시설 딸기에서 화분매개용 꿀벌 벌통의 보온에 의한 화분매개효과

서 론

딸기 (Fragaria×ananassa Duch.)는 장미과에 속하는 다년생 식물로 전 세계적으로 재배되고 있는 대표적인 원예작물이다 (RDA, 2019). 국내에서는 주로 9월말부터 5월말까지 시설하우스에서 재배되며, 대표적인 겨울-봄 과채류로 소비되고 있다 (Choi et al., 2013). 딸기 꽃은 자가수분이 가능하나 상품성이 있는 딸기를 생산하기 위해서 반드시 꿀벌과 같은 화분매개자 (pollinator)가 필요하다 (McGregor, 1976; Pion et al., 1980; Vincent et al., 1990; Abrol et al., 2019). 1967년 독일에서 처음 딸기의 화분매개자로 꿀벌이 사용된 이래로, 1970년 일본에서 시설재배 딸기의 화분매개에 꿀벌 사용이 보편화되었다 (Shimotori, 1981; Sujikawa, 1981). 국내에는 70년대 후반에 겨울 딸기에 꿀벌이 처음 도입되어 80년대에 시설 딸기 재배면적 증가에 따라 급격히 확산되었다 (Ahn et al., 1989). 2000년대에 이르러 전국의 모든 딸기 재배농가가 꿀벌을 화분매개자로 이용하고 있다 (Yoon et al., 2011, 2021). 딸기의 생산을 위해 겨울철 비닐하우스 환경에서 5개월 이상 장기간 꿀벌에 의한 화분매개가 필요하다. 따라서 딸기 개화기간 동안 시설하우스 내에서 효과적인 꿀벌 관리 기술이 요구된다 (Ohishi, 1999; Lee et al., 2014). 그럼에도 불구하고 국내에서 꿀벌에 의한 딸기 화분매개 연구는 화분매개효과 검증이나 적정 방사밀도 연구에 집중되어 있으며 (Ahn et al., 1989; Lee et al., 1998; Lee et al., 2006; Lee et al., 2014), 화분매개용 꿀벌 봉군의 관리에 대한 연구는 전무한 실정이다. 반면, 우리나라와 같이 시설 딸기 재배의 비중이 높은 일본에서는 시설재배 환경에서 꿀벌의 봉군관리에 대한 연구가 1970년대부터 수행되었고 (Sujikawa, 1981; Ohishi, 1999), 최근에는 겨울철 시설하우스에서 효과적인 화분매개를 위해 봉군의 온도를 관리해주는 벌통 (Beehouse, TOHO Industries Co. Ltd, Osaka, Japan)과 봉군의 단열효과가 뛰어난 특수골판지를 이용한 화분매개 전용 벌통 (Doredore, Maruto tokai Industries Co. Ltd., Toyohashi, Japan)이 제품화되어 있다.

우리는 딸기에서 장기간 꿀벌의 화분매개를 위하여 벌통 내부환경을 효과적으로 관리하는 방법을 개발하고자 하였다. 특히 벌통 내부의 온도는 여왕벌의 산란과 일벌의 육아에 큰 영향을 미친다 (Harrison, 1987; Woyke and Jasinski, 1990; Stabentheiner et al., 2010; Lee et al., 2015). 따라서 겨울철 시설하우스 환경에서 외역봉의 충분한 화분매개 활동을 위해 벌통 내부의 온도관리는 매우 중요하다 (Seeley, 1989, 1995; Beekman, 2005). 이에 우리는 화분매개 전용 목재 꿀벌벌통 (Korea Patent No. 10-1931583)의 외부에 단열재를 둘러 보온처리한 봉군이 꿀벌의 활동이나 수명 그리고 딸기의 화분매개에 어떤 효과를 미치는지 조사하였다. 이를 통해 딸기 재배 현장에서 벌통 보온의 효용성을 입증하고자 하였다.

재료 및 방법

결 과

1. 벌통 보온처리에 따른 벌통 내부온도 비교

벌통에 보온처리 시 벌통 내부의 온도변화를 조사한 결과 (Table 1), 보온처리구가 무처리구보다 평균 4.6℃ 높았다 (t-test: t₁₉₁=0.625, p=0.0001). 시기별로 12월은 무처리구가 1.3℃ 높았으나, 1월부터 보온처리구가 1℃, 2월 5.7℃, 3월 10.8℃ 유의미하게 높았다 (1월 t₆₀=2.595, p=0.0001, 2월 t₅₄=6.444, p=0.0001, 3월 t₆₀=14.515, p=0.0001). 반면 벌통 밖 하우스온도는 유의미한 차이가 없었다 (p>0.05). 벌통 내부온도는 시간이 지날수록 감소하는 경향을 나타내었는데, 특히 보온처리구 (r= -0.653)에 비해 무처리구 (r= -0.964)의 온도가 더욱 큰 부의 상관관계를 나타내었다. Fig. 1과 같이, 무처리구는 1월 이후부터 온도가 꾸준히 감소하는 경향을 나타내었으나 보온처리구는 2월 중순 경 한 번 감소 후 온도가 유지되는 경향을 나타내었다. 또한 무처리구와 보온처리구의 온도 차이는 시간이 지날수록 커지는 경향을 나타내었다 (Fig. 1C; r=0.935).

Table 1.

Comparison of insulated hive temperature during pollination period

Fig. 1.

Temperature changes inside and outside beehive during thermal insulation (A), without insulation (B), and comparison of hive temperature during diverse thermal insulation treatments (C).

2. 벌통 보온처리에 따른 착봉수 및 벌의 활동량 비교

벌통에 보온처리에 따른 봉군의 착봉수를 조사한 결과 (Table 2), 보온처리구가 무처리구보다 562.5마리 더 많았으나 유의미하지 않았다. 벌통 설치 이후 월별로 시험구간 유의미한 차이는 없었으나, 설치 후 3개월째 무처리구의 벌 감소량이 더 많은 경향이었다. 설치 후 시간과 벌통 내 착봉수는 부의 상관을 보였다 (보온처리 r= -0.843; 무처리 r= -0.914). 시간에 따른 벌의 감소량을 예측하기 위하여 회귀분석을 수행한 결과 (Fig. 2), 보온처리구와 무처리구 모두 유의미한 회귀식이 도출되었다 (보온처리 regression ANOVA F_2,13=18.293, p=0.0001, R²=0.738, y= -406.25x²-643.75x+9793.7; 무처리 F_2,13= 56.403, p=0.0001, R²=0.897, y= -718.75x²-231.25x+9706.2). 도출된 식에 의하면 벌이 완전히 소실되기까지의 시간은 무처리는 105.6일, 보온처리구는 125.4일로 계산되었다.

Table 2.

Comparison of number of bees in the hive during various thermal insulation treatments

Fig. 2.

The regression analysis between number of bees in the hive and months after hive setup with thermal insulation treatment (A) and no insulation treatment (B).

보온처리에 따라 소문 출입수를 비교한 결과 (Table 3), 들어오는 벌의 수는 보온처리구가 무처리구에 비해 2.1배 많았다 (t-test t₁₈₆=10.731, p=0.0001). 반면, 들어오는 벌의 수는 무처리구가 보온처리구보다 1.3배 많았다 (t₁₈₆= -3.821, p=0.0001). 전체 활동수에서는 보온처리구가 무처리구보다 1.2배 많았다 (t₁₈₆=2.981, p=0.003). 월별로 나누어 보면 12월부터 3월까지 각 월별로 들어오는 벌의 수는 보온처리구가 무처리구보다 유의미하게 많았다 (12월 t₆₀=4.953, p=0.0001; 1월 t₆₀=6.440, p=0.0001; 2월 t₅₄=6.582, p=0.0001; 3월 t₆=2.600, p=0.041). 반면, 나가는 벌의 수는 12월, 2월, 3월에 무처리구가 보온처리구보다 유의미하게 많았다 (12월 t₆₀= -2.254, p=0.028; 2월 t₅₄= -3.512, p=0.001; 3월 t₆= -2.654, p=0.038). 벌의 총 활동량은 각 월별로 보온처리구가 무처리구보다 많은 경향을 보였지만 유의미하지 않았다 (p>0.05). 다만 1월에서는 보온처리구가 무처리구보다 1.4배 유의미하게 많았다 (t₆₀=3.056, p=0.003). 화분매개기간과 벌의 활동량 간 상관관계를 조사한 결과, 무처리구에서 집에서 나가는 벌의 수와 화분매개기간 사이에 정의 상관이 있었다(r=0.317, p=0.002). 반면 집에 들어오는 벌의 수와 화분매개기간 사이에는 부의 상관이 확인되었다 (r= -0.333, p=0.001). 보온처리구는 화분매개기간과 유의미한 상관관계가 없었다.

Table 3.

Comparison of bee activities during insulation of beehive box

3. 벌통 보온처리에 따른 딸기의 상품과율 및 수확물 특성 비교

보온처리가 딸기의 화분매개효과에 영향을 미치는지 조사하였다. 먼저 상품과율을 조사한 결과 (Table 4), 보온처리구가 무처리구보다 상품과율이 3.3% 유의미하게 높았다 (t-test t₁₂₀= -2.064, p=0.041). 수확기간별로 조사하였을 때, 1차 수확 (2018년 12월)과 3차 수확 (2019년 4월)에는 보온처리구가 무처리구보다 다소 높은 경향을 보였으나 유의미한 차이는 없었다 (p>0.05). 반면 2차 수확 (2019년 2월)에는 보온처리구가 5.5% 유의미하게 높았다 (t₃₈= -3.006, p=0.005). 보온처리구와 무처리구는 수확시기에 따라 정상과율이 차이가 있었는데, 특히 2차 수확이 다른 수확시기보다 2~12% 상품과율이 낮은 경향이었다 (oneway ANOVA test 보온처리 F_2,58=3.672, p=0.031; 무처리 F_2,58=11.696, p=0.0001). 보온처리별로 수확된 딸기의 특성을 비교한 결과, 딸기의 무게는 보온처리구가 무처리보다 1.5 g 유의미하게 무거웠고 (t-test t₅₃₂=2.629, p=0.009), 경도가 0.1 N 더 높았으나 (t₅₃₂=2.003, p=0.046) 그 외 경도, 당도, 산도, 당산비는 유의미한 차이가 없었다 (p>0.05). 수확시기별로는 1화방 수확 시 보온처리구가 무처리구보다 딸기의 무게가 3.9 g 더 무거웠고(t₁₇₅=3.483, p=0.001), 2화방에서는 당도가 0.4 brix 더 높았다 (t₁₇₈=2.098, p=0.037). 반면 3화방에서는 무처리구의 당도가 0.5 brix 더 높았다 (t₁₇₅= -2.877, p=0.005). 그러나 딸기의 맛을 결정하는 당산비는 모든 수확시기에서 유의미한 차이가 없었다.

Table 4.

Comparison of merchantable quality percentage of strawberry under insulation treatment in beehive

Table 5.

Comparison of physical attributes of strawberry under insulation treatment in beehive

고 찰

딸기 시설 토경재배의 경우 꽃이 피는 기간이 10월 중하순부터 4월까지로 (Choi et al., 2013), 5개월 이상 화분매개용 꿀벌 봉군의 안정적인 유지가 필요하다. 꿀벌 여왕벌의 산란과 일벌의 외역활동은 밀접한 연관이 있다 (Seeley, 1995; Rivera et al., 2015). 여왕벌의 원활한 산란을 위해서 벌통 내부환경관리는 매우 중요하다 (Ohashi et al., 2009; Stabentheiner et al., 2010; Szopek et al., 2013). 특히 여왕벌의 산란권 온도는 33℃~36℃ 사이로 유지되어야 한다 (Kleinhenz et al., 2003; Petz et al., 2004). 벌통의 보온처리는 봉군 내부의 산란권 온도유지에 효과적이었다. 특히 외기온도가 급격히 낮아지는 1월 중순 이후부터 무처리구의 봉군 내부온도가 급격히 감소하였고, 3월에는 봉군온도와 외기온도가 같아진 것에 반해 보온처리구는 27~30℃를 꾸준히 유지하였다. 보온처리구에서 봉군온도가 유지된다는 것은 여왕벌의 산란이 원활하게 이루어지고 봉군상태가 양호하다는 것을 의미하지만 (Southwick and Heldmaier, 1987), 무처리구에서 봉군온도가 지속적으로 감소한다는 것은 산란이 중단되어 일벌이 감소함을 의미하며, 더욱이 3월 이후에 봉군온도와 외기가 같아진 것은 봉군 내 벌의 수가 너무 적어 봉군 내 온도유지 능력을 상실하였다고 생각된다 (Heinrich, 1996). 실제로 착봉수 조사 결과에서도 3월의 무처리구의 착봉수는 보온처리구보다 2배 가까이 적은 것으로 나타났다 (Table 2). 또한 벌이 완전히 소실되는 기간을 회귀식으로 추정하면 역시 보온처리구가 무처리구보다 20일 더 길었기 때문에, 봉군의 온도를 관리하는 것이 벌의 수명을 연장시킬 수 있다고 생각된다. 벌의 일간 평균활동량은 더욱 흥미로운 패턴을 보였다. 외역봉의 입소수는 보온처리구가 무처리구보다 유의미하게 많았지만 반대로 출소수는 무처리구가 보온처리구보다 많은 경향을 보였다 (Table 3). 특히 출소수는 다른 시기보다 시설하우스 내부온도가 3월에 가장 많았다. Fig. 3의 (A)와 (B)처럼 무처리구에서 시간이 지날수록 일벌의 입소수는 감소하는 반면 출소수가 증가하는 패턴은 결국 벌의 전체적인 수가 꾸준히 감소한다는 것으로 이해할 수 있다. 따라서 봉군의 보온처리는 봉군의 세력감소를 최소화하여 딸기의 화분매개기간 동안 봉군을 유지시킬 수 유용한 방법이라고 판단된다.

Fig. 3.

Changes in the number of incoming bees (A), outgoing bees (B), and bee traffic (C) during thermal insulation treatment. Dotted lines were trend lines with significant correlation between time and bee activities without insulation the hive.

이러한 벌통의 보온을 통한 봉군유지가 딸기의 생산성 향상에 영향을 미치는지 조사한 결과, 보온처리구는 무처리구에 비해 딸기의 상품과율이 3.4% 유의미하게 높았고, 2화방에서 5.5% 더 높았다 (Table 4). 따라서 봉군의 보온처리는 딸기의 생산성도 높일 수 있다고 판단된다. 일반적으로 2화방 딸기 생산성이 가장 낮은데 이는 2화방 개화시기 (12월말~1월중)의 시설하우스 내 온도가 가장 낮기 때문이다 (Lee et al., 2017). 저온은 딸기의 꽃가루 발생 및 화분관 발아에 부정적인 영향을 줄 수 있을 뿐만 아니라 (Voyiatzis and Paraskevopoulou-Paroussi, 2002; Sharma and Sharma, 2004; Lee et al., 2017), 일벌의 화분매개 행동을 둔화시킬 수 있다 (Joshi and Joshi, 2010; Abou-Shaara et al., 2017; Lee et al., 2018). 이번 조사에도 2화방 개화기인 12월과 1월의 시설하우스 내 평균온도가 3월보다 3℃ 이상 낮았고 (Table 1), 1화방에 비해 2화방의 상품과율 역시 감소하였다. 그러나 감소량은 시험구에 따라 차이를 보였는데, 보온처리구는 2화방의 상품과율이 1화방 대비 2~6% 감소한 반면 무처리구는 4~12%로 보온처리구에 비해 2배 이상 감소하였다. 이러한 이유는 저온시기인 2화방 개화기에서 개화생리적으로 착과가 어려우나 봉군의 보온처리를 통해 안정적으로 봉군이 유지됨에 따라 외역봉의 화분매개 활동이 촉진되어 기형과 발생을 최소화했기 때문으로 생각된다. 또한 2화방 딸기의 가격은 3화방 이후의 딸기보다 20~30% 높은 가격을 형성하기 때문에 (KREI, 2020) 2화방에서 생산성 증가는 딸기 농가소득 향상에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 예상된다.

이번 연구 결과를 종합하면, 겨울철 화분매개용으로 쓰여지는 꿀벌의 벌통을 보온처리했을 경우, 봉군 내부의 산란권 온도가 유지되고, 봉군의 수명도 향상될 뿐만 아니라 벌의 활동량도 증대되었다. 또한 화분매개 산물인 딸기의 상품과율도 증가하여 생산성도 향상되었다. 따라서 겨울철 시설 딸기의 화분매개를 위해 꿀벌을 사용할 경우 벌통을 보온처리하는 것이 필요하다고 판단된다. 본 연구는 딸기 재배농가에게 꿀벌을 더 오래 효과적으로 사용함으로 딸기의 생산성을 향상시킬 수 있는 중요한 정보를 제공해 줄 수 있다. 또한 시설하우스에서 꿀벌의 봉군관리가 화분매개효과를 향상시키는 것을 밝히는 기초자료로 중요한 가치가 있다. 그러나 우리의 결과는 벌통 내부의 온도환경 개선이 여왕벌의 산란에 어떠한 영향을 미쳤는지 정력적 데이터를 제시하지 못했음에 한계가 있다. 따라서 향후, 봉군보온 처리에 따른 여왕벌의 산란양에 대한 변동 등 추가적인 조사가 필요할 것으로 생각된다. 그리고 화분매개효과 또한 소문 출입수 외에 방화활동수를 조사하여 보온처리구에서 딸기의 생산성이 높아진 원인도 명확하게 밝힐 필요가 있다. 벌통을 보온시키는 방법 또한 벌통 내부에 발포 보온단열재를 넣거나 전기가온판 등의 방법을 통하여 벌의 수명과 활동에 더 효과적인지 검토할 필요가 있다고 생각된다.

벌통 보온만으로 장기간 동안 여왕벌의 산란을 유지시키기에는 한계가 있다. 여왕벌의 산란은 온도와 같은 환경조건도 중요하지만 무엇보다 난소발달을 위한 단백질원인 꽃가루의 공급이 중요하다 (Haydak, 1970; Renzi et al., 2016; Chuda-Mickiewicz and Samborski, 2019). 그러나 딸기꽃은 여왕벌이 산란을 유지하기에 충분한 꽃가루를 제공할 수 없기 때문에 추가적인 단백질원이 필요하다 (Gilbert and Breen, 1987). 따라서 산란자극을 위해 쓰여지는 ‘대용화분’의 공급방법에 대한 추가 연구가 필요할 것이다. 이번 연구는 벌통투입 시에만 한 번 대용화분이 공급되었지만 대용화분도 적기에 같이 추가로 공급된다면 봉군의 수명을 더욱 연장시킬 수 있을 것으로 기대된다.

적 요

한국에서 겨울 시설하우스 딸기의 생산을 위해 꿀벌의 화분매개는 반드시 필요하다. 벌통의 보온이 꿀벌을 통한 딸기 화분매개에 어떠한 영향을 미치는지 조사하였다. 벌의 화분매개 활동과 수명을 조사하기 위해 단열재처리 벌통과 일반나무 벌통을 비교한 결과, 보온처리 벌통이 일반 벌통보다 평균 온도가 4.6℃ 높았고, 벌이 완전 소실되기까지 걸리는 기간이 20일 더 길었다. 또한 벌의 활동량에서 일반 벌통보다 입소수는 2.1배, 전체 활동량은 1.2배 많았다. 화분매개효과를 조사하기 위하여 상품과율과 과실의 품질을 조사한 결과, 상품과율은 일반 벌통보다 3.3% 높았고, 과실의 품질은 유의미한 차이가 없었다. 따라서 보온처리를 한 벌통은 벌통 내부온도를 개선시키고, 벌의 활동량과 봉군의 수명을 증가시킬 뿐만 아니라 딸기의 생산성을 향상시킬 수 있기 때문에 겨울철 딸기의 화분매개를 위해 벌통의 보온이 권장된다.

Acknowledgments

본 연구는 농촌진흥청 연구사업 (주관과제명: 융복합기술을 이용한 수출용 대과형 딸기 품질향상 및 안전성 확보연구, 세부과제번호: PJ01598903)을 수행하는 과정에서 얻은 결과를 바탕으로 작성되었다.

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