APEX-Paddy를 활용한 논 BMPs 적용에 따른 총질소 유출부하 저감 평가 = Assessment of Total Nitrogen Runoff Reduction in Paddy Fields under Best Management Practices using the APEX-Paddy Model

국문 초록 (Abstract)

농경지에서 발생하는 농업비점오염은 국내 수질오염 배출원 가운데 높은 비중을 차지한다. 그중 논은 담수재배 방식에 의해 비점오염 유출이 용이한 특성을 가진다. 특히 질소는 투입량이 많고 용해도가 높아 유출 발생 시 높은 오염부하를 유발할 수 있다. 논의 질소 유출을 효과적으로 저감하기 위해서는 논에서의 질소 유출 특성을 파악하고 이를 바탕으로 최적관리기법(Best Management Practices, BMPs)를 구성 및 적용할 필요가 있다. 그러나 연구 지역과 시기에 따라 환경 및 영농 조건이 상이하여 질소 유출 특성의 일반화가 제한적이며, 유출특성의 불확실성으로 인해 BMPs 적용에 따른 저감 효과를 일관된 기준에서 평가하는 데 한계가 존재한다. 따라서 본 연구는 국내 논 모니터링 선행연구를 종합하여 논의 질소 유출 특성을 파악하고, APEX-Paddy 모델을 활용하여 주요 BMPs에 따른 질소 유출 저감 효과를 정량적으로 비교함으로써, 논의 질소 유출관리 방향과 BMPs 적용 방안을 제시하고자 한다. 이를 위해, 국내 문헌으로부터 논 시험포 단위의 실측 자료를 수집 및 선별하였으며, 유출량, 총질소(Total Nitrogen, T-N) 유출부하량, 시비량, 관개수량, 강우량 등의 변수를 추출 및 정리하였다. 수집된 자료를 바탕으로 영농기 T-N 유출 영향요인과 월별 유출 경향을 분석하였다. 또한, 수집된 문헌 중 전북 익산 시험논의 실측 자료를 활용하여, APEX-Paddy 모델을 구축 및 보정하고, BMPs 시나리오(시비량 감축, 물꼬 높이 상승, 완효성 비료+측조시비, 심층시비)를 구성하여 영농기 T-N 유출부하량 저감 효과를 모의하였다. 선행연구 통합 분석 결과, 영농기 T-N 유출부하량은 관개수량의 영향이 가장 큰 것으로 도출되었다. 특히 5–6월 영농 초기 T-N 유출부하량과 유출 변동성이 크게 나타났다. 또한 APEX-Paddy 모의 결과, 모든 BMPs 시나리오에서 관행 대비 T-N 유출부하량이 저감되었다. 시비량 감축, 완효성 비료+측조시비, 심층시비 시나리오에서는 영농기 전체에서 17.5~68.2%의 T-N 유출부하량 저감 효과가 나타났다. 반면 물꼬 높이 상승 시나리오에서는 영농기 전체 저감 효과가 2.5%로 제한적이었다. 이러한 결과는 영농 초기에 발생하는 높은 질소 유출 부하를 시비 및 물관리를 통해 관리하는 것이 중요함을 보여준다. 따라서 영농 초기 시비량 감축, 완효성 비료+측조시비, 심층시비 등 시비 관리 BMPs를 적용하고 강우가 집중되는 시기에는 물꼬 높이 상향 등 물관리 BMPs를 병행하는 전략이 효과적일 것으로 판단된다. 본 연구는 국내 논의 질소 유출 특성과 주요 BMPs별 질소 유출 저감 효과를 정량적으로 제시하여, 향후 논 비점오염 관리 전략 수립과 BMPs 설계 및 적용에 대한 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Agricultural non-point source pollution originating from croplands accounts for a substantial share of pollutant loads affecting water quality in Korea. Among cropland types, paddy fields are particularly prone to non-point source runoff due to flooded rice cultivation. Nitrogen, in particular, is applied in large quantities and is highly soluble, and thus can generate high pollution loads when runoff occurs. To effectively reduce nitrogen losses from paddy fields, it is necessary to characterize nitrogen runoff behavior and, based on this evidence, design and implement best management practices(BMPs). However, because environmental conditions and farming practices differ across regions and years, generalizing nitrogen runoff characteristics is limited, and field-level uncertainties constrain the evaluation of BMPs effectiveness under consistent criteria. Therefore, this study aims to synthesize prior monitoring studies in Korean paddy fields to characterize nitrogen runoff, and to quantitatively compare nitrogen-load reduction effects of major BMPs using the APEX-Paddy model, thereby providing guidance for nitrogen runoff management and BMPs implementation in paddy fields. To this end, plot-scale monitoring data were collected and screened from domestic literature on paddy field experimental plots. Key variables were extracted and compiled, including runoff volume, total nitrogen(T-N) runoff load, fertilizer application rate, irrigation amount, and rainfall. Using the compiled dataset, controlling factors for T-N runoff during the rice growing season and monthly runoff patterns were assessed. In addition, field observations from an experimental paddy field in Iksan, Jeollabuk-do, were used to build and calibrate an APEX-Paddy model. BMPs scenarios—fertilizer rate reduction, raising the drainage outlet height, controlled-release fertilizer plus band application, and deep fertilizer placement—were then implemented to simulate T-N runoff-load reduction over the growing season. The synthesis of previous studies indicated that irrigation amount exerted the strongest influence on growing-season T-N runoff loads, and that T-N runoff loads and their variability were particularly high in May–June (early growing season). Model simulations showed that all BMPs scenarios reduced T-N runoff loads relative to conventional practice. Fertilizer rate reduction, controlled-release fertilizer plus band application, and deep fertilizer placement achieved a 17.5–68.2% reduction in growing-season T-N runoff loads, whereas raising the drainage outlet height produced a limited reduction of 2.5%. These findings suggest that managing the high nitrogen runoff loads occurring in the early growing season through fertilizer and water management is critical. Accordingly, implementing fertilizer-management BMPs (fertilizer rate reduction, controlled-release fertilizer plus band application, and deep placement) during the early season, while combining them with water-management BMPs such as outlet-height adjustment during periods of concentrated rainfall, is expected to be an effective strategy. This study provides quantitative evidence on nitrogen runoff characteristics and BMPs-specific reduction efficiencies in Korean paddy fields, and can serve as baseline information for future non-point source pollution management strategies and BMPs design and implementation.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구 배경 및 필요성 1
• 2. 연구 목적 4
• II. 이론적 배경 6
• 1. 논 질소 유출 메커니즘 6
• 2. 논 질소 유출 연구 동향 7
• 3. 논 최적관리기법 8
• III. 재료 및 방법 11
• 1. 선행연구 자료 수집 11
• 2. 논 T-N 유출 특성 분석 13
• 1) T-N 유출 영향요인 분석 13
• 2) 월별 T-N 유출 경향 분석 13
• 3. APEX-Paddy 모델을 통한 BMPs 모의 14
• 1) APEX-Paddy 모델 14
• 2) 연구 대상 지역 18
• 3) 입력자료 구축 18
• 4) 매개변수 민감도 분석 20
• 5) 모델 보정 23
• 6) BMPs 시나리오 구축 25
• (1) 시나리오 1 : 관행 25
• (2) 시나리오 2 : 물꼬 높이 상승 25
• (3) 시나리오 3 : 시비량 감축 25
• (4) 시나리오 4 : 완효성 비료 및 측조시비 26
• (5) 시나리오 5 : 심층시비 26
• IV. 결과 및 고찰 28
• 1. 논 T-N 유출 특성 분석 결과 28
• 1) 선행연구 수집 결과 28
• 2) T-N 유출 영향요인 31
• 3) 월별 T-N 유출 경향 34
• 2. 매개변수 민감도 분석 및 보정 결과 38
• 1) 매개변수 민감도 분석 결과 38
• 2) 모델 보정 결과 43
• 3. BMPs 시나리오 적용 결과 46
• 1) BMPs 시나리오별 영농기 T-N 유출 저감 효과 및 월별 변화 양상 46
• 2) 선행연구 비교를 통한 모의 결과 검토 48
• 3) BMPs 기반 질소 유출 관리 방안 49
• V. 결론 52
• Ⅵ. 참고문헌 54
• 영문초록 75