광도, CO₂ 농도 및 정식 후 생육시기에 따른 식물공장 재배 상추의 군락 광합성 모델 확립

Development and Validation of a Canopy Photosynthetic Rate Model of Lettuce Using Light Intensity, CO₂ Concentration, and Day after Transplanting in a Plant Factory

작물의 생산량은 광합성과 밀접한 관계가 있으며, 광합성 속도는 다양한 환경 요인에 의해 변화한다. 광합성 속도는 작물의 생육 상태나 생육 속도를 판단하는 지표로 사용되며, 작물 재배 시설을 구축하는 데 고려해야 하는 중요한 요인이다. 이 연구의 목적은 광도, $CO_2$ 농도 및 생육 단계에 의해 변화하는 로메인 상추의 군락 광합성 속도 모델을 개발하는 것이다. 군락 광합성 속도는 정식 후 5, 10, 15, 20 일차에서 5단계의 $CO_2$ 농도($600-2,200{\mu}mol{\cdot}mol^{-1}$)와 5단계의 광조건($60-340{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$)이 처리된 3개의 밀폐 아크릴 챔버($1.0{\times}0.8{\times}0.5m$) 내에서 측정하였다. 먼저 세 가지 환경 요인을 사용하는 식들을 곱하여 만든 단순곱 모델을 구성하였다. 이와 동시에 생육 시기에 따라 변화하는 광화학 이용효율과 카르복실화 컨덕턴스, 호흡에 의한 이산화탄소 발생 속도를 포함하는 수정 직각쌍곡선 모델을 구성하여 단순곱 모델과 비교하였다. 검증 결과, 단순곱 모델의 $R^2$는 0.923이었으며, 수정 직각쌍곡선 모델의 $R^2$는 0.941을 나타내었다. 따라서 수정 직각쌍곡선 모델이 광도, $CO_2$ 농도, 생육 단계의 3 변수에 따른 군락 광합성 속도를 표현하는 데 더욱 적합한 것으로 판단하였다. 본 연구에서 개발된 군락 광합성 모델은 식물공장에서 상추 재배를 위해 생육 단계별로 설정해야 할 최적의 광도와 $CO_2$ 농도를 결정하는 데 도움이 될 것으로 생각된다.

The photosynthetic rate is an indicator of the growth state and growth rate of crops and is an important factor in constructing efficient production systems. The objective of this study was to develop a canopy photosynthetic rate model of romaine lettuce using the three variables of $CO_2$ concentration, light intensity, and growth stage. The canopy photosynthetic rates of the lettuce were measured at five different $CO_2$ concentrations ($600-2,200{\mu}mol{\cdot}mol^{-1}$), five light intensities ($60-340{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$), and four growth stages (5-20 days after transplanting) in three closed acrylic chambers ($1.0{\times}0.8{\times}0.5m$). A simple multiplication model expressed by multiplying three single-variable models and the modified rectangular hyperbola model including photochemical efficiency, carboxylation conductance, and dark respiration, which vary with growth stage, were also considered. In validation, the $R^2$ value was 0.923 in the simple multiplication model, while it was 0.941 in the modified rectangular hyperbola model. The modified rectangular hyperbola model appeared to be more appropriate than the simple multiplication model in expressing canopy photosynthetic rates. The model developed in this study will contribute to the determination of an optimal $CO_2$ concentration and light intensity with the growth stage of lettuce in plant factories.