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문제 정의
- 그러나 기존의 주된 연구들이 토지이용에 따른 질산태질소의 오염원 구명 (Komor 및 Anderson, 1993; Yoo 등, 1999, Panno 등, 2001), 인근 수계 (watershed)와 강에서 질산태 질소 오염의 점오염원과 비점오염원 기여도 산정(Aravena 등, 1993; Karr 등, 1999) 및 축산분뇨 농경지 살포에 의한 영양물질들이 유출(김 등, 1997)에 관한 내용들로 현재 농가단위에서 시행되고 있는 토착 유기농업과 영농방식이 다른 농업 활동이 질산태 질소 오염에 어떠한 영향을 미치고 있는지에 대한 연구는 전무한 실정이다. 따라서 본 연구는 기존 관행농업, 토착 유기농업 및 경종-축산 복합 지역에서의 질산태 질소 농도 및 질소 동위원소비를 분석하여 농업 형태가 해당 지역의 지하수 및 유출수의 질산태 질소 오염에 미치는 영향을 조사하고자 수행되었다.
제안 방법
- 채취된 지하수와 유출수는 질소의 유출과 동위원소 분할을 방지하지 위해 4℃ 이하 상태로 운반하여 즉시 분석하였으며 질소 동위원소 존재 비(<J"N)는 서울대학교 농업과학 공동기기센터 (NICEN) 의 안정성 동위원소비 질량분석기 (VG Optima IRMS, Micromass, UK)를 이용하여 분석 하였다.
- 21%>의 범위로 나타났다. 일반적으로 질소 동위원소비를 이용한 지하수 중의 질소 오염원을 구분하기 위해 Heaton (1986)과 Kormor 및 Arnderson(1993) 이 보고한 화학비료 유래의#, 자연 토양 유기물 유래의 3 #, 생활하수 유래의 값(+6T10%)), 가축분뇨 유래의 3 값# 이용하고 있으나 본 연구에서는 농자재로 쓰이는 화학비료 및 가축분뇨에 의한 관행/유기농업의 환경영향평가에 주안점을 두었기 때문에 Wilson 등(1994)이 제시한 기준을 적용하여 각각의 지역에서 질산태질소의 기원을 추정하였다(Table 3, 4). 관행 농업지역에서의 주된 질산태 질소의 오염 가능성은 농경지에 시용되고 있는 화학비료에 의한 것으로 추정되며 대부분 10 mg/。미만의 농도로 분석되었다.
- 지하수의 이온분석결과 아질산성 질소 및 암모늄 질소가 소량이지만 검출되어 증류플라스크에 500ml 시료를 투입 후 sulfamic acid로 가열 분해하여 아질산성 질소를 제거하고, MgO 로 pH를 상승시켜 증류하면서 암모늄 질소를 제거하였다. Devarda's alloy를 첨가하여 질산성 질소를 암모니아성 질소로 환원 증류한 후 1N 황산 흡수용액이 200ml가 될 때까지 증류시켰다(식-2).
-
standard = 대기 중 질소
질산태 질소의 농도를 분석하기 위해 0.45㎛ membrane fl Iter 로 필터링을 거친 시료를 이온 크로마토그램(DX-500, DIONEX, USA)을 이용하여 분석하였다
. 질량분석기를 이용하여 시료 중의 질산태 질소 동위원소 존재비(#)를 분석하기 위해서는 증류(distilliation)와 농축(concentration) 에 의한 N2 가스 발생이 필요한데 그 과정과 반응은 다음과 같다.
대상 데이터
- 각 지역의 특성을 살펴보면, 화학비료를 사용하여 수도작을 경영하는 기존 관행농업 (conventional farming) 형태를 대표할 수 있는 수원시 소재 S농장을 선정하였다. S농장은 인근 주변 마을과 인접해 있어 지하수 내의 질산태 질소가 오염이 되었다면 오염원은 농경지에 살포된 화학비료와 생활하수의 유출에 의한 유입으로 추정 할 수 있으며, 수도작 재배 후 겨울에는 휴한하는 작부체계를 적용하고 있었다.
- 총 80점의 시료를 수집하였다. 관행농업 지역인 S농장은 지속적인 관개수의 보충을 위해 상시 지하수 양수작업을 하고 있기 때문에 직접 용출되는 지하수를 채수하였으나 다른 지역의 지하수는 간헐적으로 가동하기 때문에 10~ 15분간의 양수 작업을 걸친 후 시료를 채수하였다. 유출수의 채수는 강우 후에 실시하였기 때문에 해당 지역에 따라 다소 시간적인 차이가 발생하였다.
- S농장은 인근 주변 마을과 인접해 있어 지하수 내의 질산태 질소가 오염이 되었다면 오염원은 농경지에 살포된 화학비료와 생활하수의 유출에 의한 유입으로 추정 할 수 있으며, 수도작 재배 후 겨울에는 휴한하는 작부체계를 적용하고 있었다. 관행농업과 대조지역으로 현재 경종농가 수준에서 시행되고 있는 토착 유기농업 (organic farming) 지역은 논산과 정읍시에 위치한 시설재배와 수도작 포장을 대상으로 하였다. 논산지역의 유기농 시설재배는 인근 관행농업 수도작 포장에 둘러싸여 있어 질산태 질소의 오염원은 유기농업에 사용된 축분액 .
- 연구 대상 지역의 지하수와 유출수의 채수는 2003년 2월부터 11월에 걸쳐 매월 1회 채수하여 총 80점의 시료를 수집하였다. 관행농업 지역인 S농장은 지속적인 관개수의 보충을 위해 상시 지하수 양수작업을 하고 있기 때문에 직접 용출되는 지하수를 채수하였으나 다른 지역의 지하수는 간헐적으로 가동하기 때문에 10~ 15분간의 양수 작업을 걸친 후 시료를 채수하였다.
- 발효 액. 퇴비 시료를 각각 16점 및 12점씩 총 28점을 현장 조사 시 수집하였다.
성능/효과
- 0%。의 다양한 범위를 나타나는 것으로 분석되었다(Table 3). 관행 농업지역, 시설재배 유기농업지역, 수도작 유기농업지역 및 경축 복합 지역의 질소 동위원소비는 각각 1.2~10.8%°, 0.8-0.31%, 1.86 ~18.25%, 및 8.81~28.21%>의 범위로 나타났다. 일반적으로 질소 동위원소비를 이용한 지하수 중의 질소 오염원을 구분하기 위해 Heaton (1986)과 Kormor 및 Arnderson(1993) 이 보고한 화학비료 유래의#, 자연 토양 유기물 유래의 3 #, 생활하수 유래의 값(+6T10%)), 가축분뇨 유래의 3 값# 이용하고 있으나 본 연구에서는 농자재로 쓰이는 화학비료 및 가축분뇨에 의한 관행/유기농업의 환경영향평가에 주안점을 두었기 때문에 Wilson 등(1994)이 제시한 기준을 적용하여 각각의 지역에서 질산태질소의 기원을 추정하였다(Table 3, 4).
- 수도작 유기농업의 경우 일반적으로 벼를 이앙하기전에 가축분뇨 발효 액비를 논 토양에 살포하게 되는데 살포량과 살포 방법은 농가의 실정에 따라 다르게 된다. 그러나 현재까지 논에서액비를 살포하는데 효과적인 살포기계가 널리 보급되지 않아' 포장 전체에 균질살포가 어려울 뿐만 아니라 액비의 성분을 고려하지 않고 농가의 경험을 위주로 한 살포량 결정으로 과다시용된 액비가 강우 시 인근 하천으로 유출될 가능성이 높을 것으로 생각되며, 본 연구에서도 수도작 유기농업 지역에서 액비 살포 후 강우에 의한 유출수내 질산태 질소의 농도가 30 mg/« 이상으로 검출되었다. 따라서 친환경 경종-축산연계를 활성화시키기 위해서는 고품질농산물 생산도 중요하게 고려되어야 하지만 이와 더불어 환경보전적 기능을 충실하게 이행할 수 있도록 최적 양분관리방안을 토대로 가축분뇨 재이용과 관련된 구체적인 관리지침이 마련되어야 할 것으로 사료된다.
- 화학비료는 대기 중의 질소를 화학반응에 의해 생산하기 때문에 질소 동위원소비가 표준시료와 거의 유사하고 따라서 #값이 0에 근접한 분석치를 나타나게 된다. 본 연구에서 분석된 화학비료인 Urea와 복합비료의 #값의 범위는 -3.1 ~-1.7%과 -3.752.3%의 분포를 보이는 것으로 분석된 반면 가축분뇨는 동위원소 분할 효과에 의해 상대적으로 질량이 가벼운 이 , SN 보다 질소의 생물학적 반응에서 빠르게 이용되거나 암모니아 휘산에 의해 소실되기 때문에 최종적으로는 1SN°1 농집되어# 값이 10% 이 상의값을 가지는 것으로 나타났다. 본 연구에서 조사■ 분석된 화학비료의 #값의 범위는 - 3~+2%로 다른 연구자들의 보고 (Kreitler 등, 1978; Wassenaar, 1995; Choi 등, 2003)와 유사한 결과를 나타내고 있는 것으로 판단된다.
- 본 연구의 대상 지역에서 채취된 지하수 내의 질산태 질소 농도는 지하수의 채수 시기와 농업 형태에 따라 심한 변이를 보이는 것은 물론 동일한 지역에서 채수된 지하수라 할지라도 경작상황에 따라 차이가 있는 것을 알 수 있었다(Fig. 1). 지역별 질산태 질소의 농도 범위를 살펴보면, 관행농업 지역에서는 4.
- 이상의 결과를 종합해 보면, 농업형태에 따라 지하수와 유출수의 질산태 질소 오염 원 이상 이 함을 알 수 있었다. 즉, 관행농업이 주로 이루어지고 있는 농촌지역에서의 지하수나 유출수는 화학비료 유래 질산태 질소 오염 가능성 있으며, 화학비료를 대체하여 가축분뇨를 이용하고 있는 친환경 농업/유기농업 지역에서는 영농방식에 따라 화학비료와 가축분뇨에 의한 영향을 동시에 받고 있는 것으로 나타났다.
- 전술한 전처리 과정 후 질량분석기를 이용하여 질소 가스의 질량비 분석에 앞서 국제원자력기구에서 공인된 표준물질(IAEA-N2 및 IAEA- N3)을 이용하여 동위원소 검량식을 작성하였으며, 동일한 시료를 대상으로 3반복 분석한 결과 본 연구에 사용된 질량분석기의 정밀도와 재현성은 공히 0.5%°로 나타났다.
- 알 수 있었다. 즉, 관행농업이 주로 이루어지고 있는 농촌지역에서의 지하수나 유출수는 화학비료 유래 질산태 질소 오염 가능성 있으며, 화학비료를 대체하여 가축분뇨를 이용하고 있는 친환경 농업/유기농업 지역에서는 영농방식에 따라 화학비료와 가축분뇨에 의한 영향을 동시에 받고 있는 것으로 나타났다. 또한 농업환경오염 저감을 위해서 현재 가축분뇨 등의 유기질 비료에만 의존하고 있는 토착 유기농업의 시비관리 및 토양 비옥도 증진방안들에 대한 수정이 필요하며, 축산농가에서는 강우에 의한 운동장 및 축사주변의 가축분뇨 유출 가능성을 최소화하기 위해 자연 유하식침전지(settling basin)나 분뇨유출 방지턱과 같은 개선책들이 강구되어야 할 것으로 사료된다.
- 기후조건에 덜 민감한 시설재배 유기농업지역에서의 질산태 질소 농도를 제외한 나머지 대상 지역의 질산태 질소 농도는 일반적으로 우기 (wet season)인 4월~9월에 높은 농도를 나타내는 것으로 분석되었는데 이러한 원인은 토양 내에 존재하고 있던 질산태 질소가 토양입자에 흡착되지 않고 강우에 의해 물과 함께 토양 심층부로 이동하기 때문이다(Iqbal 및 Krothe, 1995). 특히, 경축 복합 지역의 지하수 내 질산태 질소 농도는 대부분 음용+ 수질 허용기준인 10 mg/ « 초과하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 그러나 현재까지 논에서액비를 살포하는데 효과적인 살포기계가 널리 보급되지 않아' 포장 전체에 균질살포가 어려울 뿐만 아니라 액비의 성분을 고려하지 않고 농가의 경험을 위주로 한 살포량 결정으로 과다시용된 액비가 강우 시 인근 하천으로 유출될 가능성이 높을 것으로 생각되며, 본 연구에서도 수도작 유기농업 지역에서 액비 살포 후 강우에 의한 유출수내 질산태 질소의 농도가 30 mg/« 이상으로 검출되었다. 따라서 친환경 경종-축산연계를 활성화시키기 위해서는 고품질농산물 생산도 중요하게 고려되어야 하지만 이와 더불어 환경보전적 기능을 충실하게 이행할 수 있도록 최적 양분관리방안을 토대로 가축분뇨 재이용과 관련된 구체적인 관리지침이 마련되어야 할 것으로 사료된다.
- 즉, 관행농업이 주로 이루어지고 있는 농촌지역에서의 지하수나 유출수는 화학비료 유래 질산태 질소 오염 가능성 있으며, 화학비료를 대체하여 가축분뇨를 이용하고 있는 친환경 농업/유기농업 지역에서는 영농방식에 따라 화학비료와 가축분뇨에 의한 영향을 동시에 받고 있는 것으로 나타났다. 또한 농업환경오염 저감을 위해서 현재 가축분뇨 등의 유기질 비료에만 의존하고 있는 토착 유기농업의 시비관리 및 토양 비옥도 증진방안들에 대한 수정이 필요하며, 축산농가에서는 강우에 의한 운동장 및 축사주변의 가축분뇨 유출 가능성을 최소화하기 위해 자연 유하식침전지(settling basin)나 분뇨유출 방지턱과 같은 개선책들이 강구되어야 할 것으로 사료된다.
- 따라서 가축분뇨 등의 유기질비료에 지나치게 의존하는 토착 유기농법이 과연 환경친화적이며, 질산염의 용탈이 관행 농업보다 감소되는지에 대한 환경영향평가를 통해 영농방식에 따른 환경오염에 영향을 미칠 수 있는 오염원의 검증(identification)이 선행되어야 한다. 또한 이를 바탕으로 현장에서 실시되고 있는 농업방식에 대한 지속여부를 결정하거나, 문제점에 대한 기술적인 방안을 보완할 수 있는 자료를 제시하는 것이 필요하다. 그러나 기존의 주된 연구들이 토지이용에 따른 질산태질소의 오염원 구명 (Komor 및 Anderson, 1993; Yoo 등, 1999, Panno 등, 2001), 인근 수계 (watershed)와 강에서 질산태 질소 오염의 점오염원과 비점오염원 기여도 산정(Aravena 등, 1993; Karr 등, 1999) 및 축산분뇨 농경지 살포에 의한 영양물질들이 유출(김 등, 1997)에 관한 내용들로 현재 농가단위에서 시행되고 있는 토착 유기농업과 영농방식이 다른 농업 활동이 질산태 질소 오염에 어떠한 영향을 미치고 있는지에 대한 연구는 전무한 실정이다.
- 한편 가축분뇨의 경우에는 가축분뇨의 성상, 사양 조건, 퇴비화 과정에서의 부숙정도에 의한 영향을 받아 연구자들에 따라 다소간의 차이가 있었고(Wassenaar, 1995; Yoo 등, 1999; 김경철, 2001), 본 연구에서도 이와 같은 경향을 확인할 수 있었으나 전반적으로는 값이 10%, 이상으로 나타나 화학비료와는 극명한 차이가 있음을 알 수 있었다. 이처럼 농업에 이용되는 질소원에 따라 #값이 확연한 차이를 가지고 있기 때문에 질산태 질소로 오염된 수계 및 자연계에서의 질산태 질소의 기원을 구별하고, 오염원의 기여도를 해석하는데 유용하게 적용할 수 있을 것으로 사료된다.
- 이러한 현상은 일반적으로 가축분뇨 액 . 퇴비의 사용시기가 3월에서 5월에 집중되어 있다는 것과 연계시켜 볼 수 있으며, 다량의 가축분뇨를 지속적으로 연용하고 있는 현실을 감안한다면 향후 유기농업에 있어서 질산태 질소의 오염을 저감시키면서 토양 비옥도를 유지시키기 위한 토양 및 시비 관리 개선책이 필요할 것으로 사료된다.
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