Introduction
Materials and Methods
연구 장소 및 실험 설계
폭기 처리 방법
시료채취 및 분석
Results and Discussion
폭기 처리에 따른 메탄 배출량 변화
폭기 처리에 의한 메탄 저감효과 및 표층수의 용존산소 농도 변화
폭기 처리에 의한 표층수 용존메탄 농도의 변화
폭기 처리에 의한 표층수 용존유기탄소 농도의 변화
폭기 처리에 의한 벼 생산성 평가
폭기 처리에 의한 토양 화학성 평가
상관관계
Conclusions
Introduction
농업에서 벼 재배는 중요한 작물 생산 체계 중 하나이며, 논은 농업 부문 온실가스의 주요 배출원으로 인식되고 있다. 특히 메탄 (methane, CH4)은 논에서 발생하는 온실가스 (greenhouse gas) 중 하나로, 이산화탄소 (carbon dioxide, CO2) 보다 약 21배 높은 지구온난화지수 (global warming potential)를 지니는 강력한 온실가스이다 (IPCC, 2006). 2022년 국내의 벼 재배과정 중 배출된 메탄은 약 28만 4천톤(약 7.1백만톤 CO2 eq.) 정도로 이는 경종분야 온실가스 배출량의 약 70%에 해당한다 (MAFRA, 2025). 따라서 벼 재배과정 중 메탄 배출을 효과적으로 저감하기 위한 다양한 토양 관리 기술 개발이 필요한 실정이다.
메탄 배출량에 영향을 미치는 요인으로는 산화환원전위, 유기물 함량, 토양 산도, 온도, 수분함량 등이 있다 (Jean and Pierre, 2001). 이 중 메탄 생성에 가장 영향을 주는 요인은 토양의 산화환원전위와 유기물의 시용인 것으로 알려져 있다 (Qian et al., 2023). 담수 환경인 벼 논에서 산화환원전위는 값이 낮을수록 환원된 조건을 의미하며, 메탄 배출도 비례적으로 증가한다 (Gwon et al., 2022; Senthilraja et al., 2023). 유기물의 시용은 미생물의 탄소원으로 이용되며, 특히 벼 생육 초기에 유기물의 분해과정에서 메탄이 생성되어 배출되므로 적절한 관리가 필요하다 (Gwon et al., 2022).
현재까지 메탄저감 기술로써 물관리 (Qian et al., 2022; Lee et al., 2023b), 시비 및 유기물 관리 (Song et al., 2025), 퇴비화 (Kim et al., 2018), 벼 품종 선발 (Lee et al., 2023a), 저해제 투입 (Choi et al., 2020; Cho et al., 2022) 등 다양한 기술이 활용되고 있다. 그러나 이러한 기존 기술만으로는 메탄 배출을 억제하는 데 한계가 있어, 새롭고 효과적인 저감 전략의 개발이 필요하다. 최근 논 토양의 산화 환경을 조성함으로써 메탄 생성을 억제하기 위한 기술의 일환으로 토양폭기 장치 (soil aeration system)의 적용에 대한 관심이 증가하고 있다. 토양폭기 장치를 이용하여 논 토양 내에 산소를 직접 주입할 경우, 토양의 산화환원 전위가 증가함에 따라 메탄 생성이 억제되어 메탄 배출량이 26 - 68% 감소하고, 동시에 벼 생산량이 7 - 14% 증가하는 효과가 보고된 바 있다 (Tang et al., 2023). 그러나 토양에 직접 산소를 주입하는 방법은 장치 설치와 장기적인 운영 측면에서 기술적이나 비용적인 한계가 존재하여, 실제 농경지 적용에는 제약이 따른다 (Yuan et al., 2023). 이에 따라 토양폭기 기술과 유사한 효과를 보다 단순한 방식으로 유도할 수 있는 대안적 접근이 요구되고 있다.
폭기 처리 (surface water aeration, SWA)는 기포 발생기를 이용하여 논 표층수에 산소를 직접 주입하는 방식으로, 토양폭기 장치에 비해 설치 및 관리가 용이하면서도 논 토양의 산화 환경을 개선할 수 있는 잠재적인 기술이다. 벼 재배기간 동안 폭기를 적용할 경우, 논 표층수와 표토의 산화 상태가 증진되어 메탄 생성이 억제되고, 결과적으로 논에서의 메탄 배출량이 감소할 것으로 기대된다. 하지만, 표면 폭기를 통한 추가적인 산소 공급으로 논 토양 내 유기물 분해가 촉진될 가능성도 있어, 메탄 배출 저감 효과가 오히려 상쇄될 가능성도 존재하나, 현재까지 벼 재배기간 중 폭기 처리에 따른 메탄 저감 효과에 관한 연구는 거의 시도되지 않고 있는 실정이다.
따라서 본 연구는 논 표층수의 폭기 처리가 메탄 저감 및 벼 생산성에 미치는 영향을 조사하고자 하였다. 벼 재배기간 중 폭기 처리에 따른 1) 메탄 배출량 저감효과, 2) 표층수의 용존성분 변화, 3) 벼 생산성에 미치는 영향, 4) 토양 화학성을 조사하여 지속가능한 농업기술로써 폭기 처리 적용의 가능성을 평가하고자 포트실험을 수행했다.
Materials and Methods
연구 장소 및 실험 설계
본 연구는 전라남도 순천시 서면 죽평리에 위치한 국립순천대학교 연구포장 (35.000117°N, 127.490212°E)의 논 토양을 채취하여 공시토양으로 사용하였으며, 공시토양의 화학적 특성은 Table 1과 같다. 논에서 폭기 처리에 의한 메탄 가스 배출량, 표층수의 용존성분 변화, 벼 생산성 및 토양 화학성 변화를 조사하기 위해 국립순천대학교 유리온실에서 포트실험을 수행하였다. 자연건조한 공시토양을 체 통과시킨 후 Wagner pot (1/2000a)에 용적 밀도가 1.1 g cm-3가 되도록 10 kg을 충진하였다. 유기물 처리 후 담수상태를 유지시켰으며, 농촌진흥청 표준 시비량을 토대로 질소 (N) – 인산 (P2O5) – 칼리 (K2O)를 50 - 45 - 33 kg ha-1로 시비하였다 (RDA, 2022). 조명 1호 (Jomyeong no. 1)를 공시작물로 선택하여 2025년 6월 20일에 각 포트 당 포트묘 1주를 손이앙하였다. 1차 추비 (분얼비)는 벼 이식 14일 후 질소 20 kg ha-1, 2차 추비 (출수비)는 벼 이식 38일 후 N - K2O = 20 - 14 kg ha-1를 처리하였다. 실험의 모든 처리구는 3반복으로 하였으며, 포트는 무작위로 배치하였다. 생육기간 동안 5 cm 수위를 유지하여 상시담수 하였으며, 벼 이앙 98일차에 배수 후 벼 이앙 119일 후에 수확하였다.
Table 1.
Soil properties before treatment in the pot experiment.
|
pH (1:5) |
Electrical conductivity (dS m-1) |
Av. P2O5 1 (mg kg-1) |
Av. SiO2 (mg kg-1) |
Exch. cations (cmolc kg-1) |
Total contents (g kg-1) | C/N Ratio | ||||
| Ca2+ | Mg2+ | K+ | C | N | ||||||
| 5.74 | 0.24 | 199 | 72.39 | 2.69 | 0.43 | 0.21 | 20.2 | 1.76 | 11.5 | |
폭기 처리 방법
기포생성기 (MO-S2, Mobydick Co., China)를 토양 표면에서 약 1 cm 높이로 포트 가장자리 벽면에 호스를 고정하였고, 폭기량의 차이를 두기 위해 기포생성기를 각각 0(무처리), 1, 2개 설치하였다. 각 기포생성기는 0.3 L min-1 기포를 생성하며, 지름 35 mm의 금강사 (silicon carbide air stone)를 통해 기포가 방출되었다. 토양 조건은 유기물 무처리구 (NA)와 볏짚 0.25% (wt wt-1)을 처리한 유기물 처리구 (OA)로 나누었다. 볏짚 처리량은 현장 시용량 (4 Mg ha-1)을 기준으로 포트당 25 g의 분쇄 볏짚을 시용하였으며, 토양 표면 처리 후 약 10 cm 깊이로 고르게 혼합하였다. 포트 제작 후 표층수를 2일간 안정화시켰으며, 이후 기포생성기를 가동하였다. 벼 이식 2일 후부터 배수 전 (이식 후 98일)까지 가동하였으며, 이식 후 49일경 효율저하로 인해 전체 처리구의 기포생성기를 교체하였다. 수위는 토양 표면으로부터 5 cm 높이로 설정하였으며, 포트 안쪽에 수위표시선을 설치하여 정수위로 상시 관리하였다. 폭기와 증발에 따른 급격한 수위 감소를 방지하기 위해 격일 간격으로 관수를 실시하였으며, 증발산량이 급증하는 고온기에는 매일 수분을 보충하였다. 수위 변동에 따른 용존 물질의 농도 변화를 최소화하기 위해 수위를 기준선에 맞춘 다음 시료 채취하였다.
시료채취 및 분석
CH4 배출량 평가 메탄 배출량은 폐쇄 챔버법 (closed chamber method)을 이용하여 평가하였으며 (Choi et al., 2020; An et al., 2024), 벼 재배기간 중 매주 1회 오전 10 - 11시 사이에 가스 시료채취를 수행하였다. 30분 동안 가스포집을 하였으며, 원통형 아크릴 챔버 내에 소형 팬을 설치하여 공기순환을 하였다. 3 way stopper를 연결한 50 mL 주사기로 가스 시료를 채취하였다. 가스시료 채취와 함께 온도기를 이용하여 챔버 내의 온도를 측정하였다. 채취한 가스시료는 가스크로마토그래피 (GC8890, Agilent, USA)를 이용하여 정량 측정하였으며, 아래와 같은 식을 이용하여 배출량을 계산하였다 (Rolston, 1986).
: 가스 밀도 (mg cm-3)
: 챔버 부피 (m3)
: 챔버 표면적 (m2)
: 시료 채취 동안 가스 농도차 (mg m-3 hr-1)
: 273 + 챔버 평균 온도 (°C)
벼 재배기간 중 총 메탄 배출량은 아래와 같은 식을 이용하여 계산하였다 (Singh et al., 1999).
: 가스시료 채취 횟수
: 번째 가스시료 채취의 일평균 메탄 배출량 (kg ha-1 day-1)
: 번째 가스시료 채취 간격 일수
표층수 용존 성분 변화 표층수의 용존산소 (dissolved oxygen, DO)농도는 매주 1회 표층수를 채취 후 실험실에서 DO 측정기 (LAQUA-DO220, HORIBA, Japan)를 이용하여 측정하였다. 표층수의 용존메탄 (dissolved CH4) 농도는 격주 간격으로 채취한 표층수 30 mL를 120 mL 바이알 (vial)에 넣어 마개를 막은 후 30회 세게 흔들었다. 10 mL 주사기를 이용하여 가스를 채취하였고, 가스크로마토그래피 (GC8890, Agilent, USA)를 이용하여 정량하였다. 표층수의 용존 유기탄소 (dissolved organic carbon, DOC)의 농도는 격주로 1회 0.45 µm 필터로 여과 후, 여과액 4 mL를 초순수로 10배 희석하여 TOC 분석기 (TOC-LCPH, Shimadzu, Japan)를 이용하여 측정하였다.
토양 화학성 평가 및 벼 생산성 평가 벼 수확 후 토양시료를 채취하여 건조시킨 후 2 mm 체에 통과시켜 토양 화학성 평가에 이용하였다. 토양 pH와 토양 전기전도도 (electric conductivity, EC)는 토양 5 g을 증류수 25 mL에 침출하여 pH 측정기 (Orion Star A211, Thermo Scientific, Indonesia)와 EC 측정기 (Orion Star A212, Thermo Scientific, Indonesia)를 이용하여 각각 측정하였다. 토양 유효인산은 Lancaster법에 따라 추출한 후 AQ-400 (SEAL analytical, U.S.A)을 이용하여 정량분석 하였다. 토양 유효규산은 비색법에 따라 UV/VIS Spectrometer (UV-1900, Shimadzu, Japan)를 이용하여 700 nm 파장에서 흡광도를 분석하였다. 교환성 양이온은 토양을 NH4OAc으로 침출 후 ICP-OES (ICPE-9000, Shimadzu, Japan)를 이용하여 측정하였다. 벼 수량구성 요소 및 생산성은 농촌진흥청 연구조사분석기준에 따라 조사하였다 (RDA, 2012).
Statistical analysis 통계분석은 처리 간 유의성이 인정되는 경우 Tukey’s test를 통해 5% (p < 0.05) 확률의 범위에서 유의성을 평가하였으며, SAS package (SAS Institute Inc., 1995)를 이용하여 ANOVA 분석을 수행하였다. 유기물 처리 유무와 폭기처리 두 요인 간의 상호작용 효과를 확인하기 위해 이원분산분석 (two-way ANOVA)을 수행하였다.
Results and Discussion
폭기 처리에 따른 메탄 배출량 변화
벼 재배기간 중 메탄 배출량을 조사한 결과 (Fig. 1), 표면 폭기에 의한 메탄 배출 양상의 차이는 거의 없었으나, 유기물 처리 유무에 따른 배출 양상의 차이가 있는 것으로 조사되었다. 특히, 유기물 시용에 따라 OA 처리구에서 NA 처리구에 비해 전반적으로 높은 배출량을 보였다. NA 처리구에서는 생육 중기에 메탄 배출량이 크게 증가한 반면, OA 처리구에서는 생육 초기에 더욱 높은 경향을 보였다. 이는 메탄 배출이 재배기간 동안 서로 다른 시간적 패턴으로 나타날 수 있다는 Qian et al. (2023)의 보고와 일치한다. 즉, NA 처리구에서는 재배 초기의 비교적 낮은 배출 이후 생육 진행에 따라 뿌리 분비 탄소의 증가와 통기조직 발달에 따른 식물체 매개 수송의 강화로 인해 출수기 전후에 추가적인 배출 증가가 나타나 이중 피크 양상으로 관찰된 것으로 판단된다. 반면, OA 처리구에서는 유기물 투입으로 인해 쉽게 분해되는 탄소 기질이 이앙 직후 집중적으로 공급되면서 재배 초기에 큰 배출 피크가 형성된 것으로 판단되며, 이는 신선한 유기물 시용이 초기 메탄 배출을 크게 증가시킨다는 선행연구와도 부합한다 (Kim et al., 2013, 2014; Wu et al., 2019).
Fig. 1
Fig. 1. Changes in CH4 emission rates under different aeration levels and organic matter conditions during rice cultivation: (a) without and (b) with organic matter treatment. Error bars represent the standard deviation (n = 3). NA means none organic matter treatment with aeration and OA means organic matter treatment with aeration. 0 is no aeration, 1 is aeration with single line, and 2 is aeration with double lines.
폭기 처리에 의한 메탄 저감효과 및 표층수의 용존산소 농도 변화
벼 재배기간 중 총 메탄 배출량을 조사한 결과 (Fig. 2), 생육 초기 31일 이전에는 메탄 배출량이 NA 처리구에서 22 - 32%, OA 처리구에서 5 - 7% 감소하였다. 그러나 총 재배기간 중 폭기 처리에 의한 메탄 배출량 저감 효과를 평가한 결과, 폭기 처리에 따른 유의미한 메탄 배출량 저감효과는 없는 것으로 조사되었다.
Fig. 2
Total CH4 flux (a, b) by 31 days after transplanting (DAT 31) and over the entire rice cultivation period (DAT 119) by different aeration levels under organic matter conditions. Error bars represent the standard deviation (n = 3). Numerical values within the figure indicate the total cumulative emissions. NA means none organic matter treatment with aeration and OA means organic matter treatment with aeration. 0 is no aeration, 1 is aeration with single line, and 2 is aeration with double lines.
벼 재배기간 중 폭기 처리에 의한 표층수의 용존산소 농도 (dissolved oxygen, DO)를 측정한 결과 (Fig. 3), 이앙 직후 증가하다가 점차 감소하는 경향을 보였다. 특히, NA 처리구에서는 폭기량에 따른 유의한 차이가 없었던 반면 (p = 0.6443), OA 처리구에서는 폭기 처리 시 평균 DO 농도가 유의하게 증가하였다 (p = 0.0235). 일반적으로 담수온이 25 - 35°C일 때 DO 포화농도는 6.95 - 8.26 mg L-1 정도인 것으로 알려져 있으며 (Yokogawa, 2022), 본 연구의 OA 처리구에서는 평균적으로 5.53 - 6.22 mg L-1 정도로 다소 낮게 유지되었다. 이는 유기물의 분해과정에서 미생물의 산소의 소비량 증가와 더불어, 유기물에 의한 산소 확산 및 기체 교환의 물리적 제한 효과가 복합적으로 작용한 결과로 판단된다 (Conrad, 2007). 이에 따라 OA 처리구에서만 폭기 처리에 의한 추가적인 산소공급의 효과도 유의했던 것으로 판단된다. 다만, OA 처리구에서 표층수 DO의 유의한 증가가 있었음에도 불구하고 산소 공급이 표층수에 국한되어 토양 내부로 충분히 산소가 전달되지 않았기 때문에 메탄 저감의 효과가 거의 없었던 것으로 판단된다.
Fig. 3
Changes in surface water dissolved oxygen (DO) (a, c) and mean surface water DO (b, d) by different aeration levels under organic matter conditions during rice cultivation. Error bars represent the standard deviation (n = 3). Numerical values within the figure indicate means. NA means none organic matter treatment with aeration and OA means organic matter treatment with aeration. 0 is no aeration, 1 is aeration with single line, and 2 is aeration with double lines.
폭기 처리에 의한 표층수 용존메탄 농도의 변화
벼 재배기간 중 폭기 처리에 의한 표층수의 용존메탄 변화량을 측정한 결과 (Fig. 4a, 4c), 폭기 처리에 의한 용존메탄은 유기물의 유무와 관계없이 이앙 직후에 폭기 처리에 따라 유의하게 감소하였으며, 이앙 약 50일 이후에는 처리 간 용존메탄 농도의 변화 폭이 크지 않은 것으로 나타났다. 폭기 처리에 의한 평균 용존메탄을 조사한 결과 (Fig. 4b, 4d), 유기물 처리 유무와 상관없이 폭기 처리구에서 표층수 내 용존메탄이 87 - 95%까지 유의하게 감소한 것으로 나타났다 (NA: p = 0.0174, OA: p = 0.0010). 메탄은 수중에서 용해도가 낮은 기체이며, 폭기 시 생성된 기포와 함께 대기중으로 배출된다고 알려져 있다 (Lapham et al., 2022). 본 연구에서 나타난 용존 메탄 농도의 감소는 폭기에 의한 생물학적 생성 억제보다는 물리적인 기포 배출 (ebullition) 촉진을 통한 제거 효과로 판단된다. 이로 인해 폭기 장치가 가동된 전 생육 기간 동안 표층수 내 용존 메탄은 무처리구 대비 낮은 수준을 유지할 수 있었던 것으로 보인다.
Fig. 4
Changes in dissolved CH4 (a, c) and mean dissolved CH4 (b, d) in the surface water by different aeration levels under organic matter conditions during rice cultivation. Error bars represent the standard deviation (n = 3). Numerical values within the figure indicate means. NA means none organic matter treatment with aeration and OA means organic matter treatment with aeration. 0 is no aeration, 1 is aeration with single line, and 2 is aeration with double lines.
폭기 처리에 의한 표층수 용존유기탄소 농도의 변화
벼 재배기간 중 폭기 처리에 의한 표층수의 용존유기탄소 (dissolved organic carbon, DOC) 변화량을 측정한 결과 (Fig. 5a, 5c), 생육 초기에 높은 농도를 보였으며, 벼 생육 기간이 지남에 따라 감소하는 경향을 보였다. 폭기 처리에 의한 평균 DOC농도를 조사한 결과 (Fig. 5b, 5d), 전반적으로 OA처리구에서 높은 경향을 보였다. 또한 폭기 처리에 따라 DOC가 증가하는 경향을 보였으며, 특히 NA 처리구에서 폭기량이 증가함에 따라 평균 DOC가 유의하게 증가하는 것으로 나타났다 (p = 0.0408). OA 처리구에서도 유의하지는 않지만 NA 처리구와 거의 동일한 경향을 보였다 (p = 0.2578). 이러한 결과는 폭기 처리에 의해 발생한 기포가 토양 - 표층수 경계면을 지속적으로 교란하여 유기물의 분해가 촉진된 데 기인한 것으로 판단된다 (Rongzhong and William, 2017).
Fig. 5
Changes in dissolved organic carbon (DOC) (a, c) and mean DOC (b, d) by different aeration levels under organic matter conditions during rice cultivation. Error bars represent the standard deviation (n = 3). Numerical values within the figure indicate means. NA means none organic matter treatment with aeration and OA means organic matter treatment with aeration. 0 is no aeration, 1 is aeration with single line, and 2 is aeration with double lines.
폭기 처리에 의한 벼 생산성 평가
폭기 처리에 의한 벼의 수량구성요소와 생산성을 평가한 결과 (Table 2), 유기물 처리 유무와 상관없이 폭기 처리에 의해 전반적인 벼 생육 및 생산성이 감소하는 것으로 나타났다. 폭기 과정에서 발생한 기포와 토양 - 표층수 간 교란은 이앙 직후 표토의 물리적 안정성을 저하시켜 뿌리 활착을 지연시켰을 가능성이 있으며 (Lynch, 1995; Bengough et al., 2006), 이러한 초기 생육 저해가 이후 전반적인 생산성에 부정적인 영향을 미쳤을 것으로 판단된다 (Lee et al., 2021). Tang et al. (2023) 의 연구에서는 토양에 직접적인 산소주입에 의해 효과적인 수량 증대가 있었으나, 본 연구에서는 폭기 처리에 의해 수당입수, 뿌리 및 전체 바이오매스가 오히려 유의하게 감소하는 것으로 나타났다 (Table 2). 본 연구에서 표층수 폭기 처리는 벼 생육에 물리적 교란과 지속적인 스트레스를 유발함으로써 전반적인 생육과 수량을 유의미하게 감소시킨 것으로 판단된다.
Table 2.
Rice yield components and productivity by different aeration levels under organic matter conditions.
| Treatment | Grain yield components | Productivity (g pot-1) | |||||||||
|
Tiller number |
Grain per panicle |
Ripening ratio (%) |
1000 grain weight (g) | Grain | Straw | Aboveground | Root |
Total biomass |
S/R ratio | ||
| NA0 | 8.0 n.s1 | 140.7 a | 65.1 n.s | 21.9 n.s | 18.7 n.s | 22.6 n.s | 41.2 n.s | 14.8 a | 56.1 a | 3.5 n.s | |
| NA1 | 7.0 | 128.3 ab | 65.8 | 21.5 | 14.5 | 22.5 | 37.0 | 7.5 ab | 44.4 ab | 5.7 | |
| NA2 | 7.0 | 114.0 b | 66.8 | 21.1 | 12.5 | 18.5 | 31.0 | 5.6 b | 36.5 b | 5.7 | |
| OA0 | 9.0 n.s | 129.2 a | 64.1 n.s | 21.8 n.s | 16.3 n.s | 21.4 n.s | 37.7 n.s | 6.6 n.s | 44.3 n.s | 6.0 n.s | |
| OA1 | 7.0 | 124.4 ab | 72.2 | 21.5 | 13.8 | 18.0 | 31.7 | 7.1 | 38.8 | 4.5 | |
| OA2 | 7.0 | 108.1 b | 68.1 | 21.3 | 12.4 | 15.5 | 28.0 | 4.7 | 32.7 | 5.9 | |
| OM (A) | 1.0000 | 0.0863 | 0.7285 | 0.8991 | 0.5083 | 0.1069 | 0.0935 | 0.1155 | 0.0561 | 0.5051 | |
| Air (B) | 0.1417 | 0.0017**3 | 0.2299 | 0.2181 | 0.0502 | 0.0840 | 0.0616 | 0.0138* | 0.0085** | 0.4815 | |
| A×B2 | 0.9315 | 0.5174 | 0.7304 | 0.8847 | 0.8105 | 0.7145 | 0.1596 | 0.9205 | 0.6140 | 0.1560 | |
폭기 처리에 의한 토양 화학성 평가
폭기 처리에 따른 수확 후 토양 화학성을 조사한 결과 (Table 3), 유기물 처리 여부 및 폭기량은 전반적인 토양 화학성을 변화시키지 않았던 것으로 나타났다. 총 탄소 (C) 및 질소 (N) 함량은 OA 처리구에서 NA처리구보다 다소 높은 경향을 보였으나, 폭기량에 따른 유의한 차이는 나타나지 않았다 (Table 3). 유효규산의 경우 OA 처리구에서 폭기량이 증가함에 따라 농도가 증가하는 경향을 보였으며, 유기물 처리와 폭기 처리의 상호작용 역시 유의한 차이를 보였다 (p = 0.0068). 폭기 처리에 의해 토양-표층수 경계면에서 국소적인 pH 및 산화환원 조건의 변화가 유도되어 규소의 용출이 증가했던 것으로 판단된다 (Huang and Hseu, 2021). 또한 교환성 칼륨은 처리간 유의한 차이는 없었으나 (NA: p = 0.2801, OA: p = 0.1143) 폭기량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였고 (Table 3), OA 처리구에서 NA 처리구 보다 다소 높은 경향을 보였다. 본 연구의 폭기 처리는 토양 내부의 화학적 특성에 직접적인 영향을 준다기 보다는 토양-표층수 경계면에서의 물질 이동 및 가용성을 조절하는 간접적인 조절 인자로 작용한 것으로 판단된다.
Table 3.
Soil properties after harvesting by different aeration levels under organic matter conditions.
| Treatment | pH (1:5) | Electrical conductivity (dS m-1) | Av. P2O5 (mg kg-1) | Av. SiO2 (mg kg-1) | Exch. cations (cmolc kg-1) | Total contents (g kg-1) | C/N Ratio | ||||
| Ca2+ | Mg2+ | K+ | C | N | |||||||
| NA0 | 5.54 n.s1 | 0.23 n.s | 246.4 n.s | 54.6 ab | 3.10 n.s | 0.49 n.s | 0.09 n.s | 16.6 n.s | 1.43 n.s | 13.5 n.s | |
| NA1 | 5.42 | 0.23 | 251.8 | 65.3 a | 3.22 | 0.50 | 0.12 | 17.1 | 1.14 | 15.6 | |
| NA2 | 5.52 | 0.21 | 183.6 | 47.6 b | 3.00 | 0.44 | 0.11 | 14.5 | 1.36 | 10.6 | |
| OA0 | 5.61 n.s | 0.20 n.s | 256.6 n.s | 57.4 b | 3.30 n.s | 0.52 n.s | 0.11 n.s | 18.4 n.s | 1.85 n.s | 9.9 ab | |
| OA1 | 5.60 | 0.22 | 247.7 | 60.1 b | 3.23 | 0.51 | 0.14 | 18.3 | 1.69 | 10.9 a | |
| OA2 | 5.54 | 0.24 | 246.6 | 72.0 a | 3.20 | 0.52 | 0.16 | 17.3 | 1.79 | 9.7 b | |
| OM (A) | 0.1006 | 0.7505 | 0.2799 | 0.0395*3 | 0.2375 | 0.0634 | 0.0118* | 0.0174* | 0.0057** | 0.0772 | |
| Air (B) | 0.5443 | 0.8939 | 0.2871 | 0.2591 | 0.5683 | 0.4175 | 0.0432* | 0.1053 | 0.4176 | 0.3256 | |
| A×B2 | 0.4173 | 0.4049 | 0.3797 | 0.0068** | 0.6366 | 0.3871 | 0.4484 | 0.6541 | 0.9159 | 0.6308 | |
상관관계
폭기 처리에 따른 표층수의 DO, DOC 농도와 일 메탄 배출량 간의 상관관계를 분석한 결과 (Fig. 6), 메탄 일 배출량은 DO와 유의한 정의 상관관계를 보였고 (r = 0.1694, p = 0.0022), DOC와도 정의 상관관계를 보이는 것으로 나타났다 (r = 0.5839, p < 0.0001). 또한 표층수의 DO가 증가할수록 DOC가 유의하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다 (r = 0.6778, p < 0.0001). 이는 산소공급으로 인한 DO의 상승이 토양 유기물 분해를 촉진시켜 저분자 형태의 DOC로 용출을 증가시킨 것으로 판단된다.
Fig. 6
Correlation between daily CH4 flux and surface water DO (a), and surface water DOC (b) and correlation between surface water DOC and surface water DO (c). NA means none organic matter treatment with aeration and OA means organic matter treatment with aeration. 0 is no aeration, 1 is aeration with single line, and 2 is aeration with double lines.
폭기 처리에 따른 메탄 총 배출량과 표층수의 용존 성분, 벼 생산성, 토양화학성 간의 상관관계를 조사한 결과 (Table 4), 메탄 배출은 표층수의 용존물질, 토양 내 총 탄소 (C) 및 질소 (N) 함량과 밀접한 관계를 보인 반면 벼의 생산성과는 유의한 관계가 없는 것으로 조사되었다. 표층수 특성 중 평균 DO는 총 메탄 배출량과 음의 상관관계 (r = -0.560, p < 0.05)를 보였으며, 반대로 평균 DOC와는 양의 상관관계 (r = 0.587, p < 0.05)를 나타냈다. 또한 토양 화학성 중에서는 총 탄소 (C) 및 질소 (N)가 총 메탄 배출량과 유의한 상관관계가 있는 것으로 조사되었다. 따라서 폭기 처리에 따라 DO농도의 증가가 메탄 배출량 감소에 어느 정도 영향을 줄 수 있었을 것으로 판단되나, 실제 폭기 처리에 의해 오히려 DOC 농도의 증가로 인해 총 메탄배출량 저감에는 유의미한 영향을 주지 못한 것으로 판단된다.
Table 4.
Relationships between total CH4 flux and associated parameters.
| Parameters (n=18) | Co-efficient (r) |
| Surface water properties | |
| Mean dissolved oxygen (DO) | -0.560*1 |
| Mean dissolved CH4 | 0.410 |
| Mean dissolved organic carbon (DOC) | 0.587* |
| Grain yield components | |
| Tiller number | -0.125 |
| Grain per principle | -0.271 |
| Ripening ratio | 0.105 |
| 1000 grain weight | 0.188 |
| Productivity and related factor | |
| Grain | -0.204 |
| Straw | -0.410 |
| Aboveground | -0.377 |
| Root | -0.331 |
| Total biomass | -0.398 |
| S/R ratio | 0.148 |
| Soil properties | |
| pH | 0.374 |
| Electrical conductivity | -0.130 |
| Available P2O5 | 0.265 |
| Available SiO2 | 0.306 |
| Exchangeable cations | |
| Ca2+ | 0.272 |
| Mg2+ | 0.395 |
| K+ | 0.460 |
| Total contents | |
| C | 0.580* |
| N | 0.593** |
| C/N ratio | -0.342 |
Conclusions
벼 재배기간 중 폭기 처리는 초기 메탄 배출 저감에 다소 효과가 있었으나 유의미한 총 메탄 배출량 저감 효과는 없는 것으로 나타났다. 폭기 처리는 표층수의 DO농도를 전반적으로 변화시켰으나, 메탄을 산화시키거나 생성을 억제할 만큼의 산소를 토양에 공급하는 데에는 한계가 있는 것으로 판단된다. 폭기 처리가 토양의 화학적 특성에는 크게 영향을 미치지 않았으나, 벼의 생육 및 생산성이 감소가 커 실질적인 배출 저감 기술로 활용하는 데는 어려움이 있을 것으로 보인다. 결론적으로 벼 논에서 폭기 처리는 메탄 배출 저감 및 벼 생산성 향상에 미치는 영향이 미미한 것으로 확인되었다. 다만, 표면 폭기 방식 (설치 깊이, 주입 방식 등)에 따라 산소 공급 효과 및 벼 생육 등의 차이가 발생할 수 있어, 관련 기술의 현장 적용에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
