Short communication

Korean Journal of Soil Science and Fertilizer. 30 November 2022. 548-555
https://doi.org/10.7745/KJSSF.2022.55.4.548

ABSTRACT


MAIN

  • Introduction

  • Materials and Methods

  •   기후변화에 따른 과수원 현황

  •   토양유실 모니터링

  •   강우강도

  • Results and Discussion

  •   기후변화에 따른 과수원 변동성

  •   재배환경이 토양유실에 미치는 영향

  •   초생재배에 따른 과실품질

  •   강우특성에 따른 토양유실 위험성 평가

  • Conclusions

Introduction

기후변화로 인한 강우 패턴, 강도, 온도 변동성으로 인해 토양과 물 환경이 악화되고 있다. 경제 성장 및 인구성장으로 인한 온실가스 배출량 증가로 지구온난화가 극심해지고, 기후 변동성을 넘어 생태계, 인간, 토양 및 물 안보에 심각한 피해와 비가역적 손실을 초래하고 있다 (IPCC, 2022).

토양유실은 기후변화에 따른 직접 및 간접 영향이 포함된다. 직접적인 영향으로 강우량, 강우강도 및 강우 시공간 분포패턴의 변화에 의해 주로 발생되고, 특히 대한민국의 과수원은 곡간 및 선상지 39%, 구릉지 및 산악지와 산록경사지에 36%로 주로 경사지에 위치하고 있어 토양유실 발생 시 토양내에 존재하는 무기질 비료, 제초제 등 비점오염원이 수역으로 유출되어 부영양화와 같은 수질오염을 초래한다 (Cho et al., 2012; Li and Fang, 2016; Goodale and Wilsey, 2018; Gherardi and Sala, 2019; Sun et al., 2020; Ok et al., 2021).

초생재배는 토양유실을 최소화하기 위한 물리적 방법 중 토양 지표 안정화에 효과적이고 친환경적인 대안으로 알려져 있다 (Chen et al., 2022). 이와 같은 지표 안정화를 통해 토양유실 감소에 대한 적용 연구가 진행되고 있고, 초생재배를 적용함에 따라 탄소, 질소, 인, 칼륨을 포함한 토양 영양소를 토양에 제공되어 미생물 군집을 유지하는데 긍정적 영향을 준다고 보고된 바 있다 (Wei et al., 2017).

따라서 본 연구는 과수원 관리환경 (청경, 초생재배)에 따른 토양유실 위험성을 평가하고, 강우사상 (강우량, 강우강도) 분석을 통한 기후변화에 따른 토양유실 변동성을 분석하였다.

Materials and Methods

기후변화에 따른 과수원 현황

기후변화에 따른 과수원 변동성을 확인하기 위해 기상청 기상자료개방포털 (open MET data portal)을 통해 2011 - 2021년 동안의 강우와 기온 자료를 수집하였고, 국가통계포털 (KOSIS)을 통해 전국 과수원 (사과) 면적과 수확량 자료를 수집하여 기후변화에 따른 과수원 변동성 분석을 진행하였다.

토양유실 모니터링

토양유실 측정을 위해 경사도 9%, 2.5 m × 13.4 m 크기의 청경, 초생재배 (클로버, 쑥, 민들레 등) lysimeter를 각각 3구씩 설치하였다 (Fig. 1). 집중 강우 시 정확한 토양유실을 측정하기 위해 토양유실 발생량의 1/40 비율로 수집할 수 있는 sample splitter를 설치하였고, 채수 모의실험 결과 높은 결정계수 (R2 = 0.9998)를 나타냈다 (Fig. 2). 또한, 초생재배에 따른 당도 변화를 확인하고 위해 당도계 (Atago, N-1E, Japan)를 사용하여 분석하였다.

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Fig. 1.

Clean (a) and vegetative (b) cultivation lysimeter.

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Fig. 2.

Simulation of run-off output in sample splitter (each n = 3).

강우강도

강우사상에 따른 초생재배의 토양유실저감 효율성을 평가하기 위해 강우량, 최대강우강도, 평균강우강도를 산출하여 분석하였다. 강우 데이터는 기상청과 강우량계를 통해 수집되었다. 수집된 강우자료는 USLE (universal soil loss equation)를 이용하여 강우강도를 산출하였고, 이에 따른 비점오염저감효율을 비교분석하였다. 강우강도는 USLE 강우 강도 방정식을 기반으로 Eq. 1Eq. 2를 사용하여 계산되었다.

(Eq. 1)
e=210.3+89log(I)
(Eq. 2)
E=(e·I·t)

여기서, e는 시간단위별 운동에너지, E는 개별 강우 운동에너지, I는 강우강도 (cm h-1), t는 지속시간 (h)이다.

Results and Discussion

기후변화에 따른 과수원 변동성

평균기온이 2011년 대비 2021년까지 지속적으로 상승함에 따라 사과 과수원 면적도 증가하는 경향을 보였고, 이에 따른 수확량 증가로 이어지고 있다 (Fig. 3). 반면, 최근 2018년과 2020년에 강우량이 증가함에 따라 수확량 감소로 이어지는 것으로 나타났다. 지속적인 평균온도의 증가로 사과 재배면적 및 생산량 증가에 긍정적인 영향을 주는 반면 불규칙한 강우량 변동성으로 인해 사과 과수원 토양유실 위험성 또한 증가할 것으로 판단된다 (Greer, 2018; Duan et al., 2020).

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Fig. 3.

Changes in orchard area (a) and production (b) according to climate change.

재배환경이 토양유실에 미치는 영향

토양유실량은 2년 (2021 - 2022년) 동안 측정하였으며, 강우사상 총 23회 유거수와 토양유실량을 측정하였다. 측정기간 동안의 강우량은 최대, 최소 각각 108.0, 14.4 mm 발생하였으며, 최대강우강도의 경우 최대, 최소 각각 175.9, 1.3 mm h-1로 산정되었다. 청경재배 lysimeter는 최대, 최소 각각 4.5, 0.6 ton ha-1이 측정되었으며, 초생재배의 경우 최대, 최소 각각 0.9, 0.1 ton ha-1으로 측정되었다 (Table 1).

Table 1.

Analysis of soil erosion according to cultivation environment (n = 3).

Time Duration
(h)
Rainfall Soil erosion Brix
Amount
(mm)
Ave. RI
(mm h-1)
Max. RI
(mm h-1)
Clean
(ton ha-1)
Vegetative
(ton ha-1)
Clean
(%)
Vegetative
(%)
1 31 83.5 4.97 42.9 2.06 ± 0.01 0.48 ± 0.00 - -
2 3 17.0 38.79 58.1 1.67 ± 0.02 0.17 ± 0.01 - -
3 33 59.4 5.22 35.7 2.07 ± 0.03 0.33 ± 0.00 - -
4 21 48.8 10.59 79.4 2.54 ± 0.01 0.42 ± 0.01 - -
5 32 21.1 0.23 1.5 0.92 ± 0.00 0.22 ± 0.00 - -
6 34 108.0 6.79 20.5 2.31 ± 0.00 0.56 ± 0.00 - -
7 35 21.3 0.22 1.3 0.71 ± 0.01 0.10 ± 0.00 - -
8 29 17.6 0.29 1.8 0.78 ± 0.01 0.16 ± 0.00 - -
9 29 14.4 0.34 2.9 0.63 ± 0.00 0.14 ± 0.00 - -
10 33 51.5 1.7 21.8 1.69 ± 0.00 0.41 ± 0.01 - -
11 33 24.3 0.3 7.1 1.26 ± 0.00 0.15 ± 0.00 - -
12 15 92.8 19.6 112.8 3.66 ± 0.00 0.68 ± 0.00 - -
13 11 25.8 3.3 16.1 1.26 ± 0.00 0.26 ± 0.00 - -
14 19 46.0 3.1 14.9 1.72 ± 0.00 0.21 ± 0.00 - -
15 13 44.7 4.5 15.2 1.94 ± 0.00 0.33 ± 0.00 - -
16 24 35.0 1.8 20.8 1.68 ± 0.00 0.35 ± 0.00 - -
17 39 39.3 0.5 7.5 1.87 ± 0.00 0.21 ± 0.00 - -
18 11 25.0 1.8 9.8 1.31 ± 0.00 0.17 ± 0.00 - -
19 38 94.0 8.0 175.9 4.53 ± 0.00 0.91 ± 0.00 - -
20 15 87.1 18.1 107.5 3.47 ± 0.00 0.92 ± 0.00 - -
21 22 94.2 10.7 143.7 3.69 ± 0.00 0.94 ± 0.00 11.0 ± 0.3 11.2 ± 0.2
22 33 75.9 1.5 12.7 2.36 ± 0.00 0.45 ± 0.00 12.3 ± 0.2 12.3 ± 0.2
23 32 100.2 2.6 10.9 2.43 ± 0.01 0.50 ± 0.00 12.5 ± 0.2 12.3 ± 0.1

Average rainfall intensity; Maximum rainfall intensity.

청경, 초생재배 lysimeter 모두 강우량이 증가함에 따라 토양유실 발생량도 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 청경재배 대비 초생재배 시 토양유실 발생량이 73.5 - 89.8% 줄어드는 것으로 분석되었으며 (Fig. 4), 이는 초생재배 하는 것이 토양유실을 줄이기 위해 가장 효과적인 토양관리 방법으로 채택될 수 있다 (Bagagiolo et al., 2018; Suwanmanon and Kim, 2021). 초생 피복을 통해 강우 운동 에너지를 감소시켜 표토보존을 통해 토양유실을 감소시켰고, 식생의 뿌리고정을 통한 토양침식 감소에 영향을 미쳤다고 판단된다 (Wang et al., 2020). Napoli et al. (2017)의 연구에 따르면 초생관리의 경우 강우세기가 높은 집중강우에도 토양침식을 저감에 일반적이고 효율적인 관리라고 보고하였고, Lenka et al. (2017)은 Weed strip을 통해 평균 78.3% 토양침식 발생률을 감소시킬 수 있고, 과수원의 토양 및 수분 손실을 효과적으로 방지하고 제어할 수 있다고 보고하였다. 토양유실 위험성이 높은 지역에서는 식생관리에 적용을 충분히 고려해야 되며, 경사가 심한 지형에서의 낮은 식생피복은 집중호우시 토양유실 위험성이 높아져 식생 적용성이 고려되어야 할 것으로 판단된다 (Jin et al., 2021).

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Fig. 4.

Evaluation of soil erosion reduction according to vegetative cultivation.

초생재배에 따른 과실품질

재배관리에 따른 과실품질을 비교하기 위해 23번의 강우사상 중 총 3번 (21, 22, 23)의 사과당도 분석을 진행한 결과 청경 및 초생재배에 따른 유의미한 차이가 없었다 (Table 1). Wei et al. (2017)의 연구에 따르면 초생재배가 과수원 토양에서 SOC, T-N, available P, available N 증가와 초생 잔류물을 통해 토양의 다양한 유기 물질에 기여하는 것을 확인했다 (Wang et al., 2016). 또한, 초생재배는 토양 미생물 바이오매스를 증가시키고 영향순환을 가속화하여 결과적으로 과일 품질을 향상시키는데 기여되는 것으로 나타났다 (Wei et al., 2018). 이러한 초생재배를 통해 토양유실 저감과 더불어 과실품질 또한 영향을 주지 않아 경제 및 환경적으로 긍정적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

강우특성에 따른 토양유실 위험성 평가

강우특성에 따른 토양유실 위험성을 평가하기 위해 총 23번의 강우사상에 대한 각각의 총 강우량, 평균강우강도, 최대강우강도를 산정하여 토양 발생량과의 선형 회귀분석을 진행하였다. 그 결과 총 강우량 (R2 = 0.6875), 평균강우강도 (R2 = 0.5194) 및 최대강우강도 (R2 = 0.7442) 모두 토양유실량 발생에 있어 유의미한 상관관계를 갖는 것으로 분석되었다 (Fig. 5). 특히, 최대강우강도의 경우 토양유실량 발생량과의 높은 결정계수를 나타냈으며, 이는 토양유실 발생에 있어 지속적인 강우량보다 단기 집중강우에 취약할 것으로 판단된다.

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Fig. 5.

Analysis of soil erosion according to rainfall characteristics.

Wu et al. (2017)의 연구에 따른 토양유실 및 유거수는 초과 침투 또는 포화상태에 의해 생성되고, 유거수 발생 시점에 따라 강우량에 비해 강우강도가 유출 발생량에 많은 영향을 미친다고 보고하였으며, 높은 강우 강도로 인해 일반적 표토에서 골재의 파괴가 가속화 됨에 따라 토양유실 및 유거수 발생을 촉진시킨 것으로 나타났다 (Vaezi et al., 2017). Zhou et al. (2016) 또한 강우강도와 토양유실의 상호작용 연구를 통해 물과 토양 자원을 보존하는데 식생피복 기술을 적용하고 있다. 이러한 강우강도에 따라 토양유실량을 저감하기 위해 기상분석과 지형적 특성을 고려하여 식생피복 적용을 권장할 필요가 있을 것으로 판단된다.

Conclusions

초생재배 적용은 집중호우시 토양침식 저감에 있어 일반적이고 효율적인 관리라고 판단되며, 과실 당도의 경우 초생재배 시 청경재배 대비 유의미한 차이가 없어 높은 경사지형에 위치한 과수원의 경우 식생적용이 고려되어야 할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

This work was carried out with the support of ‘Cooperative Research Program for Agriculture Science & Technology Development (Project No. PJ014821032022)’ Rural Development Administration, Republic of Korea.

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