서 언
재료 및 방법
과실 크기 및 부착력 측정
수체 부위별 고유진동 측정
풍동과 진동대를 이용한 과실 낙과 시뮬레이션
통계분석
결과 및 고찰
생육시기별 과실 부착력의 변화
주지와 과실의 고유진동수
과실 낙과 시뮬레이션
서 언
태풍은 연평균 약 2.1회(1991–2020년까지 30년 평균) 발생되며, 특히 우리나라의 과실 비대기인 6–9월에는 월평균 0.68회의 태풍이 직·간접적인 영향을 미친다. 이중 2010년 내습한 태풍 ‘KOMPASU’(순간 최대풍속 41.4m·s-1)는 5,182ha의 과원에 피해를 입혔으며, 2012년 ‘BOLAVEN’, ‘TEMBIN’, ‘SANBA’는 사과를 포함한 농작물 315,781ha에 막대한 피해를 입혔다(KMA 2013).
강한 바람 또는 강우를 동반한 태풍에 의한 피해는 크게 수체 손상과 과실 피해로 구분할 수 있다. 강한 바람은 잎 두께의 증대, 잎 크기와 초장 감소 등의 해부·형태학적인 변화를 나타내는데(Cleugh et al. 1998), 이러한 변화는 기공 폐쇄에 의한 광합성 감소와 관련되어 있다(Bidwell 1979; Reich et al. 1985; Lim et al. 2014). 또한 조직간 마찰에 의한 에틸렌 발생은 접촉형태형성(thigmomorphogenesis)으로 식물체의 왜화(Cleugh et al. 1998)를 초래하고, 낙과와 낙엽, 가지 절상, 도복 등이 발생(Schaffer and Andersen 2019)하며, 생육기 수체 손상은 화아분화와 이듬해 발아와 개화에까지 영향을 줄 수 있다(Sagong et al. 2011).
과수의 경우 생육기 중 과실 낙과는 직접적인 관성력(inertial force) 또는 피로파괴(fatigue failure)에 의해 나타나고, 과실이 흔들리는 과정에서 과중에 의한 추가적인 관성력이 발생한다(Garman et al. 1973). 사과 낙과와 관련된 연구들은 공학적인 측면에서 접근되었는데, 사과 과경은 짧아 관성력을 발생하기에 너무 작은 값을 가지고, 가지의 고유진동수(natural frequency) 범위 내에서는 쉽게 낙과하지 않는다(Adrian and Fridley 1958; Diener et al. 1968). 이론적 측면에서 보면, 흔들리는 물체의 고유진동은 공명(resonance)을 나타내어 더 큰 진동을 보이는데, 이와 관련된 연구에서 사과 ‘Jonathan’의 과실 낙과에는 400–600cycles·min-1의 높은 고유진동이 필요하고, 진동의 방향을 보면 수평적인 변위(horizontal displacement)는 7.3인치(500cycles·min-1), 수직적인 변위(vertical displacement)는 6.8인치가 필요하다는 보고(Diener et al. 1968)가 있다. 감귤류에서도 과실을 인위적으로 떨어뜨리기 위해서는 고유진동수 이상의 높은 진동이 필요하다(Lenker and Hedden 1968). 결과적으로 낙과에 가장 크게 영향을 주는 진동은 고유진동수의 두 배 범위로 보고(Cooke and Rand 1969)된 바 있다. 또한 낙과정도는 과실의 성숙단계, 품종, 견인력(traction force)에 영향을 받게 된다(Ortiz and Torregrosa 2013). 그러므로 인위적인 진동을 줄 수 있는 다양한 방법에는 흔들림(pendulum), 튕겨짐(bouncing), 기울임(tilting), 회전(rotation) 등이 있는데, 바운싱과 틸팅이 가장 효과적이라는 보고(Diener et al. 1965)도 있다. 그러나 과실의 이러한 불안정한 움직임은 낙과되기 이전의 손상이 원인으로 작용하는 경우도 있다(Studer 1966).
이전 낙과 관련 연구들은 사과(Adrian and Fridley 1958; Diener et al. 1968; Garman et al. 1973), 감귤류(Lenker and Hedden 1968; Ortiz and Torregrosa 2013; Torregrosa et al. 2014), 호두(Cao et al. 2023) 등 일부 과종의 기계적 수확을 목적으로 진행된 바 있으나 실제 바람(태풍)에 의해 나타나는 낙과 특성에 대한 연구는 매우 부족하고, 또한 피해 해석을 위한 기준조차 전무한 실정이다.
따라서 본 연구는 태풍이 주로 도래하는 7–9월까지 사과 ‘후지’ 과실의 부착력 변화를 조사하고, 실제 풍동 및 진동대를 이용한 모의 낙과실험을 통해 고유진동과 낙과와의 관계 등 과실 낙과와 관련된 기초적인 정보를 확보하고자 수행하였다.
재료 및 방법
과실 크기 및 부착력 측정
과실특성은 전북특별자치도 김제시에 위치한 사과 재배농가의 8년생 ‘후지’를 대상으로 과실 비대기인 7–9월 매달 15일 경 3회에 걸쳐 조사하였다. 과실 종경과 횡경은 과경을 기준으로 측정한 후 평균으로 산출하였으며, 과중은 전자저울(MS8001TS, Mettler Toledo, Inc., Germany)로 측정하였다. 결과지와 과경의 굵기는 각 부위의 중간부를 측정한 후 평균값으로 표현하였다.
과실 부착력은 디지털 용수철 저울이 부착된 과실 전체를 감쌀 수 있는 알루미늄 망을 자체 제작하여 과경부에 고정한 후, 디지털 용수철 저울을 잡아당겨 과실 낙과 시점의 부착력을 측정하였다. 생육시기별 20개 이상의 과실을 대상으로 측정하였으며, 과경을 기준으로 과실의 각도가 0°, 30°, 60° 방향의 부착력을 측정하였다.
수체 부위별 고유진동 측정
수체 부위별 고유진동수는 가지가 부러지지 않을 정도의 한계치까지 인위적으로 당긴 후 측정되는 진동 양상을 보고 고유진동을 분석하였으며, 주지(scaffold branch) 착생 위치, 주지의 진동 방향(수직·수평적인 변위), 과실, 주지 결속 시 과실의 고유진동 등 4수준에서 실험을 진행하였다. 주지 착생위치는 측정위치를 기부(원줄기 방향), 중간, 끝 세 부분으로 구분하였고, 가속도측정센서(TLD352C33, PCB Piezotronics Inc., USA)를 이용하여 최소 5반복 이상으로 측정하였다. 주지의 진동뱡향은 고유진동 측정 시 수직적인 변위 및 수평적인 변위에 따라 고유진동이 달라질 수 있다는 선행연구(Diener et al. 1968)를 참고하였으며, 지면을 기준으로 수직 및 수평 방향의 고유진동을 측정하였다. 과실의 고유진동은 과실 적도부 중앙에 센서를 부착하여 측정하였고, 주지의 결속 지점을 기부에서 각각 20cm, 40cm, 60cm, 80cm로 하여 동일한 주지의 고유진동을 분석한 후, 결속효과가 가장 컸던 60cm 결속 시 주지에 가해지는 힘에 따른 과실 고유진동을 측정하였다.
풍동과 진동대를 이용한 과실 낙과 시뮬레이션
과실 낙과 시뮬레이션은 두 가지 방법으로 진행되었다. 첫번째는 최대풍속이 12m·s-1인 풍동장치(wind tunnel)에서 0–9m·s-1까지 단방향(one-way) 송풍과 터널 내 20cm 직경의 목재 격자를 설치하여 유도한 와류(eddy)를 통해 1–3개의 과실이 착과된 결과지의 변위값 측정과 낙과 여부를 판별하였다. 풍동장치는 전북대학교 경계층 풍동실험실(Boundary Layer Wind Tunnel Laboratory)에서 보유하고 있는 폭 2.1m, 높이 1.7m, 길이 18m, 난류강도(intensity of turbulence) 0.5% 이하인 개방형 풍동장치를 사용하였으며, 기류는 균등류 상태로 수행하였다. 풍속의 측정은 열선유속계(IFA300, TSI Incorporated, USA)를 사용하여 사과 결과지를 결속한 높이에서의 풍속을 측정하였고, 한 지점에서 측정되는 샘플링 주파수는 100Hz로 측정계수는 1,024개씩 3반복으로 측정한 후 평균값을 산출하였다.
두번째 실험은 물체를 매달아 흔들리게 하는 방식(pendulum)의 진동대(shaking table)에서 풍동 실험을 통해 산출된 변위값(5–30mm)을 적용하여 낙과 실험을 진행하였다. 이 때 사용된 진동대의 사양은 길이 2.0m, 폭 1.5m, 서보 모터형 1방향 진동대를 사용하였으며, 볼 스크류 제어방식을 이용하였다. 입력신호에 대한 출력신호(변위값)를 확인하기 위해 진동대에 displacement transmitters(LVDT-200mm)를 설치하여 측정하였다.
통계분석
수집된 데이터의 분석과 그래프 작성은 통계용 소프트웨어(Sigmaplot 14.0, Systat Software Inc., USA)를 이용하여 덩컨의 다중검정, 상관분석, 회귀분석 등 통계 처리하였다.
결과 및 고찰
생육시기별 과실 부착력의 변화
우리나라 태풍 도래기이면서 사과 ‘후지’의 생육기인 7–9월의 과실특성과 수직방향 부착력(인위적인 낙과 각 0°)을 조사한 결과(Table 1), 과중, 과실 종경 및 횡경, 결과지의 굵기는 생육시기에 따라 점차 증가하는 경향을 보였으며, 과경의 길이와 굵기는 생육시기별 통계적 차이를 보이지 않았다. 과실 부착력은 통계적 차이는 없었으나 생육시기가 경과됨에 따라 감소하는 경향을 보였다. 또한 조사항목 간 상관관계를 조사한 결과(Table 2), 과실크기와 과중은 고도의 유의성을 갖는 것으로 나타났지만, 부착력은 결과지의 굵기 외에는 유의한 결과를 보이지 않았다. Rumsey and Barnes(1970)는 오렌지와 그레이프후르츠에서 과경이 길수록 분리율이 낮다고 보고한 바 있는데, 본 연구에서는 과경의 특성과 부착력과의 관계가 성립되지 않았으며, Ortiz and Torregrosa(2013)의 감귤류의 부착력이 성숙단계에 의존적이라는 보고와도 일치하지 않았다. 다만, 본 실험기간이 7–9월, 실험품종이 만생종인 ‘후지’인 것을 고려해 볼 때, 과실비대기 또는 미성숙기에는 부착력의 차이가 크지 않고, 10–11월의 성숙 및 수확기에는 이층 발달 및 노화에 의하여 자연적으로 부착력이 낮아질 수 있을 것으로 추정되었다. 또한 결과지의 굵기와 부착력이 부의 상관관계를 나타내었는데, 추후 착과위치와 수체 부위별 탄수화물 및 질소와 과경부 부착력과의 관계, 견인력을 가지는 과경부의 해부학적인 연구가 필요할 것으로 생각되었다.
Table 1.
Changes in fruit characteristics and fruit adhesivity during the growing stage of ‘Fuji’ apple1
| Measurement time | Fruit length (mm) | Fruit diameter (mm) | Fruit weight (g) | Fruit branch diameter (mm) | Fruit stalk length (mm) | Fruit stalk diameter (mm) | Adhesivityz (kg) |
| July 12 | 47.9 cy | 54.5 c | 72.6 c | 3.5 c | 21.5 b | 2.3 a | 3.3 a |
| August 15 | 55.0 b | 64.2 b | 133.0 b | 6.1 b | 26.0 a | 2.1 a | 3.2 a |
| September 27 | 66.9 a | 77.1 a | 223.5 a | 7.9 a | 22.4 b | 2.3 a | 2.9 a |
Table 2.
Correlations among the fruit length, fruit diameter, fruit weight, bearing branch diameter, fruit stalk length, fruit stalk diameter, and fruit adhesivity during the growing stage of ‘Fuji’ apple
| Factors | Fruit length | Fruit diameter | Fruit weight | Bearing branch diameter | Fruit stalk length | Fruit stalk diameter |
| Fruit diameter | 0.94** | |||||
| Fruit weight | 0.89** | 0.92** | ||||
| Bearing branch diameter | 0.81** | 0.84** | 0.80** | |||
| Fruit stalk length | ‒0.20* | ‒0.22** | ‒0.18* | ‒0.10ns | ||
| Fruit stalk diameter | 0.22** | 0.17* | 0.22** | 0.25** | 0.01ns | |
| Fruit adhesivityz | ‒0.07ns | ‒0.15ns | ‒0.11ns | ‒0.19* | ‒0.00ns | ‒0.06ns |
사과 과실의 인위적인 낙과를 유도하기 위해 과경축을 기준으로 0, 30, 60, 90°로 낙과 유도 실험을 진행하였으며, 90° 각도에서는 휘어지는 순간 낙과되어 실험에서 제외하였다. 0, 30, 60°로 실험한 결과, 인위적인 낙과 유도 각도와 부착력과는 고도의 유의한 부의 관계(y = ‒0.048x + 3.10, R2 = 0.7462**)가 성립됨을 확인하였다(Fig. 1). 이와 같은 결과는, 45° 및 90°로 오렌지와 그레이프후르츠에서 각도가 커질수록 견인력이 작아졌다는 보고(Rumsey and Barnes 1970)와 일치하였다.
주지와 과실의 고유진동수
고유진동은 진동체의 기준이 되는 진동, 즉 진동체에 몇 가지 물리량이 주어졌을 때 그 진동체가 갖는 특정 진동수의 진동을 의미한다. 주지의 위치, 주지에 주어지는 물리량의 방향과 과실의 고유진동을 측정한 결과(Table 3), 주지 기부는 52.0 ± 29.97cycles·min-1로 중간부(332.2 ± 67.61cycles·min-1)과 끝(346.5 ± 74.39cycles·min-1) 부분보다 적은 고유진동수를 갖는 것으로 나타났다. 또한 주지에 주어지는 물리량의 방향을 수직 및 수평변위로 주었을 때, 통계적인 차이는 없었으나 수평변위의 고유진동수가 874.2 ± 295.48cycles·min-1으로 수직변위(443.0 ± 172.30cycles·min-1)보다 범위가 큰 경향으로 나타나 선행 연구결과(Diener et al. 1968)와 유사하였다. 이와 같은 결과는 수평적인 변위가 수직적인 변위보다 진동의 폭이 큼을 의미하므로 추가적인 관성력과 낙과발생이 커질 수 있음을 의미한다. 과실의 고유진동수는 496.9 ± 87.31cycles·min-1, 범위가 0.1–1046.4cycles·min-1로 주지의 범위보다는 작은 경향이었다.
Table 3.
Natural frequency of scaffold branch and fruit of ‘Fuji’ apple measured using an acceleration sensor
| Measurement target | Classification | Natural frequency (cycles‧min-1) | |
| Mean | Range | ||
| Parts of scaffold branch | Basal | 52.0 ± 29.97z by | 0.1–281.0 |
| Middle | 332.2 ± 67.61 a | 0.1–608.1 | |
| End | 346.5 ± 74.39 a | 0.0–652.9 | |
| Direction of scaffold branch (middle parts) | Verticality | 443.0 ± 172.30 | 0.1–1,438.3 |
| Horizontality | 874.2 ± 295.48 | 2.2–2,279.3 | |
| Significance (t-test) | ns | - | |
| Fruit | 496.9 ± 87.31 | 0.1–1,046.4 | |
주지 기부에서 60cm 지점에 결속했을 때 주지에 가해지는 힘에 따른 과실 고유진동은 수직변위(366.1 ± 9.69cycles·min-1)와 수평변위(449.2 ± 14.31cycles·min-1)에서 무결속(수직변위 501.1 ± 75.48cycles·min-1, 수평변위 568.6 ± 29.35cycles·min-1)보다 적었고, 상대적으로 수직변위가 수평변위보다 작은 값(유의수준 94%)을 나타내었다(Table 4). 이와 같은 결과는 태풍 도래 시 관행적으로 이루어지는 가지 결속이 일부 효과가 있음을 의미하는 것으로 판단되었다.
Table 4.
Natural frequency of fruit according to the scaffold branch binding and direction of displacement of ‘Fuji’ apple measured using an acceleration sensor
| Classificationz | Direction of displacement | Natural frequency (cycles‧min-1) |
| No binding | Verticality | 501.1 ± 75.48y |
| Horizontality | 568.6 ± 29.35 | |
| Binding | Verticality | 366.1 ± 9.69 |
| Horizontality | 449.2 ± 14.31 | |
| Significance | ||
| Classification (A) | * | |
| Direction of displacement (B) | +x | |
| A × B | ns | |
과실 낙과 시뮬레이션
과실이 낙과되는 원리는 현재까지 명확하게 밝혀진 바가 없으며, 규모가 큰 과수의 특성 상 실험적 접근과 재현성이 어렵다. 과실 낙과에는 가지의 특성, 과중, 생육시기, 수형, 품종 등의 재배적 요인들과 풍속, 지형, 바람의 형태 등의 환경적 요인 등 여러 요인들이 관여할 수 있다. 본 실험에서는 인위적인 진동에 의한 변위계수만을 산출하여 낙과 한계풍속을 구하고자 하였으며, 재현이 어려운 다른 요인들은 배제되었다.
낙과 시점의 한계풍속은 풍동(Fig. 2A)내에서 착과된 결과지를 고정한 후 풍속을 달리했을 때, 가지의 움직인 정도(변위)로 판단하였다(Fig. 2B and 2C). 결과적으로 0–9m·s-1까지 단방향 또는 와류의 형태로 풍속을 증가시켰을 때, 과실의 낙과는 발생하지 않았다. 풍속별 평균 변위는 3m·s-1 2.8mm, 6m·s-1 6.4mm, 9m·s-1 11.3mm이었고, 최대 변위는 9m·s-1에서 17.0mm이었으며, 풍속이 강해질수록 변위계수가 증가(Rumsey and Barnes 1970)하는 경향이었다(Fig. 3).
Fig. 2.
Photographs of the wind tunnel (A) and shaking table (D) used to induce fruit drop. After fixing the branches with fruit in the wind tunnel and on the shaking table, fruit drop was induced by wind (B and C) and vibration of the pendulum (E and F), respectively. B, E: before treatment, C, F: after treatment.
풍동 실험을 통해 도출된 변위계수의 범위를 근거로 진동대를 활용한 실험(Fig. 2D, 2E, and 2F)에서는 ‘흔들림’ 방식으로 변위계수(진폭값) 5–30mm(고유진동수 58.8–161.4cycle·min-1)의 진동을 가한 결과, 변위계수 5mm의 진동에서는 낙과되지 않았으며, 변위계수 10mm(고유진동수 57.0–72.6cycles·min-1)부터 낙과가 발생하기 시작하여 변위계수가 증가할수록 낙과되는 시간은 단축되는 경향이었다(데이터 미제시).
진동대 실험에서의 낙과 시점인 변위계수를 풍동실험에서의 결과에 대입하면 y = 0.732x + 0.89, R2 = 0.8559**의 통계적으로 유의한 회귀식을 산출하였으며, 변위 10mm에 해당하는 풍속은 6–9m·s-1인 것으로 분석되었다(Fig. 4). Diener et al. (1968)는 사과 ‘Jonathan’의 과실을 떨어뜨리기 위한 고유진동은 400–600cycles·min-1 범위가 필요하다고 보고한 바 있는데, 본 연구결과와 차이를 보이는 것은 선행연구가 원줄기를 대상으로 한 기계수확 목적이었으며, 수형 등 여러 원인이 영향을 주었을 것으로 생각되었다.
실제 과실의 낙과는 한 방향으로만 지속적으로 불어오는 강풍(약 9m·s-1)에서 쉽게 낙과되지 않았다. 이러한 사실을 고려해 보았을 때, 자연상태에서의 낙과는 강한 바람 또는 돌풍 등에 의해 수체의 각 구성요소(주지, 측지, 결과지 등) 또는 과실에 변위가 발생하고, 2차적으로 과중 또는 가지의 탄력성에 의해 구조적인 강도가 지속적으로 약화될 수 있으며, 이로 인해 낙과가 발생하는 것으로 추정되었다. 즉, 강한 풍속이 과실을 직접적으로 떨어뜨리는 것이 아닌 1차적으로 수체와 과실에 변위를 발생시키고 발생된 변위에서 과중이 더해져 과경이 꺾이거나 점차 약해지는 현상으로 해석될 수 있을 것이다. 이는 본 실험결과에서 측정된 가지와 과실의 고유진동수보다도 상당히 낮은 범위(변위계수 10mm)에서 낙과가 발생한 것과 관련성이 큰 것으로 보이며, 수체 부위에 따라 엽수와 착과 수에 따라서도 적은 풍속으로도 많은 변위가 발생할 수 있을 것으로 추정되었다. Garman et al.(1973)은 흔들리는 과정 중에 추가적인 관성력이 발생한다고 보고하였고, 고유주파수 배 이상의 범위에서 낙과할 수 있다는 Diener et al.(1968)의 보고와 같이, 풍속과 변위간에는 비례적인 관계가 성립되며(Rumsey and Barnes 1970), 과실의 낙과는 변위값(Diener et al. 1968)과 과중(Ortiz and Torregrosa 2013)에 크게 의존적일 것으로 판단되었다.
추후 선행적으로 과실의 변위계수에 따른 낙과 정도, 수체구조에 따른 잎과 착과 수, 결과지와 과경의 특성, 또한 바람의 형태와 방향 등 다양한 관점에서 추가 연구가 진행되어야 할 것으로 생각되었다.
