서론
고추(Capsicum annuum L.)는 우리나라에서 과채 소비와 김치 등의 가공용으로 널리 재배되는 주요 채소 작물로서 2024년 재배면적은 26,463 ha로 보고되었다(KOSIS, 2024). 고추는 고온성 작물로 국내에서는 주로 4월부터 10월까지의 여름철에 재배되며, 수분 관리에 민감하고 잡초에 의한 경합 피해가 크다(Oh and Koh, 2019; Ntanasi et al., 2025). 이러한 이유로, 고추 재배에서는 토양 수분 보존과 잡초 발생 억제를 동시에 달성하기 위해 멀칭필름의 활용이 일반적이며(Lamont, 1993; Ashrafuzzaman et al., 2011), 국내 고추재배 26,463 ha에 멀칭필름이 전부 사용되고 있다고 할 수 있다. 멀칭필름은 토양 증발을 억제하여 수분 보유력을 높이고, 토양 온도 및 환경을 개선하며, 잡초 발생을 효과적으로 억제함으로써 작물 생육과 수량을 증진시키는 것으로 보고되어 있다(Hill et al., 1982; Kosterna, 2014; Ni et al., 2016).
현재 농업 현장에서 가장 널리 사용되는 멀칭 소재는 polyethylene (PE) 필름으로, 가격이 낮고 강도 및 유연성이 우수하여 다양한 작물 재배에 광범위하게 활용되고 있다(Kasirajan and Ngouakio, 2012). 전 세계적으로 농업 분야에서 연간 약 610만 톤의 플라스틱 필름이 사용되며, 이 중 34%를 멀칭필름이 차지한다(FAO, 2021). 국내의 경우, 한국환경공단 영농폐기물조사에 따르면 2023년 영농폐비닐의 총 발생량은 290,017톤이었으며, 이 중 멀칭용 LDPE (low-density polyethylene)와 HDPE (high-density polyethylene)는 각각 150,724톤과 88,410톤으로 전체 발생량의 약 82%를 차지하였다(KECO, 2024). 이는 국내 농업에서 멀칭필름의 사용이 매우 집약적으로 이루어지고 있음을 시사한다. 고추 재배에서는 멀칭재배가 전체 재배 방식의 약 85%를 차지하는 것으로 보고되었다(KREI, 2005).
그러나 PE 필름은 수거·처리를 위한 노동력과 비용이 발생하며, 수거가 충분히 이루어지지 않을 경우 토양 잔류 및 소각·매립 과정에서의 환경부하로 인해 심각한 환경오염 문제를 유발할 수 있다는 점에서 사용에 대한 우려가 증가하고 있다(Martin-Closas et al., 2007). 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 등장한 생분해성 멀칭필름은 미생물적·화학적·기계적 과정을 통해 붕괴되어 결국 물과 이산화탄소로 완전히 분해되는 특성을 가지며(Yang et al., 2020), 소재는 크게 합성 생분해성 고분자와 자연 유래 생분해성 성분으로 구분된다. 합성 생분해성 고분자에는 polyhydroxyalkanoates (PHA), polylactic acid (PLA), polybutylene adipate terephthalate (PBAT), polybutylene succinate (PBS), polycaprolactone (PCL) 등이 포함되며, 자연 유래 성분에는 전분, 셀룰로오스, 단백질, 지질, 리그닌 등이 있다(Chiellini and Solaro, 2003; Ferreira et al., 2019). 생분해성 멀칭필름은 PE 필름의 환경부하 단점을 보완할 수 있는 유력한 대안으로 평가되지만, 현재 상용화된 제품은 가격이 높고 필름 강도 등 물성이 낮아 조기 붕괴가 발생하는 등 농가에서 활용이 제한적인 문제가 있다.
따라서 최근 국내에서는 합성 및 자연 유래 생분해성 소재를 다양한 비율로 조합하여 생분해성 멀칭필름의 물성을 개선하고자 연구개발을 수행하고 있다(Jeong, 2022; Kim et al., 2024). 본 연구에서는 물성이 개선된 생분해성 멀칭필름이 고추 재배 기간 동안 관행적인 PE 필름을 대체하여 실제 농업 환경에서 활용 가능성이 충분한지를 검증하고자 하였다. 이를 위하여 실제 포장 조건에서 고추를 멀칭 재배하여 기존의 PE 필름 및 다양한 조성의 생분해성 멀칭필름의 분해 양상, 잡초 방제 효과 및 고추의 수량성을 평가하였다.
재료 및 방법
시험 포장 조성
본 시험은 2024년 경기도 수원시 서울대학교 농업생명과학대학 실험농장에서 수행하였다. 전면 시비를 통해 N-P-K를 11.3-11.2-9 kg/10a 수준으로 기비로 살포한 후 경운하고, 관리기로 이랑과 고랑을 조성하였다. 시험구는 처리당 3반복의 난괴법으로 설계하였으며, 각 처리구의 면적은 4 m × 2.5 m로 3개의 이랑을 포함하였다. 멀칭필름 피복처리는 PE필름 1종과 생분해성 멀칭필름 5종(상용제품 1종 포함)의 6개로 구성되어(표 1) 2024년 4월 26일에 실시하였다. 필름멀칭 후 동일한 날에 고추(Capsicum annuum ʻ칼라탄’) 모종을 40 cm × 100 cm 재식 간격으로 정식하였으며, 고추 시험구 멀칭필름 안에 점적관개호스를 설치하여 필요시 점적관개로 수분을 관리하였다. N–K 비료는 파종일로부터 한 달 간격으로 3회 추비하였으며, 각 회차별의 시비량은 1차 2.3–1.8 kg/10a, 2차 2.8–2.4 kg/10a, 3차 2.5–1.8 kg/10a이었다. 병해충 관리는 농촌진흥청의 표준재배법에 준하여 실시하였으며, 필름멀칭이 되지 않은 이랑사이 헛골은 3주 간격으로 비선택성제초제 glufosinate를 540 g a.i. ha-1(권장 약량)로 처리하여 잡초를 방제하였다.
조사 항목
고추 정식 후 수확기까지의 평균온도와 강수량을 조사하였다. 정식 후부터 고추 최종 수확일인 2024년 9월 26일(153 days after transplanting, DAT)까지 여러 조사시점에서 총 7회에 걸쳐 필름의 붕괴 정도를 육안으로 평가하였다. 필름 붕괴도는 필름 표면의 균열 및 토양 노출 정도를 고려하여 평가하였다. 필름 붕괴도는 0–100 척도로 평가하였으며, 0은 필름의 붕괴가 전혀 발생하지 않은 상태, 100은 필름이 완전히 붕괴되어 토양이 전면 노출된 상태를 의미한다. 고추의 과실 수확은 1차(7월 26일), 2차(8월 9일), 3차(9월 26일)로 총 세 차례에 걸쳐 진행하였으며, 과실 생체중 및 과실 건물중을 측정하였다. 3차 수확 시에는 지상부 전체를 수확하여 과실 및 지상부의 생체중과 건물중을 조사하였다. 최종 수확 후에는 필름 붕괴율과 잡초 발생량을 조사하였다. 필름 붕괴율은 달관 조사(visual assessment)를 통해 필름 붕괴정도를 육안으로 평가하고 드론영상분석을 통해 필름 피복 면적을 산출하였다. 잡초 발생량은 처리구 내에서 출현한 잡초 개체수를 직접 계수하였고 드론영상분석을 통해 잡초 피복 면적을 산출하였다.
통계 처리
모든 통계 분석은 R 소프트웨어(R version 4.2.1)를 사용하였으며, 멀칭필름 처리 효과의 유의성 검정은 일원 분산분석(one-way ANOVA)을 통해 실시하였다(R Core Team, 2025). 처리 효과가 유의한 경우, 평균 간 비교는 5% 유의수준에서 Duncan’s multiple range test (DMRT)를 적용하여 수행하였고, 유의적 차이는 그래프 상에 상호 다른 문자로 표기하였다. 필름의 붕괴 정도와 정식 후 경과일(days after transplanting, DAT)의 관계는 필름 붕괴 특성을 고려하여 하한(lower limit)과 상한(upper limit)을 각각 0%와 100%로 고정한 2-매개변수 로그-로지스틱(2-parameter log-logistic model, LL.2) 모델에 적합시키는 비선형회귀분석으로 분석하였다.
결과 및 고찰
필름 조성에 따른 붕괴 특성
시험 기간 동안 평균기온은 23.8°C, 누적 강수량은 997.2 mm이었다(Fig. 1). 생분해성 멀칭필름은 자외선, 수분, 바람 등 환경 요인에 의해 분해가 촉진되는 것으로 알려져 있으며(Campanale et al., 2024; Karlsson and Albertsson, 1998), 고추는 고온·다습한 조건에서 재배되는 대표적인 여름 작물로(Basak et al., 2019), 이러한 환경조건에서 재배기간의 경과에 따라 생분해성 멀칭필름의 붕괴양상은 밀접한 연관성이 있을 것으로 사료된다.
고추 모종 정식 후 약 78일부터 가시적 붕괴가 관찰되었고, 이후 지속적으로 붕괴도가 증가하는 양상을 나타냈다(Fig. 2). 고추 모종 정식 후 시간 경과에 따른 필름 붕괴 정도를 비선형회귀분석하여 필름 붕괴율이 10%에 도달하는 데 소요되는 기간을 산출한 결과 PE 필름이 194일이 소요되었으며, BD1-BD5 필름에서 각각 70, 77, 91, 71, 74일이 소요되었다(Table 2). 이는 달관조사에서 약 78일 전후로 생분해성 멀칭필름의 가시적인 필름 붕괴가 관찰된 것과 부합하는 결과였다. 필름 붕괴율이 50%에 도달하는 시점 또한 PE, BD1–BD5 필름에서 각각 388, 111, 120, 134, 90, 99일로, 생분해성 필름 간에도 90–134일 범위의 차이가 관찰되어 필름의 생분해성 소재의 조성에 따른 붕괴 속도의 차이가 확인되었다.
Fig. 2
Two-parameter log-logistic model with fixed upper and lower limits showing the relationship between days after transplanting and film degradation under different film conditions in chili pepper. The f itted logistic model was used to determine the days after transplanting at which film degradation reaches 50% of its maximum value (T50, days after transplanting for 50% film damage). Error bars indicate the standard error of the mean (n = 3). Model fit (R², RMSE) values are shown within each panel.
고추 재배 종료 시점인 정식 후 153일차에 달관조사한 결과, TPS를 첨가한 필름(BD4, BD5)이 가장 높은 붕괴 성능을 보였다(Fig. 3A, 4A). 최종 붕괴율은 BD5 98%(TPS 고함량)에서 가장 높았으며, BD4 93%(TPS 저함량)가 그 뒤를 이었다. 다른 필름의 붕괴율은 BD1 80%(상용제품), BD2 76%(재생필름 함유), BD3 68%(리그닌 함유), PE필름 5% 순이었다. 멀칭필름 90% 붕괴율 도달 시점을 산출한 결과 또한 PE, BD1–BD5 필름에서 각각 789, 177, 189, 198, 114, 139일로 추정되었으며(Table 2), 이는 TPS 첨가 필름에서 90% 이상의 달관 붕괴율을 나타낸 결과와 상응한다. 드론 영상 분석으로 산출한 필름 피복도 또한 붕괴율과 유사한 경향을 나타냈다(Fig. 4B). PE 필름의 경우 90%의 붕괴까지 2년 이상의 시간이 소요될 것으로 예측된 반면, TPS가 함유된 BD4와 BD5는 고추 재배 기간 중 필름의 90%가 붕괴되었고, BD1-BD3 필름 역시 재배 종료 후 약 45일 이내에 90% 붕괴에 도달할 것으로 예측되어 생분해성 멀칭필름이 고추 재배 종료 이후 농경지 환경에 장기간 잔류하지 않을 가능성을 시사하였으며, 기존 PE 필름 사용 시 발생할 수 있는 토양 교란 및 플라스틱 잔류 문제를 완화하는 데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
Fig. 4
Film degradation (A), film coverage (B), no. of weed plants (C), and weed coverage (%) (D) at chili pepper harvest (153 DAT). Error bars indicate the standard error of the mean (n = 3). Different letters above bars indicate significant differences among treatments according to Duncan’s multiple range test (p < 0.05).
Table 2
Parameter estimates of two-parameter log-logistic model with fixed upper and lower limits for film biodegradation under six mulching film treatments in chili pepper cultivation. Estimated values indicated the days after transplanting at which film degradation reaches 10, 50, and 90% of its maximum value (100%). The values in parentheses are standard errors.
한편, 생분해성 멀칭필름은 분해 과정을 거치면서 탄소, 미생물, 첨가제 등을 토양 중으로 공급하여 토양의 물리·화학·생물학적 특성에 복합적인 영향을 미칠 수 있으며, 이는 조건에 따라 토양 유기물 순환과 미생물 활성에 긍정적인 방향으로 작용할 가능성이 있다(Bandopadhyay et al., 2018). 생분해성 멀칭필름 제조 시 사용되는 첨가물은 분해 속도를 조절하기 위해 투입되며, 분해를 촉진하거나 지연시키는 기능을 가진 것으로 보고되었다(Han et al., 2012; Somanathan et al., 2022). TPS는 생분해성을 촉진하는 첨가제로 잘 알려져 있으며(Corrêa et al., 2022), 이와 대조적으로 리그닌은 물성을 향상시켜 생분해 속도를 지연시키는 기능을 갖는 것으로 알려져 있다(Shakoor Shar et al., 2023). 본 시험에서도 TPS를 첨가한 BD4와 BD5에서 높은 붕괴율이 나타났고, 리그닌이 첨가된 BD3가 BD1 (상용제품) 대비 낮은 붕괴율을 보여 첨가제 종류가 필름 붕괴도 조절에 중요한 요소임을 확인할 수 있었다. 이는 동일한 생분해성 수지를 기반으로 하더라도, 첨가제의 종류 및 함량에 따라 필름의 분해 양상이 달라질 수 있음을 의미하며, 재배 기간과 작물 특성에 따른 맞춤형 생분해성 멀칭필름 설계가 가능함을 시사한다.
생분해성 멀칭필름의 잡초발생 억제 및 고추 수량에 미치는 영향
잡초 발생량은 PE 필름 처리에서 가장 낮았고, BD1-5은 서로 다른 수준의 잡초 발생량을 나타냈다(Fig. 3B). 잡초 발생 개체수는 생분해성 멀칭필름 중에서 BD1에서 가장 높았고, BD5, BD4, BD3, BD2 순으로 높게 나타났다(Fig. 4C). 잡초 발생 개체수와 드론 영상을 활용해 산출한 잡초 피복도 간의 상관성(r= 0.74, p < 0.001)을 확인하였으나, 잡초 피복도의 경우 필름 처리 간에 통계적 유의성이 확인되지 않았다(Fig. 4D). 잡초 피복도는 PE 필름 처리에서만 0.9%의 미미한 잡초 피복도를 보였고, BD1-5은 각각 16.5, 7.9, 9.3, 9.6, 11.6% 수준의 유사한 잡초 피복도를 보였다(Fig. 4D). 새롭게 개발된 시제품(BD2-5) 모두 상용제품(BD1)보다 높은 수준의 잡초 발생 억제력을 나타냈으며, PE필름 대비 잡초 피복 억제 수준이 BD1-5 각각 84, 93, 92, 91, 89%인 것으로 확인되었다. 잡초 발생 개체수(r= 0.65, p < 0.01)와 잡초 생체중(r= 0.48, p < 0.05)은 필름 붕괴율과 유의한 양의 상관관계를 나타내어 필름 손상이 증가함에 따라 잡초의 양적 생장이 증가하는 경향을 보였다(Fig. 5).
고추의 지상부 건물중과 고추 과실의 건물중은 멀칭필름 처리 간 유의한 차이를 확인할 수 없었다(Fig. 6). 필름 붕괴에 따른 잡초 발생 개체수 차이는 존재했으나 필름 붕괴가 주로 정식 후 약 78일 전후에 본격적으로 발생하였고, 고추에서의 잡초경합한계기간(critical period of weed control)이 약 12주라는 점(Amador‐Ramírez, 2002)을 고려하면 재배 후반기에 출현한 잡초가 고추 생육 및 수량에 미치는 영향은 제한적이었을 것으로 판단된다. 이는 고추 재배에서 초기 생육 단계 동안의 잡초 억제가 수량 확보에 핵심적이며, 재배 후기의 제한적인 잡초 발생은 수량 감소로 직접 연결되지 않음을 시사한다(Lotz et al., 1996). 따라서 생분해성 멀칭필름의 붕괴가 재배 후기 단계에서 진행되더라도, 잡초 발생 및 생육 억제 기능이 잡초경합한계기간까지 충분히 유지된다면 고추 생산성에 미치는 영향은 극히 제한적이어서 본 연구에서 새롭게 평가된 신규 생분해성 멀칭필름은 고추 재배에 적합한 것으로 판단된다.
Fig. 6
Shoot dry weight (A) and fruit dry weight (B) of chili pepper grown under six mulching films. Shoot dry weight was measured at the final harvest made on 153 DAT and fruit dry weight is the cumulative dry weight of chili pepper fruits from three sequential harvests, with each harvest distinguished in the stacked bars. Error bars indicate the standard error of the mean (n = 3).
생분해성 멀칭필름의 개선 및 재배적 활용
종합적으로, 본 연구에서 평가한 새롭게 개발된 생분해성 멀칭필름은 고추의 잡초경합한계기까지 충분한 수준의 잡초발생 억제력을 유지함으로써 수량에 부정적인 영향을 미치지 않으면서도, 필름 조성 및 첨가제 종류에 따라 서로 다른 붕괴율을 나타냈다. 생분해성 멀칭필름 시제품의 붕괴성은 고추 재배 종료 시점에서 TPS 함량이 상대적으로 높게 첨가된 필름에서 저함량 처리보다 높게 나타났으며, 반면 리그닌이 함유된 필름에서는 붕괴성이 상대적으로 낮아지는 경향이 확인되었다. 이러한 결과는 첨가제 조성에 따른 붕괴 특성의 차이를 활용하여, TPS와 리그닌의 조합 및 함량 조절을 통해 필름의 붕괴 속도와 정도를 제어할 수 있는 가능성을 시사한다. 나아가 붕괴 특성의 정밀한 조절을 통해 작물의 재배 작기 및 재배 환경을 고려하여 재배 종료 시점에 목표 붕괴도를 달성할 수 있도록 생분해성 멀칭필름을 설계하는 것이 가능할 것으로 판단된다.
요약
본 연구는 기존 polyethylene (PE) 멀칭필름의 농업 플라스틱 폐기물 축적 문제를 해결하기 위한 대안으로 개발된 생분해성 멀칭필름의 현장 적용 가능성을 평가하고자 수행되었다. 이를 위해 고추 재배 조건에서 조성 및 첨가제가 상이한 생분해성 멀칭필름 5종과 PE 필름 1종을 대상으로 난괴법 3반복의 포장시험을 실시하였으며, 필름의 붕괴 특성, 잡초 발생 억제 효과 및 고추 수량 반응을 조사하였다. 시험 결과, 생분해성 멀칭필름은 필름 종류에 따라 상이한 붕괴 양상을 보였으며, 정식 후 90–134일 사이에 약 50% 수준의 붕괴가 진행된 반면, PE 필름은 동일 기간 동안 거의 붕괴되지 않았다. 고추 재배 종료 시점에서 생분해성 멀칭필름 처리구의 잡초 발생 억제율은 PE 대비 84–93% 수준으로 유지되었으며, 잡초 피복 면적과 고추 수량에서는 처리 간 유의한 차이가 나타나지 않았다. 이는 재배 후기에 발생한 잡초의 생육이 이미 형성된 고추 수관에 의해 제한되었기 때문으로 해석된다. 본 결과는 생분해성 멀칭필름이 잡초경합한계기까지 충분한 잡초 억제 기능을 유지할 경우, 고추 수량에 부정적인 영향을 미치지 않음을 시사한다. 또한 TPS 및 리그닌과 같은 첨가제의 조성과 함량에 따라 재배 종료 시점의 필름 붕괴 정도가 달라지는 특성을 확인함으로써, 작물의 재배 기간과 재배 환경을 고려한 생분해성 멀칭필름 분해 특성 설계를 위한 기초 자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
Acknowledgment
This work was carried out with the support of ʻCooperative Research Program for Agricultural Science & Technology Development (Project No. RS-2022-RD010234)’, Rural Development Administration, Republic of Korea. We acknowledge Ihlshin Chemical for supplying mulching films for our study.
