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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.31 No.7 pp.569-577
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2022.31.7.569

Changes in Growth of Microgreens and Substrate Nutrients by Seed Mixture Rate in Indoor Agriculture

Jin-Hee Ju, Sun-Young Park1), Hee-Yeon Song1), Yong-Han Yoon*
Department of Green Technology Convergence, College of Science & Technology, Konkuk University, Chungju 27478, Korea
1)Department of Green Technology Convergence, Graduate School of Konkuk University, Chungju 27478, Korea
*Corresponding author: Corresponding author: Yong-Han Yoon, Department of Green Technology Convergence, College of Science & Technology, Konkuk University, Chungju 27478, Korea Phone: +82-43-840-3538 E-mail: yonghan7204@kku.ac.kr
21/03/2022 10/05/2022 11/05/2022

Abstract


This study aimed to evaluate the growth of Cichorium intybus, Brassica juncea, and Lactuca sativa at varying seed ratios, and to suggest an efficient management plan for sustainable indoor agriculture systems. It was treated with mixed sowing as follows: 30 chicory seeds (chicory alone: CC), 22 chicory seeds + 8 lettuce seeds (C3L1), 20 chicory seeds + 10 lettuce seeds (C2L1), 15 chicory seeds + 15 lettuce seeds (C1L1) as intraspecies, and 30 mustard seeds (mustard alone: MC), 22 mustard seeds + 8 lettuce seeds (M3L1), 20 mustard seeds + 10 lettuce seeds (M2L1), 15 mustard seeds + 15 lettuce seeds (M1L1) as interspecies. The study identified the competitive response in seed germination between Cichorium intybus and Lactuca sativa, and in the C3L1 experimental group, Lactuca sativa had the highest leaf length, root length, chlorophyll content, and fresh weight. Therefore, the higher the ratio of Cichorium intybus, the higher the growth and productivity of Lactuca sativa; however, higher the ratio of Lactuca sativa, the lower the growth of Cichorium intybus. Furthermore, the nitrogen and potassium content in the substrate was the highest in the C3L1 experimental grorp which had the highest seeding rate of the Cichorium intybus. Comparing the groups Brassica juncea and Lactuca sativa, the higher the seeding ratio of Lactuca sativa, the higher the growth and productivity of Brassica juncea. Therefore, a companion seeding of Brassica juncea and Lactuca sativa is beneficial; this could be effective in having a high seeding ratio of Lactuca sativa.



실내 도시농업에서 혼합파종 비율에 따른 어린잎채소의 생육 및 배지 양분 변화

주 진희, 박 선영1), 송 희연1), 윤 용한*
건국대학교 녹색기술융합학과
1)건국대학교 대학원 녹색기술융합학과

    1. 서 론

    농업에서는 작물의 생산성 유지와 지속적인 수량 증대를 위한 식물에 대한 화학적 방제를 주로 이용해 왔다. 이로 인해 토양의 산성화, 생산력 감퇴 등 토 양생태계 파괴의 부작용 등이 나타났으며(Jeong et al., 1998), 기후 변화에 따른 농작물의 생육 불량으 로 인한 품질이 떨어져 이를 해결하기 위해 친환경적 방제 및 관리의 필요성이 대두되었다. 식물은 생육에 필요한 양분인 물, 햇빛, 공간 등을 차지하기 위해 끊임없는 경쟁을 한다. 이는 동종 또는 이종 식물과 무관하게 같은 장소와 공간에 있게 되면 예외가 아니 다. 우리나라에서는 예부터 섞어짓기(혼작)나 돌려짓 기(윤작)로 농작물의 병해충으로 인한 피해를 줄여왔 다(Kim et al., 2013).

    혼합파종은 두 종류 이상의 종자를 함께 섞어서 뿌리는 방식이며(Ren et al., 2021), 일반적으로 화본 과와 콩과식물을 혼파함으로써 근계분포 차이로 인한 토양수분 및 양분의 효율적 이용, 도복방지 및 생산 성 향상, 잡초발생의 경감 등의 효과를 기대할 수 있 다(Ju et al., 2008). 이는 이종 또는 동종식물을 혼합 파종함으로써 종간 경쟁 등을 통해 물리적 또는 화학 적 방제를 최소화함으로써 생육 및 생산성을 높일 수 있는 생물학적 조절방안이라고 할 수 있다(Hinsinger et al., 2011;Letten et al., 2017).

    어린잎채소는 본엽 3-5장의 10 cm 이내인 엽채소 를 말하며, 재배 기간이 짧아 신선편의 샐러드나 비빔 밥 등의 원료로 사용되는 인기 있는 건강식이자 농산 물로 수요 또한 증가하고 있는 추세이다(Kim et al., 2019). 한편, 실내 도시농업은 식물의 특성에 맞는 환 경 조건을 인공적으로 제공하여 효과적이며 계획적으 로 생산할 수 있는 장점을 가지고 있으나(Cha et al., 2014), 혼합파종을 통한 농작물의 생육 및 생산성을 높이기 위한 시도는 미흡한 실정이다.

    따라서 본 연구에서는 동종 또는 이종 간 어린잎 채소의 혼합파종을 통한 생육 특성을 살펴보고, 배지 내 다량원소인 질소(N), 인산(P), 칼륨(K)의 변화를 분석하여 종간 경쟁을 이용한 최적의 종자 파종비율 을 구명하고자 한다.

    2. 재료 및 방법

    2.1. 재료

    실험구의 배지는 펄라이트(New PerlShine No. 3, Green Fire Chemicals Co., Ltd., Korea)와 원예용 상토(Hanpanseung, Samhwa Greenwell Co., Ltd., Korea)를 사용하였다. 어린잎채소 종자로는 실내에서 도 재배가 가능한 엽채류를 중심으로 국화과인 청치 마상추(Lactuca sativa L.), 적치커리(Cichorium inty bus L.), 배추과인 적겨자(Brassica campestris L.)로 선정하였다.

    2.2. 방법

    화분은 배수구멍이 없는 투명플라스틱 용기(20 oz) 를 사용하여 바닥에서 위로 펄라이트 15 g으로 배수 층을 조성한 후, 그 위에 원예용 상토 60 g을 채웠다. 파종 후 복토 5 g으로 묘상을 가려 주었다. 동종간의 혼합파종 처리는 적치커리-청치마상추 간 종자 비율 을 달리하여 각각 적치커리 대조구(30립), 적치커리: 청치마상추=3:1(22립:8립), 적치커리:청치마상추=2:1 (20립:10립), 적치커리:청치마상추=1:1(15립:15립) (이하 CC, C3L1, C2L1, C1L1) 등 총 4가지를 적용하 였다. 이종간의 혼합파종 처리는 적겨자-청치마상추 간으로 동종간의 혼합파종 비율과 동일하게 적용한 후 (이하 MC, M3L1, M2L1, M1L1) 각 처리구는 3반 복하여 LED 식물배양대(LED plant growth chambe r, Mareuda Co., Ltd., Korea)에 완전임의 배치하였 다(Fig. 1). 육묘기간 동안 광도는 White LED를 이용 해 10,000 lux에 광주기 18/6H 처리하였고, 조사는 파종 후 21, 28, 35일에 각각 조사하였다.

    측정항목으로는 생육(초장, 근장, 엽장, 엽폭, 엽수, 상대엽록소함량, 생체중)과 다량원소인 질소(N), 인산 (P), 칼륨(K) 등을 중심으로 배지 양분을 조사하였다. 초장, 근장, 엽장, 엽폭은 30 cm stainless steel ruler 를 이용하여, 초장은 식물의 지표에서 선단까지의 길 이를, 근장은 뿌리의 길이를, 엽장은 잎의 최대길이로 잎몸의 최상단부와 최하단부의 길이를, 엽폭은 잎의 폭으로 잎몸 가장자리 양 끝의 폭을 조사하였다. 엽 수는 육안으로 잎의 수를 측정하였으며, 상대엽록소 함량은 엽록소측정기(SPAD-502, Minolta, Japan)로 처리구 당 식물의 잎을 5반복 측정하여 평균값을 산 출했다. 생체중은 생물의 무게로 지상부의 생체중은 미세전자저울(FX-200i, AND, Korea)로 실험 종료 후 각각의 어린잎채소를 채취하여 뿌리와 흙을 제거한 후 지상부와 지하부의 무게를 쟀다. 배지 양분 측정 은 토양 NPK 측정기(Digital soil instant N.P.K testers, ZD, China)로 각각의 실험구 배지 내 40-50 mm 이상 넣고 30-60초가 지난 다음 수치를 확인하였다. 각 처리구별 수집된 데이터는 SigmaPlot 12.3 (Systat, San Jose CA, USA)를 이용하여 그래 프화 하였으며, 혼합파종 비율에 따른 생육 간의 관 계를 보기 위해 초장, 근장, 엽장, 엽폭, 엽수를 중심 으로 SPSS (SPSS Inc., ver. 18.0 K, USA)을 이용하 여 Spearman 상관성을 분석하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1. 동종간 혼합파종에 따른 초기 생육 특성과 배지 양분 변화

    3.1.1. 적치커리-청치마상추 간 혼합파종에 따른 초기 생육 특성

    적치커리의 엽폭, 엽수, 상대엽록소함량, 지상부 생 체중 등은 단일파종(CC) 처리구에서 가장 높게 나타 났다. 또한 초장, 근장, 엽장, 지하부 생체중 등에서 도 적치커리의 파종비율이 높을수록 생육 및 생산성 에 효과적인 것으로 나타났다(Fig. 2). 청치마상추의 경우 초장과 엽장을 제외하고 근장, 엽폭, 상대엽록소 함량,생체중 등의 생육에서 적치커리의 비율이 가장 높은 C3L1의 실험구서 가장 높은 결과값을 보여 적 치커리가 청치마상추보다 단일파종에 유리하나 청치 마상추는 이와는 달리 혼합파종 시 생육이 우수한 것 으로 나타났다. 이와 같은 결과는 적치커리와 청치마 상추 간 혼합파종에서 적치커리의 비율이 높을수록 우수하였음을 보여준다고 하겠다.

    적치커리와 청치마상추의 혼합파종 비율에 따른 생 육 측정항목의 평균 및 표준편차를 분석한 결과 적치 커리의 초장, 엽폭에서는 배지 내 식물 간 평균값에 있어서 유의한 차이를 보이지 않았으나 근장, 엽장, 엽수에서는 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다 (Table 1). 또한 엽수를 제외한 초장, 근장, 엽장, 엽 폭에서 적치커리 단일식재 시 생육이 좋았으며, C2L1 에서 적치커리의 생육이 저하되는 것으로 판단된다.

    적치커리와 청치마상추의 혼합파종 비율에 따른 생육과의 상관성을 분석한 결과 초장, 근장, 엽장, 엽 폭, 엽수에서 부(JESI-31-7-569_I1.gif)의 상관관계로 분석되었으며, 초 장과 근장, 엽장, 엽폭, 엽수에서는 0.05 수준에서 유 의한 차이가 있는 것으로 나타났다(Table 2). 따라서 혼합파종 시 청치마상추의 비율이 높아질수록 적치커 리의 생육이 저하되는 것으로 보인다.

    3.1.2. 적치커리-청치마상추 간 혼합파종에 따른 배지 양분 변화

    적치커리와 청치마상추 혼합파종 시 파종비율에 따른 생육 배지 내 질소(N), 인산(P), 칼륨(K)의 변 화는 다음과 같다(Fig. 3). 질소와 칼륨은 적치커리의 파종비율이 가장 높은 C3L1의 처리구에서, 인산의 경우 적치커리와 청치마상추의 비율이 같은 처리구 인 C1L1에서 가장 높았으나 처리구간 차이는 미미하 였다. 질소 시비수준이 높을수록 적치커리의 생육과 생산성이 높았다는 결과(Park et al., 1994)로 볼 때, 혼합파종으로 인한 배지 내 양분변화가 청치마상추 보다 적치커리 생육에 긍정적인 영향을 준 것으로 해석된다.

    3.2. 이종간 혼합파종에 따른 초기 생육 특성과 배 지 양분 변화

    3.2.1. 적겨자-청치마상추 간 혼합파종에 따른 초기 생육 특성

    적겨자의 초장, 근장, 엽장, 엽폭, 지상부 생체중 등은 청치마상추의 파종비율이 가장 높은 M1L3의 실 험구에서 가장 높게 나타났다. 반면, 상대엽록소함량, 지하부 생체중 등의 경우 적겨자 1, 청치마상추 2의 비율로 처리한 M1L2에서 비교적 높은 값을 보였다 (Fig. 4). 이러한 결과로 볼 때, 적겨자-청치마상추 간 혼합파종에 있어서 청치마상추 파종비율이 높을수 록 적겨자의 생육에 긍정적임을 알 수 있었다. 청치 마상추의 단일파종 시 초장, 근장, 엽장 등이 우수한 것으로 나타났으나 엽폭, 생체중, 상대엽록소함량 등 의 항목에서는 청치마상추의 파종비율이 높은 혼합파 종 처리구에서 가장 양호하였다. 이는 적겨자와 청치 마상추는 혼합파종하는 것이 바람직하며, 청치마상추 의 파종비율이 높을수록 적겨자와 청치마상추의 생육 에 더 효과적임을 보여준다고 하겠다.

    적겨자와 청치마상추의 혼합파종에서 종자비율에 따른 적겨자 생육의 평균 및 표준편차를 분석한 결과, 처리구별 평균값 간 엽수를 제외한 초장, 근장, 엽장, 엽폭에서 유의한 차이는 보이지 않았다. 엽수의 경우, L1M1(5.4개) 〉MC(5.0개) > L1M2(4.7개) > L1M3 (4.2개) 순으로 적겨자 단일파종을 제외하고는 적겨 자의 비율이 높을수록 엽수가 줄어드는 경향을 보였 다(Table 3).

    적겨자와 청치마상추의 혼합파종에서 종자비율에 따른 적겨자 생육과의 상관성을 분석한 결과, 근장, 엽수에서 정(正)의 상관관계로 분석되었으며, 초장과 근장, 엽장, 엽폭, 엽수 등은 0.05 수준에서 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(Table 4). 청치마상추의 경우 적겨자의 근장과 엽장에서 부(JESI-31-7-569_I1.gif)의 상관관계를 보이나 초장과 근장, 엽장, 엽폭, 엽수에서는 0.05수 준에서 정(正)의 상관관계로 나타났다. 이는 적겨자의 파종비율이 높아질수록 청치마상추의 생육은 저하되 는 것으로 보이나 혼합 파종 시 청치마상추의 비율을 높게 파종하는 것이 바람직한 것으로 사료된다.

    3.2.2. 적겨자-청치마상추 간 혼합파종에 따른 배 지 양분 변화

    적겨자와 청치마상추 혼합파종 시 파종비율에 따 른 배지 내 양분을 살펴본 결과, 청치마상추 단일파 종 처리구인 LC처리구에서 인산, 칼륨의 함량이, 질 소의 경우 적겨자와 청치마상추 종자비율이 각 1:2인 M1L2 처리구에서 가장 높았다. 처리구별 배지 내 양 분에 대한 ANOVA 분석 결과, 인산은 유의적인 차 이를 보였으나, 질소와 칼륨은 유의성이 나타나지 않 았다(Fig. 5).

    4. 결 론

    어린잎채소 혼합파종 비율에 따른 적치커리-청치 마상추 간 실험구에서 적치커리의 엽폭, 엽수, 상대엽 록소함량, 지상부 생체중 등은 단일파종(CC) 처리구 에서 가장 높게 나타났다. 청치마상추의 경우 초장과 엽장을 제외하고 근장, 엽폭, 상대엽록소함량, 생체중 의 모든 항목에서 적치커리의 비율이 가장 높은 C3L1의 실험구에서 가장 높은 결과값을 보여 적치커 리가 청치마상추보다 단일파종에 유리하나 청치마상 추는 이와는 달리 혼합파종 시 생육이 우수한 것으로 나타났다. 생육 배지 내 질소와 칼륨은 적치커리의 파 종비율이 가장 높은 C3L1의 처리구에서, 인산의 경우 적치커리와 청치마상추의 비율이 같은 처리구인 C1L1 에서 가장 높았으나 처리구간 차이는 미미하였다. 적 겨자-청치마상추 간 실험구에서 적겨자의 초장, 근 장, 엽장, 엽폭, 지상부 생체중 등은 청치마상추의 파 종비율이 가장 높은 M1L3의 실험구에서 가장 높게 나타나, 청치마상추 파종비율이 높을수록 적겨자의 생육에 긍정적임을 알 수 있었다. 배지 내 양분에 있 어서 청치마상추 단일파종 처리구인 LC처리구에서 인산, 칼륨의 함량이, 질소의 경우 적겨자와 청치마상 추 종자비율이 각 1:2인 M1L2 처리구에서 가장 높았 다. 따라서 적치커리는 단일파종이, 적겨자와 청치마 상추는 혼합파종이 생육 및 생산성을 높이는데 적절 하다고 판단된다. 추후 혼합파종 시 배지 내 화학적, 생물학적, 물리적 변화 파악을 위한 반복수 증대 및 장기적 생육 모니터링이 필요할 것으로 사료된다.

    감사의 글

    이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (No. 2021R1F1A1063456)

    Figure

    JESI-31-7-569_F1.gif

    Overview of indoor experiment on growth of microgreens by seed mixture ratios in LED plant growth chamber.

    JESI-31-7-569_F2.gif

    Changes in growth of Cichorium intybus in response to seed mixture ratios between Cichorium intybus and Lactuca sativa. CC: Cichorium intybus Control, C3L1: Cichorium intybus with Lactuca sativa 3:1, C2L1: Cichorium intybus with Lactuca sativa 2:1, C1L1: Cichorium intybus with Lactuca sativa 1:1.

    JESI-31-7-569_F3.gif

    Substrate nutrients (N, P, and K) of between Cichorium intybus and Lactuca sativa in response to seed mixture ratios. Different letters indicate significant different among treatments at p ≤ 0.05 by Duncan’s multiple range test. CC: Cichorium intybus Control, C3L1: Cichorium intybus with Lactuca sativa 3:1, C2L1: Cichorium intybus with Lactuca sativa 2:1, C1L1: Cichorium intybus with Lactuca sativa 1:1.

    JESI-31-7-569_F4.gif

    Changes in growth of Brassica juncea for seed mixture ratios between Brassica juncea and Lactuca sativa. MC: Brassica juncea Control, L1M1: Lactuca sativa with Brassica juncea 1:1, L1M2: Lactuca sativa with Brassica juncea 1:2, L1M3: Lactuca sativa with Brassica juncea 1:3.

    JESI-31-7-569_F5.gif

    Substrate nutrients (N, P, and K) of between Brassica juncea and Lactuca sativa in response to seed mixture ratios. Different letters indicate significant different among treatments at p ≤ 0.05 by Duncan’s multiple range test. MC: Brassica juncea Control, L1M1: Lactuca sativa with Brassica juncea 1:1, L1M2: Lactuca sativa with Brassica juncea 1:2, L1M3: Lactuca sativa with Brassica juncea 1:3.

    Table

    The analysis of variance on growth of Cichorium intybus L. with Lactuca sativa by seed mixture ratios

    The values for pearson correlation analysis between growth of Cichorium intybus L. and seed mixture ratios

    The Analysis of variance on growth of Brassica juncea with Lactuca sativa by seed mixture ratios

    The values for pearson correlation analysis between growth of Brassica juncea L. and seed mixture ratios

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