[논문]토마토 암면재배에서 정전용량 측정장치를 기반으로 한 급액방법 구명

한동섭; 백정현; 박주성; 신원교; 조일환; 최은영

doi:10.12791/ksbec.2019.28.4.366

토마토 암면재배에서 정전용량 측정장치를 기반으로 한 급액방법 구명
Determination of Proper Irrigation Scheduling for Automated Irrigation System based on Substrate Capacitance Measurement Device in Tomato Rockwool Hydroponics 원문보기

시설원예ㆍ식물공장 = Protected horticulture and plant factory, v.28 no.4, 2019년, pp.366 - 375

한동섭 (한국방송통신대학교 농학과) , 백정현 (한국방송통신대학교 농학과) , 박주성 (부산대학교 전자공학과) , 신원교 (남농업마이스터대학) , 조일환 ((주)텔로팜) , 최은영 (한국방송통신대학교 농학과)

초록
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본 실험은 토마토(Solanum lycopersicum L. 'Hoyong' 'Super Doterang') 암면재배에서 배지 전체의 정전용량을 측정할 수 있는 장치(Substrate capacitance measurement device, SCMD)를 기반으로 한 적정 급액 방법을 구명하기 위하여 누적일사량 제어구(Integrated solar radiation automated irrigation, ISR)와 물관수액흐름 제어구(sap flow automated irrigation, SF)를 대조구로 비교하면서 봄부터 여름철과 겨울철에 재배를 실시하였다. SCMD 제어구는 급액 개시 후 배지 한 개당 설정된 배액 목표량이 처음 발생하는 시점까지 10분간격으로 급액하였고 첫 배액이 배출되면 그 때의 배지의 정전용량(Capacitance)을 100%로 간주하고 그 기준치의 급액제어점(Capacitance threshold, CT)에 도달하면 급액 되었고 그 뒤 목표 배액량이 발생하면 급액이 멈추는 방식으로 제어되었다. 봄부터 여름재배에서 실험 처리를 위해 SCMD제어구의 일회 급액량 (Irrigation volume per event)을 50, 75, 또는 100mL로 설정하였고 겨울철 재배에서는 CT가 0.65, 0.75, 또는 0.90가 되면 급액 되도록 설정하였다. 봄부터 여름철 재배에서 일회 급액량을 50, 75, 100mL로 설정하였을 때 급액 횟수는 각각 39, 29, 19회였고 배액율은 각각 3.04, 9.25, 20.18%였다. 겨울철 재배에서 CT를 0.65, 0.75, 0.90로 설정하였을 때 급액횟수는 각각 5.67, 6.50, 14.67회였고 배액율은 9.91, 10.78, 35.3%였다. 봄부터 여름철 재배에서 일회 급액량 처리에 따른 물관수액흐름속도(SF) 변화는 1회 급액량과 배액량을 각각 50과 75mL로 제한한 경우 100mL로 제한한 경우와 비교하여SF 신호가 외부 광량 신호 (SI) 보다 늦어지는 경향(time lag)을 보였고 겨울철 재배에서 CT를 0.65로 설정한 경우는 물관수액흐름 속도나 함수율이 매우 낮아졌고 CT를 0.90로 설정한 경우는 함수율과 물관수액흐름 속도는 매우 높았으나 많은 배액이 배출되었다. 따라서 토마토 봄부터 여름철 재배에서 SCMD를 활용하여 CT를 0.9로, 배지 한 개당 배액 목표량을 100mL로 설정하였을 때 일회 급액량은 75~100mL 범위가 적합하고 겨울철 재배에서는 1회 급액량을 75mL로, 배액 목표량을 70mL로 설정하였을 때 CT는 0.75이상 0.9이하 범위가 적합할 것으로 판단되었다. 앞으로 정전용량 값과 배지 용적수분함량의 관계성을 구명하고 보정계수를 구하는 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This experiment aims to determine the proper irrigation scheduling based on a whole-substrate capacitance using a newly developed device (SCMD) by comparing with the integrated solar radiation automated irrigation system (ISR) and sap flow sensor automated irrigation system (SF) for the cultivation of tomato (Solanum lycopersicum L. 'Hoyong' 'Super Doterang') during spring to winter season. For the SCMD system, irrigation was conducted every 10 minutes after the first irrigation was started until the first run-off was occurred, of which the substrate capacitance was considered to be 100%. When the capacitance threshold (CT) was reached to the target point, irrigation was re-conducted. After that, when the target drain volume (TDV) was occurred, the irrigation stopped. The irrigation volume per event for the SCMD was set to 50, 75, or 100 mL at CT 0.9 and TDV 100 mL during the spring to summer cultivation, and the CT was set to 0.65, 0.75, 0.80, or 0.90 in the winter cultivation. When the irrigation volume per event was set to 50, 75, or 100 mL, the irrigation frequency in a day was 39, 29, and 19, respectively, and the drain rate was 3.04, 9.25, and 20.18%, respectively. When the CT was set to 0.65, 0.75, or 0.90 in winter, the irrigation frequency was about 6, 7, 15 times, respectively and the drain rate was 9.9, 10.8, 35.3% respectively. The signal of stem sap flow at the beginning of irrigation starting time did not correspond to that of solar irradiance when the irrigation volume per event was set to 50 or 75 mL, compared to that of 100 mL. In winter cultivation, the stem sap flow rate and substrate volumetric water content at the CT 0.65 treatment were very low, while they were very high at CT 0.90 was high. All the integrated data suggest that the proper range of irrigation volume per event is from 75 to 100 mL under at CT 0.9 and TDV 100 mL during the spring to summer cultivation, and the proper CT seems to be higher than 0.75 and lower than 0.90 under at 75 mL of the irrigation volume per event and TDV 70 mL during the winter cultivation. It is going to be necessary to investigate the relationship between capacitance value and substrate volumetric water content by determining the correction coefficient.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

최근 개발된 정전용량 측정장치 (SCMD, Substrate capacitance measurement device)(특허번호: 10-2019-0031856, Park 등, 2019)는 배지 전체의 정전용량을 측정하는 장치로 배지수분이 증가할수록 유전율(ε)이 증가하고, 정전용량(C)이 증가하며, 면적에 비례하고, 거리에 반비례하는 이론을 근거로 한다[C=(ε/ D)*A (C:정전용량, ε:유전율, D:거리, A: 면적)]. 본 연구는 개발된 SCMD를 기반으로 한 적정 급액 방식을 구축하기 위하여 적정 급액 방법을 구명하고 적산일사량 (ISR) 및 물관수액흐름속도에 의한 급액 방식(SF)을 대조구로 설정하여 수분이용 효율 등을 비교하였다.

제안 방법

이 장치는 실시간 배지 전체의 정전용량, 배지무게, 급액량, 배액량 변화가 측정 및 저장되었다. 봄부터 여름철 재배에서는 오전 9시에 급액 개시 후 배지 한 개당 배액 목표량을 100mL로 설정하고 배액이 처음 발생하는 시점까지 10분간격으로 지속적으로 급액하면서 첫 배액이 배출되면 그 때의 배지의 정전용량(Capacitance)을 100%로 간주 하고 CT가 0.9 되면 다시 급액 되도록 설정하였다. 실험 처리를 위해 봄부터 여름철 재배에는 일회 급액량 (Irrigation volume per event)을 50, 75, 또는 100mL로 설정하였고 겨울철 재배에서는 CT를 0.
식물 생육조사는 초장의 경우 기부에서 생장점까지 길이, 생장길이는 지난주 생장점에서 금주 생장점 길이, 엽수는 개화 화방아래의 완전히 전개한 엽수, 엽장은 맨위에 개화 화방에서 3번째에 해당하는 엽의 길이, 엽폭은 맨 위에 개화 화방에서 3번째 해당하는 엽의 폭, 줄기 굵기는 개화화방(생장점 첫 화방) 위치에 바로 아래의 줄기 굵기, 화방높이는 개화화방에서 생장점까지의 거리, 개화속도는 1화방 첫 번째 꽃부터 개화하는 속도를 순차적으로 측정하였고, 착과수는 토마토 개체당과 전체 착과수를 측정하였고 과실 수량과 당도는 수확된 과실로 바로 측정하였다. 토마토 식물 잎과 줄기의 생체 중은 최종 수확일에 측정되었다.

대상 데이터

15mm)으로 피복된 스마트 단동형 비닐온실에서 실시하였다. 여주 육묘장에서 60일 재배된 토마토(Solanum lycopersicum ‘Hoyong’, ‘Super Doterang’) 모종을 구입하여 봄부터 여름철 재배의 경우는 누적일사량 제어구(ISR)는 40주, 물관수액흐름 제어구(SF)는 77주, 배지 정전용량 측정장치 제어구(SCMD)는 37주 모종을 암면 블록(10×10×6.5cm, Rockwool, Grotop expert, Grodan Co. Roermond)에 이식하여 암면배지(100cm×20cm×10cm, Grotop Master, Grodan, Roermond, The Netherlands)에 배지 한 개당 5주씩 정식하였고 겨울철 재배는 ISR제어구는 80주, SCMD 제어구는 73주를 배지 한 개당 5주씩 정식하여 완전임의배치방식으로 재배하였다. 정식 전날 수돗물로 암면을 충분히 포수하였으며, 배지 슬라브 하단에 3cm 크기의 배수구 6개씩을 뚫어 배수되도록 하였다.

데이터처리

물관수액흐름(SF) 모니터링은 SF 센서를 SF 제어구는 32개 식물체 줄기에 각각 한 개씩 설치하였고, ISR 제어구는 16개, SCMD 제어구는 4개 식물체 줄기에 각각 설치하여 그 결과를 활용하였다. 통계분석은 SAS 9.2 소프트웨어 패키지 (SAS Institute, Cary, NC, USA)를사용하여 ANOVA(변량 분석) 분석하였다.

성능/효과

5)과밀접한 관련이 있다는 것을 알 수 있고 배지 함수량 변화와 함께 지상부 물관수액흐름 속도 정보를 함께 활용하여 급액제어 하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다. 따라서 토마토 봄부터 여름철 재배에서 SCMD를 활용 하여 CT를 0.9로, 배지 한 개당 배액 목표량을 100mL로 설정하였을 때 일회 급액량은 75~100mL 범위가 적합하고 겨울철 재배에서는 1회 급액량을 75mL로, 배액 목표량을 70mL로 설정하였을 때 CT는 0.75이상 0.9이하 범위가 적합할 것으로 판단되었다.

후속연구

이 결과들로 SCMD 급액 시스템은 전날 급액 종료 후 다음 날 급액개시까지 감소된 물량을 급액개시 후 바로 충족시키는 시스템으로 Yeager 등 (1997)이 언급한 관수의 개념을 잘 반영하는 방식이며 FDR 측정값과 유사한 패턴을 보여 급액제어 장치로 활용 가능성이 있음을 보여주고 있다. 현재 본 연구팀에서는 정전용량 값과 배지 용적수분함량의 관계성을 구명하고 보정계수를 구하는 연구가 진행 중이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내외 비순환식 수경재배에서 사용되는 주요 자동급액방식의 종류는?	합리적인 급액관리는 원예 작물의 품질과 수확량을 향상시키는 중요한 요인이다. 국내외 비순환식 수경재배에서 사용되는 주요 자동급액방식에는 누적일사량 제어법(Integrated Solar Radiation, ISR) (Lizarraga 등, 2003), 물관수액흐름속도 센서 기반 제어법(Sap flow, SF) (Vermeulen 등, 2007), 배지 함수율 센서 기반 용적함수량 제어법(Cardenas-Lailhacar 등, 2010; Farina 등, 2007; Jaria와 Madramootoo, 2013), 배액량 센서 기반 배액전극법(Kim 등, 2011), 배지 중량 변화 기반 로드셀 제어법(Hunt and McDonald, 2015) 등이 있다. 이들 중 가장 많이 사용되는 방식인 ISR 제어법은 일사량이 식물 증산량과 비례한다는 이론에 근거한 제어방식이나 (De Swaef 등, 2012) 스마트팜 내부에서 작물 지상부환경은 첨단화된 환경제어 기술을 적용하여 습도 환경이 실시간 변하고 있어서(Heuvelink 등, 2008), 그 관계성이 실시간 구축될 필요가 있다.
	합리적인 급액관리가 필요한 이유는?	합리적인 급액관리는 원예 작물의 품질과 수확량을 향상시키는 중요한 요인이다. 국내외 비순환식 수경재배에서 사용되는 주요 자동급액방식에는 누적일사량 제어법(Integrated Solar Radiation, ISR) (Lizarraga 등, 2003), 물관수액흐름속도 센서 기반 제어법(Sap flow, SF) (Vermeulen 등, 2007), 배지 함수율 센서 기반 용적함수량 제어법(Cardenas-Lailhacar 등, 2010; Farina 등, 2007; Jaria와 Madramootoo, 2013), 배액량 센서 기반 배액전극법(Kim 등, 2011), 배지 중량 변화 기반 로드셀 제어법(Hunt and McDonald, 2015) 등이 있다.
	최적 급액관리의 장점은?	따라서 최적 급액관리를 위해서는 근권 함수량과 지상부 식물체 수분상태를 동시에 계측하여 식물이 요구하는 적정한 수분량을 필요한 시기에 공급하는 것이 필요하다. 적정한 급액량을 공급할 경우 배액을 최소화할 수 있어 물과 비료 사용량을 감소시키고 환경오염을 줄여 환경 친화적인 과채류 수경재배가 확립될 수 있다. 배지 함수량 측정 센서는 TDR(Time Domain Reflectometery) 과 FDR(Frequency Domain Reflectometry)이 있다.

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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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