Spatio-Temporal Variations of Paddy and Water Salinity of Gunnae Reclaimed Tidelands in Western Coastal Area of Korea

서해안 군내간척지 담수호 및 농경지 염류의 시공간적 분포 특성 분석

Abstract

To understand salinity status of fresh water and paddy soils and the susceptibility of rice to salinity stress of Gunnae reclaimed tidelands, salinity monitoring was conducted in rainy and dry seasons. For fresh water, a high salinity was observed at the sampling location near the sluice gate and decreased with distance from the gate. This spatial pattern of fresh water salinity indicates the necessity of spatial distribution of salinity in the assessment of salinity status of fresh water. Interestingly, there was significant correlation between rainfall amount and salinity, implying that salinity of fresh water varies with rainfall and thus it may be possible to predict salinity of water using rainfall. Soil salinity also higher near the gate, reflecting the influence of high saline water. In addition, the groundwater salinity also high to threat rice growth. Though soil salinity status indicated low possibility of sodium injury, there was changes in soil salinity status during the course of rice growth, suggesting that more intensive monitoring of soil salinity may be necessary for soil salinity assessment. Our study suggests the necessity of intensive salinity monitoring to understand the spatio-temporal variations of salinity of water and soil of reclaimed tideland areas.

Ⅰ. 서론

우리나라 간척지는 벼 재배 위주의 식량생산을 목적으로 조성되었으며 주로 논으로 이용되고 있다. 이러한 간척지는 바닷물의 영향으로 토양의 염농도는 일반 농경지에 비해 높으며 농업용수 확보를 위해 간척지에 인접하여 조성된 담수호 또한 염농도가 높아 작물재배시 관개용수로 이용할 경우 염해의 우려가 상존하고 있다 (Lee et al., 2021; Ryu et al., 2021).

간척지별로 담수호의 염농도는 배수갑문의 위치나 해수유통 등에 영향으로 간척지구별로 편차가 매우 크며 일반적으로 육지부 저수지에 비해 염농도가 3∼40배 정도 높은 것으로 알려져 있다 (KARICO, 2005). 또한, 바닷가에 인접하여 위치한 간척지 담수호는 조수의 영향으로 바닷물이 유입되거나 장기간 가뭄으로 담수호의 수위가 낮아질 경우 바닷물이 역류하여 담수호의 염농도가 상승되어 관행적인 농업용수 공급으로 농작물에 염해가 발생하기도 한다 (Shin et al., 2006).

또한, 간척지 담수호는 기존 바닷물에 의한 염류와 육지부와 연결된 하천을 통해 유입되는 영양염류가 모여 장기간 정체될 경우 수질이 악화되므로 지속적인 모니터링을 통해 양질의 농업용수 확보를 위한 노력이 필요하다. 이에 정부는 간척담수호 염해예보시스템 개발 연구를 추진하였으며 (KARICO, 2005), ｢간척지의 농어업적 이용 및 관리에 관한 법률｣을 제정하여 법령에 따라 2013년부터 토양과 수질 등을 포함하여 활용 실태조사를 추진하고 있다 (NICS, 2017). Seong (2014)은 유역 및 호소모형을 이용하여 이원 간척 담수호의 염도변화를 모의하여 강우량의 영향을 파악하였고, Lee et al. (2014)은 강우량과 담수호 염분 관계식 산정을 이용하여 담수호 염해 예측이 가능함을 제시하였다.

신규로 조성한 간척지는 벼 담수 재배를 통해 토양 염류를 일정 정도 제거할 수 있지만 (Kim et al., 2011), 간척지 토양의 염농도는 건조한 날씨가 지속될 경우 지하의 염류가 모세관 상승으로 토양 표면에 집적되는 재염화현상이 빈번히 발생하여 작물에 염해를 발생시킨다 (Oh et al., 2018; Seong, 2014; Yun et al., 2021). 최근, 벼 과잉 생산에 의해 간척지 농경지의 논밭 전환이 시도되고 있지만, 밭작물을 안정적으로 재배하기 위해서는 지속적인 제염관리가 필요하다 (Oh et al., 2018; Lee et al., 2021; Yun et al., 2021).

따라서, 간척지에서 안정적이고 성공적인 작물재배를 위해서는 수질과 토양의 종합적인 염류 취약성 평가가 필요한데, Kim et al. (2016)은 새만금 계화 신간척지를 대상으로 염분의 시공간적 변화 특성을 조사하여 간척지별로 지형적 특성을 고려한 농지활용과 작부체계를 설정하여 작물을 재배해야 할 필요성을 제기하였다. 또한, Jung et al. (2016)은 서해안 간척지를 대상으로 담수호와 유입하천의 수질 특성을 조사하여 간척지 농업 용수의 효율적 관리 및 이용 방안을 제시한 바 있다.

하지만, 기존의 연구는 간헐적 시료 채취를 통한 관개용수수질-작물 생육 또는 관개용수 수질-토양 염농도 변화를 조사하였기 때문에, 작물 재배 기간 전반에 걸쳐 연속적인 관개용수 및 토양의 염농도 변화와 그에 따른 작물 생육 변화를 전반적으로 이해하는데 한계가 있다. 또한, 담수호 염농도에 따른 배후지 염농도 상승 영향 범위를 고려한 연구는 더더욱 부족한 실정이다. 본 연구는 2017년 군내 담수호 및 배후지의 염농도 상승에 따른 피해 원인을 파악하기 위해 군내 간척지를 대상으로 작물 생장기 동안의 기상자료와 담수호-토양-지하수 염농도에 대한 종합적인 분석을 통해 간척지 농업용수와 토양 염농도 종합 관리방안 수립을 위한 기초자료를 확보하기 위하여 수행하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 시험지구 현황

군내지구에 위치하고 있는 군내담수호 (면적 360 ha)는 전라남도 진도군 군내면 나리와 진도읍 전두리 사이에 길이 3.2 km의 방조제와 배수갑문 6련 (5.0 m × 3.0 m)으로 이루어져있으며, 640만톤의 수자원을 확보하여 군내지구와 수유지구에 농업용수를 제공하고 있다. 군내담수호 유역의 면적은 7,184 ha이며, 토지이용은 산림이 약 42.3%, 논이 약 25.8%, 밭이 약 18.8%로 대부분 산림 및 논으로 이루어져 있다. 군내토양조사 지점인 수유리가 속해있는 수유지구는 북산, 첨찰산 그리고 고두산을 경계로 유역이 형성되어 있으며, 간척사업으로 경작정리 된 논이 많은 유역이다.

2. 모니터링 및 분석 방법

가. 담수호 염분 모니터링

담수호 염농도는 군내 담수호 내 바다와 인접한 배수갑문(SG), 그리고 배수갑문과 각각 600 m, 1.1 km, 2.7 km 거리에 위치한 전두 2 양수장 (JD), 덕병양수장 (DB), 그리고 안치양수장 (AN)을 조사지점으로 선정하여 (Fig. 1), 2018년 5월 10일부터 9월 27일까지 주1회 (총 19회) Grab 샘플링을 통해 염농도를 측정하였다. 또한, 담수호 염농도의 공간적 차이를 조사하기 위해 2018년 9월 11일에 배수갑문, 전두 2 양수장, 덕병양수장, 안치양수장을 기준으로 염농도가 높은 지점은 간격을 좁게, 염농도가 낮은 지점은 간격을 넓게 하여 배를 타고 다니며, 임의로 담수호 내 20지점을 선정하였으며 Grab으로 표층수 (0.5 m)와 심층수 (3.0 m)를 채취하여 염농도를 측정하였다. 염농도는 다중 센서 측정기 (HANNA instruments HI98194, USA)로 전기전도도 (EC)를 측정하여 %로 환산하였다.

Fig. 1 Locations of soils and water sampling in the study site

나. 토양 및 지하수 모니터링

토양 모니터링은 수유지구 내 2017년 기준 염해피해가 가장 심각한 지점 6개 지점을 선정 (S-1, S-2, S-3, S-4, S-5, S-6)하였으며 매월 1회 모니터링 지점 (Fig.1)의 표토 (0∼30 cm)와 심토 (30∼60 cm, 60∼120 cm) 총 3개 깊이로 Auger를 사용하여 토양시료를 채취하였다. 포화침출액 전기전도도(EC_e), pH, 수용성 양이온 (Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺)과 음이온 (Cl^-)을 분석하였다. 지하수 염농도는 토양 채취 지점에서 110 cm까지 시굴하여 24시간 후 다중 센서 측정기로 분석하여 %로 환산하였다.

채취한 토양시료는 음지에서 풍건한 후 2 mm 체거름하여 농촌진흥청 표준 분석법 (RDA, 2012)에 준하여 분석하였다. 토양 pH는 시료와 증류수 비율을 1:5 (w/v)로 하여 30분간 진탕한 후 pH meter (Orion, US/520A)로 측정하였고, EC_e는 포화침출액을 전기전도도계 (Orion, US/162A)를 이용해 측정하였다. 유효인산은 Lancaster법으로 분광측정기 (Shimadzu, JP/UV-2501)를 이용해 720 nm에서 비색 측정하였다 (Cox, 2001). 포화침출액 용액의 수용성 양이온은 ICP-OES (Varian, Vista MPX-ICP)로 정량하였다 (단위: mg L^-1). 토양 중 Cl^- 거동을 확인하기 위해 Cl^-는 토양에서 직접 침출하여 이온교환 크로마토그래피 (ICS-3000, Dionex)로 분석하였다 (단위: mg kg^-1).

다. 나트륨 흡착비 (SAR) 산정 및 토양 분류

SAR (나트륨 흡착비, Eq. 1)는 토양 또는 관개용수의 2가 양이온 (Ca²⁺, Mg²⁺)에 대한 나트륨 함량비로 정의되며, 농업용수 수질 평가 (An et al., 2006; Subramani et al., 2005)와 염해 토양 분류에 활용된다.

\(\begin{aligned}S A R=\frac{N a^{+}}{\sqrt{\frac{C a^{2+}+M g^{2+}}{2}}}\end{aligned}\)       (1)

위 식에서 각 이온의 농도 단위는 mmol_c L^-1이다.

US Salinity staff (1954)에서는 25℃ 토양 포화 추출액을 기준으로 EC 4 dS/m, SAR 12, pH 8.5를 기준으로 Table 1과 같이 토양을 4가지로 분류하고 있으며 염류토양의 경우 높은 삼투압과 특정 이온이 뿌리와 줄기 성장을 억제하고, 나트륨 염토양의 경우 높은 pH로 인해 식물의 영양 장애가 발생할 수 있다 (Munns, 2005).

Table 1 Classification of salt-affected soils using pH, EC_e, and SAR

라. 통계처리

군내 담수호 내 염농도와 강우량의 유의성 검정을 위한 통계분석 프로그램 R (Ver. 3.1.1)을 이용하여 회귀분석을 실시하였으며 분산분석을 P=0.05 이하 수준으로 수행하였고 Duncan test를 통한 다중검정을 실시하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 담수호 염농도 변화

진도군의 30년 평균 강수량 1,361 mm이고 2018년은 강수량이 1,590 mm로 연구 기간의 강수량이 상대적으로 많았다. 염농도 조사 지점인 배수갑문 (SG), 전두2 양수장 (JD), 덕병양수장 (DB), 그리고 안치 양수장 (AN)의 2018년도 강우량과 평균기온 그리고 담수호 염농도 조사 결과 (Fig. 2a)에 의하면, 염농도는 최대 0.21%까지 분포하였으며, 특히 가뭄이 아닌 평년 강우 조건에서도 무강우 지속시 염농도가 벼 생장장해 염분농도인 0.13를 초과하는 것을 알 수 있다. 2018년 조사지점의 평균 염농도는 배수갑문에서 가장 높았고 배수갑문과 전두2 양수장이 타 조사 지점보다 높았으나, 8/23일에는 강우량이 305 mm로 많아서 염농도가 배수갑문, 전두2, 덕병 양수장과 비슷한 것으로 조사되었다. 무강우시 모든 모니터링 지점에서 염농도가 증가하는 경향이었고, 강우시 염농도가 감소하는 것으로 나타났다. 배수갑문앞과 전두2양수장은 염농도 분포가 유사하였다 (Fig. 2b). 이와 같은 결과는 평상시는 배수갑문의 누수 등의 영향으로 전두2 양수장 염 농도가 높아지고, 강우시 군내천 유입수 영향에 의해 배수갑문 앞과 전두2 양수장 염분이 감소함을 의미한다.

Fig. 2 Spatio-temporal distribution of fresh water salinity

무강우시 담수호 염분 농도는 유역으로부터 기저유출 유입수에 의한 희석, 농경지 관개수의 회귀수 염분, 호 내 증발량과 관개에 따른 용량 감소 등 다양한 인자에 의해 영향 받는다(Seong, 2014). 따라서, 유역의 유출 특성, 담수호 용량, 보조수원공 공급량, 경지 면적 및 관개량 및 회귀량 등 일별 물수지와 염분수지 분석을 위한 다양한 과거자료와 현장 계측자료를 이용하여 검⋅보정 가능한 모델링이 필요하지만 현실적으로 자료 획득이 어렵다. 하지만, 가뭄 조건에서 담수호 염분변화를 살펴보기 위해 1주일 간격 모니터링을 실시한 결과, 조사기간 영농기 초기 5월과 6월 사이 강수량이 많지 않아 염농도가 높아지는 것을 확인할 수 있었다.

강우량과 군내 담수호 조사지점의 염농도와의 상관관계를 분석한 결과 (Fig. 3), 담수호의 염농도는 강우량이 증가함에 따라 감소하였고 (대부분 P<0.05), 배수갑문과 전두2양수장에서 다른 지점에 비해 염농도 변화가 민감한 것으로 나타났는데, 이는 수유유역 강우-유출수 영향으로 판단된다. 무강우시 염농도 증가는 배수갑문 앞과 전두2양수장이 가장 유사한 경향을 보였다.

Fig. 3 Changes in salinity fluctuation ratio with rainfall in different sampling locations (AR, after rainfall; BR, before rainfall)

군내 담수호 내 염농도 분포도 현황 결과를 살펴보면 (Fig 4), 배수갑문 부근 심층의 염농도가 0.532%로 가장 높았으며, 표층까지의 영향이 크지 않은 것으로 판단되었다. 그 외 안치양수장 부근의 경우, 논에서 염분 용탈로 인한 염수가 배수로를 통해 담수호로 유입되어 비교적 높은 수치의 염농도를 보인 것으로 판단되었다.

Fig. 4 Spatial distribution of fresh water salinity (%) in two depths (2018.09.11.)

2. 농경지 토양 특성과 지하수 염농도 변화

가. 농경지 토양 염농도 변화

Yang et al. (2022)은 토양 염농도가 2-4 dS m^-1 범위에서 4-8 dS m^-1 범위로 변화할 때 벼 수량에 큰 감소가 발생한다고 주장하였으며, 조사지구 토양 염농도는 대부분 4 dS m^-1를 초과하는 것으로 나타나 지속적인 염농도 관리가 필요한 것으로 나타났다. 수유지구의 토양 모니터링 결과는 <Table 2>와 같다. pH는 6.36∼7.19의 범위를 보였으며, EC, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^-은 심도가 깊어질수록 농도가 높았다. 수유지구의 경우 배수갑문과 가까운 S1과 S6 지점의 토양염분이 상대적으로 높았는데, 이는 Kim et al. (2016)의 연구 결과와 유사하다. Kim et al. (2016)은 새만금 계화 간척지를 대상으로 염분의 시공간적 변화 특성을 조사하였는데, 간척지 농지 조성 이후 시간이 경과함에 따라 자연 제염이 꾸준히 진행되어 담수호 근접거리와 갯골이 형성되었던 지역이 염농도가 높게 나타났다.

Table 2 Soil properties and groundwater salinity of paddy soils

토양 표층 (0-30 cm)과 심층 (60-100 cm) 염소와 염 농도를 비교하면 심층에 비해 표층의 이온 농도가 낮았다 (Fig 5). 이는 모세관 상승에 의한 염의 표층 집적 보다는 관개수에 의한 염의 용탈이 더 많은 것을 의미한다. Son et al. (2016)은 제염 실험에서 유출수를 통해 초기 Na⁺ 이온의 67-89%, Cl^- 이온의 경우도 토양으로부터 거의 97%가 제거된다고 보고하였다. 따라서, 이와 같은 연구결과는 토양 심도별 염농도 자료를 활용하여 모세관 상승에 의한 토양 염분 증가와 관개수에 의한 재염화, 제염효과 등을 종합적으로 판단할 수 있으며, 상대적으로 시료채취가 용이한 표층의 토양 염농도 자료를 이용하여 심층의 토양 염농도 추정이 가능 할 것으로 여겨진다.

Fig. 5 Comparison of Cl^- and EC_e of soils between top (0-30 cm) and subsuface (60-100 cm) depths​​​​​​​

나트륨흡착비 (SAR)는 토양과 평형을 이루는 용액 중의 Ca²⁺, Mg²⁺에 대한 Na⁺의 농도비로 나트륨흡착비가 높을수록 토양은 통기성과 투수성을 감소시킨다 (Hyun, 2011). 본 연구에서는, 지점별 표층 (0-30 cm) 토양 SAR을 조사한 결과, SAR이 전체적으로 12보다 작은 것으로 조사되어 나트륨해 가능성이 상대적으로 낮은 것으로 판단되었다 (Fig. 6).

Fig. 6 Temporal changes in SAR of paddy soils (0-30 cm)​​​​​​​

5∼9월 지점별 토양을 염해토양 분류 방식에 따라 분류하면, S-1, S-2, S-4, S-6 지점은 0∼120 cm 깊이에서 모두 변화가 없었으며, S-3 지점은 정상토양에서 염류토양, S-5 지점은 염류토양에서 정상토양으로 분류되었다. 이와 같이, 일부 토양에서 염 상태가 변한 것은 1-2 회 조사로는 토양의 염 상태를 정확하게 진단하기 어렵다는 점을 보여준다. 따라서, 염피해 조사를 위해서는 적어도 생육기 전체 월별 토양 조사가 필요함을 알 수 있다.

Table 3 Temporal changes in soil salinity status between May and September​​​​​​​

나. 농경지 지하수 염농도

진도 군내담수호 염농도와 농경지 월별 지하수 염농도를 비교하면, 지하수 염농도가 담수호보다 높은 경우도 있지만 서로 큰 차이가 없는 것으로 나타났다 (Fig. 7). 토양 지하수 모니터링 결과, 지하수가 모세관 상승하면 대부분의 경우 벼 생육에 영향을 줄 수 있는 것으로 판단되었다. 하지만, 담수상태가 유지되는 논벼에서는 지하수 염에 의한 피해는 크지 않을 수 있다.

Fig. 7 Temporal changes in salinity of fresh water and groundwater​​​​​​​

3. 수유지구 간척지 염해 가능성 종합 평가

관개용수의 염농도가 높으면 토양의 염농도도 높아지고, 그 결과 작물의 수분과 양분 흡수에 장애가 발생하여 벼 생장이 감소한다. 벼의 경우, 보통 EC_e 3 dSm^-1 이상에서 염해 우려가 있어 잦은 물 흘러대기를 통해 작물 피해를 감소 시킬 수 있다 (Maas and Hoffman, 1977). 본 연구에서 조사지구 토양의 EC_e가 3 dSm^-1를 초과하는 것으로 나타나 지속적인 관리가 필요한 것으로 나타났다. 한편, Choi et al. (2004)이 수행한 관개수 염농도에 따른 분얼수 변화 연구에서 관개수 농도가 0.06% 이상부터 벼의 수량 감소가 나타났으며, 0.2% 이상에서는 벼 생육 피해뿐만 아니라 식물체 고사까지 관찰되었다. 현재 군내 담수호의 경우, 염농도가 배수갑문 0.034∼0.211%, 안치 양수장 0.068∼0.154%, 덕병 양수장 0.042∼0.174%, 전두2 양수장 0.025∼0.181%로 대부분 Choi et al. (2004)이 제시한 벼 식물체 고사 한계 염농도인 0.2% 이하였지만, 벼 수량 감소 임계 염농도인 0.06% 보다 높은 경우도 많았다. 향후 기후변화에 따른 기온 상승 및 해수면 상승과 더불어 가뭄이 발생할 경우 벼의 염해 취약성이 크게 증가할 것으로 판단된다. 따라서, 염해 방지 시스템을 도입하여 지속적으로 염농도 모니터링 체계를 구축하고, 장기적 가뭄으로 인해 염해 대책시스템이 필요할 것으로 판단된다.

Ⅳ. 결론

본 연구는 군내 간척지의 담수호, 지하수 및 토양의 염농도 변화에 대한 연속적인 모니터링와 시공간적 분포 조사를 통해 농업용수와 토양 염농도 종합 관리방안 수립을 위한 기초자료를 확보하기 위하여 수행되었다. 본 연구 조사 기간의 강우량이 평년 강우량보다 많았음에도 담수호 염분농도가 0.2%까지 관측되어 상시 담수호 염분 관리가 필요한 것으로 나타났다. 강수량과 담수호 염농도 관계식을 통해 향후 주기적인 모니터링을 통해 강수량-염농도 회귀식의 정확도를 향상시킨다면 강수량 정보를 이용한 염농도 예측 등 담수호 관리에 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 담수호 염분농도의 공간적 분포를 파악하기 위해 총 20개 지점의 상층, 심층의 염농도를 조사한 결과, 배수갑문 인근의 염농도가 0.534%로 가장 높았으며, 배수갑문과 전두2 양수장 염농도의 상관성 높게 나타나서 담수호 수질 평가 및 취수 지점 선정시 염농도의 공간적 분포를 고려할 필요가 있음을 알 수 있었다. 조사 지구 토양의 월별 이온 분포 경향을 분석한 결과 Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺의 경우 대부분 심도별 큰 차이가 나지 않았지만, Cl^-의 경우 대부분의 지점에서 강우량이 적은 7월에 크게 증가하였으며, 토양 염농도도 배수 갑문과 가까운 조사지점에서 상대적으로 높게 나타났다. 토양모니터링 결과 일부 지역에서 영농초기의 정상 토양에서 염토양으로 염해 가능성이 증가하여, 염해 피해 방지를 위해서는 현장 토양 조건에서 염분 변화 특성 파악이 필요함 시사하였다.

감사의 글

본 연구는 진도군 농업기술센터에서 시행한 “2018 군내담수호 염농도 상승 원인분석 용역”에 의해 수행되었음.