Journal of Wetlands Research (한국습지학회지)

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Comparison of Soil Carbon Storage and Soil Respiration Among Agricultural Ecosystems Types and Their Relationship with Soil Environmental Factors

농경지 생태계 유형별 토양의 탄소 저장량과 토양호흡량 비교 및 토양환경요인과의 관계

  • Received : 2024.07.25
  • Accepted : 2024.08.24
  • Published : 2024.08.31
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Abstract

In this study, we analyzed the results of previous studies on different types of agricultural ecosystems to understand how environmental factors in soils, which serve as significant carbon reservoirs within agricultural ecosystems, a type of terrestrial ecosystem, affect soil carbon storage and soil respiration. As a result, most previous studies have been conducted on paddy field and facility cultivation area. And, the carbon storage in the soil and the soil's chemical properties, such as soil pH, electrical conductivity, soil organic matter content, and total nitrogen content, were higher in paddy field and orchard compared to field, facility cultivation area, and other cultivation area. The soil respiration in paddy field was also higher than in other types of agricultural ecosystems. Furthermore, soil carbon storage showed a significant correlation with soil organic matter (R2=0.7237, p=0.0000), total nitrogen (R2=0.8419, p=0.0000), and available phosphorus (R2=0.3123, p=0.0024), while soil respiration had a significant relationship with soil organic matter (R2=0.5644, p=0.0000). In this study, agricultural ecosystems were found to act as carbon sinks, with soil carbon storage measured at 49.1±8.9 tons C ha-1 in orchard, 31.8±6.9 tons C ha-1 in paddy field, and 25.3±28.0 tons C ha-1 in facility cultivation area. Therefore, agricultural ecosystems need to manage soil carbon storage and carbon emissions through proper soil nutrient management.

본 연구에서는 육상생태계 가운데 하나인 농경지 생태계의 주요 탄소저장고인 토양의 환경요인이 토양의 탄소 저장량과 토양호흡량에 어떠한 영향을 주는지 알아보기 위해 농경지 생태계 유형별 선행연구의 결과를 분석하였다. 그 결과 선행연구는 논과 시설재배지에서 가장 많은 연구가 진행되었다. 그리고 논과 과수원의 토양의 탄소 저장량과 토양의 화학적 특성 요인인 토양 pH, 전기전도도, 토양 유기물 함량, 전질소 함량은 밭, 시설재배지, 기타재배지보다 높았고, 토양호흡량은 논이 다른 농경지 생태계 유형보다 높았다. 또한, 토양의 탄소 저장량은 토양 유기물 함량(R2=0.7237, p=0.0000), 전질소 함량(R2=0.8419, p=0.0000), 유효인산(R2=0.3123, p=0.0024)과 토양호흡량은 토양 유기물 함량(R2=0.5644, p=0.0000)과 유의한 관계가 있었다. 본 연구에서 농경지 생태계는 각각의 생태계 유형(과수원, 논, 시설재배지)의 토양에서 49.1±8.9 ton C ha-1, 31.8±6.9 ton C ha-1, 25.3±28.0 ton C ha-1 만큼 탄소 저장량이 확인되었기 때문에 탄소저장고로서 역할을 한다고 볼 수 있다. 따라서 농경지 생태계는 토양의 양분관리를 통해 토양의 탄소 저장 및 탄소 배출 관리를 해야 한다.

Keywords

1. 서론

인간의 활동으로 인한 인위적으로 배출된 CO2 농도는 2000년부터 10년에 20ppm씩 증가하면서 2021년 기준 전 세계의 대기 중 약 410ppm 수준으로 나타났고, 2022년에는 일부 지역에서 최대 430ppm 수준까지 나타나면서 지속적으로 증가하고 있는 추세이다(IPCC, 2022; IPCC, 2023). 그리고 지구의 온도는 최근 10년(2011∼2020)이 산업화 이전(1850∼1990)보다 1.09℃ 상승하였고, 2100년에는 온도가 2.2℃에서 최대 3.5℃까지 상승될 것이라 전망하였다(IPCC, 2022; IPCC, 2023).

이에 따라 전 세계는 기후변화를 막기 위해 지구의 온도 상승을 산업화보다 2℃ 아래로 억제하여 더 나아가 1.5℃를 달성하도록 촉구하는 파리협정을 체결하였고, UNFCCC(유엔기후변화협약)의 글래스고 기후합의와 우리나라의 「2050 장기저탄소발전략」은 탄소중립 달성을 위해 자연생태계의 역할을 강조하였다(Jang et al., 2023). 특히 농업, 산림 및 기타 토지 이용(Agriculture, Forestry, and Other Land Use, AFOLU)은 탄소중립을 위한 방안으로 활용되며, 이러한 주요 방안 중의 하나는 지속 가능한 농업과 산림, 생태계 보호를 통한 탄소저장고의 확대이다(IPCC, 2014).

기후변화에 관한 정부 간 협의체 보고서(IPCC)의 산정대상인 산림, 초지, 습지, 농경지는 육상생태계에 속하며, 이러한 육상생태계를 대상으로 탄소의 저장량과 호흡량을 정량화하는 연구가 전 세계적으로 이루어지고 있다(Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2008).

육상생태계 중 산림생태계는 가장 큰 탄소저장고이며, 특히 국내의 경우에는 산림생태계가 많은 면적을 차지하는 만큼 대부분의 연구가 산림생태계를 대상으로 탄소의 저장과 흐름을 산정하는 연구들이 진행되었으며, 최근에는 다양한 생태계에서의 탄소 순환이 강조됨에 따라 탄소수지 연구가 활발히 진행되고 있다(McCarl and Schneider, 2001; Jang et al., 2023).

우리나라는 국토면적은 좁지만, 여러 작물을 재배할 수 있는 재배환경을 가지고 있고, 국제적인 수요에 따라 농작물 재배가 지속적으로 이루어지고 있기 때문에 농경지 생태계는 주요 탄소저장고 중에 하나로 주목받고 있다(Choi et al., 2014). 하지만 농경지 생태계는 산림생태계와는 달리 탄소흡수원으로서 인정을 받지 못하고 있는데 이는 인간의 필요 활동으로 농작물을 소비 및 소각함으로써 농작물의 흡수된 CO2가 농경지 생태계에 머무르지 못하고, 대기 중으로 방출되기 때문이다(Shim et al., 2015; Suh et al., 2015).

토양권은 식생의 약 3배, 대기의 약 2배에 달하는 탄소를 축적하고 있지만, 연간 75Pg의 탄소가 식물의 뿌리 호흡과 미생물의 호흡으로 인해 토양호흡의 형태로 대기 중으로 배출되기 때문에 전 지구적 탄소 순환에서 매우 중요한 역할을 하고 있다(Waring and Running, 1998; Bond-lamberty et al., 2004; Lee, 2012).

토양은 이산화탄소의 주요 저장고이고, 토양의 이산화탄소 플럭스는 토양의 종류와 구조 및 이화학적 특성에 따라 변하기 때문에 이러한 토양환경의 차이에 따른 토양의 저장 및 호흡에 대한 연구가 필요하다(Ok et al., 2002; Bhattacharyya et al., 2012). 특히 다른 생태계의 토양과 달리 농경지 생태계의 토양은 작물의 안정적인 생산과 토양비옥도를 위해 토양에 비료를 투입하기 때문에 양분의 시비량에 따른 토양 내 탄소 저장량 및 방출량의 변화를 규명하는 것이 중요하다(Cambell et al., 2005; Gregorich et al., 2005; Bhattacharyya et al., 2012).

농경지의 장기간 비료 처리는 토양의 탄소량을 증가시키지만, 비료의 종류에 따라 토양의 탄소량은 달라지기도 하며, 볏짚과 퇴비와 같은 유기물원의 사용은 농경지 토양의 이화학적 특성을 개선하여 토양의 탄소량을 증가시킨다(Kim et al., 2004; Hwang et al., 2013; Lee et al., 2013; Kwon et al., 2022). 하지만, 토양의 탄소량을 증가시키기 위한 이러한 토양개량제의 과다 사용은 염류 집적의 가속화로 인해 토양의 특성을 악화시킬 수 있다(Chang et al., 1999; Lee et al., 2013). 이처럼 현재까지는 농작물의 생산성을 위해 토양의 탄소량을 개선하기 위한 연구는 많이 진행되었지만, 비료 처리에 따른 토양의 호흡량에 대한 연구는 체계적으로 진행되지 못하고 있다(Kim et al., 2008; Ro et al., 2015).

따라서 본 연구에서는 육상생태계의 탄소흡수원 가운데 하나인 농경지 생태계를 대상으로 토양의 탄소 저장량과 토양호흡량을 산정한 선행연구를 목록화하고, 관련 연구 결과를 정리하여 국내 농경지 생태계 유형별 토양의 탄소 저장량 및 토양호흡량 현황을 파악하였다. 그리고 농경지 생태계 유형별 토양의 탄소 저장량 및 토양호흡량의 차이를 확인하고, 토양환경요인 간의 관계를 분석하고자 하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 선행연구 수집

국내 농경지 생태계 유형별 토양의 탄소 저장량 및 배출량을 평가하기 위해 우선적으로 환경부 토지 피복 유형별 분류 체계(중분류)에 따른 국내 농경지 생태계의 세부 유형(논, 밭, 시설재배지, 과수원, 기타재배지)을 대상으로 한 관련 연구들을 수집하여 목록화 하였다.

선행연구 검색은 학술연구정보서비스(www.riss.kr), 구글스칼라(scholar.google.com) 등 검색 엔진을 통해 수행하였으며, 검색어는 농경지 생태계의 세부 유형(논, 밭, 시설재배지, 과수원, 기타재배지), 토양, 탄소 등을 활용하였다.

그리고 검색된 결과 중 신뢰성 있는 결과의 획득을 위해 동료 평가가 완료되어 발간된 논문과 국가 연구소에서 발간된 보고서를 분석에 활용하였다.

2.2 선행연구 정리

수집된 선행연구는 크게 저장량 산정 연구와 배출량 산정연구로 구분하였고, 농경지 생태계 유형별 토양의 탄소 저장량과 토양호흡량의 비교 및 토양환경요인 간의 관계를 분석하기 위해 토양의 탄소 저장량의 결과 값과 토양호흡량의 결과 값 및 토양 화학적 특성(토양 pH, 전기전도도, 토양 유기물 함량, 전질소 함량, 유효인산, 칼륨, 칼슘, 마그네슘)의 결과 값을 정리하였다(Table 1).

Table 1. Categories of carbon storage and carbon emission results from previous studies

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수집된 연구들을 대상으로 일정한 결과 값들을 산출하기 위해서는 통일된 단위가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 저장량 산정에는 ton C ha-1 의 단위로 통일하였으며, 배출량을 대상으로 한 연구의 경우에는 시간을 고려하여 ton C ha-1 yr-1 의 단위 값을 사용하였다.

또한, 위의 단위 값 통일을 위해서 선행연구 중 토양의 탄소 저장량 및 토양호흡량이 면적 단위로 제시된 연구들만 활용하였고, 토양의 탄소 저장량의 경우 토양 g 당 탄소 저장량을 산정한 연구들이 있었으나, 이를 면적으로 환산하기 위해서는 토양 가밀도(bulk density)나 토양 채취 깊이 등 추가 데이터들이 필요하므로 이와 같은 연구는 대푯값 산정에서 제외하고 진행하였다.

2.3 선행연구 분석

농경지 생태계 유형별 토양의 탄소 저장량과 토양호흡량 및 토양의 화학적 특성의 경향성을 밝히기 위하여 측정한 자료의 정규분포 여부를 확인하기 위해 Kolmogorov-smirnovtest를 실시하였고, 정규분포를 따르지 않아(p<0.05) 비모수 통계분석(nonparametric analysis)을 사용하였다. 각 환경 구배별 차이의 유의성은 KruskalWallis test의 사후검정(posthoc)을 실시하여 확인하였다(No and Jeong, 2002).

농경지 토양의 화학적인 성질은 작물의 생산성과 밀접한 관련이 있고, 특히 토양의 탄소 저장 및 토양호흡에도 영향을 주기 때문에(Ok et al., 2002; Bhattacharyya et al., 2012) 이에 따라 농경지 토양의 탄소 저장량과 토양호흡량 및 토양환경요인 간의 상관관계를 알아보기 위해 단순회귀분석을 시행하였다.

그리고 변수에 따라 서로 간에 영향을 주거나 받는 정도가 다를 수 있기 때문에 데이터의 표준화를 통해 변수에 따라 달라지는 영향의 크기를 최소화하였다(No and Jeong, 2002). 데이터의 표준화는 각 데이터로부터 평균을 빼고 표준편차로 나누어 평균은 0, 표준편차는 1이 되는 방법으로 시행하였다(No and Jeong, 2002). 또한, 통계분석의 유의확률은 0.05로 설정하였고(No and Jeong, 2002), 선형회귀식은 엑셀프로그램(Microsoft office, 2016)에서 구하였다.

이상의 통계학적 분석은 Statistica 8 통계패키지(Statsoft Co. 2007)를 이용하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 농경지 생태계 유형별 토양의 탄소 저장량과 토양호흡량 및 환경특성 선행연구 현황

검색엔진을 통해 수집된 국내 농경지 생태계의 토양의 탄소 저장량과 토양호흡량 및 토양환경 특성의 선행연구는 총 11건이었다(Table 2). 이 중, 8건은 논문이고 나머지 3건은 국가 기관에서 발간한 보고서였다(Table 2). 그리고 농경지 생태계 세부 유형별로는 논과 시설재배지에서 각각 4건(33.3%)으로 가장 많은 연구가 진행되었고, 과수원(3건, 25.0%), 밭(1건, 8.3%), 기타재배지(0건, 0.0%) 순으로 연구가 진행되었다(Table 2).

Table 2. List of previous studies by detailed types of agricultural ecosystems used in analysis

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수집된 선행연구 결과 값의 데이터 수는 총 292 개 이었다(Table 3). 농경지 생태계 세부 유형별로는 시설재배지(133 개, 45.5%)가 가장 많았고, 논(116 개, 39.7%), 과수원(36 개, 12.3%), 밭(7 개, 2.4%), 기타재배지(0 개, 0.0%) 순으로 많았다(Table 3). 그리고 수집된 선행연구 중 토양의 탄소 저장량과 토양호흡량의 결과 값의 데이터 수는 모두 시설재배지가 각각 15 개(48.4%), 20 개(74.1%)로 가장 많았고, 논(저장량: 13 개(41.9%), 호흡량: 4 개(14.8%)), 과수원(저장량: 3 개(9.7%), 호흡량: 3 개(11.1%)), 밭과 기타재배지(저장량: 0 개(0%), 호흡량: 0 개(0%)) 순으로 많았다(Table 3). 또한, 토양의 화학적 특성 결과 값의 수집된 데이터 수는 논(99 개, 42.3%)이 가장 많았고, 시설재배지(98 개, 41.9%), 과수원(30 개, 12.8%), 밭(7 개, 3.0%), 기타재배지(0 개, 0.0%) 순으로 많았다(Table 3).

Table 3. Number of data from previous studies on soil carbon storage, soil respiration, and soil environmental factors by detailed types of agricultural ecosystems used in the analysis (SOC: Soil Organic Carbon, SR: Soil Respiration, pH: Soil pH, EC: Electrical Conductivity, SOM: Soil Organic Matter, TN: Total Nitrogen, AP: Available Phosphorus, K: Exchangeable Potassium, Ca: Exchangeable Calcium, Mg: Exchangeable Magnesium)

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국내에서 생태계 유형별 탄소 연구는 산림, 습지, 초지, 정주지에서 각각 82 건, 10 건, 6 건, 6 건으로 산림에서 가장 많은 연구가 진행되었고(Jang et al., 2023), 농경지는 총 11 건으로 습지, 초지, 정주지보다는 많았지만, 산림생태계가 다른 생태계를 모두 합친 연구보다 많은 것으로 보아 이는 산림생태계가 아닌 다른 생태계에 대한 탄소 연구의 수행이 필요하다는 것을 의미하고 있다. 특히 농경지 생태계는 국내의 주요 작물을 재배하고 있는 생태계 유형 외에 추가적으로 기타재배지(목장, 양식장 등)의 탄소수지 연구가 진행되어야 한다.

선행연구에서 토양의 화학적 특성 결과 값의 수집된 데이터 수는 234 개로 토양의 탄소 저장량 및 토양호흡량의 결과값의 수집된 데이터 수(58 개)보다 많았다(Table 3). 이는 농경지 생태계는 다른 생태계와는 달리 작물의 생산성을 위해 토양 내 토양개량제를 사용하고 있어 이로 인해 토양 내 화학적인 특성이 변화하게 된다(Kim et al., 2004; Hwang et al., 2013; Kwon et al., 2022). 따라서 토양개량제로 인한 토양의 화학적 특성의 변화는 토양의 탄소 저장량 및 토양호흡량에 영향을 줄 수 있기 때문에 국내 여러 연구에서 농경지 생태계의 탄소 저장량 및 배출량을 정확히 산정하기 위해 토양의 화학적 특성을 함께 분석하였기 때문으로 판단된다.

3.2 농경지 생태계 유형별 토양의 탄소 저장량과 토양호흡량 및 토양의 화학적 특성

농경지 생태계 유형별 토양의 탄소 저장량은 과수원(49.1±8.9 ton C ha-1), 논(31.8±6.9 ton C ha-1), 시설재배지(25.3±28.0 ton C ha-1)에서 가장 높았다(Fig. 1(a)). 그리고 토양호흡량은 논(9.9±3.8 ton C ha-1 yr-1)에서 가장 높게 나타났고, 과수원(3.5±3.9 ton C ha-1 yr-1), 시설재배지(2.4±2.6 ton C ha-1 yr-1) 순이었다(Fig. 1(b)).

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Fig. 1. Soil Organic Carbon (ton C ha-1) (a) and Soil Respiration (ton C ha-1 yr-1) (b) measured under agricultural ecosystem types. Alphabets on the bars mean significant difference among agricultural ecosystem types (p<0.05). Above bars on the graph mean standard deviation.

또한, 농경지 생태계 유형별 토양의 화학적 특성에서 토양 pH 는 과수원(6.2±1.3), 시설재배지(6.2±0.4), 논(6.0±0.4)이 밭(5.2±0.1)보다 높았고, 전기전도도는 과수원(0.72±0.01 ds/m), 논(0.53±0.23 ds/m), 시설재배지(0.44±0.15 ds/m)에서 가장 높았다(Fig. 2(a), (b)). 토양 유기물 함량은 과수원(43.5±11.4 g/kg)과 논(27.9±5.6 g/kg)이 시설재배지(18.0±8.0 g/kg)와 밭(13.5±0.1 g/kg)보다 높았고, 전질소 함량은 과수원(2.02±0.34 g/kg)과 논(1.36±0.41 g/kg)이 가장 높았으며, 밭(0.99±0.01 g/kg), 시설재배지(0.07±0.34 g/kg) 순이었다(Fig. 2(c), (d)). 유효인산은 밭(268.0±0.9 mg/kg)이 가장 높았고, 시설재배지(131.3±33.0 mg/kg), 논(86.3±18.7 mg/kg) 순이었다(Fig. 2(e)). 칼륨은 과수원(1.07±0.55 cmol+/kg)이 가장 높았고, 시설재배지(0.47±0.17 cmol+/kg), 밭(0.30±0.01 cmol+/kg), 논(0.25±0.14 cmol+/kg) 순이었다(Fig. 2(f)). 칼슘은 밭(7.56±0.01 cmol+/kg)이 가장 높았고, 과수원(7.37±5.78 cmol+/kg)과 논(6.00±2.35 cmol+/kg), 시설재배지(5.50±0.67 cmol+/kg) 순이었다(Fig. 2(g)). 마그네슘은 농경지 생태계 유형별(밭: 1.93±0.01 cmol+/kg, 시설재배지: 1.64±1.06 cmol+/kg, 과수원: 1.48±0.47 cmol+/kg, 논: 1.38±0.79 cmol+/kg)로 차이가 없었다 (Fig. 2(h)).

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Fig. 2. Soil pH (a), EC (ds/m) (b), Soil Organic Matter (g/kg) (c), T-N (g/kg) (d), Ava. P2O5 (mg/kg) (e), K(cmol+/kg) (f), Ca (cmol+/kg) (g), Mg (cmol+/kg) (h) measured under agricultural ecosystem types. Alphabets on the bars mean significant difference among agricultural ecosystem types (p<0.05). Above bars on the graph mean standard deviation.

본 연구의 결과를 종합적으로 보았을 때 논과 과수원은 밭, 시설재배지, 기타재배지보다 토양의 탄소 저장량과 토양의 화학적인 특성 요인인 토양 pH, 전기전도도, 토양 유기물 함량, 전질소 함량이 높았고, 특히 토양호흡량은 논이 다른 농경지 생태계 유형보다 높았다.

토양 pH 의 적정범위는 5.4∼6.4 정도로 토양 동물 및 토양 미생물에 최적인 범위로 알려져 있다(Pennisi and Thomas, 2015). 그리고 전기전도도, 토양 유기물 함량과 전질소 함량은 토양 미생물의 활성을 나타내는 중요한 인자이며, 일반적으로 토양 내 유기물 함량과 전질소 함량이 높은 경우 미생물의 활성이 활발하다고 알려져 있다(Yoo et al., 2012; Natural Resources Conservation Service, 2013). 본 연구에서 논과 과수원은 토양 유기물 함량이 높은 것으로 보아 유기탄소는 유기물의 형태로 존재하기 때문에 다른 농경지 생태계 유형보다 토양의 탄소 저장량이 높은 것으로 판단된다(Hu and Wang, 2008; Dixon et al., 1994). 특히 논은 다른 농경지 생태계 유형보다 토양호흡량이 높았는데(Fig. 1(b)), 이는 논의 토양 미생물의 활동이 다른 농경지 생태계 유형보다 높은 것을 의미한다.

그리고 논의 유효인산(Fig. 2(e))과 치환성양이온 칼륨(Fig. 2(f)), 칼슘(Fig. 2(g)), 마그네슘(Fig. 2(h))은 다른 농경지 생태계 유형보다 낮게 나타났는데, 이러한 이유는 토양 미생물이 토양 내 유기물을 분해하는 과정에서 활동을 위해 유효인산과 양이온을 미생물 체내에 흡수하였기 때문이다(Kirkby et al., 2014; Kuzyakov et al., 2000).

3.3 농경지 토양의 탄소 저장량과 토양호흡량 및 토양환경 요인 간의 관계

농경지 토양의 탄소 저장량과 통계적으로 유의한 관계를 보인 것은 토양 유기물 함량(R2=0.7237, p=0.0000), 전질소 함량(R2=0.8419, p=0.0000), 유효인산(R2=0.3123, p=0.0024)이었고(p<0.05) (Fig. 3(c), 3(d), 3(e)), 토양호흡량과 통계적으로 유의한 관계를 보인 것은 토양 유기물 함량(R2=0.5644, p=0.0000)이었다(p<0.05) (Fig. 4(c)). 이는 토양의 탄소 저장량은 토양 유기물 함량과 전질소 함량이 증가할수록 증가한다는 것을 의미하고, 유효인산이 증가할수록 감소한다는 것을 의미한다. 그리고 토양호흡량은 토양 유기물 함량이 증가할수록 증가한다는 것을 의미한다.

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Fig. 3. The relationship among soil organic carbon (ton C ha-1) of cropland and soil chemical properties (Soil pH (a), EC (ds/m) (b), Soil Organic Matter (g/kg) (c), T-N (g/kg) (d), Ava. P2O5 (mg/kg) (e), K (cmol+/kg) (f), Ca (cmol+/kg) (g), Mg (cmol+/kg) (h)).

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Fig. 4. The relationship among soil respiration (ton C ha-1 yr-1) of cropland and soil chemical properties (Soil pH (a), EC (ds/m) (b), Soil Organic Matter (g/kg) (c), T-N (g/kg) (d), Ava. P2O5 (mg/kg) (e), K (cmol+/kg) (f), Ca (cmol+/kg) (g), Mg (cmol+/kg) (h)).

이러한 결과로 보아 농경지 생태계는 유기물과 질소의 공급과 축적으로 인해 토양의 탄소 저장량이 증가하게 된다. 특히 유기물의 증가는 토양 미생물의 활동을 증가시키기 때문에 이로 인해 토양 미생물의 호흡이 증가하여 토양호흡량도 증가하게 된다(Dixon et al., 1994; Hu and Wang, 2008; Yoo et al., 2012; Natural Resources Conservation Service, 2013). 또한, 토양 내 유효인산은 토양 미생물의 활동에 영양분으로서 유효인산이 증가하게 되면 토양 미생물의 활동 증가로 토양 내 유기물을 분해하기 때문에 토양의 탄소 저장량이 감소하게 된다(Liu et al., 2013; Kirkby et al., 2014; Kuzyakov et al., 2000; Wang et al., 2020; Zhao et al., 2023).

따라서 농경지 토양의 탄소 저장량과 토양호흡량은 토양의 영양소 증감에 따라 달라지기 때문에 각 농경지 생태계 유형에 맞는 토양의 관리가 필요하다. 특히 다른 농경지 생태계와는 다르게 논 생태계는 다양한 영농활동이 일어나고 있어 영농활동에 따른 탄소수지를 정량할 필요가 있는데 최근 여러 연구에서는 작부체계(단작지와 이모작지)와 시비 활동 및 친환경 농업 활동에 따른 토양 탄소의 저장 및 배출을 평가하여 토양 관리의 필요성을 강조하고 있다(Bhattacharyya et al., 2012; Shim et al., 2016; Kim et al., 2017; Han et al., 2020).

이처럼 농경지 생태계에서 탄소 고정량은 토양의 관리에 의해서 달라지며, 동시에 토양의 호흡을 통해 상당량의 탄소를 배출하고 있다(Cambell et al., 2005; Gregorich et al., 2005; Schlesinger, 2000). 그리고 농경지의 토양 유기탄소는 토양비옥도의 유지와 작물의 안정적인 생산에 매우 중요하며, 특히 최근에는 기후변화 문제로 인해 농경지의 토양 내 유기탄소 저장에 대한 중요성이 커지고 있다(Su et al., 2006; Kundu et al., 2007; Hong et al., 2015).

현재 농경지 대부분이 유기농법이 아닌 관행농법으로 관리되고 있으며, 관행농법에서 비료의 사용은 토양이 산성화되어 토양의 화학성이 악화되고 있다(Kim et al., 2006; Chung and Lee, 2008; Han et al., 2020). 따라서 농경지에서는 이러한 점을 고려하여 볏짚과 퇴비와 같은 유기물원과 탄화물을 이용함으로써 토양개량과 함께 탄소저장 효과를 높이기 위해 노력하고 있다(Kim et al., 2004; Laird et al., 2010; Hwang et al., 2013; Kwon et al., 2022).

대기 중 온실가스의 농도를 결정하는 탄소의 흡수와 방출에서 육상생태계는 탄소흡수원의 역할을 수행하고 있고, 다른 자연생태계와 달리 인위적으로 관리되는 농경지 생태계는 작물의 소비 및 소각으로 작물이 가지고 있는 탄소가 방출되기 때문에 탄소흡수원으로서 인정을 받지 못하고 있는 실정이다(Shim et al., 2015; Jang et al., 2023). 하지만 본 연구에서 농경지 생태계는 각각의 생태계 유형(과수원, 논, 시설재배지)의 토양에서 49.1±8.9 ton C ha-1, 31.8±6.9 ton C ha-1, 25.3±28.0 ton C ha-1 만큼 탄소 저장량이 확인이 되었기 때문에 탄소저장고로서 역할을 한다고 볼 수 있다. 또한, 농경지 토양의 탄소 저장량과 토양호흡량은 유기물 함량, 전질소 함량, 유효인산과 관련이 있기 때문에 농경지 생태계는 토양의 양분관리를 통해 토양의 탄소 저장 및 배출 관리를 해야 한다.

4. 결론

본 연구에서는 육상생태계 가운데 하나인 농경지 생태계의 주요 탄소저장고인 토양의 환경요인이 토양의 탄소 저장량과 토양호흡량에 어떠한 영향을 주는지 알아보기 위해 농경지 생태계 유형별 선행연구의 결과를 분석하였다.

그 결과 선행연구는 논과 시설재배지에서 가장 많은 연구가 진행되었지만, 농경지 생태계는 국내의 주요 작물을 재배하고 있는 생태계 유형 외에 기타재배지(목장, 양식장 등)의 탄소수지 연구가 진행되어야 한다. 그리고 논과 과수원의 토양의 탄소 저장량과 토양의 화학적 특성 요인인 토양 pH, 전기전도도, 토양 유기물 함량, 전질소 함량은 밭, 시설재배지, 기타재배지보다 높았다. 특히 논과 과수원의 토양 pH 는 토양 미생물이 서식하기에 적정범위이고, 논과 과수원은 토양 내 유기물 함량과 전질소 함량이 높은 것으로 보아 유기탄소는 유기물의 형태로 존재하기 때문에 다른 농경지 생태계 유형보다 토양 내 탄소 저장량이 높은 것으로 판단된다. 또한, 토양호흡량은 논이 다른 농경지 생태계 유형보다 높았고, 이는 논의 토양 미생물의 활동이 다른 농경지 생태계 유형보다 높은 것을 의미한다. 그리고 농경지 생태계의 토양의 탄소 저장량은 토양 유기물 함량, 전질소 함량, 유효인산과 토양호흡량은 토양 유기물 함량과 유의한 관계가 있었다. 이처럼 농경지 생태계 토양의 탄소 저장량과 토양호흡량은 토양의 영양소 증감에 따라 달라지기 때문에 각 농경지 생태계 유형에 맞는 토양의 관리가 필요하다.

본 연구에서 농경지 생태계는 각각의 생태계 유형(과수원, 논, 시설재배지)의 토양에서 49.1±8.9 ton C ha-1, 31.8±6.9 ton C ha-1, 25.3±28.0 ton C ha-1 만큼 탄소 저장량이 확인이 되었기 때문에 탄소저장고로서 역할을 한다고 볼 수 있다. 또한, 농경지 토양의 탄소 저장량과 토양호흡량은 유기물 함량, 전질소 함량, 유효인산과 관련이 있기 때문에 농경지 생태계는 토양의 양분관리를 통해 토양의 탄소 저장 및 탄소 배출 관리를 해야 한다.

사사

본 논문은 환경부의 재원으로 국립생태원의 지원을 받아 수행하였습니다(NIE-고유연구-2024-16).

Appendix

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