인공조명이란 태양에 대체되는 인공광원에 의해 조명하는 것을 말한다. 농업에 있어서는 일장기간의 연장을 목적으로 야간에 조명하는 일이 많다. 그 외에 최근에는 광원의 개량에 의해 광합성 작용을 함께 있어서도 태양광을 대체하는 인공광원의 개발이 이루어지고 있다. 여기서는 전조용에서부터 광 강도를 증가시켜 광합성을 늘려 식물의 성장을 촉진시켜주는 보광조명용 그리고 인공광하에서 식물을 성장시켜 충분히 환경을 제어하는 식물공장용 까지의 인공조명에 대해 알아보고자 한다.<편집자주>
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1. 식물의 생육과 파장의 분류
2. 식물의 생육과 인공광원
3. 광시스템의 설계
4. 보광의 경제적인 면
5. HID등의 상업적 적용
6.광도,광주기,광질이 장미의 생산성에 미치는 영향
1. 식물의 생육과 파장의 분류
조사에 따르면 675nm의 적색광과 450nm의 청색광에서 높은 광합성을 보인다.
식물이 성장을 위한 광합성작용시 최대 민감한 스펙트럼은 주황~붉은 부분이다.
인공램프의 종류별 파장은 수은등-청록색, 네온등-적색, 나트륨-주황색을 나타낸다.
2. 식물의 생육과 인공광원
인공광원을 식물재배에 응용하는 실험은 오래전부터 실시된 것으로 국화의 개화조절등 전조 재배는 시설원예 분야에서 많이 보급되고 있다
또한 채소, 육묘 등 광합성으로 성장 촉진되는 식물공장의 응용도 적극적으로 진행시키고 있지만 인공광만으로는 경제적인 어려움이 따른다
현재 식물재배용 광원으로써 형광 램프, 메탈할라이드 램프, 고압나트륨 램프가 주로 사용되고 있지만 무전극 방전 램프, LED등 새로운 광원이 개발되고 있고 조명기도 식물 재배용이 제품화되고 있다
또한 식물성장과 광의 관계에 대한 연구에서 특정파장의 광을 효율적으로 조사 시키면 식물의 성장이 촉진된다는 사실도 밝혀졌다
따라서 식물 재배용 조명시스템은 효율이 좋고, 광원 조명기구의 개발과 함께 대상 식물에 적합한 광원, 재배장소에 적합한 조명기구, 재배기술이 적합한 조명제어 등을 고려해서 설계할 필요가 있으며, 농학자, 농업 생산자의 협력으로 보다 실용적인 조명시스템이 개발되길 기대한다.
<표> 여러 가지 인공조명의 용도 및 사용방법
용도 목적 광원
전조용(원예시설) 1. 국화, 카네이션 등의 개화조절 1. 백열전구, 전구식 삼파장 램프(전구색)
2. 딸기의 휴면 방지 2. 백열전구, 전구식 삼파장 램프(전구색)
3. 버섯의 육성 3. 형광 램프(백색, 근자 외)
4. 과수의 보광조명(착색 등) 4. 고압나트륨 램프, 메탈 할라이드 램프, 형광 램프
보광조명용(태양광병용형 식물공장등)
1. 베고니아, 난초등의 보광조명 1. 고압나트륨 램프, 메탈 할라이드 램프
2. 엽채, 과실의 촉진 성장 재배 2. 고압나트륨 램프
3. 묘의 촉진성장재배
태양대체용(완전 인공광형 식물공장)
1. 엽채의 촉진 성장재배 1. 고압나트륨 램프 + 메탈 할라이드램프, 형광램프(근접조명)
식물, 바이오 연구용(실험, 연구 시설)
1. 육성용 환경제어 장치(Glow-Chamber) 1. 고연색 메탈할라이드 램프, 고연색 메탈할라이드 램프+ 고압나트륨 램프
2. 선별육종, 식물육성 연구 2. 형광 램프+백열전구, 크립콘, LED
3. 조직배양 등 3. 형광 램프
4. 강광 필요한 식물(딸기 등) 4. 마이크로파 무전극 램프
식물 감상용(사무실,점포,주택 등)
1. 오피스, 아트리움 등 1. 고연색 메탈할라이드 램프
2. 점포주택등 2. 형광 램프(고연색형, 식물육성용)
3. 수농 3. 고연색메탈할라이드 램프, 형광 램프(고연색형, 식물육성용)
3. 광시스템의 설계
(1) 등의 와트량 선택
먼저 가장 적합한 광원과 와트량을 선택한다. 이것은 등을 매달았을때의 최고 높이, 광분포의 균일성, 등의 가격에 근거하여 선택한다. 높이가 높은 온실을 가진 많은 장미 재배가들은 1,000 Watt HPS등을 이용한다. 전체 면적이 균일하게 광을 공급하기 위해 지붕의 높이는 최소 360cm가 적합하다. 지붕이 낮은 온실에서는 400~430HPS 등으로 설계하는 것이 가장 좋다.
(2) 반사경
반사경의 효능은 광을 반사시키는 것이 핵심인데, 등에 의해 방출된 광은 원하는 작물로 반사된다. 반사경이 제대로 설계되지 않으면 PAR(400~700mm)의 분포가 균일하지 않게 되므로 광으로부터 방출되는 생물생산에 필요한 광합성과 탄소동화 등 이용할 수 있는 파장의 최대한을 이용할 수 없게 된다.
등의 크기와 조사할 면적과의 관계도 중요하다. 너무 큰 반사경과 안정기를 갖는 큰 등은 자연광을 가리게 되는데, 흐린 날의 낮동안 보광을 할 경우 특히 그러하다. 태양으로부터의 자연광은 가장 싼 무료의 에너지원이라는 것을 기억하라. 소형들은 설치가 용이하고 그늘을 적게 만들므로 가장 바람직하다. 한편, 다양한 각도로 빛을 분산시킬 수 있도록 특별히 고안된 반사경도 있다. 예를 들면, 높은 온실에서 각이 좁은 반사경이 이용되는 반면 낮은 온실이나 계단식 벤치에서는 각이 넓은 반사경이 이용된다 이러한 반사경은 등의 위치와 잘 맞추면 어떤 용적의 온실에서도 광의 분포를 최대화 할 수 있다.
(3) 작물에 대한 정보
작물마다의 특수한 요구에 따라 광시스템을 설계하는 것이 중요하다. HID 등을 그 작물의 발육단계 중 특별한 단계에 조사함으로써 작물의 광주기 반응을 제한할 수 있다. 예를 들어 국화는 단일에 반응하여 개화하기 때문에 영양생장기에 영양생장을 촉진하기 위해서는 18~24시간 동안 조명해 주는 것이 매우 효과적이다.
경제적인 문제 때문에 단일하에서 HID 등을 최대 12시간까지만 이용을 한다.
(4) 광조사 시간
하루중 조사시간은 광요구도 보다는 다른 조건들에 의해서 더 영향을 받는다. 대부분의 장미품종들은 부작용 없이 생산량과 품질을 증가시키기 위해 하루에 24시간 조사된다. 어떤 종류의 작물은 조사시간이 길어질 때 생기는 전분과다와 같이 생리학적 기능장애에 대한 내성이 없다. 토마토와 국화 제라늄 품종들에 있어서 하루중 16시간 이상 과잉 조사되면 엽이 황색으로 변한다. 작물마다의 과요구정도는 경제적으로 실용성이 있는 범위에서 결정된다.
(5) 조명시간 X 광도
광의 강도와 조명시간 사이에는 상관관계가 있다. 광합성에 의한 탄소고정의 결과로 식물 생산성에 있어, 매일 얻어지는 순수한 탄소는 과의 강도와 조명시간의 결과이다. 낮은 광합성율과 순수 탄소축적량은 광도가 낮기 때문인데, 이것은 조명시간을 연장함으로 서 높일 수 있다. 예를 들면 400fc X 24hr과 800fc X 12hr을 비교할 수 있다. 그러나 장미에서 이것이 반드시 사실이지만은 않다는 것을 발견했다. 800fc로 12시간동안 조명해 주명400fc로 24시간동안 했을 때 만큼 탄소의 동화량이 많지 않다는 것과 가장 효과적인 조명시간은 야간이라는 것을 알아냈다. 심지어는 200~400fc의 저광도하의 광합성도 일반적으로 빛이 없는 밤에 일어나는 호흡을 통한 탄소소실량을 대체할 수 있다. 그러므로 1일 순 탄소동화량은 매 24시간마다 높아질 것이다. 이것은 HID등 300~600fc에서는 대부분의 작물에 있어서 광합성에 의한 탄소고정과 호흡에 의한 탄소소실이 같아지는 광보상점이 되기 때문이다. 모든 장미의 광보상점은 700PAR, 알스트로메리아는 35PAR 또는 280~560fc 부근이라는 것을 알았다. 따라서 조명으로부터 얻을 수 있는 가장 큰 잇점은 하루 중 밤 시간동안 얻을 수 있다. 만약 일장이 문제가 되지 않고, 일장을 보상점 수준의 광도라면 광도가 매우 낮은 겨울철의 주간조명은 특히 더 유리할 것이다. 일반적으로 대부분의 작물에서의 조명은 자연광이 단일이 되는 10월 1일부터 시작해서 일장이 길어지고 광도가 증가하는 3월 중순까지 해준다. 이 기간동안 광은 하루에12~24시간 사이에서 다양하게 태양광에 따라 조절될 수 있는데, 이것은 HID등에 대한 작물의 감도에 따라 달라진다.
4. 보광의 경제적인 면
장미에 보광을 하는 것은 생산기술에 있어 경제적인 면을 고려해야만 한다. 지금까지 보광은 2~4년내에 투자한 자본을 회수할 수 있는 것으로 경제적으로 판단 되어져 왔다. 그러나 전력비가 계속적으로 증가함에 따라 그 정도에서 자본회수를 기대하기가 어려워질 것이다. 보광을 하는 것은 생산성보다 중요한 다른 점이 있다. 겨울철에 향상된 품질과 생장에 대한 예측은 재배가들에게 수입장미보다 많은 이점을 주어왔다. 난방비가 중요한 것으로 현실화 되었을 때는 전체 생산된 양에 대해 온실면적당 전체 에너지 비용과 총수입이 고려되어야만 한다. 장미 생산에 있어 보광장치의 사용으로 충분한 수익을 가지기 위해서는 재배가들은 제한요인의 법칙 (Iaw of limition factors)에 집중해야만 한다. 즉, 보광 외의 다른 환경 요인들 즉 CO2, 온도, 습도 그리고 병충해 방제, 관수,시비, 적심, 전정과 같은 재배기술들이 통합적 요인으로서 인식 되어져야 하며, 모든 변수들이 정확하게 적시에 사용되어져야 한다.
5. HID등의 상업적 적용
(1)번식에서의 이용
HID등의 가장 효과적인 이용방법 중 하나는 종자나 영양생장기보다는 번식동안에 이용하는 것이다. 제라늄 종자나 삽수의 발근시에는 식물체가 조밀하게 심겨져 있고, 빈 공간이 없기 때문에 HID를 쉽게 효과적으로 이용할 수 있는데, 움직이는 벤치를 이용할 경우에는 특히 더 그러하다. 아래에 예를 제시했다.
플러그묘 400-1000fc / 18-20시간
삽수용 모주 제라늄 : 350-660fc / 16-18시간
국 화 : 300-500fc / 18시간
칼란코에 : 300-500fc / 18-24시간
미니장미 : 300-500fc / 18-24시간
(2) 발근 동안의 조명
영양생장 단계에서 식물의 발육과 발근을 촉진시키기 위해 분에 직접 삽수를 꽂아서 발근시키는 방법이 이용될 수 있다. 대부분의 재배가들은 연중시기에 따라 300-500fc로16-24시간 동안 조명해 준다. 4-5치 분국화와 미니장미의 생산에는 HID등의 이용이 적합하다.
(3) 생산에서의 HID 이용
생산단계에서의 HID의 이용은 작물의 작기를 빠르게 하고, 품질을 향상시키고 수량을 증가시키는지와 같은 경제적인 이익에 달려 있다. 예를 들어 장미는 10월부터 3월까지 조명해 주면, 품질이 증가되고 초장이 길어지는 잇점이 있다. 그러나 HID의 사용은 종자 제라늄과 같은 대부분의 화단식물에서는 플러그 생산단계에 도는 이식 후 2-4주동안에만 경제적으로 효과가 있다. 다음은 실험이나 실질적인 경험으로부터 얻은 정보에 따라 북미의 북부지역에 있는 상업적 온실운영자들에 의해 사용되고 있는 권장량을 나타낸 것이다. 광도가 주안정도인 겨울철에는 일반적으로 밤부터 아침까지 보광을 해주는 것이 좋은데, 예를 들어 오후 6시부터 오전 6시까지(12시간), 오후 6시부터 오전 10시까지(16시간), 오후 6시부터 다음날 12시까지(18시간)이다. 매우 흐린날에는 장미와 같은 어떤 종류의 작물은 하루 24시간동안 보광을 해주어야 한다. 컴퓨터제어시스템을 갖고 있는 재배가들은 광이 자동으로 켜지고 커지는 광의 최대, 최소범위를 지정해서 이용한다.
6.광도,광주기,광질이 장미의 생산성에 미치는 영향
늦가을에서 초봄 동안에 저광도와 단일은 온실장미의 생산성, 성숙도, 품질을 제한하는 주요 요인이다. 과거 20년동안 Guelph에서의 연구는 하루동안의 탄소축척의 증가와 생산성을 증가시키기 위해서 자연일장에 더하여 고압나트륨(HPS)등과 같은 인공조명의 경제성에 대해 중점을 두어왔다. HPS등은 전기에너지를 광에너지로 바꾸는데 가장 효율적인 보조광원이다. 처리되는 광에너지는 12~24시간의 기간동안 32~100㎛ol/㎡s(PAR) 또는 250~800 foot-candle로 그 조도가 매우 낮다. 구름이 매우 많이 끼는 날에는 PAR가 30㎛ol/㎡s(PAR) 정도로 매우 낮기 때문에 따라서 HPS 조명은 낮에 처리해도 효과를 얻을 수 있을 것이다. 그러나 낮동안의 탄소축적에 영향을 주는 것은 바로 야간의 보광이다. 장미에서 광합성에 의해 고정되는 전체 탄소의 50% 이상이 암기동안에 호흡에 의해서 소실될 수 있다. 그러나 낮은 광도 30PAR (광보상점의 반정도)로 야간에 광을 조사하면, 탄소의 저장량이 고정될 것이며, 따라서 매일 이런식으로 탄소원이 높게 유지된다면 식물생장과 crop cycling 이 증진될 것이다. 광보상점은 광합성에 의해 고정된 탄소와 호흡에 의해서3품종이 65PAR에서 18시간보다 24시간 보광이 더 좋은 품질을 생산하였다고 나타났으며, 이것은 6시간 연장된 야간보광의 이익을 의미한다.
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