토양수분모형을 이용한 주요 밭작물의 미래 가뭄 전망 -전라남도 지역을 중심으로- Climate Change Impacts on Agricultural Drought for Major Upland Crops using Soil Moisture Model -Focused on the Jeollanam-do-원문보기
Estimating water requirements for upland crops are characterized by standing soil moisture condition during the entire crop growth period. However, scarce rainfall and intermittent dry spells often cause soil moisture depletion resulting in unsaturated condition in the fields. Changes in rainfall pa...
Estimating water requirements for upland crops are characterized by standing soil moisture condition during the entire crop growth period. However, scarce rainfall and intermittent dry spells often cause soil moisture depletion resulting in unsaturated condition in the fields. Changes in rainfall patterns due to climate change have significant influence on the increasing the occurrence of extreme soil moisture depletion. Therefore, it is necessary to evaluate agricultural drought for upland crop water planning and management in the context of climate change. The objective of this study is to predict the impacts of climate change on agricultural drought for upland crops and changes in the temporal trends of drought characteristics. First, the changes in crop evapotranspiration and soil moisture in the six upland crops, such as Soybeans, Maize, Potatoes, Red Peppers, Chinese Cabbage (spring and fall) were analyzed by applying the soil moisture model from commonly available crop and soil characteristics and climate data, and were analyzed for the past 30 years (1981-2010), and Representative Concentration Pathways (RCP) climate change scenarios (2011-2100). Second, the changes on the temporal trends of drought characteristics were performed using run theory, which was used to compare drought duration, severity, and magnitude to allow for quantitative evaluations under past and future climate conditions.
Estimating water requirements for upland crops are characterized by standing soil moisture condition during the entire crop growth period. However, scarce rainfall and intermittent dry spells often cause soil moisture depletion resulting in unsaturated condition in the fields. Changes in rainfall patterns due to climate change have significant influence on the increasing the occurrence of extreme soil moisture depletion. Therefore, it is necessary to evaluate agricultural drought for upland crop water planning and management in the context of climate change. The objective of this study is to predict the impacts of climate change on agricultural drought for upland crops and changes in the temporal trends of drought characteristics. First, the changes in crop evapotranspiration and soil moisture in the six upland crops, such as Soybeans, Maize, Potatoes, Red Peppers, Chinese Cabbage (spring and fall) were analyzed by applying the soil moisture model from commonly available crop and soil characteristics and climate data, and were analyzed for the past 30 years (1981-2010), and Representative Concentration Pathways (RCP) climate change scenarios (2011-2100). Second, the changes on the temporal trends of drought characteristics were performed using run theory, which was used to compare drought duration, severity, and magnitude to allow for quantitative evaluations under past and future climate conditions.
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문제 정의
본 연구에서는 토양수분모형을 이용한 미래 밭작물 가뭄 전망하기 위하여 전라남도 지역을 대상으로, 대표 밭작물 (콩, 옥수수, 감자, 고추, 봄배추, 가을배추)의 작물 생육 특성, 토양자료, 과거 기상자료 및 RCP 미래 기후변화 시나리오를 구축하였다. 밭 물수지모형을 활용한 토양수분모형을 적용하여 과거 및 미래 증발산량 및 토양수분 변화를 모의 분석하였으며, Runs 이론을 활용하여 과거 밭작물 가뭄을 평가하고 기후변화에 따른 미래 밭작물 가뭄을 전망하였다.
가설 설정
잠재유효우량은 토양수분형을 고려하지 않고 강우량에서 유출량을 제외한 양으로 정의하였으며, 지표유출량은 일 강우량 5 mm를 무효우량으로 가정하여 NRCS (Natural Resources Conservation Service) CN (Curve Number)법을 활용하였다. 또한, 포장용수량 이상의 토양수분함량은 모두 지하배수량으로 가정하였다.
, 2003). 또한, 표층에서 하부토층으로 내려갈수록 유효토층 내 토양수분 이용가능량은 감소하기 때문에, 식 (9)와 같이 작물 뿌리깊이, 토층 및 식 (10)의 토양수분감소율을 고려, 보정하여 용이토양수분량을 산정하고 토양 수분한계로 가정하였다.
유효우량을 산정하기 위하여 포장용수량을 토양유효수분량의 상한계, 위조점을 하한계로 가정하고 그 차이를 전유효수분량으로 가정하였으며, 유효토층은 작물의 뿌리깊이를 적용하여 식 (8)과 같이 산정하였다 (Allen et al., 1998; Irmak et al., 2003). 또한, 표층에서 하부토층으로 내려갈수록 유효토층 내 토양수분 이용가능량은 감소하기 때문에, 식 (9)와 같이 작물 뿌리깊이, 토층 및 식 (10)의 토양수분감소율을 고려, 보정하여 용이토양수분량을 산정하고 토양 수분한계로 가정하였다.
, 2014)을 Table 1과 같이 구축하였다. 토양통은 농촌진흥청 토양환경정보시스템(http://soil.rda.go.kr)에서 전라남도 지역 밭작물 재배시 추천하고 있는 각화통으로 가정하여 분석하였다. 각화통은 식질계 적황색토로 토성은 식양토 (silt loam)로 구성되어 있으며, fine, mesic family of Typic Hapludults 구분할 수 있다.
제안 방법
3은 전라남도지역의 과거 30년간 6개 밭작물 대상 가뭄 심도 분석 결과이다. Runs 이론 및 기후변화 시나리오를 활용한 밭작물 가뭄 평가를 위하여 과거 대표적인 가뭄기록과의 일치성을 비교하였다. Table 2는 과거 대가뭄으로 정의되는 시기 및 과거 30년 토양수분모형 분석 결과, 주요 밭작물 가뭄 시기이다.
Runs 이론을 이용하여 가뭄 기간 (duration; D), 크기 (magnitude, M), 강도 (severity, S)로 세 가지 특성으로 가뭄 특성을 구분하여 분석하였다 (Nam et al., 2015). 본 연구에서는 Runs 이론 적용을 적용하기 위하여 토양수분의 유효수분백분율 50 %를 가뭄 판단의 기준으로 선정하였다 (Nam et al.
본 연구에서는 토양수분모형을 이용한 미래 밭작물 가뭄 전망하기 위하여 전라남도 지역을 대상으로, 대표 밭작물 (콩, 옥수수, 감자, 고추, 봄배추, 가을배추)의 작물 생육 특성, 토양자료, 과거 기상자료 및 RCP 미래 기후변화 시나리오를 구축하였다. 밭 물수지모형을 활용한 토양수분모형을 적용하여 과거 및 미래 증발산량 및 토양수분 변화를 모의 분석하였으며, Runs 이론을 활용하여 과거 밭작물 가뭄을 평가하고 기후변화에 따른 미래 밭작물 가뭄을 전망하였다.
본 연구는 전라남도 주요 밭작물 (콩, 옥수수, 감자, 고추, 가을배추, 봄배추)을 대상으로 토양수분모형을 활용하여 미래 밭작물 가뭄을 전망하였다. 토양수분모형의 기초자료로써 밭작물 생육기간, 작물계수, 작물특성 자료, 토양특성 자료 및 전라남도 5개 기상관측소 (목포, 여수, 장흥, 해남, 고흥)의 과거 (1981-2010년) 기상자료 및 기상청 HadGEM3-RA 기후모델 상세화 RCP 미래 (2011-2100년) 기후변화 시나리오를 구축하였다.
본 연구에서는 농림축산식품부 보도자료, 과거 미디어 기사 및 가뭄기록조사보고서를 활용하여 연도별 가뭄 발생 특징을 살펴보고 (Kim et al., 2012; Lee et al., 2012; Nam et al., 2013), 본 연구 결과와 비교하였다. 1980년대 가뭄 기록을 살펴보면, 1982년과 1988년에 가뭄이 발생하였다.
, 2013b). 분석을 위해 전라남도 5개 주요 기상관측소-관측소번호 (목포-165, 여수-168, 장흥-260, 해남-261, 고흥-262)의 과거 및 남한상세 시나리오의 기상자료 (기온, 강수량, 평균풍속, 상대습도, 일사량)를 수집하였으며, 기간은 과거 기준기간 (Baseline, 1981-2010년) 및 미래 단기 (2025s, 2011 ~ 2030년), 중기 (2055s, 2031 ~ 2070년), 장기 (2085s, 2071 ~ 2100년)로 분류하였다.
토양수분모형의 기초자료로써 밭작물 생육기간, 작물계수, 작물특성 자료 및 토양자료를 구축하였다. 작물 생육에 따라 생육기간을 생육 초기 (G-1), 신장기 (G-2), 생육 중기 (G-3), 생육 후기 (G-4), 생육 말기 (G-5) 5 단계로 구분하였다. 또한, 대상작물의 생육기간, 생육기간별 작물계수, 작물의 최대 뿌리깊이 및 토양수분 감소율 (Nam et al.
토양수분모형을 이용한 미래 밭작물 가뭄 전망을 위하여 토양수분 물수지모형을 구성하였다. 토양수분 물수지모형은 기상자료, 토양 및 작물 특성자료를 활용하여 토양수분을 추정할 수 있도록 식 (1)과 같이 구성하였다 (Nam et al.
토양수분모형의 기초자료로써 밭작물 생육기간, 작물계수, 작물특성 자료 및 토양자료를 구축하였다. 작물 생육에 따라 생육기간을 생육 초기 (G-1), 신장기 (G-2), 생육 중기 (G-3), 생육 후기 (G-4), 생육 말기 (G-5) 5 단계로 구분하였다.
본 연구는 전라남도 주요 밭작물 (콩, 옥수수, 감자, 고추, 가을배추, 봄배추)을 대상으로 토양수분모형을 활용하여 미래 밭작물 가뭄을 전망하였다. 토양수분모형의 기초자료로써 밭작물 생육기간, 작물계수, 작물특성 자료, 토양특성 자료 및 전라남도 5개 기상관측소 (목포, 여수, 장흥, 해남, 고흥)의 과거 (1981-2010년) 기상자료 및 기상청 HadGEM3-RA 기후모델 상세화 RCP 미래 (2011-2100년) 기후변화 시나리오를 구축하였다. 모의된 밭작물 토양수분 및 Runs 이론을 이용하여 가뭄 기간과 크기를 분석하고, 미래 밭작물의 가뭄을 전망하였다.
대상 데이터
통계청 노지재배 면적 조사결과, 전라남도 밭작물 재배면적이 가장 넓었으며, 작물로는 콩, 봄감자, 고구마 등의 생산면적이 넓었다. 따라서, 본 연구에서는 전라남도를 대상으로 콩, 옥수수, 감자와 채소 작물인 고추, 가을배추, 봄배추를 대상작물로 선정하였다.
, 2015). 본 연구에서는 Runs 이론 적용을 적용하기 위하여 토양수분의 유효수분백분율 50 %를 가뭄 판단의 기준으로 선정하였다 (Nam et al., 2008; Hunt et al., 2009; Nam et al., 2012). 가뭄 기간은 유효수분백분율이 50 % 이하로 유지하는 기간, 가뭄강도는 유효수분백분율 50 % 이하 가뭄 기간과 유효수분백분율 50 %에서 현재 토양수분함량을 뺀 차이의 곱으로, 가뭄크기는 가뭄강도에서 가뭄기간을 나눈 값으로 식 (11)-(13)과 같이 산정하였다.
이론/모형
기후변화에 따른 밭토양 토양수분 가뭄 특성을 살펴보기 위하여 기상청에서 제공하는 RCP (Representative Concentration Pathways) 기후변화 시나리오를 활용하였다. 기상청에서는 한반도 (12.5 km) 및 남한상세 (1 km) 두 가지 해상도의 기후변화 시나리오를 제공하며, 본 연구에서는 HadGEM3-RA 기후모델을 이용하여 상세화된 남한상세 시나리오를 활용하였다 (Kim et al., 2013b). 분석을 위해 전라남도 5개 주요 기상관측소-관측소번호 (목포-165, 여수-168, 장흥-260, 해남-261, 고흥-262)의 과거 및 남한상세 시나리오의 기상자료 (기온, 강수량, 평균풍속, 상대습도, 일사량)를 수집하였으며, 기간은 과거 기준기간 (Baseline, 1981-2010년) 및 미래 단기 (2025s, 2011 ~ 2030년), 중기 (2055s, 2031 ~ 2070년), 장기 (2085s, 2071 ~ 2100년)로 분류하였다.
작물증발산량은 기준작물증발산량에 작물계수를 고려하여 산정하였다. 기준작물증발산량은 FAO Penman-Monteith 증발산량 공식을 활용하여 산정하였으며 (식 (3)), 작물증발산량은 기준작물증발산량에 작물계수를 곱하여 산정하였다(식 (4)).
기후변화에 따른 밭토양 토양수분 가뭄 특성을 살펴보기 위하여 기상청에서 제공하는 RCP (Representative Concentration Pathways) 기후변화 시나리오를 활용하였다. 기상청에서는 한반도 (12.
밭작물의 경우 토양 표면의 습윤상태에 영향을 받기 때문에 토양수분함량을 고려하여 Jensen et al. (1971)이 제안한 방법에 따라 식 (5)와 같이 작물계수를 산정하였다. 토양수분함량에 따른 계수 Ka는 식 (6)과 같이 산정하며, 유효수분량을 고려한 계수로서 토양수분이 포장용수량이면 1, 위조점일때는 0이 된다.
잠재유효우량은 토양수분형을 고려하지 않고 강우량에서 유출량을 제외한 양으로 정의하였으며, 지표유출량은 일 강우량 5 mm를 무효우량으로 가정하여 NRCS (Natural Resources Conservation Service) CN (Curve Number)법을 활용하였다. 또한, 포장용수량 이상의 토양수분함량은 모두 지하배수량으로 가정하였다.
성능/효과
5 시나리오에서 최대 가뭄기간 이상의 가뭄이 발생할 확률이 있었으며, 2055s에 가뭄 심도 측면에서 가뭄에 취약할 것으로 판단된다. 배추는 봄배추는 RCP 8.5 기후변화가 발생할 경우, 과거 가뭄 최대 기간 및 심도 이상의 가뭄 가능성이 증가한 반면, 가을배추는 과거 평균 이하의 가뭄 기간 및 심도 내에서 가뭄이 발생할 것으로 분석되었다.
1988년 가뭄기록을 살펴보면, 7월 이후 가뭄이 심각해졌으며, 특히, 10월에 가뭄피해로 인한 김장채소 생육에 타격이 큰 것으로 기록되어 있다. 본 연구 결과 가을에 주로 재배되는 콩과 가을배추는 1988년 가뭄심도가 높았다. 1990년대 가뭄 기록을 살펴보면, 1994년 전국 평균 강수량은 973 mm로 물부족이 심각하였다.
특히, 1982년 가뭄은 겨울부터 계속된 가뭄으로 5월 중순 이후 비로 해갈되었음에도 불구하고 심각한 가뭄으로 기록되어 있다. 본 연구 결과, 5월에 작물 생육이 진행되는 콩, 감자, 고추, 봄배추의 경우 1982년 가뭄 심도가 컸다. 1988년 가뭄기록을 살펴보면, 7월 이후 가뭄이 심각해졌으며, 특히, 10월에 가뭄피해로 인한 김장채소 생육에 타격이 큰 것으로 기록되어 있다.
94년부터 시작된 가뭄은 96년까지도 영향을 미쳤으며, 1997년에는 남부지역 가을 가뭄이 심각하였다. 본 연구 결과에서도 대부분 작물이 1994-1997년 가뭄 심도가 컸으며, 특히 가을배추는 1997년도에 가뭄 심도가 가장 컸다. 2000년대 가뭄 기록을 살펴보면, 2000년은 5월까지 가뭄이 심했으며, 특히 논에서의 피해가 컸다.
옥수수 (4월 하순 - 8월 중순) 재배 기간 동안 가뭄사상별 평균 가뭄기간 및 강도는 과거 8.7일/57.8 mm×day에서 11.1일/73.9 mm×day (RCP 4.5-2085s) -12.4일/83.0 mm×day (RCP 8.5-2055s)로 증가하였으며, 콩과 비교하여 가뭄기간 및 강도 증가율이 높아, 콩작물과 비교하여 가뭄에 민감할 것으로 평가되었다.
작물증발산량은 과거 평균 245.1 mm에서 RCP 8.5-2085s 시나리오 (2.9 % 증가)를 제외하고 모든 시나리오에서 감소하였다 (22 % 감소: RCP 8.5-2055s – 7.5 % 감소 RCP8.5-2025s).
5-2085s) 증가하였다. 작물증발산량은 봄배추는 과거 평균 273.8 mm에서 RCP 8.5-2085s (2.4 % 증가)를 제외하고는 감소하였으며 (2.0 % 감소 (RCP 8.5-2055s) - 7.7 % 감소: RCP 8.5-2025s), 가을배추는 과거 평균 169.0 mm와 비교하여 기후변화에 의해 17.6 (RCP 4.5-2025s) - 31.7 % (RCP 8.5-2085s) 증가하였다.
주요 밭작물 과거 기간 및 미래 RCP 4.5와 8.5 시나리오에 의한 가뭄 사상 기간 및 심도의 과거 30년 평균, 1분위, 최댓값 기준, 평균 이하, 평균 초과 1분위 이하, 1분위 이상 평균 이하, 평균 초과 비율분석 결과, 옥수수와 감자는 가뭄기간은 RCP 8.5 시나리오에서 최대 가뭄기간 이상의 가뭄이 발생할 확률이 있었으며, 2055s에 가뭄 심도 측면에서 가뭄에 취약할 것으로 판단된다. 배추는 봄배추는 RCP 8.
주요 밭작물 작물 재배 기간동안 과거 및 미래 강수량 및 작물증발산량 분석 결과, 콩, 옥수수, 고추, 봄배추 재배 기간동안 강수량은 기후변화에 의해 증가할 것으로 예측되었으며, 감자는 RCP 8.5-2025s, 가을배추는 RCP 4.5-2025s, RCP 8.5-2055s 기간을 제외하고는 증가할 것으로 예측되었다. 작물 증발산량은 작물별로 기후변화에 의한 차이가 발생하였다.
작물 증발산량은 작물별로 기후변화에 의한 차이가 발생하였다. 콩의 경우 과거와 비교하여 증가할 것으로 예상되었으며, 옥수수는 RCP 4.5 시나리오에서는 감소하였으나, RCP 8.5 시나리오에서는 다소 증가할 것으로 예측되었다. 감자는 RCP 8.
토양수분모형을 이용한 미래 기후변화에 따른 가뭄기간 및 심도 변화 분석 결과, 옥수수, 콩, 감자, 고추, 봄배추는 재배 기간동안 가뭄사상별 평균 가뭄기간 및 강도가 증가하였다. 특히, 감자는 밭작물 중에 평균 가뭄기간 증가율이 가장 높았다.
5 시나리오에서 최대 가뭄기간 이상의 가뭄이 발생할 확률이 있었으며, 옥수수는 과거 가뭄기간과 비교하여 1분위 이상 최댓값 이하 기간의 가뭄이 발생 비율이 증가할 것으로 판단된다. 특히, 옥수수는 기후변화에 따라 과거 평균 심도 이상 가뭄 발생 비율이 가장 컸으며, RCP 4.5/8.5 시나리오 모두 2055s에 가뭄 심도 측면에서 가뭄에 취약할 것으로 판단된다. 평균적으로 가뭄 기간 및 심도의 증가비율이 가장 컸던 감자 (4월 초-6월 중순)는 과거 최대 심도 이상의 가뭄 발생 비율도 증가할 것으로 판단되며, 특히, RCP 8.
5 시나리오 모두 2055s에 가뭄 심도 측면에서 가뭄에 취약할 것으로 판단된다. 평균적으로 가뭄 기간 및 심도의 증가비율이 가장 컸던 감자 (4월 초-6월 중순)는 과거 최대 심도 이상의 가뭄 발생 비율도 증가할 것으로 판단되며, 특히, RCP 8.5 시나리오의 기후변화시 과거 최대 가뭄기간 이상의 가뭄이 발생할 것으로 분석되었다. 고추 (5월 중순-9월 중순)는 과거 최대 가뭄 기간 및 심도 이상의 가뭄이 발생할 수 있으나, 과거와 거의 유사한 가뭄 기간 및 심도의 가뭄이 발생할 것으로 판단된다.
후속연구
본 연구 결과는 향후 시기별 작물별 기후변화로 인한 밭작물 용수량 변화 및 가뭄 영향을 파악하고 전망함으로써 미래 밭 관개용수량 산정연구, 농업수자원 정책 및 대응 전략 수립의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 기후변화에 따른 밭작물의 가뭄 크기 및 심도의 변화는 토양수분 관리 방안 및 관개 가이드라인에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
장기적인 농업용수의 관리측면에서 기후의 변동성과 미래 밭작물의 필요수량에 대한 평가는 기후변화가 갖는 불확실한 요소를 줄여가는 하나의 방안이 될 수 있을 것으로 사료된다. 본 연구 결과는 향후 시기별 작물별 기후변화로 인한 밭작물 용수량 변화 및 가뭄 영향을 파악하고 전망함으로써 미래 밭 관개용수량 산정연구, 농업수자원 정책 및 대응 전략 수립의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 기후변화에 따른 밭작물의 가뭄 크기 및 심도의 변화는 토양수분 관리 방안 및 관개 가이드라인에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
장기적인 농업용수의 관리측면에서 기후의 변동성과 미래 밭작물의 필요수량에 대한 평가는 기후변화가 갖는 불확실한 요소를 줄여가는 하나의 방안이 될 수 있을 것으로 사료된다. 본 연구 결과는 향후 시기별 작물별 기후변화로 인한 밭작물 용수량 변화 및 가뭄 영향을 파악하고 전망함으로써 미래 밭 관개용수량 산정연구, 농업수자원 정책 및 대응 전략 수립의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기후변화가 농업에 미치는 영향?
, 2014). 기후변화 완화 노력에도 불구하고 기후변화가 지속될 것으로 전망되고 있으며, 농업분야에서는 재해 피해, 농작물 생산성 저하, 농작물 수급 불안 등 직접적 영향 및 손실을 초래할 것으로 판단된다 (Hong et al., 2009; Nkomozepi and Chung, 2011; Chung, 2012; Yoo et al.
토양수분모형 개발 및 가뭄 분석에 대한 과거 연구결과는 무엇이 있는가?
토양수분모형 개발 및 가뭄 분석에 대한 연구는 다음과 같이 진행되었다. Kendy et al. (2003)은 작물, 토양, 기후특성을 고려하여 밭 관개지역에서 1차원 토양수분모형을 개발하고 지하수 충전량을 분석하였다. Tao et al. (2003)은 중국 경작지에서 토양수분 물수지 모형을 활용하여 농업 토양수분 및 농업생산성 변화를 분석하였다. Sheffield and Wood (2008)는 전지구 수문순환 자료를 활용하여 토양수분을 모의하고 과거 전 세계 가뭄 특성을 분석하였으며, Hogg et al. (2013)는 다년간의 가뭄 영향을 토양수분지수를 이용하여 분석하였다. 국내에서는 Kim et al. (2006)과 Nam et al. (2012)이 물수지 모형과 Runs 이론을 이용하여 유역단위 농업가뭄의 정량적 평가를 하였다. 국내에서 기후변화에 의한 농업 가뭄 평가는 Nam et al. (2013)은 저수지 가뭄지수를 활용하여 농업가뭄 위험도를 평가하였으며, Kim et al. (2013a)과 Nam et al. (2015)는 RCP 기후변화 시나리오와 표준강수 증발산량지수를 활용하여 남한지역 미래 가뭄을 평가하였다. Nam et al. (2014)은 토양수분모형을 이용한 미래 주요 밭작물 소비수량 및 관개용수량을 분석하였으나, 밭작물을 대상으로 밭작물 특성 및 토양수분 변화를 고려하여 미래 가뭄을 전망한 연구는 미비하였다.
가뭄, 홍수 등 기상학적 재해의 빈도와 강도가 증가하는 이유?
전 세계적으로 기후변화와 집중호우, 이상 고온, 저온 및 이상기후로 인한 환경변화로 가뭄, 홍수 등 기상학적 재해의 빈도와 강도가 증가하고 있다 (Tao et al., 2003; Wilhite et al.
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