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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 새만금 유역의 만경강 수계에 위치한 밭 시험포장을 대상으로 2011년 5월부터 11월까지 밭 유출수의 성분을 조사하여 가축분뇨 퇴비가 시비된 밭에서의 유출 특성을 파악하고 강우에 의한 표면 유출수의 영양물질의 특성을 조사하여 향후 수계 및 유역에서의 비점오염원 관리를 위한 기초 자료로 활용하고자 하였다.
- 본 연구는 가축분뇨 퇴비를 시비한 밭에서의 현장 모니터링을 통해 강우에 의한 유출수의 영양물질의 농도 및 유출부하량 특성을 분석하고자 2011년 5월부터 11월까지 가축분뇨 퇴비가 시비된 퇴비구와 일반구로 시험포장을 구분하여 수문 및 수질 모니터링을 실시하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 또한, 시험토양의 이화학성 분석은 퇴비를 시비하기 전·후의 표토와 심토를 채취하여 건조하여 토양시료를 조제한 후 분석을 실시하였다.
- 밭에서 유출되는 관개량과 표면 유출수의 모니터링을 위하여 퇴비구와 일반구 2개의 시험포장을 100 m2의 면적으로 조성하여 재배 작물은 고구마를 재배하면서 관개량과 유출량을 측정하였다. 밭에서의 관개량은 작물을 재배하는 기간에 공급된 수량으로 작물 생육에 필요할 때마다 적정량을 공급하였다.
- 본 연구는 밭 시험포장의 2개의 처리구를 가축분 퇴비의 시비 여부에 따라 퇴비구와 일반구로 구분한 후 모니터링을 실시하여 유출부하량으로 나타내었고, 이는 퇴비구와 일반구에서 유출이 발생할 때의 유출수의 T-N과 T-P의 수질 농도와 각 처리구에서의 유출수량을 곱하여 산정하였으며, 그 결과는 Fig. 5과 Fig. 6에 나타내었다. 2011년 밭에서 유출되는 단위면적당 유출오염 부하량은 퇴비구에서의 유출에 의한 T-N 부하량 10.
- 본 연구를 위해 수문관측 시설을 설치하여 운영하였으며, 시험포장에서 강수량을 측정하기 위해 시험 밭 인근에 강우량계(CASELLA CEL Co., UK)를 설치하여 현장에서 직접 강수량 자료를 획득하였으며, 시험구의 관개량과 유출량을 조사하기 위해 각 시험구의 유출구에 위어 (Weir)를 설치하고 수위 데이터 로거 (VL-740 Valeport Co., UK)를 설치하여 10분 간격으로 유출수의 수위를 관측하였다 (Fig. l).
- 시험 밭에서의 토양의 물리성 분석을 위해 토양 시료는 각 처리구의 표토 (0～10 cm)를 채취하였으며 입도분석은 입도분포를 구하기 위하여 KS F 2302, 2309 규정에 준하여 No.200체에 남은 시료는 체분석으로, No.200체의 통과분은 비중계 분석을 실시하여 분석하였다. 토성은 입도분석의 결과인 입경분포율을 분석한 뒤 삼각좌표분류법으로 판정하였다.
- 연구대상지로 선정된 시험포장의 2개 시험구에서 일반구와 퇴비구의 토양 표토 (0-10 cm)를 오거를 이용하여 채취하였으며 토양의 물리성을 파악하기 위해 입도분석 실험을 실시하였다. 각시험구의 입도분석 실험의 결과를 삼각좌표법에 의한 흙으로 분류하였더니 2개의 처리구 모두 사질 점토로 분류되었다.
- 시험구인 퇴비구 (JBF) 밭에 시비된 퇴비는 전북 완주군 고산농업협동조합 경축 순환자원센터에서 제조된 가축분 부숙비료인 가축분퇴비 (전북완주 14-가-20101호)이며 원료명 및 배합비율은 우분뇨 70 %, 계분 10 %, 팽연왕겨 10 % 및 톱밥 10 %로 구성되어 있다. 우분이 주성분이 퇴비 1포는 20 kg의 중량으로 6 포대인 120 kg의 퇴비를 5월 29일에 퇴비구 밭에 전층 시비한 후 밭갈이를 실시한 후 5개의 이랑을 만들어 비닐로 멀칭한 후 5월 30일에 재식 거리 30～40 cm 간격으로 고구마 모종을 각 이랑별로 100포기씩 총 500포기를 이식하였다. 한편, 가축분 퇴비의 보증 성분량인 유기물 (O-M), 수분량, 유기물대질소비 및 유해 성분량은 Table 1과 같다.
- 1). 퇴비구는 가축분뇨 중 우분을 이용하여 만든 퇴비를 시비하여 작물을 재배하였으며, 일반구는 퇴비를 시비하지 않고 대비구로 운영하였다. 시험구의 재배작물은 고구마를 선택하여 2011년 5월 30일에 고구마 싹을 이식하여 작물을 재배하였다.
- 한편, 각 시험구의 2011년 강우에 의해 밭에서의 표면 유출수의 모니터링은 각 처리구의 배수 지점에서 강우시에 유출공에서 실시하였다. 유출공에서 배수되는 유출량을 측정한 결과, 2011년 시험지구인 밭에서의 6월부터 9월까지 총 강수량은 1,024.
대상 데이터
- 본 연구지역은 전라북도 덕진구 덕진동 소재의 전북대학교 농업생명과학대학내 농장 중 2개의 시험포장 지역이며, 북위 35° 50′ 48″, 동경 127° 07′ 54″에 위치하고 있다.
- 퇴비구는 가축분뇨 중 우분을 이용하여 만든 퇴비를 시비하여 작물을 재배하였으며, 일반구는 퇴비를 시비하지 않고 대비구로 운영하였다. 시험구의 재배작물은 고구마를 선택하여 2011년 5월 30일에 고구마 싹을 이식하여 작물을 재배하였다.
- 시험구인 퇴비구 (JBF) 밭에 시비된 퇴비는 전북 완주군 고산농업협동조합 경축 순환자원센터에서 제조된 가축분 부숙비료인 가축분퇴비 (전북완주 14-가-20101호)이며 원료명 및 배합비율은 우분뇨 70 %, 계분 10 %, 팽연왕겨 10 % 및 톱밥 10 %로 구성되어 있다. 우분이 주성분이 퇴비 1포는 20 kg의 중량으로 6 포대인 120 kg의 퇴비를 5월 29일에 퇴비구 밭에 전층 시비한 후 밭갈이를 실시한 후 5개의 이랑을 만들어 비닐로 멀칭한 후 5월 30일에 재식 거리 30～40 cm 간격으로 고구마 모종을 각 이랑별로 100포기씩 총 500포기를 이식하였다.
- 시험지구의 밭에서 2011년 5월부터 월 1회 이상 밭 토양을 퇴비의 시비여부에 따라 퇴비구와 일반구로 구분하여 각 실험포장에서 심도별로 10 cm와 20 cm로 구분하여 시료를 채취하였다. 밭에서의 채취된 토양의 심도별 화학적 특성을 분석한 결과는 Table 6과 Table 7과 같다.
- 시험포장의 크기는 5 m × 25 m로 2개의 시험포장은 퇴비구 (JBF)와 일반 일반구 (JCF)로 구성된다 (Fig. 1).
이론/모형
- 또한, 시험토양의 이화학성 분석은 퇴비를 시비하기 전·후의 표토와 심토를 채취하여 건조하여 토양시료를 조제한 후 분석을 실시하였다. pH와 EC는토양과 증류수를 1 : 5로 하여 pH는 pH meter (TOA, HM-21P)로 측정하고, EC는 EC meter (TOA, CM-14PW)를 이용하여 측정하였고 유효인산은 Lancaster법, 토양유기물은 Tyurin법을 이용하여 측정하였다. 한편, 시험 밭의 유출수의 분석은 강우시 유출이 발생할 때마다 각 처리구의 유출구에서 수질 시료를 채수하여 4 ℃ 이하의 온도로 보관하면서 분석시료로 사용하였으며, 시료 분석은 환경부 (Ministry of Environment, MOE) 수질 오염공정시험방법 (MOE, 2007)과 표준시험법 (APHA-AWWA-WEF, 1998)에 준하여 분석하였다.
- 한편, 시험 밭의 유출수의 분석은 강우시 유출이 발생할 때마다 각 처리구의 유출구에서 수질 시료를 채수하여 4 ℃ 이하의 온도로 보관하면서 분석시료로 사용하였으며, 시료 분석은 환경부 (Ministry of Environment, MOE) 수질 오염공정시험방법 (MOE, 2007)과 표준시험법 (APHA-AWWA-WEF, 1998)에 준하여 분석하였다. 분석항목 중 COD 분석은 과망간산칼륨법, T-N은 환원증류-킬달법, T-P는 흡광광도법 (ascorbic acid reduction), SS는 유리섬유거름종이법 등에 기준하여 분석하였다.
- 200체의 통과분은 비중계 분석을 실시하여 분석하였다. 토성은 입도분석의 결과인 입경분포율을 분석한 뒤 삼각좌표분류법으로 판정하였다. 또한, 시험토양의 이화학성 분석은 퇴비를 시비하기 전·후의 표토와 심토를 채취하여 건조하여 토양시료를 조제한 후 분석을 실시하였다.
- pH와 EC는토양과 증류수를 1 : 5로 하여 pH는 pH meter (TOA, HM-21P)로 측정하고, EC는 EC meter (TOA, CM-14PW)를 이용하여 측정하였고 유효인산은 Lancaster법, 토양유기물은 Tyurin법을 이용하여 측정하였다. 한편, 시험 밭의 유출수의 분석은 강우시 유출이 발생할 때마다 각 처리구의 유출구에서 수질 시료를 채수하여 4 ℃ 이하의 온도로 보관하면서 분석시료로 사용하였으며, 시료 분석은 환경부 (Ministry of Environment, MOE) 수질 오염공정시험방법 (MOE, 2007)과 표준시험법 (APHA-AWWA-WEF, 1998)에 준하여 분석하였다. 분석항목 중 COD 분석은 과망간산칼륨법, T-N은 환원증류-킬달법, T-P는 흡광광도법 (ascorbic acid reduction), SS는 유리섬유거름종이법 등에 기준하여 분석하였다.
성능/효과
- 퇴비구와 일반구의 표면 유출수의 pH와 수온의 농도 변화는 생육 시기별로 큰 차이를 보이지 않고 변화하는 경향을 보여주 었으며, EC의 수질 농도는 생육 초기에는 퇴비구에서의 유출수의 농도가 높았다가 7월 이후에는 퇴비구와 일반구에서 수질 농도는 큰 차이를 나타내지 않았다. COD와 TOC는 생육초기에는 퇴비구에서 낮은 농도를 보이다가 강우가 많이 발생한 7월과 8월에는 퇴비구의 농도가 높은 값을 보여주었다. 한편, T-N의 농도 변화는 퇴비구의 농도가 일반구에 비해 생육기 전체 시기에서 높은 값을 나타내었으며, 이는 퇴비구에 시비된 퇴비의 질소 성분이 강우시 유출수의 농도에 영향을 준 것으로 사료된다.
- 26 kg/ha를 나타내었다. T-N과 T-P 부하 원단위 모두 퇴비구에서 큰 값을 나타내었으며, 퇴비 구에서 일반구에 비해 T-N은 1.1배, T-P는 약 2배 큰 부하 원단위를 나타내었다. 밭에서의 퇴비에 의한 표면 유출수의 오염부하 특성을 정립하기 위해서는 여러 작물을 대상으로 다양한 영농 방법과 여러 지역적 특성을 반영한 시험포장을 조성하여 지속적인 모니터링을 실시하여 유출부하량을 산정할 필요가 있다고 판단된다.
- 연구대상지로 선정된 시험포장의 2개 시험구에서 일반구와 퇴비구의 토양 표토 (0-10 cm)를 오거를 이용하여 채취하였으며 토양의 물리성을 파악하기 위해 입도분석 실험을 실시하였다. 각시험구의 입도분석 실험의 결과를 삼각좌표법에 의한 흙으로 분류하였더니 2개의 처리구 모두 사질 점토로 분류되었다. 이는 Ahn et al.
- 퇴비구와 일반구의 T-N과 T-P 부하 원단위 모두 국립환경과학원에서 제시한 기준 밭 원단위에 비해 낮게 나타났고, T-N 부하 원단위는 퇴비구가 일반구에 비해서는 높은 부하량을 나타내었다. 또한, T-P 부하 원단위는 국립환경과학원의 제시된 원단위에 비해 퇴비구에서는 높게 나타났으며, 일반구에서는 낮은 부하 원단위를 나타내었다. 따라서 밭의 오염부하 원단위 산정을 위해서는 다양한 작물을 대상으로 지속적이고 오랜 기간 동안 모니터링을 실시하여 유출부하량을 산정할 필요성이 있다고 판단된다.
- 이와 같이 본 연구에서의 T-N 부하량은 기존 연구보다 크게 나타났으나 T-P 부하량은 낮게 나타났다. 부하량을 산정할 때 영향을 주는 인자중에서 수질 농도보다는 강우에 의한 유출량이 더 큰 요인으로 작용하여 유출량이 증가하면 부하량도 증가하므로 시험지구에서의 강수량의 편차에 의해 시험지구에서의 부하량의 차이가 발생한 것으로 사료되며, 시험 지구 밭의 토양 특성에 따른 투수성에 따라 인산의 성분이 용해되어 유출되는 현상이 다르게 나타나는데 본 연구에서는 토성이 사질 점토로써 투수성이 양호한 토양으로 인산 흡착량이 증가하였고, 시험포장인 일반구와 퇴비구 밭의 경사도가 모두 0～1 % 이내로 지표 유출량이 경사지 밭에 비해서 상대적으로 적은 지표 유출량으로 T-P 부하량이 상대적으로 낮게 나타난 것으로 생각된다. 따라서 시험포장의 규모와 토양 특성, 경사도 등을 고려하여 시험포장을 선정하여 통일된 조사방법과 강우사상 등에 대해 지속적인 모니터링이 필요하다고 판단된다.
- 시험 유역에서의 측정된 작물재배 기간인 2011년 5월부터 11월까지 7개월의 강수량을 보면 5월에는 123.8 mm, 6월 129.8 mm, 7월 435.6 mm, 8월 395.4 mm, 9월 63.6 mm, 10월 33.2 mm, 및 11월 118.3 mm의 강수량을 나타내었으며, 시험기 간의 총강수량은 1,299.7 mm를 기록하였다. 최대 월 강수량은 7월로 435.
- 시험지구 밭에서 표면유출수의 T-N의 농도변화는 퇴비구에서 2.09～6.66 mg/L의 범위로 평균 3.60 mg/L, 일반구에서는 1.99～6.01 mg/L의 범위로 평균 3.60 mg/L의 농도변화를 나타내어 퇴비구의 농도가 일반구에 비해 생육기 전체 시기에서 높은 값을 나타내었으며, 퇴비구에 시비된 퇴비의 질소 성분이 유출수의 농도에 영향을 준 것으로 사료된다. 한편, T-P의 농도는 퇴비구가 0.
- 시험지구 토양의 삼각좌표법에 의한 토양 물리성은 일반구와 퇴비구 모두 사질 점토로 분류되었다. 토양 화학성은 표토에의 T-N은 퇴비구과 일반구에서 각각 856.
- 시험지구의 2011년 작물 재배 기간인 5월부터 11월까지 7개월의 강수량은 33.2∼435.6 mm를 기록하였으며, 최대 월 강수량은 7월로 435.6 mm를 기록하여 시험기간 총 강수량의 33.5 %로 나타났고 최대 일 강수량은 181.4 mm의 강수량을 나타내었다.
- 시험지구의 유출부하량은 퇴비구에서 T-N과 T-P는 각각 10.05 kg/ha, 0.56 kg/ha를 나타내었고, 일반구의 T-N, T-P의 유출부하량은 9.09 kg/ha, 0.26 kg/ha를 나타내었다. T-N과 T-P 부하 원단위 모두 퇴비구에서 큰 값을 나타내었으며, 퇴비 구에서 일반구에 비해 T-N은 1.
- 018 mg/L로 나타났으며, 생육 초기에는 퇴비구와 일반구의 수질 농도 차이가 크지 않았으나 생육이 활발했던 8월 이후에는 퇴비구의 농도가 일반구에 비해 높은 값을 나타내어 토양 입자와 결합된 퇴비 중의 인산 성분이 강우에 의해 유출수의 영향을 준 것으로 판단된다. 우리나라 호소 수질환경기준 4등급인 농업용수의 수질 기준은 T-N 1.0 mg/L 이하, T-P 0.1 mg/L 이하로 정해져 있는데 퇴비구와 일반구 모두 전체 기간에 T-N은 기준치를 초과하는 것으로 나타났다.
- 한편, 각 시험구의 2011년 강우에 의해 밭에서의 표면 유출수의 모니터링은 각 처리구의 배수 지점에서 강우시에 유출공에서 실시하였다. 유출공에서 배수되는 유출량을 측정한 결과, 2011년 시험지구인 밭에서의 6월부터 9월까지 총 강수량은 1,024.4 mm이었고, 같은 기간 퇴비구의 밭에서 6월부터 9월까지 유출량은 360.4 mm를 나타내어 유출률은 0.35를 나타내었고, 일반구의 밭 시험포장에서는 유출량 349.0 mm를 나타내어 유출률은 0.34로 나타났다 (Table 4). 시험포장인 퇴비구에서 일반구보다 11.
- 1 mg/kg를 나타내었다. 퇴비구가 일반구에 비해 T-N의 함량은 표토에서는 초기에 높았다가 낮아지며 심토에서는 초기에는 낮았다가 7월 이후에 점차 높아지는 경향을 나타내었고, T-P의 함량은 퇴비구 표토에서는 초기에는 낮았다가 7월 이후에 점차 높아지는 경향을 보였으며, 심토에서는 전체적으로 낮은 값으로 나타났으며 일반구와 퇴비구의 T-P 함량은 우리나라 전국 평균 함량보다 낮은 값을 나타내었다.
- 7 mg/kg이었다. 퇴비구가 일반구에 비해 표토에서는 T-N의 함량이 초기에 높았다가 점차적으로 낮아지며 T-P의 함량은 낮았다가 7월 이후에는 높아지는 경향을 보여주었으며, 이는 시험 초기에 시비된 퇴비의 성분이 6월 중순 이후의 빈번하게 발생한 강우로 인해 토양 표토층에 영향을 준 것으로 사료된다. 심토 에서는 퇴비구가 일반구에 비해 T-N의 함량이 낮았다가 점진적 으로 높아지며 T-P의 함량은 작물의 생육 후기로 갈수록 대체 적으로 낮아지는 경향을 보여주었다 (Fig.
- 한편, T-N의 농도 변화는 퇴비구의 농도가 일반구에 비해 생육기 전체 시기에서 높은 값을 나타내었으며, 이는 퇴비구에 시비된 퇴비의 질소 성분이 강우시 유출수의 농도에 영향을 준 것으로 사료된다. 한편 T-P의 처리구별 표면 유출수의 농도를 보면 생육 초기에는 퇴비구와 일반구의 수질 농도 차이가 크지 않았으나 강우가 빈번하게 발생한 8월 중순 이후에는 퇴비구의 농도가 일반구에 비해 높은 값을 나타내었으며, 이는 토양 입자와 결합된 퇴비 중의 인산 성분이 강우에 의해 유출수의 영향을 준 것으로 판단된다. 한편, 우리나라 호소 수질환경기준 4등급인 농업용수의 수질 기준은 T-N 1.
- 213 mg/L의 값을 보여주었다. 한편, SS의 수질 농도는 339.5～1,983.8 mg/L로 평균 692.6 mg/L를 나타냈었고, COD의 농도변화는 6.96～12.54 mg/L로 평균 9.49 mg/L를, TOC의 농도는 8.22～16.63 mg/L로 평균 10.93 mg/L로 나타났다.
- 한편 T-P의 처리구별 표면 유출수의 농도를 보면 생육 초기에는 퇴비구와 일반구의 수질 농도 차이가 크지 않았으나 강우가 빈번하게 발생한 8월 중순 이후에는 퇴비구의 농도가 일반구에 비해 높은 값을 나타내었으며, 이는 토양 입자와 결합된 퇴비 중의 인산 성분이 강우에 의해 유출수의 영향을 준 것으로 판단된다. 한편, 우리나라 호소 수질환경기준 4등급인 농업용수의 수질 기준은 T-N 1.0 mg/L 이하, T-P 0.1 mg/L 이하로 정해져 있는데 퇴비구와 일반구 모두 전체 기간에 T-N은 기준치를 초과하는 것으로 나타났으며, T-P의 농도는 전체 생육기간 동안 퇴비구와 일반구가 서로 근접한 농도로 변화하는 경향을 보였으나, 퇴비구에서의 8월 이후에는 일반구에 비해 높은 농도를 나타내었는데, 이는 빈번하고 많은 강우량에 의한 퇴비 성분이 용해되어 유출수에 영향을 준 것으로 판단된다.
후속연구
- 7 mm이었다. 관개량은 고구마 재배 기간 중 초기에 공급된 수량이며, 유출량은 강수량에 의한 시험구에서의 표면유출량을 나타낸 것으로 비닐 멀칭으로 토양 표면에 침투되는 양이 감소되어 유출량이 증가한 것으로 사료되며, 멀칭과 비멀칭 재배에 따른 후속 시험도 필요하다고 판단된다.
- 1배, T-P는 약 2배 큰 부하 원단위를 나타내었다. 밭에서의 퇴비에 의한 표면 유출수의 오염부하 특성을 정립하기 위해서는 여러 작물을 대상으로 다양한 영농 방법과 여러 지역적 특성을 반영한 시험포장을 조성하여 지속적인 모니터링을 실시하여 유출부하량을 산정할 필요가 있다고 판단된다.
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