Original research article

Korean Journal of Soil Science and Fertilizer. 30 November 2022. 464-474
https://doi.org/10.7745/KJSSF.2022.55.4.464

ABSTRACT


MAIN

  • Introduction

  • Materials and Methods

  •   시험포장 정보 및 처리구 설계

  •   가스 시료 채취 및 분석

  •   NECB (net ecosystem carbon budget) 산정

  •   Net GWP (net global warming potential) 산정

  •   토양 분석

  •   통계분석 방법

  • Results and Discussion

  •   기상 및 토양 온도 변화

  •   이산화탄소 (CO2) 배출 특성

  •   메탄 (CH4) 배출 특성

  •   아산화질소 (N2O) 배출 특성

  •   Net ecosystem carbon budget (NECB) 변화

  •   온실가스 순 배출량 (net global warming potential, net GWP)

  • Conclusions

Introduction

농업에서 이뤄지는 경운 (tillage)이란 일반적으로 작물 생산을 위해 땅을 기계적으로 갈아엎어 토양의 근권 환경을 바꾸는 것을 말한다 (Gajri et al., 2004). 그러나 반복된 경운에 의해 심층 토양이 다져지고 경반층 (soil compaction)이 형성되어 토양의 배수 불량, 토양 유실과 함께 농경지 토양의 황폐화 문제를 가속화 시키고 있다 (Blanco-Canqui and Ruis, 2018; Liu et al., 2021). 이에 경운의 문제를 해결하기 위한 방안으로 보존경운 (conservation tillage)의 필요성이 대두되었으며, 그 중 대표적으로 무경운 (no-tillage)이 크게 알려져 있다. 무경운은 관행적인 경운 농법과 비교하여 토양 유기물 함량 증가, 입단의 안정도 향상, 경반화 감소, 수분 조건 개선 등의 효과로 토양의 물리적 특성에 긍정적 영향을 끼치는 것으로 밝혀졌다 (Blanco-Canqui and Ruis, 2018). 또한 무경운은 토양 유기물 함량 증가에 의한 토양 탄소격리효과와 (Alvarez, 2005) 함께 경운에 필요한 기기의 연료사용량을 줄일 수 있어 (Houshyar and Grundmann, 2017) 온실가스 배출 저감 기술로 인정받고 있기도 하다. 특히 논에서는 토양 물리성 개선에 의해 작기 중 메탄 (CH4) 저감 효과가 있는 것으로 나타나 (Ahmad et al., 2009; Ali et al., 2009) 온실가스 배출 저감 기술로써 가능성이 확인된 바 있다.

그러나 무경운 논 토양에 벼를 이앙하면 논 표면 위에 모가 걸쳐져 물을 댔을 때 입모가 불안정하여 모가 물에 뜨는 문제가 발생, 쌀 생산성이 감소할 수 있다. 이에 무경운의 장점을 살리면서도 이앙을 효과적으로 할 수 있도록 벼를 심는 부분만 경운하는 최소경운 농법이 대안으로 제시되었다 (Ryu, 2014). 실제로, 무경운과 마찬가지로 최소경운 조건에서 벼를 재배 했을 때도 관행적 경운 처리구와 비교하여 약 68%의 메탄 배출 저감 효과가 밝혀진 바 있다 (Cho, 2020). 하지만 이는 벼 재배기간 중 최소경운을 실시한 논에서의 메탄 배출량 만을 비교한 결과이다. 우리나라 기후와 농업 특성상, 대부분의 논은 벼를 재배하는 130여일을 제외하고 200일 이상을 논에 물을 대지 않은 상태로 방치해 둔다. 담수 상태의 논은 토양 산소가 부족, 혐기 조건을 형성하는 반면 물을 뗀 논은 상대적으로 호기적 조건으로 작기와 휴경기 토양은 극단적으로 다른 환경을 나타낸다 (Gwon et al., 2019). 또한 계절적 변화에 따라 토양 미생물 활성이 크게 달라지면서 (Pietikäinen et al., 2005) 농경지에서 배출되는 온실가스도 영향을 크게 받을 수 있다. 이러한 점을 고려할 때 최소경운에 의한 논에서의 온실가스 배출 특성을 조사하기 위해서는 작기뿐만 아니라 휴경기를 포함한 연중 변화를 조사할 필요가 있다.

따라서, 본 연구에서는 관행 경운과 최소경운을 실시한 논에서 휴경기 중 온실가스 배출 특성을 조사하였다. 또한, 경운의 여부가 온실가스 배출 특성과 SOC 축적에도 영향을 미칠 것으로 생각되며, 이를 위하여 NECB (net ecosystem carbon budget)법을 활용하여 휴경기 탄소 변화량을 조사하여 온실가스 순 배출량을 평가하였다. 이를 바탕으로 차후 연중 최소경운에 의한 온실가스 배출 영향을 조사하고, 온실가스 감축 전략 수립에 최소경운의 활용 가능성을 평가하는데 필요한 기초자료를 제공하고자 한다.

Materials and Methods

시험포장 정보 및 처리구 설계

본 시험은 전북 완주군 이서면에 위치한 국립식량과학원 내 벼 시험포장 (위도 35°50'03.5"N, 경도 127°02'40.6"E)에서 2021년 벼 수확 이후부터 2022년 벼 이앙 전까지 온실가스 배출 특성 연구를 수행하였다. 시험포장은 2019년부터 각각 경운을 지속적으로 실시한 관행 경운구 (conventional tillage, CT)와 벼를 심는 일부만 경운을 실시한 최소경운구 (reduced tillage, RT)로 처리구를 구분하여 연구를 수행하였다. 시험토양은 미사질식양토 (silty clay loam, SCL)로 토양의 화학적 특성은 Table 1에 제시한 바와 같다.

시험 포장은 벼 수확 이후 방치된 상태로 관리하였다. 그러나 경운구의 경우 이듬해 4월 8일 (days after harvest; DAH 171) 1차 경운을 실시하였으며, 이후 논에 물을 대기 직전인 5월 24일 (DAH 217) 경운구에서는 2차 경운을 통해 땅을 고르게 정리하였다. 온실가스 배출 특성 조사는 이러한 포장 관리 작업 일정을 고려하여 5월 17일 (DAH 210)까지 온실가스 배출량을 조사하였다. 조사기간 중 기상환경은 농업날씨 365 (NAAS, 2022)에서 제공하는 일별 기상 측정값 및 평년 기상 제공 자료를 활용하였다.

Table 1.

Chemical properties of soil.

Treatment pH
(1:5, H2O)
EC
(dS m-1)
Avail. P2O5
(mg kg-1)
OM
(g kg-1)
T-N
(g kg-1)
Exch. cations (cmolc kg-1)
K Ca Mg
Conventional tillage 6.2 0.66 75 22.7 1.3 0.31 5.94 1.91
Reduced tillage 5.8 0.43 24 20.5 1.2 0.27 5.17 1.91

가스 시료 채취 및 분석

온실가스 시료 채취는 폐쇄형 챔버법 (closed chamber)을 활용하여 연구를 수행하였다. 조사기간 중 경운구에서는 경운 작업을 위해 챔버를 일시적으로 철거한 뒤 재설치 하여 마지막 시료 채취일까지 온실가스 배출량을 조사하였다. 조사기간은 벼 수확 이후부터 200여일의 휴경기로, 선행연구를 참고하여 일평균 온실가스 배출 농도 관측 시간인 10~12시 사이에 가스시료를 채취하였다 (Haque et al., 2016; Gwon et al., 2019). 시료 채취는 주 1회를 기본으로 하였으나, 포장 운영 상태에 따라 격주 간격으로 가스 시료를 채취하였다. 원통형의 지름 25, 높이 50 cm인 불투명 챔버를 사용하였으며, 가스시료 채취를 위해 챔버를 닫을 때를 제외하면 열린 상태를 유지하였다. 뚜껑을 닫아 챔버를 밀폐한 직후 60 mL 주사기로 초기 가스시료를 채취하고, 30분 후에 60 mL 주사기를 이용하여 후기 시료를 채취하고 뚜껑을 다시 열었다. 이와 동시에 측정 당시의 온도 및 챔버 내부의 온도 변화, 지면으로부터 챔버 높이 측정을 통해 챔버 내부의 부피를 수학적으로 보정하였다. 추가로 온실가스 시료 채취와 동시에 지온을 측정 (ATM Multi-thermometer, Daihan, Korea)하였다. 그리고 60 mL 주사기에 포집한 가스 시료는 실험실로 옮겨 기체크로마토그래피 (gas chromatography: Detector-FID for CH4, CO2 and ECD for N2O)를 이용하여 정량분석하고, Eqs. 1, 2를 이용하여 가스 배출량을 계산하였다 (Rolston, 1986; Haque et al., 2016; Choi et al., 2020; Lee et al., 2020).

(Eq. 1)
F=ρ×V/A×c/t×273/T

F : CO2 or CH4 or N2O flux (mg m-2 h-1)

ρ : Gas density (mg m-1)

V : Volume of chamber (m3)

A : Surface area of chamber (m2)

c/t : Rate of increase of gas concentration (µL L-1 h-1)

T : Absolute temperature (273 + mean temperature in chamber)

(Eq. 2)
TotalCO2orCH4orN2Oflux=in(Fi×Di)

Fi : The rate of flux (g m-2 d-1) in the ith sampling interval

Di : The number of days in the ith sampling interval

n : The number of sampling intervals

NECB (net ecosystem carbon budget) 산정

토양으로 탄소 유입량과 유출량 간의 차이를 계산하는 NECB (net ecosystem carbon budget)법을 활용하여 토양 탄소 변화량을 Eq. 3과 같이 구하였다 (Ma et al., 2013; Wu et al., 2018; Gwon et al., 2019).

(Eq. 3)
NECB(kgCha-1)=Cinput-Coutput=NPP-RespiredCloss

여기서, NPP (net primary production)는 순 1차 생산량인 식물체의 생체량 (biomass)으로 휴경기 중 논에서 발생한 잡초의 생체량으로부터 구하였다. 휴경기 논의 잡초는 대부분이 뚝새풀 (Alopecurus aequalis)로 구성되어 있음을 확인하고, 논에서 단위면적 당 잡초의 지상부의 생체량을 조사하였다. 그리고 삽을 이용해 식물체의 지상부와 지하부를 동시에 채취하여 뿌리에 묻은 흙을 씻어내고 70°C에서 건조하여 무게를 측정, 지상부/지하부 간 비율을 구하였다. 지상부/지하부 비율은 1.0/0.5로 나타났으며, 이 값을 활용하여 단위면적 당 지하부 생체량을 구하였다. 건조한 식물체 시료는 분쇄하여 원소분석기 (Vario Max CN, Elementer anlysensystem, Germany)를 이용, 지상부와 지하부의 탄소 함량을 분석한 결과 각각 42.4%, 32.5%임을 확인하였다. 이를 활용하여 잡초 생체량을 단위 면적 당 탄소 투입량으로 환산하여 NPP를 구하였다. Respired C loss는 토양 미생물 등에 의한 토양 호흡을 의미하며, 챔버법으로 조사한 이산화탄소 (CO2) 및 CH4 배출량을 단위면적 당 탄소 배출량으로 환산하여 구하였다.

Net GWP (net global warming potential) 산정

Eq. 4를 이용하여 논에서 배출된 메탄과 아산화질소를 각각 CO2 당량으로 환산하여 지구온난화지수 (global warming potential, GWP)를 구하였다 (IPCC, 2014; Wu et al., 2018). 그리고 NECB 법을 활용하여 산정한 토양 탄소 변화량을 CO2 당량으로 환산한 뒤 앞서 구한 온실가스 배출량에서 감하여 온실가스 순 배출량 (net GWP)을 산정하였다 (Ma et al., 2013; Haque et al., 2015).

(Eq. 4)
NetGWP(kgCO2-eqv.ha-1)=34×CH4+298×N2O-NECB×44/12

토양 분석

각각의 처리구에서 토양시료채취기 (auger)를 이용하여 토양을 채취하였다. 토양은 바람이 잘 통하는 그늘에서 건조 후 2 mm 체로 거른 뒤, 화학성 분석에 활용하였다. 토양 분석은 농촌진흥청 종합검정실 분석 매뉴얼에 준하여 실험을 수행하였다 (RDA, 2013). 토양 pH는 토양과 증류수를 1:5 (W V-1)로 혼합하고 30분 교반한 뒤, pH 측정하고 이를 여과하여 EC를 측정하였다 (Orison 4 star, Thermo, Singapore). 토양 유기물 및 질소 함량은 CN analyzer (Vario Max CN, Elementar, Germany)를 이용하여 분석하였으며, 유효 인산 함량은 Lancaster 법으로 침출 후 720 nm 파장의 비색계 (AU/CARY 300, Varian Australia)를 활용하여 측정하였다. 치환성 양이온은 1 M의 암모늄 아세트산 (Ammonium acetate, NH4OAC, pH 7.0)으로 침출하여 여과 후 유도결합플라즈마분광기 (Potima 7300, DV, Perkin Elmer, USA)로 분석하였다.

통계분석 방법

통계분석은 SPSS (IBM Statistics 26) 프로그램을 활용하여 5% 유의수준에서 t-test를 실시, 두 처리구 간 통계적인 차이를 비교하였다.

Results and Discussion

기상 및 토양 온도 변화

휴경기의 강수량과 일 평균 온도 변화는 Fig. 1에, 가스 시료 채취 당시 토양 온도와 기온 변화는 Fig. 2에 나타내었다. 일평균 온도와 토양 및 기온은 계절 변화에 따라 증감하는 것이 확인되었다. 그러나 강수는 과거 5년 평년 기상 자료와 비교하여 상당히 가물었다. 휴경기 중 11월 (DAH 13th~42th)과 3월 (DAH 133th~163th)의 강수량은 각각 81.5 mm, 84.5 mm로 평년 대비 45 mm, 39 mm 많았다. 하지만 11월과 3월을 제외하고 월별 강수량은 평년 대비 12~75 mm 가량 적었다. 그 결과 휴경기 중 전체 강수량은 254.5 mm로 전년의 동일 기간 강수량보다 (415 mm) 40%가량 적어 평년 대비 가물었음을 확인할 수 있었다 (NAAS, 2022).

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksssf/2022-055-04/N0230550419/images/ksssf_2022_554_464_F1.jpg
Fig. 1.

Daily rainfall and mean air temperature during fallow season in rice paddy.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksssf/2022-055-04/N0230550419/images/ksssf_2022_554_464_F2.jpg
Fig. 2.

Changes of soil and air temperature during fallow season in rice paddy.

이산화탄소 (CO2) 배출 특성

경운구와 최소경운구의 CO2 배출 변화는 Fig. 3a와 같다. 이산화탄소의 배출은 미생물에 의한 토양 호흡의 결과로, 조사기간 중 뚜렷한 경향 없이 두 처리구 모두 유사하게 증감하였다. 조사기간 중 경운구에서는 최대 254 mg CO2 m-2 hr-1, 최소 15 mg CO2 m-2 hr-1, 평균 97 mg CO2 m-2 hr-1의 CO2 발생이 확인되었다. 최소경운구에서는 최대 267 mg CO2 m-2 hr-1, 최소 26 mg CO2 m-2 hr-1, 평균 131 mg CO2 m-2 hr-1의 CO2 발생이 확인되었다. 총 배출량은 경운구와 최소경운구 각각 4,516 kg CO2 ha-1, 6,207 kg CO2 ha-1로 최소경운구의 배출량이 많았으나 큰 편차로 인해 처리구 간에 통계적인 유의차는 없었다. 다만 Supplementary Fig. 1에 나타낸 것처럼 CO2 배출량과 기온 간에 유의적인 상관성이 있는 것이 확인되었다. 이는 선행연구 (Gwon et al., 2019, 2020)와 마찬가지로 토양 미생물의 활성이 온도의 영향을 받기 때문으로 판단된다 (Pietikäinen et al., 2005). 다만 Gwon et al. (2019)의 연구결과에 따르면 관행 경운구 CO2 배출 수준은 150~212.7 mg CO2 m-2 hr-1로 본 연구에서 측정된 경운구 (97.0 mg CO2 m-2 hr-1) 및 최소경운구 (131.3 mg CO2 m-2 hr-1)에서 상대적으로 CO2 배출이 적은 것을 확인할 수 있었다. 또한 가스 배출 경향 역시 차이를 보였는데, Gwon et al. (2019)의 연구에서는 계절적으로 온도가 증가하는 4월 이후 뚜렷하게 높은 CO2 배출이 확인된 반면, 본 연구에서는 증감의 정도가 상대적으로 미비하였다. 이는 조사기간 중 나타난 가뭄이 영향을 미쳤을 것으로 판단된다. Gwon et al. (2019)의 연구에서 관측된 휴경기 중 강수량은 324~712 mm로 대부분의 강수가 4월 이후 집중된 반면, 본 연구에서는 앞서 말한 바와 같이 11월과 3월에 강수가 집중되고 극심한 봄가뭄이 발생한 탓에 미생물의 활성도 저해되어 토양 호흡이 저해된 영향으로 판단된다 (Zhang et al., 2015; NAAS, 2022).

메탄 (CH4) 배출 특성

경운구와 최소경운구의 CH4 배출 변화는 Fig. 3a와 같다. 조사기간 중 경운구에서는 최대 0.07 mg CH4 m-2 hr-1, 최소 -0.11 mg CH4 m-2 hr-1, 평균 0.0 mg CH4 m-2 hr-1의 CH4 발생이 확인되었다. 최소경운구에서는 최대 1.09 mg CH4 m-2 hr-1, 최소 -0.03 mg CH4 m-2 hr-1, 평균 0.13 mg CH4 m-2 hr-1의 CH4 발생이 확인되었다. 총 배출량은 경운구와 최소경운구 각각 0.00 kg CH4 ha-1, 9.22 kg CH4 ha-1로 최소경운구의 배출량이 많았으나 처리구 간에 통계적인 유의차는 없었다. 이는 벼 수확 후 일시적으로 최소경운구에서 CH4 농도가 다소 높게 관측된 영향으로 변동성이 크게 나타난 영향으로 판단된다. 일반적으로 CH4 배출은 담수로 인해 산소가 부족한 토양 환경에서 메탄생성균이 유기물을 분해할 때 발생한다 (IPCC, 2014; Gwon et al., 2022). 반대로, 물떼기를 실시하면 논 토양 속으로 산소가 확산되면서 토양 환경이 호기적으로 전환되어 메탄생성균의 활성 억제와 함께 메탄산화균 활성이 촉진되면서 메탄 배출이 감소할 수 있다 (Ma and Lu, 2011; Ma et al., 2012). 이러한 메탄 배출의 특성을 고려할 때 휴경기 논의 CH4 배출은 후자의 경우로, 벼 수확 전 실시한 완전물떼기로 인해 상대적으로 CH4 배출이 적었던 것으로 판단된다. 또한 휴경기에는 선행연구에서와 마찬가지로 음의 CH4 배출이 관측되기도 하였다 (Gwon et al., 2020). 이는 휴경기 중 메탄생성균의 활성이 억제된 조건에서 메탄산화균에 의해 대기 중 메탄이 소비되었기 때문으로 판단된다 (Cai et al., 2016).

아산화질소 (N2O) 배출 특성

경운구와 최소경운구의 N2O 배출량 변화는 Fig. 3c와 같다. 조사기간 중 경운구에서는 최대 96.75 µg N2O m-2 hr-1, 최소 2.08 µg N2O m-2 hr-1, 평균 32.67 µg N2O m-2 hr-1의 N2O가 발생하였다. 최소경운구에서는 최대 188.47 µg N2O m-2 hr-1, 최소 1.39 µg N2O m-2 hr-1, 평균 30.92 µg N2O m-2 hr-1의 N2O가 발생하였다. 총 배출량은 경운구와 최소경운구 각각 1.69 kg N2O ha-1, 1.42 kg N2O ha-1로 최소경운구의 배출량이 다소 적었으나 처리구 간에 통계적인 유의차는 없었다. 선행연구와 비교하여, 관행경운을 실시한 논에서 휴경기 중 총 N2O 배출과 (3.3 kg N2O ha-1) 비교하여 절반 수준이었다 (Gwon et al., 2020). 또한 선행연구에서는 경운 직후에 일시적으로 높은 N2O 배출이 나타난 반면 (Gwon et al., 2020), 본 연구에서는 경운 (DAH 171th) 이후 유의적인 N2O 증가가 관측되지 않았다. 경운과 최소경운 처리구 간 총 N2O 배출 차이가 없는 것도 경운의 영향이 나타나지 않았기 때문으로 판단된다. 일반적으로 아산화질소는 토양 중 질소가 미생물에 의해 질산화 및 탈질화 과정을 거치면서 발생한다 (Coskun et al., 2017). 미생물 활동의 부산물로 발생하는 만큼 N2O 배출에 있어서 토양 온도 및 수분함량은 중요한 인자라고 알려져 있다 (Ariani et al., 2021). 이와 관련하여 Rowlings et al. (2015)의 주장에 따르면 N2O 배출은 강우 변동 영향을 크게 받으며, 이와 관련하여 본 연구에서 전체적으로 N2O 배출이 적은 것은 봄가뭄으로 인해 배출이 억제되었기 때문으로 보였다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksssf/2022-055-04/N0230550419/images/ksssf_2022_554_464_F3.jpg
Fig. 3.

Changes of CO2 (a), CH4 (b) and N2O (c) emission rate during fallow season in rice paddy (↗means plowing).

Net ecosystem carbon budget (NECB) 변화

본 연구에서 휴경기 중 산정에 반영된 탄소 유입원은 논에서 발생한 잡초의 토양 환원이다. 경운구와 최소경운구의 지상부 잡초 발생량은 각각 429 kg ha-1, 926 kg ha-1, 지하부 발생량은 각각 217 kg ha-1, 468 kg ha-1로 조사되었다. 그 결과 휴경기 중 잡초의 생체량과 순 1차 생산량 (NPP)은 Supplementary Table 1에 제시한 바와 같이 경운구보다 최소경운구에서 약 2배 많았다. 이는 DHA 171th에 실시한 경운의 영향으로, 땅을 갈아엎어 제초 효과가 발생한 것으로 판단된다 (Titi, 2002). 토양 호흡 (CO2-C 및 CH4-C)으로 유출된 탄소량은 경운구와 최소경운구에서 각각 1,237 kg C ha-1, 1,693 kg C ha-1로 대부분이 CO2에 의한 배출로 확인되었다. 그 결과 NECB 값은 경운구에서 -984 kg C ha-1, 최소경운구에서 -1,151 kg C ha-1로 휴경기 중에는 모든 처리구에서 토양 탄소의 유실이 발생하는 것으로 나타났다. Gwon et al. (2019)Haque et al. (2015)의 선행연구에서도 휴경기 중 상대적으로 많은 CO2-C 유출에 의해 NECB가 음의 값 (-1,395~-1,994 kg C ha-1)을 나타낸 것과 동일한 결과였다.

온실가스 순 배출량 (net global warming potential, net GWP)

온실가스 순 배출량 (net GWP)은 CH4 및 N2O 배출량과 토양 탄소 유출량을 모두 반영하여 산정한 값으로, Table 2Fig. 4에 나타낸 바와 같다. 경운구의 net GWP는 4.09 Mg CO2 eq. ha-1로, 총 배출량에 있어서 CH4 배출은 거의 없었으며 N2O 배출이 12.3% (0.50 Mg CO2 eq. ha-1), NECB에 의한 탄소 유출이 87.7% (-3.59 Mg CO2 eq. ha-1)를 차지하는 것으로 나타났다. 최소경운구의 net GWP는 4.96 Mg CO2 eq. ha-1로, 총 배출량에 있어서 CH4 배출이 6.3% (0.31 Mg CO2 eq. ha-1), N2O 배출이 8.5% (0.42 Mg CO2 eq. ha-1), NECB에 의한 탄소 유출이 85.1% (-4.22 Mg CO2 eq. ha-1)를 차지하는 것으로 나타났다. 최소경운구의 net GWP가 다소 컸으나 통계적으로 유의적인 차이는 없었다.

휴경기 논에서 온실가스 배출이 간과되고 있음을 주장한 다양한 선행 연구들이 있다 (Haque et al., 2015; Martínez-Eixarch et al., 2018; Gwon et al., 2019, 2020). 그러나 온실가스 배출과 탄소 변화량을 함께 고려한 net GWP 값을 산정한 연구는 미흡한 상황이다. 그나마 Haque et al. (2015)의 선행연구에서 풋거름작물 환원 여부에 따른 휴경기 논에서의 net GWP 산정 사례가 있어 본 연구와 일부 비교가 가능하였다. 풋거름을 재배하지 않은 경운구에서 net GWP는 평균 6.68 Mg CO2 eq. ha-1로, 총 배출량에 있어서 CH4은 거의 배출되지 않았으며, N2O 배출이 15.8% (1.06 Mg CO2 eq. ha-1), NECB에 의한 탄소 유출이 84.6% (5.66 1.06 Mg CO2 eq. ha-1)로 본 연구결과와 유사한 경향을 확인할 수 있었다. 이를 통해 휴경기 중 net GWP의 상당량은 CO2 배출에 의한 토양 탄소 유실에 의한 것으로, 토양 탄소 관리를 중점으로 한 온실가스 배출 저감 전략 수립이 필요할 것으로 판단된다.

Table 2.

Net global warming potential (net GWP) under different tillage systems during fallow season in rice paddy.

Treatment CH4
(Mg CO2 eq. ha-1)
N2O
(Mg CO2 eq. ha-1)
NECB
(Mg CO2 eq. ha-1)
Net GWP
(Mg CO2 eq. ha-1)
Conventional tillage 0.00 0.50 -3.59 4.09
Reduced tillage 0.31 0.42 -4.22 4.96

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksssf/2022-055-04/N0230550419/images/ksssf_2022_554_464_F4.jpg
Fig. 4.

Net global warming potential (net GWP) under different tillage systems during fallow season in rice paddy.

Conclusions

본 연구에서는 경운 여부에 따른 휴경기 논에서의 온실가스 순 배출량을 조사하였다. 이를 통해 휴경기 중 경운이 온실가스 배출에 미치는 영향을 평가하고 차후 본 결과를 온실가스 배출 저감 전략의 기초자료로 활용하고자 하였다. 그러나 실험결과 휴경기 중 경운구와 최소경운구에서 온실가스 순 배출량 (net GWP)은 각각 4.09 Mg CO2 eq. ha-1, 4.96 Mg CO2 eq. ha-1로, 처리구 간에 유의적인 차이는 없었다. 다만 두 처리구 모두 토양 호흡에서 발생한 CO2 배출에 의한 탄소 유출이 휴경기 중 주요 온실가스 배출원인 것으로 확인되었다. 이산화탄소 배출은 경운 여부보다는 기온과 유의적인 상관성을 보였다. 따라서 휴경기 논에서 토양 탄소를 증진시킬 수 있는 추가적인 관리방법을 탐색하는 방향으로 온실가스 배출 저감 전략 수립이 필요할 것으로 판단된다. 다만 본 연구는 단년차에 수행된 결과로, 여러 지역과 환경조건에서 경운과 무경운을 지속하였을 경우 온실가스 배출량 평가에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이를 통해 휴경기 중 경운의 영향성을 객관적으로 검증할 수 있을 것으로 생각된다.

Supplementary Material

Acknowledgements

This work was carried out with the support of “An Experimental Study for reducing GHGs to Counteract New Climate Change Measures in crop fields (PJ01558702)” Rural Development Administration, Republic of Korea.

References

1
Ahmad, S., C. Li, G. Dai, M. Zhan, J. Wang, S. Pan, and C. Cao. 2009. Greenhouse gas emission from direct seeding paddy field under different rice tillage systems in central China. Soil Tillage Res. 106(1):54-61. 10.1016/j.still.2009.09.005
2
Ali, M.A., C.H. Lee, Y.B. Lee, and P.J. Kim. 2009. Silicate fertilization in no-tillage rice farming for mitigation of methane emission and increasing rice productivity. Agric., Ecosyst. Environ. 132(1):16-22. 10.1016/j.agee.2009.02.014
3
Alvarez, R. 2005. A review of nitrogen fertilizer and conservation tillage effects on soil organic carbon storage. Soil Use Manage. 21(1):38-52. 10.1079/SUM2005291
4
Ariani, M., P. Setyanto, and A. Wihardjaka. 2021. Water filled-pore space and soil temperature related to N2O fluxes from shallot cultivated in rainy and dry season. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 648(1):012109. 10.1088/1755-1315/648/1/012109
5
Blanco-Canqui, H. and S.J. Ruis. 2018. No-tillage and soil physical environment. Geoderma 326:164-200. 10.1016/j.geoderma.2018.03.011
6
Cai, Y., Y. Zheng, P.L.E. Bodelier, R. Conrad, and Z. Jia. 2016. Conventional methanotrophs are responsible for atmospheric methane oxidation in paddy soils. Nat. Commun. 7(1):11728. 10.1038/ncomms1172827248847PMC4895445
7
Cho, J.I. 2020. Study on the development of standardization technology of minimum tillage method for greenhouse gas reduction in paddy soil. Rural Development Administration, Jeonju, Korea.
8
Choi, S., J. Lee, Y. Lee, P.J. Kim, J.S. Cho, Y.H. Cheong, Y.S. Rim, and S.Y. Kim. 2020. The effects of ethephon application on suppressing methane emission and stimulating rice productivity in a rice paddy soil: A pot experiment. Korean J. Soil Sci. Fert. 53(4):489-501. 10.7745/KJSSF.2020.53.4.489
9
Coskun, D., D.T. Britto, W. Shi, and H.J. Kronzucker. 2017. How plant root exudates shape the nitrogen cycle. Trends Plant Sci. 22(8):661-673. 10.1016/j.tplants.2017.05.00428601419
10
Gajri, P.R., V.K. Arora, and S.S. Prihar. 2004. Tillage for sustainable cropping indian reprint. International Book Distributing Company, Lucknow, India.
11
Gwon, H.S., E.J. Choi, S.I. Lee, H.S. Lee, J.M. Lee, and S.S. Kang. 2022. Research review of methane emissions from Korean rice paddies. J. Clim. Change Res. 13(1):117-134. 10.15531/KSCCR.2022.13.1.117
12
Gwon, H.S., G.Y. Kim, S.I. Lee, J.S. Lee, and E.J. Choi. 2020. Estimation of greenhouse gas emission in rice paddy soil under slow released N fertilizer application: Annual investigation. Korean J. Soil Sci. Fert. 53(4):575-588. 10.7745/KJSSF.2020.53.4.575
13
Gwon, H.S., M.I. Khan, Y.E. Yoon, Y.B. Lee, P.J. Kim, and H.Y. Hwang. 2019. Unexpected higher decomposition of soil organic matter during cold fallow season in temperate rice paddy. Soil Tillage Res. 192:250-257. 10.1016/j.still.2018.11.009
14
Haque, M.M., G.W. Kim, P.J. Kim, and S.Y. Kim. 2016. Comparison of net global warming potential between continuous flooding and midseason drainage in monsoon region paddy during rice cropping. Field Crops Res. 193:133-142. 10.1016/j.fcr.2016.04.007
15
Haque, M.M., S.Y. Kim, M.A. Ali, and P.J. Kim. 2015. Contribution of greenhouse gas emissions during cropping and fallow seasons on total global warming potential in mono-rice paddy soils. Plant Soil 387(1):251-264. 10.1007/s11104-014-2287-2
16
Houshyar, E. and P. Grundmann. 2017. Environmental impacts of energy use in wheat tillage systems: A comparative life cycle assessment (LCA) study in Iran. Energy 122:11-24. 10.1016/j.energy.2017.01.069
17
IPCC. 2014. Climate change 2013 - The physical science basis. Working Group I Contribution to the IPCC Fifth Assessment Report. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, USA.
18
Lee, S.I., G.Y. Kim, H.S. Gwon, J.S. Lee, E.J. Choi, and J.D. Shin. 2020. Effects of different nitrogen fertilizer and biochar applications on CO2 and N2O emissions from upland soil in the closed chamber. Korean J. Soil Sci. Fert. 53(4):431-445.
19
Liu, Z., S. Cao, Z. Sun, H. Wang, S. Qu, N. Lei, J. He, and Q. Dong. 2021. Tillage effects on soil properties and crop yield after land reclamation. Sci. Rep. 11(1):4611. 10.1038/s41598-021-84191-z33633306PMC7907092
20
Ma, K. and Y. Lu. 2011. Regulation of microbial methane production and oxidation by intermittent drainage in rice field soil. FEMS Microbiol. Ecol. 75(3):446-456. 10.1111/j.1574-6941.2010.01018.x21198683
21
Ma, K., R. Conrad, and Y. Lu. 2012. Responses of methanogen mcrA genes and their transcripts to an alternate dry/wet cycle of paddy field soil. Appl. Environ. Microbiol. 78(2):445-454. 10.1128/AEM.06934-1122101043PMC3255761
22
Ma, Y.C., X.W. Kong, B. Yang, X.L. Zhang, X.Y. Yan, J.C. Yang, and Z.Q. Xiong. 2013. Net global warming potential and greenhouse gas intensity of annual rice-wheat rotations with integrated soil-crop system management. Agric., Ecosyst. Environ. 164:209-219. 10.1016/j.agee.2012.11.003
23
Martínez-Eixarch, M., C. Alcaraz, M. Viñas, J. Noguerol, X. Aranda, F.X. Prenafeta-Boldú, J.A. Saldaña-De la Vega, M. Mar-Català, C. Ibáñez. 2018. Neglecting the fallow season can significantly underestimate annual methane emissions in Mediterranean rice fields. PLoS ONE 13(5):e0198081. 10.1371/journal.pone.019808129852016PMC5978985
24
NAAS. 2022. Weather 365. National Institute of Agricultural Sciences, Wanju, Korea.
25
Pietikäinen, J., M. Pettersson, and E. Bååth. 2005. Comparison of temperature effects on soil respiration and bacterial and fungal growth rates. FEMS Microbiol. Ecol. 52(1):49-58. 10.1016/j.femsec.2004.10.00216329892
26
RDA. 2013. Method of soil, plant, water and liquid fertilizer analysis. Rural Development Administration, Suwon, Korea.
27
Rolston, D.E. 1986. Gas flux. p. 1103-1119. In A. Klute (ed.) Methods of soil analysis, Part 1: Physical and mineralogical methods (2nd ed.). Soil Science Society of America and American Society of Agronomy, Madison, WI, USA. 10.2136/sssabookser5.1.2ed.c47
28
Rowlings, D.W., P.R. Grace, C. Scheer, and S. Liu. 2015. Rainfall variability drives interannual variation in N2O emissions from a humid, subtropical pasture. Sci. Total Environ. 512-513:8-18. 10.1016/j.scitotenv.2015.01.01125613765
29
Ryu, J.H. 2014. Development of crops cultivation technologies using green manure crops for sustainable agriculture. Rural Development Administration, Jeonju, Korea.
30
Titi, A.E. 2002. Soil tillage in agroecosystems. Taylor & Francis, London, UK.
31
Wu, X., W. Wang, X. Xie, C. Yin, H. Hou, W. Yan, and G. Wang. 2018. Net global warming potential and greenhouse gas intensity as affected by different water management strategies in Chinese double rice-cropping systems. Sci. Rep. 8(1):779. 10.1038/s41598-017-19110-229335439PMC5768708
32
Zhang, X., Y. Zhang, L. Sha, C. Wu, Z. Tan, Q. Song, Y. Liu, and L. Dong. 2015. Effects of continuous drought stress on soil respiration in a tropical rainforest in southwest China. Plant Soil 394(1):343-353. 10.1007/s11104-015-2523-4
페이지 상단으로 이동하기