서 론
석유 유래의 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 플라스틱은 폐기 시 분해되지 않고 환경에 잔존하여 생태계와 인간 건강에 부정적인 영향을 끼치므로 전세계적으로 환경 친화적인 생분해성 필름에 대한 관심과 시장 점유율이 증가하고 있다(Akhir & Mustapha, 2022; Campanale et al., 2024; Gao et al., 2023; Lee, 2025). 일본의 농업환경은 우리나라처럼 극심한 고령화에 따른 생력화 필요성이 대두되고 있으며 생분해성 멀칭필름 사용을 적극적으로 도입하여 2022년 전년 대비 약 12% 증가하여 최고치를 기록하였다(Choi & Jung, 2025; Lee, 2025). 농업용 생분해성 멀칭필름은 원료소재에 따라 천연고분자, 미생물생산고분자, 석유 등 화석자원으로 분류되며 최종적으로 토양 미생물에 의해 이용되어 CO2 가스로 휘발된다. 석유 등 화석자원은 PBS (Polybutylene Succinate), PBAT (Polybutyrate Adipate Terephthalate), PLA (Poly Lactic Acid), PVA (Polyvinil Alcohol) 등이 주원료로 이용되고 있다(Akhir & Mustapha, 2022; Campanale et al., 2024; Menossi et al., 2021; Tan et al., 2016). PBAT 소재의 생분해성 멀칭필름은 중저가로 생산성이 우수하여 가장 많이 이용되고 있는 소재이지만 화학합성계 기반으로 분해속도가 다소 느리다는 단점이 있다(Aouay et al., 2024; Tan et al., 2016; Xiong et al., 2023).
바이오매스 유래 소재인 생분해성 멀칭필름은 보다 환경친화적으로 천연고분자 계열인 TPS (Thermo Plastic Starch)와 셀룰로오스 등을 이용하므로 분해속도가 매우 빠른 장점이 있지만 물성이 취약하여 유통 중 분해되거나 재배기간 중 붕괴되는 단점이 있다(Aouay et al., 2024; Spaccini et al., 2016; Tan et al., 2016; Xiong et al., 2023). 또다른 바이오매스 기반인 미생물합성계는 PHA (Polyhydroxy alkanoate)와 PHB (Polyhydroxy butyrate)의 주요 원료를 포함하며 분해기간 조절은 용이하지만 분해되는데 많은 시간이 소요되는 단점이 있다(Meereboer et al., 2020). 따라서 생분해성을 높이거나 물성을 개선하기 위하여 석유기반인 PBAT를 중심으로 TPS 및 PLA 등의 천연고분자계 또는 PHA를 블렌딩한 제품이 출시되어 농업현장에 이용되고 있다(Aouay et al., 2024; Meereboer et al., 2020; Spaccini et al., 2016; Tan et al., 2016; Xiong et al., 2023). 하지만 PBAT 및 PLA 필름은 자체 소재 개발이 미흡하고 원료소재를 대부분 수입하여 가공하여 제품을 생산하므로 국내 생분해성 멀칭필름의 시장 규모가 크게 확대되지는 않고 있다(Lee, 2025). 최근 농촌진흥청과 대학 및 전문 생산기업을 중심으로 국산 PBAT소재를 개발하거나 PBAT 대신 생분해도가 높은 PBA (Polybutylene Adipate)를 주 원료로 리그닌 또는 내가수분해 억제제를 블렌딩 한 시제품을 개발하여 작물재배 효과 실증 시험이 진행중에 있다(Lee, 2025).
콩(Glycine max (L.) Merr.) 작물은 생육기간이 90~160일로 비교적 긴 하계 작물이므로 6월장마인 우기와 8~9월 건기 등의 불량 환경조건 하에서 온·수분 조절 및 잡초관리를 위한 표토관리가 중요하다(Eck et al., 1987; RDA, 2021; Vogel et al., 2021). 콩은 생육 초기에 수분요구량이 높은 작물로 영양생장이 종료하고 결실기부터 수분요구량이 낮아지는 경향을 보인다(Eck et al., 1987). 콩 및 고추작물에 다양한 종류의 생분해성 필름을 멀칭한 결과, 30~60일 이후부터 전분 소재의 필름의 물성이 약해져서 붕괴 시작일이 다소 빠르게 관찰되었다(Choi & Jung, 2025; Jung et al., 2023; Kim et al., 2024; Park & Choi, 2025; Park et al., 2025). 따라서 콩 생육 초·중기까지 바이오매스 기반 생분해성 필름의 기계적 성능이 유지된다면 작물 생육 및 수확량에 부정적인 영향을 끼치지 않을 것으로 판단된다. 본 연구는 바이오매스 소재의 생분해성 필름 시제품을 콩 재배지에 멀칭시 필름 표면의 붕괴에 따른 토양 및 작물에 미치는 영향을 구명하여 농가 활용 가능성을 검토하고자 수행되었다.
재료 및 방법
콩 포장 시험구
콩과 고추를 재배하는 경상북도 구미시에 소재한 농가를 시험대상지로 선정하였으며, 동·하계 작물을 대상으로 생분해성 멀칭필름을 다년간 시험하고 있는 사질토의 실증농가이다(Choi & Jung, 2025; Jung et al., 2023; Park & Choi, 2025; Park et al., 2025). 시험품종은 가장 많이 이용되는 메주콩인 ‘백태’를 선정하여 시험포장에 멀칭 후 2025년 6월 20일에 25 cm간격으로 이식하였다(0 days after transplanting, 0 DAT). 시험구 별 두둑폭과 길이 및 고랑폭은 각각 100 cm, 320 cm, 60 cm로 농촌진흥청 표준재배법(RDA, 2000)에 준하여 조성하였고 각 시험구 사이에 50 cm 이상의 폭을 두어 시험구간의 처리 간섭을 최소화하였다(Choi & Jung, 2025). 시험대상지의 작물 생육기(6~10월) 동안 평년(1991~2020년) 평균온도와 누적 강수량은 각각 21.7℃와 811.2 mm이었고, 시험 당해 년도(2025년)의 평균온도와 누적 강수량은 24.4℃와 789.4 mm로 전년도(2024년)의 평균온도(24.2℃)와 누적강수량(650.7 mm) 보다 높게 관측되었다(KMA, 2025). 모든 시험구의 생육기간 동안 관개를 하지 않고 자연 강우에 의존하여 수분을 공급하였다(Choi & Jung, 2025).
실험처리로 무멀칭(NM, non-mulching)과 멀칭으로 분류하였고 NM은 멀칭필름을 피복하지 않고 잡초밀도 수준이 한계허용 수준 이상이었을 때 손으로 잡초를 제거하였다. 멀칭 처리는 농업용 PE (low-density PE, I CO., LTD)필름과 생분해성 멀칭으로 많이 이용되는 R필름(I CO., LTD) 및 바이오매스 기반 생분해성 필름을 시제품으로 제작한 T1 (R CO., LTD), T2 (I CO., LTD), T3 (I CO., LTD)를 포함하였다. PE, R, T2, T3필름의 두께는 모두 0.015 mm로 동일하였으며, T1필름은 0.02 mm 두께로 삼층구조(외층: PBAT+다공성실리카+ESO, 내층: PBAT+TPS)로 구성하였다. 상용 R필름의 주성분은 PBAT+PLA이었고, 시제품인 T2필름은 PBA+PLA+리그닌3%, T3필름은 PBA+PLA+가수분해억제제(조기산화방지)로 조성되었다. 처리 당 총 3반복(3시험구, 총 18시험구)으로 무작위로 시험구를 구성한 난괴법으로 배치하여 처리 효과에 대한 환경적인 영향을 최소화하였다.
주요 시험 조사내용은 기존 콩 작물을 대상으로 시험했던 내용(Choi & Jung, 2025; Kim et al., 2024)과 동일하게 생육기에 30일간격으로 멀칭필름의 붕괴도와 토양특성 및 작물생육 변화를 시기별로 조사하였다.
시기별 멀칭필름 붕괴도
상부(중앙)와 측면의 필름 붕괴도를 각각 0~5단계로 구분하여 생육기 동안 30일간격으로 육안으로 조사하였다(0: 붕괴없음, 1: 미미한 균열, 2: 약 25% 균열, 3: 2.0~2.5 cm길이 균열, 4: 규칙적인 메쉬(mesh)균열과 큰 붕괴가 많음, 5: 4.4 cm2 보다 작은 조각으로 분해, Choi & Jung, 2025; Kim et al., 2024; Yin et al., 2019). 멀칭 필름 내부의 투광량은 간이 조도계(HIOKI FT3424, HIOKI CO., LTD., Ueda, Japan)를 이용하여 대기 조도와 비교하여 광 투과율로 기록하였다(Choi & Jung, 2025).
필름의 기계적 물성변화를 파악하기 위하여 한국산업규격에서 고시된 시험 방법(KS M 3001)에 의거하여 붕괴도가 크게 진행되기 전인 이식 후 60일까지 30일 간격으로 인장강도, 연신율, 인열강도를 각각 분석하였다. 시험구 당 필름 2점을 무작위로 샘플링하여 일정크기의 필름 시편(인장강도와 연신율: 폭 10.0 × 길이 10.0 cm, 인열강도: 폭 10.0 × 길이 1.0 cm)으로 제작하여 texture analyzer (TA-XT Plus, Stable Micro System Ltd., Surrey, UK)를 이용하여 TD (transverse direction, 횡방향)와 MD (machine direction, 종방향) 방향으로 각각 측정하였다.
생육기 동안 멀칭 필름의 중량감소율 변화를 시기별로 모니터링하기 위하여 Bianchini et al. (2022) 방법으로 시험구 당 멀칭 필름(가로 21.0 cm × 세로 29.7 cm) 2점을 무작위로 선정하여 절단하여 생체중을 측정 한 후 원 위치에 필름을 U자형 고정핀으로 고정하였다(Choi & Jung, 2025). 절단한 동일한 필름을 30일 간격으로 샘플링하여 생체중을 측정한 후 무게변화에 따른 시기별 중량감소율을 처리별로 비교하였다.
수확 전 잡초발생을 조사하기 위하여 필름유공 부위(콩 이식한 곳), 필름 균열부위, 필름 통과 부위, 전체부위로 각각 분류하여 단위면적(3.3 m2) 당 관찰된 잡초 수 및 생체중을 조사하였다.
토양특성 변화
작물 생육기간에 토양 내 온도와 수분의 변화를 모니터링하기 하여 토양 10 cm 깊이에 토양수분 무선 데이터로거(Efento CO., Wroclaw, Poland)를 구축하였다. 모바일 어플리케이션을 활용하여 일평균 온·수분과 최고온도 및 최저수분 등의 측정 데이터를 각각 수집하여 일별 시계열 변화를 선 그래프로 표시하였다.
30 DAT와 90 DAT에 시험구 당 9곳을 무작위로 선정하여 산중식 토양경도계(DIK-5553, Daiki CO., Tokyo, Japan)에 장착된 원뿔형 침을 토양 5 cm 깊이까지 찔러 넣어 토양에 침투하는 저항력으로 토양경도를 측정하여 토양 굳기 정도를 나타내었다.
토양 근권의 산도와 염류 분석은 간이 pH미터기(HI 99121, Hanna Inc., Seoul, Korea)와 EC (electrical conductivity)미터기(HI 98331, Hanna Inc., Seoul, Korea)를 이용하여 10 cm 깊이의 토양에서 30일 간격으로 측정하였다.
토양화학성은 농촌진흥청의 토양분석법 매뉴얼(RDA, 2000)에 의거하여 분석하였다. 0 DAT와 100 DAT에 시험구 토양의 0~20 cm 깊이에서 흙을 채취 및 건조하여 전문분석센타에 분석 의뢰하였다. 토양 OM(유기물)은 습식산화법의 Tyurin법, TN(전질소)은 습식산화법을 이용한 Kjeldahl법, NO3-N 농도는 2.0 M KCl 용액으로 침출하여 원자흡광분광법으로 측정하여 분석하였고, TC(전탄소)는 OM을 변환계수 1.724로 나누어 환산하여 제시하였다. P2O5(유효인산)는 Lancaster법을 이용하여 HCl 침출액으로 추출한 후 비색법으로 정량하였고, 치환성 K2O, CaO, MgO는 1.0 M 암모늄아세테이트 용액으로 추출한 후 원자 흡광 분광법으로 분석하였다.
작물특성조사
각 시험구에서 완전 무작위로 3개체(포기)를 선정하여 생육기간 동안 30일간격으로 동일한 작물을 이용하여 초장, 경경, 분지수, 엽SPAD(엽록소 SPAD-502 Plus meter, Konica Minolta CO., Ltd., Tokyo, Japan)를 각각 조사하였다. 수확기에 시험구 별 포기 당 달린 협수를 모두 계수하였고, 꼬투리 무게 및 꼬투리당 총 종자수와 신선중을 측정하였다. 처리별로 1,000 m2 당 생산된 수확량은 총 종자의 신선중으로 환산하여 제시하였다.
통계분석
통계분석 소프트웨어인 SPSS 21 (SPSS, Inc., Chicago, USA)를 통하여 일원분산(one-way analysis of variance) 분석으로 자료의 처리 간 평균차이의 통계적 유의성 유무를 검정하였다. 처리 간 평균 차이가 5% 수준 이내이면 유의미한 차이가 있다고 판단하였다. 이후 Duncan’s Multiple Range Test로 사후검정을 통하여 어떠한 처리에서 차이가 있는 지를 분석하였다.
결과 및 고찰
필름붕괴도 비교
모든 생분해성 멀칭 필름의 상부(중앙) 표면에서 이식 후 30일부터 붕괴가 관찰되었다(Table 1). 이식 후 60일부터는 생분해성 필름의 붕괴가 급격히 진행되었고 신규 생분해성 T3필름에서 높은 붕괴도를 보였다. 이는 기존의 생분해성 멀칭필름을 시험하였던 콩 재배지에서의 붕괴 진행속도와 유사하여서 고추 등의 하계작물 보다는 다소 빠르게 진행되는 것으로 재차 확인되었다(Choi & Jung, 2025; Jung et al., 2023; Kim et al., 2024; Park & Choi, 2025; Park et al., 2025). 필름의 측면(테두리) 부위에서도 상부 에서처럼 T3 필름에서 붕괴 속도가 급격히 진행되었고 T2에서도 빠른 수준이 관찰되었다. 신규 바이오매스 필름인 T2와 T3는 물성이 약한 PBA와 PLA를 중심으로 리그닌 또는 가수분해억제제(조기산화방지)를 첨가하여 제조하였지만(Lee, 2025), 지난해 보다 생육기간 평균온도(24.4℃)와 누적강수량(789.4 mm)이 증가하여(KMA, 2025) 필름 내부의 결합력이 약해지고 가수분해가 촉진되었던 것으로 사료된다. 특히 필름의 측면부위는 이식 후 30일부터 생분해성 멀칭필름의 붕괴정도가 2.23~2.40으로 필름 상부 붕괴도의 90일차와 비슷한 수준으로 높았고, 120일차에는 4.43~4.90으로 멀칭 필름이 거의 사라지고 흙이 드러날 정도로 분해되었다. 필름의 측면부위는 흙으로 고정되어 접촉된 상태이므로 생분해성 멀칭필름에 대한 특정 세균(Actinobacteria)과 진균(Ascomycota)의 우점도 증가에 의해 붕괴도가 높았을 것으로 사료되며(Chung et al., 2024; Xie et al., 2025), 멀칭필름이 토양과 접촉면이 밀착되고 접촉기간이 길어질수록 물성저하를 유발함을 시사하였다(Bianchini et al., 2022).
Table 1.
Visual decomposition (center and border) of polyethylene (PE) and biodegradable films (R, T1, T2, and T3) mulched in a soybean field at every 30 days after transplanting (DAT).
| Treatment | DAT | ||||
| 0 | 30 | 60 | 90 | 120 | |
| Center (0 – 5) | |||||
| PE | 0.00 a* | 0.00 b | 0.00 b | 0.00 b | 0.00 c |
| R | 0.00 a | 0.63 a | 1.80 a | 2.54 a | 3.40 ab |
| T1 | 0.00 a | 0.60 a | 1.63 a | 2.60 a | 3.35 b |
| T2 | 0.00 a | 0.68 a | 1.62 a | 2.40 a | 3.37 b |
| T3 | 0.00 a | 0.72 a | 1.90 a | 2.63 a | 3.53 a |
| Border (0 – 5) | |||||
| PE | 0.00 a | 0.00 b | 0.00 c | 0.00 c | 0.00 c |
| R | 0.00 a | 2.37 a | 3.07 ab | 4.01 ab | 4.48 b |
| T1 | 0.00 a | 2.23 a | 2.90 b | 3.80 b | 4.43 b |
| T2 | 0.00 a | 2.40 a | 3.33 a | 4.23 a | 4.70 ab |
| T3 | 0.00 a | 2.33 a | 3.40 a | 4.32 a | 4.90 a |
Keys: 0, practically intact film; 1, the film begins to crack; 2, 25 % of the film displays tiny cracks; 3, film with 2.0–2.5-cm-long cracks; 4, film with uniform mesh cracks and no large intact areas; 5, the film breaking down into fragments smaller than 4×4 cm2 (Choi & Jung, 2025; Yin et al., 2019).
필름의 물성을 파악하는 중요한 지표인 인장강도(Briassoulis & Giannoulis, 2018)를 TD와 MD 방향별로 측정한 결과, 이식 후 60일간 PE필름은 큰 감소 없이 높게 유지되었다(Table 2). 생분해성 멀칭필름의 인장강도는 30일차 보다 60일차에 더욱 크게 감소하였다. 특히 T2와 T3필름의 TD와 MD에서 감소폭이 가장 크게 나타나서 물성감소에 따른 물리적 붕괴가 육안붕괴도(Table 1)에서 나타난 결과와 유사하였다. 필름이 인장될 때 늘어나는 정도인 연실율은 PE필름에서 모든 시기에서 별다른 변화 없이 가장 높았다. 생분해성 멀칭필름의 연신율은 인장강도와 비슷하게 60일차에 감소폭이 T2와 T3에서 가장 높았던 반면에, 0.02 mm의 두꺼운 내외층의 3층구조로 제조된 T1필름과 PBAT로 구성된 R필름은 인장강도와 연실율이 높아서 적절한 내구성을 지닌 것으로 사료되었다. 필름의 인열강도도 인장강도와 연신율에서 관찰된 바와 같이 PE필름이 가장 높았고, T2와 T3필름에서 낮은 수준을 보였다. 다만 60일차에 MD방향의 인열강도의 감소폭이 TD방향보다 높았지만, 연실율에서는 반대의 경향이 관찰되었는데, 이는 연신성이 뛰어난 필름으로 제조하였을 때 물리적 두께 감소 등으로 인하여 찢어짐에 저항력을 나타내는 인열강도는 다소 감소될 수 있다고 보고(Kim et al., 2016)한 맥락으로 유추할 수 있다.
Table 2.
Physical properties of transverse direction (TD) and machine direction (MD) of polyethylene (PE) and biodegradable films (R, T1, T2, and T3) mulched in a soybean field at every 30 days after transplanting (DAT).
| Treatment | DAT | |||||
| 0 | 30 | 60 | ||||
| TD | MD | TD | MD | TD | MD | |
| Tensile strength (N·cm-2) | ||||||
| PE | 4124.2 a* | 4159.0 a | 4089.3 a | 4003.0 a | 4111.5 a | 4092.1 a |
| R | 2271.0 b | 2389.6 b | 1653.6 b | 1808.8 b | 1024.0 b | 1270.9 b |
| T1 | 1808.2 c | 2223.6 b | 1702.3 b | 1720.7 b | 1248.0 b | 1151.7 b |
| T2 | 1742.8 c | 2019.9 b | 1532.5 b | 1642.6 b | 802.0 c | 924.9 c |
| T3 | 1802.4 c | 2087.5 b | 1667.9 b | 1685.3 b | 803.0 c | 923.6 c |
| Elongation (%) | ||||||
| PE | 303.3 a | 359.7 a | 303.3 a | 274.7 a | 321.6 a | 226.8 a |
| R | 223.3 b | 276.0 b | 167.1 b | 193.8 b | 92.1 b | 192.2 ab |
| T1 | 238.6 b | 248.9 b | 176.7 b | 188.0 b | 113.5 b | 141.4 b |
| T2 | 168.3 c | 209.9 c | 128.2 c | 167.8 b | 71.3 c | 144.5 b |
| T3 | 154.9 c | 209.6 c | 132.6 c | 171.5 b | 70.1 c | 146.6 b |
| Internal tearing strength (N·cm-1) | ||||||
| PE | 384.4 a | 302.6 a | 384.4 a | 294.4 a | 300.5 a | 301.0 a |
| R | 223.5 b | 175.8 b | 199.9 b | 133.0 b | 138.6 b | 93.5 b |
| T1 | 202.5 c | 135.1 c | 175.6 b | 126.6 b | 134.4 b | 84.7 b |
| T2 | 200.7 c | 148.6 c | 147.9 c | 120.8 b | 112.9 c | 68.0 c |
| T3 | 218.6 b | 162.0 b | 153.3 c | 124.0 b | 118.5 c | 67.9 c |
필름 내부 투광율은 시기에 상관없이 PE필름에서 가장 낮았고, 모든 멀칭 필름에서 시간이 경과할수록 증가하는 경향이 관찰되었다(Table 3). 특히 바이오매스 기반 생분해성 멀칭필름인 T1, T2, T3에서 레퍼런스인 R필름보다 투광율이 더 높게 관찰되었다. 중량감소율도 투광율과 유사하게 모든 필름에서 시기별로 증가하였다(Table 3). 이식 후 120일에 중량감소율은 PE필름에서 6.0%로 가장 낮았고, T1필름은 육안 붕괴도가 낮은 수준이었지만 19.1%로 가장 높게 나타났다. 자외선과 수분에 의한 필름 폴리머의 화학적구조의 변화 정도가 삼층구조인 T1 필름이 단층구조의 생분해성 필름 보다 더 빠르게 진행되어 무게감소에 의한 분해율에 영향을 끼친 것으로 추정되었다(Spaccini et al., 2016; Tan et al., 2016).
Table 3.
Light transmission and weight loss of polyethylene (PE) and biodegradable films (R, T1, T2, and T3) mulched in a soybean field at every 30 days after transplanting (DAT).
| Treatment | DAT | ||||
| 0 | 30 | 60 | 90 | 120 | |
| Light transmittance (%) | |||||
| PE | 0.00 a* | 0.32 c | 0.58 c | 0.63 c | 0.62 c |
| R | 0.00 a | 0.72 b | 0.83 b | 0.98 b | 0.99 b |
| T1 | 0.00 a | 0.93 a | 1.08 a | 1.23 a | 1.22 a |
| T2 | 0.00 a | 0.91 a | 1.10 a | 1.21 a | 1.23 a |
| T3 | 0.00 a | 0.91 a | 1.10 a | 1.18 a | 1.21 a |
| Weight loss (%) | |||||
| PE | 0.00 a | 0.97 c | 0.48 c | 5.31 c | 6.04 c |
| R | 0.00 a | 2.27 a | 5.41 a | 7.33 a | 14.49 b |
| T1 | 0.00 a | 2.96 a | 5.66 a | 7.28 a | 19.14 a |
| T2 | 0.00 a | 2.78 a | 4.44 b | 7.28 a | 13.89 b |
| T3 | 0.00 a | 2.40 b | 4.90 b | 6.84 b | 13.51 b |
수확 전 잡초발생을 처리구 별로 비교한 결과, 콩을 심은 곳에서 멀칭 처리 간에 통계적으로 유의성 있는 차이가 없었고 필름을 뚫고 통과한 잡초는 모든 처리구에서 관찰되지 않았다(Table 4). T1, T2, T3 멀칭 필름의 균열 부위에서 잡초발생이 높았으며, 이는 비교적 넓은 표면적의 붕괴로 인하여 잡초가 광 발아하는데 유리했던 것으로 판단되었다. 총 잡초발생률과 잡초 신선중은 생분해성 필름 처리구 보다 PE에서 낮게 나타나서, 콩 재배지에서의 생분해성 멀칭필름의 잡초발생 시험 결과와 유사하였다(Choi & Jung, 2025; Kim et al., 2024). T3 멀칭 처리구는 잡초 발생 수에 있어서 기타 생분해성 필름 처리구와 별다른 차이가 없었지만 붕괴정도가 높아서 잡초 생체량이 증가했던 것으로 판단되었다.
Table 4.
Weed occurrence in a soybean field mulched with polyethylene (PE) and biodegradable films (R, T1, T2, and T3) before harvesting.
| Treatment | Number of weeds per 3.3 m2 | Weed FW (g) | |||
| Perforated area | Punctured area | Cracked area | Sum | ||
| NM | - | - | - | 164.3 a | 163.0 a |
| PE | 3.6 a* | 0.0 a | 0.0 c | 3.6 d | 33.3 d |
| R | 4.2 a | 0.0 a | 7.4 b | 11.6 c | 47.4 c |
| T1 | 5.4 a | 0.0 a | 10.0 ab | 15.4 c | 44.3 c |
| T2 | 4.8 a | 0.0 a | 12.4 a | 17.2 b | 46.2 c |
| T3 | 5.7 a | 0.0 a | 9.8 ab | 15.5 c | 58.2 b |
콩 생육기 중 일평균 토양 온도 및 최고온도는 PE 멀칭처리구에서 모두 높게 관찰되었고 35~40℃ 전후의 고온이 7~8월 최고온도에서 관측되었다(Fig. 1A and B). PE 멀칭에 따른 하계작물의 근권 내 고온 스트레스와 관련한 여러 연구사례가 보고되었으며, 최근 지구 온난화에 따른 PE필름 멀칭 사용의 대안으로 생분해성 필름 및 유기질 멀칭 등 여러 지속 가능한 방법으로 토양환경 영향 평가 시험이 진행되고 있다(Gao et al., 2023; Suzuki et al., 2014; Zhang et al., 2019). 이식 후 90일과 120일차에 토양온도는 필름이 거의 붕괴 된 T3 멀칭구에서 가장 높았고 NM구도 높은 수준을 보였는데 30℃ 이상의 고온은 아니지만 가을철 직사광선에 의하여 지온이 상승한 결과로 판단되었다.
일평균 토양 수분 및 최저 수분포텐셜은 멀칭처리구에서 생육 초·중기(이식 후 0~60일)에 비교적 높은 수준이 관찰되었다(Fig. 2A and B). 건조기인 9월 전후(이식 후 60~90일)에 모든 처리구에서 수분포텐셜이 크게 감소하였고 PE멀칭구는 모든 시기에서 토양수분이 비교적 일정한 수준으로 유지되었고, 이는 고추와 콩 시험결과와 유사하였다(Choi & Jung, 2025; Jung et al., 2023; Kim et al., 2024; Park & Choi, 2025; Park et al., 2025). R과 T1 멀칭 처리구의 수분포텐셜은 NM보다 낮은 -200 kPa에 근접하는 일시위조점 수준까지 감소하였는데, 이전 콩 멀칭시험에서도 R필름과 유사한 성분을 함유한 생분해성 필름을 멀칭한 곳에서 낮은 토양 수분함량이 관찰되었다(Choi & Jung, 2025). 생분해성 필름을 멀칭하였어도 토양 내 수분함량이 NM구 대비 감소한 이유는 작물 뿌리의 생장 촉진과 수분이용 증가에 따른 결과로 판단되었다. 하지만 콩 작물은 생육 중기 이후 토양수분 요구량이 낮으므로 결실 및 콩알생장에 큰 영향을 끼치지 않았을 것으로 사료되었다(Eck et al., 1987).
토양 경도는 이식 후 30일과 90일에 NM처리구에서 가장 높았고, NM과 T3 처리구를 제외하고는 90일차에 모두 감소하는 경향이 관찰되었다(Fig. 3). PE, R, T1, T2필름의 멀칭 시용을 통하여 일정 기간 강우 시 충격을 완화하고 침식을 방지하는 등 토양구조를 유지하여 물리적 보호에 기여하였을 것으로 판단되었다(Mulumba & Lal, 2008). T3 필름은 조기붕괴에 따른 멀칭 효과의 감소로 NM구와 유사하게 통기성과 투수성의 불량으로 뿌리생장에 부정적인 영향을 끼쳤을 것으로 판단되지만, 이에 대한 세부적인 토양물리성 및 근권 분석이 추후 필요하였다.
이식 후 30일 동안 토양 pH는 모든 처리구에서 8.0 전후로 높게 나타났는데(Table 5), 시험대상지가 석회고토 등 알칼리성 성분을 높게 함유한 결과(Table 6)로 해석되었다. 이식 후 60일차에는 토양 건조에 따라(Fig. 2) 모든 처리구의 토양 pH가 크게 감소하였으며, 이식 후 90일과 120일에는 토양 pH가 모든 처리구에서 증가하였고 특히 T3 멀칭구에서 높게 나타났다.
Table 5.
Soil pH and electrical conductivity (EC) in a soybean field mulched with polyethylene (PE) and biodegradable films (R, T1, T2, and T3) at every 30 days after transplanting (DAT).
| Treatment | DAT | ||||
| 0 | 30 | 60 | 90 | 120 | |
| Soil pH (1:5) | |||||
| NM | 7.75 b*) | 7.66 c | 6.44 a | 7.52 b | 7.36 b |
| PE | 7.92 a | 7.78 c | 5.58 b | 7.09 b | 7.11 b |
| R | 7.83 a | 7.81 b | 5.52 b | 7.05 b | 7.29 b |
| T1 | 7.96 a | 7.93 b | 5.67 b | 7.18 b | 7.21 b |
| T2 | 7.98 a | 8.10 a | 5.60 b | 7.23 b | 7.26 b |
| T3 | 8.00 a | 7.90 b | 6.84 a | 7.92 a | 7.84 a |
| Soil EC (dS∙m-1) | |||||
| NM | 0.395 a | 0.110 c | 0.148 b | 0.108 a | 0.104 c |
| PE | 0.370 a | 0.256 a | 0.153 b | 0.130 a | 0.138 b |
| R | 0.348 a | 0.250 a | 0.132 b | 0.140 a | 0.143 b |
| T1 | 0.373 a | 0.208 b | 0.142 b | 0.160 a | 0.164 a |
| T2 | 0.358 a | 0.190 b | 0.156 b | 0.170 a | 0.155 a |
| T3 | 0.370 a | 0.148 bc | 0.168 a | 0.160 a | 0.162 a |
Table 6.
Soil mineral nutrition in a soybean field mulched with polyethylene (PE) and biodegradable films (R, T1, T2, and T3) at 0 and 100 days after transplanting (DAT).
| Treatment | OM | TC | TN | C/N | NO3-N | P2O5 | CaO | K2O | MgO | |
| (%) | (mg∙kg-1) | (cmolc∙kg-1) | ||||||||
| 0 DAT | ||||||||||
| Pre-treatment | 5.35 | 3.10 | 0.12 | 25.9 | 0.01 | 160.5 | 11.6 | 0.40 | 2.50 | |
| 100 DAT | ||||||||||
| NM | 4.43 a* | 2.57 a | 0.21 a | 12.1 c | 0.04 b | 104.6 b | 15.5 ab | 0.26 a | 1.86 b | |
| PE | 4.40 a | 2.55 a | 0.10 c | 25.5 a | 0.09 a | 123.2 a | 15.4 ab | 0.19 a | 2.08 a | |
| R | 4.09 a | 2.37 a | 0.17 b | 14.2 bc | 0.05 b | 106.0 b | 13.1 b | 0.22 a | 1.86 b | |
| T1 | 4.56 a | 2.64 a | 0.17 b | 15.6 bc | 0.04 b | 89.9 c | 15.1 ab | 0.20 a | 1.82 b | |
| T2 | 4.38 a | 2.54 a | 0.17 b | 14.7 bc | 0.06 ab | 89.0 c | 15.9 ab | 0.20 a | 1.85 b | |
| T3 | 4.44 a | 2.58 a | 0.14 c | 18.4 b | 0.04 b | 89.8 c | 17.9 a | 0.18 a | 1.63 c | |
Fig. 3
Soil hardness in a soybean field mulched with polyethylene (PE) and biodegradable films (R, T1, T2, and T3) at 30 and 60 days after transplanting (DAT). Different lowercase letters represent significant differences between the bar graph, as determined using Duncan’s multiple-range test at p < 0.05.
토양 EC 수준은 이식 후 30일과 120일에 멀칭 처리구에서 NM 보다 높게 관찰되었다(Table 5). 이는 멀칭 처리에 따른 토양 내 증발 감소 및 수분유지로 염류 용해도를 증가시켰음을 시사한다. 멀칭 처리 간에 토양 EC는 이식 후 120일에 T1, T2, T3 멀칭구에서 높았는데, Zhang et al. (2019)의 보고에 따르면 생분해성 멀칭 필름의 붕괴가 많이 진행되면 토양 효소활성의 증가 및 무기염의 이온화로 염류가 증가된다고 하였다. 하지만, 이전의 고추와 콩재배지에 무멀칭, 생분해성 필름과 PE필름을 멀칭한 연구에 따르면 수확 전 EC수준은 PE > 생분해성필름 > 무멀칭 순으로 높았지만 동계작물인 양파재배지에서는 일관성 있는 결과가 관찰되지 않아서, 매년 토양 및 기상여건 상황 등에 따라 토양 염류 수준에 일정 부분 영향을 끼친 것으로 판단되었다(Choi & Jung, 2025; KMA, 2025; Park & Choi, 2025).
시험 전 토양 내 OM함량은 5.35%로 비옥한 수준이었고, 토양 CaO 수준은 11.6 cmolc·kg-1으로 높게 나타났다(Table 6). 수확 전(100 DAT)의 토양 OM함량 및 TC, 그리고 K2O 수준은 처리 간에 유사하였다. 토양 내 TN함량은 NM구에서 가장 높았고, PE처리구에서 가장 낮았고 T3처리구도 비교적 낮은 수준을 보였다. 이에 따라 C/N율은 PE 멀칭구가 25.5로 가장 높았고 R, T1, T2 멀칭구는 14.2~15.6로 낮은 수준을 보였다. 앞에서도 언급하였듯이 생분해성 멀칭 필름의 붕괴로 인한 미생물의 빠른 번식으로 유기물의 분해속도가 촉진되어 C/N율이 낮아졌던 것으로 사료되었다(Xie et al., 2025; Zhang et al., 2019). 하지만 토양 내 NO3-N, P2O5, MgO 수준은 PE처리구에서 높았으며, 이는 기존의 Xie et al. (2025)이 언급한 생분해성 필름 멀칭으로 인하여 유효 미생물인 Candidatus Udaeobacter, Acidibacter, Flavisolibacter의 증가로 무기성분의 유효도가 증가한다는 내용과 상이하여 이에 대한 시기별 무기성분의 동태 및 미생물의 효소분석 등이 필요할 것으로 판단되었다.
시기별 작물의 초장은 모든 처리에서 이식 후 60일까지 크게 증가하였고 이후 증가세가 둔화되었다(Fig. 4A). 초장은 NM 작물에서 모든 시기에서 가장 낮았고, 120일차에는 멀칭 처리 간에 비슷한 수준이 관찰되었다. 작물의 경경은 이식 후 90일까지 증가하였고, 90일과 120일에 NM에서 가장 낮은 수준을 보였다(Fig. 4B). 분지수는 T3처리 작물에서 이식 후 30~120일에 통계적으로 유의성 있게 낮은 수준을 보였다(Fig. 4C). T3 처리구에서는 조기 필름 붕괴로 인해 토양 경도 증가와 잡초 발생이 촉진되었고, 이로 인한 뿌리 스트레스가 사이토키닌 합성 및 측지 발달을 저해해 분지수 감소에 영향을 준 것으로 판단된다(Ghanem et al., 2011). 시기별 엽 SPAD는 T1, T2, T3로 처리된 작물에서 NM 작물 보다 이식 후 90일 이후부터 낮은 수준이 관찰되었다(Fig. 4D). 이는 NM작물의 초장저하에 따른 광투광량 증가와 상대적으로 영양분 분배의 증가 등에 기인한 것으로 판단되지만 이에 대한 작물체의 기관별 영양분석이 요구되었다. 엽 SPAD는 모든 작물에서 이식 후 60일 동안 증가하다가 이후 정체되거나 수확전인 120일차에 감소하는 경향이 관찰되었다. 엽 SPAD 수준은 콩 작물의 엽록소 및 질소함량을 나타내는 간접적인 지표(Fritschi & Ray, 2007)로서, 콩 작물의 연령 증가 및 대사활성 저하에 따른 엽록소 형성 감소에 영향을 끼쳤을 것으로 사료되었다.
Fig. 4
Plant height (panel A), stem diameter (panel B), number of shoot (panel C), and leaf SPAD (panel D) in a soybean field mulched with polyethylene (PE) and biodegradable films (R, T1, T2, and T3) at every 30 days after transplanting (DAT). *, **, and *** indicate significantly different values among treatments for a 30-day interval, p < 0.05, 0.01, and 0.001, respectively; ns, non-significant.
멀칭 처리에 따른 협수는 R > PE > T2, T1 > T3, NM 순으로 높게 나타났고 꼬투리 신선중은 처리 간에 차이가 없었고 종자수는 R처리 작물에서 가장 높았다(Table 7). 결과적으로 10 a당 수확량(총 종자 신선중)은 R (2155.9 kg) > PE (1808.4 kg) > T2 (1678.5 kg) > T1 (1535.4 kg) > T3 (1437.1 kg), NM (1407.4 kg) 순으로 나타났다. PE 처리구의 수확량은 R 처리구보다 낮았으며, 멀칭에 의해 지온이 35~40℃까지 상승하여 개화 불량 및 동화산물 전류 저하가 초래된 것으로 분석된다. 이는 PE 필름의 고온 유발 특성이 여름철 작물 재배에 부정적인 영향을 줄 수 있음을 시사한다(Ergo et al., 2018; Lee et al., 2019; Sang et al., 2022). 특히 하계작물 재배지에 PE멀칭 시용은 고온 스트레스 유발 및 이에 따른 urease와 phosphatase 등의 토양효소활성 감소로 작물의 생육이 감소한다고 보고하였다(Suzuki et al., 2014; Xie et al., 2025; Zhang et al., 2019).
Table 7.
Total pod number per plant, pod fresh weight (FW), number of seeds per pod, and total seed FW per 10 a in a soybean field mulched with polyethylene (PE) and biodegradable films (R, T1, T2, and T3).
| Treatment |
No. of total pod per plant | Pod FW (g) |
No. of seed per pod |
Total seed FW (kg) per 10 a |
| NM | 120.7 d* | 1.33 a | 2.20 b | 1407.4 e |
| PE | 154.4 b | 1.44 a | 2.21 b | 1808.4 b |
| R | 167.4 a | 1.44 a | 2.43 a | 2155.9 a |
| T1 | 137.3 c | 1.58 a | 2.11 c | 1535.4 d |
| T2 | 143.3 c | 1.37 a | 2.21 b | 1678.5 c |
| T3 | 128.5 d | 1.39 a | 2.11 c | 1437.1 e |
종합적으로, 바이오매스 기반 생분해성멀칭 필름 중 T3필름은 조기붕괴로 인한 근권 환경 불량으로 작물의 생육 및 수확량을 저하시키는 등 멀칭효과가 감소하였던 것으로 사료되었다. 반면에 T2필름은 T1과 비슷한 성분으로 제조되었지만 리그닌 등의 보강재를 첨가하여 상대적으로 물성이 개선되어 수량감소에 부정적이지 않은 것으로 판단되었다. 상용 생분해성 멀칭 R필름은 바이오매스 기반 필름들과 비교하여 붕괴도에 있어서 큰 차이는 없었지만 낮은 C/N율에 따른 양분유효도 증가로 작물 생육과 수량 증수에 영향을 끼친 것으로 추정되며 토양 효소활성과 미생물상 및 양분 유효도 변화 등의 모니터링을 통한 종합적인 분석이 필요하였다.
적 요
본 연구는 바이오매스 기반 생분해성 필름을 콩(Glycine max (L.) Merr.) 재배지에 멀칭시 필름 붕괴에 따른 시기별 토양환경 및 작물생장에 미치는 영향을 구명하고자 수행되었다. 시험처리는 무멀칭(NM) 및 멀칭처리로 PE (polyethylene)필름, 상업용 생분해성인 R필름[PBAT (Polybutyrate Adipate Terephthalate)기반], 바이오매스 기반 생분해성 필름으로 제작한 T1 (PBAT기반, 3층구조), T2 [PBA (Polybutylene Adipate)기반], T3 (PBA기반)를 포함하였다. 이식 후 60일부터 생분해성 필름의 붕괴가 급격히 진행되었고 T3필름에서 비교적 높게 나타났다. 생분해성 멀칭필름의 인장강도와 연실율은 60일차에 크게 감소하였으며, T2와 T3필름의 감소폭이 가장 크게 나타났다. 총 잡초발생률과 잡초 신선중은 NM구에서 가장 높았고 T3 처리구에서도 높게 나타났다. PE멀칭구의 지온은 7~8월 일평균 최고온도가 35~40℃ 전후의 고온이 관측되었고 토양수분은 비교적 일정한 수준으로 유지되었다. 토양 경도는 NM과 T3 처리구에서 높게 나타났다. 토양 EC는 수확전 T1, T2, T3 멀칭구에서 가장 높았다. 토양 내 NO3-N, P2O5, MgO 수준은 PE처리구에서 높게 나타났다. 토양 C/N율은 PE처리구가 25.5로 가장 높았고 R, T1, T2처리구는 14.2~15.6로 낮은 수준을 보였다. 작물의 분지수는 T3에서 이식 후 30일 이후부터 가장 낮았다. 시기별 엽 SPAD는 T1, T2, T3처리에서 이식 후 120일에 감소하였다. 수확량은 10 a당 R (2155.9 kg) > PE (1808.4 kg) > T2 (1678.5 kg) > T1 (1535.4 kg) > T3 (1437.1 kg), NM (1407.4 kg) 순으로 나타났다. T3 멀칭필름은 생분해도가 높은 소재를 함유하여 조기붕괴에 따른 잡초발생 및 토양 경반화 등으로 수확량이 감소하였고, 이에 조기붕괴도를 억제할 수 있는 필름 소재 개발이 필요할 것으로 사료되었다.
