Original Articles

Journal of Bio-Environment Control. April 2021. 126-132
https://doi.org/10.12791/KSBEC.2021.30.2.126

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 재료 및 방법

  •   1. 식물공장형 육묘시스템 제원

  •   2. 식물공장형 육묘시스템의 환경프로파일 방법

  •   3. 식물공장형 육묘시스템에서 오이 생장 검증

  •   4. 통계 분석

  • 결과 및 고찰

  •   1. 식물공장형 육묘시스템의 환경프로파일

  •   2. 식물공장형 육묘시스템에서 오이 접수 생장 실증

  • 결 론

서 론

우리나라의 현대화된 공정육묘는 1990년대 초반 주년 생산을 위한 시설 원예의 발전과 더불어 연중 안정적인 모종 공급에 대한 필요성과 수요가 증가하여 도입되었으며(Lee 등, 2013), 전국적으로 300여 전문 육묘장과 195 ha의 육묘 면적으로 2,420억 원의 시장 규모를 보이고 있다(Park 등, 2014). 과거 30여 년간 산업적 규모뿐만 아니라, 파종기, 플러그 트레이, 육묘용 상토, 접목 로봇, 접목 방법, 시비 및 환경관리, 인공광 이용 접목 활착 등 기술적으로도 눈부신 발전을 이루어 연중 안정적인 우량묘 생산을 위한 육묘 기술이 확립되었다(Lee 등, 2010; Lee 등, 2013). 그러나 최근 들어 기후변화로 인하여 여름철 고온 및 겨울철 저일조 등의 이상 기상이 잦은 빈도로 발생하고 있어 사계절 균일한 규격의 채소 공정묘를 생산하는데 어려움이 증가하고 있다.

기후변화 시대에 안정적으로 원예작물을 생산할 수 있는 새로운 기술로 인공광을 이용하는 식물공장 기술이 긍정적으로 고려되고 있다(Kozai와 Niu, 2020). 인공광 식물공장 기술은 사계절 외부 기상의 영향을 받지 않고 광, 온도, 이산화탄소 등의 환경 조건을 인위적으로 균일하게 조절할 수 있어, 전세계적으로 모종, 엽채류, 허브, 약용 작물 및 분화 등 다양한 원예작물 생산에 적용하여 상업적으로 운영되고 있다(Dou 등, 2017; Jang 등, 2011; Kozai 등, 2016; Zobayed 등, 2005).

이러한 인공광 이용 식물공장의 장점을 이용하여 연중 외부 기상의 영향을 받지 않고 균일한 모종을 생산하기 위해 인공광 이용 식물공장형 육묘시스템의 도입이 검토되고 있다. 국내 육묘 현장에 인공광 이용 식물공장형 육묘시스템을 적용하기 위해서는 식물공장형 육묘시스템 내의 안정적인 환경 유지와 모종의 균일도 등의 평가가 우선적으로 이루어 져야 한다. 따라서, 본 연구에서는 인공광 이용 식물공장형 육묘시스템 내에서 오이 모종을 생산하면서 광, 온도 및 습도 환경 프로파일링과 오이 모종 균일도를 조사하였다.

재료 및 방법

1. 식물공장형 육묘시스템 제원

외부 기상 환경에 영향을 받지 않기 위해서 식물공장형 육묘시스템의 외부는 우레탄폼의 단열재(70mm)로 13.5m2(가로 × 세로: 4.5 × 3m)의 면적에 높이가 3m인 직육면체로 내부는 육묘 모듈, 공조시스템, 양액 공급 시스템 및 환경제어 프로그램이 구성되었다(Fig. 1). 식물공장형 육묘시스템 내부에는 육묘 모듈이 총 6기 배치되었다. 각 육묘 모듈(가로 × 세로 × 높이: 1,408 × 650 × 1950mm)에는 28W 화이트 LEDs(Light emitting diodes)가 (Future Green Co., Ltd., Korea) 벽면에서 60-60-215-65-65mm 간격으로 총 6개 배열되었다. 그리고 모종 생산을 위한 육묘상은 자체 개발한 스티로폼 베드(가로 × 세로 × 두께: 1,230 × 800 × 20mm)을 이용하였으며, 식물공장형 육묘시스템의 공조시스템은 유니트 쿨러가 중앙 상부 벽면에 설치되었다. 식물공장형 육묘시스템의 온도, 습도, 광, 관수 등 환경 제어를 위해서는 PLC 기반의 제어프로그램으로 시스템 내부의 기온, 상대습도, 광량 및 일장을 조절할 수 있도록 설계하였다.

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Fig. 1

The plant factory transplant production system with an artificial lightings (LEDs). A; Lay of a plant factory transplant production system, B; Seedling production module, C; Styrofoam bed of seedling production, D; Environment control program.

2. 식물공장형 육묘시스템의 환경프로파일 방법

식물공장형 육묘시스템의 환경은 주/야 기온은 25/20°C 및 상대습도는 70/85%로 설정하였다. 그리고 광 환경은 재배상(광원으로부터 수직방향으로 거리 255mm 이격)에서 광량이 250μmol·m-2·s-1으로 설정하였고, 일장은 16h으로 제어하였다. 식물공장형 육묘시스템 내부의 환경 유지 안정성을 위한 프로파일링은 광질, 광량, 온도 및 습도 항목을 조사하였다(Fig. 2). 육묘상에서의 광질은 분광분석계(LI-180, LI-COR Co., Inc., USA)을 이용하여 380-780nm 파장영역에서 1nm 단위별로 광합성유효광량자속(PPFD: Photosynthetic photon flux density)을 측정하였다. 광량은 광도계(LI-250, LI-COR Co., Inc., USA)를 이용하여 광원으로부터 수직방향 255, 205 및 105mm에서 육묘 모듈 재배상의 수평으로 총 45점(가로 × 세로: 150 × 150mm 간격)을 측정하여 프로파일 하였다. 기온 및 상대습도는 고분자박막 임피던스식 계측기(HoBo U23 Pro v2, ONSET, USA)를 지면으로부터 615(bottom), 980 (low), 1,345(middle) 및 1,710(high)mm 높이의 육묘실 내부에 각각 1개의 센서를 배치하여 측정하였다.

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Fig. 2

Profiling of environment parameters and cucumber seedlings cultivated in a plant factory transplant production system with an artificial lighting.

3. 식물공장형 육묘시스템에서 오이 생장 검증

접수 생산을 위하여 오이 ‘조은백다다기’ (Farm Hannong Co. Ltd., Korea) 를 162공 셀 트레이(2.5 × 2.5cm, 15mL/셀)에 육묘용 상토(Bio Plug, Farm Hannong Co. Ltd., Korea)를 충진한 후 파종하였다. 파종 후 발아실로 옮겨져 기온 28℃ 그리고 상대습도 90% 조건에서 1.5일 발아시켰다. 발아 후 식물공장형 육묘시스템으로 옮겨져 환경프로파일을 수행하던 조건(기온 25/20℃, 상대습도 70/85%, 광량 150μmol·m-2·s-1, 일장16/8h)에서 8일간 육묘하였다. 육묘시 한국원시 1배액으로 (EC 1.4 dS/m 및 pH 5.8) 1회 저면 관수 하였다. 오이의 생장 조사는 초장, 엽수, 엽면적, 생체중 및 건물중을 조사하였다. 초장은 지제부로부터 생장점까지의 거리를 측정하였고, 엽면적은 엽면적측정기(LI-3100c, LI-COR Co., Inc., USA)을 이용하였다. 그리고 각 오이 모종 개체별로 생체중을 측정한 후 85℃에서 3일간 건조한 후 건물중을 측정하였다.

4. 통계 분석

난괴법 4반복으로 트레이에서 임의로 각 5주의 오이 생장 데이터를 SAS 프로그램(Statistical analysis system ver.9.4, USA)을 이용하여 산술 통계 값들을 구하였고, 모종의 균일성을 판단하기 위하여 오이 초장의 변이 계수 값을 구하였다.

결과 및 고찰

1. 식물공장형 육묘시스템의 환경프로파일

육묘 모듈에 설치된 LEDs 광원의 광질을 분석하였다(Table 1). LEDs 특성상 UV는 0.2µmol·m-2·s-1로 미미하였고, 광합성유효광량자속는 전체 광량 대비 88%을 차지하였다. 그리고 청색, 녹색 및 적색의 광량은 각각 27.2, 68.6 및 82.1µmol·m-2·s-1였다. 또한, 적색과 근적색광의 비율은 3.6였다. LEDs의 PPFD를 250µmol·m-2·s-1으로 설정하여 광질 분석을 한 결과 전체 광량은 222.8µmol·m-2·s-1로 설정한 값보다는 다소 낮았다. 태양광과의 광질을 비교하면 LEDs 광원의 UV는 현저하게 작았으나, 전체 광량 대비 PPFD 파장 영역대의 비율은 태양광보다는 LEDs가 약 10%정도 상대적으로 높았다. 그리고 LEDs의 적색광/근적색광 비율은 태양광(1.6)과 비교하였을 때보다 3.6으로 약 2배 높았다(Fig. 3). 식물공장형육묘시스템에 채택된 LEDs의 광질을 종합적으로 판단하였을 때, 모종 생산에 있어 배축의 신장 억제가 가능할 것으로 판단되며, 광합성에 유효한 파장대 영역에서 효율이 높아 모종 생장 속도를 증가시킬 것으로 기대된다(Demotes-Mainard 등, 2016).

Table 1.

The characteristics of LEDs light quality by light intensity (µmol∙m-2∙s-1).

Light sources UV
(380-400 nm)
PPFD
(400-700 nm)
Blue
(400-500 nm)
Green
(400-600 nm)
Red
(620-700 nm)
Far-red
(700-750 nm)
R/Fr Total
(380-780 nm)
LEDsz 0.2 195.5 27.2 68.6 82.1 22.7 3.6 222.8
Sun lighty 11.8 597.8 160.9 216.5 179.8 111.0 1.6 779.0

zLEDs light intensity set at 250 µmol∙m-2∙s-1 PPFD.

yThe spectrum of sun light was measured under a Venlo type greenhouse at noon in spring time.

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Fig. 3

Comparison of LEDs light and sun light spectrums. The spectrum of sun light was measured under a Venlo type greenhouse at noon in spring time.

LEDs의 광량을 250µmol·m-2·s-1 PPFD로 설정하고, 광원으로부터 거리가 255 및 205mm인 지점에서 수평적으로 광량을 프로파일 하였다(Fig. 4A와 B). 광량의 평균, 표준편차, 최댓값 및 최솟값이 각각 167.2/183.1, 35.7/34.8, 216.0/235.4 및 95.2/101.2µmol·m-2·s-1 PPFD였다. 육묘 모듈에 설정한 광량보다는 약 10 및 15%정도 높게 측정되었으나 변이계수가 20%로 균일한 수평적 광량 프로파일을 얻을 수 있었다. 최댓값과 최솟값의 차이가 약 120.0 및 134.2µmol·m-2·s-1 PPFD였으나, 육묘 재배상에서 사각 지점에서 상대적으로 매우 낮은 광량이었기 때문이다. 이는 재배상의 사각부위에서부터 일정 간격(약 5cm정도)을 이격 하여 모종의 트레이를 배치하면 균일한 수평적 광량 분포 하에서 모종을 생산할 수 있을 것이다. 광원으로부터 거리가 매우 가까운 지점인 105mm인 지점에서 수평적으로 광량을 프로파일 하였다(Fig. 4C). 광량의 평균, 표준편차, 최댓값 및 최솟값이 각각 205.0, 65.1, 303.6 및 91.6µmol·m-2·s-1 PPFD였다. 비록 평균 광량은 설정한 값보다 23%증가하였으나, 표준 편차가 광원으로부터 거리가 먼 곳(255 및 205mm)에서 측정한 값보다 1.8배 증가하였다. 그리고 변이 계수도 약 32%으로 증가하였다. 이는 LEDs는 빛의 직진성이 강하고 배광 각도(120°)가 좁기 때문에(Mitchell 등, 2015) 광원의 배열에서 수직적으로 LEDs가 비어 있는 공간에서 상대적으로 광량이 매우 낮아져서 그 차이가 212 µmol·m-2·s-1로 약 3.3배의 차이가 났다. 그리고 광원으로부터 거리가 255mm 지점에서 반사 광량을 측정하여 수평적으로 프로파일하였다(Fig. 4D). 광량의 평균, 표준편차, 최댓값 및 최솟값이 각각 130.5, 27.6, 172.0 및 75.3µmol·m-2·s-1 PPFD였다. 반사 광량의 표준편차가 가장 낮았고 최대 광량과 최소 광량의 차이도 96.7µmol·m-2·s-1 PPFD로 가장 낮았다.

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Fig. 4

Profiles of light intensity (250 µmol·m-2·s-1) according to distance from light source at the transplant modules. A; 255 mm, B; 205 mm, C; 105 mm, D; Reflected light.

육묘 모듈의 수직 위치(바닥으로부터)에 따른 주/야 평균기온은 각각 24.7/19.5, 24.7/19.4, 24.8/19.3 및 24.9/19.4℃였다(Fig. 5A). 식물공장형육묘시스템 주/야간 기온 설정한 값과 매우 유사하게 잘 제어되었다. 육묘 모듈의 높이에 의한 기온의 차이는 없었으며, 각 육묘 모듈의 층위 별 주간의 온도 편차는 0.1°C로 매우 균일하였다. 이는 식물공장형 육묘시스템의 천장형 유니트쿨러의 연속적인 작동으로 층위별 공기 유동을 시켜 강제 대류현상으로 기온 분포를 육묘모듈별로 균일하게 할 수 있었다. 그러나 야간에는 기온을 하강시키는 시간(랙 타임)이 있어 시간대별 기온 편차는 0.7°C였다. 육묘 모듈의 바닥으로부터 수직 위치에 따른 주/야 상대습도 각각 71.0/ 83.3, 70.6/83.5, 71.3/85.2 및 71.5/85.2%였다(Fig. 5B). 식물공장형 육묘시스템 주/야간 기온 설정한 값과 매우 유사하게 잘 제어되었다. 상대습도 또한 주간에는 육묘 모듈 층위별로 0.4% 미만의 표준편차로 매우 수직 공간 내에서 균일하게 제어되었다.

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Fig. 5

Changes in air temperature (A) and relative humidity (B) as a vertical position in terms of bottom (615 mm distance from base line), low (980 mm), middle (1,345 mm), and high (1,710 mm).

2. 식물공장형 육묘시스템에서 오이 접수 생장 실증

파종 8일 후 오이 모종의 엽수와 엽면적의 평균 및 표준편차는 각각 2.7 ± 0.49/plant 및 24.9 ± 2.97cm2/plant였다(Table 2). 그리고 두개의 생장 변수의 변이 계수가 각각 10 및 12%로 일정공간안에서 관행으로 육묘하였을 때 보다도 균일한 오이 접수를 생산하였다고 판단된다. 인공광으로 육묘하였을 때 문제가 될 수 있는 생장 변수 중에 하나인 초장은 3.7 ± 0.38cm/plant로, 오이 접수를 조제하기에 매우 알맞은 크기였다. 겨울철 또는 여름철에 오이 접수 생산에서 초장은 접수 조제 부위를 결정하는 주요한 변수이기 때문에 균일하면서 규격(초장 3.5-4.0cm)이 맞는 것을 생산하는 것이 중요하다. 본 인공광 이용 식물공장형 육묘시스템에서 생산된 접수의 건물중은 0.1 ± 0.01g/plant로 관행 대비 짧은 육묘 기간에도 불구하고 건물생산량이 높았으며, 파종 8일후 오이 접수의 생체중 기준 비엽중은 35.6cm2/g로 보통 접목묘 생산 시기(파종 후 45일)에 비해 3배정도 높았다.

Table 2.

Growth of cucumber seedlings at the 8 days after sowing (n=20).

Statistical value Number of leaves
(/plant)
Plant height
(cm/plant)
Leaf area
(cm2/plant)
Fresh weight
(g/plant)
Dry weight
(g/plant)
Mean ± SDz 2.7 ± 0.49 3.7 ± 0.38 24.9 ± 2.97 0.7 ± 0.11 0.1 ± 0.01
CVy (%) 10 18 12 16 25

zSD: standard deviation.

yCV: coefficient of variation.

인공광 이용 식물공장형 육묘시스템을 이용하여 토마토, 고추, 오이, 수박 등의 접수 및 대목 생산을 위한 적합한 광질, 광량, 광주기, 온도 및 관수량 등 환경 조건 구명 선행 연구에서도 인공광 이용 식물공장형 육묘시스템을 이용한 과채류 접수 및 대목 생산의 가능성을 긍정적으로 검토 하였다(An 등, 2020; Hwang 등 2019; Hwang 등 2020). 본 연구를 통해 오이 접수 생산에 대한 가능성을 실증해본 결과 현장에서 접목묘 생산을 위한 접수 조제 시 인공광 이용 식물공장형 육묘시스템에서 생산하여도 문제가 없을 것으로 판단되었다. 또한, An 등(2017)에 따르면 일반적으로 유리 온실 또는 비닐하우스에서 관행적으로 생산 되는 오이 접수의 육묘 일수는 계절에 따라 파종 후 9일(여름)에서 14일(겨울)이 소요된다. 인공광 이용 식물공장형 육묘시스템을 이용한 오이 접수 육묘 일수는 연중 파종 후 9.5일로 육묘 일수를 단축하고 안정적으로 생산할 수 있을 것으로 사료되었다.

결 론

광량은 광원으로부터 거리가 가까워질 수록 각 11, 23%증가하였으나 표준 편차가 1.8배 증가하였고, 적색광/근적색광의 비율은 3.7이었다. 육묘 모듈의 수직 위치 별 주/야 기온은 각각 24.7/19.5, 24.6/19.5, 24.7/19.4 및 24.7/19.6℃로서, 모듈의 높이에 의한 기온의 차이는 없었으며, 상대습도 또한 1% 미만의 표준편차로 매우 정밀하게 제어되었다. 파종 8일 후 오이 모종의 초장, 엽면적, 생체중 및 건물중은 각각 4.1 ± 0.1cm, 24.1 ± 3.7cm2, 0.7 ± 0.13g 및 0.05 ± 0.008g이었으며, 초장의 변이 계수가 약 2.4%이하로 매우 균일한 오이 모종을 생산하였다. 모종 생산에 영향을 미치는 환경요인들이 매우 정밀하며 균일한 제어가 가능하였으며, 본 인공광 이용 식물공장형 육묘시스템을 이용한다면 연중 균일한 우량 접목묘 생산을 위한 접수·대목을 육묘 할 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

본 연구는 농림식품기술기획평가원 연구사업(세부과제번호: 320088-1)의 지원에 의해 이루어진 것임.

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