한국농림기상학회지, 제 17권 제2호(2015) (pISSN 1229-5671, eISSN 2288-1859)
Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 17, No. 2, (2015), pp. 173~181
DOI: 10.5532/KJAFM.2015.17.2.173
ⓒ Author(s) 2015. CC Attribution 3.0 License.


김제 보리-벼 이모작지에서의 순 생물상생산량의 추정

심교문, 민성현, 김용석, 정명표, 최인태
국립농업과학원

(2015년 05월 14일 접수; 2015년 6월 26일 수정; 2015년 06월 29일 수락)

Estimation of Net Biome Production in a Barley-Rice Double Cropping Paddy Field of Gimje, Korea

Kyo-Moon Shim, Sung-Hyun Min, Yong-Seok Kim, Myung-Pyo Jung, and In-Tae Choi
National Academy of Agricultural Science, RDA, Wanju, Korea

(Received May 14, 2015; Revised June 26, 2015; Accepted June 29, 2015)

ABSTRACT
Fluxes of carbon dioxide (CO2) were measured above crop canopy using the Eddy Covariance (EC) method, and emission rate of methane (CH4) was measured using Automatic Open/Close Chamber (AOCC) method during the 2012-2013 barley and rice growing season in a barley-rice double cropping field of Gimje, Korea. The net ecosystem exchange (NEE) of CO2 in the paddy field was analyzed to be affected by crop growth (biomass, LAI, etc.) and environment (air temperature, solar radiation, etc.) factors. On the other hand, the emission rate of CH4 was estimated to be affected by water management (soil condition). NEE of CO2 in barley, rice and fallow period was -100.2, -374.1 and +41.2g C m−2, respectively, and CH4 emission in barley and rice period was 0.2 and 17.3 g C m−2, respectively. When considering only CO2, the barley-rice double cropping ecosystem was estimated as a carbon sink (-433.0g C m−2). However, after considering the harvested crop biomass (+600.3 g C m−2) and CH4 emission (+17.5g C m−2−2).

Keyword: Barley-rice double cropping paddy field, CH4 emission, CO2 flux, Net biome production

MAIN

I. 서 론

벼를 주로 재배하는 논 생태계는 메탄(CH4)의 주요 배출원으로(Khalil and Rasmussen, 1983; Bartlett and Harris, 1993), 전 지구에서 인위적으로 배출되는 CH4의 10~12%가 논 생태계에서 기인하는 것으로 알려져 있다 (IPCC, 2007). 또한, 논 생태계는 농작물의 광합성에 의한 동화작용으로 대기로부터 이산화탄소(CO2)를 흡수하고, 이와 동시에 작물의 생장에 필요한 자가호흡과 토양 미생물에 의한 타가호흡을 통해 대기 중으로 CO2를 배출하고 있다. 이와 같이 논 생태계는 육상생태계의 온실 가스 농도의 계절적 변화에 큰 영향을 미치고 있다.
보리-벼 이모작 논 생태계에서 발생되는 주요 온실 가스는 CO2, CH4, 아산화질소(N2O) 등으로, 챔버방식과 미기상학적 방식으로 측정할 수 있다. 그 중에 CH4과 N2O는 주로 개폐형 챔버를 이용하여 가스를 포집 후 Gas Chromatographs(GC)를 이용하여 측정 하는데, 그 이유는 이들 온실가스가 대기 중에서 낮은 농도로 존재하기 때문이다(International Atomic Energy Agency, 1992; Hutchinson and Livingston, 1993). 반면에 CO2는 개방형 에디공분산과 개폐형 챔버의 두가지 방식에 의해 적외선 가스 분석기(IRGA)를 이용하여 측정하고 있다(Field et al., 1989). 이중에 에디공분산은 고속반응 CO2 분석기가 개발된(1980년대) 이후부터 널리 활용되고 있는 기법으로 육상생태계의 지표-대기간에 교환되는 CO2를 관측환경의 손상을 최소화하면서, 연속적으로 측정할 수 있는 장점이 있다(Baldocchi et al., 2001). 따라서 농경지(Miyata et al., 2000; Campbell et al., 2001), 초지(Balogh et al., 2007; Veenendaal et al., 2007; Ferlan et al., 2011), 산림(McCaughey et al., 2006; Bonneville et al., 2008; Clement et al., 2012) 등의 육상생태계의 플럭스 관측에 널리 활용되고 있다.
최근에는 아시아의 논 생태계를 대상으로 CO2 플럭스와 CH4배출량을 에디공분산 방식과 챔버 방식으로 각각 측정하여 종합 분석한 결과물이 학계에 보고되고 있다(Yagi et al., 1996; Saito et al., 2005; Alberto et al., 2009; Yang and Chang, 2001). 하지만, 아시아의 논 생태계는 다양한 기후지대(열대에서 온대)에서 다양한 벼 품종이 재배되고 있고, 지역에 따른 토양의 물리적, 화학적 특성과 영농활동(시비, 물관리, 작부체계 등) 등이 서로 상이하므로 논 생태계의 CO2 플럭스와 CH4 배출량은 지역에 따라 차이를 나타내고 있다(Bhattacharyya et al., 2012). 예를 들면, Saito et al. (2005)은 일본 츠쿠바 지역의 논 생태계(벼 단작체계)를 대상으로 벼 재배기간동안의 NEE를 -398.0g C m-2으로 산정하였고, Takimoto et al. (2010)은 오카야마 지역의 논 생태계(벼-보리 이모작 작부체계)를 대상으로 벼 재배기간동안의 NEE를 -350.0g C m-2으로 추정하였다. 또한, Alberto et al.(2009)은 필리핀 국제미작연구소에서 관개시설이 설치되어 있는 논 생태계에서는 NEE가 -258.0g C m-2인 반면에, 관개시설이 설치되어 있지 않은 논 생태계에서는 NEE가 -85g C m-2인 것으로 추정하였다. 따라서 다양한 작부체계와 다양한 지역의 논 생태계를 대상으로 CO2 플럭스와 CH4 배출량을 정량화할 필요가 있다.
한편, 1년생 작물을 주로 재배하고 있는 논 생태계는 작물의 광합성에 의해서 대기중의 CO2를 흡수하고 있지만, 산림생태계와는 달리, 탄소흡수원으로 인정을 받지 못하고 있다. 그 이유는 수확물의 소비와 분해, 작물체의 소각 등으로 작물의 광합성에 의해 흡수된 대부분의 CO2가 논 생태계에 머무르지 못하고 대기 중으로 방출되기 때문이다. 따라서 에디공분산 방법으로 관측된 탄소 교환량에 농작물의 수확에 따른 탄소배출량과 CH4 형태로 배출되는 탄소량을 함께 고려하는 순 생물상 교환량(Net Biome Production, NBP)의 분석이 요구되고 있다.
본 연구는 에디공분산 방식과 자동개폐식 챔버 방식을 이용하여 보리-벼 이모작 작부체계의 논 생태계를 대상으로, 연속적으로 CO2 교환량과 CH4 배출량을 측정하여 CO2 수지와 CH4 수지(배출량)를 정량화하고, 여기에 농작물의 수확에 따른 탄소배출량을 추가하여 보리-벼 이모작 논 생태계의 연간 NBP, 즉 연간 탄
소수지를 산정하기 위해 수행하였다.

II. 재료 및 방법

2.1. 연구대상 지역의 개요

연구대상 지역은 전라북도 김제시 부량면 신용리 일대의보리-벼 이모작의 논 생태계(35°44’N, 126°51’E, 21m)로, CO2/H2O 플럭스 관측타워는 취주거리(fetch)가 150~300m 범위의 논 한가운데에 위치해 있다. 관측장소에서 남서쪽 방향으로 400m 떨어진 곳에 소규모 농촌 마을이 위치해 있고, 서쪽방향으로 350m 떨어진 곳에 교통량이 다소 적은 지방도로가 지나고 있다. 토양통은 미사질양토의 전북통으로, 표토의 유기물 함량은 32.3g C kg−1이고, pH(water)는 5.6이며, 탄소와 질소함량은 각각 18.6g C kg1와 1.9g N kg1로 조사되었다(Min et al., 2013).

2.2. 영농활동 조사

2012년 10월 20일에 겉보리 품종인 영양보리를 휴립광산파 방식으로 파종하였다. 보리의 밑거름으로 맞춤16호(남해화학)를 헥타르(ha)당 500kg(질소기준 110kg ha-1) 시비했고, 이듬해 3월 상순의 저온으로 인한 동해(凍害)가 예상되어 추비는 시용하지 않았다. 보리의 출수기는 2013년 5월 5일로 조사되었고, 보리의 수확날짜는 6월 8일이었다. 보리 수확후, 벼 재배를 위한 논물대기(2013.6.12)와 논갈이(2013.6.15)를 수행하였다. 벼의 밑거름으로 맞춤 16호(남해화학)를 ha당 500kg(질소기준 88kg ha-1)를 시비하였고(2013.6.16), 벼 이삭거름으로 요소를 ha당 75kg(질소기준 35kg ha-1)를 시비하였다. 벼 품종은 중만생종인 신동진벼이고, 2013년 6월 21일에 어린모 기계이앙방식으로 이앙하였다. 벼의 출수기는 동년 8월 15일로 조사되었고, 수확날짜는 2013년 10월 21일이었다(Table 1). 수확 및 수거에 따른 논 생태계의 작물체의 이동현황을 살펴보면, 보리와 벼의 종실은 식용으로 수확되고, 보릿짚과 볏짚은 축우용 조사료로 수거되어 논 생태계 외부로 이동하였으나, 작물체의 뿌리와 지상부의 그루터기는 논 생태계 내부에서 유기물로 활용되었다.skm_table1

2.3. 작물 생장량 조사

벼와 보리의 생장량 조사는 관측타워의 주풍향에 위치한 농가포장에서 2주 간격으로 수행하였다. 벼는 연속된 20주(15cm×30cm×20=9,000cm2)를 대상으로, 보리는 일정규모의 생육조사지(20cm×100cm=2000cm2) 3곳을 대상으로 작물체의 생장량을 조사하였다. 벼와 보리의 건물중과 탄소함량은 현장조사로 파악된 작물 생장량(초장, 분얼수)과 유사한 작물체(벼는 3주, 보리는 5개체)를 채취하여, 지상부(엽초, 엽신, 이삭)와 지하부(뿌리)로 나누어 조사하였다. 보리의 엽면적 지수(Leaf Area Index; LAI)는 채취한 작물체의 엽초를 파괴형 식생군락분석기(LI-3100, LI-COR Biosciences Inc., USA)를 이용하여 조사하였고, 벼의 LAI는 이동형 식생군락분석기(LAI-2000, LI-COR Biosciences Inc., USA)를 이용하여 조사하였다. 관측타워의 3m 높이에 디지털카메라를 서쪽방향으로 설치하여 1시간 간격으로 농가포장의 생육상황과 영농활동을 촬영하였다.

2.4. 환경인자 측정

태양에너지 측정 센서(CNR1, Kipp&Zone B.V.,The Netherlands)를 지상 1.5m 위치에 설치하여 태양 복사와 지구복사의 입사량과 반사량을 측정하였고, 자료집록기의 내부연산을 통해 순복사와 알베도를 계산하였다. 지중열류량 센서(HFP1, Campbell scientific, Inc., USA)는 관측타워의 서쪽과 동쪽에 각각 하나씩 총 2개를 지중 10cm 깊이로 설치하여 지표면과 땅속의 열 이동량을 측정하였고, 온·습도 센서(HMP45C, Campbell scientific, Inc., USA)는 관측타워의 1m와 2m 높이에 각각 설치하여 벼/보리 군락의 온도와 습도 변화를 관측하였다. 또한 토양수분 센서(CS616, Campbell scientific, Inc., USA)와 토양온도 센서 (TCAV, Campbell scientific, Inc., USA)는 관측타워의 동쪽과 서쪽의 지중 10cm 깊이로 각각 2개를 설치하여 땅속의 온도와 수분함량을 관측하였다. 이들 환경인자들은 5초 간격으로 측정하였고, 30분 평균 처리하여 자료집록기에 저장하였다.

2.5. 물리량(CO2 등) 플럭스의 측정 및 보정

대기 중의 CO2와 H2O는 개방형 CO2/H2O 적외선 가스분석기(LI-7500, LI-COR Biosciences Inc., USA)로, 대기 중의 풍속과 온도는 3차원 초음파 풍속계 (CSAT3, Campbell Scientific Inc., USA)로 초당 10회(10Hz)씩 측정하였고, 이들 데이터(풍속, 바람에 수송된 대기 중의 CO2 농도/H2O 농도/온도)의 30분 평균에 대한 편차를 공분산하여 30분 평균 물리량 플럭스를 계산하였다.
미기상학적 에디공분산법으로 측정 및 계산된 30분 평균 플럭스자료는 KoFlux의 표준화 프로그램에 따라 보정 과정을 수행하였다. 즉, Lee et al.(2004)와 Wilczak et al.(2001)이 제시한 평면 맞추기 회전 (Planar Fit Rotaion; PFR)과 Webb et al.(1980)이 제시한 밀도변동 보정을 수행하였고, 불확실성을 감소시키기 위해서 FLUXNET의 표준 방법인 연속된 3개의 관측 값의 차이를 이용한 튀는 자료찾기 방법을 이용하였다(Papale et al., 2006). 에디공분산법에 의한 CO2 플럭스의 분석은 일정한 난류가 필요한데, 야간의 CO2 플럭스는 이런 조건을 만족시키지 못하는 경우가 많으므로, 야간의 CO2 플럭스에 대한 마찰 속도(μ*)의 임계점을 산출해야 한다. 본 연구에서는 분석기간에 대한 마찰 속도의 임계점을 0.06m s−1으로 설정했고 (Fig. 1), 임계점 이하에서 측정된 야간 CO2 플럭스는 분석에서 제외하였다. 그리고, FLUXNET의 표준화 방법인 수정된 색인 목록 방법(Reichstein et al., 2005)을 이용한 결측보충(gap-filling) 과정을 수행하였는데, 보리 재배기간의 CO2 결측보충률은 45%, 벼 재배기간의 CO2 결측보충률은 47%로 각각 조사되었다.skm_fig1

2.6. CO2 플럭스(NEE, GPP, Re)의 분배

논 생태계와 대기간 CO2의 순생태계교환량(net ecosystem exchange, NEE)은 작물(벼/보리)의 광합성 동화작용에 의한 CO2 흡수량(gross primary production, GPP)과 작물 및 토양의 호흡에 의한 CO2 방출량 (ecosystem respiration, Re)의 차이로 나타낼 수 있다 (식 1).skm_formula1Re는 작물 및 토양의 주간호흡과 야간호흡의 합으로 나타낼 수 있으며, 야간호흡의 계산식은 <식 2>와 같다.skm_formula2여기서, A와 B는 회귀분석에 의해 결정된 경험상수이고, B는 온도계수(Q10)로 In(Q10)/10으로 나타낸다. A는 야간지온이 0°C일 때의 호흡량, T는 야간지온을 각각 의미한다.
주간의 지온에 대한 생태학적 호흡량의 관계는 야간 호흡과 같다는 전제하에 야간호흡의 계산식에 주간의 지온을 대입하여 주간호흡량을 계산하였다(Saito et al., 2005).

2.7. CH4 배출량의 측정

논 생태계의 CH4 배출량은 Gas Chromatograph (GC)-FID와 연동된 자동화 개폐 챔버 시스템[(Automatic Open/Close Chamber(AOCC)]을 이용하였고, 1일 12회(2시간 간격) 측정하였다. AOCC는 챔버부, 펌프부, 작동제어부, 분석부 등 4부분으로 구성되어 있고, 챔버의 크기는 62×62×120cm(L×W×H)이다. 챔버 상단뿐만 아니라, 하단에도 자동 개폐문을 설치하여 비 측정시간에는 챔버 내부와 외부의 공기 순환이 원활하도록 제작하였다. 벼 재배시기는 주로 담수상태이기 때문에서 샘플 공기의 높은 수분함량이 문제가 되는데, 본 연구에서는 샘플 공기의 수분을 2가지 방식(라인퍼지, 냉각)으로 제거하여, GC기기의 성능유지와 데이터 분석값의 재현성을 제고하였다. 챔버 내부에는 온도 센서를 설치하여 챔버 내부의 지온, 수온, 기온을 측정하였고, 수위센서도 설치하여 물의 깊이를 측정하였다. CH4의 농도는 챔버 상·하단의 자동 개폐문을 닫은 후, 초기값과 30분 이후 값을 각각 측정하는데, 이때 b챔버내 온도도 함께 측정하였다. 이와 같이 측정된 자료를 활용하여 다음<식 3>과 같은 방법으로 메탄 배출량을 계산하였다(식 3).skm_formula3여기서 F는 CH4배출량의 플럭스(mg m-2 h−1)이고, p는 챔버 내부의 CH4의 밀도(0.714kg m−3)를 나타내며, V와 A는 챔버의 부피(m3)와 챔버의 밑넓이를 나타낸다. dC는 측정 시간 동안 CH4 농도 증가률을 나타내는 것으로, 측정 시간 동안 측정된 CH4 농도의 기울기로 계산한다. dT는 측정 시간 동안 챔버 내부의 기온 변화를 의미한다(Yagi et al., 1996).

III. 결 과

3.1. 환경요인 및 작물 생장량의 변화

2012년 보리 파종일(2012.10.20)부터 2013년 벼 수확일(2013.10.21)까지의 환경요인과 작물의 생장량의 변화를 시계열로 나타내면, Fig. 2와 같다. 보리와 벼 재배기간의 평균기온은 12°C이고, 동기간의 평균 일사량은 17.5MJ m-2 d−1로 관측되었다. 보리와 벼 재배기간의 누적 강수량은 1,070mm로 평년(1,313)보다 적었고, 동기간의 강수일수도 100일로 평년(122일)보다 적게 관측되었다. 보리 군락의 LAI는 최대 2.8m2m-2까지 높아진 후 감소하였고, 벼 군락의 LAI는 최대 4.9m2m-2까지 높아진 후 감소하는 경향을 나타냈다. LAI가 가장 높게 관측된 날짜(보리: 2013.5.9, 벼: 2013.8.21)는 작물의 출수기가 관측된 날짜(보리: 2013.5.5, 벼: 2013.8.15)와 유사하였다. 보리의 지상부 건물중은 파종후 생육초기에는 서서히 증가하다가 이듬해 3월부터 5월까지는 급격히 증가한 후, 감소하는 경향을 나타냈고, 벼의 지상부 건물중은 모이앙부터 9월 중순까지는 급격히 증가한 후, 수확기까지는 조금씩 증가하는 것으로 조사되었다.skm_fig2

3.2. CO2 플럭스(GPP, NEE, Re)의 계절적 변화

보리와 벼 재배기간의 일별 GPP, NEE, Re의 계절적 변화는 Fig. 3과 같다. 보리재배기간의 경우, 보리 파종일(2012.10.20)부터 동년 11월 상순까지는 Re가 GPP보다 높아서, 이기간의 논 생태계는 CO2의 발원(source)으로 작용하였으나, 11월 중순부터 12월 상순까지는 보리의 초기생육으로 논생계태는 CO2의 발원에서 흡원(sink)으로 전환되었다. 12월 중순부터 이듬해 2월 중순까지는 보리의 생육정지기로 논 생태계는 다시 CO2의 발원으로 작용하였고, 2월 하순부터 5월 상순까지는 광합성에 의한 보리 생장량의 증가로 GPP 및 NEE가 급격하게 증가하여 논 생태계는 CO2의 발원에서 흡원으로 전환되었다. LAI가 가장 높게 관측된 5월 9일에 GPP가 가장 높게(12.69 g C m-2 d−1) 측정되었다. 보리 수확전 1주일(2013.6.2)부터는 Re가 GPP보다 높게 측정되어 논 생태계는 다시 CO2의 발원으로 평가되었다. 보리 수확후, 논 생태계는 토양호흡에 의해서 일평균 2.05g m-2의 탄소(C)를 대기중으로 배출하는 것으로 조사되었다.
벼 재배기간의 경우, 벼 이앙일(2013.6.1)부터 6월 말(28일)까지는 Re가 GPP보다 높게 측정되어 논 생태계는 CO2의 발원으로 작용하였으나, 그 이후 GPP와 NEE는 벼 생장량의 증가와 더불어 8월 중순까지 급격히 증가하여, 논 생태계는 CO2의 발원에서 흡원으로 전환되었다. 2013년 8월 26일(13.32g C m-2 d−1)에 가장 높은 GPP가 관측된 이후, 지속적으로 감소하는 경향을 나타냈으며, 2013년 10월상순부터는 Re가 GPP보다 높게 측정되어 논 생태계는 다시 CO2를 배출하는 것으로 평가되었다.skm_fig3

3.3. CH4 배출량의 계절적 변화

보리와 벼 재배기간의 일평균 CH4 배출량은 각각 단위면적당(m2) 1.15와 171.71mg 이었으며, 보리(233일)와 벼(135일) 재배기간의 누적된 CH4 배출량을 탄소로 환산하면, m2당 각각 0.20와 17.26g C로 조사되어, 벼 재배기간의 CH4 배출량이 더 많은 것으로 평가되었다. 벼 재배기간의 CH4 배출량의 계절적 변화를 살펴보면, 모 이앙부터 6월 상순까지의 CH4 배출량은 0.02~0.07g C m-2 d−1 범위로 낮았지만, 2013년 6월 중순부터는 CH4 배출량이 급격히 증가하여, 7월 16일에 가장 높은 CH4 배출량(1.17g C m-2 d−1)이 관측되었다. 그 이후 배수기간(2013.8.16~9.15)에는 CH4 배출량이 감소하는 경향을 나타냈다.

3.4. 일사량과 GPP의 관계

보리와 벼 재배기간 동안 관측된 일사량과 GPP의 관계를 비선형 회귀식을 이용하여 분석하면, 각각의 생육시기마다 일사량이 증가할수록 GPP가 증가하는 것으로 나타났다. 보리의 생육정지기간(2013.2.4~2.10)에는 일사량의 증가에 따른 GPP의 증가 경향이 매우 낮았지만, 보리의 출수기가 관측된 기간(2013.5.1~5.7)에는 일사량의 증가에 따른 GPP의 증가 경향이 매우 높은 것으로 분석되었다(Fig. 4). 즉, LAI가 클수록 일사량의 증가에 따른 GPP의 증가율이 높은 것으로 평가되었다. 벼 생육기간의 일사량과 GPP의 관계도 보리와 마찬가지로, LAI가 클수록 일사량의 증가에 따른 GPP의 증가율이 높아지는 것으로 조사되었다. 다만, 벼 황숙기간(2013.9.30~10.3)은 분얼기간 (2013.7.9~7.15)보다 LAI가 높았지만, 일사량의 증가에 따른 GPP의 증가율이 상대적으로 낮은 것으로 분석되었다. 이와 같이 벼 황숙기간 동안 GPP의 낮은 증가율은 엽록소 함량의 감소에 따른 광합성 효율의 저하로 해석된다(Soejima et al., 1995).skm_fig4

3.5. 지온과 Re의 관계

보리와 벼 재배 기간 동안 관측된 지온과 Re의 관계를 비선형 회귀로 분석하면, 일반적으로 지온이 높아질수록 Re가 증가하는 것으로 나타났다(Fig 5). 벼 재배기간을 담수와 배수기간을 구분하여 지온과 Re의 관계를 분석하면, 지온이 높아짐에 따른 Re의 증가 경향이 담수보다는 배수기간에서 더 큰 것으로 분석되었다. 이는 담수기간 동안에는 벼논의 지표면이 물로 채워져 토양과 대기의 CO2 교환이 억제된 반면에, 배수기간에는 CO2 교환이 원활해져 토양호흡의 의한 탄소배출이 증가하였기 때문으로 해석되었다(Miyata et al., 2000).skm_fig5

3.6. 순 생물상생산량(NBP)의 추정(연간 탄소수지)

보리 재배기간 동안 논 생태계가 흡수한 총 탄소의 양인 GPP는 782.7g C m-2이고, 이중에 Re로 682.5g C m-2가 대기중으로 배출되는 것으로 분석되었다. 여기에 농작물의 수확으로 논 생태계 외부로 나간 보리 작물체의 탄소함량(272.8g C m-2)과 메탄의 형태로 대기로 배출되는 탄소함량(0.2g C m-2)을 포함하면, 보리 재배기간에 대기 중으로 배출되는 총 탄소함량은 955.5g Cm-2(682.5+272.8+0.2)으로 분석되었다. 다음으로 벼 재배기간의 GPP는 931.2g C m-2인데, 이중에 Re의 형태로 557.1g C m-2가 대기중으로 배출된 것으로 분석되었다. 벼 수확시, 작물체의 탄소함량 (327.5g C m-2)과 CH4의 형태로 배출되는 탄소의 함량(17.3g C m-2)을 포함하면, 벼 재배기간 동안 대기 중으로 배출한 총 탄소함량은 901.9g C m-2(557.1+327.5+17.3)으로 분석되었다. 따라서, 2012~2013년의보리와 벼 재배기간의 순생물상 생산량인 NBP는 각각 -172.83g C m-2와 +29.30g C m-2으로 산정되어, 보리 재배기간의 논 생태계는 대기로 탄소를 배출하였지만, 벼 재배기간의 논 생태계는 대기로부터 탄소를 흡수한 것으로 분석되었다. 여기에 휴경기간의 탄소배 출량(41.2g C m-2)을 포함하면, 2012~2013년 보리-벼 이모작 작부체계의 논 생태계는 총 184.7g m-2 탄소가 대기중으로 배출한 것으로 추정되었다(Table 2).skm_table2

IV. 고 찰

전북 김제의 논 생태계 플럭스 관측사이트에서 측정된 2012~2013년보리 재배기의 누적 NEE는 -100.2g C m-2으로, 동일 사이트에서 측정된 2011~2012년 보리 재배기간의 누적 NEE(-348.0g C m-2; Min et al., 2014) 보다 약 3.5배 낮게 조사되었다. 반면에 2013년 벼 재배기간의 누적 NEE는 -374.1g C m-2으로, 동일 사이트에서 측정된 2012년 벼 재배기간의 누적 NEE(-277.1g C m-2; Min et al., 2013)보다 약 1.4배 높게 조사되었다. 이와 같이 동일 논 생태계에서 측정된 누적 NEE의 연간 차이는 농작물 생장량(건물중, 엽면적지수 등)과 환경요인의 연간 변동에서 그 원인을 찾을 수 있다. 보리 재배기간의 경우, 2012~2013년 보리 수확시기의 지상부 건물의 탄소함량은 257.3g C m-2으로, 2011~2012년 보리 수확시기의 지상부 건물의 탄소함량(455.3g C m-2)에 비해 매우 낮았다. 또한, 2012~2013년 보리 월동기간의 일평균 NEE는 +1.77g C m-2인데 반해, 2011~2012년 동일기간의 일평균 NEE는 -0.5g C m-2으로 조사되었는데, 이는 월동기간의 온도차이로 인한 생육량의 차이로 해석된다. 즉, 2012~2013년 보리의 월동기간의 평균기온은 -2.0°C로 2011~2012년 동일기간의 평균기온(-1.3°C)보다 0.7°C 낮게 경과했으며, 이에 따라 2013년 3월 상순의 보리의 지상부 건물의 탄소함량은 36.1g C m-2으로 2012년 3월 상순의 그 것(65g C m-2)보다 매우 낮았다. 다음으로 벼 재배기간의 경우, 2013년 벼 수확시기의 지상부 건물의 탄소함량은 357.3g C m-2으로 2012년 벼 수확시기(334.5g C m-2)보다 조금 높았지만, 2013년 벼 군락의 최대 LAI는4.97 m2m-2로 2012년(3.82 m2m-2)보다 매우 높게 조사되었다. 이는 벼 생육기간 동안의 온도와 복사에너지의 차이로 일부 해석될 수 있다. 2013년 벼 생육기간동안의 평균기온과 복사에너지는 각각 23.1°C, 12.67MJ m-2d-1로, 2012년 동일기간의 평균기온(22.1°C)과 복사에너지(10.68MJ m-2d-1)보다 더 높았던 것으로 조사되었다. 이와 같이 농작물 생장량과 환경요인의 연간 변동이 CO2 플럭스의 연간 변동에 큰 영향을 미치는 것으로 조사되어, 앞으로는 이들의 상관성에 대한 통계적 분석이 추가될 필요성이 있다.

적요

본 연구는 보리-벼 이모작 작부체계의 논 생태계에 설치한 개방형 CO2 플럭스시스템과 자동개폐식 챔버형 CH4 측정시스템에서 관측된 탄소관련 온실가스 자료와 작물 생장량 자료를 활용하여 논 생태계의 연간(2012.10.20~2013.10.21) 탄소수지를 분석하였다. 결론적으로 농작물의 생육인자와 환경인자는 CO2의 순 생태계 교환량(NEE)에 영향을 주는 것으로 분석되었고, CH4 배출량은 영농활동(특히 물관리)에 따라 큰 영향을 받는 것으로 분석되었다. 2012~2013년 벼-보리 이모작 작부체계의 논 생태계에서 보리 재배기간에는 단위면적(m2)당 100.2g의 탄소를 흡수하고 벼 재배기간에는 m2당 374.1g의 탄소를 흡수하였지만, 휴경기간에는 토양호흡의 형태로 m2당 41.2g의 탄소를 배출하여b 연간 총 433.1g m-2의 탄소를 흡수하는 것으로 분석되었다. 여기에 농작물의 수확에 따른 논 생태계의 탄소 배출량과 CH4 형태로 배출되는 탄소량을 포함한 연간 순생물상생산량(NBP)은 184.7g C m-2으로 추정되어, 보리-벼 이모작 작부체계의 논 생태계는 탄소 발원인 것으로 평가되었다.

감사의 글

본 연구는 농촌진흥청 국립농업과학원농업과학기술 연구개발사업(과제번호: PJ90722802)의 지원에 의해 이루어진 것임.

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