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관개 관리 - 올바른 관개 관리가 생각보다 쉬운 이유

몇 년 전, 브라이언 홉킨스와 닐 한센이라는 두 과학자로부터 브리검 영 대학교(BYU)의 공인 스포츠 필드 관리자 및 잔디 잔디 연구 및 교육 프로그램과 협력하여 재배 중인 스포츠 잔디에 대한 관개 관리 문의 전화를 받았습니다. 그들은 관개 컨트롤러 고장 등과 같은 어려운 상황에서도 성능을 최적화하기를 원했습니다. 우리는 함께 뿌리 영역의 물을 집중적으로 조사하기 시작했습니다.

시간이 지남에 따라 관개 및 성능 데이터를 수집하면서 잔디 및 기타 작물의 관개 관리를 위한 새로운 중요 모범 사례를 발견했는데, 여기에는 '토양 수분 잠재력' 측정이 포함되었습니다. 토양 수분 잠재력 센서와 기존의 토양 수분 함량 센 서를 결합하여 잔디의 성능을 높게 유지하는 데 필요한 노력을 줄이면서 물 비용을 절감하고 질병 발생 가능성과 통기성 저하를 줄였습니다. 또한 과도한 물 공급으로 인한 뿌리 부분의 침출 손실을 최소화하여 시비 비용도 절감했습니다.

토양 수분 기반 관개 관리로 모든 작물의 수확량, 품질 및 수익 증대

이 글에서는 잔디와 감자를 예로 들어 수분 전위 및 수분 함량 센서의 데이터를 결합하는 방법을 보여드리지만, 이러한 모범 사례는 관개 과학자, 농업 경제학자, 작물 컨설턴트, 야외 재배자 또는 온실 재배자가 재배하는 모든 유형의 작물에 적용됩니다. 아이다호주의 한 감자 재배자는 수분 함량 센서에 수분 전위 센서를 추가하여 물 사용량을 38% 줄였습니다. 그 결과 감자 100파운드당 물 비용(펌핑 비용)이 줄어들어 1년 동안 13,000달러를 절약할 수 있었습니다. 하지만 이것이 전부는 아닙니다. 수확량은 8% 증가했고, 일반적으로 발생하는 썩음이 거의 사라지는 등 작물의 품질도 개선되었습니다.

토양 수분 잠재력이란 무엇인가요?

간단히 말해서 토양 수분 잠재력은 토양에 있는 물의 에너지 상태를 측정한 것입니다. 과학적으로 복잡하게 정의되어 있지만 토양 수분 잠재력이 무엇인지 이해하지 못해도 이를 효과적으로 사용할 수 있습니다. 사람의 체온계가 사람의 편안함(및 건강)을 나타내는 것처럼 '식물의 편안함'을 나타내는 일종의 식물 온도계라고 생각하면 됩니다. 다음은 관개 최적화의 관점에서 토양 수분 잠재력의 개념을 설명하는 비유입니다.

오후에 썰매를 타던 두 아이가 얼음으로 뒤덮인 오두막으로 돌아왔습니다. 그들은 서둘러 불을 피워 몸을 녹이고 몸을 말렸습니다. 편안하게 지낼 수 있도록 통나무를 계속 추가했지만 곧 오두막 안은 후끈 달아올랐습니다. 더위를 식히기 위해 불을 꺼버렸고, 그들은 곧 추위에 떨었습니다. 분명히 그들은 오두막을 따뜻하고 편안하게 만드는 데 필요한 통나무의 '양'에 대한 근본적인 이해를 놓치고 있었던 것입니다.

1800년대 후반 위스콘신 대학교의 워렌 S. 존슨 교수에게도 비슷한 문제가 있었습니다. 학생들이 편안하게 지낼 수 있도록 아래층 용광로에 석탄을 넣을 관리인을 찾는 일은 정확하지도 않고 시간도 많이 걸리는 일이었습니다. 그는 각 석탄 조각에 포함된 열량, 방의 크기, 이미 존재하는 열량을 계산하려고 할 수도 있었습니다. 하지만 그는 대신 온도 조절기라는 간단한 장치를 발명했습니다. 이 발명품은 지하실의 온도와 종을 이용해 방이 쾌적함을 위한 최적의 온도 범위 아래로 떨어지면 관리인에게 석탄을 더 넣으라고 알려주는 장치였습니다. 이 온도 조절기는 오늘날까지도 존슨 컨트롤의 주요 제품이 되었습니다.

식물의 성장을 위한 토양 물 관리는 이러한 이야기와 많은 유사점이 있습니다. 관개용 물을 관리할 때 종종 식물이 힘들어하는 것을 인지하고 다시 편안하게 만들기 위해 물을 추가하는 경우가 있습니다. 문제는 오두막집의 소년들처럼 상한선이 어디인지, '얼마나 많은' 물이 충분한지 모르기 때문에 너무 많은 물을 넣는다는 것입니다. 그런 다음 토양이 마를 때까지 다시 건조하게 놔둡니다. 이 사이클은 계속해서 반복됩니다. 어떤 경우에는 갈색 반점이 생기는 것을 두려워하여 토양을 포화 상태에 가깝게 유지하는데, 이는 물 낭비이며 식물에 해롭습니다. 많은 관개 관리자는 토양 수분 함량 센서를 설치하면 이 문제를 해결할 수 있다고 생각하지만 이는 잘못된 생각입니다. 이 접근 방식은 불에 장작을 추가하는 것과 비슷한 문제가 있습니다.

수분 함량 센서는 토양에 '얼마나 많은' 물이 있는지만 알려줄 수 있습니다. 그 양이 식물에 최적의 양인지 여부는 알려주지 못합니다. 토양 수분 전위 센서는 이러한 정보를 제공합니다. 수분 전위를 사용하면 온도와 마찬가지로 토양에 있는 물의 에너지 또는 식물이 사용할 수 있는 토양 물의 양을 알려주는 매개 변수를 측정할 수 있습니다.

토양 수분 잠재력을 이해하는 것은 생각보다 쉽습니다.

누구나 온도에 대해 잘 알고 있습니다. 우리는 의사 결정을 내리기 위해 끊임없이 온도를 확인하지만, 그 과정에서 시스템의 에너지 상태라는 온도의 복잡한 정의에 대해 생각해본 적은 거의 없습니다. 우리는 단순히 온도가 우리의 편안함에 어떤 의미인지 알고 있을 뿐입니다. 우리는 단위(도)가 열역학 제3법칙과 어떻게 연관되어 있는지 알지 못한 채 온도를 이해합니다.

토양 수분 전위는 식물 스트레스 지표입니다.

우리는 종종 감자 재배자들과 협력하여 관개 관리를 최적화하기 때문에 감자 관개 데이터를 통해 이 점을 설명하지만, 잔디 및 기타 작물에도 동일한 원칙이 적용됩니다. 그림 2는 40헥타르의 밭에서 6개의 다른 위치에서 감자 수확량을 보여줍니다. 분명한 것은 감자 식물이 스트레스 범위(-100kPa 이하)에 오래 머무를수록 수확량 손실이 커진다는 것입니다.

이 개념은 모든 식물에 동일하게 적용됩니다. 물론 잔디의 목표는 생산량과는 달리 일관되고 견고하며 안정적인 경기장을 만드는 것이지만, 그 개념은 동일합니다. 잔디를 적정 수위 범위 내에서 관리하면 뿌리 부분의 물과 공기가 적절히 균형을 이루게 되어 잔디가 더 건강해집니다. 또한 질병을 최소화하고 영양분을 보존할 수 있습니다. 그리고 물을 절약하고 경기 표면의 품질을 향상시킵니다. 다른 작물도 마찬가지입니다. 식물을 최적의 구역으로 유지하면 식물이 더 건강해져 품질과 수확량이 높아집니다. 오늘날의 어려운 담수 상황을 고려할 때, 이는 수자원 보존에 도움이 되는 강력한 도구입니다.

토양 수분 잠재력을 측정하기 어렵나요?

역사적으로 토양 수분 잠재력을 측정하기 어려웠다는 이유로 관개 관리를 위해 토양 수분 잠재력을 사용하는 것을 거부하는 사람들도 있습니다. 하지만 더 이상 그렇지 않습니다. 수년에 걸쳐 토양 수분 잠재력을 측정하는 많은 장치가 개발되었지만 일반적으로 부정확성, 낮은 반복성, 실망스러운 수명과 같은 문제점을 안고 있었습니다. 하지만 대부분의 기술이 그러하듯, 기술의 발전으로 이러한 문제점이 많이 극복되었습니다. 저희는 잔디와 기타 작물에 이러한 차세대 센서를 설치해왔으며 많은 것을 배웠습니다.

토양 수분 잠재력만으로 관개를 제어할 수 있나요?

모든 식물은 토양 수분 전위와 식물의 성능 또는 행동 사이에 밀접한 관계가 있습니다. 관개를 제어하기 위해 토양 수분 전위를 측정하는 것은 어떨까요? 온도 조절기 온도를 설정할 때도 마찬가지입니다. 난방이나 냉방에 얼마나 많은 에너지가 필요한지 알려주지는 않지만, 온도 임계값을 설정하면 쾌적함을 느낄 수 있습니다. 흙에서도 똑같이 할 수 있나요? 예, 물을 충분히 오래 틀어 놓으면 수전위를 쾌적 범위의 상단으로 되돌릴 수 있으며, 이는 일반적으로 수행됩니다.

하지만 몇 가지 잠재적인 문제가 있습니다. 첫째, 센서가 필요하다고 판단하는 정확한 시간(플레이 도중이나 증발량이 많은 경우 등)에 관수를 하지 않을 수 있습니다. 둘째, 일부 토양은 물을 뿌린 시점과 수분 전위가 '적정 수준'으로 돌아오는 시점 사이에 지연 시간이 발생할 수 있으므로 얼마나 많은 물을 뿌릴지 알기 위해 사용량을 파악하는 것이 도움이 될 수 있습니다. 그렇기 때문에 최적의 관개 관리를 위해 수분 함량과 함께 수분 전위를 측정해야 합니다.

수분 함량만으로는 관개 시기를 알 수 없는 이유는 무엇인가요?

수분 함량은 토양에서 측정하기 쉽기 때문에 많은 사람들이 관개 일정을 잡는 데 사용하지만 때때로 어둠 속에 남겨질 수 있습니다. 그 이유를 알아보기 위해 현장에서 수집한 몇 가지 데이터를 살펴보겠습니다. 그래프가 복잡해 보이더라도 걱정하지 마세요. 집중해야 할 중요한 사항을 설명해 드리겠습니다.

그림 5의 정기적인 스프링클러 관개 시 토양 수분 함량 추이를 생각해 보세요. 여름 내내 수분 함량이 3%밖에 떨어지지 않으므로 토양에서 자란 식물은 스트레스를 받지 않았다고 결론을 내릴 수 있습니다. 수분 함량이 얼마나 높은지(거의 30% 이상)를 보면 이러한 결론을 정당화할 수도 있습니다. 그러나 더 많은 정보 없이는 체온을 유지하는 데 필요한 통나무의 수를 알 수 없듯이, 식물이 편안하게 지내는 데 필요한 물의 '양'을 알 수 없다는 점을 기억하세요.

그림 6의 토양 수분 잠재력을 보세요. 동일한 지점에서 측정한 값입니다! 일부 지점은 여름 내내 스트레스 범위에 머물러 있습니다. 이 특정 사례의 경우, 관리자는 문제를 인식하지 못했고 심지어 현장을 보지 않고 센서에 문제가 있을 수 있다고 제안했습니다. 저희는 현장을 방문하여 센서가 정확하다는 것을 확인했습니다. 그는 이제 여러 개의 토양 수분 전위 센서를 설치했으며 관개 관리를 최적화하기 위해 다른 어떤 측정보다 먼저 센서를 신뢰하고 있습니다.

토양 수분 전위는 토양이 물을 얼마나 단단히 붙잡고 있는지를 측정하는 척도입니다. 수분 전위(또는 장력)가 너무 강하면 식물은 물을 사용할 수 없습니다. 그림 6에서 스트레스 상태를 쉽게 확인할 수 있지만 수분 함량에서는 명확하지 않습니다(그림 5).

정밀한 관개 관리를 위해 수분 함량과 토양 수분 잠재력을 결합하는 방법

마지막 예의 관리자는 결국 관개 관리를 위해 수위 잠재력을 사용했지만, 무거운 토양을 작업하는 사치도 누렸습니다. 다른 예를 살펴봅시다. 우리는 ASTM 사양(F2396 - 11)의 모래 기반 운동장에서 자란 고성능 잔디의 뿌리 영역 위와 아래에 센서를 설치했습니다. 이를 통해 달력 기반 관개와 센서 제어 관개의 효과를 확인할 수 있었습니다.

여름 내내 표준 달력 기반 관개, 고정 건조 기간(토양 수분 잠재력 기준), 마지막으로 극한 건조 기간의 세 가지 기간(그림 7 참조)으로 나누어 평가를 진행했습니다. 다음 세 그림은 각 테스트에 대한 데이터를 자세히 보여줍니다.

이 특정 잔디밭의 뿌리 영역은 약 15cm이므로 수분 함량 센서와 장력 센서를 각각 6cm와 15cm에 설치하고, 25cm에 단일 수분 함량 센서를 설치하여 뿌리 너머로 씻겨 내려가 낭비되는 물을 확인했습니다.

수분 함량을 사용하여 '가득 찬' 지점을 결정합니다.

그림 8에 표시된 데이터를 검토하기 시작했을 때 달력 관개가 과도한 관개를 초래한다는 것을 알았습니다.

토양 수분 전위는 0kPa에 가까워졌습니다(예, 안전 지대보다 높으면 문제가 발생할 수도 있습니다). 그리고 관개를 할 때마다 뿌리 영역(25cm) 아래의 수분 함량이 급격히 증가했습니다. 분명히 우리는 다시 전화를 걸어야 했습니다. 우리의 목표는 장력을 최적의 범위(-20~-100kPa)로 맞추고 25cm의 수분 함량을 평평하게 유지하는 것이었습니다.

센서 출력을 주의 깊게 관찰하면서 고정 건조 기간 체제에서 볼 수 있는 것처럼 최적의 관개를 향해 나아갔습니다. 그림 9는 7월 20일에 토양 수분 전위를 식물을 위한 최적의 범위로 되돌리면서 25cm 수분 함량을 급상승시키지 않을 정도로만 관개한 것을 보여줍니다. 따라서 뿌리 영역 아래로 물이 손실되지 않았습니다. 수분 함량에서 해당 뿌리의 6cm와 15cm에서 일일 물 흡수량도 확인할 수 있습니다. 관개를 하고 장력을 편안한 범위로 되돌렸을 때 25cm 수분 함량이 증가하지 않는 것이 최적의 높은 수준이었습니다. 6cm 수분 함량 센서를 사용하여 관개의 최대 지점을 알려주었습니다. 이 특정 토양에서는 수분 함량이 약 15%임을 알 수 있습니다.

토양 수분 전위를 사용하여 "비어 있는" 지점을 결정합니다.

반대로 "비어 있는" 지점은 토양 수분 잠재력을 사용하여 결정했습니다. 9월에는 식물이 더 이상 물을 흡수하지 않을 때까지 물을 내려보냈습니다.

그림 10에서 25cm의 수분 함량이 움직이지 않는 것을 볼 수 있습니다. 9월 5일 6cm 수준에서 잔디는 물을 더 이상 흡수하지 않습니다(매일 떨어지지 않음). 토양 수분 전위가 너무 높아서 식물은 토양에서 물을 흡수할 수 없습니다. 그리고 물 흡수가 멈추면 흐린 날(실제로는 흐린 날이 아니었지만)이 아니라고 가정하면 이 지점이 토양 수분 잠재력의 최고 수준 또는 잔디가 휴면 상태에 들어가는 '비어 있는' 지점(-500kPa)이라는 것을 알 수 있습니다. 이는 우리가 절대 접근하고 싶지 않은 범위입니다. 우리는 식물을 -20~-100kPa의 편안한 범위로 유지하고자 합니다. 최적의 범위 아래로 떨어지면 물을 주어야 할 때라는 것을 알 수 있습니다.

최적의 관개 체제를 결정하는 방법

이 두 가지 측정값을 합치면 놀라운 일이 일어났습니다(그림 11). 토양에 있는 물의 양(수분 함량)과 토양 수분 포텐셜을 결합하여 물 포위(물이 비어 있는 상태에서 가득 찬 상태로 전환하는 데 필요한 물의 양) 또는 이 잔디밭에 적용해야 하는 최대 물의 양을 계산할 수 있었습니다.

그림 11은 토양에 뿌려야 하는 최대 물의 양을 보여주기 위해 가득 찬 양동이를 사용하여 이 개념을 설명합니다. 그 이상은 비료 등과 함께 '양동이 꼭대기'를 넘어 낭비될 것입니다. 그림 10에서 빈 양동이(이 지점 근처에는 가고 싶지 않음)는 식물이 더 이상 물을 얻을 수 없는 장력 -500kPa에 해당하는 토양 수분 함량으로, 관련 수분 함량은 8%입니다. 물 봉투는 (수분 함량 차이) * (뿌리 깊이) 또는 이 경우 (16% - 8%) * 0.15m = 12mm의 관개수가 됩니다.

12mm의 물은 잔디밭에 뿌려야 하는 최대 물의 양입니다. 하지만 최적의 성능을 위해서는 -100kPa까지만 떨어뜨려야 합니다. 이 특정 토양에서 이는 약 12% VWC(용적 수분 함량) 또는 4% VWC의 변화와 6mm의 물 관개에 해당합니다. 따라서 단순히 적정 범위를 확인하는 것 외에도 최적 범위의 하단에서 상단으로 이동하는 데 필요한 물의 양을 조절할 수 있습니다.

관개 관리 간소화

관개 관리를 위해 수분 함량과 함께 수분 잠재력을 측정하면 시간과 비용을 절약할 수 있습니다. 왜 그럴까요? 올바른 정보를 제공하기 때문입니다. 오두막의 비유로 돌아가서, 우리는 불을 지피기 위해 장작을 몇 개 넣었는지 아는 것만으로는 오두막에서 편안하게 지낼 수 있을지 알 수 없습니다. 마찬가지로 토양에 물이 얼마나 있는지, 즉 수분 함량만으로는 식물이 자라기에 최적의 수분 상태인지 알 수 없습니다. 토양 수분 함량과 결합된 토양 수분 전위는 최적의 성능을 위한 정확한 만수점과 공수점을 제공합니다. 수분 잠재력이 작물의 적정 범위 또는 최적 범위를 벗어나면 물을 추가해야 한다는 것을 알 수 있습니다. 그리고 얼마나 많은 물을 추가해야 하는지도 정확히 알 수 있습니다. 이 두 가지 측정값을 결합하면 과잉 관개로 인한 문제로 시간과 비용을 낭비하지 않고도 완벽한 물과 양분 관리에 사용할 수 있는 강력한 도구가 됩니다.

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