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문제 정의
- 따라서 본 시험은 미국 콘벨트 지역에서 30년간 옥수수-콩 윤작체계에서 경운방법을 달리한 장기연용 시험포장에서 온실가스 발생변화를 조사, 분석하고 그 방법과 결과를앞으로 국내 밭작물 생산의 영농규모의 대면적화 및 보전경운 방식의 도입 등에 대비한 온실가스 발생 연구에 필요한 기초자료로 활용하고자 실시하였다.
제안 방법
- 작부(윤작)체계는 옥수수 연작, 콩연작, 콩-옥수수 윤작, 옥수수-콩 윤작의 4 체계로, 경운체계는 plow(moldboard), chisel 경운 및 무경운으로 3 체계로 구성하였다. plow 및 chisel 경운은 각각 추경과 춘경을 실시하였으며, 추경 plow 경운은 옥수수와 콩의 수확 후인 11월 초순에 46 cm 넓이의 moldboard plow로 토심 20～25 cm로 실시하였다. chisel 경운은 10 cm 폭의 coulter-chisel로 깊이 20 cm로 실시하였다(Fig.
- 3 mega pascal)에서의 농도로 보정하였다. 또 ppm 농도를 ug 농도로 바꾸기 위하여 이산화탄소(CO2-C) 및 메탄(CH4-C)에 0.536의, 아산화질소(N2O-N)에 1.25의 기체밀도를 각각 곱하였다. 가스발생량은 Hutchison and Mosier(1981)의 공식을 사용하여 chamber의 가스농도 변화, chamber 용량, 토양표면적을 사용하여 계산하였고 시간당 단위면적당 발생량(mg m-2 hr-1) 으로 산출하였다.
- )를 살포하였다. 살충제는 파종 시에 옥수수의 거세미(cutworm)를, 생육 중 옥수수의 조명나방(stalk borer)을, 콩의 노린재(leaf bettle) 방지하기 위해서 수시로 살포하였다. 옥수수 수확은 10월 16일, 콩은 10월 25일 수확하였는데, 수확면적은 시험구 중앙의 139 m2 (넓이 3.
- 앵커(anchor)는 알루미늄으로 제작하였으며, chamber(lid)의 윗부분 테두리 주위에 U-shaped channel(73.7× 35.4×12.0 cm)을 만들어 물을 넣으면 내부와 외부간의 공기이동을 차단할 수 있게 제작하였다(Fig. 2).
- 살충제는 파종 시에 옥수수의 거세미(cutworm)를, 생육 중 옥수수의 조명나방(stalk borer)을, 콩의 노린재(leaf bettle) 방지하기 위해서 수시로 살포하였다. 옥수수 수확은 10월 16일, 콩은 10월 25일 수확하였는데, 수확면적은 시험구 중앙의 139 m2 (넓이 3.05 m, 길이 45.7 m)를 수확기로 기계수확하고, 수확기에 부착된 자동 무게 및 수분함량 측정기로 측정 후 옥수수는 수분함량 15.5%, 콩은 13%로 종실수량을 보정하였다.
- 옥수수눈 조간격을 76 cm로 하여 79,075 seeds ha-1의 재식밀도로 4월 29일에 파종하였고, 콩은 조 간격은 20 cm로 345,952 seeds ha-1의 재식밀도로 5월 31일에 파종하였다.
- 옥수수에 대한 질소비료는 start fertilizer로서 파종 시(4월 29일) 질안(NH4NO3) 36 kg N ha-1를 파종조의 5 cm 옆에 시용하였고, 추비(side-dress)로서 6월 10일에 28% urea-NH4NO3(UAN)를 260 kg N ha-1 시용하였는데, 옥수수 파종조의 중앙에 5∼8 cm 깊이로 coulter를 이용하여 시비하였다.
- 온실가스 발생(flux)의 조사 시 앵커위에 토양표면을덮을 수 있는 chamber(75.8×38×13 cm)를 덮었는데, 챔버를 덮기전에 내부와 외부의 공기를 철저히 차단하기 위하여 U- shaped channel에 물을 채었다.
- 온실가스 발생량이 작물의 생육초기인 6월～7월 초순에 가장 많은 점을 고려하여 온실가스발생량 조사는 6월 중순부터 일주일 간격으로 하였고, 7월 중하순부터는 2~3주 간격으로 실시하였다.
- 8×38×13 cm)를 덮었는데, 챔버를 덮기전에 내부와 외부의 공기를 철저히 차단하기 위하여 U- shaped channel에 물을 채었다. 온실가스 샘플은 chamber의 고무격막(rubber septum)을 통해 플라스틱 주사기(polypropylene syringe)를 이용하여 chamber 설치 후 0, 5, 10 및 15 분 간격으로 20 ml을 취하여 먼저 진공되어 있는 바이엘 속에 주입하였다. 채취된 가스샘플은 자동 Combi-Pal injection 장치가 장착된 가스크로마토그래피(Varian 3800GC, Mississauga, Canada)를 이용하여 분석하였다.
- 제초를 위해 파종 시 토양처리제를, 생육 중 경엽처리제(Roundup Weather Max 2pt acre-1)를 살포하였다. 살충제는 파종 시에 옥수수의 거세미(cutworm)를, 생육 중 옥수수의 조명나방(stalk borer)을, 콩의 노린재(leaf bettle) 방지하기 위해서 수시로 살포하였다.
- 가스발생량은 Hutchison and Mosier(1981)의 공식을 사용하여 chamber의 가스농도 변화, chamber 용량, 토양표면적을 사용하여 계산하였고 시간당 단위면적당 발생량(mg m-2 hr-1) 으로 산출하였다. 조사기간의 누적 온실가스 발생량(cumulative emission)은 가까운 두 조사시기의 온실가스 발생량의 평균값에 두 조사기간의 시간을 곱하여 누적하였다.
- , Maidstone, UK)로 여과하였다. 질산태(NO3-N) 및 암모니아태(NH4-N) 질소는 여과된 액을 이용하여 Technicon Autoanalyer II(Technicon Industrial System, Tarrytown, NY)로 분석하였다.
- 온실가스 샘플은 chamber의 고무격막(rubber septum)을 통해 플라스틱 주사기(polypropylene syringe)를 이용하여 chamber 설치 후 0, 5, 10 및 15 분 간격으로 20 ml을 취하여 먼저 진공되어 있는 바이엘 속에 주입하였다. 채취된 가스샘플은 자동 Combi-Pal injection 장치가 장착된 가스크로마토그래피(Varian 3800GC, Mississauga, Canada)를 이용하여 분석하였다. 가스의 농도는 아르곤(95%) 이동가스를 가진 3.
- 토양온도 및 토양수분함량은 가스채취인접토양에서 측정하였는데, 토양수분은 domain reflectometer(Field Scout 346, TDR300 Serial)을 이용해 토양 0∼12 cm의 수분함량을 측정하였다.
대상 데이터
- 강우자료는 장기 시험포장에서 1.5 km 떨어진 Purdue 기상대 자료를 이용하였다. 토양온도 및 토양수분함량은 가스채취인접토양에서 측정하였는데, 토양수분은 domain reflectometer(Field Scout 346, TDR300 Serial)을 이용해 토양 0∼12 cm의 수분함량을 측정하였다.
- 무기태질소 분석용 토양시료는 6월 29일, 7월 19일 및 8월 15일에 채취하였다. 시료는 가스채취 chamber 주위에서 10월 15일에 soil core(직경 7 cm)를 이용하여 30 cm 깊이까지 채취하여 4℃ 아이스박스에 저장하면서 운반하였다.
- 본 시험은 미국의 인디아나 웨스트라피엣(west central Indiana) 배수가 다소 불량한 Purdue 대학의 ACRE(Agronomy Center for Research and Education, 경도: 86°56′, 위도 : 40°34′, 해발고도 : 215 m)의 옥수수 및 콩의 장기 윤작 및 경운의 장기연용시험 포장에서 실시되었다.
- 시료는 가스채취 chamber 주위에서 10월 15일에 soil core(직경 7 cm)를 이용하여 30 cm 깊이까지 채취하여 4℃ 아이스박스에 저장하면서 운반하였다.
- 콩 재배 시 질소비료는 시용하지 않았다. 옥수수의 plow 및 chisel 경운구를 대상으로 6월 16일에 중경 작업을 실시하였다.
데이터처리
- 25 ppm을 곱하여 농도를 얻었다. 얻어진 농도는 Excel 프로그램의 slope 함수를 사용하여 5분 간격으로 채취하여 얻어진 농도의 slope를 구하여 1분 당 발생하는 온실가스 농도를 얻었다.
이론/모형
- 25의 기체밀도를 각각 곱하였다. 가스발생량은 Hutchison and Mosier(1981)의 공식을 사용하여 chamber의 가스농도 변화, chamber 용량, 토양표면적을 사용하여 계산하였고 시간당 단위면적당 발생량(mg m-2 hr-1) 으로 산출하였다. 조사기간의 누적 온실가스 발생량(cumulative emission)은 가까운 두 조사시기의 온실가스 발생량의 평균값에 두 조사기간의 시간을 곱하여 누적하였다.
- 온실가스 발생량이 작물의 생육초기인 6월～7월 초순에 가장 많은 점을 고려하여 온실가스발생량 조사는 6월 중순부터 일주일 간격으로 하였고, 7월 중하순부터는 2~3주 간격으로 실시하였다. 온실가스 조사는 vented flux chamber method 방식으로 조사하였다(Mosier et al., 2006). 앵커(anchor)는 알루미늄으로 제작하였으며, chamber(lid)의 윗부분 테두리 주위에 U-shaped channel(73.
성능/효과
- 1. 30년 장기 연용구의 연작 대비 윤작에 의한 옥수수 및 콩의 수량증대는 옥수수보다 콩이 더 컸으며, 연작시 무경운에 따라 수량이 감소되었던 옥수수는 윤작에 의해 수량이 많이 회복되었다.
- 2. 윤작구의 작물재배기간의 이산화탄소 누적발생량은 재배작물 및 처리간 차이가 없었으며, 메탄은 콩의 재배시 plow 경운구에서 생육초기에 증가하였다.
- 3. 아산화질소의 발생은 옥수수 생육초기 질소시비 후에질소비료의 무기화 과정에서 발생량이 증가하였는데, 경운방법에 따라 차이가 뚜렷하여 chisel 경운에서 가장 높았고, 무경운에서 가장 낮았다.
- 4. 콩-옥수수 윤작체계에서 plow 및 chisel 경운에 비해 무경운(no-tillage)의 채택에 따라 작물의 수량 감소없이 콩 재배 시 메탄 0.7 kg C ha-1 및 옥수수 재배 시아산화질소 2∼4 kg N ha-1 발생량을 감소시킬 수 있었다.
- 3 mg m-2 hr-1까지 발생량이 증가하였다. 경운처리 중에서는 chisel 경운구가 가장 높은 값을 나타내었고 무경운구에서 가장 낮은 값을 보였다. 무경운구는 발생량이 경운구에 비해 감소하여 최대발생량이 0.
- 5) 대체적으로 120∼160 mg m-2 hr-1로 7월 초순까지 유지되다가 8월 이후로 되면서 감소하여 9월 초에 70 mg m-2 hr-1에 가까운 발생량을 나타내었다. 경운처리별로는 이산화탄소가 많이 발생하는 시기에 plow 경운이 chisel 경운 및 무경운보다 낮은 발생량을 나타내었다. 그에 따라 9월 7일 누적발생량도 plow 경운이 400 kg C ha-1 정도 감소하였다.
- 이는 이산화탄소 1,323 kg C ha-1에 해당하는 온실효과를 가지는 것으로 나타났는데, 이는 포장에서 재배기간 중 발생한 이산화탄소의 60%에 해당하는 온실효과를 가지는 것이었다. 경운처리에 따른 누적 아산화질소 발생량은 chisel 경운이 가장 많고 무경운이 가장 적었는데, 무경운은 chisel 경운에 비해 4 kg N ha-1에 해당하는 량의 아산화질소를 감소시킬 수 있었다. 이는 포장에서 발생하는 이산화탄소의 50%에 해당하는 온실효과를 가지는 것으로 무경운에 의해 온실가스를 효과적으로 줄일 수 있음을 나타내고 있다.
- 먼저 옥수수의 평균수량을 보면, 연작구에서는 종실 수량이 plow 및 chisel 경운구가 10.73 및 10.44 Mg ha-1 임에 비하여 무경운구는 9.26 Mg ha-1으로 낮았다. 그러나 콩-옥수수 윤작의 무경운구에서는 수량이 10.
- 메탄의 누적 발생량은 윤작작물 간에 발생량이 현저히 차이가 났는데 콩 재배가 옥수수 재배에 비해 0.44 kg C ha-1가 증가하였다. 이것은 주로 콩의 생육초기 plow 경운에서의 발생량 증가에 의한 것이었다.
- 5 mg m-2 hr-1 이하를 나타내었다. 모든 경운처리구에서 누적 아산화질소량은 7월 하순까지 꾸준히 증가하였고, 8월 이후는 큰 변화가 없었는데, 경운처리별 누적발생량을 보면 chisel, plow 경운 및 무경운구의아산화질소 발생량이 6.8, 4.0 및 2.0 kg N ha-1로 chisel 경운구가 가장 높았고, 무경운구에서 가장 낮아 경운처리간에 뚜렷한 차이를 보였다.
- 이는 포장에서 발생하는 이산화탄소의 50%에 해당하는 온실효과를 가지는 것으로 무경운에 의해 온실가스를 효과적으로 줄일 수 있음을 나타내고 있다. 아산화질소 발생에는 질소비료의 사용량 조정 및 무경운 등 보전경운의 채택 등 영농방식의 변경에 의해 온실가스 발생량을 많이 줄일 수 있음을 알 수 있었다.
- 05 m Porapak Q에 분당 30 ml의 양을 주입시키고, 350℃의 전자장치에서 분석하였다. 온실가스의 농도는 얻어진 peak area에 GC 분석 시 비교하기 위해 사용하였던 표준가스 농도인 이산화탄소 1004 ppm, 메탄 3.71 ppm, 아산화질소 1.25 ppm을 곱하여 농도를 얻었다. 얻어진 농도는 Excel 프로그램의 slope 함수를 사용하여 5분 간격으로 채취하여 얻어진 농도의 slope를 구하여 1분 당 발생하는 온실가스 농도를 얻었다.
- 장기시험도구의 토양의 유기물 함량은 plow 및 chisel 경운구에서 4%, 무경운구(토양0∼ 5 cm)에서 6%를 보였다.
- 무경운은 춘경과 추경 모두 실시하지 않았다. 춘경 후 각 경운체계에서 토양표면의 잔사피복율은 plow 경운 3%, chisel 경운 31% 및 무경운 93%를 나타내었다. 옥수수 품종은 Pioneer 31N28(119-Day) 이었고, 콩 품종은Pioneer 93M80 Round-up Ready였다.
- 이것은 주로 콩의 생육초기 plow 경운에서의 발생량 증가에 의한 것이었다. 콩은 무경운 재배를 하여도 수량의 감소가 없기 때문에 무경운 재배를 도입하면 파종의 노력뿐만 아니라 메탄의 발생도 줄일 수 있음을 알 수 있었다.
- 토양 무기태질소의 변화를 살펴보면(Table 2) 콩 재배포장의 질산태 질소의 함량은 생육초기인 6월 29일은 질산태질소가 6∼10 mg kg-1 수준이었지만 콩의 생육이 왕성한 7월 19일 및 8월 15일의 생육후기로 갈수록 질산태 질소함량이 4 mg kg-1 이하로 감소하였다.
후속연구
- p>현대의 농업은 최대의 식량생산을 위한 에너지 고투입의 생산방식에서 저투입의 친환경 생산방식으로 변모하고 있으며, 지구온난화에 따른 이상기상에 대비한 온실가스 저감 및 재해방지를 위한 토양보전 농업이 강조되고 있다. 또한 농촌의 인력의 감소에 따라 앞으로 영농 단위면적이 증가하고 농업에너지 사용 및 영농이 환경에 미치는 영향에 대한 규제가 강화될 것으로 예상된다. 우리나라는 벼 위주의 작물생산이 주를 이루었지만 국제 곡물가의 폭등에 따라 콩과 옥수수 등의 국내 자급률의 증가를 위해 밭작물의 생산이 앞으로 확대되어 밭에서도 저투입 및 친환경의 생산방식이 필요해질 것으로 보인다.
- 5%로 증가하였다(CTIC, 2011). 우리나라에서도 앞으로 옥수수와 콩의 집단재배 면적의 증가에 따라 서구식 옥수수 및 콩의 윤작체계 및 보전경운 방식이 많이 도입될 것으로 예상되는데, 그에 따라 작물의 생산성뿐만 아니라 토양보전과 온실가스 억제 등 환경에 미치는 영향에 대한 연구도 중요해질 것으로 보인다.
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