KR101439009B1

KR101439009B1 - 식물 공장 시스템 내 씀바귀의 재배 방법

Info

Publication number: KR101439009B1
Application number: KR1020130023303A
Authority: KR
Inventors: 조영열
Original assignee: 제주대학교 산학협력단
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2014-09-05

Abstract

본 발명은 식물 공장 시스템 내 씀바귀의 재배 방법에 관한 것으로, 구체적으로 폐쇄형 식물 공장 시스템(closed-type plant factory system) 내에서 양액의 EC, 광도 및 재식거리 등의 지상부 및 지하부 환경을 제어함으로써 씀바귀의 재배 및 생산 수준을 극대화시킬 수 있는 재배 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따라 유용한 약용 식물인 씀바귀의 최적화된 지상부 및 지하부 환경 조건에 대한 정보를 제공하는 식물 공장 시스템 내 씀바귀의 재배 방법은 식물 공장 시스템에 도입 가능한 신작물의 개발, 환경요인과 신작물 간의 최적 조건 확립 등의 연구 분야 뿐 아니라 작물의 생산성 및 시장성 등의 향상에 유용하게 활용될 수 있다.

Description

식물 공장 시스템 내 씀바귀의 재배 방법{Method for growing Sowthistle in plant factory system}

본 발명은 식물 공장 시스템 내 씀바귀의 재배 방법에 관한 것으로, 구체적으로 폐쇄형 식물 공장 시스템(closed-type plant factory system) 내에서 양액의 전기전도도(electrical conductivity, EC), 광도(light intensity) 및 재식거리(planting distance) 등의 지상부 및 지하부 환경을 제어함으로써 씀바귀의 재배 및 생산 수준을 극대화시킬 수 있는 재배 방법에 관한 것이다.

식물 공장 시스템은 광(lighting), 온도, CO₂, 상대습도, 양액(nutrient solution) 등과 같은 지상부 및 지하부 환경의 최적화를 통해 식물의 연중생산성(year-round production) 향상을 목적으로 하는 식물 재배 시설이다. 이러한 식물 공장 시스템은 여러 환경 요소의 조절을 통해 성장 조건을 촉진시킴으로써 노지재배법(outdoor cultivation methods) 보다 훨씬 더 빠르게 작물을 생산할 수 있다(Ikeda et al., 1992). 따라서, 최근에는 다양한 식물들을 대상으로 식물 공장 시스템에서의 재배 시험이 수행되고 있다.

씀바귀(sowthistle)는 0.5 m 높이로 자라는 국화과(compositae)의 다년생 약초식물로서, 당뇨병(Choi et al., 1990; Hong et al., 2010) 및 암(Kim et al., 2002) 등의 성인 질환 치료에 사용되고 있으며, 항산화 활성을 갖는 것으로 알려져 있다(Hong et al., 2010; Kim et al., 2002; Lee, 2011). 또한, 그 잎은 쓴맛을 내는 채소(bitter appetizing vegetable)로서 널리 활용되고 있다. 공지된 바에 따르면, 씀바귀는 β-캐로틴(β-carotene)의 우수한 원료로서 제어 생태계 생명 유지 시스템(controlled ecological life support system, CELSS)을 위한 후보 작물로서 선별된 바 있으나(Qin et al., 2008), 식물 공장 시스템에서의 재배 특성에 대해서는 거의 알려진 바가 없다.

유효 환경 요소들 중, 광도, 양액의 전기전도도(electrical conductivity, EC) 및 재식 밀도(planting density)는 식물의 재배 및 생산성에 필수적인 요소이다. 예를 들면, 싹채소(sprout vegetables)의 경우 7-15 μmol·m^-2·s^-1범위의 광도가 적합한 반면, 잎채소(leaf vegetables)의 경우에는 200-300 μmol·m^-2·s^-1, 그리고 열매채소(fruit vegetables)의 경우에는 500 μmol·m^-2·s^-1 범위의 광도가 적합한 것으로 알려져 있으며(Yoon and Choi, 2011), 특히 식물 공장 내에서의 잎상추(leaf lettuce) 재배에는 200 μmol·m^-2·s^-1 이상의 광도가 요구된다(Park and Lee, 1999a). 지하부 환경 요소(root zone environmental factor)로서는, 예를 들면 식물 재배 및 생산에 적합한 EC가 재배 식물의 종에 따라 달라질 수 있으며(Choi and Lee, 2001; Park and Lee, 1999b), 또한 재식 밀도(planting density)는 채소 생산 시스템에서의 생산성 및 공간 효율성에 직접적으로 영향을 주는 것으로 공지되어 있다(Reiners and Riggs, 1999). 이러한 연구들로부터, 식물 공장 시스템 내 표적 작물인 씀바귀에 적용하기 위한 적합한 범위의 광도, EC 및 재식밀도를 결정하는 것이 필요함을 알 수 있다.

이에, 본 발명자들은 식물 공장 시스템 내 씀바귀(sowthistle, Ixeris dentate Nakai)의 재배 특성에 따른 서로 다른 광도, EC 및 재식 밀도의 영향을 확인하기 위해 예의 연구한 결과, 폐쇄형 식물 공장 시스템 내에서 2.0 dS·m^-1의 양액 EC, 200 μmol·m^-2·s^-1의 PPF 및 15×10 cm의 재식거리 조건 하에 씀바귀를 재배하는 경우 씀바귀의 재배 및 생산 수준을 극대화시킬 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명의 목적은 폐쇄형 식물 공장 시스템 내에서 씀바귀의 재배 및 생산 수준을 극대화시킬 수 있는 재배 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 식물 공장 시스템(plant factory system) 내에서, 정식(transplantation) 후 양액의 전기전도도(electrical conductivity, EC)가 2.0 dS·m^-1이고, 광도(light intensity, photosynthetic photon flus, PPF)가 200 μmol·m^-2·s^-1이며, 재식 거리(planting distance)가 15×10 cm인 조건하에 씀바귀(sowthistle, Ixeris dentata Nakai)를 재배하는 것을 포함하는, 식물 공장 시스템 내 씀바귀의 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 식물 공장 시스템 내 씀바귀의 재배 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따라 유용한 약용 식물인 씀바귀의 최적화된 지상부 및 지하부 환경 조건에 대한 정보를 제공함으로써 식물 공장 시스템에 도입 가능한 신작물의 개발, 환경요인과 신작물 간의 최적 조건 확립 등의 분야뿐만 아니라 작물의 생산성 및 시장성 등의 향상에 유용하게 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 양액 EC(electrical conductivity)가 각각 1.5 및 2.0 dS·m^-1이고 광도(PPF)가 각각 100 및 200 μmol·m^-2·s^-1인 조건 하에 재배된 씀바귀의 엽록소 함량(SPAD 값)을 나타낸 결과 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 양액 EC(electrical conductivity)가 각각 1.5 및 2.0 dS·m^-1이고 광도(PPF)가 각각 100 및 200 μmol·m^-2·s^-1인 조건 하에 재배된 씀바귀의 잎 광합성 속도(leaf photosynthetic rate)를 나타낸 결과 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 열간 간격(between row distance)이 15 cm이고 재식 거리(planting distance)가 각각 10, 15, 20 및 25 cm인 조건 하에 재배된 씀바귀의 엽장(leaf length) 및 엽폭(leaf width)을 나타낸 결과 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 열간 간격이 15 cm이고 재식 거리(planting distance)가 각각 10, 15, 20 및 25 cm인 조건 하에 재배된 씀바귀의 개체당 지상부 생체중(shoot fresh weight) 및 건물중(shoot dry weight)(A) 및 재배면적당 지상부 생체중 및 건물중(B)을 나타낸 결과 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 식물 공장 시스템 내 씀바귀의 재배 엽수(number of leaves)를 정식(transplanting) 후 날수(days)에 대한 함수로 나타낸 선형 관계(linear relationship) 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 식물 공장 시스템 내 씀바귀의 지상부 생체중(shoot fresh weight, SFW) 및 건물중(shoot dry weight, SDW)을 정식 후 날수(days after transplanting, DAT)에 대한 함수로서 나타낸 지수선형적 성장 패턴(expolinear growth pattern) 그래프이다.

본 발명은 식물 공장 시스템(plant factory system) 내에서, 정식(transplantation) 후 양액의 전기전도도(electrical conductivity, EC)가 2.0 dS·m^-1이고, 광도(light intensity, photosynthetic photon flus, PPF)가 200 μmol·m^-2·s^-1이며, 재식 거리(planting distance)가 15×10 cm인 조건하에 씀바귀(sowthistle, Ixeris dentata Nakai)를 재배하는 것을 포함하는, 식물 공장 시스템 내 씀바귀의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 식물 공장은 폐쇄형 식물 공장(closed-type plant factory)일 수 있으며, 예를 들면 700×500×300 cm(L×W×H) 크기의 식물 공장일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 상기 광도(light intensity, photosynthetic photon flux, PPF)는 예를 들면, 삼파장형 형광 램프(three-band radiation type fluorescent lamps) 등과 같은 인공광을 통해 제공될 수 있으며, 바람직하게는 12-시간 광주기로 제공될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 식물 공장 시스템에 제공되는 양액은 씀바귀 재배에 효과적인 조성을 갖는 통상의 양액이라면 어느 것이든 사용될 수 있으며, 예를 들면 224.2 mg·L^-1 NO₃-N, 18.6 mg·L^-1 NH₄-N, 41.3 mg·L^-1 P, 312.8 mg·L^-1 K, 160.3 mg·L^-1 Ca, 48.6 mg·L^-1 Mg, 64.1 mg·L^-1 SO4-S, 3.0 mg·L^-1 Fe, 0.5 mg·L^-1 B, 0.5 mg·L^-1 Mn, 0.05 mg·L^-1 Zn, 0.02 mg·L^-1 Cu 및 0.01 mg·L^-1 Mo의 조성을 갖는 것이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 양액은 3층의 박막수경 (nutrient film technique, NFT) 시스템(240×60×200 cm, L×W×H) 등의 통상의 양액 제공 장치를 통해 제공될 수 있으며, 첫 번째 본엽(first true leaf)이 출현한 때부터 제공될 수 있다. 또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 양액의 pH는 5.5-6.5 범위를 유지하도록 조정될 수 있으며, 씀바귀의 정식(transplantation) 후부터 재배(harvest) 기간 동안 10분 온(on)/10분 오프(off) 방식으로 순환(cycling)시켜 제공될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 식물 공장 시스템의 지상부 조건(environmental conditions)은 20 내지 25℃ 범위의 내부 기온, 65 내지 75% 범위의 상대 습도(relative humidity, RH) 및 600 내지 900 μmol·mol^-1 범위의 CO₂ 농도를 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 씀바귀의 지상부 생체중 및 건물중은 2.0 dS·m^-1의 EC 및 200 μmol·m^-2·s^-1의 PPF 조건에서 가장 높게 나타났다. 또한, 지상부 건물중은 EC 및 광도 조건이 높아질수록 증가하는 것을 확인하였으며, 엽수(number of leaves), 지상부 생체중, 지하부 생체중, 전체 생체중 및 지상부 건물중에 대한 EC 및 광도의 상호작용 효과(interactive effects)는 유의미한 것으로 확인되었다. 씀바귀는 국화과(Asteraceas family)에 속하는 작물로서, 상추 등과 같이 잎이 무성한 호냉성 작물(cool seasonal vegetables)들이 이에 속한다. Murdoch(1997)에 따르면, 상추에 대한 최적의 양액 EC는 1.15-1.25 dS·m^-1이며, Park 및 Lee(1999b)는 상추 재배에 적합한 조건으로 PPF 250 μmol·m^-2·s^-1에서EC 1.8 dS·m^- ¹를, 그리고 PPF 150 μmol·m^-2·s^-1에서 EC 2.4 dS·m^- ¹를 제시한 바 있다. 이러한 선행 기술들에 따르면, 국화과 작물의 재배에 있어서 광도가 증가함에 따라 최적의 EC 범위는 낮아지는 것을 알 수 있다. 그러나, 본 발명의 일실시예에 따르면, 정식 후 씀바귀의 재배에 있어서 최적 EC 조건은 Murdoch의 공지 조건보다 높으며, Park 및 Lee의 공지 결과와 비교하여 차이가 있는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면 엽록소 함량(SPAD)에 있어서도 유의미한 차이는 아니나 EC 2.0 dS·m^-1 및 PPF 200 μmol·m^-2·s^-1 조건에서 최고치를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 공지된 바에 따르면, 여러 다양한 광원 및 상추 품종들 간의 엽록소 함량에 있어서 유의미한 차이가 확인된 적은 없으며(Um et al., 2010), 다만 광도(Park and Lee, 1999a) 및 EC(Choi and Lee, 2001)의 증가에 따라 엽록소 함량이 증가할 수 있음이 제시된 바 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 잎의 광합성 속도도 EC 및 광도가 증가함에 따라 증가하며, 2.0 dS·m^-1의 EC 및 200 μmol·m^-2·s^-1의 PPF 조건에서 최고치를 나타내는 것을 확인하였다. Qin 등(2008)은 씀바귀의 재배 정도(growth)가 PPF가 100에서 700 μmol·m^-2·s^-1로 증가함에 따라 증대되는 것을 제시하였으며, Park 및 Lee(1999b)는 상추의 재배 정도(growth)가 PPF가 150에서 250 μmol·m^-2·s^-1로 증가함에 따라 증대되는 것을 보고한 바 있다. 따라서, 인공광원에 의한 광도의 증가를 통해 작물의 생장율(growth rate)을 높일 수 있음을 알 수 있다.

한편 본 발명의 일실시예에 따르면, 씀바귀의 개체 당 지상부 생체중 및 건물중의 경우에는 재식거리(planting distance)가 증가함에 따라 증대된 반면, 단위면적당 지상부 생체중 및 건물중은 감소한 것을 확인하였다. 이때, 개체당 지상부 생체중 및 건물중의 경우에는 재식거리에 따라 유의미한 차이를 나타낸 것은 아닌 반면, 면적당 지상부 생체중 및 건물중의 경우 현저한 차이를 나타낸 것을 확인하였다. Reiners 및 Riggs(1999)는 재식밀도(planting density)가 호박의 재배 및 생산에 영향을 미치는 중요한 요소임을 보고한 바 있다. 통상의 경우, 단위 면적당 작물의 생산량은 재식밀도가 증가함에 따라 증대되므로, 단위면적당 생산량은 재식밀도의 평가를 위한 적합한 요소이다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 씀바귀 재배를 위한 재식밀도는 바람직하게 15×10 cm(67 개체수/m²)일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 씀바귀의 엽수와 정식(transplantation) 후 재배일수 간의 선형관계(linear relationship)를 알 수 있었으며, 이러한 결과는 Cho 및 Son의 선행기술 결과와 유사한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 식물 공장 시스템 내 씀바귀의 출엽속도(leaf appearance rate)는 0.43 엽수·d^-1(R² = 0.999)이었으며, 시험기간 동안 매 3일마다 새로운 잎이 출현한 것을 확인하였다. 폐쇄형 식물 공장 시스템 내에서는 통상적으로 온도 함수를 이용하여 엽수를 용이하게 산출할 수 있으며, 엽수는 온도의 증가에 따라서도 선형적인 관계가 있음이 알려져 있다(McMaster and Wilhelm, 1997). 따라서, 온도에 따라 엽수를 예측하는 모델을 확립하는 것은 매우 효과적이며, 이는 시장경제 측면에서 매우 중요할 수 있다(Cho and Son, 2007).

본 발명의 일실시예에 따르면, 시간 함수에 따른 씀바귀의 생체중 및 건물중에서의 증가를 설명하기 위해 지수선형 방정식(expolinear equation)을 사용하여 비선형적 회귀 분석(non-linear regression)을 수행한 결과, Goudriaan 및 Monteith(1990)에 의해 제시된 바와 같이, 함수 곡선이 지수선형적 성장(expolinear growth) 패턴을 보여주는 것을 확인하였다. 기본적으로, 작물의 성장은 최대 상대적 성장 속도까지 기하급수적으로 증가하다 후에 최대 성장 속도로 선형적 증가가 이루어짐이 공지된 바 있다(Gouddrian and Monteith, 1990). 이러한 작물 성장 모델의 하나인 지수선형 성장 모델(expolinear growth model)은 여러 작물에 적용된 바 있으며(Gouddrian and Monteith, 1990) 작물의 재배 및 생산을 예측하는데 유용하게 활용될 수 있다.

한편, 도 5 및 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면 폐쇄형 식물 공장 시스템 내 환경 파라미터(environmental parameters)에 근거하여 식물의 엽수 및 재배 정도를 예측하는 모델을 확립할 수 있으며, 예를 들면 씀바귀를 15×10 cm의 재식거리 조건에서 재배하여 개체당 생체중 50 g으로 수확한다면, 수확시간(harvesting time)은 정식 후 25일이고, 상품 생산성(marketable yield)은 3.3 kg·m^-2이며, 회전주기는 연(year)당 14.6회인 것을 예측할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따라 폐쇄형 식물 공장 시스템 내에서 정식 후 2.0 dS·m^-1의 양액 EC, 200 μmol·m^-2·s^-1의 PPF 및 15×10 cm의 재식거리 조건하에 씀바귀(sowthistle, Ixeris dentata Nakai)를 재배하는 경우 재배 및 생산 수준을 극대화시킬 수 있음을 알 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

재료 및 방법

1) 식물 재료

본 시험은 2011년 7월 1일부터 2011년 11월 16일까지 제주 대학교에 위치한 폐쇄형 식물 공장(closed-type plant factory)(700×500×300 cm, L×W×H) 내에서 수행되었으며, 씀바귀(Ixeris dentata Nakai) 종자(Aram seed, Korea)는 폴리우레탄 스폰지(polyurethane sponges, 2.5×2.5×2.5 cm)에 심었다

2) 폐쇄형 식물 공장 시스템(closed-type plant factory system)

삼파장형 형광 램프(three-band radiation type fluorescent lamps; 55W, Philips Co., Ltd., Amsterdam, the Netherlands)는 12-시간 광주기로 사용되었으며, 광도(photosynthetic photon flux, PPF)는 광양자 센서(quantum sensor, LI-190, Li-cor, Lincoln, Nebraska, USA)로 측정하였다. 또한, 온도 및 상대 습도는 온도 센서 및 습도 센서(HMP45AC, Campbell Scientific, Logan UT, USA)로, 그리고 CO₂ 농도는 CO₂ 센서(GMP222, Vaisala, Helsinki, Finland)로 측정하였다.

식물 재배 시스템으로는 3층의 박막수경(nutrient film technique, NFT) 시스템(240×60×200 cm, L×W×H)이 사용되었으며, 양액은 224.2 mg·L^-1 NO₃-N, 18.6 mg·L^-1 NH₄-N, 41.3 mg·L^-1 P, 312.8 mg·L^-1 K, 160.3 mg·L^-1 Ca, 48.6 mg·L^-1 Mg, 64.1 mg·L^-1 SO4-S, 3.0 mg·L^-1 Fe, 0.5 mg·L^-1 B, 0.5 mg·L^-1 Mn, 0.05 mg·L^-1 Zn, 0.02 mg·L^-1 Cu 및 0.01 mg·L^-1 Mo(nutrient solution of Horticultural Experiment Station in Japan)의 조성을 갖는 것으로 첫번째 본엽(first true leaf) 출현 시부터 공급되었다. 이때, 양액의 pH 및 EC는 매 2일째에 각각 pH 미터(pH meter) 및 EC 미터(EC meter)를 사용하여 측정하였으며, pH의 경우 KOH 또는 H₂PO₄를 사용하여 5.5-6.5 범위를 유지하도록 조정하였다. 또한, 양액은 정식(transplantation) 후부터 재배(harvest) 기간 동안 10분 온(on)/10분 오프(off) 방식으로 순환되었으며 전 시험 기간 동안 교체되지 않았다.

지상부 조건(environmental conditions)은 조절기(controller, SDM-CD16AC, Campbell Scientific, Logan UT, USA)를 사용한 온/오프(on/off) 작동을 통해 조절하였다. 또한, 내부 기온은 히터(heater)를 사용하여 20 내지 25℃ 범위로 유지하고, 상대 습도는 가습기(humidifier) 및 제습기(dehumidifier)를 사용하여 65 내지 75% 범위로 유지하였으며, CO₂ 농도는 CO₂ 가스 함유 지하 공기(underground air)(Kim et al., 2007)를 사용하여 600 내지 900 μmol·mol^-1 범위로 유지하였다. 이때, 온도, 상대습도, PPF(photosynthetic photon flux) 및 CO₂ 농도 정보는 데이터 로거(data logger, CR-1000, Campbell Scientific, Logan UT, USA)를 사용하여 매 10분 마다 수집하였다.

3) 재배 및 생산

씀바귀의 재배 및 생산 정도는 각각 1.5 및 2.0 dS·m^-1의 EC, 그리고 100 및 200 μmol·m^-2·s^-1의 PPF 조건에서 비교 분석되었으며, 이때 재식 밀도는 15×15 cm(44 식물 개체수/m²)로 하였다. 또한 2.0 dS·m^-1의 EC 및 200 μmol·m^-2·s^-1의 PPF 조건에서, 재식 밀도를 다음과 같이 달리하여 재배 및 생산 정도를 확인하였다: 열간 간격(between row distance)은 15 cm로 고정하고 열 내 재식 거리를 각각 15×10 cm(67 개체수/m²), 15×15 cm(44 개체수/m²), 15×20 cm(33 개체수/m²) 및 15×25 cm(27 개체수/m²)의 4 가지로 달리하였다.

건물중(dry weight)은 70℃ 오븐(oven, Vision Sci., Korea)에서 72시간 동안 건조한 후 측정하였으며, 가장 큰 잎의 광합성 속도는 정식 후 15일째에 이동식 광합성 측정기(portable photosynthetic system, Li-6400, Li-cor, Lincoln, Nebraska, USA)를 사용하여 6회 반복 검증을 통해 확인하였다. 이때, 재배는 25±0.02℃의 기온, 1000±0.2 μmol·mol^-1의 CO₂ 농도 그리고 57±1.1%의 RH(relative humidity) 조건에서 수행되었다.

엽록소 함량은 이동식 엽록소 측정기(portable chlorophyll meter, SPAD-502, Minolta, Osaka, Japan)를 사용하여 10회 반복 검증을 통해 측정되었으며, 이들 측정치의 평균을 산출하여 잎의 SPAD 값(SPAD value)을 결정하였다. 엽수(number of leaves)는 넓이 1 cm² 이상의 전개(unfolding)된 잎을 시작으로 매 2-7 일째에 확인하였다.

4) 통계 분석

이하 모든 실험 설계로서 완전임의배치법(completely randomized block design)이 사용되었으며, 통계 분석은 SAS 시스템(Release 9.01, SAS institute Inc., Cary, NC. USA)을 사용하여 이루어졌다. 또한, 이하 모든 실험 결과들을 대상으로 분산분석(analysis of variance, AVOVA)을 수행하였으며, Duncan의 다중범위 검정(Duncan? multiple range test, DMRT)을 통하여 5% 수준에서의 유의미한 차이를 검정하였다.

실험결과

1) 양액의 EC 및 광도에 따른 씀바귀의 생체중 및 건물중 확인

양액 EC 및 광도에 따른 씀바귀의 엽수, 그리고 지상부(shoot) 및 지하부(root)의 생체중(fresh weight) 및 건물중(dry weight)을 확인한 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 표 1의 유의성 평가에서, NS는 비유의성(non-significant)을, 그리고 *, ** 및 ***은 각각 p = 0.05, 0.01 및 0.001 수준에서의 유의미한 차이를 의미한다.

EC (dS·m^-1)	광도 (μmol·m^-2·s^-1)	엽수	생체중			건물중
EC (dS·m^-1)	광도 (μmol·m^-2·s^-1)	엽수	지상부	지하부	전체	지상부	지하부	전체
2.0	100	12.2	19.2	9.7	28.9	1.60	0.77	2.37
2.0	200	10.6	17.4	9.7	27.1	1.63	0.99	2.56
2.5	100	12.6	23.0	10.4	33.4	1.67	0.71	2.38
2.5	200	17.3	28.4	15.7	44.1	2.80	1.08	3.88
유의성 EC(A) 광도(B) A×B		** NS *	*** NS *	** * *	*** NS *	** NS *	NS ** NS	* ** *

상기 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 씀바귀의 지상부 생체중 및 건물중은 2.0 dS·m^-1의 EC 및 200 μmol·m^-2·s^-1의 PPF 조건에서 가장 높게 나타났다. 또한, 지상부 건물중은 EC 및 광도 조건이 높아질수록 증가하는 것을 확인하였으며, 엽수(number of leaves), 지상부 생체중, 지하부 생체중, 전체 생체중 및 지상부 건물중에 대한 EC 및 광도의 상호작용 효과(interactive effects)는 유의미한 것으로 확인되었다. 또한, 씀바귀 재배에 있어서 최적의 EC는 2.0 dS·m^-1인 것으로 확인되었는데, PPF 200 μmol·m^-2·s^-1 조건에서의 생체중 및 건물중이 EC 2.5 dS·m^-1에서 보다 EC 2.0 dS·m^- ¹에서 더 높게 나타났다. EC 2.0 dS·m^-1 및 PPF 200 μmol·m^-2·s^-1 조건에서 씀바귀를 재배하는 경우 80.5 g-생체중·m^-2·d^-1의 생산성을 나타내는 것을 확인하였다.

2) 양액 EC 및 광도에 따른 씀바귀의 엽록소 함량 확인

양액 EC 및 광도 변화에 따른 씀바귀의 엽록소 함량(SPAD)을 확인하여 도 1에 나타내었다. 그 결과, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 유의미한 차이는 아니나, EC 2.0 dS·m^-1 및 PPF 200 μmol·m^-2·s^-1 조건에서 엽록소 함량이 최고치를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

3) 양액 EC 및 광도에 따른 씀바귀의 광합성 속도 확인

양액 EC 및 광도 변화에 따른 씀바귀의 잎 광합성 속도(leaf photosynthetic rate)를 확인하여 도 2에 나타내었다. 그 결과, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, EC 및 광도가 증가함에 따라 씀바귀 잎의 광합성 속도가 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 잎의 광합성 속도에 미치는 EC 및 광도의 상호작용 효과 뿐 아니라 EC 단독 효과는 유의미한 것으로 확인되었으며, 2.0 dS·m^-1의 EC 및 200 μmol·m^-2·s^-1의 PPF 조건에서 광합성 속도가 최고치를 나타내는 것을 확인하였다.

4) 재식거리에 따른 씀바귀의 재배 및 생산 정도 확인

2.0 dS·m^-1의 EC 및 200 μmol·m^-2·s^-1의 PPF 조건 하에, 열간 간격(between row distance)을 15 cm로 고정하고 열 내 재식 거리를 각각 15×10 cm(67 개체수/m²), 15×15 cm(44 개체수/m²), 15×20 cm(33 개체수/m²) 및 15×25 cm(27 개체수/m²)의 4 가지로 달리하여, 재식 밀도(planting density)에 따른 씀바귀의 재배 정도를 확인하였다.

그 결과, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 모든 재식거리에서 엽장(leaf length) 및 엽폭(leaf width)에 유의미한 차이가 있음을 확인하였다. 구체적으로 엽장의 경우 재식거리가 감소함에 따라 증가하는 것을 확인하였으며, 엽수(number of leaves)의 경우 유의미한 차이가 확인되지 않아 이로써 엽수는 지상부 환경 요소에 의해서만 영향 받음을 알 수 있었다. 한편, 엽폭(leaf width)의 경우에는 재식거리 15×25 cm 조건에서 가장 큰 것을 확인하였다.

또한, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 개체 당 지상부 생체중 및 건물중의 경우 재식거리가 증가함에 따라 증대된 반면, 단위면적당 지상부 생체중 및 건물중은 감소한 것을 확인하였다. 이때, 개체당 지상부 생체중 및 건물중의 경우에는 재식거리에 따라 유의미한 차이를 나타낸 것은 아닌 반면, 면적당 지상부 생체중 및 건물중의 경우 현저한 차이를 나타낸 것을 확인하였다. 이로써, 본 발명에 따른 식물 공장 시스템 내 씀바귀 재배를 위한 최적의 재식밀도는 15×10 cm(67 개체수/m²)인 것을 알 수 있었다.

5) 엽수와 정식 후 일수 간의 연관성 분석

식물 공장 시스템 내 씀바귀 재배 결과를 토대로, 씀바귀의 엽수와 정식 후 재배일수 간의 연관성을 분석하였다.

그 결과, 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 씀바귀의 엽수와 정식(transplantation) 후 재배일수 간의 선형관계(linear relationship)를 확인할 수 있었으며, 이로써 본 발명에 따른 식물 공장 시스템 내 씀바귀의 출엽속도(leaf appearance rate)는 0.43 엽수·d^-1(R² = 0.999)이며, 시험기간 동안 매 3일마다 새로운 잎이 출현하는 것을 알 수 있었다.

또한, 시간 함수에 따른 씀바귀의 생체중 및 건물중에서의 증가를 설명하기 위해 지수선형 방정식(expolinear equation)을 사용하여 비선형적 회귀 분석(non-linear regression)을 수행하였으며, 그 결과 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 함수 곡선이 지수선형적 성장(expolinear growth) 패턴을 보여주는 것을 확인하였다.

한편, 도 5 및 6의 결과로부터, 폐쇄형 식물 공장 시스템 내 환경 파라미터(environmental parameters)에 근거하여 식물의 엽수 및 재배 정도를 예측하는 모델을 확립할 수 있었으며, 예를 들면 씀바귀를 15×10 cm의 재식거리 조건에서 재배하여 개체당 생체중 50 g으로 수확한다면, 수확시간(harvesting time)은 정식 후 25일이고, 상품 생산성(marketable yield)은 3.3 kg·m^-2이며, 회전주기는 연(year)당 14.6회인 것을 예측할 수 있었다.

따라서, 이러한 결과들로부터, 본 발명에 따라 폐쇄형 식물 공장 시스템 내에서 2.0 dS·m^-1의 양액 EC, 200 μmol·m^-2·s^-1의 PPF 및 15×10 cm의 재식거리 조건하에 씀바귀(sowthistle, Ixeris dentata Nakai)를 재배하는 경우 재배 및 생산 수준을 극대화시킬 수 있음을 알 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

식물 공장 시스템(plant factory system) 내에서, 224.2 mg·L^-1 NO₃-N, 18.6 mg·L^-1 NH₄-N, 41.3 mg·L^-1 P, 312.8 mg·L^-1 K, 160.3 mg·L^-1 Ca, 48.6 mg·L^-1 Mg, 64.1 mg·L^-1 SO₄-S, 3.0 mg·L^-1 Fe, 0.5 mg·L^-1 B, 0.5 mg·L^-1 Mn, 0.05 mg·L^-1 Zn, 0.02 mg·L^-1 Cu 및 0.01 mg·L^-1Mo의 조성을 갖는 양액을 사용하여 씀바귀(Sowthistle, Ixeris dentate Nakai)를 재배하는 것을 특징으로 하는 식물공장 시스템 내 씀바귀의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 식물 공장 시스템은 폐쇄형 식물 공장 시스템(closed-type plant factory system)인 것을 특징으로 하는, 식물 공장 시스템 내 씀바귀의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
정식(transplantation) 후 양액의 전기적 전도성(electrical conductivity, EC)이 2.0 dS·m^-1이고, 광도(light intensity, photosynthetic photon flus, PPF)가 200 μmol·m^-2·s^-1이며, 재식 거리(planting distance)가 15×10 cm인 조건하에 씀바귀(sowthistle, Ixeris dentata Nakai)를 재배하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 광도 조건은 인공광을 통해 12-시간 광주기로 제공되는 것을 특징으로 하는, 식물 공장 시스템 내 씀바귀의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 양액은 3층의 박막수경(nutrient film technique, NFT) 시스템을 통해 제공되는 것을 특징으로 하는, 식물 공장 시스템 내 씀바귀의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 식물 공장 시스템의 지상부 조건(environmental conditions)은 20 내지 25℃ 범위의 내부 기온, 65 내지 75% 범위의 상대 습도(relative humidity, RH) 및 600 내지 900 μmol·mol^-1 범위의 CO₂ 농도를 포함하는 것을 특징으로 하는 식물 공장 시스템 내 씀바귀의 제조 방법.