[논문]유역특성에 따른 하천에서의 존재형태별 질소 분포 특성 비교

박지형; 손수민; 김용석

doi:10.15681/kswe.2014.30.5.503

유역특성에 따른 하천에서의 존재형태별 질소 분포 특성 비교
Distribution Characteristics of Total Nitrogen Components in Streams by Watershed Characteristics 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.30 no.5, 2014년, pp.503 - 511

박지형 (국립환경과학원 물환경연구부 유역총량연구과) , 손수민 (국립환경과학원 물환경연구부 유역총량연구과) , 김용석 (국립환경과학원 물환경연구부 유역총량연구과)

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The temporal and spatial analyses of total nitrogen (TN) fractionation were conducted in order to understand 1) total nitrogen components in streams and 2) their patterns in rainy and dry seasons. The result showed that the concentration of nitrogen components in stream water was lower in non-urban area and getting higher in urban area. Dissolved total nitrogen (DTN) was 95~97.7% of total nitrogen in streams, and the proportion of dissolved organic nitrogen (DON) and ammonia nitrogen ($NH_3-N$) was higher with increasing urban area. The concentration of total nitrogen and nitrate nitrogen ($NO_3-N$) were highest in winter among four seasons. The result was showed that concentration of $NH_3-N$ was same variation as concentrations of TN and $NO_3-N$ in urban-rural complex and urban areas, except rural areas. During rainy season, concentrations of particulate organic nitrogen (PON) and $NH_3-N$ increased in rural areas and decreased in both urban-rural complex and urban areas. Correlation between total nitrogen components and land uses was positively correlated with site > paddy, and negatively correlated with forest. The variation of total nitrogen concentration was determined by $NO_3-N$ in non-urban areas, by $NO_3-N$ and $NH_3-N$ in urban-rural complex and by $NH_3-N$ in the urban areas.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 하천에서의 총질소를 존재형태별로 구분하고, 계절별, 강우/비강우 및 유황 시기별로 분포 상태를 시공간적으로 파악하여 차이에 대한 원인을 규명하고자 하였으며, 이러한 분포 특성을 결정하는 유역인자 중 토지이용현황과의 관련성을 고찰하고자 하였다.
조사지점 대상 유역의 특성을 파악하기 위하여 각 유역에서의 토지이용현황을 조사하였다. 토지이용현황은 2012년 기준 지적 공부상 28개 토지 지목을 수질오염총량관리에서 적용중인 전, 답, 임야, 대지, 기타 5개 지목으로 재분류하여 산정하였다(Table 1).
한강수계 내 주요 지류 하천의 질소성 오염물질의 농도와 존재형태별 구성비를 파악하여 권역별로 어떤 차이를 보이는지 고찰하였다. TN과 존재형태별 농도를 분석한 결과를 Table 2에 정리하였다.

가설 설정

PON은 입자성 총질소(particulate total nitrogen, PTN)가 대부분 PON으로 존재함에 따라 PTN 을 PON으로 간주하여 산정하였다. NO₂-N은 하천수에서는 거의 존재하지 않으므로 0으로 가정하였다. DON은 DTN에 서 NH₃-N과 NO₃-N의 합과의 차이로 산정하였다.

제안 방법

이 중 TN, DTN, NH₃-N, NO₃-N 은 실측자료를 활용하였다. PON은 입자성 총질소(particulate total nitrogen, PTN)가 대부분 PON으로 존재함에 따라 PTN 을 PON으로 간주하여 산정하였다. NO₂-N은 하천수에서는 거의 존재하지 않으므로 0으로 가정하였다.
TN과 그 존재형태별 질소의 유출이 유역특성에 따라 다르게 나타나는 원인을 규명하고자, 16개 조사지점 해당 유역별 2012년 토지지목 현황을 총량관리 지목형태인 전, 답, 임야, 대지, 기타로 재분류하여 존재형태별 질소와의 상관관계를 비교 분석하였다(Table 4). 그 결과 토지 지목분류와 TN, NH₃-N, NO₃-N, PON, DON과의 상관성은 대지면 적과는 각각 r=0.
TN을 존재형태별로 구분하여 계절별, 강우/비강우별 유황 시기별로 그 분포 특성을 시공간적으로 파악하고, 이러한 유출 특성을 결정하는 유역인자 중 토지이용현황과의 관련성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
TN의 변동에 영향을 미치는 존재형태별 인자를 파악하기 위하여 각 조사지점의 TN과 주요 구성성분인 PON, DON, NH₃-N 및 NO₃-N과의 상관성 분석을 수행하였다(Table 3). N 및 S1 권역에서의 TN은 NO₃-N과는 상관계수 r=0.
강우 및 비강우기 TN과 존재형태별 질소의 유출 특성을 알아보기 위하여 NIER(2014)에서 제시한 유효강우 10mm/ 일을 기준으로 선행강우에 의한 영향을 고려하여 조사일로 부터 선행강우 3일 누적 강수량이 10mm 이상일 경우 강우기로, 10mm 미만은 비강우기로 구분하여 TN, PON, DON, NH₃-N 및 NO₃-N의 강우/비강우 비를 구하였다(Fig. 4).
계절별 질소의 존재형태별 변동 특성을 파악하기 위하여 권역별로 4년간 월별 평균 농도 변화를 분석하였다(Fig. 3). TN은 권역 구분 없이 동절기에 높고 하절기에 낮아지는 ∪자 형태의 패턴을 보였다.
유황시기에 따른 TN과 존재형태별 질소 농도 분포를 파악하기 위하여 비초과 유량에 의한 TN 및 존재형태별 질소 농도 분포 특성을 분석하였다. 비초과 유량백분율은 측정된 유량 자료를 가장 큰 값에서 작은 값순으로 정렬하여 각 유량값에 대하여 이 값을 초과하는 일수를 백분율로 계산한 것이다.
조사지점 대상 유역의 특성을 파악하기 위하여 각 유역에서의 토지이용현황을 조사하였다. 토지이용현황은 2012년 기준 지적 공부상 28개 토지 지목을 수질오염총량관리에서 적용중인 전, 답, 임야, 대지, 기타 5개 지목으로 재분류하여 산정하였다(Table 1). 그 결과 N 및 S1 권역은 산림이 약 80% 이상이고, 대지는 3% 미만으로 비도시 산림지역의 특성을 나타내었다.

대상 데이터

1. A map showing the 16 study sites(S.Y. : Soyanggang, I.B. : Inbukcheon, G.P. : Gapyeongcheon, J.J. : Jojongcheon, G.J. : Goljicheon, O.D. : Odaecheon, J.C. : Jucheongang, P.C. : Pyeongchanggang, C.M. : Cheongmicheon, B.H. : Bokhacheon, Y.H. : Yanghwacheon, G.A. : Gyeongancheon, W.S. : Wangsukcheon, J.R. : Jungnangcheon, T.C. : Tancheon, A.Y. : Anyangcheon).
연구대상 지점은 한강수계 북한강(N) 권역인 가평천(G.P.), 소양강(S.Y.), 인북천(I.B.), 조종천(J.J.) 4개 주요 지천, 충주댐을 기점으로 남한강 상류(S1) 권역인 골지천(G.J.), 오대 천(O.D.), 주천강(J.C.), 평창강(P.C.) 4개 주요 지천, 남한강 하류(S2) 권역인 청미천(C.M.), 양화천(Y.H.), 복하천(B.H.) 3개 주요 지천, 경안천(G) 및 팔당댐 이하 한강 하류(H) 권역인 왕숙천(W.S.), 중랑천(J.R.), 탄천(T.C.), 안양천(A.Y.) 4개 주요 지천 말단 지점 등 총 16개 지점으로 하였다(Fig. 1). 조사기간은 한강물환경연구소에서 2009~2012년까지 최근 4년간의 연 36회 이상 평균 8일 간격으로 수질과 유량을 동 시 측정한 자료를 활용하였다.
-N)를 대상으로 하였다. 이 중 TN, DTN, NH₃-N, NO₃-N 은 실측자료를 활용하였다. PON은 입자성 총질소(particulate total nitrogen, PTN)가 대부분 PON으로 존재함에 따라 PTN 을 PON으로 간주하여 산정하였다.
1). 조사기간은 한강물환경연구소에서 2009~2012년까지 최근 4년간의 연 36회 이상 평균 8일 간격으로 수질과 유량을 동 시 측정한 자료를 활용하였다.
조사항목은 총질소(total nitrogen, TN), 입자성 유기질소 (particulate organic nitrogen, PON), 용존 총질소(dissolved total nitrogen, DTN), 용존 유기질소(dissolved organic nitrogen, DON), 암모니아성 질소(ammonia nitrogen, NH3-N), 아질산성 질소(nitrite nitrogen, NO2-N) 및 질산성 질소(nitrate nitrogen, NO3-N)를 대상으로 하였다.

성능/효과

1) 조사대상 지점별 TN 농도분포는 2.240 ~ 13.029 mg/L, PON은 0.051 ~ 0.689 mg/L, DON은 0.225 ~ 1.535 mg/L, NH₃-N은 0.020 ~ 5.808 mg/L, NO₃-N은 1.535 ~ 4.996 mg/L의 범위로 권역별로 큰 차이를 보였다.
2) 질소성분의 구성비는 DTN 비율이 95 ~ 97.7%, 이중 DON 과 NH₃-N은 대지 면적비가 높은 유역에서 상대적으로 높았다. 수생생물의 먹이원으로 이용되는 DIN 비율은 79.
3) 계절별 질소 존재형태별 변동특성은 TN과 NO3-N은 권역과 상관없이 동절기에 높고 하절기에 낮아지는 ∪자 형태의 패턴을, NH3-N은 I.B.지점을 제외한 N 및 S1 권 역에서 ∩자 형 패턴을 보인 반면 S2, G 및 H 권역에서는 ∪자 형태의 분포특성을 보였다.
4) NH₃-N의 계절적 변동은 동절기에는 환경기초시설에서 생물학적 공정에서의 질산화균 활성 저하와 하천에서 1차 생산자의 증식률 감소에 따른 영양염 이용률 저하와 관련이 있다. 하절기에는 질산화율 증가와 조류의 NO₃-N 보다 NH₃-N의 높은 선택성에 의한 이용률 증가에 따른 영향에 기인한다.
5) 강우 및 비강우에 의한 TN과 존재형태별 질소의 유출 특성은 TN, NO₃-N 및 DON은 조사대상권역에 상관없이 강우/비강우 비가 1.0 미만이었고, NH₃-N의 경우 N 및 S1 권역에서는 1.0이상, S2, G 및 H 권역에서는 1.0 미만으로 NH₃-N은 유역 특성에 따라 그 유출 양상이 다르게 나타났다.
6) TN 변동에 영향을 미치는 존재형태별 인자는 N 및 S1 권역의 경우 NO₃-N, G 및 S2 권역은 NO₃-N와 NH₃-N의 복합 작용에 의해, H 권역은 NH₃-N에 의해 결정되었 다.
7) 토지이용과 존재형태별 질소와의 유출과의 상관성 분석에서는 존재형태별 질소에 상관없이 대지 > 논 면적 순으로 상관성이 높았으며, 산림면적과는 모두 강한 음의 상관성을 나타내었다.
H 권역은 북한강, 남한강 상류 권역과는 반대로 TN이 NH3-N과는 상관계수 r=0.74(p<0.01) ~ 0.94(p<0.01)의 높은 상관성을 보였으나, NO3-N 및 DON과는 뚜렷한 상관관계를 보이지 않았으며, PON과도 약한 상관성을 보여 TN 변동은 NH3-N에 의해 결정되는 것으로 나타났다.
N 및 S1 권역에서의 TN은 NO3-N과는 상관계수 r=0.80 (p<0.01) ~ 0.96(p<0.01)의 강한 양(+)의 상관관계를 나타내었으나, NH3-N 및 PON과는 뚜렷한 상관성을 보이지 않았 다.
PON 농도는 N 및 S1 권역 등 상대적으로 낮은 오염지역에서는 대체로 유황 시기별로 뚜렷한 경향을 보이지 않거나 홍수기에서 갈수기로 갈수록 낮아지는 경향을 나타내었고, G, S2 및 H 권역 등 높은 오염지역은 갈수기로 갈수록 높아지는 경향을 보여 권역별로 PON의 유출기원이 서로 다름을 알 수 있었다.
PON은 권역별로 계절에 따른 뚜렷한 패턴을 보이지는 않았으나 동절기와 강우기에 높아지는 경향을 나타내었으며, H 권역에서는 대체로 ∪자 형태의 분포 특성을 보였 다.
TN 농도분포는 1.856~13.029 mg/L, PON은 0.051~0.689 mg/L, DON은 0.225~1.535 mg/L, NH3-N 은 0.020~5.808 mg/L, NO3-N은 1.535~4.996 mg/L의 범위로 권역별로 큰 차이를 보였으며, 공간적 농도 분포는 N 권역이 TN 뿐만 아니라 존재형태별 농도에서도 가장 낮은 농도를 보였으며, S1, S2, G 및 H 권역 순으로 높게 나타났다.
TN과 DON, NO₃-N은 조사대상 권역에 상관없이 강우/비 강우비가 1.0 미만으로 비강우기에 더 높았으며, 두 시기간 농도 편차는 N 및 S1 권역에서 보다 S2 및 H 권역에서 더 큰것으로 나타났다.
01)로 NO₃-N과의 상관성이 높지만 NH₃-N과도 유의미한 결과를 나타내어 두성분이 복합적으로 작용하는 것으로 판단된다. TN과 PON 과는 상관성이 거의 없었으며 DON과도 낮은 상관성을 보였다. H 권역은 북한강, 남한강 상류 권역과는 반대로 TN이 NH₃-N과는 상관계수 r=0.
권역별 질소성분의 구성비를 살펴보면, N 권역이 PON 2.4%, DON 11.9%, NH₃-N 1.3%, NO₃-N이 84.4%로 97.6%가 용존태인 DTN으로 이루어져 있었으며, 이중 86.1%가 NO₃-N형태로 존재하였다(Fig. 2). S1 권역은 PON 2.
토지이용현황은 2012년 기준 지적 공부상 28개 토지 지목을 수질오염총량관리에서 적용중인 전, 답, 임야, 대지, 기타 5개 지목으로 재분류하여 산정하였다(Table 1). 그 결과 N 및 S1 권역은 산림이 약 80% 이상이고, 대지는 3% 미만으로 비도시 산림지역의 특성을 나타내었다. S2 권역은 전답 비율이 32~45%이고, 대지 비율이 8.
그 결과 토지 지목분류와 TN, NH3-N, NO3-N, PON, DON과의 상관성은 대지면 적과는 각각 r=0.91, 0.84, 0.88, 0.91, 0.95 (p<0.01), 논 면적과는 각각 r=0.67, 0.74, 0.70, 0.71, 0.69 (p<0.01)으로 강한 양의 상관관계를 나타내었으며, 산림면적과는 각각 r=-0.78, -0.75, -0.78, -0.80, -0.82 (p<0.01)로 모든 질소 형태와 강한 음(-)의 상관관계를 나타내었다.
TN은 권역 구분 없이 동절기에 높고 하절기에 낮아지는 ∪자 형태의 패턴을 보였다. 다만 계절에 따른 변동 기울기는 N 및 S1 권역에서보다 S2, G 및 H 권역에서 크게 나타나 계절에 따른 변동 폭이 큼을 알 수 있었다. 이는 Lee et al.
반면, NH₃-N는 N과 S1 권역에서 각각 1.1, 1.3으로 강우시 높은 농도를 나타내었으나 도농 복합지역인 S2 권역과 G 및 대도시 지역이 밀집된 H 권역에서는 강우/비강우 비 가 각각 0.7, 0.5, 0.6으로 비강우시에 높은 것으로 나타났다. 이는 N 및 S1 권역의 경우 점오염원이 적기 때문에 비강우기에는 대부분의 질소성 오염물질이 토양층을 장기간 거치면서 제거되거나 질산화되어 기저유출을 통해 하천으로 유입되는 반면, 강우기에는 지표면 유출량 증가로 토양 표층에 있는 유기성 질소 및 암모니아성 질소 형태의 오염 물질 또한 함께 단기간에 유출됨에 따른 영향으로 판단된다.
7%, 이중 DON 과 NH₃-N은 대지 면적비가 높은 유역에서 상대적으로 높았다. 수생생물의 먹이원으로 이용되는 DIN 비율은 79.5 ~ 86.6%, 이중 NO₃-N가 58.7 ~ 99.1%로 상대적인 비율은 높았으나 유역에 따라 그 차이는 크게 나타났다.
7%로 NH₃-N의 비율이 다른 권역에 비해 높아 인간의 경제활동 등 인위적인 오염원 증가에 따라 이들 성분의 비율도 높아지는 것으로 판단된다. 이로 미루어 수체 내 질소는 해당 유역의 특성을 반영하며, 농도 및 구성 비율이 다르게 나타날 수 있음을 확인하였다.
01)로 모든 질소 형태와 강한 음(-)의 상관관계를 나타내었다. 즉, 대지 면적이 증가할수록 질소 유출이 밀접하게 증가하며, 논 면적과도 질소 형태별 상관성이 크게 나타났다. 한편 밭 면적은 다른 토지이용에 비해 통계적으로 유의미한 결과가 나타나지 않았는데, 이러한 원인은 밭의 경우 지역에 따라 토성, 재배작물, 재배방법, 경작지의 경사도와 경사장, 비료와 퇴비의 사용량, 강수량 등이 다양하므로 밭에서 배출되는 질소 화합물의 배출경로 및 배출량은 시간과 지역에 따라 매우 큰 편차를 보이기 때문으로 판단된다(Gale et al.
질소 형태별 농도의 변이계수(C.V.)는 지점마다 다소 차이를 보였으나 대체로 PON이 가장 크게 나타나고 있으며, NH₃-N, DON 순으로 변동이 큰 것으로 나타났다. 이는 계 절에 따른 조류의 증식 사멸과 강우시 비점오염원으로부터 입자성 유기질소의 생성 및 유출에 의해 다른 존재형태별 질소 성분보다 변동 폭이 크기 때문으로 판단된다.
질소성 오염물질을 입자성/용존성 기준으로 구분하면, 모든 권역에서 용존성인 DTN 비율이 95.0~97.7%로 TN의 대부분을 차지하였으며, 이중 수생생물의 먹이원으로 이용되는 DIN 비율은 79.5~86.6%, DIN중 NO₃-N이 차지하는 비율이 58.7~99.1%로 상대적인 비율은 높았으나 유역특성에 따라 그 차이는 크게 나타났다. NO₃-N 비율이 상대적으로 큰 이유는 NO₃-N이 수용성으로 물에 잘 녹아 토양에서 용탈이 잘 일어나고, 수체 내 호기성 조건 시 활발한 질산화 작용으로 쉽게 생성될 수 있기 때문이다(Horne and Goldman, 1994; Lee, Park, Lee et al.
토지이용과 존재형태별 질소 간 상관성을 유출 특성이 다른 강우/비강우기로 구분하여 분석한 결과, 강우/비강우기 구분에 따른 상관성의 차이는 보이지 않았다. 이로 미 루어 토지이용별 질소 유출특성에 미치는 영향은 서로 다르게 나타났지만 강우/비강우 시기와 토지이용과는 별다른 상관성을 보이지 않는 것으로 판단된다.
1%로 N, S1 권역보다 상대적으 로 PON 비율이 높았으며, DTN 중에서는 DON과 NH3-N 비율이 높고 NO₃-N이 낮아 용존태 구성비에서도 차이를 보였다. 한편 H 권역은 PON 5.0%, DON 13.7%, NH₃-N 33.6%, NO₃-N이 47.7%로 NH₃-N의 비율이 다른 권역에 비해 높아 인간의 경제활동 등 인위적인 오염원 증가에 따라 이들 성분의 비율도 높아지는 것으로 판단된다. 이로 미루어 수체 내 질소는 해당 유역의 특성을 반영하며, 농도 및 구성 비율이 다르게 나타날 수 있음을 확인하였다.
, 1993). 한편 대지 면적과는 DON, 논 면적과는 NH₃-N과의 상관관계가 상대적으로 높게 나타났다.
한편, 용존성 질소 오염물질의 공간적 형태별 구성 비율은 대체로 비도시 산림지역인 N, S1 권역에서 용존성 질소 성분이 높게 나타나고, 도농복합 및 도시 지역인 S2와 H 권역에서 상대적으로 낮아 이들 지역에서는 입자성질소의 영향을 더 크게 받음을 암시한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중에서 질소가 유출되는 과정은 무엇인가?	담수에서 질소의 주요형태는 유기질소, 암모니아성 질소, 아질산성 질소, 질산성 질소 그리고 다수의 유기질소 화합물 등 다양한 형태로 존재한다. 수중에서 질소는 하천으로 직접 유입되는 강수, 수중과 퇴적물에서의 질소고정, 복류수 또는 지하수로부터의 기저유출, 유역으로부터의 직접유출, 박테리아 탈질화에 의한 질산성질소의 N2로의 환원에 이어 대기 중 질소기체로 되돌아가거나, 퇴적물에서의 무기, 유기질소의 영구적인 손실로 인하여 유출된다(Wetzel, 1983).
	담수에서 질소는 어떠한 형태로 존재하는가?	담수에서 질소의 주요형태는 유기질소, 암모니아성 질소, 아질산성 질소, 질산성 질소 그리고 다수의 유기질소 화합물 등 다양한 형태로 존재한다. 수중에서 질소는 하천으로 직접 유입되는 강수, 수중과 퇴적물에서의 질소고정, 복류수 또는 지하수로부터의 기저유출, 유역으로부터의 직접유출, 박테리아 탈질화에 의한 질산성질소의 N2로의 환원에 이어 대기 중 질소기체로 되돌아가거나, 퇴적물에서의 무기, 유기질소의 영구적인 손실로 인하여 유출된다(Wetzel, 1983).
	토지이용과 존재형태별 질소 간 상관성이 강우/비강우기 구분에 따른 상관성의 차이를 보이지 않은 것으로 유추할 수 있는 것은?	토지이용과 존재형태별 질소 간 상관성을 유출 특성이 다른 강우/비강우기로 구분하여 분석한 결과, 강우/비강우기 구분에 따른 상관성의 차이는 보이지 않았다. 이로 미 루어 토지이용별 질소 유출특성에 미치는 영향은 서로 다르게 나타났지만 강우/비강우 시기와 토지이용과는 별다른 상관성을 보이지 않는 것으로 판단된다.

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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