밀식 사과원에서 효율적인 농약 살포를 위한 고속방제기 별 분무 및 송풍 양상 비교

서 론

우리나라 사과재배체계는 1996년 M.9 대목을 이용한 "신 경북형 사과생산체계 개발에 관한 연구"와 농촌진흥청 원예연구소 사과시험장에서 수행한 "사과 고밀식 왜화재배용 수형 개발"연구를 계기로 변칙주간형의 거대수에서 세장방추형의 밀식재배체계로 바뀌었으며(Yoon, 2006; Sagong, 2007), 최근 초방추형, 2축형, 다축형(Multi-leader. 등의 도입이 이루어지고 있다(Yoon, 2023; Park, 2023; Choi, 2023). 이러한 재배체계의 변화는 사과나무의 광 이용과 관리의 편의성이 획기적으로 향상되어 생산비를 크게 줄이고 좋은 품질의 사과를 조기 다수확 할 수 있게 되었다(Yoon, 2001).

이처럼 현재의 사과재배체계는 고품질의 효율적인 사과 생산을 위하여 수폭이 좁아지는 평면화 추세가 빨라지고 있으나, 이를 뒷받침해야 할 국내 사과원 방제 기술의 발전은 아직까지 뒤쳐져 있는 것으로 평가받고 있다. 현재 국내 사과 농가 중 77.6%는 농약 살포기로 스피드스프레이어(Speed Sprayer, 이하 SS기 또는 방제기)를 사용하고 있으며(Kwon et al., 2017), 이러한 SS기는 1950년 대에 개발이 이루어져 일반적으로 평균 7m에 이르는 수고와 약 4m의 수폭을 가진 과수 방제에도 충분히 사용하도록 설계되었다(Rose, 1963; Fox, 2008; Peter, 2019). 해외에서는 위 유형의 방제기를 ‘air-blast sprayer’, ‘orchard sprayer’, ‘axial air-blast sprayer’ 또는 ‘radial air-blast sprayer’ 등으로 칭한다(Fox, 2008; Bruce, 2020; Margaret, 2022). 그러나 1980년 대 전후로 수폭이 좁아지고 수고가 낮아지는 밀식재배체계가 보급되면서 기존 방제기로 살포 시 농약 중 20~55%만 작물에 부착이 되고 남은 45~80%는 비산(drift)하거나 지면으로 약액이 흘러내려 환경오염과 생태계 교란 문제가 지적되었고(Law and Cooper, 1988; Barritt, 1992), 과도한 비산으로 인한 농약 효과 감소, 작업자 피해, 방제비용 상승, 농산물 안전성 등의 문제가 대두되었다(Calumpang, 1996). 이처럼 해외에서는 기존 방제기가 현대 재배체계에서 더 이상 적합하지 않다고 여겨 이를 개선하기 위한 연구가 진행되었으며(Landers, 2011; Cross et al., 2013; Kasner et al., 2018), 이에 따라 방사형 방제기의 송풍 분포 등을 개선한 타워형 방제기를 제작하였다(Baritt, 1992; Fox, 2008).

또한 Vertical Patternator(이하 약액 포집기)를 설계하여 방제 시 관여하는 여러가지 기계적, 생물적, 환경적 요인 등을 효과적으로 제어하고, 약액 포집기를 통한 방제 운용 검증으로 과도한 농약 사용을 줄일 수 있도록 하였다(Gil, 2007). 특히 약액 포집기는 약액 분무 시 약액 수직 분포에 대한 효과적인 결과를 도출해내는데, 과수원처럼 다양한 요인들을 검토해야하는 경우에도 분사 형태의 균일성을 개선하여 효율적인 방제가 이루어지도록 한다(Gil, 2007). 약액포집기는 무겁고 비싼 가격으로 인해 활용성이 떨어진다는 평가를 받았으나, 최근 이동성과 사용성이 개선된 휴대용 약액포집기(Portable Pattenator)가 제작되면서 현장 활용도가 높아져 농민들을 위한 교육 자료와 방제기 검사 용도로 사용되고 있다(Gil, 2007; Landers et al., 2012; Gil, 2013).

이처럼 해외는 수형과 재식체계에 부합하는 방제기 구조 개선 및 노즐 개발과 함께 약액포집기를 이용하여 효율적인 방제를 진행하지만, 아직까지 국내에서는 과원 내 분무 양상을 개선하기 위한 심층 연구가 잘 이루어지지 않고 있다. 특히 농업 선진국에서는 밀식재배체계 도입과 함께 고려한 타워형 방제기 보급 및 약액 포집기 활용 등에 대한 국내 연구는 전무한 실정이다. 이로 인해 현재 대부분 국내 밀식재배사과원에서는 방사형 방제기 사용이 절대적으로 이루어지고 있으며, 최근 사과원 재식체계가 점점 더 수폭과 수고가 작아짐에도 불구하고 여전히 고출력 방사형 방제기로 인해 과다한 농약사용이 이루어지고 있다. 이에 현재 국내 일부 농가는 해외에서 타워형 방제기를 수입하거나 기존 방사형 방제기를 타워형과 유사하게 개조하여 활용하고 있으나, 그 기능에 대한 종합적인 검정이 이루어지지않은 실정이다.

따라서 본 연구는 약액포집기 제작 및 활용을 통한 상이한 유형의 방제기의 분무와 송풍 양상을 비교 분석하여 국내 사과재배체계 변화에 맞춘 적절한 방제기를 제시해보고자 한다.

재료 및 방법

약액포집기 제작

약액포집기(Vertical Patternator)는 고정 발판과 프레임을 설치하고 그 위에 5 m의 아연 각파이프를 수직으로 올려 제작하였다. 또한 이동성과 현장 활용성 등을 높이기 위해 크기가 각각 다른 아연 각파이프를 서로 끼워 연결할 수 있도록 조립형으로 구상하였다(Fig. 1). 약액 수집판은 3D프린터(TPC Mechatronics Corp, finebot9600, Korea)로 제작하였으며, 수집판의 재료는 PLA필라멘트 소재로 약액 수집 면적은 100 mm x 200 mm이다. 약액 수집판은 총 12개를 제작하여 각파이프에 25 cm 간격으로 최저 85 cm~95 cm에서 최고 470 cm~480 cm에 설치하였다(Fig. 2). 약액포집기의 높이는 현재 국내 밀식 사과원의 평균 수고와 수형에서 착안하여 파이프의 최대 높이를 5 m로 제작 설계하였다. 자세한 제원은 다음 표와 같다(Table 1).

Fig. 1

Construction and design details of Vertical Patternator (upper) and overall view of vertical patternator (lower).

Fig. 2

Construction and design details of Vertical Patternator cpature (upper) and actual capture form (lower).

Table. 1

Technical specifications of Vertical Patternator.

방제기에서 분무된 약액은 약액포집판을 통해 모이게 되고, 모인 약액은 약액 포집판과 연결된 호스를 이용해 각 포집판마다 구분되는 별도의 메스 실린더로 옮겨진다. 이를 통해 총 12 구간의 수고 별 약액을 측정할 수 있도록 제작하였다.

공시 방제기

본 실험에서는 현 농가에서 운용 중인 5대의 방제기를 약액포집기를 이용해 약액 분무 양상 측정을 진행하였으며, 각 방제기는 국내에서 제작한 ACS-1000(Aseatech Co., Ltd., Korea), HSC-1000DWⅡ(Hanseo Co., Ltd., Korea), SS-ATOMⅡ-600(Hansung t&i Co., Ltd., Korea), HA-600WMS(Hanseo Co., Ltd., Korea)와 이탈리아에서 수입된 FUTURA P11 TGZ(Maschio Gaspardo S.p.A, Italy)다(Fig. 3).

Fig. 3

Air blast sprayers; A, ACS-1000, B, HSC-1000DWⅡ, C, SS-ATOMⅡ-600, D, HA-600WMS, E, FUTURA P11 TGZ.

각 방제기의 제원은 다음과 같다(Table 2).

Table. 2

Technical specifications of sprayers tested.

FUTURA P11 TGZ를 제외한 국내 방제기는 기본적으로 축류형(Axial, 방사형)의 노즐 배치를 가지고 있으나, ATOMⅡ-600과 HA-600WMS는 축류형에서 타워형으로 개조하였으다. 이 때, ATOMⅡ-600은 기존 배치된 노즐 형태를 사용하지 않고 타워형 노즐 배치로 구성하였고, HA-600WMS는 축류형 노즐과 타워형 노즐을 함께 사용하도록 재배치하였다. 또한 국내 제작 방제기의 송풍 형태는 축류형(Axial, 방사형)으로 동일하게 구성되었다. 그러나 FUTURA P11 TGZ는 국내 방제기와는 달리 송풍 형태를 접선유입형(Tangential)으로 채택하였다.

송풍 팬 회전수(RPM)에 따른 방제기 별 분무 양상 측정

송풍 팬 회전수(RPM)는 독일 및 이탈리아 지역의 방제기 검사 기준과 국내 사과원에서 보편적으로 행해지는 RPM 출력 기준을 참고하여 1,200, 1,500, 2,000 RPM 3가지의 RPM으로 설정하였다. 분사 시 약액포집기와 방제기 간 일정 거리를 두고 방제기의 모든 노즐을 개방한 후 1분간 분무하였으며, 이에 따른 수고 별 분무 양상, 총 수집 물량 및 분사 압력, 송풍 양상 등을 측정하였다.

수고 별 분무 양상은 약액포집기의 각 포집판에 수집된 물량을 측정하여 구간 별 각 차이를 기록하였고, 총 수집 물량은 분무 양상 측정 시 기록된 물량을 총합하여 계산하였다. 분사 압력은 RPM 별 분무 시 방제기 내 측정되는 계기판을 기준으로 정리하였으며, 풍속은 약액포집기에 풍속계 Kestrel 4500(Nielsen-Kellerman, Inc., USA)를 설치하여 1,200 RPM 기준에서 수고에 따른 송풍 분포를 측정하였다.

방제기와 약액포집기 간 거리는 독일 및 이탈리아 지역의 방제기 검사 기준을 참고하여 1.6 m 설정하였다(Trillof et al., 2012). 또한 야외의 환경 요인을 최소화하기 위해 시험 시 주변 구조물을 활용하여 바람을 차단하고 최대 풍속이 2 m/s 이하일 때 수행하였다(Fig. 4).

Fig. 4

Actual spray test progress.

결과 및 고찰

수고 별 분무 양상

약액포집기를 이용하여 각 RPM에 따른 방제기의 분무 양상을 나타낸 그래프는 다음과 같다(Fig 5).

Fig. 5

Display of the spray volume vertically collected by the patternator according to different RPM of air blast sprayers; A, 1,200 RPM, B, 1,500 RPM C, 2,000 RPM.*Unable to control RPM due to mechanical problems.

방사형 방제기인 ACS-1000의 분무 양상을 살펴보면, 모든 RPM의 1.2-1.3 m 구간에 가장 많은 물량이 포집됐고, 1.55-1.65 m부터 물량이 꾸준히 감소하여 4.0 m 이상에서는 거의 포집되지 않았다. 또다른 방사형 방제기인 HSC-1000DWⅡ도 앞선 ACS-1000과 비슷하게 모든 RPM의 1.2-1.3 m 구간에서 가장 많은 물량이 포집되었고, 이후 급격한 감소세를 나타내며 4.0 m 이상에서는 거의 포집되지 않았다. 노즐배치를 타워형을 배치한 SS-ATOMⅡ-600는 높이에 따른 물량의 격차가 확연히 적으며, 1,500 RPM 및 2,000 RPM에서는 1.2-1.3 m ~ 2.25-2.35 m 구간이 비교적 일정한 물량이 포집된 것을 확인할 수 있었다. 타워형 방제기인 FUTURA P11 TGZ는 모든 RPM에서 높이 별 포집되는 물량의 격차가 상대적으로 적었으며, 특히 1.2-1.3 m~ 2.95-3.05 m 구간까지 비교적 일정한 물량 포집을 보였다. 또한 모든 RPM 및 모든 구간에서 포집된 최대 물량이 약 130mL로 측정되었다. 방사형과 타워형의 특성을 모두 가진 HA-600WMS의 경우 1,200 RPM에서는 방제기의 엔진 출력 저하 문제로 인하여 물량 측정이 불가하였으나, 1,500 RPM과 2,000RPM에서는 1.9-2.05 m 구간에서 가장 많은 물량 포집을 확인하였다. 이후 다른 방제기 형태에 비해 3.65-3.75 m 구간에서부터 많은 물량이 포집되었으며, 특히 2,000 RPM의 경우 4.35-4.45 m 구간에서 많은 물량이 포집되는 양상을 보였다.

방사형 방제기인 ACS-1000와 HSC-1000DWⅡ의 경우 타워형의 방제기에 비해 구간에 따라 급격하게 차이가 나타나며, 불균일한 포집 분포를 보였다. 특히 모든 RPM에서 약액포집기의 하단부분인 1.2-1.3 m 구간에 가장 많은 분무량이 포집된 후 꾸준히 감소하였다. 그에 비해 타워형 방제기 형태인 FUTURA P11 TGZ 및 SS-ATOMⅡ-600는 구간 별 차이가 비교적 적은 안정된 포집량이 나타났다. 이는 Bruce(2020)의 연구에서도 나타나듯이 타워형 노즐 배치는 수관 전체에 고르게 약량을 분포하도록 하는 특징을 지닌다는 것을 확인하였다. 이러한 방사형 및 타워형의 노즐 배치 특징은 HA-600WMS의 결과값을 통해서도 확인할 수 있는데 물량 별 구간 하단부의 경우 방사형 방제기의 특징을 나타내고, 상단부의 경우 타워형 방제기의 특징을 나타내 두 가지의 분무 양상 특성을 띄고 있는 것을 볼 수 있다.

총 포집 물량 및 분사 압력

약액포집기로 진행한 RPM 별 총 수집 물량과 분사 압력은 다음과 같다(Table 3).

Table. 3

Difference in total water volume(mL) and pressure(Mpa) of sprayer according to RPM.

ACS-1000 및 HSC-1000DWⅡ의 방사형 방제기의 경우 1,200 RPM에서 가장 많은 물량 포집인 1,540 mL와 1,280 mL를 나타내고, 이후 감소하여 2,000 RPM에서는 1,305 mL와 1,200mL를 기록하였다. ACS-1000는 모든 RPM 및 방제기 중 가장 많은 물량 포집을 나타냈다. 타워형 방제기로 개조한 SS-ATOMⅡ-600은 RPM 증가에 따라 총 포집된 물량도 증가하였으며, 1,200 RPM에서는 가장 적은 총 포집물량을 보였다. FUTURA P11 TGZ는 2,000 RPM에서 모든 방제기 형태 중 가장 적은 양의 물량 포집을 나타냈다. 방사형 및 타워형을 조합한 HA-600WMS의 경우 1,500 RPM에서 가장 적은 포집량을 나타냈고, 2,000 RPM에서도 방사형 방제기와 타워형 방제기의 중간 포집량 값을 확인하였다.

이처럼 총 포집량에서는 방사형 방제기가 타워형 방제기에 비해 RPM에 따라 약 2배에 이르는 많은 물량이 포집되었으며, 타워형 방제기는 상대적으로 적은 양의 물량 포집을 보였다. 이러한 포집 물량 차이는 노즐 개수가 방사형 방제기가 상대적으로 더 많이 장착되는 등 동일한 RPM이라 할지라도 방사형 방제기의 분사 출력 성능이 높을 것으로 보인다. 다만 방사형 방제기에서는 RPM이 높아질수록 총 포집 물량이 조금씩 떨어지는 모습을 확인할 수 있는데 이는 고밀식 사과재배수형에서 단가지 형성에 착안하여 설계한 포집 약액판이 크고 넓지 않아 RPM에 증가에 강한 송풍 등으로 인해 분사된 약액이 포집 양보다 더 많이 비산된 것으로 추측된다. 이처럼 방사형 방제기는 정확한 목표를 맞추는 능력이 떨어지는 것으로 평가받으며(Bruce, 2020), 본 실험에서도 밀식재배체계의 수형에 비해 크고 넓은 수관에 적합한 것으로 판단된다.

1,200 RPM, 1,500 RPM, 2,000 RPM에 따른 각 방제기 별 분사 압력 결과를 살펴보면 전반적으로 방사형 방제기(ACS-1000, HSC-1000DWⅡ)의 분사 압력이 높으며, 특히 HSC-1000DWⅡ의 경우 2,000 RPM일 때 3 Mpa의 분사 압력을 나타냈고, 1,200 RPM과 1,500 RPM에서도 가장 높은 분사 압력을 보였다. FUTURA P11 TGZ는 모든 RPM에서 가장 낮은 분사 압력을 나타냈다. SS-ATOMⅡ-600도 1,200 RPM에서는 FUTURA P11 TGZ와 비슷한 1.1 Mpa를 기록하였으나 2,000 RPM의 경우 ACS-1000과 같은 2.2 Mpa의 압력을 기록하였다. HA-600WMS의 경우 비슷한 제원을 갖고 있는 SS-ATOMⅡ-600과 유사한 분사 압력 특징을 보였다.

분사 압력에서는 방제기 형태에 따른 차이보다 국내 방제기와 해외 방제기의 차이를 살펴볼 수 있다. FUTURA P11 TGZ를 제외한 국내 방제기의 경우 2,000 RPM에서 모두 2.0 MPa 이상을 기록하였고, 타 RPM에서도 국내 방제기의 분사 압력이 높게 나타났다. 이는 처음부터 타워형으로 제작된 FUTURA P11 TGZ와는 달리 SS-ATOMⅡ-600과 HA-600WMS는 국내에서 생산된 방사형 방제기의 특징을 갖고 있기 때문이며, 특히 방사형 방제기는 크고 넓은 수관을 가진 과수를 위해 설계된 형태이기 때문에 타워형 방제기에 비해 분무 시 압력이 더 크다(Fox, 2008). 또한 공시 방제기 중 가장 근래에 제작된 HSC-1000DWⅡ는 2,000 RPM에서 3.0 Mpa의 분사 압력이 나타난 것으로 보아 여전히 국내에서는 고출력 및 고압력을 지닌 방제 형태를 선호하는 것으로 사료된다. 고출력, 고압력은 방사형 방제기에서 분무 시 나무 수관 전체와 상단부까지 충분한 약액이 묻도록 하기 위함이 크다. 그러나 이처럼 높은 분사 압력의 경우 오히려 더 많은 비산을 일으킬 뿐 아니라 오히려 상단부에 약액이 묻지 못하는 경우가 발생한다(Alcides et al., 2010). 이처럼 해외에서는 밀식사과원에서 높은 분사압력 사용에 대한 연구가 이루어졌으나, 국내의 경우 방제기용 노즐과 분사 압력에 대한 체계적인 자료가 부족하고 특히 이를 이용한 농약 검증이 잘 이루어지지 않고 있다. 이에 사과원 방제 시 사용되는 분사 압력과 노즐에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.

송풍 수직 분포 양상

송풍 수직 분포 양상에 대한 결과는 다음과 같다(Fig. 6).

Fig.6

Display of vertical wind speed(1,200 RPM-A, B, C, D and 1,500 RPM-E) of air blast sprayers.

1,200 RPM을 기준으로 각 방제기 별 송풍 수직 분포를 측정한 결과, ACS-1000의 경우 1.2-1.3 m 구간부터 좌우 송풍 차이를 확인할 수 있었는데 좌측 방향의 송풍이 우측 방향보다 상대적으로 강한 것으로 나타났다. 또다른 방사형 방제기인 HSC-1000DWⅡ도 좌우 송풍 차이가 확인되었고, 특히 방제기 좌측 방향의 송풍이 상대적으로 강했다. 이러한 차이는 구간에 따라 최대 3.1 m/s까지 나타났다. 또한 우측 일부 구간에서는 순차적인 송풍 수직 분포를 보이지않고 송풍의 영향을 더 많이 받는 하단부가 상단부보다 낮은 송풍 역전 현상을 보였다. FUTURA P11 TGZ는 우측 방향의 송풍이 상대적으로 조금 더 강한 것으로 보이나, 최대 1.0 m/s 차이를 나타내는 등 앞선 방제기보다 좌우 송풍의 차이가 적고 고른 것으로 나타났다. 또한 송풍 역전 현상과 특정 구간에 따른 급격한 저하 현상이 발생하지 않았다. SS-ATOMⅡ-600의 HSC-1000DWⅡ 및 ACS-1000와 비슷한 형태의 송풍 수직 분포를 보였다. 특히 1.2-1.3 m 구간에서는 좌우 송풍의 차이가 약 3 m/s이상의 결과를 나타냈다. HA-600WMS도 FUTURA P11 TGZ를 제외한 나머지 방제기와 비슷한 형태의 송풍 수직 분포가 나타났다.

송풍 수직 분포에서는 송풍 설계 방식에 따른 차이를 볼 수 있었다. 특히 FUTURA P11 TGZ를 제외한 국내 방제기는 좌우 송풍 및 구간 별 송풍 수직 분포에 대한 차이가 발생했으며, 일부의 경우는 송풍 역전 현상이 보였다. 그러나 FUTURA P11 TGZ의 경우 방사형(Axial)을 사용하는 국내 방제기와 달리 접선유입식(Tangential)의 특성으로 타워형 방제기의 팬 설계가 상하좌우로 균일하게 팬의 송풍을 보내는 구조로 이루어졌기 때문으로 볼 수 있다(Salyani et al., 2000). 반면 SS-ATOMⅡ-600, HA-600WMS의 송풍 구조는 기존 방사형 방제기와 동일하기 때문에 FUTURA P11 TGZ와 같은 송풍 분포를 나타낼 수 없었던 것으로 보인다.이러한 송풍 형태의 차이는 방제 시 많은 영향을 미치는데 Trillof(2013)는 수관에 따라 송풍 흐름(Air flow)을 적절하게 조절할 경우, 과원 내 전체 살포 물량을 감소시킬뿐 아니라 때에 따라 농약 비산을 최대 96 %까지 줄일 수 있다고 분석하였다.

결과 도식화

다음은 방제기 형태에 따른 분무 양상 결과를 도식화 하였다(Fig. 7). 본 약액포집기의 실험 결과를 토대로 5 m의 키큰방추형을 가정할 때, 수고를 1 m 마다 구분하여 방제기 형태 특성 별 분무 양상 비율을 나타냈으며, 타워형 방제기는 FUTURA P11 TGZ, 방사형 방제기는 ACS-1000을 모델로 표현하였다. 방제기 운용 조건이 동일하다고 가정할 때, 타워형 방제기는 0~1 m 구간은 약 2.9 %, 1~2 m는 약 17.3 %로 확인되었다. 2~3 m 구간은 약 56.3 %로 가장 높게 나타났으며, 3~4 m 구간이 23 .6 %, 4~5 m 구간이 1.5%로 나타났다. 방사형 방제기의 경우 0~1 m 약 2.9 %, 1~2 m는 약 50.9 %, 2~3 m는 약 31.8 %로 분석되었으며, 3~4 m는 약 4.4 %, 4~5 m는 약 1.4 %로 나타났다. 타워형 방제기는 1~4 m 구간에 약 95 % 정도를 살포하는 반면, 방사형 방제기는 0~3 m 구간에 약 92 %를 살포하는 것으로 확인되었다. 이처럼 동일한 방제기 운용일 때, 타워형 방제기가 나무 수관 전체에 약액이 고루 살포되어 수폭이 좁은 밀식 사과원에서는 보다 효율적인 농약 살포가 가능할 것으로 판단된다.

Fig.7

Airblast sprayer actual prediction (%) according to the vertical patternator measurement results (upper : axial; lower : tower).

본 실험은 약액포집기를 이용해 국내 방제기의 노즐 배치에 따른 분무 형태를 중심으로 분무 양상을 포함한 송풍 및 분사 압력 등을 살펴보았다. 특히 국내 방제기의 특성과 지금까지 검증되지 않았던 타워형 노즐로 개조된 국내 방제기에 대한 평가를 진행함으로써 현재 국내 밀식사과재배체계에서 활용 가능성을 확인하였다. 그러나 최근 정밀 방제 등 보다 세밀하고 정확한 방제 방안이 요구되는 만큼 분사 압력을 비롯한 주행 속도, 노즐의 분무 특성 등 다양한 방제 요인에 대한 추가적인 검증이 필요하며, 특히 실제 밀식 사과원에서 진행한 현장 검증 등이 이루어져야 할 것으로 판단된다.

이해상충관계

저자는 이해상충관계가 없음을 선언합니다.

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