Introduction
Materials and Methods
라이시미터 경종관리
작물 재배기간 동안 기상자료 수집
벼 수확량 조사
작물 물 생산성 산정 방법
통계분석
Results and Discussion
연도별 재배기간 동안의 기상 특성
벼 수량 산정 결과
물 유출량 (증발산량, 지하유출량) 산정 결과
물 생산성 산정 결과
Conclusions
Introduction
농업은 기상조건과 밀접하게 연관된 산업으로 기후의 영향에 따라 작물의 종류와 생산량이 좌우된다 (Lee and Kim, 2008; Lee et al., 2008; Shim et al., 2008; Choe et al., 2013). 따라서, 농업환경은 기후변화의 영향을 직접적으로 받으며 평균기온 상승과 대기 중의 이산화탄소 농도 증가는 작물의 광합성 등 생육환경에 많은 영향을 미친다 (Yun et al., 2001; Lee et al., 2012; Myeong, 2018). 지구의 평균기온 상승은 기후변화의 대표적인 현상으로, 온도 상승에 따라 작물의 주산지와 생장 패턴이 변화하고 있으며 (Song et al., 2014), 고온에 의한 식물 생장 장해와 병해충 피해도 증가하고 있다 (Jeong and Han, 2022). 또한, 국지성 호우는 농작물 침수 피해뿐만 아니라 하천시설물 붕괴 등 여러 방면에서 수해 발생률을 높이며, 가뭄은 저수율 감소에 따른 수질 악화 발생 (Cho et al., 2022)과 물 부족 문제를 수반하므로 잦은 홍수와 가뭄에 따라 안정적인 수자원 확보가 점차 어려워지고 있다. 특히, 우리나라는 댐 방류량의 의존도가 높아 가뭄이 발생하였을 때 대비하기에 취약한 구조를 가지고 있어 가뭄에 따른 물 부족 문제가 심화되고 있다 (Myeong, 2018; Kim et al., 2023a; Lee et al., 2024).
농업은 수자원 이용률이 가장 높은 분야로, 수자원 의존도 또한 높다. 지구온난화로 인한 수자원 확보의 불확실성이 증가하고 있으며, 여러 연구에서 평균온도 상승으로 미래의 작물의 증발산량이 증가하면서 물 소비량이 증가할 것으로 보고되고 있다 (Wang et al., 2012; Omaid et al., 2018; Djaman et al., 2018). 작물 물 생산성 (crop water productivity, CWP)은 물 소모량 (mm) 당 생산량 (kg 10a-1)으로 농업 수자원 이용의 지표로써 활용되고 있으며, 정확한 물 소비량 산정은 중요하다 (Cook et al., 2006; Grassini et al., 2011). 작물 물 생산성이 높다는 것은 같은 수자원량에서 많은 수확량을 확보할 수 있다는 것으로 효율적인 물관리가 가능하고, 이를 개선하는 것은 물 부족 문제의 해결책이 될 수 있다 (Cook et al., 2006; Mdemu et al., 2009; N’GUESSAN et al., 2023). 작물 물 생산성 산정식에서 물 소모량은 연구자별로 각각 다르게 해석하여 혼용되어 사용되고 있지만 (Wesseling and Feddes, 2006; Ali and Talukder, 2008), 일반적으로 작물이 생육하는 데 소요되는 양으로 산정하며 (Hur et al., 2019), 분자는 작물의 생산량, 분모는 단위 면적당 소모된 물의 양을 정의할 수 있는 특정 기준을 적용시킨다 (Cao et al., 2017). 물 소모량은 증발산량을 기준으로 산정하는 것이 가장 일반적인 방법이며 경우에 따라서는 관개량을 적용하여 산정한 연구자 (Hur et al., 2019)도 있다. “농어촌용수 이용합리화 계획 (MAFRA, 2014)”에 따르면 논 용수량은 토양별 침투량을 함께 고려하여 산정하고 있으며, 벼 재배시 관개량은 토양별 지하유출량과 높은 상관관계가 있다. 따라서, 본 연구에서는 작물이 소모한 증발산량과 토성을 반영한 지하유출량을 함께 고려하여 물 생산성을 비교하고 평가하고자 하였다.
물 소모량 산정에 필요한 증발산량을 산정하는 방법은 직접 및 간접적인 방법으로 구분되며, 직접적인 방법으로 라이시미터를 활용하는 방법이 있다. 라이시미터는 작물의 생육에 따라 수분과 양분의 이동 및 증발산량을 측정하기에 용이한 장비이다. 여러 연구에서 라이시미터를 통한 증발산량 산정 연구가 수행되었으며 증발산량을 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 시설임을 증명하였다 (Ruth et al., 2018; Kim et al., 2018; Han et al., 2019). 여러 종류의 라이시미터 중 중량식 라이시미터는 중량을 측정하는 로드셀이 하단에 설치되어 있어 무게 변화를 시간별로 확인할 수 있어 물의 유입과 유출량을 파악할 수 있다. Ok et al. (2018, 2019, 2020)와 Kim et al. (2023b) 등은 비교란 중량식 라이시미터를 활용하여 밭작물의 물수지 및 물 필요량을 산정한 결과를 제시하였다.
본 연구에서는 비교란 중량식 라이시미터를 활용하여 조생종 벼의 1) 증발산량 기준 물 생산성 (evapotranspiration water productivity, ETWP), 2) 물 유출량 기준 물 생산성 (water output water productivity, WOWP)으로 구분하여 산정하고 토성 및 재배시기에 따른 물 생산성을 비교 ‧ 평가하였다.
Materials and Methods
라이시미터 경종관리
본 연구는 중량식 논 라이시미터의 시설을 이용하여 수행하였고, 전북특별자치도 완주군 국립농업과학원 (National Institute of Agriculture Sciences, NIAS) 내 토양수분이동실험동에 위치하고 있다.
중량식 라이시미터 (Weighable Lysimeter, UGT, Germany)는 자연 상태의 토양을 반영할 수 있는 비교란 토양으로 충진되어 있으며 표면적 1 m2, 깊이 1.5 m의 스테인리스 재질의 원통형 시설이다 (Fig. 1). 라이시미터는 작물의 실제 증발산량을 산정하기에 용이한 도구이며, 일반적인 라이시미터와 다르게 중량식 라이시미터는 중량 측정을 통해 실시간으로 물 유입량과 물 유출량을 파악할 수 있다. 무게의 증감에 따라 증발산량을 산정할 수 있으며, 바닥부분에는 티핑카운터 (tipping counter)가 설치되어 있어 지하유출량을 정량 파악할 수 있다.
연구 작물은 조생종 벼 (조평)이고 연구기간은 2019년, 2020년, 2022년으로 3년 동안 수행하였다. 재배시기를 적기재배와 만기재배로 구분하였으며, 재배시기는 다음과 같다. 2019년의 적기재배는 5월 31일부터 9월 4일, 만기재배는 7월 10일부터 10월 16일이고, 2020년의 적기재배는 5월 20일부터 9월 11일, 만기재배는 7월 10일부터 10월 15일, 2022년의 적기재배는 5월 23일부터 9월 7일, 만기재배는 7월 11일부터 10월 13일이다. 물관리 방법은 연속관개로 수행하였으며 담수위 5 cm를 유지하기 위해 강우 이외에 추가적으로 관개수를 공급하였다. 토성은 사양토 (sandy loam, SL)와 실트질식양토 (silty clay loam, SiCL)로 2가지를 활용하였다. 각 처리구별로 2반복구로 하여 8개의 라이시미터 베셀로 3년 동안 실험을 수행하였다 (2시기 × 2토성 × 2반복구). 토성은 비중계법으로 입자 분포를 산정하여 미국농무성 토성삼각표를 활용하여 결정하였다 (Gee and Bauder, 1986). 시험전 토양의 물리적 특성은 Table 1과 같다.
Table 1.
Physical properties of paddy lysimeter soils.
작물 재배기간 동안 기상자료 수집
2019년, 2020년, 2022년의 기상자료는 라이시미터 시설 인근에 위치한 기상대에서 강우량, 온도, 일사량 등을 시간단위로 수집하여 분석하였으며, 평년 (1991 - 2020) 자료를 분석하기 위해 전주기상대를 기준으로 1991년부터 2020년까지의 기상자료를 수집하여 활용하였다.
벼 수확량 조사
중량식 라이시미터에서 재배한 벼의 이삭건중 무게를 토성과 재배시기에 따라 측정하였다. 라이시미터 1개의 베셀당 이앙주수는 16주이며 이 중 3주를 선정하여 주당 평균 이삭 건물중을 구하였고, 여기에 16주를 곱하여 베셀 (1 m2)당 벼의 이삭 건물중 (kg m-2)을 구하였으며, 다음으로 베셀 면적 (1 m2)를 10a로 환산하여 벼 이삭 수량 (kg 10a-1)을 구하였다.
작물 물 생산성 산정 방법
증발산량은 라이시미터의 중량 데이터를 시간단위로 수집하여 질량 변화에 따라 물 유입량과 물 유출량을 계산하여 산정하였고 지하유출량은 하단에 설치된 티핑카운터 (tipping counter)로 자동 측정하여 토성과 조건별로 수집하였다.
작물 물 생산성 (crop water productivity, CWP)은 일반적으로 물 소모량 (mm)당 작물의 생산량 (kg 10a-1)으로 산정되며, 본 연구에서는 1) 증발산량 (mm), 2) 물 유출량 (증발산량 + 지하유출량) (mm)으로 구분하였다.
증발산량 기준 물 생산성 (ETWP)은 벼의 수량 (Pr, kg 10a-1)을 증발산량 (ET, mm)으로 나누어 Eq. 1과 같이 산정하였다.
물 유출량 기준 물 생산성 (WOWP)은 벼의 수량 (Pr, kg 10a-1)을 물 유출량 (WO, mm)으로 나누어 Eq. 2와 같이 산정하였다.
통계분석
토성과 재배시기에 따른 벼의 수량과 증발산량 및 지하유출량의 차이를 분석하기 위해 통계 프로그램인 SPSS (ver. 28)을 활용하여 종속변수에 수량, 증발산량 및 지하유출량, 독립변수에 토성과 재배시기를 적용하여 다변량 분산분석 (multivariate analysis of vaiance, MANOVA)을 수행하였다. 토성과 재배시기에 따른 수량, 증발산량 및 지하유출량을 구분하여 2반복구로 8개의 라이시미터 베셀의 3개년의 데이터를 모아서 통계분석을 수행하였다 (2시기 × 2토성 × 2반복구).
Results and Discussion
연도별 재배기간 동안의 기상 특성
2019년, 2020년, 2022년 적기재배 기간 동안의 평균온도는 각각 25.4°C, 24.0°C, 25.1°C였고, 총 강우량은 365.9 mm, 1,522.0 mm, 691.2 mm을 보였으며, 누적일사량은 1,537.3 MJ m-2, 1,694.7 MJ m-2, 1,217.8 MJ m-2를 보였다. 만기재배 기간 동안의 평균온도는 각각 25.3°C, 23.1°C, 23.8°C였고, 총 강우량은 565.7 mm, 1,289.8 mm, 536.1 mm, 누적일사량은 1,304.8 MJ m-2, 1,217.8 MJ m-2, 1,243.6 MJ m-2을 보였다 (Fig. 2).
평년 (1991 - 2020)과 비교하기 위해 월별 단위의 평균온도와 일사량, 강우량을 비교한 결과, 평균온도는 평년과 2020년, 2022년이 약 22°C로 유사하였고 2019년은 23.3°C로 평년보다 1.2°C 높았다. 일사합은 3개년이 2,600 - 2,700 MJ m-2로 비슷한 범위였고 평년 3,000 MJ m-2과 비교하여 다소 낮았다. 강우량은 평년 대비 2019년, 2022년은 70% 수준으로 적은 편이었으며, 특히 2019년은 7월과 8월에 강우량이 40 - 50% 수준으로 적은 시기였다. 반면, 2020년은 6월부터 8월까지 잦은 호우로 10.0 mm 이상의 강우이벤트가 30회 이상 나타났으며, 일 최대 강우량 205.0 mm로 많은 강우량을 기록하였다 (Fig. 2).
벼 수량 산정 결과
재배기간 동안의 벼 수량을 산정한 결과 (Table 2), 2019년은 561.3 - 687.6 kg 10a-1, 2020년은 606.2 - 681.8 kg 10a-1, 2022년은 341.3 - 589.2 kg 10a-1 범위를 보였다. 2019년, 2020년, 2022년의 벼 수량 평균은 각각 611.5, 644.8, 448.0 kg 10a-1으로 나타났고, 2022년에 병해충의 영향으로 상대적으로 낮은 수량을 보였다. 토성별로 비교하였을 때 적기재배 기준 사양토보다 실트질식양토에서 7 - 15% 높았고, 만기재배 기준 사양토에서 1 - 22% 높은 수량을 보였으나, 토성에 따른 벼 수량의 차이는 통계적으로 유의하지 않았다 (p ≥ 0.05) (Table 3). Chae and Kim (2001) 연구에서도 토성에 따른 벼 수량 차이의 유의성이 없다고 보고하였다. 재배시기별로 벼 수량을 분석한 결과, 뚜렷한 경향성이 없었으며 재배시기에 따른 수량 차이가 통계적으로 유의하지 않은 것으로 나타났다 (p ≥ 0.05) (Table 3).
Table 2.
Comparison of water productivity on different soil texture and rice cultivation periods.
| Item | Sandy clay | Silty clay loam | |||
| Optimum season | Later season | Optimum season | Later season | ||
| 2019 | Rice grain yield (kg 10a-1) | 628.6 | 568.3 | 687.6 | 561.3 |
| Evapotranspiration (ET, mm) | 551.7 | 444.1 | 594.5 | 538.1 | |
| Drainage (mm) | 352.1 | 552.1 | 91.7 | 77.6 | |
| Water Output (WO, mm) | 903.8 | 996.2 | 686.2 | 615.7 | |
| ETWP (kg 10a-1 mm-1)1 | 1.14 | 1.28 | 1.16 | 1.04 | |
| WOWP (kg 10a-1 mm-1)2 | 0.70 | 0.57 | 1.00 | 0.91 | |
| 2020 | Rice grain yield (kg 10a-1) | 606.2 | 681.8 | 654.7 | 636.3 |
| Evapotranspiration (ET, mm) | 665.1 | 535.7 | 683.7 | 631.9 | |
| Drainage (mm) | 335.2 | 356.3 | 216.2 | 27.4 | |
| Water Output (WO, mm) | 1,000.3 | 892.0 | 899.9 | 659.2 | |
| ETWP (kg 10a-1 mm-1) | 0.91 | 1.27 | 0.96 | 1.01 | |
| WOWP (kg 10a-1 mm-1) | 0.61 | 0.76 | 0.73 | 0.97 | |
| 2022 | Rice grain yield (kg 10a-1) | 341.3 | 589.2 | 402.7 | 458.9 |
| Evapotranspiration (ET, mm) | 637.5 | 481.4 | 654.8 | 491.9 | |
| Drainage (mm) | 329.5 | 344.7 | 122.8 | 34.7 | |
| Water Output (WO, mm) | 967.0 | 826.1 | 777.6 | 526.6 | |
| ETWP (kg 10a-1 mm-1) | 0.54 | 1.22 | 0.61 | 0.93 | |
| WOWP (kg 10a-1 mm-1) | 0.35 | 0.71 | 0.52 | 0.87 | |
Table 3.
Significance probability results of multivariate statistical analysis.
물 유출량 (증발산량, 지하유출량) 산정 결과
벼 재배기간 동안의 증발산량은 Table 2와 같다. 연도별 비교시 2020년에 가장 높은 증발산량을 보였으며, 사양토보다 실트질식양토에서 다소 높은 증발산량을 보였으나, 토성의 영향에 의한 증발산량은 유의한 차이를 보이지 않았다. 재배시기별로 비교한 결과, 3개년 모두 적기재배에서 높은 증발산량을 보였으며 통 계분석 결과, p ≤ 0.05로 유의한 차이를 보였다 (Table 3). 증발산량은 온도와 일사량과 같은 기상인자에 영향을 많이 받는 요소로, 재배시기별 적산온도 및 누적일사량을 비교 ‧ 분석한 결과, 적기재배의 적산온도는 2,466.7 - 2,765.3°C, 누적일사량은 1,537.3 - 1,694.7 MJ m-2, 만기재배의 적산온도는 2,263.4 - 2,500.8°C, 누적일사량은 1,217.6 - 1,304.8 MJ m-2로 적기재배에 만기재배보다 증발산량 작용이 활발히 일어났을 것으로 판단된다.
벼 재배시기별로 증발산량과 지하유출량을 합한 값인 물 유출량을 산정한 결과, 전반적으로 증발산량은 실트질식양토에서 다소 높고 지하유출량은 사양토에서 높은 것으로 나타났다. 증발산량의 경우, 앞서 언급한 바와 같이 담수 토양으로 수행하여 토양의 영향이 적은 반면, 지하유출량은 토양의 특성에 따라 토양수분 이동 양상이 상이하다. 모래함량이 높을수록 대공극에 의해 지하로 투수되는 속도가 빠르며 양이 많으므로 연속관개로 처리함에 따라 관개량도 증가하게 된다.
물 유출량은 지하유출량이 높은 사양토 조건에서 높았으며 2020년의 사양토-만기재배에서 1,003 mm로 가장 높았다. 2020년의 경우, 5월부터 10월까지 월별 총 강우량이 1,600 mm 이상으로 3개년 중 가장 많은 강우량을 기록한 연도로 사양토와 실트질식양토 모두 많은 지하유출량을 보였다. 재배시기별로 비교하였을 때, 2019년 사양토를 제외한 나머지 조건에서 적기재배가 더 높은 물 유출량을 보였다. 2019년의 사양토-만기재배 조건은 지하유출량이 적기재배에 비해 200 mm 이상으로 많아 만기재배에 높은 물 유출량을 보였다.
물 생산성 산정 결과
작물 물 생산성을 산정한 결과는 Table 2와 같다. 증발산량 기준 물 생산성은 2022년의 적기재배 조건을 제외한 나머지 조건에서 0.9 이상의 ETWP를 보였다. 3개년 동안의 ETWP 범위는 사양토 0.54 - 1.28 kg mm-1 10a-1, 실트질식양토 0.61 - 1.16 kg mm-1 10a-1으로 나타났다. 사양토-적기재배는 0.54 - 1.14 kg mm-1 10a-1, 사양토-만기재배는 1.22 - 1.28 kg mm-1 10a-1, 실트질식양토-적기재배는 0.61 - 1.16 kg mm-1 10a-1, 실트질식양토-만기재배는 0.93 - 1.04 kg mm-1 10a-1 범위를 보였다. 사양토에서 실트질식양토보다 증발산량이 다소 낮고 적기재배보다 만기재배에서 증발산량이 낮았다. 이에 따라 ETWP 범위는 사양토에서 더 높았고, 사양토-만기재배 조건에서 1.22 kg mm-1 10a-1 이상으로 가장 높게 나타났다. 2022년은 다른 연도와 비교하였을 때, 증발산량은 유사하나 병해충 피해로 인해 벼의 수량이 적어 ETWP가 상대적으로 낮게 산정되었다.
물 유출량 기준으로 물 생산성을 산정한 결과, 3개년 동안의 WOWP 범위는 사양토 0.35 - 0.76 kg mm-1 10a-1, 실트질식양토 0.52 - 1.00 kg mm-1 10a-1 범위로 나타났다. 재배시기별로 분석한 결과, 사양토-적기재배 0.35 - 0.70 kg mm-1 10a-1, 사양토-만기재배 0.57 - 0.76 kg mm-1 10a-1, 실트질식양토-적기재배 0.52 - 1.00 kg mm-1 10a-1, 실트질식양토-만기재배 0.87 - 0.97 kg mm-1 10a-1 범위를 보였다. 지하유출량을 포함한 값으로 산정하므로 사양토에서 더 낮은 WOWP를 보였고, 전반적으로 지하유출량이 적은 실트질식양토-만기재배 조건에서 높은 물 생산성을 보였다.
물 생산성은 지하유출량, 증발산량과 같은 물 소모량이 적을수록 높은 물 생산성을 나타내는데, ETWP의 경우 증발산량이 낮을수록 높은 물 생산성을 보이므로 같은 토성 조건에서 적기재배보다 만기재배의 증발산량이 낮아 만기재배 조건에서 높은 물 생산성을 보인다. WOWP도 물 소모량이 적을수록 높은 물 생산성을 보이며, 사양토의 특성상 실트질식양토보다 투수속도가 빠르므로 지하유출이 많이 발생하기 때문에 지하유출량이 높아 사양토보다 실트질식양토에서 높은 물 생산성을 나타낸다. Mahajan et al. (2009)는 인도에서 품종과 이앙시기를 달리하여 증발산량을 기준으로 물 생산성을 평가하였는데 이앙시기에 따라 벼의 수량은 6월 15일은 7.5 - 7.8 ton ha-1, 6월 25일은 6.6 - 8.0 ton ha-1, 7월 5일은 5.7 - 7.8 ton ha-1, 증발산량은 6월 15일은 490 - 562 mm, 6월 25일은 455 - 530 mm, 7월 5일은 430 - 514 mm 범위로 벼의 수량과 증발산량 평균은 6월 15일에 가장 높았다. 이에 따른 물 생산성은 6월 15일 1.34 - 1.58, 6월 25일은 1.30 - 1.53, 7월 5일은 1.10 - 1.40 범위를 제시하였다. 본 연구의 벼의 수량은 적기재배시 3.4 - 6.9 ton ha-1, 만기재배시 4.9 - 6.8 ton ha-1, 증발산량은 적기재배시 551 - 683 mm, 만기재배시 444 - 631 mm 범위로 본 연구결과보다 벼의 수량이 높아 물 생산성이 높게 산정된 것으로 판단된다.
Conclusions
본 연구에서는 비교란 중량식 라이시미터를 활용하여 토성 및 재배시기에 따른 작물의 물 생산성을 증발산량 (ETWP)과 물 유출량 (WOWP)으로 구분하여 평가하였다. 본 결과에서 적기재배에서 만기재배보다 증발산량이 높아 ETWP는 사양토-만기재배에서 1.22 kg mm-110a-1 이상으로 가장 높았고, WOWP는 지하유출량을 포함한 물 유출량을 기반으로 산정하는 값으로 사양토 0.35 - 0.76 kg mm-110a-1, 실트질식양토 0.52 - 1.00 kg mm-110a-1 범위로 실트질식양토에서 더 높은 생산성을 보였다. 전반적으로 지하유출량이 적은 실트질식양토-만기재배에서 0.87 - 0.97 kg mm-110a-1 범위로 높은 WOWP를 보였다. Tuong and Brouman (2003)은 벼의 물 생산성을 증발산량으로 산정할 때보다 관개량과 강우량으로 산정할 때 상대적으로 낮다고 보고하였으며 그 이유는 물 유출량을 고려하기 때문이라고 하였다. 기상의 영향이 고려된 벼의 물 생산성을 비교 ‧ 분석하기에 어려움이 있으나, 비교란 중량식 라이시미터를 통해 증발산량과 지하유출량을 정밀하게 산정하여 기상 및 토성이 반영된 물 생산성을 정확하게 평가할 수 있었다. 향후, 장기간의 데이터 축적을 통해 품종별 및 관개방법 등에 따른 다양한 연구조건에서 추가적인 연구가 수행될 필요가 있으며 도출된 물 생산성 결과를 통해 작물의 물 소모량을 파악하여 농업용수량 산정을 위한 과학적 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
