Journal of Bio-Environment Control ISSN:1229-4675(Print) 2765-3641(Online) 생물환경조절학회지

시설 내 작물이 이용하는 수광특성의 이해와 지속적으로 변화하는 광환경의 추적은 광합성과 증산반응 연구에서 중요하다. 또한 재배기간 동안 작물이 생장함에 따라 광이용 형태가 지속적으로 변화한다. 따라서 본 연구에서는 작물의 생육을 반영한 흡광계수 추정 모델을 개발하였다. 흡광계수의 측정을 위하여 작물의 높이에 따라 수직으로 일사량계를 5개 설치하였으며, 작물의 전 생육기간(1－85DAT) 동안 1초 단위로 측정을 하였다. 초기, 중기, 후기 각각의 생육단계에 따라 최상단 광량과 최하단의 광량의 차이가 69%, 72%, 81%로 증가하는 경향을 보였다. LAI와 초장이 증가함에 따라 흡광계수는 감소하였으며, 지수적 감소 관계를 보였다. 두 생육지표를 모두 반영한 3차원 모델에서는 Paraboloid 식이 평균 제곱근 오차(RMSE)가 1.340으로 가장 낮았고, 결정계수(R²)는 0.968로 가장 높았다. 본 연구를 통하여 작물 재배기간 동안 보다 정확한 흡광계수를 예측할 수 있게 되었고, 이는 작물의 높이에 따른 광합성 및 증산량 예측과 분석 연구에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 육묘장에서 인력 또는 관행 자동관수장치의 활용도 조사를 통해 관수장치의 문제점과 그 개선점을 파악하여 균일관수가 가능한 스마트 관수장치를 개발하고 그 성능을 분석하였다. 자동관수와 인력관수의 평균 관수량은 각각 28.7 ±4.4g과 14.2±4.3g으로 두 조건 모두 변동계수가 30% 이내로 균일관수로 판단할 수 있다. 그렇지만 변동계수가 30%인 인력관수에 비해 자동관수는 15%로 균일도가 높았다. 개발된 균일관수장치에 탑재된 분사각이 80°인 노즐은 이론상 600mm 높이에서 가장 균일한 것으로 분석되었고, 균일관수장치를 이용한 관수시험 결과 중앙부의 관수 균일도는 평균 대비 20% 이내이지만 가장자리부는 중앙부에 비해 50% 이상 관수량이 적었다. 균일관수장치를 활용한 토마토 접목묘 재배시험 결과, 시험기간 10일간 중앙부는 초장이 평균 72mm 생장한 데 비해 가장자리부는 평균 28mm 생장하여 가장자리부에 대한 추가 관수가 필요한 것으로 나타났다. 가장자리부 추가 관수장치를 부착하여 관수할 경우 중앙부에 비해 가장자리부의 관수량은 50% 이상이었으며, 중앙부에서는 분사각의 겹침으로 인하여 관수량의 차이는 발생하였으나, 그 차이는 30% 이내였다. 가장자리 집중관수 시스템 활용 시 각 지점별 생장 차이는 있으나, 10일간 생육을 비교하면 양측 가장자리의 평균 생장률은 24%, 중앙부의 평균 생장률은 26%인 점을 고려하면 균일관수장치에 비해 생장 균일도가 높았다. 모종의 초장 균일도 향상을 위해서는 관수장치의 진행방향에 거리센서를 설치하여 작물의 생장에 따라 관수장치의 높이를 조절이 필요할 것으로 판단된다.

장미는 전세계적으로 가장 많이 생산되는 화종 중 하나로, 절화 장미는 시설 내부에서 연중 생산된다. 최근 여름철 시설 내부 온도 상승으로 인해 절화장 단축 등 절화 장미의 품질 저하가 심각하게 발생하고 있다. 본 연구는 계절별 절화 품질 및 수량을 비교하여 여름철 생산된 절화 장미의 품질 특성을 파악하고, 고온기 야간 냉방을 통한 온도 하강 효과와 여름철 절화 품질 개선 효과를 검정하고자 수행하였다. ‘Pink Beauty’은 여름철 절화장, 화수장, 경경, 화수경경, 화폭, 생체중 등이 통계적으로 유의하게 저하되었으며, ‘Pink Shine’은 여름철 절화장, 경경, 화폭 및 화고, 생체중이 통계적으로 유의하게 저하되었다. 고온기 야간 냉방을 수행한 결과, 7－8월 온실 내부 평균 온도는 약 2.5℃ 저하되었으며, 배지 평균 온도는 약 3.0℃ 감소되었다. 고온기 야간 냉방 시 절화 품질 및 수량을 비교한 결과 세 품종 모두 야간 냉방 시 절화장, 생체중, 경경 등 절화 품질이 향상되었다. 이를 통해 고온기 야간 냉방이 여름철 절화 장미의 품질 저하 문제 해결에 도움이 될 것으로 기대된다.

자당(suc)은 포도당(glu)과 과당(fru)으로 구성된 이당류로, 식물에서 양분으로 작용하여 탄수화물 공급을 공급하는 분자일 뿐만 아니라, 신호 분자로서도 작용하여 당 특이적 신호전달을 유도하고 유전자 발현과 대사물질을 변화시킨다. 본 연구에서는 쑥에서 생리활성물질의 증진이 뿌리를 통한 자당 흡수로 인한 당 특이적 신호전달로 인한 것인지 아니면 삼투 또는 생물학적 스트레스와 같은 다른 요인으로 인해 유도된 것인지를 확인하고자 수행되었다. 삼투 스트레스와의 비교를 위해 삽목을 통해 발근된 쑥 묘를 정식 4주 후 3일간 만니톨(man)과 suc을 3가지 농도로(10mM, 30mM, 50mM) 호글랜드 양액과 함께 처리하였다. 3일간의 man과 suc 처리는 쑥의 지상부 생체중에 유의적인 차이를 나타내지 않았다. 총 페놀 함량, 총 플라보노이드 그리고 항산화도는 man과 suc 처리구에서 서로 다른 증진 패턴을 보였으며, suc 처리가 man로 유도된 삼투 스트레스와는 다른 기작으로 생리활성물질을 증진시키는 것을 확인하였다. 또한, suc 50mM 처리된 쑥 추출물은 에탄올로 유도된 알코올 자극과 t-BHP로 유도된 산화 스트레스에 대해 각 1.7배, 1.6배 높은 HepG2 cell 보호 효과를 나타냈다. suc처리와 생물학적 스트레스의 비교를 위해 suc 30mM 처리된 용액에서 배양하여 미생물을 얻은 후 이를 suc 30mM과 같이 또는 미생물 만을 정식 후 3주된 쑥에 3일간 양액과 함께 처리하였다. 처리 3일 차에 지상부 생체중의 변화 없이 당 함량이 미생물 처리 여부와 상관없이 suc 처리구들에서 유의적으로 대조구와 미생물 처리에 비해 증가하였다. 또한, 총 페놀 함량과 항산화도 역시 suc 30mM과 suc 와 미생물 혼합 처리구에서 미생물 처리구에 비해 증가하였다. 따라서, 양액 내 suc 처리로 인한 생리활성물질의 증진이 부수적인 스트레스에 의한 것이 아닌, suc 신호전달 효과임을 확인하였다. 본 실험은, 수경재배에서 뿌리를 통한 자당의 신호전달 효과로 인한 생리활성물질의 증진이 유도된다는 가능성을 제시한다.

식물공장에서 생육 모델링은 안정적인 생산과 수확량을 조절하는 데 필수적일 뿐만 아니라 환경 데이터와 생육량의 관계를 비교하여 환경 조건을 제어할 수 있는 도구가 되기도 한다. 본 연구는 식물공장에서 재배하는 들깨[Perilla frutescens (L.) Britt.]에 대해 선형지수함수를 이용해 모델링하였다. 광도, 광주기, 혼합광의 비율을 각각 130µmol·m^-2·s^-1, 12/12시간, R:G:B(7:1:2)로 설정하여 정식한 후 화아분화가 발생할 때까지 12회 생육 조사하였고, 건물중과 생체중 예측을 위해 선형지수함수를 이용하여 모델링하였다. 생체중과 건물중 간의 상관계수는 가장 높은 양의 상관관계(r = 0.996)를 보였고, 생체중과의 관계에서 건물중을 제외하면 엽면적, 초장, 엽수, 마디수, 엽장, 엽폭의 순으로 높은 양의 상관관계를 나타내었다. 생육 예측을 위한 독립변수로 정식 후 일수, 엽면적과 초장을 사용하였는데, 생육 예측을 위한 적합한 독립변수로는 엽면적이었다. 다만, 생육을 예측하기 위한 파괴적인 방법 또는 비파괴적인 방법에 대해 고려해야 할 것이다. 본 연구에서 식물공장에서 들깨의 생육을 예측하기 위한 생육 모델식을 만들었다.

토마토 재배 작형 중 반촉성재배는 저온기 육묘가 특징으로 저온에 내성을 갖는 접목묘를 사용하면 겨울철 난방비를 절감할 수 있다. 본 연구는 반촉성 수경재배 시 방울토마토 대목 종류에 따라 나타나는 생육과 수량 변화를 비교 분석하고 엽 내 양분 함량을 측정하여 국내에서 육성한 대목의 성능을 검정하고자 수행하였다. 실험 재료로는 대목 계통 ‘HSF4’, ‘21LM’, ‘21A701’과 대조 대목품종 ‘B-blocking’을 사용하였으며, 접수 품종으로 대추방울토마토 ‘Nonari’를 사용하여 접목 처리구 4개와 비접목 처리구 1개를 실험에 사용하였다. 정식 후 160일에 ‘21A701’ 대목 처리구의 줄기직경은 8.26mm로 대조 대목 처리구인 ‘B-blocking’보다 0.27mm 더 두꺼웠고 비접목 처리구는 7.23mm로 얇았다. 정식 후 153일에 ‘21LM’ 처리구의 개화위치는 18.0cm로 ‘B-blocking’보다 6.2cm 더 높았고, 비접목 처리구는 9.6cm로 낮았다. ‘21A701’의 주당 총 수량은 3,387g으로 ‘B-blocking’보다 11% 높았고 비접목 처리구와 ‘HSF4’보다 각각 22%와 24% 더 높았다. 정식 후 167일에 ‘21LM’의 NO₃-N 농도는 1,746mg·L^-1로 높았고 비접목 처리구와 ‘HSF4’는 각각 1,252mg·L^-1와 1,245mg·L^-1으로 낮았다. ‘21A701’과 ‘21LM’은 뿌리 활력이 강해 생장과 수량이 다른 처리구에 비해 증가한 것으로 판단된다. ‘HSF4’의 주당 총 수량이 적은 이유는 접목 친화성이 낮아 양수분의 이동이 약하고 이에 따라 생장과 엽내 질산태 질소 함량이 감소한 것으로 판단된다. 처리 간 수량과 생육 정도가 생육 후기 엽내 양분 함량과 비슷한 양상을 보여 엽병 즙액 분석을 통해 대목의 성능을 분석할 수 있는 것으로 판단된다.

고압나트륨등(high-pressure sodium, HPS 램프)은 작물 생육 발달에 필요한 충분한 양의 광합성유효방사를 제공하는 동시에 복사열을 통해 온실 난방 부하를 절감할 수 있어 겨울철 시설원예 보광 조명으로 널리 이용되고 있다. 그러나 겨울철에 생육 중기를 맞이하는 시설 과채류의 경우, 작물의 정단부가 복사열에 영향을 많이 받고, 캐노피 위치에 따라 엽온 차이가 증가될 수 있다. 또한 온실 기온 역시 보광등에서 발생한 열이 상부로 상승 및 정체되면서 불필요한 에너지 낭비 및 온도 불균일성 역시 심화될 수 있다. 따라서 본 연구의 목표는 CFD 열전달 해석을 통해 HPS 램프에 의한 열적 특성 및 생육 단계별 수평적 엽온 변화를 분석하고, 온실 내 수직적 기온 및 작물의 캐노피별 엽온을 측정하여, 온실 내 환경 균일성 제고 및 효과적 에너지 활용 방안을 모색하는 것이었다. 생육 초기, 중기, 및 후기를 대변하는 초장(1.0, 1.6, 2.2m)에서의 정단부 수평적 엽온을 CFD 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 또한 HPS 램프 작동 이후 수직적 기온과 캐노피 높이별 엽온을 측정하였다. 실험 결과, 보광 시 엽온과 기온 간의 차이가 커지고, 수직적 기온 역시 불균일해짐을 알 수 있었다. 생육 단계가 진전될수록, 고온의 복사열이 중심부에 집중되며, 상단부 수평적 엽온 편차가 커지고, 균일성 역시 떨어지는 것을 알 수 있었다. 열 획득 모델을 통한 수치해석 결과, 보광등이 2022년 12월 기간난방부하에 약 50.1% 기여하는 것을 알 수 있었다. 평균절대오차 및 평균제곱근 오차는 생육 초기 및 생육 중기 모두 0.5 이하로, 실측값과 예측값에 높은 일치도를 보였다. 수직적 기온 및 엽온 분포와 생육 단계별 수평적 엽온 분포에 관한 본 연구의 결과는 효율적 에너지 관리 및 작물 생육 발달에 관한 의사결정에 도움이 될 수 있을 것으로 생각된다.

본 연구에서는 새만금과 같은 간척지를 활용하여 대규모 첨단온실단지를 조성하는 경우 간척지의 환경적 특수성 중 높은 풍속에 따른 유리 단열재의 에너지 효율을 평가하였다. 현장에서 주로 사용되는 온실 단열재 중 4가지에 대한 평가 결과, 최대 37.4%의 에너지 차이를 보여, 온실 피복재의 선정이 중요함을 제시하였다. 이를 바탕으로 일반적인 내륙에서의 온실을 설계하는 것과 달리, 간척지에서는 내재해성 온실규격을 따라 시설을 설계하여야 하며, 에너지 소비량은 높아진 풍속과 재질을 고려하여 산정되어야 한다. 본 연구의 결과는 에너지 효율성을 온실 피복재의 종류와 풍속에 따라서 제시하고 있으며, 이는 대규모 첨단온실 조성 시 에너지 소비량을 예측하고, 이를 바탕으로 신재생에너지원을 포함하는 에너지 설계에 활용될 수 있다.

CAM 식물은 야간에 기공을 열어 CO₂를 흡수하는 식물로 환기하지 않는 야간에 시설 내 발생한 잉여 CO₂를 광합성에 이용할 수 있다. 게발선인장은 다화성으로, 엽상경 수가 많을수록 상품성이 높아진다. 본 연구는 게발선인장의 야간 CO₂ 시비 적용 가능성을 파악하기 위하여 생육 적정 환경인 생육상과 실제 농가의 환경에 따른 온실에서 엽상경별 광합성 특성을 조사하였다. 생육상 내 게발선인장 상위 엽상경은 주간에만 CO₂ 흡수를 하는 C₃ 특성을 보였으며, 2차 엽상경은 주/야간 모두 CO₂ 흡수를 하는 C₃–CAM 특성을 보였다. 온실에서 상위 엽상경은 CO₂ 흡수를 하지 않았으나, 2차 엽상경은 야간에 CO₂ 흡수를 하는 CAM 특성을 보였다. 생육상 내 게발선인장의 기공전도도와 수분이용효율은 온실 내 식물에 비하여 모든 엽상경에서 높은 값을 나타냈다. 게발선인장의 수분이용효율은 생육상과 온실에서 모두 CAM 특성이 나타나는 2차 엽상경에서 상위 엽상경에 비하여 높았다. 일일 총 CO₂ 흡수율은 온실 내 식물에 비하여 생육상 내 식물에서 더 높게 나타났으며, 생육상 내 게발선인장의 2차 엽상경에서 값이 155mmol·m^–2·d^–1로 가장 높았다. 게발선인장 ‘핑크듀’는 성숙한 엽상경에서 야간에 CO₂ 흡수가 활발히 일어나는 CAM 특성을 나타낸다. 다화성으로 시장성이 높은 게발선인장 ‘핑크듀’는 적정 환경과 성숙한 엽상경에서 효율적인 야간 탄소 흡수가 가능한 식물이다.

멜론은 풍부한 비타민과 섬유질을 제공하는 작물로 대부분 토양에서 재배하고 있다. 그러나 수경재배를 통해 생산량과 품질을 높이기 위한 시도가 늘어나고 있는 추세에 있으며, 생육을 최대화할 수 있는 배지에 대한 요구도가 높은 작물이다. 본 연구에서는 입상 암면 배지를 이용하여 근권부 용량을 다르게 수경재배한 경우와 코이어 및 암면 슬라브 배지를 활용하여 수경재배한 경우 멜론의 수체와 과실의 생육에 어떠한 영향이 있는지 파악하고자 하였다. ‘금세계’ 품종(Cucumis melo L. cv. Geumsegye)을 입상 암면 용량을 1.0, 1.5, 2.0, 3.0, 4.0L로 달리하여 수경재배하였으며, 코이어 슬라브와 암면 슬라브를 사용해 재배하였다. 작물의 초장, 엽장, 엽폭 등 생육 특성을 조사하여 로지스틱 모델을 적용하였으며, 과실의 특성을 분석하였다. 멜론의 생육 특성은 1.0L 용량의 입상 암면에서 재배한 것에 비해 4.0L 용량에서 유의하게 증가하였고, 코이어 슬라브와 암면 슬라브에서 가장 높은 결과를 나타내었다. 암면 슬라브에서 재배한 멜론에서 가장 과실 생체중과 과장, 과폭이 크게 나타났다. 수경재배 시 입상 암면 용량은 4.0L 수준에서 가장 생육이 좋으며, 코이어 슬라브와 암면 슬라브 등을 이용하는 것이 가장 좋은 생육을 보였다. 앞으로 무네트 멜론의 근권부 환경에 따른 생육을 확인하는 연구가 추가적으로 수행될 필요가 있다.