본 연구는 장미(Rosa hybrida) 코이어 재배에서 FDR(frequency domain reflectometry) 센서를 이용하여 배지 함수율 기준으로 자동 급액제어 하였을 때, 배액을 최소화 하면서도 장미 생육과 수확에 영향이 적은 급액체계화를 위한 연구를 수행하였다.

1. FDR 센서를 이용한 코이어 배지내 수분특성 측정
근권 함수율 제어에 적합한 측정지점을 구명하고자 코이어 더스트와 칩의 부피비가 10:0, 7:3, 5:5, 3:7인 네 종류의 코이어 배지에서 급액구로부터 5, 10, 20, 30cm 떨어진 곳을 배지 윗면과 옆면으로 나누어 측정하였다. 그 결과, 급액 후 배지 함수율 변화에 있어서 윗면과 옆면 측정은 통계적 차이를 나타내지 않았고, 측정거리는 급액구로부터 가장 가까운 5cm가 높은 단위시간당 함수율 변화를 나타냈다. 배지 구성비에서는 칩이 30% 함유되었을 때, 측정 거리가 멀어짐에 따른 함수율 변화 감소가 낮아져 평균적으로 높은 함수율 변화를 측정할 수 있었다.
온실내 전기적 불안정으로 부정확한 측정결과의 원인이라 할 수 있는 측정 노이즈를 감소시키고 정확한 측정을 위해서는 노이즈 필터를 반드시 사용해야 함을 구명하였다.

2. 장미 코이어 배지 수경재배에서 FDR 센서를 이용한 급액제어 체계화
FDR 센서를 이용하여 코이어 배지 함수율을 45, 55, 65%로 각각 제어한 결과, 관행 타이머제어에 비해서 급액량은 50%, 배액량은 5% 이하로 적었다. 반면, 절화 생육은 FDR 센서제어 55%와 65%에서 관행 타이머제어와 차이가 없었다. 장미 수확량에서도 배지 함수율 55%와 65% 제어 그리고 관행 타이머제어 간에 차이가 없었다.
FDR 센서를 이용하여 코이어 배지 함수율을 55%로 제어한 상태에서 배양액 농도를 1.0, 1.5, 2.0 dS·m-1로 각각 다르게 공급하여 장미를 재배한 결과, 급액량은 관행 타이머제어의 45%, 배액량은 5% 이하로 낮게 나타났다. 장미 절화 생육에서는 FDR 센서제어 1.0와 1.5 dS·m-1가 관행 타이머제어와 차이를 보이지 않았다. 수확량에서도 1.0와 1.5 dS·m-1로 제어시 관행 타이머제어와 차이가 없었다.
FDR 센서를 이용한 코이어 배지 함수율 제어시 적합한 급액 종료와 시작시간을 구명하기 위해 급액 종료시간은 일몰 전 2시간, 정시, 일몰 후 2시간, 급액 시작시간은 일출 후 1, 2, 3시간으로 조절하여 실험하였다. 그 결과, 급액 종료를 정시에 수행하였을 때, FDR 센서제어 처리구 중 우수한 절화 생육과 수확 결과를 보였다. 급액 시작은 온실내 일출 후 2시간이 지난 다음 수행할 때, FDR 센서제어 처리구들 중 수확량이 많았다.
FDR 센서를 이용하여 코이어 배지 함수율 제어시 적합한 근권 함수율의 상위 및 하위 설정치를 구명하고자 근권 함수율 55%에서 근권 상위 및 하위 설정치를 ±1, ±2, ±5, ±10%로 각각 제어하였다. 그 결과, 근권 함수율을 ±1%와 ±2%로 제어하였을 때, 센서제어 처리구들 중 우수한 절화 생육과 수확 결과를 보였다.
국내 여름철 급격한 온도 상승과 증산량 증가에 따른 수분 스트레스로부터 작물피해를 감소시키고 수확량을 높이고자 FDR 센서를 이용한 배지 함수율 조절시 고온기에 단계적으로 60%와 65%까지 높여 실험해 보았다. 그 결과, 55→60% 처리구에서 55→55% 처리구보다 1.4배 많은 배양액이 공급되었으며 배액량은 증가되지 않았다. 절화생육은 급액량이 많을수록 좋았다. 총 수확량은 FDR 센서제어 처리구들 중 55→60% 처리구가 55→65% 처리구보다 많았고 55→55%처리구보다 1.7배 많아 고온기에 함수율 조절이 필요함을 확인하였다.

3. 장미 코이어 배지 수경재배에서 FDR 센서를 이용한 급액제어 정밀화
FDR 센서 이용으로 배지내 함수율을 24시간 연속측정이 가능함을 활용하여 함수율 55%에서 급액시작과 종료 시기를 제한하지 않는 24시간 급액제어를 수행한 결과, 급액량은 관행 타이머제어의 40%, 배액량은 5% 이하로 적었다. 절화 생육에서 관행 타이머제어가 우수하게 나타났으나 절화 길이, 무게 등에서 센서제어와의 차이는 10% 이내를 보여 24시간 FDR 센서제어로 생산된 절화도 충분한 상품성이 있음을 확인하였다. 길이가 60cm 미만 수확량에서는 처리구간 차이가 없었고, 총 수확량에서 24시간 FDR 센서제어가 관행 타이머제어의 70% 수준을 보여 공급된 양수분에 비해 우수한 수확결과를 나타냈다. 또한, 자동제어시 광환경 변화에 따른 급액량 변화가 나타남을 확인할 수 있었다. 이에 FDR 센서를 이용한 급액제어는 상업적 생산에서 완전자동화 방법으로 활용이 가능함을 확인하였다.
FDR 센서 급액제어시 배지 함수율을 유효수분(-1kPa ~ -5kPa)범위보다 낮은 조건에서 제어했을 때 장미 생육에 미치는 영향을 조사하였다. 실험에 사용한 배지 함수율은 35%이며 공급된 평균 급액량은 관행 타이머제어의 15% 이하로 매우 낮아 기존 FDR 센서제어 방법들보다도 확연히 적은 배양액이 공급되었음을 확인하였다. 절화생육은 낮았지만 다른 처리구들과의 차이가 10% 수준으로 크지 않았다. 절화 총수확량은 관행 타이머제어의 30%, 다른 FDR 센서제어 처리구의 70% 이하로 적었다. 세포피해도 10%가 발생하여 다른 FDR 센서제어 처리구들이 2% 이내를 나타낸 것에 비해 높았다. 배지 함수율이 낮을 경우, 작물이 생육은 가능하나 추가적인 생산이 매우 적어 상업적 재배에서는 충분한 수분공급을 기준으로 급액제어가 이루어져야 함을 확인하였다.
장미 코이어 재배에서 FDR 센서를 이용한 급액제어시 센서를 통해 자동으로 설정되는 급액시점와 급액량을 각각 따로 센서제어 기준에 맞추어 설정 후 제어해 보았다. 그 결과, 급액량기준 제어에서 급액시점기준 제어보다 1.7배 많은 배양액이 공급되었다. 절화 생육에서 두 처리구간에 통계적 차이는 없었다. 총 수확량에서 급액량기준 제어시 급액시점기준 제어보다 1.7배 많았다. 이는 급액량을 기준으로 FDR 센서제어 방법을 설정하고 관리하는 것이 작물생육과 생산을 증가시킬 수 있다는 것을 보여준다고 할 수 있다.

Water drainage from open hydroponics causes significant environmental pollution due to agrochemicals and loss of water and nutrients. The objectives of this study were to improve efficiency of irrigation for rose (Rosa hybrida) aimed at minimizing effluent from coir substrate hydroponics using a frequency domain reflectometry (FDR) sensor in controlling to set substrate volumetric water content. For comparison, a timer-clock scheduling was examined.

1. Development of stable technique for measuring substrate volumetric water content using by FDR sensor
Effective measurement of substrate volumetric water content using the FDR sensor was investigated by determining optimal distances (5, 10, 20, or 30 cm) from an irrigation point where an arrow dripper was inserted into a coir substrate slab in various ratios of dust to chip (dust:chip, v/v, 3:7, 5:5, 7:3, or 10:0). The experiments were consisted of identifying proper position where the FDR sensor is placed on the slab (upper or side), and of examining effectiveness of noise filter on decrease in electrical power interference that causes inaccurate readings by the FDR. Result showed that the most rapid change in the substrate water content was sensed by the FDR located at the 5 cm of distance from the irrigation point in the coir slab, particularly with 70% dust and 30% chip. However, there was no difference in the substrate volumetric water content between the upper and side positions. Significant decrease in the variations of readings by the FDR was observed when the noise filter was installed in the electric power supply.

2. Development of automated irrigation scheduling using a FDR sensor comparing with a timer irrigation
For automated irrigation scheduling using the FDR sensor, whenever volumetric water content in coir substrate reached experimental set trigger points, the irrigation was automatically initiated. The water sensor avoids irrigation when stop set point of substrate moisture is already present. When the substrate volumetric water content was preset at 45%, 55%, or 65%, total irrigated volume was decreased by 50% and its drainage was less then 5%, compared with the timer irrigation. At the 45% treatment, the lowest growth and yield of cut flower were observed, whereas at the 55% and 65%, there were no differences in the growth and yields compared to the timer irrigations.
When the nutrient solution with pH 6.0 and EC 1.0, 1.5, or 2.0 dS·m-1 was supplied under the FDR at 55%, there was no significant difference in the growth and yield between the FDR automated irrigation with the 1.0 and 1.5 dS·m-1 treatment, and timer irrigations.
Irrigation on and off hours were modified depending on daily times of sunrise and sunset. Irrigation was started 1, 2, or 3 hours after sunrise, and ended 2 hours before sunset, at the time of sunset, or 2 hours after sunset under the FDR at 55%. In the FDR automated irrigation treatments, the highest growth and yield were observed when the irrigation was started 2 hours after sunrise, and ended at the time of sunset.
For precise irrigation scheduling, the start and stop water content values were modified by giving upper and lower setpoint, 55±1%, 55±2%, 55±5%, or 55±10%. For the 55±1% treatment, irrigation was started from 54% value and stopped at 56%. The highest growth and yield were in the 55±2% treatment.
Efficient irrigation scheduling to obtain a drainage-free system during summer season can be achieved by increasing the substrate volumetric water content between 55% and 65%. When the substrate volumetric water content was gradually increased from 55% to 60%, total irrigated volume and yield were 1.4-fold and 1.7-fold higher, respectively, compared with fixed water content treatment at 55%. When the volumetric water content was amended from 55% to 65%, total yield was lower the 55→60% treatment.

3. Close investigation for irrigation scheduling using a FDR
When the automated irrigation was controlled for 24 hours using the FDR sensor without setting of irrigation on and off hours, total irrigated volume was decreased by 40% and its drainage was less than 5%, compared with the timer irrigation. The cut flower growth was higher in the timer irrigation with a 10% increase in the cut flower length and weight than the FDR irrigation for 24 hours. Although the 24 hours irrigation controlling by the FDR had a 30% decrease in the total yield, compared to the timer irrigation, its productivity related to irrigation amount was higher. This result may be associated with higher flexibility of the FDR automated irrigation as irrigation volume varied depending on solar radiation intensity and daily temperature.
The effect of substrate water content lower level than plant available water content between ?1kPa and ?5kPa on the growth and yield of rose flower was investigated. When the substrate volumetric water content was controlled at 35%, the irrigation volume was only 15% of total volume in the timer irrigation. Cut flower yield was only a 30% of total yield in the timer irrigation and a 70% of total yield in other FDR treatments(55% and 55→60%). A 10% cellular injury was observed in the 35% treatment while it was only 2% in other FDR treatments(55% and 55→60%).
In FDR automated irrigation, the irrigation timing and amount were automatically controlled on crop absorptions of substrate water which was measured by FDR sensor. So, the irrigation timing and amount based automated irrigation control by FDR sensor were evaluated. Results showed that the amount based irrigation had 1.7 times larger irrigation volume than the timing based irrigation. There were no differences in cut flower growth, but the total yield was 1.7 times higher in the amount based irrigation than the timing. Therefore, in FDR automated irrigation, irrigation based on amounts would be suitable for crop growth and productions.
All the integrated data indicated that the FDR automated irrigation technique consumes water efficiently and minimizes or avoids leachate and thus reduces pollution. Most farmers growing roses using hydroponic systems in Korea usually over-irrigation to ensure that water amount will not limit yield and flower size. The use of FDR automated irrigation technique to decrease drainage fro a hydroponic system can result in efficient and environmentally sustainable use of water and fertilizer. In future, it is also necessary to demonstrate the advantages of the FDR automated irrigation technique, such as growth, higher yield, water use efficiency, and accuracy.