Improvement in Productivity of Strawberry under a Multi-tier System Using Supplemental Lighting with Spectral LEDs = 다단 수경재배 시스템에서 다양한 광질의 LED 보광을 통한 딸기 생산성 향상

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Multi-tier hydroponic systems offer a promising approach to increasing land use efficiency in controlled-environment strawberry production; however, persistent shading in the lower tier substantially reduces vegetative growth, reproductive performance, and fruit quality. This study evaluated whether supplemental lighting with different light qualities (spectral composition) can mitigate lower tier light deficits and whether the greenhouse light environment has carryover effects on the vigor of runner-derived stock plants. Plants were grown in an upper tier control (UT-C) and a lower tier control (LT-C), and four supplemental lighting treatments were applied only to the lower tier: blue (LT-B), red (LT-R), red + white (LT-RW), and red + white + far-red (LT-RWF). The lower tier showed a 6–8 mol·m−2·d−1 reduction in daily light integral (DLI) compared with the upper tier, whereas supplemental lighting increased DLI by ~6.5 mol·m−2·d−1. Among the tested light qualities, LT-RW produced the greatest improvements in vegetative and reproductive traits, fruit quality, and total yield, increasing lower tier productivity from 18% (LT-C) to 66% of the UT-C yield. LT-RW also improved sweetness and flavor balance by increasing soluble solids content (SSC) and the SSC/TA ratio while maintaining moderate acidity. LT-RWF provided intermediate benefits, whereas LT-R and LT-B showed limited yield compensation, although LT-B markedly increased ellagic acid and sugar accumulation on a dry-weight basis. Across cultivars (‘Seolhyang’ and ‘Mannyeonseol’), LT-RW showed the most stable performance, indicating broad applicability. In a second phase, runners produced under each light-quality treatment were transplanted into a uniform nursery environment, and no significant carryover effects were detected in leaf development, crown expansion, runner number, runner length, or diameter. Overall, the mixed light quality treatment LT-RW provides an effective and economically viable strategy to overcome light limitations in multi-tier strawberry systems while maintaining propagation quality.

국문 초록 (Abstract)

다단 수경재배 시스템은 환경 제어가 용이한 딸기 생산에서 토지 이용 효율을 높일 수 있는 유망한 재배 방식이지만, 구조적 차광으로 인한 하층부의 광 부족은 영양생장, 생식능력 및 과실 품질을 크게 저하시킨다. 본 연구의 목적은 ‘설향’ 딸기에서 보광용 LED 광질이 하층부의 광 부족을 얼마나 보완할 수 있는지 규명하고, 모식물의 광 환경이 런너 유래 묘의 활력에 미치는 잔류 효과를 평가하는 데 있다.
처리는 상층부 자연광 대조구(UT-C), 하층부 자연광 대조구(LT-C)와 더불어, 하층부에만 적용한 네 가지 보광 LED 처리인 청색(LT-B), 적색(LT-R), 적색+백색(LT-RW), 적색+백색+원적색(LT-RWF)으로 구성하였다. 하층부는 상층부에 비해 일일 광량적분(DLI)이 3–6 mol·m⁻2·d⁻1 낮았으나, LED 보광을 통해 생육 단계 전반에서 약 2.5 mol·m⁻2·d⁻1의 DLI를 추가로 확보하였다. 그 결과, RW 처리는 영양생장 지표, 화방 및 수량 지표, 과실 품질 전반에서 가장 우수한 개선 효과를 보였으며, 하층부 생산량을 LC 기준 18% 수준에서 상층부(UT-C) 수확량의 66% 수준까지 회복시켰다. 또한 RW는 가용성 고형물 함량(SSC)과 당산비(SSC/TA)를 유의적으로 증가시켜 과실의 당도와 산도 균형을 향상시켰다. RWF는 중간 수준의 수량 회복 효과를 보였고, R과 B는 총수량 회복 측면에서는 제한적인 효과만을 나타냈다. 그러나 LT-B 처리는 건물 기준 과실 내 엘라그산과 주요 당류 축적을 크게 촉진하였다. 보조 실험에서 재배 품종을 ‘만년설’로 바꾸어 동일한 하층부 보광처리를 적용한 결과, 두 품종 모두에서 LT-RW가 가장 안정적으로 우수한 생육 및 품질 반응을 보여 혼합 스펙트럼의 광범위한 적용 가능성을 뒷받침하였다.
두 번째 단계에서는 온실 딸기의 광 처리하에 생산된 런너를 동일한 육묘 환경에 정식하여 다양한 광질의 잔류 효과를 평가하였다. 엽수, 관부 직경, 런너 수, 런너 길이 및 직경과 같은 활력 지표에서 모주의 광 스펙트럼에 따른 통계적으로 유의한 차이는 나타나지 않았으며, 이는 하층부 LED 보광 하에서 재배된 육묘용 식물이 번식용 런너를 안정적으로 공급할 수 있음을 시사한다.
종합하면, 적색과 백색을 혼합한 RW 스펙트럼은 다층 딸기 수경재배 시스템에서 하층부의 광 부족을 효과적으로 완화하고, 하층부 수량과 과실 품질을 동시에 개선하며, 런너 유래 묘의 품질도 유지하는 경제적으로 실용 가능한 보광 전략으로 판단된다. 본 연구 결과는 수직·다층 재배 환경에서 딸기 생산성을 극대화하기 위한 최적 광질 설계와 보광 전략에 관한 실질적인 근거를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• General introduction 1
• Chapter 1 Effect of various spectral condition of supplemental lighting on productivity of strawberry 'Seolhyang' and 'Mannyeonseol' by using LEDs 2
• 1. Introduction 3
• 2. Materials and methods 4
• 2.1. Plant material and cultivation conditions 4
• 2.2. Supplemental lighting treatments 7
• 2.3. Measurements 8
• 2.3.1. Vegetative growth and reproductive performance 8
• 2.3.2. Fruit quality and yield 9
• 2.3.3. Sugar and phenolic compound analysis 9
• 2.4. Statistical analysis 10
• 3. Results 11
• 3.1.1. Light environment 11
• 3.1.2. Vegetative growth responses 11
• 3.1.3. Reproductive performance 13
• 3.1.4. Fruit quality 14
• 3.2.1. Vegetative growth responses to supplemental lighting treatments 16
• 3.2.2. Fruit production and harvest ratio 19
• 3.2.3. Fruit quality 21
• 3.2.4. Sugar profiles 25
• 3.2.5. Phenolic compounds 26
• 3.2.6. Total yield 27
• 3.3.1. Vegetative growth responses to supplemental lighting treatments 28
• 3.3.2. Fruit production and harvest ratio 30
• 3.3.3. Fruit quality 32
• 4. Discussion 35
• 4.1. Vegetative growth 35
• 4.2. Reproductive growth and yield 36
• 4.3. Fruit quality and biochemical analysis 36
• 4.4. Cultivar comparison 38
• Chapter 2 Vigor Assessment of Runner-Derived Strawberry Stock Plants Following Lower-Tier Supplemental Lighting 39
• 1. Introduction 40
• 2. Materials and methods 41
• 2.1. Plant material and nursery experimental design 41
• 2.2. Nursery environmental conditions 41
• 2.3. Nursery growth measurements 41
• 2.4. Statistical analysis 42
• 3. Results 43
• 3.1 Nursery growth and runner development of runner-derived stock plants 43
• 4. Discussion 48
• 4. Runner and seedling performance 48
• 5. Conclusion 49
• 6. References 50
• Abstract in Korean 56