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온실의 효율적인 관개를 위한 토양 수분 센서 사용

Using soil water sensors for efficient irrigation in greenhouses

마크 반 아이에르셀과 스테파니 버넷

조지아 대학교

수동 관개는 노동 집약적이고 반복적이기 때문에 가장 먼저 자동화해야 하는 온실 작업 중 하나입니다. 관개를 자동화하는 것은 쉽지만, 자동화 시스템이 반드시 물 효율이 좋은 것은 아닙니다. 많은 재배자가 타이머를 사용하여 관개를 제어하지만 타이머는 온도, 빛, 습도 수준의 자연적인 변동으로 인한 식물 물 사용량의 일상적인 변화를 고려하지 않습니다. 또한 식물이 성장함에 따라 식물의 물 사용량은 증가합니다. 따라서 타이머를 사용하여 효율적인 관개를 하기가 어렵습니다. 북미의 많은 지역에서 수자원에 대한 부담이 증가함에 따라 온실 산업은 보다 효율적인 관개 시스템으로 전환해야 합니다.

토양 수분 센서는 식물의 필요에 따라 온실 관개를 자동화할 수 있는 유망한 새로운 기회를 제공합니다. 저희는 4인치 화분에 들어갈 정도로 작은 EC-5 프로브를 광범위하게 사용해 왔으며, 이 프로브가 토양이 없는 기질의 체적 수분 함량을 정확하게 측정한다는 사실을 발견했습니다. 저희는 EC-5 프로브를 자동 관개 시스템에 통합하여 실제 식물 물 사용량에 따라 식물을 관개할 수 있도록 했습니다.

센서로 식물이 가뭄 스트레스를 받지 않도록 보장

토양 수분 센서를 사용하여 관개를 제어하는 기본 개념은 간단합니다. 식물이 물을 사용할 때 기질에서 물을 흡수하므로 기질의 수분 함량이 감소합니다. 토양 수분 센서는 이러한 변화를 감지하여 기질 수분 함량이 사용자가 지정한 설정값 이하로 떨어지면 관개 밸브를 여는 데 사용할 수 있습니다. 그 결과 소량의 물을 자주 뿌릴 수 있으며, 토양 수분 고갈 속도에 따라 관개 빈도가 자동으로 조정됩니다. 이 관개 방식은 식물이 사용하거나 증발로 인해 손실되는 물을 자동으로 대체하여 식물이 가뭄 스트레스에 노출되지 않도록 합니다. 식물이 실제로 필요로 하는 양의 물로 관개함으로써 물 사용량과 침출을 크게 줄일 수 있습니다. 따라서 값비싼 재활용 관개 시스템이나 유출수를 모으기 위한 대형 연못을 사용하지 않고도 오염을 최소화할 수 있습니다.

정말 효과가 있나요?

이 관개 방식을 테스트하고 피튜니아가 잘 자라기 위해 얼마나 많은 물이 필요한지 확인하기 위해 5~40% 범위의 기질 수위에서 피튜니아를 키웠습니다. 데이터 로거에 연결된 기질에 EC-5 프로브를 사용하여 관개를 제어했습니다. 묘목을 이식한 후 처음 9일 동안은 식물이 자리를 잡을 수 있도록 모든 기질에 물을 충분히 공급했습니다. 그 후, 관개 시스템을 통해 20일 동안 기질 수분 함량(5~40% 범위의 처리)을 유지한 다음 식물을 수확했습니다.

저희의 관개 시스템은 전체 연구 기간 동안 매우 우수한 성능을 보였습니다(그림 1). 특정 용기의 기질 수분 함량이 관개 설정점까지 마르자마자 자동 관개 시스템이 해당 트레이에 관개를 시작했습니다. 기판의 수분 함량은 일반적으로 설정점보다 약간 높게 유지되었습니다.

관개를 위한 기질 물 설정점이 높을수록 더 자주 물을 주어야 했습니다. 기질 수위가 높아짐에 따라 관개 양이 증가했지만 어떤 처리에서도 침출은 발생하지 않았습니다. 가장 큰 식물도 실험의 마지막 20일 동안 650mL(약 21온스)의 물만 공급받았습니다. 물 사용량이 가장 많았던 처리의 일일 물 사용량은 식물이 작았을 때 15~20mL/식물/일(1큰술 조금 넘음)에서 실험이 끝났을 때 45mL/식물/일(3큰술)에 불과했습니다.

그림 1. 실험이 진행되는 동안 기판의 수분 함량. 관개는 EC-5 프로브를 사용하여 제어되었으며, 기판 수분 함량이 관개 설정점 아래로 떨어질 때마다 소량의 물이 자동으로 기판에 추가되었습니다. 설정 포인트는 5~40% 범위의 8가지 처리가 있었습니다.

식물 성장은 기질 수분 함량이 증가함에 따라 증가했지만 25, 30, 35, 40% 처리 간에는 거의 차이가 없었습니다(그림 2 왼쪽, 3). 식물 성장은 식물이 받는 물의 양과 높은 상관관계가 있었으므로(그림 2 오른쪽), 기질 수분 함량에 따라 관수를 조절하는 것이 빠르게 신장하는 식물의 성장을 제어하는 데 적합한 방법일 수 있습니다.

A graph showing the effect of the substrate water content (left) and the total irrigation volume (right) on the dry weight of petunias. Controlling irrigation by controlling the substrate water content proved to be an effective way to control plant growth — 그림 2. 기질 수분 함량(왼쪽)과 총 관수량(오른쪽)이 피튜니아의 건조 중량에 미치는 영향. 기질 수분 함량을 조절하여 관수량을 조절하는 것이 식물 성장을 효과적으로 제어할 수 있는 방법임이 입증되었습니다.

재배자는 이 기능을 어떻게 사용할 수 있나요?

여러 브랜드의 온실 제어 시스템에서 EC-5 프로브를 측정할 수 있으며, 이러한 측정값을 기반으로 관개를 자동화하는 데 사용할 수 있습니다. 재배자는 제어 시스템 제조업체에 문의하여 이러한 프로브를 측정할 수 있는지 확인해야 합니다. 독립형 컨트롤러를 선호하는 재배자를 위해, 재배자가 설정한 설정점 아래로 기질 수분 함량이 떨어질 때 식물을 관개할 수 있는 컨트롤러를 개발하기 위해 Brower Electronics Laboratories(노스캐롤라이나주 피츠버러)와 협력하고 있습니다. 또한 이 컨트롤러를 통해 재배자는 관개 기간과 후속 관개 사이의 최소 기간을 설정할 수 있습니다.

토양 수분 프로브로 관개를 전환할 준비가 되지 않은 재배자는 METER의 휴대용 계량기 또는 데이터 로거와 함께 EC-5 프로브를 사용하여 식물 물 수요에 대한 유용한 정보를 얻을 수 있습니다. 휴대용 측정기를 사용하면 재배자는 화분 일부에 센서를 배치하고 기질의 수분 함량을 주기적으로 측정할 수 있습니다. 데이터 로거는 데이터를 무선으로 컴퓨터로 전송하여 그래픽 디스플레이를 통해 기질 수분 함량의 변화를 실시간으로 모니터링할 수 있습니다. 이 기술을 사용하면 재배자는 식물에 필요한 물의 양을 훨씬 더 잘 파악할 수 있고 더 나은 관개 결정을 내리는 데 도움이 될 것입니다.

플랜트 품질 개선

가까운 미래에 재배자들은 센서를 사용하여 관개를 자동화하여 식물에 효율적으로 물을 주고 식물의 품질을 개선할 수 있을 것으로 보입니다. 이 기술은 현재 사용 가능하며 사용 지침이 개발되고 있습니다. 하지만 그 다음 단계는 무엇일까요? 앞으로는 온실 내 작물의 위치(예: 냉각 패드 또는 팬과의 근접성), 재배 식물 수, 환경 요인에 따라 물 사용량이 어떻게 변화하는지를 더 잘 파악하고자 합니다. 흥미로운 새로운 개발 사항은 최신 5TE 프로브가 기질 EC와 수분 함량을 모두 측정할 수 있다는 것입니다. 이를 통해 재배자는 관개와 시비를 동시에 제어할 수 있습니다.

마크 반 이에셀은 조지아 대학교([email protected])의 화초 재배학 교수입니다. 자세한 내용은 마크 반 이에르셀의 관개 자동화 웹사이트(www.hortphys. uga.edu/irrigationcontrol.html)에서 확인할 수 있습니다.

스테파니 버넷은 메인 대학교의 화훼 조교수입니다([email protected]).

연구 자금을 지원해 주신 프레드 글렉너 재단(Fred C. Gloeckner Foundation)에 감사드립니다.