Spatiotemporal variability in soil moisture, plant water status, and yield under variable- rate micro-irrigation in a commercial almond orchard

기술 요약: 상업적 아몬드 과수원의 변량 정밀 미세 관수를 통한 토양 수분, 식물 수분 상태 및 수확량의 시공간적 변동성

문제 제기
캘리포니아에 집중되어 있는 글로벌 아몬드 부문은 만성적인 물 부족, 지속 가능한 지하수 관리법(SGMA)과 같은 규제 명령, 그리고 변화하는 경제적 조건으로 인해 점점 더 큰 제약에 직면하고 있다. 정밀 관수, 특히 변량 관수(Variable-Rate Irrigation, VRI)는 과수원 내 공간적 변동성을 해결함으로써 물 이용 효율을 높일 수 있는 경로를 제공하지만, 토양, 식물, 대기 모니터링을 통합하여 VRI가 상업적 조건에서 수분 생산성을 일관되로 개선하는지 여부를 정량화한 다년도, 상업적 규모의 평가 연구는 부족한 실정이다. 기존 문헌은 주로 구역 구분이나 단기 센서 기반의 의사결정 지원에 초점을 맞추고 있으며, 토양, 식물 및 대기 모절을 통합하여 VRI가 상업적 조건에서 수분 생산성을 일관되게 개선하는지 결정하는 포괄적인 다년도 현장 평가는 드물다.

연구 방법
본 연구는 2019년부터 2021년까지 3개 연속 성장 시즌 동안 캘리포니아주 테하마 카운티(Tehama County)에 위치한 상업적 아몬드 과수원(CAPEX/Esteve Ranch 관리)에서 VRI 관리 전략을 평가하였다. 실험 설계는 다음과 같다:

• 모니터링 네트워크: 토양 조건, 품종-대목 조합 및 관수 공급의 공간적 변동성을 포착하기 위해 14개의 뚜렷한 모니터링 지점(C1–C14)을 설정하였다.
• 데이터 수집:
  • 관수: 국부 유량계를 사용하여 각 지점에서의 적용 관수 깊이를 정량화하였다.
  • 토양 수분: 알루미늄 액세스 튜브에 설치된 중성 프로브(CPN 503)를 사용하여 2.9m 깊이까지 0.30m 간격으로 체적 토양 수분 함량(VWC)을 측정하였다. 지점별 보정은 중량법 샘플링을 통해 수행되었다.
  • 식물 수분 상태: 압력 챔버를 사용하여 대표적인 나무 3그루당 정오 줄기 수분 퍼텐셜(SWP)을 측정하였으며, 이때 잎은 은박 봉투로 사전 평형 상태를 유지하였다.
  • 기상: 인근 CIMIS 스테이션(Station 222) 데이터를 통해 기준 증발산량(ETo), 온도, 습도 및 강수량을 제공받았다.
  • 수확량: 전자 로드셀이 장착된 특수 플롯 수확기를 이용한 현장 샘플링을 통해 수확량을 추정하였으며, 상업적 수확 기록으로 이를 보완하였다.
• 관수 스케줄링: 재배자는 ETo, SWP 임계값(규제 결핍 관수 가이드라인 준수) 및 뿌리 영역 토양 수분을 결합한 프레임워크를 기반으로 VRI를 시행하였다. 관수 시간과 빈도는 구역별로 조정되었다.
• 통계 분석: 시공간적 변동성을 특징짓고 관리 구역을 구분하기 위해 피어슨 상관계수, 주성분 분석(PCA), 계층적 군집 분석(Ward's linkage)을 활용하였다. 클러스터 간 통계적 유의성은 Welch의 t-검정과 Mann–Whitney U 검정을 사용하여 테스트하였다.

주요 결과

• 시공간적 변동성: 모든 모니터링 매개변수에서 뚜렷한 변동성이 관찰되었다. 계절별 관수 총량은 과수원 구역 전반에 걸쳐 609 mm에서 990 mm 사이였다. 토양 수분 함량은 0.05에서 0.60 m³ m⁻³ 사이였으며, 얕은 층은 높은 시간적 변동을 보인 반면 깊은 층은 더 안정적이었다.
• 식물 수분 역학: SWP는 봄철 약 −0.1 MPa에서 늦여름 최저 −3.2 MPa까지 계절적으로 감소하였으며, 특히 가뭄이 심했던 2021년에 상당한 공간적 변동성이 나타났다.
• 수확량 결정 요인:
  • SWP의 예측력: 정오 SWP는 수확량의 가장 강력한 예측 인자였으며, 강한 음의 상관관계(r = −0.67)를 보였다. 높은 수확량은 덜 부정적인(스트레스가 적은) SWP 값과 관련이 있었다.
  • 관수와 수확량: 더 많은 물이 더 많은 수확량을 가져온다는 가정과 달리, 누적 강수량 및 관수량(P+I)은 수확량과 음의 상관관계(r = −0.57)를 보였다. 가장 높은 관수 투입량을 받은 지점들이 반드시 가장 높은 수확량을 생산하는 것은 아니었다.
  • 토양 수분과 수확량: 개별 깊이에서의 토양 수분 함량과 수확량 간의 상관관계는 약했으(r = −0.11 ~ −0.28), 이는 총 수분 저장량 자체가 수확량 변동의 주요 동인이 아님을 시사한다.
• 군집 분석: 계층적 군집 분석을 통해 두 가지 관리 구역을 성공적으로 구분하였다: "고투입(high-input)" 클러스터(약 943 mm 관수 수령)와 "저투입(low-input)" 클러스터(약 749 mm 관수 수령). 관수량의 상당한 차이에도 불구하고, 통계 분석 결과 두 클러스터 간의 평균 수확량(p > 0.05) 및 평균 SWP(p > 0.05)에는 유의미한 차이가 없었다. 저투입 클러스터가 수치상으로는 더 높은 평균 수확량을 보였으나, 통계적으로 유의미하지는 않았다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 아몬드 분야에서 VRI에 대한 몇 안 되는 다년도, 상업적 규모의 평가임을 주장한다. 주요 의의는 토양, 식물 및 관수 모니터링을 통합하는 것이 데이터 기반의 부지별 관리를 지원한다는 점을 입증한 데 있다. 연구 결과는 다음과 같다:

1. 최적화 가능성: 더 많은 관수와 토양 수분 가용성이 반드시 아몬드 수확량을 개선하는 것은 아니며, 이는 생산성을 저해하지 않으면서 관수를 최적화할 기회가 있음을 나타낸다.
2. 관리 구역 설정: 통합된 토양-식물-수분 지표를 기반으로 관리 구역을 구분하는 것은 반응성이 낮은 지역에서의 과잉 관수를 줄이는 등 VRI를 구현하기 위한 실질적인 접근 방식이다.
3. 물 이용 효율: 본 연구는 정밀 농업을 발전시켜, 균일한 관수 관행이 비효도 효율로 이어질 수 있는 상황에서 부지별 전략이 어떻게 물 이용 효율과 지속 가능성을 높일 수 있는지 보여준다.

본 논문은 수확량 변동이 단순히 관수량만이 아니라 토양 수분 역학, 식물 생리적 반응(특히 SWP), 그리고 대기 요구량 사이의 복잡한 상호작용에 의해 결정된다고 결론짓는다. 따라서 균일한 관수 전략은 비효율을 초래할 수 있는 반면, 부지별 전략은 물을 보존하면서 수확량을 유지하거나 향상시킬 수 있는 경로를 제공한다.