Introduction
Materials and Methods
실험 설계 및 토양특성
작물 재배 및 수분 모니터링
물수지, 작물계수 및 물 필요량 산정
기상자료 수집
Results and Discussion
기상특성 및 동계작물 생육상태
동계작물별 물수지 평가
작물계수 산정
물 필요량 산정
Conclusions
Introduction
기후변화에 따른 수자원 부족의 심화와 전 세계적인 인구 증가와 식생활의 변화로 인한 물 수요와 식량 생산 대비 소비량이 점차 증가하고 있으며, 이에 수자원 고갈과 식량안보에 대한 문제와 더불어 물부족 현상이 지속되고 있다 (Hanjra and Qureshi, 2010; Wada et al., 2013). 우리나라도 농업용수 이용량이 전체 용수 사용량의 50% 이상을 차지하고 있어 사회경제적 측면에서 효율적인 농업용수 사용이 더욱 중요하게 부각되고 있다. 이는 농업에서 작물의 물 필요량 산정과 토양의 수분상태를 평가하여 작물 생장에 필요한 물을 효율적으로 공급하여 대응할 수 있다 (Pereira et al., 2024). 물 부족에 따른 대책 마련과 지속가능한 농업용수의 효율적 사용을 위해서는 적절한 관개 일정을 설계하고 작물의 높은 생산성을 위해서 작물의 물 필요량을 아는 것은 중요하며 (Kadayifci et al., 2005; Bossie et al., 2009) 이에 기초 분석 단계인 물수지를 정밀하게 산정할 수 있는 라이시미터가 많은 연구에 활용되고 있다 (Bethune and Wang, 2004; Cui and Zornberg, 2008; Huang et al., 2012; Marek et al., 2014, de Guimarães Cardoso et al., 2015; Kim et al., 2024).
라이시미터는 교란되지 않은 자연상태 그대로의 토양을 원통형 코어로 채취하여 토양수분과 양분이동을 직접적으로 측정할 수 있는 장치이다 (Lee at al., 2017; Kim et al., 2018; Kong et al., 2019). 라이시미터를 이용하면 측정이 까다로운 작물의 증발산량을 계산하여 작물의 물 필요량을 정확하게 산정할 수 있다. 라이시미터는 설치와 관리에 고비용 부담이 있지만, 증발산량을 정확하게 산정할 수 있어 관련 연구에서 표준 방법으로 인정받고 있다 (Jiménez- Carvajal et al., 2017). 또한, 중량식 라이시미터의 토층에 수분센서를 설치하면 작물 생육 기간 중 토양 수분 함량 변화를 정밀하게 모니터링 할 수 있다. 토양수분의 이동은 토양의 물리적 특성에 영향을 받고 작물의 생육특성에 크게 영향을 주므로 작물 생육의 영향을 정확히 판단하기 위해서는 토양수분 함량 변화에 대한 장기적인 관찰이 필요하다 (Hillel, 1998; Hur et al., 2009).
우리나라에서는 중량식 라이시미터를 이용하여 봄철 밭 작물의 물수지와 생육단계별 증발산량을 평가 연구가 수행된 바 있는데, Ok et al. (2018)과 Kim et al. (2019)은 기준 증발산량을 산정하기 위해 FAO Penman-Monteith 방법과 Hargreaves 방법을 이용하여 산정된 기준 증발산량의 적합도를 평가하고 검증하였다. 또한 Kim et al. (2023)은 관개방법에 따른 청보리의 물수지를 토성별로 산정해 평가하고 작물계수와 물 필요량을 산정하였다. 이와 같이 하계 밭작물에 대한 물수지 평가와 작물계수 및 물 필요량 산정연구는 지속적으로 수행되어왔지만, 동계작물에 대한 관련 연구는 부족하다. 특히, 동계작물 양파 (Allium cepa L.)와 이탈리안 라이그라스 (Lolium multiflorum Lam.)에 대한 물수지 분석과 작물계수 개발 연구는 제한적이다.
따라서, 본 연구는 중량식 라이시미터를 이용한 서로 다른 토양에서 동계작물인 이탈리안 라이그라스와 양파의 물수지를 분석하고, 생육단계별 작물계수와 물 필요량을 산정하였다.
Materials and Methods
실험 설계 및 토양특성
본 연구는 전북특별자치도 완주군 국립농업과학원 (National Institute of Agricultural Science; NAS) 내에 북위 35°49′29″, 동경 127°02′46″, 해발 33 m에 위치한 라이시미터 (UGT, Germany)에서 2023년 10월부터 2024년 6월까지 동계작물 재배 실험을 통해 수행하였다. 동계작물은 중량식 라이시미터 (표면적 1 m2, 깊이 1.5 m)에서 재배하였다. 라이시미터는 교란되지 않은 자연상태의 토양이 충진되어 있어 무게증감을 정밀하게 측정하고 물수지, 증발산, 수분이동 및 양분이동을 보다 정확하게 측정하는 시설이다.
본 연구를 위해 시험에 사용된 토양은 논, 밭 토양이며, 토성은 사양토 (sandy loam, SL)이다. 깊이별 토양의 물리적 특성은 Table 1, 화학적 특성은 Table 2에 나타내었다. 이때 토양의 물리적 특성 분석은 라이시미터 설치를 위한 초기토양 채취 당시 깊이별 토양시료를 채취하여 2015년에 분석한 결과이다. 용적밀도는 코아법 (Blake and Hartge, 1986)으로 분석하였고, 토성은 비중계법 (Gee and Bauder, 1986)으로 토양입자분포를 산정하여 미국 농무성 (United States Department of Agriculture, USDA)의 토성삼각표 (soil texture triangle)에 따라 결정하였다.
Table 1.
Change in the chemical properties of soil in this experiment (n = 3).
Data adopted from Seo et al. (2016); Ok et al. (2018); Kim et al. (2024); Park et al. (2024).
Table 2.
Chemical properties of the top soils of lysimeters.
| Soil |
pH (1:5) |
EC1 (dS m-1) |
OM (g kg-1) |
T-N (g kg-1) |
Av. P2O5 (mg kg-1) | Exch. cations (cmolc kg-1) | ||
| K | Ca | Mg | ||||||
| Paddy | 5.8 | 0.16 | 16.3 | 1.09 | 308 | 0.07 | 3.4 | 0.6 |
| Upland | 6.9 | 0.33 | 16 | 1.2 | 1017 | 0.39 | 4.5 | 1.6 |
시험 전 토양의 화학성 분석은 표토에서 15 cm이내의 토양을 채취하였다. 채취한 토양은 국립농업과학원의 토양 및 식물체 분석법에 준하여 분석하였다 (NAAS, 2011). 토양의 pH와 EC는 토양과 증류수를 1:5의 비율로 혼합 후 30분간 진탕하여 pH meter (Orion Star A221, Thermo Scientific, Waltham, MA, USA)와 EC meter (Orion Star A322, Thermo Scientific, Waltham, MA, USA)로 측정하였다. 유기물 함량은 Tyurin법, 총질소 함량은 CN analyzer (Vario Max, Elementar, Germany), 유효인산은 Lancaster법을 사용하여 5 g의 풍건토양에 인산 침출액 20 mL를 가하여 10분간 진탕해 여과하였다. 교환성 양이온은 토양 5 g을 1.0 M NH4OAc (pH 7.0)과 혼합하여 30분간 진탕 후 여과하여 유도결합 플라즈마 분광광도계 (ICP-OES, GBC, Integra XL Dual, Australia)로 분석하였다.
작물 재배 및 수분 모니터링
작물은 논 토양은 이탈리안 라이그라스, 밭 토양은 양파를 재배하였고, 이탈리안 라이그라스는 1베셀에 4 g 파종하였고, 양파는 라이시미터 1베셀에 평균 20주를 정식하였다.
작물의 재배방법은 작물별 표준재배법을 준용하였으며, 비료는 농촌진흥청 작물별 비료사용처방 (RDA, 2022)의 표준시비량을 기준으로 비료는 요소, 용과린, 염화가리를 사용하여 이탈리안 라이그라스의 밑거름은 질소-인-칼리 (N-P2O5-K2O=4.2-6.0-6.0 kg 10a-1), 웃거름은 질소-인-칼리 (N-P2O5-K2O=8.0-7.7-5.8 kg 10a-1)를 총량 14.0- 12.0-12.0 kg 10a-1 투입하였다. 양파의 밑거름은 질소-인-칼리 (N-P2O5-K2O=9.8-6.0-6.0 kg 10a-1), 웃거름은 질소-인-칼리 (N-P2O5-K2O=16.0-0.0-9.6 kg 10a-1)를 총량 24.0-7.7-15.4 kg 10a-1 투입하였다.
양파의 생육단계는 초기 (10/30 - 11/20), 활착기 (11/21 - 12/20), 경엽신장 전기 (2/11 - 2/28), 경엽신장 후기 (3/1 - 4/20), 구비대기 (4/21 - 6/9)로 구분하였고, 이탈리안 라이그라스의 생육단계는 유묘기 (10/23 - 1/12), 재생기 (1/13 - 2/26), 신장기 (2/27 - 4/8), 수확기 (4/9 - 5/10)로 구분하였다.
토양수분은 깊이별로 (10, 30, 55, 85 cm) 측정하는 센서 (UMP-1, UGT, Germany)가 있으며, 이때 토양수분은 TDR (time domain reflection) 방식으로 측정하고, 모니터링 데이터는 1시간 단위의 평균값으로 데이터 로거 (data logger)에 자동으로 저장된다. 또한 로드셀을 통해 토양의 무게변화를 측정하였고, 티핑카운터 (tipping counter)로 지하유출량을 산정하였다.
물수지, 작물계수 및 물 필요량 산정
물수지 인자 분석방법은 중량식 라이시미터에 설치된 로드셀을 이용하여 강수가 내리기 전의 셀의 무게와 강수기간 중에 시간당 셀 내에 유입되는 물의 양을 합산한 강수 후 무게를 비교하여 총 유입된 양을 결정하여 유효 강수량을 측정하였으며, 작물과 토양에서 발생한 증발산은 라이시미터 셀의 시간별 무게변화를 계산하여 일 증발산량을 산정한 유출량과 지하로 유출되는 물의 유출량은 라이시미터 셀 하단에 설치된 티핑카운터 (tipping counter)로 자동 측정되어 물의 총 증가‧감소량을 계산하였다. 유거량은 지표로 유거된 물을 취수통에 받아 직접 무게를 측정하였다. 실측된 값들은 아래의 Eq. 1에 적용하여 물수지는 산출되었다.
여기서, △SW는 토양수분 변화량, P는 강수량 (precipitation, mm), I는 관개량 (irrigation, mm), ET는 증발산량 (evapotranspiration, mm), D는 지하유출량 (drainage, mm), R은 유거량 (runoff, mm)이다.
작물계수 산정은 Eq. 2와 같이 작물의 실증발산량에 기준 증발산량을 나눴으며, 라이시미터 셀의 무게 감소량으로 0시부터 24시까지의 실증발산량을 합한 값은 일 증발산량으로 계산하였다. 기준 증발산량은 전세계적으로 일반화된 기준작물인 잔디를 선정하여 (Allen et al., 1998) 잔디가 식재된 라이시미터를 이용해 실증발산량과 동일하게 잔디가 식재된 셀의 질량 데이터를 이용하여 산정했다.
여기서, Kc (crop coefficient)는 작물계수, ETc는 작물의 실증발산량 (mm), ET0는 기준 증발산량 (mm)이다.
물 필요량은 평년과 비교하기 위해 평년과 작물 재배기간의 기상데이터를 이용하여 FAO Penman-Monteith 공식을 통해 계산한 일일 기준 증발산량에 생육단계별 작물계수를 곱해 더한 값으로 아래 식을 통해 작물의 물 필요량을 산정하였다.
여기서, WR (water requirement)은 물 필요량 (mm)이다.
기상자료 수집
기상데이터는 라이시미터 인근에 설치된 자동 기상관측시스템으로 측정하였으며 라이시미터와 가까운 기상청의 전주 기상대 평년 (1991 - 2020) 데이터와 함께 비교하였다.
Results and Discussion
기상특성 및 동계작물 생육상태
이탈리안 라이그라스 재배기간 누적 강수량은 586.0 mm으로 평년대비 178% 수준으로 강수량이 많았고, 누적 일사량은 평년대비 23.4% 낮았다. 양파 재배기간 누적 강수량은 684.0 mm으로 평년대비 129%이었고, 누적 일사량은 평년대비 85% 수준이었다. 작물 재배기간 중 2023년 12월 15일에 65.1 mm의 집중 강수가 내렸으며, 작물 최성기인 2024년 5월 상순에 10일간 107.76 mm의 강수가 집중적으로 내렸다. 평년의 강수량은 장마철인 6월에 집중되었지만, 연구기간의 강수량은 겨울철에 더 많은 경향을 보였다 (Table 3).
Table 3.
Meteorological data during the months of experiment period for normal years and experiment years.
이탈리안 라이그라스와 양파의 생육단계의 생육상태는 Fig. 1에 나타내었다. 각 작물의 수확 후 초장, 생체중, 건물중을 조사하여 제시하였다 (Table 5). 두 작물의 재배기간 충분한 강수가 내렸기 때문에 생육상태는 좋았으며, 이탈리안 라이그라스는 약 20 - 25°C에서 왕성한 생육을 보이기 때문에 (Kim et al., 2010) 수확기에서 기온이 올라감에 따라 좋은 생육을 보였다.
동계작물별 물수지 평가
물수지는 강수, 관개로 인한 유입량과 증발산, 지하유출로 인한 유출량으로 나누어지며, 이탈리안 라이그라스와 양파 재배기간의 물수지를 산정한 값은 Table 4에 나타내었다.
Table 4.
Water balance of paddy upland lysimeters with winter cropping.
유효 강수량은 강수가 오기전과 강수가 내린 후의 라이시미터 셀의 중량 차이값을 계산하여 실제로 라이시미터 셀 안에 유입된 강수량의 양을 측정하였으며, 이탈리안 라이그라스 재배기간 539.4 mm, 양파 재배기간 609.3 mm이었다. 관개는 이탈리안 라이그라스와 양파에 각각 5.4 mm, 8.9 mm 하였고 이후 여러 차례의 충분한 강우 이벤트가 있었기 때문에 추가적인 관개는 하지 않았다.
지하유출량은 이탈리안 라이그라스 재배 토양에서 131.1 mm, 양파 재배 토양에서 332.3 mm였다. 이탈리안 라이그라스와 양파의 증발산량은 499.9 mm, 428.1 mm로 산정되었다. 작물의 증산량은 이탈리안 라이그라스의 바이오매스가 건물중 기준으로 1470 g m-2으로 양파 (34.2 g m-2)에 비해 높아 증산 요구량이 많다고 판단된다 (Table 5). 또한 이탈리안 라이그라스는 4 - 5월에 생육이 매우 왕성한 특성을 가지고 있어 작물의 물 사용량이 많은 것으로 판단된다 (Kang et al., 2020; NIAS, 2022; Shin et al., 2022.). 이는 같은 라이시미터를 활용한 이전 연구에서도 나타났다 (Kim et al., 2023). 유거량은 이탈리안 라이그라스 92.0 mm이며, 양파 재배구에서 측정된 유거량은 없었다.
두 작물의 토양 수분 변화량은 총 유입량에서 총 유출량을 감해 계산하였으며, 이탈리안 라이그라스 -178.2 mm, 양파 -142.2 mm로 나타났다. 이는 수분의 유입보다 유출량이 많았다는 것을 의미하며, 동계작물 재배시 초기관개를 제외한 추가적인 관개를 하지 않았기 때문에 유입량이 적었다. 또한 동절기에 토양이 강우와 강설에 노출되면서 반복적인 수축과 팽창으로 균열에 의한 대공극 생성으로 수분의 이동이 많아 지하유출량이 많았던 것으로 판단된다. 이는 같은 라이시미터를 활용한 이전의 연구에서도 동일한 현상이 나타났다 (Ok et al., 2018; Kim et al., 2023). 이러한 물수지 분석을 통하여 작물별 수분 요구량을 파악하고 관개 필요성과 시기를 설정함으로써 농업용수 절약 및 작물 생산성 향상에 기초자료로 활용될 수 있다.
Table 5.
Growth characteristics of Italian ryegrass and onion cultivation.
| Plant |
Plant length (cm) | Fresh weight (g m-2) |
Dry matter (g m-2) |
|
Italian ryegrass | 132.7 a1 | 5382.0 ab | 1470.0 ab |
| Onion | 44.8 a | 388.8 ab | 34.2 a |
작물계수 산정
이탈리안 라이그라스와 양파의 작물계수는 작물의 실증발산량과 기준 증발산량을 이용해 생육단계별로 나타내었으며, 산정된 작물계수와 기준 증발산량을 적용하여 작물별 물 필요량을 산정하였다.
이탈리안 라이그라스의 작물계수는 생육초기에 0.95, 생육중기에 1.05, 생육후기에 1.00으로 제시된 바 있다(Allen et al., 1998).
재생기와 신장기에서 작물계수가 다소 높게 산정되었는데, 이는 3월부터 기온이 상승하고 여러차례 강수가 발생하면서 작물의 증산량과 토양의 증발량이 많아 생육후기에 작물계수가 높아졌기 때문으로 판단된다 (Kim et al., 2023). 본 연구에서 이탈리안 라이그라스의 작물계수 값은 1년치 데이터로 산정하였기 때문에 이후 반복 연구를 통하여 신뢰성을 높일 필요가 있다고 판단된다.
양파의 작물계수는 생육단계별로 0.71, 1.08, 1.20, 1.15, 0.75로 산정되었고, 앞서 언급한 동일한 이유로 양파의 생육 경엽신장 전기와 경엽신장 후기의 작물계수가 높게 산정되었다. 이는 이전의 양파의 작물계수를 산정한 다른 연구에서도 비슷한 경향으로 나타났다 (Bandyopadhyay et al., 2003; López-urrea et al., 2009; Kim et al., 2024).
물 필요량 산정
작물계수를 이용하여 계산한 이탈리안 라이그라스와 양파의 물 필요량은 각각 308.5 mm, 287.2 mm로 산정되었다. 본 연구에서 총 유효 강수량은 이탈리안 라이그라스 539.4 mm, 양파 609.3 mm로 물 필요량보다 높았기 때문에 연구 기간 중 작물에 필요한 수분은 충분히 공급된 것으로 판단된다 (Table 6과 Table 7). 그러나, 증발산량은 각각 499.9 mm와 428.1 mm로 총 유효 강수량에 근접하였고 지하유출량을 고려하면 전체적으로 토양 수분함량은 각각 178.2 mm와 142.2 mm 감소하였다. 따라서, 비록 유효 강수량이 작물의 물 필요량 보다 많다고 하더라도 작물 재배 직전의 토양 수분 함량 그리고 작물 재배 기간 기상 여건을 고려한 관개용수 관리가 필요한 것으로 판단된다.
Conclusions
무게를 측정하여 토양수분 총량을 정확하게 계측하여 증발산량을 산정할 수 있는 라이시미터를 이용하여 동계작물 (이탈리안 라이그라스, 양파) 재배에 따른 물수지를 분석하고 물 필요량을 산정하였다.
작물계수는 생육단계별로 이탈리안 라이그라스는 0.94, 1.15, 1.40, 1.72, 양파는 0.71, 1.08, 1.20, 1.15, 0.75로 산정되었다. 양파는 다른 선행연구와 유사한 수준으로 산정되었지만 이탈리안 라이그라스는 생육 후기에 다소 높게 산정되었다. 따라서 향후 다양한 작기를 대상으로 한 연구를 통해 작물계수를 보정할 필요가 있다고 판단된다. 작물계수를 이용하여 이탈리안 라이그라스와 양파의 물 필요량을 산정한 결과, 각각 308.5 mm와 287.2 mm였다. 이와 같은 물 필요량은 유효 강수량보다 낮아서 자연 강우에 의해 충분한 물이 공급된 것으로 판단된다. 하지만 작물의 물 필요량은 초기 토양 수분함량과 기상여건에 따라 달라질 수 있기 때문에 본 연구에서 산출한 물 필요량을 참고하여 토양과 기상여건에 적합한 관개용수 관리가 필요한 것으로 판단된다.
