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우리나라 겨울철은 기온이 낮고 일사량도 부족하기 때문 에 고품질의 절화 장미를 생산하기 위해서는 난방이 필수적 이며 일사량 보충을 위해 보광등을 설치하는 것이 일반적이다 (Jeong and Kim 2009; Lim et al. 2009, 2010). 대표적인 난방 시설로는 온풍난방이나 온수 보일러가 많이 이용되고 있으나, 유가가 계속해서 상승하고 있기 때문에 농가에는 큰 부담이 되고 있다. 겨울철 난방비는 전체 경영비의 30 ~ 40%나 차지 하고 있어 농가 소득에 큰 장애요인이 되고 있다(Chang 2005). 그렇기 때문에 상대적으로 비용이 저렴한 농가용 전기 에너지를 이용하여 재배하우스를 난방하는 농가가 점차 늘어 나고 있다. 대표적으로 낮은 광도의 적외선등(Blom and Ingratta 1980)이나 나노탄소섬유적외선등(Lim et al. 2009)의 경우 광도는 낮지만 난방효과가 매우 좋은 것으로 보고되고 있다(Jeong and Kim 2009; Lim et al. 2009, 2010). 한편 난방 효과 외에 적외선등에 의한 절화 장미의 생장이나 개화에 대 한 영향은 아직까지 명확하지 않다.

겨울철 보광등으로 고압나트륨등(high pressure sodium lamp, HPS)과 메탈할라이드등(metal halide lamp, MH)이 대 표적이다. 이들은 방출되는 광도가 높기 때문에 시설 내 절화 장미의 생장과 개화를 촉진시키는 효과가 있다고 알려져 있다 (Bredmose 1993; Bubenheim et al. 1995; Mortensen and Fjeld 1998). 특히 고압나트륨등은 광도만 높을 뿐 아니라 발열 량도 많아 난방효과도 뛰어난 것으로 농가에서는 경험적으로 관찰되고 있다. 근래에는 LED(light-emitting diode)등이 소비 전력이 매우 낮고 내구성이 강하다는 장점 때문에 보광등으로 서의 이용이 검토되어 왔다(Cha et al. 2013; Massa et al. 2008). 그러나 LED는 상대적으로 광도가 너무 약하기 때문에 보광등으로서는 한계가 있다는 지적도 나오고 있는 실정이다. 그렇기 때문에 이들 보광등과 난방등의 광질을 비교 분석하고 또 이들이 하우스 안의 기상환경과 절화장미의 개화 및 절화품 질에 미치는 영향을 분석할 필요가 있다.

따라서 본 연구는 세가지 보광등(LED등, 메탈할라이드등, 고압나트륨등)과 난방등(나노탄소섬유적외선등)을 이용하여 절화 장미를 재배했을 때, 하우스 내 기상환경 변화와 절화장 미의 개화와 품질에 미치는 영향을 비교분석하기 위해 실험을 수행하였다.

재료 및 방법

식물재료 및 재배관리

본 실험은 경상남도 김해시 진례면에 있는 절화장미 전문 생산 농가인 ‘시온장미’에서 수행하였다. 본 농가는 약 3000m² 규모의 비닐 온실에서 피트모스를 고형배지로 한 수경재배 시 스템으로 절화 장미를 재배하고 있었다. 본 연구를 위해 사용 된 식물재료는 절화 장미 ‘필립’(Rosa hybrida ‘Feel Lip’)이었 으며, 주지를 절곡하여 아칭재배로 관리되고 있었다. 재식거 리는 주간 15cm 열간 25cm로 어긋나게 식재되었으며, 각 전 등 처리 구간인 3m 안에는 장미 45주 정도가 실험대상이 되 었다.

실험은 봄(2월 28일 ~ 4월 14일), 가을(10월 8일 ~ 11월 21일), 겨울(11월 21일 ~ 다음해 1월 21일) 총 3회에 걸쳐 수행하였 다. 모든 실험은 장미 수확을 끝내고 새로운 신초가 올라오기 시작하는 시점부터 시작하여 수확이 끝나는 시점까지로 하였 다. 다만, 기상 환경에 대한 데이터는 실험개시일로부터 첫 수 확이 시작되는 시점(약 1개월)까지만 제시하였다. 시설내의 온도는 봄과 가을엔 야간 최저 온도를 18.5℃로 설정하여 기 온이 그 이하로 떨어졌을 때 모든 전등이 자동으로 점등되도 록 하였으며, 20℃ 이상으로 상승하였을 때는 자동으로 모든 등이 꺼지도록 설정하였다. 겨울에는 15.5℃에서 모든 등이 켜지고 18.5℃에서는 소등되게 설정하였다. 기타 장미 재배에 관해서는 농가에서 해 오던 관행에 따라 양액으로 재배하였으 며, 규칙적으로 살충제와 살균제를 살포하여 병충해 발생을 예방하였다.

보광등과 난방등 설치 및 광 특성 조사

농가 현장에서 사용되고 있는 보광등 3종류와 난방등 1종류를 양액재배 배드 위에 3m 간격으로 2개씩 설치하였다. 보광등은 LED등(Light emitting diode lamp, ST24, Samsung, Korea, LED), 메탈할라이드등(Metal halide lamp, IKE-L-MH175W, Ikled electronic, Korea, MH), 고압나트륨등(High pressure sodium lamp, SON-T, Philips, Netherlands, HPS)을, 난방등으로는 나노 탄소섬유적외선등(Nano-carbon fiber infrared lamp, 원봉탄소에 너지, Korea, NCFI)을 이용하였다. 처리간 암막으로 칸막이를 하여 야간 점등 시 서로간의 간섭을 피하게 하였고, 낮에는 칸막이 를 걷어 올려 자연광을 이용할 수 있게 하였다(Fig. 1). 각 전등들의 광 특성을 알아보기 위해 야간 전조시 각 등의 광도를 광도계(HD 9021, Delta OHM, Italy)를 이용하여 측정하였다. 광도 측정은 각 전등 처리구간 안에 일정한 거리로 5개 지점을 설정하고 베드 25cm 높이에서 측정하였다. 또한 분광복사기(Jaz Spectrometer, Ocean Optics, Dunedin, FL, USA)를 이용하여 각 전등의 광 스펙트럼을 측정하였다.

시설 내 기상 환경 및 절화 장미 품질 조사

전등을 설치했을 때 시설내의 기상 환경 변화를 추적하기 위해 기온 및 습도를 데이터 로거(RHT10, Extech Instruments Co. USA)를 이용하여 데이터를 수집하였고 실험 종료 시 데 이터를 컴퓨터에 전송하여 분석하였다. 다만, 전등 종류에 따 른 하우스 내 기상환경 데이터는 실험개시일로부터 개화 수확 을 시작하는 시점까지만 표와 그림으로 나타내었다. 전등 종 류가 장미의 개화기에 미치는 영향을 알아보기 위해 2 ~ 3일 간격으로 수확기에 도달한 장미를 수확하여 조사하였다. 개화 기에 대한 판단은 농가에서 장미를 수확하는 시점, 즉, 완전히 성숙한 꽃봉오리에 제일 바깥쪽 꽃잎 1 ~ 2장이 벌어지기 시 작하는 시점이었다. 또한 수확 후 절화의 품질을 비교하기 위 해 절화장, 생체중, 줄기직경, 꽃목길이를 조사하였다.

실험설계 및 통계처리

각 전등별로 식물체 45주 정도를 대상으로 하여 실험을 수 행하였으며, 수집된 데이터는 SAS(Statistical Analysis System, V. 9.1, Cary, NC, USA) 통계프로그램을 이용하여 ANOVA 검 정과 Duncan’s multiple range test를 이용하여 실험군 평균값 을 유의수준 5%에서 유의성을 검정하였다.

결과 및 고찰

전등 종류에 따른 광질 변화와 광도

보광등 3종류와 난방등 1종류의 광의 특성을 알아보기 위 해 광도와 광스펙트럼을 조사한 결과는 Table 1과 Fig. 2와 같 았다. 대조구(무처리)의 광도는 암막으로 커튼을 친 상태였기 때문에 광이 전혀 없었다. LED과 NCFI의 광도는 각각 6.8 μmol·m^-2·s^-1과 0.4μmol·m^-2·s^-1으로 매우 낮은 반면, MH 와 HPS는 79 ~ 100μmol·m^-2·s^-1 범위로 높은 광도를 보였 다. 한편, 광스펙트럼의 경우 LED는 청색 파장대에 일부와 적색 파장대에 대부분 분포되어 있어 낮은 광도에 비해 광합성 효율은 높을 수 있을 것으로 보였다. 디펜바키아(Dieffenbachia anoena ‘Camella’와 고무나무(Ficus elastica ‘Melany’)에서도 청색광과 적색광을 혼합한 LED로 보광을 했을 때, 뚜렷한 생육 촉진 효과가 나타났다(Heo et al. 2010). 그러나 700nm 이상의 파장대는 전혀 없어 열이 발생되지 않기 때문에 LED에 의한 난방 효과는 기대할 수 없을 것으로 보인다. NCFI의 광스펙트 럼은 700nm 이하에는 거의 없고 700nm 이상으로 올라갈수록 광량이 많아지는 것으로 나타나, 열 발생에 매우 효과적인 것 으로 나타났다. 적외선등은 복사열을 이용하기 때문에 대기 보 다는 식물체나 베드와 같은 물체를 먼저 가열시키는 효과가 있 다(Nelson 2003). 또한 적외선등은 태양광과 80% 정도 유사하 고 전력소모량이 적은 반면, 열발생은 매우 효과적이어서 겨울 철 난방용으로 이용 시, 난방비 절감효과가 클 것으로 여겨지 고 있다(Cho et al. 2006; Jeong and Kim 2009). 광도가 비교 적 높았던 MH는 파장이 400nm에서 700nm까지 골고루 분포 되어 있어 식물의 생육 촉진에 효과적이나 700nm 이상의 적외 선 부분이 거의 없었기 때문에 열 발생이 매우 미미하여 난방 효과는 적은 것으로 판단되었다. HPS는 가시광선역과 적외선 역에서 골고루 분포하는 편이었으며, 특히 770nm와 830nm에 서 좁은 영역으로 집중되어 있어 HPS는 열이 많이 발생된다는 것을 알 수 있었다. Choi et al.(2008)의 연구결과에서도 HPS 는 황백색광으로 가시광 비율이 27 ~ 30%이며, 적외선 비율은 47 ~ 63%라고 하여 열이 많이 발생한다고 하였다. 이러한 결과 를 종합해 보면 HPS은 보광등과 난방등의 기능을 동시에 지니 고 있는 우수한 전등임을 알 수 있었다.

전등 종류에 따른 시설내 온도와 상대습도의 변화

전등 종류에 따른 하우스 시설 내·외의 연중 최저 온도 변 화는 Fig. 3과 같았다. 전등 종류에 따라 그리고 계절에 따라 최저 온도가 조금씩 달라졌다. 전조에 의해 최저온도가 무처 리구보다 1 ~ 2℃ 정도 높아지는 효과가 있었다. 봄에는 4종 류의 전등 중에서 난방등으로 이용되고 있는 NCFI에서 최저 온도가 19.2℃로 가장 높았으며, 이는 무처리구 17.1℃에 비 해 약 2℃ 정도 높은 온도였다. 그러나 가을과 겨울기간에는 보광등으로 사용되고 있는 HPS와 MH에서 난방등인 NCFI 보 다도 최저온도가 높게 나타났다. 전등 종류에 따른 실험 기간 동안의 일일 최고, 최저 및 평균 온도와 습도는 Table 2와 같 았다. 시설 내 평균 온도 변화는 최저 온도 변화와 마찬가지 로 전등 종류와 계절에 따라 조금씩 달라졌다. 4종류의 전등 을 이용하여 전조하였을 때, 무처리구에 비해 2℃ 정도 평균 온도가 상승되었다. 무처리구의 일일 평균온도는 봄과 가을에 각각 20.6℃와 21.0℃, 겨울엔 17.3℃로 가장 낮았다. 전조 처 리를 전혀 하지 않아도 온도가 전조처리구와 크게 차이가 없 었던 것은 전조처리구와 같은 공간에 있었기 때문에 영향을 받은 것으로 보인다. 봄에는 난방등인 NCFI에서 평균온도가 가장 높게 나타났으나 겨울에는 MH와 HPS에서 가장 높았다. NCFI와 같은 적외선등의 특징은 공기온도를 직접 올리기보다 는 적외선이 비춰지는 작물체나 배지 등의 온도가 먼저 올라 가고 후에 주변 온도를 높이는 특징이 있다(Lim et al. 2009). 또한 Lim et al.(2010)은 벤로형 유리온실에서 적외선등으로 겨울철에 난방을 했을 때, 일반 경유와 비교하여 65%나 난방 비가 절감되는 효과가 있었다고 하여, NCFI는 난방효과가 뛰 어난 것으로 여겨진다.

하우스 내 습도 변화는 계절적인 차이는 있었지만, 전조처 리에 따른 차이는 보이지 않았다. 최대 상대습도에서는 대부 분 90% 이상으로 큰 차이가 보이지 않았지만 최저 상대습도 는 봄이 20 ~ 22%로 가장 낮았고 가을에는 38 ~ 43%, 겨울에 는 65 ~ 72%로 높아졌다. 일반적으로 MH나 HPS로 겨울철에 보광을 하게 되면 온도는 올라가고 습도는 낮아지게 된다 (Choi et al. 2008; Na et al. 2007). Kwon et al.(2014)도 HPS 를 이용하여 일몰 후 12시간 동안 보광을 했을 때, 온도는 2 ~ 4℃, 습도는 15 ~ 20%가 하락하였다. 그러나 본 연구에서 는 이러한 결과가 나오지 않은 것은 전등 종류별로 각각의 공 간에서 실험을 수행한 것이 아니라 동일한 공간에서 암막으로 칸을 나누어 실험을 수행했기 때문인 것으로 보인다. 전등 종 류에 따른 습도의 변화를 정확히 보기 위해서는 전등 종류별 로 공간을 달리하여 실험을 수행할 필요가 있다.

전등 종류가 절화장미의 개화속도에 미치는 영향

봄, 가을 그리고 겨울에 야간 전조를 해 주었을 때, 전체적 으로 개화시기가 촉진되는 것으로 나타났으나(Fig. 4), 계절에 따라 그 효과는 다른 것으로 나타났다. 전조처리에 의한 개화 시기 촉진은 봄과 겨울에 뚜렷하였으며, 가을에는 그 효과가 크지 않았다. 봄의 경우 HPS, MH, 그리고 NCFI는 대조구보다 개화일이 5 ~ 7일 정도 앞당겨졌다(Fig. 4A). 그러나 LED에서 는 무처리구와 비슷하였으며 개화일을 촉진하는 효과가 보이 지 않았다. 겨울에는 이런 효과가 좀 더 뚜렷하게 나타났는데, HPS에 의해 대조구에 비해 개화일이 12 ~ 14일이나 빨라졌으 며, MH와 NCFI에서는 무처리보다 8 ~ 10일 정도 빨라졌다. Lee and Kim(2015)도 HPS로 절화 장미에 보광을 해 주었을 때, 절화장이나 화경의 길이는 증가하였고 개화소요일수는 크 게 짧아졌다고 하였다. 광도가 6.8mol·m-1·s^-1 밖에 되지 않 아 식물의 생육에는 그다지 영향이 없을 것으로 예상되었던 LED도 무처리구보다는 개화일이 5일 정도 빨라진 것으로 나 타났다(Fig. 4C). 이렇게 식물들은 광보상점 이하의 낮은 광도 에서도 개화반응이 일어나, 개화소요일수가 짧아지는 것으로 보인다(Choi et al. 2008). 다른 계절보다도 겨울기간에 전조 효과에 의해 개화소요일수가 크게 짧아진 것은 겨울에는 기온 이 많이 떨어진 만큼 전조 시간이 길어졌기 때문이라고 생각 된다. 가을에 전조 효과가 가장 미미하게 나타난 것은 이 시 기에는 외부 기온이 그다지 떨어지지 않아(Fig. 2), 야간 전조 시간이 짧았기 때문인 것으로 생각된다.

각 계절별, 그리고 전등 종류에 따른 50% 개화까지의 시간 (T₅₀)을 구하였다(Fig. 4D). 무처리구에서 T₅₀은 16일부터 22 일까지 가장 길었으며, HPS에서 8일에서 13일까지 가장 짧았 다. 다음은 MH와 NCFI로 11일에서 15일까지 비슷하게 나타 났다. 이런 결과는 전등종류에 상관없이 전조처리를 하게 되 면 장미의 개화소요일수를 줄일 수 있다는 것을 보여준다. 계 절별로는 가을철에는 모든 처리에서 13일에서 16일 사이로 변 화가 가장 적었으며, 겨울 기간에는 8일에서 22일까지 전등 종류에 따라 가장 변동이 심했다. 이런 결과는 가을에는 전조 처리에 의해 개화기간이 그다지 영향을 받지 않으나, 겨울에 는 전조처리에 의해 개화기간이 크게 영향을 받는다는 것을 의미한다. 즉, 겨울철에는 전조처리를 하면 개화가 촉진되어 T₅₀도 크게 단축된다는 것을 알 수 있다.

전등 종류가 절화장미 품질에 미치는 영향

보광등과 난방등으로 절화장미 온실에 전조를 해 주었을 때, 절화 품질에 미치는 영향은 Table 3과 같다. 봄철에 전조 처리했을 때는 무처리에 비해 절화장을 포함한 대부분의 조사 항목에서 감소하는 경향을 보였다. 특히 HPS와 MH에서는 대 조구보다 절화장, 생체중, 꽃목길이, 경경에서 유의적으로 감 소하였다. 이는 HPS와 MH로 야간에 전조를 해 줌으로써 개 화가 5 ~ 7일 앞당겨져 영양생장이 무처리구에 비해 빨리 끝 났기 때문인 것으로 생각된다. 영양생장 기간이 상대적으로 길어진 무처리구나 광도가 낮은 전등(LED, NFCI)에서는 절화 장이 길어지고 그만큼 생체중이나 줄기직경도 증가한 것으로 생각된다. 가을철의 경우는 HPS에서만 절화장이 조금 증가했 을 뿐, 생체중을 포함한 다른 항목에서는 처리간 유의적인 차 이가 보이지 않았다. 겨울 기간의 실험결과는 봄철 기간의 결 과와는 반대로 나타났다. 즉, 모든 전조 처리에 의해 절화장이 무처리구보다 증가하였다. 이는 전조처리에 의해 개화가 촉진 되어 영양생장이 빨리 끝났음에도 불구하고 야간 동안의 전조 처리에 의해 생육이 촉진되었기 때문인 것으로 보인다. 즉, 봄 철에는 외부 광량이 충분하여 야간에 조명이 없더라도 생육이 충분한 상태에서 야간 전조에 의해 영양생장 기간이 짧아졌기 때문에 절화장이나 다른 지표들이 감소하였고, 겨울철에는 외 부 광량이 절대 부족한 상태에서 야간 조명에 의해 개화와 생 육이 동시에 촉진되었기 때문에 절화장 및 다른 지표들이 증 가한 것으로 보인다. Lee et al.(2003)과 Na et al.(2007)도 겨 울철에 보광등을 이용하여 전조를 해 주었을 때, 광도가 높을 수록 장미의 절화장, 줄기직경, 화고, 화폭 등이 증가한다고 하였다.

이상의 결과들을 종합해 보면, 전등 종류를 달리하여 야간 에 보광을 해 주었을 때, LED는 광도가 낮음에도 개화를 약간 촉진시키는 효과가 인정되었으나, 발열량은 낮아 난방효과는 없었다. MH은 광도도 높고 개화를 촉진하는 효과도 있었으 나, 발열량은 낮은 것으로 나타났다. HPS는 광도와 발열량이 동시에 높아 개화촉진효과와 난방효과가 뛰어난 것으로 나타 났다. NCFI는 광도는 낮지만 개화촉진 효과가 인정되었으며, 발열량도 뛰어나 난방등으로의 기능도 인정되었다.

초 록

현재 농가에서 이용되고 있는 보광등과 난방등의 특성을 조 사하고 하우스내 기상 환경과 절화장미의 개화와 품질에 미치 는 영향을 알아보기 위해 실험을 수행하였다. 보광등으로는 LED등(light emitting diode lamp, LED), 메탈할라이드등(metal halide lamp, MH), 고압나트륨등(high pressure sodium lamp, HPS)을, 난방등으로는 나노탄소섬유 적외선등(nano-carbon fiber infrared lamp, NCFI)을 절화장미 재배상 위에 설치하였 다. 그 결과 LED와 NCFI의 광도는 각각 6.8μmol·m^-2·s^-1과 0.4μmol·m^-2·s^-1으로 매우 낮은 반면, MH와 HPS는 79 ~ 100 μmol·m^-2·s^-1 범위로 높은 편이었다. 또한 LED와 MH는 적외 선역에 파장이 없어 발열량이 거의 없었으나, HPS와 NCFI는 적외선역에 파장이 많아 발열이 많은 것으로 나타났다. 동일한 공간에서 칸막이로 실험구간을 나누어 실험이 수행되었음에도 불구하고 MH, HPS, NCFI에 의해 온도는 2°C 정도 상승되는 결과를 얻었으나, 습도에서는 처리간 차이가 보이지 않았다. 광 도에 상관없이 모든 전등들은 절화장미의 개화를 촉진시켜 무 처리구에 비해 적게는 5 ~ 7일, 많게는 12 ~ 14일 개화가 촉진 되는 것으로 나타났다. 광량이 충분한 봄철에는 전조처리에 의 해 개화소요일수가 짧아지는 만큼 절화장도 대조구보다 짧아졌 지만, 광량이 부족한 겨울철에는 전조처리에 의해 절화장이 길 어져 품질이 향상되는 결과를 얻을 수 있었다.