폐금속 광산의 영향을 받는 농경지 토양 내 금속성분 오염의 공간적 분포특성: 충청남도 부여군의 사례연구 Spatial Distribution of Metal (loid) Contamination in Agricultural Soil as Affected by the Abandoned Mines: A Case Study of Buyeo County, South Korea원문보기
In this study, the concentrations of As, Cd, Cu, Pb and Zn in agricultural soils across a region of South Korea (Buyeo County) were investigated. Their pollution sources were assessed using multivariate statistical analysis, and Geographic Information System (GIS) technology was used to determine th...
In this study, the concentrations of As, Cd, Cu, Pb and Zn in agricultural soils across a region of South Korea (Buyeo County) were investigated. Their pollution sources were assessed using multivariate statistical analysis, and Geographic Information System (GIS) technology was used to determine the distribution of these elements. Surface soil samples were collected from 114 locations across the agricultural fields in the study site. Cu and Zn were derived from natural sources (i.e., parent rocks of the soil), whereas As, Cd, and Pb were found to be originated from abandoned mines. The results of this study clearly show that the transport of anthropogenic As, Cd, and Pb is governed mostly by the specific environment of the paddy soil. Our approach was effective in clearly identifying the sources of metals and analyzing their contamination characteristics. We believe this study will provide useful information to future studies on soil pollution by anthropogenic sources.
In this study, the concentrations of As, Cd, Cu, Pb and Zn in agricultural soils across a region of South Korea (Buyeo County) were investigated. Their pollution sources were assessed using multivariate statistical analysis, and Geographic Information System (GIS) technology was used to determine the distribution of these elements. Surface soil samples were collected from 114 locations across the agricultural fields in the study site. Cu and Zn were derived from natural sources (i.e., parent rocks of the soil), whereas As, Cd, and Pb were found to be originated from abandoned mines. The results of this study clearly show that the transport of anthropogenic As, Cd, and Pb is governed mostly by the specific environment of the paddy soil. Our approach was effective in clearly identifying the sources of metals and analyzing their contamination characteristics. We believe this study will provide useful information to future studies on soil pollution by anthropogenic sources.
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문제 정의
, 2016)를 통해 광업활동에 의해 발생된 금속성분들이 인접 농경지 토양으로 이동되면 이 성분들의 이동 및 분포특성은 농경지의 유형에 따라 크게 다르며, 특히 논토양의 특정환경에 의해 인위적 금속성분 들은 더 넓은 공간적 범위까지 영향을 줄 수 있다는 가능성을 제시하였다. 본 연구는 우리가 제시한 이러한 가능성을 다시한번 확인시켜주는 또 하나의 사례이며, 이 사례연구를 통해 우리는 광업활동에 의해 금속성분들로 오염된 농경지 토양에 대하여 토양 모니터링을 포함한 적절한 복원활동들이 이루어지기 위해서는 산화와 환원환경이 교차하는 논토양의 특성을 반드시 고려해야 함을 재차 강조하고자 한다.
본 연구에서는 대상지역 내 농경지 전역을 대상으로 현장 조사를 실시하여 농경지 토양 내 As, Cd, Cu, Pb 및 Zn의 발생원을 규명하고 이 성분들의 오염 및 분포특성을 검토하였다. 연구의 목적을 달성하기 위하여 조사된 농경지 토양 내 5개 금속성분들의 함량에 대해 기술통계, 다변량 통계분석 그리고 GIS를 이용하여 그들의 발생원과 공간적 분포특성을 조사 하였다.
본 연구의 목적은 대상지역의 농경지 토양 내 금속성분에 대하여 오염수준, 발생원의 규명 및 공간적 분포 특성 등과 같은 오염특성을 정확하게 조사하는 것이다. 이 목적을 달성하기 위하여 1) 대상지역인 충청남도 부여군에 위치한 농경지 전역을 대상으로 현장조사를 수행하였고, 2) 채취한 토양에 대하여 금속성분들 (As, Cd, Cu, Pb 및 Zn)의 총 농도를 분석 하였고, 3) 이 성분들의 오염발생원을 규명하기 위해 다변량 통계분석을 포함한 관련 통계분석들을 수행하였다.
국내에는 폐금속 광산 주변에 위치한 농경지들 중에서 금속 농도가 오염기준을 초과하지 않았는데도 불구하고 채취한 농작물에서 금속의 농도가 허용기준을 초과한 농경지들이 많이 존재하고 있다 (MIRECO, 2010a and 2010b). 이 사례는 국내 오염기준의 높은 농도만을 고려한 대상지역의 토양오염대한 발생원의 규명 및 오염특성 (오염수준, 조사가 실제 금속성분들의 영향을 정확히 반영하기에는 어려울 수 있음을 보여주는 것이다.
, 2016) 를 통해 규명한 충청남도 청양군 지역의 오염특성을 함께 고려해 볼 필요가 있다. 이 지역은 본 연구의 대상지역인 부여군의 북쪽에 바로 인접해 있으며, 우리는 이 지역의 농경지 토양에 대하여 금속성분들의 오염원과 이동특성을 규명하였다.
주성분분석의 목적은 관찰대상인 변수들에 대하여 주성분 이라는 새로운 변수를 생성하여 기존 변수의 차원 또는 개수를 줄이기 위한 것이며, 여기서는 금속성분들의 발생원을 구분하기 위하여 사용하였다. Table 2는 주성분 분석의 결과를 나타낸 것이고, Fig.
제안 방법
이 목적을 달성하기 위하여 1) 대상지역인 충청남도 부여군에 위치한 농경지 전역을 대상으로 현장조사를 수행하였고, 2) 채취한 토양에 대하여 금속성분들 (As, Cd, Cu, Pb 및 Zn)의 총 농도를 분석 하였고, 3) 이 성분들의 오염발생원을 규명하기 위해 다변량 통계분석을 포함한 관련 통계분석들을 수행하였다. 그리고 4) 금속성분들의 공간적 분포 특성 나타내기 위하여 GIS를 이용하였다.
, 2001). 따라서 본 연구에서는 정규성 확보를 위한 데이터의 변환 없이 금속성분들의 총 농도값을 데이터 셋으로 하여 다변량 통계분석에 이용하였다.
, 2014). 본 연구에서는 GIS 매핑 소프트웨어 (ArcGIS 10.2.2, ESRI, USA)를 사용하여 대상지역내 As, Cd, Cu, Pb 및 Zn에 대한 공간적 분포지도를 작성하였다. 이 분포지도를 작성하기 위해 공간보간은 역거리가중법(inverse distance weighted (IDW) method)을 이용하였다.
본 연구에서는 대상지역 내 농경지 전역을 대상으로 현장 조사를 실시하여 농경지 토양 내 As, Cd, Cu, Pb 및 Zn의 발생원을 규명하고 이 성분들의 오염 및 분포특성을 검토하였다. 연구의 목적을 달성하기 위하여 조사된 농경지 토양 내 5개 금속성분들의 함량에 대해 기술통계, 다변량 통계분석 그리고 GIS를 이용하여 그들의 발생원과 공간적 분포특성을 조사 하였다. 이 같은 접근법들을 통해, 고려된 금속성분들 중에 As, Cd 및 Pb는 폐광산으로 부터 발생된 인위적 성분들이며, 반면 Cu 및 Zn는 토양모암과 관련된 자연발생적 성분임을 효과적으로 규명할 수 있었다.
토양 시료는 스테인리스강 핸드오거를 이용하여 채취하였으며, 실내 분석실로 옮기기 위해 폴리에틸렌 지퍼백에 보관하였다. 채취한 토양은 강철팬 (steel-pan)에 일정한 두께로 고르게 펴서 일주일 동안 공기건조를 시킨 후, 2 mm체 (stainlesssteel sieve)에 통과시켜 화학분석에 이용하였다.
토양 내 As, Cd, Cu, Pb 및 Zn의 총 함량을 분석하기 위해 토양오염공정시험법에 준하여 왕수분해를 실시하였다 (KMoE, 2015). 토양을 0.15 mm (No.100)체로 통과시켜 3 g을 정량적 으로 잰 후, 시험장치에 넣어 왕수 (HCl [21 mL] + HNO3 [7 mL])를 가하여 2시간 동안 정제하고, 이후 환류조건에 도달 하도록 온도를 올려 2시간 동안 그 상태를 유지한 다음 그 분해액을 여과지 (Advantec No. 2)로 여과시킨 후, ICP/OES (Optima 5300DV, Perkin Elmer, USA)를 이용하여 금속성 분의 총함량을 측정하였다.
대상 데이터
, 2012). 대상 지역에는 부여 (Buyeo), 덕림 (Deokrim), 우성 (Useong), 동신 (Dongsin), 석성 (Seokseong), 반산 (Bansan), 양명 (Yangmyeong), 안치 (Anchi), 임천덕영 (Imcheon-Deogyeong), 호암 (Hoam) 및 홍엽 (Hongyeop)광산 등 총 11개소의 폐금속광산들이 위치하고 있으며 (Fig. 1), 이 광산들은 전형적인 농업지역인 대상지역의 농경지 토양에 대한 인위적 오염원으로 예상할 수있다.
4). 대상지 역은 전형적인 농업지역으로 이 지역에 위치한 인위적인 오염원들로는 11개소의 폐광산을 예상할 수 있다. 그러나 Fig.
대상지역에 위치한 농경지에 대하여 총 114개 지점 (논: 87 개 및 밭: 27개 지점)에서 표토 (0~30 cm)가 채취되었다 (Fig.1). 각 채취지점에서 대표성을 나타내는 시료를 획득하기 위해 토양오염공정시험법 (KMoE, 2013)에 준하여 지그재그 형으로 5개 지점의 토양을 채취하여 골고루 혼합하였다.
대상지역은 충청남도 부여군으로 Fig. 1과 같이 충청남도 중앙에 위치하고 있다 (Fig. 1). 대상지역의 총 면적은 약 624.
대상지 역에서 논과 밭 등이 주로 포함된 농경지의 면적은 총면적의약 32 %를 차지하고 있으며, 임야를 제외하면 농경지의 면적은 약 64 % 정도로 대상지역의 토지는 대부분 농경지로 이용 되고 있다. 대상지역의 총인구는 71,143명이며 이중 농업인구는 22,213명으로 총인구의 약 31 %이상이 농업에 종사하고 있다 (BCO, 2016). 국내에서 농업인구가 총인구의 약 5 % 정도인 것으로 고려해 볼 때 (KMAFRA, 2016), 대상지역은 전형적인 농업지역이라 할 수 있다.
각 채취지점에서 대표성을 나타내는 시료를 획득하기 위해 토양오염공정시험법 (KMoE, 2013)에 준하여 지그재그 형으로 5개 지점의 토양을 채취하여 골고루 혼합하였다. 토양 시료는 스테인리스강 핸드오거를 이용하여 채취하였으며, 실내 분석실로 옮기기 위해 폴리에틸렌 지퍼백에 보관하였다. 채취한 토양은 강철팬 (steel-pan)에 일정한 두께로 고르게 펴서 일주일 동안 공기건조를 시킨 후, 2 mm체 (stainlesssteel sieve)에 통과시켜 화학분석에 이용하였다.
데이터처리
본 연구의 목적은 대상지역의 농경지 토양 내 금속성분에 대하여 오염수준, 발생원의 규명 및 공간적 분포 특성 등과 같은 오염특성을 정확하게 조사하는 것이다. 이 목적을 달성하기 위하여 1) 대상지역인 충청남도 부여군에 위치한 농경지 전역을 대상으로 현장조사를 수행하였고, 2) 채취한 토양에 대하여 금속성분들 (As, Cd, Cu, Pb 및 Zn)의 총 농도를 분석 하였고, 3) 이 성분들의 오염발생원을 규명하기 위해 다변량 통계분석을 포함한 관련 통계분석들을 수행하였다. 그리고 4) 금속성분들의 공간적 분포 특성 나타내기 위하여 GIS를 이용하였다.
금속성분들간의 상관관계는 Pearson의 상관계수를 이용 하여 통계적 유의수준 (p < 0.01)을 고려하여 검토하였다.
금속성분들의 발생원을 규명하기 위해 다변량 통계분석 (군집분석 및 주성분분석)이 실시되었다. 군집분석에서 데이터 들은 Z 점수로 표준화한 다음 Ward의 방법을 이용하여 군집 화하였다 (Ward, 1963).
0 (IBM, USA)을 이용하여 실시하였다. 데이터의 통계적 분포는 Kolmogorov-Smirnov 테스트를 통해 평균에 대한 95 % 신뢰구간으로 그 정규성을 검정하였다. 금속성분들간의 상관관계는 Pearson의 상관계수를 이용 하여 통계적 유의수준 (p < 0.
데이터의 통계적 분포에 대하여 Kolmogorov-Smirnov 테스트를 통해 정규성 여부를 검정하였다. 그 결과는 Table 1에나타난 바와 같이 토양 내 금속성분들의 대한 데이터 셋들 (data sets)은 정규분포를 따르지 않는 것으로 나타났다.
이론/모형
1). 각 채취지점에서 대표성을 나타내는 시료를 획득하기 위해 토양오염공정시험법 (KMoE, 2013)에 준하여 지그재그 형으로 5개 지점의 토양을 채취하여 골고루 혼합하였다. 토양 시료는 스테인리스강 핸드오거를 이용하여 채취하였으며, 실내 분석실로 옮기기 위해 폴리에틸렌 지퍼백에 보관하였다.
금속성분들의 발생원을 규명하기 위해 다변량 통계분석 (군집분석 및 주성분분석)이 실시되었다. 군집분석에서 데이터 들은 Z 점수로 표준화한 다음 Ward의 방법을 이용하여 군집 화하였다 (Ward, 1963). 주성분 분석에서 회전방법은 Kaiser 정규화를 통한 베리맥스 회전을 이용하였다.
2, ESRI, USA)를 사용하여 대상지역내 As, Cd, Cu, Pb 및 Zn에 대한 공간적 분포지도를 작성하였다. 이 분포지도를 작성하기 위해 공간보간은 역거리가중법(inverse distance weighted (IDW) method)을 이용하였다. 역거리가중법은 데이터의 통계적 분포에 있어서 정규성 가정이 반드시 요구되지 않으며 또한 널리 사용된다 (Dao et al.
군집분석에서 데이터 들은 Z 점수로 표준화한 다음 Ward의 방법을 이용하여 군집 화하였다 (Ward, 1963). 주성분 분석에서 회전방법은 Kaiser 정규화를 통한 베리맥스 회전을 이용하였다. 이 직교 회전방법은 각 성분에 대하여 높은 적재값으로 변수의 개수들을 최소화시켜 결과들의 해석을 용이하게 한다 (Mihailovic et al.
토양 내 As, Cd, Cu, Pb 및 Zn의 총 함량을 분석하기 위해 토양오염공정시험법에 준하여 왕수분해를 실시하였다 (KMoE, 2015). 토양을 0.
성능/효과
3은 주성분의 적재값에 대한 그래프를 나타낸 것이다. 5개 금속성분들에 대한 주성분분석의 결과는 2개의 주성분이 고유값 1이상을 가지며, 총 분산의 78.9 %를 설명하는 것으로 나타났다.
64 mg/kg이었으며 (Table 1), 금속성분들 중에 As는 총 3개 지점 에서 토양시료가 오염기준 (25 mg/kg)을 초과하는 것으로 나타났다. As, Cd, Cu, Pb 및 Zn의 평균농도는 각각 7.54, 0.35, 19.94, 21.78 및 74.99 mg/kg이었다 (Table 1). 이 성분들의 평균농도를 BMC 및 WS와 각각 비교해 보면 채취한 토양 내 As (7.
6은 대상지역의 인위적 오염원으로부터 유래된 As, Cd 및 Pb의 관계를 선형회귀분석을 통해 나타낸 것이다. 농경지 토양 내에서 이 성분들간의 관계는 As-Cd, As-Pb 및 Pb-Cd에 대하여 결정계수 (R2)가 각각 0.60, 0.51 및 0.57으로 모두 선형 비례적으로 뚜렷하게 설명되었다 (Fig. 6A). 이 뚜렷한 선형관계는 As, Cd 및 Pb가 토양 내에서 함께 이동 및 거동한다는 것을 의미한다.
5는 사전연구의 청양군과 본 연구의 부여군에 대하여 농경지 토양 내 인위적 금속성분 (As, Cd 및 Pb)의 공간적 분포를 함께 나타낸 것이다. 대상지역 (부여군) 내 As, Cd 및 Pb 의 분포는 청양군 내 이 성분들의 분포특성과 큰 관련성을 보였는데 부여군과 청양군의 경계지역에 위치한 농경지 토양에서 As, Cd 및 Pb의 핫스팟들은 서로 뚜렷하게 일치하는 특성을 보였다. 이는 대상지역 (부여군)의 농경지 토양 내 As, Cd 및 Pb는 청양군과 동일한 인위적 오염원들의 영향을 받는다는 것을 시사하며, 이 인위적 오염원은 사전연구에서 As, Cd 및 Pb의 발생원으로 밝혀진 청양군에 위치한 폐광산인 망월 (Mangwol)광산일 수 있으며, 이 광산과 관련된 내용은 사전 연구 (Yun et al.
또한 폐광산에 의한 인위적 성분인 As, Cd 및 Pb는 논토양의 특정환경에 의해 이동 및 거동이 지배될 수 있는 것으로 나타났다. 우리는 사전연구 (Yun et al.
연구의 목적을 달성하기 위하여 조사된 농경지 토양 내 5개 금속성분들의 함량에 대해 기술통계, 다변량 통계분석 그리고 GIS를 이용하여 그들의 발생원과 공간적 분포특성을 조사 하였다. 이 같은 접근법들을 통해, 고려된 금속성분들 중에 As, Cd 및 Pb는 폐광산으로 부터 발생된 인위적 성분들이며, 반면 Cu 및 Zn는 토양모암과 관련된 자연발생적 성분임을 효과적으로 규명할 수 있었다.
3 %) 순으로 높게 나타났다. 이 성분들 중에서 As는 171.2 %로 변동 계수가 다른 성분들에 비해 매우 높았으며, Pb 및 Cd의 경우도 그 변동계수가 모두 50 % 이상으로 나타났다. 높은 변동계 수는 인위적 활동들에 의해 유래된 성분을 구분하는데 있어서 신뢰적인 지표이며 (Chen et al.
99 mg/kg이었다 (Table 1). 이 성분들의 평균농도를 BMC 및 WS와 각각 비교해 보면 채취한 토양 내 As (7.54 mg/kg)의 평균농도는 공통적으로 BMC 및 WS보다 높았으며, 다른 금속성분들은 모두 BMC 또는 WS 범위에 포함되었다.
인위적 오염원과 관련이 있는 As, Cd 및 Pb는 서로 강한 양의 상관 관계 (r ≥ 0.713)를 보였으며, Cu 및 Zn은 서로 유의한 양의 상관관계 (r = 0.414)를 나타내었다.
토양 내 As, Cd, Cu, Pb 및 Zn 농도의 범위는 각각 1.67~ 172.1, 0.01~1.92, 6.75~42.84, 7.75~125.08 및 28.36~236.64 mg/kg이었으며 (Table 1), 금속성분들 중에 As는 총 3개 지점 에서 토양시료가 오염기준 (25 mg/kg)을 초과하는 것으로 나타났다. As, Cd, Cu, Pb 및 Zn의 평균농도는 각각 7.
후속연구
본 연구에서 대상지역의 농경지 토양 내 금속성분들의 오염원을 규명하기 위해서는 우리가 사전연구 (Yun et al., 2016) 를 통해 규명한 충청남도 청양군 지역의 오염특성을 함께 고려해 볼 필요가 있다. 이 지역은 본 연구의 대상지역인 부여군의 북쪽에 바로 인접해 있으며, 우리는 이 지역의 농경지 토양에 대하여 금속성분들의 오염원과 이동특성을 규명하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
오염된 토양을 복원하기 위해서 대상지역의 금속성분들을 조사해야 하는 이유는?
인위적인 금속성분의 이동에 의해 오염된 토양을 복원하기 위해서는 먼저 대상지역 내 금속성분들의 모니터링을 통해 그 성분들에 공간적 분포, 영향범위 등)이 조사되어야 한다. 이는 환경오염 및 그 복원에 책임이 있는 오염 주체의 확인과 함께 적절한 복원 전략 및 대책의 선정에 있어서 매우 중요한 역할을 하기 때문이다. 따라서 많은 연구들에서 다양한 나라에 위치한 인위적 오염원들로부터 주변 토양의 오염특성들이 조사되었다(Meza-Figueroa et al.
토양환경보전법의 우려기준만을 이용한 오염특성 평가의 어려움은 무엇인가?
그러나 국내의 경우 폐광산, 제련소 및 폐기물 매립장 등과 같은 다양한 인위적 오염원들로부터 주변 토양에 대한 금속 성분들의 오염특성을 조사하는데 있어서 토양환경보전법의 우려기준 (오염기준)이상 만을 고려하여 평가하고 있다. 이 오염기준에 설정된 각 금속성분들의 농도는 일반적으로 오염 되지 않은 토양 내 금속성분들의 자연배경농도보다 매우 높기 때문에 이 오염기준만으로는 실제적으로 인위적 오염원들로부터 유래된 금속성분을 규명하고 이 오염원들의 영향을 정확하게 평가하는 것은 어려울 수 있다.
토양오염을 일으키는 원인은?
, 2013), 특히 인간의 건강과 직접적으로 관련된 농경지 토양의 오염은 가장 심각한 문제이다. 금속성분들이 토양오염을 일으키는 원인은 매우 다양한데 금속성분을 함유한 천연광물의 풍화로 인한 자연적 발생원과, 광업활동, 산업 활동, 토목 및 건설활동 그리고 교통량 증가 등 산업화 및 도시 화와 관련된 인위적인 오염원 등이 있다.
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