Effect of Artificial Lights on the Growth and Yield of Tomato

인공광 처리가 토마토 생육 및 수량에 미치는 영향

박양호¹·정효진^1,2·이채운³·김찬우¹·서범석¹*

1한국온실작물연구소, ²전남농업기술원, ³금오전기

Effect of Artificial Lights on the Growth and Yield of Tomato

Yang Ho Park¹, Hyo Jin Jung^1,2, Chae Woon Lee³, Chan Wo Kim¹, and Beom Seck Seo¹*

1Korea Greenhouse Crop Research Institute

2Jeonnam Agricultural Research & Extension Service

3Kumoh Electronic

Abstract. The effect of supplemental light such as metal, Na and fluorescent lamp on the growth and pro- ductivity of tomato for 5 hours a day The growth rate of tomatoes under artificial light were increased 6~

10% rather than the growth rate of tomatoes under no light treatment. Also the quantity and productivity of tomatoes under artificial light were increased rather than the quantity and productivity of tomatoes under no light treatment. Increasing profitability per 10a under artificial light were 9.4~28.2 million won.

Key words : artificial lights, tomato growth, tomato yield

서 론

식물 생장에 주요한 제한요소 중 한가지는 광에 의 한 것이라고 알려져 있다(Ferentions과 Albright, 2005;

Perez-Balibrea 등, 2008). 광은 식물의 광합성 작용뿐 만 아니라 조직이나 기관의 분화, 종자의 발달 등 식 물의 형태 형성에 관여하는 중요 요인 중 하나이다.

지금까지의 여러 시험결과에 따르면 시설재배에 있어 인공광에 의한 작물의 수량 및 생육이 증가 하였다는 보고가 있다(Dorais 등, 1991; Mavoy와 Janes, 1984).

인공광원으로는 주로 고압 나트륨등, 메탈할라이드등, 형광등이 사용되고 있으며, 고압나트륨등과 메탈할라이 드 등은 램프효율은 높으나 각각 청색광 또는 적생광 이 부족하여 식물공장의 근접 조명용 단독 광원으로서 는 부적합하다고 보고 되었다(Kim, 1998).

따라서 본 연구는 단독광으로서가 아닌 자연광에 더 한 보조광으로서의 메탈할라이드등,고압나트륨등, 형광 등이 토마토의 생육 및 수량에 미치는 영향을 조사하 기 위해 실시하였다.

재료 및 방법

유리온실이나 비닐하우스 내에서 사용될 수 있는 등 기구는 특성상 중방에 설치됨으로써 자연광의 차단을 발생하여 음영지역에 대한 생산품질의 불균일성을 야 기하고 있다. Fig. 1과 같이 자연광에 대한 반사율을 최대화하는 등기구를 개발한다면, 음영지역을 최소화하 여 생산품질의 균일성과 제품 생산의 안정성을 기대할 수 있다. 이를 구현하기 위하여 Fig. 2와 같이 설계 개발하였다. Fig. 2의 A는 반사갓의 자연광 반사면을, B는 반사갓의 인공광원 반사면을 표시하며, 자연광을 최대한 반사시키기 위하여 상면부와 하면부를 99% 순 도의 알루미늄을 사용하여 제작하였으며, I과 III번 부

*Corresponding author: [email protected]

*Received December 18, 2010; Revised December 24, 2010;

*Accepted December 24, 2010

분을 통하여 좌우면으로 빛의 반사를 확산시키며, II번 부분은 전후면으로 빛의 반사를 확산시킬 수 있도록 설계 하였다. 또한, 산화막 처리를 통한 고효율 반사특 성 구현 및 불순물에 의한 산화가 발생되지 않도록 처리하여, 온실의 습도에도 내구성을 갖도록 하였다.

토마토 묘의 생육에 미치는 인공광원의 영향을 알아 보고자 채소전용육묘장(화순한마음플러그육묘장, 7,000m²)에서 2008년 9월1일파종하여 묘(CV. 마스카 라, 사카다종묘)를 재배하면서. 인공광 처리는 메탈할라 이드등, 고압나트륨등, 형광등을 각 처리구별로 오전 2

시간, 오후 3시간씨 40일간 처리(6~8시, 17~20시)하였 다. 처리구 별 초장, 엽수, 엽면적, 경경, 생체중, 건물 중을 측정하였다. 광원과 설치 는 HC250W(NA식물생 장용 - HPS 계열), MH250W(메탈할라이드), FL32W × 3(형광램프)를 7m 간격으로 설치하여 각 영역별 광간 섭을 최소화하였다(Fig. 3).

토마토 생육실험은 2008년 11월부터 2009년 4월까 지 전라남도 담양 한국온실작물연구소 1~2W형 플라스 틱온실 330m² 내에서 실시하였다. 재배품종은 육묘실 험때와 같은 마스카라(사카다종묘)를 사용하였으며, 2008년 11월 25(40일묘)일 정식하였다. 시비기준은 기 비-명신퇴비, 추비는 폴리피드(17-6-21, 하이파, 이스라 엘)와 질산 칼슘(하이파, 이스라엘)을 1 : 1로 희석시켜 EC 1.3dS/m² 관수하였다. 그외에 작물 재배에 관한 것은 일반 관행 농가 기준에 맞게 실시하였다. 인공광 처리는 메탈할라이드등, 고압나트륨등, 형광등을 각 처 리구별로 12월 21일부터 오전 2시간, 오후 3시간 처 리(6~8시, 17~20시)하였다. 인공광의 배치도및 조도는 Fig. 4와 같이 설치하였다. 또한 자연광 처리구인 Fig. 2. Outside (A) and On inside (B) reflection shade of

the used lamp.

Fig. 3. Arrangement chart of supplemental light and lux for tomatoes seedling. A is Na lamp area. B is MH lamp area. C is Fluorescent lamp Area.

control구를 설치하였다. 생육조사는 정식후 30일째부터 7일 간격으로 5회 조사하였으며 조사구는 처리구당 3 개체였다. 조사항목은 단위 기간당 초장, 엽수, 엽면적, 경경, 최대엽의 엽장·폭, 생체중, 건물중 을 조사하였 다. 수확 및 품질조사는 경제성 평가를 위하여 수정 후 69일째부터 수확과 조사 실시(매주1회 8주 실시)하 여, 총중량, 상품과수, 비상품과수 등을 조사하였다. 또 한 수확한 과실은 당도(KATO 114) 및 pH(P-25(istek)) 를 조사 하였다.

결과 및 고찰

토마토 묘의 생육에 미치는 인공광원의 영향은 Fig.

5와 같았으며, Table 1과 같이 모든 처리구에서 현저 한 차이는 보이지 않았지만, metal lamp 처리구의 경 우 초장, 엽수, 엽면적이 무처리구에 비하여 증가하였 고, 생체중은 무처리구의 생육이 우세하였으나 기관별 건물중에는 차이가 없었다.

광원이 다른 환경에서 생육시킨 토마토의 정식후 57 Fig. 4. Arrangement chart of supplemental light and lux. A is Na lamp area. B is MH lamp area. C is Fluorescent lamp Area.

일째 생육반응을 조사한 결과 3개의 모든 인공광원 처 리구에서 무처리구에 비하여 초장이 현저하게 증가하 였으며, 엽수 또한 증가하는 경향을 나타내었다. 이러 한 경향은 Dominiue-Andre 등에 의해서 실험한 결과 와 유사한 경향을 보였다(Dominique 등, 1998). 특히, 엽면적 및 경경, 최장 엽장·엽폭은 Na-lamp 처리구에 서 7,762cm², 16mm, 50cm, 45cm로 가장 많이 증 가한 것으로 나타났으며, 인공광원 처리에 따라 기관별 생체중 및 건물중이 증가하는 결과를 보였으며, 고압나

트륨등 > 메탈할라이드등 > 형광등 순으로 생장량이 크 게 증가하였다(Table 2).

인공광원 처리에 따른 초장 생장반응을 경시적으로 나타낸 결과는 3주 후 인공광원 처리 개시 1주 후부 터 생육차이를 보이기 시작하였으며, 3주 후부터는 현 저한 차이를 보였다. 인공광원 처리 기간이 길어짐에 따라 무처리구에 비하여 모든 인공광원 처리구의 생육 이 증가하는 경향을 나타내었고, 이중 고압나트륨등 처 리구에서 초장이 크게 증가한 것으로 나타났다(Fig. 6).

Fig. 5. Difference of tomatoes seeding growth by treatment of light source. A is control plot, B is metal lamp, C is Na lamp, D is fluorescent lamp (Data were investigated on Nov. 25, 2008).

Table 1. Chang of growth rate by different light source in tomatoes seeding.

Light sources

Plant height (cm)

No. of leaves

Leaf area (cm²)

Stem diameter (mm)

Fresh weight(g)/plant Dry weight(g)/plant Leaf Stem Root Leaf Stem Root Control ^b*27^ab* 10^{b b}287^ab 7^ab 12^{a b}6^ab 2^a 0.7^a 0.4^a 0.1^a Metal lamp 30^a 11^a 325^a 7^a 10^a 7^a 2^a 0.8^a 0.3^a 0.1^b Na lamp 26^{b b}10^{ab b}293^ab 6^c 10^a 5^b 1^a 0.8^a 0.3^a 0.1^b Fluorescent ^b27^ab 10^b 282^{b b}6^bc 10^a 5^b 2^a 0.8^a 0.3^a 0.1^b Data were investigated on Nov. 25, 2008.

*The same letters are not significantly different of DMRT 5% (p = 0.05).

Table 2. Chang plant growth rate by different light source after 57 days light on.

Light sources

Plant height

(cm)

No. of leaves

Leaf area (cm²)

Stem diameter

(mm)

Leaf width (cm)

Leaf length (cm)

Fresh weight(g)/plant Dry weight(g)/plant Leaf Stem Root Leaf Stem Root Control ^*111^b* 17^{a b}6558^{ab b}14^ab 39^b 36^b 238^a 129^b 14^a 20^b 9^b 1^a Metal lamp 123^a 19^a 7762^{a b}13^ab 48^a 45^a 283^{a b}154^ab 14^{a b}25^{ab b}12^ab 2^a Na lamp 129^a 18^a 7671^a 16^a 50^a 45^a 311^a 176^a 13^a 27^a 14^a 1^a Fluorescent ^b119^ab 18^a 6375^b 12^{b b}46^ab 41^a 264^{a b}146^ab 11^{a b}22^ab 11^b 1^a Data were investigated on Jan. 21, 2009.

*The same letters are not significantly different of DMRT 5% (p = 0.05).

Fig. 6. Change of plant length by different light source for 8 weeks.

Fig. 7. Change of leaf area by different light source for 8 weeks.

인공광원 처리 후 경시적인 엽면적 생장반응의 결과 는 처리 후 3주째까지는 모든실험구에서 비슷한 생육 양상을 나타내었으나, 4주째부터는 무처리구와 형광등 처리구의 엽면적 증가율이 비슷한 생육양상을 나타내 었고, 메탈할라이드등 과 고압나트륨등 처리구의 생육 상태는 무처리구와 형광등 처리구에 비하여 증가하는 경향을 나타내었다(Fig. 7).

인공광원 처리 후 57일째의 각 기관별 건물분배율 Table 3. Chang of dry matter partitioning ratio, (DMPR) by

different light source after 57 days light on.

Light sources Leaf Stem Root Control ^*64^a* 31^a 5^a Metal lamp 65^a 31^a 4^b

Na lamp 64^a 32^a 3^c

Fluorescent 65^a 31^a 4^b Data were investigated on Jan. 21, 2009.

*The same letters are not significantly different of DMRT 5% (p = 0.05).

Table 4. comparison of tomatoes productivity by different light source.

Light sources Fruit weight (g/plant)

Average fruit weight (g)

Marketable fruit ratio (%)

No. of fruits (ea) Marketable Nonmarketable

Control ^*05,950^d* 110^c 79^b 43^c 11^c

Metal lamp 09,920^b 130^{b b}82^ab 60^b 13^b

Na lamp 11,810^{a b}120^ab 84^a 79^{a b}14^ab

Fluorescent 08,870^c 140^a 72^c 44^c 17^a

Data were investigated from Feb. 28 to Apr. 14, 2009.

*The same letters are not significantly different of DMRT 5% (p = 0.05).

Fig. 8. Chang of leaf area rate (LAR) by different light source after 57 days light on. *Data were investigated on Jan. 21, 2009.

(DMPR)을 분석한 결과 큰 차이는 보이지 않았다 (Table 3).

엽면적을 엽건물로 나누는 엽면적비(LAR)를 분석한 결과 무처리구가 가장 높게 나타났고, 고압나트륨등은 가장 낮은 값을 나타내었으며, 메탈할라이드등과 형광 등은 비슷한 결과를 보여 광원의 종류에 따라서 엽면 적과 엽건물중의 생장비율이 다르게 나타나고 있음을 알 수 있다(Fig. 8).

인공광원 처리별 생산성 비교를 위하여 주당 총 수 확량과 상품과 및 비상품과를 조사한 결과 1주당 과실 의 수량은 인공광원 처리에 따라 높아졌으며, 이중 고 압나트륨등 처리구에서 1,180g/plant로 무처리구에 비 하여 1.98배 정도 수량이 증가하였으며, 메탈할라이드 등은1.67배, 형광등 처리구는 1.49배로 인공광원 처리 에 의하여 1.5~2배의 생산성 증대 효과가 있는 것으 로 조사되었다(Table 4). 또한, 상품과율도 84.9%로 무처리구의 79.6%를 상회하는 결과를 나타내었으며, 메탈할라이드등의 상품과율도 무처리구보다는 높은 수

치를 나타내어, 인공광원 처리에 따라 생산성 증대는 물론 품질향상 효과도 기대할 수 있었다.

인공광원 처리별 누적과수 및 누적과중을 표시한 결 과는 인공광원 처리구에 따라 2주 정도 조기수확이 가 능한 것을 확인할 수 있었다. 총과수는 무처리구에 비 하여 인공광원 3처리구가 모두 많았으며 이중 고압나 트륨등 처리구에서 가장 많았다. 총과중 또한 총과수와 비슷한 양상을 나타내어 인공광원 처리구가 무처리구 에 비해 높은 것을 확인하였으며, 이중 고압나트륨등 처리구가 가장 높은 것으로 나타났다(Fig. 9).

당도는 무처리구에 비하여 메탈할라이드등과 고압나 트륨등 처리구가 낮은 양상을 나타내었고, 산도는 무처

Fig. 9. Change of accumulated tomatoes weight and accumulated number of tomatoes by different light source.

Table 5. Comparison of tomatoes brix and pH by differ- ence of light source.

Light sources Sugar degree (Brix %)

Acidity

(pH, 25^oC) Brix/pH Control 6.67^a 4.17^a 1.59^a Metal lamp 5.17^b 4.19^a 1.23^b Na lamp 5.00^b 4.20^a 1.19^b Fluorescent 6.67^a 4.14^a 1.61^a Data were investigated from Feb. 28 to Apr. 14, 2009.

*The same letters are not significantly different of DMRT 5% (p = 0.05).

Table 6. Comparison of tomatoes economical efficiency by different light source.

Light sources

Depreciation expense (5 years) Power consumption Increasing productivity

Net profit (Thausandwon/1 cropping seasen/10a)

C-B-A Installation

charges Thausandwon/

10a

Depreciation amount Thausandwon/

10a (A)

Kw/10a Thausandwon/

10a (B) g/plant kg/10a Thausandwon/

10a (C)

Control 0,00 ,0000 00 000 0, 0 00,000 00,000 00,000

Metal lamp 13,000 2,600 50 840 2,377.8 05,885 12,829 09,389

Na lamp 13,000 2,600 50 840 5,856.8 14,496 31,601 28,161

Fluorescent 13,000 2,600 24 403 2,917.0 07,220 15,740 12,737

(주1) 토마토 단가: (2005~2008년 평균단가) 2,180원/kg 적용.

(주2) MH 또는 NA 사용시 월 전기료(50KWh × 28원 × 5h × 120일 = 630,000).

(주3) FL 사용시 월 전기료(24KWh × 28원(농사용 을) × 5h × 120일 = 302,400).

(주4) 기타 부대비용을 제외한 보조광을 설치하였을경우에서 올수 있는 이익금 표시로 대조구를 0으로 하였을 경우 각 증가

분을 나타냄.

리구와 인공광원 처리구가 비슷한 양상을 나타내었다.

당/산비는 형광등처리구에서 가장 높았으나, 고압나트

륨, 메탈할라이드등 처리에서는 당도가 낮아지므로써 당/산비도 저하하는 결과를 보였다. 따라서 인공광원 처리에 의하여 광합성량 증대가 가능하고, 그 결과 얻 어지는 탄수화물이 과실에 집적되어 당도를 높일 수 있다는 기존의 생리학적 이론과는 상이한 결과를 보여 주었으나, 24시간 동안 광처리를 하였을 경우 토마토 내의 당분이 감소한다는 연구 결과와는 일치하였다 (Demers, 1998). 향후 인공조명의 광원과 광질에 따른 광합성, 탄수화물 전류 등에 대한 구체적인 메카니즘이 구명되어야 할 필요가 있음으로 사료된다(Table 5).

Table 6은 인공광원 처리에 따른 토마토 생산성 증 대의 경제성 분석 결과를 나타낸 것으로 고압나트륨등, 메탈할라이드등, 형광등 처리구에서 각각 10a당 생산액 이 31백만원, 16백만원, 13백만원 정도 증가하므로써 인공광원 설치비 및 감가상각비(5년 기준), 소비전력에 따른 비용 등을 산정하여 순수익 증가분을 계산한 결 과, 품질향상에 따른 부가가치 증대효과를 제외하고도 전체적인 수익증대는 10a당 1작기에 최소 9,400,000원 에서 최대 28,200,000원의 소득 증가가 기대되었다 (Table 6).

적 요

토마토 생육에 있어 보조광원으로 메탈할라이드등, 고압나트륨등, 형광등을 하루 5시간을 처리 하여 토마 토 생육 및 생산성에 대한 영향을 확인 해 본 결과 생육은 인공광 처리가 무처리 구 에 비하여 6~10%

증가하는 결과를 얻을수 있었다. 수량 및 생산성 증가

에 있어서 인공광 처리가 무처리구보다 1.5~2배 증가 하였으며 수익성 증가는 10a당 1작기에 최소 9,400,000원에서 최대 28,200,000원 증가되었다.

주제어 : 인공광, 토마토 수량, 토마토 생장

인 용 문 헌

1. Demers, D.A., M. Dorais, C.H. Wien, and A. Gosse- lin. 1998. Effects of supplemental light duration on greenhouse tomato (Lycopersicon esculentum Mill.) plantsandgruityields. Sci. Hort. 74:295-306.

2. Dorais, M., A. Gosselin, and M.J. Trudel. 1991.

Annual greenhouse tomato production under a sequen- tial intercropping system using supplemental light. Sci.

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3. Ferentions, K.P. and L.D. Albright. 2005. Optimal design of plant lighting system by genetic algorithms Engineering Applications of Artificial Intelligence J.

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4. Kim, Y.H. 1998 Growth of plug seeddling raised under fluorescent lamps as artificial light source for close illumination. Proceedings of the korean Society for Bio-Environment Control Conference, Oct. 47-54 (in Korean).

5. Mavoy, R.J. and H.W. Janes. 1984. The use of high pressure sodium lights in greenhouse tomato crop pro- duction. Acta Hort. 148:877-888.

6. Perez-Balibrea, S., D.A. Moreno, and C. Garcia- Viguera. 2008. Influence of light on health-prmoting phytochemicals of broccoli sprouts. Journal of The Science of Food and Agriculture 88:904-910.