1. 서 론

기후변화는 21세기에 세계적으로 가장 주목 받는 이슈 중 하나이다. IPCC 보고서에 따르면 현대의 기후변화는 온실가스와 높은 연관성을 가지고, 이러한 온실가스의 배출의 대부분은 인간활동에 의해서 이루어지게 된다 (IPCC 2013). 토양은 탄소의 중요한 저장고이자 배출원 중 하나이고, 토양에서 이루어지는 농업 활동은 토양 내 저장되는 유기 탄소의 배출에 영향을 미친다 (Giltrap et al. 2010). 토양에서 배출되는 온실가스가 가지는 가장 큰 특징 중 하나는 온실가스의 배출이 기후변화에 영향을 미칠 뿐만 아니라 기후변화에 따른 토양 수분, 온도, 미생물 활성 변화가 다시 온실가스 배출에 영향을 미쳐서 피드백 작용을 할 수 있다는 사실이다 (Klemedtsson et al. 1997). 지구 최초의 지구 온난화 역시 메탄 배출과 기온 상승의 시너지 작용에 의해서 일어났다는 점을 생각한다면 현재의 기후 변화에서도 온실가스 배출에 대한 기후변화뿐만 아니라 기후변화에 대한 온실가스 배출 상승을 함께 고려해야할 필요가 있다.

탄소 저장원으로 가정되는 임지와 다르게 농경지는 탄소 배출원으로 취급된다. 국가 온실가스 종합정보 센터에 따르면 2014년 농업 활동에 의해서 배출된 온실가스는 21.3 Mt CO₂ eq^-1로 에너지 산업공정 분야를 이어 3번째 온실가스 배출원이다. 일반 토양이상으로 투입되는 화학비료와 퇴비, 토양의 미생물 활성화를 높이는 다양한 경작 활동들은 농경지에서 다른 토양보다 높은 수준으로 온실가스를 배출하게 하는 원인이 된다 (Klemedtsson et al. 1997). 벼논은 이러한 농업 환경 중에서도 담수라는 특수한 조건에서 관리되는 농경지이다. 벼논이 담수 조건으로 있는 동안 토양은 혐기 조건이 되고 주요 온실가스 중 하나인 메탄의 발생원이 된다 (Cha-Un et al. 2017). 벼는 동아시아의 주된 식량작물 이고 남한의 농경지 중 47%에 달하는 면적이 논토양이기 때문에 국내의 논에서 발생되는 메탄을 중심으로 하는 온실가스는 국내의 온실가스 배출에 중요한 영향을 미칠 수 있다.

자연에서 배출되는 온실가스의 양은 다양한 모델에서 모의될 수 있다. 그 중에서도 Denitrification- Decomposition (DNDC) model은 토양에서의 양분 순환과 온실가스 배출을 모의하기 위한 모델 중 하나이다. DNDC는 초기에 농경지에서의 질소 순환과 N₂O 배출을 모의하기 위해 계발 되었고 (Li et al. 1992), 이후에 20년 이상 계발되고 그 영역을 확장하여 다양한 환경 조건에서의 탄소와 질소 순환을 모의할 수 있는 모델로 발전해왔다 (Gilhespy et al. 2014). DNDC의 구조에 대해서는 Fig. 1에서 나타내었다.

Fig. 1.

The main framework of DNDC model (modified from Giltrap et al. 2010).

Xu et al. (2011)은 1980년부터 2050까지의 미래의 토양 탄소 변화를 DNDC를 통하여 모의하였고 이러한 미래 모의가 가지는 한계점으로 1. 미래 농경지 피복의 변화 2. 기후변화에 따른 기상 조건의 변화 3. 미래의 환경 변화에 따른 경작법의 변화 등을 지적하였다.

본 연구에서는 국내의 벼논에서 배출되는 온실가스를 DNDC model을 통하여 2011년부터 2100년까지 모의하여서 미래의 기후변화와 농업 활동에 따라서 국내 벼논에서의 온실가스 배출이 어떻게 변화하는지 모의하고 이러한 온실가스 배출이 메탄 발생에 가장 크게 영향을 미치는 담수 조건에 따라 어떻게 변화할 수 있는지 확인하는 것을 목표로 하고 있다. 또한 미래 기후변화에 적응하여 변화하는 담수 기법을 예측하고 이에 따른 온실가스 배출 변화를 모의하였다. 미래의 기상은 IPCC에서 제공하는 RCP 8.5 시나리오를 입력자료로 사용하였고, 담수 기법은 현행 농법인 Control을 midseason drainage, continuous flooding, marginal flooding 등과 비교하였다. 이후 앞서 언급한 XU et al. (2011)의 연구에서 가졌던 한계점 중 미래 경작법의 변화를 모의하기 위하여 기후변화 적응을 최대 수확량을 위한 농법과 최소 온실가스 배출을 위한 농법으로 가정하였고, 지점별로 적응을 고려하여 채택한 담수 기법에 따른 미래 기후변화 적응을 고려한 온실가스 배출 변화를 모의하였다. 모의 결과 전국적으로 기후 변화에 따라 모든 담수 기법에서 온실가스 배출의 상승을 확인할 수 있었다. Marginal flooding에서 초기 온실가스 배출이 가장 적었을 뿐만 아니라 기후변화에 따른 상승폭도 가장 적어서 온실가스 배출 감소에 가장 효율적인 농법임을 확인 하였다. 미래의 담수 기법 변화가 벼의 수확량을 최대화 하는 방향으로 적응한다고 가정한 모의 결과에서는 2010년대에는 관행 농법이 가장 높은 수확량을 보이는데 비해서 미래 기후변화에 따라서 온실가스 배출량이 가장 적은 Marginal flooding이 가장 수확량을 높이는 농법으로 변화하면서 기후 변화에 따라 온실가스 배출이 감소하는 것을 확인하였다. 미래의 담수 기법 변화가 온실가스 배출을 최소화하는 방향으로 적응한다고 가정한 모의 결과에서는 기후변화 초기부터 마지막까지 전국의 모든 지점에서 Marginal flooding에 의한 온실가스 배출량이 가장 낮았기 때문에 초기에 모의한 Marginal flooding에 의한 온실가스 배출 모의 결과와 같은 결과를 도출하였다. 본 연구의 결과는 기후 변화와 벼논에서의 온실가스 배출의 상호작용과 농업 활동의 적응을 예측함으로 인해서 미래의 기후변화에 따른 적합한 농법의 선정과 그에 따른 온실가스 배출 변화를 이해하는 기초 자료로 활용될 것이다.

2. 재료 및 방법

2.1 DNDC 모형

본 연구에서는 2012년 개발된 DNDC 9.5 버전 (http://www.dndc.sr.unh.edu/)을 이용하여 전국 논에서의 온실가스 배출량 추정에 사용하였다. DNDC 모형의 국내 논에서의 적용성은 앞선 연구 (Hwang et al. 2017)에서 확인하였다.

2.2 모의 범위

대한민국에서 논으로 모의 되는 지점은 환경부 환경공간정보서비스에서 제공하는 2007 전국 중분류 토지 피복 지도를 재구성하여 전국의 논을 포함하는 지역을 1 km²의 격자 분류한 후 각 지점을 모의하였다. 1 km²의 정방형 격자 (grid)를 기본단위로 총 63,808개의 격자를 대상으로 모형을 구동했다. 구동 후 1 km² 격자 내의 논 분포 비율을 토대로 실제 논 면적을 계산했으며, 총 면적은 약 12,600 km²이었다.

2.3 입력 자료

DNDC 모형 구동에 사용되는 입력 자료는 크게 기후자료, 재배관리자료, 토양자료로 나누어진다. DNDC 모형의 입력 자료 분류와 출처는 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Type of input data for DNDC

2.3.1 기상 자료

DNDC 모형 구동에 필요한 기상 자료는 최고기온 (°C), 최저기온 (°C), 강수량 (cm)이다. IPCC에서 제공하는 2011년부터 2100년까지의 RCP 8.5 시나리오를 기반으로 하여 재구성 된 전국 1 km²의 매일의 자료를 사용하였다. 또한 RCP 8.5 시나리오의 비교 대상으로 2011년의 기상을 2100년까지 반복 시킨 베이스라인 시나리오를 함께 구동하였다.

2.3.2 토양 입력 자료

Fig. 2.

Input soil data for DNDC.

2.3.3 재배관리

재배관리자료는 농촌진흥청 (http://www.nongsaro. go.kr/) 에서 제공하는 영농관리방법을 토대로 비료, 경운, 이앙일, 수확일 등을 입력 자료로 사용하였고, 담수 기법은 Control, Midseason drainage, Marginal flooding, Continuous flooding로 나누어서 모의하였다. 농촌 진흥청에서 권장하는 담수 조건에 해당하는 Continuous flooding은 무효 분얼기 전까지 담수 조건을 유지하다가 이후에 중간 낙수 후 간단관수를 진행하는 관행 농법을 사용하였고, 중간 낙수 이후 담수 조건을 다시 유지하는 Midseason drainage, 중간 낙수 없이 담수 조건을 유지하는 Continuous flooding, 초기부터 간단관수를 실시하는 Marginal flooding으로 나누어서 모의하였다. 각 담수 기법은 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3.

Input water management for DNDC modeling.

2.4 출력 자료의 정리

DNDC 모형의 구동 결과에서 CO₂, CH₄의 배출량과 벼의 수확량을 주된 자료로 활용하였다. 각 자료는 연간 총량을 각 연대 별로 10년씩 평균 내어 나타내었고, 전국 자료의 평균을 계산할 때는 각 1 km²의 격자 내부의 논 %를 고려하여 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 관행 농법에서 RCP 8.5 시나리오에 따른 온실가스 배출

Fig. 4에서는 전국의 온실가스 배출을 연평균 단위 면적당 배출량으로 표현하였고, 각 1 ha에서의 배출을 Fig. 5에서 지도화하여 나타내었다. 기후변화에 따른 이산화탄소의 배출은 베이스라인 기상에 따른 변화에 비하여 소폭 감소하였다. 반면 메탄은 2090년대에 베이스라인에서의 메탄 발생량의 2배가까이 상승하였다. 기온의 상승이 토양 내에서 메탄 생성에 핵심 역할을 하는 메탄생성세균 (methanogen)의 활성을 상승 시키고 메탄의 발생량을 높이게 된다 (Segers 1998). 또한 일반적인 기온 상승 조건에서는 유기물의 분해와 이산화탄소의 생성 역시 상승을 하게 되지만, 담수 조건에서 기온의 상승은 혐기 조건과 메탄 생성균의 활성을 높이는 동시에 호기 조건에서 활성이 높아지는 이산화탄소의 생성을 감소시키게 된다 (Chapman et al. 1996). CO₂, CH₄, N₂O의 배출을 CO₂-eq로 정리하여 전체 GWP를 계산 (Fig. 6)하게 되면 모의 초기인 2010년대에는 전국 논에서 배출되는 CO₂가 기후변화에 미치는 영향이 CH₄가 미치는 영향과 유사한 수준이지만, 기후변화가 진행되어감에 따라 CH₄가 미치는 영향은 상승하는데 비하여 CO₂는 큰 변화를 보이지 않고 2090년대에는 CH₄가 미치는 영향이 2배 수준에 이르게 된다. N₂O는 CH₄와 마찬가지로 기온에 따라서 상승하지만 GWP로 계산하였을 때 미치는 영향은 CO₂와 CH₄에 비하여 적은 양이기 때문에 전체 GWP에는 영향을 미치지 못했다.

Fig. 4.

DNDC modeling result for greenhouse gases (CO₂, CH₄, N₂O) emission in South Korea (map). (A) CO₂ (B) CH₄ (C) N₂O.

Fig. 5.

DNDC modeling result for greenhouse gases (CO₂, CH₄, N₂O) emission with flooding in South Korea. (A) CO₂ (B) CH₄ (C) N₂O.

Fig. 6.

DNDC modeling result for greenhouse gases (GWP) emission with flooding in South Korea.

3.2 농법 변화와 RCP 8.5 시나리오에 따른 온실가스 배출

농법 변화에 따른 CH₄의 배출은 담수 기간이 긴 Continuous flooding, Midseason drainage, Control, Marginal flooding의 순서로 높게 나타났고 특히 경작 기간 중 지속적으로 산소를 공급해왔던 Marginal flooding에서 2010년대 CH₄ 발생량은 23.13 kg CO₂-eq ha^-1으로 다음으로 배출량이 적은 Control에서의 CH₄ 배출량인 131.26 kg CO₂-eq ha^-1과 5배 이상의 차이가 났으며 2090년 대까지 차이가 지속적으로 이어져 논에서의 CH₄ 발생 저감에 높은 효과를 지니는 담수 기법으로 나타났다. 이산화탄소의 배출은 모의 초기인 2010년대에는 Control midseason drainage continuous flooding marginal flooding의 순서로 높게 나타났으나 기후변화가 진행됨에 따라서 marginal flooding에서의 CO₂ 배출이 급격하게 상승하여 가장 높은 배출량을 가지게 되고 모의 마지막 기간인 2090에는 CH₄ 배출량과 반대의 순서가 되었다.

간단관수와 중간 낙수는 논에 산소를 공급하고 CH₄의 배출량을 줄이는 기법으로 연구되어왔고, 지속적인 담수보다 낮은 수준의 CH₄ 배출을 관측하였다 (Minamikawa et al. 2014, Schütz et al. 1990). 또한 낙수 기간과 빈도에 따른 정도 차이는 있지만 두 기법을 함께 지속적인 담수 조건과 비교한 연구들에서는 중간 낙수 보다 간단관수가 더 높은 수준으로 CH₄ 배출을 감소시킬 수 있다는 결과를 보였다 (Towprayoon et al. 2005, Minamikawa and Sakai 2005). 본 연구에서의 marginal flooding에서는 기존의 관행 농법에서 실시하는 단기간의 간단관수보다 장기간 간단관수를 시행하였고 이에 따라서 CH₄ 배출을 큰 폭으로 줄인 것으로 판단된다. 기후변화에 따른 CO₂ 배출량의 변화는 앞 언급한 Chapman et al. (1996)의 분석처럼 다른 담수 기법에서는 기온 상승에 의한 CH₄의 발생량 증가가 CO₂의 발생량 감소를 일으키는데 반해 높은 호기 조건을 가지는 marginal flooding에서는 이산화탄소 배출이 상승하여서 배출량의 순위가 바뀐 것으로 판단된다.

CO₂, CH₄, N₂O의 배출을 CO₂-eq로 정리하여 전체 GWP를 계산하였을 때, 관행 농법에서만 비교하였을 때와 마찬가지로 기후변화에 따른 CH₄의 변화 폭이 CO₂보나 높게 나타났고, 전체 GWP의 변화는 CH₄의 배출량과 유사한 경향성을 가졌다. 또한 CH₄뿐만 아니라 전체 기후변화에 대한 영향을 비교하였을 때도 marginal flooding이 온실가스 배출에 의한 기후변화를 가장 효과적으로 감소시킬 수 있는 담수 기법으로 나타났다.

Fig. 7.

DNDC modeling result for rice grain yield with flooding in South Korea.

3.3 기후변화 적응을 위한 담수 조건 변화에 따른 온실가스 배출 변화

본 연구에서는 기후변화의 적응에 따른 담수 조건의 변화를 온실가스 배출의 최소화와 벼 수확량의 최대화의 두가지 방향으로 분석하였으나, 전국 모든 지점에서 marginal flooding이 온실 가스 배출을 최소화 하는 담수 기법으로 나타나서 그 분석 결과가 앞서 언급한 담수 기법에 따른 온실 가스 배출 결과 중 전국 농경지가 marginal flooding으로 경작되었을 때의 결과와 동일하였기 때문에 온실가스 배출을 최소화하는 방향으로의 기후변화 적응 변화에 대한 결과는 생략하였다.

담수 기법과 기후변화에 따른 벼 수확량의 변화는 각 지점에서 연대별 수확량을 비교하여 가장 높은 수확량을 가지는 담수 기법을 적용하였다. 모의 초기인 2010년대에는 Control과 Marginal flooding이 유사한 수준으로 적용되고 Midseason drainage가 다음으로 많은 지점에서 적용 되었으며 Continuous flooding이 적용되는 지점은 극히 적었다. 하지만 기후변화가 진행됨에 따라서 점진적으로 Marginal flooding이 적용되는 지점이 늘어나게 되고 2090년대에는 전체의 90% 이상을 차치하는 58771개 지점에서 Marginal flooding이 적용되었고, Control이 5529 지점으로 다음으로 다수 적용되었다.

앞선 담수 기법 별 분석 결과에서는 모든 기법에서 기후변화에 따른 CH₄ 발생량의 상승을 확인하였지만, 기후변화에 따른 담수 기법 변화를 고려하였을 때, 시간의 흐름에 따라 CH₄ 배출량이 낮은 Marginal flooding이 전국적으로 우점을 하게 되면서 Control이 적용되는 일부 지점을 제외하고는 CH₄ 배출량이 감소하였고, Marginal flooding에서의 결과와 유사하게 CO₂의 배출은 소폭 상승하였다.

CO₂, CH₄, N₂O의 배출을 CO₂-eq로 정리하여 전체 GWP를 계산하였을 때, CH₄ 보다 CO₂가 온실 가스 배출에 따른 기후변화에 더 큰 영향을 미치게 되었으며 전체 GWP는 2010년대 4671.94 kg CO₂ -eq ha^-1에서 2090년대 4225.35 kg CO₂ eq ha^-1로 소폭 감소하였다.

Fig. 8.

DNDC modeling result for the flooding management to make the largest grain yield.

Fig. 9.

DNDC modeling result for greenhouse gases (GWP) emission with flooding for the largest grain yield in South Korea (graph).

Fig. 10.

DNDC modeling result for greenhouse gases (GWP) emission with flooding for the largest grain yield in South Korea (map). (A) CO₂ (B) CH₄ (C) N₂O.

4. 결 론

본 연구는 대한민국의 논을 대상으로 하여서 RCP 8.5 시나리오와 다양한 담수 법에 따른 온실가스 배출을 DNDC 모형을 통하여 모의하였다. 기후 변화에 따른 모의 결과 현재의 관행 농법이 지속되는 조건에서 기후 변화는 전국 논에서의 CH₄ 배출량을 2배 이상 상승시키고 이에 따라 기후변화 시나리오에 따른 환경 변화가 대한민국 논에서 온실가스 배출을 상승시키고 기후변화를 가속시킬 위험성이 있는 것을 확인하였다. 담수 기법의 변화에 따른 온실가스 배출은 벼의 출수기 이후에 중간 낙수와 간단관수를 적용하는 관행 농법과 지속적인 담수 조건, 중간 낙수, 담수 기간 전체의 간단관수를 비교하였다. 지속적인 담수 조건과 중간 낙수에서는 현재의 관행 농법보다 높은 수준의 CH₄가 발생하는 것을 확인하였고, CO₂의 배출은 소폭 감소하였으나 전체 GWP에서 큰 영향을 주지 못하였다. 반면 담수 기간 전체에서 간단관수를 진행하였을 때는 모의 기간 전체에서 CH₄ 배출량이 관행 농법 대비 5배 이상 감소하였고 CO₂ 배출량은 2060년대 이후부터 관행 농법 보다 높게 나타났으나 전체 GWP에서는 CH₄ 배출 상승의 영향이 커서 전체 GWP의 감소를 확인하였고, 간단관수가 기후변화에 따른 온실가스 배출량 상승을 막을 수 있는 효율적인 담수법임을 보였다. 기후변화에 따른 수확량 최대를 위한 담수법의 변화를 적용시켰을 때 2010년대에는 관행 농법과 지속적인 간단관수가 유사한 수준으로 우점을 하고 있었으나 기후변화가 진행됨에 따라서 대부분의 지역에서 지속적인 간단관수를 실행하는 것이 수확량을 최대화 하였다. 기후변화에 따라 적합 농법이 온실가스 배출을 감소시키는 지속적인 간단관수로 변하게 되면서 기후 변화에 따른 온실가스 배출은 소폭 감소하여서 기후변화에 따른 적응을 고려하는 것이 기존에 모의 되어왔던 관행 농법에서의 기후변화 영향과 다른 결과를 나타낼 수 있음을 보였다. 본 연구를 통해서 기후변화에 따른 농업 환경 변화가 농경지에서 더욱 높은 온실가스 배출을 야기할 가능성을 확인하였고, 간단관수를 통한 토양 산소 공급이 이런 온실가스 배출 상승의 해결책이 될 수 있는 것으로 나타났다. 또한 정확한 미래의 농경지 온실 가스 배출을 모의하기 위해서는 미래 기상뿐만 아니라 기상을 포함한 환경 변화와 그에 따른 적응을 함께 고려하는 것이 필요함을 보였다.