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지구온난화와 기후변동성의 증가로 한반도를 비롯한 전 세 계적으로 이상기후 현상이 빈번하게 발생하고 있어 농업생산의 불안정성을 야기하고 있다(KMA, 2019). 특히, 온대과수의 발아 와 개화기인 3, 4월에 나타나는 기후변동성은 과실의 생산량과 품질에 직접적인 영향을 미쳐 큰 경제적 손실이 발생한다 (White and Hass, 1975). 2023년 3월 평균기온은 9.4°C로 관 측이래(1973년) 가장 높았고, 2022년 (7.7°C)보다 1.7°C, 평년 보다 2.8°C 더 높았다(기상청, http://kma.go.kr). 이처럼 높아진 3월 기온은 농작물의 개화시기를 앞당기게 되고 이후 저온 발 생에 의한 피해를 더 가중시키는 요인이 된다. 온대과수는 대 부분 휴면이 타파되고 발육이 진전될수록 내한성이 약해져 결 실기가 개화기보다, 개화기가 화뢰기보다 내한성이 약하다(Kim et al., 1992). 사과꽃의 경우 개화기~낙화기 동안 기온이 – 2.2°C까지 떨어지면 치사율이 10%이며, -3.9°C~-4.2°C까지 떨 어지면 90%가 치사한다. 또한 수정된 후에도 15°C 이하의 저 온에서는 화분이 발아되지 않거나 화분관 신장이 나쁘게 되어 수정이 불량해진다(Shin and Kim, 2004). 앞으로 기후변화에 따른 작물의 개화시기는 앞당겨지고 이에 따른 저온피해가 더 욱 커질 것으로 예상되고 있어(Chmielewski and Rotzer, 2002) 피해를 예방할 수 있는 효과적인 기술 확립이 요구되고 있다.

현재 국제적으로 이용되고 있는 서리피해 예방법은 대형선 풍기를 이용한 공기혼합(Goodall et al., 1957), 살수결빙법 (Davieset al., 1984;Cordy, 1965;Brooks, 1961;Gerber and Martsolf, 1979;Ribeiro et al., 2006), 훈연, 분무, 파라 핀 연소, 열풍법 등(Angus, 1955)이다.

한국에서도 봄철 저온피해 예방을 위해서 많은 방법이 개발 되고 있지만 무엇보다 과원의 위치, 과종 및 품종의 선택 등 사전에 피해를 예방하는 것이 중요하다. 저온피해를 예방하고 자 개발된 방법 중 미세살수법은 물이 결빙하면서 발생하는 잠열(latent heat)을 수체에 전달하는 방법이며, 연소법은 톱밥 이나 고체 연료 등을 연소시켜 직접적으로 대기온도를 상승시 키는 방법 그리고 공기를 수직으로 혼합시켜 냉기의 정체를 막기 위해 방상팬을 이용하는 방상법 등이 노지 과수원에서 대표적으로 사용되고 있다. 하지만, 수원의 양과 소비량 문제, 화재위험 및 환경문제, 가동에 따른 소음 및 경관 등의 문제 로 노지 과수원에서 효과를 발휘하기에는 한계가 있다. 이러 한 배경으로 최근에는 보다 실용적이면서 효과가 직접적으로 나타나는 방법들이 제안되고 있다. Taku et al. (2018)은 송풍 법과 연소법을 혼합하여 상단과 하단에 송풍과 흡입구를 만들 어 흡입한 공기를 가열해서 다시 송풍해줌으로 배 과수원에 서리피해 예방에 효과적이었다고 보고하였다. Jo et al. (2012) 은 배나무 개화기간 중 온풍기 가동을 통해 가동 지점으로부 터 25 m 거리까지는 대조구에 비해 온도가 높게 올라가 꽃의 냉해 피해율이 낮아지고 착과수가 높았다고 보고하였다. 이처 럼 노지 과원에서 저온 발생시 온도를 직접적으로 올려줄 수 있는 방법인 온풍기 사용이 관심받고 있다.

이에 본 연구에서는 시설과수에서 이용되고 있는 농업용 온 풍기와 덕트를 이용하여 수관 하단부에 직접적인 온풍을 통한 노지 사과원 개화기 저온피해 경감 기술로서 가능성을 검증코 자하였다.

재료 및 방법

시험장소 및 온풍덕트 설치

본 시험은 약 2500평 규모의 전북 진안군 백운면에 위치한 사과원에서 4.0 m × 2.0 m로 재식된 재식 4년차 ‘후지’/M.9 사과나무를 대상으로 2022년~2023년 2년 동안 실시하였다. 본 과원은 해발고도가 335 m 준산간지로 개화기 저온피해가 지 속적으로 발생하였으나 이를 예방하기 위한 시설은 설치되어 있지 않았다.

시험에 사용한 온풍기(BH-250, BOMHAN, Korea)는 난방 능력이 250,000 Kcal/h인 등유 온풍기이며, 4단계 변온방식으 로 기온이 영상 3°C 이하로 떨어질 때 자동 가동, 송풍되도록 설정하였다. 온풍기는 과원의 정중앙에 설치하였고, 온풍기 좌 우에 직접 연결되는 주덕트(지름 800 mm)와 주덕트에서 각각 의 재식 열로 나눠지는 분기덕트(지름 360 mm)는 지면으로부 터 70 cm 높이에 설치하였다(Fig. 1). 주덕트는 노지환경에서 내구성과 50~60°C 내외의 온풍에 내열성을 고려하여 옥스퍼 드 원단(50 Denier, 1D=9km/g)을 이용하였고, 분기덕트는 옥 스퍼드 원단과 직조필름(SOLATEX)을 이용하였다. 분기덕트 의 길이가 최대 50 m를 넘지 않도록 하였으며, 온풍기에서 토 출되는 송풍량과 분기덕트에 전달되는 송풍량이 균일하도록 식1(Formula 1)과 같이 주덕트 단면적 대비 분기덕트 단면적 합을 계산하여 분기덕트를 설치하였다. 또한 각 분기덕트에는 1m 간격으로 상단에 2개씩 직경 1.5 cm 타공하여 제1측지 상단으로 송풍하였다.

(r = 0.8~1; A_m, 주덕트 단면적; A_S1, 제1분기덕트 단면적; A_S2, 제2분기덕트 단면적; N₁, 제1분기덕트 개수; N₂, 제2분기 덕트 개수)

조사내용

온풍기 가동에 따른 사과원 온도 변화는 Data Loggers (STA Corporation co., Korea)를 사용하여 지면으로부터 각각 30 cm, 130 cm, 230 cm, 330 cm 높이에서 30분 간격으로 6 지점(옥스포드 분기덕트 2지점, 직조필름 분기덕트 2지점, 무 처리구 2지점)에서 측정하였다(Fig. 1D).

화기의 냉해 피해율과 착과율은 1.3 m 미만으로 위치한 하 단부 측지 정아의 화총을 주당 30개씩 선발하여 조사하였다. 냉해 피해율은 저온이 발생한 시점과 생육단계를 고려하여 2 회로 나눠서 핑크기(2023년 4월 12일)와 만개기(2023년 4월 26일)에 꽃을 횡으로 갈라서 씨방이 갈색으로 변색된 것을 피 해받은 것으로 판정하였으며, 착과율은 착과된 과실수를 조사 하였다.

통계분석

온풍기 가동에 따른 화기의 냉해 피해율과 착과율은 평균값 간의 차이는 SPSS (statistical package for the social science, Version 20, SPSS Inc., Chicago, IL, USA) 소프트 웨어를 이용하여 일원배치 분산분석(ANOVA) 및 T-test 분석 법으로 검증하였고, 유의적 차이가 있는 경우는 P≤0.05 수준 에서 Duncan의 다중검정 방법으로 사후분석을 실시하였다.

결과 및 고찰

온풍덕트 가동에 따른 수고별 온도변화

세장방추형을 기본으로 하는 사과나무 수형에서 개화기 저 온피해가 발생하는 부위는 수관하부 1단 측지를 포함한 수고 130 cm 이내에서 주로 발생하고 있다. 따라서 시설재배에서 이 용되고 있는 덕트체계를 노지 사과원에 적용하여 개화기 저온 피해를 경감코자 하였다.

2021년 예비 실험 결과, 시설재배 온풍 덕트에서 이용되고 있는 타포린 소재(갑바형)는 내열성이 약해 온풍기 송풍구 주 변에서 녹아 내리는 현상이 발생했다. 따라서 내열성과 내마 모성을 지닌 옥스퍼드 원단을 사용하게 되었다(Fig. 1).

선발된 내마모성 옥스퍼드 원단을 이용해 주덕트와 분기덕 트를 설치한 후, 노지 사과원에서의 온도상승 효과를 1차적으 로 검정하고자 하였다. 일기예보를 통해 영하로 내려갈 가능 성이 높았던 개화기 인근 2022년 4월 19일 저녁부터 4월 20 일 아침까지 시험 가동하였다. 그 결과 Fig. 2에 제시된 것처 럼 온풍기가 가동된 새벽 시간대에 지면에서 30 cm 높이 부 근의 온도가 대조구 대비 약 2°C 상승하는 것을 확인하였다.

2023년에는 설치단가 절감을 위해 내구성이 우수한 직조필 름(SOLATEX)를 추가하여 개화기에 인접한 4월에 본 실험을 추진하였다. 사과 개화기에 인접한 2023년 4월 시험과원(진안 군)과 인접한 동부산악권 지역(장수군, 임실군)의 평균기온은 11.3~12.5°C였으며, 최저기온이 영하로 떨어져 개화기 저온피 해가 발생된 기간이 4회 정도 있었고, 온풍기는 가동되어 총 10회 가동되었다(Fig. 3).

이 중 2023년 4월 8일부터 10일까지 3일 동안은 전국에 저온피해 주의보가 발효되었고, 시험과원의 기상 관측 자료로 볼 때 4월 8일 오전 5시경 최저기온이 –3.7°C까지 떨어졌다. 이 기간 중 온풍기 가동은 4월 8일 오전 3시부터 7시 30분까 지 1차 가동(270분)이 되었고, 같은 날 22시 30분부터 다음날 오전 8시까지 2차 가동(530분) 그리고 4월 9일 23시부터 다 음날(4월 10일) 오전 7시 30분까지 가동(510분)되어 총 3회 가동(1,310분)되었다.

온풍기 가동(2023년 4월 8~10일)에 따른 수관 높이별 온도 변화는 Fig. 4와 같다. 온풍기 가동에 따른 온도 상승효과는 냉기가 정체하는 지제부 30cm 부근(Fig. 4C)에서 뚜렷하게 나 타났다. 최저기온으로 관측된 4월 8일 오전 5시 무처리구의 관측 온도는 –3.7°C였으나 온풍기 가동 시험구 중 옥스퍼드 이용 분기덕트 처리구는 –0.68°C로 무처리구에 비해 3.02°C 상승하는 효과가 보였고, 직조필름 이용 분기덕트 처리구는 – 2.83°C로 무처리구에 비해 0.87°C 상승한 것으로 조사되었다. 또한, 4월 9일 오전 6시에 무처리구의 관측 온도가 –3.69°C 일 때 옥스퍼드 이용 분기덕트 처리구는 0.88°C, 직조필름 이 용 분기덕트 처리구는 –2.42°C로 무처리구에 비해 각각 4.57°C, 1.27°C씩 상승하는 가장 큰 효과를 보였다. 하지만, 지제부로부터 130 cm와 230 cm 높이에서는 분기덕트 종류와 도 상관없이 무처리구와 비슷한 온도 수준으로 온풍기에 의한 온도 상승효과는 크게 없었다(Fig. 4A, 4B).

국내에서 시도되지 않은 노지과원 온풍덕트 방식은 헝가리 에서 이용되고 있는 이동식 열풍기와 비슷한 효과를 나타내고 있다. 이동식 열풍기는 부탄가스를 태워 80~90°C 열풍을 방사 하는 방법으로 트랙터에 부착하여 서리가 예보될 때 5~7헥타 르를 커버할 수도 있다. 하지만, 심한 서리가 예보될 때는 빠 른 속도로 과수원 내부를 밤새 왕래해야 하는 문제와 예방가 능한 면적이 감소하는 단점이 있다. 연소법과 마찬가지로 고 비용과 노동력이 많이 소요되는 단점이 있다(Lakatos and Brotodjojo, 2022). 그런면에서 옥스퍼드 원단 이용 온풍덕트 방식은 노동력이 적게 들면서 가동온도 설정만으로 피해 경감 효과를 기대할 수 있을 것으로 본다.

온풍기가 가동되는 동안(2023년 4월 8~10일, 3차) 각 가동 차수와 수관 높이에 따른 평균온도를 조사하였다(Fig. 5). 지 제부로부터 30 cm 높이에서의 평균온도는 1차 가동시 옥스퍼 드 원단 이용 분기덕트 처리구는 –0.81°C이였고, 직조필름 이 용 분기덕트 처리구는 –2.20°C로 무처리구(-2.40°C)에 비해 각 각 1.60°C, 0.20°C가 높았다. 온풍기 2차 가동시는 옥스퍼스 원단 이용 분기덕트 처리구는 0.21°C, 직조필름 이용 분기덕 트 처리구는 –0.93°C로 무처리구(-1.61°C)에 비해 각각 1.85°C, 0.71°C가 상승효과가 있었다. 3차 가동시 상승효과가 가장 높게 나타나 무처리구에 비해 각각 2.4°C, 1.1°C가 높은 것으로 조사되었다(Fig. 4A). 하지만, 지제부로부터 130 cm와 230 cm 높이에서는 무처리구와 비슷한 온도 수준이였다. 이상 의 결과로 볼 때, 온풍기 가동으로 지제부로부터 30 cm 높이 에서의 온도 상승효과가 뚜렷하게 나타났고, 상승효과는 외기 온도가 높을 때 더 크게 조사되었다. 외기온도가 –3°C 이하로 낮아질 때 영하의 온도에서 탈출하기 위한 온풍기 제어를 위 해서는 외기온도의 변화에 따라 온풍기의 열량이나 동작제어 온도가 함께 변화할 수 있도록 제어해야 최적의 효과를 볼 수 있음을 알 수 있었다. 또한 피해가 주로 발생하는 1단 측지 높이 가까이 분기덕트를 설치하면 피해경감 효과를 더 기대할 수 있을 것으로 본다.

온풍기 가동 전체시간(1,310분) 동안 지제부로부터 30 cm 높이에서 평균온도는 옥스퍼스 원단 이용 분기덕트 처리구는 0.31°C, 직조필름 이용 분기덕트 처리구는 –0.97°C로 무처리구 (-1.64°C)에 비해 각각 1.95°C, 0.67°C가 상승효과가 있었다. 지제부로부터 130 cm와 230 cm 높이에서 평균온도는 옥스퍼 스 원단 이용 분기덕트 처리구는 –0.86°C와 –1.01°C, 직조필 름 이용 분기덕트 처리구는 –1.25°C와 –1.29°C로 무처리구 (-0.92°C와 –0.56°C)와 같이 지속적으로 영하의 온도에 머물러 있었다. 결론적으로, 개화기 저온피해 예방을 위한 온풍기 가 동은 지제부에 직접적인 온도 상승효과가 나타났으며, 옥스퍼 드 원단 이용 분기덕트 처리구의 경우 평균 2.6°C, 직조필름 이용 분기덕트 처리구는 1.1°C로 온도가 상승함을 확인하였다.

봄철 저온 발생 시 공기의 흐름에 따라 밀도가 높은 찬공기 는 지형적으로는 계곡이나 저지대 평탄지에 정체되고(FAO, 2005), 수관내 위치적으로는 하단부에 냉기가 지속적으로 머 물러 피해를 가중시키며 지표 근처의 온도가 –3°C 이하이면 피해가 더 커지므로(Taku et al., 2018) 이 위치의 공기의 흐 름을 바꿔주는것이 가장 효과적인 방법이다. 이러한 면으로 볼 때 노지 과수원에 하단부 개별 덕트를 이용한 온풍 방법은 하 단부 온도를 최대 2.6°C까지 올려 줌으로 피해가 가중되는 온 도에서 빠르게 벗어나게 하며 정체된 공기의 흐름을 바꾸는데 효과적이 방법임을 확인하였다. 본 연구결과와 같이 배 과수 원에서 서리피해 예방을 위해 송풍법과 온풍법을 혼합하여 실 시할 때 상단부 공기를 흡입하여 하단부에 온풍해 주는 방법 이 하단부 공기를 흡입하여 상단부에 온풍해 주는 방법보다 온도 상승효과가 더 컸다고 하였다(Taku et al., 2018).

온풍덕트 가동에 따른 화기 피해율 및 착과율

나무의 생존에 영향을 미치는 겨울서리는 작물의 재배 한계 선을 정하는 제한요인으로 작용한다. 반면, 봄 서리는 기존 과 수원의 당해 생산량 감소를 유발한다(Byers et al., 1994). 사 과 꽃에서의 서리피해 초기 증상은 얼었던 것이 해동되면서 나타나는 자방의 갈변현상이다(Eccel et al., 2009). 또한 개화 기나 개화전의 조직피해는 과실 성숙기까지 지속될 수 있고 (Modlibowska, 1962), 봄철 서리피해의 결과는 수확기에 과형, 크기 등에서 더욱 명확하게 나타날 수 있다(Simons, 1969;Simons and Doll, 1976;Simons and Lott, 1963). 따라서 본 온풍덕트 적용을 통해 개화기 피해 경감 효과를 알아보기 위해 하단부에 위치한 측지에서 정아의 화기 피해율과 착과율 을 조사하였다(Table 1).

2023년 4월 8~10일 3일간 영하 이하의 저온이 발생하여 온 풍기가 가동되었고 시험과원의 사과나무 생육단계는 핑크기였 다. 이때 발생한 저온에 의한 무처리구 중심화 피해율은 73.2%, 측화는 51.3%였고, 온풍기 가동 옥스퍼드 원단 이용 분기덕트 처리구의 피해율은 각각 42.8%, 26.2% 그리고 직조 필름 이용 분기덕트 처리구의 피해율은 각각 68.6%, 41.4%로 조사되었다.

중심화 피해율은 옥스퍼드 원단 이용 분기덕트 처리구에서 유의하게 줄이는 효과가 나타났고, 측화 피해율은 무처리구에 비해 온풍기 가동 처리구 모두가 유의하게 줄이는 효과를 보 였다. 시험과원의 만개 시기였던 4월 26일 조사한 화기 피해 율은 중심화와 측화에서 처리구별 유의한 차이가 나타나지 않 았으며, 중심화가 측화보다 피해율이 더 높았고 거의 모든 화기에 피해가 있는 것으로 조사되어 과실이 착과된다 하더 라도 동녹 발생 및 기형과 등 품질에 영향을 미칠 것으로 판단되었다.

무처리구에서 정아의 중심과는 거의 착과되지 않았고(0.5%), 측과 착과율은 61.1%로 조사되었다. 온풍기 가동 처리구에서 중심과 착과율과 측과 착과율은 옥스퍼드 원단 이용 분기덕트 처리구는 각각 38.3%, 82.7%였으며, 직조필름 이용 분기덕트 처리구는 각각 31.4%, 82.7%로 조사되어 온풍기 가동에 의해 안정적인 착과에 효과가 있음을 확인하였다.

최근 이상기상으로 인해 적정 착과량을 확보하지 못해 피해 를 받는 경우가 많아지고 있다. 농가의 경영 안정을 위해 농 작물재해보험이 시행되고 있으나 수량의 저하에 따른 보상은 되나 상품성 저하에 따른 보상은 미흡한 실정이다(RDA, 2020). 특히, 만개 후 40일 이내의 저온은 사과의 과실생장을 저해하여 과중 감소를 유발하는 것으로 보고했기에(Warrington et al., 1999) 착과수 확보를 위한 저온피해 예방 효과 규명도 중요하지만 품질에 미치는 영향을 줄일 수 있는 효과적인 방 법을 더욱더 연구해야 할 것으로 생각된다. 이에 본 연구에서 나아가 향후 분기덕트 직경 조정, 수관내 추가 설치 및 타공 방향, 크기 등에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 생각된다.

적 요

본 연구는 노지 사과원 개화기 저온피해 경감기술 개발을 위해 시설과수에서 사용하는 농업용 온풍기와 덕트를 이용하 여 세장방추형 사과나무 수관 하부에 직접 온풍하여 수고별 온도 상승효과를 검증하고자 수행하였다.