서 론

기후변화에 관한 정부간협의체 (IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change) 5차 평가 보고서에 의하면 2011 년 지구 대기의 이산화탄소 농도는 391 ppm으로 산업화 이 전인 1750년에 비해 약 40% 증가하였으며, 지구의 연평균 기온은 133년간 (1880~2012) 약 0.85℃ 상승한 것으로 나타 났다 (IPCC 2013). 기후변화에 영향을 미치는 주요 온실가스 는 이산화탄소 (CO₂), 메탄 (CH₄), 아산화질소 (N₂O) 등이 있 으며, 이는 주로 산업, 운송, 농업 등 인간의 생산 활동과 연 관된 과정에서 배출된다. 미국의 경우 농업 활동 과정에서 토양에서 배출되는 온실가스는 전체 배출량의 약 10%로 추 정하고 있다 (U.S. Department of State 2010).

한국의 농업은 면적 및 규모가 작고, 농경지가 산발적으 로 여러 지역에 분포하는 특성이 있다. 12.5 km² 수준 (scale) 으로 모형을 구동할 경우 산발적인 농경지의 특성을 고려한 온실가스 배출량 산정이 어렵기 때문에 높은 불확실성을 가 진다. 이러한 이유로 국가적 수준의 정밀한 온실가스 배출량 을 추정하기 위해서는, 고 해상도 기상자료와 토양자료를 바 탕으로 해상도가 높은 (1 km² 수준) 모형 구동이 필요하다.

이미 해외에서는 DNDC (Denitrification and Decomposition), DAYCENT (The daily Century), COUP (Coupled heat and mass transfer), EXPERT-N 모형 등 많은 토양 온실가스 배출 모형이 연구 및 개발되어 온실가스 배출량 산정에 활 용되고 있다 (Li et al. 1992; Engel and Priesack 1993; Parton et al. 1996; Jansson and Moon 2001). 하지만 현재까지 국내 에서 자체 개발된 토양 온실가스 배출 모형은 없으며, 해외 에서 개발된 모형을 적용하여 현장에서 배출량 산정에 이용 한 사례도 많지 않다.

선행 연구결과에 의하면, 토양 온실가스 배출 모형의 국내 적용 가능성을 평가하기 위해서 우선적으로 모형의 구조 파 악 및 입·출력 자료 분석을 진행한 결과, DNDC 모형이 국 내 적용에 가장 적절할 것으로 평가되고 있다 (Hwang et al. 2015). DNDC 모형의 국내 적용성을 평가하기 위해서는 국 내 농경지 토양을 대상으로 측정한 온실가스 자료를 바탕으 로 모형의 검증이 이루어져야 한다. 이미 독일, 미국, 영국, 중국 등에서는 다양한 환경에서 장기간 현장 측정한 자료를 바탕으로 모형의 검증을 수행한 바 있지만 (Li et al. 2004; Li et al. 2010), 국내에는 김제의 논 토양에서 CH₄를 측정한 후 모형과 비교하여 검증한 사례 (Chun et al. 2016)가 유일하다.

따라서 본 연구에서는 전국의 논 토양을 대상으로 DNDC 모형을 이용해 연간 발생되는 CO₂ 배출량을 1 km² 수준으로 추정하였다. 또한 DNDC 모형의 국내 적용성 평가를 위해 2015~2016년 논 토양에서 실제 측정한 CO₂ 배출량을 토대 로 DNDC 모형의 검증을 실시하였다.

재료 및 방 법

1.DNDC 모형의 구조

우리나라 전국의 논 토양에서 배출되는 CO₂의 양을 추 정하기 위해 DNDC 모형을 사용하였다. DNDC 모형은 농 업 생태계에서 일 (day) 단위로써 탄소와 질소의 순환을 바 탕으로 구성된 생지화학적 모형이다 (Li et al. 1992). 이 모 형은 논 토양에서 CO₂, CH₄, N₂O 등의 주요 온실가스 배 출량을 예측할 수 있으며, 기본적으로 토양 유기물의 분해 와 작물의 뿌리 호흡으로 인한 CO₂ 배출량, 토양의 산화환 원 상태에 따른 CH₄ 배출량 및 질산화 (nitrification)와 탈 질화 (denitrification) 반응을 통한 N₂O 배출량을 모의한다. DNDC 모형은 크게 두 가지 요소로 구성되어 있다. 토양 기 상, 작물의 생장 및 분해에 대한 하위모형 (sub-model)으로 이루어진 첫 번째 구성 요소는 생태학적 인자 (ecological driver; 기상, 토양, 식생, 인간 활동)에 의해서 결정되고, 토 양의 산화환원 상태, 토양 온도, 수분, pH 등이 모의되어 토 양 내 탄소와 질소의 양을 예측한다. 두 번째 구성요소는 첫 번째 구성 요소에서 예측한 탄소와 질소가 생지화학적 반 응인 질산화 (nitrification), 탈질화 (denitrification) 및 혐기소 화 (anaerobic fermentation) 반응을 모의하고 이러한 반응들 을 통하여 NO, N₂O, N₂, NH₃, CO₂ 및 CH₄ 배출량을 예측한 다 (Fig. 1). 본 연구에서는 2012년 개발된 DNDC 9.5 버전 (http://www.dndc.sr.unh.edu/)을 이용하여 CO₂ 배출량 추정 에 사용하였다.

2.연구대상지 및 입력자료 구축

논 토양 CO₂ 배출량 추정을 위한 연구대상지는 동경 124°54′~131°06′, 북위 33°09′~38°45′으로 대한민국 전역 이며, 그 중 지목이 논인 경우만을 추출하여 사용했다. 농경 지의 구분은 2007년 환경부 중분류 토지피복도를 따르며, 1 km²의 정방형 격자 (grid)를 기본단위로 총 63,808개의 격자 를 대상으로 모형을 구동했다. 구동 후 1 km² 격자 내의 논 분포 비율을 토대로 실제 논 면적을 계산했으며, 총 면적은 약 12,600 km²이었다.

DNDC 모형 구동에 사용되는 입력자료는 총 11가지로, 기 후자료 (최대/최소 온도, 강수량), 재배관리자료 (경운, 비료 사용량, 재배기간, 담수기간), 토양자료 (토양 유기탄소 함량, pH, 점토함량, 용적밀도)로 나누었다 (Table 1). 연구에 사용 된 기상자료는 최고기온 (℃), 최저기온 (℃), 강수량 (cm)이 며 2011년부터 2015년까지 전국 기상 관측소에서 관측된 기 상자료를 일별로 확보하여 사용했다. 기상자료의 보간은 대 표적 공간내삽기법인 Kriging을 이용하였으며, 공간해상도 는 1 km²로 설정하였다.

재배관리자료는 농촌진흥청 (http://www.nongsaro.go.kr/) 에서 제공하는 영농관리방법을 토대로 최적의 조건에서 벼 가 재배될 수 있도록 평균적인 값을 적용했다. 벼의 재배 기 간은 4월 30일에서 10월 21일이며, 경운은 4월 9일 10 cm 깊이로 모의하였다. 무기질 질소비료 (요소)는 4월 8일과 7 월 28일 각각 50, 20 kg ha^-1 시비하였으며, 4월 14일에서 7 월 17일 사이에는 지속담수 (continuous flooding), 7월 27일 에서 9월 26일 사이에는 절수관개 (marginal flooding) 상태 로 담수를 모의했다.

전국 격자별 토양자료는 토양화학성 (유기탄소, pH)과 토 양물리성 (점토함량, 용적밀도)을 구축했다. 토양화학성 자료 는 국립농업과학원의 토양검정자료 (약 365,000지점; 농촌진 흥청)를 확보한 후 재가공 과정을 거쳐 1 km² 공간해상도 자 료를 확보했다. 토양물리성 자료는 농촌진흥청에서 제공하 는 1/25,000 수치정밀토양을 이용하였으며, 국내 377개 토양 통 분류기준으로 대표토양의 토성을 구분하여 1 km² 공간해 상도로 변환 후 모형의 입력자료로 사용했다.

3.모형 유효성 검증

1)조사 지점 및 기초자료 수집

DNDC 모형의 검증을 위해 경기도 남양주시 와부읍 도곡 리에 위치한 고려대학교 덕소농장 내 논 토양 (37°35′01″N, 127°14′16″E)을 대상으로 CO₂ 배출량을 측정하였다. 측정 기간은 2015년 2월 6일부터 2016년 10월 12일까지 총 16 회 측정을 실시했으며, 측정 기간 중 기상 환경은 연평균 기 온이 7.7~18.9℃이었으며, 연 평균 누적 강수량은 847 mm 이었다. 기상자료는 2015~2016년까지 덕소농장 인근 기 상 관측소에서 관측된 기상자료를 일별로 확보하여 사용했 다. DNDC 모형 구동을 위한 구체적 입력자료는 Table 2와 같다. 벼의 재배기간은 5월 1일에서 10월 20일이며, 4월 19 일 20 cm 깊이로 경운이 진행됐다. 4월 19일과 9월 20일 ha 당 각각 50, 20 kg의 요소비료를 투입하였으며, 4월 15일~7 월 20일과 7월 25일~8월 10일 기간 동안 절수관개로 담수 를 유지했다. 모형 구동에 필요한 토양자료는 벼 재배 전 표 토를 직접 채취하여 농업과학기술원 토양 및 식물체 분석법 (NIAST 2000)에 의거하여 분석하였다.

2)토양 CO₂ 배출량 측정방법

논 토양에서 대기로 배출되는 CO₂를 정량하기 위해 사용 된 방법은 폐쇄형 챔버 (closed chamber)를 이용한 CO₂ 포집 법이다. 폐쇄형 챔버는 토양과 챔버 내 공기 사이의 농도구 배에 의해 토양에서 배출되는 가스를 포집하기위해 사용하 는 방법으로, 챔버 내부에서 CO₂ 농도가 평형상태에 도달하 기까지의 시간에 따른 농도 변화를 이용하여 flux를 산정하 는 방법이다 (Clayton et al. 1994). 측정시 사용한 폐쇄형 챔 버는 직경 30 cm, 높이 20 cm (부피 25.1 L)인 원통형으로 불 투명한 아크릴로 제작했다. 또한 챔버 하부에 5 cm 여유공간 을 두었으며, 토양에 직접 삽입하여 포집된 가스가 외부로 새어 나가지 않도록 설계했다.

CO₂ 배출량 측정을 위해 1~3000 ppm의 CO₂ 기체 정량 범위를 갖는 센서 (Soha-Tech Korea)가 포함된 측정장비를 제작했으며, 챔버와 측정장비 사이에 튜브를 연결하고 센 서 통과 후 다시 챔버로 튜브를 연결했다. 챔버와 측정장비 사이에 공기의 일정한 유속을 유지하기 위해 DC 펌프와 공 기 유량계 (1 L min^-1)를 설치하여 지속적으로 공기가 순환하 는 시스템을 만들었다. CO₂ 측정 장비는 CO₂ 표준기체 (N₂ balance, 11.0 Mpa)를 이용해 검량선을 작성했다. 표준기체 의 농도는 500, 1000, 2000 ppmV이었으며, 검량선의 결정계 수 (r²)는 0.999 이상이었다.

CO₂의 포집과 측정은 오전 (8:00~10:00)과 오후 (4:00~ 6:00)에 각각 측정한 후 평균값을 사용했다. 센서를 이용한 시간 변화에 따른 챔버 내 CO₂의 농도변화를 초당 1회씩 총 30분간 측정하고 식 (1)을 이용하여 배출량 (flux)을 계산했다 (Drewer et al. 2016).

3)유효성 평가 방법

DNDC 모형의 국내 적용가능성을 평가하기 위해 모형에 서 추정된 값과 실제 측정값을 비교하여 유효성 검증을 실 시했다. 유효성 검증을 위해 사용한 통계 방법은 root mean square error (RMSE), modeling efficiency (ME), pearson correlation coefficient (r)이다 (Moriasi et al. 2007; Tonitto et al. 2007; Reidsma et al. 2009).

RMSE는 평균 제곱근 오차로 관측값과 모형의 추정값 차 이를 규명할 때 흔히 사용하는 분석기법이다. 아래의 식 (2) 을 바탕으로 관측값과 모형의 추정값의 RMSE 값을 산출하 였다. RMSE가 0에 가까울수록 관측값과 추정값의 신뢰도가 높다.

ME는 오차의 제곱 합과 관측값과 평균 관측값 차이의 제 곱합을 비교하는 분석기법으로 식 (3)과 같다. ME값은 -∞ 에서 1 사이의 값을 가지는데 1에 가까울수록 관측값과 추 정값의 신뢰도가 높다.

R은 두 값의 상관관계를 결정할 때 가장 대표적으로 사용 되는 분석기법으로 식 (4)를 이용하여 r를 구한 후 결정계수 (r²)를 계산한다.

여기서 O_i는 관측값, S_i는 추정값, O는 평균 관측값, S는 평 균 추정값이다.

결과 및 고 찰

1.모형 검증결과

2015~2016년 고려대학교 덕소부속농장 논 토양에서 측 정한 CO₂ 배출량 (관측값)과, DNDC 모형에서 예측한 배출 량 (추정값)을 비교했다 (Fig. 2). 벼 재배포장에서 측정한 총 16회 CO₂ 배출량 평균값은 32.1 kg CO₂-eq ha^-1 day^-1이었으 며, 범위는 1.1~95.4 kg CO₂-eq ha^-1 day^-1로 다양한 농업 생 태계에서 배출량을 측정한 범위인 27.8~125.84 kg CO₂-eq ha^-1 day^-1와 유사한 수치였다 (Mu et al. 2013). DNDC 모형 으로부터 추정된 평균 배출량 및 범위는 29.1, 1.4~181.7 kg CO₂-eq ha^-1 day^-1로 관측값과 유사했으나, 최대 배출량은 약 2배 높았다. 모형의 최대 배출량이 높은 이유는 측정 주 기에 의한 오차로, 실제 배출량이 가장 높은 시기의 현장 측 정이 이루어지지 못했기 때문인 것으로 판단된다.

CO₂의 배출량에 가장 큰 영향을 미치는 환경 변수는 토양 의 온도이다 (Huang et al. 2016). 온도가 증가하면 토양 유기 물의 분해를 촉진시켜 CO₂의 배출량이 증가한다고 알려져 있다 (Davidson and Janssens 2006). 본 연구에서 추정한 일별 CO₂ 배출량의 차이는 최고/최저 온도와 상당한 연관성이 있 는 것으로 나타났는데, 특히 온도가 높아지는 여름철에 CO₂ 의 배출량이 수십 배 이상 높아지는 것을 알 수 있었다. 또한 벼의 재배 전 (4월)과 재배 직후 (5월)의 평균 배출량은 17.7 kg CO₂-eq ha^-1 day^-1에서 44.5 kg CO₂-eq ha^-1 day^-1로 약 2.5 배 증가하며, 특히 5월에서 7월 사이는 평균 96.5 kg CO₂-eq ha^-1 day^-1의 CO₂가 지속적으로 배출되었다. 이러한 이유는 농업 활동에 의한 토양 미생물 활성 및 개체군 증가 (Rai and Srivastava 1981)로 토양 유기물의 분해 촉진 및 미생물의 호 흡 증가에 의한 영향 (Raich and Tufekciogul 2000)일 것으로 판단된다. Schimel (2000)과 Cai et al. (2007)의 보고에 의하면, 무기태 질소를 논 토양에 시비하면 메탄산화미생물과 메탄환 원미생물 활성도에 영향을 준다고 하였다. 즉, 논 토양에 시비 된 질소는 NO2, NO 및 N₂O로 환원되고, 환원된 질소 형태가 CO₂의 환원 형태인 CH₄ 발생을 감소시킨다. 또한, 벼 생육이 발달함에 따라 뿌리로부터 배출되는 CO₂가 증가하므로, 벼 생육 초기 (4월에서 5월)보다 벼의 지상부와 지하부가 왕성하 게 발달하는 시기인 5월에서 7월에 더 많은 CO₂가 발생한다 (Ku et al. 2016).

DNDC 모형의 유효성을 평가하기 위해 연구포장에서 실 측한 16회 현장 관측값과 모형 추정값을 통계적 방법으로 비교했다 (Fig. 3). 관측값과 추정값의 RMSE, ME, r²은 22.2, 0.28, 0.53으로 모형 적용가능성이 높았다. 다양한 농업환 경에서 CO₂ 배출량을 측정하고 DNDC 모형과 비교한 연구 (Berntsen et al. 2006; Abdalla et al. 2011)에서 각 값 (RMSE, ME, r²)들의 범위를 비교하면, 0.16~249 (RMSE), 0.03~0.72 (ME), 0.06~0.85 (r²)로 본 연구에서 나타난 결과는 모두 조 사 범위 내에 있었다. 논 토양 CO₂ 배출량 예측을 위해 고려 대학교 덕소부속농장에서 현장관측값을 이용한 DNDC 모 형의 검증 결과, 관측값과 추정값이 통계적으로 유사한 것을 확인했다. 본 연구에서 선정한 현장측정 지점은 경기 동북부 에 위치하고 있어 국내 논 토양의 배출 특성을 대표할 수 없 다. 하지만 국내에서 최초로 논 토양에서 CO₂ 배출량을 실 측하고 그 측정결과를 토대로 모형의 검증이 수행되었다는 점에서 의미가 있다. 향후 지속적인 모니터링을 통해 다양한 기상조건에서 현장 측정자료를 구축하고 이를 기반으로 모 형의 검증이 지속적으로 수행될 필요가 있다.

2.전국 논 토양 CO₂ 배출량 예측 결과

1 km² 수준의 모형 구동을 통해 단위면적당 전국 논 토양에 서 배출되는 행정구역별 연간 CO₂ 배출량을 계산했다 (Table 3). 전국 논 토양에서 배출되는 연간 CO₂ 총 배출량은 5,314 kt CO₂-eq 이었다. 이는 온실가스종합정보센터에서 발표한 2013년 국내 논 토양 CH₄ 총 배출량인 6.9 Mt CO₂-eq보다 낮은 수치였으나 (GIR 2015), 본 연구에서 예측한 CO₂ 총 배 출량은 CH₄ 총 배출량의 약 77% 상응하는 수치였다. CH₄는 농업생태계의 주된 온실가스 배출원으로 (Anand 2013), 현 재까지의 논을 대상으로 한 온실가스 추정 연구는 주로 CH₄ 에 초점을 맞추어 연구되고 있다 (Fumoto et al. 2010; Katayanagi et al. 2016; Kim et al. 2016). 하지만 본 연구결과에 따르면, CO₂ 배출량은 논 토양에서 무시하지 못할 양인 것을 알 수 있었다. 행정구역별 총 CO₂ 배출량은 전라도가 1617.6 kt CO₂-eq로 가장 많았고, 경상도, 충청도 순으로 나타났다. 전라도, 경상도, 충청도 세 구역에서 배출되는 CO₂ 배출량은 총 4169.6 kt CO₂-eq으로 전국 배출량의 약 78%를 차지했다. 반면에 부산, 제주, 서울 등 주요 도시는 적은 논 면적을 가 지고 있어 총 배출량에 큰 영향을 미치지 않았다.

지역별 CO₂ 배출량 차이를 확인하기 위해 1 km² 수준의 모든 격자를 대상으로 CO₂ 배출량을 공간적으로 표현하였 다 (Fig. 4). 전국토의 평균 CO₂ 배출량은 4.3 t CO₂-eq ha^-1 year^-1이었으며, 63,808개 단위격자에서 모의된 CO₂ 배출 량 추정값의 범위는 2.2~10.0 t CO₂-eq ha^-1 year^-1로 나타났 다. Pathak et al. (2005)은 인도의 행정구역 단위로 논 토양의 CO₂ 배출량을 DNDC 모형을 통해 예측했는데, 범위는 2.2~ 8.8 t CO₂-eq ha^-1 year^-1로 본 연구의 결과 범위와 유사했다. 격자별 CO₂ 배출량을 공간적으로 표현한 결과, 중부 내륙지 역과 남해안 지역에서 산발적으로 배출량이 높았다. 전국적 으로는 중 북부지역 보다는 중남부 지역의 배출량이 높은 것 을 확일할 수 있었으며, 이는 온도가 상대적으로 높은 남부지 역이 북부지역보다 유기물분해가 더 촉진되는 것으로 추측 된다. 한편, 행정구역별 평균 배출량은 제주도, 부산, 전라도 순으로 높게 나타났다. 제주도의 논 토양 면적은 3 km²에 불 과했지만, 평균 배출량이 7.4 t CO₂-eq ha^-1 year^-1로 전국 평 균에 비해 1.7배 높게 나타났다. 제주도는 평균 유기탄소 함 량이 39.8 g kg-1로 전국 평균 토양 유기탄소 함량인 14.2 g kg-1에 비해 2배 이상 높았다. 높은 토양 유기탄소 함량은 토 양 미생물의 에너지원인 탄소원이 풍부하여 미생물에 의한 호흡량을 증가시켜 CO₂ 배출량이 증가한다고 알려져 있다 (Gershenson et al. 2009). 따라서, 제주도 논 토양에서 단위면 적당 CO₂ 배출량이 전국 평균에 비해 높은 것으로 나타났다.

적 요

본 연구는 대한민국 전역을 대상으로 국외에서 개발된 토 양 온실가스 배출 모형인 DNDC 모형을 적용하여 논 토양 에서 배출되는 CO₂를 추정하였다. 모형의 국내 적용성 평가 를 위해서 2015년부터 2016년 경기도 지역 논 토양을 대상 으로 폐쇄형 챔버를 이용해 CO₂ 배출량을 실측하고, 모형으 로부터 산출된 추정값과 비교했다. DNDC 모형 검증결과 추 정값과 관측값의 RMSE, ME, r²이 각각 22.2, 0.28, 0.53으로 통계적으로 신뢰할 수 있었다. 전국 CO₂ 배출량 예측 결과, 연간 총 배출량은 5,314 kt CO₂-eq이며 이는 전국 CH₄ 총 배 출량의 77% 수준이었다. 행정구역별로는 전라도가 가장 많 은 배출량을 보였으며, 논의 면적이 많을수록 총 배출량이 높았다. 국토의 단위면적당 CO₂ 배출량은 2.2~10.0 t CO₂- eq ha^-1 year^-1 범위에 있었으며, 평균값은 4.3 t CO₂-eq ha^-1 year^-1이었다. 지역적으로는 한반도 중부지역 보다 남부지역 에서 단위면적당 배출량이 더 높게 나타났다. 본 연구를 통 해서, DNDC 모형은 국내 논 토양에서 배출되는 CO₂ 발생량 을 유의하게 모의한 것으로 나타났다. 보다 더 정교한 온실 가스 예측을 위해서는 기후특성, 토양특성, 작물경작특성 및 작물생육 특성을 고려하여 예측하는 것이 중요하며, DNDC 모형의 신뢰도를 높이려면 국내 농업생태계의 환경 및 생물 인자를 모의할 수 있는 세부모형을 개발하는 것이 필요하다.