[논문]온도시간 기반의 배추 생육단계 추정

김진희; 윤진일

doi:10.5532/kjafm.2015.17.4.333

초록
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기온자료만으로 배추의 결구시기 및 수확적기를 정확하게 예측하기 위해 실측자료에 근거한 배추 생육단계 예측모형을 개발하였다. 이 모형에서는 배추의 일생을 생육기와 결구기로 나누고 각각에 대해 매일의 생장량이 최적 함수식에 의해 계산된다. 최적 함수식의 도출에는 강원도 고랭지 여름배추 주산지와 전남 해남의 가을배추 주산지 7개 농가, 8개 작형에서 수집된 2012-2014년 자료가 활용되었다. 예측모형의 성능검증에는 같은 지역의 다른 농가 17개에서 수집된 생육자료와 소기후모형에 의해 복원된 국지기온자료로 구성된 독립자료세트가 사용되었는데, 17개 지점의 3년간 수확예정일 평균추정오차(RMSE)는 5.3일 이었다. 이 모형은 기상청의 일별 기온자료를 이용하여 다양한 지역과 작형에서 재배되는 배추의 결구기와 수확기를 예측하는 소위 '농업기상예보' 목적으로 활용될 수 있을 것이다.

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A thermal time-based phenology model of Kimchi cabbage was developed by using the field observed growth and temperature data for the purpose of accurately predicting heading and harvest dates among diverse cropping systems. In this model the lifecycle of Kimchi cabbage was separated into the growth ...

A thermal time-based phenology model of Kimchi cabbage was developed by using the field observed growth and temperature data for the purpose of accurately predicting heading and harvest dates among diverse cropping systems. In this model the lifecycle of Kimchi cabbage was separated into the growth stage and the heading stage, while the growth amount of each stage was calculated by optimal mathematical functions describing the response curves for different temperature regimes. The parameter for individual functions were derived from the 2012-2014 crop status report collected from seven farms with different cropping systems located in major Kimchi cabbage production area of South Korea (i.e., alpine Gangwon Province for the summer cultivation and coastal plains in Jeonnam Province for the autumn cultivation). For the model validation, we used an independent data set consisting of local temperature data restored by a geospatial correction scheme and observed harvest dates from 17 farms. The results showed that the root mean square error averaged across the location and time period (2012-2014) was 5.3 days for the harvest date. This model is expected to enhance the utilization of the Korea Meteorological Administration's daily temperature data in issuing agrometeorological forecasts for developmental stages of Kimchi cabbage grown widely in South Korea.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

농가에서 수확시기의 병충해를 방지하고 이상기온에 의한 피해를 줄이는 등한 해 배추 재배전략을 수립하기 위해서는 정식 후 수확까지 온도 구간에 따라 다른 생육 반응을 모의할 수 있는 방법을 찾아야 한다. 본 연구에서는 온도구간에 따라 다른 배추의 생육을 정량화 함으로써 정식 후 경과기온만으로 수확시기를 추정하는 기술을 개발하고자 하였다.

가설 설정

반응곡선의 형태를 알아내기 위해서는 생장이 어려워지는 위험온도 시점의 온도반응값을 찾아야 하는데,최저 위험온도에서의 반응값을 S1, 최고 위험온도에서의 반응값을 S2로 상정하고, S1과 S2의 온도반응값은 각각 생육기와 결구기에서 동일한 값을 갖는다고 가정하였다. 우선 S1과 S2를 0.
, 2015; 강점순 외, 2013; 이정명, 2013), 각 단계의 배추 생육 적정온도와 한계온도는 Table 1과 같다. 온도와 광합성속도의 관계에 따라 진정광합성량이 증가하는 0℃부터 30℃까지를 배추의 생육이 유효하다고 가정하여 최저와 최고 한계온도가 설정된다. 하지만 20℃ 이상에서 급속히 높아지는 호흡량으로 인해 23℃ 이상이 되면 실질광합성량은 급격히 줄어들게 되므로 생육기의 적온구간은 20~22℃로 단축된다.

제안 방법

23개 배추농가의 작황 조사자료(NICS, 2014) 가운데 모형제작에 이용하지 않은 17개 지점을 대상으로 생장모형의 성능검증을 수행하기 위해서 2012-2014년에 대한 일 평균기온자료를 복원하였다. 기상청에서 발표하는 종관기상자료에 지리지형의 영향을 고려한 국지기상 추정모형(일명 ‘소기후모형’)을 적용하면 좌표값이 내장된 30m 격자형태의 일별 기온자료를 복원할 수 있다(Yun, 2010; Yun et al.
기온자료만으로 배추의 결구시기 및 수확적기를 정확하게 예측하기 위해 실측자료에 근거한 배추 생육단계 예측모형을 개발하였다. 이 모형에서는 배추의 일생을 생육기와 결구기로 나누고 각각에 대해 매일의 생장량이 최적 함수식에 의해 계산된다.
본 연구에서는 온도시간을 이용한 생육단계 모형을 생육기와 결구기로 나누어 각각 설계하였는데, 배추생육에 영향을 미치는 토양수분이나 광 조건 등 온도 외 요인에 의한 영향은 평년수준으로 간주하였다. Table 1을 토대로 일평균기온으로 부터 생장 최적온도 구간의 온도반응값을 온도단위(heat unit)로 나타내어 최대치가 1이 되고, 한계온도를 벗어나면 생장이 멈춰져 온도반응값은 0이 되도록 설정하였다.
현재 기상청에서는 미래 10일까지 매일의 기온자료를 제공하고 있으며 실용수준의 신뢰도를 확보하고 있으므로 생육단계를 정확하게 추정할 수 있는 모형만 개발된다면 선행기간 10일 정도의 농업기상예보(agrometeorological forecasting)가 가능하다. 본 연구에서는 일 평균기온에 따른 배추의 매일 생장량을 생육기와 결구기로 나누어 각각 계산하며, 이 과정에서 기존의 직선적인 관계가 아닌 곡선함수를 사용함으로써 정확도를 향상시켰다. 결과적으로 배추 정식 후 매일의 기온경과와 미래 10일간의 예보기온에 의해 예상 수확시기를 추정오차 5일 내외로 알아낼 수 있게 되었다.
반응곡선의 형태를 알아내기 위해서는 생장이 어려워지는 위험온도 시점의 온도반응값을 찾아야 하는데,최저 위험온도에서의 반응값을 S1, 최고 위험온도에서의 반응값을 S2로 상정하고, S1과 S2의 온도반응값은 각각 생육기와 결구기에서 동일한 값을 갖는다고 가정하였다. 우선 S1과 S2를 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9 등으로 바꾸어 가면서 각각의 조합 5 × 5 = 25개 가운데 온도에 따른 생장반응을 곡선형으로 가장 잘 표현하는 S1, S2의 조합을 탐색하였다. 후보곡선의 형태는 S1과 S2가 위치한 x축이 한계온도와 적정온도를 직선으로 이은 기울기와 만나는 y축값을 기준으로 온도반응값이 기울기보다 위쪽에 있으면 포물선 형태의 exponential saturation 함수를, 기울기보다 낮으면 시그모이드 형태의 logistic 함수를 사용하였다.
국립식량과학원 23개 배추작황 조사농가 중 2012-2014년 기간 자동기상관측장비(AWS)로부터 기상자료의 수집이 가능한 6개 농가와 해남 종관기상관측소(ASOS) 인근 농가 등 총 7개 지점으로부터 정식일과 수확일 자료를 수집하였다. 이들로부터 봄배추 2개, 여름배추 4개, 가을배추 2개의 관측자료세트를 확보하여, 온도구간에 따른 5 × 5 = 25 조합에 따라 수확일까지 누적된 배추 생장량을 비교해 농가간에 편차가 가장 작은 함수식을 선발하였다. 이때 결구개시기에 도달하기 전까지는 배추 생육단계 중 생육기에 해당하는 온도반응 곡선을 적용하여 계산하고, 결구일 이후에는 결구기의 온도반응 곡선에 따라 온도반응값을 계산하였다.

대상 데이터

2). 국립식량과학원 23개 배추작황 조사농가 중 2012-2014년 기간 자동기상관측장비(AWS)로부터 기상자료의 수집이 가능한 6개 농가와 해남 종관기상관측소(ASOS) 인근 농가 등 총 7개 지점으로부터 정식일과 수확일 자료를 수집하였다. 이들로부터 봄배추 2개, 여름배추 4개, 가을배추 2개의 관측자료세트를 확보하여, 온도구간에 따른 5 × 5 = 25 조합에 따라 수확일까지 누적된 배추 생장량을 비교해 농가간에 편차가 가장 작은 함수식을 선발하였다.
최적의 모수를 선발하기 위해 농촌진흥청에서 2012년부터 2014년까지 3년간 강원도 준고랭지와 고랭지를 대상으로 봄배추부터 여름배추까지 작형에 따른 기상패턴과 재배여건별 생육특성을 비교·분석한 작황 조사자료를 활용하였다(NICS, 2014). 또한 전남 해남군농업기술센터로부터 2013년 해남 일대의 정식일과 수확일 정보를 수집하여 가을배추 대표 주산지의 생육 특성을 반영하였다(Fig. 2).
이 모형에서는 배추의 일생을 생육기와 결구기로 나누고 각각에 대해 매일의 생장량이 최적 함수식에 의해 계산된다. 최적 함수식의 도출에는 강원도 고랭지 여름배추 주산지와 전남 해남의 가을배추 주산지 7개 농가, 8개 작형에서 수집된 2012-2014년 자료가 활용되었다. 예측모형의 성능검증에는 같은 지역의 다른 농가 17개에서 수집된 생육자료와 소기후모형에 의해 복원된 국지기온자료로 구성된 독립자료세트가 사용되었는데, 17개 지점의 3년간 수확예정일 평균추정오차(RMSE)는 5.
최적의 모수를 선발하기 위해 농촌진흥청에서 2012년부터 2014년까지 3년간 강원도 준고랭지와 고랭지를 대상으로 봄배추부터 여름배추까지 작형에 따른 기상패턴과 재배여건별 생육특성을 비교·분석한 작황 조사자료를 활용하였다(NICS, 2014). 또한 전남 해남군농업기술센터로부터 2013년 해남 일대의 정식일과 수확일 정보를 수집하여 가을배추 대표 주산지의 생육 특성을 반영하였다(Fig.

데이터처리

후보곡선의 형태는 S1과 S2가 위치한 x축이 한계온도와 적정온도를 직선으로 이은 기울기와 만나는 y축값을 기준으로 온도반응값이 기울기보다 위쪽에 있으면 포물선 형태의 exponential saturation 함수를, 기울기보다 낮으면 시그모이드 형태의 logistic 함수를 사용하였다. 이들 함수식의 모수는 통계 프로그램의 비선형 회귀분석을 통해 도출하였다(SPSS Inc., Chicago, USA).

후속연구

신뢰도가 개선된 배추 생육단계 예측모형은 기후변화 시나리오와 결합되어 농업부문 적응전략의 기초자료를 생산할 수 있을 것이며, 정식기 이동에 따른 배추 재배적지 판정 및 지역별 최적 작형 개발에 크게 기여할 것으로 본다.
또한 온도 외 배추생육에 영향을 미칠 수 있는 위험 기상이나 병해충, 영양장해 등 요인을 배제하여 오로지 온도조건이 독립변수가 되는 실험을 다년 간 여러 차례 시행해야 한다. 특히 결구 및 수확시기를 객관적으로 판단할 수 있는 기준을 마련하여 관찰자의 주관적인 판단에 의한 오차를 감소시킨다면 더욱 좋은 자료를 얻을 수 있을 것이다.
뿐만 아니라 앞으로 기후변화에 따른 안전 다수확 작기 설정 등의 기초자료로서도 매우 중요하다. 현재 기상청에서는 미래 10일까지 매일의 기온자료를 제공하고 있으며 실용수준의 신뢰도를 확보하고 있으므로 생육단계를 정확하게 추정할 수 있는 모형만 개발된다면 선행기간 10일 정도의 농업기상예보(agrometeorological forecasting)가 가능하다. 본 연구에서는 일 평균기온에 따른 배추의 매일 생장량을 생육기와 결구기로 나누어 각각 계산하며, 이 과정에서 기존의 직선적인 관계가 아닌 곡선함수를 사용함으로써 정확도를 향상시켰다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배추의 생육단계를 정확하게 예측하는 것이 기초자료로 쓰이는 곳은?	배추의 생육단계를 정확하게 예측하는 것은 비배관리, 수확적기 판단, 수확량 예측 등 재배농가의 농작업 일정관리에 필요하다. 뿐만 아니라 앞으로 기후변화에 따른 안전 다수확 작기 설정 등의 기초자료로서도 매우 중요하다. 현재 기상청에서는 미래 10일까지 매일의 기온자료를 제공하고 있으며 실용수준의 신뢰도를 확보하고 있으므로 생육단계를 정확하게 추정할 수 있는 모형만 개발된다면 선행기간 10일 정도의 농업기상예보(agrometeorological forecasting)가가능하다.
	기후변화의 여파로 배추재배에 발생한 문제는?	기후변화의 여파로 배추재배 시 이상결구 발생, 수량 감소, 품질 저하 등 문제가 발생하고 있으며, 이에 대응하여 온도에 따른 배추 생육 반응을 구명하기 위한 연구가 다양하게 이루어 지고 있다. Son et al.
	정식시기가 가을배추에 미치는 영향은?	일반적으로 배추는 결구 개시기를 경계로 생육 초기에는 비교적 높은 온도에서 생육이 촉진되지만, 후기에는 반대로 고온에 생육이 오히려 불량해지는 등 생육단계에 따라 온도 적응성이 다르다. 가을배추의 경우 정식을 빨리 하면 결구가 과해지거나 병해충이 발생하고 월동력이 저하되는 현상이 생기며, 정식시기가 늦어지면 결구가 안되거나 묘의 뿌리노화로 인해 장해가 발생하기도 한다. 농가에서 수확시기의 병충해를 방지하고 이상기온에 의한 피해를 줄이는 등한 해 배추 재배전략을 수립하기 위해서는 정식 후 수확까지 온도 구간에 따라 다른 생육 반응을 모의할 수 있는 방법을 찾아야 한다.

참고문헌 (16)

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Yun, J. I., S. O. Kim, J. H. Kim, and D. J. Kim, 2013: Userspecific agrometeorological service to local farming community: a case study. Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology 15(4), 63-73. (In Korean with English Abstract)
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이정명, 2013: 채소학각론, 향문사, 292-293pp.

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