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 to the Develop Country-Specific Emission Factors and Scaling Factors in Agricultural Sector 정현철 이종식 최은정 김건엽 서상욱 소규호 국립농업과학원농업환경부기후변화생태과 Jeong, Hyun Cheol, Lee, Jong Sik, Choi, Eun Jung, Kim, Gun Yeob, Seo, Sang Uk and So, Kyu Ho Division of Climate Change & Agroecology, Department of Agricultural Environment, National Academy of Agricultural Science, Wanju-gun, Korea ABSTRACT Greenhouse gases (GHGs) from agricultural sector were categorized in a guideline book from Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) as methane from rice paddy fields and nitrous oxide from agricultural soils. In general, GHG emissions were calculated by multiplying the activity data by emission factor. Tier 1 methodology uses IPCC default factors and Tier 2 uses country specific emission factors (CS). The CS and Scaling factors (SF) had been developed by NAAS (National Academy of Agricultural Science) projects from 2009 to 2012 to estimate how the advanced emissions. The purpose of this study was to compare GHG emissions calculated from IPCC default factors and NAAS CS and SF of agricultural sector in Korea. Methane emissions using CS and SF in rice paddy field was about 79% higher than those using IPCC default factors. In the agricultural soils, nitrous oxide emissions using CS from the 5 crops were about 40% lower than those using IPCC default. Except those 5 crops, approximately up to 52% lower emissions were calculated using CS compared to those using IPCC default factors. The total GHG emissions using CS and SF were about 33% higher than those using Tier 1 method by IPCC default factors. Key words : IPCC, Country Specific Emission Factor, Scaling Factor, Greenhouse Gas, Methane, NItrous Oxide Corresponding author : E-mail: taiji152@korea.kr 접수일자 : 2014. 10. 31 / 수정일자 : 2014. 11. 28 / 채택일자 : 2014. 12. 10
1. 서론 2011년우리나라온실가스배출량은 697.7 백만톤 CO 2-eq. 로유엔기후변화협약 (United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC) 하에서의의무감축국들과비교할때미국, 러시아, 일본, 독일, 캐나다다음으로 6위이며, 의무감축국이아닌국가를포함할경우중국, 인도다음인 8 위에해당된다 ( 환경부온실가스종합정보센터, 2013). 우리나라농업부문에서배출되는온실가스는 2011 년약 22 백만톤 CO 2-eq. 으로국가총배출량의약 3.2% 를차지하는양이다. 온실가스종류별로는메탄이약 12.2 백만톤 CO 2-eq., 아산화질소가 9.8 백만톤 CO 2-eq. 이배출되었다. 메탄의경우, 국가전체배출량의약 42.0% 를차지하였고, 아산화질소의경우 66.3% 를차지하였다 ( 환경부온실가스종합정보센터, 2013). 농업부문온실가스배출량산정은기후변화에관한정부간협의체 (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) 에서발행한가이드라인에따라산정하며, 산정방법에따라기본배출계수를사용하는 Tier 1, 국가고유배출계수나보정계수를사용하는 Tier 2, 모델이나직접측정방법을이용하는 Tier 3로구분한다 (IPCC, 1996). IPCC 가이드라인에따른 Tier 1 방법론은 2001년약 69% 의국가에서적용하고있으나 (Philippe et al., 2008), 이러한방법론에적용되는아산화질소배출계수 (0.0125 kg N 2O-N kg 1 N) 는약 20여개의실험사이트결과를평균한값으로국가별, 지역별농업환경특성을반영하지못하므로불확실성이크다 (Bouwman, 2002). 이러한이유때문에 IPCC는자국의농업환경에맞는국가고유배출계수를개발하여 Tier 2 수준에서배출량을산정하도록권고하고있으며, 영국 (Skiba et al., 2001) 과유럽 (Freibauer, 2003) 등에서는 Tier 2 방법론을적용한온실가스배출량산정연구를수행하였다. 2013년우리나라농업부문온실가스배출량은 1996 IPCC 가이드라인을기본으로우수실행지침서 (Good Practice Guidance, GPG) 2000 과 2003을적용하고, 일부배출계수및보정계수의경우에는 2006 IPCC 가이드라인을적용하여 Tier 1 방법으로산정하였다 ( 환경부온실가스종합정보센터, 2013). 아직까지우리나라는 2006 IPCC 신규가이드라인을적용하고있지않으나, 향후도입을위해정부는산업부문별로많은연구를수행중에있다. 농업부문의경우, Jeong et al. (2012) 은 2006 IPCC 신규가이드라인을적용한경종부문온실가스배출량을 1996 IPCC 가이드라인방법론과비교평가하고, 신규가이드라인적용을위한개선방안을연구한바있다. 농업부문에서발생하는온실가스는배출원에따라벼재배 (Rice cultivation) 과정에서의메탄배출, 농경지토양 (Agricultural soils) 에서의아산화질소배출그리고작물을수확하고남은잔사 (Crop residues) 를소각하는과정에서배출되는메탄및아산화질소로구분한다 (IPCC, 1996). 벼를재배하는과정에서발생하는메탄은주요온실가스중하나로작기중물관리방법과유기물시용유무에따라배출량이크게달라진다 (IPCC, 2006; IPCC GPG, 2003; Cai et al., 2000; IPCC, 2000). Shin et al. (2003) 은작기중물떼기 ( 중간낙수 ) 만으로약 43.8 % 의온실가스감축효과가있다고하였고, Yagi and Minami(1990) 도약 47.6% 의온실가스감축효과가있다고하였다. 농경지토양에서배출되는아산화질소는직접배출과간접배출로구분되며, 질소투입원 ( 화학비료, 가축분뇨, 작물잔사, 콩과작물등 ) 에따라배출량차이가크다 (IPCC, 2006; Rochette and Janzen, 2005). 작물을수확하고남은잔사는처리방법에따라토양으로환원하거나, 퇴비로활용또는소각을하는데이과정에서메탄, 아산화질소뿐만아니라, 이산화탄소, 질소산화물등이발생을한다. 농업부문에서의온실가스배출량은산정수준에따라서도배출량차이가크며, 배출계수및보정계수적용방법에따라서도차이가크다 (Jeong et al., 2011). 따라서배출원별정확한배출량측정과국가환경에맞는배출계수개발이필요하며, 배출량산정방법고도화를통해배출량에대한불확도 (Uncertainty) 를줄이는노력이필요하다. 이를위해국립농업과학원에서는국가고유계수개발을위해
2009년부터 2012년까지연구를수행하여 11개의배출계수와보정계수를개발하여 2014년환경부온실가스종합정보센터에등록을완료하였다. 이번연구의목적은신규개발된국가고유배출계수와보정계수를적용하여 1990년부터 2012년까지온실가스배출량변화를평가하고, IPCC 가이드라인에서제시하고있는기본계수를적용했을때와의배출량차이를비교분석하고자하였다. 2. 자료및방법국가고유배출계수및보정계수개발에따른우리나라경종부문의온실가스배출량변화비교평가를위해배출량산정방법론은 1996과 2006 IPCC 가이드라인, IPCC GPG 2000, 2003 및 2014 국가온실가스통계산정 보고 검증지침을활용하였다. 온실가스배출량산정기간은 1990년부터 2012년까지 23년간이고, IPCC 가이드라인에서제시된기본계수 (Default) 와국내에서개발된국가고유계수 9종을적용하여비교평가하였다. 배출원에따른온실가스구분은 IPCC 가이드라인을바탕으로벼재배에서의메탄배출, 농경지토양에서화학비료시용에따른아산화질소배출로하였고, 온실가스배출량은활동자료에배출및보정계수를곱하여산정하였다. 배출원별적용된계수는벼재배논의경우, 일배출계수 (EF C), 작기중물관리보정계수 (SF W) 및유기물보정계수 (SF O) 였고, 농경지토양의경우 5개작물별 ( 고추, 콩, 감자, 봄배추, 가을배추 ) 아산화질소배출계수와통합계수였다. 농업부문의경우, 강우나태풍같은환경요인등으로인한연간온실가스배출량차이가크기때문에 IPCC에서는 3년평균값을적용하도록권고하고있다. 따라서전전년도, 전년도및당해년도의 3년간평균값을이용하여당해연도배출량을구하고비교평가하였다. 메탄및아산화질소배출량을이산화탄소로환산하기위한지구온난화지수 (Global Warming Potential, GWP) 는 1996 IPCC 가이드라인에따라메탄 21, 아산화질소 310을적용하였다. 2.1 활동자료 온실가스배출량산정을위해서는기본적으로작물별재배면적, 생산량및화학비료시용량등온실가스배출에영향을미치는활동자료 (Activity data) 가필요하며, 이번배출량산정비교평가에서는국가승인통계자료인농림축산식품부 ( 구농림수산식품부 ) 의농림수산식품통계연보 (1995, 2000, 2005, 2010, 2013) 를활용하였다. 그밖에벼재배과정에서의메탄배출량산정을위한유기물시용량과작기중물관리방법론은 2014 국가온실가스인벤토리산정 보고 검증지침을적용하였다 ( 환경부온실가스종합정보센터, 2014). 농경지토양에서화학비료시용에따른아산화질소배출량비교산정을위해개발된 5개작물 ( 고추, 콩, 감자, 봄배추, 가을배추 ) 과그외작물로재배면적을구분하였고, 작물별면적당화학비료시비량은실제투입량에대한활동자료가존재하지않아작물별시비처방기준 ( 국립농업과학원, 2010) 의표준시비량을적용하였다. 2.2 배출계수및보정계수 Table 1은온실가스배출원별배출계수와보정계수를국가고유계수와 IPCC 가이드라인기본계수로구분한표이다. 벼재배논의경우, 메탄일배출계수 (EF C) 는기본배출계수가 1.30 kg ha 1 day 1 로국가고유배출계수 2.32 kg ha 1 day 1 보다낮았고, 보정계수의경우개발된유기물시용에따른보정계수와작기중물관리방법에따른보정계수는기본계수와큰차이가없었다. 농경지토양에서배출되는아산화질소배출량산정을위한국가고유배출계수 (5개작물별배출계수및통합계수 ) 는 IPCC 가이드라인의기본계수 (0.0125 kg N 2O-N kg 1 N) 보다전반적으로낮았다. 2.3 온실가스배출량산정개발된배출계수비교평가를위해온실가스배출량은 IPCC 가이드라인에따라벼재배에따른메탄배출량과농경지토양에서화학비료시용에따른아산화질소배출량으로구분하여산정하였다.
Table 1. The comparison of IPCC default and developed country specific factors Emission sources Factors Unit Developed IPCC Rice cultivation (CH 4) Emission factor (EFC) Scaling factor (SFW) Scaling factor (SFO) Emission factor (Integration) kg 1 ha 1 day 1 2.32 1.30-2.50 2.50-0.66 0.60 kg N 2O-N kg 1 N 0.0059 Agricultural soils (N 2O) Red pepper kg N 2O-N kg 1 N 0.0086 Soybean kg N 2O-N kg 1 N 0.0119 Potato kg N 2O-N kg 1 N 0.0049 Chinese cabbage (Spring) kg N 2O-N kg 1 N 0.0056 0.0125 Chinese cabbage (Autumn) kg N 2O-N kg 1 N 0.0058 벼재배에의한메탄배출량은식 (1) 과같이기 본배출계수에물관리및유기물보정계수를곱하 여일배출계수를산출한후재배면적과재배일수 를곱하여산정하였다. CH 4 Emission CH 4 = Σ(EF i t A 10 6 ) EF i = EF C SF W SF O (kg CH 4 ha 1 day 1 ) (1) EF i : Adjusted seasonally integrated emission factor for a particular harvested area EF C : Seasonally integrated emission factor for continuously flooded fields without organic amendments SF W : Scaling factor to account for the differences in ecosystem and water management regime SF O : Scaling factor for both types and amount of amendment applied A : Cultivation area (ha yr 1 ) t : Cultivation days 농경지토양에서의화학비료시용에따른아산화질소배출량은식 (2) 와같이작물별화학비료시용량에각각의배출계수를곱하여산정한다. N 2O Emission N 2O DIRECT = F SN EF 1 44/28 (2) F SN : Annual amount of synthetic fertilizer nitrogen applied to soils adjusted to account for the amount that volatilises as NH 3 and NOx (kg N yr 1 ) EF 1 : Emission factor for emission from N inputs (kg N 2O-N kg 1 N input) 3. 결과및고찰 3.1 벼재배논에서의메탄배출량 1990년부터 2012년까지우리나라벼재배논에서메탄배출량을 IPCC 기본계수 (D) 와국가고유배출계수 (CS) 를각각적용하여산정한결과는 Fig. 1 과같다. 년도별메탄배출량은기본계수를적용
Fig. 1. Changes of methane emission calculated by the developed factor(cs) and IPCC default(d) in the paddy fields from 1990 to 2012. 했을때보다국가고유계수를적용했을때높았 다. 배출량차이는벼재배면적이가장많았던 1990 년에 5,198 Gg CO 2-eq. 으로가장컸고, 벼재배 면적이가장작았던 2012 년에는 2,836 Gg CO 2-eq. 으 로배출량차이가가장적었다. 전체적인메탄배 출량변화추이는 1990 년이후벼재배면적이감소 함에따라지속적으로감소하였고, 배출량차이또 한감소하였다. Fig. 2 는기본계수와국가고유계수적용에따 른상시담수와간단관개벼재배에서 23 년간메탄 연평균배출량을나타낸다. 상시담수벼재배보다 간단관개벼재배에서평균배출량이높은이유는 1990 년부터간단관개면적비율을증가했기때문이 다. 기본계수를적용했을경우, 상시담수와간단관 개벼재배에서의메탄평균배출량은각각 2,179 Gg CO 2-eq.,. 2,792 CO 2-eq. 이었고, 국가고유배출계 수 (EF C) 와보정계수를적용했을경우는 3,888 Gg CO 2-eq., 4,983 CO 2-eq. 이었다. 벼재배논에서의메탄 총평균배출량은기본계수적용대비국가고유 계수를적용할경우약 79% 증가되었는데, 이러한 증가원인은개발된국가고유배출계수가 IPCC 에 서주어진기본계수보다높았기때문이다. 메탄배 출량은기본적으로작기중물관리방법이나유기 물시용량및종류에따라변동이크나 (Cai et al., 2001; Yagi and Minami, 1990), 이번배출량평가에 서적용된보정계수중유기물보정계수는기본계 수와고유계수가같았고, 물관리보정계수도기본 계수와큰차이가없어신규개발된국가고유계수 를적용할경우, 메탄일배출계수 (EF C) 에큰영향 Fig. 2. The differences of methane mean emissions over 23 years by the IPCC default(d) and the country-specific emission factor(cs) according to the water management in the paddy fields. 을받는것으로나타났다. 3.2 농경지토양에서의아산화질소배출량 농경지토양에서화학비료시용에따른아산화 질소배출량은 5 개작물별국가고유배출계수적 용에따른배출량과통합계수적용에따른배출량 으로구분하여 IPCC 가이드라인의기본배출계수 를적용한배출량과비교평가하였다. 1990 년부터 2012 년까지작물별아산화질소배출량변화는작물 재배면적증감에따른화학비료시용량의영향이 큰것으로분석되었다. 작물별아산화질소배출량 은기본계수를적용했을때보다국가고유배출계 수를적용했을경우배출량이전반적으로감소하였 는데, 이는아산화질소기본배출계수 0.0125 kg N 2O-N kg 1 N 보다개발된작물별배출계수가전 반적으로낮았기때문이다 (Fig. 3). 5 개작물을제 외한다른작물의대한배출량또한기본배출계수 를적용한배출량보다작았는데, 이또한통합계수 0.00596 kg N 2O-N kg 1 N 가기본배출계수 0.0125 kg N 2O-N kg 1 N 보다낮았기때문이다. Fig. 4 는 1990 년부터 2012 년까지농경지토양에 서기본배출계수와국가고유배출계수를적용했 을때 5 개작물에대한아산화질소배출량차이변 화를나타낸다. 5 개작물중배출량차이는고추에 서가장컸고, 그다음이봄배추로나타났다. 가장
(a) Red pepper (b) Soybean (c) Potato (d) Chinese cabbage(spring) (e) Chinese cabbage(autumn) (e) Other crops Fig. 3. The changes of nitrous oxide emission by developed country specific emission factors of 5 crop types and integrated emission factor from 1990 to 2012. 적은배출량차이를나타낸작물은콩으로배출량차이가거의없었는데, 이는기본배출계수와차이가작았기때문이다. 5개작물별로기본계수와국가고유배출계수를적용한 23년간평균아산화질소배출량차이는 Fig. 5와같다. 5개작물중배출량차이가가장큰 Fig. 4. The emission differences for 5 crop types according to IPCC default and country specific emission factors from 1990 to 2012. 작물은고추로기본계수적용시약 92 Gg CO 2-eq 이었고, 국가고유배출계수적용시 64 CO 2-eq. 였다. 배출량감소율이가장큰작물은감자로기본배출계수를적용했을때보다약 61% 아산화질소배출량이감소하였다. 감자다음배출량감소율이큰
Fig. 5. The differences of nitrous oxide mean emissions over 23 years according to 5 crop types in the agricultural soils. 다 40% 감소하는것으로분석되었다. 5개작물을제외한기타작물에시용된화학비료에의해발생하는아산화질소 23년간평균배출량은통합계수적용시 579 Gg CO 2-eq. 으로기본계수적용시 1,214 Gg CO 2-eq. 보다약 52% 감소하는것으로분석되었다. 기본배출계수적용시 5개작물에대한 23년평균아산화질소총평균배출량은화학비료시용에따른아산화질소총배출량의약 14% 를차지하였고, 국가고유배출계수적용시약 17% 를차지하는것으로분석되었다 (Fig. 6). 작물은봄배추로 55% 이었고, 그다음이가을배추, 고추, 콩순서로나타났다 (Fig. 5). 5개작물에대한 23년평균아산화질소총배출량은기본배출계수적용시 196 Gg CO 2-eq. 으로, 전체배출량 1,389 Gg CO 2-eq. 의약 14% 에해당하는양이었고, 국가고유통합배출계수적용시 118Gg CO 2-eq. 으로전체배출량 689 Gg CO 2-eq. 의약 17% 에해당하는양이었다. 5개작물을제외한총배출량은기본계수적용시 1,214 Gg CO 2-eq. 이었고, 국가고유통합배출계수적용시 579 Gg CO 2-eq. 이었다. 5개작물의 23년평균아산화질소총배출량은기본배출계수적용시보다국가고유배출계수적용시약 52% 감소하였고, 통합계수를적용할경우약 50% 감소되는것으로분석되었다 (Fig. 6). 5개작물에대한 23년평균아산화질소총평균배출량은국가고유배출계수를적용시 118 Gg CO 2-eq. 로기본배출계수를적용시 196 Gg CO 2-eq. 보 3.3 벼재배와화학비료시용에따른온실가스총배출량 1990년부터 2012년까지국가고유계수와기본계수를적용하여벼재배에의한메탄배출량과작물별화학비료시용에의한아산화질소배출량을더한총온실가스배출량변화는 Fig. 7과같다. 총배출량은국가고유계수와기본계수와상관없이작물재배면적및질소시용량감소로인해지속적으로감소하였다. 다만, 기본배출계수를적용했을때보다국가고유배출계수를적용했을때경종부문온실가스평균배출량이약 50% 더높은것으로분석되었는데, 이는벼재배에의한메탄기본배출계수가 IPCC 가이드라인의 Default 값보다높기때문이며, 농경지토양에서의작물별아산화질소배출계수와통합계수적용에따른배출량은 IPCC 가이드라이의기본계수를적용했을때보다낮았으나, 벼재배에의한메탄배출량영향보다는 Fig. 6. The differences of nitrous oxide mean emissions over 23 years according to IPCC default and developed country specific emission factor from the sum of 5 crops and other crops. Fig. 7. The Changes of total greenhouse gases emissions by IPCC default and country specific emission factors from 1990 to 2012.
적은것으로분석되었다. 이번배출량비교평가에서제외된농경지토양에서가축분뇨나작물잔사투입에따른아산화질소배출량과간접배출 ( 수계유출과대기휘산 ) 량에의한아산화질소배출량을같이고려할경우, 국가고유배출계수가경종부문총배출량에미치는영향은더감소할것으로생각된다. 4. 결론우리나라경종부문발생하는온실가스배출량을 1990년부터 2012년까지 IPCC 가이드라인에서제시하고있는기본계수와국립농업과학원에서개발한국가고유배출계수및보정계수를각각적용하여산정하고, 배출원별배출량을비교분석하였다. 벼재배부문발생하는메탄은기본계수적용대비국가고유배출계수와보정계수를적용할경우, 약 79% 증가할것으로분석되었는데, 이는메탄배출계수가 IPCC 가이드라인에서제시하고있는기본배출계수보다높았기때문이며, 개발된물관리및유기물보정계수는기본계수와차이가거의없어배출량에큰영향을미치지않았다. 농경지토양에서의아산화질소배출량은 5개작물에대한국가고유배출계수적용과그외작물에대한통합계수적용으로구분하여비교분석하였다. 5개작물에대한아산화질소평균배출량은기본배출계수적용대비국가고유배출계수적용시약 40% 감소하였고, 그외작물의경우약 52% 까지감소하는것으로분석되었다. 벼재배에의한메탄배출과농경지토양에서화학비료시용에따른아산화질소배출의총배출량은국가고유배출계수를적용할경우, 기본배출계수대비약 50% 높게배출되는것으로분석되었으나, 이는농경지토양에서가축분뇨나작물잔사투입에따른아산화질소배출과대기휘산이나수계유출과같은간접배출을고려할경우에는배출량증가율은더감소할것으로생각된다. 따라서향후좀더정확한배출량비교평가를위해서는가축분뇨투입이나작물잔사투입에따른아산화질소국가고유배출계수개발이나, 대기휘산이나수계유출과같은간접배출에 따른국가고유배출계수개발이추가적으로필요할것으로판단된다. 사사본연구는농촌진흥청국립농업과학원농업과학기술연구개발사업 (PJ01003003) 의지원에의해이루어진것임. References Bouwman AF, Boumans LJM, Batjes NH. 2002. Emissions of N 2O and NO from fertilized fields: Summary of available data, Global Biogeochem. Cycles 16:1058, doi:10.1029/2001gb001811. Cai ZC, Tsuruta H, Minami K. 2000. Methane emission from rice fields in China: measurements and influencing factors. J of Geo Res 105:17231-17242. Cai Z, Tsuruta H, Rong X, Xu H, Yuan Z. 2001. CH 4 emissions from rice paddies managed according to farmer s practice in Hunan, China. Biogeochemistry 56:75-91. Freibauer A. 2003. Regionalized inventory of biogenic greenhouse gas emissions from European agriculture. Eur J Agron 19:135-160. IPCC. 1996. Revised 1996 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories. IPCC. 2000. Good practice guidance and uncertainty management in national greenhouse gas inventorise. Penman J, Kruger D, Galbally I, Hiraishi T, Nyenzi B, Emmanual S, Buendia L, Hoppaus R, Martinsen T, Meijer J, Miwa K, Tanabe K. (Eds). IPCC/OECD/IEA/IGES, Hayama, Japan. IPCC. 2003. Good practice guidance for land use, land-use change and forestry. Penman J, Gytarsky M, Hiraishi T, Krug T, Kruger D, Pipatti R, Buendia L, Miwa K, Ngara T, Tanabe K, Wagner F. (Eds). IPCC/IGES, Hayama, Japan. IPCC. 2006. 2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories.
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