Introduction

기후 변화 및 도시화, 농경지 감소 등 농업 환경의 급격한 변화로 인해 작물 생산의 안정성과 지속 가능성 확보를 위한 새로운 대안이 요구되고 있으며 이에 따라 시설재배는 중요한 농업 형태로 자리잡고 있다 (KOSTAT, KOSIS, 1975 - 2025). 시설재배는 외부 기후 요인의 영향을 최소화하고 생육환경을 인위적으로 조절할 수 있어 고품질 농산물을 연중 생산할 수 있다는 장점을 지닌다. 그러나 폐쇄적 구조와 협소한 공간, 반복적인 작물 재배로 인해 토양 환경에 부정적인 누적 효과가 발생하고 있으며 특히 토양 물리성의 저하 문제가 심각한 이슈로 부상하고 있다(de Paul Obade and Lal, 2016; Kim et al., 2021).

토양의 물리적 특성은 작물의 생육에 필수적인 뿌리 발달 및 양 ‧ 수분 공급, 미생물 활력 등에 직결되며 주요 지표로는 토양 밀도, 공극률, 투수성, 통기성, 입단 구조 등이 있다 (Dexter, 2000). 시설재배지는 일반적인 노지 재배지에 비해 중형 기계 사용이 제한되고 표토 중심의 경운이 반복되는 경향이 강해 심토의 압밀화, 통기성 저하, 공극 구조 붕괴 등 구조적 악화가 누적될 가능성이 높다. 그럼에도 불구하고 실제 재배 현장에서는 화학성 위주의 토양 관리가 주를 이루고 있으며 물리성에 대한 체계적 모니터링과 장기적 자료 축적은 매우 부족한 실정이다. 토양 물리성은 단기적 관리보다는 경운 방식, 유기물 투입, 토양통 특성 등 장기적 ‧ 누적적 요인에 의해 영향을 받기 때문에 정기적이고 반복적인 조사가 필요하다(Wilson et al., 2000; Amorim et al., 2020; Hur et al., 2024).

이를 위해 우리나라에서는 ｢친환경농어업 육성 및 유기식품 등의 관리 ‧ 지원에 관한 법률｣과 ｢농업자원과 농업환경의 실태조사 및 평가 기준｣ 고시에 따라 전국 농경지를 대상으로 토양 특성 및 중금속 함량 등을 정기적으로 조사하는 농어업 자원 ‧ 환경 및 친환경농어업 등에 관한 실태조사 ‧ 평가를 수행하고 있다. 이 조사는 지역별 맞춤형 토양개량 대책 수립, 비료 사용 계획 수립, 친환경농업 기반 구축을 위한 기초자료로 활용되고 있다.

이에 본 연구는 농촌진흥청 국립농업과학원의 ｢흙토람｣ 조사자료를 활용하여 경기도 내 시설재배지 40개소를 대상으로 2016년부터 2024년까지 4년 주기의 시계열 토양 물리성 데이터를 분석하였다. 특히 조사지점의 토양통 및 지형, 경사와 같은 자연환경 요인을 함께 고려하여 표토 및 심토의 작토심, 용적밀도, 유기물 함량, 경도 등의 변화 양상을 분석함으로써 경기도 지역 시설재배지의 토양 관리 방향 수립에 필요한 기초자료를 제공하고자 한다.

Materials and Methods

대상토양 및 조사지점 선정

경기도 내 시설재배지의 토양 물리적 특성을 분석하기 위해 지형과 토양통 등을 고려하여 총 40개소를 조사지점으로 선정하였다. 2024년도 지역별 분포는 평택 3지점, 고양 4지점, 남양주 5지점, 이천 2지점, 안성 2지점, 광주 5지점 등이다. 2020년과 비교하여 총 8개 지점이 유사 지형 내에서 변경되었다. 2020년도 2016년과 비교하여 총 9지점이 변경되었으며 대부분 동일한 지형 내에서 변경되어 2016년부터 2024년 기간 동안 조사지점의 지형적 연속성은 확보된 것으로 판단하였다.

조사시기 및 시료채취

시설재배지 토양의 수분 상태가 과건조 또는 과습하지 않은 생육 중기 이후 시점 (4월 - 6월)에 진행하였다. 교란이 발생한 시기를 피하여 조사를 실시하였으며 국립농업과학원의 ｢농경지 토양물리성 조사방법 및 분석법 (NAS, 2022)｣에 준하여 수행하였다.

조사항목 및 방법

조사지점의 주소 및 GPS 좌표를 기록하고 국립농업과학원에서 제공하는 흙토람 (https://soil.rda.go.kr)을 활용하여 토양통 및 토성(속), 지형, 경사 등의 정보를 수집하였다. 물리성 분석 항목은 작토심 (plowing depth, PD), 경도 (hardness), 용적밀도 (bulk density, BD), 삼상 비율, 유기물 함량 (organic matter, OM), 토성 (sand, silt, clay content)으로 구성하였다.

표토 (topsoil, TS)와 심토 (subsurface soil, SS)는 작토심을 기준으로 구분하였으며 작토심 깊이는 손잡이 15 cm, 길이 60 cm, 굵기 1.2 cm, 원추 길이 2 cm의 탐침봉을 수직으로 눌러 더 이상 침입되지 않는 지점으로 판단하였다. 경도는 심토를 대상으로 산중식 경도계 (DIK-5553, Daiki, Japan)를 이용해 10회 반복 측정하였다. 용적밀도는 100 cm³ 코어를 3회 반복하여 시료를 채취하고 105°C 건조기에서 18시간 이상 건조 후 수분을 제거하여 측정하였다. 삼상 분석 (고상, 액상, 기상)은 같은 코어 시료를 이용해 계산하였다.

유기물 함량 분석은 Tyurin법을 사용하였으며 균질화된 토양에 K₂Cr₂O₇과 H₂SO₄를 혼합해 200°C에서 산화한 후 Fe(NH₄)₂(SO₄)₂를 이용한 적정법으로 유기탄소 함량을 분석하고 여기에 공통계수 1.724를 곱하여 유기물 함량을 산출하였다. 토성 분석은 비중계 (ASTM-152H, DK, Korea)를 이용하여 시간별 비중 변화량을 측정하고, 점토 함량은 체분석 (53 μm)을 통해 모래 함량 (2.0 - 0.05 mm)을 측정하여 산정하였다.

기타 분석 절차는 국립농업과학원의 ｢농경지 토양물리성 조사방법 및 분석법 (NAS, 2022)｣ 및 유기물 함량은 ｢토양 및 식물체 분석법 (NIAST, 2000)｣에 준하여 수행하였다.

Results and Discussion

토양통 및 토성 분포 특성

경기도 시설재배지의 토양통 분포는 총 16종으로 나타났으며 석천통이 전체의 25.0%로 가장 높은 비율을 보였다. 석천통은 일반적으로 토성(속)이 사양질로 배수가 잘 되며 작토심이 깊고 토양 구조 안정성이 양호하여 시설재배에 적합한 물리성을 갖춘 토양이다. 그 외 강서통 (15.0%), 중동통 (10.0%), 고천통 및 이현통 (각 7.5%) 등이 주요하게 나타났으며 이들 역시 대체로 통기성과 배수성이 우수한 토양이다.

소수의 지점에서는 황룡통, 낙동통, 평택통, 만경통 등의 토양통이 2.5%씩 확인되었다. 특히 이들 토양통은 일부 지역에서만 한정적으로 분포하기 때문에, 해당 지역의 시설재배지 특성과 관리방안 설정 시 주의 깊은 접근이 필요하다.

이러한 결과는 Sonn et al. (2006)의 전국 토양통 분포 분석과 유사하며 시설재배지에서는 사양질 및 식양질 계열의 토양통이 주로 선택적으로 활용되고 있음을 반영한다. 토성 분석 결과는 표토 (topsoil) 분석 결과 사양토 (sandy loam)가 37.5%, 양토 (loam)가 35.0%, 미사질양토 (silt loam)가 12.5%로 나타났다(Table 1). 기타 토성으로는 양질사토 (loamy sand)와 식양토 (sandy clay loam)가 각각 7.5%의 분포를 보였다. 이는 시설재배의 주된 목적이 배수성과 통기성 확보에 있으므로, 양질 계열의 토성이 선호되고 있음을 뒷받침한다.

심토 (subsoil)에서는 양토가 50.0%로 절반을 차지하였고, 사양토 (32.5%), 미사질양토 (10.0%), 사토 (5.0%), 양질사토 (2.5%) 순으로 나타났다(Table 1). 이는 표토에 비해 심토에서 입자 구조가 보다 치밀해지는 경향이 있으며 물리적 저항 증가로 인한 근권 환경 악화를 유발할 수 있다는 점에서 장기적 압밀화에 대한 주기적 점검 필요성을 제기한다.

특히, 표토와 심토 모두에서 모래와 미사 비율이 높고 점토 비율이 낮은 구조는 단기적으로는 배수성에 유리하나, 지속적인 유기물 공급 없이 경운이 반복될 경우 구조 붕괴 및 투수성 저하 등의 문제를 초래할 가능성이 있다.

지형 및 경사 분포 특성

조사지점의 지형은 하성평탄지가 80.0%로 가장 넓게 분포하였으며 곡간지 및 선상지가 17.5%, 해성평탄지가 2.5%로 확인되었다 (Table 2). 경사도 분석에서는 시설재배 특성상 A등급 (0 - 2%) 경사가 전체의 82.5%를 차지하였으며 B등급 (2 - 7%)은 17.5%로 비교적 소수에 해당하였다 (Table 3). 이처럼 하성평탄지 및 A등급 경사지를 중심으로 한 입지 특성은 경기도 시설재배지의 대표적인 지형학적 특성이라 할 수 있으며 토양 물리성 변화 분석에 있어 작토층 및 심토층의 구조적 특성, 기계적 저항, 압밀 수준 등과의 연계 분석 시 유효한 기준점으로 활용될 수 있다. 또한 동일 지형 내에서도 세부적 배수 조건이나 토양 통기성 등은 달라질 수 있으므로, 하성평탄지를 대상으로 한 정밀 분석 및 지속적인 모니터링이 필요하다.

연도별 토양 물리성 변화

2016년, 2020년, 2024년 총 세 시점에 걸쳐 경기도 시설재배지를 대상으로 수행된 토양 물리성 항목의 시계열 변화를 분석하였다. 작토심 (PD)은 20.8 cm (2016년)에서 22.7 cm (2024년)로 증가하는 경향을 보였다 (Table 4). 이는 경운 심도의 확대 또는 재배관리 기술의 개선에 기인한 것으로 판단되며, 작물의 근권층 확대 및 토양 통기성 확보 측면에서 긍정적인 변화로 해석된다. 표토의 용적밀도 (BD)는 1.25 Mg m^-3 (2016년)에서 1.22 Mg m^-3 (2024년)로 소폭 감소하였으며 이는 표토 내 공극률 증가 및 물리적 구조 개선이 일부 이루어졌음을 시사한다. 반면 심토는 1.32 Mg m^-3에서 1.39 Mg m^-3로 증가하였는데 이는 장기간의 중량기계 이용과 표층 중심의 반복 경운에 따른 심층부의 압밀 누적 (compaction accumulation)에 의한 것으로 해석된다. 특히 일부 지형 (예: 해성평탄지)에서는 1.41 Mg m^-3 이상으로 농업환경 기준치 (논 토양 기준 1.4 Mg m^-3)를 초과하는 수준도 관찰되었다 (Fig. 1A).

Fig. 1

Temporal changes in bulk density (A) and organic matter content (B) of greenhouse soils in 2016, 2020, and 2024. Error bars represent standard deviations.

유기물 함량은 표토에서 2016년 34.10 g kg^-1에서 2024년 38.69 g kg^-1로 증가하였으며 심토 또한 21.29 g kg^-1에서 26.23 g kg^-1로 점진적인 상승세를 보였다 (Fig. 1B). 이는 유기자재 투입, 작물 잔사의 지속적 혼입 등 관리요인의 누적 효과로 판단되며 토양 구조 안정화 측면의 개선 가능성을 내포한다 (Dexter, 2004).

심토 경도는 2016년 17.3 mm에서 2024년 18.2 mm로 지속적인 증가함을 나타냈으며 이와 같은 경도 증가는 작물 뿌리의 활착과 신장을 저해하는 기계적 저항 증가를 의미하며 결과적으로 작물 생육 및 수량성 감소와 직결될 수 있다. 따라서 심토의 경도 상승은 물리적 열화의 주요 지표로 간주되어야 하며, 이를 개선하기 위한 심층 경운, 유기물 심층 혼입, 비압축성 자재 도입 등의 기술적 대안이 요구된다 (Cho et al., 2015).

종합적으로 조사기간 동안 표토에서는 구조 개선 및 유기물 함량 증가 등 물리적 품질 향상 경향이 관찰된 반면 심토에서는 용적밀도와 경도 증가로 인한 물리적 저하 현상이 나타났다. 이는 시설재배지의 물리성 관리가 표층 위주로 편중되어 있으며 향후 지속 가능한 토양 관리를 위해 심층의 구조 개선 및 압밀 완화 전략이 병행되어야 함을 시사한다(Cho et al., 2012; Hyun et al., 2012).

지형별 토양 물리성 차이

지형별 분석에서 해성평탄지의 작토심은 25.0 cm로 가장 깊었으며 하성평탄지는 20.9 cm로 가장 얕았다. 표토의 용적밀도는 하성평탄지에서 1.24 Mg m^-3로 가장 높았고, 해성평탄지에서는 1.17 Mg m^-3로 낮았다 (Table 5).

반면 심토의 용적밀도는 해성평탄지에서 1.41 Mg m^-3로 가장 높아 압밀화 가능성이 가장 큰 지형으로 나타났다. 이러한 결과는 해성평탄지가 상대적으로 깊은 퇴적층을 형성하고 있음에도 불구하고, 지하수위의 상승이나 침윤에 의한 배수 지연 등으로 인해 심층 압밀이 용이하게 발생할 수 있는 지형적 특성을 갖고 있음을 시사한다 (Table 5).

또한 하성평탄지는 상대적으로 균일한 지질 구성과 양호한 배수 조건을 기반으로 표층 및 심층 모두에서 안정적인 물리성 유지가 가능하여 시설재배지로서 보다 유리한 토양 환경을 제공할 수 있는 것으로 분석된다.

Conclusions

경기도 시설재배지의 토양 물리성은 조사 지점의 토양통 및 지형 특성에 따라 다양하게 분포하고 있었으며 장기 조사 기간 (2016 - 2024년) 동안 특히 심토에서 용적밀도 증가와 경도 상승이 뚜렷하게 나타났다.

이는 반복적인 경운, 중량기계 사용, 유기물 투입 부족 등으로 인한 심층 압밀화와 통기성 저하가 주요 원인으로 판단되며 경작 환경의 누적적 영향이 토양 하부층에 미치는 영향을 시사한다.

반면 표토에서는 유기물 함량 증가와 함께 용적밀도의 점진적인 감소가 관찰되어 유기자재 활용 및 표층 관리 개선의 효과가 일부 나타나고 있음을 시사한다. 그러나 이러한 개선 효과가 심토까지 연계되지 못하고 있는 실정으로 장기적으로는 심층 물리성 개량 및 구조 개선 기술의 도입이 시급하다.

특히 심토 경도의 지속적인 상승은 작물의 뿌리 발달과 양 ‧ 수분 흡수를 저해할 수 있어 향후 생산성 저하로 이어질 수 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해서는 정기적인 토양 물리성 조사와 더불어 작토심 조절, 유기물 복합 자재 시용, 심층 경운 등의 기술적 대응이 필요하다.

또한 지형별 특성과 토양통 분포를 고려한 지역 맞춤형 토양 관리 전략 수립이 중요하며 이에 대한 기반 자료로 본 연구의 결과가 활용될 수 있을 것이다.

본 연구는 시설재배지의 물리성 변화 양상을 시계열로 분석한 자료로서 향후 정량적 경향성 분석 및 통계적 유의성 확보를 위한 심화 연구가 병행된다면 보다 과학적이고 실효성 있는 토양 관리 체계 마련에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.