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1 자원환경지질, 제 41 권, 제 4 호, , 2008 Econ. Environ. Geol., 41(4), , 2008 경기도지역농경지의천부지하수내질산염오염특성과변화 이은재 1 우남칠 1 * 이병선 2 김양빈 2 1 연세대학교지구시스템과학과, 2 한국농촌공사농어촌연구원 Variation in Nitrate Contamination of Shallow Groundwater in a Farmland in Gyeonggi-do, Korea Eun Jae Lee 1, Nam Chil Woo 1 *, Byung-Sun Lee 2 and Yang-Bin Kim 2 1 Department of Earth System Sciences, Yonsei University 2 Rural Research Institute, Korea Rural Community & Agriculture Corporation Hydrogeochemistry of groundwater was studied in order to identify the influence of cow manure, distributed to a farmland as organic fertilizer, on nitrate concentrations in shallow groundwater and its spatio-temporal variations. From monitoring wells, water levels were measured using automatic data loggers, and water samples collected and analyzed in Feb., April, June and Oct The average electric conductivity and concentration of nitrate in the groundwater show the highest levels in April and decline in subsequent sampling times. Decreases in dissolved oxygen(do) and nitrate concentrations from April to Oct. and corresponding increases in HCO 3 concentrations indicate denitrification processes by microorganisms. Spatial variation of nitrate concentration appeared to be affected by the redox conditions of groundwater controlled by geochemical reactions of Mn, Fe and DOC contents. Key words : farmland, shallow groundwater, nitrate, denitrification, spatio-temporal variation 이연구는우리나라의농촌지역에서유기비료로살포되는축산분뇨가농경지지하수의수질과오염에미치는영향을시공간적변화를중심으로규명하기위하여수행되었다. 연구는경기도의한농경지에서 2007년 2월, 4월, 6월, 10월에는관측정을통한지하수위관측과함께지하수질모니터링을수행하였다. 그결과봄-여름-가을로이어지는계절과축분을뿌리는시기에따라서지하수의수질과오염현상의변화는축분을가장많이뿌리는시기인 4월에질산성질소농도가가장높게나타났다. 그리고지하수내 Mn, Fe 등의농도와용존유기물함량 (DOC) 등을모니터링함으로써천부지하수의산화-환원상태와대수층내미생물의활성도가연구부지지하수내질산성질소의농도변화에가장중요한요인으로작용하는것으로유추할수있다. 주요어 : 농촌, 천부지하수, 질산염, 탈질반응, 시공간적변동 1. 서론우리나라의상수도보급수준은 7개특 광역시가 98.9%, 시지역이 97.5%, 읍지역이 82.6% 그리고면단위농어촌지역이 37.7% 이다 (MOE, 2006). 2006년환경부가실시한지하수수질측정망운영결과에의하면먹는물수질기준을초과하는항목은대부분미생물과질산염이었으며 (MOE, 2007), 특히농업용수사용지역, 농작물주산단지, 분뇨처리장인근지역에서질 산성질소가주오염항목으로밝혀진바있다. 이들오염물질의주기원은축산폐수와질소비료로서농촌지역에서주로배출되고사용되는것이다. 따라서질산염에의한지하수의오염문제는상수원으로서지하수에더많이의존하는농촌지역에서상대적으로더욱중요한의미를가진다. 나아가, 농촌지역의주요산업인농업활동과관련해서광범위하게사용되는유기질및무기질비료의이용자체가지하수의오염유발원인이될수있어, 이들비료성분에의한지하수의오 *Corresponding author: 393

2 394 이은재 우남칠 이병선 김양빈 염가능성과위해성에대한정확한평가는농촌지역의수자원을확보하고보존하고이용하는정책수립의가장중요한요소로작용한다. 질산성질소의위해성은, 이성분이다량함유된지하수를장기적으로섭취할때유아의경우질산염이아질산염으로환원되어헤모글로빈의산소운반작용을방해하는유아청색증 (methemoglobinemia) 을유발시켜사망하게할수도있다 (Maxcy, 1950). 또한가축에도영향을미쳐번식률을저하시키거나 (Chandler, 1989), 하천과해수의부영양화를일으키는원인을제공하기도한다 (Fennesy and Cronk, 1997). 인체에대한위해성을예방하기위해 WHO(1984) 와우리나라 (KLAW, 2008) 는질산성질소 (NO 3 -N) 의먹는물기준으로 10 mg/l를제시하고있다. 지하수중의용존질산성질소는, 대기중질소의생물학적고착과분해, 사람과동물의분뇨, 생활하수, 산업슬러지, 폐수, 침출수, 화학적및유기적비료및토양내유기질소등다양한자연적, 인위적기원으로부터유래한다 (Keeney, 1986; Chung et al., 2004; Kim and Woo, 2003; Fernando and David, 2005). 농촌지역에서는주로관개농업과축산에관련된분뇨와비료살포, 축사폐기물유출, 정화시설의미비로인한정화조의누수, 생활하수유입등이질산성질소의기원이된다 (Canter, 1997). 우리나라농업활동의특성상주기적인축산분뇨, 비료의살포와계절별로강우량의큰차이로질산성질소의시간적변동과지질매체의불균질성으로인한공간적변동이크게나타난 다 (Kim and Woo, 2003; Kim et al., 2002). 이러한특성으로우리나라농촌지역에서음용수와기타용수원으로활용되는지하수의수질과오염특성을이해하고지하수자원의효율적관리와이용을위해서는주오염물질로작용하는질산성질소의공간적 시간적변동을규명하는것이중요하다. 이연구는우리나라의농촌지역에서유기비료로살포되는축산분뇨에의한농경지지하수의수질과오염에미치는영향과, 이러한영향의시공간적변화를정량적으로규명하고자수행되었다. 연구는실제로축분을농업활동에사용하는경기도의한농경지에서수행되었으며, 연구를허락한농경지소유자와의협의로인해이논문에서는구체적인지명을제시할수없음에대한독자들의양해를구한다. 이연구결과는추후이부지에적용할오염지하수의현장복원기술의효율성평가와검증을위한기초조사자료로서활용될예정이며, 나아가다른농업지역에서도유기비료를이용한농업활동을친환경적이며지속가능하도록관리하기위한기반자료로활용될수있을것이다. 2. 연구지역특성연구부지는총면적이약 0.04 km 2 로경기도의한지역에위치하며, 동쪽에는고도약 175 m 의능선이있으며, 서쪽에는하천과계곡부의평균해발고도약 110 m 정도의완만한지형이발달하고있다 (Fig. 1). 연구대상농지의경우, 과거하상을매립하여평탄화 Fig. 1. Location of the study site(a: livestock facility area, B: manured crop field area, C: crop field area) with groundwater monitoring wells.

3 경기도지역농경지의천부지하수내질산염오염특성과변화 395 작업을통해농지로활용하고있는부지로, 평균해발고도는 125 m로서, 동쪽능선과의지형기복은약 50 m이다. 부지의기반암은선캄브리아기경기편마암복합체에속하는화강편마암으로보고되어있다 (Oh and Yoon, 1972). 기반암상부는하천을따라남-북측으로충적층이발달하며, 연구부지의표토는사양토이고, 심토는사력질로보고된바있다 (ASIS, 2008). 그리고토지부지서쪽을흐르는하천은하류지역에위치한대규모저수지로직접유입되며, 이저수지는인근지역의상수원으로활용되고있어, 상류지천으로부터유입되는지표수와지하수의수질이상수원수의수질에직접적인영향을미치고있다. 연구부지의북쪽 (A 구역 ) 에는축사에서약 30마리의젖소를사육하고있으며, 이축사에서나오는분뇨는지표에적치하다가농지에서경작이시작되면서유기비료로사용되며, 주로서쪽에위치한밭 (B 구역 ) 에봄철농번기가시작됨과동시에지표에뿌려진다. 연구대상농지에서는토지의생산력을강화하기위해분뇨살포와복토작업을매년반복적으로시행하여, 서쪽에위치한밭 (B 구역 ) 은지표로부터약 2m 상승되어있고, 동쪽에위치한밭 (C 구역 ) 도약 0.6 m 상승한상태이다. 연구부지의토지이용의경우북쪽 (A 구역 ) 은과거논으로사용되었으며 (ASIS, 2008) 현재는다른지대와함께밭으로사용되고있다. 연구부지의토양층은지표에서약 0.6~2 m 구간은복토이고그밑으로약 50cm 구간은점토가섞인구간이며, 그이하는하상퇴적물이 20cm 구간을이룬다. 하상퇴적물아래로는약 2.7~4.0 m 구간은풍화토와풍화대를이루고풍화대아래로는기반암을나타내었다. 재배작물은주로옥수수였고 C 구역은옥수수와포도가재배 되었다. 옥수수와포도의여름철수확이마친후 C 구역에서는 9월에무와배추를재배했다. 농업용수사용에있어서대부분의구역이지표수에의존하지만 C 구역의경우지표수와함께지하수도사용하고있었다. 3. 연구방법부지의지하수유동특성을규명하기위해천부지하수를대상으로충적층구간에 2006년 11월에서 2007년 1월사이에총 12개의관측정을설치하였고연구부지의북쪽에있는관측정부터순서대로번호를붙였다 (Fig. 1). 관측정은기반암상부면까지설치하였다. 직경은 5.2 cm, 한관측정에한스크린이설치되었으며, 각관측정의스크린길이는관측정심도와위치에따라 1.5 m, 3.0 m, 5.0 m 길이로설치되었다 (Table 1). 그리고현장조사를시행하면서수동으로모든관정의수위를측정하였다. 지하수위의해발고도는각관측정의위치를 GPS 기기 (Trimble 4000 SSI) 로측정한후계산하였다. 이연구에서사용된 GPS 기기는 4개의인공위성에서보내는신호로관측지점의 x, y, z값을측정하고측정된데이터의오차범위는수 cm 이내이다. 지하수수질과오염특성의변화를시간적변화를규명하기위하여계절적특성과연구지역의농업활동을고려하여 2월, 4월, 6월, 10월등 4회시료를채취하였다. 채수기간중 2월은겨울과봄사이이며, 강우가거의없었고, 농업활동이본격적으로시작되기전이다. 4월에수행된지하수조사는국내기후변화에서봄에해당되며, 농업활동이시작되는기간으로분뇨와비료살포많이이루어진다. 6월은봄에서여름으로넘어가는과도기로우기가시작되기전이며, 농업활동에서분 Table 1. Information of monitoring wells installed in the study area Monitoring Well Altitude (m amsl*) Well depth (m bgs*) Screen length (m) GW GW GW GW GW GW GW GW GW GW GW GW *amsl and bgs denote above mean sea level and below ground surface, respectively.

4 396 이은재 우남칠 이병선 김양빈 뇨와비료살포가거의이루어지지않는다. 10월은우기가지나고건기가진행중이며무나배추등을재배하는기간이다. 8월에는시료를채취하지못했는데 2007년은예년과는달리 8월말까지지속적으로강우가내려시료를채취하기어려운환경때문이었다. 지하수시료는관측정내잔류해있던물을연동식펌프로양수하여전기전도도 (EC) 가일정해진후에채수하였으며, 양이온, 음이온그리고알칼리도분석을위한시료는멤브레인필터 (Whatman membrane filter, 0.45 µm) 로여과한후폴리에틸렌시료병에담아보관및운송하였다. 음이온과알칼리도분석을위한시료는병에가득채운뒤냉장보관하였다. 양이온분석을위한시료는농질산을첨가하여 ph 2 이하로보존하였다. 용존유기탄소 (DOC) 분석을위한시료는보존기간동안시료내 DOC 농도에영향을미칠수있는미생물의활동을억제한후 HgCl 2 를첨가한후, 알루미늄호일로유리시료병을포장해빛의투과를방지했다. 시료채취와동시에현장에서수온과전기전도도 (ORION 115), ph(orion 3 STAR), 용존산소 (ORION 3 STAR), 산화환원전위 (ORION 290A) 를측정하였다. 시료채취후, 알칼리도는현장에서 0.02N-H 2 SO 4 로적정하여분석하거나, 당일오후연세대학교지하수토양환경연구소에서자동적정기 (Titroprocessor; Metrohm) 를이용하여 0.01N-HCl 적정법으로분석하였고 (Fishman, 1993) 물시료의성분분석에서음이온 (Cl, SO 4, NO 3, F, Br, PO 4, NO 2 ) 은연세대학교의 Dionex-80(Dionex, USA) 로분석하였다. 양이온과미량중금속 (Na, K, Ca, Mg, Si, Mn, Fe, Zn, Pb) 은서울대학교농업과학공동기기센터 (NICEM) 에의뢰하여 AAS-6410(Shimadzu, Japan) 으로분석하였다. 그리고용존유기탄소는유리섬유여과지를사용하여채취한시료를여과한후 Multi N/C 3000(Analytik Jena, Germany) 로분석하였다. 시료분석결과에대한품질관리는실험실공백시료를사용하여실시하였으며, 분석결과에대해서는전하균형법을이용하여자료의신뢰성을검증하였다. 4. 결과및토의 4.1. 지하수흐름특성 4회의현장조사를통해각관측정에서실측한지하수위자료를기초로통계적방법중스플라인 (spline method: Davis, 1986) 을사용하여등수위선도를작성한결과, 부지내천부지하수의유동방향은북서쪽에서남동쪽으로, 능선부에서하천계곡부로추정된다 (Fig. 2). 계절에따른강우량의변화로전반적인지하수면의고도는변하지만지하수유동방향은일정하게유지되었다. 이와같은지하수의흐름방향은부지내밭 (B와 C구역 ) 하부의천부지하수가동쪽에위치한하천으로유출됨으로인해, 지하수의수질과오염현상 Fig. 2. Distribution of hydraulic heads and direction of groundwater flow in study area in February.

5 경기도지역농경지의천부지하수내질산염오염특성과변화 397 이주변지역의상수원으로사용되고있는하천의수질에영향을미칠수있음을지시한다 지하수수질특성부지의 12개의관측정에서관측한천부지하수의시기별수질화학분석결과는전하균형법으로자료의신뢰성을검증한결과 (Table 2), 각각의채수시기의전하균형평균값은 2월 -2.8%, 4월 -1.8%, 6월 -2.2%, 10월 7.8% 를나타내므로신뢰할수있는자료로판단하였다. 전기전도도 (EC) 의경우, 2월 148~230 µs/cm( 평균 180 µs/cm), 4월 158~425 µs/cm( 평균 278 µs/cm), 6 월 160~313 µs/cm( 평균 199 µs/cm), 10월 126~474 µs/cm( 평균 231 µs/cm) 의값을나타낸다 (Fig. 3(a)). 용존이온의총함량을지시하는전기전도도의변화는 4월과 10월에상대적으로높게나타나이시기에많은용존이온들이유입됨을지시하며, 이는농업활동으로부지내에뿌려진분뇨와비료의침출수가유입되어영향을받은것으로판단된다. 4월 EC 값이전체적으로가장높은값을갖는원인은 3월과 4월에분뇨와비료살포의정도가가장크기때문이다. 한편, 10월에는무와배추의재배로우기이후봄철보다는적지만비료를살포하기때문에전기전도도의평균값은 2월, 6월과비슷하지만관측지점에따라높은값을나타내게된다고판단된다. 천부지하수에서관측된 ph의경우 2월 5.9~6.6( 평균 6.3), 4월 5.3~6.8( 평균 6.2), 6월 5.7~6.4( 평균 6.0), 10 월 5.6~6.6( 평균 6.1) 로, 평균치는대체로일정하게유지되고있으나 4월중에그변화가가장크게나타난다 (Fig. 3(b)). 천부지하수의 ph는매질의성분과지표에서유입된물질의성분에따라값이변할수있다 (Bass- Becking et al., 1960). 이지역에서는 ph 값의특성중하나는모든관측정에서채수한시료가약산성을보이는것이다. 이런현상을나타내는이유중하나로연구지역에서는봄과가을에시행하는농업으로살포된축산분뇨와비료성분에서침출되는암모늄이온의질산화 (nitrification) 작용을예상할수있다 (Pagacova et al., 2008). 질산화작용의화학반응식은다음과같다 ( 식 1): NH O 2 = NO 3 + 2H + + H 2 O ( 식 1) 연구지역내에서분뇨의영향을가장많이받고있는지점에위치하는관측정 GW6, GW10, GW12에서측정된 ph 값이모든현장조사측정자료에서 6.0 이하의값을나타내는것도이해석을뒷받침한다고사료된다. 하지만이해석은매질의특성을고려하지 않은한계가있기때문에추후각관측정이설치된 ' 지대의지질매체특성 ' 을분석할필요가있다. 수온은 2월 6.2~11.2 o C( 평균 8.6 o C), 4월 7.7~14.0 o C ( 평균 9.6 o C), 6월 13.7~16.4 ( 평균 15.3 o C), 10월 16.8~19.2 o C( 평균 17.9 o C) 로지속적으로올라가는경향을보이고있다 (Fig. 3(c)). 이와같이천부지하수수온이기온과다른경향을보이는현상은대수층심도에따라서달라질수있으며, 국가지하수관측망의충적층지하수의수온과기온의최고값을나타내는기간이최고 6개월차이가나는관정의수가가장많았고충적층지하수의수온의변화가주기적특성을나타내는것이보고된바있다 (Lee and Hahn, 2006). 이러한지하수온의주기적변화를지표기온의전달이대류나분산된열전달 (dispersive heat transport) 보다는전도에의한것임을지시하는것 (Bundschuch, 1993) 으로해석하였다 (Lee and Hahn, 2006). 하지만연구지역에나타난기온과수온의시간차의원인을설명하기위한주기적특성을확인하기에는현재까지진행된연구기간이짧다. 이에추후장기적인모니터링의결과를분석하여주기적특성을확인할필요가있다. 용존산소 (DO) 는일반적으로공기중의산소에서공급되고 1기압 25 o C에서순수용존산소농도는 8.25 mg/l 이다 (Langmuir, 1997). 하지만지표의물이지하에함양되면서토양과비포화대에서미생물의호흡과유기물의분해등으로용존산소가소모되고대수층에도달하기때문에지하수의용존산소는지표수의농도보다일반적으로낮다. 연구부지천부지하수의용존산소함량은 4월 0.98~6.07 mg/l( 평균 3.38 mg/l), 6월 0.78~3.50 mg/l( 평균 1.90 mg/l) 그리고 10월 0.09~1.77 mg/l( 평균 0.56 mg/l) 값을나타냈다 (Fig. 3(d)). 봄에서여름, 가을로가면서용존산소의농도가낮아지는데, 이런현상은지하수내온도의상승과함께미생물의반응과유기물의분해가활발해짐에따라나타날수있다 (Behnke, 1975). 연구부지지하수의성분에따른유형은모든기간에서 Ca-HCO 3 형을보이는데, 이는화강편마암이우세하게포함된선캄브리아기변성암지역에서나타나는일반적인현상으로이해된다 (Sung et al., 1998). 총용존함량의변화는앞서전기전도도의변화에서설명한바와같으며, 눈에띄는현상으로는분뇨성분에직접적으로기인하지않는 HCO 3 성분또한 2월이후지속적으로값이증가하는현상을나타내었다. 부지지하수의음이온에서 HCO 3 이온의시간적변동을살펴보면 2월에 26~95 mg/l( 평균 52 mg/l), 4월 27~109 mg/l( 평균 51 mg/l) 그리고 6월 39~113 mg/l( 평균 55

6 Table 2. Field parameters, concentrations of chemical compounds in groundwater samples in April. Sample No. EC (µs/cm) ph temp. ( o C) Eh (mv) DO Na K Ca Mg Si Cl HCO 3 ( mg/l) SO 4 F NO 3 NO 2 Br PO 4 Mn Fe charge balance (%) GW < <0.1 <0.1 <0.1 ND GW < <0.1 <0.1 <0.1 ND GW < <0.1 <0.1 < GW < <0.1 <0.1 < GW < <0.1 <0.1 <0.1 ND GW < <0.1 <0.1 <0.1 ND GW < <0.1 <0.1 < GW < <0.1 <0.1 < GW GW < <0.1 <0.1 < GW < <0.1 <0.1 <0.1 ND GW < <0.1 <0.1 <0.1 ND min max avg std *ND denotes non detected 경기도지역농경지의천부지하수내질산염오염특성과변화 398

7 경기도지역농경지의천부지하수내질산염오염특성과변화 399 Fig. 3. Seasonal variation of water quality parameters: (a) EC, (b) ph, (c) Temperature, (d) DO, and concentrations of (e) HCO 3 and (f) NO 3 -N in groundwater samples. mg/l), 10월 32~202 mg/l( 평균 78 mg/l) 를나타내었다 (Fig. 3(e)). HCO 3 이온의경우, 해수의영향을받지않은일반지하수에서대체로우세한성분이다 (Jeen et al., 2001). 그러나부지에서보이는시간에따른지속적인함량증가현상은, 지하수수온의상승으로지하수내탈질미생물이활발한작용에따른탈질반응의결과로판단된다. 미생물에의한탈질작용과 HCO 3 이온생성에관한반응식은다음과같다 ( 식 2). 4NO 3 + 5CH 2 O= 2N 2 ()4HCO g CO 2 + 3H 2 O ( 식 2) 일반적으로지하수내용존산소의농도가낮아지고환원환경이되면탈질미생물이활발하게작용한다 (Reddy and Patrick, 1981; Appelo and Postma, 1999; Brandy and Weil, 2002; Siemens et al., 2003; Mohamed et al., 2003). 앞서언급한현장시료의용존산소농도측정결과에서용존산소농도가 2월이 후에지속적으로낮아지는경향을나타내 10월은장마이후한차례의비료가살포되었음에도가장낮은값을나타내었다 (Fig. 3(d)). 이는 HCO 3 의증가의원인이탈질미생물의활동도의증가현상과잘부합된다고해석된다. 부지지하수에서관측된 NO 3 -N 농도의변화는 2월에 0.0~4.4 mg/l( 평균 2.5 mg/l), 4월 1.5~11.2 mg/l( 평균 6.5 mg/l), 6월 0.0~5.5 mg/l( 평균 3.4 mg/l), 10월 0.0~2.9 mg/l( 평균 2.4 mg/l) 를나타내었다 (Table 3, Fig. 3(f)). 지금까지연구된바에의하면자연적인지하수에서발생할수있는 NO 3 -N 농도는최대 3 mg/l 정도이며, 그이상의농도는인위적인오염원으로부터유입된것을지시한다고보고하였다 (Medison and Brunett, 1985; Mueller and Helsel, 1996). 실제로인위적영향을받지않는다고사료되는연구부지서쪽에위치한산에서연구부지방향으로흐르는계곡수의

8 400 이은재 우남칠 이병선 김양빈 Table 3. NO 3 -N concentrations in study area. Monitoring Well February April June October GW GW GW GW GW GW GW GW GW GW GW GW mean 월과 6월의수질분석결과각각 1.4 mg/l, 1.6 mg/l의 NO 3 -N 농도를나타내었다. 연구부지에서는 NO 3 -N 농도가축산분뇨와비료를살포하는 4월에가장높은값을보이고, 또한거의모든지하수시료에서인위적오염원으로부터의유입을지시하는정도의농도증가를보이고있으며 (Fig. 4(a)), 두관측지점 ( 관측정 GW7, GW12) 에서는먹는물수질기준 (10 mg/l) 을초과하였다. 6월은밭에더이상분뇨와비료를살포하지않고농작물이한창생장하고있는시기이며, 이때채수한시료의 NO 3 -N 농도는 4월보다감소하여 2월과근접한값을나타내었다. 10월은장마이후한차례의비료가살포되었음에도 NO 3 -N 농도가가장낮은값을나타냈다. 이와같은질산염의변화는농작물이생장과정에서축산분뇨와비료성분을흡수하는동안지하수내질산염성분이제거되거나, 또는지하에환원환경이조성되면서탈질화로인해제거될수있다 (Appelo and Postma, 1999; Brandy and Weil, 2002; Siemens et al., 2003; Mohamed et al., 2003). 나아가지하수수온의증가는미생물의활성도를증가시켜탈질화작용을증대시키고, 그결과로인해질산염농도가감소되 었을수도있다. 이상에서관측된봄-여름-가을로이어지는계절에따른지하수수질의일련의변화는미생물작용에의한유기비료로서살포된축분의분해와용존산소의감소, 탈질반응에따른질산염함량의감소와 HCO 3 농도의증가현상등으로나타난다. 미사질식양토의온도가 30 o C, 15 o C, 10 o C일때각각의탈질반응의 1차반응계수가 2.15 k/day, 0.72 k/day, 0.54 k/day로, 온도에따라서탈질반응이증대되는것을보고된바있다 (Reddy and Patrick, 1981). 따라서지표온도의전도에의해증가된지하수온은위와같은미생물의반응을활성화시키고나아가탈질반응을촉진시키는요인으로작용하였을것으로판단된다. 연구부지에서지하수내질산성질소의공간적분포를도시하면다음 Fig. 5. 와같다. 전체적으로살펴보면 GW3, GW4, GW8에서는주변의관측정보다지속적으로낮은농도의값을나타내었다. 4월의경우불과 10 m 이내의거리에서질산성질소농도의급격한차이를나타내기도한다. 이런현상을나타내는요인으로는강변충적층에서퇴적환경의변화로나타나는지질매체특성에따른국부적인지구화학적차이를생각할수있다. 지구화학적차이는지질매체내의탈질반응과관련되며결과적으로질산염농도에영향을미칠수있다 (Michael et al., 2002). 탈질반응은위의 ( 식 2) 에보이듯이, 환원환경에서탈질미생물이탄소를에너지원으로사용할때전자공여체로질산염을사용하면서질산염이환원되어질소가스가되는것을말한다 (Appelo and Postma, 1999; Michael et al., 2002; U.S. EPA, 1994). 환원환경의지시자로는용존산소와 Mn, Fe 이온을들수있다. Fig. 4(b) 와 4(c) 에의하면, 질산성질소의농도가다른관측정에비하여현저히낮게검출된 GW3, GW4, GW8, GW9에서상대적으로높은 Mn, Fe 의농도를볼수있다. 즉, 이러한역상관성은지하수의환원도가클수록질산염의탈질도가크게됨을보여준다. 또한이관측정에서탈질미생물의에너지원인탄소의공급원이될수있는용존유기탄소의함량이다른관측정에비해높은값이관측되었다 (Fig. 4(d)).

9 경기도지역농경지의천부지하수내질산염오염특성과변화 401 Fig. 4. Concentrations of (a) NO 3 -N, (b) Mn, (c) Fe and (d) DOC in groundwaters. 5. 요약이연구는경기도내소규모농경지에서축분을유기비료로활용하는경우지하수의수질과질산염오염에미치는영향과이들의시공간적인변화를정량적으로평가하기위해수행되었다. 연구는현장관측과시료채취및화학분석을위주로수행되었으며, 현장조 사는 2007년 2월, 4월, 6월, 10월등계절에따라총 4회시행되었다. 지하수의전기전도도는축분을농작지에뿌리는 4월에가장높았으며시간이지남에따라감소하고, ph는큰변화가없이일정하며, 수온은 2월, 4월이유사하고 6월, 10월로가면서지속적으로증가한다. DO는 4월이후로지속적으로감소하며, 질산성질소의농도는 4

10 402 이은재 우남칠 이병선 김양빈 Fig. 5. Spatial distribution of NO3-N concentrations in study area in April(a) and June(b). 월에 급증하였다가 이후로 지속적으로 감소한다. 이와 같은 지하수 수질의 시간에 대한 일련의 변화는 미생 물 작용에 의한 유기비료로서 축분의 분해와 용존산소 의 감소 및 탈질 반응에 따른 질산염 함량의 감소와 HCO3 농도의 증가 등이 연계적으로 발생하여 나타나 는 현상으로 해석된다. 질산성 질소의 농도변화는 천 부 지하수가 환원환경에 있는가와 미생물의 활성도가 가장 중요한 요인으로 작용하고 있으며, 이는 Mn, Fe 등의 지하수 내 산화-환원 성분의 함량과 용존유기물 함량(DOC) 등을 모니터링 함으로써 파악할 수 있다. 이 연구결과는, 농경지의 천부 지하수를 통해 이동 하며 변화하는 질산성질소에 의한 오염가능성과 위해 성을 평가하고 이를 환경 친화적이면서도 지속가능한 농업활동에 적용하기 위해서는, 축분 시비의 시기와 양 뿐 아니라 지질매체와 지하수의 성분과 이들의 시간 적 공간적 분포와 변화에 대한 이해가 필수적임을 보 여준다. 나아가 탈질반응을 주요 기작으로 하는 현장정 화기술을 적용하는 경우에는, 지하수 환경에 환원상태 를 조성함으로 인해 지질매체 내에 산화물(oxides) 상 태로 포함되어 있을 수 있는 Mn, Fe 및 여타 중금속 에 의한 2차적 오염가능성도 고려해야 함을 시사한다. 사 사 이 연구는 연세대학교 대학원 이은재의 석사학위 논 문연구의 일부로 수행되었습니다. 현장 조사에 도움을 주신 한국농촌공사 농어촌연구원의 이명기 연구원과 연 세대 이상덕, 김유리, 이현아 연구원에게 감사드립니다. 본 연구는 농림부 농림기술개발사업의 지원(과제번호 )에 의해 수행되었습니다. 이에 감사드립니다. 참고문헌 Appelo, C.A.J. and Postma D. (1999) Geochemistry,

11 경기도지역농경지의천부지하수내질산염오염특성과변화 403 groundwater and pollution. 4th (ed.), A.A. Balkema, Rotterdam. p ASIS (2008) Soil of Korea, map_main.asp Back, W. and I. Barnes (1965) Relation of electrochemical potentials and iron content to groundwater flow patterns. U.S. Geol. Surv, Prof. Pap. 498-C. Behnke, J. (1975) Summary of the biochemistry of nitrogen compounds in ground water. Jour. Hydrol., v. 27, p Baas-Becking, L.G.M., Kaplan, I.R. and Moore, O. (1960) Limits of the natural environment in terms of ph and oxidation-reduction potentials. Jour. Geol., v. 68, p Brandy, N.C. and Weil, R.R. (2002) The nature properties of soils. 13th(ed.). Prentice Hall, New Jersey. p Canter, L.W. (1997) Nitrate in groundwater. CRC Press, Boca Raton. p Chandler, J. (1989) Nitrate in Water. Water Well Jour., v. 43, p Chung, S.W., Woo, N.C. and Lee, K.S. (2004) Temporal & spatial variations of groundwater quality in Hanlim, Jeju island. Jour. Geol. Soc. Korea, v. 40, p Davis, J.C. 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