서 언
1940년대부터 인간의 식량과 자원 확보를 목적으로 농 업 생산량을 증대시키는 생산 위주의 기술을 개발하기 위해 농업 과학 및 기술이 발달되어 왔으며, “녹색혁명 (Green revolution)”이라고 일컬어질 만큼 농업 기술의 발 전에 크게 기여하였다(Hazell 2009). 이 과정에서 효과적 인 시비를 위한 기술 개발과 식량자원의 생산 증대가 이 루어졌지만, 화학비료의 과다한 시비를 통한 토양 염류 집적 등 환경오염이 농업생태계를 훼손하는 심각한 문제 로 대두되고 있으며, 2000년도에 들어서는 미래를 위한 친환경적 농업(sustainable agriculture)에 대한 연구의 필요 성이 점점 더 부각되고 있다(Conway and Barbier 2013; Hazell 2009). 이를 위해, 분자생물학과 같은 첨단 기술을 활용하여 환경적응성이 강한 신품종을 육종하거나 유기 농법(organic farming)과 같이 친환경 농업을 위한 기술 개 발을 통하여 지속 가능한 농업이 될 수 있도록 전세계적 으로 많은 연구가 이루어지고 있다(Jury and Vaux 2005).
최근, 미국과 유럽 등을 중심으로 공학 분야 학문과의 융합 연구를 통하여 식물 환경의 측정 및 제어를 위한 환경 측정 센서를 개발하였고, 이를 이용하여 최적재배 방안(best management practice)을 찾기 위한 연구가 활 발히 진행되고 있다. 특히, 근권환경과 관련하여 토양수 분센서(soil moisture sensor)를 이용한 원예작물의 토양 수분함량 측정 및 제어 기술이 개발되고 있다. 즉, 기존 에 명확하게 설명하기 어려웠던 식물의 수분 요구량 및 관수 시기에 대한 연구들이 수행되고 있으며, 이와 같은 연구들을 통해 친환경적이며 고품질의 화훼작물을 생산 하는 것이 가능해지고 있다. 그러나 국내에서는 토양 수 분 함량 측정 및 제어에 관한 연구가 매우 미흡한 실정 이다. 이와 같은 국내의 연구 진행 상황을 고려하여 현 재까지 수행되었거나 진행중인 연구를 소개하고 이를 통 하여 친환경적이면서도 생력적인 관수방법에 대한 제언, 그리고 이를 통한 고품질 화훼 생산 가능성과 경제적 이 익에 대하여 논하고자 본 논문을 작성하였다.
최적재배방안을 위한 효율적 관개관수
식물이 생장하는데 있어서 가장 기본이 되는 생리작용 은 광합성이며 광과 함께 여러 환경요인들이 광합성에 영 향을 미친다. 광 조건 외에 일반적인 재배환경에서 작물 생장에 가장 큰 제한 요인으로 작용하는 것은 물이다 (Boyer 1982). 광의 경우 노지 재배에서 자연광을 인위 적으로 조절하기 어렵지만, 시설 재배시 차광막을 사용 한 광도 조절이나 인공광원을 이용한 보광을 통해 광환 경을 변화시키고 작물 생육을 증진시킬 수 있다. 이로 인 해 많은 원예작물의 적정 광도 및 광질에 관한 연구가 많이 이루어졌으며, LED 기술의 개발과 함께 광 환경 에 대한 꾸준한 연구가 국내외에서 이루어지고 있다(Choi et al. 2012; Park et al. 2012). 식물 영양에 관련되는 비료의 경우도 오래 전부터 많은 연구가 이루어져왔고, 작물의 외관과 생육 상태를 기초로 특정 성분의 결핍 및 과잉에 대한 진단이 가능하며, 이 역시 계속하여 연구가 진행되고 있다(Yoo and Roh 2012).
그러나, 물의 경우는 언제나 “충분히” 혹은 “적당히” 라는 구체적이지 못한 수준으로 표기하는 경우가 많다. 이로 인해 많은 농가에서는 관수량이 부족하였을 때 발 생하는 건조장해로 인한 작물의 품질 저하를 피하기 위 해 충분히 관수하는 방법을 적용하고 있으며 국내의 재 배농가에서 적용하는 장치인 자동관수시스템의 경우 근 권부의 함수량에 기초한 관수가 아니라 단순히 시간에 맞 추어 관수가 이루어지도록 구성되어 있다. 그러나 타이 머(timer)에 의해 작동되는 관수시스템을 적용하고 근권 부가 과습한 상태를 지속할 경우 작물의 뿌리 생육에 좋 지 않은 영향을 미치고, 이는 식물 병의 발생과 함께 원예산물의 품질 저하 및 수확량 감소의 원인이 된다 (Nelson 2011). 과거의 관행적인 농산물 생산에서 효율 적인 관수 방법을 터득하기 위하여 재배농가는 수년간의 직접적인 경험이 필요하고, 경험을 통해 취득한 지식을 근거로 관수 시기 및 관수량을 결정하고 있다. 따라서 작 물의 수분 요구도를 고려한 관수 시기의 결정 및 관수 량의 정량화에는 한계가 있을 수밖에 없으며, 이는 결국 생산량과 품질 저하의 원인이 되어왔다.
1950년대에 화본과 식량작물을 대상으로 작물의 물 이 용량을 예측하기 위한 시도가 있었다. 작물이 생장하고 있는 대기환경 조건을 기초로 잔디와 같은 식물들의 증 발산량(evapotranspiration)을 계산할 수 있는 공식이 Penman과 Monteith에 의해 개발되었으며, 이는 현재 FAO(Food and Agriculture Organization of the United Nations)에서 작물의 증발산량 측정 기준으로 광범위하게 활용되고 있다(Allen et al. 1998). 이 방법은 기준 증발 산량(reference evapotranspiration), 각 작물의 생육 정도, 그리고 작물 특성에 따른 작물계수(crop coefficient, Kc)를 이용하여 작물의 잠재 증발산량(potential evapotranspiration) 을 구하는 계산식을 토대로 하고 있다. 토양, 일사량, 상 대습도, 온도 및 풍속 등의 환경 측정값에 의한 에너지 균형(energy balance)이 본 계산식에 포함되며, 기상 측 정이 이루어지는 기상청과 같은 곳에서 기후 데이터를 통 한 기준 증발산량을 농민들에게 제공해주기도 한다.
그러나, 곡류와 같은 식량작물은 토양(soil)에서 재배되 는 것에 반해 원예작물은 집약적으로 용기재배(container culture) 되고 작물의 생리적 특성에 적합하도록 토양 물 리화학적 특성이 조절된 상토(substrate)가 용기재배에 이 용된다. 또한 원예작물의 생육 기간이 상대적으로 짧은 편이며, 식물의 종 및 품종도 다양하여 Kc를 설정하는 것 이 매우 어렵다(Bacci et al. 2008). 특히 원예작물을 시설 내에서 재배하는 경우에는 시설 내의 미기후(microclimate) 의 영향 뿐만 아니라 상대적으로 균일하지 못한 시설 내 의 환경 때문에 작물의 잠재 증발산량을 계산하기 어려 운 문제점을 갖는다.
과학 기술의 발전으로 실시간 환경조건을 측정할 수 있 는 센서들이 등장하였고, 데이터로거(data logger)와 같은 정보 수집/처리 장치가 함께 사용되면 측정 뿐 아니라 제 어도 가능할 수 있어 작물의 최적 생육 환경을 좀더 구 체적으로 파악하는 것이 가능하여 관련 연구들이 수행되 었다. 그 중 토양수분센서는 토양 및 상토의 수분함량을 측정하고 제어하는데 있어서 매우 효율적인 도구이다. 센 서들을 이용하면 실시간으로 토양수분함량을 측정함으로 써 언제, 얼마만큼의 관수를 해야 하는지 알 수 있으며, 이를 통해 상대적으로 빠르고, 비파괴적이며, 재배농가에 서 쉽게 수치를 해석할 수 있다. 이러한 센서의 측정치 를 데이터로거와 같은 데이터 수집장치에 연결하면, 증 발산량이나 상토 내의 수분함량의 시간적 선형 변화를 측 정할 수 있다는 장점도 있다(Gaskin and Miller 1996). 현재 개발된 토양수분센서가 수분 함량을 측정하는 방법 은 크게 두 종류로 구분할 수 있으며, 이는 토양 매트 릭포텐셜(matric potential, ψτ)을 직접적으로 측정하는 방법 과 토양 내의 실제 수분 함량(예, 용적수분함량; volumetric water content)을 측정하는 방법이다. 이러한 토양수분센서 를 이용하여 효율적으로 관수 방법을 개선하고자 하는 연 구가 많이 이루어졌으나(Bacci et al. 2008; Blonquist et al. 2006; Muñoz-Carpena et al. 2005; Nemali et al. 2007; Thompson et al. 2007), 각 센서들의 특성에 따라 이용방법이나 측정에 장단점이 있어 센서들의 활용가능 성을 비교한 내용이 보고되기도 하였다(Jones 2004).
토양수분센서의 종류
현재 개발되어 일반적으로 사용되는 토양수분센서는 토 양수분장력계(tensiometer), 석고블록(gypsum block), 중 성자수분측정기(neutron probe), 유전상수측정기(dielectric soil moisture probe)와 같이 크게 네 종류로 나뉘어질 수 있다. 토양수분장력계는 토양내의 매트릭포텐셜을 측정 할 수 있는 센서로서 이를 이용하여 딸기(Krügera et al. 1999), 국화(Lieth and Burger 1989), 장미(Hansen and Pasian 1999) 등의 관수를 조절하는 연구가 수행되었다. Bacci et al.(2008)은 기후환경을 이용한 증발산량 측정 과 토양수분장력계를 동시에 이용하여 분화식물의 관수 시점을 결정하는 것이 각각을 이용하는 것보다 더 효율 적이라고 보고하였다. 그러나, 토양수분장력계를 이용하여 토양수분함량을 측정하는 경우, 영하의 온도에서는 토양 수분포텐셜 측정에 한계가 있으며(Hansen and Pasian 1999), 토양수분장력계의 기계적인 특성상 측정부위와 정 확하게 접촉되지 못할 경우 쉽게 측정값에 오류가 생기 고 신뢰성이 떨어지는 결과를 얻게 되므로 실제 농가에서 이용하는데 어려움이 있다(Jones 2004; Nemali et al. 2007).
석고 블록(gypsum block)을 이용한 센서는 아연 도금 된 두 전선을 석고로 감싸서 토양수분에 따른 석고의 전 기 전도를 측정하는 방법으로 비교적 가격이 저렴하고 쉽 게 이용할 수 있는 센서이다. 그러나, 석고 블록의 측정 치는 토양 염류나 pH에 큰 영향을 받으며, 토양이 건조 하는 속도와 석고 블록이 건조되는 속도가 다르고, 시간 이 지남에 따라 석고가 토양 안에서 녹는 현상이 생기는 등 여러 단점이 있어 현재는 많이 이용되고 있지 않다. 중성자수분측정기(neutron probe)는 토양 내에 있는 수분 의 중성자산란(neutron scattering)을 이용하여 토양내의 수분이 얼마나 유지되어 있는지 측정하는 방법으로, 토 양수분함량을 측정하는 데에 있어 정확도가 매우 높은 장 점을 지니고 있으나, 가격이 비싸고, 방사능의 위험이 있 으며, 온실과 같은 시설에서는 이용하기 어렵다는 단점 을 지니고 있다(Gaskin and Miller 1996).
근래에 들어 가장 많이 연구되고 이용되고 있는 토양수 분센서들은 time-domain reflectometry(TDR)과 frequency domain reflectometry(FDR)이며, 이들은 유전체상수(dielectric constant)값을 측정하여 토양수분함량을 측정하게 된다. 일 반적으로 물은 높은 유전체상수(~ 80)를 지니고 있는데 비 하여 토양 내 고형물질(< 4)과 기체(< 1)는 매우 낮은 유 전체 상수를 지니고 있어, 물이 지니고 있는 높은 유전 체상수(dielectric constant)를 이용하여 토양수분함량을 측 정한다. TDR의 경우는 초기 설치 비용이 비싸고 이용하 는데 번거로움이 있으며, 이를 보완한 센서가 FDR이다. FDR은 커패시턴스 센서(capacitance sensor)라고 불리우 기도 하며, 현재 시중에 나온 커패시턴스 센서로는 미국 의 ECH2O 센서(Decagon Devices, Pullman, WA, USA) 와 영국의 ML2X 센서(Delta-T Devices, Cambridge, UK) 가 대표적이다. 이 센서들간의 원예 상토내 토양수분함량 측정에 대한 비교 및 보정이 연구된 바 있으며, 가격대 비 성능이 뛰어난 ECH2O 센서의 원예산업에서의 이용 가능성에 대하여 분석된 바 있다(Nemali et al. 2007). 이후 미국 Spectrum 사와 다른 여러 회사에서 비슷한 센 서들을 개발해 왔으며, 다른 센서들에 비하여 가격이 저 렴하면서도 시설재배 및 노지에서의 원예작물 재배를 위 한 이용측면에서 간편하고 내구력이 강한 FDR 센서를 이용하기 위해 관련 연구들이 미국과 유럽을 위주로 많 이 이루어지고 있다(Lea-Cox et al. 2013). 또한 최근에 는 토양수분함량 뿐 아니라 토양의 온도 및 전기전도도 (EC; electrical conductivity)까지 측정할 수 있는 다기능 센서들이 시장에 나오고 있어, 활용도가 증대되고 있다.
토양수분센서의 원예적 이용
토양수분센서는 토양수분함량을 실시간으로 측정하기 위 해 유용하게 이용될 수 있을 뿐 아니라, 이를 이용하여 효과적이며 효율적인 자동관수시스템을 제작할 수 있다 는 장점이 있다. 기존의 많은 연구자들이 다양한 토양수 분센서를 이용하여 자동관수시스템을 개발하였으나, 최근 FDR 센서를 이용한 자동관수시스템이 원예적 이용에 가 장 적합하다고 판단하고 있으며, 이를 이용한 자동관수 시스템들이 곧 세계 시장에 나올 것으로 예상하고 있다 (Jones 2007; Majsztrik et al. 2013a).
Nemali and van Iersel(2006)은 기존의 데이터로거와 FDR 토양수분센서를 이용한 자동관수시스템을 개발하였 으며, 이를 통해 정량화된 토양수분함량에 따른 식물의 반응에 대한 연구가 가능해졌다. FDR 토양수분센서의 경 우, 토양 혹은 상토의 특성에 따라 센서의 올바른 계수 설정(calibration)이 필요하다는 단점이 있지만, 적절하게 보정이 이루어진 후에는 계속해서 쉽게 이용할 수 있다. 토양수분센서를 이용한 자동관수시스템의 구성은 1) 토 양수분함량을 지속적으로 측정하는 센서를 식물의 뿌리 부분이 있는 토양에 설치하고, 2) 실시간으로 센서의 측 정값을 기록하고 처리하는 데이터로거 및 컴퓨터에 연결 시켜주며, 3) 데이터로거나 컴퓨터에 관개를 개시할 토 양수분함량의 기준치를 설정하게 되면, 4) 일정한 토양 수분함량에 도달하였을 때 릴레이를 조작하게 되어 5) 연 결된 솔레노이드 밸브가 열리며 적정량의 관수가 가능하 게 되고, 이를 통하여 적정수준의 토양수분함량을 지속 적으로 유지할 수 있게 해준다(Fig. 1). 자료처리와 컨트 롤 기능이 가능한 데이터로거를 이용하면 이러한 시스템 을 쉽게 제작할 수 있으며, 현재 여러 제어시스템 개발 산업체에서 상용화 시스템 개발을 위한 연구 중에 있다.
자동관수시스템의 이용은 적정수준의 토양수분함량을 유 지시키고 작물 생육 환경을 정확하게 제어할 수 있다는 장점이 있다. 또한 타이머로 작동되는 기존의 관수시스 템이 단위시간당 몇 회 관수라는 명확하지 않은 관수 방 법을 적용하는 것에 비하여 토양수분함량을 더 구체적으 로 명시해 줄 수 있어, 건조장해 및 식물환경생리를 연 구하는데 좀 더 정확한 환경조건을 제시할 수 있다. 이 러한 자동관수시스템을 이용하여 토양수분함량에 따른 Salvia splendens, Catharanthus roseus, Petunia × hybrida, Impatiens walleriana와 같은 화단식물의 생육 반응에 대한 연구(Nemali and van Iersel 2008)가 수행되었고, 적정량 의 관수를 통한 Petunia × hybrida(Kim et al. 2011), Hibiscus acetosella(Bayer et al. 2013)의 물 이용량을 일 일적산광량(DLI; daily light integral)과 같은 환경조건을 이용하여 예측할 수 있는 모델이 개발된 바 있다. 또한, Kim et al.(2012)은 토양수분함량 수준에 따른 페튜니아 의 생육과 생리적 변화 뿐 아니라 ABA의 생합성에 관 련된 유전자 발현을 보고하여, 본 시스템의 이용방법이 많은 연구에 널리 이용될 수 있음을 제시하였다.
자동관수시스템의 재배적 이점과 경제적 이점
앞에서 기술한 바와 마찬가지로 자동관수시스템은 좀 더 명확한 식물의 생육 환경을 측정, 제어하여 연구에 많 은 도움을 줄 수 있을 뿐 아니라, 실제 작물을 재배하고 고품질의 화훼산물을 생산해 내는데 큰 장점을 갖는다. 자 동관수시스템을 이용한 화훼생산의 재배적 이점으로는 가 장 먼저 효율적인 관수를 통하여 재배에 이용되는 물의 양을 아낄 수 있다는 점이다. 대량으로 수국(Hydrangea macrophylla)을 재배하는 농가의 실험에서, 관행적인 방 법으로 관수를 한 대조구에 비해 토양수분센서를 이용한 자동관수시스템으로 관수를 한 처리구에서 이용된 물의 총량을 비교하였을 때 전체 물 이용량의 83%을 절약하 였다. 또한 자동관수시스템을 이용하여 재배된 수국은 수 확시기의 토양 EC가 더 높게 측정되었으며 이는 비료 의 이용량도 절약할 수 있음을 의미한다고 보고되었다(van Iersel et al. 2009). Majsztrik et al.(2013b)은 작물 재 배시 물 이용량을 줄임으로서 근권부로부터 용탈되는 비 료의 양을 줄이고, 이를 통해 환경오염 저하, 친환경적 재배, 그리고 작물 재배를 위한 비료 구매 비용의 절약 등 많은 장점이 유발될 수 있다고 하였다. 자동관수시스 템을 이용하여 재배한 꽃치자(Gardenia jasminoides) 생 산에서도 유사한 결과가 보고되었으며 관행적인 관수방 법으로 재배한 경우 많이 발생하는 뿌리 썩음 문제가 해 결되었고 균일한 생장을 통한 수확시기 단축(14주에서 5- 8주로 단축)도 가능하였으며, 자동관수시스템을 이용한 재 배는 병충해 방지, 품질 향상, 수확량 증가, 그리고 생육 시기 단축이라는 많은 장점이 있다고 보고되었다(Chappell et al. 2013).
이상과 같이 자동관수시스템을 사용하여 작물을 재배 할 때 많은 장점이 있지만 농가에서는 시스템을 설치하 는 데 소요되는 비용을 고려해야 하며 투자를 통해 발생 한 경제적 이득이 농가의 경영상 매우 중요한 부분이다. 자 동관수시스템을 사용할 때 발생하는 경제적 가치를 비교한 연구에서 자동관수시스템을 이용한 경우 물의 이용량, 비 료 구매 비용, 그리고 병충해로 인한 손실을 줄일 수 있 으며 또한 품질 향상과 생육시기 단축이 가능하여 실제 생산농가에서 얻을 수 있는 이득은 관행재배를 통한 소 득의 1.5배로 예측되었다(Lichtenberg et al. 2013). 미국 의 경우 농가의 규모와 재배비용에 따라 차이가 있지만 빠르면 4개월에서 늦게는 3년안에 투자금액을 회수할 수 있다고 보고하였다(Belayneh et al. 2013). 또한, 미국의 화훼류 재배 농가들을 대상으로 자동관수시스템의 이용 에 대하여 설문 조사한 결과 대부분의 농가에서 본 시스 템의 도입에 대하여 매우 긍정적인 반응을 보였고, 자동 관수시스템 기술의 미래가 밝다고 하였다(Majsztrik et al. 2013a).
결 론
최근 국내외적으로 융합 학문/기술에 대한 관심이 커 지며 ICT(Information and Communication Technology) 기술의 농업적 이용과 관련 기술 개발이 급격히 증가하 고 있으며, 기후변화와 인구증가로 인하여 지속가능한 친 환경적 농업에 대한 연구가 전세계적으로 활발히 이루어 지고 있다. 최근 개발된 토양수분센서들을 이용한 자동 관수시스템을 적용하여 좀 더 생력적이며 효율적으로 고 품질의 화훼작물을 생산할 수 있을 것이며, 이를 통하여 농가의 수입을 증대시킬 수 있을 것이다. 또한, 식물의 환경생리를 연구하는데 있어서도 좀 더 정확한 환경 측 정 및 제어가 가능하므로 자동관수시스템의 원예적 이용 은 앞으로 더 증가할 것으로 예상한다.
초 록
최근 식물공장 및 친환경적 농업에 대한 국내외적 관 심이 증가하면서, 화훼생산에서도 환경측정센서를 이용한 자동제어시스템 관련 연구들이 많이 이루어지고 있다. 특 히, 토양수분센서를 이용한 자동관수시스템은 고품질 화 훼류의 생산에 있어 매우 효율적이며 친환경적인 재배방 법으로 현재 국내외적으로 활발한 연구 개발이 이루어지 고 있다. 원예 생산에서 사용할 수 있는 토양수분 측정 센서 종류로는 토양수분장력계, 석고블록, 중성자수분 측 정기와 유전상수측정기 등이 있으나, 현재 가장 효율적 으로 이용되는 토양수분센서는 FDR(frequency domain reflectometry) 방식으로서 이러한 센서를 이용하면 고품 질의 화훼를 생산하기 위한 적정 토양수분함량 기준을 설 정할 수 있을 뿐 아니라 많은 식물생육환경에 대한 연 구에 명확한 기준을 제시할 수 있는 장점이 있다. 또한, 자동관수시스템을 이용하여 화훼생산을 하게 되면 관수 량을 절약할 뿐 아니라, 비료 비용을 절약할 수 있고, 병 충해를 줄이며, 고품질의 화훼작물을 생산해내며, 균일한 생 장을 통해 생육시기를 줄이는 결과를 가져올 수 있다. 이 를 통해 농가에서는 고품질의 화훼작물을 생력적으로 생 산해낼 수 있으며, 소득을 증대시키고, 환경오염도 줄여 줄 수 있는 장점이 있다. 본 논문에서는 토양수분센서를 이용한 자동관수시스템에 대한 개요, 제작 방법 및 실제 활용에 대해서 논하였다.
추가 주요어:
FDR 센서, ICT, 식물공장, 융복합, 자동제어시스 템, 친환경농업
