서 론

전 지구적으로 대기 중 온실가스 농도는 산업혁명 이후 급격히 증가하고 있다. 증가된 온실가스에 의해 지구 평균 대기온도는 상승하였고 지구환경 변화는 가속화되었으며, 이에 따라 기상이변의 피해 발생 빈도가 증가하였다 (IPCC 2014).

따라서 세계 각국은 지구온난화에 따른 기상이변의 피 해를 최소화하기 위한 온실가스 저감기술 개발과 감축정 책을 추진하고 있다. 기후변화협약 제3차 당사국 총회에서 교토의정서 (Kyoto Protocol 1998)를 체결하여 기후변화의 주범인 주요 온실가스를 정의하고 선진국 중심으로 온실 가스 감축 의무를 부여하였다. 그 후 제21차 유엔 기후변화 협약 당사국 총회에서 파리협정 (Paris Agreement 2015)을 이끌어 모든 당사국에게 온실가스 감축의무를 부여한 신 기후체제가 출범하였다. 이에 따라 우리나라는 2015년 6월 에는 2030년의 온실가스 배출량 전망치 (BAU; Business as usual) 대비 37%를 감축하는 것을 발표하였고 그 중 농축산 부문에 할당된 온실가스 감축목표는 BAU 대비 7.9%이다. 농축산 부문은 산업부문과 비교하여 상대적으로 감축 비 율이 낮지만, 농업의 구조적인 특성을 고려하면 쉽게 달성 가능한 목표는 아니다. 따라서 농업분야에서 효과적으로 온실가스를 줄일 수 있는 수단을 도출하고 적용할 필요가 있다. 농업부문에서 배출되는 온실가스는 배출원에 따라 분류하며, 벼 재배 부분에서는 메탄 (CH₄)과 농경지 토양 에서는 아산화질소 (N₂O)가 주로 배출된다. N₂O의 지구온 난화잠재력 (GWP; Global warming potential)은 298이며 지 구온난화 기여율은 5% 이상인 것으로 알려져 있다 (IPCC 2007). 따라서 농업분야 농경지 토양에서 발생하는 N₂O를 저감하는 기술이 필요하다.

농경지에서 작물을 재배하기 전 토양을 교반하는 것을 경운이라 하며, 경운을 하지 않는 것을 무경운이라 한다. 무 경운 재배는 농경지에서 배출되는 온실가스를 줄일 수 있 고 경운 시 손실되는 양분을 최소화할 수 있는 역할이 부 각되면서 온실가스 감축기술로서 각광받고 있다 (Burney et al. 2010). 또한 경운작업에 비해 농자재사용을 줄일 수 있 어 비용 절감과 노동시간 단축 등의 긍정적인 효과가 높은 것으로 보고된다 (Yang et al. 2012). 녹비 작물은 녹색작물 의 줄기와 잎을 그대로 토양에 환원하여 토양의 양분으로 이용하는 작물이다. 농경지에서 녹비작물을 활용하면 토양 의 물리·화학적인 특성을 개량하고 화학비료를 대체할 수 있다 (Kang et al. 2013). 녹비작물을 재배함으로써 온실가스 저감 효과가 있는 것으로 보고되었고 (Karlen et al. 2009), 우 리나라도 휴경기간 동안 녹비 피복작물을 재배하는 것을 권장하고 있다. 농경지에서 무경운과 녹비작물 재배기술을 활용하는 것은 토양의 질을 개선하고 온실가스도 줄일 수 있는 효율적인 감축 수단이 될 수 있다. 그리고 각 기술을 복합적으로 적용한다면 온실가스 감축효과를 더욱 증진할 수 있어 국가 온실가스 감축목표 달성에 기여할 수 있는 기 술로서 활용될 수 있다. 하지만 무경운과 녹비작물의 복합 적 적용으로 온실가스 배출량을 평가한 국내 연구결과는 부족하여 온실가스 감축효과를 평가하는 연구가 필요하다. 따라서 본 연구는 작물 재배 시 무경운과 녹비작물로서 두 과작물로 대표적인 헤어리베치와 화본과작물로 대표적인 호밀을 각각 투입한 후 농경지 토양에서 방출되는 N₂O 배 출량을 정량적으로 분석하고 비교 검토하여 N₂O 배출 특 성을 평가하였다.

재료 및 방법

1. 시험 토양 및 위치

본 연구는 질소비료원이 많이 투입되는 다비성 작물 인 옥수수를 선택하였고, 옥수수를 재배하는 기간 동안 무 경운과 녹비투입에 따라 농경지 토양에서 배출되는 N₂O 의 특성을 조사하기 위하여 전라북도 완주군 이서면에 위치한 국립농업과학원 시험포장 (위도: 35°82ʹN, 경도: 127°04ʹE)에서 수행하였다. 시험포장의 토양의 pH, 총 탄소 (Total Carbon), 총 질소 (Total Nitrogen), 유효인산 (Available P2O5), 치환성 양이온으로 칼륨 (Exchangeable K), 칼슘 (Exchangeable Ca), 마그네슘 (Exchangeable Mg)을 분석하 였다. 토양분석은 토양 화학분석법 (NIAST 2000)에 준하 여 토양 pH는 토양을 증류수와 1:5 (W V^-1)로 혼합한 후 30 분간 교반하여 pH meter (Orion 4 star, Thermo, Singapore)로 측정하였고, 총 탄소와 질소는 CN analyzer (Vario Max CN, Elementar, Germany)로 분석하였다. 유효인산은 Lancaster 법으로 720 nm 파장에서 비색계 (AU/CARY 300, Varian, Australia)로 분석하였다. 치환성 양이온은 1 M NH₄OAc (pH 7.0) 침출하여 유도결합플라즈마 분광계 (ICP-OES, GBC scientific, USA)로 분석하였다.

토성은 사양질이며 토양화학적 특성은 Table 1과 같다. 토양 pH (1:5)는 7.2, 총 탄소는 9.03 g kg^-1, 총 질소는 1.52 g kg^-1, 유효인산은 13.7 mg kg^-1, 치환성 칼륨, 칼슘, 마그네슘 은 각각 0.26, 2.87, 1.08 cmol_c kg^-1이였다 (Table 1).

시험기간 중 토양의 온도 측정을 위해 센서 (External sensor, Spectrum, British)를 경작지의 유효토심인 토양 내 10 cm 깊이에 설치하였고 토양 수분함량 센서 (SM100, Spectrum, British)도 토양 내 10 cm 깊이에 수평으로 꽂아 실시간으로 측정하였다. 각각 토양온도 및 수분 측정치는 데이터로거에 30분 단위로 기록되도록 하였다. 강수량 및 대기평균 온도는 시험포장 인근에 위치한 기상관측망 (위 도: 35° 82ʹ N, 경도: 127° 04ʹ E)에서 측정하여 제공하는 농 촌진흥청 농업기상정보서비스 (weather.rda.go.kr)의 일별 기상자료를 활용하였다. 옥수수 재배기간 중 농경지 토양 에서 배출되는 온실가스 측정기간인 2018년 5월 2일부터 2018년 8월 9일까지 대기 평균온도와 총 강우량은 각각 23.7°C, 389 mm이었다 (Fig. 1). 기상청 (www.kma.go.kr)의 30년 평년자료와 평균기온을 비교하면 2018년 5~6월은 약 0.4~0.5°C 높았고 7월은 1.9°C 높았다.

2. 시험구 처리

시험구 처리는 경운 여부에 따라 무경운 (NT; No-tillage) 및 경운 (CT; Conventional tillage) 처리구를 각각 전체 면 적의 절반으로 나누었다. 다음으로, 투입되는 녹비에 따라 녹비를 투입하지 않고 화학비료만 투입한 CF (Chemical fertilizer) 처리구, 헤어리배치와 화학비료를 투입한 HV (Hairy vetch+Chemical fertilizer) 처리구 호밀과 화학비료 를 투입한 RY (Rye+Chemical fertilizer) 처리구를 정하여 최종적으로 6개의 처리구를 설정하였다 (Table 2).

녹비작물로 헤어리배치와 호밀을 각각 2017년 10월 16 일, 11월 1일에 재식거리 70×20 cm으로 파종하였고 2018 년 5월 2일 수확하여 토양에 환원하였다. 시험작물인 옥 수수는 2018년 5월 14일 정식하였고 7월 24일 수확하였 다. 비료 시용은 농촌진흥청 작물별 시비처방기준 (RDA 2006)의 표준시비량을 기준으로 하였고, N-P₂O₅-K₂O를 150-130-130 kg ha^-1으로 질소는 밑거름 5월 8일, 웃거름 6 월 25일에 분시하였으며, 인산과 칼리는 전량 밑거름으로 공급하였다. 처리구별 질소 시비량은 CF 처리구에서는 화 학비료 전량, HV, RV 처리구에서는 각각 수확된 녹비전량 (Table 3)과 표준시비량 대비 질소 부족분을 화학비료로 공급하여 각 처리구당 질소 투입량은 150 kg ha^-1로 맞추었 다 (Table 2).

3. N₂O 시료 채취 및 분석

농경지 토양에서 배출되는 N₂O는 국제적으로 공인 된 밀폐형태 챔버인 Non-steady-state (Hutchinson and Livingston 1993)를 사용하였고 각 처리구 마다 3개씩 설치 하였다. 설치된 챔버는 지름이 24 cm, 높이가 37 cm인 PVC 소재로 외부로 공기 유출이 없도록 하였다. 각 시험구의 대표 지점에 9 cm 깊이 설치하여 작물의 뿌리 활착의 저해 를 최소화되도록 하였다. 가스시료 채취는 Yagi (1991)의 방법에 준하여 토양에서 배출되는 온실가스의 24시간 중 평균배출 시간대인 10:00∼13:00시 사이에 밀폐 전과 밀 폐 40분 후의 시료를 60 mL 주사기로 1주일에 1회 이상 채 취하여 분석하였다. 시료를 채취하지 않는 기간 동안은 상 부 챔버를 열어 자연생태로 두었다. 농경지 토양에서 배출 되는 온실가스 측정기간은 옥수수 정식 2주 전 5월 2일부 터 수확 2주 후인 8월 9일까지 총 100일간 측정하였다.

기체시료의 N₂O 농도는 전자포획검출기 (ECD detector) 가 내장된 가스크로마토그래피 (7890B, Agilent, USA)로 분석하였으며 칼럼은 Hayesep Q (80/100 mesh)를 충전한 1/8″×3.66 m의 ultiMetal tubing column, 그리고 검출기의 온도는 350°C로 하였다. 세부조건은 Table 4와 같다. N₂O efflux의 계산은 아래의 (Eq. 1)을 이용하였다.

여기서, ρ는 기체밀도로서 N₂O는 1.967 mg cm^-3, V는 챔 버 부피 (m³), A는 챔버 표면적 (m²), ΔC/Δt는 챔버 내 단위 시간당 N₂O의 증가농도 (mg m^-3 day^-1), T는 시료 채취 전 후의 평균온도를 의미한다. 그리고 누적 발생량은 (Eq. 2) 를 이용하여 총 N₂O efflux를 계산하였다. R은 N₂O 발생량 (mg m^-2 day^-1)이며, D는 시료채취 공백 기간을 나타낸다.

4. 통계분석

옥수수 재배기간 동안 경운 방법 및 녹비 투입에 따른 N₂O 배출량 차이는 SAS 통계프로그램 (ver. 9.4)을 이용하 여 통계처리하였다. 처리 간의 차이를 비교하기 위하여 조 사된 자료는 일반선형모형을 이용한 분산분석 검증을 통 해 분석하였다. 또한, F-test 결과 값이 p<0.05의 범위에서 Duncan’s Multiple Range Test를 통해 N₂O 배출량에 대한 다중비교를 실시하였다.

결과 및 고찰

1. 토양 수분함량 및 토양온도에 따른 N₂O 배출특성

본 연구 기간 동안 시험포장의 측정한 수분함량과 토양 온도의 경시적 변화는 처리구별 차이는 발생하지 않았으며 Fig. 2와 같다. 토양 수분함량은 5월 6회 이상 10 mm 이상 의 강우가 발생한 직후 30% 이상 증가하였고 6월 하순까지 는 강우가 적어 15% 이하로 감소하였다. 그후 70 mm 이상 의 강우가 발생하면서 40% 이상 높아졌으며 6월 27일부터 7월 12일까지 16일간 30% 이상 유지하였고 그후 점차 감소 하였다. 토양온도는 시험 기간 동안 10.4~35.2°C 범위였으 며, 평균 23.6°C였다. 대기온도 변화와 비슷한 양상을 보였 지만 약 2~3°C 높은 온도를 유지하였다. 시험 기간 동안 토 양온도는 지속적으로 증가하였고, 7월 27일 이후 30°C 이 상 높게 유지되었다 (Fig. 2).

Kim et al. (2014)은 농경지 토양에서 고추재배 시 사양토 에서 N₂O 배출에 대한 상대적 기여도를 평가한 결과 토양 수분이 66.0%, 토양온도가 21.7%으로 평가되었다. 본 시험 결과 토양온도가 20~25°C 범위에서 주로 N₂O 배출량이 높았고, 수분함량이 20~30% 범위에서 N₂O 배출량이 높았 다 (Fig. 3). 이러한 경향은 토양 온도가 20~30°C이고 수분 함량이 20~30% 범위일 때 N₂O 배출이 증가하는 Jian-gang et al. (2007)의 연구결과와 유사한 경향을 나타냈다. 일반적 으로 토양온도의 증가는 탈질에 관여하는 미생물을 증가 시켜 N₂O 배출량을 촉진하지만 (Renault and Sierra 1994), 30°C 이상의 고온에서는 N₂O 배출이 억제됨을 확인하였 다 (Fig. 3). 토양 수분함량은 토양 내 질소순환 과정에 영향 을 주며, 토양이 습윤상태일 때에는 질소순환 과정 중 미생 물에 의한 탈질현상이 촉진되어 토양으로부터 N₂O 배출이 증가한다고 한다 (Reay et al. 2012). 하지만 토양 수분함량이 40% 이상 초과할 경우 질소의 탈질과 N₂O 생산 및 확산을 억제되었으며 (Jian-gang et al. 2007), 본 연구결과에서도 같 은 현상을 확인하였다 (Fig. 3). 대기온도와 강수량의 변화 는 토양온도와 토양 수분함량에 영향을 주며 이에 따른 농 경지 토양에서 배출되는 온실가스도 간접적인 영향을 받 기 때문에 추후 장기적인 기상, 기후의 환경영향에 따른 온 실가스 배출특성을 파악하는 연구가 필요할 것이다.

2. N₂O 시기별 배출특성

옥수수 재배기간 동안 처리구별 (Table 2) 농경지 토양 에서 시기별 N₂O 배출량으로 옥수수 재배 초기인 5월 중 순부터 6월 초순까지 CF-CT, HV-CT, RY-CT, CF-NT, HVNT 그리고 RY-NT 처리구에서 각각 1.64~6.44, 1.41~3.42, 1.97~27.36, 0.55~2.60, 0.47~2.08 그리고 0.72~3.57 mg N₂O m^-2 day^-1 범위로 배출되었다 (Fig. 4). 농경지에 화학비료 및 녹비 투입으로 질소 분해가 활발히 일어나 초기 배출값 이 높았다. RY-CT 처리구에서는 25 mg N₂O m^-2 day^-1 이상 높게 배출되는 부분을 제외하면 관행처리구인 화학비료를 투입하고 경운한 CF-CT 처리구에서 N₂O가 높게 배출되었 다. 그리고 상대적으로 경운처리구에서 무경운처리구보다 N₂O 배출량이 높았는데, 이는 경운을 통해 토양입자가 물 리적으로 분해되고 공기 투과성이 증가하여 미생물의 활성 을 촉진하였기 때문으로 판단된다 (Beare et al. 1994). 6월 중 순 이후부터 일일평균 배출량은 CF-CT, HV-CT, RY-CT, CFNT, HV-NT 그리고 RY-NT 처리구에서 각각 0.79, 0.65, 0.83, 0.62, 0.82 그리고 0.94 mg N₂O m^-2 day^-1 배출되었다 (Fig. 4). 온대기후대의 밭 토양에서 수행된 다른 연구의 N₂O 배출량 과 유사하였다 (Kim et al. 2016;Yoo et al. 2016).

우리나라 밭 토양의 N₂O 국가 고유배출계수를 개발하기 위해 수원, 춘천, 예산 3지역에서 고추, 콩, 봄배추, 가을배추, 토마토 재배 동안 N₂O 배출량을 평가한 결과 조사지역에 관계없이 대부분 밑거름 투입 후 한 달까지는 높은 N₂O 배 출 양상을 보였다 (Kim et al. 2016). 본 연구결과에서도 농 경지에서 질소원이 투입된 초기에 N₂O가 높게 배출됨을 확인할 수 있었다.

3. 처리구별 N₂O 배출특성

옥수수 재배기간 100일 동안 누적 N₂O 배출량은 경운 유 무와 투입된 질소원에 따른 처리구간 통계적 유의한 차이 가 발생하였고 (p<0.001), CF-CT, HV-CT, RY-CT, CF-NT, HV-NT 그리고 RY-NT 처리구에서 각각 179.8, 108.1, 303.5, 86.7, 73.8 그리고 122.7 mg N₂O m^-2 배출되었다 (Fig. 5). 재 배지에 공급된 질소원에 따라 처리구마다 통계적 차이가 나타났다.

Iserman (1994)은 농경지 토양에서 N₂O는 81%가 질소 비료 투입에 의해 배출된다고 하였다. 질소비료로 가장 많 이 이용되는 요소를 토양에 투입하면 가수분해되어 NH₄⁺ 형태로 변하고 자급영양생물인 질화균에 의해 질산화과 정을 거쳐 질소산화물 형태로 달라지며 탈질균 호흡내의 전자 수용체의 탈질 과정을 통해 N₂가 배출된다. 그중 질 산화과정과 탈질과정 중 중간 생성물인 N₂O가 생성된다 (Firestone and Davidson 1989;Davidson et al. 1993). 그러 므로 질소화학비료 시용량이 많을수록 N₂O 배출량은 증 가한다 (Kim et al. 2016). 따라서 경운 처리구에서 HV-CT 는 CF-CT 대비 질소화학비료 시용량을 줄여 N₂O 배출량 이 39.9% 통계적 유의한 차이를 나타내며 줄었다. 하지만 RY-CT는 CF-CT 대비 질소화학비료 시용량을 줄였지만 N₂O 배출량이 68.8% 통계적 유의한 차이를 나타내며 증가 하였다 (Fig. 5). 호밀의 건조수확량과 탄소함량은 2.63 t ha^-1, 417.9 g kg^-1이고, 헤어리배치의 건조수확량과 탄소함량 은 0.82 t ha^-1, 423.7 g kg^-1이므로 RY-CT와 HV-CT에 각각 1.10 t ha^-1와 0.35 t ha^-1의 탄소가 투입되었다 (Table 3). 이는 N₂O 배출은 토양의 유기태탄소 함량이 높을 때 증가하는 데 (Skiba et al. 1998) RY-CT 처리구에서 ha당 1 t 이상의 탄 소가 투입되어 N₂O 배출량 증가에 영향을 주었던 것으로 사료된다. 반면에 무경운 처리구에서는 녹비 투입에 따른 N₂O 배출에 미치는 영향은 경운 처리구에 비해 낮았고 통 계적인 유의한 차이가 나타나지 않았다 (Fig. 5).

즉 본 연구에서 경운 유무에 따라 누적 N₂O 배출량은 유 의하게 감소하였다 (p<0.001). 경운처리구인 CF-CT, HVCT, RY-CT 대비 무경운 처리구의 CF-NT, HV-CT, RY-CT 처리구에서 각각 51.8%, 31.7% 그리고 59.6% 감축되었다. 국내외 연구결과에서도 무경운으로 N₂O 배출량이 감소되 었다는 연구결과가 보고되었다. 배추 재배지에서 무경운을 통해 경운 대비 33.7~76.7% N₂O 배출이 저감되었고 (Kim et al. 2011), Omonode et al. (2011)은 10년 이상 무경운을 지속한 토양에서 관행 대비 N₂O 배출량 40%가 감축되었 다. 즉 무경운을 통해 토양 교란을 방지하여 질소순환과정 의 가속화를 줄일 수 있어 토양으로부터 배출되는 N₂O를 저감할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 농경지에서 무경운 기간이 지속될수록 N₂O 배출 저감효과가 증진되는 것으 로 보고 있다 (Yoo et al. 2016). 추후 무경운 농경지의 연차 별 N₂O 배출량 추이와 무경운이 토양의 이화학성에 미치 는 영향을 비교 평가하여 무경운이 지속되었을 때 온실가 스 배출에 미치는 원인을 파악하고 해석하는 연구가 필요 하다.

농경지에서 무경운과 헤어리배치를 투입하는 것은 온 실가스 감축 측면에서 두 가지의 효과가 기대된다. 첫 번 째 헤어리배치를 투입함으로써 화학비료 사용량을 줄일 수 있어 농경지 토양에서 배출되는 N₂O를 저감할 수 있고 농업환경 전 과정을 보았을 때, Urea 1 kg 생산 시 1.01 CO_2- eq kg가 배출되는데 질소화학비료 사용량을 줄이면 그만큼 생산과정에 발생하는 온실가스도 줄일 수 있다 (Lee et al. 2012). 두 번째 무경운을 통해 토양 교란을 방지하여 배출 되는 N₂O 저감과 경운에너지를 사용하지 않기 때문에 농 기계 사용에 따른 화석연료 소모량을 줄일 수 있고 배출되 는 이산화탄소도 저감할 수 있다. 이러한 무경운과 헤어리 배치 투입에 따른 온실가스 저감효과에 대한 평가를 통해 온실가스 감축사업과 연계한 연구 및 향후 농가에 도입이 필요하다. 농업분야 온실가스 감축사업인 배출권거래제 외 부사업, 농업농촌 자발적 온실가스 감축사업, 저탄소농축 산물 인증제 등을 통한 감축 제도 도입과 같은 정책도 병행 되어 추진되어야 할 것이다.

적 요

농경지는 농업부문에서 발생하는 온실가스인 N₂O의 배 출원이다. 따라서 농경지에서 N₂O를 줄일 수 연구가 필 요하며, 본 연구에서는 농경지에 작물재배 시 무경운기술 을 적용하고, 녹비작물로서 호밀과 헤어리배치를 각각 투 입하여 N₂O 배출량 비교 평가하였다. 재배 기간 중 토양 에 질소원이 공급된 초기에 배출량이 높았으며, 토양온도 는 20~25°C, 수분함량은 20~30% 범위에서 N₂O 배출량이 높았다. 작물재배기간 동안 경운 유무와 투입된 질소원에 따른 처리구간 통계적 유의한 차이가 발생했다. 농경지 토 양에서 배출되는 N₂O는 무경운을 통해 CF, HV 그리고 RY 처리구에서 각각 51.8%, 31.7% 그리고 59.6% 감축되었다. 또한 무경운 헤어리배치 (HV-NT) 처리구에서 관행 (CFCT) 처리구 대비 59.0% N₂O 배출을 저감할 수 있었다. 헤 어리배치를 투입함으로써 화학비료 사용량을 줄일 수 있 고, 무경운을 통해 토양 교란을 방지하여 농경지 토양에서 배출되는 N₂O를 저감할 수 있었다. 이러한 감축기술에 대 한 온실가스 저감효과를 평가하는 연구와 향후 온실가스 감축사업과 연계할 수 있도록 검인증 방법을 포함한 방법 론 구축 등이 필요하다. 이후 농업분야 온실가스 감축사업 인 배출권거래제 외부사업, 농업농촌 자발적 온실가스 감 축사업, 저탄소농축산물 인증제 등과 연계하여 농업현장 에서 활용할 수 있도록 해야 한다.