논의 볏짚 수거율이 80% 이상 증대됨에 따라 농경지의 유 기물 함량은 점차 감소되어 2010년에는 23g kg-1까지 낮아 졌다. 앞으로도 이런 추세가 계속되고 추가로 유기물을 투 입하지 않는다면 농경지 지력저하는 더욱 심해져 안정적인 식량생산을 위협할 수 있어 이에 대한 대책이 요구된다. 농 식품부에서는 농경지의 지력증진을 위하여 유기질 비료시 용과 녹비작물 재배를 권장하고 있다. 지력 증진을 위하여 권장되는 녹비작물은 대부분 휴경기인 겨울철에 재배되고 있어 경지 이용율을 증대시킬 뿐만 아니라 토양에 환원하면 유기물 공급, 화학비료 절감, 토양의 물리․화학적 특성 개량, 토양유실 방지, 경관조성 등 다양한 효과를 줄 수 있다(Kim et al., 2011; Jeon et al., 2009; Song et al., 2010; Yang et al., 2009). 그러나 녹비작물을 토양에 환원하면 분해되는 과 정에서 지구 온난화에 영향을 주는 가스 중 하나인 메탄가 스가 발생한다. 메탄가스는 벼 재배 과정 중 논에 관개수가 공급되어 토양이 혐기적인 상태에서 유기물이 분해될 때 발 생된다. 메탄 발생량은 유기물의 종류, 시용량, 시용방법과 토양특성, 온도, 물 관리 등에 따라 달라진다(Ali, et al., 2014, Kim et al., 2014; Neue and Sass, 1994; Yuan et al., 2014). 즉 메탄은 토양에 환원된 유기물이 부숙된 퇴비보다는 신선 한 유기물에서 더 많이 발생되며, 투입되는 유기물의 양이 많을수록, 토양온도가 높을수록, 담수기간이 길수록 발생량 이 증가한다고 하였다(Pramanik et al., 2014; Pandey et al., 2014; Roh et al., 2010; Yagi et al., 1990). 그러나 온실가스 를 절감해야한다는 목표를 달성하기 위하여 농경지에 볏짚 을 제거하고 유기물을 투입하지 않는다면 농경지의 지력은 점차 악화되어 안정적인 식량생산에 차질이 생길 것이다. 따라서, 지력유지에 필요한 유기물을 투입하면서 온실가스 의 주범인 메탄 발생량을 줄일 수 있는 방법을 모색하기 위 하여 시험을 수행하였다.
본 시험은 농경지에 다양한 효과를 줄 수 있는 우수한 유 기물 자원으로 녹비작물을 활용할 때 발생되는 메탄을 줄이 기 위하여 녹비작물-벼의 작부체계에서 경운방법을 달리하 여 시험하였다. 먼저 동계 휴경지에 녹비작물을 재배하고 이듬해 봄에 토양에 환원 할 때 경운깊이를 10 cm와 20 cm 로 환원하고 벼를 재배하면서 메탄과 이산화탄소 발생량, 벼 생육 및 수량을 조사하였다.
재료 및 방법
본 시험은 국립식량과학원 시험포장에서 2011년 10월부 터 2012년 11월까지 수행되었다. 작물재배는 Fig. 1과 같이 가을에 녹비작물을 파종하여 겨울동안 재배하고 이듬해 봄 토양에 환원한 다음 벼를 재배하는 작부체계였다. 처리내용 은 헤어리베치(HV), 녹비보리(B), 화학비료(C) 3개의 처리 에 경운깊이를 10 cm, 20 cm로 조절하였다. 10 cm경운은 트랙터를 이용하였고, 20 cm경운은 쟁기로 경운하였다. 작 물별 품종은 녹비보리는 영양보리, 헤어리베치는 H1, 벼는 운광벼를 사용하였다. 녹비작물 파종량은 녹비보리는 90 kg ha-1, 헤어리베치는 40 kg ha-1을 사용하였다. 녹비작물 파종은 2010년 10월 16일에 세조파기를 이용하였고, 녹비 작물 환원은 2012년 5월 22일에 10 cm와 20 cm깊이로 경 운하여 환원하였다. 벼 이앙은 6월 5일에 30×15 cm 간격으 로 중묘를 손 이앙 하였다. 작물재배 중 화학비료 시용량은 녹비작물 재배기간에는 헤어리베치, 보리 모두 질소(T-N), 인산(P2O5), 칼리(K2O)를 무시용 하였고, 벼 재배기간에는 녹비(헤어리베치, 녹비보리)환원구는 3요소 모두 무시용하 였고, 화학비료구는 질소 90 kg ha-1, 인산 45 kg ha-1, 칼리 57 kg ha-1을 시비하였다. 이 때 화학비료는 요소(질소), 용 과린(인산), 염화칼리(칼리)를 각각 벼 분시비율에 맞게 시 용하였다. 물 관리는 토양조건을 환원상태로 유지하기 위하 여 이앙 4일전부터 수확기까지 상시담수를 실시하였다. 녹 비작물의 수량은 토양에 환원하기 전에 1 m2의 식물체를 3 반복으로 수확하여 50℃에서 48시간 열풍건조 후 건물중을 측정하였다. 벼 수량 및 수량구성요소는 농촌진흥청의 농업 과학기술연구 조사분석 기준(RDA, 2003)에 의거하여 조사 하였다. 이산화탄소와 메탄 발생량을 조사하기 위하여 간이 폐쇄정태 챔버법에 따라 아크릴소재로 제작된 가스포집장 치인 챔버(60×60×120 cm)를 설치하였다(Shin and Kim, 1994). 가스측정은 녹비작물 환원 후부터 이앙전인 5월 23 일부터 6월 4일까지는 5일 간격으로 실시하였고, 이앙 후부 터 수확기인 9월 27일까지는 7일 간격으로 조사하였다. 이 산화탄소 측정과 메탄 분석을 위한 가스채취는 오전 10:00~ 12:00사이에 30분 간격으로 2회 실시하였으며, 이산화탄소 는 Multy-REA (302)를 사용하여 챔버에서 직접 측정하였다. 메탄은 60 ml 주사기로 가스시료를 채취하여 가스크로마토그 래피(Aligilent 502)로 분석하였으며 검출기는 FID (Flame Ionization Detector)를 사용하였다(Shin and Kim, 1994). 이 때 대기온도, 지온, 산화환원전위와 물높이도 같이 측정 하여 메탄 발생량을 계산하는데 이용하였다.
토양의 화학적 특성은 농촌진흥청 토양 및 식물체 분석법 (NIAST, 2000)에 준하여 pH는 토양과 증류수를 1:5로 희 석하여 pH meter로 측정하였고, T-C는 원소분석기(LECO CNS-2000), 치환성양이온과 인산함량은 동시침출법으로 추 출하여 유도결합 플라즈마 분광분석기(ICP, Inductively Coupled Plasma Spectrometer, GBC SDS-270, AU)를 이용하여 정 량하였다.
통계분석은 SAS 9.2 버전을 이용하여 작물별 수량 및 생 육 등을 5% 유의수준에서 Duncan's multiple test를 수행하 였다.
결과 및 고찰
시험토양은 사양토였으며 토양의 화학적 성분함량은 Table 1 과 같이 pH는 5.33이고 토양탄소 함량은 6.8 g kg-1, 인산은 112 mg kg-1, 칼리 0.57 cmolc kg-1이었다.
Table 1.
The chemical properties of soil before experiment
| Soil texture | pH | Total C | Avail. P2O5 | Exch. cations | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ca | Mg | K | ||||
| 1:5 | g kg-1 | mg kg-1 | ------- cmolc kg-1 ------- | |||
| Sand Loam | 5.33 | 6.8 | 112 | 3.26 | 0.62 | 0.57 |
겨울동안 재배된 녹비작물의 수량은 Table 2와 같이 헤어 리베치 1,760 kg ha-1이었고 녹비보리는 750 kg ha-1이었다. 녹비작물이 재배되는 동안 흡수한 탄소량은 헤어리베치 730 kg ha-1이었고 녹비보리는 320 kg ha-1이었다.
Table 2.
Carbon accumulation and green manure yield as affected by the cultivation of different green manure crops during the winter season.
| Items | Hairy vetch | Barley |
|---|---|---|
| Dry weight (kg ha-1) | 1760a† | 750b |
| Carbon absorption (kg ha-1) | 730a | 320b |
메탄은 토양이 혐기적인 조건에서 기온이 높고 화창한 날 에 발생량이 증가한다는 보고와 같이 기상조건에 영향을 받 기 때문에 벼 재배기간 동안 온도와 토양의 산환환원전위 (Eh)의 변화를 Fig. 2와 같이 측정하였다(Nouchi et al., 1994; Wang et al., 1993). 챔버의 대기온도는 녹비작물 환원 직후 에 33℃였으며 벼 재배기간 동안에 30~40℃ 범위로 높았으 며 등숙기인 이앙 후 94일부터 서서히 낮아져 30℃ 미만으 로 떨어졌다. 토양지온은 대기온도와 변이 패턴은 같았으나 온도는 대기온도보다 2~10℃가 낮았다. 대기온도와 지온에 서 온도 차이가 나는 이유는 토양조건을 상시담수 상태를 유지하기 위하여 2~3일 간격으로 관개를 실시하였고 벼가 생장하면서 지표면을 덮어 그늘조건을 만들었기 때문으로 생각되며 온도차가 가장 큰 때는 식물체 생육이 가장 왕성 한 이앙 후 63일로 대기온도와 약 10℃정도 차이가 났다. Yamane & Sato (1964)는 지온이 20~40℃(최적온도 30~ 40℃)일 때 메탄이 발생된다고 하였는데 벼 재배기간 동안 지온은 20~30℃ 사이로 메탄이 발생하기에는 적합하였으 나 최적온도보다는 약간 낮았다.
Fig. 2.
The changes of temperature in soil and air(left) and soil Eh(right) during rice cultivation.메탄을 생성하는 요인 중 하나인 산화환원전위(Eh)는 토 양이 담수조건이 되면 점차적으로 감소하게 되는데 관개가 시작된(이앙 전 4일) 후 토양은 급격히 환원상태가 되어 이 앙 0일의 Eh는 -300 mV가 되었으며 벼 재배기간 동안에는 -300~-500 mV를 유지하였다. Patrick (1981)과 Wang et al. (1993)은 메탄 생성이 시작되기 위한 토양의 Eh는 -150 mV 이하라고 하였는데 벼 재배기간의 Eh는 이보다 낮은 상태 를 유지하여 메탄이 발생하기에 적절한 환원상태를 유지하 였다. 경운 깊이별로 보면 10 cm 경운구와 20 cm 경운구 모두 관개를 시작하면서 토양은 아주 빠르게 환원상태가 되 었으며 벼 재배기간 내내 환원상태를 유지하였다. 다만, 10 cm 경운구보다는 20 cm로 경운했을 때 Eh는 더 낮았으며 이는 벼 이앙 후 관개일수가 증가할수록 더 뚜렷한 차이를 보였다. 특히 관개가 중단된 이앙 후 116일에는 10 cm경운 구는 빠르게 산화상태가 된 반면 20 cm 경운구는 여전히 환원상태를 보였다.
농경지에서 발생되는 온실가스에 가장 많은 비중을 차지 하는 것이 메탄가스이다. 메탄 발생량은 유기물의 종류, 투 입량에 따라 달라지는데 Fig. 3은 토양에 녹비작물을 환원 하고 발생된 메탄량의 변화는 유기물을 환원하고 관개를 시 작하기 전인 이앙 전 12일부터 이앙일까지 거의 발생되지 않았으나 이앙 후 급격히 발생되었다. 특히 화학비료구는 이앙 후 14일 이후에 발생되기 시작한 반면에 녹비작물 환 원구는 이앙 후 8일부터 발생하기 시작하여 이앙 후 64일, 75일에 발생량이 가장 많았다. 이는 녹비작물 환원구나 화 학비료 시용구 모두 같은 경향이었다. 유기물 시용에 따라 서는 화학비료 시용구보다 유기물을 시용한 헤어리베치, 녹 비보리 환원구에서 더 많이 발생되었으며, 녹비종류별로는 화본과인 보리에서 더 많이 발생되었다. 경운 깊이별로는 10 cm경운보다 20 cm로 경운으로 메탄 발생량은 감소되었 다. 특히 이앙 초기의 메탄 발생량이 10 cm경운구는 이앙 8일에 45~51 mg m-2 hr-1으로 급격히 증가된 반면 20 cm경 운에서는 17~20 mg m-2 hr-1으로 10 cm경운보다 50% 이상 저감되었으며 상승폭도 서서히 발생되었다. 이러한 현상은 유기물을 투입한 헤어리베치, 녹비보리 환원구 뿐만 아니라 화학비료 시용구도 같은 경향이었다. 녹비작물을 토양에 환 원할 때 20 cm로 깊이 경운함으로써 메탄 발생량이 저감되 었으며 이앙 초기 발생도 서서히 진행되었다. 또한 논에서 상시담수보다는 간단관개나 중간낙수를 통하여 토양에 공 기를 주입하여 일시적으로 산화상태를 만들면 메탄발생량 을 80%까지 감축 시킬 수 있다고 하였는데 녹비작물 이용 시 논의 물관리를 통한 메탄발생량 저감에 대한 연구가 진 행된다면 저감 효과를 더 높일 수 있을 것으로 생각되었다 (Kim et al., 2014; Kim et al., 2012; Pandey et al., 2014, Rath et al., 1999).
Fig. 3.
The changes in CH4 emission according to tillage depth and types of green manure crops during rice cultivation.Fig. 4는 벼 재배하는 동안 측정한 총 메탄발생량을 나타 낸 그림으로 녹비보리에서 메탄 발생량이 가장 많았고, 헤 어리베치, 화학비료시용 순이었다. 경운 깊이별로는 모든 처리에서 10 cm경운보다는 20 cm경운으로 메탄 발생량이 저감되었다. 처리별 저감량은 화학비료구에서 22.5%로 가 장 많았고, 녹비보리, 헤어리베치 환원구는 각각 11.7%, 12.4% 가 저감되어 녹비환원구보다 화학비료 시용구에서 약 50% 정도 저감율이 높았다. 따라서 논토양에 유기물을 녹비작물 로 활용할 때 메탄발생을 저감하기 위해서는 20 cm로 경운 하는 것이 좋을 것으로 판단되었다. 이 외에도 Kim et al. (2014)은 간단관개를 통하여 메탄 발생량을 저감했다고 하 였는데 녹비작물을 유기물원으로 활용 할 경우 간단관개 방 법, 관개회수, 물높이 등 메탄 발생량을 경감을 위하여 영농 방법에 대한 검토가 필요할 것으로 생각되었다.
논토양에서 벼 작물재배 기간에 발생되는 이산화탄소량 은 Fig. 5와 같이 녹비작물 환원 직후에는 흡수량보다 배출 되는 양이 많았으나 벼가 생장하는 동안에는 배출되는 양보 다는 벼에 의하여 흡수되는 양이 더 많았다. 유기물 시용별 로는 화학비료 시용구보다는 헤어리베치와 녹비보리 환원 구에서 이산화탄소 배출이 심하였으며 헤어리베치 한원구 가 녹비보리 환원구보다 배출량이 많아 메탄발생량과는 상 반된 결과를 보였다(Fig. 4) 이산화탄소 배출이 가장 많았던 시기는 녹비작물 환원 직후인 이앙 전 12일이었으며 이 때 헤어리베치 환원구에서 녹비보리보다 약 2.5배 많은 1,084 ppm의 이산화탄소가 배출되었다. 경운 깊이별로는 10 cm 경운보다 20 cm 경운으로 이산화탄소 배출량도 현저히 감 소되었으며, 녹비작물 환원 초기인 이앙 전 12일에 20 cm 경운구의 이산화탄소 배출량이 10 cm경운구보다 약 50% 이상 감소되어 메탄 배출과 같은 양상이었다. 10 cm, 20 cm 경운구 모두 벼가 생장함에 따라 이산화탄소 배출량은 점차 감소되어 이앙 후 24일부터는 배출되는 양보다 흡수되는 양이 더 많아졌다. 이산화탄소 배출량은 이앙 후 63일과 86 일에 일시적으로 높아졌는데 이는 기상과 관계가 많은데 일 반적으로 날씨가 화창하고 기온이 높으면 벼에 의한 광합성 이 활발해져 이산화탄소 흡수가 활발하게 이루어지지만 강 우나 구름으로 인하여 빛이 차단되면 식물체는 광합성보다 는 호흡량이 증가되어 이산화탄소를 배출하게 되는데 이 시 기의 대기온도는(Fig. 3) 주변시기의 기온보다 낮았다. 벼 재배기간 동안 녹비 종류에 따른 이산화탄소 배출량은 이앙 전에는 헤어리베치 환원구에서 많았으나 이앙 초기인 이앙 일부터 이앙 후 39일까지는 녹비보리 환원구에서 더 많았 다. Lim et al. (2012)과 Yagi et al. (1990)는 메탄 발생은 유기물의 C/N율이나 부숙 속도가 빠를수록 증가한다고 하 였는데 이산화탄소 배출량에서도 같은 결과를 보였다.
Fig. 5.
The changes in CO2 emission chamber as affected by the cultivation of different green manure crops and tillage depth.수확기 벼 수량 및 수량구성요소는 Table 3과 같이 쌀 수 량은 녹비종류에 따른 차이는 있었으나 경운 깊이에 따른 차이는 없었다. 녹비종류별로 보면 헤어리베치 환원구에서 5.69~5.76 Mg ha-1로 가장 많았고 녹비보리 환원구가 4.37~ 4.45 Mg ha-1로 가장 낮았다. 수량구성요소도 수량과 같이 경운 깊이에 따른 차이는 없었으나 녹비작물 종류에 따라서 는 수량이 많았던 헤어리베치 환원구에서 경장이나 m2당 수수, 수당립수는 많았던 반면 등숙률은 낮았다. 다른 처리 에 비하여 헤어리베치 환원구에서 수량이나 수량구성요소 가 월등히 높았던 이유는 화본과인 녹비보리보다 두과인 헤 어리베치가 질소함량(40 g kg-1)이 높고 분해가 빨라 토양에 환원되면 짧은 기간에 분해되어 후작물에 양분을 공급하기 때문이었다(Song et al., 2010).
Table 3.
Yield and components of rice as affected by different treatments.
| Treatments | Culm length | Panicle length | No. of panicles per m2 | No. of spikelet/ panicle | Percent ripened grain | 1000 grain weight | Rice yield | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 10 cm tillage | cm | cm | g | Mg ha-1 | ||||
| C† | 55.3b‡ | 18.8ab | 264.8b | 89bc | 78.1a | 22.2a | 4.98b | |
| HV | 59.7ab | 19.3a | 318.4a | 109ab | 70.7b | 22.2a | 5.69a | |
| B | 57.1b | 19.8a | 228.0c | 94ab | 73.0b | 22.6a | 4.37c | |
| 20 cm tillage | C | 60.2ab | 19.9a | 280.8ab | 89bc | 78.1a | 22.2a | 4.98b |
| HV | 63.2a | 20.0a | 349.6a | 113a | 71.1b | 22.1a | 5.76a | |
| B | 56.7b | 19.6a | 238.4c | 101ab | 80.6a | 22.0a | 4.45c | |
요 약
농경지의 볏짚 수거량이 증가하면서 부족한 유기물을 공 급하기 위하여 녹비작물을 이용하고 있다. 녹비작물은 유기 물공급과 화학비료 대체가 가능한 우수한 유기물원이다. 그 러나 농경지에서 분해되는 과정에 메탄을 발생시키기 때문 에 메탄발생량을 줄이기 위한 노력이 요구된다. 따라서 논 토양에서 녹비작물을 이용할 때 메탄발생량을 줄이기 위하 여 경운깊이를 달리하여 시험하였다.
벼 생육기간 중 메탄 발생량은 이앙 후 63일, 74일에 가 장 많았고 이앙 후 74일 이후부터 감소되었으며 이앙 후 106일에는 거의 발생되지 않았다. 녹비종류에 따른 메탄발 생량은 보리환원구에서 가장 많았고, 그 다음은 헤어리베 치, 화학비료 순이었다. 경운 깊이에 따른 메탄발생량은 10 cm경운보다 20 cm로 경운함으로써 화학비료는 22.5%, 헤 어리베치 환원구는 12.4%, 보리환원구는 11.7% 감소되었 다. 벼 재배기간 동안 대기온도는 30~40℃였고, 지온은 대 기온도보다 약 2~10℃정도 낮았다. 산화환원전위(Eh)는 이 앙 전 관개를 시작하면서 급격히 토양이 환원되어 (-)값을 나타냈다. 작물 재배기간 동안 산화환원전위차는 –300~ -500 mV으로 낮았으며 관개가 중단된 이앙 후 106일 이후 에는 다시 급격하게 증가되었다. 쌀 수량은 경운깊이에 따 른 차이는 없었으나 녹비작물중에서는 헤어리베치 환원구 에서 가장 많았다. 논토양에서 헤어리베치를 이용할 때 20 cm로 경운하여 메탄발생을 효과적으로 줄일 수 있었다.
