Investigation of Optimum Environmental Conditions for Ginseng Seedling Production in Plant Factories with Artificial Light

Abstract

The objective of this study was to develop a ginseng seedling production system using plant factories with artificial light (PFAL). In Chapter 1, the growth and morphology of ginseng seedlings as affected by depth and diameter of polyvinyl chloride (PVC) pipes, resulting in different root-zone volumes, were investigated to design a novel plug tray for ginseng seedling production. The stratified seeds of Chunpoong cultivar were sown into the cylindrical PVC pipes filled with commercial growing medium and then grown for 20 weeks using sub-irrigation system in a PFAL under controlled environments. In the first experiment, the plants were grown in PVC pipes having four different depths (15, 20, 25, and 30 cm) with the same diameter of 50 mm. Root length, root fresh and dry weights, and leaf area became higher with greater depth up to 30 cm, while there were no significant differences in root diameter. In the second experiment, seedlings were cultivated in PVC pipes having six different diameters (ø12, 15, 20, 30, 50, and 75 mm) with the same depth of 20 cm. Root and shoot length, fresh and dry weights of root and shoot, root diameter and leaf area all increased with larger diameter up to 30 mm. In Chapter 2, the growth of ginseng seedlings cultivated under different light intensity and photoperiod conditions in the PFAL was studied. Stratified ginseng seeds of Chunpoong cultivar were sown into the plastic containers (520×365×200 mm) filled with commercial growing medium and consequently cultivated under warm-white LED lamps with combinations of four light intensities (50, 120, 190, and 260 μmol m-2 s-1) and three photoperiods (8, 12, and 16 h d-1) using overhead irrigation system for 20 weeks. Seedlings cultivated under longer photoperiods up to 16 h d-1 and greater light intensities up to 260 μmol m-2 s-1 showed smaller shoot length and fresh weight, leaf area. In those treatments, the seedlings also showed more bleached and defoliated leaves. The thickest and heaviest roots were harvested from the seedlings cultivated in the treatment of 12-h photoperiod and 260 μmol m-2 s-1 light intensity. The root growth of ginseng seedlings was well-shaped, long, and thick in PVC pipe with cell depth and diameter of 20 cm and 30 mm, respectively, and could be also promoted at a photoperiod of 12-h and a light intensity of 260 μmol m-2 s-1. In conclusion, the production period for ginseng seedlings can be shorten up to four months when cultivated in a PFAL under optimized environmental conditions compared to about eight months of outdoor cultivation, which makes it possible to harvest three times a year using the production method developed in this study.

본 실험은 인공광이용형 식물공장을 이용한 새로운 인삼 공정육묘시스템 개발을 목표로 진행되었다. 제 1장에서는 공정묘 생산을 위한 플러그 트레이 개발을 목적으로, 플러그 셀의 깊이 및 직경을 달리하여 결정된 근권부 용적에 따른 묘삼의 생육과 형태 변화를 조사하였다. 개갑된 인삼(Panax ginseng C.A. Meyer 천풍)종자를 인삼전용상토가 채워진 원통형 폴리염화비닐(PVC) 셀에 파종한 후 저면관수 시스템을 이용하는 인공광이용형 식물공장에서 20주 동안 재배하였다. 첫 번째 실험에서는 PVC 파이프를 이용하여 직경50mm의 직경을 가진 깊이(15, 20, 25, 및 30cm)가 다른 셀을 제작하여 처리구로 이용하였다. 실험결과, 셀의 깊이가 30cm까지 증가할수록 묘삼의 근장, 근 생체중과 건물중, 및 엽면적이 증가하였다. 두 번째 실험에서는 깊이 20cm에 직경(ø12, 15, 20, 30, 50, 및 75mm)이 다른 셀을 처리구로 사용하였다. 실험결과, 셀의 직경이 30mm까지 커질수록 묘삼의 지하부와 지상부 생육이 증대되었다. 이러한 결과는 인삼 육묘용 플러그 트레이 설계뿐 아니라 육묘 중의 적절한 영양 및 수분관리 시스템 개발에 활용될 것으로 사료된다. 제 2장에서는 백색 LED 조명의 광도와 광주기에 따른 묘삼의 생육과 형태 변화를 조사하였다. 개갑된 천풍종자를 인삼전용상토가 채워진 플라스틱 재배용기(520 × 365 × 200mm)에 파종한 후 warm-white LED광원을 이용한 광도 4처리(50, 120, 190, 및 260 μmol m-2 s-1)와 광주기 3처리(8, 12, 및 16시간)의 조합에서 두상관수를 이용하여 20주 동안 재배하였다. 실험결과, 광주기가 길어지고 광도가 높아질수록 묘삼의 지상부 생육이 감소하였으며, 특히 잎의 황백화가 심했고 낙엽이 증가하는 것을 확인하였다. 지하부 생육은 광주기12시간과 광도 260 μmol m-2 s-1의 조합에서 가장 높은 것을 확인하였다. 이러한 결과는 인공광이용형 식물공장을 이용한 인삼 공정육묘시스템의 최적 광환경 조건을 제시한 것으로 판단된다. 본 석사학위 논문 연구를 통하여 개발된 새로운 묘삼 생산 방법을 이용한다면 약 8개월이 소요되는 현행의 노지 육묘 기간을 4개월까지로 단축하여 1년에 3회 묘삼을 생산할 수 있게 되어, 인삼의 모종 생산과 공급 시스템의 획기적 변화를 이루어낼 수 있을 것으로 판단된다.