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대호 창
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1 Korean Journal of Environmental Agriculture Korean J Environ Agric (13) Online ISSN: Vol. 32, No. 4, pp Print ISSN: Short Communication Open Access 국내벼논에서메탄기본배출계수개발 김건엽, 1 정현철, 1 주옥정, 2 김희권, 3 박준홍, 4 권효숙, 5** 김필주 5,6* 1 농촌진흥청국립농업과학원, 2 경기도농업기술원, 3 전라남도농업기술원, 4 경상북도농업기술원, 5 경상대학교응용생명과학부, 6 경상대학교농업생명과학연구원 Establishment of Baseline Emission Factor of Methane in Korean Rice Paddy Soil Gun-Yeob Kim, 1 Hyun-Cheol Jeong, 1 Ok-Jung Ju, 2 Hee-Kwon Kim, 3 Jun-Hong Park, 4 Hyo-Suk Gwon 5** and Pil- Joo Kim 5,6* ( 1 National Academy of Agricultural Science, RDA, 2 Gyeonggido Agricultural Research and Extension Services, 3 Jeollanamdo Agricultural Research and Extension Services, 4 Gyeongsangbukdo Agricultural Research and Extension Services, 5 Division of Applied Life Science, Gyeongsang National University, Jinju, 66-71, South Korea, 6 Institute of Agriculture and Life Science, Gyeongsang National University, Jinju, 66-71, South Korea) Received: 9 November 13 / Revised: 11 November 13 / Accepted: 15 November 13 c 13 The Korean Society of Environmental Agriculture This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract BACKGROUND: Methane (CH 4 ) emission is calculated using the default CH 4 emission factor as recommended by the International Panel on Climate Change(IPCC guidelines). However, the default emission factor has been derived using including the data from other countries having different soil and environmental conditions and may not reflect the real CH 4 emission rates in Korea. The objective of this study was to estimate the baseline emission factor of CH 4 in Korean paddy soils during rice cultivation. METHODS AND RESULTS: Methane emission patterns were characterized in four different paddy soils across country for a consecutive 3 years during the rice cultivation period. Rice plants were cultivated under continuous flooding and fertilized using the recommended chemical fertilization in Korea (N-P 2 O 5 -K 2 O= kg/ha). The * 교신저자 (Corresponding author), Phone: ; Fax: ; pjkim@gnu.ac.kr ** 공동교신저자 (Corresponding author), Phone: ; Fax: ; sky94@paran.com mean CH 4 emission rate was 2.32 kg CH 4 /ha/day and the uncertainty of the investigated data was 21.7%, with a valuable error range at kg CH 4 /ha/day with a 95% confidence interval. CONCLUSION(S): Conclusively, the Korean paddy soils baseline emission factor of CH 4 is approximately 2.32 kg CH 4 /ha/day and can be used to estimate the CH 4 emissions more exactly. Key words: Baseline emission factor, Korean paddy soil, Methane, Rice 서론 Revised 6 IPCC Guidelines 상에는벼논에서메탄배출량을산정하는방법론은크게 Tier 1, 2, 3로구분하고있다 (IPCC, 6). Tiers는방법의복잡성정도를나타내는것으로써, 방법론의선택은배출계수 (emission factor) 및활동자료 (activity data) 확보수준에따라달라질수있다. 농경지중벼논이거의없거나, 혹은우리나라와같이국가고유의배출계수가아직준비되어있지않을경우에는 Tier 1 방법으로메탄배출량을산정할수있다. 이때는 IPCC 가이드라 359

2 36 KIM et al. 인에서제시하고있는메탄배출계수와활동자료등을활용하여연간메탄배출량을산정할수있다 (IPCC, 6). 이와는상대적으로 Tier 2 수준에서는각국고유메탄배출계수와활동자료를활용하여정확한메탄배출량을산정한다. Tier 2 수준으로벼논의메탄배출량을산정하기위해서는우리나라벼논에서의고유메탄배출계수를우선적으로산정하여야한다. 그리고메탄발생량에영향을줄수있는다양한경종환경에서의보정계수 (Scaling factor) 의조사가선행되어야한다 (IPCC, 6). Tier 3은장기간반복시험을통해얻어진각지역별고유메탄배출특성과메탄배출량관련제한인자, 예를들어기후, 토양및작물특성등과의상관성을이용하여지역고유의메탄배출량을추정하는방법론으로서높은수준의정확한자료를얻을수있는장점을가지고있다 (IPCC, 6). 그러나 Tier 3 수준의메탄배출량평가를위해서는메탄배출량관련다양한제한인자의조사가선행되어야한다. 벼논에서메탄배출량은 1일메탄배출계수 (kg CH 4 /ha/day) 와벼재배기간 (day), 벼재배면적 (ha/yr) 의곱을통해산정하고있다 (IPCC, 6). 지금까지우리나라벼논에서메탄배출량은 Revised 6 IPCC Guidelines에서제시하고있는 default 값 (1. kg CH 4 /ha/day) 을이용하여 Tier 1 수준에서평가되어왔다. 이는우리나라벼논에서발생하는실제메탄배출량과는상당한차이가있을것으로생각된다. 벼논에서의메탄배출계수는지역의기후특성, 토양의유기물함량, 시비및물관리유형등에따라크게달라질수있는특징을가지고있다 (Yagi et al., 1996; Sass et al., 1994; Wassmann and Aulakh, ). 그러나현재 Revised 6 IPCC Guidelines에서제시하고있는 default 값은일본이아시아전역의벼재배지 3 site로부터수집된 868개의메탄배출량자료 (seasonal data) 를취합통계처리를통해얻어진평균값을사용하고있다 (Yan et al., 5; IPCC, 6). 상당수의자료가우리나라토양보다유기물함량이낮은남중국베트남태국등에서조사된자료가포함되어있어우리나라벼논에서의메탄배출계수와는다소차이가있을것으로판단된다. 우리나라벼논에서의정확한메탄배출량을산정하기위해서는우리의토양과기후특성, 그리고벼재배환경에맞는고유의메탄배출계수 (baseline emission factor) 의설정이먼저이루어져야할것으로판단된다. 본연구에서는우리나라벼논에서고유의메탄배출계수를산정하기위해전국의 4개지역벼논에서상시담수와표준시비 (N-P 2 O 5 -K 2 O= kg/ha) 하에서벼재배기간중메탄배출량변화를조사하였다. 재료및방법 메탄배출계수개발의이론적배경 Revised 6 IPCC Guidelines에따라벼논에서메탄총배출량은아래식 1과같이 1일메탄배출계수 (daily emission factor) 와총재배기간, 그리고재배면적을이용하 여환산하고있다. CH 4 Emissions (Gg/yr)= ijk (EF ijk t ijk A ijk -6 ) ( 식 1) 여기서, EF ijk (kg CH 4 /ha/day) 는 i, j, k 조건에서의 1일메탄배출계수 t ijk (day) 는 I, j, k 조건에서의벼재배기간 A ijk (ha/year) 는연간벼재배면적 이때 1 일메탄배출계수 (EF i, kg CH 4 /ha/day) 는식 2 에서와같이기본배출계수 (EF c ) 와주요작물재배조건별보정계수 (scaling factor, SF) 를이용하여환산하고있다. EF i =EF c SF w SF p SF o SF s,r ( 식 2) 여기서, EF c (kg CH 4 /ha/day) 는기본배출계수 (baseline emission factor) SF w 는벼재배기간중물관리방법 (water regime) 에대한보정계수 SF p 는벼재배전 (pre-season) 물관리방법에대한보정계수 SF o 는유기질토양개량제처리에대한보정계수 SF s,r 는가능하다면토양유형, 벼품종등에대한보정계수 우리나라벼논에서의메탄배출량을정확하게산정하기위해서는 1차적으로우리의벼재배환경하에서의고유기본배출계수 (baseline emission factor, EF c ) 의설정이선행되어야한다. 기본메탄배출계수설정을위한조사지역선정우리나라벼논의메탄기본배출계수 (EF c, baseline emission factor) 를설정하기위해, 아래 Table 1에서와같이남한의북부지역 ( 경기도화성 ) 중부지역 ( 대구 ) 남부지역 ( 광주와경남진주 ) 의벼논을조사포장으로선정하였다. 이때광주와대구지역에서는 9년포장을설치하였으며, 화성과진주지역에서는 년포장을설치운영하였다. 기본메탄배출계수를얻기위해농촌진흥청에서고시하고있는표준벼재배관리방법 (RDA, 1999), 예를들어작기중상시담수 (continuos flooding) 조건에서추천시비량 (N-P 2 O 5 - K 2 O= kg/ha) 으로벼를재배하였다 (Table 2). 벼재배관리방법은지역의특성에따라다소간의차이가있었으나, 기본적으로이앙 2-3주전담수를시작하여벼수확약 1 개월전까지배수관리하였다. 이때재식거리는 15 cm cm로조절하였다. 그리고공시품종은각지역의추천벼품종을선발하였으며, 조사기간중일정하게재배관리를하였다. 예외적으로경남진주에서는전국적으로재배면적이많은

3 Establishment of Baseline Emission Factor of Methane in Korean Rice Paddy Soil 361 Table 1. Soil properties selected for investigating CH 4 emission factor Parameter Hwaseong Daegu Gwangju Jinju Soil series Jisan Shinhung Duckpyeong Pyeongtaeg Soil texture CL CL CL SiCL ph (1:5 with H 2 O) Organic matter (g/kg) Available P 2 O 5 (mg/kg) Exchangeable cation (cmol c /kg) K Ca Mg Sampling site (GPS reading) N, E N, E N, E N, E Table 2. General information of rice management in the selected sites Parameter Hwaseong Daegu Gwangju Jinju Transplanting May 18- May 29-June 2 June 8 June 1-12 Draining September 8-15 September -12 September -12 September 12- Harvesting October October 8-9 October October 6-21 Cultivation day Rice cultivar Samkwang Chilbo Hopum Dongjin, Chuchung, Ilmi, Nampyeong, Junam, Samkwang 6개의중만생벼품종 ( 남평, 동진, 삼광, 일미, 주남, 추청 ) 을선발하여품종간메탄발생량차이를평가하였다. 그리고본연구에서는이상의 6개선발벼품종의메탄배출량을평균하여해당지역의메탄배출계수환산에활용하였다. 이때모든실험과조사는 3반복으로실시되었다. 메탄배출계수조사 가. 조사시설설치벼재배기간중메탄배출량은국제적으로공인된 Simplified closed chamber method로조사하였다 (Rolston 1986). 벼이앙직후투명아크릴챔버 ( 가로 62 cm 새로 62 cm 높이 112 cm) 을각 Plot 의대표지점에안정적으로설치하였다. 이때는챔버내에는재식거리 15 cm cm 로총 8 개의벼포기를이앙하였다. 그리고아크릴챔버하단사방에는총 4개의구멍을설치하여물의왕래가가능하도록하였다. 챔버의중간부분과뚜껑부분에소형 Fan을설치하여시료채취기간중공기가잘혼합되도록하였다. 시료채취시간이외의전기간동안챔버의뚜껑은열린상태를유지하였다. 조사기간중토양의산화환원전위 (Eh value), 대기와토양의온도가함께조사되었다. 토양의산화환원전위는벼포기사이중간지점에약 5cm 깊이로백금전극을설치하고 Eh meter로조사하였다. 그리고가스시료채취시기마다대기와토양온도, 그리고토양의산화환원전위값을함께기록하였다. 가스중메탄농도는 Gas chromatograph를이용하여정량하였다. 이때 Porapak NQ column (Q 8- mesh) 과 Flame ionization detector (FID) 가이용되었으며, column-injector-detector 온도는 8--1 로각각조절하였다. 나. 메탄배출량산정메탄배출율 (CH 4 emission rate) 은 Closed chamber의뚜껑을닫기전과닫은지 분경과후농도차를이용아래식 3과같이계산하였다 (Rolston 1986). F = ρ (V/A) (Δc/Δt) (273/T) ( 식 3) 여기서, F 는메탄배출율 (CH 4 flux, mg CH 4 /m/h), ρ 는메탄의밀도 (.714g/L, 1atm, ), V 는챔버부피 (chamber volume, m 3 ), A는챔버넓이 (chamber area, m 2 ), Δc/Δt는챔버내메탄가스축적율 (CH 4 gas accumulation rate in the chamber, mg CH 4 /m/h), T는챔버내절대

4 362 KIM et al. 온도 (273+mean temperature in the chamber, ). 벼재배기간중총메탄배출량 (seasonal CH 4 flux) 은아래의식 4를이용하여환산하였다 (Singh et al. 1999). Seasonal CH 4 flux = i n (R i D i ) ( 식 4) 여기서, R i 는 i 번째시료채취시기에메탄배출율 (CH 4 flux, mg CH 4 /m/day), Di는 i 번째시료채취시기에시료채취간격 (day). 다. 1일메탄배출특성평가 Revised 6 IPCC Guidelines에따라벼논에서작기중메탄배출량을산정하기위해서는, 하루 24 시간동안의메탄배출량변화를조사하여하루평균메탄배출계수의산정이선행되어야한다. 이를바탕으로평균메탄배출계수와유사한시간대를설정하고이후이시간대에지속적인가스시료채취가이루어져야한다. 우리나라벼논에서 1일메탄배출특성변화를평가하기위해진주의논포장에서, 9년벼의개화기중하루를선발하여 1일메탄배출량변화를매 3시간간격으로총 8회조사하였다 (Fig. 1). 이때 1일평균메탄배출량은 2.75 kg CH 4 /ha/day 이었으며, 이는하루중 11 시부근의메탄배출계수와유사한수준이었다. 이는 IPCC 가이드라인에서추천하고있는벼논에서의가스채취시간 :-12:은이전의다른연구보고서관측시간과유사하였다 (Yagi and Minami, 199, Adhya et al., 1994). 이상의연구결과를바 탕으로, 본연구에서는하루중 11:-12: 사이매주 2 회씩가스시료를채취하여분석에활용하였다. 불확도 (Uncertainty) 평가 IPCC에서는불확도 (Uncertainty) 평가를통해생산자료의신뢰성확보를요구하고있다 (IPCC, 6). 우리나라벼논에서메탄배출기본계수를구하기위하여 3년간전국 4개지역에서조사된평균 1일메탄배출계수의정규분포 95% 신뢰구간 (error range) 을산정하였고, 본 Error range의절대값을평균배출계수로나누어자료의불확도 (%) 를평가하였다 (SRI report, 11). 결과및고찰 전국 4개지역논토양에서 3년동안조사된벼재배기간중메탄배출량변화는벼품종, 조사지역, 그리고조사년차와관계없이거의일정한변화양상을보였다 (Fig. 2). 벼이앙초기메탄배출량은비교적낮았으나식물체의생육단계발달과함께빠르게증가하여출수기전후에최대발생량을보였다. 이후메탄배출량은시간이지남에따라크게감소하여수확을위해논물의배수처리와함께대기메탄농도수준까지감소하였다. 조사기간중토양의산화환원전위 (Eh value) 변화는조사지역의강우양상등의영향으로다소간차이가있었으나, 전체적으로는토양의 Eh value는메탄배출양상과거의반대양상으로변화되었다 ( 자료제시생략 ). 벼이앙초기토양의 Eh Methane emission rate (mg CH 4 /m 2 /h) Mean CH 4 emission rate Gas sampling time (hours) Fig. 1. Changes of CH 4 emission rates for 24 hours a day at panicle forming stage in a rice paddy soil in Jinju.

5 Establishment of Baseline Emission Factor of Methane in Korean Rice Paddy Soil 363 value는약 + mv 수준으로비교적높은산화상태를보였으나, 담수시간이경과하고식물체생체량이증대되면서토양의 Eh value는빠르게낮아지는양상을보였다. 벼이앙후약 -일째부터는거의대부분토양 Eh value가 - mv에서 -27 mv 사이에서안정화되었다. 토양의 Eh value 가 - mv 이하일때메탄생성균 (methanogen) 에의해유기산이 CH 4 으로전환되거나토양공기중이산화탄소와물이반응하여 CH 4 을생성하는것으로알려져있다 (Garcia et al., ). 일반적으로본연구에서도이시기메탄발생량이크게증가하는현상을볼수있었다. 그리고벼수확약 일전관개중단과함께토양 Eh value는빠르게상승하여수확기에는약 + mv의산화상태로전환되었다. 조사지역에따라선발벼품종과기온등의재배환경차이로인해벼의총재배기간및벼의수량등은다소간차이가있었다 (Table 3). 북부지역경기도화성에서의벼재배기간은 일로가장길었으며, 기타지역에서는 일내외로비슷하였다. 이상의벼재배기간중 1일평균메탄배출량을의미하는메탄배출계수 (CH 4 emission factor) 는조사지역간다소간의차이가있었다. 그러나동일조사지역내에서조사연차간메탄배출계수는큰차이가발생되지않았다 (Table 4). 대기와토양온도가가장높았던대구의작기중메탄배출계수는평균 3.32 kg CH 4 /ha/day로타지역에비해크게높았으며, 상대적으로광주지역의평균메탄배출계수는 1.49 kg CH 4 /ha/day으로가장낮게낮았다 (Table 4). 이상의 4개지역에서 3년간조사된작기중메탄배출계수는평균 2.32 kg CH 4 /ha/day이었다. 이때조사자료대부분은오차범위 (error range) kg CH 4 /ha/day 안에분포하였으며, 95% 신뢰구간에서평가한불확도 (uncertainty) 는약 21.7% 이었다. 이상의결과를종합할때우리나라논토양에서벼작기중메탄의기본배출계수는약 2.32 kg CH 4 /ha/day 수준으로평가되었다. 메탄기본배출계수 2.32 kg CH 4 /ha/day는 6 IPCC Guidelines에서유기물투입이없고벼이앙전 18일보다적은기간동안건답으로유지되고상시담수관리를통해벼를재배하는논토양조건에서제시하고있는 Default CH 4 baseline emission factor 1. kg CH 4 /ha/day 에비해약 1.8 배이상높은값이었다 (IPCC, 6). 일본농업환경기술연구소 (National Institute for Agro-Environmental Science) 를중심으로개발된 IPCC의 Default CH 4 baseline emission factor는아시아전역의 3개지역논토양에서 868 벼작기중자료 (seasonal data) 를활용하여환산된값이며 (Yan et al., 5), 조사과정중토양유기물함량이낮은남중국태국베트남등의자료가상당수포함되었기때문에 IPCC의 Default CH 4 baseline emission factor가우리나라논토양의메탄배출계수 (2.32 kg CH 4 /ha/day) 에비해크게낮았던것으로판단된다. Hwaseung Daegu Methane emission rate ( mg CH 4 /m 2 /h) Gwangju Jinju Methane emission rate ( mg CH 4 /m 2 /h) Day after transplanting Fig. 2. Methane emission patterns in paddy soils located at 4 different sites under the standard fertilization and the continuous flooding during rice cultivation.

6 364 KIM et al. Table 3. Comparison of climate condition and yield properties in paddy soils located at 4 different sites during rice cultivation Parameter Hwaseoung Daegu Gwangju Jinju 1st year Mean air temperature ( ) Mean soil temperature ( ) Precipitation (mm) Sunshine hour (hour) Grain yield (Mg/ha) nd year Mean air temperature ( ) Mean soil temperature ( ) Precipitation (mm) Sunshine hour (hour) Grain yield (Mg/ha) rd year Mean air temperature ( ) Mean soil temperature ( ) Precipitation (mm) Sunshine hour (hour) Grain yield (Mg/ha) Table 4. Comparison of CH 4 emission factors (kg CH 4/ha/day) in paddy soils located at 4 different sites during rice cultivation under the recomended fertilization and the continuous flooding Year Hwaseong Daegu Gwangju Jinju Mean Error range 1st year nd year rd year Mean Error range * Note) * Error range within 95% confidence intervals. 결론 우리나라논토양에서작기중메탄의기본배출계수를산정하기위해, 전국 4개지역의논토양에서 3년간작기중메탄배출량을조사하였다. 벼는상시담수관리하에서추천량의화학비료를시비 (N-P 2 O 5 -K 2 O= kg/ha) 하여재배하였다. 3년간전국 4개지역에서벼작기중메탄의평균배출량은 2.32 kg CH 4 /ha/day이었으며, 95% 신뢰구간유효오차범위 kg CH 4 /ha/day에서의불확도 (uncertainty) 는 21.7% 이었다. 결과적으로우리나라논에서벼재배기간중배출되는메탄의기본배출계수는약 2.32 kg CH 4 /ha/day 으로평가되었다. Acknowledgement This work was carried out with the support of Cooperative Research Program for Agriculture Science & Technology Development (Project No. PJ9315) Rural Development Administration, Republic of Korea. References Adhya, T.K., A.K. Rath, P.K. Gupta, V.R. Rao, S.N. Das, K.M. Parida, D.C. Parashar, and N. Sethunathan Methane emission from flooded rice fields under irrigated conditions, Biol. Fertil. Soils. 18,

7 Establishment of Baseline Emission Factor of Methane in Korean Rice Paddy Soil 365 Garcia, J.L., B.K.C. Patel, and O. Ollivier,. Taxonomic, phylogenetic and ecological diversity of methanogenic archaea, Anaerobe. 6, IPCC, 6. IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories. Institute for Global Environmental Strategies, Hayama, Japan. RDA, Fertilization Standard of Crop Plants. National Institute of Agricultural Science and Technology, Suwon, p Rolston, D.E., Gas flux. In: Klute, A. (Eds.), Methods of Soil Analysis, Part 1, second ed. ASA and SSSA, Madison, WI, pp Sass, R.L., Short summary chapter for methane. In: Minami et al. (Eds.) CH 4 and N 2 O-Global Emissions and Controls from Rice Fields and Other Agricultural and Industrial Sources, Yokendo Publishers, Japan, pp Singh, S., J.S. Singh, and A.K. Kashyap, Methane flux from irrigated rice fields in relation to crop growth and N-fertilization, Soil Biol. Biochem. 31, Wassmann, R., and M.S. Aulakh,. The role of rice plants in regulating mechanisms of methane emissions, Biol. Fertil. Soils. 31, -29. Yagi, K., and K. Minami, 199. Effect of organic matter application on methane emission from some japanese paddy fields, Soil Sci. Plant Nutr. 36(4), Yagi, K., H. Tsuruta, K. Kanda, and K. Minami, Effect of water management on methane emission from a Japanese rice paddy field: Automated methane monitoring, Glob. Biogeochem. Cycles., Yan, X., K. Yagi, H. Akiyama, and H. Akimoto, 5. Statistical analysis of the major variables controlling methane emission from rice fields, Glob. Change Biol. 11,

03-서연옥.hwp

03-서연옥.hwp 농업생명과학연구 49(4) pp.31-37 Journal of Agriculture & Life Science 49(4) pp.31-37 Print ISSN 1598-5504 Online ISSN 2383-8272 http://dx.doi.org/10.14397/jals.2015.49.4.31 국가산림자원조사 자료를 적용한 충남지역 사유림경영율 추정 서연옥