서 론
스마트 팜은 융·복합 차세대 농업기술로서 식물 재배에 자동화, 광제어와 IT 등의 최첨단방법을 이용하는 것으로 서, 고품질의 무공해 농작물 등을 연중 지속적 생산을 가 능하게 함으로써 농업의 경쟁력을 높이고 경제와 사업분 야에서 새로운 성장 동력의 창출을 기대할 수 있는 시설이 다 (Rural Development Administration, 2013).
최근 잦은 이상기후에 의한 여러 가지 기상이변과 제약 된 공간에서도 안정적으로 작물 생산이 가능한 스마트 팜 이 최근 큰 관심을 받고 있다 (Kim et al., 2011;Lee et al., 2019;Park, 2020). 이러한 스마트 팜은 고품질의 농작물 을 생산하기 위해 경제성 및 생산성을 확보할 수 있는 적 절한 재배 시스템이 필요하다 (Cho et al., 2013;Kim et al., 2014). 최근 식물재배용 조명으로 많이 이용되고 있는 LED는 단색광으로서 특정 파장역만을 갖는 광질을 선택 하여 식물 재배가 가능하며, 광합성 촉진 및 사포닌 증가 등의 기능을 수행할 수 있다 (Kim et al., 2005;Hyun et al., 2010).
또한 LED가 기존의 스마트 팜 조명과 비교하여 갖는 중 요한 장점은 매우 짧은 주기의 펄스조명 (pulsed lighting) 이 가능하다는 것이다 (Mori et al., 2002a). 완전제어형 스 마트 팜과 같이 광조사를 위한 전력 비용이 문제가 되는 시스템에서는 단위 광량당 광합성량을 증가시키는 것이 매우 중요하다 (Kim et al., 2014).
인삼 (Panax ginseng C.A. Meyer)은 두릅나무과에 속하 는 반음지성, 호냉성 다년생 식물로서 항암, 면역증강, 혈 압강하, 혈당강하 및 항산화 효과 등 약리·효능면에서 그 우수성을 인정받고 있는 약용작물이다 (Lee, 2014).
현재 기후변화에 의한 고온장해로 인하여 인삼의 생산량 및 품질이 낮아지고 있어 단기·다수확 재배기술의 개발이 시급한 상황이다 (Lee et al., 2012;Lee, 2014). 광원과 빛의 밀도에 따른 인삼의 생육, 2차대사산물의 효능 및 효과에 대한 연구 결과들은 보고되었지만 (Han, 2003;Kim et al., 2009) 스마트 팜 내에서 Hertz와 Duty ratio에 대한 인삼의 광합성률에 대한 연구는 부족한 실정이다. Hertz (hz, 헤르 츠)란 일정한 크기의 전류나 전압 또는 진동과 같은 주기 적 현상이 단위 시간 (1초) 동안 반복되는 횟수를 나타내며, 예를 들어 1헤르츠란 진동이나 주기적 현상이 1초 동안 1 회 반복됨을 의미한다. Duty 비는 주기를 갖는 펄스 (pulse) 에서 쓰이는 용어로 전류가 흐르지 않은 시간에 대한 전류 가 흐른 시간의 비를 말하며 즉, 한 주기 동안 펄스가 on 상 태인 시간의 비율을 말한다 (Jao and Fang, 2004). 또한 광합 성의 반응경로는 빛이 필요한 명반응과 빛이 필요 없고 포 도당 (glucose)을 생성하는 암반응이 있다 (Takatsuji, 1996). 광 강도가 강하면 암반응이 전자전달속도를 제어하는 제어 인자 (rate-limiting factor)가 되며, 광포화 현상이 발생한다 (Mori et al., 2002a). 이때 빛을 필요로 하지 않는 기간에는 빛을 주지 않고 이 기간과 같거나 짧은 기간 동안 빛을 주 는 펄스광을 이용한다면 단위 광량당 광합성량을 증가시켜 효율적인 재배가 가능하다 (Mori et al., 2002a). 식물의 광계 II 중심의 Chlorophyll P680의 환원속도의 경우 약 200 μs (5000 hz), 광계I 중심의 chlorophyll P700의 환원속도는 약 20 ms (50 hz)이며 상추 ‘Natsuyo-Saradana’의 경우, 펄스주 기 10~400 μs (2500 hz~100000 hz)일 때 duty 비 50%에서 백색 LED에 의해 생장속도와 광합성속도가 증가하였는데, 특히 펄스주기가 400 μs (2500 hz)일 때 연속광 대비 20%가 증가되었다 (Mori et al., 2002a).
이러한 결과를 토대로 볼 때 스마트 팜의 경제성을 높일 다양한 방법들이 있지만, 펄스광에 의한 에너지 절감 기술 의 개발은 가능성이 높다 (Mori et al., 2002a;Kim and You, 2013;Kim et al., 2014).
따라서 본 연구에서는 수종의 작물 중 약용작물인 인삼 을 대상으로 스마트 팜 내에서 LED 광원, Hertz와 duty 비 에 따른 광합성률을 알아보고 재배에 가장 적합한 조건을 확인하고자 한다.
재료 및 방 법
1. 재배 및 관리
실험에 사용된 인삼은 2014년 03월에 ㈜백년인삼농산 에서 1년생 종삼을 구입하여 화분 (지름 25 cm×높이 20 cm)에 5개체씩 이식하여 총 10개의 광 조건에서 광조건 별로 2개의 화분 (총 10개체씩)씩 배치하였고, 3개월간 재 배하였다. 스마트 팜의 공기순환을 위해 스마트 팜의 양쪽 끝에 환풍기를 설치하였고, 내부 온도와 습도를 조절하기 위해서 냉·온풍기 (SS-2000, Zero engineering, Korea)와 가 습기 (Fox-1H, Parus Co, Cheonan-si, Korea)를 사용하였다. 그리고 스마트 팜의 온도, 습도와 광은 LCS EMS (PARUS Co., Cheonan-si, Korea)를 이용하여 실험기간 내에 24시 간 동안 10분 간격으로 측정하였다. 토양은 모래와 원예 용 상토 (한아름 원예용상토, 신성미네랄)를 4:1의 비율로 섞어 사용하였고, 수분은 2∼3일 간격으로 공급하였다. 비 료는 유기물 70%, 질소 4.3%, 인산 1.7%, 칼륨 1% 등으로 이루어진 비료 (흙살골드, 케이지케미칼 (주))를 3%로 물에 희석하여 일주일에 1회 공급하였다. 재배기간 동안 스마트 팜 내 온도는 22±4.00°C, 습도는 67±8.05%이었다.
2. 광원처리
본 연구에서는 LED grow light 시스템 (Parus Co. 2010) 을 이용하여 적색+청색 (R+B)과 적색+청색+백색 (R+ B+W) 혼합광으로 총 10개의 구배로 구성하였다 (Table 1). 각 광원의 종류를 구성하는 PGL-Box (Plant factory)의 크기는 모두 120 cm×52 mm이고 소비 전력은 160 watt이 다. 식물의 광합성에 주로 이용되는 파장 대역은 엽록소의 광 흡수 스펙트럼에 해당하는 청색광 (B) (400∼500 nm), 적색광 (R) (600∼700 nm)이 있으며 (Hong, 2012), 광합성 효율은 적색광 (R), 청색광 (B), 녹색광 (G)의 순으로 높다 (Khan and Abas, 2011). 각 광원별 최적 스펙트럼은 적색 광 (R)이 630∼660 nm, 청색광 (B)이 440 nm, 백색광 (W)은 450∼540 nm에서 최대 피크를 보였다.
3. Hertz와 Duty 비
본 연구에서는 Chlorophyll P700 (광계I)의 환원속도는 약 20 ms (50 hz), Chlorophyll P680 (광계II)의 환원속도의 경우 약 200 μs (5000 hz)인 것을 고려하여 R+B 혼합광의 Hertz를 20, 60, 180, 540, 1620, 4860 hz로, R+B+W 혼합 광은 60, 180, 540, 1620 hz로 각각 처리하고, 여기에 각각 duty 비 30%, 50%, 70%에서 실험을 진행하였다.
적색과 청색광은 식물의 광합성에 주로 이용하는 광 파 장으로 알려져 있기 때문에 스마트 팜에서는 대부분 적색 과 청색 혼합광을 적용하여 재배하고 있다 (Park, 2020). 또 한 최근에는 스마트 팜 내에서 LED 광원을 이용하여 적색 +청색 (R+B) 혼합광에 백색광 (W)을 추가해서 실험하는 경향이 있다 (Kim and You, 2013;Kim et al., 2014;Park et al., 2016). 따라서 적색+청색+백색 (R+B+W) 혼합광에 서는 적색+청색 (R+B) 혼합광에서 처리한 Hertz값들 중 최저값과 최대값을 제외한 중간값들에 해당하는 60, 180, 540, 1620 hz로 처리하여 실험하였다.
본 연구에서 사용한 Hertz 단위는 Duty 비를 기초로 하 여 on-off의 진동수의 단위를 표현하기 위해 사용하였다.
4. 광합성률 측정
광합성률은 인삼에서 일사량이 광포화점보다 높은 오전 10시부터 12시 사이에 광합성측정기 (LCi Ultra Compact Photosynthesis System, ADC 2005)를 이용하여 생장단계 에 있는 2014년 5월에 측정하였다. 측정 당시 스마트 팜 내 온도는 22±4.41°C, 습도는 63±9.29%였다.
5. 통계분석
정규분포 여부를 Kolmogorov-smirnov test를 이용하여 확인하였고, 정규분포를 따르지 않아 (p<0.05) 비모수 통 계분석 (Nonparametric analysis)을 실시하여 각 환경구배 별 차이를 확인하였다. 구배별 차이의 유의성은 Mann- Whitney U Test와 Median Test로 확인하였다. 모든 통계적 분석은 STATISTICA 7 (Statsoft, Inc., Tulsa, OK, USA)을 사용하였다.
결과 및 고 찰
1. Duty 비 30% 내 광원과 Hertz에 따른 광합성률 비교
Duty 비 30%에서는 R+B 혼합광과 R+B+W 혼합광 모두 Hertz별 구배 간에 서로 차이가 없었다 (Fig. 1). 또한 Han (2003)의 야외 볏짚지붕에서 생육하여 측정한 인삼의 광합성률은 2.66 μmol m-2 s-1이었다. 이러한 결과는 본 연 구 실험결과의 것보다 7.6% 낮았는데, 이는 인삼은 야외 에서 재배하는 것보다 스마트 팜에서 duty 비가 30%일 때 재배하는 것이 광합성률을 높일 수 있는 조건임을 의미하 는 것이다.
2. Duty 비 50% 내 광원과 Hertz에 따른 광합성률 비교
Duty 비가 50%에서는 R+B 혼합광이 60 hz일 때 인 삼의 광합성률 (7.74±0.40 μmol m-2 s-1)이 가장 높았 고, 540 hz일 때 (2.30±0.23 μmol m-2 s-1) 가장 낮았으며, R+B+W 혼합광에서는 서로 차이가 없었다 (Fig. 2).
두 광원에서 Hertz가 동일한 구배 간에 비교할 때 60 hz 일 때 R+B 혼합광 (7.74±0.40 μmol m-2 s-1)과 R+B+W 혼합광 (5.45±0.20 μmol m-2 s-1)의 인삼의 광합성률은 전 자에서가 후자에서보다 높았다. 180 hz일 떄 R+B 혼합 광 (3.82±2.19 μmol m-2 s-1)과 R+B+W 혼합광 (4.66± 1.11 μmol m-2 s-1)에서 자라는 인삼의 광합성률은 차이 가 없었다. 540 hz일 때 R+B 혼합광 (2.30±0.23 μmol m-2 s-1)과 R+B+W 혼합광 (4.42±1.63 μmol m-2 s-1)에서 자 라는 인삼의 광합성률은 후자에서가 전자에서보다 높았 다. 1620 hz일 때 R+B 혼합광 (4.71±1.57 μmol m-2 s-1)과 R+B+W 혼합광 (3.58±1.35 μmol m-2 s-1)에서 자라는 인 삼의 광합성률은 차이가 없었다 (Fig. 2).
또한 Han (2003)의 야외 차광판에서 생육하여 측정한 인 삼의 광합성률은 4.61 μmol m-2 s-1이었다. 이러한 광합성 률 값은 본 연구 실험결과의 것보다 40.4% 낮았는데, 이는 인삼은 야외보다 스마트 팜에서 duty 비가 50%일 때 재배 하는 것이 광합성률을 높일 수 있는 조건임을 의미하는 것 이다.
3. Duty 비 70% 내 광원과 Hertz에 따른 광합성률 비교
Duty 비가 70%에서는 R+B 혼합광이 60 hz일 때 인 삼의 광합성률 (7.15±0.36 μmol m-2 s-1)이 가장 높았 고, 540 hz일 때 (2.30±0.23 μmol m-2 s-1) 가장 낮았으며 R+B+W 혼합광에서는 구배 간에 차이가 없었다 (Fig. 3).
두 광원에서 Hertz가 동일한 구배 간에 비교할 때 60 hz 일 때 R+B 혼합광 (7.15±0.36 μmol m-2 s-1)과 R+B+W 혼합광 (5.20±0.29 μmol m-2 s-1)에서 자라는 인삼의 광 합성률은 전자에서가 후자에서보다 높았다. 180 hz일 떄 R+B 혼합광 (3.43±2.15 μmol m-2 s-1)과 R+B+W 혼합 광 (4.30±0.98 μmol m-2 s-1)에서 자라는 인삼의 광합성률 은 서로 차이가 없었다. 540 hz일 때 R+B 혼합광 (1.70± 0.16 μmol m-2 s-1)과 R+B+W 혼합광 (4.39±1.60 μmol m-2 s-1)에서 자라는 인삼의 광합성률은 후자에서가 전자 에서보다 높았다. 1620 hz일 때 R+B 혼합광 (4.03±1.70 μmol m-2 s-1)과 R+B+W 혼합광 (2.12±0.63 μmol m-2 s-1)에서 자라는 인삼의 광합성률은 서로 차이가 없었다 (Fig. 3).
또한 Han (2003)의 야외 차광망에서 생육하여 측정한 광 합성률은 4.12 μmol m-2 s-1이었다. 이러한 광합성률 값들 은 본 연구 실험결과의 것보다 42.4% 낮은 것이다.
이것을 토대로 판단해볼 때 인삼은 야외보다 스마트 팜 에서 duty 비가 70%일 때 재배하는 것이 광합성률을 높일 수 있는 조건임을 의미하는 것이다.
4. 동일한 Hertz 내 Duty 비에 따른 광합성률 비교
본 연구에서 R+B 혼합광과 R+B+W 혼합광에서의 Hertz 구배 처리를 다르게 하였는데, 주로 R+B 혼합광 에서의 인삼의 광합성률을 관찰하였고, 부가적으로 R+ B+W 혼합광에서의 인삼의 광합성률을 보기 위해 R+B 혼합광의 구배를 더 많이 설정하였다.
20 hz일 때 R+B 혼합광에서는 duty 비에 따른 인삼의 광합성률 간에 차이가 없었다 (Fig. 4a).
60 hz에서 R+B 혼합광이 duty 비 50%일 때 인삼의 광 합성률이 가장 높았으며 duty 비 30%일 때 가장 낮았다. R+B+W 혼합광에서는 광합성률 간 차이가 없었다. 두 광원에서 duty 비가 동일한 구배 간에 비교할 때 duty 비 30%에서는 구배 간 차이가 없었다. Duty 비 50%일 때 R+B 혼합광과 R+B+W 혼합광에서 자라는 인삼의 광합 성률은 전자가 후자보다 높았다. Duty 비 70%일 때 R+B 혼합광과 R+B+W 혼합광에서 자라는 인삼의 광합성률 은 전자가 후자보다 높았다 (Fig. 4b).
180 hz에서는 R+B 혼합광과 R+B+W 혼합광 모두 구 배 간에 차이가 없었으며 두 광원에서 duty 비가 동일한 구배 간에도 차이가 없었다 (Fig. 4c).
540 hz에서는 R+B 혼합광과 R+B+W 혼합광 모두 구 배 간에 차이가 없었다. 두 광원에서 duty 비가 동일한 구 배 간에 비교 시 duty 비 30%에서는 차이가 없었다. Duty 비 50%일 때 R+B 혼합광과 R+B+W 혼합광에서 자라 는 인삼의 광합성률은 후자가 전자보다 높았다. Duty 비 70%일 때 R+B 혼합광과 R+B+W 혼합광에서 자라는 인삼의 광합성률은 후자가 전자보다 높았다 (Fig. 4d).
1620 hz에서는 R+B 혼합광과 R+B+W 혼합광 모두 구배 간에 차이가 없었으며 두 광원에서 duty 비가 동일한 구배 간에도 차이가 없었다 (Fig. 4e).
4860 hz일 때 R+B 혼합광에서는 duty 비 50%일 때 인 삼의 광합성률이 가장 높았으며, duty 비 30%일 때 가장 낮았다 (Fig. 4f). 실험 결과 R+B 혼합광과 R+B+W 혼합 광에서의 인삼의 광합성률은 60 hz에서 duty 비가 50%일 때 가장 높았다.
5. Hertz와 Duty 비에 따른 R+B 혼합광과 R+B+W 혼합광에서의 인삼의 광합성률
Hertz와 Duty 비에 따른 R+B 혼합광과 R+B+W 혼 합광에서의 인삼의 광합성률은 duty 비 50%에서 60 hz일 때 가장 높았다. 반면 같은 60 hz에서 duty 비 30%일 때는 인삼의 광합성률이 가장 낮았다. 이 결과 값을 토대로 같 은 Hertz에서도 duty 비의 차이에 따라 인삼의 광합성률이 크게 차이가 날 가능성이 있다는 것을 확인할 수 있다. 또 한 R+B 혼합광과 R+B+W 혼합광 모두 본 연구에서 설 정한 Hertz값들 중에서 비교적 낮은 20 hz와 60 hz에서 각 각 인삼의 광합성률이 가장 높게 나타난 것을 알 수 있다. 인삼의 재배환경을 살펴보면 반음지 및 음지에서 잘 자라 며 고온, 고광조건에 약하여 일반 식물과는 다르기 때문 에 인위적으로 반음지 조건을 조성해 재배해야 한다 (Han, 2003). 그렇기 때문에 본 연구에서 Hertz와 duty 비에 따 른 인삼의 광합성률에 대한 결과, 인삼은 설정한 duty 비 30%, 50%, 70% 중에서 높지 않은 50%일 때 60 hz에서의 인삼의 광합성률이 가장 높게 나타난 것으로 보인다. 또한 본 실험에서의 가장 높은 인삼의 광합성률은 Han (2003) 의 야외에서 재배한 인삼의 광합성률보다 높게 나타났다. 위 결과들을 종합해볼 때, 스마트 팜에서의 인삼의 광합성 률이 가장 높은 조건은 R+B 혼합광에서 duty 비가 50% 일 때 60 hz이다.