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인공광 스마트온실에서 광질 및 광강도 제어가 케일 실생묘의 생장에 미치는 영향
허정욱,이재수,이공인,김현환,Heo, Jeong-Wook,Lee, Jae-Su,Lee, Gong-In,Kim, Hyun-Hwan 한국환경농학회 2017 한국환경농학회지 Vol.36 No.3
인공광 스마트온실(식물공장) 조건에서 작물의 생장은 주로 외부 환경조건의 변화와 상관없이 형광등이나 특정 파장역의 발광다이오드와 같은 인공광원에 의해 좌우된다. 본 실험에서는 형광등 및 발광다이오드를 활용한 광질 및 광강도 제어가 케일 실생묘의 생장 및 물질합성에 미치는 영향을 조사하였다. 잎이 3~4매 전개한 케일 실생묘는 광강도를 50 및 $100{\mu}mol/m^2/s$로 제어한 형광등 (FLL 및 FLH구), 적색 LEDs (RL 및 RH 구), 청색+백색 LEDs (BWL 및 BWH구) 및 청색+적색 LEDs (BRL 및 BRH구) 등 단일 및 혼합광질로 제어하였으며 50일간 담액방식으로 수경재배하였다. 케일 지상부 생체중은 광강도 $100{\mu}mol/m^2/s$의 적색, 청색+ 백색 및 청색+적색의 혼합광 조사구에서 유의하게 증가하였으며, 신초신장은 광강도가 높은 처리구에서 억제되었고 잎내 폴리페놀 함량은 증가하였다. 당합성은 광강도 $50{\mu}mol/m^2/s$에 비해 $100{\mu}mol/m^2/s$ 조건의 적색광질에 의해 2배이상 증가하였다. 본 실험을 통하여 인공광 스마트온실 조건에서 특정 파장역의 광질 및 광강도를 제어하면서 작물을 수경재배하는 것은 노지나 온실에서 토경재배하는 관행적 재배방식에 비해 작업효율성을 높이면서 잎의 생장 및 물질합성을 촉진할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 금후, 인공광 스마트온실에서 특정 파장역의 LEDs를 인공광원으로 할 때 작물생장을 최대로 유지할 수 있는 적정 광강도에 대한 연구를 수행할 계획이다. BACKGROUND: Plant growth under smart greenhouse (that is plant factory system) conditions of an artificial light type is significantly depending on the artificial light sources such as a fluorescent lamps or Light-Emitting Diodes (LEDs) with specific spectral wavelengths regardless of the outside environmental changes. In this experiment, characteristics on the growth and compound synthesis of kale seedlings affected by light qualities and intensities provided by LEDs were mentioned. METHODS AND RESULTS: The kale seedlings which developed 3~4 true leaves were exposed by fluorescent lamps or LEDs lights of red (R), blue+white (BW), blue+red (BR) with 50 (L) or $100(H){\mu}mol/m^2/s^1$ photosynthetic photon flux (PPF) under hydroponic culture system of deep flow technique for 50 days. Shoot fresh weight increased under the RH, BWH, and BRH treatments with higher PPF. Shoot elongation of the seedlings decreased, and polyphenol synthesis promoted by the higher light intensity conditions. Sugar synthesis in the leaves was above 2 times greater under the RH treatment of monochromic red light quality with $100{\mu}mol/m^2/s^1\;PPF$ than $50{\mu}mol/m^2/s^1\;PPF$. CONCLUSION: The results show that the control of light quality and intensity in the smart greenhouse conditions with artificial lights significantly affects the growth and compound synthesis in the fresh kale leaves with higher culture efficiency compared to the conventional soil culture under greenhouse or field conditions. Researches on the optimum light intensities of the LEDs with special spectral wavelengths are necessary for maximum growth and metabolism in the seedlings.
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허정욱 ( Jeong-wook Heo ),박경훈 ( Kyeong-hun Park ),홍승길 ( Seung-gil Hong ),이재수 ( Jae-su Lee ),백정현 ( Jeong-hyun Baek ),박종택 ( Jong-taek Park ),이승기 ( Seung-kee Lee ) 한국환경농학회 2020 한국환경농학회지 Vol.39 No.4
BACKGROUND: Measurement equipment was developed for inorganic nutrient concentration inside the hydroponic culture medium with several macro- and micro compositions, and applied for measuring the compositions of conventional medium. METHODS AND RESULTS: Before the equipment development, sonicator and heater were utilized to control temperature around of the module mixing with color reagents and target samples among the inorganic compositions. The measurement module and multi-sampler were also manufactured based on the COMS (Complementary Metal- Oxide Semiconductor) and installed inside the measurement equipment. Concentration of standard solution, value measured by the equipment, standard deviation or measured average value were used for estimating the accuracy and average recall of the equipment. Yamazaki solutions with EC of 0.5, 1.5, and 2.5 dS/m were offered to confirm the equipment accuracy and standard error. CONCLUSION: It was suggested that the developed equipment could be automatically applied for measurement with accuracy of over 96% and standard errors of less than 5% on 12 macro- and micro compositions such as a NO<sub>3</sub>-N, PO<sub>4</sub> <sup>3-</sup> or Fe.
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인공광 스마트온실 조건에서 수경재배용 배양액 성분변화 모니터링
허정욱 ( Jeong-wook Heo ),백정현 ( Jeong-hyun Baek ),박경훈 ( Kyeong-hun Park ),이재수 ( Jae-su Lee ),홍승길 ( Seung-gil Hong ),이공인 ( Gong-in Lee ) 한국환경농학회 2018 한국환경농학회 학술대회집 Vol.2018 No.-
시설재배지에서는 대량의 농업부산물(폐과, 잎줄기 등)이 발생하는데, 농가에서는 이들 부산물을 방치하거나 자연부패, 소각 등의 방법으로 폐기하고 있으나, 폐기 비용부담, 환경오염 등으로 인하여 퇴비화 및 액비화 등 부산물 활용 관련 연구 필요성이 제기되고 있다. 자연광 또는 인공광 스마트온실(식물공장)에서는 작물을 재배하기 위하여 다양한 종류의 무기성분이 포함된 배양액을 공급하는데, 부산물로 액비를 제조하여 수경배양액으로 활용할 경우 무기 배양액 사용량을 저감하고 일부 성분을 유기액비로 대체하여 환경오염 및 처리비용 저감 등 부산물의 경제적 가치를 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 인공광 스마트온실 조건에서 작물을 유기적으로 수경재배할 경우 유·무기 배양액의 효율적 관리시스템 개발을 위한 기초자료를 수집하고자 작물 생육단계별 배양액 성분변화 패턴을 모니터링하였다. 시험작물은 본엽이 2~3매 전개한 적치마와 청치마 상추(Lactuca sativa L.) 실생묘로 하였으며, 상추는 광강도 150 μmol m<sup>-2</sup>s<sup>-1</sup>인 형광등(FL) 및 청+적+백색(BRW, 1:2:1 혼합) 혼합 LED 조건에서 5주간 담액방식으로 수경재배하였다. 재배실내 온도 및 습도는 각각 20℃, 60%로 조절하였다. 시판 또는 부산물 유래 제조액비는 Acadian (A구), 케일 부산물 액비(K구) 및 시설토마토 과실 액비(TJ구)로 하였으며, 관행의 무기배양액으로는 Yamazaki 잎상추액(Y구)을 공시하였다. 또한 관행의 Y액에 상기 액비 3종을 1:1 비율로 혼합하여 혼용처리(YA구, YK구 및 YTJ구) 하는 등 총 7개의 실험구를 설정하였다. 또한 재배기간 동안 모든 배양액의 EC는 조정하지 않았으며 pH는 5.8로 조정하였으며, 발색법에 의한 흡광광도법으로 공시 배양액내 NH<sub>3</sub>, NO<sub>3</sub>, NO<sub>2</sub>, PO<sub>4</sub> 및 Cu 등 총 9종의 성분을 1주 간격으로 5회 측정하였다. 재배개시 5주차 적치마상추의 전개엽수는 공시 유무기 액비 단용처리에 비해 혼용처리구에서 유의하게 증가하였고 Y구에 비해 Y액과 유기액비를 혼용처리하는 것이 엽수증가에 통계적으로 유의한 영향을 미치는 것으로 나타났다. YTJ구에서는 형광등 대비 혼합 LED 처리시 약 35% 증가하였으나 A구에서는 형광등 처리시 약 48% 증가하였고 기타 액비별 전개엽수 증가에는 광질의 영향이 적은 것으로 나타났다. 반면 청치마에서는 K구 및 YK구에서 광질에 의한 엽수증가에 유의한 차이를 보였는데, 혼합 LED 처리구에서 형광등 처리구 대비 각각 63% 및 97% 증가하여 기타 시용구에 비해 광질의 영향이 큰 것으로 나타났다. 적치마 재배종료시 배양액내 NH<sub>3</sub>, NO<sub>3</sub> 및 NO<sub>2</sub> 성분은 Y구에서 가장 높았으며, 형광등 조사구에 비해 혼합 LED 조사구에서 흡수량이 높았으며, 유기액비 단용처리에 비해 무기배양액과 혼용하는 경우 NO<sub>3</sub> 흡수가 억제되었다. 광질의 차이와 상관없이 NH<sub>3</sub>, 와 NO<sub>2</sub> 성분은 미량 또는 대부분 흡수되었으나, YK구에서는 NH<sub>3</sub> 초기량이 15 mg/L이였으나 2주차~4주차까지 흡수량이 증가하다 5주차에 5 mg/L로 측정되었는데 NO<sub>3</sub> 및 Si 역시 Fe, Mn 등 기타 성분에 비해 재배종료시에 오히려 흡수량이 감소하는 것을 알 수 있었다. 이러한 성분의 흡수패턴은 청치마에서도 적치마와 유사한 경향을 나타내었으나 형광등 조사구에서는 배양액내 대부분의 NH<sub>3</sub>가 흡수되었는데, 작물의 종류나 광질의 차이에 의한 영향인지 케일 부산물 유래 제조액비내 유용 미생물 등의 활성차이에 의한 영향인지에 대한 상세한 원인 구명이 필요하다. 상기 모니터링 결과를 바탕으로, 농업부산물 유래 유기액비 및 무기배양액을 시용하여 작물을 재배하는 동안 생육단계별로 결핍되는 N, P 및 K를 중심으로 하는 배양액 성분 농도를 자동으로 측정하는 프로그램을 설계하고 배양액 종류별 작물생장, 성분 변화 등 수집 데이터 분석용 클라우드 기반 데이터베이스를 구축, 이를 바탕으로 하는 선택적 배양액 관리시스템을 구축하고 있다.
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허정욱 ( Jeong-wook Heo ),김현환 ( Hyun-hwan Kim ),정충렬 ( Chung-ryeol Jeong ),이공인 ( Goin-in Lee ) 한국환경농학회 2016 한국환경농학회 학술대회집 Vol.2016 No.-
스마트온실(식물공장)에서는 태양광 대신 형광등, LED(Light Emitting Diode, 발광다이오드)와 같은인공광을 사용하여 병충해 방제를 위한 농약과 같은 화학물질을 사용하지 않고 작물을 안전하게 재배할수 있으며, 작물의 종류에 따라 다양한 인공광원과 재배시스템을 이용할 수 있다. 스마트온실은 토경재배가 아닌 수경재배방식을 주로 채택하고 있으며, 온도 및 습도 등의 환경 모니터링 및 제어시스템을 활용하여 작물 생장에 적합한 환경을 제공한다. 현재, 이와 같은 스마트온실을 활용하여 상추와 같은 호냉성 엽채류를 중심으로 한 재배시스템 개발 및 재배기술 관련 연구가 활발히 진행되고 있으며 실용화 중에 있다. 그러나 수경재배 조건에서 감초, 당귀 및 방풍 등 뿌리부위를 식용으로 하는 작물을 재배할 경우 기존 수경재배시스템에서는 재배기간이 경과함에 따라 뿌리 엉킴과 부패 현상이 발생하여 장기재배가 곤란하여 신선엽과 뿌리재배를 겸용한 재배시스템에 관한 시스템 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 스마트온실내 연중 친환경 작물의 신선엽과 뿌리를 생산하기 위한 인공광형 재배시스템을 개발하고 방풍 재배시험을 통하여 시스템 구동시험을 수행하였다. 재배시스템은 배양액 수조를 중심으로 좌, 우 양측 이동형 인공광원부(60×30 cm), 재배부(80×60 cm) 및 근권부(80×14×30 cm)로 구성하였으며, 인공광원은 LED와 형광등 혼합의 측광조사가 가능하도록 설계하여 작물 지상부 상부에 부착하였다. 뿌리생장을 위한 근권부는 분무경, 담액경과 배지경이 가능하도록 구성하였다. 또한, 지하 근권부에 용존산소농도를 제어할 수 있도록 산소제어장치를 부착하였으며, 근권부 배양액 수조는 일반 담액경, 분무경과 배지경이 가능한 구조로 설계하였다. 구동시험을 위한 식물 공시재료는 신선엽과 뿌리를 가용하는 방풍(Ledebouriella seseloides L.) 실생묘로 하였다. 재배시험 기간 동안 광강도 및 1일 광조사시간은 각각 150 μmol m-2 s-1 및 12 시간이였으며, 재배장치가 놓인 스마트온실내 온도 및 습도는 각각 20±1°C 50±10%로 제어하였다. 배지경 구동시험을 위해 목탄, 하이드로볼 및 난석 등 3종의 배지를 선정하고 세척한 후 배양액 수조에 채웠다. 담액경과 재배시스템내 배지경 재배효과를 비교하기 위하여 수경재배 정식판에 본엽이 2~3매 전개된 실생묘를 정식한 후 5주째에 지상부 생체중, 엽수 등의 지상부 생육을 조사하였으며 재배시험은 5주 간격으로 3회 반복하였다. 일반 담액경 시스템에서 재배한 방풍 지상부 생체중은 배지경에 비해 유의하게 증가하였으며, 배지 종류에 따른 생체중 변화는 없었다. 담액경 시스템에서 방풍잎의 생체중은 배지경 대비 약 1.5배 증가하였으나, 하이드로볼 배지경에 비해 잎의 건물중은 수경재배방식에 따른 유의성은 없는 것으로 나타났다. 엽내 엽록소 함량을 조사한 결과, 수경재배방식 및 배지종류의 차이에 따른 영향은 없었으며 배지경에 있어서 실생묘 개체당 엽수는 하이드로볼 대비 난석 처리구에서 증가하였다. 잎수확을 3회 반복하여 지상부 생장을 조사한 결과, 생체중 이외에 수경재배방식 및 배지종류의 차이와 상관없이 인공광 재배시스템내에서 방풍을 재배할 경우 방풍의 뿌리 및 지상부 잎생장에 문제가 발생하지 않는 것으로 보아, 스마트온실내 뿌리가용 작물의 안정생산이 기대된다. 앞으로 지상부 잎의 수확량 및 뿌리 생장이나 비대를 조사하고 비대생장 촉진을 위한 산소공급 시험을 수행, 재배시스템을 활용한 적정 수경재배조건을 결정할 예정이다.
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광질이 아게라텀, 아프리칸매리골드 및 살비아 실생묘의 생장, 순광합성속도 및 에틸렌 생산에 미치는 영향
허정욱(Jeong Wook Heo),이용범(Yong Beom Lee),이덕배(Deog Bae Lee),전창후(Changhoo Chun) 한국원예학회 2009 원예과학기술지 Vol.27 No.2
The effect of white fluorescent, blue, red, and blue plus red mixture light at a 90 ± 10 μ㏖ m?² s?¹ light intensity on growth, net photosynthetic rate (NPR), and ethylene production in Ageratum houstonianum ‘Blue Field’, Tagetes erecta ‘Orange Boy’, and Salvia splendens ‘Red Vista’ plug seedlings was investigated for 14 days. Higher leaf area and NPR of ageratum seedlings were achieved by mixture radiation of blue and red as compared to monochromic blue or red, whereas ethylene production was not affected by different light qualities. Ageratum and salvia seedlings under blue or red light showed the greatest plant height. Photosynthesis of marigold and salvia seedlings was stimulated by all light qualities except for monochromic blue light. Red or mixture light quality was the most effective in the promotion of ethylene production of marigold and salvia, and inhibitory response was shown under blue light. It was found that growth, photosynthesis, and ethylene production in ageratum, marigold, and salvia plug seedlings depended upon different light qualities for the experimental period.
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