Introduction
Materials and Methods
시험 포장 정보
가스 채취 및 분석
토양 시료 채취 및 안정화된 탄소 분석
통계분석
Results and Discussion
온실가스 배출 특성
지구온난화지수 (GWP)
안정화된 토양 탄소
작물 재배 후 토양 화학성
Conclusions
Introduction
우리나라 정부는 기후변화 위기에 대응을 위하여 2050년 탄소 중립을 선언하였으며, 2030년까지 국가 온실가스 감축 목표를 2018년 대비 40%로 설정하고 (탄소중립 ‧ 녹생성장 기본법), 이를 달성하기 위해 노력하고 있다. 또한, 기후 변화 대응 차원에서 전 지구적으로 온실가스 순 배출량을 0으로 만드는 Net-zero가 주목받고 있으며, 배출되는 온실가스를 효과적으로 흡수하기 위한 활동이 중요시되고 있다 (Lee et al., 2024). 농업 분야는 국가 총배출량의 3.2%로 낮은 수준이지만, 비에너지분야의 메탄과 아산화질소 배출의 상당 부분에 해당하고, 벼재배 (31.8%)와 밭 (12.7%)이 약 50% 차지하여 농경지 온실가스 배출량를 감축하기 위한 노력이 중요하다 (Lee et al., 2019; GIR, 2022).
농경지는 적절한 토양 관리를 통해 탄소를 저장함으로써, 온실가스 감축 목표를 달성하기 위한 중요한 탄소 흡수원이 된다 (Kim et al., 2024). 토양의 탄소는 크게 이분해성 탄소와 난분해성 탄소로 구분된다. 이분해성 탄소는 주로 토양 미생물의 에너지원으로 이용되며 양분순환의 주요한 역할을 하는 반면, 난분해성 탄소는 미사, 점토와 강력한 결합 형태를 가지는 부식물질들로 토양에 축적되어 기후변화 완화에 기여할 수 있다 (Zani et al., 2022; Kim et al., 2024). 친환경 농업에서 사용되는 풋거름작물, 퇴비와 같은 유기자원은 토양 탄소 저장량 증대에 효과적인 방법으로 알려져 있다. 하지만 관행 농경지의 경우 무기질비료를 주로 사용하여 친환경 농경지와 영농형태가 다르다. 영농형태와 토양환경에 따라 온실가스 배출 특성, 안정화된 탄소의 함량이 다를 것으로 예상된다. 따라서 본 연구는 토양환경이 급변하는 답전윤환 (벼-양파)에서 유기와 관행 재배 간의 온실가스 배출량과 안정화된 탄소함량 특성을 비교 평가하기 위하여 수행되었다.
Materials and Methods
시험 포장 정보
본 시험은 전북 완주군 화산면에 위치한 관행 및 유기 (’92년 - 현재) 답전윤환 농가에서 수행되었다. 2022년 6 - 10월 벼 재배 기간 (논)과 2023년 2 - 6월 양파 재배 기간 (밭) 동안 온실가스 배출 특성과 토양 내 안정화된 탄소함량을 조사하였다. 벼 재배기간에는 관행 재배지에서 웃거름으로 혼합 무기질비료 (N-P-K=21-17-17) 40 kg 10a-1, 유기 재배지에서는 웃거름으로 유기질비료 (N-K=12-11) 40 kg 10a-1를 처방하였다. 양파 재배기간 관행 재배지에서는 밑거름으로 요소비료 (N = 46) 20 kg 10a-1와 혼합가축분퇴비 2 t 10a-1, 웃거름으로 요소비료 (N = 46) 40 kg 10a-1 처방하였다. 유기 재배지에서는 밑거름으로 혼합가축분퇴비 2.5 t 10a-1, 웃거름으로 유기질비료 (N-K = 12-11) 40 kg 10a-1를 처방하였다. 처방량은 농촌진흥청 (NIAS, 2019)에서 제시한 작물별 비료사용 처방량에 준하여 시비하였다.
가스 채취 및 분석
온실가스 배출량은 간이폐쇄정태법 (closed chamber method)을 이용하여 측정하였다. 일 평균 온실가스 배출 농도 관측 시간인 10시 - 12시 사이에 60 ml 주사기를 이용해 주 1회 시료를 채취하였다. 포집된 가스는 가스크로마토그래피 (Gas Chromatograph, Agilent 7890A, USA, Detector-FID for CH4 and ECD for N2O)로 정량 분석하였고, 챔버의 체적 및 시료 채취 기간 중 온도변화를 함께 측정하였다. 시료의 메탄 및 아산화질소 배출량(Flux) 산정을 위해 Ep. 1을 활용하였다 (Rolston, 1986).
F = CH4 or N2O Flux (mg m-2 h-1), ρ = 가스 밀도 (kg m-3), V = 챔버 내 공기체적 (m3), A = 챔버 내 표면적 (m2), △c/△t = 챔버 내 가스농도의 평균 증가속도 (농도변화/정치시간), T = 챔버 내 평균 기온 (K)
지구온난화지수 (global warming potential, GWP)의 산정은 각 가스 발생량에 온난화 영향 지수 값을 곱하여 산정하였다 (IPCC, 2014).
토양 시료 채취 및 안정화된 탄소 분석
토양 시료는 유기물층을 제거한 다음 토양 0 - 15 cm 깊이에서 채취하였다. 채취한 토양은 7일 이상 풍건 후 2 mm 체에 통과된 시료를 분석하였다. 토양 pH, 전기전도도 (electrical conductivity, EC), 유효인산 (available P2O5, Av. P2O5), 교환성 양이온 (exchangeable cations) 함량은 농촌진흥청 토양 분석 매뉴얼 (NAAS, 2010)에 준하여 분석하였다. 토양 총 탄소 (total carbon, T-C)와 총 질소 (total nitrogen, T-N) 함량은 원소분석기 (CHNS-932 analyzer)로 분석하였다. 토양 시료의 휴믹산 (humic acid, HA)과 풀빅산 (fulvic acid, FA)분석은 Schnitzer (1982)가 보고한 실험방법을 이용하였다. 3 g의 토양에 0.5 N NaOH 30 ml를 넣어 21시간 진탕 후 30분 원심분리 (3,000 rpm)하여 HA과 FA가 포함된 상등액을 분리하여 TOC 장비 (TOC-5050A analyzer)를 이용하여 분석하였다. 또한 분리된 상층액에 2N HCl 첨가하여 FA를 분리 후 탄소 함량을 분석하였다.
Mineral-associated organic matter (MAOM) 분석은 Christensen (1992)의 방법에 따라 물리적으로 분획하여 실시하였다. 최근 다양한 물리적 분획 방법을 비교한 선행연구 결과에 따르면, 고밀도 액체나 증류수를 사용하는 것이 각 분획에서 총 탄소의 회수율에 큰 영향을 미치지 않는다고 한다 (Poeplau et al., 2018). 또한 화학적 분리 방법과 달리 유기물의 성분을 최대한 보존하는 방법으로 알려져 있다 (Christensen, 2001; Lehmann and Kleber, 2015). 실험 방법은 토양 시료 5 g과 증류수 50 ml를 혼합하여 18시간 이상 진탕 후 초음파 처리기 (Sonication, Branson, USA)를 사용하여 30분 이상 초음파 처리하였다. 그 후 53 µm 체에 통과된 시료의 탄소함량을 원소분석기 (Elementar, Variomax, Germany)로 분석하였다.
통계분석
관행 및 유기 재배지 차이는 SPSS 통계프로그램를 이용하여 독립표본 t-test를 수행하였다.
Results and Discussion
온실가스 배출 특성
유기 및 관행 재배지에서 메탄과 아산화질소 배출량 변화를 평가한 결과는 Fig. 1과 같다. 벼와 양파 재배 기간 동안의 메탄와 아산화질소 배출 변화 양상은 유기와 관행 간의 차이가 없이 비슷한 패턴을 보였다. 메탄 배출량은 정식 후 점차 증가하여 약 20일 (유기), 40일 (관행)에 최고점을 나타냈으며, 간단관개로 발생량이 크게 감소한 후 미비한 발생량을 보였다 (Jin, 2023). 무기질비료의 사용은 메탄생성 과정에 유리하도록 토양 산화환원전위 감소에 효과가 있어서, 관행 재배지의 무기질비료 사용이 메탄 배출량 증가의 원인으로 판단된다 (Gwon et al., 2022). 아산화질소 배출량은 두 재배지에서 기온이 높고 간단관개 (중간낙수)로 호기 조건이 유지 되는 기간 동안 가장 높은 발생량을 보였다.
밭 조건의 양파재배기간 동안 관행 및 유기 양파 재배기간의 메탄 발생량은 두 재배지 모두 매우 미비하였다. 메탄은 담수로 인해 산소가 부족한 토양 환경에서 메탄생선균이 유기물을 분해할 경우 발생하나 (Gwon et al., 2022) 밭은 호기적 조건이므로 낮게 배출되었다고 사료된다. 아산화질소 배출량 변화 패턴은 유사하나, 유기 재배지에 비해 관행 재배지에서 높게 나타났다. 관행 재배지에서 사용된 무기질비료의 빠른 무기화 반응으로 아산화질소의 배출량이 높은 것으로 사료된다 (An et al., 2022).
지구온난화지수 (GWP)
관행 및 유기 재배지의 GWP는 Table 1에 나타낸 바와 같다. 총 GWP는 관행 재배지 (7,578 kg CO2 eq. ha-1) 보다 유기 재배지 (4,783 kg CO2 eq. ha-1)에서 더 낮았다. 총 GWP 중 메탄과 아산화질소 발생량 기여 비율은 유기와 관행 간의 차이가 없었다. 벼 재배기간동안 관행 재배지 (6,288 kg CO2 eq. ha-1)에서 유기 재배지 (4,049 kg CO2 eq. ha-1)보다 높은 GWP를 보였다. 논의 경우 총 GWP 중 메탄이 차지하는 비율은 70%였으며, 밭의 경우 메탄 발생량이 매우 낮아 총 GWP 중 아산화질소가 차지하는 비율이 99%였다. 양파 재배기간 또한 관행 재배지 (1,290 kg CO2 eq. ha-1)에서 유기 재배지 (734 kg CO2 eq. ha-1)보다 높은 GWP를 보였다.
Table 1.
Total CH4 and N2O fluxes and global warming potentials (GWP) of organic and conventional rice-onion rotation fields.
안정화된 토양 탄소
토양 내 휴믹산 (HA)과 풀빅산 (FA)은 토양 부식물질로 토양 입단형성을 증가시키고 비옥도를 유지하며, 토양 완충 능력을 향상 시킨다. 또한 미생물에 의해 쉽게 분해되지 않는 안정적인 결합 형태를 가지고 있어 토양 내 탄소저장 효과를 높일 수 있다. 본 연구의 관행 및 유기 재배지에서 화학적 분획을 통한 HA와 FA의 분석 결과는 Fig. 2와 같다. HA은 유기 재배지 (14,380 mg L-1)가 관행 재배지 (12,431 mg L-1)보다 높은 경향을 보였다 (p < 0.05). 유기자원을 혼합 시, 무기질비료 단일 처리 대비 HA와 FA의 함량이 높았다는 이전 연구 결과가 있다 (Zinati et al., 2001). 유기 및 관행 모두 퇴비를 사용하였으므로, 무기질비료와 유박처리에 따른 차이로 판단된다. 본 연구 또한 유기자원 투입량이 더 많은 유기 재배지 토양의 HA 함량을 더 높게 나타나 안정된 형태의 탄소 함량 증대가 가능할 것으로 판단된다.
토양 내 MAOM 함량은 Fig. 2과 같다. MAOM의 함량은 관행 재배지 (3.88%)보다 유기 재배지 (4.48%)에서 더 높았다 (p < 0.05). MAOM은 미사, 점토와 강력한 결합 형태를 갖고 있어서 토양에서 장기간 유지되는 탄소 형태로 분류되어 토양 탄소 저장에 중요한 역할을 한다. 관행 및 친환경 농경지의 MAOM 함량을 비교 분석한 선행연구에서도 유기자원을 장기간 활용한 친환경 농경지의 MAOM이 더 높았다 (Zani et al., 2022). 본 연구의 유기 재배지 또한 1992년부터 유기 인증을 받아 장기간 유기자원의 투입을 통한 토양관리로 MAOM 함량을 증대시켰을 것으로 판단되며 토양의 탄소 저장효율을 높일 수 있을 것으로 판단된다.
작물 재배 후 토양 화학성
관행 및 유기 재배지에서 양파 재배 후 토양의 화학성을 분석한 결과는 Table 2와 같다. 관행 대비 유기 재배지에서 전반적으로 화학성이 개선되는 경향을 파악하였다. 토양 내 총 탄소와 유효인산 함량이 유의하게 증가한 것을 나타내었으며, 칼슘을 제외한 교환성 양이온의 함량도 증가하는 것을 확인하였다. 유기 재배지에서 pH와 EC가 다소 증가하였지만, 적정 범위로 작물 생육에 영향은 없을 것으로 사료 된다 (RDA, 2024). 또한 유기질 비료와 가축분 퇴비와 같은 유기자원의 사용은 점진적인 분해로 농업생산에 필요한 양분이 오래 지속되며 수분과 양분의 보유능력을 개선하여 양분의 침출 및 유출의 위험을 줄이는 효과도 있기 때문에 (Goldan et al., 2023), 합리적인 영농 방법으로 판단된다.
Table 2.
The soil properties of organic and conventional farms after onion harvest.
| Treatment | pH |
EC (dS m-1) |
T-N (g kg-1) |
T-C (g kg-1) |
Av. P2O5 (mg kg-1) | Exch. cations (cmolc kg-1) | ||
| Ca | K | Mg | ||||||
| Organic | 6.6 | 1.14 | 3.7 | 31.5 | 1,604 | 9.1 | 0.66 | 2.3 |
| Conventional | 6.3 | 0.65 | 3.1 | 27.5 | 1,266 | 9.1 | 0.64 | 2.2 |
| t (p)1 | *2 | * | * | * | * | ns | * | * |
Conclusions
본 연구는 관행 및 유기 답전윤환 농경지에서 논과 밭이라는 다른 토양 환경과 작물 재배 기간 중의 온실가스 배출 특성과 안정화된 토양 탄소함량을 평가하기 위해 수행되었다. 무기질비료와 유기자원을 함께 사용한 관행에 비해 유기자원만 사용한 유기 답전윤환에서 37% 낮은 온난화지수를 보였다. 또한 안정화된 토양 탄소 함량 중 HA 형태는 14%, MAOM은 13% 높은 안정화된 토양 탄소 함량을 확인하였다. 유기자원을 활용과 더불어 물관리, 시비방법 등과 같이 온실가스 배출을 줄일 수 있는 재배관리 방법의 적극적인 활용이 필요할 것으로 판단된다.
