서 론
토마토와 파프리카를 대규모로 재배하는 시설에서는 생산성 증대와 공급 양수분의 낭비를 막기 위하여 적절 한 수분관리가 중요하다. 특히 무토양재배 농가에 따라 서 다양한 종류의 배지가 사용되기 때문에 최적 수분관 리를 위해서는 배지 특성의 분석이 중요하다. 배지의 보 수력 차이 때문에 작물이 가용할 수 있는 수분의 양이 다르고, 관수량이 같을 경우에도 배액의 속도와 배액 이 후 재포화 되는 정도가 다르다. 따라서 작물의 적정 생 육을 위한 최적 근권 수분 관리를 위해서는 사용하는 배지의 특성을 파악할 필요가 있다.
현재 무토양 시설재배에서는 암면과 코이어 배지가 많 이 사용되고 있으며, 암면이 코이어에 비하여 공극이 작 고 배액 속도가 느리기 때문에 1회 관수량을 많이 설정 하고 관수 간격을 길게 하는 것이 바람직하다(Ucar 등, 2011). 그러나 배지 내의 수분이 감소할 경우 다시 함수 율을 높이는데 필요한 시간은 암면이 코이어에 비해 길 다(Andic-Cakir 등, 2014; Bhagat 등, 2014; Biswas 등, 2013; Urrestarazu 등, 2008). 이러한 이유로 배지 내 함 수율이 일정 수준 이하로 함수율이 감소할 경우, 관수에 의한 재수화가 쉽게 이루어지지 못하는 경우가 발생한다 (Helleman 등, 2006). 암면은 제조 과정에서 입자의 배 열 방향이 수직 또는 수평으로 목적에 맞게 직조될 수 있기 때문에 보수력, 배수력 및 수분의 확산성의 조절이 가능하다는 장점이 있어 정밀 관수제어에 많이 이용되고 있다(Nelson과 Fonteno, 1991). 코이어는 암면에 비하여 보수력과 재수화력은 떨어지지만 배지 내 수분 변화가 근권의 화학적 변화에 큰 영향을 주지 않으므로 안정적 인 작물생산에 이용된다(Helleman 등, 2006). 따라서 효 율적인 무토양재배 관수설계를 위해서는 배지 종류에 따 른 배지의 물리적 특성, 배액 속도, 보수력, 재수화 가능 한 최소 함수율 범위 등에 관한 구체적인 자료가 필요 하다. 이와 더불어 작물이 이용 가능한 수분량의 파악을 위하여 배지 함수율의 정밀한 측정이 요구된다.
무토양 시설재배에서 정밀 관수제어를 위한 배지의 수 분측정 방법으로 FDR(Frequency domain reflectometry, 주파수 영역 반사계) 센서를 이용하거나, 중량 측정법에 의한 수분함량 측정이 이루어져 왔다(Choi 등, 2013; Choi 등, 2014; Shin 등, 2014). FDR 센서에 의한 수분 의 측정은 중량 측정법에 비하여 센서의 설치와 활용이 간단하기 때문에 실제 농가에서 많이 이용되고 있으나, 중량 측정법에 비하여 정확성이 떨어지고 배지의 종류와 배지 내 측정 위치에 따라서 그 차이는 크다는 단점이 있다(De Rijck과 Schrevens, 1998; Kim 등, 2010; Kim 등, 2011). 실제 농가에서 배지의 종류에 따른 FDR 센서 의 수분측정의 신뢰도를 높이기 위해서는 FDR 센서에 의한 측정값과 실제 함수율과의 관계 분석이 요구된다.
본 연구에서는 무토양재배에 많이 사용되는 대표적인 암면과 코이어 배지에 대하여 관수제어에 관계되는 물리 적 특징의 분석과 배지 종류에 따른 FDR 센서 측정값 과 실제 함수율과의 관계를 제시하고자 하였다.
재료 및 방법
1. 배지 재료 및 측정 장치
본 실험에서는 현재 상업 농가에서 많이 사용하고 있 는 암면 2종류와 코이어 1종류를 사용하였다. 암면 배지 는 국내에서 건축용 폐자재를 재활용하여 농업용으로 재 가공한 배지(R1, ‘SV75151/9’, 한국UR, 경기 안성)와 국외 제품의 배지(R2, ‘Grotop’, Grodan, Roermond, Netherlands)를 사용하였다. 코이어 배지는 코코피트를 벌크 형태로 수입하여 국내 가공한 배지(C, 30%Peat: 70%Chip, 한국UR, 경기 안성)를 사용하였다. 일반적으 로 작물을 3주 정식할 수 있는 900-1000mm 길이, 150mm 폭, 75-85mm 높이의 직육면체 형태로 정형화되 어 비닐 포장 되어있는 슬라브를 사용하였다.
함수율 측정을 위하여 FDR 센서(WT1000B, Mi-Rae Sensor Co., Ltd, Seoul, Korea)와 로드셀(JSB-50, CAS Co., Ltd., Yangju, Korea)을 사용하였다(Fig. 1). Probe의 길이가 75mm인 FDR 센서를 길이방향으로 슬라브의 1/ 3 지점에 설치하여 측정하였다. FDR 센서는 함수율에 따라 출력전압이 비례하여 증가하므로 측정하기 이전 0- 100% 수분범위에서 최소, 최대 출력값을 기준으로 보정 후 사용하였다. 중량 측정에 의한 함수율 측정을 위한 로 드셀은 최대 허용중량 50kg 규격의 제품을 사용하였으며, 인디케이터의 표시 범위는 0-20kg으로 설정하였다. 최소 1g 수준의 해상력을 가지도록 설정하였으며, 1, 10kg 분 동을 이용하여 보정하고 확인하였다. 급액량과 배액량 측정은 로드셀(JSB-20, CAS Co., Ltd., Yangju, Korea ) 을 이용하였으며, 최대 허용중량 20kg 규격의 제품을 사 용하여 표시범위 0-10kg, 해상력 최소 1g 수준으로 표시 가 가능하도록 설정하였다. 중량과 함수율 데이터는 데이 터로거(CR1000, Campbell scientific, Logan, UT, USA)를 이용하여 1초 간격으로 저장하였다.
2. 실험 조건
실험은 서울대학교 부속농장의 유리온실에서 진행하였 으며, 실험 기간 중 배지 표면에서의 증발을 최소화하기 위하여 상대습도는 80-85% 수준을 유지하도록 가습하였 고, 직사광선을 피하기 위하여 차광을 실시하였다. 슬라 브 내에 수분이 한쪽으로 집중되지 않도록 배지는 폭과 길이 방향으로 완전 수평상태를 유지할 수 있도록 조정 하였다. Dripper를 통한 수분 공급은 일반적인 농가의 관수 수준을 참고하여 30cc/min/dripper의 급액 속도를 유지하도록 펌프용량과 밸브를 조절하였다. 모든 배지는 하단부 배액을 위한 배액로 절개 전 6시간 100% 포수 상태를 유지한 후에 실험에 사용하였다. FDR 센서 측정 값과 실제 중량 측정을 통한 함수율과의 관계 분석을 위하여 FDR 센서는 0-100% 함수율 범위에서 1차 선형 의 출력값을 나타내는 것을 FDR 센서의 제조사를 통해 확인하였다.
3. 실험 방법
배지의 물리적 특성 비교를 위하여 배지의 중량(A)을 포수 전에 로드셀을 사용하여 측정하였다. 배지의 규격 을 통하여 부피를 계산하였으며, 코이어 배지의 경우 건 조 상태에서 형태가 포수 후의 상태에 비하여 매우 압 축되어 있으므로 포수 이후의 부피(B)를 직육면체 형태 로 정형화하여 측정하였다. 무게와 부피를 이용하여 배 지의 밀도(B/A)를 측정하였고, 슬라브의 형태가 배지의 형태에 맞게 유지되는 상황에서 수분 공급 후 최대 포 화 시 무게로 최대포화용수량(C)을 측정하였다. 부피와 최대포화용수량 측정을 통해 공극율(C/A × 100)을 계산 하였다. 초기 100% 포수 상태에서 절개 직후에 배출되 는 수분량(D)을 측정하여 배지의 최대함수율([(C-D)/C × 100])로 계산하였다. 처리당 배지 2개를 사용하였고 평 균값을 해석에 이용하였다.
Dripper를 배지의 길이 방향으로 1/4, 2/4, 3/4 지점의 중심에 1개씩 총 3개를 설치하여 수분을 공급하였다 (Fig. 2A). 배액 발생을 위한 배액로는 관행으로 많이 사 용되고 있는 방법으로 슬라브 커버의 하단 1/3, 2/3 지 점에 중심 기준으로 대칭이 되도록 ‘T’ 형태로 절개하였 다(Fig. 2B).
배지 종류에 따른 수분의 이동 특성을 비교하기 위하 여 실험 시작 60초 후 관수를 개시하고 배액의 출현 후 120초 경과 후에 관수를 중단하였다. 배지 별 재수화 가 능한 최소 함수율 범위는 실제 중량 측정을 통한 함수 율 데이터를 기반으로 함수율 75%, 70%, 65%, 60%, 55%, 50%, 45%, 40%, 35%에 도달하였을 경우 다시 관수를 시작하여 처음 배액이 나오는 시점의 배지 함수 율을 3회 측정 비교하였다. 모든 측정에서 로드셀은 영 점 보정 후 실험에 사용하였다.
결과 및 고찰
1. 배지의 물리적 특성
암면에 비하여 코이어에서 무게, 밀도, 최대포화용수량, 공극율, 포수 후 초기 중력 배액량이 모두 높게 나타났 다(Table 1). 그러나 최대포화용수량의 차이보다 포수 후 초기 중력 배액량의 차이가 크기 때문에 최대함수율은 코이어가 암면에 비하여 9% 정도 낮게 나타났다. 두 종 류의 암면의 물리적인 특성은 큰 차이가 없었다.
Table 1.
Physical characteristics of root media used in the experiment. R1, R2, and C mean rockwool 1, rockwool 2, and coir, respectively.
코이어는 사이즈가 비슷한 암면에 비하여 무게와 밀도 가 100% 이상 높게 나타났으나, 배지 재료의 특성에 따 라 공극율은 오히려 코이어가 높게 나타났다. 이와 같은 결과는 암면에 비하여 코이어의 입자가 크고 거칠어 배 지의 무게와 밀도가 상대적으로 높게 나타났기 때문으로 판단된다. 즉 코이어가 밀도에 비하여 공극율이 크기 때 문에 중력에 의한 자연 배액량이 커진 것으로 판단되며, 이로 인하여 코이어에서의 최대포화용수량이 암면보다 큼에도 불구하고 최대함수율이 낮은 것으로 사료된다.
두 가지 종류의 암면배지에서 배지의 물리적 특성은 큰 차이가 없었으나, 상대적으로 포수 후 초기 중력 배 액량에서 10% 이상 차이가 발생한 것은 암면의 직조 방향이 상이하였기 때문으로 판단된다. R1은 가로-세로 격자 형태의 직조 구조를 가지고 있는 반면 R2는 단일 세로방향의 직조 구조를 가지고 있기 때문에 수분 보유 시간이 짧아 중력에 의한 초기 배액량이 컸다고 판단된 다. 이와 같이 섬유의 직조 방향은 수분의 분포에 영향 을 주기 때문에 실제 작물 재배에서 작물의 가용 수분 량 증대를 위해 중요하게 고려해야 할 사항 중에 하나 이다(Nelson과 Fonteno, 1991).
2. 배지에 따른 수분 이동 특성
100% 포수된 각 배지의 하단부를 절개 후 5~10초 정 도의 지연 시간(lag time)을 가진 후에 일정 속도로 수 분이 배출 되었다. 배지에 따른 배출 속도는 각각 R1 13.52, R2 13.92, C 14.88cc/s 로 코이어에서 수분이 가 장 빠르게 배출되었으며 두 종류의 암면배지는 비슷한 결과를 보였다. 배액의 배출속도는 중력에 절대적인 영 향을 받으므로 배지 간 큰 차이는 없었지만, 위의 물리 적 특성 비교에서도 언급한 바와 같이 코이어의 경우 공극이 크고 배지 내의 입자가 암면에 비해 치밀하지 못하여 보수력이 떨어지는 것으로 나타났다.
배지 종류에 따른 배액의 패턴과 배지 내 함수율의 변 화는 Fig. 3과 같다. 전체적으로 배액이 나오기 전까지 급액량에 비례하여 배지의 전체 중량은 증가하였고, 배 액이 시작하면서 배지의 전체 중량은 수분공급량과 배액 량의 차이에 따라 변화하였다(Fig. 3). 수분공급이 중단 된 이후 배지의 전체 중량은 배액량의 변화에만 영향을 받았다. 3 종류의 배지에서 모두 수분의 이동 형태는 동 일하게 나타났고, 물리적인 특성 결과(Table 1)에 따른 예상과 같이 코이어에서 수분 배출이 빨리 시작되었다 (Fig. 3C). 본 실험은 배지 자체의 특성 분석을 위하여 무작물 상태에서 진행되었고, 작물에 의한 배지 내의 수 분 변화 요인이 배제되어 있기 때문에 Fig. 3과 같이 단 순한 형태의 수분이동 패턴을 관찰할 수 있었다. 따라서 작물 재배 상태에서의 배지 내의 수분의 변화는 증산에 의한 수분 감소가 포함되어야 할 것이다. 증산에 대한 요인은 Shin 등(2014)과 Ta 등(2011)의 결과에서와 같이 0.005kg/s/plant 수준 이하이므로 아래의 결과와 같이 확 연한 차이를 보이지 않을 수 있다. 그러나 관수가 진행 되는 중에 이루어지는 상황이므로 이를 고려하여 배지 내의 수분의 이동 패턴을 정리하여 재배에 적용되어야 할 것으로 판단된다.
2. 배지에 따른 FDR 센서값과 배지 함수율 비교
실제 재배에서 FDR 센서 활용을 위하여 FDR 센서와 중량 측정법에 의한 함수율을 비교한 결과는 Fig. 4와 같다. FDR 센서의 측정값은 전체적으로 중량 측정에 의 한 함수율의 증가에 따라 선형으로 증가하는 것을 확인 하였다(Table 2). 암면배지의 경우 0.989-1.012의 선형 관계를 보였다. 그러나 코이어의 경우 센서의 표시값과 실제 함수율과의 관계에서 약 46% 정도의 차이가 있었 으며, 회귀상수 또한 매우 낮게 나타나 센서값에 대한 신뢰도가 암면배지에 비해 낮게 나타났다. 이와 같이 코 이어 배지에서 센서 측정값에 큰 차이를 보이는 이유는, 배지의 물리적 특성 비교에서도 언급한 것처럼 배지 입 자의 특성상 공극이 많고 암면배지에 비하여 슬라브 내 입자의 균일성이 낮기 때문인 것으로 판단되었다. 따라 서 코이어를 사용한 무토양재배에서 FDR 센서를 사용 한 수분관리에는 주의가 요구된다.
Fig. 4.
The relationships between FDR sensor value and the moisture content measured by loadcell among different media used in the experiment. R1, R2, and C mean rockwool 1, rockwool 2, and coir, respectively.
Table 2.
The coefficient and regression constants in the relationship between FDR sensor value and moisture content among different media used in the experiment. R1, R2, and C mean rockwool 1, rockwool 2, and coir, respectively. (x: moisture content, y: FDR sensor value, a: constant, R2: regression coefficient)
| Root medium | a | R2 |
|---|---|---|
| y = ax | ||
| R1 | 0.987 | 0.76 |
| R2 | 1.012 | 0.83 |
| C | 1.466 | 0.26 |
4. 배지 별 재수화 가능 최소 함수율 범위
배지 종류에 따른 관수 개시 시점의 함수율과 배액이 시작되는 시점에서의 함수율과의 관계는 Fig. 5와 같다. 코이어의 경우는 암면에 비해 재수화 가능한 배지의 함 수율의 최소 범위가 55%로 높게 나타났다. 암면의 경우 함수율이 35-40%까지 감소할 경우에도 많은 수분의 공 급이 이루어질 경우에 배지가 다시 보수력을 회복할 수 있으나, 코이어는 그렇지 않았다. 이와 같은 결과는 암 면에 비하여 코이어의 공극률이 크고 입자의 밀도가 낮 기 때문으로 생각된다. 암면의 경우도 코이어와 같지는 않지만 함수율이 낮아질수록 재수화를 위해 필요한 수분 량이 많아지는 것을 실험을 통해 알 수 있었다. 암면과 코이어와 같은 배지는 토양에 비하여 상대적으로 작은 부피로 인해 수분 이동에 있어서 완충력이 크지 않다 (Wraith와 Or, 2001; Zhuang 등, 2001). 그리고 일단 배 지의 건조상태가 심해진 후 수분공급을 하게 되면 배지 가 충분히 수화되지 전에 배액이 나오게 되므로 목표 함수량에 도달하기 위하여 다량의 물이 공급될 경우가 발생한다(Banavar와 Johnson, 1987; Bergman과 Stroud, 1992). 따라서 함수율 기준의 관수제어를 할 경우 배지 에 따른 적정범위를 설정하여 관수전략을 세우는 것이 필요할 것으로 간주된다.
