Evaluation of Green House Gases Emissions According to Changes of Soil Water Content, Soil Temperature and Mineral N with Different Soil Texture in Pepper Cultivation

(1)

고

고추 추재 재배 배에 에서 서 토 토성 성별 별 토 토양 양수 수분 분,, 토 토양 양온 온도 도,, 무 무기 기태 태 질 질소 소 변 변화 화에 에 따

따른 른 온 온실 실가 가스 스배 배출 출 평 평가 가

Evaluation of Green House Gases Emissions According to Changes of Soil Water Content, Soil Temperature and Mineral N with

Different Soil Texture in Pepper Cultivation

김건엽^*·송범헌¹·노기안·홍석영·고병구·심교문·소규호

Gun-Yeob Kim,

^*

Beom-Heon Song

¹

, Kee-An Roh, Suk-Young Hong, Byung-Gu Ko, Kyo-Moon Shim, and Kyu-ho So

농촌진흥청 국립농업과학원, ¹충북대학교 식물자원학과

National Academy of Agricultural Science(NAAS), RDA, Suin-ro 150, Gwonseon-gu, Suwon-si 441-707, Korea

1

Chungbuk National University, Cheongju 361-763, Korea

Importance of climate change and its impact on agriculture and environment has increased with a rise of greenhouse gases (GHGs) concentration in Earth's atmosphere, which had caused an increase of temperature in Earth. Greenhouse gas emissions such as methane(CH

⁴

) and nitrous oxide(N

²

O) in the field need to be assessed. GHGs fluxes using chamber systems in the fields(2004~2005) with pepper cultivation were monitored at the experimental plots of National Academy of Agricultural Science(NAAS), Rural Development Administration(RDA) located in Suwon city. N

²

O emission during pepper growing period was reduced to 74.0~82.1% in sandy loam soil compared with those in clay loam soil. Evaluating N

²

O emission at different levels of soil water conditions, N

²

O emission at -50 kPa were lowered to 13.2% in clay loam soil and 40.2% in sandy loam soil compared with those at -30 kPa. CH

⁴

emission was reduced to 45.7~61.6% in sandy loam soil compared with those in clay loam soil. Evaluating CH

⁴

at different levels of soil water conditions, CH

⁴

emission at -50 kPa was lowered to 69.6% in clay loam soil and 55.8% in sandy loam soil compared with those at -30 kPa. It implied that -50 kPa of soil water potential was effective for saving water and reducing GHG emissions. From the path analysis as to contribution factors for N

²

O emission, it appeared that contribution rate was in the order of mineral N(51.2%), soil temperature (25.8%), and soil moisture content(23.0%) in clay loam soil and soil moisture content(39.3%), soil temperature (36.4%), and mineral N(24.3%) in sandy loam soil.

Key words: N

2

O, CH

4

, emissions, Soil water potential, Mineral N, Soil temperature, Soil texture

서 언

대류권에서 아산화질소 농도는 선-산업시대의 270 ppb에서 2001년에 314 ppb로 증가하였다. 지구온난화 잠재력은 아산화질소가 이산화탄소의 310배, 메탄은 21배 (IPCC, 1996)에 이르고, 특히 아산화질소는 지구 온난화에 5%이상 기여하는 무시할 수 없는 온실가스 이다. 최근에 Mosier 등 (1998)과 Kroeze 등 (1999)은 농업이 전 지구적 질소 순환에 미치는 영향을 고려한 아산화질소의 농업부문의 배출량에 대해 지표로부터

배출되는 아산화질소가 전체 배출량에서 가장 큰 부 분을 차지한다고 하였다.

질소비료 시용은 농경지로부터 대기로 배출되는 N2O의 가장 큰 요인으로 작용하고 있으며, 최근 1990 년대의 질소비료 시용이 해마다 6∼7% 증가 추세에 있어 이에 대한 대책이 시급하다 (Minami 등, 1997).

Kravchenko 등(2002)은 토성별 경작지 토양에서 사 질토양은 양질토양에 비해 질화작용 과정을 지연시켜 CH4의 산화 촉진으로 인해 배출량이 적었으며, 동시 에 상대적으로 N²O 배출량도 낮아진다고 보고하였다.

토양수분, pH, 산소, 유기탄소 농도 등 토양환경 조건 과 질소순환 사이의 상호작용에서 토양 중 질소순환 은 미생물 활동에 의하여 좌우된다고 볼 수 있고, 토 접 수 : 2008. 10. 4 수 리 : 2008. 12. 3

*연락저자 : Phone: +82312900240, E-mail: [email protected]

(2)

양수분함량은 가스 확산과 같이 토양의 산화환원에 영향을 미치며, 유기탄소와 암모늄, 질산염과 같은 용 해 양분들의 유효도에 영향을 미친다. 호기조건의 건 조 토양은 미생물에 의해 질산화작용이 촉진되고, 상 대적으로 습한 토양에서는 탈질현상으로 N²O와 N²의 발생이 증가한다 (Davidson 등, 1993). Lemke 등 (1998) 및 Wagner-Riddle 등(1997)은 토양 중 수분함 량과 N²O 배출량과의 관계에서, 토양 공극률에 대한 용적수분함량 비율(WFPS, water-filled- pore-space) 이 70∼90%에서 탈질이 가장 많이 일어나며, N²O도 많이 발생하지만 WFPS 90%이상에서는 N²O 배출량 이 급격히 감소한다고 하였다.

따라서 밭에서는 온실가스 배출에 영향을 주는 요 인을 구명하여 온실가스 관리에 필요한 기초 자료를 제공하고자 하였다.

재료 및 방법

재배 및 처리내용 본 시험은 수원시에 위치한 국 립농업과학원의 시험 포장에서 수행하였다. 시험 토 양은 고평통 식양토와 본량통 사양토에서 유기물 함 량이 각각 22, 21 g kg^-1로서 특성은 표 1과 같고 농 촌진흥청 토양화학분석법 (NIAST, 1988)에 준하였다.

고추 (마니따)를 2004년에는 2월 22일에 파종하고 5 월 12일에 정식하였다. 2005년에는 2월 22일에 파종하 고 5월 15일에 정식에 정식하였다. 재식거리는 60×40

㎝, 시험구 면적은 64 ㎡이였으며, 시험구 배치는 2² 요인시험으로 하였다.

시비는 농촌진흥청 (2006)작물별 시비처방기준에 의 한 표준시비방법으로 하였다. PK 처리구는 질소를 시 용하지 않고 P2O5-K2O를 112-149 kg ha^-1, NPK+돈분 퇴비 처리구는 N-P2O5-K2O를 190-112-149 kg ha^-1로 N은 3회 분시, P2O5는 전량 기비, K2O는 2회 분시 하 였고, 돈분퇴비 15,000 kg ha^-1을 시용하였다.

고추 재배 시 토양수분함량에 따른 적정 관개시점 은 -30kPa으로 알려져 있다. 본 시험에서는 토양수분 의 효율성 검정을 위해 식양토와 사양토에 각 관수시 점 을 -30kPa와 -50kPa 두 처 리 를 두 었 으 며 , tensiometer로 토양수분을 측정하였다. 관수방법은 점 적관수로 비 가림 재배를 하였다. 토양수분 장력 -30

kPa과 -50 kPa에 해당하는 토양 중량수분 함량은 Eom 등 (1995)의 방법을 이용하였다. 토양온도 측정 은 Hydraprobe (Stevens-water社)를 고추의 근권인 토양 깊이 20 ㎝에 설치하여 측정하였다. 토양의 무기 태 질소는 원소자동분석기(Automatic analyer;

FIAstar 5000)로 NH⁴⁺-N과 NO³^--N을 분석하였다.

시료채취 및 분석방법 고추밭의 N²O와 CH⁴는 비 정체형 밀폐형태인 순환형 상자법 (Denmead 등, 1979)을 이용하여 외부로의 공기 유출이 없도록 포집 하였다. 설치된 chamber는 지름이 0.25 m, 높이가 0.5 m인 PVC 소재로 제작하였다. N²O와 CH⁴ 배출량은 고추 정식 18일 후 6월 2일부터 1주일에 2회 측정하 였다. 토양의 무기태질소 분석은 1주 1회 실시하였다.

채취한 공기 시료의 메탄 농도는 6 port gas sampling valve가 장착된 GC-FID(Varian 3400)로 분 석하였으며, column은 Porapack N(80/100 mesh)을 충전한 1/8″×2 m의 stainless steel tubing column이 었고 carrier gas는 N²로 유속을 분당 30 ㎖로 조절하 였다. 아산화질소 기체농도는 10 port와 4 port valve 를 장착한 GC-ECD(Varian 3800)를 사용하였고 column은 Porapack Q(80/100 mesh)를 충전한 1/8″× 2 m의 stainless steel tubing column, 그리고 Detector 의 온도는 320℃로 하였다. CH⁴ 및 N²O 분석 조건은 Table 2와 같다.

N²O와 CH⁴는 토양-대기간 플럭스는 주로 확산에 의하므로 일반적으로 chamber내 가스성분의 농도변 화는 시간에 따라서는 크지 않으나, 토양과 대기 간 농도차가 큰 경우에는 chamber내 가스농도는 거의 직선적으로 증가했다. 이런 경우의 시료 가스농도의 정량계산은 data set를 직선회귀하여 플럭스를 계산하 였다. 직선회귀법에서 플럭스(F : ㎎ m^-2 hr^-1)는 다 음 식으로 구했다.

F = ρ·V A^-1· Δc Δt^-1·273 T^-1 ρ는 가스밀도(㎎ m^-3),

A는 Chamber 바닥면적(㎡), V는 Chamber 내 공기체적(㎥),

Δc/Δt는 Chamber내 가스농도의 평균 증가속도 (10^-6 m³ m^-3 hr^-1),

Soil texture

Clay loam Sandy loam

5.4 0.31 22 362 83.1 83.9 0.6 5.8 5.2

5.8 0.13 21 482 31.8 53.4 0.3 3.8 0.6

Na Ca

K

--- cmolckg^-1--- mg kg^-1

mg kg^-1 mg kg^-1

g kg^-1 dS m^-1

1:5 H²O

Exch. Cation NO³-N

NH⁴-N Av.P²O⁵

OM EC

pH

Table 1. Chemical properties of soil before experiment.

(3)

T는 Chamber 내 평균기온(K)이다.

메탄 및 아산화질소 ρ값 (T=273 K)은 다음과 같다.

ρ^CH⁴ = 0.714

ρ^N²^O = 1.96, ρ^N²^O-N = 1.25

N2O 배출에 대한 기여율은 무기태질소, 토양수분함 량과 토양온도 등의 독립변수들의 상관계수와 표준편 회귀계수를 곱하여 구했다. 결정계수는 기여율을 합 하여 중상관계수의 제곱을 하였다. 그리고 N2O 기여 도 평가는 SPSS를 이용하여 다중회귀 분석하였다

결과 및 고찰

고추 재배기간 동안 평균기온은 22.5℃이었다. 홍 고 추 수량은 식양토와 사양토에서 ha당 각각 3.71과 3.44 톤으로 -30 kPa보다 -50 kPa에서 14.8∼19.9%

증수되었다 (그림 1).

토양수분, 토양온도, 토양 중 무기태질소 (NH⁴⁺- N+NO³^--N)함량 및 N²O 배출량의 경시적 변화는 그 림 2와 같다. 고추의 적정 관개시점인 -50 kPa에서

토양수분 함량의 범위는 식양토 22.2∼49.5%, 사양토 16.3∼28.8%, 토양온도는 식양토 19.3∼28.1 , 사양토 21.0∼27.5 로 식양토에서 토양수분과 토양온도의 측 정값 범위 폭이 크게 나타났다. N²O 배출량은 전 재 배기간 중 토양수분, 토양온도의 변화와 유사한 양상 을 보였다. 특히 210∼240일 (6∼8월)은 몬순기후의 영향으로 강수량이 집중되는 기간으로 대기온도와 토 양수분의 증가로 모든 처리구에서 N²O 배출량이 높 았다. 이는 N²O 배출량이 토양수분(Stevens 등, 1997;

Arnone 등, 1998; Hou 등, 2000)과 토양온도(Gode and Conrad, 1999)의 영향을 받는다는 기존의 결과와 도 일치하였다.

N²O 배출량과 토양 중 무기태질소의 경시적 변화는 그림 3과 같다. N²O 배출량은 식양토와 사양토 모두 2주∼5주째(6월16일∼7월 7일)는 토양 중 무기태질소 량이 증가 하였고, 7주(8월 4일경)에 가장 많았다. 사 양토는 전 생육기간에 걸쳐 배출량이 식양토에 비해 낮았다. -30 kPa에서는 7주(8월 4일경)에서 가장 많 았고, -50 kPa은 5주(7월 7일)에 많았다.

N2O 배출량의 변화는 토양수분, 토양온도 그리고 토양 중 무기태질소의 값 변화와 비슷한 양상을 보여, N²O 배출량에 영향을 미치는 주요 요인은 토양수분, 토양온도 그리고 토양의 무기태질소라 할 수 있다 (Sozanska, 2002; Conen, 2000; Dobbie, 1999;

Mahmood, 1998; Clayton, 1997).

일반적으로 토양에 무기태질소를 공급하면 N²O 플 럭스가 증가된다(Mosier 등, 1998; Ryden, 1983).

Kravchenko 등 (2002)은 식양토에서는 NH⁴⁺-N의 공 급에 의해 N²O배출 플럭스의 변동이 거의 변화가 없 고, 사양토는 NH⁴⁺-N의 양이 증가 할수록 N²O 배출 량은 증가한다고 하였다.

Fig. 1. Yield of red pepper at different soil moisture conditions in clay and sandy loam soils.

Detector

Column

Carrgier gas

Flow rate

ECD FID

Packing material Materials O.D. x length

N² N²

Retention time 0.63 min 3.2min

Loop 2㎖ 2㎖

30㎖/min (Carrier+make up) 30㎖/min

Concentration of calibration gas

0.5 and 1.0 ppmv N²O in N² 9.6 and 100 ppmv

CH⁴in N² Porapack N(80/100)

Stainless steel 1/8" x 2m

Porapack Q(80/100) Stainless steel

1/8" x 2m

Temperature

Column Injector Detector

70℃

80℃

200℃

70℃

80℃

320℃

Table 2. Gas Chromatographic analysis conditions for N

2

O measurement.

¨

(4)

토성별 N²O 배출량과 토양수분, 토양온도 및 무기 태질소를 회귀분석 한 결과(그림 4), 토양수분, 토양 온도와 무기태 질소에서 식양토는 75.0%, 59.6% 및 86.0, 사양토에서 76.2%, 76.8% 및 77.9%로 N²O 배출 의 경시적 변이를 설명할 수 있었다.

N²O 배출량과 토양수분함량, 토양온도 및 무기태질 소의 상관계수는 식양토에서 0.866^**, 0.772^** 및 0.927^**, 사양토는 0.873^**, 0.876^** 및 0.883^**으로 상관은 고도로 유의하여 N²O 배출량에 큰 영향을 주는 것으로 나타 났다. Arone 등 (1998)과 Taggart 등 (1997)은 N²O 배출량과 토양 수분함량과는 정의 상관관계가 있다고 하였다. Dobbie 등(1999)은 남부 스코틀랜드의 N²O 배출량이 조사지역과 기후 차이에 관계없이 토양수분 과 밀접한 관계가 있다고 하였다. Sozanska 등 (2002) 은 토양수분에서 액상과 기상부분을 고려한 WFPS (Water Filled Pore Space)가 80∼85%에서 N2O 배출 이 최대가 되고, 토양수분, 토양온도와 질소시비량이 증가함에 따라 배출도 증가한다고 하였다. Hellebrand 등 (2008)은 사양토에서 유채와 호밀 등 일년생작물 에서 N²O배출량과 토양 중 NO³^--N은 정의 상관관계

가 있으며, NO³^--N이 높으면 N²O 배출량도 많다고 하였다. Zhang 등 (2008)은 토양의 N2O 배출 플럭스 와 토양 중 NH4+

-N 그리고 NO3-

-N은 유의 한 상관 을 가진다고 하였다. Clayton 등 (1997)은 영년생 라 이그라스 재배 토양에서 N2O 배출은 토양수분, 토양 온도, 질소 시비량 그리고 무기태질소량과는 높은 상 관관계가 있다고 하였다. 이상과 같이 밭에서 토양수 분, 토양온도 그리고 질소 시비를 조절함으로서 토양 에서 발생하는 N²O를 현저히 저감시킬 수 있을 것으 로 생각된다.

그림 5와 6에서 고추 생육기간 중 CH⁴의 발생은 초 기 생육기간에 토양수분 요구도가 큰 -30 kPa에서 많 았으나 생육기간 전반에 걸쳐 발생량은 미미하였다.

담수상태의 논에서는 혐기성균에 의해 유기물이 분해 되어 상당량의 CH⁴가 발생하는데 비해, 밭에서는 CH⁴ 배출량이 적어 토양수분, 토양온도와 무기태질소 변 화에 대한 배출 양상은 보이지 않았다.

토양수분은 CH⁴ 배출에 영향을 미치는 중요한 인자 이나 토양온도는 CH⁴ 배출에 영향을 미치지 않았다 고 하였다 (Yuping 등, 2008). 그러나 Kim 등 (2002,

Fig. 2. Daily changes of soil water contents, soil temperature and soil N

2

O emission in clay and sandy loam upland soils (all flux

measurements included). Values are the mean of three replicates measured between 9:00 a.m. and 11:00 at sampling dates.

(5)

2006)은 밭 토양에서는 토양 수분이 토양공극에 포화 상태일 경우에 CH4 배출이 일시적으로 배출되므로 재배 전 생육기간을 통해서는 CH4 배출량이 많지 않 아 온실가스 배출에 영향을 주는 요인과는 관계가 없 는 것으로 보고하였다. 이상에서 밭 토양에서 CH4 배 출량이 적어 온실가스배출에 대한 염려는 없는 것으 로 생각 된다.

고추 생육기간 중 정식 후 1주일부터 수확기까지 N2O와 CH4의 총 배출량을 토성별, 수분장력별로 비 교한 결과 그림 7과 같았다. 토성에 따른 N2O 배출량 은 식양토에서 34.1∼39.3 tonne N2O ha^-1로 나타났고, 사양토에서는 6.1∼10.2 tonne N2O ha^-1로 나타났다.

토양수분 장력 -30 kPa에서는 10.2∼39.3 tonne N²O ha^-1로 나타났고, -50 kPa에서는 6.1∼34.1 tonne N²O

Fig. 3. Weekly changes of soil N

²

O emission and N mineral in clay and sandy loam upland soils.

Fig. 4. Correlations between cumulative soil water contents, and soil temperature and N

²

O emissions in clay and sandy loam soils.

(6)

ha^-1로 나타났다. 토성에 따른 N²O 배출량은 식양토에 비해 사양토에서 74.0∼82.1% 적었고, 토양 수분장력 -30 kPa보다 -50 kPa에서 식양토는 13.2%, 사양토는

40.2%가 적었다.

토성에 따른 CH4 배출량은 식양토는 3.5∼11.5 tonne CH4 ha^-1로 나타났고, 사양토는 1.9∼4.3 tonne

Fig. 5. Daily changes of soil water contents, soil temperature, and soil CH

⁴

emission in the upland clay and sandy loam soils(all flux measurements included). Values are the mean of three replicates measured between 9:00 am and 11:00 am at sampling dates.

Fig. 6. Weekly changes of soil CH

⁴

emission and N mineral in clay and sandy loam upland soils.

(7)

CH⁴ ha^-1로 나타났다. 토양수분 장력 -30kPa에서는 4.3∼11.5 tonne CH⁴ ha^-1로 나타났고, -50kPa에서는 1.9∼3.5 tonne CH⁴ ha^-1로 나타났다. CH⁴는 식양토에 비해 사양토에서 45.7∼61.6%, 그리고 수분장력에 따 라 -30kPa보다 -50kPa에서 식양토 69.6%, 사양토 55.8%가 적었다.

토양수분 장력 -30 kPa과 -50 kPa에서 토양수분 장력과 토양수분 함량을 비교한 결과, 고추의 관개시 점인 토양수분 장력 -50 kPa에서는 식양토와 사양토 의 토양 중량수분 함량이 각각 24.5%와 15.5%로 나 타났다. 고추의 일정 수량을 유지하면서 토양수분 장 력 -50 kPa (식양토와 사양토의 토양 중량수분 함량 24.5%와 15.5%에 해당) 관개시점에서 하여야 과다관 개를 피하고 온실가스 저감효과를 기대할 수 있는 것 으로 나타났다.

N2O 배출에 대한 기여도는 평가 결과(표 3), 결정 계수는 식양토 0.729, 사양토 0.760의 결과를 얻었다.

따라서 N²O 배출에 대한 3개의 독립변수 (무기태질 소, 토양수분함량과 토양온도)에 의해 식양토에서 72.9%, 사양토 76.0%를 설명 할 수 있었다. N²O 배출 에 영향을 미치는 요인은 식양토에서 무기태질소 (51.2%), 토양온도 (25.8%), 토양수분함량 (23.0%),

그리고 사양토에서는 토양수분함량 (39.3%), 토양온 도 (36.4%), 무기태질소 (24.3%) 순으로 나타났으며, 식양토에 비해 사양토에서 N²O 배출에 대한 무기태 질소의 기여도가 낮았다. 이는 Tan 등 (2008)의 토성 별 옥수수 재배시험에서 N2O과 밀접한 관련이 있는 NO3-N이 식양토에서보다 사양토에서 더 많이 영향을 미친다고 보고 한 것과 일치한 결과이다.

적 요

농경지에서 발생되는 온실가스인 CH⁴, N²O의 배출 제어 기술을 구명하기 위하여 수원시에 위치한 국립 농업과학원 기후변화생태과 시험포장에서 온실가스 배출시험을 수행하였다. 고추밭에서 토성과 토양수분 에 의한 온실가스배출 시험은 2004∼2005년 2년간 고 추 재배를 하여, 질소를 시용하지 않는 PK와 NPK+

돈분퇴비 등으로 시비처리를 하였고 온실가스배출에 영향을 주는 토양수분, 토양온도 그리고 무기태 질소 (NH⁴⁺, NO³^-) 등 관련 요인별로 온실가스배출량을 측 정하였다.

이와 같이 밭에서 온실가스 배출에 미치는 영향을 조사하여 온실가스 관리에 필요한 기초 자료로 활용

Fig. 7. Amount of N

2

O and CH

4

emitted at different soil water conditions in clay and sandy loam soils.

Factors

Soil water contents (a) Soil temperature (b) N^mineral(c) Multiple correlation coefficient(R) R-square

Multiple regression equation

0.228^* 0.288^**

0.492^**

0.854 0.729

0.394^**

0.253^**

0.366^**

0.872 0.760

0.859^**

0.764^**

0.891^**

0.870^**

0.866^**

0.838^**

23.0 25.8 51.2

39.3 36.4 24.3 Sandy

loam Clay

loam Sandy

loam Clay

loam Sandy

loam Clay

loam

Standardized coefficients(β)

*p<.05, ^**p<.01

Pearson correlation coefficient (r) Contribution rate (%)

Table 3. Multiple regression analysis to contribution factors of N

2

O in clay and sandy loam soils.

Clay loam; y=14.107a+49.242b+6.178c-84.089 Sandy loam; y=21.142a+25.585b+2.573c-62.354

(8)

하기 위해 시험한 결과는 다음과 같다.

1) 토성에 따른 N²O 배출량은 식양토에 비해 사양 토에서 74.0∼82.1% 적었고, 토양 수분장력 -30 kPa 보다 -50 kPa에서 식양토는 13.2%, 사양토는 40.2%

가 적었다.

2) CH⁴ 배출은 식양토에 비해 사양토에서 45.7∼

61.6%, 그리고 수분장력에 따라 -30kPa보다 -50kPa 에서 식양토 69.6%, 사양토 55.8%가 적었다.

3) N²O 배출에 영향을 미치는 요인은 식양토에서 무기태질소 (51.2%), 토양온도 (25.8%), 토양수분함 량 (23.0%), 그리고 사양토에서는 토양수분함량 (39.3%), 토양온도 (36.4%), 무기태질소 (24.3%) 순 으로 나타났으며, 식양토에 비해 사양토에서 N²O 배 출에 대한 무기태질소의 기여도가 낮았다.

인 용 문 헌

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