This study was aimed to assess the effects of microclimate factors on lettuce chlorophyll fluorescent responses and to develop an environment control system for plant growth by adopting a simple genetic algorithm. The photosynthetic responses measurements were repeated by changing one factor among six climatic factors at a time. The maximum Fv'/Fm' resulted when the ambient temperature was $21^{\circ}C,\;CO_2$ concentration range of 1,200 to 1,400 ppm, relative humidity of $68\%$, air current speed of $1.4m{\cdot}s^{-1}$, and the temperature of nutrient solution of $20^{\circ}C$. In PPF greater than $140{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$, Fv'/Fm' values were decreased. To estimate the effects of combined microclimate factors on plant growth, a photosynthesis efficiency model was developed using principle component analysis for six microclimate factors. Predicted Fv'/Fm' values showed a good agreement to measured ones with an average error of $2.5\%$. In this study, a simple genetic algorithm was applied to the photosynthesis efficiency model for optimal environmental condition for lettuce growth. Air emperature of $22^{\circ}C$, root zone temperature of $19^{\circ}C,\;CO_2$ concentration of 1,400 ppm, air current speed of $1.0m{\cdot}s^{-1}$, PPF of $430{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$, and relative humidity of $65\%$ were obtained. It is feasible to control plant environment optimally in response to microclimate changes by using photosynthesis efficiency model combined with genetic algorithm.
The influenced of light intensity, cell density, and light pathlength on photosynthetic activity of Chlorella vulgaris were investigated. Since the light respon curve varied according to reaction conditions, the parameters estimated from nonlinear regression were proved to be apparent and could not be applied to various situations. The light response model incorporating the light penetration through the microalgal suspension was developed based upon the spatial distribution of the photosynthetic activity. This model showed a good agreement with experimental data at different cell densities and light intensities. Using the model the effects of cell density and light pathlenth were simulated and some dicussions about optimization of operation conditions of photobioreactors were carried out. Concludingly, the developed model can be useful for predicting microalgal photosynthesis and for determining the optimal operating conditions.
Proceedings of the Korean Society for Bio-Environment Control Conference
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2002.11a
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pp.293-297
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2002
폐쇄형 식물 생산 시스템에서 생산되는 식물은 생장속도가 빠르기 때문에 생장속도를 제어하거나 예측할 수 없어 수확적기를 놓치면 품질이 현저히 떨어져 상품성이 저하된다. 이를 해결하기 위해서는 식물생장기간 동안 식물에 따라 적절한 생장환경을 조성하여 생장정도를 균일하게 할 수 있는 최적 환경제어가 필요하다. 본 연구에서는 폐쇄형 식물 생산시스템의 최적 환경제어를 위하여 엽록소형광분석법을 이용하여 상추를 중심으로 광합성효율 모델(photosynthesis efficiency model ; PEM)을 개발하였다. (중략)
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.
The photosynthetic rates of crops depend on growth environment factors, such as light intensity and temperature, and their photosynthetic efficiencies vary with growth stage. The objective of this study was to compare two different models expressing canopy photosynthetic rates of romaine lettuce (Lactuca sativa L., cv. Asia Heuk romaine) using three variables of light intensity, temperature, and growth stage. The canopy photosynthetic rates of the plants were measured 4, 7, 14, 21, and 28 days after transplanting at closed acrylic chambers ($1.0{\times}0.8{\times}0.5m$) using light-emitting diodes, in which indoor temperature and light intensity were designed to change from 19 to $28^{\circ}C$ and 50 to $500{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$, respectively. At an initial $CO_2$ concentration of $2,000{\mu}mol{\cdot}mol^{-1}$, the canopy photosynthetic rate began to be calculated with $CO_2$ decrement over time. A simple multiplication model expressed by simply multiplying three single-variable models and a modified rectangular hyperbola model were compared. The modified rectangular hyperbola model additionally included photochemical efficiency, carboxylation conductance, and dark respiration which vary with temperature and growth stage. In validation, $R^2$ value was 0.849 in the simple multiplication model, while it increased to 0.861 in the modified rectangular hyperbola model. It was found that the modified rectangular hyperbola model was more suitable than the simple multiplication model in expressing the canopy photosynthetic rates affected by environmental factors (light Intensity and temperature) and growth factor (growth stage) in plant factory modules.
The photosynthetic characteristics and primary production by phytoplankton in open waters of two wetlands (the Banwol and the Donghwa wetland) of Sihwa Constructed Wetland with different water chemistry were investigated to provide the information for the wetland management considering the water treatment efficiency. During the study period (from March to October, 2005) the primary productivity in open waters ranged from 481 to 11,275 mgC $m^{-2}$$day^{-1}$, which is very high compared with the eutrophic level of 600mgC $m^{-2}$$day^{-1}$. From the analysis of the photosynthesis-irradiance (P-I) model parameters, the photosynthetic characteristics may be affected by different concentration and ratio of nutrient (N and P) between two wetlands. Assimilation number (AN) was higher in the Donghwa wetland (average AN: 8.5gC $gChl^{-1}$$hr^{-1}$) with high P and low N/P ratio than the Banwol wetland (average AN: 5.8gC $gChl^{-1}$$hr^{-1}$) with high N and high N/P ratio. This result indicates that AN may be concerned with phosphorus than nitrogen and low NIP ratio. Positive correlation (R=0.81) was observed between the initial slope and AN, implying that AN was high in case of phytoplankton having more active photosynthesis ability under low light. On the other hand, maximum photosynthesis (Pmax) was related positively with chlorophyll a concentration showing correlation coefficient of 0.47. In this study, considering the high primary production through phytoplankton photosynthesis in open waters of Sihwa Constructed Wetland, the produced organic matter by phytoplankton may affect the water quality within wetland and its efficiency of water treatment. Also, the photosynthetic characteristics may be affected by different nutrient enrichment (especially phosphorus) of wetlands. This study suggests that the production by phytoplankton and its characteristics in open water of constructed wetland for water treatment should be considered to improve the removal efficiency of organic matter.
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2022.05a
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pp.481-481
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2022
본 연구에서는 기후 변화 완화에 대한 잠재력을 평가하기 위해 국내에서 가장 우세한 소나무 종인 Pinus densiflora의 기후변화에 대한 반응을 평가하였다. 기후변화의 시나리오로 4가지 대표 농도경로(RCP)에 기반 하여 CO2, 강수량, 온도의 변화를 개별 및 조합하였다. 생태수문학적 및 지구화학적 모델인 ecosys를 활용 및 보완하여 광릉 시험림에 적용하였다. 본 연구에서는 대기 중 CO2 증가가 총일차생산량(GPP)과 순일차생산량(NPP)에 미치는 긍정적인 영향이 강수량과 기온 변화로 인한 부정적인 영향보다 더 큰 것으로 나타났다. 특히, 기준 시나리오와 비교하여 각각 RCP2.6, 4.5, 6.5, 8.5에서 3.79%, 13.44%, 18.26%, 28.91%의 NPP 개선이 모의되었다. 또한, 본 연구에서는 지표하 질소 유출과 지표 N2O 플럭스가 기후 변화가 심해짐에 따라 소나무 생장 향상 및 토양 수분 저하로 인하여 토양 질소 손실 감소가 모의되었다. 기후변화의 강도가 증가함에 따라 증발산량이 증가하였지만, 기공 감소는 토양에서 흡수하는 물이용 및 광합성 효율 증진을 가져왔다. 이러한 결과는 소나무가 기후 변화를 완화하는 환경 친화적인 선택으로 작용할 수 있는 잠재성을 나타낸다.
For developing a canopy photosynthesis model, an efficient method to measure the photosynthetic rate in a growth chamber is required. The objective of this study was to develop a method for establishing canopy photosynthetic rate curves of romaine lettuce (Lactuca sativa L.) with light intensity and CO2 concentration variables using controlled growth chamber. The plants were grown in plant factory modules, and the canopy photosynthesis rates were measured in sealed growth chambers made of acrylic (1.0 × 0.8 × 0.5 m). First, the canopy photosynthetic rates of the plants were measured, and then the time constants were compared between two application methods: 1) changing light intensity (340, 270, 200, and 130 μmol·m-2·s-1) at a fixed CO2 concentration (1,000 μmol·mol-1) and 2) changing CO2 concentration (600, 1,000, 1,400, and 1,800 μmol·mol-1) at a fixed light intensity (200 μmol·m-2·s-1). Second, the canopy photosynthetic rates were measured by changing the light intensity at a CO2 concentration of 1,000 μmol·mol-1 and compared with those measured by changing the CO2 concentration at a light intensity of 200 μmol·m-2·s-1. The time constant when changing the CO2 concentration at the fixed light intensity was 3.2 times longer, and the deviation in photosynthetic rate was larger than when changing the light intensity. The canopy photosynthetic rate was obtained stably with a time lag of one min when changing the light intensity, while a time lag of six min or longer was required when changing the CO2 concentration. Therefore, changing the light intensity at a fixed CO2 concentration is more appropriate for short-term measurement of canopy photosynthesis using a growth chamber.
Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology
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v.21
no.4
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pp.261-268
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2019
Climate change and drought stress are having profound impacts on crop growth and development by altering crop physiological processes including photosynthetic activity. But finding a rapid, efficient, and non-destructive method for estimating environmental stress responses in the leaf and canopy is still a difficult issue for remote sensing research. We compared the relationships between photochemical reflectance index(PRI) and various optical and experimental indices on soybean drought stress under climate change conditions. Canopy photosynthesis trait, biomass change, chlorophyll fluorescence(Fv/Fm), stomatal conductance showed significant correlations with midday PRI value across the drought stress period under various climate conditions. In high temperature treatment, PRI were more sensitive to enhanced drought stress, demonstrating the negative effect of the high temperature on the drought stress. But high CO2 concentration alleviated the midday depression of both photosynthesis and PRI. Although air temperature and CO2 concentration could affect PRI interpretation and assessment of canopy radiation use efficiency(RUE), PRI was significantly correlated with canopy RUE both under climate change and drought stress conditions, indicating the applicability of PRI for tracking the drought stress responses in soybean. However, it is necessary to develop an integrated model for stress diagnosis using PRI at canopy level by minimizing the influence of physical and physiological factors on PRI and incorporating the effects of other vegetation indices.
Kim, Min-Young;No, Hwang-Won;Lee, Seung-Yoon;Jee, Hong-Kee
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2008.05a
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pp.2127-2131
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2008
본 연구는 자연생태하에서 지속가능한 태양에너지와 생태계작용에 의한 수질개선기법을 개발하기 위하여 생태연못을 설치하여 수질부하가 발생함에 따라 생태연못에 에너지를 순환시켜 생태적 수질정화 기능을 강화하는데 목적을 두었다. 본 연구에서 생태연못(Eco-Pond) 시스템의 수질개선 원리는 수중(유입수)의 침전, 유기산 생성, 메탄 발효, 호기성 산화, 광합성 산소배출 및 병원균 제거 등을 촉진시키기 위한 목적으로 축산농가 및 마을단위의 축산 및 생활하수 유입부에서 생태연못을 두어 수질을 개선하는 공법 즉, 산화조(Oxidation Pond)에 SolaBee 시스템을 결합한 모델을 제안하였다. 에너지 순환장치를 이용한 수질개선 방안으로는 태양열 연못 내에 물순환장치를 만들어 수체를 효율적으로 순환시키고 공기를 혼합시켜 부영양화가 진행되는 연못이 수질을 자연친화적으로 개선시키도록 하였다. 따라서 연구결과 태양에너지는 다른 자연에너지(풍력 등)에 비해서 에너지 밀도는 낮지만 지역의존성이 적고 그 양이 방대하여 21세기 중요한 에너지원으로 사용가능성을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 제시된 에너지 순환구조를 가진 생태연못 시스템은 우리나라 중소규모의 농촌 및 축산농가에 보급 될 수 있는 수질개선 시스템이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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