Introduction
Materials and Methods
연구 대상지
시험포장 조성 및 운영
시료 조사 및 분석
통계분석
Results and Discussion
지표 유출량
양분 부하량
콩 수확량
Conclusion
Introduction
우리나라의 연간 1인당 쌀 소비량은 1970년 136.4 kg으로 최댓값을 기록한 이후 2000년 93.6 kg, 2023년 56.4 kg으로 계속해서 감소하고 있는 추세이다 (KOSIS, 2024). 이에 농림축산식품부는 쌀 공급 과잉으로 인한 쌀 가격 하락 및 생산 농가의 소득 감소 문제를 타개하고, 식량 자급률이 저조한 품목의 자급률 제고를 위해 ‘논 타작물 재배 지원 사업’, ‘공익형 직불제 개편’ 등 다양한 정책을 시행하고 있다 (Choi et al., 2021). 논밭 전환 콩을 재배하면 물 사용량이 줄어들고, 메탄은 물론 아산화질소 배출 감소 효과까지 있어 농업 부문 온실가스 감축에 기여할 수 있다고 보고되고 있다 (Lee et al., 2020; Lee et al., 2022; Lim et al., 2024). 따라서 정부에서는 논에 콩 재배를 전략작물로 권장하고 있다.
그러나 논에서는 일정한 수위 관리를 통해 작물을 재배하기 때문에 밭으로 전환할 경우 관개 및 배수 시설이 필요할 수 있으며, 가뭄 시기에는 추가적인 물 공급이 요구된다 (Choi et al., 2021). 또한, 토양침식에 따른 농경지 양분 유출 문제가 발생할 수 있다 (Durán Zuazo and Pleguezuelo, 2008; Hong et al., 2016). 사면 경작지의 경우 토양침식 및 양분유출 문제는 더욱 심각하다 (Durán Zuazo and Pleguezuelo, 2008). 농경지에 투입한 양분과 최근 이상기후에 따른 집중 호우는 수질오염 기여도를 증가시킬 것으로 예상하고 있다 (Kim et al., 2013; Lee and Yoon, 2019). Liu et al. (2019)은 농경지에서 질소와 인의 유출이 수질오염을 유발할 수 있음을 지적했다. 질소와 인이 과다하게 수역에 유입되면, 물속 식물성 플랑크톤의 과도한 증식을 유발할 수 있으며, 이는 수중 산소를 소비하여 수질을 저하시킴으로써, 수생태계에 부정적인 영향을 미친다 (Carpenter et al., 1998; Smith et al., 2003; Xia et al., 2020). 따라서 효율적인 논 콩 재배를 위해서는 적절한 물 관리와 양분유출 관리가 필요하다.
농경지 물 관리와 양분유출 문제를 해결하기 위하여 외국에서는 고랑담수(furrow dike) 기술을 개발하여 시행하고 있다 (Harris and Krishna, 1989; Truman and Nuti, 2009). 고랑담수는 경작지의 최적관리방안 (Best management practices, BMP) 중 하나로써, 강우와 관개수를 효율적으로 사용하기 위해 고랑 말단에 제방 또는 댐을 만들어 수분 유지 및 침투를 용이하게 하는 관개시스템을 말한다 (Bryant et al., 2019). Truman and Nuti (2009)에 따르면, 고랑담수는 농경지의 유출수를 줄이고 침투를 증가시켜 수자원 효율성을 향상시킨다고 보고하였다. Bryant et al. (2019) 연구 또한 고랑담수가 물 사용 효율을 증가시키고, 관개수를 줄여 지하수 자원의 고갈을 방지할 수 있음을 보고했다. 고랑담수와 관련하여 Liu et al. (2019)은 경사도와 강우강도에 따른 고랑담수의 양분유출 저감효과를 평가하였고, Bryant et al. (2019)은 고랑담수에 따른 관개수 사용 효율성을 평가하였으며, Nuti et al. (2009)은 관개수 효율성에 따른 경제성을 평가하였다. Truman and Nuti (2009)은 양질사토에서 고랑담수를 통한 유출수와 토양 유실을 평가하였다. 고랑담수는 농경지 물 관리 방법 중 하나로써, 토양의 수분 유지와 양분 부하를 조절하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 다만 외국과 다른 국내 환경을 고려할 때, 논밭 전환 논 콩 재배지에서 강우에 따른 양분 부하량 관련 고랑담수의 효과를 정량화한 연구는 제한적인 상황이다. 따라서 본 연구는 논 콩 재배지에서 고랑담수에 따른 양분 부하량을 정량화하고자 하였다. 이를 위해 논밭 전환 콩 재배지에서 고랑담수에 따른 지표 유출량과 질소 및 인 부하량을 평가하였으며, 콩 수확량을 비교 ‧ 분석하였다.
Materials and Methods
연구 대상지
시험포장은 전북특별자치도 익산시 금강동 (35° 55' 15.4" N, 126° 59' 36.5" E)에 위치하였으며, 2019년부터 2020년까지 논밭 전환한 콩 재배지를 대상으로 연구를 수행하였다 (Fig. 1). 시험포장의 토양은 부용통 (buyong series)이며, 표토 (0 - 30 cm)의 점토 함량이 60% 전후인 점질토양으로 포장용수량 (field capacity)은 33.2 - 37.7%, 위조점 (wilting point)은 11.2 - 11.6% 이었다 (RDA, 2021). USDA-NRCS (United State Department of Agriculture Natural Resources Conservation Service)의 분류체계에 따르면 수문학적 토양군은 ‘C’로서 침투속도가 느리고 하부에 투수속도가 느린 층이 존재한다 (USDA-NRCS, 2007). 2019년부터 2020년까지 콩 재배기간의 기온 및 강우 분포 특성은 Fig. 2와 같다.
시험포장 조성 및 운영
논 콩 경작지는 5 m × 5 m (25 m2) 크기로 2개의 처리구와 2 반복으로 구성하였다. 본 연구에 적용된 처리는 관행 (conventional treatment, CT)과 고랑담수 (furrow dike treatment, FT)로 구분하였다. 관행과 고랑담수는 모두 강우에 의한 관수 시스템이었으며, 고랑담수는 배수구의 높이를 7cm로 높여 유출수를 일부 유지시켰다. 고랑 깊이는 20 cm, 너비는 65 cm이며, 이랑 너비는 75 cm이었다. 종자는 이랑에 2열로 파종하였으며, 열 간격은 30 cm, 이랑 내 행 간격은 65 cm로 구성하였다. 콩 파종은 3립씩 점파하였고, 품종은 진풍 (Glycine max (L.) Merrill. cv. Jinpung)이었다. 2019년 2월 7일 질소 (요소) 60 kg ha-1, 칼륨 (염화칼리) 30 kg ha-1 투입한 후, 2월 15일 봄밀을 파종하였으며, 6월 20일에 수확하였다. 콩 파종은 6월 25일이었으며, 별도의 비료 투입은 없었다. 콩은 11월 10일에 수확하였고, 작물 잔사는 토양에 환원하였다. 2020년은 콩 단작으로 6월 5일에 인 (용성인비) 68 kg ha-1 투입하였으며, 6월 10일에 경운 후 고랑형성과 파종을 동시에 진행하였다. 6월 17일에 발아가 확인되었으며, 10월 22일에 최종 수확 하였다.
시료 조사 및 분석
유출량 측정 및 수질 샘플 수집을 위해 Fig. 3과 같이 유출수 분취기 (공개특허 10-2013- 0050011)를 설치하였다. 유출수 분취기는 강우-유출이 발생하면 맨홀에 유출수가 유입되어 맨홀 안에 있는 부자식 펌프를 작동시킨다. 양정된 물은 1/100 유출수 분취기에 의해 1/100은 샘플병으로, 99/100은 시험구 밖으로 배출된다. 이 분취기 시스템은 유출량 및 수질에 관한 준 전수조사가 가능하게 한다. 수질 시료는 강우이벤트 종료 후 채수통의 물을 진탕 한 후 상등액을 취하여 무균 채수 병에 담아 분석실로 운반하여 수질오염공정시험기준에 따라 분석하였다. 총 질소 및 총인 분석은 비색법으로 분석하였으며, UV/Vis Spectrophotometer (LAMBDA 365, Perkin Elmer, USA)를 사용하였다. 토양의 화학성 분석은 토양 화학분석법 (NAAS, 2010)에 준하여 실시하였으며, 공시토양의 화학적 특성은 Table 1과 같다. 토양 pH는 토양과 증류수를 1:5 (W V-1)로 혼합하고 30분 교반한 뒤, pH meter (Orison 4 star, Thermo, Singapore)로 측정하였다. 토양 유기물 및 질소 함량은 CN analyzer (Vario Max CN, Elementar, Germany)을 이용하여 분석하였다. 유효인산은 Lancaster 법으로 침출하여 720 nm 파장에서 비색계 (AU/CARY 300, Varian Australia)를 활용해 분석하였으며, 교환성 양이온은 1M ammonium acetate (pH 7.0) 용액으로 침출 후 여과하여 유도결합플라즈마분광기 (Potima 7300 DV, Perkin Elmer, USA)로 분석하였다. 강수량 및 온도 관련 기상자료는 현장의 AWS (Watchdog 2000, Spectrum Technologies Inc., USA)를 이용하여 수집하였다.
Table 1.
Chemical properties of experimental soils.
| Treatment1 |
pH (1:5) |
EC (dS m-1) |
OM (g kg-1) |
Av. P2O5 (mg kg-1) | Exch. cations (cmolc kg-1) | |||
| K | Ca | Mg | Na | |||||
| CT | 5.7 | 0.2 | 22 | 166 | 0.14 | 4.5 | 0.9 | 0.1 |
| FT | 5.7 | 0.2 | 21 | 160 | 0.16 | 4.4 | 1.0 | 0.1 |
통계분석
처리구별 양분유출 및 수확량 비교는 SPSS (IBM Statistics 25) 프로그램을 이용하여 통계 처리하였다. 처리간의 통계적인 차이를 비교하기 위하여 5% 유의수준에서 독립표본 t 검정 (t-test)을 실시하였다.
Results and Discussion
지표 유출량
고랑담수는 일평균 강우량 10 mm 이하와 30 mm 이하 구간에서 유출수를 유의미하게 감소시키는 것으로 나타났다 (P < 0.05). 콩 재배 논에서 고랑담수는 일별 강우가 10 mm 이하일 때, 관행대비 약 70%의 유출수를 감소시키는 것으로 나타났다. 또한, 30 mm 이하 구간에서는 약 42%를 감소시켰다 (Table 2). 연도별로 강우 이벤트마다 유출되는 패턴은 관행 처리구와 유사하지만, 대부분의 유출량은 고랑담수 처리구가 낮게 나타났다 (Fig. 4). 고랑에 물을 담수하면 토양 침전과 유속 감소로 인해 토양유실 및 유출량을 감소시킬 수 있다 (Truman and Nuti, 2009; Liu et al., 2019; Keshavarz et al., 2022). Bryant et al. (2019)은 고랑담수를 통해 관개수 25%를 절감해도 관행재배와 동일한 수확량을 유지할 수 있고, 28%의 관개수 이용 효율이 증가시킬 수 있다고 보고하였다. Truman and Nuti (2009) 연구에서도 강우량에 차이에 따라 14 - 28%의 유출량 감소 효과를 확인하였다. 고랑담수는 간헐적인 강우와 일정 강우량에서 유출수 감소 효과가 높은 것으로 나타났다 (Table 2). 2019년 9월 22일과 같이 시간당 5 - 10 mm의 강우 시 관행과 고랑담수 간의 유출수 발생 차이가 가장 크게 나타났다. 관행 재배지에서 65.6 mm의 유출수가 발생하였고, 고랑담수 재배지에서는 38.2 mm로 약 41.8% 감소하였다 (Fig. 4). 이는 고랑담수가 건조하고, 일시적인 강우에서 효과가 더 높을 수 있다는 것을 시사한다. 반면, 연속 강우 시 고랑담수가 오히려 유출량이 더 많은 경우도 발생하였다 (Fig. 4). 이는 고랑담수의 경우 선행 강우에 의해 고랑 수위가 7cm로 최고 수위까지 도달한 상태에서 연속적인 강우에 의해 직접유출이 발생한 결과로 판단된다. Liu et al. (2019)은 강우강도와 경사도가 증가함에 따라 고랑 제방 붕괴 확률이 높아져 그 효과가 미미할 수 있음을 보고한 바 있다. 실제 실험에서 강우량이 시간당 60 mm 이하에서는 관행 처리구보다 고랑담수 처리구의 유출량이 낮았으나, 시간당 90 mm 이상일 때는 유출량이 빠르게 증가하여 관행 처리구와 유사하게 나타났다 (Liu et al., 2019). 이러한 결과는 일평균 30 mm 이하 강우에서 고랑담수의 유출저감 효과를 기대할 수 있으나, 그 이상의 강우에서는 더 세부적인 연구와 추가 관리방안을 모색해야할 필요성이 있음을 시사한다.
Table 2.
Runoff by daily average rainfall under different irrigation systems.
| Factor | Treatment1 | Daily average rainfall (mm) | ||||
| ≤10 | ≤30 | ≤50 | >50 | Total | ||
| Runoff (mm) | CT | 4.02 ± 0.9 a3 | 16.7 ± 2.4 a | 17.9 ± 4.2 a | 59.6 ± 10.1 a | 28.3 ± 5.2 a |
| FT | 1.2 ± 0.8 b | 9.7 ± 1.7 b | 12.2 ± 2.3 a | 47.5 ± 10.7 a | 20.3 ± 4.8 a | |
양분 부하량
콩 재배 논에서 고랑담수는 일평균 강우량 10 mm 이하일 때, 총 질소농도를 유의미하게 감소시키는 것으로 나타났다 (P < 0.05). 10 mm 이하일 때, 고랑담수는 약 69%의 질소농도를 감소시킬 수 있는 것으로 분석되었다. 또한, 고랑담수는 일평균 강우량 10 mm 이하와 30 - 50 mm 이하 구간에서 질소 부하량을 유의미하게 감소시키는 것으로 나타났다 (P < 0.05). 그러나 10 - 30 mm 이하 구간에서는 평균값에 차이만 있었고, 유의미한 차이는 나타지 않았다 (Table 3). 질소 및 인 부하량은 7 - 8월에 집중되었으며, 고랑담수가 관행과 비교하여 강우 이벤트마다 양분 부하량이 더 낮은 경향을 보였다 (Fig. 5).
고랑담수는 물의 체류 시간을 증가시켜, 양분이 고랑 내에서 더 오랫동안 머무르며 침전되거나 흡착될 수 있는 시간을 갖게 한다 (Keshavarz et al., 2022). 이로 인해 물에 용해되어 있던 양분이 퇴적물에 고정되어 유출을 감소시키는 효과가 있다 (Sharpley and Beegle, 2001). 본 연구에서 일평균 강우량 30 - 50 mm 이하 구간을 제외하면, 10 mm 초과하는 강우에서는 고랑담수의 양분부하 관련 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 이는 앞선 유출량과 마찬가지로 일정 강우에서는 7cm의 고랑담수 높이로 인하여 양분 부하를 저감할 수 있었지만, 그 이상의 강우에서는 직접 유출되어 관행방식과 차이가 나타나지 않은 것으로 판단된다 (Liu et al., 2019). 더불어 본 연구에서 총인 (TP) 농도와 부하량은 모든 일평균 강우량에서 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 질소의 경우 주로 유기질소, 암모늄 (ammonium, NH4+), 질산염 (nitrate, NO3-) 형태로 존재하며, 수용성이 높아 물에 쉽게 용해되고 유출되기 쉽다 (Mo’allim et al., 2018; Xia et al., 2020). 고랑담수는 물의 체류 시간을 늘려 질산염이 탈질화 과정을 통해 기체 질소 (nitrogen, N2)로 전환되어 대기 중으로 방출되게 할 수 있다 (Eysholdt et al., 2022). 이러한 고랑담수의 메커니즘은 농경지 질소 농도와 부하량 감소에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 반면, 인은 주로 인산염 (phosphate, PO4-) 형태로 존재하며, 대부분 토양 입자에 흡착되어 있다 (Sharpley and Beegle, 2001). 인은 수용성이 낮고 토양과의 결합력이 강해 물에 쉽게 용해되지 않는다 (Sharpley et al., 2013). 따라서 수질분석으로 유출되는 인의 양이 제한적일 것으로 판단된다 (Kamruzzaman et al., 2020). 고랑담수의 경우, 물속에 용해된 인이 침전되거나 흙 입자에 흡착될 수 있지만, 이미 토양에 고정된 인의 양이 크게 변하지 않을 수 있다 (Sharpley et al., 2013; Sharpley and Beegle, 2001). 본 연구에서는 유출수의 수질만을 분석하였고, 유실되는 토양에 대한 조사 및 분석은 수행하지 않았다. 이는 향후 유실된 토양 분석을 통해 인의 정량적 유출에 대한 평가가 필요할 것으로 보인다.
Table 3.
Nutrient concentrations and loads by daily average rainfall under different irrigation systems.
| Factor1 | Treatment2 | Daily average rainfall (mm) | ||||
| ≤10 | ≤30 | ≤50 | >50 | Total | ||
| TN (mg L-1) | CT | 11.93 ± 2.9 a4 | 6.0 ± 1.4 a | 17.4 ± 7.0 a | 10.1 ± 2.8 a | 10.3 ± 1.7 a |
| FT | 3.7 ± 2.0 b | 4.6 ± 1.2 a | 15.8 ± 6.1 b | 7.9 ± 1.9 a | 7.3 ± 1.4 a | |
| TP (mg L-1) | CT | 0.5 ± 0.1 a | 1.7 ± 0.3 a | 1.0 ± 0.4 a | 1.4 ± 0.4 a | 1.2 ± 0.2 a |
| FT | 0.1 ± 0.1 a | 1.3 ± 0.3 a | 0.9 ± 0.4 a | 1.2 ± 0.4 a | 1.1 ± 0.2 a | |
| TNL (kg ha-1) | CT | 0.4 ± 0.1 a | 1.1 ± 0.4 a | 2.2 ± 0.7 a | 5.7 ± 1.8 a | 2.7 ± 0.7 a |
| FT | 0.1 ± 0.1 b | 0.6 ± 0.2 a | 0.4 ± 0.2 b | 3.5 ± 1.1 a | 1.4 ± 0.5 a | |
| TPL (kg ha-1) | CT | 0.0 ± 0.0 a | 0.3 ± 0.1 a | 0.2 ± 0.1 a | 1.1 ± 0.4 a | 0.5 ± 0.2 a |
| FT | 0.0 ± 0.0 a | 0.1 ± 0.0 a | 0.1 ± 0.1 a | 0.7 ± 0.3 a | 0.3 ± 0.1 a | |
콩 수확량
관행재배와 고랑담수의 콩 수확량은 처리 간에 유의미한 차이가 나타나지 않았다 (P = 0.94). 콩 재배 논에서 관행재배 시 총 수확량은 4.3 ± 0.7 ton ha-1 이었고, 고랑담수에 따른 콩 수확량은 4.3 ± 1.8 ton ha-1로 나타났다 (Table 4). Bryant et al., (2019) 연구에서도 고랑담수에 따른 콩 수확량의 유의미한 차이는 나타나지 않았다. 본 연구의 콩 수확량의 경우, Kim et al. (2005)의 최대 수확량 3.9 ton ha-1, Bryant et al. (2019) 연구의 3.7 ton ha-1보다 각각 12.5%, 18.0% 더 많은 것으로 나타났다.
논에서의 콩 재배 시 수확량은 이랑과 고랑의 거리, 작물의 행렬과 밀도 등과 관련이 있으며 (Cho et al., 2006), 품종에 따라서도 차이를 보인다고 보고되고 있다 (Kim et al., 2005). Kim et al. (2005)은 국내 37개 품종을 대상으로 생육반응과 수량성을 분석한 결과 품종에 따라 2.3 ton ha-1에서 3.9 ton ha-1로서, 유의미한 차이를 보인다고 보고한 바 있다. 본 연구에서 고랑담수에 의한 콩 수확량은 타 연구에 비해 높게 나타났으나, 결과적으로 관행재배와 유의미한 차이는 없는 것으로 분석되었다. 따라서 논 콩 재배의 수확량은 고랑담수보다 품종이나 재식거리 등 타 변수들과 더 관련이 있을 것으로 판단된다.
Conclusion
본 연구에서는 논밭 전환 콩 재배지에서 고랑담수 시스템을 적용하여 양분 부하량을 평가하였다. 연구 결과, 고랑담수 시스템은 일평균 강우량이 50 mm 이하일 때 유의미한 양분 부하량 감소 효과를 보였다. 특히, 고랑담수는 총 질소 부하량을 효과적으로 감소시켰으며, 이는 고랑 내 물의 체류 시간을 늘려 탈질화 과정을 촉진하고, 토양에 양분이 흡착 및 침전되어 유출을 방지하는 기전으로 분석된다. 반면 총인 부하량의 경우, 유의미한 차이는 관찰되지 않았다. 이는 인이 주로 토양 입자에 흡착되어 물에 쉽게 용해되지 않는 특성 때문으로 판단된다. 결과적으로, 고랑담수 시스템은 콩 재배 논에서 물 사용 효율을 높이고 질소 부하량을 감소시키는 효과적인 관리 방안으로 평가되었다. 다만, 본 연구에서는 유실된 토양 내 인을 직접적으로 분석하지 않았기 때문에 향후 이에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다. 고랑담수와 같이 논밭 전환 콩 재배지의 물 관리 기술은 물 사용 효율을 높일 뿐만 아니라 환경 영향을 줄임으로서, 지속 가능한 농업 분야에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
