Introduction
Materials and Methods
중량식 라이시미터 및 연구토양 특성
시험구 처리내용
토양 및 유출수 분석방법
통계분석
Results and Discussion
강우량 및 관개수량과 양분유입량
유거수량 및 양분 유거유출량
지하유출수량 및 양분 지하유출량
벼 수확기 생육조사 및 벼 수량
Conclusions
Introduction
기후변화는 전세계적으로 다양한 환경 문제를 야기하고 있으며, 그 중 기온상승으로 인한 물 부족이 대표적인 현상이다. 이상기후보고서 (KMA, 2023)에 따르면 전국 연평균기온은 평년 대비 1.2°C 높은 13.7°C로 1973년 이후로 가장 높은 수치를 기록하였고, IPCC 기후변화 시나리오 (IPCC, 2023)에 따르면 대한민국의 가뭄 빈도와 강도가 증가할 것으로 예상되어 농업용수 관리의 중요성은 더욱 부각되고 있다. 실제로 국내에서 최근 몇 년 동안 가뭄의 발생 빈도와 심각도가 증가하면서 농업 분야에도 큰 영향을 미치고 있어, 기후변화에 따른 기상재해 예방을 위해 농촌진흥청에서는 농업기상재해 예 ‧ 경보 서비스 및 토양유효수분율을 기준으로 한 밭가뭄 정보를 제공하고 있다 (KMA, 2023).
벼 생육 측면에서 기온 상승 시 2021 - 2024년에는 출수기가 일주일 정도 빨라질 것으로 전망한 바 있으며 (Jung et al., 2006), 출수기가 빨라지면 등숙기에 높은 기온으로 인해 등숙비율과 수정률이 감소하여 수량이 20 - 30% 감소할 수 있다 (Yoon, 1990; Ziska et al., 1996; Matsui et al., 1997; Hakala 1998; Lee et al., 2008). 이러한 가운데 기후변화에 대응하기 위하여 생육기간이 상대적으로 짧은 조생종 벼에 대한 품종 개발이 진행되었는데, 특히 기온상승으로 인한 병해충 문제를 극복하고 안정적인 출수가 가능한 품종을 개발하고자 하였으며, 이를 통해 ‘조운’, ‘조평’과 같은 품종들이 개발되었다 (Won et al., 2010; Nam et al., 2013).
벼는 물을 많이 필요로 하는 작물로, 안정적인 수확을 위해 충분한 물 공급이 필수적이다. 그러나 기후변화로 인해 물 공급이 불안정해지면서 효율적인 물 관리에 대한 요구도가 증가함에 따라 물 절약형 재배 방식에 관한 연구도 지속적으로 진행되고 있다 (Choi et al., 2004; Choi et al., 2019). 논에서 물관리 방법에 관해 여러 연구사례가 있으며, 대표적으로 간단관개를 통한 물 절약 방식의 물관리 방법이 기후변화 대응 방식으로 알려져 있다 (Seo et al., 2018; Baek et al., 2023). 이러한 물관리 방법의 차이에 의한 메탄 (CH4) 및 아산화질소 (N2O) 등 온실가스 저감에 관한 연구사례는 존재하나 (Kim et al., 2002), 질소와 인과 같은 필수 영양소의 가용성과 흡수에 관한 연구 사례는 부족한 실정이다. 질소, 인, 칼리 성분은 벼 생장과 수확량에 매우 중요한 역할을 하는 양분 요소이지만, 수계로 유출될 경우 수질 오염을 유발할 수 있는 요소이기도 하다. 따라서 벼 생육상태를 좋게 유지하면서 환경 부하도 줄일 수 있는 농업방식에 대한 연구가 필요하다.
이에 본 연구에서는 조생종 벼 품종을 연속관개 방식과 간단관개 방식으로 재배하여 양분유출량 및 벼 수확량을 비교함으로써 기후변화에 대응하기 위한 간단관개의 효과를 살펴보고자 하였다.
Materials and Methods
중량식 라이시미터 및 연구토양 특성
본 연구는 전라북도 완주군 이서면에 위치한 국립농업과학원의 토양수분이동 실험동 논 라이시미터에서 수행하였다. 시험에 사용된 라이시미터는 비교란 중량식 라이시미터 (weighing lysimeter, UGT, Germany)로 높이 1.5 m, 표면적 1 m2인 스테인리스강 재질의 원통형 장치이며, 무게 측정센서가 설치되어 있어 실시간으로 셀 무게 변화를 10 g 단위까지 측정하여 강우 또는 관개수량을 측정할 수 있다. 또한 연구에 사용된 토양은 자연상태 그대로 채취하여 교란이 없는 상태의 토양이며, 토양 용적수분센서와 텐시오미터, 토양용액 채취기, 유출량 측정센서 등이 설치되어 있다. 연구에 사용된 토양은 실트질 식양토 (SiCL, 점토함량 18% 이상)와 사양토 (SL, 점토함량 18% 이하)를 사용하였다. 물관리 방법은 상시 담수 상태인 연속관개 (continuously flooding, CF)와 벼 이앙 30일 후 2일 담수, 3일 건조하는 방법인 간단관개 (alternative wetting and drying, AWD)로 나누어 연구를 진행하였다. 이앙 전 실트질 식양토와 사양토의 데이터 분석 결과를 Table 1에 나타내었다. 실트질 식양토의 pH는 5.8, EC는 0.36 dS m-1, 유기물 함량은 27 g kg-1, 교환성 칼슘함량은 5.5 cmolc kg-1으로 논 토양 적정범위 수준이었고, 사양토는 유기물함량이 적정범위보다 낮고, 유효인산은 적정범위보다 많은 함량을 보이는 특징이 있었다. 교환성 양이온의 함량은 실트질 식양토와 사양토 간 2배 이상의 차이를 보였다. 유효규산의 경우 사양토가 적정범위보다 다소 낮은 함량을 보였다.
Table 1.
Chemical properties of the soils in paddy weighing lysimeters.
| Soil texture |
pH (1:5) |
EC (dS m-1) |
OM (g kg-1) |
Av. P2O5 (mg kg-1) | Exch. cations (cmolc kg-1) |
Av. SiO2 (mg kg-1) | ||
| K+ | Ca2+ | Mg2+ | ||||||
| SiCL1 | 5.8 | 0.36 | 27 | 83 | 0.31 | 5.5 | 1.2 | 236 |
| SL | 5.6 | 0.15 | 16 | 283 | 0.11 | 2.8 | 0.4 | 141 |
| Optimum range | 5.5 - 6.5 | ≤2 | 20 - 30 | 80 - 120 | 0.20 - 0.30 | 5.0 - 6.0 | 1.5 - 2.0 | ≥157 |
시험구 처리내용
처리구는 토성 2개 (SiCL, SL), 물관리 방법 2개 (CF, AWD)를 이용하여 총 4가지 (SiCL-CF, SiCL-AWD, SL-CF, SL-AWD)로 처리하였으며, 라이시미터는 고가의 연구장비로 반복구 추가 설치에 한계가 있어 각 처리구별로 2반복구를 두어 실험하였다. 각 처리구별 물꼬높이는 10 cm로 설정하였다. 벼 품종은 조생종 벼인 “조평 (운봉 42호)”을 이용하였고, 재식밀도는 30 × 15 cm로 라이시미터 1기당 총 16주를 이앙하였으며, 1주당 3모씩 손 이앙하였다. 2021년 5월 20일에 이앙하여 9월 4일에 수확하였다. 비료처리량은 작물별 비료사용처방 (NAS, 2019)에 따라 벼 표준시비량인 N-P2O5-K2O = 11-4.5-5.7 kg 10a-1을 표준재배법에 따라 밑거름과 웃거름으로 나누어 살포하였다.
토양 및 유출수 분석방법
토양화학성은 토양화학분석법 국립농업과학원 (NAAS, 2010)에 준하여 분석하였다. 토양은 지면으로부터 15 cm 깊이에서 채취하였으며, 토양 pH 및 EC는 풍건한 토양을 증류수와 1:5 비율로 30분간 진탕시킨 후 각각 pH meter (Thermo Fisher scientific Orion Star A211), EC meter를 사용하여 측정하였고, EC는 측정값에 5를 곱하여 산정하였다. 유기물은 Tyurin법, 유효인산은 Lancaster법으로 분석하였다. 교환성 양이온은 1 N NH4OAc (pH 7.0)로 침출하여, ICP-OES (Integra XL, GBC, Australia)로 분석하였고, 유효규산은 1M NaOAc (pH 4.0)로 침출하여 비색계 (U-3900H, Hitachi, Japan)를 사용하였다. 무기태 질소 (NH4+-N, NO3--N)는 이온 자동분석기 (AA, QuAAtro, Seal analytical, USA)를 이용하여 분석하였고, 유출수는 수질오염공정시험기준 (MOE, 2017)에 준하여 분석하였으며 질산태질소, 암모늄태질소는 이온 자동분석기 (QuAAtro, Seal analytical, USA)로 측정하였다. 인산염은 염화제일주석환원법으로 비색 정량하였으며, 양이온은 ICP-OES (Integra XL, GBC, Australia)로 측정하였다. 강우 및 관개수의 투입량은 라이시미터의 무게 변화를 통해 계산하였으며, 계산된 관개수량에 관개수의 양분 농도를 곱하여 작기 중 유입된 양분의 양을 산정하였다 (Eq. 1).
통계분석
본 연구에서는 물관리 방법에 따른 토양 및 식물체 특성차이를 비교하기 위해 SAS package (Enterprise Guide 7.1 SAS Institute Inc., USA)를 사용하여 일원분산분석 (one-way ANOVA)을 수행하였다. 분석결과 유의성이 인정되는 경우 (p < 0.05) Duncan’s multiple range test (DMRT)를 이용하여 사후검정을 수행하였다.
Results and Discussion
강우량 및 관개수량과 양분유입량
작기 중 강우는 541 - 667 mm 범위로 유입되었으며, 간단관개 시 물을 뗀 시기에 논물 수위가 낮아져 강우 발생 시 유입된 강우량 및 양분유입량에서 차이가 있었다. 관개수는 291 - 634 mm 범위로 유입되어 토성에 따른 물빠짐 속도 차이에 의해 실트질 식양토보다 사양토에서 관개량이 더 많았다. 간단관개를 하는 경우 담수위가 연속관개 처리구보다 대부분 낮기 때문에 강우 발생 시 동일 면적 내에서 유효강우량에 차이가 발생하였는데, 간단관개 처리구에서 71 - 103 mm 범위로 유효강우량이 많아서 연속관개 처리구 대비 31 - 85 mm의 관개수를 절약할 수 있었다. 라이시미터에 강우와 관개수로 유입된 총 물과 양분의 양은 SL-AWD > SL-CF > SiCL-AWD > SiCL-CF 순으로 많았다.
Table 2.
Nutrient input from rainfall and irrigation water of soil texture and water management regimes.
| Treatment | Rainfall | Irrigation | ||||||
| mm |
N (kg 10a-1) |
P (kg 10a-1) |
K (kg 10a-1) | mm |
N (kg 10a-1) |
P (kg 10a-1) |
K (kg 10a-1) | |
| SiCL - CF1 | 564 a2 | 0.46 a | 0.01 a | 1.12 a | 376 ab | 0.25 ab | 0.01 ab | 0.81 ab |
| SiCL - AWD | 667 a | 0.54 a | 0.01 a | 1.33 a | 291 b | 0.20 b | 0.01 b | 0.63 b |
| SL - CF | 541 a | 0.44 a | 0.01 a | 1.07 a | 634 a | 0.43 a | 0.01 a | 1.36 a |
| SL - AWD | 612 a | 0.50 a | 0.01 a | 1.22 a | 603 a | 0.41 a | 0.01 a | 1.30 a |
유거수량 및 양분 유거유출량
유거유출은 강우 이벤트로 인해 물꼬높이를 넘어 유출되는 유거수를 채취하여 산정하였다 (Table 3). 실트질 식양토는 사양토보다 점토함량이 높아 수분보유능력 및 토양수분포텐셜이 높기 때문에 SiCL-AWD 처리구에서 유거수량이 낮았던 것으로 판단된다. 사양토 처리구에서는 물관리 방법에 따른 큰 차이는 없었으나 상시담수 처리구에서 더 높게 나타났다. 이에 따라 질소, 인, 칼륨의 유출량 또한 간단관개 시 적은 것으로 나타났다. Kim et al. (2016)은 일반적으로 벼 재배기간 동안 논에서 양분물질의 배출 부하량은 강우량이 증가할수록 증가한다고 하였다. 본 연구 결과도 강우가 집중된 시기에 담수위가 물꼬를 넘어 유거유출이 발생하였기 때문에 이와 동일한 결과를 보였다. 양분 유거유출량으로 무기태질소와 칼륨은 유거수량에 비례하는 경향을 보여 유거수량이 가장 많은 SiCL-CF 처리구에서 무기태질소와 칼륨의 유출량 또한 가장 많은 것으로 나타났다. 반면 인산염의 경우에는 처리구보다는 토성에 따른 차이가 크게 나타났는데, 유효인산 함량이 높은 사양토에서 인산염의 유출량 또한 많은 것으로 나타났다. 인산은 인산이온 형태로 물에 녹아 유출되기보다는 토양에 흡착되어 토립자와 함께 유출되는 특징이 있기 때문에 실트질 식양토보다 유효인산의 함량이 높은 사양토에서 토립자와 함께 인산의 유출이 더 많이 일어난 것으로 판단된다.
Table 3.
The amount of nutrients losses due to surface runoff during cultivation.
| Treatment |
Runoff (mm) | Nutrient runoff (kg 10a-1) | |||
| NH4+-N | NO3--N | PO43- | K | ||
| SiCL - CF1 | 202.3 a2 | 0.106 a | 0.058 a | 0.017 ab | 0.469 a |
| SiCL - AWD | 52.9 b | 0.011 b | 0.001 b | 0.000 b | 0.050 b |
| SL - CF | 178.3 a | 0.097 a | 0.021 ab | 0.035 a | 0.312 a |
| SL - AWD | 175.8 a | 0.074 a | 0.025 ab | 0.030 a | 0.397 a |
지하유출수량 및 양분 지하유출량
작물재배 기간동안 발생한 지하유출수량과 농도는 Table 4에 나타내었다. 지하유출수량은 실트질 식양토보다 사양토에서 유출량이 많았고 해당 토성이 갖는 투수속도와 연관이 있는 것으로 보인다. 양분 지하유출량에서 무기태질소는 암모늄태 질소보다 질산태 질소의 형태로 유출이 많이 일어나는 것으로 나타났는데, 질산태 질소는 논 토양에 흡착되지 못하고 유실되며 논의 침투수에서 암모늄태 질소의 농도보다 질산태 질소의 농도가 높게 측정된 Yoon et al. (2002)의 연구결과와 유사하게 나타났다. 물관리 방법에서 질산태 질소 유출량은 지하유출수량에 관계없이 간단관개 처리구보다 상시담수 처리구에서 더 많이 나타났는데 Wang et al. (2023)은 실트질 식양토에서 간단관개 시 상시담수보다 NH4+는 17.5% 감소, NO3-는 8.0 - 12.7% 범위로 감소했다고 보고하였다. 이는 간단관개 시 물과 양분이용효율이 증가하여 지하유출로 유실되는 양이 감소했다고 판단된다. 향후 지속적인 모니터링을 통한 경향을 파악하고, 동일 경향이 나타난다면 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
인산염은 토양에 쉽게 흡착하고 양이온과 빠르게 결합하여 침전되는 특성이 있으며 (Lee et al., 2023), 지하로의 양분 유출은 거의 일어나지 않았다. 칼륨의 유출은 시험 전 토양 분석치 Table 1에서 실트질 식양토의 교환성 칼륨의 농도가 사양토보다 높아 지하유출수량 대비 칼륨의 유출이 많은 것으로 나타났다.
Table 4.
The amount of nutrients losses due to underground leachate during cultivation.
| Treatment |
Leachate (mm) | Nutrient leachate (kg 10a-1) | |||
| NH4+-N | NO3--N | PO43- | K | ||
| SiCL - CF1 | 124.9 c2 | 0.049 b | 0.031 b | 0.001 a | 0.150 b |
| SiCL - AWD | 126.8 c | 0.059 b | 0.013 b | 0.000 a | 0.172 b |
| SL - CF | 460.6 b | 0.226 a | 0.616 a | 0.001 a | 0.242 ab |
| SL - AWD | 602.1 a | 0.254 a | 0.449 a | 0.002 a | 0.314 a |
벼 수확기 생육조사 및 벼 수량
벼 수확기 생육조사 시 경장, 수장, 분얼수, 생물중 그리고 건물중을 측정하였다. 경장은 물관리 방법에 의한 차이는 없었으며, 토성에 대한 유의미한 차이가 있었다. SiCL-CF 처리구에서 76.5 cm로 가장 높았고 SL-AWD 처리구에서 66.3 cm로 가장 낮았다. 수장과 분얼수, 생체중, 건물중에서는 유의미한 차이가 없었다.
벼 수량의 경우 당해연도 병해충의 피해가 발생하여 z-score법을 사용하여 z-score 1.0 이상 차이나는 데이터를 제거한 후 통계분석을 실시하였다 (n = 14). 벼 수량은 물관리 방법에 따른 차이가 컸는데, 실트질 식양토 처리구에서 간단관개 시 연속관개보다 수량이 16.4% 증가하였으며, 사양토 처리구에서 간단관개시 연속관개보다 31.9% 증가하였다. 논에서 간단관개 시 물과 양분을 효율적으로 사용하여 수량이 13.2%까지 증대된다고 하였으며 (GaO et al., 2023), 비료를 나눠서 시비했을때 질소이용효율이 7% 증가하고, 수량이 3.5% 증가되었다고 보고하였다 (Kim et al., 2012). 또한 Ishfaq et al. (2020)는 개화시기에 간단관개는 등숙에 관여하는 효소활성을 증진시켜 등숙속도를 향상시키고 궁극적으로 곡물수확량이 증가한다고 보고하였다. 하지만 Carrijo et al. (2017)는 간단관개 시 토양수분장력이 -20 kPa 이상이거나 토양표면 15 cm 아래에서 감소하지 않는 경우 수확량이 크게 떨어지지 않는다고 하였으며 토양수분장력이 -20 kPa 아래로 감소하였을 때 수확량이 22%까지 감소하였다고 보고하였다. 이에 따라 물관리가 수확량에 매우 밀접한 관계가 있다고 판단된다.
Table 5.
Plant growth and rice grain yield in different soil texture by different water management regimes.
| Treatment |
Stem height (cm hill-1) |
Ear height (cm hill-1) |
No. panicle (ea hill-1) |
Fresh weight (g plant-1) |
Dry weight (g plant-1) |
Rice grain yield (kg 10a-1) |
| SiCL - CF1 | 76.5 a2 | 21.9 a | 19.8 a | 175 a | 59.4 a | 449 bc |
| SiCL - AWD | 75.6 ab | 23.7 a | 25.2 a | 175 a | 66.8 a | 567 ab |
| SL - CF | 67.3 bc | 21.6 a | 24.3 a | 183 a | 56.1 a | 411 c |
| SL - AWD | 66.3 c | 21.9 a | 21.8 a | 172 a | 59.7 a | 603 a |
Conclusions
본 연구에서는 조생종 벼를 재배하는 논에서 연속관개와 간단관개에 따른 양분유출량과 벼 수확량을 비교하였다. 간단관개 시 관개수량이 감소하여 물절약에 효과가 있었으며, 수분보유능력이 큰 실트질 식양토에서 사양토 대비 효과가 더 큰 것으로 나타났다. 양분의 유출은 유출수량과 비례하였는데, 실트질 식양토에서 간단관개를 수행하는 경우 유거수량이 가장 적어 양분의 유거유출량 또한 가장 적게 나타났다. 지하유출의 경우에는 사양토가 실트질 식양토 대비 유출수량이 많았으며, 이로인해 무기태질소와 칼륨의 유출량 또한 많았다. 벼 수량은 실트질 식양토 처리구에서 간단관개 시 연속관개보다 수량이 16.4% 증가하였으며, 사양토 처리구에서는 간단관개 시 연속관개보다 31.9% 증가하였다. 벼 재배 시 간단관개를 수행하면 기후변화로 인한 관개용수 부족 및 기상변화에 대응할 수 있으며, 다양한 토양에서 양분의 유출량은 줄이면서 벼 수량은 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
