[논문]ORYZA2000을 이용한 유기 벼 재배 시스템의 질소 동태 및 벼 생육 모의

신재훈; 이상민; 옥정훈; 남홍식; 조정래; 안난희; 김광수

doi:10.11625/kjoa.2017.25.4.805

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The study was carried out to develop a mathematical model for evaluating the effect of organic fertilizers in organic rice production systems. A function to simulate the nitrogen mineralization process in the paddy soil has been developed and integrated into ORYZA2000 crop growth model. Inorganic ni...

The study was carried out to develop a mathematical model for evaluating the effect of organic fertilizers in organic rice production systems. A function to simulate the nitrogen mineralization process in the paddy soil has been developed and integrated into ORYZA2000 crop growth model. Inorganic nitrogen in the soil was estimated by single exponential models, given temperature and C:N ratio of organic amendments. Data collected from the two-year field experiment were used to evaluate the performance of the model. The revised version of ORYZA2000 provided reasonable estimates of key variables for nitrogen dynamics and crop growth in the organic rice production systems. Coefficient of determination between the measured value and simulated value were 0.6613, 0.8938, and 0.8092, respectively for soil inorganic nitrogen, total dry matter production, and rice yield. This means that the model could be used to quantify nitrogen supplying capacity of organic fertilizers relative to chemical fertilizer. Nitrogen dynamics and rice growth simulated by the model would be useful information to make decision for organic fertilization in organic rice production systems.

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문제 정의

본 연구는 수학적 모형을 이용하여 유기질 비료로부터 유래한 질소의 공급량과 벼의 질소 이용량을 경시적으로 파악함으로써 유기농 벼에서 합리적인 양분관리의 기준을 설정하기 위해 수행하였다. 벼 생육모형인 ORYZA2000에 유기질 비료 분해식을 추가하여 유기자원 유래 질소의 동태를 추정할 수 있도록 개선하고, 질소 동태와 수량에 대한 모형의 추정치를 포장시험을 통해 얻은 실측치와 비교 검증하여 모형의 이용 가능성을 검토하였다.

가설 설정

2015년과 2016년 포장시험과 동일한 기상조건에서 ORYZA2000 모형을 실행하여 벼의 생육과 질소 동태를 모의하였다. 벼 생육 모의 조건은 수분 또는 양분의 결핍이나 병해충에 의한 피해가 없는 잠재수량 생산 조건을 가정하였다. 토양 중 무기태질소, 건물중의 변화와 최종 수량에 대한 2년간 실측 값과 예측 값을 비교한 결과는 다음 Fig.

제안 방법

2015년과 2016년 포장시험과 동일한 기상조건에서 ORYZA2000 모형을 실행하여 벼의 생육과 질소 동태를 모의하였다. 벼 생육 모의 조건은 수분 또는 양분의 결핍이나 병해충에 의한 피해가 없는 잠재수량 생산 조건을 가정하였다.
2015년도에는 일사량이 많고 강우량이 적어 벼수량 확보에 매우 유리한 조건이었다. ORYZA2000 모델에는 완주군 이서면 소재 국립농업과학원 기상측정장치에서 측정한 평균기온, 최저기온, 일사량, 수증기압포차(vapor pressuredeficit)를 일별로 정리하여 입력하였다.
그럼에도 불구하고 ORYZA (v3)은 그 내부구조가 공개되어 있지 않고, 모의에 필요한 필수적인 파라미터에 대한 수집 등 문제로 인해 국내조건에서 바로 적용하기에는 무리가 따른다. 따라서 본 연구에서는 ORYZA2000에 국내 선행연구에서 도출된 유기물 분해식을 추가하여 유기질 비료원 투입 시 질소 동태와 이에 따른 벼의 생육을 추정할 수 있도록 ORYZA2000 모형을 수정하였다.
본 연구는 수학적 모형을 이용하여 유기질 비료로부터 유래한 질소의 공급량과 벼의 질소 이용량을 경시적으로 파악함으로써 유기농 벼에서 합리적인 양분관리의 기준을 설정하기 위해 수행하였다. 벼 생육모형인 ORYZA2000에 유기질 비료 분해식을 추가하여 유기자원 유래 질소의 동태를 추정할 수 있도록 개선하고, 질소 동태와 수량에 대한 모형의 추정치를 포장시험을 통해 얻은 실측치와 비교 검증하여 모형의 이용 가능성을 검토하였다.
, 1994). 본 연구에서는 ORYZA2000 모형을 수정하여 유기자원 분해식으로부터 산출된 무기태 질소를 지력질소와 합산하여 벼가 흡수할 수 있는 총 토양 무기태질소량을 계산하도록 하였다.
이앙기, 최고분얼기, 유수형성기, 출수기, 생리적 성숙기 등 5회에 걸쳐 생육을 조사하였다. 각 조사시기별로 엽면적과 잎, 줄기, 이삭으로 구분하여 건물중을 측정하였으며, 수확기에는 수량구성요소를 추가로 조사하였다.
토양 유기물 분해식을 벼 생육모형인 ORYZA2000에 추가하여 포장조건에서 토양 중 무기태질소의 변화와 벼의 질소흡수이용, 생육과 수량을 추정할 수 있도록 하였다. 유기물 분해식을 포함하는 ORYZA2000 모형은 투입 유기자원 재료 종류에 따른 토양 중 무기태질소를 비교적 정확하게 예측하였으며, 생육이나 수량추정결과에도 유기자원별 차이가 잘 반영되고 있음 확인하였다.

대상 데이터

질소동태 모형의 검증을 위한 시험은 전라북도 완주군 이서면 소재 국립농업과학원 유기농업격리시험포장에서 수행하였다. 시험 토양은 성토형 인위토인 인청통으로서, 토성은 식양토이고 토양 화학성은 Table 1과 같다.
처리재료로 사용된 유기자원의 질소함량은 2015년에 가축분퇴비 1.4%, 유박 6.2%, 헤어리벳치 2.7%, 호밀 1.4%였으며, 2016년에는 가축분퇴비 2.1%, 유박 4.6%, 헤어리벳치 2.9%, 호밀 0.5%인 재료를 사용하였다. 재료의 C:N율은 6.

데이터처리

같은 시기에 토양 시료를 채취하여 무기태질소를 측정하였다. 분산분석을 통해 처리별 수량에 대한 차이를 검증하였다. 분석은 SAS 통계패키지의 Proc GLM procedure를 사용하였다(SAS Institute Inc.
분산분석을 통해 처리별 수량에 대한 차이를 검증하였다. 분석은 SAS 통계패키지의 Proc GLM procedure를 사용하였다(SAS Institute Inc., 2004).
처리별 벼 수량에 대한 분산분석 결과 유기자원 재료에 따른 차이는 통계적으로 유의하였다(Table 8). 따라서 본 시험의 결과를 유기자원 재료별 질소공급과 수량에 대한 검증자료로 사용할 수 있을 것으로 판단되었다.

이론/모형

토양 및 식물체의 총 질소와 탄소함량은 C/N Analyzer (VarioMAXCN, Elementar, Germany)로 분석하였다. 토양유기물, 유효인산, 양이온 치환용량 등 토양화학성과 식물체 분석은 농촌진흥청 농업과학기술원 분석법(NIAST, 2000)에 준하여 분석하였다.

성능/효과

처리 재료에 따라서는 헤어리벳치, 화학비료, 유박 처리구에서 높은 값을 나타냈으며, 무처리구와 가축분처리구, 호밀처리구는 상대적으로 낮은 값이 유지되었다. 각 투입재료별 무기태질소 수준은 전 생육기간에 걸쳐 재료간의 차이를 잘 반영하고 있는 것으로 판단되었다.
6은 처리에 따른 시기별 벼 건물중의 변화이다. 벼의 건물중 생산량은 화학비료구가가장 높았으며, 유박, 헤어리벳치 등도 높았다. 호밀 처리구는 무처리보다 낮게 나타났다.
토양 유기물 분해식을 벼 생육모형인 ORYZA2000에 추가하여 포장조건에서 토양 중 무기태질소의 변화와 벼의 질소흡수이용, 생육과 수량을 추정할 수 있도록 하였다. 유기물 분해식을 포함하는 ORYZA2000 모형은 투입 유기자원 재료 종류에 따른 토양 중 무기태질소를 비교적 정확하게 예측하였으며, 생육이나 수량추정결과에도 유기자원별 차이가 잘 반영되고 있음 확인하였다. 다만, 본 연구에서의 토양 중 질소 동태의 모의에는 암모니아 휘산, 탈질 등으로 인한 질소의 손실은 고려하지 않고 있다는 점에 유념하여야 하며, 유기물의 분해 이후 무기태질소의 거동에 대해서는 후속 연구를 통해 보완되어야 할 것이다.
재료 처리 후 40일이 경과하면 선으로 표시한 모형의 추정 값에서는 토양 무기태질소가 모두 소진되는 것으로 추정되었으나, 표식으로 표시한 관측 값은 일정 수준 무기태질소가측정되어 생육 후기에 과소 추정하는 결과를 나타냈다.

후속연구

수학적 모형을 영농관리에 대한 의사결정을 위해 사용하기 위해서는 사용 자원이나 환경조건에 대해 검증과정이 선행되어야 한다. 그러나, 현재까지 국내 실험 결과를 바탕으로 한 모형의 검증 연구는 미흡한 실정으로 실용적인 활용에는 한계가 있다.
유기물 분해식을 포함하는 ORYZA2000 모형은 투입 유기자원 재료 종류에 따른 토양 중 무기태질소를 비교적 정확하게 예측하였으며, 생육이나 수량추정결과에도 유기자원별 차이가 잘 반영되고 있음 확인하였다. 다만, 본 연구에서의 토양 중 질소 동태의 모의에는 암모니아 휘산, 탈질 등으로 인한 질소의 손실은 고려하지 않고 있다는 점에 유념하여야 하며, 유기물의 분해 이후 무기태질소의 거동에 대해서는 후속 연구를 통해 보완되어야 할 것이다.
처리별 벼 수량에 대한 분산분석 결과 유기자원 재료에 따른 차이는 통계적으로 유의하였다(Table 8). 따라서 본 시험의 결과를 유기자원 재료별 질소공급과 수량에 대한 검증자료로 사용할 수 있을 것으로 판단되었다. 유기자원 투입구의 수량은 유박, 헤어리벳치가 높았고 그 다음으로 가축분퇴비가 높았으며, 호밀의 수량이 가장 낮았다.
본 연구에서 제시한 ORYZA2000 모형은 재료의 C:N율을 기준으로 실제 포장의 온도변화를 반영한 질소무기화와 이에 따른 유기 벼 재배시스템에서 질소의 동태를 비교적 정확하게 추정할 수 있는 것으로 분석되었으며, 향후 유기농 비료사용 처방에 참고할 수 있을 것으로 판단된다.
, 2016). 질소 무기화에 대한 연구는 대부분 실내 항온배양시험이나 컬럼 시험을 통해 이루어졌는데, 이러한 결과를 실제에 적용하기 위해서는 포장시험을 통해 검증하는 과정이 필요하며, 토양과 식물체를 포함하는 재배시스템의 질소동태에 대한 경시적인 측정과 비교연구가 반드시 필요하다.
수학적 모형의 이용은 사용하는 유기자원의 분해특성과 환경조건의 영향을 정량적으로 파악할 수 있다는 장점이 있다. 특히 다양한 유기질 비료가 사용되는 유기농업에서 질소의 공급량을 최대한 정확히 추정할 수 있기 때문에, 유기농 비료사용 처방 등 실용적 목적에도 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 수학적 모형을 영농관리에 대한 의사결정을 위해 사용하기 위해서는 사용 자원이나 환경조건에 대해 검증과정이 선행되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유기질 비료의 특성은?	따라서 퇴비나 풋거름 작물과 같은 유기질 비료는 유기농 작물의 양분관리를 위한 주된 수단이 된다. 유기질 비료는 자원의 특성별로 분해 양상이 다를 뿐 아니라 환경의 영향을 크게 받기 때문에 양분의 공급 측면에서 불확실성이 상대적으로 크다. 그러므로 유기농경지에서 양분의 투입은 유기물의 분해과정에서 일어나는 질소 동태를 정밀하게 예측하고 이를 바탕으로 결정하는 것이 바람직하다.
	유기농업이란 무엇인가?	유기농업에서는 합성농약, 화학비료 등 화학자재를 사용하지 않고 농어업 부산물을 재활용을 통해 농작물을 재배하는 것을 기본으로 한다. 따라서 퇴비나 풋거름 작물과 같은 유기질 비료는 유기농 작물의 양분관리를 위한 주된 수단이 된다.
	유기농업에서 양분관리를 위해 주로 사용하는 수단은?	유기농업에서는 합성농약, 화학비료 등 화학자재를 사용하지 않고 농어업 부산물을 재활용을 통해 농작물을 재배하는 것을 기본으로 한다. 따라서 퇴비나 풋거름 작물과 같은 유기질 비료는 유기농 작물의 양분관리를 위한 주된 수단이 된다. 유기질 비료는 자원의 특성별로 분해 양상이 다를 뿐 아니라 환경의 영향을 크게 받기 때문에 양분의 공급 측면에서 불확실성이 상대적으로 크다.

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