Life Cycle Assessment of Greenhouse Gas Emission of Rice Cultivation under Minimum Tillage in the Gimje,  South Korea

Ju-Hyeon Jin; Hyun-Cheol Jeong; Sun-Il Lee; Hyoung-Seok Lee; Hye-Ran Park; Ye-Seul Yu; Jong-Mun Lee; Yun-Ho Lee; Hyo-Suk Gown

doi:10.7745/KJSSF.2023.56.4.300

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Original research article

Korean Journal of Soil Science and Fertilizer. 30 November 2023. 300-312
https://doi.org/10.7745/KJSSF.2023.56.4.300

Life Cycle Assessment of Greenhouse Gas Emission of Rice Cultivation under Minimum Tillage in the Gimje, South Korea

Ju-Hyeon Jin¹

Hyun-Cheol Jeong²

Sun-Il Lee³

Hyoung-Seok Lee³

Hye-Ran Park³

Ye-Seul Yu⁴

Jong-Mun Lee⁵

Yun-Ho Lee⁶

Hyo-Suk Gown³^*

¹Collaborative Research Course, Climate Change Assessment Division, National Institute of Agricultural Sciences, RDA, Wanju 55365, Korea

²Agricultural Senior Researcher, Climate Change Assessment Division, National Institute of Agricultural Sciences, RDA, Wanju 55365, Korea

³Agricultural Researcher, Climate Change Assessment Division, National Institute of Agricultural Sciences, RDA, Wanju 55365, Korea

⁴Researcher, Climate Change Assessment Division, National Institute of Agricultural Sciences, RDA, Wanju 55365, Korea

⁵Postdoctoral Researcher, Climate Change Assessment Division, National Institute of Agricultural Sciences, RDA, Wanju 55365, Korea

⁶Agricultural Researcher, Crop Production & Physiology Division, National Institute of Crop Science, Wanju 55365, Korea

^{*Corresponding Author}

ABSTRACT

The minimum tillage is a method of reducing energy consumption and greenhouse gas emissions by only tilling the part of areas where crops are planted. Until now, most studies have estimated greenhouse gas emissions only from the gases emitted during crop cultivation in rice paddy. However, greenhouse gases are also emitted from agricultural material (energy, fertilizers, pesticide, and other materials) inputs. Therefore, this study aims to comprehensively estimate greenhouse gas emissions from agricultural material inputs and minimum tillage conducted paddy during rice cultivation. The experiment was conducted in rice paddy from Gimje, South Korea, where conventional tillage and minimum tillage were implemented. Greenhouse gas emissions were obtained by direct measurement of methane (CH₄) and nitrous oxide (N₂O) emissions from rice paddy and calculation using life cycle assessment (LCA) for emissions from agricultural material input. The results showed that direct GWP during crop growth were 1.42 Mg CO₂-eq. ha^-1 in conventional tillage, and 1.02 Mg CO₂-eq. ha^-1 in minimum tillage. Greenhouse gas emissions from the input of agricultural materials were 0.84 Mg CO₂-eq. ha^-1 in conventional tillage and 0.63 Mg CO₂-eq. ha^-1 in minimum tillage. Minimum tillage (1.65 Mg CO₂-eq. ha^-1) was lower in the total greenhouse gas emissions (direct emissions + emissions from agricultural material inputs) than conventional tillage (2.26 Mg CO₂-eq. ha^-1). This is a result indicating that greenhouse gas emissions are greatly affected by direct emission in paddy and energy input, which could reduce greenhouse gas emissions when the minimum tillage was applied than the conventional tillage. It is expected that greenhouse gas emission reduction strategies in the agricultural sector could be reduced by applying minimum tillage to cropland and reducing the use of agricultural material.

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Total greenhouse gas emission of conventional tillage and minimum tillage treatment during rice cultivation in paddy. The same letters indicate a not significant difference between treatment (p < 0.05, t-test). ns indicate a not significant.

Keywords

Agricultural materials

Methane

Nitrous oxide

Paddy

MAIN

Introduction
Materials and Methods
실험 처리구 및 벼 재배 정보
시료 채취 및 분석
전과정평가 방법론 및 산정
농경지 온실가스 시료 채취 및 분석
직접 온실가스 배출량 산정 (direct global warming potential, Direct GWP)
통계분석
Results and Discussion
작기 중 온실가스 배출량
농자재 사용으로 인한 온실가스 배출 분석
농경지 및 농자재 사용에 따른 총 온실가스 배출량
Conclusions

Introduction

국가 온실가스 인벤토리 보고서 (national greenhouse gas inventory report, NIR)에 따르면 2020년 국내 농업 분야에서 총 21.1백만 톤 CO₂-eq. (21 Mt CO₂-eq.)의 온실가스가 배출되고 있다 (GIR, 2023). 이중 벼 재배과정에서 발생하는 온실가스 배출량은 전체 농업분야의 27.1% (5.7 Mt CO₂-eq.)로 가장 높은 비중을 차지하고 있다 (GIR, 2023).

통계청에 따르면 2022년도 우리나라 경지면적 중 50.8%는 논 (775,640 ha)이다 (KOSIS, 2023). 논에서는 담수조건으로 벼를 재배하며, 이로 인해 혐기성 토양 조건이 형성되고 메탄 (CH₄)이 배출된다. 메탄은 대기 중에 배출되면 100년 기준으로 이산화탄소 (CO₂)보다 25배 강력한 지구온난화에 영향을 준다 (IPCC, 2007). 이에, IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)는 메탄을 지구 평균온도를 0.5°C 증가시키는 원인물질 중 하나로 지목하였으며, 2021년 미국과 유럽연합은 온난화를 완화하기 위한 노력의 일환으로 전 세계 메탄 배출량을 2030년까지 2020년 대비 최소 30%를 감축하는 국제메탄서약 (global methane pledge)을 발표하였다 (European Commission and United States of America, 2021). 한편, 2020년 기준 우리나라 농업에서 배출되는 온실가스의 56.4%는 메탄으로, 세계적 추세에 따라 농업분야의 국제메탄서약에 동참하기 위한 노력이 요구되는 상황이다 (GIR, 2023).

우리나라 논에서 활용되고 있는 메탄저감기술은 주로 논물관리인 간단관개가 86.47% 차지하고 있다 (GIR, 2023). 그러나 논물관리가 이미 대부분의 메탄 감축에 적용되고 있는 만큼 추가적인 감축기술 도입이 필요하다. 선행 연구에 따르면 논에서의 온실가스 배출은 경운 여부에 영향을 받을 수 있다 (Kim et al., 2016b; Gwon et al., 2019). 특히, Kang et al. (2013)은 농업부문 온실가스 배출량을 줄이기 위해 논에서의 무경운 (no-tillage) 실시를 주장한 바 있다. Kim et al. (2016a)은 무경운-건답직파가 관행경운보다 약 77%의 메탄 발생량을 감축하였으며, 쌀 수확량은 관행경운보다 적었지만 통계적으로 유의한 차이는 없다고 하였다. Bayer et al. (2014)은 관행경운보다 무경운이 21%의 메탄 저감 효과가 있다고 하였고, Ali et al. (2009)은 규산질 비료를 추가 시비한 조건에서 무경운이 관행경운보다 메탄 배출량이 54%가 적었음을 확인하였다. 그러나 무경운을 지속할 경우 식물 잔사가 토양 표면에 쌓이면서 토양 환원조건이 발달하여 온실가스 배출이 오히려 증가할 수 있다 (Kang et al., 2013; Kim et al., 2016b). 또한 벼 이앙 시 모의 이식이 불안정하여 모가 물에 뜨는 문제가 생기기도 한다 (Kang et al., 2013; Kim et al., 2016b; Gwon et al., 2022). 이 경우 결주율이 관행경운보다 8.11% 높아져 쌀의 생산성이 떨어지게 되고 추가적인 노동력이 들어가게 된다 (NICS, 2019). 이러한 단점을 보완할 수 있는 방법으로 최소경운 (minimum tillage)이 있다. 최소경운은 작물을 심는 부분만을 최소한으로 하여 경운하는 방법이고, 무경운의 뜬모 발생 부작용을 최소화하면서도 메탄 배출 저감의 무경운의 장점을 살릴 수 있다. 따라서 본 연구에서는 무경운의 단점을 보완하는 최소경운법을 적용하여, 벼 재배과정 중 최소경운에 따른 메탄 배출량과 농경지에 질소비료 투입으로 인해 배출되는 주요 온실가스 중 하나인 아산화질소 배출량의 감소효과를 함께 평가하고자 한다.

온실가스는 작물을 재배하는 농경지에서만 발생하는 것이 아닌 농기계, 기타 농자재를 사용하는 과정에서도 발생한다. 그러나 현재 국내에서는 작기 중 사용된 에너지를 포함한 온실가스의 연구 사례가 미비한 상황이다. 이와 관련하여 제품의 전과정 즉, 원료 채취부터 제품 제조, 사용, 폐기까지 모든 과정을 포함하여 잠재적인 환경영향을 정량적으로 평가하는 전과정평가가 필요하다 (Lee et al., 2012a, 2012b). 본 연구는 전과정평가를 적용하여 산정한 온실가스 배출량은 최소경운에 따른 농기계 사용 (연료 사용량, 빈도 등) 및 농자재 사용량의 증감에 영향을 받을 수 있다고 판단하였다. 따라서 기존 농업부문의 온실가스 산정범위 즉, 재배 중 발생하는 온실가스 배출 외에 농기계 사용, 비료 생산, 작물보호제를 생산함에 따라 발생하는 온실가스를 포괄적으로 산정하여 실제 농업에서 얼마만큼의 온실가스 배출이 되는지 포괄적인 평가를 시도하였다.

Materials and Methods

실험 처리구 및 벼 재배 정보

본 실험은 김제시 복죽동 (위도 35°48'36.5"N, 경도 126°50'35.9"E)에 위치한 현지 농가의 벼 재배 포장에서 수행되었으며 일반적인 농업형태인 관행경운구과 최소경운을 적용한 최소경운구로 설정하였다. 시험을 실시한 토양은 실트질 식양토 (silty clay loam)였으며, 그 외 토양 화학성 정보는 다음 Table 1과 같다.

Table 1.

Chemical properties of soil.

Treatment	pH (1:5, H₂O)	EC^† (1:5, dS m^-1)	OM (g kg^-1)	T-N (g kg^-1)	Av. P₂O₅ (mg kg^-1)	Exch. cations (cmol_c kg^-1)
Treatment	pH (1:5, H₂O)	EC^† (1:5, dS m^-1)	OM (g kg^-1)	T-N (g kg^-1)	Av. P₂O₅ (mg kg^-1)	K	Ca	Mg
Conventional tillage	5.8	0.46	28.6	2.24	138	0.15	6.02	1.78
Minimum tillage	6.0	0.41	29.7	2.43	203	0.12	5.95	1.96

^†EC, electrical conductivity; OM, organic matter; T-N, total N; Av. P₂O₅, available P₂O₅.

시료 채취 및 분석

각 처리구에서 토양을 채취한 후 바람이 잘 통하는 그늘에서 충분히 건조 후 2 mm 체로 통과시킨 뒤, 화학분석에 사용하였다. 토양 분석은 종합검정실 분석 매뉴얼: 토양 ‧ 식물체 ‧ 수질 ‧ 액비 분석에 따라 실험을 진행하였다 (RDA, 2013). 토양 pH는 토양과 증류수를 1:5 (w:v)로 혼합하여 120 rpm으로 30분 교반한 뒤 측정하였고 그 후 이 용액을 여과하여 염농도 (electrical conductivity, EC)를 측정한 값에 5를 곱하여 나타냈다 (Orison 4 star, Thermo, Singapore). 토양 유기물 및 질소 함량은 원소 분석기 (Vario Max CN, Elementar, Germany)로 분석하였으며, 유효인산 함량은 Lancaster 법으로 침출 후 720 nm 파장에서 비색계 (AU/CARY 300, Varian Australia)를 활용하여 측정하였다. 교환성 양이온은 1 M의 아세트산 암모늄 (Ammonium acetate, NH₄OAC, pH 7.0)으로 침출하여 여과한 뒤 유도결합플라즈마분광기 (Optima 7300, DV, Perkin Elmer, USA)로 분석하였다.

관행경운 농법과 비교하여 최소경운에 의한 온실가스 배출 특성을 평가하기 위해 경운을 달리한 두 가지 처리구로 시험포장을 구분하여 벼를 재배하였다 (Supplementary Table 1). 관행경운구에서는 춘경 (spring tillage)을 실시하고 모 이앙 전 써레질 (harrowing)을 실시하였다. 반면 최소경운구에서는 모 이앙 시기에만 부분 경운이 수행되어 춘경과 써레질 작업이 생략되었다. 이때, 최소경운구에서는 모를 이앙하는 부분만을 경운하여 토양 교란을 최소화하였다. 최소경운구는 지속적으로 관행경운으로 벼를 재배하다가 최소경운을 적용한 지 2년차 되는 논이었다.

작기 중 두 처리구 모두 논물관리 [중간물떼기 (intermittent drainage, ID), 얕게 걸러대기 (alternate wetting and drying, AWD)]를 수행하였다. 중간물떼기는 벼 뿌리에 적절한 수분과 공기를 제공하기 위한 해당 지역 농가의 관행적 물관리 방법으로, 상시 담수를 유지하였다가 모 이앙 후 30일이 되면 약 2주간 낙수한 후 다시 담수하여 수행하였다 (Baek et al., 2023). 이후 얕게 걸러대기는 해당 농가에서는 물 사용량 절감, 온실가스 배출 저감을 위해 두 처리구에서 모두 추가적으로 물관리를 실시하였다. 수확하기 약 3주전 수행한 완전물떼기 (drainage)는 벼의 등숙을 위해 실시하였으며, 동시에 벼 수확 시 기계작업의 편의성을 확보하고자 하였다. 그 외 벼 재배 및 수확은 관행경운구와 최소경운구 모두 동일하게 수행하였다.

품종은 신동진 벼 (Oryza sativa L.)를 재배하였고 재식 거리는 30 × 15 cm로 이앙하였다. 질소를 천천히 용출되도록 코팅하여 질소 손실을 줄일 수 있는 수도용 완효성 복합비료 (controlled release fertilizer, CRF)를 사용하였다 (Lee et al., 2005a). 이 비료는 N, P, K가 모두 포함되어 있으며 두 처리구 모두 밑거름을 준 이후 추가적인 시비를 하지 않았다. 관행경운구와 최소경운구에 N-P₂O₅-K₂O = 84-28-22.4 kg ha^-1조건으로 동일하게 처리하였다.

조사 기간 중 일 평균 온도 및 강수량은 농촌진흥청에서 제공하는 농업날씨 365의 정보를 활용하였으며 (Supplementary Fig. 1), 지온과 토양수분 변화는 센서 (WD1400, Spectrum Technologies, Inc., USA)를 설치하여 실시간 변화를 관측하였다. 수분함량 데이터를 활용하여 공극수분함량 (water filled pore space, WFPS)을 나타내었다 (Barton et al., 2013). 추가로 토양의 산화환원전위 측정 역시 센서 (ORP probe, Campbell, USA)를 설치하여 실시간 측정하였다.

전과정평가 방법론 및 산정

전과정평가를 수행하기 위해 국제표준화기구 (international organization for standardization, ISO)에서 제정한 14040, 14044 규격에 의거하여 대상의 환경성을 정량적으로 평가하는 방법론을 사용해 진행하였다 (ISO 14040, 2006; ISO 14044, 2006).

전과정평가의 목적은 논에 최소경운을 실시하여 벼를 재배했을 시 발생하는 온실가스 배출량 산정 및 지구온난화 영향을 정량적 평가하는 것으로 정하였다. 시스템 경계 (system boundary)는 저탄소 농축산물 인증제에 따라 벼의 생산 전 단계, 생산 단계로 정하였다 (KOAT, 2022) (Fig. 1). 생산 전 단계는 벼 재배에 사용되는 작물보호제 (살충제, 살균제 등) 및 비료, 에너지 등을 생산하는 공정을 말한다. 생산 단계는 춘경부터 벼 수확까지의 과정을 말한다.

쌀의 기능은 식용 및 제품의 원재료로 쓰이는 기능으로 정의하였으며 기능단위는 1,000 m² (10a)으로 설정하였다. 작물보호제 및 연료 사용량은 영농일지 및 현지 농가와의 인터뷰를 통해 정보를 수집하였다.

본 연구에서 전과정 목록분석 및 온실가스 배출 산정은 한국환경산업기술원에서 개발한 TOTAL (ver. 6.6.2) 소프트웨어를 사용하였다. 온실가스 (CO₂, CH₄, N₂O, SF₆, HFCs, PHCs)는 프로그램에 기본적으로 등록되어 있으며 전과정 목록분석 (life cycle inventory)을 산정 한 후 지구온난화지수 (global warming potential, GWP)를 곱하여 나타내었다.

전과정평가를 진행 시 다음과 같은 가정 및 제한사항을 반영하였다. 연료 연소로 인한 온실가스 배출량 산정 시 배출계수와 지구온난화지수는 IPCC 2006 가이드라인을 참고하였으며 에너지원별 순 발열량 정보는 ‘에너지법 시행규칙 제5조 제1항 [별표] 에너지열량 환산기준’에 제시 되어있는 값을 사용하였다 (IPCC, 2006; MOLEG, 2021). 농자재의 운송은 농자재 생산하는 사업장에서 재배지까지의 수송거리를 말하며 이는 데이터의 대표성을 확보할 만한 데이터가 부족하기 때문에 산정에서 제외하였다. 그러나 농가 인터뷰 결과 농약살포에 사용한 드론의 에너지 사용량은 자료가 가진 불확실성으로 인해 에너지 사용 부분 산정에서 제외하였다.

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Fig. 1.

Product system of rice cultivation. Excluded process means that the process are not included at the boundary of life cycle assessment.

농경지 온실가스 시료 채취 및 분석

가스 시료는 하루 중 평균적인 온실가스 배출 시간인 오전 10시부터 12시 사이에 채취하였다 (Jeong et al., 2018). 기본적으로 가스 시료는 주 1회씩 채취 및 분석하였으나, 가스 배출 변화에 영향을 줄 수 있는 논물관리 시기에는 주 2회씩 시료를 채취 및 분석하였다. 이때, 메탄 또는 아산화질소 배출량을 각각 측정하기 위해 각각 두 가지 유형의 챔버를 설치하여 시료를 채취하였다. 메탄 가스를 포집하기 위해 챔버 밑 면적이 0.36 m² (0.6 × 0.6 m), 높이 1 m의 투명한 아크릴 챔버를 설치하였다. 아산화질소 (N₂O) 배출량을 측정하기 위해 작은 원통형의 지름 25 cm, 높이 50 cm인 불투명한 챔버를 설치하였다. 가스 시료를 채취할 때 이외에는 챔버를 모두 열어 놓았으며, 가스 시료 채취 시 챔버 뚜껑을 닫아 밀폐 상태로 만든 후 60 mL 주사기로 초기 가스를 채취하였다. 이후 30분이 지나 60 mL 주사기를 이용하여 가스를 채취한 후 챔버 뚜껑을 열었다 (Yagi et al., 1998; Gwon et al., 2019). 이와 동시에 챔버 내부의 부피를 구하기 위해 지면 및 수면으로부터 챔버의 높이를 측정하고, 챔버 내부 온도의 변화를 측정하여 온실가스 배출량 값 보정에 활용하였다. 가스 분석은 가스크로마토그래피 (7890B, Agilent Technologies, USA, Gas Chromatography-Flame Ionization Detector for CH₄ and Electron Capture Detector for N₂O)를 사용하여 정량분석을 실시하였다.

직접 온실가스 배출량 산정 (direct global warming potential, Direct GWP)

온실가스 배출량은 Eq. 1과 Eq. 2를 사용하여 산정하였다.

(Eq. 1)

F = ρ \times V / A \times Δ c / Δ t \times 273 / T

여기서, $F$ 는 CH₄ 또는 N₂O의 플럭스 (mg m^-2 h^-1), 𝜌는 가스 밀도 (mg L^-1), $V$ 는 챔버 내 공기체적 (m³), $A$ 는 챔버 바닥면적 (m²), $Δ c / Δ t$ 는 챔버 내 가스 농도의 평균 증가속도 (µL L^-1 h^-1), $T$ 는 273 + 챔버 내 평균 섭씨 온도이다.

(Eq. 2)

Seasonal C H_{4} or N_{2} O flux = \sum_{i}^{n} (F_{i} \times D_{i})

여기서, $F_{i}$ 는 i번째 일 배출량 (g m^-2 d^-1), $D_{i}$ 는 i번째 기간 내 시료 채취 간격 일수, $n$ 은 시료 채취 간격이다.

지구온난화지수를 반영한 농경지에서의 직접 온실가스 배출량은 다음 Eq. 3 계산식으로 산정하였다. 이때, 지구온난화지수는 CH₄와 N₂O 배출량에 대해 각각 25와 298을 곱했다 (IPCC, 2007).

(Eq. 3)

Direct GWP (M g C O_{2} - e q . h a^{- 1}) = 25 \times C H_{4} + 298 \times N_{2} O

여기서, $C H_{4}$ 은 총 CH₄의 배출량 (Mg CH₄ ha^-1), $N_{2} O$ 는 총 N₂O의 배출량 (Mg N₂O ha^-1)이다.

통계분석

작기 중 관행경운구와 최소경운구에서의 수량 및 온실가스 배출량 간 차이는 SPSS (IBM Statistics 25)를 활용하여 5% 유의수준에서 t-test를 통해 비교하였다.

Results and Discussion

작기 중 온실가스 배출량

벼 이앙을 위해 논에 물을 댄 이후 중간물떼기를 실시하기 전까지 관행경운구와 최소경운구 모두 비슷한 경향으로 CH₄ 배출량이 증가하는 것이 관측되었다 (Fig. 2). 중간물떼기 수행 전 즉, 이앙 후 25일쯤에 측정된 CH₄ 배출량은 관행경운구과 최소경운구에서 각각 8.67 mg CH₄ m^-2 hr^-1, 4.95 mg CH₄ m^-2 hr^-1로 가장 높았다. 그러나 중간물떼기를 수행한 중후반부터 관행경운구와 최소경운구 모두 CH₄ 배출량이 급감하는 것이 관측되었다. 이는 선행된 연구에서 나타난 결과와 동일한 경향으로 (Kim et al., 2014; Haque et al., 2016), 중간물떼기를 수행함으로써 토양 환경이 호기적으로 전환되어 메탄생성균의 활성이 저해된 영향으로 판단된다 (Dutaur and Verchot, 2007; Ma and Lu, 2011). 실제 중간물떼기를 실시하기 전 토양의 산화환원전위는 -374 ~ -16 mV로 두 처리구 모두 음의 값을 나타냈으나 (Supplementary Fig. 4), 중간물떼기 중후반에는 증감을 반복하며 토양 환경이 수시로 호기적 상태로 전환되는 것이 관측되었다. 중간물떼기 이후 일주일간 다시 논에 물을 다시 가두었음에도 불구하고 두 처리구 모두 CH₄ 배출량은 중간물떼기 이전으로 회복되지 않았다. 그 이유는 중간물떼기 수행 후 얕게 걸러대기가 수행되면서 CH₄가 생성되기 위한 공극의 충분한 포화가 이루어지지 않았기 때문이라고 판단된다. 작기 중 총 CH₄의 배출량은 관행경운구에서 최소경운구보다 CH₄ 배출량이 유의적으로 높았다 (Table 2). Kim et al. (2016b)의 연구에 따르면 토양의 물리성이 개선됨에 따라 CH₄의 배출량이 감소한 경향으로 미루어 볼 때, 본 연구에서도 동일한 영향이 나타난 것으로 판단된다. 특히, 최소경운구의 물리성 발달로 WFPS가 줄어들고 (Supplementary Fig. 3), 토양이 호기적으로 전환되면서 (Supplementary Fig. 4) CH₄이 발생하기 부적합 환경이 조성된 결과로 생각된다 (Gwon et al., 2020; Amadori et al., 2022).

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Fig. 2.

Emission of methane (a) and nitrous oxide (b) under conventional tillage and minimum tillage during rice cultivation in paddy (▨ mean intermittent drainage at rice paddy, ↙ mean final drainage before harvest).

Table 2.

Greenhouse gas total and direct emissions from conventional tillage and minimum tillage during cultivation season in rice paddy.

		Total emission (kg ha^-1)	Direct GWP^† (Mg CO₂-eq. ha^-1)
Conventional tillage	CH₄	49.1 ± 11.9	1.23 a^‡
	N₂O	0.65 ± 0.17	0.19 a
	Total	-	1.42 a
Minimum tillage	CH₄	24.8 ± 4.66	0.62 b
	N₂O	1.34 ± 0.46	0.40 a
	Total	-	1.02 a

^†Direct GWP, direct global warming potential.

^‡Different letters in a column indicate a significant difference between treatments at p < 0.05.

아산화질소의 배출은 CH₄의 배출과 상반된 경향을 나타냈다. 상시 담수 기간에 N₂O의 배출이 거의 없다가 중간물떼기 및 얕게 걸러대기를 수행하였을 때 일시적으로 높은 배출량이 관측되었다. 각 논물관리 시기의 N₂O 배출량 변화는 중간물떼기 시행 시 관행경운구에서 6 - 55 µg N₂O m^-2 hr^-1, 최소경운구에서 8 - 239 µg N₂O m^-2 hr^-1로 배출되었고 얕게 걸러대기 시행 시 관행경운구에서 0 - 231 µg N₂O m^-2 hr^-1, 최소경운구에서 0 - 477 µg N₂O m^-2 hr^-1가 배출되었음을 확인하였다. 특히 논물 얕게 걸러대기 초반에 관행경운구에서 230.5 µg N₂O m^-2 hr^-1, 최소경운구에서 477.3 µg N₂O m^-2 hr^-1로 배출량이 가장 높았다. 얕게 걸러대기 수행 중 토양 온도가 감소하고 WFPS가 관행경운구에서 5%p, 최소경운구에서 약 3%p 감소함에 따라 N₂O의 배출량이 크게 증가하였다 (Supplementary Figs. 2 and 3). Kim and Oh (2004)에서 WFPS의 60 - 80%에 해당하거나 온도가 감소할수록 N₂O의 배출량이 증가하는 결과를 나타내었다. 이는 최소경운을 통해 논물을 배수했을 시 질산화 과정을 거친 후 81.5 mm의 강수량과 낮은 토양온도에 의해 혐기적 조건의 조성과 탈질 작용이 일어나 N₂O의 배출이 촉진된 것으로 판단된다 (Kim and Oh, 2004; Lee et al., 2005b). 그 결과 토양의 작기 중 총 N₂O의 배출량은 관행경운구보다 최소경운구에서 N₂O 배출이 많았으나 유의적 차이는 없었다 (Table 2). 이는 선행연구 Ahmad et al. (2009)과 같은 결과로 무경운을 실시함으로써 토양 입단이 발달되고 이로 인해 공극률이 증가하여 논물관리 시 호기성으로 전환됨에 따라 토양에 산소 투과율이 높아져 N₂O의 배출량이 증가한 것으로 판단된다 (Yang et al., 2016).

작기 중 관행경운구에서 CH₄가 1.23 Mg CO₂-eq. ha^-1, N₂O가 0.19 Mg CO₂-eq. ha^-1으로 직접 온실가스 배출량 (Direct GWP)은 1.42 Mg CO₂-eq. ha^-1, 최소경운구에서 CH₄가 0.62 Mg CO₂-eq. ha^-1, N₂O가 0.40 Mg CO₂-eq. ha^-1로 총 온실가스 배출량은 1.02 Mg CO₂-eq. ha^-1로 나타났다 (Table 2). 선행연구 Cai et al. (1997)과 Haque et al. (2017)의 결과와 같이 논물관리가 수행되어 CH₄의 배출량이 상대적으로 적었으며, 최소경운구에서 관행경운구보다 N₂O의 배출량이 증가하였다. 따라서, Direct GWP 값을 구했을 때 CH₄ 배출량 감축이 N₂O의 배출량 증가에 의해 상쇄되어 관행경운구와 최소경운구 간의 직접 온실가스 배출량의 차이가 있었으나 유의적 차이는 없었다 (Table 2).

농자재 사용으로 인한 온실가스 배출 분석

관행경운구에서 117.5 L ha^-1로 경유의 사용량 (경운 40 L ha^-1, 써래질 40 L ha^-1, 수확 37.5 L ha^-1)이 최소경운구 37.5 L ha^-1 (수확 37.5 L ha^-1)보다 약 3배정도 많았다 (Table 3). 그 이유는 최소경운구에서 모를 이앙하기 전에 관행경운구와 달리 춘경과 써래질을 하지 않아 농기계의 연료 사용에서 차이를 보였기 때문이다. 이외의 농자재 사용은 두 처리구 모두 동일한 양이 사용되었다.

전과정평가 결과 경유 및 휘발유의 연료 사용으로 인한 온실가스 배출량은 관행경운구에서 0.34 Mg CO₂-eq. ha^-1, 최소경운구에서 0.12 Mg CO₂-eq. ha^-1로 나타났다 (Table 4). 이외의 농자재 사용에 따른 온실가스 배출량은 처리구별로 같았다. 따라서 농자재 사용으로 인한 온실가스 전체 배출량은 관행경운구에서 0.84 Mg CO₂-eq. ha^-1이고 최소경운구에서는 0.63 Mg CO₂-eq. ha^-1이었다. CO₂의 비중은 관행경운구에서 91.5%, 최소경운구에서 88.8%를 차지하였으며, CH₄의 경우 관행경운에서 6.95%, 최소경운구에서 9.21%를 차지하였다. 또한 각 농자재별 온실가스 배출 비중은 관행경운에서 에너지 40%, 비료 34.6%, 작물보호제 25.4%가 차지하였고, 최소경운에서 비료 46.4%, 작물보호제 34.1%, 에너지 19.5%를 차지하였다. 앞서 언급한 것처럼 연료 사용량이 증가함에 따라 온실가스 배출량도 증가함을 알 수 있었다.

Table 3.

Amount of input and output during rice cultivation at conventional tillage and minimum tillage.

Input/Output	Conventional tillage	Minimum tillage	LCI DB^†
Input	Amount (kg ha^-1)
Pesticide
Herbicide	60	60	-
Germicide	4.5	4.5	-
Insecticide	2.38	2.38	-
Compound fertilizer	280	280	-
Energy
Diesel (L)	117.5	37.5	MOTIE (2001)
Gasoline (L)	10	10	MOTIE (2001)
Output	Amount (kg ha^-1)
Product
Rice (straw and grain)	15,880	15,490	-

^†LCI DB, life cycle inventory data base; MOTIE, ministry of trade, industry and energy.

Table 4.

Greenhouse gas emissions from the input of agricultural materials during rice cultivation.

			Greenhouse gas emission (Mg CO₂-eq. ha^-1)
		GWP^†	Germicide	Insecticide	Herbicide	Compound fertilizer	Diesel	Gasoline
Conventional tillage	CO₂	1	0.019	0.0043	0.16	0.25	0.31	0.021
	CH₄	25	0.0014	0.00033	0.014	0.042	0.0011	0.000077
	N₂O	298	0.0013	0.00017	0.0093	0.00089	0.00074	0.000054
	SF₆	22,800	0.000029	0.000005	0.0002	0.00013	-	-
	HFCs	124 - 14,800	0.0000014	0.00000022	0.000009	0.000023	-	-
	PHCs	7,390 - 12,200	0.000036	0.0000071	0.00028	0.000029	-	-
	Sum	-	0.022	0.0048	0.19	0.29	0.32	0.022
Minimum tillage	CO₂	1	0.019	0.0043	0.16	0.25	0.10	0.021
	CH₄	25	0.0014	0.00033	0.014	0.042	0.00034	0.000077
	N₂O	298	0.0013	0.00017	0.0093	0.00089	0.00024	0.000054
	SF₆	22,800	0.000029	0.000005	0.0002	0.00013	-	-
	HFCs	124 - 14,800	0.0000014	0.00000022	0.000009	0.000023	-	-
	PHCs	7,390 - 12,200	0.000036	0.0000071	0.00028	0.000029	-	-
	Sum	-	0.022	0.0048	0.19	0.29	0.10	0.022

^†GWP, global warming potential.

농경지 및 농자재 사용에 따른 총 온실가스 배출량

총 온실가스 배출량은 작기 중 직접 온실가스 배출량과 사용되는 농자재로 인한 온실가스 배출량을 더해 산정하였다 (Fig. 3). 그 결과, 관행경운구에서 2.26 Mg CO₂-eq. ha^-1, 최소경운구에서 1.65 Mg CO₂-eq. ha^-1로 관행경운구 보다 약 27% 적게 배출되었다. Harada et al. (2007)에서는 간척지에서 관행경운과 무경운을 적용하여 벼를 재배하였고, 전과정평가를 진행한 결과, 작기 중 온실가스 배출 비중은 관행경운구에서 97.1% (4.16 Mg CO₂-eq. ha^-1), 무경운구에서 96.6% (2.42 Mg CO₂-eq. ha^-1) 였으며 농자재로 인한 온실가스 배출 비중은 관행경운구에서 2.9% (0.13 Mg CO₂-eq. ha^-1), 무경운구에서 3.4% (0.085 Mg CO₂-eq. ha^-1)로 나타나 연료 사용으로 인한 온실가스 배출량이 관행경운구에서 무경운구보다 더 많음을 보였다. 본 연구에서 작기 중 직접 배출된 온실가스는 통계적으로 유의한 차이는 없었다. 총 온실가스 배출량에서 직접 온실가스 배출량과 농자재 사용으로 인한 온실가스 배출량의 비중은 각각 관행경운구에서 62.8% (1.42 Mg CO₂-eq. ha^-1), 37.2% (0.84 Mg CO₂-eq. ha^-1)이며 최소경운구에서 61.8% (1.02 Mg CO₂-eq. ha^-1), 38.2% (0.63 Mg CO₂-eq. ha^-1)였다. 농자재 사용부분, 특히 연료 사용량에서 온실가스 배출량의 차이는 Harada et al. (2007)의 결과와 유사하였다. 본 연구의 총 온실가스 배출량에서 에너지 사용으로 인한 온실가스 비중은 관행경운구에서 14.9%, 최소경운구에서 7.3% 차지하여 일정부분의 영향을 미친 것으로 나타났다.

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Fig. 3.

Total greenhouse gas emission of conventional tillage and minimum tillage treatment during rice cultivation in paddy. The same letters indicate a not significant difference between treatment (p < 0.05, t-test). ns indicate a not significant.

Conclusions

본 연구는 전과정평가법을 활용하여 관행경운 농법과 작물을 심는 부분만 경작하는 최소경운 농법의 에너지 소비와 온실가스 배출영향을 비교해보고자 하였다. 관행경운구 대비 최소경운구에서 직접 온실가스 배출량과 농자재 사용으로 인한 온실가스는 각각 28%, 26%를 줄일 수 있었다. 총 온실가스는 관행경운구 대비 최소경운구에서 27%를 감축할 수 있었다. 직접 온실가스 배출량이 농자재 부분에서 감축량이 더 컸는데 이는 농경지의 토성, 유기물의 함량 등에 따라 달라 질 수 있기 때문에 다양한 지역과 환경에서 동일한 조건으로 설정하여 감축 기여도를 비교해보는 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다. 본 결과는 농업부문에서 온실가스 배출 감축 전략 수립에 있어서 농경지에 최소경운 적용과 농기계 사용 감소에 따른 온실가스 배출을 줄일 수 있었음을 보여주었다.

Supplementary Material

ksssf_2023_564_300_S1.pdf

Acknowledgements

This work was carried out by the support of Rural Development Administration (Project No. PJ01558702/RS-2021-RD009223), Rural Development Administration, Republic of Korea.

References

Ahmad, S., C. Li, G. Dai, M. Zhan, J. Wang, S. Pan, and C. Cao. 2009. Greenhouse gas emission from direct seeding paddy field under different rice tillage systems in central China. Soil Tillage Res. 106(1):54-61. 10.1016/j.still.2009.09.005

Ali, M.A., C.H. Lee, Y.B. Lee, and P.J. Kim. 2009. Silicate fertilization in no-tillage rice farming for mitigation of methane emission and increasing rice productivity. Agric., Ecosyst. Environ. 132(1):16-22. 10.1016/j.agee.2009.02.014

Amadori, C., J. Dieckow, J.A. Zanatta, A. de Moraes, M. Zaman, and C. Bayer. 2022. Nitrous oxide and methane emissions from soil under integrated farming systems in southern Brazil. Sci. Total Environ. 828:154555. 10.1016/j.scitotenv.2022.15455535296420

Baek, N., S.W. Park, E.S. Shin, S.B. Heo, H.J. Park, and W.J. Choi. 2023. Changes in methane emission of Korean rice production systems for the last two decades and suggestions for methane mitigation. Korean J. Soil Sci. Fert. 56(2):199-208. 10.7745/KJSSF.2023.56.2.199

Barton, L., D.V. Murphy, and B.B. Klaus. 2013. Influence of crop rotation and liming on greenhouse gas emissions from a semi-arid soil. Agric., Ecosyst. Environ. 167:23-32. 10.1016/j.agee.2013.01.003

Bayer, C., F. de S. Costa, G.M. Pedroso, T. Zschornack, E.S. Camargo, M.A. de Lima, R.T.S. Frigheto, J. Gomes, E. Marcolin, and V.R.M. Macedo. 2014. Yield-scaled greenhouse gas emissions from flood irrigated rice under long-term conventional tillage and no-till systems in a Humid Subtropical climate. Field Crops Res. 162:60-69. 10.1016/j.fcr.2014.03.015

Cai, Z., G. Xing, X. Yan, H. Xu, H. Tsuruta, K. Yagi, and K. Minami. 1997. Methane and nitrous oxide emissions from rice paddy fields as affected by nitrogen fertilisers and water management. Plant Soil 196(1):7-14. 10.1023/A:1004263405020

Dutaur, L. and L.V. Verchot. 2007. A global inventory of the soil CH₄ sink. Global Biogeochem. Cycles 21(4):GB4013. 10.1029/2006GB002734

European Commission and United States of America. 2021. Global methane pledge. Climate and Clean Air Coalition, Paris, France.

GIR. 2023. National inventory report in Korea. Greenhouse Gas Inventory and Research Center, Seoul, Korea.

Gwon, H.S., E.J. Choi, S.I. Lee, H.S. Lee, H.R. Park, J.M. Lee, and J.H. Jin. 2022. Greenhouse gases emission from rice paddy under different tillage intensity during fallow season. Korean J. Soil Sci. Fert. 55(4):464-475. 10.7745/KJSSF.2022.55.4.464

Gwon, H.S., G. Kim, E.J. Choi, S.I. Lee, and J.S. Lee. 2019. Evaluation of greenhouse gas emission characteristics and intensity by management of water and nutrients in rice paddy soil during cropping season. J. Clim. Change Res. 10(4):351-359. 10.15531/KSCCR.2019.10.4.351

Gwon, H.S., G.Y. Kim, S.I. Lee, J.S. Lee, and E.J. Choi. 2020. Estimation of greenhouse gas emission in rice paddy soil under slow released N fertilizer application: Annual investigation. Korean J. Soil Sci. Fert. 53(4):575-588. 10.7745/KJSSF.2020.53.4.575

Haque, M.M., J.C. Biswas, S.Y. Kim, and P.J. Kim. 2016. Suppressing methane emission and global warming potential from rice fields through intermittent drainage and green biomass amendment. Soil Use Manag. 32(1):72-79. 10.1111/sum.12229

Haque, M.M., J.C. Biswas, S.Y. Kim, and P.J. Kim. 2017. Intermittent drainage in paddy soil: Ecosystem carbon budget and global warming potential. Paddy Water Environ. 15(2):403-411. 10.1007/s10333-016-0558-7

Harada, H., H. Kobayashi, and H. Shindo. 2007. Reduction in greenhouse gas emissions by no-tilling rice cultivation in Hachirogata polder, northern Japan: Life-cycle inventory analysis. Soil Sci. Plant Nutr. 53(5):668-677. 10.1111/j.1747-0765.2007.00174.x

IPCC. 2006. Stationary combustion. p. 22. In H.S. Eggleston et al. (ed.) IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories (volume 2). Institute for Global Environmental Strategies, Hayama, Japan.

IPCC. 2007. Changes in atmospheric constituents and in radiative forcing. p. 212-213. In S. Solomon et al. (ed.) Climate change 2007: The physical science basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA.

ISO 14040. 2006. Environmental Management - Life Cycle Assessment - Principles and Framework. International Organization for Standardization/Technical Committees 207, Geneva, Switzerland.

ISO 14044. 2006. Environmental Management - Life Cycle Assessment - Requirements and Guidelines. International Organization for Standardization/Technical Committees 207, Geneva, Switzerland.

Jeong, H.C., E.J. Choi, J.S. Lee, G.Y. Kim, and S.I. Lee. 2018. Comparison of CH₄ emission between auto chamber and manual chamber in the rice paddy. J. Clim. Change Res. 9(4):377-384. 10.15531/KSCCR.2018.9.4.377

Kang, H.W., M.T. Kim, K.S. Kim, W.T. Jeon, J.H. Ryu, and K.Y. Seong. 2013. No-till farming system: Research direction and outlook in Korea. Korean J. Soil Sci. Fert. 46(3):143-152. 10.7745/KJSSF.2013.46.3.143

Kim, D.S. and J.M. Oh. 2004. The relevance of soil N₂O emissions measured by a closed chamber technique on the physico-chemical soil parameters. J. Korean Soc. Atmos. Environ. 20(6):749-758.

Kim, G.Y., J. Gutierrez, H.C. Jeong, J.S. Lee, M.D.M. Haque, and P.J. Kim. 2014. Effect of intermittent drainage on methane and nitrous oxide emissions under different fertilization in a temperate paddy soil during rice cultivation. J. Appl. Biol. Chem. 57(2):229-236. 10.1007/s13765-013-4298-8

Kim, S., H.S. Cho, J.S. Choi, K.D. Park, J.S. Jang, S.G. Kang, J.H. Park, M.T. Kim, I.J. Kang, and W.H. Yang. 2016a. Changes in methane emissions from paddy under different tillage and cultivation methods. Korean J. Crop Sci. 61(4):251-256. 10.7740/kjcs.2016.61.4.251

Kim, S.Y., J. Gutierrez, and P.J. Kim. 2016b. Unexpected stimulation of CH₄ emissions under continuous no-tillage system in mono-rice paddy soils during cultivation. Geoderma 267(1):34-40. 10.1016/j.geoderma.2015.12.021

KOAT. 2022. Common guidance for calculating agricultural greenhouse gas emissions (https://www.smartgreenfood.org/jsp/front/green/Read.jsp?pNo=2493&pBoardSeq=57&pMenuId=4&pMidMenu=03&pSub=1&pPage=1&pCurrentBlock=0). Korea Agriculture Technology Promotion Agency, Iksan, Korea.

KOSIS. 2023. Agricultural land area (https://kosis.kr/statHtml/statHtml.do?orgId=101&tblId=DT_1EB002&conn_path=I2). Korean Statistical Information Service, Daejeon, Korea.

Lee, D.B., S.C. Jung, K.H. So, J.W. Jeong, H.C. Jung, G.Y. Kim, and G.M. Shim. 2012a. Evaluation of mitigation technologies and footprint of carbon in unhulled rice production. J. Clim. Change Res. 3(2):129-142.

Lee, G.Z., Y.S. Choi, S.K. Yang, J.H. Lee, and S.Y. Yoon. 2012b. Analysis of consumption of homemade organically processed food analysis of the carbon emission reduction effect from no-tillage in pepper (Capsicum annuum L.) cultivation. Korean J. Org. Agric. 20(4):503-518. 10.11625/KJOA.2012.20.4.503

Lee, K.B., C.W. Park, K.L. Park, J.G. Kim, D.B. Lee, and J.D. Kim. 2005a. Nitrogen balance in paddy soil of control-release fertilizer application. Korean J. Soil Sci. Fert. 38(3):157-163.

Lee, K.B., J.G. Kim, C.W. Park, Y.K. Shin, D.B. Lee, and J.D. Kim. 2005b. Effect of irrigation water depth on greenhouse gas emission in paddy field. Korean J. Soil Sci. Fert. 38(3):150-156.

Ma, K. and Y. Lu. 2011. Regulation of microbial methane production and oxidation by intermittent drainage in rice field soil. FEMS Microbiol. Ecol. 75(3):446-456. 10.1111/j.1574-6941.2010.01018.x21198683

MOLEG. 2021. Energy calorie conversion standard. Ministry of Government Legislation, Sejong, Korea.

MOTIE. 2001. National life cycle inventory data base (https://www.greenproduct.go.kr/epd/lci/nationalDbView.do?category=13&idx=90). Ministry of Trade, Industry and Energy, Sejong, Korea.

NICS. 2019. How to utilize of production technology using paddy minimum tillage transplanting for greenhouse gas reduction. National Institute of Crop Science, RDA, Wanju, Korea.

RDA. 2013. Method of soil, plant, water and liquid fertilizer analysis. Rural Development Administration, Suwon, Korea.

Yagi, K., K. Minami, and Y. Ogawa. 1998. Effects of water percolation on methane emission from rice paddies: A lysimeter experiment. Plant Soil 198(2):193-200. 10.1023/A:1004379914540

Yang, S.K., G.H. Shin, S.K. Kim, H.K. Kim, H.W. Kim, and W.J. Jung. 2016. No-tillage agriculture of Korean-style on recycled ridge II. Changes in physical properties: Water-stable aggregate, bulk density, and three phase ratio to retain water at plastic film greenhouse soil in no-tillage system. Korean J. Org. Agric. 24(4):719-733. 10.11625/KJOA.2016.24.4.719

Korean Journal of Soil Science and Fertilizer 한국토양비료학회 학회지 ISSN:0367-6315(Print) 2288-2162(Online)

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Life Cycle Assessment of Greenhouse Gas Emission of Rice Cultivation under Minimum Tillage in the Gimje, South Korea

ABSTRACT

Total greenhouse gas emission of conventional tillage and minimum tillage treatment during rice cultivation in paddy. The same letters indicate a not significant difference between treatment (p < 0.05, t-test). ns indicate a not significant.

MAIN

Table 1.

Chemical properties of soil.

Fig. 1.

Product system of rice cultivation. Excluded process means that the process are not included at the boundary of life cycle assessment.

(Eq. 1)

(Eq. 2)

(Eq. 3)

Fig. 2.

Emission of methane (a) and nitrous oxide (b) under conventional tillage and minimum tillage during rice cultivation in paddy (▨ mean intermittent drainage at rice paddy, ↙ mean final drainage before harvest).

Table 2.

Greenhouse gas total and direct emissions from conventional tillage and minimum tillage during cultivation season in rice paddy.

Table 3.

Amount of input and output during rice cultivation at conventional tillage and minimum tillage.

Table 4.

Greenhouse gas emissions from the input of agricultural materials during rice cultivation.

Fig. 3.

Total greenhouse gas emission of conventional tillage and minimum tillage treatment during rice cultivation in paddy. The same letters indicate a not significant difference between treatment (p < 0.05, t-test). ns indicate a not significant.

Supplementary Material

Acknowledgements

References