Original research article

Korean Journal of Soil Science and Fertilizer. 30 November 2023. 313-324
https://doi.org/10.7745/KJSSF.2023.56.4.313

ABSTRACT


MAIN

  • Introduction

  • Materials and Methods

  •   문헌 검색 및 데이터 수집

  •   메타분석

  • Results

  •   CH4 배출량과 쌀 수확량에 관한 물 관리 기술의 효과

  •   실험 조건에 따른 CH4 배출 및 쌀 수확량

  •   비료 조건에 따른 CH4 배출 및 쌀 수확량

  •   토양 특성에 따른 CH4 배출 및 쌀 수확량

  • Discussion

  •   CH4 배출량

  •   쌀 수확량

  • Conclusions

Introduction

산업혁명 이후, 주요 온실가스인 이산화탄소 (carbon dioxide, CO2) 농도는 410 ppm (+47%)으로 증가하였고, 메탄이 (methane, CH4) 1,866 ppb (+156%), 아산화질소가 (nitrous oxide, N2O) 332 ppb (+23%)까지 증가하였다 (IPCC, 2021). 농업에서 배출하는 온실가스 배출량은 5.2 - 5.8 Gt CO2 eq. yr-1로 추정되며, 전체 배출량의 10 - 12%에 해당한다 (Smith et al., 2014). 이중 벼 재배 부문의 세계 기준 배출량은 2030년까지 756 Mt CO2 eq. yr-1로 증가할 것으로 추정하고 있다 (USEPA, 2013).

벼 재배 부문은 CH4 배출의 주요 배출원으로 장내발효에 이어 두 번째로 많으며, 전 세계 인위적 농업 배출량의 22%를 차지한다 (Smartt et al., 2016; Liu et al., 2019b). CH4의 지구온난화지수 (global warming potential, GWP)는 CO2에 비해 28배에 이르러 지구온난화에 미치는 영향이 훨씬 크다 (IPCC, 2014). 논은 CH4의 주요 인공 공급원 중 하나로 간주되며, 산화 ‧ 환원 조건에 따라 N2O 배출에도 기여한다 (Wang et al., 2013; IPCC, 2014). 이러한 이유로 최근의 많은 연구는 쌀 수확량에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 논에서 온실가스 배출을 줄이는 관리 방법개발에 초점을 맞추고 있다 (Jiang et al., 2019; Liu et al., 2019b).

쌀 (Oryza sativa L.)은 아시아에서 소비하는 주식 작물 중 하나로써, 전 세계 인구 50% 이상이 필요로 한다 (Chaudhary et al., 2017). 전 세계 쌀 생산량의 90%는 아시아 국가에서 생산되며, 이 중 동아시아 국가가 33.6%의 비중을 차지하고 있어 온실가스 배출에 적지 않은 영향을 미치고 있다 (Papademetriou et al., 2000). Ito et al. (2022)은 동아시아권 논에서 CH4 배출량의 약 26%인 15.8 Tg CH4 y-1를 방출하는 것으로 추정하였다. 쌀 생산을 위한 비료 사용은 토양의 비옥도와 농작물 수확량을 증가시킬 수 있지만, N2O 배출을 더욱 증가시킬 수 있다 (Liu et al. 2019b; Wu et al. 2019a). 농작물 생산에 대한 수요를 충족시키기 위해서 비료 사용은 불가피하며, 이에 따른 CH4과 N2O 배출 증가 또한 피할 수 없다 (Xia et al., 2017; Wu et al., 2019a). 따라서, 동아시아지역의 높은 작물 생산성은 유지하면서 온실가스 배출을 줄이기 위한 효과적인 해결책이 필요하다 (Lee et al., 2023).

논에서 물 관리를 통해 CH4 배출량을 감축하는 방법은 현재까지 가장 경제적이며, CH4 배출 억제에 가장 효과적인 방법으로 알려져 있다 (Yagi et al., 2020; Qian et al., 2022). 논물 관리는 혐기 조건을 호기 조건으로 변경하는 활동으로 호기성 환경에서 합성된 CH4 영양균 (methanotrophic bacteria)이 CH4 생성 고세균 (methanogenic archaea)의 활동을 제한하고, 토양 산화 환원 전위 (Eh)를 증가시켜 CH4 배출량을 감소시키는 방식이다 (Rahman et al., 2013; Sha et al., 2022). 논물 관리 방식에는 중간낙수 (Wu et al., 2019b; He et al., 2022), 간헐적 관개 (Nishimura et al., 2020; Qian et al., 2022), 습윤 관개 (Wei et al., 2019; Zhang et al., 2019), 천수답 (Wu et al., 2019b; Zhang et al., 2021) 등 다양한 방법이 제시되고 있다.

이전 연구에서 논물 관리 관행의 효과와 관련한 종합적인 평가를 위해 전 세계를 대상으로 메타분석하거나 (Jiang et al., 2019; Liu et al., 2019b), 동남아시아를 대상으로 한 메타분석 연구는 진행된 바 있다 (Yagi et al., 2020). 하지만, 동일한 논임에도 불구하고 기후, 토양 조건 및 영농방식에 따라 배출되는 온실가스 배출 경향과 그 양이 달라지고 (Ahn et al., 2014; Liu et al., 2019a), 특히, 동아시아의 경우 장마 기후로 인한 CH4 배출이 더욱 주목받고 있다 (Ito et al., 2022). 그동안 논물 관리에 관한 온실가스 완화 효과 및 쌀 생산량을 개별적으로 조사 및 분석한 연구는 상당부분 진행되어왔다 (Camargo et al., 2018; Bui et al., 2022). 그러나 동아시아지역을 대상으로 논물 관리에 대한 CH4 배출 완화 효과와 쌀 수확량을 종합적으로 평가한 연구는 아직 부족하다. 따라서, 동아시아지역 논에서 물 관리 방식에 따른 CH4 배출량과 쌀 수확량에 대한 종합적인 평가가 필요하다.

본 연구에서는 동아시아지역의 논물 관리가 CH4 배출량 및 쌀 수확량에 미치는 영향을 조사하기 위해 메타분석을 실시하였다. 이를 위해 (1) 논에서 CH4 배출량 및 쌀 수확량에 대한 논물 관리의 효과를 종합 분석하고, (2) 논물 관리 시 세부 조건별 CH4 배출량과 쌀 수확량의 효과 차이를 분석하였다. 이번 연구 결과는 국내 논물 관리를 통한 온실가스 감축 효과 확인이 가능하고, 향후 국가배출계수 개발의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Materials and Methods

문헌 검색 및 데이터 수집

본 연구에서는 Google Scholar, ScienceDirect, SCOPUS, KCI (Korea Citation Index) 검색 엔진을 사용하여 2010년부터 2022년 3월까지 발표된 연구논문을 수집하였다. 연구 성격에 맞게 국내 연구를 최우선적으로 선택하였고, 검색 키워드는 “Water management”, “Mid-season drainage”, “Drainage”, “Irrigation”, “Methane”, “CH4”, “Greenhouse gas”, “Agricultural land”, “Cropland”, “Paddy fields”, “Rice paddy”를 사용하였다. 연구 선정은 다음과 같이 a) 적어도 하나 이상의 대조군과 처리군 비교를 통한 실험 연구, b) 논물 관리 방법을 제시한 연구, c) 국가 및 기후대를 제시한 연구, d) 표준편차 또는 표준오차를 제시한 연구, e) 토양의 물리적 화학적 성질을 제시한 연구로써, 이 모든 조건을 만족하는 연구들만 선택하였다. 대부분의 문헌은 표에서 제시한 온실가스 배출량 데이터를 사용하였다. 그림으로 제시된 배출량 및 표준편차 데이터의 경우 Plot Digitizer (ver. 2.6.9) 소프트웨어를 실행하여 최종 데이터를 추출하였다. 각 연구 문헌에서 제시한 누적 CH4 배출량 값을 추출하였으며, 각기 다른 단위들은 kg ha-1로 변환하였다. 물 관리 관행이 CH4 배출량과 쌀 수확량에 미치는 영향을 평가하기 위해 28개 연구의 161개 (CH4 배출량), 174개 (쌀 수확량) 쌍의 관측치를 사용하여 메타분석을 수행하였다.

온실가스 배출에 영향을 미치는 잠재적 요인의 효과 평가를 위해, 각종 데이터를 범주화 하였다 (Gu et al., 2022). 실험 유형은 Field, Pot로 구분하였고, 경작 방식은 Single, Rotation, Double로 구분하였으며, 실험기간 (day)은 ≤110, ≤120, ≤130, >130로 구분하였다 (Zhang et al., 2020). 논물 관리 방식은 유효분얼기에 물을 얕게 관수하고 무효분얼기부터 간헐적으로 관개 및 배수를 교차하는 AWD (alternating wet and dry), 무효분얼기 일시적으로 1 - 2주간 배수하는 FDF (flooding-drainage-reflooding), 무효분얼기에 배수 후 재담수하고 간헐적 관개 및 배수를 교차하는 FDFM (flooding-drainage-reflooding-moist), 이랑과 고랑을 두고 고랑에만 상시담수하는 FWI (furrow wetting irrigation), 유효분얼기에 얕게 대고 무효분얼기부터 지하 15 cm 지점의 토양수분포텐셜이 -10 kPa 이하일 때만 지표면까지 관수하는 MI (moist irrigation), 강우로만 관개를 실시하는 RF (rainfall)로 구분하였다 (Gu et al., 2022). 비료 유형은 Compound, Mixed, Urea로 구분하고, 비료 투입량 (kg ha-1)은 ≤150, ≤300, ≤500, >500으로 구분하였다. 비료 투입 횟수는 ≤1, ≤2, ≤3, >3으로 구분하였다. 배수 횟수는 ≤1, ≤5, >5로 구분하고, 배수 기간 (day)은 ≤10, >10으로 구분하였다. 토양 pH는 ≤6.5 (acidic), 6.6 - 7.3 (neutral), >7.3 (alkaline)으로 구분하였고, 토양 C/N은 ≤10, >10으로 구분하였다 (Soil Survey Staff, 1999). 토성은 Fine (silt clay, clay, sandy clay), Medium (loam, clay loam, silt, silty clay loam, silt loam), Coarse (sandy clay loam, sandy loam, loamy sand)로 구분하였다 (Soil Survey Staff, 1999) (Table 1).

Table 1.

Factors categorized as predictive variables in this meta-analysis.

Factor Specific conditions Levels
Experimental
conditions
Type of experiment
Cropping system
Seeding method
Duration (days)
Number of drainage
Drainage period (days)
Field; pot
Single; rotation; double
Direct seeding; transplanting
≤110; ≤120; ≤130; >130
≤1, ≤5, >5
≤10, >10
Fertilizer
conditions
Fertilizer types
Fertilizer rate (kg N ha-1)
Number of fertilizer input
Compound; Mixed; Urea
≤150; ≤300; ≤500; >500
≤1, ≤2, ≤3, >3
Soil
properties
Soil pH
Soil C/N
Soil texture
≤6.5 (acidic); 6.6 - 7.3 (neutral); >7.3 (alkaline)
≤10; >10
Fine; medium; coarse

메타분석

이 연구에서 각기 다른 개별 연구들의 표준화를 위해 반응비율 (response ratio)을 사용하여 아래와 같은 효과 크기를 계산하였다 (Hedges et al., 1999).

(Eq. 1)
Ln(RR)=ln(Xt/Xc)=ln(Xt)ln(Xc)

여기서, Xt는 물 관리를 실시한 실험 처리구의 값을 의미하고, Xc는 대조구의 값을 의미한다. 만약, 표준편차 (standard deviation, SD)가 아닌 표준오차 (standard error, SE)만 제시된 경우, SD는 다음과 같은 방정식을 이용하여 변환하였다.

(Eq. 2)
SD=SEN

여기서, N은 반복수를 나타내며, 95% 신뢰구간 (confidence interval, CI)은 다음과 같이 계산하였다.

(Eq. 3)
95%CI=Ln(RR)±1.96S(Ln(RR))

개별 효과크기 및 평균 효과크기의 계산은 R 소프트웨어에서 “metafor” 패키지 (Viechtbauer, 2010)의 “ROM” 함수를 사용하여 분석하였다. R 소프트웨어를 사용하여 데이터 세트의 평균 효과 크기를 분석했으며, 95% 신뢰구간 (confidence interval, CI)은 실험구와 대조구 간의 CH4 배출량 및 쌀 수확량의 차이가 통계적으로 유의한지 여부를 결정하기 위해 계산되었다 (Zhang et al., 2020).

반응비율로 도출된 효과 크기는 이해의 용이성을 위해 다음과 같이 백분율로 변환하였다 (Das et al., 2022).

(Eq. 4)
%Change=(eLn(RR)1)×100%

Results

CH4 배출량과 쌀 수확량에 관한 물 관리 기술의 효과

상시담수와 비교하여 논물 관리를 실시했을 때, CH4 배출량을 -60.5% (n = 161)로 유의하게 감소시키는 것으로 나타났다. RF가 -79.6% (n = 18)로 CH4 배출 억제 효과가 가장 높은 것으로 나타났으며, FDF가 -40.5% (n = 18)로 논물 관리 방식 중 효과가 가장 낮은 것으로 분석되었다. 논물 관리에 따른 쌀 수확량 관련 효과 분석에서 전체 평균값이 -5.8% (n = 174) 감소하는 것으로 나타났으나, 유의미한 차이는 없는 것으로 나타났다. 다만, 개별적인 측면에서 RF, FDF, FWI는 쌀 수확량을 -18.9% (n = 24), -8.6% (n = 21), -6.8% (n = 3)로 유의미하게 감소시키는 것으로 나타났다 (Fig. 1).

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Fig. 1.

A response ratio of CH4 emissions and rice yields by water management types. Numbers in parentheses indicate the sample size and error bars represent 95% confidence intervals. The squares in color in the figure caption are an overall average value on properties. AWD, alternating wet and dry; FDF, flooding-drainage-reflooding; FDFM, flooding-drainage-reflooding-moist; FWI, furrow wetting irrigation; MI, moist irrigation; RF, rainfall.

실험 조건에 따른 CH4 배출 및 쌀 수확량

실험 조건에 따른 CH4 감축 효과는 -50.8% (n = 966)로 분석되었다. 단일 벼 재배 시 CH4 감축 효과가 -63.9% (n = 119)로 가장 높게 나타났고, 이모작이 -33.6% (n = 30), 윤작 재배 시 -15.6% (n = 12)로 효과가 가장 낮았다. 재배 기간이 증가할수록 CH4 감축 효과가 증가하는 것으로 분석되었다. 파종에 있어서 직파는 CH4 배출 감축 효과가 -66% (n = 48)로 나타났고, 이앙은 -48.3% (n = 113)로 분석되었다. 배수 횟수에 따른 CH4 배출 관련 효과는 ≤5에서 -60.5% (n = 27)로 가장 효과가 높은 것으로 나타났으며, ≤1에서 -40.5% (n = 18)로 가장 효과가 낮은 것으로 나타났다. 배수 기간은 >10일 때 -52.8% (n = 132)의 CH4 감축 효과가 있었으며, ≤10에서 -40% (n = 29)의 CH4 감축 효과가 있는 것으로 나타났다.

실험 조건에 따른 쌀 수확량은 -3% (n = 966)로 유의하게 감소하는 것으로 나타났다. 포트 실험에서 6.2% (n = 21) 증가하였고, 필드 실험에서는 -4.9% (n = 140) 감소하는 것으로 나타났다. 배수 횟수가 >5에서 -3.9% (n = 116)로 쌀 수확량이 가장 많이 감소하였고, 배수 기간이 ≤10에서 -5.8% (n = 29)로 >10 (-3.9%, n = 132)에 비해 쌀 수확량 감소 효과가 높은 것으로 나타났다 (Fig. 2).

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Fig. 2.

A response ratio of CH4 emissions and rice yields by experimental conditions. Numbers in parentheses indicate the sample size and error bars represent 95% confidence intervals. The squares in color in the figure caption are an overall average value on properties.

비료 조건에 따른 CH4 배출 및 쌀 수확량

비료 조건에 따라 CH4 배출량이 -54.2% (n = 433) 유의미하게 감소하는 것으로 나타났다. 요소 비료 투입 시 -57.3% (n = 78)로 CH4 배출 감축 효과가 가장 높았으나, 복합 (-46.7%, n = 42) 및 혼합비료 (-46.7%, n = 32)와 유의미한 차이는 없는 것으로 나타났다. 비료 투입량에 따른 CH4 배출 효과에서 >500에서 -60.1% (n = 24)로 가장 높았으나, 유의미한 차이는 없는 것으로 분석되었다. 비료 투입 횟수에 따른 CH4 배출 효과에서는 3회 이상 나눠서 투입하는 것이 -78.6% (n = 6)로 가장 효과가 높은 것으로 나타났다 (Fig. 3). 비료 조건에 따른 쌀 수확량의 경우 -2% (n = 462)로 감소하는 것으로 나타났지만, 유의한 차이는 없었다. 전반적으로 비료 조건에 따른 쌀 수확량의 유의한 차이는 없었으나, 비료 투입 횟수가 ≤2에서 16.2% (n = 15) 증가하는 것으로 나타났다 (Fig. 3).

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Fig. 3.

A response ratio of CH4 emissions and rice yields by fertilizer conditions. Numbers in parentheses indicate the sample size and error bars represent 95% confidence intervals. The squares in color in the figure caption are an overall average value on properties.

토양 특성에 따른 CH4 배출 및 쌀 수확량

토양 특성에 따라 CH4 배출량이 -54.2% (n = 281) 유의하게 감소하는 것으로 나타났다. 토양 pH가 >7.3인 알칼리성 토양에서 -53.2% (n = 18)로 CH4 감축 효과가 가장 높았으며, pH ≤6.5인 산성 토양에서 -5.8% (n = 18)로 CH4 감축 효과가 가장 낮았다. C/N 비율이 >10에서 -60.5% (n = 48)로 CH4 감축 효과가 상대적으로 높았으며, 토성이 점토 계열로 갈수록 CH4 감축 효과가 높은 것으로 나타났다 (Fig. 4). 토양 특성에 따른 쌀 수확량이 -4.9% (n = 366) 유의하게 감소하는 것으로 나타났다. 토양 pH가 산성과 중성토양에서 -6.8% (n = 24), -7.7% (n = 48)로 유의미하게 감소하였으며, C/N 비율이 ≤10에서 -3.9% (n = 102), 토성은 사토 계열에서 쌀 수확량이 -15.6% (n = 15) 감소하는 것으로 나타났다 (Fig. 4).

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Fig. 4.

A response ratio of CH4 emissions and rice yields by soil properties. Numbers in parentheses indicate the sample size and error bars represent 95% confidence intervals. The squares in color in the figure caption are an overall average value on properties.

Discussion

CH4 배출량

CH4는 혐기성 조건에서 유기물 분해의 최종 생성물이며, 가수분해 및 발효성 박테리아 (fermentative bacteria)와 CH4 생성 고세균 (methanogenic archaea)으로 구성된 복합 미생물 군집에 의해 생성된다 (Conrad et al., 2012; Ji et al., 2022). 물 관리 관행은 토양 산소 가용성을 변경하여 CH4 생산의 기반이 되는 다양한 과정에 영향을 줄 수 있다 (Jiang et al., 2019). 이번 연구에서 논물 관리를 통해 CH4 배출을 약 60.5%까지 감축할 수 있는 것으로 나타났다 (Fig. 4). Gu et al. (2022)의 연구 결과인 77.3%보다는 낮았지만, 타 연구의 결과인 50.3 - 52.0%보다 높고 (Jiang et al., 2019; Liu et al., 2019b), 동남아시아 단위의 메타분석 결과인 35%보다도 높았다 (Yagi et al., 2020). Kim et al. (2012)은 강원도에서 물 관리에 따른 메탄 배출량을 평가한 결과, 중간낙수를 실시한 경우 약 48.1%, SRI (system of rice intensification) 기술을 적용했을 때 약 76.8% 메탄 배출량을 감소시킨다고 보고하였다. 본 연구에서 중간낙수와 유사한 FDF 기술이 40.5%였고, SRI 기술과 유사한 MI 기술이 61.3%인 것을 감안할 때, 절대적인 수치는 차이가 있지만, 경향성은 유사한 것으로 판단된다. 다만, 본 연구에서 천수답에 해당하는 RF 기술의 메탄 감축 효과가 79.6%인 것을 감안하면 SRI 기술 효과에 주목할 필요가 있을 것으로 생각된다. 상시담수 또는 간단관개 모두 CH4 배출은 활착기에서 분얼기에 이르는 단계에 집중되어 생육기 전체 CH4 배출량의 약 85%를 차지한다 (Wang et al., 2020; Gu et al., 2022). 상시담수와 비교하여 분얼기 동안의 물 관리는 CH4 생성 과정에 크게 영향을 미쳐 CH4 배출을 억제할 수 있다 (Li et al., 2018; Wang et al., 2020). 본 연구에서도 다양한 물 관리 방법 중 분얼기부터 수확기까지 거의 관수를 하지 않는 RF가 79.6%의 CH4를 감축하였고, MI (61.3%)는 그다음으로 감축 효과가 높은 것으로 나타났다 (Fig. 1). AWD는 습윤과 건조를 반복하는 기술로써, MI와 유사하지만, 최대 수위가 지표면을 기준으로 4 - 6 cm라는 점과 일부 연구에서 중간낙수 이후 시행하였기 때문에 FDFM과 큰 차이를 보이지 않은 것으로 판단된다. 따라서, 생육 단계별 최적의 관개용수량을 고려하고 합리적인 관개를 수행할 필요가 있다고 판단된다.

초기 분얼 단계에서 논의 높은 수위는 CH4 생성 고세균이 CH4를 생산하는 데 유리하다 (Wang et al., 2020). 본 연구에서 관행 처리구 기준으로 재배 기간이 ≤110의 CH4 배출 저감 효과는 36.2%, >130은 69.3%로 재배 일수가 늘어남에 따라 CH4 배출감축 효과는 증가하였다 (Fig. 2). 이는 재배 기간이 증가함에 따라 물 관리 기간 또한 증가하면서 CH4 배출 저감 효과가 증가하는 것으로 판단된다. 현재 재배 기간 중 단일배수 (≤1) 및 다중배수 (≥2)에 대한 IPCC 기본값은 40%와 48%이다 (IPCC, 2006). 이 연구에서 단일배수의 경우 40.5%로 유사하게 나타났으며, 다중배수 (≤5)의 경우 60.5%로 10% 이상 높게 나타났다. 이는 Jiang et al. (2019)의 단일배수 33.3%보다 높고, 다중배수 73%보다는 낮았다. 현재 단일 및 다중배수 이벤트에 대한 IPCC 기본값은 0.6과 0.52인데, 이 연구를 바탕으로 동아시아지역의 단일배수는 현재의 기본값을 유지하되 다중배수의 경우 변경의 필요성을 시사한다.

비료는 CH4 배출에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나로써, 일반적으로 시비하지 않은 경우에 비해 시비한 토양의 CH4 배출량이 증가한다 (Wang et al., 2020). Gu et al. (2022)은 33.0%까지 증가한다고 보고한 바 있다. 이러한 이유로 단일 벼 재배 시 이모작 혹은 윤작에 비해 투입되는 비료의 양이 적기 때문에 -63.9%로 CH4 감축 효과가 가장 높았고, 윤작을 하는 연구에선 -15.6%로 상당히 낮아지는 것을 확인하였다 (Fig. 2). 하지만, 본 연구에서는 상시담수인 관행 처리구와 물 관리를 실시한 처리구 간의 동일한 양의 비료 투입으로 투입량에 따른 CH4 배출 효과는 크게 나타나지 않은 것으로 판단된다. 이는 Liu et al. (2019b)Lee et al. (2023)의 연구 결과와 유사하게 나타났다. 다만, 비료 투입 횟수에 있어서 3회 이상으로 나눠서 투입하는 경우 -78.6%로 CH4 감축 효과가 가장 높은 것으로 나타났다. 이는 동일한 양의 질소 비료를 일시에 투입하면 작물이 흡수할 수 있는 양을 초과하여 대기 중 혹은 지하 등의 유출에 기인한다 (Dong et al., 2017; Nie et al., 2019). 따라서, 작물생육에 최적의 비료 투입량도 중요하지만, 분시횟수도 CH4 감축에 중요한 요인으로 판단된다.

쌀 수확량

상시담수는 논에 일정 수위를 유지하기 때문에 수분 증발과 지표 및 지하 유출로 인한 수자원 낭비의 원인이 된다 (Nie et al., 2019). 반면, 논물 관리는 논에서 발생하는 관개수 및 질소 비료의 손실을 줄이고 불필요한 수질오염을 줄일 수 있다 (Dong et al., 2017). 이러한 이유로 여러 물 관리 관련 연구의 쌀 수확량 자료에 따르면 논물 관리는 쌀 수확량을 약 2.4% 유의하게 증가시킨다고 하였다 (Gu et al., 2022). Nie et al. (2019) 보고에서 논물 관리가 쌀 수확량을 5.5 - 27%까지 증가시킨다고 보고하였고, 이와 유사하게 Zhang et al. (2021) 연구도 쌀 수확량을 24% 증가시킨다고 보고하였다. 동남아시아를 대상으로 논물 관리에 관한 메타분석 결과 역시 위 결과들과 마찬가지로 쌀 수확량이 28% 증가하는 것으로 보고하였다 (Yagi et al., 2020). 그러나 이번 연구에서 물 관리를 통한 쌀 수확량의 유의한 차이는 없었다 (Fig. 1). 이는 Yang et al. (2018)의 연구 결과와도 유사하게 나타났다. 논물 관리가 올바르게 실시될 경우, 쌀의 수확량 감소 없이 관개수 사용량을 38%까지 줄일 수 있지만 (Lampayan et al., 2015), 논물 관리가 잘 되지 못했을 시 심각한 가뭄 스트레스는 쌀 수확량을 22%까지 감소시킬 수 있다 (Lampayan et al., 2015; Zhang et al., 2021).

벼 재배에서 이앙 후 2주간은 물 부족 스트레스에 가장 민감한 시기이며, 본 연구의 RF는 강우에 의존하는 물 관리 방식으로 건조 스트레스로 인해 쌀 수확량이 -18.9%까지 감소한 것으로 생각된다 (Lampayan et al., 2015). 이는 Gu et al. (2022)의 RF -32.4%보다는 낮지만, 그 양이 적지 않은 것으로 판단된다. Lampayan et al. (2015)은 물 관리 관련 연구들을 종합한 결과 지표면 15 cm 깊이의 토양에서 토양수분포텐셜이 벼가 수분 부족 스트레스를 받기 시작하는 -10 kPa 보다 높아야 한다고 보고하였다. 이는 -10 kPa 이하로 벼 재배 시 CH4 감축에는 효과적이지만 벼 수확에는 악영향을 미칠 수 있다는 것을 의미한다. 논에서 CH4 배출은 분얼기에 주로 이루어지고, 이때 벼 생육에 적절한 관개를 필요로 한다 (Wang et al., 2020; Gu et al., 2022). 따라서 농업 현장에서는 초기 분얼기와 등숙기에 최적 관개를 통해 쌀 수확량을 유지하면서 CH4 배출량을 줄이는 간단관개 방안을 모색해야 한다 (Gu et al., 2022). 최근, 논에서 CH4 배출 저감을 위한 논물 관리와 경운 방식에 대한 연구결과에 의하면, 간단관개와 논물 앝게대기에 의해 CH4 배출량은 감소하고 쌀 생산량은 증가하였다고 보고하였다 (Baek et al., 2023). 반면, 최소경운에 의해 쌀 생산량은 소폭 감소하지만 CH4 배출량은 감소하고 토양 유기탄소 함량은 증가하는 것으로 나타났다 (Gwon et al., 2022; Baek et al., 2023). 이번 연구에서 CH4 배출량을 줄이면서 쌀 수확량에 영향을 미치지 않는 물 관리 방식은 MI, AWD, FDF 순으로 나타났다 (Fig. 1). 이 중 분얼기와 등숙기에 물 관리가 가능한 방식은 MI, AWD 방식으로 향후 검증을 위한 추가 연구의 필요성을 시사한다.

본 연구에서 현장 실험은 쌀 수확량이 감소하였고, 포트 실험은 증가하는 효과가 나타났다. 포트 실험의 경우 현장 실험에 비해 기후 및 토양 등의 환경 요인에 대한 제약이 적고, 관수 및 배수가 용이하여 적절한 관리가 이루어졌을 것으로 판단된다. 논물 관리를 통한 쌀 수확량의 감소는 관수 혹은 배수, 물 관리 횟수 및 기간, 그리고 강도와 관련이 있다 (Jiang et al., 2019). 메타분석 결과, 배수 횟수가 증가할수록 쌀 수확량이 감소하는 것으로 나타났다. 반면, 배수 기간이 ≤10보다 >10에서 수확량이 증가하였다. 이러한 이유는 토양 수분은 강도와 관련 있는 것으로 판단된다. 논의 지하부 15 cm를 기준으로 토양수분포텐셜이 -10 kpa 이하로 내려가게 되면 벼의 생육 스트레스로 이어지기 때문에 이는 수확량 감소의 원인이 될 수 있다 (Lampayan et al., 2015). 이러한 결과는 토양 수분 강도에 초점을 맞춰야 할 필요성을 시사한다. 적절한 논물 관리와 비료 사용은 관개용수를 최소화하고, 쌀 수확량의 증가와 CH4 배출 억제라는 세 가지 효과 얻을 수 있다. 이를 위해서 벼 생육에 필요한 최적의 용수 용량을 파악하고, 이를 작기 중 유지할 수 있는 기술의 필요성을 시사한다.

Conclusions

본 연구에서는 동아시아지역 논의 CH4 배출량, 쌀 수확량에 미치는 논물 관리의 영향을 종합적으로 정량화하기 위해 메타분석을 실시하였다. 그 결과 논에서 물 관리를 적용할 경우, 쌀 수확량을 유지하면서 CH4 배출량을 약 60.5% 감축할 수 있을 것으로 나타났다. 다양한 논물 관리기술 중 AWD, FDF, MI 기술은 CH4 배출량을 유의적으로 감소시키는 반면, 쌀 생산량 감소에 유의적인 차이를 보이지 않아 유지가 가능할 것으로 판단된다. 따라서, 타 물 관리기술과 비교할 때 더 효과적인 기술로 고려할 수 있다. 다만, N2O 배출 및 GWP를 고려한 물 관리 기술들의 평가는 이루어지지 않은 것에 한계가 있었다. 따라서 향후 N2O 배출을 고려한 물 관리 기술의 평가가 필요할 것으로 판단된다. 이 연구 결과는 향후 국내 논에 적용이 가능하며, CH4 배출량 감축과 쌀 수확량 유지에 효과적인 물 관리 기술을 시사한다. 더불어, 국가고유계수 개발의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

This work was carried out with the support of the “Cooperative Research Program for Agriculture Science and Technology Development (PJ01559203)”, Rural Development Administration, Republic of Korea.

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