토착 수직 수경 시스템에서 빙산 양상추의 실내 재배를 위한 최적의 일광 적분(DLI) 결정

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10923(2023) 이 기사 인용

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인공 조명 아래 수직 수경 시스템(VHS)에서 상추를 실내 재배하는 것은 높은 에너지 비용을 발생시키는 에너지 집약적 과정입니다. 본 연구에서는 실내 VHS에서 재배한 빙산 상추(cv. Glendana)의 생리적, 형태적, 영양적 매개변수에 대한 광주기의 함수로서 최적의 일광 적분(DLI)을 결정하고 자원 이용 효율을 결정합니다. 묘목은 백색 LED 조명을 사용하여 200 µmol m-2 s-1의 광합성 광자속 밀도(PPFD)로 12시간, 16시간, 20시간의 광주기에서 재배되었습니다. 얻은 결과는 온실 내부에 인공 조명이 없는 VHS와 비교되었습니다. 12시간, 16시간, 20시간 동안의 DLI 값은 각각 8.64, 11.5, 14.4 mol m-2 day-1이었습니다. DLI가 8.64에서 11.5 mol m-2 day-1로 증가함에 따라 수확 시 신초의 중량은 275.5에서 393 g으로 증가했습니다. 14.4 mol m−2 day−1의 DLI는 생중량, 건조중량 및 잎 면적에 부정적인 영향을 미쳤습니다. 인공 조명이 없는 VHS에서 인공 조명이 있는 VHS로 전환한 결과 생중량이 60% 증가했습니다. 11.5 mol m-2 day-1의 DLI에서 상당히 높은 물 사용 효율 71g FW/L와 에너지 사용 효율 206.31g FW/kWh가 관찰되었습니다. 이 연구는 실내 수직 수경 시스템에서 재배된 빙산 양상추에 대해 11.5 mol m−2 day−1의 최적 DLI를 권장합니다.

2050년까지 전 세계 인구는 97억 명에 이를 것으로 예상되며, 그 중 70%가 도시 지역에 거주하게 되어1, 도시 인프라가 확장될 것입니다. 2023년까지 인도는 중국을 제치고 세계에서 가장 인구가 많은 국가가 될 것으로 예상되며, 현재부터 2050년까지 인구 증가율이 가장 높습니다2,3. 기후 변화, 천연 자원 고갈, 도시화 증가로 인해 농사에 사용할 수 있는 토지가 줄어들게 됩니다. 기후 변화가 작물 수확량에 미치는 영향은 작물 유형, 지역 및 미래 기후 변화 시나리오에 따라 금세기 말까지 수확량 감소가 최대 60%에 달할 수 있음을 의미합니다4. 이러한 문제를 해결하려면 식량 안보를 보장하기 위해 수직 농업과 같은 현대 재배 기술을 실행해야 합니다5,6. 이러한 시스템은 전통적인 재배 방법보다 단위 면적당 더 많은 식물을 재배할 수 있어 작물 생산량이 더 높아집니다. 이는 수직 차원에서 작물 생산을 확립함으로써 달성됩니다7. 수직 농업은 환경 통제 농업의 두 가지 전형적인 형태인 온실과 식물 공장에서 수행될 수 있습니다8,9.

상추는 전 세계적으로 재배되는 가장 상업적으로 중요한 작물 중 하나입니다. 상추는 짧은 성장 주기, 낮은 에너지 수요, 빠른 성장, 낮은 칼로리 함량으로 인해 수직 농업에 이상적인 작물이며 유익한 생리 활성 물질 외에도 상당한 수준의 섬유질, 미네랄 및 비타민을 함유하고 있습니다10. 아이스버그 상추와 오대호 상추는 인도에서 가장 일반적으로 재배되는 머리 상추 중 두 가지입니다. 중국과 미국에 이어 인도는 세계에서 세 번째로 큰 상추 생산국으로, 전 세계 총 파종 면적의 14%를 차지하지만 총 생산량의 4.1%에 불과합니다11. 따라서 수직 농업과 같은 현대적인 집약적 재배 기술을 사용하여 인도에서 상추의 생산과 생산성을 높여야 할 필요성이 커지고 있습니다.

빛은 식물 발달에 영향을 미치고 빛의 양, 품질 및 방향에 따라 식물 활동을 제어하는 ​​수직 농업에서 가장 중요한 환경 변수 중 하나입니다12,13. 빛은 태양에 의해 자연적으로 방출될 수도 있고, 스펙트럼 변환을 거치거나 방향이 바뀔 수도 있습니다. 전통적인 작물 재배의 주요 에너지원은 햇빛이며, 자연 환경에서 식물이 차단하는 빛은 변동하고 복잡합니다14. 흐린 날, 특히 겨울에는 식물이 정상적인 성장과 발달에 필요한 빛보다 훨씬 적은 양의 빛을 받습니다. 인공 재배 조명은 자연 일광이 부적절할 때 보조 조명으로 사용할 수 있으며, 재배 조명은 인공 조명을 사용하는 수직 실내 농장의 유일한 광원입니다15,16. 인공 조명은 광합성을 위한 에너지원이자 식물 형태와 품질을 수정할 수 있는 생물학적 신호 역할을 하는 방사선을 생성합니다. 수확량이 많은 작물을 일년 내내 효과적으로 실내에서 생산하려면 인공 조명 아래에서 식물 성장을 극대화하는 동시에 비용을 줄이는 것이 중요합니다17,18,19. LED는 모든 인공 광원 중에서 가장 높은 광합성 활성 복사(PAR) 효율을 가지고 있습니다. 또한 바이오매스 생산량과 전체 에너지 비용 측면에서 최적의 조도 수준을 달성할 수 있습니다20. 이전 연구21,22에 따르면 빨간색과 파란색 LED의 조합으로 자란 식물은 붉게 보이기 때문에 질병의 징후와 성장 문제를 식별하기가 어렵습니다. 백색 LED와 냉백색 형광등 사이에서 상추 식물의 생리적 특성과 수확량 특성 모두 큰 변화가 없었습니다. 그러나 백색 LED는 더 적은 전력을 소비하므로 백색 LED가 기존 형광등을 효과적으로 대체할 수 있음을 나타냅니다23,24.