Comparison of Carbon Budget between Rice-barley Double Cropping and Rice Mono Cropping Field in Gimje, South Korea

국내 벼-보리 이모작지와 벼 단작지의 탄소수지 비교

심교문^*⋅민성현⋅김용석⋅정명표⋅최인태⋅강기경¹⁾ 국립농업과학원

(2016년 9월 7일 접수; 2016년 11월 23일 수정; 2016년 12월 21일 수락)

Comparison of Carbon Budget between Rice-barley Double Cropping and Rice Mono Cropping Field in Gimje, South Korea

Kyo-Moon Shim

, Sung-Hyun Min, Yong-Seok Kim, Myung-Pyo Jung, In-Tae Choi and Kee-Kyung Kang

National Institute of Agricultural Sciences, RDA, Wanju, Korea

(Received September 7, 2016; Revised November 23, 2016; Accepted December 21, 2016)

ABSTRACT

Carbon dioxide (CO

) and methane (CH

) were measured in a rice-barley double cropping and rice mono cropping paddy fields, which are located in the southwestern coast of Korea, over a one-year period. Net ecosystems CO

exchange (NEE) and ecosystem respiration (Re) were estimated by the eddy covariance (EC) method, and an automatic open/close chamber (AOCC) method was used to measure CH

fluxes. Environmental factors (solar radiation, air temperature, precipitation etc.) were also measured along with fluxes. After the quality control and gap-filling, the observed fluxes were analyzed. As a result, NEE was –603.0 and –471.5g C m

yr

in rice-barley double cropping and rice mono cropping paddy field, respectively. CH

emissions increased during the course of flooded days and were similar in two cropping paddy field. Accoding to rough results considering only fluxes of CO

and CH

, it was estimated that the carbon absorbation in rice-barley double cropping paddy field was higher than that in rice mono cropping paddy field by 128.9g C m

yr

.

Key words: Barley, CH

flux, CO

flux, Paddy field, Rice

I. 서 론

대기 중의 이산화탄소(CO₂)는 메탄(CH₄) 및 수증기 와 더불어 지구온난화에 가장 영향을 주는 온실가스로, 육상생태계의 지역적 탄소수지에 큰 영향을 주고 있다. 특히 CH4은 CO2보다 온난화 효과가 25배나 강한 온실 가스로, 벼논에서 발생하는 CH4 배출량은 전 세계 CH4

배출량의 10∼12%를 차지하고 있다(IPCC, 2007).

육상생태계와 대기간의 CO2 교환은 대기의 CO2 농

도에 영향을 주는 주요한 과정이기 때문에 다양한 육상 생태계에서 CO2 교환량의 측정은 지역 혹은 전 지구적 탄소순환의 정량화 과정에서 매우 중요하다(Baldocchi

et al., 2001; Baldocchi, 2003). 또한, 이들 자료는 지구온

CO2 교환량을 관측하는 장비가 산림지역에 대부분 설치되어 있지만, 전 세계면적의 40%를 차지하고 있는 농경지 또한 중요한 육상생태계이다. 특히, 아시아의 벼

* Corresponding Author : Kyo-Moon Shim ([email protected])

DOI: 10.5532/KJAFM.2016.18.4.337

ⓒ Author(s) 2016. CC Attribution 3.0 License.

논 면적은 전 세계의 벼 재배면적의 87%를 차지하고 있 고, 국내에서도 총 농경지(1,679천 ha, 2015년 기준)의 약 54%인 908천 ha를 차지하고 있어서(KOSIS, 2016), 논 생태계의 탄소수지 정량화는 국내 농업부문의 온실 가스 수지 연구에 중요한 역할을 할 것이다.

IPCC(2007)는 논, 밭을 포함한 농업생태계를 온실가 스 발원(source)으로 평가하고 있다. 반면, 농업생태계 에서 자라는 1년생 초본작물이 광합성을 통해 흡수한 CO2는 짧은 기간에 대기중으로 방출되어 대기중의 CO2

의 변화에 영향을 주지 않기 때문에 산림부문과 달리 농 업부문의 온실가스 평가에서 CO2의 경우는 탄소중립 (carbon-neutral)으로 인정하고 있다. 하지만 외국의 경 우에는 농경지의 탄소축적량 증대 방안(Aubinet et al., 2009; Beziat et al., 2009)과 탄소수지 연구 등을 통해 농 업생태계를 온실가스 흡원(sink)으로 인정받기 위한 노 력을 진행하고 있다. Alberto et al.(2009; 2015)은 관개 시설과 볏짚의 이용 여부에 따른 필리핀 벼논의 CH4 및 CO2 플럭스의 변화를 측정하였으며, Swain et al.(2016) 과 Bhattacharyya et al.(2014)은 인도 열대 벼논을 대상 으로 온실가스(CH4, CO2, N2O) 플럭스를 측정하고, 영 농활동으로 투입된 비료량과 쌀 수확에 의해 외부로 이 동한 탄소량도 함께 조사하여 탄소수지 뿐만아니라 질 소수지까지 정량화를 시도하였다. Li et al.(2013)은 중 국 논과 밭을 대상으로 CH4과 CO2 플럭스를 챔버 방식 으로 측정하여 파종방법에 따른 이들의 변화를 비교 분 석하였으며, Meijide et al.(2016)은 독일의 논과 밭을 대 상으로 물관리에 따른 온실가스 (CH₄, CO₂,N₂O) 플럭 스의 변화량을 평가하였다.

국내에서도 에디공분산 방식으로 CO2, CH4 등의 온 실가스 플럭스를 장기적으로 연속 측정하고 이를 평가 하려는 연구가 꾸준히 시도되고 있다. 즉, 1990년대 후 반부터 벼논 생태계를 대상으로 에디공분산 방식으로 CO2 및 에너지 플럭스의 계절적 변화량을 평가하였고 (Moon et al., 2003; Lee et al., 2005), 에디공분산 방식으 로 측정된 탄소 교환량에 농작물의 수확에 따른 탄소 배 출량과 CH4 형태로 배출되는 탄소량을 함께 고려하는 순 생물상생산량(Net Biome Production, NBP)을 계산 하여 벼논 생태계를 탄소 발원으로 평가한 바 있다(Shim

et al., 2015). 또한 Kim et al.(2016)은 국내 논 생태계를

이와 같은 노력에도 불구하고, 지금까지의 국내 농경 지의 온실가스 연구는 주로 CH4(논 생태계)과 N2O(밭 생태계)의 배출량 평가를 위한 배출계수 개발에 초점이 맞춰져 진행된 것이 현실이다. CO₂의 경우에는 비록 농 업부문의 온실가스 배출량 산정에서 제외되었지만, CO2 이외의 온실가스 배출에 크게 영향을 미치기 때문 에 이에 대한 장기적인 관측과 상세한 분석이 필요하다.

특히, 농업생태계의 CO2 플럭스는 환경요인(기온, 지온, 태양복사에너지 등), 작부체계 및 영농방법(파종 시기, 시비량, 관계 등), 수확후의 잔사처리 등에 따라 달 라질 수 있기 때문에(Saito et al., 2005; Bhattacharyya et

al., 2012), 농업생태계에서 탄소 수지를 정량화하기 위

본 연구는 이러한 일련의 과정중에서 1차적인 단계 로, 에디공분산 방식과 자동개폐식 챔버 방식을 이용하 여 벼-보리 이모작 작부체계와 벼 단작 작부체계의 논 생 태계를 대상으로 연속적으로 CO2 교환량과 CH4 배출 량을 측정하여 CO2 수지와 CH4 수지(배출량)를 정량화 하고, 다른 작부체계에 따른 논 생태계의 탄소수지를 비 교하고자 수행하였다.

II. 재료 및 방법

2.1. 연구지역의 개요

연구대상 지역은 전라북도 김제시 부량면 신용리 일 대에 위치한 벼-보리 이모작지와 벼 단작지로(Fig. 1), 연 평균기온은 12.8℃ 이고, 연누적 강수량은 1,248mm이 다. 본 연구를 위해서 CO2 플럭스 관측타워와 CH4 자동 측정 챔버를 2011년 6월 (벼-보리 이모작지)과 2012년 5월(벼 단작지)에 각각 설치하였다.

연구대상 지역의 지형은 평평하고 균일한 작목(벼 혹 은 보리)을 재배하고 있으며, CO2 플럭스 관측타워의 주 풍향에 대한 최대 취주거리(fetch)는 300m(벼-보리 이 모작지)와 600m(벼 단작지)이다. 연구지역의 토양통은 물 빠짐이 좋은 미사질 양토의 전북통이고, 벼-보리 이모 작지의 토양 유기물은 벼 수확시기에 32.3g C kg^-1 이다 (Chun et al., 2016).

2.2. 작물재배

벼-보리 이모작지에서는 총채사료용 겉보리 보리품 종인 영양보리를 휴립광산파(180 × 150cm) 방식으로 2013년 10월 21일에 파종하였고, 이듬해에 보리 수확(6 월 4일)후, 중만생 벼 품종인 신동진벼를 15*30cm 재식 밀도로 2014년 6월 14일에 이앙하였다. 벼 단작지에서 는 2013년 10월 14일에 벼 수확후, 휴경상태를 유지하 다가 이듬해(2014년) 5월 24일에 벼-보리 이모작지와 동일한 벼 품종을 동일한 방법으로 이앙하였다. 그외 상 세한 영농활동은 Table 1에 요약하였다. 벼와 보리종실 은 종자 및 식용으로 수확되고 보릿짚과 볏짚은 축우용 조사료로 수거되어 논 생태계 밖으로 이동하였으나, 작 물체의 뿌리와 지상부의 그루터기는 논 생태계 내부에 서 유기물로 활용되었다.

2.3. CO

대기 중의 CO2와 H2O는 개방형 CO2/H2O 적외선가 스분석기(LI-7500, LI-COR Biosciences Inc., USA)로, 대기 중의 풍속과 온도는 3차원 초음파 풍속계(CSAT3, Campbell Scientific Inc., USA)로 초당 10회(10Hz)씩 각각 측정하였고, 이들 데이터(풍속, 바람에 수송된 대 기 중의 CO2 농도/H2O 농도/온도)의 30분 평균에 대한

Fig. 1. Location map of CO

Cropping

system Year Date Management

barley double cropping

2013 Oct. 20 Rice harvesting Oct. 21 Barly sowing & Basal

fertilization

2014 Mar. 18 Supplement fertilization June 4 Barly harvesting June 8-13 Plowing

June 12 Flooding (0.1m deep) June 13 Basal fertilization June 14 Rice transplating Aug. 7 Supplemental fertilization Oct. 18 Rice harvesting

Rice mono cropping

2013 Oct. 14 Rice harvesting 2014 Mar. 19 Plowing

May 15 Plowing

May 17 Flooding (0.1m deep) May 24 Rice transplating & Basal

fertilization

Aug. 1 Supplemental fertilization Oct. 12 Rice harvesting

Table 1. Managements at the study sites

편차를 공분산하여 30분 평균 물리량 플럭스를 계산하 였다.

에디공분산 방법으로 측정 및 계산된 30분 평균 플럭 스자료는 KoFlux의 표준화 프로그램에 따라 여러가지 보정 과정을 수행하였다. 먼저, 강수현상 등으로 원시자 료(10Hz 자료)의 결측이 많은 30분 평균 플럭스자료는 제거하였고, 지형에 따른 공기 흐름의 변화를 고려한 평 면 맞추기 회전(Planar Fit Rotaion; PFR)을 수행하였으 며(Lee et al., 2004), 공기의 밀도 변화에 따른 플럭스 보 정은 Webb et al.(1980)이 제시한 밀도변동 보정식을 이 용하였다. 다음으로 플럭스의 기계적 측정오류와 난류 특성에 따라 발생되는 튀는 자료는 FLUXNET의 표준 방법인 연속된 3개의 관측 값의 차이를 이용한 ‘튀는자 료 찾기’ 방법을 이용하였다(Papale et al., 2006). 야간에 난류가 약할 경우에는 이류항이나 저류항이 난류 플럭 스항보다 더 커져서 에디공분산 조건을 만족시키지 못 하는 경우가 나타나서 플럭스 값이 과소 평가가 되는 경 향성을 보이는데(Hong et al., 2009), 이를 보완하기 위 해서 야간의 CO2 플럭스와 난류 강도의 기준이 되는 마 찰 속도(u^*)의 변화 기울기를 평가하여 u^*의 임계점을 설 정하였다. 본 연구에서는 u^*의 임계점을 0.06m s^-1 (Min

et al., 2014; Shim et al., 2015)로 설정하였으며, 임계점

et al.(2010)은 일본 오카야마에 위치한 벼-보리 이모작

논 생태계에서 측정된 30분 평균 플럭스자료의 수득 률은 벼-보리 이모작지에서 86.5%이었고, 벼 단작지에 서 99.9%이었다. 보정을 통해 삭제되거나 결측에 의해 보충(gap-filling)한 30분 평균 플럭스자료의 비율은 44.5%(벼-보리 이모작지)와 39.7%(벼 단작지)로 조사 되었는데, 강설과 언(freeze) 현상이 나타난 11월 하순 에서 1월 상순까지, 강수현상이 지속된 7월 하순에서 8월까지 기간에서 보충비율이 높았다(Table 2, 3).

이와 같이 보정 및 보충된 주간과 야간의 30분 평균 CO2 플럭스 자료, 즉 순생태 CO2 교환량(NEE)과 추정 된 생태호흡량(Re)을 사용하여 총일차생산량(GPP)을 산정하였고 (Min et al., 2014), 이 과정에서 주간의 Re의 추정은 Saito et al.(2005)이 제시한 야간의 Re와 지온의

관계식을 이용하였다.

2.4. CH

CH₄ 플럭스는 가스 크로마토그래피(GC-FID, IGC- 7200, Donam Inc., Korea)와 연동된 자동화 개폐 챔버 시스템[(Automatic Open/Close Chamber(AOCC)]을 이용하였고, 1일 12회(2시간 간격) 측정하였다. AOCC 는 챔버부, 펌프부, 작동제어부, 분석부 등 4부분으로 구성되어 있고, Plexiglas 재질의 투명한 챔버는 62×62×120cm(L×W×H) 크기로 제작하였다. 그리고, 챔버 상단뿐만 아니라, 하단에도 자동 개폐문을 설치하 여 비 측정시간에는 챔버내부와 외부의 공기 순환이 원

Crop Stage

Collection ratio

(%)

Gap- filling ratio (%) BarleyEmergence(Ⅰ)

(Oct. 22. 2013-Nov. 01. 2013) 82.0 52.5

〃

Seedling(Ⅱ)

(Nov. 02. 2013-Dec. 04.

2013)

82.4 59.2

〃 Winter rest(Ⅲ)

(Dec. 05. 2013-Feb. 23. 2014) 71.9 58.7

〃 Tillering(Ⅳ)

(Feb. 24. 2014-May 07. 2014) 99.7 31.6

〃 Ripening(Ⅴ)

(May 08. 2014-June 04. 2014) 70.2 49.9

〃 Growing period

(Oct. 22. 2013-June 04. 2014) 82.7 48.6 Fallow period

(June 05. 2014-June 13. 2014) 47.7 62.7 Rice Rooting(Ⅰ)

(June 14. 2014-June. 20. 2014) 100.0 24.1

〃 Tillering(Ⅱ)

(June 21. 2014-July 19. 2014) 99.3 32.0

〃 Elongation((Ⅲ)

(July 20. 2014-Aug. 20. 2014) 86.3 65.8

〃 Ripening(Ⅳ)

(Aug. 21. 2014-Oct. 18. 2014) 98.9 23.2

〃 Growing period

(June 14. 2014-Oct. 18. 2014) 95.9 36.0 Total period

(Oct. 22. 2013-Oct. 18. 2014) 86.5 44.5

Table 2. Collection and gap-filling ratio of 30-min CO

flux data by growing stage at the rice-barley double cropping paddy field

활하도록 제작하였다. CH4의 농도는 챔버 상⋅하단의 자동 개폐문을 닫은 후, 초기값과 30분 이후값을 각각 측 정하는데, 이때 챔버내 온도도 함께 측정하였다. 이와 같

이 측정된 자료를 활용하여 다음 식 (1)과 같은 방법으로 메탄 배출량을 계산하였다.

F = p⋅(V/A)⋅[dC/273⋅(273+dT)] (1)

여기서 F는 CH4배출량의 플럭스(mg m^-2 h^-1)이고, p는 챔버내부 CH4의 밀도(0.714kg m^-3)를 나타내며, V 와 A는 챔버의 부피(m³)와 챔버의 밑넓이를 나타낸다.

dC는 측정시간동안 CH4 농도 증가률을 나타내는 것으 로, 측정시간동안 측정된 CH4 농도의 기울기로 계산한 다. dT는 측정시간동안 챔버내부의 기온 변화를 의미한 다(Yagi et al., 1996).

III. 결과 및 고찰

3.1. CO

벼-보리 이모작지에서 보리 재배기간(2013.10.22∼

2014.6.4)의 CO₂ 순생태계교환량(Net Ecosystem Exchange, NEE)는 단위면적(m²)당 일평균 -0.82g C이 었고, 총일차생산량(Gross Primary Production, GPP) 및 생태계호흡량(Ecosystem Respiration, Re)는 각각

Crop Stage

Collection ratio

(%)

Gap- filling ratio (%) Fallow

(Oct. 22. 2013-May 23. 2014) 99.8 38.8 Rice Rooting(Ⅰ)

(May 24. 2014-May 30. 2014) 100.0 17.6

〃 Tillering(Ⅱ)

(May 31. 2014-July 14. 2014) 100.0 30.5

〃 Elongation(Ⅲ)

(July 14. 2014-Aug. 14. 2014) 100.0 52.2

〃 Ripening(Ⅳ)

(Aug. 15. 2014-Oct. 18. 2014) 100.0 35.2

〃 Growing period

(May 24. 2014-Oct. 18. 2014) 100.0 41.1 Total period

(Oct. 22. 2013-Oct. 18. 2014) 99.9 39.7

Table 3. Collection and gap-filling ratio of 30-min CO

flux data by growing stage at the rice mono cropping paddy field

Fig. 2. Seasonal variations of daily GPP, Re, and NEE at the rice-barley double cropping paddy field. The dashed

2.82와 2.01g C로 조사되었으며, 보리 재배기간에 누적 된 NEE와 GPP 및 Re는 각각 -184.5, 637.7, 453.2g C m^-2로 분석되었다. NEE의 변화를 보리 생육단계별로 구분하여 살펴보면, 분얼단계(Ⅳ, -3.08g C m^-2 d^-1)에서 가장 많은 CO2가 논 생태계로 흡수되었고, 다음으로 성 숙단계(Ⅳ, -1.46g C m^-2 d^-1)에서 많이 흡수된 반면에, 출 현단계(Ⅰ, 1.92g C m^-2 d^-1), 유묘단계(Ⅱ, 0.90g C m^-2 d^-1), 월동단계(Ⅲ, 0.36g C m^-2 d^-1)에서는 CO₂가 대기중 으로 방출된 것으로 분석되었다. 또한, 보리 수확이후부 터 벼 재배이전까지 휴경기간(2014.6.5∼2014.6.13)의 누적 NEE는 23.1g C m^-2 d^-1으로 CO2가 대기중으로 방 출된 것으로 분석되었다(Table 4; Fig. 2).

벼-보리 이모작지에서 벼 재배기간 동안의 NEE는 단 위면적(m²)당 일평균 -3.45g C이었고, GPP 및 Re는 각

각 7.95와 4.50g C로 조사되었으며, 벼 재배기간 (2014.6.14∼2014.10.18)에 누적된 NEE와 GPP 및 Re 는 각각 -441.6, 1017.1, 576.1g C m^-2로 분석되었다.

NEE의 변화를 벼 생육단계별로 구분하여 살펴보면, 신 장단계(Ⅲ, -5.82g C m^-2 d^-1)에서 가장 많은 CO2가 논 생 태계로 흡수되었고, 다음으로 성숙단계(Ⅳ, -3.75g C m^-2 d^-1), 분얼단계(Ⅳ, -1.73g C m^-2 d^-1)순으로 많이 흡수된 반면에, 착근단계(Ⅰ, 1.97g C m^-2 d^-1)에서는 CO₂가 대 기중으로 방출되는 것으로 분석되었다(Table 4; Fig. 2).

일본 오카와마의 벼-보리 이모작의 논 생태계에 대한 CO2 플럭스 연구에서 보리 재배기간동안의 NEE와 GPP 및 Re는 각각 -255, 538, 283 g C m^-2로, 벼 재배기 간동안의 NEE와 GPP 및 Re는 각각 -350, 727, 377 g C m^-2로 추정하였고, 보리 수확 후부터 벼 이앙전까지의

Crop Stage Re GPP NEE

(gCm

d

) (gCm

) (gCm

d

) (gCm

) (gCm

d

) (gCm

)

(Oct. 22. 2013-Nov. 01. 2013) 2.66 29.3 0.74 8.2 1.92 21.1

〃 Seedling(Ⅱ)

(Nov. 02. 2013-Dec. 04. 2013) 1.92 63.3 1.02 33.6 0.90 29.8

〃 Winter rest(Ⅲ)

(Dec. 05. 2013-Feb. 23. 2014) 1.14 91.9 0.78 63.3 0.36 28.6

〃 Tillering(Ⅳ)

(Feb. 24. 2014-May 07. 2014) 2.15 155.1 5.23 376.9 -3.08 -221.8

〃 Ripening(Ⅴ)

(May 08. 2014-June 04. 2014) 3.91 113.5 5.37 155.8 -1.46 -42.3

〃 Growing period

(Oct. 22. 2013-June 04. 2014) 2.01 453.2 2.82 637.7 -0.82 -184.5 Fallow period

(June 05. 2014-June 13. 2014) 3.58 32.2 1.01 9.1 2.57 23.1 Rice Rooting(Ⅰ)

(June 14. 2014-June. 20. 2014) 3.84 26.9 1.87 13.1 1.97 13.8

〃 Tillering(Ⅱ)

(June 21. 2014-July 19. 2014) 5.41 156.8 7.14 206.9 -1.73 -50.2

〃 Elongation((Ⅲ)

(July 20. 2014-Aug. 20. 2014) 5.33 170.6 11.15 356.7 -5.82 -186.1

〃 Ripening(Ⅳ)

(Aug. 21. 2014-Oct. 18. 2014) 3.71 218.7 7.46 440.0 -3.75 -221.2

〃 Growing period

(June 14. 2014-Oct. 18. 2014) 4.50 576.1 7.95 1017.7 -3.45 -441.6 Total period

(Oct. 22. 2013-Oct. 18. 2014) 2.93 1061.5 4.60 1664.5 -1.67 -603.0

Table 4. CO

Re는 60g C m^-2로 추정하여, 연간 누적된 NEE와 GPP 및 Re는 각각 -545, 1265, 720g C m^-2로 분석된다고 보 고하였다(Takimoto et al., 2010). 즉, 일본의 벼-보리 이 모작 논 생태계를 대상으로 보고된 연간 NEE는 본 연구 의 결과와 유사하였지만, GPP와 Re는 다소 적은 것으 로 평가되었다. 하지만, CO2 플럭스 변화 양상 및 GPP, NEE의 최대값이 나타난 시기는 거의 유사한 것으로 분 석되었다.

3.1.2. 벼 단작지

벼 단작지에서 벼 재배기간(2014.5.24∼2014.10.18) 의 NEE는 단위면적(m²)당 일평균 4.82g C이었고, GPP 및 Re는 각각 10.00와 5.15g C로 조사되었으며, 벼 재배 기간에 누적된 NEE와 GPP 및 Re는 각각 -713.4, 1476.9, 763.5g C m^-2로 분석되었다(Table 5). NEE의 변 화를 벼 생육단계별로 구분하여 살펴보면, 신장단계(Ⅲ, -8.57g C m^-2 d^-1)에서 가장 많은 CO2가 논 생태계로 흡 수되었고, 다음으로 분얼단계(Ⅲ, -4.45g C m^-2 d^-1), 성숙 단계(Ⅳ, -3.84g C m^-2 d^-1)순으로 CO2가 많이 흡수된 것 으로 분석되었으며, 착근단계(Ⅰ, 0.88g C m^-2 d^-1)에서 는 CO2가 대기중으로 방출되는 것으로 분석되었다 (Table 5, Fig. 3). 또한, 벼 재배이전의 휴경기간2013.

10.22∼2014.5.23)에 누적된 NEE는 259.75g C m^-2으 로 조사되어 CO2가 대기중으로 방출되는 기간으로 분 석되었다.

3.2. CH

벼-보리 이모작지에서 보리 재배기간의 CH4 배출량 은 단위면적(m²)당 평균 0.07mg CH4 h^-1으로 조사되었 으며, 보리 재배기간에 누적된 CH4 배출량은 0.28g C m^-2로 분석되었다. 보리 생육단계별 CH4 배출량은 0.07

∼0.09mg CH4 m^-2 h^-1 범위로 서로 비슷하게 방출되는 것으로 분석되었다. 반면에 벼-보리 이모작지에서 벼 재 배기간의 CH4은 벼 생육단계별로 다르게 배출되는 것

Crop Stage Re GPP NEE

(gCm

d

) (gCm

) (gCm

d

) (gCm

) (gCm

d

) (gCm

)

(Oct. 22. 2013-May 23. 2014) 2.52 539.0 1.30 279.3 1.21 259.7 Rice Rooting(Ⅰ)

(May 24. 2014-May 30. 2014) 4.06 28.4 3.17 22.2 0.88 6.2

〃 Tillering(Ⅱ)

(May 31. 2014-July 14. 2014) 5.25 230.9 9.70 426.7 -4.45 -195.8

〃 Elongation(Ⅲ)

(July 14. 2014-Aug. 14. 2014) 6.38 200.9 14.85 475.2 -8.57 -274.3

〃 Ripening(Ⅳ)

(Aug. 15. 2014-Oct. 18. 2014) 4.67 303.3 8.50 552.8 -3.84 -249.5

〃 Growing period

(May 24. 2014-Oct. 18. 2014) 5.15 763.5 10.00 1476.9 -4.82 -713.4 Total period

(Oct. 22. 2013-Oct. 18. 2014) 3.57 1270.8 4.89 1742.3 -1.32 -471.5

Table 5. CO

Fig. 3. Seasonal variations of daily GPP, Re, and NEE

T and H mean transplating and harvesting date of rice, respectively.

으로 조사되었다. 담수상태이면서 토양중의 유기물이 빠르게 분해되는 분얼단계(19.66mg CH4 m^-2 h^-1)에서 CH4의 배출속도가 가장 높았으며, 배수상태인 성숙단 계(1.75mg CH4 m^-2 h^-1)에서 CH4의 배출속도가 가장 낮 은 것으로 분석되었다(Table 6, Fig. 4).

Kim et al.(2016)은 본 연구와 동일사이트에서 수행 된 에디공분산 방식의 CH₄ 배출량 연구를 통해 벼 재배 기간(120일)의 총 CH4 배출량이 197.76 kg CH4 ha^-1 (2012년)에서 450.53 kg CH4 ha^-1(2014년) 범위로 중간 낙수기간의 강우여부에 따라 연간 변화가 큰 것으로 보 고하였다. 반면에 CH4 배출량을 챔버방식으로 측정한 본 연구에서는 벼 재배기간(120일)의 총 CH₄ 배출량이 186.96 kg CH4 ha^-1(2014년)로 분석되어 에디공분산 방

식에 의해서 분석된 CH4 배출량과 큰 차이가 나타나는 것으로 조사되었다. 이와 같은 다른 결과가 나타난 한가 지 원인으로 측정에 이용된 샘플 공기의 차이로 추정할 수 있다. 에디공분산 방식은 넓은 면적의 생태계를 대상 으로 개방형으로 측정했는 데 반하여, 챔버 방식은 좁은 면적(0.46 m²)에서 패쇄형으로 측정하는데, 본 연구에 서 활용한 패쇄형 CH4 측정 챔버의 설치 위치는 에디공 분산 방식의 CH4 플럭스 측정 타워에서 서쪽으로 약 10m에 위치해 있어서 에디공분산 방식의 CH4 분석에 서 주로 측정된 샘플 공기와 달랐을 것으로 판단되었다.

즉, 에디공분산 방식에서는 주풍향의 공기를 측정 샘플 로 활용하는데, 본 연구사이트의 주풍향은 주간에는 북 서풍이고 야간에는 남풍이었다(Kim et al., 2016). 또 한 가지 원인으로는 에디공분산 방식에서 CH4 배출량의 과대평가로 추정할 수 있다. Kim et al.(2016)은 중간낙 수기간 이후 상당부분의 CH4 플럭스 결측이 발생하였 고, 이러한 결측을 mean diurnal variation 방법으로 보 충했다고 보고하였다. 따라서 CH4 측정 챔버의 설치 위 치를 연구사이트의 주풍향을 고려하여 CH4 플럭스 타 워의 북서쪽 방향으로 이동 설치한 후 CH₄ 배출량의 비 교 분석이 필요하고, 그외 이러한 측정 결과의 차이점을 구명할 추가 연구의 필요성이 제기되었다.

3.2.2. 벼 단작지

벼 단작지에서 벼 재배기간의 CH4 배출량은 단위면

Fig. 4. Change of daily CH

S, H, and T mean sowing date of barley, harvesting date of barley and rice, and transplating date of rice, respectively.

Crop Stage

CH

emission (mg CH

m

h

) (g C m

)

(Oct. 22. 2013-Nov. 01. 2013) 0.07 0.01

〃 Seedling(Ⅱ)

(Nov. 02. 2013-Dec. 04. 2013) 0.09 0.05

〃 Winter rest(Ⅲ)

(Dec. 05. 2013-Feb. 23. 2014) 0.06 0.09

〃 Tillering(Ⅳ)

(Feb. 24. 2014-May 07. 2014) 0.07 0.09

〃 Ripening(Ⅴ)

(May 08. 2014-June 04. 2014) 0.07 0.04

〃 Growing period

(Oct. 22. 2013-June 04. 2014) 0.07 0.28 Fallow period

(June 05. 2014-June 13. 2014) 7.41 1.07 Rice Rooting(Ⅰ)

(June 14. 2014-June. 20. 2014) 5.83 0.73

〃 Tillering(Ⅱ)

(June 21. 2014-July 16. 2014) 19.66 10.26

〃 Elongation((Ⅲ)

(July 17. 2014-Aug. 20. 2014) 7.53 4.44

〃 Ripening(Ⅳ)

(Aug. 21. 2014-Oct. 18. 2014) 1.75 1.86

〃 Growing period

(June 14. 2014-Oct. 18. 2014) 7.49 17.27 Total period

(Oct. 22. 2013-Oct. 18. 2014) 2.90 18.62

Table 6. CH

적(m²)당 평균 6.13mg CH4 h^-1으로 조사되었으며, 벼 재배기간의 누적된 CH4 배출량은 15.68g C m^-2로 분 석되었다. 벼 생육단계별로 구분하여 살펴보면, CH4

는 분얼단계(Ⅲ, 13.47mg CH₄ m^-2 h^-1)에서 배출속도가 가장 빨랐고, 다음으로 신장단계(Ⅱ, 4.66mg CH₄ m^-2 h^-1)에서 빠르게 방출되는 것으로 분석되었다(Table 7, Fig. 5).

3.3. 작부체계에 따른 논 생태계의 탄소수지

작부체계가 다른 두개의 논 생태계에 대한 1년간의 탄소수지를 Table 8와 9에 나타내었다. 벼-보리 이모작 논 생태계에서는 광합성을 통해 1664.5g m^-2 yr^-1의 탄소 를 얻는 반면, 호흡(Re)과 CH4 형태로 각각 1061.5g m^-2 yr^-1, 18.6g m^-2 yr^-1의 탄소를 잃어서, 탄소수지 측면에서 는 1년에 584.4g m^-2의 탄소를 흡수하는 것으로 분석되 었다. 그리고, 벼 단작 논 생태계에서는 광합성을 통해 1742.3g m^-2 yr^-1의 탄소를 얻는 반면, 호흡과 CH4 형태 로 각각 1270.8g m^-2 yr^-1, 16.0g m^-2 yr^-1의 탄소를 잃어 서, 탄소수지 측면에서는 1년에 455.5g m^-2의 탄소를 흡 수하는 것으로 분석되었다.

Barley Fallow Rice Total Gain (a) GPP

Table 8. Carbon budget (g C m

Fallow Rice Total Gain (a) GPP

CH4 0.4 15.6 16.0

NEP(=-NEE) -259.7 713.4 471.5 Budget (a-b) -260.1 697.8 455.5

Table 9. Carbon budget (g C m

결론적으로, 벼-보리 이모작지에서는 벼 단작지에서 보다 광합성을 통해 흡수하는 탄소가 77.8g m^-2 yr^-1 적었 으나, 호흡으로 인해 방출되는 탄소도 209.3g m^-2 yr^-1 적 어서 1년에 131.5g m^-2의 탄소를 더 많이 흡수하는 것으 로 조사되었고, CH4 배출량을 포함하면, 벼-보리 이모 작 작부체계의 논 생태계가 벼 단작보다 1년에 128.9g m^-2 탄소를 더 많이 흡수하는 것으로 분석되었다.

본 논문은 벼-보리 이모작과 벼 단작의 논 생태계에 대 한 CO₂와 CH₄의 수지를 정량화하고 두 작부체계를 비 교한 1차적인 결과로, 실질적인 논 생태계의 연간 탄소

Crop Stage

CH

emission (mg CH

m

h

) (g C m

)

(Oct. 22. 2013-May 23. 2014) 0.09 0.36 Rice Rooting(Ⅰ)

(May 24. 2014-May 30. 2014) 0.93 0.12

〃 Tillering(Ⅱ)

(May 31. 2014-July 03. 2014) 13.47 10.67

〃 Elongation(Ⅲ)

(July 04. 2014-Aug. 14. 2014) 4.66 2.68

〃 Ripening(Ⅳ)

(Aug. 15. 2014-Oct. 18. 2014) 1.93 2.26

〃 Growing period

(May 24. 2014-Oct. 18. 2014) 6.13 15.68 Total period

(Oct. 22. 2013-Oct. 18. 2014) 2.50 16.04

Table 7. CH

18, 2014

Fig. 5. Change of daily CH

수지라고 인정하기가 어렵다. 여기에, 벼와 보리의 종실 수확이나 작물체의 수거 혹은 소각에 의해서 논 생태계 의 외부로 이동한 탄소량과 짧은 기간에 미생물에 의해 분해되는 탄소량이 포함되어야 하고, 관개수의 출입에 따른 탄소의 유출입과 강수와 침투수에 의해 이동하는 탄소의 유출입이 고려된 순생물상생산량(Net Biome Production, NBP)을 추가로 계산할 필요가 있다. 즉, 동 일 사이트에서 수행한 선행연구에 의하면, 벼-보리 이모 작의 논 생태계에서 연간 NBP가 184.7g C m^-2으로 추정 되어, 탄소 발원으로 평가하였다(Shim et al., 2015). 또 한, 일본에서 수행한 유사한 연구결과에 의하면, 강수와 침투수에 따른 탄소의 유출입만 고려하지 않고 그외 모 든 요소를 고려하여 NEP를 계산하였을 때, 벼-보리 이 모작 논 생태계는 연간 63g C m^-2 가 대기 중으로 방출된 다고 보고되었다(Takimoto, et al., 2010). 또한, 토양중 유기물은 관개수 관리를 통해서 Re와 CH₄ 플럭스에 영 향을 줄 가능성이 높으므로, 관개수의 관리방법도 탄소 수지를 좌우하는 요인이 되며, 이에 대해서도 추가로 고 려되어야 진정한 의미의 논 생태계의 탄소수지가 정량 화 될 것이고 추가 연구의 필요성이 제기된다고 하겠다.

적 요

본 연구에서는 전라북도 김제시 부량면 신용리의 벼 단작지 및 벼-보리 이모작의 논 생태계에 설치된 플럭스 관측시스템으로부터 1년간 연속적으로 관측된 CO2 플 럭스 자료 및 CH4 배출량 자료를 활용하여, 논 생태계의 탄소수지를 평가하고자 하였다. 벼 단작지 및 벼-보리 이 모작 논 생태계의 CO2 플럭스는 대표적인 미기상학적 방식인 에디공분산 방법을 이용하였고, CH4 발생량은 개폐형 챔버방식의 자동화 시스템을 이용하여 측정하였 다. 또한, 여러 가지 기상인자(복사, 기온 및 지온 등)도 함께 조사하였다. 관측된 CO2 플럭스자료는 보정과 결 측보충의 과정을 거친 후 탄소수지 분석에 활용되었다. 2014년도의 벼 단작 및 벼-보리 이모작 논 생태계의 CO2

의 순생태 교환량은 각각 단위면적(m²)당 –436.8, -587.5g C로 분석되었고, CH4 발생량은 각각 +16.04, +18.61g C m^-2로 분석되었다. 벼 재배 기간 동안 CH4 발 생량은 물 관리에 따라 큰 영향을 받는 것으로 나타났는 데, 담수상태에서 CH4 발생량이 배수상태보다 더 높은 것으로 분석되었다. 본 연구는 국내에서 벼 단작과 벼-보 리 이모작의 논 생태계의 CO₂ 플럭스와 CH₄ 배출량을 기반으로 탄소수지를 정량화한 1차적인 연구결과로서,

벼-보리 이모작의 논 생태계가 벼 단작의 논 생태계보 다 1년에 약 128.9g C m^-2를 더 흡수하는 것으로 평가되 었다.

감사의 글

본 연구는 농촌진흥청 국립농업과학원 농업과학기술 연구개발사업(과제번호: PJ01229301)의 지원에 의해 이루어진 것임.

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