Introduction
Materials and Methods
경사지 라이시미터 구성 및 토양유실량 조사
토양 이화학성 분석
통계분석
Results and Discussion
토성별 토양유실량 비교
토양의 물리성 변화
토양의 화학성 변화
토양유실과 토양 화학성간의 상관관계
Conclusions
Introduction
기후변화는 가뭄, 홍수 등과 같은 자연재해, 생물다양성 감소, 식량위기 등 생태계, 산림, 농업 등에 영향을 미친다. 최근 기후변화로 인해 집중강우가 빈번히 발생하고 있으며 특히, 단기간에 높은 강우강도로 인한 토양침식으로 많은 양의 토양이 유실되고 있다. 국제경제협력개발기구 (OECD)는 토양을 농업환경지표의 핵심지표 중 하나로 설정하였고, 토양침식을 핵심지표인 토양의 세부지표로 지정하였다 (OECD, 2001). 우리나라의 연평균 토양유실량은 33 ton ha-1로, OECD 토양침식 등급 중 최고등급인 ‘매우 심함 (severe)’에 해당한다 (ME, 2013). 또한, 기후변화로 인해 우리나라 밭토양의 총 유실량은 2003년 대비 2010 - 2030년대에 10.4% 증가할 것으로 예측되고 있어 향후 농경지 토양침식은 더욱 심화될 것으로 추정되고 있다 (Kim et al., 2010b).
우리나라는 국토의 약 65%가 산악지형이고 밭은 주로 경사지에 위치하는 경우가 많기 때문에 여름철 집중강우에 의한 토양유실 위험성이 매우 크다. 경사지 밭토양의 토양유실은 농업생산기반을 약화시키고 토양 중에 있는 양분 등이 수계로 유출되어 수질오염으로도 이어지기 때문에 토양유실을 저감하기 위한 노력이 필요하다. 이러한 이유로 토양침식 위험지역 분석 (Jung et al., 2005), 밭토양의 토양 유실량 변화 예측 (Kim et al., 2010b) 및 작물 재배에 따른 토양유실경감 평가 (Lee et al., 2011; Kim et al., 2020) 등의 연구가 수행되고 있다. 하지만 Lim et al. (2020)은 토양침식 관련 국내 연구영역에서는 토양침식의 근본적인 메커니즘보다 토양침식에 의해 발생하는 문제 해결에 관한 연구에 편중되어 있어, 토양침식과 토양의 물리 ‧ 화학적 특성 규명에 관한 연구가 부족한 실정이라고 보고한 바 있다. 특히, 대부분의 작물 재배기간을 제외하면 농경지가 나지 상태인 경우가 많고, 작물을 재배하는 피복상태보다 작물을 재배하지 않는 무피복상태에서 토양침식이 더 많이 발생하는 것으로 알려져 있기 때문에 (Ahn and Choi, 2013), 토양유실에 따른 나지 토양의 이화학적 특성 분석이 필요하다. 경사도별 밭토양의 화학성을 분석하거나 (Kim et al., 2010a) 경사지 밭토양의 이화학성 변동을 평가한 (Yun et al., 1996) 선행연구가 있지만, 토양유실에 따른 나지 토양의 이화학적 특성 변화에 관한 기초자료는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 경사지 라이시미터를 활용하여 토양 유실에 따른 나지 토양의 이화학성 변화를 분석하고 토양 유실량과 이화학성간의 상관관계를 구명하여 토양 유실에 따른 토양 특성 변화에 관한 기초자료를 제공하고자 수행되었다.
Materials and Methods
경사지 라이시미터 구성 및 토양유실량 조사
본 연구는 전라북도 완주군 이서면에 위치한 국립농업과학원 내의 경사지 라이시미터 (위도 35°49'29", 경도 127°02'46")에서 2019년부터 2021년까지 3년간 수행하였다. 라이시미터 규격은 미농무성의 토양유실 측정을 위한 표준시험구 기준 (가로 2.0 m 이상, 세로 22.1 m 이상의 규모)에 준하여 (Renard et al., 1997; USDA-ARS, 2013) 가로 2.0 m와 세로 25.0 m로 조성하였으며, 경사도는 우리나라 밭 토양 평균 경사도인 13%로 설치하였다 (Fig. 1a). 시험구 토성은 우리나라 밭토양에서 상대적으로 높은 비율을 차지하는 식양토 (clay loam; 모래 13.8%, 미사 49.7%, 점토 36.5%)와 사양토 (sandy loam; 모래 63.6%, 미사 24.9%, 점토 11.5%)로, 각 시험포는 매년 1회 경운을 실시하였고 정기적으로 잡초를 관리 (손제초 및 제초제 살포 등)하여 나지상태를 유지하였다.
강우사상에 의해 시험포에서 유출된 물과 토양은 1/100로 시료를 샘플링하는 분취기 (특허10-1334791)를 통과시켜 300 L 플라스틱 용기에 수집하였다. 토양유실량은 수집된 시료의 일부를 분석하여 강우사상별로 산정하였으며, 토성별로 연간 총 토양유실량을 비교하였다.
토양 이화학성 분석
매년 하반기에 각 시험포마다 상부 (5.0 m), 중부 (12.0 m), 하부 (19.0 m)에서 표토 (0 - 20 cm)와 심토 (20 - 40 cm)를 채취하였다 (Fig. 1b).
나지 토양의 물리성 분석을 위하여 2인치 코어 (100 cm3)를 이용하여 토양시료를 3반복으로 채취하였다. 채취한 시료는 105°C에서 18시간 이상 건조한 후 건조 전 ‧ 후의 무게를 측정하여 용적밀도 (bulk density), 용적수분함량 (volumetric water content) 및 공극률 (porosity)을 산정하였다 (Blake and Hartge, 1986; Gardner, 1986).
토양의 화학성 분석을 위해 채취한 토양시료는 풍건한 후 2 mm 체를 통과시켜 공시토양으로 사용하였다. 토양 및 식물체분석법 (NAAS, 2011)에 준하여 토양산도 (pH), 전기전도도 (EC), 유기물함량 (OM), 유효인산 (Av. P2O5), 교환성양이온 (Exch. K, Ca, Mg)을 분석하였다. pH는 토양과 증류수를 1:5로 혼합하여 30분간 진탕한 현탁액을 pH meter (Orion Star A221, Thermo scientific, Waltham, MA, USA)를 이용하여 측정하였으며, EC는 pH 측정 후 EC meter (Orion Star A322, Thermo scientific, Waltham, MA, USA)를 이용하여 측정하였다. 유기물함량은 Tyurin법을 이용하여 산화제인 중크롬산칼륨 (K2Cr2O7)으로 유기물을 산화시키고 0.2 N 황산제1철암모늄용액 (Fe(NH4)2(SO4)2 ‧ 6H2O)으로 적정하는 산화환원 적정법으로 분석하였다. 유효인산함량은 Lancaster법에 따라 토양을 인산침출액으로 침출하여 No. 2 여과지로 여과한 후, 희석한 여과액에 조작액과 발색시약을 넣어 파장 720 nm에서 측정하였다. 교환성양이온 함량은 1 M NH4OAc (pH 7.0) 용액으로 침출하여 ICP-AES (GBC, Integra XL Dual, Australia)를 이용하여 정량하였다.
통계분석
SPSS 25.0 (SPSS Inc., Chicago, Illinois, USA)으로 연도별 및 조사 위치별로 토양 이화학성 차이를 일반선형모형을 이용하여 ANOVA 분석으로 평가하였으며, Duncan의 다중비교를 통해 차이를 비교하였다 (α = 0.05). 단기간에 변화하기 어려운 토양물리성을 제외하고, 토양유실량과 토양화학성 (pH, EC, 유기물함량, 유효인산, 교환성양이온)의 상관관계를 95% 유의수준에서 분석하였다.
Results and Discussion
토성별 토양유실량 비교
경사지 라이시미터에서 강우사상별로 토양유실량을 조사하고 토성에 따른 총 토양유실량을 비교하였다. 2019년은 강우사상 9회, 강우량 429.0 mm, 2020년은 강우사상 12회, 강우량 1,140.5 mm, 2021년은 강우사상 13회, 강우량 893.6 mm였다 (Table 1).
실험기간동안 토성에 따른 토양유실량은 식양토보다 사양토에서 많았다. 2019년 사양토 유실량은 23.0 ton ha-1로 식양토 유실량의 2.1배였고, 2020년 사양토 유실량은 101.8 ton ha-1로 식양토 유실량의 1.8배였다. 2021년 토양 유실량은 사양토와 식양토에서 각각 29.9 ton ha-1와 21.2 ton ha-1였지만, 토성간에 큰 차이가 발생하지 않았다. 토성별 유출특성을 평가한 선행 연구에서 식양토의 유거수량이 가장 낮게 배출됨을 확인하였는데 (Lee et al., 2007; Ok et al., 2021), 본 연구에서도 토양유실량의 연도별 차이는 있었지만 3년간 총 토양유실량은 사양토와 식양토에서 각각 154.7 ton ha-1와 88.5 ton ha-1로 식양토의 총 토양유실량이 낮았고, 연간 총 토양유실량의 차이는 80.6 - 84.6%로 연차간 변이가 큰 것을 확인할 수 있었다.
Table 1.
The upland soil loss on different soil textures.
토양의 물리성 변화
경사지 라이시미터의 토양깊이별 용적밀도를 조사한 결과, 표토와 심토의 평균 용적밀도는 식양토에서 1.35 Mg m-3와 1.46 Mg m-3었고, 사양토에서 1.41 Mg m-3와 1.54 Mg m-3로 표토보다 심토에서의 용적밀도가 높았다 (Table 2). 공극률은 용적밀도와 역의 관계로 나타났는데, 표토와 심토의 평균 공극률은 각각 식양토에서 49.2%와 44.8%였고, 사양토에서 46.7%와 41.7%였다 (Table 2).
Table 2.
Annual changes of soil physico-chemical properties of slope lysimeter.
표토는 경운 등의 인위적인 교란으로 물리적인 특성 변화의 경향을 확인하기 어렵지만, 심토는 상대적으로 표토에 비해 농작업 등에 의한 영향이 누적되기 때문에 (Cho et al., 2018), 심토의 자료만으로 토양 물리성 변화에 대한 통계분석을 실시하였다. 사양토의 상부 (T)를 제외하고 동일한 조사위치에서 2019년 대비 2021년의 용적밀도는 약 6 - 14% 감소, 공극률은 약 7 - 15% 증가하였는데, 연도별 차이는 있었지만 통계적으로 유의한 결과를 나타내지 않았다 (Table 3). 용적밀도와 공극률의 조사위치별 차이는 뚜렷한 경향이 없었고, 통계적으로도 유의한 결과를 나타내지 않았다 (Fig. 2a, 2b).
토양의 화학성 변화
표토와 심토의 평균 pH는 식양토에서 5.8과 5.1, 사양토에서 6.3과 5.5이었는데, 사양토의 표토 평균 pH는 6.3으로 적정범위 (6.0 - 7.0)에 속하였지만 이 외에는 모두 적정범위 미만이었다 (Table 2). EC는 두 토성 모두 적정범위인 2.0 dS m-1보다 낮은 경향이었다. 표토와 심토의 평균 유기물함량은 식양토에서 각각 8.0, 6.7 g kg-1, 사양토에서 각각 7.2, 4.2 g kg-1로 모두 적정범위 (20 - 30 g kg-1) 미만이었다. 일반적으로 점토함량이 높은 식양토가 사양토보다 유기물함량이 높은 것으로 보고되고 있는데 (Park et al., 1994; Cho et al., 2016), 본 연구에서도 비슷한 경향으로 나타났다. 2019년부터 2021년까지 식양토와 사양토의 평균 유기물함량은 각각 6.13 - 9.33 g kg-1과 3.28 - 7.80 g kg-1범위로 (Table 2), 한국 밭토양 화학성 변동 평가에서 보고된 유기물함량 (24 - 27 g kg-1)보다 낮았다 (Kim et al., 2019). 이는 본 연구에서는 작물을 재배하거나 인위적인 유기물 (e.g. 퇴비, 화학비료 등)을 투입하지 않은 나지 조건에서 수행되었기 때문에 유기물함량이 매우 낮은 것으로 판단된다. 표토와 심토의 평균 유효인산 함량은 식양토에서 7.0, 1.9 g kg-1, 사양토에서 88.2, 35.2 g kg-1로 모두 적정범위보다 낮았다. 2019년부터 2021년까지 식양토와 사양토의 평균 유효인산 함량은 밭토양 유효인산 적정범위 최소값 (300 g kg-1)과 비교하여 67 - 100% 정도 낮았는데 (Table 2), 이 또한 유기물함량이 매우 낮은 이유와 동일하게 나지 조건에서 실험을 수행했기 때문으로 판단된다. 표토의 교환성 칼륨, 칼슘 및 마그네슘은 식양토는 각각 0.20, 1.73, 2.13 cmolc kg-1이었고, 사양토는 각각 0.18, 4.35, 2.57 cmolc kg-1이었다. 심토의 교환성 칼륨, 칼슘 및 마그네슘은 식양토는 각각 0.12, 1.60, 1.95 cmolc kg-1이었고, 사양토는 각각 0.16, 4.36, 2.56 cmolc kg-1이었다. 교환성칼륨 및 칼슘은 모두 밭토양 적정범위 (각각 0.5 - 0.8, 5.0 - 6.0 cmolc kg-1)보다 낮았지만, 마그네슘은 적정범위 (1.5 - 2.0 cmolc kg-1)에 속하거나 적정범위를 초과하였다 (Table 2).
토양유실은 대부분 심토보다 표토에서 발생하기 때문에 표토의 자료만으로 화학성 변화에 대한 통계분석을 실시하였다. 동일한 조사위치 (상부, 중부, 하부)에서 표토의 pH와 EC는 연도별 차이는 있었지만 (p < 0.05), 선형적인 증가 또는 감소 등의 뚜렷한 경향은 없었다 (Table 3). 유기물함량은 시험구 상부 (top)와 중부 (middle)에서는 선형적으로 감소하였지만 (p < 0.05), 하부 (bottom)에서는 식양토는 2019년 7.6 g kg-1에서 2021년 8.1 g kg-1로 증가하였지만 변화폭이 크지 않았으며, 사양토는 2019년 4.2 g kg-1에서 2020년 7.7 g kg-1로 증가했다가 2021년에 5.9 g kg-1로 감소하였다 (Table 3). 유효인산과 교환성 칼륨 또한 연도별 차이는 있었지만 (p < 0.05), 뚜렷한 경향은 없었다.
Table 3.
Annual mean values of soil physico-chemical properties by sampling sites.
Details of the soil texture codes are provided in Table 2. Soil physical properties (bulk density and porosity) are mean values of sub soil and chemical properties (pH, EC, OM, Av. P2O5, and Exch. K+) are mean values of top soil.
조사위치별 토양 화학성은 식양토와 사양토 모두 조사위치 간에 차이가 있었다 (p < 0.05). pH와 EC는 일부 시험구에서만 선형적인 경향이 나타났고 (Fig. 3a, 3b), 토양 pH의 경우 2020년 식양토를 제외하고 상부에 비해 하부에서 높은 경향이 나타났다 (Fig. 3a). 유기물함량, 유효인산 및 교환성 칼륨은 두 토성 모두 선형적인 증가 또는 감소 등의 경향이 나타나지 않았다 (Fig. 3c, 3d, 3e). 이는 경사지 라이시미터에서 조사된 표토 전체의 유기물함량은 우리나라 밭토양 적정범위 최소수준 (20 g kg-1)보다 40 - 79% 낮았고, 유효인산은 최소수준 (200 g kg-1)보다 13 - 100% 낮은 함량이었기 때문에 뚜렷한 경향을 확인하기 어려웠던 것으로 판단된다.
Fig. 3.
Means values of pH (a), EC (b), OM (c), Av. P2O5 (d) and Exch. K+ (e) of top soil. Vertical bars are standard errors of the means of triplicated (n = 3). Data followed by different lowercase letters indicate significant changes in sampling site (top, middle and bottom) at α = 0.05 (NA, not available).
토양유실과 토양 화학성간의 상관관계
토양의 물리적인 특성은 단기간에 변화하기 어렵기 때문에 토양유실과 토양 화학성간의 상관관계를 분석하였다. 연도별로 토양 화학성의 전체 평균값 및 조사위치별 평균값을 산출하여 토양유실량과의 상관관계를 비교하였다. 이때, 토양유실은 연속적으로 발생한 결과이기 때문에 누적 토양유실량을 산출하여 상관관계를 분석하였다.
식양토의 누적 토양유실량은 토양 pH, 유효인산 함량 및 교환성 칼륨과는 정 (+)의 상관관계가 있었으며, EC, 유기물함량, 교환성 칼슘 및 마그네슘과는 부 (-)의 상관관계가 있었다 (Table 4). 사양토의 누적 토양유실량은 토양 pH, EC 및 유효인산 함량과는 정 (+)의 상관관계가 있었고, 유기물함량, 교환성 칼륨, 칼슘 및 마그네슘과는 부 (-)의 상관관계가 있었다 (Table 4).
Table 4.
Regression equation of accumulated soil loss and chemical properties of top soil.
토양 화학성 중 유기물함량이 누적 토양유실량과의 상관관계가 가장 뚜렷하게 나타났기 때문에 누적 토양유실량과 토양 유기물함량간의 상관관계를 조사 위치별로 분석하였는데, 시험구의 유기물함량이 적정범위 (20 - 30 g kg-1)보다 매우 낮은 수준이었기 때문에 지점간 변이가 다소 높게 나타났다 (Fig. 4). 식양토의 누적 토양유실량과 유기물함량 전체 평균간의 상관관계는 부 (-)의 상관으로 결정계수 (r2) 0.78로 나타났지만 통계적으로 유의하지는 않았다 (Fig. 4a). 식양토의 누적 토양유실량과 조사위치별 유기물함량 상관관계의 결정계수 (r2)는 시험구 상부에서 0.82** (p = 0.001)로 가장 높았고, 시험구 중부는 p < 0.01 수준에서 상관관계가 있었고, 시험구 하부에서는 p < 0.05 수준에서 상관관계가 있었다 (Fig. 4b). 사양토의 누적 토양유실량과 유기물함량 전체 평균간의 상관관계도 식양토와 동일하게 부 (-)의 상관을 나타냈고, 결정계수 (r2) 0.65로 나타났지만 통계적으로 유의하지는 않았다 (Fig. 4c). 사양토의 누적 토양유실량과 조사위치별 유기물함량 상관관계의 결정계수 (r2)는 시험구 중부에서 0.99** (p < 0.001)로 가장 높았고, 시험구 상부는 p < 0.001 수준에서 상관관계가 있었고, 시험구 하부에서는 p < 0.05 수준에서 상관관계가 있었다 (Fig. 4d). Yun et al. (1996)의 라이시미터 활용 연구에 의하면 토양 유실에 따라 시험 전 ‧ 후 토양의 유기물함량은 사양토에서는 14.1에서 6.0 g kg-1으로 감소하였고 식양토에서는 10.2에서 9.0 g kg-1으로 감소하는 것으로 보고하였는데, 본 연구에서도 유사하게 유기물함량이 감소하는 경향을 보였다.
Fig. 4.
Relationship between accumulated soil loss and the contents of organic matter (OM) of top soil: annual total average in clay loam (a), average by sampling site in clay loam (b), annual total average in sandy loam (c), and average by sampling site in sandy loam (d). Vertical bars are standard errors of the means. Correlation coefficient (r) was determined by Pearson’s correlation analysis.
Conclusions
본 연구에서는 경사지 라이시미터 (경사도 13%)를 활용하여 토양유실에 따른 나지토양의 이화학성 변화를 조사하고 누적 토양유실량과 이화학성간의 상관관계를 분석하였다.
토양 물리성을 조사한 결과, 심토의 용적밀도와 공극률은 연도별 차이는 있었지만 조사위치별 차이는 통계적으로 유의한 결과가 나타나지 않았다. 토양 화학성은 표토의 pH, EC, 유기물함량, 유효인산 및 교환성 칼륨 모두 연도별 및 조사위치별 차이는 있었지만 (p < 0.05), 우리나라 밭토양 적정범위보다 매우 낮아 뚜렷한 경향을 확인할 수 없었다. 하지만 누적 토양유실량과 유기물함량간에는 부 (-)의 상관이 있음을 확인하였고, 조사위치별로 통계적으로 유의한 결과를 나타냈다. 토양유실에 따른 나지 토양의 특성 변화에 관한 기초자료를 축적 및 제공을 위해서는, 향후 장기적인 모니터링 연구를 통하여 보완해야 할 것으로 판단된다.
