겨울철 온실 수경 상추와 박초이의 수확량 증가 효과에 LED 보조 조명이 미치는 영향에 관한 연구
[요약] 상하이의 겨울은 기온이 낮고 일조량이 낮은 경우가 많으며, 온실 내 수경 잎 채소의 성장이 느리고 생산 주기가 길어 시장 공급 수요를 충족할 수 없습니다. 최근 몇 년 동안 온실 재배 및 생산에 LED 식물 보조 조명이 어느 정도 사용되기 시작하여 자연광이 있을 때 온실에 매일 축적된 빛이 작물 성장의 요구를 충족시킬 수 없다는 결점을 어느 정도 보완했습니다. 불충분하다. 실험에서는 빛의 질이 다른 2종의 LED 보조조명을 온실에 설치하여 겨울철 수경상추와 푸른줄기의 생산량을 늘리는 탐사실험을 진행하였다. 그 결과, 두 종류의 LED 조명이 박초와 상추의 한 식물당 생중량을 크게 증가시킬 수 있는 것으로 나타났습니다. 박초의 수량 증대 효과는 잎의 비대, 굵어짐 등 전반적인 관능 품질 향상에 주로 반영되며, 상추의 수량 증대 효과는 잎 수 및 건물 함량의 증가에 주로 반영됩니다.

빛은 식물 성장에 없어서는 안될 부분입니다. 최근 몇 년 동안 LED 조명은 높은 광전 변환율, 사용자 정의 가능한 스펙트럼 및 긴 수명으로 인해 온실 환경에서 재배 및 생산에 널리 사용되었습니다 [1]. 외국에서는 관련 연구의 조기 시작과 성숙한 지원 시스템으로 인해 많은 대규모 화훼, 과일 및 채소 생산이 상대적으로 완전한 광 보충 전략을 가지고 있습니다. 또한 대량의 실제 생산량 데이터가 축적되어 생산자는 생산량 증가 효과를 명확하게 예측할 수 있습니다. 동시에 LED 보조광 시스템 사용 후 복귀도 평가된다[2]. 그러나 현재 국내 보조광에 관한 연구는 대부분 소규모 광질과 스펙트럼 최적화에 편향되어 있어 실제 생산에 활용할 수 있는 보조광 전략이 부족한 실정이다[3]. 많은 국내 생산자들은 생산지의 기후 조건, 생산되는 채소의 종류, 시설 및 장비의 조건에 관계없이 보조 조명 기술을 생산에 적용할 때 기존 외국 보조 ​​조명 솔루션을 직접 사용하게 될 것입니다. 또한, 보조 조명 장비의 높은 비용과 높은 에너지 소비로 인해 실제 작물 수확량과 경제적 수익 및 예상 효과 사이에 큰 격차가 발생하는 경우가 많습니다. 이러한 현 상황은 국내에서 빛을 보충하고 생산량을 늘리는 기술의 개발과 보급에 도움이 되지 않습니다. 따라서 성숙한 LED 보조광 제품을 실제 국내 생산 환경에 합리적으로 배치하고 사용 전략을 최적화하며 관련 데이터를 축적하는 것이 시급합니다.

겨울은 신선한 잎채소가 많이 찾는 계절이다. 온실은 실외 농경지보다 겨울철 잎채소 재배에 더 적합한 환경을 제공할 수 있습니다. 그런데 노후화되거나 청소상태가 좋지 않은 일부 온실의 경우 겨울에 빛투과도가 50% 미만이라는 기사가 나왔습니다. 또한 겨울에는 장기간의 우천도 발생하기 쉽기 때문에 온실의 온도가 낮습니다. 식물의 정상적인 성장에 영향을 미치는 온도 및 저조도 환경. 빛은 겨울 야채 성장을 제한하는 요인이 되었습니다[4]. 실제 제작에 투입된 그린큐브가 실험에 사용됐다. 얕은 액체 흐름의 잎채소 재배 시스템은 청색광 비율이 서로 다른 Signify (China) Investment Co., Ltd.의 2개 LED 상단 조명 모듈과 일치합니다. 시장수요가 큰 잎채소인 상추와 박초를 심는 것은 겨울온실에서 LED 조명을 이용한 수경잎채소의 실제 생산량 증가를 연구하는 것을 목표로 한다.

재료 및 방법
테스트에 사용된 재료

실험에 사용된 시험재료는 상추와 팩초이 야채였다. 상추 품종인 Green Leaf Lettuce는 베이징 Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd.에서 생산되었으며 박초 품종인 Brilliant Green은 상하이 농업과학원 원예연구소에서 생산되었습니다.

실험방법

실험은 2019년 11월부터 2020년 2월까지 상하이 그린큐브 농업개발유한공사 순차오 기지 원뤄형 유리온실에서 진행됐다. 총 2회 반복실험을 진행했다. 1차 실험은 2019년 말, 2차 실험은 2020년 초였다. 파종 후 실험자재를 육묘용 인공광기후실에 배치하고 조수관개를 이용하였다. 육묘기간 동안 관수는 EC 1.5, pH 5.5의 일반 수경채소 양액을 사용하였다. 묘목이 3엽 1단으로 성장한 후 그린 큐브 트랙형 얕은 흐름의 잎채소 재배단에 식재하였다. 식재 후 천류 양액 순환 시스템은 EC 2와 pH 6 양액을 매일 관수하였다. 관개 빈도는 물 공급 시 10분, 물 공급 중단 시 20분이었습니다. 실험에서는 대조군(광보충 없음)과 처리군(LED 조명보충)을 설정하였다. CK는 광보충 없이 유리온실에 심었습니다. LB: drw-lb Ho(200W)를 유리온실에 식재한 후 빛을 보충하는데 사용하였다. 수경채소 캐노피 표면의 광속밀도(PPFD)는 약 140μmol/(㎡·S)이었다. MB: 유리온실에 식재한 후 drw-lb(200W)를 이용하여 빛을 보충하였으며, PPFD는 약 140μmol/(㎡·S)이었다.

1차 실험 파종일은 2019년 11월 8일이고 파종일은 2019년 11월 25일이다. 시험군의 빛 보충 시간은 6:30-17:00이다. 2차 실험파종일은 2019년 12월 30일, 파종일은 2020년 1월 17일, 실험군의 보충시간은 4시~17시이다.
겨울의 화창한 날씨에는 온실에서 매일 환기를 위해 선루프, 측면 필름, 선풍기를 6:00~17:00에 개방합니다. 밤에 기온이 낮아지면 온실은 17:00~6:00(다음날)에 채광창, 사이드롤필름, 선풍기를 닫고, 밤의 보온을 위해 온실 내 보온커튼을 열어둡니다.

데이터 수집

칭징차이와 상추의 지상부를 수확한 후 식물의 높이, 잎수, 식물당 생중량을 구하였다. 생중량을 측정한 후 오븐에 넣고 75℃에서 72시간 동안 건조시켰다. 종료 후 건조 중량이 결정되었습니다. 온실 내 온도와 광합성 광자속 밀도(PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density)는 온도 센서(RS-GZ-N01-2)와 광합성 활성 방사선 센서(GLZ-CG)에 의해 5분마다 수집되어 기록됩니다.

데이터 분석

다음 공식에 따라 조명 사용 효율(LUE, Light Use Efficiency)을 계산합니다.
LUE(g/mol) = 단위 면적당 채소 수확량/식재부터 수확까지 단위 면적당 채소가 얻는 빛의 총 누적량
다음 공식에 따라 건물 함량을 계산합니다.
건물 함량(%) = 식물당 건조 중량/식물당 신선 중량 x 100%
Excel2016과 IBM SPSS Statistics 20을 활용하여 실험 데이터를 분석하고 차이의 유의성을 분석해 보세요.

재료 및 방법
빛과 온도

1차 실험은 파종부터 수확까지 46일이 걸렸고, 2차 실험은 파종부터 수확까지 42일이 걸렸다. 1차 실험 동안 온실 내 일일 평균 기온은 대부분 10~18℃ 범위였으며; 2차 실험에서는 일평균 최저기온이 8.39℃, 일평균 최고기온이 20.23℃로 1차 실험에 비해 온실 일평균기온의 변동폭이 더 심하였다. 일평균기온은 성장과정에서 전반적으로 상승하는 경향을 보였다(Fig. 1).

1차 실험 동안 온실 내 일광 적분(DLI) 변동폭은 14 mol/(㎡·D) 미만이었습니다. 2차 실험에서 온실 내 일일 누적 자연광량은 8 mol/(㎡·D) 이상으로 전반적으로 상승세를 보였으며, 2020년 2월 27일에 26.1 mol로 최대값을 나타냈습니다. /(㎡·D). 2차 실험에서 온실 내 일일 누적 자연광량의 변화는 1차 실험보다 컸다(Fig. 2). 1차 실험 동안 보조광군의 일일 총 누적 광량(자연광 DLI와 LED 보조광 DLI의 합)은 대부분 8mol/(㎡·D) 이상으로 나타났다. 2차 실험에서는 보조광군의 일일 총 누적 광량이 대부분 10 mol/(㎡·D) 이상인 것으로 나타났다. 2회차의 총보조광 누적량은 1회차에 비해 31.75mol/㎡ 증가하였다.

잎채소 수확량 및 빛 에너지 활용 효율성

●1차 테스트 결과
그림 3에서 알 수 있듯이, LED를 첨가한 박초이는 비첨가한 CK에 비해 더 잘 자라며, 식물의 모양이 더 콤팩트하고, 잎도 더 크고 두껍습니다. LB 박초이와 MB박초이 잎은 CK보다 더 밝고 어두운 녹색을 띕니다. 그림 4에서 알 수 있듯이, LED 보조광을 적용한 상추는 보조광을 적용하지 않은 CK에 비해 더 잘 자라며, 잎의 수도 많고, 식물의 모양도 더 풍성한 것을 알 수 있다.

표 1에서 볼 수 있듯이 CK, LB, MB를 처리한 박초의 식물 높이, 엽수, 건조물 함량, 빛 에너지 이용 효율에는 큰 차이가 없으나, LB와 MB를 처리한 박초의 생중량은 CK보다 훨씬 높습니다. LB와 MB 처리에서 청색광 비율이 다른 두 LED 성장등 사이에는 식물당 생중량에 큰 차이가 없었습니다.

표 2에서 볼 수 있듯이 LB 처리구가 CK 처리구에 비해 상추의 식물 높이가 유의하게 높았으나 LB 처리구와 MB 처리구 사이에는 유의한 차이가 없었습니다. 3가지 처리구의 잎개수에는 유의한 차이가 있었으며, MB 처리구의 잎개수는 27개로 가장 높았으며, 식물당 생중은 LB 처리구가 101g으로 가장 높았다. 두 그룹 간에도 유의미한 차이가 있었습니다. CK 처리구와 LB 처리구 사이에 건조물 함량에는 유의한 차이가 없었다. MB의 함량은 CK 및 LB 처리구보다 4.24% 더 높았습니다. 세 가지 처리 간에는 빛 사용 효율에 상당한 차이가 있었습니다. 광 이용 효율은 LB 처리구에서 13.23g/mol로 가장 높았고, CK 처리구에서 10.72g/mol로 가장 낮았습니다.

●2차 테스트 결과

표 3에서 알 수 있듯이 MB를 처리한 박초의 식물체 키는 CK 처리에 비해 유의하게 높았으며, LB 처리와 유의한 차이는 없었다. LB와 MB를 처리한 박초이의 잎개수는 CK를 처리한 처리구에 비해 유의하게 많았으나 광보충 처리구간에는 유의한 차이가 없었다. 세 가지 처리 간에 식물당 생중량에는 상당한 차이가 있었습니다. 식물당 생중량은 CK가 47g으로 가장 낮았고, MB 처리구가 116g으로 가장 높았다. 세 가지 처리 간 건물 함량에는 큰 차이가 없었습니다. 빛 에너지 활용 효율에는 상당한 차이가 있습니다. CK는 8.74g/mol로 낮고, MB 처리는 13.64g/mol로 가장 높습니다.

표 4를 보면 세 가지 처리구 모두 상추의 식물 높이에 큰 차이가 없음을 알 수 있다. LB와 MB 처리구의 잎 수는 CK 처리구보다 유의하게 높았습니다. 그 중 MB 잎수는 26개로 가장 높았다. LB 처리구와 MB 처리구의 잎수에는 큰 차이가 없었다. 두 그룹의 광보충 처리구의 식물당 생체중은 CK보다 유의하게 높았으며, 식물당 생체중은 MB 처리구가 133g으로 가장 높았다. LB와 MB 처리 간에도 상당한 차이가 있었습니다. 3가지 처리구간에 건조물 함량에 유의한 차이가 있었으며, LB 처리구의 건조물 함량이 4.05%로 가장 높았다. MB 처리의 광에너지 이용 효율은 12.67 g/mol인 CK 및 LB 처리의 광에너지 이용 효율보다 훨씬 높습니다.

2차 실험에서는 보조광군의 전체 DLI가 1차 실험 중 동일한 집락 일수 동안 DLI보다 훨씬 높았으며(그림 1-2), 보조광의 보조광 시간은 2차 실험(4:00-00-17:00)의 처리군. 1차 실험(6:30~17:00)과 비교하면 2.5시간이 늘었다. 박초이 2차 수확시기는 파종 후 35일이었다. 두 라운드에서 CK 개별 식물의 생중량은 비슷했습니다. 2차 실험에서 CK와 비교하여 LB와 MB 처리 시 식물당 생체중의 차이는 1차 실험에서 CK와 비교한 식물당 생체중의 차이보다 훨씬 컸다(표 1, 표 3). 2차 실험 상추의 수확 시기는 파종 후 42일이었고, 1차 실험 상추의 수확 시기는 파종 후 46일이었다. 2차 실험상추 CK 수확 시 집락일수는 1차 수확에 비해 4일 적었지만, 식물당 생중은 1차 실험에 비해 1.57배 증가하였으며, (표 2 및 표 4), 빛 에너지 활용 효율은 비슷합니다. 온도가 점차 올라가고 온실 내 자연광이 점차 증가함에 따라 상추의 생산주기가 단축되는 것을 알 수 있다.

재료 및 방법
두 차례의 테스트는 기본적으로 상하이에서 겨울 전체를 대상으로 진행되었으며, 대조군(CK)은 상대적으로 겨울철 저온, 저조도의 온실에서 수경 녹색 줄기와 상추의 실제 생산 상태를 복원할 수 있었습니다. 경질보충 실험군은 두 차례의 실험에서 가장 직관적인 데이터 지표(식물당 신선중량)에서 유의미한 촉진 효과를 보였다. 이 중 박초이의 수량증대 효과는 잎의 크기와 색상, 굵기에 동시에 반영됐다. 하지만 상추는 잎의 수가 늘어나 식물의 모양이 더 풍성해 보이는 경향이 있습니다. 테스트 결과는 두 가지 야채 카테고리의 재배 시 가벼운 보충이 생중량과 제품 품질을 향상시켜 야채 제품의 상품성을 높일 수 있음을 보여줍니다. 박초이 보충 적백색, 저청색, 적백색, 중청색 LED 탑라이트 모듈은 보조광이 없는 잎에 비해 외관상 짙은 녹색과 반짝반짝 빛나고, 잎이 더 크고 두꺼워지며, 성장 추세는 전체 식물 유형이 더 작고 활발합니다. 그러나 "모자이크 상추"는 연한 녹색 잎 채소에 속하며 성장 과정에서 뚜렷한 색상 변화 과정이 없습니다. 잎 색깔의 변화는 사람의 눈에는 뚜렷하지 않습니다. 청색광의 적절한 비율은 잎 발달과 광합성 색소 합성을 촉진하고 노드 간 신장을 억제할 수 있습니다. 따라서 가벼운 보충제 그룹의 야채는 외관 품질면에서 소비자에게 더 선호됩니다.

2차 실험에서는 1차 실험에서 동일한 집락일수 동안 보조광군의 일일 총 누적 광량이 DLI보다 훨씬 높았으며(그림 1-2), 보조광군의 일일 누적 광량은 DLI보다 훨씬 높았다. 2차 광보조군(4:00-17:00)의 시간은 1차 실험(6:30-17:00)에 비해 2.5시간 증가하였다. 박초이 2차 수확시기는 파종 후 35일이었다. 두 라운드에서 CK의 신선 중량은 비슷했습니다. 두 번째 실험에서 LB와 MB 처리와 CK의 식물당 생체중 차이는 첫 번째 실험에서 CK를 사용한 식물당 생체중의 차이보다 훨씬 컸습니다(표 1 및 표 3). 따라서 광보충 시기를 연장하는 것은 겨울 실내재배 수경박채의 생산량 증가를 촉진할 수 있다. 2차 실험 상추의 수확 시기는 파종 후 42일이었고, 1차 실험 상추의 수확 시기는 파종 후 46일이었다. 2차 실험 상추 수확 시 CK군의 집락일수는 1차 수확일보다 4일 적었다. 그러나 단일 식물의 생중량은 1차 실험의 1.57배였다(표 2 및 표 4). 빛에너지 이용효율도 비슷했다. 온도가 서서히 상승하고 온실 내 자연광이 점차 증가함에 따라(그림 1-2) 상추의 생산주기가 그에 따라 단축될 수 있음을 알 수 있다. 따라서 기온이 낮고 일조량이 적은 겨울철 온실에 보조 조명 설비를 추가하면 상추의 생산 효율을 효과적으로 향상시켜 생산량을 늘릴 수 있습니다. 1차 실험에서 빛을 보충한 엽맥 식물의 광소비량은 0.95kw-h였으며, 2차 실험에서 빛을 보충한 엽맥 식물의 광소비량은 1.15kw-h였다. 두 차례의 실험을 비교한 결과, 박초이 세 가지 처리구의 빛 소비량은 두 번째 실험의 에너지 이용 효율이 첫 번째 실험보다 낮았다. 두 번째 실험에서 상추 CK와 LB 보조 광처리구의 빛에너지 이용효율은 첫 번째 실험에 비해 약간 낮았다. 파종 후 일주일 이내에 일평균 기온이 낮아 완모 기간이 길어지고, 실험 중 기온이 조금 반등했지만 범위가 제한되어 전체 일 평균 기온이 여전히 유지된 것으로 추정된다. 이는 잎채소 수경재배의 전체 성장주기 동안 빛 에너지 활용 효율을 제한하는 낮은 수준입니다. (그림 1).

실험 중 양액풀에는 가온설비가 갖춰져 있지 않아 수경채소의 뿌리환경이 항상 낮은 온도 수준에 있었고, 일일 평균온도도 제한되어 있어 채소가 제대로 활용되지 못했습니다. LED 보조등을 확장하여 일일 누적 빛의 양을 늘렸습니다. 따라서 겨울철 온실에 빛을 보충할 때에는 적절한 보온 및 난방 대책을 고려하여 빛을 보충하여 생산량을 늘리는 효과를 확보할 필요가 있다. 따라서 겨울온실의 광보충 및 수량증대 효과를 확보하기 위해서는 보온 및 온도상승에 대한 적절한 대책을 고려할 필요가 있다. LED 보조등을 사용하면 어느 정도 생산 비용이 증가하며, 농업 생산 자체는 고수익 산업이 아닙니다. 따라서 겨울 온실에서 실제 수경잎 채소를 생산할 때 보조 조명 전략을 최적화하고 다른 조치와 협력하는 방법과 보조 조명 장비를 사용하여 효율적인 생산을 달성하고 빛 에너지 활용 효율성과 경제적 이익을 향상시키는 방법에 대해 설명합니다. , 아직 추가 생산 실험이 필요합니다.

저자: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao(상하이 그린 큐브 농업 개발 유한 회사).
기사 출처: 농업 공학 기술(온실 원예).

참고자료:
[1] Jianfeng Dai, 온실 생산에 필립스 원예 LED 적용 사례 [J]. 농업공학기술, 2017, 37(13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin 등. 보호된 과일 및 채소에 대한 가벼운 보충 기술의 적용 현황 및 전망 [J]. 북부원예학, 2018(17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao 등. 식물조명 연구 및 응용현황과 개발전략 [J]. 조명공학논문집, 013, 24(4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi 등. 온실 야채 생산에 광원 및 빛 품질 관리 적용 [J]. 중국 야채, 2012(2): 1-7