Introduction
Materials and Methods
Results and Discussion
농경지 면적 변화
농경지 토양유기물 변화
지역별 농경지 토양유기물저장량 변화
농경지 총 토양유기물저장량 변화
Conclusions
Introduction
2019년 기준 우리나라의 토지 면적의 약 15.7% 가 농경지 면적 (1,581천 ha)에 속하고 있다 (KOSIS, 2020). 특히, 논과 밭은 각각 830천 ha, 519천 ha를 차지하고 있으며, 식량 공급 및 안보 유지를 위해 매우 중요하다 (KOSIS, 2020). 하지만, 계속된 도시화로 인해 농경지 면적은 2010년에 대비 2015년에 약 2.1%, 2020년에 약 8.8% 감소했으며, 이는 농경지 면적 감소로 인한 식량 공급을 해결하기 위해 비료 공급량이 증대하는 문제를 초래하고 있다 (Chung and Lee, 2008; Statistics Korea, 2020). 이에 따라, 장기간 시기별 토양 특성 변동조사는 향후 토양 관리 정책 수립을 위하여 중요한 지표가 된다.
특히, 토양유기물은 토양 내 입단 형성 및 표층 보호, 식물체 양분 공급 등의 매우 중요한 역할을 하며, 토양유기물은 토양의 질 (quality)을 간접적으로 평가하는 중요한 지표이다 (Reeves, 1997; Potter et al., 1998; Delgado and Follett, 2002; Rudrappa et al., 2006; Li et al., 2010). 최근 지구온난화가 가속화되는 시대에 토양 탄소의 주요 보고로 토양유기물 함량의 증대는 대기 중 이산화탄소 (CO2)를 토양유기탄소 풀 (SOC pool)에 안정된 상태의 격리한다는 점에서 지구 탄소수지에 상당한 영향을 가지고 있다 (VandenBygaart and Kay, 2004; Kim and Lee, 2005).
우리나라의 전체 농경지 면적의 약 52.7%를 차지하고 있는 논 토양은 담수상태인 혐기적 조건에서 벼를 재배하고 있다. 이러한 담수상태에서는 토양표면의 물리적인 방어와 호기성 미생물들의 활성 저하로 인해 토양유기물의 분해가 느리게 진행된다 (Kanwar, 2003; Lim et al., 2017). 반면에, 전 농경지 면적의 약 32.8%를 차지하고 있는 밭 토양의 경우 토양표면이 대기 중에 노출되어 있을 뿐 아니라 호기성 미생물들의 활성 증대로 인한 토양유기물의 분해가 가속화된다 (Ahn et al., 1992; Liu et al., 2019; Chen et al., 2021).
하지만, 총 토양유기물저장량은 총 재배면적에 단위 면적당 유기물 함량 변화로 추정된다. 즉, 농경지의 토양유기물저장량은 총 경지 면적의 변화에 의해 크게 좌우된다. 이에 본 연구는 2013년부터 2020년까지 8년간 전국 총 17개 지역의 농경지 면적 변화와 토양유기물 함량 변화를 논과 밭으로 구분하여 조사하였으며, 농경지 내 토양유기물저장량 변화와 향후 토양 관리 방안을 모색하기 위해 수행하였다.
Materials and Methods
우리나라 연도 간 토양유기물 변동을 조사하기 위하여 2013년도부터 2020년까지 전국 17개도에서 8년간 토양검정조사 자료를 시행하였다. 연평균 논 토양은 330,631점, 밭 토양은 156,172점의 토양시료를 조사하였다 (Supplementary Table 1). 토양 시료는 토양표면에 쌓인 식물체 잔재 및 이물질을 제거한 후 토양 채취기 (auger)를 이용하여 토양의 표토 (0 - 15 cm)를 채취하였다. 채취된 토양은 서늘한 그늘 조건에서 자연 풍건 후 2 mm 이하의 토양을 분석용 시료로 사용하였다.
토양유기물 함량 측정은 국립농업과학원 토양화학분석법 (NIAS, 2010)에 의거 Tyurin법을 이용하였다. 먼저, 200 mesh 통과시료 0.2 g을 250 mL 삼각플라스크에 평량 후 0.4 N 중크롬산칼리 황산 혼합용액을 10 mL 가하여 200°C 전열판에 가열하였다. 온도가 올라감에 따라 삼각플라스크 바닥에 기포가 발생하기 시작할 때부터 정확히 5분간 끓인 후 증류수 약 150 mL를 가했다. 마지막으로 85% H3PO4 용액 5 mL와 지시약 (0.02M Orthophenanthroline)을 넣고 0.2 N 황산제1철암모니움 용액으로 적정하였다. 토양탄소함량 (g kg-1)은 다음 Eqs. 1, 2에 따라 환산해 주었다.
여기서, B는 Blank 적정치, T는 시료 적정치, f는 적정액의 농도보정계수, 0.2는 탄소의 원자량, 4000은 탄소의 규정농도, W는 토양의 무게를 의미한다.
여기서, SC는 토양탄소함량 (g kg-1), 1.724는 토양에 있는 유기물 중에 탄소 (%)가 차지하는 비율을 의미한다.
단위 면적당 저장된 토양유기물 함량은 Eq. 3 같은 방법을 이용하여 계산하여 주었다.
여기서, SOM은 토양유기물함량 (g kg-1), BD는 토양의 가밀도 (1.25 g cm-3), D는 토양 샘플링 깊이 (15 cm)이다.
우리나라 농경지 면적 변화를 조사하기 위하여 농림축산식품부에서 간행한 농림축산식품통계연보 (MAFRA, 2015, 2018, 2020)의 통계자료를 인용하였으며, 각 도별 토양유기물저장량 양상 변화를 조사하기 위하여 연도별 단위면적당 토양유기물함량을 농경지 면적으로 환산하여 주었다.
연차간 단위 면적당 토양유기물 함량, 총 토양유기물저장량 변화에 대한 차이의 통계적 유의성을 분석하기 위하여 SAS package (SAS 6.4 TS Level 1M4 X64_10PRO platform, SAS Institute, USA)를 이용하였다. 토양유기물함량, 지역별 토양유기물저장량, 총 토양유기물저장량 변화 그래프는 Sigmaplot (v.10.0 for Windows, Sigmaplot, USA)을 이용하여 평균 ± 표준오차로 나타내 주었다.
Results and Discussion
농경지 면적 변화
2013년부터 2020년까지 우리나라 논과 밭의 면적 변화는 Table 1과 같다. 농경지 총면적은 2013년 1,472천 ha에서 2020년까지 계속하여 약 9.1% 감소를 나타내고 있다. 특히, 논의 면적은 2013년부터 급격하게 감소하고 있는 반면에, 밭의 경우 논의 밭 전환 이용, 과수 및 시설작물 확대 등의 이유로 인해 면적의 변화가 크게 나타나지 않는다 (Statistics Korea, 2020). 논 경작 대부분은 전라도, 경상도, 충청도 순서이며 세 지역의 논 면적은 우리나라 총 논 면적의 약 81.2%를 차지하고 있다. 밭의 경우 논과 마찬가지로 경상도, 전라도, 충청도 세 지역에서 우리나라 밭 면적의 약 66.4%가 경작되고 있다. 우리나라 대부분 지역은 논의 면적이 밭의 면적보다 넓지만, 강원도, 대전광역시, 서울특별시, 제주특별자치도, 충청북도의 경우 밭 작물이 논 작물에 비해 많이 재배되는 경향을 나타낸다. 이는 지역적 특성에 맞춰 논을 경작하기에 불리한 조건을 가지고 있거나, 계속된 도시화, 경지의 건물 건축 및 유휴지 이용 등의 이유로 농경지의 면적이 감소 추이에 있기 때문이다 (Lee et al., 2012; Yang et al., 2020; Yoon et al., 2020). 가장 많은 논 면적을 차지하는 전라남도의 경우 2013년에 비해 2020년에 논 면적은 23,506 ha 감소했지만, 밭 면적의 경우 4,100 ha 증가하였는데, 우리나라의 경우 급격한 쌀 소비량 감소로 인한 논을 밭으로 전환하는 경우가 늘었기 때문이다 (Kim et al., 2018a; Statistics Korea, 2020). 전라북도의 경우 2013년에 비해 2020년에 약 10%의 밭 경작 면적이 증가하는 경향을 나타내고 있으며, 특히 특용작물 중 들깨의 재배면적 증가가 밭 경작지 면적 증가에 크게 영향을 미치고 있다 (KOSIS, 2020). 또한, 전라도의 새만금 간척사업을 통한 경지 면적의 증가로 밭 토양의 이용성이 크게 증대되었다.
Table 1.
Characteristics of field area (ha) under paddy and upland in 17 provinces (2013 - 2020).
Source: MAFRA (2015), MAFRA (2018) and MAFRA (2020).
농경지 토양유기물 변화
2013년도부터 2020년까지 제주도 제외한 우리나라 16개 도 지역별 연차 간 토양유기물 함량은 논 22.6 - 23.8 g kg-1과 밭 23.2 - 24.8 g kg-1의 범위를 나타낸다 (Fig. 1). 제주도 토양유기물 함량은 71.7 - 138.0 g kg-1의 범위를 나타내며, 2020년도 검정시료는 통계적으로 매우 낮은 신뢰도를 나타내고 있기 때문에 2020년 제주도 토양의 유기물 함량을 대표할 수 없다고 판단되었다. 따라서, 2020년 제주도 논 토양유기물 함량은 2013년부터 2019년까지의 제주도 토양의 유기물 함량의 평균으로 대체하여 주었다. 제주도 토양은 다른 지역에 비해 약 3 - 5배 이상의 토양유기물 함량을 가지고 있으며, 이는 제주도 토양 대부분이 화산회토로 일반 토양에 비해 높은 유기물 함량과 양이온교환용량을 보유하고 있기 때문이다 (Song, 1997; Song et al., 2010; NAAS, 2014).
우리나라 평균 토양유기물 함량은 논 토양 25.5 - 29.8 g kg-1, 밭 토양 27.3 - 29.2 g kg-1의 범위를 나타내며, 우리나라 적정 토양유기물 함량의 기준에 매우 적합하다 (Fig. 1). 논 토양은 일반적으로 물을 담수하는 혐기적인 조건으로 토양유기물 분해에 유리한 호기적 미생물들의 활성 저하로 인해 연차별 증가하는 경향을 나타낸다. 반면에, 밭 토양은 논 토양에 비해 유기물의 분해가 더 가속화되지만, 우리나라의 경우 계속된 유기물 (퇴비, 유박 등)의 투입으로 인해 2013년 기준 2016년 4.2%, 2020년 6.5%까지 유기물 함량이 증가하였다 (Kang, 2017; Heo, 2021). 특히, 논 토양유기물 저장은 유기물 분해의 잔사 및 뿌리 탄소에 의해 주로 이뤄지며, 밭에서는 상대적으로 산소의 공급이 원활하여 유기물 분해에 더 유리한 조건을 가지고 있을 뿐 아니라 유기물의 미생물 분해 대사 산물이 안정화되는 특징이 있다 (Xie et al., 2021; Liu et al., 2019). 제주를 제외한 논 토양유기물 함량의 평균은 23.1 g kg-1으로 부산광역시 32.6 g kg-1으로 가장 높고, 이 후 경상남도 (26.9 g kg-1), 대구광역시 (26.8 g kg-1), 울산광역시 (26.1 g kg-1), 전라도 (24.2 g kg-1) 순이다. 서울특별시의 경우 13.7 g kg-1으로 평균 유기물 함량의 약 51.0% 낮게 나타난다 (Table 2).
밭 토양의 경우 평균 유기물 함량은 28.5 g kg-1이며, 부산광역시 (28.5 g kg-1), 경상남도 (27.1 g kg-1), 울산광역시 (26.9 g kg-1), 서울특별시 (26.8 g kg-1), 강원도 (25.2 g kg-1), 전라남도 (25.1 g kg-1), 전라북도 (24.6 g kg-1) 순이다. 특히 경기 지역은 20.0 g kg-1로 가장 낮은 유기물 함량을 나타내며, 전국 평균 유기물 함량인 29.7% 보다 낮게 나타났다 (Table 3).
Table 2.
Characteristics of soil organic matter contents (g kg-1) under paddy in 17 provinces.
Table 3.
Characteristics of soil organic matter contents (g kg-1) under upland in 17 provinces.
지역별 농경지 토양유기물저장량 변화
2013년도부터 2020년까지 지역별 논 토양유기물저장량 변화는 Fig. 2와 같다. 우리나라 논 토양 평균 토양유기물저장량은 43.3 - 45.1 Mg ha-1이며, 가장 많은 토양유기물 저장하고 있는 지역은 전라남도로 약 8.3 Tg로 우리나라 토양유기물저장량의 21.8%를 차지하고 있다 (Supplementary Table 2). 가장 적은 토양유기물 저장하는 지역은 제주도로 약 0.003 Tg를 저장하고 있으며, 제주도의 경우 높은 토양유기물 함량을 보유하고 있는 반면에 논 경작 면적이 작아 매우 낮은 토양유기물저장량을 나타내고 있다 (KOSIS, 2020). 우리나라 논 토양유기물저장량의 약 80% 이상이 경상도, 전라도, 충청도에 저장되어 있다. 하지만, 1990년 이후 계속된 도시와 농업 인구 감소 등의 이유로 인한 농경지 면적의 감소는 계속된 토양유기물저장량 감소에 큰 영향을 미치고 있다 (Bren d’Amour et al., 2017; Park and Tak, 2013).
우리나라 밭 토양 평균 토양유기물저장량은 41.0 - 42.9 Mg ha-1이다 (Fig. 3). 논 토양과 상반되게 제주도 토양의 경우 36,264 - 39,802 ha의 밭 작물을 재배하고 있으며 제주도 토양의 약 25.4% 토양유기물이 밭 토양에 저장되어 있다. 제주도를 제외한 가장 많은 토양유기물 저장 지역은 경상도로 약 4.8 Tg의 토양유기물을 저장하고 있으며, 총 토양유기물저장량의 17.1%를 차지하고 있다. 경상도 밭 토양의 대부분이 콩, 고추, 참깨 작물이 재배되고 있으며, 토양유기물저장량의 약 42.9%를 차지하고 있다. 특히, 2012년 가축분뇨 해양투기 금지 정책으로 인한 가축분퇴비의 농업 사용량 증가는 밭 농경지 면적의 감소에도 불구하고 토양유기물저장량이 감소하지 않은 원인이라 할 수 있다 (Kim et al., 2018b; Lee et al., 2020).
농경지 총 토양유기물저장량 변화
2013년도부터 2020년까지 농경지 총 토양유기물저장량 변화는 Fig. 4와 같다. 농경지 내 가축분퇴비 시용의 증가에도 불구하고 농경지의 면적 감소는 우리나라 총 토양유기물저장량을 2013년 약 69.2 Tg에서 2020년 약 65.3 Tg까지 감소시켰다 (Supplementary Table 2) (Kang, 2017). 특히, 밭 토양의 총 토양유기물의 경우 8년간 27.3 - 29.1 Tg로 큰 변화를 나타내고 있지 않지만, 논 토양의 경우 2013년 41.9 Tg에 대비 2020년 약 13.7%인 36.2 Tg까지의 감소가 우리나라 토양유기물저장량의 감소를 가져왔다. 8년간 총 토양유기물의 감소 추세로 보면 현재 수준의 토양유기물 관리는 50년 후인 2070년 우리나라 토양유기물은 총 33.2 Tg가 저장될 것으로 예측된다. 향후, 고도화된 기술을 통한 토양유기물저장량 예측방법 (digital soil mapping, denitrification-decomposition model, Roth C 등)을 이용할 때 본 결과를 고려해야 된다고 생각된다 (Singh and Benbi, 2020; Lembaid et al., 2021; Park et al., 2021).
Conclusions
우리나라 농경지 내 토양유기물저장량 변동 조사를 위해 2013년도부터 2020년까지 8년간 17개도 매년 평균 49만개의 토양유기물 함량과 농경지 면적 변화를 조사 분석하였다. 2013년부터 농경지 총 면적은 계속하여 감소하는 반면, 논 토양유기물 함량은 27.9 g kg-1에서 2020년 28.2 g kg-1까지 약 1.1% 증가하였다. 밭 토양의 경우 유기물 함량은 27.3 g kg-1에서 2020년 29.2 g kg-1까지 약 7.0% 증가하였지만, 논 토양에 비해 적은 경지 면적으로 인한 우리나라 토양유기물저장량에는 큰 영향을 미치지 않았다. 우리나라 농경지 토양유기물저장량 변화는 2013년부터 2020년까지 계속 감소되었으며, 현재 수준의 토양유기물의 관리는 50년 후인 2070년에 농경지 내 토양유기물저장량을 지금 수준의 약 48%까지 감축될 것으로 예측된다. 결론적으로, 향후 우리나라 토양유기물저장량 관리를 위해서는 추가적인 유기물 투입 및 농경지의 확대 관리가 필요할 것으로 판단된다.
