겨울철 온실 수경재배 상추 및 배추의 수확량 증대에 대한 LED 보조 조명의 효과 연구
[요약] 상하이의 겨울은 저온과 일조량 부족으로 인해 온실 내 수경재배 잎채소의 생육이 느리고 생산 주기가 길어 시장 수요를 충족시키기 어렵습니다. 최근 온실 재배 및 생산에 LED 식물 보조 조명이 도입되면서 자연광 부족으로 작물 생육에 필요한 일조량을 확보하지 못하는 문제를 어느 정도 보완하고 있습니다. 본 실험에서는 광질이 다른 두 종류의 LED 보조 조명을 온실에 설치하여 겨울철 수경재배 상추와 녹색 줄기 작물의 생산량 증대 효과를 탐색적으로 연구했습니다. 실험 결과, 두 종류의 LED 조명 모두 배추와 상추의 개체당 생중량을 유의하게 증가시키는 것으로 나타났습니다. 배추의 경우, 잎의 비대 및 두께 증가와 같은 전반적인 관능적 품질 개선이 주요 효과였으며, 상추의 경우 잎 수와 건물 함량 증가가 주요 효과였습니다.

빛은 식물 생장에 필수적인 요소입니다. 최근 LED 조명은 높은 광전 변환율, 맞춤형 스펙트럼, 긴 수명 등의 장점으로 온실 환경에서의 재배 및 생산에 널리 사용되고 있습니다[1]. 해외에서는 관련 연구가 일찍 시작되었고 지원 시스템이 잘 갖춰져 있어 많은 대규모 화훼, 과채 생산 시설에서 비교적 완벽한 보조 조명 전략을 구축해 왔습니다. 또한, 축적된 방대한 실제 생산 데이터를 통해 생산자들은 생산량 증대 효과를 명확하게 예측하고 LED 보조 조명 시스템 도입 후 투자 수익률을 평가할 수 있습니다[2]. 그러나 현재 국내의 보조 조명 관련 연구는 대부분 소규모의 광질 및 스펙트럼 최적화에 치우쳐 있으며, 실제 생산에 적용 가능한 보조 조명 전략이 부족합니다[3]. 많은 국내 생산자들은 생산 지역의 기후 조건, 재배 작물의 종류, 설비 및 장비 조건 등을 고려하지 않고 기존의 해외 보조 조명 솔루션을 그대로 도입하는 경우가 많습니다. 게다가, 보조 조명 장비의 높은 가격과 에너지 소비량은 실제 작물 수확량과 경제적 수익이 기대 효과와 크게 차이가 나는 결과를 초래하는 경우가 많습니다. 이러한 현 상황은 국내 보조 조명 기술의 발전과 보급, 그리고 생산량 증대에 도움이 되지 않습니다. 따라서, 성숙한 LED 보조 조명 제품들을 국내 실제 생산 현장에 합리적으로 도입하고, 활용 전략을 최적화하며, 관련 데이터를 축적하는 것이 시급합니다.

겨울은 신선한 잎채소에 대한 수요가 높은 계절입니다. 온실은 겨울철 노지 재배보다 잎채소 생육에 더 적합한 환경을 제공할 수 있습니다. 그러나 일부 노후되거나 위생 상태가 불량한 온실은 겨울철 광투과율이 50% 미만인 경우가 있다는 지적이 있었습니다. 또한 겨울철에는 장기간 비가 내리는 경우가 잦아 온실 내부가 저온 저조도 환경에 놓이게 되어 식물의 정상적인 생육에 악영향을 미칩니다. 따라서 겨울철 채소 생육에 있어 광량은 제한 요소가 되고 있습니다[4]. 본 실험에서는 실제 생산에 투입된 그린 큐브(Green Cube)를 사용했습니다. 얕은 수류식 잎채소 재배 시스템에 시그니파이(중국) 투자 유한회사의 청색광 비율이 다른 두 가지 LED 상부 조명 모듈을 장착했습니다. 시장 수요가 높은 상추와 배추를 재배하여 겨울철 온실 환경에서 LED 조명이 수경재배 잎채소 생산량 증가에 미치는 영향을 실증하고자 했습니다.

재료 및 방법
시험에 사용된 재료

실험에 사용된 시험 재료는 상추와 배추였다. 상추 품종인 '그린 리프 상추'는 베이징 딩펑 현대농업개발유한공사에서, 배추 품종인 '브릴리언트 그린'은 상하이 농업과학원 원예연구소에서 공급받았다.

실험 방법

본 실험은 2019년 11월부터 2020년 2월까지 상하이 그린큐브 농업개발유한공사(Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd.)의 쑨차오 기지(Sunqiao Base)에 위치한 원루오형 유리 온실에서 진행되었다. 총 2회의 반복 실험을 실시하였다. 1차 실험은 2019년 말에, 2차 실험은 2020년 초에 시행하였다. 파종 후, 실험 재료는 인공 조명 환경의 온실에서 모종 재배하였고, 조수 관개 방식을 사용하였다. 모종 재배 기간 동안에는 EC 1.5, pH 5.5의 수경재배용 일반 영양액을 관개하였다. 모종이 3엽과 1심이 나온 후, 그린큐브 트랙형 얕은 유동식 잎채소 재배상에 옮겨 심었다. 이식 후에는 얕은 유동식 영양액 순환 시스템을 이용하여 EC 2, pH 6의 영양액을 매일 관개하였다. 관개 빈도는 10분간 급수 후 20분간 급수 정지였다. 본 실험에서는 대조군(광 보조 없음)과 처리군(LED 광 보조)을 설정하였다. 대조군(CK)은 광 보조 없이 유리 온실에 재배하였다. 처리군(LB)은 유리 온실에 재배한 후 drw-lb Ho(200W)를 사용하여 광을 보조하였다. 수경재배 채소 군락 표면의 광량밀도(PPFD)는 약 140 μmol/(㎡·S)였다. 처리군(MB)은 유리 온실에 재배한 후 drw-lb(200W)를 사용하여 광을 보조하였고, PPFD는 약 140 μmol/(㎡·S)였다.

1차 실험 파종일은 2019년 11월 8일이며, 파종일은 2019년 11월 25일입니다. 실험군의 광 보충 시간은 오전 6시 30분부터 오후 5시까지입니다. 2차 실험 파종일은 2019년 12월 30일이며, 파종일은 2020년 1월 17일입니다. 실험군의 광 보충 시간은 오전 4시부터 오후 5시까지입니다.
겨울철 맑은 날씨에는 온실의 채광창, 측면 롤 필름, 환풍기를 매일 오전 6시부터 오후 5시까지 가동하여 환기합니다. 밤에 기온이 낮아지면 오후 5시부터 다음 날 오전 6시까지 채광창, 측면 롤 필름, 환풍기를 닫고, 온실 내부의 단열 커튼을 열어 야간 보온을 유지합니다.

데이터 수집

청경채와 상추의 지상부를 수확한 후, 식물 높이, 잎 수, 그리고 개체당 생중량을 측정하였다. 생중량을 측정한 후, 수확물을 오븐에 넣어 75℃에서 72시간 동안 건조시켰다. 건조가 끝난 후, 건중량을 측정하였다. 온실 내 온도와 광합성 광자속밀도(PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density)는 온도 센서(RS-GZ-N01-2)와 광합성 유효 복사 센서(GLZ-CG)를 이용하여 5분 간격으로 측정 및 기록하였다.

데이터 분석

다음 공식에 따라 광 이용 효율(LUE, Light Use Efficiency)을 계산하십시오.
LUE (g/mol) = 단위 면적당 채소 수확량 / 파종부터 수확까지 단위 면적당 채소가 얻은 총 누적 광량
다음 공식에 따라 건조물 함량을 계산하십시오.
건조물 함량(%) = 식물체당 건조 중량 / 식물체당 생중량 × 100%
실험 데이터를 분석하고 차이의 유의성을 분석하기 위해 Excel 2016과 IBM SPSS Statistics 20을 사용하십시오.

재료 및 방법
빛과 온도

1차 실험은 파종부터 수확까지 46일이 걸렸고, 2차 실험은 파종부터 수확까지 42일이 걸렸다. 1차 실험 기간 동안 온실 내 일평균 온도는 대부분 10~18℃ 범위였지만, 2차 실험 기간에는 일평균 온도의 변동폭이 1차 실험보다 더 컸으며, 최저 일평균 온도는 8.39℃, 최고 일평균 온도는 20.23℃를 기록했다. 일평균 온도는 생육 기간 동안 전반적으로 상승 추세를 보였다(그림 1).

1차 실험 기간 동안 온실 내 일일 광량 적산값(DLI)은 14 mol/(㎡·D) 미만으로 변동했습니다. 2차 실험 기간 동안 온실 내 일일 누적 자연광량은 전반적으로 상승 추세를 보였으며, 8 mol/(㎡·D) 이상을 기록했고, 2020년 2월 27일에 26.1 mol/(㎡·D)로 최고치를 나타냈습니다. 2차 실험 기간 동안 온실 내 일일 누적 자연광량의 변화폭은 1차 실험 기간보다 컸습니다(그림 2). 1차 실험 기간 동안 보조광 그룹의 일일 총 누적 광량(자연광 DLI와 LED 보조광 DLI의 합)은 대부분 8 mol/(㎡·D) 이상이었습니다. 2차 실험 기간 동안 보조광 그룹의 일일 총 누적 광량은 대부분 10 mol/(㎡·D) 이상이었습니다. 2차 조사에서 누적된 보조광량은 1차 조사보다 31.75mol/㎡ 더 많았다.

잎채소 수확량 및 광에너지 이용 효율

●1차 시험 결과
그림 3에서 볼 수 있듯이 LED 조명을 보조한 배추는 LED 조명을 보조하지 않은 대조군(CK)에 비해 생육이 더 좋고, 수형이 더 촘촘하며, 잎이 더 크고 두껍습니다. LB와 MB 처리구의 배추 잎은 대조군보다 녹색이 더 밝고 짙습니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 LED 조명을 보조한 상추는 LED 조명을 보조하지 않은 대조군(CK)에 비해 생육이 더 좋고, 잎의 수가 더 많으며, 수형이 더 풍성합니다.

표 1에서 볼 수 있듯이, CK, LB, MB로 처리한 배추의 초장, 잎 수, 건물 함량, 광 에너지 이용 효율에는 유의미한 차이가 없었지만, LB와 MB로 처리한 배추의 생중량은 CK보다 유의하게 높았다. 또한, LB와 MB 처리에서 청색광 비율이 다른 두 LED 재배등 간에는 개체당 생중량에 유의미한 차이가 없었다.

표 2에서 볼 수 있듯이, LB 처리구의 상추 초장은 대조군(CK)보다 유의하게 높았지만, LB 처리구와 MB 처리구 사이에는 유의한 차이가 없었습니다. 잎의 수는 세 처리구 간에 유의한 차이가 있었으며, MB 처리구의 잎 수가 27개로 가장 많았습니다. 식물체당 생중량은 LB 처리구가 101g으로 가장 높았으며, 두 그룹 간에도 유의한 차이가 있었습니다. 건조물 함량은 대조군과 LB 처리구 사이에 유의한 차이가 없었지만, MB 처리구의 함량이 대조군과 LB 처리구보다 4.24% 높았습니다. 광 이용 효율은 세 처리구 간에 유의한 차이가 있었으며, LB 처리구가 13.23 g/mol로 가장 높았고, 대조군이 10.72 g/mol로 가장 낮았습니다.

●2차 시험 결과

표 3에서 볼 수 있듯이, MB 처리구의 배추 초장은 대조군(CK)보다 유의하게 높았으며, LB 처리구와는 유의한 차이가 없었다. LB와 MB 처리구의 배추 잎 수는 대조군보다 유의하게 많았지만, 두 보조광 처리구 간에는 유의한 차이가 없었다. 개체당 생중량은 세 처리구 간에 유의한 차이가 있었다. 대조군의 생중량이 47g으로 가장 낮았고, MB 처리구가 116g으로 가장 높았다. 건조물 함량은 세 처리구 간에 유의한 차이가 없었다. 광 이용 효율은 유의한 차이를 보였다. 대조군이 8.74g/mol로 가장 낮았고, MB 처리구가 13.64g/mol로 가장 높았다.

표 4에서 볼 수 있듯이, 세 처리 간 상추의 초장에는 유의미한 차이가 없었습니다. 잎 수는 LB와 MB 처리에서 대조군(CK)보다 유의하게 많았으며, 그중 MB 처리의 잎 수가 26개로 가장 많았습니다. LB와 MB 처리 간에는 잎 수에 유의미한 차이가 없었습니다. 두 보조광 처리군의 개체당 생중량은 대조군보다 유의하게 높았으며, MB 처리에서 133g으로 가장 높았습니다. LB와 MB 처리 간에도 유의미한 차이가 있었습니다. 건물 함량은 세 처리 간에 유의미한 차이가 있었으며, LB 처리의 건물 함량이 4.05%로 가장 높았습니다. 광 에너지 이용 효율은 MB 처리가 12.67 g/mol로 대조군과 LB 처리보다 유의하게 높았습니다.

2차 실험에서 보조광 처리군의 총 일광량(DLI)은 1차 실험과 동일한 배양 기간 동안의 DLI보다 훨씬 높았습니다(그림 1-2). 또한, 2차 실험에서 보조광 처리군의 보조광 조사 시간(4:00-17:00)은 1차 실험(6:30-17:00)에 비해 2.5시간 증가했습니다. 두 차례 실험 모두 배추 수확 시기는 파종 후 35일이었습니다. 두 차례 실험에서 대조군(CK) 개체의 생중량은 유사했습니다. 2차 실험에서 저광량(LB) 및 저광량(MB) 처리군의 개체당 생중량 차이는 1차 실험에서 대조군 대비 개체당 생중량 차이보다 훨씬 컸습니다(표 1, 표 3). 2차 실험 배추의 수확 시기는 파종 후 42일이었고, 1차 실험 배추의 수확 시기는 파종 후 46일이었습니다. 2차 실험 상추 대조군(CK) 수확 시점의 균근 형성 기간은 1차 실험보다 4일 짧았지만, 개체당 생중량은 1.57배 높았고(표 2 및 표 4 참조), 광 이용 효율은 유사했다. 이는 온도가 점차 상승하고 온실 내 자연광이 증가함에 따라 상추의 생산 주기가 단축됨을 보여준다.

재료 및 방법
두 차례에 걸친 실험은 상하이의 겨울 전체를 대상으로 진행되었으며, 대조군(CK)은 겨울철 저온 및 저조도 환경의 온실에서 재배되는 수경재배 녹색 채소와 상추의 실제 생산 상태를 비교적 잘 재현했습니다. 광 보충 실험군은 두 차례 실험 모두에서 가장 직관적인 데이터 지표(개체당 생중량)에서 유의미한 향상 효과를 보였습니다. 특히 배추의 경우, 수확량 증가 효과는 잎의 크기, 색깔, 두께에서 동시에 나타났습니다. 상추는 잎의 개수가 증가하고 식물 형태가 더욱 풍성해지는 경향을 보였습니다. 실험 결과는 광 보충이 두 채소 재배 시 생중량과 제품 품질을 향상시켜 채소 제품의 상품성을 높일 수 있음을 보여줍니다. 적백색, 저청색 및 적백색, 중청색 LED 상단 조명 모듈을 조사한 배추는 광 보충을 하지 않은 배추에 비해 잎이 더 짙은 녹색을 띠고 윤기가 있으며, 잎이 더 크고 두꺼우며, 전체적인 생장 형태가 더욱 촘촘하고 왕성한 것으로 나타났습니다. 하지만 '모자이크 상추'는 연녹색 잎채소에 속하며, 생장 과정에서 뚜렷한 색 변화가 나타나지 않습니다. 잎 색깔 변화는 육안으로 거의 구별할 수 없습니다. 적절한 양의 청색광은 잎 발달과 광합성 색소 합성을 촉진하고 마디 길이 증가를 억제합니다. 따라서 청색광을 보충해 준 채소는 외관상 품질이 더 좋아 소비자들에게 선호됩니다.

2차 실험에서 보조광 처리군의 일일 누적 총 광량은 1차 실험과 동일한 파종 기간 동안의 일일 광량(DLI)보다 훨씬 높았습니다(그림 1-2). 또한, 2차 실험의 보조광 처리군의 보조광 조사 시간(4:00-17:00)은 1차 실험(6:30-17:00)에 비해 2.5시간 증가했습니다. 두 차례의 배추 수확 시기는 파종 후 35일이었습니다. 두 차례 실험 모두 대조군(CK)의 생중량은 유사했습니다. 2차 실험에서 저광량(LB) 및 저광량(MB) 처리군과 대조군 간의 개체당 생중량 차이는 1차 실험에서 대조군과의 개체당 생중량 차이보다 훨씬 컸습니다(표 1 및 표 3). 따라서, 보조광 조사 시간을 연장하면 겨울철 실내 수경재배 배추의 생산량 증가를 촉진할 수 있습니다. 2차 실험 상추의 수확 시기는 파종 후 42일이었고, 1차 실험 상추의 수확 시기는 파종 후 46일이었다. 2차 실험 상추 수확 시 대조군(CK)의 균근 형성 기간은 1차 실험보다 4일 짧았다. 그러나 개별 식물체의 생중량은 1차 실험보다 1.57배 높았다(표 2 및 표 4). 광 이용 효율은 유사했다. 온도가 서서히 상승하고 온실 내 자연광이 점차 증가함에 따라(그림 1-2), 상추의 생산 주기가 그에 따라 단축됨을 알 수 있다. 따라서 저온 및 저조도의 겨울철에 온실에 보조 조명 설비를 추가하면 상추의 생산 효율을 효과적으로 향상시켜 생산량을 증가시킬 수 있다. 1차 실험에서 잎채소 보조광을 처리한 경우의 전력 소비량은 0.95kWh였고, 2차 실험에서는 1.15kWh였다. 두 실험을 비교했을 때, 배추의 세 가지 처리 모두에서 광 소비량 대비 에너지 이용 효율은 2차 실험에서 1차 실험보다 낮았다. 또한, 2차 실험에서 상추의 대조군(CK)과 보조광을 처리한 LB군의 광 에너지 이용 효율은 1차 실험보다 약간 낮았다. 이는 파종 후 일주일 동안 일평균 기온이 낮아 유묘 생육 기간이 길어졌고, 실험 기간 동안 기온이 다소 반등했지만 그 범위가 제한적이었으며, 전체 일평균 기온이 여전히 낮은 수준을 유지하여 잎채소 수경재배의 전체 생육 주기 동안 광 에너지 이용 효율을 저해했기 때문으로 추정된다(그림 1).

실험 기간 동안 영양액조에 가열 장비가 설치되지 않아 수경재배 잎채소의 뿌리 환경 온도가 항상 낮게 유지되었고, 일일 평균 온도가 제한되어 LED 보조 조명 연장을 통해 증가된 일일 누적 광량을 채소가 충분히 활용하지 못했습니다. 따라서 겨울철 온실에서 보조 조명을 사용할 때는 생산량 증대 효과를 확보하기 위해 적절한 보온 및 가열 조치를 고려해야 합니다. 즉, 겨울철 온실에서 보조 조명의 효과와 수확량 증대를 보장하기 위해 적절한 보온 및 온도 상승 조치를 고려해야 합니다. LED 보조 조명의 사용은 생산 비용을 일정 부분 증가시키며, 농업 생산 자체가 고수율 산업이 아니므로, 겨울철 온실에서 수경재배 잎채소의 실제 생산에 있어 보조 조명 전략을 최적화하고 다른 조치들과 어떻게 연계해야 하는지, 보조 조명 장비를 활용하여 효율적인 생산을 달성하고 광에너지 이용 효율 및 경제적 이익을 향상시키는 방법에 대해서는 추가적인 생산 실험이 필요합니다.

저자: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao(상하이 그린 큐브 농업 개발 유한 회사).
기사 출처: 농업공학기술(온실원예).

참고 자료:
[1] 다이젠펑, 필립스 원예용 LED를 온실 생산에 적용한 사례 [J]. 농업공학기술, 2017, 37(13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin 등. 보호 재배 과일 및 채소의 광보충 기술 적용 현황 및 전망 [J]. 북방원예, 2018(17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao 등. 식물 조명의 연구 및 응용 현황과 개발 전략 [J]. 조명공학저널, 013, 24(4): 1-7
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