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문제 정의
- 본 연구의 목적은 우리나라의 주요 樹種인 상 수리나무와 낙엽송 임지의 산림토양을 대상으로 하여 인공산성비를 살포하여 각 토양의 토심이 pH와 EC값의 변화에 미치는 영향과 두 임지에서 의 변화 특성을 분석하여 산림토양의 토양완충능 과의 관련을 구명하는데 있다.
- 본 조사지에서는 토양 층위별 구분이 불명확하여 단순히 토심의 변화에 따른 pH와 EC값의 변화를 측정할 목적으로, 조사지의 토심 크기는 0~ 5cm, 0 — 10cm, 0~20on의 3레벨로 하여 채토하였다. 샘플토양 채토는 Fig.
- 본 연구는 우리나라의 주요 樹種인 상수리나무 와 낙엽송임지 의 산림토양을 대상으로 하여 두 종 류의 인공산성비를 살포한 후, 인공산성비 pH의 크기에 따라 각 토양 내를 통과한 토양수의 pH와 電氣傳導度(EC)를 측정하여 林地 및 土深別 그 변화 특성을 파악하고, 나아가 산림토양과 수질 정화기능과의 관련을 구명하고자 실시하였다. 시 험유역인 팔공산 상류수원지역에서 상수리나무 및 낙엽송임지의 토양에서 얻은 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 그러나 임외강우 또는 인공산성비가 산림토양의 어느 부위에서 주로 이러한 기능이 발휘되는지, 또 산림토양의 土深別로 그 기능의 차이가 어떻게 나타나는지 등에 관해서는 아직 연구가 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 상수리나무임지와 낙엽송 임지의 산림토양에 인공산성비를 살포하여 각 토 양의 土深別로 pH와 EC를 측정하고, 두 임지의 토양 토심별로 pH 및 EC값의 경시적 변화와 동 태를 분석하였다.
- 대상 산지에서 상수리나무와 낙엽송 임지의 토 양을 주문제작한 採土圓筒管으로 채토하여 실내 로 운반하고, 실내에서 製造한 pH3.0 및 pH5.0 의 인공산성비를 채토한 원통관에 각각 살포하여 두 임지의 토심별 pH와 EC를 수 차례 측정하였다. 본 연구에 이용한 토양 채토장비와 조사방법, 인공산성비 제조법 및 인공살포장치 그리고 pH와 EC의 측정방법은 다음과 같다.
- 0 의 인공산성비를 채토한 원통관에 각각 살포하여 두 임지의 토심별 pH와 EC를 수 차례 측정하였다. 본 연구에 이용한 토양 채토장비와 조사방법, 인공산성비 제조법 및 인공살포장치 그리고 pH와 EC의 측정방법은 다음과 같다.
- 산성비 제조는 일반적으로 사용하고 있는 工團 및 도시지역의 강수성분 측정자료를 기초로 조제 하는 방법(이수욱, 1989)을 이용하였다. 오종환 등(1988)이 산성비의 주성분인 SO广와 NQj■에 대해 공단지역과 대도시지역에서 내리는 강수성분을 조사한 결과 두 지역에서 각각 9.72ppm, 2.31ppm 과 7.88ppm, 2.22ppm으로 보고한 바 있어, 본 연구에서는 이 결과를 기초로 하여 0.1N의 황산 과 질산을 4 ：1의 비율로 제조하였다. 산림토양 에서는 산성도의 크기에 따라 개별 이온의 溶脫水 準이 달라서 토양pH와 토양EC에 영향을 미치므 로, 본 연구에서는 제조한 혼합용액에 증류수를 섞어서 pH3.
- 1N의 황산 과 질산을 4 ：1의 비율로 제조하였다. 산림토양 에서는 산성도의 크기에 따라 개별 이온의 溶脫水 準이 달라서 토양pH와 토양EC에 영향을 미치므 로, 본 연구에서는 제조한 혼합용액에 증류수를 섞어서 pH3.0과 PH5.0의 두 가지 형태의 인공산 성비를 만들었다. 이 두 형태의 산성도는 기존의 연구에서 자주 사용하는 값으로 산림토양의 완충 능을 조사하는데 적당한 농도로 판단하였다.
- 0의 두 가지 형태의 인공산 성비를 만들었다. 이 두 형태의 산성도는 기존의 연구에서 자주 사용하는 값으로 산림토양의 완충 능을 조사하는데 적당한 농도로 판단하였다.
- 산지에서 채토해 온 토양시료에 대해 실내에서 인공산성비를 살포하기 위한 人工撒布裝置를 제 작하였다. 인공산성비 撒布强度는 본 연구의 결과 導出에 거의 영향을 주지 않는 것으로 판단하고 단순한 물조리개가 부착된 분무기를 사용하였으며, 이때 總撒布量의 결정에 유의하였다.
- 토양을 채토한 원통관에 인공산성비를 일정한 규칙에 의하여 살포하고 약 2시간이 경과한 후에 비이커에 채수된 토양수를 여과지로 거른 후 바로 pH와 EC를 측정하였다. pH와 EC의 측정은 각각 Mettler-Toledo社에서 제작한 check mate 90 과 YSI社의 Model 30/10FT를 사용하였다.
- 두 임지에서 채토한 산림토양에 인공산성비 를 약 56시간 간격으로 총 5회에 걸쳐 168시간 동안 살포하였으며 , 1회당 살포량은 약 830in(!이며 , 24nm/hr의 살포강도로 약 4시간 동안 계속 살포하였다. 이때 初期實驗으로서 원통관 토양시료에 최초로 인공산성비를 살포하여 수 시간이 경과한 후 원통관 토양샘플을 통과한 토양수의 pH 및 EC를 측정하여 초기값을 측정하고, 이어서 두 번 째부터 56시간 간격으로 총 168시간에 걸쳐 각 일 정 시간별로 수 차례 pH와 EC값을 각각 측정하였다.
- 두 임지에서 토심별로 채토해 온 총 48개의 원 통관 토양시료에 인공산성비를 살포한 후 시간의 경과에 따른 토양수pH의 측정 결과를 임지별 및 3레벨의 토심별로 평균하여 Fig. 4와 Fig. 5에 나타내었다. 그림에서 초기값은 원통관 토양시료 에 최초로 인공산성비를 살포하여 數時間이 경과 한 후 원통관 토양샘플을 통과한 토양수의 pH를 측정한 값을 가르킨다.
- 또한 상당한 시간이 경과하였을 때 두 임지에서 토 양수pH의 최대값이 존재하는데 이 값이 pH에 대한 각 임지의 토양완충능의 限界値로 판단된다. 그리고 두 임지에 pH3.0과 pH5.0의 인공산성비 를 살포했을 때는 두 처리에서 모두 상수리나무임 지보다 낙엽송임지의 토양에서 전체적으로 높은 값을 維持하면서 經時變化를 하였다. 한편 박재 현(1997)은 토양수 pH를 측정한 결과 리기다소나 무림에서 pH 5.
- 낙엽송임지의 토양에서 토양수EC가 평균적으로 약 35“S/cm 높게 나타났다. 본 실험에서는 인공산성비를 약 168 시간까지 살포하여 토양수EC값을 측정하였으나 그 이후의 토양수EC값은 점차 일정한 값에 接近 하였다.
- 두 임지의 토양샘풀에 pH3.0과 pH5.0의 인공 산성비를 살포하여 산림토양층을 통과시켰을 때 낙엽송임지에서 토양수pH가 높았은데, 그 이유는 낙엽송임지의 산림토양 자체의 pH가 상대적으로 높았기 때문으로 판단하였다. 상수리나무임지 에서는 토심이 깊을수록 토양 완충능이 증가하는 것으로 나타났으나, 낙엽송임지 에 서는 토심별로 뚜렷한 경향을 보이지 않았으며, 또한 두 임지의 토양 완충능의 상대적인 크기도 명확하게 구명할 수가 없었다.
대상 데이터
- 경상북도 경산시 와촌면 대한리(동경 128° 44' 00”~ 128' 44, 30", 북위 35° 59' 00"-35° 59' 30") 소재 팔공산유역을 야외 조사지로 선정하고 (Fig. 1), 해발 500 ~600m의 산복에 생육하고 있는 상수리나무(Q/ezrz必 acutissima ； Q)와 낙엽 송 {Larix leptolepis : L) 임지의 산림토양을 공시재 료로 선정하였다. 조사지의 주요 林相은 소나무 와 참나무류 등의 천연흔효림과 낙엽송의 조림지 로 구성되어 있으며, 또한 이 지역의 최근 연평균 강수량은 1,132剛로 우리나라의 연평균강수량과 비슷하였다.
- 본 조사지에서는 토양 층위별 구분이 불명확하여 단순히 토심의 변화에 따른 pH와 EC값의 변화를 측정할 목적으로, 조사지의 토심 크기는 0~ 5cm, 0 — 10cm, 0~20on의 3레벨로 하여 채토하였다. 샘플토양 채토는 Fig. 2에 표시한 것처럼 직경 10.5cm, 두께 3丽의 상하입구가 열린 원통형 스테인레스 스틸관을 주문 제작하여 사용하였다. 이때 토양에 박히는 원통관의 입구쪽은 날을 세워서 쉽게 토양에 揷入되도록 하였다.
- 또한 현장에서 토양을 채토할 때는 가급적 원통관 주변의 토 양을 攪亂시키지 않도록 주의하면서 채토하였다. 분석에 사용한 토양시료는 상수리나무임지와 낙 엽송임지의 2임지에서 각각 2개의 plot를 선정하고 각 plot에서 3레벨의 토심별로 4곳에서 토양샘 플을 채토하였다. 따라서 총 48개(2x2x3"= 48)의 토양시료를 분석에 사용하였다.
- 분석에 사용한 토양시료는 상수리나무임지와 낙 엽송임지의 2임지에서 각각 2개의 plot를 선정하고 각 plot에서 3레벨의 토심별로 4곳에서 토양샘 플을 채토하였다. 따라서 총 48개(2x2x3"= 48)의 토양시료를 분석에 사용하였다.
데이터처리
- 두 임지의 토양pH와 토양수pH, 토양수EC는 각각 임지별 그리고 토심별로 평균값을 이용하여 분석 비교하였다. 또한 시간의 경과에 따른 토양 수의 pH와 EC값의 經時變化는 총 토양시료 48개 에 대하여 측정한 평균값을 이용하여 분석하였다.
- 두 임지의 토양pH와 토양수pH, 토양수EC는 각각 임지별 그리고 토심별로 평균값을 이용하여 분석 비교하였다. 또한 시간의 경과에 따른 토양 수의 pH와 EC값의 經時變化는 총 토양시료 48개 에 대하여 측정한 평균값을 이용하여 분석하였다. 두 임지에서 채토한 산림토양에 인공산성비 를 약 56시간 간격으로 총 5회에 걸쳐 168시간 동안 살포하였으며 , 1회당 살포량은 약 830in(!이며 , 24nm/hr의 살포강도로 약 4시간 동안 계속 살포하였다.
이론/모형
- 산성비 제조는 일반적으로 사용하고 있는 工團 및 도시지역의 강수성분 측정자료를 기초로 조제 하는 방법(이수욱, 1989)을 이용하였다. 오종환 등(1988)이 산성비의 주성분인 SO广와 NQj■에 대해 공단지역과 대도시지역에서 내리는 강수성분을 조사한 결과 두 지역에서 각각 9.
- 상수리나무와 낙엽송임지의 산림토양pH의 측 정은 먼저 주문제작한 3레벨의 토양채토 원통관 으로 채토하여 낙엽과 뿌리부분을 제거한 후에 충분히 風乾시킨다. 이어서 풍건토양을 2mm 토양체(sieve)로 걸러서 통과한 토양과 증류수의 비를 1 ： 5로 한 懸濁液에 대하여 초자전극법으로 토양 pH를 측정하였다(농촌진흥청, 1988).
- 토양을 채토한 원통관에 인공산성비를 일정한 규칙에 의하여 살포하고 약 2시간이 경과한 후에 비이커에 채수된 토양수를 여과지로 거른 후 바로 pH와 EC를 측정하였다. pH와 EC의 측정은 각각 Mettler-Toledo社에서 제작한 check mate 90 과 YSI社의 Model 30/10FT를 사용하였다.
성능/효과
- 1), 해발 500 ~600m의 산복에 생육하고 있는 상수리나무(Q/ezrz必 acutissima ； Q)와 낙엽 송 {Larix leptolepis : L) 임지의 산림토양을 공시재 료로 선정하였다. 조사지의 주요 林相은 소나무 와 참나무류 등의 천연흔효림과 낙엽송의 조림지 로 구성되어 있으며, 또한 이 지역의 최근 연평균 강수량은 1,132剛로 우리나라의 연평균강수량과 비슷하였다. 상수리나무 지역은 표고가 570m인 사양토 지역으로 0층은 7.
- 산지에서 채토해 온 토양시료에 대해 실내에서 인공산성비를 살포하기 위한 人工撒布裝置를 제 작하였다. 인공산성비 撒布强度는 본 연구의 결과 導出에 거의 영향을 주지 않는 것으로 판단하고 단순한 물조리개가 부착된 분무기를 사용하였으며, 이때 總撒布量의 결정에 유의하였다. 인공 산성비 총살포량의 결정은 우리나라 연평균강수 량을 약 1,200哑로 보고, 'P=10 • V& • (D/2)2, 의 공식(土平井八十二, 1977)으로 산출하였다.
- 특히 부식이 가지는 Carboxyl基, Phenol성 水酸基 또는 Amino基 등에서 解離되는 H+로 인해 산성을 나타내며 (Bohm 등, 1979), 토양에 산성비가 유입 되면서 수소이온에 의해 염기이온들이 분해되어 토양pH가 새로운 균형을 이루는 것이 산림토양의 특성이다. 팔공산 야외 조사지에서 토심별 토양 pH를 측정한 결과, 상수리나무임지에서는 토심 0~5cm, 0~10cm, 0~20cm의 경우 평균 토양pH는 각각 4.8, 4.3, 4.5로 나타났으며 , 낙엽송임지에 서는 각 토심별 평균 토양pH가 5.15, 5.19, 5.21 로 나타나 상수림나무임지보다 전체적으로 높은 값을 보였다(Fig. 3). 이 결과는 같은 모암지역일 경우에 활엽수임지의 토양이 침엽수임지 토양에서 보다 큰 proton consumption효과의 영향으로 pH가 높게 나타난다(이수욱과 장관순, 1987)는 보고와는 반대의 경향이 있었다.
- 두 번째부터의 명기된 시 간은 이 초기값을 얻은 후 다시 56시간 간격으로 인공산성비를 살포하고 그 때 채수한 토양수의 pH값이다. 인공산성비 pH3.0과 pH5.0의 살포시 양쪽 모두 시간의 경과에 따라 약 168시간까지는 토양수pH가 증가하다가 그 이후는 소폭 감소 또는 일정한 값으로 安定되었다. 또한 초기값과 56 시간 경과후의 pH값에는 차이가 있었는데, 이는 초기값을 얻기 위한 초기실험에서는 건조상태에서 인공산성비를 살포하였으나 이후 56시간 후의 두 번째 값은 원통관 토양샘플이 충분히 飽水돠어 있는 상태에서 인공산성비를 살포하여 얻은 것에 起因하며, 즉 토양샘플의 토양수분 함수량의 차이 때문으로 판단된다.
- 또한 초기값과 56 시간 경과후의 pH값에는 차이가 있었는데, 이는 초기값을 얻기 위한 초기실험에서는 건조상태에서 인공산성비를 살포하였으나 이후 56시간 후의 두 번째 값은 원통관 토양샘플이 충분히 飽水돠어 있는 상태에서 인공산성비를 살포하여 얻은 것에 起因하며, 즉 토양샘플의 토양수분 함수량의 차이 때문으로 판단된다. 이 결과로부터 산성비로 인한 산림토양의 pH중화능력은 상당한 시간이 경과 하였을 때에 크게 發揮되는 것으로 나타났다. 또한 상당한 시간이 경과하였을 때 두 임지에서 토 양수pH의 최대값이 존재하는데 이 값이 pH에 대한 각 임지의 토양완충능의 限界値로 판단된다.
- 이 결과는 박재현(1997)이 벚나무 와 리기다소나무임지의 토양층 A와 토양층 日에서 토양수 pH를 측정한 결과, 토심이 깊을수록 토양수 pH가 다소 높았다는 연구결과와 일치는 하나, 낙엽송임지의 토양에서는 상대적으로 높은 값을 유지하면서 토심별로는 반대로 소폭 감소하는 경향이 있었다. 두 임지에서의 토양수pH의 평 균값은 각각 4.8과 5.6으로 관측되어 낙엽송임지 에서 높은 값으로 나타났다. pH 5.
- 이 두 결과로부터 상수리나무임지나 낙엽송임 지에서 산성비로 인한 토양수pH가 크게 중화되는 것을 알 수 있으며, 前者는 토심이 깊어질수록 pH의 중화기능이 증가하는 것으로 나타났으나 後 者는 토심에 따른 pH의 변화에 뚜렷한 경향이 나 타나지 않았다. 낙엽송임지에서의 결과는 유관식 (1998)이 pH4.
- 8에 나타내었다. 두 임지 의 토양에서 시간의 경과에 따라 대부분의 토양수 EC값이 90~ 160”S/cm의 범위 내에서 모두 완만 한 증가를 하였으나, 두 임지를 비교하면 상수리 나무임지보다 낙엽송임지 토양에서 토양수EC가 높은 값을 유지하면서 증가하였다. 낙엽송임지의 토양에서 토양수EC가 평균적으로 약 35“S/cm 높게 나타났다.
- 상수리나무임지의 토양에서 토심별 토양수EC는 토심 0~5cm, 0- 10cm, 0~20cm에서 각각 111〃S/ cm, 126/zS/cm, 98"S/cm(평균 112“S/cm)로 나타났다. 낙엽송임지의 토양에서는 각 토심별로 166 “S/cm, 159“S/cm, 113〃S/cm(평균 146〃S/cm)로 나타나 상수리나무임지의 토양에서보다 높은 값이 높았다. 이 결과는 박재현(1997)과 이헌호(1997) 가 침엽수림 보다 활엽수림의 임내우 EC값이 낮 았다는 연구결과와 관련이 깊은 것으로 판단된다.
- 낙엽송임지의 토양에서는 각 토심별로 53 “S/cm, 45"S/cm, 72“S/cm(평균 56“S/cm)로 나타나 상수리나무임지의 토양에서보다 높은 값이 측정되었다. 또한 상수리나무임지의 토심0~20cm 의 경우를 제외하고는 pH3.0의 처리 때와 마찬가지로 토양수EC값은 토심이 깊어질수록 전반적으 로 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 산성비가 임상을 거쳐 산림토양 내로 유입되면서 얕은 표토 층에서는 임상에 존재하는 이온물질 등이 첨가되어 이온농도가 높아져서 토양수EC값이 높아지나, 산성비가 깊은 토양 내로 유입할수록 토양 내에 존재하는 점토물질이나 공극 등에 의해 흡착 또는 치환되는 무기이온량이 감소하여 EC값은 상대적으로 낮아지는 것(이헌호, 1997)으로 판단된다.
- 이것은 산성비가 임상을 거쳐 산림토양 내로 유입되면서 얕은 표토 층에서는 임상에 존재하는 이온물질 등이 첨가되어 이온농도가 높아져서 토양수EC값이 높아지나, 산성비가 깊은 토양 내로 유입할수록 토양 내에 존재하는 점토물질이나 공극 등에 의해 흡착 또는 치환되는 무기이온량이 감소하여 EC값은 상대적으로 낮아지는 것(이헌호, 1997)으로 판단된다. 따라서 토양수EC값의 토심별 변화 경향에서만 판단하면 토심이 깊을수록 수질정화능이 크게 發揮되는 것으로 나타났다.
- 상수리 나무임 지 와 낙엽 송임 지의 토심 별(0~5cm, 0~ 10cm, 0~20cm) 토양 pH를 측정한 결과, 낙엽 송임지에서는 토심별로 토양pH가 H의 일정한 값 으로 나왔으며, 상수리나무임지에서는 토심이 깊 을수록 토양pH가 높았다.
- 0의 인공 산성비를 살포하여 산림토양층을 통과시켰을 때 낙엽송임지에서 토양수pH가 높았은데, 그 이유는 낙엽송임지의 산림토양 자체의 pH가 상대적으로 높았기 때문으로 판단하였다. 상수리나무임지 에서는 토심이 깊을수록 토양 완충능이 증가하는 것으로 나타났으나, 낙엽송임지 에 서는 토심별로 뚜렷한 경향을 보이지 않았으며, 또한 두 임지의 토양 완충능의 상대적인 크기도 명확하게 구명할 수가 없었다. 그러나 인공산성비 살포 후 약 50시간 이상의 상당한 시간이 경과하였 을 때 산림토양 의 완충능이 크게 발휘되는 것은 두 임지에서 동일한 결과를 얻었다.
- 한편, 두 임지의 토양샘플에 pH3.0과 pH5.0의 인공산성비를 살포했을 때 토양수 EC값의 경시 적 변화는 상수리나무와 낙엽송임지에서 반대의 경향을 나타냈으나, 토심별로는 토심이 깊어질수 록 두 임지에서 모두 전반적으로 EC값이 낮게 나타났다. 이것은 산성비가 산림토양 내로 유입되 면서 토양 내에 존재하는 점토물질이나 공극 등에 의해 흡착 또는 치환되는 무기이온량이 감소하여 EC값이 낮아지는 것으로 판단하였다.
- 이것은 산성비가 산림토양 내로 유입되 면서 토양 내에 존재하는 점토물질이나 공극 등에 의해 흡착 또는 치환되는 무기이온량이 감소하여 EC값이 낮아지는 것으로 판단하였다. 즉 토심별 토양수EC값의 변화 경향에서 판단할 때, 산림토 양의 완충능은 토심이 깊어질수록 증가하는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 앞으로의 후속 연구에서 임지별 토양 완충능의 정량적 비교에 관한 정확한 해석과 주요 양이온과 음이온에 대한 임지 토양별 동태 분석을 실시할 예정이며, 또한 실험 반복회수를 대폭 증가하여 토심별, 임지별의 토양 완충능의 차이를 통계 분석을 통하여 검증하고자 한다.
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