[논문]파프리카 재배에서 계절별 광환경 조건과 증산량 예측에 근거한 관수공급 기준 제시

신종화; 손정익

doi:10.12791/ksbec.2015.24.1.001

파프리카 재배에서 계절별 광환경 조건과 증산량 예측에 근거한 관수공급 기준 제시
Irrigation Criteria based on Estimated Transpiration and Seasonal Light Environmental Condition for Greenhouse Cultivation of Paprika 원문보기

시설원예ㆍ식물공장 = Protected horticulture and plant factory, v.24 no.1, 2015년, pp.1 - 7

신종화 (서울대학교 식물생산과학부 및 농업생명과학연구원) , 손정익 (서울대학교 식물생산과학부 및 농업생명과학연구원)

초록
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파프리카는 수분에 민감한 작물이므로 작물의 생산성 향상을 위하여 적정 관수조절은 매우 중요하다. 광환경 조건은 시설재배에서 여러 환경 변수 중 조절이 용이하지 못하며, 지역 별, 계절 별 분포가 다르기 때문에 광환경 데이터를 이용한 증산과 관수의 추정이 필요하다. 본 연구에서는 파프리카의 정확한 증산 예측을 위하여 변형된 증산 추정식을 활용하였다. 또한 기상청의 광도자료를 활용하여 지역 별 증산량과 관수량을 비교하였다. 우리나라의 경우 여름철 하루 중 광도의 편차가 심하고 장마기간이 있으므로 봄, 가을에 비하여 증산량이 오히려 낮았다. 그리고 광주기가 길어지는 봄에 증산량이 가장 많았으므로, 이 시기의 데이터를 이용하여 관수시설 용량을 지역별로 제시할 수 있었다. 이러한 결과는 시설재배에서 관수설비 기준제시를 위한 자료 및 투입에너지 최적화에도 유용하게 활용될 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Irrigation control plays an important role in improving productivity of paprika which is very sensitive to moisture condition. Among environmental factors, light intensity and distribution are not easily controlled and showed a big difference depending on season and region. For adequate irrigation control, therefore, transpiration and irrigation amounts considering light environmental data should be estimated. In current study, modified transpiration model was used for more precise estimation of transpiration. Seasonal transpiration and irrigation amounts at different regions were compared by using light environmental data provided from Korea Meteorological Administration. The transpiration amount in summer was rather smaller than those in spring and autumn seasons in Korea due to large deviations in light intensity as well as rainy period in summer. Irrigation system capacities at various regions could be recommended by using the transpiration amount in the spring having the longest photoperiod in the year. These results will be useful to the design of irrigation system and optimization of input energy in greenhouse.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

관수시설의 경우 재배면적과 재식밀도 및 작물의 생육 단계가 시설 장비의 용량 결정에 큰 영향을 준다. 따라서 기본적으로 10a 면적에 일반적인 상업농가에서의 재식밀도인 3주/m²간격으로 파프리카를 재식하여 순환식 수경재배 방식에 따라 재배한 경우를 기본으로 하여 대표적인 12개 지역(서울, 춘천, 대관령, 강릉, 수원, 군산, 전주, 제주, 창원, 진주, 정읍, 구미)의 관수시설 장비 설치 기준을 제시하고자 하였다. 순환식 수경재배 방식의 적용에 따라 최대 5회 관수 공급을 위한 탱크 용량과 재사용 양액의 처리용량을 관수시설 장비 설치기준 항목으로 설정하였다.
최근 시설재배에 양액을 재사용하여 작물을 재배하는 순환식 수경재배 방법이 적용됨에 따라 관수시설 설비의 규모는 축소될 수 있는 가능성이 있지만(Ehret 등, 2005; Raviv 등, 1998; Zekki 등, 1996), 이와 같은 관수설비의 설치를 위한 설정 기준은 아직 정비되어 않다. 따라서 본 연구에서는 파프리카의 재배에 적합한 증산 예측을 통하여 작물의 수분 이용량을 추정하고, 각 지역의 환경조건에 적합한 관수량을 제시하고자 하였다. 또한 대표 지역의 관수시설의 설비기준 용량을 제시하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 파프리카의 재배에 적합한 증산 예측을 통하여 작물의 수분 이용량을 추정하고, 각 지역의 환경조건에 적합한 관수량을 제시하고자 하였다. 또한 대표 지역의 관수시설의 설비기준 용량을 제시하고자 하였다.

가설 설정

43배에 해당하는 양분을 공급하는 것을 관수의 기준으로 설정하였고, 배액율의 기준은 일누적 관수량에 대한 일누적 배액량을 총량 비율로 계산하였다. 위에서 언급한 내용과 마찬가지로 증산량 추정을 위한 LAI와 VPD변수는 각각 3m²/m² 와 0.019kPa를 기준으로 계절별 관수량을 계산하였고, 관수량이 최대가 될 수 있는 경우는 각각 6m²/m² 와 0.040kPa일 경우를 가정하여 최대 관수량을 산정하였다. 그리고 앞서 언급한 기준에 따라 기상데이터를 활용하여 지역에 따른 주당 일별 관수량을 계산하였다.
순환식 수경재배 방식의 적용에 따라 최대 5회 관수 공급을 위한 탱크 용량과 재사용 양액의 처리용량을 관수시설 장비 설치기준 항목으로 설정하였다. 작물의 생육단계는 엽면적이 최대 6m²/m² 가 되었을 경우를 가정하여 최대 관수량을 설정하였다. 우리나라의 경우 계절에 따라 광주기가 다르므로 관수 적용 기간이 다르게 적용된다.

제안 방법

84이며, 기본적으로 LAI(m²/m²)는 파프리카에서 과실 생산을 위한 목표 엽면적인 3을 기준으로 작물 1개체의 증산량을 추정하였다. LAI는 증산에 영향을 주는 주요 변수 중에 하나이므로 LAI의 증가에 따른 증산량의 변화를 추정하였다. 작물의 재식 간격은 3주/m²로 설정하였다.
040kPa일 경우를 가정하여 최대 관수량을 산정하였다. 그리고 앞서 언급한 기준에 따라 기상데이터를 활용하여 지역에 따른 주당 일별 관수량을 계산하였다.
따라서 위의 증산량 추정식에서 예측한 작물 증산량의 1.43배에 해당하는 양분을 공급하는 것을 관수의 기준으로 설정하였고, 배액율의 기준은 일누적 관수량에 대한 일누적 배액량을 총량 비율로 계산하였다. 위에서 언급한 내용과 마찬가지로 증산량 추정을 위한 LAI와 VPD변수는 각각 3m²/m² 와 0.
본 연구에서는 파프리카의 정확한 증산 예측을 위하여 변형된 증산 추정식을 활용하였다. 또한 기상청의 광도 자료를 활용하여 지역 별 증산량과 관수량을 비교하였다. 우리나라의 경우 여름철 하루 중 광도의 편차가 심하고 장마기간이 있으므로 봄, 가을에 비하여 증산량이 오히려 낮았다.
) 데이터를 평균하여 각 지역별 증산량 추정과 관수기준 제시에 사용하였다. 또한 우리나라의 경우 계절 별 광주기에 따른 관수 적용시간이 다르게 적용되므로 봄(3~5월), 여름(6~8월), 가을(9~11월), 겨울(12~2월)의 4계절로 구분하여 데이터를 제시하였다. 추정된 증산량과 위에서 설정한 관수 기준에 따른 지역 별 데이터는 Surfer 10 (Golden Software, USA) 프로그램을 활용하여 등고선 형태의 그림으로 나타내었다.
작물에 공급하는 관수량은 작물의 증산량을 필요수량으로 간주하고, 이에 따른 배액율을 기준으로 설정하였다. 배지의 염류집적을 최소화하기 위하여 양분 공급량의 30%가 배액으로 배출되도록 양분 공급량을 계산하였다. 양분 공급량은 증산량(Tr)과 배액량(Dr)의 합이므로 다음의 식에 의하여 작물 증산량에 따른 양분공급량을 계산하였다(Eq.
광환경 조건은 시설재배에서 여러 환경 변수 중 조절이 용이하지 못하며, 지역 별, 계절 별 분포가 다르기 때문에 광환경 데이터를 이용한 증산과 관수의 추정이 필요하다. 본 연구에서는 파프리카의 정확한 증산 예측을 위하여 변형된 증산 추정식을 활용하였다. 또한 기상청의 광도 자료를 활용하여 지역 별 증산량과 관수량을 비교하였다.
따라서 기본적으로 10a 면적에 일반적인 상업농가에서의 재식밀도인 3주/m²간격으로 파프리카를 재식하여 순환식 수경재배 방식에 따라 재배한 경우를 기본으로 하여 대표적인 12개 지역(서울, 춘천, 대관령, 강릉, 수원, 군산, 전주, 제주, 창원, 진주, 정읍, 구미)의 관수시설 장비 설치 기준을 제시하고자 하였다. 순환식 수경재배 방식의 적용에 따라 최대 5회 관수 공급을 위한 탱크 용량과 재사용 양액의 처리용량을 관수시설 장비 설치기준 항목으로 설정하였다. 작물의 생육단계는 엽면적이 최대 6m²/m² 가 되었을 경우를 가정하여 최대 관수량을 설정하였다.
작물에 공급하는 관수량은 작물의 증산량을 필요수량으로 간주하고, 이에 따른 배액율을 기준으로 설정하였다. 배지의 염류집적을 최소화하기 위하여 양분 공급량의 30%가 배액으로 배출되도록 양분 공급량을 계산하였다.

대상 데이터

광도(RAD, radiation)는 기상데이터를 활용하였으며, 기상청으로부터 총수평면 일사량(MJ/m²) 데이터를 제공받아 증산 추정에 이용하였다. 일 중의 광도 변화에 따른 보정은 여름기간(2013년 6월~2013년 8월)과 겨울기간(2013년 12월~2014년 2월)에 서울대학교 부속실험농장(수원)에서 측정한 광도 데이터에 Shin 등(2014)의 연구 결과에 따른 보정식을 적용하여 보정 계수를 산출하고 여름 기간의 증산 추정에 사용하였다.
우리나라의 경우 계절에 따라 광주기가 다르므로 관수 적용 기간이 다르게 적용된다. 따라서 전국(73지점)의 월별 일조시간(hr) 데이터(Fig. 1)를 이용하여 일조시간이 가장 긴 5월을 최대 관수시설 설치기준에 적용하였다.
) 데이터를 제공받아 증산 추정에 이용하였다. 일 중의 광도 변화에 따른 보정은 여름기간(2013년 6월~2013년 8월)과 겨울기간(2013년 12월~2014년 2월)에 서울대학교 부속실험농장(수원)에서 측정한 광도 데이터에 Shin 등(2014)의 연구 결과에 따른 보정식을 적용하여 보정 계수를 산출하고 여름 기간의 증산 추정에 사용하였다.
전체 관수 기준 제시를 위하여 기상청의 1981년 1월 1일부터 2010년 12년 31월까지 기간 동안의 일사량 관측이 가능한 관측소가 위치한 서울, 인천, 수원, 대전, 광주, 부산, 제주, 울릉도 외 65 지점(총 73개 지점)의 일조시간(hr)과 총수평면 일사량(MJ/m²) 데이터를 평균하여 각 지역별 증산량 추정과 관수기준 제시에 사용하였다. 또한 우리나라의 경우 계절 별 광주기에 따른 관수 적용시간이 다르게 적용되므로 봄(3~5월), 여름(6~8월), 가을(9~11월), 겨울(12~2월)의 4계절로 구분하여 데이터를 제시하였다.

데이터처리

또한 우리나라의 경우 계절 별 광주기에 따른 관수 적용시간이 다르게 적용되므로 봄(3~5월), 여름(6~8월), 가을(9~11월), 겨울(12~2월)의 4계절로 구분하여 데이터를 제시하였다. 추정된 증산량과 위에서 설정한 관수 기준에 따른 지역 별 데이터는 Surfer 10 (Golden Software, USA) 프로그램을 활용하여 등고선 형태의 그림으로 나타내었다.

이론/모형

증산량은 Penman-Monteith의 증발산 모델을 파프리카에 맞게 변형한 Shin 등(2014)에 의한 증산량 추정식을 이용하여 추정하였다(Eq. 1).

성능/효과

온도와 습도에 의한 VPD는 Eq. 2에서와 같이 온도가 상승할수록, 상대습도가 감소할수록 증가하였다. 그러나 이와 같은 VPD가 전체 증산량에 기여하는 정도는 0.
LAI가 증가함에 따라 증산 또한 증가하는 경향을 보였으나, LAI 3m²/m² 이상의 수준에서는 그 증가 폭이 두드러지게 감소하였다(Fig. 2). 이는 Hellemans(2006)이 보고한 바와 같이 수직 생장을 하는 파프리카 작물의 특성상 작물이 생육함에 따라 군락내의 광투과량이 감소하여 증산의 증가율 또한 감소한 것으로 판단된다.
즉, 작물이 실제 사용하는 수분량을 정확하게 예측하기 위해서는 계절 별 증산추정의 주요 환경변수인 광도에 대한 보정이 요구된다. 본 실험에서는 앞서 언급한 내용과 같이 계절에 따른 보정된 광도의 적용으로 증산량을 기존의 증산추정 방법보다 정확하게 추정하였다고 할 수 있다.
1)의 증산량 데이터를 이용하여 작물 1주당 공급해 주어야 될 관수량을 지역 별로 구분하여 계절 별로 나타내었다. 연평균 데이터에 비하여 지역간 작물 1주당 필요수량의 편차가 크게 나타났고, 제주도와 울릉도를 제외한 내륙의 데이터간 차이는 최대 173%까지 차이를 보였다. 이와 같은 데이터는 관수시설 설비용량 결정을 위한 주요한 데이터로 활용이 될 것으로 판단되고, 시설 설비에 있어서 작물의 필요수량을 충분히 고려한 적절한 시설 용량의 설치기준이 지역별로 다르게 적용되어야 함을 시사한다.
일조가 좋지 못하고 광주기 또한 짧은 우리나라의 겨울철 기후 특성 때문에(Blanke, 2007), 겨울이 사계절 중 작물의 증산은 가장 적었고 지역간의 편차도 크지 않았던 시기인 것으로 사료된다. 이상의 결과로 미루어 볼 때, 계절의 구분과 지형의 특성에 따라 우리나라에서 대표적으로 행해지는 파프리카 재배의 두 가지 작기 유형 중 겨울에 파종하여 봄부터 수확에 들어가는 여름 작기는 강원도 일부 지역, 서해안 지역, 그리고 경상북부 일부 지역이 적합할 것으로 사료되며, 이와 대조적인 겨울 작기의 경우 경상남부 일부 지역과 동해안 일부 지역이 적합할 것으로 판단되었다.

후속연구

이와 같은 데이터는 관수시설 설비용량 결정을 위한 주요한 데이터로 활용이 될 것으로 판단되고, 시설 설비에 있어서 작물의 필요수량을 충분히 고려한 적절한 시설 용량의 설치기준이 지역별로 다르게 적용되어야 함을 시사한다. 또한 이와 같은 데이터는 실제 시설의 설계에 있어 참고 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
그러나 배액량 기준 관수조절에서 배액량을 상향 조정할 경우, 위의 기준은 수정될 필요가 있으나, 관행으로 이용되고 있는 배지의 염류집적을 피하기 위한 30%배액율 기준 관수조절을 할 경우 제시된 데이터는 최소 요구 설정 범위라 볼 수 있다. 이 또한 관수 설정을 위한 다양한 작물의 데이터베이스 축적이 필요함과 마찬가지로 관수방법과 배지의 특성을 고려한 관수공급 설비 기준에 대한 연구가 앞으로 더욱 필요할 것으로 판단된다.
그리고 광주기가 길어지는 봄에 증산량이 가장 많았으므로, 이 시기의 데이터를 이용하여 관수시설 용량을 지역별로 제시할 수 있었다. 이러한 결과는 시설 재배에서 관수설비 기준제시를 위한 자료 및 투입에너지 최적화에도 유용하게 활용될 것으로 판단된다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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