서 론
토마토(Solanum lycopersicum)는 시설 과채류로 2022년 국내 재배면적은 6,111ha이며 생산량은 378,808톤으로 과채류 중 수박에 이어 시설 재배면적과 생산량이 2번째로 많은 작목으로 최근 3년간 생산량이 꾸준히 증가하고 있다(Statistics Korea, 2023). 토마토는 묘의 품질이 생육과 과실 품질에까지 영향을 미치는 작목으로 건전묘 생산이 매우 중요하기 때문에 고품질 묘를 생산하기 위한 육묘시기, 육묘방법, 온도, 시비 등에 관한 많은 연구가 이루어졌다(Kim 등, 2013; Lee 등, 2015; Lim 등, 1997; Park 등, 2017). 최근 농가에서는 노동력 절감, 농지 활용도 향상을 위해 공정육묘장을 활용하여 묘를 공급하는 비율이 증가하고 있으나 계절에 따라 외부 환경요인의 영향을 받을 수 있다. 특히 토마토 묘의 수요가 많은 가을 재배인 경우 고온기에 육묘를 하기 때문에 도장이나 묘가 연약해질 수 있는 문제가 가장 커 이를 해결하기 위한 생장조절제나 적색광 등 인공광을 이용한 연구가 이루어졌다(Lee, 2001; Yun 등, 2007; Zhang 등, 2003).
식물공장은 연중 균일한 묘를 계획적으로 생산할 수 있는 장점이 있어 최근 과채류 우량묘를 생산하기 위한 광, 온도, 이산화탄소 등 환경제어 및 관수방법 등의 연구들이 수행되고 있다(Choi 등, 2023; Kim 등, 2019; Moon 등, 2023; Song 등, 2024; Yun 등, 2023). 특히 환경요인 중 선택적 파장을 조합하여 작물을 재배할 수 있는 장점을 가진 LED에 관한 연구가 많이 이루어졌다. 기존에는 청색광과 적색광이 녹색에 비해 광합성 색소를 더 효과적으로 흡수하기 때문에 많이 이용되어 왔으나 최근 오이, 파프리카, 상추 등 여러 작물에서 광합성을 보조하는 녹색광이 포함된 넓은 스펙트럼의 백색 LED의 생장 및 기능성물질 증가 효과 및 광원 간 비교 연구가 활발히 이루어지고 있다(Dung 등, 2020; Lee 등, 2022; Park 등, 2013). 또한, 원적색광은 700－800nm의 파장대역으로 종자발아, 개화조절 및 초장, 엽면적 등 지상부 생육 촉진 효과가 보고되었다(Choi, 2003; Kang 등, 2019; Jankowska-Blaszczuk and Daws, 2007; Oh와 Runkle, 2015; Runkle and Heins, 2001). 작물 생장과 기능성물질 증가에 적합한 LED 광질은 작물, 품종, 환경에 따라 다른 경향이 나타나는 경우가 많아 작물에 따라 재배 목적에 따른 최적 광질의 조합이 필요하다. 토마토의 백색 LED와 원적색광에 관한 연구는 육묘용 백색 LED 종류와 보광재배시 원적색광 효과 등이 일부 수행되었다(Hwang과 Chun, 2022; Yongran 등, 2019). 따라서 본 시험은 수직농장에서의 토마토 연중 건전묘 생산을 위해 백색 LED와 원적색광의 혼합효과를 시험하기 위해 수행하였다.
재료 및 방법
1. 식물재료 및 육묘방법
시험재료는 토마토(Lycopersicon esculentum) ‘데프니스’(Dafnis, Syngenta Korea, Seoul, Korea)를 사용하였다. 종자를 24℃, 50－60% 습도로 유지되는 인큐베이터(MIR-253, Sanyo, Osaka, Japan)에서 2－3일간 최아시킨 후 우레탄 스펀지 배지에 파종하여 완전밀폐형 순환식담액수경시스템에서 육묘하였다. 양액은 야마자키 토마토 전용 배양액으로 EC는 1.2－1.8dS·m-1으로 공급하였다. 온도는 주야간 25/20℃, 광주기는 14/10h, 상대습도는 60－70% 수준으로 유지하였다.
2. LED 광처리
1차 광원시험은 cool white LED(GWJTLPS1.EM-KKLL, Osram, Garching, Germany), warm white LED(GWJTLPS1.EM-KLLL, Osram)와 far-red(730nm, D2835FARRED-IR3, D&W Co., Ltd., Gwangmyeong, Korea)의 유무를 달리하여 4종의 bar 타입의 LED을 cool white LED(CW), cool white LED+FR(CWFR), warm white LED(WW), warm white LED+FR(WWFR)를 대상으로 시험하였고 원적색광 추가시 적색과 원적색광의 비율은 0.8－1.1으로 맞춰 주었다. 파종 후 광처리를 시작하였으며 광합성유효광량자속밀도(PPFD)는 광원으로부터 35cm에서의 거리에서 350µmol·m-2·s-1를 유지하면서 시험하였다(Fig. 1). 2차 실험에서는 1차 선발한 cool white LED를 기본으로 적색광과 원적색광의 비율을 조절하여 red/far-red(R/FR) 비율을 1.4, 2.5, 3.6, 15.2로 설정하였고 1차 실험과 동일한 조건에서 실험하였다. 3차 실험에서는 R/FR 비율이 2.5인 cool white LED를 이용하여 광량을 200, 300, 400µmol·m-2·s-1 3수준으로 처리하였다.
3. 생육조사
육묘기간은 파종 후부터 23일이었으며 파종 1주 후부터 1주 간격으로 초장과 엽수를 조사하였고 파종 23일 후 초장, 엽수, 절간장, 줄기직경, 엽면적, 생체중, SPAD, 엽록소형광지수, 화아수를 최종 조사하였다. 엽면적은 엽면적 측정기(LI-3100c, LI-COR Co., Inc., Lincoln, NE, USA)를 이용하였으며, 엽록소 형광지수는 생장점 아래 중간부위 잎에 leaf dark clip을 물려서 30분간 암처리 후 휴대용 엽록소형광측정기(FP-100, Photon System Instruments, Drasov, Czech Republic)로 측정하였다. 엽록소함량은 휴대용 엽록소함량 분석기인 SPAD meter(SPAD-502, Minolta, Osaka, Japan)를 이용하였다. 건물중은 조사 후 시료를 78℃로 설정된 열풍건조기(SIN-1100, SINIL-science, Daegu, Korea)에서 48시간 건조한 후 측정하였다. 묘충실도는 건물중을 초장으로 나누어 평가하였다. 초장, 엽수, 절간장, 줄기직경, 생체중은 농사시험 연구기준에 의거 조사하였다.
4. 통계 분석
실험구 배치는 완전임의배치 10개체씩 3반복으로 배치하였으며 통계분석은 SAS프로그램(SAS 9.4, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)를 이용하여 Duncan의 다중검정 p ≤ 0.05 수준에서 분석하였다.
결과 및 고찰
백색 LED의 종류와 원적색광의 유무에 따른 LED 광원의 스펙트럼을 측정한 결과 cool white LED의 적색과 청색의 비율은 1.5－1.9였고 warm white LED는 4.5－5.3로 warm white LED의 적색 비율이 높았고 청색 비율이 낮은 편이었다(Table 1). Cool white LED 등 4종의 LED을 이용하여 토마토를 육묘한 결과 육묘일수가 경과할수록 엽수와 초장은 지속적으로 증가하였다. 초장은 원적색광이 추가된 처리에서 증가하였으나 엽수는 처리간 차이가 없었다(Fig. 2). 상추는 적색광이 청색광보다 많았을때 엽수가 증가한 반면, 오이는 LED 종류에 따른 엽수의 차이가 크게 나타나지 않았다고 보고한 바 있다(Cha 등, 2013; Choi 등, 2023). 과채류인 토마토의 엽수는 LED광원의 영향이 적은 것으로 판단된다. 파종 23일 후 토마토 묘의 생육을 비교한 결과 초장과 절간장은 CW LED 처리가 WW LED에 비해서는 짧은 편이었으나 통계적인 유의차는 없었다(Table 3). 청색광이 줄기 신장 억제 효과가 있는 것으로 알려져 있어 CW LED가 청색광 비율이 상대적으로 높았기 때문으로 판단된다. 오히려 원적색광이 추가된 CWFR과 WWFR LED에서 초장과 절간장이 유의하게 증가하였다. 원적색광이 추가되었을 때 초장은 각각 71.3, 97.0%, 절간장은 109.1, 123.1% 증가하였다. Azad 등(2011)은 고추 육묘시 원적색광 처리가 적색광 처리보다 경장과 절간장이 증가하였다고 보고한 바 있다. 이 시험에서는 토마토의 초장과 절간장은 적청색의 비율보다 원적색광의 영향이 더 컸던 것으로 보여졌다. 백색 LED는 녹색광을 포함하며 넓은 스펙트럼을 가지고 있기 때문에 단일 혼합파장에 비해 적청색의 차이가 크게 나타나지 않았고 오히려 원적색광의 비율이 높은 처리에서 음지회피반응으로 원적색광의 효과가 더 크게 나타난 것으로 판단된다. 원적색광이 추가된 광원의 R/FR 비율은 0.8－1.1로 자연광의 비율인 1.0－1.3과 유사하였는데 이 비율은 엽채류인 상추, 이고들빼기 등에서는 지상부 생육촉진효과가 있어 효과적이나 토마토 육묘용으로는 높았던 것으로 판단된다(Bae 등, 2017). 이에 작물마다 재배하는 목적에 따라 적합한 원적색광의 비율을 구명할 필요가 있다고 생각된다. 생체중과 엽면적도 초장과 같은 경향이 나타났으며 원적색광이 포함된 처리에서 유의하게 증가하였고 그 중 적색과 원적색광 비율이 높았던 WWFR 처리에서 가장 컸다. Hwang과 Chun(2022)은 식물공장에서 오이, 수박, 토마토 대목용 묘를 육묘하였을 때 청색광 비율이 높은 광원에서 엽면적이 적었으며 Kim과 You(2013)는 적색광의 비율이 높을수록 고추냉이의 엽면적과 잎건중량이 증가하였다고 보고하였는데 이 시험에서는 원적색광의 영향이 더 큰 것으로 보여진다.
Table 1.
Light intensity of various white LED treatments.
| Treatmentz |
PPFDy (µmol·m-2·s-1) |
PFDx (µmol·m-2·s-1) | Red / Blue Ratio | |||
| 400－700 nm | 400－500 nm | 500－600 nm | 600－700 nm | 700－800 nm | ||
| CW | 351.9 | 88.9 | 131.9 | 133.4 | 12.0 | 1.5 |
| CWFR | 349.4 | 80.5 | 118.4 | 152.6 | 180.1 | 1.9 |
| WW | 350.9 | 41.5 | 125.0 | 186.9 | 19.9 | 4.5 |
| WWFR | 351.9 | 38.2 | 113.4 | 202.7 | 181.8 | 5.3 |
토마토는 줄기 직경이 클수록 묘가 강건한 편인데 원적색광이 추가된 처리에서 줄기 직경이 큰 편이었다. CWFR 처리에서 줄기직경은 CW 처리보다 25.3% 증가하였고 WWFR 처리에서는 WW 처리보다 36.1% 증가하였다. 결과적으로 원적색광은 토마토의 생체중, 엽면적 및 줄기직경의 지상부 생육증가 효과는 있었으나 초장과 절간장의 과도한 신장으로 인해 원적색광의 비율 조정이 필요하다고 판단되었다. 엽록소함량은 지상부 생장과는 다르게 원적색광을 추가한 처리에서 17.2－21.9% 감소하였으며 오이의 경우 원적색광을 추가한 처리에서 엽면적과 엽병의 길이는 증가한 반면 SPAD는 감소하였다고 한 Kang 등(2019)의 보고와도 같은 경향이었다.
토마토의 묘소질 판단 기준은 줄기의 굵기 뿐만 아니라 도장억제 효과와 묘의 단위 길이당 건물중과 같은 충실도 또한 중요한 요소이다(Park 등, 1996; Seo 등, 2018). WWFR 처리에서 엽면적과 생체중 등 지상부 생육은 양호하였으나 묘충실도는 CW LED에서 다소 높은 편이었다(Fig. 3). 이는 WW LED가 CW LED에 비해 청색 비율이 낮고 CWFR과 WWFR LED는 원적색광의 효과로 초장이 길어져 묘소질이 상대적으로 낮았던 것으로 판단되었고 원적색광하에서 적색광보다 토마토 묘의 충실도가 낮았다고 한 Lee(2001)의 보고와도 같은 경향을 보였다. 묘 스트레스 지수인 엽록소형광지수도 CW LED에서 양호한 편이었다. 1차 시험결과 토마토 육묘에는 백색 LED 종류 간에는 청색광이 많은 CW LED를 활용하는 것이 효과적이라고 판단되었다.
Fig. 3
Compactness (A) and chlorophyll fluroescence (B) of tomato seedlings under different light. Cool white LED (CW), cool white LED+far-red (CWFR), warm white LED (WW), warm white LED+far-red (WWFR). Different letters above bars indicate significant differences at p ≤ 0.05, using Duncan’s multiple range test.
2차로 R/FR 비율을 다르게 한 광원의 스펙트럼은 Table 2와 같다. R/FR 비율이 낮을수록 원적색광의 비율이 증가하여 전체적인 지상부 생육은 증가하였다(Table 4와 Fig. 5). 원적색광의 비율이 높아질수록 초장, 절간장, 엽수, 엽면적, 생체중, 줄기직경, 화아수가 증가하였고 엽록소 함량은 감소하였다. 엽면적과 줄기직경은 R/FR의 비율이 3.6－1.4 처리에서는 통계적인 차이가 없었다. 화아수는 cool white LED에서는 1.5개인데 비해 원적색광이 추가되었을 때 원적색광의 비율과 상관없이 2.3－2.5개로 많이 형성되었다. 원적색광은 금어초와 장일식물의 개화를 촉진하였다고 보고한 바 있다(Park and Runkle, 2017). 토마토는 식물체 내에 영양분이 축적되면 화아를 형성하는 영양감응형으로 원적색광이 토마토 화아형성에도 영향을 미친 것으로 보인다. 원적색광이 많을수록 생육은 촉진되었으나 묘충실도는 R/FR비율이 3.6와 2.5인 처리에서 0.09로 유의하게 높았으며 원적색광의 비율이 높은 F/R비율이 1.4인 처리에서는 초장이 길어 오히려 감소하는 경향이 나타났다(Fig. 4). 엽록소형광지수 역시 유사한 경향이 나타났다. 결과적으로 R/FR의 비율이 3.6과 2.5인 cool white LED처리에서 생육은 양호하면서 초장이 길지 않고 묘 충실도가 높아 건전묘 생산에 효과적이라고 판단되었다.
Table 2.
Light intensity of cool white LEDs with far-red LED.
|
R/FR ratio | PPFDz (µmol·m-2·s-1) | PFDy (µmol·m-2·s-1) | |||
| 400－700 nm | 400－500 nm | 500－600 nm | 600－700 nm | 700－800 nm | |
| 15.2 | 349.6 | 88.2 | 129.4 | 132.0 | 8.7 |
| 3.6 | 350.2 | 69.8 | 100.6 | 179.8 | 49.5 |
| 2.5 | 350.0 | 63.2 | 90.8 | 196.0 | 77.8 |
| 1.4 | 351.0 | 70.0 | 100.3 | 180.7 | 128.5 |
Table 3.
Growth characteristics of tomato seedlings under different LEDs at 23days after sowing.
|
Light Sourcez |
Plant height (cm) |
Internode length (cm) |
No. of leaves |
Leaf area (cm2/plant) |
Fresh weight (g) |
Stem diameter (mm) | SPAD |
| CW | 16.4 by | 1.1 c | 7.3 ab | 388.4 b | 17.9 c | 6.3 b | 40.7 a |
| CWFR | 28.1 a | 2.3 b | 7.8 a | 467.0 ab | 24.4 ab | 7.9 a | 33.7 b |
| WW | 16.9 b | 1.3 c | 7.1 b | 374.9 b | 16.4 c | 6.1 b | 40.1 a |
| WWFR | 33.3 a | 2.9 a | 7.8 a | 514.6 a | 28.1 a | 8.3 a | 31.3 c |
Table 4.
Growth characteristics of tomato seedlings under various combined ratios of red to far-red LEDs supplemented with cool white LEDs at 23 days after sowing.
|
R/FR ratio |
Plant height (cm) |
Internode length (cm) |
No. of leaves |
Leaf area (cm2/plant) |
Fresh weight (g) |
Stem diameter (mm) | SPAD |
No. of flower buds |
| 15.2 | 13.8 cz | 0.8 c | 6.4 c | 309.7 b | 14.4 c | 5.8 b | 43.6 a | 1.5 b |
| 3.6 | 21.3 b | 1.6 b | 7.2 b | 479.5 a | 26.7 b | 7.7 a | 40.2 b | 2.4 a |
| 2.5 | 21.5 b | 1.7 b | 7.2 b | 484.1 a | 26.4 b | 7.8 a | 38.6 c | 2.3 a |
| 1.4 | 28.3 a | 2.3 a | 7.5 a | 533.3 a | 30.2 a | 8.2 a | 35.4 d | 2.5 a |
Table 5.
Growth characteristics of tomato seedlings under different LED light intensity at 23days after sowing.
3차 시험으로 R/FR 비율인 2.5인 cool white LED를 이용하여 200－400µmol·m-2·s-1의 광량에서 육묘한 결과 광량이 증가함에 따라 전반적인 생육 및 묘충실도가 증가하였고 300－400µmol·m-2·s-1의 광량에서는 유의차가 없었다. Fan 등(2013)은 적색과 청색 혼합 LED에서 토마토 유묘 생장과 에너지 효율면에서 300µmol·m-2·s-1의 광량이 적합하다고 하였고, Park 등(2020)은 토마토의 백색 LED에서 100－300µmol·m-2·s-1의 광량이 증가할수록 묘의 생육이 촉진되었다고 한 보고와 같이 토마토 육묘에는 광원 종류에 상관없이 300µmol·m-2·s-1의 광량이 효과적이라고 판단된다.
본 연구 결과 수직농장에서 토마토 우량묘 생산을 위해서는 백색 LED와 원적색광을 혼합한 광원을 활용하여 육묘하는 것이 효과적이며 cool white LED와 원적색광을 R/FR 2.5의 비율로 조합한 광원으로 300µmol·m-2·s-1의 광량에서 육묘하는 것이 적합하다고 판단된다.
