시설원예 조명의 이해(1): 빛 vs. 식물의 광합성 및 성장

[과천거사]

온실에서 자라는 식물에 인공조명을 하려는 가장 큰 이유는, 계절별, 날씨별, 시간별로 식물의 생장에 필요한 일조량이 부족할 때 이를 보충해주려는 것입니다. 최근에는 태양광의 보조광원으로서 역할을 넘어, 식물의 성장 및 개화를 촉진시키기 위해 특정 파장대의 광원(빨강, 파랑)을 사용하여 식물의 성장 및 개화를 인위적으로 조절하는 목적으로도 널리 이용되고 있습니다. 대표적인 예가 식물공장의 LED 조명이라 할 수 있습니다.

그러면 태양광의 보조 광원으로 인공 조명을 사용하려 할 때, 얼마만큼의 빛의 밝기 (조도: 단위는 룩스이며, 빛이 비춰지는 단위면적의 밝기)가 필요할까 하는 궁금증이 생깁니다. 그것을 알려면 식물의 광합성 작용에 대한 이해가 필요합니다. 식물의 광합성 작용은 초등학교 5학년쯤에 배우는 것 같습니다만, 저희같이 연식이 오래된 분은 배운 내용이 가물가물 할 겁니다. 그래서 아주 간단하게 광합성 작용에 대해 알아보겠습니다. 넘 자세하게 알아 보면 저도 머리에 쥐가 나고, 읽는 분도 눈이 피로해 집니다. *^^*

[1] 식물의 광합성

  

 * 식물의 잎은 작은 녹색의 공장으로 뿌리에서 흡수한 물과 공기 중의 이산화탄소, 햇빛을 이용해 녹말(포도당)과

   같은 양분을 만들어 식물이 자라는데 사용하고, 열매, 뿌리에 저장한다.

<광합성> 

                          빛에너지

   6CO₂ + 12H₂O  -------→ C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O 

                           엽록체

(1) CO₂와 H₂O를 원료로, 빛에너지를 이용하여 포도당을 합성하는 반응

(2) 무기물이 유기물로 전환되는 과정

(3) 빛에너지가 화학에너지로 전환되는 과정

* 식물에서 광합성은 엽록체에서 일어난다. 식물의 광합성은 잎에서만 일어나는 것이 아니라 엽록체가 있는 모든 부분에서 일어난다. 

* 광합성에 영향을 미치는 요인에는 (1) 빛의 세기, (2) 온도, (3) 이산화탄소의 농도 등이 있다.

(1) 빛의 세기와 광합성

1) 빛의 세기를 증가시키면 광합성량은 어느 한도 (광포화점)까지 비례하여 커진다. 

2) 광 보상점: 광합성량 = 호흡량 (⇒ 호흡에서 방출된 CO₂가 모두 광합성에 의해 사용되므로 보상점에서는 기체의 방출이나 흡수가 없는 것 같이 보인다.)

3) 광포화점: 더 이상 광합성량이 증가 하지 않는 빛의 세기.

* 그러므로 식물의 광합성에 필요한 빛의 세기 범위는 광 보상점과 광 포화점 사이에 있다고 볼 수 있습니다. (광 포화점보다 더 세게 빛을 비추어도 식물의 광합성 작용에는 사용되지 않습니다. 그러니까 특정 식물의 광 포화점보다 더 센 빛을 사용할 필요는 없을 겁니다.)

이왕 공부하는 김에 광합성에 영향을 미치는 나머지 인자에 대해서도 간단히 알아 보자.

(2) 온도와 광합성

1) 약한 빛: 온도의 변화에 관계없이 광합성 속도가 낮다(빛이 제한요인).

2) 강한 빛: 온도가 상승할수록 광합성 속도가 증가되나 40℃이상에서 급격히 감소. 

             ⇒ 온도가 높아지면 광합성에 관여하는 효소가 파괴(변성) 되기 때문.

(3) CO2와 광합성

1) 대기 중의 CO₂ 농도는 0.03%이며, CO₂ 는 기공을 통해 흡수된다.

2) CO₂ 농도가 약 0.1%까지는 CO₂ 농도와 광합성 속도가 비례하여 커진다.

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[2] 식물의 생장에 영향을 주는 빛의 파장과 밝기(조도)

- 파장이 긴 붉은색 계통의 빛(ex: 백열등, 고압 나트륨등, 적색 LED등)은 꽃을 피우는 식물에, 

- 파장이 짧은 파란색의 (ex: 형광등, 메탈할라이드 등, 청색 LED 등) 불빛은 잎을 즐기는 관엽식물의 성장에 도움이 됨

① 실외: 2만-10만 룩스
② 화창한 날 낮에 창가는 약 5,000룩스
③ 형광등의 조도는 60W는 약 1,200 룩스, 100W는 약 2,000룩스 정도

햇빛이 잘드는 곳에 놓아야 할 화초는(양지식물): 3,000-5,000 룩스
직사광은 아니라도 밝은 장소에서 놓아야 하는 화초(반양지): 2,000룩스 이상
반그늘에 놓아야 하는 것(반음지) : 1,000-2,000 룩스
그의 그늘이나 어두운 곳 (음지): 1,000룩스

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[3] 빛의 밝기(조도)와 식물의 생육

l  조도(빛의 밝기)는 일차적으로 광합성에 직접적인 영향을 끼친다.

l  조도와 광합성과의 관계를 보면 광도가 증가함에 따라 광포화점까지 광합성이 증가

-  작물의 동화특성, 즉 광보상점과 광포화점은 작물의 종류와 재배조건에 따라 다르다(표 2).

-  광포화점이 높은 작물(호광성 작물): 수박, 토마토, 토란 등은 강광조건에서 생육 촉진

-  광포화점이 낮은 작물(호음성 작물): 머위, 생강, 삼엽채, 강남콩 등은 약광하에서도 비교적 생육 양호. 

<표 2> 채소의 광보상점 및 광포화점

채소종류	광보상점 (klux)	광포화점 (klux)	채소종류	광보상점 (klux)	광포화점 (klux)
토마토 가지 피망 오이 호박 상추 수박	- 2.0 1.5 - 1.5 1.5 4.0	70 40 30 55 45 25 80	양배추 배추 순무 토란 강낭콩 완두 셀러리	2.0 2.0 4.0 4.0 1.5 2.0 2.0	11.3 11.0 13.5 16.0 12.0 12.8 13.0

[4] 광 조건에 따른 생육반응 

(1)   지상부

   • 강광 조건: 잎이 작고 두꺼우며 진한 녹색을 띠면서 마디 사이가 짧고 굵어진다.

   • 약광 조건: < 표 3> 참조

      1) 잎은 얇고 커지며, 줄기는 가늘고 길어진다. 극심한 약광 하에서는 잎과 초장도 작아진다.

      2) 곁가지 발생이나 암꽃수가 감소한다.

      3) 낙과 및 낙화수가 증가하며, 과실의 비대가 불량해 진다.

      4) 안토시아닌 색소의 발현이 불량하여 유색 화훼류에서 품질이 떨어진다(착색지연).

   • 약광 상태에서 질소비료 시용 → 식물체 연약, 도장(웃자람)  

   • 약광 상태에서 야간온도 상승 → 호흡에 의한 동화산물의 소모 증가→ 생육 불량

(2)   지하부

    • 약광 조건하에서 지하부 생육 억제: 뿌리가 가늘고 측근과 근모의 발생 감소

    • 무, 당근, 비트(약광조건):  동화산물이 감소→ 뿌리의 비대가 억제→ 당의 축적감소

      1) 근계발달이 불량해진다.

      2) 잔뿌리와 뿌리털이 발생이 감소한다.

      3) 근부비대가 불량해진다.

<표 3> 광도의 저하와 과채류의 낙화율

광도(%)	낙화율(%)			동화능력(mg)
	토마토	가지	오이	토마토	가지	오이
100	15.2	15	17 (12)	43.9 (100.0)	44.0 (100.0)	35.7 (100.0)
75	38.6			35.4 (80.6)
50	62.9	58	12 (15)	22.5 (27.3)	22.7 (51.2)	37.1 (103.9)
25	77.8	86	39 (12)	12.0 (27.3)	18.5 (42.0)	4.9 (14.0)
15	91.1			4.7 (10.7)

주: 1) 최초 35일간의 낙화율

  2) 후기의 낙화율 (( )안은 단위 결과율을 나타냄)

[5] 일장과 생육

l  일장: 하루 낮의 길이

        - 일장은 지역과 계절에 따라 달라 적도지방의 일장은 연중 12시간이며

           위도가 높아질수록 여름의 낮은 길고 밤은 짧아진다.

        - 일장은 온도의 계절변화와 함께 식물의 분포를 결정하는 환경요인이 된다.

l  광주기성: 주간과 야간의 길이 변화에 의하여 식물 생육은 여러 가지 반응을 보이는데 이를 일장효과(광주기성)라고 한다.

    - 일장은 식물의 개화반응, 기관의 분화나 발달에도 크게 작용

    - 한계 일장: 개화를 유도하는데 필요한 최소한의 일장

       • 장일 식물: 한계일장보다 긴 일장 하에서 꽃눈 분화가 촉진되는 식물

       • 단일 식물: 한계일장보다 짧은 일장 하에서 꽃눈분화가 촉진되는 식물

       • 중성 식물: 일장에 관계없이 일정한 영양생장 후 생식생장을 하는 식물

-      채소의 엽구 형성: 단일조건 촉진, 가을에 배추 결구 양호

-      무: 장일 → 지상부의 발육 촉진, 지하부 비대가 불량, T/R율 증가

          (생육 전기에는 단일, 생육 후기에는 장일 관리하는 것이 생육 유리.)

-      오이(자웅동주): 단일 → 암꽃의 착생 절위를 낮추고, 암꽃 수 증가

-      딸기: 단일 → 휴면 유기, 장일→휴면 타파

-      마늘과 양파: 일장 자극으로 구의 비대가 촉진.

                              (일정기간 저온을 경과 →  장일조건 → 정상적 구 비대)

[花사랑]

거사님의 학구열은 아무도 못 말림...ㅋㅋ

[과천거사]

식물재배용 조명 자료를 찾아 읽다 보니, 빛이 식물에 어떤 영향을 주는지 갑자기 궁금해졌습니다. *^^*

[우루사]

아 참..좋네요...좋은 자료...좋은 글...^^ 거사님 대단해~~~~유^^ 이것도 퍼감을 이해바랍니다.

[과천거사]

예, 도움이 된다면 얼마든지~~ *^^*