딸기의 전조재배에 적합한 인공광원을 모색하기 위해 적색과 청색의 LED를 이용하여 설치조건을 검토하였다. 시험에 사용된 인공광원은 LED PAR(PPFD$2{\sim}4{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$), LED BAR(PPFD $100{\sim}120{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$), 백열등(PPFD $2{\sim}4{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$)이고 전조시기는 정화방이 개화하는 시점에 22시~01시까지 3시간동안 연속조명하였다. 무처리보다는 전조처리구가 초장과 엽병장이 길었으며, 그 중 백열등이 가장 많이 생장하였다. 전조처리구에서 지상부의 생체중과 건물중은 LED PAR 처리구에서 생장량 대비 가장 무거웠다. 지상부의 엽면적 생장량에서는 무처리 보다는 전조처리구가 엽면적이 증대하는 경향이었고, LED PAR 처리가 엽면적이 넓었다. 엽록소 함량은 전조 후 60일 경에는 LED PAR를 제외하고는 모두 감소하는 경향이었다. 광원별로 광 환경을 시뮬레이션한 결과, 100W 백열등 배광곡선이 원형에 가까워 전조재배시 하우스 위쪽으로 많이 발광되는 것을 볼 수 있다. LED PAR 타입을 설치했을 때는 직진성이 강한 LED의 특성상 조명의 중심이 40lux 이상이며 좁은 지향각과 낮은 설치 위치로 인해 좁은 지역에 집광되는 현상이 나타나고 조명과 조명사이에 기준조도 이하의 음영지역이 발생하였다. 따라서 설치 높이는 2m, 설치 간격은 3.75m로 조절하였고, 배치형태는 W타입으로 변경하여 전체 식물에 $1.2{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$ 이상이 조사될 수 있도록 기준 조도와 균제도를 맞추어 최적화하였다.
딸기의 전조재배에 적합한 인공광원을 모색하기 위해 적색과 청색의 LED를 이용하여 설치조건을 검토하였다. 시험에 사용된 인공광원은 LED PAR(PPFD $2{\sim}4{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$), LED BAR(PPFD $100{\sim}120{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$), 백열등(PPFD $2{\sim}4{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$)이고 전조시기는 정화방이 개화하는 시점에 22시~01시까지 3시간동안 연속조명하였다. 무처리보다는 전조처리구가 초장과 엽병장이 길었으며, 그 중 백열등이 가장 많이 생장하였다. 전조처리구에서 지상부의 생체중과 건물중은 LED PAR 처리구에서 생장량 대비 가장 무거웠다. 지상부의 엽면적 생장량에서는 무처리 보다는 전조처리구가 엽면적이 증대하는 경향이었고, LED PAR 처리가 엽면적이 넓었다. 엽록소 함량은 전조 후 60일 경에는 LED PAR를 제외하고는 모두 감소하는 경향이었다. 광원별로 광 환경을 시뮬레이션한 결과, 100W 백열등 배광곡선이 원형에 가까워 전조재배시 하우스 위쪽으로 많이 발광되는 것을 볼 수 있다. LED PAR 타입을 설치했을 때는 직진성이 강한 LED의 특성상 조명의 중심이 40lux 이상이며 좁은 지향각과 낮은 설치 위치로 인해 좁은 지역에 집광되는 현상이 나타나고 조명과 조명사이에 기준조도 이하의 음영지역이 발생하였다. 따라서 설치 높이는 2m, 설치 간격은 3.75m로 조절하였고, 배치형태는 W타입으로 변경하여 전체 식물에 $1.2{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$ 이상이 조사될 수 있도록 기준 조도와 균제도를 맞추어 최적화하였다.
The objective of this study was to examine the growth reaction of strawberry plants to the mixed red and blue LED sources and their installation method. The artificial light sources were : LED PAR(PPFD $2{\sim}4{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$), LED BAR(PPFD $100{\sim}120{\mu}mol{...
The objective of this study was to examine the growth reaction of strawberry plants to the mixed red and blue LED sources and their installation method. The artificial light sources were : LED PAR(PPFD $2{\sim}4{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$), LED BAR(PPFD $100{\sim}120{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$) and incandescent(PPFD $2{\sim}4{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$) lamp. The lighting treatment was started at the first cluster flowering period as a night breaking lighting and was applied during 3 hours, between 22:00 and 01:00 every day. Plant height and leafstalk length were longer in plants treated with incandescent lamp, where as fresh and dry weight of shoot were heavier in LED PAR compared to incandescent lamp treatment. LED PAR treatment also resulted in the largest leaf area, chlorophyll content was increased by $0.36mg{\cdot}g^{-1}$ after 60 days from the starting of the artificial lighting. According to the experimental results application of 16W LED PAR lamps and W-type installation method can improve light environment in strawberry lighting culture.
The objective of this study was to examine the growth reaction of strawberry plants to the mixed red and blue LED sources and their installation method. The artificial light sources were : LED PAR(PPFD $2{\sim}4{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$), LED BAR(PPFD $100{\sim}120{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$) and incandescent(PPFD $2{\sim}4{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$) lamp. The lighting treatment was started at the first cluster flowering period as a night breaking lighting and was applied during 3 hours, between 22:00 and 01:00 every day. Plant height and leafstalk length were longer in plants treated with incandescent lamp, where as fresh and dry weight of shoot were heavier in LED PAR compared to incandescent lamp treatment. LED PAR treatment also resulted in the largest leaf area, chlorophyll content was increased by $0.36mg{\cdot}g^{-1}$ after 60 days from the starting of the artificial lighting. According to the experimental results application of 16W LED PAR lamps and W-type installation method can improve light environment in strawberry lighting culture.
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문제 정의
본 연구는 딸기의 전조재배시 적합한 LED의 적정 설치기준과 생장, 과실생산량 및 품질 등에 미치는 영향을 조사하여 백열등의 대체 가능성을 검토하고자 수행하였다.
제안 방법
LED R/B=4 광원을 백열등과 같은 기준으로 환산하면 8.75 lux가 되며, 하우스 내 전체 작물에 1.2µmol·m-2·s-1 이상 균일하게 조사되도록 조명의 높이와 간격을 조절하여 설치하였다.
LED 광원의 광도는 식물체가 받는 선단부에서 백열등과 LED PAR 타입은 2~4µmol·m-2·s-1, LED BAR 타입은 100~120µmol·m-2·s-1이 되도록 높이를 조절하였다.
LED 광원의 광도는 식물체가 받는 선단부에서 백열등과 LED PAR 타입은 2~4µmol·m-2·s-1, LED BAR 타입은 100~120µmol·m-2·s-1이 되도록 높이를 조절하였다. 광도는 휴대용 광도계(DELTA HD2101.2, Italy) 및 광합성유효방사(Photosynthetically Active Radiation 400~700nm)센서를 이용하여 측정하였다. 엽면적은 전조처리 60일 후 지상부가 완전 전개한 잎만을 채취하여 엽면적 측정기(SKYE SI700, UK)로 측정하였다.
LED PAR 타입을 설치했을 때는 직진성이 강한 LED의 특성상 조명의 중심이 40lux 이상이며 좁은 지향각과 낮은 설치 위치로 인해 좁은 지역에 집광되는 현상이 나타나고 조명과 조명사이에 기준조도 이하의 음영지역이 발생하였다. 따라서 설치 높이는 2m, 설치 간격은 3.75m로 조절하였고, 배치형태는 W타입으로 변경하여 전체 식물에 1.2µmol·m-2·s-1 이상이 조사될 수 있도록 기준 조도와 균제도를 맞추어 최적화하였다.
따라서 조명의 설치 높이를 기존의 백열등 보다 0.2m 높여 지면에서 2m 높이에 설치하고 설치 간격도 3.75m로 넓히며, 배치형태는 W타입으로 변경하여 전체 식물체에 1.2µmol·m-2·s-1 이상이 조사될 수 있도록 최적화하였다.
딸기의 과실 당도는 수확 즉시 과실을 절단하여 착즙 후 디지털 당도계(Atago PR-101, Japan)를 이용하여 측정하였다. 딸기 전조재배에 적합한 인공광원의 적정 설치조건 구명을 위한 시뮬레이션은 DIALux 프로그램을이용하였다.
딸기의 전조재배에 적합한 인공광원을 모색하기 위해 적색과 청색의 LED를 이용하여 설치조건을 검토하였다. 시험에 사용된 인공광원은 LED PAR(PPFD 2~4µmol·m-2·s-1), LED BAR(PPFD 100~120µmol·m-2·s-1), 백열등(PPFD 2~4µmol·m-2·s-1)이고 전조시기는 정화방이 개화하는 시점에 22시~01시까지 3시간동안 연속조명하였다.
분석 조건은zorbax carbohydrate column(HP사, 4.6mm ID×150mm, 5µm)을 이용하였으며, 이동상은 acetonitrile 75%를 사용하였으며, 온도 30°C, 주입량 30µL, 유속 1.0mL/분 조건으로 수행하였다.
여과된 액을 다시 0.45µm 구공의 PVDF 주사기용 필터를 이용하여 2차 여과하여 UPLC(Waters, USA)를 통해 분석하였다.
엽면적은 전조처리 60일 후 지상부가 완전 전개한 잎만을 채취하여 엽면적 측정기(SKYE SI700, UK)로 측정하였다. 엽록소 함량은 전조처리 15일과 30일 후 채취한 잎 1g을 acetone 80% 용액 50mL로 마쇄하여 여과지로 추출 후 분석하였다. 추출액은 분광광도계(Hitach UV-2001, Japan)를 이용하여 645, 652, 663nm에서 흡광도를 측정한 후 Yoshita 등(1971)의 방법에 따라 엽록소 함량을 계산하였으며, mg·g-1 fresh wt.
2, Italy) 및 광합성유효방사(Photosynthetically Active Radiation 400~700nm)센서를 이용하여 측정하였다. 엽면적은 전조처리 60일 후 지상부가 완전 전개한 잎만을 채취하여 엽면적 측정기(SKYE SI700, UK)로 측정하였다. 엽록소 함량은 전조처리 15일과 30일 후 채취한 잎 1g을 acetone 80% 용액 50mL로 마쇄하여 여과지로 추출 후 분석하였다.
전조는 2010년 12월 16일 정화방이 출현된 시기부터 시작하였고, 전조시간은 22:00~01:00까지 3시간 동안 연속 조명하였다. LED 광원의 광도는 식물체가 받는 선단부에서 백열등과 LED PAR 타입은 2~4µmol·m-2·s-1, LED BAR 타입은 100~120µmol·m-2·s-1이 되도록 높이를 조절하였다.
전조재배에 설치된 LED(UBN Co., Korea)는 고휘도이고, 적색광(660nm)과 청색광(450nm)을 4:1의 비율로 혼합한 광원을 이용하여 소켓(E26)에 설치 가능한 PAR type과 1m 막대 길이의 BAR type을 설치하였고, 대조광원으로 60W 백열등(INC, incandescent lamp)을 이용하였고, 전조를 하지 않는 무처리도 실시하였다.
대상 데이터
본 실험에서는 백열등을 대체할 수 있는 LED 광원을 설치할 경우 딸기 전조재배 광 환경의 적정 조건을 구명하기 위해 사용된 광원의 제품 규격은 Table 2와 같다. 기존의 60W 백열등에 비해 LED PAR 광원이 16W로 소비전력이 낮았고, 적생광(Red)와 청색광(Blue)의 램프비율이 4:1이고, 지향각은 120o 정도이며, 기존의 백열등 E26 소켓에 설치할 수 있는 PAR 형태로 구성하였다.
본 실험은 국내육성 품종인 설향(Fragaria × ananassa Duch cv. Seolhyang)을 식물재료로 하여 2010년 9월 상순에 경상북도농업기술원 성주과채류시험장 광폭형 하우스(2중)에 10a 당 질소, 인산, 칼리, 고토석회, 퇴비를 각각 3.5, 4.9, 5.6, 200, 2,000kg을 기비로 시용하고 경운 정지한 다음 두둑너비 120cm, 이랑높이 45cm로 만든 후 재식거리를 주간 20cm, 조간 20cm로 정식하였다.
시험에 사용된 인공광원은 LED PAR(PPFD 2~4µmol·m-2·s-1), LED BAR(PPFD 100~120µmol·m-2·s-1), 백열등(PPFD 2~4µmol·m-2·s-1)이고 전조시기는 정화방이 개화하는 시점에 22시~01시까지 3시간동안 연속조명하였다.
하우스 온도는 주간 25±2℃, 야간 5±2℃로 관리하였고, 온풍기를 이용하여 난방하였다. 식물체는 포기 당 정화방 1개를 남기고, 엽수는 5~7매를 유지하고 노엽을 제거하였다.
딸기의 과실 당도는 수확 즉시 과실을 절단하여 착즙 후 디지털 당도계(Atago PR-101, Japan)를 이용하여 측정하였다. 딸기 전조재배에 적합한 인공광원의 적정 설치조건 구명을 위한 시뮬레이션은 DIALux 프로그램을이용하였다.
성능/효과
엽록소 함량은 전조후 60일 경에는 LED PAR를 제외하고는 모두 감소하는 경향이었다. 광원별로 광 환경을 시뮬레이션한 결과, 100W 백열등 배광곡선이 원형에 가까워 전조재배시 하우스 위쪽으로 많이 발광되는 것을 볼 수 있다. LED PAR 타입을 설치했을 때는 직진성이 강한 LED의 특성상 조명의 중심이 40lux 이상이며 좁은 지향각과 낮은 설치 위치로 인해 좁은 지역에 집광되는 현상이 나타나고 조명과 조명사이에 기준조도 이하의 음영지역이 발생하였다.
광원별로 하우스 내 광 환경을 시뮬레이션한 결과(Fig. 6), 백열등 배광곡선은 원형에 가까워 전조재배 시 하우스 위쪽으로 많이 발광되어 불필요한 부분에 발광되었으나, LED PAR 광원은 지향각 120o를 유지하며 발광하였다. LED PAR 광원을 기존의 백열등과 같은 방법으로 설치했을 때는 조명의 중심이 40lux 이상으로 과도하게 집중되었고 낮은 높이에 설치됨에 따라 좁은 지역에 집광되는 현상이 나타나 조명과 조명사이의 기준 조도 이하의 음영지역이 발생하였다.
시험에 사용된 인공광원은 LED PAR(PPFD 2~4µmol·m-2·s-1), LED BAR(PPFD 100~120µmol·m-2·s-1), 백열등(PPFD 2~4µmol·m-2·s-1)이고 전조시기는 정화방이 개화하는 시점에 22시~01시까지 3시간동안 연속조명하였다. 무처리보다는 전조처리구가 초장과 엽병장이 길었으며, 그 중 백열등이 가장 많이 생장하였다. 전조처리구에서 지상부의생체중과 건물중은 LED PAR 처리구에서 생장량 대비 가장 무거웠다.
또한 엽록소는 적색과 청색 부근에서 흡광도가 높고, 녹색부근은 거의 흡수하지 않으며 흡광도가 높은 영역에서 광합성률도 높게 나타난다. 본 실험에 사용된 LED 광원은 적색과 청색을 조합한 것으로 엽록소가 가장 잘 흡수하는 파장대여서 엽록소 함량에 영향을 미친 것으로생각되었다. 이와 관련하여 Senger(1982)는 청색광이 엽록체의 발달과 틸라코이드의 엽록소 형성에 중요한 영향을 미친다고 보고하였다.
엽록소 함량은 전조 30일경 광도와 상관없이 LED 처리구 모두 처리전보다 0.36, 0.33mg·g-1 증가하였으나, 60일 경에는 LED PAR를 제외하고는 모두 감소하는 경향이었다.
지상부의 엽면적 생장량에서는 무처리보다는 전조처리구가 엽면적이 증대하는 경향이었고, LED PAR 처리가 엽면적이 넓었다. 엽록소 함량은 전조후 60일 경에는 LED PAR를 제외하고는 모두 감소하는 경향이었다. 광원별로 광 환경을 시뮬레이션한 결과, 100W 백열등 배광곡선이 원형에 가까워 전조재배시 하우스 위쪽으로 많이 발광되는 것을 볼 수 있다.
같은 파장영역의 LED BAR 처리구는 높은 광도로 전조하였지만 건물중은 더 가벼웠다. 엽면적은 무처리보다는 전조처리구가 큰 경향이었고, LED PAR 처리가 가장 넓었다(Fig. 3). Duong 등(2003)은 적색 LED에서 자란 딸기 소식물체가 적청색 LED 보다 약하게 자라고, 혼합광원이 단색광원보다 건물 생산이 많았다.
이상의 결과로 보아 백열등의 대체 광원으로 LED를 이용할 경우 적청색의 혼합광을 이용하고, 설치하고자 하는 LED의 특성을 파악한 후 하우스 형태를 감안하여 내부의 기준 조도와 균제도를 만족시키는 방법으로 설치하는 것이 중요하다. 현재 LED는 환경문제와 에너지 이용 측면에서는 효율성이 높다고 인정되지만 경제성을 고려할 경우 이에 대한 충분한 검토가 필요한 것으로 생각된다.
인공광원별 전조재배 후 지상부의 생체중과 건물중의 생장량 변화를 살펴본 결과(Fig. 2), 백열등 처리구는 초장과 엽병장의 생장에 비해 상대적으로 생체중과 건물중이 크게 증가하지 않았고, LED PAR 처리구에서 생체중과 건물중이 가장 많았다. 같은 파장영역의 LED BAR 처리구는 높은 광도로 전조하였지만 건물중은 더 가벼웠다.
인공광원별 전조재배에 따른 설향 딸기의 초장과 엽병장의 생장량(Fig. 1)은 전조처리 후부터 1~2cm로 서서히 생장하다가 60일경 급격하게 증가하였으며, 무처리보다 전조처리구가 생장량이 많았고, 그 중에서 백열등이 가장 많았다.
전조 후 잎에 함유된 유리당 함량(Fig. 5)의 변화는 자당(sucrose)이 가장 많은 비중을 차지하고 있지만 전조후 일수가 지날수록 급격하게 감소하는 경향이었고, 포도당(glucose)과 과당(fructose)은 전조 30일 이후 급격하게 증가하는 경향을 나타내었다. 광합성의 1차적 산물은전분(starch)과 자당이며, 엽록체 안에서 일어나는 전분합성과 시토졸에서 일어나는 자당 합성은 서로 경쟁적이며 광합성 산물의 축적과 전류, 무기인산의 농도, 인산운반체의 활동 등에 의하여 조절된다(Moon과 Lee, 2000).
전조재배 후 정화방 과실의 수량은 처리 간에 통계적으로 유의성이 없었으나 평균 과중은 무처리보다 전조처리구에서 유의하게 증가하였다. 농산물 표준 무게 규격으로 구분하였을 때 2L(25g 이상)의 비율이 LED PAR처리구에서 31.
전조처리구에서 지상부의생체중과 건물중은 LED PAR 처리구에서 생장량 대비 가장 무거웠다. 지상부의 엽면적 생장량에서는 무처리보다는 전조처리구가 엽면적이 증대하는 경향이었고, LED PAR 처리가 엽면적이 넓었다. 엽록소 함량은 전조후 60일 경에는 LED PAR를 제외하고는 모두 감소하는 경향이었다.
후속연구
광합성의 1차적 산물은전분(starch)과 자당이며, 엽록체 안에서 일어나는 전분합성과 시토졸에서 일어나는 자당 합성은 서로 경쟁적이며 광합성 산물의 축적과 전류, 무기인산의 농도, 인산운반체의 활동 등에 의하여 조절된다(Moon과 Lee, 2000). 본 실험에서 30일 이후는 정화방 과실이 수확되는 시기이고, 자당의 가수분해로 인해 포도당과 과당으로 분해된 것으로 여겨지며, 동화물질의 전류에 대해서는 많은 연구가 필요할 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
엽록소가 가장 잘 흡수하는 파장대는 어느 부근의 광인가?
4). 엽록소는 적색과 청색 부근의 광을 가장 잘 흡수하며, 광흡수스펙트럼과 작용스펙트럼이 일치하는데, 이것은 엽록소가 잘 흡수하는 적색광과 청색광이 광합성에 가장 효과적인 광선이라는 것을 의미한다(Moon과 Lee, 2000). 또한 엽록소는 적색과 청색 부근에서 흡광도가 높고, 녹색부근은 거의 흡수하지 않으며 흡광도가 높은 영역에서 광합성률도 높게 나타난다.
딸기 전조재배 시 주로 이루어지는 광조건은?
딸기 전조재배시에는 주로 10a 당 100W 백열구를 50개정도 설치하여 야간에 약 3~5시간 연속조명을 실시하고 있다(RDA, 2009). 그러나 백열등은 전력의 약 10%만 빛으로 전환함으로써 다른 광원들에 비해 에너지 효율성이 낮고, 수은 증기로 인한 환경문제로 사용을 지양하고 있다.
작물재배에 있어 인공광은 어디에 이용되는가?
근래에는 온실, 식물공장 등 농업시설에 인공광원을 작물 생육에 적합하도록 조절하여 농산물의 생산성을 높이고 있다. 작물재배에 있어서 인공광은 화성유도나 휴면방지 등 일장반응을 제어하기 위한 전조재배나 광합성 촉진을 위한 보광재배에 이용된다. 일반적으로 딸기 재배는 9월경에 정식하여 다음해 5월까지 생산하는 촉성재배 작형이 대부분이다.
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