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ISSN : 2288-0992(Print)
ISSN : 2288-100X(Online)
Protected Horticulture and Plant Factory Vol.24 No.2 pp.106-112
DOI : https://doi.org/10.12791/KSBEC.2015.24.2.106

Effect of LED Light Sources and Their Installation Method on the Growth of Strawberry Plants

Ji Eun Lee1*, Yong Seub Shin1, Joung Do Cheung1, Han Woo Do1, Young Hwa Kang2
1Seongju Fruit Vegetable Experiment Station, Gyeongsangbuk-do Agricultural Research & Extension Services, Seongju 719-861, Korea
2Deparment of Horticultural science, Kyungpook National University, Daegu 702-701, Korea
Corresponding author: syje@korea.kr
April 15, 2015 May 8, 2015 May 27, 2015

Abstract

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 2~4µmol·m-2·s-1), LED BAR(PPFD 100~120µmol·m-2·s-1) and incandescent(PPFD 2~4µmol·m-2·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·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.


LED 광원 및 설치조건에 따른 딸기의 생육 변화

이 지은1*, 신 용습1, 정 종도1, 도 한우1, 강 영화2
1경상북도농업기술원성주과채류시험장
2경북대학교 원예과학과

초록

딸기의 전조재배에 적합한 인공광원을 모색하기 위해 적 색과 청색의 LED를 이용하여 설치조건을 검토하였다. 시 험에 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 시점 에 22시~01시까지 3시간동안 연속조명하였다. 무처리보 다는 전조처리구가 초장과 엽병장이 길었으며, 그 중 백 열등이 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 하 우스 위쪽으로 많이 발광되는 것을 볼 수 있다. LED PAR 타입을 설치했을 때는 직진성이 강한 LED의 특성 상 조명의 중심이 40lux 이상이며 좁은 지향각과 낮은 설치 위치로 인해 좁은 지역에 집광되는 현상이 나타나 고 조명과 조명사이에 기준조도 이하의 음영지역이 발생 하였다. 따라서 설치 높이는 2m, 설치 간격은 3.75m로 조절하였고, 배치형태는 W타입으로 변경하여 전체 식물 에 1.2µmol·m-2·s-1 이상이 조사될 수 있도록 기준 조도 와 균제도를 맞추어 최적화


    Rural Development Administration
    PJ0064812011

    서 론

    근래에는 온실, 식물공장 등 농업시설에 인공광원을 작 물 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 9월경 에 정식하여 다음해 5월까지 생산하는 촉성재배 작형이 대부분이다. 딸기는 자연상태로 두면 저온 단일기에 휴면 상태로 월동하지만 무휴면 상태로 시설재배할 경우 겨울철 에 초세가 약해지고 왜화되는데 이를 개선하기 위해 인공 광원을 이용한 생육촉진 기술이 개발되었다. 현재 재배되 고 있는 주요 품종은 휴면성이 약하고, 장일조건으로 되지 않더라도 휴면하지 않는 특성이 있기 때문에 일반적으로는 전조를 필요로 하지 않지만 전조를 하면 엽병과 엽신의 신 장이 좋아지는 경향이 있어, 광합성 산물이 많아진다. 그 때문에 전조 기술은 휴면 억제의 목적이 아니라 잎의 수광 태세를 개선하는 목적으로 이용된다(Yoon 등, 2010).

    딸기 전조재배시에는 주로 10a 당 100W 백열구를 50개 정도 설치하여 야간에 약 3~5시간 연속조명을 실시하고 있다(RDA, 2009). 그러나 백열등은 전력의 약 10%만 빛 으로 전환함으로써 다른 광원들에 비해 에너지 효율성이 낮고, 수은 증기로 인한 환경문제로 사용을 지양하고 있다. 우리나라 또한 2014년 1월부터 생산 및 수입을 전면 금지 하였다. LED(Light Emitting Diode)는 최근 성능이 빠르게 개선되고, 수명이나 에너지 절감 면에서 효율성이 높아 관 련 분야의 LED를 이용한 응용제품 개발은 물론 기존의 백 열등 및 조명등을 대체하려는 연구(Choi 등, 2013b; Johkan 등, 2010; Samuoliene 등, 2012)가 확대되고 있다. 현재 농 업적으로 LED는 작물의 개화시기 조절과 일조 부족시 보 조광원, 전조재배, 기능성분 증대 등에 활용되고 있다.

    본 연구는 딸기의 전조재배시 적합한 LED의 적정 설치 기준과 생장, 과실생산량 및 품질 등에 미치는 영향을 조 사하여 백열등의 대체 가능성을 검토하고자 수행하였다.

    재료 및 방법

    본 실험은 국내육성 품종인 설향(Fragaria × ananassa Duch cv. Seolhyang)을 식물재료로 하여 2010년 9월 상 순에 경상북도농업기술원 성주과채류시험장 광폭형 하우 스(2중)에 10a 당 질소, 인산, 칼리, 고토석회, 퇴비를 각 각 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. 하 우스 온도는 주간 25±2°C, 야간 5±2°C로 관리하였고, 온풍 기를 이용하여 난방하였다. 식물체는 포기 당 정화방 1개 를 남기고, 엽수는 5~7매를 유지하고 노엽을 제거하였다.

    전조재배에 설치된 LED(UBN Co., Korea)는 고휘도 이고, 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, 대조 광원으로 60W 백열등(INC, incandescent lamp)을 이용 하였고, 전조를 하지 않는 무처리도 실시하였다.

    전조는 2010년 12월 16일 정화방이 출현된 시기부터 시작하였고, 전조시간은 22:00~01:00까지 3시간 동안 연 속 조명하였다. LED 광원의 광도는 식물체가 받는 선단 부에서 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 전조 처리 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 측정 한 후 Yoshita 등(1971)v의 방법에 따라 엽록소 함량을 계산하였으며, mg·g-1 fresh wt.로 표시하였다.

    잎에 함유된 유리당 함량 분석은 딸기 잎 1g에 에탄 올 80% 25mL을 첨가하여 균질기로 마쇄한 다음, 항온 수조를 이용하여 80에서 30분간 열탕 처리하였다. 처리 된 시료액을 3,000rpm에서 10분간 원심분리하여 상등액 을 취하고, 잔사는 다시 에탄올 80%를 첨가하여 위의 과정을 2회 반복하여 최종적으로 얻은 상등액이 50mL 가 되게 하였다. 획득한 상등액을 환저플라스크에 넣어 회전농축기를 이용하여 감압농축하였다. 농축액을 3차 증류수 2mL로 잘 섞은 다음, Sep-Pak C18 cartrige를 이용하여 1차 여과하였다. 여과된 액을 다시 0.45μm 구 공의 PVDF 주사기용 필터를 이용하여 2차 여과하여 UPLC(Waters, USA)를 통해 분석하였다. 분석 조건은 zorbax carbohydrate column(HP사, 4.6mm ID×150mm, 5μm)을 이용하였으며, 이동상은 acetonitrile 75%를 사용 하였으며, 온도 30°C, 주입량 30μL, 유속 1.0mL/분 조 건으로 수행하였다.

    딸기의 과실 당도는 수확 즉시 과실을 절단하여 착즙 후 디지털 당도계(Atago PR-101, Japan)를 이용하여 측 정하였다. 딸기 전조재배에 적합한 인공광원의 적정 설 치조건 구명을 위한 시뮬레이션은 DIALux 프로그램을 이용하였다.

    딸기 재배관리는 농촌진흥청 표준재배법에 준하여 실시 하였으며, 측정된 데이터는 SAS 통계프로그램(Statistical Analysis System, Ver. 9. 1, USA)을 이용하여 Duncan 다중검정(DMRT, P≤ 0.05)으로 유의성을 검정하였다.

    결과 및 고찰

    인공광원별 전조재배에 따른 설향 딸기의 초장과 엽병 장의 생장량(Fig. 1)은 전조처리 후부터 1~2cm로 서서히 생장하다가 60일경 급격하게 증가하였으며, 무처리보다 전조처리구가 생장량이 많았고, 그 중에서 백열등이 가 장 많았다.

    백열등은 열복사에 의해서 발광이 이루어지는 램프로 서 텅스텐 필라멘트에 전기가 흐르면서 고온과 함께 백 열이 이루어진다. 백열전구의 분광분포는 연속스펙트럼 으로서 청색광에 비해 적색광이 많이 포함되어 있기 때 문에 식물이 도장하는 경향이 있어 광합성용 광원으로는 부적합한 것으로 알려져 있다(Kim, 2002). 주로 낮은 광 강도로 국화의 개화 제어, 딸기의 휴면방지, 식물공장에 서 발아촉진 등 광형태형성 제어용으로 사용되어 왔다. 본 연구에서도 백열등은 장파장 광원이 많아 식물을 도 장하게 하는 경향이 있었다.

    전조 후 40일까지 초장 생장이 저조한 것은 딸기의 생육단계가 정화방 수확시기이기 때문에 대부분의 영양 분이 지상부의 생장보다는 과실로 많이 전이되었기 때문 이다. 정화방 수확이 완료된 후 생육이 저조한 상태에서 전조를 실시할 경우 무처리보다는 수광태세가 개선되어 초장과 엽병장의 길이생장이 유도되므로 유리하다. 본 연구에서도 인공광원의 종류와 광도에 상관없이 무처리 보다는 전조처리구가 생육이 왕성하였다. 이와 관련한 연구로 Choi 등(2012)은 국화의 생육 초기 초장 신장은 품종과 광원에 따라 차이가 있지만 공통적으로 적색 LED 처리가 다른 광원에 비하여 가장 효과적이라고 보 고하였다. Okamoto 등(1996)의 보고에서도 적색광은 식 물의 광합성에 관여하고, 청색광은 형태적으로 식물체의 건전한 생장에 필연적이라고 하였다.

    인공광원별 전조재배 후 지상부의 생체중과 건물중의 생장량 변화를 살펴본 결과(Fig. 2), 백열등 처리구는 초 장과 엽병장의 생장에 비해 상대적으로 생체중과 건물중 이 크게 증가하지 않았고, LED PAR 처리구에서 생체중 과 건물중이 가장 많았다. 같은 파장영역의 LED BAR 처리구는 높은 광도로 전조하였지만 건물중은 더 가벼웠 다. 엽면적은 무처리보다는 전조처리구가 큰 경향이었고, LED PAR 처리가 가장 넓었다(Fig. 3). Duong 등(2003) 은 적색 LED에서 자란 딸기 소식물체가 적청색 LED 보 다 약하게 자라고, 혼합광원이 단색광원보다 건물 생산이 많았다. 작물의 생장을 비교할 때 길이 생장뿐만 아니라 식물체 내의 충실도를 비교하여 전조에 적합한 광도와 광질을 선발하는 것이 중요할 것으로 생각되었다.

    엽록소 함량은 전조 30일경 광도와 상관없이 LED 처 리구 모두 처리전보다 0.36, 0.33mg·g-1 증가하였으나, 60일 경에는 LED PAR를 제외하고는 모두 감소하는 경 향이었다. 무처리와 백열등 처리는 전조를 실시하기 전 보다 더 낮은 엽록소 함량을 나타내었다(Fig. 4). 엽록소 는 적색과 청색 부근의 광을 가장 잘 흡수하며, 광흡수 스펙트럼과 작용스펙트럼이 일치하는데, 이것은 엽록소 가 잘 흡수하는 적색광과 청색광이 광합성에 가장 효과 적인 광선이라는 것을 의미한다(Moon과 Lee, 2000). 또 한 엽록소는 적색과 청색 부근에서 흡광도가 높고, 녹색 부근은 거의 흡수하지 않으며 흡광도가 높은 영역에서 광합성률도 높게 나타난다. 본 실험에 사용된 LED 광원 은 적색과 청색을 조합한 것으로 엽록소가 가장 잘 흡 수하는 파장대여서 엽록소 함량에 영향을 미친 것으로 생각되었다. 이와 관련하여 Senger(1982)는 청색광이 엽 록체의 발달과 틸라코이드의 엽록소 형성에 중요한 영향 을 미친다고 보고하였다.

    전조 후 잎에 함유된 유리당 함량(Fig. 5)의 변화는 자 당(sucrose)이 가장 많은 비중을 차지하고 있지만 전조 후 일수가 지날수록 급격하게 감소하는 경향이었고, 포 도당(glucose)과 과당(fructose)은 전조 30일 이후 급격하 게 증가하는 경향을 나타내었다. 광합성의 1차적 산물은 전분(starch)과 자당이며, 엽록체 안에서 일어나는 전분 합성과 시토졸에서 일어나는 자당 합성은 서로 경쟁적이 며 광합성 산물의 축적과 전류, 무기인산의 농도, 인산 운반체의 활동 등에 의하여 조절된다(Moon과 Lee, 2000). 본 실험에서 30일 이후는 정화방 과실이 수확되 는 시기이고, 자당의 가수분해로 인해 포도당과 과당으 로 분해된 것으로 여겨지며, 동화물질의 전류에 대해서 는 많은 연구가 필요할 것으로 생각된다.

    전조재배 후 정화방 과실의 수량은 처리 간에 통계적 으로 유의성이 없었으나 평균 과중은 무처리보다 전조처 리구에서 유의하게 증가하였다. 농산물 표준 무게 규격 으로 구분하였을 때 2L(25g 이상)의 비율이 LED PAR 처리구에서 31.5%로 가장 높았고, 소과의 비율은 낮은 편이었다. LED 전조재배 시 1주 당 과실 수확량은 비슷 하였지만 대과의 생산비율이 높았다. 당도 역시 무처리 보다 전조 처리구가 0.37~0.93°Brix 높았으며, 그중 LED 처리구가 10.82°Brix로 가장 높았다(Table 1). Choi 등(2013b)은 청색 LED 광에서 생산된 딸기 수확량이 가장 많았고, 당도의 경우 대왕 품종은 LED 광에서 유 의성 있게 높았으나, 설향 품종은 차이가 없어 품종 간 에 반응이 다르게 나타났다고 보고하였다.

    본 실험에서는 백열등을 대체할 수 있는 LED 광원을 설치할 경우 딸기 전조재배 광 환경의 적정 조건을 구명 하기 위해 사용된 광원의 제품 규격은 Table 2와 같다. 기존의 60W 백열등에 비해 LED PAR 광원이 16W로 소비전력이 낮았고, 적생광(Red)와 청색광(Blue)의 램프 비율이 4:1이고, 지향각은 120° 정도이며, 기존의 백열등 E26 소켓에 설치할 수 있는 PAR 형태로 구성하였다.

    기존의 백열등을 하우스 내 설치할 경우 식물체가 받 는 조도는 50lux이며, 이 값을 광합성유효광양자속밀도 (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density)로 환산할 경우 1.2μmol·m-2·s-1이다. LED R/B=4 광원을 백열등과 같은 기준으로 환산하면 8.75 lux가 되며, 하우스 내 전 체 작물에 1.2μmol·m-2·s-1 이상 균일하게 조사되도록 조 명의 높이와 간격을 조절하여 설치하였다. Yoon과 Choi(2011)는 인공광원의 조명 물리량 및 광합성유효광 량자속밀도 특성을 고려하여 식물의 재배형태에 따라 광 조사 효율을 높이기 위해 배광형태에 따른 조명방법도 고려해야 한다고 보고하였다.

    광원별로 하우스 내 광 환경을 시뮬레이션한 결과 (Table 3), 60W 백열등은 지면에서 1.8m 높이에 3m 간격으로 2열 Z형태로 길이 100m 하우스에 설치할 경 우 64개가 소요되고 소비전력은 3,840W이다. 16W LED PAR는 지면에서 2m 높이에 3.75m 간격으로 2열 W형태로 설치할 경우 52개가 소요되고 소비전력은 832W로 백열등 대비 78.3%의 에너지 절감효과가 있었 다. 국화와 시클라멘의 재배시 LED를 이용한 광중단 처리로 에너지를 절감할 수 있는 보고(Shin 등, 2010; Choi 등, 2012) 등 혼합 LED를 이용한 많은 연구가 진행되고 있다.

    광원별로 하우스 내 광 환경을 시뮬레이션한 결과(Fig. 6), 백열등 배광곡선은 원형에 가까워 전조재배 시 하우 스 위쪽으로 많이 발광되어 불필요한 부분에 발광되었으 나, LED PAR 광원은 지향각 120°를 유지하며 발광하였 다. LED PAR 광원을 기존의 백열등과 같은 방법으로 설치했을 때는 조명의 중심이 40lux 이상으로 과도하게 집중되었고 낮은 높이에 설치됨에 따라 좁은 지역에 집 광되는 현상이 나타나 조명과 조명사이의 기준 조도 이 하의 음영지역이 발생하였다. 따라서 조명의 설치 높이 를 기존의 백열등 보다 0.2m 높여 지면에서 2m 높이에 설치하고 설치 간격도 3.75m로 넓히며, 배치형태는 W 타입으로 변경하여 전체 식물체에 1.2μmol·m-2·s-1 이상 이 조사될 수 있도록 최적화하였다.

    이상의 결과로 보아 백열등의 대체 광원으로 LED를 이 용할 경우 적청색의 혼합광을 이용하고, 설치하고자 하는 LED의 특성을 파악한 후 하우스 형태를 감안하여 내부의 기준 조도와 균제도를 만족시키는 방법으로 설치하는 것 이 중요하다. 현재 LED는 환경문제와 에너지 이용 측면 에서는 효율성이 높다고 인정되지만 경제성을 고려할 경 우 이에 대한 충분한 검토가 필요한 것으로 생각된다.

    Figure

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    Changes in the plant height and leafstalk growth increment by artificial light sources and light intensity in strawberry.

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    Changes of the fresh and dry weight on the ground by artificial light sources and light intensity in strawberry.

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    Changes of the leaf area and its number by artificial light sources and light intensity in strawberry.

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    Change in the leaf chlorophyll contents by artificial light sources and light intensity in strawberry.

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    Change in the available free sugar contents difference in the leaf by artificial light sources and light intensity in strawberry.

    KSBEC-24-106_F6.gif

    The results of simulation by light sources in strawberry lighting culture.

    Table

    Fruit yield, weight and fruit characteristics of the first cluster by artificial light sources and light intensity in strawberry.

    zMeans separation within columns by Duncan's multiple range test at P = 0.05
    yStrawberry fruit weight standard : S less than 12g, M 12~17g, L 17~25g, 2L more than 25g

    The characteristics of light source of being used in simulation in strawberry culture.

    The optimization condition by light source and comparison of power consumption in strawberry culture.

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