딸기 CO₂ 관리의 원리와 광합성·일사량·환기·CO₂ 시비의 관계

딸기 스마트팜에서 이산화탄소(CO₂)는 온도와 습도, 일사량만큼 중요한 환경관리 요소다. 식물은 광합성을 통해 빛에너지를 이용하여 CO₂를 유기물로 전환하며, 이렇게 만들어진 광합성 산물은 잎과 뿌리의 생장뿐 아니라 꽃과 과실 발달에도 이용된다.

시설재배에서는 온실을 닫아 놓은 상태에서 작물이 활발하게 광합성을 하면 내부의 CO₂가 소비된다. 이때 외부 공기와의 교환이 충분하지 않으면 온실 내부 CO₂ 농도가 낮아져 광합성을 제한하는 요인이 될 수 있다. 이러한 현상을 보완하기 위해 사용하는 것이 CO₂ 시비 또는 CO₂ 공급이다.

하지만 CO₂ 농도만 높인다고 항상 광합성과 수량이 같은 비율로 증가하는 것은 아니다. CO₂를 실제로 이용하려면 빛이 필요하며 온도와 수분상태, 기공의 개폐, 환기 상태 등도 영향을 미친다. 따라서 딸기 CO₂ 관리는 단순한 목표 농도 설정이 아니라 일사량과 환기, 작물의 생리상태를 함께 고려하는 환경제어로 접근해야 한다.

딸기 CO₂와 광합성의 관계

딸기는 C3 식물이며 광합성 과정에서 잎의 기공을 통해 흡수한 CO₂를 이용한다. 빛이 충분한 조건에서 잎 주변의 CO₂가 부족하면 광합성에 필요한 탄소 공급이 제한될 수 있다. 반대로 다른 환경조건이 적절한 상황에서 CO₂ 공급을 증가시키면 광합성 속도가 증가할 가능성이 있다.

일본에서 사가호노카 딸기를 대상으로 진행된 연구에서는 PPFD 1,000 μmol/m²/s, 상대습도 70%, 엽온 20℃ 조건에서 CO₂ 농도를 변화시키며 광합성 속도를 측정했다. 그 결과 CO₂ 농도가 약 800 μmol/mol까지 증가할 때 광합성 속도가 빠르게 증가했고 이후에는 증가폭이 완만해졌다. CO₂ 800 μmol/mol에서 측정된 광합성 속도는 400 μmol/mol 조건의 약 1.6배였다.

하지만 이 결과를 모든 딸기 온실에서 CO₂를 800 ppm으로 설정해야 한다는 의미로 해석해서는 안 된다. 특정 품종의 잎을 특정 광·온도·습도 조건에서 측정한 결과이기 때문이다.

다른 온실 연구에서도 400 ppm과 600 ppm을 비교했을 때 600 ppm 처리에서 딸기의 광합성과 과실수, 총수량이 증가했지만 품종에 따라 반응 정도에는 차이가 있었다. 결국 CO₂에 대한 반응도 품종과 환경조건에 따라 달라질 수 있다.

딸기 일사량에 따라 CO₂ 효과가 달라지는 이유

CO₂와 빛은 광합성 과정에서 서로 연결되어 있다. CO₂가 충분하더라도 광합성에 사용할 빛에너지가 부족하면 CO₂ 농도를 높인 효과가 제한될 수 있다.

반대로 맑은 날 일사량이 증가하고 잎의 광합성 능력이 충분히 발휘되는 조건에서는 CO₂가 부족해질 경우 광합성의 제한요인이 될 가능성이 커진다. 따라서 스마트팜에서 CO₂를 효율적으로 사용하려면 현재 일사량을 함께 확인해야 한다.

사가호노카 연구에서는 CO₂ 400과 800 μmol/mol 조건에서 PPFD를 0~1,500 μmol/m²/s까지 변화시켜 광합성을 측정했다. 두 CO₂ 조건 모두 빛이 증가하면서 광합성이 증가했으며, PPFD 100~1,500 μmol/m²/s 범위에서는 800 μmol/mol 조건의 광합성 속도가 400 μmol/mol보다 높았다.

그러나 흐린 날과 맑은 날에 동일한 CO₂ 공급전략이 가장 경제적이라고 단정할 수는 없다. 실제 온실에서는 CO₂ 가격과 일사량, 환기량 및 작물의 광합성 반응을 함께 고려해야 하기 때문이다.

따라서 CO₂ 제어에서는 단순히 오전 몇 시부터 몇 시까지 공급하는 시간제어보다 일사량과 환기상태를 함께 활용하는 방식이 보다 합리적인 접근이 될 수 있다.

딸기 온실 환기와 CO₂ 농도의 관계

CO₂ 시비에서 반드시 고려해야 하는 것이 환기다. 겨울철 아침처럼 천창과 측창이 닫혀 있는 상태에서는 공급한 CO₂를 온실 내부에 비교적 유지하기 쉽다. 그러나 온도가 상승해 천창이나 측창이 열리면 상황이 달라진다.

환기가 시작되면 온실 내부 공기가 외부 공기와 교환되면서 공급한 CO₂도 외부로 빠져나간다. 이때 밀폐상태와 동일한 목표농도를 유지하려고 계속 CO₂를 공급하면 사용량이 크게 증가할 수 있다.

사가호노카 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 환기 여부에 따라 CO₂ 농도를 다르게 제어했다. 무환기 상태에서는 800 μmol/mol 이상을 유지하고 환기가 진행될 때는 400 μmol/mol 이상을 유지하도록 자동제어했다.

그 결과 CO₂를 하루 종일 400 μmol/mol 이상으로 관리한 대조구와 비교하여 상품과 수량이 약 25% 증가했고 과실 당도 역시 높아졌다. 연구진은 환기상태를 고려한 CO₂ 제어가 생산성과 경제성을 높이는 방법이 될 수 있다고 분석했다.

이 연구는 CO₂ 관리에서 농도 자체뿐 아니라 온실이 현재 닫혀 있는지 열려 있는지가 매우 중요하다는 것을 보여준다.

딸기 CO₂ 시비의 시간과 공급방법

CO₂는 식물이 광합성을 하는 시간에 이용된다. 따라서 일반적으로 광합성이 거의 이루어지지 않는 야간에 높은 농도의 CO₂를 계속 유지할 필요성은 낮다. 시설재배에서는 일출 이후 빛이 증가하고 광합성이 시작되는 시간대의 CO₂ 환경이 중요하다.

사가호노카 연구에서는 오전 8시부터 오후 5시까지 CO₂를 공급했지만 이것 역시 해당 실험의 일사와 시설환경을 고려한 설정이었다. 실제 농장에서는 계절별 일출시간과 일사량, 온실의 환기 시작시간이 다르기 때문에 동일한 시간을 그대로 적용하기보다 환경에 맞게 조절해야 한다.

공급 위치도 중요하다. 딸기는 초장이 비교적 낮은 작물이기 때문에 작물 주변으로 CO₂를 공급하는 국소 시비방법을 활용할 수 있다.

딸기 온실을 대상으로 한 연구에서는 온실 전체에 CO₂를 공급하는 방식과 작물 군락 주변에 국소적으로 공급하는 방식을 모델링하여 비교했다. 국소 공급에서는 작물 군락 내부 평균 CO₂ 농도를 높이면서 CO₂ 이용효율을 개선할 가능성이 확인됐다.

따라서 공급장치를 설치할 때는 단순히 CO₂ 발생기의 용량만 보는 것이 아니라 공급된 CO₂가 실제 딸기 잎 주변까지 얼마나 균일하게 전달되는지를 고려해야 한다.

CO₂ 센서 위치와 온실 내 농도 편차

스마트팜에서 CO₂ 농도를 정확하게 제어하려면 센서 위치도 중요하다. CO₂ 발생기 가까이에 센서를 설치하면 작물이 실제로 접하는 농도보다 높은 값이 측정될 수 있고, 반대로 환기창 주변에서는 낮은 값이 측정될 가능성이 있다.

실제 딸기 온실을 분석한 연구에서는 환기와 CO₂ 시비가 이루어지는 동안 온실 내부 CO₂와 온도 등의 미세환경이 공간적으로 균일하지 않았고, 이러한 차이가 잎의 광합성 분포에도 영향을 미쳤다.

따라서 센서는 작물 군락의 환경을 대표할 수 있는 위치에서 측정하는 것이 중요하다. 온실 규모가 크다면 한 지점의 CO₂ 농도만으로 전체 온실이 동일한 환경이라고 판단하기 어려울 수 있다.

유동팬이나 공기순환 시스템을 이용하여 온실 내부 공기를 혼합하는 것도 CO₂ 분포를 균일하게 만드는 데 도움이 될 수 있다. 결국 CO₂ 공급량뿐 아니라 공급 위치와 공기 흐름까지 하나의 시스템으로 볼 필요가 있다.

딸기 CO₂ 농도를 무조건 높이면 안 되는 이유

CO₂ 농도를 높이면 광합성이 증가할 수 있지만 증가효과가 계속 같은 비율로 유지되는 것은 아니다. 광합성은 CO₂뿐 아니라 빛과 온도, 수분, 기공전도도 등 여러 요인의 영향을 동시에 받기 때문이다.

예를 들어 일사가 매우 부족한 날에는 빛이 먼저 제한요인이 될 수 있다. 반대로 강한 일사조건에서도 뿌리의 수분공급이 부족하고 VPD가 지나치게 높아 기공이 닫히면 잎 내부로 CO₂가 충분히 들어가지 못할 수 있다.

또한 환기창이 크게 열린 상황에서 높은 농도를 유지하려 하면 공급한 CO₂ 상당량이 외부로 빠져나가 경제성이 낮아질 수 있다.

따라서 CO₂ 목표농도를 하나로 고정하기보다 일사량과 환기 개도, 온도와 습도, 작물의 수분상태를 함께 고려하는 것이 좋다.

CO₂ 시비는 다른 환경관리를 대신하는 기술이 아니다. 광환경과 온도, 습도, 관수 및 근권환경이 적절하게 관리되는 상황에서 광합성을 제한하는 CO₂ 부족을 보완하는 기술로 이해하는 것이 적절하다.

딸기 스마트팜에서 CO₂를 관리하는 방법

실제 스마트팜에서는 CO₂ 농도 하나만 기록하기보다 시간대별 일사량과 온도, 습도, 환기 개도율을 함께 기록하는 것이 좋다. 이를 통해 CO₂가 언제 부족해지고 언제 공급효율이 떨어지는지를 파악할 수 있다.

예를 들어 아침에 일사가 증가하면서 온실이 아직 닫혀 있다면 작물의 광합성으로 CO₂가 빠르게 소비될 수 있다. 이런 시간대에는 CO₂ 공급효율이 상대적으로 높을 수 있다. 이후 온도가 상승해 천창이 열리기 시작하면 환기량이 증가하기 때문에 동일한 농도를 유지하는 데 필요한 CO₂ 공급량도 달라진다.

흐린 날에는 일사량 자체가 광합성의 제한요인이 될 수 있으므로 맑은 날과 동일한 공급전략이 반드시 효율적이라고 볼 수 없다.

결국 딸기 CO₂ 관리의 핵심은 목표농도 하나를 정해 하루 종일 유지하는 것이 아니다. 일사량이 증가하면서 작물이 광합성을 시작하는 시점, 온실의 환기 상태, 실제 작물 주변의 CO₂ 농도와 다른 환경요인을 함께 살펴야 한다.

스마트팜 환경제어의 장점은 이러한 요소들을 동시에 측정할 수 있다는 데 있다. 일사량과 CO₂ 농도, 천창 개도율, 온도와 습도 데이터를 함께 축적하면 자신의 온실에서 CO₂가 가장 효율적으로 사용되는 시간대를 찾을 수 있다.

이렇게 CO₂를 독립적인 설정값이 아니라 빛과 환기, 온도와 습도, 관수까지 연결된 환경요소로 관리하는 것이 딸기의 광합성과 생산성을 안정적으로 높이는 방향이라고 할 수 있다.

 

참고문헌 및 연구자료 - ① Hidaka, K. et al. (2022). “Crop-local CO₂ enrichment improves strawberry yield and fuel use efficiency in protected cultivations.” Scientia Horticulturae, 301, 111104. DOI: 10.1016/j.scienta.2022.111104. ② “Gas exchange rate and yield response of strawberry to carbon dioxide enrichment.” Scientia Horticulturae, 48(3-4), 241-251 (1991). DOI: 10.1016/0304-4238(91)90132-I. ③ Hidaka, K. et al. (2013). “Effect of Supplemental Lighting from Different Light Sources on Growth and Yield of Strawberry.” Environment Control in Biology, 51(1), 41-47. DOI: 10.2525/ecb.51.41.