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문제 정의
- 영양염류 부하량이 큰 정체 수역 의 오염된 물은 식물의 성장 활동에 의해서 어느 정도 정화시킬 수 있으며, 식물에 의한 정화를 촉진 시 키기 위해서 수중에 식물을 식재할 경우는 식물이 하상에 쉽게 정착하여 지속적으로 성장하고 번식 활 동을 할 수 있는 여건이 필요하다. 그러므로 본 연구에서는 정체 수역에 Mattress/Filter를 설치함으로써 이러한 식물의 성장과 번식을 촉진시킬 수 있는 환경 조건을 제안하였다.
- 79로 나타나 지하부의 생물량 보다 지상부의 생물량이 높은 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 채택하고. 있는 Mattress 시스템은 환경적으로 토양에서보다 영양소의 공급이 제한될 수밖에 없기 때문에 뿌리가 잘 발달하고 지하부의 생물량이 큰 식물이 적합하다고 할 수 있다.
제안 방법
- 김미경 등(2005)»은 정체 수역 내에서 조류 발생의 잠재력을 측정하기 위해 생리. 생화학적 분석 방법을 제시하였다. 여운기 등(2003沪은 수질 개선과 식생복원을 위해 자연하천인 대구광역시 범어천에 pilot plant를 설치하여 수질 개선 모니터링을 해오고 있고 자 연하 천에 설치된 Mattress의 수중 식생 복원성을 평가하기 위해 모니터링 시스템을 운영.
- 1과 같이 3개의 Mattress를 정체 수역 바닥에 설치하였으며, 각각 갈대 (Phragmites australis), 줄(Zizania latifolia) 그리고 애기부들(Typha angustifolia)의 1년생 식물 묘를 16개/「구의 밀도로 Mattress에 식재하였다. 갈대, 줄, 애기부들은 우리나라 습지에서 가장 빈번히 출현하는 정수식물이기에 Mattress의 식재 종으로 선정하여 모니터링하였다
- 본 연구의 실험 및 모니터링에 이용한 Mattress 는 2002년 6월에 정체 수역 내에 설치되었으며, 2004년 9월에 실험지에서 정수식물 군집의 식생 구 조와 생물량을 조사하였다. Mattress의 식물 군집에 종별로 각각 5개의 0.3mx0.3m의 방형구를 임의로 설치하여 출현 식물 종을 기록하였으며, 각 식물 종의 피도와 경엽부의 밀도를 측정하였다. 여기서, 피도 는 전체 면적에 대한 각 종이 차지하는 면적 (%) 을 의미하며, 밀도는 단위면적당 각종의 개체 수(no/m?)를 의미한다.
- 채집된 식물체는 경엽부(shoot)와 지하경(rhizome) 그리고 뿌리(root)로 구분하였으며, 부위별로 분리된 식물 시료는 건조기로 건조시킨 후 무게를 측정하였다. 그리고 각 식물군집 별 생물 다양성을 비교하기 위하여 Margalef(1958)2》의 정보이론(information theory) 에 의하여 유도된 Shannon - Weaver Function(Pielou, 19%6)?"을 이용하여 다양 도 지수 (Diversity Index, H')와수 (Evenness Index, J')를 산정하였으며, 식(1) 및 식 (2) 와 같다.
- 소하천 내에 설치된 Mattress로부터 상류 방향으로 5m 떨어진 곳에서 유입수의 수질을 측정하였으며, 하천 폭이 넓지 않은 소하천이므로 모든 Mattress 시스템에 유입되는 유입수는 하천 중앙에서 측정한 값을 사용하였다. 또한 Mattress에 복원된 수생식물들에 의한 수질 정화 효과를 측정하기 위해 각 Mattress 시스템의 하류 단에서 유출수의 수질을 측정하여 유 입수와 비교한 뒤 각 수질측정 항목에 대한 제거율을 산정하였다.
- 소하천 내에 설치된 Mattress로부터 상류 방향으로 5m 떨어진 곳에서 유입수의 수질을 측정하였으며, 하천 폭이 넓지 않은 소하천이므로 모든 Mattress 시스템에 유입되는 유입수는 하천 중앙에서 측정한 값을 사용하였다. 또한 Mattress에 복원된 수생식물들에 의한 수질 정화 효과를 측정하기 위해 각 Mattress 시스템의 하류 단에서 유출수의 수질을 측정하여 유 입수와 비교한 뒤 각 수질측정 항목에 대한 제거율을 산정하였다. 이를 위해 2004년 5월부터 2004년 8월까지 유입구와 유출구에서 월 2회 수질을 측정하였다.
- 또한 Mattress에 복원된 수생식물들에 의한 수질 정화 효과를 측정하기 위해 각 Mattress 시스템의 하류 단에서 유출수의 수질을 측정하여 유 입수와 비교한 뒤 각 수질측정 항목에 대한 제거율을 산정하였다. 이를 위해 2004년 5월부터 2004년 8월까지 유입구와 유출구에서 월 2회 수질을 측정하였다. 수질측정 항목으로는 T-N, T-P, Pm: NI矶fN, NO3-N 항목을 Standard method에 준하여 분석하였다.
- 수질측정 항목으로는 T-N, T-P, Pm: NI矶fN, NO3-N 항목을 Standard method에 준하여 분석하였다. Po尸, NH4-N, NO3-Ne 시료를 GF/C로 여과 후 Automatic Analyser로 분석하였으며, T-N, T-P는 산 및 열분해 과정을 거쳐 Automatic Analyser로 분석하였다.
- 08로 각각 나타나 줄, 갈대, 애기부들 순으로 많은 것을 알 수 있었다. 본 연구의 모니터링에 이용한 식물은 모두 다년생 정수식물로서 지하경에 의하여 영양번식을 하였다. 갈대, 줄 및 애기부들은 지하부 생물량 중에서 지하경이 뿌리보다 많은 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 정체 수역에서 수생식물의 복원과 수질 정화를 위해 유속이 느리고 폭이 좁은 소하천에 Mattress 시스템을 이용하여 정수식물에 속하는 갈대와 줄 그리고 애기부들을 식재하였다. 하지만 정수식물은 비교적 수심이 얕은 곳에 주로 서식하므로 앞으로 정수식물보다 수심이 깊은 곳에서 서식이 가능한 비정 수성 식물에 대한 연구가 필요하며, 비정수식물에 의한 식생복원성과 수질 정화능력을 대상으로 실험과 모니터링을 할 경우에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
대상 데이터
- 본 연구의 실험은 영남대학교 내에 위치한 농업용 저수지인 삼천 지에 유입하고 있는 사동 및 삼풍 동 지역의 소하천에서 이루어졌으며, 정체 수역의 폭은 15m이고 수심은 0.5 - 1.0m, 실험에 이용한 수중 Mattress의 크기는 5.0mx3.0mx0.5m이고 채움재로는 슬래그를 이용하였다. Fig.
- 5m이고 채움재로는 슬래그를 이용하였다. Fig. 1과 같이 3개의 Mattress를 정체 수역 바닥에 설치하였으며, 각각 갈대 (Phragmites australis), 줄(Zizania latifolia) 그리고 애기부들(Typha angustifolia)의 1년생 식물 묘를 16개/「구의 밀도로 Mattress에 식재하였다. 갈대, 줄, 애기부들은 우리나라 습지에서 가장 빈번히 출현하는 정수식물이기에 Mattress의 식재 종으로 선정하여 모니터링하였다
- 본 연구의 실험 및 모니터링에 이용한 Mattress 는 2002년 6월에 정체 수역 내에 설치되었으며, 2004년 9월에 실험지에서 정수식물 군집의 식생 구 조와 생물량을 조사하였다. Mattress의 식물 군집에 종별로 각각 5개의 0.
이론/모형
- 여기서, 피도 는 전체 면적에 대한 각 종이 차지하는 면적 (%) 을 의미하며, 밀도는 단위면적당 각종의 개체 수(no/m?)를 의미한다. 식물의 동정은 대한식물도 감(이창복, 1993尸을 참고하였다.
- 채집된 식물체는 경엽부(shoot)와 지하경(rhizome) 그리고 뿌리(root)로 구분하였으며, 부위별로 분리된 식물 시료는 건조기로 건조시킨 후 무게를 측정하였다. 그리고 각 식물군집 별 생물 다양성을 비교하기 위하여 Margalef(1958)2》의 정보이론(information theory) 에 의하여 유도된 Shannon - Weaver Function(Pielou, 19%6)?"을 이용하여 다양 도 지수 (Diversity Index, H')와수 (Evenness Index, J')를 산정하였으며, 식(1) 및 식 (2) 와 같다.
- 이를 위해 2004년 5월부터 2004년 8월까지 유입구와 유출구에서 월 2회 수질을 측정하였다. 수질측정 항목으로는 T-N, T-P, Pm: NI矶fN, NO3-N 항목을 Standard method에 준하여 분석하였다. Po尸, NH4-N, NO3-Ne 시료를 GF/C로 여과 후 Automatic Analyser로 분석하였으며, T-N, T-P는 산 및 열분해 과정을 거쳐 Automatic Analyser로 분석하였다.
성능/효과
- 또한 하늘지기 (Fimbristylis dichoto- ma)가 13개/n? 의 밀도와 4.4%의 피도로 출현하였으며, 돌피 (Echinochloa crus-galli)가 8개/m? 의 밀도와 3.8%의 피도로 출현하여 갈대를 제외한 종 중에서 가장 큰 우점도를 보였다 그 외에도 여뀌바늘(Ludwigia prostrata), 미꾸리낚시 (Persicaria Sieboldii), 알방동사니 (Cyperus difformis), 황새 냉이 (Cardamine flex- uosa) 등의 종이 출현한 것으로 나타났다.
- Mattress에 식재한 줄 군락의 식생구조는 Table 2 와 같으며, 줄 군락에서는 초기 식재 종인 줄이 167개 /m? 의 밀도와 62%의 피도로서 주로 우점한 것으로 나타났다. 또한 돌피 (Echinochk)a crus-galli)가 31개 /m, 의 밀도와 8.2%의 피도로 출현하였으며, 방동사니(Cyperus amuiicLis)가 24개/rrf의 밀도와 6%의 피 도로 줄현하여 줄을 제외한 종 중에서 가장 큰 우점도를 보였다 그 외에도 조개풀(Arthraxon hispidus), 미꾸리낚시 (Persicaria Sieboldii), 여뀌바늘(Ludwigia prostrata), 알방동사니 (Cyperus difformis), 중대가리 풀(Centipeda minima), 하늘지기 (Fimbristylis di- chotoma), 미국개기장(Panicum dichotomiflorum) 등의 종이 출현한 것으로 나타났다.
- 4%의 피도로 출현하였다. 애기부들 군락에서는 갈대 군락과 줄 군락에 비해 비교적 적은 종류의 식물 종이 출현한 것으로 나타났다.
- Mattress식재한 각 군락의 종 수와 식(1)과 식(2)에 의해 구한 다양도 지수와 균등도 지수를 이용해서 나타낸 식물 다양성은 Table 4와 같다. 줄 군락에서는 11개의 종이 출현하였으며, 다양도 지수는 2.18, 균등도 지수는 0.91로 나타나 3 군락 중식 물다 양성이 가장 큰 것으로 나타났다. 갈대군락에 서는 7개의 종이 출현하였으며, 다양도 지수는 1.
- 91로 나타나 3 군락 중식 물다 양성이 가장 큰 것으로 나타났다. 갈대군락에 서는 7개의 종이 출현하였으며, 다양도 지수는 1.67, 균등도 지수는 0.86으로 나타나 줄 군락 다음으로 식물 다양성이 큰 것으로 나타났다. 한편 애기부들 군락에서는 3개의 종이 출현하였으며, 다양도 지수는 0.
- 86으로 나타나 줄 군락 다음으로 식물 다양성이 큰 것으로 나타났다. 한편 애기부들 군락에서는 3개의 종이 출현하였으며, 다양도 지수는 0.87, 균등도 지수는 0.79로 갈대 군락과 줄 군락에 비하여 식물 다양성이 상대적으로 적게 나타났다. 따라서 줄과 갈대가 자연하천에 설치된 Mattress 시스템에 상대적으로 잘 적응하는 종으로 판단된다.
- Mattress에서 식물의 건물(dry matter, DM)로 표시한 각 군락의 부위별 생물량은 Table 5와 같으며, 그중에서 경엽부의 생물량은 갈대가 2.34, 줄이 2.56, 애기부들이 2.08로 각각 나타나 줄, 갈대, 애기부들 순으로 많은 것을 알 수 있었다. 본 연구의 모니터링에 이용한 식물은 모두 다년생 정수식물로서 지하경에 의하여 영양번식을 하였다.
- 본 연구의 모니터링에 이용한 식물은 모두 다년생 정수식물로서 지하경에 의하여 영양번식을 하였다. 갈대, 줄 및 애기부들은 지하부 생물량 중에서 지하경이 뿌리보다 많은 것으로 나타났다. Mattress에 식재된 식물에서 지하부/지상부의 생물량 비는 갈대가 0.
- 정체 수역에서 유입수와 유출수의 수질을 월 2회 모니터링한 결과 중에서 T-P의 변화를 Table 6과 같이 나타내었다. 갈대군락의 제거율은 약 65~ 71%인 것으로 나타났으며, 평균치는 68.7%로 나타나 3 군락 중에서 가장 높게 나타났다. 그리고 줄 군 락의 제거율은 약 61~65%인 것으로 나타났으며, 평균치는 62.
- 7%로 나타나 3 군락 중에서 가장 높게 나타났다. 그리고 줄 군 락의 제거율은 약 61~65%인 것으로 나타났으며, 평균치는 62.7%로 나타나 갈대보다는 제거율이 조금 낮은 것으로 나타났다. 한편 애기부들 군락의 제거율은 약 53~57%인 것으로 나타났으며, 평균치는 55.
- 7%로 나타나 갈대보다는 제거율이 조금 낮은 것으로 나타났다. 한편 애기부들 군락의 제거율은 약 53~57%인 것으로 나타났으며, 평균치는 55.3%로 나타나 3 군락 중에서 T-P의 제거율이 가장 낮은 것으로 나타났다.
- 정체 수역에서 유입수와 유출수의 수질을 월 2회 모니터링한 결과 중에서 T-N의 변화를 Table 7과 같이 나타내었다. 갈대군락의 제거율은 약 78~ 82%인 것으로 나타났으며, 평균치는 79.8%로 나타나 3 군락 중에서 가장 높게 나타났다. 그리고 줄 군 락의 제거율은 약 72~77%인 것으로 나타났으며, 평균치는 74.
- 8%로 나타나 3 군락 중에서 가장 높게 나타났다. 그리고 줄 군 락의 제거율은 약 72~77%인 것으로 나타났으며, 평균치는 74.7%로 나타나 갈대보다는 제거율이 조금 낮은 것으로 나타났다. 한편 애기부들 군락의 제거율은 약 62~68%인 것으로 나타났으며, 평균치는 64.
- 7%로 나타나 갈대보다는 제거율이 조금 낮은 것으로 나타났다. 한편 애기부들 군락의 제거율은 약 62~68%인 것으로 나타났으며, 평균치는 64.9%로 나타나 3 군락 중에서 T-N의 제거율이 가장 낮은 것으로 나타났다.
- 정체 수역에서 유입수와 유출수의 수질을 월 2회 모니터링한 결과 중에서'P0尸의 변화를 Table 8과 같이 나타내었다. 갈대군락의 제거율은 약 54- 60%인 것으로 나타났으며, 평균치는 57.4%로 나타나 3 군락 중에서 가장 높게 나타났다. 그리고 줄 군 락의 제거율은 약 50~56%인 것으로 나타났으며, 평균치는 52.
- 4%로 나타나 3 군락 중에서 가장 높게 나타났다. 그리고 줄 군 락의 제거율은 약 50~56%인 것으로 나타났으며, 평균치는 52.8%로 나타나 갈대보다는 제거율이 조금 낮은 것으로 나타났다. 한편 애기부들 군락의 제거율은 약 45~50%인 것으로 나타났으며, 평균치는 47.
- 8%로 나타나 갈대보다는 제거율이 조금 낮은 것으로 나타났다. 한편 애기부들 군락의 제거율은 약 45~50%인 것으로 나타났으며, 평균치는 47.8%로 나타나 3 군락 중에서 POL, 의 제거율이 가장 낮은 것으로 나타났다.
- 정체 수역에서 유입수와 유출수의 수질을-월 2회 모니터링한 결과 중에서 NH厂N의 변화를 Table 9 과 같이 나타내었다. 갈대군락의 제거율은 약 79- 85%인 것으로 나타났으며, 평균치는 82.6%로 나타나 3 군락 중에서 가장 높게 나타났다. 그리고 줄 군 락의 제거율은 약 74~80%인 것으로 나타났으며, 평균치는 77.
- 정체 수역에서 유입수와 유출수의 수질을 월 2회 모니터링한 결과 중에서 NCh-N의 변화를 Table 10과 같이 나타내었다. 갈대군락의 제거율은 약 79 ~83%인 것으로 나타났으며, 평균치는 80.6%로 나타나 3 군락 중에서 가장 높게 나타났다. 그리고 줄 군락의 제거율은 약 72~77%인 것으로 나타났으며, 평균치는 73.
- 6%로 나타나 3 군락 중에서 가장 높게 나타났다. 그리고 줄 군락의 제거율은 약 72~77%인 것으로 나타났으며, 평균치는 73.7%로 나타나 갈대보다는 제거율이 조금 낮은 것으로 나타났다. 한편 애기부들 군락의 제거율은 약 63~66%인 것으로 나타났으며, 평균치는 64.
- 6%로 나타나 3 군락 중에서 가장 높게 나타났다. 그리고 줄 군 락의 제거율은 약 74~80%인 것으로 나타났으며, 평균치는 77.2%로 나타나 갈대보다는 제거율이 조금 낮은.것으로 나타났다.
- 것으로 나타났다. 한편 애기부들'군락의 제거율은 약 65~71%인 것으로 나타났으며, 평균치는 67.5%로 나타나 3 군락 중에서 NH「N의 제거율이 가장 낮은 것으로 나타났다.
- 7%로 나타나 갈대보다는 제거율이 조금 낮은 것으로 나타났다. 한편 애기부들 군락의 제거율은 약 63~66%인 것으로 나타났으며, 평균치는 64.3%로 나타나 3 군락 중에서 NO-N의 제거율이 가장 낮은 것으로 나타났다.
- Table 11은 영양염류의 유형에 따른 오염원의 제거 효과를 알기 위해서 각 식물별 유입수와 유출 수의 평균 영양염류 함량을 나타낸 것이다. 총 인의 제거율은 갈대, 줄, 애기부들 군락에서 각각 68.7%, 62.7%, 55.3%로 나타나 갈대> 줄부들 순으로. 총 인의 제거능력이 좋음을 알 수 있었다.
- 3%로 나타나 갈대> 줄부들 순으로. 총 인의 제거능력이 좋음을 알 수 있었다. 총질소의 제거율은 79.
- 총 인의 제거능력이 좋음을 알 수 있었다. 총질소의 제거율은 79.8%, 74.7%, 64.9%로 나타나 총질소의 제거능력 역시 갈대> 줄부들의 순으로 큰 것을 알 수 있었으며, 3 군락 모두 총 인의 제거능력보다는 총질소의 제거능력이 우수함을 알 수 있었다. 또한 무기질 영양염류인 POL의 제거율은 갈대, 줄 애기부들 군락에서 각각 57.
- 9%로 나타나 총질소의 제거능력 역시 갈대> 줄부들의 순으로 큰 것을 알 수 있었으며, 3 군락 모두 총 인의 제거능력보다는 총질소의 제거능력이 우수함을 알 수 있었다. 또한 무기질 영양염류인 POL의 제거율은 갈대, 줄 애기부들 군락에서 각각 57.4%, 52.8%, 47.8%로 나타나 총 인의 제거능력에 비해서 낮은 결과를 보였다. NH「N의 제거율은 갈대, 줄, 애기부들 군락에서 각각 82.
- 8%로 나타나 총 인의 제거능력에 비해서 낮은 결과를 보였다. NH「N의 제거율은 갈대, 줄, 애기부들 군락에서 각각 82.6%, 77.2%, 67.5%로 나타나 총질소의 제거능력보다 오히려 큰 것으로 나타났다. N03-N의 제거율은 갈대, 줄, 애기부들 군락에서 각각 80.
- 5%로 나타나 총질소의 제거능력보다 오히려 큰 것으로 나타났다. N03-N의 제거율은 갈대, 줄, 애기부들 군락에서 각각 80.6%, 73.7%, 64.3%로 나타나 총질소의 제거능력과 비슷한 수준으로 나타났으며, 갈대 군 락의 경우는 총질소의 제거율보다 높게 나타나 갈대의 경우 무기질 질소의 제거능력이 우수하다는 것을 알 수 있었다.
- Bavor와 Mitchell(1994)"은 습지에서 식물의 효과는 식물 자체의 영양염류 흡수뿐만 아니라 식물 주위에 산소를 공급하고 미생물의 서식 밀도를 높여서 생물 막을 형성시키며, 이러한 생물 막은 영양염 류의 형태를 변환시킴으로써 이동을 막는 것을 돕는다는 연구가 있었다. 본 실험에 사용된 슬래그를 이용한 Mattress 시스템의 경우 다공성이 매우 커서 생물 막의 형성이 매우 용이하고 우수하여(여운 기 등, 2003)險 Mattress 시스템에 형성된 생물 막 또한 영양염류의 제거에 기여한 것으로 판단된다.
- 1) Mattress에 식재한 갈대, 줄, 애기부들의 피도 는 각각 78%, 62%, 82%인 것으로 나타났고 각 군 락의 출현 종수는 각각 7, 11, 3이었으며, 균등도지 수는 0.86, 0.91, 0.79이고 다양도 지수는 1.67, 2.18, 0.87로 나타나 식물 다양성이 크게 증가한 것을 알 수 있었다.
- 2) Mattress에서 활착한 식물의 경엽부의 생물량은 줄, 갈대, 애기부들 순으로 많은 것으로 나타났으며, 갈대, 줄 및 애기부들은 지하부 생물량 중에서 지하경이 뿌리보다 많은 것으로 나타났다. Mattress에 식재된 식물에서 지하부/지상부의 생물량의 비는 갈대가 0.
- 3) Mattress와 식생에 의해 총 인의 제거율은 갈대, 줄 애기부들 군락에서 각각 68.7%, 62.7%, 55.3%로 나타났고 총질소의 제거율은 79.8%, 74.7%, 64.9%로 나타나 3가지 식생 모두 인보다는 질소의 제거율이 높음을 알 수 있으며, 질소와 인의 제거율은 둘 다 갈대> 줄부들의 순으로 큰 것을 알 수 있었다. 또한 무기질 영양염류인 P0「3, NH4-N, NO3-N의 제거율은 각각 갈대 군락에서 는 57.
- 9%로 나타나 3가지 식생 모두 인보다는 질소의 제거율이 높음을 알 수 있으며, 질소와 인의 제거율은 둘 다 갈대> 줄부들의 순으로 큰 것을 알 수 있었다. 또한 무기질 영양염류인 P0「3, NH4-N, NO3-N의 제거율은 각각 갈대 군락에서 는 57.4%, 52.8%, 47.8%로 나타났으며, 줄군락에서 는 82.6%, 77.2%, 67.5% 그리고 애기부들 군락에서 는 80.6%, 73.7%, 64.3%로 나타나 유입수에 비하여 유출수에서의 저감효과가 큰 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 본 연구에서는 정체 수역에서 수생식물의 복원과 수질 정화를 위해 유속이 느리고 폭이 좁은 소하천에 Mattress 시스템을 이용하여 정수식물에 속하는 갈대와 줄 그리고 애기부들을 식재하였다. 하지만 정수식물은 비교적 수심이 얕은 곳에 주로 서식하므로 앞으로 정수식물보다 수심이 깊은 곳에서 서식이 가능한 비정 수성 식물에 대한 연구가 필요하며, 비정수식물에 의한 식생복원성과 수질 정화능력을 대상으로 실험과 모니터링을 할 경우에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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