서 론

산업혁명에 따른 화석연료의 사용 급증과 삼림 벌채, 농경 지 용도 변환 등과 같은 인간 활동에 의해 대기 중 CO₂ 농도 는 급격히 증가하기 시작하였으며, 최근 10년간 전 지구적 온실가스 농도는 약 35% 증가하였다 (IPCC 2007). 이러한 대기 중 온실가스의 증가는 지구 복사를 지표면으로 재반사 하여 지표와 대기를 가열시켜 전 지구적 탄소순환의 비가역 적인 변화와 기후변화를 초래하여 이상기후 현상을 유발하 고 있다 (Rosenzweig and Hillel 1998). 전 지구적 탄소순환 의 메커니즘과 양적 순환관계 파악과 예측을 위해서는 토양 권 탄소의 동태 파악이 매우 중요한 역할을 하며 (Raich and Schlesinger 1992; Bond-lamberty et al. 2004), 이와 더불어 IPCC 보고서의 산정대상인 산림, 초지, 습지, 농경지와 같은 다양한 육상생태계의 식생과 대기 간에 교환되는 CO₂ 플럭 스를 정량화하는 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있 다 (Baldocchi et al. 2001; Baldocchi 2008).

육상생태계 중 산림의 경우 한국 주요 수종별 탄소배출계 수 및 바이오매스 상대생장식이 개발되어 사용되고 있는 반 면, 농업생태계는 인위적인 간섭과 더불어 구성 요인들 간 의 복잡한 상호관계때문에 탄소 흡수원으로서 인정을 받지 못하고 있는 실정이다. 그러나 농업생태계에 있어 토양과 작 물은 토양호흡과 작물의 생장을 통해 상당량의 탄소를 저 장 또는 배출하고 있다 (Schlesinger 2000). 작물 군락의 CO₂ 플럭스는 크게 식생의 광합성과 토양호흡에 의해 결정된다 (IACGEC 1996). 또한 2006년 농업분야의 온실가스 배출 권 측정에 대한 새로운 지침이 국가 간 기후변화 협의체인 IPCC에 의해 제시되면서 농업부문 탄소 흡수원에 대한 평 가 연구가 활발히 진행되고 있다. IPCC (2006) 농업분야 온 실가스 배출권 측정에 대한 새로운 지침에서는 일년생 작물 은 인정하지 않으나 영년생 목본류에 의한 탄소의 흡수는 인정하고 있다. 그러나 국내 농업분야에서는 아직까지 농작 물에 저장되는 탄소량과 비료처리에 따른 토양 탄소 흡수와 배출권에 관한 연구가 체계적으로 이루어지지 못하고 있는 실정이다 (Ro et al. 2015).

2012년 통계에 따르면 국내 과수 중 배 재배면적은 꾸준 히 증가하는 경향을 보이고 있다 (KOSIS 2010). 이에 농작 물에 의한 온실가스 흡수효과를 고려할 경우 영년생 과수의 중요성은 더 높게 나타날 것으로 보인다 (Lee et al. 2013).

이에 본 연구에서는 전남 나주 배 재배지를 대상으로 토 양과 대기와의 탄소수지를 평가하고, IPCC 2006 가이드라인 에 준하여 배나무 수체의 바이오매스를 측정하여 농업생태 계의 탄소 흡수원으로서의 가능성을 평가하고자 하였다.

재료 및 방 법

1.연구 대상지

토양호흡 측정 및 생태계순교환량 측정을 위한 실험 대상 농가는 전라남도 나주시 봉황면 욱곡리 (위도 34°57′11.59″, 경도 126°45′05.30″)에 위치하고 있으며 고도는 28 m이다. 면적은 약 1.2 ha이며 평균 수고 3~4 m인 40년생 신고배 (Pyrus pyrifolia Nakai cv. Nitaka)가 6.0×4.0 m 간격으로, 평균 임분밀도는 약 716 tree ha^-1이다. 임상 하부에 자생하 는 초본류는 11종 (7과 9속 10종 1변종)이 생육하고 있었으 며, 11종류의 식물 중 45.5%가 동계일년초이었다 (Suh et al. 2015).

배나무 바이오매스 측정은 2015년 9월 전라남도 나주시 금천면 고동리에 위치한 농촌진흥청 국립원예특작과학원 배 시험장 재배포장 (위도 35°01′27.70″, 경도 126°44′53.50″, 고도 6 m)에서 평균 수고 3.5 m인 20년생 추황배 (Pyrus pyrifolia Nakai cv. Chuwhangbae)와 감천배 (Pyrus pyrifolia Nakai cv. Gamcheonbae) 각각 2그루와 2016년 4월 전라남 도 나주시 봉황면 욱곡리 (위도 34°57′11.59″, 경도 126°45′ 05.30″)에 위치한 배 농가에서 평균 수고 4 m인 30년생 황금 배 (Pyrus pyrifolia Nakai cv. Whangkeumbae) 4그루를 이용 하여 실시하였다. 시비처리 및 관수관리 등의 일반적인 관리 는 농촌진흥청 배나무 표준재배법에 준하였다 (RDA 2000). 시험대상지의 토성은 욱곡리 농가와 배 시험장 모두 실트질 식토 (silty clay)이며, 밭 토양의 총 탄소 함량은 각각 18.55 g kg^-1과 52.37 g kg^-1이었다. 욱곡리 농가의 경우 우리나라 배 재배적지 평균인 20~30 g kg^-1 (NIHHS 2001)에 근사한 값 이었으나 배 시험장의 경우 약 2배 가량 높은 수치이었다. 이는 배 시험장에서 실시된 다양한 실험처리에 따른 결과라 고 생각된다.

나주 인근 2015년 연평균 기온은 13.4°C이며, 연강수량 은 1,067.0 mm이었다. 대기 중의 온·습도센서 (HMP155A, Vaisala, Helsinki, Finland)와 강우량센서 (TE525MM, Campbell Scientific, Logan, UT), 지온측정센서 (108, Campbell Scientific, Logan, UT) 및 토양수분센서 (CS616, Campbell Scientific, Logan, UT)는 10 m 타워와 인근에 설치하여 측정 하였으며 10분 단위로 측정치를 데이터로거 (CR1000, Campbell Scientific, Logan, UT)에 기록하였다 (Suh et al. 2015).

2.배 재배지 탄소 배출원

1)토양호흡 (Soil Respiration: FRS)

토양호흡은 휴대용 이산화탄소 측정기 (GMP343; Vaisala, Helsinki, Finland)를 이용하여 총 18개 지점을 대상으로 2015년 2월부터 2주 간격으로 2015년 12월까지 측정하였다. 2월부터 7월 데이터는 Suh et al. (2015)의 데이터를 참고하 였다. 측정 지점에는 직경 10 cm, 높이 20 cm의 아크릴 재질 collar를 매설하였고, 측정 시에는 collar를 덮어 GMP343을 고정시킬 수 있는 직경 10 cm, 높이 30 cm의 윗덮개를 제작 하여 사용하였다. Collar 설치로 인한 토양 간섭이 안정화되 는 시기를 고려하여 3주 후부터 토양호흡 측정을 실시하였 으며, 측정은 일평균 기온을 대표할 수 있는 10시와 16시를 기준으로 하여 각각 전후 1시간씩 진행하였다. 밀폐법 (Closed Dynamic Chamber method)으로 토양호흡량을 측정한 후 단 위시간당 단위면적에서 배출되는 CO₂ 양으로 환산하였다 (Bekku et al. 1995).(1)

3.배 재배지 탄소 흡수원

1)배 과수의 바이오매스

영년생 과수는 산림 수목의 곧은 수형과는 다르게 평균 2~4 m를 초과하지 않는 수고와 접붙이기 등에 의해 상대적 으로 복잡한 수형을 가지고 있어 바이오매스 측정 방법 및 상대생장식 개발 방법에 대한 논의는 충분히 이루어지지 않 은 실정이다. 그러나 IPCC (2006)에서 영년생 목본류 작물의 탄소 흡수를 인정하면서 과수에 대한 바이오매스 측정의 필 요성이 대두되고 있다. 이에 산림에 적용하는 바이오매스 조 사 방법을 기본으로 하여 배나무의 바이오매스를 측정하였 다. 잎은 엽병을 포함하여 채취한 후 생중량을 측정하였으며, 가지는 1년부터 7~8년지까지 구분하여 채취하고 각각 생중 량을 측정하였다. 과수의 경우 생육 특성을 고려하여 전정 및 접붙이기 등이 이루어지기 때문에 복잡한 수형을 가지게 된다. 이로 인해 2년지부터 8년지까지의 구분된 가지의 생체 량은 상대생장식 추정에만 사용하였고, 전체 바이오매스 계 산 시에는 가지의 총합을 사용하였다. 줄기는 분지별로 구분 하여 측정이 용이하도록 원통형으로 절단하여 생중량과 길 이, 직경 등을 측정하였다. 뿌리는 잎과 가지, 줄기의 채취가 끝난 후 굴삭기를 이용하여 약 1 m 가량 파서 뿌리의 손실을 최소화하며 수집하여 생중량을 측정하였다.

채취한 배나무 각 부분은 80°C 건조기에서 항량이 될 때 까지 3주간 건조시킨 후 각각의 건중량을 측정하였다.

2)전정가지

배나무의 전정은 일반적으로 12월에서 이듬해 2월 사이에 이루어진다. 본 연구사이트의 경우 2015년 2월 전정이 이루 어졌다. 전정 후 3그루의 배나무 밑에 떨어진 전정가지를 전 량 수거하여 생중량을 측정한 후, 80°C 건조기에서 항량이 될 때까지 3주간 건조하였다. 건조된 전정가지는 건중량을 측정하였다.

3)과실 및 낙엽

과실의 경우 가장 높은 생체중을 보인 반면 탄소 함량은 5.7% 미만으로 적으며, 수확 후 배 재배지에서 이탈되어 탄 소의 추적이 복잡한 관계로 본 연구에서는 바이오매스량 산 정 시 제외하였다. 또한 배나무의 잎도 대기 중 CO₂를 흡수 하여 광합성에 의한 생성물로 탄소의 흡수원으로 작용하지 만 대부분 적과 이후부터 낙엽이 되어 임관 하상에 떨어지고 분해에 의해 다시 대기 중으로 CO₂를 배출하는 탄소 배출원 으로 작용하고 있으며 배나무에서 차지하는 탄소 함량도 1.4 %로 매우 적었다. 이에 탄소의 흡수원과 배출원으로 동시에 작용하는 잎도 배 재배지 탄소수지 산정에서 제외하였다.

4)초본류 생태계순생산량 (F_h)

초본류 생태계순생산량 (Net Ecosystem Productivity of Herb: F_h)은 토양호흡 측정용 collar 옆에 설치한 동일 규격 의 collar를 이용하여 2015년 2월부터 12월까지 토양호흡 측 정기간과 동일 기간 동안 동일한 방법으로 측정하였다. 2월 부터 7월 데이터는 Suh et al. (2015)의 데이터를 참고하였다. 토양호흡 측정용 collar는 주기적으로 collar 내부 초본류를 제거한 반면 F_h 측정용 collar 내부는 자연 상태로 보전하였 다. 이와 같은 방법으로 측정된 F_h는 초본류의 광합성과 호 흡량을 합산한 값으로, 양의 F_h 값은 대기로 배출되는 CO₂ 양을 의미하며 음의 값은 대기로부터 초본류에 의해 흡수되 어진 CO₂의 양을 의미한다.

4.배 재배지 생태계순교환량 (F_N)

배 재배지 생태계순교환량 (Net Ecosystem Exchange: F_N) 은 대기와 배 재배지 간의 CO₂ 교환량을 의미하여, 이는 측 정 사이트 인근 풍향 및 풍속을 고려하여 설치된 10 m 타 워의 6 m 높이에 개방형 CO₂/H₂O 적외선가스분석기 (LI- 7500, LI-COR Biosciences Inc., USA)와 3차원 초음파풍속 계 (CSAT3, Campbell Scientific Inc., USA)를 이용하여 2015 년 1월부터 초당 10회 측정된 풍속 데이터와 CO₂ 농도의 30 분 평균에 대한 편차를 공분산하였고, EddyPro 6.1.0 프로그 램 (LI-COR Biosciences Inc., USA)을 이용하여 CO₂ 플럭스 를 계산하였다. 2월부터 7월 데이터는 Suh et al. (2015)의 데 이터를 참고하였다. 양의 CO₂ 플럭스 값은 배 재배지로부터 대기로 배출되는 CO₂ 양을, 그리고 음의 CO₂ 플럭스 값은 대기로부터 배 재배지로 흡수되는 CO₂ 양을 의미한다.

결과 및 고 찰

1.배 재배지 탄소 배출원

1)토양호흡

2015년 2월부터 12월까지 측정된 토양호흡량은 Fig. 1과 같다. 이는 각 측정 월에 측정된 토양호흡값을 평균하여 측 정 월을 대표하는 시간당 CO₂ 배출량을 산정한 값이다. 그러 나 맑은 날에 측정한 값만으로 측정 월의 대푯값으로 사용 하는 경우 장마 등과 같은 강우 이벤트에 따른 토양호흡 배 출 양상을 충분히 반영하지 못하며 과대평가되는 경향이 있 다 (Suh et al. 2014).

이러한 단점을 보완하기 위하여 10 mm 이하의 강우가 발 생한 날과 10 mm 이상의 강우가 발생한 날을 구분하여 회귀 분석을 하였으며 (Fig. 2), 맑은 날은 각 측정 월별로 회귀식 을 작성하였다.

온도에 대한 토양호흡의 민감도를 나타내는 Q₁₀ 값의 10 mm 이하 강우 조건에서는 2.1의 민감도를 보였다. Jung et al. (2014)은 울진 소나무림에서 2.9, Heo et al. (2014)은 광릉 활엽수림에서 3.2, 태화산 잣나무림에서 3.6, 그리고 Lee et al. (2009)은 사과 과수원에서 2.0의 Q₁₀ 값을 보고한 바 있 다. 나주 배 재배농가의 Q₁₀ 값은 산림과 비교하면 다소 덜 민감한 것으로 보였지만 사과 과수원과는 유사한 값을 보였 다. 그러나 10 mm 이상의 강우 조건에서는 Q₁₀ 값이 15.6으 로 매우 높은 값을 보였다. 이는 야외 실험 결과에 따라 강우 강도의 범위를 인위적으로 구분하다 보니 보다 세밀한 강우 강도 범위를 나누지 못한 결과라 생각된다. 이는 추후 실내 실험을 통해 세분화된 강우 강도에 따른 토양호흡 배출 특 성을 살펴보는 연구가 요구된다.

강우 효과를 반영하여 2015년 월별 토양호흡 배출량을 산 정하면 Fig. 3과 같다. 상대적으로 강우량이 적은 1월, 2월과 12월에는 두 방법을 통해 산정된 토양호흡량이 큰 차이를 보이지 않았으나, 3월부터 11월 사이에는 두 산정 방법에 따 라 토양호흡량의 차이가 나타났다. 이는 강우가 발생하는 시 점부터 강우에 의해 토양의 물리성이 바뀌면서 일시적으로 토양호흡량이 증가한다는 Tamai et al. (2008)과 Suh et al. (2014)의 보고와, 이와는 반대로 강우가 지속되어 토양공극 이 모두 강우로 채워지면 토양호흡량이 감소한다는 Ball et al. (1999)과 Ito and Takahashi (1997)의 보고를 고려할 때 강 우 강도 및 지속시간과 밀접한 관계가 있을 것으로 생각된다.

강우 효과를 반영한 회귀식을 이용하여 2015년 나주 배 농가에서 산정된 연간 토양호흡량은 25.6 ton CO₂ ha^-1이었 다. 그러나 맑은 날 측정한 데이터만을 이용하여 회귀식을 작성하고 이를 이용하여 연간 토양호흡량을 산정한 결과는 32.1 ton CO₂ ha^-1로 강우 효과를 고려한 토양호흡량보다 약 25.4% 과대평가된 것으로 나타났다.

사과원의 경우 연간 19.6 ton CO₂ ha^-1가 토양호흡의 형태 로 배출되며 (Lee et al. 2009), 고추 경작지는 17.2 ton CO₂ ha^-1가 배출되었다 (Lee 2008). 배 재배지를 사과원과 고추 경작지와 비교하면 약 48.8%와 30.6% 더 많은 CO₂가 토양 호흡의 형태로 배출되었다.

2.배 재배지 탄소 흡수원

1)배나무 바이오매스 (F_B)

산림바이오매스 조사 방법에 따라 굴취법으로 2015년 9월 에 20년생 배나무 4그루와 2016년 4월에 30년생 배나무 3그 루를 대상으로 산정한 바이오매스는 Table 1과 같다. 수령 증 가와 더불어 수관이 발달함에 따라 광합성을 할 수 있는 엽 면적의 증가와 신초 및 주간부가 동반 생장하여 점차 지상부 의 바이오매스가 증가하는 결과를 보였다 (Barbara 2000).

건물중의 경우 전정과 같은 측지의 조절, 적과 등에 의한 복합효과 (Lee et al. 2013)와 더불어 재배 지역의 기상조건 및 배나무 생장조건의 변화 역시 연차별 생체중과 건물중에 영향을 주어 (Kozlowski 1964; Wilson 2000), 2년생 측지부 터 8년생 측지 사이에는 특정한 경향성이 없다는 보고를 참 고하여 2~8년생 측지는 구분하지 않았다.

산림 수목의 경우 DBH (Diameter of breast hight)를 활용 하여 상대생장식을 작성하는 반면 영년생 작물의 경우 상대 적으로 수형이 복잡하기에 산림에서와 같이 DBH를 활용함 에는 무리가 있다. 이에 배나무의 전체 바이오매스와 수령 사이의 회귀분석을 통해 상대생장식을 작성하였다. 그리고 20년생과 30년생 배나무 건중량 데이터 이외에 15년생 배나 무 건중량 데이터 (Lee et al. 2013)를 활용하여 배나무 수령 과 바이오매스와의 회귀분석을 통해 상대생장식을 작성하였 다 (Fig. 4).

바이오매스에 포함된 탄소 함량은 IPCC에서 제시하여 국 제적으로 통상 이용되는 탄소전환계수 0.5를 이용하여 배나 무 건물중의 탄소량을 산정하였다.

회귀식을 통해 나주 배 농가에서 2015년 1년간 배나무가 흡수하여 수체에 저장하는 CO₂의 양은 (-)27.9 ton CO₂ ha^-1 yr^-1이었다.

2)초본류 생태계순생산량 (F_h)

Fig. 5는 배 재배지 임상 하부에 자생하는 동계형 일년초 의 광합성에 의해 흡수된 CO₂를 월별로 나타낸 그래프이다. 동계형 일년초의 광합성 작용에 의해 배나무 잎이 없는 11 월에서 이듬해 2~3월에도 평균 (-)0.15 ton ha^-1 month^-1의 CO₂를 흡수하는 것으로 나타났다. 초본류의 광합성이 가장 높은 시기는 6~8월로 이 시기에 연간 초본류 광합성에 의한 CO₂ 흡수량의 절반에 이르고 있었다. 연간 초본류가 광합성 작용에 의해 흡수한 CO₂는 약 (-)5.2 ton ha^-1이었다.

3.배 재배지 생태계순교환량 (F_N)

에디공분산법을 이용하여 배 재배지의 대기와 작물 및 토 양권 간 CO₂ 교환량을 측정한 월별 누적 결과는 Fig. 6과 같 다. 2015년 2월의 경우 배나무 잎이 다 떨어진 상태에서도 동계형 일년초의 광합성 작용에 의해 CO₂가 흡수되는 것을 확인할 수 있다. 7월에는 다소 CO₂ 흡수량이 감소하는 것을 확인할 수 있었는데 이는 강수에 의해 광합성이 크게 저하되 어 CO₂ 흡수량이 감소된 것으로 생각된다 (Lee et al. 2005). 2015년 2월부터 12월까지 배 재배지에서 흡수한 총 CO₂ 양 은 약 (-)17.8 ton CO₂ ha^-1 yr^-1이었다.

4.2015년 배 재배지 탄소수지 평가

탄소수지 평가를 위해서는 우선 탄소의 흡수원과 배출원 에 대한 구분이 선행되어야 한다. 배 재배지의 경우 일반적 으로 알려진 주요 탄소 배출원은 토양호흡이며 탄소 흡수원 은 배나무와 초본류 광합성에 의한 바이오매스 증가분으로 크게 구분할 수 있다.

2015년 배 재배지에서 토양호흡으로 배출된 CO₂는 25.6 ton CO₂ ha^-1 yr^-1이었으며, 배나무의 수령과 바이오매스와의 회귀분석으로 추정한 상대생장식을 이용하여 동일 기간 배 나무 수체와 전정가지로부터 흡수된 CO₂는 각각 (-)27.9 ton CO₂ ha^-1 yr^-1와 (-)12.6 ton CO₂ ha^-1 yr^-1이었다. 이와 더불어 임상 하부 초본류도 광합성을 통해 (-)5.2 ton CO₂ ha^-1 yr^-1 의 CO₂를 흡수하였다. 2015년 배 재배지에서 배출과 흡수된 CO₂ 양을 합산하여 보면 1 ha당 약 (-)20.1 ton의 CO₂가 흡 수된 것으로 나타났다. 이는 미기상학적인 방법을 이용하여 측정한 생태계순교환량 (-)17.8 ton CO₂ ha^-1 yr^-1와 약 2.3 ton CO₂ ha^-1 yr^-1의 차이를 보였다. 이러한 차이는 초본류 호 흡량과 과실 및 낙엽에 의한 저장 및 분해량이 포함되지 않 았기 때문으로 생각된다.

영년생 작물 재배지를 대상으로 초본 및 과수의 바이오매 스량 측정과 밀폐형 쳄버법을 이용하여 측정한 배 재배지 단 위의 CO₂ 배출량, 그리고 미기상학적인 방법을 이용한 재배 지 내 CO₂ 교환량 측정과 같은 다방면에서의 지속적인 연구 는 영년생 작물 재배지 단위 생태계 구성요소들 간의 CO₂ 흐름을 파악하는 효과적인 방법이라 생각된다.

적 요

본 연구는 영년생 작물 중 배 재배지의 탄소수지 평가를 위하여 전남 나주 욱곡리 배 재배지에서 토양호흡, 초본류의 생태계순생산량 그리고 배 과수의 바이오매스와 배 재배지 에서의 생태계순교환량을 측정하였다. 2015년 배 재배지의 연간 토양호흡량은 약 25.6 ton CO₂ ha^-1이었다. 바이오매스 측정을 통해 측정된 배나무 수체에 저장된 CO₂ 양은 (-)27.9 ton CO₂ ha^-1이었으며, 전정된 가지에 저장된 CO₂ 양은 약 (-)12.6 ton CO₂ ha^-1 yr^-1이었다. 배 재배지 임상 하부에 자생 하는 초본류 광합성에 의해 흡수된 CO₂ 양은 (-)5.2 ton CO₂ ha^-1 yr^-1이었다. 이를 배 재배지 단위에서의 CO₂ 배출량과 흡수량으로 구분하여 보면, 연간 1 ha당 약 25.6 ton이 대기 중으로 배출되었으며 대기로부터 흡수된 CO₂는 약 (-)45.7 ton이었다. 이를 합산하면 연간 약 (-)20.1 ton의 CO₂가 대 기 중으로부터 배 재배지로 흡수되는 것을 확인할 수 있었 다. 이는 미기상학적인 방법을 이용하여 측정한 배 재배지 대기와 작물 및 토양권 간의 연간 CO₂ 교환량 (-)17.8 ton ha^-1와 큰 차이를 보이지 않았다. 이러한 다양한 접근 방법을 이용한 연구는 배 재배지뿐만 아니라 영년생 작물 재배지 단 위에서 농업생태계 구성요소들 간의 CO₂ 흐름을 파악하여 보다 효율적인 탄소수지 평가 연구를 위한 방법론을 제시하 고 향후 농업생태계가 탄소 흡수원으로서 인정받기 위한 후 속 연구의 기초 데이터로 사용될 수 있을 것으로 예상된다.