메탄(CH4)은 기후변화의 주요 원인이 되는 온실가스의 하나로 이산화탄소 다음으로 지구온난화에 많은 영향을 미 치고 있다(IPCC, 2014). 농경지에서 발생되는 온실가스는 메탄과 아산화질소가 대표적이며, 혐기 조건의 논에서는 메탄, 호기조건의 밭에서는 아산화질소가 주로 발생된다. 논에서 발생되는 메탄은 인간의 활동으로 인해 발생되는 총 메탄 발생량의 11%로 보고되었다(IPCC, 2014). 국가온 실가스인벤토리 보고서(2015)에 의하면 2013년 우리나라 총 메탄 배출량 중 농업분야에서 발생된 비중은 48.4%, 벼 재배로 인해 발생량은 약 27%에 달하는 것으로 보고되었 다. 논에서 발생되는 메탄은 혐기조건에서 메탄 생성균에 의한 유기물 분해에 의하여 발생되며 토양의 온도, 산화환 원전위(Eh), 토양의 물리적 특성, 담수기간 및 품종 등에 의 해 영향을 받는 것으로 알려져 있다(Ju et al., 2013; Minami, 1994). 논에서 발생되는 메탄 저감을 위한 중간낙수․ 간단 관개 등의 물 관리 방법, 유기물 환원 및 무기질 비료시용 에 의한 메탄 발생양상, 무경운에 의한 메탄 발생량 저감효 과, 관련 유전자의 변형 등 다양한 분양의 연구가 진행되어 왔다(Ahn et al., 2014; Bayer et al., 2012; Bayer et al., 2014; Ju et al., 2013; Metay et al., 2007; Su et al., 2015; Zhang et al., 2016).
무경운 벼 재배는 1980년대 말부터 농업노동력 대체 및 생력화의 일환으로 관련연구가 시작되었으며(Kim et al., 1991), 이후 무경운 재배시 토양의 물리적 특성의 개선, 화 학적 특성의 변화, 잡초발생량의 변화, 벼 생육 및 미질의 변화, 이산화탄소 휘산방지, 탄소격리 및 화석연료 사용감 소를 통한 온실가스 저감 등의 효과에 관한 연구결과가 보 고되었다(Chung et al., 2000; Hong et al., 2003; Ko et al., 2002; Lee et al., 2007). 특히 벼 재배 시 무경운에 의한 온 실가스 저감 효과, 품종 별 메탄 발생량, 2모작 및 단작 시 메탄 발생량, 볏짚 등 유기물 시용 후 메탄 발생량 변화 등 다양한 방면에서 이루어졌다(Ko et al., 2002).
본 연구는 벼 재배시 메탄의 발생량을 감소시키고 노동 력을 절감할 수 있는 무경운 재배를 위해 새로 개발된 무경 운 골조성기(무경운용 원형로터리날, 출원번호 10-2014-0137822) 를 이용하여 무경운 벼 재배시 메탄 발생량 변화를 구명하 고 이에 따른 작물의 수량 및 토양 탄소함량 변화를 알아보 기 위하여 수행되었다.
재료 및 방법
작물 재배 및 관리
본 연구는 수원에 위치한 국립식량과학원 답작시험포장 에서 2014년부터 2015년까지 2년간 진행되었다. 처리내용 은 경운방법과 벼 재배양식을 조합하여 관행재배인 경운 + 이앙(Tillage-transplanting; T-T) 및 경운 + 무논점파(tillage wet hill seeding: T-W), 그리고 최소경운 + 건답직파 (minimum tillage + dry seeding: MT-D)와 무경운 + 건답 직파(no tillage + dry seeding: NT-D)의 4 처리구를 두었다.
경운-이앙 처리구는 로터리를 이용하여 경운 후 5월 말~6월초에 중묘(남평벼)를 기계이앙 하였으며 경운-무논 점파 처리구는 경운-이앙과 같은 방법으로 경운하여 논을 굳힌 후 5월 중순에 파종량 4 kg/10a 수준으로 무논점파기 를 이용하여 파종하였다. 경운-이앙과 경운-무논점파의 시 비량은 질소-인산-가리를 각각 9-4.5-5.7 kg/10a 으로 하였 으며, 농촌진흥청 표준재배법에 준하여 시비하였다. 최소경 운과 무경운 건답직파 처리구는 질소 시비량을 11 kg/10a 으로 하였으며 다른 처리는 경운-무논점파와 같이 하였다 (NICS, 2010). 시험 전 토양의 화학적 특성은 Table 1과 같 았으며, 총탄소 및 질소함량은 경운-이앙 처리구에서 가장 낮았고 경운-무논점파와 최소경운 및 무경운-건답직파 처 리구에서는 유의적인 차이를 나타내지 않았다(Table 1).
Table 1
Chemical properties of experimental soil before treatment.
| pH (1:5) | T-C (g kg-1) | Avail. P2O5 (mg kg-1) | Ex. cations(cmolc kg-1) | Avail. SiO2 (mg kg-1) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| K | Ca | Mg | |||||
| Experimental soil | 6.3 | 2.03 | 97.8 | 0.19 | 7.8 | 1.6 | 118 |
| Optimal range | 5.5 ~6.5 | 25~30 | 80~120 | 0.25~0.30 | 5.0~6.0 | 1.5~2.0 | 157~180 |
최소경운 건답직파 처리구는 최소경운 파종기를 이용하 여 논 표면에서 약 4 cm 깊이로 경운하여 조파하였고, 무 경운 건답직파 처리구는 무경운 골조성기(무경운용 원형로 터리날, 출원번호 10-2014-0137822)를 이용하여 토양표면 을 4 cm 내외의 깊이로 눌러 생기는 골 안에 조파하였다. 최소경운 건답직파 파종기의 경우 토양 표면이 약 19% 정 도 교란되었으며 무경운 골조성기는 경운을 하지 않고 디 스크 날이 약 4 cm 깊이로 토양표면을 가르게 하여 위로 종자가 파종되는 형태로 토양 교란 면적은 약 13% 였다 (Fig. 1).
온실가스 발생량 조사를 위해 경운이앙 처리구는 이앙 전 로터리 후부터 담수상태를 유지하였으며 경운무논점파 처리구는 입모 후 담수를 시작하였다. 최소경운과 무경운 건답직파 처리구는 건답상태에서 파종기를 이용하여 조파 하였으며 입모 후 담수하였다.
벼 재배시 경운이앙 처리구의 물관리 및 재배관리는 농 촌진흥청 벼 표준재배법을 따랐으며 경운무논점파, 최소경 운, 무경운 건답직파 처리구의 재배관리는 농촌진흥청의 직파재배 기본법(RDA, 2013)을 따랐다.
메탄 발생량조사 분석
처리별 메탄 발생량을 분석하기 위한 시료는 아크릴 챔 버(W × D × H = 60 × 60 × 120 cm)를 제작하여 각 처리 구에 설치한 후 오픈챔버법으로 포집하였다. 온실가스 시 료채취는 일 평균기온과 유사한 시점인 오전 10시에 60 ml 주사기를 챔버 내부로 이어진 튜브에 연결하여 1차 포집을 하였고, 즉시 30분간 챔버의 뚜껑을 닫은 후 1차와 동일한 방법으로 2차 포집을 하였다. 메탄의 정량은 기체 크로마토 그래프 시스템(Agilent 7890B, USA, FID)을 이용하였다. 일일 온실가스 발생량은 ‘기후변화에 관한 정부간 협의체 (IPCC)’의 방법을 따라 30분간 측정된 온실가스의 양을 일 발생량으로 계산하여 사용하였다. 메탄 발생량 계산에 필 요한 미세기상의 변화는 온실가스 시료 채취 시 챔버 내부 의 온도, 시료 채취시의 수온, 지온, 토양 pH 및 Eh 등 미세 기상을 측정하였고, 동시에 탄소와 질소함량 변화를 분석하 기 위해 토양과 식물체 시료를 채취하였다. 챔버 내 온도는 챔버 안쪽에 수은온도계를 붙여 1차 및 2차 온실가스 포집 시 온도를 기록하였고, 수온과 지온, pH 및 Eh는 Cyberscan PCD650 (Eutech, PC650)와 Multimeter mit robuster (Eijkelkamp, 18.52.01)를 이용해 측정하였다.
식물체 및 토양 분석
작물의 생육과 메탄 발생량의 관계를 알아보기 위한 식 물체 시료는 메탄 측정 시료 채취 시 처리별로 3포기(경운 이앙과 무논점파 처리구) 또는 20 × 20 cm (줄뿌림 된 최 소경운 및 무경운 건답직파 처리구)에서 3반복으로 채취하 였다. 식물체 시료는 채취 즉시 뿌리의 흙을 씻어낸 후 70°C 에서 3일간 건조하여 무게를 측정하고 단위면적당 건물중 을 계산하였다. 토양시료는 표토의 부산물을 걷어낸 후 15 cm 깊이로 각 처리구 당 3반복으로 채취하였고, 이를 풍건 한 후 2 mm 체로 거른 뒤 분석에 이용하였다. 토양 및 식 물체의 탄소함량은 각 시료를 건조한 후 분쇄하여 입경 0.5 mm 이하(35 mesh, No.35)의 체로 걸러준 후 원소분석기 (Vario max CN, Germany)를 이용하여 측정하였다.
결과 및 고찰
경운 및 재배양식별 메탄 발생량
벼 재배 시 경운 및 파종에 의한 온실가스 발생량 차이를 구명하기 위해 2년간 메탄가스의 발생량을 측정한 결과 메 탄의 발생량은 경운을 한 경운이앙 처리구와 경운무논점파 처리구에서 높았으며 최소경운 건답직파와 무경운 건답직 파 처리구에서 낮게 나타났다(Fig. 2). 벼 재배기간 중 경운 이앙 처리구의 메탄 총 발생량을 100으로 했을 때 최소경 운건답직파와 무경운 처리구는 약 23% 수준으로 나타났으 며 두 처리구의 메탄 발생량은 5% 유의수준에서 유의성이 없었다. 측정일 별 각 처리구의 메탄 발생량은 Fig. 3과 같 이 경운이앙 처리구에서 다른 처리구보다 빠르게 증가되었 으며 최소경운건답직파와 무경운 처리구에서 완만한 변화 를 나타내었다. 이는 새로 개발된 무경운 골조성기를 이용 해 벼 재배시 경운 대비 무경운에서 메탄 발생량이 감소되 었으며 이는 기존의 연구결과와 같았다(Bayer et al., 2014; Ko et al., 2002; Li et al., 2011; Zhang et al., 2015). 무경 운 재배에 의한 메탄 발생량의 감소는 적게는 약 30%가 감 소되었으며(Bayer et al., 2014; Ko et al., 2002), 경우에 따 라 50% 이상 감소된다는 연구결과도 발표되었다(Metay et al., 2007; Li et al., 2011). Zhang et al. (2016)은 무경운 벼 재배 대비 관행경운 재배 시 메탄 발생량이 1.4배가 증 가되었다고 하였다. 무경운 재배시 표토의 토양 입자 응집 에 의해 메탄의 이동에 영향을 주는 것으로 설명하였다. 또 한 Li et al. (2011)은 무경운 재배시 용존유기탄소의 함량 이 감소되고 메탄 발생량이 50% 이상 저감되었다고 하였 다. 무경운 논토양에서 용존유기탄소의 함량과 용적밀도의 변화는 메탄 발생량에 영향을 미치는 요인으로 판단된다. 한편으로 Bayer et al. (2014)에 따르면 무경운 재배 연수가 경과함에 따라 경운대비 메탄 발생량의 차이가 점차 줄어 든다는 연구결과도 발표된 바 있다. 이는 무경운 벼 재배시 지역, 기후, 토양특성 및 재배방법이 메탄 발생량 감소 정 도에 영향을 미치는 이유로 생각된다.
Fig. 2.
Methane emissions affected by different tillage and cultivation methods. Data represent mean values of two years, and error bars indicate standard deviation of three replications. T-T: tillage-transplanting, T-W: tillage-wet hill seeding, MT-D: minimum tillage-dry seeding, and NT-D: no tillage-dry seeding
Fig. 3.
Daily methane emissions affected by different tillage and cultivation methods. ns means not significant, * and ** denote significance at the p<0.05 and p<0.01 levels, respectively. T-T: tillage-transplanting, T-W: tillage-wet hill seeding, MT-D: minimum tillage-dry seeding, and NT-D: no tillage-dry seeding.식물체의 생장과 메탄 발생량
논에서 발생되는 메탄은 벼의 통기조직을 통해 대기로 방출되며 이는 담수상태에서 벼 재배시 발생되는 메탄의 90% 정도를 차지한다(NAAS, 2013). 4개 처리구에서 2년 간 이앙 후 벼 건물중과 메탄 발생량의 변화를 살펴본 결과 Fig. 4와 같이 건물중이 증가하면서 메탄 발생량이 증가되 는 경향을 보였으며, 결정계수(R 2 )는 0.81로 나타났다. 각 처리구별 건물중의 증가와 메탄 발생량 사이의 결정계수 (R 2 )는 0.62~0.96 이었으며 경운이앙 처리구에서 0.96(1년 차), 0.91(2년차)로 가장 높은 값을 보였다. 결정계수는 생 육 초기보다 최고분얼기와 출수기에 이를 때까지 증가되는 경향을 보였으나 출수기가 지나면서 감소되었다. 이는 벼 가 생장함에 따라 통기조직이 발달되면서 메탄 발생량이 증가된 결과로 생각된다.
토양 탄소함량
메탄 발생량 변화에 의해 감소되는 토양 탄소함량의 변 화를 보기 위하여 메탄시료 채취와 동시에 토양시료를 채 취하여 총 탄소함량을 분석한 결과는 Fig. 5와 같았다. 시 험 첫해의 토양 총 탄소함량은 생육후기로 갈수록 경운이 앙 처리구에서 감소하는 경향을 보였으며 무경운과 최소경 운건답직파 처리구에서 높게 나타났다. 토양의 탄소함량이 높아지면 메탄 발생량은 증가하는 것으로 알려져 있다 (Minamikawa et al., 2005). 토양 중 메탄의 발생은 메탄이 만들어지고 산화 및 방출의 복잡한 과정을 거치게 되며 생 성된 메탄은 경운을 통해 토양 표면이 교란되었을 때 대기 로 방출된다고 하였다(Ball et al., 1999). Zhang et al. (2016) 은 무경운 벼 재배시 토양 용액 중 용존 유기탄소(dissolve organic carbon, DOC)의 함량이 증가되고 이로 인해 메탄 의 발생량이 감소된다고 하였다.
Fig. 5.
Changes in soil total carbon contents affected by different tillage and cultivation. ns means not significant, * and ** denote significance at the P <0.05 and P <0.01 levels, respectively. T-T: tillage-transplanting, T-W: tillage-wet hill seeding, MT-D: minimum tillage-dry seeding, and NT-D: no tillage-dry seeding.본 연구에서 토양 탄소함량이 무경운과 최소경운건답직 파 처리구에서 높게 나타나고 있으나(Fig. 5) 경운을 한 경 운이앙과 경운무논점파 처리구에서 메탄 발생량이 많은 것 은 무경운에 의한 효과로 판단된다. 이는 토양 내 탄소함량 이 많아도 경운을 하지 않고 벼 재배시 메탄 발생량을 경감 시킬 수 있을 것으로 생각된다. 그러나 보다 정확한 메탄 발생량의 변화 구명을 위해서는 토양유기탄소, 용존탄소 및 총 탄소함량의 분석이 이루어져야 할 것으로 여겨진다.
경운 및 재배방법별 쌀수량
Bayer et al. (2014)와 Zhang et al. (2016) 등은 메탄의 발생량이 쌀 수량에 영향을 미치지 않은 것으로 보고하였 다. Huang et al. (2015)는 무경운 벼 재배 시 이삭수는 감 소하나 영화수와 등숙률의 증가로 수량이 보상되며 재배적 관리에 의해 달라질 수 있다고 하였다. 본 연구에서도 2년 간 각 처리간 쌀수량을 비교한 결과 통계적으로 유의한 차 이가 없는 것으로 나타났다(Fig. 6). 이러한 연구결과는 경 운 및 재배방법에 의한 메탄 발생량의 차이와 토양탄소함 량의 변화가 쌀 생산량에 절대적 영향을 미치지 않는 것으 로 판단된다.
