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문제 정의
- 최근 국내외적으로 주목을 받고 있는 플라즈마등 (plasma lighting system, PLS)은 자연광에 가장 근접한 파장을 방출하는 것으로 알려져 있고(Kwon 등, 2016; Lee 등, 2014), HPS 램프에 비해 식물 생육에 필요한 광질을 고루 지니고 있어 식물재배용 인공광원으로서의 이용성이 크게 기대되고 있다. 본 연구는 시설원예용 보광 광원으로 가장 보편적으로 이용되는 HPS와 PLS 램프의 광학 특성을 비롯하여 시설오이의 생육과 수량에 미치는 영향을 구명하고자 수행하였다.
제안 방법
- 온실 내 온도관리는 낮의 경우 환기설정온도를 25°C로 설정하여 천창과 측창의 자동개폐를 통하여 관리하였고, 밤에는 온수난방장치(온수보일러, 에어로핀 방열배관, 제어기)로 난방설정온도를 17°C로 설정하여 관리하였다. 관수는 점적 튜브, 토양수분장력센서를 설치하여 토양수분함량을 기준으로 하여 1~2주 간격으로 실시하였고 시비는 생육상태를 감안하여 1~2주 간격으로 시판양액(물푸레, 대유)을 250~500배액으로 희석하여 공급하였다.
- 작물의 광합성, 기공저항 및 호흡량은 휴대용 photosynthesis system (LI-6400, Li-Cor, USA)을 이용하여 측정하였고, 엽면적은 엽면적 측정기(LI-3100, Li-Cor, USA)를 이용 하여 측정하였다. 보광등 이용에 따른 전력소비량은 전자식 전력량계(LS산전, Korea)를 별도로 설치하여 측정하였다.
- 5m)에서 수행하였다. 보광등으로는 플라즈마등(plasma lighting system, SPLS, 1,000W, LG electronics, Korea)과 고압 나트륨등(high-pressure sodium lamp, SON-T, 700W, Philips, Netherlands)을 온실 한 동당 12개씩 온실 바닥으로부터 3.2m 높이, 램프 사이의 간격을 2.5m로 하여 설치하였다(Fig. 1). 보광등의 용량은 HPS 램프는 700W, PLS 램프는 1,000W를 각각 사용하였는데, 이는 램프의 용량이 같은 조건에서 PLS 램프가 HPS 램프에 비해 광도가 다소 낮아서 거의 동일한 광도로 맞추기 위함이었다.
- 보광등의 분광투과특성과 파장대별 광도, 광양자속 밀도 등은 휴대용 spectroradiometer (LI-1800, Li-Cor, USA)를 이용하여 측정하였으며, 광원과 측정기 센서부위 간에 100cm 거리를 두어 측정하였다. 오이의 생육은 초장, 엽수, 줄기직경, 엽면적, 엽중, 경중, 근중을 측정하고, 과실수량은 과실 개수와 무게를 측정하였다.
- 보광은 2015년 11월 20일부터 2016년 3월 15일까지 약 4개월 동안 명기를 14시간/일(일몰 전 약 30분에 점등 개시)으로 정하여 실시하였고, 낮동안의 일사량이 100W·m2 이하일 경우 자동으로 점등이 되도록 제어하였다.
- 보광재배에 이용된 두 광원 램프의 광학 특성을 파악하고자, PLS와 HPS 램프의 분광투과특성과 광양자속밀도, 광 분포비율을 측정하였으며 그 결과를 Fig. 2와 Table 1, 2에 각각 나타내었다. PLS와 HPS 램프의 300-1,100nm 파장대의 광분포 곡선을 보면 뚜렷한 차이를 나타내었다(Fig.
- 보광은 2015년 11월 20일부터 2016년 3월 15일까지 약 4개월간 실시하였다. 보광하는 기간은 하루에 명기를 14시간(자연광+보광, 쾌청한 날일 경우 일몰 후 5~6시간 점등)으로 정하여 실시하였고 일몰 전 30분부터 점등을 개시하였다. 주간에는 광도 센서와 제어기를 설치하여 일사량이 100W·m2 이하일 때 자동으로 점등이 되게 하고 이상일 때는 소등되도록 제어하였다.
- 본 연구는 HPS (high-pressure sodium lamp, 고압나트륨등, 700W)와 PLS (Plasma Lighting System, 플라즈마 등, 1,000W) 램프를 이용하여 겨울재배 오이의 보광재배 효과를 구명하고자, 양지붕형 유리온실 3동에 무보광을 대조구로 하여 오이(‘후레쉬’ 품종)를 2015년 11월 2일에 정식하여 2016년 3월 15일까지 재배하였다.
- 실험구는 온실당 오이를 60주를 재식하여 완전임의배치법 3반복(반복당 20주)으로 배치하였다. 통계분석은 SAS 프로그램(SAS 9.
- 보광등의 분광투과특성과 파장대별 광도, 광양자속 밀도 등은 휴대용 spectroradiometer (LI-1800, Li-Cor, USA)를 이용하여 측정하였으며, 광원과 측정기 센서부위 간에 100cm 거리를 두어 측정하였다. 오이의 생육은 초장, 엽수, 줄기직경, 엽면적, 엽중, 경중, 근중을 측정하고, 과실수량은 과실 개수와 무게를 측정하였다. 작물의 광합성, 기공저항 및 호흡량은 휴대용 photosynthesis system (LI-6400, Li-Cor, USA)을 이용하여 측정하였고, 엽면적은 엽면적 측정기(LI-3100, Li-Cor, USA)를 이용 하여 측정하였다.
- 오이의 생육은 초장, 엽수, 줄기직경, 엽면적, 엽중, 경중, 근중을 측정하고, 과실수량은 과실 개수와 무게를 측정하였다. 작물의 광합성, 기공저항 및 호흡량은 휴대용 photosynthesis system (LI-6400, Li-Cor, USA)을 이용하여 측정하였고, 엽면적은 엽면적 측정기(LI-3100, Li-Cor, USA)를 이용 하여 측정하였다. 보광등 이용에 따른 전력소비량은 전자식 전력량계(LS산전, Korea)를 별도로 설치하여 측정하였다.
- 2m(2열), 포기사이 40cm로 심었다. 정식 후 유인, 잎 및 측지 제거, 병해충 방제 등의 관리작업을 주기적으로 실시하였으며, 과실은 2015년 12월 9일부터 2016년 3월 15일까지 25회 수확하였다.
대상 데이터
- 보광은 2015년 11월 20일부터 2016년 3월 15일까지 약 4개월간 실시하였다. 보광하는 기간은 하루에 명기를 14시간(자연광+보광, 쾌청한 날일 경우 일몰 후 5~6시간 점등)으로 정하여 실시하였고 일몰 전 30분부터 점등을 개시하였다.
- 본 연구는 2015년 10월부터 2016년까지 4월까지 국립 원예특작과학원 시설원예연구소(경상남도 함안군 소재)의 양지붕형 유리온실(폭 8.4m, 길이 10m, 높이 5.5m)에서 수행하였다. 보광등으로는 플라즈마등(plasma lighting system, SPLS, 1,000W, LG electronics, Korea)과 고압 나트륨등(high-pressure sodium lamp, SON-T, 700W, Philips, Netherlands)을 온실 한 동당 12개씩 온실 바닥으로부터 3.
- 실험작물은 절임오이인 ‘후레쉬’ 품종을 2015년 10월 8일에 32공 트레이에 파종·육묘하였다가 2015년 11월 2일에 나무틀 재배상(폭 1.2m, 길이 7.0m, 높이 50cm, 사양토+퇴비를 5:1로 혼합)에 정식하였으며, 재식거리는 이랑너비 1.2m(2열), 포기사이 40cm로 심었다.
데이터처리
- , USA)을 이용하여 분산분석을 실시하였고 평균 간 비교는 던컨의 다중검정을 이용하였다. 그래프는 SigmaPlot 프로그램 (Sigma Plot 12.0, Systat Software Inc., USA)을 이용하여 나타내었다.
- 실험구는 온실당 오이를 60주를 재식하여 완전임의배치법 3반복(반복당 20주)으로 배치하였다. 통계분석은 SAS 프로그램(SAS 9.1, SAS Institute Inc., USA)을 이용하여 분산분석을 실시하였고 평균 간 비교는 던컨의 다중검정을 이용하였다. 그래프는 SigmaPlot 프로그램 (Sigma Plot 12.
성능/효과
- 2와 Table 1, 2에 각각 나타내었다. PLS와 HPS 램프의 300-1,100nm 파장대의 광분포 곡선을 보면 뚜렷한 차이를 나타내었다(Fig. 2). 즉 보광 광원으로 가장 보편적으로 이용되는 HPS 램프는 550-650nm와 800-830nm의 광이 두드러지게 많이 분포하고, PLS 램프는 400-700nm의 광합성유효광(PAR)이 고르게 분포하는 특성이 있었다.
- 그리고 보광과 무보광 간에 야간기온 차이가 예상 보다 작은 것은 야간에 보광한 시간(약 5-6시간)과 보광 하지 않은 시간(10시간 내외)을 평균하여 나타낸 것이 하나의 원인으로 작용하였다. 결과적으로 보광에 따른 조명이 온실 내 기온과 상대습도의 변화에는 그다지 영향을 미치지 않는다는 것을 보여주었다.
- 그리고 PLS는 HPS에 비해 청색광 파장대인 400-550nm 광량이 많이 분포하고 근적외선이 상대적으로 적은 특성을 지니었다. 광 파장대별 광양자속 밀도를 측정한 결과 (Table 1)를 보면, 300-400nm의 자외선과 400-700nm의광합성유효광은 HPS에 비해 PLS가 20%와 33% 각각 많은 반면, 700-1,100nm의 근적외선(near infra-red, NIR)은 HPS가 PLS보다 52% 많았다. 한편 far-red(700-740nm)에 대한 red(640-700nm) 광의 비율은 HPS가 3.
- 330-1,100nm 광은 HPS가 PLS에 비해 6% 많았고 UV와 적색광은 비슷하였다. 광합성유효광(400-700nm)은 HPS에 비해 PLS가 12.6% 많았고, 근적외선 (700-1,100nm)은 HPS에 비해 PLS가 12.6% 적었으며, R/FR은 HPS가 높았다. 오이의 초장, 엽수, 마디수, 건물중 등의 생육은 무보광에 비해 두 보광등에서 비슷한 수준으로 높았다.
- 즉 보광 광원으로 가장 보편적으로 이용되는 HPS 램프는 550-650nm와 800-830nm의 광이 두드러지게 많이 분포하고, PLS 램프는 400-700nm의 광합성유효광(PAR)이 고르게 분포하는 특성이 있었다. 그리고 PLS는 HPS에 비해 청색광 파장대인 400-550nm 광량이 많이 분포하고 근적외선이 상대적으로 적은 특성을 지니었다. 광 파장대별 광양자속 밀도를 측정한 결과 (Table 1)를 보면, 300-400nm의 자외선과 400-700nm의광합성유효광은 HPS에 비해 PLS가 20%와 33% 각각 많은 반면, 700-1,100nm의 근적외선(near infra-red, NIR)은 HPS가 PLS보다 52% 많았다.
- 그리고 전체광량 에너지의 구성 비율(Table 2)을 보면, 전체 광량은 HPS에 비해 PLS가 약 24% 많았고, UV는 동일하였으며, 광합성유효광(PAR)은 12.6% 많았고 NIR은 반대로 12.6% 적은 특성이 있었다. 이러한 결과는 Kwon 등(2016)의 HPS와 PLS 램프와의 광학특성 비교 보고와 거의 유사한 경향을 나타냈는데 HPS와 PLS 램프의 전형적인 광학특성이라고 이해되었다.
- PLS와 HPS 램프는 37%와 62%의 소득증대효과가 각각 있었다. 따라서 보광 광원으로는 설치 비용이나 광 이용효율 등을 고려할 때 HPS 램프가 유리할 것으로 판단되었다. 이와 관련하여 Lee 등(2014)은 LEP (light emitting plasma)가 HPS 램프에 비해 광질은 우수하나 보광광원으로서의 효율성에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다고 보고하였다.
- 무보광 온실에 비해 보광한 온실에서 평균기온이 0.6-0.7°C, 주간기온이 0.5-0.7°C, 야간기온이 0.7-1.0°C 높았고, 보광에 따른 상대습도는 조명의 영향으로 무보광에 비해 약간 낮은 경향을 보였다.
- 9배 많았다. 보광등의 설치비와 전기 에너지 비용을 고려하여 오이 보광재배의 경제성을 분석한 결과, PLS와 HPS 보광등은 각각 37%와 62%의 소득증대효과가 있었다.
- 0°C 높았고, 보광에 따른 상대습도는 조명의 영향으로 무보광에 비해 약간 낮은 경향을 보였다. 보광램프 간에 있어서는 HPS 램프가 PLS 램프에 비해 주간 및 야간 기온이 다소 높았는데, 이는 HPS가 PLS보다 700-1,100nm의 NIR이 52% 많은 데 기인한 것으로 판단되었다. 그리고 보광과 무보광 간에 야간기온 차이가 예상 보다 작은 것은 야간에 보광한 시간(약 5-6시간)과 보광 하지 않은 시간(10시간 내외)을 평균하여 나타낸 것이 하나의 원인으로 작용하였다.
- 본 연구의 수량증가 효과는 기 연구결과에 비해 높게 나타났다고 평가되는데, 이는 보광기간이 길고 (4개월), 보광광도가 높으며(167~184µmol m-2s-1 ), 일조량이 가장 적은 기간에 보광하였으며, 자연광의 광도가 낮은 주간에도 보광한 것 등이 주요 원인이라고 판단된다.
- PLS 램프는 최근에 개발되어 수요가 많지 않고 램프 가격이 고가이어서 설치비용이 상대적으로 많이 소요되는 실정이다. 오이재배 수익, 보광등 설치비용, 전기요금 등을 반영하여 단순하게 경제성을 분석해 볼 때, 무보광 대비 보광 재배하는 것이 경제적 효과가 상당히 높았고, 두 광원 간에는 HPS가 PLS 램프에 비해 낮은 램프 설치비용의 영향으로 경제성이 높은 것으로 나타났다. PLS와 HPS 램프는 37%와 62%의 소득증대효과가 각각 있었다.
- 온실 내 기온과 상대습도의 측정결과(Table 3)를 보면, 보광 온실과 무보광 온실과의 기온과 상대습도의 차이는 예상보다 작았다. 무보광 온실에 비해 보광한 온실에서 평균기온이 0.
- 이상의 결과로 보아, 겨울철 약광기 오이재배 시에 보광을 하면 그 효과가 뚜렷이 나타나는 것을 알 수 있으며, 보광등에 있어서는 최근에 개발된 플라즈마등이 광질은 우수하나 설치비용이 많이 소요되므로 고압나트륨 등을 이용하는 것이 보다 유리한 것으로 확인되었다.
- 2). 즉 보광 광원으로 가장 보편적으로 이용되는 HPS 램프는 550-650nm와 800-830nm의 광이 두드러지게 많이 분포하고, PLS 램프는 400-700nm의 광합성유효광(PAR)이 고르게 분포하는 특성이 있었다. 그리고 PLS는 HPS에 비해 청색광 파장대인 400-550nm 광량이 많이 분포하고 근적외선이 상대적으로 적은 특성을 지니었다.
후속연구
- 또한 Richard and Harry(1988)도 약광기에 HPS 램프를 이용한 토마토의 보광재배(광주기 18시간, PPF=100µmol m-2s-1 )에서 무보광에 비하여 과실수량(무게)이 75% 증가하였다고 보고하여 본 연구와 유사한 수량증가 수준을 나타내었다. 이상과 같이 보광재배에 의한 과채류의 수량증대 효과는 보광기간, 보광광도, 보광램프 종류, 자연광의 조건, 작물의 종류 및 품종 등에 따라 많은 차이가 있을 것으로 사료된다. 본 연구의 수량증가 효과는 기 연구결과에 비해 높게 나타났다고 평가되는데, 이는 보광기간이 길고 (4개월), 보광광도가 높으며(167~184µmol m-2s-1 ), 일조량이 가장 적은 기간에 보광하였으며, 자연광의 광도가 낮은 주간에도 보광한 것 등이 주요 원인이라고 판단된다.
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