Introduction

라이시미터 (Lysimeter)는 그리스어 단어인 “lysis (용액)”와 “metron (측정)”에서 만들어진 용어로, 작물 증발산량과 토양 증발량을 측정할 수 있는 실제 재배 환경을 대변하는 토양이 담긴 용기이다 (Winton and Weber, 1996). 라이시미터를 이용한 초기 연구들은 작물의 증산, 증발산, 수분이동, 양분이동, 제초제의 이동 등에 관한 연구이다 (Winton and Weber, 1996). 국내에서는 2010년대에 중량식 라이시미터가 건설된 이후 이를 이용하여 수분이동, 증발산, 물수지, 양분 용탈 등에 대해 연구해왔다 (Lee et al., 2017, 2018; Ok et al., 2018, 2019; Kim et al., 2020).

양분 용탈 (Nutrient leaching)에 의해 작물에 의해 흡수되지 못한 비료가 지하수로 흘러들어 가고, 이로 인해 경제적 손실과 환경 오염을 일으킨다 (Drury et al., 1996; Bergeron et al., 2011). 중부유럽의 경우, 환경 보전을 고려한 지속가능한 농업에 대한 유럽 물관리 종합지침 (European Water Framework Directive) 및 EU 질소 지침 (European Union Nitrates Directive)과 같은 정책 시행이 강화됨에 따라, 또한 세계적인 기후변화에 대응한 적절한 양수분 관리에 대한 연구의 필요성이 증가함에 따라, 이에 대한 대응으로 라이시미터를 활용한 양분 유출 연구를 수행하였다 (Fu et al., 2017). 국내에서도 2010년대에 농업환경보전 프로그램과 같은 사업을 통하여 친환경농업을 위한 정책을 추진하고 있다 (Lee et al., 2019). 국내 여건 변화 가운데 우리나라도 국내 라이시미터를 활용한 양분 유출 연구 방향에 대한 고찰이 필요한 시점이다.

라이시미터를 이용한 양분 유출에 대해 진행되어 온 국내외 다양한 연구사례를 살펴봄으로써, 라이시미터를 활용한 양분 유출 연구범위를 탐구하고 국내 연구계획에 활용하고자 한다. 특히 기후변화 및 환경문제와 관련하여 지속가능한 농업에 관한 이슈가 정책적으로 국내 농업에 시행되는 것에 발맞추어 이에 대한 라이시미터를 이용한 양분 유출 연구방향에 대해 선진국 사례 및 동향을 참고하여 고찰해 보고자 한다.

비료사용에 따른 양분 용탈 연구 (Table 1)

독일에서 라이시미터를 이용한 연구는 농경지 이용 (1,3,5년간 휴경 후 사용) 및 비료사용량에 따른 N, P, K의 용탈을 다년간 실험하였고, 비료사용량을 50% 줄이는 것보다 3년이상 휴경 후 농경지로 사용하는 것이 용탈 저감에 더욱 효과적인 것으로 보고되었다 (Meissner et al., 2002). 산악지대 초원 (grassland)에서의 가축분뇨 투여 횟수 등의 농경지 관리와 고도에 따른 기온 및 강수량 차이와 같은 기후조건이 질소 용탈에 끼치는 영향도 연구되었는데, 농경지 양분투입정도가 많을수록 총 질소 용탈량이 많고, 그 중 질산태 질소 비율이 가장 많았으나 기후조건에 의한 영향은 적었다 (Fu et al., 2017). Fu et al. (2017)은 사질 외의 토양 (non-sandy 토양) 및 식생이 많은 경우 질산태질소 용탈량이 극히 적었기 때문에, EU 질소 지침이 제시한 조건에 따라 제정된 독일 비료사용지침 (German Fertilizer Ordinance)이 질소비료 시비량을 고정하는 것보다 지역조건에 따라 차등화하는 것이 필요하다고 제시하였다.

영국의 경우 Shepherd and Bennett (1998)은 1988 - 1995년 기후조건과 사질 농경지에서의 연간 Ca, K, Na, Cl, SO₄-S, Mg 용탈을 조사하였다. 최종 3년간의 실험 중에는 계분 퇴비를 시용했을 경우에 대해 연구함으로써, 계분 퇴비 시용에 의해 K 용탈이 증가함을 보고하였다.

스웨덴의 경우, 가축분 또는 비료 사용에 따른 N, P, K 양분 용탈을 7년간 모니터링 하였는데, 단기간의 가축분과 무기비료 사용은 양분유출에 영향을 보이지 않는다고 보고하였다 (Ulén, 1999). Ulén et al. (2013)은 과거에 투입된 가축분 투입량에 따른 N, P 양분 용탈 위험성을 평가함으로써, 과거에 P 투입량이 많은 경우 용탈 위험이 높음을 제시하였다.

중국의 경우, Ji et al. (2011)은 요소, 완효성 질소비료, 우분을 사용하여 3가지 토양유형의 논 벼 이모작 재배 시스템에서 질소 용탈을 연구하였는데, 양분종류에 의한 영향은 적었고 토양유형에 의해 큰 영향을 받았다고 하였다. 반면, Fan et al. (2017)은 무기질 비료 또는 가축분을 사용하여 밀 (동절기) - 옥수수 (하절기) 돌려짓기를 하였을 때 질소 용탈 정도를 비교한 결과 가축분 사용의 경우 총 질소 및 질산태 질소 용탈이 적음을 보고하였다. 양수분 공급에 따른 영향도 연구되었는데, Jia et al. (2014)은 밀 (동절기) - 옥수수 (하절기) 돌려짓기에서 옥수수 재배기간 동안 수분 (2수준)과 양분 (요소, 가축분 퇴비)을 처리하였을 경우, 수분공급이 많고 요소 공급이 많은 처리구에서 NO₃-N 용탈이 가장 많음을 보고하였다. 또한 Li et al. (2018)도 수분 2수준 (관행, 적정)과 양분 2수준 (관행, 적정)에 따른 시설재배 오이의 N, P, 양이온의 용탈을 연구한 결과 적정수분 - 적정양분 처리구에서 용탈량이 가장 적음을 보였다.

질산화 억제제 사용에 따른 양분 용탈 연구 (Table 2)

뉴질랜드에서는 식수에 대한 질산태 질소 농도를 기준수준 이하로 낮추는 정부 가이드라인이 도입되면서 방목 목초지에서 가축분뇨로부터 발생하는 질소용탈을 줄이기 위한 연구가 진행되었다. Di and Cameron (2004)은 질산화 억제제 (Dicyandiamide, Eco-n™) 처리시 토양에서 질산태 질소 및 Ca²⁺와 Mg²⁺의 용탈이 감소되고, 건물생산량이 15 - 33% 증가됨을 확인하였다. 이 결과를 토대로 Moir et al. (2007)은 질산화 억제제 처리시 토양 내 질소가 암모니아태로 유지되어 질산태 질소의 생성이 감소되었고, 건물생산량은 증가하나 목초지의 품질은 영향을 받지 않는다는 결과를 얻었다. 또한 Di et al. (2009)의 연구에서 토양 (3지역)과 강우조건 (2수준)을 달리하였을 때, 질산화 억제제의 질산태질소 용탈량의 감소 효과가 나타났으며, 질산태 질소 유출과 질산화성균의 일종인 ammonia oxidizing bacteria의 생장 사이에 상관관계가 있음을 밝혔다.

작물재배를 통한 양분 용탈 저감 (Table 3)

환경오염 저감을 위해 작물을 이용하여 양분 용탈을 줄이는 연구들이 이루어졌다. 미국에서는 Allen et al. (2004)이 나무와 작물을 이용한 임간재배 (alley cropping)를 사용하여 나무뿌리의 작용에 의해 질산태 질소 용탈을 감소시켰다. 북유럽에서는 농업에 의해 발생한 질소가 해수에 유입되거나, 동절기 기온이 낮지 않고 강수량이 많아 질소 용탈에 취약한 것을 해결하기 위해 봄작기 이후 간작물 재배를 통해 토양 내 질산태 질소 함량을 줄임으로써 가을 및 겨울작기 동안 질소용탈을 줄이고자 하였다 (Valkama et al., 2015). 라이시미터를 이용하여 간작물로 비콩과작물 (특히 라이그라스)의 재배는 질소 용탈을 50%까지 줄였고, 콩과작물은 질소용탈 위험을 줄이지 못하는 것으로 평가되었다 (Valkama et al., 2015). 목초 - 클로버 재배에서 비료 시용 여부에 따른 질소 용탈을 비교했을 때, 비료를 시용하지 않은 목초 - 클로버 재배에서 질소용탈이 적었기 때문에 비료가 다량 투입되는 목초지에 대해 단기간 비료를 시용하지 않는 친환경농업활동으로서 추천하였다 (Saarijärvi et al., 2007). 뉴질랜드에서는 초종 및 지베렐린산 적용에 따른 질소 용탈 연구를 진행하여 이탈리안 라이그라스가 다년생 라이그라스 - 화이트 클로버, 라이그라스 - 알팔파에 비하여 질소 유출 손실이 적고, 겨울철 식물체 질소흡수가 높아 효과적이며, 지베렐린의 효과는 나타나지 않았다고 하였다 (Woods et al., 2016). 더 나아가 urine 처리시 이탈리안 라이그라스 - 질경이 - 화이트 클로버 재배가 다년생 라이그라스 - 화이트 클로버 재배에 비해 질소 용탈이 낮고, 목초 생산량의 차이가 없어 질소 유출 저감에 유용할 것이라고 하였다 (Woods et al., 2018). Maxwell et al. (2019)은 겨울 - 봄 사이에 질소흡수 능력이 좋은 이탈리안 라이그라스가 다른 다년생 라이그라스 품종들보다 질산태 질소의 용탈이 적고, 질소 흡수량, 건물 생산량이 많아 목초지에서 질소 용탈을 줄이는 데에 유용하다고 평가하였다.

또한 작물의 뿌리 구조에 의해 양분 용탈이 영향을 받을 수 있는가에 대해서도 연구되었는데, Malcolm et al. (2015)은 동절기 식물체를 통한 질소 회수가 뿌리 구조보다는 식물 생장에 의해 크게 영향을 받는 것으로 평가하였다. 반면 Syvertsen et al. (1993)은 citrus 나무뿌리 형태에 따라 N, P, K 비료 용탈이 크게 영향을 받는다고 보고하였다.

토양개량제 사용 및 경운이 양분 용탈에 미치는 영향 (Table 4)

Sorrenti and Toselli (2016)는 라이시미터를 이용하여 복숭아 (1년생) 나무에 대해 바이오차와 퇴비 및 그것들의 혼합물을 토양개량제로 사용한 경우의 양분 용탈에 대해 연구하였다. 바이오차와 퇴비를 혼합한 개량제를 사용했을 때 수분이용효율 (water use efficiency)은 개선되었으나, DOC (dissolved organic carbon), 누적 TDN (total dissolved nitrogen) NO₃-N의 용탈은 증가하는 경향이 보였다. 수분이용효율 측면에서 퇴비만 사용한 것도 개선효과가 있었으나 바이오차와 퇴비를 혼합하였을 때 개선효과가 더욱 증진됨을 보였다. 혼합 개량제 사용시 양분 용탈이 증가하는 것은 퇴비에 포함된 수용성 유기물질에 원인이 있다고 고찰되었다. Knight et al. (1992)은 작물생산성 향상에 기여한다고 알려진 지렁이를 목초지에 사용하였을 때 NO₃-N의 용탈이 증가함을 연구하였다. 이러한 용탈 증가는 지렁이가 질소 무기화와 질산화를 증가시키며, 토양 공극에 영향을 줌으로써 토양 내 NO₃-N의 이동에 영향을 준다고 하였다. Piirainen et al. (2007, 2009)은 경운이 양분 용탈에 끼치는 영향을 연구하였는데, DOC, DNC (dissolved nitrogen compounds), 수용성 인 및 양이온의 용탈은 증가하였으나 황산이온은 영향을 받지 않았다고 하였다. 목초지에서의 질소 용탈은 인위적인 예초나 방목에 의해 감소되었으나, 경운에 의해 심각하게 용탈되어 지하수로 유출되었다고 하였다 (Saarijärvi et al., 2004).

양분 용탈 및 수분이동의 모델화 및 보정 (Table 5)

라이시미터를 이용한 질소용탈 실험 결과와 SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 모델을 보완하여 질소이동 및 무기화 등을 반영한 N-SWAT 모델 결과를 비교하여, 질소 용탈을 예측할 수 있는 컴퓨터 모델을 개발하였다 (Pohlert et al., 2007). 모델 테스트를 통해 질소 용탈에 크게 영향을 미치는 파라미터를 발굴하였고, 유기물 분해속도상수, pH, 공극률 등이 파라미터로 제시되었다. 독일의 Heinlein et al. (2017) 또한 수분이동에 관한 연구를 위해 2개의 중량식 라이시미터에 옥수수를 심어 증발산 및 수액이동을 측정하였고, 그 결과를 작물모델 2가지 [CERES (Crop Environment Resource Synthesis), SPASS (Soil-Plant-Atmosphere System Simulation)]와 증발산 모델 3가지를 조합한 6가지 모델과 비교하였다. CERES 모델은 측정 초기에 증산량을 과대평가 하였고, 모든 모델들에서 관수량이 많을 때 실제 증발산량보다 높게 예측하는 등의 실험결과와의 차이를 보였다고 하였다. 모델과 실험 사이의 차이는 한정된 라이시미터 공간과 수분스트레스에 의해 뿌리 분포 형태가 달라지는 것에 의해 발생하였을 것으로 고찰하였다. 이러한 모델 연구는 기후 변동에 따른 지역별 유효수분 변동이 작물 생산량에 영향을 줄 것으로 예상하였고, 모델을 이용한 환경조건 및 발달 단계별 관수량 산정을 목표로 하였다.

중량식 라이시미터를 이용한 양분 용탈 연구 (Table 6)

최근에는 중량식 라이시미터를 사용하여 양분 용탈에 관한 연구들이 있었다. 일반 라이시미터에 비해 중량식 라이시미터를 이용하면 물과 양분이동을 동시에 파악함으로써 상호 관계를 이해할 수 있는 장점이 있다. Klammler and Fank (2014)가 3개의 중량식 라이시미터를 이용하여 2007년-2011년간 옥수수 및 동계보리 등에 질소 비료 저감 또는 유기농법을 적용하였을 때 질소 용탈을 감소시킬 수 있음을 보였다. 한국에서는 중량식 라이시미터를 이용하여 물관리 방법과 토성에 따른 양분 용탈 및 작물 흡수를 평가하였다. Lee et al. (2017)은 밭토양 라이시미터에서 콩 재배 시 관개 여부에 따른 질산태 질소 용탈량을 비교했을 때 관개했을 때 보다 무관개 시 질산태 질소 용탈량이 많았으며, 무관개구의 콩 수량은 관개했을 때의 25% 수준으로 관개구의 작물 질소흡수량이 20 - 50% 높았다. 따라서 질산태 질소 용탈 저감을 위해서는 적정 수분공급으로 작물 양분흡수를 높이는 것이 중요하다고 하였다. 또한, Lee et al. (2018)은 배추 재배시 토성에 따른 질소 용탈과 질소 수지를 평가하였는데, 식양토에서 질소 용탈이 거의 없는 반면 사양토에서 식양토에 비해 5배 많은 질소 용탈이 있었고 이 결과로 질소 수지 산정에 토성에 따른 용탈 특성을 고려할 필요가 있다고 하였다. 중국의 경우 2019년에 새로 중량식 라이시미터의 설치가 완료되어 앞으로 연구결과가 예상된다.

국내 연구 방향

유럽의 지속가능한 농업을 위한 질소 지침과 같은 정책 시행이나 뉴질랜드 정부의 식수 질산태 질소 기준 도입에 대응하여 라이시미터를 이용한 연구들이 진행되었던 것과 같이, 우리나라의 공익직불제, 기후변화 대응, 농업환경보전 프로그램, 양분 수지 개선 등의 현안에 라이시미터를 이용한 연구가 적극적으로 활용될 수 있을 것으로 예상된다. 뿐만 아니라 실험결과와 연계된 모델 개발을 통하여 기후변동에 따른 예측 시나리오를 얻을 수 있다. 이를 위해 장기적인 실험 수행과 더불어 모델 개발이 필요하며, 모델에서 파급된 예측 시나리오를 실험을 통해 검증하는 단계까지 확장될 필요가 있다. 독일에서 개발된 SWAT-N과 같은 모델을 국내실정에 맞게 변형하여 적용하거나, 독일에서 SWAT 모델을 변형하여 SWAT-N 모델을 개발한 것과 같이 국내에서 사용되고 있는 모델을 변형하여 새로운 모델을 개발할 수 있을 것으로 여겨진다. 또한 국내 기후조건에 대한 장기실험에서 중량식 라이시미터의 물과 양분이동을 동시에 파악할 수 있는 장점을 활용하여 수분이동과 연계된 양분 유출에 대한 연구가 장려되어야 하겠다.

Conclusions

라이시미터를 이용한 양분 용탈 연구는 비료, 질산화억제제 및 토양개량제, 작물재배 등을 이용하여 양분 용탈을 줄일 수 있는 방법들을 탐구하였으며, 양분 이동 모델 개발을 통하여 실험결과를 보완하여 왔다. 이러한 연구들은 지속가능한 친환경농업 실천을 위해 중요성을 지니며, 이에 대응하고 있는 우리나라 농업 현안에 라이시미터를 활용한 양분 용탈 연구가 적극 활용될 수 있을 것으로 예상된다.