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문제 정의
- 이에 따라 관개시설이 구비되지 않은 농장에서는 수량의 공간적, 년차간 변이가 매우 높게 나타나고 있다. 따라서 본 연구는 점토 경반층 토양에서 수량 변이의 특성을 파악하기 위하여 센서를 통하여 관측된 층위별 토양경도 및 ECa 와 작물의 수량과의 관련성을 분석 하는데 목적이 있다.
제안 방법
- 5 cm 단위로 토양의 경도를 측정하였다. 시험포장 내에서 330X150 m의 구역에서 30 m 격자 지점을 RTK-GPS(Real-time kinematic global positioning system) 를 이용하여 표시하고 55개 지점을 측정하였다. 측정된 자료 중 특이한 값을 보이는 자료는 토양 중 이물질에 의한 간섭 영향으로 판단하고 현장에서 재 측정한 후 자료로 사용하였다.
- (1999)이 고안한 장치와 같은 형태의 GPS (Global positioning system)가 장착된 트렉터에 부착한 다중 cone penetrometer 센서를 사용하였다. 유압으로 작동되는 센서는 15 cm의 간격으로 5개의 센서를 횡으로 (19 cm 간격) 트렉터 후면에 부착하여 이동 중 정지하여 동시에 5개의 센서를 토양 중에 수직으로 삽입하였으며 최대 1 m까지 0.5 cm 단위로 토양의 경도를 측정하였다. 시험포장 내에서 330X150 m의 구역에서 30 m 격자 지점을 RTK-GPS(Real-time kinematic global positioning system) 를 이용하여 표시하고 55개 지점을 측정하였다.
- 토양경도 측정지점과 같은 위치의 지표면에서 EM38(Geonics)을 사용하여 수직(shallow mode)과 수평 (deep mode) 으로 즉정하였다. 전자기장의 간섭을 최소화하기 위하여 금속물체와 근접을 피하였고 센서의 방향을 남북으로 평행하게 향하게 하여 측정하였다. 자료의 측정은 2004년 작물 수확 후 포장의 수분상태가 포장용 수량에 가까운 상태에서 측정하였다.
- 시험포장 내에서 330X150 m의 구역에서 30 m 격자 지점을 RTK-GPS(Real-time kinematic global positioning system) 를 이용하여 표시하고 55개 지점을 측정하였다. 측정된 자료 중 특이한 값을 보이는 자료는 토양 중 이물질에 의한 간섭 영향으로 판단하고 현장에서 재 측정한 후 자료로 사용하였다. 다중센서를 이용하여 측정할 경우에 측정지점에서 특이값으로 인한 오차를 손쉽게 보정할 수 있는 장점이 있다.
- 토양경도 측정지점과 같은 위치의 지표면에서 EM38(Geonics)을 사용하여 수직(shallow mode)과 수평 (deep mode) 으로 즉정하였다. 전자기장의 간섭을 최소화하기 위하여 금속물체와 근접을 피하였고 센서의 방향을 남북으로 평행하게 향하게 하여 측정하였다.
대상 데이터
- 시험포장은 미국 미조리주 센트랄리아 북쪽 3 km 지점의 35 ha 면적의 포장 내에서 4 ha의 구역을 선정하였으며(위도: 39°13'48"; 경도: 92°07'00”), 1991년부터 미 농무성 농업연구청의 정밀농업연구 시험포장으로 최소경운을 통한 옥수수와 콩의 윤작이 시행되고 있다(Kitchen et al., 1998). 콩과 옥수수의 목표수량은 각각 2,508 kg ha-1 과 10,079 kg ha-1이며 이에 따라 옥수수 재배의 경우 질소 190 kg ha-1을 시비하며 석회, 인산 및 칼리는 검정시비를 하고 있다.
- 연구지역의 년 평균 기온은 12℃이며 년 간 평균 강수량은 1,004 mm 이다(USDA-NRCS, 1995). 공시토양은 Adco통(fine, smectitic mesic Vertic Albaqualfs)과 Mexico통(fine, smectitic mesic Aeric Vertic Epiaqualfs)이다. 이 토양은 일부 배수가 불량하며 토양 중 물 침투가 느린 풍화토 및 풍화잔 적토로 이루어져 있다(Nikiforoff and Drosdoff, 1943).
- 다중센서를 이용하여 측정할 경우에 측정지점에서 특이값으로 인한 오차를 손쉽게 보정할 수 있는 장점이 있다. 본 시험을 위해 측정된 자료를 경운의 범위 내에 드는 15 cm 이하의 깊이에서는 0-7 cm와 7-15cm 간격으로, 15cm 이상의 깊이에서는 15cm를 간격으로 90 cm 까지의 각각 범위의 평균한 자료를 사용하였다.
- 전자기장의 간섭을 최소화하기 위하여 금속물체와 근접을 피하였고 센서의 방향을 남북으로 평행하게 향하게 하여 측정하였다. 자료의 측정은 2004년 작물 수확 후 포장의 수분상태가 포장용 수량에 가까운 상태에서 측정하였다.
- 작물의 수량은 GPS가 장착된 콤바인 수량 모니터링 시스템에 의하여 측정되었으며 데이터 수집 후 데이터 에러 제거 과정을 거쳐 10 m 격자형 자료로 변환(Kitchen et al., 2003) 한 후 ECa 와 토양경도를 측정한 위치와 같은 지점의 수량 값을 선택하여 자료로 사용하였다.
- 추정된 회귀식의 검증을 위하여 추정에 사용된 데이터와 독립적으로 검증 데이터 (n = 30)를 사용하였다. 추정된 식을 이용하여 추정한 년도 별 작물의 평균 수량과 수확량 모니터링 시스템에 의해서 측정된 평균 수량을 나타내고 있다.
데이터처리
- 표준화된 토양 깊이별 토양 경도와 ECa를 독립변수로 하고 년도 별 작물의 수량을 종속 변수로 하여 수량을 추정하는 유효변수를 찾기 위해 stepwise regression을 이용하여 1% 유의 수준에서 결정 계수의 값을 최대로 하는 변수를 선택하였다. 선택된 변수의 측정값과 작물 수량 간의 회귀식을 추정하였으며(Table 5) 추정된 회귀식의 결정 계수는 0.
이론/모형
- 2004년 작물 수확 후 토양의 층위별 경도를 측정하기 위해 Raper et al. (1999)이 고안한 장치와 같은 형태의 GPS (Global positioning system)가 장착된 트렉터에 부착한 다중 cone penetrometer 센서를 사용하였다. 유압으로 작동되는 센서는 15 cm의 간격으로 5개의 센서를 횡으로 (19 cm 간격) 트렉터 후면에 부착하여 이동 중 정지하여 동시에 5개의 센서를 토양 중에 수직으로 삽입하였으며 최대 1 m까지 0.
성능/효과
- 1994년부터 2002년까지 콩과 옥수수 수량과 작물 생육기의 강우량을 분석한 결과 7-8월의 강우량이 작물의 수량과 매우 밀접한 관계를 가지고 있으며 이 기간의 강우량이 150 mm 이하이면 작물이 수분 부족으로 수량이 낮아지는 것으로 나타났다. 지표로부터 15-45 cm 지점에서 토양의 경도와 ECa 가 작물의 수량과 매우 유의한 상관을 갖는 것으로 나타났으며 "drought boundary" 인 7-8월의 강우량이 150 mm를 기점으로 각기 반대의 상관을 보이는 것으로 나타났다. 측정된 토양의 깊이별 경도 값과 ECa 를 이용하여 수량 추정식을 계산하였으며 추정식의 검증을 위하여 별도의 독립적인 자료를 이용하여 추정된 수량과 측정된 수량의 표준 오차를 비교한 결과 측정된 수량에 대한 표준오차의 비율이 4-16%로 나타났으며 7-8월의 강우량이 150 mm 이하로 건조한 경우에 표준오차가 같은 시기에 강우량이 150 mm 이상으로 습윤한 경우보다 현저하게 표준오차가 크게 나타났다.
- 점토 경반층 토양에서 수량 변이의 특성을 파악하기 위하여 센서를 통하여 관측된 깊이별 토양경도 및 ECa와 작물의 수량과의 관련성을 분석한 결과, 깊이 별 토양의 경도는 점토가 집적된 지표면으로부터 1530 cm 지점의 점토경반증(argillic horizon)에서 높게 나타내고 있으며 토양의 깊이가 깊은 지점에서 토양 경도의 변이가 작게 나타났다. 1994년부터 2002년까지 콩과 옥수수 수량과 작물 생육기의 강우량을 분석한 결과 7-8월의 강우량이 작물의 수량과 매우 밀접한 관계를 가지고 있으며 이 기간의 강우량이 150 mm 이하이면 작물이 수분 부족으로 수량이 낮아지는 것으로 나타났다. 지표로부터 15-45 cm 지점에서 토양의 경도와 ECa 가 작물의 수량과 매우 유의한 상관을 갖는 것으로 나타났으며 "drought boundary" 인 7-8월의 강우량이 150 mm를 기점으로 각기 반대의 상관을 보이는 것으로 나타났다.
- 토양의 지표면에서 ECa 센서 EM38을 각각 수평(shallow mode)과 수직(deep mode) 으로 측정한 값을 Table 2에 나타내고 있다. ECa 값의 평균은 shallow mode와 deep mode 각각 31 mS m-1와 43 mS m-1 이고 범위는 각각 20-44 mS m-1 와 31-56 mS m-1 로 나타나 deep mode 값이 shallow mode 값보다 높게 나타났다. Shallow mode와 deep mode ECa의 변이계수는 각각 18%와 14%로 나타나 shallow mode의 즉정값이 상대적으로 deep mode에서의 측정값보다 큰 변이를 가지는 것으로 나타났다(Table 2).
- ECa 값의 평균은 shallow mode와 deep mode 각각 31 mS m-1와 43 mS m-1 이고 범위는 각각 20-44 mS m-1 와 31-56 mS m-1 로 나타나 deep mode 값이 shallow mode 값보다 높게 나타났다. Shallow mode와 deep mode ECa의 변이계수는 각각 18%와 14%로 나타나 shallow mode의 즉정값이 상대적으로 deep mode에서의 측정값보다 큰 변이를 가지는 것으로 나타났다(Table 2). 이러한 결과는 Sudduth et al.
- 결론적으로 신속하고 경제적으로 이용할 수 있는 센서 측정자료와 작물수량과의 관련성을 분석한 결과, 연구에 이용된 점토 경반층 토양에서 센서를 이용하여 측정한 ECa 및 깊이별 토양경도와 작물수량 간에 통계적으로 유의한 상관이 있음을 알 수 있었다.
- (Table 5). 년도별 측정한 수량에 대한 추정 수량이 표준 오차와 이들 비율의 백분율을 비교해 볼 때 1996년, 1998년 및 2000년의 표준오차와 비율이 상대적으로 낮게 나타나 7-8월의 강우량이 150 mm 이상으로 작물 생육에 중분한 수분이 공급된 때에 주정된 식으로부터 예측된 수량의 오차가 적은 것으로 나타났다. 이와 반대로 7-8월의 강우량이 "drought boundary" 이하로 건조한 때에는 추정된 수량의 오차가 큰 것으로 나타났다.
- 표준화된 토양 깊이별 토양 경도와 ECa를 독립변수로 하고 년도 별 작물의 수량을 종속 변수로 하여 수량을 추정하는 유효변수를 찾기 위해 stepwise regression을 이용하여 1% 유의 수준에서 결정 계수의 값을 최대로 하는 변수를 선택하였다. 선택된 변수의 측정값과 작물 수량 간의 회귀식을 추정하였으며(Table 5) 추정된 회귀식의 결정 계수는 0.15에서 0.66의 범위이며 다중 변수가 선택된 옥수수 수량 추정식에서 결정 계수가 단일 변수로 추정된 콩의 수량 추정식에서 보다 높게 나타났다.
- 점토 경반층 토양에서 수량 변이의 특성을 파악하기 위하여 센서를 통하여 관측된 깊이별 토양경도 및 ECa와 작물의 수량과의 관련성을 분석한 결과, 깊이 별 토양의 경도는 점토가 집적된 지표면으로부터 1530 cm 지점의 점토경반증(argillic horizon)에서 높게 나타내고 있으며 토양의 깊이가 깊은 지점에서 토양 경도의 변이가 작게 나타났다. 1994년부터 2002년까지 콩과 옥수수 수량과 작물 생육기의 강우량을 분석한 결과 7-8월의 강우량이 작물의 수량과 매우 밀접한 관계를 가지고 있으며 이 기간의 강우량이 150 mm 이하이면 작물이 수분 부족으로 수량이 낮아지는 것으로 나타났다.
- 60 cm 이상의 토양 깊이에서는 지하수에 의한 토양 수분의 증가 또는 센서의 관입 저항이 커지는 것이 원인으로 분석할 수 있다. 지표로부터 45 cm 이내의 토양의 깊이에서는 토양경도의 변이계수가 23% 이상임에 반하여 45 cm 이상의 깊이에서는 변이계수가 20% 이하로 나타나 표토에서 상대적으로 토양 경도에 변이가 많고 심토에서는 토양 경도의 변이가 적은 것으로 나타났다.
- 지표로부터 15-45 cm 지점에서 토양의 경도와 ECa 가 작물의 수량과 매우 유의한 상관을 갖는 것으로 나타났으며 "drought boundary" 인 7-8월의 강우량이 150 mm를 기점으로 각기 반대의 상관을 보이는 것으로 나타났다. 측정된 토양의 깊이별 경도 값과 ECa 를 이용하여 수량 추정식을 계산하였으며 추정식의 검증을 위하여 별도의 독립적인 자료를 이용하여 추정된 수량과 측정된 수량의 표준 오차를 비교한 결과 측정된 수량에 대한 표준오차의 비율이 4-16%로 나타났으며 7-8월의 강우량이 150 mm 이하로 건조한 경우에 표준오차가 같은 시기에 강우량이 150 mm 이상으로 습윤한 경우보다 현저하게 표준오차가 크게 나타났다.
- 토양의 깊이별 토양경도 측정기로 측정한 시험포장의 토양경도는 깊이가 증가할수록 증가하여 지표로부터 15-30 cm 깊이에 이르러 평균 토양의 경도 값이 1.57 MPa로 높게 나타났으며 토양의 깊이가 증가할수록 감소하다가 토양의 깊이가 45-60 cm 지점에서 가장 낮았으며 토양의 깊이가 증가할수록 토양 경도 값 또한 증가하는 경향을 나타내고 있다(Table 1). 토양의 경도 값이 15-30 cm 깊이에서 높게 나타나는 것은 점토 경반층 토양의 특징인 agrillic 층위로 인한 점토의 집적으로 인한 토양경도의 증가가 원인으로 분석된다.
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