[논문]오이 시설재배지에서의 토양수분 소비특성 분석

홍은미; 최진용; 남원호; 강문성; 장정렬

doi:10.5389/ksae.2014.56.2.037

[국내논문] 오이 시설재배지에서의 토양수분 소비특성 분석
Soil Moisture Extraction Characteristics of Cucumber Crop in Protected Cultivation 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.56 no.2, 2014년, pp.37 - 46

홍은미 (서울대학교 농업생명과학연구원) , 최진용 (서울대학교 조경.지역시스템공학부, 농업생명과학연구원) , 남원호 , 강문성 (서울대학교 조경.지역시스템공학부, 농업생명과학연구원) , 장정렬 (한국농어촌공사 농어촌연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Water for crop growth were supplied by irrigation in protected cultivation and these are accumulated in the soil and utilized for crop evapotranspiration. The study for analyzing soil moisture characteristics is necessary for adequate irrigation water and soil water management in protected cultivation. Soil moisture content, irrigation water quantity and meteorological data were monitored to analyze soil moisture increment and extraction characteristics in terms of soil layers and cucumber crop growth stages. In first cropping period, the total amount of irrigation water was 5.07 mm/day, soil moisture increment was 4.82 mm/day and soil moisture extraction was 5.56 mm/day. In second cropping period, the total amount of irrigation water was 4.82 mm/day, soil moisture increment was 4.65 mm/day and soil moisture extraction was 4.73 mm/day. Soil moisture extraction rate from 0 to 75 cm is 90.3 % in first cropping period and 79.1 % in second cropping period. The majority irrigation water were consumed in root zone, however, about 15 % of soil moisture were losses by infiltration in lower soil layer. Soil moisture extraction and extraction pattern of cucumber crop calculated in this study can be utilized as a basic data for irrigation water management in protected cultivation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 시설재배지 토양수분 소비특성분석을 위하여 물소모가 많다고 알려져 있는 오이 시설재배지에서 관개량, 토양수분 및 기상 모니터링을 하였다. 토양수분 모니터링 결과를 기반으로 토양수분 증가량 및 소비량을 산정하여, 관개량과 토양수분 증가량을 비교하였다.

가설 설정

4는 토양수분 모니터링 지점 및 각 토양수분 측정값의 대푯값이다. 10cm 토층의 토양수분 측정값은 0～25cm 깊이의 대푯값으로, 30cm 토층의 토양수분 측정값은 25～45cm 깊이의 대푯값으로, 60cm 토층의 토양수분 측정값은 45～75cm 깊이의 대푯값으로, 90cm 토층의 토양수분 측정값은 75～100cm 깊이의 대푯값으로 가정하였다. 근군역에서의 토양수분 소비는 대부분 작물에 의해 흡수되며, 근군역 이하 토층에서의 토양 수분 소비는 작물에 의한 소비보다는 하부 토층으로 침투된다.

제안 방법

본 연구에서는 위의 가정과 Eq.(2)～(4)을 이용하여 토양수분 증가량 (SMI, Soil Moisture Increment), 토양수분 소비량 (SME, Soil Moisture Extraction) 및 소비패턴 (SMEP, Soil Moisture Extraction Pattern)을 산정하였다.
기상 자료는 자동기상관측시스템을 시설재배지 내부에 설치하여 습도, 기온, 풍속, 풍향 등을 2011년 영농 기간 동안 15분 간격으로 모니터링 하였다. Fig.
, 2001). 따라서 토양수분의 작물에 의한 소비와 침투로 인한 손실을 구분하기 위하여 본 연구에서는 0～45cm를 작물 생육 초기단계의 근군역, 0～75cm를 작물 생육말기단계의 근군 역으로 가정하여 토양수분 모니터링 결과를 분석하였다.
5 m³ 관개하였다. 또한, 두 번째 영농의 정식 전인 6월 26일과 27일 각각 정식 전 토양수분의 충분한 공급을 위하여 15시간 (45.8 m³), 7시간 (22.6 m³) 관개를 하였다.
토양수분 모니터링 결과를 기반으로 토양수분 증가량 및 소비량을 산정하여, 관개량과 토양수분 증가량을 비교하였다. 또한, 시설재배지 오이재배에 따른 토양수 분의 소비 특성 및 패턴을 분석하였다.
본 연구에서는 농민의 관개량, 횟수 및 시간을 파악하기 위하여 유량계 및 데이터 로거를 시설재 배지 내부에 설치하여, 10분 단위로 모니터링 하였다. 또한, 일부 모니터링이 결측된 시기에 대해서는 농민이 기록한 영농일지의 관개시간을 참고하여 모니터링으로 측정한 시간당 관개량의 평균 값을 적용하였다. Table 2는 시설재배지 오이 재배 영농 정보로써, 첫 번째 영농시기 (FCP, first cropping period)에는 2011년 1～6월 (180일), 두 번째 영농시기 (SCP, second cropping period)에는 8～10월 (91일) 오이를 재배하였다.
본 시설재배지에서는 1년에 2번 정식 전 토양 일부를 성토하고, 정지작업을 하였다. 시설재배지에서의 토성 특성을 파악하기 위하여 작물을 정식하기 전 150cm까지 샘플링 하여 USDA (United States Department of Agriculture) 삼각토양분류법 (Soil Taxonomy)에 의해 토성분석을 하였다.
본 연구에서 토양수분은 부피단위 함수량 (θ, %)으로 모니터링 되었다.
오이 정식 열은 총 15개소이며 정식길이는 100 m이었다. 본 연구에서는 농민의 관개량, 횟수 및 시간을 파악하기 위하여 유량계 및 데이터 로거를 시설재 배지 내부에 설치하여, 10분 단위로 모니터링 하였다. 또한, 일부 모니터링이 결측된 시기에 대해서는 농민이 기록한 영농일지의 관개시간을 참고하여 모니터링으로 측정한 시간당 관개량의 평균 값을 적용하였다.
본 연구에서는 시설재배지에서의 토양수분 소비 특성을 분석하기 위하여 관개량, 토양수분 및 기상을 2011년 1～6월 (180일, FCP), 8～10월 (91일, SCP) 두 번의 영농 기간 동안 모니터링 하였다. 토양수분 모니터링 결과를 이용하여 오이 재배에 따른 시설재배지에서의 토양수분 소비량을 산정하고 토층별 생육단계별 토양수분 소비패턴을 분석하였다.
본 연구에서는 안정적인 토양수분 모니터링을 위하여 Sentek사에서 개발한 EnviroSMART FDR (Frequency Domain Reflection)을 이용하여 10, 30, 60, 90cm 토층에서 15분 간격으로 토양수 분을 모니터링 하였다. FDR은 염농도가 높은 지역에서도 모니터 링할 수 있는 장점이 있다 (Hur et al.
본 연구에서는 토양수분 모니터링 결과를 활용하여 관개 후 토양수분 증가량 및 소비량을 산정하였다. Fig.
본 연구에서는 토층별 생육단계별 토양수분 소비량 산정 결과를 이용하여 토층별 생육단계별 토양수분 소비패턴을 산정하였다. Fig.
생육단계별로 작물재배기간별로 토양수분 소비량 및 특성이 다르기 때문에 본 연구에서는 Table 7과 같이 생육단계별 토층별 토양수분 소비량을 산정하였다. G1 (Growth Stage-1)은 작물생육 초기단계, G2 (Growth Stage-2)는 작물 신장기, G3 (Growth Stage-3)은 작물 생육 중기 및 G4 (Growth Stage-4)는 수확기를 의미한다.
시설재배지 시험포장에 2010년 12월 모니터링 시스템을 구축 하여 2011년에 모니터링 하였다. 시설재배지 시험포장에서는 점적관개 (drip irrigation, 점적기 간격 20cm)를 이용하여 오이를 1년에 2번 연작으로 재배하였다.
시설재배지 시험포장에 2010년 12월 모니터링 시스템을 구축 하여 2011년에 모니터링 하였다. 시설재배지 시험포장에서는 점적관개 (drip irrigation, 점적기 간격 20cm)를 이용하여 오이를 1년에 2번 연작으로 재배하였다. 시설재배지 모니터링 면적은 3,000 m² 이며, 주요 모니터링 항목은 기상, 관개량 및 토양수분 이다.
, 2007). 시설재배지는 염 농도가 높기 때문에 FDR을 이용하여 토양수분을 모니터링 하였다.
본 연구에서 토양수분은 부피단위 함수량 (θ, %)으로 모니터링 되었다. 측정한 토양수분 함수량을 토층의 깊이 (d,mm)를 고려 하여 토층 사이에 함유되어 있는 토양수분함양 (SMC,mm)을 Eq.(1)과 같이 산정하였다.
본 연구에서는 시설재배지 토양수분 소비특성분석을 위하여 물소모가 많다고 알려져 있는 오이 시설재배지에서 관개량, 토양수분 및 기상 모니터링을 하였다. 토양수분 모니터링 결과를 기반으로 토양수분 증가량 및 소비량을 산정하여, 관개량과 토양수분 증가량을 비교하였다. 또한, 시설재배지 오이재배에 따른 토양수 분의 소비 특성 및 패턴을 분석하였다.
본 연구에서는 시설재배지에서의 토양수분 소비 특성을 분석하기 위하여 관개량, 토양수분 및 기상을 2011년 1～6월 (180일, FCP), 8～10월 (91일, SCP) 두 번의 영농 기간 동안 모니터링 하였다. 토양수분 모니터링 결과를 이용하여 오이 재배에 따른 시설재배지에서의 토양수분 소비량을 산정하고 토층별 생육단계별 토양수분 소비패턴을 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 경기도 용인시 처인구 남사면 진목리 (E 37° 06´ 04˝, N 127° 08´ 08˝)에 위치한 이동저수지 주변 시설재배지를 연구 대상 지역으로 선정하였다 (Fig. 1).
본 연구지역은 과거 미곡 위주의 재배가 이루어 졌으나, 최근 시설재배지 면적이 증가하고 있는 지역이다. 본 연구지역 토양통은 석천통 (Se, coarse loamy, mixed, nonacid, mesic family of Fluvaquentic Endoaquepts)으로, 사양질계 회색토의 배수는 약간 불량하고 투수성은 보통이며 유거는 느린 토양이다 (http://soil.rda.go.kr).

이론/모형

본 시설재배지에서 영농은 농민의 관행농법에 의해 이루어졌다. 농민의 판단에 의해 관개 또는 관비하였으며, 주로 2～3일에 한번씩 관개를 통하여 수분을 공급하였다.
본 시설재배지에서는 1년에 2번 정식 전 토양 일부를 성토하고, 정지작업을 하였다. 시설재배지에서의 토성 특성을 파악하기 위하여 작물을 정식하기 전 150cm까지 샘플링 하여 USDA (United States Department of Agriculture) 삼각토양분류법 (Soil Taxonomy)에 의해 토성분석을 하였다. Table 3은 시설재 배지 모니터링 지역 토양 물리적 특성으로, 0～60cm 성토된 인위토양은 사양토 (sandy loam), 60cm 이하 토층은 양토 (loam), 사양토 및 미사질 식양토 (sandy clay loam)로 구성되어 있었다.

성능/효과

1. 토양수분 모니터링 결과, 10cm 토층에서 토양수분은 평균 32.2 % (FCP), 27.2 % (SCP), 30cm 토층은 평균 36.8 % (FCP), 35.4 % (SCP), 60cm 토층은 평균 12.8 % (FCP), 17.0 % (SCP), 90cm 토층은 평균 22.3 % (FCP), 31.0 % (SCP)이었다.
10cm 토층에서는 관개 후 토양수분 증가가 뚜렷하였으며, 첫 번째와 두 번째 영농시기간의 차이는 있었으나 10cm 토층은 평균 32.2 % (FCP), 27.2 % (SCP), 30cm 토층은 평균 36.8 % (FCP), 35.4 % (SCP)로 10～30cm 토층에서의 토양수분함량은 평균적으로 60cm (FCP: 12.8 %, SCP: 17.0 %), 90cm (FCP:22.3 %, SCP: 31.0 %) 토층과 비교하여 높았다. 90cm 토층에 서는 10～60cm 토층과 달리 관개에 의한 토양수분 변화는 미비 하였으나, 6월 26, 27일과 같이 과다 관개시 토양수분 변화가 컸다.
2. 시설재배지 관개량은 868.5mm (5.07mm/day, FCP), 443.9mm (4.82mm/day, SCP)이었으며, 관개 후 전 토층 (0～100cm) 에서 토양수분 증가량은 814.4mm (4.82mm/day, FCP), 460.0mm (4.65mm/day, SCP)으며, 토양수분 소비량은 950.0mm (5.56mm/day, FCP), 468.5mm (4.73mm/day, SCP)이었다. 토양수분 소비량은 관개량 및 토양수분 증가량과 비교하여 전반적으로 유사하였다.
3. 토층별 생육단계별 토양수분 소비패턴을 분석한 결과, 첫 번째 영농시기 토양수분 소비비율은 0～25cm 토층에서 평균 46.0 % (39.8 % (G4)～78.8 % (G3)), 0～45cm 토층에서 평균 58.6 % (66.1 % (G4)～93.6 % (G3)), 45～75cm 토층에서 평균 17.8 % (2.0 % (G2)～22.8 % (G4)), 75～100cm 토층에서 평균 9.7 % (3.4 % (G3)～11.2 % (G4))이었다. 두 번째 영농시기 토양수분 소비비율은 0～25cm 토층에서 평균 39.
4. 오이 시설재배지에서의 토양수분 소비비율은 0～25cm 토층에서 토층별 1.6 %/cm (39.7 %), 25～75cm 토층에서 0.9 %/cm (45.3 %), 75～100cm 토층에서 0.6 %/cm (15.0 %)로 근군역에서 토양수분 소비비율이 높았다. 75～100cm 토층에서의 토양수분 소비비율은 낮았으나 일부 생육단계에서는 소비비 율이 20 % 이상으로 높았다.
2 % (G4))이었다. 두 번째 영농시기 토양수분 소비비율은 0～25cm 토층에서 평균 39.7 % (28.9 % (G4)～52.9 % (G2)), 0～45cm 토층에서 평균 42.2 % (36.5 % (G4)～70.7 % (G2)), 45～75cm 토층에서 평균 36.8 % (16.0 % (G2)～40.5 % (G4)), 75～100cm 토층에서 평균 21.1 % (13.3 % (G2)～24.3 % (G1))이었다.
15mm/day로 가장 적었다. 두 번째 영농시기의 생육단계별 토양수분 소비량을 살펴보면 0～45cm 토층에서 G3 시기 토양수분 소비량이 2.23mm/day로 가장 많았으며, G1 시기에 1.02mm/day로 가장 적었다. 75～100cm 토층에서의 토양수분 소비량은 첫 번째 영농시기와 유사하게 G4 시기에 1.
본 연구에서 시설재배지에서 오이재배에 따른 토양수분 소비특성 분석 결과, 근군역에서 토양수분의 대부분이 소비되고 있었으나, 일부 과다관개에 의해 하부 토층에서의 토양수분 손실량도 일부 발생하였다. 특히, 생육 말기 단계의 과다관개로 하부토층에 서의 토양수분 소비비율이 높아 작물 생육에 따른 관개량 분석 및 이에 대한 관리가 필요할 것으로 판단되었다.
5와 같다. 유량계를 이용하여 관개량을 10분 단위로 측정한 결과, 관개시 첫 번째 영농시기 (FCP)에는 1회 3.85 시간, 2.57 m³/hr 총 781.7 m³ 관개하였으며, 두 번째 영농시기 (SCP)에는 1회 2.90 시간, 2.87 m³/hr, 총 399.5 m³ 관개하였다. 또한, 두 번째 영농의 정식 전인 6월 26일과 27일 각각 정식 전 토양수분의 충분한 공급을 위하여 15시간 (45.
작물에 의한 소비보다 침투에 의한 손실이 더 많을 것으로 판단되는 75～100cm 토층에서의 토양수분 소비비율은 첫 번째 영농시기에는 3.4 % (G3)～11.2 % (G4)인 반면, 두 번째 영농시기에서는 13.3 % (G2)～24.3 % (G1)으로 10 % 이상의 토양 수분이 침투 되는 것으로 분석되었다. Table 4에 의하면 첫 번째 영농시기와 비교하여 두 번째 영농시기의 60cm 이하 토층의 평균 토양수분함량이 높게 유지된 반면, 관개량 및 토양수분 증가 량은 0.
G1 (Growth Stage-1)은 작물생육 초기단계, G2 (Growth Stage-2)는 작물 신장기, G3 (Growth Stage-3)은 작물 생육 중기 및 G4 (Growth Stage-4)는 수확기를 의미한다. 첫 번째 영농시기 생육단계별 토양수분 소비량을 살펴보면, 0～45cm 토층 및 0～75cm 토층에서의 토양수분 소비량은 G2 시기에 5.37mm/day, 5.49mm/day로 가장 컸으며, 초기생육단계인 G1 시기에 3.39mm/day, 3.51mm/day로 가장 적었다. 작물에 의해 소비되지 않고 대부분 심토로 침투될 것으로 판단되는 75～100cm 토층에서는 G4 시기에 0.
82mm/day)이었다. 첫 번째, 두 번째 영농시기 모두 관개량과 비교하여 토양수분 증가량과의 차이는 미비하였다. 하지만, RDA and NAAS (2007)에서 제시한 오이 시설재배작물 물요구량 (평균: 2.
30mm/day 로 가장 적었다. 첫 번째, 두 번째 영농시기에 토양수분 소비량의 차이는 있었으나, 0～45cm 토층에서의 토양수분 소비량은 생육이 활발한 G2 및 G3 시기에 많았으며 오이 수확기간인 G4 시기에는 45～75cm 토층에서도 토양수분 소비량이 많았다. 이는 오이 뿌리가 생장하면서 근군역의 범위가 넓어지면서 작물이 토양수분 소비에 이용하는 범위가 넓어졌기 때문으로 판단된다.
1 %)를 소비하였다. 평균적으로 0～25cm 토층에서는 토층별 1.6 %/cm, 25～75cm 토층에서는 0.9 %/cm, 75～100cm 토층에서는 0.6 %/cm로 전반적으로 상부토층에서 토양수분 소비비율이 높았으며, 하부토층으로 내려갈수록 토양수분 소비비율이 감소하였다. 하지만, 일부 생육단계 75cm 이하 하부토층에서의 토양수분 소비비율이 높았는데 이는 관비형태로 관개되거나 시비량이 많은 시비 토양 내 질산성질소와 같은 이동성이 좋은 영양물질의 지하침투에도 영향을 줄 수 있어 이에 대한 관리도 필요할 것으로 판단된다.

후속연구

본 연구에서 시설재배지에서 오이재배에 따른 토양수분 소비특성 분석 결과, 근군역에서 토양수분의 대부분이 소비되고 있었으나, 일부 과다관개에 의해 하부 토층에서의 토양수분 손실량도 일부 발생하였다. 특히, 생육 말기 단계의 과다관개로 하부토층에 서의 토양수분 소비비율이 높아 작물 생육에 따른 관개량 분석 및 이에 대한 관리가 필요할 것으로 판단되었다.
6 %/cm로 전반적으로 상부토층에서 토양수분 소비비율이 높았으며, 하부토층으로 내려갈수록 토양수분 소비비율이 감소하였다. 하지만, 일부 생육단계 75cm 이하 하부토층에서의 토양수분 소비비율이 높았는데 이는 관비형태로 관개되거나 시비량이 많은 시비 토양 내 질산성질소와 같은 이동성이 좋은 영양물질의 지하침투에도 영향을 줄 수 있어 이에 대한 관리도 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시설재배지에서 재배되는 작물에 충분한 수분 공급이 필요한 이유는 무엇인가?	, 1998b). 시설재배지에서 재배되는 작물은 노지재배작물과 달리 수분을 흡수하는 토층의 범위가 좁고 뿌리가 얕게 분포하여 건조에 취약하기 때문에 충분한 수분 공급이 필요하다. 게다가 시설재배지 내부 온도는 시설 재배지 밖과 비교하여 상대적으로 높게 유지되므로 토양 증발량 및 작물 소비량이 증가할 수 있어 이에 대한 작물의 수분 요구량도 높아질 수 있다 (RDA and NAAS, 2007; Hong, 2013).
	우리나라의 토지이용변화는 어떠한가?	최근 고부가가치 농산물에 대한 수요 증대로 시설재배농업의 중요성이 확대되고 있다. 우리나라 토지이용변화를 살펴보면 논과 밭의 면적은 지속적으로 감소하는 추세인 반면 시설재배지는 면적은 유지되고 있으며 규모면에서는 증가하고 있어, 2010년 기준 시설재배지 농가는 전체 농가의 10.2 %를 차지하였다 (http:// kosis.kr/).
	시설재배지에서 재배되는 작물의 수분 요구량이 높아질 수 있는 이유는?	시설재배지에서 재배되는 작물은 노지재배작물과 달리 수분을 흡수하는 토층의 범위가 좁고 뿌리가 얕게 분포하여 건조에 취약하기 때문에 충분한 수분 공급이 필요하다. 게다가 시설재배지 내부 온도는 시설 재배지 밖과 비교하여 상대적으로 높게 유지되므로 토양 증발량 및 작물 소비량이 증가할 수 있어 이에 대한 작물의 수분 요구량도 높아질 수 있다 (RDA and NAAS, 2007; Hong, 2013). 하지만, 시설재배지는 강수가 차단되어 작물 생육에 필요한 물을 전량 인위적으로 공급받아야하기 때문에 작물 생육에 적절한 토양 수분 관리를 위해서는 관개 관리가 필요하다.

참고문헌 (16)

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