점적관개 시 토성별 습윤·건조 특성 비교
김학진1*·손동욱1·허승오2·노미영3·정기열4·박종민1·이중용5·이동훈6
1부산대학교바이오산업기계공학과, 2농촌진흥청국립농업과학원농업환경부,
3국립원예특작과학원시설원예시험장, 4국립식량과학원기능성작물부,
5서울대학교바이오시스템소재학부, 6성균관대학교생명공학부
Comparison of Wetting and Drying Characteristics in Differently Textured Soils under Drip Irrigation
Hak-Jin Kim
1*, Dong-Wook Son
1, Seung-Oh Hur
2, Mi-Young Roh
3, Ki-Yuol Jung
4, Jong-Min Park
1, Joong-Yong Rhee
5, and Dong-Hoon Lee
61Department of Bio-Industrial Machinery Engineering, Pusan National University, Miryang 627-706, Korea
2National Academy of Agricultural Science, RDA, Suwon 441-857, Korea
3National Institute of Horticulture & Medicinal Crop, RDA, Busan 618-800, Korea
4National Institute of Crop Science, RDA, Miryang 627-803, Korea
5School of Biosystems & Biomaterials Science and Engineering, Seoul National University, Seoul 151-921, Korea
6School of Life Science and Biotechnologies, Sungkyunkwan University, Suwon 440-746, Korea
Abstract. Maintenance of adequate soil water content during the period of crop growth is necessary to support optimum plant growth and yields. A better understanding of soil water movement for precision irri- gation would allow efficient supply of water to crops, thereby resulting in minimization of water drainage and contamination of ground water. This research reports on the characterization of spatial and temporal variations in water contents through three different textured soils, such as loam, sandy loam, and loamy sand, when water is applied on the soil surface using an one-line drip irrigation system and the soils are dried after the irrigation stops, respectively. Water contents through each soil profile were continuously mon- itored using three Sentek probes, each consisting of three capacitance sensors at 10, 20, and 30cm depths.
Spatial variability in water content for each soil type was strongly influenced by soil textural class. There were big differences in wetting pattern and the rate of downward movement between loam and sandy loam soils, showing that the loam soil had a wider wetting pattern and a slower rate of downward movement than did the sandy loam soil. The wetting pattern in loamy sand soil was not apparent due to a low variability in water content (< 10%) by a lower-water holding capacity as compared to those measured in the loam and sandy loam soils, implying that the rate of water drainage below a depth of 30cm was high. When soils were dried, there were highly exponential relationships between water content and time elapsed after irrigation stops (r2≥0.98). It was estimated that equilibrium moisture contents for loam, sandy loam, and loamy sand soils would be 17.6%, 6.2%, and 4.2%, respectively.
Key words :capacitance sensor probes, soil texture, spatial and temporal variability, water content, water movement
서 론
최근지구의이상기후는예년과비슷한강수량을보
이지만강수량이매우높은연중편차를발생시켜지역 적으로나계절적으로홍수또는가뭄문제를발생시킨 다. 따라서지하수또는지표수의비점오염을최소화하 고 물의 사용효율을 최적화하는 연구에대한 요구는 과거에비해급속히증가하고있는실정이다. 작물재배 를 위한 적정 관수관리는 작물의수분스트레스와 물
*Corresponding author: [email protected]
*Received September 3, 2009; Revised October 21, 2009;
*Accepted November 17, 2009
사용량을최소화하면서작물생장에필요한양만적소·
적시에투입하는것을의미한다. 필요이상의과다관수
는토양침식을가중시키고물의이동과용탈에의해 지표수와지하수의오염을발생시킬가능성이있다. 반 면에관수량부족은재배작물의생산성과품질을저하 시킬수있다. 미세또는점적라인을이용하는정밀관
수(Precision irrigation)는 작물 근권부주변에만물을 공급할수있기때문에토양증발및지하배수에의한 손실이적으면서작물생육에필요한양만투입할수 있는 장점이있다. 이러한정밀관수를 위한 시스템은
센서를이용하여토양수분의함량또는퍼텐셜을측 정하여 변량 관수를하는 즉, 위치별, 시기별필요한
시기에 필요 수분 양을 투입하는 정밀농업(Precision
agriculture)개념을기반으로한다. 정밀관수시스템이효 율적으로사용되기위해서는작물의상태와토양종류 에따라관수시점(timing)과관수시간(duration)이결정 되어야 한다(Fares and Alva, 2000a, b). 국내의 경
우토양종류및작물재배시기별필요관수량처방기 준에관하여연구가진행되어왔으며최근에는토양수
분 자동제어 시스템개발을 위한 기초 연구(Lee 등,
2008)와수분함량측정을위한상용센서의검증(Hur
등, 2009) 등정밀관수를 위한기반연구가 활발히진
행되어왔다. 또한, 작물흡수를고려한토양수분분포 모델개발에 의한최적점적관수연구와산지사면에 서의토양수분감쇄특성분석 등토양수분에 최적관 개기술에 대한 연구도 활발히 진행되었다(Roh 등, 2000; Lee 등, 2005). 그러나, 관수에따라 토양수분 의변화특성이 토성별로어떠한차이가존재하는지에 대한실험적연구사례는아직까지보고되지않았다.
따라서, 점적관수 시토양내로침투하는 물의이동 형태를함수율의공간적, 시간적변이를토성별로파악 함으로써정밀관수를위한관수시간, 점적라인설치등 관수시스템 설계를위한기초데이터를얻고자본연 구를 수행하였다. 또한, 토양수분함량과토양수분퍼텐
셜의관계를나타내는토양특성곡선도구명함으로써토 성별수분과퍼텐셜의관계를검증하고자하였다. 이를
위해비닐하우스내에 다른토성을갖는 토양을격리 베드에인공적으로조성한후일정시간점적관수하였 을때토양내이동하는수분의시간·위치별변이를 조사하였고건조시토양수분함량과퍼텐셜의변화에 대하여그관계를조사하여토양특성곡선을구하였다.
재료 및 방법
1. 실험 토양 및 토조 구성
실험은사양토(Sandy loam), 양질사토(Loamy sand),
양토(Loam) 3종류를대상으로수행하였으며사양토는
실험현장인농촌진흥청국립원예특작과학원시설원예 시험장(부산광역시강서구강동동 20번지), 양질사토의 경우밀양강주변(경상남도밀양시가곡동남포리), 양 토는농촌진흥청국립식량과학원기능성작물부시험포 장 근처(경상남도밀양시 부북면제대리)에서 시료를 채취하였다. 채취한 시료는 10mm 체를 이용하여자 갈, 작물 뿌리 등을 제거하였고각 토성별약 1.5ton
의토양을시설원예시험장내의소형시험비닐하우스내 지면위에 나무판으로 제작된 격리베드(1m × 3m ×
0.4m, 가로 ×세로 ×높이)에충전하여각각다른토성
을갖는격리베드를조성하였다. 이후 2열점적라인을 이용하여 1주일간지속관수시킨후 20일간건조시켜
격리베드내의토양이다져지고용적밀도가최대한균 일한 조건이 되도록 하였다. 토양다짐 후 서로 다른 토성의정확한토양조성비를알고자실험전코어샘플 러를이용하여토양을채취하여국립식량과학원기능 성작물부에서피펫법을(Sieve-pipette method) 이용측
정하였다. 그 결과 Table 1과같이 세 가지 다른 토
성을갖는실험토조를구성하였음을확인하였다. 용적 밀도의경우똑같은다짐조건을이용하였음에도불구 하고서로다른특징을나타내었다. 즉, 양토의밀도가
Table 1. Textural properties of soils used in the study.
Textural class Textural properties (%) Bulk density
(mg·m−3) Porosity
(%, v/v) EC
(dS·m−1) Organic matter(%) Sand Silt Clay
Loam 27.1 48.9 24.0 1.42 46.33 ± 1.13 0.39 0.46
Sandy loam 62.4 28.9 8.66 1.28 51.70 ± 2.32 0.48 0.47
Loamy sand 73.8 19.8 6.40 1.15 56.55 ± 0.92 0.44 0.27
가장높았으며양질사토는약 1.28mg·m−3로가장낮 은값을나타내었다.
2. 점적관개 및 건조시험
실험은국립원예특작과학원시설원예시험장비닐하
우스에서 2009년 5~6월에실시하였으며작물은재배
하지 않았다. 토양수분거동 특성시험을 위하여 20cm
간격으로압력보상버튼이있는 점적관수튜브를베드
중앙에 설치하고 10, 20, 30cm 깊이의토양수분측정
이 가능한 축전형 Sentek 수분센서(Easy Ag, Sentek Co, Australia)를 점적위치에서 0cm, 좌우로 15cm 간 격으로대칭이 되도록센서를매설하였다(Fig. 1). 토 양수분퍼텐셜은 전기저항의 변화원리를 이용하는
(Thomson 등, 2006) Watermark 센서(Irrometer Co.
Inc., USA)를점적버튼부근에 20cm 깊이에설치하여
측정하고이웃하는수분센서의 값과비교하여퍼텐셜 과수분함량과의관계를구명하였다. 결과적으로베드
당수분함량 9지점, 수분퍼텐셜 1점으로하여세개의 베드에대해서총 30점의데이터를동시에측정하였다.
데이터수집은수분함량센서에서전송되는 SD-12 인
터페이스신호와수분퍼텐셜센서에서측정된저항신
호를 측정하는 데 적합한 DT80 범용데이터로거
(DataTaker Pty Ltd, Rowville, Australia)를 사용하여 동시 수집 및 저장이 가능하도록 하였다. 각 베드에
공급되는관수량은노즐하나당 32~43mL/min의유량
으로 120분간지속관수를진행하였으며데이터저장 은 1분마다이루어지도록하였다. 토양건조에따른수
분함량변화특성은점적관수실험이끝난후실험베드 에 관수없이 한달 동안 건조하면서 매시간 마다저 장된데이터를분석하여구명하였다.
결과 및 고찰
1. 토양 내 수분거동 특성
관수개시후토양 종류별시간에따른 수분의이동
은 Fig. 2에 나타난 바와 같이 토양의 종류에 따라
다르게 진행되는 것으로 나타났다. 양토의 경우(Fig.
2, left) 수분의 확산폭이 약 20cm로 약 10cm폭을
나타내는 사양토(Fig. 2, middle)에 비해 더 넓은 수
분전달형태를나타내었으며그만큼물의이동은중심 을따라사양토에비해천천히진행하였다. 하지만두
토양모두중심을따라대칭형태를유지하면서진행
하였다. 이러한 특징으로 인하여 Fig. 3의 관수개시
60분후의표층의젖은형태비교에나타난바와같이
사양토에비해양토에서물은넓게진행하였고표면층 에 상대적으로 물이 많이 고여 배수가 잘되지 않는 문제가존재하였다. 이와 같은 현상은양토의공극이 사양토에비해상대적으로작고, 불포화류의이동이빠
른데 비해 중력에 의한 포화류(Saturated flow)의 하
방이동이느림을의미한다.
양질사토(Fig. 2 right)내의 물은 관수개시후 30분 후에는중심을따라대칭을이루면서아래쪽으로움직 이는형태를나타내었지만 60분후부터는수분함량변
화가 명확하게 나타나지 않았다. 즉, 깊이 20cm,
Fig. 1. Photos of soil moisture and potential sensors and irrigation tubes installed in the experimental station (left) and sche- matic of the location of soil moisture sensors and universal data logger used in the study (right).
30cm에서의수분함량변화는 5~7% 정도로서양토와 사질양토에서측정된 20~25%의수분함량변화에비해 매우낮았다. 이러한특징은다른토양에비해상대적
으로높은함량의모래성분으로인해상대적으로낮은 수분보유력과낮은용적밀도에의한것으로판단되었
으며 포화류의이동이빨라 Fig. 3에나타난바와 같
이 표층에물이 고여지는 현상도없고 물의 젖은 형 태도스펀지와같이흡수형태를가지면서주변으로이 동하지않는특징이었다.
토양종류별 시간에따른수분 변화특성은 Fig. 4에
나타난바와같이관수지점밑의경우사양토와양토 는 깊이에 상관없이 잔류 수분함량 값이 양질사토에 비해 약 15~20% 높은 것으로나타났다(Fig. 4, left).
특히, 사양토의 경우 10cm, 20cm, 30cm 깊이 모두
30~60분내수분의포화가이루어졌으나양토의경우는
깊이 20cm에서 약 80분이 지난 후 수분함량 변화가
거의없었으며깊이 30cm에서는평형이나타나지않
아상대적으로깊은지점에서는물의이동속도가느린 것을 알 수 있었다. 양질사토는 깊이 10cm의 경우 관수 후 약 50분 경 15%의 잔류 수분함량 값이 얻
Fig. 2. Patterns of water movement in loam (left), sandy loam (middle), and loamy sand (right) soils in terms of change in moisture content at 30min (top), 60min (middle), and 90 min (bottom) after one-line drip irrigation.
Fig. 3. Views of wetting patterns on loam (left), sandy loam (middle), and loamy sand (right) soils at 90min after one-line drip irrigation.
어 졌으나 30cm 깊이에서는 변화가 거의 나타나지 않아 수분을보유하지 않는것으로나타났다. 이러한 현상은높은모래함량으로인하여대부분물이손실되 어 수분의 변화에 영향을 주지 않기 때문인 것으로 판단되었다.
관수개시점과관수종말점을고려하였을때사양토의
경우는 20cm 깊이에서관수시간 30분이지나포화수
분량에도달하는것으로나타난반면양토의경우는 80
분으로사양토에비해도달시간이길어졌다. 양질사토의 경우는포화수분도달시간은양토와같이약 80분으로
소요시간이길어지는특성을나타내었다. 하지만그값
의변화는 초기값에비해 10%로그값의 차이가상 대적으로낮아수분공급의효과를찾기어려웠다.
2. 토양건조에 따른 수분변화 특성
관수를종료후약 20일간온실 온도 20.9 ± 6.6oC,
습도 64.3 ± 23.4% 조건에서 측정된 토양 깊이별 수
분건조속도의특성은 Fig. 5에 나타난바와 같이시
험토양모두시간에따라지속적으로수분함량은감 소하여시간이지나면서물이동이거의 일어나지않 고 일정 값에 수렴하는경향을 나타내었다. 즉, 깊이
10cm와 20cm에서의 토양건조 특성은 유사하였으며
깊이 10cm의 경우 수분은대체적으로 15일정도 지
나수분함량의값의변화가거의없는것으로나타났 다. 하지만, 깊이 30cm의경우는 20일이지나도감소 경향이존재하였다.
깊이 10cm에서의시간에다른토양수분의감쇠특성
은 Table 2에 나타난바와 같이 절편이 있는 지수함
수로 근사시켰을경우 결정계수(r2) 0.98 이상으로높 은상관성을나타내었다. 이러한관계식을근거로안정 상태(steady-state)에서토양별수분함량은양토, 사양토,
양질사토 각각 17.6%, 6.2%, 4.2%로 예측되어 토성
에따라그값에차이가있음을확인할수있었다.
Fig. 6은토성별토양수분함량과수분퍼텐셜과의관
Fig. 4. Changes in water content measured in three different types of soils over time elapsed after irrigation at different depths of 10cm (left), 20cm (middle), and 30cm (right) from the soil surface.
Fig. 5. Changes in water content in three different types of soils over time elapsed after irrigation stop measured at depths of 10cm (left) and 30cm (right) from the soil surface.
계를나타내는수분특성곡선을보여준다. 그림에나타
난바와같이독립변수를수분퍼텐셜, 종속변수를수분 함량을하였을경우앞서서토양건조에따른수분함량 감쇠형태와 유사하게높은결정계수를갖는 지수함수 의형태를나타내었다. 얻어진지수함수근사식을이용
할 경우, 20kPa의 수분퍼텐셜의경우 양토는 25.7%,
사양토 16.9%, 양질사토의 경우 9.8%로 예측할 수
있었다. 이러한관계식은수분퍼텐셜을이용하여측정 하는재배시스템에서대응하는수분함량을예측하는데 유용한식으로사용될수있을것으로판단되었다.
적 요
본연구에서는정밀관수를위한관수시간, 점적라인 설치등관수시스템 설계를위한기초데이터를얻고 자점적관수시토성에따른 물의수분함량변화를공 간적, 시간적변이의차이를구명하였다. 20cm의간격
의노즐로설치된 1열점적관을이용관수하였을경 우양토와사양토내의수분은중심을따라대칭형태 를유지하면서이동하였으나수분확산폭은양토가더
넓고속도가느린경향을나타내었다. 상대적으로높은 모래성분 함량을 갖는 양질사토의 경우는 낮은 수분 보유력으로인하여위치별수분함량의변화는상대적 으로낮았으며그만큼물빠짐정도가 큰것으로나타 났다. 관수개시점과종말점을고려하였을때사양토의
경우 20cm 깊이에서 관수개시 30분 후에 수분의포
화가이루어졌으나양토와양질사토의경우는약 80분
이소요되어효율적인수분공급측면에서관수시간은
토성별로달리해야하는것으로나타났다. 깊이 10cm
에서의시간에다른 토양수분의감쇠특성은지수함수 의형태를나타내었으며토양별안정된상태에서의수 분함량은 양토, 사양토, 양질사토 각각 17.6%, 6.2%, 4.2%로예측되어토성에따라잔여수분함량은차이가 있음을확인하였다. 토양수분함량과토양수분퍼텐셜과
의관계를나타내는수분특성곡선은시험토양의경우 모두높은결정계수를갖는지수함수로근사가가능하 여수분퍼텐셜을이용하여측정하는재배시스템에서대 응하는수분함량예측에유용한관계식을얻었다.
주제어 : 물의이동, 사양토, 수분공간변이, 수분함량,
양질사토, 양토
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Table 2. Regression results between soil water content (Y) and time (X) for different textured soils.
Soil textural class Regression equation Coefficient of
determination (r2) Standard error of estimate (SEE)
Loam Y = 16.3e−0.145X+17.6 0.98 0.65
Sandy loam Y = 17.3e−0.141X+ 6.2 0.99 0.44
Loamy sand Y = 7.7e−0.176X+ 4.2 0.98 0.25
Fig. 6. Relationships between water tension (X) and volu- metric moisture content (Y) for different textured soils.
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