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ISSN : 1226-9999(Print)
ISSN : 2287-7851(Online)
Korean J. Environ. Biol. Vol.37 No.4 pp.554-567
DOI : https://doi.org/10.11626/KJEB.2019.37.4.554

Comparison of nutrient balance and nutrient loading index for cultivated land nutrient management

Jun-Hyung Lee, Young-Man Yoon*
Department of Plant Life & Environmental Science/Biogas Research Center, Hankyong National University, Anseong 17579, Republic of Korea
Corresponding author Young-Man Yoon Tel. 031-670-5086 E-mail. yyman@hknu.ac.kr
05/11/2019 14/11/2019 14/11/2019

Abstract


Recently, concerns regarding the environmental impact due to nutrient input in croplands have increased. Therefore, the government is promoting the introduction of a nutrient management system in croplands to solve the problem of excessive nutrient input. This study was carried out to establish nutrient indicators in regional croplands to facilitate the introduction of the national nutrient management system in Korea. The nutrient load and balance indicators for nitrogen and phosphorus were analyzed for nine provinces (Gang-won, Gyeong-gi, Chung-buk, Chung-nam, Jeon-buk, Jeon-nam, Gyeong-buk, Gyeong-nam, and Jeju). In the correlation analysis between the nutrient load and nutrient balance, the correlation coefficient (r) for nitrogen was 0.2504, which was not statistically significant at the 5% significance level. However, the correlation coefficient for phosphorus was 0.7375, which was statistically significant at the 5% significance level. In the nutrient management index, phosphorus showed mutual compatibility between the nutrient load and the nutrient balance indicators, but nitrogen showed no mutual compatibility between the nutrient load and the nutrient balance indicators. Therefore, utilization of the nutrient balance indicator, reflecting the characteristics of the agricultural environment, was more reasonable as a nutrient management index for regional nutrient management.



농경지 양분관리를 위한 양분수지 지표와 양분부하 지표간의 비교

이 준형, 윤 영만*
한경대학교 식 물생명환경과학과/바이오가스연구센터

초록


    Rural Development Administration
    PJ01432701

    서 론

    2015년 기준 우리나라 국가 양분수지는 OECD 국가 중 질소 수지 1위 (221.9 kg-N ha-1), 인 수지 2위 (46.3 kg-P ha-1)로 보고 (OECD.stat 2019)되고 있어, 농경지 투입양 분으로 인한 환경영향에 대한 우려와 함께 하천 등으로 유출되는 비점오염원의 관리가 요구되고 있다. 따라서 정 부는 농경지의 양분 과잉 투입으로 인한 환경 문제를 해 결하기 위해 지역단위로 농경지 양분부하 현황을 산출하 고, 농경지의 양분 수준의 관리목표를 설정하여 관리하는 양분관리 제도를 단계적으로 도입하고자 하고 있다 (ME 2015).

    지역단위 양분관리제도는 과학적 토대 위에서 지역별 농경지의 양분투입과 처리를 종합적으로 파악하여 지역 의 환경용량 범위에서 수용할 수 있는 양분을 총량 수준 으로 관리하기 위한 제도이다. 이러한 양분관리제도는 지 속가능한 농축산업 시스템 구축을 위한 유력한 정책 프로 그램으로 평가되고 있다 (KREI 2015). 농식품부와 환경부 는 2004년 가축분뇨 관리·이용 종합대책 (ME·MAFRA 2004)을 수립하면서 축산 밀집지역에서 가축분뇨로 인 한 환경오염을 저감하기 위한 방법으로 양분관리제도 도 입을 시사한 바 있으며, 이후 농촌경제연구원은 지역단 위 양분총량제도 도입 세부시행방안 연구 (KREI 2005) 에서 과잉양분을 효과적으로 관리하기 위한 조치로서 지 역별 양분수지의 진단을 통해 농축산 부문의 생산 활동 과 투입자재를 조절함으로써 양분수지를 균형 수준에 도 달시키는 것을 정책목표로 양분관리제도 도입방안을 연 구한 바 있다. 특히 KREI (2005)는 지역 양분관리를 위한 지표로서 농경지 양분요구량 대비 실재 양분투입량의 비 율로 나타내는 양분초과율 지표를 제시하였다. 또한 지역 별 질소 부하정도에 따라 전국평균 양분요구량 대비 지역 단위의 양분초과량이 40 kg-N ha-1 (양분초과율 30%) 미 만인 지역 (양분관리우수지역), 40~120 kg-N ha-1인 지역 (양분관리유도지역), 양분초과량이 120 kg-N ha-1 (양분초 과율 100%) 이상인 지역 (양분특별관리지역), 양분초과량 120~180 kg-N ha-1까지의 지역 (양분특별관리 I지역), 180 kg-N ha-1 이상인 지역 (양분특별관리 II지역)으로 분류하 여 관리하는 방안을 제시한 바 있다. 이후 2013년 농식품 부는 중장기 가축분뇨 자원화 대책 (MAFRA 2013)에서 가 축분뇨로 인한 농업환경 오염 경감을 위하여 양분관리제 도의 단계적 도입을 명시하였다. 농촌경제연구원은 후속 연구인 양분총량제 도입방안 연구 (KREI 2015)에서 기 존 양분초과율 지표를 그대로 활용하여 관리대상지역을 질소성분 기준 양분초과율 50% 이하 지역 (양분관리우수 지역), 양분초과율 50~100% 지역 (양분관리 관심지역), 양 분초과율 100~150% 지역 (양분관리 유도지역), 양분초과 율 150% 초과 지역 (양분특별관리 지역 I, II)으로 구분하 여 관리하는 방안을 제시하였다.

    기존 양분관리제도 도입방안 연구에서 관리 지표로 제 시한 바 있는 양분초과율 지표는 농경지 비료성분 요구량 (작물별 비료성분의 시비기준)에 대한 투입 비료성분량의 비율로서 지역별 농경지 양분초과량을 나타내는 양분부 하 (Nutrient load) 지표이다. 양분부하 지표는 분석모델이 단순하여 단위 지역에서의 비료성분의 부하 관리에 용이 한 특성이 있으나 지역별 농업환경 및 농작물의 재배 특성 에 따른 작물의 양분 이용 효율 변동 영향을 반영하지 못 하고, 농업 비점오염의 수계 유출과의 상관관계를 설명하 지 못하는 단점이 지적되고 있다 (ME·MAFRA 2016). 특 히, 농경지로 유입된 비료성분은 비점오염원으로 작용하 며 다양한 경로를 거쳐 수계로 유입된다 (Kim et al. 2017a;Chen et al. 2018). 비점오염원으로서의 양분유출 특성은 비료성분, 농경지 토양 특성, 재배작물, 작물의 양분이용 효율, 농업활동, 지역의 기후 특성 등에 의해 큰 영향을 받 는다 (Choi et al. 2016). 그러므로 농경지 양분요구량에 대 한 양분투입량의 비율을 나타내는 양분부하 지표는 단순 히 양분부하도만을 나타내며, 농경지 내에서의 양분 순환 및 이용특성은 설명할 수 없어 실질적인 수계유출에 대한 잠재량을 평가하는 데는 한계가 있다. 따라서 최근에는 양 분관리 제도 도입의 관리지표로서 농경지 투입양분과 유 출양분의 수지 산출을 통해 잠재적인 수계 유출량을 추정 하는 양분수지 지표의 도입이 검토되고 있다 (ME 2016). 양분수지 지표는 OECD 국가의 농업환경지표로 활용되 고 있으며 (OECD 2013), 농경지 투입 양분과 작물 생산을 통해 농경지에서 반출되는 양분의 수지를 나타내는 지표 로서 지역별 다양한 농업 환경 특성을 반영할 수 있는 장 점이 있다. 특히 양분수지 지표는 최적의 영농활동을 통해 농업생산을 증대시키거나, 농산부산물의 연료 이용 등을 통해 농경지 내에서의 양분 순환을 저감시키는 경우 양분 수지를 개선시킬 수 있는 특징이 있어 농경지 양분의 관리 지표로 활용도가 높다. 그러나 아직까지 양분수지 지표를 활용한 농경지 양분관리 연구는 그 사례가 미미한 상황으 로 합리적인 양분관리제도의 도입을 위해서는 양분부하 지표보다는 지역의 농업환경 특성과 양분의 순환구조를 더 잘 설명하는 양분수지 지표의 도입이 필요한 상황이다. 따라서 본 연구는 국내 양분관리 제도 도입을 위한 합리적 인 양분관리 지표를 도출하기 위하여 국내 도 단위 양분부 하와 양분수지 지표를 산출하였으며, 양분부하 및 양분수 지 지표의 특성을 비교·검토하였다.

    재료 및 방법

    1. 양분수지와 양분부하 분석 모델

    본 연구에서 농경지 양분수지 (질소, 인 수지)와 양분부 하 (질소, 인 부하)의 분석을 위한 분석 모델은 Fig. 1과 같 다. 양분수지 분석은 농경지 (토양)를 경계조건으로 설정 하였으며 (Leip et al. 2011), 양분수지는 농경지로 유입되는 양분과 유출되는 양분의 수지 (Eq. 1)를 의미한다. 농경지 양분수지의 분석에서 유입양분은 농업생산을 위해 투입 하는 무기질 비료 (화학비료), 가축분뇨에서 기인하는 부 숙 유기질 비료 (가축분뇨 퇴·액비), 유기질 비료 (유박비 료 등)를 항목으로 두었으며, 직접적인 비료성분의 투입활 동 이외에 경작지 내에서의 생물학적 질소고정, 종자투입, 녹비작물, 대기강하물, 관개용수에서 기인하는 양분투입 항목을 모델에 반영하였다. 농경지 유출양분 분석은 농식 품 및 사료 등의 작물생산으로 인한 양분의 유출과 지하침 출, 유거에 의한 수계유출, 휘발, 탈질 (N2O)에 의한 대기 유출 항목을 설정하였다. 양분수지의 분석을 통해 산출한 양분수지 지표 값은 농경지 투입양분으로부터 수계로 유 출되는 양분의 잠재량으로 하였으며, Eq. 2와 같이 산정하 였다. 또한 양분부하는 농경지에서 작물의 재배를 위해 요 구되는 양분의 수용용량 (Carrying capacity)에 대한 비료 성분의 투입량의 비율을 나타내는 지표로서 Eq. 3과 같이 산정하였다.

    양분수지: 양분유입 (A) = 양분유출 (D)
    (Eq. 1)

    양분수지 지표 (b) = 양분유입 (A) - 작물생산 양분유출 (a) - 대기유출 (c)
    (Eq. 2)

    양분부하 = 농경지 양분유입량 (B) 농경지 양분요구량 (C)
    (3)

    2. 양분수지 분석

    양분수지 및 양분부하의 분석은 행정구역상 도 단위를 기준으로 실시하였으며, 질소와 인성분에 대하여 유입 및 유출 항목별로 산출하였다.

    1) 무기질 비료 (화학비료)

    화학비료에서 기인하는 질소와 인성분의 유입량은 무 기질 비료의 품목별 공급량에 품목별 비료성분량을 곱하 여 Eqs. 4, 5와 같이 산출하였다.

    화학비료 질소 공급량 ( kg yr -1 ) = i=1 n 화학비료품목별 (i)공급량 ( kg yr -1 ) × 품목별 (i) 질소함량 (%)
    (Eq. 4)

    화학비료 인 공급량 ( kg yr -1 ) = i=1 n 화학비료품목별 (i)공급량 ( kg yr -1 ) × 품목별 (i) 인함량 (%)
    (Eq. 5)

    2) 가축분뇨 퇴·액비

    가축분뇨에서 유래하는 퇴비와 액비로 인한 질소와 인 성분의 유입량은 축종별 가축 사육두수에 축종별 발생원 단위를 곱하고, 가축분뇨 비료성분 발생원단위를 곱하여 가축분뇨 유래 비료성분 발생량을 산출한 후, 가축분뇨 자 원화 과정에서의 양분 손실 계수를 고려하여 Eq. 6~15와 같이 산출하였다.

    가축분뇨 질소성분 발생량 ( kg yr -1 ) =가축분 질소성분 발생량 ( kg yr -1 ) +가축뇨 질소성분 발생량 ( kg yr -1 )
    (Eq. 6)

    가축분 질소성분 발생량 ( kg yr -1 ) = i=1 n 축종별 (i) 사육두수 × 축종별 (i) 발생원단위 (분) × 축종별 (i) 분의 질소함량 (%)
    (Eq. 7)

    가축뇨 질소성분 발생량 ( kg yr -1 ) = i=1 n 축종별 (i) 사육두수 × 축종별 (i) 발생원단위 (뇨) × 축종별 (i) 뇨의 질소함량 (%)
    (Eq. 8)

    가축분뇨 인성분 발생량 ( kg yr -1 ) =가축분 인성분 발생량 ( kg yr -1 ) +가축뇨 인성분 발생량 ( kg yr -1 )
    (Eq. 9)

    가축분 인성분 발생량 ( kg yr -1 ) = i=1 n 축종별 (i) 사육두수 × 축종별 (i) 발생원단위 (분) × 축종별 (i) 분의 인함량 (%)
    (Eq. 10)

    가축뇨 인성분 발생량 ( kg yr -1 ) = i=1 n 축종별 (i) 사육두수 × 축종별 (i) 발생원단위 (뇨) × 축종별 (i) 뇨의 인함량 (%)
    (Eq. 11)

    가축분뇨 정화처리시설 양분 (질소, 인) 삭감량 ( kg yr -1 ) = i=1 n 축종별 (i) 시설유입량 ( Mg day -1 ) × 시설가동율 (%) × 축종별 (i) 가축분뇨 질소, 인함량 (%) × 365 ( day ) ×1,000
    (Eq. 12)

    가축분뇨 액비 질소성분 유입량 ( kg yr -1 ) = i=1 n 축종별 (i) 질소성분 발생량 × 축종별 (i) 액비화 처리율 (%) × 축종별 (i) 액비화 질소부하 조정계수
    (Eq. 13)

    가축분뇨 퇴비 인성분 유입량 ( kg yr -1 ) = i=1 n 축종별 (i) 인성분 발생량 × 축종별 (i) 퇴비화 처리율 (%) × 축종별 (i) 퇴비화 인부하 조정계수
    (Eq. 14)

    가축분뇨 액비 인성분 유입량 ( kg yr -1 ) = i=1 n 축종별 (i) 인성분 발생량 × 축종별 (i) 액비화 처리율 (%) × 축종별 (i) 액비화 인부하 조정계수
    (Eq. 15)

    3) 유기질 비료

    유기질 비료에서 유래하는 질소와 인성분의 유입량은 Eq. 16과 같이 산출하였다.

    유기질비료 양분 (질소, 인) 유입량 ( kg yr -1 ) = 도단위 유기질비료 공급량 ( Mg yr -1 ) × 유기질비료 평균양분함량 (%)
    (Eq. 16)

    4) 생물학적 질소고정

    생물학적 질소고정은 콩과작물에 의한 질소고정을 평 가하며, 작물생산량과 지상부 바이오매스를 고려하고 질 소고정단위를 곱하여 Eq. 17과 같이 산출하였다.

    질소고정 ( kg yr -1 ) = i=1 n { 콩과작물별 (i) 생산량 × ( 1 + 잔사/곡실비 ) × 지상부 건물함량 × 질소고정량단위 ( kg-N kg -1 -DM ) }
    (Eq. 17)

    5) 종자 및 종묘

    종자 및 종묘에 의한 양분유입은 작물재배면적에 작물 별 단위면적당 파종량을 곱하여 작물별 (곡류, 서류) 파종 량을 구하고, 종자 또는 종묘에서의 비료성분 함량을 곱하 여 Eq. 18, 19와 같이 산출하였다.

    종자 질소유입 ( kg yr -1 ) = j=1 n { 종자별 (i) 질소함량 (%) ( Mg yr -1 ) × 종자별 (i) 파종량 × 1,000 }
    (Eq. 18)

    종자 인유입 ( kg yr -1 ) = j=1 n { 종자별 (i) 파종량 ( Mg yr -1 ) × 종자별 (i) 인함량 × 1,000 }
    (Eq. 19)

    6) 작물잔사 유입

    잔물잔사는 토양으로 투입한 양분을 흡수 이용하여 생 산되나 토양으로 환원하는 경우 토양 환원된 작물잔사는 미생물에 의해 분해되어 양분이 무기화된다. 따라서 농경 지를 다년간 연속하여 경작하는 경우 토양으로 환원되는 잔물잔사에서 기인하는 양분은 토양에 지속적으로 잔존 하는 것으로 간주하였으며, 작물잔사의 유입은 양분수지 상 균형을 이루는 것으로 간주하고 별도의 잔사유입으로 인한 양분유입을 고려하지 않았다.

    7) 대기강하물

    대기강하물은 습성강하물과 건성강하물로 구분하며, 습 성강하물은 농업지역에서 휘발한 암모니아 (NH3)가 강우 에 용해되어 암모늄 이온 (NH4+)으로 강우와 함께 강하하 거나, 인근 소각시설에서 발생한 질소산화물이 질산이온 (NO3-)의 형태로 유입된다. 건성강하물은 입자상 오염물 질과 함께 농경지로 유입되며 암모니아 (NH3) 및 질소산 화물을 포함하고 있다. 따라서 대기강하물에 의한 양분유 입은 Eq. 20과 같이 작물재배면적에 대기강하물에 의한 질 소강하계수를 곱하여 산출하였다.

    대기강하물 질소유입 ( kg yr -1 ) =작물재배면적 (ha) ( ha ) × 질소강하계수 ( kg-N ha -1 yr -1 )
    (Eq. 20)

    8) 관개수 유입

    본 연구에서는 관개수를 통한 양분유입은 논에서의 벼 재배 만을 고려하였으며, 농어촌공사에서 운영하는 농업 용수종합정보시스템의 자료를 활용하여 Eq. 21, 22와 같이 산출하였다.

    관개용수질소유입-논 ( kg yr -1 ) =작물재배면적×0.3m×4 ×관개수질소농도 ( mg L -1 ) × 1 1,000
    (Eq. 21)

    관개용수인유입-논 ( kg yr -1 ) =작물재배면적×0.3m×4 ×관개수인농도 ( mg L -1 ) × 1 1,000
    (Eq. 22)

    9) 작물생산 유출

    작물 수확으로 인한 양분유출은 단위지역의 작물별 수 확량에 작물별 비료성분 함량을 곱하여 Eq. 23, 24와 같이 산출하였다.

    작물생산질소유출 ( kg yr -1 ) = i=1 n {작물별 (i) 생산량(Mg yr -1 )×작물별 질소함량(%)}
    (Eq.23)

    작물생산인유출 ( kg yr -1 ) = i=1 n {작물별 (i) 생산량(Mg yr -1 )×작물별 인함량(%)}
    (Eq. 24)

    10) 작물부산물 유출

    농업 활동에서 발생한 작물부산물은 농경지 외로 유출 시켜 소각 처리 또는 연료로 이용하며, 벼 재배에서 발생 하는 볏짚 및 왕겨는 가축사료 또는 사육사의 깔짚으로 활 용되고 있다. 따라서 작물부산물 중 농경지 외로 이동하여 소각처리 및 재활용되는 양을 산정하고, 작물별 양분 함량 을 곱하여 Eq. 25, 26과 같이 산출하였다.

    작물부산물 질소유출 ( kg yr -1 ) = i=1 n {작물별 (i) 생산량(Mg yr -1 )×잔사발생계수(Bi)} × 잔사 질소함량 ( % ) }
    (Eq. 25)

    작물부산물 인유출 ( kg yr -1 ) = i=1 n {작물별 (i) 생산량(Mg yr -1 )×잔사발생계수(Bi)} × 잔사 인함량 ( % ) }
    (Eq. 26)

    11) 생물학적 탈질 유출

    화학비료 시용에 따른 N2O 직접배출계수는 논 배출계 수 (EF1FR)와 밭 작물종별 배출계수 (EF1i)로 구분하여 적 용하였으며, 논 배출계수는 2006 IPCC GL의 기본값 0.003 kg N2O-N kg-1-N을 적용하였고, 밭 배출계수는 2014년 국 가고유 배출계수로 승인받은 작물종별 (고추, 콩, 감자, 봄 배추, 가을배추) 배출계수를 적용하고 그 외의 작물에는 밭작물 통합계수 0.00596 kg N2O-N kg-1-N을 적용하였다. 질소고정 작물 (콩)과 작물잔사의 토양 환원에 따른 N2O 직접배출계수도 작물종별로 각각 N2O 직접배출계수를 적 용하였으며, 농경지 토양에 투입되는 가축분뇨에서 발생 하는 N2O 배출량 산정을 위해 가축분뇨처리 부문에서 적 용한 축종별 분뇨 질소량에 가축분뇨의 농경지 투입에 따 른 N2O 기본 배출계수로 1996 IPCC GL의 기본값 (EF1)인 0.0125 kg N2O-N kg-1-N을 적용하여 산출하였다.

    N 2 O D = i N [{(F SN +F ON ) i ×EF 1i +(F CR +F SOM )×EF 1i } +N 2 O-N OS +N PRP ]×44/28
    (Eq.27)

    • N2OD: 농경지토양 N2O 직접배출량 [kg N2O-N yr-1]

    • EF1i: 작물별 N2O 직접배출계수 [kg N2O-N kg-1-N 투입량]

    • EF1: 농경지토양 질소 투입에 따른 N2O 배출계수 [kg N2O-N kg-1-N 투입량]

    • FSN: 연간 화학비료로 투입되는 질소량 (NH3, NOx 대기 휘산량 제외) [kg-N yr-1]

    • FON: 연간 유기질소로 투입되는 질소량 [kg-N yr-1]

    • FCR: 연간 작물 잔사로서 농경지에 재투입되는 질소량 [kg-N yr-1]

    • FSOM: 농경지 토지이용 및 관리 변화에 따른 토양탄소 손 실로 인해 광물화된 질소량 [kg-N yr-1]

    • N2O-NOS: 연간 관리되는 유기토양의 N2O-N 직접배출량 [kg N2O-N yr-1]

    • N2O-NPRP: 연간 방목지에 가축분뇨로 투입되는 N2O-N 직 접배출량 [kg N2O-N yr-1]

    44/28: N 배출량 (kg N2O-N yr-1)의 N2O 환산계수

    i n ( FS i ×FV i ) + j n ( A j ×N 2 OD j )
    (Eq. 28)

    식(28)에서 FSi는 비료종류별(i) 공급량, FVi는 비료종 류별(i) 암모이아성 질소 휘발율(%), Aj는 작물별(j) 재배 면적, N2ODj : 작물별(j) 아산화질소(N2O-N) 탈질량(kg-N yr-1)이다.

    3. 양분부하 분석

    양분부하는 작물별표준시비량을 기준으로 하는 농경지 양분 수용용량 대비 양분 투입량으로 정의하였다. 양분부 하도 산출을 위한 투입양분은 화학비료공급량, 가축분뇨 퇴·액비, 유기질비료에서 기인하는 질소, 인으로 한정하였 으며, 농경지 양분 수용용량은 작물별 표준시비량을 기준 으로 작물별 재배면적에 작물별 시비기준을 곱하여 산출 하였다. 또한 년간 2작기 이상을 가지는 시설원예 하우스 의 집약적 생산체계를 반영하여 시설원예작물 양분수요 조정계수를 산정하여 반영하여 양분부하율을 Eq. 29에서 Eq. 34와 같이 산출하였다.

    질소부하도 (노지) = i=1 n 질소투입원별 (i) 농경지 질소투입량 ( kg yr -1 ) i=1 n ( 노지작물별 (j) 재배면적 (ha)×작물별 표준질소시비량 ( kg ha -1 ) )
    (Eq. 29)

    질소부하도 (노지) = i = 1 n 질소투입원별 (i) 농경지 질소투입량 ( kg yr -1 ) i = 1 n ( 노지작물별 (j) 재배면적 (ha) × 작물별 표준질소시비량 ( kg ha -1 ) )
    (30)

    질소부하도 (시설) = i = 1 n 질소투입원별 (i) 농경지 질소투입량 ( kg yr 1 ) ÷ j = 1 n 시설작물별 (j) 재배면적 (ha) × 작물별 표준 질소시비량 ( kg ha -1 ) × 시설채소작물비료투입계수
    (31)

    인부하도 = 노지작물 인부하도 + 시설작물 인부하도
    (32)

    인부하도 (노지) = i=1 n 인투입원별 (i) 농경지 인투입량 ( kg yr -1 ) i=1 n (노지작물별 (j) 재배면적(ha) × 작물별 표준 인시비량 ( kg yr -1 ) )
    (Eq. 33)

    인부하도 (시설) = i=1 n 인투입원별 (i) 농경지 인투입량 ( kg yr -1 ) ÷ j=1 n 시설작물별 (j) 재배면적 (ha) ×작물별 표준 인시비량 ( kg ha -1 ) ×시설채소작물비료투입계수
    (Eq. 34)

    4. 통계자료

    지역단위 양분수지와 양분부하 분석을 위한 통계자료 는 2017년도를 기준년도로 하였으며, 무기질비료는 농림 축산식품통계연보 (MAFRA 2018a)를 사용하였으며, 가축 사육두수는 가축동향조사 (MAFRA 2018b), 유기질비료 는 비료사업통계 (NACF 2017)를 사용하였다. 기타 양분 의 유입 유출 항목의 산출을 위한 통계자료 및 조정계수 는 ME·MAFRA (2016)의 보고서 자료에 근거하여 산출하 였다.

    5. 자료분석

    도 단위 양분수지와 양분부하의 상관관계 분석은 SigmaPlot (Window version 10.0, Systat Software Inc., San Jose, CA, USA)을 이용하여 상관관계분석 (Gomez and Gomez 1984)을 실시하였다.

    결과 및 고찰

    1. 농경지 양분수지

    도 단위로 분석한 질소 양분의 유입현황은 Table 1과 같 다. 도 단위 질소 양분수지에서 가축분뇨에서 기인하는 농 경지 질소 유입량은 경기도가 27.2 Gg yr-1으로 가장 높았 으며, 다음으로 충청남도 22.8 Gg yr-1, 경상북도 19.8 Gg yr-1, 전라남도 18.4 Gg yr-1 순으로 나타났으며, 무기질비료 (화 학비료) 유래 질소 유입량은 전라남도가 34.5 Gg yr-1으로 가장 높았으며, 충청남도 23.3 Gg yr-1, 전라북도 22.4 Gg yr-1으로 나타났다. 또한 유기질 비료 유래 질소 유입량은 경상북도 9.3 Gg yr-1으로 가장 높았으며, 전라남도 5.7 Gg yr-1, 충청북도 3.2 Gg yr-1 순으로 나타났다. 따라서 농경지 양분유입은 주로 가축분뇨 유래 부숙유기질비료와 무기 질비료에서 기인하는 것으로 나타났다. 또한 농경지 질소 유입에서 가축분뇨가 차지하는 비중은 경기도가 질소 유 입의 54.0%를 차지하여 가축분뇨로 인한 질소 유입 비중 이 가장 높은 것으로 나타났다. 양분수지 분석에서 가축분 뇨로 인한 질소유입은 지역 내 가축사육두수를 기초로 산 출하고 있어 가축분뇨에서 기인하는 양분유입 비중은 지 역의 가축사육두수와 비례한다. 그러나 가축분뇨 퇴비의 경우 지역 간 유통이 활발히 이루어지고 있어 가축분뇨 퇴 비의 생산지와 소비지가 일치하지 않는 경우가 있어 가축 분뇨 유래 양분유입 비중의 산정에서는 향후 가축분뇨 퇴 비의 유통정보 관리를 통해 양분수지의 민감도를 향상시 킬 필요가 있다. 생물학적질소고정에 의한 질소 유입량은 전라남도가 0.4 Gg yr-1으로 가장 높았으며, 경상북도 0.3 Gg yr-1, 전라북도 0.2 Gg yr-1 순으로 나타났으며, 이와 같이 전라남도 지역에서 생물학적질소고정에 의한 질소 유입 량이 크게 나타나는 것은 전라남도 지역의 대두 등 콩과작 물의 재배면적이 넓은 데서 기인하였다. 도 단위 질소 양 분수지 분석 결과 지역의 축산규모, 재배작물 등 농업특성 에 따라 질소 유입항목별 질소 성분 유입량에 차이를 파악 할 수 있었다. Table 2는 질소 양분수지 분석에서 질소 유 출항목별 지역분포를 나타내고 있다. 작물생산에 의한 질 소 유출은 전라남도가 17.1 Gg yr-1으로 가장 높았으며, 충 청남도 12.3 Gg yr-1, 전라북도 12.0 Gg yr-1으로 나타났다. 작물 부산물에 의한 질소유출은 작물생산에 의한 질소유 출과 비슷한 경향을 나타내었으며, 질소 양분수지 분석에 서 질소의 유출특성은 작물의 종류, 재배면적 등의 지역의 농업특성에 따라 차별화된 결과를 나타내었다.

    도 단위로 분석한 인 양분의 유입현황은 Table 3과 같다. 가축분뇨에서 기인하는 부숙유기질비료로 인한 인 유입량 은 경기도가 7.0 Gg yr-1으로 가장 높았으며, 다음으로 충청 남도 6.1 Gg yr-1, 경상북도 5.8 Gg yr-1, 전라남도 5.0 Gg yr-1 의 순으로 나타났다. 또한 무기질비료 유래 인 유입량은 전 라남도가 4.2 Gg yr-1으로 가장 높았으며, 경상북도 3.5 Gg yr-1, 충청남도 3.1 Gg yr-1으로 나타났다. 유기질 비료 유래 인 유입량은 경상북도가 2.2 Gg yr-1으로 가장 높았으며, 전 라남도 1.3 Gg yr-1, 충청북도 0.8 Gg yr-1 순으로 나타났다. 도 단위 인 양분유입에서 가축분뇨 유래 부숙유기질비료가 차지하는 비중은 경기도가 인 유입양분의 67.5%를 차지하 여 가축분뇨로 인한 인 유입 비중이 가장 높았으며, 제주도 를 제외하고 대부분의 지역에서 가축분뇨 유래 인 유입 비 중이 큰 것으로 나타났다. 일반적으로 가축분뇨 유래 양분 유입은 지역의 가축사육두수에 비례하는 경향이 있으나 가 축분뇨 유래 질소 유입비중의 순위와 인 유입비중의 순위 가 차이가 나는 이유는 가축분뇨 축종별 질소와 인의 함량 차이, 가축분뇨 자원화 과정 중 질소와 인의 거동 차이에서 기인한다. 인 수지 분석에서 인 양분유출 항목별 분석결과 는 Table 4와 같다. 작물생산에 의한 인 양분의 유출은 전라 남도가 3.5 Gg yr-1으로 가장 높았으며, 경상북도 2.9 Gg yr-1, 충청남도 2.7 Gg yr-1, 전라북도 2.6 Gg yr-1으로 나타났다. 작 물생산에 의한 인 유출은 질소 유출과 유사한 경향을 나타 내었으며, 이는 기본적으로 작물생산에 의한 질소, 인의 유 출은 작물생산수량에 기초하는데서 비롯하기 때문이다.

    국내 도 단위 양분수지 분석에서 제주도의 경우, 무기 질비료의 농경지 투입 비중은 질소성분 59.6%, 인성분 64.4%로 나타나 다른 도와 비교하여 무기질 비료의 투입 비중이 큰 것으로 나타났다. 특히, 양분의 유출 특성에서 는 전체 질소성분 유출의 67.7%가 수계유출로 평가되었 으며, 인성분 유출의 78.1%가 수계유출로 평가되어 다른 도와 비교하여 인성분의 수계유출 비중이 매우 크게 평가 되었다. 이는 현무암에서 유래한 제주도 토양의 높은 인산 흡수계수 특성에서 기인하는 것으로 판단된다. 인산흡수 계수가 큰 제주도 토양에서는 인성분의 작물 이용율을 매 우 낮고, 유입 인성분의 대부분이 토양에 고정되는 특성이 있다 (Sanyal et al. 1993;Kim et al. 2016). 즉, 본 연구의 양 분수지 분석에서는 토양 중 양분의 변동 (증감량)을 고려 하지 않고 있어, 토양 중에 고정되는 인성분의 양이 모두 수계유출로 평가되는 한계가 있다. 따라서 제주도 지역의 양분수지 분석에서는 지역의 토양 특성으로 인한 인 성분 의 토양고정을 고려하여 양분수지를 분석할 필요가 있다. KLEI (2018)는 기준년도 2015년에 농경지 (토양)을 경계 조건으로 하여 국내 양분수지를 산출하였으며, 산출한 국 내의 양분 유입량은 492,881 Mg-N yr-1, 86,224 Mg-P yr-1 으로 나타났다고 보고하였다. 이는 본 연구에서의 양분유 입 385,826 Mg-N yr-1, 71,244 Mg-P yr-1와 비교하여 큰 차 이를 보인다. 이러한 차이는 1차적으로 양분수지 산출 기 준년도의 차이로 인한 재배작물, 작물별 재배면적, 작물별 생산성의 변동에서 기인하며, 2차적으로 연구자마다 사용 하는 조정계수 (가축분뇨 자원화 계수, 생물학적 질소고 정 계수, 작물부산물 계수 등)의 차이에서 기인할 수 있다. 따라서 합리적인 양분관리제도의 도입을 위해서는 양분 수지 산출을 위한 다양한 원단위, 통계자료, 조정계수 등 의 표준화가 요구되고 있다. 최근에는 양분수지 관련 전문 가들 간의 양분수지 산출 방법론의 표준화를 위한 노력이 진행되고 있으며, 이러한 양분수지 산출 방법론의 표준화 는 지역의 농업환경을 잘 반영하는 방향으로 정립되어야 할 것이다.

    2. 농경지 양분수지와 양분부하 비교

    도 단위 양분수지와 양분부하 분석 결과는 Table 5와 같 다. 도 단위 농경지 질소성분의 양분요구량 대비 투입 질 소성분량의 비율을 나타내는 양분부하도는 경기도가 2.39 로 가장 높게 나타났으며, 다음으로 충청남도 2.09, 전라북 도 1.85, 전라남도 1.82, 경상북도 1.77, 충청북도 1.74, 강 원도 1.57, 경상남도 1.45, 제주도 1.28 순으로 나타났다. 또 한 양분수지 분석을 통하여 산출한 질소성분의 수계양분 유출 잠재량은 경기도 197.9 kg ha-1, 제주도 182.1 kg ha-1, 강원도 147.1 kg ha-1, 충청북도 137.8 kg ha-1, 충청남도 134.3 kg ha-1, 경상북도 110.0 kg ha-1, 전라북도 104.0 kg ha-1, 전라남도 103.7 kg ha-1, 경상남도 85.7 kg ha-1으로 나타나 질소 양분부하 지표와 양분수지 지표의 순위가 일치하지 않는 것으로 나타났다. 단위 농경지 인성분의 양분부하도 는 경기도 2.63, 충청남도 2.06, 경상북도 1.85, 제주도 1.84, 강원도 1.82, 충청북도 1.78, 전라북도 1.54, 전라남도 1.52, 경상남도 1.51 순으로 나타났으며, 농경지 인성분의 수계 양분유출 잠재량은 제주도 49.4 kg ha-1, 경기도 48.8 kg ha-1, 충청북도 27.2 kg ha-1, 충청남도 26.7 kg ha-1, 경상북도 25.9 kg ha-1, 경상남도 19.9 kg ha-1, 강원도 19.9 kg ha-1, 전라북도 16.0 kg ha-1, 전라남도 15.9 kg ha-1로 나타나 지역별 양분부 하 지표와 양분수지 지표의 순위가 일치하지 않았다. 양분 부하와 양분수지의 지역별 순위가 일치하지 않는 이유는 해당지역의 가축분뇨 자원화 방식 (퇴·액비)에 따라 토양 으로 투입되는 양분유입 정도가 상이하고, 재배작물의 종 류에 따라 작물 바이오매스 생산량에 차이가 있어 작물생 산을 통해 농경지에서 유출되는 양분유출량의 차이에서 기인하는 것으로 판단된다. 또한 콩과작물의 재배면적에 따라 토양 질소고정량에 차이를 나타내는 등 지역의 농업 환경 특성이 양분수지 산출에 영향을 주기 때문이다. 양분 부하 지표의 경우는 지표의 산출에 있어 해당지역의 농경 지 면적, 작물별 시비요구량을 기초로 하여 농경지의 비료 성분 요구량 (수용량)을 구하고, 이에 대한 유입 양분의 비 율로 산출한다. 반면, 양분수지 지표의 경우는 유입양분에 서 작물별 바이오매스 생산량을 고려하여 농경지에서의 양분유출량을 산출하고 대기로의 유출량을 산출한 후 수 계유출 환경영향을 평가한다. 따라서 양분수지 지표가 실 질적인 수계유출 등 환경영향을 더욱 합리적으로 반영하 는 결과로 판단된다. Kim et al. (2017b)은 벼논에서 양분관 리별 탄소수지 지표를 평가한 바 있으며, 농경지에서의 탄 소수지 지표는 온실가스 배출저감 및 토양 및 작물의 탄 소 축적 수준을 파악하는데 효율적인 평가지표로 평가한 바 있다. 특히. Roh et al. (2009)은 벼농사에서 질소수지의 수질환경 영향을 평가하였다. 본 연구에서 질소 시비량이 110 kg ha-1, 수확량이 100%인 경우, 우리나라 벼 재배 논에 서의 질소수지는 - 0.3 kg ha-1이었으며, 질소시비량을 90 kg ha-1으로 줄이고 수확량도 100%에서 90%와 85%로 줄 이면 질소수지는 각각 -11.7 kg ha-1, - 2.3 kg ha-1 및 2.4 kg ha-1으로 평가되어 시비량을 줄이면서 수확량도 감소하 면 오히려 질수수지의 개선효과가 떨어지게 되며, 수량이 85%가 되면 질소수지에 의한 수질 영향은 110 kg ha-1을 시비할 때보다 오히려 더 나빠지는 것으로 평가하였다. 이 러한 연구결과는 양분부하의 저감이 직접적으로 양분의 수계유출을 개선시키는 것이 아니며, 양분의 수계유출은 작물 생산성이 큰 영향을 미치고 있음을 시사한다.

    지역별 질소와 인성분에 대한 양분수지와 양분부하 지 표 간의 상관관계를 분석한 결과 Figs. 2, 3과 같다. 질소 성 분의 경우 양분수지와 양분부하의 상관관계 분석에서 상 관관계 계수 (r)는 0.2504로서 유의수준 5%에서 통계적으 로 상관관계가 없는 것으로 나타났다. 토양의 특성을 달 리하는 제주도 지역을 제외한 양분수지와 양분부하의 상 관관계 분석에서 상관관계 계수 (r)는 0.7165로 크게 증가 하였으나 유의수준 5%에서 통계적으로 상관관계가 없는 것으로 나타났다. 인성분의 양분수지와 양분부하의 상관 관계 분석에서는 상관관계 계수 (r)가 0.7375로서 유의수 준 5%에서 통계적으로 상관관계가 있는 것 나타났으며, 토양의 특성을 달리하는 제주도 지역을 제외한 양분수지 와 양분부하의 상관관계 분석에서는 상관관계 계수 (r)가 0.9510으로서 유의수준 1%에서 통계적으로 상관관계가 나타나는 것으로 평가되었다. 따라서 인성분의 경우 양분 수지와 양분부하의 상관도가 커서 양분수지 지표와 양분 부하 지표의 사용에 있어 호환성이 높을 것으로 판단되나, 질소성분의 경우 양분수지와 양분부하의 상관도가 매우 낮아 양분수지 지표 또는 양분부하 지표의 사용 여부에 따 라 지역의 양분상태가 다르게 평가될 수 있는 것으로 평가 되었다.

    질소와 인성분의 양분부하와 양분수지의 상관관계가 상이한 이유는 질소성분의 경우 농업환경에서의 거동이 다양한 물리적, 화학적, 미생물학적 반응에 의해 영향을 받 으며, 농경지와 경계하는 대기권, 수권, 생물권, 토양권에 서 휘발, 탈질, 고정 등의 다양한 전환 및 이동이 일어나는 특성에 있다. 따라서 해당지역의 농업환경 특성에 따른 다 양한 변이요인이 작용하고, 이러한 변이요인은 질소성분 의 양분수지에 큰 영향을 미친다. 그러나 인성분의 경우 대기로의 휘발이 일어나지 않으며, 주로 토양 중에 고정되 는 특성이 있어 농업환경에서의 거동이 단순하여 농경지 로 투입된 인성분량의 이동이 크게 나타나지 않는 데서 기 인한다. 양분수지 지표는 다양한 양분의 유입경로와 유출 경로를 고려하고 있다는 측면에서 지역별 농업환경 (작물, 토양, 대기, 물 등)의 특성을 어느 정도 반영하는 농업환경 지표이다. 반면에 양분부하는 작물의 양분요구도 (작물별 시비기준)에 대한 비료성분의 투입부하를 의미한다. 양분 부하와 양분수지의 상관관계 분석에서 질소성분의 경우 통계적으로 유의성이 없는 상관계수를 나타내었다. 이는 질소성분의 경우 양분부하 지표와 양분수지 지표가 서로 다른 의미를 지니고 있다는 것을 의미한다. Kim and Kim (2003)은 친환경농업 시스템 구축을 위한 지역단위 물질 균형 분석에서 지역의 양분부하 정도는 지역의 기후적·지 형적·환경적 자정능력 정도에 따라 달라진다고 하였으며, 양분수지는 지역별 농업생산 여건에 따라 큰 차이가 발생 하므로 지역별 양분부하 정도도 다르다고 하였다. 통계적 으로 질소성분의 양분부하 지표는 양분수지 지표와 다른 값을 나타내어 지역특성을 반영하는 데는 한계가 있는 것 으로 나타났다. 따라서 과학적인 방법론에 기반하는 합리 적인 양분관리제도의 도입을 위해서는 지역의 농업환경 특성을 반영하는 양분관리 지표의 활용이 더 합리적인 것 으로 판단된다.

    적 요

    최근 농경지 투입양분으로 인한 환경영향의 우려와 함 께 하천 등으로 유출되는 양분의 오염부하 관리가 요구되 고 있다. 이에 정부는 국내 농지의 양분 과잉 투입 문제를 해결하기 위해 농경지의 양분관리 목표를 설정하여 관리 하는 양분관리제도의 도입을 추진하고 있다. 본 연구는 국 내 합리적인 양분관리제도 도입을 위한 양분관리 지표 기 준을 설정하고자 도 단위의 양분부하와 양분수지 지표를 분석하고 지표별 특성을 비교 검토하였다. 도 단위 질소 와 인성분의 양분부하와 양분수지 분석에서 지역별 양분 부하 순위와 양분수지 순위가 다르게 나타나, 지역의 양분 수준을 평가하는데 있어 양분부하와 양분수지의 두 지표 는 서로 상이한 지표 값을 도출하는 것으로 나타났다. 양 분부하와 양분수지 간의 상관관계 분석에서 질소성분의 경우 상관관계 계수 (r)는 0.2504로서 5% 유의수준에서 통 계적 유의성이 없었으며, 인성분의 경우 상관관계 계수 (r) 가 0.7375로서 5% 유의수준에서 통계적 유의성이 인정되 었다. 따라서 양분관리 지표활용에 있어 인성분의 경우 양 분부하와 양분수지 간의 상호 호환성이 나타났으나, 질소 성분의 경우 양분부하와 양분수지 간의 상호 호환성이 없 는 것으로 나타났다. 따라서 지역의 양분관리 지표로서 농 업환경 특성을 반영하는 양분수지 지표의 활용이 합리적 인 것으로 평가되었다.

    사 사

    본 논문은 농촌진흥청 공동연구사업 (과제번호: PJ014 32701)의 지원에 의해 이루어진 것임.

    Figure

    KJEB-37-4-554_F1.gif

    Model for the nutrient balance analysis of cropland.

    KJEB-37-4-554_F2.gif

    Correlation between the nitrogen loading rate and balance (Figure B does not include the data from Jeju province).

    KJEB-37-4-554_F3.gif

    Correlation between the phosphorus loading rate and balance (Figure B does not include the data from Jeju province).

    Table

    Nitrogen input in croplands

    Nitrogen output in croplands

    Phosphorus input in croplands

    Phosphorus output in croplands

    Comparison between nutrient loading and the balance index

    Reference

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