Evaluating the Effects of BMPs on Nitrogen Loads from Paddy Fields using APEX-Paddy under Future Climate Condition = 미래기후에서 APEX-Paddy모형을 활용한 BMPs 적용밭에서의 질소양분 유출량 효과 평가

국문 초록 (Abstract)

APEX 모형은 다양한 필지단위 농경지 운영에 따른 토양 및 물환경 영향을 정밀히 분석할 수 있도록 고안된 농업 모델이다. 최근에는 수도작 농경지의 물관리와 기작을 고려하는 모듈을 추가하여 APEX-paddy 모형이 개발되기에 이르렀으나 모델의 적용성 평가 연구는 미흡한 실정이다. 더불어 기후변화 등 다변화하는 농업환경과 기상환경을 고려한 농경지 유출특성 변화예측을 위해 다양한 시나리오 적용이 가능한 모델링 연구가 지속적으로 요구되고 있다.
본 연구에서는 선행연구에서 구축한 익산지역의 수도작 시험포에서 관측한 유출량 및 영양물질 배출량 자료 (2013~2015)를 수집하여 수도작 유출에 대한 APEX-paddy 모형의 적용성과 모의성능을 평가하고 관개·시비관리 등 최적관리기법 (Best Management Practices, BMPs) 적용효과에 대한 모델 재현성을 평가하였다. 더불어 기후모델 기반의 미래기상시나리오를 개발하여 미래 기간에 대한 최적관리기법 적용효과의 변동성에 대해 고찰하였다.
APEX 모형의 자동보정 툴 (APEX-CUTE 4.1)을 활용하여 모델의 민감도 분석과 자동보정을 수행하였으며 수동보·검정을 통해 모델 적용성을 평가하였다. R2, NSE, PBIAS 지표를 이용하여 유출량 모의결과를 평가한 결과 0.78, 0.65, 5.41%의 오차를 보였으며 T-N의 경우 0.51, 0.68, 20.93%로 나타났다. 자동보정 결과는 수동보정에 비해 유의한 차이를 보이지 않았으나 T-N의 경우 수동보정 결과 대비 통계적 유의성이 다소 떨어지는 것으로 나타났다. 모의결과의 합당성 판단을 위한 오차지표의 범위를 기준으로 판단하였을 때 유출량과 T-N에 대한 APEX-Paddy 모의 성능은 대체로 함리적인 수준으로 판단되었다. 한편 유사량(SS)과 이와 상관성이 높은 인 부하 배출의 경우 관개초기 써레질 이후 담수 직후 강우발생에 의해 배출되는 유사량을 과다 모의하는 등의 모델 기작 한계로 모의 성능이 낮은 것으로 나타났다.
수도작 BMPs 적용에 따른 유출 및 배출부하 저감효과를 분석하기 위해 시험포 지역의 관행 영농을 포함하여 5가지 다른 BMPs에 대해 유출량 및 총질소 부하량 관측값과 APEX-Paddy 모의결과를 비교·분석하였다. 물꼬 조절을 통한 유출관리와 토양검정 시비를 통한 시비량 조절을 접목한 BMP 적용시 평균적으로 37.2%의 질소 배출 저감효과를 보였으며 모형은 BMPs와 모의기간의 기상패턴을 고려한 배출 특성의 차이와 관행 영농 대비 저감효과를 합리적으로 모의하는 것으로 판단되었다.
미래기후 상황을 시나리오로 적용하여 미래기간의 BMPs 효과 변동성을 평가하기 위해 강수량, 최소 기온, 최대 기온에 대한 예측 자료를 RCP 4.5, RCP 8.5 온실가스 배출시나리오에 대한 29개 CMIP5 (Coupled Modeling Intercomparison Project phase 5) GCM (Global Climate Model) 산출물로부터 추출·가공하였다. 전주관측소의 관측자료 (1976~2005)를 적용하여 CDF-Mapping 기법을 이용한 편의보정 및 공간상세화를 수행하여 2100년까지의 일단위 미래기상자료를 생산하였다. 대상지역에 대해 21세기 말 기후 예측결과는 RCP 8.5에서 강수량과 최대·최저기온이 각각 6.2%, 5.9%, 9.8% 증가하는 경향을 보였으며 가공된 미래기후 시나리오 자료도 이를 잘 반영하는 것으로 나타났다.
보정된 APEX-Paddy 모형에 미래기상자료를 적용하여 다양한 BMPs에 따른 MME (Multi-Model Ensemble) 평가 결과, 대부분의 BMP에서 유출량 및 질소 부하량이 점진적으로 증가하는 경향을 보였다. 관행포 대비 저감효과를 비교한 결과 물꼬 관리와 토양검정시비 적용시험포에서 부하 배출량이 가장 적은 것으로 나타났다. 토양검정시비 필지에서 비교적 낮은 유출이 발생한 것으로 나타났으며 질소의 경우 복함적 최적관리 시험포에서 관행포에 비해 낮게 발생하는 것으로 나타났다. 특히 RCP 8.5에서 토양검정시비 적용의 경우 가장 높은 감소를 보였으며 미래기간에 대한 BMPs 저감효과는 대체로 감소하는 것으로 분석되었다.
종합적으로 APEX-Paddy 모형은 국내 수도작 유출량과 질소 배출량 모의에 합리적인 적용성을 보였으며 유사량과 인 배출에 대해서는 모의 한계를 보여 기작의 개선이 필요한 것으로 판단되었다. 더불어 수도작 BMPs 적용에 대한 모니터링 자료의 추가 확보를 통해 모델 성능 평가결과의 신뢰도를 제고할 필요가 있다. 본 연구는 기후변화 등의 다양한 환경변화와 영농기법 적용에 따른 유출 및 오염부하의 배출 특성 분석을 위한 방법론을 제시하고 농경지 오염원 관리를 위한 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The APEX (Agricultural Policy/Environmental eXtender) model has been developed for assessing agricultural management efforts and their effects on soil and water at the field scale as well as more complex multi-subarea landscapes, whole farms, and watersheds. Recently a key component of APEX application, named APEX-Paddy, has been modified for simulating water quality by considering paddy management practices.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER Ⅰ : Introduction, Objectives, and Dissertation Organization 1
• 1. Introduction 2
• 2. Research objectives 5
• 3. Dissertation organization 7
• 4. References 8
• CHAPTER Ⅱ : Review of Literature 11
• 1. Water pollution from agriculture 12
• 2. Nitrogen loss reduction techniques from the paddy field 13
• 3. Assessment of nutrients load and effectiveness of different BMPs 16
• 4. Assessment of climate change impacts on nutrient load for different BMPs 19
• 5. Description of APEX model 25
• 6. Steps in modeling 37
• 7. Research opportunities 38
• 8. References 39
• CHAPTER ⅡI : APEX-Paddy Model Calibration for Simulation of Surface Discharge and Nutrient Loads 52
• 1. Introduction 53
• 2. Materials and Methods 55
• 2.1 Paddy field experiment data 55
• 2.2 Model setup 58
• 2.3 Warm-up period selection 59
• 2.4 Sensitivity analysis 60
• 2.5 Calibration of parameters 60
• 2.6 Model evaluation 62
• 3. Results and Discussions 64
• 3.1 Paddy field experiment results 64
• 3.2 Sensitivity analysis 66
• 3.3 Manual calibration 69
• 3.4 Auto-calibration 71
• 3.5 Validation of the APEX-Paddy model 73
• 3.6 Limitation of the APEX-Paddy model 74
• 3.7 Test of model applicability 76
• 4. Conclusion 78
• 5. References 80
• CHAPTER IV : Evaluation of the Applicability of the APEX-Paddy Model for Best Management Practices 83
• 1. Introduction 84
• 2. Materials and Methods 85
• 2.1 Best Management Practices (BMPs) 85
• 2.1.1 Conventional Paddy Panagement (CPM) 85
• 2.1.2 Drainage Outlet Raising (DOR) 85
• 2.1.3 Soil test-based fertilization (STF) 86
• 2.1.4 Fertilizer Application Before Weir Installation and DOR (DOR-FABWI) 86
• 2.1.5 Combinations of DOR and STF 86
• 2.2 Evaluation of BMPs 87
• 3. Results and Discussions 89
• 3.1 Evaluation of the APEX-Paddy model performance for estimating surface discharge and mineral nitrogen load indifferent BMPs 89
• 3.2 Evaluation of BMPs in surface discharge and mineral nitrogen load reduction 91
• 4. Conclusion 92
• 5. References 93
• CHAPTER V : Evaluation of Best Management Practices in Reducing Mineral Nitrogen Load from Paddy Fields under Future Climate Projections 94
• 1. Introduction 95
• 2. Materials and Methods 97
• 2.1 Future climate scenarios 97
• 2.1.1 General Circulation Models (GCMs) 97
• 2.1.2 Emission scenarios 99
• 2.1.3 Bias correction algorithm 100
• 2.2 Evaluation of BMPs under future climate scenarios 103
• 3. Results and Discussions 104
• 3.1 Test of automatic irrigation system 104
• 3.2 Evaluations for retrospective simulations of GCMs 105
• 3.3 Change in total precipitation, mean maximum and minimum temperature during the cropping period 106
• 3.4 GCM skills in reproducing surface discharge and mineral nitrogen load 107
• 3.5 Estimating the surface discharge and mineral nitrogen load in different BMPs under future climate 110
• 3.6 Evaluating the BMPs for surface discharge and mineral nitrogen load under future climate 112
• 4. Conclusion 115
• 5. References 117
• CHAPTER VI : Summery and Conclusions 120