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농생태학: 지속가능한 먹을거리 체계의 생태학

9장 토양의 물

물은 끊임없이 식물의 몸체를 통해 흐르고 있다. 증산을 통해 기공을 떠나고 뿌리를 통하여 들어온다. 이러한 이유로, 식물은 토양에서 자신의 뿌리로 이용할 수 있는 일정량의 물이 있어야 한다. 적절한 토양 수분이 없으면, 식물은 빠르게 시들어 죽는다. 따라서 근권 -식물의 뿌리가 침투한 토양의 부분- 에 충분한 수분을 유지하는 일은 농업생태계 관리의 중요한 부분이다.

그러나 토양의 수분 관리는 단순히 강수나 관개를 통해 토양에 충분한 물을 투입하는 문제가 아니다. 토양 수분은 토양과 전체 농업생태계의 생태학 가운데 일부이다. 무수한 요소에 의해 물의 가용성과 보유력이 영향을 받을뿐만 아니라, 물 자체도 많은 역할을 수행한다. 물은 용해성 양분을 운반하고, 토양의 통기와 온도에 영향을 미치며, 토양의 생물학적 과정에 영향을 준다. 선충과 원생동물 같은 토양의 미소 동물상의 여러 구성원은 본질적으로 수생 생물이고, 토양 입자에 부착되어 있는 얇은 물의 막 안에서 산다. 또한 식물 자체가 토양 수분의 분포와 가용성에 영향을 미친다. 그러므로 농민은 물이 토양에서 어떻게 작용하는지, 토양에 있는 물의 수준이 날씨 조건과 농법에 의해 어떻게 영향을 받는지, 물의 투입이 토양 수분에 어떻게 영향을 미치는지, 그리고 작물의 물 수요는 무엇인지 알아야 한다. 

매우 오랜 시간 동안 작물에 정확히 최적인 토양의 수분 가용성은 거의 없다. 물 공급은 하루 종일, 그리고 계절 내내 결핍과 잉여 사이를 오간다. 실제 최적 값은 다른 요소들의 범위에 의해 영향을 받기 때문에 측정하기 어렵고, 조건은 끊임없이 변화하고 있다. 하지만 우린 대부분의 작물에서 최고의 수확량을 증진시키는 수분 조건의 범위에 관하여 많이 알고 있다. 과제는 이 범위 내에서 조건이 유지되는 방식으로 토양의 물을 관리하는 일이다.  

토양에서 물의 이동

자연 생태계에서, 물은 토양 표면에서 강우나 해빙으로 체계에 들어간다. 농업생태계에서 물은 6장에서 설명했듯이 똑같은 근원에서부터 들어가거나, 관개를 통해 추가된다. 토양 수분의 지속가능한 관리는 체계가 사용하는 물의 효율성을 최대화한다는 목표로 이렇게 적용된 물의 운명을 이해하는 데 달려 있다고 해도 과언이 아니다. 

침투

물이 토양 표면에 떨어지거나 적용되어 식물이 이용할 수 있게 되려면 토양으로 침투되어야 한다. 침투는 저절로일어나는 일이 아니다. 토양 표면에서 쉽게 침투할 수 없다면 물은 지표에서 유출되거나 증발로 상실될 수 있다. 침투는 토양의 유형, 경사도, 식생 덮개, 강수 자체의 특성에 영향을 받는다. 모래기의 토양이나 유기물 함량이 높은 토양처럼 다공성이 더 많은 토양은 물이 쉽게 침투되도록 더 개방되어 있다. 평평한 지형은 경사가 있는 지면보다 침투가 잘 일어나고, 매끄러운 경사면은 암석, 흙덩어리, 얕은 구덩이 또는 지표면의 기타 장애물에 의해 발생하는 미세지형의 변화가 일어나는 곳보다 유출수가 더 많다. 지표면에 살아 있거나 잔여물로 존재하는 모든 식생 덮개는 초반에 물이 유입되는 걸 매우 도와준다. 일반적으로 최적인 조건을 가정할 때, 강우의 강도가 더 셀수록 포화가 될 때까지 침투 속도는 더 빨라진다. 그러나 강우가 지나치게 강하면 유출수가 증가할 것이다. 

스며듦

일단 토양 상층이 포화되면, 중력이 초과된 물을 토양 단면으로 더 깊이 끌어당기기 시작한다. 스며듦으로 알려진 이 과정이 그림 9.1에 나온다. 스며드는 속도는 토양 구조, 토성, 다공성에 의해 결정된다. 좋은 떼알구조와 입단 안정성을 지닌 토양은 물이 토양 입자 사이로 자유롭게 이동할 수 있게 한다. 모래질 토양은 더 미세한 토성보다 큰 공극과더 적은 토양 입자 표면적을 가지고 있기에, 물이 가장 빨리 이동하게 될 것이다. 점토 함량이 매우 높은 토양은 처음에는 침투가 빠르지만, 일단 점토 교질 입자들이 물로 팽창되면 공극이 닫혀 이동을 방해할 수 있다. 뿌리의 수로와 동물의 굴, 특히 지렁이의 굴은 물이 스며드는 중요한 경로인데, 토양의 토성과 구조는 아마 빈번하게 경운되는 농업생태계에서 특히 중요할 것이다. 

그림9.1 작부체계의 토양에서 일어나는 물의 이동. (a)물은 강우로 떨어진 뒤 지표면에 침투한다. (b)중력수가 아래쪽으로 스며들고, 모세관 수가 지닌 농지 용수량이 위의 토양을 축축하게 만든다. 이와 함께, 증발과 증산이 시작되어 토양에서 물이 제거된다. (c)중력수가 계속 아래쪽으로 스며들면서, 표면 근처의 토양이 마르기 시작한다. (d)중력수가 지하수면에 도달하면, 대부분의 토양 단면은 농지 용수량에 가깝게 축축해진다. 예외는 증발로 건조해진 토양의 상층이다. (e)지하수면으로 인해 촉촉함이 유지되는 모세관 수대 위쪽의 토양 대부분 말라버리고, 토양이 다시 한번 흡습점에 가까워진다. (Daubenmire, R.F., Plants and Environment, 3rd edn., John Wiley & Sons, New York, 1974.에서 고침)

증발

일단 수분이 토양에 들어가면, 증발을 통해 대기로 상실될 수 있다. 토양 표면에서 일어나는 증발 속도는 지표면 자체의 온도만이 아니라, 지표면 위에 있는 대기의 수분 함량과 온도에 달려 있다. 바람이 특히 고온에서 증발 과정을 크게 가속화한다. 

증발은 지표면에서 발생하지만, 토양 단면 깊숙한 곳의 토양 수분에 영향을 미칠 수 있다. 증발로 인하여 토양 표면에 물이 부족해지면, 물 분자 사이의 인력이 모세관 현상을 통해 아래로 물을 끌어당긴다. 이 과정은 포화 구역이 아주 깊숙한 곳까지 이르거나 상부의 토양층이 너무 건조해져 모세관이 망가질 때까지 계속된다. 토양 표면의열 취득을 늦추고 토양과 대기 사이의 장벽을 제공하는 어떤 덮개 종류나 토양 표면의 덮개가 증발 속도를 늦출 것이다. 

증산

3장에서 설명했듯이, 식물이 발산된 수분으로 잎에서 기공을 통해 물을 상실하여 식물에서 물의 부족을 초래하고 식물의 뿌리가 물을 흡수해 균형을 이룬다. 특히 증발에 영향을 받는 토양층 아래로 침투하는 뿌리에 의해 이렇게 토양에서 물을 생물학적으로 제거하는 것이 토양 생태계 밖으로 물을 이동시키는 주요한 수단이 된다. 이 상실을 대체하기 위하여 물을 추가하지 않으면 식물은 휴면 상태가 되거나 생태계에서 제거된다. 

수압 재분배

증발의 원인이 되는 똑같은 물리적 원리는 그들의 기공이 닫히고 그에 의하여 근권의 한 부분에서 다른 부분으로물이 운송될 때 일부 식물이 그 뿌리의 조직을 통하여 물을 이동시키도록 한다. 이 특별한 능력은 얕은 곁뿌리에서 더 깊은 원뿌리로 이어지는 물관부 통로가 있는 떨기나무와 나무가 지니고 있다. 식물의 뿌리 체계 가운데 일부분이 매우 건조한 토양의 지역에 놓여 있으면, 물은 증산 견인과 유사한 높은 수분 포텐셜이나 압력 포텐셜에 의해 그 뿌리에서 빠져 나오게 힘이 가해진다. 이런 압력 포텐셜은 젖어 있는 토양에 위치한 뿌리에서 물을 끌어당긴다. 물이 식물의 뿌리 체계를 통하여 이동하여 더 건조한 토양에 있는 뿌리에서 스며나와 효과적으로 그 토양을 촉촉하게 만든다. 수압(또는 수문학적) 재분배라고 부르는 이러한 물의 이동은 주로 식물의 기공이 닫히고 근권의 촉촉한 부분에서 증산이 물을 놓고 경쟁하지 않는 야간에 발생한다. 

수압 승강이라 부르는 농업과 가장 크게 관련되는 수압 재분배의 형태에서, 물은 식물의 긴 원뿌리가 침투한 토양의 심층에서 끌어당겨져 곁뿌리가 차지한 지표면 근처의 토양에 재분배된다. 수압 승강은 인간의 먹을거리 대부분이 유래되는 어느 한해살이 식물에서도 발생한다고 알려져 있지 않지만, 농업생태계와는 관련이 있다(Liste and White 2008). 우기와 건기가 교대하는 반건조 지방에서, 작물은 수압 승강을 나타내는 토종 나무나 떨기나무와 함께 재배될 수 있다. 그러한 체게에서 떨기나무나 나무에 의해 지표면에 유입된 수분은 작물의 수확량을 크게 증가시키거나 작물의 풍작과 흉작 사이의 차이를 가져올 수 있다. 

토양 수분 가용성

물과 개개의 토양 입자 사이에서 작용하는 인력은 토양 수분이 식물에 의해 어떻게 유지되고 상실되며 이용되는지를 결정하는 중요한 역할을 담당한다. 이러한 힘을 이해하는 일은 토양 용액의 물리적, 화학적 특성과 토양의 액상 및 토양 입자 자체와는 별도로 용해된 용질을 살펴본다는 걸 의미한다.

토양에서 식물이 이용할 수 있는 수분의 비율은 전통적으로 토양 표본을 채취하여 그 무게를 측정하고, 105℃에서 토양을 24시간 동안 건조시킨 다음 그 건조 중량을 측정해 결정되었다. 건조하는 동안 상실된 수분의 양은 표본 건조 중량으로 나누어 백분율로 표시된 수치로 나타낸다. 

그러나 이 순서는 토양 입자에 대한 물의 접착이란 중요한 변수를 고려하지 않기 때문에, 실제로 토양에서 식물이 이용할 수 있는 물의 양을 측정하기에 적합하지 않다. 토양에서 점토와 유기물의 함량이 증가함에 따라, 물은 토양 입자에 더 강하게 끌리고 뿌리가 흡수하기에 더 어려워진다. 예를 들어 상추는 수분이 15%인 점토질 토양에서는 시들 수 있는 반면, 모래질 토양에서는 작물이 시들해지려면 수분이 6%까지 떨어질 수 있다.

물은 다른 것들과 비교하여 어떤 종류의 토양에 더 단단히 고정되기에, 토양 입자와 수분 사이의 인력을 더 잘 반영하는 수분 함량 백분율 이외의 또 다른 측정이 필요하다. 이 측정은 에너지의 측면에서 토양 수분을 표현함으로써 이루어진다. 물 분자가 토양 입자에 끌리는 힘인 토양의 수분 포텐셜은 1바가 해수면에서의 표준 기압(760mmHg 또는 1020cm의 물)과 같은 흡입 바bar로 표현된다. 이 방법은 토양 용액에서 물의 가용성을 측정하는 수단을 제공하며, 토양 입자의 크기와 유기물 함량에 의해 결정되는 다양한 인력을 고려한다. 

인력의 측면에서 수분 함량과 가용성을 설명하기 위해 여러 가지 특수한 용어가 사용된다. 이들은 다음과 같이 정의되며 그림9.2에 설명되어 있다.

그림9.2 토양 입자에 대한 인력에 따른 토양 수분. 쉽게 이용할 수 있는 물이 고갈되면 영구 시들음점에 도달한다. 농지 용수량은 중력수가 배수된 뒤에 남은 물의 양이다. 

·중력수는 중력의 영향만 받으며 토양 속으로, 토양을 통하여, 토양 밖으로 이동하는 물이다. 비나 관개 직후에이 물은 모든 대공극을 차지하면서 토양의 아래쪽으로 이동하기 시작한다.

·모세관 수는 토양의 미세공극을 채우고 0.3-31흡입 바의 힘으로 입자에 유지되는 물이다.

·부착수(Hygroscopic water)는 토양 입자에 가장 밀착되어 있는 물로서, 보통 31흡입 바 이상이다. 토양을 오븐 건조한 뒤 비화학적으로 결합된 나머지 물이 부착수이다. 

·수화수(Water of hydration)는 토양 입자와 화학적으로 결합된 물이다.

·유효수는 식물 뿌리에 쉽게 흡수되는 토양에 있는 물의 부분이다. 보통 0.3-15흡입 바 사이의 모세관 수이다.  

·농지 용수량은 중력이 아래쪽으로 끌어당겨 대공극의 중력수를 배수시킨 뒤에 토양에 남아 있는 수분으로, 적어도 토양 입자에 0.3흡입 바로 유지된 모세관 수로 미세공극을 채운 것이다.    

·영구 시들음점은 어둡고 습한 환경에 놓아도 식물이 시들고 회복되지 않는 토양의 수분 함량이다. 영구 시들음점은 보통 15흡입 바 미만으로 유지되는 모든 모세관 수가 토양에서 제거될 때 발생한다. 

모든 토양은 입자의 크기가 서로 다르게 혼합되어 있고 유기물 함량이 다양하며, 이런 특성이 보수력을 결정하기때문에, 물 관리 계획을 개발하는 일환으로 토양의 유형을 조사하는 게 중요하다. 대부분의 토양에서, 최적의 성장은 토양의 수분 함량이 농지 용수량 바로 아래로 유지될 때 일어난다. 최적 성장에 필요한 수분이 토양 수분 함량의 전체 범위에 미치지 못하는 것은 분명하다. 

식물의 토양 수분 흡수

식물이 증산하는 동안, 그들은 자신의 기공을 통해 상실한 상당량의 물을 끊임없이 대체해야 한다. 그러나 어느  순간에는 이용할 수 있는 토양수의 작은 비율만 실제로 물을 흡수하는 뿌리 표면에 가까이 있게 된다. 두 가지 과정이 이런 제한을 보완한다. 첫째, 물은 물의 모세관 이동을 통해 뿌리 표면으로 토양을 통해 수동적으로 끌어당겨진다. 둘째, 식물의 뿌리가 흡수하기에 충분한 수분이 있는 지역 쪽으로 토양 안에서 활발히 성장한다.  

물의 모세관 이동

식물이 그 뿌리를 통해 물을 흡수하여 증산을 통해 상실된 걸 대체하기 때문에, 뿌리와 맞닿은 지역의 토양 수분 함량이 감소된다. 이것이 그 지방에서 흡입 에너지를 증가시켜, 주변 토양으로부터 모든 방향에서 수분을 끌어당기는 경향이 있는 더 낮은 수분 포텐셜의 변화도를 만든다. 일반적으로 대부분의 물은 토양 단면에서 더 깊은 곳에서 끌어당겨지는데, 특히 지하수면이 지표면에 가까울수록 더욱 그러하다. 모세관 이동은 부분적으로 토양 입자 표면으로 물 분자를 끌어당기고, 물 분자가 서로를 끌어당기는 원인이 되기도 한다. 모세관 이동이 일어나는 속도는 물 부족의 강도와 토양의 유형에 따라 다르다. 대부분의 모래질 토양에서, 더 큰 크기의 입자가 물을 느슨하게 고정시키기 때문에 이동이 상당히 빠르다. 점토질이 많은 토양에서, 특히 떼알구조가 열악한 그런 토양에서는 이동이 훨씬 느리다. 

물은 모세관 작용을 통하여 하루에 몇 센티미터만 움직일 수 있다는 것이 입증되었다. 하지만 대부분의 뿌리 체계가 차지한 토양의 광대한 용적 때문에, 더 먼 거리로 이동할 필요는 아마 없을 것이다. 식물은 증산율이 매우 높더라도 모세관 이동을 통해 필요한 물의 상당 부분을 얻을 수 있다. 주간에 뿌리층과 맞닿은 곳에서 생성된 높아진 흡입 압력은 야간에는 더 낮은 흡입 압력의 지역으로부터 토양을 통한 물의 이동으로 대체된다. 토양의 수분 함량이 심각하게 고갈되고 식물의 성장이 느려질 때 그러한 이동이 가장 중요한 시기이다. 적절하지 않은 수분이 주변 토양에 존재하면, 식물은 영구 시들음점에 도달한다. 

토양 속으로 확장하는 뿌리

식물은 지속적으로 뿌리를 토양 속으로 확장시켜 새로운 위치에 토양과 뿌리의 접촉이 확립되도록 한다. 뿌리와 잔뿌리, 뿌리털은 모두 토양-뿌리 접속의 광범위한 네트워크를 형성하고자 결합된다. 지속적인 뿌리의 침투와 뿌리 네트워크의 많은 양에도 불구하고, 어느 시기에 식물의 뿌리와 접촉하는 어떤 특정한 토양의 총량은 매우 적다. 대부분의 추산에 의하면, 식물의 뿌리가 차지하는 토양의 부피 안에서 총 토양 입자의 면적은 1% 미만이 실제로 뿌리 표면과 접촉하고 있다. 이 사실은 물의 모세관 이동의 중요성과 물 이동과 뿌리 확장의 상보성을 강조한다. 

대개의 한해살이 식물은 토양 상부의 25-30cm 안에 뿌리의 대부분을 분포시키고, 그 결과 그 층에서 물의 대부분을 흡수한다. 포도와 과수 같은 많은 여러해살이 식물은 훨씬 더 깊게 뻗는 뿌리가 있어 더 깊숙한 토양 단면에서 수분을 끌어당길 수 있다. 하지만 이들 식물조차 가능하면 -영농철의 일반적인 상황- 상부의 층에서 뿌리가 흡수하는 물에 크게 의존할 것이다. 물이 충분하지 않으면, 호박과 옥수수 같은 한해살이 식물조차 증산으로 인한 상실을 대체하고자 더 깊은 뿌리에 의존할 것이다. 

토양 수분과 식물의 물 수요 사이의 관계는 토양의 조건, 강우량 또는 관개 상황 및 작물의 요구 사이의 복잡한 상호작용의 결과이다. 농민들은 영농철 동안 이런 구성요소들 사이의 균형을 유지하고자 노력하지만, 때로는 토양 수분의 초과나 결핍 쪽으로 균형이 치우치는 사건이나 조건이 발생하곤 한다. 

토양의 과다한 물

과도한 물이 장기간 농업생태계에 존재하거나 체계의 밖으로 과도한 물이 이동하는 게 방해를 받을 때, 침수라 알려진 조건이 발생할 수 있다. 많은 강우량, 열악한 관개 관리, 좋지 않은 지형, 빈약한 지표면 물빠짐 등이 침수를 불러오고, 토양 생태계에 그와 관련된 변화를 일으킬 수 있다. 침수된 토양은 강기슭의 퇴적물부터 습지와 늪지, 토탄 늪에 이르기까지 다양하며 전 세계에 걸쳐 발생한다. 계절에 따라 범람하는 곳이라면 물빠짐이 좋은 토양이라도 침수 기간을 겪을 수 있다(그림9.3).

그림9.3 멕시코 타바스코에서 침수로 피해를 입은 옥수수. 과도한 토양 수분은 작물의 생육을 방해하거나 죽이기까지 하는 조건을 만든다.

침수는 전 세계의 농업 체계가 과도한 물을 처리하는 방법을 개발시킬 만큼 빈번하고 널리 발생한다. 최근에는 비용이 많이 드는 배수 시설과 댐 건설이 연루되었다. 이와 대조적으로, 더 단순하고 전통적인 기술은 과도한 물을 제거한다기보다는 오히려 그런 조건에서 작용하는 걸 목표로 한다. 예를 들어, 세계의 여러 습한 지역에서 벼는 습지 농업에 이상적으로 적합한 작물로 재배된다. 

과도한 물의 악영향

공기가 토양 입자들 사이의 공극을 채우는 토양에서는 산소 확산이 빠르고, 생태학적 과정(즉, 뿌리의 대사 및 분해자의 활동)에 대한 O2의 결핍이 거의 없다. 하지만 공극이 물로 채워지거나 포화되면, 산소의 확산율은 매우 감소한다. 포화된 토양에서 산소의 이동은 통기성이 좋은 토양에서의 그것보다 1/1000 이하일 수 있다. 산소의 부족은 뿌리 세포의 호흡을 심각하게 제한하고, 혐기성 미생물의 개체군을 형성시켜 화학적 환원 조건을 조성한다. 

침수된 토양에서 가스 교환 속도가 저하되면 이산화탄소와 기타 가스가 축적된다. 이산화탄소는 뿌리 부분처럼 호흡이 일어나는 모든 곳에 축적되어, 필요한 산소를 대신하고 여러 대사 과정을 제한한다. 기타 가스는 똑같은 조건에서 축적되기 시작한다. 예를 들어, 메탄과 에틸렌은 유기물의 혐기성 분해로 인해 독성 수분까지 증가할 수 있다. 혐기성 유기물 분해의 식물 독성 수용성 분해 산물도 축적되어, 벼 생산 체계에서조차 그 문제점이 지적되고 있다(Chou 1990).

제한된 산소 공급이란 조건에서, 많은 토양 미생물은 자신의 호흡 산화를 위하여 산소 이외의 전자 수용체를 사용한다. 그 결과 수많은 화합물이 화학적 환원 상태로 전환되어 산소가 상실되고 수소가 생성된다. 이는 차례로 토양의 산화-환원(산화 환원 반응) 전위에 불균형을 일으키는데, 이는 전자를 받거나 공급하기 위한 토양의 전위로 측정된다. 제1철과 2가망간 이온(제2철이나 망간보다는)은 환원 조건에서 독성 수준까지 증가한다. 

호흡을 위한 산소 공급원으로 질산염을 사용할 수 있는 어떤 혐기 저항성 미생물은 N2 가스 또는 독성 수준의 아산화질소(N2O)를 유리시킴으로써 탈질소 작용을 유발한다. 암모니아 역시 범람 이후에 증가할 수 있는데, 이는 유기물의 혐기성 분해 때문일 것이다. 게다가 혐기성 활동은 황산염을 익숙한 썩은 달걀의 황화수소(H2S) 냄새가 나는 식물 독성 용해성 황하물로 환원시킨다. 

이전에 설명했던 각각의 조건은 단독으로, 또는 어떤 조합으로 식물의 발달을 제한하게 될 수 있다. 이들 조건으로 식물이 약해지면 특히 뿌리층에서 질병에 더 취약해진다. 범람의 시기도 중요하다. 과도한 토양수 조건에 의한 작물의 부정적 영향에 대한 민감성은 침수가 발생했을 때의 작물의 발달 단계에 따라 달라질 수 있다. 그림9.4의 자료는 침수가 침수된 시기에 따라 다른 방식으로 작물의 성장, 발달, 수확량에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 보여준다.  

그림9.4 동부(Vigna unguiculata) 수확량의 구성요소에 대한 침수 시기의 영향. (Minchin, F.R. et al., J. Agric. Sci., 90, 355, 1978.의 자료)

배수 체계 

배수 체계는 습지 지역을 농업에 더 도움이 되도록 만들고, 과도한 물이나 잦은 홍수가 일어나는 지역에서 우선 간단히 농사를 가능하게 하기 위해 오랫동안 사용되어 왔다. 배수 체계는 저지대가 범람하는 걸 막거나(물을 퍼내거나 증발에 의해 물을 제거한 뒤)지하수면을 낮추어 토양 생태계가 호기성을 유지할 수 있게 하는 제방, 운하,도랑 체계의 건설을 수반한다. 

배수 체계는 2000년 전 로마와 중국의 농민들이 사용해 왔다. 중국의 양쯔강 계곡과 네덜란드의 저지대, 캘리포니아의 삼각주 지역 대부분은 복잡한 배수 체계 없이는 농사지을 수 없었을 것이다. 최근에는 특별한 도랑 파는 기계로 설치할 수 있는 구멍이 뚫린 플라스틱 파이프를 사용하는 지하의 배수 체계가 개발되며 토양 수분을 더 엄격히 통제할 수 있게 되었다. 

하지만 배수 체계는 댓가가 따랐다. 설치와 유지의 경제적 비용 외에도, 배수 체계는 생태학적 비용이 든다. 제거된 물은 양분과 퇴적물이 들어 있어 체계에서 상실되면 대체되어야 한다. 강수량이 변하기 쉬운 지역에서 과도한배수는 건조한 해에 가뭄 피해를 높일 수 있다. 농사철에 증발산량이 많고 배수가 널리 사용되는 일부 지역에서는 배수한 물의 처분 자체가 문제가 될 수 있는데, 특히 잔류농약과 염분 부하가 높아 주변의 자연 생태계를 손상시킬 수 있다. 

습지 적응형 작물

홍수를 배수 체계나 기타 기반시설로 해결해야 할 문제로 처리하는 대신에, 적응을 통해 작물을 재배할 기회로 간주하며 침수를 용인할 수도 있다. 벼(Oryza sativa)은 아마 그러한 작물 가운데 가장 잘 알려진 사례일 것이다.원래 수생 또는 습지대 식물이었던 벼는 습한 서식지에서 번성하는 작물로 재배되어 왔다. 그것의 적응은 공기가 뿌리로 퍼지게 하는 줄기에 있는 특별한 공기 공간 조직과 낮은 산소 농도라는 조건에서도 성장할 수 있는 뿌리, 근권에 있는 적갈색 수산화3가철로 제1철 이온을 산화시키기 때문에 산화 화원 전위가 높은 토양에서 견딜 수 있는 능력, 낮은 산소 요구량으로 인하여 수중에서도 발아하게 되는 종자 등이 포함된다. 다른 작물들은 완전히 습지에 적응하는 건 아니지만, 주기적인 범람을 견딜 수 있는 적응력을 지니고 있다. 예를 들어, 토란(Colocasia esculenta)은 볼록한 알줄기 같은 잎 아래쪽에 산소를 저장할 수 있어 범람에 견딜 수 있다. 

과도한 토양수에 대한 농업생태계 차원의 적응

과도한 물에 대처하기 위하여 농생태학의 초점이 적용될 때, 중간의 접근법이 취해지곤 한다. 물을 제거하거나 습지 적응형 작물로 생산을 제한하기보다는, 다양한 수단을 통하여 지형의 변화가 만들어져 두둑, 토단 또는 지하수면이나 전형적인 높은 수위 위에 토양이 놓여 있는 농지를 형성한다. 

전 세계의 여러 지방에서 사용되는 전통적 방법으로, 토양을 파서 두둑을 높여 쌓고 그 과정에서 운하나 도랑이 형성되는 것이 있다(그림9.5). 운하는 과도한 물을 배수하고, 침식성 퇴적물과 유기물을 포착해 보유하는 역할을한다. 어떤 경우에 운하는 어류의 생산도 가능하게 한다. 건기가 길어진 지역에서 그 체계를 설치하면, 지하수면에서 위로 향하는 물의 모세관 이동이 작물을 유지하기에 충분해질 수 있거나 관개용수를 근처의 운하에서 끌어올 수 있다. 그러한 체계의 사례로는 중국 남부의 주장강 삼각주의 연못-제방 체계와 네덜란드의 운하-농지 체계가 포함된다. 또 다른 사례로, 멕시코 틀락스칼라의 camellone-도랑은 지역의 우기의 범람 상황에 대한 적응으로써 6장에서 상세히 논의되었다. 이들 농업생태계의 대부분은 성공적으로 관리된 오랜 역사를 지니고 있다.

그림9.5 멕시코 타바스코의 습지에서 높임 두둑 농사 체계를 조성하기. 옆쪽 고랑에서 파낸 토양은 높여서 파종을 위한 표면을 만들기 위해 폐기한 사탕수수 섬유질과 함께 쌓는다. 

습지에서 농사지을 수 있는 토양을 만드는 데 활용된 또 다른 전략은 인근 지역에서 암석과 토양, 우물 정 자로 쌓는 재료를 사용하여 얕은 호수 바닥에 토단을 구축하고, 이들 기반의 꼭대기에 호수 바닥의 퇴적물과 식물 부스러기를 쌓아 올리는 것이다. 이런 유형의 체계 사례는 멕시코 계곡의 얕은 호수에서 스페인 침략 이전 시기에 개발된 치남파스chinampas이다.  

토양수의 결핍

증발산을 통해 토양에서 상실된 수분의 비율이 강우나 관개를 통한 투입보다 더 클 때, 식물은 고통을 받기 시작한다. 증발은 토양 상부의 15-25츠에서 물 공급을 격감시키고, 토양에 있는 식물의 뿌리 특성 및 증산 속도에 따라 식물이 증산을 통해 대기로 물을 상실하기에 고갈이 더 깊은 곳까지 연장될 수 있다. 수분이 토양에서 고갈됨에 따라, 지표면 근처의 토양 온도가 상승하기 시작해 증발 속도가 훨씬 빨라진다. 토양 입자에 보유된 쉽게 이용할 수 있는 물이 이러한 과정을 통해 고갈되면, 토양 수분의 수준은 식물이 낮에 일시적으로 시드는 지점까지 떨어질 수 있다. 

일시적인 시들음이 지속적으로 발생하면, 잎이 노래지기 시작하고 성장과 발달은 대체로 지연된다. 잎은 더 천천히 확대되고, 더 작아지며, 더 일찍 노화된다. 스트레스를 받은 잎에서 광합성률이 떨어지고, 더 많은 양의 동화된 광합성 산물이 식물의 뿌리에 저장된다. 작물의 생산이란 관점에서 볼 때, 그러한 반응은 수확할 수 있는 산물을 감소시키기 때문에 부정적이다. 게다가 토양 수분이 가뭄 스트레스 반응이 반복적으로 발생할 만큼 낮으면, 흉작이 최종 결과일 수 있다. 

생태학적 관점에서, 가뭄 스트레스 반응은 식물에게 어떤 적응력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 물 스트레스를 받은 식물의 뿌리에 더 많은 탄소를 배분하면 더 많은 뿌리의 성장이 촉진될 수 있어, 식물이 더 넓은 지역에서 수분을 끌어당길 수 있게 된다. 물 스트레스는 종의 생존을 보장하는 데 도움이 되는 조기 개화, 결실 및 종자 형성을 하게 만들 수 있다. 경우에 따라서 늦여름에 면화 식물의 잎을 말려 수확 전에 고엽제를 뿌리지 않아도 되도록물을 주지 않을 때처럼, 농민은 그러한 가뭄 반응을 실제로 활용할 수 있다. 

많은 식물은 물 스트레스를 받는 조건에서 생존을 돕는 특정한 구조나 대사 경로를 가지고 있다. 주기적으로 물 스트레스를 겪는 지역의 농민들은 이러한 적응 형질의 일부를 나타내는 작물 종과 품종을 잘 찾는다. 가뭄 저항성 작물의 일부 사례로는 특정 선인장 종과 가르반조 콩, 참깨, 피스타치오 같은 견과류 및 올리브와 대추야자 같은특정 뿌리가 깊은 여러해살이 식물이 있다(그림9.6).

그림9.6 스페인 안달루시아의 건지 농장의 올리브. 이 뿌리가 깊게 뻗는 여러해살이 작물은 제한된 강우량과 관개가 어려운 지방에 잘 어울린다. 

관개의 생태학

자연 생태계에서 식생은 기후와 토양 유형에 의해 설정된 토양 수분 상황에 적응한다. 반면, 농업생태계는 그러한 수요를 공급할 수 있는 자연 생태계의 능력을 초과하는 물 수요를 지닌 식물을 도입하곤 한다. 이러한 경우, 관개가 작물에 적절한 토양 수분을 제공하기 위해 사용된다.  

관개는 생태계 기능에 주요한 변화를 나타내며, 특유의 생태학적 문제를 야기한다. 그와 함께, 물 공급 체계는 비용과 에너지의 측면에서 손실이 크다. 장기적인 지속가능성을 달성하려면, 이들의 사용은 생태학적, 경제적 비용에서 균형을 이루어야 한다. 

집수, 저장, 송수 체계는 지표수와 지하수의 흐름에 큰 영향을 미칠 수 있다. 대수층을 과도하게 사용할 수 있으며, 강과 강변, 습지의 생태계는 심각하게 손상될 수 있다. 건강한 수로와 물 공급을 유지하는 일은 수익성 있는 작물 생산을 유지하는 것만큼 중요하기 때문에, 지역과 지방의 수문학에 대한 물 공급 체계의 영향을 고려해야 한다(Postel 2010). 

염분 축적

거의 모든 관개용수에는 축적된다면 작물을 손상시킬 수 있는 염분이 함유되어 있다. 관개는 주로 증발산 잠재력이 높은 지역에서 활용되기에, 시간이 지남에 따라 토양 표면에 퇴적되는 염분을 어쩔 수 없다. 통제되지 않으면 염류집적이라 하여 이것이 축적되어, 특히 염분에 붕소와 셀렌 같은 독성 미량요소가 함유되어 있을 때 작물 생산에 바람직하지 않은 수준에 이를 수 있다(그림9.8). 총 염분 함량은 모mho 단위의 전기 전도도로 측정된다. 적용된 관개용수의 1.0mmho/cm당 물의 염분 함량은 약 640ppm 정도 증가한다. 유입되는 관개용수의 염분을 분석하는 것과 함께 관개되는 토양의 염분 수준을 면밀히 관찰하면 과도하게 축적되는 걸 피할 수 있다. 

그림9.8 중부 캘리포니아에 있는 Kesterson 근처에서 염분이 축적되어 손상된 토지. 관개용수가 주변 농경지에서 배수되면서 증발하여 토양에 독성 염분을 남겼다(사진 출처 Roberta Jaffe).

대부분의 관개 체계에서 필연적으로 축적되는 염분 때문에, 장기간의 지속가능성은 축적된 염분을 토양의 상층에서 제거하는 자연적이거나 인공적인 적절한 배수 없이는 이루어질 수 없다. 강우는 주요한 자연적 침출제이다. 강수량이 충분하지 않으면, 앞서 설명한 것처럼 배수로, 도랑, 운하 같은 체계를 구축해야 한다. 염분을 용해시키기 위해 과도한 관개용수를 주기적으로 적용시켜, 염분이 가득한 물이 생산적인 뿌리층 아래로 침출되거나 농지에서 지표 배수를 통해 제거된다. 

증발산이 많고 관개용수가 감지할 수 있을 만큼 염분 부하가 큰 건조한 지역에서 농업을 행하는 자연스런 결과는농업생태계를 떠나는 물이 적용된 물보다 염분 농도가 더 높아진다는 점이다. 그러므로 유출되는 지역의 토양, 지하수 또는 지표수 체계에 염화가 일어나지 않도록 주의해야 한다. 

생태학적 변화

보통 1년 중 건조한 기간 동안 농업 지역으로 관개용수를 도입하는 건 자연의 생태주기와 이로운 유기체와 해로운 유기체 모두의 생활주기에 중대한 영향을 미칠 수 있다. 자연의 조건에서, 계절에 따른 가뭄은 병해충의 축적을 줄이기 위한 매우 중요한 수단이었을 수 있으며, 다른 지역에서는 서리나 범람이 이들 유기체의 생활주기를 방해하는 역할을 했을 것이다. 이 자연적 방제 메커니즘의 상실은 발생과 인위적인 방제 전략에 대한 저항성 증가의 측면에서 심각한 결과를 불러올 수 있다. 

자연히 건조한 지역으로 관개를 도입하여 생길 수 있는 또 다른 유형의 변화는 지표수 저장 지역이나 물이 적용되는 농경지에서 일어나는 증발량이 증가하여 지역 또는 지방에 생기는 기후변화이다. 대기에 증가한 습도는 병해충 문제의 증가와 연관될 수 있고, 또한 강수의 분포와 양에 생기는 변화와 관련될 수도 있다. 농경지 외부에 미치는 관개의 효과는 지속가능성의 더 큰 맥락이 적용될 때 농경지에서 일어나는 효과와 함께 고려되어야 한다.  

수자원의 최적화된 이용

토양 수분은 토양에서 나오는 물이 작물을 거치는 주요한 경로를 보장하도록 설계된 농업생태계에서 최적으로 관리된다. 그러므로 관리의 초점은 증발을 줄이고 증산을 통한 흐름을 증가시키는 데에 있다. 특히 민물의 가용성과 그 관리가 인류가 직면하고 있는 가장 중요한 문제 가운데 두 가지가 되고 있기에, 이러한 차등을 두는 물 이동을 북돋는 농법이 지속가능성의 중요한 구성요소이다. 

물 이용의 효율성

주어진 물의 양을 가지고 식물이 생산한 바이오매스는 농업생태계에 적용되는 물 이용의 효율성을 재는 척도로 활용될 수 있다. 이 효율성이 증산된 물의 단위당 생산된 건조물로 표현될 때 이를 증산(T) 효율이라 하며, 토양 표면에서의 증발과 증산을 통하여 상실된 물의 단위당 생산된 건조물을 기준으로 계산할 때 이를 증발산 효율이라 한다. 

증산 효율

식물은 상대적 증산 효율이 서로 다르며, 실제 증산 효율은 작물이 자라고 있는 곳의 조건에 달려 있다. 자료에 의하면 옥수수와수수, 조 같은 작물은 건조물 1kg을 생산하기 위해 물을 덜 사용하기 때문에, 상대적으로 높은 증산 효율을 가진다. 이와 대조적으로 자주개자리 같은 콩과식물은 낮은 증산 효율을 가지며, 생산된 건조물 킬로그램당 많은 수분 투입에 의존한다. 대부분의 곡식과 채소 작물은 중간이다. 여러 중요한 작물들의 평균 증산 효율은 표9.9에 나와 있다.

그림9.9 다양한 작물의 평균 증산 효율. 평균값은 전 세계 여러 곳에서 Lyon et al. (1952)가 수집한 자료에서 계산되었다.  

작물이 성숙하려면 많은 양의 물이 필요하다. 예를 들어, 건조물 10,000kg/ha를 함유하고 350의 증산 비율을 가지고 있는 옥수수라는 대표적인 작물은 토양에서 1헥타르당 35cm의 물과 똑같은 양을 끌어올 것이다. 이 수분은 식물이 그걸 필요로 하는 시기에 토양에 있어야 하고, 그렇지 않으면 성장하기 어려워진다. 이 수치에 증발 상실을 더하면, 수분이 제한된 지방에서 수분이 어떻게 생산에 가장 중요한 요인이 되는지 볼 수 있다.

작물의 증산 효율을 높이는 육종에 초점을 맞춘 연구는 증산 효율의 비율을 유의미하게 변경시키는 데 거의 성공하지 못했다(Sinclair 2012). 다른 조건들이 제한되어 있지 않으면, 주어진 기후에서 작물 종 또는 품종의 건조물 단위를 생산하는 데 필요한 물의 양은 상대적으로 일정하다. 광합성률과 식물 내부의 물 흐름에 대한 제한 같은 더욱 다양한 생리학적 변수를 집중적으로 연구해야 한다. 하지만 전반적으로 증산 효율을 변경하는 데 성공하지 못했다는 건 우리가 토양 표면으로부터 증발의 통제 같은 환경 변수의 관리에 계속 초점을 맞추어야 한다는 걸 시사한다. 

증발산 효율

토양 자체는 매우 다양하기에, 증발산 효율도 너무나 다양하다. 그러나 토양에서의 증발에 영향을 미치는 토양과작물의 관리법을 변화시킴으로써 다음과 같이 증발산 효율의 바람직한 변화를 쉽게 얻을 수 있다. 이상적으로 증발 물 상실량에 대한 증산 물 상실량의 비율은 가능하면 높아야 한다. 증발에 대한 더 높은 증산 비율은 식물을 통한 물의 이동이 더 많다는 걸 가리키고, 따라서 사용된 물의 단위당 식물의 바이오매스 생산 잠재력이 더 높다.지속가능한 물 관리는 증산 및 관련된 식물의 성장 및 발달 과정을 위해 더 많은 수분을 보유하도록 증발을 줄이는 데 가장 중점을 둔다. 

증발산의 관리

증산은 식물이 정상적으로 자라고 있는 경우에만 작은 통제를 받는 식물의 과정이기에, 식물이 자라는 방식을 관리함으로써 증발 상실량을 줄이는 데 초점을 맞추는 것이 가장 좋다. 

작물 선택과 농업생태계 설계

식물 종과 농사 시기의 선택은 증산과 증발산 효율 모두에 영향을 줄 수 있다. 옥수수나 수수 같은 물 수요가 덜 강한 작물을 선택하는 건, 증발산이 매우 높고 관개용수가 제한된 지역에서는 토양 수분을 관리하기 위한 좋은 전략의 하나이다. 또한 더 물 집약적인 작물의 재배를 수분 상실 잠재력이 더 낮은 좀 더 시원한 시기로 전환하는것이 유용할 수도 있다. 

더 많은 식생의 덮개는 증발을 극적으로 감소시킬 수 있다. 더 많은 덮개를 얻는 한 가지 방법은 사이짓기 기술을활용하는 것이다. 예를 들어 숲 플랜테이션은 토양 표면에 그늘을 드리우는 반면, 나무가 넓게 떨어져 있는 사과 과수원은 토양 표면이 노출되어 훨씬 더 증발이 일어난다. 하지만 식물 덮개의 증가(더 높은 잎면적 지수)는 더 낮은 증발율이 훨씬 높은 증산률로 상쇄될 수 있어 토양의 수분 저장량이 더 빠르게 소모되기에, 더 건조한 지방에서는 골칫거리가 될 수도 있다.

휴경

미국의 대평원과 호주 남동부의 밀 지대 같은 수분이 제한된 세계의 일부에서, 농민은 토양 수분을 보존하기 위하여 때때로 1년의 농사와 이듬해의 휴경을 번갈아 한다. 휴경하는 동안 작물로 인한 증산 상실을 제거해 농사짓는 해를 위해 토양 수분을 저장하게 된다. 이전 작물에서 나온 밑동은 보통 증발 상실을 제한하고자 휴경하는 동안 토양 표면에 남겨 놓으며, 어떤 종류의 토양 경운이나 제초제 처리가 잡초의 증산 상실을 최소화하고자 휴경하는 동안 사용된다. 그렇지 않으면 목초를 농사짓는 해가 끝날 무렵에 뿌리고, 휴경하는 동안에는 방목되는 덮개로 남겨 놓는다. 휴경하는 해의 적은 강우량이 농사짓는 해의 작물 수확량을 더 낮출 수 있지만, 휴경을 1년 한뒤에 심는 작물은 일반적으로 휴경 없이 심은 것보다 수확량이 더 많다. 사실, 재충전에 충분한 강우량이 휴경하는 동안 내리기만 하면, 농사짓는 해가 가뭄이 든 해가 되어도 흉작의 위험이 훨씬 덜하다(그림9.10).

그림9.10 호주의 밀 농장에서 양을 방목하는 휴경지. 양은 수분을 사용하는 풀을 방제하고, 휴경하는 동안 환금작물로 쓰인다. 휴경하는 동안 얻은 토양 수분은 이듬해 농사짓는 해의 강우량과 결합되어 성공적으로 밀을 수확하게 한다. 비정상적으로 많은 비가 올 때를 제외하고 휴경 없이 밀을 해마다 연이어 생산할 수는 없다. (사진 제공 David Dumaresq)

지표면의 증발 관리

토양 표면에서의 직접적인 증발은 보통 강수로 얻은 수분의 절반 이상을 대기로 되돌려준다. 이러한 증발 상실의정도는 건조한 지방 만이 아니라, 관개가 되는 건조지와 하늘바라기 습한 지방에서도 발생한다. 기타 요소들에 따라, 식물 성장은 지표면 증발을 통한 수분 상실의 결과로 어려움을 겪을 수도 있다. 토양을 덮는 모든 농법이 증발 상실의 감소를 도울 것이다.

유기물 덮개

증발을 감소시키기 위하여(그리고 잡초의 성장과 그 증산 상실을 줄이기 위하여) 덮개로 토양의 표면을 덮는 데 다양한 식물성 및 동물성 재료를 사용할 수 있다. 보통 활용되는 재료는 톱밥, 낙엽, 짚, 퇴비화된 농업 폐기물, 똥거름, 작물 잔여물이 포함된다. 덮개는 수분 상실에 대한 매우 효과적인 장벽을 제공하고, 집약적인 텃밭과 소농 체계 또는 딸기, 블랙베리 및 기타 과수 작물 같은 고부가가치 작물에 특별히 적용하게 된다. 덮개는 작부체계가 경운을 드물게 하거나 주로 손 제초에 의존할 때 가장 잘 작용한다. 

덮개 덮기는 토양수 관리를 위해 실행할 만한 선택지를 제공하지만, 그와 함께 여러 다른 이로운 효과도 있다. 토양을 침식으로부터 보호하고, 토양으로 유기물과 양분을 되돌리며, 표면 반사율(알베도)을 변경하고, 가스 확산을 위한 경계층을 증가시키며, 들어온 강우량이 더 잘 침투되도록 한다. 이 모든 요소가 상호작용한다(그림9.11,9.12).

그림9.11 멕시코 타바스코에서 고추의 열 사이에 덮은 부레옥잠 덮개.

그림9.12 캘리포니아 아로마 근처에서 딸기 두둑 위에 덮은 레드우드 껍질.

인공물 덮개

특수하게 제조된 다양한 종이와 플라스틱이 현재 덮개로 활용되고 있다. 이런 재료는 쉽게 펼쳐지고 토양 표면에단단히 고정될 수 있다. 이들 "덮개"는 파종 두둑 위에 직접 펼치고, 째거나 구멍에 작물을 심을 수 있다. 수분 상실이 크게 감소하고 작물 수확량이 매우 증가한다. 어떤 플라스틱은 집중적인 온실효과도 제공하여, 토양 온도를몇 도나 올린다. 이는 캘리포니아 연안의 딸기처럼 연중 더 서늘한 시기에 심는 작물에 매우 중요한 혜택이다(그림9.13).

그림9.13 캘리포니아 연안에 있는 딸기 두둑의 비닐 덮개. 비닐은 작은 딸기 모종을 옮겨심은 뒤에 적용되고, 비닐을 째서 식물이 그를 통해 성장하게 한다.

작물 잔여물과 경운의 감소

토양의 표면에 농사철에 나온 잔여물을 많이 남겨 놓으면 증발을 더 낮추는 방호벽이 만들어진다. 잔여물 덮개는토양 표면에서 경계층을 보호하고, 지표면으로 향하는 물의 모세관 흐름에 대한 장벽을 제공한다. 덮개 장벽으로생성되는 더 낮은 온도는 아마 증발을 감소시키는 데에도 도움이 될 것이다. 

경운 감소와 무경운 기술은 덮개로 작물 잔여물을 활용하는 것과 결합되곤 한다. 대부분의 경운 감소 체계가 지향하는 주요한 목표는 표면에서의 증발 상실을 감소시키기 위하여 더 큰 토양 덮개를 발달시키는 일이다. 무경운체계에서, 종자는 풀밭이나 이전 작물의 잔여물 아래에 쟁기질이나 로터리 없이 직접 심어져, 식물성 재료가 증발 상실의 장벽으로 남아 있게 한다. 밑동 덮개 덮기는 충분한 토양 덮개를 제공하기 위해 이전 작물이 많은 바이오매스를 생산하는 아습윤과 반건조 지역에서 일반적 농법이다. 잔여물은 썰거나 베어져 표면 위로 골고루 뿌린 다음, 덮개를 관통할 수 있는 특별한 경운기를 뒷그루 작물을 심는 데 사용한다. 토양 수분에 긍정적 영향을 미침에도 불구하고, 경운 감소 체계는 결점이 잠재되어 있다. 여기에는 잡초 관리를 위한 제초제에 대한 의존도 증가, 작물 잔여물로 인한 토양 병원균의 증강 및 더 복잡하고 값비싼 농기계의 필요성이 포함된다.

토양 덮개

토양 표면에 있는 건조한 토양층을 경운하여 만들어지는 먼지 덮개라고도 불리는 천연의 토양 덮개는 우기와 건기 사이에 뚜렷한 구분이 있는 지방에서 수분을 보존할 수 있다. 이 건조층은 지표면으로 향하는 물의 모세관 흐름을 부수고, 그것을 만드는 과정은 건조층 아래의 수분을 이용하고 증산 상실을 증가시킬 수 있는 잡초를 제거한다. 그러나 이들 혜택은 경운 비용의 증가, 비바람에 의한 토양침식 위협 증가, 건조층에서의 유기물 상실 같은 잠재적인 부정적 영향을 비교하고 검토해야 한다.

앞으로의 연구

지속가능성이 주요한 목표인 경우, 토양에 있는 수분을 관리해서 작물이 최상의 성장과 발달을 유지하는 데 필요한 최적의 상태에 가깝게 최대한 유지한다. 이는 물이 과다하면 단순히 그를 제거하고, 또 물이 부족하면 추가하는 것 이상을 의미한다. 지속가능성은 토양에서와 식물-토양의 접점에서 물이 어떻게 기능하는지에 대한 심층적 이해가 필요하다. 물을 흡수하는 것과 식물 바이오매스로 그것이 전환되는 효율은 농업생태계의 지속가능성에 대한 하나의 지표가 될 수 있다. 물 관리 전략의 개발과 실험이 더욱 필요한데, 특히 물이 들어와서 농장을 통하여 지나간 뒤 결국 돌아오는 주변 환경과 연결하는 더 큰 순환과 패턴의 맥락에서 물을 바라보는 전략이 필요하다. 

생각거리

1. 강우량이 부족한 지역에서, 작물 생산에 필요한 토양 수분의 부족은 두 가지 방식으로 처리될 수 있다. (1) 낮은 수준의 수분에 적응한 작물이나 작물을 개발하는 일, 또는 (2) 물 부족을 극복하기 위해 관개를 도입하는 일. 각각의 방법이 지닌 장점과 단점은 무엇인가?

2. 농민들이 관개를 사용하는 일의 후속효과에 대해 자각해야 하는 이유는 무엇인가?

3. 토양에 수분 스트레스를 유발할 만큼 오랜 기간 강우가 없는 기간이나, 토양 생태계에서 혐기 생활이란 제한 조건이 생성될 만큼 오래 침수되는 기간은 작물 손실을 일으킬 수도 있지만 해충의 개체군과 질병을 통제하는 데에 도움이 된다. 이런 자연의 사건이 특정 토양 체계에서 제거되면, 어떠한 해충 및 질병 관리 전략을 그 대안으로 활용할 수 있는가?

4. 도시 지방과 농생태계 사이의 물에 대한 경쟁은 어떻게 자연 생태계에 영향을 미치고 있는가? 어떻게 세 곳 모두의 물 수요에 균형을 이룰 수 있는가? 어떻게 기후변화가 당신의 지역에서 물의 사용에 영향을 미치는가? 

인터넷 자료

AQUASTAT

http://www.fao.org/nr/aquastat

AQUASTAT is the global water information system of the United Nations’ Food and Agriculture Organization (FAO).

Global Water Policy Project 

http://www.globalwaterpolicy.org

International Water Management Institute 

http://www.iwmi.cgiar.org

The Nature Conservancy Rivers and Lakes Initiative 

http://www.nature.org/ourinitiatives/habitats/riverslakes/threat simpacts/rivers-and-lakes-promoting-sustainable-agricul tural-practices.xml

The TNC’s site for programs linking the protection of lakes and rivers with the maintenance of agricultural productivity and sustainability.

읽을거리

Ali, H. 2010. Fundamentals of Irrigation and on-Farm Water Management. Springer: New York. 

A thorough technical approach for understanding irrigation systems, plant–soil water relationships, and agricultural water management. 

Brady, N. C. and R. R. Weil. 2007. The Nature and Properties of Soils, 14th edn. Prentice Hall: Upper Saddle River, NJ. 

The most recent edition of this comprehensive soils textbook, with an extensive section on how water functions in the soil ecosystem. 

Ehlers, W. and M. Goss. 2003. Water Dynamics in Plant Production. CABI: Cambridge, MA. 

Explains the basic principles of water transport, taking into account soil–plant–atmosphere interactions, and their use in soil and agricultural management. 

Essington, M. E. 2003. Soil and Water Chemistry: An Integrative Approach. CRC Press: Boca Raton, FL. 

This book balances agricultural and environmental perspectives in its analysis of the chemical properties and processes that affect organic and inorganic substances in soil and soil water. 

Kirkham, M. B. 2004. Principles of Soil and Plant Water Relations. Academic Press: London, U.K. 

Explores the methods used to measure the status of water in soil and plants, including details on instruments and basic sampling methods. 

Lal, R. and M. K. Shuk (eds.). 2004. Principles of Soil Physics. Taylor & Francis Group: New York. 

This book analyzes the impact of the physical and hydrological properties and processes of soil on agricultural production, the environment, and sustainable use of natural resources. 

Postel, S. 2008. The missing piece: A water ethic. The American Prospect, Special Report: The Global Freshwater Crisis, June 2008. 

An in-depth look into the issues and challenges facing the United States as it tries to establish a sustainable water management policy. 

Singer, M. J. and D. J. Munns. 2006. Soils: An Introduction, 6th edn. Prentice-Hall: Upper Saddle River, NJ. 

A very useful introductory text on soils, with a very good treatment of the management of the soil–water interface. 

Sparks, D. L. 2011. Environmental Soil Chemistry, 3rd edn. Academic Press: San Diego, CA. 

This book illustrates fundamental principles of soil chemistry, and the interactions of soil with other important environmental factors and materials.

International Institute for Rural Reconstruction (IIRR) 

how-much-water-is-needed-to-feed-the-world-low.pdf

농업이 직면하고 있는 주요한 문제 가운데 하나가 물의 가용성이다. 기후변화로 인하여 작물 재배지역에 가뭄과 홍수를 포함하여 더 극심한 재해가 야기될 것으로 예상되는 현재이다. 또한 인구 성장에 따라 작물을 재배할 때 더 효율적으로 물을 사용하는 일이 중요해졌다.

오늘날 약 28억 명의 사람들이 물 부족 지역에서 살고 있다고 추정되는데, 2030년이 되면 세계 인구의 약 절반이 물 때문에 고통을 받을 것으로 예상된다. 

대수층에서 지하수를 지나치게 퍼올리면서 앞으로 작물을 기르기 위해서는 관개와 천수 농법의 효율성을 개선할 필요성이 생겼다. 도시 지역에서 물과 에너지의 사용이 증가하면서, 세계 담수의 70~80%를 사용한다고 추산되는 농업용수와 서로 경쟁하게 되었다. 이렇게 담수를 공유하는 양이 늘어날 것이므로, 먹을거리의 생산은 그것을 재배하기 위해 사용하는 물의 양을 줄이면서도 생산량은 증가시켜야 한다. 

농사는 관개용수와 빗물을 사용하여 이루어진다. 세계 농경지의 약 80%는 여전히 빗물을 사용하여 세계 식량의 약 60%를 생산하고 있다. 빗물에 의존하는 농업에서 그 효율성을 높이고 창의적으로 물을 활용하도록 강구함으로써 먹을거리의 생산량을 증가시킬 수 있는 잠재력이 생긴다. 세계의 빈곤층과 기아자 들이 살고 있는 주요한 지역인 남아시아와 사하라 이남 아프리카의 빗물에 의존하는 농업에서는 이러한 물의 사용을 개선하는 기술이 매우 가치 있는 일이다. 1970년대 이후 여러 이유로 관개율이 감소했지만, 아프리카의 일부 지역에서는 앞으로 관개가 확대될 가능성이 있다. 

관개되는 농지의 생산성은 관개되지 않는 농지의 3배 이상이다. 세계 식량의 약 40%가 관개되는 20%의 농지에서 생산된다. 관개되는 작물 수확량의 금전적 가치는 시장가치가 더 높은 작물이 관개되는 농지에서 재배되는 경향이 있기에 관개되지 않는 작물의 6배 이상이다.

물을 보존하면서 효율적으로 쓴다고 알려진 여러 방법들이 건조 지역에서 성공적으로 수천 년 동안 이루어져 왔다. 최고의 방법은 적은 노력으로 최대의 결과를 낳는 것이다. 작물의 중요한 성장기에 추가적으로 물을 공급하면 작물 수확량을 매우 높일 수 있다. 

아래에 나오는 물을 절약하는 기술들은 더 적은 물로 먹을거리를 재배하는 데 도움이 될 것이다. 각각의 농지에 적합한 방법은 따로 있기 때문에, 이러한 방식들을 보고 힌트를 얻어 활용해 보기를 바란다.

1. 점적 관개

점적관개는 작은 구멍과 기타 제한적인 배출구를 뚫은 플라스틱 관을 통하여 토양의 표면이나 식물의 뿌리에 직접적으로 물(과 비료)를 전달한다. 점적관개는 기존의 방법보다 50~70%의 물을 절약하는 한편, 작물 생산량은 20~90% 증가시킨다. 물과 비료가 토양과 식물에 더 쉽게 흡수되며, 침식의 위험과 영양 고갈을 줄인다. 

보통 중력에 의해 작동하는 점적관개는 작물에 물을 주는 데 필요한 시간과 노동력을 절약하고, 수확량은 더 높인다. 타이머를 설치한 작은 규모도 텃밭 등에 설치하기 쉽다. 

이 기술은 작물과 조건에 따라서 혁신되고 조정되어야 한다. 예를 들어, 일부 체계는 현재 태양광으로 발전하고, 관의 재질을 바꾸었다. 또한 사용할 수 있는 관의 종류도 다양하게 바꿀 수 있다. 관을 사용하는 대신 다공성의 특징을 지닌 도기 등을 사용할 수도 있다. 

작은 개울 배수로, 집수 탱크, 또는 연못이 점적관개 체계에 중력을 활용한 급수 방법으로 사용될 수 있다. 손이나 발로 가동시키는 펌프나 지면보다 높은 곳에 설치한 들통도 사용할 수 있다.

이러한 작은 관개 체계는 저렴한 반면, 벼를 주로 재배하는 지역이나 곡물을 주식으로 재배하는 곳에는 덜 적합하다. 이것은 고부가가치의 채소밭에 더 적합하다. 점적관개로 토양에 염분이 축적되지 않도록 주의해야 한다. 

지난 20년 안에 점적관개와 기타 작은 관개 방법을 사용하는 지역이 6배 이상인 1000만 헥타르 이상 증가했다. 더 많은 지역으로 점적관개가 확산되면 더 적은 물로 더 많은 먹을거리를 재배할 수 있을 것이다. 

2. 물병 관개와 투수(물독) 관개

토기(물독)를 묻는 관개는 고대의 기술이다. 다공성 토기를 주둥이 부분까지 묻고서 거기에 물을 채워, 농부는 70%나 효율적인 관수 체계를 이루게 된다. 물방울이 천천히 토기 밖으로 나가고, 물독 지름의 절반에 이르는 지역까지 습기를 유지한다. 토양이 흠뻑 젖지 않기 때문에,  토기 주변으로는 식물 뿌리에 아주 건강한 환경이 만들어진다. (많은 현대의 농민들은 지나친 관수로 식물을 죽인다.)



고온에서 구워진 두꺼운 두께의 물독은 표면이 거칠고, 약 46리터의 물을 담아 1리터 정도를 표면에 있는 구멍에 머금는다. 토기를 묻고 물을 채운 뒤, 뚜껑은 덮어서 깨끗한 상태를 유지하고 증발을 막는다.

작물과 강우량에 따라서 1주일에 2~3번 정도 새로 물을 채운다. 



물독을 사용할 때는 작물들이 수분을 끌어와서 먹고 건조한 부분으로 뻗어 자랄 수 있도록  작물들 중간에 배치한다. 이는 공간과 물을 매우 효율적으로 사용한다. 작은 물독은 물그릇으로도 사용할 수 있다.

여러 해 사용하여 토기의 구멍이 막히면, 그걸 다시 뚫기 위해 식초에 담근다.  늘 깨끗하고 맑은 물을 사용하고, 구멍을 막지 않도록 비료는 넣으면 안 된다. 


작은 관개를 위해 재활용 병을 사용하기

토기나 식물 급수기로 재활용 병을 사용할 수도 있다. 와인병, 피티병 등 거의 모든 병을 쓸 수 있다. 병의 옆이나 뚜껑 등에 구멍을 뚫으면 된다. 또는 간단히 병에 물을 채우고 식물 옆에 꽂아 놓아도 된다. 와인병으로 하는 방법은 여기를 참조.   http://www.gardeners.com/

6. 고랑 파종법



나미비아 북부에서 농민들은 60cm 깊이로 흙을 째서 고랑에다 작물의 씨앗을 파종하여 빗물이 모이는 효과를 이용한다. 씨앗은 비료, 퇴비와 함께 고랑에 뿌린다. 비가 오면 빗물이 고랑으로 모이고 작물의 뿌리가 그를 이용한다. 

첫해에는 트랙터를 이용하여 고랑을 짼다. 다음해부터 농민은 동물을 부려 고랑에다 곧바로 씨앗을 심는다. 

이 농법으로 가뭄 저항성 조, 수수, 옥수수를 심는다. 이를 활용하는 농민은 콩과식물을 돌려짓기하여 땅심을 돋운다. 

콩과식물을 돌려짓기하여 농사철을 연장하고, 토양의 물리성과 비옥도, 보수력을 개선한다. 이를 통해 가뭄과 홍수에 작물이 더 잘 자라게 된다. 나미비아에서 이 농법을 활용하여 평균 옥수수 수확량이 1헥타르에 300kg에서 1.5톤으로 5배 높아졌다. 

이 농법은 특히 토양이 건조하고 딱딱하며 푸석푸석한 건조지역에 적합하다.  예전에는 빗물이 그냥 흘러가 버렸지만, 지금은 땅속으로 흡수되어 작물을 재배하는 데 쓰인다.

7. 관개수로

위 사진은 뉴멕시코 타오스의 Las Trampas 근처에 있는 목제 수로이다. 관개수로는 해발 약 2400미터의 깊은 계곡에 걸쳐 있다. 

이는 눈이 녹은 물이나 강물을 멀리 있는 농지로 나르도록 설계된 관개수로의 한 예이다. 관개수로는 일반적으로 농민들이 함께 모여서 계획하고 유지관리하며 감독하는 도랑이다. 관개수로의 물을 쓸 수 있는 권리는 매년 봄철에 도랑을 청소하는 것을 포함하여 해마다 공동체의 수로 관리에 참여하는 모든 사람에게 주어진다.

스페인에서 유래한 관개수로는 스페인계 미국인들에 의해 만들어졌다. 

8. 지표 밑 관개

아래의 그림은 Netafilm의 지표 밑 관개법에 대한 것이다.

이 관개법의 장점은...
• 물을 절약
• 작물의 수확량 개선
• 지표면에서 증발되는 물이 없음
• 물과 양분이 유실되지 않음
• 양분을 뿌리에 공급
• 병에 덜 걸리고 잡초가 적음
• 노동력 절감
• 뿌리 영역에 균일한 수분을 생산
• 물을 퍼올리는 데 쓰는 에너지를 절감

또한 덥고 바람이 많이 부는 지역에 적합하다. 

단점은 초기 시설비가 비싸고, 막히고 누수가 되는 문제와 설치류가 구멍을 내는 일이 생길 수 있다. 땅속에 있어 문제가 생겨도 보이지 않는다. 유지, 보수를 위해 화학약품을 주입하고 해마다 청소해주고, 가을철에 얼기 전 걷어낸다.

2009년 콜로라도 주립대학의 연구에서는 지표면 점적 관수법의 비용이 1200평에 1000~2000달러의 비용으로 12~15년, 최대 20년까지 유지된다고 추산했다. 콜로라도 주립대학에서는 “회전식 관개법이 20~25년 정도 유지된다면, 이 방법은 10~15년은 유지해야 경제적이다”라고 덧붙였다.

9. 저수지

위 사진에서 구덩이를 파서 만든 저수지는 우기 동안 물을 모으는 역할을 한다. 이 저수지는 밭보다 낮게 파서 중력에 의해 저절로 물이 모이도록 한다. 여기에 펌프를 더하여 점적 관개를 할 수도 있고, 호스를 통하여 작은 연못을 연결할 수도 있다. 

소농은 이런 작은 저수지나 물통과 연결하여 운하를 파서 관개할 수도 있다. 이 저수지는 농민이 필요로 하는 때, 관개가 필요한 시기에 물을 이용할 수 있도록 한다. 

많은 종류의 물통이 있다. 철제 물통, 콘크리트 물통, 땅 위에 두거나 땅속에 묻는 뚜껑이 있는 물통, 개방형 저수지인 Birkah 등이다. 

운하를 파서 관개를 하는 연못에는 회전식 관개법이 유용하게 쓰일 수 있다.

10. 검은 비닐덮개와 유기물 덮개는 필요한 물의 25%를 절약시킴

건조하고 추운 기후 지역의 유기농 채소 생산자는 여러 목적으로 채소를 재배하는 두둑에 검은색 비닐덮개를 즐겨 사용한다.

점적 관개시설은 비닐 아래에 설치하여 식물에 물과 비료를 공급하고 증발을 막는다. 그러나 지표면에서 증발이 없기에 관개용수가 지나칠 우려가 있다. 이 때문에 습도계로 뿌리 영역의 수분을 측정해야 한다. 

비닐덮개는 보습만이 아니라 잡초를 억제하고 토양을 보온하여 작물이 더 잘 자라도록 한다. 검은 비닐덮개는 여름철의 뜨거운 열기로부터 작물을 보호하기 위하여 짚이나 건초로 덮을 수도 있다. 

비닐덮개는 딱 한 번의 농사철에만 쓸 수 있는데,  검은 부직포 등은 최대 7년까지 재활용할 수 있다. 

짚과 건초, 풀, 솔잎, 낙엽 등과 같은 유기물 덮개도 수분을 보존할 수 있다. 이러한 유기물 덮개는 결국 토양으로 돌아가 유기물 함량을 풍부하게 해준다. 그러나 유기물 덮개는 토양의 화학적 성질을 바꿀 수 있으니 주의해야 한다. 

마지막으로, 살아 있는 녹색 덮개나 덮개작물도 제대로 활용한다면 수분을 유지하도록 도울 수 있다. 

11. 모래 댐

모래 댐은 기원전 400년 로마인이 개발했다. 

전문가들은 특히 아프리카에서 매우 간단한 방법으로 혜택을 볼 수 있는 적합한 방법이라고 이야기한다. 모래 댐 하나로 우기에 내리는 빗물을 모아서 깨끗한 물과 수천 명을 위한 농사에 필요한 물을 공급받을 수 있다. 

우기에 내리는 빗물을 모아 모래가 물을 여과하고 물이 증발하지 못하도록 하여, 예전에는 아무것도 자라지 못하던 곳에서 생명을 가꾼다.

수동 펌프로 더 깊이 저장된 깨끗한 물을 퍼올릴 수 있다. 

과수와 여타의 나무를 댐 근처에 심을 수 있고, 침식을 억제하기 위해 풀을 기르기도 한다. 

댐을 만들기 위하여 마을사람들은 한줄로 늘어서 도랑을 깊게 파 콘크리트를 채우고, 여러 우기에 걸쳐 모래로 새로운 벽을 메운다.  이 벽은 90미터 길이에 2~4미터의 높이이다. 건기에 흐름이 멈추는 작은 강에 가로질러 설치하면모래가 약 40%의 물을 포화하여 200~1000만 리터의 물을 머금을 수 있다. 

이 기술은 인도, 아프리카, 라틴아메리카 등지에서 지난 50년 동안 쓰이다가 이용되지 않게 되었다. 

더 많은 것은 다음 동영상을 보라. 

12. 묘목을 위한 플라스틱 양동이

새로 심은 나무에 물을 주는 시간을 절약하기 위해 약 20리터의 플라스틱 양동이를 제활용한다. 이 방법은 건설현장에서는 무시되곤 한다. 먼저 양동이의 바닥 한쪽에 0.1mm 정도의 구멍을 하나나 두 개를 뚫는다. 그리고 묘목 옆에 두고서 1~2주에 한 번 물을 채운다. 나무마다 이 통을 두고 그것만 채우면 된다. 



또는 양동이에서 흙으로 작은 관을 연결하여 위의 사진처럼 천천히 관개할 수도 있다.
중력이 알아서 대신 일해줄 것이다. 방품림으로 묘목을 새로 심었다면, 양동이에 물을 채워 넣기만 하면 된다. 딸기나무나 토마토에도 똑같이 적용할 수 있다. 

13. 회전식 관개를 통한 효율성

예전 회전식 관개는 더운 날씨에 대기에 물을 높이 분사하여 증발로 많은 양의 물을 잃어버린 데 비하여, 오늘날에는 훨씬 효율적이다. 그 효율성은 물의 분산과 증발을 최소화하기 위하여 위의 사진처럼 스프린클러 머리에 호스를 늘어뜨려서 확보했다. 이 방법은 조건에 따라 여러 가지로 선택할 수 있다. 이러한 새로운 저에너지 적용법(LEPA) 회전식 관개는 전기도 덜 소비한다.



위의 도표는 콜로라도의 유기농 채소 농부의 밭에서 활용하고 있는 방법을 나타낸다. 여기에서는 회전식 관개의 전자제어장치에 타이머를 달아서, 특정 채소마다 알맞은 양의 관개용수를 사용한다. 둥근 모양으로 채소를 심어서 각각의 채소에 알맞은 양의 물을 공급해 물의 효율성을 최대화한다. 



위 사진은 회전식 관개를 위한 물을 공급하는 호수이다. 여기에서는 근처의 도랑을 통해 눈 녹은 물을 모아서 채운다. 이러한 반건조 지역에서는 이러한 물이 지역의 농민들에게 매우 소중하다. 

토양 센서는 회전식 관개에서 토양의 수분을 관찰하기 위한 용도로 사용되기도 한다. 이를 통해 지나치게 관개하는 것을 방지한다. 

18. 식단을 바꾸자

물을 보존하기 위하여 식단을 지역적으로 제철에 맞게 바꿔야 한다. 식품의 가공, 포장, 유통에 물이 사용되기에 가공되지 않은 지역 먹을거리를 먹으면 물과 에너지를 모두 절약할 수 있다. 어떤 사람들은 고기 소비가 물을 낭비하게 만든다고 주장한다. 하지만 그 지역이 풀과 강우량이 풍부한 곳이라면 풀을 먹인 가축의 고기나 젖은 효율적인 단백질 공급원이다.

가뭄 저항성 작물은 건조한 지역에서 소비되어야 한다. 빗물이나 점적 관개로 재배한 과수는 효율적으로 물을 사용해 먹을거리를 생산한다. 일부 덩이작물이나 뿌리채소도 물을 효율적으로 소비한다.

오늘날 식품 운송 체계의 대부분은 매우 효율적이다. 그러나 우리는 시장에서 먹을거리를 살 때 어디에서 왔는지 주의를 기울이면서 돈을 써야 한다. 

음식물 쓰레기를 줄이는 것으로도 물을 절약할 수 있다. 필요한 양 이상으로 사지 마라. 적당한 양만 저장하여 먹고, 음식물 쓰레기가 발생한다면 퇴비를 만들어서 먹을거리를 기르는 데 사용하라. 

다행스럽게 우리의 식단은 엄청난 탄력성과 융통성을 지니고 있다. 당장 실천하면 된다. 

27. 안개나 연무 집수



어떤 이는 허공에서 물을 모으는 방법이라고도 한다. 이 고대의 방식은 이스라엘과 이집트에서 활용하던 것이라는 고고학의 증거가 있다. 이를 현대에 되살린 것이다. 구름이 산을 지나가는 곳에 그물망을 치거나 안개가 끼는 지역에 장대를 세워서 설치하여, 거기에 걸려 중력에 의해 떨어지는 깨끗한 물을 모은다. 그물망에 달린 물방울이 아랫쪽의 도랑으로 떨어진다. 모은 물은 관을 통하여 아랫쪽에 있는 마을이나 물을 저장하는 지점으로 옮긴다. 1평방미터의 그물망으로 하루 5리터의 물을 모을 수 있다. 

그물망은 과수에 그늘을 만드는 데 사용하기도 하는 차광막 등이다. 이건 값싸고 쉽게 구할 수 있다. 어떻게 설치하느냐에 따라서 다양한 방식으로 물을 모을 수 있다. 

식수를 확보하는 것 외에도, 안개에서 물을 모아 농업과 산림녹화에도 활용할 수 있다. 그물망은 남미에서 퀴노아에 관개를 할 때 사용되기도 했다. 

계절에 따른 안개를 수집하게 가장 좋은 기후와 지리적 조건을 지닌 지역은 산간지대, 아프리카 남부의 대서양 연안과 남아프리카, 오만, 스리랑캉, 중국, 네팔, 멕시코, 모로코, 예멘, 과테말라, 칠레, 페루, 에콰도르 등이다. 칠레에서는 이 방법을 30년 이상 활용하고 있다.  

29. 토양의 균근 곰팡이가 식물의 물 필요량을 25%까지 줄일 수 있음

30. 물을 적게 쓰는 벼농사


논벼는 많은 양의 물을 재활용한다지만 다른 곡물보다 많은 물을 소비한다. 여기서 생산되는 쌀은 세계 인구의 절반에 해당하는 사람들이 주식으로 삼고 있다. 현재 벼의 약 3/4이 관개되는 농지에서 생산되고, 관개되는 벼는 세계의 관개용수 가운데 약 39% 정도의 물을 사용한다. 벼 1kg을 생산하는 데에 약 2500리터의 물이 필요하다. 

토종 벼 품종은 수확량이 떨어지고 익기까지 더 오래 걸리지만, 비료가 덜 필요하고 훨씬 씨앗 가격이 싸며 값비싼 개량종보다 소비자들이 선호하는 특징이 있다. 그래서 농민들은 투입재 비용이 많이 들고 시장가치가 떨어지는 다수확 벼 품종보다 토종 벼를 심곤 한다. 

생태학자들은 벼가 필요로 하는 물에 따라서 다섯 가지 범주로 구분했다. 빗물 의존 저지대의 벼, 깊은 담수의 벼, 조수의 습지대 벼, 빗물 의존 고지대의 벼, 관개되는 벼가 그것이다. 연구자들은 더 적은 투입재와 물로 벼를 재배하는 개선책을 연구해 왔다. 

아래는 벼농사에서 물의 소비를 줄이는 몇 가지 방법이다.

1. 벼 강화 체계(SRI) (이 글의 5번 방법)
2. '물대기와 물떼기의 반복'은 벼에 다시 물을 대기 전 며칠 동안 논을 말림으로써 수확량은 그대로 유지하면서 물은 15~30% 절약하는 방법이다. 방글라데시에서 이 기술로 물 소비를 30~50% 줄였다. 
3. '호기성 벼'는 물이 부족하여 둠벙이나 축축한 토양이 없는 곳에서 재배된다. 이 벼는 물이 50% 정도 덜 필요한데, 수확량이 20~30% 정도 떨어진다. 물을 대지 않고 토양이 말라 있는 상태에서 재배하는 다수확 품종도 있다. 이러한 벼는 관개용수, 더 많은 시비량, 더 많은 농약에 의존한다. 이러한 품종은 조생종이라 농민들은 벼를 수확하고 다른 작물을 재배할 수 있다. 
4. 조생종 벼와 같은 신품종은 물 사용을 상당히 줄인다. 40~45년 전 벼는 파종부터 수확까지 160일 정도 필요했는데, 조생종은 135일 정도면 수확할 수 있어 약 30일 정도 짧아지면서 20% 정도의 물을 덜 소비할 수 있게 되었다. 
5. 중국에서 개발한 하이브리드 벼는 물의 사용을 줄이면서 토지 대 수확량의 생산성을 향상시켰다. 인도에서는 1kg의 벼를 생산하는 데에 3500리터의 물이 필요한 반면, 중국에서는 1750리터만 있으면 된다. 
6. 유전자변형으로 30~40% 정도 벼의 물 효율성을 개선할 수도 있다. 
7. 논 토양의 수평을 잘 맞추고 물꼬를 잘 관리하면 물을 절약할 수 있다. 
8. 호주에서는 축축한 토양에 벼를 재배하여 관행적인 방법보다 32%의 관개용수를 절약한다. 
9. 인도, 파키스탄, 중국에서 ACIAR는 영구적인 두둑에 벼-밀과 다른 작물을 섞어짓기하는 체계에 대한 실험을 진행하고 있다. 
10. 세계의 벼농사 지역 가운데 약 13%가 건조지대이다. 수확량이 매우 낮지만 주로 자급용으로 재배하고 있다. 동남아시아에서 대부분의 건조지대 벼는 완만한 비탈이나 산간에서 재배된다. 그러나 일부 새로운 빗물 의존 벼 품종은 관개되는 농지의 벼만큼 수확량이 난다. 
11. 홍수 저항성 신품종 벼도 가뭄에 더 잘 견디는 것으로 나타났다. 세계 벼의 약 8%가 홍수가 나기 쉬운 지역에서 재배된다. 

위의 방법 가운데 일부는 또한 메탄의 배출량을 꽤 줄일 수 있다. 

마지막으로 '물 한 방울당 더 많은 작물'을 달성하기 위하여, 홍수지는 지역에서는 재배가 안 되는 밀과 기타 작물들은 더 적은 물로 식량을 생산할 수 있긴 하다. 논은 밀이나 옥수수밭에 비해 2~3배 정도 더 많은 물이 필요하다. 그래서 물이 부족한 시대가 되면 벼 대신 밀이 주식이 되는 지역이 늘 수도 있을 것이다. 

31. 토양 수분측정기



관개에서 토양 수분측정기는 물을 보존하기 위한 중요한 도구가 될 수 있다. 지나친 관개를 막아주는 것만이 아니라 물을 퍼올리는 비용을 절감하고, 화학비료가 흘러 나가는 것도 막아준다. 

토양의 수분 상태를 관찰함으로써, 식물 성장 단계에 맞춰 주의깊게 관개하여 수확량을 증가시킬 수 있다. 

물이 좀 적으면 식물의 뿌리는 더 깊이 내려가고 그곳에는 질병이 적다. 

수분측정기는 환금작물 농사, 채소 농사나 과수 농사 등에 사용될 수 있다.

32. 좋은 배수로



물이 너무 많거나 적거나 하면 큰 문제를 일으킨다. 좋은 배수로는 물을 관리하는 데에 중요하다. 배수로가 거지같으면 토양이 악화되고 염분이 집적되어 농사가 제대로 되지 않고 수확량도 확 떨어지기 때문이다. 배수로의 구성요소에는 토양의 유형과 흙다짐, 지형이 포함된다. 

흙다짐은 기공의 공간을 줄이고, 그 결과 토양에서 빠르게 물이 빠지지 않도록 한다. 이는 식물의 뿌리가 공기를 필요로 하기 때문에 그 성장에 영향을 미친다. 대부분의 식물은 침수되는 시간이 너무 길거나 축축한 흙에서는 생존할 수 없다. 배수가 좋지 않으면 질병을 유발하고 뿌리가 썩는다. 생산자의 수익에 영향을 줄 뿐만 아니라, 폭우가 쏟아지면 흘러가는 물의 양도 증가하면서 토양침식도 많이 일어난다. 

염분이 집적되거나 물에 잠긴 땅의 배수를 개선하기 위해 노력하려면, 객토를 하고, 배수관을 설치하며, 유기물 덮개가 도움이 될 수 있다. 또 다른 방법으로는 돌려짓기를 실천하고, 거름과 퇴비를 활용해 토양의 공극을 늘리며, 경운을 줄이는 것이다. 



치남파: 이 농사 체계는 수천 년 전 멕시코의 호수 근처에서 아즈텍인들이 활용하던 것이다. 치남파스는 운하에 둘러싸인 길고 좁다란 땅을 가리키는 말로, "물 위에 떠 있는 텃밭"이라고도 한다. 이 치남파스는 운하를 파면서 운하의 기름진 흙과 썩은 초목 등을 번갈아 쌓아서 만든 것이다. (더 많은 내용은 여기를 참조 http://blog.daum.net/stonehinge/8723784)

33. 혼농임업



농업 경관의 일부로 나무를 활용하는 혼농임업은 물과 토양의 질을 개선하고, 증발율을 감소시킬 수 있다. 이렇게 생물이 다양한 체계는 영양분과 토양이 쓸려가는 것을 줄인다. 나무의 잎과 가지가 떨어져 토양의 질을 개선하여 빗물이 더 잘 침투하도록 만든다. 많은 작물들이 그늘 저항성이 있다. 나무는 햇빛이 밭의 공간으로 더 들어오도록, 그리고 땔감으로 사용하려고 가지치기 등을 하면 된다. 

혼농임업의 한 방법은 가축을 함께 키우며 나무를 먹이로 활용하는 것이다. 가축은 그늘 아래에서 쉬고, 나무는 열매나 과일을 제공할 수 있다. 

나무와 함께 사이짓기하여 꿀, 과일, 열매, 단풍나무 시럽, 인삼이나 약초, 버섯 같은 것을 얻을 수 있다.

방풍림으로도 기능하여 풍화작용을 조절하고, 야생동물의 서식지도 제공하며, 토양침식을 억제하고 가축을 보호한다. 

하나의 작물만 대량으로 생산할 수 있는 방법은 아니지만, 이 방법은 다양한 산물을 꽤 많이 생산할 수 있다. 나무와 떨기나무, 계절에 따른 작물을 혼합함으로써 병해충, 가뭄과 바람에 의한 피해에 더 탄력성을 지닐 수 있다. 

34. 음식물쓰레기를 줄이자


버려지는 음식은 훨씬 많은 물을 낭비하게 만든다. 생산된 먹을거리의 30% 이상이 폐기되거나 버려진다. 음식물쓰레기는 저장, 운송, 가공, 도소매 등의 모든 유통단계에서 줄일 수 있다. 소비자는 현명하게 구입하고 먹는 법에 대해 배워서 먹을 만큼만 구입해서 먹고 최대한 쓰레기 발생을 줄여야 한다.

가공된 음식을 버리면 그것을 가공, 운송, 저장, 분배하는 데 들어간 물과 에너지는 물론 노동력까지 버리는 셈이다. 신선한 농산물이나 육류를 버리면, 그 음식을 생산하고 요리하는 데 들어간 모든 것을 버리는 것이다. 

식량체계에서 약간의 쓰레기는 정상적이고, 그건 퇴비로 만들어 다음 농사철을 대비해 기름진 흙을 만들 수도 있다. 소비되지 않은 식품을 다시 퇴비로 만들어 재활용할 수만 있다면 괜찮다. 음식과 건강 모두를 낭비한 결과인 비만은 큰 문제이다.

개발도상국에서는 지역의 소규모 저장시설이 작물이 썩거나 쥐들이 먹는 것을 매우 감소시킬 수 있다. 냉장시설, 향상된 통신, 유통 기반시설의 개발도 도움이 된다. 

35. 물 절약은 깨끗하고 오염되지 않은 물을 유지하는 수단이기도 하다


남아 있는 물이 오염된다면 물을 보존하는 게 무슨 의미일까?

우리는 물을 오염시키지 않으려 노력해야 하고, 정부는 물이 오염되지 않도록 규제책을 마련해야 한다. 농업은 지속가능하지 않은 농법을 통해 물을 오염시키는 주범의 하나이다. 농약과 화학비료, 퇴비 등을 지나치게 사용하여 그것이 물을 오염시키고 있다. 

공업형 농업에서 흘러간 비료 성분이 세계 곳곳의 바다에서 '죽음의 구역'을 만들고 있다. 미국에서 죽음의 구역은 멕시코만에 뉴저지 주만 한 크기로 형성된다. 그것은 농업과 도시의 오폐수가 미시시피강을 통해 흘러가서 생긴 결과이다. 

질소비료의 남용은 공업형 농업이 이루어지는 미네소타 같은 주에서는 막대한 양의 지하수를 오염시키고 있다. 그 결과 지하수를 이용해 식수로 사용하던 그 지역 사람들은 안전하게 마실 수 있는 물이 사라져 버렸다.

열악한 농법은 토양침식을 일으키고, 해로운 화학물질을 유출시켜 땅을 악화할 뿐만 아니라 하천과 호수를 오염시킨다. 습지를 육성하고, 완충지를 지닌 자연 수로를 유지하며, 풀과 나무가 우거진 영역을 농경지에 통합하고, 비탈진 땅에는 계단식 농지나 등고선을 따라 농경지를 조성하면 농민이 지역의 깨끗한 물을 유지하는 데 도움이 된다. 토양을 건강하게 유지하는 방법을 사용하여 -유기농업, 경운의 최소화, 순환방목, 돌려짓기 등- 토양이 깨끗한 물을 흡수하도록 하는 것이 좋다. 

이상 기나긴 글을 읽느라 욕보셨습니다. 위의 방법 중 하나를 실천해 재미난 농사를 지어 보셔요. 

음식을 버린다는 것, 곧 그것을 생산하기 위해 들어간 물을 버린다는 것.

지구에는 과부하가 걸려 인류의 생존을 위협하게 된다는 것.

http://www.agriculturesnetwork.org/resources/pdfs/learning-agricultures-module-2-full

This module discusses different aspects of soil and water systems, and reflects on soil and water sustainability issues for small-scale farming in particular. Certain principles about soil and water systems are common to all farms – such as how nutrient cycles and soil food webs work. Similarly, how water enters the farm and the dynamics of soil moisture follow the same principles everywhere. At the same time, there is a huge variety of soil types and climates around the world. A farmer who lives in a floodplain in Bangladesh needs a different type of management option to one living in dry regions like the Sahel or in the Middle East. While we cannot represent all different situations, this module covers a variety of cases of small-scale farming in different regions for students to develop insights into soil and water sustainability.

Module 2 addresses the question of how soil and water management practices can be improved on farms. How can soil and water management be improved in the wider context of farmers? What kinds of policies can support more sustainable management of land, soil and water?

Through a variety of educational resources, including games and exercises, articles, videos, photos and ideas for field visits, educators can inspire their students to reflect more critically about soil and water sustainability issues around the world as well as in their own region.

물이야기.pdf

우리나라에서 벼농사 재배가 본격적으로 이루어진 청동기시대 이래 농경사회에서 물을 이용하는 기술의 필요성이 불가피하였으며, 수전경작 이후 필연적으로 수리(水利)의 중요성이 대두되어 수리관개(水利灌漑)시설을 촉진시켰다.

　오늘날 가장 흔히 볼 수 있는 양수 시설로는 맞두레, 용두레, 수차(무자위), 물풍구 등이다. 이러한 도구의 제원을 살펴보면, 먼저 맞두레는 가장 기본이 되는 도구로 두 사람이 양쪽에서 새끼줄에 매단 두레박을 이용하여 물을 퍼올리는 것이다. 그러므로 반드시 두 사람이 필요하고 힘도 많이 든다. 그래서 혼자서도 쉽게 물을 퍼올릴 수 있도록 개량한 것이 용두레이다.

　용두레는 긴 장대를 삼각뿔 모습으로 세우고 그 사이에 나무를 파서 만든 기다랗게 생긴 두레박을 새끼줄로 매달고 지렛대 원리를 활용하여 혼자서도 힘들이지 않고 물을 퍼올리는 장치이다. 이 삼각뿔 장대는 요즈음 카메라의 삼각대처럼 자유자재로 그 높이를 조절할 수 있도록 되어 있으며, 삼각구도의 안정성을 확보하고 있다. 이것이 발달되어 발로 밟아 물을 퍼올리는 수레바퀴 모양의 무자위를 만들어 내었다.

　무자위는 무넘이가 아주 얕은 곳에서 대량으로 물을 대는데 사용하는 연장으로, 물을 자아올린다 하여 '무자위'라고 부른다. 지방에 따라 '무자새'(경남)·'물자새'·'자새'(전라남북도)·'수리차'(충남)·'수차(水車)'·'수룡(水龍)'·'답차(踏車)'라고도 불린다. 문헌에 보이는 무자새를 가리키는 표현으로는 '물자새'(훈몽자회)·'무자애'(재물보·사류박해)·'자애'(농가월령가)등을 들 수 있다.

　무자위는 수레나 물레의 바퀴모양으로 한 개의 축을 중심으로 주위에 많은 나무판(발판) 날개를 나선형(螺旋形)으로 붙이고, 중간 가장자리 부분에 물길을 내었다. 사용방법은 먼저 발판이 물에 잠기도록 설치한 뒤 받침대 끝에 설치되어 있는 긴 작대기 2개를 잡고 올라서서 발로 나무판을 밟고 걸으면, 바퀴가 돌면서 물을 퍼 올리게 되는데, 퍼 올려진 물은 물길을 통해 앞으로 나가게 된다. 이렇게 하여 낮은 곳에 있는 물을 높은 곳의 논이나 밭에 끌어 올린다.

　이 무자위는 물레방아의 원리와 비슷하지만 흐르는 물을 이용하여 동력을 얻는 대신에 거꾸로 사람의 힘을 이용하여 물의 위치를 바꿔주는 것이 다르다. 특히 무자위는 논이나 밭의 높이가 물의 높이보다 더 높을 때 사용하는 것으로 보통 너른 들이나 평야지대에서 많이 사용하였으며, 지금도 염전에서는 바닷물을 퍼 올리는 데 사용하고 있다.

 무자위는 무넘이의 높이가 1m인 경우, 200여 평의 논에 물을 대는 데 약 두 시간 정도 걸리며, 무넘이의 높이가 30㎝인 곳에서는 1시간에 50~60t의 물을 댈 수 있다.

　이러한 무자위와 함께 풀무의 원리를 이용하여 통 안에 장치된 피스톤을 왕복시켜서 물을 품어내도록 한 물풍구가 사용되었다. 이 물풍구는 굵은 대나무의 속을 파내거나 판자로 통(실린더)을 만들고, 그 속에 활대(피스톤)를 끼워 사용하였는데, 시간당 10~20t의 물대기를 할 수 있었다. 요즈음의 양수기도 전기모터를 이용한 고속회전으로 많은 물을 쉽게 퍼 올릴 뿐 그 기본원리는 옛 도구들과 똑같다.