서언
우리나라 농경지에 발생하는 잡초는 619종이 있다(Lee et al., 2017b). 이들 잡초를 방제하기 위한 방법으로는 여러 가지가 있다. Kim and Shin (2007)에 의하면, 잡초방제법에는 예방적 방제, 기계적 방제, 경종적 방제, 물리적 방제, 화학적 방제, 생물학적 방제 그리고 종합적 방제가 있다. 잡초의 물리적 방제에는 뿌리를 뽑거나 낫이나 예초기로 베는 것, 줄기를 절단하는 것, 피복재를 덮어서 나오지 못하게 하는 것 등이 있다. 이런 물리적 방제는 인력을 이용하기 때문에 시간과 비용이 많이 들지만 방제효과는 우수한 편이다. 또한 화합물이 환경에 투하되지 않기에 환경오염을 걱정할 필요도 없다.
환경부에서는 1999년부터 생태계에 치명적인 피해를 주거나 줄 수 있는 생물을 생태계교란 생물로 지정하여 관리하고 있다. 2023년 7월 14일 현재, 식물에는 돼지풀, 가시박, 환삼덩굴, 애기수영, 마늘냉이, 돼지풀아재비 등 17종이 지정되었다(KLIC, 2023). 이 중 가시박은 종자로 발생하는 덩굴성 일년생식물로 1년에 줄기가 15 m 내외까지 자라면서 다른 식물을 덮어 광합성을 하지 못해 죽게 만든다(Kim and Park, 2009). 생태계교란 식물로 덩굴성인 환삼덩굴이 덮은 지역과 그렇지 않은 지역과의 종 다양성을 비교한 결과, 식물군락이 단순화되었다(Oh et al., 2008a). 이런 경향은 가시박이 우점한 지역도 비슷할 것으로 추론된다.
가시박은 종자로 번식되지만, 9월 중순까지 발생을 지속하고(Moon et al., 2007), 개화 후 10~20일 경과되면 길이 2 cm 정도의 긴 타원형 열매가 3~10개씩 뭉쳐서 직경 5 cm 정도의 덩어리를 형성한다. 이 열매 덩어리가 땅이나 물에 떨어져 땅 속이나 물을 타고 분산된다. 또는 열매에 1 cm 정도의 가시가 촘촘하게 있어 가축의 털이나 사람의 옷에 붙어 이동하기도 한다(Kim and Park, 2009; ME and NIE, 2021). 이 가시박을 각 지방자치단체에서는 낫이나 예초기 등으로 사람이 직접 제거하거나 넓으면서 평평한 하천변은 중장비(굴삭기)로 긁어 내기도 한다. 그러나 이런 물리적 방제는 발생면적이 넓은 경우에는 극히 제한적으로 수행되거나 지속되지 못하는 단점이 있다. 한편 Lee et al. (2007a)에 의해 가시박을 화학적으로 발생을 억제하거나 이미 발생된 경우는 경엽처리하여 방제할 수 있는 제초제가 선발되었으나, 가시박에 의한 생태계 교란지가 주로 하천변이라는 점에서 그 활용범위가 제한적이다.
가시박의 덩굴성 줄기는 다른 식물보다 상대적으로 연약하여 쉽게 절단된다. 가시박은 일년생으로 줄기가 절단되면 재생하지 않고 개체번식이 중단된다. 그 결과 종자생성이 안되어 확산을 억제할 수 있다. 이에 가시박 줄기를 고압의 물로 절단하는 물리적 방제기술에 대한 방제효과와 경제성 등의 결과를 보고하고자 한다.
재료 및 방법
가시박 줄기 절단을 위한 고압 분사 시스템(High-pressure Injection System, HPIS) 개발
가시박은 덩굴식물로 줄기는 같은 시기에 생육하는 벼과, 국화과, 마디풀과 등의 일반 식물에 비하여 상대적으로 연(soft)하다(Kim and Park, 2009). 가시박의 연한 덩굴성 줄기를 가능한 쉽게 잘라 확산을 막기 위해 고압의 물을 이용하는 방법을 개발하였다. 즉 HPIS는 기존 직립식물의 생육에는 영향을 주지 않도록 물의 분사압력을 조절하여 가시박만을 선별적으로 방제할 수 있는 기술이다. 이를 위해 ➀가시박 줄기의 적정 절단시기와 횟수, ➁가시박 이외의 다른 식물체 줄기에는 피해를 주지 않는 물의 적정 분사압력, ➂가시박 줄기가 절단 후에 재생되지 않을 절단간격, ➃고압의 물로 가장 경제적으로 가시박 줄기를 자를 수 있는 노즐의 분사각(spray angle)을 각각의 문헌과 예비시험을 통하여 찾았다. Table 1과 같이 HPIS 확립을 위한 예비시험이 진행되었다.
먼저, 가시박 줄기의 적정 절단시기와 회수는 문헌(Moon et al., 2007; Kim and Park, 2009)을 참고하여 결정하였다. 두번째로 물의 분사압력은 9조건으로 가시박 줄기 절단 뿐만 아니라 다른 식물체의 줄기 피해여부도 확인하였다. 세번째로는 가시박 줄기의 절단간격은 가로×세로를 4조건으로 진행한 후 재생여부를 확인하였다. 네번째로 노즐의 분사각도는 5조건으로 하였다. 고압의 물은 노즐 출구에서 100 cm내외 떨어진 가시박 줄기를 절단하였다.
고압 분사 시스템 개발을 위한 예비시험은 경기도 안성시 안성천 제방(폭 25 m, 길이 500 m), 안성시 한천 제방(폭 25 m, 길이 150 m)과 안성시 금광저수지 주변(폭 15 m, 길이 30 m)에서 각각 단구제로 실시하였다.
가시박 줄기 절단 후 재생정도와 경제성 분석
HPIS 처리에 따른 가시박 재생정도는 절단 후 0, 8, 16, 45일에 처리구내 식물의 피복정도로 달관평가 평가하였다. 또 관행(인력 제초), 예초기, 중장비(굴삭기) 및 HPIS 처리로 가시박을 제거할 때 소요되는 각각의 비용을 비교하여 경제성을 분석하였다.
가시박 줄기 절단을 위한 현장실증시험
HPIS 장비를 이용하여 가시박을 물리적으로 방제할 수 있는 예비시험 결과를 바탕으로 HPIS 장비와 처리조건을 확정V한 후 현장실증시험을 실시하였다. 시험에 사용한 HPIS는 ➀ 물통(800 L × 2), ➁ 고압펌프, ➂ 고압호스 롤, ➃ ➀+ ➁+➂을 고정하는 프레임, ➄ 고압 분사기(gun)로 구성하였다(Fig. 1). 이 때의 처리조건은 물의 분사압력은 150~200 bar cm-2로 하였으며, 사용된 물의 량은 18 L min. -1이었다. 그리고 가시박 줄기의 절단간격은 가로와 세로를 각각 1 m의 간격으로 하였다(Fig. 2).
HPIS를 이용한 가시박 줄기 절단을 위한 현장실증시험은 2021∼2022년 2년동안 서울특별시 남사지구 한강변, 경기도 안성천변 및 한천변, 부산광역시 낙동강변 생태공원 등 여러 지역에서 수행하였다(Fig. 3 참조).
Fig. 3
The field test on physical control of burcucumber (Sicyos angulatus) using high-pressure water. (A) Cutting burcucumber using high-pressure water, (B) Scene after cropping with 1 m grid, (C) Comparison with the untreated group 7 days after cutting the burcucumber with high-pressure water. (Date: August 25, 2022)
결과 및 고찰
가시박 줄기 절단을 위한 고압 분사 시스템(HPIS) 개발
절단시기
HPIS를 적용할 수 있는 최적 시기는 가시박이 한창 개화 중이거나 일부는 열매가 맺혔지만 성숙되기 전이다. Moon et al. (2007)과 Kim and Park (2009)에 의하면, 가시박은 8월까지 계속 땅에서 출아하여 개체를 형성하며, 개화 후 10∼20일 경과되어야 열매가 형성된다고 하였다. 따라서 가시박의 덩굴성 줄기를 한창 개화하는 8~9월에 필수적으로 절단하고 상황에 따라 꽃이 지고 열매가 성숙되기 전인 9월에 추가적으로 절단하는 것이 좋다. 이 시기에 가시박의 줄기를 절단하면 생육이 중지되고 열매는 미성숙된다. 가시박 줄기를 8월이전에 절단하면 줄기 일부가 재생하여 종자를 형성할 수 있으며, 9월이후에 절단하면 발아력이 있는 종자가 형성되어 땅에 떨어질 수 있기 때문이다.
이와 같이 당해연도에 추가적으로 토양에 가시박 종자의 공급이 없으면 이듬해 발아하는 가시박의 개체도 줄어든다. 일반적으로 가시박 1개체당 4,500∼78,000개의 종자를 생산하고(ME and NIE, 2021), 그 종자가 토양에 떨어져 이듬해에 다시 발생하는데 매토종자(buried seed)에 새로운 종자공급이 없으면 그만큼 가시박의 발생량이 줄어들 것이다.
물의 분사압력
물의 분사압력은 9수준으로 나누어 가시박 줄기 절단을 한 결과는 Table 2와 같다. 가시박 줄기만 자르고 다른 식물체에는 피해를 주지 않는 160~200 bar cm-2을 현장실증 시험에 사용하였다. 실제 화물창 세척작업에 적절한 압력은 20 bar이며(Lee and Cho, 2015), 도로노면 비점오염 제거를 위한 물의 압력은 180 bar이었다(Jung et al., 2009).
절단간격
가시박 줄기를 절단할 때 노즐의 분사각도는 물이 한 점에 집중되는 0°로 하였고, 작업종료 후 주변을 정리할 때는 물이 퍼지는 15°로 하였다. 노즐 분사각도 30°, 60°, 90°의 경우 각각 물이 옆으로 퍼져 가시박 줄기를 절단할 수 없었을 뿐만 아니라 작업자에게도 물이 튀어 작업능률이 떨어졌다.
이상의 예비시험 결과를 종합하면, 가시박의 덩굴성 줄기는 1년에 1회(8월)는 필수적으로 경우에 따라 2회(9월) 절단하며, 이 때 물의 분사압력은 160~200 bar cm-2이면서 사용된 물의 량은 18 L min.-1이 적당하였다. 그리고 가시박 줄기의 절단간격은 가로와 세로를 각각 1 m가 작업속도 및 효율 측면에서 가장 좋았다. 노즐의 분사각도는 가시박을 절단할 때는 0°, 작업종료 후 주변을 정리할 때 15°로 하는 것이 효율적이었다.
고압 분사 시스템 구성
물을 고압으로 분사하여 가시박의 줄기를 절단하는 고압 분사 시스템(HPIS)은 다섯 가지로 구성하였다(Fig. 4). 즉, ➀ 물통, ➁ 고압펌프, ➂ 고압호스 롤, ➃ 고정프레임, ➄ 고압 분사기(gun)이다. 이들 각 구성의 특성을 보면, ➀ 물통은 중간 격벽을 두어 이동 시 내부 용액(물)의 출렁거림에 의한 차량의 전복을 방지하고 고압펌프를 통하여 2시간 이상 작업이 가능한 물의 용량을 확보하여 작업의 능률 향상에 초점을 두었다. ➁ 고압펌프는 최고압력 250 bar cm-2의 출력을 낼 수 있는 펌프로 설계하였다. ➂ 고압호스의 길이는 차량이 진입 불가능한 지역의 환경으로 고려하여 전동 릴(reel)을 통하여 100 m의 롤(roll) 를 장착하고 연결하여 사용할 수 있는 50 m의 여분 롤도 부착하였다. ➃ 고정프레임에 ➀+➁+➂을 일체형으로 부착하여 관리 및 이동 설치를 용이하게 하였다. ➄ 고압 분사기(gun)에 부착된 노즐의 분사 각도는 0° ~15°범위이다.
가시박 줄기 절단에 의한 방제효과
고압수로 가시박 줄기를 8월말에 절단한 후 시기별로 피복도를 0, 8, 16, 45일에 달관으로 조사한 결과, 8일차부터 가시박은 더 이상 출현되지 않았으며, 다른 일반 식물의 피복도는 40% 이상 회복되는 것으로 평가되었다(Fig. 5). 즉 고압수로 가시박 줄기를 절단하기 전에는 가시박의 피복도가 전체의 80%가량이었고, 일반 식물의 피복도는 20% 내외이었다. 그러나 고압수 처리 후 가시박 덩굴이 제거됨에 따라 다른 일반 식물이 살아나서 피복도가 40% 이상 증가되었다.
HPIS를 이용한 가시박 줄기를 가로×세로 1 m 격자 모양으로 처리한 결과, 전체 면적의 90% 이상 가시박을 제거할 수 있었다. 즉 8~9월에 1차 처리 후 상황에 따라 9월에 2차 처리하면 가시박은 다시 발생하지 않았다. 절단시기를 8월에 1차로 진행하는 이유는 이른 시기에 줄기를 절단하면 토양에서 새로운 개체가 발생하여 토양내 매토종자의 소모를 촉진하는데 이유가 있다. HPIS 처리에 의해 가시박 줄기가 제거됨으로써 기존 직립식물의 생육이 좋아지면서 전체 피복도가 높아져 종 다양성이 풍부해져 식생이 회복되는 경향을 보였다(달관평가). 그리고 9월에 2차 처리하는 이유는 1차 처리 후 다시 발생한 가시박이 꽃을 피우고 열매를 맺기 전에 처리함으로써 가시박 종자의 토양내 유입을 방지하기 위함이다. Yun (2016)은 가시박은 8월말 개화 이후부터 10월말까지 지속적으로 열매를 맺는데, 9월 초에 발아한 개체는 견실한 종자를 맺을 수 있었고, 9월 중순에서 10월 이후 발아 생장한 개체는 영하의 저온에서 고사하였다는 보고와 유사하다.
가시박이 개화할 때 줄기를 자르면 생육이 중단되어 종자 생산이 안되어 토양으로 종자가 공급되지 않아 기존 토양 중에 있는 매토종자가 줄어들어 시간이 지날수록 가시박의 발생을 줄일 수 있다. 이런 방법을 2∼3년간 연속적으로 처리한다면 전체 발생량의 90% 이상 방제 효과를 볼 수 있을 것으로 판단되었다. Kim and Park (2009)에 의하면 가을에 갓 수확한 가시박 종자는 발아하지 않으나, 포장조건에서 토양표층에 묻어 둔 종자는 다음해 봄부터 이후 2년까지 7∼8%의 발아율을 보인다고 하였다. 따라서 토양에 새로운 종자의 유입이 없다면 가시박의 발생을 끊을 수 있을 것으로 판단된다.
덩굴성 식물은 다른 식물의 발생을 억제하여 군락 전체에 발생하는 식생을 단순화시킨다. 덩굴성 식물인 환삼덩굴이 발생하는 지역의 군락구조 및 서식지 특성을 보면, 하층부에는 동계 일년생식물만 발생하고 상층부는 쑥, 흰명아주, 돌피, 강아지풀 등 일부 군락만을 형성할 뿐 다양한 식물들이 공생하여 번식할 수 있는 공간을 제한하였다(Oh et al., 2008b). 따라서 환삼덩굴과 같이 덩굴식물의 우점은 서식지를 단순화시켜 다양한 식물군락의 형성을 제한하고 있기 때문에 적절한 관리가 필요하다고 하였다. 여기에 가시박도 포함된다.
고압의 물을 분사 또는 살수는 주로 도로를 청소하거나(Jung et al., 2009; Lee and Cho, 2015; Choi and Kim, 2018), 인삼 표피에 붙어있는 미생물을 제거할 때(Kim et al., 2010) 그리고 슬러지를 제거할 때(Lee, 2004) 등에 이용한다. 또 초고압의 물로 철판 등을 절단하는 워터젯 가동(water jet cutting) 방법도 널리 사용되고 있다. 농업적으로는 배나무 동해(frost injury)방지를 위해 조피(과수의 수피가 거칠게 트면서 생긴 거친 껍질)를 제거할 때 고압의 물을 이용한다(NIHHS, 2016).
고압의 물을 이용하여 생태계교란 식물인 가시박의 줄기를 절단하여 확산 억제뿐만 아니라 이듬해 발생정도를 줄이기 위한 방법은 국내에서 처음으로 시도되는 방법이다. 이 방법은 물을 이용하기 때문에 화학적으로 환경적인 부담도 없으면서 가시박만을 효과적으로 제거할 수 있다. 그러나 HPIS는 차량에 부착되어 있기 때문에 차량접근이 가능한 지역으로 국한된다는 한계가 있다. 가시박은 한강 수계의 댐 주변, 전국의 하천변과 도로변에 광범위하게 확산하고 있으며, 호수, 숲 가장자리, 경작지 등에도 정착한다(Kim and Park, 2009; ME and NIE, 2021). 이와 같이 댐 주변이나 호수 등은 차량이 접근할 수 없지만 배(boat)가 접안할 수 있다면 이런 고압 분사 시스템을 이동식으로 만들어 설치함으로써 사용범위를 넓힐 수 있을 것이다.
생태계교란 생물 현장관리 가이드(ME and NIE, 2021)에서 가시박의 관리방법 및 시기에 '개화기에 가시박의 줄기 자르기'로 언급은 되어 있으나 어떻게 또는 어떤 방식으로 자르라고 하는 구체적인 메뉴얼은 빠져 있다. 따라서 이런 HPIS 방법을 명시적으로 제시하고 홍보한다면 가시박을 효과적으로 제거하는데 도움이 될 수 있을 것이다.
경제성 분석
농경지에 발생한 문제잡초를 제거함에 따른 경제성 분석은 없으나, 재배법 개선(Shin et al., 2012), 소형 무인헬기(Koo et al., 2006)나 중경제초기(Lee et al., 2022)를 이용한 경제성 분석은 확인된 바 있다. 또 농업용 방제 드론에 따른 경제성 및 인식도 분석도 있으나(You et al., 2021), 문제잡초 방제방법별 경제성을 상호비교한 연구는 전무하다.
HPIS를 이용한 가시박 제거에 대한 경제성 분석은 10a를 처리하는데 소요되는 비용을 산정하여 비교하였다. 지수의 비교는 가시박을 제거하는데 가장 많이 시행되는 기술을 100으로 가정했을 경우 10a당 처리비용의 % 비율을 표시하였다. 처리기술은 관행(인력 제초), 예초기 이용, 중장비(굴삭기) 및 HPIS의 4가지에 대한 경제성 분석 결과는 Table 3과 같다. 그 결과, 관행(인력 제초)을 100%으로 하였을 때 고압수를 이용한 제거방법이 81.5% 처리비용이 절감되었다. 그 다음은 중장비(굴삭기)이 46.6%, 예초기가 22%로 관행에 비해 비용이 절감되는 것으로 평가되었다(Fig. 6).
이상의 결과를 종합하면, HPIS를 이용한 가시박의 물리적 방제기술은 가시박 덩굴만 제거하고 기존 식생은 영향을 주지 않으면서 처리지역의 다양한 식물의 발생으로 환경이 회복된다는 점과 다른 방제법보다 높은 경제성을 지닌 점으로 가시박을 제거하기 위한 최적의 방제방법으로 판단된다. 또 물을 이용하기 때문에 환경에 어떤 부담을 주지 않는다는 것도 HPIS를 이용한 가시박 방제기술의 장점 중의 하나이다.
요약
생태계교란 식물의 하나인 가시박은 종자로 번식하는 덩굴성 일년생으로 줄기가 다른 식물에 비하여 연하다. 이런 가시박의 연한 줄기를 고압의 물로 절단하여 확산을 억제하는 고압 분사 시스템을 개발하고 그 방제효과와 경제성을 분석하였다. 고압 분사 시스템으로 8~9월에 가시박 줄기를 절단하면 가시박 제거 및 방제효과는 90% 이상이었다. 가시박 덩굴이 제거됨에 따라 다른 식물의 피복도는 40% 이상 증가되었다. 가시박 덩굴을 제거하는 비용은 관행(인력)보다 81.5%나 절감할 수 있어 경제성도 높았다. 고압 분사 시스템은 차량 접근이 용이한 지역만 이용할 수 있어 호수 등 사람이 접근하기 어려운 곳에서는 배(boat)에 부착할 수 있는 이동식 개발이 필요하다.
Acknowledgements
This study was supported by joint research project from the Ministry of Environment, Republic of Korea (Project number: 2021002270004).
Authors Information
Seung-Hwan Kim, Hankyong National University, Senior Researcher
In-Yong Lee, https://orcid.org/0000-0001-7151-7048
Yong-Ho Lee, Hankyong National University, Senior Researcher; OJeong Resilience Institute, Korea University, Researcher
Sun-Hee Hong, https://orcid.org/0000-0001-7581-0604
