한국농림기상학회지, 제 16권 제4호(2014) (pISSN 1229-5671, eISSN 2288-1859)
Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 16, No. 4, (2014), pp. 316~326
DOI: 10.5532/KJAFM.2014.16.4.316
ⓒ Author(s) 2014. CC Attribution 3.0 License.


평년 기후자료를 활용한 국내 벼 안전출수 한계기의
시공간적 변화 평가

이동준(1), 김준환(2), 김광수(1)
(1)서울대학교 농업생명과학대학 식물생산과학부, (2)농촌진흥청 국립식량과학원 답작과

(2014년 09월 11일 접수; 2014년 11월 05일 수정; 2014년 11월 05일 수락)

Spatiotemporal Assessment of the Late Marginal Heading Date
of Rice using Climate Normal Data in Korea

Dongjun Lee(1), Junhwan Kim(2), Kwang Soo Kim(1)
(1)Department of Plant Science, College of Agriculture and Life Science, Seoul National University,
Gwanakro 1, Gwanakgu, Seoul 151-921, Korea
(2)Rice Research Division, National Institute of Crop Science, Rural Development Administration,
Suwon 441-857, Korea

(Received September 11, 2014; Revised November 05, 2014; Accepted November 05, 2014)

ABSTRACT
출수한계기의 설정을 통해 이앙한계기 및 파종한계기 추정이 가능하며, 이는 이모작 가능 지대를 파악할 수 있게 하여 기후변화에 따른 작부체계 설정에 도움을 줄 수 있다. 본 연구에서는 과거평년인 1971년부터 2000년까지의 기상자료와 현재평년인 1981년부터 2010년까지의 기상자료를 이용하여 51개의 관측지점에서의 출수한계기를 설정하였으며 최대 잠재적 수량 개념인 기후등숙량을 이용하여 생산성을 검정하였다. 출수 후 40일 동안 평균기온의 누적온도를 이용하여 계산되는 출수한계기를 설정하기 위해 760oC, 800oC, 840oC 및 880oC를 기준온도로 사용하였다. 또한, 기후등숙량은 출수 후 40일 간의 평균온도 및 일조시간을 이용하였다. 출수한계기에서 출수를 하였을 경우 일반적인 벼 재배시기에 비해 수량이 얼마나 감소하는지를 분석하기 위해 출수한계기에서의 기후등숙량을 기후등숙량의 최대값으로 나눠 그 비율값인 CYP/CYPmax을 구하였다. 출수한계기 분석 결과 과거평년에 비해 현재평년에서 출수한계기가 앞당겨지거나 변화가 없는 관측지점도 있었으나 대부분의 지점에서 출수한 계기가 늦추어졌으며 기준온도별로 그 변화가 상이하였다. CYP/CYPmax값은 모든 조건에서 81.8%이상의 값을 보였으며 대부분의 조건에서 90%이상의 값을 보였다. 따라서, 출수한계기까지 출수를 늦추더라도 기후적인 측면에서는 수량에 대한 손실이 크지 않을 것으로 사료된다. 출수한계기가 늦추어진 경우, 이는 이앙 한계기 역시 늦추어질 것을 나타내며, 결국, 기후변화조건에서 이모작 가능 지역이 증가할 가능성이 높을것으로 사료되었다. 본 연구는 출수 후 40일간의 평균온도와 일조만을 대상으로 분석하여, 급작스러운 기온 저하나 개화기 고온장해 등과 같은 기상장해 등은 고려하지 않았다. 따라서, 등숙기 기간동안의 특이적인 기상조건을 고려하고 보다 생물리학적인 수량예측을 위해 작물 모델을 사용한 연구가 추후에 수행되어야 할 것으로 사료된다. 또한, 이러한 방법을 사용하여 우리나라뿐만 아니라 동아시아 지역에서 미래기후조건에서의 재배한계기에 대한 분석를 통해 지역적인 기후변화적응 대책에 대한 연구가 필요할 것이다.

Keyword: The late marginal heading date, The late marginal transplanting date, Double-cropping, Cropping system, Climatic yield potential, Climate change

MAIN

Ⅰ. 서론

벼의 수량중 천립중과 등숙율은 등숙기 동안에 결정되기 때문에 이 시기의 기상환경은 수량과 품질에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, Yun and Lee (2001)은 벼의 등숙은 출수 후 40일간의 기온조건에 의해서 결정된다고 하였다. Kim et al. (2007)은 고품질 벼를 얻기 위한 적정 등숙온도는 20~22℃이라고 하였으며 Tashiro and Wardlaw (1991)는 26℃ 이상의 기온조건에서 천립중이 유의하게 감소한다고 보고하였다. 이 때문에 기후변화와 관련된 국내 벼 연구 역시 고온에 따른 수량 감소 및 품질 저하에 초점을 두고 연구되고 있다(Kim et al., 2013).
그러나, 등숙기간 중 저온이 발생하였을 경우 등숙 자체가 정지될 수도 있기 때문에, 등숙기 저온의 발생 양상을 시공간적으로 파악하는 것 역시 중요하다. 일반적으로 벼가 정상적으로 등숙 할 수 있는 온도를 안전등숙 한계온도라고 하며 출수 후 40일간의 적산온도로 표시한다(Tanaka, 1950). 안전등숙 한계온도를 만족하는 출수기를 안전 등숙 출수 한계기고 하며 벼의 만식 한계 결정과 위도 및 고도 별 벼의 생육기간 결정 등에 사용할 수 있다. 따라서, 보리-벼 이모작과 같은 작부체계 설정에 이 안전 등숙 출수 한계기가 활용될 수 있다. 예를 들어, Ku et al. (2011)에 따르면 기후변화에 따라 국내 이모작 가능 지역이 확대될 가능성이 있어 앞으로 출수한계기에 대한 중요성이 부각될 것으로 전망된다.
지금까지의 적정 출수기 및 출수한계기에 대한 연구는 비교적 단기간에 걸쳐 수행되어 오거나 전국적인 규모보다는 특정 지역에 대하여 진행되어 왔다 (Son et al., 1985; Yun and Lee, 2001; Jang and Kwon, 2007; Kim et al., 2007). Son et al. (1985)은 1973년부터 1983년까지 40일간의 누적온도가 880℃, 840℃, 800℃, 760℃가 되는 출수한계기를 분석해 80%이상의 확률을 갖는 안전출수 만한일을 각각 8월 14일, 8월 19일, 8월 23일, 8월 29일이라고 보고하였다. Yun and Lee (2001)는 이상기후가 나타났던 1998년과 1999년의 사례에서 적정 출수기를 분석하였다. Jang and Kwon (2007)은 전남 동부 해안지역에 대하여 1971~1990년의 기후조건과 1991~2006년의 기후조건을 비교해 보았을 때 안전출수 만한일과 출수 만한일이 약 3일 정도 늦어졌다고 보고하였다. Kim et al. (2007)은 영남지역을 대상으로 1971~2000년의 기후값과 1996~2005년의 기후값을 비교했을 때 적정 출수기간은 1~3일 정도 늘어났으며 기후등숙량이 최대값을 갖는 최적 출수기는 7월 31일부터 9월 7일까지의 분포를 보였다고 보고하였다.
기후조건이 시간에 따라 변화하고 있기 때문에, 현재 기후조건을 대표하는 시기에 맞추어 출수한계기들을 재설정하는 것이 필요하다. 우리나라는 지난 100년간 기온이 평균적으로 1.7℃ 상승하였으며 이는 같은 기간 동안의 세계 평균 기온 상승의 약 2배에 해당한다 (NIMR, 2009; Stocker et al., 2013). 이에 따라, 국내 평년 기후값 역시 변화되었다. 특히, 2014년 현재 평년 기후값은 1981년부터 2010년까지 자료로 바뀌었기 때문에 1971년부터 2000년까지를 기후학적 평년으로 근거한 현재의 출수한계기는 현재 또는 앞으로의 기후조건을 반영하지 못한다. 또한 기존의 출수 한계기들은 전술한 바와 같이 영남지방 등 일부 지역을 대상으로 설정되었기 때문에 전국을 대상으로 한 연구가 필요하다.
본 연구에서는 과거(1971-2000)와 현재의 평년(1981-2010)의 출수한계기의 변화를 분석하고, 출수한계기에서의 생산성을 간접적으로 평가하기 위해 각 시대별 출수한계 시점에서의 기후등숙량 계산하였다. 이를 통해 벼 이앙한계기 재설정과 작부체계 연구 등 미래 기후 변화에 따른 재배관리 대책 마련을 위한 기초 자료를 확보하고자 하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

2.1. 출수한계기 설정

기상청의 관측지점 중 1973년 이전부터 관측이 시작된 51개 지점을 대상으로 출수한계기를 설정하였다 (Fig. 1). 각 관측지점으로부터 과거 기상자료를 수집하기 위해 기상청이 운영하는 방재기상 웹포털 사이트를 사용하였다. 방재기상 웹포털 사이트 (https://metsky.kma.go.kr/)는 예보, 특보 등 일반적인 날씨 관련 정보 외에도 관측소가 설치된 모든 지점에서 수집된 기온, 강수, 일사, 바람, 풍향, 풍속, 기압 등 우리나라의 기후에 관련된 다양한 정보들을 제공한다.
과거와 현재의 평년 기후조건에서 안정등숙 출수 한계기를 분석하기 위해 1971년부터 2010년까지의 40년간의 기상자료를 수집하였다. 1971년부터 2000년까지와 1981년부터 2010년까지의 기간이 각각 과거와 현재의 평년 기간으로 설정되었다. 기상관측소가 1971년 이후에 설립되어 일부 기상자료가 존재하지 않는 지점에 대해서는 기상자료가 존재하는 기간을 평년으로 설정하였다. 예를 들어, 문경과 구미 등 20여개의 지점에서 온전한 기상자료가 존재하는 것은 1973년 이후이다. 따라서 해당지점들에 대해서는 1973년부터 2000년까지의의 기간을 과거평년으로 설정하였다.
f1출수한계기는 출수 후 40일 동안 평균기온의 누적온도를 계산하여 설정하였다. Son et al.(1985)은 안전하게 등숙할 수 있는 안전등숙 한계기온은 880℃이며 등숙비율이 70%이하로 떨어지는 기온을 실용적 등숙한계기온이라고 가정하였으며, 냉해에 약한 품종, 냉해에 중정도인 품종과 냉해에 강한 품종의 실용적 등숙한계기온은 각각 840℃, 800℃, 760℃이라고 제시하였다. 본 연구에서도 이 기준에 따라 안전출수 한계기를 산출하였다. 기상자료가 수집된 모든 년도에 대해 안전출수 한계기 설정을 위한 시작일부터 40일간의 누적온도를 일별로 산출하였다. 편의상, 40일간의 누적온도를 계산하기 위한 시작일과 종료일은 5월 1일과 10월 31일로 설정하였다. 산출된 누적온도에서 각각의 등숙한계온도보다 높은 마지막 날을 해당년도의 출수한계기로 설정하였다.
특정지점에 대해 30년간의 출수한계기를 구하면 그 날짜가 고정되어 있지 않고 연도 별로 차이가 발생한다. 따라서, 30년간 90% 확률로 안전하게 출수할 수 있는 날짜를 해당 지점의 출수한계기로 설정하였다. Son et al.(1985)의 연구에서는 80% 확률로 안전하게 출수할 수 있는 날짜를 고려하였으나 본 연구에서는 좀더 보수적인 결정을 내리기 위해 90% 확률에서 결정하였다. 확률에 기반한 출수한계기의 결정 과정은 다음과 같다. 30년간의 출수한계기의 분포는 Fig. 2와 같은데, 이를 역으로 누적하면 Fig. 3와 같은 그래프를 얻을 수 있다. 이 역누적 분포표는 해당 날짜에 출수할 경우의 안전출수 확률을 의미한다. 이 중 90%에 해당하는 날짜를 분석 지점의 등숙한계기온에 대한 출수한계기로 설정하였다. 만약, 해당 해에 윤달이 존재하였다면, 다른 해의 날짜들과 일치시키기 위해 얻어진 출수한계기보다 하루 전의 날짜를 출수한계기로 설정하였다.
f2f3
벼의 재배관리를 위한 정보는 대체로 도단위의 행정구역 단위로 제공된다. 기상자료가 가용한 지점들이 도별로 상이하게 분포하였기 때문에, 각 도별로 관측기간이 가장 오래된 지점을 대표지점으로 설정하였다. 이들 지점을 중심으로 과거와 현재 평년 조건에서 얻어진 출수한계기의 도별 변화를 비교하였다 (Table 1).
기상자료에 존재하는 결손자료는 다음과 같이 처리하였다. 일별 기상자료 요소 중 하나인 평균온도가 존재하지 않는 경우에는 최고온도와 최저온도를 평균한 값을 사용하였다. 최고온도와 최저온도 역시 존재하지 않는 경우에는 해당일의 익일과 전일의 평균온도를 평균하여 대신하였다. 그러나, 2일 이상 연속으로 값이 결손된 경우에는 값을 추정하지 않고 해당일의 값이 결손된 것으로 하였다. 이후 각 날짜별로 40일간의 누적온도를 계산하는데 이 과정에서 결손값이 존재한다면 결손 일수 5%를 기준으로 다음과 같이 처리하였다. 온도 누적계산을 위한 40일 중 결손 일수가 5%이하라면 나머지 값들만으로 평균한 후 다시 40을 곱해 누적온도를 추정하였다. 만약, 40일 중 결손 일수가 5%를 초과한 경우 누적온도를 추정하지 않고 출수한계기 설정에서 제외하였다.
ArcGIS (Environmental Systems Research Institute, CA)를 사용하여 설정된 출수한계기의 공간적 분석을 수행하였다. 자료가 없는 지점의 출수한계기를 추정하는 보간법은 해당 지점에서 가까운 지점들의 출수한계기를 거리에 가중치를 주어 평균하는 역거리 가중법을 사용하였다 (Shepard, 1968). 출수한계기의 표시는 3일 간격으로 하였다.
t1

2.2 기후등숙량 결정

출수한계기는 40일간의 평균온도만을 고려하여 설정이 되었으나, 벼의 등숙을 결정하는 중요한 요인은 온도뿐만 아니라 일사 역시 포함된다 (Kim et al., 1991; Kim, 2010). 따라서, 온도뿐만 아니라 일사조건을 반영한 기후등숙량(Climatic Yield Potential)을 고려하여 출수한계기를 분석하였다. 기후등숙량은 수량에 영향을 미치는 여러 변수 중 기후만을 고려한 최대 잠재력 수량이라는 단점이 있으나 실제 수량과 유의미한 상관관계를 나타낸다 (Yoshio, 1964).
기후등숙량을 결정하기 위해 온도와 일사 또는 일조가 입력변수로 사용된다. 우리나라의 경우, 1967년에 수원에서 처음으로 일사량 관측이 시작되었으나 대부분의 사이트에서는 일사량 보다는 일조시간이 관측되었기 때문에 일조시간을 이용하는 다음과 같은 식을 이용하였다 (Yoshio, 1975).
151개 지점에 대해 과거와 현재 평년의 출수한계기 시점에서의 기후등숙량을 계산하였다. 예를 들어, 수원지점에서 760℃를 기준으로 과거평년에 대한 출수한계기가 8월 1일이었다고 가정하면, 1971년부터 2000년까지 매년 8월 1일부터 40일간의 기상자료를 사용하여 기후등숙량을 결정하였다. 그리고, 과거평년 기간 동안 수원에서의 760℃ 조건에 해당하는 기후등숙량을 대표하기 위해 이들의 평균값을 사용하였다.
출수한계기까지 출수를 늦출 경우 수량의 변화를 분석하기 위해 연도별 출수한계기에서의 기후등숙량을 해당 연도의 벼 재배기간 중 최대 기후등숙량으로 나눠 최대 기후등숙량에 대한 비율(CYP/CYPmax)을 구하였다. 각 지점에서 출수가 출수한계기에 이루어졌을 경우의 수량을 대표하기 위해 CYP/CYPmax 값들을 평년기간 동안 평균하였다. 또한, 우리나라 전체에 대한 출수한계기 시점에서의 생산성을 추정하기 위해 이들 평년 평균값을 모든 지점에 대해 평균하여 분석하였다. 출수한계기와 기후등숙량 계산 과정을 구현하기 위해 통계패키지인 R을 사용하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

대부분의 지점에서 과거평년 (1971-2000년)에 비해 현재평년(1981-2010년)의 출수한계기가 늦추어졌으며 안전등숙 한계온도에 따라 출수한계기 변화의 공간적 분포가 상이하였다(Figs. 4-5). 760℃조건에서는 출수한계기가 늦추어진 지점이 모든 지점의 약 90%에 해당하였으나, 그 외의 온도조건에서는 대략 70%의 지점에서 출수한계기가 늦추어졌다. 기준온도가 760℃, 800℃, 840℃ 이었을 경우 출수한계기가 3일이하로 늦추어진 지점이 51개지점 중 34개지점이었으며 880℃ 온도조건에서는 27개지점이었다.
기준 온도가 높아질수록 과거와 현재 평년의 기후조건 사이에 출수한계기의 변동이 커지는 경향이 있었다. 예를 들어, 기준온도가 760℃ 일 경우 51개 지점에 대해 출수한계기의 차이는 없거나 최대 5일까지 늦추어졌다. 그러나, 880℃가 적용되었을 경우 각 지점별 출수한계기의 변화 범위는 -3일부터 7일까지였다. 이에 따라, 출수한계기 분포의 변화 역시 기준온도가 높을수록 증가하였다. 예를 들어, 기준온도가 760℃인 경우, 출수한계기가 과거평년에서는 8월15일부터 9월10일까지의 분포를 보였으나 현재평년에서는 8월16일부터 9월12일까지 분포하였다 (Figs. 4A and 5A). 반면, 880℃를 기준온도로 설정하여 얻어진 출수한계기는 과거평년조건에서 7월29일부터 8월19일까지 분포한 반면 현재평년조건에서는 7월30일부터 8월 23일 사이의 기간으로 분포하였다 (Figs. 4D and 5D).
출수한계기를 설정하기 위한 기준온도에 따라 과거와 현재 평년 사이의 출수한계기의 공간적인 변화가 나타났다. 예를 들어, 800℃가 기준온도로 사용되었을 경우, 공간적으로는 출수한계기의 분포가 더 복잡해지고 인근 지점과 비교적 큰 출수한계기의 차이를 가지는 소규모 지점이 많아졌다 (Figs. 4B and 5B). 그러나, 840℃를 기준으로 출수한계기를 설정하였을 경우 과거평년과 현재평년 조건에서의 출수한계기에 대한 공간적 분포가 큰 차이를 보이지 않았다 (Figs. 4C and 5C).
도별 대표지점의 출수한계기는 다양한 공간적 분포를 보였다 (Table 1). 과거평년조건에서 760℃를 기준온도로 설정하였을 경우 가장 이른 출수한계기는 충청북도 청주에서 얻어졌다 (8월 25일). 반면, 800℃, 840℃ 및 880℃ 조건에서 얻어진 출수한계기는 강원도의 대표지점인 강릉이 다른 지점들보다 앞서 나타났다 (각각 8월19일, 8월10일 및 8월4일). 가장 늦은 출수한계기를 보인 지점은 기준온도 760℃, 800℃ 및 840℃ 조건에서 경상남도 부산에서 얻어졌다(각각 9월10일, 9월2일, 및 8월26일). 880℃ 조건에서는 전라남도 목포에서 다른 지점들보다 늦게 나타났다 (8월 18일). 과거와 현재 평년을 비교하였을 때 강릉은 840℃ 조건에서 출수한계기가 변동이 컸으나 전주의 760℃ 조건 및 880℃ 조건 그리고 목포의 760℃ 조건에서는 출수한계기의 변화가 없었다 (Table 1).
대부분의 지점에서 과거평년보다 현재평년에서의 출수한계기가 늦추어졌으나 일부 지점에서는 변동이 없거나 오히려 앞당겨졌다 (Figs. 4 and 5). 강릉과 서울에서는 840℃ 기준으로, 그리고 춘천, 원주, 수원에서 880℃를 기준온도로 하여 출수한계기를 설정한다면 현재의 출수한계기는 과거보다 7일씩 지연되었다. 반면, 문경의 경우 760℃를 기준온도로 설정하였을 경우에는 출수한계기의 변동이 없었으나, 그 외 온도조건에서는 출수한계기가 앞당겨졌다. 이 외에도 안동과 천안의 경우 880℃ 조건에서 얻어진 출수한계기는 현재가 과거보다 앞당겨졌다. 강릉은 평균 5.25일 미뤄져 가장 출수한계기가 가장 많이 미뤄진 지점이었으며 가장 많이 앞당겨진 지점은 문경으로 평균 1.75일이었다.
f4설정된 각 출수한계기에서의 생산성 평가를 위한 CYP/CYPmax값은 과거와 현재의 평년에서 모두 유사한 분포를 보였다 (Table 2). 가장 높은 CYP/CYPmax값은 800℃ 조건의 출수한계기에서 얻어졌으며, 과거과 현재 평년조건에서 각각 94.5%와 93.4% 이었다. CYP/CYPmax 값이 다음으로 높은 온도조건은 760℃와 840℃ 순이었으며 과거평년과 현재평년 모두 90∼92%사이의 값을 나타내었다. CYP/CYPmax 값이 가장 낮은 기준온도는 880℃이었으며 과거평년과 현재평년에서 각각 81.8%와 82.9%이었다. 즉, 880℃ 조건의 출수한계기를 제외한 모든 조건에서 90%이상의 비율을 보였으며 880℃ 조건의 출수한계기에서도 역시 80%이상의 비율을 보였다. 이러한 결과들은, 출수한계기까지 출수를 미루더라도 잠재적 수량성 측면에서 기후적인 영향은 크지 않을 수 있음을 암시한다.
기준온도가 800℃로 설정되었을 때 대부분의 지점에서 출수한계기 시점에서의 기후등숙량이 최대가 되었다. 예를 들어, 과거평년에서 수원, 포항, 대구를 제외한 모든 지점에서 출수한계기에서의 기후등숙량은 800℃ 조건에서 최대값을 가졌다. 현재평년의 경우에서도 수원을 제외한 모든 지점에서 800℃ 조건 출수한계기에서 기후등숙량이 다른 온도조건에서 보다 높은 값을 가졌다. 760℃의 기준온도에서 기후등숙량이 최대 값을 가진 수원의 경우, 기준온도가 높아질수록 기후등숙량이 낮아지는 경향이 있었으며 이는 과거와 현재 평년 모두에서 동일하였다 (Fig. 6A). 한편, 과거평년에서는 760℃ 출수한계기에서 최대값을 가졌으나 현재평년에서는 800℃에서 최대값을 가진 대구의 경우, 과거평년에 비해, 비교적 높은 기준온도를 설정하였을 때 현재평년에서의 기후 등숙량이 증가하였다 (Fig. 6B). 예를 들어, 760℃와 800℃을 기준온도로 얻어진 출수한계기의 기후등숙량은 현재평년이 과거평년에 비해 감소하였지만, 840℃와 880℃ 조건에서는 현재평년의 기후등숙량이 과거평년에 비해 증가하였다.
기후변화에 따른 평균기온 상승으로 인해 대부분의 지점에서 과거평년보다 현재평년에서 출수한계기가 늦추어 진 것으로 사료된다. 출수한계기가 늦추어진 것을 고려한다면 이앙한계기 및 파종한계기 역시 미뤄졌을 것으로 추정할 수 있으며 이는 논의 작부체계 측면에서 중요한 시사점이다. 보리-벼 이모작에서의 제한요소는 벼의 이앙기와 보리 수확기가 겹치는 것이다. 따라서, 보리-벼 작부체계는 벼의 이앙기가 상대적으로 늦은 남부 지방에서나 가능한 것이었다. 그러나 이앙한계기가 미뤄졌을 경우 보리의 생육기간을 더 확보할 수 있어 벼와 보리의 이모작 가능 한계선이 북쪽으로 올라갈 수 있다. 또한, 남부지방에서는 보리보다 생육기간이 긴 밀을 이용한 밀-벼 작부체계 역시 가능할 수 있다. 따라서, 기후변화 조건에서 식량안보 제고를 위해 다양한 작부체계의 시도가 가능할 수 있다는 것을 암시한다. 추후, 작물모형이나 실제 포장실험을 통해 이앙한계기를 결정할 수 있으며, 이를 통해 이모작 가능지역 및 시기를 파악하면 미래 기후조건에서의 작부체계에 활용할 수 있을 것이다.
CYP/CYPmax 값은 대부분의 경우, 90%이상의 값을 나타냈으며 특히 800℃ 조건에서 가장 크게 나타났으며 이는 기온과 일사의 상호작용 때문인 것으로 사료된다. 기후등숙량을 구하는 수식에서 등숙적온을 21.4℃로 가정하였기 때문에 일조가 일정하다면 온도조건 중 40일간의 평균온도가 21℃인 840℃ 조건에서 기후등숙량이 가장 크게 나타나야만 한다. 그러나, 800℃ 조건에서 기후등숙량이 가장 크게 나타난 것은 일조의 영향을 동시에 고려해야만 한다는 것을 시사한다. 등숙기 기상 이외에도 수량에 관여하는 변수가 많기 때문에 기후등숙량이 높다고 해서 수량성이 크게 떨어지지 않을 것이라고 단정 할 수는 없지만, 등숙기의 기후적인 영향으로 인해 최대 잠재 수량성이 감소하지는 않을 것으로 기대된다. 그러나, 이 또한 실제 기상조건을 고려한 수량성의 변동을 파악하기 위해 포장시험과 작물모형을 이용한 분석이 필요할 것이다.
f5CYP/CYPmax의 공간적 변이는 과거와 현재평년 모두 800℃ 기준 온도조건의 출수한계기에서 가장 작았으며 880℃ 기준온도조건에서는 가장 크게 나타난 것은 우리나라에서 특이적으로 나타나는 등숙기 동안의 여름철 기상조건과 연관되어 있을 것으로 사료된다. 예를 들어, 880℃ 조건에서의 출수한계기 분포기간은 대체로 8월 초에서 중순으로 장마기간과 겹치게 된다. 따라서, 강수로 인한 일조의 차이가 지점별로 상이해 변이계수가 크게 나타난 것으로 보인다.
지점별로 기후등숙량이 최대가 되는 날짜는 대체로 기준온도가 840℃와 800℃에서 설정된 출수한계기의 중간 날짜에서 나타났으며, 이는 800℃ 온도조건과 760℃ 온도조건에서는 기후등숙량이 최대가 되는 날부터 출수한계기까지를 적정출수기로 설정할 수 있다는 것을 암시한다. 예를 들어, 800℃를 기준온도로 하여 설정된 한계 출수기와 적정출수기의 차이는 과거평년에서 평균 0.8일이었으나 현재평년에서는 평균 1.2일로 약간 늘어났다. 760℃ 온도조건에서는 과거평년에서 평균 6.5일이었으며 현재평년에서 평균 6.3일로 약간 줄어들었다. 반면 880℃ 온도조건과 840℃ 온도조건은 기후등숙량이 최대가 되는 기상조건 전에 출수한계기가 나타났다. 즉 880℃의 온도조건을 가지는 냉해에 약한 품종과 840℃의 온도조건을 가지는 냉해에 중정도인 품종에 대해서는 출수한계기까지 출수를 미루는 것이 기후등숙량을 기준으로 보았을 때 수량을 높일 수 있다고 볼 수 있다. 그러나, 이러한 결과들은 기후등숙량지수가 일반적인 자포니카의 등숙적온을 21.4℃로 가정하고 있기 때문에 비교적 저온에 약한 통일계 품종이나 일부 특수미 품종에는 적합하지 않을 수 있다. 따라서, 이러한 결과들의 이들 품종에 대한 적용 가능성을 파악하기 위해 품종적 특성을 고려한 추가 분석이 요구된다.
문경과 안동 등 일부 지점에서 출수한계기가 앞당겨지거나 변화가 없었다는 것은 공간적으로 좀더 세밀한 출수한계기의 분석이 필요하다는 것을 암시한다. 예를 들어, 출수한계기가 가장 많이 앞당겨진 문경의 경우, 현재평년조건과 과거평년조건을 비교하였을 때, 평균기온의 하락을 동반한 강수량 증가가 관측되었다. 안동 역시 벼 재배기간 중 평균기온이 하락하였으며 강수량이 증가하였다. 즉, 강수량 증가와 이에 따른 온도 하락이 발생하여 다른 지점과는 달리 출수한계기가 앞당겨진 것으로 보인다. 따라서 출수한계기의 공간적 분석을 위해 기후변화 조건에서 강수량과 평균온도의 공간적 변동양상을 파악하는 것이 필요할 것으로 사료된다.
t2f6본 연구는 출수한계기를 추정하기 위해 40일간의 평균온도만이 사용되었기 때문에 40일간의 누적온도는 기준치를 만족시키더라도 갑작스런 기온저하로 인해 등숙이 중단되는 경우는 고려되지 않았다. Kim et al.(2003)은 온도에 따른 벼 등숙속도 연구를 통해 벼 등숙 최저온도를 추정하였는데 추정된 최저온도는 품종마다 상이하였고 가장 낮은 최저 등숙온도는 9℃이었다. 그러나 이는 등숙 전기간 동안 하나의 온도를 처리한 것으로서 등숙단계별 실제 등숙 최저점과는 거리가 있을 수 있어 좀더 세밀한 연구가 필요하다. 이와 관련하여 Ebata(1990)는 등숙기 각 단계별로 최처 온도를 추정하였는데 등숙후기에는 영상 5℃까지 내려간다고 하였다. 그러나 이 연구 역시 고온과 저온 2개 온도만을 이용하여 얻은 추정값이며 실제 적용을 위해서는 추가적 실험이 필요하다.
기존 연구에서 등숙중단 온도에 대한 결과가 부족하기 때문에, 본 연구에서는 출수한계기 설정시 이 부분을 고려 하지 못하였다. 따라서, 등숙중단 온도를 고려한 출수한계기 설정이 추후 연구에서 진행되어야 할 것이다. 이와 관련하여 현재까지는 경험적으로 알려진 비가역적인 등숙 중단은 서리로 인해 발생한다고 알려져 있다. 또한 불임 등 벼 재배에 영향을 미칠 수 있는 다른 요소들에 대한 고려가 되지 않았다. 또한, 미래의 기후변화에 따른 기온상승에 대한 연구에서는 고온 발생빈도 높아질 수 있는 개화기의 고온장애가 고려되어야 할 것이다.
미래 기후변화 시나리오 자료를 활용하여 본 연구에서 사용된 방식으로 출수한계기의 시계열적 변화를 분석할 수 있다. 그러나, 현재 우리나라 미래기후 시나리오는 하나의 전구모델에서 나온 결과물이기 때문에 본 연구에서 설정된 출수한계기의 불확실성을 정량화 할 수 없다. 따라서, 복수의 기후변화 시나리오를 적용한 연구를 통해 불확실성을 최소화한 미래의 벼 재배시 출수한계기 설정이 필요하며, 이는 기후변화 대응 기술 개발을 위한 연구에 도움이 될 수 있을 것이다. 전술한 바와 같이 출수한계기 연구는 벼의 재배한계선과 더불어 새로운 작부체계 설정과 같은 기후변화 경감대책뿐 만 아니라 적응대책으로서 새로운 품종을 육성할 때 출수기에 대한 육종 가이드라인이 될 수 있다. 또한, 북한을 비롯한 다른 아시아 국가들의 작부체계 변화 모의에서도 동일한 방법론을 적용할 수 있어 통일대비 식량 정책연구 등에도 도움을 줄 수 있을 것이다.

Ⅳ. 적요

출수한계기의 설정을 통해 이앙한계기 및 파종한계기 추정이 가능하며, 이는 이모작 가능 지대를 파악할 수 있게 하여 기후변화에 따른 작부체계 설정에 도움을 줄 수 있다. 본 연구에서는 과거평년인 1971년부터 2000년까지의 기상자료와 현재평년인 1981년부터 2010년까지의 기상자료를 이용하여 51개의 관측지점에서의 출수한계기를 설정하였으며 최대 잠재적 수량 개념인 기후등숙량을 이용하여 생산성을 검정하였다. 출수 후 40일 동안 평균기온의 누적온도를 이용하여 계산되는 출수한계기를 설정하기 위해 760℃, 800℃, 840℃ 및 880℃를 기준온도로 사용하였다. 또한, 기후등숙량은 출수 후 40일 간의 평균온도 및 일조시간을 이용하였다. 출수한계기에서 출수를 하였을 경우 일반적인 벼 재배시기에 비해 수량이 얼마나 감소하는지를 분석하기 위해 출수한계기에서의 기후등숙량을 기후등숙량의 최대값으로 나눠 그 비율값인 CYP/CYPmax 을 구하였다. 출수한계기 분석 결과 과거평년에 비해 현재평년에서 출수한계기가 앞당겨지거나 변화가 없는 관측지점도 있었으나 대부분의 지점에서 출수한계기가 늦추어졌으며 기준온도별로 그 변화가 상이하였다. CYP/CYPmax값은 모든 조건에서 81.8%이상의 값을 보였으며 대부분의 조건에서 90%이상의 값을 보였다. 따라서, 출수한계기까지 출수를 늦추더라도 기후적인 측면에서는 수량에 대한 손실이 크지 않을 것으로 사료된다. 출수한계기가 늦추어진 경우, 이는 이앙한계기 역시 늦추어질 것을 나타내며, 결국, 기후변화 조건에서 이모작 가능 지역이 증가할 가능성이 높을 것으로 사료되었다. 본 연구는 출수 후 40일간의 평균온도와 일조만을 대상으로 분석한 반면, 급작스러운 기온저하나 개화기 고온장애 등과 같은 기상조건들은 출수한계기와 기후등숙량에 영향을 줄수 있다. 따라서, 등숙기 기간동안의 특이적인 기상조건을 고려하고 보다 생물리학적인 수량예측을 위해 작물 모델을 사용한 연구가 추후에 수행되어야 할 것으로 사료된다. 또한, 이러한 방법을 사용하여 우리나라뿐만 아니라 동아시아 지역에서 미래기후조건에서의 재배한계기에 대한 분석를 통해 지역적인 기후변화 적응 대책에 대한 연구가 필요할 것이다.

적요

Determination of the late marginal heading date (LMHD), which would allow estimation of the late marginal seeding date and the late marginal transplanting date, would help identification of potential double cropping areas and, as a result, establishment of cropping systems. The objective of this study was to determine the LMHD at 51 sites in Korea. For these sites, weather data were obtained from 1971 to 2000 and from 1981 to 2010, which represent past and current normal climate conditions, respectively. To examine crop productivity on the LMHD, climatic yield potential (CYP) was determined to represent the potential yield under a given climate condition. The LMHD was calculated using accumulated temperature for 40 days with threshold values of 760oC, 800oC, 840oC and 880oC. The value of CYP on a given LMHD was determined using mean temperature and sunshine duration for 40 days from the LMHD. The value of CYP on the LMHD was divided by the maximum value of CYP (CYPmax) in a season to represent the relative yield on the LMHD compared with the potential yield in the season. Our results indicated that the LMHD was delayed at most sites under current normal conditions compared with past conditions. Spatial variation of the LMHD differed by the threshold temperature. Overall, the minimum value of CYP/CYPmax was 81.8% under all of given conditions. In most cases, the value of CYP/CYPmax was >90%, which suggested that yield could be comparable to the potential yield even though heading would have oCcurred on the LMHD. When the LMHD could be scheduled later without considerable reduction in yield, the late marginal transplanting date could also be delayed accordingly, which would facilitate doublecropping in many areas in Korea. Yield could be affected by sudden change of temperature during a grain filling period. Yet, CYP was calculated using mean temperature and sunshine duration for 40 days after heading. Thus, the value of CYP/CYPmax may not represent actual yield potential due to change of the LMHD, which suggested that further study would be merited to take into account the effect of weather events during grain filling periods on yield using crop growth model and field experiments.

감사의 글


본 연구는 농촌진흥청 공동연구사업(과제번호:PJ010115022014)의 지원에 의해 수행되었습니다.

REFERENCES

Ebata, M., 1990: Heat unit summation and base temperature on the development of rice plant. Japanese Journal of Crop Science 59(2), 233-238. (In Japanese with English abstract)crossref(new window)

Jang, D., and W. Kwon, 2007: Analyses of the changes in the optimum ripening periods of the rice plant according to the temperature changes in the Jeonnam’s east-coast region. Journal of Climate Research 2(1):3-13. (In Korean with English abstract)

Kim, C., J. Lee, J. Ko, E. Yun, U. Yeo, J. Lee, D. Kwak, M. Shin, and B. Oh, 2007: Evaluation of optimum rice heading period under recent climatic change in Yeongnam Area. Korean Journal of Agriculture and Forest Meteorology 9(1), 17-28.crossref(new window)

Kim, D., J. Shin, J. Choi, C. Lee, and J. Kim, 2003: Varietal characteristics of kernel growth of rice influenced by different temperature regimes during grain filling. Korean Journal of Crop Science 48(5), 397-401.

Kim, J., 2010: Modeling the effects of temperature, solar radiation and leaf senescence on grain filling of rice. Ph. D. thesis. Seoul National University, Seoul. (In Korean with English abstract)

Kim, J., J. Shon, Y. Yoon, and C. Lee, 2013: Study on improving high-temperature tolerance for grain filling through adjusting sink size. Korean Journal of Crop Science 58(2), 107-112. (In Korean with English abstract)crossref(new window)

Kim, K., S. Kim, B. Huh, and K. Yoon, 1991: Effects of shading at heading stage on yield components in rice. Korean Journal of Crop Science 36(2), 127-133. (In Korean with English abstract)

Ku, B., S. Kang, T. Park, Y. Kim, H. Park, J. Ko, and B. Lee, 2011: Growth and yield in early seasonal cultivation for rice double cropping in Southern Korean paddy field. Korean J. Intl. Agri., 23(5), 520-630. (In Korean with English abstract)

NIMR, 2009: Understanding of Climate Change II, KMA Research Report, 11-1360395-000160-01. National Institute of Meteorological Research, 86 pp. (In Korean)

Shepard, D., 1968: A two-dimensional interpolation function for irregularly-spaced data. Proceedings of the 1968 23rd ACM National Conference, New York, NK, USA. 517-524.

Son, Y., S. Kim, and S. Lee, 1985: Determination of critical late transplanting date of rice in Yeongnam region. The Research Reports of the Rural Development Administration, 27(1), 83-92.

Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex, and P.M. Midgley, eds., 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 1535 pp, Cambridge Univ. Press, Cambridge, U. K. and New York.

Tanaka, M., 1950: Practical studies on the injuries of cool weather in rice plant, II. Temperature and heading date need to full development of rice grains. Japanese Journal of Crop Science 19(1-2), 57-61. (In Japanese with English abstract)crossref(new window)

Tashiro, T., and I. Wardlaw, 1991: The effect of high temperature on the accumulation of dry matter, carbon and nitrogen in the kernel of rice. Austrian Journal of Plant Physiology 18, 259-265.crossref(new window)

Yoshio M., 1964: On the influence of solar radiation and air temperature upon the local differences in the productivity of paddy rice in Japan. The Crop Science Society of Japan 15, 117-131. (In Japanese with English summary)

Yoshio M., 1975: Estimation and simulation of rice yield from climatic factors. Agricultural Meteorology 15, 117-131.crossref(new window)

Yun, S., and J. Lee, 2001: Climate change impacts on optimum ripening periods of rice plant and its countermeasure in rice cultivation. Korean Journal of Agriculture and Forest Meteorology 3(1), 55-70. (In Korean with English abstract)