Korean J. Soil Sci. Fert. Vol.53, No.4, pp.415-430, 2020 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Article https://doi.org/10.7745/kjssf.2020.53.4.415 pissn : 0367-6315 eissn : 2288-2162 Changes in Soil Salinity and Upland Crop Productivity in Reclaimed Land as Affected by Groundwater Table Su Hwan Lee 1 *, Yang Yeol Oh 1, Jin Hee Ryu 1, Hak Sung Lee 1, Bang Hoon Kang 2, Hee Kyeong Ock 1, and Kang Ho Jung 2 1 Researcher, National Institute of Crop Science, Rural Development Administration, Wanju 55365, Korea 2 Senior Researcher, National Institute of Crop Science, Rural Development Administration, Wanju 55365, Korea *Corresponding author: suhnlee@korea.kr A B S T R A C T Received: November 2, 2020 Revised: November 15, 2020 Accepted: November 16, 2020 ORCID Su Hwan Lee http://orcid.org/0000-0002-5354-3020 Yang Yeol Oh http://orcid.org/0000-0002-7471-0406 Jin Hee Ryu http://orcid.org/0000-0002-0836-9510 Hak Sung Lee http://orcid.org/0000-0001-6006-3984 Soil salinization driven by groundwater distribution in the reclaimed land is one of the major limiting factors for crop cultivation and soil management. In this study, the effects of two different water table depth (G1 site with intermediate and deep vs. G2 site with shallow depth) of groundwater (on soil salinity, water and crop productivity were investigated. The rainfall event greatly impacted the groundwater recharging rate and salt leaching. The falling groundwatr table depth from 30 to 80 cm together with higher evaporation at G2 site caused soil salinization in the rhizosphere, whereas increases in soil salinity at G1 site was negligible. Overall, soil water content at G2 site was higher than that at G1 site. The positive correlation of soil salinity with soil water content (r 2 = 0.69) and negative with groundwater table (r 2 = 0.89) indicated hydraulic connection between groundwater table and soil surface. The deeply falling groudwater table with negative water balance (Evaporation > Rainfall) induced drought-combined salt stress to crop. Soybean was much more susceptible to soil salinty stress and excess-moisture injury than maize, suggesting that the crop selection and practices to reduce crop vulnerability to abiotic stresses(salt and water) should be considered for sustainable and stable agriculture in reclaimed land. Our results highlight that groundwater table depth would play a crucial role in founding cropland suitability and the optimum groundwater table to avoid salinization and excessve wetting might be 1.5-2.0 m. Keywords: Reclaimed land, Groundwater table, Soil salinization, Crop productivity Bang Hoon Kang http://orcid.org/0000-0001-5655-772x Hee Kyeong Ock http://orcid.org/0000-0000-9519-7023 Kang Ho Jung http://orcid.org/0000-0001-8854-7278 Distribution of Soil EC in the soil profiles of two fields with different groundwater table variations after maize and soybean harvest in 2015 and 2016 at Saemangeum (G1: Site with intermediate and deep groundwater table, G2: Site with shallow groundwater table). C The Korean Society of Soil Science and Fertilizer. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non- Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
416 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Vol. 53, No. 4, 2020 Introduction 우리나라의 135,000 ha의간척지 (reclaimed land) 는서남해안과중서부해안지역 (costal) 과강하구유역 (Watershed) 의저지대 (Low-lying topography) 에주로위치하고있다 (MAFRA, 2019a). 1960년대부터조성된대다수의간척지는대규모경지와풍부한용수자원공급은기계화쌀농업생산이가능한식량안정생산전진기지로활용되어왔다. 정부는간척지기본구상과간척지이용종합계획발표등으로간척지에서벼농업외에밭농업, 원예, 축산등다양한농산업생태계조성을위한정책과연구를추진하고있다 (MAFRA, 2019b). Jung and You (2007) 은우리나라서남해안간척지토양모재는하해혼성충적토 (fluvio-marine deposit) 와해성충적토 (marine deposit) 이며, 5개토양목 (soil order) 과 45개의토양통 (series) 으로분류되고, 지하수위는 20-80 cm 내외로높게분포하고있고국내간척지토양의문제점은토양염류, 높은지하수위, 양질농업용수부족, 배수불량, 낮은토양비옥도등으로일차적으로토양염류집적과토양과습에영향을주는높은지하수위대한개선이되어야벼외타작물도입이가능하다고보고하였다. 최근기후변화등으로인해지속가능한식량생산을위해서는농지의질적저하현상 ( 토양침식, 탄소손실, 토양다짐, 알칼리화, 염류화 ) 를선제적으로방지하기위해집약적인관리가필요하고, 강우, 지하수위변동등수리학적측면에서영향을받는토양염류화현상에대한이해와대응방안수립중요성이제기되고있다 (McBratney et al., 2014). 토양염류화의원인은기후인자 ( 증발량 > 강수량 ), 지하수특성 ( 수위, 화학성 ), 관개용수오남용등이있으며이중지하수위상승이전세계에서주로발견되는염류화기작으로꼽힌다 (Uri, 2018). 지하수위 (groudnwater table) 은지하환경의복합적인변화를알리는기초자료이며, 지하수의물리적상태를나타내는값으로지표하대수층 (aquifer) 으로물의유입 (percolation), 함양 (recharge) 과배출 (discharge) 의특성에따라변동한다. 지하수위는기후, 토양특성및수리환경에따라효용의가변성이커지하수위변동은기상 ( 강우, 온도, 습도, 풍속 ), 관개 (irrigation), 토지이용특성 ( 논밭 ), 지형 ( 언덕및저지대 ), 지하지질등의기후및수리지질학영향을직간접적으로받으며, 때로는토양형성, 토양수분과염류이동에직간접적인영향을준다 (UNEP, 1996). Nosetto et al. (2009) 는지하수위는농업생산활동에서상호호혜적인 (Reciprocal) 기능이있어, 용수자원이부족한건조기에높은지하수위는모세관현상 (capillary action) 을통해작물근권에지속적인수분공급을할수있지만, 강우기에는침수 (Waterlogging) 와염해 (Salinization) 의위험인자로작용할수있다고하였다. 한편, Ayar et al. (2006) 은지하수위의높이와지하수의수질에따라작물생산에부정적인영향을미칠수있어, 높은지하수위분포를가진농경지에서는내염성작물, 임계지하수위, 관개방법에대한종합적검토의필요성을제기하였다. 지하수위가작물생산환경에미치는영향을구명하기위한다수의연구가수행되었다. 대부분의연구는정밀하게지하수위를조절할수있는라이시미터또는토양컬럼조건에서수행되었고, 설정된지하수위깊이와지하수염농도에의한토양층위별재염화양상, 지하수염농도에따른작물의수분이용특성과생산성구명연구를수행하였다. 토양염류화는지하수의염농도보다지하수위위치가지표면염류집적에직접인영향을끼친다고하였다 (Rose et al., 2005; Liu et al., 2013; Xia et al., 2016). 라이시미터실험을통해서작물별적정지하수위높이는밀 (Wheat) 은 1.0-1.5 m이고, 옥수수 (Maize) 는 1.5-2.0 m, 수수 (Sorghum) 는 2.0 m이상, 해바라기 (Sunflower) 는 1.5 m이하, 사탕수수 (Sugarcane) 는 2.0 m이하로작물별로적정지하수위는유사하지만, 지하수위상승에따른작물의과습민감성은다양하다고보고되고있다 (Kahlown et al., 2005; Asad et al., 2013). 위에서언급한바와같이지하수위는기상영향에의한가변성이큰인자이지만, 노지환경특성을반영한연구결과는많지않다. Northey et al. (2006) 는라
Changes in Soil Salinity and Upland Crop Productivity in Reclaimed Land as Affected by Groundwater Table 417 이시미터에서는목표지하수위를장기간유지할수있는장점이있지만, 노지환경에서는지하수위상승과감소는단기간에발생할정도로역동성이커, 라이시미터연구결과의현장적용의한계를지적하였다. 최근노지환경조건에서는지형, 토지이용또는수리인자 ( 강우및관개 ) 에따른지하수위변동이필지및지구단위에서토양염류화에미치는영향을평가하고, 재염화경감을한임계지하수위설정을위한일부연구가수행되었다 (Sugimori et al., 2008; Wang et al., 2008; Yang et al., 2011; Wang et al., 2011). Nosetto et al. (2009) 는최근기후변화로인한장기간의강수량변동으로아르헨티나팜파스평원의지하수위가상승추세이며, 이로인한작물재배적지선정을위해지대별 ( 분지, 경사지 ) 지하수위변동특성이작물 ( 밀, 콩, 옥수수 ) 생산성과토양EC에미치는영향을조사분석하여, 밀은 0.70-1.65 m, 콩은 1.20-2.20 m, 옥수수는 1.40-2.45 m에서염해, 습해, 한해를경감할수있다고하였다. Ashraf et al. (2006) 는반건조기후지대에서계절별토지이용방법 ( 경작, 휴경 ) 에따른지하수위와토양염류변동특성을보고하였고, Ibrakhimov et al. (2007) 은 Aral해인근농경지에서유역 (basin) 에근접한저지대는배수효율이낮아, 강우발생시지하수위가높게형성되고, 고온건조기증발산심화시토양염농도상승이높아토양재염화 (resalinization) 의위험성이커지고있음을보고하였다. Bae et al. (2016) 는영산강간척지밭작물연구에서식양질토성의높은함수량과형성 (60 cm) 이상시과습및재염화를유발하여밭작물 ( 콩, 수수 ) 생산성을저하시켜, 이를극복하기위해서는관개배수기반조성이필요함을시사하였다. Sohn et al. (2010) 은새만금노출부지활용한과수묘목의적응성연구에서여름철지하수위상승에따른묘목의습해피해양상을보고하였다. 이와같이, 국내선행연구에서는간척지에서지하수위상승에따른작물의과습피해해석을언급하였고, 배수개선의필요성을보고하였다. 그러나노지환경조건에서기상환경영향에따른계절별지하수위분포양상이토양염류, 수분변동성그리고밭작물생산성에미치는영향을종합적으로고찰한현장연구결과는부족한실정이다. 본연구는간척지에서지하수위변동에따른토양염류와수분변동특성을바탕으로, 간척지밭작물의재해취약성을구명하고, 실효적인안정영농기반설계에활용하기위해수행하였다. Materials and Methods 시험장소본시험은전북부안군계화면인근새만금간척지공유수면에위치한농촌진흥청간척지시험포장 (35.46'N, 126.37'E) 에서 2015-2016년 (2년) 에걸쳐서수행되었다. 시험포장은 2010년새만금방조제물막이공사이전부터노출된공유수면부지이며, 시험지내부에지하수위변동이상이한두개소의시험포장을선정하여수행하였다 (Fig. 1). 시험장소의 10년평균기온은 12.7 C ( 최저 : 1월 - 1.1 C, 최고 : 8월 26.0 C), 연평균강우량은 1020.3 mm이고 6-8월에연강우량의 50% 이상이집중되었다. 시험장소의토양특성은분류법에따르면문포통 (a coarse loamy, mixed nonacid, mesic family of Typic Fluvaquents) 이었고, 공유수면매립후노출지로서육지부와해안방향으로상이한지하수위분포를갖고있어, 시험지내부에서지하수위변동이상이한두개소의시험포장을선정하여수행하였다. 지하수위가낮은포장은 2009년유휴지로관리되어온곳이었고, 지하수위가높은포장은밭작물재배전까지논으로 3년 (2011-2014년 ) 까지사용된포장이었다. 조사분석지하수위분포가다른 2개포장의지하수위실시간변동을측정하기위하여포장내부관정 ( 직경 5 cm, 말단하부에서 100 cm까지토사유입방지망부착 ) 을 2.0 m 깊이까지파고수위측정기 (Diver, Eijenkomp) 를설치하고 1시간단위로수위변화를조사하였다. 지하수위측정기를설치방법은 Northey이제시한 Testwell 방법에준하여
418 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Vol. 53, No. 4, 2020 설치하였다 (Northey et al., 2006). 시험기간기상자료는시험지로부터 3 km 떨어진곳에위치한농촌진흥청계화시험지 AWS (Automated weather station) 의강우, 기온정보를활용하였다 (rda.weather.go.kr). 분석용토양은핸드오거로표토 20 cm를채취하였고, 풍건후 2.0 mm 체질을한토양을분석방법별로정량하여분석하였다. 토양이화학성은농촌진흥청토양및식물체분석법에준하여 ph, EC, TN, SOM, 치환성양이온을분석하였고 (RDA, 2012), 재배기간에는생육시기별로토양을채취하여토양수분과토양EC를분석하였다. 토양pH, EC는시료 : 증류수를 1:5로침출한후여과하여 ph-ec meter (Orion520, Thermo) 로분석하였다. 치환성양이온은 1-N NH 4 OAC 침출후 ICP (Induced Coupled Plasma, VISTA-MPX Varian), 토양질소와토양유기물은 Dumas 법에의한 C/N분석기 (Vario Max CNS, Elementar) 를활용하여분석후 T-N과 T-C값을구했고, T-C값에 1.724를곱하여토양유기물 (SOM) 로환산하였다. 토양EC와수분함량조사는시험작물의생육기에는표토 (0-20 cm), 수확기에는지면에서지하100 cm 까지 7층위 (0-10, 10-20, 20-30, 30-40, 40-60, 60-80, 80-100 cm) 를샘플링하였고, 수분손실이발생하지않도록현장채취후비닐지퍼백에담은후밀봉하여보관후, 수분증발용기에습토를담아 105 C에서건조시킨후건토무게를측정하고수분함량차이를계산하여중량수분함량을구하였다. 시험전토양시험전토양의이화학성은 Table 1과같다. 지하수위가낮게분포하는 G1 포장의토양 ph는 8.6, EC는 0.21 ds m -1, 토양유기물함량은 2.09 g kg -1, T-N은 0.40 g kg -1, 치환성 K, Ca, Mg, Na는각각 1.09, 0.7, 2.1, 2.3 cmol c kg -1 이었고, 지하수위높은 G2포장의토양 ph는 7.1, EC는 0.40 ds m -1 토양유기물함량은 1.79 g kg -1, T-N 0.70 g kg -1, 치환성 K, Ca, Mg, Na는각각 0.44, 1.9, 2.7, 0.5 cmol c kg -1 이었다. 내부개발중인새만금간척지계화지 Fig. 1. Location of experimental site in Saemangeum reclaimed land near Gyehwa myon Buan county. G1 and G2 indicates the fields with different groundwater table depth in experimental station (G1: Site with intermediate and deep groundwater table, G2: Site with shallow groundwater table). Table 1. Soil properties of study site before experiment in Saemangeum reclaimed land. Ex.cations ph EC SOM T-N Site K Ca Mg Na 1:5 ds m -1 g kg -1 g kg -1 ------------------- cmol c kg -1 ------------------- G1 8.6 0.21 2.09 0.40 1.09 0.7 2.1 2.3 G2 7.1 0.40 1.79 0.70 0.44 1.9 2.7 0.5 G1: Site with intermediate and deep groundwater table, G2: Site with shallow groundwater table EC (Electrical conductivity), SOM (Soil Organic Matter) T-N (Total Nitrogen), Ex.cations (Exchangeable cations) Soil Texture Sandy Loam
Changes in Soil Salinity and Upland Crop Productivity in Reclaimed Land as Affected by Groundwater Table 419 구표토 (0-20cm) 의 ph는 7.3-9.2, EC는 0.2-45.6 ds m -1, OM는 0.9-4.2 g kg -1, Ex Ca는 0.42-2.66, Ex Na는 1.1-33.8 cmol c kg -1 로지구내에서토양이화학성수치가극한값을보이는곳이많다고보고된바있다 (Kim et al., 2016). 본시험에서 G1은시험작물재배직전까지다년간벼재배를하여토양pH는선행연구조사수치보다낮았고, G2는시험전농지조성직전까지갈대가자생하던유휴지상태여서, 토양 ph는선행조사수치와유사하였다. 작물재배실험시험작물은콩과옥수수, 시험품종은콩은대풍, 옥수수는찰옥 4호를선정하였다. 시험구포장규격은 25 20 m이었다. 옥수수는 5월중순에 40 kg ha -1, 콩은 6월초순에 30 kg ha -1, 1휴 2열파종하였다. 시험포장작목별재배기간 ( 옥수수 : 5월초-8월초, 콩 : 5월하순-10월중순 ) 동안기상변화에직접적으로노출되도록, 비닐멀칭을하지않고재배관리하였다. 재식밀도는옥수수 60 25 cm, 콩 60 20 cm, 시비량 ( 질소-인산-가리-퇴비 ) 은콩 60-80-60-1,500 kg ha -1, 옥수수는 200-150-150-1,500 kg ha -1 이었다. 콩은파종전전량기비시용하였고, 옥수수는질소는파종전기비 50%, 7엽기에 50% 분시, 인산과가리는전량기비하였다. 시험작물의수확기생육조사는옥수수와콩은 3반복당 20주씩수확하여농촌진흥청조사분석기준에준하여실시하였다 (RDA, 2000). 통계분석작물생육및수량데이터의통계처리는 SAS 9.2를이용한 ANOVA (analysis of Variance) 으로수행하였고, 95% 수준에서 Duncan s New Multiple Range Test로유의성정도를분석하였다. Results and Discussion 기상현황 Fig. 2는 2015-2016년시험작물옥수수와콩재배기간동안의새만금간척지인근부안군계화면의강우및기온분포를나타낸것이다. 지하수위모니터링과시험작물재배기간 (5-10월 ) 2015년과 2016년의평균기온은각각 21.4 C, 22.5 C, 누적강우량은 335 mm, 555 mm이었다. 시험작물재배기간 5-10월의 10년평균기온은 21.5 C, 강수량은 744.7 mm로, 기온은 2015년은평년과유사하였고, 2016년은 1.0 C 가량높았으며, 강수량은평년대비 2015년은 46%, 2016년은 76% 수준으로상대적으로건조하였다. 강우횟수는 2015년은 35회, 2016년은 43 회이었고, 일 5 mm이상강우일수는 2015년은 19회, 2016년은 23회이었다. 옥수수재배기간강우량은 2015년은 231 mm, 2016년은 297.5 m, 콩재배기간강우량은 2015년은 316.5 mm, 2016년 486 mm이었다. (a) Fig. 2. Weather data during 2015-2016 growing season in Saemangeum reclaimed land (a) 2015, (b) 2016. (b)
420 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Vol. 53, No. 4, 2020 지하수위변동 Fig. 3은자동지하수위측정기에기록된 2015년과 2016년작물재배기간동안지하수위분포특성이상이한 2개포장 (G1, G2) 지하수위변동을나타낸것이다. G1과 G2 포장의지하수위변동은강우변동 ( 강우량과연속강우일수 ) 등에의하여상이한분포양상을나타냈다. 2015년 G1의지하수위는 109-180 cm, G2는 30-186 cm, 2016년에 G1은 69-207 cm, G2는 24-193 cm 변동폭을나타내었다. 지하수위가높은 G2는소량의강우에서도연속강우발생시지하수위상승폭이매우컸고, 2015년에비해강우량과빈도가많았던 2016년에는지표면아래 24 cm까지지하수위가상승하였고, 동일기간강우발생에도상대적으로지하수위가낮은 G1 보다 100-140 cm 이상지하수위차이가큰상황도측정되었다. 지하수위변동은기후 (Climate), 지질 (Geology), 지형 (Topography) 과같은자연적특성과배수와관수등인위적활동에의하여영향을받는다 (Sophocleous, 2002). 특히농경지에서지하수위는자연강우 (Precipitation), 관개 (Irrigation), 수로 (Canal) 조성등에의해서지표수의침투 (Infiltration), 지하수의함양 (recharge), 배출 (discharge) 및침출 (Seepage) 이상호작용하여지속적으로변화한다. 근접거리에위치한 2개의포장에서지하수위분포차이발생은간척매립과정에서지면을평탄화하여표고를균일화할지라도매립전원지반의수리환경변동이매립후에도지대의위치따라지속적으로영향을주고있음을의미하며, 특히지표수의흐름이지하수로유입되거나지하수의흐름이지표에영향을미치는상호작용 hyporehic 발생에의한것으로사료되었다. 지하수위형성은일차적으로지하수의함양량정도 (Degree of recharge rate) 에영향을받는다. Kim et al. (2013) 은지하수함양은매질의수리지질학적영향을받기때문에시공간적가변성을가지고, 인근지역이라도침투된수분토양층을통해이동하는과정에따라함양과배출의형태가달라질수있기때문에국지적으로다양한값을가질수있다고하였다. Ridder and Henk (2006) 는 Delta plain에서육지와가까운상부삼각주 (Upper delta) 는상대적으로지하수위가낮고, 해수역에근접한하부삼각주 (Lower Delta) 는지하수위가높다고하였고, 삼각주지형상지하수위변동영향이나타나는 3개 zone [ 함양 (recharge), 변환 (transition), 배출 (discharge)] 이상부에서하부삼각주지형에걸쳐존재한다고하였다. 강우지표침투수가지하층 (subsurface layer) 매질을통해서내륙에서수역으로이동하는데, 본연구기간에도내륙쪽 G1에서해안쪽 G2 포장으로지표침투수와지하수의이동이발생하여내륙쪽 G1의지하수위가 G2보다낮았던것으로판단된다. (a) 2015 (b) 2016 Fig. 3. Variation of groundwater table depth in two experimental fields(g1, G2) for 2015-2016 growing seasons in Saemangeum reclaimed land. (G1: Site with intermediate and deep groundwater table, G2: Site with shallow groundwater table).
Changes in Soil Salinity and Upland Crop Productivity in Reclaimed Land as Affected by Groundwater Table 421 지하수위변동에따른토양수분변화 Fig. 4는 2015-2016년옥수수와콩포장의토양수분함량변동을나타낸것이다. 옥수수재배기간 2015년 G1과 G2 (a) 에서토양수분함량은각각 15.0-27.2% 과 17.4-31.5% 이었고, 2016년에 G1과 G2 (b) 은 10.0-31.1%, 25.0-32.8% 이었다. 콩재배기간 2015년 G1과 G2 (c) 에서토양수분함량은각각 7.8-24.3% 과 15.9-25.7% 이었고, 2016년 G1과G2 (d) 에서각각 3.9-33.8% 11.8-35.3% 이었다. 토양수분은전반적으로지하수위변동및위치에의해영향을받았고, 재배시기별작물생육과강우발생에의해증감하였다. 전반적으로토양수분함량은 G2가 G1보다높았고, 작물별수분요구량이많은생육중후기에수분함량차이가뚜렷하게발생하였다. 시험지토성인사양질의토양수분특성 10, 33, 100 kpa의토양수분함량 (v/v) 은각각 37.3%, 15.2%, 8.2% 이고, 상대적으로보수력이낮아, 증발산에의한토양수분감소가컸고, 지하수위가낮은 G1은수분소모가많았던시기에지하수위에의한수분공급은미미하였고, 지하수위가높은 G2는증발산을보충하기위한지속적인모세관상승작용이수분함량증가에영향을준것으로판단되었다. 지하수위는 Vadose zone과증산을통해서작물근권에수분을공급할수있기때문에지하수위와토양수분은매우밀접한수리적연계성 (Hydraulic connection) 을갖고있다 (An et al., 2015). 지하수위깊이는근권의토양수분함량과부의상관관계를보이고, 지하수위가높을때, 지표와근접한지하수위면의모세관수는지표면이동이매우용이하여, 대기습도가낮은건조기에모세관수의대기로직접이동이활발하게되어, 지표면의토양수분은높게유지된다고하였다 (Kahlown et al., 2002; Xia et al., 2016). (a) (b) (C) Fig. 4. Variation of Soil water content in two fields with different groundwater table depth for 2015-2016 growing season in Saemangeum. (a) Maize-2015 (b)maize-2016 (c) Soybean-2015 (d) Soybean-2016 (G1: Site with intermediate and deep groundwater table, G2: Site with shallow groundwater table). (d)
422 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Vol. 53, No. 4, 2020 지하수위변동에따른토양EC변화 Fig. 5는 2015년과 2016년의시험작물옥수수와콩재배기간동안의작물근권의 EC 변동을나타낸것이다. 2015년옥수수재배기간 G1과 G2 (a) 에서토양 EC는각각 0.7-1.7 ds m -1 과 0.7-2.6 ds m -1 이었고, 2016년에 G1과 G2 (b) 은 0.6-1.5 ds m -1, G2는 1.9-2.4 ds m -1 이었다. 2015년콩재배기간 G1과 G2 (c) 에서토양EC는각각 0.4-1.0 ds m -1, 0.6-3.5 ds m -1 이었고 2016년에 G1과 G2 (d) 는각각 0.4-1.2 ds m -1, 1.4-3.3 ds m -1 이었다. 2015년옥수수가재배된 5월 - 6월중순까지무강우가지속되어지하수위가각각 164 cm, 144 cm인 6월 9일 G1 은 1.7 ds m -1 G2는 2.4 ds m -1 까지시험전토양EC보다상승하였고, 6월 13일 - 25일까지강우로지하수위가 128 cm, 45 cm 상승한후, 6월 29일지하수위가 133 cm, 72 cm인 G1과 G2의 EC는각각 0.7 ds m -1, 0.9 ds m -1 까지감소하였다. 7월 6일 - 12일연속강우로 G1, G2 지하수위가 108 cm, 31 cm까지상승한이후, 지하수위 190 cm, 106 cm까지낮아진 8월 11일수확기에는 G1과 G2 각각 1.2 ds m -1 와 2.6 ds m -1 까지상승하였다. 2016년에는 2015년과달리 5월생육초기부터지속적인강우가발생하여지하수위가상승하여 G1은 94 cm, G2 는 37 cm까지상승한후 5월 27일지하수위가 119 cm, 86 cm인 G1은 1.5 ds m -1 G2는 2.2 ds m -1, 감소하였고, 6월 24일강우로지하수위가 153 cm, 53 cm 상승한후 6월 27일지하수위가 150, 88 cm인 G1은 1.5 ds m -1, G2는 2.4 ds m -1 로 G2는소폭상승하였다. 7월 1일 - 7일까지집중적인연속강우로인해지하수위는 G1은 150 cm에서 69 cm까지, G2는 138에서 24 cm까지상승한직후, 7월 11일지하수위가 116 cm, 52 cm 로낮아진 G1은 0.6 ds m -1 G2는 2.2 (a) (b) (C) Fig. 5. Variations of Soil EC in two fields with different groundwater table depth for 2015-2016 growing season in Saemangeum reclaimed land (a) Maize-2015 (b) Maize-2016 (c) Soybean-2015 (d) Soybean-2016 (G1: Site with intermediate and deep groundwater table, G2: Site with shallow groundwater table). (d)
Changes in Soil Salinity and Upland Crop Productivity in Reclaimed Land as Affected by Groundwater Table 423 ds m -1 낮아졌다. 집중강우후무강우가장기간지속되어지하수위가낮아지는현상이기록되었고, 8월 11일수확기지하수위가 189 cm, 153 cm로낮아졌을때 G1은 0.8 ds m -1 G2는 1.9 ds m -1 이었다. 2015년콩재배기간 6월생육초기강우로인해 G1과 G2의토양 EC는 0.5와 0.6 ds m -1 까지낮아졌으나, 지하수위가높았던 G2포장의 EC는생육중간에소량의강우로인해제염이일시되었으나, 8월 20일전후강우로지하수위가 43 cm까지상승하였고 9월 9일이후강우에의한지하수위상승직후무강우기간동안증가하였고, 9월말이후무강우가지속된 10월중순수확기에는 3.5 ds m -1 까지상승하였다. 지하수위가낮게유지된 G1은 1.0 ds m -1 를유지하였다. 2015년보다강우량이많았던 2016년은연속강우로지하수위가높게유지된기간이길었던시기이후무강우기간에토양EC가지속적으로상승하는양상이었다. 5월 10-24일연속강우로지하수위가 37 cm까지상승한이후 1개월가량무강우가지속된후지하수위가 154 cm, 78 cm인 6월 23일에 G1은 1.2 ds m -1, G2는 3.3 ds m -1 까지상승하였고, 6월 24일 - 7월 7일까지연속강우직후조사한지하수위가 70 cm, 24 cm까지상승한후 7월 8일지하수위가 100 cm, 50 cm인 G1은 0.5 ds m -1, G2는 1.4 ds m -1 로낮아졌다. 7월 16일이후무강우가지속되어지하수위가 154 cm, 117 cm인 7월 27일 G1은 0.7 ds m -1 G2는 2.0 ds m -1 이었으나무강우장기화로지하수위가 191 cm, 171 cm까지낮아졌던 8월 26일 G1 0.7 ds m -1 G2 3.0 ds m -1 으로증가하였다. 9월 16-18일연속강우로지하수위가 151 cm (G1), 34 cm (G2) 상승한직후지하수위가 159 cm (G1), 77 cm (G2) 인 9월 22일토양EC는 G1 0.5 ds m -1 G2 3.3 ds m -1 이었다. 10월 5일 - 8일까지연속강우로지하수위가 94 cm, 26 cm까지상승한후지하수위가 133 cm, 76 cm 이었던 10월 13일조사한 EC는 G1 0.4 ds m -1, G2 1.9 ds m -1 이었다. 이는강우에의한지하수위변동과함께근권의염류의용탈과재염화현상이복합적으로진행되고있음을나타나고있음을의미한다. 특히지하수위가 30 cm 이었던시기는모세관상승보다토양염류의용탈이진행되는상황이었고, 지하수위가 70 cm 내외이었던시점에서는모세관상승이진행되고있음을추측할수있다. 2016년 10월 13일 G2의토양EC는지하수위 70 cm 임에도불구하고 EC상승이 2015년도보다낮았던것은강우로인한용탈제염이있었고, 증발산량이당해년도 8, 9월과비교하였을때낮았기때문으로사료된다. 토양EC는토양염류화를측정하는직접적인지표이다. 토양염류화를유도하는농업환경자원인자는토성 (Soil texture), 수질 (Water quality), 지하수위위치 (Water table position), 관개 (Irrigation), 토지이용 (Land use) 으로알려져있다 (Rose et al., 2005; Yu et al., 2014). 특히강우, 증발산량, 지하수위특성 ( 화학성과위치 ) 의상호작용이토양염류화에미치는영향은매우크다 (Velmurugan et al., 2016; Uri, 2018; Li et al., 2018). 본연구에서토양염류화는작목별증발산량변동 ( 물수지- 증발산와강우의차이 ), 지하수위위치, 토양공극 (pore) 의염, 수분함량등이영향을끼친것으로판단된다. 강우에의한지하수위상승후무강우지속시중력수는하강하고토층에잔재하는염분지하수의모세관수는모세관현상으로지표면으로상승한다. 특히증발량이많은고온건조시기에작물의활발한증산은근권수분손실을촉진하고, 이와동시에근권의토양수에용해되어있던용질 (solute) 은지표면부근에서염 (Salt) 으로집적 (precipitation) 된다. 동시에지표면부근의토양공극에서손실된수분을재공급하기위해서지하층으로부터염분함유지하수가토양표면으로이동하는모세관상승이지속되어수분증가와염분이집적되는재염화현상이심화된다. 담수에의해토양표면이항상포화상태 (saturated) 로유지되는논조건과달리밭조건에서는하부의포화된지하수층위에서부터지표면까지불포화층이존재한다. 지하수층인접한포화된토양층과불포화층사이에는가변적인모세관수대 (capillary fringe) 가위치하고, 이경계면층위에대기와인접한토양표면의습윤과건조현상에의해서지속적으로수분상태변화 ( 액상- 기상 ) 가일어나는불연속체 evaporation
424 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Vol. 53, No. 4, 2020 front가존재한다. 즉근권의토양염분상승재염화를유발하는염분모관수의모세관상승 (capillary rise) 강도는 Capillary fringe와 Evaporation front의위치에의해서결정된다. 본연구기간동안무강우가 2주 - 1개월지속되어마이너스물수지 ( 증발량 > 강수량 ) 현상이발생한시점에토양EC 증가가반복됨을확인하였다. 본연구와유사한결과로 Ashraf et al. (2006) 은염해지에서옥수수, 밀경작및휴경조건에서지하수위와 EC의변동특성을조사한결과지하수위가 30-60 cm까지상승하였을때, 휴경지와경작지에서토양 EC는각각 11.4 ds m -1, 10.0 ds m -1 이었고, 지하수위가 100cm 이하로하강하였을때각각 6.9 ds m -1, 4.7 ds m -1 로낮아졌다고보고하였다. Velmurugan et al. (2016) 은년차별강우발생에따른토양EC 장기모니터링결과강우량이적었던건조한 (Dry) 해에토양EC가증가하였고, 강우량이많았던습한 (Wet) 해에토양EC가낮게유지되었다고보고하였다. Northey et al. (2006) 는빗물과유사한수준의관개용수 (0.09 ds m -1 ) 를전면관개하면지하수위가 20-40 cm 상승하고지표의 EC는용탈되어감소하지만하부로용탈된염류집적으로 EC가증가하였고, 일정시간후지하수위가낮아지면토양층위별 EC는관개전 EC보다증가한다고하여, 지하수위에유도된토양재염화를제어하기소량의잦은관수를실시하거나, 지하수위를임계높이 (3.0 m) 까지낮춰야한다고제안하였다. Fig. 6은토양수분과 EC의상관관계를나타낸것이다. 평균토양수분과평균토양EC는정의상관관계 (R 2 = 0.69, p < 0.05) 를나타내었다. Fig. 7은평균지하수위분포와평균토양EC 상관관계를나타낸것이다. 지하수위높이와토양EC는부의상관관계 (R 2 = 0.89, p < 0.05) 를나타내었다. 토양EC는평균지하수위가 175 cm까지낮아졌을때, Fig. 6. Correlation between Soil EC and Soil water content of surface soil. Fig. 7. Correlation between groundwater table depth and EC of surface soil.
Changes in Soil Salinity and Upland Crop Productivity in Reclaimed Land as Affected by Groundwater Table 425 평균 EC는 0.5 ds m -1 수준이었고, 지하수위가 110 cm 수준에서는 2.6 ds m -1 까지높아졌다. Nosetto et al. (2009) 는지하수위분포특성별 EC 비교시지하수위가 3.0 m 이하로낮아졌을경우 (Deeper) 에모세관상승에의한토양염류화영향이거의없었고, 지하수위가 1.0 m 내외인필지 (Shallow) 의평균 EC는 4.9 ds m -1 로 1.5-2.0 m 지하수위 (Intermediate) 0.9 ds m -1 보다 7배가장높다고하였으며, Xu et al. (2013) 은지하수위-수분-염분포 simulation을통해서지하수위 1.25 m와 1.55 m에서모세관수의근권 (0-40 cm) 공급량은각각 150 mm, 70 mm이었고, 염 (Salt) 공급량도각각 3,200 g m -2, 2,600 g m -2 이라고하여본연구에서얻은지하수위- 토양수분-EC의상관관계와일치하였다. 지하수위분포에따른작물생육및수량 Table 2와 3은옥수수와콩의생육및수량성을나타낸것이다. 작물생산성은연차간기상에의한지하수위와염 수분변동에의하여영향을받았다. 상대적으로옥수수보다콩이환경변동에민감하게반응하였다. 옥수수이삭수량은 2년재배기간동안지하수위가높은 G2에서 G1보다양호하였다. 옥수수의초장, 착수고, 엽수등은유사하였고, 이삭의길이와직경은 G2가 G1보다유의적으로컸다. 이삭수량은 2015년 G1은 797 kg 10a -1,G2 는 911 kg 10a -1, 2016년 G1은 762 kg 10a -1 G2는 788 kg10a -1 이었다. 콩의 100립중, 협당립수, 종실수량은 2015년이 Table 2. Growth characteristics and yield of maize in the field with different groundwater variations during 2015 and 2016 growth season in Saemangeum reclaimed land. Site/Year Plant height (cm) Ear height (cm) No. of Leaf Stem diameter (mm) Ear length (cm) Ear diameter (cm) Ear yield (kg 10a -1 ) 2015 197.0b 70.0b 12.0a 30.4a 17.0a 4.4a 797.0a G1 2016 231.0a 110.0a 13.6a 27.0b 16.5a 4.0a 762.0a Mean 214.0A 90.0A 12.8A 28.7B 16.8B 4.2B 779.5B 2015 207.0b 78.0b 12.0a 32.2a 16.9a 4.5a 911.0a G2 2016 233.0a 88.0a 13.1a 27.0b 17.8a 4.4a 788.0b Mean 220.0A 83.0A 12.6A 29.6A 17.4A 4.5A 849.5A G1: Site with intermediate and deep groundwater table, G2: Site with shallow groundwater table. Values within column for each parameter followed by the same lowercase letter were not significantly different based on DMRT significant difference (a=0.05). Table 3. Growth characteristics and yield of soybean in the field with different groundwater varation during 2015 and 2016 growth season in Saemangeum. Site/Year Plant height (cm) Stem diameter (mm) 100 seed weight (g) No of Pod No. of grain per pod Grain yield (kg 10a -1 ) 2015 38b 11.8b 18.5a 62a 2.3a 176a G1 2016 30b 14.2a 15.1b 60a 2.0a 123b Mean 34B 13.0A 16.8A 61B 2.2A 150A 2015 43a 9.9b 18.6a 76a 2.2a 205a G2 2016 40a 12.9a 14.4b 68b 1.6a 102b Mean 42A 11.4B 16.5A 72A 1.9A 154A G1: Site with intermediate and deep groundwater table, G2: Site with shallow groundwater table. Values within column for each parameter followed by the same lowercase letter were not significantly different based on DMRT significant difference (a=0.05).
426 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Vol. 53, No. 4, 2020 가장양호하였다. 2016년에는급격하게감소하였다. 종실수량은 2015년 G1은 176 kg 10a -1, G2는 205 kg 10a -1 이었고, 2016년 G1은 123 kg 10a -1, G2는 102kg 10a -1 이었다. 작물은재배토양의염농도가한계수준이상이되면, 염해를받아, 수분흡수저해가발생하고, 생장량감소로이어져수확량이감소하게되므로, 간척지에서는작물별생육가능염농도를바탕으로적합한작물을선택하고재배하여야한다 (Rngasamy, 2010). Kim et al. (2014) 는식용옥수수 4품종의염적응성평가를위한포트시험을통해서 3개품종의옥수수의종실무게감소시작임계토양염농도는 1.73-2.18 ds m -1 이고, 본시험에사용된찰옥4 호는 3.2 ds m -1 로다른 3개품종대비생장및수량감소율이가장낮아, 염해적응력이높은품종이라고보고하였다. Bae et al. (2016) 등은영산강간척지에서콩재배시토양EC 1.7 ds m -1 수준에서과습과염해의영향으로종실수량이 113 kg 10a -1 으로매우낮아, 콩재배를위해서는관배수기반이조성되어야한다고하였다. 옥수수재배기간동안 G1과 G2 에서토양EC는재배안전염농도이하수준에서변동하였다 (Fig. 5). 토양수분함량 (Fig. 4) 또한포장용수량범위이었기에, 옥수수는염해와습해의영향없이생장하였다. 한편콩은연차간기상변이 ( 무강우, 폭우 ) 에따른스트레스영향이잦았다. 특히 2016년에는기상및지하수위변동이주요생육시기인영양생장기 (6월), 개화기 (7월), 결협기 (9-10월 ) 에영향을준것으로판단된다. 강우량이적었던 2015년수량은입모후가뭄이지속되어신장기에영향을받았으나, 생육중기강우로생육이회복되었고, 결협기에는과습, 한발및염해의영향이적어종실비대에유리하였기때문으로생각된다. 재배기간동안 EC는 1.7 ds m -1 보다다소높았지만, 개화기 (8월) 이후일일 20-30 mm의드문강우가염분제거와수분공급에유효하였고 (Fig. 3), 개화기이후 100-150 cm 미만으로유지된 G2의지하수위는무강우기에작물수분공급에일정부분기여한것으로판단된다. 2016년에는전년대비 G1와 G2 수량이각각 31, 51% 감소하였는데 G2는파종후높은 EC로인한입모불량, 생육중후기에장마- 무강우-강우로인한과습과염분의지속상승등이생육에영향을끼쳤고, G1은낮은 EC로입모는양호하였으나, 8월개화기이후무강우시기에토양수분함량이위조점수준인 3% 수준까지감소하여한해가발생하였고, 결협기에는연속강우로종실비대가원활하지못한것으로사료된다. 지하수의화학성과수위는토양염류화에직접적으로영향을주며, 높은지하수위라고할지라도지하수의염농도수준에따라작물생육에활용될수있는토양수분을제공할수있다. Soppe and Ayars (2003) 은지하수염농도가 1.0% (EC 13 ds m -1 ) 이상인곳에서지하수위는 1.5 m 이상깊이로낮춰야재염화에의한작물염해를경감할수있다고하였고, Kahlown et al. (2005) 는지하수위깊이에따른지중관개기여도를산정한결과, 지하수위 0.5 m 수준에서 40-60%, 1.0-1.5 m에서는 10-30%, 2.0 m 이하에서는 5% 미만이라고보고하였고, Nosetto et al. (2009) 는연차간기상변이에따라지하수위가염류화와작물수분공급에기여하는효과는차이가있으나, 옥수수와콩의적정지하수위는 1.0-2.0 m이고, 2.0 m 이하지하수위에서는모세관상승의근권영향이미미하여한발에의하여수량이감소할수있다고하였다. Fig. 8은 2015년과 2016년옥수수와콩의수확기토양EC의층위별분포를나타낸것이다. 지하수위가낮은 G1은토양층위가깊어질수록 EC가높아졌으며, 지하수위가높은 G2는 10-30 cm 층위까지는토양EC가높았고, 그아래층위에서는낮아지는역전현상이관찰되었다. Fig. 9는옥수수와콩의수확기토양수분의층위별분포를나타낸것이다. 토양수분함량은토양층위가깊어질수록높아져서, 40 cm 아래층위에서는포화상태에근접하는수분함량이었다. 옥수수재배시 2015년과 2016년은 7월출사기이후 8월수확전까지강우량이매우적었고, 작물의수분흡수가왕성하여토양층위 30 cm의근권부위까지수분함량이낮아졌다. 콩은 2015년에는수확기에는무강우지속으로
Changes in Soil Salinity and Upland Crop Productivity in Reclaimed Land as Affected by Groundwater Table 427 건조하였고, 2016년수확기에는잦은강우로토양층위별수분함량분포가상이하였다. 건조했던 2015년에 G1은 60 cm, G2는 30 cm까지토양수분이 20% 미만으로낮아졌고, 수확직전까지다소강우가잦았던 2016년에는 G1과 G2 모두층위별로포장용수량이상의수분함량분포를나타내었다. 2015년에는 8월동안 G1과 G2의지하수위가유사한수준 (170-200 cm) 까지낮아졌지만, 평균적으로지하수위가높았던 G2에서모세관상승에의한근권으로토양수분이동이활발하게진행된것으로판단된다. 20-30 cm 층위에서토양EC가높아졌는데이는옥수수와콩의뿌리가주로분포하는위치로서해당깊이에서활발하게토양수분이흡수되어염류가집적된것으로판단된다. Fig. 8. Distribution of Soil EC in the soil profiles of two fields with different groundwater table variations after maize and soybean harvest in 2015 and 2016 at Saemangeum (G1: Site with intermediate and deep groundwater table, G2: Site with shallow groundwater table). Fig. 9. Distribution of Soil water content in the soil profiles of two fields with different groundwater table after maize and soybean harvest in 2015 and 2016 at Saemangeum (G1: Site with intermediate and deep groundwater table, G2: Site with shallow groundwater table).
428 Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Vol. 53, No. 4, 2020 Conclusions 본연구는간척지에서지하수위변동및분포에따른토양염수분변동특성과작물생산성에미치는영향을구명하고자하였다. 저지대에위치한간척지에서지하수위상승 ( 함양, Recharge) 과하강 (Discharge) 은강우발생 ( 강우량과연속강우 ) 에따른영향이컸으며, 지하수위가높은포장 (G2) 은소량의강우에도함양이매우빨랐으며, 하강은느렸다. 토양수분및 EC 변화는생육기간동안기상, 지하수위변동, 작물별수분흡수양상에따라차이를나타내었다. 지하수위가높은포장 (G2) 의토양 EC와수분함량은지하수위가낮은포장 (G1) 보다토양EC는전반적으로높았으며, 작물생육기에음의물수지 ( 증발 > 강수 ) 시기에 G1보다 G2의토양염류화는가속화되었다. 특히재염화 (Soil resalinization) 현상은강우발생후지하수위가 30-70 cm까지상승한후하강하였던 G2에서주로관찰되었으며, 지하수위가 100-190 cm 유지되는 G1에서 EC 증가는경미하였다. 작기별평균지하수위높이와평균토양EC 는부의상관관계 (R 2 = 0.89), 평균토양수분과평균토양EC는정의상관관계 (R 2 = 0.69) 를나타내어지하수위의근권부토양재염화및수분공급의수리학적연계성이구명되었다. 작물별토양염 수분민감성은옥수수보다콩이예민하였다. 강우와무강우시기의교차반복으로지하수위변동의역동성은토양염수분변동에직접적으로반영되었다. 본연구기간동안단기적급변성이큰지하수위변동이토양염수분과작물생산성에미치는영향평가를통해서간척지에서밭작물재배기재염화, 습해및한해발생등의주기성을예측할수있었고, 영농안정성증진을위해서지하수위분포는 1.5-2.0 m를유지할수있는배수기반조성과함께, 적시에한해와염해를경감할수있는관개시설등복합적생산기반을도입한다면, 보다안정적인작물생산활동이가능할것으로판단된다. Acknowledgement This study was carried out with the support of Research Program for Agricultural Science & Technology Development (Project No. PJ013884012020), Rural Development Administration, Republic of Korea. References An, L.S., B.H. Zhou, Q.S. Zhao, and L. Zhu. 2015. Spatial Variability of Soil chloride content and its driving factors in the Huanghe River Delta. Scientia Georg. Sinica. 35(3):358-364. Asad, S.Q., A. Waqas, and A.F. Ahmad. 2013. Optimum Groundwater table depth and Irrigation Schedules for Controlling Soil Salinity in Central Iraq. Irrg. and Drain. 62:414-424. Ashraf, M., Rahmatullah, T. Maqsood, and M.A. Tahir. 2006. Contribution of Shallow water table to salinity/sodicity Development under Fallow and Cropped conditions. Pak. J. Agri. Sci. 43:7-12. Ayar, J.E., E.W. Christen, R.W. Soppe, and W.S. Meyer. 2006. The resource potential of in-situ shallow ground water use in irrigated agriculture: a review. Irrigation Sci. 24:147-160. Bae, H.S., S.H. Lee, J.B. Hwang, H.-K. Park, G.H. Lee, G.B. Lee, K.S. Lee, D.S. Lee, B.D. Hong, J.H. Lee, and D.Y. Chung. 2016. Drainage Effect on Desalinization and Crop Growth on a Poorly Drained Soil in the Reclaimed Tidal Flat Land. J. Korean Soc. Int. Agric. 28(4):512-519. Ibrakhimov, M., A. Khazoma, I. Forkutsa, G. Paluasheva, J.P.A. Lamers, B. Tischbein, P.L.G. Vlek, and C. Martius. 2007. Groundwater table and salinity: Spatial and Temporal Distribution and Influence on Soil Salinization in
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