Research Article

Journal of Agricultural, Life and Environmental Sciences. March 2020. 1-10
https://doi.org/10.22698/jales.20200001


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 재료 및 방법

  •   시설토양 시료채취

  •   토양 화학성 분석방법

  •   통계 분석

  • 결과 및 고찰

  •   연도별 논 토양 화학성 비교

  •   토양 특성별 화학성 비교

  •   논 토양 화학성의 과부족율

  •   토양 화학성분간 상관관계 및 주성분 분석

  •   군집분석

  • 요 약

서 론

우리나라 벼 재배면적은 2008년 1,758천 ha에서 2018년 844천 ha로 51.9%가 감소하였으며, 쌀생산량 또한 2008년 4,825천톤에서 2018년 3,867톤으로 크게 줄어 들었다(KOSIS, 2018). 인천광역시 강화군은 수도권 내에서 평택, 화성 다음으로 벼 생산이 가장 많은 지역이지만, 논 경지면적은2013년 11,189 ha에서 2017년 10,459 ha로 6.5% 감소하였다(KOSIS, 2018). 논은 국민의 식량 안보와 직결되어 있으며, 또한 이산화탄소 저감, 수자원 확보 등 전 지구적인 환경문제 개선에도 많은 역할을 담당하고 있다. 최근 소비자들의 친환경 및 지속가능 농업에 대한 관심이 증가하면서 농경지 토양에 대한 과학적 조사가 더욱 중요시되고 있으며, 쌀 소비 경향 또한 변화되어 쌀 소비량은 줄고 품질에 대한 소비자들의 관심이 더욱 집중되고 있다. 이에 따라 안전 먹거리를 생산하면서 환경친화적이며 지속가능한 농업을 하기 위해 논 토양에 대한 지속적인 조사가 이루어지고 있다(Park et al., 2017).

담수 논에서 재배되는 벼의 품질과 수량은 토양 화학성과 직접적으로 연관되어 있기 때문에(Yanai et al., 2001; Park et al., 2017), 논 토양에 대한 화학성 분석과 이에 기반한 비료 및 퇴비의 공급은 고품질 벼 생산과 직결된다고 할 수 있다. 2011년 우리나라 전체 논 토양의 화학성을 조사한 결과를 보면(Kang et al., 2012), pH 5.9, 유기물 함량(OM) 26 g/kg-1, 유효인산 131 mg/kg-1, 치환성 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 각각 0.30, 5.1, 1.25 cmolc/kg-1, 유효규산 146 mg/kg-1으로 보고되었다. 경기지역 논 토양은 pH 5.9, OM 23 g/kg-1, 유효인산 84 mg/kg-1, 치환성 K, Ca, Mg 각각 0.30, 5.1, 1.3 cmolc/kg-1, 그리고 유효규산은 129 mg/kg-1이었다(Roh et al., 2015).

이와 같은 지속적인 논 토양 화학성 조사와 평가를 통해서 논 토양의 비옥도를 증진시키고, 쌀 생산량 증대와 품질 개선을 위한 비료 사용을 지도하는데 큰 도움이 되고 있다. 따라서 이 연구에서는 강화군 논 토양의 지속적인 모니터링을 하기 위하여 2014년부터 2018년까지 총 114개 지점을 대상으로 토양 화학성과 토성, 지형, 지역에 따른 차이를 조사, 분석하였다.

재료 및 방법

시설토양 시료채취

강화군 논 토양의 화학성 변동을 주기적으로 조사하기 위하여 2014년부터 114개 지점을 선정하였고, 2018년까지 매년 3-5반복 이상 동일한 지점을 조사하였다. 토양 시료는 화학비료 및 퇴비 처리가 끝나는 3-5월 사이에 표토(10-15 cm) 깊이로 토양시료 채취기를 이용하여 채취하였다.

토양 화학성 분석방법

채취한 토양은 그늘에서 5-7일간 풍건하여 고무망치로 입자를 분쇄한 후, 2 mm체를 통과시킨 다음 토양분석에 이용하였다. 토양의 화학성 분석은 농촌진흥청 토양화학 분석법(NAAS, 2010)에 따라 검정하였다. 토양 pH와 EC는 토양에 증류수를 1:5 비율로 넣고 혼합하여 pH meter (SP2000, Skalar, Netherlands)로 측정하였으며, OM은 원소분석기(Primacs SNC 100, Skalar, Netherlands)를 활용하여 정량하였다. 유효인산과 규산은 SAN++ system (Skalar, Netherlands) 장비를 활용하였고, 치환성 K, Ca, Mg은 1 M NH4OAc로 추출하여 ICP (Inductively Coupled Plasma)- OES (Optical Emission Spectrometry) (Optima 8300, PerkinElmer, USA)로 분석하였다.

통계 분석

농촌진흥청의 농업환경변동조사사업을 통해 확인된 논 토양 비옥도 적정기준(http://soil.rda.go.kr)을 바탕으로, 강화군 논 토양의 양분 부족, 적정, 과다비율을 구하여 연차별 토양 화학적 성분변화를 검토하였으며, 토양 화학성 분석 결과에 대한 연차간 차이의 통계적 유의성을 분석하기 위하여 통계 분석 프로그램인 R (version 3.5.2)에 “laercio” 패키지를 설치하여 ANOVA 분석과 Duncan’s multiple range test를 실시하였다. 토양 화학성분 간의 상관관계는 Pearson 상관계수(“corrplot”패키지)로 분석하였고, “FactoMineR”, “factoextra” 패키지를 이용해 토양 화학성분의 주성분 분석을 수행하였다. 토양 물리적 특성 및 화학성에 기반한 tanglegram은 “cluster”, “dendextend” 패키지를 활용해 hierarchical cluster analysis를 수행하였다. 그래프 작성은 Sigmaplot version 12.0를 사용하였다.

결과 및 고찰

연도별 논 토양 화학성 비교

2014년부터 2018년까지 매년 조사한 강화군 논 토양의 화학성 변동을 조사하였다(Table 1). 2018년의 논 토양 pH는 6.2, OM은 22 g/kg-1, 유효인산은 55 mg/kg-1, 치환성 K, Ca, Mg은 각각 0.53, 7.37, 2.81 cmolc/kg-1이었으며, 유효규산은 204 mg/kg-1이었다. 토양 pH는 2014년 5.6에서 2018년까지 점점 증가하는 추세였으나, 모두 적정범위 이내로 유지되었다. OM은 2015, 2016년 적정범위 미만으로 떨어진 적이 있으나, 2018년까지 다시 적정범위 내로 상승하였다. 논 토양의 화학성 적정범위 기준과 비교하였을 때, 유효인산과 치환성 양이온은 각각 기준 범위에 미달하거나 또는 초과하였다. 유효인산은 2015년 경기지역 평균인 84 mg/kg-1보다 낮은 수치를 기록하였으며, 적정기준과도 크게 차이가 났다. 치환성 K, Ca, Mg 함량은 적정기준을 크게 상회하고 있으며, 전국 평균보다도 높은 수치를 기록하였다. 또한 경기지역 논 토양의 치환성 양이온 결과와 비교했을 때, 치환성 K은 1.8배, Ca은 1.5배, Mg은 2.2배 높은 수치였다. 조사 연도별 토양 화학성 평균 간의 유의성 비교를 위해 분산분석을 실시한 결과, pH, OM, 유효인산, 유효규산, 치환성 K, Ca은 평균 간의 유의한 차이가 인정되었으나, 치환성 Mg은 유의한 차이를 보이지 않았다.

Table 1. Changes in chemical properties of rice paddy soils collected from Ganghwa between 2014 and 2018

Year pH (1:5) OM g kg-1 Av. P2O5 mg kg-1 Av. SiO2 mg kg-1 K Ca Mg
Exch. cmolc kg-1
2014 5.6 d2) 20 bc 57 a 175 b 0.36 c 5.86 b 2.75 a
2015 5.9 c 19 c 60 a 166 b 0.39 c 6.02 b 2.82 a
2016 6.2 a 18 d 59 a 159 b 0.47 b 6.06 b 2.92 a
2017 6.0 b 21 b 42 b 217 a 0.49 ab 6.08 b 2.93 a
2018 6.2 a 22 a 55 a 204 a 0.53 a 7.37 a 2.81 a
Significance1) *** *** *** *** *** *** ns
Optimal lvl.3) 5.5-6.5 20-30 80-120 ≥157 0.2-0.3 5.0-6.0 1.5-2.0
1)ns, *, **, ***: nonsignificant or significant at p < 0.05, 0.01, 0.001 respectively.
2)Values within a column followed by the same letter are not significantly different at 5% level by DMRT.
3)NAS (2017): Fertilizer recommendation for crops.

토양 특성별 화학성 비교

5년간의 논 토양 화학성을 토성, 지형, 지역별로 구분하여 조사하였다. 먼저 강화군 논 토양의 토성에 따른 분류를 실시한 결과(Fig. 1), 크게 미사질양토(silt loam, SiL), 양토(loam, L), 사양토(sandy loam, SL)로 구분하였으며, 조사수가 적은 다른 토성은 통계에서 제외하였다. pH는 2016년에만 사양토와 다른 토성 간에 유의한 차이가 있었을 뿐, 크게 차이가 없었다. 그러나 사양토의 pH가 양토와 미사질양토의 pH보다 매년 낮게 유지되었음을 알 수 있었다. 또한 pH는 2017년을 제외하고 토성에 상관없이 계속 증가하는 경향을 보였다. OM도 역시 토성 간에 큰 차이는 없었으며, 사양토에서 유기물 함량이 높은 편이었다. 유효인산과 치환성 K, Ca, Mg은 토성별로 유의한 차이가 인정되었다. 유효인산은 미사질양토에서 그 함량이 낮았으며, 사양토가 다른 토성보다 높게 유지되었다. 그러나 유효인산은 전체적으로 계속 감소하는 추세가 보이므로 인산비료의 시용을 적극 권장할 필요가 있다. 치환성 K 함량은 사양토에서 낮게 유지되었으며 미사질양토에서 높았다. 치환성 Ca은 양토에서 그 함량이 높게 유지되었으며, 사양토에서는 낮았다. 치환성 Mg 또한 사양토에서 유의하게 함량이 낮았으며, 미사질양토에서 높았다. 이는 모래가 많은 사질, 미사질토양에서는 인산 및 양이온을 흡수하는 힘이 크지 않기 때문인 것으로 판단되며, 또한 배수가 토양 양분의 이탈에 관여하는데, 역시 모래의 함량이 이에 관련된 것으로 판단된다.

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Fig. 1.

Comparison of chemical properties of rice paddy soils classified by soil texture from 2014 to 2018.

지형별로 논 토양의 화학성을 분석하였다(Fig. 2). 강화군은 하성평탄지(alluvial plains), 해성평탄지(marine plains), 선상지/곡간지(fan and local valleys), 산악지(mountain foots)로 구분하였으며, 조사 개수가 적은 지형은 분석에서 제외하였다. pH는 2016년을 제외하고 지형 간의 유의성은 보이지 않았다. 유효인산은 2014-2017년까지 산악지에서 높게 유지되었으나, 2016년부터 선상지/곡간지에서 그 함량이 점점 높아졌다. 그러나 역시 유효인산은 전체적으로 계속 감소 추세에 있음을 알 수 있었다. 토성별 치환성 양이온 분석결과와 마찬가지로 지형별 치환성 양이온도 그 수준을 그대로 유지하는 경향을 보였다. 치환성 K은 지형 간에 큰 차이가 없었으며, 해성평탄지에서 대체로 높게 유지되었다. 치환성 Ca의 경우, 지형 간의 수치 변동 폭이 컸지만, 전체적으로 칼슘 함량은 비슷하게 유지되었다. 치환성 Mg은 매년 지형 간에 유의한 차이가 인정되었으며, 해성평탄지에서 그 함량이 유의하게 높았다.

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Fig. 2.

Comparison of chemical properties of rice paddy soils classified by soil topology from 2014 to 2018.

논 토양의 지역별 위치에 따라 토양 화학성의 변화를 조사하였다(Fig. 3). 논 토양이 위치한 주소에 따라 읍면별로 분류한 결과, pH를 비롯한 모든 토양 화학성분에서 지역별로 유의한 차이를 보였다. pH의 경우, 내가면은 pH가 높게 유지되고 있고, 서도면은 적정범위 미만으로 내려간 논 토양이 많았다. OM은 대체로 적정범위 이내로 분포하는 경향이었지만, 양사면은 매년 적정범위보다 낮아 개선이 필요한 것으로 판단되었다. 유효인산의 경우, 2018년 교동면과 내가면을 제외하고 모든 면에서 적정기준을 미달하였다. 치환성 K은 대부분의 지역이 적정기준보다 2-3배 정도로 높게 유지되고 있으며, 양사면만이 2018년 적정범위 이내로 분포하였다. 치환성 Ca도 지역별로 매해 변동이 컸으며, 교동면, 강화읍, 화도면은 2018년에 1.4배 이상 갑자기 높아졌다. 다른 면들도 대체로 2017년에 비해 농도가 높아졌으나, 양사면만이 적정기준보다 낮은 4.70 cmolc /kg-1을 기록하여 적정범위 미만으로 떨어졌다. 치환성 Mg은 지역간 차이가 거의 유지되는 편이었는데, 교동면, 화도면, 삼산면은 매년 높은 농도가 그대로 유지되었으며, 양사면만이 매년 적정범위 이내로 분포하였다.

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Fig. 3.

Comparison of chemical properties of rice paddy soils classified by the location in Ganghwa from 2014 to 2018.

논 토양 화학성의 과부족율

논 토양의 화학성 적정범위를 기준으로, 연도별 토양 화학성분의 과부족, 적정, 과다 비율을 조사하였다(Fig. 4). pH의 적정범위 비율은 2014년 49.3%에서 2018년 58.0%로 증가하였으며, 과부족율과 과다비율은 계속 감소하고 있다. pH 조절이 잘 이뤄지고 있는 이유는 고품질 벼 생산을 위해 규산질 비료를 적극적으로 시용해왔는데, 이 규산질 비료의 부성분인 칼슘과 알칼리분에 의해 pH가 높아진 것으로 생각된다(Lee et al., 2005; Roh et al., 2015; Ahn et al., 2016). OM의 적정비율은 2014년을 기점으로 계속 낮아져 2018년 33.1%로 조사기간 중 가장 낮았다. 과부족율 또한 2014년 39.2%, 2016년 60.6%로 크게 증가하였다가 2018년 47.0%로 낮아졌으나 여전히 적정비율보다 높게 차지하고 있어 유기물 함량 증진을 위한 적극적인 공급대책이 필요하다고 판단된다. 수확 후 볏짚을 환원시키거나 호밀, 청보리 같은 녹비작물의 재배를 통해서 논 토양의 유기물 함량 증가를 유도해야 할 것이다(Roh et al., 2015). 유효인산의 경우, 매년 과부족율이 80% 이상을 넘으며, 적정비율은 2014년 14.3%에서 2018년 9.6%로 오히려 더 낮아지고 있다. 유기물 시용을 통해 유효인산의 함량 증진을 유도할 수 있으나, 과부족율이 84.7%(2018년)를 넘은 현 상황에서는 가축분 퇴비나 속효성 인산비료의 시용을 고려해야 할 것으로 생각된다. 치환성 양이온의 경우, 전북지역의 논 토양(Ahn et al., 2016)과는 다르게, 과다비율이 치환성 K 75.7%, Ca 50.2%, Mg 76.0% 이었다. 경기(Roh et al., 2015), 강원(Yoon et al., 2016), 전남(Kim et al., 2015), 경북(Park et al., 2017) 지역의 치환성 K 과다비율이 36-57%로 적정비율보다 대부분 높았는데, 강화군은 2017년 과다비율이 83.2%로 논 토양의 칼륨 과다 집적이 추정되었다. 치환성 Mg 또한 과다비율이 매년 72-79%로 높게 유지되고 있어, 마그네슘이 포함된 비료의 시용은 권장하지 않아야 할 것이다. 유효규산의 비율을 보면, 2018년 과부족율이 53.2%로 경기, 강원, 전북지역과 비슷한 경향을 보였다. 종합해 보면, 치환성 칼슘과 유효규산 함량이 높은 이유는 규산질 비료의 시용이 증가된 영향인 것으로 판단된다. 규산은 벼의 광합성, 병저항성 및 질소 이용률을 증가시키고, 벼의 수량 증대와 미질 개선에 효과가 있으며(Kim et al., 2011; Roh et al., 2015), 병해충 방제를 위한 경종적 방법의 하나로 활용되고 있다(Kim et al., 2015). 그리고 치환성 K과 Mg은 유기질 비료보다는 염화칼륨이나 고토비료 같은 화학비료를 과다하게 시용한 결과로 추정된다. 따라서 강화군의 쌀 생산량 증대와 품질 개선을 위해서는 속효성 인산비료의 시용과 유기물 함량을 증진시키는 것이 무엇보다도 시급한 것으로 판단된다.

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Fig. 4.

Frequency distribution of excessive, optimal, and insufficient ranges in soil chemical properties of rice paddy fields.

토양 화학성분간 상관관계 및 주성분 분석

논 토양 화학성분 간의 상관관계는 Fig. 5와 같다. 토양 pH는 치환성 양이온들, 유효인산, 유효규산과 정의 상관을 나타낸 반면, OM과는 부의 상관을 보였다. 유효규산은 치환성 Ca과 pH와 유의한 정의 상관을 이루었는데, 이는 규산질 비료 시용의 증가에 의한 것으로 생각된다. 규산질 비료로 인해 칼슘과 알칼리분이 증가하였고, 이로 인해 치환성 칼슘과 pH가 높아진 것으로 보인다. OM은 보통 유효인산, 치환성 양이온과 정의 상관을 보이는데(Park et al., 2017), 강화군 논 토양의 경우 치환성 K은 전혀 상관이 없었고, 치환성 Mg은 부의 상관을 이루었다. 이를 통해서 강화군 논 토양에서는 유기물 공급원으로 양분을 다량 함유한 가축분 퇴비보다는 유박을 주로 사용한 것으로 추정된다. 치환성 양이온들은 서로 간에 고도의 정의 상관을 이루었으며, 특히 치환성 K과 Mg의 상관계수가 0.51이었다.

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Fig. 5.

Pearson correlation coefficient matrix comparing the paired chemical properties of rice paddy soils in Ganghwa.

토성, 지형, 지역별 위치에 따른 논 토양 화학성분 간의 주성분 분석을 수행하였다(Fig. 6). 먼저 토성에 따른 주성분 분석 결과(Fig. 6A), 주성분1은 88.1%, 주성분2는 11.9%를 나타내어 전체 100%를 설명할 수 있었다. 주성분1의 변량에는 치환성 Ca (0.996)과 pH (0.990)가 양의 상관을 이루었고, 유효규산과 OM이 부의 상관을 나타냈다. 주성분2에서는 OM (0.592)과 치환성 K (0.551)이 높은 상관을 이루었다. 미사질 양토에는 치환성 K이 높아 다른 토성들과 구분되었다. 지형별 논 토양 화학성분 간의 주성분 분석 결과(Fig. 6B), 주성분2까지 총 86.5%가 설명 가능하였다. 주성분1에서는 pH (0.970)와 유효인산(-0.962)이, 주성분2에서는 치환성 Mg (-0.842)과 OM (0.793)이 높은 상관을 이루었다. 산악지에는 유효인산 함량이 높았고, 하성평탄지에서는 유효규산이 높은 특성을 보였다. 해성평탄지는 치환성 K, Mg 함량이 높았는데, 이는 과거 이 곳이 바다였었기 때문인 것으로 보이며, 이러한 경향은 전북 논 토양과 같았다(Ahn et al., 2016). 지역별 위치에 따른 주성분 분석을 보면(Fig. 6C), 주성분2까지 총 63.5%의 누적비율을 보여주었다. 주성분1에서는 pH (0.905)와 치환성 Mg (0.699)이, 주성분2에서는 유효규산(0.834)과 치환성 K (0.804)이 높은 상관을 이루었다. 화도면과 내가면에서는 pH와 치환성 K 함량이 높았고, 교동면은 치환성 Mg과 유효인산이 높은 특징을 보였다.

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Fig. 6.

Scatter plot showing the positive and negative correlations of seven soil variables to the first and second principal variates derived from principal component analyses: A, for soil texture; B, for soil topology; and C, for the location in Ganghwa.

토성, 지형, 지역별 주성분 분석 결과를 종합해 보면, 유효규산과 치환성 Ca, pH는 같은 벡터 방향을 이루고 있는 것을 확인할 수 있는데, 이는 규산질 비료의 시용에 따른 결과로 분류 기준과 상관없이 동일한 결과를 보여 주었다.

군집분석

표토 토성, 지형, 토양통 등의 토양 물리적 특성에 따른 군집분석과 지역별 토양 화학성에 기초한 군집분석을 실시한 후, 두 덴드로그램을 비교, 분석하였다(Fig. 7). 흙토람에 등록된 토양 정보를 바탕으로 강화군 읍면별 지역에 대한 군집분석을 실시한 결과, 비슷한 토양 특성을 가진 지역별로 묶여졌으며 또한 같은 읍면에 속하는 리 대부분이 같은 그룹에 속하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 토양 화학성에 기반한 지역별 덴드로그램은 각각의 읍면 지역과 관계없이 유사한 토양 화학성을 갖는 토양끼리 그룹지어졌다. 작물재배와 비료 시용 등의 농경지 관리작업의 영향으로 인해 농경지 내 양분 분포의 시·공간적 변이가 발생할 수 있으며(Zhang et al., 2011; Park et al., 2017), 또한 담수재배하는 논 토양의 경우에도 토성, 지형, 경운, 시비, 수분 상태 등의 영향으로 토양 화학성의 공간적 변화가 일어난다고 알려져 있다(Yanai et al., 2001; Park et al., 2017). 위 두 덴드로그램 간의 비교 분석 결과, 강화군 논 토양에서도 같은 토성, 지형 등 물리적 특성이 같음에도 불구하고, 인위적으로 투입된 토량 개량에 의해서 토양 화학성의 공간적 변화가 발생하였음을 확인할 수 있었다.

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Fig. 7.

Comparison of two dendrograms clustered by soil physical properties (A) and chemical properties (B). The abbreviations are the names of locations (eup or myeon) belonging to an administrative district, Ganghwa-gun: GD for Gyodong-myeon, GH for Ganghwa-eup, HD for Hwado-myeon, HJ for Hajeom-myeon, NG for Naega-myeon, SD for Seodo-myeon, SH for Songhae-myeon, SS for Samsan-myeon, YD for Yangdo-myeon, and YS for Yangsa-myeon. Alphabetical letters indicate minimum administrative regions, subsequent to eup or myeon.

요 약

강화군 지역 논 토양의 화학성 분석 결과, pH는 적정범위 이내에 분포하였으나, 점차 증가하는 경향을 보였다. OM의 강화군 전체 평균은 적정범위 내에 속하였으나 편차가 컸으며, 특히 과부족율이 높아 유기물 시용을 적극 권장해야 할 것이다. 유효인산은 매년 과부족율이 80%에 가까울 정도로 부족한 상황이며, 치환성 양이온은 과다 집적되어 있는 것으로 확인되었다. 유효규산은 적절한 수준이 유지되었으나 역시 편차가 크고 과부족율이 높게 유지되었으므로 계속된 규산질 비료의 시용이 필요하다. 토양 화학성분 간의 상관관계와 토성, 지형, 지역별 토양 화학성분 주성분 분석 결과, 강화군 내 논 토양에 규산질 비료의 투입이 증가되어 치환성 칼슘과 pH가 높아지는 경향을 확인하였다. 또한 군집분석을 통해서 경작이나 시비 등과 같은 토양 관리에 따라 자연조건과 다른 토양 특성을 갖게 되어 인접 지역의 토양과 상당한 차이가 생겼음을 확인하였다.

Acknowledgements

사 사

본 연구는 인천광역시 강화군청의 지원으로 수행되었음.

References

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