Introduction
Materials and Methods
시험포장 및 재배관리
메탄가스 시료채취 및 분석
토양 및 식물체 분석
통계분석
Results and Discussion
메탄 배출량
토양 화학적 특성
벼 생육 및 수량 특성
Conclusions
Introduction
기후변화는 전 세계적으로 심각한 환경문제를 야기하며, 농업 부문에서의 온실가스 배출은 그 주요 원인 중 하나로 지목되고 있다. 특히, 메탄 (CH4)은 이산화탄소 (CO2)보다 약 25배 강한 지구온난화 기여도를 가지며 (IPCC, 2014), 발생하는 메탄의 약 17%가 벼 재배 과정에서 배출되는 것으로 보고되고 있다 (Saunois et al., 2020). 논토양은 담수된 환경으로 혐기성 조건이 형성되어 메탄 생성 미생물의 활동을 촉진시켜 전 세계 메탄발생의 주요원인이 되고 있다. 우리나라의 농업 부문에서도 메탄 배출은 중요한 관리 대상이다. 2018년 기준, 국내 온실가스 총 배출량 6억 5,622만 톤 중 약 2.9%는 농축산업에서 기인하며, 그중 벼 재배는 국내 총 메탄 배출량의 약 22%를 차지하고 있다 (GIR, 2019). 경종 부문 온실가스 배출량의 약 30%를 차지하고 있다. 이러한 배경 속에서 농업 현장에서의 메탄 배출 저감 기술 개발과 현장 적용 가능성을 높이는 방안이 시급히 요구되고 있다.
메탄 배출 저감을 위한 기존 연구는 주로 논의 물 관리와 토양 관리 기술에 집중되어 왔다 (Lee et al., 2023b; Baek et al., 2023). 물 관리 방안으로는 간단관개, 중간낙수와 같은 기술이 개발되어 논의 산화-환원 상태를 조절함으로써 메탄 생성 미생물의 활성을 억제하는 데 효과적이라는 연구결과가 보고되었다 (Yagi et al., 1996; Kim et al., 2015; Kim, 2020). 토양 관리 기술의 경우 유기물 관리와 토양개량제를 활용한 접근이 주로 연구되고 있는데, 논 토양에 유기물을 시용할 경우, 무기질비료와의 상호작용에 따라 메탄 배출량에 차이가 발생한다는 연구결과가 보고되었으며, 볏짚을 제거시 볏집을 투입한 논에 비해 메탄배출량을 감축할 수 있었다 (Sass et al., 1991; Gwon, 2019; Yagi et al., 1990). 한편, 국내외 연구 동향을 살펴보면 벼 생육 단계에서 메탄 배출 특성에 관한 일부 결과가 보고되었으나 (Kim, 2009) 벼 재배과정과 직접적으로 연관된 재배 기술에 대한 연구는 부족한 실정이다. 특히 벼 재배 기술의 중요한 요소 중 하나인 이앙시기와 메탄 배출간의 관계를 체계적으로 분석한 연구는 거의 이루어지지 않았다.
이앙시기의 조절은 메탄 배출에 영향을 미칠 수 있는 논토양의 산화·환원 조건을 변화시킬 수 있었으며 벼의 생육 특성에도 영향을 미칠 수 있다 (Kim et al., 2013). 특히 이앙시기의 조절은 담수일수와 벼의 바이오매스에 영향을 미칠 수 있다 (Lee et al., 2023a). 논의 담수기간이 길어지게되면 혐기성 조건이 오래 유지되게 되며, 이는 메탄 생성 미생물의 활성을 촉진하여 메탄 배출량이 증가할 수 있다. 또한 지하부의 바이오매스의 생산량이 증가한다면 토양 내에서 생성된 메탄이 대기중으로 더 잘 배출될 수 있는데 기존 연구에서 지하부의 바이오매스가 증가할 경우 메탄배출량이 증가하는 경향이 확인된 바 있다 (Kim et al., 2018; Kim et al., 2019).
본 연구에서는 벼논에서 이앙시기를 달리하였을 때 이앙시기에 따른 메탄배출량의 변화를 분석하고 이를 기반으로 경상지역에서 메탄배출량을 최소화 할 수 있는 최적의 이앙시기를 선정하는 것을 목표로 하고 있다.
Materials and Methods
시험포장 및 재배관리
본 연구는 농촌진흥청 국립식량과학원 남부작물부 인근에 위치한 논토양 (35°29'32.4"N, 128°44'31.9"E)에서 진행하였다. 공시토양의 pH는 6.2이었으며 유기물함량은 18.6 g kg-1이었으며 세부적인 공시토양의 이화학적 특성은 Table 1에 나타냈다.
이앙시기에 따른 메탄배출량을 조사하기 위해 중만생종 ‘새일미 (Saeilmi)’를 2022년 5월 10일 (1차 이앙)을 시작으로 15일 간격으로 5월 25일 (2차 이앙), 6월 10일 (3차 이앙), 6월 25일 (4차 이앙)에 총 4회에 걸쳐 손이앙하였다. 이앙밀도는 15 × 30 cm로 설정하였으며, 각 이앙 시기별로 처리구는 난괴법으로 설정하였으며, 각 처리구 면적은 모두 23.5 m2 (3.4 m × 6.9 m)로 동일하게 설계되었다. 출수기 이후 적산온도가 1,150 - 1,200°C 일 때 수확하였으며, 2022년 10월5일 (1차이앙), 10월7일 (2차이앙), 10월12일 (3차이앙), 10월24일 (4차이앙)에 수확하였다. 재배관리는 농촌진흥청 작물재배시험법을 준수하였으며, 기비는 2022년 5월10일 (1차이앙), 5월 25일 (2차이앙), 6월 10일 (3차이앙), 6월 25일 (4차 이앙)에 시비하였으며 분얼비는 2022년 5월24일 (1차이앙), 6월10일 (2차이앙), 6월24일 (3차이앙), 7월10일 (4차이앙), 수비는 2022년 7월16일 (1차이앙), 7월21일 (2차이앙), 7월26일 (3차이앙), 7월31일 (4차이앙)에 시비하였으며 시비량은 N-P2O5-K2O=90-45-57 kg/ha 로 시비하였다. 모든 처리구에서는 이앙 7일 전부터 물대기를 시작하여 2022년 5월3일 (1차이앙), 5월17일 (2차이앙), 6월3일 (3차이앙), 6월18일 (4차이앙)부터 재배기간 동안 담수상태를 유지하였으며 수확 전 낙수는 출수기에서 30일 이후인 2022년 9월9일 (1차이앙), 9월15일 (2차이앙), 9월19일 (3차이앙) 9월 29일 (4차이앙)에 진행하였다.
Table 1.
Physicochemical properties of the soil in experimental paddy soil.
|
pH1 (1:5) |
OM (g kg-1) |
Av. P2O5 (mg kg-1) |
Av. SiO2 (mg kg-1) |
NH4+ (mg kg-1) |
NO3- (mg kg-1) | Exch. cations (cmolc kg-1) |
BD (g cm-3) | ||
| K | Ca | Mg | |||||||
| 6.2 | 18.6 | 149 | 101 | 1.7 | 1.8 | 0.9 | 8.2 | 1.6 | 1.1 |
메탄가스 시료채취 및 분석
이앙시기별 논토양의 메탄배출량은 closed chamber 법 (Conen and Smith, 2003)을 통하여 측정되었다. 챔버는 벼 8주를 포함할 수 있도록 배치하여 각 처리구의 정 중앙에 총 3반복으로 위치하였다. 메탄가스 시료는 일주일 간격으로 채취하였으며, 비료시비나 집중강우와 같은 특이적인 상황에서는 주 2회 이상 채취하였다. 메탄가스 시료의 채취는 10:00 - 12:00시 사이에 진행하였으며, 측정시작 직후 0분, 챔버 내부 농도가 안정화되고 더 이상 증가하지 않는 시점으로 판단되는 시간인 30분에 두 번 채취하였다. 가스 시료 채취 전후로 대기 중 메탄가스 시료를 채취하였으며 각 챔버의 내부 온도와 유효높이를 측정하였다. 채취된 메탄가스 시료의 농도 분석은 가스크로마토그래피-질량분석계 (GC-MS QP2020, Shimadzu Japan)을 사용하였다. 메탄가스의 배출량은 아래의 식을 사용하였다.
F는 단위면적당 단위시간동안 발생하는 메탄배출량을 나타내며 ρ는 표준상태 (273 K, 1 atm)에서 가스 밀도 (mg cm-3)를 의미한다. V는 챔버 내 공기 체적 (m3), A는 챔버의 면적 (m2), Δc /Δ는 챔버 내 가스 농도의 평균 증가 속도 (mg m3 hr-1), T는 챔버 내 절대온도 (K)를 의미한다.
산출된 메탄가스의 배출량을 이용하여 벼 재배기간동안 배출된 누적메탄배출량은 아래의 식을 사용하였다.
Ri는 i번째 가스시료 채취 시기에 메탄 배출량 (g ha-1 day-1), Di는 i번째 가스시료 채취 시기에 시료 채취 간격 (day)을 의미한다. 일 평균 온도, 일 강수량의 기상자료는 기상청 지역별상세관측자료 (AWS, Automatic Weather Station)를 참고하였으며, 경상남도 밀양시 점필재로 5에 위치한 관측소 (35°29N,128°44E, 시험포장에서 이격거리: 0.28 km)에서 측정한 자료를 이용하였다.
토양 및 식물체 분석
토양시료는 각 처리구 중앙의 15 cm 깊이에서 채취하여 그늘에서 3주 이상 풍건시킨 후 2 mm 체에 통과시켜 분석하였다. pH는 토양을 증류수와 1:5 비율로 30분간 교반한 후 pH meter (Orion Star A215, Thermo Scientific Oriion, USA)로 측정하였으며, 유기물 함량은 Walkley and Black 법을, 총 질소 함량은 Kjeldahl 법을, 유효인산의 함량은 Lancaster 법을, 유효규산의 함량은 몰리브덴청법 (molybdenum blue Method)를 이용하여 분석하였다. 토양 내 무기태 질소 분석은 토양 건조시료 5 g에 25mL의 2M KCL을 넣고 30분동안 진탕한 후 Whatman No. 2로 여과하여 침출액을 이용하여 AA (SEAL Analytical AA500 AutoAnalyzer, USA)로 측정하였다. 치환성 양이온 K+, Ca+, Mg2+는 1 M NH4-acetate (pH 7.0)로 침출한 후 AAS (atomic absorption spectrosscopy, AA-70000, Shimadzu, Japan)로 측정하였다.
식물체 시료는 수확 후 벼를 지상부와 지하부로 분리시키고 흐르는 물에 세척하여 이물질을 제거한 후 지상부는 드라이 오븐에서 70°C에서 72시간 건조 후 지상부 건물중을 측정하였으며, 지하부는 그늘에서 3주 이상 풍건시킨 후 건물중을 측정하였으며, 총 건물중은 지상부와 지하부 건물중을 합하여 산출하였다. 정조수량과 수량 구성 요소를 조사하였으며, 수량 구성 요소로는 이삭수, 분얼당영화수, 등숙비율, 천립중을 분석하였다. 이삭수는 단위면적당 이삭수를 20주에서 계수하였으며 분얼당영화수는 단위 이삭당 전체 영화수를 이삭수로 나누어 3주에서 계수하였다. 등숙비율은 3반복으로 등숙립 수를 총립 수로 나눈 후 백분율로 측정하였으며, 천립중은 등숙립 1,000립의 무게를 3반복으로 측정하였다. 정조수량은 처리구 당 20주를 채취 후 알곡수량을 조사하였다.
통계분석
처리구간 모든 통계는 Statistix 통계프로그램 (버전 9.0)을 이용하여 통계처리하였다. 처리구간의 차이를 비교하기 위하여 ANOVA 검증을 실시하였으며 F-test 결과 값이 p < 0.05의 범위에서 유의한 경우에만 최소유의차검정 (least significant difference)을 실시하였다.
Results and Discussion
메탄 배출량
재배 기간 동안 CH4의 일일 배출량은 Fig. 1과 같다. 일일 메탄 배출량은 이앙 시기와 관계없이 유사한 경향을 나타내었다. 모든 이앙시기에서 메탄 배출량은 재배 초기에 낮은 수준을 유지하다가 점차 증가하여 최대 일일 배출량에 도달한 후 다시 감소하는 경향을 나타냈다. 이러한 경향은 재배기간 중 평균온도의 경향과 유사하다 (Fig. 2). 메탄 배출량의 증가는 벼 생육 과정에서 유기물 분해량이 증가하고 벼가 성장함에 따라 메탄생성이 촉진된 것으로 판단된다. 이러한 결과는 벼의 생장기에 뿌리 분비물과 뿌리 잔재물의 분해가 메탄 생성을 촉진시켰던 선행 연구와 일치하였다 (Qin et al., 2015). 한편, 메탄 배출량의 감소는 벼가 생식생장기로 접어들면서 탄소의 이동이 알곡으로 집중되어 메탄배출량이 감소한 것으로 판단된다. Kim (2009)등은 벼 출수기 이후 메탄 배출량이 감소한다고 보고하였다. 산화조건의 강화는 메탄배출량의 감소로 이어질 수 있었는데 (Kim et al., 2013), 수확 전 낙수를 통한 산화 조건의 강화됨에 따라 이에 따른 산화 환원 전위의 상승이 주요 원인으로 작용한 것으로 판단된다. 이앙시기별로 메탄 배출량의 최대치는 차이를 보였으며, 1차 이앙시기에서 2022년 7월 29일 다른 이앙 시기들에 비해 가장 높은 메탄 배출량인 6697g ha-1로 나타났다. 이러한 결과는 여름철 고온으로 인해 발생된 결과로 판단된다 (Fig. 2). 대기온도의 1.5 - 3.0°C의 상승은 메탄배출량을 최대 13%까지 증가시킬 수 있었다 (Kim, 2020).
이앙시기에 따른 누적메탄배출량은 Fig. 3과 같다. 1차이앙시기의 누적 메탄배출량은 337.15 kg ha-1로 가장 높았으며, 이후 이앙시기가 늦어질수록 누적메탄배출량은 급격하게 감소하였다. 따라서 이앙시기의 조절을 통하여 누적메탄배출량을 최대 65%가량 감축할 수 있었다. 이앙시기가 늦어지게 되면 재배기간중 평균 온도가 증가하게 되는데 (Fig. 2) 벼가 생애주기를 빨리 완료하기 위해 조기에 출수하게 되고 (Hwang et al., 2019), 생식생장에 집중하기 위해 메탄배출량 에 영향을 미칠 수 있는 지하부의 바이오매스가 감소할 수 있으며, 또한 담수일수의 단축으로 이어져 산화 ‧ 환원전위의 상승으로 인한 결과로 추정된다. 이앙시기에 따른 누적메탄배출량은 아래와 같은 2차 회귀곡선을 나타내었다 (Fig. 3).
2차 회귀곡선을 통하여 경상지역에서 메탄배출량을 최소화할 수 있는 최적의 이앙시기는 메탄누적배출량이 가장 낮았던 6월25일경으로 판단된다 (Fig. 3).
Fig. 3.
Cumulative CH4 emissions for different transplanting times. 1st-transplanting on 05/10, 2nd-transplanting on 05/25, 3rd-transplanting on 06/10, 4th- transplanting on 06/25. Cultivar: Medium-late-mautring-Saeilmi. Different lower case letter denotes a significant difference at p < 0.05, Asterisk indicate significant difference (*** P < 0.001).
토양 화학적 특성
작물 수확 후 토양의 화학적 특성은 이앙시기에 따라 일정한 변화 경향이 나타나지 않았으며 (Table 2), 이는 이앙시기별로 토양의 화학적 특성에 영향을 미칠 수 있는 유기물 투입량이나 (Sass et al., 1991; Gwon et al., 2019; Yagi et al., 1990), 비료시비량에도 차이가 없으며, 토양의 물리적 특성을 변화시킬 수 있는 경운과 같은 요인들이 모두 동일하기 때문으로 판단된다. 토양 유기물 함량은 3차 이앙에서 가장 높았고 (19.1 g kg-1), NH4⁺ 함량은 3차 이앙에서 가장 높았으며 (11.6 mg kg-1), 4차 이앙에서는 가장 낮은 값 (6.3 mg kg-1)으로 유의미한 차이가 관찰되었으나 다른 항목들에서는 이앙시기에 따라서 유의미한 차이가 관찰되지 않았다. 토양의 화학적 특성과 누적메탄배출량과 상관관계분석 결과 (Table 3)에서도 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 토양의 유효인산 (Av.P2O5)과는 유의미한 음의 상관관계가 나타났으나 수확후 유효인산 (Av.P2O5)의 함량 (Table 2)에서 유의미한 상관관계를 찾아볼 수 없었다.
Table 2.
Changes in physicochemical properties of soil after harvest depending on transplanting time.
|
Transplanting time |
pH1 (1:5) |
OM (g kg-1) |
Av. P2O5 (mg kg-1) |
Av. SiO2 (mg kg-1) |
NH4+ (mg kg-1) | NO3- (mg kg-1) | Exch. cations (cmolc kg-1) | ||
| K | Ca | Mg | |||||||
| 1st | 5.7 ns | 14.3 b | 90.3 ns | 71.2 ns | 11.1 a | 0.9 ab | 0.2 ns | 6.9 ns | 1.4 ns |
| 2nd | 5.8 ns | 12.9 b | 90.8 ns | 79.6 ns | 10.0 a | 0.7 b | 0.3 ns | 6.6 ns | 1.3 ns |
| 3rd | 5.8 ns | 19.1 a | 99.4 ns | 73.2 ns | 11.6 a | 1.0 a | 0.2 ns | 7.0 ns | 1.4 ns |
| 4th | 5.9 ns | 13.8 b | 101.1 ns | 82.6 ns | 6.3 b | 0.7 b | 0.3 ns | 7.0 ns | 1.3 ns |
Table 3.
Correlation coefficients between chemical properties, rice physiology/growth trait and cumulative methane emissions.
| Category | Parameters | Correlation coefficient (r) |
| Soil Properties | pH1 (1:5) | -0.22 |
| OM | -0.19 | |
| Av. P2O5 | -0.69* | |
| Av. SiO2 | -0.34 | |
| NH4+ | 0.48 | |
| NO3- | 0.10 | |
| K | -0.43 | |
| Ca | -0.24 | |
| Mg | 0.09 | |
| Yield Components | Panicle number per hill | -0.31 |
| Number of tillering per ear | 0.25 | |
| Percentage of ripened grains | -0.47 | |
| Thousand-kernel weight | 0.37 | |
| Biomass | ||
| Grain yield | -0.03 | |
| Total biomass | 0.13 | |
| Shoot biomass | -0.78** | |
| Root biomass | 0.75** |
벼 생육 및 수량 특성
이앙시기에 따른 벼 수량 특성과 정조수량은 Table 4에 나타내었다. 이삭수 (12.4개), 분얼당영화수 (123.6개), 천립중 (24.9 g)이 모두 1차이앙에서 가장 높은 값을 기록하였으며 이앙시기가 늦어짐에 따라서 감소하는 경향이 나타났지만 등숙률은 이앙시기에 따라서 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 정조수량의 경우 1차이앙 (6.63 Mg ha-1)에서 가장 높은 수량을 달성하였으며, 이앙시기가 늦어짐에 따라서 감소하는 경향이 나타났다. 조기이앙시 벼가 생육할 수 있는 기간이 증가하게되며, 광합성 활동과 영양 생장이 충분히 이루어지고 특히 출수기와 성숙기가 비교적 긴 시간동안 진행되었기 때문에 높은 수량특성을 달성할 수 있었으며 양질의 알곡생산이 이루어졌다고 판단된다. 이러한 결과는 조기이앙에서 높은 벼 수량특성과 정조수량을 달성하였던 선행연구와 일치한다 (Kim et al., 2013). 그러나 벼 수량 특성, 정조수량과 누적메탄배출량과의 상관관계 (Table 3)는 유의미하지 않았다.
Table 4.
Growth characteristics and yield components of rice for transplanting time.
|
Transplanting time |
Number of tillers per hill (ea plant-1) |
Number of tillering per ear (count) |
Ripening rate (%) |
1000- grain weight (g) |
Grain yield (Mg ha-1) |
| 1st1 | 12.4 b | 123.6 a | 78.4 ns | 24.9 b | 663 a |
| 2nd | 12.2 b | 87.0 c | 76.4 ns | 26.5 a | 473 b |
| 3rd | 14.2 a | 94.2 c | 81.2 ns | 24.6 bc | 596 a |
| 4th | 12.5 b | 113.5 b | 80.9 ns | 24.2 c | 615 a |
이앙시기에 따른 벼의 바이오매스의 변화는 Fig. 4에 제시된 바와 같이 지상부 바이오매스, 지하부 바이오매스, 총 바이오매스 모두에서 뚜렷한 차이를 나타냈다. 지상부 바이오매스는 1차 이앙 (11.5 Mg ha-1)에서 가장 높은 값을 보인 이후, 이앙시기가 늦어짐에 따라서 증가하였다. 반면, 지하부 바이오매스는 이앙시기가 늦어짐에 따라 급격히 감소하는 경향을 보였다. 1차 이앙 (4.6 Mg ha-1)과 2차 이앙 (4.9 Mg ha-1)에서는 비교적 높은 값을 유지했으나, 3차이앙 (2.4 Mg ha-1)과 4차 이앙 (1.8 Mg ha-1)에서는 현저히 감소하였다. 지상부와 지하부의 바이오매스의 변화는 이앙시기 지연으로 인해 재배기간과 담수기간이 단축되면서 벼가 생식생장에 집중하게 되고, 이에 따라 지하부 바이오매스 할당이 줄어든 결과로 판단되며, 제한된 에너지를 지상부와 지하부가 나눠서 사용해야하기 때문에 지상부와 지하부는 반대 경향이 나타났다고 판단된다. 지상부와 지하부 바이오매스를 합한 총 바이오매스는 1차 이앙에서 16.1 Mg ha-1로 가장 높은 값을 나타냈으며, 이후 이앙시기가 지연됨에 따라서 점진적으로 감소하였는데 지상부의 상승률보다 지하부의 감소율이 더 높았기 때문이라고 판단된다. 누적메탄배출량은 지상부 및 지하부 바이오매스와 유의미한 상관관계를 보였다 (Table 3). 특히 지하부 바이오매스는 토양내에서 생성된 메탄이 대기중으로 배출되는 양이 벼를 심은 토양에서 벼를 심지 않은 토양에 비해 더 많기 때문에 메탄 배출에 직접적으로 기여하고 있다는 것을 유추할 수 있다. 지하부 바이오매스가 발달할수록 토양 내에서 생성된 메탄이 뿌리를 통해 확산될 수 있는 표면적이 증가하며, 토양내에서 생성된 메탄의 수송을 담당하는 뿌리 통기조직의 발달로 이어져 메탄 배출량이 증가로 이어질 수 있다. 또한, 메탄생성균이 기질로 활용하는 뿌리 삼출물의 양은 지하부 바이오매스와 비례하기 때문에, 지하부 바이오매스의 증가는 누적메탄배출량과 유의미한 양의 상관관계가 나타난 것으로 판단된다.
Conclusions
벼 재배 기간 동안 메탄 배출량은 이앙시기와 관계없이 초기에는 낮은 수준을 유지하다가 점차 증가하여 최대치에 도달한 후 감소하는 경향을 보였다. 누적 메탄 배출량은 이앙 시기가 늦어질수록 급격히 감소하였으며, 이에 따라 경상 지역에서 메탄 배출량을 최소화할 수 있는 만생종의 최적의 이앙 시기를 6월 25일경으로 선정하였다. 지하부 바이오매스는 메탄 배출량과 유의미한 상관관계를 나타냈으며, 이는 지하부의 통기 조직 발달과 뿌리 삼출물이 메탄 생성 및 배출에 영향을 미친 결과로 판단된다. 따라서 이앙 시기의 조절은 벼 재배지에서 발생하는 메탄배출량을 감축할 수 있는 수단으로 활용될 수 있을 것이다. 향후 농업분야의 주요 온실가로는 메탄만 존재하는 것이기 아니기 때문에 농업 분야의 주요 온실가스인 아산화질소 배출량에 대한 분석이 필요할 것이며, 이앙 시기의 변화는 벼의 생육 특성에 밀접한 영향을 미치는 만큼, 이앙 시기에 따른 벼 생육 특성 변화의 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
