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세은 승
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1 ISSN Korean J. Soil Sci. Fert. 45(6), (2012) 보문 논에서 SRI (System of Rice Intensification) 물관리방법을적용한온실가스저감효과 김건엽 * ㆍ이슬비ㆍ이종식ㆍ최은정ㆍ유종희농촌진흥청국립농업과학원 Mitigation of Greenhouse Gases by Water Management of SRI (System of Rice Intensification) in Rice Paddy Fields Gun-Yeob Kim*, Seul-Bi Lee, Jong-Sik Lee, Eun-Jung Choi, and Jong-Hee Ryu National Academy of Agricultural Science(NAAS), RDA, Suin-ro 150, Gwonseon-gu, Suwon-si , Korea Water competition among domestic, industrial and agricultural sectors has been gradually heightened recently in Korea as the lack of water supply is expected in the near future. About 46% of nation's water use is consumed in paddy farming to produce rice. And the conservation of water resource and quality in agricultural sector is a pending issue in the nationʼs long term water management plan. New paddy rice farming techniques that use significantly less irrigation water are urgently required. System of Rice Intensification (SRI) that is now well known to produce more rice with less water consumption has not been tried in Korea yet. And environmental effect of SRI on greenhouse gases (GHGs) has not been well investigated. The objective of this study was to measure the effect of SRI on GHGs as well as water use and rice yield in a Korean paddy condition. Three experimental runoff plots 5 15 m in size were prepared at an existing paddy field. Runoff, GHGs emission and water quality were measured during the 2011 growing seasons while a Japonica rice variety was cultivated. Rice plants grew better and healthier in SRI plots than in continuously flooded (CF) and intermittently drained (ID) plots. Rice yield from SRI plots increased (ID) (CF)% compared with CF and ID plots. Irrigation requirement of SRI plots compared to CF plot reduced by 52.6% and ID plot reduced by 62.0%, meaning that about % of irrigation water could be saved. GHGs emission from SRI plots reduced by 71.8% compared to that from CF plot and by 18.4% compared to that from ID plot, meaning that SRI could help contribute to ease the greenhouse gas accumulation in the atmosphere. It was believed that SRI is a promising paddy farming technique that could increase rice yield, and reduce irrigation water requirement and GHGs emission not just in Korea but also other rice farming countries all over the world. However, it was recommended that long term studies under different conditions including rice variety, soil texture, water source, climate need to be conducted for reliable data for the development of environmental policies related to GHGs emission control and management. Key words: Irrigation, Paddy, System of rice intensification, greenhouse gas emission 서 언 지표면에서반사되는적외선을흡수하여대기열수지및온난화에영향을주는 CH 4 은지구온난화잠재력 (Global Warming Potential; GWP) 이 CO 2 대비 21 배로농경지에서 CH 4 배출은토양조건이혐기적인상태에서발생되므로우리나라에서는담수상태로재배되는논토양이주배출원으로알려져있다. 논토양은담수상태인관계로대기로부터산소공급이원활하지않기때문에토양내유기물은혐기적 접수 : 수리 : * 연락저자 : Phone: gykim@rda.go.kr 분해과정을거치면서밭토양에서발생되지않는여러미량기체들이배출된다. 지구온난화잠재력이 CO 2 대비 310 배에해당하는 N 2O의주배출원은질소질비료및가축분뇨인것으로알려져있다 (IPCC, 1996). 이들온실가스중논에서가장많이배출되는것은메탄가스이며, 논물관리에따라메탄의배출량이증감이된다. 최근농업분야에서는벼생산성증대와관개용수절약을위한 SRI (System of Rice Intensification) 재배방법의도입이확산되고있다. SRI는 1980 년대아프리카동쪽마다가스카르에서프랑스인선교사에의해기초가마련되었다. 그후 Norman (2008) 에의하여전세계로널리확산되고있는추

2 1174 김건엽ㆍ이슬비ㆍ이종식ㆍ최은정ㆍ유종희 세이다. 국제미작연구소 (IRRI) 는 2004 년에 21 세기논농업의연구개발목표로농지의생산성증대, 관개용수의효율성증대, 낮은비용높은생산성농업기술개발, 환경친화적재배기술개발, 병충해저항성증대기술개발, 기후변화대응성의향상, 쌀의품질개선, 그리고농업인의수익성개선등 8가지를제시하였다. 이와같은 8가지의목표를만족시킬수있는논벼재배방법으로각광받는방법중의하나가 SRI 이며, SRI 벼재배방법의가장큰효과는벼생산성제고와용수공급량절감을들수있다 (IRRI, 2007). 따라서본논문에서는온실가스배출이 SRI 재배방법의논물관리를통해온실가스감축효과와벼생산성효과를정량적으로밝히고온실가스관리에필요한기초자료를제공하고자하였다. 재료및방법 본시험은온실가스배출이 SRI 재배방법의논물관리를통해온실가스감축효과를살펴보기위해춘천시에위치한강원대학교의벼재배시험포장에서 2011 년에수행하였다. 시험포장의토양입도분포는모래 48.6%, 미사 35.8% 및점토 17.5% 로양토이며, 토양은유기물함량이 28.0 g kg -1 이고유효인산이 mg kg -1 이었다 (Table 1). 그리고강수량은자동기상관측장치 (Automatic Weather Station) 를이용하여측정하였다. 벼의공시품종은오대벼로 4월 22 일파종하고 5월 6일에이앙하였으며, 재식거리가 cm, 수확은 9월 6일에하 였다. 시비는농촌진흥청작물별시비처방기준 (1999) 에의한표준시비방법으로하였다. 시비처리로화학비료는 N-P 2O 5- K 2O : kg ha -1 질소는요소를 2회분시, 인산은용성인비로전량기비, 칼리는염화칼리를 1회분시하였으며, 논물관리처리는상시담수와벼생육기간중 2회 ( 이앙후 30일부터 10일간및이삭패기전 35일부터 10일간 ) 낙수한간단관개그리고완전물떼기를제외한전생육기간동안 1 2 cm 담수깊이까지논물을채운다음자연소모 ( 토양중침수와증발 ) 로토양바닥이실금이보이면물을다시 1 2 cm 관개하는 SRI 물관리농법처리등 3처리를두었다. 물관리는 SRI 처리에서장마철기간인 7월 20 일 8 월 6 일에는실시하지않았으며, 간단관개처리는중간낙수를 10 일간 (6월 11일 6 월 20 일 ) 1회실시하였다. CH 4 와 N 2O 플럭스를조사하기위해簡易閉鎖靜態 chamber 법 (Shin 등, 1995) 을이용하였으며, 설치된 chamber 는밑면적이 0.36 m 2 ( m) 이고높이가 1 m인투명한 polyacrylic plastic 의소재로제작하였다 (Fig. 1). 가스시료채취는 Yagi (1991) 의방법에의하여 10:00 13:00 시사이에 60 ml 주사기로 1주일에 2회채취하여분석하였다. Chamber 내온도와토양온도, 수온, 토양 Eh ( 산화환원전위 ) 는가스시료채취를시작할때와끝날때측정하였다. 채취한공기시료의 CH 4 농도는 6 port gas sampling valve 가장착된 GC-FID (Varian 3800) 로분석하였으며, column 은 Porapack N (80/100 mesh) 을충전한 1/8 2 m의 stainless steel tubing column 이었고 carrier gas 는 N 2 로유속을분당 30 ml 로조절하였다. N 2O 농도는 10 port 와 4 port valve Table 1. Chemical properties of soil before experiment. Exch. Cation ph O.M. Av.P 2O 5 Av. SiO 2 K Ca Mg (1:5) g kg mg kg cmol c kg Fig. 1. Daily rainfall amount in Chuncheon from May to October in 2011.

3 SRI 물관리방법의온실가스저감효과 1175 Table 2. Gas Chromatographic analysis conditions for CH 4 and N 2O measurement. Detector FID ECD Packing material Porapack N (80/100) Porapack Q (80/100) Column Materials Stainless steel Stainless steel O.D. length 1/8" 2 m 1/8" 2 m Carrgier gas N 2 N 2 Flow rate 30 ml/min 30 ml/min (Carrier+make up) Column Temperature Injector Detector Retention time 0.63 min 3.2 min Concentration of calibration gas 9.6 and 100 ppmv CH 4 in N and 1.0 ppmv N 2O in N 2 Loop 2 ml 2 ml Table 3. Yield of unhulled rice in paddy field under different water management. Treatments Yield of unhulled rice (kg ha -1 ) CF 5,463 ID 5,622 SRI 6,341 CF (Continuously flooded), ID (ntermittently drained), SRI (System of Rice Intensification) 를장착한 GC-ECD (Varian 3800) 를사용하였고 column 은 Porapack Q (80/100 mesh) 를충전한 1/8 2 m의 stainless steel tubing column, 그리고 Detector 의온도는 320 로하였다. CH 4 및 N 2O 분석조건은 Table 2와같다. 플럭스는다음식에따라서계산 (F : mg m -2 hr -1 ) 하였다. F = ρ V A -1 Δc Δt T -1 ρ는가스밀도 (mg m -3 ), A는 chamber 바닥면적 (m 2 ), V는 chamber 내공기체적 (m 3 ), Δc/Δt 는 chamber 내가스농도의평균증가속도 (10-6 m 3 m -3 hr -1 ), T는 chamber 내평균기온 (K) CH 4 및 N 2O ρ값 (T=273 K) 은다음과같다. ρ CH4 = ρ N2O = 1.96, ρ N2O-N = 1.25 지구온난화잠재력 (GWP; Global Warming Potential) 은 CO 2, CH 4, N 2O 배출량을 CO 2 상당량으로환산하기위하여 CH 4 과 N 2O 총배출량에지구온난화잠재력인 21 배와 310 배를각각곱하여환산하였다 (IPCC, 1995). 결과및고찰 이앙부터수확까지벼재배기간동안일강우량은 0.3 mm mm 의범위로큰차이를보였으며, 총 48 회에걸쳐비가내렸다. 특히, 6월 22 일이후약 8일동안지속적인강우로인해 400 mm 이상의폭우가내렸고, 7월 24 일부터 28 일까지 4일간약 500 mm 이상의기록적인강우량을보였다. Table 3에서물관리별벼수량은 SRI 처리에서 6,341 kg ha -1 로가장수량이높았으며, 상시담수 (CF) 에비해간단관개 (ID) 와 SRI 처리에서각각 13.8% 와 11.3% 증수되었다. 논물관리에따른쌀의품질은 Table 4와같다. SRI 처리에서는한국의양질미품종선발기준의단백질함량인 6% 에비교적가까운수치를기록하였으며, 쌀의품질에서완전립 (Head rice) 의경우가장높은값을나타냈다. 이에반해상시담수와간단관개처리는단백질함량이 7.9% 로높게측정되었는데단백질함량과식이치 ( 윤기치, Palatability) 는반비례관계로단백질함량이높은상시담수와간단관개의경우식이치가 로가장낮게측정되었다. 재배기간중용수사용량은이앙전써레질 3.75 m 3 를제외하고상시담수처리의경우총용수사용량이 46.6 m 3 으로나타났으며, 중간낙수 2회처리한간단관개처리는 39.5 m 3, SRI 물관리처리가 24.5 m 3 로나타나, 상시담수대비각각 15.2%, 47.4% 의농업용수를절감한것으로조사되었다 (Table 5). 벼생육기간중물관리처리별메탄과아산화질소배출의경시적변화는 Fig. 2와같다. 생육초기까지메탄배출의변동 (5월 13 6 월 22 일 ) 은상시담수와간단관개그리고 SRI 처리구에서비슷한양상을보였으며, 10일간 (6월 11일 6 월 20 일 ) 중간낙수를처리한간단관개구는메탄배출이점차감소하였다. 이는간단관개시산화환원조건및호기상태에서 CH 4 배출량은줄어든다는보고와일치하였으며 (Kim 등, 2002; Partrick 과 Reddy, 1977), 중간낙수후수확

4 1176 김건엽ㆍ이슬비ㆍ이종식ㆍ최은정ㆍ유종희 Table 4. Assessment of rice quality and eating quality. Different water management Component (%) Quality (%) ToYo (Palatability) Protein Amylose Head rice Broken rice Chalky rice Damage rice CF ID SRI CF (Continuously flooded), ID (ntermittently drained), SRI (System of Rice Intensification) Table 5. Irrigation water requirement in paddy field under different water management. Day Mean water quantity (m 3 ) CF ID SRI Total Reduction (%) Table 6. Comparison GHGs emission from a paddy field under different water management. Different water management GHGs emission (kg ha -1 ) CO 2 Mg ha -1 Index (%) CH 4 N 2O CF ID SRI CF (Continuously flooded), ID (ntermittently drained), SRI (System of Rice Intensification) 기까지의 CH 4 배출량도상시담수에서와같이동일한기간에비해전반적으로낮게나타났다. SRI 처리구에서는이앙 30 일이후부터수확까지계속낮은배출추이를보였다. SRI 농법에의한물관리는토양표면이실금이보이면 3 4 일간격관개하므로토양의산화가가반복적으로이루어져간단관개처리의원리와같이메탄발생이줄어든다. 이에비해상시담수구에서는두처리구보다전체작기기간동안높은배출을보였다. 이는계속되는담수상태에서혐기상태에서혐기성균에의해토양중유기물이분해되어 CH 4 이발생되기때문이다. 그리고논에서는상시담수상태에서 NO 3 N 2O N 2 전환과정중 N 2O는신속히 N 2 로전환되고, 상당량의 N 2O가물에녹기때문에 N 2O배출량은적고반대로 CH 4 의발생량은증가한다 (Freney 등, 1981; Minami, 1987; Smith 와 Patrick, 1983). Fig. 2. Temporal changes of CH 4 and N 2O emissions as affected by different water management system. 그리고논물온도와메탄발생과의관계는벼생육기간동안 CH 4 플럭스의변화양상과논물온도변화양상과일치하지않았다. 이는 Cai 등 (1997) 과 Chen 등 (1993) 이토양온도와 CH 4 배출량과의상관이낮았다는결과와일치하였다. 그러나 Yagi (1991) 는일본벼시험포의 CH 4 배출의경시적변화에서 CH 4 배출은토양온도변화에영향을받는다고보고하였다 (Fig. 2). 벼생육기간중이앙기에서출수후 45 일 ( 완숙기 ) 까지배출된메탄과아산화질소의적산량은 Fig. 3과같다. 메탄배출량은상시담수 (CF) 에서 458 kg CH 4 ha -1 인데비하여간단관개 (ID) 는 kg CH 4 ha -1 로간단관개가 65.6%, 그리고 SRI 는 72.3% 감축하였다. 아산화질소의배출량의경

5 SRI 물관리방법의온실가스저감효과 1177 Fig. 3. Total emission of CH 4 and N 2O by the different water management system. 우상시담수 0 kg CH 4 ha -1 에비해간단관개와 SRI 처리각각 kg N 2O ha -1, kg N 2O ha -1 로나타났다. 상시담수와간단관개총배출량비교는 Kim 등 (2002) 의결과에나타난양상과비슷하였다. 또한 Sass 등 (1992) 은수회에걸친간단관개는토양통기를조장시키며벼수량에는영향을주지않고 CH 4 배출을 88% 까지감소시킨다고하였다. Yagi 와 Minami (1990) 는벼생육중기에관개수를배수시켜 52% 의 CH 4 가저감되었다고보고하였으며, Yagi 등 (1998) 은 Lysimeter 실험에서물의투수량에따라 CH 4 배출량변화는투수율을 0, 5, 20 mm day -1 로조절했을때 CH 4 배출은각각 9.25, 4.79 그리고 0.34 g m -2 day -1 이였다고하였다. Rath 등 (1999) 은담수높이가증가함에따라메탄생성이뚜렷하게증가한다고하였으며, 이는담수깊이가깊을수록산소확산을감소시키고혐기적인조건을더욱유발시킨다고하였다 (Ponnamperuma, 1972). 벼재배기간중물관리별 CH 4 와 N 2O의총배출량을지구온난화잠재력 (GWP) 으로환산하여비교한결과는 Table 5 과같다. 온실가스배출은물관리조건에서상시담수에비해간단관개가 65.5%, 그리고 SRI 는 71.8% 감축효과가있는것으로나타났다. 일반적으로간단관개가 CH 4 배출은저감시키나간단관개시에는 N 2O의배출이늘어난다고보고되고있다 (Cai 등, 1997). 또한 N 2O의지구온난화잠재력총배출량은논에서 CH 4 배출량 (1, ,569.4 kg CO 2 ha -1 ) 보다배출 ( kg CO 2 ha -1 ) 이적어, 저감효과는미미한것으로나타났다. 그리고 SRI 처리에서메탄배출량이가장낮았는데, 그원인으로는 Sebacher 등 (1986) 이담수높이와메탄배출량은상관관계가성립한다고하였으며, Yagi 등 (1994) 은메탄배출은관개와낙수등물관리방식에따라토양의산화환원전위와밀접한관계를가지고있으며, Yang 등 (2012) 은산화된토양조건은메탄생성균에의한메탄생성을지연시키고메탄산화균에의한메탄산화를촉진시키기쉽다고하였다. 따라서 SRI 처리는 3 4 일간격으로논물수 위가 1 2 cm 관개와배수를반복하므로계속해서산화된토양조건을유지하기때문에메탄배출이낮은것으로생각된다. 요약 논에서온실가스배출에영향을주는가장큰요인인물관리를통하여온실가스감축효과를파악하고자, 춘천시신북읍천전리에위치한강원대학교벼시험포장에서메탄과아산화질소배출시험을수행하였다. 벼재배에서상시담수, 간단관개 ( 중간낙수 1회처리, 6월 11일 6 월 20 일 ) 그리고 SRI 물관리농법처리등을조성하여수량, 쌀의품질, 온실가스배출량비교및온실가스감축효과를조사한결과는다음과같다. 1. 물관리별벼수량은 SRI 처리에서 6,341 kg ha -1 로가장수량이높았으며, 상시담수 (CF) 에비해간단관개 (ID) 와 SRI 처리에서각각 13.8% 와 11.3% 증수되었다. 2. 재배기간중시기별용수사용량은상시담수처리가 46.6 m 3, 간단관개 39.5 m 3, SRI 물관리 24.5 m 3 로나타나, 상시담수대비각각 15.2% ( 간단관개 ), 47.4% (SRI) 의농업용수를절감한것으로나타났다. 3. 벼재배기간온실가스총배출량을지구온난화잠재력 (GWP) 으로환산한결과, 상시담수에비해간단관개가 65.5%, 그리고 SRI 물관리농법은 71.8% 의온실가스감축효과가있는것으로나타났다. 사사 본연구는농촌진흥청국립농업과학원농업과학기술연구개발사업 ( 세부과제번호 : PJ ) 의지원에의해이루어진것임.

6 1178 김건엽ㆍ이슬비ㆍ이종식ㆍ최은정ㆍ유종희 인용문헌 Cai, Z., G. Xing, X. Yan, H. Xu, H. Tsuruta, K. Yagi and K. Minami Methane and nitrous oxide emissions from rice paddy fields as affected by nitrogen fertilizers and water management. Plant and Soil. 196:7-14. Chen, Z., D. Li, K. Shao, and B. Wang Features of CH 4 emission from rice paddy fields in Beijing and Nanjing. Chemosphere. 26: Freney, J.R., O.T. Denmead, I. Watanabe, and E.T. Craswell Ammonia and nitrous oxide losses following application of ammonium sulphate to flooded rice. Aust. J. Agr. Res. 32: IPCC Revised IPCC guideline for national greenhouse gas inventories: Reference Manual, revised in 1996, IPCC. IPCC Greenhouse gas emissions from agricultural soils. In: Greenhouse Gas Inventory Reference Manual; Revised 1996 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories, Vol.3, Section 4.5 Agriculture (eds Houghton JT et al), IPCC/OECD/IEA. UK Meteorological Office, Bracknell, UK. IRRI Rice Today. International Rice Research Institute, Vol. 6, No. 2. Kim, G.Y., S.I. Park, B.H. Song, and Y.K. Shin Emission characteristics of methane and nitrous oxide by management of water and nutrient in rice paddy soil. Korean J. Environ. Agri. 21: Minami, K Emission of nitrous oxide(n 2O) from agroecosystems. Jpn. Agr. Res. Q. 21: Norman U The System of Rice Intensification (SRI) as a System of Agricultural Innovation. IPB (Bogor Agricultural University). Vol.10; No.1. Partrick, W.H.Jr., and C.N. Reddy Chemical changes in rice soils. In IRRI Symposium on Soils and Rice. International Rice Research Institute, Los Baños, Laguna, Philippines Ponnamperuma, F.N The chemistry of submerged soils. Adv. Agron. 24, Rath, A.K., B. Swain, B. Ramakrishnan, D. Panda, T.K. Adhya, V.R. Rao, and N. Sass, R.L., F.M. Fisher, P.A. Harcombe and F.T. Turner Methane production and emission in a Texas rice field. Global Biogeochemical Cycles 4: Sebacher, D.I., Harris, R.C., Bartlett, K.B., Sebacher, S.M., Grice, S.S., Atmos- pheric methane sources: Alaskan tundra bogs, an alpine fen and a subarctic boreal marsh. Tellus 38B: 1 1. Sethunathan Influence of fertilizer management and water regime on methane emission from rice fields. Agr. Ecosyst. Environ. 76: Shin, Y.K., Y.S. Lee, S.H. Yun, and M.E. Park A Simplified Closed Static Chamber Method for Measuring Methane Flux in Paddy Soils. Korean J. Soil Sci. Fert. 28(2): Smith, C.J., and W.H.Jr. Patrick Nitrous oxide emission as affected by alternate anaerobic and aerobic conditions from soil suspensions enriched with ammonium sulfate. Soil Biol. Biochem. 15: Yagi, K Emission of biogenic gas compounds from soil ecosystem and effect of global environment. 2. Methane emission from paddy fields. Soil and Fert. Japan. 62(5): Yagi, K., H. Tsuruta, K. Minami, P. Chairoj and W. Cholitkal Methane emission from japanese and Thai paddy fields. In: K. Minami et al.,(eds), CH 4 and N 2O: Global emission and controls from rice fields and other agricultural and industrial sources. Yokendo Publishers, NAIES series 2, Tokyo, pp Yagi, K. and K. Minami Estimation of global methane emission from paddy fields. Res. Div. Environ. Planning, NIAES, 6: Yagi, K. and K. Minami, and Y. Ogawa Effect of water percolation on methane emission from rice paddies: a lysimeter experiment. Plant and Soil. 198: Yang, S., S. Peng, J. Xu, Y. Luo, and D. Li Methane and nitrous oxide emissions from paddy field as affected by water-saving irrigation. Physics and Chemisty of the Earth (in press).

1. 서론 2011년우리나라온실가스배출량은 백만톤 CO 2-eq. 로유엔기후변화협약 (United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC) 하에서의의무감축국들과비교할때미국, 러시아, 일본, 독일, 캐

1. 서론 2011년우리나라온실가스배출량은 백만톤 CO 2-eq. 로유엔기후변화협약 (United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC) 하에서의의무감축국들과비교할때미국, 러시아, 일본, 독일, 캐 Journal of Climate Change Research Vol. 5, No. 4, 2014, pp. 349 357 DOI:http://dx.doi.org/10.15531/KSCCR.2014.5.4.349 농업부문국가고유배출계수와보정계수개발에따른온실가스배출량변화비교 A Comparison of the Changes of Greenhouse Gas Emissions