기후변화 대응 벼 품종 개발과 활용
진중현 교수
세종대학교 스마트생명산업융합학과
jchin@sejong.ac.kr
1. 머리말
기후변화로 인하여 우리 미래는 크게 영향 받을 것인데, 사실 이미 우리는 기후변화를 여러가지 형태로 경험하고 있다. 북극의 얼음이 전부 녹았다더니, 열대야 현상(밤의 온도가 25도 이상 올라가는 현상)으로 잠을 뒤척이고, 세계적으로 산불이 자주 일어나고 있고, 봄가뭄이 심해서 식물생산에 큰 어려움을 겪는다더니 하는 뉴스를 쉽게 접할 수 있다. ‘기후변화’는 이제 매우 일상적인 용어이며, 우리 인류 자체의 보건과 생활 문제뿐만 아니라, 우리가 즐겨 먹고 있는 식품의 주원료를 생산하는 농축수산업에도 큰 영향을 미치게 될 것이다. 기후변화에 관한 보고서를 꾸준히 발표하고 있는 IPCC(기후변화에 관한 정부간 협의체)는 2040년에 지구의 온도는 1.5도가 올라갈 것이라고 하였는데, 이것은 5차 발표때보다 10년이나 당겨진 것으로, 기온 상승의 속도가 높아지고 있음을 의미한다. 우리나라의 기온 상승의 정도는 더 커서, ‘한국기후변화보고서 2020’에 따르면, 세계 평균보다 1.9~2.6배 정도 높다고 하였다. 사실, 평균기온 상승보다 더 큰 문제는 기후변동폭이 더 커지고 있다는 점이다. 겨울은 더 추워지고, 여름은 더 더워지며, 봄과 가을은 사라지고 있다. 특히 5월의 기온이 많이 상승하고 있으며, 이것은 봄가뭄의 주요한 이유가 되고 있다.
그림 1. 우리나라 기후변화 추세(연합뉴스, 2021.4.28일자 기사)
그림 2. 지구 표면의 기온 상승은 주로 산업발전에 의한 효과임이 밝혀졌다(IPCC 6차 보고자료 인용)
2. 기후변화와 농업, 6도가 상승한다면?
기후변화는 동식물 생산에 어떤 영향을 미칠까? 주요 식량작물로 벼를 생산하는 우리나라는 단기적으로는 기온상승에 따라 생산량이 증가할 것이라고 예측하곤 한다. 그러나, 우리나라 주요 식량작물은 여전히 쌀이지만(2021년 기준, 1인당 쌀 연간소비량은 56.9kg), 식생활이 다변화되고, 영양공급의 비중이 육류, 어류, 수입 곡류 등으로 옮겨 감에 따라, 벼를 기준으로 본 기후변화에 대한 식량 공급안정성은 장담하기 힘들다. 우리나라는 2019년 기준, 식량자급률이 21% 수준이다. 우리나라는 국토면적이 적고, 곡물생산을 담당할 농업인의 수가 급격하게 감소(2020년 기준, 230만명 내외, 전체 인구의 4.5% 수준에 불과)하였기 때문에, 기후변화 대응뿐만 아니라, 생산기술과 환경 부문의 혁신을 동시에 꾀해야 하는 이중부담을 지고 있다.
2100년까지 기온이 적어도 3도, 크게는 6도(우리가 아무것도 하지 않는 경우, RCP 8.5시나리오)가 상승한다면, 현재 우리가 재배하는 모든 작물은 꽃을 피우지 못하거나, 종자를 얻지 못할 것이다. 최근에 화분을 매개하는 벌의 수가 줄고 있다고 하는데, 이것 또한 기후변화의 영향을 지적하는 연구자들이 많다. 기온이 6도가 올라가는 세상은 사실 상상할 필요조차 없다. 그야말로, 시베리아에 야자수가 자라고, 열대지역은 모두 바다에 잠기고, 세상은 온통 상습적인 산불과 해일로 지상에서 살기 힘들 것이기 때문이다.
3. 기후변화로 식량이 부족해질까?
기후변화로 식량이 부족해질까? 결국 자명한 사실이다. 우선, 현재 재배품종과 재배지역에 의존한 시스템을 계속 유지하려고 하며, 우리의 소비 행동을 크게 바꾸지 않는다면 말이다. 2060년쯤이면, 우리 남한 전체가 아열대 기후가 될 것이라고 하는데, 기온 1도가 올라가면 벼 생산량이 15만톤이 감소하게 되는데, 2020년 기준 우리나라가 풍년이 들어 380만톤 정도 생산을 했다는 점을 감안하면, 4% 정도 감소하게 되는 것이다. 6도가 올라간다면, 30% 내외 감소하게 된다는 예측인데, 사실 꽃이 피는 시기에 고온이 오게 되면 종자가 전혀 생기지 않으므로, 이러한 감소 예측보다 훨씬 가혹한 결과를 얻게 될 것이다. 그러나, 기후변화에 따른 재배지역 재배치나 품종 개발을 진행하게 되면, 식량 감소는 약 7% 정도될 것으로 예상하고 있다. 기후변화 양상의 예측과 식량 생산 기술 연구가 얼마나 중요한지를 보여주는 결과다.
우리나라는 대부분의 식량을 수입하므로, 외국의 상황에 영향을 받지 않을 수 없다. 2021년에 코로나19로 시름하고 있는 세계에, 갑작스러운 위기가 생겨났다. 우크라이나-러시아 전쟁이 그것인데, 2021년 4월 보도에 따르면, 이미 스리랑카, 페루, 중동, 아프리카 여러 나라는 급상승하는 원유와 곡물 가격 때문에 정부가 무너지는 상황을 경험하고 있다. 민주주의와 자본주의가 발달한 선진경제 국가 중 하나인 우리나라는 상승하는 비용을 감당할 다양한 전략을 체계적으로 구사할 수 있으므로, 이와 같은 상황에 당장 어려움은 적겠으나, 이러한 상황이 2년 이상 진행되게 되면, 식량 생산 및 유통을 담당하는 저개발 국가의 상황이 악화되어 우리나라 식량작물 수입 및 공급에 큰 영향을 받지 않을 수 없다.
기후변화는 점진적인 양상이며, 인구, 자원, 지리적 위치 등과 함께 거의 확실하게 예측되는 정보인데, 우리나라가 식량을 주로 수입하는 국가로서, 세계적인 식량작물 생산 불안정성에 영향을 받지 않는다고 장담할 수 없는 상황이다.
그림 3. 100년간 한반도 기온 상승의 추이와 작물재배적지가 변화하는 양상(위)과 지난 50년간 한반도 강수량의 변화(아래)
그림 4. 재배지의 변경 없이 기후변화가 진행되었을 때, 벼 생산수량 예측(이충근 외, 국립식량과학원 보고서, 2013)
그림 5. 재배 방법 변경 계획을 수행한 후, 기후변화가 진행되었을 때, 벼 생산수량 예측(이충근 외, 국립식량과학원 보고서, 2013)
4. 기후변화에 강한 벼품종 개발
기후변화에 대응하는 재배지역을 재배치하는 방법도 있겠지만, 기후변화에 따른 다양한 환경변화에 적응하는 품종을 개발하는 것이 무엇보다 우선적이고 필수적이라고 볼 수 있다. 필리핀에 본부를 두고 있는 벼와 식량농업에 대한 세계 최고 권위의 국제기관인 국제벼연구소 (International Rice Research Institute)은 Bill and Melinda Gates Foundation(BMGF)와 미국, 독일, 유럽, 그리고 다국적기업의 지원을 받아, 기후변화 대응 연구에서 많은 성과를 내고 있다. 우리나라도 농촌진흥청이 함께 국제협력연구를 수행하여, ‘아세미’ 또는 ‘MS11’이라는 품종명을 가진 열대적응형 자포니카(우리나라 및 동북아시아에서 먹는 길이가 짧은 단립종 온대벼)를 개발하여 사업화 하는데 성공하였다.
국제벼연구소를 비롯한 중국, 인도, 일본, 우리나라 등에서도 기후변화에 대응하는 다양한 벼품종을 개발하고 있는데, 그중 현재까지 가장 성공적인 방법은 대표적인 환경스트레스를 경험하는 인도 동부와 방글라데시 지역에서 재배되는 Aus라고 하는 품종그룹을 활용하여, 침수(FR13A, 괄호 안은 품종명), 건조(Way Rarem, N22, Adday Sel 등), 고온(N22), 염피해(Pokkali, FL478 등), 비료부족(Kasalath) 등에 강한 형질을 발굴하여, 그것을 우수한 품종에 분자마커육종법을 활용하여 신품종을 개발하고 있다.
그림 6. 인도 동부와 방글라데시 지역 등은 불량토양과 각종 기상재해가 많아서, 환경스트레스 저항성을 함유한 벼자원이 풍부하다(Gamuyao et al. 2012, Nature)
그림 7. 인도네시아 대표 품종인 Ciherang에 침수에 강한 특성(Sub1), 물에 잠겨서도 발아하는 특성(AG1), 열대지역 유래 도열병저항성(Pi9)을 분자마커활용 여교배육종법(MABC)을 활용하여, 우리나라의 열대화와 간척지재배에 적합한 신품종을 개발하였다(Shin et al. 2022, Rice, 세종대학교 진중현 교수 연구실)
한편, 열대화에 따라 고온장해나 각종 환경스트레스를 회피하는 품종을 개발할 수 있는데, 충청남도농업기술원은 ‘빠르미’, ‘여르미’ 등을 개발하여, 70일만에 벼를 수확할 수 있어서 고온장해 등을 회피할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 식량증산을 위한 작물재배 조합을 개발할 수도 있다. 일본 작물과학연구소(NICS)는 야생종 벼인 Oryza officinalis(우리가 보통 먹는 쌀은 Oryza sativa임) 라는 식물에서 아침 일찍 꽃이 피는 벼를 개발하여, 고온을 회피하는 방법을 제안하기도 하였다.
그림 8. 기후변화 관련 환경스트레스에 강한 벼를 개발하기 위한 특성연구와 품종(아래 사진 전체)
그림 8-1. 침수에 강한 벼(Sub1) 출처: IRRI
그림 8-2. 가뭄에 강한 벼(DTY) 출처: IRRI
그림 8-3. 비료투입을 적게 요구하는 벼(Pup1) 출처: IRRI, 세종대 진중현 교수
그림 8-4. 아침에 꽃이 펴서 고온을 회피하는 벼(EMF) 사진: NICS, Japan
그림 8-5. 해수면 상승에 강한 벼(Saltol) 출처: IRRI
그림 8-6. 파종 후 70일 만에 수확이 가능한 벼, ‘빠르미’와 개발자 윤여태 박사(한국일보 2020.7.20)
세종대학교 스마트생명산업융합학과 진중현 교수팀은 농촌진흥청과 한국연구재단 지원으로, 열대적응자포니카 벼품종인 MS11에 건조, 염해, 비료투입에 강한 벼를 개발하여, 경기도농업기술원과 공동 품종등록, 기후변화에 강한 수출형 인디카벼(열대 및 아열대 지방에서 주로 재배되는 장립종벼)를 개발하여, 해남땅끝황토친환경영농법인 등 농업법인 등이 재배하여, 국내외 식량 공급에 도움이 될 수 있도록 노력하고 있다.
한편, 기후변화는 복합적인 양상을 보이는 동시에, 향후 식량생산을 위한 노동력이 부족하여, 첨단농기계를 활용한 직파농업이 필수적이며, 토지이용효율을 극대화하기 위하여, 식량생산 주산단지를 간척지 등으로 집중화, 대형화할 필요가 있다. 이런 환경에서 필요한 품종은 환경스트레스에 강한 형질을 모아서 개발할 필요가 있는데, 보통 ‘복합스트레스 저항성’이라고 하며, 이러한 품종을 다수 개발하기 위한 첨단 정밀육종기술 개발이 매우 필수적이다.
그림 9. 기후변화에 강한 품종은 가능한 시나리오에 적합하도록 관련 특성(형질)을 조합한 후, 실제 현장에서 평가해야만 한다. 비료이용효율과 침수, 가뭄 특성 등을 함께 고려하는 예시(Shin et al. 2021; Shin et al. 2020)
5. 온실가스 저감 농법에 맞는 벼품종 개발
세계적으로 기후변화를 유발하는 주요 요인으로 Paul Crutzen 박사가 온실가스를 지목하여 노벨화학상을 수상한 이래, 기후변화를 극복하기 위하여 온실가스인 이산화탄소, 메탄가스 등을 제거하는 것이 ‘탄소중립’의 가장 중요한 개념이라고 볼 수 있다(https://www.gihoo.or.kr/netzero/intro/intro0101.do). 우리나라는 작물생산을 하면서 가장 많은 온실가스를 배출하는 나라로서, 우리나라 총 메탄발생량 26.7TgCO2eqyr-1이라고 하면, 농업이 43.9%를 차지하며, 그 중 논이 51.2%, 즉, 6.0 TgCO2eqyr-1을 차지한다고 한다. 따라서, 메탄을 획기적으로 줄이는 농법을 개발하는 것은 필수적이며, 우리나라는 농촌진흥청 식량과학원을 중심으로 대학이 연합하여 이른바, ‘Green Rice Project’를 출범하였다(총연구기간 2022년 4월부터 약 5년간 진행).
그림 10. 1kg의 해당 식품을 생산하기 위하여 발생하는 온실가스 총량을 생산-소비까지 계산한 것. 소고기가 제일 크며, 벼는 거의 농장에서 3.6kg의 온실가스를 발생시킨다.
그림 11. 작물을 재배하면서 발생하는 총 온실가스의 발생량을 표현한 세계지도. 우리나라는 가장 붉은 색을 띠고 있는 나라 중 하나이다. (Carlson et al. 2017)
벼를 재배하면서 메탄을 발생시키는 인자로 고려해야 할 사항으로 토양 산화환원 전위, 토양유기물, 토양온도, 토양 산도 및 토성 등의 토양 자체의 특성도 있지만, 벼 생육 단계, 품종의 식물체 수준의 영향, 비료 및 농약의 농자재도 생각해야 한다. 한편, 다양한 토양메탄생성균의 생태를 연구하고, 이들이 온실가스를 덜 배출하도록 생태학적 조절을 하기 위한 환경 조절을 고려하는데, 역시 토양과 식물간의 관계를 더욱 심도있게 연구해야만 한다.
메탄을 저감시키기 위하여, 가급적 벼재배시 물을 가두어두는 시간을 늦추거나 마른 논에 벼를 직파하는 방법이 도움을 줄 수 있다. 한편 토양내 유기물, 수확후 유기물을 집중 관리하고, 경운을 최소경운 또는 무경운을 하는 것이 비교적 좋다고 알려졌다. 또한 비료투입을 적게 하여야만 하고 토양개량제를 투입하면 효과적일 수 있다.
벼 품종은 메탄저감에 다양한 역할을 할 수 있겠으나, 우선적으로 메탄저감 농법에 적합한 품종을 사용하는 것이 필수적이다. 따라서, 건조에 강하고, 직파농법에 적응하면서, 뿌리의 영양흡수력이 우수하고, 생육기간이 짧아야 한다. 보통 이런 품종들은 파종 이후 초기의 생장이 매우 우수해야 하며, 이에 따라 식물의 형태나 수량성, 군집 특성 등 많은 부분에서 차이가 날 것이다.
6. 결론
기후변화는 이제 아주 일상적인 단어가 되었다. 우리 대부분은 지구의 표면기온이 평균 3도 이상 상승할 것을 목격하게 될 것이다. 기후변화는 우리 생활 전반에 가장 큰 변수로 작동할 것인데, 지금까지 당연하게 생각했던 많은 것들이 더 이상 그렇지 않은 세상을 살게 될 것이다. 새로운 병원균의 발생에 따른 문제 또는 갑작스러운 재해의 발생 등이 훨씬 더 빈번해질 수 있다. 우리 인간 자체의 삶도 많은 변화를 요구하는 한편, 늘어나는 인구와 소비구조의 변화, 농업인구의 감소 등에 따른 식량 농업에도 큰 변화를 요구하고 있으며, 특히 벼에서는 메탄저감농법에 적합하고, 환경스트레스 저항성, 병해충 저항성 등이 강화된 새로운 품종을 개발하여 활용해야 한다. 식량자급률이 20% 수준에 불과한 우리나라로서는 세계 여러나라의 생산 및 수급에도 관심을 가져야 하며, 인류 공동의 노력으로 식량 부족 및 수급불균형 문제를 고려해야 한다. 그게 새롭게 국제 사회에 리더국가로 막 진입한 우리나라에게 요구되는 의무다.
참고문헌
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국립식량과학원 (2013). 기후변화에 따른 벼 수량 및 품질저하 원인 구명과 기후변화 적응기술 개발 농촌진흥청 작물시험연구사업 최종보고서. https://doi.org/10.23000/TRKO201300014018
권효숙, 최은정, 이선일, 이형석, 이종문, 강성수 (2022) 벼 재배 논토양에서 메탄의 생성 및 배출: 리뷰. Journal of Climate Research 13(1): 117~134.
진중현 (2015) 국제벼연구소의 고효율 분자육종 시스템 개발 동향. 한국국제농업개발학회지, 27(5): 551~563.
환경부 기후변화홍보포털. https://www.gihoo.or.kr/netzero/intro/intro0101.do