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문제 정의
- 본 연구에서는 벤토나이트, 제강슬래그, 생석회, 유기퇴비 등 4종의 물질을 대상으로 토양유실 억제제의 적용성을 검토한 선행연구의 후속으로 15o의 경사지와 집중강우를 모사한 조건에서 토양유실의 억제효과를 3종의 토양을 대상으로 검토하였다. 검토대상 유실억제제는 유기퇴비와 생석회의 혼합물로 토양 내 함량비율로써 2% + 2%,3% + 1%가 적용된 것이다.
- 이에 본 연구에서는 토양유실 억제제로써 벤토나이트, 제강슬래그, 석회(생석회), 동물성 유기퇴비의 토양입단 형성을 검토한 선행연구(Hwang et al. 2016)의 후속으로 실제 비탈면 경사와 집중 강우강도 조건에서 토양유실 억제효과를 검토하였다. 본 연구를 통해 얻은 결과는 향후 폐광산 지역의 토양개량·복원사업 추진 시 경사지 농경지의 복토층 설계 및 시공, 농작물 재배가 이루어지기 전의 초기 영농단계에서 표토층 토양유실 억제를 위한 참조 자료로 활용될 수 있을 것이다.
제안 방법
- 인공강우는 토조의 지표에 설치된 농업용 노즐을 이용해 수돗물을 살수하는 것으로 모사하였다. 각 토조별 살수시간은 총 30분이며, 이는 10분 살수, 10분 정치의 방식으로 총 3회에 걸쳐서 진행한 것이다.
- 경사지에서의 토양유실을 모사하기 위해 모형토조를 이용한 인공강우 실험을 계획하였다. 모형토조는 가로, 세로, 높이 각각 20 cm, 40 cm, 15 cm 크기이다.
- 즉, 본 조건을 유실억제제로 적용할 경우 경제적이며, 높은 토양 입단화 효과로 토양유실에 저항할 수 있을 것으로 판단되었다. 따라서 금회 연구에서는 검토대상 유실억제제의 조건을 유기퇴비와 생석회의 혼합물로써 혼합(개량)토양 무게비 기준 2% + 2%, 3% +1%의 함량으로 설정하였다.
- 해당지역의 10년 동안 3월~9월 기간의 시간당 최대 강우량은 8월에 높게 나타났으며, 제천지역에서 가장 높은 90 mm 수준의 수치가 기록되었다. 따라서 본 인공강우 실험에서 모사할 인공강우량을 시간당 100 mm 수준으로 설정하였다.
- 에이징 후 토조의 경사각을 15º로 조정하였고, 정량펌프(model GP 100, 동서과학)를 이용하여 시간당 100mm강도의 인공강우를 모사하였다(Fig. 1).
- 전처리(풍건 및 2 mm 이하입자 체질)가 완료된 3종의 토양에 대해 유기퇴비와 생석회(CaO)를 2개 조건의 비율 즉, 토양, 유기퇴비, 생석회를 무게비 기준 96:2:2와 96:3:1의 비율로 혼합하여 토조 내 10 cm 두께(약 10 kg)로 각각 채웠다. 이후 토조에 채운 토양에 대해 Table 1의 함수량을 유지하기 위해 3일 간격으로 증발된 수분을 보충하면서 2주 동안 에이징(aging)하였다.
- 모형토조는 가로, 세로, 높이 각각 20 cm, 40 cm, 15 cm 크기이다. 전처리(풍건 및 2 mm 이하입자 체질)가 완료된 3종의 토양에 대해 유기퇴비와 생석회(CaO)를 2개 조건의 비율 즉, 토양, 유기퇴비, 생석회를 무게비 기준 96:2:2와 96:3:1의 비율로 혼합하여 토조 내 10 cm 두께(약 10 kg)로 각각 채웠다. 이후 토조에 채운 토양에 대해 Table 1의 함수량을 유지하기 위해 3일 간격으로 증발된 수분을 보충하면서 2주 동안 에이징(aging)하였다.
- 집중강우에 따른 경사지 토양침식을 모사하기 위한 강우량 선정을 위해 강원도 정선군, 영월군과 충청북도 제천시 지역의 과거 1시간 최대 강우량을 조사하였다. 본 3개 지역은 2015년 광해통계연보 검토결과 국내에 폐광산이 가장 많이 분포하는 지역이다.
- 실험기간 중 분석대상 검체는 토양과 유거수이다. 최초 토조에 유실억제제를 혼합한 토양을 채우고 2주 동안 에이징(aging)한 토양을 대상으로 토양화학분석법(NAAS, 2010)에 따라 pH, 양이온교환능(CEC), 총질소(T-N), 총인(T-P)를 분석하였다. 이는 유실억제제로 인한 이화학적 특성변화를 검토하기 위함이다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 벤토나이트, 제강슬래그, 생석회, 유기퇴비 등 4종의 물질을 대상으로 토양유실 억제제의 적용성을 검토한 선행연구의 후속으로 15o의 경사지와 집중강우를 모사한 조건에서 토양유실의 억제효과를 3종의 토양을 대상으로 검토하였다. 검토대상 유실억제제는 유기퇴비와 생석회의 혼합물로 토양 내 함량비율로써 2% + 2%,3% + 1%가 적용된 것이다.
- 경사지에서의 토양유실을 모사하기 위해 모형토조를 이용한 인공강우 실험을 계획하였다. 모형토조는 가로, 세로, 높이 각각 20 cm, 40 cm, 15 cm 크기이다. 전처리(풍건 및 2 mm 이하입자 체질)가 완료된 3종의 토양에 대해 유기퇴비와 생석회(CaO)를 2개 조건의 비율 즉, 토양, 유기퇴비, 생석회를 무게비 기준 96:2:2와 96:3:1의 비율로 혼합하여 토조 내 10 cm 두께(약 10 kg)로 각각 채웠다.
- 실험기간 중 분석대상 검체는 토양과 유거수이다. 최초 토조에 유실억제제를 혼합한 토양을 채우고 2주 동안 에이징(aging)한 토양을 대상으로 토양화학분석법(NAAS, 2010)에 따라 pH, 양이온교환능(CEC), 총질소(T-N), 총인(T-P)를 분석하였다.
- 실험대상 토양 즉, 복토재로 가정한 3종류의 토양을 준비하였다. 토양화학분석법(NAAS, 2010)에 의한 기본적인 물리화학적 특성 분석결과는 다음의 Table 1에 나타난 바와 같다.
- 실험에 사용된 석회는 주영석회에서 생산하는 미분상의 공업용 생석회(CaO)이다. 퇴비는 (주)가림환경개발에서 생산한 입자상의 동물성 유기물 퇴비이며, 지름 1 cm 이하의 제품을 체질하여 0.
- 실험에 사용된 석회는 주영석회에서 생산하는 미분상의 공업용 생석회(CaO)이다. 퇴비는 (주)가림환경개발에서 생산한 입자상의 동물성 유기물 퇴비이며, 지름 1 cm 이하의 제품을 체질하여 0.5 mm 이하의 입자를 가진 것을 실험대상으로 하였다.
이론/모형
- 이는 유실억제제로 인한 이화학적 특성변화를 검토하기 위함이다. 이후 강우모사 실험을 진행하면서 토양유실량을 측정하였고, 유거수의 pH, 부유물질(SS), 총질소, 총인을 수질오염공정시험기준(KME, 2016)에 따라 분석하였다. 토양유실량은 강우모사 실험 시 각 토조로부터 유출된 유거수를 전량 집수한 후 자연 증발시켜 잔류물의 무게를 측정한 것이다.
성능/효과
- 토양 유실량의 변화역시 유거수 내 부유물질 농도와 마찬가지로 유실억제제가 투입된 경우 급격한 감소가 나타났다. 3종의 토양 모두 2개 조건의 유실억제제를 적용했을 때 72%~96% 수준으로 감소하였다. 아울러 실트의 함량이 높을수록 유실량 역시 높게 나타나므로, 향후 타 현장에서 토양유실 억제방안 수립 시 실트의 함량을 기본 검토자료로 활용할 필요가 있다.
- 경사지 집중강우 모사 상황에서 채취한 유거수의 수질분석결과 유실억제제가 처리된 조건의 부유물질(SS)은 원토양(control)의 유거수 대비 43%~78% 수준으로 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 유실억제제 내 유기퇴비의 함량이 더 높은 경우 부유물질의 저감율은 더 증가(67%~78%)해 토양 내 유기물질로 인한 입단화 정도가 생석회보다 높은 것으로 판단되었다.
- 2016)에서는 4종(벤토나이트, 제강슬래그, 생석회, 유기퇴비)의 유실억제제를 단일처리한 경우와 2종 이상 혼합처리한 경우에 대해 토양의 입단화 형성, 상품의 경제성 및 접근성 등을 고려해 현장 적용성을 검토한 바 있다. 그 결과 석회(생석회)와 유기퇴비 혼합물을 혼합(개량)토양 전체 무게의 4% 수준으로 투여한 경우 개선효율, 비용편익 두 가지 측면 모두에서 뛰어난 것으로 나타났다. 즉, 본 조건을 유실억제제로 적용할 경우 경제적이며, 높은 토양 입단화 효과로 토양유실에 저항할 수 있을 것으로 판단되었다.
- 즉, 유기물에 의한 총질소와 총인의 증가 개연성은 충분하다고 볼 수 있다. 다만 억제제 처리조건만을 비교했을 때 유기퇴비의 함량이 높아짐에 따라 총질소의 함량역시 증가하는데 반해 총인은 다소 감소하는 수준을 보였다.
- , 2008)에 못 미치는 수준이었다. 따라서 본 3종의 토양은 폐광산지역 토양개량사업에서 주로 사용되는 시비처방 이전의 비옥도가 낮은 복토재의 특성을 반영한 것으로 판단된다. 토성은 A, B, C토양 각각 양질사토(Lomy sand), 사양토(Sandy loam), 사질 식양토(Sandy clay loam)로 모래, 미사, 점토의 비율이 상이한 것으로 분석되었다.
- 이는 다른 A토양이나 B토양에서 각각 나타난 저감율인 69%~78%, 62%~67%과 유사한 것이다. 따라서 이의 분석결과를 볼 때 토사의 총유출량 역시 유실억제제가 투입된 조건에서 급격한 감소가 있을 것으로 예상되었다. 유실억제제의 종류에 따른 농도비교 시 대체적으로 생석회보다는 유기물 함량이 상대적으로 높은 경우 그 저감율이 높게 나타났다.
- 이상의 결과를 통해 검토대상 물질인 유기퇴비와 생석회의 혼합물은 집중강우 발생 시 경사지의 토양유실 억제제로써의 적용성을 가진 것으로 판단된다. 본 물질은 토양의 비옥도 측면에도 타당하다고 보여지는데, 식물성장의 필요한 필수 무기원소(Ca)나 유기물을 토양에 공급함으로써 재배작물의 성장률을 높여 농작물 생산성 역시 높일 수 있다. 따라서 검토대상 물질 자체의 유실억제 효과이외에 식생 생육으로 인한 유실방지에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.
- 유거수 중 부유물질(SS)의 함량은 대상 토양의 실트함량과 유실억제제 투입유무에 따른 농도의 차이가 확연하게 나타났다. 실험대상 토양 3종의 원토양 유거수 분석결과만을 볼 때 실트함량이 가장 높았던 C토양(실트 24%)에서 4.2 mg/L로 다른 토양(실트 7%~19%)의 유거수 3.35 mg/L 전후보다 높게 분석되었다. 이는 비교적 침식적항성이 적은 실트의 특성 즉, 실트의 함량이 높아 강우로 인한 유실이 높게 나타났음을 의미한다.
- 유거수 중 부유물질(SS)의 함량은 대상 토양의 실트함량과 유실억제제 투입유무에 따른 농도의 차이가 확연하게 나타났다. 실험대상 토양 3종의 원토양 유거수 분석결과만을 볼 때 실트함량이 가장 높았던 C토양(실트 24%)에서 4.
- 유실억제제 처리 15일 경과 후 토양의 이화학특성 검토결과 생석회 투입으로 인한 pH와 양이온교환능의 증가가 확인되었다. 아울러 유기퇴비 효과로 인해 총질소(T-N)와총인(T-P)도 증가하는 것으로 나타났다.
- 유실억제제를 처리한 경우 집중강우 모사 시 A토양은 원토양(control)에 비해 91%~96%, B토양은 78%~89%, C토양은 72%~78% 수준으로 유실이 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 앞선 선행연구(Hwang et al.
- 2016)에서 나타난 입단화도 증가와 유사한 것이다. 유실억제제의 종류에 따른 결과를 보면 앞선 유거수 내 부유물질(SS) 분석결과와 마찬가지로 유기퇴비의 함량이 높은 경우 그 저감율 역시 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 앞서 언급한 바와 같이 유기퇴비로 인한 토양 내 유기물질의 작용과 미생물의 생육증진으로 토양입단화가 증가하여 토양유실이 감소한 것으로 판단된다.
- 따라서 이의 분석결과를 볼 때 토사의 총유출량 역시 유실억제제가 투입된 조건에서 급격한 감소가 있을 것으로 예상되었다. 유실억제제의 종류에 따른 농도비교 시 대체적으로 생석회보다는 유기물 함량이 상대적으로 높은 경우 그 저감율이 높게 나타났다. 즉, 생석회 함량이 높은 경우(OM 2% + L 2%) 유거수 내 부유물질의 저감율은 43%~69%의 수준이었지만, 유기퇴비의 함량이 높으면(OM 3% + L 1%) 저감율은 67%~78% 수준으로 더 높아졌다.
- 유기물질은 토양생물의 활성을 유지하는 데 필요한 에너지와 기질을 제공한다(Brady and Weil,2014). 이러한 토양입단의 생성작용과 본 실험결과를 고려하면 유실억제제를 통한 실험대상 토양의 입단화 형성과정은 생석회에 의한 양이온 작용보다는 유기퇴비로 인한 유기물질의 작용과 미생물의 생육증진이 상대적인 주요 원인으로 판단된다.
- 이상의 결과를 종합해 볼 때 검토대상 물질인 유기퇴비와 생석회의 혼합물은 경사지 표토 토양유실억제제로써의 적용성을 확보한 것으로 판단된다. 일반적으로 농업활동 중 작물재배는 작물자체의 토지피복 효과로 인해 강우 시작물이 강우를 일차적으로 차단시켜 토양 표면의 타격력이 감소되고, 토립의 분산과 비산을 줄임으로써 토양유실을 억제할 수 있다(Osborn, 1954; Wainwright et al.
- 이상의 결과를 통해 검토대상 물질인 유기퇴비와 생석회의 혼합물은 집중강우 발생 시 경사지의 토양유실 억제제로써의 적용성을 가진 것으로 판단된다. 본 물질은 토양의 비옥도 측면에도 타당하다고 보여지는데, 식물성장의 필요한 필수 무기원소(Ca)나 유기물을 토양에 공급함으로써 재배작물의 성장률을 높여 농작물 생산성 역시 높일 수 있다.
- 그 결과 석회(생석회)와 유기퇴비 혼합물을 혼합(개량)토양 전체 무게의 4% 수준으로 투여한 경우 개선효율, 비용편익 두 가지 측면 모두에서 뛰어난 것으로 나타났다. 즉, 본 조건을 유실억제제로 적용할 경우 경제적이며, 높은 토양 입단화 효과로 토양유실에 저항할 수 있을 것으로 판단되었다. 따라서 금회 연구에서는 검토대상 유실억제제의 조건을 유기퇴비와 생석회의 혼합물로써 혼합(개량)토양 무게비 기준 2% + 2%, 3% +1%의 함량으로 설정하였다.
- 유실억제제의 종류에 따른 농도비교 시 대체적으로 생석회보다는 유기물 함량이 상대적으로 높은 경우 그 저감율이 높게 나타났다. 즉, 생석회 함량이 높은 경우(OM 2% + L 2%) 유거수 내 부유물질의 저감율은 43%~69%의 수준이었지만, 유기퇴비의 함량이 높으면(OM 3% + L 1%) 저감율은 67%~78% 수준으로 더 높아졌다.일반적으로 토양입단의 생성과 발달과정에 양이온, 토양생물, 유기물질 작용 등이 있는 것으로 알려졌다(Cho et al.
- 이는 유실억제제 투입유무와 상관없이 큰 값의 차이를 보이지 않았던 pH 결과와 다소 상충되는 것으로 유기퇴비의 탈리효과로 판단된다. 즉, 유거수의 pH는 인공강우와 토양의 반응으로 나타나는 수소이온(H+)의 농도로 짧은 반응시간에 기인하여 그 결과가 토양의 특성을 충분히 반영하지 못한 것으로 판단되었다. 이에 비해 유거수의 총질소와 총인의 경우에는 인공강우의 물리적 타격으로 인해 퇴비로부터 탈리된 유기물 입자가 유거수 내 부유하며 이의 농도를 상승시켰을 가능성이 있는 것으로 판단된다.
- 총질소(T-N)와 총인(T-P)의 경우에도 유실억제제가 처리된 토양에서 원토양 대비 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 유기퇴비의 사용과 관련이 있다.
- 따라서 본 3종의 토양은 폐광산지역 토양개량사업에서 주로 사용되는 시비처방 이전의 비옥도가 낮은 복토재의 특성을 반영한 것으로 판단된다. 토성은 A, B, C토양 각각 양질사토(Lomy sand), 사양토(Sandy loam), 사질 식양토(Sandy clay loam)로 모래, 미사, 점토의 비율이 상이한 것으로 분석되었다.
- 토양 pH는 A, B, C 토양 모두 유실억제제가 혼합된 조건에서 9.0 이상으로 증가하여 생석회의 영향이 높게 나타나는 것을 확인하였다. 유실억제제 내 유기퇴비와 생석회의 비율에 따른 pH 차이는 3종의 토양 모두 미미하였다.
- 경사지 집중강우 모사 상황에서 채취한 유거수의 수질분석결과 유실억제제가 처리된 조건의 부유물질(SS)은 원토양(control)의 유거수 대비 43%~78% 수준으로 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 유실억제제 내 유기퇴비의 함량이 더 높은 경우 부유물질의 저감율은 더 증가(67%~78%)해 토양 내 유기물질로 인한 입단화 정도가 생석회보다 높은 것으로 판단되었다.
- 다음의 Table 2는 강우 모사실험 과정 중 각 토조로부터 유실된 토양의 무게와 유실억제제 투입 시 나타난 유실 저감율을 나타낸 것이다. 표에서 볼 수 있듯이 경사지내 유실억제제가 투입된 경우 그 유실 억제효과가 높은 것으로 나타났다.
- 본 3개 지역은 2015년 광해통계연보 검토결과 국내에 폐광산이 가장 많이 분포하는 지역이다. 해당지역의 10년 동안 3월~9월 기간의 시간당 최대 강우량은 8월에 높게 나타났으며, 제천지역에서 가장 높은 90 mm 수준의 수치가 기록되었다. 따라서 본 인공강우 실험에서 모사할 인공강우량을 시간당 100 mm 수준으로 설정하였다.
후속연구
- 본 물질은 토양의 비옥도 측면에도 타당하다고 보여지는데, 식물성장의 필요한 필수 무기원소(Ca)나 유기물을 토양에 공급함으로써 재배작물의 성장률을 높여 농작물 생산성 역시 높일 수 있다. 따라서 검토대상 물질 자체의 유실억제 효과이외에 식생 생육으로 인한 유실방지에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.
- ,2000). 따라서 본 연구에서 검토한 유실억제제는 강우기 경사지를 대상으로 하는 토양개량복원 작업 시 작물재배이전 토양유실 방지를 위한 사전조치의 일환으로 적용할 수 있을 것이다. 아울러 작물재배 과정에서도 유실억제제로 인한 토양비옥도 상승으로 작물의 성장율을 높여 농작물 생육으로 인한 장기적인 표토 유실방지에도 도움을 줄수 있을 것으로 판단된다.
- 이는 실트의 침식 저항성으로 해석이 가능한데, 앞선 유거수 부유물질 분석결과에서 언급했듯이 모래나 점토에 비해 침식 저항성이 낮은 실트의 함량이 A토양에서 7%로 가장 낮고, C토양에서 24%로 가장 높았기 때문이다. 따라서 향후 현장에서의 유실억제제 검토 시 대상 토양 내 점토함량 이외 미사의 함량 역시 기본 검토자료로 활용할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구를 통해 얻은 결과는 향후 폐광산 지역의 토양개량·복원사업 추진 시 경사지 농경지의 복토층 설계 및 시공, 농작물 재배가 이루어지기 전의 초기 영농단계에서 표토층 토양유실 억제를 위한 참조 자료로 활용될 수 있을 것이다.
- 3종의 토양 모두 2개 조건의 유실억제제를 적용했을 때 72%~96% 수준으로 감소하였다. 아울러 실트의 함량이 높을수록 유실량 역시 높게 나타나므로, 향후 타 현장에서 토양유실 억제방안 수립 시 실트의 함량을 기본 검토자료로 활용할 필요가 있다.
- 따라서 본 연구에서 검토한 유실억제제는 강우기 경사지를 대상으로 하는 토양개량복원 작업 시 작물재배이전 토양유실 방지를 위한 사전조치의 일환으로 적용할 수 있을 것이다. 아울러 작물재배 과정에서도 유실억제제로 인한 토양비옥도 상승으로 작물의 성장율을 높여 농작물 생육으로 인한 장기적인 표토 유실방지에도 도움을 줄수 있을 것으로 판단된다.
- 이와 같이 다소 척박한 복토재에서 양이온교환능, 총질소 및 총인의 증가는 토양비옥도를 상승시키는 긍정적인 신호로 해석할 수 있다. 즉, 유실억제제 투입으로 인한 경사지 표토유실 방지 이외에 대상 농경지의 식물체 성장을 도모할 수 있는 부가적인 효과를 제공할 수 있을 것이다.
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