Research Article

Journal of Agricultural, Life and Environmental Sciences. July 2020. 108-115
https://doi.org/10.22698/jales.20200011


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 재료 및 방법

  •   처리광 조건

  • 결과 및 고찰

  • 요 약

서 론

최근에는 1인 가구의 증가로 인해 ready to eat 과 well-being 개념이 떠오르며(Ragaert et al., 2004), 간편하면서도 건강한 먹거리를 찾는 소비자가 증가함에 따라 바로 먹을 수 있는 형태에 대한 관심이 커지고 있어 맛과 영양 뿐 아니라 색감까지도 강화된 어린잎 채소의 생산과 소비가 증가되어 왔다(Fallove et al., 2009). 신선편이 및 어린잎 채소의 소비가 증가하며, 백화점 및 대형매장에 전용 판매대가 별도로 등장하기도 하였다(Choi et al., 2016). 그 중 상추는 다양한 모양, 색상 그리고 짧은 생육 기간으로 어린잎 형태의 연구(Jung, 2015)와 수경재배 및 재배 환경 제어 연구(Kang et al., 2016)에 널리 사용되어 왔다. 또한 상추는 광포화점이 비교적 낮기 때문에 폐쇄형 식물 공장의 광환경 조절을 위한 인공 광원 관련된 연구에 사용되어 왔다(Cha et al., 2013). 폐쇄 식물 공장에서 인공조명의 빛 품질은 작물의 품질과 성장에 중요한 역할을 한다(Lin et al., 2013). 상추류가 발광 다이오드(LED)를 사용하여 다양한 조명에서 재배 될 때, 청색광은 양상추의 성장에 영향을 미쳤고(Johkan et al., 2010), 적색 상추의 안토시아닌 함량은 LED의 파장에 따라 영향을 받았다고 보고되었다(Lee et al., 2010). 기존 광질 연구에서 주로 사용되는 LED 조명은 식물 공장에서 사용되고 있다. 그러나 높은 설치비용으로 인해 초기 투자비용이 높고 LED 조명의 높은 열 방출에 대한 문제가 있어(Matsumoto et al., 2010), 최근에는 기존 LED 조명에 비해 설치비용과 전력 소비가 낮은 quantum dot-light emitting diode (QD-LED)가 개발되었다(Yoo et al., 2018). Han and Yang (2017)의 보고에 의하면 QD-LED 조명은 다중 파장, 높은 색 순도, 광 안정성 그리고 높은 양자 효율 특성을 가지며 청색광의 LED 칩을 다른 색상으로 변환시킨 것인데, 이러한 특성으로 다양한 분야에 적용될 수 있다고 하였다. 그러나 식물 재배를 위한 QD-LED광원으로서의 연구는 아직 부족한 현실이다. 이에 본 연구는 QD-LED광원을 이용한 실제 식물 생장용 등의 실용화와 고품질 엽채류 생산을 위한 기초자료를 얻고자 수행하였다.

재료 및 방법

본 연구는 청로메인(‘진청로메인’, 아시아종묘)를 공시재료로 하여 강원대학교 폐쇄형 식물공장에서 2019.10.08일부터 2019.10.29일까지 수행되었다. 식물공장의 생육 환경은 온도 20 ± 2°C, 습도 70 ± 5%, 일장 16시간(명)/8시간(암), 광도 200 ± 10 μmole/m2·s (40 W 광원) 그리고 이산화탄소 농도 440 ppm 으로 설정하였다. 청로메인 종자를 원예용 상토(바로커, 서울바이오)로 충진한 플러그 트레이(128공)에 파종한 후 3 × 12공으로 소분하여 각각의 광을 조사하였다. 광처리 후 7일 간격으로 초장이 어린잎 채소 크기인 10 cm에 도달한(Jung, 2015) 21일째까지 엽장, 엽수, 엽폭, 엽형지수, 생체중 등의 생육지수를 조사하였다.

처리광 조건

비닐온실내 자연광을 대조구를 두었고, 처리구로는 형광등(FL) (DULUX D FDX 18EX-D, OSRAM, Korea), 이외에 철원 플라즈마 연구소에서 제작한 청색, 적색, 그리고 청색 + 적색 LED와 청색 + 적색 1개 peak의 QD1, 청색 + 2개의 적색 peak의 QD2를 두었으며 모든 인공광 처리구는 휴대용 분광계(MK350S, UPRtek, Taiwan)를 사용하여 각각의 파장을 측정하였다(Fig. 1). 사용된 처리 광원은 청색(Blue – 450 nm), 적색(Red – 660 nm), 청색 + 적색(Blue + Red) LED로 기존의 식물 생장등의 파장 형태이다(Table 1). 그리고 QD1 (Quantum dot-450 nm, 640 nm)는 청색과 넓은 1개 peak의 Red 파장, QD2 (Quantum dot-450 nm, 620 nm, 660 nm)는 청색과 넓은 2개의 peak의 Red 파장을 가진 구조이며, 모든 광 처리구의 광도는 광도계(HD2102.1, DeltaOHM, Italy)를 사용하여 처리구별 200 ± 10 μmole/m2·s로 동일하게 설정하였다.

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Fig. 1.

Relative spectral distribution of the LEDs (FL, Blue, Red, Blue + Red, QD1, QD2) used in this study. The photosynthetic photon flux was approximately 200 μmol/m2·s in each treatment. Spectral scans were recorded at the top of the pots and averaged at five points of each treatment.

Table 1.

Spectrum wavelength ratio (%) of the light quality treatments measured on the bottom of the growth bed at 200 μmol/m2·s light intensity (photosynthetic photon flux density)

Light source PPFD PPF-B PPF-G PPF-R PPF-NIR
FL (fluorescent lamp) 104.3 31.7 43.6 29.0 6.0
BLUE 105.8 105.1 0.7 - -
RED 102.5 - - 102.4 0.1
BLUE + RED 104.5 38.3 0.4 65.8 0.1
QD 1 104.3 23.1 7.1 74.1 16.9
QD 2 104.8 31.2 4.3 69.3 7.1

결과 및 고찰

청로메인 어린잎 채소에 처리한 인공광들의 파장 분포를 보면 먼저 엽장은 광 조사 처리 7일째부터 처리 간에 차이를 보여 형광등(FL) 조건에서 가장 길었으며, 다음으로 적색(R)광에서 길었다(Fig. 2). 상추류는 대체로 형광등(Lee et al., 2010)이나 적색광(Shin et al., 2012)에서 길이신장이 촉진되었다는 보고가 있었으며, 양상추의 초장도 단일 적색광에서 길어졌으나, 단일 청색광은 생육이 억제되었다고 하였다(Lee et al., 2010). 또한 Ouzounis et al. (2015)은 단일광보다 적색과 청색 그리고 원적외선의 혼합광이 광합성 증진에 보다 효과적이었다고 하였다.

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Fig. 2.

Changes in leaf length of the green romaine grown under each light quality treatment. Treatments included a cool white fluorescent lamp; 40 W LED lights with B (peak at 450 nm), R (peak at 660 nm), and B + R (peak at 450 + 660 nm); and 40 W QD-LED1 and QD-LED2 lights with B + WR + FR (peak at 450 and 580-720 nm). The data represent the means and the vertical bars indicate standard errors (n=10).

엽폭은 광처리 7일부터 광처리간에 차이가 나타나기 시작하였는데 QD2광이 가장 넓었으며, 적색(R)광에서 가장 좁았다(Fig. 3). 적색(R)광의 경우 잎의 형태는 초장 및 하배축의 길이신장이 촉진되지만 엽폭은 좁아져 도장하는 경향이 있었는데 Shin et al. (2012)의 연구에서도 이와 같은 결과를 보고하였다. 넓은 파장의 red와 far-red 파장이 포함된 QD1, 2는 대조구보다 넓은 엽폭을 보였으며, 엽장 엽폭의 생육지수가 우수하였는데, Li et al. (2009)도 far-red가 엽장과 엽폭 등의 생육을 촉진한다고 보고하였다. 또한 식물 생장에 있어 단일 파장의 광 조사보다 청색 또는 원적색등의 파장을 같이 조사하는 것이 광합성을 촉진시켜 생장 증진에 더욱 효율적인 것으로 알려져 있다(Whitelam and Halliday, 2007). 본 실험에서도 단일 파장 광원의 조사보다 여러 적정 혼합된 LED광의 생육이 증진되어 기존의 여러 연구와 유사한 결과를 보였다.

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Fig. 3.

Changes in leaf width of the green romaine grown under each light quality treatment. Treatments included a cool white fluorescent lamp; 40 W LED lights with B (peak at 450 nm), R (peak at 660 nm), and B + R (peak at 450 + 660 nm); and 40 W QD-LED1 and QD-LED2 lights with B + WR + FR (peak at 450 and 580-720 nm). The data represent the means and the vertical bars indicate standard errors (n=10).

엽장을 엽폭으로 나눈 엽형 지수는 엽장이 가장 길었던 형광등(FL)에서 가장 높았으며, 다음으로 적색(R)광이 높았고, 대조구와 유사한 수치를 보인 것은 QD1, QD2, 청색(B) + 적색(R) 이었으며, 청색(B)광에서 가장 낮은 수치를 보였다(Fig. 4). 평균 200 μmole/m2·s을 보인 자연광 상태의 대조구와 비교할 때 엽형 지수가 유사하면서도 생육이 우수했던 처리구는 QD2였다. Fankhauser and Chory (1997)는 광질은 식물생육뿐만 아니라, 형태형성, 착색 등의 조절제의 역할을 한다고 하였는데, 본 연구에서도 잎의 형태인 엽형 지수가 광질에 따라 큰 차이를 나타내었다. Han et al. (2019)의 보고에서도 적로메인 생육에 있어 적색 단일광 처리에서 엽장에 비해 엽폭의 생육이 저조하여 엽형 지수가 타 광원에 비해 크게 상승하였다. 또한 Lee et al. (2010)의 보고에서도 어린잎 상추의 엽장이 형광등(FL)에서 가장 길어졌으며, 이로 인해 엽형 지수로 증가하고 청색(B)광 비율이 증가하면 엽장보다 엽폭 신장이 유도되어 엽형 지수가 감소하였다.

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Fig. 4.

Changes in leaf shape index of the green romaine grown under each light quality treatment. Treatments included a cool white fluorescent lamp; 40 W LED lights with B (peak at 450 nm), R (peak at 660 nm), and B + R (peak at 450 + 660 nm); and 40 W QD-LED1 and QD-LED2 lights with B + WR + FR (peak at 450 and 580-720 nm). The data represent the means and the vertical bars indicate standard errors (n=10).

엽수 조사 결과 광원별 차이는 크지 않았으며 3주차(21일째)에 엽수는 적색(R), 청색(B) + 적색(R), QD1, QD2가 평균 6개로 다른 처리광에 비해 많았고(Fig. 5) 그에 반해 엽장이 가장 길었던 형광등(FL)과 청색(B)광은 평균 4개로 가장 적게 나타났다. 지상부 생체중은 엽장과 엽폭의 생육이 우수하였던 QD2에서 가장 높았으며, 엽수가 가장 적게 측정되었던 청색(B)광이 가장 낮았다(Fig. 6). 지하부 생체중은 대체로 지상부 생체중과 같은 경향을 보였고, T/R율의 경우는 청색(B) + 적색(R), QD1, QD2에서 자연광 상태였던 대조구와 유사한 수치를 보였으나 형광등(FL)과 적색(R)광은 높은 값을 나타내었다(Fig. 6).

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Fig. 5.

Changes in leaf numbers of the green romaine grown under each light quality treatment. Treatments included a cool white fluorescent lamp; 40 W LED lights with B (peak at 450 nm), R (peak at 660 nm), and B + R (peak at 450 + 660 nm); and 40 W QD-LED1 and QD-LED2 lights with B + WR + FR (peak at 450 and 580-720 nm). The data represent the means and the vertical bars indicate standard errors (n=10).

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Fig. 6.

The top and root fresh weights and the T/R ratio of green romaine grown under each light quality treatment. Treatments included a cool white fluorescent lamp; 40 W LED lights with B (peak at 450 nm), R (peak at 660 nm), and B + R (peak at 450 + 660 nm); and 40 W QD-LED1 and QD-LED2 lights with B + WR + FR (peak at 450 and 580-720 nm). The data represent the means and the vertical bars indicate standard errors (n=5).

청로메인 어린잎의 광원에 따른 생육결과를 종합하면 청색(B)광과 함께 넓은 범위의 적색과 적외선광을 포함한 QD1와 QD2에서 우수한 결과를 보였고 특히 근적외선광이 전체 파장중 16.9%로 가장 많이 포함되었던 QD2에서 가장 무거운 생체중을 나타내었는데, Li and Kubota (2009)도 원적외선이 상추 잎의 성장을 촉진하였다고 하였다. Lee et al. (2010)도 광질 변환에 따라 상추의 생육 속도와 색소 함량의 조절이 가능하다고 보고한 바 있는데, 본 실험에서도 광 파장대가 달라짐에 따라 청로메인 어린잎의 생육반응에 유의적인 차이가 나타났다. 적색(R) 파장이 비교적 넓으며 근적외선 파장을 포함하고 청색(B)광원을 혼합한 QD1,2광하에서 대조구에 비해 청로메인 어린잎의 엽수, 엽폭과 생체중이 양호하였고 생육에 효과적이었다. 따라서 혼합 파장대를 가지는 QD LED광이 로메인 생육에 적합한 인공광임을 확인할 수 있었다.

요 약

본 연구에서는 다양한 광파장에서 재배한 로메인 상추의 엽장, 엽폭, 엽수, 생체중, T/R율, 엽형지수 등 생육 지수를 비교 조사 하였다. 정식 후 21일까지 7일 간격으로 측정한 결과, 최종적으로 엽장의 길이는 적색(R)광과 QD2에서 유의적인 차이 없이 가장 길었으며, 엽폭도 QD2 다음으로 QD1에서 넓었고 엽장이 길었던 적색(R)광하에서 가장 좁았다. 엽수가 가장 많았던 처리광은 QD2, QD1며 가장 적었던 광은 청색(B)광이었다. 지상부 생체중은 QD2광에서 가장 무거웠고 다음으로 적색광(R)이었으며, 지하부 생체중도 같은 경향으로 QD2광에서 다른 광에 비해 높았다. 엽형 지수는 엽장이 가장 길었던 형광등(FL)에서 가장 높았고, 다음으로 적색(R)광에서 높았으며, QD1, QD2, 청색(B) + 적색(R)가 대조구와 유사하였으며, 청색(B)광에서 가장 낮았다. 이상의 결과를 종합하여 볼 때, QD광원이 생육지수가 자연광인 대조구를 포함한 모든 광처리보다 우수하여 로메인 상추를 재배하는 폐쇄형 식물공장의 인공광으로 효과적일 것이라 판단된다.

Acknowledgements

본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평가원의 첨단생산기술개발사업의 지원을 받아 연구되었음(116111-03).

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