밭토양에서 챔버 위치와 작물체 유·무에 따른 아산화질소 배출량 차이 분석

1. 서 론

주요 온실가스 중 하나인 아산화질소(N₂O)는 1750년 273 ppb에서 2005년 319 ppb로 매년 0.2 ppb 씩 증가하고 있고, 최근에는 그 증가속도가 빨라져 매년 0.8 ppb 증가하고 있다(IPCC, 2006). N₂O의 급격한 증가는 인간 활동에 의한 것이며(Mosier, 2001), 대기 중 N₂O의 80% 이상이 농업 활동에 의해 발생한다(Sehy et al., 2003). 농경지에서 발생하는 N₂O의 주요 원인은 질소 비료 사용 때문이며(Eichner, 1990; Parkin and kaspar, 2006), 이밖에도 유기분뇨, 질소 고정 작물, 녹비 시용 및 수확 후 작물잔사 등에 의해서도 발생한다(Chang et al., 1998; Jeong et al., 2011; Kilian and Werner, 1996, Mckenney et al., 1993). 2013년 우리나라 농업부문에서 발생한 N₂O 배출량은 약 8.1백만 톤 CO2-eq.으로 N₂O 총 배출량의 약 58%를 차지하였다(NIR, 2015). 농경지에서 배출되는 온실가스를 측정방법 중 95% 이상이 매뉴얼 챔버법(Chamber method)에 의해 이루어지고 있는데(Rochette and Ericksen-Hamel, 2008), 이 방법은 챔버 제작비용, 시험 포장에서의 설치 편의성과 용이성뿐만 아니라, 미량의 가스 시료를 검출, 포집하는데 가장 효율적이기 때문에 지금까지 가장 많이 사용되고 있다(Chirinda et al., 2010; Denmead, 1979; Fassbinder et al., 2013; Sehy et al., 2003). 그러나 이러한 챔버법은 시간적, 공간적 제약 때문에 토양 중 수분함량이나 강우, 질소 시용 시기 등에 민감한 N₂O 배출량을 측정하는 데는 한계가 있다(Fassbinder et al., 2013; Sehy et al., 2003). 우리나라처럼 매번 경운을 하고 고랑과 이랑을 만들어 작물을 수확하는 영농방법의 경우, 챔버의 위치에 따라 N₂O 배출량이 달라질 수 있다. 또한, 토양의 물리·화학적 특성 변화뿐만 아니라, 작물의 종류와 온실가스 포집 챔버 내 작물체 존재 유무에 따라 근권에서의 미생물 상이나 질소 동태가 달라질 수 있기 때문에, 챔버법에 의한 N₂O 배출량 측정시 다양한 챔버 조건을 고려할 필요가 있다.

본 연구는 우리나라 밭토양에서 N₂O 배출량 측정 시 배출에 영향을 미치는 다양한 챔버설치 조건을 고려하여 배출량 차이를 분석하고자 수행하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 토양 특성 및 시험구 처리

밭토양에서 N₂O 배출량 측정시 챔버 내의 작물체 유무에 따른 배출량과 고랑과 이랑의 특성을 고려한 챔버 위치에 따른 배출량 차이를 분석하기 위해 전북 완주군 이서면에 위치한 400 m²의 국립농업과학원내 밭포장에서 연구를 수행하였다. 시험 전 토양의 화학적 특성은 pH 7.9, EC 0.51 dS m^-1, 유기물함량 15.4 g kg^-1으로 Table 1과 같다. 이번에 연구를 수행한 시험포장은 물빠짐이 불량하여 미사식양질 토양으로 40 cm 가량 객토한 토양이다. 우리나라 밭토양에 비해 유기물 함량이 낮은 편으로 유기물함량은 Tyurin법을 이용하여 분석하였다(NAAS, 2010).

Table 1

Chemical properties of soil collected shortly before this experiment

공시품종은 배추(불암플러스)로 2015년 9월 2일 정식하였고, 재식거리는 이랑거리 60 cm, 포기거리 45 cm로 하였다. 시비는 농촌진흥청 작물별 시비처방기준(RDA, 2010)에 준하여 N-P₂O₅-K₂O를 32.0-7.8-19.8 kg 10a^-1 표준시비하였다. 질소의 경우, 기비는 9월 1일에 시용하였고, 1차 추비는 9월 18일, 2차 추비는 10월 5일로 총 3회에 걸쳐 분시하였다. 질소 무처리구의 경우, 질소를 제외한 인산과 가리만 표준시비하였다. Table 2는 질소 시용 유무, 챔버 내 작물체 유무 및 고랑과 이랑에서의 챔버 위치에 따른 시험구 처리를 나타낸다. 시험구 처리는 이랑위에 챔버를 설치하고, 챔버 내에 작물이 없는 상태에서 질소 비료를 시용하지 않은 무처리(처리 1), 이랑위에 챔버를 설치하고, 챔버 내에 작물이 없는 상태에서 질소 비료를 표준시비한 처리(처리 2), 이랑 위에 챔버를 설치하고, 챔버 내에 작물이 있는 상태에서 질소 비료를 표준시비한 처리(처리 3), 이랑과 고랑에 걸쳐서 챔버를 설치하고, 작물이 없는 상태에서 질소 비료를 표준시비한 처리(처리 4)로 네 가지 처리를 하였다.

Table 2

N fertilizer application, chamber location and crop presence in chambers

2.3 시료채취 및 분석

배추 정식 후 N₂O 포집은 IPCC(1996) 가이드라인과 GPG (2000, 2003)에 준하여 오전 10시와 12시 사이에 주 2회 포집하였다. 온실가스 포집 시 초기농도와 30분 후의 가스를 60 mL 주사기를 이용하여 포집하고, µ-ECD detector가 장착된 가스크로마토그래피(Agilnet, 7890A)를 이용해 분석하였다. 가스크로마토그래피의 분석조건은 Table 3과 같다.

Table 3

Gas chromatographic analysis conditions for N2O measurement

온실가스 포집 시 배출량 계산을 위해 챔버의 체적, 챔버 내 30분 전·후의 온도변화 등도 동시에 측정하였다. 가스크로마토그래피에 의해 정량 분석된 N₂O는 아래 식 (1)에 따라 플럭스를 계산하였다.

처리 간 통계분석은 XLSTAT 2015를 사용하여 Duncan 검정을 수행하였다.

$\[ {\mathrm{N}}_2\mathrm{O\; flux}=\mathrm{\rho }\cdot {\mathrm{V\; A}}^{-1}\cdot ∆\mathrm{c}∆{\mathrm{t}}^{-1}\cdot 273{\mathrm{T}}^{-1} \]$

(1)

ρ : 가스밀도(mg m^-3)
A : Chamber 바닥면적(m²)
V : Chamber내 공기체적(m³)
Δc/Δt : Chamber 내 가스농도의 평균 증가속도(10^-6 m³ m^-3 hr^-1)
T : Chamber 내 평균온도(K)

3. 결과 및 고찰

3.1 질소 처리 유 · 무에 따른 N₂O 배출량

Fig. 1(a)는 이랑 위에 챔버를 설치하고, 챔버 내에 작물이 없는 상태에서 질소 비료 시용 유·무에 따른 N₂O 배출량 변화를 나타낸다. 재배기간 동안 N₂O 배출량은 비료를 처리하지 않은 처리구(처리 1)에서는 큰 변화가 없었고, 질소 비료를 표준시비한 처리구(처리 2)에서는 변화가 컸다. 특히 질소 비료를 시용한 시점인 9월 1일(기비), 9월 18일(1차 추비), 10월 5일(2차 추비) 이후 3∼4일간 배출량이 급격히 증가하였고, 기비를 준 시점에서 배출량이 가장 크게 증가하였는데, 이는 기비량이 추비량보다 많았기 때문인 것으로 생각된다. 질소 비료를 준 후 N₂O 배출량이 급격히 증가한 이유는 토양에 투입된 질소가 산화조건 밭토양에서 빠르게 N₂O로 탈질되었기 때문이다. Eichner(1990)와 Bouwman(1996)도 농경지 토양에서의 N₂O 배출은 질소 투입과 직접적으로 연관이 있다고 하였고, 특히 비료를 투입한 시점에서 배출량 변화가 급격히 일어난다고 하였다. Fig. 1(b)는 재배기간 동안의 N₂O 총 누적배출량을 나타낸다. 재배기간 동안의 총 배출량을 누적한 결과, 또한 질소를 표준시용한 처리구에서 81.8 mg m^-2로 질소를 처리하지 않은 처리구의 배출량인 24.7 mg m^-2보다 3배 가까이 배출량이 많음을 확인할 수 있었다.

Fig. 1.

Changes of N2O flux (a) and comparison of total N2O emission (b) after N fertilizer treatment. Different letters on column top indicate significant difference by Duncan’s multiple range test at P<0.05.

농경지에서 발생하는 온실가스 중 메탄(CH₄)은 N₂O와는 달리 주로 벼재배 논에서 토양이 환원상태(Eh가 -200 mv 이하)일 때 벼의 통기조직을 통해 배출되기 때문에, 챔버 실험 시 챔버 내에 벼를 넣어둔 조건에서 온실가스를 측정한다. 반면에, 밭토양 산화조건에서 주로 배출되는 N₂O는 작물체가 아닌 토양에서 직접 배출되기 때문에 챔버를 이용한 온실가스 측정 실험 시 대부분 작물을 챔버 내에 넣지 않고 실험하는게 일반적이다 (Raich et al., 1990). 밭토양에서 챔버 내 작물 유·무에 따른 N₂O 배출량 변화는 Fig. 2(a)와 같다. 두 처리 모두에서 N₂O 배출량은 작물 수확 2주 전까지 작물 존재 유·무에 상관없이 비슷한 배출 패턴 양상을 보였다. 그러나 수확 2주 전인 11월 5일 이후 챔버 내에 작물이 있는 처리구에서 배출량이 5.3 mg m^-2 day^-1까지 급격히 증가하였다. 이번 시험에서는 일반적으로 작물 재배기간 중에만 온실가스 배출량을 측정하기 때문에 수확 후에는 배출량을 측정하지 못했다. 작물이 존재하는 챔버에서 수확 직전 배출량 증가를 볼 때 수확 후에도 배출량을 지속적으로 측정했다면 배출량은 더 증가했을 수도 있을 것으로 생각된다. 이러한 배출량 증가는 여러 측면에서 원인을 예측해 볼 수 있는데, 작물 뿌리 근권 내 미생물 상의 변화와 작물에 의한 수분함량의 변화 등도 주요 원인이라고 사료된다(Denmead, 1979; Klemedtsson et al., 1988; Wagner-Riddle and Thurtell 1998). Fig. 2(b)는 재배기간 중 총 누적배출량을 나타낸다. 챔버 내 작물이 존재한 처리구에서의 수확 2주전 N₂O 배출량의 급격한 증가량은 작물체가 없는 처리구의 총 배출량보다 25% 이상 많음을 확인할 수 있었다. 챔버 내 작물체 존재 유무에 따른 배출량 변화는 챔버를 이용한 온실가스 배출량 측정 시 고려되어져야 하는 요인 중에 하나일 것으로 생각된다. 배출량 증가의 직접적인 원인 분석을 위해서는 생육 단계별 근권에서의 미생물상 변화, 토양 깊이별 수분함량 변화 등의 체계적인 측정이 필요할 것으로 생각된다.

Fig. 2.

Changes of N2O (a) flux and comparison of total N2O emission (b) measured chambers over growing crops. Different letters on column top indicate significant difference by Duncan’s multiple range test at P<0.05.

우리나라 대부분의 밭토양에서 작물 재배 시 매년 경운을 하고, 고랑과 이랑을 만들어 작물을 재배하는데, 온실가스 포집 챔버를 설치할 경우 고랑과 이랑의 특성을 고려하지 않고, 일반적으로 이랑 위에 챔버를 설치한 상태에서 배출량을 측정한다. 그러나 이랑 위에서만 챔버를 설치해 가스를 포집할 경우 근권의 분포와 질소 이용 등이 달라질 수 있고, 강우 등에 의한 질소 유출 등 N₂O 배출에 영향을 미칠 수 있다. Fig. 3은 챔버의 위치에 따른 밭 토양에서의 N₂O 배출량 변화를 나타낸다. 이랑 위에 설치한 챔버에서의 배출량과 이랑과 고랑을 포함하여 설치한 챔버에서의 N₂O 배출량은 시기에 따라 약간의 차이는 보였으나(Fig. 3(a)), 총 배출량 (Fig. 3(b))은 81.9 mg m^-2와 84.4 mg m^-2로 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.

Fig. 3.

Changes of N2O flux (a) and comparison of total N2O emission (b) measured chambers placed on the furrow and the ridge. Different letters on column top indicate significant difference by Duncan’s multiple range test at P<0.05. The same letters in the Figure indicate no difference at 0.05 significance level.

Fig. 4는 처리 간 N₂O 총 배출량 차이를 나타낸다. 챔버 내에 작물이 있는 처리구(T3)에서 배출량이 가장 많았고, 챔버 내 작물체가 없는 무처리구(TI)에서 배출량이 가장 낮은 것으로 분석되었다. 챔버 내에 작물이 없는 상태에서 이랑위에 설치한 챔버 처리구(T2)와 이랑과 고랑을 포함하여 설치한 챔버 처리구(T4)간 총배출량은 차이가 없는 것으로 분석되었다.

Fig. 4.

Comparison of total N2O emissions affected by chamber location and presence of crops in chambers. Different letters on column top indicate significant difference by Duncan’s multiple range test at P<0.05 (T1: no-fertilizer without crop in chamber on ridge, T2: fertilizer application without crop in chamber on ridge, T3: fertilizer application with crop in chamber on ridge, T4: fertilizer application without crop in chamber on ridge and furrow).

4. 결 론

이번 연구를 통해 우리나라 농경지 밭토양에서 챔버를 이용한 N₂O 배출량 측정 시 챔버의 위치와 챔버 내 작물체 유무에 따른 N₂O 배출량 차이를 확인할 수 있었다. 농경지 토양에서의 N₂O 배출량은 질소 투입에 직접적인 영향을 받으며, 챔버 위치나 작물체 유무에 상관없이 질소를 처리하지 않은 무처리구에서 배출량이 가장 적었고, 질소를 시용한 처리구에서 배출량이 높았다. 특히 질소 비료를 시용한 직후에는 배출량이 급증함을 확인할 수 있었다. 질소 비료를 표준시비한 처리구 중에서는 챔버 내에 작물이 있는 처리구에서 배출량이 가장 높았고, 챔버가 고랑에 놓인 처리와 고랑과 이랑을 포함하여 설치한 챔버 처리구 간에 총 배출량 차이는 없었다. 일반적으로 농경지 토양에서의 N₂O 배출은 질소 투입원(화학비료, 가축분뇨, 작물잔사 환원 등)과 질소 투입량, 질소 투입 방법 등에 직접적인 영향을 받지만, 챔버를 이용한 N₂O 현장 실험 시 챔버 내 작물체의 영향을 고려한 온실가스 분석이 필요할 것으로 생각된다. 특히 작물의 종류와 생육 단계별 특성, 그에 따른 토양 근권 내 다양한 변화(미생물 상 변화, 질소 동태, 토양 내 수분함량 등) 등을 고려한 원인 분석뿐만 아니라, 생육단계를 고려한 작물별 N₂O 배출 특성 규명이 필요할 것으로 생각된다. 우리나라 농경지 토양에서의 N₂O 배출은 지구온난화지수(Global Warming Potential)와 화학비료 생산량 그리고 향후 국가 온실가스 감축목표 달성 등을 고려할 때 주요하게 다루어져야할 온실가스 중 하나이다. 특히 국가 단위의 국가 고유배출계수 개발 시 우리나라 밭 토양 특성과 작물별 특성을 고려한 챔버법 적용이 반드시 필요할 것으로 생각된다. 따라서 우리나라 농경지 특성을 반영한 온실가스 측정방법(챔버법)을 정립하고, 배출 특성 구명을 위한 추가적인 연구 또한 필요할 것으로 생각된다.

Acknowledgments

본 연구는 농촌진흥청 국립농업과학원 농업과학기술 연구개발사업(PJ01003001) 지원에 의해 이루어진 것임.

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