APEX-Paddy 모델을 이용한 기후변화에 따른 논벼 생산량 및 증발산량 변화 예측

최순군,김민경,정재학,최동호,허승오,Choi, Soon-Kun,Kim, Min-Kyeong,Jeong, Jaehak,Choi, Dongho,Hur, Seung-Oh 한국농공학회 2017 한국농공학회논문집 Vol.59 No.4

The global rise in atmospheric $CO_2$ concentration and its associated climate change have significant effects on agricultural productivity and hydrological cycle. For food security and agricultural water resources planning, it is critical to investigate the impact of climate change on changes in agricultural productivity and water consumption. APEX-Paddy model, which is the modified version of APEX (Agricultural Policy/Environmental eXtender) model for paddy ecosystem, was used to evaluate rice productivity and evapotranspiration based on climate change scenario. Two study areas (Gimjae, Icheon) were selected and the input dataset was obtained from the literature. RCP (Representitive Concentration Pathways) based climate change scenarios were provided by KMA (Korean Meteorological Administration). Rice yield data from 1997 to 2015 were used to validate APEX-Paddy model. The effects of climate change were evaluated at a 30-year interval, such as the 1990s (historical, 1976~2005), the 2025s (2011~2040), the 2055s (2041~2070), and the 2085s (2071~2100). Climate change scenarios showed that the overall evapotranspiration in the 2085s reduced from 10.5 % to 16.3 %. The evaporations were reduced from 15.6 % to 21.7 % due to shortend growth period, the transpirations were reduced from 0.0% to 24.2 % due to increased $CO_2$ concentration and shortend growth period. In case of rice yield, in the 2085s were reduced from 6.0% to 25.0 % compared with the ones in the 1990s. The findings of this study would play a significant role as the basics for evaluating the vulnerability of paddy rice productivity and water management plan against climate change.

점적관개에 따른 토양수분 재분배 균일성 평가

최순군,최진용,남원호,허승오,김학진,정선옥,한경화,Choi, Soon-Kun,Choi, Jin-Yong,Nam, Won-Ho,Hur, Seung-Oh,Kim, Hak-Jin,Chung, Sun-Ok,Han, Kyung-Hwa 한국농공학회 2012 한국농공학회논문집 Vol.54 No.3

Greenhouse cultivation has been increasing for high quality and four season crop production in South Korea. For the cultivation in a greenhouse, maintaining adequate soil moisture at each crop growth stage is quite important for yield stability and quality while the behavior of moisture movement in the soil has complexity and adequate moisture conditions for crops are vary. Drip irrigation systems have been disseminated in the greenhouse cultivation due to advantages including irrigation convenience and efficiency without savvy consideration of the soil moisture redistribution. This study aims to evaluate soil moisture movement of drip irrigation according to the soil moisture uniformity assessment. Richards equation and finite difference scheme were adapted to simulate soil moisture behavior in soil. Soil container experiment was conducted and the model was validated using the data from the experiment. Two discharge rate (1 ${\ell}/hr$ and 2 ${\ell}/hr$) and three spaces between the emitters (10 cm, 20 cm, and 30 cm) were used for irrigation system evaluation. Christiansen uniformity coefficient was also calculated to assess soil moisture redistribution uniformity. The results would propose design guidelines for drip irrigation system installation in the greenhouse cultivation.

농경지 침수 위험 정보 시스템 소개

최순군 ( Choi Soon-kun ),신용순 ( Yong Soon Shin ),박주현 ( Joo Hyun Park ),전상민 ( Sang Min Jun ),강문성 ( Moon Seong Kang ) 한국농공학회 2019 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2019 No.-

기후변화에 따른 이상기상의 증가는 농경지 침수 위험을 심화시킬 우려가 있다. 최근 약 100년 동안 전 세계 자연재해 중 홍수의 발현빈도 증가가 가장 뚜렷하였으며, 우리나라는 일 80mm 이상의 집중호우 발생일수가 70년대에 비해 2배 이상 증가하였다. 농업은 기후의 영향을 크게 받는 산업으로서 기후변화에 따라 농업기반시설 설계 및 운영, 농장관리 방법 등을 농업환경변화에 맞추어 개선할 필요가 있다. 한편, 기존의 침수대응은 침수흔적도 제작 및 피해보상, 배수개선사업 등 사후관리에 치우쳐있다. 또한 농경지 침수피해는 농촌에서 발생하는 전체 피해의 약 60%를 차지함에도 불구하고 도시침수에 비하여 피해액이 적어 소하천 및 농촌지역 홍수에 대한 연구가 부족한 실정이다. 국립농업과학원에서는 농경지 침수위험을 조기에 알리고 폭우 시 행동요령을 서비스하기 위한 목적으로 ‘농경지 침수 위험 정보 시스템(가제)’을 구축하였다. 기존의 ‘농경지 침수 예측 시스템(시작품)’은 하천 수위상승에 따른 배수지연과 양수장 운영의 효과를 모의할 수 있었으나 농경지 배후 유역에서 유입되는 유량을 반영하지 못하였던 점, 대상지역을 확대하기 위해 구축해야 할 자료가 방대하다는 점이 문제점으로 지적되었다. 따라서 ‘농경지 침수 위험 정보 시스템(가제)’은 모델 자료구축 체계를 자동화·단순화하고 배후유역에서 유입되는 유량을 모의함으로써 현실적인 침수 위험 정보를 제공할 수 있도록 기존 시스템을 수정하였다. 또한 확률론 기반의 침수모의를 통해 동네예보의 불확실성을 줄이고 유용한 정보를 제공할 수 있도록 개선하였다.

04 포스터 발표 : 자연생태 환경 분야(PN) ; PN-04 : 무인관측시스템을 이용한 논 서식 물땡땡이(딱정벌레목: 물땡땡이과) 2종의 발생예측

최순군 ( Soon Kun Choi ),최락중 ( Lak Jung Choe ),김명현 ( Myung Hyun Kim ),이승현 ( Seung Hyun Lee ),방혜선 ( Hea Son Bang ) 한국환경농학회 2015 한국환경농학회 학술대회집 Vol.2015 No.-

일반적인 생물 조사의 경우 특정 분류군의 전문가가 특정 시기에 현장에 서식하는 생물을 직접 조사하거나, 트랩을 설치한 후 일정한 주기로 수거하는 형태로 이루어진다. 하지만 이러한 현장조사의 경우특정 생물의 출현 시기를 정확히 파악하기 어렵고, 일 단위 기상 요인으로 변화되는 생물 출현 양상을 반영하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 이러한 현장조사의 단점을 보완하여 일 단위로 모니터링이 가능한 무인관측시스템을 구축하였으며, 이 시스템을 활용하여 2014년 1년간 논 생태계 서식 생물을 모니터링 하였다. 이 시스템을 활용한 논 서식 물땡땡이 2종의 개체군 관측 결과를 소개하고자 한다. 무인관측모니터링은 해남, 부안, 당진, 철원 4 지역에서 실시하였으며, 2014년 1월 1일부터 2014년 12월 31일까지의 관측결과를 종합하여 분석하였다. 논 서식 물땡땡이 가운데 비교적 크기가 커 육안으로 동정이 가능한 잔물땡땡이(Hydrochara affinis)와 애물땡땡이(Sternolophust rufipes) 두 종의 개체군 변화를 관측하였다. 관측결과 철원을 제외한 해남, 부안, 당진에서 잔물땡땡이와 애물땡땡이가 확인되었으며, 개체군 크기는 두 종 모두 부안>당진>해남 순이었다. 주로 7~8월 사이에 높은 밀도로 출현하였으며, 당진과 해남은 애물땡땡이의 비율이 높았고, 부안에서는 잔물땡땡이의 비율이 높았다. 세 지역에서 출현한 잔물땡땡이와 애물땡땡이의 개체군 자료를 이용하여 추정한 발생 예측식은 Weibull function(f(x)=1-exp[-x/b)aa])을 따르는 것으로 가정하였다. 여기서f(x)는 누적빈도(cumulative frequency)로서 0~1의 값을 가지며, .는 유효적산온도(degree-day), a 와 b는 보정계수이다. 분석결과 잔물땡땡이의 경우 유효적산온도의 baseline temperature는 11.0℃, a는 4.77, b값이 1190.9일 때 결정계수가 0.9912로 최댓값을 가졌으며, 애물땡땡이의 경우 baseline temperature는 12.9℃, 는 5.76, b값이 953.4일 때 결정계수가 0.9813으로 모델식이 발생시기를 가장 잘 예측하는 것으로 나타났다. 본 무인관 측시스템을 이용한 논 서식 물땡땡이 2종의 발생예측식은 차후 농업환경 지표종 발생예측모델로서 활용도가 높을 것으로 기대한다.

05 포스터 발표 : 자연생태 환경 분야(PN) ; 조류를 이용한 논 생태계 건전성 평가

최순군 ( Soon Kun Choi ),김미란 ( Miran Kim ),김명현 ( Myung Hyun Kim ),조광진 ( Kwang Jin Cho ),최락중 ( Lak Jung Choe ),김민경 ( Min Kyeong Kim ),정구복 ( Goo Buk Jung ),홍성창 ( Seong Chang Hong ) 한국환경농학회 2014 한국환경농학회 학술대회집 Vol.2014 No.-

지구의 자연은 장기간에 걸쳐 점진적으로 변화하며, 논 생태계는 이러한 환경변화에 대한 반응으로 그 구조와 기능이 변화하고 있다. 최근 농산물에 대한 품질 및 안전성에 대한 소비자들의 요구가 증가함에 따라, 국가 농업정책 역시 환경 친화적인 방향으로 전환하고 있다. 이러한 환경 친화적 농법에 대한 평가는 주로 수서무척추동물, 육상곤충, 식생 등에 의해서 주로 수행되어져 왔다. 논 생태계를 평가함에 있어서 주로 활용되고 있는 수서무척추동물 들은 생태계 먹이사슬에서 하위 단위에 속하는 것들이 대부분으로 생태계 전반에 대한 영향을 전체적으로 평가하기 위해서는 먹이사슬의 상위 영양단계에 있는 생물군을 대상으로 조사하는 것이 더 바람직할 것으로 판단한다. 조류는 논에 의존하여 살면서 논 생태계의 상위 영양단계에 있는 포식자로서 하위 영양단계의 변화상을 반영할 수 있는 특징이 있다. 따라서, 본 연구에서는 인접한 친환경농업지역(6㎢)과 관행농업지역(6㎢)을 2013년 7월~11월까지 월 1회 조사하였다. 조사 방법은 농로를 따라 천천히 차량으로 이동하면서 선 조사법과 정점조사법을 병행하여 2명이 한 팀으로 수행하였다. 이동 중 쌍안경으로 관찰되거나 울음소리로 구별되는 조류의 종명과 개체수를 관찰지점의 조사지환경(본답, 논둑, 농로, 농수로, 주변습지)과 조사자, 조사일, 날씨 등의 정보와 함께 기록하였다. 조사기간 중 확인된 조류는 총 37종 3,259개체였다. 친환경농업지역에서는 33종 2,501개체가 확인되었고, 관행농업지역에서는 23종 758개체가 확인되어 친환경농업지역의 종수 및 개체수가 훨씬 높은 것으로 나타났다. 월별 종수 및 개체수 분석에서는 9월에 가장 많은 종이 관찰되었고, 개체수는 8월과 9월에 가장 많고, 10월에 가장 적었다. 종다양도지수는 통과조류와 월동조류가 논 생태계를 이용하는 10월에 가장 높게 나타났다. 친환경농업지역이 관행농업지역의 조류 개체수보다 최소 1.2배~최대 5.8배까지 많이 나타났으며, 특히 8월과 9월에 두 지역 간의 차이가 크게 나타났다.

장기 계절예측 정보를 활용한 증발산량 예측 및 불확실성 평가

최순군 ( Soon-kun Choi ),조세라 ( Sera Jo ),김응섭 ( Eung-sup Kim ),양예린 ( Yerin Yang ),어진우 ( Jinu Eo ),전상민 ( Sang-min Jun ),안난희 ( Nan Hee An ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

제1차 국가물관리기본계획(2021~2030)에 따르면 우리나라 용수 이용량 중의 약 63%가 농업용수이며 집중호우는 증가추세이나 가뭄발생 주기는 짧아지는 경향을 보인다. 한편, 농업 가뭄은 장기적인 물부족으로 인해 발생하기 때문에 중ㆍ장기적인 계획을 수립한다면 풍수해 등의 초단기적인 재해와 달리 선제적인 대응이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 중장기 계절예측 정보(1~6개월)를 활용하여 농경지의 증발산량을 추정하고 예측의 불확실성을 평가 하고자 하였다. 계절예측 정보는 PNU CGCM-WRF model chain을 통해 생산된 3~6월 일별 농업기상예측 자료이며, 최근 30년 과거예측 실험 결과를 통해 모형의 계통적 오차를 보정한 5 km 수준의 자료로서 오차보정 방법별 4개의 시나리오를 사용하였다. 농경지 토양특성정보는 환경부의 토지피복도와 국립농업과학원 정밀토양도를 활용하여 추출하였으며 농업기상예측 자료 해상도에 맞춰 일반적인 표토 토성 정보를 구축하여 기상정보와 토양정보가 공간적으로 일치하도록 하였다. 대상작물로서 하계작물은 콩을, 동계작물은 보리를 선정하였다. 기준작물증발산량의 추정은 Hargreaves 공식을 사용하였으며 작물의 유효적산온도(GDD, growing degree day)와 작물계수(Kc, Crop coefficient), 토양수분 함량에 따른 물 스트레스 지수(Ks, water stress coefficient)를 고려하여 작물의 증발산량을 산정하였다. 장기 계절예측 시나리오 별 실 증발산량 결과를 도출하였으며 증발산량 산정의 불확실성을 평가하였다.

기후변화가 논 생태계 물 순환에 미치는 영향 평가

최순군 ( Soon-kun Choi ),정구복 ( Goo-bok Jung ),홍성창 ( Seong-chang Hong ),어진우 ( Jinu Eo ),김민경 ( Min-kyeong Kim ),김명현 ( Myung-hyun Kim ) 한국농공학회 2014 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2014 No.-

논 생태계에서 물은 물질의 생산과 양분의 유입과 유출, 분해 등 물질순환의 주요인자이다. 기후변화로 인한 물 순환의 변화연구는 논 생태계 물질순환 연구를 위한 기초가 된다. 따라서 기후변화가 농업 생태계 물 순환에 어떠한 변화를 주는지에 대한 정량적인 평가가 필요하다. 본 연구는 기후변화가 논 생태계 물 순환에 미치는 영향을 평가하기 위하여 모형을 선정하였으며, 김제 시험포장에 모니터링시스템을 설치하여 논 물수지를 분석하였다. 모니터링시스템은 자동기상관측장비(AWS), 유입·유출구 위어(Weir), 침투유량계로 구성되어 기온, 상대습도, 강우량, 풍속, 일조량의 기상자료와, 유입·유출구 유량, 논 침투유량의 데이터를 수집한다. 물수지 분석을 위하여 수집된 기상자료로부터 증발산량을 산정하였다. 증발산량 산정을 위한 식으로 Penman-Monteith식을 사용하였다. 분석결과 측정기간(5월~7월) 평균 증발산량은 4.02 mm, 최대 일 증발산량은 7.9 mm로 나타났다. 써레질 기간 관개량은 1477.5 mm, 배수량은 1055.9 mm, 강우량은 34.4 mm로 측정되었으며 모내기 후-낙수기 전 기간 관개량은 557.1 mm, 배수량은 17.8 mm, 강우량은 81 mm로 나타났다. 기후변화 영향 평가를 위한 모형으로서 APEX모델을 선정하였다. APEX모델은 전 농장, 소규모 유역관리를 위해 개발된 모형으로서 표면유출, 환원수, 침전물 퇴적 및 분해 양분 이동 및 지하수 흐름간의 상호작용 평가가 가능하다. 본 연구의 모니터링 자료는 APEX모델 보정 및 검정을 위한 기초자료로 사용되며 검정된 모형에 기후시나리오를 적용함으로써 기후변화에 의한 논 물질수지의 변화를 예측할 수 있을 것으로 판단된다.

쌀 물발자국 산정 및 기후변화 영향분석

최순군 ( Soon-kun Choi ),김민경 ( Min-kyeong Kim ),허승오 ( Seung-oh Hur ),홍성창 ( Seong-chang Hong ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-

국내외에서 논 생태계의 물수지, 비점오염 유출량 분석을 위해 SWAT-Paddy 모델, HSPF-Paddy 모델 등을 개발하고, 모델을 적용한 연구들이 진행되고 있다. 물 발자국은 시·공간적 물 사용에 관한 정보를 제공해주기 때문에 가뭄과 비점오염, 농업생산성을 평가하기위한 지표로 활용이 가능하다. 본 연구는 APEX 모델을 확장하여 개발한 APEX-Paddy 모델을 이용하여 논에서의 물발자국을 예측하고 기후변화 시나리오에 따른 변동성을 평가하고자 하였다. 논벼 재배면적을 고려하여 도별 4지역 이상의 대표시군을 선정하였으며, 선정된 시군의 논에 대해 기후, 토성, 농업활동 특성 등의 데이터를 구축하였다. 기후변화시나리오는 기상청에서 제공하는 제어적분 400년의 RCP8.5 시나리오를 사용하였으며 대기중 CO2 정보는 FAO-AquaCrop 5.0v의 입력자료를 이용하였으며 각 시기의 30년 평균 자료를 적용하였다. 대기중 CO2 농도 증가에 따라 RUE (Radiation Use Efficiency)가 증가하지만 기온상승의 영향으로 생산량이 감소하는 것으로 나타났으며 Penman-Monteith 공식의 식물 잎의 저항이 높아져 증발산량이 감소하는 것으로 나타났다. 물발자국 총량은 기후변화로 인하여 높아지는 것으로 나타났으며 강우패턴의 변화에 따라 녹색물발자국의 비율이 줄어들고 청색물발자국의 비율이 높아지는 것으로 나타났다.

APEX-paddy 모델을 활용한 SSPs 시나리오에 따른 논 필요수량 변동 평가

최순군 ( Choi Soon-kun ),조재필 ( Cho Jaepil ),정재학 ( Jeong Jaehak ),김민경 ( Kim Min-kyeong ),엽소진 ( Yeob So-jin ),조세라 ( Jo Sera ),오수당콰에릭 ( Owusu Danquah Eric ),방정환 ( Bang Jeong Hwan ) 한국농공학회 2021 한국농공학회논문집 Vol.63 No.6

Global warming due to climate change is expected to significantly affect the hydrological cycle of agriculture. Therefore, in order to predict the magnitude of climate impact on agricultural water resources in the future, it is necessary to estimate the water demand for irrigation as the climate change. This study aimed at evaluating the future changes in water demand for irrigation under two Shared Socioeconomic Pathways (SSPs) (SSP2-4.5 and SSP5-8.5) scenarios for paddy rice in Gimje, South Korea. The APEX-Paddy model developed for the simulation of paddy environment was used. The model was calibrated and validated using the H2O flux observation data by the eddy covariance system installed at the field. Sixteen General Circulation Models (GCMs) collected from the Climate Model Intercomparison Project phase 6 (CMIP6) and downscaled using Simple Quantile Mapping (SQM) were used. The future climate data obtained were subjected to APEX-Paddy model simulation to evaluate the future water demand for irrigation at the paddy field. Changes in water demand for irrigation were evaluated for Near-future-NF (2011-2040), Mid-future-MF (2041-2070), and Far-future-FF (2071-2100) by comparing with historical data (1981-2010). The result revealed that, water demand for irrigation would increase by 2.3%, 4.8%, and 7.5% for NF, MF and FF respectively under SSP2-4.5 as compared to the historical demand. Under SSP5-8.5, the water demand for irrigation will worsen by 1.6%, 5.7%, 9.7%, for NF, MF and FF respectively. The increasing water demand for irrigating paddy field into the future is due to increasing evapotranspiration resulting from rising daily mean temperatures and solar radiation under the changing climate.

AR6 SSP 시나리오에 따른 농경지 질소 및 인 부하량 기후변화 영향평가

최순군 ( Soon-kun Choi ),김민경 ( Min-kyeong Kim ),김명현 ( Myung-hyun Kim ),엽소진 ( So-jin Yeob ),조재필 ( Jae Pil Cho ) 한국환경농학회 2021 한국환경농학회 학술대회집 Vol.2021 No.-

농경지에 과도하게 투입된 양분은 비에 의해 흘러나와 하류 하천 및 호소 부영양화의 원인이 되므로 수생태계 측면에서는 비점오염원이 된다. 기후변화는 농업의 물, 양분순환에 영향을 줄 것으로 예측되며 기후변화에 따른 강우 패턴의 변화는 비점오염을 심화시킬 것으로 평가된다. 한편, 기후변화 영향 및 취약성평가의 정책적 활용을 위해서는 시간의 흐름에 따른 변화 외에도 공간적 불균일을 고려한 평가가 중요하며 예산운영의 기준이 되는 행정구역 단위의 평가를 통해 예산의 우선 투입 분야 및 지역에 관한 정보를 제공해야 한다. 본 연구에서는 APEX(Agricultural Policy and Environmental eXtender)/APEX-Paddy 모델을 바탕으로 기후지표와 양분유출과의 관계식을 도출하고 이를 기후 시나리오에 적용하여 공간정보를 생산하였다. 모델 활용을 위해 논, 밭 시험포장 관측자료로부터 모델을 보정 및 검정 하였으며 질소, 인 유출에 관한 회귀식을 도출하였다. 3 km 격자 크기의 IPCC AR6 SSP2-4.5, SSP5-8.5 시나리오를 사용하여 기후변화에 따른 농경지 질소 및 인 유출의 변화를 평가하였으며 이를 ArcGIS에서 zonal statistics를 사용하여 156개 광역시군 단위 값으로 변환하였다. 산정된 양분유출량은 기준년대(1981∼2010)에 대한 광역시군의 순위 상관으로 ‘매우높음’ 부터 ‘매우낮음’ 까지 7단계로 구분하여 경계값을 선정하였다. 농경지 질소 및 인 유출 평가 결과 논 질소 유출 부하량과 관련하여 시군단위의 단위면적당 부하량 평가 결과 ‘매우높음’ 등급의 시군이 최대 136 지역으로 확대되는 것으로 나타났으며 총 부하량의 경우 ‘매우높음’ 등급의 시군이 최대 38 지역으로 확대되고 ‘보통’ 등급의 시군이 최대 14 지역으로 축소되는 것으로 나타났다. 밭 인 유출 부하량과 관련하여 시군단위의 단위면적당 부하량 평가 결과 ‘매우높음’ 등급의 시군이 최대 81 지역으로 확대되는 것으로 나타났으며 총 부하량의 경우 ‘매우높음’ 등급의 시군이 최대 50 지역으로 확대되고 ‘보통’ 등급의 시군이 최대 12 지역으로 축소되는 것으로 나타났다.