Introduction
농업부문에서 배출되는 대표적인 온실가스(Greenhouse gas)는 배출원에 따라 분류하면 벼 재배 부분에서의 메탄(CH4) 발생과 농경지 토양에서의 아산화질소(N2O) 배출로 구분할 수 있다. 온실가스 배출에 따른 기후변화(Climate change)는 미래 세대를 포함한 우리 사회에 환경 문제를 통한 큰 위협이 되고 있으며, 이러한 위협에 대응하기 위해 국제 사회는 기후변화 핵심 매뉴얼인
교토의정서(Kyoto Protocol, 1998)와 신 기후 체제의 출범을 알린 파리협정(Paris Agreement, 2015)을 이끌어냈다. 우리나라는 2009년 11월에 2020년 온실가스 배출량 전망치(Business as usual) 776.1 백만 톤 CO2eq. (Carbon dioxide equivalent) 대비 30% 감축을 처음 발표 하였으며, 이후 2015년 6월에는 2030년의 온실가스 배출량 전망치 851 백만 톤 CO2eq. 대비 37%를 감축하는 것으로 발표하였다.
국가 온실가스 정보센터에서 2016년에 발간한 국가 온실가스 인벤토리 보고서(GIR, 2016)에 의하면 2014년 국내 온실가스 배출량(LULUCF 제외)은 690.6 백만 톤 CO2eq. 이며, 2013년 대비 0.8% 감소하였지만, 1990년 대비 135.6% 증가한 양이다(Table 1). 2014년 국내 발생 6대 온실가스 각각의 배출량은 CO2가 628.8 백만 톤 CO2eq. (91.1%), CH4이 26.6 백만 톤 CO2eq. (3.9%), N2O가 14.9 백만 톤 CO2eq. (2.2%), HFCs가 8.5 백만 톤 CO2eq. (1.4%), PFCs는 2.4 백만 톤 CO2eq. (1.2%), SF6는 9.4 백만 톤 CO2eq. (0.4%)의 순으로 나타났다(Fig. 1). 2014년 농업분야 온실가스 배출량은 총 21.2 백만 톤 CO2eq. 이었으며(Fig. 2), 이는 국내 온실가스 배출량의 약 3.1%를 차지하는 것으로 경종분야(벼재배, 농경지토양, 작물잔사소각)에서 12.4 백만 톤 CO2eq., 축산분야(장내발효, 가축분뇨처리)에서 8.8 백만 톤 CO2eq. 발생하였다(Lee et al., 2016b; Hwang et al., 2017). 주로 농업분야 온실가스 배출량 중 가장 큰 비중을 차지하는 것은 벼 재배 시 논에서 발생하는 CH4이며, 2014년 기준 6.8 백만 톤 CO2eq. 배출되었다. 이는 전체 농업분야 온실가스 배출량의 32.1%를 차지하며, 농업분야에서의 CH4 배출량으로 보면 55.5%의 비중을 차지한다(GIR, 2016). 따라서 본 연구의 목적은 1995년부터 2017년 9월까지 우리나라의 CH4 배출계수 개발과 관련된 연구 결과를 중심으로 연구의 시기별과 목적별로 지금까지의 연구동향과 최신 결과를 조사 및 분석을 통하여 향후 국가별 온실가스 배출량 산정을 위한 연구의 기초자료 제공 및 후속 연구의 방향성을 제시하는 데에 있다.
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Table 1. Greenhouse gas emission by sector from 1990 to 2014 (Unit: Million tons CO2eq.). 
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zLULUCF: land use, land-use change and forestry. Sources: GIR, 2016. |
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Methods for trend analysis
국내 연구 동향을 분석하기 위하여 관련 주요 국내 학회지에 발표된 연구 내용과 국내 대학에서 보고된 학위논문을 중심으로 1995년부터 2017년도 9월까지 총 93편의 연구 결과를 수집하여 분석하였다. 연구의 시기별 동향은 우리나라 정부가 처음 온실가스 배출 감축을 발표한 2009년 이전과 이후로 분류하여 분석하였으며, 연구 목적에 따라 논에서 볏짚시용 및 시용시기, 경운방법, 물 관리 등을 통해 CH4 배출량을 조사한 연구를 ‘CH4 배출 특성 및 평가’로 분류 하였으며, CH4 배출 감소와 관련된 요소들을 이용하여 CH4 배출량 감소기술 개발을 목적으로 하는 연구를 ‘CH4 배출저감기술 개발’로 분류하였다. CH4 배출량 조사 후 국가 고유계수로 등록하기 위한 배출계수를 산정한 연구를 ‘CH4 배출계수 개발’로 분류하였으며, 이전의 연구결과를 토대로 DNDC모델을 활용한 CH4배출량 평가한 연구를 ‘CH4 배출 모델링 연구’로 분류하여 분석하였다.
Results
Research trend classified by study period
국내 논에서 CH4 배출 관련 연구를 우리나라 정부가 온실가스 배출 감량을 처음 발표한 2009년 이전과 이후로 나누어 발표 논문의 주제별로 분석하였다(Table 2). 1995 - 2009년까지의 연구는 CH4 배출 특성 및 평가가 23편(Shin et al., 1995a; Shin et al., 1995c; Ko et al., 1996; Lee, 1997; Lee et al., 1997a; Lee et al., 1997b; Ko et al., 1998; Lee et al., 2000; Ko et al., 2002a; Ko et al., 2002b; Kim et al., 2002; Shin et al., 2003a ; Shin et al., 2003b; Shin et al., 2003c; Lee et al., 2003a; Lee et al., 2003b; Lee and Cho, 2004; Ko et al., 2007a; Ko et al., 2008; Ali et al., 2008; Kim et al., 2009a; Kim et al., 2009b; Kim, 2009)으로, CH4 배출 저감기술 개발이 4편(Ali and Kim, 2006; Ali et al., 2006; Ko et al., 2007b; Ali, 2008)으로 조사되었으며, 2009 - 2017년까지의 연구는 CH4 배출 특성 및 평가가 39편(Jeong et al., 2010; Lee et al., 2010; Kim et al., 2010a; Won et al., 2010; Seo et al., 2010; Park et al., 2011; Kim et al., 2011a; Kim et al., 2011b; Gutierrez et al., 2011a; Gutierrez et al., 2011b; Seo et al., 2011a; Seo et al., 2011b; Kim et al., 2011c; Ko et al., 2011; Kim et al., 2012a; Kim et al., 2012b; Park et al., 2012; Cho et al., 2012; Lee et al., 2013; Kim, 2013; Haque et al., 2013; Ju et al., 2013a; Lim et al., 2013; Whang, 2013; Kim et al., 2014a; Park et al., 2014; Gwon et al., 2014; Gwon, 2014; Kim et al., 2014b; Lee et al., 2014; Cho et al., 2015; Lee, 2015; Kim et al., 2015; Kim et al., 2016a; Kim et al., 2016b; Park et al., 2016; Kim et al., 2017b; Kim et al., 2017c), CH4 배출 저감기술 개발이 10편(Lim, 2011; Pramanik et al., 2011; Kim et al., 2012c; Kim et al., 2014c; Ali and Kim 2015; Park and Kim 2015; Kim et al., 2016a; Seo et al., 2016., Kim et al., 2017a) , CH4 배출계수 개발이 9편(Ryu et al., 2012a; Lee et al., 2012; Ryu et al., 2012b; Ryu et al., 2013; Ju et al., 2013a; Ju et al., 2013b; Kim et al., 2014d; Choi et al., 2016a; Jeong et al., 2016), CH4 배출 모델링이 6편(Kim et al., 2013; Jeong et al., 2013; Jeong et al., 2014; Min et al., 2016; Min et al., 2017; Jeong et al., 2017)으로 조사되었다. 1995년부터 2009년 까지 논에서의 CH4 배출 관련 연구는 다소 미흡한 실정 이었으나, 우리나라 정부가 온실가스 배출량 감축을 처음 발표한 2009년 이후, 2010년부터 급증하여 활발한 연구가 이어지고 있다(Fig. 3). 2009년 이후 전체적으로 연구가 증가하였고, CH4 배출계수 개발과 배출량 저감기술개발 연구가 새롭게 등장하였다. 이는 2009년 이후, 우리나라 정부의 온실가스 관련 연구가 증가하였고, 국가온실가스 배출계수 등록을 위해 배출계수 관련 연구가 이루어진 것으로 판단된다. 향후 온실가스 관련 연구는 2030년 우리나라의 온실가스 감축 목표를 배출량 전망치(BAU) 대비 37%로 확정 감축하겠다는 우리나라 정부의 발표(2015년 6월 30일 국무회의)와, 국제사회에서의 신 기후체제의 기반이 되는 파리협정(Paris Agreement, 2015) 등 국내외 온실가스 관련 연구가 요구됨으로써 지속적으로 증가 할 것으로 판단된다. 또한, 이전의 연구결과를 토대로 농업 부문에서 온실가스 예측에는 대표적으로 사용되는 DNDC와 DAYCENT 모델을 활용한 국내 온실가스 배출량을 예상하는 연구가 필요할 것으로 예상된다.
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Table 2. Chronological classification of methane emission research trends during the 1995 - 2017 period. 
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Research trend classified by study topic
논에서 CH4 배출에 대한 연구를 주제별로 CH4 배출 특성 및 평가, CH4 배출 저감기술 개발, CH4 배출계수 개발, CH4 배출 모델링으로 분류하여 연구 주제별로 분석한 결과(Table 3), CH4 배출 특성 및 평가와 관련된 연구가 62편(65.9%), CH4 배출 저감기술 개발과 관련된 연구가 14편(14.8%), CH4 배출계수 개발과 관련된 연구가 9편(9.5%), CH4 배출 모델링과 관련된 연구가 6편(6.3%), 기타(Shin et al., 1995b; Lee et al., 2016a; Choi et al., 2016b)는 3편(3.1%) 으로 조사되었다. CH4 배출특성 및 평가 연구가 가장 많이 이루어진 것은 CH4배출량 평가를 통하여 국가 온실가스 인벤토리 구축 및 온실가스 감축의 목표 설정을 위한 기본자료로 사용하기 위해 다른 분야보다 많은 연구가 이루어 졌다고 판단되며, CH4 배출량 저감 기술개발, CH4 배출계수 개발 연구, CH4 배출 모델링 연구가 미흡한 것은 CH4 배출 평가 및 특성 연구 이후의 차기 연구로 이루어지기 때문에 아직 많은 연구가 이루어지지 않은 것으로 판단된다.
Research trend classified by factors influencing the release of GHG emission
논토양에서 CH4 배출량 평가를 통한 경종분야 국가 온실가스 배출계수 개발에 관한 연구는 크게 물 관리 방법, 유기물(볏짚, 녹비작물 등) 시용 유 ․ 무, 재배방식, 토성, 벼 품종으로 나뉘며, 이러한 연구는 물 관리와 볏짚시용에 따른 CH4 배출(Ko et al., 1996), 물과 양분관리에 따른 CH4 배출(Kim et al., 2002), 경운 및 재배방식에 따른 CH4 배출(Kim et al., 2016c), 질소비종 및 재배양식에 따른 CH4 배출(Ko et al., 1998) 등 논에서 CH4 발생 및 감소 등에 대한 연구가 복합적으로 이루어지고 있다. 논에서 벼 재배 시 CH4 배출 관련 연구를 2015년 까지 경종분야 국가 온실가스 배출계수로 개발된 물 관리, 볏짚시용, 녹비시용으로 분류하여 조사하였으며, 현재 배출계수로 개발되지는 않았지만 CH4 배출과 관련 있는 토성과 작물 연구를 추가 조사 ․ 분석하였다(Table 4).
Water management
CH4는 절대 혐기성 세균에 의해 생성되는 최종산물이다(Ko et al., 1996). 논에서 벼 재배 시 담수로 인해 토양은 혐기적 상태가 되며, 혐기성균이 생육하여 CH4 발생에 영향을 주는 이유로 물 관리를 통한 논 토양에서의 CH4 배출과 관련된 연구가 많이 이루어졌다. 주로 상시담수, 간단관개, SRI (System of Rice Intensification, 물 얕게 대기; 벼 재배기간 동안 담수를 1 - 2 cm로 채운 후 논물이 증발되어 바닥에 실금이 보이면 다시 1 - 2 cm 담수) 방법으로 물관리 조건을 달리한 연구가 진행되었다.
Shin et al. (1995b)은 물 관리 및 볏짚시용이 CH4 배출에 미치는 영향에 관한 연구를 하였고, 상시 담수 보다 간단 관개의 NPK구에서 70% 저감효과가 있는 것으로 조사되었으며, 특히 NPK + 볏짚 시용구에서는 47% 저감효과를 확인하였다. Ko et al. (1996)은 건답재배 시 물 관리 및 유기물원별로, 볏짚 시용시기를 달리하여 CH4 배출을 평가하였는데 간단관개가 상시담수에 비해 CH4 배출량이 약 19% 가량 저감되었다고 하였다. Kim et al. (2002)은 상시담수와 이앙 35일 이후 중간낙수한 간단관계(중간낙수기간 20일)를 처리하여 CH4 배출을 평가하였는데 상시 담수가 간단관개보다 CH4 배출이 170 - 208% 높은 것을 확인하였다. Ko et al. (2007b)은 배수 개선처리에 따른 논 토양 물리성의 하나인 토양 투수속도 변화가 논에서 CH4 배출에 미치는 영향에 대해 조사하였는데 암거배수 처리 후 CH4 의 배출은 46% 저감되었다고 하였다. Won et al. (2010)은 볏짚 무시용 시 중간낙수가 상시담수에 비해 6.8% 감소하였으며, 상시담수에서 볏짚시용에 비해 무시용이 56.7% 감소하였다고 하였다. Kim et al. (2012a)은 SRI 물 관리 방법을 적용한 온실가스 저감 연구에서 상시담수에 비해 간단관개가 65.5%의 CH4 감축효과가 있었으며, SRI 농법은 상시담수에 비해 71.8%의 온실가스 감축 효과가 있다고 보고하였다. Kim et al. (2016a)은 2012년부터 2013년까지 2년간 물 관리를 통한 온실가스 배출연구에서 상시담수, 간단관개, 초기담수 + 물 얕게 대기를 비교한 결과, 초기담수 + 물 얕게 대기 처리하였을 때 상시담수에 비해 69.3% 온실가스 배출량 감축효과를 보고 하였다.
논에서 물 관리를 통한 CH4 배출관련 연구는 논을 혐기상태로 만드는 상시담수 보다 간단관개와 SRI (물 얕게 대기)에 의해 많은 감소되는 연구가 있으며, 최근 SRI를 이용한 연구가 진행 중에 있다. SRI는 논에서의 CH4 발생량 감소뿐 아니라 농업용수절약, 잡초방제, 생산성증대 효과가 있어 국내 온실가스 감축 및 농사소득에 도움이 될 것 이라고 판단된다.
Straw application
볏짚은 논 토양에 시용 시 유기물로써 탄소함량을 증가시켜 CH4 배출원으로 작용할 수 있다(Won et al., 2010). 이에 따라 볏짚 시용 및 경운에 의한 CH4 관련 연구가 이루어 졌다.
Shin et al. (1995b)은 물 관리 및 볏짚시용이 CH4 배출에 미치는 영향에 관한 연구를 하였고, 상시 담수 보다 간단 관개의 NPK구에서 70% 저감효과가 있는 것으로 조사되었지만, 볏짚이 추가된 NPK + 볏짚 시용구에서는 47% 저감효과가 있었다. 이는 볏짚으로 인한 CH4이 발생되어 간단관개에서 낮은 저감효과를 보인 것으로 판단된다. Ko et al. (1996)은 건답재배 시 물 관리 및 유기물원별로, 볏짚 시용시기를 달리하여 CH4 배출량을 평가하였는데, 유기물 중 볏짚시용구가 가장 높은 CH4 배출량을 보였고, 퇴비시용은 NPK 처리구와 비슷한 배출량을 나타내었으며, 볏짚 시용시기는 파종 한 달 전 시용이 파종 직전 처리에 비해 약 40% 배출량이 저감되었다고 하였다. Ko et al. (2002a)은 경운 및 무경운 재배 시 CH4 배출 양상을 조사하였으며, 볏짚시용 시에는 무경운에 의한 CH4 발생이 경운 대비 10.7% 저감 효과와, 볏짚 5 Mg ha-1 시용 시 26.6% 저감되었다고 한다. Lee et al. (2003a)은 볏짚 시용 시 고랭지와 평야지 논에서 CH4 배출을 평가 하였는데, 고랭지와 평야지 모두 볏짚 무시용구가 시용구에 비해 높은 배출량을 보인보이는 것으로 조사되었다. Ju et al. (2013b)에 의하면 볏짚 시용량이 증가되면서 CH4 배출도 증가되었고, 무시용구 대비 볏짚 7 Mg ha-1 처리구에서 190%의 증가량을 확인하였다.
볏짚을 처리함에 따라 토양 유기물 함량이 높아져 이를 이용하는 영양원으로 CH4 생성세균의 생육이 활성화되어 CH4 발생이 증가된다. 볏짚 시용에 따른 경운방법 및 시기, 물 관리 등의 여러 방면의 CH4 저감기술에 대한 연구가 필요하다고 판단된다.
Green manure amended paddy soil
경종농가에서 볏짚판매를 통해 부수입원으로 이용하여 논의 볏짚이 80% 이상 수거되면서, 토양 유기물이 2010년에는 23 g kg-1 까지 낮아졌으며(Cho et al., 2012), 우리나라 뿐만 아니라, 전 세계적으로 화학비료 절감과 토양의 유기물 공급을 위해 녹비작물에 대한 관심이 증대 되고 있다.
Lee et al. (2010)은 자운영(Astragalus sinicus L.)을 논토양에 시용함에 따른 CH4 발생 및 벼의 수량에 미치는 영향을 조사하였다. 자운영 처리량에 따라 CH4의 발생량은 유의적으로 증가하였으며, 녹비작물로 자운영을 시용할 시 10 Mg ha-1의 양을 시용하는 것이 벼 생장에도 부정적 영향 없이 CH4 배출량 감소에 적합하다고 하였다. Kim et al. (2010b)은 녹비작물과 규산을 시용하여 CH4 생성에 미치는 영향을 조사하였다. 녹비가 시용된 토양은 무처리구에 비해 높은 CH4 배출을 보였으며, 호밀이 시용된 토양은 자운영이 시용된 토양에 비해 높은 CH4 배출을 보였다. 또한, 규산은 녹비가 적용된 토양에서 CH4 배출을 감소시키는데 효과적이었다고 밝혔다. Gutierrez et al. (2011a)은 동절기 녹비시용 후 벼 재배 기간 중 CH4 발생 측정 연구를 진행하였으며, NPK 처리구와는 달리 NPK + 호밀, NPK + 헤어리베치 처리구에서 벼 이식 초기 단계 직후부터 높은 CH4 배출을 보였으며, CH4배출량은 NPK처리구에 비해 NPK + 호밀처리구에서 87 - 121%, NPK + 헤어리베치에서 28 - 61% 높은 것으로 조사되었다.
이와 같이 동절기 유기물 투입을 위해 논토양에 재배한 녹비작물은 벼 재배 기간 중 CH4의 발생량을 증가시켰지만, 규산 혹은 녹비의 최적량 투입은 CH4의 발생량을 저감시키거나 적어도 증가시키지는 않는 것으로 밝혀졌다.
Soil texture and rice varieties
Ko et al. (2007b)은 논토양의 토성에 따른 벼 재배기간 중 CH4 발생량을 조사하였다. 논토양 투수속도가 느리고 유기물 함량이 높았던 습답에서 가장 높은 습답에서 가장 높은 배출량을 나타냈으며, 미숙답, 보통답, 사질답의 순서의 배출량이 조사되었다. Lee et al. (1997a)은 벼 품종별 CH4 배출을 조사하였다. 중만생종에 비해 조생종이 CH4 배출이 44.4% 적었으며, 자포니카형 보다는 통일형이 CH4 배출이 적은 경향을 보였다.
Recent research trend
최근 온실가스 배출량 추정모델인 탈질-분해 모델 (DeNitrification-DeComposition, DNDC)모델을 활용해 기존의 연구결과를 바탕으로 논에서의 배출량 평가와 배출량을 예측하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 모델을 이용하여 녹비작물 및 물 관리 국내 지역별 온실가스 배출량을 비교 연구와 RCP (Representative Concentration Pathways) 시나리오에 따른 논 CH4 배출량 예측 등의 연구가 이루어지고 있다.
Conclusion
본 연구는 1995년부터 2017년까지의 국내에서 발표된 논에서 벼재배 시 CH4 배출과 관련된 연구 결과를 조사하여 연구동향에 대해 분석하였다. 연구시기별 연구동향을 전체 관점에서 살펴보면 1995년에서부터 2009년까지의 연구활동은 미약하였지만, 2010년 이후부터 연구가 급증하여 연구가 활발히 이루어졌다. 이러한 추세는 정부가 2009년 온실가스 배출량의 감축 목표를 처음 발표하면서 연구가 활발해 진 것으로 판단된다. 연구 주제별로 분석한 결과, 주로 CH4 배출 특성 및 평가 분야에 치중되어 연구가 이루어져 왔으며, CH4 배출계수 개발분야와 CH4 배출 저감기술에 대한 연구가 부진하였음을 알 수 있다. 이는 배출량 평가를 통한 국가 온실가스 인벤토리 구축 및 온실가스 감축의 목표 설정 기본자료가 되어 많은 연구가 이루어 졌으며, CH4 배출량 저감 기술개발, CH4 배출계수 개발 연구, CH4 배출 모델링 연구는 CH4 배출 평가 및 특성 연구 이후의 차기 연구로 이루어지기 때문에 아직 많은 연구가 이루어지지 않은 것으로 판단된다. 시기별 연구 주제를 분석한 결과, 2009년 이전 연구는 CH4 배출 특성 및 평가와, CH4 배출특성 및 요인 분야가 주를 이루었으며, CH4 저감 기술개발 연구가 소수 이루어졌다. 2009년 이후의 연구 또한 CH4 배출 특성 및 평가에 대해 주로 연구되었으며, CH4 배출특성 및 평가에 대한 연구도 점점 증가하는 경향을 나타내었다. 최근까지 CH4 배출 특성 및 평가에 대한 연구가 다수 이루어 지고 있으며, 이를 통한 배출계수 개발, 저감기술 기발, 모델링 연구가 이루어 지고 있다. 논에서의 CH4 배출에 대한 정확한 국가별 온실가스 배출량을 산정하기 위한 CH4 배출계수에 대한 추가 연구가 필요하다고 생각되며, CH4 배출 감소 연구와 CH4 배출에 관여하는 주요 영향 요인에 대한 이해의 복합적인 연구를 진행해야 할 것이라고 판단된다.
