토양 속 양분 ‘실시간 측정’ 시대 연다…스마트농업 한 단계 도약

농진청·광운대, 질소·인산·칼륨 등 성분별 실시간 감지기 개발
비료 효율·작물 생육 향상·환경보전 효과 기대…AI 기반 정밀농업 기반 마련

▲국립식량과학원에서 개발한 노지 스마트농업 모식도 (사진제공=농촌진흥청)

토양에 꽂기만 하면 작물이 흡수 가능한 양분을 실시간으로 측정할 수 있는 감지기(센서)가 개발됐다. 정밀한 양분 관리로 비료 사용량을 줄이고 작물 생육 효율을 높이는 등 스마트농업 확산에 속도가 붙을 전망이다.

농촌진흥청은 광운대학교 김양래 교수 연구팀과 공동으로 토양 속 질소, 인산, 칼륨 등 주요 양분을 성분별로 실시간 측정할 수 있는 ‘토양 양분 감지기’를 개발했다고 22일 밝혔다.

이번 감지기는 다채널 스크린프린트형 이온 선택성 전극을 적용해 토양에 삽입만으로 각 성분의 농도를 개별 측정할 수 있다. 기존 기술이 양분의 총량만 파악할 수 있었던 것과 달리, 이번 개발로는 질소(NO₃⁻·NO₂⁻·NH₄⁺), 인산(H₂PO₄⁻), 칼륨(K⁺)을 각각 구분해 측정할 수 있다. 특히 토양 내 인산을 직접 측정한 것은 세계 최초 성과로 평가된다.

또한 기존 전기전도도(EC) 기반 감지기는 일정 기간(1~3개월) 후 전체 교체가 필요했지만, 새로 개발된 감지기는 전극만 교체하면 반영구적으로 사용할 수 있다. 전극 교체비는 1만~2만 원 수준으로 경제성이 높고, 측정 데이터는 스마트폰이나 컴퓨터로 전송돼 실시간 모니터링이 가능하다.

밭토양 시험에서는 투입 비료 농도와 측정값의 일치율이 83~96%에 달했으며, 논토양 실험에서는 92~99%, 들깨 수경재배 양액 실험에서는 평균 90% 이상의 정확도를 보였다.

이 기술을 관비시스템 등 정밀 양분 관리 기술과 연계하면, 작물에 필요한 최적의 양분만 공급해 비료 과다 사용을 줄이고 토양오염 및 온실가스 배출 감소에도 기여할 것으로 기대된다.

농진청은 이번 기술로 국내 특허 3건, 국제 특허 1건을 출원·등록했으며, 향후 다양한 토양 조건에서도 안정적인 성능을 구현하기 위한 추가 연구를 진행 중이다. 앞으로는 트랙터 부착형과 휴대용 모델도 개발해 활용도를 높이고, 인공지능(AI) 기반 양분 모델을 결합해 정확도와 상용화를 강화할 계획이다.

곽도연 국립식량과학원장은 “이번에 개발한 양분 감지기는 스마트농업의 정밀 양분 관리 기반을 마련한 기술”이라며 “필요한 만큼만 비료를 사용해 환경오염을 줄이고, 작물 생육과 농작업 효율을 높이는 데 크게 기여할 것”이라고 말했다.