서 론

주요 온실가스 중 하나인 메탄 (CH₄)은 이산화탄소 (CO₂) 다음으로 지구온난화에 대한 기여도가 높은 물질로 산업혁 명 이후 배출량이 지속적으로 증가하고 있다 (Stocker et al. 2014;Peyron et al. 2016). 농업부문에서 배출되는 주요 온 실가스는 메탄과 아산화질소 (N₂O)로 이 중 메탄은 주로 벼 재배 과정과 가축의 장내발효에서 배출되며 가축분뇨 처리 과정을 통해서도 일부 배출된다 (IPCC 1996). IPCC 가이드 라인에 따라 2017년에 산정한 2015년 우리나라 농업분야 온실가스 배출량은 20.6 백만톤 CO₂-eq.으로 이 중 30.4% (6.3 백만톤 CO₂-eq.)가 벼재배를 통한 메탄 배출이다 (GIR 2017).

농경지에서 배출되는 온실가스 (CO₂, CH₄, N₂O) 측정 방 법에는 chamber enclosure (IAEA 1992), eddy covariance (Alberto et al. 2014;Ge et al. 2018), flux-gradient (Miyata et al. 2000), infrared (Zheng et al. 2013) 등이 있다. 이 중 챔 버법 (closed chamber)과 에디공분산 (eddy covariance)을 이 용한 연구는 습지나 농경지 생태계를 대상으로 메탄 배출량 을 측정하는데 주로 이용되고 있다 (Baldocchi et al. 2012;Wang et al. 2013). 벼재배 논에서의 메탄 측정은 현재까지 챔버를 이용해 온실가스를 포집하고 가스크로마토그래피 (Gas Chromatography)를 이용해 정량 분석하는 방법을 주 로 사용해왔다 (Wassmann et al. 2000). 챔버법은 적은 양 의 가스를 포집하는데 유리하고, 별도의 전기 공급이 없이 도 시료 채취가 가능해 연구 현장에 적용하기가 쉽다 (Song et al. 2009). 또한 저비용으로 제작이 가능하고 챔버의 설치 와 제거가 용이하다는 점도 챔버법의 장점이라고 할 수 있 다 (Christensen et al. 1995). 그러나 챔버법의 경우 시·공간 적 제약과 함께 변동 폭이 큰 메탄 배출량을 측정하는데 한 계가 있어 에디공분산 방법을 이용한 온실가스 측정 연구가 대안으로 제시되고 있다 (McDermitt et al. 2011;Alberto et al. 2014). 그러나 지금까지 에디공분산 방법을 이용한 연구 는 주로 산림지의 이산화탄소 측정에 집중되었고 최근에 들 어서야 논이나 습지를 대상으로 메탄을 측정하는 연구가 활 발히 진행되고 있다 (Alberto et al. 2014).

에디공분산 방법은 식생을 포함한 지표와 대기 간에 교 환되는 물리량의 연직플럭스 (vertical flux)를 정량화하고 그 교환과정에서 난류의 구조를 밝히는데 사용된다 (Choi et al. 1999). 여기에서의 물리량은 운동량 플럭스, 현열 (sensible heat) 및 잠열 (latent heat)과 같은 에너지 플럭스, CO₂, CH₄, N₂O와 같은 온실가스 등을 말한다 (Kaimal and Finnigan 1994;Choi et al. 1999). 에디공분산을 이용한 측정방법에는 closed-path 방법과 open-path 방법이 있으며, closed-path 방 법의 경우 많은 양의 전기가 필요하고 분석 장비도 무거워 현장에서 이용하는데 많은 제약이 따른다. 반면 open-path를 이용한 분석방법은 저전력과 가벼운 무게로 인해 현장 적용 이 용이하다는 장점이 있다 (Haslwanter et al. 2009;Wang et al. 2013;Alberto et al. 2014). 최근에는 농경지에서 openpath의 에디공분산 방법을 이용한 온실가스 측정 연구에 대 한 관심이 높아지고 있다. 그러나 에디공분산 기술을 현장에 적용하기 위해서는 일정량 이상의 난류 (turbulence)와 지형 적 조건 (작물이 균일하고 측정 면적의 canopy가 편평)이 충 족되어야 하고 이와 더불어 고속 (10 Hz 이상)으로 반응하는 open-path 방식의 스칼라 (scalar) 장비와 3차원 초음파 풍향- 풍속-온도계가 필수적으로 설치되어야 하기 때문에 국내에 서 측정 연구는 아직 미비한 상황이다 (Kang et al. 2015)

본 연구에서는 담수상태의 벼논에서 주로 발생하는 메탄 을 대상으로 챔버법과 open-path의 에디공분산 방법을 이용 해 배출량 차이를 비교 분석하고 이를 통해 향후 챔버를 이 용한 온실가스 측정방법을 보완하고자 수행되었다.

재료 및 방 법

1. 조사지역

연구수행지는 전북 김제시 부량면 신용리 (35°74ʹ86ʺN, 126°86ʹ40ʺE, 해발고도 6.5 m)에 위치한 벼재배 단지로 관측 지 주변은 에디공분산 방법을 적용하기에 적절한 균질하고 평탄한 지역이다. 관측 지점 (플럭스 타워)을 중심으로 남서 쪽 400 m 떨어진 곳에 작은 마을과 지방도가 존재하며, 북동 쪽 300 m 지점에는 작은 축사가 있다 (Fig. 1).

Table 1은 시험 전 토양의 화학적 특성을 나타낸다. 토양 은 미사질양토 (Silt loam)의 전북통으로 물빠짐이 좋은 편이 며, pH는 6.9, 유기물 함량은 29.9 g kg^-1, T-N은 1.8 g kg^-1이 었다. 벼 이앙을 위해 5월 5일 논에 물을 대고, 5월 13일에 비료처리 및 써레질을 하였다. 벼 품종은 중만생종인 신동진 으로 어린모를 5월 19일에 기계 이앙하였고, 10월 11일 수확 하였다. 6월 28일부터 7월 14일까지는 무효분얼과 도복 방 지를 위해 중간낙수를 하였다.

2. 시험방법

1) Closed 챔버 설치 및 메탄 배출량 조사·분석

Open-path에 의한 메탄 배출량과 챔버법에 의한 메탄 배 출량 비교를 위해 벼 이앙 3일 후 가스 포집을 위한 closed 챔버를 설치하였다. 챔버의 위치는 플럭스 타워를 기준으 로 주풍향 (북서풍)을 고려해 북서쪽으로 40 m 떨어진 위 치에 설치하였다 (Fig. 2). 챔버는 가로, 세로, 높이가 각각 60×60×120 cm인 투명 아크릴 재질로 챔버 하단에는 물이 드나들 수 있도록 직경 5 cm의 구멍을 뚫었다. 챔버 내부에 는 벼재배 면적을 고려해 8모의 벼가 들어가도록 하였고, 챔 버 내 공기 순환을 위한 fan과 온도계를 설치하였다. 온실가 스 시료 채취를 위한 샘플링 라인을 측면에 설치하여 주 1회 가스시료를 채취하였다. 가스 채취는 60 mL 주사기 (syringe) 를 이용하여 오전 10시에서 12시 사이에 초기값과 밀폐 30 분 후의 값을 취하였다. 메탄의 농도 분석은 가스크로마토그 래피 (7890A, Agilent, USA) (detector-FID)를 이용해 정량분 석을 하였다. 메탄 배출량 계산 방법은 식 (1)과 같다.

2) Open-path를 이용한 메탄 플럭스 측정 및 타워 설치

Open-path를 이용한 메탄 플럭스 측정을 위해 3차원 풍 향풍속계 (WMP-PRO, GILL Inc., USA)와 개회로 메탄 분 석기 (LI-7700, Li-cor Inc., USA)를 지면으로부터 3.6 m 높 이에 설치하였다. 메탄 보정 시 필요한 잠열 플럭스 측정 을 위해 CO₂/H₂O 분석기 (LI-7500, Li-cor Inc., USA)도 같 은 높이에 설치하였다 (Fig. 2a). 플럭스 타워 설치 전 주 풍 향을 분석하였고, 이를 고려해 개회로 메탄 분석기가 북서 쪽 (정북기준 285°)을 향하도록 하였다. LI-7700은 파장변 조분광 (wavelength modulation spectroscopy)을 이용해 고 속으로 메탄을 분석하는 장비이다. LI-7700의 상단 (upper mirror)과 하단 (lower)의 광학적인 물리적 경로는 0.5 m이지 만 mirror에 설치된 Herriott cell을 60회 반복하여 측정하기 때문에 실측 광학경로는 30 m이다. LI-7700은 WMP-PRO와 의 거리를 최소화하기 위해 관측경로 중심 부분을 동일하게 하여 0.23 m 거리에 설치하였다. LI-7500의 물리적 경로는 0.125 m로 WMP-PRO와의 거리는 0.25 m로 하여 설치하였 다. 미기상자료 수집을 위해 온습도센서 (HMP-155, Vaisala, USA)를 지상 1.5 m에 설치하고 순복사계 (CNR4, Kipp & Zonen, Netherlands)를 지상 3.6 m에 설치하였다. PAR (photosynthetically active radiation) 측정을 위해 퀀텀센서 (LI-190R, Li-cor Inc., USA)를 지상 3.6 m에 설치하고 강우 량 측정을 위해 강우량계 (TR-525USW, Texas Electronics, USA)를 지상 1.5 m에 설치하였다. 열전도율 측정을 위해 토 양 온도 플럭스 센서 (HFP01, HUKSEFLEX, Netherlands)를 토양으로부터 10 cm 깊이에 설치하고 같은 깊이에 토양수분 측정 센서 (Hydro Probe II, Stevens, USA)를 설치하였다. 30 분 평균된 자료 수집을 위해 스마트플럭스시스템 (Smart flux 2 system, Li-cor Inc., USA)을 설치하여 자료를 수집하였다. 30분간 측정되어진 데이터는 전용 프로그램 (TOVI software, Li-cor Inc., USA)을 이용해 coverage, QC, footprint 등의 작 업을 수행하였다.

3. Open-path를 이용한 메탄 플럭스 데이터 품질관리

Fig. 3은 smart flux software에 의해 계산된 30분간 평균 값을 TOVI software를 이용해 분석한 결과이다. Open-path 에 의해 측정된 플럭스 (fluxes), 미기상 (meteorology), 복사 (radiation), 토양 (soil), 난류 (turbulence), 물 (water)의 측정 율 (coverage)은 각각 83.4%, 97.0% 99.6%, 99.6%, 97.6%, 98.5%였다 (Fig. 3a). 플럭스 데이터 중 메탄 플럭스는 74.0% 가 수집되었고, 26%의 데이터 손실이 있었다. 메탄 플럭스 데이터 손실은 전원공급 차단과 그에 따른 장비 재가동 문 제로 6월 29일부터 7월 7일까지 약 8일간, 9월 9일부터 13 일까지 약 5일간의 연속적인 데이터 손실이 발생했다 (Fig. 3b). Fig. 3c는 quality flag를 이용해 신뢰도가 낮은 raw data 를 필터링하고 튀는 자료를 제거한 결과이다. 일반적으로 quality flag는 0 (best quality flux), 1 (suitable for general analysis such as annual budget), 3 (should be discarded from the results dataset)의 3단계로 구분하며 일반적으로 0, 1 은 데이터 품질에 문제가 없는 것으로 판단하여 2를 제외 한 0과 1의 메탄 플럭스 데이터를 활용하였다 (Foken et al. 2004). Quality flag 수행결과 약 15%의 데이터가 필터링 되 어 59%의 데이터를 이번 배출량 평가에 활용하였다. Openpath 측정에서 얻어진 데이터 중에는 튀는 자료가 존재하며 이를 제거 (de-spiked)해야 데이터에 대한 품질이 높아진다. 이번에 측정된 데이터에서는 - 값과 1.5 μmol m^-2 s^-1 이상 값은 이상치로 간주하여 배출량 비교 시 제외하였다.

결과 및 고 찰

1. Closed 챔버법에 의한 메탄 배출량

Fig. 4는 벼재배 기간 동안 closed 챔버를 이용해 분석한 메탄 배출량 변화를 나타낸다. 벼 이앙 후 12일째인 5월 30 일에 첫 메탄 분석을 시작하였다. 메탄 배출량은 중간 물떼 기 (mid-drainage)를 시작하기 전인 6월 26일 (35 DAT)까지 44.5 mg m^-2 h^-1로 지속적으로 증가하였고, 중간 물떼기를 시작한 6월 27일부터 배출량은 26.4 mg m^-2 h^-1로 약간 감소 하기 시작하였다. 일반적으로 논에서 메탄 배출은 혐기적인 토양 조건 (담수상태)에서 유기물이 메탄 생성균에 의해 분 해되면서 벼 통기조직을 통해 배출되는데 이번 실험에서 중 간 물떼기 기간 중 메탄 배출이 감소한 이유 또한 물떼기로 인해 토양이 혐기적 조건에서 호기적 조건으로 변했기 때문 이다 (Chen et al. 1993;Hadi et al. 2010;Tyagi et al. 2010). Minamikawa and Sakai (2006)도 벼재배 기간 중 물 관리 (중 간 물떼기)에 의해 메탄 배출량이 감소한다고 하였다. 그러 나 중간 물떼기 기간 (36-55 DAT)에 많은 강우가 집중되어 물떼기에 의한 메탄 배출 감소폭은 크지 않았다. Kim et al. (2016)은 우리나라와 같이 중간 물떼기 기간에 태풍이나 집 중호우로 인해 비가 많이 집중 될 경우에는 메탄 배출효과 가 크지 않다고 보고한 바 있다. 중간 물떼기 이후 관개한 시점부터 메탄 배출량은 다시 증가했고 이앙 후 57일째부 터 메탄 배출량 감소가 관찰 (62, 71, 79, 86, 91 DAT) 되었는 데 이는 지역 특성상 농로에서 물 공급이 이루어지는 시기 (매주 금요일)에 농가에서 공급 시기를 놓쳐 물 공급이 제대 로 이루어지지 않았기 때문인 것으로 사료된다. 특히 79, 86, 91 DAT에는 식안으로도 논에 물이 거의 관찰되지 않았다. 수확을 위해 논을 본격적으로 말리기 시작한 이후부터 (118 DAT), 메탄 배출량은 급격히 감소하기 시작하여 수확 전에 메탄 배출은 대기 중 메탄 농도와 비슷한 수준을 나타냈다.

2. Open-path 방법에 의한 메탄 플럭스

Fig. 5는 플럭스 타워에서 측정한 재배 기간 동안의 주 풍 향을 나타낸다. 재배 기간 동안의 주 풍향은 북서풍이었으나 7월에는 남서풍의 영향이 간접적으로 있었던 것으로 분석되 었다. Fig. 6은 플럭스 타워에서 측정한 재배 기간 동안의 메 탄 footprint를 나타낸다. 플럭스 타워에 설치된 측정 장비의 높이 (3.6 m)를 기준으로 약 360 m 반경의 메탄 플럭스 측정 이 가능하다. TOVI software를 이용해 분석한 결과 메탄 플 럭스 측정 데이터의 80% 이상이 반경 200 m 내에서 측정된 것으로 분석되었다. 이는 시험 사이트로 선정한 지역 내에서 메탄 배출량이 측정되었음을 의미하며 또한 closed 챔버가 설치된 (플럭스 타워로부터 40 m 거리) 지역 내에서 메탄 배 출량이 측정되어 open-path 측정 데이터와 closed 챔버에서 측정된 데이터를 비교하기에 문제가 없음을 의미한다.

Fig. 7은 open-path 방법을 이용해 측정한 raw 데이터 를 여러 단계를 거쳐 필터링하여 얻어진 벼 이앙 전 (preplanting), 재배 기간 (growing season), 수확 후 (fallow)의 메 탄 플럭스 변화를 나타낸다. 벼 이앙 전까지 메탄은 거의 배 출되지 않았고 (Fig. 7b), 메탄 배출량은 벼 이앙 후 지속적으 로 증가하다 중간낙수 기간 (6월 27일~7월 14일)을 전후해 서 감소하였다. 물을 관개한 이후 메탄 배출량은 다시 증가 하였고 7월 20일 이후에는 메탄 배출량이 감소하였는데 이 는 앞서 설명한 바와 같이 논에 관개를 하지 못했기 때문인 것으로 판단된다 (Fig. 7a). 수확을 위해 논을 본격적으로 말 리기 시작한 9월 13일 이후부터 수확 때까지 메탄 배출량 큰 증가 없이 낮은 배출량을 나타냈다 (Fig. 7c).

3. Open-path와 closed 챔버법 간 배출량 비교

Fig. 8은 재배 기간 동안 open-path와 closed 챔버법 간 시간별 메탄 배출량 변화 비교를 나타낸다. 두 방법 간 메 탄 배출량 변화는 비슷한 경향을 보였고, 이를 메탄 총 배 출량으로 환산한 결과는 closed 챔버 방법에 의한 배출량 이 39,871 mg m^-2 season^-1로 open-path 배출량 27,486 mg m^-2 season-1보다 약 31% 높았다. 이는 Meijide et al. (2011) 도 open-path와 closed 챔버 간 비교에서 약 30%의 배출량 차이가 있다고 보고하였고, Chaichana et al. (2018)도 open- path에 의한 에디공분산 방법을 논토양에 적용해 측정했을 경우 closed 챔버보다 배출량이 적다고 보고하였다. 이처럼 open-path에 의한 배출량이 적은 원인은 크게 두 가지로 구 분할 수 있는데, 첫째는 챔버법에 의한 배출량의 과다 측정 이다. 챔버는 메탄 플럭스처럼 변동 폭이 큰 가스변화를 측 정하기 어렵고 챔버 내 환경변화 (높은 온도와 그에 따른 토 양 미생물상과 작물 생육의 변화)는 메탄의 과다 측정을 유 발할 수 있기 때문이다. 두 번째 원인은 open-path 측정방법 에 의한 메탄 플럭스의 과소 측정이다. Open-path 측정방법 은 에디공분산 (eddy covariance)의 이론을 적용하여 가정하 는데, 측정 지역의 작물의 균질성, 편평성을 가정하고 일정 량의 난류가 있음을 가정하기 때문에 이러한 조건을 완벽히 충족하지 못할 경우 과소평가 될 수 있기 때문이다.

일반적으로 closed 챔버법을 이용한 시료 샘플링 및 분석 은 하루 중 메탄 평균 배출 시간대인 오전 10시에서 12시 사 이에 30분간의 농도 증가 값을 기준으로 하루 평균값 (30분 ×48)을 산출한다. 따라서 closed 챔버법과 연속측정이 이루 어지는 open-path 측정값의 정확한 비교를 위해 open-path 측정값 중 closed 챔버 샘플링 시간대 30분 농도값을 추출하 여 직접 비교를 한 결과 두 방법 간 배출량은 고도로 유의한 상관 (r²=0.9064)을 나타냈다 (Fig. 9). 이는 평균 배출량 시 간대의 값은 open-path와 챔버 간 큰 차이가 없으며, 난류 발 생이 크지 않은 밤 시간대에 배출량 차이가 크기 때문인 것 으로 사료된다.

결 론

벼재배 논에서 closed 챔버법과 open-path 방법을 이용 해 메탄 플럭스를 측정한 결과 플럭스 변동은 비슷한 경향 을 보였다. 특히 closed 챔버를 이용한 온실가스 측정 시간 대의 값은 open-path 측정에 의한 값과 고도로 유의한 상관 (r²=0.9064)을 보였다. 이는 open-path를 이용해 측정한 메 탄 배출량 모니터링의 가능성과 측정 시간대의 값을 이용한 총 배출량 산정에 유의미할 수 있음을 확인할 수 있었다. 다 만 총배출량에 있어서 두 측정방법 간에 나타난 약 31%의 차이에 대한 정확한 원인 분석을 위해서 향후에도 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단되었다.

Open-path 방법은 여러 여건 상 데이터의 손실을 감안하 더라도 변동 폭이 큰 메탄 플럭스 변화를 모니터링을 할 수 있다는 장점을 갖고 있다고 할 수 있다. 따라서, 향후 closed 챔버법의 단점과 open-path 방법의 한계를 보완하면 좀 더 정확한 메탄 측정이 가능할 것으로 기대한다.

적 요

벼재배 논에서 온실가스 측정을 위해 사용되는 closed 챔 버법은 시·공간적으로 변동 폭이 큰 메탄 플럭스를 측정하 는 데는 한계가 있다. 이러한 문제점을 해결하고자 메탄플럭 스 측정에 있어 에디공분산을 기반으로 하는 open-path 방법 과 closed 챔버법을 비교분석하였다.

벼 재배 기간 중 메탄 플럭스 변동은 두 방법 모두 비슷 한 경향을 보였고 closed 챔버를 이용한 메탄 측정 시간대의 값은 open-path 측정에 의한 값과 고도로 유의한 상관을 보 였다. 다만 총배출량에 있어서 두 측정 방법 간에 나타난 약 31%의 차이가 발생했는데 이는 closed 챔버법에 따른 과다 측정과 open-path에 의한 과소측정으로 생각해 볼 수 있다. 정확한 원인 분석을 위해서 향후에도 추가적인 연구가 필요 할 것으로 판단된다.