• 서 언
• 재료 및 방법
• 식물재료 및 재배환경
• 인광광원의 종류 및 설치
• 인공광원별 파장 분포
• 데이터 수집 및 통계분석
• 결과 및 고찰
• 광원별 Plectranthus amboinicus의 생장반응
• 광원별 Fittonia albivernis의 생장반응

서 언

 산업화와 도시화가 심화되면서 인간의 활동은 87%이상 실내에서 이루어지게 되었고 자연과 먼 환경에서 생활하게 되었다(Adgate et al., 2004; Jenkins et al., 1992). 이로 인해 실내 공기의 질이 인간의 건강에 크게 영향을 주게 되었는데, 새집증후군의 원인물질로 알려진 벤젠과 톨루엔 등 휘발성 유기물질(volatile organic compounds, VOCs)이나 오염된 공기가 우리의 건강을 위협하고 있다. 최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위해 공기정화능력이 있는 관상식물을 이용하여 쾌적한 녹색공간(green amenity)을 조성하고 있다(Bales, 1995). 또한 식물로부터 발생되는 음이온은 전기적 특성에 의해 오염물질을 제거하고 신진대사를 촉진시키는 것으로 알려져 있다(Lee, 2004; Lee and Yoon, 2003).

 식물은 빛, 이산화탄소, 물을 이용하여 에너지원을 합성하며, 합성된 에너지는 식물체의 생명 유지와 생육등에 사용된다. 특히 실내식물은 광합성을 통해 이산화탄소를 흡수하고 산소를 방출함으로써 밀폐된 실내공간의 공기를 정화한다. 또한 증산작용을 통해 실내의 습도 유지 및 온도 조절에도 영향을 미친다(Synder, 1990). 이뿐만 아니라 실내식물은 VOCs의 제거에도 그 효과가 입증되면서(Yang et al., 2009), 실내로의 식물 도입은 급격한 증가 추세를 보이고 있다. 식물에 따라 광합성에 적합한 환경조건, 즉 광, 온도, 상대습도, CO₂ 농도 등이 다르며, 이에 대한 식물체의 반응은 매우 다양하고 복잡하다(Choi et al., 1998, 1999).

 식물의 생육에 영향을 미치는 광환경은 광도(light intensity), 광질(light quality), 일장(day length) 등 3가지 관점으로 구분하여 볼 수 있다(Fisher and Runkle, 2004). 광도는 주로 광합성에, 광질(광파장)은 주로 형태형성이나 방어물질 합성에, 그리고 일장은 주로 개화조절에 영향을 미치지만 세 가지 요인은 식물의 다양한 생리생태적, 그리고 생화학적 반응에 단독 또는 복합적으로 영향을 미친다(Fisher and Runkle, 2004; Smith, 1982). 이 중 광질은 파장별로 다른 영향을 미치는 것으로 알려져 있는데, 청색광(blue, B, 400-500nm)은 광합성을 촉진하고 줄기신장을 억제하며(Hogewoning et al., 2010), 적색광(red, R, 600-700nm)은 광합성 촉진과 개화 및 줄기신장에 관여하고, 녹색광(green, G, 500-600nm)은 광합성 보조역할을 한다(Smith, 1994). 그리고 원적색광(근적외광, far-red, FR, 700-800nm)은 개화와 줄기신장 촉진 및 종자 발아조절에 관여한다. 또한 식물은 일장에 따라 개화시기가 결정되기도 한다. 개화는 식물의 관상가치에 매우 중요한 영향을 미치며, 화훼의 이용목적에 따라서는 인위적으로 개화를 억제하거나 촉진하기도 한다(Fisher and Runkle, 2004).

한국공업규격조도기준(KS A 3011)에 따르면(An et al., 2010), 사무실이나 주택의 표준조도는 200-400Lux로 식물이 생육에는 매우 부족한 편이다. 이와같은 광환경에 적응할 수 있는 식물은 광보상점이 낮은 일부 관엽식물에만 해당되며(Park et al., 2010), 관상가치가 높은 관화식물이나 반입식물 및 방향성을 가진 허브류의 활용은 거의 불가능하다. 그래서 광도를 높이는 노력이 필요하며 자연광의 효율적인 도입이나 인공광원의 활용이 불가피하게 되었다. 

 현재 식물재배에 활용되고 있는 인공광원으로 형광등, 백열등, 그리고 고압나트륨램프(high pressure sodium lamp, HPS), 메탈할라이드램프(metal halide lamp, MH), 수은등(mercury lamp, MC)과 같은 high intensity discharge(HID) 램프와 최근 도입되고 있는 light-emitting diode(LED) 등이 있다. 이들 파장 분포를 보면 형광등은 G과 R이 각각 52%와 24%, HPS는 G 51%와 R광이 38%로 알려져 있다. 그리고 백열등은 다른 광원에 비해 FR이 52%와 R이 34%로서 FR이 상대적으로 다른 광에 비해 높았으며, MH는 G 49%와 R 25%이다. 반면 태양광은 R과 G가 각각 26%, FR 25%, B 23%로 스펙트럼의 분포가 고른 편이다(Oh, 2011).

 따라서 본 실험에서는 실내 보광원으로 사용할 수 있는 다양한 인공광원의 개별 및 혼합 광질을 분석하였고, 태양광이 거의 도달하지 않는 실내환경에서 이들 광원에 대한 에코플랜트(eco-plant) 2종의 생장반응을 구명하였다.

재료 및 방법

식물재료 및 재배환경

 꿀풀과(Labiatae)의 장미허브[vicks plant, Plectranthus amboinicus (= tomentosa)]와 쥐꼬리망초과(Acanthaceae) 의 붉은줄무늬피토니아[Fittonia albivernis (= verschaffeltii)]를 도매상에서 구입하여 각각 초장이 약 5.6cm와 3.6cm, 엽수가 약 10매와 6장인 균일한 크기의 식물체를 선발하여 실험재료로 사용하였다. 두 식물은 실내 가습에 효과적이며, 각각 향기와 반입이 있어 실내 인테리어에 기능성과 관상가치를 더해 줄 수 있어 선택하였다. 준비된 식물체들은 혼합상토(Sunshine Mix #4, SunGro Inc., USA)로 채운 플라스틱 화분(φ12 × H11.5cm)에 정식하여 온실에서 1주간 순화시킨 후 영남대학교 경산캠퍼스 농장에 설치된 파이토트론(phytotron) 내의 다양한 광원 하에서 3개월간 관리되었다. 환경조건은 온도 20 ± 2^˚C, 일장 16시간이었고, 상토 표면이 완전히 마른 후 화분 아래로 물이 빠질때까지 관수하였다.

인광광원의 종류 및 설치

 광원은 알루미늄 프로파일로 직육면체 구조물(W80 × L100 × H75cm)을 만들고 여기에 형광등(fluorescent lamp, FL) tube-type(금호전기) 20W 3개와 bulbtype(Osram) 40W 4개, LED 형광등 tube-type(삼성) 12W 3개와 bulb-type(삼성) 9.6W 4개, 할로겐램프(halogen lamp, HL; 일광전구) 100W 1개를 단독 또는 혼합조사할 수 있도록 설치하였다. 고압나트륨램프(HPS; 동성전기)와 메탈할라이드램프(MH; B2BC 전기조명) 및수은등(MC; 동성전기)는 각각 100W 1개씩 조사할 수 있도록 별도의 구조물(W80 × L100 × H145cm)을 설치하였다. 이 연구에 사용된 광원들은 식물의 생육을 촉진할 가능성이 있는 것들로 실내정원의 규모와 천정 높이에 따라 선택할 수 있도록 다양하게 선정하였다.

 단독 및 혼합광원의 각 처리구별 광도는 식물체의 높이를 달리하거나 광원에 백색 페인트를 칠하여 25 ± 2μmol·m^-2·s^-1로 균일하게 설정하였다. 단독(6종) 및 혼합광원(4종)의 스펙트럼(400 ~ 800nm) 분석은 각각 spectroradiometer(CS-100, Konica Minolta, Japan)를 이용하여 광원으로부터 60cm 거리에서 수행되었다.

인공광원별 파장 분포

 본 연구에 사용된 광원의 스펙트럼은 분광분석기로 분석하여, 단독광원 중 FL tube는 PAR(400 ~ 700nm) 영역에서 3개의 피크가 나타났으며, 청색광(B)과 녹색광(G) 및 580nm 부근이었다(Fig. 1A). LED tube는 440nm와 550nm 부근에서 2개의 피크가 관찰되었으며 LED bulb와 거의 동일한 양상이었다(Fig. 1B, C). HPS는 600nm 전후에서 3개(Fig. 1D), MH는 400 ~ 600nm에서 다수(Fig. 1E), MC는 600nm 이하에서 B와 G 등이 관찰되었다(Fig. 1F). 한편 혼합광원 처리구 중 FL tube에 LED tube 또는 LED bulb를 혼합한 처리구에서는 2개의 주 피크가 관찰되었으며 B와 G에 해당되었다(Fig. 2A, B). FL bulb + HL 처리구에서는 B와 G 및 적색광(R) 부근에서 각각 피크가 나타났다(Fig. 2C). LED (tube + bulb) 혼합광은 LED 단독광과 스펙트럼이 같은 경향으로 440과 560nm 부근에서 피크가 관찰되었다(Fig. 2D).

Fig. 1. Light spectrum distribution of six single artificial light sources used in this study. A, fluorescent lamp tube: B, LED tube; C, LED bulb; D, high pressure sodium lamp; E, metal halide lamp; F, mercury lamp.

Fig. 2. Light spectrum distribution of four combinations with different artificial light sources used in this study. A, fluorescent lamp (FL) tube + LED tube; B, FL tube + LED bulb; C, FL bulb + halogen lamp; D, LED tube + LED bulb.

 이들 광원별 파장을 분석한 결과, 총 10개 광원들 중 FL tube + LED tube, LED (tube + bulb) 혼합광, 그리고 MH에서 B가 다소 높았다. R은 FL bulb + HL 혼합광과 HPS 단독광에서 가장 높았다. 한편 FR은 FL bulb + HL 혼합광에서 가장 높았는데 다른 광원의 100배 이상이었다. B : R 비율은 FL bulb + HL 혼합광과 HPS 단독광에서 가장 낮았던 반면, MC 단독광에서 가장 높았다. 그리고 R : FR 비율은 LED 단독광(tube 또는 bulb)과 LED (tube + bulb) 혼합광에서 가장 높았다.

데이터 수집 및 통계분석

 광처리 3개월 후 F. albivernis의 엽장과 엽폭은 정단부 아래 완전히 전개된 2번 또는 3번엽을 대상으로 측정하였다. 엽록소 함량은 P. amboinicus와 F.albivernis의 각 상위엽 중 완전히 전개된 잎의 중앙부에서 chlorophyll meter(SPAD-502, Minolta, Japan)를 이용하여 측정하였다. 각 처리별 3반복으로 하였으며, 반복당 3 ~ 4개의 식물체를 사용하였다. P. amboinicus 의 경우 분지수는 잎이 90ο로 전개된 것을 대상으로 측정하였다. 초장과 엽장 및 엽폭 등의 통계분석은 SAS프로그램(SAS 9.1.3, SAS institute Inc., USA)을 이용하였으며, 처리평균 간 유의차는 Duncan의 다중검정으로 95% 수준에서 분석되었다.

결과 및 고찰

광원별 Plectranthus amboinicus의 생장반응

 P. amboinicus의 생장에 미치는 광원의 영향을 관찰한 결과(Table 1), 초장은 FL bulb + HL 혼합광 하에서 가장 컸으며, FL tube + LED bulb, LED (tube + bulb), MH 및 MC 처리구와는 차이가 없었다. 나머지 광원에서는 FL tube와 유사한 경향이었다. 일반적으로 청색광(B)은 식물의 신장생장을 억제하고 (Clifford et al., 2004; Hogewoning et al., 2010), 광수용체인 phytochrome에 의해 인지되는 근적외광(FR)은 줄기신장을 촉진하는 것으로 알려져 있다 (Smith, 1994). 본 실험결과 초장이 FL tube + HL 처리구에서 증가된 것은 다른 인공광원보다 FR의 분포가 많았던 영향이라 판단된다. 한편 국내 육성된 ‘Saebom’ 등 거베라의 기내 신장에는 적색광(R)의 LED가 유리하다고 보고된 바 있다(Cho et al., 2012). 또 다른 보고 (Casal and Smith, 1989; Runkle and Heins, 2001)에서는 R:FR 비율이 낮을수록, B가 적을수록 줄기신장이 촉진되었다. 하지만 B의 효과는 작물에 따라 달라졌는데, B 비율이 높았을 때 콩(Glycine max)은 세포 분열 및 팽창이 억제되어 절간장과 엽면적이 감소된 반면, 상추(Lactuca sativa)는 세포 분열과 팽창이 각각 1.6과 3.1배 증가되었다(Dougher and Bugbee, 2004).

Table 1. Plant height and number of lateral branches of Plectranthus amboinicus grown under different artificial light sources for three months.

 측지형성은 인공광원의 종류에 관계없이 모든 처리구에서 나타났다. 총 측지수는 초장이 가장 컸던 FL bulb + HL 처리구에서 9.9개였으며 그 중 2cm 미만의 측지가 6.6개로 가장 많았다. 이 처리구는 HPS 처리구와 함께 R의 분포가 다른 인공광원 처리구보다 높았다. 이는 Huh et al.(2007)이 개화기가 빠른 꽃도라지 ‘Pink Fresh’에서 적색 차광망을 처리했을 때 초장과 측지수가 증가한다고 한 결과와 유사한 경향이었다. 한편 초장이 8.5cm 전후였던 FL tube, LED tube, LED bulb, HPS 광원 하에서는 5cm 이하인 측지가 한 구획에 편중됨이 없이 비슷하였다. 이는 식물체의 균형과 볼륨감을 향상시킬 수 있어 관상가치가 증가되었다. MH 하에서는 다른 처리구와 달리 정아뿐만 아니라 8cm 이상의 측지가 관찰되어 측지의 신장도 촉진되었다. 광이 부족한 곳에서는 초장과 더불어 측지의 형성 및 발달이 억제되었다(data not shown). 즉 P. amboinicus의 측지 형성 및 신장에는 광원의 종류에 관계없이 본 실험에 사용된 정도의 광도는 요구된다는 것을 알 수 있었다.

Fig. 3. Growth comparisons of Plectranthus tomentosa grown under (A) tube-type white LEDs and (B) bulb-type fluorescent lamps + halogen lamps for three months.

 엽록소 함량은 처리구간 큰 차이가 없었으나 LED (tube + bulb), FL tube + LED bulb 처리구에서 27정도로 다른 처리구보다 다소 낮았으며 B의 효과는 거의 없는 것으로 나타났다(Table 2).

Table 2. Chlorophyll content and plant weight of Plectranthus amboinicus grown under different artificial light sources for three months.

 P. amboinicus의 생체중은 FL bulb + HL, LED bulb, MH 처리구에서 컸으며 다음으로 LED tube 처리구였다(Table 2). 건물중은 생체중이 높았던 처리구 중 MH 하에서 가장 높은 것으로 나타났다. 한편 건물중이 낮았던 광원은 FL tube와 MC였다. 인공광원별 식물의 함수율을 검토한 결과, 건물중이 낮았던 MC 하에서 95.8%로 가장 높았다. 반면 가장 강건하게 자란 처리구, 즉 함수량이 적었던 처리구는 FL tube + LED tube, FL tube + LED bulb, LED (tube + bulb), MH 등이었다. 생체중과 함수율을 고려해 볼 때 MH 하에서 P. amboinicus의 생장이 가장 좋은 것으로 판단되었다.

광원별 Fittonia albivernis의 생장반응

 실내식물에 반입 등 색상을 강조할 때 함께 혼식하게 되는 F. albivernis의 초장은 인공광원의 종류별로 큰 차이는 없었으나, 초장이 약 5.97cm인 LED tube 와 4.13cm인 MH 처리구 간에는 유의차가 인정되었다(Table 3). 잎의 형태학적 특성 중 엽장과 엽폭은 초장보다 인공광원에 따른 변화가 더 컸다. 엽형지수 (엽장/엽폭)는 LED tube 하에서 컸으며 MH와 유의차가 인정되었다. 나머지 처리구에서는 잎의 생장에 차이가 없었다. 한편 F. albivernis는 P. amboinicus에 비해 식물체의 생육이 늦어 실험기간을 좀 더 연장해 보는 것도 필요할 것으로 생각되었다.

Table 3. Plant height and leaf characteristics of Fittonia albivernis grown under different artificial light sources for three months.

 엽록소 함량은 MH 처리구에서 27.6으로 가장 낮았다. 상추는 B의 혼합비율이 43%까지 순차적으로 높아짐에 따라 생육은 억제되었으나 상대적인 엽록소 함량과 적색의 발현은 크게 증가하는 경향이었다(Lee et al., 2010). 본 실험에서는 MH 처리구에서 다른 인공 광원보다 B 비율이 높았음에도 불구하고 엽록소 함량은 낮아 식물의 종류에 따라 다른 결과를 나타내었다.

 이상의 결과를 종합해 볼 때, FR을 많이 발광하는 HL의 혼합조사는 줄기신장과 더불어 P. amboinicus의 측아 형성이 촉진되었다. 또한 생체중이 증가하고 F.albivernis의 엽형지수가 컸다. R:FR 비율이 높은 LED (tube + bulb) 처리구에서 초장은 증가하고 분지가 억제되었으며 함수량은 적었다. 한편 엽록소 함량은 식물의 종류에 따라 달랐다. B 비율이 높았던 MH 하에서는 2종간 줄기 신장 정도가 달랐으며 P. amboinicus 에서 측아 형성이 양호하고 건물중이 컸다. 즉 식물의 종류에 따라 인공광원이 미치는 영향은 달라질 수 있으므로 도입목적에 따라 적합한 단독광원 또는 혼합광원을 적용해야 할 것으로 판단되었다. 또한 실내정원의 규모나 천정높이에 따라 광원의 종류나 광원의 규격을 달리하여 식물의 생장 촉진과 더불어 시각적인 효과도 증대시킬 수 있을 것이다.