05 노지 스마트팜 구축을 위한 적정 관개기술 연구 사례
- 센싱 및 모델링을 통한 적정 토양수분관리 -
김 민 영
농촌진흥청 국립농업과학원 / 농업연구사
최 용 훈
농촌진흥청 국립농업과학원 / 박사후연구원
1.
머리말흙과 물은 인류생존에 없어서는 안 되는 중요한 자원이자, 식량안보의 불안정, 기후변화에 대한 적응과 완화, 천연자원의 훼손과 고갈 등 범지 구적인 문제를 풀어나가기 위한 핵심요소이다. 세계식량기구(FAO)에 따 르면 현재 69억 명 인구는 향후 2050년에는 91억 명으로 증가할 것이며, 이는 보다 많은 식량수급과 다양한 식단에 대한 끊임없는 요구로 반영될 것이라고 보고하였다(FAO, 2011). 하지만, 식량생산을 위한 기반인 농경 지와 수자원은 부문별한 개발, 이상기후 등으로 인해 가용할 수 있는 부분 이 점점 줄어들고 있어, 이를 해결하기 위한 생산적이고 지속가능한 기반 마련을 위한 노력이 그 어느 때보다 절실하다.
국제물관리연구소(International Irrigation Management Institute) 의 보고에 따르면 2025년 세계 인구의 물 수요를 충족시키기 위해서는 22%의 수자원이 더 필요하며, 안정적인 식량생산을 위해서는 17%의 관 개용수가 더 필요하게 될 것이라고 한다. 한정된 자원인 물의 이용효율을 높이기 위해서는 필요한 시기에, 필요한 곳에, 필요한 만큼만 이용하는 적정관개기술 개발과 이를 활용한 관개계획이 필요하다.
농사를 잘 짓기 위해서는 작물의 생육단계와 재배지역의 토양조건을 반영한 관개기술이 중요하다. 작물이 필요로 하는 수요량보다 많은 관개 는 토양침식을 가중시킬 뿐만 아니라, 물의 이동과 함께 영양분의 용탈, 비점오염원(농약, 퇴비 등)의 유출로 지표수와 지하수의 오염을 발생시킬 수 있다. 반면, 필요수량보다 적게 관개할 경우는 농작물의 생산량과 품 질이 떨어질 수 있다(정, 2007).
그림 1. 모니터링 위치 및 토양 수분 측정 위치(전북 고창군)
적정 관개계획을 수립하기 위해서는 현재의 작 물 재배환경, 즉 토양, 기상, 작물의 상태를 파악 하는 것이 가장 중요하다. 그리고 습득된 정보를 바탕으로 해서 언제, 어느 만큼의 물을, 어디에 줄 것인지를 판단을 하고, 적절하게 관개시스템 을 운영하거나 농업인에게 관련된 정보를 제공해 야 한다. 토양수분량, 증발산량, 작물 수분보유량 을 산정하는 방법은 현장에서 정보를 직접 획득 하거나 수치모형을 이용해서 산정하는 방법 등이 주로 사용되고 있다. 현장에서 직접 측정하는 방 법은 접촉식 방법(Tensiometer, TDR/FDR, 수 액흐름센서, 엽온센서 등)과 측정매체를 손상시 키지 않는 비접촉식 방법(다중분광계, 마이크로 파 라디오미터 등)으로 구분할 수 있다. 수치모형을 이용하는 경우 물수지 방정식 등을 기반으로 한 예 측모형들(SALTMED, FAO-AquaCrop, SSEBop 등)도 많이 개발되어 왔다. 이러한 과학적인 방법 에 IT기술을 결합한 스마트 농업시스템이 시설원 예와 축산분야를 중심으로 많이 진행되고 있으 나, 아직 노지 물관리에 대한 기술개발은 미흡한 실정이다. 따라서 본 호에서는 농촌진흥청 국립 농업과학원에서 수행한 노지 작물재배를 위한 스 마트 물관리 기술과 관련한 연구사례를 소개하고 자 한다.
2.
밭 토양수분의 공간변이성을 고려한 관개 의사결정 지원토양은 매우 불균일한 상태로 존재하기 때문에 동일한 구획의 밭에서도 위치에 따라 토성, 공극 율, 보수력, 침투율, 유기물 함량, 온도, pH, EC 등 토양의 물리·이화학적 특성이 서로 다르다. 토 양에서 수분의 이동은 다양한 토양 특성의 영향 을 받으며, 이에 따라 요구되는 관개량도 변화한
다. 따라서 밭에서 물관리를 잘하기 위해서는 토 양수분함량의 공간적 차이를 이해하고 반영할 수 있어야 한다.
토양수분의 공간적 변이를 일반적인 시료분석 으로 파악하기에는 시간과 노력이 많이 소요되기 때문에 텐시오미터, Time Domain Reflectometry (TDR), 전기저항식 센서, 중성자 수분측정기 등 다양한 수분 측정 센서들이 개발되었다. 시판되 는 센서를 이용하여 밭의 토양수분을 측정하는 경우에 측정 위치와 센서의 설치개수 등은 관개 계획보다 먼저 고려되어야 할 것이다. 또한 한정 된 수량으로 밭의 토양수분을 대표할 수 있는 최 적화된 위치에 설치하기란 쉽지 않다. 일반적으 로 경사지를 제외한 평지의 경우 밭 포장 가운데 위치가 토양의 평균특성을 가진다고 가정하고 그 지점에 센서를 설치한다. 본 연구에서는 토양수 분변이를 고려하지 않는 일반화된 측정방법이 가 질 수 있는 문제점을 살펴보고, 적정 관개계획을 위한 공간변이분석의 중요성에 대해서 논의하고 자 한다.
본 연구에서는 2015년 9월부터 11월까지 고창 군의 가을배추 재배밭을 대상으로, 1) 한 개의 고 정센서를 배추밭 중앙지점에서 배추와 배추 사이 에 설치하고, 표토 아래 10 cm 부분을 배추 재배 기간 동안 30분 간격으로 측정하였고, 2) 한 개의
그림 2. 토양 수분의 공간적 분포 분석 (GS
+프로그램: 크리깅 방법 사용)
휴대형 토양수분센서를 이용해서 주 1회 간격(총 7회)으로 밭 포장을 8 m × 10 m 간격의 격자형 지점의 표토 아래 10 cm 부분을 측정하였다.
밭 포장 내 고정센서를 이용해서 연속적으로 측정한 자료를 보면, 그림 2에서 보는 바와 같이 3차 측정시기인 9월 30일에 토양수분값이 최소 로 나타났으며, 이후 7차(10월 21일), 1차(9월 16 일), 6차(10월 12일), 2차(9월 23일), 5차(10월 8일), 4차(10월 2일) 순서로 높은 값을 보였다.
그러나 격자형으로 토양수분함량을 측정하고, 통 계학적 공간보간기법인 크리깅(Kriging) 방법을 적용한 결과를 보게 되면 7차 측정한 값이 가장 낮은 것으로 나타났다. 본 연구결과는 하나의 지 점(고정식 센서)을 선정하여 획득한 값은 해당 밭 의 토양수분을 대표하기에는 부족하며, 토양수분 함량의 시공간 분석을 통해서 그 변화를 시각적 으로 확인하고 반영하여야만 적정 관개계획을 수
립할 수 있다는 사실을 뒷받침 해준다.
재배기간 동안 농업인은 관행적인 방법에 따라 물을 주었는데, 비가 오지 않는 시간이 일주일 정 도 지속되면 물을 주었으며, 밭 전체에 동일한 양 의 물을 관개하였다. 이렇듯 과학적인 근거 없이 경험에 의존해서 물을 주다보니 관개효율이 떨어 질 뿐만 아니라, 과습에 의한 피해도 발생하였다.
그림 2를 보면 밭의 과습한 부분(A), 적습한 부분 (B), 건조한 부분(C)이 일정 구간에 걸쳐 나타나 는 것을 확인할 수 있다. 이는 국민안전처(2015) 에서 제시한 밭의 유효수분현황에 따른 가뭄 등 급을 나타낸 것으로, 밭포장의 일정부분 배수가 지체되거나 원활하지 못한 것을 나타내준다. 이 러한 정보는 농업인에게 관개시설 운영시 해당부 분의 관개를 제외하거나 관개량을 조정한다거나 하는 의사결정을 할 수 있게 도움을 줄 수 있을 것 이다.
그림 4. 실측치와 APKAN 모의 결과 비교(좌: 가을배추(노지), 우: 봄배추(비닐멀칭)) 토양수분변화량=
(강우량+관개량+모세관 상승량)-(증발산량+유출량+침투량) 그림 3. APKAN의 물수지 방정식
3.
토양수분예측모델을 이용한 적정 관개계획우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로 토양수분 을 예측하고, 산정하는 방법에 대한 많은 연구들 이 진행되고 있다. 대표적인 수문모델링 기법에 는 SWAT, HSPF 등이 있으며, 인공위성영상이 나 항공사진 등을 분석해서 토양수분함량을 예측 하는 방법 등 다양한 연구들이 수행되고 있다. 수 문 모형과 이미지 기반의 분석 자료는 유역 및 일 정 크기의 지역 등 광범위한 지역에 대한 값으로 제공되기 때문에 광범위한 지역의 가뭄 상태를 진단 할 수는 있으나, 소규모 밭의 관개 계획을 수립하는 데는 정확도가 떨어질 뿐만 아니라, 이 러한 방법은 실제 농사를 짓는 농업인에게는 매 우 낯설고, 직접 사용하는데 많은 어려움이 있다.
Excel 기반의 농경지 물 및 질소수지를 예측 하는 모델(Assessment Program for Korean Agricultural Environment, APKAN)은 이러 한 농업현장의 문제를 해결하기 위해 만들어졌다 (서명철 등, 2012). 기상청의 실시간 자료와 농촌 진흥청의 흙토람 토양데이터를 기본적인 자료로 사용하며, 모델 내 증발산량 계산에는 FAO의 Penman-Monteith 방식을 이용한다. 작토층 내 작물이 유용할 수 있는 수분함량(∆S)을 물수 지 방정식을 통해 계산하며(그림 3), 토양 내 물 의 이동뿐만 아니라 질소 수지를 분석하는 기능 까지 포함하고 있어 이를 활용한 시비관리도 가 능하다.
APKAN모델은 30 cm 토양층을 균일한 토양 으로 가정하고 있으나, 앞서 살펴본 바와 같이 토 양은 매우 이질적인 매체이기 때문에 다양한 특 성을 가진 토양의 경우 정확한 결과를 얻을 수 없 다. 게다가 우리나라의 밭은 이랑과 고랑으로 이 루어진 두둑형태의 재배를 주로 하며, 비닐로 지 표를 피복하는 경우가 많다. 재배작물 및 지역특 성에 따라 두둑의 형태가 다르고, 피복재를 사용 함에 따라 토양 내 물이 어떻게 이동하는지 정확 하게 구현할 수 있는 모델은 국내·외 어디서도 찾 아볼 수 없다. 따라서 본 연구에서는 노지재배 작 물을 대상으로 해서 국내의 재배환경을 반영하여
그림 5. 농가현장 및 모니터링/제어 장치
더 정확한 토양수분예측 및 관개계획모델을 개발 하고자 하였다.
현재 배추 재배지를 대상으로 비닐멀칭을 한 경우와 하지 않은 경우 토양수분변화를 모니터링 하고, 그 결과를 바탕으로 APKAN모델을 보완하 고 있다(그림 5). 실측 데이터와 APKAN 모의 결 과를 비교하면 가을배추 밭의 일별 백분율 오차 (percent error)는 –20.3%∼22.1%의 범위이며, 오차제곱합(Sum of Squares error)이 672.07 로 나타났다. 봄배추 밭의 일별 백분율 오차는 –31.6%∼28.70% 범위이며, 오차제곱합이 1,167.77 로 나타났다. 비닐멀칭을 하지 않은 노지 밭에서 는 토양수분의 증가, 감소 경향을 비교적 잘 모의 한 반면, 비닐멀칭을 한 밭의 경우에는 그렇지 못 했다. 이는 비닐멀칭으로 인한 증발량 및 침투량 등의 변화를 모델에서 반영하지 못하기 때문인 것으로 판단된다.
본 연구는 향후 다양한 형태의 두둑과 비닐피 복을 한 포장을 대상으로 많은 실증시험을 하고, 획득한 자료를 바탕으로 기존의 APKAN모델을 보완할 예정이다. 뿐만 아니라 기존에 농업인이 직접 입력해야 하는 기상 및 위치정보를 지리정 보시스템(GIS)을 이용해 데이터베이스화 시켜, 농업인이 밭 포장 주소만 입력하면 위치, 지형,
기상, 토양정보 등 모델 구동에 필요한 모든 입력 정보를 자동으로 연계하여 적정 관개계획에 필요 한 관개시기, 관개량 등의 정보를 제공하는 웹 (web) 기반의 관개계획모델을 개발할 예정이다.
4.
토양 및 기상정보를 기반으로 한 노지 스마트 관개시스템요즘 화두가 되고 있는 스마트 농업이란 노동 집약적이고, 전통적인 생산방식에서 벗어나 정보 통신기술, 생명공학기술, 나노기술 등 첨단기술 과의 융합을 통해 고품질 농산물을 생산하고, 영 농편리성을 증대하며, 더 나아가 환경오염을 최 소화하는 방법이다. 시‧공간의 제약 없이 언제 어 디서나 작물 생장을 관측하고, 필요한 제어를 할 수 있어야 할 뿐만 아니라, 현장에서 수집되는 데 이터를 바탕으로 최적의 작물 생육환경을 구축하 는 일련의 과정을 포함한다.
미래 성장 동력인 농업·농촌의 경쟁력 강화를 위해 정부를 중심으로 이루어지고 있는 ‘스마트 팜’은 2017년 스마트 온실 4천 ha, 축사 700호를 육성하고 노지 농업에 확대 적용할 계획을 가지 고 있다. 시설원예와 축사에 비하면 노지 스마트 팜과 관련된 요소기술 개발은 아직 초기 단계이
<양방향 모니터링 및 제어> <데이터 관리 시스템>
그림 6. 노지 스마트 관개시스템 구성도
그림 7. 원격 모니터링 및 제어를 위한 모바일 앱(예)
다(농축산식품부, 2016).
이에 농촌진흥청 국립농업과학원에서는 ICT 기술을 이용하여 노지 재배지의 물관리를 정확하 고 편리하게 하기 위한 노지 스마트 관개시스템 을 개발하였다. 개발된 시스템은 실시간으로 토 양 및 기상정보를 수집하여 관개 시스템이 자동 으로 운영되거나, 원격으로 관개 시스템을 제어 할 수 있는 시스템이다. 전북 정읍시과 고창군에 위치한 농장을 대상으로, 지난 2년간(2014년~
2015년) 블루베리 재배토양의 수분함량을 두 가 지 타입의 센서(고정식, 이동식)를 이용하여 측정 하고, 토양수분함량 변화에 따른 블루베리 수확 량과 품질을 분석하여 적정 관개기준(최저·최고
수분량, 관개시기, 관개량 등)을 설정하였다. 뿐 만 아니라 블루베리 재배용 상토 내 물의 이동특 성을 분석하여 적정 관개패턴을 결정하였다. 이 러한 연구를 통해 얻어진 결과들은 관개시스템 운영을 위한 제어알고리즘 개발에 활용하였다.
본 연구에서 개발된 노지 블루베리 스마트 관 개시스템은 기본적으로 CDMA 무선통신을 이용 하여 데이터를 송수신하며, 전자밸브, 무접점 릴 레이 등을 사용하여 제어알고리즘에 따라 펌프를 On/Off 시키게 된다. 뿐만 아니라, 관개이력과 관련된 데이터를 분석하여 향후 작물에 필요한 관개 요구량을 예측하여, 필요한 용수량을 자동 으로 확보하는 기능을 추가하였다.
시스템 설정에서 재배시기(블루베리의 경우:
맹아기, 개화(만개)기, 비대기, 수확기, 수확기 이후 등)에 따라 적정 토양수분함량을 사용자가 입력할 수 있으며, 관개 방법도 작물 필요수량을 한 번에 공급하는 방법, 시간 간격에 따라 나누어 공급하는 방법 그리고 일정 구역별로 다르게 주 는 방법 등 농업인의 설정에 따라 유동적으로 운 영할 수 있다.
자동 제어 시스템을 운영하는 과정에서 예기치 못한 문제들이 발생할 수 있다. 시스템에서 계속 적정 수분 함량이 아니라고 판단하는 경우에는 과다관개가 될 수 있고, 반대의 경우에는 과소 관 개될 가능성이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위 하여 일일 최대/최소 관개 횟수와 원하는 시간대 에만 관개가 가동되는 시스템을 설정할 수 있다.
또한 강우와 같이 갑작스런 기상 변화를 대비하 여 강우 발생시 즉각적으로 시스템을 중단하거나 강우 예보에 따라 지체 시간을 부여하는 시스템 등 현장 상황에 따라 탄력적으로 시스템이 운영 될 수 있도록 하였다. 뿐만 아니라 기상청에서 제 공하는 자료를 바탕으로 작물 증발산량을 자동으 로 산정해주며, 해당 정보를 농업인에게 제공함 으로써 최적의 관개를 유지할 수 있도록 지원하 는 기능을 포함하고 있다. 이렇듯 모바일 앱과 인 터넷 웹페이지를 통해 농장의 토양수분변화, 기 상정보, 관개시설 운영정보 등 작물 재배에 필요 한 정보를 습득할 수 있으며, 원격으로 모든 시스 템을 제어를 할 수 있다.
개발된 시스템을 농가현장에 적용하여 성능평 가를 실시한 결과 농업용수가 31.0% 절약되고, 관개소요 노동력이 95.0% 절감되는 것으로 나타 났다. 또한 블루베리 수확량은 34.0% 증가되었 고, 과경은 8.7% 증가하였으며, 과중은 25.4%가 증가하는 등 전반적으로 생산성이 크게 향상되었
다. 시기별 적정 수분관리를 통해 경도는 3.6%
증가하였고, 생리적 낙과율도 10.4% 저감되었다.
토양 및 기상자료를 기반으로 한 본 개발시스 템은 향후 작물의 수분스트레스까지 고려한 종합 적인 스마트 관개시스템으로 기능을 확대할 예정 이다. 또한 블루베리뿐만 아니라 다른 과수 및 채 소, 식량작물에까지 본 개발시스템을 적용해서 성능을 평가할 예정이다.
5.
마치면서우리 농업·농촌은 FTA 시장개방, 농업노동력 의 고령화, 밭 기반 시설의 정비 및 확충 미흡 등 밭 농업 지속가능성에 있어서 많은 장벽에 직면 하고 있다. 특히 시설원예와 다르게 노지재배의 경우 기상변화에 따라 생산량 및 품질의 변동이 심해서 수급조절 및 가격 안정이 어렵다. 뿐만 아 니라 농업용수 수요량은 매년 우리나라 총 수자 원 이용량의 약 50%에 해당하는 149억 톤이라는 매우 큰 비중을 차지하고 있음에도 불구하고, 가 뭄 등 이상기후의 빈발로 인한 물부족 문제에 이렇 다 할 실제적인 대책이 마련되지 못한 것이 현실이 다. 이로 인해 노지작물의 생산량 및 재배면적이 감소하는 등 안정적인 생산이 위협받고 있다.
노지 재배 작물의 생산측면에서 물관리는 작물 생육에 있어 가장 중요한 요소이자, 현장에서 농 민들이 어려워하는 작업 중 하나이다. 시시각각 변화하고 제어가 불가능한 외기환경에서 작물생 육에 적합한 물관리를 스마트화 함으로써, 수확 및 품질을 향상시키고, 농업용수를 절약하며, 영 농편이성을 향상시켜 노동 부담을 줄이는 등 경 쟁력 있는 농업·농촌의 토대를 마련하는 데 기여 할 것으로 사료된다.
사 사
본 논문은 농촌진흥청 국립농업과학원 농업과학 기술 연구개발사업(세부과제번호: PJ0100832016) 의 지원에 의해 이루어진 것임.
참고문헌
1. 국민안전처. 2015. 2015년 가뭄대비 관계부처 합 동지침.
2. Igor A. Shiklomanov. 1996. Assessment of water resources and water availability in the world.
World Meteorological Organization (WMO).
3. 서명철, 허승오, 손연규, 조현숙, 전원태, 김민경, 김민태. 2012. 일별 기상자료를 이용한 농경지 물 수지 및 토양수분 예측모형(AFKAE0.5) 개발. 한국 토양비료학회지, 45(6):1203-2010.
4. FAO. 2011. The state of the world’s land and water resources for food and agriculture (SOLAW) - Managing systems at risk. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome and Earthscan, London.
5. 정강호. 2007. 작물을 재배할 때 좋은 물관리 방법, 한국토양비료학회 토양과 비료, 29:19-28.
