[논문]스마트팜에 활용할 수 있는 원예 작물 생육 모델: 기술적, 설명적, 구조적 생육 모델의 활용

김성겸; 이상규; 이희주; 이준구

스마트팜에 활용할 수 있는 원예 작물 생육 모델: 기술적, 설명적, 구조적 생육 모델의 활용 원문보기

전원과 자원 = Rural resource, v.59 no.2, 2017년, pp.28 - 37

김성겸 (국립원예특작과학원) , 이상규 (국립원예특작과학원) , 이희주 (국립원예특작과학원) , 이준구 (전북대학교)

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문제 정의

이를 위해서는 원예 작물의 생리반응에 대한 정확한 판단과 예측 그리고 동적인 환경 변화에 대한 생장 요인에 관한 모의실험들을 가능하게 하는 생육 모델 개발이 요구되었다. 다른 한편, 최근 기후변화가 심각해지면서 원예작물 생산에 미치는 영향과 취약성을 분석하고자(작형, 최적 재배지 및 계절 변동성 등) 작물의 생육 모델들을 활용하여 작황을 예측하고자 하였다. 국립원예특작과학원 온난화대응연구소에서는 미래 기후변화 시나리오에 따른 재배적지 변동 전자기후도(사과, 배, 감귤, 고랭지 배추, 마늘 등 총 17종)를 작성하여 농업용 미래 상세 전자기후도 시스템을 제공하고 있다(www.
최근 급속히 성장하고 있는 시설원예 산업 분야에 생육 모델 개발 연구가 활발함을 알 수 있었다. 본 원고에서는 작물 생육 모델개발 개념 및 종류와 최근 구조 기능 모델을 활용한 스마트팜 적용 가능성에 대한 연구 문헌들을 소개하겠다.

제안 방법

구조 기능 모델이 가장 잘 개발되고 발달된 분야는 과수이다. 과수원 개원시 식재 계획을 하는데 있어 광 환경에 따른 재식 간격과 수형을 미리 구상 할 수 있도록 나무가 받는 빛을 프로파일링할 수 있도록 하였다. 그러나 최근에는 온실 내의 재배 환경에 대한 시설 채소의 생리·생태 반응 연구에 활용하기 위하여, 첨단 3D 식물 구조 개발도구와 광 추적 기법을 이용하여 버츄얼적 모델들을 개발하고 있다.
과학전문저널 검색엔진(web of science)을 통하여 최근에 문헌(2007-2017)들을 ‘원예작물 생육 모델’로 키워드를 설정하여 조사해서 분석해 보았다.
이러한 이론적인 내용들을 생화학적 모델식들로 개발하여, 작물의 광합성 기구의 효율들을 판단할 수 있게 프로그램화 하였다(그림 4A). 이 프로그램은 이산화탄소포화곡선을 활용하여 주요한 생화학적 요인(카르복실화 속도, 전자전달계 효율, 삼인산화율 및 호흡율)들에 대한 값을 계산할 수 있도록 하였다. 이를 활용하여 이 등(2016)도 기후변화 시나리오에 따른 배추의 광합성 효율들을 평가하는데 활용하였다.
작물 군락 외부의 CO₂ 농도가 증가함에 따라 광합성 속도가 빨라지는데, 이것은 기공의 물리적 인 저항이 낮아짐으로 인하여 CO₂의 빠른 확산이 가능하였으며, 광 호흡의 원인인 루비스코와 산소의 결합을 억제하였기 때문이다. 이러한 이론적인 내용들을 생화학적 모델식들로 개발하여, 작물의 광합성 기구의 효율들을 판단할 수 있게 프로그램화 하였다(그림 4A). 이 프로그램은 이산화탄소포화곡선을 활용하여 주요한 생화학적 요인(카르복실화 속도, 전자전달계 효율, 삼인산화율 및 호흡율)들에 대한 값을 계산할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

과학전문저널 검색엔진(web of science)을 통하여 최근에 문헌(2007-2017)들을 ‘원예작물 생육 모델’로 키워드를 설정하여 조사해서 분석해 보았다. 총461편이 검색되었고, 주요한 주제는 생장, 발달, 수분균형, 영양분흡수, 확률 통계적 모델, 구조 기능모델, 시설 환경제어 등이었다. 최근 급속히 성장하고 있는 시설원예 산업 분야에 생육 모델 개발 연구가 활발함을 알 수 있었다.

성능/효과

그리고 그렇게 개발된 작물 생육 모델들은 반드시 농업 생산 및 유통 현장에서 강력한 의사 판단 도구로도 활용될 가능성이 높다. 마지막으로 대부분의 사람들은 건강에 좋은 품질이 훌륭한 채소와 과수를 연중 섭취하기를 원할 것이며, 현대의 도시민들의 정신건강 증진과 여가 생활의 일부로 가든 산업이 성장하여 화훼작목의 소비가 급속히 늘 것이라 판단된다. 우리의 원예 작목들의 생산 현장은 현재까지는 집약적이며 생력적으로 생산이 가능하도록 구조 및 시스템들을 개선하였다.

후속연구

설명적 작물 생육 모델의 활용으로는, 광합성, 증산 및 작물 증발산 모델들 정밀 관수 계획 및 양액기 제어 알고리즘에 활용할 수 있으며(그림 7), 최첨단 시설 온실들의 환경제어에도 적용할 수 있다(그림 8). 구조 기능 모델의 동적 시뮬레이션은 연시 효과가 높아 농촌 지도기관에서 농민들을 교육하고 농작업 의사결정의 수단으로 이용이 가능할 것이다. 앞서 언급한 것과 같이 작물생육 모델은 교육의 목적으로도 유용하게 이용될 수 있다.
현재 국립원예특작과학원 채소 과에서는 채소 작물을 대상으로 설명적 모델들 그리고 나아가 구조 기능 모델까지도 개발하려는 연구 과제를 수행하고 있다. 또한 이를 위한 대형 인공기상제어장치를 구축하는 연구 시설에 대한 대규모 투자도 되어 있어, 앞으로의 연구결과들과 농업현장에 활용될 수 있는 가치 있는 생육 모델들이 개발되기를 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원예 산업이 서민물가 경제에 민감한 이유는 무엇인가?	6%이다(농축산식품부, 2016). 이처럼 원예 산업은 농업에서 차지하는 비중이 매우 크기 때문에 국민의 서민 물가 경제에 미치는 위험성도 높고, 기후 변화에 의한 원예작물의 재배 및 생산에 대한 불안 요소와 취약성이 존재한다. 유통업자들은 원예작물들에 대한 가격을 안정적으로 조정하기 위하여 출하 날짜와 생산량 등을 정확하게 예측하고 싶고, 농민들은 작물이 정상적으로 재배되고 있는지 아니면 문제가 있는지 판단하고 이를 근거로 농작업 의사를 결정하고 싶어 한다.
	작물 모델개발은 어떻게 활용될 수 있는가?	작물 모델개발은 많은 시간, 장비, 인력이 투여되는 규모가 큰 프로젝트이기 때문에 각 작물에 대한 생리·생태적 특성을 명확하게 이해하고 있는 연구 집단의 참여가 필요하며, 통계와 확률 등에 능통한 수학자 그리고 기계어 들을 이해하고 만들어 낼 수 있는 공학자 그리고 마지막으로 소프트웨어 개발에 능통한 프로그래머가 함께 작업을 할 때 가장 이상적이며 현실과 유사하게 모의할 수 있는 작물 생육 모델이 개발되고 활용이 될 수 있다. 그리고 그렇게 개발된 작물 생육 모델들은 반드시 농업 생산 및 유통 현장에서 강력한 의사 판단 도구로도 활용될 가능성이 높다. 마지막으로 대부분의 사람들은 건강에 좋은 품질이 훌륭한 채소와 과수를 연중 섭취하기를 원할 것이며, 현대의 도시민들의 정신건강 증진과 여가 생활의 일부로 가든 산업이 성장하여 화훼작목의 소비가 급속히 늘 것이라 판단된다.
	우리나라의 2015년 원예작물(채소, 과수 및 화훼) 생산액의 비중은 어떠한가?	우리나라의 2015년 원예작물(채소, 과수 및 화훼) 생산액은 약 13조원으로 국내 농업에서 차지하는 비중은 29.6%이다(농축산식품부, 2016). 이처럼 원예 산업은 농업에서 차지하는 비중이 매우 크기 때문에 국민의 서민 물가 경제에 미치는 위험성도 높고, 기후 변화에 의한 원예작물의 재배 및 생산에 대한 불안 요소와 취약성이 존재한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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