Modeling of Estimating Soil Moisture, Evapotranspiration and Yield of Chinese Cabbages from Meteorological Data at Different Growth Stages

기상자료(氣象資料)에 의(依)한 배추 생육시기별(生育時期別) 토양수분(土壤水分), 증발산량(蒸發散量) 및 수량(收量)의 추정모형(推定模型)

A study was conducted to develop a model for estimating evapotranspiration and yield of Chinese cabbages from meteorological factors from 1981 to 1986 in Suweon, Korea. Lysimeters with water table maintained at 50cm depth were used to measure the potential evapotranspiration and the maximum evapotranspiration in situ. The actual evapotranspiration and the yield were measured in the field plots irrigated with different soil moisture regimes of -0.2, -0.5, and -1.0 bars, respectively. The soil water content throughout the profile was monitored by a neutron moisture depth gauge and the soil water potentials were measured using gypsum block and tensiometer. The fresh weight of Chinese cabbages at harvest was measured as yield. The data collected in situ were analyzed to obtain parameters related to modeling. The results were summarized as followings: 1. The 5-year mean of potential evapotranspiration (PET) gradually increased from 2.38 mm/day in early April to 3.98 mm/day in mid-June, and thereafter, decreased to 1.06 mm/day in mid-November. The estimated PET by Penman, Radiation or Blanney-Criddle methods were overestimated in comparison with the measured PET, while those by Pan-evaporation method were underestimated. The correlation between the estimated and the measured PET, however, showed high significance except for July and August by Blanney-Criddle method, which implied that the coefficients should be adjusted to the Korean conditions. 2. The meteorological factors which showed hgih correlation with the measured PET were temperature, vapour pressure deficit, sunshine hours, solar radiation and pan-evaporation. Several multiple regression equations using meteorological factors were formulated to estimate PET. The equation with pan-evaporation (Eo) was the simplest but highly accurate. PET = 0.712 + 0.705Eo 3. The crop coefficient of Chinese cabbages (Kc), the ratio of the maximum evapotranspiration (ETm) to PET, ranged from 0.5 to 0.7 at early growth stage and from 0.9 to 1.2 at mid and late growth stages. The regression equation with respect to the growth progress degree (G), ranging from 0.0 at transplanting day to 1.0 at the harvesting day, were: $$Kc=0.598+0.959G-0.501G^2$$ for spring cabbages $$Kc=0.402+1.887G-1.432G^2$$ for autumn cabbages 4. The soil factor (Kf), the ratio of the actual evapotranspiration to the maximum evapotranspiration, showed 1.0 when the available soil water fraction (f) was higher than a threshold value (fp) and decreased linearly with decreasing f below fp. The relationships were: Kf=1.0 for $$f{\geq}fp$$ Kf=a+bf for f$$I{\leq}Esm$$ Es = Esm for I > Esm 6. The model for estimating actual evapotranspiration (ETa) was based on the water balance neglecting capillary rise as: ETa=PET. Kc. Kf+Es 7. The model for estimating relative yield (Y/Ym) was selected among the regression equations with the measured ETa as: Y/Ym=a+bln(ETa) The coefficients and b were 0.07 and 0.73 for spring Chinese cabbages and 0.37 and 0.66 for autumn Chinese cabbages, respectively. 8. The estimated ETa and Y/Ym were compared with the measured values to verify the model established above. The estimated ETa showed disparities within 0.29mm/day for spring Chinese cabbages and 0.19mm/day for autumn Chinese cabbages. The average deviation of the estimated relative yield were 0.14 and 0.09, respectively. 9. The deviations between the estimated values by the model and the actual values obtained from three cropping field experiments after the completion of the model calibration were within reasonable confidence range. Therefore, this model was validated to be used in practical purpose.

본(本) 연구(硏究)는 배추를 대상(對象)으로 1986년(年)부터 1986년(年)까지 6년간 Lysimeter시험(試驗)과 포장시험(圃場試驗)을 통하여 기상자료(氣象資料)로 부터 생육시기별(生育時期別) 증발산량(蒸發散量)과 수량(收量)을 추정(推定)하는 모형(模型)을 개발(開發)할 목적(目的)으로 실시(實施)하였다. Lysimeter 시험(試驗)에서는 잠재증발산량(潛在蒸發散量)과 최대증발산량(最大蒸發散量)을 측정(測定)하였고, 관개포장시험(灌漑圃場試驗)에서는 시기별(時期別) 토양수분(土壤水分)을 측정(測定)하여 실증발산량(實蒸發散量)을 계산(計算)하고 수량(收量)을 조사(調査)하였다. 시험(試驗)을 통(通)하여 얻어진 성적(成績)과 기상자료(氣象資料)의 상호관계(相互關係)를 다각적(多角的)으로 비교(比較)하여 증발산량(蒸發散量)과 수량추정모형(收量推定模型)을 설정(設定)하고 검정(檢定)한 결과(結果)는 다음과 같다. 1. 잠재증발산(潛在蒸發散)의 5년간(年間) 측정치(測定値)의 평균치(平均値)는 4월초순(月初旬) 2.38mm/day 에서 시일(時日)이 경과(經過)함에 따라 점점(漸漸) 증가(增加)되어 6월중순(月中旬)에 3.98로 최고치(最高値)를 보이고 다시 감소(減少)되어 11월중순(月中旬)에는 1.06으로 떨어졌다. 기존(旣存) 공식(公式)에 의한 잠재증발산추정치(潛在蒸發散推定値)는 실측치(實測値)에 비(比)하여 Penman법(法), Radiation법(法), Blaney-Criddle법(法)은 과다(過多)하게 추정(推定)되고, Pan evaporation법(法)은 과소(過少)하게 추정(推定)되는 경향을 보였다. 추정치(推定値)와 실측치간(實測値間)에는 전체적(全體的)으로 보아 고도(高度)의 유의(有意)한 상관(相關)이 있었으나, Blaney-Criddle법(法)은 7, 8월(月)에 상관(相關)이 없다는 것이 특이(特異)하였다. 2. 기상요인중(氣象要因中) 잠재증발산량실측치(潛在蒸發散量實測値)와 유의(有意)한 상관(相關)이 있는 것은 기온(氣溫), 대기포차(大氣飽差), 일조시수(日照時數), 일사량(日射量), Pan증발량(蒸發量)이었으며, 이들 요인(要因)을 고려(考慮)한 다중회귀식(多重回歸式)은 PET산정식(算定式)으로 활용(活用)이 가능(可能)하였다. 잠재증발산량(潛在蒸發散量) 추정모형(推定模型)으로서는 Pan 증발량(蒸發量)(Eo)을 사용(使用)한 회귀식(回歸式)이 가장 간편(簡便)하고 정확(正確)하였다. PET= 0.712 + 0.705 Eo 3. 잠재증발산량(潛在蒸發散量)에 대한 최대증발량(最大蒸發量)(ETm)의 비(比)로 정의(定義)된 작물계수(作物係數)(Kc)는 배추생육초기(生育初期)에 0.5~0.7 범위(範圍)이었으며, 생육중기(生育中期)부터는 0.9~1.2범위(範圍)로 유지(維持)되었다. 작물계수(作物係數)는 생육진도(生育進度)(G ; 0~1.0)의 2차함수(次函數)로부터 추정(推定)할 수 있었다. 봄배추 : $$Kc=0.598+0.959G-0.501G^2$$ 가을배추 : $$Kc=0.402+1.887G-1.432G^2$$ 4. 최대증발산량(最大蒸發散量)에 대(對)한 실증발산량(實蒸發散量)의 비(比)로 정의(定義)된 토양수분계수(土壤水分係數)(Kf)는 근권(根圈)의 유효수분률(有效水分率)(f)이 임계치(臨界値)(fp)이상(以上)에서는 1.0 수준(水準)으로 유지(維持)되다가 그 이하(以下) 에서는 f에 따라 직선적(直線的)으로 감소(減少)되었다. Kc와 f와의 관계(關係)에 있어서 fp와 직선함수(直線函數)의 기울기는 재배시기(栽培時期)와 PET에 따라 각각 다르게 나타났다. Kf=1.0, if $$f{\geq}fp$$ $$Kf=a+b{\cdot}f$$, if f＜fp 5. 층위별(層位別) 토양수분함량(土壤水分含量)으로부더 근권(根圈)의 물보유량변화(保有量變化)(${\Delta}S$) 계산(計算)에 있어서 모관수(毛管水)의 상승(上昇)과 배수량(排水量)은 무시(無視)할 정도(程度)로 적었다. 침투량(浸透量)(I)이 있을때 표토(表土) 5cm에 보유(保有)되었다가 증발(蒸發)되어 버리는 물량(量)(Es)은 실증발산(實蒸發散) 추정한형(推定漢型)에서 별도로 고여(考濾)되어야 하며, Es는 근권(根圈)의 유효수분율(有效水分率)로부터 추정(推定)된 표사(表士) 5cm에서 증발가능(蒸發可能)한 최대(最大) 물량(Esm)과 I을 비교(比較)하여 결정(決定)할 수 있었다. Es = I if I < Esm Es = Esm if < Esm 380 6. 실증발산최(實蒸發散最)(ETa) 추정모형(推定模型)은 물수지식(收支式)에 근거(根據)하여, 모관수(毛管水)의 상하이동양(上下移動量)은 무시(無視)하고 잠재증발산양(潛在蒸發散量)(PET), Kc, Kf, Es를 고려(考慮)하여 아래식(式)으로 설정(設定)되었다. $$ETa=PET{\cdot}Kc{\cdot}Kf+Es$$ 7.배추의 상대수양(相對收量)(Y/Ym) 추정모형(推定模型)은 재배기간중(栽培期間中)의 ETa의 대수함수(對數函數)의 형태(形態)로 설정(設定)되었다. $$Y/Ym=a+b{\cdot}{\ell}n(ETa)$$ 봄배추 : a=0.07, b =0.73 가을배추 : a=0.37, b =0.66 8. 설정(設定)된 모형(模型)에 의해 추정(推定)된 실증발산양(實蒸發散量)과 상대수양(相對收量)을 실측치(實測値)와 비교(比較)하여 본 결과(結果), 실증발산추정치(實蒸發散推定値)의 평균편차(平均偏差)는 봄배추에서는 0.29mm/day, 가을배추에서는 0.19mm/day이었으며, 상대수양추정치(相對收量推定値)의 평균편차(平均偏差)는 봄배추에서는 0.14, 가을배추에서는 0.09이었다. 9. 모형설정(模型設定)이 완료(完了)된 이후(以後) 별도(別途)로 3작기(作期)에 대(對)한 실측치(實測値)와 추정치간(推定値間)의 편차(偏差)도 모형설정기간(模型設定期間)의 것보다 오히려 더 적게 나오는 경향(傾向)을 보였다. 따라서 본추정모형(本推定模型)은 실제(實際) 활용가치(活用價値)가 있다고 판단(判斷)된다.