최근 원예작물의 지속가능한 생산을 위한 작물 생육환경 센 싱 기반 복합환경제어시스템 연구와 산업적 이용이 부각되면 서, 노지재배에 적용하기 적합한 토양센서 활용 방안 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구는 산업 및 연구 현장에서 많 이 사용되고 있는 TEROS 12 FDR 센서(frequency domain reflectometry sensor)를 노지 과수원의 토양에 알맞게 활용 하기 위하여 국내 세 지역 과수원 토양의 토성별 FDR 센서 활 용 방법을 제시하고자 수행하였다. 실제 과수가 재배되고 있 는 각 과수원에서 토양을 채취하여, 토성 및 토양수분보유곡 선을 조사하였으며, 토양별 TEROS 12 센서 Raw 값과 이에 대응하는 용적수분함량 값을 선형 회귀 분석, 3차 회귀 분석을 통해 보정식을 얻은 뒤 제조사에서 제공하는 광질 토양 보정 식과 비교 분석하였다. 채취한 세 과수원의 토양은 모두 토성 이 달랐으며, 토성에 따라 각 보수력에 따른 용적수분함량 수 치에 차이가 있었다. 또한, TEROS 12 센서 보정식에서는 모 든 토양에서 3차 회귀 분석 보정식이 결정계수 0.95 이상으로 가장 높게 나타났으며, RMSE도 가장 낮게 나타났다. 제조사 에서 제공하는 보정식을 사용하여 TEROS 12 센서의 용적수 분함량을 보정할 경우 토양에 따라 실제 수치에 비해 최대 0.09－0.17m3·m-3가량 낮게 나타나, FDR 센서 사용시 적용 토양에 알맞은 보정이 반드시 선행되어야 함을 확인하였다. 또한 토성에 따라 토양의 보수력 구간에 따른 용적수분함량 범위의 차이가 있었으며, 토양 용적수분함량의 수치 해석에 보수력 정보가 수반되어야 할 것으로 나타났다. 또한, 사질이 많은 토양에서는 관수 개시점 측정을 위해 FDR 센서를 활용 하는 데 있어 용적수분함량 측정 범위가 상대적으로 좁아 정 밀도가 떨어질 것으로 판단되었다. 결론적으로 토양에서 FDR 센서를 통해 토양수분의 변화를 알맞게 해석하고 노지 에서 알맞은 관수 시점을 선정하기 위해서는, 적용 토양의 수 분보유특성을 파악하고 FDR 센서 보정을 선행하여 올바른 토양 수분 정보 제공이 필요할 것이다.

토양 콘의 무게를 기반으로 한 간단한 토양 수분 측정 방법이 개발되었다. 토양 콘은 토양으로 채워진 원추형 다공성 세라믹 컵이다. 세 가지 토양 샘플에서 코어 방법과 FDR (Frequency Domain reflectometry) 방법에 의한 토양 수분 함량은 직선 회귀식의 결정계수가 각각 0.92－0.98 및 0.97－ 0.99였으며, 선형 관계였다. 토양 세라믹 콘 내부 토양의 체적 수분 함량과 콘 내부 토양 수분 중량 및 FDR의 센서 값의 회귀 결과 결정계수가 각각 0.96 및 0.97였다. 토양 콘 중량과 FDR 센서 값(r 2 = 0.99, p < 0.001) 사이는 높은 유의한 상관관계가 있었다. 따라서 토양 콘의 무게를 측정하여 토양 수분 함량을 측정할 수 있었다.

정전용량 수분측정 센서는 수경용 배지 양쪽에 구리 및 테플론으로 절연된 전극판(30cm×10cm)을 부착하 여 배지의 넓은 부분에 걸쳐 측정하도록 개발되었다. 본 연구는 콘덴서형 정전용량 센서로부터 출력되는 정전용량 값을 배지 함수량으로 변환하는 것이다. 정량화 실험은 양액을 공급하면서 배지 물무게와 정전용량 변화를 측정하고 그 값을 비교하는 방식으로 수행되었다. 배지 함수량과 정전용량은 본 연구를 위해 특별히 개발된 소프트웨어와 함께 센서와 로드셀을 사용하여 20~30초마다 측정되었다. 상용 curve-fitting 프로그램을 이용하여 배지 함수량과 정전용량을 변수로 정전용량 값으로 배지 함수량을 추정하였다. 공급하는 물의 양이 증가하면 정전용량도 증가하는 경향을 보였다. 배지 내 물무게에 따른 정전용량에 대한 변동계수(coefficient of variation, cv)는 배지 내 물무게가 1.0kg 수준에서 다른 무게에 비해 높아 함수량 보정은 물무게를 1.7~6.0kg 수준에서 수행하였다. 정전용량과 물무게 사이의 상관 계수는 0.996이었고 보정식에 의해 정전용량으로 추정된 함수량은 로드셀로 측정한 배지 함수량과 비교하였다.

본 연구는 FDR(Frequency Domain Reflectometry) 센서를 이용하여 코코넛 코이어 배지에서 급액 공급관리에 적합한 수분측정 장소를 찾고 보다 정밀한 측정 방안을 제시하기 위한 기초 실험으로 급액구에서의 측정거리와 위치 그리고 노이즈 필터 사용에 따른 수분변화와 편차를 조사하였다. 시판되는 코코넛 코이어 슬라브 중 coir dust 와 chip의 함량이 10:0, 7:3, 5:5, 3:7인 배지들을 사용했고 배지 윗면과 측면에 급액구부터 5, 10, 20, 30cm의 거리를 두어 센서를 설치하여 동일한 급액을 공급한 후 수분변화를 측정하였으며, 노이즈 필터 사용 여부에 따른 수분변화는 내부가 균일한 인공토양인 글라스 비드를 포수하여 설치간격 0, 6, 12, 21cm에서 측정하였다. 배지조성에 상관없이 센서가 급액구에 가까울수록 높은 수분함량 증가를 나타내었다. 배지 조성 3:7과 10:0에서는 윗면과 측면 측정에 따른 배지 수분함량 변화 특성이 차이를 보이지 않았으나 5:5와 7:3에서는 윗면을 측정시 보다 높은 수분함량 증가를 보였다. Chip 함량이 상대적으로 많은 3:7 배지에서는 다른 배지들보다 수분함량 증가가 낮았다. 노이즈 필터를 사용하게 되면 측정치 변동과 편차가 감소하였다. 따라서, 코코넛 코이어 배지에서 FDR센서를 이용해 배지 수분 계측시 급액구에 가까운 거리의 윗면을 측정하는 것이 급액 이후 배지내 변화를 관측이 용이하다. 다수의 센서를 사용하여 측정할 경우에는 센서 간 간격을 21cm 이상으로 넓게 설치하도록 하며, 노이즈 필터는 측정 안정성 향상을 위해 사용을 권장한다.

최근 식물공장 및 친환경적 농업에 대한 국내외적 관심이 증가하면서, 화훼생산에서도 환경측정센서를 이용한자동제어시스템 관련 연구들이 많이 이루어지고 있다. 특히, 토양수분센서를 이용한 자동관수시스템은 고품질 화훼류의 생산에 있어 매우 효율적이며 친환경적인 재배방법으로 현재 국내외적으로 활발한 연구 개발이 이루어지고 있다. 원예 생산에서 사용할 수 있는 토양수분 측정센서 종류로는 토양수분장력계, 석고블록, 중성자수분 측정기와 유전상수측정기 등이 있으나, 현재 가장 효율적으로 이용되는 토양수분센서는 FDR(frequency domainreflectometry) 방식으로서 이러한 센서를 이용하면 고품질의 화훼를 생산하기 위한 적정 토양수분함량 기준을 설정할 수 있을 뿐 아니라 많은 식물생육환경에 대한 연구에 명확한 기준을 제시할 수 있는 장점이 있다. 또한,자동관수시스템을 이용하여 화훼생산을 하게 되면 관수량을 절약할 뿐 아니라, 비료 비용을 절약할 수 있고, 병충해를 줄이며, 고품질의 화훼작물을 생산해내며, 균일한 생장을 통해 생육시기를 줄이는 결과를 가져올 수 있다. 이를 통해 농가에서는 고품질의 화훼작물을 생력적으로 생산해낼 수 있으며, 소득을 증대시키고, 환경오염도 줄여줄 수 있는 장점이 있다. 본 논문에서는 토양수분센서를이용한 자동관수시스템에 대한 개요, 제작 방법 및 실제활용에 대해서 논하였다.

본 연구에서는 국내의 시설 내 작물재배에 적합한 자동관수 기술을 개발하기 위한 첫 단계로 전기저항의 변화원리를 이용하는 워터마크 센서를 장착한 소형 컨트롤러를 작물재배에 활용하여 자동관수기술의 효용성을 구명하고자 하였다. 이를 위해 비닐하우스 내에 다른 토성을 갖는 토양을 격리베드에 인공적으로 조성한 후 토마토를 정식하여 수분퍼텐셜을 -20kPa 수준으로 자동으로 조절하면서 재배하였다. 점적관수에 따른 토양 내 깊이별 수분변화는 Sentek 축전형 수분센서를 이용하여 측정하였다. 워터마크센서를 이용한 수분퍼텐셜 제어성능은 (-)20kPa 수준부근에서 유지되지 않고 반복적으로 0~(-)20kPa 대역에서 높은 변화 값을 나타내어 안정적이지 못한 것으로 나타났다. 특히, 물 공급은 관수시마다 약 50~60분 비교적 긴 시간동안 진행되어 수분공급이 과잉되는 문제가 나타났으며 건조시에도 수분퍼텐셜의 변화가 계단응답 반응의 형태로 변하는 불량한 측정해상도를 나타내었다. 이러한 문제는 워터마크센서의 토양과 전극 접촉형태가 다공컵식 수분장력계에 비해 수분값에 연속적으로 반응할 수 없는 구조이기 때문인 것으로 판단하였다. 자동관수에 따른 토양종류별 수분변화는 그 기울기가 토성별로 서로 달랐으며 양질사토의 경우 수분함량의 변화정도가 가장 높았다. 수분함량의 변화속도는 낮과 밤의 경우 시간에 따른 변화율이 달라서 변곡선의 형태를 나타내었다. 이러한 이유는 낮과 밤의 일교차와 태양광 유무에 의하여 수분증발량 차이가 발생하였기 때문인 것으로 판단하였다. 직물에서 20cm 떨어진 지점의 깊이별 수분함량은 작물에 인접한 위치와 비교하였을 때 세가지 토양 모두 관수에 의한 변화정도는 미미하여 직물에 인접한 곳만 수분공급이 효율적으로 이루어지는 것을 확인하였다. 추후 연구에서 양질사토 베드에서 관찰된 토마토 생육 불량 문제 개선과 관수멈춤 시간을 적용하여 물공급의 과잉 문제를 해결하는 보완실험이 요구되었다.

TDR 수분함량 측정 센서를 이용하여 암면 슬라브 배지의 수분함량, 수분분포, 배액 시점의 특성과 포수 시킨 슬라브 배지의 수분함량 분포를 중량법(로드셀 이용)과 TDR 법으로 비교하였다. 배지수분 함량이 40%, 50%, 60%를 TDR 센서 3개의 평균값을 기준으로 급액시점을 정하며 5~6개월간 파프리카 72주를 유리온실에서 재배하였다. 두 곳의 급액 포인트로부터 등간격으로 설치된 5개의 TDR 센서를 이용하며 건조상태에서 0.2L씩 식 증액시키면서 급액시 슬라브내의 수분분포 특성을 살펴본 결과 급액 장소와 관계없이 슬라브내의 위치별 수분 분포가 매우 유사한 값을 나타내었다. 슬라브내의 포화수분 상태에서 TDR 센서값은 약 58~65% 사이의 값을 나타내었으며, 약 50~55%의 수분함량 조건에서 배액이 시작되는 것을 확인 할 수 있었다. 배양액으로 완전 포화시킨 슬라브의 TDR 값은 100%를 보인 반면 중량법으로 측정한 유효수분함량(v/v, %)은 90%를 나타내었다. 그러나 증발에 의해 슬라브내의 수분함량이 낮아지면서, 두 측정간의 오차도 줄어들어, 약 60% 이하의 수분함량 조건에서 두 측정방식간의 오차는 5%미만을 보였다. 이러한 결과는 과채류 급액 제어 방식으로 TDR 센서의 이용 가능성을 확인 할 수 있었으며, 급액 시점을 3가지 배지수분조건으로 파프리카를 재배하였을 때 파프리카의 과수, 과중, 식물체의 엽면적 또는 경장과 같은 모든 요인에서 유의적인 차이를 발견 할 수 없었다.

본 연구에서는 수원 성균관대학교 내 Frequency Domain Reflectometry (FDR) 토양수분 측정 장비 및 COSMIC-ray 중성자 측정 장비를 통한 토양수분 지점 관측 사이트를 확립하였다. 또한 양질의 토양수분 데이터 확보를 위해 연구지역 내 토질실험, 토질별 FDR 토양수분 데이터 및 COSMIC-ray 중성자 개수의 시계열 분석, 관측한 토양수분 데이터와 위성 기반 토양수분 데이터와의 비교분석을 실시하였다. 2014년도부터 6개 지점에서 표층으로부터 5 cm에서 40 cm까지 총 24개의 FDR 센서를 5~10 cm 깊이별로 설치하여 토양수분 데이터를 측정하였다. 해당 지점들 의 토질 분석결과, Sand에서 Loamy Sand까지의 다양한 토질이 불균질한 층을 이루어 분포되어 있는 것으로 판단되었다. 측정된 토양수분 데이 터는 강우 데이터와 높은 상관성을 보이며, 위성 산출 토양수분 데이터와의 비교에서도 상대적으로 높은 상관관계와 낮은 평균제곱근편차(Root mean square deviation, RMSD)값을 보여주었다. 2014년도 설치 지역 토양수분 데이터의 신뢰도가 확보됨에 따라 2015년도에는 10개의 FDR 토양수분 측정 장비 및 COSMIC-ray 중성자 측정 장비가 추가로 설치되어 성균관대학교의 Soil Moisture site with FDR and COSMIC-ray (SM-FC) 연구지역이 구축되었다. SM-FC에 설치된 COSMIC-ray 중성자 측정 장비의 최초 검증을 위해 2015년 8~11월의 COSMIC-ray 중성자데이터 및 FDR 토양수분 데이터가 활용되었다. 중성자기반 토양수분 값과 전체 지점 FDR 토양수분 평균값을 비교한 결과 매우 높은 상관관계를 볼 수 있었다 (상관계수 0.95). 이러한 연구를 통해 성균관대학교 SM-FC는 향후 한반도 지역 위성 및 모델 토양수분 데이터를 검증하는 대표 연구 지역이 될 것으로 기대된다.

For the water content measurement in thr unapproachable site, moisture content monitering sensor was developed. It was compared with another conventional sensor and verified according to the standard procedures proposed in this study. The proposed standard procedures was also modified using data analysis through laboratory test.