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.

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.

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.