Feasibility Test on Automatic Control of Soil Water Potential Using a Portable Irrigation Controller with an Electrical Resistance-based Watermark Sensor

Maintenance of adequate soil water potential during the period of crop growth is necessary to support optimum plant growth and yields. A better understanding of soil water movement within and below the rooting zone can facilitate optimal irrigation scheduling aimed at minimizing the adverse effects of water stress on crop growth and development and the leaching of water below the root zone which can have adverse environmental effects. The objective of this study was to evaluate the feasibility of using a portable irrigation controller with an Watermark sensor for the cultivation of drip-irrigated vegetable crops in a greenhouse. The control capability of the irrigation controller for a soil water potential of -20 kPa was evaluated under summer conditions by cultivating 45-day-old tomato plants grown in three differently textured soils (sandy loam, loam, and loamy sands). Water contents through each soil profile were continuously monitored using three Sentek probes, each consisting of three capacitance sensors at 10, 20, and 30 cm depths. Even though a repeatable cycling of soil water potential occurred for the potential treatment, the lower limit of the Watermark (about 0 kPa) obtained in this study presented a limitation of using the Watermark sensor for optimal irrigation of tomato plants where -20 kPa was used as a point for triggering irrigations. This problem might be related to the slow response time and inadequate soil-sensor interface of the Watermark sensor as compared to a porous and ceramic cup-based tensiometer with a sensitive pressure transducer. In addition, the irrigation time of 50 to 60 min at each of the irrigation operation gave a rapid drop of the potential to zero, resulting in over irrigation of tomatoes. There were differences in water content among the three different soil types under the variable rate irrigation, showing a range of water contents of 16 to 24%, 17 to 28%, and 24 to 32% for loamy sand, sandy loam, and loam soils, respectively. The greatest rate increase in water content was observed in the top of 10 cm depth of sandy loam soil within almost 60 min from the start of irrigation.

전기저항식 워터마크센서기반 소형 관수장치의 토양 수분퍼텐셜 자동제어 효용성 평가

본 연구에서는 국내의 시설 내 작물재배에 적합한 자동관수 기술을 개발하기 위한 첫 단계로 전기저항의 변화원리를 이용하는 워터마크 센서를 장착한 소형 컨트롤러를 작물재배에 활용하여 자동관수기술의 효용성을 구명하고자 하였다. 이를 위해 비닐하우스 내에 다른 토성을 갖는 토양을 격리베드에 인공적으로 조성한 후 토마토를 정식하여 수분퍼텐셜을 -20kPa 수준으로 자동으로 조절하면서 재배하였다. 점적관수에 따른 토양 내 깊이별 수분변화는 Sentek 축전형 수분센서를 이용하여 측정하였다. 워터마크센서를 이용한 수분퍼텐셜 제어성능은 (-)20kPa 수준부근에서 유지되지 않고 반복적으로 0~(-)20kPa 대역에서 높은 변화 값을 나타내어 안정적이지 못한 것으로 나타났다. 특히, 물 공급은 관수시마다 약 50~60분 비교적 긴 시간동안 진행되어 수분공급이 과잉되는 문제가 나타났으며 건조시에도 수분퍼텐셜의 변화가 계단응답 반응의 형태로 변하는 불량한 측정해상도를 나타내었다. 이러한 문제는 워터마크센서의 토양과 전극 접촉형태가 다공컵식 수분장력계에 비해 수분값에 연속적으로 반응할 수 없는 구조이기 때문인 것으로 판단하였다. 자동관수에 따른 토양종류별 수분변화는 그 기울기가 토성별로 서로 달랐으며 양질사토의 경우 수분함량의 변화정도가 가장 높았다. 수분함량의 변화속도는 낮과 밤의 경우 시간에 따른 변화율이 달라서 변곡선의 형태를 나타내었다. 이러한 이유는 낮과 밤의 일교차와 태양광 유무에 의하여 수분증발량 차이가 발생하였기 때문인 것으로 판단하였다. 직물에서 20cm 떨어진 지점의 깊이별 수분함량은 작물에 인접한 위치와 비교하였을 때 세가지 토양 모두 관수에 의한 변화정도는 미미하여 직물에 인접한 곳만 수분공급이 효율적으로 이루어지는 것을 확인하였다. 추후 연구에서 양질사토 베드에서 관찰된 토마토 생육 불량 문제 개선과 관수멈춤 시간을 적용하여 물공급의 과잉 문제를 해결하는 보완실험이 요구되었다.