서 론

시설하우스는 외부 기상의 영향을 최소화하고 작물의 생육 적온을 조성할 수 있다. 이러한 특성으로 계절적 한계를 극복할 수 있기 때문에 시설재배 면적은 급속히 확대되었다. 최근 국내 시설채소 온실 면적 현황은 총 52,443ha이며 이 중 수경재배 면적은 3,883ha까지 증가하였다(Choi 등, 2022; MAFRA, 2021; Seo 등, 2022). 앞으로도 스마트팜을 적용하는 시설재배 면적은 정부의 정책 지원, ICT 기술의 발전, 노동력 절감, 작업량 향상 효과 등 다양한 재배적인 장점을 기반으로 지속적으로 증가할 것으로 예측된다(Choi 등, 2022; Myung 등, 2021). 디지털 시대의 스마트폰의 웹 기술을 통해 농업인들은 하우스 내부의 환경을 모니터링하고 환경관리 설정값을 간단하고 편리하게 산정할 수 있다(Moon 등, 2021). 또한 각종 점검 데이터 수집 및 관리, 일지 및 보고서 작성 등 여러 가지 반복적인 업무에 드는 노력을 줄여줄 수 있다(Kim 등, 2021).

수경재배 시 작물이 필요로 하는 양액을 적시에 적정량 공급하는 것은 품질과 생산성 향상을 위해서 매우 중요하며 아울러 수자원의 이용 효율과 환경보전의 측면에서도 매우 중요하다(Choi 등, 2022; Massa 등, 2010). 양액 공급 전략의 1차적인 목표는 식물이 소모한 수분과 양분의 공급이다. 관수 시 급액 시간대, 급액 간격, 일회 급액량 등의 급액전략 조절을 통하여 배지 내 적정 수분함량을 유지하고 배액율 변화폭을 조절할 수 있다(An 등, 2023). 이러한 관수 조절에 관여하는 주요 인자는 작목의 품종, 재배 지역, 재배 시기 및 작물 생육 단계 등 다양한 요인이 존재한다. 특히, 수경재배에 이용되는 배지 종류가 매우 중요한 요인으로 작용한다. 수경재배에는 유기배지인 코이어, 피트모스와 무기배지인 암면 또는 펄라이트 등 다양한 배지들이 이용되며 이화학적 특성이 다른 배지 종류별로 급액전략은 달리 수립되어야 한다(An 등, 2009; Choi 등, 2019; Lim 등, 2022).

최근 일사량, 재배환경, 작물 증산량 등 여러 요인(Choi 등, 2022; Monteinth와 Unsworth, 2007)을 고려한 정밀 자동 급액 시스템들을 이용하여 재배 현장에서 양액 공급을 제어하고 있지만 재배 작물의 품종, 사용하는 배지의 종류 또는 재사용 여부, 재배 시기 및 생육 단계에 따른 적정 배액율을 유지하기 위한 최적 급액량 결정은 전적으로 작물 재배자의 주관적인 판단과 경험에 의존하고 있다. 특히, 재배경험이 부족한 청년농이나 귀농인의 경우 매일매일 반복되는 중요한 양액 관수전략 및 관수량 설정 시 의사결정에 어려움이 많이 따른다. 초보자들도 농업 현장에서 다양한 요인들의 변화를 매일매일 관찰하면서 모니터링된 결과를 바탕으로 다음날 관수전략 및 관수량 변경 시 의사결정을 손쉽게 지원해줄 수 있는 프로그램이 필요하다.

본 연구는 수경재배 경험이 부족한 재배자들이 배지 종류에 따른 급배액의 변화를 모니터링하면서 적정 목표 배액율을 유지할 수 있는 급액전략의 중요성을 알아보고, 시설원예 과채류 수경재배 시 재배자가 급배액 데이터를 활용하여 양액의 급배액량, EC 및 pH 변화를 모니터링 후 목표 배액율을 유지하기 위해서 양액 공급기에 입력하는 관수 횟수, 1회 관수량 등 급액량 설정을 위한 의사결정을 지원할 수 있는 ‘급배액량 모니터링 및 급액량 관리 프로그램’을 개발하였다.

재료 및 방법

1. 배지 종류에 따른 배액율 유지를 위한 급액전략 수립

작물은 파프리카(Capsicum annuum L.) 적색계 품종 ‘시로코’(cv. Scirocco F₁, Enza Zaden, the Netherlands)이었으며, 재배 실험은 2021년 10월 21일부터 2022년 6월 17일까지 함안에 있는 국립원예특작과학원 시설원예연구소(35.2°N, 128.4°E) 유리온실(A7-2호)에서 수행되었다. 재배 기간의 양액은 네덜란드 PBG연구소 파프리카 표준양액으로 관리하였다(Table 1). 배액의 EC와 pH 수준이 EC 3.0－3.5dS·m^-1, pH 5.2－5.5 범위 내 유지되도록 급액의 EC와 pH를 조정하여 양액 공급기(Aqua-M, SHINHAN A-TEC Co., Ltd., Changwon, Korea)로 공급하였다.

수경재배 시 많이 이용되고 있는 배지로 코이어 2종, 암면, 펄라이트 등 배지 4종의 급액전략에 따른 급배액량 변화를 모니터링하였다. 코이어 배지 슬라브(Daeyoung GS, Daegu, Korea)는 수입한 코코넛의 칩(crushed chips):더스트(dust) 비율이 60:40(%, v/v) 또는 50:50(%, v/v) 이었고 슬라브 크기 100×15×10cm(15L)를 사용하였으며, 암면 슬라브는(SV75201/9, Hankook UR media, Anseong, Korea) 크기 100×20×7cm(14L)를 사용하였다. 펄라이트(Kyungdong one, Seoul, Korea)는 슬라브 100×15×10cm(15L) 비닐에 충진하였다. 각 배지 종류에 따라 4처리 난괴법 3반복으로 배치하고 각 배지 슬라브 당 4주 정식하였다.

총관수량이 동일해도 관수전략에 따라서 각 배지마다 배액율이 다르다. 목표 배액율을 40%정도 설정하여 4종류의 배지에 각각 동일한 총관수량을 같은 관수전략으로 급액하였을때 배액율의 변화를 알아보기 위해서 초기 생육 기간 1월에는 각 배지 처리구에 평균적으로 총 급액량 600mL/1주/1일, 급액 횟수 5회, 1회 공급 시 급액량 120mL로 급액전략을 모두 동일하게 처리하여 배액율 변화를 관찰하였다(Table 2). 그리고 각 배지마다 총관수량은 동일한데 관수전략을 다르게 설정하였을때 배액율의 변화를 알아보기 위해서 1월 25일부터 급액전략을 배지마다 다르게 처리하였다. 배지 4종류의 총급액량을 동일하게 유지하면서 각각 배액율 40% 목표값에 근접하도록 1일 총 급액량을 620mL로 설정하였다. 코이어(60:40)는 급액 횟수 5회, 1회 급액량은 124mL, 펄라이트의 경우 급액 횟수 6회, 1회 급액량은 104mL로 급액전략을 소량다회로 설정하였다. 코이어(50:50)와 암면의 경우 급액 횟수 3회, 1회 급액량은 207mL로 급액전략을 다량소회로 설정하여 급액전략을 각각 다르게 처리하여 배액율의 변화를 관찰하였다(Table 2).

급배액량 모니터링을 위해 매일 관수 드리퍼에서 처리별 급액량을 실측하였다. 배액량은 마지막 급액이 종료되고 30분이 지나면 각 베드에서 집수된 배액량을 실측하였다. 배액량을 측정하기 위해서 유리온실(폭 8m, 길이 25m)에 길이 21.5 m인 행잉거터를 4줄로 설치하여 구역을 나누었고, 21.5m 길이의 헹잉거터를 난괴법으로 전개하고자 배액 순환이 독립적일 수 있도록 7m 간격으로 막음 막을 설치하였다. 배액 집수 배관이 각각 설비되어 처리구의 배액을 독립적으로 집수하였다. 실측된 배액량은 베드에 재식된 주수로 나누어 1주당 배액량으로 프로그램에서 자동 환산되었다. 급·배액의 화학성을 분석하기 위하여 4처리 3반복으로 구역별로 배관을 따로 설치하여 배수통에 집수가 되도록 하여 처리구마다 배액의 시료를 각각 따로 채취하였다. 급·배액은 각 처리 별 2－3일 간격으로 시료를 채취하여 종합 수질 측정기(HI9814, Hanna instruments, Italy)를 사용하여 급·배액의 pH와 EC를 측정하였다.

2. 급배액 모니터링 및 급액량 관리 프로그램 시스템 구성

프로그램은 서버 운영체제, 웹 애플리케이션, 데이터베이스로 구성하였다. 서버 운영체제는 리눅스 기반 Centos 7.9를 사용하였고 웹 애플리케이션은 Node.js 기반 Express 웹 프레임워크를 사용하여 HTML5 표준 웹 애플리케이션으로 구현하였다. N-Screen 지원을 통해 다양한 모바일 장치와 태블릿, PC 브라우저에서 실행할 수 있다 데이터베이스는 MariaDB 10.4를 사용하였다.

3. 급배액 모니터링 및 급액량 관리 프로그램 시스템 운용

급액량 관리 프로그램의 주요 기능은 다음과 같다. 급배액량, EC 및 pH 등 양액의 급배액 정보를 수동으로 직접 실측하여 데이터를 수집하였고, 일사제어를 위한 일일 누적광량 데이터는 양액 공급기(Aqua-M, SHINHAN A-TEC Co., Ltd., Changwon, Korea)의 일사센서에서 수집된 데이터를 입력하였다.

당일 누적일사량, 급액량, 배액량, 급배액의 EC 및 pH 값을 수동으로 입력하면 각 데이터의 일 변화량이 그래프로 자동 산출되어 시각화된다. 배액율(%) 정보는 급액량 대비 배액량을 환산하여 배액율(%)이 자동으로 산출되어 제공된다. 재배자는 제공된 모니터링 그래프를 토대로 향후 기상변화 및 작물의 생육 상태등을 고려하여 재배자 스스로 설정한 목표 배액율에 근접하도록 다음날 관수량 설정값을 결정하는 판단을 해야한다.

이렇게 재배자의 의사결정이 완료되면 다음날 총관수량 수치를 입력하게 되고 양액 공급기에 관수량 설정을 위한 누적광량, 1회 관수량, 1회 관수 시간 등 필요한 설정값이 본 프로그램에서 산출되어 제공된다. 본 프로그램에서 목표 배액율에 맞는 관수방법은 일사제어 또는 시간제어 방법에 따른 관수방법을 재배자가 선택할 수 있다. 데이터 관리를 위해 입력된 전체 데이터는 엑셀 파일로 일괄 다운로드 가능하다.

결과 및 고찰

1. 배지 종류에 따른 배액율 유지를 위한 급액전략 수립

배지 종류에 따른 급배액량 및 급액전략에 따른 배액율(%) 변화를 관찰하였다(Fig. 1). 파프리카 수경재배 시 1월 생육 초기 기간 4종류의 배지 모두 1일 총관수량을 600mL 정도 설정하고, 1회 관수량은 120mL, 5회로 급액전략을 동일하게 적용하여 급액 하였다(Table 2). 단, 생육 초기 총관수량을 동일하게 설정하였으나 관수 라인 구간별 펌프 작동의 오차가 발생하여 일부 구간 급액량의 차이가 발생하여 수정하는 기간이 존재하였으나 거의 같은 총 급액량을 관수 하려고 노력하였다. 그 결과 각 4종류의 배지마다 배액율이 각각 다르게 관찰되었다(Fig. 1). 같은 급액량을 같은 급액전략으로 관수 시 펄라이트 배지의 배액율이 평균 43%, 코이어(60:40) 배지가 평균 51% 범위에서 변화를 보였고, 그다음 배액율이 암면에서 평균 53% 정도로 더 높게 나타났고, 코이어(50:50) 배지의 경우 배액율이 평균 66%로 가장 높은 경향을 나타냈다(Fig. 1). 동일한 급액량과 급액전략 조건에서 암면과 코이어(50:50) 배지의 경우 배액율이 더 높았다. 코이어 배지의 경우 입자 크기가 작은 더스트 함유 비율이 배지의 함수율에 미치는 영향이 크다(Choi 등, 2019) 더스트 비율이 높아지면 암면 배지와 물리성이 비슷해지고, 더스트 비율이 낮아지면 펄라이트 배지와 물리성이 비슷한 양상을 보였다. 따라서 각 배지 종류별 적정 배액율을 유지하기 위해서 각 배지 종류별 급액전략을 각각 다르게 적용하여 급액전략을 변경한 결과를 살펴보면 1월 25일 이후 4종류의 배지 모두 배액율이 평균 40% 거의 비슷한 경향을 보였다(Table 2, Fig. 1). 이러한 결과는 배지 종류마다 보수력 차이 때문에 관수량이 같을 때도 배액의 속도와 배액 이후 재포화 되는 정도가 다르므로 배지의 특성을 파악할 필요가 있으며, 암면이 코이어에 비하여 공극이 작고 배액 속도가 느려서 1회 관수량을 많이 설정하고 관수 간격을 길게 하는 다량소회가 바람직하다고 한 연구 결과와 같은 결과를 보였다(Shin과 Son, 2015; Ucar 등, 2011).

수경재배 시 급액량 조절은 수량과 품질에 미치는 영향이 매우 크다(Lim 등, 2021). 급액량 조절을 위해서는 작물의 품종, 생육 단계, 생육 시기 및 지역적 특성 등 매우 다양한 요인을 고려 해야만 한다. 그리고 목표 배액율 유지를 위해 매우 중요한 일일 총 급액 횟수, 1회 급액량 등을 설정할 때 배지 종류에 상관없이 동일한 급액전략을 제공하면 배지마다 적정 배액율 조절이 어렵다는 사실을 본 연구 결과에서 확인하였다. 이러한 문제점을 해결하고자 배지 특성을 고려한 급액전략이 각각 다르게 적용되어야 하며 특히, 유기배지는 사용 연한에 따라 물리적 특성이 달라지므로 관수량이 같아도 사용 연한에 따른 급액전략이 또 다르게 적용된다(Choi 등, 2019). 이와 같은 이유로 앞서 언급된 다양한 변수 요인에 의한 배액량 변화를 지속적으로 모니터링하면서 적정 목표 배액율 유지를 위한 급액량을 설정하고자 재배자는 일일 급액량을 어떻게 할 것인가 매일 고민할 수밖에 없다. 작물의 수량과 품질을 향상 시키기 위한 효율적인 관수를 위해서는 배지 종류에 따른 배지의 물리적 특성, 배액 속도, 보수력, 재수화 가능한 최소 함수율 범위 등에 관한 자료를 바탕으로 작물이 생육 단계별 이용할 수 있는 관수량의 변화를 파악 하기 위하여 재배자는 매일매일 지속적인 급배액 측정과 모니터링이 요구된다. 관수제어 시 배지 종류에 따른 적정범위를 설정하여 작물 생육단계에 맞는 급액전략을 세우고, 적정 배액율을 유지하기 위하여 재배자는 매일매일 관수량 설정을 위한 의사결정이 필요하다.

본 실험의 데이터 결과를 통해 목표 배액율 유지를 위해 매일매일 반복되는 급액량 설정 시 재배자의 의사결정을 지원할 수 있는 ‘급배액 모니터링 및 급액량 관리 프로그램’을 개발하고자 하였다.

Fig. 1.

Change in drainage ratio (%) (b) according to nutrient solution supply treatment with the same nutrient irrigation amount (a) for each substrate type.

2. 급배액 모니터링 및 급액량 관리 프로그램 구성 및 운용

Fig. 2는 급배액 모니터링 및 급액량 관리 프로그램의 시스템 구성도를 나타낸다. 급액량 관리 프로그램은 인터넷에 연결된 클라우드 서비스 내 웹 서버 및 데이터베이스를 활용하여 개발되었다. 사용자는 스마트팜 내 관리 PC을 통해 프로그램에 접속할 수 있으며, 로그인 후 사용할 수 있다. 관리 프로그램은 N-Screen 기술이 적용되어 다양한 단말 장치에서 사용이 가능하므로 농업인이 모바일(개인 휴대폰) 또는 일반 PC로 접속 후 사용할 수 있다. HTML5 웹 표준을 지원하는 구글 크롬(Chrome) 또는 마이크로소프트 엣지(Edge) 브라우저 등에 최적화되어 있다(Moon 등, 2021).

Fig. 2.

Hydroponic drainage ratio maintenance software configuration and work flow.

Fig. 3(a)는 개인 PC에서 실행되고 있는 ‘급배액 모니터링 및 급액량 관리 프로그램’의 주 화면을 나타내고 있다. 주 화면에서 재배 시기별, 재배 하우스별로 급배액 조사대장 메뉴를 누르면 세부 페이지로 이동한다(Fig. 3(b)). Fig. 4는 급배액 관련 데이터 기록 화면을 나타내고 있다. 본 프로그램은 일일 급액량, 배액량, 양액의 EC 및 pH 등 양액의 일변화 데이터값을 빈칸에 수동으로 입력하면 배액율(%)이 자동 산출되고, 일변화 그래프가 자동으로 산출되어 시각화된다(Fig. 5). 참고로 목표 배액율 40%를 유지하고자 노력 하였으나 65% 이상을 나타내는 구간은 급액량을 줄여야 하는 구간에 대응이 늦었던 경우이고, 배액율 15%를 나타내는 구간은 지속적인 흐린날씨 때문에 급액량을 줄여주는 과정에 날씨가 갑작스럽게 맑아지는 날 즉각적인 대응이 어려웠다(Fig. 5(C)). 본 관수량 관리 프로그램은 지나간 데이터를 반영하여 다음날 관수량을 예측해야 하는 시스템인데 향후 일기예보를 반영한 지능형 의사결정 지원 프로그램으로 업그레이드가 더 필요하다고 판단된다.

Fig. 3.

Nutrient solution irrigation/drainage monitoring and supply amount management software main screen (a) and management input for each greenhouse (b).

Fig. 4.

Nutrient solution irrigation/drainage amount, EC, and pH document editing window.

Fig. 5.

Nutrient solution irrigation amount (a), drainage amount (b) and drainage ratio (%) (c) monitoring window.

작물의 생육이 진행되는 전 재배 기간 급배액량 및 배액율 모니터링은 Fig. 6의 그래프로 나타낼 수 있고, 일주일 동안 개별 평균치 값을 ‘최근 기록’ 테이블 화면으로 더 자세히 나타내고 있다. 그다음 ‘양액기 설정’ 화면에서 이러한 모니터링 그래프 결과를 이용하여 앞으로 원하는 배액율 목표치를 유지하기 위한 급액량을 설정 할 때 재배자가 원하는 배액율 목표값에 근접하도록 일회 관수량, 관수 횟수 또는 광량을 설정하여 빈칸에 수동으로 입력하면 급액을 위한 양액기 설정값이 계산되어 제공된다(Fig. 6). 지속적인 일변화 급배액량 그래프를 화면으로 모니터링하면서 목표 배액율 유지를 위한 관수량 설정값 의사결정이 빠르게 진행되면서 동시에 양액기에 입력할 수 있는 계산값을 산출하므로 배액율 목푯값을 유지할 수 있는 의사결정 시 편리하게 도움을 받을 수 있다.

본 프로그램을 이용하면 재배 경험이 부족한 재배자가 재배기간 동안 목표 배액율 관리를 위한 관수 제어 의사결정에 도움을 받을 수 있으므로 농업 현장에서 작물의 수량 및 품질을 높일 수 있고, 작물의 품종 및 재배 생육 시기에 따른 적정 관수량 조절이 매우 편리하다. 결과적으로 적정 관수량 관리 시 물과 비료 절감 효과를 얻을 수 있으므로 농가 경영비 절감 효과가 기대된다.

Fig. 6.

Recent record summary and nutrient solution irrigation target value calculation window.