Introduction
Materials and Methods
대상토양
조사시기 및 시료채취
조사항목
Results and Discussion
조사지점 정점 특성
조사지점 토양통 분포특성
조사지점 지형 분포특성
연도별 토양물리 특성
Conclusions
Introduction
국립농업과학원은 ‘친환경농어업 육성 및 유기식품 등의 관리 ‧ 지원에 관한 법률 (친환경농어업법)’ 및 ‘농업 자원과 농업 환경의 실태조사 및 평가기준’ 고시에 따라 농경지의 비옥도, 중금속, 농업용수 등에 대한 농업환경변동조사를 실시하고 있다. 그 중 토양물리성은 농경지 비옥도에 포함되어 있는 항목이며, 전국의 논 ‧ 밭 ‧ 과수 ‧ 시설 재배지에 대해 2007년부터 4년 1주기로 토양물리특성을 조사하고 있다. 논은 2007년부터 모니터링이 시작되었으며, 현재 5번의 주기를 거치고 있다. 토양물리성은 뿌리생장, 물과 양분 보유능, 배수 등에 영향을 끼치며, 토양화학, 토양 미생물 및 토양건전성에도 영향을 미쳐 토양의 질을 평가하는데 중요한 역할을 한다 (Schoenholtz et al., 2000; Oliver et al., 2013; Obade and Lal, 2016; Amorim et al., 2020; Zhao et al., 2022; Joshi and Garkoti, 2023). 따라서, 이를 지속적으로 살펴보는 것은 농업생산성을 유지하고 지속가능성을 판단하는데 도움이 되고, 평가지표의 하나로서 작용할 수 있다.
우리나라도 그동안 일반농경지 토양물리성 변동조사를 통해 물리성 인자 간의 관계 및 토양수리 특성 등에 대한 연구를 통해 평가지표로 탐구해 왔다. Han et al. (2009)은 대표 토양 특성을 갖는 밭 29개 토양통 64지점 조사결과 대형 농기계 사용 년수에 따른 경반층 두께의 증가와 포화수리전도도 감소를 보고하였다. Cho et al. (2012)도 2008 - 2011년까지 논, 밭, 과수, 시설재배지의 토양물리성 평가를 통해 경지이용에 따라 토양물리성이 달라짐을 보고하였다. Cho et al. (2018)은 2009 - 2017년까지 밭, 과수원, 논을 대상으로 토양물리특성을 분석하여 토양물리성 관리의 주요한 요인을 토양유기물로 평가하고, 논 토양에서 유기물관리와 경운방법 개선이 필요하다고 보고하였다. 이것들은 농경지 토양의 지속적 관찰을 통해 변동상황을 모니터링한 결과이며, 그로부터 관리 여건을 도출함으로서 지속적 모니터링의 중요성을 나타내고 있다.
따라서, 본 연구는 친환경농어업법과 농진청 고시 (2017-12)를 근거로 하여 추진되는 농업환경변동평가 중 토양물리성에 대해 2007년부터 2019년까지 5번의 논 토양의 물리적 특성 모니터링 결과를 살펴보고, 연도별 추이와 그 변화양상을 평가하고자 하였다.
Materials and Methods
대상토양
우리나라에 대표적으로 분포하는 토양통을 고려하여 경기, 강원, 충북, 충남, 전북, 전남, 경북, 경남 지역에서 20 - 50개 내외 지점을 선정하였다. 2009년 이후 선정 기준은 농업 기후지대 및 지형별 분포면적에 따라 조사지점을 선정한 토양화학성 정점 조사지점 (2,110지점/년) 중에서 선정하였으나, 2007년 조사지점은 논토양 분포면적을 고려하여 30개 토양통을 별도로 선정하였다. 경지이용형태가 변했거나, 도로가 생기거나 등의 이유로 조사가 불가능 할 시에는 조사지점을 변경할 수 있도록 하되, 변경지점은 조사기관협의회를 통해 인근의 같은 토양통을 가진 필지를 선정하도록 하였다. 조사는 2007년부터 4년 주기로 2011, 2015, 2019년에 조사를 실시하였으며, 2012년은 토양물리성 변동조사가 시설재배토양을 하지 않았던 관계로 다른 변동평가 연구가 시설재배지 토양을 조사하는 동안 논 토양을 추가로 한 번 더 조사하게 되었다. 조사지점의 개수는 모두 1,228지점이었다 (Table 1). 제주도는 화산회토이고, 논 면적이 너무 적어 조사대상에 포함되지 않았다.
Table 1.
Number of monitoring points for paddy field by survey year.
조사시기 및 시료채취
토양의 수분상태가 과습하거나 기계적 다짐이 되어 있는 곳을 피하여 추수 후 10월에서 다음해 3월 중에 실시하였는데, 담수와 써레질 이전, 수확 후 실시하는 경우에는 토양이 얼지 않는 시기에 조사를 하였다. 조사 및 시료 채취 위치는 짚으로 피복되어 있을 경우에는 짚을 걷어 내고 작물과 작물 사이의 토양을 기준으로 하되, 국립농업과학원의 ‘농경지 토양물리성 조사방법 및 분석법 (NAS, 2022)’에 준하여 실시하였다.
조사항목
대상 농경지의 주소 및 GPS 좌표 정보를 수집하고, 작토심 (작토 깊이, plowing depth), 경도 (hardness), 전용적밀도 (bulk density), 토양 유기물 함량 (soil organic matter), 토성 (soil texture) 등 5항목을 현장 및 실험실에서 조사했다. 지표면에서 작토심까지를 표토 (topsoil), 작토심 이하를 심토 (subsoil)로 구분하였으며, 작토심은 손잡이 15 cm, 길이 60 cm, 굵기 1.2 cm, 원추 길이 2 cm의 탐침봉을 지면에 수직방향으로 한손으로 힘주어 눌렀을 때 침이 들어가다가 더 이상 들어가지 않는 지점까지를 나타낸다. 경도는 2019년 이전에는 표토와 심토를 모두, 2019년 이후에는 심토만을 대상으로 경도계 (DIK-5553, DAIKI, Japan)를 이용해 10반복하여 측정했다. 전용적밀도는 100 cm3 코어를 3반복으로 시료를 채취하여 측정하였다. 토성은 비중계법 (hydrometer method)으로 모래 (sand), 실트 (silt), 점토 (clay)의 함량을 구해 토성삼각도표 (textural triangle)에 적용해 구하였으며, 토양 유기물 함량은 Tyurin법으로 분석하였다. 토양물리특성 분석은 국립농업과학원의 ‘농경지 토양물리성 조사방법 및 분석법 (NAS, 2022)’에 준하여 실시하였으며, 유기물 함량은 ‘토양 및 식물체 분석법 (NIAST, 2000)’에 준하여 분석하였다.
Results and Discussion
조사지점 정점 특성
토양물리성 조사지점은 정점조사를 기준으로 하고 있다. 초기의 조사지점은 2주기 시작 (2011년)과 함께 새로이 선정이 되었기에, 2007년과 2011년에 조사지점에 차이가 있다. 2012년은 조사 당시에 토양화학성 조사지점을 대상으로 하되 2011년과는 다른 지점을 조사하기로 결정을 하였기에, 동일한 지역이 있지만 90%의 차이가 존재했다. 이후 2015년은 2011년과 2012년 조사지점 중에서 선정하였으며, 106지점이 추가되었다. 이것은 경남의 48지점과 다른 지방의 58지점이다. 이들을 제외하면 변경된 조사지점의 비율은 21.9%였다. 2019년은 2015년 자료와 달라진 지점을 조사하였으며, 변경된 비율은 17.5%였다 (Table 2). 이러한 결과는 변동 조사를 동일한 지점에서 지속하기가 쉽지 않음을 반영하고 있으며, 그 원인은 밭 ‧ 과수원 ‧ 시설재배지로 되거나 폐원, 도로가 되는 등 다양한 토지이용 변화와 환경변화로부터 유래하고 있다.
Table 2.
Change rate and number of sites changed among monitoring sites by survey year.
| Classification | Survey Year | ||||
| 2007 | 2011 | 2012 | 2015 | 2019 | |
| Number of points | 108 | 230 | 232 | 338 | 320 |
| Number of changed points | - | 227 | 209 | 74 | 56 |
| Change rate (%) | - | 98.7 | 90.0 | 21.9 | 17.5 |
조사지점 토양통 분포특성
논 토양의 물리적 특성 모니터링 대상토양은 모두 103개의 토양으로서 분포 비율이 1% 이상인 토양은 지산통, 석천통, 사촌통, 강서통, 화동통 등 24개 토양통이었으며 (Table 3), 이들의 분포비율이 전체 74%를 차지하고, 나머지 79개 토양통이 26%를 차지하였다. 이러한 분포는 이들 토양이 전체 면적의 65%를 차지하는 한국토양총설 (ASI, 1992)의 결과보다는 9%가 높으나, 토양조사에서 면적분포가 높은 지산통, 사천통, 만경통, 용지통 등 주요한 토양들은 모두 포함하고 있어 유사한 경향임을 알 수 있다.
Table 3.
Distribution rate of soil series with more than 1% occupancy.
조사지점 지형 분포특성
조사지점이 분포하고 있는 지형은 곡간지/선상지 41.1%, 하성평탄지 32.4%, 해성평탄지 13.9%, 홍적대지 7.6%, 산록경사지 2.3%, 용암류 평탄지 1.9%, 구릉지 0.4%, 고원지와 산악지가 각각 0.2%였다 (Table 4). 한국토양총설 (ASI, 1992)에서는 곡간지/선상지가 51.3%, 평탄지가 41.3%로 전체면적의 92.6%를 차지하고 있는데, 본 연구의 조사지점도 곡간지/선상지, 하성 및 해성 평탄지가 차지하는 면적이 87.4%로서 논에서는 이들이 주요한 지형임을 알 수 있었다. Cho et al. (2012)에 따르면, 논은 곡간지/선상지에 48%, 하성 및 해성 평탄지에 43%가 위치한다고 하였는데, 이는 2011년의 분석결과로 본 연구 결과와 3.7%의 차이가 나지만 거의 동일한 경향을 보여준다.
Table 4.
Number occupied by topography to total number of monitoring sites.
연도별 토양물리 특성
논의 작토심 평균은 2007년에 16.5 cm, 2011년에 17.5 cm, 2012년에 17.6 cm, 2015년에 16.7 cm, 2019년에 19.3 cm로 2015년을 제외하면 점차 증가하는 경향을 나타내고 있다 (Fig. 1). 이는 심경 및 심토파쇄에 의해 물리성이 개량되어 유기물, 인산 및 가리 함량도 증가 (Kang et al., 1999)되는 것과 관련이 있고, 최근에는 대형 농기계가 발달하고 많이 보급되어 (Cho et al., 2018) 깊이 갈이가 가능해진 때문인 것으로 여겨진다. 토심이 얕을수록 밭 작물의 수량이 감소하였고 (Jung et al., 2015), 1980년대 다수확답의 작토심 기준이 18 cm 이상인 것 (Jo et al., 1986)과 ‘농업 자원과 농업 환경의 실태조사 및 평가기준’ 고시의 작토심 적정 기준이 20 cm 이상인 것을 감안하면 지속적으로 작토심을 개선하는 것이 필요하다.
표토의 전용적밀도는 2007년에 1.33 Mg m-3, 2011년에 1.22 Mg m-3, 2012년에 1.28 Mg m-3, 2015년에 1.26 Mg m-3, 2019년에 1.24 Mg m-3를 나타냈다. 2011년을 제외하면 지속적으로 조금씩 감소하고 있는 경향을 보여준다. 심토의 전용적밀도는 2007년에 1.39 Mg m-3, 2011년에 1.47 Mg m-3, 2012년에 1.54 Mg m-3, 2015년에 1.52 Mg m-3, 2019년에 1.52 Mg m-3로서 지속적으로 증가하는 경향을 나타냈다 (Fig. 2). ‘농업 자원과 농업 환경의 실태조사 및 평가기준’ 고시에서 전용적밀도의 적정기준이 사양질 토양은 1.5 Mg m-3, 식양질 토양은 1.4 Mg m-3보다 작아야 하는데 2011년 이후 심토의 평균 전용적밀도가 모두 이 기준을 넘기고 있다. 이는 농기계 연수 (年數) 증가에 따른 경반층 두께의 증가 (Han et al., 2009) 및 노동력 절감을 위해 논에서 경운작업을 생략하고 담수상태에서 물 로타리 후 이앙작업을 함으로서 심토의 전용적밀도가 증가했다는 (Yang et al., 2005; Cho et al., 2018) 연구결과와 벼 뿌리 분포가 표토부분에서는 물 로터리 처리구가 더 많은 반면, 심토 부근에서는 경운작업 처리구가 더 많았다 (Shin et al., 1996; Yang et al., 2005)는 보고를 통해 그 원인을 이해할 수 있다. Kim et al. (2001)은 심토파쇄 등의 방법으로 심토의 토양물리성을 개선해 수량을 10 - 20% 정도를 증대시켰으며, 심토파쇄에 의한 토양다짐 개선은 폭기식 심토파쇄가 가장 효과가 좋았다 (Ok et al., 2021). 따라서, 이와 같은 방법을 통해 작물생육에 영향을 주는 전용적밀도를 개선하는 것이 필요하다.
전용적밀도 특성을 자세히 평가하기 위해 연도별로 분포를 살펴보았다 (Fig. 3). 식양질 논 토양 심토의 적정기준인 1.4 Mg m-3보다 큰 값을 보이는 비율이 2007년에 표토와 심토에서 각각 56.1%, 62.0%, 2011년에는 표토 18.7%, 심토 70.4%, 2012년에는 표토 15.5%, 심토 91%, 2015년에는 표토 11.8%, 심토 81.4%, 2019년에는 표토 13.4%, 심토 82.2%를 보여주고 있다. 표토는 감소하는 경향이지만, 심토는 2012년 이후에는 80% 이상을 나타내고 있어 상당히 악화되고 있음을 확인할 수 있다. 이러한 심토의 전용적밀도 증가는 앞에서 설명한 것처럼 대형 농기계 투입 및 사용연수 (年數)의 증가, 물 로타리 및 이앙작업을 포함하는 경운작업의 생력화 등으로 인해 발생하고 있고 (Cho et al., 2018), 또한 전용적밀도는 대두 뿌리신장과 같은 작물생육에 영향을 미치므로 (Jung and Lim, 1989) 적정기준을 넘어서는 비율을 낮추기 위해서 지속적인 토양관리가 이루어져야 한다.
유기물은 입단형성 촉진과 전용적밀도 변화와 밀접한 관련이 있다 (Soane, 1990; Dexter, 2004; Dexter et al., 2005). 그렇기에 토양물리성 변동조사에서도 이를 평가하는 것이 필요했으나 조사를 처음 시작한 2007년에는 하지 못하고, 2주기인 2011년부터 분석하기 시작했다. 논 토양의 표토 유기물 함량은 2011년에 23.5 g kg-1, 2012년에 23.9 g kg-1, 2015년에 23.5 g kg-1이었다가 2019년에 25.2 g kg-1으로 증가되었다. 심토 유기물 함량은 2011년 17.5 g kg-1, 2012년 15.1 g kg-1, 2015년 15.8 g kg-1이었다가 2019년 17.2 g kg-1으로 증가하였다. 표토는 증가하는 경향이고, 심토는 감소하다가 다시 증가하는 양상이다 (Fig. 4). 2008 - 2011년까지 논, 밭, 과수원, 시설재배지 토양 물리성 평가에서 유기물 함량이 높은 시설재배지에서 용적밀도가 가장 낮았고, 유기물 함량이 낮은 밭에서 전용적밀도가 높았다는 보고를 (Cho et al., 2012) 감안하면, 논 토양의 표토와 심토 전용적밀도가 유기물 함량과 큰 연관이 있음을 이해할 수 있다. 표토의 유기물 함량 증가는 1999 - 2011년까지의 논 토양 화학성 변동조사에서 적정범위 이상의 유기물 함량 비율이 증가하는 (Kang et al., 2012) 결과와 유사하나 모니터링 여건상 유기물 투입량이 조사되지 않기에 추가적인 조사가 필요한 것으로 판단된다.
표토의 경도는 2007년 9.6 mm, 2011년 15.3 mm, 2012년 14.3 mm를 보여주고 있는데, 2007년 자료는 변동조사를 처음 시작한 해로 측정방법이나 조사시기 등의 문제점이 있었던 결과로 보이며, 2019년은 표토의 경도 자료는 생략하기로 하여 자료가 없다. 2011년부터 2015년까지 표토의 경도가 14 - 15 mm여서 작물의 뿌리 뻗음에 지장이 없는 결과를 보였다. 심토의 경도는 2007년 21.1 mm, 2011년 20.3 mm, 2012년 21.2 mm, 2015년 20.9 mm, 2019년 19.4 mm로 나타났다 (Fig. 5). ‘농업 자원과 농업 환경의 실태조사 및 평가기준’ 고시에서 논 토양 심토의 경도 적정 기준이 20 mm 이하이므로 평균적으로는 2019년을 제외하면 모두 적정기준 범위 밖에 존재하며, 표준편차를 감안하면 2019년도까지도 적정범위 밖에 있다. 또한, Jo et al. (1977)은 밭 토양에서 경도 24 mm 이상에서는 작물의 뿌리 발육이 좋지 않으므로 경운하거나 관개하여 토양을 부드럽게 해주어야 한다고 하였는데, 논 토양에서도 깊이 갈이나 심토파쇄 등의 심토에 대한 개선대책이 제안되어야 하며, 이러한 결과는 용직밀도의 결과와 맥이 닿아 있다.
5번 조사기간 전체의 토성별 분포는 Fig. 6에 나타나 있다. 그 기간 동안 12개의 토성이 전부 나타나는데, 주 토성은 사양토, 양토, 실트질양토였다 (Fig. 7). 표토와 심토 모두에서 이들 토성의 비율을 모두 합하면 72.2 - 87.5%를 차지하였다. 그 다음 비율을 차지하는 토성은 실트질식양토, 사질식양토, 식양토, 양질사토, 실트질식토의 순이었다. 2011년 심토에서는 다른 년도와 달리 사질식토가 2지점 존재했다. 식토는 2011년 표토와 심토에 존재하였으며, 사토는 2011년 표토 및 심토, 2015년 심토, 2019년 표토와 심토에서 나타났다. 실트토는 2012년 표토 및 심토, 2015년 심토, 2019년 표토와 심토에서 나타났다. 전체적으로는 12개의 토성을 모두 포함하고 있지만, 대부분은 사양토, 양토와 실트질양토였다. 이러한 토성 밀집 현상은 한국토양총설 (ASI, 1992)에서도 사양토, 양토, 실트질양토의 분포 면적이 90%를 차지하는 것과 2.5 - 17.8% 정도로 비율의 차이는 있지만 경향은 유사하다. 조사지점 선정시 기후지대와 지형 분포면적을 우선적으로 고려하였지만 토양총설의 결과보다는 토성의 분포면적이 조금 더 다양해진 것은 토양 변동조사의 의의를 높여준다.
Conclusions
토양물리성 변동조사는 ‘친환경농어업법’의 위임을 받은 농촌진흥청의 고시 (2017-12호)에 따라 2007년부터 시작되었으며, 2011년, 2012년, 2015년, 2019년에 조사가 되었다. 본 연구는 이러한 조사결과를 바탕으로 연도별로 추이를 살펴보고 그 변동양상을 평가하고자 실시하였다. 조사대상 논 토양의 주요 토양통은 면적분포가 많은 지산통과 같은 토양을 중심으로 되어 있었고, 지형특성은 곡간지/선상지 및 평탄지에 주로 분포하고 있었다. 토성은 사양토, 양토, 실트질양토가 대부분을 차지했는데, 이는 한국토양총설과 비율의 차이는 있지만 유사한 경향이다. 논의 작토심과 심토의 전용적밀도는 2007년 이후로 2019년까지 증가하는 경향을 나타내고 있는데, 작토심은 토양 적정 깊이의 판단기준인 20 cm 미만이나 2019년은 19.3 cm로 적정기준에 근접하고 있다. 심토의 전용적밀도는 농촌진흥청의 고시기준을 초과하는 비율이 2012년부터 80%를 넘기고 있다. 논 토양 유기물 함량은 표토 ‧ 심토 모두 조사시기에 따라 증가하는 경향이며, 심토의 평균 경도는 2019년을 제외하고 논 토양 적정 기준인 20 mm를 넘어서고 있었다. 결과적으로 논 토양은 대형 농기계 등의 투입으로 깊이 갈이가 가능해져 작토심이 증가한다고 여겨진다. 하지만 그로 인해 전용적밀도와 경도는 나빠지고 있다고 판단되므로 심토파쇄 등의 방법을 적용하고 지속적 유기물 투입을 통해 유기물 함량을 증가시키면서 전용적밀도와 경도를 개선하는 등의 토양 개량이 필요한 것으로 평가되었다.
