KR100807675B1 - 토양의 ｐＦ값의 측정방법 및 관수제어방법 및 관수제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 토양에서의 재배에 있어서 pF값에 의한 관수제어를 가능하게 하는 토양의 수분량을 측정하는 방법 및 장치, 그것에 의거하는 pF값에 의한 관수제어를 가능하게 하는 관수제어방법 및 장치를 제공하는 데에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 토양의 pF값(토양 수분장력)을 측정하는 방법으로서,
(a) 측정대상의 토양에 대하여 미리 pF값과 체적 함수율과의 상관관계를 구하고 ;
(b) 토양의 체적 함수율을 측정하고 ;
(c) 상기 공정(b)에서 측정된 토양의 체적 함수율의 값을, 상기 공정(a)에서 얻어진 pF값과 체적 함수율과의 상관에 의거하여 토양의 pF값으로 환산하는 것을 특징으로 하는 토양의 pF값의 측정방법 및 이와 같은 pF값의 측정에 의거하여 토양의 관수제어를 행하는 방법 및 장치에 관한다.

Description

토양의 ｐＦ값의 측정방법 및 관수제어방법 및 관수제어장치{SOIL PF VALUE MEASURING METHOD, AND IRRIGATION CONTROL METHOD AND IRRIGATION CONTROL DEVICE}
본 발명은 토양의 수분량의 측정 및 그것을 사용하는 재배방법 및 재배장치에 관한 것으로, 특히 토양의 관리를 용이하게 하여, 절수, 자원절약 및 노동력 절감을 가능하게 하기 위하여 토양의 수분량을 측정하고, 이것을 pF값으로 환산하여 토양의 pF값을 결정하는 방법 및 측정된 pF값에 의거하여 토양에 대한 물 또는 배양액의 공급을 제어하는 관수(灌水) 제어 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 또한 여기서 말하는 토양이란, 식물체의 뿌리, 지하줄기 등의 땅속 부위를 지지하는 것 일반을 가리키며, 이른바 「흙」외에, 모래, 돌맹이, 훈탄, 경석과 같은 고형배지 등도 포함한다.
토양에 있어서의 농작물의 재배에서는 토양의 함수량이 농작물의 성장에 크게 영향을 미치고 있기 때문에, 함수량이 높은 토지에서는 배수를 좋게 하고, 반대로 함수량이 낮은 토지에서는 관수를 하고 있으며, 또 계절적으로 비가 적은 시기에는 관수량을 많게 하는 등의 연구을 하고 있다. 이 때문에 농작물의 성장을 양호하게 행하도록 하기 위해서는 토양 중의 함수량을 정확히 알 필요가 있다.
또 양상추나 토마토 등의 고급야채 등을 재배하는 경우에는 밭으로 되어 있는 땅 등이 아니라, 예를 들면 야외(open-area) 시설이나 하우스시설 등에서 정밀하게 환경관리하면서 공장 생산적으로 재배할 필요가 있는 경우가 있다. 이와 같은 재배방법을 시설재배법이라 부르고 있다. 밭으로 되어 있는 땅 등에서의 재배에서는 토양에 대하여 비료 등으로 영양을 주는 한편, 작물에 대하여 물을 살포한다는 재배방법이 이용되고 있으나, 시설재배법에서는 모래, 돌맹이, 훈탄 등을 깔아 채워 배지로 하고, 이것에 관수에 의하여 영양수액을 준다는 양액(養液) 재배법이 바람직하게 이용되고 있다. 그러나 현실의 재배, 특히 양액재배에서는 반드시 최적의 관수가 이루어져 있지는 않은 것이 현재 상태이다.
양액재배는 크게 분류하면, 수경, 분무경 및 고형배지경(固形培地耕)의 3가지로 나누어지고, 그 중 고형배지경의 재배방식에서는 점적 관수(irrigation)가 많이 사용되고 있다. 이 점적관수의 방식에서는 일반적으로 타이머 등에 의한 자동관수가 주류이나, 반드시 최적의 관수가 이루어져 있는 것은 아니다. 이는 재배작물에 의한 배양액의 흡수량은 일사량이나 온실의 온도 및 습도 등에 좌우되기 때문이다. 예를 들면 일사량이 많아 온실의 온도가 높고, 습도가 낮으면, 재배작물으로부터의 증산량이 매우 많아진다. 또 반대로 비오는 날 등은 재배작물으로부터의 증산량은 감소한다. 또재배작물의 성장과정에 의하여 배양액의 흡수량이 크게 좌우되어 재배작물이 성장하면 배양액의 흡수량이 매우 커진다. 또 과실류 등은 어느 정도까지 성장하면 물의 공급량을 억제하여 재배하면, 당도가 높은 고품질의 것이 얻어지는 것이 알려져 있다. 그러나 타이머 등에 의한 자동관수에서는 이와 같은 재배작물의 환경조건 및 성장과정을 따를 수는 없고, 충실하게 따를 수 있도록 하기 위해서는 관수회수, 관수개시시각이나 관수시간을 날마다 다시 설정하지 않으면 안된다.
이것에서는 타이머 등에 의한 자동관수라고는 하여도 쓸모가 없어 최적 관수가 이루어지고 있는지의 여부가 의심스럽다. 이와 같은 이유때문에 타이머 등에 의한 자동관수에 있어서는 작물이 시들지 않도록 과잉으로 관수되고 있는 경우가 많고, 과잉관수에 의한 뿌리썩음이나, 배수량의 증대(즉 폐기되는 양액 및 물량의 증대) 등의 문제를 피할 수 없었다.
그런데 토양 중의 함수량과 농작물의 재배와의 관계를 보면 토양 중에 있는 물을 모두 농작물에 이용할 수는 없고, 예를 들면 흙속의 결합수는 농작물의 생육에는 이용할 수 없다. 또 날씨변화에 의한 토양의 함수량의 변화를 생각하면 큰비가 내렸을 때에는 토양에 물이 가득차게 되나, 그 후 물이 서서히 밑으로 빠져 나가, 토양의 함수량이 저하된다. 토양에 물이 가득찬 상태는 수경재배와 동일한 상태로, 통기성이 나빠 반드시 노지재배에 적합한 것은 아니다. 다음에 토양의 함수량이 저하되는 단계에서는 상당히 내려 가서 어느 한계 이하까지 저하되었을 때에는 뿌리가 물을 빨아 올릴 수 없게 되어 뿌리의 모관연락이 절단되게 되어 뿌리마름상태로 들어가게 된다. 이 상태가 되면 그 후에 물을 공급하여도 뿌리마름은 회복되지 않기 때문에 이 상태를 하한으로 하여 이것보다 높게 토양의 함수량이 유지되 도록 하는 것이 필요하다.
이와 같은 토양의 함수상태는 토양에 포함되는 물의 포텐셜에 의하여 결정되기 때문에, 농작물의 재배와 관계하는 토양의 함수상태는, 단순히 토양의 함수량으 로 나타내는 것은 적당하지 않다고 생각되고 있다. 따라서 토양의 물 포텐셜에 기초를 둔 함수상태를 나타내는 방법이 바람직하다.
그런데 토양의 함수상태를 나타내는 인자의 하나로「pF값」이 있다. pF값이란, 스코필드(R. K. Schofield)에 의해 1935년에 제안된 것으로, 토양의 물 포텐셜 내의 매트릭스포텐셜에 관한 지표값이다. 매트릭스포텐셜이란, 모관력, 분자간의 힘, 쿨롱의 힘 등의 물과 토양입자와의 상호작용에 의거하는 화학포텐셜의 저하량이다. 결국 매트릭스포텐셜이란, 토양입자가 물분자를 잡아 당기는 힘의 강약을 나타낸다. 물기둥 단위(cm)로 나타낸 매트릭스포텐셜의 절대치의 상용대수를「pF값」이라 부르고 있다. 물기둥(cm)의 단위로 나타낸 토양수의 포텐셜(φ)과 pF값은, pF = log(-10.2φ)의 관계에 있다.
pF값은 토양 중에 포함되는 물(양액재배에서는 배양액임)의 질을 나타내는 양이다. pF값이 0 근방인 경우는, 토양이 물로 채워져 있는 상태를 나타낸다. 강우나 관개의 24시간 후에 토양 중에 남은 수분(포장용수량)은 pF 1.7 정도로서, 여기서부터 작물이 시들기 시작하는 초기 시들음점(pF 3.8)까지가 유효수라 불리우고 있다. 그러나 작물의 생육은 초기 시들음점보다도 수분이 많은 시점에서 지장이 생기기 시작한다. 그것은 작물뿌리의 모관연락이 끊어져 작물의 뿌리로부터의 물의 이동이 멈추는 상태일 때로서, 이것을 모관연락절단점이라 부르며, pF 2.7 정도이다. 따라서 일반적으로 작물을 재배하는 경우, pF값은 pF 1.7 내지 pF 2.7 사이가 적합하다고 되어 있다. 이것으로부터, pF 1.7 내지 pF 2.7 사이의 수분을 역효수라 부르며, 토양에서의 농작물의 재배에는 이 pF 1.7 내지 pF 2.7의 역효수의 상 태를 유지하는 것이 필요하다. 또한 pF값 및 토양의 물포텐셜에 대해서는 예를 들면 문헌 「토양환경분석법」, 일본토양비료학회 감수, 토양환경분석법 편집위원회편, 우스도모사 간행, 1997년 제 1 쇄 발행, 48 내지 51페이지; 「흙의 환경권」, 이와다 신고 등 감수, (주)후지테크노시스템 발행, 1997년, 72 내지 76페이지; 「토양진단의 방법과 활용」, 후지와라 준로쿠로 외 저, 사단법인 농산어촌문화협회 발행, 1996년 72 내지 77페이지; 「최신토양학」, 히사우마 가즈다케 편, 아사쿠라서점 발행, 1997년 101 내지 107페이지; 등)에 설명되어 있다.
토양에서의 농작물의 재배에서는 이 pF값을 기준으로 하여 관수 등의 작업을 행하는 것이 바람직하다.
pF값의 측정법으로는, 야외에서 토양에 대하여 직접 행할 수 있는 측정법으로서 텐시오미터법(tensiometry)이 알려져 있다.
실제 재배에서의 관수제어에서 유효하게 사용할 수 있는 측정법으로서는 포장(圃場)에서 토양의 용수량을 그대로 측정할 수 있는 것이 아니면 안된다. 따라서 일반 포장에서는 텐시오미터법이 토양의 pF값을 간단하게 측정할 수 있는 방법으로서, 최적 관수 등의 관리를 행하는 데 사용되고 있다. 텐시오미터법이란, 질그릇 컵 (프로브)과 경질투명 염화비닐관으로 구성되는 텐시오미터를 토양 중에 매설하여 텐시오미터를 물로 채워 질그릇 컵(프로브)벽을 통하여 토양수분과 관내의 물을 수리적으로 연속시켜 토양의 매트릭스포텐셜과 관내의 압력을 평형상태로 하여 관내의 압력을 토양의 매트릭스포텐셜로서 판독한다는 것이다. 「텐시오미터법」의 상세에 대해서는 예를 들면 상기한 「토양환경분석법」, 59 내지 62페이지 등에 기재되어 있다.
그러나 종래 사용되고 있는 텐시오미터법은 그 자리에서 장치내로의 수분의 보급을 필요로 하기 때문에, 센서(텐시오미터)의 관리가 대단하여, 보다 간단한 방법, 또는 보다 간단한 장치로 토양의 pF값을 측정할 수 있도록 하는 것이 요망되고 있다. 또 토양이라도 그 질에 따라서는 텐시오미터법을 사용하기에 적합하지 않은 경우가 있다.
즉, 거친 입자로 이루어지는 토양, 예를 들면 양액재배 등에서 사용되고 있는 경석입자 등과 같은 거칠고 큰 다공질 표면을 가지는 입자의 고형배지에서는 이 텐시오미터법을 사용할 수는 없다.
이것은 배지가 거칠기 때문에 배지입자가 텐시오미터의 프로브 표면의 전체에 밀착되지 않고, 따라서 배지입자의 물이 프로브의 표면에 밀착되지 않기 때문에 정확한 측정을 할 수 없기 때문이다. 그 때문에 종래에는 거칠고 큰 입자의 고형배지경에서도 pF값에 의한 관수제어가 바람직하다고 하면서, pF값을 지표로 하는 관수제어는 전혀 행할 수 없었던 것이 실정이었다.
현재, 토양 중의 pF값을 직접 측정할 수 있는 방법으로서, 텐시오미터법을 대신할 방법은 발견되지 않았다.
그런데 토양의 보수성을 조사하는 방법으로서, 최근 주목되고 있는 방법 중에 토양의 유전율을 측정하여 이것으로부터 토양의 체적 함수율을 구하는 방법이 주목되고 있고, 전기펄스의 전파시간으로부터 토양의 유전율을 구하는 TDR(Time Domain Reflectometry)법, 전기펄스의 주파수영역에서의 특성으로부터 토양의 유전율을 구하는 FDR(Frequency Domain Reflectometry)법이 실용화되어 있다. 또 보다 간편하고 또한 저렴하게 토양의 체적 함수율을 측정하는 방법으로서 임피던스측정에 의한 ADR(Amplitude Domain Reflectometry)법이 제안되어 있다. 이들 방법에 대해서는 문헌(상기한 「토양환경분석법」, 62 내지 64페이지 ; Topp,G.C.et.al.(1980); Electromagnetic determination of soil water content:Measurements in coaxial transmission lines. Water Resources Research, 16, 574-582 ; 호리노 하루히코 ·마루야마 이포 (1993) : 3선식 프로브에 의한 토양수분의 TDR계측, 농업토목학회 논문집, 168, 119 내지 120페이지; 다츠미 기타히라 외(1996) : FDR 법에 의한 현지 토양수분의 측정, 농업토목학회 논문집, 182, 31 내지 38페이지; 나카지마 마코토 외(1997) : ADR 법을 사용한 토양수분량의 측정, 일본지하수학회 1997년 춘계강연요지집 18 내지 23페이지; 등)에 기재되어 있다. 특히 ADR법을 사용하면 측정이 매우 간편하고, 상관성도 높으며, 측정장치가 간단한 구조로서 보수가 용이하고, 취급도 용이하며, 연속적인 측정을 할 수 있어 이른바 메인트넌스가 자유롭다(maintenance-free). 그러나 이들 방법은 토양의 체적 함수율을 구하는 것이고, 토양의 pF값을 직접 구할 수는 없다.
본 발명은 텐시오미터법에 의하지 않고 토양의 보수성을 조사하는 방법을 이용하여 토양의 pF값을 측정할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
또 본 발명은 토양의 보수성을 조사하는 방법을 이용하여 즉시에 또한 연속적으로 토양의 pF값을 측정하고, 그 측정값을 사용하여 관수를 제어하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
또한 본 발명은 텐시오미터법 등으로 토양의 pF값을 직접 측정할 수 없는 경우에도 그 토양의 pF값을 측정할 수 있는 방법, 특히 연속적으로 측정할 수 있는 방법을 제공하고, 그 측정값을 사용하여 관수를 제어하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명은 또한 고형배지경에서의 양액재배에 있어서, 텐시오미터를 사용할 수 없는 토양, 특히 경석과 같은 다공질의 지름이 큰 입자의 경우에 있어서, 측정이 간단하고 또한 용이한 보수성의 측정방법을 이용하면서 pF값에 의한 관수제어를 가능하게 하는 토양의 수분량을 측정하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다. 또한 본 발명은 고형배지경에서의 재배에 있어서 pF값에 의한 관수제어를 가능하게 하는 관수제어방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명자는 상기한 목적을 달성하기 위하여 예의연구를 거듭한 결과, 상기한 ADR법 등에 의해 비교적 간단하게 측정할 수 있는 토양의 체적 함수율과 pF값 사이에 토양의 종류, 즉 토성(土性)에 의존하는 상관관계가 있는 것에 착안하여 미리 측정대상의 토양에 관한 체적 함수율과 pF값의 상관관계를 구한 다음에, 토양의 체적 함수율을 측정함으로써, 이것으로부터 pF값을 구하고, 이 값에 의하여 관수제어를 행할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명은 토양의 pF값(토양수분장력)을 측정하는 방법으로서,
(a) 측정대상의 토양에 대하여 미리 pF값과 체적 함수율의 상관관계를 구하고;
(b) 토양의 체적 함수율을 측정하고;
(c) 상기 공정(b)에서 측정된 토양의 체적 함수율의 값을 상기 공정(a)에서 얻어진 pF값과 체적 함수율의 상관에 의거하여 토양의 pF값으로 환산하는 것을 특징으로 하는 토양의 pF값의 측정방법을 제공한다.
도 1은 ADR법에 의한 측정계의 개요 설명도로서 (a)는 정면도, (b)는 평면도,
도 2는 실시예 1에서 행한 ADR법에 의한 시라스경석 토양의 측정에서의 센서의 출력전압과 체적 함수율(θ)의 관계를 나타내는 그래프,
도 3은 pF값과 체적 함수율의 상관관계(수분 유지곡선)의 측정에 사용되는 가압판법의 개요 설명도,
도 4는 수분 유지곡선의 측정에 사용되는 모래기둥법의 개요 설명도,
도 5는 배지의 체적 함수율과 pF값의 관계를 나타내는 그래프로서, (a)는 분말시료에 대한 그래프, (b)는 혼합시료에 대한 그래프, (c)는 경석시료에 대한 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예에서 사용한 관수 자동제어 재배장치의 개략을 나타내는 도면이다.
본 발명에 관한 방법은 토양의 체적 함수율을 측정하여 그 체적 함수율로부터 토양의 pF값으로 구한다는 개념에 의거하고 있다.
토양의 보수성은 다양한 인자로 나타낼 수 있고, 체적 함수율, pF값 등도 그 하나이다. 체적 함수율을 측정하는 방법으로서는 토양샘플을 채취하여 그 수분중량을 측정하는 중량법 등도 들 수 있으나, 현장에서 그 토양의 체적 함수율을 직접 측정하기 위해서는 샘플을 채취하여 측정하는 방법은 연속측정을 할 수 없는 등의 점때문에 사용할 수 없다.
토양의 체적 함수율을 포장의 현장에서 직접 측정하는 수단으로서 최근 특히 주목되고 있는 측정방법으로서, 전기펄스방식에 의해 토양의 유전율을 측정하여 토양의 체적 함수율를 구하는 방법이 있다. 이 방법은 토양의 소정의 범위를 측정하기 때문에 측정값에 변동이 적고, 측정작업도 간단하고 우수하다. 또 측정을 매우 빠르게 할 수 있어 연속측정이 용이하고, 전기적 출력신호와 체적 함수율의 상관성도 높은 것이다. 단, 이 전기펄스방식으로 측정할 수 있는 것은 토양의 체적 함수율이고, 이것에 의하여 식물이 이용 가능한 수분량의 지표인 pF값을 구하는 방법은 개발되어 있지 않다.
전기펄스방식의 대표적인 방법으로 TDR법이 있으며, 그 측정원리는 물의 비유전률이 81로서, 토양 고형물질의 비유전률인 약 4, 공기의 비유전률인 1과 비교하여 현저하게 커서, 토양의 외견상의 비유전률과 수분량 사이에 경험 상관이 성립하는 것을 이용하여 토양의 체적 함수율을 측정하는 것이다. 구체적 측정방법은 토양내에 2 또는 3 바늘의 평행전극을 꽂고, 그것에 마이크로파를 인가하여 그 간섭반사파의 전파시간을 측정한다. 전극의 길이를 L, 반사파의 전파시간을 t라 하면, 마이크로파의 전파속도(V)는, V = 2L/t 로 주어진다. 이론적으로 비유전률(Ka)은 마이크로파의 전파속도(V)의 2승에 반비례하기 때문에, Ka = (C/V)2에 의하여 비유전률을 구할 수 있다. 또한 여기서 C는 진공 중의 광속도이다.
유사한 방법으로서, 간섭반사파의 주파수영역에서의 특성으로부터 토양의 유전율을 구하는 FDR법도 있다. 이들 방법은 토양의 체적 함수율을 측정할 수 있어 본 발명 방법에서 이용할 수 있는 방법이다.
그러나 이들 방법은 펄스의 전파속도를 측정하기 위한 고가의 오실로스코프 등을 필요로 하는 결점이 있다.
최근 이들 방법에 필적하는 성능을 가지고, 또한 보다 간단하게 측정할 수 있는 방법으로서 ADR법이 개발되어 있다. 이 ADR법은 간단한 임피던스측정에 의해 간단하고 또한 저렴하게 토양의 체적 함수율을 측정하는 방법이다. 따라서 본 발명에 서 사용하는 데 보다 바람직한 방법이다.
ADR법은 토양의 비유전률(Ka)은 체적 함수율(θ)에 크게 좌우된다는 원리를 이용하여 Ka-θ의 관계로부터 θ를 구하는 것인 점에서는 상기한 TDR법 및 FDR 법과 동일하나, ADR법은 비유전률(Ka)의 측정수단으로서 고주파의 전기펄스가 토양 중의 프로브를 통과하여 왕복할 때의 전송선의 임피던스(Z)를 측정하여 Ka를 구하는 점에서 다르다.
도 1은 ADR법에 의거하는 토양수분센서(1)의 개요도이다. (a)는 그 정면도 이고, (b)는 평면도이다. 이 센서프로브는 본체부(2)에 100MHz의 시누소이드발진기, 동축 전송선구역 및 측정전자회로를 내장하고, 센서부(3)는 4개의 평행한 스테인레스제의 로드로 이루어진다. (b)에 나타내는 바와 같이 센서부(3)의 로드는 중앙의 1개가 신호로드(5)이고, 바깥쪽의 3개는 신호로드의 주위에 전기적인 차단을 형성하는 실드로드(shield rods)(6)이다. 이 센서부는 전송선의 부가적인 구역으로서 행동하며, 실드로드(6)에 둘러싸인 지름 26.5 mm의 범위에서의 토양의 유전율에 거의 의존하는 Z를 가진다.
발진기의 신호는 센서프로브속을 전송선을 따라 전파되고, 센서부(3)의 Z가 본체부의 동축 전송선에서의 Z와 다른 경우에는 소정 크기의 신호가 신호로드와 전송선의 접속부(4)로부터 반사되어 되돌아온다. 이 반사되어 되돌아오는 신호의 비율을 반사계수(ρ)라 한다.
반사계수는 입사파와 반사파가 간섭하여 생기는 전압 정재파의 원인인 입사신호, 즉 송전선의 길이에 따른 전압의 진폭에 간섭된다.
그리고 전송선의 초기의 피크전압(vo)과 접속부에서의 피크전압(vj)이 일정한 관계에 있도록 설계되어 있기 때문에 진폭의 차는 전송선의 임피던스와 토양 매트릭스 중에서의 프로브의 임피던스를 함수로 하는 관계식으로 나타낸다.
이 진폭의 차를 측정함으로써, 센서부의 상대적인 임피던스(Z)가 평가되어 다음 수학식 1
Figure 112002018103504-pct00001
에 의해 유전율(Ka)이 구해진다. 상기 수학식 1에서 r1과 r2는 신호전극과 차단전극의 반경이고, F는 형상인자이다. 구해진 토양의 비유전률(Ka)로부터 다음수학식 2
Figure 112002018103504-pct00002
의 경험식에 의하여 체적 함수율(θ)(m3·m-3)을 구할 수 있다.
또한 전압 정재파의 진폭은 토양수분이 많아지면(비유전률이 커짐) 작아지는 특성을 가진다. 이 경우 그 토양의 함수량을 따로 중량법 등에 의해 측정해 놓고, ADR법 등에서 측정을 행하여 그 출력신호값(예를 들면 출력전압)을 구하고, 상기한 토양의 함수량을 변화시켜 측정을 반복하면 토양의 함수량으로부터의 체적 함수율과 출력전압의 교정된 관계선을 얻을 수 있어 현장에서의 ADR법에 의한 측정으로 토양의 정확한 체적 함수율을 얻는 방법이 얻어진다.
이와 같이 하여 ADR법 등의 유전율에 의거하는 방법에 의해 토양의 체적 함수율을 구할 수 있다. ADR법에서의 센서의 출력전압과 체적 함수율(θ)의 관계를 도 2에 나타낸다. 양자에게 상관관계가 있음을 알 수 있다.
상기한 바와 같이 유전율에 의거하는 방법, 특히 ADR법에 의하면 간단하고 또한 용이하게 토양의 체적 함수율을 구할 수 있고, 또한 ADR법에서는 소정 직경의 원통형상부분의 토양의 평균 유전율의 측정에 의거하고 있기 때문에 센서의 프로브가 토양의 입자에 밀착하고 있지 않아도 좋고, 경석입자 등과 같은 입자가 거친 토양에 대해서도 체적 함수율을 측정할 수 있다는 이점이 있다. 또한 상기 및 하기에서는 ADR계에 의해 전압을 출력시키고, 이것에 의거하여 체적 함수율을 구하는 방법을 설명하고 있으나, 본 발명 방법에서는 ADR계에 의한 다른 출력신호값에 의거하여 체적함수율을 구하여도 좋고, 또는 TDR계나 FDR계와 같은 다른 형식의 센서의 출력신호값에 의거하여 체적 함수율을 구하여도 좋다.
그러나 이와 같은 측정으로 얻어지는 토양의 체적 함수율, 즉 함수량은 토양의 결합수 등의 식물이 이용할 수 없는 물의 양도 포함하고 있기 때문에, 식물이 이용할 수 있는 물의 양과 잘 대응하고 있는 pF값과는 다르다.
본 발명에서는 이와 같이 하여 ADR법 등에 의해 얻어지는 토양의 체적 함수율의 측정결과를 토양의 pF값으로 환산함으로써 토양의 pF값을 구한다.
토양시료의 매트릭스포텐셜(pF값)과 체적 수분율은 그 토양 성질에 의존하여 특유의 상관관계가 있으며, 이를 수분 유지곡선이라 한다. 토양시료의 수분 유지곡선, 즉 매트릭스포텐셜과 체적 수분율의 상관관계를 측정하는 방법으로서는 모래기둥법, 흡인법, 가압판법, 가압막법 등이 알려져 있다. 이들 방법 중, 모래기둥법을 제외하는 다른 방법은 모두 소정의 압력을 토양시료에 가하여 평형상태에 도달하였을 때의 흙의 중량을 측정함으로써 그 매트릭스포텐셜에 대응하는 체적 함수율을 구하고, 이것을 여러가지의 압력에서 행함으로써 그 토양시료에 대한 수분 유지곡선을 얻는다는 것이다. 또 모래기둥법은 토양시료에 압력을 가하는 대신에 모래기둥 위에 얹어 놓여진 토양시료에 소정의 위치포텐셜을 부가함으로써 동일한 측정을 행하는 것이다.
본 발명에서는 이와 같이 토양의 체적 함수율과 pF값 사이에 토성에 의존하는 상관관계가 존재하는 것에 착안하여 측정대상의 토양에 대하여 미리 수분 유지곡선(상관선)을 구하여 두고, 상기한 ADR법 등의 방법에 의해 구해진 토양의 체적 함수율의 값으로부터 상관선에 의해 그 토양의 pF값을 구한다. 또한 상관선은 표로 나타내었을 때에는 환산표에 의거하여도 좋고, 가능하면 근사식으로 하여도 좋다. 상관선에 의해 토양의 체적 함수율의 값으로부터 토양의 pF값을 구하는 방법으서는 예를 들면 미리 구한 상관선을 짜 넣은 연산장치에 ADR계의 출력신호를 입력하여 토양의 pF값에 대응하는 신호를 출력한다는 프로그램을 짜 넣은 마이크로컴퓨터 등의 연산장치를 이용하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
이하에 있어서, 토양에 대하여 체적 함수율과 pF값의 상관을 조사하여 관계선을 만들고, 유전율에 의거하여 그 토양의 체적 함수율을 구하여 작성된 관계선에 의거하여 구해진 체적 함수율로부터 토양의 pF값을 구하는 본 발명에 관한 방법에 대하여 설명한다.
먼저 체적 함수율과 pF값의 관계선(수분 유지곡선)을 만들기 위한 기초 데이터가 되는 토양의 여러가지 체적 함수율에 대응하는 pF값을 상기 기술에서 공지의 방법에 의해 구한다. pF값의 측정은 정확성이 필요하므로 실내에서 행하는 측정법을 채용한다. 공지의 실내에서 행하는 pF값 측정법으로서는 모래기둥법, 가압판법, 흡인법, 가압막법, 증기압법을 들 수 있다. 이 중에서 모래기둥법은 pF값이 0.5 내지 1.4의 범위, 가압판법은 pF값이 1.6 내지 2.7의 범위의 측정에 적합하다고 한다. 또 pF값의 측정방법으로서「원심법」이라는 방법도 제안되어 있으나, 이 방법은 아직 충분히 실용화되어 있지 않다. 따라서 pF = 1.7 내지 2.7의 이효수(easily available water)의 범위내에 토양의 함수량을 유지한다는 본 발명의 목적에 합치하는 방법으로서는 가압판법이 가장 적합하다고 할 수 있다. 그러나 모래기둥법 등의 다른 방법도 본 발명에서 사용할 수 있다.
예를 들면 가압판법에 의해 토양의 pF값을 측정하는 경우에는 다음과 같이 행한다. 먼저 도 3을 사용하여 가압판법의 기술내용에 대하여 간단하게 설명한다. 가압판장치(10)는 가압챔버(12)와 가압판(13)으로 구성되어 있고, 가압판(13)은 질그릇판(14)의 아래쪽에 스크린(15)을 끼우고, 그것을 고무막(16)으로 덮는 구조로 되어 있다. 가압챔버(12)에는 압력게이지(18)가 설치되어 있어 챔버내의 공기압이 판독된다.
물로 포화된 질그릇판(14)의 위에 토양시료(11)를 얹어 가압장치 연통관(17)으로부터 공기압을 가하면 그 공기압과 평형하는 매트릭스포텐셜보다 큰 포텐셜로 유지되어 있는 토양수는 질그릇판(14)을 통하여 배수된다. 토양수는 금속제 배수구멍(19)으로부터 내압튜브(20), 배수구(21)를 통하여 핀치콕(22)을 가지는 배수튜브 (23)로부터 배수빈(drain bin)(24)에 들어간다. 가압챔버(12)의 감압을 위하여 배기밸브(25)를 설치한다. 공기압을 단계적으로 바꿈으로써 각 매트릭스 포텐셜에 대응한 수분 유지량을 측정할 수 있다. 샘플의 토양은 그 공기압의 크기별로, 가압판별로 꺼내어 계량한다. 이 측정된 토양시료의 중량과 건조상태의 토양시료의 중량의 차를 산출함으로써, 함수량이 구해진다. 여기서 구해진 함수량은 그 때의 공기압에 대응하는 것, 즉 그 때의 수분포텐셜에 대응하는 것이므로, 소정의 pF값에 대응하는 함수량이 구해진다. 또 토양의 부피비중에 의거하여 체적 함수율도 구해지게 된다.
이 조작을 공기압을 단계적으로 바꾸어 반복하여 행함으로써, 여러가지의 pF값과 그것에 대응하는 체적 함수율과의 대비표가 작성된다. 표의 값을 가로축이 pF값, 세로축이 체적 함수율인 그래프에 플롯하면 수분 유지곡선이 얻어진다.
또 마찬가지로 토양의 pF값을 측정하는 방법인 모래기둥법의 원리를 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 모래기둥법장치(51)의 개요를 나타내는 도면이다. 통상 250㎛ 이하의 체를 통과한 가는 모래나 300 내지 180㎛로 입자지름을 조정한 석영모래가 사용된다. 사전에 물로 씻은 모래(52)를 컬럼에 충전하고, 콕(60)을 개방하여 급수구 (59)로부터 수돗물(58)을 유입시켜 모래를 물로 포화시킨다. 또한 컬럼의 바닥부에는 지지대(61) 및 브라스(brass) 스크린(62)이 배치되어 모래기둥을 유지하도록 되어 있다. 그리고 주위를 두들기는 등으로 하여 진동을 주어 입자배열을 안정시킨다. 모래기둥 상면으로부터의 증발을 막기 위하여 폴리에틸렌시트 또는 덮개(53)를 씌워 둔다. 토양채취원통(54)에도 덮개를 달아 두면 더욱 효과적이다. 토양시료(토양채취원통)(54)를 모래기둥(52) 위에 얹어 놓고, 가동식 배수구(55)의 높이를 모래기둥상단에 고정하여 토양시료(54)에 물을 포화시킨다. 다음에 가동배수구(55)를 소정의 위치까지 내리고 콕(56)을 개방하여 잉여수(57)를 배출함으로써, 모래기둥 중의 자유수면의 수위를 내리고, 이에 의하여 토양시료로부터의 탈수를 행하게 한다. 수위(L)는 수위계(63)에 의해 판독한다. 탈수가 완료되면 그 때의 토양시료의 질량을 측정하여 체적 함수율을 구한다. 이 시점에서의 토양시료의 매트릭스포텐셜(cm)은 토양시료의 두께를 1이라 하면, -(L + 1/2)로 나타난다. 이에 의하여 소정의 pF값에서의 토양시료의 체적 함수율이 구해진다.
이 조작을 수위(L)를 단계적으로 바꾸어 반복하여 행함으로써 여러가지의 pF값과 그것에 대응하는 체적 함수율과의 대비표가 작성된다. 표의 값을 가로축이 pF값, 세로축이 체적 함수율인 그래프에 플롯하면 수분 유지곡선이 얻어진다.
한편, 동일한 토양에 대하여 체적 함수율을 알 수 있었던 샘플에 관하여 예를 들면 ADR계로 그 출력신호값, 예를 들면 출력전압을 측정하여 출력전압과 토양의 체적 함수율의 교정된 환산표를 작성한다. 이 결과를 가로축이 출력전압, 세로축이 체적 함수율인 그래프에 플롯하면 도 2와 같은 관계선이 얻어진다.
이와 같이 미리 관계선을 작성하여 두고, 일반 포장의 현장에서 예를 들면 ADR계를 사용하여 토양의 함수량을 측정하면 제 1 공정으로서 ADR계의 출력전압으로부터 미리 작성된 출력전압과 체적 함수율과의 관계선에 의거하여 토양의 체적함수율이 구해지고, 다음에 제 2 공정으로서 구해진 토양의 체적 함수율로부터 미리 작성된 수분 유지곡선(체적 함수율과 pF값의 관계선)에 의거하여 토양의 pF값을 구할 수 있다.
상기한 2개의 관계선을 연산장치에 넣어 두면, 전자회로를 사용하여 ADR계의 출력전압의 신호로부터 그 토양의 pF값을 연산하여 그 수치를 디스플레이에 표시할 수 있어 측정작업이 매우 간편하게 된다.
또는 다시 그 연산에서 얻은 토양의 pF값의 신호를 관수장치의 제어회로로 보내어 관수장치의 급수장치를 작동시키도록 할 수도 있다.
본 발명의 방법에 의하면 종래 사용되고 있던 텐시오미터법에 비하여 훨씬 간편하게 토양의 pF값을 직접 또한 연속적으로 측정할 수 있고, 이 측정결과를 이용하여 관수제어를 행할 수 있다. 또 텐시오미터법에서는 경석 등과 같은 다공질 표면을 가지는 거친 입자로 이루어지는 배지에 대해서는 pF값의 측정을 행할 수 없었으나, 본 발명 방법에 의하면, ADR법 등과 같은 다공질 배지에도 적용 가능한 방법에 의해 체적 함수율의 측정을 행함으로써 pF값을 구할 수 있다.
또한 본 발명에서 pF값과 체적 함수율의 상관(수분 유지곡선)을 측정하는 방법으로서 사용되는 가압판법이나 모래기둥법 등에 의해서는 특수한 토양이나 배지, 특히 다공질 표면을 가지는 입자로 이루어지는 토양(배지)을 측정할 수 없다. 이는 예를 들면 배지로서 입자지름이 1 내지 5.6mm의 경석을 사용한 경우, 가압판법에서는 입자 사이에 압력을 가하여도 함유수가 연속되지 않기 때문에 정확한 pF값을 측정할 수 없기 때문이다. 즉, 경석입자 배지 등에서는 함유수가 연속하여 존재하지 않기 때문에 모관현상의 모관수가 연결되지 않으므로 정확한 pF값을 측정할 수 없다. 또 모래기둥법에서는 경석배지의 경우, 수액의 이어짐이 없기 때문에 정확한 pF값을 측정할 수 없다. 따라서 본 발명 방법에 의하여 다공질 표면을 가지는 입자로 이루어지는 토양에 대하여 pF값의 측정을 행하는 경우에는 연구가 더욱 필요하게 된다. 이하, 이 점에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명자들은 가압판법이나 모래기둥법에 의해 경석배지의 pF값을 측정할 수 없는지의 여부를 검토한 바, 거친 배지입자만의 시료에서는 pF값의 정확한 측정은 할 수 없으나, 거친 배지입자에 잔 배지입자를 혼합한 것에 대해서는 그 pF값을 측정할 수 있음을 알 수 있었다. 그리고 거친 배지입자의 토양시료와, 이 배지시료를 분쇄하여 작성한 배지미립자 시료를 준비하고, 또한 거친 배지입자의 토양시료와 배지미립자 시료를 혼합하여 분산시킨 혼합 토양시료를 준비하여 이 배지미립자 시료와 혼합 토양시료에 대하여 pF값의 측정을 행하여 얻어진 결과를 이하에 설명하는 「감산처리」과정을 거침으로써 거친 배지입자의 토양시료의 pF값을 구할 수 있음을 발견하였다. 이하에 있어서 이 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
먼저 거친 배지, 예를 들면 입자지름 1 내지 5.6mm의 거친 경석입자로 이루어지는 배지를 준비한다. 다음에 이 거친 입자배지를 분쇄하여 미립자로 한 배지미립자를 조제한다. 또 상기한 거친 경석입자와 배지미립자를 혼합하여 분산시킨 혼합 토양시료를 조제한다. 이 경우 거친 경석입자와 배지미립자는 동일 중량씩 혼합하는 것이 바람직하나, 반드시 동일 중량일 필요는 없다. 단, 그 경우에는 혼합중량비를 확인한다.
이와 같이 하여 얻어진 배지 미립자시료와 혼합 토양시료에 대하여 가압판법 등의 방법에 의해 pF값과 체적 함수율과의 관계, 즉 수분 유지곡선을 구한다. 이 방법에 대하여 이하에 설명한다. 이하의 설명에서는 편의상 거친 경석입자 배지시료를 시료 B, 거친 경석입자로부터 조제한 배지 미립자시료를 시료 A, 시료 A와 시 료 B를 혼합하여 얻어진 혼합 토양시료를 시료 C라 부르고, 가압판법에 의한 pF값 측정을 예로서 든다.
배지 미세분말로 이루어지는 시료 A는 가압판법에 의해 pF값을 측정할 수 있으나, 거친 경석입자 시료 B는 가압판법에 의해 pF값을 측정할 수 없다. 그러나 혼합 토양시료 C에서는 pF값을 측정할 수 있다. 이는 거친 입자의 간극에 잔 미립자가 들어감으로써 블로우 스루(blow-through)가 일어나지 않기 때문이라고 생각된다. 따라서 혼합 토양시료의 조제에 사용하는 배지 미립자시료의 입자지름은 미립자가 거친 입자의 간극에 들어가는 것이 바람직하다. 또한 미립자가 거친 다공질입자의 구멍에 들어가지 않을 정도의 크기일 필요가 있다. 이는 미립자가 거친 다공질입자의 구멍에 들어가면 거동이 변화되어 정확한 pF값을 계측할 수 없게 되기 때문이다. 일반적으로 미립자 시료의 입자지름은 50 내지 200㎛ 정도의 것이 바람직하나, 이 수치에 한정되는 것이 아니다.
상기한 바와 같이 거친 입자시료 B에 대해서는 pF값의 측정을 행할 수 없으나, 미립자 시료 A 및 혼합 토양시료 C에 대해서는 pF값의 측정을 행할 수 있다. 따라서 혼합 토양시료 C에 대한 측정결과와 미립자 시료 A에 대한 측정결과로부터 시료 B에 대한 측정결과를 이하에 설명하는 「감산처리」에 의해 구한다.
혼합 토양시료 C 및 미립자 시료 A에 대하여, 가압판법에 의하여 pF값과 체적 함수율과의 관계, 즉 수분 유지곡선을 측정한다. 이들 측정은 각 시료의 함수상태를 바꾸어 몇 가지로도 측정한다.
소정의 pF값에 있어서의 혼합 토양시료 C의 체적 함수율을 xc(v/v%), 소정용량의 혼합 토양시료의 함수량을 c(g)라 하면, 그 혼합 토양시료 중 미립자가 유지하는 물의 양[ca(g)]은 동일한 용량의 배지미립자 시료 A가 그 pF값에 있어서 가지는 함수량[a(g)]에, 혼합 토양시료 중의 배지미립자의 중량비율을 곱한 값이 된다. 즉, 상기 소정용량의 혼합 토양시료 중의 배지미립자의 중량을 zca(g), 동일 용량의 배지미립자 시료의 중량을 za(g)라 하면, ca = a ×(zca/za)가 된다. 다음에 혼합토양시료 C의 함수량[c(g)]로부터 혼합 토양시료 중의 배지미립자가 보유하는 물의 양 [ca(g)]을 빼면, 혼합 토양시료 C 중의 거친 입자가 유지하는 물의 양[cb(g)]이 구해진다. 즉, cb = c - ca가 된다. 그리고 이 물의 양을 혼합시료에서의 거친 배지의 비율로 나누면, 거친 입자배지 시료 B의 함수량을 산출할 수 있다. 즉, 동일 용량의 거친 입자배지 시료 B의 중량을 zb(g), 거친 입자배지 시료 B의 함수량을 b(g)라 하면, b = c ×(zb/zcb)가 된다. 이에 의하여 얻어진 거친 입자배지 시료의 함수량 b(g)으로부터 거친 입자배지 시료 B의 체적 함수율(v/v%)을 구할 수 있다.
상기의 측정에서는 시료는 전부 중량으로 측정되어 있다. 또한 혼합시료 중의 거친 배지입자가 그 주위를 배지미립자에 의해 둘러싸임으로써 거친 배지입자의 표면에서의 수분 포텐셜이 감소한다. 그러나 거친 배지입자가 다공질이기 때문에 배지미립자에 의해 둘러 싸인 표면적이 거친 배지입자가 전체로서 가지는 표면적에 비하여 근소한 것이기 때문에 (1/100 이하), 무시할 수 있을 정도의 것이다.
이와 같이 하여 구해진 거친 입자배지 시료의 체적 함수율은 그 pF값에 대응하고 있다고 생각할 수 있다. 그리고 이와 같은 측정/계산을 여러가지의 압력에서 반복하면 거친 입자배지의 체적 함수율과 pF값과의 상관관계(수분 유지곡선)를 작성할 수 있다.
또 마찬가지로 모래기둥법에 대해서도 거친 입자시료에 대해서는 수액의 이어짐이 차단되기 때문에 정확한 pF값의 측정을 할 수 없으나, 거친 입자를 분쇄하여 얻어지는 미립자시료 및 거친 입자시료에 이 미립자시료를 혼합하여 얻어지는 혼합 토양시료에 대해서는 정확한 pF값의 측정을 행할 수 있음을 알 수 있었다. 이것은 거친 입자의 간극에 미립자가 들어가 수액의 이어짐이 형성되기 때문이라고 생각된다. 따라서 모래기둥법에 의해서도 상기한 바와 같은 순서를 취함으로써 경석 등과 같은 거친 입자의 토양에 대해서도 pF값과 체적 함수율과의 관계, 즉 수분 유지곡선을 구할 수 있다.
이와 같이 하여 구해진 수분 유지곡선과, 상기한 방법으로 얻어진 ADR계의 출력전압값과 체적 함수율의 교정된 상관관계를 사용하여 ADR계로 토양의 측정을 행함으로써 그 체적함수율을 통하여 pF값을 구할 수 있다.
즉, 본 발명에 의하여 토양의 pF값을 측정하는 방법은 토양의 질에 따라 이하와 같은 구성을 취한다.
먼저, 통상의 토양에 대해서는,
(1) 측정대상의 토양에 대하여 가압판법이나 모래기둥법 등의 방법에 의해 pF값과 체적 함수율과의 관계인 수분 유지곡선을 구하고;
(2) 토양에 대하여 ADR법 등과 같은 전기펄스식 토양 유전율 측정법에 의해토양에서의 출력신호값(ADR법의 경우에는 출력전압)을 계측하여 출력전압과 체적함수율의 관계로부터 토양의 체적 함수율을 구한다. 또한 측정대상의 토양에 관한 출력신호값과 체적 함수율과의 관계(교정값)는 미리 구하여 놓고;
(3) 상기 (2)공정에서 구해진 체적 함수율로부터 상기 (1)공정에서 작성된 수분 유지곡선에 의거하여 토양의 pF값을 구한다라는 순서에 의해서 토양의 pF값을 측정한다.
또 경석 등의 거칠고 큰 다공질 입자의 토양에 대해서는,
(1) 측정대상의 거친 입자토양의 시료를 분쇄하여 미립자시료를 형성하고, 또거친 입자 토양시료와 미립자시료를 혼합한 혼합 토양시료를 형성하여, 동일 용량의 거친 입자 토양시료, 미립자시료 및 혼합 토양시료를 준비하여 그 중량을 계측한다. 다음에 미립자시료 및 혼합 토양시료에 대하여 가압판법이나 모래기둥법 등의 방법에 의해 pF값과 체적 함수율과의 관계인 수분 유지곡선을 구한다. 다음에 얻어진 결과로부터 상기한 「감산처리」에 의해 거친 입자토양에 대한 수분 유지곡선을 구하고;
(2) 토양에 대하여, ADR법 등과 같은 전기펄스식 토양 유전율 측정법에 의해토양에서의 출력신호값(ADR법의 경우에는 출력전압)을 계측하여 출력전압과 체적함수율과의 관계로부터 토양의 체적 함수율을 구한다. 또한 측정대상의 토양에 관한 출력신호값과 체적 함수율과의 관계(교정값)는 미리 구하여 두고;
(3) 상기 (2)공정에서 구해진 체적 함수율로부터, 상기 (1)공정에서 작성된 수분 유지곡선에 의거하여 토양의 pF값을 구한다라는 순서에 의해 토양의 pF값을 측정한다.
본 발명에 따라 상기에 설명한 바와 같이 토양의 수분량을 측정하는 방법에 의해 pF값을 구하고, 얻어진 pF값에 의해 관수를 제어함으로써 최적 조건하에서 작물의 재배를 행할 수 있다. 즉, 상기한 바와 같이 토양의 pF값을 일정시간마다 측정하고, 측정된 pF값과 목표로 하는 pF값을 비교하여 작물의 재배에 최적 조건인 pF 1.7 내지 2.7의 영역을 초과하지 않도록 관수 또는 배양액의 공급량을 제어할 수있다. 이는 예를 들면 목표 pF를 2.0으로 설정하여 이것보다 높은 pF값이 측정되면 관수 또는 배양액의 공급을 행하고, 이것보다 낮은 pF값이 측정되면 관수 또는 배양액의 공급을 정지한다는 방법에 의해 행할 수 있다.
또 본 발명은 이와 같은 관수제어를 행하기 위한 장치를 제공한다. 즉 본 발명의 다른 형태는 양액 재배장치에 있어서, 점적식 배양액 관수장치와, 배양액 유로밸브를 가지는 점적장치의 송출수량 제어수단과, 배지의 체적 함수율을 측정하는 체적 함수율 측정기와, 재배배지에 대하여 미리 구해진 pF값과 체적 함수율과의 상관관계가 도입되어 있고, 체적 함수율 측정기에 의해 측정된 배지의 체적 함수율로부터 pF값으로의 환산을 연산처리하여 체적 함수율 측정기의 출력결과에 의거하여 배지의 pF값의 신호를 출력하는 연산장치와, 이 연산장치로부터 출력된 pF값 신호에 의거하여 점적장치로의 송출수량을 제어하는 점적장치 제어수단을 가지는 것을 특징으로 하는 양액 재배장치를 제공한다. 또한 본 발명의 다른 바람직한 형태는 양액 재배장치에 있어서, 점적식 배양액 관수장치와, 배양액 유로밸브를 가지는 점적장치의 송출수량제어수단과, 배지에 삽입되는 프로브를 가지는 ADR계와, 재배배지에 대하여 미리 구해진 pF값과 체적 함수율과의 상관 및 ADR계 출력전압과 체적 함수율과의 상관관계가 도입되어 있고, ADR계의 출력전압으로부터 배지의 체적 함수율로의 환산 및 배지의 체적 함수율로부터 pF값으로의 환산을 연산처리하여 ADR계의 출력전압에 의거하여 배지의 pF값의 신호를 출력하는 연산장치와, 이 연산장치로부터 출력된 pF값 신호에 의거하여 점적장치로의 송출수량을 제어하는 점적장치 제어수단을 가지는 것을 특징으로 하는 양액 재배장치를 제공한다.
즉, 상기와 같은 관수제어를 행하는 방법을 실시하기 위한 장치로서, 점적식배양액 관수장치와, 배지에 삽입되는 프로브를 가지는 ADR계와, 이 ADR계의 출력전압에 따라 점적장치로의 송출수량을 제어하는 제어수단을 가지도록 구성하고, 고형배지경식 양액재배장치를 구성하여 ADR계의 출력전압에 대한 추종을 타이머에 의해 일정시간간격마다 행하도록 한 고형배지경식 양액재배장치를 구성할 수 있다. 또한 ADR계의 출력전압에 따라 점적장치로의 송출수량을 제어하는 것은 바람직하게는 대상의 재배배지에 대하여 미리 구해진 pF값과 체적 함수율과의 상관 및 ADR계 출력전압과 체적 함수율과의 상관관계를 연산장치에 미리 도입하여 두고, ADR계의 출력전압으로부터 배지의 체적함수율로의 환산 및 배지의 체적 함수율로부터 pF값으로의 환산을 연산장치에 의해 연산처리하고, ADR계의 출력전압에 의거하여 배지의 pF값의 신호가 출력되도록 구성하여 이 출력 pF값 신호에 의거하여 점적장치로의 송출수량을 제어하는 점적장치 제어수단을 설치함으로써 행할 수 있다. pF값의 측정값에 의거하여 배양액 유로밸브의 개폐도를 조정하는 주기에 대해서는 어느정도의 엄밀함으로 제어가 요구되고 있는지의 여부에 의존하고, 이것은 재배하는 작물의 종류 등에 의해서도 다르나, 일반적으로 10분 내지 2시간, 바람직하게는 10분내지 30분마다, pF값의 측정값에 의거하여 관수 또는 배양액 공급의 제어를 행하는 것이 바람직하다.
또한 상기한 측정에서는 체적 함수율을 구하는 방법으로서 ADR법을 사용하였으나, 유전율에 의거하여 체적 함수율을 측정할 수 있는 계량기이면 TDR계, FDR계 등, 그 밖의 측정 계량기를 사용할 수 있음은 상기한 바와 같다. 또 토양의 체적 함수율을 측정하는 방법은 유전율에 의거하는 계측방법이 아니더라도 토양의 체적 함수율을 포장에서 직접 측정할 수 있는 방법이면 본 발명에서 사용할 수 있다.
본 발명 방법에 의하여 pF값을 측정할 수 있는 토양은 이른바 상기한 토양이면 좋고, 또 다공질의 배지로서는 경석, 목탄 등을 들 수 있으며, 경석으로서는 시라스경석배지에 대해서도 정밀도 좋게 측정할 수 있다.
또한 여기서 「시라스경석」에 대해서는 예를 들면 상기한 「흙의 환경권」, 30 내지 32페이지에 그 정의와 함께 설명이 이루어져 있다. 이에 의하면 「시라스」란, 「후기 홍적세의 대규모의 칼데라화산으로부터 분출한 경석류 퇴적물의 비용결부 또는 그 2차 퇴적물」의 총칭으로, 일본국에서는 미나미큐슈의 것이 잘 알려져있다. 또 이 외에도 굿샤로호, 도카츠오카, 시코츠호, 도야호, 도와다호, 아소산 등의 칼데라화산 주변에 동일한 시라스가 분포하나, 국토청의 토지분류기본조사 등의 표층 지질도에서는 경석류 퇴적물로서 도시되어 있다.
본 발명에 관한 재배방법에 의해 양액재배를 행할 수 있는 작물의 예로서는 과채류, 예를 들면 토마토, 미니토마토, 오이, 가지, 피망, 파프리카, 점보피망, 아욱, 강낭콩, 완두콩, 여지, 수세미외, 수박, 메론; 등 과채류, 예를 들면 양상추, 시금치, 낭아초, 생강, 모로헤이어, 엔사이, 친겐사이, 리프레타스, 코리언더, 알로에, 파드득나물, 하네기, 미니셀러리, 파슬리, 쑥갓, 래디시 등; 과실류, 예를 들면 파인애플, 패션후루츠, 파파야, 딸기 등; 화훼류, 예를 들면 카네이션, 국화, 장미, 선인장, 나팔나리, 터키도라지, 클루쿠스, 난, 팬지 등; 을 들 수 있다.
실시예
이하 실시예에 의해 본 발명을 구체적으로 설명한다. 단 본 발명은 이 실시예에만 한정되는 것이 아니다.
실시예 1 (ADR법에 의한 체적 함수율의 측정)
입자지름이 1 내지 5.6mm의 범위에 있는 가고시마현 산출의 시라스 경석배지를 사용하여 그 함수상태를 변화시켜 ADR법에 의해 측정을 행하고, 그 출력전압을 계측하여 출력전압과 경석배지의 체적 함수율과의 관계를 조사하였다. 그 관계를 가로축이 ADR계의 출력전압, 세로축이 체적 함수율인 그래프에 플롯하면 도 2에 나타내는 그래프가 얻어졌다.
실시예 2 (체적 함수율로부터 pF값의 산출)
1. 시료의 조제
입자지름이 1 내지 5.6mm의 범위에 있는 가고시마현 산출의 시라스 경석시료와, 상기 경석을 분쇄하여 입자지름이 대략 50 내지 200㎛의 범위에 있는 경석 미립자시료를 각각 준비하였다. 경석시료와 경석 미립자시료를 1OO㎖씩 칭량하였다. 그 중량은 경석시료가 53g이고, 경석 미립자시료가 79.4g 이었다. 다음에 경석시료와 경석 미립자시료를 대략 동일 중량씩 혼합함으로써 혼합 토양시료를 조제하였다. 혼합 토양시료 100㎖의 중량은 72.5g 이고, 그 내역은 경석시료가 35.2g, 경석미립자시료가 37.3g이었다.
2. 혼합 토양시료 등의 pF값 및 체적 함수율의 측정
혼합 토양시료에 대하여 가압판법에 의하여 여러가지의 pF값에 대응하는 체적 함수율을 측정하였다. 또 경석 미립자시료에 대해서도 마찬가지로 가압판법에 의하여 여러가지의 pF값에 대응하는 체적 함수율을 측정하였다. 이들 측정은 각 시료의 함수상태를 바꾸어 여러가지로 측정하였다. 또한 pF값의 측정에 가압판법을 사용한 것은 가압판법으로 측정할 수 있는 pF값의 범위가 실제의 적합한 재배조건의 pF값 범위에 잘 들어 가기 때문이다.
3. 혼합 토양시료 중의 경석성분의 함수량의 산출
측정결과에 의하면, 표 1에 나타내는 바와 같이 혼합시료(M)의 체적 함수율이 44.8(v/v%)일 때 pF값은 1.6이었다. 또 이 pF값에서 경석 미립자시료(P)의 체적 함수율은 53.3(v/v%)이었다.
이 혼합시료(M)의 함수량(g)으로부터 혼합시료 중의 경석미립자분의 함수량을 감소함으로써 혼합시료 중의 경석분의 함수량을 구하고, 그 다음에 경석시료의 체적 함수율을 산출한다.
100㎖의 혼합시료(M)의 함수량〔A3〕은, 그 체적 함수율〔A2〕로부터 44.8g 인 것을 알 수 있다. 이 중, 혼합시료 100㎖ 중의 경석 미립자성분(37.3g)이 보유 하는 함수량〔A4〕은, [53.3 ×(37.3/79.4)] = 25.1g으로 계산된다.
그렇다면 혼합시료(M) 중의 경석성분이 유지하는 함수량〔A5〕은 (〔A3〕- 〔A4〕)=(44.8 - 25.1) = 19.7g이 된다.
이것은 35.2g의 경석시료가 유지하는 함수량이므로, 이것을 용적 100㎖를 전부 경석으로 채운 경우(경석 중량은 53g임)로 환산하면, [19.7 ×(53/35.2)] = 29.7g이 된다.
이 함수량은 용적 1OO㎖의 경석시료에 포함되는 것이므로, 그 경석시료의 체적 함수율은 29.7(v/v%)라는 것이 된다. 따라서 이 경석시료는 pF 1.6에서 29.7 (v/v%)의 체적 함수율을 가진다고 생각할 수 있다.
동일한 작업을 여러개의 pF값에 대하여 행하여, pF값과 체적 함수율과의 상관관계를 구하였다. 얻어진 결과를 표 1에 나타낸다. 표 1에는 상기한 시료에 대하여 pF 1.6 ; 1.8 ; 2 ; 2.2 ; 2.5 및 2.7에서의 결과를 나타내는 것이나, 경석 미립자시료 및 혼합 토양시료에 대하여 각각 pF 0.4 내지 2.8의 범위에 대하여 측정하여 얻어진 결과를 그래프로서 표시하는 것이 도 4(a) 및 (b)이고, 이 결과로부터 산출된 경석시료의 수분 유지곡선의 그래프를 도 4(c)로서 표시한다.
도 4(c)의 그래프로 표시되는 경석시료의 pF값과 체적 함수율과의 관계를 보면, 본 실시예의 경우에는 pF값 1.6 내지 2.0 사이에서는 그래프가 평평하기 때문에 충분히는 사용할 수 없으나, pF값 2.0 내지 2.7 사이에서는 pF값과 체적 함수율 사이에 일정한 상관관계가 확인되어, 이것을 기초로 하여 배지의 관수제어에 사용할 수 있다.
실시예 2에서 얻어진 수분 유지곡선을 사용하여 실시예 1에서 얻어진 ADR법에의한 체적 함수율의 값을 환산함으로써, 그 배지의 pF값을 용이하게 산출할 수 있다.
항목 PF값
1.6 1.8 2 2.2 2.5 2.7
A1 경석 미립자시료의 체적 함수율(v/v%) 53.3 50.0 46.3 42.6 38 33.5
A2 혼합 토양시료의 체적 함수율(v/v%) 44.8 43 41.5 38.3 33.7 29.8
A3 혼합 토양시료의 함수율(g) 44.8 43 41.5 38.3 33.7 29.8
A4 혼합시료 중의 미립자가 유지하는 물의 양(g) 25.1 23.5 21.8 20.0 17.9 15.7
A5 혼합시료 중의 경석이 유지하는 물의 양(g) 19.7 19.5 19.7 18.3 15.8 14.1
A6 경석시료의 체적 함수율(v/v%) 29.7 29.4 29.7 27.6 23.8 21.2
ADR 출력신호(mV) 268 266 268 254 229 212
실시예 3 (ADR법에 의한 관수제어)
입자지름이 1 내지 5.6mm의 범위에 있는 가고시마현 산출의 시라스 경석배지를 사용하여 양상추의 재배를 행하였다. 배양액으로서는 원예시험소 표준처방의 배양액(「원시처방」이라 약칭되고 있는 것으로, 성분농도 N : 16meq/ℓ(이하 동일), P : 4, K : 8, Ca : 8, Mg : 4)를 사용하였다. 먼저 셀트레이에 각각 양상추의 종자를 1알 파종하여 육묘하였다. 육묘 21일 후에 엽채용 재배베드에 재배밀도 42주 /㎡로 정식(定植)하였다. 재배면적은 4㎡이었다. 관수는 육묘, 정식재배 모두 도 6에 나타내는 바와 같은 자동제어에 의하여 행하였다. 즉 ADR센서로 배지의 유전율을 측정하여, 상기 실시예 1 및 2에서 얻어진 상관관계를 입력한 연산·제어장치에 의하여 유전율 측정값으로부터 환산된 pF값에 의거하여 관수의 제어를 행하였다. 구체적으로는 설정 pF값을 2.0으로 정하고, 측정된 pF값이 이 값을 상회하면 연산·제어장치에 의해 전원반을 조작하여 펌프 및 전자밸브를 작동시켜 관수를 행하고, pF값이 2.0이 되면 관수를 정지한다는 자동관수제어를 행하였다. 정식 35일 후에 수확한 바, 수확량은 3203g/㎡이었다. 또 정식으로부터 수확까지의 배양액의 사용량은 84.6ℓ/㎡이었다.
비교예 1 (타이머에 의한 관수제어)
실시예 3와 동일한 방법으로, 실시예 3의 시험과 병행하여 양상추의 재배를 행하였다. 단, 관수는 타이머에 의해 오전 9시 및 오후 3시에 2회 행하여 각각 재배베드로부터 잉여의 배양액이 배출될 때까지 관수를 계속하였다. 수확은 2694g/㎡ , 정식으로부터 수확까지의 배양액의 사용량은 148.6ℓ/㎡이었다. 또 수확 무렵에는 재배베드의 표면에 이끼가 발생하여 있던 것이 확인되었다. 이것은 실제의 생육에 필요한 양보다도 많은 양의 배양액이 공급되었던 것을 나타내는 것이다.
실시예 3과 비교예 1을 비교하면, 본 발명에 관한 관수제어방법을 사용한 재배방법에 의하면, 종래의 타이머에 의한 관수제어방법과 비교하여, 보다 적은 배양액량으로 보다 높은 수확량을 얻을 수 있었다. 즉 본 발명 방법에 의하면 작물이 실제로 필요로 하고 있는 양의 배양액을 정확하게 제어하여 공급하는 것이 가능하게 되기 때문에 배액 등이 되는 여분의 공급을 방지할 수 있다.
본 발명에 의하면 종래의 텐시오미터를 사용하지 않고 토양배지의 pF값을 간단하게 측정할 수 있다. 이 측정은 간편한 ADR법 등을 사용하여 행할 수 있기 때문에 장치가 간단하고, 간편하며, 얻어지는 데이터에 재현성이 있고, 일반 포장에 서 간단하게 측정을 할 수 있다. 또 입자가 거친 경석 등의 고형배지경의 배지 등에 대해서는 종래의 가압판법 등에서는 pF값과 체적 함수율과의 상관관계(수분 유지곡선)을 정확하게 측정할 수 없었으나, 본 발명의 바람직한 형태에서는 거친 입자토양시료에 대해서도 가압판법 등에 의해 정확한 수분 유지곡선을 구할 수 있게 되어 이와 같은 토양에 대해서도 그 pF값을 간단하게 측정할 수 있게 되었다. 그 때문에 토질에 구애되지 않고 널리 토양의 관리가 용이하게 되어 토양의 건조를 방지하는 작업을 행하거나, 관수작업을 행할 수 있게 되었다.
또한 고형배지경에서 pF값에 의거하여 배양액의 공급 등의 제어를 행할 수 있게 되어 재배작물의 성장에 맞춘 배양액의 공급을 행할 수 있으므로, 재배작물의 수량도 증대하였다. 또 pF값의 측정을 자동적으로 할 수 있기 때문에 제어가 용이하게 되어 사람의 손을 필요로 하지 않아 노동 절감화를 할 수 있게 되었다.
이 때문에 본 발명에 의하면 에너지 절약, 자원절약, 노동 절감화를 할 수 있으므로, 환경자원상 매우 유효하다. 또 재배에 필요로 하는 물을 최소한으로 할 수있고, 비료도 최대한으로 이용되기 때문에 흡수되지 않고 배출되는 비료의 양이 아주 적어져, 배수에 의한 수역의 부영양화, 수초의 무성 등의 문제가 일어나기 어렵게 된다. 특히 현재 널리 사용하고 있는 록울(rock wool)배지를 사용한 점적 관수방식의 재배방법에서는 사용이 끝난 록울배지가 산업 폐기물로서 매우 중대한 문제를 야기하고 있고, 또한 배양액의 잉여공급에 의한 배액의 문제도 주목되고 있으나, 경석배지를 사용하고, 또한 본 발명에 관한 관수제어방법을 사용함으로써, 이 양쪽의 문제점을 일거에 해결할 수 있어 자원보호 및 환경보호의 면에서도 그 효과 는 크다.

Claims (11)

  1. 다공질 표면을 가지며, 입자지름이 1 mm 내지 5.6 mm인 거친 토양의 pF값(토양 수분장력)을 측정하는 방법으로서,
    (a)
    (가) 측정 대상의 거친 토양시료를 분쇄하여 입자지름이 50 ㎛ 내지 200 ㎛인 미립자시료를 조제하고 ;
    (나) 상기 거친 토양시료에 상기 미립자시료를 미리 정한 중량비로 혼합하여 혼합 토양시료를 조제하고 ;
    (다) 상기 혼합 토양시료 및 상기 미립자시료에 대하여 체적 함수율과 pF값의 상관관계를 구하고 ;
    (라) 상기 혼합 토양시료 및 상기 미립자시료에 대하여 얻어진 체적 함수율과 pF값의 상관값에 의거하여 상기 거친 토양시료에 대한 체적 함수율과 pF값의 상관관계를 구함으로써 측정대상의 상기 거친 토양에 대하여 미리 pF값과 체적 함수율과의 상관관계를 구하는 공정 ;
    (b) 측정 대상의 상기 거친 토양의 체적 함수율을 측정하는 공정 ;
    (c) 상기 공정(b)에서 측정된 상기 거친 토양의 체적 함수율의 값을, 상기 공정(a)에서 얻어진 pF값과 체적 함수율과의 상관관계에 의거하여, 거친 토양의 pF값으로 환산하는 것을 특징으로 하는 거친 토양의 pF값의 측정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 거친 토양의 체적 함수율의 측정을 ADR법, TDR법 또는 FDR법에 의하여 행하는 것을 특징으로 하는 거친 토양의 pF값의 측정방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 측정대상의 거친 토양에 대하여 미리 ADR계, TDR계 및 FDR계로부터 선택되는 센서의 출력신호값과 거친 토양의 체적 함수율과의 상관관계를 구하고, 상기 센서에 의해 계측된 출력신호값을 상기에서 구해진 출력신호값과 거친 토양의 체적 함수율과의 상관관계에 의거하여 거친 토양의 체적 함수율로 환산하는 것을 특징으로 하는 거친 토양의 pF값의 측정방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 측정대상의 거친 토양에 대하여 미리 구해진 pF값과 체적 함수율과의 상관관계 및 센서의 출력신호값과 체적 함수율과의 상관관계를 연산장치에 도입하고, 상기 센서의 출력신호값으로부터 거친 토양의 체적 함수율로의 환산, 및 거친 토양의 체적 함수율로부터 pF값으로의 환산을 연산장치의 연산처리에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 거친 토양의 pF값의 측정방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 거친 토양이 경석인 것을 특징으로 하는 거친 토양의 pF값의 측정방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합 토양시료 및 상기 미립자시료에 대한 체적 함수율과 pF값의 상관관계를, 가압판법 또는 모래기둥법에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 거친 토양의 pF값의 측정방법.
  8. 제 1항에 기재된 방법에 의하여 측정한 거친 토양의 pF값에 의거하여, 상기 거친 토양이 재배작물에 적절한 pF값이 되도록 물 또는 배양액의 관수량를 제어하는 것을 특징으로 하는 다공질 표면을 가지며, 입자지름이 1 mm 내지 5.6 mm인 거친 토양의 관수제어방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    타이머에 의해 주기적으로 거친 토양의 pF값 측정을 행하고, 상기 측정한 거친 토양의 pF값에 의거하여 물 또는 배양액의 관수량을 제어하는 것을 특징으로 하는 거친 토양의 관수제어방법.
  10. 다공질 표면을 가지며, 입자지름이 1 mm 내지 5.6 mm인 거친 토양으로 이루어지는 배지를 사용한 배양액 재배장치에 있어서,
    점적식 배양액 관수장치와 ;
    배양액 유로밸브를 가지는 점적장치의 송출수량제어수단과 ;
    배지의 체적 함수율을 측정하는 체적 함수율 측정기와 ;
    배지에 대하여 미리 구해진 pF값과 체적 함수율과의 상관관계가 도입되어 있고, 체적 함수율 측정기에 의하여 측정된 배지의 체적 함수율로부터 pF값으로의 환산을 연산처리하고, 체적 함수율의 출력결과에 의거하여 배지의 pF값의 신호를 출력하는 연산장치와 ;
    상기 연산장치로부터 출력된 pF값 신호에 의거하여 점적장치로의 송출수량을 제어하는 점적장치제어수단을 가지고,
    상기 연산장치에 도입되어 있는 배지에 대한 pF값과 체적함수율의 상관관계가,
    (가) 측정 대상의 거친 토양시료를 분쇄하여 입자지름이 50 ㎛ 내지 200 ㎛인 미립자시료를 조제하고 ;
    (나) 거친 토양시료에 미립자시료를 미리 정한 중량비로 혼합하여 혼합 토양시료를 조제하고 ;
    (다) 혼합 토양시료 및 미립자시료에 대하여 체적 함수율과 pF값의 상관관계를 구하고 ;
    (라) 혼합 토양시료 및 미립자시료에 대하여 얻어진 체적 함수율과 pF값의 상관값에 의거하여 거친 토양시료에 대한 체적 함수율과 pF값의 상관관계를 구함으로써 미리 구해진 것임을 특징으로 하는 배양액재배장치.
  11. 다공질 표면을 가지며, 입자지름이 1 mm 내지 5.6 mm인 거친 토양으로 이루어지는 배지를 사용한 배양액 재배장치에 있어서,
    점적식 배양액 관수장치와 ;
    배양액 유로밸브를 가지는 점적장치의 송출수량제어수단과 ;
    배지에 삽입되는 프로브를 가지는 ADR계, TDR계 및 FDR계로부터 선택되는 센서와 ;
    배지에 대하여 미리 구해진 pF값과 체적 함수율과의 상관관계 및 센서의 출력신호값과 체적 함수율과의 상관관계가 도입되어 있고, 센서의 출력신호값으로부터 배지의 체적 함수율로의 환산 및 배지의 체적 함수율로부터 pF값으로의 환산을 연산처리하고, 센서의 출력신호값에 의거하여 배지의 pF값의 신호를 출력하는 연산장치와 ;
    상기 연산장치로부터 출력된 pF값 신호에 의거하여 점적장치로의 송출수량을 제어하는 점적장치 제어수단을 가지고,
    상기 연산장치에 도입되어 있는 배지에 대한 pF값과 체적함수율의 상관관계가
    (가) 측정 대상의 거친 토양시료를 분쇄하여 입자지름이 50 ㎛ 내지 200 ㎛인 미립자시료를 조제하고 ;
    (나) 거친 토양시료에 미립자시료를 미리 정한 중량비로 혼합하여 혼합 토양시료를 조제하고 ;
    (다) 혼합 토양시료 및 미립자시료에 대하여 체적 함수율과 pF값의 상관관계를 구하고 ;
    (라) 혼합 토양시료 및 미립자시료에 대하여 얻어진 체적 함수율과 pF값의 상관값에 의거하여 거친 토양시료에 대한 체적 함수율과 pF값의 상관관계를 구함으로써 미리 구해진 것임을 특징으로 하는 배양액재배장치.
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