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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.52 No.4 pp.129-136
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2018.52.4.129

Analysis of Tilling Operation according to the Physical Form of Soil & Work Machine

Ho Jun Jung1, Seong Sik Kim1, Jae Min Jo1, Dae Sik Kang2, Hyeon Tae Kim1*
1Department of Bio-Industrial Machinery Engineering, College of Agriculture and Life Science, Gyeongsang National University(IALS), Jinju, 52828, Korea
2Green Max co. Ltd., Incheon, 21700, Korea
Corresponding author: Hyeon-Tae Kim Tel: +82-55-772-1896 Fax: +82-55-772-1899 E-mail: bioani@gnu.ac.kr
September 26, 2016 February 21, 2017 March 26, 2018

Abstract


In this paper, the inversion ratio of tilled soil depending on physical properties of soil, such as moisture content(MC), and unit weight(UW) and mechanical characteristics of harrow machinery, such as running speed(RS) and distance between harrows(DBH), was analyzed as a basic data for intensive agriculture. Four factors were concerned as an experimental condition, which consisted of three or two sub-conditions, such as MC(15%, 25%, and 30%), RS(0.2 m/min, 0.4m/min, and 0.6m/min), UW(above 2.3 kg/m3 and below 2.3 kg/m3) and DBH(30 cm and 40 cm). In order to analyze the inversion ratio, a lime powder uniformly covered on the soil(1 m×1 m), then the ratio was calculated before and after harrowing using the inverted powder. As a result, the higher inversion ratio was generally achieved at 25% of MC, 30cm of DBH, and above 2.3 kg/m3 of UW.



토양의 물리적 특성과 작업기의 특성에 따른 경운 작업 분석

정 호준1, 김 성식1, 조 재민1, 강 대식2, 김 현태1*
1경상대학교 농업생명과학대학 생물산업기계공학과(농업생명과학연구원)
2㈜그린맥스

초록


본 연구에서는 작업기의 디스크 헤로우를 이송장치에 부착하여 실내실험을 통해 토양의 물리적 특성 (함수율, 단위중량), 작업기의 특성(주행속도, 디스크 헤로우 간의 간격)에 따른 경운 토양의 반전율 등 을 분석하고자 하며, 작업시기의 적정 토양의 물리적 상태를 확인하여 농가의 기초자료로 활용하고자 한다. 실험은 4가지 변수를 두고 진행하였다. 함수율, 작업 속도는 3가지 조건으로, 단위 중량은 일반 적인 밭 흙 단위 중량 2.3kg/m3을 기준으로 높을 때와 낮을 때로 구분 지었으며, 디스크 헤로우의 간 격은 30cm, 40cm로 구분하여 실험을 진행하였다. 이러한 4가지 변수를 두고 실험을 실시할 때 똑같은 조건으로 산포하기 위해 1m x 1m 면적의 프레임을 제작하여 일정하게 3회 석회가루를 산포하고, 경운 작업 전․후의 석회가루 분포를 측정하여 반전율을 계산하였다. 반전율은 함수율별 분석 시 25%, 15%, 30% 순으로 측정되었고, 디스크 헤로우의 간격은 30cm 일 때가 더 높게 측정되었으며, 토양의 단위중 량은 2.3kg/m3 이상일 때 더 높게 측정되었다.



    Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs
    115040-2

    서론

    경운은 작물의 재배에 적합하도록 작물을 재배하 기 전에 토양의 파쇄 또는 반전을 통하여 부드럽게 하고 흙덩이를 작게 부수며 지표면을 평평하게 하 는 작업을 말하는데, 이는 지표면의 잡초와 작물 잔재의 처리, 양분의 유효화를 도울 뿐만 아니라 뿌리의 활착과 성장의 기본이 되는 묘상을 조성하 여 작물 생육의 근간이 되는 토양조건을 조절하는 것을 그 목적으로 한다(Canarache, 1991). 국제경 제협력개발기구(OECD, Organization for Economic Cooperation and Development)에서는 1994년에 토양의 질을 농업환경지표의 하나로 설정하였다(Cho et al., 2012). 토양의 질을 평가하는 기준 중 하나 인 양의 토양의 물리성은 작물의 뿌리 뻗음, 보수성 및 배수성 등을 결정하며(Topp et al., 1997; Dexter, 2004), 토양의 물리성이 좋은 토양은 토양구조가 발 달하고, 토양침식 및 다짐에 영향을 적게 받으며, 토양 내 양수분 이동 및 공기의 흐름이 원활하여 작 물 생육이 잘된다(Topp et al., 1997). 따라서 경운 작업은 토양에 보다 나은 통기성, 배수성, 흡습성 그리고 침투성을 제공한다(Canarache, 1991). 뿌리 의 적합한 생육상태는 토양의 영양 상태와 더불어 물리적 다짐 정도와 밀접한 영향이 있다는 연구 결 과가 있었다. 또 한, 작물뿌리의 신장은 토양의 화 학적인 요소 뿐만 아니라 토양의 수분과 양분의 흡 수속도(Hallmark & Barber, 1981) 및 토양의 입경 조성, 수분함량, 경도 등의 물리적인 면에서도 많은 영향을 받는다(Yang et al., 2001; Kim et al., 2003). 그러나 어느 정도의 토양다짐이 적절한가에 대한 기준도 설정된 바 없으며, 나아가 토양의 특 성, 함수율 등 토양의 물리적 특성들이 경운 작업에 어떠한 영향을 갖는지에 대한 연구도 미흡한 실정이 다(Park et al., 2007). 그리고 경운 작업시의 토양 의 물리적 특성은 소요 에너지 측면에서도 중요한 의미를 가지며 경운 작업기의 측면에서만 본다면 연 약한 토양상태가 좋지만 토양이 너무 연약하면 점점 대형화되어가는 트랙터로 인해 작업하는데 어려움이 있을 뿐만 아니라, 작물의 생장촉진을 저해시킬 수 있다. 경운 작업 시기의 토양의 물리적 특성은 소요 에너지 측면과 트랙터의 작업 가능성 또는 견인력의 측면에서 적정수준에 있는 것이 바람직하다(Park et al., 2003). 토양의 물리적 형태, 지역 기후 등을 고려하고 나아가 작업기의 역학적 특성까지 고려한 재배 양식의 표준화 도입이 필요할 것으로 보인다. 작물 생산에 적합한 토양물리성은 하나의 지표로 특성을 파악할 수 없고, 몇 가지 특성을 통합적으 로 이해하여야 한다(Dexter & Czyz, 2000). 따라 서 본 연구에서는 작업기의 디스크 헤로우 부분을 이송장치에 부착하여 실내실험을 통해 토양의 물리 적 특성(함수율, 단위중량), 작업기의 특성(주행속 도, 디스크 헤로우 간의 간격)에 따른 경운 토양의 반전율 등을 분석하고자 하며, 작업시기의 적정 토 양의 물리적 상태를 확인하여 농가의 기초자료로 활용하고자 한다.

    재료 및 방법

    1 Soil-bin 설계 및 제작

    실제 농장을 대상으로 여러 변수를 설정하고 실 험하기에는 어려움이 있다고 판단하여 실제 현장 을 감안하여 시제품을 Scale-down 한 후, 경상대 학교 내 위치한 실험동에서 Fig. 1과 같이 8인치 규격의 시멘트 블록과 Channel을 절단, 절곡하여 가로 1,300mm, 세로 9,000mm, 높이 90mm의 규 격으로 Soil-bin을 제작하였다.

    작업기의 디스크 헤로우 부분을 구동시키기 위해 서 Fig. 2와 같이 이송장치를 설계, 제작하였다. 레 일을 이용하여 장치가 이송될 수 있도록 설계 하였 고, 레일 서포트를 통해 토양 반력으로 인한 이송 장치가 뜨면서 경로를 이탈하는 것을 방지하였다. 운전 방식은 전진 후 자동정지 & 후진 후 자동 정 지 식으로 설정하였고, 비상정지 버튼을 제작하여 예상치 못한 상황에서 작동을 멈출 수 있도록 제작 하였다. 1회 실험을 진행하고 다시 작업기를 원상 복귀 시키는 방식으로 리미트 스위치를 통해 이송장 치가 설정 위치를 지나게 되면 자동으로 멈추게 설 정하였고. 주행속도는 원하는 속도로 설정할 수 있 으며, 4단 변속이 가능하게 제작하였다.

    2 측정 장비 구축 및 측정 방법

    토양의 함수율은 Soil-bin 내 5지점의 샘플을 채 취한 후, 드라이 오븐법을 이용하여 채취한 토양(습 토 무게)을 측정하고, 105℃에서 72시간 건조 후, 약 30분 정도 식힌 토양(건토 무게)을 측정하여 식 (1) 과 같이 그 감량을 건토에 대한 %로 계산하였다.

    m o i s t u r e c o n t e n t o f s o i l : W b W a W b × 100
    식 (1)

    여기서,

    • Wb: Weight of soil before drying

    • Wa: Weight of soil after drying

    디스크 헤로우는 무동력으로 구동되는 방식으로 토 양 반전을 위해 원판의 비틀림각을 주어서 제작되었 다. Fig. 3과 같이 디스크 헤로우(Multidisc Vario, Tulip Agri., Netherlands)를 사용하였고, 규격은 ∅520 으로 이송장치에 부착된 각 파이프에 U자 볼트를 연결하여 구동시켰다.

    3 경운 토양의 반전율 조사

    경운 작업은 토양의 물리적 특성인 토성, 용적밀도, 경도, 수분 함량 등에 영향을 받으며(Kim et al., 2010), 또한, 작업기 특성에서는 경폭, 경심, 작업 속도 등에도 크게 영향을 받는다(Nam, 2016)는 연 구 결과가 있었다. 본 실험에서는 Table 1과 같이 토양의 물리적 특성 중 단위 중량, 함수율과 작업기 의 특성 중 디스크 간격, 작업속도로 4가지 변수를 두고 각 독립변수 마다 조건 값에 따라 반전율을 분 석하였다. 변수의 조건 값 중 토양의 함수율은 Soil-bin 규격 안에 담겨있는 많은 양의 흙을 통일 된 함수율로 맞추기는 어렵다고 판단하여 평상시 때 흙, 물을 조금 넣었을 때, 많이 넣었을 때로 3가지 조건으로 구분 하였고, 함수율 측정은 1가지 조건 당 5지점을 측정한 후, 평균으로 계산하여 14%, 24%, 29%로 측정되었다. 마찬가지로 단위 중량 또 한 일반적인 밭 흙 단위 중량(2.3kg/m3)을 기준으 로 높을 때와 낮을 때로 구분 지었다. 작업 속도는 0.2m/s, 0.4m/s, 0.6m/s으로, 디스크 헤로우 간격 은 Fig. 4와 같이 30cm, 40cm 일 때의 토양의 반전 율을 분석하였다.

    반전율은 작업시 심층과 표층 토양의 혼합 정도를 나타내는 척도로, 각 변수로 실험을 실시할 때 똑같 은 조건으로 산포하기 위해 1m×1m 면적의 프레임 을 제작하여 Fig. 5와 같이 일정하게 3회 석회가루 를 산포하고, 경운 작업 전․후의 석회가루 분포를 관 찰하였으며 계산식은 식 (2)와 같다.

    I n v e r s i o n R a t i o : A a A b A a × 100
    식 (2)

    여기서,

    Ab: Area of lime powder after harrowing

    Aa: Area of lime powder before harrowing

    또한, 경운 작업 전·후 석회가루 분포 비교를 위 해 피사체와의 거리를 일정한 높이와 위치로 프레임 에 카메라를 고정시켜 촬영하였고, 광 간섭을 받지 않기 위해 야간에 실험을 진행하였다.

    결과 분석은 상용 공학 소프트웨어인 MATLAB Ver. 2012a를 이용한 영상처리 방식으로 그림이 깨 지는 현상을 제거하기 위해 노이즈를 제거하였다. 노 이즈가 제거된 영상을 정방형인 사진에 가로, 세로 960개의 픽셀로 나누어 Otsu’s threshold method를 이용해(Nobuyuki, 1979) 히스토그램을 통계적으로 분석해 각 영상마다 최적의 threshold value를 자동 으로 도출해 낸 후, 밝기 값 0-255 중에 thereshold value를 기준으로 흰색(석회가루), 검은색(흙)을 이 진화 시켜 분석하였다. 작업 전은 모두 흰색의 픽셀 로 고정한 후, Fig. 6과 같이 작업 후의 사진(a)를 영상처리 프로그램을 이용하여 이진화 사진(b)로 변 경하였으며, 석회가루가 없어진 픽셀 수의 정도를 계산하여 반전율을 산출하였다.

    결과 및 고찰

    1 토양의 물리적 특성에 따른 경운 작업 분석

    1.1 토양 함수율

    Table 2는 함수율이 14%, 24%, 29% 일 때, 반전 율의 평균, 표준편차 및 유의확률을 나타낸 표이다. 반전율은 68.91%, 70.92%, 69.41%로서 미세하게 24%일 때가 가장 높게 측정되었다. 이는 14%일 때 는 토양의 점착력이 매우 낮기 때문에 반전 작업시 심토가 표층으로 반전 되지 못하고 흐트러지기 때문 이라고 판단된다. 또한, 29%일 때는 토양의 함수율 이 증가함에 따라 내부마찰각과 점착력이 증가하면 서 경운 작업이 용이하지 못하였다. 따라서 일반적 인 밭 함수율 평균인 20-25% 사이인 24%일 때가 가장 함수율이 높게 측정되었다고 생각된다.

    함수율이 반전율에 어떠한 영향을 미치는지를 분 석하고자 SPSS 통계 프로그램을 통해 일원배치 분 산분석을 실시하였다. 유의확률 P-value는 0.734로 서 유의수준 값 0.05보다 높기 때문에 유의하지 않 다. 따라서 3가지 함수율에 대한 조건에 대해서는 반전율에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.

    1.2 단위 중량

    Table 3은 단위중량이 2.3이상, 이하 일 때, 반전 율의 평균, 표준편차 및 유의확률을 나타낸 표이다. 반전율은 단위중량이 2.3 이상일 때 69.96%, 이하 일 때는 68.81%로 큰 차이가 나타나지 않았다. 이 는 단위 중량 기준 값 2.3이 반전율에 영향을 미치 기에는 너무 낮기 때문으로 판단된다. 따라서 단위 중량의 기준 값을 올려서 영향을 미치는 단위 중량 에 대한 연구가 필요할 것으로 생각된다.

    Table 5는 토양의 단위중량에 따른 반전율에 대 해 일원배치 분산분석한 표이다. 평균, 표준 편차는 다음과 같고 유의확률 P-value는 0.856로서 유의수 준 값 0.05보다 높기 때문에 유의하지 않다. 따라서 단위중량에 대한 조건에 대해서는 반전율에 큰 영향 을 미치지 않는 것으로 판단된다.

    2 작업기 특성에 따른 경운 작업 분석

    2.1 작업 속도

    Table 4는 작업기의 작업속도에 따른 반전율의 평균, 표준편차 및 유의확률을 나타낸 표이다. 반전 율은 작업속도가 0.2m/s일 때 68.47%, 0.4m/s일 때 69.06%, 0.6m/s일 때, 69.56%로 속도가 증가함에 따라 반전율도 미세하게 증가하는 것을 알 수 있었 다. 실내 실험상 속도를 더 올리지 못한 점을 고려 하여 실제 밭에서 작업속도를 증가시키면서 반전율 이 더 이상 증가하지 않는 최적의 속도점을 찾는 연 구도 필요할 것으로 보인다.

    유의확률 P-value는 0.911로서 유의수준 값 0.05 보다 높기 때문에 유의하지 않다. 따라서 작업속도 에 대한 조건에 대해서는 반전율에 큰 영향을 미치 지 않는 것으로 판단된다.

    2.2 디스크 간격

    Table 5는 작업기의 디스크 간격에 따른 반전율 의 평균, 표준편차 및 유의확률을 나타낸 표이다. 반전율은 디스크 간격이 30cm일 때 79.94%, 40cm 일 때 59.56%로서 4개의 변수들 중 가장 큰 차이 를 나타냈다. 이는 간격이 넓어지면서 디스크 사이 의 미작업되는 면적이 발생하면서 생기는 차이로 판단된다. 만약 디스크 간격을 30cm 이하로 좁힐 경우에 경운 작업 면적이 겹치는 부분이 발생한다. 이에 따라 디스크 뒷면에 토양의 반력이 작용하면 서 부하가 생길 가능성이 있다. 따라서 디스크 간 격은 최소 30cm 이상으로 작업하는 것이 적절하다 고 판단된다.

    유의확률 P-value는 0.00으로서 유의수준 값 0.05보다 낮기 때문에 유의한 차이가 있다. 따라 서 디스크 간격은 반전율에 영향을 미친다.

    감사의 글

    본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림수산 식품기술기획평가원의 첨단생산기술개발사업의 지원 으로 수행되었음(115040-2).

    Figure

    JALS-52-129_F1.gif

    The manufacturing of Soil-bin for the experimental.

    JALS-52-129_F2.gif

    The diagram of transfer device for the experimental.

    JALS-52-129_F3.gif

    The photo of disc harrow.

    JALS-52-129_F4.gif

    The photo of connecting the machine disc harrow.

    JALS-52-129_F5.gif

    The photo of before & after harrowing.

    JALS-52-129_F6.gif

    The photo of soil image processing results.

    Table

    Experiment summary by independent variable

    Turning of soil according to moisture content of soil(One-way anova)

    Turning of soil according to Unit weight of soil(One-way anova)

    Turning of soil according to working speed(One-way anova)

    Turning of soil according to spacing of disc of soil(One-way anova)

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