Abstract

국가 온실가스 인벤토리(GIR, 2022b)에 따르면 우리나라 농업분야 재배부문의 배출원은 벼재배(rice cultivation), 농경지토양(agricultural soil), 작물잔사소각(field burning)으로 나뉘며 온실가스는 메탄(CH₄)과 아산화질소(N₂O)를 보고하였다. 배출원별로 온실가스를 보면 벼재배에서는 메탄, 농경지토양에서는 아산화질소를 산정하며, 작물잔사소각에서는 메탄과 아산화질소가 모두 배출된다. 배출원에 따른 배출량 비중을 보면 작물잔사소각 부문은 농업분야 전체 배출량의 0.1%를 차지하기 때문에 우리나라 재배부문은 벼재배와 농경지토양이 주요 배출원이라 할 수 있다. 연도별(1990 ~ 2021) 온실가스 산정을 위한 활동자료(activity data, AD)는 공인된 국가 통계 수치를 이용하였으며, 배출량은 산정 지침에 따라 활동자료에 IPCC 기본계수(Tier 1) 또는 국가 고유 계수(Tier 2)를 곱하여 계산하였다.

벼재배에서 메탄 배출량은 Table 1. 식 (1)에 따라 일일 배출계수(EF_i)와 재배일수(t), 재배면적(A)의 곱으로 계산된다. 일일 메탄 배출계수(EF_i)는 Table 1. 식 (2)에 따라 유기물 시용 여부와 작기 전·후 물관리 방법에 따라 다르게 결정된다. 상시담수, 유기물 무시용 조건의 메탄 기본 배출계수(EF_C)는 국가 고유 배출계수로 등록된 2.32 kg ha^-1 day^-1를 적용하였으며(Kim et al., 2013), 작기 중 물관리 보정계수(SF_w)는 중간물떼기 1주 미만 0.83, 1 ~ 2주 미만 0.66, 2주 이상 0.49를 적용하였다. 천수답(상습가뭄)은 국가 고유 계수가 없으므로 2022 MRV와 2023 MRV에서 제시한 0.4(IPCC, 1996a)와 0.25(IPCC, 2006)를 각각 적용하였다. 유기물 시용 보정계수(SF_o)는 우리나라 논에서 표준 볏짚 시용량(GIR, 2022a)과 녹비시용량(GIR, 2023)을 6 t ha^-1, 0.0685 t ha^-1로 설정하여 해당범위의 계수 2.5, 1.045를 각각 적용하였다.

계산된 메탄은 다른 온실가스와 비교를 위해 지구온난화 지수(global warming potential; GWP)를 곱하여 이산화탄소로 환산(CO₂-eq)하였다. 메탄의 GWP값은 IPCC 제2차 평가보고서(IPCC, 1996b) 기준 21, 제5차 평가보고서(IPCC, 2014) 기준으로 28로, 2022 MRV와 2023 MRV에 각각 21과 28을 적용하였다.

농경지토양에서 아산화질소 배출량은 직접배출(N₂O direct)과 간접배출(N₂O indirect)로 구분하여 산정하며, 배출량 산정식은 Table 2와 같다. 직접배출량은 Table 2. 식 (3)에 따라 화학비료, 가축분뇨, 질소고정작물 포함 작물잔사의 토양 환원에 의한 질소 투입량으로 배출량이 결정된다. 아산화질소는 질소 투입원에 따라 각각 배출계수(EF₁, EF₄, EF₅)를 곱하여 계산하고 GWP값을 곱하여 이산화탄소로 환산하였다. 아산화질소의 GWP값은 IPCC AR2 기준 310, AR5 기준으로 265를 각각 2022 MRV와 2023 MRV에 적용하였다.

Table 2에서 2023 MRV는 2022 MRV와 다르게 가축분뇨에 의한 질소 투입량 계산에 분뇨처리 과정에서의 질소손실율(F_AM)을 반영한다. 손실된 질소에 의한 배출량은 2022 MRV에서 농경지토양 배출원에서 산정한 반면, 2023 MRV는 축산분야에서 별도로 배출량을 산정하였다. 연간 가축종(T)별로 분뇨에서 발생한 질소 총 배출량(Nex(T) kg N head^-1 yr^-1)은 IPCC GL에 따라 다르다. Table 3과 같이 2023 MRV는 2019 GL을 선적용하여 축종별 평균 체중(typical animal mass, TAM)과 질소 배출율(N rate(T)) 수치로부터 질소 총 배출량(Nex(T))를 계산하였다.

논에 투입되는 무기질 비료 및 유기물 시용에 대한 아산화질소 직접배출계수(EF₁)는 2006 GL 기본계수 0.003 kg N₂O-N kg^-1 N를 적용하고, 그 외 밭 작물은 국가 고유 계수를 적용하였다. 국가 고유 계수에 따라 고추, 콩, 감자, 봄배추, 가을배추, 그 외 밭작물을 각각 0.0086, 0.0119, 0.0049, 0.0056, 0.0058, 0.00596 kg N₂O-N kg^-1 N 를 적용하였다. 가축분퇴비에 의한 아산화질소 직접배출계수(EF₁)는 2006 GL 기본계수 0.01 kg N₂O-N kg^-1 N를 적용하였다. 간접배출량은 Table 2. 식 (4)에 따라 가축분뇨와 화학비료 투입에 의한 대기휘산(N₂O_(G))과 가축분뇨, 화학비료, 작물잔사의 토양 환원에 의한 수계유출(N₂O_(L))로 구분하여 산정하였다. 대기휘산은 농경지로 시용되는 화학비료 내 질소 중 대기로 휘산되는 NH₃, NO_x 비율인 10%, 유기질 비료(가축분뇨)는 20%를 휘산량으로 적용하였다. 간접 배출계수(EF₄)는 0.01 kg N₂O-N kg^-1 NH₃-N+NO_x-N를 적용하였다. 수계유출은 농경지에 투입되는 화학비료, 가축분뇨, 작물잔사환원에 의한 총 질소의 30%를 수계 유출량으로 계산하였다. 간접 배출계수(EF₅)는 국가 고유 계수인 0.0135 kg N₂O-N kg^-1 N를 적용하였다.

벼재배와 농경지토양 산정식을 통해 연도별 온실가스 배출량을 계산하고 IPCC GL에 따라 배출량 차이가 발생하는 원인을 분석하였다. “1996 GL”과 “2006 GL”의 차이는 온실가스 산정식 변경과 그로 인한 활동자료 세분화 그리고 기존 IPCC 기본계수(default) 값과 지구온난화 지수(GWP) 값이 변경된 점이라 할 수 있다. 2023 MRV에서 벼재배는 작기 전 보정계수(SF_p)와 녹비시용 보정계수(SF_o)가 새로 추가되었고, 천수답(상습가뭄)에서 적용한 IPCC 기본계수(SF_w)가 0.4에서 0.25로 변경되었다(GIR, 2023; IPCC, 1996a, 2006). 계수(SF_p, SF_o, SF_w)가 추가 또는 변경되면서 2022 MRV 대비 증감한 배출량을 각각 계산하였다. 반면, 농경지토양의 아산화질소 배출량은 질소 투입량에 따라 결정되고, Table 3. 식 (3)에 따라 화학비료(F_SN)는 “1996 GL”과 “2006 GL” 산정방법이 동일하므로 가축분뇨(F_AM)와 작물잔사(F_CR)에 의한 질소 투입량이 배출량 차이의 직접 영향을 준다. 국가 온실가스 인벤토리(GIR, 2022b)에 따라 작물잔사(F_CR)에 의한 아산화질소 배출량은 농경지토양 총 배출량에 비해 3% 미만으로 미미하므로 본 연구는 가축분뇨(F_AM) 질소 투입량 차이를 일으키는 원인을 분석하였다.

“1996 GL”과 “2006 GL”에 따라 연도(1990~2021)별 벼재배와 농경지토양 온실가스 배출량을 합산한 총 배출량은 Fig. 1과 같다. 두 가이드라인에 따른 총 배출량은 모두 경시적으로 감소하였다.

Fig. 1. 
Total GHG emissions in rice cultivation and agricultural soil based on IPCC GL

1990년 총 배출량은 “1996 GL” 기준으로 15,139 Gg CO₂-eq이며 “2006 GL” 기준 17,459 Gg CO₂-eq보다 15.3% 낮았다. 산정연도 2015년을 기점으로 1996 GL으로 산정한 배출량이 2006 GL으로 산정한 배출량보다 높게 평가되었으며, 2021년 총 배출량은 “1996 GL” 기준 11,114 Gg CO₂-eq으로 “2006 GL” 기준 10,392 Gg CO₂-eq보다 6.5% 높은 수치를 보였다.

Fig. 2(a)를 보면 1990년 벼재배 중 온실가스 배출량은 “1996 GL”과 “2006 GL” 기준 각각 10,533, 14,073 Gg CO₂-eq 배출되는 것으로 계산되었다. “1996 GL”보다 “2006 GL”에서 33.6% 증가한 3,540 Gg CO₂-eq 더 배출되었으며, 이는 “1996 GL”에는 GWP 값을 21을 적용하고, “2006 GL”에는 33.3% 큰 28을 적용한 결과를 반영한다. Fig. 2(b)을 보면 동일하게 GWP(AR2)를 적용했을 때 두 가이드라인 간 배출량 차이는 거의 없으며, “2006 GL” 산정값이 “1996 GL”보다 근소하게 높은 것을 확인할 수 있다. 연도별 배출량을 보면 1990년 이래로 메탄 배출량은 감소해서 2021년의 “1996 GL”은 5,432 Gg CO₂-eq, “2006 GL”은 7,413 Gg CO₂-eq으로 계산되었다. 벼재배 배출원의 주요 활동자료인 논벼 재배면적을 보면 1990년 1,242 천ha부터 감소하였다. 2021년은 732 천ha로 1990년 대비 41% 재배면적이 줄었으며, 활동자료 영향으로 메탄 배출량 또한 감소한 것으로 분석하였다.

Fig. 2. 
Methane emissions from rice cultivation according to 1996, 2006 IPCC GL

Fig. 2(a)와 Fig. 2(b)는 IPCC 변경에 따라 벼재배 배출량이 차이가 나는 가장 큰 원인이 GWP 값이 21에서 28로 증가한 결과임을 보여준다. 2021년 기준으로 Fig. 2(a)의 배출량 차이는 2,008 Gg CO₂-eq로 “2006 GL”에서 높은 배출량을 보였으나, Fig. 2(b)에서 같은 GWP (AR2)를 적용했을 때 배출량 차이는 148 Gg CO₂-eq이다.

Fig. 3을 보면 1990년 기준 “2006 GL”의 배출량이 “1996 GL”보다 증가한 가장 큰 원인은 녹비시용 보정계수(SF_O)인 것을 알 수 있다. 녹비시용 보정계수가 “2006 GL”에 반영되면서 배출량은 119 Gg CO₂-eq 증가하였다. 이는 2022 MRV에서 전체 논벼 재배면적 중 녹비시용 면적에 대한 기존 배출량에서 보정계수 1.045가 곱해진 결과이다. 1990년 기준 작기 전 물관리 보정계수(SF_p)로 인해 배출량은 19 Gg CO₂-eq 증가하였다. 작기 전 물관리 보정계수로 인한 배출량 증감량은 점차 증가하는 추세를 보이며, 이는 통계조사에서 작기 전 30일 이상 담수하는 면적 비율이 높아진 결과이다. 통계청 농림어업조사를 보면 작기 전 물관리 조사가 시작된 2011년 이전 시계열 값은 2011년 담수일 30일 이상 면적 비율인 9.41%을 적용하고 있다. 해당 비율은 증가하는 추세로 2021년에는 전체 논벼 면적 22.3%가 30일 이상 담수하는 것으로 조사되었다. 천수답 보정계수(SF_w)는 2022 MRV는 0.4를 적용하고, 2023 MRV에서는 0.25를 적용한다. 해당 계수 적용으로 인해 1990년 기준 오히려 배출량이 20 Gg CO₂-eq 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 우리나라는 관개시설 확장으로 인해 천수답을 하는 논벼 면적을 점차 줄어드는 추세이다. 2021년 전체 논벼 재배면적의 5.3%의 작기 중 물관리 방법이 천수답인 것으로 조사되었다. 이를 고려할 때 천수답에 의한 배출량 영향은 향후 온실가스 산정에서 미미할 것으로 판단된다.

Fig. 3. 
Changes in methane emissions in rice cultivation sector based on scaling factors (SF)

1990년 농경지토양에서는 “1996 GL” 기준 4,656 Gg CO₂-eq, “2006 GL” 기준 3,232 Gg CO₂-eq의 아산화질소가 배출된 것으로 계산되었다. “1996 GL”보다 “2006 GL”에서 17.9% 배출량이 감소하였으며 “1996 GL”은 GWP를 310, “2006 GL”은 265를 적용한 것을 우선 반영한다. 연도별 배출량을 보면 1990년 이후 아산화질소 배출량은 큰 변화없이 증감을 반복한다. 2021년 “1996 GL”은 5,682 Gg CO₂-eq, “2006 GL”은 2,953 Gg CO₂-eq으로 계산되었다. 아산화질소 배출의 주요 활동자료인 질소질비료 소비량과 가축사육두수를 보면 질소질비료 소비량은 1990년 562 천톤부터 감소 추세로 2021년은 54% 감소한 260 천톤으로 조사되었다. 반면, 가축사육두수는 축종별로 차이가 있지만 “1996 GL”은 가축분뇨에 의한 총 질소 투입량이 299 천톤에서 2021년은 115% 증가한 644 천톤으로 조사되었다.

Fig. 4(a)와 Fig. 4(b)를 보면 GWP 변경 외 다른 원인으로 “2006 GL”에서 배출량이 줄어든 것 확인할 수 있다. 벼재배와 마찬가지로 주요 활동자료인 화학비료 시용량, 가축사육두수, 작물생산량의 차이는 없었기 때문에 산정 방법의 변화로 질소 투입량이 적게 계산되었다. 질소 투입량이 줄어든 원인은 가축분뇨에 의한 질소 투입량인 것으로 분석되었다. 2023 MRV에 따라 가축분뇨에 의한 질소 투입량을 계산할 때는 분뇨처리 과정(퇴비화, 액비화, 퇴·액비화, 정화처리, 위탁처리, 기타처리) 중 NH₃ 또는 NO_x로 휘발된 질소 비율(Frac_LossMS)을 적용하며, 휘발된 질소 비율만큼 농경지에 투입되는 질소가 줄어든 것이다. 다른 원인은 Table 3과 같이 가축종별로 연간 질소 배출량(Nex(T)) 계수가 변경된 것으로 분석하였다.

Fig. 4. 
Nitrous oxide emissions from agricultural soil according to 1996, 2006 IPCC GL

Fig. 5를 보면 1990년 기준 “2006 GL”에서 농경지토양 질소 투입량이 “1996 GL”보다 줄어든 가장 큰 원인은 분뇨처리 과정 중 휘발된 질소 비율(Frac_LossMS)이다. 1990년 기준 Frac_LossMS가 “2006 GL”에 반영되면서 140 천톤의 질소가 감소했다. 가축종별 연간 질소 배출량(Nex(T))은 계수가 변화하면서(Table 3) 질소 투입량이 25 천톤 감소하는데 영향을 주었다. 연간 추이를 보면 “1996 GL”과 “2006 GL” 간 질소 투입량 격차는 Frac_LossMS와 Nex(T)로 인해 커지는 것을 확인할 수 있다. 이는 “1996 GL”에서 연간 가축분뇨에 의한 질소 투입량은 증가하는 만큼 2006 GL에서 분뇨처리 과정 중에 질소도 휘발되어 손실되기 때문이다. Nex(T) 계수 변경에 의한 영향도 증가하는 추세이다. Nex(T)는 축종별 가축사육두수 영향이 크기 때문에, Table 3에서 축종별로 과평가된 질소배출량이 “2006 GL”에서 계수가 개선되면서 질소 투입량 계산은 반영된 결과이다.

Fig. 5. 
The reduction in total nitrogen from livestock manure due to changes in coefficient factors(CF) according to the 2006 GL