Estimation of Rice Cultivation Impacts on Water Environment with Environmental Characteristics and Agricultural Practices by Nitrogen Balances

질소수지에 의한 환경특성과 영농방법별 벼농사의 수질영향 평가

Nitrogen balance in the regional scale which was calculated the difference between nitrogen input and output was estimated to assess the impact of rice cultivation on water environment. Nitrogen balances in Gyeonggi province, where nitrogen concentration in irrigation water was high and in Chungnam province, where nitrogen absorbtion by rice was high, were -5.4 and -8.3 kg $-8.3kg\;ha^{-1}\;yr^{-1}$, respectively. Nitrogen balances of paddy field in Gangwon province, where nitrogen output was small and irrigation water was clean, and in Gyeongnam province, where organic matter content of soil was high and rice yield was low, were 4.9 and $14.0kg\;ha^{-1}\;yr^{-1}$, respectively. Average nitrogen balance and total nitrogen absorption of paddy field in Korea were estimated to $-0.3kg\;ha^{-1}\;yr^{-1}$ and $-3,315Mg\;yr^{-1}$, respectively. When the nitrogen concentration in irrigation water was increased by $1mg \;L^{-1}$, nitrogen balance of rice paddy changed by $-2.91kg\;ha^{-1}\;yr^{-1}$. Also, when nitrogen fertilizer applied was decreased from 110 to $90kg\;ha^{-1}$ and the same harvest was maintained, the nitrogen absorption by rice paddy from irrigation water was estimated to increase by 10,600 Mg per year in Korea. However, in cases, the harvest was reduced to either 90% or 85%, nitrogen balances were changed from -11.7 to -2.3 and $2.4kg\;ha^{-1}$, respectively. These results suggest that the reduction of nitrogen fertilizer use may not always lead to a negative nitrogen balance and sustainable agriculture can achieve by not cutting down the use of fertilizer only but by reduction of fertilizer application concurrently by maintenance of harvest and by utilization of environmental characteristics such as nutrient contents in irrigation water and soils.

벼농사가 수질에 미치는 영향을 평가하기 위하여 지역별 논의 질소수지를 평가하였다. 질소의 유입량은 비료 시용량, 강우 및 관개에 의한 수계공급량, 토양질소의 무기화량 및 질소 고정량 등을 합하여 추정하였고, 질소의 유출량은 배출수나 지하침투수를 통한 수계유출량, 암모니아 휘산과 탈질에 의한 대기 중으로의 손실량, 무기질소의 유기화 및 작물에 의한 흡수량을 합하여 평가하였다. 지역별 환경 특성은 토양 중 유기물함량, 쌀 수확량, 관개수 중의 질소함량, 토양통 분포면적에 의한 토양침투속도 등을 이용하여 추정하였다. 지역별로 환경특성을 고려하여 벼농사가 수질에 미치는 영향을 평가한 결과 경기도와 충청남도의 질소 수지가 각각 -5.4와 $-8.3kg\;ha^{-1}\;yr^{-1}$으로 이 지역에서의 벼농사는 주변 수계로부터 질소를 흡수하여 농업에 활용하는 수질정화의 기능이 다른 지역에 비해 상대적으로 큰 것으로 평가되었다. 반면 강원도와 경상남도는 각각 4.9와 $14.0kg\;ha^{-1}\;yr^{-1}$ 으로 유입량보다 유출량이 오히려 많아 질소를 배출하는 것으로 평가되었다. 시비량이 $110kg\;ha^{-1}$로 동일하다는 조건하에 우리나라 관개수 중의 질소함량이 평균 $1mg\;L^{-1}$ 증가할 경우 벼농사는 $-2.9kg\;ha^{-1}\;yr^{-1}$의 수질 개선효과가 있으며, 전국적으로는 벼논의 질소 흡수량이 연간 2,616 Mg이나 증가하는 것으로 추정되었으며, 농업용수의 오염도가 상대적으로 높은 도시인근 지역이 관개수가 깨끗한 지역보다 벼농사에 의한 수질정화 효과가 크다는 것을 알 수 있었다. 동일한 수확량 조건에서 시비량을 $110kg\;ha^{-1}$에서 $90kg\;ha^{-1}$으로 줄일 경우 질소정화 기능은 전국적으로 10,600 Mg이 증가하고 수질정화 기능을 수행하는 면적도 확대됨을 알 수 있었다. 또한, 쌀 수확량 $5,000kg\;ha^{-1}$을 100%로 가정할 경우 질소 시비량은 $110kg\;ha^{-1}$, 수확량이 100%인 경우 질소수지는 $-0.3kg\;ha^{-1}$이었지만 시비량을 $90kg\;ha^{-1}$으로 줄이고 수확량도 100%에서 90%와 85%로 줄이면 질소수지는 각각 -11.7, -2.3 및 $2.4kg \;ha^{-1}$으로 시비량을 줄여도 수확량을 동시에 줄이면 질수수지의 개선효과가 떨어지며, 수량을 85%로 줄이면 수질에 미치는 영향을 나타내는 질소수지는 $110kg\;ha^{-1}$을 시비할 때보다 오히려 더 나빠지는 것으로 평가되었다. 이상의 결과들로 볼 때 벼농사가 수질환경에 미치는 영향은 관개수 수질, 토양물리 및 화학성 등의 자연환경에 따라 달라지므로 지역의 자연환경 특성을 최대로 활용하여, 벼 재배에 의한 수질정화기능을 최대로 활용하는 영농기술도입이 필요한 것으로 판단된다. 또한 현재 시비량을 줄이고 이에 따라 수확량도 줄어들 것이라는 전제의 영농방법으로서는 벼농사에 의한 수질오염 방지를 효과적으로 달성할 수 없으며, 시비량은 줄이되 토양과 관개수 중의 영양물질을 최대한으로 활용하여 최고의 수확량을 유지하는 것이 벼농사의 주변 수계에 대한 오염물질 발생을 줄이고 수질정화 기능을 증대시키는 가장 좋은 친환경농업라고 판단된다.