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문제 정의
- 본 연구에서는 잠재적인 탄소 저장량에 대한 벼-IRG 이모작 효과를 평가하고 목초 재배지의 탄소 저장량과 비교하고자 하였다. 이를 위해 총탄소 및 질소, 그리고 입자내의 탄소 및 질소를 조사하였고, 토양탄소 저장을 쉽게 예측하기 위한 지표로 미생물활성도를 측정하였다.
제안 방법
- 채취한 토양은 2 mm 체를 통과시켜 2주일간 풍건하였다. Core sampler를 이용하여 채취한 토양의 총무게를 샘플링 당시의 수분함량으로 보정하여 건조무게를 구하고, 이를 core의 부피로 나누어 줌으로써 토양의 용적 밀도를 구하였다.
- 천안지역의 토양통은 지산 (JISAN), 서천지역의 토양통은 전북 (JEONBUG), 그리고 장흥지역의 토양통은 포리 (PORI)이며, 모두 9월 초에 벼를 수확하고 10월 초에 IRG를 파종하였다. 또한 모든 지역에서 벼를 수확한 후와 IRG를 수확한 후 로타리 경운을 실시하였다.
- 풍건 토양시료 10 g에 10% Na hexametaphosphate 용액 50 ml를 넣은 후 왕복진탕기 (reciprocal shaker)에 250 rpm의 속도로 흔들어 혼합액을 53 μm 입경의 폴리에스테르 체에 걸러 내어 80℃의 오븐에 24시간동안 건조시켜 입자상 유기물을 분리해 낸다. 분리된 입자상 유기물은 막자사발에 갈아 역시 원소분석기 (Flash EA 1112, Italy)로 입자상 유기물 내 탄소 및 질소 (이하 입자상 탄소, 질소)를 분석하였다.
- 본 연구에서는 잠재적인 탄소 저장량에 대한 벼-IRG 이모작 효과를 평가하고 목초 재배지의 탄소 저장량과 비교하고자 하였다. 이를 위해 총탄소 및 질소, 그리고 입자내의 탄소 및 질소를 조사하였고, 토양탄소 저장을 쉽게 예측하기 위한 지표로 미생물활성도를 측정하였다.
- 5 cm)를 이용하여 깊이 0-5 cm, 5-15 cm로 나누어 채취하였다. 처리구당 3개에서 5개의 core를 무작위 샘플링 방법으로 채취하여 이들을 혼합한 후 하나의 혼합시료를 만들었다.
- 토양 내 총탄소 및 질소는 풍건한 토양시료를 파쇄기 (disc mill)로 곱게 갈아 원소분석기 (Flash EA 1112, Italy)로 분석하였다. 입자상 유기물의 분리는 Wander et al.
- 이는 fluorescein diacetate (3’, 6’-diacetylfluorescein: FDA)가 토양 내의 보편적인 효소에 의해 가수분해 된다는 사실에 근거를 둔 방법으로써, 균류 및 곰팡이류 등 일차 분해자들에게서 흔히 발견되는 protease, lipase, esterase 등이 가수분해에 관여한다. 토양 내에 FDA를 일정량 투입하면 미생물 효소에 의해 가수분해 되면서 밝은 연녹색 빛을 띠게 되는데 이의 형광정도를 흡광분석기 (Multiskan EX 200-240 V, Thermo scientific)의 490 nm 파장에서 분석하였다.
- 토양시료 채취 및 분석 모든 지역의 토양채취는 토양 core sampler (Forest supplier, i.d. 5 cm)를 이용하여 깊이 0-5 cm, 5-15 cm로 나누어 채취하였다. 처리구당 3개에서 5개의 core를 무작위 샘플링 방법으로 채취하여 이들을 혼합한 후 하나의 혼합시료를 만들었다.
대상 데이터
- 이 지역에서 1년 후 2011년 6월, 같은 방법으로 토양시료를 채취하였다. 다른 네 지역의 토양시료 채취는 2010년 10월에 수행하였다. 채취한 토양은 2 mm 체를 통과시켜 2주일간 풍건하였다.
- )가 주종을 이루고 있었다. 또한 대상초지는 1년에 3회 예취하여 건초를 생산하는 채초지이며, 화학비료는 매년 N-P2O5-K2O를 200-150-200 kg ha-1를 시용해 오고 있다.
- (1997)은 브라질의 3년에서 20년 이상 된 목초지에서의 탄소저장을 연구한 논문에서 조성연도의 증가에 따른 용적밀도의 유의한 증가를 보고하였다. 연구대상지인 서산 및 남원 초지는 조성 후 시비 이외의 특별한 관리를 하지 않았을 뿐만 아니라, 경운작업도 실시하지 않은 곳이다. 따라서 표토의 총탄소와 입자상 탄소 농도는 조성연도에 따라 현저히 증가하지만 5-15 cm 깊이에서의 탄소 농도는 감소하는 경향을 볼 수 있다.
- 세 지역 모두 벼의 공시품종은 종체벼 전용 품종인 녹양 품종이고, IRG의 경우는 Kowinearly를 이용하였다. 천안지역의 토양통은 지산 (JISAN), 서천지역의 토양통은 전북 (JEONBUG), 그리고 장흥지역의 토양통은 포리 (PORI)이며, 모두 9월 초에 벼를 수확하고 10월 초에 IRG를 파종하였다. 또한 모든 지역에서 벼를 수확한 후와 IRG를 수확한 후 로타리 경운을 실시하였다.
- 초지 조성연도에 따른 토양탄소 축적양상을 파악하기 위해 충남 서산 (예산, YESAN)과 전북 남원 (운봉, UNBONG) 의 초지를 선정하였다. 서산 지역의 초지 조성 기간은 3년, 5년 및 10년이었고, 남원 지역은 3년, 5년, 7년 및 10년이었다.
- 충청남도 천안 지역 시료채취는 2010년 6월 수행하였고, 이를 처리구를 시행하기 전 기초선 (baseline)으로 보았다. 이 지역에서 1년 후 2011년 6월, 같은 방법으로 토양시료를 채취하였다.
- 포장 선정 및 관리 기존의 벼 단작과 벼-IRG 이모작의 탄소 저장량을 비교하기 위해 충남 천안, 서천 및 전남 장흥 세 지역의 논 포장을 선정하였다. 천안 성환읍 (국립축산과학원 내 시험지)의 포장은 기존의 벼 단작을 대조구 (RICE PADDY)로 유지하고 2010년 4월, IRG를 파종하여 처리구 (RICE+IRG)를 조성하였다.
데이터처리
- Table 5. Pearson correlation coefficients among physico-chemical characteristics of the each treatment.
- 05). 상관분석은 PROC COR를 이용하여 총탄소 및 질소, 입자상 탄소 및 질소, 그리고 미생물활성도에 대하여 상관분석을 수행하였다.
- 통계분석 통계분석은 SAS 9.0 (SAS institute, 2001)을 사용하여 PROC mixed로 분산분석을 시행하였고 처리간 평균비교방법은 least square mean 방법을 이용하였다 (p <0.05).
이론/모형
- FDA 분석 토양 미생물 활성도는 FDA 방법에 따라 분석 하였다. 이는 fluorescein diacetate (3’, 6’-diacetylfluorescein: FDA)가 토양 내의 보편적인 효소에 의해 가수분해 된다는 사실에 근거를 둔 방법으로써, 균류 및 곰팡이류 등 일차 분해자들에게서 흔히 발견되는 protease, lipase, esterase 등이 가수분해에 관여한다.
- 토양 내 총탄소 및 질소는 풍건한 토양시료를 파쇄기 (disc mill)로 곱게 갈아 원소분석기 (Flash EA 1112, Italy)로 분석하였다. 입자상 유기물의 분리는 Wander et al. (1998)을 따랐다. 풍건 토양시료 10 g에 10% Na hexametaphosphate 용액 50 ml를 넣은 후 왕복진탕기 (reciprocal shaker)에 250 rpm의 속도로 흔들어 혼합액을 53 μm 입경의 폴리에스테르 체에 걸러 내어 80℃의 오븐에 24시간동안 건조시켜 입자상 유기물을 분리해 낸다.
성능/효과
- IRG 식재에 따른 토양의 총탄소 저장량은 토심 0-15 cm 사이의 동일 토양부피 내에 저장된 탄소를 기준으로 한 경우와 토심 0-5 cm 사이 동일 토양질량 및 0-15 cm 사이 동일 토양질량 내 저장된 탄소를 기준으로 한 경우 모두 서천 및 장흥에서는 IRG 식재에 따라 유의하게 증가되었고 식재한지 1년이 경과한 천안에서는 토양 탄소저장량의 유의한 증가는 토심 0-15 cm 사이의 동일토양질량을 기준으로 한 경우에 국한되었다 (Table 3).
- 따라서 표토의 총탄소와 입자상 탄소 농도는 조성연도에 따라 현저히 증가하지만 5-15 cm 깊이에서의 탄소 농도는 감소하는 경향을 볼 수 있다. 그 결과 0-15 cm 전체를 볼 경우 저장된 탄소의 양이 예상만큼 현저하게 증가되지는 않은 것을 알 수 있다. 즉, 초지가 논-IRG로 관리되는 농경지와 비교하였을 때에는 두 배 이상 높은 탄소를 보유하고 있지만 적절한 토양관리가 없을 경우 총탄소량의 증가를 기대하기 어려움을 시사한다고 할 수 있다.
- 3). 논-IRG와 초지 토양에서 각각 미생물활성도와 총 질소농도 및 입자상 질소농도는 음의 상관관계를 보였다 (Table 5).
- 서산 지역의 초지 조성 기간은 3년, 5년 및 10년이었고, 남원 지역은 3년, 5년, 7년 및 10년이었다. 두지역의 초지 식생은 오차드그라스 16 kg ha-1, 톨페스큐 9 kg ha-1, 페레니얼라이그라스 3 kg ha-1, 톨페스큐 2 kg ha-1 로 조성되었으며, 현재 식생구성은 톨페스큐 (Lolium arundinaceum), 오차드그라스 (Dactylis Glommerata L.), 켄터키 블루그라스 (Poa Pratensis L.)가 주종을 이루고 있었다. 또한 대상초지는 1년에 3회 예취하여 건초를 생산하는 채초지이며, 화학비료는 매년 N-P2O5-K2O를 200-150-200 kg ha-1를 시용해 오고 있다.
- 목초지의 탄소저장효과 토양의 총탄소 농도는 남원과 서산의 토심 0-5 cm에서 모두 초지 조성연도가 오래될수록 증가하였다 (Table 2, Fig. 2a). 토심 5-15 cm 깊이에서는 초지 조성연도에 따른 증가경향이 토심 0-5 cm에 비해 명확하지 않았는데 이는 초지를 구성하는 식물들의 뿌리가 주로 표토에 많이 분포하므로 오래된 초지일수록 뿌리로부터의 탄소유입이 많아지는 반면, 표토 이하의 토양에서는 경운 등의 토양혼합 작용이 없다면 탄소증가의 속도가 느려 지거나 혹은 감소하는 경향까지도 보고된 바 있다 (Wander et al.
- 토양 탄소 및 질소와 FDA 활성 간의 상관관계 토양 내 미생물 활성도는 토양시료 별로 전반적 유기물 분해 과정에 대한 상대적 비교를 할 수 있는 인자로 인용되고 있다 (Schnurer and Rosswall, 1982). 미생물 활성도는 IRG 식재에 따라 서천과 장흥에서 감소하였고, 미생물 활성 감소의 폭은 서천에서 더 컸다 (Fig. 3). 논-IRG와 초지 토양에서 각각 미생물활성도와 총 질소농도 및 입자상 질소농도는 음의 상관관계를 보였다 (Table 5).
- 1a). 반면, 토양의 입자상 탄소 농도 또한 서천과 장흥에서 증가한 반면 천안에서는 유의한 증가를 하지 않았는데, 천안에서 입자상 탄소농도의 증가폭은 26%이고 서천은 98%, 장흥은 84%로 총 탄소 농도의 변화폭인 천안 14%, 서천 50%, 장흥 43%에 비하여 높았다 (Fig. 1b). 본 결과는 입자상 탄소농도는 관리 방법의 변화에 따라 빠르게 반응하는 조기 지시자가 될 수 있음을 시사한다.
- 벼-IRG 재배지의 탄소저장효과 IRG 식재에 따른 대상 토양의 총탄소 농도 (0-15 cm 깊이까지의 가중평균치 사용)의 변화는 식재 후 1년이 경과한 천안에서는 유의한 증가를 보이지 않았고 식재한지 3년이 경과한 서천과 장흥에서 유의하게 증가하였다 (Table 2, Fig. 1a). 반면, 토양의 입자상 탄소 농도 또한 서천과 장흥에서 증가한 반면 천안에서는 유의한 증가를 하지 않았는데, 천안에서 입자상 탄소농도의 증가폭은 26%이고 서천은 98%, 장흥은 84%로 총 탄소 농도의 변화폭인 천안 14%, 서천 50%, 장흥 43%에 비하여 높았다 (Fig.
- 1b). 본 결과는 입자상 탄소농도는 관리 방법의 변화에 따라 빠르게 반응하는 조기 지시자가 될 수 있음을 시사한다. Leifeld and Kogel-Knabner (2005)와 Six et al.
- 탄소저장량 계산방법에 따른 초지 탄소저장량 변화는 남원의 경우 계산방법을 달리함에 따른 유의성 차이가 발견되지 않았으나 서산의 경우 같은 깊이 기준 (토심 0-15 cm)에서 보았을 때 동일 부피로 비교한 경우와 동일 질량으로 비교한 경우에 조성연도별 유의성 차이가 달라졌다 (Table 4). 서산에서는 동일 부피의 토양으로 비교하였을 때 조성 후 5년과 10년 경과된 토양에서의 탄소저장이 유의하게 다르게 표현된 반면, 이를 동일 질량의 토양에서 비교하면 조성 후 5년 및 10년 경과된 토양의 탄소저장량이 유의하게 증가되지 않은 것으로 나타났다. 서산의 경우, 토양의 용적밀도는 조성원년의 토심 0-15 cm 사이의 가중 평균치가 1.
- 이는 남원의 경우 조성 후 3년, 7년, 10년의 자료로 구성되어 있고 서산의 경우는 조성 원년 및 5년, 10년의 자료로 구성되어있기 때문이다. 총탄소 저장량의 시간에 따른 증가속도는 남원과 서산 두 지역의 자료를 종합하여 보았을 때 조성 초기의 증가속도가 조성 후기의 속도에 비해 매우 빠른 것을 알 수 있다. 이는 IPCC (2000)에서 관리방법 전환에 따른 토양 탄소의 축적속도가 0-20년 사이에 선형으로 가정한 것이 초기의 축적속도를 과소평가하고 후기의 축적속도를 과대 평가할 수 있는 오류를 포함할 수 있음을 암시한다.
- 탄소저장량 계산방법에 따른 초지 탄소저장량 변화는 남원의 경우 계산방법을 달리함에 따른 유의성 차이가 발견되지 않았으나 서산의 경우 같은 깊이 기준 (토심 0-15 cm)에서 보았을 때 동일 부피로 비교한 경우와 동일 질량으로 비교한 경우에 조성연도별 유의성 차이가 달라졌다 (Table 4). 서산에서는 동일 부피의 토양으로 비교하였을 때 조성 후 5년과 10년 경과된 토양에서의 탄소저장이 유의하게 다르게 표현된 반면, 이를 동일 질량의 토양에서 비교하면 조성 후 5년 및 10년 경과된 토양의 탄소저장량이 유의하게 증가되지 않은 것으로 나타났다.
- 토양 내 탄소저장량의 증가를 보인 서천 및 장흥지역에서는 IRG 식재 후 3년이 경과한 시점에서 IRG를 식재하지 않은 토양에 비하여 각각 52%, 및 43% 만큼의 탄소가 증가한 것으로 나타났다 (Fig. 1). 이 결과는 Ryegrass를 피복작물 (cover crops)로 5년간 재배한 경우 0-15 cm 토양에서 총탄소 농도의 증가를 관찰한 Kuo et al.
후속연구
- IRG는 가을에 파종되어 봄에 지상부 유기물은 전량 수확되지만, 토양에 남아 있는 잔가지 및 뿌리가 토양에 골고루 혼합되어 토양유기물의 저장을 가져오는 것으로 파악된다. 동절기 동안 IRG를 심지 않은 나대지에서 발생하는 biomass와 토양의 순탄소동화량을 비교하면, 동절기 IRG 재배는 사료작물의 수입 대체 효과뿐만 아니라 농경지로부터 발생되는 이산화탄소의 저감에 합리적인 관리 방법으로 제안될 수 있다고 본다.
- (1999)의 연구에서도 토양 FDA 활성도는 유기물을 첨가시키는 처리구에서 대조구와 유의한 차이를 보이지 않았다. 즉, FDA 활성도 자체만으로는 토양탄소저장량을 판단하는 유용한 지표로 활용하기 힘들다고 판단되며 미생물 생체량 탄소 및 질소, 특정 토양효소 등과 함께 측정하여 토양별 차이의 설명에 도움을 주는 보조 자료로 활용되어야 한다고 생각한다.
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