Original research article

Korean Journal of Soil Science and Fertilizer. 30 November 2023. 375-385
https://doi.org/10.7745/KJSSF.2023.56.4.375

ABSTRACT


MAIN

  • Introduction

  • Materials and Methods

  •   중량식 라이시미터 및 시험토양

  •   시험전 토양 화학성 및 동계작물 재배

  •   작물 재배기간 중 기상데이터 분석

  •   물수지, 작물계수 및 적정 물 필요량 산정

  • Results and Discussion

  •   동계작물 재배기간 동안 기상 특성

  •   동계작물의 생육조사 결과

  •   동계작물의 물수지 평가

  •   동계작물의 작물계수 및 적정 물 필요량 산정

  • Conclusions

Introduction

물은 농업 생산에 중요한 요소이며, 식량 안보에 중요한 역할을 한다 (Khan and Hanjra, 2009). 우리나라의 농업용수는 이용가능한 수자원의 약 41%를 차지하고 있어 (MOLIT, 2016), 가뭄으로 인한 물 부족이 발생하면 농업생산성 감소 등의 피해가 나타날 수밖에 없다 (Hanjra and Qureshi, 2010, Huang et al., 2017; Pastor et al., 2019).

기후변화는 자연재해, 생물다양성 감소, 식량위기 등 생태계, 농업에 영향을 미친다 (Lee et al., 2022a). 최근 기후변화로 인한 가뭄의 발생 빈도와 강도가 증가하고 있기 때문에, 농업분야에서 물 부족에 대비하여 물이용효율을 높일 수 있는 다양한 물관리 방법들이 연구되고 있다. 가을배추, 봄배추, 노지고추의 물 절약형 관개기준설정 (Eom et al., 2010, 2012; Jung et al., 2011), 점적관 배치에 따른 콩의 관개용수 이용효율 (Lee et al., 2018), 절수관개방법이 벼 수량 및 품질에 미치는 영향 (Choi et al., 2006), 시설재배 오이의 적정 관개시점 평가 (Jeon et al., 2010) 등의 관개 방법이나 기준에 관한 연구들이 이루어지고 있다. 이와 같이 효율적인 물관리를 위한 중요한 영향인자 중 한 가지는 증발산량이다. 정량화된 증발산량 자료는 수자원 관리, 가뭄예측, 농업 계획 등을 위한 주요 지표로 활용될 수 있으며 (Kim et al., 2019b), 물수지를 기반하는 토양유효수분율 산정 모형으로 밭작물의 가뭄에 대비할 수 있다 (Hwang et al., 2022).

증발산량은 다양한 방법으로 측정할 수 있는데, 그 중 대표적인 방법으로는 FAO에서 제시한 Penman-Monteith 공식을 이용하는 간접측정방법과, 라이시미터를 이용하는 직접측정방법이 있다. FAO Penman-Monteith 공식은 일사량, 풍속, 온도, 습도 등 다양한 기상데이터를 이용하여 기준증발산량을 구하는 방법으로, 여러 기후조건에 적용할 수 있어 증발산량 산정에 많이 활용되고 있다 (Jensen et al., 1990; Allen et al., 1998). 또한, 라이시미터를 이용하는 직접측정방법은 장비운영과 시설관리 등 시간과 비용의 부담이 있지만, 토양에서의 물과 용질의 이동을 직접적이고 정밀하게 측정할 수 있다. 특히, 비교란의 자연적인 토양구조에서 중량식 라이시미터를 활용하는 방법은 토양수분의 수직 이동을 무게 변화를 통해 실시간으로 확인하고 해석할 수 있기 때문에 많은 연구에 많이 활용되고 있다 (Seo et al., 2016; Kim et al., 2019a; Ok et al., 2020). 밭작물 재배시 물수지, 양분수지, 물 필요량 산정 (Lee et al., 2017; Ok et al., 2018, 2020) 등의 연구, 조생종 벼 재배시 토성 및 이앙시기에 따른 환경부하와 작물 생육 평가 (Lee et al., 2022b), 토성이 다른 논토양에서의 증발산량과 FAO Penman-Monteith 공식으로 산출된 기준증발산량과의 적합도 평가 (Kim et al., 2018), 중량식 라이시미터를 이용하여 산정된 기준 증발산량에 대한 검증과 이용 가능성에 대한 연구 (Kim et al., 2019a) 등을 통해 중량식 라이시미터의 신뢰도와 활용성이 증명되었다.

농업용수량 산정을 위해서는 작물의 증발산량과 함께 작물계수 또한 필요하다. 현재까지는 물소모량의 간접측정방법으로 농업용수량을 산정하고 있지만, 기후변화 등의 환경 변화를 고려한 직접 측정방법으로 정확도를 높일 필요가 있다. 그러나 작물계수에 대한 연구가 부족하여 과거의 작물계수나 외국의 작물계수를 사용하고 있는 실정이고 (Koo et al., 1998), 논용수 산정을 위하여 개발된 작물계수는 다양하게 있으나, 최근의 환경 변화를 고려한 밭작물의 작물계수가 많이 부족하다.

본 연구에서는 중량식 라이시미터를 이용하여 토성이 다른 밭토양에서 동계작물인 청보리 (Hordeum vulgare L.) 재배기간 동안의 강수량, 증발산량, 지하배수량 등 물수지를 비교하였으며, 생육단계별 작물계수와 적정 물 필요량을 산정하여 제시하였다.

Materials and Methods

중량식 라이시미터 및 시험토양

시험에서 사용된 중량식 라이시미터 (UGT, Germany)는 국립농업과학원 (전라북도 완주군)에 설치되어 있으며, 북위 35°49'29", 동경 127°02'46", 해발 33 m에 위치하고 있다. 표면적은 1 m2, 깊이 1.5 m의 원통코어형 라이시미터로 비교란 밭토양이 충진되어 있다. 라이시미터 베셀의 바닥에는 최소 10 g을 감지 할 수 있는 로드셀이 설치되어 있어, 토양 내 수분의 증감에 따른 무게변화를 정밀하게 측정할 수 있다. 또한 각 라이시미터에는 층위별로 (10, 30, 55, 85, 125 cm) 토양수분센서 (UMP-1, UGT, Germany)와 텐시오미터가 설치되어 있어 라이시미터 내부에서의 수분이동, 물수지 및 증발산량을 정밀하게 측정할 수 있다. 측정된 데이터는 1시간 단위로 data logger에 자동 저장된다. 또한, 티핑카운터 (tipping counter)로 지하유출량을 측정하고, 유거수량은 샘플링 박스의 무게를 직접 측정하였다 (Ok et al., 2018, 2020). 라이시미터의 토양은 미사질식양토 (silty clay loam, SiCL)와 사양토 (sandy loam, SL)로 깊이별 토양의 물리적 특성은 Table 1에 나타내었다. 토성은 Gee and Bauder (1986)의 비중계법을 이용하여 토양입자분포를 산정하여 미국 농무성 (United States Department of Agriculture, USDA)의 토성 삼각표 (soil texture triangle)에 따라 결정하였다. 용적밀도는 Blake and Hartge (1986)의 코아법을 이용하여 분석하였다.

Table 1.

Soil physical properties of lysimeters used in this study.

Soil Soil depth
(cm)
Bulk density
(Mg m-3)
Particle size distribution (%) Soil texture
Sand Silt Clay
SiCL 0 - 12 1.18 6.8 64.0 29.2 Silty clay loam
20 - 36 1.26 5.8 57.5 36.7 Silty clay loam
36 - 61 1.34 6.7 56.6 36.7 Silty clay loam
61 - 98 1.32 17.6 55.8 26.6 Silt loam
98 - 150 1.43 34.0 41.9 24.1 Loam
SL 0 - 13 1.27 54.0 37.0 9.0 Sandy loam
13 - 26 1.36 61.8 30.2 8.0 Sandy loam
26 - 41 1.38 47.2 40.8 12.0 Loam
41 - 66 1.34 61.7 29.3 9.0 Sandy loam
66 - 108 1.34 69.2 25.8 5.0 Sandy loam
108 - 150 1.29 75.7 19.3 5.0 Loamy sand

SiCL, silty clay loam; SL, sandy loam.

시험전 토양 화학성 및 동계작물 재배

시험전 토양은 라이시미터의 표토 15 cm 이내의 토양을 채취하여 국립농업과학원의 토양 및 식물체 분석법에 준하여 분석하였다 (NAAS, 2011). pH는 토양과 증류수를 1:5로 혼합하여 30분간 진탕한 현탁액을 pH meter (Orion Star A221, Thermo Scientific, Waltham, MA, USA)를 이용하여 측정하였다. pH 측정 후 EC meter (Orion Star A322, Thermo Scientific, Waltham, MA, USA)를 이용하여 EC 1:5를 측정하였으며, 기기로 측정한 값에 5배 하여 보정하였다. 유기물함량은 Tyurin법, 유효인산은 Lancaster법, 교환성양이온은 1.0 M NH4OAc (pH 7.0)으로 추출하여 유도결합 플라즈마 분광광도계 (ICP-OES, GBC, Integra XL Dual, Australia)로 분석하였다. 분석한 토양의 화학성은 Table 2에 나타내었다.

Table 2.

Soil chemical properties used in this study before transplanting in 2019, 2020 and 2021.

Soil pH
(1:5, H2O)
EC1:5
(dS m-1)
OM
(g kg-1)
T-N
(g kg-1)
Av. P2O5
(mg kg-1)
Exch. cations (cmolc kg-1)
K Ca Mg
2019 - 2020
SiCL 7.2 0.2 24 1.4 209 0.56 5.8 2.8
SL 6.6 0.2 14 1.3 910 0.61 4.8 1.8
2020 - 2021
SiCL 6.9 0.25 25 1.5 197 0.4 5.7 3.0
SL 6.6 0.23 15 1.2 918 0.5 5.2 2.0
2021 - 2022
SiCL 6.4 0.5 26 1.6 235 0.44 5.8 2.8
SL 6.7 0.3 17 1.3 1,098 0.43 6.0 2.1

SiCL, silty clay loam; SL, sandy loam.

시험 작물은 동계작물인 청보리로, 품종은 영양으로 하였다. 2019 - 2022년 3년간 재배하였으며, 10월 하순 (2019년 10월 30일, 2020년 10월 30일, 2021년 10월 29일)에 정식하여 4월 하순 (2020년 4월 24일, 2021년 4월 26일, 2022년 4월 25일)에 수확하였다. 재배방법은 작물별 표준재배법을 준용하였으며, 비료는 작물별 비료사용처방의 표준시비량을 기준으로 밑거름은 질소-인-칼리 (N-P2O5-K2O = 6.0-10.0-10.0 kg 10a-1)를 시용하였으며, 웃거름은 질소-인-칼리 (N-P2O5-K2O = 6.0-0.0-0.0 kg 10a-1)를 투입하였다. 정식 후 활착기 동안에는 모든 시험구에 동일하게 관개하였으며, 활착기 이후 무관개 시험구와 적습관개 시험구로 나누어 물관리를 하였다. 적습관개 시험구는 밭작물 물관리 기준 (Eom et al., 1999)에 따라, 강우와 토양의 수분장력값 (50 kPa)을 고려하여 관개를 실시하였다. 청보리의 생육단계는 유묘기, 분얼기, 생육재생기, 신장기, 등숙기로 구분하여 각각의 생육단계별로 작물계수와 물 필요량을 산정하였다.

작물 재배기간 중 기상데이터 분석

재배기간 동안의 기상데이터는 라이시미터 인근에 설치되어 있는 기상대를 활용하여 기온, 풍속, 강우량, 일사량 등의 데이터를 수집하였다. 강우량은 기상대의 강우량 측정값과 중량식 라이시미터의 무게 변화값을 함께 비교 ‧ 분석하였다. 기상데이터는 라이시미터와 가장 가까운 기상청 전주기상대의 평년 (1991 - 2020) 기상데이터와 함께 비교하였다.

물수지, 작물계수 및 적정 물 필요량 산정

물수지 분석은 중량식 라이시미터의 로드셀을 활용하여 무게변화에 따른 물의 유입량과 유출량을 계산하였으며, 물수지는 Eq. 1로 산출하였다.

(Eq. 1)
ΔSW=(P+I)-(ET+D+R)

여기서, ΔSW는 토양수분변화량 (mm), P (precipitation)는 강우량 (mm), I (irrigation)는 관개량 (mm), ET (evapotranspiration)는 증발산량 (mm), D (drainage)는 지하유출량 (mm), R (runoff)은 지표유출량 (mm)이다.

적정 물 필요량은 2019 - 2022년과 평년의 기상데이터를 이용하여 FAO Penman-Monteith 공식으로 계산한 일일 기준증발산량 (reference evapotranspiration)에 생육단계별 작물계수를 곱하여 합한 값으로 작물의 생육단계별 물 필요량을 산정하였다. 적정 물 필요량 산정 공식은 Eq. 2와 같다 (Allen et al., 1998).

(Eq. 2)
OWR=(ET0×CC)

여기서, OWR (optimal water requirement)은 적정 물 필요량 (mm), ET0는 기준증발산량 (mm), CC (crop coefficient)는 작물계수이다.

Results and Discussion

동계작물 재배기간 동안 기상 특성

청보리 재배기간 동안의 기상특성을 전주기상대의 평년 (1991 - 2020) 기상자료 (KMA, 2022)와 비교하였다 (Fig. 1). 일평균온도는 평년 온도와 비슷한 경향이었으나, 수확 직전인 4월에 2019 - 2020년에서는 평년보다 낮게, 2020 - 2021년과 2021 - 2022년에는 평년보다 높게 나타났다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksssf/2023-056-04/N0230560408/images/ksssf_2023_564_375_F1.jpg
Fig. 1.

Comparison of average temperature and precipitation between normal years (1991 - 2020) and forage barely cultivation in 2019 - 2022.

누적 강우량은 연도별로 각각 254.0 mm, 232.8 mm, 272.3 mm로 나타났으며, 평년 대비 91%, 84%, 98% 수준으로 평년보다 조금 낮거나 비슷하게 나타났다. 전주 지역의 평년 강수량이 청보리의 재배기간보다 3, 4월에 조금 더 높은 경향을 보였다. 2019 - 2020년에는 정식 직후인 11월과 1, 2월에 강우이벤트가 발생하였으며, 2020 - 2021년에는 11월과 3월에 강우이벤트가 발생하였으며, 특히 3월에 여러 차례 강우로 평년의 약 2배의 강수량을 보였다. 2021 - 2022년에는 11, 3, 4월에 여러 차례 강우가 발생하며 평년대비 높은 강수량을 보였다.

동계작물의 생육조사 결과

청보리의 수확 후 생육 특성은 토양 및 물관리 방법에 따라 초장과 건물중을 조사하여 Table 3에 나타내었다. 3년간 청보리 재배기간에 잦은 강우로 인해 무관개와 적습관개 시험구의 생육 차이를 확인할 수 없었다. 그러나 토성에 의한 생육에는 뚜렷한 차이가 나타났다. 초장은 미사질식양토보다 사양토에서 연도별로 각각 34%, 10%, 26% 높게 나타나 사양토에서 좋은 생육을 보였다. 건물중은 2020 - 2021년도에는 토성간 차이를 보이지 않았지만, 2019 - 2020년과 2021 - 2022년에 사양토에서 각각 63%, 46% 높게 나타나며 미사질식양토와 차이를 보였다. 이러한 생육의 차이는 토양의 화학성의 차이로도 나타날 수 있다. 미사질식양토와 사양토의 화학성은 대부분 적정범위였으며, 사양토의 유효인산이 미사질식양토보다 크게 나타났으며, 작물의 생육은 토성과 유효인산의 영향으로 사양토에서 좋게 나타났다. 청보리의 생육 차이는 증발산량 산정과 물수지 평가에 영향을 미칠 것으로 생각된다.

Table 3.

Growth response for forage barley cultivation with different upland soils using weighable lysimeters.

Year Soil WMM Plant height (cm) Shoot dry matter (g m-2)
2019 - 2020 SiCL NIR§ 79.7 931
IR 75.5 942
SL NIR 103.5 1,626
IR 105 1,424
2020 - 2021 SiCL NIR 78.1 813
IR 77.9 777
SL NIR 87.6 820
IR 84.7 764
2021 - 2022 SiCL NIR 82.9 892
IR 86.0 1,036
SL NIR 106.3 1,353
IR 106.5 1,459

SiCL, silty clay loam; SL, sandy loam.

WMM, water management method.

§NIR, non-irrigated after rooting stage; IR, irrigated by furrow irrigation.

동계작물의 물수지 평가

라이시미터에서 청보리 재배기간 동안 토성별, 물관리 방법별로 물수지를 산정하고 비교하였다 (Table 4). 동계작물인 청보리를 재배하는 기간에는 증발산량이 비교적 적은 시기이고, 2019년도부터 2022년도까지 재배기간 동안 많은 양의 강우량은 아니지만, 여러 차례 강우이벤트가 발생하여 추가적인 관개는 실시하지 않았다. 그로 인해 강우량과 관개량의 합인 총유입량은 토성별로 차이를 확인할 수 없었다.

Table 4.

Water balance for winter season crop (forage barley) in different upland soils by different water management methods.

Year Water use NIR IR
SiCL SL SiCL SL
2019 - 2020 Input
(mm)
Precipitation 254.0 254.0 254.0 254.0
Irrigation 8.7 8.6 9.0 8.7
Total 262.7 262.6 263.0 262.7
Output
(mm)
Drainage 94.4 0.5 87.6 60.7
Evapotranspiration 345.1 469.3 323.2 261.2
Runoff 1.6 3.1 2.5 12.7
Total 441.1 472.9 413.3 334.6
Changes in soil water (mm) -178.4 -210.3 -150.3 -71.9
2020 - 2021 Input
(mm)
Precipitation 231.5 231.5 231.5 231.5
Irrigation 9.3 9.4 9.4 9.1
Total 240.8 240.9 240.9 240.6
Output
(mm)
Drainage 56.3 1.4 23.7 21.6
Evapotranspiration 305.8 389.8 313.5 361.3
Total 352.1 391.2 337.2 382.9
Changes in soil water (mm) -121.2 -150.3 -96.2 -142.3
2021 - 2022 Input
(mm)
Precipitation 219.0 219.0 219.0 219.0
Irrigation 18.3 17.3 18.7 18.6
Total 237.3 236.3 237.7 237.6
Output
(mm)
Drainage 48.6 38.5 49.8 39.2
Evapotranspiration 293.5 330.3 302.5 387.1
Total 342.1 368.8 352.3 426.3
Changes in soil water (mm) -104.8 -132.5 -114.6 -188.7

NIR, non-irrigated after rooting stage; IR, irrigated by furrow irrigation.

SiCL, silty clay loam; SL, sandy loam.

총유출량에서는 토성에 따라 지하유출량에 차이를 보였으며, 작물의 생육 또한 다르게 나타나며 증발산량에도 차이를 보였다. 2019 - 2020년 토성별 지하유출량은 미사질식양토에서 87.6 mm, 사양토에서 60.7 mm로 나타나며 미사질식양토에서 다소 높은 지하유출량을 보였다. 2020 - 2021년에는 미사질식양토에서 23.7 mm, 사양토에서 21.6 mm의 비슷한 지하유출량을 보였으며, 2021 - 2022년에는 미사질식양토에서 49.8 mm, 사양토에서 39.2 mm를 보이며 토성간 유의적인 차이를 확인할 수 없었다. 일반적으로 점토 함량이 상대적으로 높은 미사질식양토보다 사양토에서 지하투수량이 높게 나타난다. 라이시미터에서의 지하투수량이 미사질식양토에서 높거나 비슷하게 나타난 이유는 여러 해 동절기를 지나며 라이시미터의 미사질식양토가 수축과 팽창을 반복하며 토양내 대공극과 균열의 증가에 기인한 것으로 생각된다 (Keith and Germann, 1982). 이러한 현상은 동일한 라이시미터를 활용한 이전의 여러 연구 (Ok et al., 2018, 2020)에서도 나타났다.

증발산량은 2019 - 2020년도에는 미사질식양토에서 323.2 mm, 사양토에서 261.2 mm로 미사질식양토에서 높게 나타났다. 그러나 2020 - 2021년도에는 미사질식양토에서 313.5 mm, 사양토에서 361.3 mm로 사양토에서 높게 나왔으며, 2021 - 2022년도에도 미사질식양토에서 302.5 mm, 사양토에서 387.1 mm로 사양토에서의 증발산량이 높게 나왔다. 이는 토성과 화학성에 의해 사양토에서의 생육이 상대적으로 미사질식양토보다 좋았기 때문에, 사양토에서의 증발산량이 높게 나온 것으로 판단된다.

동계작물의 작물계수 및 적정 물 필요량 산정

청보리의 생육단계별 작물계수를 산정하였으며, 기준증발산량에 작물계수를 반영하여 적정 물 필요량을 산정하고 평년과 비교하였다 (Table 5). 청보리의 작물계수는 생육단계별로 각각 0.80, 1.00, 1.00, 1.30, 1.17로 산정되었으며, 생육 후기인 신장기와 등숙기에 높게 나타났다. 평년의 총 물 필요량은 297.7 mm로 나타났으며, 연도별 물 필요량은 각각 343.4, 319.5, 301.4 mm로 평년대비 15%, 7%, 1% 높게 나타났다. 청보리 재배기간 동안의 누적 강우량이 평년에 비해 적었기 때문에 물 필요량이 평년보다 높게 산정된 것으로 판단된다.

Table 5.

Crop coefficient and water requirement for winter season crop (forage barely) according to growth stage.

Growth stage Seeding
stage
Tillering
stage
Regrowth
stage
Stem elongation
stage
Ripening
stage
Total
Crop coefficient 0.80 1.00 1.00 1.30 1.17
Water
requirement
(mm)
Normal year 31.8 30.5 41.6 117.0 76.9 297.7
2019 - 2020 23.0 27.0 40.5 161.2 91.7 343.4
2020 - 2021 21.3 27.0 44.0 152.2 75.0 319.5
2021 - 2022 21.6 26.9 39.8 132.3 80.8 301.4

Conclusions

본 연구에서는 중량식 라이시미터를 활용하여 동계작물인 청보리 재배시 토성별 물수지를 산정하였고, 작물계수와 적정 물 필요량을 제시하였다. 청보리의 물관리는 무관개 시험구와 적습관개 시험구로 나누었지만, 재배기간 동안의 잦은 강우로 인해 시험구 간 차이를 볼 수 없었다. 토성별 총 유입량에서도 차이는 볼 수 없었으나, 지하유출량과 증발산량에서는 다른 경향을 보였다. 특히, 생육단계별 증발산량은 청보리의 초장, 건물중 등 생육이 좋았던 사양토에서 높게 나타났다. 청보리의 작물계수는 생육단계별로 각각 0.80, 1.00, 1.00, 1.30, 1.17로 산정되었으며, 청보리의 적정 물 필요량을 산정하여 평년과 비교한 결과, 3년간의 재배기간 동안에는 평년에 비해 적은 누적 강우량으로 인해 평년보다 다소 많은 물 필요량이 산정되었다. 중량식 라이시미터를 활용한 이번 연구를 통하여 청보리의 토성별 물수지를 정확하게 평가할 수 있었으며, 산정된 생육단계별 작물계수 및 물 필요량 정보는 밭작물 농업용수량 산정에도 기여할 수 있을 것으로 생각된다.

Acknowledgements

This work was supported by the “Cooperative Research Program for Agriculture Science & Technology Development (Project No. PJ017221),” Rural Development Administration, Republic of Korea.

References

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