Development of an Optimal Irrigation Control System Based on Transpiration Measurement in Soilless Culture of Paprika

Abstract

본 연구에서는 파프리카 재배에서의 환경제어 요인 중 수분환경을 정밀하게 조절할 수 있는 장치를 제작하고, 지상부와 지하부 환경인자와 파프리카 수분 흡수 반응과의 관계를 구명하여 최적의 수분제어가 가능한 장치를 개발하고자 하였다. 그리고 개발된 장치를 대형 상업농가에 적용하여 성능을 시험하고 정밀 관수 제어의 효과를 구명하고자 하였다. 개발된 정밀 관수제어 장치에서 작물의 수분흡수 반응 지표로 이용된 증산량은 5% 오차 범위 이내에서 10 분 간격으로 측정이 가능하였다. 개발된 장치를 이용하여 증산량을 짧은 시간 간격으로 측정함으로써 계속하여 변화하는 환경요인에 대한 작물의 수분 흡수 반응을 보다 구체화할 수 있었다. 또한 개발된 장치에서 정밀 관수제어를 위한 주요 요소인 근권의 함수율, 근권의 농도, 그리고 관수시 마다의 배액율을 목표하는 기준에 맞추어 자동으로 제어할 수 있었다. 정밀한 증산량의 측정이 가능한 정밀 관수제어장치를 이용하여 다양한 광도에 대해 작물이 실제 이용하는 수분을 정량화 할 수 있었으며, 실제 광도와 증산에 이용되는 광량과의 관계식을 도출하여 관수개시 기준인 광도 누적에 적용하였다. 우리나라와 같이 계절에 따른 광도의 편차가 큰 지역의 특히 여름재배에서 종래의 관수방법에 의한 수분 손실이 크므로 그 효과는 더욱 크게 나타났다. 선행연구의 결과들에서 보여준 것과 같이 근권의 함수율은 근권의 농도와 반비례관계를 보였다. 그리고 순간적인 증산량의 측정을 통하여 근권의 함수율 보다 근권의 농도가 작물의 수분 흡수와 더욱 밀접한 관련이 있음을 알 수 있었다. 이러한 결과로 근권부의 삼투퍼텐셜이 작물의 수분흡수에 큰 저해 요인임을 확인하였다. 환경 요인에 대한 증산반응을 고려한 관수제어 알고리즘이 적용된 정밀 관수제어 장치를 상업농가에 설치하여 성능검증을 실시한 결과, 수분이용 효율이 11% 증가하고, 과실의 생산량은 생체중 기준으로 3.7% 증가함을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 개발된 정밀 관수제어 장치를 파프리카 재배에 적용함으로써 과실 생산과 수분이용 효율을 증대시킬 수 있음을 알 수 있었다. 이러한 효과는 재배규모가 커질수록 더욱 커질 것으로 판단된다. 또한 개발된 장치를 이용하여 지금까지 재배자의 경험에 의한 관행의 관수제어방법을 보다 체계화 할 수 있을 것으로 사료된다.

Paprika is one of most profitable horticultural crop and classified as indeterminate-type plant which convert between vegetative and reproductive growth. It is known that those changes of growth type in paprika are influenced by various environmental factors and especially it has a close relationship with water management. Until now, irrigation methods based on accumulative radiation have been used for irrigation control in paprika cultivation. However a large amount of nutrient solutions could not be used by crops due to inaccurate irrigation control, especially at a large fluctuation of light intensity. In addition, the changes in substrate moisture content (MC) and electrical conductivity (EC) can s affect the transpiration in soilless culture, but there are a few results of the specified relationship among them. Thus, for improving crop productivity and efficiencies of water and fertilizers, optimum water management with precise irrigation control system and is required The objectives of this study were to develop a presice irrigation control system that can monitor transpiration rate and control the moisture environments affecting plant growth, to establish irrigation control methods reflecting relathionships between plant water uptake and aerial or root-zone environmental factors, and finally to evaluate the developed systemfor applying to a large-scale commercial farm. A precise irrigation control system was develoed, in which the transpiration rate was measured at 10 minute interval with less 5% error by using the change in plant weightwith load cells. The measured transpiration rate was more accutare than that estimated by an exsiting transpiration model. Plant response of water uptake to continuously changing environments could be more clarifiedby measuring transpiration at a shorter interval. Particularly, substrate MC, substrate EC, and drainage rate at each irrigation event could be controlled within target ranges in the system. With the precise irrigatin control system, an optimum irrigation algorithm was developed for more accurate water management at various light intensities.Actual light intensity played an important role to cause the difference between actual transpiration and estimated transpiration with radiation accumulation , A modified irrigation control method (MIM) by compensating the light intensity could save a large amount of water compared to the conventional irrigation method (CIM) in summer season when a large fluctuation of light intensity occurs in Korea. Transpiration amounts were precisely measured and analyzed with respect to root-zone environmental factors for investigating the relationship between them. The relationship between the range of substrate MC and EC increase could be clarified. From irrigation method using the relationship among root-zone environments to transpiration rate, fruit productivity and water use efficiency could be improved. Compared with CIM, MIM was evaluated at a large-scale paprika commercial farm located in Hwasung, Korea. The root-zone environments were well controlled with good conditions for paprika cultivation in MIM. The water use efficiency and fruit production were 11 and 3.7% higher, respectively, in MIM than in CIM. Form the results, it is concluded that the precisely-controlled irrigation system could clarify the relationship between transpiration rate and various environmental factors, and MIM could improve water use efficiency without negative effect on plant growth. In addition, this irrigation system will improve the crop productivity, to maintain environmental conservation, and to save cultuivation expense in soilless culture.