미국 텍사스 주에 위치한 미국 농업 연구청(ARS; Agricultural Research Service)은 지속적인 과도한 수자원 남용 하에서 방대한 지하 저장소인 오갈라라 대수층(Ogallala Aquifer)에 의존하여 지역 대부분의 수자원을 공급받는 농부들을 도와줄 수 있는 방안을 개발할 것으로 기대된다.

ARS 보존 생산 연구 실험실(Conservation and Production Research Laboratory) 소속의 Steve Evett, Susan O`Shaughnessy 등의 연구진은 토양-물 및 식물-스트레스 센서와 필요한 지역만 관개할 수 있는 자동 관개 시스템(automated irrigation system) 등을 테스트 및 개발할 계획이다. 자동 시스템은 대수층의 지속 가능한 사용과 재배자들이 수자원 및 노동 비용을 줄이는데 도움을 주는 핵심으로 간주되고 있다.

수자원이 더욱 더 귀중하게 평가되고, 물을 끌어올리는데 소요되는 비용 역시 증가하고 있기 때문에, 농업에서 사용되는 모든 가능한 지점에서 물을 공급할 필요가 있다. 이것을 수행하기 위하여, 우리는 정확하게 일정을 결정 및 제어하여 관개를 수행하는 최적의 시스템을 개발할 필요가 있다고 Evett는 밝혔다. 연구진은 각각의 방안을 보완하는 두 가지 접근을 기반으로 하는 자동 관개(automated irrigation) 및 센서 시스템(sensor system)을 개발 중이라고 O`Shaughnessy는 밝혔다.

한 가지 시스템은 상용 관개 시스템의 지상 위에 설치된 수송관에 장착된 무센 센서에 의해 농작물 물 스트레스(crop water stress) 수준을 감지하는 장치를 기반으로 물을 공급한다. 다른 시스템에서, 연구진은 도시 지역을 위하여 고안된 센서 기술을 농업에서 작동될 수 있도록 적용할 계획이다. 후자의 장치는 토양에 고정된 위치에서 센서에 의해 토양 물 함량(soil water content)을 근간으로 관개를 개시한다.

각 시스템은 장단점을 가진다. 그러나 단일 농지에서 이러한 두 가지 네트워크 시스템의 결합이 이상적일 수 있으며, 농작물 물 스트레스와 견고한 관개 제어를 모니터링하는데 요구되는 시간적 빈도와 공간적 범위(spatial coverage)를 제공한다고 O`Shaughnessy는 밝혔다.

Evett와 O`Shaughnessy 등의 연구진은 자동 관개 시스템에 대한 특허를 출원했다. 연구진은 중성자수분측정기(neutron probe)를 이용하여 토양 물 모니터링을 근간으로 하는 수동 관개 제어와 비교한 다양한 현장 연구에서 연구진이 개발한 시스템의 효과를 입증했다. 여기서 탐침(probe)은 관개 일정을 위한 연구 표준이지만, 재배자들은 비용과 규제적인 부담을 이유로 이러한 시설의 구축을 피하고 있다.

연구진은 2년 동안 조숙(early-maturing) 및 만숙(and late-maturing) 수수(sorghum)를 재배했다. 연구진은 농작물 캐노피 온도(Crop canopy temperature)를 모니터링하기 위한 중앙 회전식 원형 관개 시스템(center-pivot irrigation system)에 대하여 16개 시제품 무선 센서를 사용했다. 연구진은 Southern High Plains 지역에서 환금 작물로 중요성과 물 스트레스에 견딜 수 있기 때문에 수수를 선정했다. 그렇기는 하지만, 관개는 이 지역의 수수 생산을 3배로 증가시키는데 상당한 역할을 한다.

농작물 캐노피 온도는 재배 기간 동안 현장을 이동하는 회전 관개 시스템(pivot system)으로 모니터링됐으며, 다른 장치가 기후 자료를 기록했다. 기록된 정보는 회전 관개 시스템 지점에서 컴퓨터에 의해 매일 처리됐으며, 관개가 필요한 시기 및 장소에 자동적으로 관개를 계획 및 보급한다.

센서 네트워크가 6개의 확장된 중앙 회전축에 설치됐지만, 이 기술은 이동 또는 정지 관개 시스템의 다른 유형에도 채용될 수 있다고 O`Shaughnessy는 밝혔다.

관개를 수동으로 개시하기 위하여 사용됐던 과거의 시스템은 농작물 물 스트레스 지수(Crop Water Stress Index)이다. 이것은 정오에 측정된 기상 요소와 캐노피 온도를 근간으로 물 스트레스를 산출했다. 농작물 물 스트레스 지수는 운량(cloud cover)과 다른 기후 변화가 일일 물 사용에 관계없이 하루에 한 번 측정됐기 때문에, 연구진은 하루 전 과정에 걸쳐 연속적인 측정을 이용하는 시스템을 개발하여 iCWSI(Integrated Crop Water Stress Index)를 산출했다. 관개는 iCWSI 수치가 이전의 자료에서 수립된 한계치를 초과하는 시간 및 장소에서 자동적으로 공급된다.

자동 및 수동적 제어 방법 사이에 농작물 생산량과 물 사용효율성 이외에도, 이 연구는 부족 관개(deficit irrigation) 수준에서 생산량을 평가했다. 이것은 이 지역에서 재배자들이 더 적게 관개를 사용함으로써 수익을 증대할 수 있고, 이로 인해 물과 물을 급수하기 위하여 펌프를 가동하는 비용을 절감할 수 있기 때문에 중요하다.

2012년 Agricultural Water Management에 발표된 연구 결과는 관개 일정의 자동화 방안이 완전 관개 수준과 부족 관개 수준 모두에서 수동 방법만큼 효율적이며, 유사한 곡물 생산량과 물 사용 효율성 수준을 달성한다는 것을 보여주었다.

CRADA(cooperative research and development agreement)와의 협력을 통하여, Evett와 그의 동료 연구진은 Valmont Industries사의 상용 관개 시스템을 재배자들에게 더 유용한 방식으로 변형할 예정이다. 연구팀은 ARS가 개발한 센서 네트워크와 기업의 변동 및 회전 관개 시스템을 갖춘 관개 제어 시스템을 통합할 계획이다. 연구진은 위치 특징적인 자료를 근간으로 설치될 관개 수준을 허용하는 센서 기술을 개발할 예정이며, 이는 변화하는 기상 조건을 기반으로 갱신될 수 있다.

지하 센서를 이용한 자동 관개 시스템에 대하여, Evett와 그의 동료 연구진은 정확하고, 깊게 측정하기 위하여 고안된 토양-물 센서를 생성하기 위하여 Acclima사와 공동으로 CRADA를 수립했다. Evett와 Robert Schwartz 및 Joaquin Casanova 등이 시스템의 공동 발명자이다.

Acclima사는 TDT(time-domain transmission) 기술을 사용하는 탐침을 가진 센서 기반의 관개 제어 시스템을 만들었다. 이 장치는 토양에 삽입된 전극을 따라 이동하기 위하여 전자기 펄스(electromagnetic pulse)를 필요로 하는 시간을 측정한다. 물은 신호의 이동을 느리게 하고, 기록 속도는 토양에서 물의 함량을 정확하게 표현해준다. 컴퓨터는 미리 결정된 토양 물 함량 수준에서 자동으로 양수 펌프나 밸브를 활성화시킨다.

Acclima사의 센서가 잔디, 관목 및 풍치림 등의 지역에 대한 관개를 제어하도록 고안됐기 때문에, 이 제품은 약 4~6 인치 가량의 깊이에 대한 물 함량만을 모니터링할 수 있다. 해당 센서를 농업에 사용하기 위하여, 탐침은 50 인치 또는 그 보다 더 깊게 설치될 필요가 있으며, 다수의 깊이에서 판독이 요구된다.

Evett과 그의 Acclima사 파트너는 TDR(time-domain reflectometry)을 사용하는 새로운 기술을 개발 중이다. 연구진은 토양 깊이 구멍을 뚫어 설치될 수 있는 속이 빈 비전도성 플라스틱 관을 사용할 계획이다. 관은 원하는 깊이로 시추되어 내려갈 수 있도록 서로 부착 가능한 부분으로 구분된다.

시제품은 물과 테스트 유액 및 진흙과 옥토(loam soil) 등에서 시험됐으며, 결과는 TDR을 활용하는 접근이 실현가능하다는 것을 보여주었다고 Evett는 밝혔다. ARS와 Acclima사는 이 기술에 대하여 특허를 신청했으며, 이 기술은 토양 염도를 평가하는 능력을 포함하고 있다.

상대적으로 저렴한 차세대 무선 센서가 조만간 센서 네트워크 시스템으로 구축될 것이라고 O`Shaughnessy는 밝혔다. 이러한 센서 시스템과 다년간의 자료를 기반으로 하는 개선된 제어 알고리즘이 관개 자동화 방안에 견고성과 효율을 증가시킬 것이다.