저압조건에서 상추의 생육 특성
박종현1·김용현2
*
1전북대학교대학원생물산업기계공학과
,
2전북대학교농업생명과학대학생물산업기계공학과
(
농업과학기술연구소)
Growth Characteristics of Lettuce under Low Pressure Jong Hyun Park
1and Yong Hyeon Kim
2*
1
Dept. of Bioindustrial Machinery Engineering, Graduate School, Chonbuk National University, Jeonju 561-756, Korea
2
Dept. of Bioindustrial Machinery Engineering, College of Agriculture & Life Sciences,
Chonbuk National University, Jeonju 561-756, Korea (The Institute of Agricultural Science & Technology)
Abstract.
This study was conducted to analyze the feasibility of plant growth under low pressure and to investigate the effect of pressure on plant growth. Three levels of pressures (25, 50, and 101.3 kPa (control)) were provided to analyze the growth of Lettuce ( Lactuca sativa L.) as affected by low pressure. Photope- riod, air temperature, and photosynthetic photon flux were set at 16/8 h, 26/18
oC, and 240
µmol
·m
−2s
−1, respectively. Growth characteristics of lettuce were measured on 7 days and 14 days after experiment. Leaf length, leaf width, leaf area, and root dry weight of lettuce measured on 7 days under 25 and 50 kPa were significant as compared to the control. Leaf length, top dry matter and root dry matter of lettuce measured on 14 days were significantly different under 25 and 50 kPa. From these results, we confirmed that lettuce could be grown under low pressure. However high relative humidity by evapotranspiration from leaves and growing beds under low pressure caused the condensation on the inner surface of the chamber. Therefore in a low pressure chamber, humidity control is required to maintain the relative humidity at a proper level.
Key words :
lettuce, low pressure chamber, plant growth, relative humidity
서 론
우주비행사가우주에서장기간체류하며임무를수 행하려면우주에서식량은물론산소
,
이산화탄소,
수 분등생명유지에필요한자원의확보와효과적인이 용이필요하다.
그런데우주의환경조건은지구의경우와비교해서많이다르다
.
미국,
러시아,
일본등우주 개발에앞장서고있는국가들의주요탐사대상이되 고있는화성의경우,
표면압력이0.2~0.9 kPa
로서지구대기압의
1%
에도미치지못하는낮은압력에해당한다
.
그러므로화성과같은우주환경에서우주비행사 의생명유지에필요한식량과자원을효과적으로확보 하려면저압조건에서작물생산이가능한시스템의개발이필요하다
.
이제까지우주에서작물생산을목표로시도된다양 한연구결과가보고되었으나
,
그결과에는조금씩차이 가있다.
적용된압력범위는20~101 kPa
까지이었으며,
공시작물로는 상추
(He
등, 2003, 2009; Spanarkel
과Drew, 2002),
시금치(Goto
등, 1995; Iwabuchi
와Kurata, 2003),
밀(Guo
등, 2008; He
등, 2003),
무(Levine
등, 2008)
등이었다.
이러한작물을대상으로 수행된 실험은 크게 발아에 미치는 압력의 영향(He
등
, 2003; Spanarkel
과Drew, 2002; Schwartzkopf
와Mancinelli, 1991)
과 생육에미치는 압력의영향(Guo
등
, 2008; Goto
등, 1995)
으로 구분할수 있다.
이와 는다르게우주 환경에서작물을재배할경우에틸렌 의집적이작물의생육에미치는영향을구명하기위한 실험(He
등, 2009)
도수행된바 있다.
한편저압조건 에서생장된토마토와밀의바이오매스가증가하였다*Corresponding author: [email protected]
*Received December 9, 2009; Revised December 13, 2009;
*Accepted December 16, 2009
는 결과
(Rule
과Staby, 1981; Andre
와Massimino,
1992)
와 반대로토마토의바이오매스가감소하였다는보고
(Daunicht
와Brinkjans, 1992)
도 제시된바 있다.
이밖에저압조건이시금치생장에아무런영향을미치 지못하였다는 보고
(Iwabuchi
등, 1994)
도있었다.
그런데작물 생장에미치는압력의영향을구명하기위 해시도된이러한실험들은산소와이산화탄소의분압 조절이충분하게이루어지지않았거나
,
단기간에걸쳐 저압을유지한조건에서수행되었다.
작물 생장에 미치는압력 또는 미소중력의 영향에 관한연구가외국에서활발하게이루어지고있는것에 비해서국내에서이와관련된연구는거의전무한실 정이다
.
이 가운데Park
과Kim(2009)
은 국내에서 처음으로 식물 생장용 저압 챔버
(‘
저압챔버’)
를 개발한 바 있다.
이들은 투명 아크릴원통으로 제작된저압 챔버를 제작한후저압 조건이 저압 챔버내의 기온 과상대습도변화에미치는영향을보고한바있다.
본 연구의 목적은
Park
과Kim(2009)
이 개발한 저 압챔버를이용하여저압조건에서작물의생장가능 성을검토하고,
작물생장에미치는압력의영향을분 석하는데있다.
재료 및 방법
1. 식물 생장용 저압 챔버의 구성 및 혼합가스 흐름 본실험에사용된저압챔버의구성과혼합가스의흐
름도는
Fig. 1
과같다.
저압 챔버는 크게 압력유지를위한 진공펌프
(WOVP-0040, Wonchang Co., Ltd.)
와 압력조절계(5866RT, Brooks Automation Inc.),
혼합가스의 유량을 제어하는 유량조절계
(5850E, Brooks
Automation Inc.),
작물생육이이루어지는 아크릴원 통,
상기 장비들의 전원공급과 출력값을 표시해주는Read-out box
로 이루어져 있다(Park
과Kim, 2009).
또한 저압챔버 내부의기온
,
상대습도및 압력은각 각K-type
열전대(DS-2000, Oriental Temp Sensor),
고분자정전용량식 습도센서
(HS-200M, Sentech Co., Ltd.), Pressure standard(745, Paroscientific Inc.)
를 통해측정이이루어진다.
압력을일정한수준으로제어할수있는저압챔버 를대형식물생장상내에설치하였다
.
대형식물생장상에 설치된 메탈할라이드램프
(MH 250W, Samlip Electric Co., Ltd.)
와 고압나트륨 램프(HPS 250W, Samlip Electric Co. Ltd.)
는 저압 챔버 내부의 작물생육에필요한광환경을제공한다
.
가스환경조성을위해주문제작된혼합가스가저압
챔버 내부로주입된다
. Wheeler(2000)
는작물 재배에필요한 저압 챔버의 한계 압력을
21 kPa(N
2/Ar, O
2, H
2O, CO
2가 각각13 kPa, 5 kPa, 2 kPa, 1 kPa)
로제시한 바 있다
.
본 연구에 사용된 가스를25 kPa
로유지한상태에서샘플링하여 한국표준과학원에성분 분석을 의뢰한 결과
N
2/Ar 74.55%, O
223.92%, CO
21.53%
로나타났다.
상기로부터Wheeler(2000)
의경우 가스 조성에수증기가포함되었으나,
본연구의가스 성분분석결과에는수증기가포함되지않음을알수 있다.
이러한차이는한국표준과학원에서보유하고있는
Gas mass spectrometer(Finnigan MAT 271)
가 수증기함유량을 분석할수없었기때문이다.
주입된 혼합가스는압력조절계와진공펌프에 의해서저압챔 버외부로배출된다.
이때혼합가스는저압 챔버내부의 상대습도를 낮추는 제습의 기능을 갖는다
(Park
Fig. 1.
Schematic diagram of a low pressure chamber for plant growth with the flow of mixed gas.
과
Kim, 2009).
2. 처리조건
14
일동안저압조건에서생장된작물의생육반응을 측정하기 위해다음과 같은처리 조건을설정하였다.
공시작물인 적치마 상추 종자
(
Lactuca sativaL.)
를대기압 조건에서 발아시킨 후 인공혼합 배지
(BM2,
Berger Peat Moss, Canada)
를 채운 육묘용50
공 플 러그트레이의절반에정식하였다.
정식된상추묘는대형 식물생장상내의광합성유효광양자속200
µmol
·m
−2·s
−1,
광주기16/8 h,
기온26/18
oC
의 조건에서 생장되 었다.
생장된묘는7
일후본엽이2~3
매로전개된상 태에서저압챔버로옮겨져14
일동안저압실험이수행되었다
.
이때의압력처리조건은25, 50, 101.3 kPa (
대조구) 3
수준 이였으며,
광주기16/8 h,
기온26/
18
oC
이였다. 3
수준의모든처리조건에서동일하게램프 로부터 작물 잎에 도달하는 광합성유효광양자속을240
µmol
·m
−2·s
−1로유지하였다.
공시작물은담액수 Table 1.Growth characteristics of lettuce under different pressures.
Treatment
(kPa) Days after experiment
No. of Leaves
length Leaf (mm)
width Leaf (mm)
length Root
(mm) ODD Leaf area (mm
2/plant)
Fresh weight (mg/plant)
Top Root
25 50
Control 7 6.0a
z6.3a 5.6a
111.0a 107.4a 86.1b
68.7ab 72.6a 64.7b
129.3a 133.7a 116.4a
23.3a 20.8b 20.4b
13905a 14875a 10101b
5.548a 4.092b 2.743b
0.469a 0.290b 0.230b
LSD
.0.50.7173 9.0758 7.5763 25.211 1.8983 3602.7 1.3491 0.0111
25 50
Control 14 8.2a
9.9a 9.2a
148.2a 127.8ab
123.7b
88.3a 87.6a 89.1a
195.0a 166.9a 164.8a
23.9a 19.6b 22.3a
32714a 39756a 34117a
13.242a 13.533a 11.629a
1.243b 2.020a 1.091b
LSD
.0.51.986 22.378 16.033 43.948 2.2002 13685 5.7415 0.6047
z
Means with the same letter are not significantly different.
Table 1.
Continued.
Treatment
(kPa) Days after
experiment Dry weight (mg/plant) Dry matter (%) Leaf color
Top Root Top Root Hue Saturation
25 50
Control 7 0.332a
0.225b 0.117b
0.037a 0.034ab
0.023b
6.05a 5.67a 6.52a
8.37b 11.9a 10.8a
0.8970a 0.6480a 0.9430a
13.586b 29.308a 17.909b
LSD
.0.50.0946 0.0111 1.7957 1.7687 0.4528 5.1509
25 50
Control 14 0.864a
0.927a 0.588a
0.078b 0.122a 0.047b
6.42a 6.90a 5.22b
6.67a 6.26a 4.36b
0.2467b 0.6511ba 0.8089a
18.929a 21.524a 20.300a
LSD
.0.50.3933 0.0389 0.9403 1.5934 0.5409 7.7701
경식으로재배되었으며
,
재배초기단계에서배양액의pH
와EC
는각각6.0, 1.8 mS
·cm
−1였다.
저압실험수행후
7
일째와14
일째에각각생장조사 를실시하였다.
생장조사는지상부(
본엽수,
엽장,
엽폭,
엽면적
,
생체중,
건물중,
엽록소함량,
엽색)
와지하부(
뿌 리길이,
생체중,
건물중)
로나누어실시하였다.
결과 및 고찰
14
일동안생육시킨상추의생장조사결과는Table
1
과 같다. 7
일째의 생장조사 결과25, 50, 101.3 kPa
처리조건에서엽수
,
뿌리길이,
지상부건물율,
엽색의hue
값은 유의차가인정되지 않았다.
엽장,
엽폭,
엽면적
,
지하부 건물중은25, 50 kPa
의 처리조건에서101.3 kPa
의처리조건보다유의차가있는것으로조사되었다
(Fig. 2).
이는Spanarkel
과Drew(2002)
가상추 를대기압조건에서발아시킨 후70 kPa
과101.3 kPa
의조건에서생육시킨결과와유사하다
.
그들은70 kPa
의저압조건에서줄기와뿌리의생장이빠르고컸다고
보고 하였다
.
또한Goto(1995)
는시금치를대기압조건에서 발아 시킨 이후
, 50, 75, 101.3 kPa
의 조건에 서10
일 동안 생육시킨 결과50 kPa
과75 kPa
의 저압조건에서생장율의유의차가나타났다고보고하였다
.
엽면경계층저항과기공저항이작게되면
CO
2확산속도 가증가하고,
이로인하여광합성속도가증가한다.
결 국저압조건에서생장된공시작물은높은CO
2확산속 도로 말미암아 대기압조건과 비교할때 생장율에서 유의차를 나타낸 것으로 판단된다.
저압 조건에서CO
2확산속도는 증가하며, 10 kPa
에서CO
2확산속도는
101.3 kPa
에비해서10
배에 이르는것으로보고되었다
(Corey
등, 2000).
14
일째의생장조사결과,
엽장,
지상부건물율,
지하 부 건물율은25, 50 kPa
의처리조건에서101.3 kPa
의 처리조건보다 유의차가 있는 것으로 인정되었다. 25, 50, 101.3 kPa
의처리조건에서엽장,
엽폭,
엽면적,
뿌 리길이,
지상부 생체중,
지상부 건물율,
엽색의saturation
값은유의차가인정되지않았다.
단기간동안 저압에 노출되었던7
일째의생장조사와 다르게14
일동안노출되었던생장조사결과에서는생장특성의유 의차가크게나타나지않았음을보여준다
.
상기의결과로부터 일반 대기압 조건과 비교할때
25, 50 kPa
의저압조건에서도작물재배가가능함을확인하였다
.
실험시작후초기
7
일동안유지되었던명기의상 대습도는63~73%
이다.
한편1
차생장조사후후기7
일 동안의 상대습도는
78~85%
로 나타났다(Fig. 3,
4).
이러한고습도는결국광주기의변화시발생하는온도차에의해아크릴원통표면에응축수를발생시켰 으며
,
인공광원으로부터아크릴원통으로투과되는광 양을저하시켰다.
또한저압챔버내의고습도는엽면 경계층저항과기공저항을증가시켜, CO
2의확산속도 Fig. 2.Photographs of lettuces grown at different pressures (from left to right; 101.3, 50, 25 kPa) on 7 days after transplanting.
Fig. 3.
Variation of relative humidity measured during the 1st week after experiment.
Fig. 4.
Variation of relative humidity measured during the
2nd week after experiment.
를 감소시킨다
.
이로 인하여광합성속도가 저하되고,
결국 저압 조건에서 생장되는 작물의생장이 초기에 비해서후기로갈수록떨어진것으로추측된다
.
이러한 고습도는작물의증산작용이외에담액수경식재배로 인한양액자체의증발에도기인한다.
본연구에서적용된담액수경식의경우시간경과에 따라 양액의소진
,
양액내의 용존산소부족및이에 따른뿌리의호흡장애가발생하였던것으로추측된다.
또한 작물의 증산 작용 이외의 양액 자체의 증발에 따라상대습도가높게나타났고
,
이는저압챔버내부표면의응축수발생을야기시켰다
.
응축수발생은저 압챔버내부로투과되는광양을저하시키므로작물의 생장에부정적인영향을주게된다.
그러므로저압조건이 작물 생장에미치는 영향을검토할때 저압 챔 버내의높은 상대습도를작물생장에적합한수준으 로제어하기위한연구가병행되어야할것이다
.
적 요
본연구는저압조건에서작물의생장가능성을검 토하고
,
작물생장에미치는압력의영향을살펴보고자수행되었다
.
공시작물인적치마상추종자(
Lactuca sativaL.)
를일반대기압조건에서발아시켜인공혼합배지를 채운50
공 플러그트레이 절반에 정식하였다.
정식된 상추묘는3
수준의압력조건(25, 50, 101.3 kPa)
에서처리 되었다
.
모든 처리조건에서 광주기16/8 h,
기온26/18
oC,
광합성유효광양자속240
µmol
·m
−2·s
−1으로 유지하였다. 3
수준의압력조건에서생장된상추의생 장조사는처리후7
일과14
일째에이루어졌다.
7
일째생장조사결과25, 50, 101.3 kPa
처리조건에 서엽수,
뿌리길이,
지상부건물율,
엽색의hue
값은유 의차가 인정되지 않았다.
엽장,
엽폭,
엽면적,
지하부 건물중은101.3 kPa
의 처리조건보다25, 50 kPa
의 처리조건에서유의차가있는것으로조사되었다
.
14
일째생장조사결과엽장,
지상부건물율,
지하부건물율은
25, 50 kPa
의처리 조건에서유의차가인정되었다
7
일째 생장조사 결과와는 다르게25, 50,
101.3 kPa
의처리조건에서엽수,
엽폭,
엽면적,
뿌리길 이,
지상부 생체중,
지상부건물율,
엽색의saturation
값의유의차가인정되지않았다
.
상기의결과로부터
25, 50 kPa
의저압조건에서도상추의재배가가능함을확인하였다
.
한편,
작물로부터의 증산과배양액으로부터의증발로말미암아저압챔버 내의상대습도가높은수준으로유지되었고,
이로인하 여저압챔버내부표면에응축수가발생되었다.
이러 한응축수는저압챔버내부로투과되는광양을저하 시키므로작물의생장에부정적인영향을미치게된다.
그러므로저압챔버내의높은 상대습도를적절한수 준으로제어할수있는기술개발이요청된다
.
주제어 : 상대습도
,
상추,
식물생장,
저압챔버사 사
“
이논문은2007
년교육과학기술부의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된지역대학우수과학자지 원사업임
