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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.56 No.2 pp.129-134
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2022.56.2.129

Physical Properties and Plant Growth according to the Content of Additives in the Biodegradable Pot for Mechanical Transplanter

Ji-Hoon Park1, Gun-Ho Lee1, Ho-Min Lee1, Bolappa Gamage Kaushalya Madhavi1, Elanchezhian Arulmozhi1, Anil Bhujel1, Byung-Eun Moon2, Hyeon-Tae Kim3*
1Department of Bio-systems Engineering, Gyeongsang National University, Jinju 52828, South Korea
2Department of Convergent Biosystems Engineering, Sunchon National University, Suncheon 57922, South Korea
3Department of Bio-Systems Engineering, Institute of Smart Farm, Gyeongsang National University, Jinju 52828, South Korea
* Corresponding author: Hyun-Tae Kim (Tel)+82-55-772-1896 (E-mail) bioani@gnu.ac.kr
October 15, 2021 December 1, 2021 April 26, 2022

Abstract


In this study, in order to develop a biodegradable pot used in the planting period for planting vegetables, the physical properties of pots and differences in plant growth were investigated according to the ratio of biodegradable additives. The main raw materials of the biodegradable pot used in this experiment were kraft paper and newspaper, and the biodegradable pot was prepared at 3% and 5%, respectively, of the content of internal additives compared to the main material in the main mixing ratio. In this experiment, the tensile strength, thickness, weight, etc. of the pot were investigated in order to examine the physical properties of the pot and the change according to the additives after 8 weeks of pepper and Chinese cabbage seeding. Plant growth was also compared in pots containing biodegradable additives and in plastic (PE) pots. From the 2nd week to the 5th week, the Chinese cabbage growth survey was conducted every week, and from the 5th week to the 8th week, the pepper growth survey was conducted. Plant growth was measured in terms of fresh root weight (g), vertical weight (g), lateral length (cm), and lateral width (cm). Plant growth in biodegradable pots showed poorer growth compared to plastic pots. The weight and thickness of the biodegradable pot showed a low correlation depending on the additive content, but the tensile strength showed a difference, indicating that the ratio of the internal additive affects the growth. However, the additive did not affect the weight and thickness, so it was judged that the biodegradability of the pot was not affected. This study is considered to be the basic data for the development of biodegradable pots.



기계정식용 생분해성 포트에서 첨가제의 함량에 따른 물리적 특성 및 식물의 생육분석

박 지훈1, 이 건호1, 이 호민1, 볼라파가미지카우샬랴마드하비1, 아룰모지엘란체쟌1, 부젤 아닐1, 문 병은2, 김 현태3*
1경상국립대학교 바이오시스템 공학과 대학원생
2순천대학교 융합바이오 시스템 기계공학과 교수
3경상국립대학교 생물산업기계공학과 스마트팜연구소 교수

초록


본 연구에서는 채소정식을 위한 정식기에 사용하는 생분해성 포트를 개발하기 위하여 생분해성 첨가제의 비율에 따라 포트의 물성 및 식물의 생장 차이를 구명하였다. 본 실험에 사용된 생분해포트의 주원료는 크라프트지와 신문고지였고, 생분해성 포트는 주 배합비에서 내첨첨가제의 함량을 주원료 대비 각 3%, 5%로 제조하였다. 본 실험에서 8주 육묘 후 포트의 물리적 특성과 첨가제에 따른 변화를 알아보기 위해 포트의 인장강도, 두께, 무게 등을 조사하였다. 생분해성 첨가제가 함유된 포트와 일반 PE포트에 식물 생장도 비교하였다. 2주차에서 5주차에는 매주 배추의 생육조사를 진행했고, 5주차에서 8주차에는 고추생육조사를 진행하였다. 식물의 생장은 뿌리신선중(g), 지상부 시선중(g), 옆 장(cm), 옆 폭(cm)등을 측정하였다. 생분해성 포트에서의 식물 생장은 플라스틱 포트에 비해 생육이 저조하게 나타났다. 생분해성 포트의 무게와 두께는 첨가제 함량에 따라 낮은 상관성을 보였지만, 인장강도의 경우 차이를 보여 내첨제의 비율에 따라 생육에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그러나 첨가제는 무게와 두께에는 영향을 미치지 않아 포트의 생분해 능력에는 영향이 없는 것으로 판단된다. 본 연구는 생분해성 식물 포트 개발의 기초자료가 될 것으로 기대된다.



    서론

    최근 국내 플라스틱 사용률이 급증하고 있다. 환경부에 따르면 2018년 발생한 플라스틱 폐기물은 약 322만 9,594톤으로 최근 10년간 약 71.7%로 급격히 증가되었다. 특히 지난해 코로나 바이 러스 감염증-19(COVID-19)로 인한 여파로 플라스틱 사용량 및 폐기물이 전년도보다 14.6% 늘었다. 유럽에 있는 플라스틱, 고무 생산협회인 Euromap이 2017년 발표한 자료에 의하면, 한국에서 2015년 기준 1인당 플라스틱 사용량은 132.7kg 세계 3위로 세계 최고 수준이다. 또한 전 세계적으로 플라스틱 사용량을 줄이는 추 세를 따라 농업기술도 그에 맞춰 가고 있다.

    우리나라는 지형 특성상 산지로 이루어져 있기 때문에, 농가가 소규모로 분산되어 있으므로 국내 밭 농업은 재배 규모가 적고, 소량 재배로 다른 농업에 비해 개발이 늦은 상황이다. 현재 농촌의 고령화로 인한 일손 부족으로 밭농업의 기계화가 필수적이다. 기존 일반적으로 사용하는 전자동 정식기를 보면, 포트에서 식물을 취출 하는 과정에서 집게로 뽑아서 이식하는 형태이기 때문에 효율적인 기계적 움직임이 아닐 뿐만 아니라, 뿌리에 손상을 줄 수 있어 작물 의 생육이 저하될 것이다(Jang & An, 2019). 포트가 난분해성인 플라스틱이기 때문에, 포트에서 식물을 분리해야 하는 구조이다. 그러므로 비효율적인 집게방식을 채택할 수 밖에 없는 실정이었다. 그리고 최근 농업용 플라스틱 포트로 인한 환경오염 문제로 생분해 성 바이오 플라스틱(bio-plastic)을 이용한 포트(Castronuovo et al., 2015)와 생분해성 종이포트를 이용한 모종 생산에 대한 관심이 높아지고 있다(Maria, 2011;Lee et al., 2014). 생분해성 종이포트 를 이용한 묘를 적용한다면 이 종이포트묘를 플러그에 모종이 붙어 있는 상태에서 그대로 정식을 할 수 있기 때문에, 모종에 뿌리를 온전히 보전하면서 정식이 가능하는 장점도 있다. 그러나 종이를 사용한 포트의 사용에는 여러 한계점이 있다. 첫째로, 육묘기간 동안 포트 강도의 변화이다. 기존의 플라스틱 육묘포트의 경우 플 라스틱 재질의 특성상 강도의 변화가 거의 없다. 반면에 종이로 만들어진 육묘포트는 수분을 흡수하면 강도가 급격히 감소하는 성 질이 있다. 그래서 육묘 후 운반하고 취급할 시 어려움이 있다 (Zhang et al., 2019). 둘째로 수분의 공급량이다. 플라스틱 포트의 경우 상토로부터 수분이 증발할 수 있는 면이 윗면과 아래 배수구 쪽에만 노출이 되어 있다. 하지만 종이포트의 경우 포트자체가 종 이이기 때문에 포트가 수분을 흡수하고 증발시킬 수 있다. 그러므 로 포트가 상토의 수분을 흡수 하고 증발시키기 때문에 플라스틱 포트보다 수분이 많이 필요하게 된다. 그래서 본 연구에서는 앞서 언급된 문제점들을 개선시키기 위해 내첨제를 혼합시킨 포트 2종 을 이용하여 이들 포트의 물리적 특성 및 식물생장을 비교하여 적절한 혼합비를 찾으려고 한다.

    재료 및 방법

    1. 생분해성 포트 첨가제

    실험에 사용된 포트는 일반PE포트, 생분해성 포트 2종류로 진 행되었으며, 생분해포트의 주원료는 크라프트지와 신문고지로 만 들어 졌다. 생분해성 포트는 주 배합비에서 내첨첨가제의 함량을 주원료 대비 각 3%, 5%로 구분해서 제작하여 실험을 진행 하였다. 내첨첨가제는 포트의 내수성보강을 위한 사이즈제(Size Agent)와 종이의 강도를 높여주는 지력증강제(Strength resin)를 사용하였 다. 각 포트의 하단에는 배수구(직경 1cm 원)가 있다. 생분해성 포트의 자세한 배합비는 Table 1에 나타내었다. 그에 들어간 상토 의 배합비는 코코피트 49.88%, 피트모스 28%, 펄라이트(Perlite) 12%, 질석(vermiculite) 5%, 제오라이트(Zeolite) 5%, 목초액 0.004%, 비료 0.106%, 습윤제 0.01% 로 이루어져 있다. 육묘에 사용된 모종은 고추(점핑, 아시아종묘)와 배추(가을배추 휘모리골 드, 아시아종묘)이다. 관수는 2021년 5월 17일부터 2021년 7월 12일까지 매일 10시에 진행 되었다..

    본 실험은 경상국립대학교 내 온실에서 진행하였으며, 크기는 11.8 m × 4.2 m × 16 m (폭×높이×길이)이고 온도 25.47℃ ± 4.71℃ (Mean ± SD) 도 상대습도 78.29% ± 20.36% (Mean ± SD)인 환경에서 실험을 진행하였다.

    2. 인장시험 및 두께

    생분해포트에 있어서 인장 특성은 포트의 물성을 나타내는 중요 한 지표이다. 내첨제(지력증강제 WS-20, 발수제 AK-20) 에 따라 물리적 특성에 미치는 영향을 구명하였다. 육묘 후 포트의 첨가제 에 따른 변화는 Won et al. (2012)의 방법으로 수행하였고, 물리적 특성(인장강도, 두께, 무게)에 대하여 포트의 처음 상태와 8주차 후 상태를 비교하였다. 샘플채취는 일일 관수전인 9시에 진행하였 다. 인장시험은 만능물성측정기(EZ20, LLOYD, England)을 이용 하였다. 테스트 표본은 15 × 30 mm의 크기로, 포트의 외벽 부분을 잘라 사용하였다. 샘플의 두께는 샘플을 자른 후 인장시험기에 들 어가기 전 버니어캘리퍼스를 이용하여 측정하였다. 잘려진 샘플은 측정기의 Fig. 1과 같이 아래위로 샘플의 양끝을 고정시킨 다음 측정을 하였다. 측정 시 표점거리는 20 mm, 측정기의 속도는 100 mm/min 으로 하였다. 양쪽 그립에서 당기면서 시편에 걸리는 하 중이 측정되어 인장력을 확인하였고, 그런 뒤 앞서 측정한 샘플의 두께와 샘플의 폭을 이용해 단면적을 구해 인장강도를 확인할 수 있었다.

    σ t = W max A 0
    식 (1)

    • σt:tensile stress wmax: maximum tensile load A0: area of cross section

    3. 포트 무게 비교

    생분해성 포트의 무게는 포트의 생분해정도를 알아보기 위한 요인이다. 생분해성 포트는 현장조건에서 시간에 따른 포트의 무게 를 측정하여 비교하였다. 8주차 후 2가지 생분해성 포트(N1, N2) 을 3반복 하였다. 샘플의 채취는 일일 관수 전인 9시에 진행되고, 각 육묘포트의 가운데 셀 3개를 대상으로 진행하였다. 그 후 포트 내의 상토를 완전 제거 후 건조기 내부 105 ℃ 24시간의 환경에서 포트를 완전 건조 시킨 후 무게를 측정하였다(Liew & Khor, 2013). 건조는 Fig. 2와 같이 디지털 열풍건조기(HQ-FDO 260, CORE TECH, Korea)을 사용하였고, 건조 후 포트의 무게측정은 고정밀 미량 전자저울(MW-ll, CAS, Korea)이 사용되었다.

    4. 식물의 생장 비교

    생분해성 포트는 PE포트와 달리 포트자체에서도 수분의 증발이 일어나기 때문에 식물에 공급되는 같은 양의 수분이 공급된다 하더 라도 식물의 생장이 다를 것으로 보여진다. 그래서 본 실험에서 배추모종과 고추모종을 이용하여, 포트종류(PE, N1, N2)에 따라 식물의 생장차이를 관찰해 보았다. 포트에 파종하기 전, 배추씨앗 과 고추씨앗을 24시간 동안 흐르는 물에 담근 후 실온(24℃)에 건조했다. 그런 다음 플러그 셀 당 하나씩 25mm 깊이의 플러그 셀에 씨를 뿌렸다. 본 실험은 5회 반복되어 매주 측정되었다. 포트 는 온실에 배치되어 제어된 환경(25 ℃, 75% RH, 자연 광선 기간) 에서 묘목이 자랄 수 있도록 했다. 4주차 후, 배추모종을 채취하여 생장을 비교하였고, 8주차 후 고추모종을 비교하였다(Jung, 2008). 생장비교는 농촌진흥청의 농업과학기술 연구조사 분석기준표를 참고하여 뿌리무게, 지상부 무게, 옆장, 옆폭등으로 비교를 하였다.

    5. 데이터 분석

    실험 데이터는 통계 분석 소프트웨어 SPSS (Statistics version 25, International Business Machines Co., United States of America)를 사용하여 분석되었다. 실험 요인(첨가제 함량, 습도 조건, 포트의 무게, 포트의 두께)의 주효과와 그 교호작용은 분산 분석을 사용하여 검사되었다. 유의 수준 P < 0.05에서 duncan 다중 범위 검정을 사용하여 처리 간의 통계적 차이를 결정했다.

    결과 및 고찰

    1. 인장강도 및 두께

    육묘 8주차에서 포트 N1과 N2의 인장강도 및 두께 평균이 유의 한 차이를 보이는지 검증하고자 t-검정을 수행하였다(Table 2, 3). 그 결과 인장강도에서 N1과 N2의 평균은 유의한 차이를 보이는 것으로 나타났다(t=-2.304, p<0.05). 평균비교 결과, N1의 경우 0.3622±0.30456 (Mean±SD) N/mm2, N2의 경우 0.6810±0.50213 (Mean±SD) N/mm2 로 N2가 인장강도가 높다고 평가된다. 그리 고 두께에서 N1과 N2의 평균은 유의하지 않은 차이를 보였다 (t=0.742, p>0.05). 인장강도와 두께의 평균을 비교한 결과, 포트 외벽의 두께 변화는 포트 간 차이가 없었고, 인장강도에서 차이가 있는 결과로 봤을 때, 높은 내첨제의 함량이 종이포트의 외벽에서 조직 결합력 및 인장능력의 감소를 억제시킨다는 것을 알 수 있다.

    2. 포트의 무게

    육묘 8주차에서 N1과 N2의 종이 포트에서 무게의 평균이 유의 한 차이를 보이는지 검증하고자 t-검정을 하였다(Table 4). 그 결과 N1과 N2의 평균무게 간의 유의한 차이는 보이지 않았다(t=0.516, p>0.05). 그 결과, 내첨제는 포트 외벽에 생분해되는 정도에 영향 을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다.

    3.1. 3종 포트에서 고추의 생장

    먼저 고추의 뿌리부 무게의 경우, PE포트에선 3주동안 평균 2.36g의 증가를 보인 반면, N1과 N2는 각각 0.14g, 0.22g 생장을 보였다. 그리고 지상부 무게의 경우 PE포트는 4.26g, N1 0.56g, N2 0.56g의 생장을 보여준다. 옆 장의 경우 PE포트는 2.68cm, N1은 1.06cm, N2는 0.95cm의 생장을 보여준다. 옆폭의 경우 PE 는 1.14cm, N1는 0.68cm, N2는 0.6cm 생장을 보여준다. 전반적 으로 PE포트와 N1, N2와의 생장 차이는 크게 보이지만 N1, N2의 생분해성 포트들의 생장 차이는 볼 수 없었다.

    3.2. 3종 포트에서 배추의 생장

    배추의 뿌리부 무게의 경우, PE포트에선 3주 동안 평균 0.64g 의 증가를 보인 반면, N1과 N2 는 각각 0.48g, 0.58g 생장을 보였 다. 그리고 지상부 무게의 경우 PE포트는 2.04g, N1 0.44g, N2 0.62g의 생장을 보여준다. 옆장의 경우 PE포트는 2.42cm, N1은 1.72cm, N2는 1.56cm의 생장을 보여준다. 옆폭의 경우 PE는 0.96cm, N1는 0.92cm, N2는 0.84cm 생장을 보여준다. 전반적으 로 고추와 PE포트가 대체적으로 생장을 많이 하지만, N1, N2와의 생장 차이가 크게 보이지 않았다.

    두 가지 첨가제 함량이 다른 생분해성 육묘 포트의 성능을 알아 보기 위한 실험이 수행되었다. 실험 결과 물리적인 특성 측면에서 보았을 때, 포트 외벽의 두께에 관해서 N1과 N2 포트 사이에 큰 변화가 없었고 인장강도에 관하여 차이가 있는 것을 알 수 있었다. 내첨재 함량이 상대적으로 높은 N2포트에서 인장강도가 강하다는 것을 보았을 때, 내첨제가 포트 외벽의 조직 결합력 및 인장능력은 어느 정도 억제해주는 것을 알 수 있었고, 종이 포트의 외벽에서 물이 증발이 되는 특성상 플라스틱 포트에 비해 생육이 늦다는 것을 알 수 있었다. 본 실험에서 내첨제가 물리적 특성을 높여주지 만, 식물의 생장에서 포트끼리의 차이가 없음을 보았을 때, 포트 내에 발수제를 넣은 비율에 따라 기간의 길이에는 상관이 없다고 판단된다. 육묘를 하는 것에 있어서 생분해성 포트의 사용은 같은 형태의 PE포트에 비해 수분공급이 원활히 안 될 것으로 판단된다. 그렇기 때문에 추후에 생분해성 포트는 PE포트와 달리 배수가 포 트 자체적으로 될 수 있다고 판단하여, 포트의 배수구를 없게 하여, 포트 내의 수분 손실을 줄이면서 포트의 제작 단가를 낮추는 방안 이나, 기존 포트의 디자인을 바꾸는 방향으로 연구하는 것이 바람 직할 것이다.

    감사의 글

    이 연구는 농림수산식품기술원의 지원으로 농림수산식품연구센 터 지원사업을 통해 지원했다(MAFRA) (Project No. 716001-07).

    Figure

    JALS-56-2-129_F1.gif

    Device for measuring tensile strength.

    JALS-56-2-129_F2.gif

    Root weight of peppers grown for 4 weeks in 3 types of pots.

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    Growth of red pepper stems grown for 4 weeks in 3 types of pots.

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    Growth of red pepper leaves grown for 4 weeks in 3 types of pots.

    JALS-56-2-129_F5.gif

    Leaf width of pepper grown for 4 weeks in 3 types of pots.

    JALS-56-2-129_F6.gif

    Root weight of Chinese cabbage grown for 4 weeks in 3 pots.

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    Weight of above-ground Chinese cabbage grown in 3 pots for 4 weeks.

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    Leaf length of Chinese cabbage grown in 3 pots for 4 weeks.

    JALS-56-2-129_F9.gif

    Leaf width of Chinese cabbage grown in 3 pots for 4 weeks.

    Table

    Additive ingredients added to the biodegradable pot (N1, N2)

    Average tensile strength of two types of ports

    Average thickness of two types of ports

    Average weight of two types of ports

    Reference

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