광환경과 작물생육

광환경은 작물생육을 좌우하는 중요한 환경요인이다.

작물은 빛으로부터 에너지를 공급받아 동화산물을 합성하고 각종 대사작용에 필요한 물질을 생산한다. 

빛은 작물의 광합성에 영향을 미치고 그 결과로 생육과 수량을 지배한다.

이에는 광량, 광질, 일조 시간이 모두 관여한다.

광질과 생육

태양광은 여러 가지 광선이 혼합되어 있어 어떤 파장의 광선이 얼마나 포함되어 있느냐에 따라 광질이 달라진다.

지구에 도달하는 태양 복사는 파장에 따라 크게 자외선부, 적외선부, 가시광선부로 구분할 수가 있는데, 이들 파장대별로 식물의 새육반응은 다르다.

[식물 생육에 대한 광선의 파장별 작용]

파장(nm)		식물에 대한 작용
적외선부	800 이상	식물에 대하여 특별한 작용이 없고, 식물체에 흡수되면 거의 열로 변한다.(열선이라고 불림)
	800 ~ 700	식물을 신장시키는 작용을 한다.(웃자람 촉진, 발아 억제) 적생광 효과 반전.
가시광선부	650 ~ 700	광합성 촉진, 작물의 웃자람 억제 (적색부)
	610 ~ 650	일부 작물에 생육 축진 작용(주황색부)
	570 ~ 610	광합석 효과 중간, 특별한 작용 없음(노란색부)
	470 ~ 570	안전광이라 불림. 특별한 작용 없음(녹색부)
	420 ~ 470	작물의 형태 및 생육변화에 뚜렷한 영향(청색부)
	400 ~ 420	보라색 광선과 비슷(남색부)
	380 ~ 400	파장이 가장 짧은 가시광선, 뚜렷한 작용 없음(보라색부)
자외선부	400 ~ 315	형성작용을 하며, 초장을 짧게 하고 엽육을 두껍게 만든다.
	315 ~ 280	식물에 유해하다.(작물생육 억제 및 형태 변화)
	100 ~ 280	식물을 죽인다.(주방기구 소독용, 인체에 유해)

가시광선부가 생육에 가장 큰 영향을 끼치며, 그 중에서도 380~780 파장 내의 빛으로 가시광선 중에서도 400~700nm사이의 파장을 광합성유효복사(Photosynthetic activation radiation:PAR)라 하고 이 파장대의 광량을 광합성유효광량자속밀도(Photosynthetic photon flux denisty:PPFD)라고 하여 광합성에 유효한 광량으로 판단한다.

이 광합성 유효파장대의 광을 파장별로 구분해 보면 400~510nm의 청색광과 610~700nm의 적색광이 식물의 광합성과 꽃눈의 형성등에 가장 중요하게 관여하여 청색광과 적색광이 혼합된 광선 하에서 광합성률과 광포화점이 높아 동화산물 생산량이 매우 많다.

식물의 색소 역시 가시광선부에서 발현이 촉진되는데, 카로티노아드계는 청색광(449~488nm)에서, 안토시아닌 계통은 식물에 따라 청색광 또는 적색광에서 촉진된다.

380nm보다 짧은 파장은 자외선이라 하는데 어느 정도의 자외선은 초장을 짧게 하고 조직을 단단하게 하는 효과를 가진다.

780nm보다 긴 파장을 적외선 또는 열선이라 하는데 700~800nm의 근적외광은 적색광의 효과를 소멸시킨다.

(가시광선 중 청색광과 적색광은 백색광이나 녹색광에 비해 약한 광선 하에서 광합성률은 높지만 광포화점이 낮아 강한 광선 하에서 동화산물 생산량이 적다.  청색광과 적색광이 혼합된 광선 하에서 광합성률과 광포화점이 높아 동화산물 생산량이 매우 많다)

 

광합성

광합성 작용에는 광, 온도, 이산화탄소, 양분, 수분 등의 환경요인이 서로 상관성을 갖고 영향을 미친다.

이 중 광은 광합성 에너지원으로 작용하기 때문에 작물의 생육과 수량에 직접 영향을 준다.

 

작물은 광량이 증가하면 광포화점까지 광합성작용이 왕성하여 생육량도 늘어나지만 그 정도의 양상은 작물에 따라 다르다.

광포화점이 높은 작물은 강한 광선하에서 생육량이 많고, 광보상점이 낮은 작물은 약한 광선 하에서도 비교적 잘 자란다.

시설재배는 광선의 제약을 받으므로 작목을 선택할 때 동화 특성을 고려해야 한다.

광포화점이 높은 수박, 토마토, 토란 등은 강한 광선을 필요로 하고, 광포화점이 낮은 머위, 생강, 삼엽채, 강남콩 등은 약한 광선에서도 재배할 수 있다.

광합성은 빛의 강도와 함께 일조 시간(일장)과 광질의 영향을 받는다.

광포화점 이상의 광량은 작물의 생육에 도움이 안되며, 강한 광선 하에서도 일조 시간이 짧으면 생육량이 감소한다.

또한 약한 광선 하에서 광합성량보다 호흡에 의한 소모량이 많아 오히려 생체중이 감소한다.

 

하루 중 작물의 광합성량은 해가 뜬 이후 급격히 증가하기 시작하여 정오에 최고조에 달하였다가 점차 감소한다.

작물에 따라서는 한낮에 광합성작용이 저하되는 낮잠현상이 나타나기도 한다.

따라서 작물의 시설재배는 호전에 햇빛을 많이 받도록 피복물을 일찍 제거하고 이중비닐을 되도록 일찍 벗겨 주는 것이 유리하다.

광도에 따른 작물의 생육반응을 보면 강광에서는 잎이 작고 두꺼우며 짙은 녹색을 띠면서 마디 사이가 짧고 굵어진다.

반면 약광에서는 잎이 얇고 넓어지며, 조직이 유연하고 마디 사이가 길어진다.

또한, 낙화가 많아지며, 전반적으로 생육이 부진해진다.

특히 광이 부족한 상태에서 질소비료를 많이 사용하면 식물체가 연약해지고 도장하는 경향이 있다.

광량이 부족한 상태에서 야간온도가 높으면 호흡에 의한 동화산물의소모가 많아져 생육이 불량해진다.

지하부의 근계도 약광에서는 가늘고 측근과 근모의 발생이 감소한다.

그리고 무, 당근, 비트와 같은 직근류의 경우 동화산물이 감소하여 뿌리의 비대가 억제되고 당의 축적이 크게 감소한다.

한겨울이나 이른 봄 또는 흐른 날이 계속되거나 수막하우스와 같이 물방울이나 안개로 일사량이 크게 부족할 때에는 온도, 수분, 시비량 등을 조절할 필요가 있다.

특히, 일조가 부족할 때 질소비료를 많이 사용하면 작물체가 연약해지고 웃자가게 된다.

또한 광량이 부족할 때 야간온도를 높이면 호흡에 의한 동화산물의 소모가 많아져 생육이 불량해진다.

시설재배에서 가능하면 채광을 좋게 하고 광량에 따라 온도, 수분, 시비량 등을 조절하여야 한다.

 

일장반응과 작물체 생육

일장(day length)은 하루 낮의 길이를 말한다.

자연일장은 지역과 계절에 따라 달라 적도지방의 일장은 연중 12시간이며, 위도가 높아질수록 여름의 낮은 길고 밤은 짧아진다.

일장은 온도의 계절적 변화와 함께 식물의 분포를 결정하는 중요한 환경요인이 된다.

식물생육은 일장에 따라 여러 가지 반응을 보이는데, 이를 일장효과(photoperiodism, 광주율, 광주반응)라고 한다.

일장은 식물의 개화뿐만 아니라 기관의 분화나 발달에도 크게 작용한다.

 

일장반응(광주기성)

국화는 가을에 개화하기까지 여름을 지나고 낮이 짧아지면 이에 감응하여 꽃눈을 분화해 발달시키는 과정이 필요하다.

이처럼 낮과 밤의 길이 변화에 의해 새로운 기관 분화 또는 형태 변화를 일으키는 현상을 일장반응(광주기성)이라고 한다.

낮의 길이(명기)를 기준으로 일장이 짧을수록 꽃눈분화가 촉진되는 식물을 단일식물, 반대로 일장이 길수록 꽃눈분화가 촉진되는 식물을 장일식물, 일장과 관계없이 일정한 영양 생장 후 생식 생장을 하는 식물을 중성식물이라고 한다.

 

작물의 꽃눈분화를 비롯한 생식 생장은 양분 공급이 필요하므로 극한 단일 하에서 광합성량이 부족하고, 약한 광선 하에서 양분 소모가 많아 질장반응과 관계없이 생식 생장이 지연되거나 정지된다.

일장반응을 일으키는 빛은 가시광선이다.

그중 단일 및 장일식물 모두 적색광과 주황색광이 가장 효과가 있으며 580~680nm에서 민감하다.

청색광은 효과가 적고 녹색광은 효과가 없다.

 

광선과 작물 지상부의 생육

빛은 작물의 일장반응에 의한 꽃눈분화에 영향을 주는 것 외에 생식기관을 발단시키고 동화산물을 축적하는 영양기관을 비대시킨다.

빛이 부족하면 영양기관이나 생식기관의비대 발육이 나빠진다.

약한 광선 하에서 자란 잎은 앏고 커지며 줄기는 가늘고 길어진다.

극심한 약광 하에서는 잎이 작아지고 초장도 짧아진다.

 

시설재배나 겨울철 약광 하에서 재배하는 경우 광량이 부족하여 작물 생육에 큰 장해요인이 된다.

약광 하에서 광합성작용이 충분히 이루어지지 못하기 때문에 탄수화물 생성이 부족해 측지가 발생하거나 암꽃수가 감소하고 낙과와 낙화수가 증가하며 과실의 비대도 불량하다.

동화능력이 떨어지면 생식기관의전분 저장량이 감소하여 꽃가루의 발아율이 저하되고, 화분관의 신장이 불량해 수정률이 떨어진다.

빛은 잎의 형태에도 영향을 준다.

빛이 약하면 잎이 얇고 작아지며 가늘고 길어진다.

카로티노이드, 안토시아닌 등의 식물 색소는 강한 광선 하에서 잘 발현된다.

카로티노이드 색소는 449~488nm의 청색광 파장에서 생성이 촉진된다.

안토시아닌 색소는 400~500nm의 청색광에서 촉진되는 식물과 청색광과 600~700nm의 적색광 2개 파장대에서 촉진되는 식물이 있다.

 

광선과 작물 지하부의 생육

지하부 조직인 뿌리의 발달도 지상부와 마찬가지로 약광 하에서 가늘고 곁뿌리와 뿌리털의 발생이 감소하며 비대도 불량하다.

특히 무, 당근, 비트 같은 직근류에 일조량이 부족하면 동화산물이 감소하여 뿌리의 비대가 억제되고 당의 축척도 감소된다.

 

 

참고

시설원예학, 방송통신대학교

시설원예, 농촌진흥청