농업 분야 기후변화 연구 동향

지구온난화로 인한 기후변화는 농업, 생태계, 산림, 수자 원, 해양·수산업, 건강, 재난·재해 등 다양한 분야에 지역적으 로 상이한 양상으로 영향을 미치고 있다 (IPCC, 2018). 기후변 화로 인한 각종 영향이 극명하게 나타나고 있는 이러한 상황 에서 기후변화 관련 연구는 필수적이다.

농업에서 기후는 토양과 함께 작물의 종류와 재배시기, 재배 지역, 생산성, 품질 등을 결정하는 중요한 요소이다. 미래 기후 변화로 인해 기후 변동성이 커져 폭염, 폭설, 한발, 폭우 등 이 상기상 발생과 그로 인한 농작물 피해가 급격히 늘어나고 있 다 (Shim et al., 2014). 이상저온의 연간 출현빈도는 크게 감 소하나 (Shim et al., 2014), 온난화에 따라 발아기, 개화기 등 의 식물 계절이 빨라져 저온 피해 위험성은 상존한다 (Shim et al, 2015;Nam et al., 2018).

농업분야에서 가장 대표적인 기후변화의 영향은 온난화에 따 라 과수, 고랭지 채소 등 작물의 재배 적기와 적지가 변하고 있다는 것이다 (Shim et al, 2014;Kweon et al., 2017;Kim and Kim, 2018;Do et al., 2016;Lee and Heo, 2018), 이 외에도 벼는 현재의 품종과 재배방식으로는 고온장애로 인한 수량성 및 품질 저하가 우려되며 (Lee et al., 2014), 따뜻한 월동환경, 식물체 피복기간 연장, 장마 변동 등으로 월동해충 의 증가와 토착화 가능성 확대 등으로 병·해충 발생도 크게 증가하고 있다 (Do et al., 2016).

또한, 기후변화는 농업환경과 생태계에도 큰 영향을 주는 데, 농업 수자원의 변동은 작물을 생산하는 필요수량의 변화 를 초래하며, 미래 강우특성 변화에 따라 작물의 양분공급원 이 되는 질소와 인이 유출되어 수계의 환경도 저해된다 (Kim et al., 2021, Murdoch et al., 1998). 그리고 농작물, 토양, 기후 환경은 물론 기타 다양한 생물적, 무생물적 요소들이 총 체적으로 관여되어 있는 생태계에도 큰 영향을 주는데, 미래 의 기후변화는 많은 종의 서식지 와 분포가 변화한다 (Kim et al., 2021, Jo et al., 2017).

따라서, 기후변화로 인한 미래 농업의 영향을 평가하여 피 해를 선제적으로 최소화하기 위한 기후변화 대응 기술 개발이 시급한 실정이다. 기후변화에 따른 영향에 대한 적응 (Adaptation)은 상대적으로 기후변화 영향에 취약한 개발도상 국을 중심으로 초기에 추진되어 왔으나, 파리협정 이후에는 온 실가스 감축 (Mitigation)과 함께 전 지구적으로 중요하게 고 려되고 있다 (Kim et al., 2021). 따라서 농업분야도 미래 기 후변화로 인한 작물을 포함한 농업 생태계 전반의 변화를 예 측하고 그 영향을 평가하여 기후영향을 최소화 하는 방안을 마련해야 한다.

그러나 기후변화에 따른 미래 농업의 예측 결과는 불확실성 을 내포하고 있어 과학적인 근거 자료를 제시하기 위해서는 예측 결과를 검증할 필요가 있어 미래 기상환경을 구현할 수 있는 기후변화 연구시설이 절실하다. 따라서 본 논문은 기후 변화 연구시설에 대한 국내·외 동향을 분석하고 농업 분야 기 후변화 영향 예측 및 적응·완화 기술을 개발하기 위한 활용성 을 제고하고자 한다.

주요 기후변화 연구시설 및 시설 활용 연구사례

1990년 IPCC 1차 보고서가 발표된 이후로 기후변화 시나리 오 생산과 농업 및 다양한 분야에 대한 영향평가 연구가 본격 적으로 수행되고 있다. 현재까지 5차 보고서가 발표되었으며 2021년에 6차 보고서가 발표될 예정이다. 이와 관련하여 다양 한 실험연구과 모델을 이용한 연구가 계속해서 수행되고 있다.

온도 및 CO₂ 상승으로 인한 기후변화가 작물에 미치는 영 향을 평가한 연구는 1990년대 이전부터 수행되어 왔다. 특히, CO₂ 농도 변화에 대한 연구는 다른 환경요인과 달리 CO₂ 농 도를 일정한 수준으로 유지 공급할 수 있는 정밀 환경 제어시 설이 필요하다 (Seo et al., 2016). 무엇보다 연구목적 및 연 구대상에 따라 연구시설과 그 규모를 고려해야 한다.

1. SPAR (Soil-Plant-Atmosphere-Research)

SPAR는 실제 재배환경인 자연광과 토양 조건에서 온도, CO₂ 등 생육환경조건을 정밀 조절하여 인위적인 기후조건을 구현해 낼 수 있는 환경조절 챔버이다 (Fig. 1). 작물 생육기 간 동안 광합성 및 증발산량을 측정하여 작물의 생육을 평가 할 수 있다 (Reddy et al., 2001).

온도는 10~45°C 범위 내에서 설정이 가능하여 일부 월동작 물을 제외한 대부분의 작물 연구에 활용할 수 있다. 특히 온 도 설정은 단일 뿐만 아니라 매시간 온도를 다르게 설정할 수 있다. 관수는 점적관수를 이용하는데 자동으로 제어되며 관개 량, 관수시간 등도 조절할 수 있다. 양분관리는 일반적인 비료 사용 방법과 과개수와 함께 양액을 공급하는 관비 방식 모두 가능하다 (Seo et al., 2016).

이 밖에도 SPAR 내에는 상단부와 하단부에 각각 유효 광 센서를 설치하여 군락 형성 및 발달에 관한 정보를 수집할 수 있다. 또한 적외선센서를 통해 엽온의 변화를 모니터링 할 수 있으며 추가로 상단에 디지털 카메라를 설치하여 작물 생장에 대한 실시간 이미지 분석 자료도 수집 가능하다. 이와 같이 SPAR는 각종 센서 설치 및 활용에 매우 유리하게 설계되어 있어 작물·과수 생산 및 재배생리 연구와 작물·과수 모형 개 발에 필요한 생육정보를 얻는데 유용한 시설로 활용될 수 있 다 (Sang et al., 2017).

SPAR는 기후변화 연구를 위한 가장 정밀한 실험 방법으로 사용되고 있는데, 특히 미국농업연구청 (Agricultural Research Service; ARS)에서는 고온 및 고CO₂ 환경에서 작물과 잡초의 생육 영향 평가, 기후변화 대응 작물 재배관리 기술 개발, 기 후변화 시나리오 활용 작물생육 모형 개발 등을 위한 유용한 시설로 활용하고 있다 (Sang et al., 2017). 농촌진흥청 국립 식량과학원과 온난화대응농업연구소에서는 SPAR를 이용하여 식량작물과 원예작물에 대해 온도 및 CO₂ 농도에 대한 반응 시험을 수행하고 있으며, 이를 통해 정확도 높은 작물모형 개 발 및 환경영향평가 등 보다 심도 깊은 기후변화 연구를 수행 하고 있다 (Sang et al., 2017;Son et al., 2012).

2. OTC (Open Top Chamber)

OTC는 자연 상태의 광, 온도, 강우, 풍량 등 기상 환경과 토양환경을 유지하면서 상부가 개방되어 있으며, 투명한 원통 형 관을 설치하고 원통의 바닥 면의 벽을 따라 관을 부착하여 인위적으로 CO₂ 농도를 조절할 수 있다 (Heagle et al., 1973;Rogers et al., 1983). OTC는 다른 시설에 비해 알루 미늄 프레임과 강화비닐 등을 사용하여 간단하고 저렴한 시설 이다 (Fig. 2). 형태는 연구의 목적에 따라 다른데, 상부를 완 전히 개방시킨 것부터 수분 조건 조절을 위해 개방된 상부에 우산처럼 상판을 덮어 씌어 내부로 공기의 유통은 원활하나 빗물이 들어가지 못하도록 한 형태, 투명한 비닐 재질을 프레 임에 부착하거나 아크릴 통을 사용한 형태 등 다양하다 (Norby et al., 1997;Seo et al., 2016).

OTC는 작물의 생장, 광합성, 대사 등 작물의 생리적 및 생 태적 변화 연구에 활용될 수 있으나, CO₂ 농도만을 조절하는 환경 시설이므로 온도 등 다른 미세 환경을 조절하지 못한다. 그리고 실험에 상당한 양의 CO₂가 소요되며 이를 위한 저장 탱크가 별도로 필요한 단점이 있다. 따라서, 소규모 챔버 형태 의 OTC 경우에는 장기 모니터링 연구에는 부적합하므로 (Ceulemans and Mousseau, 1994;Raison et al., 2007) 장 기 모니터링 연구를 위해서는 연구 대상에 따라 챔버의 형태 를 조절하여야 한다.

미국농업연구청 (Agricultural Research Service; ARS)은 OTC를 이용하여 콩, 밀, 옥수수의 생육반응에 대한 연구를 수 행하고 있다. 개방된 노지에서 CO₂를 주입하여 주변부 CO₂ 농도를 높이거나 열선을 이용하여 주변부 기온을 높여 작물의 반응을 비교하는 연구도 수행되고 있다.

농촌진흥청 국립농업과학원에서는 OTC를 이용하여 CO₂ 농 도 및 기온 변화에 따른 작물의 생육과 물 소비량을 분석하고 있다. Hong et al., (2008)은 OTC를 활용하여 고추 재배시 CO₂ 농도가 증가하면 고추 잎의 수는 현저히 증가하였으며, 중기 생육이 왕성해져 생중량은 증가하였다고 보고하였다. 또 한, CO₂ 농도와 온도의 증가는 고추 잎의 C/N율을 감소시켜 고추의 결실과 작과는 현저하게 저해하여 수확량을 크게 감소 시키는 것으로 보고하였다.

3. TGC & CTGC (Temperature Gradient Chamber & CO₂-Temperature Gradient Chamber)

TGC와 CTGC는 자연환경을 그대로 기온과 광조건을 반영 할 수 있는 시설로 작물의 생장 실험이 가능하다 (Fig. 3). 온 실의 한쪽에 팬을 설치하여 가동하여 온실 입구에서 팬이 설 치된 출구로 인위적인 공기의 흐름을 발생시켜 온도를 조절하며 (Seo et al., 2016), 보통 폭 3.5m, 길이 25m, 높이 2.5m의 가 늘고 긴 형태로 일반 농가에서 흔히 사용되고 있는 온실의 형 태이다.

TGC의 경우 외부의 공기가 유입되어 온실 내를 이동하면서 기온이 상승되어 출구에서 미래 기후 환경을 구현한다. 이때 온실 입구와 출구의 기온차가 5°C로 유지하도록 일사량 증감 과 기온 변화에 따라 팬의 회전속도를 조절하여 출구에서 일 정한 온도 상승 조건을 안정적으로 유지되도록 조정하는 것이 중요하다. CTGC는 TGC에 CO₂ 농도 제어 시스템을 추가하 여 CO₂ 구배가 정확하게 될 수 있도록 CO₂ 농도 측정치를 비교하여 CO₂ 공급량을 계산하는 제어부와 연구자가 CO₂를 조절할 수 있는 제어부를 추가로 설치해야 한다.

TGC와 CTGC는 자연광을 이용하기 때문에 일사가 부족한 야간 또는 흐린 날에는 기온 제어장치를 자동으로 작동시켜야 하며, 구배형으로 습도 조절이 불가능하다 (Lee et al., 2008). 특히, 입구와 출구의 정확한 온도 구배를 위해 환풍시설, 차광 시설 등 제어시설의 매우 높은 정확도가 요구되기 때문에 TGC와 CTGC는 온실 규모의 연구에는 활용이 가능하나, 생 태 등 장기 모니터링 연구에는 부적합하다.

4. Walk-in Growth Chamber

Walk-in Growth Chamber는 광, 온도, CO₂, 상대습도 등을 조절 가능한 시설로 24시간을 기준으로 자연환경과 유사하게 구현할 뿐만 아니라 다양한 환경변화를 구현 가능하다 (Fig. 4). 특히, 일반 Growth Chamber와 달리 연구자가 직접 안에 들어가 다양한 작업을 용이할 정도로 내부 용적이 크기 때문 에 수관이 작물 연구에도 활용할 수 있다 (Nishiura, 2000;Son et al., 2012).

챔버 내에서 램프 자체의 광량 변화 및 높이 조절로 여러 수준의 광량 실험이 가능할 뿐 아니라 광량을 4수준까지 설정 할 수 있다. 여름철 한낮 광량에 필적한 높은 광량 처리부터 일장 등의 광주기까지 설정이 가능하다. CO₂는 현재 대기 농 도인 약 400~2,000 ppm까지 설정할 수 있어 미래 기후 시나 리오 조건을 구현할 수 있다. 다른 연구시설과 달리 이 시설 은 상대습도를 75~90%까지 설정할 수 있으며, 상대습도가 높 은 경우 챔버 내부의 냉각장치를 통해 응축되어 수분으로 배 출된다 (Son et al., 2012).

다양한 환경요인과 작물 등 연구 대상과의 상호작용 연구가 가능하다는 장점이 있으나, 공간 제약으로 생물 개체군 실험 이나 장기 모니터링 연구에는 부적합하다는 단점이 있다.

덴마크 기술대학교는 CO₂ (~1,000 ppm), O₃ (10~200 ppb), 온도 (4~40°C), 습도 (20~90%) 정밀제어에 따른 기후변화 및 대기오염 실험을 추진 중이며 제어 프로그램을 통해 일일 혹 은 연간 정밀 시뮬레이션이 가능한 시설을 보유하고 있다. 이 시설을 활용하여 2개의 기후변화 영향에 대한 다학제적 연구 가 추진 중인데, CO₂와 O₃ 농도, 온도, 관수 제어에 따른 작 물의 생장반응과 여러 세대에 걸친 식물 유전자, 단백질 및 생리적 연구 등에 관한 연구이다.

농촌진흥청 국립원예특작과하원에서는 Walk-in Growth Chamber를 이용하여 저온, 저일조 등 이상기상 대응 채소의 안정생산 기술을 개발하는데 활용하고 있으며, 채소의 생산량 모델 개발 검증에도 활용하고 있다.

5. FACE (Free Air CO₂ Enrichment System)

FACE는 OTC의 단점인 인위적인 온실 효과와 제한된 환 경 조성을 극복하기 위한 연구 시설로 (Fig. 5). 자연 환경 상태에서 CO₂ 파이프를 원형으로 세워놓고 바람이 불어오는 쪽에 파이프의 밸브를 열어 인위적으로 CO₂ 가스를 원형 안 으로 흘러 들어가게 하여 작물의 반응을 보는 시설이다 (Nijs et al., 1996, Hendrey et al., 1999). 현재까지 FACE는 기 후변화 연구시설 중 인위적인 환경의 단점을 보완하고 자연 환경과 가장 가까운 조건에서 실험이 가능한 시설로 평가되 고 있다.

FACE는 대기 중에 완전히 개방되어 광, 온도, 바람, 강우, 병원균, 해충 등 생태계 모든 요소들의 상호작용을 변화시키 지 않는 상태에서 이루어진다는 장점이 있다. 따라서 여러 FACE 조사구들을 결합하여 동시에 많은 작물을 대상으로 동 일한 조사구에서 전반적인 생태계 과정들을 종합적으로 측정 할 수 있다. 또한 작물의 생활사 전반에 걸쳐 연구할 수 있으 며 공간의 제한을 받지 않아 연구 대상의 적용 범위가 넓다. 그러나, FACE는 CO₂ 농도 증가만 조절 가능하며 고농도 CO₂ 조성을 바람에 의존하기 때문에 바람이 강하거나 없는 조 건에는 원하는 CO₂ 조건을 구현하기 위해서는 시설유지비용 이 증가하는 단점이 있다.

다른 시설에 비해 FACE는 자연환경 조건에서 장기 모니터 링이 가능하여 약 20여년 전부터 산림이나 농경지, 초지 등 서로 다른 생태계에 관한 연구들을 진행하여 왔다. 그러나, 지 름 30 m와 높이 20 m의 FACE 시스템 1개를 운영하는데, 연간 0.5~1백만 달러의 비용이 소요되어 일반적인 기후변화 연구시설로 활용되기는 어려운 실정이다 (Ainsworth and Long, 2004;Raison et al., 2007).

FACE는 자연환경 조건에서 장기적인 연구가 가능하다는 장 점으로 현재까지 수목 등을 대상으로 미국, 스위스, 영국, 이 탈리아, 호주, 스웨덴 그리고 브라질 등에서 연구가 수행되고 있다 (Cukemans and Mousseau, 1994; Ainsworth and Long, 2004;Raison et al., 2007). 지금까지 10개국 24개의 FACE를 이용한 연구는 대부분 식물 생리에 관한 연구로 약 20여년 전부터 산림 (Duke forest, USA)이나 농경지 (Rice, Japan; Soybean, USA), 건조지 (Nevada desert, USA; Grassland, Germany) 등 서로 다른 생태계에 관한 연구들을 진행하여 왔 다(Cukemans and Mousseau, 1994; Ainsworth and Long, 2004;Raison et al., 2007).

OTC가 작물을 대상으로 활용되는 연구시설인데 반해, FACE는 기후변화에 대한 수목의 반응을 연구하는데 활용되고 있다. 세계적으로 약 26개 수목을 대상으로 연구되었는데, 작 물 중에서는 벼가 식량작물로 그 가치가 높고 경제적, 생태적 으로 중요한 위치에 있어 가장 많은 연구가 진행되어 왔다 (Seo et al., 2016).

6. Ecotone 및 Biome

Ecotone은 대규모의 개방형 시스템과 중규모의 폐쇄형 시스 템으로 구성되어 있다 (Fig. 6). 직경 2m와 깊이 1.5m의 크 기에 자연환경을 그대로 구현 가능하며, 상하부에 정밀 환경 을 제어하는 시설을 갖추고 있다. 상부는 돔으로 구성하여 자 연광을 이용하고 강우, CO₂, 기온, 상대습도, 풍속을 제어할 수 있으며, 지하부는 토양온도와 수분을 제어할 수 있다. 특히, 지하부의 챔버는 복도형태로 연결되어 기계실 등이 위치하며 토양 내 상호작용 연구가 가능하다. 그 외 복사량, 지하부의 전도도 및 수분함량을 측정하며, 배출수 샘플링도 가능하다.

바이옴 (Biome)은 외부 환경 영향을 최소화하도록 디자인 된 대형 돔 형태의 온실로 열대우림과 지중해 기후까지도 구 현할 수 있는 시설이다 (Fig. 7). 아연철관으로 육각형의 프레 임을 세운 뒤 상부에 3겹의 ETFE (Ethylene Tetra Fluoro Ethylene) 필름을 씌워 반투명 거품 모양의 바이옴을 구축한다. 필름 사이에 존재하는 공기층은 태양열의 90%를 저장하여 온 실 내부온도를 유지하는데 용이하다. 시설 내 대형 빗물 수집 장치를 설치하여 하수처리 및 온실 내부 습도 유지를 위해 재 활용되는 시스템도 갖추어져 있다.

벨기에 Hasselt 대학은 극한기상 모의가 가능한 12개의 Ecotone을 보유하고 있으며, 6개의 Ecotone을 이용하여 건기 와 우기의 길이를 달리하여 생태계 반응 연구를 진행하고 있 다. 온도조건을 달리하여 식물 생태, 생태 모델링, 토양 미생 물 군집, 토양 탄소순환 모델링, 토양 양분 순환, 일반 토양 생태 연구 등 생태계 서비스에서 토양 먹이망과 식물과의 상 호작용 반응을 연구하고 있다.

영국의 에덴 프로젝트는 1990년 중반까지 런던 서쪽의 콘 월 주에 고령토를 채취하던 도자기 흙 채굴장 부지를 2001년 식물 중심의 생태공원으로 조성하여 운영하는 것으로 큰 2개 의 바이옴과 교육센터, 외부 정원 등으로 이루어져 있다. 크기 는 길이 200m, 최대 높이 55m로 온도, 강우 등 환경 제어가 가능하며, 식물 중심의 연구가 수행되었다.

기후변화 연구시설 활용 전망

기후변화는 전 세계적으로 분포하는 모든 동·식물의 생리· 생태적 변화와 적응 및 경쟁력 변화를 일으키는 원인으로 동 ·식물의 물질생산 및 순환 등 다양한 변화에 영향을 줄 뿐만 아니라 생태계 전반의 변화를 가져오고 있다. 따라서 국가 연 구기관은 미래 기상환경을 구현하는 시설을 구축하고 기후변 화로 인한 다양한 예측 결과 자료를 수집하여 과학적이고 효 과적인 기후변화 대응 정책 수립에도 기여하는 것이 불가피한 상황이다.

농업분야에서는 농업 생태계 내에서 가상으로 환경을 조절 하여 기상·기후의 이상변화와 연계하여 작물의 생육반응 및 재 해예측 모형 개발 등 농업분야의 기후변화 영향예측 연구와 미래 기상조건별 한국형 온실가스 및 농업생태계 순환 모형 개발 등 온실가스 배출관리를 통한 저탄소 농업기반 마련에 이용될 수 있다. 또한, 다양한 기후변화 연구시설을 이용한 기 후변화에 대한 작물, 생물, 생산환경 등 농업 생태계의 반응 연구는 실제 야외에서 이루어지는 장기적인 모니터링 자료와 연관시켜 해석하여야 기후변화에 따른 불확실성을 줄이고 국 내 실정에 맞는 농업 생태계 변화를 예측하는데 기여할 수 있 다. 이를 위해서는 무엇보다 미래 기후환경을 구현할 수 있는 연구시설을 구축하기 전에 충분히 연구목적에 맞는 연구시설 을 고려하고 선택하여야 한다.

국외의 기후변화 연구시설은 국가의 지원을 받아 대학을 중 심으로 시설을 운영되는 경우가 많으며, 작물 이외 산림 등의 분야에서는 자연 상태에 가까운 개방형 연구가 주로 진행되고 있다. 자연 상태에 가까운 연구를 지향하는 개방형 및 자연광 을 이용하는 시설의 경우에는 지상부 뿐만 아니라 지하부에 대한 연구를 중요한 주제로 종합 생태계 연구가 이루어지고 있다. 유럽은 최근 실험연구에 대한 광범위한 범국가 연계 네 트워크를 구축하면서 개방형과 함께 폐쇄형 시설 역시 기후변 화 연구에서 중요한 플랫폼으로 다루며, 생태계 프로세스에 대 한 이해에 방점을 둔 연구가 특징적이다. 인공광을 이용하는 폐쇄형 시설은 농업분야와 관련된 전 주제를 함께 다루며, 기 후변화와 관련한 연구주제 역시 생물반응 등 기초 연구 뿐만 아니라 이에 대응할 수 있는 신품종 작물 개발 등 응용분야 연구가 활발하다.

유럽연합 (EU)의 AnaEE (Analysis and Experimentation on Ecosystems) 프로젝트는 생태계에 대한 실험 연구를 통해 식량생산, 생태계서비스, 바이오 경제에 대한 적응 이슈를 다 루는 데이터와 모델을 제공한다 (https://anaee.dk). 2018년 덴마 크, 프랑스 등 범국가 중앙 허브 및 분야별 센터를 위한 운영 국가를 선정하여 국가별로 소유한 실험 인프라를 구축하고, 각 국의 참여의사를 확인하여 유럽 전역의 네트워크를 구축하고, 국가별로 플랫폼의 운영비용을 투자하고 있다. 특히, 덴마크는 9개의 생태계 수준의 실험 연구 시설 및 플랫폼을 제공 (개방 형, 폐쇄형)하며, 지원 플랫폼으로 분석 플랫폼과 모델링 플랫 폼을 운영하고 있다.

따라서, 선진국의 사례와 같이 기후변화 등 환경변화에 따 른 전 지구적 위기에 대한 공감대 형성을 기반으로, 농업분야 기후변화 기초연구 시설을 구축하여 기후변화 대응 등 공공적 가치가 기초과학연구 (데이터)의 가치로 반영되어야 한다. 또한, 국가 연구기관 중심으로 개방형, 폐쇄형, 규격 및 기능 측면에서 다양한 실험 플랫폼을 기반으로 다학제적 연구를 추 진하여 연구시설 또는 공공 데이터 활용성을 높여야 한다.

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