거름으로 가축분뇨 액비를 시용하는 비닐하우스 농가를 대상으로 조사를 실시하였다. 조사 농가의 퇴비는 2월에서 3월 사이에 살포하였다. 작물별 가축분뇨 퇴비 시용량은 시비처방 기준에 따라 전량 밑거름으로 시용하였다. 작물별 가축분뇨 액비 웃거름 시용량은 작물별 표준시용량을 기준으로 시용하였다.

비닐하우스 내외부 환경 요인 조사는 경기도 여주 (37°17'54.2"N 127°38'11.8"E)와 충청남도 보령 (36°29'47.6"N 126°29'15.1"E) 지역의 비닐하우스에서 실시하였다 (Table 1). 조사는 여주시 지역의 가지 재배 21농가와 고추 재배 10농가의 비닐하우스를 대상으로 실시하였다. 보령은 오이 재배 9 농가와 고추 재배 14농가를 조사하였다. 조사 대상 농가의 비닐하우스는 단동하우스이며, 1중만의 천·측창 일부 개방은 가능하나 강제 환기장치 (환기통, 환기팬, 대류팬 등)는 없는 농가 비닐하우스이었다.

2. CO₂ 농도와 온도 측정

조사는 2021년 4월 부터 2022년 11월 까지 CO₂ 농도와 온도를 조사하였다. 지역별, 월별 CO₂ 농도와 온도 특성과 패턴을 분석하였다. 조사는 주 1회 실시하였다. 하우스 내부와 외부의 환경은 동일 측정 기기로 측정하였다. 하우스 내부의 측정위치는 두둑 상면 높이에서 이산화탄소 및 온도를 조사하였으며, 하우스 외부의 측정위치는 지면에서 1 m 높이에서 조사하였다. 측정시 온실 내부에 작업자가 없는 상태에서 측정하였다. CO₂와 온도를 측정하기 위해 이산화탄소는 CO₂, 온도 복합측정기 (GC-2028, Lutron, Taiwan)를 사용하여 조사하였다.

3. 통계

ANOVA 분석은 R프로그램의 aov 함수를 사용하였고, 다중비교는 “agricolae” 패키지 안의 scheffe.test() 함수 (P=0.05)를 사용하였다. 모든 분석은 R프로그램 (ver. 4.3.1)을 이용하였다.

결과 및 고찰

1. 여주지역 농가 비닐하우스 내외부 CO₂ 농도와 온도 변화

Table 2는 여주 지역 가지 재배 농가에서 비닐하우스 내부와 외부의 CO₂ 농도와 온도를 살펴보았다. 조사 기간 동안 비닐하우스 내부의 평균 CO₂ 농도는 496.6 ppm, 외부는 496.4 ppm를 보여 비닐하우스 내부와 외부의 CO₂ 농도 차이를 보이지 않았다. 비닐하우스 내부의 최대 CO₂ 농도는 580.1 ppm를 나타내었으며, 최소 농도는 450.4 ppm를 나타내어 최대농도와 최소 농도의 차이가 크게 나타났다. 일반적으로 채소류의 시설 내 CO₂ 적정농도는 700~1,000 ppm으로 알려져 있다 (Gruda and Tanny, 2014). 가지 재배 비닐하우스 내부와 외부의 온도 차이를 살펴본 결과 하우스 내부의 온도는 29.2°C, 외부의 온도는 27.5°C를 나타내어 하우스 내부 온도가 1.7°C 높았다.

여주 지역 고추 재배 농가의 비닐하우스 내부의 평균 CO₂ 농도는 502.7 ppm, 외부의 CO₂ 농도는 493.8 ppm로 비닐하우스 내부의 CO₂ 농도가 8.9 ppm 높았다. 하우스 내부의 최대 CO₂ 농도는 555.1 ppm이었고, 최소 농도는 441 ppm를 나타내어 109 ppm 차이를 나타내어 최고 농도와 최소 농도의 차이가 매우 컸다. 고추 재배 비닐하우스 내외부 온도 차이를 살펴본 결과 하우스 내부온도는 28.1°C, 외부 온도는 26.7°C를 나타내어 비닐하우스 내부의 온도가 외부보다 1.4°C정도 높았다.

Table 3은 여주 지역 가지 재배 농가의 월별 비닐하우스 내부와 외부의 CO₂ 농도와 온도를 조사한 결과이다. 월별 비닐하우스 내부의 CO₂ 농도는 3월과 4월에 각각 550.1 ppm, 543.0 ppm으로 연중 가장 높았다. 비닐하우스의 내부 CO₂ 농도가 3월과 4월에 높은 것은 가지의 생육 초기에 식생이 적어 식물의 광합성이 적은 것에 기인한 것으로 생각된다. 또한 작물재배 전 2~3월에 밑거름으로 퇴비를 살포한 것이 비닐하우스의 CO₂ 증가의 원인이 된 것으로 판단된다.

여주 지역 고추 재배 농가의 월별 비닐하우스 내부 CO₂ 농도는 11월에 548.0 ppm으로 가장 높았고 9월에 441.0 ppm으로 가장 낮았으며, 11월과 9월의 CO₂ 농도 차이가 107 ppm으로 매우 컸다. 계절별 CO₂ 농도는 겨울철에 여름철보다 더 높았다 (Idso et al., 2002). 배경대기관측소 측정결과에 따르면 2005년 기준 안면도의 CO₂ 농도는 7월과 8월에 388±11 ppm으로 농도가 낮은 것으로 나타났다. 또한 최근 5년간의 분석에서도 최소 농도는 대체로 8월과 9월에 나타났으며, 최대 농도를 보이는 월은 제각기 달랐다 (Park et al., 2005).

가지 재배 농가의 월별 비닐하우스 내외부 온도 차이를 살펴본 결과 내부온도는 7~9월에 29.2~31.8°C로 가지 생육적온인 22~30°C 보다 높았다. 하우스 내부 온도가 외부 온도 보다 0.3~2.1°C 정도 높았으며, 여름기간인 7~9월에 내부온도가 1.6~2.1°C 높았다. Song et al. (2015)은 고추 재배시 평년보다 2°C 증가된 조건에서 수확량이 증가하였으나 그 이상의 기온에서는 수확량이 감소되었다는 결과를 보고하였으며, Heo et al. (2013)은 초기 90일 동안 기온이 생육적온보다 5°C 높으면 고추의 생장은 촉진되었으나 과실 수확량은 감소되었다고 하였다.

2. 보령지역 비닐하우스 내외부 CO₂ 농도와 온도 변화

보령 지역 오이 재배 농가의 3월부터 11월 까지 비닐하우스의 내부와 외부 의 환경을 조사한 결과는 Table 4와 같다. 하우스 내부의 평균 CO₂ 농도는 524.4 ppm, 외부 농도는 514.6 ppm으로 하우스 내부의 CO₂ 농도가 9.8 ppm 높았다. 오이 재배 농가의 최대 CO₂ 농도는 하우스 내부에서 600.8 ppm, 하우스 외부에서 568.3 ppm로 32.5 ppm 차이를 나타내었다. 비닐온실내의 간헐통기 방식의 우분 퇴비를 시용한 온실에서 토마토 재배기간 동안 발생되는 CO₂ 평균값은 782~1154 ppm으로 관행온실 (대조구) 440~462 ppm 수준에 비해서 1.7~2.6 배의 높은 차이를 보였다 (Sohn et al., 1997). 또한 3월과 4월에 오이 생육 초기에 식생이 적어 광합성이 부진한 시기 때문인 것으로 판단된다. 조사 기간 동안 하우스 내외부 온도 차이를 살펴본 결과 하우스 내부는 26.1°C, 외부 온도는 25.2°C로 하우스 내부 온도가 0.9°C정도 높았다. 오이 재배 비닐하우스 CO₂ 농도는 최고 600.8 ppm, 최소 490.0 ppm로 110.8 ppm 차이를 나타내었다.

보령지역 비닐하우스 고추 재배 농가의 비닐하우스 내외부 CO₂ 농도를 조사한 결과 비닐하우스 내부의 CO₂ 농도는 508.1 ppm, 외부의 CO₂ 농도는 503.5 ppm으로 하우스 내부의 CO₂ 농도가 4.6 ppm 높았다. 조사 기간 동안 하우스 내부와 외부 온도를 살펴본 결과 하우스 내부는 27.0°C, 외부는 26.4°C로 하우스 내부 온도가 0.6°C정도 높았다.

보령 지역 오이 재배 농가의 월별 비닐하우스 내부와 외부 환경을 조사한 결과는 Table 5와 같다. 조사 기간 동안 비닐하우스 내부 CO₂ 농도는 3월과 4월에 각각 600.8 ppm, 553 ppm으로 매우 높았다. 3월과 4월에 CO₂ 농도가 높은 것은 오이 재배 전에 퇴비를 밑거름으로 시용한 후 CO₂가 발생되어 높아진 것으로 보인다. 비닐온실내의 우분퇴비화 온실에서 토마토 재배기간 동안 발생되는 CO₂ 평균값은 782~1154 ppm으로 관행온실 (대조구) 440~462 ppm 수준에 비해서 1.7~2.6 배의 높은 차이를 보였다 (Sohn et al., 1997).

오이재배 하우스 내부 온도는 7월에 33.1°C로 가장 높았고, 11월에 19.0°C로 가장 낮았다. 조사 기간 동안 하우스 내외부 온도 차이를 살펴본 결과 하우스 내부 온도가 0.6 ~0.7°C 정도 높았다.

보령 지역 고추 재배 농가의 비닐하우스 내부의 월별 CO₂ 농도는 11월에 538.8 ppm으로 가장 높았고 8월에 487.0 ppm으로 가장 낮았다. 조사 기간 동안 하우스 내부와 외부 온도를 살펴본 결과 하우스 내부 온도는 7월에 34.1°C로 가장 높았고, 11월에 16.3°C로 가장 낮았다.

3. 지역별 비닐하우스 내외부 CO₂ 농도와 온도

지역별 비닐하우스 내부와 외부의 CO₂ 농도를 조사한 결과는 Table 6과 같다. 지역별 평균 CO₂ 농도는 여주 지역 농가에서 499.6 ppm를 나타내었고, 보령 지역 농가 에서는 516.2 ppm를 나타내어 지역별로 다소 차이가 있었다. 대기 중의 CO₂ 농도는 300~500 ppm 범위에 있고 세계적으로 CO₂ 농도는 평균 400 ppm이라고 알려져 있는데 우리나라 비닐하우스 재배 농가의 하우스 내부 CO₂ 농도가 499.6~576.2 ppm를 나타내어 상당히 높은 결과를 나타내었다. 우리나라의 CO₂ 연평균 대기농도는 안면도에서 처음 CO₂ 농도를 관측한 1999년 연평균 농도 369.2 ppm과 비교하여 21년간 51.2 ppm 증가하였으며 1999년 농도 대비 1.14배로 증가하였다. 여주와 보령 지역에서 조사된 CO₂ 농도가 각각 499 ppm, 516 ppm를 나타내었다. 비닐하우스 내부 온도는 여주 지역에서 28.9°C로 하우스 외부의 27.2°C에 비하여 1.7°C 차이를 나타내었다. 작물별 생육을 최적화하기 위해서는 우리나라의 비닐하우스 CO₂ 농도와 온도를 모니터링 할 필요성이 있을 것으로 보인다.

결 론

한국의 비닐하우스 면적은 증가하고 있다. 우리나라 비닐하우스는 대부분 송풍과 냉난방 시설이 대부분 미비하여 최근 이상기후에 의한 여름철 고온과 이산화탄소 (CO₂) 농도 불균형으로 작물 생육 불량 및 수확량 감소의 원인이 된다. 가축분뇨 처리 및 시용 시 CH₄, N₂O, CO₂가 발생 된다. 일반적으로 오이와 가지 등은 800 ~ 1500 ppm이 시설 내 적정 이산화탄소 농도로 알려져 있지만 이에 대한 정밀한 연구는 필요한 실정이다. 본 연구는 퇴액비가 시용된 비닐하우스의 내외부 재배환경조건 실태를 파악하여 비닐하우스 시설 재배 농가의 환경 개선의 기초자료를 제공하기 위하여 수행하였다. 본 연구는 2021부터 2022년 까지 경기도 여주와 충청남도 보령지역에서 채소 작물 재배기간 동안 비닐하우스 내외부의 CO₂ 농도와 온도를 조사하였다. 일반적으로 비닐하우스 내부 CO₂ 농도는 여주, 보령에서 각각 480.9, 528.4 ppm를 나타내었다. 하우스 내부의 최소 CO₂ 농도는 441 ppm이었고 최대 농도는 608.8 ppm를 나타내었다. 비닐 하우스 내부의 CO₂ 농도가 외부 보다 10.1 ppm 높았다. 비닐하우스 내부의 월별 CO₂ 농도는 3월과 4월에 여름 생육기간인 6월~9월 보다 높았다. 계절별 CO₂ 농도의 변동폭이 441~600.8 ppm이었다. 여름철 비닐하우스 내부의 온도는 31.9~33.7°C로 비닐하우스 외부 온도 보다 1~3°C 더 높았으며, 오이, 가지, 고추의 생육적온 보다 높았다. 작물별 생육을 최적화하기 위해서는 우리나라의 비닐하우스 CO₂ 농도와 온도를 모니터링하고 송풍과 냉난방 시설을 개선하여 이상기후에 대비 할 필요성이 있을 것으로 보인다.