Article

Korean Journal of Soil Science and Fertilizer. August 2020. 287-300
https://doi.org/10.7745/KJSSF.2020.53.3.287


ABSTRACT


MAIN

  • Introduction

  • Materials and Methods

  • Results and Discussion

  • Conclusion

Introduction

국토의 약 64%가 산지로 구성되어 있는 우리나라에는 약 18,700개의 호소가 있으며 현재 국내 주요 호수의 대부분이 부영양화 수준에 도달하여 생활용수 및 농업용수의 확보 측면에서 호소의 중요성이 강조되고 있다 (Park and Chung, 2006; K water, 2013). 유역면적이 3,204 km2이고 총저수량은 약 14억 9천만톤인 대청호는 금강 중상류에 건설된 다목적 인공호수로서 대청호 상류유역의 연평균 총강수량의 약 68%에 해당하는 28억 m3이 대청호로 유입되어 충청권 지역에 연간 약 16억 m3의 생활·공업용수 및 관계수를 공급하고 있는 중요한 수자원으로 역할을 하고 있다 (Lim, 2007). 대청호 유역의 약 74% 정도가 임야로 구성된 대청호의 경우 1997년 조류예보제가 시행된 이후 1999년을 제외한 모든 연도에서 조류예보가 발령되고 있으며 특히, 부영양화 제어를 위해 요구되는 인의 삭감부하량이 매우 높아 현실적으로 관리가 이미 어려운 실정에 와 있다 (Sohn, 1996; Hwang et al., 2003; Cheon et al., 2006; Lee, 2007; Lee et al., 2009; Kim et al., 2012; K water, 2013).

대청호와 같은 호소의 부영양화는 인위적 및 자연적 부영양화 현상에 의해 부영양화속도가 가속화되며 특히 축산폐수, 농경지나 산림과 같은 비점오염원으로부터의 부영양화에 미치는 영량도 매우 큰 것으로 보고되고 있다 (Lee, 2013). 비점오염원인 농경지나 산림에 존재하는 질소와 인은 지표면에서는 강우사상에 따라 유거의 형태로 호소로 이동되어 수질에 직접적인 영향을 미친다. 특히 농경지의 경우 논은 담수상태의 수용성 상태로 밭토양의 경우 토양침식에 따른 토양유실 시 토양 중에 존재하던 과다한 질소와 인이 호소로 유입되어 부영양화의 가속화 원인으로 작용하기도 한다 (Jung et al., 1989; Lee et al., 2000; Oh and Koh, 2003; Lee et al., 2006). 한편 농경지의 경우 담수 상태의 논은 강우 시 담수에 포함된 양분이 유출되어 수질 오염원으로 작용하기 때문에 담수된 논의 질소와 인의 농도는 논의 수질오염 포텐셜의 지표로 활용된다 (Kim and Chung, 2010; Ham et al., 2013). Aber et al. (1990)가 발표한 자료에 따르면 농업 (농경지 포함)은 전체 인산이온 (P) 유출량의 각각 50% 이상을 차지하며 한편 산림은 약 7% 정도 인산이온 유출에 기여하는 것으로 보고하였다. 국내의 산림으로부터의 질소와 인의 호소 유입과 관련한 연구는 매우 미미하나 우리나라 산림지역 토양의 경우 A층 내의 T-N은 전국 평균 약 0.19% 정도이며 가용태 인산함량 (P2O5 기준)은 약 25.6 ppm 정도인 것으로 보고되었다 (Chung and Lee, 2008). 그리고 낙엽송 임분의 경우 총질소는 0.06-0.42%, 가용성인 함량은 12-100 mg kg-1 정도로 조사되었다 (Kim et al., 2005; Park, 2008). Joo et al. (2007)이 발표한 자료에 따르면 논과 밭을 포함한 낙동강 산림유역으로부터 발생하는 총인 (T-P)과 총질소 (T-N)의 오염부하원단위는 각각 5,027 kg과 148,631 kg이며 이를 전체 유역면적 (431.99 km2)과 조사기간 (204일)으로 나눈 값으로 환산하여 보면 각각 0.06과 1.69 kg km-2이다. 또한 총인 (T-P)은 영농활동이 집중적으로 이루어지는 7월의 경우 하류 지역의 총인의 함량이 약 0.4 mg L-1로 조류발생가능 수준 (0.05 mg L-1)보다 8배 정도 높았으며, 이는 영농활동을 위하여 시용된 인산질 비료가 토양에 흡착되어 강우 시 토양유실과 함께 하천으로 이동되었기 기인한 것으로 판단하였다. 한편 Kim (2015)이 발표한 결과에 따르면 토지이용 특성 별 비점오염원 유출특성을 분석한 결과 논/밭 지역에서 유출되는 질소와 인의 유출량이 리조트 지역을 포함하는 산림지역에서의 유출량보다 매우 높은 것으로 조사되었다 (Kim et al., 2005). 그러므로 농업에서 기인되는 오염원의 관리방안과 오염 부하량의 저감대책 수립을 위해 농경지로부터 유출되는 질소와 인에 대한 연구가 필요하다. 특히 대청호와 같이 주변 유역의 대부분이 경사도가 높은 산지로 구성되어 있을 뿐만 아니 상대적 분포비율은 낮으나 경사면에 위치하고 있어 강우 시 토양침식의 우려가 높은 대청호와 같은 경우 농경지와 산림으로부터 유입되는 질소와 인에 대한 적정 관리방법이 마련되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 대청호 상류 농경지 (밭, 논, 과수원 등)와 임야를 대상으로 농경지와 임야에 존재하는 질소와 인의 분포와 함량을 조사하여 대청호로 유입되는 질소와 인의 기여도를 조사하여 호소부영화의 비점오염원으로 작용하는 농경지와 산림으로부터 유입되는 질소와 인에 의한 부영양화를 저감하기 위한 방안을 마련하는데 근거자료로 활용하기 위하여 연구를 실시하였다.

Materials and Methods

조사지점 선정 연구는 2019년 4월 30일부터 5월 24일까지 현장 조사를 실시한 후 대전시 동구 오동부터 대덕구 황호동에 이르기까지 대청호 인접 수변지역 34 km 구간에 대하여 토지이용 특성에 따라 (DGIS, 2019) 농경지(논과 밭)는 경사지와 평지로 구분하여 각각 5개소, 과수원 2개소 (포도와 복숭아), 경사도를 기준한 지형 특성과 대표 수종을 중심으로 산림 임반 2개소 (소나무, 낙엽송), 그리고 산림이 대청호와 만나는 지점에 형성된 퇴적층 3개소를 선정하였다 (Fig. 1).

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Fig. 1.

Description of investigation area (A: Investigation sites and sampling points; B: Features of slope along the boundary of investigated Daechung reservoir; C: Distribution of tree species). Modified from DMC in 2019.

Table 1.

Description of sampling sites and cropping system.

Land uses No. of sampling plot Remarks
Paddy 4 Rice single cropping, Conventional fertilization
Upland 4 Rotation cropping-Potato, Garlic, Hot pepper, Green onion, bare; Conventional fertilization
Orchard 2 Grape and Peach, Conventional fertilization
Forest 3 Pine, Larch, Mixed (Pine-larch)
Lake sediment 1 Sand top

시료채취 분석방법 토양시료 채취는 각각의 조사 대상 필지 내에서 장방형 30 m 간격으로 조사지점을 선정한 후 원형 토양시료채취기 이용하여 표층 (0 - 20 cm)과 심층 (0 - 20 cm)으로 구분하여 조사지점별로 약 1 kg 정도의 토양시료 5개를 채취하였다. 그리고 강우사상에 따른 토양 내 질소와 인의 함량 변화를 조사하기 위하여 각각의 조사 지점에서 5월부터 10월까지 매월 25일 전후 표층과 심층에서 상기와 같은 방식으로 토양시료를 채취하여 실험실 내에서 풍건 후 2 mm 채를 통과한 시료를 Dry oven의 온도를 80°C로 조절한 후 72시간 건조하여 토양분석에 사용하였다 (Fig. 2). 한편 수질 내 질소와 인 함량을 조사하기 위하여 논 5개소와 대청호 모래톱 주변 5개소에서 2 liter 부피의 5개의 수질시료를 5월부터 매월 수질 시료를 채취하여 질소 (NO3-, NH4+)와 T-P를 조사하였으며 이와 별도로 각각의 조사지 논, 밭, 그리고 임반에 강우수집용 Acryl trench (가로 100 cm × 세로 150 cm)를 설치하여 월별로 채취한 강우 내 질소 (NO3-, NH4+)와 T-P를 조사하였다.

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Fig. 2.

Soil sampling methods (left) and trenches installed on the slope of forest stand to collect rainfall through the experimental period.

토양시료의 물리화학성과 성분분석은 농촌진흥청 토양분석법과 Method of soils chemical analysis에 준하여 분석하였다. 특히 각각의 조사지점에 채취한 토양 내 질소와 인은 총 (Total N, Total P), 수용성-N (water soluble-N)과 치환성-N (exchangeable-N)으로 구분하여 T-N은 C/N 자동분석기로 (Flash2000, Thermo Fisher Scientific, Germany)로 측정하였으며, 수용성-N (Mobilized-N)은 건조한 토양 20 g을 채취하여 99% Ethyl alcohol 100 mL로 용출하여 용출수 내 NO3-와 NH4+ 함량을 IC와 Kjeldal 법으로 그리고 치환성-N는 가용태-N에 사용하였던 토양을 Dry oven에서 72시간 건조한 후 100 ml 0.05 M oxalic acid로 용출하여 Kjeldal 법으로 분석하였다. 수용성과 치환성 상태의 총질소 (Total-inorganic N)은 수용성과 치환성 상태의 NO3-와 NH4+ 함량에 N 함유 비율 (NO3- x 0.258, NH4+ x 0.7778)을 곱하여 환산하였다. T-P는 Sulfuric-peroxide 분해법으로 수용성-P (water-soluble-P)은 건조한 토양 20 g에 증류수 100 mL로 용출하여 용출수 내 P 함량을 Ion Chromatography (Dionex 200i, USA)로 그리고 치환성-P는 수용성-P 추출에 사용하였던 토양을 Dry oven에서 72시간 건조한 후 Mehlich방법과 Oxalic acid 연속추출하여 UV-Spectrophotometer (UV-2450, Shimadzu, Japan)를 이용하여 720 nm에서 측정하였다. 그리고 토양 내 음이온과 양이온은 Ion chromatography (Dionex 200i, USA)와 ICP (Varian Vista- MPX)로 분석하였다. 통계 분석 자료의 통계분석은 SPSS를 이용한 분산분석으로 수행하였고, 95% 수준에서 Duncan’s New Multiple Range Test로 유의성 정도를 분석하였다.

Results and Discussion

대전광역시 지역에 위치하는 대청호 유역은 동구 15개 동과 대덕구 6개동 총 21개 동이 인접되어 있으며 동구는 주원천이 대청호로 유입되고 있으며 대덕구는 용호천이 대청호로 유입되고 있다 (Fig. 1). 대청호 유역 주변의 지형 특성을 살펴보면 주변 산의 높이는 125 m에서 346 m (백골산)까지 분포하며 대청호에 인접한 상류 지역의 경사도는 5 - 10% 정도이나 중류 이상의 산지의 경사도는 대부분 40 - 60% 정도로 강우 시 임반에 떨어지는 강우는 빠른 속도로 대청호로 유입될 것으로 판단된다. 한편 경사도가 상대적으로 낮은 대청호 상류 지역에서 임반과 대청호와 만나는 지점에 호소퇴적층 (모래톱)이 발달되어 있다 (DMC, 2019). 대청호 유역 주변 토지피복도 현황을 살펴보면 조사 구간 대청호 유역은 산림지역으로 형성돼 있으며 대청호 유역 주변 산림지역의 식생분포 특성을 살펴보면 (Fig. 1) 갈참나무가 가장 많이 자리고 있으며 이어 상수리, 일본 잎갈순으로 조사되었다 (DGIS, 2019).

2000년도 이후 대전지역의 년간 강수량은 2001년 최저 828.7 mm에서 2011년 최대 1943 mm였다. 한편 조사 기간인 2019년 년 총 강수량은 984 mm였으며 강수량은 7월 이후 급격히 증가하는 경향을 보였으며 일 최대 강우량은 10월 5일 82.5 mm로 전년도와 비교 시 매우 낮았다 (KMA, 2019). 그리고 장마기에 해당하는 6 - 8월 사이의 누적강우량은 381 mm로 년 강수량의 38.7%로 일반적인 장마기간에 강수가 집중되는 경향은 발생하지 않았다 (Fig. 3).

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Fig. 3.

Daily, monthly and yearly precipitation in Daejeon district in 2019 (source : KMA, 2019).

대청호 주변 담수상태의 논물, 농경지와 인접한 수계, 그리고 대청호 주변 산림에 설치한 Trench에서 채취한 강우에 포함된 질산과 NH4+이온, 그리고 인산이온함량을 조사하였다 (Table 6). 대청호 주변 논의 이앙시기는 5월 하순부터 시작되어 6월 10일 이전에 종료하였다. 논의 경우 대부분 농촌진흥청이 추천한 맞춤형 비료를 시용하였으며 시비량은 토양검정 결과에 따라 기존의 추천 시비량의 약 80% 수준 (약 7 kg 정도) 시비를 실시한 것으로 조사되었다. 조사지역의 강우에 포함된 질소함량을 조사한 결과 NO3-가 NH4+ 이온보다 많은 것으로 조사되었다. 조사 초기 논물에 존재하는 질소 중 질산이온 형태의 질소는 시간이 경과함에 따라 증가하는 경향을 보인 반면 암모늄태는 지속적으로 감소하는 경향을 보였다. 이는 Ham etc. (2013)이 발표한 자료에서 보듯이 논토양의 특성상 혐기적 토양조건에서 질산화가 억제되었고 생성된 NO3-가 용탈 및 탈질 등에 의해 손실되었다가 논물의 배수가 시작되는 9월 중순 이후부터는 호기적 상태로 토양이 전환되어 NO3-가 증가한 것으로 추정된다. 대청호 물의 경우 조사기간 동안 NO3-가 이온의 농도는 최저 0.11 mg kg-1에서 최대 0.57 mg kg-1로 담수논물의 30% 이하이며 NH4+ 이온은 조사 기간 동안 0.05 mg kg-1 이하로 조사되었다. 대부분 호소 내 질소는 주변 비점오염원으로부터 유입되는데 토양으로부터 호소로 유입되는 질소원의 대부분이 NO3-로 유입되기 때문인 것으로 추정된다. 이러한 결과로부터 각각의 물에 존재하는 질소 형태 중 질산이온은 강우 > 논물 > 호소수 순이며 NH4+이온은 논물 > 강우 > 호소수 순으로 조사되었다. 한편 조사기간인 5월부터 10월까지의 수질 내 수용성 상태의 인함량은 논물 (0.075 - 0.283 mg kg-1), 강우 (0.042 - 0.107 mg kg-1), 호소수 (0.011 - 0.041 mg kg-1)로 논물과 강우에 포함된 인이 호소로 유입되면 호소수의 인 농도를 증가시킬 수 있는 요인으로 판단된다 (Table 2). 한편 Yoon et al. (2006)Choi et al. (2016)이 영산강과 섬진강 수계 논으로부터 배출되는 오염부하 특성조사 자료에 따르면 담수상태의 논물에 포함된 PO4-P는 0.21±0.04 mg L-1, T-P는 1.25±0.22 mg L-1 였으며, PO4-P와 T-P의 비율은 평균 0.30이었다. 강우 시와 비강우시 논으로부터 유출되는 PO4-P 농도와 PO4-P/T-P는 비슷하지만 T-P의 농도가 높은 이유는 강우 시 토양의 교란되면서 입자성 인이 함께 유출되었기 때문으로 판단된다고 추정하였다.

Table 2.

Changes of N and P contents recovered from water collected from paddy, reservoir, and rainfall along Daechung reservoir from May to October of 2019.

Land use Period NO3- NH4+ T-P
---------------------------------------------- (mg kg-1) ----------------------------------------------
Rainfall May 1.55def 0.22e 0.08e
Jun 1.86bcd 0.17fg 0.09e
Jul 1.89bc 0.21e 0.07ef
Aug. 1.81bcd 0.19ef 0.09e
Sep 1.85bcd 0.23e 0.09e
Oct 2.01b 0.22e 0.06fg
Paddy May 1.07g 0.68a 0.16b
Jun 1.12g 0.67a 0.19a
Jul 1.61cde 0.64ab 0.16b
Aug. 2.79a 0.66a 0.20a
Sep 2.16b 0.55c 0.13c
Oct 2.25b 0.37d 0.10d
Reservoir May 0.41h < 0.05 0.02hl
Jun 0.26h < 0.05 0.02hl
Jul 0.35h < 0.05 0.03h
Aug. 0.40h < 0.05 0.03h
Sep 0.29h < 0.05 0.03h
Oct 0.20h < 0.05 0.02h

대청호 유역 주변 농경지 작물재배 현황을 조사한 결과 논은 단작으로 하절기만 벼를 재배하고 밭의 경우 봄 감자와 파를 재배 후 6월경 수확 후 윤작으로 두과류 (콩 또는 땅콩)와 깨 (참깨, 들깨) 등을 재배하거나 8월 하순경 김장용 배추가 밭 작물로 재배하고 있다. 그리고 일부 지역에서는 동절기 작목으로 마늘과 양파를 재배하고 있었다. 시비의 경우 벼, 콩, 참깨, 감자 등 6개 작물의 평균시비량은 표준시비량보다 다소 많은 양이 시용되고 있으며, 감자만 시비량이 표준시비량보다 다소 적게 시용되고 있는데 이는 퇴비를 시용하기 때문인 것으로 판단된다. 한편 과수원의 경우 사과, 배, 복숭아의 경우에는 시비량이 표준시비량보다 많고 단감의 경우는 시비량이 표준시비량보다 낮은 경향을 나타내었으며, 전체평균 단위면적당 농가 평균시비량은 10a당 17.1-10.3-16.0 kg (표준시비량 = 17.2-9.4-15.2 kg 10a-1)이었고, 단감이 10a당 14.1-9.7–14.0 kg으로 표준시비량 (25.0-12.0–24.0 kg 10a-1)보다 낮은 것으로 조사되었다.

조사지점의 토성을 조사한 결과 (Table 3) 논의 경우 토성은 밭과 마찬가지로 사질양토 내지 양질사토로 모래함량은 42.7 - 53.3% (Average 47.5%)로 조상 대상지 중 가장 낮았으며 반면 점토함량은 14.2 - 18.8%로 가장 높았다. 그리고 토성 조사 전 조사한 최대 석령함량은 Forest stand로 약 48.8%이며 평균 석력함량은 Forest stand > Orhard > upland > Paddy 순으로 높은 모래와 석력함량으로 인하여 상대적 개별공극의 크기가 크고 한편 수분보유력도 낮을 것으로 판단된다. 조사지 토양의 평균 pH는 대청호와 인접한 모래톱을 제외하고는 논 (5.25), 밭 (5.89), 과수원 (5.76), 그리고 산림토양 (3.99)로 모두 산성으로 조사되었으며 산림토양의 경우 pH가 3.85 - 4.13로 논 (4.44 - 5.52)과 밭토양 (5.79 - 6.51)의 pH보다 낮은 것으로 조사되었다. 그리고 표토의 평균 유기물함량은 논 (2.98%), 밭 (2.63%), 과수원 (4.14%), 모래톱 (1.42%), 그리고 산림토양 (5.68%)로 산림토양 표층의 유기물함량이 가장 높은 것으로 조사되었다. 표층토양 내 평균 T-N은 논 (84.5 mg kg-1), 밭 (156 mg kg-1), 과수원 (169 mg kg-1), 모래톱 (6.20 mg kg-1), 그리고 산림토양 (206 mg kg-1)이며 평균 T-P는 논 (142 mg kg-1), 밭 (463 mg kg-1), 과수원 (258 mg kg-1), 모래톱 (4.20 mg kg-1), 그리고 산림토양 (128 mg kg-1)으로 토양에 잔류하는 N은 산림토양이 가장 높았으며 P는 밭토양에서 가장 높은 것으로 조사되었다 (Fig. 4). 한편 심층 (20 - 40 cm)에 유기물. T-N, 그리고 T-P의 평균함량은 조사지 대부분의 표층의 50% 이하인 것으로 조사되었다. 총질소와 인의 경우 2018년 기준 전국 논토양과 밭토양 내에 잔류하는 평균 유효인산함량인 131 mg kg-1과 657 mg kg-1보다 낮으며 농촌진흥청이 제시하고 있는 논토양과 밭토양의 N과 P의 적정 범위인 80-120 mg kg-1과 350-450mg kg-1에 있다. 이와 같이 조사지 논과 밭토양에 잔류하는 인의 함량이 전국 논토양과 밭토양에 잔류하는 인 함량보다 낮은 것은 조사지 토양 내 점토함량이 전국 일반 농경지보다 매우 낮은 것에 기인한 것으로 추정된다.

Table 3.

Physical and chemical properties of soils and forest litters for paddy, upland, forest stand, and lake basin in the investigation sites of Daechung reservoir (May 18. 2019).

Land uses Class Depth pH OM T-N T-P Soil particle distribution Stone ratio
Sand Silt Clay
(cm) (1:5) (%) ----- (mg kg-1) ----- --------------------- (%) ---------------------
Paddy 0 - 20 5.25e 2.98d 84.5e 142c 47.5f 22.83a 15.7a 7.35h
20 - 40 4.73f 1.23f 22.8g 58.9d 49.4e 23.5a 11.1b 8.52h
Upland 0 - 20 5.89b 2.63d 156b 463a 73.3c 21.4ab 11.6b 15.1g
20 - 40 5.89bc 2.05de 86.4e 26.9d 72.1c 19.9cd 8.01de 19.4f
Orchard 0 - 20 5.76bc 4.14c 119c 258b 80.1a 14.5gh 11.1bc 27.1d
20 - 40 5.91b 2.78d 84.2e 75.2c 72.5c 16.3fg 9.83cd 25.6d
Forest Pine 0 - 20 3.99j 5.68b 184a 128c 75.9b 17.4ef 6.77fg 37.6ab
20 - 40 4.21i 4.29c 75.3ef 54.9d 70.1d 19.5cd 10.8b 39.1a
Larch 0 - 20 4.40h 5.68b 170b 274b 76.1b 17.9de 6.77f 37.6c
20 - 40 4.61g 4.28c 106d 104c 72.3c 20.3bc 10.8b 39.1a
Lake basin 0 - 20 6.23a 0.74f 6.14g 4.24de 4.98g 3.07j 4.48h 30.6c
20 - 40 6.34a 0.43fg 2.29h 1.55de 2.81h 5.93i 8.03f 23.1e
Forest litter 5.58d 93.5a 8200a 900a - - - -
5.66d 93.8a 6800b 600b - - - -
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Fig. 4.

Comparison of chemical properties for different land uses in the investigation sites of Daechung reservoir.

상기에서 살펴 본 바와 같이 대청호 주변 농경지 표층토와 산림지역의 토성은 모래함량이 높은 사질 또는 양질사토로 모래함량이 높아 토양 내 양이온 성분들이 쉽게 용탈되어 지표면으로 유출되거나 지하수로 용탈이 가속화 될 수 있다. 특히 질소질 이온은 양이온인 암모늄태나 음이온의 형태인 질산태 질소로 토양에 존재하며 토양의 pH 조건에 따라 이온의 동태가 결정된다. 상기에서 조사된 바와 같이 대부분의 토양 pH가 약산성 또는 강산성을 띠고 있어 양이온교환능이 감소되어 양이온인 암모늄태이온은 흡착량이 감소되어 용탈되며 음이온인 질산태이온은 비특정흡착 형태로 토양으로 유입되는 수분에 의해 쉽게 탈착된다. 반면 인산이온의 경우 토양 pH가 낮아짐에 따라 흡착량은 증가할 뿐만 아니라 낮은 토양 pH에 의해 수용성 상태로 존재한 2가 이상의 양이온과 반응하여 침전물로 토양에 잔류하는 양이 증가한다.

2019년 5월부터 10월까지 조사지 표층 토양 내 평균 유기물함량 변화를 조사한 결과 7월까지 점진적으로 감소하다 8월 이후 유기물함량이 증가한 대청호 모래톱을 제외한 모든 토양에서 유기물함량은 점진적으로 감소하는 경향을 보였다 (Table 4) 감소량은 논 (0.42%), 밭 (0.25%), 과수원 (0.97%), 소나무 임반 (0.59%), 갈참나무 등의 낙엽송 임반 (0.24%) 정도이며 과수원 토양에서 유기물 감소량이 가장 큰 것으로 조사되었다. 한편 소나무임반의 평균 유기물함량 감소비율은 조사기간 동안 5.68%에서 5.09%로 약 0.59%가 감소한 반면 갈참나무가 주인 낙엽송임반의 유기물감소비율은 4.28%에서 4.04%로 약 0.24%가 감소하여 소나무임반이 낙엽송임반보다 유기물감소비율이 높은 것으로 조사되었다 (Fig. 5). 이는 Table 4에서 보는 바와 같이 소나무임반 내 유기물 중 질소함량이 낙엽송임반의 질소함량보다 높기 때문인 것으로 추정된다. 그리고 대청호 모래톱에서의 유기물함량 증가는 Fig. 3에서 보는 바와 같이 2019년도 대청호 지역의 총강수량은 984 mm로 전년도와 비교 시 매우 낮았으며 또한 강수량은 7월 하순 이후 증가하였고 일 최대 강우량도 10월 5일 82.5 mm 발생한 것으로 미루어 7월 이후 모래톱 내 유기물함량 증가는 강수량 특성에 기인한 것으로 판단된다 (Fig. 5).

Table 4.

Changes of pH and organic matter content in top 20㎝ for various land uses along the investigation sites of Daechung reservoir.

Land use Category Period
May June July Sept. Oct. △(Oct.- May)
Paddy pH 5.25d 5.62d 5.99b 6.23b 6.49b
OM (%) 2.98d 2.82d 2.78c 2.65c 2.56c -0.42
Upland pH 5.89b 5.84b 5.88b 5.89c 5.82c
OM (%) 2.83d 2.69d 2.63c 2.54c 2.58c -0.25
Orchard pH 5.86c 5.79c 5.72bc 5.74d 5.62d
OM (%) 4.64b 4.42b 4.09b 3.88b 3.67b -0.97
Forest Pine pH 3.99f 4.64f 4.88e 5.01f 5.16f
OM (%) 5.68a 5.34a 5.22a 5.12a 5.09a -0.59
Larch pH 4.69e 5.35e 5.49d 5.51e 5.56e
OM (%) 4.28c 4.22c 4.13b 4.03b 4.04b -0.24
Lake basin pH 6.23a 6.26a 6.46a 6.43a 6.52a
OM (%) 1.42e 1.37e 1.27d 1.42d 1.45d +0.03
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Fig. 5.

Changes of average organic matter content in top 20 cm for various land uses along the investigation sites of Daechung reservoir from May to October of 2019.

토양에 존재하는 질산이온 (NO3-)과 암모늄이온 (NH4+)은 농경지에 시비 또는 토양개량제로 투입되는 요소, 복합비료, 퇴비 및 유박과 같은 농자재에 아민기 (-NH2) 형태로 존재하는 질소성분의 전환율에 따라 토양 내 존재 형태나 함량이 달라진다. 또한 음이온인 NO3-과 양이온인 NH4+의 토양 내 잔류특성은 토양산도 따른 토양입자와 유기물의 표면전하에 의해 결정된다. 2019년 5월부터 10월까지 각각의 조사대상 토양 표층에 존재하는 수용성 (water soluble or solution phase)과 토양입자 또는 유기물에 흡착된 상태로 존재하는 치환성 (exchangeable) 형태의 질산이온 (NO3-)과 암모늄이온 (NH4+), 유기태 질소 (organo-N), 그리고 총질소 (Total N)의 변화를 조사한 결과 (Table 5), 토양산도가 산성에 속하며 환원상태인 논과 중성에 가까우나 대공극이 많아 통기성이 양호한 과수원 토양의 경우 수용성 NO3-와 NH4+의 함량이 치환성 보다 낮았으나 밭과 소나무와 낙엽송임반 토양 내 수용성 NO3-와 NH4+의 함량은 치환성 보다 높은 것으로 조사되었다. 논과 밭에서 NH4+은 수용성이 치환성보다 낮은 것으로 조사되었다. 이는 조사지 토양의 산도가 Table 2에서 보는 바와 같이 산성을 띠고 있어 음이온인 질산이온 (NO3-)은 토양입자나 유기물 표면에 흡착되어 존재하고 양이온인 암모늄 (NH4+)은 토양입자나 유기물 표면에 흡착되지 못하기 때문인 것으로 판단된다. 그리고 유기태형태로 존재하는 질소는 시간이 지남에 따라 점진적으로 감소하는 경향을 보였으나 유기태 질소량의 감소에 따른 질산이온 (NO3-)이나 암모늄이온 (NH4+)의 함량 변화간에는 상관성이 낮은 것으로 조사되었다. 이는 감소된 유기태질소는 가스 형태인 암모니아부터 암모늄이온, 그리고 질산태이온으로 전화되나 각각의 전환된 이온의 흡착 또는 용탈 등에 의하여 지하로 이동되었기 때문인 것으로 판단된다. 그리고 무기태인 NO3-과 NH4+의 함량과유기태 질소함량간의 분포비율을 조사한 결과 시간이 지남에 따라 유기태 질소의 함량이 증가하는 것으로 조사되었으며 논과 밭토양에서의 유기태질소함량은 무기태질소함량의 약 211%와 134.8%로 조사되었다 (Fig. 6). 이와 논토양에서 유기태질소함량이 시간이 지남에 따라 급격히 증가하는 것은 논토양의 담수기간에 따른 토양의 환원상태 지속과 유기물의 분해가 낮은 것에 기인한다고 추정되며 반면 산림토양 내 T-N 함량은 논, 밭, 과수원과 비교 시 매우 빠른 속도로 감소하였으나 무기태와 유기태 질소함량간은 대부분 20% 이하로 무기화된 질소원이 자체 토양에 잔류하지 않고 강우 시 소나무와 낙엽송임반으로부터 이동되었기 때문인 것으로 추정한다.

Table 5.

Changes of water-soluble and exchangeable N contents in top 20cm soil for various land uses along Daechung reservoir from May to October of 2019.

Land use Period NO3- NH4+ Total (Inorg-N) R-N (B) T-N A/B
WS EX WS EX NO3- NH4+ T-N(A)§
-------------------------------------------------- (mg kg-1) --------------------------------------------------
Paddy May 17.3l 34.1de 4.03m 5.82h 21.3k 39.9h 35.9e 48.6j 84.5k 73.8
Jun 19.2h 29.7g 4.41l 5.04l 23.6j 34.7l 32.4f 42.2l 74.6l 76.9
Jul 21.8h 27.9h 5.05j 4.79j 26.8h 32.6k 31.5f 33.7n 65.2m 95.7
Sep 16.3l 33.6de 3.76n 5.71h 20.0l 39.3h 35.2e 20.1o 55.3n 174.6
Oct 19.6h 28.4h 4.51k 4.82j 24.1l 33.2j 31.4fg 14.8p 46.2o 211.2
Upland May 61.3c 60.4a 14.1a 15.4e 75.4c 75.8a 76.2a 79.8g 156.0c 95.5
Jun 71.8a 52.8b 12.1b 16.4d 83.9a 69.2b 73.0a 56.4l 129.4e 129.4
Jul 66.4b 41.7c 9.84c 20.4c 76.2b 62.1c 65.7b 54.3l 120.0f 121.1
Sep 58.2d 34.9d 8.76d 21.4a 67.0d 56.3d 59.1c 44.1k 103.2h 134.0
Oct 45.4e 30.6f 6.69f 20.9b 52.1e 51.5e 52.0d 38.5m 90.5j 134.8
Orchard May 3.51kl 36.2d 6.49g 6.21f 9.9n 42.4f 35.2e 83.8f 119.0f 42.0
Jun 6.63k 35.4d 7.62e 6.02g 14.2m 41.4g 35.5e 63.4h 98.9l 55.9
Jul 4.37k 28.1h 9.96c 4.85j 14.3m 32.9j 28.8h 54.6l 83.4k 52.8
Sep 9.61j 22.4l 12.1b 3.83k 21.7k 26.2l 25.3j 40.9l 66.2m 62.0
Oct 5.95k 18.4k 1.42o 3.11m 7.32o 21.5n 18.4m 34.6n 53.0n 59.8
Forest Pine May 27.6g 20.1j 6.35h 3.42l 33.9g 23.5m 26.0l 158.1a 184.1a 16.5
Jun 28.5f 17.5k 6.56g 2.98n 35.1f 20.5o 23.9k 142.3b 166.2b 16.8
Jul 25.4g 14.6l 5.20l 2.48o 30.6p 17.1p 20.3l 137.9c 158.2c 14.7
Sep 20.6g 12.2k 5.84l 2.07o 26.4h 14.3p 17.1n 125.7d 142.8d 13.6
Oct 18.7g 11.4kl 4.74k 1.94p 23.4l 13.3q 15.7o 97.0e 112.7g 16.2
rowspan="5"> Larch May 27.6e 18.9g 6.33g 5.54f 33.9k 24.4h 26.8g 143.4b 170.2b 18.7
Jun 28.5ef 17.5hl 6.61g 3.06l 35.1f 20.6kl 24.0l 126.6e 150.6e 19.0
Jul 35.8d 16.2hl 5.26j 4.17l 41.1d 20.4k 25.2h 118.2f 143.4f 21.3
Sep 25.4e 14.2j 5.83h 4.92g 31.2c 19.1lm 22.0j 107.4g 129.4h 20.5
Oct 20.6g 12.7k 4.35l 4.55h 25.0g 17.3o 19.1k 83.0l 102.1k 23.4

water-soluble, exchangeable, §T-N(A) : Sum of NO3- N × 0.2258 + NH4+ × 0.7778), R-N : Residual-N, T-N : T-N(A) + R-N, A/B : T-N(A)/R-N

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Fig. 6.

Changes of T-N and ratio of A/B in top 20 cm soil for various land uses along Daechung reservoir from May to October of 2019.

인을 함유하는 유기물이나 비료 구성 요소로 토양에 유입된 음이온인 인산이온은 수용성, 치환성, 유기태-인 (P)로 존재하며 이온화된 인산이온은 토양용액 내에서 2가 이상의 양이온과 결합하여 침전되거나 토양입자나 유기물 등에 특정흡착을 하여 불용화된다. Kim et al. (2016)이 발표한 자료에 따르면 밭토양의 인 최대 흡착량은 pH 4.4 - 4.5이고 점토함량이 11, 23, 37%일 때 토양의 인산 최대 흡착량은 각각 217, 909, 1,250 mg P kg-1이었고, pH가 8.0 - 8.2이고 점토함량이 4, 22, 46%일 때 토양의 인산 최대 흡착량은 139, 769, 1,429 mg P kg-1으로 토양 내 인 잔류량은 점토함량과 토양 pH의 영향을 받는 것으로 조사되었다. 토양에 잔류하는 인의 분포와 함량을 조사한 결과 조사지 모두에서 시간이 지남에 따라 수용성 (water soluble)인 함량의 감소비율 (ΔS)은 논토양 > 밭토양 > 소나무임반 > 낙엽송임반 > 과수원 순이었으나 치환성 (ΔS)와 총인 (ΔTP)의 함량은 지속적으로 감소하는 경향을 보였으며 T-P와 E-P의 감소율은 논토양 > 소나무임반 > 낙엽송임반 > 밭토양 > 과수원 순이었다 (Table 6).

Table 6.

Distribution of P contents of water-soluble and exchangeable phase in soil for various land uses along the investigation site of Daechung reservoir.

Period Paddy Upland Orchard Forest-Pine Forest-Larch
S E T§ S E T S E T S E T S E T
May 23.9a 125.1d 149c 17.6b 470a 488a 10.9d 255b 266b 17.9b 110e 128d 15.8c 241c 257b
Jun 20.1a 81.9c 102d 15.7b 433a 449a 9.24d 239b 248b 15.8b 90.2c 106d 13.9c 216b 234c
Jul 14.7a 72.1d 86.8d 13.4b 404a 417a 8.29d 229b 237b 12.9b 75.3d 88.2d 11.4c 194c 211c
Sep 12.4a 63.0d 75.4d 11.4b 369a 380a 7.70d 202b 210b 11.4b 68.2d 79.6d 10.9c 176c 195c
Oct 11.9a 60.5e 72.4e 8.91d 343a 352a 6.81e 190b 197b 9.95b 62.5d 72.5d 9.81c 158c 178c
△S (%) 50.2 49.4 37.5 44.4 37.9
△E (%) 51.6 27.0 25.4 43.2 34.4
△TP (%) 47.4 26.1 24.6 35.6 30.7

S: water soluble (solution phase), E: exchangeable, §T: Total P (sum of S and E)

△S (%) = {[amount of P in E (May) - amount of P in E (Oct.)]/amount of P in (May)}*100

△E (%) = {[amount of P in E (May) - amount of P in E (Oct.)]/amount of P in (May)}*100

△TP (%) = {[amount of P in T (May) - amount of P in T (Oct.)]/amount of P in (May)}*100

한편 토양에 존재하는 총인 (T-P)함량에 따른 상대적 치환성 (EP)과 수용성 (SP)이온의 기간별 분배비율을 조사한 결과 (Fig. 7), 논과 소나무임반토양에서 수용성 (SP)이온의 분배비율이 10% 이상이었으나 밭토양, 과수원 그리고 낙엽송 임반에서는 10% 이하로 조사되었다. 이는 Chung and Kim (2010)Schneider (2011)에 연구결과에서 보듯이 담수상태하의 토양은 환원상태로 전환되어 치환성 상태의 인산이온이 토양용액 속으로 용출되어 상대적으로 수용성 상태의 인산이온의 함량은 증가하는 것처럼 논토양의 경우 담수기간 중 토양은 환원상태로 유지되기 때문에 실제 토양에 잔류하는 총인의 양은 작을지라도 수용성 상태로 존재하는 인산이온의 비율은 높았으며 소나무 임반에서 토양 내 인산이온의 함량이 높은 것은 조사된 토양 중 표층과 표층 위에 있는 유기물 층으로부터 분해된 인산이온이 지속적으로 토양으로 유입되기 때문인 것으로 추정된다 (Schneider, 2011).

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Fig. 7.

Proportion of P contents of water-soluble and exchangeable phase in soil for various land uses along the investigation site of Daechung reservoir.

Conclusion

조사지점의 논과 밭의 토성은 사질양토 내지 양질사토이며 산림토양은 양질사토 또는 사토로 석령함량은 산림토양과 과수원이 각각 약 38.4%와 26.3% 정도로 높은 모래와 석력함량으로 인하여 상대적 개별공극의 크기가 커 강우 시 용탈에 의해 질소와 인 같은 물질의 손실이 클 것으로 판단된다. 조사지 논, 밭, 과수원, 그리고 산림토양의 평균 pH는 모두 산성으로 음전하를 띠고 있는 치환성으로 존재하는 질산태질소와 인은 증가될 수 있다. 산성이며 환원상태인 논과 중성에 가까우나 대공극이 많아 통기성이 양호한 과수원 토양의 경우 수용성 NO3-와 NH4+의 함량이 치환성보다 낮았으나 밭과 소나무와 낙엽송임반 토양 내 수용성 NO3-와 NH4+의 함량은 치환성보다 높으며 논과 밭에서 NH4+은 수용성이 치환성보다 낮은 것으로 조사되었다. 토양에 잔류하는 인의 분포와 함량을 조사한 결과 조사지 모두에서 시간이 지남에 따라 수용성 인 함량의 감소비율은 논토양 > 밭토양 > 소나무임반 > 낙엽송임반 > 과수원 순이었으나 치환성와 총인의 함량은 지속적으로 감소하는 경향을 보였으며 T-P와 E-P의 감소율은 논토양 > 소나무임반 > 낙엽송임반 > 밭토양 > 과수원 순이었다. 혐기적 토양조건인 논토양의 특성상 논물에 존재하는 질산성 질소는 시간이 경과함에 따라 증가하는 경향을 보인 반면 암모니움태는 지속적으로 감소하는 경향을 보였다. 이상에서 살펴본 바와 같이 대청호 주변 유역의 농경지와 산림토양의 낮은 점토함량과 높은 석력함량에 의한 대공극에 의해 토양 내 존재하는 질소와 인의 용탈이 증가할 것으로 판단된다. 따라서 농경지나 산림으로부터의 질소와 인의 유입을 감소시키기 위하여 석회처리 등을 통하여 토양 pH를 높여야 할것으로 판단하고 특히 논의 경우 시간이 경과함에 따라 토양과 담수 내에 질산성 질소이온은 대공극을 통해 용탈량이 증가할 것을 판단된다. 따라서 용탈에 의한 질소와 인의 호소 유입을 저감하기 위한 농경지와 산림토양의 토양물리성 개선 방안에 대한 연구가 필요할 것으로 판단한다.

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