결과및고찰
회전수와 주행 속도에 따른 방제 피복률
저속 2단 주행 속도에서 회전수(1,000, 1,500, 2,000 rpm)에 따른 방제 열 간 감수지 피복률을 분석한 결과(Table 1), 회전수 1,000 조건에서는 높이 2.2~3.3 m 구간의 잎 앞면 평균 피복률이 98.1±0.3%, 뒤쪽은 97.3±0.7%로 나타났으나, 이를 제외한 모든 조건에서 높이와 위치(앞/뒤)에 관계없이 피복률이 100%로 기록되었다. 이러한 결과는 다축형 사과원에서 방제기의 설계와 주행 조건이 낮은 회전수에서도 안정적인 살포 효과를 제공했음을 시사한다. 또한, 회전수 1,000 조건에서 주행 속도를 1.8 km/h (저속 3단)과 3.1 km/h (고속 1단)으로 설정하여 방제 열 간 감수지 피복률을 비교한 결과(Table 2), 1.8 km/h 조건에서는 모든 높이와 위치에서 피복률이 100%로 나타났으나, 3.1 km/h 조건에서는 높이 2.2~3.3 m의 앞쪽 평균 피복률이 97.1±1.7%, 뒤쪽은 98.9±0.4%로 나타나 주행 속도가 증가할수록 피복률의 소폭 감소가 관찰되었다. 반면, 중단(1.1~2.2 m) 및 하단(~1.1 m)에서는 모든 조건에서 피복률이 100%로 유지되었다.
본 실험 결과에서는 대부분의 조건에서 피복률이 95~100% 수준으로 나타나 약제가 다축형 수관 내부에 고르게 분포되었음을 확인할 수 있었다. 그러나 기존 연구에 따르면, 100%에 가까운 피복률은 과도한 살포로 간주되어 약제 낭비를 초래할 가능성이 있다[17]. 또한, 높은 피복률은 감수지 내 물방울 중첩 현상으로 분석 정확도를 저하시킬 수 있으며, 감수지 피복률이 70~80%를 초과할 경우 과잉 방제로 간주될 수 있다[18]. 이에 본 연구에서 확인된 100% 피복률은 방제 효율보다는 과잉 방제 가능성을 시사하며, 현재 우리나라의 기존 방제 방법 등은 평면 수관을 가진 본 과원 형태에서는 맞지 않을 수 있음을 보여준다. 따라서 다축형 사과원의 구조적 특성을 반영한 정밀 방제 운용이 필요함을 시사한다.
효율적인 방제를 위해서는 방제기의 설계를 조정하거나 운용 조건을 최적화할 필요가 있다. 일반적으로 올바른 방제기 조정은 살포 대상에 따라 주행 속도, 공기량, 액체 유량, 노즐 및 노즐 방향을 최적화하는 것을 포함한다[19]. 예를 들어, 노즐 구경 크기, 개방 노즐 수, 노즐 압력 등을 조정하거나[20], 공기 흐름을 조절하는 방법이 고려될 수 있다. 본 연구에서는 다축형 수관이 좁은 수폭과 균일한 가지 분포를 가지므로, 회전수를 조절하여 송풍 유무를 고려하는 것이 필요함을 확인하였다. 이러한 점에서 본 연구는 다축형 수관 구조에 적합한 방제 운용 기준을 제시하고, 약제 낭비를 줄이며 환경적 영향을 최소화할 수 있는 지속 가능한 방제 전략의 필요성을 시사한다.
송풍 유무에 따른 열 간 방제 비산 피복률
1,000 RPM을 기준으로 송풍 유무와 주행 속도에 따른 방제 비산 피복률을 비교한 결과(Fig. 3), 송풍 유무 및 주행 속도 조건에 상관없이 방제 열에서는 모두 100% 피복률을 보였다. 송풍을 켠 조건의 2열에서는 저속 2단(1.8 km/h)과 고속 1단(3.1 km/h)의 좌우 평균 피복률이 각각 57.6%와 50.1%로 나타났으며, 3열에서는 각각 16.8%와 18.1%로 감소하였다. 반면, 송풍을 끈 조건에서는 2열에서 평균 피복률이 저속 2단 47.7%, 고속 1단 44.9%로 나타났고, 3열에서는 각각 12.8%와 12.5%로 급격히 감소하였다. 이후 4열에서는 송풍 유무와 관계없이 피복률이 낮은 수준을 보였으나, 5열에서는 송풍을 끈 조건에서 비산액이 검출되지 않은 반면, 송풍을 켠 조건에서는 각각 1.4%와 2.5%가 확인되었다.
송풍을 켠 조건에서는 물방울이 5열까지 약제가 도달한 것은 송풍이 비산량을 증가시켜 약제 낭비와 환경오염 가능성을 시사한다. 반대로 송풍을 끈 조건에서는 비산량이 급격히 감소하며 4열과 5열에서는 비산액이 거의 검출되지 않았다. 그러나 2열과 3열의 평균 피복률을 살펴보면, 송풍의 유무에 따른 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 이는 방제기의 설계와 재식거리 특성을 고려해야 할 필요가 있다. 먼저 본 방제기의 노즐 배치는 수직(타워)형으로 설계되어 노즐의 분무가 과수 수관 내부로 침투하여 피복률을 향상시키는 장점이 있다[21]. 또한, 본 실험 과원은 2.7 m의 좁은 재식거리와 1.1 m 이하 수폭의 평면형 수관 구조로 방제기에서 분사된 약액이 송풍의 유무와 상관없이 2열과 3열까지 도달하도록 기여했을 가능성이 크다.
또한 3열에서 송풍을 끈 조건이 송풍을 켰을 때보다 소폭 더 높은 평균 피복률이 나타났는데 이는 송풍의 영향이 크다고 볼 수 있다. 일반적으로 송풍 속도가 높을수록 물방울을 멀리 보내며[22], 물방울의 크기 등에 따라 분사된 액적이 바람에 의해 더 먼 거리로 이동될 수 있다. 다시 말해, 송풍을 켰을 때 분사된 약액이 3열을 넘어 4, 5열로 넘어갔을 가능성이 높다. 특히, 본 시험에서 사용한 방제기의 송풍 형태는 축형(axial) 방식으로 설계되어 원형 팬(fan)의 공기 흐름이 약액을 멀리 비산시키는 방식이다. 이러한 방식은 1950년대부터 사용되어졌으나[13], 현재 수고와 수관 부피가 약 3~4 m 내외, 1.5 m 내외로 감소하여 유럽 등에서는 이러한 기존 방식이 현대 수관 구조와 맞지 않아 비산 가능성을 증가시킨다고 보고되었다. 이처럼 축형 팬에서 나오는 송풍이 수관 측면과 상단으로 약액을 살포하여 작업 속도를 높이는 데 기여하지만, 적절히 설정되지 않으면 비산 및 지면 침적이 크게 발생할 수 있다[19]. 따라서 송풍이 약액을 3열보다 더 먼 4열과 5열까지 비산시킨 것은 수관 형태, 방제기 구조와 송풍의 영향 때문으로 판단된다. 해외에서는 송풍에 의한 비산을 줄이기 위해 송풍 강도를 조절하거나 송풍을 제거하는 방안을 제안하고 있으며, tangential, multi-fan, Variable-Rate Technology (VRT) 등의 다양한 송풍 설계를 중심으로 한 정밀 방제 시스템이 개발되고 있다[23-26]. 이러한 정밀 방제 시스템은 다축형 과원 등 평면형 과원에서 최적의 효과를 나타낼 것으로 예상된다.
주행 속도와 송풍의 상호작용을 고려하면, 2열에서는 속도와 관계없이 비슷한 피복률을 보였으나, 3열 일부와 5열에서는 고속 주행에서 더 높은 피복률이 나타났다. 이는 송풍과 주행 속도가 상호작용하여 물방울의 도달 범위를 조절했음을 시사한다. 주행 속도는 물방울의 공간적 위치에 영향을 미치는 주요 요인으로[27], 특히, 고속 주행 시 물방울의 공중 체류 시간이 짧아지는 반면, 송풍의 영향으로 물방울이 더 멀리 비산된다[28,29]. 이에 본 실험에서도 송풍 유무와 상관없이 주행 속도에 따라 열 간 비산 정도가 일부 차이가 나타남을 확인하였다.
모든 조건에서 2열과 3열의 표준편차가 크게 나타난 것은 다축형 사과원의 구조적 특성과 방제 열 간 비산 특성의 차이에 기인했을 가능성이 있다. 일반적으로 다축형 수관은 좁은 수폭과 제한적인 재식 거리의 평면형 구조를 가지는데[30], 이는 약액 분포와 패턴에 큰 영향을 미칠 수 있다. CFD (Computational Fluid Dynamics) 모델 연구에 따르면, 원뿔형과 가지형 두 가지 수형에서 비산 및 퇴적 패턴에서 차이를 보였다[31]. 송풍의 속도와 방향은 수관의 크기, 잎, 밀도, 재식거리 등 구조적인 요인에 따라 조절해야 하는데[32,33], 본 시험 과원 또한 축 간 간격 차이, 과실 유무 및 결실 가지의 위치분포 차이가 공기 흐름과 약액 분사 흐름에 영향을 주었을 가능성이 있다. 이러한 요인으로 인해 피복률 변동성이 증가하고 표준 편차가 크게 나타났으며, 따라서 축 간 간격과 수관 형태에 따른 추가적인 공기 흐름 분석이 필요하다.
결론적으로, 송풍의 유무에 따라 약제가 목표 부위에 더 집중적으로 도달하며 비산을 효과적으로 억제할 수 있기 때문에 다축형 사과원에 적절한 방제 전략이 필요하다.
송풍 유무에 따른 2열의 비산 물방울 면적
물방울의 비산 특성과 크기 분포를 분석한 결과(Fig. 4), 주행 속도와 송풍 조건은 방제 효율과 환경적 영향을 결정짓는 중요한 요인으로 나타났다.
저속 2단(1.8 km/h) 주행 속도(A)에서는 송풍을 켠 조건에서 미세 물방울의 개수가 3,221개, 중간 물방울 756개, 큰 물방울 104개로 관찰되었다. 반면, 송풍을 끈 조건에서는 미세 물방울의 개수가 4,339개로 증가하였고, 중간 물방울은 454개, 큰 물방울은 검출되지 않았다. 이는 송풍을 켠 조건에서 미세 물방울이 충돌과 합병을 거쳐 중간 또는 큰 물방울로 변환되었음을 시사한다. 반면, 송풍을 끈 조건에서는 물방울의 본래 크기가 유지되며 표적 부위에 안정적으로 부착되었음을 보여준다.
고속 1단(3.1 km/h) 주행 속도(B)에서도 유사한 경향이 나타났다. 송풍을 켠 조건에서 미세 물방울의 개수는 2,449개, 중간 물방울은 181개, 큰 물방울은 35개로 나타났다. 반면, 송풍을 끈 조건에서는 미세 물방울의 개수가 4,605개로 크게 증가하였고, 중간 물방울은 19개, 큰 물방울은 검출되지 않았다. 이는 고속 주행에서도 송풍의 영향이 물방울의 비산 및 크기 증가에 중요한 역할을 했음을 보여준다. 방제 시 물방울의 크기와 범위를 고려해야 하는데[34], 신젠타(Syngenta)에서 제시한 적정 물방울 면적에 따르면, 본 시험에서 가장 많이 피복된 미세 물방울은 살균제와 살충제의 적정 피복 기준(20~30 drops/cm², 50~70 drops/cm²)을 충족시킨다. 특히 송풍을 끈 조건에서 더 많은 미세 물방울이 유의미하게 많다는 것을 가정하면, 다축 방제 시 송풍을 조절할 필요가 있다.
이처럼 송풍을 켠 조건에서는 강한 공기 흐름이 미세 물방울의 충돌과 합병을 촉진하여 중간 및 큰 물방울의 비율이 증가하였다. 반면, 송풍을 끈 조건에서는 물방울이 본래의 크기를 유지하며 표적 부위에 균일하게 분포할 가능성이 높았다. 이러한 결과는 송풍 사용이 물방울 크기와 비산 패턴에 미치는 영향을 강조하며, 송풍 제거가 비산 억제와 방제 효율 향상에 기여할 수 있음을 보여준다. 노즐에서 분사된 물방울 크기는 노즐 종류와 공기 흐름 속도에 따라 달라지는데[35], 송풍 등 공기 흐름 속도가 클수록 큰 물방울 형태가 더 많이 생성된다[19]. 이에 주행 속도보다 송풍 유무가 물방울 액적 형상에 더 많은 기여를 했을 것으로 보인다. 따라서 다축형 사과원에서는 송풍 조건에 따라 물방울 분포와 비산 특성이 크게 달라질 수 있어 다축형 사과원의 평면형 구조에서는 방제기 운용 방법에 따라 송풍이 없는 방제 조건에서 더욱 균일한 분포를 기대할 수 있다.
본 연구는 다축형 사과원에서 타워형 방제기 이용 시 회전수 및 주행 속도와 송풍 조건이 방제 효율과 물방울 크기 분포에 미치는 영향을 분석하여 다축형 사과원의 효율적인 방제 전략 수립을 위한 기초자료를 제공하는 것을 목적으로 하였다.
실험 결과, 방제 열 간 수관 내에서 높은 피복률이 유지되었으나, 약제 종류에 따라 과잉 방제에 대한 우려가 있을 가능성이 제기되었다. 또한, 방제 열 외 비산 정도와 2열 비산 물방울 면적 분석 결과에서는 방제기 운용 조건에 따라 달라지나, 기본적으로 송풍을 끄는 것이 비산을 약제 오용을 줄이는 데 효과적임을 확인하였다. 이는 기존 세장방추형 재배 체계와 달리 수폭이 1.1 m 이하로 좁은 다축형 사과원의 구조적 특성을 고려한 방제 조건 최적화의 중요성을 시사하며, 지속 가능한 농업 실천에 기여할 수 있는 유용한 자료로 활용될 수 있다. 다만, 본 연구는 실험 환경에서 물을 사용하여 진행되었기 때문에 실제 약제를 사용할 경우나, 방사형 방제기를 사용했을 때, 일부 결과가 달라질 가능성이 있다. 따라서 향후 연구에서는 약제의 물리적 특성(점성, 밀도 등)이 방제 효율과 비산에 미치는 영향을 분석하고, 방제 열에 대한 적정 피복률 검정을 추가로 진행하는 것이 필요하다. 이에 본 연구는 타워형 방제기를 이용하여 송풍 유무, 주행 속도 등 방제기 운용의 조건 분석으로, 미래 재배체계로 평가받는 다축형 과수원에 최적화된 방제 조건을 구체화하고, 이를 자동화 또는 정밀 농업 기술과 연계할 수 있는 연구의 기초를 마련하고자 하였다.
Data Availability: All data are available in the main text or in the Supplementary Information.
Author Contributions: J.H.J conceived and designed the research, led the experiment, and drafted the manuscript; B.G.C conducted the experiment, collected and analyzed the data; S.H.B supervised the project, reviewed and revised the manuscript, and approved the final version for submission.
Notes: The authors declare no conflict of interest.
Acknowledgments: This research was supported by Kyungpook National University Research Fund, 2023.
Additional Information:
Supplementary information The online version contains supplementary material available at https://doi.org/10.5338/KJEA.2025.44.08
Correspondence and requests for materials should be addressed to Seunghyun Ban.
Peer review information Korean Journal of Environmental Agriculture thanks the anonymous reviewers for their contribution to the peer review of this work.
Reprints and permissions information is available at http://www.korseaj.org
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