농산물의 ‘물 발자국’ 계산방법

농산물의 ‘물 발자국’ 계산방법: 충주 지역 재배 사과의 직접 물 발자국 계산 사례; 편집국 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2012-12-31 14:16:57

물 발자국(Water footprint) 계산방식

농산물의 경우는 물의 소비가 가시적이고 물 사용에 대한 이해가 쉽기 때문에 이번 물 발자국 소개에서는 농산물 중에 하나인 사과를 대상으로 물 발자국을 계산하는 방법을 소개하고자 한다.

물 발자국 계산은 물을 크게 블루(blue), 그린(green), 그레이(grey) 물(water)로 나누어 각각을 계산해 합산한다. 블루 워터란 담수의 표면이나 지하수를 의미한다.

그린 워터는 빗물 뿐만 아니라 안개, 눈 등과 같은 것들을 의미한다. 그레이 워터란 제품을 생산하는 과정에서 환경을 오염시키는 활동으로 인해 오염된 수질을 제품 생산하기 이전의 수질로 회복시키기 위해 필요한 물의 양을 의미한다.

블루-그린 워터 증발산을 계산하기 위해서는 두 가지 방식이 있다. 최적의 작물 재배 조건을 가정하는 농수 필요 선택권(Crop water requirement option)과 작물을 재배하는 데 있어서 실제로 사용된 관수량을 고려해서 증발산량을 파악하는 관개 일정 선택권(Irrigation schedule option)이다.

이번 사례는 최적의 작물 재배 조건을 가정하는 농수 필요선택권을 이용해 블루-그린 워터 증발산을 계산했으며, 그레이 워터는 계산공식을 이용했다.

사과재배의 특성

사과를 재배하기 위해서 가장 중요한 것은 기후조건과 토양조건이다. 사과 재배에 적합한 기후조건을 보자면 연평균 기온이 8~11℃, 생육기 평균 온도가 15~18℃의 비교적 서늘한 기후에서 재배된다. 강수량의 경우 4~10월에 걸친 생육기에는 600mm 이하가 적당하고 450mm 이하면 관수를 해야 한다.

우리나라의 연간 강수량은 900~1,300mm로 절대량은 부족하지 않지만 사과나무 수분 요구량이 생육기마다 다르고 강수량이 여름철에 집중되기 때문에 건조 시에는 반드시 관수가 필요하다.

사과 재배의 토양조건은 통기성, 보비력, 보수력 등이 좋아야 사과나무의 생장에 도움이 된다. 지형조건에는 크게 평지와 경사지로 나뉘는데, 평지와 경사지는 각각의 장·단점이 존재하기 때문에 여러 조건들을 고려해 최적의 장소를 선택할 필요가 있다.

사과의 물 발자국
1) 충주의 기후·토양 조건

충주 지역의 연평균기온은 11.2℃, 최난월인 8월의 평균 기온은 24.9℃, 최한월인 1월의 평균 기온은 -4.2℃, 연교차는 29.1℃, 강수량의 평년값은 1,212.7mm이며 평균 습도는 71.9%, 풍속의 평년값은 1.2m/s로 바람이 약해 사과 재배에 아주 좋은 조건을 지니고 있는 지역이다.

좋은 기후, 토양 조건으로 현재 충북에서 사과나무 재배 면적이 가장 넓고 다른 지역에서 생산하는 사과에 비해 빛깔, 당도, 향기가 뛰어난 좋은 품질로 인정받고 있다.

2) 농수 필요 선택권 방식을 이용한 블루 워터 증발산(ETblue)

ETblue = max(0, ETc-Peff) - 식(1)
블루 워터 증발산을 구하기 위해서는 위의 공식을 이용하게 된다. ETc는 최적의 작물 재배조건을 위한 특정 기간 동안에 필요한 물의 양을 의미한다.

ETc = Kc × ETo - 식(2)
식(2)에서 Kc는 Crop Coeffients를 뜻하는 것으로써 증산지수(식물 잎의 기공을 통해 물이 증산되는 지수 정도)를 의미한다. FAO(국제연합 식량농업기구)에서 제공하는 사과재배에 대한 Kc값을 이용해 증ETc 값을 구한다(Kc 값 출처 : http://texaset.tamu.edu/cropcoe.php).

FAO로부터 이용할 수 있는 사과나무의 작물계수 값은 다음과 같다.
식(2)에서 ETo는 해당 지역의 토양 조건을 기준으로 사과 재배에 가장 적합한 수준의 필요 물의 양을 의미한다.

충주 지역은 토양의 토성이 양토(점토가 25~27.5% 모래와 미사가 비슷한 비율로 섞여 있는 토성)인 곳으로써 사과 재배에 적합한 조건을 지니고 있다. 사과나무가 양토에서 재배된다면, 생육기 동안 일주일 간격으로 30mm 정도의 물이 필요하다.

식(2)에 각 해당 재배 기간에 해당하는 Kc값을 적용하고 ETo(30mm)값을 대입하면, 각 재배 기간마다의 필요 물의 양을 구할 수 있다. 식(1)에서 해당 기간(1주일)마다의 강수량(Peff) 값을 기상청 홈페이지를 통해서 구한 후, 그 강수량 값을 대입하면 각 기간(1주일) 단위의 블루 워터 증발산(ETblue)값을 구할 수 있으며, 구해진 일주일 단위의 블루 워터 증발산(ETblue)값을 합산하면 총 블루 워터 증발산량(CWUblue)을 구할 수 있다.

10a 면적을 기준으로 재배 기간 동안의 총 블루 워터 증발산량을 구했는데 이를 ㎥/a 단위로 환산한 후 ton/ha 단위의 생산량으로 나누면, ㎥/ton 단위의 총 블루 워터 증발산량(WFproc.blue)을 구할 수 있다(식3).

이렇게 구해진 1주일 단위의 블루 워터 증발산(ETblue) 값을 합산하면 재배기간 동안의 Total ETblue을 구할 수있다.

Total ETblue(mm/growing period)값을 ㎥/ha 값으로 환산하면 CWUblue(㎥/ha)값을 알 수 있는데, 이를 ton/ha 단위의 생산량(Y)으로 나누면, ㎥/ton 단위의 총 블루 워터 증발산량(WFproc.blue)을 구할 수 있다.

WFproc.blue(㎥/ton) = CWUblue(㎥/ha) / Y(ton/ha) - 식(3)

3) 농수 필요 선택권 방식을 이용한 그린 워터 증발산(ETgreen)

ETgreen = min(ETc, Peff) - 식(4)
ETc계산하는 방식을 이용하여 구해진 ETc값을 식(4)그린 워터 증발산량을 구하는 공식에 대입하면 1주일 단위 그린 워터 증발산(ETgreen)값을 구할 수 있다. 1주일 단위의 그린 워터 증발산(ETgreen)값을 합산하면 재배기간 동안의 Total ETgreen을 구할 수 있다.

여기서 Total ETgreen(mm/growing period)값을 ㎥/ha 값으로 환산하면 CWUgreen(㎥/ha)값을 알 수 있는데, 이를 ton/ha 단위의 생산량(Y)으로 나누면 ㎥/ton 단위의 총 그린 워터 증발산량(WFproc.blue)을 구할 수 있다(식5).
WFproc.green = CWUgreen / Y - 식(5)

4) 그레이 워터 발자국

그레이 워터란 제품을 생산하는 과정에서 환경을 오염시키는 활동으로 인해 오염된 수질을 제품 생산하기 이전의 수질로 회복시키기 위해 필요한 물의 양을 의미한다.

사과의 물 발자국 공정에서 그레이 워터 발자국은 오염을 위한 주변 수질 기준(용인되는 농도 최대값 Cmax)과 받아들이는 수역에서 자연적인 농도(Cnat)의 차이에 의해 나눠지는 물 체계(Kg/year)를 받아들이는 오염 지표다.

자유롭게 흐르는 수역에 당도하는 질소, 인산, 칼리, 칼슘, 마그네슘의 양은 적용된 수정률(Kg/ha/year)의 10%로 가정한다. 다른 비료 사용의 영향력으로 환경에 대한 제초제와 살충제는 분석대상에 고려하지 않았다.

질소(N)의 톤당 필요로 되는 물의 전체 용적은 당도된 질소(ton/ton)의 용적과 자유롭게 흐르는 수역의 표면에서 허용할 수 있는 농도의 최대값을 고려함으로써 계산한다.

계산의 기준이 될 수질 기준으로는 다양한 목적과 지역에 맞게 존재하지만, 이번 사례는 질산염 질소의 농업용수 기준인 20mg/Litre를 적용했다.
20.6 + 6.4 + 56.5 + 4.4 + 2.2 = 90.1kg/ha

과수의 크기, 수령, 재식거리 등의 다양한 요인에 따라 다르겠지만, 일 년에 과수로부터 제거되는 양분의 양이라고 볼 수 있다. 사과나무의 크기나 수령 및 수확량에 따라 다소 차이는 있으나 보통 재배에서 산출된 이 값은 성숙한 과수의 일 년에 필요한 양분의 양으로 이용해도 좋다.

그레이 워터 발자국은 최대 허용 수질 농도(Cmax)에서 자연 오염 농도(Cnat)를 뺀 값과 헥타르(AR)로 침출된 지표수(a)와 곱한 값을 사과의 생산량(Y, ton)으로 나누면 ㎥/ton단위의 총 그레이 워터 증발산량(WFproc.grey, 식6)을 구할 수 있다.
WFproc.grey = (a×AR) / (Cmax - Cnat) / Y - 식(6)

사과 생산에 소비되는 물의 양을 환산하면,
2003년 = 642.610 (3,333개 생산에 소비된 물의 양) = 192.80(사과 1개)
2004년 = 201.56, 2005년 = 200.20, 2006년 = 191.39,
2007년 = 195.40,
2008년 = 195.98, 2009년 = 191.49, 2010년 = 207.34ℓ 로 사과 1개를 생산하는데 평균 소비되는 물의 양은 197.02ℓ이다

이번 계산에는 간접소비량은 제외했으며 일부 지표를 계산편의상 수정·활용했다.

박 석 하 박사
(주)로지스파크닷컴 대표
(사)녹색물류학회 부회장

참고자료
Arjen Y. Hoekstra, Ashok K. Chapagain,Maite M. Aldaya, Mesfin M. Mekonnen,
Water Footprint Manual state of the Art 2009,
국립원예특작과학원(http://www.nihhs.go.kr/) - 사과 시험장
http://texaset.tamu.edu/cropcoe.php
http://www.kma.go.kr/
http://www.cj-apple.co.kr(2003~2007년)
http://www.cj100.net/(2008~2010년)