농업직, 농학과, 공무원, 연구사 등 대비 원예학 핵심 요약 정리 8. 시설원예와 무토양 재배

 

제8강 시설원예와 무토양 재배

 

■ 용어정리

 

알고리즘 : 문제를 해결하기 위한 목적에 맞추어 잘 정의된 정보 처리단계들 또는 규칙들을 순서대로 나열한 유한단계의 과정

경합금재 : 알루미늄에 여러 가지 소재의 금속을 첨가하여 만든 골격재로 가볍고 강하며 부식이 잘 안되는 특징을 가짐

한냉사 : 비닐론(vinylon), 폴리에스테르, 아크릴 등을 원료로 하여 실모양의 섬유로 짠 것

부직포 : 베틀에 짜지 않고 섬유를 적당히 배열하여 접착제 또는 섬유 자체의 융착력이나 섬유의 엉킴을 이용하여 접합한 시트 모양의 천

상용로그 : 10을 밑수로 하는 로그.

계면활성제 : 물에 녹기 쉬운 친수성 부분과 기름에 녹기 쉬운 소수성 부분을 가지고 있는 화합물로 계면의 경계를 완화시키는 역할을 해 표면장력을 감소시켜 퍼짐성과 습윤성을 증가시킴.

중합체(polymer) : 단위체(monomer)라고 하는 간단한 화학단위가 서로 결합하여 매우 큰 분자를 이루는 천연 또는 합성 물질

수막시설 : 주로 겨울철 보온을 하기 위한 시설로 시설 내·외 피복면에 노즐로 살수하는 일종의 지붕분무 시설임.

산광재 : 시설 내 입사되는 광선의 위치별 분포를 고르게 하기 위해 피복재에 굴곡이나 요철을 두어 빛을 흩어지게 한 피복자재

흡비작물 비료 성분의 흡수 능력이 상대적으로 큰 작물. 옥수수, 수수, 사탕무 같은 작물은 비료 흡수력이 큼.

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8.1. 시설원예의 의의

<핵심요약>

시설원예는 농가 소득 증대, 기업적 영농, 국민 보건과 정서 함양, 생산 및 소비의 다양화, 미래 지향적 생산 시스템 개발, 관련 산업의 발전, 신재생 에너지 활용과 환경 보전에 기여하고 있다.

 

<이해점검>

농업적 측면에서 시설원예는 농가 소득 증대에 기여한다. 노지 재배와 비교하여 생산성이 높고, 품질이 우수하며, 단경기 생산이 가능하기 때문이다. 시설원예의 장점 중 하나인 계획 생산 및 출하가 가능한 점으로부터 생산 농가로 하여금 기업적 경영 감각을 갖게 한다는 것이다. 채소와 화훼를 주년 생산하여 공급하므로 국민 보건 향상 및 정서 함양에 기여하고 있다. 또한 시설원예는 청정하고 안전한 농산물 공급이 가능하다. 시설을 통해 원예 작물 생산이 다양해짐에 따라 소비 원예 작물 선택이 넓어졌다.

 

시설원예는 미래 지향적인 농업생산 시스템으로 각종 환경 조절 기술과 수경재배 시스템, 운영 기법 개발 등이 첨단 소재 및 설계 분야와 융합하여 새로운 농업 생산 시스템인 완전 제어형 ① 을 탄생시켰으며 나아가 사막, 극지방뿐 아니라 우주 공간으로까지 식물생산의 장을 넓혀가고 있다. 시설원예는 관련 소재, 기기 및 운영 알고리즘의 개발 등과 함께 발전해 왔으며, 이들 시설원예 관련 기자재 산업은 새로운 원예 관련 산업으로 자리 매김 하였다. 신재생 에너지로 발전소에서 배출되는 온수, 쓰레기 소각장의 연소열을 시설원예의 난방에 이용하고 있어 환경 보전을 지향한다. 지열 교환 장치를 이용하여 시설 내 냉방과 난방에 소요되는 에너지를 크게 절약할 수 있다. 또한 소형 태양광 및 풍력 발전 시설, 효율성이 높은 광원(LED 등)을 활용하고자하는 등의 노력이 진행 중이다.

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8.2. 시설의 종류와 자재

<핵심요약>

온실은 개방형과 폐쇄형 온실로 구분하며 피복자재에 따라 유리온실과 플라스틱 온실로 대별된다. 이외에 구조 자재에 따라 목조 혹은 죽조온실, 철골 온실 및 파이프 온실, 경합금재 온실로 분류한다. 이용 목적에 따라서는 영리용, 관상용, 가정용 온실로 나누고, 지붕 모양 등 외부 형태 등에 따라 외지붕형, 스리쿼터형, 양지붕형, 벤로형, 둥귽 지붕형, 터널형 온실 등으로 세분한다. 특수 온실로 에어하우스, 펠레트하우스, 지붕 개방식 온실, 비가림 시설 등이 있다.

 

<이해점검>

시설은 피복자재에 따라 유리 온실과 플라스틱 온실로 대별될 수 있으며, 플라스틱 온실은 다시 비닐 온실, 폴리카보네이트(PC) 온실, 아크릴 온실, 경질 비닐 온실 등으로 세분된다. 구조에 자재에 따라 목조 혹은 죽조 온실, 철골 온실과 파이프 온실, 경합금재 온실로 나눌 수 있는데, 목조 혹은 죽조 온실은 거의 찾아볼 수 없다. 철골 온실은 형강을, 파이프온실은 ② 을 용융시켜 도금한 파이프를 널리 사용된다. 그러나 이들 재료들은 일반적으로 고온 다습하기 쉬운 온실 내부의 환경 조건에서 부식되기 쉬운 점과 무게가 무거운 단점을 갖고 있다. 경합금재 온실은 알루미늄을 주재료로 한 경합 금속을 사용하는데, 경합금속이 가벼워서 다루기가 용이하고, 시설 내의 환경 조건에서도 녹이 잘 슬지 않는 장점을 갖고 있다. 그러나 철재보다 강도가 떨어지는 점과 가격이 비싸다는 단점이 있다. 시설은 이용목적에 따라 영리용, 관상용, 가정용 온실로 구분한다. 영리용 생산 온실은 규모가 다른 온실보다 크며 대형 단동 혹은 연동형이 많다. 관상용 온실은 여러 종류의 식물을 재배 전시하는 온실로서, 온실의 외관뿐 아니라 내부에도 미적인 요소가 강조된다. 가정용 온실은 일반 가정에서 열대성 식물이나 추위에 약한 식물 등을 재배할 목적으로 설치된 온실로서 취미 목적이 강하다.

유리온실

플라스틱온실(비닐하우스)

지붕 모양 등 외부 형태에 따라 외지붕형, ③ , 양지붕형, ④ , 둥근 지붕형, 터널형 온실로 분류한다. 외지붕형 온실은 북쪽 면은 담벽을 만들거나 기존 건물의 벽에 잇대어 짓는 경우가 많다. 주로 동서 방향으로 짓는다. 취미 오락이나 간단한 연구용으로 이용한다. ③ 온실은 부등변 지붕형 온실이라고도 하는데 주로 동서 방향으로 설치하며, 남쪽 지붕의 길이가 전체의 3/4정도로 채광과 보온성이 뛰어나다. 양지붕형 온실은 좌우 양쪽의 지붕 길이가 같은 온실로, 광선이 균일하게 입사하고 통풍이 잘되며, 주로 남북 방향으로 짓는다. 단동을 여러 동 연결한 연동형 온실은 단위 면적당 건축비가 싸고 토지 이용률을 높일 수 있다. 채소나 화훼의 대규모 생산 시설에 널리 이용된다. ④ 온실은 처마가 높고 너비가 좁은 양 지붕형 온실을 연결한 것으로 종래의 연동형 온실의 결점을 보완한 것이다. 연동형 온실에 비해 골격 자재가 적게 들어 시설비가 절약되고 골격률이 낮아 투광률이 높다. 처마가 높아 토마토, 착색 단고추 등의 장기 재배에 적합하다. 둥근 지붕형 온실은 일명 돔형 온실로도 불리는데 곡선 유리를 이용하여 지붕을 둥글게 만들었기 때문에 온실 내부에 그늘이 덜 생기고 투광률이 높아 식물원의 전시용으로 많이 이용된다. 이 온실은 지붕의 곡면이 크기 때문에 대형 식물도 수용할 수 있는 장점이 있다. 터널형 온실은 우리나라 시설원예 초창기부터 사용되어 온 대표적인 비닐하우스 시설로 형태는 반원형이다. 조립 및 해체가 용이하여 벼를 재배한 이후에 논에 설치하여 원예 작물을 재배하는데 많이 사용하였다. 환기가 불량하고 작업성이 크게 떨어지는 단점이 있으나 소규모 시설재배 농가를 중심으로 현재에도 사용되고 있다.

 

특수 시설로 에어하우스는 간단한 구조물에 이중의 플라스틱 필름을 씌우고, 그 사이에 공기를 송풍하여 가압시키면서 하우스 형태를 유지시키는 온실이다. 구조재에 의한 광 차단이 없고 이중 피복과 동일한 보온 효과를 나타낸다. 펠레트하우스는 온실 표면에 공간을 띄워 플라스틱 필름을 치고 그 사이에 발포 폴리스티렌 조각 등을 충진시켜 야간의 보온 효과를 극대화시킨 시설이다. 일몰 및 일출 후에 충진물을 넣고 빼어 내기 위한 송풍기 가동의 비용이 든다는 점, 이중 구조를 형성하고 낮 동안 충진물을 보관해야 하는 별도의 공간을 설치해야 한다는 단점이 있다. 지붕 개방식 온실은 실내 기온이 설정치 이상이 되면 온실의 지붕이 완전히 개방되도록 설계된 여름철의 고온 극복을 위한 온실이다. 옆에서 부는 바람에 버티고 구동부의 무게를 지탱하기 위해 골격률이 높아지는 단점을 갖고 있다. ⑤ 시설은 자연 강우를 차단하기 위해 단순한 골격 구조에 플라스틱 필름 등의 피복재를 덮어씌운 시설이다. 우산형 ⑤ 시설(포도)과 전면 ⑤ 시설(노지 채소)이 있다.

 

<핵심요약>

시설의 골격자재로 철재 파이프와 형강이 많이 쓰이는데 최근에는 내부식성이 강하고 무게가 가벼우며 용적이 작아서 시설의 골격률을 작게 할 수 있는 알루미늄을 주재료로 한 경합금속이 많이 사용되고 있다. 온실의 기초 피복재에는 판유리, 플라스틱 자재가 있으며, 플라스틱 자재는 다시 연질 필름, 경질 필름, 경질판으로 분류하며, 추가 피복재에는 연질 필름 외에 매트, 한냉사, 부직포, 반사 필름 등이 사용된다.

 

<이해점검>

시설의 골격자재로 초기에는 나무나 대나무를 많이 이용하였으나, 내구성이 짧고 규격화하기도 어려워서 철재나 경합금재로 대체되었다. 유리온실의 골격 자재로 철재로 만든 형강이 많이 쓰이고 있으나 최근에는 내부식성이 강하고 무게가 가벼우며 용적이 작아서 시설의 골격률을 작게 할 수 있는 알루미늄을 주재료로 한 경합금속이 많이 사용되고 있다. 플라스틱 하우스의 골격 자재로는 구조용 강관을 많이 사용하였으나, 아연 도금 강관 및 알루미늄-아연 합금 도금 강관이 최근에는 널리 사용되고 있다. 피복자재는 기초 피복재와 추가 피복재로 나눌 수 있다. 기초 피복재에는 판유리, 플라스틱 필름 자재가 있으며, 플라스틱 자재는 다시 연질 필름, 경질 필름, 경질판으로 분류한다. 가장 흔하게 사용되는 피복재는 유리 온실에서는 판유리, 플라스틱 온실에서는 폴리에틸렌, 에틸렌아세트산, 염화비닐과 같은 연질 필름이다. 특히, 우리나라에서는 ⑥ 필름이 가장 많이 이용되고 있다. 추가 피복재에는 연질 필름 외에 매트, 한냉사, 부직포, 반사 필름 등이 사용된다.

 

피복 자재가 갖추어야 될 특성으로 광, 온도, 수분, 습도 환경 등에 관계하는 물성으로 물방울 맺힘성(무적성 혹은 유적성), 김 서림 방지성, 장파 방사 투과율(혹은 흡수율), 광투과성, 광선택성 및 통기성 등이 있다. 피복 및 개폐 작업 등의 편리성에 관계하는 물성으로 끈적거림, 신축성, 비중, 가공성 등이 있고, 내구성과 강도에 관계하는 물성으로 내후성, 결로성 등이 있다.

 

주요 피복자재로 판유리는 일반적으로 두께가 3mm인 것이 많이 쓴다. 벤로형 온실과 적설량이 많은 지역의 연동형 온실의 곡부와 바람이 강한 지역의 측벽에는 4mm 정도의 것을 쓰는 것이 바람직하다. 플라스틱 필름으로 ⑦ (PVC) 필름은 연질필름으로 가소제, 내열 및 내후성 강화 안정제, 물방울 맺힘을 방지하는 계면활성제, 보온성 강화 물질 등을 필요에 따라 첨가한다. 일반적으로 유연성, 탄력성, 투명성이 높고 물방울 맺힘 방지 효과도 장기간 유지된다. 반면에 무겁고 끈적거리며 때가 잘 타서 광선 투과율이 낮아지기 쉬운 점 등이 결점이다. 폴리올레핀계(PO) 필름은 연질필름으로 알파 올레핀의 중합체이로 폴리에틸렌, 에틸렌아세트산(EVA) 등이 있다. 폴리에틸렌(PE) 필름은 보온성이 적기 때문에 시설 외부 설치용으로는 적합하지 않은 필름이다. 그러나 우리나라에서는 시설원예 초창기부터 하우스 외피복재로 널리 이용되었으며 최근에도 터널형 온실 등에서 사용되고 있다. 이 필름은 광선투과율이 높고, 필름 표면에 먼지가 적게 부착하며, 필름끼리 서로 달라붙지 않기 때문에 취급하기 편리하고, 여러 가지 약품에 대한 내성이 크며, PVC에 비하여 값이 싸다는 장점을 지니고 있다. 그러나 수명이 짧고, 보온력이 떨어짐, 항장력과 신장력 낮은 결점이 있어 외피복재보다는 커튼, 이중 터널 피복, 멀칭, 소형 터널 피복재에 더욱 적당하다고 할 수 있다. EVA 필름은 가소제를 함유하고 있기 때문에 먼지가 잘 붙지 않고 끈적거리지 않는다. 내부 피복이나 터널 등에 많이 이용된다. 농업용 PO계 특수 필름은 농업용 PE 필름의 보온성을 개선하기 위해 PE와 EVA를 3~5겹 겹쳐서 다층 구조로 만든 필름이다. 자외선 흡수제를 배합하기도 하고, 도포 및 코팅 처리를 하기도 하여 보온성을 강화시켰다. 가볍고 끈적거리지 않으며 투명성이 높은 장점을 갖고 있으며 수명은 1~2년 정도이다. 불소계 필름은 경질필름으로 시설 외부 설치용으로 15년 이상의 내구성과 내후성을 갖으며 재활용도 가능한 소재이다. 자외선 방사 투과율이 높기 때문에 필름의 광산화 및 열에 의한 열화가 잘 일어나지 않으며, 자연광에 가까운 시설 내 광환경을 구현할 수 있다. 표면 반사가 매우 적기 때문에 시설 내가 밝고, 적외선 방사를 강하게 흡수하므로 보온성이 높다.

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8.3. 시설 내의 특이 환경

<핵심요약>

온실과 같은 시설 내부는 부분적으로 밀폐된 공간이므로 노지와는 다른 특이한 환경이 조성되므로 온도, 광, 수분, 토양, 공기환경에 대한 이해가 중요하다. 시설 내의 기온 일교차는 노지보다 크고, 지온은 일반적으로 시설 내가 노지보다 높다. 광도는 줄어들고 광질은 변하며, 위치에 따라 불균일하다. 자연 강우에 의한 수분 공급이 없어 토양은 건조하고 염류 농도가 높다. 밀폐된 시설 내에서는 이산화탄소가 부족하기 쉽고, 유해가스 피해를 받을 우려가 있다.

 

<이해점검>

시설 내 온도 환경으로 시설 내의 기온 일교차는 노지보다 크고, 지온은 일반적으로 시설 내가 노지보다 높다. 시설 내 기온은 보온, 난방, 냉방, 환기 등을 통해 조절한다. 보온은 터널, 멀칭, 추가 피복, 커튼 그리고 수막 시설 등을 이용하며, 난방은 온풍기, 온수 보일러, 난로 등을 이용하여 실시한다. 여름철에는 히트펌프 혹은 기화 냉방법을 이용하며 적극적인 냉방을 하기도 한다. ⑧ 는 온도 조절 외에도 이산화탄소 공급, 유해 가스 외부 방출, 공중 습도 저하 등의 부수적인 효과를 준다.

 

시설 내 광환경은 골격재에 의한 광 차단, 피복재의 광 흡수와 반사, 피복재의 오염 등에 의해 광도가 줄어들고 골격재, 입사각의 차이 등으로 시간대에 따라, 위치에 따라 광분포가 불균일해진다. 따라서 시설의 설치 방향, 골격재와 피복재의 합리적 선택, 피복재의 주기적 세척, 반사광의 도입 및 산광재 이용 등으로 투과 광량 증대 및 광분포 균일화에 힘쓰고, 필요한 경우에는 인공광을 도입하기도 하여 시설 내 광 환경을 개선해 주어야 한다. 또한 외부의 태양 광선이 피복재를 통해 실내로 투과되는 과정에서 피복재의 종류에 따라 파장별 광선 투과율이 다르기 때문에 노지와는 다른 광질이 된다.

시설 내는 자연 강우에 의한 수분 공급이 없어 토양이 건조해지기 쉽고, 토양 내에 단열재를 매설하는 경우는 지하 수분의 상승 이동이 억제된다. 시설 내 공기 중 수분은 노지 조건에 비하여 높게 유지되는 경우가 많아서 증산 및 광합성이 감소하는가 하면, 작물이 도장하고 병해 발생이 많을 수 있다. 공기 중 수분량을 낮추기 위해 멀칭을 하고, 환기를 자주해 주며, 적정 온도를 유지하도록 한다. 시설 내 토양은 노지에 비하여 염류 농도가 높으며, 특정 성분의 양분이 결핍되기 쉽다. 집약 재배에 따른 심한 답압으로 토양 물리성이 악화되기가 쉽고, 연작 장해가 발생하기 쉬우며, 토양의 오염이 문제가 되는 경우도 있다. 시설 내 염류 집적은 강우 차단 등 시설 내 특이 환경과 함께 다비 재배 등이 원인이 되며, 이에 대한 대책으로는 객토, 심경, 담수처리, 유기물 사용, 합리적인 시비, 휴한기의 피복물 제거, 흡비 작물의 재배 등을 들 수 있다.

 

일반적으로 대기 중의 이산화탄소 농도는 평균 350ppm이며 농도가 낮으면 광합성이 억제된다. 밀폐된 시설 내에서는 이산화탄소가 부족하기 쉬우므로 시설 재배에서는 인위적으로 ⑨ 를 하여 수량 및 품질을 향상을 도모한다. 한편 시설 내에서는 시비 및 난방 등 다양한 원인으로 암모니아, 아황산가스 등과 같은 유해 가스가 집적되기 쉬우므로 환기를 하여 이들을 외부로 배출시켜야 한다. 또한 시설 내부는 노지에 비해 풍속이 작다는 특이성이 있어 작물에 따라서는 수분이 장해를 받아 착과가 불량하게 되기도 한다. 시설 내에 공기 유동 팬을 설치하여 일정 풍속 이상 유지하는 것이 좋다.

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8.4. 무토양 재배

<핵심요약>

무토양재배는 연작, 청정, 자동, 생력 재배가 쉽고 생육과 수량성이 좋은 장점을 가지고 있다. 반면에 토양 재배에 비해 초기에 많은 자본이 필요하며, 전문적인 지식과 기술이 요구된다. 또한 배지는 완충능이 적거나 거의 없어 환경 변화에 따라 근권 환경이 크게 변동하여 작물 생산에 치명적인 손실을 초래할 수도 있다.

 

<이해점검>

무토양 재배는 토양을 사용하지 않기 때문에 연작이 가능하고, 청정 재배가 가능하며, 시비와 관수 작업을 자동화 할 수 있어 노동력을 크게 줄일 수 있기 때문에 경작의 규모 확대도 용이하다. 완벽한 환경 조절로 품질을 향상하고 수량을 증대시킬 수가 있으며, 오염지, 바위섬, 사막 등 장소에 관계없이 작물 재배가 가능한 것도 무토양 재배의 이점이다. 따라서 대부분의 식물 공장의 재배 시스템으로 채택될 뿐 아니라 남극 지방 혹은 우주 공간에서의 식물 생산 시스템의 기본적인 요소 기술로 자리 잡고 있다.

 

식물을 토양 없이 재배하는 기술로 정의 되는 무토양 재배라는 용어가 가장 넓은 범주를 갖는 용어로 정착되어 왔으며, 이를 다양한 기준으로 세분하여 각각의 시스템의 명칭을 정하였다. 초기에는 수경 재배라는 용어가 주로 사용되었으마 양액 공급 방식이 보편화되면서 수경 재배보다 범주가 큰 양액 재배라고 용어를 사용하기도 한다. 현재까지도 양액 재배와 수경 재배를 혼용하는 경향이 있다. 일본원예학회에서는 양액 재배를, 한국원예학회는 ⑩ 를 공식적인 용어로 선정한 점을 보아도 이 점은 단지 용어 선택의 문제 그 이상이 아님을 의미한다고 본다. 그 외에 water culture, 또는 용액 재배, 그리고 양액을 담은 탱크나 재배상을 이용해서 재배한다는 뜻의 탱크 농업, 또는 베드 농업 등의 용어들이 사용되기도 한다.

 

<핵심요약>

무토양 재배법은 양액과 산소공급방식, 배지의 종류에 따라 기상배지경, 액상배지경, 고형배지경으로 나뉜다. 액상배지경의 하나인 박막수경방식이나 고형배지경의 하나인 암면경 등은 널리 이용되고 있는 수경방식이며 청정 원예 산물의 수요 증가와 함께 높은 제어성과 자동화 가능성 때문에 다양한 수경방식이 보급되어 있다.

 

<이해점검>

분무경은 기상배지경의 하나로 뿌리의 호흡을 돕기 위해 근권을 공중에 노출시키고 양액을 간헐적으로 뿌리에 분무하며 재배하는 방식으로 공기경이라고도 한다. 뿌리의 산소 공급에는 유리하나 근권 주위의 온습도가 변하기 쉬운 결점을 가지고 있다. 분무 수경은 분무경과 박막 수경의 절충 방식으로 뿌리의 일부는 항상 양액 중에 담겨 있는 상태에서 분무경에 준하여 양액을 간헐적으로 뿌리에 분무하는 방식이다. 수기경이라고도 부른다.

액상배지경은 단순 수경 혹은 수경이라 불리는데 담액형과 박막형으로 구분한다. 담액형(DFT) 수경은 뿌리의 전부를 양액에 담가서 재배하는 방식으로 산소 공급을 위해 연속 통기, 액면 저하, 등량 교환, ⑪ 등과 같은 방식을 이용한다. 연속 통기식은 양액 속에 뿌리를 완전히 담그고 기포 발생기를 이용하여 산소를 공급하면서 재배하는 방식으로 현재 많이 이용되지 않고 있다. 액면 저하식은 작물의 생육이 진전됨에 따라 양액의 수위를 낮게 조절하여 생육 후반에는 박막형 수경에 가까운 형태로 재배하는 방식이다. 등량 교환식이란 두 개의 담액형 베드 사이에 펌프를 설치하여 교대로 양액을 채웠다 뺐다 함으로써 산소 공급을 촉진하는 방식이다.

그리고 ⑪ 식(ebb and flow)은 담액형 재배상에 고형 배지를 충진한 화분 혹은 연결 트레이를 놓고 그것들의 아랫부분의 구멍을 통해 식물 뿌리에 양액을 주기적으로 공급한 후 배수시키는 방식으로 포트 재배나 용기 재배에 있어서 근권의 수분 조절이 용이한 방식으로 일종의 담액형 수경과 고형 배지경의 절충형이다. 박막형(NFT) 수경은 담액형 수경이 갖고 있는 근권에의 산소 공급 문제를 해결하고자 개발된 것으로 재배상 표면에 양액을 조금씩 흘러내리도록 하고 그 위에 뿌리의 일부만이 닿게 하여 재배하는 방법이다. 대부분의 뿌리가 밀폐된 근권 내의 공기층에 노출되어 있기 때문에 뿌리에의 산소 공급이 원활하게 이루어져 별도의 산소 공급 장치를 설치하지 않아도 되며, 재배상 위의 양액의 양이 적기 때문에 중량이 작아서 베드를 높게 설치하여 작업 효율을 높일 수 있으며 근권 환경 제어의 반응성이 좋다. 반면에 근권 내의 완충력이 낮은 단점이 있다. 고형배지경은 식물의 지지, 산소 공급, 기타 토양이 갖는 이점을 활용하기 위해 여러 가지의 고형 물질을 배지로 이용하고 배지에 양액을 공급하는 방식이다. 펄라이트경은 진주암을 1,000oC 이상 고온으로 가열하여 팽창시켜 만든 펄라이트를 이용한다. 펄라이트는 무균, 무취, 무독의 배지로 가벼우면서 통기성, 보수성, 배수성이 좋아 고형 배지경의 배지로는 물론 원예 용토의 혼합물로 널리 이용되고 있다. 유효 수분량은 낮으므로 입상 암면, 피트모스, 훈탄 등을 혼합하여 사용한다. ⑫ 경은 휘록암, 석회암, 그리고 코코스를 혼합하여 1,600oC에서 용해시킨 후 이를 섬유화한 다음 적절한 밀도로 성형한 ⑫ 을 이용한다. ⑫ 은 공극률이 85% 전후로 통기성, 보수성, 확산성이 뛰어나 양액 재배용 배지로 널리 활용되고 있다. 다른 고형 배지경에 비하여 이식과 정식이 간편하고 가벼워서 취급하기가 편리하다. 또한 재배 가능한 작물의 종류가 많고, 병해충 발생의 위험이 적으며, 시설비가 저렴하고, 재배 관리를 시스템화 할 수 있는 등의 잠정이 있다. 반면에, 배지의 의해 양수분의 보유, 방출이 있을 수 있으므로 제어 기능이 떨어지며, 사용 후 폐암면의 처리가 어렵다는 단점이 있다. 훈탄경은 왕겨를 까맣게 태워 만든 훈탄을 배지로 삼고 양액을 분사 또는 떨어뜨려 작물을 재배하는 방식이다. 훈탄은 병해충이 없으며, 공극률이 커서 통기성과 보수성이 뛰어나 고형 배지로 적합하다. 그리고 훈탄은 잔근 처리가 쉬워 간단하게 햇볕 소독으로 재사용이 가능하다. 처음 사용할 때는 알칼리성이므로 물로 충분히 씻은 다음 사용해야 한다.

 

<핵심요약>

양액 재배는 토양 없이 재배하는 것이기 때문에 작물의 생육에 필요한 양분을 골고루 함유 시킨 양액을 조제하여야 한다. 또한 재배 중에는 지속적으로 양액을 관리해 주어야 한다. 특히, 액온, 용존 산소 농도, 산도, 양액 강도 등이 적절히 유지되도록 관리하여야 한다.

 

<이해점검>

양액의 조성은 작물의 평균 무기 양분 흡수량을 조사한 다음 그에 근거한 개략적인 농도비를 가지고 결정한다. 일반인들이 양액을 조제할 때는 먼저 연구 기관이나 특정 연구자들이 연구하여 이미 작물별로 만들어 놓은 배양액을 이용한다. 또는 미리 조제되어 상품화된 비료를 구입하여 이용하는 경우도 있다. 외국에서는 용액 형태로 제조한 농축 양액을 판매하는 경우가 많아 이들을 양액 희석 장치에 바로 연결하여 사용하기도 한다.

양액의 농도는 ⑬ (EC, 단위 mS cm-1)로 나타낸다. 비료 성분이 많으면 전기가 잘 통해서 EC가 높고, 적으면 EC의 값이 낮다. 하지만 각 원소별 농도는 알 수 없다. 일반적으로 대다수의 작물은 EC 1~3mS cm-1에서 정상적인 생육을 한다. 양액의 산도(pH)는 일반적으로 5.5~6.5 범위가 식물생육에 적절하다. pH를 낮출 때에는 황산(H2SO4), 인산(H2PO4), 질산(HNO3)을, pH를 높일 때에는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 등을 사용하여 조절한다. 배양액의 온도가 낮으면 뿌리의 활성이 떨어지고, 질소, 인산, 칼륨 등의 흡수가 억제되며, 반면에 배양액의 온도가 높으면 칼슘의 흡수가 잘 되지 않아 뿌리의 호흡이 증가하여 생육이 억제된다. 배양액 중의 포화 용존산소량은 수온에 따라 달라지는데, 온도가 높아질수록 포화량이 적어져 산소가 부족하기 쉽다. 작물의 뿌리는 계속해서 산소를 흡수하기 때문에 양액 중의 용존산소량은 감소하게 되므로 부족하지 않게 공급해 주어야 한다. 산소가 양액 중으로 많이 확산되려면 양액과 공기의 접촉면이 커져야 되며, 컴프레서를 이용한 통기나 또는 펌프를 이용한 양액의 환류 등은 모두 양액과 공기의 접촉면을 넓혀서 산소의 확산을 꾀하려는 수단이다. 한편, 공중에 노출된 뿌리의 산소 흡수량은 양액에서보다 2~3배 더 많으므로 뿌리를 간헐적으로 공기 중에 노출시킴으로써 산소의 흡수를 촉진시킬 수 있다.

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8.5. 식물공장과 우주농업

<핵심요약>

식물공장은 최적 환경의 자동 제어와 작업 공정의 자동화로, 식물을 외부 기상조건과 관계없이 안정적으로 재배할 수 있는 고도로 기계화된 시설로 우주공간에서도 재현 가능하다. 식물공장은 이상적이나 비현실적인 시스템이 아닌 새로운 부가가치 창출이 가능한 원예 산업의 한 부문으로 정착하고 있다.

 

<이해점검>

식물공장이란 시설 내 모든 환경 조건을 최적화하는 자동 제어 장치와, 작업 공정의 자동화 설비가 갖추어져서, 식물을 외부 기상 조건에 관계없이 안정적으로, 또한 최소의 인력 투입으로 재배할 수 있는 시스템으로 고도로 기계화된 시설이다. 식물공장은 시간과 장소에 구애받지 않고 작물을 생산할 수 있는 농법이라고 볼 수 있다. 장점으로는 생육과 생산량을 예측할 수 있어 철저한 계획 생산과 출하가 가능하며, 작물의 생장 속도가 빠르고 균일하며, 공간 활용률을 증진 시키며, 안전 농산물을 생산 할 수 있고, 최상의 품질과 최고의 수량을 낼 수 있으며, 병충해의 완전한 방제가 가능하고, 생산의 전 과정을 완전 자동화할 수 있다는 것이다.

 

식물공장은 태양광의 이용 형태에 따라 완전 제어형, 태양광 병용형, 태양광 이용형으로 구분한다. 완전 제어형은 외부와 단절된 공간에서 전적으로 ⑭ 에 의해 작물을 재배하는 방식이다. 인공조명은 고압 나트륨 램프, 형광등 및 발광 다이오드(LED) 등을 주로 사용한다. 공간 활용률을 최대화하기 위해 입체식 공간 배치를 한다. 작업 생산성을 최대화하기 위해 이동식 재배 방법을 채택하는 경우도 있다. 태양광 병용형은 유리나 플라스틱 필름으로 피복한 시설 내에서 태양광을 이용하여 작물을 재배하되, 태양광이 약하거나 일조 시간이 짧을 때에는 인공조명을 병용하는 방식이다. 태양광 이용형은 식물공장은 시설을 광투과성 자재로 건립하고 태양광만을 이용하여 재배하기 때문에 엄밀하게 말해 온실에서의 무토양 재배와 구별하기가 어렵다.

 

식물공장의 역사는 비교적 짧은 편이다. 1957년 덴마크의 Christensen 농장은 세계 최초의 식물공장이라고 볼 수 있다. 유럽의 초기 식물공장은 연구용, 싹기름 채소 재배용, 또는 육묘용으로 이용되었다. 1970년대에 이르러 완전한 주년생산을 목표로 하여 미국의 General Electric사, General Mills사, General Food사 등이 차례로 완전 제어형 식물공장을 개발하였으나, 전력비 및 설비 비용이 많이 소요되어 실용화에 성공하지는 못했다. 미국에서의 완전 제어형 식물공장은 우주 농업 및 극지방에서의 식물 생산 중심으로 연구가 진행되고 있다. 일본에서는 완전 제어형 식물공장 20여 곳이 상업적으로 가동되고 있으며 식물공장 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 우리나라에서는 2005년 원예작물의 묘 생산을 위한 폐쇄형 육묘 시스템이 개발되어 보급되고 있으며, 완전 제어형 식물공장으로는 N사의 가공 식품 원료용 파 생산 식물공장이 2009년 건립되어 조업 중에 있다. 또한 공정 육묘용 또는 시험 연구용으로 건축된 태양광 병용형 식물공장이 수 개소 운용되고 있다. ⑮ 은 우주 공간에 완전 제어형 식물공장형 식물 생산 시스템을 도입하여 작물을 재배하는 것을 말한다. 미국, 유럽 및 일본의 우주 개발 연구 기관 등이 중심이 인공 생명 지원 시스템(ALS) 관련한 다양한 연구가 진행되고 있다.

 

해답 : ① 식물공장 ② 아연 ③ 스리쿼터형 ④ 벤로형 ⑤ 비가림 ⑥ 폴리에틸렌 ⑦ 폴리염화비닐 ⑧ 환기 ⑨ 이산화탄소 시비 ⑩ 수경재배 ⑪ 저면 담배수 ⑫ 암면 ⑬ 전기전도도 ⑭ 인공조명 ⑮ 우주농업

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■ 연습문제 및 정답해설

 

1. 원예작물의 생산과 소비의 주년화에 가장 크게 기여한 것은? (08년도 기출문제)

① 조직배양 ② 생명공학

③ 접목재배 ④ 시설재배

정답 및 해설: 4, 시설원예는 농가소득 증대 및 원예작물의 주년생산과 소비 확대를 이끌어 낸 점 이외에도 생산농가에게 기업적 경양감각 제공, 국민보건 향상과 정서 함양, 미래지향적 생산시스템 개발, 다양한 원예 관련 산업의 발전 등에 기여하였을 뿐 아니라 신재생에너지의 활용과 환경보전에도 기여하고 있다. (교과서 216쪽)

 

2. 시설원예의 중요성을 잘못 설명한 것은?

① 농가 소득 증대에 기여 ② 기업적 경영 감각을 갖는 영농

③ 미래 지향적 생산 시스템 개발 ④ 과도한 에너지 소비

정답 및 해설: 4, 1번 해설 참고

 

3. 가정에서 취미오락용으로 사용하기에 적합한 온실은? (08, 10년 기출문제)

① 외지붕형온실 ② 벤로형온실

③ 둥근지붕형온실 ④ 에어하우스

정답 및 해설: 1, 남쪽 벽면에 잇대어 짓는 외지붕형 온실이 가정에서 소규모의 취미 오락을 위해 사용하기에 적합하다. 벤로형은 상업적 재배용, 둥근지붕형은 식물원의 전시용으로 적합하다. 에어하우스는 이중의 플라스틱 필름을 씌우고 그 사이에 공기를 송풍하여 형태를 유지하는 온실로 취미 오락용으로 유지하기 힘들다. (교과서 222-224쪽)

 

4. 다음 중 일반적으로 온실의 높이가 가장 높은 것은?

① 스리쿼터형 온실 ② 벤로형 온실

③ 터널형 온실 ④ 외지붕형 온실

정답 및 해설: 2, 벤로형 온실은 처마가 높고 너비가 좁은 양지붕형 온실을 연결한 것으로 처마가 높아 토마토, 착색 단고추 등의 장기재배에 적합하다. (교과서 224쪽)

 

5. 우리나라에서 가장 많이 이용되는 시설의 피복자재는? (09년 기출문제)

① 판유리 ② 폴리에틸렌 필름

③ 에틸렌아세트산비닐 필름 ④ 염화비닐 필름

정답 및 해설: 2, 가장 흔하게 사용되는 피복재는 유리온실에서는 판유리, 플라스틱온실에서는 폴리에틸렌, 에틸렌아세트산, 염화비닐과 같은 연질필름이다. 특히 우리나라에서는 폴리에틸렌 필름이 가장 많이 이용되고 있다. (교과서 227쪽)

 

6. 추가 피복재로 사용되는 재질이 아닌 것은?

① 연질필름 ② 한냉사

③ 판유리 ④ 반사 필름

정답 및 해설: 3, 추가 피복은 기초 피복재의 안팎에서 보온, 착광, 보광, 방충 등을 목적으로 추가적으로 피복하는 것으로 추가 피복재에는 연질필름 외에 매트, 한냉사, 부직포, 반사필름 등이 사용된다. (교과서 227쪽)

 

7. 비닐하우스와 같은 시설 내부의 일반적인 환경 특징을 잘못 설명한 것은? (11년 기출문제)

① 기온의 일교차가 크다. ② 광질이 다르다.

③ 토양 중 염류농도가 낮다. ④ 바람이 없다.

정답 및 해설: 3, 비닐하우스와 같은 시설 내부는 부분적으로 밀폐된 공간이므로 노지와 달리 기온 일교차는 크고, 위치별 분포가 다르며 지온은 노지보다 높다. 광은 광질이 달라지고, 광량이 감소하며 광분포는 불균일해진다. 토양은 건조해지기 쉽고, 공중습도는 높다. 토양은 염류농도가 높고 물리성이 나빠져 연작장해 발생 우려가 크다. 공기 중에는 탄산가스가 부족되기 쉽고, 유해가스가 집적되며 바람이 없다. (교과서 229-231쪽)

 

8. 온실과 같은 시설내의 광환경 특성과 거리가 먼 것은? (10년 기출문제)

① 광질이 다르다. ② 광량이 감소한다.

③ 광분포가 불균일하다. ④ 일장이 길어진다.

정답 및 해설: 4, 골격재에 의한 광차단, 피복재의 광 흡수와 반사, 피복재의 오염, 입사각의 차이 등으로 광량이 감소하고 광질이 달라지며, 광분포가 불균일해진다. (교과서 230쪽)

 

9. 경사진 베드위에 흐르는 양액에 뿌리를 담근 상태로 재배하는 무토양재배방식은? (11년 기출문제)

① 분무경 ② 담액수경

③ 박막수경 ④ 암면경

정답 및 해설: 3, 박막수경에 대한 설명임. 분무경은 근권을 공중에 노출시키고 양액을 간헐적으로 뿌리에 분무하며 재배하는 방식이고 담액수경은 뿌리를 양액에 담가서 재배하는 방식이다. 암면경은 통기성, 보수성 등이 뛰어난 암면을 배지로 활용하는 무토양재배 방식이다. (교과서 236쪽)

 

10. 무토양재배에서 고형배지경에 속하는 방식은? (10년 기출문제)

① 분무수경 ② 암면경

③ 담액수경 ④ 박막수경

정답 및 해설: 2, 무토양재배에서 고형배지경은 식물의 지지, 산소공급, 기타 토양이 갖는 이점을 이용하기 위해 여러 가지 고형물질을 배지로 이용하고 배지에 양액을 공급하는 방식으로 현재 우리나라에서는 펄라이트경, 암면경, 훈탄경이 많이 이용되고 있다. 분무수경은 기상배지경, 담액수경, 박막수경은 액상배지경에 해당한다. (교과서 236-237쪽)

 

11. 다음 중 가장 고도의 환경 제어가 이루어지고 있는 시설은?

① 태양광 이용형 식물공장 ② 태양광 병용형 식물공장

③ 벤로형 온실 ④ 완전 제어형 식물공장

정답 및 해설: 4, 식물공장은 태양광의 이용형태에 따라 완전 제어형, 태양광 병용형, 태양광 이용형의 세가지 형태로 구분할 수 있는데 완전 제어형은 외부와 단절된 공간에서 전적으로 인공조명에 의해 작물을 재배하므로 고도의 환경 제어가 이루어지는 시설이라 할 수 있다. (교과서 242-243쪽)