Introduction

2019년 기준 우리나라 온실가스 배출량은 701.4백만 톤 (CO₂eq) 인데, 이는 우리나라의 온실가스 배출량이 처음으로 산정된 1990년 배출량 (292.1백만 톤 (CO₂eq))에 비해 2배 이상 증가한 것이다 (GIR, 2021). 또한, 온실가스 종류별 총배출량 중 CO₂는 643.8백만 톤 (CO₂eq)으로 비중이 가장 높았으며, CH₄와 NO₂가 각각 27.5백만 톤 (CO₂eq)과 14.3백만 톤 (CO₂eq) 배출되었다 (GIR, 2021). 비록 CO₂에 비해 배출량은 적지만, CH₄와 NO₂의 100년 기준 지구온난화지수 (global warming potential, GWP)는 각각 CO₂의 28배와 265배로 매우 높다 (IPCC, 2014).

농축산업 부문의 에너지와 비에너지 분야에서 배출되는 온실가스는 3종류 (CO₂, CH₄, NO₂)인데, 농경지에서 배출되는 CO₂는 작물의 광합성과 호흡, 그리고 토양 호흡을 통한 흡수와 배출이 균형을 이루는 것으로 간주하여 다른 산업 분야에서의 배출과 달리 비에너지 분야의 온실가스 배출량 계산에 포함되지 않는다. 따라서, 농축산업의 비에너지 분야에서 직접적으로 배출 및 산정되는 온실가스는 CH₄과 NO₂이다. 2019년 기준, 농축산업분야 온실가스 배출량은 21.0백만 톤 (CO₂eq)으로 이는 국가 온실가스 총 배출량의 3.0%에 해당하며, 그 중 CH₄이 12.0백만 톤 (CO₂eq)으로 절반 이상을 차지한다 (GIR, 2021). 농축산업 분야의 CH₄ 배출 부문은 크게 3가지로 장내발효 (4.6백만 톤 (CO₂eq)), 가축분뇨처리 (1.4백만 톤 (CO₂eq)), 그리고 벼 재배 (5.9백만 톤 (CO₂eq))인데, 벼 재배 부분의 방출량이 가장 많다 (GIR, 2021).

우리나라는 쌀 소비량 감소에 따라 벼 재배면적이 감소하여, 현재까지 논의 CH₄ 발생량은 감소하는 추세이지만, 쌀은 우리나라 주곡이기 때문에 국제 곡물 시장의 불안정성을 감안하면 벼 재배면적 감소에 따른 CH₄ 발생량 감소가 국가 식량안보 측면에서 불리하게 작용할 수도 있다. 따라서, 안정적 쌀 생산과 CH₄ 배출 저감을 모두 추구하는 농업 시스템 운영이 필요하다. 본 연구에서는 기후변화 영향이 상대적으로 심했던 최근 20여년간 우리나라의 강수량과 기온, 벼 생산 면적과 생산량, CH₄ 발생량을 종합적으로 분석하여 우리나라 논 농업의 CH₄ 배출 특성을 파악하였다. 또한, 미래 국가 식량안보를 위해 논 면적을 확보하면서 논에서의 CH₄ 배출 저감이 가능한 벼 재배 관리 기술 적용 사례를 제시하였다.

Materials and Methods

통계 자료

우리나라 벼 재배 면적과 쌀 생산량은 국가통계포털 (KOSIS, 2022) 자료를 사용하였고, CH₄ 배출량은 2019년 기준 국가 온실가스 인벤토리 보고서 자료를 활용하였다 (GIR, 2021). 벼 재배기간 (5 - 10월) 강우량과 평균 기온은 기상청 자료를 사용하였다.

자료 분석

단위면적 및 단위 쌀 생산량당 CH₄배출량을 계산하여 시계열 변화를 분석하였고, 쌀 생산량과 CH₄배출량에 대한 강우량과 기온의 영향은 상관관계 분석으로 검토하였다.

Results and Discussion

우리나라 벼 생산 시스템 변화 및 그에 따른 CH₄ 배출 변화

우리나라의 벼 재배 면적은 1998년에 1,058,927 ha에서 2021년 732,477 ha로 30.8% 감소하였고, 재배 면적 감소에 따라 쌀 생산량 또한 동 기간 23.8% 감소하였다 (Fig. 1a). 하지만, 신품종 개발 등 영농 기술의 발달에 의해 단위면적 당 쌀 수량은 증가하거나 비슷한 양상을 보였다 (Fig. 1b). 단위 면적당 쌀 생산량은 강우량과 기온에 영향을 받았는데, 벼 재배기간 (5 - 10월) 동안의 강우량이 증가하거나 기온이 낮아지면 쌀 생산량이 감소하였다 (Fig. 2). 이는 강우량과 기온이 벼 수량에 직접 영향을 줄 수도 있지만, 강우량이 많거나 기온이 낮은 연도에는 일사량이 낮아져서 벼의 광합성 량이 감소했을 가능성이 매우 크다 (Yang et al., 2015).

Fig. 1.

Changes in (a) rice cultivation area and total rice yield and (b) rice yield per unit area of rice paddy in South Korea for the last two decades (KOSIS, 2022).

Fig. 2.

Relationship of rice yield per area with (a) rainfall (KMA, 2022a) and (b) air temperature (KMA, 2022b) during rice cultivation season in South Korea for the last two decades.

우리나라 논에서 CH₄ 배출량은 논 면적 감소에 따라 지속적으로 감소하였는데, 1998년에 비해 2019년에는 33.5% 감소하였다 (Fig. 3) (GIR, 2021). 반면, 단위 논 면적 당 CH₄ 배출량은 8 - 9 ton CO₂eq였고, 1998년부터 2012년까지는 점진적으로 증가한 이후 다시 감소하는 경향이었고, 가장 최신 자료인 2019년에는 1998년 대비 9.4% 감소하였다. 단위 면적 당 쌀 생산량과 달리, 단위 면적 당 CH₄ 배출량은 강우량 (Fig. 3b) 또는 기온 (Fig. 3c)에 영향을 받지 않았다.

Fig. 3.

Changes in (a) total CH₄ emission and CH₄ emission per unit area of rice paddy in South Korea for the last two decades and the relationship of CH₄ emission per unit area with (b) rainfall and (c) air temperature during rice cultivation season.

단위 쌀 수량 당 CH₄ 배출량도 1998 - 2019년 기간 동안 큰 변화가 없었지만, 쌀 생산성 향상에 따라 감소하는 경향은 나타났다 (Fig. 4a). 단위 쌀 수량 당 CH₄ 배출량과 강우량과 기온의 관계를 분석 결과에 의하면, 벼 재배 기간의 강우량이 많아지고 (Fig. 4b) 기온이 낮아질수록 (Fig. 4c) 단위 쌀 수량 당 CH₄ 배출량은 증가하였다. 비록 온도 상승에 의해 CH₄ 배출량이 증가하는 경우도 있지만 (Allen et al., 2003), 이는 강우량과 온도의 CH₄ 생성 및 배출에 직접적인 영향을 반영하기 보다는, 앞에서 살펴본 바와 같이 쌀 수량에 대한 강우량과 기온의 영향을 반영하는 것으로 판단된다 (Yang et al., 2015). 따라서, 이와 같은 상관관계는 기후변화에 의해 강우량과 기온 변화 폭이 증가하고 있는 농업환경을 고려하면 향후 기상 여건에 따른 쌀 생산량 변화와 그에 따른 단위 쌀 생산량 당 CH₄ 배출량 예측에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 4.

Changes in (a) CH₄ emission per unit rice yield of South Korea for the last two decades and its relation with (b) rainfall and (c) air temperature during rice cultivation season.

우리나라 쌀 소비량 기준 CH₄ 배출 저감 가능량 평가

KOSIS의 양곡소비량조사에 따르면, 우리나라 1인당 연간 쌀 소비량은 1990년 119.6 kg에서 2020년 57.7 kg으로 1990년 이후 지속적으로 감소하고 있다 (Fig. 5). 따라서, 통계청의 인구총조사와 1인당 연간 쌀 소비량 자료를 종합하면, 우리나라의 쌀 자급을 위해 필요한 쌀 요구량도 점진적으로 감소하고 있다 (Fig. 5a). 우리나라의 쌀 요구량과 생산량을 비교하면, 2020년에 우리나라 쌀 요구량은 2,990천 톤, 쌀 생산량은 3,506천 톤으로 쌀 요구량에 비해 생산량이 516천 톤 더 많았다. 따라서, 쌀 자급률 100%로 가정했을 때 쌀 생산량과 요구량을 비교하여, 쌀 잉여 생산량을 줄임으로써 CH₄ 배출을 감소시킬 수 있을 것으로 예측된다. 2019년 기준으로, 쌀 1톤 생산에서 발생하는 CH₄은 1.6톤 (CO₂eq)이고 (Fig. 4a), 우리나라 쌀 생산량은 3,744천 톤 (Fig. 1a), 쌀 요구량은 3,065천 톤이다 (Fig. 5a). 따라서, 2019년 기준 쌀 잉여 생산량 감소에 따른 CH₄ 저감 가능량은 1,072,513톤 (CO₂eq)으로 (Fig. 5b), 이는 2019년 CH₄ 발생량의 18.1%에 해당한다. 하지만, 쌀 생산량 조정을 위해서 논 면적을 인위적으로 감소시키기 보다는 질소 시비량 절감을 통해 수량은 낮지만 품질이 우수한 쌀을 생산하거나, 논 타작물 재배를 통해 국가 식량안보 기반을 유지하는 방향의 정책 이행이 필요하다 (Choi et al., 2022; Han et al., 2022).

Fig. 5.

Changes in (a) national rice demand calculated using rice consumption per capita and (b) the potential of CH₄ reduction by adjusting rice production to meet the national demands in South Korea.

CH₄ 저감 영농 관리 기술

CH₄은 벼 재배 시 담수 상태에서 혐기적 조건이 형성되어 토양 내 미생물에 의해 토양 유기물이 혐기적으로 분해되면서 발생하는 것으로 잘 알려져 있다 (Gwon et al., 2022b). CH₄은 벼 식물체를 통한 운송 (transport), 분출 (ebullition), 확산 (diffusion) 경로를 통해 대기로 배출되는데 (Rajkishore et al., 2015), 벼 재배 과정 전반에 걸쳐 배출되는 CH₄의 90% 이상이 벼 통기조직을 통해서 운송된다 (Schütz et al., 1989). 따라서, 논에서 CH₄ 배출 감소를 위해서는 벼 재배 생리를 고려하여 물 관리를 통해서 일정 정도의 산화 조건을 유지시켜 줄 필요가 있다. 대표적인 논물 관리 방법은 상시 담수, 중간낙수 그리고 논물 얕게대기, SRI (system of rice intensification) 처리 방법 등이 있다 (Kim et al., 2012). 상시 담수는 벼 생육기간 내 논 토양의 담수조건을 계속 유지하는 관행 물 관리 방법이며, 중간낙수는 벼의 생육 중기에 낙수하는 방법이다. 벼 이앙 후 한 달 동안 논물을 깊이 대고, 2 - 3주 정도 물을 빼 논바닥에 작은 금이 생기고 발자국이 생길 정도로 건조시킨다. 논물 얕게대기는 벼 이앙 후 한 달간 논물을 깊이 댄 후 2 - 5 cm 정도 논물을 얕게 대고 자연적으로 말리며 다시 얕게 대는 작업을 이삭이 익을 때까지 반복한다. SRI는 벼 재배에 최소한의 자원을 투입하는 영농 방식으로 물관리와 관련해서는 일시적으로 물을 빼고 기다렸다 다시 자연적으로 말리기를 반복하여 담수를 최소화하고 토양을 호기적 상태로 유지하도록 관개하는 방법이다 (Kim et al., 2012).

벼 생육기간에 따라 CH₄ 배출량이 상이한데, 생육 초기에는 논물 관리 방식과 상관없이 CH₄ 배출량은 증가한다. 하지만, Kim et al. (2012)의 연구 결과에 의하면, 시간이 경과함에 따라 물관리를 적용한 논의 CH₄ 발생량은 상시담수에 비해 중간낙수는 48.1%, SRI처리는 76.8% 감소했다 (Table 1). CH₄ 발생은 담수 깊이에 의해서도 크게 달라지는데, 담수 높이가 높아질수록 산소가 줄어들어 혐기적 조건이 잘 형성되어 CH₄ 발생량이 더욱 뚜렷이 증가한다 (Rath et al., 1999). 따라서, 상시담수에 비교하여 관개수 공급이 감소하면, 논토양의 혐기적 조건을 최소화하고 유기물의 혐기 분해를 낮추어주기 때문에 CH₄이 감소한다. 특히, SRI 처리에서는 논 토양의 건조가 일어나고 호기성 조건을 유지하는 시간이 길어져 CH₄ 배출이 더욱 낮아진다 (Seo et al., 2018).

또한, 이와 같은 물 관리 방법을 통해 벼 생산성 증대와 농업용수 사용량 감소를 모두 추구할 수 있다는 이점이 있다 (Lee et al., 2020). 물관리 방법 (상시담수, 중간낙수, SRI 처리)에 따라 벼 수량은 상시담수에 비해 SRI 처리에서 16.1% 증가하였고, 중간낙수에 의해 2.1% 증가하였다. 또한, 농업용수 사용량은 상시담수에 비해 중간낙수는 15.2%, SRI 처리는 47.4% 감소했다 (Table 1) (Kim et al., 2012). 이와 같이 물관리 방법에 따라 CH₄ 배출량 감소, 수량 증대, 농업용수 사용량 절감 등의 효과를 기대할 수 있기 때문에 현장 이행 확대를 위한 정부의 지원이 필요하다. 하지만, 중간낙수와 논물 얕게대기 등 물 관리에 의해 토양이 호기적으로 전환되어 CH₄는 감소하지만, 질산화에 의한 N₂O 배출이 증가할 수 있다는 문제가 있어 CH₄ 보다 온실효과가 큰 NO₂ 배출도 함께 고려할 필요가 있다 (Cai et al., 1997; Xu et al., 1997; Yan et al., 2000). Gwon et al. (2020)은 논물 관리와 질소 비료 종류에 따른 CH₄과 N₂O 배출량 그리고 벼 수량 비교 연구를 실시하였는데, 벼 수량은 화학비료에 비해 헤어리베치나 완효성요소 비료 투입구에서 많았지만, CH₄과 N₂O 배출량은 결과가 상이했다 (Table 2). CH₄ 배출량은 비종과 상관없이 상시담수에 비해 간단관개와 논물 얕게대기 처리구가 낮았지만, N₂O 배출량은 그 반대였다. 따라서, 비록 논에서 CH₄이 주로 방출되지만, N₂O 배출은 물론 식량 안보를 모두 고려하여 물관리 및 시비 관리 방법을 선택할 필요가 있다.

경운 방식도 온실가스 배출, 토양 유기탄소 함량, 벼 수량에 영향을 줄 수 있는 벼 재배 관리 기술이다 (Gwon et al., 2022a). 경운 종류에는 무경운, 감소경운, 최소경운이 있다 (Lee et al., 2021). 무경운은 농기계를 이용하여 경작지 (논, 밭, 비닐하우스)를 평평하고 고르게 하기 위한 경운, 정지, 평탄 작업을 하지 않고 바로 이앙하는 방법이다. 감소경운은 농작물 재배 시 관행 경운보다 경운 면적과 경운 횟수를 줄여 경운하는 방법으로 경운 깊이를 10 cm로 얕게 하거나, 경운 횟수를 1회만 시행하는 방법이다. 최소경운은 전체 재배 면적을 경운하지 않고 작물 정식 및 파종을 위한 최소 부분만 경운하고 이앙하는 방법이다. 이러한 경운 종류에 따라 토양의 입단 파괴정도가 다른데, 관행경운에 비해 경운을 하지 않거나 감소시키면 유기물 분해가 억제되어 토양 유기탄소 함량이 증가하고, 온실가스 배출량은 감소한다 (RDA, 2018).

Lee et al. (2021)과 Cho et al. (2015)이 논 벼 재배 시 최소경운과 관행경운 처리의 CH₄ 배출량을 조사한 결과, 최소경운에 의해 CH₄ 배출량이 각각 13%와 56 - 67% 감소하였다 (Table 3). 또한, 경운에 의한 인위적인 토양 교란을 최소화하여 유기물이 분해되어 대기 중으로 배출되는 CO₂양을 줄이고 토양 유기물 함량을 높일 수 있는데, 관련 연구에 따르면 경운에 의해 토양 유기탄소 (SOC)가 1.70 ton C ha^-1 감소하였지만, 최소경운과 무경운에 의해 각각 1.36 ton C ha^-1와 1.57 ton C ha^-1 증가하였다 (RDA, 2018). 하지만, 최소경운과 무경운에 의해 벼 수량이 감소할 수 있는데, Kim et al. (1997)의 연구에서는 무경운 9년 재배시 벼 수량이 1.8% 감소하였고, Hong et al. (2003)의 연구에 의하면 무경운 15년 재배시 벼 수량이 1.0% 감소하였다 (Table 3). 따라서, 무경운 초기에는 경운 재배에 비해 수량이 감소하고, 경작 연수가 증가함에 따라 점진적으로 회복되는 것으로 나타났다. 따라서, 논물 관리와 경운 관리를 통해 쌀을 안정적으로 생산하면서 CH₄ 배출을 감축시킬 수 있을 것으로 기대된다.

Conclusions

1998년부터 2021년까지 우리나라 벼 재배면적이 30.8% 감소함에 따라 논의 CH₄ 총 배출량도 33.5% 감소하였다. 벼 재배면적 감소에 따라 쌀 총생산량도 23.8% 감소하였지만, 벼 재배기술 발전에 의해 단위면적당 쌀 생산량은 9.2% 증가하였다. 하지만, 단위면적당 쌀 생산량은 벼 생장 기간 중 기상 조건에 크게 영향을 받았는데, 강우량과 부의 상관관계, 기온과 정의 상관관계가 있었다. 단위 면적당 CH₄ 배출량은 기상 조건에 영향을 받지 않았지만, 단위 쌀 생산량당 CH₄ 배출량은 강우량과 기온에 의한 쌀 생산량 변화에 연동하여 변하였다. 최근, 논에서 CH₄ 배출 저감을 위한 논물 관리와 경운 방식에 대한 연구결과에 의하면, 간단관개와 논물 앝게대기에 의해 CH₄ 배출량은 감소하고 쌀 생산량은 증가하며, 최소경운과 감소경운에 의해 쌀 생산량이 소폭 감소하지만 CH₄ 배출량은 감소하고 토양 유기탄소 함량은 증가하는 것으로 나타났다. 따라서, 이와 같은 CH₄ 저감형 관개 및 경운 기법을 도입하면 논 면적을 줄일 필요가 없이 CH₄ 배출량을 줄일 수 있는 것으로 판단되었다. 특히, 기후변화에 의해 이상기상 발생 빈도가 증가하고 있는 시점에서, 우리나라 주곡인 쌀의 안정적 생산을 위해서는 토지이용 변경보다는 CH₄ 저감형 관개 및 경운 기법을 도입하는 것이 식량 안보 측면에서 필요하다.