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1 R&D / 토양지하수오염방지기술개발사업

2 제출문 환경부장관귀하 본보고서를 물리 화학적공정을이용한중금속오염정화토의토양건강성평가기술개발 ( 개발기간 : ~ ) 과제의최종보고서로 9 부를제출합니다 총괄연구기관명 : 건국대학교산학협력단 ( 대표자 ) 서정향 ( 인 ) 협동연구기관명 : ( 대표자 ) ( 인 ) 참여기업명 : ( 대표자 ) ( 인 ) ( 주관 ) 연구책임자 : 안윤주 ( 총참여기간 : ~ ). ( 주관 ) 참여연구원 : 윤영대, 김신웅, 남선화, 곽진일, 채유은, CUI RONGXUE( 총참여기간 : ~ ). 문종민, 김성훈 ( 총참여기간 : ~ ) 김도경 ( 총참여기간 : ~ ) 김두환, LEEHANNAH ( 총참여기간 : ~ ) 김달오 ( 총참여기간 : ~ ) 정아영 ( 총참여기간 : ~ ) ( 위탁 ) 연구책임자 : 정승우군산대학교 ( 총참여기간 : ~ ) ( 위탁 ) 참여연구원 : 안경현군산대학교 ( 총참여기간 : ~ ). 김하경군산대학교 ( 총참여기간 : ~ ). 김진주군산대학교 ( 총참여기간 : ~ ) 박윤수군산대학교 ( 총참여기간 : ~ ). 배정한, 이소진군산대학교 ( 총참여기간 : ~ ).

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4 요약서 사업명 토양 지하수오염방지기술개발사업 과제번호 단위사업명 토양 지하수오토양 지하수오염대분야염방지기술개방지기술개발사업발사업 중분야 사후관리기술 과제명 물리 화학적공정을이용한중금속오염정화토의토양건강성평가기술개발 기술단계 ( 응용 ) 최종성과기술 한국형토양건강성평가기반기술 참여기업 - 연구책임자 안윤주 최종연도참여연구원수 총연구기간참여연구원수 14 명 20 명 anyjoo@konkuk.ac.kr 정부 : 200,000,000원최종연도민간 : 원연구개발비계 : 200,000,000원정부 : 680,000,000원총민간 : 원연구개발비계 : 680,000,000원총연구기간 ~ 연락처 이메일 연구기관명및연구기관건국대학교산학협력단 ( 환경보건과학과 ) 소속부서명유형 대학 위탁기관명 군산대학교산학협력단 위탁책임자 정승우 토양오염에대한민감종 / 유전자발굴, 바이오리포터개발, 지표우선순위선정 개발목적 을통해토양건강성평가기법을개발하고, 이를중금속오염정화부지에적용 및필요성 하여현장적용성을평가하여국내정화토복원기준제시를위한과학적근거 를마련함 연구개발결과 토양건강성평가기술개발을위한기반구축및기법제안 : - 본연구에서는중금속오염정화토의건강성을평가하기위하여, 국내형토양건강성평가기법인 KRISMAS (KoRean soil-health assessment and MAnagement System) 을제안 - 토양건강성평가체계는총 7 단계로분류되며, 1) 토양건강성평가인자별지표분류, 2) 지표분석, 3) 지표배점, 4) 지표순위및가중치결정, 5) 평가인자별토양건강성지수 (Soil Health Index, SHI) 산출, 6) 경계수치적용, 그리고 7) 최종토양건강성지수 (Final SHI) 산출을포함 - 토양의기능을평가하기위한평가인자는토양생산성 (Soil Productivity, SP), 토양안정성 (Soil Stability, SS), 생물다양성 (Bio-diversity, Bd), 그리고토양안전성 (Soil safety, Sa) 으로설정하였으며, 해당평가인자별지표를분석하고처리하여토양건강성지수 (Soil Health Index, SHI) 를산출

5 연구개발결과 토양건강성평가기법의현장적용 - 토양건강성평가기법의적합성을판단하기위한현장실증연구수행 - 오염토, 정화토, 그리고개량토를포함한논과밭부지를조성하고벼, 들깨, 콩, 배추를정식하여작물의생장율과생산성을평가 - 논의경우정화토에서가장높은생장율과수확율을보였으며, 오염토와개량토에서는유의한차이가없는것으로나타남 - 밭의경우도정화토에서가장높은생장율과수확율을보였으나, 개량토에서는모든작물이고사하는현상이발생 - 현장실증토양을이용한토양건강성평가기법을적용한결과, 밭개량토에서토양생산성의경계수치 ( 전기전도도 ) 를초과하는수치가발생하여토양건강성지수를산출할수없는토양인것으로확인 정화토의토양건강성평가기법을활용한복원기준설정기법 ( 안 ) 제시 - 중금속오염정화토 (2공구: H 2 SO 4 /H 3 PO 4 토양세척기법, 3공구 : NaOH-Na 2 CO 3 alkali reduction) 를대상으로토성개량, 전기전도도저감, 비료시비등의개량기법을적용하였으며, 각개량기법에따른작물의생장율을평가 - 평가결과, 2공구와 3공구정화토모두작물이생장하기에적합하지않는것으로나타났으며, 토성개량, 전기전도도저감, 비료시비등의모든개량기법을적용하는것이작물생장에긍정적인영향을주는것으로나타남. - 실제로동일토양을이용하여토양건강성평가기법을적용한결과토양건강성지수의경향성이실제실험결과와부합하였으며, 개량을통한복원을위한기준이될수있을것으로판단되었음 공정 제품사진및도면 < 국내형토양건강성평가 (KRISMAS) 의체계 >

6 성능사양및기술개발수준 활용계획 토양기능의대표평가인자 4개선정 ( 토양생산성, 토양안정성, 생물다양성, 토양안전성 ) 토양질을평가하기위한 66종의물리적지표, 87종의화학적지표, 232종의생물학적지표를포함한데이터베이스구축및각평가인자평가를위한 20종의지표선정 지표특성을반영한표준배점체계제안및가중치결정방안제시 관련연구를다수수행중인국외연구사례대비 80% 이상의질적향상 국내적합한지역특이적토양건강성평가기법마련 중금속오염정화토대상의토양건강성평가기법및복원기준제안 토양건강성평가기반의정화토복원을위한제도기반마련 특허 출원 ( 국내 ) 6 건등록 ( 국내 ) 건 출원 ( 국외 ) 건등록 ( 국외 ) 건 논문 SCI 급 12 건일반 3 건 주요성과 인증신기술인증건신기술검증건 매출국내매출원해외수출원 정책활용제안건채택건 기타 전문인력양성 : 박사급 2 인, 석사급 1 인 색인어 ( 각 5개이상 ) ( 한글 ) 토양건강성, 지표우선순위선정, 바이오리포터, 정화토, 복원기준 ( 영문 ) soil health, indicator ranking and scoring(irs), bioreporter, remediated soil, revitalization goal

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8 요약문 연구개발결과의보안등급 보안등급분류 보안과제 일반과제 결정사유 보안과제인경우필히전문위원과협의한후결정사유에대해전문위원이내용작성 평가의착안점및기준 구분 세부내용 평가의착안점및기준 1.1 국내 외토양건강성평가기법조사 및지표우선순위선정 (Indicator Ranking 기법조사의타당성및비교분석, 국내적용성검토 and Scoring; IRS) 기법을이용한토양건 학술논문 강성평가인자 / 알고리즘도출 1 차년도 1.2 토양오염물질별민감종및유전자발굴 1.3. 정화토재사용을위한국내 외복원방법및기준안조사 2.1 국내토양환경에적합한토양건강성평가기법 ( 안 ) 개발 2차년도 2.2 토양건강성평가기법현장적용 3 차년도 2.3 중금속오염정화부지대상복원기준적용성평가 3.1 토양건강성평가기법의조율 3.2 중금속정화토양의최적개량기법제안 3.2 중금속오염정화토이용및복원기준제시 토양건강성평가를위한생물학적지표개발및가능성평가 바이오리포터개발 학술대회발표, 학술논문 복원기준설정기법 ( 안 ) 기반연구 토양건강성평가기법 ( 안 ) 제안 현장정화토분석및최적지표선정 토양건강성평가기법현장적용성평가 시범평가 학술대회발표, 학술논문 지표평가결과에따른평가인자적용성평가및공공활용성확인 학술대회발표, 학술논문 현장토양을이용한토양건강성평가 기법체계조율및수정 학술논문 중금속정화토양의최적개량기법제안 토양건강성과연계한복원평가 학술논문 토양건강성평가기법의단계적프로세스제안및적합복원수준제시 복원기준 ( 안 ) 제시

9 Ⅰ. 연구과제명 주관과제명 : 물리, 화학적공정을이용한중금속오염정화토의토양건강성평가기술개발 ( 위탁 ) 과제명 : 토양건강성평가를위한지역특이적토양조사인자및복원기준마련 Ⅱ. 연구개발의목적및필요성 연구개발의목적 - 토양오염에대한민감종 / 유전자발굴, 바이오리포터개발, 지표우선순위선정을통해토양건강성평가기법을개발하고, 이를중금속오염정화부지에적용하여현장적용성을평가하여국내정화토복원기준제시를위한과학적근거를마련함. 연구개발의필요성 - 토양건강성평가기술개발의필요성 : 토양은매우복잡한시스템이고다양한인자들이상호연관성을가지고있어, 토양이본연의기능 ( 작물생산, 서식처, 완충지역등 ) 을원활하게수행할수있는지진단하기위해서는토양건강성을나타내는지표 (indicator) 와평가인자 (assessment factor) 을분석할수있는방안이필요 - 중금속등에오염된토양을정화하기위해서는토양기능을파괴할수있는물리적, 화학적처리가수행되며, 이를개량하여재사용하기위해서는오염물질뿐아니라토양기능의복원정도를평가하는것이필요 - 국외에서는토양질평가 (soil quality assessment) 개념의다양한연구가수행되고있으나국내에서는매우제한적인수준이므로, 국내토양특성에적합한토양건강성평가기술을위한기반을마련할필요성이있음 Ⅲ. 연구개발의내용및범위 토양건강성평가기술개발을위한기반구축및기법제안 - 국내외토양건강성평가기법조사및지표우선순위선정 (Indicator Ranking and Scoring; IRS) 기법을이용한토양건강성평가인자 / 알고리즘개발

10 - 토양오염물질별민감종및유전자발굴 : 평가지표및세포기반바이오리포터개발 - 정화토재사용을위한국내외복원방법및기준안조사 토양건강성평가기법의현장적용 - 국내토양환경에적합한토양건강성평가기법 ( 안 ) 개발 - 토양건강성평가기법의현장적용-기반연구를위한온실연구및장항제련소주변지역정화부지현장실증연구 - 중금속오염정화부지토양건강성평가인자분석 정화토의토양질건강성평가기법을활용한복원기준설정기법 ( 안 ) 제시 - 토양건강성평가기법의조율 : 제어가능한현장토양을이용한적용성평가및기법수정 - 중금속정화토양의최적개량기법제안 - 중금속오염정화토이용및복원기준 ( 안 ) 을마련 Ⅳ. 연구개발결과 토양건강성평가기술개발을위한기반구축및기법제안 - 본연구에서는중금속오염정화토의건강성을평가하기위하여, 국내형토양건강성평가기법인 KRISMAS (KoRean soil-health assessment and MAnagement System) 을제안 - 토양건강성평가체계는총 7 단계로분류되며, 1) 토양건강성평가인자별지표분류, 2) 지표분석, 3) 지표배점, 4) 지표순위및가중치결정, 5) 평가인자별토양건강성지수 (Soil Health Index, SHI) 산출, 6) 경계수치적용, 그리고 7) 최종토양건강성지수 (Final SHI) 산출을포함 - 토양의기능을평가하기위한평가인자는토양생산성 (Soil Productivity, SP), 토양안정성 (Soil Stability, SS), 생물다양성 (Bio-diversity, Bd), 그리고토양안전성 (Soil safety, Sa) 으로설정하였으며, 해당평가인자별지표를분석하고처리하여토양건강성지수 (Soil Health Index, SHI) 를산출

11 토양오염물질별민감종및유전자발굴 : 평가지표및세포기반바이오리포터개발 - 유전자데이터베이스검색을통해대장균 (E. coil DH5α) 에존재하는금속유도유전자 (metal inducible gene) 를개체에삽입하여중금속정량 whole-cell 바이오리포터 (bio-reporter) 를개발. - 바이오리포터는대상중금속에적합한민감도를보였으며, 중금속오염토및정화토에적용한결과정화토에서의생물이용가능한중금속농도의비율이정화전과유사하거나더높은수준인것으로확인함. 토양건강성평가기법의현장적용 - 토양건강성평가기법의적합성을판단하기위한현장실증연구수행 - 오염토, 정화토, 그리고개량토를포함한논과밭부지를조성하고벼, 들깨, 콩, 배추를정식하여작물의생장율과생산성을평가 - 논의경우정화토에서가장높은생장율과수확율을보였으며, 오염토와개량토에서는유의한차이가없는것으로나타남 - 밭의경우도정화토에서가장높은생장율과수확율을보였으나, 개량토에서는모든작물이고사하는현상이발생 - 현장실증토양을이용한토양건강성평가기법을적용한결과, 밭개량토에서토양생산성의경계수치 ( 전기전도도 ) 를초과하는수치가발생하여토양건강성지수를산출할수없는토양인것으로확인 정화토의토양질건강성평가기법을활용한복원기준설정기법 ( 안 ) 제시 - 중금속오염정화토 (2공구: H 2 SO 4 /H 3 PO 4 토양세척기법, 3공구 : NaOH-Na 2 CO 3 alkali reduction) 를대상으로토성개량, 전기전도도저감, 비료시비등의개량기법을적용하였으며, 각개량기법에따른작물의생장율을평가 - 평가결과, 2공구와 3공구정화토모두작물이생장하기에적합하지않는것으로나타났으며, 토성개량, 전기전도도저감, 비료시비등의모든개량기법을적용하는것이작물생장에긍정적인영향을주는것으로나타남. - 실제로동일토양을이용하여토양건강성평가기법을적용한결과토양건강성지수의경향성이실제실험결과와부합하였으며, 개량을통한복원을위한기준이될수있을것일판단되었음

12 Ⅴ. 연구개발결과의활용계획 ( 기대효과 ) 국내적합한지역특이적토양건강성평가기법마련 지표우선순위선정기법을이용한정량적토양건강성평가기법마련 토양건강성평가를위한분자지표및세포기반바이오리포터 (bioreporter) 개발 중금속오염정화토대상의토양건강성평가기법및복원기준제안 토양건강성평가기반의정화토복원을위한제도기반마련

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14 SUMMARY ( 영문요약문 ) Ⅰ. Title Total Project Name : Development of soil health assessment technology for heavy metal contaminated soil after physicochemical treatments Commissioned Research Project : Determination of site-specific soil investigation factor for soil-health assessment Ⅱ. The Objective & Necessity of the Research The objective of the research - Develop soil-health assessment system through discovering of sensitive species and genes, and development of bioreporter and IRS (Indicator Ranking and Scoring). - Suggest scientific evidences for establishing Korean domestic remediated soil restoration criteria based on field application of soil-health assessment system on heavy metal remediation sites. Research needs - Necessity of developing ecological soil health assessment system : To examine soil functioning (crop production, habitat and buffer area), measurements of soil-health indicators and assessment factors are essential due to the interrelationship of various indicators and factors. - Physical and chemical processes are needed to remediate heavy metal contaminated soil. Evaluation of restore state is necessary to reuse the remediated soil with soil amendment. - In Korea, various concepts of researches on soil health assessment were vdry limited, therefore, it is necessary to establish domestic soil-health assessment.

15 Ⅲ. Contents and Scope Proposal of method and establishment for development of soil-health assessment system. - Survey of soil-health assessment methods and development of soil-health assessment indicator and algorism using IRS - Discovery of sensitive species and genes by pollutants : development of bioreporter and indicators - Survey of soil restoration methods and criteria for soil reuse Field application of soil-health assessment system - Development of suitable soil health assessment method for Korean domestic soil environment protection - Field application of soil health assessment method Conducting pilot scale study (in greenhouse) and field scale study in neighbouring area of Jang Hang smelting factory - Analyses of soil-health assessment indicators of remediated soil Method to establish restoration criteria based on soil quality assessment - Tuning of soil-health assessment method: Applicability of evaluation and modification of method using manageable field soil - Propose the optimum soil amendment for heavy metal remediated soil - Propose the soil reuse and restoration criteria for heavy metal remediated soil Ⅳ. Results Suggestion of foundation and technique for development of soil health assessment technology - This research suggests KRISMAS (KoRean soil-health assessment and MAnagement System) to evaluate the soil health for heavy metal remediated soil.

16 - Soil health assessment system is classified to seven stages: 1) classify index per soil health assessment factor, 2) analysis of the index, 3) scoring index, 4) decision of weighting and ranking for index, 5) calculate soil health index (SHI) per assessment factor, 6) application of critical value, 7) calculate final SHI. - Assessment factors to evaluate soil function are classified to four groups: Soil Productivity (SP), Soil Stability (SS), Biodiversity (Bd), and Safety (Sa). SHI are calculated through processing and analysis of assessment factors. Field application of soil health assessment system - This study conducted field studies to confirm the suitable soil health assessment technique. - Farm and paddy site were constructed including contaminated sites (F/P-C), remediated sites (F/P-R) and amended sites (F/P-A). Growth rate and productivity for rice, cabbage, perilla and soybean in each sites were evaluated. - In paddy study, the most highest productivity and growth rate were observed in remediated sites (PR), however, all crops were withered in amended sites (PA). - Similar results were observed in farm study. - For the results of application of soil health assessment techniques on field study, SHI of F-A were not calculable because critical values of conductivity for soil productivity was not suitable. Suggestion of restoration criteria technique to apply the tools for soil quality assessment of remediated soil - Techniques of amendment including soil improvement, reduction of conductivity, adding fertilizers, etc. were applied for heavy metal contaminated soil (2 OU: H 2 SO 4 /H 3 PO 4 soil washing process, 3 OU: NaOH-Na 2 CO 3 alkali reduction), and growth rates of crop were evaluated for each amendment techniques. - 2 OU and 3 OU were not suitable for crop growth, and application of all

17 the techniques (soil improvement, reduction of conductivity, adding fertilizers) gave positive effects on growth of crops. - As results of soil health assessment technique on same soil, tendency of SHI was matched the results of this study, and it seems be suitable for restoration criteria through soil amendment. Ⅴ. Application Plan of Research Outcome Provide domestic site-specific soil health assessment technique Provide quantitative soil health assessment technique using index selection Develop molecular indicators and cellular-based bio-reporter for soil health assessment Suggest soil restoration criteria and soil health assessment technology for heavy metal remediated soil Suggest foundations for restoration of remediated soil based on soil health assessment

18 < 목차 > 1. 연구개발과제의개요 연구개발목적 연구개발의필요성 연구개발범위 6 2. 국내외기술개발현황 7 3. 연구수행내용및결과 연구개발의내용 ( 범위 ) 및최종목표 연구개발결과및토의 연구개발결과요약 목표달성도및관련분야기여도 ( 환경적성과포함 ) 목표달성도 관련분야기여도 연구결과의활용계획등 연구과정에서수집한해외과학기술정보 연구개발결과의보안등급 NTIS 에등록한연구시설 장비현황 연구개발과제수행에따른연구실등의안전조치이행실적 연구개발과제의대표적연구실적 기타사항 참고문헌 275

19 1. 연구개발과제의개요 1-1. 연구개발목적 본연구는토양오염에대한민감종 / 유전자발굴, 바이오리포터개발, 지표우선순위선정을통해토양건강성평가기법을개발하고, 이를중금속오염정화부지에적용하여현장적용성을평가하여국내정화토복원기준제시를위한과학적근거를마련함을목적으로한다 연구개발의필요성 가. 토양건강성평가가술개발의필요성 토양생태계 (soil ecosystem) 는매우복잡한시스템이며, 물리적, 화학적, 그리고생물학적성질들이긴밀하게상호작용하여생물다양성, 서식지안정화, 토양생산력, 작물재배능, 생물학적분해능, 미생물활성등다양한토양기능 (soil function) 을유지시키고있다. 토양생태건강성 (soil ecosystem health) 은토양생태계가제대로작동하기위해그기능을수행하기위한토양의능력으로정의할수있으며, 복잡한시스템인토양의건강성을평가하기위해서는광범위하고다양한지표들 (indicators) 을이용해야할것이다. 토양건강성을평가한다는것은생태계를진맥하는과정으로볼수있는데, 사람의경우종합검진을통하여혈액, 혈압, 임상병리학적지표등을통해건강성을평가하는것과같은것이다. 따라서생태계도물리적, 화학적, 생물학적토양성질또는프로세스등과같은다양한생태지표를이용하여만정확하고신뢰성있게건강성을평가할수있을것이다. 따라서토양건강성을평가하기위해서는우선적으로토양건강성을나타내는지표 (indicators) 및토양기능과연계된평가인자 (assessment factors) 를파악하는것이중요한다. 미국, 캐나다, 영국등의환경선진국에서는토양건강성을평가하기위하여토양의기능별지표를설정하고지역특성을반영하여일정기준에따라배점화를하는평가기법을활용하고있다 ( 예. 미국 Soil Management Assessment Framework/Land capability classification, 캐나다 Land Suitability Rating System, 호주 National soil quality monitoring program). 각지표는물리 화학적, 생물학적지표로구분되며, 관리목표, 기후, 작물, 그리고토양의특성에따라각각적용될수있다. 또한, 국가별로구분기준이다르긴하나토양의기능성과물리 화학적, 생물학적지표간의연관성기반으로한평가기법개발연구를진행하고있다. 토양생태건강성은토양의기능과밀접한연관이있으므로국내에서도토양건강성평가시토양기능과각지표간상호연관성을고려한평가기술개발이요구된다. 국내의생태건강성연구는수생태계를대상으로다각적으로수행된바있으나, 일부지표생물개발과위해성평가관련연구를제외하고는토양생태계를대상으로한건강성평가연구는국내에서매우부족한실정인것으로조사되었다. 위에서고찰한바와같이, 외국에서는이미토양건강성관련연구가상당부분진행 - 1 -

20 되어있는반면, 국내토양에대한건강성평가연구는매우미흡하여, 우리나라에토양환경에적합한토양생태건강성평가기법의개발이시급히요구된다. 토양기능과 연관성영국사례 Soil function Ecological services Examples of related soil biota Food and Fibre Production Environmental Interactions C cycling Decomposition of organic matter N cycling P cycling S cycling N fixation Primary (microbial) activity Soil food web transfers Disease & pest transmission/suppression Nutrient supply from symbioses Redistribution by bioturbation Bio-aggregation of soil Degradation/immobilisation of pollutants C retention/release N retention/release P retention/release Tolerance/Resistance(toxins) S retention/release Redistribution by bioturbation Bio-aggregation of soil microbial biomass, methanogens microarthopods, saprotrophic fungi nitrifiers, denitrifiers phosphatase, mycorrhiza sulphur-reducing bacteria rhizobia microbial community structure and activity microbial community & foodweb structure predators, pathogens mycorrhiza, N-fixers earthworms, ants fungi, worms fungi, worms microbialbiomass, methanogens nitrifiers, denitrifiers microbial activity, mycorrhiza soil community structure and activity sulphur-reducing bacteria earthworms, ants fungi, worms Supporting ecological habitats and biodiversity Habitat for rare soil species Germination zone for plants Nutrient supply from symbioses Foodsource (aboveground) Reservoir for soil biodiversity (taxonomic) Reservoir for soil biodiversity (genetic) Reservoir for soil biodiversity (functional) wax cap fungi, Southern Wood Ant plantroots, mycorrhiza mycorrhiza fungi, insects soil species and diversity community DNA and RNA nitrifiers, trophic structure, worms 출처 : 영국사례 (DEFRA, 2005; Ritz et al., 2009) - 2 -

21 나. 토양건강성평가를위한분자생물학적지표개발의필요성 토양으로유입되는다양한오염물질의모니터링은, 막대한노동시간이요구되며오염물질의다양성에의한문제들을해결하는것에많은어려움이있었다. 지금까지수많은분석기술이개발되었으나, 지속적인환경오염문제는여전히해결하기쉽지않은과제이다. 게다가전통적화학분석을통해오염물질을규명하는것은환경생태계전반에적용하는데제한적이며, 오염물질이생물에미치는영향이나타나지않을경우오염여부를평가하는데많은어려움이있다. 오염물질을평가할수있는생물학적요소중하나인 bio-indicator에는미생물군집, 특정지표생물, 그리고더나아가지표유전자등이포함될수있다. 이는주로생물종의오염물질에대한방어기작 (defense mechanism), 해독과정 (detoxification processes) 등에서나타나는생물학적반응을분석함으로서생태계에미치는오염물질의영향을평가하는것이다. 현재까지주로개발되어사용되는토양오염평가를위한생물학적접근방법은 1) 토양내 total DNA 분석을통한토양미생물의다양성및분포분석, 2) 지표생물에서의특정단백질, 또는 RNA 변화를측정, 3) 토양오염으로인해유발되는지표생물의세포막에존재하는지질 (lipid, phospholipids) 변화측정, 그리고 4) 오염물질로인해유발되는특정유전자를도입한세포기반바이오리포터 (whole cell bioreporter) 의개발등이있다. 토양미생물군집의다양성및구조분석은 1989년해외한연구그룹에서토양환경오염평가를위해적용하였으며지금까지도토양오염평가를위해많이사용되고있다. 이방법은토양미생물의지표분자 (DNA, RNA, and phospholipid) 를분자생물학적분석도구를이용하여분석하여, 건강한토양분석결과와의비교를통해오염평가를하는것이다. 토양내전반적미생물군집에대한정보를얻을수있는장점이있으나, 토양내존재하는미생물종및토양특성의다양성으로인해정량적평가에대한한계를가지고있다. 곰팡이, 지렁이, 식물등의지표생물종을이용한토양오염평가방법역시널리사용되고있으며많은연구자들이지표생물종을 bioindicator로사용하고있다. 특정생물종을대상으로하기때문에오염평가에중요하게사용되고있으나, 토양환경에따라존재하는지표생물종이다양하기때문에적용범위의제한성이있다. 생물학적토양오염평가기술의단점을보완하기위한분자생물학적방법을이용한연구가많이진행되고있으나, 토양오염정화토에대한건강성평가에대한연구는많이부족한상황이다. 따라서기존의평가기술의한계를극복할수있는새로운기술개발에대한필요성이요구되고있다. 분자생물학적방법은오염물질별선택적으로반응하는방어기전또는오염물질유도단백질등을분석하여효율적인토양건강성평가의지표가될수있다. 또한미량오염물질검출및토양오염조기진단을할수있기때문에그중요성이더욱부각되고있으며, 바이오리포터를적용함으로써적용범위한계라는문제를극복할수있다고사료된다

22 다. 물리 화학적공정을이용한중금속오염정화토재사용을위한복원기준필요성 우리나라는제련소, 폐광산등과같이중금속으로오염된지역들이상당부분존재하며, 중금속오염토는생물학적복원방법이용이하지않기때문에물리화학적인공정을이용하여복원하고있다. 국내중금속오염지역에사용되는복원방법의대부분은토양세척 (soil washing), 동전기정화기술 (electrokinetic remediation), 고형안정화 (solidification or stabilization) 기법을사용하고있다. 토양세척공정중 EDTA와같은킬레이트시약 (chelating agents) 을이용한토양세척은수용성 metal-edata 복합체를형성하여오염토양으로부터효과적으로중금속을제거할수있다. 그러나 EDTA 세척용액은토양에원래존재하는 oxides, carbonates, 유기물을녹이고, 토양의물리적구조와화학적성질을눈에띄게변화시킨다. 또한정화토 (remediated soil) 에는 metal-edta 복합체잔류물로인해중금속의생물이용성 (bioavailability) 이여전히존재한다 (Jelusic, 2013). 동전기를사용한정화방법은미세토를함유한중금속토양에유리한것으로알려져있으나이방법또한토양의양이온및음이온의탈착및이동을야기하는공정이므로정화이후토양의원래기능이감소될가능성이매우높다. 따라서정화토를농경지, 공원등다른용도로재이용하기위하여, 손실된구조, 영양물질, 미생물등을제공하여정화토를재활성화 (revitalization) 시키는과정은필수적이라할수있으며, 이는개량제 (amendment or conditioner) 를이용하여달성될수있다. 토양개량제란작물에직접적으로비료로쓰이기보다는토양의물리화학적성질을개선하고자사용하는물질또는불량토를개량할수있는재료를말한다. 또한토양의입단구조를개선시킬목적으로사용하는물질들은토양구조개선제, 불량토를개량할수있는재료는토성개량제라한다. 이러한토양개량제는무기개량제와유기개량제로구분할수있다. 무기개량제는질소, 인산, 알칼리등무기성분이함유되어있어서척박지토양의개량에이용되는물질또는자재가포함되고, 유기개량제에는녹비, 어분, 퇴비등이있으며, 토양의함수율, 공극율, 밀도, 유기물함량개선을위해사용된다 ( 농촌진흥청, 국내에서토양개량제는농지토량개량을위해주로사용되고, 산림과관련한묘포지개량 ( 산림청, 2006) 과석탄폐광지의생태적복원 ( 환경부, 2010) 을위해토양개량제개발연구가진행된바있다. 국내에서주로상용되고있는토양개량제는규산, 석회, 제올라이트, 이탄, 피트모스, 발효톱밥, 왕겨숯, 목탄, 퇴비, 요소등이있다. 산성토양에는석회, 유효규산함량이낮은토양에는규산이사용되고, 제올라이트는토양의양이온치환능 (CEC) 등의향상을위해사용된다. 양분보존능력향상및유기물공급을위해서는이탄또는피트모스가사용되고있다. 현재우리나라환경부 토양환경보전법 시행령에서는토양개량제사용에의한농토배양사업을오염토양개선사업으로정하고있으나, 개량토에대한복원기준은없고, 환경부보다농림축산식품부에서농경지와관련하여 농지법 에따라토양개량에대해관리하고있다. 농지법 에서는중금속등으로오염된농지의토양개량사업이시행될수있으며이때농림축산식품부장관이정하는퇴비또는토양개량제를사용하도록되어있으나, 토양개량제사용량이나기준등제도적장치가부재한실정이다. 국내뿐만아니라해외에도오염토양을대상으로토양 - 4 -

23 개량제사용량등개량토관련기준이정립되어있는곳은캐나다만확인되었으며이또한정량적기준이제시되어있지는않다. 국내외모두주로농토관련해서토양개량제선택및사용에대한개략적가이드라인만마련되어있는것으로나타났다. 그러나정화토를이용목적에적합하게재이용하기위해서는정화토및개량토의물리, 화학적, 생물학적성질및토양기능의변화를평가하여복원기준을제시해야만할것이다. 따라서본연구에서는토양기능을복원하기위해중금속정화토양개량을위한적정토양개량제를제시하고, 토양개량제를사용한복원토 ( 즉정화토 + 개량제 ) 에대하여이용용도별토양기능회복평가를위한복원기준 ( 안 ) 을마련하고자한다. 라. 정화토건강성평가및복원기준설정의중요성및필요성 오염토의정화이후에는지속적인모니터링을통한오염물질의확인의중요성도크지만, 토양기능과생태영향을포괄하는과학적인접근을통해복원여부를확인하는것이필요하다. 이를위해서는관리목적과복원기준을명확히해야하며, 국외선진국에서는이를위하여다양한평가방법을통한오염지역관리를수행하고있다 ( 예. 캐나다 National classification system, 미국 ). 국내에서 2009년 정화우선순위제도적용및토양환경보전법개선에관한연구 와 2011 년 토양정화체계개선방안연구보고서 이수행되었으나, 검증평가와체계구축을위한위해성, 혹은건강성평가의필요성인지수준에불과한것으로확인되었다. 정화가필요한오염지역의정화전 후의복원기준설정은매우중요하며, 정화토의재사용과관리를위한건강성평가도오염토양정화 관리에서반드시고려해야할사항이다

24 1-3. 연구개발범위 토양건강성평가에사용되는지표 (indicators) DB 구축 국내 외토양건강성평가기법조사및지표우선순위선정 (Indicator Ranking and Scoring; IRS) 기법을이용한토양건강성평가인자 / 알고리즘개발 1 차년도 기개발된토양생태위해성평가기법과연계 토양건강성평가관련민감종 / 민감 bioassay 발굴 대표종특이유전자발굴 / 바이오리포터개발 토양건강성평가위한중금속오염정화토특성조사및분석방법정립 국내외토양기능복원방법및재이용기준안조사 토양건강성평가기술개발을위한기반구축및평가기법 ( 안 ) 개발 토양건강성평가기법의현장적용 - 기반연구를위한온실연구및장항제련소주변지역정화부지현장실증연구 2 차년도 장항제련소주변오염정화토특성분석 중금속오염정화부지대상토양건강성평가인자분석 토양건강성평가기법의현장적용성확인 토양건강성평가기법의조율 3 차년도 제어가능한현장토양을이용한적용성평가및최적평가기법확립 중금속정화토양최적개량기법제안 정화토의토양질건강성평가기법을활용한복원기준설정기법 ( 안 ) 제시 - 6 -

25 2. 국내외기술개발현황 2-1. 국외기술개발현황 가. 미국 미국은농무성 (United states Department of Agriculture, USDA) 의 Natural Resources Conservation Service (NRCS) 를통해서 Soil Management Assessment Framework (SMAF) 를토양질을평가하기위한도구로제안한바있다. 토양의질적평가는관리목표, 기후, 작물, 토양의특성에따라달라지므로, 다양한인자를적용하여프레임워크방식으로접근하도록하였다. SMAF는지표결정 (indicator selection), 지표해석 (interpreting indicators), 그리고지표점수결합 (combining indicator scores) 의 3단계로구분된다. Karlen and Stott (1994) 의토양지표해석 (soil indicator interpretation) 개념을활용하여비선형배점함수를통해배점화하는과정을거치며, 최종적으로는각지표에서산출된점수의합산 (additive) 수치를통하여토양건강성인자를평가하게된다. 또한, 미국은 Land Capability Classification (LCC) 을정부와농민들이잠재적인토양유실을예측하고농업에가용한토양능을결정하기위한도구로써활용하고있다. LCC 는 National Soil Survey Handbook (NSSH) 에서상세하게다루고있으며, 토양의질을 class와 sub-class로구분하게된다. 토양의깊이, 기후, 토성 (texture), 염도 (salinity), 독성물질 (toxic substance) 등의물리, 화학적, 그리고기후적영향등을고려하여기준에따라토양을분류한다. 일차적으로오랜기간을두고경작을하거나초원을형성할경우토양이악화되지않을수있는지를기초에두게된다. LCC의분류기준은다음표와같다. 미국의 Arable lands Non-arable lands Class I Class II Class III Class IV Class V Class VI Class VII - 몇가지제한사항이있는주요농경지 - 중간정도의제한점이있는토양 - 작물재배조건감소및 ( 혹은 ) 적절한보호수준이실행되어야하는토양 - 제한점이다수포함된토양 - 작물재배조건감소및 ( 혹은 ) 적절한보호수준이실행되어야하는토양 - 제한점이다수포함된토양 - 작물선택의신중및 ( 혹은 ) 보호수준이실행되어야하는토양 - 주요한물리적제한점이있는토양 - 농경에부적합한다수의제한점이있는토양 - 농경에부적합한다수의제한점이있는토양 ( 방목지및산림에적합한토양 ) 출처 : USDA, NSSH Part. 622 Class VIII - 생산이금지될수준의제한점이있는토양 ( 레크레이션용도 ) - 7 -

26 나. 캐나다 캐나다는 1963년 Agricultural and Rural Development Act (ARDA) 를통하여 Canada Land Inventory (CLI) 를설립하였다 (ARDA, 1965). 여기서제안된 Soil Capability for Agriculture (SCA) 는전반적으로미국의 LCC 접근과유사성을보이며, 이는농업잠재력과식량생산을위한토지의적합성을평가하는것에주된목적을두고있다. 1986년 "Expert committee on soil survey" 와 Resource Research Centre에서 Agronomic Interpretations Working Group 를통하여 SCA의문제점을제기하였고, 1995년 Agriculture and Agri-Food Canada (AAFC) 에서 Land Suitability Rating System (LSRS) 를새로이제안하였다. LSRS의기본적인체계는 SCA와유사하지만 Spring-seeded small grains 로특성화되었으며, 토양의건강성은총 7 class로분류된다. 점수가낮을수록농작물재배등의토지이용에부적합한것으로평가된다. Class는다시 sub-class로분류되며, 기후 (climate), 토양 (soil), 경관 (landscape) 등의제한점위주의평가가이루어진다. LSRS의기본적인체계는다음과같다. Step 1 : Assign components to categories Step 2 : Summarize the special WaterBody category Step 3 : Summarize the normal categories Step 4 : Determine the class number Step 5 : Aggregate the subclass values <Land suitability Rating system (LSRS)> Step 6 : Drop the less important subclasses Step 7 : Create category codes Step 8 : Create a composite code 출처 : AAFC (1995) Land suitability Rating System for agricultural crops (Spring-seeded small strains) - 8 -

27 다. 호주 호주는 National soil quality monitoring program 을통하여토양건강성을평가하기위하여토양의생물적, 화학적, 그리고물리적지표들을이용한다. 측정한데이터들을웹페이지 ( 를통하여공유할수있는시스템을구축하였으며, 각지표별로기준을정하여해당유역및지역내에서건강성을비교평가할수있도록한다. 5개의주 (Western Australia, Tasmania, South Australia, Queensland, New South Wales) 마다공통적으로, 혹은개별적으로적용되는생물적, 화학적, 물리적지표들이존재하며다양한지표들을이용한토양건강성평가를수행하여토양에대한이해와파악이가능하도록하였다. 각주 (state) 별토양건강성평가지표는다음과같다. Biological Chemical Physical 출처 : 호주의토양건강성평가지표 State Indicator Western Australia Tasmania South Australia Queensland New South Wales Total Organic Carbon O O O O O Carbon Stock O O O O O Labile Carbon O Microbial Biomass Carbon O O O O O Soil Nitrogen Supply O O O - O Organic Carbon (Walkley-Black) O Microbial Activity O Disease O O O O O Nematodes O O O O O Cation Exchange Capacity O O O - O Total Nitrogen O O - - O Nitrogen Stock O O O O O ph (Water) - O O O O ph (CaCl 2 ) O O Electrical Conductivity (ECe) O O O O O Phosphorus O - O - O Boron O Mineral Nitrogen O Colwell Potassium O Water Repellency O - O - O Bulk Density O O O O O Gravel Content O O O - O Clay Content O O O O O - 9 -

28 라. 뉴질랜드 뉴질랜드에서는토양의건강성을평가하기위하여 Crown Research Institutes (CRIs) 에서 SINDI(Soil quality INDIcators) 웹페이지를운영하고있으며, 토양건강성을평가하는지표들과함께토양샘플의지표별분포도를알수있는서비스를제공하고있다. SINDI에서는토양은단일개념이아니라물리적구조, 화학적생산력, 영양저장, 유기물자원, 그리고생물학적인주기등복합적인측면들을포함한다는개념을통하여토양의건강성을평가하기위해 7가지지표 (olsen phosphorus, ph, anaerobically mineralisable nitrogen, total carbon, total nitrogen, bulk density, macroporosity) 를제안하고있다. SINDI에서제안하는지표들은뉴질랜드의토양특성을고려하여결정되었으며, 다변량통계기법 (multivariate statistical technique) 인 Principal Component Analysis (PCA) 를이용하여지표들을 4 가지그룹으로분류하도록제안하였다. 다양한토지이용과분류 ( 토양목 ) 에따른토양의속성에대한반응곡선을바탕으로지표를해석하는것으로확인되었다. 마. 영국 영국에서는 2003년토양질지표개발및모니터링계획수립을목표로환경식품농무부 (Department for Environment, Food and Rural Affairs, DEFRA) 가주도하는범정부적 A cross-government working group 을조직하여 UK Soil Indicators Consortium을운행하고있으며, 토양의기능적측면에초점을맞춰연구를진행중이다 (DEFRA, 2009). 또한 First soil action plan for England: (DEFRA, 2007) 에따라토양질을평가할수있는지표개발을달성목표에포함시켰다. 영국 Environment Agency에서도 2002년영국환경청 (Environmental Agency, EA) 이주도하는 Identification and development of a set of national indicators for soil quality (EA, 2002) 연구를시작으로영국에토양질보호및향상을위한자료들이부족하여효과적인정책마련이어려운현재의상황에대한문제를인식하고, 토양질을평가할수있는인자 (Soil Quality Indicators, SQIs) 를마련하기위한연구를수행하여 2006 년 "The development and use of soil quality indicators for assessing the role of soil in environmental interactions (EA, 2006)" 를보고하였다. EA (2002) 에서는토양의기능에중점을두고있으며, 토양의기능은구분하여이를평가할수있는총 67개의가능성있는지표들 (potential indicators) 을제안하였다. 또한토양의기능을평가할수있는총 67개의잠재적지표들 (potential indicators) 중토양의환경과의상호작용 (environmental interaction) 과연관있는것은제한적이며, 이중생물학적으로연관있는인자는 5가지로제시하고있다 (EA, 2006)

29 영국에서제안하는잠재적인토양질평가인자중환경상호작용과연관된지표 Function Environmental interaction 출처 : EA (2006) Chemical Biological Physical Other Classification soil organic carbon top soil ph cation exchange capacity (CEC) to 1 m depth anion adsorption capacity in topsoil base saturation; concentration of potential pollutant elements/organic micropollutants SOC; microbial biomass carbon/soc soil biomass Biolog score DNA-based microbial diversity index and enzyme assays integrated air capacity to 1 m depth number of locations with erosion features Soil organic carbon top soil surface condition aggregate stability soil bulk density top soil plastic limit to a depth of 1 m time to ponding water dispersible clay catchment hydrograph surface water turbidity biological status of rivers with and without sewage treatment works number of eutrophication incidents per year 2-2. 국내기술개발현황 토양건강성평가기술에대한연구는국내에서는일부지표생물개발과위해성평가관련연구를제외하고는매우부족한실정인것으로조사되었고, 건강성과관련된생태위해성연구는일부수행되고있으나그경우도선진국 100% 대비국내기술수준 50% 에해당하며, 건강성관련한기술개발은 10-20% 정도인것으로추정된다. 우리나라는토양매체에대한건강성평가기술연구는수행된바가없지만, 수생태계를대상으로한건강성평가기술은많은연구가수행되었으며기술개발이안정화단계에이른다 년환경부에서 수생태계건강성조사및평가 ( 환경부, ) 연구를진행하고또한환경부의 물환경정보시스템 ( 에서수계별조사지점의건강성평가결과를공개하고있다. 국내수생태계건강성평가는미국환경청 (US EPA) 과유럽환경청 (EEA) 의기법을기반으로국내실정에맞게수정 / 보완한방법을이용하며, 생물통합지수를산출후평가하여등급을산정하는방식을적용하여종다양성, 풍부도및서식환경의건강성을종합적으로평가한다. 이때생물통합지수는부착조류를이용한영양염지수 (TDI), 저서성대형무척추동물을이용한한국청정생물지수 (KPI) 및어류를이용한건강성지수 (IBI) 를산술평균하여산출하고, 각생물지수의등급범위및생물통합지수의등급값과환경상태의기준은아래와같다

30 No. 연도기관제목구분 ~ 환경부 물환경정보시스템 ( web site 환경부 수생태계건강성조사및평가 (V) Report 환경부 수생태계건강성조사및평가 (Ⅳ) Report 환경부 하구수생태계건강성조사및평가 (Ⅳ) Report 국립환경과학원 하천수변식생건강성평가체계연구 (Ⅰ) Report 환경부 수생태계건강성조사및평가 (Ⅲ) Report 환경부 하구수생태계건강성조사및평가 (Ⅲ) Report 환경부 수생태계건강성조사및평가 (Ⅱ) Report 환경부 하구의체계적관리를위한하구수생태건강성조사및평가연구 (Ⅱ) Report 환경부 수생태계건강성조사및평가 (Ⅰ) Report 환경부 환경부 국내수생태게건강성평가연구동향 하구의체계적관리를위한하구수생태건강성조사및평가연구 (Ⅰ) 수생태계건강성조사및평가체계구축을위한조사구간선정등현장정밀조사 Report Report 최근환경부에서는 토양정화체계개선방안연구 (2012) 를통하여준설, 퇴적토의재활용기준을위하여단순한화학적평가이외에지역의인체 / 생태위해도, 타매체영향등을종합하여활용여부를결정할필요성이있음을언급한바있다. 하지만아직까지정책적으로활용되기위한기반연구는충분하지않은것으로확인되었다. 오염토양정화와생태건강성평가관련국내연구과제는국가과학기술지식정보서비스 (NTIS) 와정책연구정보서비스 (PRISM) 을통해서조사되었다. 토양정화에관련된내용은환경부에서수행된오염토양정화방법가이드라인을포함하고있으며, 최근연구과제들에서생태안전성및위해도관련정화관리에대한연구들이일부진행된것으로확인되었다. 수행연도 연구과제명연구수행기관지원기관비고 친환경학적기술적용에의한정화토양의생태안전성개선연구 마이크로파처리에따른오염토양의특성변화및처리토양의생태복원 2013 위해도에기반한사격장오염부지의평가및관리기술개발 2012 토양정화체계개선방안연구보고서 2009 < 토양건강성지표및토양정화에대한국내연구과제현황 > 정화우선순위제도적용및토양환경보전법개선에관한연구 전북대학교 육군사관학교 서울대학교 한국환경정책평가연구원 CH2M HILL 한국지사 교육부 ( 한국연구재단 ) 교육부 ( 한국연구재단 ) 한국환경산업기술원 환경부 환경부 토양정화 토양정화 토양정화 토양정화 토양정화

31 수행연도 연구과제명 연구수행기관 지원기관 비고 2007 오염토양정화방법가이드라인 환경관리공단 환경부 토양정화 2005 광주지역하수슬러지를이용한자연정화용기능성토양개량제개발전남대학교환경기술개발센터 토양정화 토양개량제및수처리기능 / 환경정화용기능성세라믹개발 오염토양의환경친화적정화수준결정기법연구 토양정화검증방법및검증수수료산정기준연구 지표식물이용방사선피해의분자세포학적모니터링및복원씨스템구축 토양자원의수요처별맞춤형토양질개선기술개발및선순환적활용시스템구축 위해성평가에근거한화약류오염토양환경기준제안 국내실정에적합한유류및중금속오염토양의독성및위해성평가기술개발 폐광산주변생태계오염에의한영향평가 - 통합환경급성독성평가법에근거 지표생물을이용한토양오염복원지역의사후모니터링기술개발 지표생물을이용한토양오염복원지역의사후모니터링기술개발 시스템독성학과기능유전체학기법을이용한 Caenorhabditis elegans 에서의독성지표개발연구 ( 주 ) 인스나인삼화세라믹 서울대학교 산업자원부 ( 한국산업기술평가원 ) 과학기술부 ( 한국과학재단 ) 토양정화 토양정화 환경관리공단환경부토양정화 충남대학교 오이코스 경원대학교 경북대학교 영남대학교 한경대학교 한경대학교 서울시립대학교 미래창조과학부 ( 한국연구재단 ) 한국환경산업기술원환경부 ( 한국환경산업기술원 ) 환경부 ( 한국환경산업기술원 ) 교육부 ( 한국연구재단 ) 한국환경산업기술원환경부 ( 한국환경산업기술원 ) 교육과학기술부 ( 한국연구재단 ) 2008 토양오염위해성평가제도발전방안마련연구건국대학교환경부 2008 개체군수준영향평가를위한토양위해성다중분자생물학적지표모형개발 고려대학교 2007 우선관리대상토양오염물질선정연구군산대학교 유해중금속안티몬의개체 세포 분자수준의통합형토양독성평가 토양오염기준과연계한위해성평가실무지침작성연구 Caenorhabditis elegans 를이용한환경모니터링용토양바이오센서개발 건국대학교 건국대학교 서울시립대학교 교육과학기술부 ( 한국학술진흥재단 ) 환경부 ( 국립환경과학원 ) 교육인적자원부 ( 한국학술진흥재단 ) 환경부 교육인적자원부 ( 한국학술진흥재단 ) 토양지표 토양지표 토양지표 토양지표 토양지표 토양지표 토양지표 토양지표 토양지표 ( 연구제안자 ) 토양지표 토양지표 ( 연구제안자 ) 토양지표 ( 연구제안자 ) 토양지표 ( 연구제안자 ) 토양지표

32 수행연도 연구과제명연구수행기관지원기관비고 국내재배 사육종민감도분포에근거한한국형생태위해성평가체제확립 가솔린첨가제 MTBE 가토양내에서부산물 TBA 형성시토양독성변화연구 토양오염물질의물리토양오염물질의 2003 물리 화학적특성과이동성에따른환경영향평가방안 2003 토지용도별토양오염기준및복원기준마련을위한연구 2003 토양오염위해성평가마련을위한연구용역-위해성에근거한토양복원전략모색 2001 토양의질지표연구 2001 토양의환경기준인산지표설정연구 1998 토양특성및보전지표연구 건국대학교 건국대학교 한국환경정책 평가연구원 한국환경정책 평가연구원 교육인적자원부 ( 한국학술진흥재단 ) 교육인적자원부 ( 한국학술진흥재단 ) 한국환경정책 평가연구원 환경부 토양지표 ( 연구제안자 ) 토양지표 ( 연구제안자 ) 토양지표 토양지표 광운대학교환경부토양정화 농업과학기술원농업과학기술원농업과학기술원 농진청 농진청 농진청 토양지표 토양지표 토양지표 토양정화전후를기준으로토양건강성및위해성을평가하여토양정화에대한검증기준혹은평가방안을제시한국내학술연구현황은다음과같다. < 오염토양정화전후의토양건강성및위해성평가에대한국내학술연구현황 > 논문제목 ( 저자 ) 학회지 ( 연도 ) 발표기관평가항목 ( 종말점 ) 오염토양정화공법이토양의생물학적특성에미치는영향 ( 이등 ) 전과정평가 (LCA) 에의한토양오염정화공정의환경영향분석및 CO2 배출량산정 - SVE 및 Biopile 시스템중심으로 TNT 오염토양의생물학적처리에대한 Vibrio Fischeri 독성평가 토양정화방법에따른토양의물리화학적특성변화 전기동력적토양정화공정에서 ph 분포변화의모사 토양개량제처리에따른정화토양의특성변화 지하수토양환경학회지 18(3):73-81 (2013) 대한환경공학회지 33(4): (2011) 한국유화학회 30(2): (2013) 지하수토양환경 17(4):36-43 (2012) 대한환경공학회지 19(8): (1997) 한국토양비료학회춘계학술발표회논문초록집 PC-17 (2013) 부경대학교 군산대학교 강원대학교한국환경공단건국대학교 부경대학교 생물학적 ( 미생물활성, 효소활성, 식물발아및생장, 지렁이생체량 ) LCA (Life cycle assessment) Vivrio Fischeri ( 형광미생물 ) 독성평가물리적특성변화 ( 토성, 색상, WHC) 화학적특성변화 (EC, CEC, ph, IL, TN, P2O5) 정화전 / 후 전 / 후 후 후 전 / 후 토양개량여부 명지대학교 ph 전 / 후 X 전북대학교 ph, 치환성마그네슘, 토성, 치환성칼륨, 토양유기물, 유효인산, 치환성칼륨, CEC, 전기전도도, 후 X X X X O

33 3. 연구수행내용및결과 3-1. 연구개발의내용 ( 범위 ) 및최종목표 가. 연구개발의최종목표 토양오염에대한민감종 / 유전자발굴, 바이오리포터개발, 지표우선순위선정을통해토양건강성평가기법을개발하고, 이를중금속오염정화부지에적용하여현장적용성을평가하여국내정화토복원기준제시를위한과학적근거를마련함

34 나. 연도별연구개발의목표및내용 구분연구개발의목표연구개발의내용비고 1 차년도 (2014) 2 차년도 (2015) 3 차년도 (2016) 1. 토양건강성평가기술개발을위한기반구축및기법제안 2. 토양건강성평가기법의현장적용 3. 정화토의토양질건강성평가기법을활용한복원기준설정기법 ( 안 ) 제시 1.1 국내 외토양건강성평가기법조사및지표우선순위선정 (Indicator Ranking and Scoring; IRS) 기법을이용한토양건강성평가인자 / 알고리즘개발 (1) 국내 외토양건강성평가기법현황파악 (2) 토양건강성평가에사용되는지표 (indicators) DB 구축 (3) 토양건강성평가인자 ( 예. 작물재배능, 서식지안정화, 위해성 ) 및알고리즘도출 (4) 기개발된토양생태위해성평가기법 ( 본연구팀개발 ) 의연계 1.2 토양오염물질별민감종및유전자발굴 (1) 토양건강성평가관련생물종 /bioassay 기법 DB 구축및민감종 / 민감 bioassay 발굴 (2) 유전자 DB 구축및분자지표 / 세포기반바이오리포터 (whole cell bioreporter) 개발 1.3. 정화토재사용을위한국내외복원방법및기준안조사 (1) 토양건강성평가를위한중금속오염정화토특성조사및분석방법정립 (2) 국내외토양기능복원방법및재이용기준안조사 2.1 국내토양환경에적합한토양건강성평가기법 ( 안 ) 개발 (1) IRS 알고리즘기반토양건강성평가인자적용성평가 (2) 개발된토양오염물질별민감종및유전자활용토양건강성평가인자연계적용 (3) 공공활용을위한이용편의적방법적용 2.2 토양건강성평가기법현장적용 (1) 토양건강성평가기법의현장적용 - 온실연구및장항제련소주변지역정화부지현장실증연구 (2) 지역특이적토양조사인자분석 : 작물재배능평가, metal-oral bioaccessbility 측정 (3) 분자지표및세포기반바이오리포터현장적용성평가 2.3 중금속오염정화부지토양건강성평가인자분석 (1) 장항제련소주변오염정화토특성분석 (2) 장항제련소주변오염정화토토양건강성평가인자분석 3.1 토양건강성평가기법의조율 (1) 제어가능한현장토양을이용한적용성평가및기법수정 (2) 최적평가기법으로확립 3.2 중금속정화토양의최적개량기법제안 (1) 중금속정화토양의기능복원기법제안 (3) 토양건강성평가기법을이용한기능복원확인 3.3 중금속오염정화토이용및복원기준 ( 안 ) 마련 (1) 최종주요토양건강성평가인자의조사방법정립 (2) 중금속오염정화도이용및복원기준 ( 안 ) 제시 주관 주관 위탁 주관 + 위탁 주관 + 위탁 위탁 주관 주관 + 위탁 주관 + 위탁

35 3-2. 연구개발결과및토의 가. 토양건강성평가기술개발을위한기반구축및기법제안 (1) 국내외토양건강성평가기법조사및지표우선순위선정기법을이용한토양건강성평가인자 / 알고리즘개발 ( 가 ) 국내외토양건강성평가기법조사및기반연구 토양건강성 (soil health) 과토양기능 (soil function) 의정의토양건강성 (soil health) 은토양생태계가제대로작동하기위해그기능을수행하기위한토양의능력으로정의할수있다 (Asensio et al., 2013). 토양기능간의상호연관성은매우깊으며, 토양건강성, 혹은토양질을평가하기위하여각국의주요기관에서발표한문서에서고려하는토양기능도조금씩차이를보이는것으로나타났다. 미국의 USDA에서는토양기능을영양분순환 (nutrient cycling), 수분관계 (water relations), 생물다양성 / 서식처 (biodiversity and habitat), 여과및완충 (filtering and buffering), 그리고물리적안정성 (physical stability) 으로분류하고있다. 캐나다에서는자국의농경지토질의보호를위하여 Land Suitability Rating System (LSRS) 을제안하고있으며, 이는토양의농경지로써의기능에중점을둔것으로보인다. 이밖에영국의경우는식량 / 섬유생산능 (food and fibre production), 환경연계성 (environmental interaction), 그리고생물다양성및서식처의제공능 (supporting habitats and biodiversity) 으로분류하며, 네덜란드의경우는생물다양성 (biodiversity) 에초점을맞추어토양생물의활성과토양기능의연관성에주목하고있다. 국외연구기관에서정의하는토양기능 기관 USDA (USA) AAFC (Canada) EC UK Scottish 토양기능 Nutrient cycling Water relations Biodiversity and habitat Filtering and buffering Physical stability and support Mechanized agriculture Serves as a medium for plant/food/fibre growth Acts as a biodiversity and gene pool Serves as an environmental buffer or filter Platform for human activities and landscape An archive of heritage Food and fibre production Environmental interaction Supporting habitats and biodiversity Controlling and regulating water flow and quality Preserving cultural and archaeological heritage

36 기관 Netherlands 토양기능 Providing the basis for food, forestry and other biomass production Providing valued habitats & sustaining biodiversity Storing carbon and maintaining the balance of gases in the air Biodiversity 토양기능에따른지표의분류토양건강성을평가하기위해서는다양한토양특성지표들이활용되는것으로확인되었으며, 이는각국가간의차이를보이는것으로나타났다. 미국의경우는토양의기능을영양염순환 (nutrient cycling), 수분관계 (water relations), 생물다양성과서식처 (biodiversity and habitat), 여과및완충 (filtering and buffering), 그리고물리적안정성및공급원 (physical stability and support) 으로분류하고있으며, 토양질지표 (soil quality indicator) 를통해서측정할것을권고하고있다. 영양염순환은토양내영양분의저장, 배출과순환이원활이됨에따라식물의영양분이용성증가와토양내영양분이타매체로유출되는것을막는기능을말한다. 토양의영양분순환은비옥정도 (fertility), 유기물함량 (organic matter), 토양반응성 (soil reaction), 그리고탄소순환 (carbon cycle) 등으로평가될수있다. 토양의수분관계는토양의물리적안정성 (physical stability) 와수분활용능 (water availability), 염도 (salinity and sodicity) 등을평가한다. 생물다양성과서식처평가를위해서는생물학적활성 (biological activity) 와생물학적다양성을평가하며, 여과및완충기능을평가하기위해서는독성 (toxicity), 유기물 (organic matter), 토양반응성 (soil reaction), 염도 (salinity and sodicity), 그리고생물학적활성과다양성 (biological activity and diversity) 을평가한다. 마지막으로설정된토양의기능중하나인물리적안정성및공급원을평가하기위해서는토양안정성, 토양구조 (soil structure), 그리고유기물등을분석하는것으로확인되었다. 이와같은각토양기능에따라평가되어야하는지표들은각각연관되는세부지표를포함하고있었으며, 각지표의특성에맞게분류되어있다. 미국의토양기능별지표및세부지표 토양기능지표세부지표 Mineral nitrogen Potentially mineralizable nitrogen Fertility Soil nitrate Soil test phosphorus, potassium, sulfur, calcium, magnesium, boron, and zinc C:N ratio Decomposition Nutrient Cycling Microbial biomass carbon Particulate organic matter Organic matter Soil enzymes Soil organic matter Total organic carbon Total organic matter Soil reaction Soil ph Carbon cycle Carbon dioxide Aggregate stability Water Relations Physical Stability Erosion patterns Slaking

37 토양기능 지표 세부지표 Soil loss, and soil depth Available water capacity Hydraulic conductivity Infiltration Water Availability Ponding patterns Soil moisture Water filled pore space Water holding capacity Salinity and Sodicity Electrical conductivity Exchangeable sodium percentage Sodium, and sodium absorption ratio Biodiversity and Habitat Filtering and Buffering Physical Stability and Support Biological Activity Biological Diversity Active fungi Earthworms Microbial biomass Potentially mineralizable nitrogen, respiration Soil enzymes Bacteria Macro and microarthropods Nematodes Plants Toxicity Arsenic, copper, pesticides, and zinc C:N ratio Decomposition Microbial biomass carbon Organic Matter Particulate organic matter Soil enzymes Soil organic matter Total organic carbon Total organic matter Soil Reaction Soil ph Salinity and Electrical conductivity Sodicity Exchangeable sodium percentage Sodium, and sodium absorption ratio Biological Activity and Diversity Soil Stability, Aggregate Size and Stability Soil Structure Active fungi, earthworms, microbial biomass Potentially mineralizable nitrogen, respiration Soil enzymes, bacteria Macro and microarthropods Nematodes Plants. Erosion patterns Soil depth Soil loss Mean weight diameter of water stable aggregates Aggregate stability, and soil slaking Bulk density Penetration resistance Porosity or root growth patter Organic Matter Soil organic matter or total organic carbon 영국의경우는토양의기능을음식과섬유생성 (food and fibre production), 환경연계성 (environmental interaction), 생태학적서식처와생물다양성 (support of ecological habitat and biodiversity) 로분류하고있다. 음식과섬유생성은식물과동물을위해토양의안정적인상태를유지하는것을말하며, 영양분과수분공급, 질병조절, 그리고뿌리안정성등의기능을유지하는것을의미한다. 환경연계성은토양의저장, 이동, 그리고통제기능을원활하게유지할수있는지를평가할수있는항목이며, 생태학적서식처와생물다양성의경우는서식처및생

38 물다양성을복원및유지할수있는토양의기능을말한다. 영국에서는이러한 3가지토양기능에초점을맞추어해당되는 ecological services 를구분하고, 이에연관되는토양생물상 (soil biota) 을분류하여평가하는작업을실시하고있다. 영국의토양기능별생물학적특성및대상생물상의분류 기능생태학적기능 (Ecological service) 토양생물상과연계예시 Food and Fibre Production Environmental Interactions Supporting ecological habitats and biodiversity C cycling Decomposition of organic matter N cycling P cycling S cycling N fixation Primary(microbial) activity Soil food web transfers Disease&pest transmission/suppression Nutrient supply from symbioses Redistribution by bioturbation Bio-aggregation of soil Degradation/immobilisation of pollutants C retention/release N retention/release P retention/release Tolerance/Resistance(toxins) Sretention/release Redistribution by bioturbation Bio-aggregation of soil Habitat for rare soil species Germination zone for plants Nutrient supply from symbioses Food source (above ground) Reservoir for soil biodiversity (taxonomic) Reservoir for soil biodiversity (genetic) Reservoir for soil biodiversity (functional) microbial biomass, methanogens microarthopods, saprotrophic fungi nitrifiers, denitrifiers phosphatase, mycorrhiza sulphur-reducing bacteria rhizobia microbial community structure and activity microbial community & food web structure predators, pathogens mycorrhiza, N-fixers earthworms, ants fungi, worms fungi, worms microbial biomass, methanogens nitrifiers, denitrifiers microbial activity, mycorrhiza soil community structure and activity sulphur-reducing bacteria earthworms, ants fungi, worms wax cap fungi, Southern Wood Ant plant roots, mycorrhiza mycorrhiza fungi, insects soil species and diversity community DNA and RNA nitrifiers, trophic structure, worms

39 본연구에서는국내형토양건강성평가기법에활용되는지표를선별, 혹은개발하기위하여, 국내 외보고서및연구논문등에서제안된지표를수집하여데이터베이스를구축하였다. 토양건강성지표데이터베이스는물리적, 화학적, 그리고생물학적지표로분류되며, 각기존연구에서제안된모든지표를통합하였다. 각국가별로제안하고있는물리학적지표의개수는약 66개이며, 영국, 스코틀랜드, 미국, 그리고호주에서각각 9개, 21개, 26개, 10개의지표를권고하고있는것으로확인되었다. 이는각국가별로토양의질을평가하는기법과토양기능정의에따라조금씩차이를보이는것으로나타났으나, 전반적으로토양고유의특성, 수분관계성, 그리고영양분순환등에연관성을보이는지표로확인되었다. 각국가별로제안하고있는화학적지표의개수는약 87개이며, 영국, 스코틀랜드, 미국, 캐나다, 그리고호주에서각각 6개, 21개, 22개, 20개, 그리고 18개의지표를제안하고있었다. 생물학적지표는약 232개이며, 영국, 스코틀랜드, 네덜란드, 미국, 그리고호주에서각각 125개, 39개, 25개, 26개, 그리고 17개의지표를제안하고있었다. 국가별로고려하고있는토양건강성평가관련물리학적지표 국가 ( 개수 ) 물리학적지표 (66) 영국 1),2) (9) Integrated air capacity to 1 m depth, Number of locations with erosion features, Soil organic carbon, Top soil surface condition, Aggregate stability, Soil bulk density, Topsoil plastic limit to a depth of 1 m, Time to ponding, Water dispersible clay 스코틀랜드 3) (21) Least limiting water range, Soil moisture at 1m depth, Subsoil permeability, Water content of soil, Water retention characteristics of soil, Water-table depth and variability, Bulk density, Depth of soil/topsoil/rooting, Porosity, Soil texture, Temperature, Visual evidence of eluviation (EH layer), Changes to the structure of the upper horizons of soil, Atterberg limits, Erosion and sediment distribution, Estimated soil loss, Packing density, Particle density, Surface crust, Top-soil aggregate stability, Visual soil structure, 미국 4),5) (26) Aggregate stability, Available water capacity, Bulk density, Infiltration, Respiration, Slaking, Soil crusts, Soil structure and Macropores, Aggregate stability, Aggregate size distribution, Bulk density, Porosity, Penetration resistance, Water-filled pore space, Profile depth, Crust formation and strength, Infiltration, Topsoil thickness and color, Compaction or ease of tillage, Ponding (infiltration), Rill and gully erosion, Surface residue cover, Desertification, Loss of vegetative cover, Wind and water erosion, Siltation of revers and lakes 호주 5),6) (10) Silt, Clay, Bulk density, Soil structure, Porosity, Infiltration, Soil depth and rooting, Soil/plant available water and distribution, Soil protective cover, Gravel content 1) Ritz et al. (2009), 2) EA (2006), 3) SEPA (2010), 4) USDA NSSH Part 622, 5) Pattison et al. (2008), 6)

40 국가별로고려하고있는토양건강성평가관련화학적지표 국가 ( 개수 ) 화학적지표 (87) 영국 1),2) (6) Soil organic carbon, Top soil ph, Cation exchange capacity (CEC) to 1 m depth, Anion adsorption capacity in topsoil, Base saturation, Concentration of potential pollutant elements/organic micropollutants 스코틀랜드 3) (21) Available Ni, Available Zn, Available Cu, Base cation (Ca+Mg+K)/Al, Cation exchange capacity, Electrical conductivity, Base saturation, Soil ph, Soil redox, Available P, Olsen P, Exchangeable S, Changes to the structure of the upper horizons of soil, Atterberg limits, Erosion and sediment distribution, Estimated soil loss, Packing density, Particle density, Surface crust, Top-soil aggregate stability, Visual soil structure 미국 4),5) (22) Reactive carbon, Soil electrical conductivity, Soil nitrate, Soil ph, ph, Organic C and N, Extractable macronutrients, Electrical conductivity, Micronutrient concentrations, Heavy metals, CEC and cation ratios, Cesium-137 distribution, Xenobiotic loadings, Soil organic matter changes, Nutrient loading or mining, Heavy metal accumulation, Changes in salinity, Leaching or runoff losses, Acidification, Salinization, Water quality changes, Air quality changes (dust and chemical transport) 캐나다 5) (20) Temperature (H), Moisture (A), Water holding capacity/texture (M), Soil structure (D), Organic matter (F), Depth of topsoil (E), Soil reaction (V), Salinity (N), Sodicity (Y), Organic surface (0), Drainage (W), Organic soil temperature (Z), Rock (R), Degree of Decomposition or Fibre Content (B), Depth and Substrate (G), Slope (T), Landscape Pattern (K), Stoniness and Coarse Fragments (P), Wood content (J), Inundation (I) 호주 6),7) (18) Total C, Labile C, ph, EC, Total N, Colwell P, ECEC, Plant available N, P, K, Cation Exchange Capacity, Nitrogen Stock, ph (Water), ph (CaCl 2 ), Electrical Conductivity (ECe), Phosphorus, Boron, Mineral Nitrogen, Colwell Potassium, Water Repellency 1) Ritz et al. (2009), 2) EA (2006), 3) SEPA (2010), 4) USDA NSSH Part 622, 5) AAFC (1995), 6) Pattison et al. (2008), 7)

41 국가별로고려하고있는토양건강성평가관련생물학적지표 국가 ( 개수 ) 영국 1),2) (125) 생물학적지표 (232) % GC profiling, Acetylene inhibition of CH4 oxidation, Adenylateenergycharge (AEC), AM fungi (onion assay), AM fungi NLFA, Amidase, Aminopeptidase, Ammonium oxidising assay, Ammonium-Nhydrolysis, Anoxic incubation for CH4 production, Antibody probes, Ants - in situ visual recording, Archaea-PLEL, ARDRA/RAPD/RISA, Arylsulphatase, ATP Automated direct obs. biomass microsp., Bacterial biovolume by microscopy, Bacterial DNA synthesis 3H-thymidine, Bacterial protein synthesis 14C-leucine, Bait lamina, Bait sticks, Biolog CLPP, Biosensor bacteria/fungi/algae, Catabolic potential selection assays - xenobiotics, Cellulase, CFU-bact/fung ARDRA/RAPD/DGGE etc, CFU - bacteria, CFU - bacteria + Biolog/API Identification, CFU - fungi, Chitinase, Chloroform fumigation, Chlorophyll a content, acetone extraction procedure (algae), Cyanobacterial counts (MPN) Cytochrome (p450), Dehydrogenase, DGGE/TGGE/SSCP, DNA - re/dis-association kinetics, DNA-DNAhybridisation, Earthworms, Enchytraeids ( O'Connor wet extraction), Ergosterol, FISH - keystone species, Fluorescein diacetate hydrolysis (FDA), Functional gene arrays, Fungal growth 14C-Acetate, Fungal hyphal length/biovolume by microscopy, Fungilog CLPP, Galactosidase, Glomalin (AM fungi), Glucosamine (fungal), Glucosidase, Glucuronidase, Hexane fumigation extraction, In situ multiple trace gas (Ecoprobe 5), In-situ flow through trace gas fluxes, In-situ static trace gas fluxes, Invertase, Invertebrates Pitfall traps, ISO Barley germination test, ISO Barley root elongation assay, ISO springtail reproduction test, ISO/OECD earthworm reproduction test, Litter bags, Long-term C mineralisation, Metabolic quotient (qco2), Methane emission - headspace analysis, Methane uptake - headspace analysis, Microarthropods Tullgren dry extraction, Microbial quotient (Cmicro/Corg), Microcalorimetry, Microplate fluorometric assay - multi-enzyme, Microtox, MPN from selective growth media, Multiple substrate induced respiration (MSIR) conductimetric, Multiple substrate induced respiration (MSIR) GC, Multiple substrate induced respiration (MSIR) IRGA, Multiple substrate induced respiration (MSIR) MicroResp, Muramic acid (bacterial), N fixers direct isolation, N min anaerobic incubation method, N-acetyl-beta-glucosaminidase (Nag), Nematode Anhydrobiotic extraction procedure, Nematode Baermann extraction procedure, Nematodes, Neutral red retention (worm), N-fixation 15N dilution, Nitrate reductase, Nitrite reductase, On site visual recording - fauna, P32 Root uptake bioassay, Phenol oxidase, Phosphatase, Phosphomonoesterase, Phylogenetic analysis, Phylogentic gene arrays, Plant Root Nodule count, Plant seed bank - counts, Plant seed bank - germination, aque assay, PLFA profiles, Protease, Protozoan direct counts from soil extracts + microscopy, Protozoan MPN, qpcr, Radiorespirometry specific substrates, Respiration, Rhizobium MPN, SCAR/WAVE Amplicon analysis, SIR-GLUC, Soilproteomics, Stress proteins - a/body detection, Sulphoesterase, Total ds DNA, Total PLFA, Total RNA, TRFLP, TVC Bacterial (microscopy), TVC Fungal (microscopy), Urease, Xylosidase, SOC, Microbial biomass carbon/soc, Soil biomass, Biolog score, DNA-based microbial diversity index and enzyme assays 스코틀랜드 3) (39) Pinus sylvestris roots (biomass, density), Fungal/bacteria biomass ratios (Microscopic determination), Plant seed bank, Roots - size frequency & depth, Ammonia oxidisers/denitrifiers (DNA based methods), Rhizobium (Most probable number (MPN)), Rhizobium spp., Total N, Archaea, Bacterial counts (CFU), Bacterial community structure (DNA based methods), Bacterial to fungal ratio, Cyanobacterial counts (MPN), Genetic profiling of keystone species, Microbial community size, Protozoan, Decomposition from litter bags or bait sticks, Methanogens/ methanotrophs (DNA based methods), Ants, Collembola, Earthworm content, Earthworm reproduction, Enchytraeids, Ground-dwelling invertebrates (e.g. spiders and beetles), Microarthropod community structure, Nematodes, On site visual recording fauna, Springtail reproduction, Actinomycetes (DNA based methods), AM fungi (DNA based methods), AM fungi colonisation, AM Fungi infectivity bioassay, Fungal species fruiting bodies, Ectomycorrhizal fungi, Fungal community structure (DNA based methods), Fungal hyphal length/biovolume by microscopy, Fungal species (DNA based ITS), Fungi (CFU), Saprotrophic fungi 네덜란드 4) (25) Bacterial biomass, Bacterial activity, Bacterial diversity, Potential C mineralization, Potential N mineralization, Functional diversity, Functional activity, Fungal biomass, Nematode density, Nematode diversity, Potworm density, Potworm diversity, Earthworm density, Earthworm diversity, Microarthropod density, Microarthropod diversity, Stability using allometric (M,N) regression, Total biodiversity, Percentage grassland (%), Livestock density, ph, Organic matter, Water-soluble P (Pw), Extractable P (PAl), Lutum 미국 5) (26) Earthworms, Particulate organic matter, Potentially Mineralizable Nitrogen, Soil Enzymes, Soil Respiration, Total Organic Carbon, Bicrobial biomass, Potential N mineralization, Particulate organic matter, Respiration, Earthworms, Microbial communities, Soil Enzymes, Fatty acid profiles, Mycorrhiza populations, Crop yield, Weed infestations, Disease pressure, Nutrient deficiencies, Growth characteristics, Productivity (yield stability), Species richness, diversity, Keystone species and ecosystem engineers, Biomass, density and abundance 호주 6),7) (17) Nematode community analysis (Light fraction or Macro-organic matter, Mineralisable C and N), Soil total C and N, Soil respiration, Microbial biomass C and N, Microbial quotients, Microbial diversity, Other microbiological indicators, enzyme activity, Total Organic Carbon, Carbon Stock, Labile Carbon, Microbial Biomass Carbon, Soil Nitrogen Supply, Organic Carbon(Walkley-Black), Microbial Activity, Disease, Nematodes 1) Ritz et al. (2009), 2) EA (2006), 3) SEPA (2010), 4) RIVM (2008), 5) USDA NSSH Part 622, 6) Pattison et al. (2008), 7)

42 토양건강성분석을위한최적지표선정기법토양은고유의특성및생태계를유지하기위하여다양한기능을내포하고있으며, 이를평가하기위해다양한지표가존재하는것으로알려져있다. 따라서특정토양내지표중대표성을가지는지표를선별하는것은매우중요한단계가될수있다. 미국농무성 (USDA) 의 SMAF는토양기능에따라지표를분류하고, 이중주요지표를결정하여배점하고최종적으로토양질지수 (soil quality index, SQI) 를결정하는것을목표로한다. 주요지표를설정하는단계는최소자료군 (minimum data set, MDS) 을기반으로이루어지며, 조금더영향력있고효율적인토양기능의모니터링을위하여지표를선정하는방안을제시하고있다. 통계학적분석방법, 혹은전문가의견을수렴하여 MDS를선정하며, 각조건에서의최적지표를결정하는기법의초기단계가된다. 주요인분석 (Principal Component Analysis, PCA) 는원하는변수 (variable) 를예측하기위한특정주성분 (Principal Components, PC) 이결정하는기법이다. 이는다차원변수의변량을주성분이라는적은수의변수로축소하는기법으로, 정보의유실을최소화하며상호간연관성을가지는변수들사이의구조를단순화하는것을목적으로한다. 기존연구들에서는이러한 PCA 기법을이용하여다양한토양건강성지표중주성분을분류, 최적지표를선정한바가있다 (Andrews and Carroll, 2001; Andrews et al., 2002; Liu et al., 2014; Mandal et al., 2008; Rezaei et al., 2006). PCA는예상되는모든변수를포함한원변수의특징을보전할수있으며, 변수들에대한 1차함수로정의되는독립성을유지하여주성분을결정하는기법이다. 주성분은원변수벡터 (vetor, X) 의선형결합이라고정의할수있으며, 주성분벡터 (Y) 는원변수벡터와고유벡터 (eigenvector, L) 의곱으로정의된다. 주성분벡터원변수벡터고유벡터 원변수의주성분은분산-공분산행렬 (covariance matrix, ) 와상관계수행렬 (correlation matrix, R) 등에의해생성될수있으며, 원변수의개수만큼주성분변수가존재할수있다. 분산-공분산행렬은여러개의변수를동시에고려할때, 각변수의분산과변수사이의공분산을요소로구성된행렬이다. 예를들어, p개에대한분산-공분산행렬을생성할경우에는중심대각선행렬값은분산, 이외에는대각선대칭행렬로공분산으로표현될수있다

43 분산-공분산행렬의고유치 (eigenvalues, λ) 를산출할수있으며, 이는주성분변수의분산이라고정의된다. p차의정사각행렬 A가있을경우, 고유벡터 x를포함한 λ에관련된식은다음과같을수있다. 분산-공분산행렬을통해계산된고유치 (eigenvalues, λ) 와각각에상응하는고유벡터를도출하여주성분변수의계수로활용할수있다. 이는 각고유벡터의합과고유치와고유벡터의곱은같다 라는식을만족하며, 고유벡터는무수히많이존재하게된다. 또한각고유벡터는상호수직관계에있다. A: P 차의정사각행렬 x: 고유벡터 λ: 고유치 Andrews and Carroll (2001) 은토양질지표에대한 MDS를결정하기위하여, 각대상지역에서의지표분석을실시한바있다. 각지표결과를비모수통계기법 (nonparametric statistics) 을이용하여유의한처리차이 (significant treatment difference, p < 0.05) 를통하여 1 차적으로지표를선정하였다. 이후통계적으로유의한변수에대하여 PCA을적용하였다. 높은고유치, 5% 변량 (variation), 그리고 85% 누적변량 (cumulative variation) 을가지는주성분 (PC) 을선정하였으며, 이중고유벡터가가장높은항목의 10% 이내의수치를가지는항목들을선정하였다. 각지표의중복성을차단하기위하여높은수치의변량 ( 고유벡터 ) 를가지는항목들에대하여상관계수 (correlation coefficients) 를산출하였으며, 각항목별상관계수의합이가장낮은지표를최종적으로 MDS로결정하였다. Andrews et al. (2002) 은전문가의견수렴 (expert opinion) 과통계적기법을통한 MDS 선택을시도하여비교분석한바있다. 통계적기법의경우는, 각지표결과를 Kruscall Wallis χ2 을이용하여각지표의유의한처리차이 (significant treatment difference) 를통하여 1차적인지표를선정하였다. 이후통계적으로유의한변수에대하여 PCA을적용하였다. 높은고유치 (1 이상 ) 와 5% 변량 (variation) 을가지는주성분 (PC) 을선정하였으며, 이중고유벡터가가장높은항목의 10% 이내의수치를가지는항목들을선정하거나, 4 이상의수치를가지는항목을선택하였다. 각지표의중복성을차단하기위하여높은수치의변량 ( 고유벡터 ) 를가지는항목들에대하여상관계수 (correlation coefficients) 를산출하였으며, 각항목별상관계수의합이가장낮은지표를최종적으로 MDS로결정하였다. Liu et al. (2014) 과 Mandal et al. (2014) 은전반적으로 Andrews et al. (2001) 과비슷한형태의기법을활용하고있었으나, Liu et al. (2014) 는 Turkey s test를활용하여각지표의유의한처리차이를결정하였다. 이후활용가능한 PC의결정은고유치가 1 이상인경우만선택하였으며, 이후상관계수를이용한최종 MDS 분석은기존연구와유사한기준을적용하였다. Rezaei et al. (2014) 의경우는상관계수를이용하여 1차적인지표를분류하였으며, 이후 PCA 기법의적용, PC의선정, 지표의가중 (weighting) 의결정은기존 Andrews et al. (2001) 를따르고있었다

44 First step for MDS Second step for MDS (Indicator weight) Third step for MDS (When more than one factor was retained) Process Andrews and Carroll (2001) Nonparametric statistics Significant differences between treatments Expert opinion Andrews et al. (2002) Liu et al. (2014) Mandal et al. (2008) Rezaei et al. (2006) Method Kruscall Wallis χ2 Turkey s test Nonparametric statistics Significant Significant Significant Data differences differences differences between treatments between treatments between treatments Standard p < p < 0.05 p < 0.05 < 0.5 Correlation coefficients Correlation coefficients Method PCA PCA PCA PCA PCA Data (from first step) Standard Data Standard Method Data Standard Eigenvalues of PC Variation Cumulative variation High (eigenvalues) 5% (variation) < 85% (cumulative variation) Eigenvectors of each PC within 10% of highest weighted loading Correlation coefficients PC variables Correlation sums > 0.7 (for elimination) Lowest sum PCA: Principal components analysis, PC: Principal components <MDS 를결정하기위한 PCA 의활용에관련된기존연구 Eigenvalues of PC Variability High, >1 (Eigenvalues) 5% (variability) Eigenvectors of each PC within 10% of highest weighted loading or 4.0 Correlation coefficients PC variables Correlation sums > 0.7 (for elimination) Lowest sum Eigenvalues of PC Eigenvalues of PC Eigenvalues of PC > 1 > 1 > 1 Eigenvectors of each PC within 10% of highest weighted loading Correlation coefficients PC variables Correlation sums > 0.7 (for elimination) Lowest sum Eigenvectors of each PC within 10% of highest weighted loading Correlation coefficients Eigenvectors of each PC within 10% of highest weighted loading Correlation sums - Lowest sum

45 토양건강성지표의배점체계 : 표준배점체계 (Standard Scoring Function, SSF) 물리, 화학, 생물학적지표는 MDS에의해가장연관성이높은지표들로분류되고, 이들지표는토양질지수를산출하기위해배점화된다. 하지만, 측정되는각지표의단위는상이할수있다. 예를들어, 생물학적지표인지렁이다양성평가의경우는 per unit area 로계산되는반면, 화학적지표인 ph는단위가없고, 물리학적지표중하나인용적밀도는 g/cm 3 의단위로산출된다. 따라서각지표를통일하여표준화하기위해서표준배점체계 (Standard Scoring Function, SSF) 를적용하게된다. 토양질평가를위한 SSF는각지표에대한비선형 (nonlinear) 배점곡선을통하여지표수치의범위를결정하게된다 (Andrews et al., 2002). 이는일반적으로세가지형태로분류될수있다. 토양질에관여하는기능에따라 1) upper limit, 2) lower limit, 그리고 3) peak limit로분류될수있다 (Qi et al., 2009). 또는, 1) optimum, 2) more is better, 그리고 3) less is better로구분되기도한다 (Karlen et al., 2003). 위와같은분류는토양의기능과밀접한연관성이있으며, 관리목적과평가하고자하는인자에따라그적용성이달라질수있다. 예를들어, 질산염질소는식물생장에대하여 more is better 의분류가되지만, 토양의침출기능에대해서는 less is better 로구분되게된다. 일반적으로는 optimum 에해단되는지표는 P, 양이온, organic matter, ph 등이며, more is better 은유기물함량, 유효토심, 유효수분함량, 투수율등을포함한다. less is better 으로는 bulk density, electronic capacity, 그리고침식등이있다. 각지표는단위가없는 0에서 1 사이의값으로토양질지수를산출할수있다. 각지표에대하여배점이완료된후, 적절한가중치에의한곱의함수로토양질지수를산출하거나, 혹은각각합으로계산되어질수있다 (Karlen et al., 2003; Andrews et al., 2004). 에서토양질지수를산출하기위하여의활용출처

46 Glover et al. (2000) 은지표측정값을 0-1 사이의값으로표준화하기위하여이를이용하였으며, Wymore (1998) 를참고하여다음과같은식을통하여배점곡선 (scoring curve) 을형성한바있다. B: Baseline value of soil property where the score equals 0.5 L: lower threshold S: slope of the tangent to the curve at the baseline x: soil property value 상기와같은식을이용할경우세가지형태의 SSF가형성되며이는 Karlen et al. (2003) 이제안한바와같이 1) optimum, 2) more is better, 그리고 3) less is better로구분된다 (Glover et al., 2000). 이와같은형태는토양의기능과밀접한연관성을가지며, 배점곡선식에의해형성된다. 배점곡선식에는다양한임계값이활용되며, 역치값 (threshold value) 와기본값 (baseline value) 등을포함한다. 이는전문간의견을수렴, 특정지역에특화된측정값, 혹은기존보고서나문헌등에서발표된값을기반으로한다. 역치값은대상토양특성이적합하지않을경우 0 에가깝고, 적절한수준일경우는 1 에가까워진다. 기본값은 SSF가 0.5일경우의토양특성값이며, 역치값의중간에위치한다. 배점곡선이 optimum 의형태일경우는두개의역치값과기본값을가지며, more is better 와 less is better 형태의경우는일반적으로두개의역치값과한개의기본값을포함한다. Indicator Bulk density (g/cm 3 ) Aggregate stability (%1.2mmdiam.) Scoring curve Less is better More is better Depth (cm) Lower threshold Upper threshold Lower baseline Upper baseline Optimum Slope at baseline Water-filled pore space (%) Optimum Porosity (%) Optimum Total nitrogen (kg/ha) More is better Nitrate-nitrogen (kg/ha) Optimum Extractable Phosphorus (kg/ha) Cation exchange Capacity (meq/100g) Optimum More is better ph Optimum Electrical conductivity (ds/m) Optimum Organic carbon (mg/ha) More is better Microbial biomass carbon (kg/ha) Microbial biomass nitrogen (kg/ha) More is better More is better Earthworms (#/m 2 ) More is better 출처 : Glover et al. (2000) < 지표점수변환에활용된배점곡선식의인자값 >

47 Qi et al. (2009) 의연구에서도측정되는각지표의단위는상이할수있음을고려하여 SSF를이용한지표배점화를시도하였다. 세가지형태의토양질을분류하였으며이는 1) upper limit, 2) lower limit, 그리고 3) peak limit을포함한다. 각지표에대한배점을위한공식은다음표와같다. 이러한배점곡선식 (SSF equation) 은 Li et al. (2013) 에서도활용되었으며, 각각 type S, type reverse S, 그리고 type parabola로구분되었다 (Cao and Zhou, 2008). SFF 공식은정형화된토양질지표를선정하여이루어지며, 하위역치값 (lower threshold value) 와상위역치값 (upper threshold value) 를이용하여실측모니터링값에대하여배점하게된다. Upper limit, lower limit, 그리고 peak limit에따라공식은차이를나타내며, peak limit의경우는두개의하위역치값와상위역치값을이용하며, 각각실측값이범위에따라다른공식을적용하게된다. < 지표점수변환에활용된배점곡선식의인자값 > Indicator Cultivated layer depth (cm) Function type Lower threshold value Upper threshold value Upper limit Obstacle horizon depth (cm) Upper limit Irrigation guarantee ratio (%) Upper limit Drainage modulus (m3/s km2) Upper limit CEC (clol/kg) Upper limit SOM (g/kg) Upper limit NaHCO3 P (g/kg) Upper limit 5 15 HNO3 K (g/kg) Upper limit DTPA Zn (mg/kg) Upper limit H2O B (mg/kg) Upper limit HOAc Si (g/kg) Upper limit TN (g/kg) Upper limit TP (g/kg) Upper limit NH4OAc K (g/kg) Upper limit DTPA Cu (mg/kg) Upper limit 2 4 DTPA Fe (mg/kg) Upper limit 2 32 DTPA Mn (mg/kg) Upper limit SSF equation x: monitoring value of indicator f(x): score of indicator L: lower threshold value U: upper threshold value Obstacle horizon thickness (cm) Lower limit (lower1) 6.5 (upper1) ph Peak limit 5.5 (lower1) 8.5 (upper2) 출처 : Qi et al. (2009)

48 Andrews et al. (2004) 는각지표의자료를분석하고, 이를배점화하여전환하기위하여조금더복잡한개념을적용한것으로확인되었다. Anderws et al. 의배점체계는지역특이적알고리즘 (site-specific algorithm) 을포함하며, 과학적이고통계적인기법을활용하였다. 또한, 관리목적과평가하고자하는인자에따라그적용성이달라질수있음을고려하여각지표의토양에서의역할을분류하여 SSF를결정하였다. SSF는일반적으로활용되는 1) mid point optimum, 2) more is better, 그리고 3) less is better로구분되었으며, 그에해당되는토양지표와역할을제안하였다. < 토양질지표의배점곡선형태와토양내역할간의관련성 > Indicator Functions Role Total organic C (TOC) water stable aggregation (AGG) Plant available water h olding capacity (AWC) Potentially mineralizable N (PMN) Microbial biomass C (MBC) Bulk density (Db) ph Electrical conductivity (EC) Sodium adsorption ration (SAR) P 출처 : Andrews et al. (2004) more is better more is better more is better more is better more is better less is better mid point optimum mid point optimum Dependent for EC, soil dispersion, risk mid point optimum soil fertility, water partitioning, structural stability crop productivity, biological acticity nutrient availability, theorized reationship between microbial activity and plant productivity pool of readily available C and N, soil structural functioning high Db inhibited the root growth and soil porosity crop sensitivity, effects on nutrient availability - crop response, environmental risk

49 < 토양질지표의배점곡선형태결정을위한알고리즘 > Indic ator Scoring Algorithm Fixed parameter Site-specific factor AGG IF AGG>50 AND [y=a+b*cos(c*agg-d)<1]. THEN y=1 ELSE y=a+b*cos(c*agg-d) a=-0.8, b=1.799, c= d (OM, texture, Fe 2O 3) AWC IF region=arid, THEN y=(a*b+c*awc d )/(b+awc d ), ELSE y=a+b*cos(c*awc+d) a=0.0114, c= d=2.182 a=0.477, b=0.527, c=6.878 region, b (texture, OM) d (texture) Db IF texture >35% clay, THEN y=a-b*exp(-c*d d b ), ELSE y=a=b*exp(-c*d d b ) a=0.994 a=0.994 b,c,d (texture, mineralogy) b,c,d (texture) EC IF EC 0.3, THEN y=ec*3.33 IF 0.3<EC<T, THEN y=1 IF EC T, THEN y=a+b*ec a=1-bt T (method, crop, texture) MBC y=a/[1+b*exp(-c*mbc) a=1.0, b= c (OM, texture, season) ph y=a*exp[-(ph-b) 2 /(2*c 2 ) a=1.0 b,c (crop) PMN y=a/[1+b*exp(-c*pmn)] a=1, b=50.1 c (OM, texture, climate) IF EC 0.2, THEN y=1/[a+b(sar) c ] a= 4.06, b=0.79, c=3.05 EC SAR IF 0.2<EC 0.55, THEN y=a+b*sar+c*sar 2 +d*sar 3 +e*sar 4 +f*sar 5 +g*sar 6 a=0.8, b=0.013, c=-0.07, d=0.03, e=-0.005, f=5.5*10-4, g=-2.1*10-5 EC IF EC>0.55, THEN y=a+b*sar+c*sar 2 +d*sar 3 +e*sar 4 a=1, b=-0.07, c=0.012, d=-6.8*10-4, e=-2.39*10-5 EC Test P IF P max(for crop and method), THEN y=(a*b+c*p d ) IF P>max(for crop and method), THEN y=a-b*exp(-c*p d ), ELSE y=1 a=9.26*106, c=1.0, d=3.06 a=1, b=4.5, d=-5 b(crop, TOC, texture, method) c (slope, TOC, texture, method) TOC y=a/[1+b*exp(-c*toc)] a=1, b=50.1 c (OM, texture, climate) 출처 : Andrews et al. (2004)

50 토양건강성지표가중치 (weighting factor) 의결정특정지표의가중치 (weighting factor) 를산출하기위하여, Andrews et al. (2002) 에서는지표가선정된 PC에서의변량백분율 (%) 을전체 PC ( 최소조건을만족하는 PC, 고유치 >1) 의백분율을나눈값을활용하였다. 예를들어, MDS를위한 PCA 적용시 PC1, PC2, 그리고 PC3이최소조건을만족하는 PC라고가정하고유기물함량이 PC1에서최종적으로선별된지표라고할경우, 유기물함량에대한가중치는 PC(1+2+3) 의변량백분율을 PC1의변량백분율로나눈값을의미한다. 따라서, PC1에해당하는가중치는동일하게적용되게된다. 다음표는가중치를산출하는적절한예를표현한다 (Andrews et al., 2002). PCs PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 Eigenvalue Percent Cumulative percent Indicators (<10%: eigenvectors of maximum) Soil organic matter Electronic conductivity ph Water stable aggregates Zn Bulk density - (<1 of eigenvalue) Weights 50.60/ / / / Weight factor 출처 : Andrews et al. (2002) 를이용한가중치산출의예시 Glover et al. (2000) 은가중치설정을위하여특정토양의조건과토지이용목적을기반으로토양기능에영향을줄수있는지표의중요도를평가하였다. 가중치는사회경제적영향 (socioeconomic concerns), 특수연구목적 (specific research aims), 작물요구 (cropping requirements), 농민요구 (farmer s needs), 그리고환경적영향 (environmental concerns) 을이용하여평가될수있으며, 전체토양기능의가중치의합은 1 이되도록하였다. 해당연구에서는토양의기능을 accommodate water entry, facilitate water movement and avilability, resist surface structure degradation, sustain fruit quality and productivity 로분류하여, 각각의가중치를 0.25씩부여한것으로확인되었다. 토양의기능에포함되는 level 1의지표도총지표가중치의합의 1 이되도록하였으며, 각지표에따라가중치를다르게적용하였다. 또한, level 1의지표중구체적인평가가필요한경우는 level 2의지표를추가적으로제시하였으며, 이또한총지표가중치의합의 1 이되도록하였다. 각 level에서의지표점수는가중치에따라변환되었으며, 이들의합을토양기능의가중치인 0.25를이용하여각토양기능에따른수치를산출하였다. 최종적으로는각토양기능별수치의합을토양질점수 (soil quality score) 로산출하였다

51 Qi et al. (2009) 는총자료군 (total data set, TDS) 과최소자료군 (minimum data set, MDS) 의비교분석을위하여지표을선별하는과정을거쳤으며, 가중치를결정하기위하여인자분석 (factor analysis, FA) 를적용한바있다 (Sun et al., 2003; Shukla et al., 2006). FA는각지표의공통성 (communality) 를산출을기반으로하는것으로확인되었다. 한지표에대한공통성은 PCA 분석을통해산출된 PC별고유벡터제곱에의해계산되었으며, 해당식은다음과같다. I: eigenvectors of selected indicator m: number of PCs 예를들어, 지형 (topography) 에대한 PCA 분석은다음과같다면, 각 PC에대한고유벡터의제곱의산출할수있게된다 (Qi et al., 2009). 각 PC별고유벡터제곱을합하여공통성이계산되며, 지형지표를포함한전체지표에대한비율로써최종가중치가 0.044로산출된다 (Qi et al., 2009). 이러한가중치는지표별로계산되며, 전체지표가중치의합은 1 로결정할수있다. <PCA와공통성인자를이용한가중치산출의예시 PCs PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 Eigenvalue Percent Cumulative percent Eigenvectors of Topography (Eigenvectors) Sum of (eigenvectors) 2 Sum of each communality (communality of topography) Weight factor 0.647/ = 출처 : Qi et al. (2009)

52 토양건강성지수 (Soil Health Index, SHI) 산출기법토양질지수, 즉 SQI를산출하기위하여다음과같은식을제안한바있다. 또한, Andrews et al. (2002) 에서는토양질지수 (soil quality index, SQI) 를산출하기위하여다음과같은식을이용하였다. MDS에서선정된각지표는배점체계를통하여전환되었으며, 각지수가선별된 PC에서가중치를산출하여곱한합이제안되었다. 이러한 SQI의산출기법은다양한기존연구들에서활용되고있다 (Andrews et al., 2002; Qi et al., 2009; Li et al., 2013; Volchko et al., 2014) SQI: Soil quality index W: PC weighting factor S: Indicator score Han and Wu (1994) 와 Qin and Zhao (2000), 그리고 Qi et al. (2009) 에서는 Nemoro quality index (NQI) 를활용한바있다. NQI는최소지표점수 (minimum indicator score) 를기반으로하며, 가중치는고려해주지않는특징이있다. 각지표점수의평균, 최소점수, 지표개수를계산되며, 계산식은다음과같다. min NQI: Nemoro quality index Pave: the average scores of the selected indicators Pmin: the minimum score of the selected indicators n: number of indicators Andrews et al. (2004) 는토양질지수 (SQI) 를산출하기위하여다음과같은식을제안하였다. MDS로써결정된지표를지역특이적알고리즘을통해배점화하고, 가중치를적용하지않고 MDS 지표점수의평균값을이용하였다. SQI: Soil quality index S: Scored indicator n: number of indicators

53 토양질지수가결정되었을경우, 어느정도수준이토양으로써의기능을적절히수행할수있는가에대한사항을제안할필요성이있다. 각기존연구에서제안하는다양한형태의토양질지수는 1 혹은 100 을최고점수로결정하고있었으며, 낮은점수를가질수록토양의질이좋지않음을의미한다. 예를들어, 토양질지수가 0.85 초과일경우 매우좋음, 일경우 좋음, 일경우 중간, 일경우 나쁨, 그리고 0.40 미만일경우 매우나쁨 으로평가된다. <SQI와토양기능간의관련성 Soil class Soil performance SQI 1 Very good > Good Medium Poor Very poor <0.40 출처 : Volchko et al. (2014a; 2014b)

54 ( 나 ) 국내형토양건강성평가기법의제안 국내형토양건강성평가기법체계본연구에서는국내형토양건강성평가기법으로써 KoRean soil-health assessent and MAgement System (KRISMAS) 을제안하고자한다. 토양건강성평가체계는총 7 단계로분류되었으며, 1) 토양건강성평가인자별지표분류, 2) 지표분석, 3) 지표배점, 4) 지표순위및가중치결정, 5) 평가인자별토양건강성지수 (Soil Health Index, SHI) 산출, 6) 경계수치적용, 그리고 7) 최종토양건강성지수 (Final SHI) 산출을포함한다. 토양의기능을평가하기위한평가인자는토양생산성 (Soil Productivity, SP), 토양안정성 (Soil Stability, SS), 생물다양성 (Bio-diversity, Bd), 그리고토양안전성 (Soil safety, Sa) 으로설정하였으며, 해당평가인자별지표를분석하고처리하여토양건강성지수 (Soil Health Index, SHI) 를산출하고, 토양의기능유지를위한최소수치인경계수치와토지이용도개념을적용하였다. 각평가인자별지표의분류는기존연구사례조사및전문가의견을통해결정하였으며, 각지표의배점을위하여표준배점체계 (Standard Scoring Function, SSF) 공식을참고하였다. 각지표의특성을 1) more is better, 2) optimum, 그리고 3) less is better로분류하여 0-1 범위안에서배점화하였으며, 이때공식에적용되는수치의기준은각지표의특성과연관인자 ( 토성, 작물등 ) 를고려하여결정하였다. 각지표의순위와가중치를결정하기위하여, 총자료군 (Total Data Sets, TDS) 을대상으로주요인분석 (PCA) 과요인분석 (FA) 을실시하였다. PCA를통해산출되는변수부하량 (variation loading), 즉고유벡터 (eigenvector) 와, FA를통해산출되는공통성인자 (communality factor) 를이용하여전체지표에대한비율로가중치를결정하였다. 이는각평가인자상에서는독립적으로수행하였다. 상기와같은과정에서, 지렁이 (earthworm, E) 와같이종말점이다양한지표의경우는 PCA를이용하여최소자료군 (minimum data set, MDS) 를결정하는방식으로최적의종말점을선정하였다. 또한, 식물 (plant growht, PG) 과효소활성 (enzyme activity, EA) 과같이다양한생물종을이용한지표의경우는 PCA와 FA를이용한가중치적용을통해각생물종모두를대표하는수치를산출하여이용하였다. 각지표의배점에가중치를곱하여합함으로써각평가인자별 (SS, SP, Bd, Sa) SHI를산출하였다. 이때, 토양생산성과토양안전성에는토양의기능유지를위한최소수치인경계수치를적용하였으며, 이를초과하는특정토양에대해서는해당평가인자의배점을적용하지않는것으로결정하였다. 최종적으로토양이용도별로토양건강성평가인자의활용도를결정하였으며, 최종토양건강성지수 (SHI) 를산출하도록하였다. 다음그림은 KRISMAS의체계를도식화한것이다

55 한국형토양건강성평가 (KRISMAS) 의체계

56 본연구에서는토양건강성평가체계를수정하고보완하기위하여 1-3차년도연구기간동안다양한시도를진행하였다. 1 차년도에토양건강성평가체계의초안을 6단계 ( 평가인자결정, 평가지표분류, 지표분석, 지표순위및가중치결정, 지표배점, 토양건강성지수산출 ) 로결정하여제안하였으며, 이를 2 차년도에지표배점과지표가중치결정부분의순서를변경하여제안한바있다. 이와동시에, 토양건강성지표를추가하고, 표준배점체계적용을위한기준을수정하였다. 또한, 토양안전성평가인자를더신뢰성있게평가하기위한지표들을제안하였다. 3차년도에는경계수치적용단계를포함하여최종적인 7단계의토양건강성평가체계를제안하였으며, 추가적인평가단계수정, 지표배점체계보완, 토양안전성지표추가, 토지이용도개념등을적용하였다. 토양건강성평가기법체계의순차적인보완사항 1 차년도 2 차년도 3 차년도 체계 6 단계 6 단계 7 단계 평가인자결정 평가인자결정 평가인자별지표결정 평가지표분류 평가지표분류 지표분석 지표분석 지표분석 지표배점 평가단계 지표순위및가중치결정 지표배점 지표순위및가중치결정 지표배점 지표순위및가중치결정 평가인자별토양건강성지수산출 토양건강성지수산출 토양건강성지수산출 경계수치적용 최종토양건강성지수산출 토양건강성지표추가 표준배점체계수정 보완사항 - 표준배점체계수정평가단계수정평가단계수정경계수치개념적용 토양안전성지표결정 토지이용도개념적용

57 토양건강성평가를위한평가인자결정본연구에서는토양건강성평가인자로써토양생산성, 토양안정성, 생물다양성, 그리고토양안전성을선정하였다. 이는토양기능과국외연구사례를기반으로결정되었다. 토양의생산성에관련된토양의기능은영양염순환 (nutrient cycling), 수분관계 (water relation), 그리고물리적안정성 (physical stability) 이있으며 (Andrews et al., 2004), 토양안정성은입단크기와안정성, 그리고토양구조적인연관성을가지는것으로알려져있다 (USDA, 2001). 또한, 생물다양성은생물학적활성및다양성과깊은상관관계를가진다. 토양안전성평가인자는기존의연구에서특정한바없는것으로확인되었으나, 토양오염물질과인체및생태계간의잠재적인영향을평가할필요성이있는것으로판단된다. 본연구에서선정한평가인자와국외에서제시하는토양의기능간의연관성은다음표와같다. < 본연구에서설정한평가인자와국외에서정의한토양기능간의연관성 > 기관 USDA (USA) AAFC (Canada) EC UK Scottish 토양기능 Nutrient Cycling Water Relations Biodiversity and Habitat Filtering and Buffering Physical Stability and Support Mechanized agriculture Serves as a medium for plant/food/fibre growth Acts as a biodiversity and gene pool Serves as an environmental buffer or filter Platform for human activities and landscape An archive of heritage Food and fibre production Environmental interaction 토양생산성 O O O O 토양안정성 O O 생물다양성 Supporting habitats and biodiversity O O Controlling and regulating water flow and quality Preserving cultural and archaeological heritage Providing the basis for food, forestry and other biomass production O Providing valued habitats & sustaining biodiversity O O Storing carbon and maintaining the balance of gases in the air O Netherlands Biodiversity O O O O 토양안전성

58 토양건강성지표의결정및분석본연구에서는토양의기능을고려하여평가인자별지표를분류하였다. 토양생산성과관련된토양기능은물리적안정성 (physical stability), 수분연계성 (water relation), 영양분순환 (nutrient cycling), 그리고작물생산성 (crop productivity) 로분류하였다. 물리적안정성은입단안정성 (Aggregate Stability, AS) 와부피밀도 (Bulk Density, BD) 를지표로써결정하였으며, 수분연계성은수분보유함량 (Water Holding Capacity, WHC) 를포함하였다. 영양분순환을평가하기위한지표로는유효인산 (Available phosphate, AvP), 유효규산 (Available silicate, AvS), 양이온치환능 (cation exchange capacity, CEC), 전기전도도 (Electric Conductivity, EC), 치환성양이온 (Exchangeable Cation, ExC), 유기물함량 (Organic Matter, OM), ph (ph), 총질소 (Total Nitrogen, TN), 총인 (Total Phosphorus, TP), 그리고효소활성 (Enzyme Activity, EA) 로결정되었다. 작물생산성은생물학적지표인식물의발아능 / 생장율 (Plant Germiantion/growth, PG) 와토양조류광합성능 (Soil Algal Photosynthetic capacity, SAP) 이포함되었다. 토양안정성과관련된토양기능은물리적안정성 (physical stability), 화학적안정성 (chemical stability), 그리고생물학적안정성 (biological stability) 로분류하였다. 물리적안정성평가를위한지표는입단안정성, 부피밀도, 그리고수분보유함량으로결정하였으며, 화학적안정성은양이온치환능, 전기전도도, 치환성양이온, 유기물함량, 그리고 ph를포함하였다. 생물학적안정성은지렁이 (Earthworm, E) 와효소활성을지표로써활용하였다. 생물학적지표에속하는지렁이는토양의섭취와배설에따라토양내영양소와미생물이풍부하게하며토양의공극률, 이경성과식물뿌리발달에도움을준다. 또한, 토양의입자를뭉치고공극을새로만들어, 통기성, 침투성, 투수성과같은토양의물리적성질을바꾸어토양을안정하게하는것으로알려져있다. 토양의생물다양성은영양단계별토양생물종을선정하여평가하고자하였으며, 미생물, 토양조류, 토양선충, 지렁이, 톡토기, 식물등을포함한다. 다양성평가를위해서지렁이, 효소활성, 토양선충 (Nematode, N), 식물의발아능 / 생장율, 그리고토양조류생체량 (Soil Algae Biomass, SAB) 을지표로활용하였다. 본연구에서는정화토를대상으로하며토양세척및동전기법을이용한정화토에서는생물이잔여할수없음을감안하여, 직접적으로토양생물종을투입하여잠재적인토양의생물다양성을평가하였다. 토양의위해성은정화전 후에잔여하는오염물질이유발할수있는인체및생태위해성을평가하였으며, 이를위해서토양오염우려기준에서제시하는총 8종의중금속을분석하였다. 또한, 토양생태독성영향에대한예측과평가를위하여미국환경청 (United State Environmental Protection Agency, USEPA) 에서구축한생태독성데이터베이스 (ECOTOX) 를분석하였으며, 중금속농도의비율을통해지표로써활용하였다

59 <KRISMAS 를위한지표분류 평가인자 관련토양기능 지표 Physical stability Aggregate stability (AS) Bulk density (BD) 입단안정성부피밀도 Water relation Water holding capacity (WHC) 수분보유함량 Available phosphate (AvP) 유효인산 Available silicate (AvS) 유효규산 Cation exchange capacity (CEC) 양이온치화능 Soil productivity Nutrient cycling Electric conductivity (EC) Exchangeable cation (ExC) Organic matter (OM) 전기전도도치환성양이온유기물함량 ph (ph) ph Total nitrogen (TN) 총질소 Total phosphorus (TP) 총인 Enzyme activity (EA) 효소활성 Crop productivity Plant germination and growth (PG) Soil algal photosynthetic capacity (SAP) 식물발아능및생장율토양조류광합성능 Aggregate stability (AS) 입단안정성 Physical stability Bulk density (BD) 부피밀도 Water holding capacity (WHC) 수분보유함량 Cation exchange capacity (CEC) 양이온치화능 Soil stability Biodiversity Risk Chemical stability Biological stability Biological diversity Electric conductivity (EC) Exchangeable cation (ExC) Organic matter (OM) ph (ph) Earthworm (E) Enzyme activity (EA) Earthworm (E) Nematode (N) Plant germination and growth (PG) Soil algae biomass (SAB) 전기전도도치환성양이온유기물함량 ph 지렁이효소활성 지렁이토양선충생식율 식물발아능및생장율 토양조류생체량 Human risk Contamination Concern Standard (CCS) 토양오염우려기준 Ecological risk Ecotoxicity (Eco) 생태독성

60 본연구에서는토양건강성을평가하기위하여총 20가지의지표를선정하였으며, 일부지표는세부지표를추가적으로보유하고있다. 세부지표를보유하고있는지표는지렁이 (E), 효소활성 (EA), 치환성양이온 (ExC), 토양조류생체량 (SAB) 및광합성능 (SAP), 그리고식물발아율 / 생장율 (PG) 등으로, 각각다양한종말점, 혹은생물종으로평가되는항목이다. 지렁이의경우는이상현상율 (Abnormality, A), 회피 (Burrowing, B), 체강세포활성 (Coelomocyte Viability, CV), 생존율 (survival, S), 그리고피부자극성 (Skin Irritation, SI) 등의종말점을가지고있으며, 이중가장유의한종말점을추출하여최종적으로지렁이 (E) 지표값으로활용하였다. 한편, 식물발아율 / 생장율 (PG) 의경우는보리 (barely), 수수 (sorghum), 벼 (rice), 그리고밀 (wheat) 등을포함하며, 효소활성 (EA) 의경우는효소의토양내역할에따라 acid-phosphatase (APA), Arylsulfatase (ASA), β-glucosidase (BGA), Catalase (CAT), Dehydrogenase (DHA), Fluorescein diacetate hydrolase (FDA), Protease (PRT), 그리고 Urease (UA) 을포함한다. 치환성양이온 (ExC) 의경우는 Ca, K, Mg, 그리고 Na를모두분석하였으며, 토양조류생체량 (SAB) 및광합성능 (SAP) 의경우는 Chlorococcum infusionum (Ci) 와 Chlamydomonas reinhardtii (Cr) 2 종을이용하여지표를분석하였다. <KRISMAS 를위한지표분류

61 토양의기능을반영하는평가인자의분석을위하여, 총 20가지의지표와 20가지의세부지표가분류되었다. 이중물리학적지표는 3개, 화학적지표는 9개가해당된다. 물리적지표는입단안정성 (%), 부피밀도 (g/cm), 그리고수분보유함량 (ml/g) 을포함하며, 화학적지표는유효인산 (mg/kg), 유효규산 (mg/kg), 양이온치환능 (Cmol/kg), 전기전도도 (ds/m), 치환성양이온 (Cmol/kg), 유기물함량 (%), ph, 총질소 (mg/kg), 그리고총인 (mg/kg) 등이있다. 각지표를분석하기위하여 USDA (2001), 국립농업과학원 (2010), 그리고토양오염공정시험법 (2012) 을참고하였다. 토양건강성을평가하기위한물리, 화학적지표의자세한정보는다음표와같다. <KRISMAS 에서사용되는물리, 화학적지표실험정보 > Indicator Unit Classification Method Reference Aggregate stability (AS) % Physical 내수성입단성 (Water stable aggregates) 분석 USDA (2001) Available phosphate (AvP) mg/kg Chemical Lancaster법 국립농업과학원, 2010 Available silicate (AvS) mg/kg Chemical 1 M NaOAc 가용규산법국립농업과학원 2010, Bulk density g/cm 3 Physical 토양건조중량 (g)/ 토양용적부피 (cm3) Tan (2005) Cation exchange capacity Cmol/kg Chemical 발색법 ( 흡광도분석 ) 토양오염공정시험법 (2012) Electric conductivity (EC) ds/m EC meter 국립농업과학원, 2010 Exchangeable cation (ExC) Cmol/kg 원자흡광광도기 국립농업과학원, 2010 Organic matter % Chemical 강열감량법 KSF 2104, (2013) ph - Chemical ph 측정 토양오염공정시험법 (2012) Total nitrogen mg/kg Chemical 퇴적물총인법 수질오염공정시험법 (2012) Total phosphorus mg/kg Chemical 과황산포타슘법 수질오염공정시험법 (2012) Water holding capacity ml/g Physical 토양수분흡수능 - 총 20개의지표중생물학적지표는 6가지이다. 각지표는직 간접적으로토양생산성, 토양안정성, 생물다양성, 토양안전성에해당하는토양의기능을평가할수있다. 특정토양에서의생물의다양성을평가하기위해서는일정구역에서의지렁이, 톡토기, 토양선충, 그리고진드기류등의개체수를파악하거나, 미생물, 곰팡이, 그리고조류등의세포수를파악하는것이일반적이다 (Filip, 2002). 하지만정화토양은다양한정화기법에의해처리되어최소수준의생물체도살수없는조건이므로, 대상토양인정화토양내에서는생물다양성을평가하기는어려움이있을수있다. 본연구에서는이를보완하기위하여실험실조건에서는대조토양 (reference soil) 의활용을제안하였다. 대조토양은토지이용도 ( 주거 / 농업용지와상업 / 산업용지등 ) 에따라해당되는토양을대조토양으로활용할수있으며, 대조토양에서의자료를이용하여백분율 (%) 로써표현할수있다. 본연구에서는표준자연토양인 LUFA 2.2 토양을대조토양으로활용하였다. 지렁이와효소활성평가를위해서는각각다양한종말점과시험평가항목을분류하였다. 표준독성시험법및기존연구들을참고하여토양선충, 식물, 토양조류, 그리고톡토기등의생물종의생식율및생장율을평가하였다

62 Indicator Unit Species Method Reference Survival, abnormality, Earthworm (E) % Eseinia andrei skin irritation, burrowing, total Kwak et al. (2014); coelomocyte number, OECD (1984) coleomocyte viability APA, ASA, BGA, Enzyme activity (EA) - CAT, DHA, FDA, PRT, UA Activity assessment An and Kim (2009) Nematode (N) % Plant germination and growth (PG) Soil algal Biomass (SAB) Soil algal Photosynthetic activity (SAP) <KRISMAS 에서사용되는생물학적지표실험정보 > % % % Caenorhabditis elegans Hordeum vulgare, Sorghum bicolor, Oryza sativa, Triticum aestivum Chlorococcum infusionum Chlorococcum infusionum Evalution of reproduction rate using soil-agar isolation Germination and length of seedling ASTM (2008); ISO (2010); Kim et al. (2014) An et al. (2002) Chl-a autofluorescence OECD (2006) Photosystem II energy fluxes of green algae Perron et al. (2011) 토양안전성평가를위해서토양오염도 (Contamination Concern Standard, CCS), 토양생태독성 (Ecotoxicity, Eco) 을지표로써제안하였다. 토양오염도는생태독성지표는중금속 6종 (As, Cd, Cu, Ni, Pb, Zn) 을대상으로미국환경청 (USEPA) 의 ECOTOX를이용하여생태독성자료를수집한후, 대상토양의실측중금속농도와의비율을통하여지표수치를결정하였다. 각중금속별및지표별 (CCS와 Eco) 비율은다시 less is better' 의표준배점체계로배점화되며, 이때역치값범위는 0-1로설정하는것을제안하였다. 토양오염도는현행중금속토양오염우려기준을이용하였으며, 마찬가지로실측중금속농도와의비율을이용하였다. 자세한사항은다음표와같다. < 토양안전성평가인자분석을위한지표선정 > 토양오염도 토양생태독성 CCS 중금속토양오염도 ( 높을수록오염도높음 ) Eco 중금속토양생태독성 ( 높을수록생태계에위해 ) C CCS 토양오염우려기준 (1지역): soil Contamination Concern Standard 각물질별 ECOTOX 스크리닝을통해산출된전체기하평균값토양의총중금속농도 C ECOTOX C Total

63 본연구에서는미국환경청 (USEPA) 의 ECOTOX를이용하여중금속 6종 (As, Cd, Cu, Ni, Pb, Zn) 에대한생태독성자료를수집하였다. 이에대한스크리닝조건은다음표와같다. 분류학적기준은크게갑각류 (crutaceans) 와식물류 (flowers, trees, shrubs, ferns), 곤충류 (insect/spiders), 무척추동물 (invertebrates), 연체동물류 (molluscs), 환형동물류 (worms) 등이었으며, 종말점 (LC/LD, EC/ED, LOEL(C), NOEL(C)) 과측정항목 (behavior, growth, mortality, population group, reproduction group, enzyme activity), 그리고노출매체 (soil) 등을구분하여정보를수집하였다. <ECOTOX 스크리닝을위한조건설정 > Taxonomic Chemical Test results Test conditions ECOTOX screening Insect/spiders, molluscs, other invertebrates, crutaceans, worms, plant (Algae, moss, fungi/flowers, trees, shrubs, ferns) Metals or organometal compounds (Arsenic, cadmium, copper, lead, nickel, zinc) Concentration based endpoints (LC/LD, EC/ED, LOEL(C), NOEL(C)) Effect measurement (Behavior, growth, mortality, population group, reproduction group, enzyme activity) Test duration (day) Test locations (Lab, all field tests) Exposure media (All soil) Chemical analysis (Measured) 각중금속에대한독성자료는생물종별로구분되었으며, 각종에대한독성자료는다시종특성에따라급 만성으로분류되었다. 이때, 급 만성분류의기준은다음표와같다. 각토양생물종의독성자료중만성독성자료를대상으로 E(L)C 10, N(L)OEC 값을수집하여기하평균값 (geomean) 을산출하였다. 수집된전체생물종에대하나기하평균값, 최대값, 그리고최저값을확인하였다. Species Lifespan Acute Chronic Plant All species Difference each 1 species 14 d d Nematode Caenorhabditis elegans 21 d 2 1 d 2 d Earthworm Eisenia andrei, Eisenia fetida d 3 14 d 56 d Springtail Folsomia candida 110 d (24 ) 14 d 28 d Folsomia fimetaria 240 d (15 ) 4 14 d 21 d 1) ASTM E , OECD 227 2) Wormbook, 3) ASTM (2004) 4) ISO (1999), OECD (2009) 토양생물종의생활사및급만성분류 ECOTOX를이용하여수집된비소의만성독성자료는제한적인수준이었으며, 일부곰팡이류 (fungi) 와식물류 (flowers, trees, shrubs, ferns) 에대한수치가수집되었다. Glomus claroideum, Chrysopogon zizanioides, Zea mays에대한 N(L)OEC 값은 100 mg/kg 정도인것으로확인되었다

64 <ECOTOX 스크리닝을통한각토양생물종별비소 (As) 만성독성자료 > Species Group Species Scientific Name Species Common Name Endpoint Geomean (n=) Units Algae, Moss, Fungi Glomus claroideum Fungi N(L)OEC 100 (2) mg/kg Algae, Moss, Fungi Fungi Fungi Kingdom N(L)OEC 100 (4) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Chrysopogon zizanioides Vetivergrass N(L)OEC 100 (5) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Zea mays Corn N(L)OEC 100 (7) mg/kg Total geomean 100 mg/kg Max. 100 mg/kg Min. 100 mg/kg 카드뮴의만성독성자료는다양한식물류 (flowers, trees, shrubs, ferns) 와곤충류 (insect/spiders) 대한수치가수집되었다. 식물류는 Avena sp., Brassia napus, Festuca rubra, Oryza sativa 등이었으며, 곤충류는대표적인톡토기류 (springtail) 인 Folsomia candida와 Paronychiurus kimi에대한 E(L)C 10 과 N(L)EC 값이수집되었다. 이들에대한기하평균값 (geomean) 은 13 mg/kg이었으며, 최대값과최저값은 50, 2 mg/kg이었다. <ECOTOX 스크리닝을통한각토양생물종별카드뮴 (Cd) 만성독성자료 > Species Scientific Name Species Common Name Geomean (n=) Species Group Endpoint Units Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Avena sp. Oat N(L)OEC 50 (2) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Brassica napus Rapeseed N(L)OEC 20 (2) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Festuca rubra Ravine Fescue N(L)OEC 31 (6) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Lolium perenne Perennial Ryegrass N(L)OEC 28 (4) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Oryza sativa Rice N(L)OEC 2 (1) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Pisum sativum Pea N(L)OEC 3 (5) mg/kg Solanum Flowers, Trees, Shrubs, Ferns lycopersicum var. lycopersicum Tomato N(L)OEC 32 (1) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Triticum aestivum Bread Wheat N(L)OEC 3 (15) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Zea mays Corn N(L)OEC 20 (2) mg/kg Insects/Spiders Folsomia candida Springtail E(L)C (16) mg/kg Insects/Spiders Paronychiurus kimi Springtail N(L)OEC 12 (11) mg/kg Total geomean 13 mg/kg Max. 50 mg/kg Min. 2 mg/kg

65 구리의만성독성자료는매우다양한생물종을대상으로존재하는것으로확인되었으며, 일부갑각류 (crutaceans) 와식물류 (flowers, trees, shrubs, ferns), 곤충류 (insect/spiders), 무척추동물 (invertebrates), 연체동물류 (molluscs), 환형동물류 (worms) 등의독성자료가수집되었다. 이에대한기하평균값 (geomean) 은 248 mg/kg이었으며, 최대값과최저값은 2000, 23 mg/kg이었다. <ECOTOX 스크리닝을통한각토양생물종별구리 (Cu) 만성독성자료 > Species Group Species Scientific Name Species Common Name Endpoint Geomean (n=) Units Crustaceans Porcellio scaber Common Rough Woodlouse E(L)C (2) mg/kg Crustaceans Porcellio scaber Common Rough Woodlouse N(L)OEC 57 (1) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Avena sp. Oat N(L)OEC 224 (6) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Avicennia marina var. australasica Grey Mangrove N(L)OEC 167 (4) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Brassica juncea Brown Mustard N(L)OEC 174 (6) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Brassica napus Rapeseed N(L)OEC 736 (1) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Fallopia convolvulus Black Bindweed E(L)C (3) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Helianthus annuus Common Annual Sunflower N(L)OEC 100 (3) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Hordeum vulgare Barley N(L)OEC 250 (1) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Pisum sativum Pea N(L)OEC 194 (7) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Triticum aestivum Bread Wheat N(L)OEC 368 (1) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Zea mays Corn N(L)OEC 71 (2) mg/kg Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Phragmites australis Grass N(L)OEC 600 (2) mg/kg Insects/Spiders Achipteria coleoptrata Oribatid Mite N(L)OEC 1,000 (2) mg/kg Insects/Spiders Adoristes sp. Oribatid Mite N(L)OEC 1,000 (2) mg/kg Insects/Spiders Coptera occidentalis Parasitic Wasp N(L)OEC 165 (2) mg/kg Insects/Spiders Hypoaspis aculeifer Mite N(L)OEC 1,605 (7) mg/kg Insects/Spiders Podisus maculiventris Spined Soldier Bug N(L)OEC 347 (3) mg/kg Insects/Spiders Protaphorura armata Springtail N(L)OEC 1,000 (2) mg/kg Insects/Spiders Pterostichus cupreus Ground Beetle N(L)OEC 500 (2) mg/kg Insects/Spiders Tullbergia sp. Springtail N(L)OEC 621 (3) mg/kg Invertebrates Folsomia candida Springtail E(L)C (22) mg/kg Invertebrates Folsomia candida Springtail N(L)OEC 262 (114) mg/kg Invertebrates Folsomia fimetaria Springtail N(L)OEC 690 (9) mg/kg Invertebrates Heteromurus nitidus Springtail N(L)OEC 240 (1) mg/kg Invertebrates Hypogastrura succinea Springtail N(L)OEC 240 (1) mg/kg

66 Species Group Species Scientific Name Species Common Name Endpoint Geomean (n=) Units Invertebrates Isotoma notabilis Springtail N(L)OEC 240 (1) mg/kg Invertebrates Isotomurus prasinus Collembola NOEL 1,000 (2) mg/kg Invertebrates Lepidocyrtus cyaneus Springtail N(L)OEC 621 (3) mg/kg Invertebrates Onychiurus armatus Collembola N(L)OEC 240 (1) mg/kg Invertebrates Parisotoma notabilis Springtail N(L)OEC 1,000 (2) mg/kg Invertebrates Proisotoma minuta Collembolan N(L)OEC 250 (2) mg/kg Invertebrates Pseudosinella alba Springtail N(L)OEC 240 (1) mg/kg Invertebrates Sinella curviseta Collembola E(L)C (3) mg/kg Invertebrates Sinella curviseta Collembola N(L)OEC 308 (8) mg/kg Invertebrates Tullbergia macrochaeta Springtail N(L)OEC 240 (1) mg/kg Molluscs Helix engaddensis Landsnail N(L)OEC 1,005 (2) mg/kg Worms Allolobophora chlorotica Earthworm E(L)C (3) mg/kg Worms Aporrectodea caliginosa Worm E(L)C (1) mg/kg Worms Aporrectodea caliginosa Worm N(L)OEC 169 (6) mg/kg Worms Caenorhabditis elegans Nematode N(L)OEC 59 (3) mg/kg Worms Cognettia sphagnetorum Enchytraeid Worm N(L)OEC 2,000 (4) mg/kg Worms Dendrobaena octaedra Earthworm N(L)OEC 110 (6) mg/kg Worms Dendrodrilus rubidus Earthworm N(L)OEC 300 (1) mg/kg Worms Eisenia andrei Earthworm N(L)OEC 417 (14) mg/kg Worms Enchytraeus crypticus Earthworm N(L)OEC 225 (62) mg/kg Worms Enchytraeus sp. Enchytraeid Worm N(L)OEC 64 (15) mg/kg Worms Lumbricus rubellus Earthworm E(L)C (1) mg/kg Worms Lumbricus rubellus Earthworm N(L)OEC 320 (5) mg/kg Worms Lumbricus terrestris Earthworm N(L)OEC 1,293 (1) mg/kg Worms Plectus communis Nematode N(L)OEC 57 (3) mg/kg Worms Eisenia fetida Earthworm E(L)C (23) mg/kg Worms Eisenia fetida Earthworm N(L)OEC 148 (75) mg/kg Worms Enchytraeus albidus Potworm E(L)C (9) mg/kg Total geomean 248 mg/kg Max. 2,000 mg/kg Min. 23 mg/kg

67 니켈의만성독성자료는식물류 (flowers, trees, shrubs, ferns), 무척추동물 (invertebrates), 연체동물류 (molluscs), 환형동물류 (worms) 에대한수치가수집되었다. 식물류는 Avena sp., Trigonella foenum-graecum, Triticum aestivum 등이었으며, 무척추동물류는 Folsomia candida 와 Folsomia fimetaria, 환형동물류는실지렁이인 Enchytraeus albidus와토양선충인 Caenorhabditis elegans가있었으며, 각종에대한 E(L)C 10 과 N(L)EC 값이수집되었다. 이에대한기하평균값 (geomean) 은 135 mg/kg이었으며, 최대값과최저값은 804, 18 mg/kg이었다. 스크리닝을통한각토양생물종별니켈 만성독성자료 Species Group Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Species Scientific Name Species Common Name Endpoint Geomean (n=) Units Avena sp. Oat N(L)OEC 25 (6) mg/kg Eucalyptus globulus ssp. bicostata Trigonella foenum-graecum Southern Blue Gum N(L)OEC 18 (6) mg/kg Fenugreek E(L)C (1) mg/kg Triticum aestivum Bread Wheat N(L)OEC 60 (2) mg/kg Invertebrates Folsomia candida Springtail E(L)C (2) mg/kg Invertebrates Folsomia candida Springtail N(L)OEC 405 (6) mg/kg Invertebrates Folsomia fimetaria Springtail E(L)C (7) mg/kg Invertebrates Folsomia fimetaria Springtail N(L)OEC 804 (14) mg/kg Worm Enchytraeus albidus Potworm E(L)C (2) mg/kg Worms Caenorhabditis elegans Nematode N(L)OEC 61 (4) mg/kg Worms Eisenia veneta Earthworm E(L)C (2) mg/kg Worms Eisenia veneta Earthworm N(L)OEC 381 (4) mg/kg Worms Enchytraeus albidus Potworm N(L)OEC 95 (2) mg/kg Total geomean 135 mg/kg Max. 804 mg/kg Min. 18 mg/kg 납의만성독성자료는식물류 (flowers, trees, shrubs, ferns) 인 Avena sp., Spartina alterniflora 가있었으며, 기하평균값 (geomean), 최대값, 그리고최저값은각각 490 mg/kg, 800 mg/kg, 300 mg/kg인것을확인하였다. <ECOTOX 스크리닝을통한각토양생물종별납 (Pb) 만성독성자료 > Species Group Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Species Scientific Name Species Common Name Endpoint Geomean (n=) Units Avena sp. Oat N(L)OEC 800 (6) mg/kg Spartina alterniflora Smooth Cordgrass N(L)OEC 300 (1) mg/kg Total geomean 490 mg/kg Max. 800 mg/kg Min. 300 mg/kg

68 아연의만성독성자료는식물류 (flowers, trees, shrubs, ferns), 무척추동물류 (invertebrates) 등을수집하였으며, Avena sp., Brassica napus, Triticum aestivum, Folsomia candida, Sinella curviseta 등의토양생물종이포함되어있었다. 전체생물종에대한기하평균값은 209 mg/ 이었으며, 최대값과최저값은각각 400, 54 mg/kg이었다. Species Group Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Flowers, Trees, Shrubs, Ferns Flowers, Trees, Shrubs, Ferns <ECOTOX 스크리닝을통한각토양생물종별아연 (Zn) 만성독성자료 > Species Scientific Name Species Common Name Endpoint Geomean (n=) Units Avena sp. Oat N(L)OEC 317 (6) mg/kg Brassica napus Rapeseed N(L)OEC 200 (1) mg/kg Triticum aestivum Bread Wheat N(L)OEC 200 (3) mg/kg Invertebrates Folsomia candida Springtail E(L)C (87) mg/kg Invertebrates Folsomia candida Springtail N(L)OEC 260 (38) mg/kg Invertebrates Sinella curviseta Collembola E(L)C (2) mg/kg Invertebrates Sinella curviseta Collembola N(L)OEC 400 (7) mg/kg Total geomean 209 mg/kg Max. 400 mg/kg Min. 54 mg/kg 중금속 6종 (As, Cd, Cu, Ni, Pb, Zn) 에대하여 ECOTOX 스크리닝을실시하였으며, 각생물종의만성독성자료의기하평균값을이용하여다시전체기하평균값, 최대값, 그리고최저값을확인하였다. 자세한사항은다음표와같이정리하였으며, 이를토양생태독성지수 (Ecotoxicity, Eco) 를산출하는데이용하였다. <ECOTOX 스크리닝을통한각중금속별기하평균, 최대값, 최저값 (mg/kg)> mg/kg Geomean Max. Min As Cd Cu 248 2, Ni Pb Zn

69 지표배점체계본연구에서는토양건강성지표를분석하고이를이용하여지수를산출하는과정에서, 상이한각지표의단위를보정하고일괄적으로정리하기위하여표준배점체계를설정하였다. 이는각지표의특성에따라, 1) more is better, 2) optimum, 그리고 3) less is better로분류하고, Qi et al. (2009) 에서제안한표준배점체계 (SSF) 에따라 0-1 범위안에서점수화하는기법이다. < 표준배점체계적용을위한적용공식 (Qi et al., 2009)> 표준배점체계 More is better Optimum 1) Less is better 식 LT : Lower threshold value, UT: Upper threshold value, x : Measurement value (each indicator) 1) 표준배점체계의상위역치값과하위역치값의범위에따라다른식을적용 각표준배점체계는해당되는상위역치값 (upper threshold value, UT) 과하위역치값 (lower threshold value, LT) 을가지며, 이는지표에따라상이하다. 예를들어, 토양건강성지표중하나인용적밀도의경우는토성 (texture) 에따라작물생장영향기준이다르며 (USDA, 2010), 이에해당되는역치값기준을상이하게적용할필요성이있다. 또한, 유효인산, 유효규산, 양이온치환능, 치환성양이온, 유기물함량, 전기전도도등은작물생장과밀접하게연관되어있으며 ( 농진청, 2010), 유효인산 ( mg/kg) 과치환성양이온 K ( cmol + /kg) 은작물별로큰차이를보이는것으로확인되었다 각지표의해당되는특성을고려하여상위역치값과하위역치값이다음과같이결정되었다. 1차년도에는기존의토양질평가연구를참고하여결정되었으나, 2차년도에는농촌진흥청의작물별시비처방기준을참고하여유효인산과치환성양이온 K 지표의역치값을작물별로결정할수있도록변경하였다. 식물생장에큰영향을줄수있는전기전도도의경우도 0-2 ds/m로설정하였다. 또한, 토성에따라적정용적밀도가다를수있음을고려하였으며, 토양효소활성지표도표준토양에서실측되는값의최대값을역치값으로활용할수있도록하였다. 3차년도에는 2차년도에변경된지표배점체계의수치를일부조정하였으며, 전기전도도의경우는토양건강성평가기법조율에따라상향결정되었다 (0-4 ds/m)

70 지표단위분류 각지표별배점체계 1차년도 2차년도 3차년도하위상위하위상위하위상위역치값역치값역치값역치값역치값역치값 참고문헌 Aggregate stability % More is better This study Available phosphate mg/kg More is better - - Crop-dependent 1) Crop-dependent 농진청 (2010) Available silicate mg/kg More is better 농진청 (2010) 벼작물기준 Bulk density g/cm 3 Less is better 1 2 Texture dependent Texture dependent Glover et al. (2000); USDA (2010) Cation exchange capacity Cmol + /kg More is better 0 meq/100g 21 meq/100g Glover et al. (2000); 농진청 (2010) Earthworm % More is better This study Electric conductivity ds/m Less is better 농진청 (2010); USDA (2001); 경계수치고려 Enzyme activity Enzyme-dependent More is better Enzyme-dependent Enzyme-dependent Enzyme-dependent This study Exchangeable cation-ca Cmol + /kg More is better Crop-dependent 농진청 (2010) Exchangeable cation-k Cmol + /kg More is better - - Crop-dependent Crop-dependent 농진청 (2010) Exchangeable cation-mg Cmol + /kg More is better 농진청 (2010) Exchangeable cation-na Cmol + /kg Less is better Nematode reproduction % More is better This study Organic matter g/kg Volchko et al. 2014; More is better (%) (0.0) (1.0) (0.0) (3.5) (0.0) (3.0) 농진청 (2010) ph Unitless Optimum Glover et al. (2000); Qi et al. (2009); Volchko et al. (2014) Plant germination and growth % More is better This study Soil algal biomass % More is better This study Soil algal photosynthetic capacity % More is better This study Texture (Sand, silt, clay) Unitless Total glomalin % More is better This study Total nitrogen mg/kg More is better 0 3, , ,500 Glover et al. (2000); Qi et al. (2009) Total phosphorus mg/kg More is better , ,000 Qi et al. (2009) Water holding capacity ml/g More is better Qi et al. (2009) 1차변경 ; 2차변경

71 유효인산 (available phosphate), 유효규산 (available silicate), 전기전도도 (electric conductivity), 치환성양이온 (exchangeable cation-ca, K, Mg) 등이추가됨에따라, 지표배점체계에서도수정및보완사항이발생하였다. 또한, 기존의지표들도각특성과역치값간의적합성을고려할필요성이확인되었다. 예를들어, 용적밀도는 United States Department of Agriculture (USDA) 에서제공하는토성 (texture) 별작물생장영향기준을참고하였다. USDA에따르면, 토양의토성에따라작물생장에영향을줄수있는용적밀도기준은상이하였으며, 모래, 실트, 점토질토양에서가장적합한용적밀도는각각 <1.60, <1.40, <1.10 g/m 3 인것을확인하였다. 용적밀도는 less is better" 의특성을가지므로, 대상토양의토성에따라상위역치값 (UT) 을변화할필요성이있는것으로보인다. 토성에따른식물생장최적용적밀도 Soil texture Ideal bulk densities for plant Bulk densities that restrict root growth (g/cm 3 ) growth (g/cm 3 ) Sandy <1.60 >1.80 Silty <1.40 >1.65 Clayey <1.10 >1.47 유효인산, 유효규산, 양이온치환능 (CEC), 치환성양이온, 유기물함량, 전기전도도 (EC) 등은작물생장과밀접하게연관되어있으므로농촌진흥청에서제공하는작물별시비처방기준을참고하였다 ( 농진청, 2010). 농촌진흥청에서는작물별최적생장토양의 ph, 유기물함량, 유효인산, 유효규산, 치환성양이온, 양이온치환능, 전기전도도를제시하고있다. 유기물함량은 g/kg, 양이온치환능 (CEC) 은 Cmol + /kg, 전기전도도 (EC) 는 <2 ds/m, 치환성양이온 Ca는 Cmol + /kg, 그리고치환성양이온 Mg는 Cmol + /kg으로큰편차를보이지않았으나, 유효인산 ( mg/kg) 과치환성양이온 K( Cmol + /kg) 은작물별로큰차이를보이는것으로나타났다. < 작물별최적토양의화학성 ( 농촌진흥청, 2010)> Organic Available Available Exchangeable cation ph 작물 matter Phosphate Silicate K Ca Mg CEC EC (1:5) g/kg mg/kg mg/kg cmol + /kg cmol + /kg cmol + /kg cmol + /kg ds/m 벼 보리 밀 콩 참깨 감자 <2 고구마 <2 고추 <2 배추 <2 사과 배 농촌진흥청 (RDA), 2010, 작물별시비처방기준, 농업과학기술원

72 토양생산성, 토양안전성, 그리고생물다양성에모두포함되고있는분석지표인효소활성은총 8가지효소로분류된다. 산성인산가수분해효소 (Acid PhosphatAse, APA), 아릴설파타아제활성 (ArylSulfatAse, ASA), 카탈라아제 (CATalase, CAT), 탈수소효소 (DeHydrogenAse, DHA), 플루오레세인다이아세테이트가수분해효소 (Fluorescein Diacetate hydrolase, FDA), 프로테아제 (PRoTease, PRT), 우레아제 (UreAse, UA), 베타글루코시다아제 (β-gluocosidase, βga) 은토양내영양분순환, 토양양분의안정성, 그리고생물다양성등에관여하는것으로알려져있다. 이와같은효소활성들은분석방법과정량화에따라상이한단위 ( μg p-nitrophenol/g dry soil, ml KMnO4/g dry soil, μg INTF/g dry soil, μg Fluorescein sodium salt/g dry soil, L-lecucine mm, μg NH4/g dry soil, μg p-nitrophnol/g dry soil 등 ) 을가지며, 토양특성에따라서도정량화값이달라지는것으로알려져있다. 본연구에서는대표적인표준자연토양과인공토양인 LUFA와 OECD 토양, 그리고건국대학교에서채취한토양을대상으로각효소활성의 0 일차자료를수집하였다. 그결과, APA는 μg p-nitrophenol/g dry soil, ASA는 μg p-nitrophenol/g dry soil, CAT는 ml KMnO4/g dry soil, DHA는 μg INTF/g dry soil, μg Fluorescein sodium salt/g dry soil, μg NH4/g dry soil, 그리고 β GA는 μg p-nitrophnol/g dry soil 수준인것으로나타났다. 대상토양들이모두오염물질비처리군임을고려하여토양이건강한상태에서의효소활성범위를확인하였으며, 이중최대값을효소활성배점체계에적용하였다. < 토양효소별오염물질비처리군토양에서의활성 (0 일차 )> Enzyme Unit LUFA OECD Konkuk-soil APA μg p-nitrophenol/g dry soil (± 10) (± 22.34) ASA μg p-nitrophenol/g dry soil (± 0.2) 37.9 (± 4.58) CAT ml KMnO 4 /g dry soil DHA μg INTF/g dry soil (± 0.3) - FDA μg Fluorescein sodium salt/g dry soil (± 0.1) 10.4 (± 1.05) PRT L-lecucine mm UA μg NH 4 /g dry soil (± 0.3) 3.8 (± 1.57) βga μg p-nitrophnol/g dry soil (± 0.2) - 산성인산가수분해효소활성 (Acid phosphatase activity, APA), 아릴설파타아제활성 (Arylsulfatase activity, ASA), 카탈라아제활 성 (Catalase activity, CAT), 탈수소효소활성 (Dehydrogenase activity, DHA), 플루오레세인다이아세테이트가수분해효소활성 (Fluorescein diacetate hydrolase activity, FDA), 프로테아제활성 (Protease activity, PRT), 우레아제활성 (Urease activity, UA), 베 타글루코시다아제활성 (β-gluocosidase activity, βga)

73 지표 작물분류 하위역치값 상위역치값 참고문헌 감자, 고구마 고추 Available 밀, 보리, 참깨, 콩 농진청 Phosphate (mg/kg) 벼 (2010) 배, 사과 배추 Bulk density (g/m 3 ) Enzyme activity Exchangeable cation-k (Cmol + /kg) Exchangeable cation-ca (Cmol + /kg) < 토양및작물특성별배점체계 > Sandy Silty Clayey APA ( μg p-nitrophenol/g dry soil) ASA ( μg p-nitrophenol/g dry soil) CAT (ml KMnO 4 /g dry soil) DHA ( μg INTF/g dry soil) FDA ( μg Fluorescein sodium salt/g dry soil) PRT UA ( μg NH 4 /g dry soil) βga ( μg p-nitrophnol/g dry soil) 감자, 사과, 배 고구마 고추, 배추 밀, 보리, 참깨, 콩 벼 감자 벼, 참깨, 고구마, 고추, 배추, 사과, 배 보리, 밀, 콩 USDA (2001) This study 농진청 (2010) 농진청 (2010)

74 지표순위결정및가중치산출본연구에서는평가인자를반영할수있는지표를분석하고, 해당되는평가인자내에서의각지표의순위와가중치를결정하고자하였다. 이는통계적기법을기반으로하며, 조금더과학적이고신뢰성높은토양건강성지수산출에도움이될수있다. 기존연구에서는최소자료군 (minimum data set, MDS) 를산출하기위해서다양한다변량분석을시도한바있다. 이는다양한지표중다변량통계분석을통해본변수와가장큰유의성을보이는변수를결정하는단계로, 최소한의자료의활용을목표로한다. 최소자료군의활용은공공활용적인측면과깊이있는연구를보장하지만, 토양특성간상호연관성을고려했을경우총자료군 (total data set, TDS) 의활용도필요할것으로사료된다. 본연구에서는총자료군을대상으로주요인분석 (principle components analysis, PCA) 을활용하여주요인 (principal components, PC) 을분류하고각 PC에해당되는지료를선정하였다. PCA 를통해산출되는고유치 (eigenvalue) 를기준으로각 PC의활용성을평가하였으며, 변수부하량 (variation loading), 즉고유벡터 (eigenvector) 를이용하여가중치를적용하였다. 가중치의적용은요인분석 (factor analysis, FA) 를활용하였으며, 공통성 (communality) 를산출하여전체지표에대한비율로가중치를결정하였다. 각평가인자에해당하는지표는위와같은단계를거쳐순위가정해졌으며, 순위에맞는가중치를적용하여평가인자전체에해당하는가중치가 1 이될수있도록하였다. 이는다른평가인자에서도마찬가지로적용되며, 각평가인자상에서는독립적으로수행된다. 지표순위결정및가중치산출단계이후, 지표배점 (indicator scoring) 단계에서지표의점수를결정하고, 본단계에서산출된가중치를이용하여최종적으로토양건강성지수 (soil health index, SHI) 가산출될수있도록하였다. < 토양건강성지표의배점및가중치결정과정 >

75 각평가인자별토양건강성지수 (SHI) 산출본연구에서는토양건강성지수를산출하기위하여각지표의대한배점점수에가중치를곱하는기존의연구기법을참고하였다 (Andrews et al., 2002; Qi et al., 2009; Li et al., 2013; Volchko et al., 2014). 각평가인자별 (SS, SP, Bd, Sa) 지표의배점 (Si) 과가중치 (Wi) 를모두구하고, 각값의곱하여총합을구하는방식으로평가인자에대한건강성지수를산출하였다. SHI: soil health index Wi: weighting factor of each indicator Si: score of each indicator 이때, 산출되는토양건강성지수는 1 을넘지않으며, 각평가인자별로그수치가낮을수록해당되는토양의기능을상실한것이라판단한다. 산출된최종토양건강성지수는 1 을넘지않으며, 낮은점수일수록토양생산성, 토양안정성, 생물다양성, 그리고토양안전성등의토양기능을상실하여건강하지못한토양이라판단한다. 이는각토양건강성지수범위에따라 매우좋음 (>0.85), 좋음 ( ), 보통 ( ), 나쁨 ( ), 그리고 매우나쁨 (<0.40) 으로결정하였다. 이는토양오염지역에서발생할수있는정화토양의건강성을평가하는데도움이될수있으며, 각종개량과정을거친복원토양의기준을과학적이고신뢰성있게제시할수있을것으로사료된다

76 경계수치 (Critical Value, CV) 의적용기존의토양건강성평가기법은각지표의분석과배점, 그리고가중치적용을통해전반적인토양특성을이용하였다. 하지만, 하나의지표가극단적인수치를나타낸다면, 다른토양특성의배점과가중치에관계없이이와같은조건을반영할필요성이있을것으로보인다. 예를들어, 토양의생산성에긍정적인영향을줄수있는것으로알려진유기물함량과유효인산등의지표가적합한수준이라하더라도, 염피해를발생시킬수있는수준의전기전도도지표수치를보인다면, 이는생산성기능을수행할수있는토양이라고정의하기어려울것이다. 따라서본연구에서는각지표에대한평가와배점을진행함과동시에, 경계수치 (Critical Value, CV) 개념의적용을제안한다. 이는일정지표의측정치가경계수치이상이되었을경우, 대상토양은각평가인자에해당되는기능을수행할수없다고정의하는것이다. 토양은다양한특성인자가상호작용하여그영향을예측하기어렵지만, 경계수치이상일경우는단일토양특성만으로토양의기능을정지시킬수있을것이라판단한다. 따라서경계수치이상의지표가포함되는평가인자는토양건강성지수를 0 으로정의한다. 이는매우중요하고민감한개념이며, 해당지표의경계수치를결정하기위해서는다양하고신뢰성높은과학적근거가필요할것으로보인다. 본연구에서는다양한토양특성인자중토양기능에치명적인영향을줄수있는인자인전기전도도와중금속농도에대한경계수치를결정하였다. 토양생상선평가인자에해당되는지표중전기전도도와 ph에대한경계수치를결정하였다. 본연구에서수행된 2015년구 ) 장항제련소현장부지실증연구에서는, 오염토와정화토를포함하여복토형태의개량토 ( 하위 0.7 m 정화토, 상위 0.3 m 청토 ) 에대한작물생산성을평가한바있다. 해당연구에서의개량토에서는염피해로예상되는하얀표토가확인되었으며, 높은전기전도도 ( 최대 ds/m) 가측정되었다. 이는정화과정중사용된토양세척제가정화토에잔여하여복토이후여름철의높은온도와수분부족으로표토층 ( 청토 ) 으로용출된것으로보이며, 개량토에서는작물이모두고사하는현상을보였다. 청토복토구간 ( 개량토 ) 내염분피해 ( 현장실증연구, 2015 년 ) 청토복토구간 ( 개량토 ) 내작물고사 ( 현장실증연구, 2015 년 ) <2015 년현장실증연구중개량토구간염분피해및작물고사사진 >

77 국내 외작물재배를위한적정전기전도도기준을조사한결과, 우리나라의경우는농촌진흥청에서토양비옥도기준으로써시설재배지토양에한해 2.0 ds/m 이하를제시하고있었으며, 작물별시비처방기준에따르면대부분의작물들이 2.0 ds/m 이하인것으로확인되었다 ( 농진청, 2010). 미국농무성 (USDA) 의경우는 < 2 ds/m일경우염토양이아니며, 4 ds/m 이상이면염피해가발생될수있는개연성이있는것으로언급하였다 (USDA, 2010). 캐나다의앨버트주와호주의빅토리아주에서는각각 < 2.0 ds/m, < 1.8 ds/m 일경우염토양이아니라고정의하는것으로나타났다. < 국내 외작물재배를위한적정전기전도도기준 > 국가 출처 전기전도도 비고 농촌진흥청 ( 토양비옥도기준 ) 2.0 ds/m 이하 시설재배지토양 한국 농촌진흥청 ( 작물별시비처방기준 ) 2.0 ds/m 이하 구근류, 장미제외 농촌진흥청 3.0 ds/m 이하 구근류, 장미 <2 ds/m Non-saline <4 ds/m Very slightly saline 미국 USDA <8 ds/m Slightly saline <16 ds/m Moderately saline 16 ds/m 이상 Strongly saline <2 ds/m Non-saline 2-4 ds/m Weakly saline 캐나다 Ministry of Agriculture and Forestry 4-8 ds/m Moderately saline 8-16 ds/m Strongly saline >16 ds/m Very strongly saline <1.8 ds/m All pastures and clovers ds/m Most pastures, crops, legumes Agriculture Victoria ds/m Grass, some legumes ds/m Grass, not clovers Salt tolerant plants, some > 8.6 ds/m barley grass 호주 <0.95 ds/m Sensitive crops ds/m Moderately sensitive crops Department of Environment and ds/m Moderately tolerant crops Resource management ds/m Tolerant crops ds/m Very tolerant crops >12.2 ds/m Generally too saline for crops

78 본연구에서는 2차년도에제안한토양건강성평가체계에서, 토양안전성평가인자를평가하기위하여다양한지표를제안하였다. 이중토양오염우려기준을이용한토양오염도지표가포함되어있으며, 이를이용하여토양안전성지수를산출하고자하였다. 하지만이는토양건강성평가체계에서적용되기어려운것으로확인되었으며, 국내토양오염우려기준이환경부령으로 사람의건강 재산이나동물 식물의생육에지장을줄우려가있는토양오염의기준 으로정의하고있는것으로고려하여다른평가방안이필요할것으로보인다. 또한, 국내토양오염우려기준은토양오염정화기준과밀접한연관성을가지고있으므로, 환경부정책적차원으로이를초과할경우안전한토양으로써의기능을상실했다고정의해야할것으로판단된다. 중금속종의토양오염우려및대책기준 물질 토양오염우려기준토양오염대책기준 1지역 1 2지역 2 3지역 3 1지역 1 2지역 2 3지역 3 As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn ) 1지역 : 지적법 에따른지목이전ㆍ답ㆍ과수원ㆍ목장용지ㆍ광천지ㆍ대 ( 지적법시행령 제5조제8호가목중주거의용 도로사용되는부지만해당한다 ) ㆍ학교용지ㆍ구거 ( 溝渠 ) ㆍ양어장ㆍ공원ㆍ사적지ㆍ묘지인지역과 어린이놀이시설안전관리 법 제2조제2호에따른어린이놀이시설 ( 실외에설치된경우에만적용한다 ) 부지 2) 2지역 : 지적법 에따른지목이임야ㆍ염전ㆍ대 (1지역에해당하는부지외의모든대를말한다 ) ㆍ창고용지ㆍ하천ㆍ유지ㆍ 수도용지ㆍ체육용지ㆍ유원지ㆍ종교용지및잡종지 ( 지적법시행령 제5조제28호가목또는다목에해당하는부지만해당한 다 ) 인지역 3) 3지역 : 지적법 에따른지목이공장용지ㆍ주차장ㆍ주유소용지ㆍ도로ㆍ철도용지ㆍ제방ㆍ잡종지 (2지역에해당하는부지외 의모든잡종지를말한다 ) 인지역과 국방ㆍ군사시설사업에관한법률 제2조제1항제1호부터제5호까지에서규정한국방 ㆍ군사시설부지 따라서본연구에서는토양안전성에대한신뢰성높은평가를위하여, 1지역에해당되는중금속토양오염우려기준을경계수치로활용할것을제안한다. 대상토양의중금속 8종 (As, Cd, Cr 6+, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn) 농도를평가하여이중의하나라도토양오염우려기준을초과하게된다면, 해당토양은안전한기능을수행할수없다고정의한다. 현행토양오염우려기준이정화기준임을고려하면이를초과하는수치가안전하다고평가할수없으며, 경계수치로써적합하다고판단된다

79 최종토양건강성지수 (final SHI) 산출 본연구에서는평가인자별토양건강성지수 (SHI) 를산출하여각평가인자가대표하는토양의기능을정량화하는방안을제시하였다. 각평가인자별토양건강성지수는 0에서 1사이로산출되며, 낮은점수를가질수록토양의질이좋지않음을의미한다. 본연구에서는토양건강성지수가 0.85 초과일경우 매우좋음, 일경우 좋음, 일경우 보통, 일경우 나쁨, 0.40 미만일경우 매우나쁨 으로평가할것을제안한다. < 평가인자별토양건강성지수 (SHI) 와토양기능간의관련성 > 분류 SHI 매우좋음 >0.85 좋음 보통 나쁨 매우나쁨 <0.40 출처 : Volchko et al. (2014a; 2014b) 각평가인자별토양건강성지수는최종적으로토지이용도별로그룹화되어최종토양건강성지수 (final SHI) 를산출할수있도록하였다. 토지이용도는농업지역, 국립공원, 주거지역, 그리고상업 / 공업지역으로분류하며, 각각토양생산성 / 토양안전성, 생물다양성 / 토양안전성, 토양안정성 / 토양안전성, 그리고토양안정성 / 토양안전성으로그룹화할것을제안한다. 따라서최종토양건강성지수의범위는 0에서 2사이가되며, 토양기능과의관련성은 1.70 초과일경우 매우좋음, 일경우 좋음, 일경우 보통, 일경우 나쁨, 0.80 미만일경우 매우나쁨 으로평가할것을제안한다. < 토지이용도에따른최종토양건강성지수 (final SHI) 산출 >

80 (2) 토양오염물질별민감종및유전자발굴 ( 가 ) 토양건강성평가관련생물종 /bioassay 기법 DB 구축및민감종 / 민감 bioassay 발굴 유전자데이터베이스검색을통해대장균 (E. coil DH5α) 에존재하는금속유도유전자 (metal inducible gene) 에대한정보를확인하고, 각각에대한유전자를 DNA 중합연쇄반응 (PCR) 을통해확보하였다. 이때, 중금속유도유전자는비소센서 (arsenic inducible gene: Pr-ars/ArsR), 아연센서 (zinc inducible gene: Pr-znt/ZntA), 니켈센서 ( nickel inducible gene: Nik-Pr), 그리고구리센서 (copper inducible gene: Pr-cop/CopA) 를포함한다. 금속유도유전자오페론 (metal-inducible operon) 으로부터프로모터 / 오퍼레이터 (promoter/operator) 부분을바이오리포터의금속 sensing element로사용하였으며, 형광시그널을주는형광단백질 (fluorescent proteins), egfp 그리고 mcherry를금속농도에따라신호를주는 reporter gene으로사용하였다. 다음그림은대장균 genomic DNA에서 Ars-operon을나타내고있으며, 그중에서 promoter 부분과 regulatory gene인 ArsR을같이확보하여 sensing element로사용하였다. 뿐만아니라대장균에서찾아낸금속유도유전자들중에서비소, 아연, 니켈, 구리에대한유전자부분을 PCR을통해서확보하여이후바이오리포터제작에사용하였다. < 데이터베이스로부터 ars promoter/arsr 유전자확보 > < 대장균에있는금속유도유전자 4 종에대한 PCR 결과 >

81 < 금속유도유전자증폭을위한프라이머시퀀스 > No Sequence Enzyme site 1 GTGGATCCGCCAACTCAAAATTCACACC BamHI 2 CCTCTAGATTAACTGCAAATGTTCTTACTGTC XbaI 3 ACAGATCTCGGCCTGCTACTTTGCC BglII 4 CCTCTAGAGGGCTTTCTTGCCGTGAT XbaI 5 ACAGATCTCTGATCCACTGCCTGCTG BglII 6 CCTCTAGAGACGGTCACGTCTTGTCG XbaI 7 ACAGATCTGCCTTGCGATCTGCACCC BglII 8 CCTCTAGACTGGTGCAGCGGCATGG XbaI Target gene ars-pr/arsr znt-pr cop-pr Nik-pr Expected size 460bp 170bp 347bp 260bp 바이오리포터를위한플라스미드제작은기본적인유전자조작방법 (molecular cloning) 을통해수행하였다. 아래그림과같이 PCR을통해확보된중금속유도유전자를 DNA 제한효소 (restriction enzyme) 을이용하여 pet-21(a) vector에 BglII/XbaI site에삽입한후리포터유전자 (egfp; enhanced green fluorescent protein) 을 BamHI/XhoI 제한효소사이트로삽입하여퓨전하였다. 이와같은경우중금속이대장균에접하게될경우, 금속유도유전자 promoter에 regulatory 단백질이결합하게되고, 이에따라 reporter gene 이전사그리고번역을통해형광신호를나타내게된다. 이렇게얻어진플라스미드를대장균에 transformation으로삽입하여바이오리포터를확보하였다. 서로다른유전자를가진플라스미드에따라비소, 카드뮴등을정량할수있는중금속선택적바이오리포터를개발하였다. < 중금속유도유전자와리포터유전자를가지고있는플라스미드 > ( 나 ) 유전자 DB 구축및분자지표 / 세포기반바이오리포터 (whole cell bioreporter) 개발 분자생물학적유전자조작을통해서얻어진플라스미드 pars-egfp ( 비소센서 ), pznt-egfp and mcherry( 카드뮴센서 ), pnik-egfp and mcherry ( 비소센서 ) 를 bioreporter의숙주로사용할

82 대장균 (E. coli DH5α) 에각각삽입하여중금속정량 whole-cell bioreporter를개발하고이를이용하여토양내중금속정량센서로서의사용가능여부를확인하였다. 대장균을이용한 의구조및작동원리 중금속센서로사용되는플라스미드를포함한대장균 ( 이하바이오리포터 ) 을 5 ml의 LB 배지에접종하여종자배양액 (seed culture) 를만들어, 이후 100 ml의 LB 배지에종자배양액 1ml을넣어 37도 180 rpm 배양기에서 3시간 (OD 600 =0.4) 가량추가배양한다. 배양된바이오리포터세포를 5 ml 씩 test tube에분주하고, 각각 test tube에 1 ppm의다양한중금속, 구리, 니켈, 수은, 크롬, 비소, 카드뮴, 납그리고아연을첨가한후추가배양을수행한다. 이후 1시간그리고 3시간에각각시료를샘플링하여형관분석기 (fluorescence spectrometer, Sinco FS-2) 를이용하여형광단백질의발현정도를측정하였다. egfp의경우흡광 / 발광에대한파장이 480/510 nm, mcherry의경우 570/610 nm를사용하였고, 시료분석을위한 bandwith는 0.5 nm 로고정하여사용하였다. 대장균에있는 Ars-operon은대장균이비소에노출되었을때체내비소를배출하기위한메카니즘에연관된단백질들을발현시키는기능을한다. 따라서 ars operon에해당되는 promoter의경우외부에서비소가들어오게되면, 아래에위치한유전자발현을유도한다. 따라서본실험에사용한바이오리포터의경우비소존재하에프로모터이하에있는리포터유전자가발현되게된다. 그러나토양에는비소이외에다양한중금속들이존재하게되고, ars operon의다른금속에반응하게될경우실질적으로정량이어려워지게된다. 따라서다양한중금속 8종에대한선택성시험을수행하였다. 1 ppm의 8종중금속에노출시켰을경우 pars-egfp를가진바이오리포터는비소에대해서만반응하는것을확인할수있었다. 노출시간을 1시간과 3시간으로하였을때, 비소의경우 6-8의 induction coefficient를나타내었으며다른중금속의경우 control의경우와유사하게나타났다 (induction coefficient=1). 따라서 pars-egfp를가진바이오리포터는비소에만선택적으로반응하는것을확인하였고, 이는토양에존재하는비소를선택적으로정량할수있는센서로사용할수있다는것을보여주었다

83 < 비소센서중금속선택성시험 : pars-egfp 를가진바이오리포터는비소에대하여선택적으로반응 : 노출시간 1 시간 (closed circle) 과 3 시간 (open circle)> 토양중무기비소는주로비소 (III), 비소 (V) 로존재하고있으며이중비소 (III) 이더높은독성을가지고있다고알려져있다. 따라서본연구에서개발된바이오리포터를이용하여두가지형태의비소에대한반응성을수행하였다. 그결과바이오리포터는두종류의 arsenic에대해반응성을보였으며, As(III) 에대해더민감한형광시그널을보여주었다. 이와같은결과는 As(III) 의독성이더높으며리포터유전자의형광세기또한독성이높은물질에높게나타난다라는국내외보고와일치하였으나, As(III) 과 As(V) 를선택적으로구별하지못하는것으로나타났다. <As(III) 과 As(V) 에대한선택성 > Zinc inducible operon은아연뿐아니라카드뮴, 납등에반응하는 broad selectivity를가지고있다고알려져있다. 그러나본연구에서는다른보고에사용된바이오리포터와는달리 znt-promoter 부분만을중금속 sensing element로사용하였으며, 중금속선택성시험결과 cadmium에선택적으로반응하는것을확인하였다. 높은농도 (20 ppm) 에서는다른금속크롬

84 이나아연에리포터유전자가약하게발현되었지만, 농도를 5 ppm으로하였을경우카드뮴선택적으로나타났다. 여전히아연과크롬에대하여약한반응을나타내었지만토양내평균적중금속농도를고려하였을때, 큰영향이미치지않는범위로사료된다. 한편, 중금속의농도를 1 ppm으로낮추었을경우다른금속에대한반응은나타나지않는것으로확인되었다. <pznt-egfp 를가진바이오리포터의중금속선택성시험결과 : 노출농도 1 ppm (gray bar) 와 20 ppm (black bar)> 바이오리포터의금속선택성시험후금속측정한계및정량조건확립을위하여금속민감도를측정하였다. 금속민감도는중금속선택성시험을통해확인된중금속을대상으로하여 0-1 ppm 범위에서수행하였다. pars-egfp의경우비소 (arsenic) 선택성을보였으며, pznt-egfp의경우카드뮴 (cadmium) 선택성을나타내어, 각각의금속에대한민감도를측정하였다. 중금속에의한리포터유전자의발현정도는 induction coefficient로나타내었으며, 이는 [ 중금속첨가로유도된리포터유전자발현 ]/[ 중금속부재리포터유전자발현 ] 으로나타내었다. 서로다른농도의중금속첨가후 1시간그리고 3시간배양후리포터유전자발현정도를측정하였다. 비소정량을위한조건을확립하기위해서는측정한계및측정범위그리고중금속독성에의한영향등을고려하여야한다. 비소바이오리포터의경우비소독성을확인하기위하여, 1 ppm의비소에노출된바이오리포터의시간에따른리포터유전자의발현을측정하였다. 아래그림은 1 ppm 비소를첨가한 pars-egfp 바이오리포터의 egfp 발현세기를시간에따라측정한결과로, 비소첨가하지않을경우와는달리, 강한시그널을보여줌, 따라서 arsr-egfp의경우비소검출능이있음을확인할수있었으며, 특히 15시간에서신호감소를확인할수있었다. 이는 1 ppm 비소에장시간노출로인한대장균의성장저해 ( 사멸 ) 의결과로추정되며, 이를보정하기위해세포의양을일정하게하여측정하였을경우비소독성에의한형광시그널감소가보정됨을확인할수있었다

85 <0 ppm (gray bar) 와 1 ppm (black bar) 비소노출후시간에따른 egfp 신호변화 :15 시간이후비소독성에의해리포터유전자신호감소 ( 왼쪽 ) 되었으나세포수를같게했을경우보정되는것을확인 ( 오른쪽 )> 낮은농도의비소를검출할수있는비소바이오리포터를이용한토양내잔류비소정량을위하여, 비소검출범위에대한시험및표준곡선을이용한잔류비소정량시험을수행하였다. 비소검출을위하여 whole-cell bioreporter의경우 1 ppm의비소에서도높은형광시그널을보여주었기때문에 0-1 ppm 농도범위에서의바이오리포터반응을형광분석기를이용하여측정하였다. 아래그림에서 whole-cell bioreporter는 ppb range에서비소농도의존적형광시그널증가를보여주었으며, 1.5 또는 3시간반응에서 100 ppb 이상에서는포화된시그널을보여주었다. 따라서이와같은결과로 pars-egfp는 ppb 범위에서농도의존적시그널증가를보이며, 이범위를측정범위라규정하였다. < 비소농도의존적형광시그널변화 > pznt-egfp를가진바이오리포터의경우중금속선택성테스트로부터아연에비해카드뮴에높은선택성을보여주었기에카드뮴센서로사용하였다. 토양환경에존재하는 bioavailable 카드뮴정량을위해측정범위및한계농도를알아보기위하여농도에따른리포터유전자의발현정도를형광분석기를통하여측정하였다. pznt-egfp를가진바이오리포터의경우 0.05 ppm에서 2배의형광시그널을나타내었으며 5 ppm 범위까지형광신호가농도의존적으로증

86 가함을확인할수있었다. 그에비해같은농도범위의아연에대해서는 5 ppm, 3시간노출에서신호가 2배로증가함을볼수있었다. 따라서 zinc-operon에기반한바이오리포터는카드뮴정량센서로사용할수있음을확인할수있었다. 그리고 0-1 ppm 범위에서는리포터유전자발현과카드뮴농도와상관관계를 linear regression model로나타낼수있었다. <1.5 시간 (gray bar) 와 3 시간 (dark gray bar) 노출이후중금속농도증가에따른카드뮴바이오리포터신호세기변화 :0-5 ppm 범위에서 pznt-egfp 를가진바이오리포터는카드뮴에농도의존적으로나타났으며 ( 왼쪽 ), 이와는달리아연에의해서는유의한신호증가가확인되지않음 ( 오른쪽 ). > pznt-egfp에서리포터유전자를 mcherry로바꾸어 pznt-mcherry 플라스미드를만들어대장균에삽입하여다른파장대에서측정할수있는바이오리포터를확보하였다. egfp의경우 480 nm excitate/ 510 nm emission으로측정하였으나, mcherry의경우 570 nm/610 nm로측정하였다. egfp와 mcherry의경우단백질구조는매우비슷하지만 active 단백질로폴딩되는데걸리는 maturation time이서로다르다. 이전보고에따르면 egfp는 10분, mcherry는 50분으로알려있다. 따라서 mcherry를사용한바이오리포터의경우카드뮴에노출되었을경우단백질이발현되어신호를나타내는데더오랜시간이걸리기된다. 이와같이카드뮴농도에따라측정하였을경우 egfp의경우와는달리측정범위 0-30 ppm, 10시간노출하였을경우 linear correlation을나타내었다. 결과적으로 5배의 maturation time의차이가 10배이상의측정범위변화를나타내었다. 이와같은결과에따라, reporter gene의변화를통해바이오리포터의특정범위를조절할수있다는것을확인하였다. 이는바이오리포터의특성을변화시켜다양한범위로적용하는데도움을줄수있을것으로전망된다

87 <Tunable detection ranges of bioreporter by replacing reporter genes: 2 hr (gray bar), 4 hr (line bar), 10 hr (black bar)> 25 g LUFA 토양에 0-10 ppm, 그리고 0-50 ppm의비소와카드뮴을각각첨가한후토양을어두운곳에서 7일간 aging을하였다. 이후각토양시료에들어있는 bioavailable한중금속을정량하였다. 토양중중금속정량을위해서위에서얻어진중금속으로오염된토양시료로부터중금속을 water를이용하여추출하여토양용액 (soil solution sample) 을만들었다. 이후각각의시료, 토양시료와토양용액시료로부터바이오리포터를이용하여 bioavailable 중금속을정량하였다. 토양용액의경우, 3 ml의바이오리포터에 2 ml의토양용액을추가하여 1시간그리고 3 시간추가배양을한후리포터유전자의발현정도를측정하였다. 유전자발현측정을위해서 1 ml의바이오리포터세포를원심분리한후, 1 ml의 50 ml Tris-HCl (ph 7.3, 160 mm NaCl) 로 resuspension 후형광분석기로측정하였다. 토양용액과는달리토양시료의경우 5 ml의세포에 0.25 g의토양시료를직접추가한후 1시간, 3시간시표를채집하여분석하였다. 토양을첨가한경우토양입자가형광단백질의형광을가리기때문에이를제거하기위하여 2000 rpm 으로 30초원심분리하여무거운토양입자를제거한후형광분석기로측정하였다. 바이오리포터를이용한토양내잔류비소정량을위해서표준토양에비소를 0-10 ppm 농도로처리한시료와농도를알수없는시료를마련하여 blind test를수행하였다. As(III), As(V) 를각각처리한시표에대한 induction coefficient를이용하여표준곡선을만들고, 표준곡선을기준으로하여 blind sample에처리한비소농도를정량하였다. 토양시료를이용한테스트의경우표준곡선을이용한농도결정결과, As(III) 의경우 8.2 ppm, 그리고 As(V) 의경우 8.1 ppm으로나타났으며, 이는실제농도 7.5 ppm에대하여 92% 수준의정확도를보였다. 그리고토양용액을이용한경우각각 93% 의정확도로 blind sample의농도를결정할수있었다

88 <As(III) (gray bar) 과 As(V) (black bar) 를처리한토양시료 ( 왼쪽 ) 와토양용액 ( 오른쪽 ) 에대한바이오정량을위한표준곡선 > 토양정화지역공구 1, 2, 3에서정화전그리고정화후토양을샘플링하여토양시료를확보하였다. LUFA 표준토양을이용한실험과같이각각의시료에따른토양시료그리고토양용액시료를준비하여정량에사용하였다. 토양용액과토양시료에대한시험방법은위에언급한방법과같았으며, 토양시료및토양시료에존재하는 bioavailable 중금속정량을위하여표준곡선 (standard curve) 을작성하였다. 표준곡선은시험과같은조건에서알고있는중금속의농도를 0-1 ppm 범위로첨가하였다. 특히토양시료분석을위한표준곡선의경우, 토양입자의영향을보정하기위해서 LUFA 토양을 control( 또는 reference) 로추가하였다. 그러나정화토와 LUFA의토성이일치하지는않기때문에토성에의한오차를고려하여야한다. 이러한오차에대한부분을극복하기위해본연구에서는바이오리포터세포의 soluble fraction을이용하여중금속을정량하는방법을추가하였다. soluble fraction은중금속오염시료에노출된바이오리포터세포에 1 ml의 Tris buffer를추가한후 tip sonicator를이용하여세포를파괴한다. 파괴된세포를원심분리기에서 x g, 15분간원심분리하여상등액을취하여형광분석기를이용하여분석하였다. 각각발현된형광단백질의세기는 induction coefficient로나타내었으며, 토양시료에존재하는 bioavailable 중금속은표준곡선을이용하여결정하였다. 비소뿐만아니라일반적으로토양내존재하는중금속은토양에흡착하여실제생물에영향을주는유효농도는전체양과는매우다르다고알려져있다. 뿐만아니라 bioavailability는토양을물리화학적특성에많은영향을받으며, 토양의특성에따라 bioavailability 정도가다른것으로알려져있다. 그래서토양오염물질에대한위해성평가는토양내총오염물질의양보다는 bioavailability를고려하는것이더중요하다고인식되고있다. 따라서대장균을이용한 whole-cell bioreporter는토양중생물학적유효농도를정량하기때문에위해성평가에서더욱중요하게사용될수있다. 따라서본연구에서는토양정화지역에서샘플링한정화전 후토양에존재하는생물학적유효비소농도를바이오리포터를이용하여정량하였다. 생물학적유효비소의농도를정량하기위해서먼저표준곡선을작성하였다. 토양시료를총비소를포함한토양시료, 그리고수용성비소를포함한토양용액시료에있는비소정량을

89 위해각각에대한표준곡선을작성하였다. 토양용액의경우 2 ml의시료를 3 ml의바이오리포터에첨가한후 1시간노출후측정하였으며, 이를위한표준곡선은 2 ml의물과비소를첨가하여작성하였다. 그리고토양시료직접처리한경우, 0.25 g의토양을 5 ml의바이오리포터에첨가후 1시간노출후측정하였다. 표준곡선은 LUFA 토양과비소를첨가하여작성하였다. 그리고토양처리샘플의경우 1 ml의토양토출세포를파괴하여 soluble fraction을확보한후추가적으로정량실험을수행하였다. < 정화전 후토양시료및토양용액의생물학적유효비소정량을위한표준곡선. a) 토양용액에대한표준곡선, b) 토양시료에대한표준곡선, c) 토양시료의 soluble fraction 을이용한표준곡선 > 그리고토양시료에대한바이오리포터의 induction coefficient 또한형광분석기를통하여결정하였다. 3공구에서샘플링한정화전 후토양용액, 토양그리고토양노출 soluble fraction에대한 induction coefficient를결정하고, 이에대한생물학적유효농도를각각의표준곡선을이용하여결정하였다. 이와같이표준곡선을이용하여정화전 후토양시료및토양용액에있는생물학적유효농도를정량하였다. 그리고각시료에있는총비소의양또한 ICP-AES를이용하여결정하였다. 실험결과에따르면, 토양시료에대한비소의생물학적유효농도는토양용액의경우 10-30% 정도로나타났으며, 토양시료의경우 5-10% 정도로나타

90 났다. 그리고토양정화과정을통해 40% 정도의총비소는감소하였으며, 생물학적유효비소의경우비슷하거나오히려다소간증가한것으로나타났다. < 바이오리포터실험을통한토양용액 (a), 토양 (b), 그리고 soluble fraction (c) 의토양노출시료의 induction coefficient> 표준토양시료의경우 0-50 ppm의카드뮴을첨가하여준비하였으며, 비소바이오리포터분석과같은방법으로토양시료, 그리고수용성카드뮴추출된토양용액에있는생물학적유효카드뮴함량을분석하였다. 토양시료의경우직접측정과 soluble fraction을이용한측정방법 2가지를사용하였다. 먼저각분석법을위한표준곡선을작성하였고, 토양시료는 0-2 ppm 그리고토양용액의경우 ppb 범위를사용하였다. 이는토양용액에포함된생물학적유효농도가매우낮기때문이다. 각분석방법에대한표준곡선은 0-2 ppm 범위에서는 hyperbola regression의유형을보여주었으나, 낮은농도범위 (0-100 ppb) 에서는 linear regression 유형을보여주었다. 각유형의표준곡선은 이상의 R 2 를보여주는것으로보아신뢰할수있었으나, 본연구에서는 linear regression model을이용하여각시료의생물학적유효카드뮴농도를결정하였다

91 < 바이오리포터를이용한카드뮴정량을위한표준곡선. a) 토양용액, b) 토양시료, c) 토양시료노출바이오리포터세포의 soluble fraction> 표준토양시료의경우생물학적유효카드뮴함량은전체카드뮴양에비해토양시료분석에서는 55% (30-95%), 그리고토양용액의경우 % 로나타났다. 비소오염된표준토양시료와비교하면생물학적유효함량이훨씬많다는것을알수있으며, 이는비소에비해토양에흡착되는정도가훨씬낮다는것으로설명할수있다. 그리고정화토양시료분석에서는, 토양시료의경우총카드뮴의 0.5% 정도가 bioavailable하며, 토양용액의경우 0.1% 가 bioavailable 하다는것을알수있었다

92 < 바이오리포터실험을통한정화전 후토양시료의 induction coefficients. 토양시료처리한경우 ( 위 ), 토양용액의경우 ( 아래 )>

93 (3) 정화토재사용을위한국내 외복원방법및기준안조사 ( 가 ) 중금오염정화통특성조사및분석방법정립 오염토양의정화기법오염토양을정화하는기법은매우다양하다. 본연구에서는오염물질에따라생물학적, 물리 화학적, 열적처리방법으로나누어조사하였다. 다음표는오염물질별토양정화기법을나타낸것이다. 오염물질의분류는유기성물질과중금속으로나누었으며, 유기성물질과중금속을모두처리가능한방법도조사하였다. < 오염물질별토양정화기법 > 오염물질처리방법 생물학적처리방법 유기성물질중금속유기성물질 + 중금속 생물학적분해법 (biodegradation) 생물학적통풍법 (bioventing) 토양경작법 (landfarming) 바이오파일법 (biopile) 퇴비화법 (composting) 자연저감법 (natural attenuation) - 식물재배정화법 (phytoremediation) 물리 화학적처리방법 토양증기추출법 (soil vapor extraction) 용제추출법 (solvent extraction) 화학적산화 / 환원법 (chemical oxidation/reduction) 고형화 / 안정화법 (solidi -fication/stabilization) 토양세정법 (soil flushing) 토양세척법 (soil washing) 동전기법 (electrokinetic separation) 열적처리방법 열탈착법 (thermal desorption) 소각법 (incineration) 열분해법 (pyrolysis) 유리화법 (vitrification) - 중금속으로오염된토양을처리하는물리 화학적처리방법으로는고형화 / 안정화법 (solidification/stabilization), 토양세정법 (soil flushing), 토양세척법 (soil washing), 동전기법 (electrokinetic separation) 이있으며, 토양세정법, 토양세척법, 동전기법등은유기성물질에도효과가있는것으로알려져있다. 고형화 / 안정화법은오염된토양과시멘트, 석회, 슬래그등첨가제를혼합하여오염물질을물리적 화학적으로안정화하거나무해한형태로변화시키는방법이다. 토양세정법은오염된토양이나지하수에물, 첨가제를섞은물을주입하여오염물질의용해도를증대시켜준후침출처리하는방법이며, 중금속으로오염된부지에활용도가높은것으로알려져있다. 토양세척법은굴착된오염토양을세척액을이용하여토양오염물질을분리하는방법으로, 분리된오염물질은폐기물로처리되거나폐수처리방법으로처리한다. 동전기법은점토질토양의중금속이온과유기물질을제거하기위한효과적인방법이다. 음이온, 양이온, 중금속등이온상태의오염물질을전기장에의해이동속도를촉진시켜처리하는방법이다

94 토양정화공법적용에따른토양질의변화이등 (2012; 2013) 은납또는유류로오염된토양을정화한후의토양특성과정화전의토양특성 ( 물리적, 화학적, 생물학적 ) 에대하여연구를하였다. 납으로오염된토양은토양세척법으로정화되었다. 유류로오염된토양은석유계총탄화수소농도가 1,000-3,000 mg/kg인경우토양경작법이이용되었고, 석유계총탄화수소농도가 5,000 mg/kg인경우에는열탈착법이적용되었다. 토양정화전과후평가된토양의물리적및화학적특성은입도와토성, 수분보유력, 토색, 토양산도, 전기전도도, 치환성나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 알루미늄, 양이온교환능력, 유기물함량, 총질소, 유효인산이고, 생물학적특성은토양미생물특성, 토양생물 ( 식물, 미생물등 ) 등을평가하였다. 전반적으로토양정화후, 토양의비옥도를저하시켰으며, 물리 화학적특성을변화시켰다. 또한물리화학적특성에변화가일어남에따라생물학적특성이악영향을받은것으로나타났다

95 특성 인자 토양경작법 토양세척법 열탈착법 토성 (texture) 사양토 사양토 사질식양토 사양토 양질사토 사양토 물리적특성 토색 (color) light alive brown alive brown yellowish red strong brown alive brown yellow brown 수분보유능 (water holding capacity) 변화없음 32.7% 감소 7.2% 증가 토양산도 (ph) 거의변화없음 거의변화없음 다소증가 전기전도도 (electronic conductivity) ds/m ds/m ds/m ds/m ds/m ds/m Na K 치환성양이온 (exchangeable cation) Ca Mg 화학적특성 Al 토양유기물 (soil organic matter) 2.12% 2.38% 3.84% 2.15% 5.26% 4.67% 양이온교환능력 (cation exchange capacity) cmol/kg cmol/kg cmol/kg cmol/kg cmol/kg cmol/kg 총질소 (total nitrogen) 57.6% 감소 57.6% 감소 4.3% 감소 유효인산 (available phosphate) 69.2% 감소 72.4% 증가 56.2% 감소 총미생물수 거의차이없음 다소감소 크게증가 생물학적특성 탈수소효소활성도다소증가다소증가변화없음발아율증가증가증가적겨자성장률증가감소증가 붉은줄지렁이의생체량 16.7% 11.4% 5.62% 5.7% 19.9% 감소 * 이등 (2012; 2013;) 토양경작볍토양세척법열탈착법을이용한토양정화전후의토양의물리화학적특성변화

96 ( 나 ) 국내 외토양기능복원방법및재이용기준안조사 토양정화공법적용후토양질향상사례조사 Li et al. (2009) 은납으로오염된토양을제올라이트 (zeolite) 로고정화하여정화한후, 물리 화학적변화를연구한바있다. 오염된토양의토성은모래이고납의농도는 mg/kg 이었다. 정화후, 납의농도는 30-47% 감소하였다. 연구결과, 토양의물리학적특성중토양입자의경우입자분포가다양해진것으로나타났다. 유기물함량의경우변화가없는것으로나타났다. 화학적특성중 ph와양이온교환능력의토양내기능은증진된것으로나타났다. Makino et al.(2007) 은카드뮴 mg/kg으로오염된토지이용도가답인토양을토양세척법으로정화한후, 토양특성변화를연구한바있다. 연구결과, 토양의화학적특성중 ph, 유효인산, 치환성양이온중 Ca + 이온의기능이증진된것으로나타났다. Brown et al. (2005) 은납, 아연, 카드뮴으로오염된토양을 biosoilds로고정화하여정화한후, 생태계변화를연구한바있다. 식물과지렁이 13종, 작은포유류 5종에대하여독성평가를실시하였다. 오염된토양중납의농도는 3170 mg/kg, 아연의농도는 1730 mg/kg, 카드뮴의농도는 15.9 mg/kg이었다. 정화후감소된오염물질의농도는정확히명시되어있지않다. 연구결과, 토양의물리적특성중토성에는변화가없는것으로나타났고수분보유능력은증진되었다. 또한토양유기물함량도증가한것으로나타났다. 토양의화학적특성중 ph와치환성양이온중 K +, Ca + 이온의기능은증진된것으로나타났다. 총양이온교환능력은변화가없는것으로나타났다. 총탄소, 총질소, 유효질소, 유효인산의기능은증진된것으로나타났다. 생물학적지표중미생물바이오매스탄소 (microbial biomass carbon), 미생물바이오매스질소 (microbial biomass nitrogen) 양은증가한것으로나타났다. 그리고지렁이의생존율, 작은포유류의생존율이증가하였다. Dawson et al. (2007) 은 PAH (polycyclic aromatic hydrocarbons) 농도 mg/kg으로오염된토양에 bioremediation, biopile법을적용하여정화한후, 토양건강성을평가한바있다. 연구결과, 토양의생물학적특성중뿌리의신장과종자의발아율이증가한것으로분석되었다. Plaza et al. (2005) 은 PAH (polycyclic aromatic hydrocarbons) 농도 6000 mg/kg으로오염된토양에 biopile법을적용하여정화한후토양의건강성을평가한바있다. 연구결과, 토양의화학적특성중 ph의기능이증진된것으로나타났다. 생물학적특성중미생물바이오매스탄소 (microbial biomass carbon) 양은증가한것으로분석되었다. 그리고생물체가기본적으로에너지를생산하기위해하는기초호흡 (basal respiration) 이증가한것으로나타났으며, 탄소의무기화 (carbon mineralization) 가증진된것으로분석되었다. 또한, 뿌리의신장이증가한것으로나타났다. Lear et al. (2007) 은 PCB (Polychlorinated biphenyl) 농도 100 mg/kg으로오염된토양에 electrokinetics법을적용하여정화한후, 토양미생물군집에미치는영향을연구한바있다

97 연구결과, 토양의화학적특성중전기전도도의기능이증진된것으로분석되었으며, 토양의생물학적특성중미생물바이오매스질소 (microbial biomass nitrogen) 의양이증가한것으로나타났다. Epelde et al. (2008) 은아연농도 1000 mg/kg, 납농도 500 mg/kg으로오염된토양에 phytoextraction법을적용하여토양을정화한후, 토양의건강성을평가한바있다. 연구결과, 토양의물리적, 화학적, 생물학적기능이전반적으로증진된것으로나타났다. 정화토재사용사례 ( 국내 외 ) [Parmerton Zinc Pile Superfund Site, Palmerton, PA] Palmerton에위치한 Blue mountain은 80년동안운영한아연제련소로인하여아연, 납, 카드뮴, 이산화황으로오염되었다. 이에따라 10년간정화를실시하였으며부지의 70% 를정화하였다. 다음그림은 Blue mountain의정화전 후를나타낸것이다. < 아연, 납등중금속으로오염된 Blue mountain 의정화전 후 (USEPA)> [Atlas Tack Superfund Site, massachusetts] 토양과지하수가 VOCs(volatile organic compounds), 중금속 (Cr, Cd, Pb, Zn, Ni), 농약, PCBs (polychlorinated biphenyls), PAHs(polycyclic aromatic hydrocatvons) 로오염되어있었음. 정화를위해오염원과오염된토양, 퇴적물을제거하였다. 습지의퇴적물을보호하기위하여깨끗한물과염분이포함된물을공급하였으며, 인간의건강과생태계를보호하였다. 정화는두단계로이루어졌다. 초기단계와장기간정화단계로분류된다. 초기단계에서는 1992년말, 잠재적으로오염이발생할가능성이있는곳을통제하였고, 1999년에는 3개오염부지로부터석면을제거하였다. 2000년에작업이완료되었다. 장기간정화단계에서는 1998년, 생태계내오염규모를파악하였다. 정화방법은토양을굴착하여 (excavation of contaminated soil) 고형화, 안정화방법을사용하였으며, 굴착과정화시나온폐기물은폐기장에서처리되었다. 정화처리된부지는자연저감에대한모니터링을수행할것이다

98 < 중금속, 농약, PAHs 등으로오염된 Atlas 부지의정화전 후 (USEPA)> [California Gulch superfund site in Leadville, Co. Leadville] 과거세계에서가장큰광산중하나였다. 금, 은, 구리, 아연, 망간, 납등이존재하였다. 140년이상운영되었고, 이기간에토양, 지표수, 퇴적물이중금속으로오염되었다. 중금속으로오염됨에따라강에서식하고있던송어가멸종되었다. 정화를위해 immobilization법을적용하였으며, biosolids에석회 (lime) 을혼합하여사용하였다. 정화된토양은 tailings를위해재사용되었다. 최근 10년간의정화작업을통해송어가부활하였으며, 수질이개선되었다. 현재는농업활동이활발하고야생동물이적합할정도로개선되었다. < 중금속으로오염된 California Gulch 부지의정화전 후 (USEPA)> [Army Creek Landfill site in Delaware] Army Creek 매립지는 47 acre 크기의버려진채석장으로써과거 9년이상싱서산업폐기물매립지로운영하였다. 이에따라토양과지하수는크롬, 수은, 휘발성유기화합물로오염되어있었다. 따라서토양은 multi-layer protective cover( 다층보호덮개 ) 를이용하여정화하였고, 오염된지하수를처리하였다. 정화된부지에본래서식하던식물을식재하였으며이에따라새와야생동물이서식하게되었고, 습지가조성되었다

99 < 크롬, 수은, 휘발성유기화합물로오염된 Army Creek 매립지의정화전 후 (USEPA)> [JEB Little Creek - Fort Story, Virginia Beach, Virginia] JEB Little Creek을따라조성된작은연안습지는암설 ( 암석조각 ), 오염된토양, 퇴적물등의매립지로가득하였다. 오염물질을채굴한후, 매립지는본래의연안습지형태를찾았다. 습지를살리기위하여본래이연안습지에서서식하는식물종과다른습지에서일반적으로서식하는식물종을선별하고식재하였다. 2년후, 식물이잘자라번식한것을알수있었다. < 오염토양, 암설등으로오염된 JEB 연안습지의정화전 후 (USEPA)>

100 국내 외정화토복원방법및기준안조사 Stephen(1997) 은정화된토양을복원하는방법을크게 3가지로분류하였다. 각각 Asphalt incorporation, Cement production, Brick manufacturing이다. 다음표는 3개복원방법을분류하여나타낸것이다. < 정화토의재이용 ( 복원 ) 방법 3 가지 (The Reuse and Recycling of Contaminated Soil, 1997)> 복원방법 공정 환경매체 오염물질 장점 재, 모래 ( 규소, Cold-mix 점토등포함 ), 무기물, 낮은농도의방사성 asphalt 플라스틱, 폐기물질, 금속, 농약, 퇴적물, 슬러지, PCBs(polychlorinated biphenyl) 슬래그, 토양, 아스팔트재료로사용 시멘트생산에사용 벽돌제조시사용 Hot-mix asphalt 습식 건식 Dry with preheati ng and/or precalcin ing 퇴적물, 슬러지, 토양 토양, 재, 슬래그, 모래 ( 규소, 점토등포함 ) 토양, 금속, 재, 슬래그, 모래 ( 규소, 점토등포함 ) 토양, 슬래그, 재, 모래 ( 규소, 점토등포함 ) - 토양, 재 석유탄화수소 (Petroleum hydrocarbons), 낮은농도및중간농도의방사성폐기물질 (LLWs and ILW), 단일환방향족탄화수소 석유탄화수소 (Petroleum hydrocarbons), 금속 석유탄화수소 (Petroleum hydrocarbons), 금속 석유탄화수소 (Petroleum hydrocarbons), 금속 석유탄화수소 (Petroleum hydrocarbons), 금속 다양한오염물질을받아들일수있음, 유연한혼합설계가가능함, 이동이가능함, 경제적임 경제적임, 현장에서기술적용가능, 많은부지에서사용가능 넓게오염된부지에서도사용가능, 재료를쉽게사용할수있음, 현장에서기술적용가능 - - 작은입경의토양과투수성이낮은토양에적용가능, 현장에서기술적용가능 [ 미국 ] 현재미국에서는오염된토양을정화한후, 정화된토양을재사용하기위한정화토양의복원이이슈가되고있다. 최근다양한토양복원프로젝트를통하여이후토양복원에대한시사점을도출하고있다. 이에따라미국환경부 (USEPA) 는정화된토양을재사용하거나복원하는경우 ( 이후토양재사용및복원프로젝트를위하여 ) 에있어몇가지규칙을마련하고있다

101 정화토양의재사용을위한규칙 규칙 복원을하는관계자와기술자는생태계교란을최소화하도록노력해야하며, 생태계를보호해야함을반드시숙지해야한다. 복원관계자는민감한지역, 생물서식지, 재산소유지주변의불필요한혼란을최소화하기위하여복원구역, 작업구역, 교통구간을상세히기술하고출입금지구역등을작업자에게표지판으로알려주어야한다. 또한작업자는복원을위한적절한장비를갖추어야한다. 토양을옮기는작업은식물의뿌리를상하게할가능성이있고오염되지않은지역을교란시킬수있다. 이러한가능성은토양을재사용하는데있어반드시방지되어야한다. 한편, 오염농도가낮은지역이나유동성이적은오염물질이분포되어있는지역은토양을굴착하는것보다모니터링을통해오염의정도를관찰하는것이토양을교란시키지않을수있다. 복원관계자는복원기간선정시폭우등기상이변으로발생할수있는토양의교란을예방하기위하여작업에대한계획을재설정할수있다. 복원대상부지에대하여고려해야하는사항은대상부지의크기, 서식종, 교란되지않은지역, 지형, 물의흐름등을고려해야한다. 복원대상부지에서식하는생물종은보호되어야한다. 복원을위하여오염토양을쌓아두거나모아두는것은서식하는생물종의교란을일으킬수있다. 이것을최소화하기위해서는민감한지역, 습지, 경사지등은피해야한다. 서식지를고려한오염방지시스템의설계를해야한다. 침식작용과퇴적작용을제어해야한다. 새로운오염원유입을방지해야한다. 새로운종의출현을방지해야한다. [ 미국-메사추세츠 (Massachusetts)] 정화된토양을매립지에사용하기위하여토양재사용을위한허용가능오염농도를마련하고있다. 이때, 매립지는 lined landfills와 unlined landfill로분류된다. 다음표는기준을나타낸것이다. 기준은 11개항목에대하여마련되어있다 (reuse and disposal of contaminated soil at massachusetts landfills department of environmental protection policy#comm , 1997). Lined landfills을위하여토양을재사용하기위해서는토양중오염물질의농도가기준을넘지않거나, 표에제시되어있는물질외에기준이존재하지않는유류혹은유해물질은포함되지않아야한다. Unlined landfills을위하여토양을재사용하기위해서는표에제시된기준을초과하지않아야하며, 표에제시되어있는물질외에기준이존재하지않는유해물질은포함되지않아야한다. 그리고토양침식과침강을방지할수있는계획이필요하다

102 < 메사추세츠 (Massachusetts) 의토양재사용을위한허용가능오염농도 (reuse and disposal of contaminated soil at massachusetts landfills department of environmental protection policy#comm , 1997)> [ 미국-뉴저지 (New Jersey)] 토양재이용을위한토양에대한정의를내리고있다. 재이용을위한토양이란재활용 (recycling) 혹은매립지를덮기위하여지역특이적정화기준을만족하는오염토양이다. 뉴저지에서는재이용이가능한토양을 3가지로분류하였으며각각, 오염물질을포함한토양, 오염물질을포함하지않은토양, 오염물질을포함하였으나정화기준이내의농도로존재하는토양이다 (Revised Guidance Document for the Remediation of Contaminated Soils, 1998). 오염물질을포함한토양은뉴저지의환경보호부의승인이없이는재이용이불가능하다. 오염물질을포함하지않은토양은주로도로의포장을위한보조물, 매립지포장, 재활용설비의보조물로사용할수있다. 오염물질을포함하였으나정화기준이내의농도로존재하는토양은석유계물질이포함되어있지않은경우에콘크리트나벽돌의부재로써재활용이가능하다. 한편, 모든경우에있어토양은지하수와지표수, 지표아래의구조물 ( 인간과생태의잠재적기반이되는모든기반물 ) 을보호해야만하는것을규정으로하고있다. [ 미국-샌머테이오 (San mateo)] 유해하지않은석유계탄화수소를포함한토양의현장내재사용을위한가이드라인을마련하고있다. 가이드라인은유해물질, 폐기된토양, 복원부지외지역은포함하지않는다. 재사용을위한토양은반드시센머테이오주환경보건부의승인을받은후에사용해야한다. 본가이드라인에서는재이용을위한석유계탄화수소가포함된토양을 3가지로분류하며, 각각토양오염한계를초과하지않는토양, Tier 1에준하는토양, Tier 2 침출수기준에준하는토양이다

103 평가과정의첫번째순서는재이용하려는토양의오염물질농도를높은농도에서낮은농도순서로나열하는것이다. 나열된농도중가장높은농도가 Tier 1의기준을초과하지않는다면추가적인평가는필요하지않으며토양은재이용하기에적합한것으로판단한다. 만일재이용하려는토양의오염농도가 Tier 1의한계를초과하지않는농도에해당한다면토양은재이용하기에적합하지않으며추가적인조치가필요한것으로판단한다. 추가적인조치란토양을분리하거나토양을정화하는것을의미한다. 토양의오염물질중한종류이상의평균이 95% 신뢰상한치에해당하는농도가 Tier 1의기준을초과한다면, Tier 2에해당하는 leachability 분석을반드시수행해야한다. 만일 leachability 분석을통해도출된오염물질농도평균값의 95% 신뢰상한치가기준을초과한다면재이용하기에적합하지않다고판단하며, 추가적인조치와재평가가실시되어야한다. 그림-은평가과정을도식화한것이다. 국내에서는아직까지정화토양을복원하는방법이구축되어있지않다. 다만몇몇연구가수행되었을뿐이다. 이등 (2012) 은정화토양과일반토양을혼합하여토양의기능을복구하는연구를수행한바있다. 토양경작법으로정화된두종류의토양에일반토양 ( 사질식양토 (sandy clay loam), 식토 (clay)) 을 3:1로혼합하여일정기간후토양특성을분석하였다. 분석항목은 ph, 전기전도도, 토양유기물, 총질소, 유효인산, 치환성양이온 (K +, Ca 2+, Mg 2+, Na + ), 양이온교환능력 (CEC), 토성, 중금속함량 (Cd, Cu, Ni, Pb, Zn), TPH이다. 그리고이등 (2013) 은정화토양에개량제를혼합하여토양의기능을복구하는연구를수행한바있다. 개량제는퇴비, charcoal, biochar를사용하였다. 분석항목은 ph, 치환성양이온 (K +, Ca 2+, Mg 2+, Na + ), 양이온교환능력, 전기전도도, 토양유기물, 총질소, 유효인산등이다

104 나. 토양건강성평가기법의현장적용 (1) 토양건강성평가기법현장적용 ( 가 ) 현장적용 : 온실연구 대상토양및온실조성본연구에서는개발된토양건강성평가기법의현장적용성을평가하기위하여현장실증연구를추진하였다. 하지만현장연구는토양건강성평가에영향을줄수있는인자들이다양하며, 이에대하여사전에대비하기위한연구가필요할것으로사료되었다. 따라서현장연구에앞서현장토양을이용한온실연구를진행함으로써현장실증연구에서발생될수있는위험요인을대응하고자하였다. 온실연구를위한대상토양은구 ) 장항제련소의오염토와정화토로선정되었으며, 한국환경공단의협조로 2015년 1월 16일에토양을공수받았다. 총 8개의토양을수령하였으며, 오염토의경우는밭토양은 1 지역, 논토양은 2 지역에서샘플링하였다. 정화토의경우는논 / 밭토양이모두 2 지역에서샘플링되었으며, 밭토양의경우는오염토와정화토가상호연관성이적을것으로사료된다. 청토는정화이후토양복토를위해활용되고있는토양이며, 개량토양을제조하기위해수령하였다. 확보된오염토, 정화토, 그리고청토는각각구분되어보관되었으며, 온실연구를위하여특별한처리를하지않고작물정식에이용되었다. 토양건강성지표분석을위한토양은온실조건에서분류되어상온에서풍건되었으며, 2 mm sieve를이용하여체를친후상온에서보관되었다. < 환경공단협조를통한구 ) 장항제련소토양운수 / 하차 / 보관 > 각정화토양은청토와퇴비의처리를통하여개량토로제조되었으며, 이용한정화토에따라명명법을다르게적용하였다. 본연구에서사용되는밭토양과논토양의정확한명명법과정보는다음표들과같다. 기본적으로밭토양은 F (field), 논토양은 P (paddy) 로사용하였으며, 오염토 (C, contamianted), 정화토 (R, remediated), 그리고개량토 (A, amended) 의개념을적용하였다. 개량기법은각정화토 80%, 청토 10%, 퇴비 10% 의비유로혼합하여결정하였다. 퇴비는한국

105 농비의계분발효가축분퇴비를이용하였으며, 계분 40%, 돈분 10%, 톱밥 35%, 버섯배지 15% 를포함하고있는것으로확인되었다. 각토양의샘플번호및토양정보는다음표와같다. < 토양에대한정보요약및샘플번호 > 샘플번호 토양정보 비고 1 청토 청토 오염되지않은외부지역밭토양 2 P-C1 논오염토-1지역 3 P-R1 논정화토-1지역 논은오염토와정화토같은지역임 4 P-A1 논개량토-1지역 논 1지역정화토 (80%) 청토 (10 %), 퇴비 1) (10%) 혼합토양 5 P-C2 논오염토-2지역 6 P-R2 논정화토-2지역 논은오염토와정화토같은지역임 7 P-A2 논개량토-2지역논 2지역정화토 (80%) 청토 (10 %), 퇴비 1) (10%) 혼합토양 8 F-C1 밭오염토-1지역 밭은오염토와정화토다른지역임 9 F-R2 밭정화토-2지역 - 10 F-A2 밭개량토-2지역 밭 2지역정화토 (80%) 청토 (10 %), 퇴비 1) (10%) 혼합토양 11 F-R3 밭정화토-3지역 - 12 F-A3 밭개량토-3지역 밭 3지역정화토 (80%) 청토 (10 %), 퇴비 1) (10%) 혼합토양 P: Padday( 논 ), F: Field( 밭 ) C: Contaminated soil, R: Remediated soil, A: Amended soil 1) 퇴비정보 - 계분발효가축분퇴비 ( 한국농비 ) - 건물중에대한유기물 55% 이상 - 유기물대질소비 40 이하, 염분 8% 이하 - 계분 40%, 돈분 10%, 톱밥 35%, 버섯배지 15%

106 대상토양의작물생산성평가현장실증을위한기반연구로써수행된온실연구에서, 벼작물의각토양별실험및생장율은다음그림과같다. 논작물의특성상수분을유지하기위하여비닐봉지를활용하였으며, 두가지의오염토 (P-C1, P-C2), 정화토 (P-R1, P-R2), 그리고개량토 (P-A1, P-A2) 가시험에활용되었다. 각정화토와개량토는동일지역의오염토에서파생되어상호간충분한연관성을가질것이라사료된다. 11 주간벼의길이를측정하여생장율을평가한결과, 각오염토 (P-C1, P-C2) 에서파생된정화토 (P-R1, P-R2) 와개량토 (P-A1, P-A2) 는오염토와비교하여크게유의한생장율저해를보이지않는것으로사료된다. 다만, P-C1에서파생된그룹 (P-R1, P-A1) 보다는 P-C2에서파생된토양그룹 (P-R2, P-A2) 가더높은생장율을보이는경향성은확인되었다. 또한, P-C1과 P-R1 토양에서벼작물은높은고사율을나타내는것으로확인되었으며, 이는오염토와정화토가벼작물의초기생장에영향을주었을것이라사료된다. 하지만생장율에는토양별로차이를나타내지않는것으로확인되었다. 250 P-C1 P-R1 P-A1 P-C2 P-R2 P-A2 Length (% 0 week) Test duration (week) < 벼작물의각토양별생장율결과 >

107 Number of replications (plant survivor) P-C1 P-R1 P-A1 P-C2 P-R2 P-A Test duration (week) < 벼작물의각토양별생존율결과 > 고추작물의각토양별실험및생장율은다음표의그림과같다. 한가지의오염토 (F-C1), 두가지의정화토 (F-R2, F-R3), 그리고개량토 (F-A2, F-A3) 가시험에활용되었다. 각정화토와개량토는동일지역의오염토에서파생된토양이아니며, 상호간연관성이없을수도있음을고려하여실험이진행되었다. 11 주간고추의길이를측정하여생장율을평가한결과, F-C1 토양과통계적으로유의성을보이는토양은없는것으로사료된다. F-A2 토양에서더높은생장율을보이는경향성을보이지만, 오차범위가넓어유의한영향이라판단될수없을것이라사료된다. 모든토양에서유사한생장율을나타내었으며, 오염토, 정화토, 개량토간의고추작물생산성에는큰영향이없을것이라판단된다. 하지만, F-C1 토양에서는초기에많은개체가고사함으로써, 오염토가고추작물의초기생장에영향을주었을것이라사료된다. 고추작물의과실은 11주간약 3-5개가생성되었으며, F-A3 토양에서가장많은과실이발생되었다. 하지만전반적인경향성을고려하였을때, 다른토양과크게다른경향성을보였다고판단하기어려울것이라사료된다

108 200 F-C1 F-R2 F-A2 F-R3 F-A3 Length (% 0 week) Test duration (week) < 고추작물의각토양별생장율결과 > Number of replications (plant survivor) F-C1 F-R2 F-A2 F-R3 F-A Test duration (week) < 고추작물의각토양별생존율결과 >

109 6 F-C1 F-R2 F-A2 F-R3 F-A3 5 4 Number of fruits Test duration (week) < 고추작물의각토양별과실개수 > 들깨작물의각토양별실험및생장율은다음그림과같다. 활용된토양의종류는고추작물과동일하다. 11 주간들깨의횡길이를측정하여생장율을평가한결과, F-C1 오염토와통계적유의성을보이는토양이있는지를확인하였다. 들깨의경우는길이생장보다는넓이생장 ( 횡생장 ) 하는작물이므로, 각토양별작물의넓이를측정하였다. 11 주간고추의길이를측정하여생장율을평가한결과, F-C1 토양과통계적으로유의성을보이는토양은없는것으로사료된다. F-R2 토양에서 F-C1 토양과비교적낮은생장율을보이는경향성을보이지만, 오차범위가넓어유의한영향이라판단될수없을것이라사료된다. 모든토양에서유사한생장율을나타내었으며, 오염토, 정화토, 개량토간의들깨작물생산성에는큰영향이없을것이라판단된다. 모든토양의작물이 4-5 주차에 2-3 작물이고사하였지만, 토양별유의성은나타나지않는것으로사료된다

110 350 F-C1 F-R2 F-A2 F-R3 F-A3 300 Width (% 0 week) Test duration (week) 들깨작물의각토양별생장률결과 Number of replications (plant survivor) F-C1 F-R2 F-A2 F-R3 F-A Test duration (week) 고추작물의각토양별생존율결과

111 콩작물의각토양별실험및생장률은다음그림과같다. 활용된토양의종류는고추와들깨작물과동일하다. 8주간콩의길이를측정하여생장률을평가하고, F-C1 토양과유의한영향을나타내는지확인하였다. 또한, 매주잎의수를관찰하여콩작물이정상적인발달을하는지평가하였다. 11주간콩의길이를측정하여생장률을평가한결과, F-C1 토양과비교하여, F-R2과 F-R3 토양은높은생장률을보이는것으로나타났다. 반면, F-A2와 F-A3 토양에서는큰차이를나타내지않는것으로확인되었다. 각정화토 (F-R2, F-R3) 를개량한개량토 (F-A2, F-A3) 가정화토보다낮은생장률을보이는추세로보아, 토양의개량이원활히진행되지못한것으로사료된다. 콩작물의잎의수를확인한결과, 8주동안모든토양 (F-C1, F-R2, F-A2, F-R3, F-A3) 에서잎의수는 10-15개로확인되었다. 각토양별로유의한차이는발생하지않는것으로확인되었다. 350 F-C1 F-R2 F-A2 F-R3 F-A3 300 Length (% 0 week) Test duration (week) 콩작물의각토양별생장률결과

112 F-C1 F-R2 F-A2 F-R3 F-A3 15 Number of leaves Test duration (week) 콩작물의각토양별잎수평가결과

113 ( 나 ) 현장적용 : 현장실증연구방법 대상부지선정및조성본연구에서는구 ) 장항제련소의오염토, 정화토, 개량토에서토양건강성평가기술적용과작물생산성평가를진행하기위하여, 한국환경산업기술원과한국환경공단의협조하에부지를조성하였다. 작물생산성평가는해당지역에서실제로재배되는작물을대상으로생장및수확, 그리고오염물질의생물이용성등을평가하는것을목적으로하였다. 대상논및밭토양부지조성조건은다음과같다. 오염토정화토개량토토양반복수없음 각토양부지별크기는 (5 15 m), 복토높이 (1 m), 토양간간격 (2 m), 논의경우둑조성 개량토는청토의처리에따라분류하위정화토상위청토 현장실증을위한부지조성계획

114 현장실증을위한장소는충청남도서천군장항읍장암리 353-5호로선정하였으며, 논토양과밭토양을서로인근에조성하였다. 오염토양은실제논과밭부지에서채취되었으며, 해당오염토양을정화및개량하여상호간연관성이유지되도록하였다. 논부지의오염토는 2공구정화기법에의해정화되었으며, 밭부지의경우는 3공구정화기법이적용되었다. 논과밭부지의개량토는현장에서적용중인복토기법을이용하였으며, 하위 70 cm에정화토를배치하고상위 30 cm에청토를덮어조성하였다. 청토는현장의복토기법에사용되는토양을그대로활용하였다. 현장실증을위한부지조성위치충청남도서천군장항읍장암리호

115 대상작물선정및재배기술결정논토양연구를위해서는대표적인논작물인벼를대상으로하였으며, 일반적으로활용되는재배기술을조사하였다. 벼의경우는파종전살균제를이용해 1일소독, 2일세척과정을거친후 30 ~ 32 에서 1 cm 정도발아된후모판작업을수행하는것으로알려져있다. 재식거리는평야지의경우 cm에포기당 3 ~ 4 본이앙되어야하며, 물관리는다음과같이진행된다. 이앙기 : 2 ~ 3 cm로얕게물을댐, 뜨는모발생경감 활착기 : 5 ~ 7 cm로깊게물을댐, 증산억제, 활착촉진 분얼성기 : 2 ~ 3 cm로얕게물을댐, 분얼촉진 무효분얼기 : 이삭패기전 40 ~ 30 일, 5 ~ 10 일간중간물떼기, 무효분얼억제 수잉기 : 2 ~ 4 cm, 이삭패기전 10~ 출수기물걸러대기, 3 일관수 -2 일배수 출수기 : 3 ~ 4 cm, 물걸러대기 (3 일관수 -2 일배수 ), 꽃가루받이촉진 등숙기 : 2 ~ 3 cm, 물걸러대기 (3 일관수 -2 일배수 ), 뿌리기능유지, 등숙양호 낙수기 : 출수 30 ~ 35 일전후, 완전물떼기, 품질양호, 농작업편리 밑거름은질소비료, 인산비료, 칼리비료를각각 4.5 kg, 4.5 kg, 6.1 kg (10 a 당 ) 시비하며, 새끼칠거름은질소비료 2.25 kg (10 a 당 ) 으로처리한다. 이삭이열리기전에질소비료, 칼리비료를 2.25 kg, 2.6 kg (10 a 당 ), 찬물이들어가는논의경우는인산, 칼리를더시비하며, 객토논 (30 ton/10 a 이상 ), 개간한논, 18 cm이상깊이논은질소 20 ~ 30 % 더시비하는것이일반적이다. 밭작물인고추, 들깨, 배추, 그리고콩의경우는각각작물의성격에따라거름 ( 표준시비량, 퇴비, 밑거름, 화학비료, 웃거름 ), 재식거리, 정식방법, 그리고재배방법이상이하며, 이를정리하면다음표와같다. 본연구에서는재배기술을현장의조건에따라변경하여진행하였다. 분류고추들깨배추콩 거름 표준시비량 : 10 a 당성분량으로질소 19.0 kg, 인산 11.2 kg, 칼리 14.9kg ( 노지고추재배기준 ) 퇴비 : 토양유기물이 2.1% 이상일경우 1,500 kg/10 a 를시용 밑거름 : 밭경운 2~3 주전 화학비료 : 이랑조성 5~7 일전에시용. 인산 ( 밑거름 ), 질소와칼리 (60% 밑거름, 40% 2~3 회웃거름 - 관비재배 ) 밭작물별재배기술 밑거름 : 10 a 당질소비료 (4 kg), 인산비료 (3 kg), 칼리비료 (2 kg) 시비 웃거름 : 밑거름후 3 회, 10 a 당질소비료 (12.2 kg), 칼리비료 (6.3 kg) 퇴비 : 2 ton/300 평 밑거름 : 10 a 당질소비료 (4 kg), 인산비료 (3 kg), 칼리비료 (2 kg) 시비 웃거름 : 밑거름후 3 회, 10 a 당질소비료 (12.2 kg), 칼리비료 (6.3 kg) 퇴비 : 2 ton/300 평 기경지 : 질소 3.0, 인산 3.0, 칼리 3.4, 퇴비 1,200, 석회 200 개간지 : 질소 6.0, 인산 8.0, 칼리 6.0, 퇴비 1,500, 석회 200 최근농가에서는대부분복비 (N-P-K:8-8-9) 를 40 kg/10 a 시용

116 분류고추들깨배추콩 재식거리 정식시기및방법 재배 멀칭 유인 10 a 당 3,333 주 (75 45 cm) 포트에심겨져있던깊이대로정식 비닐포트육묘시비닐제거후정식 물관리 : 75 cm 이랑에서는 3 일에 30 mm (1 m2 당 30L) 으로진행 ( 노지기준 ) 멀칭재료 : 흑색비닐 ( 지온상승을방지, 잡초발생을억제 ) 비닐의두께 : 0.02~0.03 mm ( 조숙재배의경우는정식하기 3~4 일전멀칭 길이 120~150 cm의대나무나각목등을꽂고식물체를유인줄로고정 폭 60 cm, 주간거리 25 cm 이식재배는 50 구포트에 2 포기식 25~30 일정도모종을키워정식 이식시한구멍에 2 포기씩심으며심을때는윗순쪽의키를맞추어서정식. 생육적온 : 거름분이적을경우가아니고는거름을주지아니함. 폭 60 cm, 주간거리 25 cm 이식재배는 50 구포트에 2 포기식 25~30 일정도모종을키워정식 이식시한구멍에 2 포기씩심으며심을때는윗순쪽의키를맞추어서정식. 생육적온 : 거름분이적을경우가아니고는거름을주지아니함. 이른파종 : 이랑나비 60 cm, 포기사이 cm 정도로하고, 늦뿌림 : 이랑나비 60 cm, 포기사이 10 cm 로하되모두포기당 2 개체씩재식 - 잡초방제 : 중경 ( 초기단계에골사이를긁어주는작업 ), 배토 ( 골사이의흙을긁어어린식물에북주기를하는작업 ) 실시 순지르기 ( 적심 ): 본엽 5~7 매시생장점을제거 과습에약한작물이므로토양이마르지않도록물제공

117 현장실증연구진행및작물평가방안작물생산성을평가하기위해다양한작물인자를분석하였으며, 구체적인사항은다음표와같다. 들깨, 배추, 콩, 그리고벼는모두기본적으로뿌리위의상층부의길이를평가하는초장을측정하였으며, 밭작물은공통적으로잎수를평가하였다. 들깨와배추의경우는초기횡생장이활발하므로, 식물의폭을측정하였다. 들깨와콩은꼬투리수를평가하였으며, 이삭의형성하는벼는간장과수장등을측정하였다. 또한, 들깨작물의경우는뿌리를채취하여총길이, 총표면적, 총용량, 총투영면적, 평균지름등을분석하였으며, 콩작물은작물의특이성에따라뿌리혹박테리아의수를계수하였다. 들깨배추콩벼 (1) 초장 (2) 잎수 (3) 식물폭 (4) 꼬투리수 (5) 최종뿌리총길이, 총표면적, 총용량, 총투영면적, 평균지름 (1) 초장 (2) 잎수 (3) 식물폭 < 각작물별생장능평가방안 > (1) 초장 (2) 잎수 (3) 개화기 (4) 꼬투리수 (5) 뿌리혹박테리아수 (1) 초장 (2) 간장 (3) 수장 (4) 분얼경수 (5) 유효경수 벼작물의최종수확량을평가하기위하여, 각구간별전체수확량을종자무게로측정하였다. 추가적으로개체별수확량을확인하기위하여개체별종자수, 100개종자무게, 그리고 100개현미무게를측정항목으로선정하였다. 구체적인평가방안은다음표와같다. < 벼작물의수확량평가방안 > 종말점 측정항목 단위 전체수확량 전체종자무게 kg 개체별종자수 개 개체별수확량 개체별 100개종자무게 g 개체별현미 100개종자무게 g 각구간별전체수확량의경우, 전체종자무게와 1000개종자무게를측정하였다. 전체수확량분석을위하여전체종자수를측정하였으며, 개체별수확량분석을위하여개체별종자수, 개체별종자무게를확인하였다. 구체적인평가방안은다음표와같다. < 들깨작물의수확량평가방안 > 종말점 측정항목 단위 전체수확량 전체종자무게 g 1000개종자무게 g

118 콩작물의수확량평가방안 종말점 측정항목 단위 전체수확량 전체종자수 개 개체별수확량 개체별종자수개개체별종자무게 g 현장에서재배및채취한농작물내에서의 6종중금속 ( 비소, 카드뮴, 구리, 니켈, 납, 아연 ) 함량을분석하였다. 농작물은논오염토, 정화토, 개량토에서재배한현미와볏짚, 밭오염토, 정화토 ( 개량토에서는작물이전부고사하여분석불가하였음 ) 에서재배한깨, 콩, 깻잎, 콩잎, 배추, 총 7종을대상으로하였다. 개체수가부족한배추 (5반복) 를제외하고모든작물의분석은 10반복으로진행하였으며건중량을기준으로분석을진행하였다. 현장에서채취한시료를실험실로운반하여 4 에서냉장보관하였다가시료가상하기전수일내로전처리를진행하였다. 먼저시료에붙어있는흙을수돗물로제거한후 1차, 3차증류수로각각 1회씩깨끗이세척하여물기를제거한후 65 오븐에서건조를진행하였다. 24 시간이상건조시켜더이상중량의변화가없을때까지건조를진행한시료를톨비커에 1 ~ 2 g씩담아 70 % 초순수질산을이용하여 120 hot block digestor에서시료가다녹을때까지전처리를진행하였다. 질산이다증발하기를기다려초순수를톨비커에넣고질산을완전히증발시킨후최종용량을 20 ml로맞추어이를 ICP-MS 분석진행하였다. 현장샘플의생물축적양상분석항목 Plant Target Replication 대상토양 Unit 벼 현미 10 P-C, P-R, P-A µg/g 볏짚 10 P-C, P-R, P-A µg/g 콩 잎 10 F-C, F-R µg/g 종자 10 F-C, F-R µg/g 들깨 잎 10 F-C, F-R µg/g 종자 10 F-C, F-R µg/g 배추 잎 5 F-C, F-R µg/g

119 토양건강성지표분석현장실증부지에서채취된샘플은식물과토양으로분류할수있다. 토양샘플은건강성평가를위한지표분석에활용되었으며, 1차정식 ( ), 2차정식 ( ), 그리고추수시기 ( ) 등총 3회채취되었다. 식물의경우는밭작물 ( 들깨, 배추, 콩 ) 의잎부분시료를 2회채취하였으며 ( , ), 종자가형성되는작물 ( 들깨, 벼, 콩 ) 은추수시기에맞춰수확되었다 ( ). 또한, 수확시기에는들깨와콩작물은뿌리가채취되었으며, 벼작물은탈곡이후볏짚도수거하여분석에사용하였다. 자세한시료채취일정은다음그림과같다. < 식물및토양시료채취시기 > 토양시료의채취는다음그림과같이토양오염공정시험기준을따라진행되었다. 토양오염공정시험에따르면, 농경지의경우는대상지역내에서지그재그형으로 5 ~ 10개지점을선정하며, 기타지역 ( 공장지역, 매립지역, 시가지지역 ) 의경우는대상지역의중심이되는 1개지점과주변 4방위의 5 ~ 10 m 거리에있는 1개지점씩총 5개지점을선정하도록제안하고있다. 본연구에서는코어샘플러를이용하여공정시험기준에따라실험조를갈지자 ( 之 ) 로하여토양표층을 5 ~ 10회채취하고뒤섞어서실험의대표시료로선정하였다. 오염토, 정화토, 그리고개량토는각각구분되어보관되었으며, 풍건하여 2 mm 체를친후상온에서보관되었다. 북 5m 서 동 남 < 토양시료채취방법 >

120 현장에서채취한총 3개의토양조건은다음표와같다. 1차밭토양시료는정화토를제외하고모두퇴비처리가되지않았으며, 2차와 3차밭토양시료는모두퇴비처리이후수거되었다. 논토양시료의경우는 1, 3차만채취되었으며, 모두퇴비처리는되지않은상태였다. 1차논토양시료는부지조성직후의토양이며, 3차토양은모든작물을추수한직후의토양이다. 밭 논 < 토양건강성평가를위한토양시료정보 > 날짜 오염토 현장토양 1차샘플링 ( 퇴비처리 4 X) 정화토 현장토양 1차샘플링 ( 퇴비처리 O) 현장토양 2차샘플링 ( 퇴비처리 O) 현장토양 3차샘플링 ( 퇴비처리 O) 개량토 현장토양 1차샘플링 ( 퇴비처리 X) 오염토 현장토양 1차샘플링 현장토양 3차샘플링 정화토 ( 퇴비처리 X) - ( 퇴비처리 X) 개량토 ( 작물 X) ( 작물 O) 1 부지조성및밭토양 1 차정식날짜 2 밭토양 2 차정식날짜 3 추수날짜 4 퇴비정보 : 계분발효가축분퇴비 ( 한국농비 ), 건중량에대한유기물 55 % 이상, 유기물대질소비 40 이하, 염분 8 % 이하, 계분 40 %, 돈분 10 %, 톱밥 35 %, 버섯배지 15 % 토양의물리, 화학적특성인자는 14가지로분류되었으며, 각토양별로입단안정성 (Aggregate stability, AS), 유효인산 (Available phosphate, AvP), 유효규산 (Available silicate, AvS), 용적밀도 (Bulk density, BD), 양이온교환능력 (Cation exchange capacity, CEC), 전기전도도 (Electric Conductivity, EC), 치환성양이온 (Exchangeable cation, ExC), 침투율 (Infiltration rate, IR), 유기물함량 (Organic matter, OM), 수소이온농도지수 (ph), 토성 (texture), 총질소 (Total nitrogen, TN), 총인 (Total phosphorus, TP), 그리고수분보유함량 (Water holding capacity, WHC) 이분석되었다. 분석항목의실험방법은국립농업과학원에서출판된토양화학분석법을주로참고하였고, 그밖에국내 외문헌과포털사이트를참고하여이루어졌다. 각지표의분석은온실연구의토양분석과동일하게진행되었다. 대상토양의건강성평가를진행하기위해선정된생물학적지표는지렁이 (Earthworm, E), 토양효소활성 (Enzyme activity, EA), 토양선충 (Nematode, N), 식물 (Plant, P), 토양조류생체량 (Soil algal biomass, SAB), 토양조류광합성능 (Soil algal photosynthetic capacity, SAP), 토양톡토기 (springtail, Sp), 토양총글로말린 (Total glomalin, TG) 등 7가지로선정되었다. 이중지렁이의경우는 5가지의종말점을, 토양효소활성은각효소의기능에따라 8종의효소를분석하였다. 또한, 식물의경우는 4종, 토양조류의경우는 2종을분석함으로써다양성을보장하고자하였다. 각지표의분석은온실연구의토양분석과동일하게진행되었다. 토양안전성지표분석을위해서는토양내총중금속분석 (total), 토양내생물이용가능한중금속분석 (extractable), 토양생물내중금속축적분석 (bioaccumulation) 등의항목들을평가하였으며, bio-reporter도추가하였다. 이들지표들은온실연구에서와동일한방법으로실시하였으며, 각 1차, 2차의논과밭토양을대상으로하였다

121 ( 다 ) 현장적용 : 현장실증연구결과 물리 화학적지표분석결과 가 1 차현장시료결과입단안정성 (Aggregate stability, AS) 논토양은 P-C와 P-R이 60 % 와 60 % 로변화가없었고 (p > 0.05), P-A는 53 % 로정화토양보다약간낮은수치를보였다 (p > 0.05). 밭토양은 F-C와 F-R이 54 % 및 40 % 로약간감소하였고 (p > 0.05), F-A는 50 % 로정화토양보다약간높은수치를나타냈다 (p > 0.05). 유효인산 (available P 2 O 5, AvP) 논토양은 P-C와 P-R이 75 및 388 mg/kg로증가하였고 (p < 0.05), P-A는 38 mg/kg으로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 밭토양은 F-C와 F-R 이 7 및 121 mg/kg으로증가하였고 (p < 0.05), F-A는 25 mg/kg으로정화토양보다낮은수치를나타냈다 (p < 0.05). 유효규산 (available SiO 2, AvS) 논토양은 P-C와 P-R이 240 및 229 mg/kg로변화가크지않았고 (p > 0.05), P-A는 54 mg/kg으로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 밭토양은 F-C와 F-R이 75 및 388 mg/kg으로증가하였고 (p < 0.05), F-A는 97 mg/kg으로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 용적밀도 (Bulk density, BD) 논토양은 P-C와 P-R이 1.22 및 1.30 g/ml로증가하였고 (p < 0.05), P-A는 1.38 g/ml로정화토양보다높은수치를보였다 (p < 0.05). 밭토양은 F-C와 F-R가 1.36 및 1.57 g/ml로증가하였고 (p < 0.05), F-A는 1.38 g/ml로정화토양보다낮은수치를나타냈다 (p < 0.05). 양이온교환능력 (Cation exchange capacity, CEC) 논토양은 P-C와 P-R이 23 및 24 Cmol/kg 으로큰차이가없었고, P-A는 16 Cmol/kg으로정화토양보다낮은수치를보였다. 밭토양은 F-C와 F-R이 12 및 8 Cmol/kg으로감소하였고, 개량토 (F-A) 는 14 Cmol/kg으로정화토양보다높은수치를나타냈다. 전기전도도 (Electric Conductivity, EC) 논토양은 P-C와 P-R이 2.81 및 3.10 ds/m로약간증가하였고 (p < 0.05), P-A는 0.52 ds/m로정화토양보다낮은수치를나타냈다 (p < 0.05). 밭토양은 F-C와 F-R은 0.36 및 3.55 ds/m로증가하였고 (p < 0.05), F-A는 0.86 ds/m로정화토양보다낮은수치를나타냈다 (p < 0.05). 치환성양이온 (Exchangeable Cation, ExC) 논토양은 P-C, P-R, P-A에서칼륨이 0.82, 0.97, 0.35 Cmol/kg, 칼슘이 5.08, 4.84, 3.94 Cmol/kg, 마그네슘이 4.10, 4.69, 1.54 Cmol/kg으로차이를보였고, 밭토양은 F-C, F-R, F-A에서칼륨이 0.18, 1.00, 0.28 Cmol/kg, 칼슘이 1.38, 10.33, 4.61 Cmol/kg, 마그네슘이 0.42, 0.59, 1.71 Cmol/kg으로차이를보였다

122 침투율 (Infiltration rate, IR) 논토양은 P-C와 P-R이 0.17 및 0.21 cm/hr로큰변화가없었고 (p < 0.05), P-A는 1.18 cm/hr로정화토양보다약간높은수치를보였다 (p < 0.05). 밭토양은 F-C와 F-R이 4.18 및 cm/hr로크게증가하였고 (p < 0.05), F-A는 2.32 cm/hr로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 유기물함량 (Organic matter, OM) 논토양은 P-C와 P-R이 5.20 및 6.27 % 로약간증가하였고 (p > 0.05), P-A는 6.01 % 로정화토양보다약간낮은수치를보였다 (p < 0.05). 밭토양은 F-C 와 F-R이 4.97 및 3.50 % 로약간감소하였고 (p < 0.05), F-A는 7.32 % 로정화토양보다높은수치를나타냈다 (p < 0.05). 수소이온지수 (ph) 논토양은 P-C와 P-R이 6.27 및 6.33으로거의변화가없었고 (p>0.05), P-A 는 5.25로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 밭토양은 F-C와 F-R이 5.19 및 8.27으로증가하였고 (p < 0.05), F-A는 5.61로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 토성 (Texture) 논토양은 P-C, P-R, P-A에서토성은 silt loam, silt clay loam 및 sandy loam 이었고, sand가 12, 13, 55 %, silt가 40, 39, 18 %, clay가 48, 48, 28 % 로 P-C와비교하여 P-R 에서 sand, silt, clay가거의변화가없었다. 밭토양은 F-C, F-R, F-A에서 sandy loam, loamy sand, sandy loam이었고, sand가 72, 86, 60 %, silt가 15, 4, 21 %, clay가 13, 10, 19 % 로 F-C와비교하여 F-R에서 sand의증가하였고, silt와 clay의감소가발생하였다. 총질소 (Total nitrogen, TN) 논토양은 P-C와 P-R이 733 및 691 mg/kg으로감소하였고 (p < 0.05), P-A는 38 mg/kg으로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 밭토양은 F-C와 F-R 이 218 및 236 mg/kg으로약간증가하였고 (p < 0.05), F-A는 107 mg/kg으로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 총인 (Total phosphorus, TP) 논토양은 P-C와 P-R이 473 및 563 mg/kg으로증가하였고, P-A 는 317 mg/kg으로정화토양보다낮은수치를나타냈다. 밭토양은 F-C와 F-R이 565 및 436 mg/kg으로감소하였고, F-A는 562 mg/kg으로정화토양보다높은수치를보였다. 수분보유함량 (Water holding capacity, WHC) 논토양은 P-C와 P-R이 0.68 및 0.66 ml/g으로거의변화가없었고 (p < 0.05), P-A는 0.50 ml/g으로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 밭토양은 F-C와 F-R이 0.49 및 0.38 ml/g으로감소하였고 (p < 0.05), F-A는 0.48 ml/g으로정화토양보다높은수치를보였다 (p < 0.05)

123 < 현장논과밭토양 1 차시료의물리화학적특성분석결과 > Soil P-C P-R P-A F-C F-R F-A Aggregate Stability (%) Available Phosphate (mg/kg) Available Silicate (mg/kg) Bulk Density (g/ml) Cation Exchange Capacity (Cmol kg -1 ) Electric conductivity (ds/m) (1:5) K Exchangeabl e Cation (Cmol/kg) Ca Mg Infiltration rate (cm/hr) Organic Matter(%) ph(1:5) sand Grain Size Analysis (%) silt clay Texture silt clay silt clay loam sandy loam sandy loam loamy sand sandy loam Total Nitrogen (mg/kg) Total phosphorus (mg/kg) Water Holding Capacity(ml/g)

124 나 2 차현장시료결과입단안정성 (Aggregate stability, AS) F-C와 F-R이 57, 54 mg/kg으로약간감소하였고 (p > 0.05), F-A는 63 mg/kg으로정화토양보다약간높은수치를보였다 (p > 0.05). 유효인산 (available P 2 O 5, AvP) F-C와 F-R이 39 및 244 mg/kg으로증가하였고 (p < 0.05), F-A 는 24 mg/kg으로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 유효규산 (Available SiO 2, AvS) F-C와 F-R이 49, 294 mg/kg으로증가하였고 (p < 0.05), F-A는 105 mg/kg으로정화토양보다낮은수치를나타냈다 (p < 0.05). 용적밀도 (Bulk density, BD) F-C와 F-R이 1.22 및 1.44 g/ml로증가하였고 (p < 0.05), F-A는 1.17 g/ml로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 양이온교환능력 (Cation exchange capacity, CEC) F-C와 F-R이 8 및 4 Cmol/kg으로감소하였고, F-A는 7 Cmol/kg으로정화토양보다높은수치를보였다. 전기전도도 (Electric Conductivity, EC) F-C와 F-R이 0.87, 1.91 ds/m로증가하였고 (p < 0.05), F-A는 ds/m로정화토양보다아주높은수치를보였다 (p<0.05). 치환성양이온 (Exchangeable Cation, ExC) F-C, F-R, F-A의칼륨이 1.23, 0.31, 0.46 Cmol/kg, 칼슘이 0.84, 6.11, 8.82 Cmol/kg, 마그네슘이 6.17, 6.99, Cmol/kg로차이를보였다. 유기물함량 (Organic matter, OM) F-C와 F-R이 5.83 및 2.17 % 로감소하였고 (p < 0.05), F-A 는 5.50 % 로정화토양보다높은수치를보였다 (p < 0.05). 수소이온지수 (ph) 밭토양은 F-C와 F-R이 8.42, 7.54로증가하였고 (p < 0.05), F-A는 5.61로정화토양보다낮은수치를보였다 (p<0.05). 토성 (Texture) F-C, F-R, F-A에서 sandy clay loam, sandy loam, sandy clay loam이었고, sand 가 58, 79, 64%, silt가 8, 11, 15%, clay가 34, 10, 21% 로 F-C와비교하여 F-R에서 sand의증가, silt 및 clay의감소가일어났다. 총질소 (Total nitrogen, TN) F-C와 F-R이 384 및 226 mg/kg으로감소하였고 (p < 0.05), F-A는 68 mg/kg으로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 총인 (Total phosphorus, TP) F-C와 F-R이 578 및 572 mg/kg으로변화가없었고, F-A는 552 mg/kg으로정화토양과차이가없었다. 수분보유함량 (Water holding capacity, WHC) F-C 와 F-R 이 0.51, 0.38 ml/g 으로감소하였고 (p < 0.05), F-A 는 0.46 ml/g 으로정화토양보다높은수치를보였다 (p<0.05)

125 < 현장밭토양 2 차시료의물리 화학적특성분석결과 > Soil F-C F-R F-A Aggregate Stability (%) Available Phosphate (mg/kg) Available Silicate (mg/kg) Bulk Density (g/ml) Cation Exchange Capacity (Cmol/kg) Electric conductivity (ds/m) (1:5) Exchangeable Cation (Cmol/kg) K Ca Mg Organic Matter(%) Grain Size Analysis (%) ph(1:5) sand silt clay Texture sandy clay loam sandy loam sandy clay loam Total Nitrogen (mg/kg) Total phosphorus (mg/kg) Water Holding Capacity(ml/g)

126 다 3 차현장시료결과 입단안정성 (Aggregate stability, AS) 논토양은 P-C와 P-R이 77 와 73 % 로변화가없었고 (p>0.05), P-A는 62 % 으로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 밭토양은 F-C와 F-R 이 60 및 60% 으로같았고 (p > 0.05), F-A는 64 % 으로정화토양보다높은수치를보였다 (p < 0.05). 유효인산 (available P 2 O 5, AvP) 논토양은 P-C와 P-R이 144 및 186 mg/kg로증가하였고 (p < 0.05), P-A는 40 mg/kg으로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 밭토양은 F-C와 F-R 이 13 및 245 mg/kg으로증가하였고 (p < 0.05), F-A는 20 mg/kg으로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 유효규산 (available SiO 2, AvS) 논토양은 P-C와 P-R이 189 및 219 mg/kg로변화가크지않았고 (p > 0.05), P-A는 63 mg/kg으로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 밭토양은 F-C와 F-R이 64 와 342 mg/kg으로증가하였고 (p < 0.05), F-A는 86 mg/kg으로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 용적밀도 (Bulk density, BD) 논토양은 P-C와 P-R이 1.12, 1.03 g/ml로감소하였고 (p < 0.05), P-A는 1.17 g/ml로정화토양보다높은수치를보였다 (p < 0.05). 밭토양은 F-C와 F-R가 1.13 및 1.44 g/ml로증가하였고 (p < 0.05), F-A는 1.16 g/ml로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 양이온교환능력 (Cation exchange capacity, CEC) 논토양은 P-C와 P-R이 17, 18 Cmol/kg으로큰차이가없었고, P-A는 11 Cmol/kg으로정화토양보다낮은수치를보였다. 밭토양은 F-C와 F-R이 7 및 5 Cmol/kg으로감소하였고, 개량토 (F-A) 는 9 Cmol/kg으로정화토양보다높은수치를보였다. 전기전도도 (Electric Conductivity, EC) 논토양은 P-C와 P-R이 1.16과 1.32 ds/m로거의변화가없었고 (p < 0.05), P-A는 0.40 ds/m로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 밭토양은 F-C와 F-R은 0.38 및 0.65 ds/m로약간증가하였고 (p < 0.05), F-A는 ds/m로정화토양보다매우높은수치를보였다 (p < 0.05). 유기물함량 (Organic matter, OM) 논토양은 P-C와 P-R이 4.83 및 5.00 % 로거의변화가없었고 (p > 0.05), P-A는 5.00 % 로정화토양과같은수치를보였다 (p > 0.05). 밭토양은 F-C와 F-R이 5.67 및 2.33 % 로감소하였고 (p < 0.05), F-A는 5.17 % 로정화토양보다높은수치를보였다 (p < 0.05). 수소이온지수 (ph) 논토양은 P-C와 P-R이 5.69 와 6.44로거의변화가없었고 (p > 0.05), P-A 는 5.82로정화토양보다낮은수치를보였다 (p<0.05). 밭토양은 F-C와 F-R이 으로증가하였고 (p<0.05), F-A는 5.30으로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05)

127 토성 (Texture) 논토양은 P-C, P-R, P-A에서토성은 clay, silt clay, loam이었고, sand가 15, 10, 46 %, silt가 36, 47, 35 %, clay가 49, 35, 19 % 로 P-C와비교하여 P-R에서 sand와 clay는감소, silt는증가하였다. 밭토양은 F-C, F-R, F-A에서 sandy clay loam, sandy loam, sandy clay loam이었고, sand가 61, 76, 62 %, silt가 6,12,6 %, clay가 33, 13, 32 % 로 F-C과비교하여 F-R에서 sand의증가하였고, silt와 clay의감소가일어났다. 총질소 (Total nitrogen, TN) 논토양은 P-C와 P-R이 814 및 815 mg/kg으로거의변화가없었고 (p > 0.05), P-A는 255 mg/kg로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 밭토양은 F-C 와 F-R이 261 및 278 mg/kg으로거의변화가없었고 (p > 0.05), F-A는 81 mg/kg으로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 수분보유함량 (Water holding capacity, WHC) 논토양은 P-C와 P-R이 0.69, 0.69 ml/g으로거의변화가없었고 (p > 0.05), P-A는 0.53 ml/g으로정화토양보다낮은수치를보였다 (p < 0.05). 밭토양은 F-C와 F-R이 0.52와 0.41 ml/g으로감소하였고 (p < 0.05), F-A는 0.50 ml/g으로정화토양보다높은수치를보였다 (p < 0.05)

128 < 현장논과밭토양 3 차시료의물리 화학적특성인자분석결과 > Soil P-C P-R P-A F-C F-R F-A Aggregate Stability (%) Available Phosphate (mg/kg) Available Silicate (mg/kg) Bulk Density (g/ml) Cation Exchange Capacity (Cmol kg -1 ) Electric conductivity (ds/m) (1:5) Organic Matter(%) ph(1:5) sand Grain Size Analysis (%) silt clay Texture clay silt clay loam sandy clay loam sandy loam snady clay loam Total Nitrogen (mg/kg) Total phosphorus (mg/kg) Water Holding Capacity(ml/g) ,

129 생물학적지표분석결과 가 1 차현장시료결과지렁이 (Earthworm, E) 대조토양인 LUFA와현장토양을대상으로지렁이 E. andrei를 7일간노출시키고개체수준의독성을확인한결과, 모든개체가노출하자마자토양내로파고들었으며, 7일째까지생존율이 90 % 이상을보이는등치사율, 이상현상, 피부자극이나타나지않았다. 또한, 체강세포를추출해 Calcein-AM으로염색후 intracellular esterase activity를유세포분석법을적용하여평가한결과, 개체수준에서와같이세포활성감소영향이나타나지않아정화토양자체의지렁이독성은미비한것으로판단된다. 토양효소활성평가 (Enzyme activity, EA) APA의경우, 밭토양에서는활성이 F-R에서는감소, F-A에서는증가하는추세였으며, 논토양에서는 P-C, P-R, P-A 토양순으로차례로활성이증가하는추세가나타났다. ASA의경우, 이와다르게밭토양에서는 F-C, F-R, F-A 토양모두에서활성이거의나타나지않았으며논토양에서는 P-C과 P-R에서비슷한정도의활성이나타났으나개량후에는활성이감소하여거의나타나지않았다. CAT는논, 밭지역에서모두정화및개량을거치면서 P-C 보다활성이점차감소하였으며 DHA는정화후효소활성이증가하였으나개량후다시감소하였다. FDA의경우에는논과밭토양모두에서오염 (F-C, P-C), 정화 (F-R, P-R), 개량 (F-A, P-A) 토양순으로효소의활성이감소하는것으로나타났으며, PRT의경우, 오차범위가크긴하나전체적으로논토양에서는오염토양 (P-C) 에서보다정화후토양 (P-R) 에서증가하였다가개량후토양 (P-A) 에서는아예활성이나타나지않았으며밭토양의경우에는모든토양 (F-C, F-R, F-A) 에서활성이나타나지않았다. UA의경우에는논, 밭토양모두에서오염, 정화, 개량과정을거치며활성이증가하였다가다시감소하는경향이나타났다. βga 분석결과논, 밭지역에서는정화후 (F-R, P-R) 유의한차이가없었으나개량후 (F-A, P-A) 모두감소하는현상이나타났다. 토양선충 (Nematode, N) 3일동안깨끗한배지에서성장한성체의 C. elegans를 10마리씩토양에투입, 20, 암조건에서 24시간노출하여부화된개체의숫자를계수하는방법으로생식률을측정하였다. 토양별생식률은 LUFA, P-C, P-R, P-A, F-C, F-R, 그리고 F-A 토양에서각각 100, 41, 24, 13, 6, 102, 그리고 21 % 로나타났다. 토양선충의경우토양의정화과정이토양의건강성회복에도움이되는것으로나타났다. 특히 F-R 토양의경우토양정화후, 대조군인오염토양에비하여상당한수준의건강성회복을보였다. 이는토성과관련이있는것으로보이며, 토양공극수에서식하는토양선충의경우토양입자가비교적거친정화토양이서식하기에좋은것으로보인다. 또한 Silicate 함량에많은유사점을보였는데이와동일하게모래함량이많을경우모래가많을수록토양선충이살수있는공극이충분하여건강성회복에도움이되었을것으로보인다. 반면개량토양의경우 P-A 토양에서건강성이떨어지는것으로보인다. 식물발아능및생장률 (Plant germination and growth, PG) 밀의경우 LUFA 토양대비발아율은 P-C, P-R, P-A, F-C, F-R, F-A 에서각각 73, 58, 100, 104, 92, 108 % 로나타나 P-C 와 P-R 에서만감소하는경향이나타났다. 뿌리성장률은 P-C, P-R, P-A, F-C, F-R, F-A 에서각

130 각 84, 63, 124, 128, 59, 116 % 로나타났고줄기성장률은 87, 68, 113, 93, 81, 105 % 로나타났다. 전체성장률은 LUFA 토양대비 85, 66, 118, 109, 71, 110 % 로 P-R와 F-R의정화토모두에서뿌리생장이저해되는것으로나타났다. 반면개량후정화전수준으로생장률이회복되는것으로나타났다. 밀에서정화토양이 LUFA 토양또는오염, 개량토양에비하여뿌리성장률이감소한것으로보아토양정화시뿌리성장을저해하는영향을나타내는것으로보인다. 벼의경우 LUFA 토양대비발아율은 P-C, P-R, P-A, F-C, F-R, F-A 에서 100, 90, 100, 100, 103, 100, 103 % 로나타났다. 전체성장률에대해서는 104, 152, 114, 109, 71, 96 % 로나타났다. 뿌리성장률에대해서는 LUFA 토양대비 177, 220, 169, 222, 118, 165 % 로나타나대체로뿌리성장률에는영향이없는것으로나타났으나줄기성장률은 67, 121, 89, 64, 50, 69 % 로 P-R 을제외한토양에서대체로감소한것을발견할수있었다. P-C 토양과비교하였을때 P-R 토양에서는줄기성장률과뿌리성장률, 전체성장률에모두유의한영향이있는것이확인되었고, P-A 토양에서는줄기성장률에대하여유의한영향이있다는것을확인하였다. F-C 토양과비교하였을때에는 F-R 토양에서는뿌리성장률, 줄기성장률, 전체성장률에모두유의한영향이나타난것이확인되었고, F-A 토양에서는뿌리성장률과전체성장률에유의한영향이있는것으로나타났다. 보리의경우, LUFA 토양대비발아율은 P-C, P-R, P-A, F-C, F-R, F-A 에서각각 90, 78, 103, 103, 103, 103 % 로나타나모든토양에서크게차이가없는것으로나타났다. 뿌리성장률은 P-C, P-R, P-A, F-C, F-R, F-A 에서각각 115, 105, 162, 85, 116, 155 % 로나타났고줄기성장률은 121, 82, 110, 105, 101, 102 % 로나타났다. 전체성장률은 LUFA 토양대비 119, 89, 126, 99, 106, 118 % 로논과밭모두개량토양에서급격한뿌리성장증대를보였다. 다른인자에관해서는대부분의토양에서 LUFA 토양과비슷한수준으로성장하였으며개량토양의경우줄기가표준자연토양대비 50% 가량더성장한것으로보아개량에의해뿌리성장이영향을받았음을알수있다. 수수의경우 LUFA 토양대비발아율은 P-C, P-R, P-A, F-C, F-R, F-A 에서 97, 100, 100, 100, 100, 97 % 로나타났고, 전체성장률은 LUFA 토양대비 97, 109, 112, 83, 82, 101 % 로나타났다. 뿌리성장률은 134, 151, 167, 126, 109, 162 % 로대체로성장률이증가한것으로보이는반면에줄기성장률은 82, 92, 90, 65, 70, 75 % 로감소하는것으로나타났다. P-C 토양과비교하였을때 P-R 토양에서는줄기성장률과전체성장률에유의한영향이있는것이확인되었고, P-A 토양에서는뿌리성장률과전체성장률에유의한영향이있는것으로확인되었다. F-C 토양과비교하였을때에는 F-R 토양에서는유의한영향이나타나지않았음이확인되었으나 F-A 토양에서는뿌리성장률과전체성장률에유의한영향이있는것으로나타났다

131 토양조류광합성능평가 (Soil algal photosynthetic activity, SAP) 및생체량 (Soil algae biomass, SAB) LUFA 토양에서의광합성능대비 C. infusionum 및 C. reinhardtii의광합성능중반응중심에서 Quinone pool로의전자전달을방해하는 Area (=blockage of electron transfer in photosynthesis) 가가장민감하게 P-C, P-R, P-A, F-C, F-R, F-A에서공통적으로감소하였으며, 논토양은 C. reinhardtii의광합성능중반응중심의불활성을의미하는흡수당반응중심 (Reaction center per absorption flux; RC/ABS), 전자전달양자수율 (Quantum yield of electron transport; ETo/ABS) 이 P-A에서감소하였다. 한편생체량실험결과, LUFA 토양에서의생체량대비 C. infusionum 및 C. reinhardtii의생체량은 P-C, P-R, P-A, F-C, F-R, F-A에서공통적으로감소하였다. 논토양은 C. infusionum의경우오염토양대비정화토양및개량토양에서공통적으로유의한감소현상이나타나지않았으나, C. reinhardtii의경우오염토양대비개량토양에서유의하게감소현상이나타났다. 밭토양은 C. infusionum 및 C. reinhardtii 모두오염토양대비정화토양및개량토양에서공통적으로유의한감소현상이나타나지않았다. 따라서각토양별차이는있으나대체로오염토대비정화토의건강성회복성이확인되었다. 단, LUFA 토양이전세계적으로널리사용된표준자연토양임을고려해보았을때, 대부분의정화토는 C. infusionum 및 C. reinhardtii의정상적인광합성능및생체량을보장하지않는것으로판단된다. 이는생물다양성을보장하는토양의기능의감소를나타낸다고사료된다. 총글로말린평가 (total glomalin-related soil protein, TG) 본연구에서는토양글로말린은토양에서추출하여정량화하기위하여 citrate solution과 bradford assay를이용하였다. 또한, 추출된 protein 농도를정량화기위하여, BSA (bovine serum albumin, 1 mg/ml stock) 을대상으로 bradford assay를수행하여표준곡선을작성하였다. 이를통해측정된흡광도를통해 protein 농도를산출하기위한선형공식 (y=410.08x , y: protein concentration, x: absorbance value) 을산출하였다. 이를통해정량화된 LUFA와청토의분석결과는각각 1.55, 0.11 mg/g으로나타났으며, 각토양 (P-C, P-R, P-A, F-C, F-R, F-A) 의경우는각각 0.2, 0.2, ND, ND, 0.24, ND mg/g으로분석되었다

132 Indicator Earthworm abnormality (normality) Earthworm burrowing Earthworm coelomocyte viability Earthworm skin irritation (Non-skin irritation) < 현장토양 1 차시료에서의생물학적지표결과 > Earthworm survival Enzyme activity APA Enzyme activity ASA Enzyme activity CAT Enzyme activity DHA Enzyme activity FDA Enzyme activity PRT Enzyme activity UA Abb. E (A) E (B) E(C) E (SI) E (S) EA (APA) EA (ASA) EA (CAT) EA (DHA) EA (FDA) EA (PRT) EA (UA) EA (βga) μgμgμg ml Fluorescein μg p-nitrophe p-nitrophe μg INTF/g L-lecucine μg NH Unit % % % % % nol/g dry nol/g dry KMnO 4/g dry soil sodium 4/g p-nitrophn mm dry soil ol/g dry dry soil salt/g dry soil soil soil soil LUFA P-C P-R P-A ND F-C ND ND ND F-R ND ND F-A ND Enzyme activity βga < 현장토양 1 차시료에서의생물학적지표결과 > Indicator Nematode Plant barely Plant rice Plant Sorghum Plant wheat Soil algal biomass (C. infusionum) Soil algal biomass (C. reinhardtii) Soil algal photosynthetic capacity (C. infusionum) Soil algal photosynthetic capacity (C. reinhardtii) Total glomalin Abb. Ne P (B) P (R) P (S) P (W) SAB (Ci) SAB (Cr) SAP (Ci) SAP (Cr) TG Unit % % % % % % % % % % LUFA P-C P-R P-A ND F-C ND F-R F-A ND

133 나 2 차현장시료결과지렁이 (Earthworm, E) 대조토양인 LUFA와현장토양을대상으로지렁이 E. andrei를 7일간노출시키고개체수준의독성을확인한결과, 치사율과이상현상의경우 LUFA, 오염토, 정화토, 개량토순서로각각 90, 85, 70, 0 % 로나타나개량토는지렁이생존불가능한토양으로확인되었다. 뿐만아니라개량토에서는지렁이 burrowing behavior가전혀관찰되지않았다. 결론적으로오염토를기준으로개체수준의독성종말점결과들을통계분석결과, 생존율, 이상현상발현, Burrowing behavior, cast production은정화토에서감소영향이관찰되지않았으나, 정화토노출군에서는피부자극이유의하게더나타났다. 한편, in vivo 세포독성은지렁이체강세포를추출하여 intracellular esterase activity를분석하여평가하였으며, 오염토와비교하였을때정화토에서 intracellular esterase activity가유의하게감소하여 in vivo 세포독성이정화토노출군에서야기된것으로평가된다. 토양효소활성평가 (Enzyme activity, EA) CAT는적정법을이용하여정량화하였고기타 7 가지토양효소활성 (APA, ASA, DHA, FDA, PRT, UA, βga) 은측정한흡광도를정량곡선식에대입하여정량화하는방법을이용하였다. APA의경우, 정화후약간활성이감소하였다가개량후약간증가하는추세가나타났으나유의하지않고모두활성이매우낮은것으로나타났다. ASA의경우에도마찬가지로거의활성이미미한것으로나타났으며개량후에는아예나타나지않았다. 2차현장토양시료에서는 CAT는정화및개량을거치면서활성이유의하게감소하였으며 DHA는정화후효소활성이증가하였으나개량후다시감소하였다. FDA의경우, DHA와마찬가지로정화후증가, 개량후감소의경향이나타났다. PRT는정화후유의한차이가없었으나개량후활성이거의없는것으로나타났으며 UA의경우에는 DHA와 PRT와마찬가지로정화후증가, 개량후감소추세가나타났으나편차가너무커통계적으로는유의하지않은것으로나타났다. βga 분석결과 2차현장토양시료에서는정화후유의한차이가없었으나개량후약간감소하는현상이나타났다. 토양선충 (Nematode, N) 3일동안깨끗한배지에서성장한성체의 C. elegans를 10마리씩토양에투입, 20, 암조건에서 24시간노출하여부화된개체의숫자를계수하는방법으로생식률을측정하였다. 2차현장시료에서의실험결과는 1차현장시료결과와상당부분유사한것으로나타났으며, 각토양별생식률은 LUFA, F-C, F-R, 그리고 F-A 토양에서각각 100, 12, 80, 그리고 39 % 로나타났다. 토양선충의경우토양의정화과정이토양의건강성회복에도움이되는것으로나타났다. 특히 F-R 토양의경우토양정화후, 대조군인오염토양에비하여상당한수준의건강성회복을보였다. 이는토성과관련있는것으로보이며, 토양공극수에서식하는토양선충의경우토양입자가비교적거친정화토양이서식하기에좋은것으로보인다. 또한 Silicate 함량에많은유사점을보였는데이와동일하게모래함량이많을경우모래가많을수록토양선충이살수있는공극이충분하여건강성회복에도움이되었을것으로보인다. 식물발아능및생장률 (Plant germination and growth, PG) 밀의경우, LUFA 토양대비발아율은 F-C, F-R, F-A 에서각각 125, 92, 0 % 로나타나 F-A 에서는아예작물의생산이되지않는것으로나타났다. 뿌리성장률은 F-C, F-R 에서각각 170, 70 % 로나타났고줄기성장률은 134, 91 % 로나타났다. 전체성장률은 LUFA 토양대비 151, 81 % 로정화후성장률이저해

134 되는것으로나타났다. 벼의경우, LUFA 토양대비발아율은 F-C, F-R, F-A에서 93, 100, 0 % 로나타났다. F-A 토양에서는발아및성장을하지못하였다. LUFA 토양대비전체성장률에대해서는 F-C, F-R 에서 111, 77 % 로나타났고뿌리성장률에대해서는 193, 131 % 로나타나 F-C에비하여 F-R 토양에서유의한영향이있는것으로확인되었다. 줄기성장률은 82, 57 % 로나타나, 줄기에서또한성장률에유의한영향이확인되었다. 보리의경우, LUFA 토양대비발아율은 F-C, F-R, F-A에서 97, 83, 0 % 로나타났다. LUFA 토양대비전체성장률의경우 109, 102 % 로확인되어정화전, 후토양에성장률차이는보이지않는것으로확인되었다. 뿌리의경우성장률은 120, 119 %, 줄기의경우 104, 93 % 로나타났다. 수수의경우, LUFA 토양대비발아율은 F-C, F-R, F-A에서 103, 103, 0 % 로나타났다. LUFA 토양대비전체성장률의경우 107, 109 % 로나타났고뿌리성장률은 96, 98 %, 줄기성장률은 114, 117 % 로나타났다. 정화전, 후토양에서는발아율과성장률차이가나타나지않았으나개량후토양에서는발아자체가되지않았음을확인할수있었다. 밀, 벼, 보리, 수수 4종의모든식물이개량후토양인 F-A에서발아율이 0 % 로나타났는데 1차현장시료의경우발아율이각각 108, 103, 103, 97 % 로나타난것으로보아시간이흐름에따라식물의발아및성장에영향을주는인자가작용되었음을예상할수있다. 또한밀과벼의경우정화전토양보다정화후토양에서성장률의저해가나타났음을확인할수있었으며보리와수수에서는정화전과후의차이가유의하지않았다는것을확인하였다. 토양조류광합성능평가 (Soil algal photosynthetic activity, SAP) 및생체량 (Soil algae biomass, SAB) 광합성능실험결과, LUFA 토양에서의광합성능대비 C. infusionum 및 C. reinhardtii의광합성능중반응중심에서 Quinone pool로의전자전달을방해하는 Area (=blockage of electron transfer in photosynthesis) 가가장민감하게 F-C, F-R, F-A에서공통적으로감소하였으며, C. infusionum의광합성능중반응중심의불활성을의미하는흡수당반응중심 (Reaction center per absorption flux; RC/ABS), Quinone A를환원시키는포획에너지당반응중심 (Reaction center per trapped energy flux; RC/TRo) 이 F-A에서감소하였다. 한편생체량실험결과, LUFA 토양에서의생체량대비 C. infusionum 및 C. reinhardtii의생체량은 F-C, F-R, F-A에서공통적으로감소하였다. C. infusionum 및 C. reinhardtii의오염토양대비정화토양에서유의감소현상이나타나지않았으나, C. infusionum의경우오염토양대비개량토양에서유의감소현상이나타났다. 따라서각토양별 / 생물종별차이는있으나대체로오염토대비정화토의건강성회복성이확인되었다. 단, LUFA 토양이전세계적으로널리사용된표준자연토양임을고려해보았을때, 정화토는 C. infusionum 및 C. reinhardtii의정상적인광합성능및생체량을보장하지않는것으로판단된다. 이는생물다양성을보장하는토양의기능의감소를나타낸다고사료된다

135 총글로말린평가 (total glomalin-related soil protein, TG) 본연구에서는토양글로말린은토양에서추출하여정량화하기위하여 citrate solution과 bradford assay를이용하였다. 또한, 추출된 protein 농도를정량화기위하여, BSA (bovine serum albumin, 1 mg/ml stock) 을대상으로 bradford assay를수행하여표준곡선을작성하였다. 이를통해측정된흡광도를통해 protein 농도를산출하기위한선형공식 (y=410.08x , y: protein concentration, x: absorbance value) 을산출하였다. 이를통해정량화된 LUFA와청토의분석결과는각각 1.55, 0.11 mg/g으로나타났으며, 각토양 (F-C, F-R, F-A) 의경우는각각 ND, 0.41, ND mg/g으로분석되었다

136 Indicator Earthworm abnormality (normality) Earthworm burrowing Earthworm coelomocyte viability Earthworm skin irritation (Non-skin irritation) < 현장토양 2 차시료에서의생물학적지표결과 > Earthworm survival Enzyme activity APA Enzyme activity ASA Enzyme activity CAT Enzyme activity DHA Enzyme activity FDA Enzyme activity PRT Enzyme activity UA Abb. E (A) E (B) E(C) E (SI) E (S) EA (APA) EA (ASA) EA (CAT) EA (DHA) EA (FDA) EA (PRT) EA (UA) EA (βga) μgμgμg ml Fluorescein μg p-nitrophe p-nitrophe μg INTF/g L-lecucine μg NH Unit % % % % % nol/g dry nol/g dry KMnO 4/g dry soil sodium 4/g p-nitrophn mm dry soil ol/g dry dry soil salt/g dry soil soil soil soil LUFA F-C ND ND F-R F-A 0 0 NC ND ND ND ND Enzyme activity βga < 현장토양 2 차시료에서의생물학적지표결과 > Indicator Nematode Plant barely Plant rice Plant Sorghum Plant wheat Soil algal biomass (C. infusionum) Soil algal biomass (C. reinhardtii) Soil algal photosynthetic capacity (C. infusionum) Soil algal photosynthetic capacity (C. reinhardtii) Total glomalin Abb. Ne P (B) P (R) P (S) P (W) SAB (Ci) SAB (Cr) SAP (Ci) SAP (Cr) TG Unit % % % % % % % % % % LUFA F-C ND F-R F-A ND

137 중금속분석결과 가 1 차현장시료결과토양내총중금속분석 (Metal analysis, total) 각토양별총중금속을분석한결과는다음표와같다. 대조토양의역할로활용된 LUFA를제외한각토양 (P-C, P-R, P-A, F-C, F-R, F-A) 은 As의경우 mg/kg의범위를나타내어일부구간토양오염우려기준 (25 mg/kg) 을초과하는것으로나타났으며, 밭오염토구간에서는높은수준 ( mg/kg) 의비소오염도를확인하였다. Cd의경우는모든토양에서검출한계 (1 mg/kg) 이하로분석되었으며, Cu, Ni, Pb, 그리고 Zn의경우는 , , , mg/kg의농도범위분포를보이는것으로확인되었다. Arsenic (Total) < 현장토양의총중금속농도 (1 차 )> Cadmium (Total) Cooper (Total) Nickel (Total) mg/kg Lead (Total) Zinc (Total) As (T) Cd (T) Cu (T) Ni (T) Pb (T) Zn (T) LUFA < 1 ppm P-C < 1 ppm P-R < 1 ppm P-A < 1 ppm F-C < 1 ppm F-R < 1 ppm F-A < 1 ppm 토양내생물이용가능한중금속분석 (Metal analysis, extractable) 각토양을 Ca(NO 3 ) 를이용하여추출한결과는다음과같다. 각토양 (P-C, P-R, P-A, F-C, F-R, F-A) 의 As 농도는각각 1.8E-04, 2.2E-04, 7.9E-05, 3.3E-05, 5.9E-05, 그리고 3.8E-05 mg/kg로나타났다. 이밖에 Cd, Cu, Ni, Pb, 그리고 Zn의경우는 3.3E-05~7.1E-0.5, 1.3E-04~6.6E-0.4, 3.6E-03~4.8E-0.3, 1.7E-04~9.5E-0.4, 2.0E-04~1.5E-0.3 mg/kg의농도범위분포를보이는것으로확인되었다. 증류수를이용하여추출한결과, 각토양 (P-C, P-R, P-A, F-C, F-R, F-A) 의 As 농도는각각 2.9E-04, 4.8E-04, 1.6E-05, 2.7E-05, 2.0E-04, 그리고 2.7E-05 mg/kg로나타났다. 이밖에 Cd, Cu, Ni, Pb, 그리고 Zn의경우는 3.4E-06~2.7E-0.5, 8.6E-06~8.4E-0.4, 6.7E-06~1.1E-0.3, 5.7E-06~2.5E-0.4, 4.1E-05~6.0E-0.4 mg/kg의농도범위분포를보이는것으로확인되었다

138 mg/kg Arsenic (Ca(NO 3 ) extractable) < 현장토양의 Ca(NO 3 ) 추출가능한중금속농도 (1 차 )> Cadmium (Ca(NO 3 ) extractable) Cooper (Ca(NO 3 ) extractable) Nickel (Ca(NO 3 ) extractable) Lead (Ca(NO 3 ) extractable) Zinc (Ca(NO 3 ) extractable) As (Ce) Cd (Ce) Cu (Ce) Ni (Ce) Pb (Ce) Zn (Ce) LUFA 2.4E E E E E E-03 P-C 1.8E E E E E E-03 P-R 2.2E E E E E E-04 P-A 7.9E-05 ND 1.7E E E E-04 F-C 3.3E-05 ND 5.1E E E E-04 F-R 5.9E-05 ND 1.3E E-03 ND 2.0E-04 F-A 3.8E E E E E E-03 mg/kg Arsenic (Water extractable) < 현장토양의증류수 (water) 추출가능한중금속농도 (1 차 )> Cadmium (Water extractable) Cooper (Water extractable) Nickel (Water extractable) Lead (Water extractable) Zinc (Water extractable) As (We) Cd (We) Cu (We) Ni (We) Pb (We) Zn (We) LUFA 5.4E E E E E E-04 P-C 2.9E E E E E E-04 P-R 4.8E E E E E E-04 P-A 1.6E E E E E E-05 F-C 2.7E E E E E E-04 F-R 2.0E E E E E E-05 F-A 2.7E E E E E E-05 Bio-reporter 검출가능한중금속분석 (Metal analysis, bio-reporter) 농도를알고있는비소 stock을이용하여 GFP 정량곡선을구한후각각의토양시료에서측정한 GFP를이용하여토양시료내생물이용가능한비소의양을구하였다. 정량곡선의 AS 3+ 농도는 0, 0.001, 0.005, 0.01, 0.05 그리고 0.1 ppm으로결정하였으며, 이에대한 E. coli의 GFP 형광세기는각각 , 5339, , , , 그리고 인것으로확인되었다. 이를통해 0 mg/kg에서의 GFP 형광세기를 1로기준하였을때각각의농도에따른 GFP 형광세기의비율을구하여정량곡선을만들었으며이곡선의 R 2 값은 0.98 이상으로나타났다. 위의정량곡선을이용하여각각의토양샘플에서측정한 GFP 형광세기를대입하였을때각각의토양 (P-C, P-R, P-A, F-C, F-R, F-A) 에서 0.118, 0.226, 0.080, 0.226, 0.245, mg/kg의생물이용가능한비소의농도값을도출하였다. F-C에서가장높은농도, F-A에서가장낮은농도의비소를확인하였다. < 토양샘플내생물이용가능한비소농도 (mg/kg)> P-C P-R P-A F-C F-R F-A

139 나 2 차현장시료결과토양내생물이용가능한중금속분석 (Metal analysis, extractable) 2차토양시료채취는밭구간에서만실시하였으며, 각구간 (F-C, F-R, F-A) 에서의총중금속농도는반복분석하지않았다. 따라서각구간에서의총중금속농도는 1차토양시료분석결과와동일할것으로사료된다. 각구간 (F-C, F-R, F-A) 의토양을 Ca(NO 3 ) 추출한결과는다음과같다. F-C, F-R, F-A에서의 As 농도는각각 4.4E-05, 8.9E-05, 4.4E-05 mg/kg이었으며, Cd의경우는 4.9E-05, ND, 6.3E-05 mg/kg, Cu는 4.1E-04, 1.1E-04, 1.5E-04 mg/kg, Ni는 3.6E-03, 3.5E-03, 3.7E-03 mg/kg, Pb는 1.6E-03, 4.6E-05, 3.0E-04, Zn의경우는 6.9E-04, 4.1E-04, 2.0E-03 mg/kg인것으로나타났다. 증류수를이용하여추출한결과, 각구간 (F-C, F-R, F-A) 의 As 농도는각각 4.0E-06, 3.8E-04, 1.7E-05 mg/kg이었으며, Cd의경우는 2.8E-05, 2.7E-05, 1.7E-05 mg/kg, Cu는 9.3E-06, 2.3E-04, 4.9E-05 mg/kg, Ni는 6.2E-06, 2.1E-05, 8.9E-05 mg/kg, Pb는 2.8E-05, 4.1E-06, ND mg/kg, Zn의경우는 8.2E-05, 4.3E-05, 4.0E-04 mg/kg인것으로나타났다. mg/kg Arsenic (Ca(NO 3 ) extractable) < 현장토양의 Ca(NO 3 ) 추출가능한중금속농도 (2 차 )> Cadmium (Ca(NO 3 ) extractable) Cooper (Ca(NO 3 ) extractable) Nickel (Ca(NO 3 ) extractable) Lead (Ca(NO 3 ) extractable) Zinc (Ca(NO 3 ) extractable) As (Ce) Cd (Ce) Cu (Ce) Ni (Ce) Pb (Ce) Zn (Ce) LUFA 2.4E E E E E E-03 F-C 4.4E E E E E E-04 F-R 8.9E-05 ND 1.1E E E E-04 F-A 4.4E E E E E E-03 mg/kg < 현장토양의증류수 (water) 추출가능한중금속농도 (2 차 )> Arsenic (Water extractable) Cadmium (Water extractable) Cooper (Water extractable) Nickel (Water extractable) Lead (Water extractable) Zinc (Water extractable) As (We) Cd (We) Cu (We) Ni (We) Pb (We) Zn (We) LUFA 5.4E E E E E E-04 F-C 4.0E E E E E E-05 F-R 3.8E E E E E E-05 F-A 1.7E E E E-05 ND 4.0E

140 Bio-reporter 검출가능한중금속분석 (Metal analysis, bio-reporter) 1차토양시료와 2차토양시료의생물이용가능한비소의농도를구하는과정에서동일한 AS 3+ 농도의정량곡선을이용하여같은실험을진행하였기때문에같은정량곡선으로 1차, 2차시료의비소농도를동시에구할수있었다. 정량곡선 AS 3+ 농도는 0, 0.001, 0.005, 0.01, 0.05 그리고 0.1 ppm으로결정하였으며, 이에대한 E. coli의 GFP 형광세기는각각 , 5339, , , , 그리고 인것으로확인되었다. 이를통해 0 ppm에서의 GFP 형광세기를 1로기준하였을때각각의농도에따른 GFP 형광세기의비율을구하여정량곡선을만들었으며이곡선의 R 2 값은 0.98 이상으로나타났다. 정량곡선을이용하여각각의토양샘플에서측정한 GFP 형광세기를대입하였을때각각의토양 (F-C, F-R, F-A) 에서 0.144, 0.309, mg/kg 의생물이용가능한비소농도를도출하였다. < 토양샘플내생물이용가능한비소농도 (mg/kg)> F-C F-R F-A

141 토양건강성평가기법의현장적용성확인 가작물생장능평가결과오염토, 정화토, 그리고개량토를대상으로논부지를조성하고, 약 103일간벼작물의생산성을살펴본결과는다음과같다. 오염토, 정화토, 그리고개량토는초기 0일차를대비로약 250 % 가량길이생장한것을확인할수있다. 하지만각구간별로는유의한차이를확인할수없었으며, 토양의조건에따라길이생장에영향을주지않는것으로사료된다 Length (% to 0 day) Contaminated soil Remediated soil Amended soil Days < 벼작물의각구역별 ( 오염토, 정화토, 개량토 ) 길이생장률 (cm, % to 0 day)>

142 밭부지도각각오염토, 정화토, 그리고개량토구간에서생산성이평가되었다. 들깨의경우는약 70일까지는지속적으로길이생장을한것으로보이며, 이후약 90일까지는더이상생장을하지않는것으로확인되었다. 개량토에서의들깨는정식직후바로고사하였으며, 정화토구간에서오염토구간보다더좋은길이생장률을보이는것으로확인되었다. 들깨잎의수의경우는정화토구간에서약간높은수가생성된것으로확인되었으며, 이는횡생장도마찬가지인것으로확인되었다. 하지만, 유의한차이는거의나타나지않는것으로사료된다. 잎의수와횡생장은약 80일전후로낮아지는경향성을보였으며, 이는들깨종자의생성및탈피에관련된자연스러운현상이다. 들깨종자를품는꼬투리의수는전반적으로정화토구간에서더많은것으로확인되었다. (A) (B) Length (% to 0 day) (C) Plant witherer Contaminated soil Remediated soil Amended soil Days Number of leaves (% to 0 day) Plant witherer Contaminated soil Remediated soil Amended soil Days Contaminated soil Remediated soil Width (% to 0 day) Plant witherer Number of perilla pods Contaminated soil Remediated soil Amended soil Days Days < 들깨작물의각구역별 ( 오염토, 정화토, 개량토 ) (A) 길이생장률, (B) 횡생장률, (C) 잎수, (D) 꼬투리수 >

143 들깨작물의뿌리분석은고사한개량토를제외하고밭오염토, 정화토에서시료를채취하여진행하였다. 오염토, 정화토에서임의로각각 20개의들깨뿌리를채취하여겉면에있는토양을최대한제거후무게를측정하여평균무게를산출하였으며평균무게와가장근접한 3개의뿌리를선정하여 WinRHIZO (REG 2008) 를이용하여뿌리분석을진행하였으며뿌리의총길이, 총, 표면적, 총투영면적, 총용량, 평균지름등을산출하였다. 무게를측정한결과오염토및정화토에서평균각각 38.9, 37.3 g으로큰차이가없는것으로나타났다. 그러나이미지로보면정화토에서더풍성하였으며뿌리분석결과평균지름은유의한차이가없는것으로나타났으나총길이, 총표면적, 총투영면적, 총용량은오염토가정화토의 2배정도로확인되었다. (A) (B) (C) Results of root analysis (% of control) Total length Total surface area Contaminated Total project area Total root volume Remediated Average diameter < 들깨작물의 (A) 오염토뿌리이미지 ; (B) 정화토뿌리이미지 ; (C) 뿌리분석결과 >

144 10주차, 약 63일간작물의생산성이평가되었다. 배추작물의생산성과생장률을평가하기위하여, 길이생장, 횡생장, 그리고잎수가평가되었다. 각항목은초기생장에대한백분율로변환하여생장률을평가되었으며, 정화토구간이오염토구간보다높은생장률을나타내는것으로확인됨. 하지만정화토와오염토구간은정식작업이후약 30일경에배추무름병이발생되어심각한피해를받았으며, 이는배추생장에영향을준것으로사료된다. 실제로일부측정항목 ( 횡생장률 ) 의경우는배추무름병발생이후감소하는경향성을나타내어배추잎의활착이저해된것으로확인되었다. 개량토구간의경우는정식작업이후약 28일경에모두고사한것으로확인되었으며, 이는앞선들깨작물과유사한경향성으로사료된다. (A) (B) Length (% to 0 day) (C) Flacherie Flacherie Plant witherer Contaminated soil Remediated soil Amended soil Days Number of leaves (% to 0 day) Flacherie Flacherie Plant witherer Contaminated soil Remediated soil Amended soil Days 250 Flacherie 200 Width (% to 0 day) Flacherie Plant witherer 50 0 Contaminated soil Remediated soil Amended soil Days < 배추작물의각구역별 ( 오염토, 정화토, 개량토 ) (A) 길이생장률, (B) 횡생장률, (C) 잎수 >

145 콩작물의경우는조성된밭부지에서약 103일간생산성이관찰되었다. 약 50일까지지속적으로길이생장을이루어지는것으로확인되었으며, 이후에는큰길이생장이발생되지않았다. 길이생장은초기에비하여약 650% 이상관찰되기도하였으며, 90일을전후로생장이감소되는경향성을보였다. 잎수를평가했을때도마찬가지경향성을보였으며, 종자의완숙에의한자연스러운현상으로사료된다. 콩의개화시기는최초정식이후 48일전후로확인되었으며, 정화토구간의개화수가약 2배정도높은것으로확인되었다. 개화수의차이에따라생성되는꼬투리수도상이하였으며정화토구간에서더높은꼬투리수가나타났다. (A) Length (% to 0 day) (C) Plant witherer Contaminated soil Remediated soil Amended soil Days (B) Number of leaves (% to 0 day) (D) Plant witherer Contaminated soil Remediated soil Amended soil Days 14 Contaminated soil Remediated soil 25 Contaminated soil Remediated soil Flowering Number of bean pods Days Days < 콩작물의각구역별 ( 오염토, 정화토, 개량토 ) (A) 길이생장률, (B) 잎수, (C) 개화수, (D) 꼬투리수 >

146 콩작물의뿌리혹박테리아는고사한밭개량토를제외한밭오염토, 정화토에서뿌리를채취하여확인하였다. 오염토, 정화토에서임의로각각 20개의작물을뿌리혹박테리아가제거되지않도록조심스레수거하여각작물에서의뿌리혹박테리아수를계수하였다. 계수한결과오염토및정화토에서평균콩작물에서각각 65, 24개로오염토에서유의하게많은것으로확인되었다. No. of tubercle per crop F-C Soil F-R < 콩작물뿌리혹박테리아분석결과 >

147 나작물생산성평가결과벼작물의경우는조성된논부지에서수확후한포기당열린종자의무게, 종자 100개당무게그리고껍질을벗긴후현미의 100개당무게를측정하였다. 한포기당생산된수확량은오염토정화토, 그리고개량토순으로각각 28, 53, 그리고 41 g으로나타났으며정화토에서확연히많은수의종자가열려수확량이상승한것으로나타났다. 반면 100개종자간의무게를비교하였을때는오염토, 정화토, 그리고개량토에서각각 2.8, 2.7, 그리고 2.9 g 이었으며, 현미 100개종자의무게는 2.1, 2.1, 그리고 2 g으로나타나토양간차이는보이지않았다. 포기별수확량은오염토에비하여더많았으나각토양에서수확된종자의무게는차이가없는것으로보아정화토에서더많은양의이삭이열린것으로추측된다. Yield per plant (g) (n=10) 수확량 100 개종자무게현미 100 개종자 b ab a (n=10) P-C P-R P-A Soil (n=10) Weight of 100 grains (g) a a a (n=10) (n=10) P-C P-R P-A Soil (n=10) Weight of 100 polished rice (g) a a a (n=10) (n=10) P-C P-R P-A Soil (n=10) < 토양별, 작물별생산량평가 P: 논, C: 오염토, R: 정화토, A: 개량토 > Bonferroni test 를실시하였으며 (p < 0.05), 통계적으로유의할경우다른알파벳으로표현하였다. 오염토정화토개량토 < 토양별한포기당열린현미종자의모습 >

148 들깨작물의경우는조성된밭부지에서수확된전체들깨의수확량과 1000개종자무게를측정하였다. 개량토양부지에서는수확된종자가없었으며총수확량의경우, 오염토그리고정화토에서각각 1111 그리고 1742 g으로정화토양에서더많은양의들깨가수확되었다. 1000개종자무게는오염토그리고정화토에서각각 2.9 및 2.9 g으로 1000개종자무게는차이가없는것으로나타났다. 전체수확량은오염토에비하여정화토에서더높은것으로나타났으나동일한개수의종자를측정하였을때무게의차이는보이지않은것으로보아정화토에서더많은수의종자가열린것으로보인다. 총수확량 1000 개종자무게 Total yield (g) (n=1) (n=1) No Seed F-C F-R F-A Soil Weight of 1000 grains (g) a a (n=10) (n=10) No Seed F-C F-R F-A Soil < 토양별, 작물별생산량평가 F: 밭, C: 오염토, R: 정화토, A: 개량토 > Bonferroni test 를실시하였으며 (p < 0.05), 통계적으로유의할경우다른알파벳으로표현하였다. 콩작물의경우는조성된밭부지에서수확된콩의포기당종자의수와종자무게, 그리고종자의평균무게를측정하였다. 개량토양부지에서는수확된종자가없었으며측정된수치는오염토그리고정화토순으로, 포기당종자의수는 28 그리고 81개, 포기당종자의무게는 9 및 34 g, 마지막으로종자의평균무게는 0.35 및 0.42 g으로나타났다. 포기당종자의수, 무게, 그리고종자의평균무게모두오염토에비하여정화토에서높은생산량을보였다. Grains per plant (bean) 종자수수확량종자평균무게 b a (n=65) (n=59) No Seed F-C F-R F-A Soil Yield per plant (g) a 0 b (n=65) (n=59) No Seed F-C F-R F-A Soil Average weight per grain (g/bean) 0.6 a b (n=65) (n=59) No Seed F-C F-R F-A Soil < 토양별, 작물별생산량평가 F: 밭, C: 오염토, R: 정화토, A: 개량토 > Bonferroni test 를실시하였으며 (p < 0.05), 통계적으로유의할경우다른알파벳으로표현하였다

149 다현장규모의생물축적양상분석현장에서재배및채취한농작물내에서의 6종중금속 ( 비소, 카드뮴, 구리, 니켈, 납, 아연 ) 함량을분석하였다. 농작물은논오염토, 정화토, 개량토에서재배한현미와볏짚, 밭오염토, 정화토 ( 개량토에서는작물이전부고사하여분석불가하였음 ) 에서재배한깨, 콩, 깻잎, 콩잎, 배추, 총 7종을대상으로하였다. 개체수가부족한배추 (5반복) 를제외하고모든작물의분석은 10반복으로진행하였으며건중량을기준으로분석을진행하였다. 분석결과, 깻잎에서는정화후비소의작물내함량이유의하게증가하였으며카드뮴, 구리에서는변화가없었고니켈, 납, 아연의함량은감소하였다. 콩잎의경우에도비소만이정화후토양에서재배하였을때함량이증가하였으며, 구리는거의변화가없었고카드뮴, 니켈, 납, 아연의함량은감소한것으로나타났다. 현미의경우에는비소함량은오염, 정화, 개량토에서거의차이가없었으며카드뮴과구리함량은정화및개량토내작물에서유의하게감소한것으로나타났다. 반면니켈의경우에는정화후현미내에서함량이감소하였으나개량후에는유의하게증가하였다. 납의경우에는정화후함량이감소하는듯하였으나통계적으로는유의하지않았으며아연의경우에도니켈과마찬가지로정화후감소, 개량후증가의추세가나타났다. 볏짚의경우, 현미와는달리정화와개량과정을거칠수록비소의함량이오염토양내볏짚에비해점차감소하는추세가나타났으며카드뮴의경우에는정화후함량이유의하게증가하였으나개량후에는오염토양과비슷한수치를나타냈다. 구리의경우에는오염, 정화, 개량토양에서비슷하게나타났으나개량토양에서재배한볏짚에서약간유의하게함량이증가하였다. 니켈과납의경우에는오염, 정화, 개량토양에서거의차이가없는것으로나타났으며아연의경우에는개량토양에서만오염토양에서보다함량이유의하게증가한것으로나타났다. 마지막으로깨의경우에는비소, 카드뮴, 니켈은정화후감소하는추세가나타났으며구리, 납, 아연은통계적으로유의하지않은것으로나타났다. 또한콩의경우에는니켈만이정화후에유의하게감소하였으며다른모든중금속들은정화전후의함량이거의차이가없는것으로나타났다

150 Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (A) Arsenic (Sesame leaf, Soybean leaf, Chinese cabbage) 16 Outlier 14 * 75% 12 Mean Medium 10 25% 8 Outlier * Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (B) Cadmium (Sesame leaf, Soybean leaf, Chinese cabbage) * * Sesame leaf (F-C) Sesame leaf (F-R) Soybean leaf (F-C) Soybean leaf (F-R) Chinese Chinese cabbage (F-C) cabbage (F-R) Sesame leaf (F-C) Sesame leaf (F-R) Soybean leaf (F-C) Soybean leaf (F-R) Chinese Chinese cabbage (F-C) cabbage (F-R) Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) Range (C) Copper (Sesame leaf, Soybean leaf, Chinese cabbage) Sesame leaf (F-C) Sesame leaf (F-R) Soybean leaf (F-C) Soybean leaf (F-R) * Chinese Chinese cabbage (F-C) cabbage (F-R) Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (D) Nickel (Sesame leaf, Soybean leaf, Chinese cabbage) Sesame leaf (F-C) * * Sesame leaf (F-R) Soybean leaf (F-C) Soybean leaf (F-R) * Chinese Chinese cabbage (F-C) cabbage (F-R) Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (E) Lead (Sesame leaf, Soybean leaf, Chinese cabbage) * * Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (F) Zinc (Sesame leaf, Soybean leaf, Chinese cabbage) * * 0.0 Sesame leaf (F-C) Sesame leaf (F-R) Soybean leaf (F-C) Soybean leaf (F-R) Chinese Chinese cabbage (F-C) cabbage (F-R) 0 Sesame leaf (F-C) Sesame leaf (F-R) Soybean leaf (F-C) Soybean leaf (F-R) Chinese Chinese cabbage (F-C) cabbage (F-R) < 현장규모의농작물내 6 종중금속생물축적양상분석. 오염토 (C) 및정화토 (R) 에서채취한깻잎 (Sesame leaf) 과콩잎 (Soybean leaf), 배춧잎 (Chinese cabbage) 의 (A) 비소, (B) 카드뮴, (C) 구리, (D) 니켈, (E) 납, (F) 아연의축적양상분석. 오염토양대비통계적유의변화 (*)>

151 (A) Arsenic (Rice) Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) Rice (P-C) Rice (P-R) Rice (P-A) Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (B) Cadmium (Rice) * * Rice (P-C) Rice (P-R) Rice (P-A) Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (C) Copper (Rice) * * Rice (P-C) Rice (P-R) Rice (P-A) Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (D) Nicel (Rice) * * Rice (P-C) Rice (P-R) Rice (P-A) (E) Lead (Rice) Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) Rice (P-C) Rice (P-R) Rice (P-A) Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (F) Zinc (Rice) * * Rice (P-C) Rice (P-R) Rice (P-A) < 현장규모의농작물내 6 종중금속생물축적양상분석. 오염토 (C), 정화토 (R) 및개량토 (A) 에서채취한현미 (Rice) 의 (A) 비소, (B) 카드뮴, (C) 구리, (D) 니켈, (E) 납, (F) 아연의축적양상분석. 오염토양대비통계적유의변화 (*)>

152 Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (A) Arsenic (Rice straw) * * Rice straw (P-C) Rice straw (P-R) Rice straw (P-A) Heavymetal Concentration Range (mg/kg, dry weight) (B) Cadmium (Rice straw) * Rice straw (P-C) Rice straw (P-R) Rice straw (P-A) Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (C) Copper (Rice straw) Rice straw (P-C) Rice straw (P-R) Rice straw (P-A) * Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (D) Nickel (Rice straw) Rice straw (P-C) Rice straw (P-R) Rice straw (P-A) Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (E) Lead (Rice straw) Rice straw (P-C) Rice straw (P-R) Rice straw (P-A) Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (F) Zinc (Rice straw) 50 * Rice straw (P-C) Rice straw (P-R) Rice straw (P-A) < 현장규모의농작물내 6 종중금속생물축적양상분석. 오염토 (C), 정화토 (R) 및개량토 (A) 에서채취한볏짚 (Rice straw) 의 (A) 비소, (B) 카드뮴, (C) 구리, (D) 니켈, (E) 납, (F) 아연의축적양상분석. 오염토양대비통계적유의변화 (*)>

153 Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (A) Arsenic (Sesame, Soybean) * 1 0 Sesame (F-C) Sesame (F-R) Soybean (F-C) Soybean (F-R) Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (B) Cadmium (Sesame, Soybean) * Sesame (F-C) Sesame (F-R) Soybean (F-C) Soybean (F-R) Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (C) Copper (Sesame, Soybean) Sesame (F-C) Sesame (F-R) Soybean (F-C) Soybean (F-R) Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (D) Nickel (Sesame, Soybean) * * Sesame (F-C) Sesame (F-R) Soybean (F-C) Soybean (F-R) Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (E) Lead (Sesame, Soybean) Sesame (F-C) Sesame (F-R) Soybean (F-C) Soybean (F-R) Heavymetal Concentration (mg/kg, dry weight) (F) Zinc (Sesame, Soybean) Sesame (F-C) Sesame (F-R) Soybean (F-C) Soybean (F-R) < 현장규모의농작물내 6 종중금속생물축적양상분석. 오염토 (C) 및정화토 (R) 에서채취한깨 (Sesame) 와콩 (Soybean) 의 (A) 비소, (B) 카드뮴, (C) 구리, (D) 니켈, (E) 납, (F) 아연의축적양상분석. 오염토양대비통계적유의변화 (*)>

154 ( 라 ) 현장적용 : 토양건강성평가 논토양의토양생산성본연구에서는제안된토양건강성평가기법인 KRISMAS를이용하여현장실증논오염토 (P-C), 정화토 (P-R), 그리고개량토 (P-A) 에대한토양건강성지수를산출하였다. KRISMAS의단계에따라평가인자별로지표가선정되고분석되었으며, 해당분석결과에따라표준배점체계 (SSF) 를적용하여배점화하였다. 유효인산 (AvP) 과치환성양이온 (ExC (Ca, K)) 등은벼기준의표준배점체계를적용하였으며, 용적밀도 (BD) 는각토양의토성 (texture) 에따라다르게적용하였다. 자세한배점결과는다음표와같다. < 논토양의토양생산성지표배점결과 > Indicator LUFA P-C P-R P-A Aggregate stability AS Available phosphate AvP Available silicate AvS Bulk density BD Cation exchange capacity CEC Enzyme activity CAT EA (CAT) Enzyme activity UA EA (UA) Enzyme activity βga EA (βga) Electric conductivity EC Exchangeable cation-ca ExC (Ca) Exchangeable cation-k ExC (K) Exchangeable cation-mg ExC (Mg) Organic matter OM Plant barely P (B) Plant rice P(R) Plant Sorghum P (S) Plant wheat P (W) ph ph Soil algal photosynthetic capacity (C. infusionum) SAP (Ci) Soil algal photosynthetic capacity (C. reinhardtii) SAP (Cr) Total Nitrogen TN Total phosphorus TP Water holding capacity WHC

155 배점화된지표값은주요인분석 (PCA) 를통해자료의분산정도를확인하였으며, 가용한주요인인 PC1-3을활용하였다. 각주요인의고유벡터값을이용하여공통성지수를산출하였으며, 전체공통성지수합과각지표의비율을통해가중치를결정하였다. 현장실증논토양에서가장높은가중치를보인것은식물수수생장율 (P (S)) 지표였으며, 그뒤로유효인산 (AvP), 효소활성우레아제 (EA (UA)) 순으로높은가중치를가지는것으로나타났다. 또한, 토양조류 C. infusionum의광합성능 (SAP(Ci)) 지표가가장낮은가중치를가지는것으로산출되었다. < 논토양의토양생산성지표 PCA 및순위결정결과 > PCA Factor analysis (Weighting and scoring) PCA PC1 PC2 PC3 Eigenvalue Percentage of Variance Cumulative Eigenvector (EV) AS AvP AvS BD CEC EA (CAT) EA (UA) EA (βga) EC ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) OM P (B) P (R) P (S) P (W) ph SAP (Ci) SAP (Cr) TN TP WHC 현장실증논토양의생산성에대한토양건강성지수는전체지표별배점과가중치곱의합으로산출되었으며, 자세한수치는다음과같다. 대조토양인 LUFA의경우는 0.78, 오염토, 정화토, 그리고개량토에서는각각 0.78, 0.77, 그리고 0.66으로산출되었다. 오염토와정화토는대조토양인 LUFA와비슷한수준을보였으며, 개량토는이보다더낮은토양생산성을보였다

156 < 논토양의토양생산성지수산출결과 > Indicators LUFA P-C P-R P-A AS AvP AvS BD CEC EA (CAT) EA (UA) EA (βga) EC ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) OM P (B) P (R) P (S) P (W) ph SAP (Ci) SAP (Cr) TN TP WHC SHI < 논토양의토양생산성지수산출결과 >

157 논토양의토양안정성토양안정성평가인자는세부지표를가지는지렁이 (E) 지표를포함한다. 지렁이세부지표는다양한종말점으로분류되었으며, 대상토양군에가장민감하게반응하는종말점을결정하기위하여주요인분석 (PCA) 을실시하였다. 그결과첫번째주요인인 PC 1만이가용한신뢰성을가지는것으로나타났으며, 그중가장높은고유벡터를가지는지렁이생존율 (survival) 과이상현상비율 (Abnormality) 이후보종말점으로선정되었다. 본연구에서는이중더용이한측정기법인지렁이생존율 (E (S)) 을대표종말점으로선정하였다. < 논토양내지렁이대표종말점결정을위한 PCA 분석결과 > PCA PC1 Eigenvalue Percentage of Variance Cumulative Eigenvector (EV) Abnormality E (A) Burrowing E (B) Coelomocyte viability E (C) Skin irritation E (SI) Survival E (S) < 논토양의토양안정성지표배점결과 > Indicator LUFA P-C P-R P-A Aggregate stability AS Bulk density BD Cation exchange capacity CEC Earthworm survival E (S) Enzyme activity CAT EA (CAT) Enzyme activity UA EA (UA) Enzyme activity βga EA (βga) Electric conductivity EC Exchangeable cation-ca ExC (Ca) Exchangeable cation-k ExC (K) Exchangeable cation-mg ExC (Mg) Organic matter OM ph ph Water holding capacity WHC

158 배점화된지표값은주요인분석 (PCA) 를통해자료의가중치를결정하였다. 논토양군에서가장높은가중치를보이는토양안정성지표는효소활성우레아제 (EA (UA)) 였으며, 그뒤로유기물함량 (OM), 용적밀도 (BD) 순인것으로나타났다. 치환성양이온칼슘 (ExC (Ca)) 지표가토양안정성에서는가장낮은가중치를가지는것으로확인되었다. < 논토양의토양안정성지표 PCA 및순위결정결과 > PCA PCA PC1 PC2 PC3 Factor analysis (Weighting and scoring) Eigenvalue Percentage of Variance Cumulative Eigenvector (EV) AS BD CEC E (S) EA (CAT) EA (UA) EA (βga) EC ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) OM ph WHC 현장실증논토양의안정성에대한토양건강성지수는다음과같이산출되었다. 대조토양인 LUFA의경우는 0.739, 오염토, 정화토, 그리고개량토에서는각각 0.760, 0.781, 그리고 0.711로산출되었다. 전반적으로오염토와정화토가유사한수치를나타내었으며, 대조토양과도유의한차이가나타내지않는것으로사료된다. 개량토에서는오히려수치가감소하는추세를나타내었으나, 그차이는크지않은것으로사료된다. 이는논토양에적용된정화기법이토양안정성지표에해당되는토양특성에큰영향을주지않았다고판단할수있다

159 < 논토양의토양안정성지수산출결과 > Indicators LUFA 2C 2R 2A AS BD CEC E (C) EA (CAT) EA (UA) EA (βga) EC ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) OM ph WHC SHI < 논토양의토양안정성지수산출결과 >

160 논토양의생물다양성생물다양성평가인자도세부지표로지렁이 (E) 지표를포함하며, 토양안정성평가인자와마찬가지로가장높은고유벡터를가지는지렁이생존율 (E (S)) 지표가대표종말점으로선정되었다. 생물다양성지표의배점과가중치선정결과는다음과같다. PCA와공통성지수산출을통해결정된가중치는효소활성카탈라아제 (EA (CAT)) 가가장높았던것에반하여, 토양선충생식율 (Ne) 지표의가중치는가장낮게산출되었다. < 논토양의생물다양성지표배점결과 > Indicator LUFA P-C P-R P-A Earthworm survival E (S) Enzyme activity CAT EA (CAT) Enzyme activity UA EA (UA) Enzyme activity βga EA (βga) Nematode Ne Plant barely P (B) Plant rice P(R) Plant sorghum P (S) Plant wheat P (W) Soil algal photosynthetic capacity (C. infusionum) SAB (Ci) Soil algal photosynthetic capacity (C. reinhardtii) SAY (Cr) < 논토양의생물다양성지표 PCA 및순위결정결과 > PCA Factor analysis (Weighting and scoring) PCA PC1 PC2 PC3 Eigenvalue Percentage of Variance Cumulative Eigenvector (EV) E (S) EA (CAT) EA (UA) EA (βga) Ne P (B) P(R) P (S) P (W) SAB (Ci) SAY (Cr)

161 논토양의생물다양성에대한토양건강성지수결과는다음과같다. 대조토양인 LUFA의경우는 0.987, 오염토, 정화토, 그리고개량토에서는각각 0.763, 0.750, 그리고 0.750으로산출되었다. 대조토양에서가장높은생물다양성을보이는것으로나타났으며, 오염토, 정화토, 그리고개량토에서생물다양성은차이를거의보이지않는것으로확인되었다. < 논토양의생물다양성지수산출결과 > Indicators LUFA P-C P-R P-A E (S) EA (CAT) EA (UA) EA (βga) Ne P (B) P(R) P (S) P (W) SAB (Ci) SAY (Cr) SHI < 논토양의생물다양성지수산출결과 >

162 논토양의토양안전성토양안전성평가인자지표는오염우려기준 (CCS) 과생태독성 (Eco) 으로분류되며, 본연구에서는중금속 6종 (As, Cd, Cu, Ni, Pn, 그리고 Zn) 을세부지표로결정하였다. 오염우려기준은현행토양오염우려기준의 1지역수치를활용하였으며, 생태독성지표는미국환경청 (USEPA) 의 ECOTOX 자료를이용하여중금속별만성생태독성자료를활용하였다. 각지표는토양의총중금속농도 (total concentration) 와의비율을통해최종적으로결정되었고, 표준배점체계는 less is better 개념을통해역치값을 1로결정하여배점하였다. 토양안전성평가인자지표의가중치는상위와동일하게주요인분석과공통성지수산출을통해결정되었다. 오염우려기준과생태독성지표모두비소 (As) 에서높은수준의가중치를보이는것으로나타났으며, 그뒤로니켈 (Ni), 납 (Pb), 아연 (Zn), 그리고구리 (Cu) 순인것으로확인되었다. 카드뮴 (Cd) 의경우는대상토양에서검출되지않아가중치가산출되지않았다. < 논토양의토양안전성지표배점결과 > Indicator LUFA 2C 2R 2A Contamination Concern Standard - Arsenic CCS (As) Contamination Concern Standard - Cadmium Contamination Concern Standard - Cooper Contamination Concern Standard - Nickel Contamination Concern Standard - Lead Contamination Concern Standard - Zinc CCS (Cd) CCS (Cu) CCS (Ni) CCS (Pb) CCS (Zn) Ecotoxicity - Arsenic Eco (As) Ecotoxicity - Cadmium Eco (Cd) Ecotoxicity - Cooper Eco (Cu) Ecotoxicity - Nickel Eco (Ni) Ecotoxicity - Lead Eco (Pb) Ecotoxicity - Zinc Eco (Zn)

163 < 논토양의토양안전성지표 PCA 및순위결정결과 > PCA Factor analysis (Weighting and scoring) PCA PC1 PC2 Eigenvalue Percentage of Variance Cumulative Eigenvector (EV) CCS (As) CCS (Cd) CCS (Cu) CCS (Ni) CCS (Pb) CCS (Zn) Eco (As) Eco (Cd) Eco (Cu) Eco (Ni) Eco (Pb) Eco (Zn) 논토양의안전성에대한토양건강성지수결과는다음과같다. 대조토양인 LUFA의경우는 0.914, 오염토, 정화토, 그리고개량토에서는각각 0.709, 0.705, 그리고 0.743으로산출되었다. 대조토양에서가장높은토양안전성을보이는것으로사료되며, 오염토, 정화토, 그리고개량토에서는토양안전성이비슷한수준으로산출되었다. < 논토양의토양안전성지수산출결과 > Indicators LUFA 2C 2R 2A CCS (As) CCS (Cd) CCS (Cu) CCS (Ni) CCS (Pb) CCS (Zn) Eco (As) Eco (Cd) Eco (Cu) Eco (Ni) Eco (Pb) Eco (Zn) SHI

164 < 논토양의토양안전성지수산출결과 >

165 밭토양의토양생산성밭토양은 1차, 2차토양시료의지표분석결과를이용하여토양건강성평가를수행하였다. 1차는부지조성직후의토양이며, 2차는작물정식시기의토양으로정의된다. 각밭토양군의배점정보는다음과같다. 유효인산 (AvP) 은콩및참깨기준으로표준배점체계가결정되었으며, 치환성양이온칼슘 (ExC (Ca)) 과칼륨 (ExC (K)) 은각각콩, 콩및참깨기준으로설정되었다. 또한, 용적밀도 (BD) 는토성에따라적용하였다. <1 차와 2 차밭토양의토양생산성지표배점결과 > 1차 2차 Indicator LUFA F-C F-R F-A LUFA F-C F-R F-A AS AvP AvS BD CEC EA (CAT) EA (UA) EA (βga) EC ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) OM P (B) P(R) P (S) P (W) ph SAP (Ci) SAP (Cr) TN TP WHC

166 1차와 2차밭토양에대한지표의가중치결정은각차수별로다르게적용하였다. 1차밭토양에서가장높은가중치를보인것은식물보리생장율 (P (B)) 지표였으며, 가장낮은가중치로산출된지표는수분보유능 (WHC) 인것으로확인되었다. 반면, 2차밭토양의경우는유효인산 (AvS) 이가장높은가중치를나타냈으며, 치환성양이온마그네슘 (ExC (Mg)) 이가장낮은것으로확인되었다. 부지조성후시간이지남에따라토양특성이크게변화하는것으로사료되며, 이는토양건강성지표결과에도큰영향을미치는것으로사료된다. <1 차와 2 차밭토양의토양생산성지표가중치결정결과 > Indicators 1차 2차 공통성지수 가중치 공통성지수 가중치 AS AvP AvS BD CEC EA (CAT) EA (UA) EA (βga) EC ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) OM P (B) P (R) P (S) P (W) ph SAP (Ci) SAP (Cr) TN TP WHC 차와 2차밭토양의생산성에대한토양건강성지수는다음표와같이산출되었다. 1차밭토양의경우, 대조토양인 LUFA는 0.81, 오염토, 정화토, 그리고개량토에서는각각 0.62, 0.63, 그리고 0.64로산출되었다. 2차밭토양에서는 LUFA, 오염토, 정화토, 그리고개량토에서각각 0.74, 0.64, 0.62, 그리고 0.40으로확인되었다. 밭개량토구간에서시간이지남에따라토양특성이크게변화하여, 토양생산성지수에도영향을받은것으로판단된다

167 <1 차와 2 차밭토양의토양생산성지수산출결과 > 1차 2차 Indicators LUFA F-C F-R F-A LUFA F-C F-R F-A AS AvP AvS BD CEC EA (CAT) EA (UA) EA (βga) EC ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) OM P (B) P (R) P (S) P (W) ph SAP (Ci) SAP (Cr) TN TP WHC SHI <1 차밭토양의토양생산성지수산출결과 > <2 차밭토양의토양생산성지수산출결과 >

168 밭토양의토양안정성 1차와 2차밭토양에서토양안정성지표의배점결과는다음표와같다. 논토양과같은과정으로지렁이 (E) 지표의대표종말점을산출한결과생존율 (survival) 이가장민감한종말점을선정되었으며, 밭토양에서의대표종말점으로선정되었다. 또한, 치환성양이온칼슘 (ExC (Ca)) 과칼륨 (ExC (K)) 은각각콩, 콩및참깨기준으로설정되었으며, 용적밀도 (BD) 는토성에따라적용하였다. <1 차와 2 차밭토양의토양안정성지표배점결과 > Indicator 1 차 2 차 LUFA F-C F-R F-A LUFA F-C F-R F-A AS BD CEC E (S) EA (CAT) EA (UA) EA (βga) EC ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) OM ph WHC

169 1차와 2차밭토양에대한지표의가중치결정결과는다음표와같다. 1차밭토양에서가장높은가중치를보인것은유기물함량 (OM) 지표였으며, 가장낮은가중치로산출된지표는양이온치환능 (CEC) 인것으로확인되었다. 반면, 2차밭토양의경우는치환성양이온칼슘 (ExC (Ca)) 이가장높은가중치를나타냈으며, 치환성양이온마그네슘 (ExC (Mg)) 이가장낮은것으로확인되었다. 토양생산성평가인자와마찬가지로, 부지조성후시간이지남에따라토양특성이크게변화하는것으로판단된다. <1 차와 2 차밭토양의토양안정성지표가중치결정결과 > Indicators 1 차 2 차 공통성지수가중치공통성지수가중치 AS BD CEC E (S) EA (CAT) EA (UA) EA (βga) EC ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) OM ph WHC 차와 2차밭토양의생산성에대한토양건강성지수는다음표와같이산출되었다. 1차밭토양의경우, 대조토양인 LUFA는 0.758, 오염토, 정화토, 그리고개량토에서는각각 0.615, 0.612, 그리고 0.660로산출되었다. 2차밭토양에서는 LUFA, 오염토, 정화토, 그리고개량토에서각각 0.661, , 0.521, 그리고 0.726으로확인되었다. 밭정화토구간에서는시간이지남에따라토양안정성이감소하는것으로나타났으며, 개량토의경우는소폭상승하는추세를보이는것으로확인되었다

170 <1 차와 2 차밭토양의토양안정성지수산출결과 > Indicators 1 차 2 차 LUFA F-C F-R F-A LUFA F-C F-R F-A AS BD CEC E (S) EA (CAT) EA (UA) EA (βga) EC ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) OM ph WHC SHI <1 차밭토양의토양안정성지수산출결과 > <2 차밭토양의토양안정성지수산출결과 >

171 밭토양의생물다양성 1차와 2차밭토양에서생물다양성지표배점결과는다음과같다. <1 차와 2 차밭토양의생물다양성지표배점결과 > Indicator 1차 2차 LUFA F-C F-R F-A LUFA F-C F-R F-A E (S) EA (CAT) EA (UA) EA (βga) Ne P (B) P(R) P (S) P (W) SAB (Ci) SAB (Cr) 차밭토양에서가장높은가중치를보인것은식물보리생장율 (P (B)) 지표였으며, 2차토양에서는식물밀생장율 (P (W)) 로확인되었다. 반면, 1차와 2차밭토양에서가장낮은가중치를보이는지표는각각토양조류 C. reinhardtii 생체량 (SAB (Cr)) 과지렁이생존율 (E (S)) 지표인것으로나타났다. <1 차와 2 차밭토양의생물다양성지표가중치결정결과 > Indicators 1차 2차공통성지수가중치공통성지수가중치 E (S) EA (CAT) EA (UA) EA (βga) Ne P (B) P(R) P (S) P (W) SAB (Ci) SAB (Cr) 차밭토양의생물다양성지수의경우, 대조토양인 LUFA는 0.983, 오염토, 정화토, 그리고개량토에서는각각 0.723, 0.818, 그리고 0.693로산출되었다. 2차밭토양에서는 LUFA, 오염토, 정화토, 그리고개량토에서각각 0.850, 0.579, 0.598, 그리고 0.152로확인되었다. 모든토양에서시간이지남에따라생물다양성이감소하는것으로나타났으며, 특히개량토는토양의생물다양성유지기능이심각하게저해된것으로사료된다

172 <1차와 2차밭토양의생물다양성지수산출결과 > Indicators 1차 2차 LUFA F-C F-R F-A LUFA F-C F-R F-A E (S) EA (CAT) EA (UA) EA (βga) Ne P (B) P(R) P (S) P (W) SAB (Ci) SAB (Cr) SHI <1 차밭토양의생물다양성지수산출결과 > <2 차밭토양의생물다양성지수산출결과 >

173 밭토양의토양안전성 1차와 2차밭토양에서토양안전성지표의배점과가중치산출결과는다음과같다. 오염우려기준 (CCS) 과생태독성 (Eco) 지표모두비소 (As) 에서높은수준의가중치를보이는것으로나타났으며, 그뒤로아연 (Zn), 납 (Pb), 구리 (Cu), 니켈 (Ni) 순인것으로확인되었다. 카드 (Cd) 뮴의경우는대상토양에서검출되지않아가중치가산출되지않았다. <1 차와 2 차밭토양의토양안전성지표배점결과 > Indicator 1차 2차 LUFA F-C F-R F-A LUFA F-C F-R F-A CCS (As) CCS (Cd) CCS (Cu) CCS (Ni) CCS (Pb) CCS (Zn) Eco (As) Eco (Cd) Eco (Cu) Eco (Ni) Eco (Pb) Eco (Zn) <1 차와 2 차밭토양의토양안전성지표가중치결정결과 > Indicators 1차 2차공통성지수가중치공통성지수가중치 CCS (As) CCS (Cd) CCS (Cu) CCS (Ni) CCS (Pb) CCS (Zn) Eco (As) Eco (Cd) Eco (Cu) Eco (Ni) Eco (Pb) Eco (Zn) 차밭토양의경우, 대조토양인 LUFA는 0.913, 오염토, 정화토, 그리고개량토에서는각각 0.455, 0.607, 그리고 0.634의토양안전성지수를보였으며, 2차토양도동일한지수가산출되었다. 밭오염토가비소에심각하게오염된것을고려할때 (>500 mg/kg), 산출된토양안전성지수는실제현장토양조건과높은상관관계를보이는것으로보인다

174 Indicators <1 차와 2 차밭토양의토양안전성지수산출결과 > 1 차 2 차 LUFA F-C F-R F-A LUFA F-C F-R F-A CCS (As) CCS (Cd) CCS (Cu) CCS (Ni) CCS (Pb) CCS (Zn) Eco (As) Eco (Cd) Eco (Cu) Eco (Ni) Eco (Pb) Eco (Zn) SHI <1 차밭토양의토양안전성지수산출결과 > <2 차밭토양의토양안전성지수산출결과 >

175 ( 마 ) 현장적용 : 최종토양건강성지수산출및적합성평가 논토양의최종토양건강성지수산출논토양군의각평가인자별토양건강성지수 (SHI) 는다음과같다. 본연구에서제시한경계수치를적용할경우, 논오염토에서의높은비소농도 (>25 mg/kg) 로인해토양안전성지수는활용할수없는것으로나타났다. 농업지역일경우 LUFA, 논오염토, 정화토, 그리고개량토의최종토양건강성지수가 1.69, 0.75, 0.77, 그리고 1.41로산출되며, 각각좋음, 매우나쁨, 매우나쁨, 그리고좋음으로평가되었다. 국립공원의경우 LUFA의최종토양건강성지수는 1.90로매우좋음으로평가될수있으며오염토, 정화토그리고개량토의경우 0.76, 0.75, 그리고 1.50으로매우나쁨, 매우나쁨, 그리고좋음으로판단된다. 주거지역및상업 / 공업지역에서 LUFA, 오염토, 정화토, 그리고개량토에서 1.65, 0.76, 0.78, 그리고 1.46로산출되어좋음, 매우나쁨, 매우나쁨, 그리고좋음으로정의될수있다. 오염토와정화토의수준이 매우나쁨 인것은비소의오염도가현행토양오염우려기준이상 (>25 mg/kg) 으로경계수치에의해활용불가판정을받았기때문이다. < 논토양의각평가인자별토양건강성지수 (SHI)> 평가인자 LUFA P-C P-R P-A 토양생산성 (SP) 토양안정성 (SS) 생물다양성 (Bd) 토양안전성 (Sa) 토양안전성평가인자의경계수치 (Critical value, CV) 초과 : 토양오염우려기준 (1지역), 비소 (As), > 25 mg/kg < 논토양의토지이용도별최종토양건강성지수 (SHI)> 농업지역 토양 토양생산성 (SP) 토양안전성 (Sa) 최종토양건강성지수 LUFA 좋음 P-C 매우나쁨 P-R 매우나쁨 P-A 좋음 국립공원 토양 생물다양성 (Bd) 토양안전성 (Sa) 최종토양건강성지수 LUFA 매우좋음 P-C 매우나쁨 P-R 매우나쁨 P-A 좋음 주거지역, 상업 / 공업지역 (1지역기준토양안전성지수적용 ) 토양 토양안정성 (SS) 토양안전성 (Sa) 최종토양건강성지수 LUFA 좋음 P-C 매우나쁨 P-R 매우나쁨 P-A 좋음

176 밭토양의최종토양건강성지수산출 1차와 2차밭토양군의각평가인자별토양건강성지수 (SHI) 는다음과같다. 1차밭토양군의경우는오염토와정화토가높은비소농도에의해토양안전성평가인자가활용불가로분류되었다. 또한, 2차밭개량토의경우는높은전기전도도에의해활용불가로결정되었다. < 밭토양의각평가인자별토양건강성지수 (SHI)> 1차 2차평가인자 LUFA F-C F-R F-A LUFA F-C F-R F-A 토양생산성 (SP) 토양안정성 (SS) 생물다양성 (Bd) 토양안전성 (Sa) 토양생산성평가인자의경계수치 (Critical value, CV) 초과 : 전기전도도, > 4 ds/m 토양안전성평가인자의경계수치 (Critical value, CV) 초과 : 토양오염우려기준 (1 지역 ), 비소 (As), > 25 mg/kg 1차와 2차밭토양을농업지역, 국립공원, 그리고주거지역및상업 / 공업지역으로활용할경우의최종토양건강성지수는다음표와같다. 밭오염토와정화토에서높은비소농도가존재하기때문에 ( 현행토양오염우려기준이상, >25 mg/kg) 토양의안전성은정책적으로보장되지않았으며, 이로인해해당토양군에서모든토양안전성지수가활용불가하게되었다. 따라서최종토양건강성지수는대부분 매우나쁨 으로분류되었다. 반면, 1차밭개량토의경우는농업지역, 국립공원, 그리고주거지역및상업 / 공업지역으로활용할경우모두 보통 으로분류되었으나, 2차밭개량토는농업지역과국립공원에활용하기에 매우나쁨 으로분류되었다. 이는개량토의높은전기전도도증가로인한토양생산성평가인자의활용불가했기때문이며, 추가적으로생물다양성의심각한저해도원인이된것으로보인다. 토양안전성지표인오염우려기준 (CCS) 와생태독성 (Eco) 은중금속농도와직접적으로연관성을가지기때문에, 기준에따라평가결과가절대적으로반영된다. 따라서토양안전성평가인자를조금더과학적이고신뢰성있게접근해야하며, 다른평가인자와연계성을고려할필요가있는것으로사료된다

177 <1 차밭토양의토지이용도별최종토양건강성지수 (SHI)> 농업지역 토양 토양생산성 (SP) 토양안전성 (Sa) 최종토양건강성지수 LUFA 좋음 F-C 매우나쁨 F-R 매우나쁨 F-A 보통 국립공원 토양 생물다양성 (Bd) 토양안전성 (Sa) 최종토양건강성지수 LUFA 매우좋음 F-C 매우나쁨 F-R 매우나쁨 F-A 보통 주거지역, 상업 / 공업지역 (1지역기준토양안전성지수적용 ) 토양 토양안정성 (SS) 토양안전성 (Sa) 최종토양건강성지수 LUFA 좋음 F-C 매우나쁨 F-R 매우나쁨 F-A 보통 <2 차밭토양의토지이용도별최종토양건강성지수 (SHI)> 농업지역 토양 토양생산성 (SP) 토양안전성 (Sa) 최종토양건강성지수 LUFA 좋음 F-C 매우나쁨 F-R 매우나쁨 F-A 매우나쁨 국립공원 토양 생물다양성 (Bd) 토양안전성 (Sa) 최종토양건강성지수 LUFA 좋음 F-C 매우나쁨 F-R 매우나쁨 F-A 매우나쁨 주거지역, 상업 / 공업지역 (1지역기준토양안전성지수적용 ) 토양 토양안정성 (SS) 토양안전성 (Sa) 최종토양건강성지수 LUFA 좋음 F-C 매우나쁨 F-R 매우나쁨 F-A 보통

178 다. 정화토의토양건강성평가기법을활용한복원기준설정기법 ( 안 ) 제시 (1) 중금속정화토양의최적개량기법제안 ( 가 ) 대상토양 대상토양정보본연구에서는토양건강성평가기법의적용성을확인하기위하여, 중금속오염토양과정화토양을대상토양으로선정하였다. 해당토양은제어가능한상태, 즉토양특성이외에다른인자가영향을주지않는상태에서토양건강성평가를적용하기위하여선정되었다. 이와동시에정화토양을재이용할수있는개량기법을제안하였으며, 토양건강성평가를통해개량토양의적합한수준을제시하고자하였다. 대상토양은 2015년 11월한국환경공단, 장항토양정화사업부지에서제공되었으며, 각공구 (1, 2, 3 공구 ) 별중금속오염토와정화토를포함하고있다. 1공구는정화단지에서수집되었으며, 황산 0.1 M을이용한세척공정을거쳤다. 2공구와 3공구는밭에서수집되었으며, 각각황산 0.5 M, 가성소다 0.1 N을이용하여토양세척정화처리되었다. 각현장토양은온실에서약한달풍건되었으며, <2 mm로처리되어분석에사용되었다. 각토양에대한정보는다음표와같다. 공구 1공구 2공구 3공구상태오염토정화토오염토정화토오염토정화토 명명 7-1C 7-1R 7-2C 7-2R 7-3C 7-3R 토지이력 정화단지토양 정화단지토양 < 현장토양기본정보 > 밭밭밭밭 < 현장토양사진 > 구분 1 공구 2 공구 3 공구 오염토 정화토

179 대상토양의정화기법정보각공구의정화방법에는약간의차이가존재하지만공통적으로는물리적선별, 화학적세척, 수처리순으로진행된다. 3개공구의토지이용도, 입경분리, 세척용액, 세척되는입경범위등의정보는다음표와같다. < 공구별물리 화학적세척토양입경범위 > 공구 2 μm > (clay) 2-20 μm (silt) μm (sand) 2000 μm (gravel) 1 공구 μm ( mm) 2 공구 μm ( mm) 3 공구 μm (0.01-2mm) Grain size criterion : International Society of Soil Science(ISSS) 1공구는물리적선별공정에서입도별 5단계로나누며각각 50 mm이상 ( 분급-파쇄, 정화토 ), 2-50 mm ( 분상화-입도분급, 정화토 ), mm ( 입도분급-자력선별, 화학적세척 ), mm ( 입도분급-자력선별, 화학적세척 ) 로선별되고, mm 미만 ( 재사용또는폐기 ) 의미세토양은중금속우려기준치 (As: 25 ppm이하 ) 에따라재사용또는폐기처리한다. 이중 mm 에해당하는입경은토양세척범위로황산 (0.1 M H 2 SO 4 ) 을이용하여화학적세척을하거나동전기법으로정화를실시한다. 물리적선별과화학적세척을통해발생되는배출수는재이용한다. 2공구는오염된토양을 4.7 mm 이하 ( 분상화-파쇄 ) 로균일하게파쇄한다. 파쇄된오염토양은 10 mm 이상 (1단) 과 4.7 mm 이상 (2단) 의이물질제거과정을거친후 1차다단입도선별에서 (A) mm 이상의토양과 (B) mm 미만의토양으로입경이분리된다. 1차다단입도선별후 (A) 0.075mm 이상은물리적으로처리가되는데, 토양표면분쇄과정 ( 볼밀 ) 으로토양입자표면으로부터비소가박리, 제거된후다시한번 2차다단입도선별을거쳐 mm 미만토양을선별하여중금속우려기준치 (AS: 25ppm이하 ) 에의해재사용하거나폐기한다. 또한 (B) 미만 ( 화학적처리 ) 의토양은산세척되고, 이후발생되는 0.02 mm 미만의미세토양은중금속우려기준치 (As: 25 ppm이하 ) 에의해재사용하거나폐기한다. 2공구에서는 mm에해당하는토양이물리적또는화학적으로세척된다. 세척에는중금속오염토양의농도가대책기준미만일때황산 (0.5M H 2 SO 4 ) 이쓰이고, 대책기준을초과하는경우인산 (0.5 M H 3 PO 4 ) 을사용한다. 토양세척후발생하는배출수는재이용한다

180 3공구는토양입경별 30 mm 이상 ( 습식분산-입도선별, 정화토 ), 2-30 mm ( 습식파쇄-입도선별, 정화토 ), mm ( 자력-마쇄-모래선별 ), mm ( 습식실트선별 ), mm ( 고액분리 ) 의과정으로선별되고, 0.01 mm 미만의미세토양은중금속우려기준치 (AS: 25ppm이하 ) 에의해재사용하거나폐기된다. 3공구에서선별된 mm의토양은주로알칼리환원 (0.1 N NaOH-Na 2 CO 3, 가성소다 ) 으로용출세척되고, 오염농도에따라산성 (HCl) 으로환원세척된다. 토양세척후발생하는배출수는공정수로재이용된다. 3공구는토양세척외에식물정화공법을이용하여중금속을제거한다. 본공정과관련한자료는한국환경공단물환경본부토양지하수처장항정화사업T/F팀으로부터지원받았음을밝힌다. < 공구별토양의토지이용도와입경분리및세척용액 > 1공구 2공구 3공구 토지이용도 대지 논 밭 세척용액 0.1 M H 2 SO M H 2 SO M H 3 PO 4 Alkali reduction (0.1 N NaOH-Na 2 CO 3 ) 분급 / 파쇄 50 mm 이상 ( 정화토 ) 분상화 4.7 mm 이하로파쇄 습식분산 / 입도선별 30 mm 이상 ( 정화토 ) 분상화 / 입도분급 2-50 mm( 정화토 ) 이물질제거 1 단 10 mm 이상 2 단 4.7mm 이상 습식파쇄 / 입도선별 2 mm 이상 ( 정화토 ) 물리적선별 입도분급 / 자력선별 mm 1 차다단입도선별 (A) mm 이상 (B) mm 미만 자력 / 마쇄 / 모래선별 mm 자력선별 / 입도분급 mm (A) 토양 - 표면분쇄 2 차다단입도선별 mm 미만 습식실트선별 mm 고액분리 0.01 mm 이상 정화토 ( 재사용 ) 또는폐기처리 입도분급 / 자력입경선별후 5 μm미만토양 (A) 를표면분쇄 ( 볼밀 ) 후 75 μm미만토양 (B) 를산세척후 20 μm미만토양 고액분리후세척수잔류 10 μm미만토양 공구별최하미세토는비소농도가 25ppm( 우려기준 ) 이하면정화토, 초과면폐기 출처 : 2014 년, ( 사 ) 한국지하수토양환경학회의록 ( 한국환경공단 - 발표자료 ) 한국환경공단물환경본부토양지하수처 / 장항정화사업팀미팅

181 < 장항 1 공구세척공정도 >

182 < 장항 2 공구세척공정도 >

183 < 장항 3 공구세척공정도 >

184 ( 나 ) 대상토양의개량 본연구에서는수집된현장중금속정화토를대상으로개량을실시하였다. 토양개량은각토양의특성을분석하고, 각특성별로적합한수치로정상화시키는것을목적으로하였다. 이러한토양특성의적합한수치는작물재배가가능한수준으로결정하고자하였다. 2010년발표된농촌진흥청의 < 작물별시비처방기준 ( 농진청, 2010)> 에따르면작물별로제시하는토양특성 ( 토성, 총질소, 유효인산등 ) 의적정수준이상이하므로, 본연구에서는콩작물을대상작물로결정하여토양개량을실시하였다. 토성 (texture) 개량기법토성은토양의통기성, 보수력 (water holding capacity), 용적밀도 (bulk density), 그리고입단안정성 (aggregate stability) 과깊은연관성을가지며, 식물생장에중요한요소중에하나이다. < 작물별시비처방기준 ( 농진청, 2010)> 에따르면, 콩작물재배에적합한토성은사질식양토 (sandy clay loam), 양토 (loam), 미사질식양토 (silty clay loam), 사양토 (sandy loam), 미사질양토 (silt loam), 그리고미사토 (silt) 등으로제시되고있다. 본연구에서는이를개량하기위한방법으로모래및미사, 그리고피트모스 (peatmoss) 를첨가하는방법을제안하였다. 피트모스는통기성및보수력이매우우수하고유기물함량이약 92.67% 인것으로알려져있어 ( 김, 2003; 김등, 2011), 토성개량에널리활용되고있다. 점토함량으로인해통기성이낮을것으로판단되는토양은모래와피트모스를첨가함으로써토성개량을수행할수있다. < 콩재배를위한적합한토성기준및 2 공구토성 ( 회색부분 : 적합기준 )>

185 전기전도도저감기법전기전도도 (Electric Conductivity, EC) 는토양내염류농도를간접적으로알수있는척도이다. 염류농도가높으면작물의생육에영향을주거나수확량이감소하는경우가생긴다. 대부분의작물이 4 ds/m에서장애를입기때문에 EC의수치를 2 ds/m 이하가되게해야한다. <EC 및염류농도에따른작물생육 ( 박, 1988)> 또한, 논과밭에해당되는정화토복원지역을 2016년 8월 19일에방문한결과, 일부밭토양구간에서염피해로예상되는하얀표토가확인되었다. 농민대상설문조사에따르면하얀표토구간에서는작물생장이원활하지않은것으로확인되었으며, 비료시비량축소등의자체적인조치를취하는것으로나타났다. 중금속오염정화토의재사용을위해서는 EC의측정과이를저감할수있는방법이중요한요소중에하나일것으로사료되며, 적절한개량기법이필요할것으로보인다. EC를저감시키는최선의방법은담수처리를시행하는것으로, 토양의상태에따라다르지만토양 100 g에담수 150~200 ml 양을관수시키면대부분의염류가제거되는것으로알려져있다. 본연구에서는 EC가높은정화토를대상으로담수처리를실시하였다. 화분또는구멍이있는용기에토양이빠지지않게솜과여과지를사용하여구멍을막은후정화토양 1 kg을위치하고, 증류수 800 ml을주입하여 16시간동안방치한후, 다시 600 ml를분주하여 16시간을증류수가제거되도록하였다. EC 저감적용이완료된토양은수분을제거하고 72 시간이상풍건하였으며, 2 mm 체로거른후추가개량및지표분석에이용하였다

186 <EC 저감을위한개량기법적용 : 유수형태의 EC 저감장치 > <EC 저감을위한개량기법적용 : 토양건조 >

187 비료시용기법본연구에서는칼슘 (Ca), 마그네슘 (Mg), 질소 (N), 그리고인산 (P) 에해당되는각토양특성항목을개량하고, 콩작물에적합한수준을제안하기위하여다양한비료를적용하였다. 비료시비를위해서시중에판매되고있는제품을이용하였으며, 이에대한자세한사항은다음표와같다. 석회고토비료 질소질비료 인산질비료 제조사 한국협화 태흥F&G KG케미칼 성분알칼리분 51%, 고토 14% 질소함량 46% 제조사 < 비료시용을이용한개량시활용가능한상품목록 > 영농사 ( 엑스플랜트 ( 옥션, 농협 인산 20%, 고토 2.5%, 붕소 0.2%, 석회 27%, 규산 15%, 유황 9% KG 팜몰 ( 그림 < 작물별시비처방기준 ( 농진청, 2010)> 에따라콩작물재배에적합한토양특성인자 ( 치환성양이온, 유기물함량, 유효인산, 총질소량 ) 를계산하고비료의성분에따라필요량을계산하여시비하였다. 예를들어, 2 공구정화토에서의치환성양이온칼슘 (K) 과마그네슘 (Mg) 을적합수준으로보정하기위한필요량은각각 4.68 cmol + /kg, 0.65 mol + /kg이다. 이를환산하면 g/kg, g/kg이며, ( 주 ) 한국협화제품의석회고토비료를이용할경우시비량은다음과같은식에따라 g/kg, g/kg으로산출될수있다. 알칼리분비율 고토비율 본연구에서는치환성양이온칼슘 (K) 과마그네슘 (Mg) 에대한개량제로써석회고토비료를 1.2 g/kg으로첨가하도록한다. 이와같이비료를시비할경우칼슘 (K) 의적정기준치를만족하지못하지만, 토양의 ph가 6.5를넘기때문에소량첨가한다. 만일토성개량을위해모래와피트모스를이용할경우, 이에해당되는비율에따라시비량을보정할필요성이있다

188 2 공구정화토의총질소의함량을적정기준으로개량하기위하여, 인공식재기반조성 (2012) 에서제시한 1200~600 mg/kg ( 중급 ) 을참고하여질소시비량을결정하였다. 2공구정화토의총질소는 mg/kg으로확인되었으며, 이는적정치에해당한다. 하지만토성개량시총질소의양은감소하며, 약 23% 감소하였을경우약 393 mg/kg으로필요시비량을결정할수있다. 태흥 F&G 제품의질소질비료를사용할경우, g/kg으로시비량이산출된다. 질소비율 3 공구정화토의경우도 작물별시비처방기준 ( 농진청, 2010) 에따르면치환성양이온칼슘 (K) 과마그네슘 (Mg) 이각각 4.6 cmol + /kg, 1.9 cmol + /kg 정도부족한수준인것으로판단할수있다. 이를계산하면각각의필요시비량은 0.92 g/kg, 0.23 g/kg이다. ( 주 ) 한국협화제품의석회고토비료를이용할경우시비량은다음과같은식에따라 g/kg, g/kg으로산출될수있다. 본연구에서는이와같은수치를고려하여 2.6 g/kg으로최종시비량을결정하였다. 알칼리분비율 고토비율 3 공구의정화토의총질소량은 mg/kg 으로 인공식재기반조성(2012) 에서중급으로제시하는적정치 (1200~600 mg/kg) 에비하여평균 mg/kg 부족하며, 이를적정시비량으로결정하였다. 태흥 F&G 제품의질소질비료를사용할경우, g/kg으로최종시비량이산출된다. 질소비율 또한, 유효인산의적정최소량인 150 mg/kg을기준으로할경우, 3 공구정화토의부족한인산량은 g P 2 O 5 /kg soil 이다. 따라서 KG 케미칼의인산질비료를사용할경우, 다음식에따라 0.65 g/kg으로최종시비량을결정할수있다. 이를비료비율과산정하면다음과같다. 인산비율

189 중금속오염정화토의개량개량기법은개량제투입및 EC 저감기법, 2 가지로분류되며, 개량제투입은토성및비료시비로결정하였다. 1 공구의경우는토양이부족하여개량작업을진행하지못하였으며, 2 공구토양은정화토를대상으로개량제투입과 EC 저감기법을진행하였다. 3 공구오염토에서높은 EC 값 (21.55±2.198 ds/m) 을나타냈으므로, EC 저감을실시한오염개량토를제조하였으며, 정화토는 EC 저감, 개량제투입토양을각각제조하였다. 자세한개량기법은다음과같다. 개량제 투입 토성비료시비 < 각공구별토양개량기법 > 인자 1공구 2공구 3공구개량토개량토오염개량토개량토-1 개량토-2 개량토-3 비고 토양부족정화토 개량 오염토개량 정화토개량 정화토개량 정화토개량 EC 저감 - O O O - O 모래 (g/kg) 1) 피트모스 (%) 2) 석회고토 (g/kg) 3) 질소질비료 (g/kg) 4) 인산질비료 (g/kg) 5) ) 주문진표준사 2) weight/weight 3) 알칼리분 51%, 고토 14%, 한국협화 4) 질소함량 46%, 태흥 F&G 5) 인산 20%, 고토 2.5%, 붕소 0.2%, 석회 27%, 규산 15%, 유황 9%, KG 케미칼 각공구별오염토, 정화토, 개량토는다음표와같이정리된다. 2 공구는오염토 (2C), 정화토 (2R), 개량토 (2A) 로분류할수있으며, 3공구는오염토 (3C), 오염개량토 (3CA), 정화토 (3R), EC 저감개량토 (3A1), 개량제투입개량토 (3A2), EC 저감및개량제투입개량토 (3A3) 로구분하였다. < 각공구별오염토, 정화토, 개량토의상태 > 1 공구 오염토 오염개량토 정화토 개량토-1 개량토-2 개량토 C - 2R 2A 공구 C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 3 공구

190 ( 다 ) 대상토양건강성지표의분석 각공구별오염토, 정화토, 그리고개량토를대상으로토양건강성지표를분석을실시하였다. 개량토양에사용된비료의활성유도를위하여각지표분석에필요한수분을첨가하여 1 주일간안정화하였다. 입단안정성, 유효인산, 유효규산, 용적밀도, 양이온교환능력, 전기전도도, 치환성양이온, 유기물함량, 수소이온농도지수, 토성, 총질소, 총인, 그리고수분보유함량등을포함하는물리 화학적지표는일괄적으로각토양별수분함수량의 70% 에해당되는증류수를주입후 1 주일간안정화하였으며, 생물학적지표는각지표의분석방법에따라수분함량을조절하여안정화를유도하였다. 자세한지표별안정화정보는다음표와같다. <2 공구별오염토, 정화토, 개량토의생물학적지표특성변화결과 > 분류지표수분함량 안정화기간 물리 화학적지표 입단안정성, 유효인산, 유효규산, 용적밀도, 양이온교환능력, 전기전도도, 치환성양이온, 유기물함량, 수소이온농도지수, 토성, 총질소, 총인, 그리고수분보유함량 각토양별수분함수량의 70% 생물학적지표 지렁이 각토양별수분함수량의 60% 효소활성 각토양별수분함수량의 60% 토양선충 각토양별수분함수량의 140% 식물 각토양별수분함수량의 67% 토양조류 각토양별수분함수량의 90% 7 일 중금속 Total, water extractable, Ca(NO 3 ) 2 extractable 각토양별수분함수량의 70% 바이오리포터 Bio-available concentration 각토양별수분함수량의 70%

191 물리, 화학적지표분석결과 가 2공구오염토, 정화토, 개량토분석결과입단안정성 (Aggregate stability, AS) 대조토양으로사용된 LUFA와 2공구오염토 (2C), 정화토 (2R), 그리고개량토 (2A) 의입단안정성은각각 77.1±4.1%, 76.5±1.5%, 79.3±2.3%, 그리고 77.4±1.9% 로평가되었다. 각토양의입단안정성은크게유의한변화를보이지않는것으로판단된다. 유효인산 (Available P 2 O 5, AvP) LUFA, 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토의유효인산은각각 35.0±1.5, 70.5±1.1, ±77.9, 그리고 ±40.5 mg/kg 으로평가되었다. LUFA와오염토에비교하여정화토에서높은수준의유효인산이확인되었으며, 이는 2공구정화기법으로활용된세척용액 (H 3 PO 4 ) 에의한것인것으로판단된다. 유효규산 (Available SiO 2, AvS) LUFA, 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토의유효규산은각각 60.9±2.4, 124.1±2.4, 260.6±5.1, 그리고 159.7±18.8 mg/kg 으로평가되었다. 오염토의정화처리후유효규산이 2배이상증가한것으로나타났으며, 이를개량할경우오염토와유사한수준으로복구되는것을확인하였다. 용적밀도 (Bulk density, BD) LUFA, 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토의용적밀도는각각 1.54±0.02, 1.42±0.03, 1.32±0.01, 그리고 1.10±0.06 mg/kg 으로평가되었다. 오염토의정화처리후정화토에서용적밀도의감소추세가나타나며, 개량토에서의차이는토성개량에의한것으로사료된다. 양이온교환용량 (Cation exchange capacity, CEC) LUFA, 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토의양이온교환용량은각각 7.0, 10.0, 15.0, 그리고 14.7 Cmol + /kg으로평가되었다. 양이온교환용량은토양의비옥도를나타내는하나의지표로써, 이는높을수록토양의양분보유능력이큰것으로판단한다. 2공구오염토는 LUFA 보다약간높은수준인것에반하여, 정화토와개량토는높은수준인것으로확인되었다. 이는 2공구정화기법으로활용된세척용액 (H 3 PO 4 ) 에의한것인것으로사료되며, 유효인산결과와유사한것으로판단된다. 전기전도도 (Electric Conductivity, EC) LUFA, 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토의전기전도도는각각 0.54±0.03, 0.40±0.02, 3.24±0.14, 그리고 1.29±0.07 ds/m로평가되었다. 대조토양인 LUFA와오염토는전기전도도가상당히낮은수준인것에반하여, 정화토는높은유효인산과양이온교환용량과마찬가지로오염토대비약 8배높은수준으로나타났다. 전기전도도는토양염류에대한직 간접적지표가될수있으며, 2 ds/m 이상일경우작물에영향을줄수있는것으로알려져있다. 따라서개량작업을통해전기전도도저감을실시하였으며, 실제로개량토에서는정화토의 50% 이하로감소된것으로나타났다

192 치환성양이온 (Exchangeable Cation, ExC) 치환성양이온은칼슘 (Ca), 칼륨 (K), 마그네슘 (Mg), 그리고나트륨 (Na) 이분석되었다. 칼슘 (Ca) 의경우는 LUFA, 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토에서각각 5.0, 3.2, 1.0, 그리고 0.8 Cmol + /kg로분석되었으며, 칼륨 (K) 은 1.4, 1.8, 1.2, 그리고 0.4 Cmol + /kg로나타났다. 또한, 마그네슘 (Mg) 은 0.3, 0.6, 0.6, 그리고 1.9 Cmol + /kg으로, 나트륨 (Na) 은 0.2, 0.3, 11.9, 그리고 5.0 Cmol + /kg으로확인되었다. 양이온교환용량과전기전도도가매우높았던정화토에서나트륨 (Na) 의비율이압도적으로높은것으로나타났으며, 이는개량토에서현저히감소된것으로나타났다. 이는정화기법에서발생된다량의염류가정화토에서포함되어있었으며, 개량기법을통해서효과적으로이를제거했다는것을의미하는것으로사료된다. 유기물함량 (Organic matter, OM) LUFA, 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토의유기물함량은각각 4.7±0.4, 1.9±0.1, 2.1±0.3, 그리고 5.5±0.1% 로평가되었다. 대조토양인 LUFA에비하여 2공구오염토와정화토는유기물함량이절반수준이었으나, 비료및토성개량을시도한개량토에서는 LUFA와유사한수준을나타내었다. 수소이온농도지수 (Hydrogen Exponent, ph) LUFA, 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토의유기물함량은각각 6.17±0.49, 5.55±0.01, 6.76±0.01, 그리고 6.48±0.07% 로평가되었다. 오염토에비하여정화처리이후의정화토에서 ph 수치가상승하였으나, 모든토양에서작물생장에적합한수준의 ph 범위인것으로나타났다. 토성 (Texture) LUFA, 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토의토성은각각 sandy loam, sandy clay loam, clay, 그리고 sandy clay loam으로나타났다. LUFA의모래 (sand), 실트 (silt), 점토 (clay) 의비율은각각 78.4, 4.2, 17.4% 였으며, 오염토의경우는 48.1, 18.6, 33.3%, 정화토의경우는 42.5, 15.5, 41.9%, 그리고개량토의경운은 51.3, 15.6, 33.1% 으로나타났다. 정화처리이후로점토함량이크게증가하여토성이변화한것으로보이며, 토성개량을통해모래함량이증가한것으로확인할수있다. 총질소 (Total nitrogen, TN) LUFA, 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토의총질소는각각 ±42.9, 324.3±29.7, 616.0±39.6, 그리고 863.3±52.8 mg/kg으로나타났다. 비료를첨가하는개량기법에의하여개량토에서정화토에비하여총질소가상승한것으로판단된다. 총인 (Total phosphorus, TP) LUFA, 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토의총인은각각 265.1±10.1, 576.9±24.7, ±35.5, 그리고 739.6±83.1 mg/kg으로나타났다. 토성을개량하는과정에서첨가된피트모스와모래에의하여개량토에서정화토에비하여총인이감소한것으로판단된다. 수분보유능 (Water holding capacity, WHC) LUFA, 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토의수분보유능은각각 0.43±0.01, 0.50±0.01, 0.61±0.01, 그리고 0.58±0.01 ml/g으로나타났다. 수분보유능은각토양별로큰변화를나타내지않았으며, 오염토, 정화토, 그리고개량토에서대조토양인 LUFA 보다높은수준인것으로나타났다

193 (A) (B) Aggregate stability (%) Available phosphate (mg/kg) LUFA 2C 2R 2A 0 LUFA 2C 2R 2A Soils Soils (C) (D) Available silicate (mg/kg) Bulk density (g/ml) LUFA 2C 2R 2A 0.0 LUFA 2C 2R 2A Soils Soils (E) (F) Cation exchangable capacity (Cmol+/kg) LUFA 2C 2R 2A Soils Electric conductivity (ds/m) LUFA 2C 2R 2A Soils <2 공구별오염토, 정화토, 개량토의물리 화학적지표특성분석결과 : (A) 입단안정성, (B) 유효인산, (C) 유효규산, (D) 용적밀도, (E) 양이온교환능, (F) 전기전도도 >

194 (A) Exchangeable cation (Cmol+/kg) ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) ExC (Na) LUFA 2C 2R 2A Soils (B) Organic matter (%) LUFA 2C 2R 2A Soils (C) 7 (D) 1200 ph Total nitrogen (mg/kg) LUFA 2C 2R 2A Soils 0 LUFA 2C 2R 2A Soils (E) (F) Total phosphorus (mg/kg) Water holding capacity (ml/g) LUFA 2C 2R 2A Soils 0.0 LUFA 2C 2R 2A Soils <2 공구별오염토, 정화토, 개량토의물리 화학적지표특성분석결과 : (A) 치환성양이온, (B) 유기물함량, (C) ph, (D) 총질소, (E) 총인, (F) 수분보유능 >

195 <2 공구별오염토, 정화토, 개량토의물리 화학적지표특성변화결과 > Indicator Abb. Unit 2 공구 LUFA 2C 2R 2A Aggregate stability AS % Available Phosphate AvP mg/kg Available Silcate AvS mg/kg Bulk density BD g/ml Cation exchange capacity CEC Cmol + /kg Electric conductivity EC ds/m Exchangeable cation-ca ExC (Ca) Cmol + /kg Exchangeable cation-k ExC (K) Cmol + /kg Exchangeable cation-mg Exchangeable cation-na ExC (Mg) ExC (Na) Cmol + /kg Cmol + /kg Organic matter OM % ph ph Unitless Sand Sand % Silt Silt % Clay Clay % Texture Tex Unitless sandy loam sandy clay loam clay sandy clay loam Total Nitrogen TN mg/kg Total phosphorus TP mg/kg Water holding capacity WHC ml/g

196 나 3공구오염토, 정화토, 개량토분석결과입단안정성 (Aggregate stability, AS) 대조토양으로사용된 LUFA와 3공구오염토 (3C), 오염개량토 (3CA), 정화토 (3R), 개량토-1(3A1), 개량토-2(3A2), 그리고개량토-3(3A3) 의입단안정성은각각 77.1±4.1, 68.2±3.4, 65.3±6.7, 58.1±3.0, 57.0±1.6, 65.6±2.3, 그리고 65.7±1.6% 인것으로확인되었다. 오염토의정화처리이후입단의안정성이감소하는추세를보였으나, 토성을개량한개량토-2와개량토-3에서는입단안정성이오염토와유사한수준으로복구된것으로확인하였다. 유효인산 (Available P 2 O 5, AvP) LUFA와 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3의유효인산은각각 35.0±1.5, 39.0±0.4, 35.0±1.0, 16.7±1.2, 13.3±0.4, 69.6±4.4, 그리고 63.9±2.6 mg/kg 인것으로확인되었다. 기존의오염토와오염개량토는대조토양인 LUFA와유사한수준이었으나, 정화처리과정인토양세척에의하여유효인산이정화토에서감소한것으로사료된다. 하지만토성과비료를개량한개량토-2와개량토-3에서는오히려오염토보다높은수준의유효인산이확인되어, 적절한수준의개량이이루어졌다고판단된다. 유효규산 (Available SiO 2, AvS) LUFA와 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3의유효규산은각각 60.9±2.4, 428.6±21.7, 407.5±17.9, 122.6±30.8, 85.5±7.7, 330.8±22.8, 그리고 337.2±7.5 mg/kg 인것으로확인되었다. 기존의오염토는대조토양인 LUFA보다더높은수준의유효규산을보유한토양이었으나, 토양세척과정에서상당량의유효규산이유실된것으로판단된다. 하지만개량토-2와개량토-3에서는비료추가와토성개량과정이추가되어기존오염토와유사한유효규산이확인되었다. 용적밀도 (Bulk density, BD) LUFA와 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3의용적밀도는각각 1.54±0.02, 1.50±0.01, 1.50±0.05, 1.59±0.01, 1.60±0.01, 1.27±0.01, 그리고 1.31±0.02 g/ml 인것으로나타났다. 용적밀도는토성및구조에따라달라지는것으로알려져있으며, 수치가높을수록배수가불량해지며뿌리신장에영향을줄수있다. 토성개량과정이수행된개량토-2와개량토-3에서용적밀도의수치가감소한것으로확인되었으며, 개량이적합한수준으로진행되었다고판단된다. 양이온교환용량 (Cation exchange capacity, CEC) LUFA와 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3의양이온교환용량은각각 7.0, 6.8, 6.7, 6.8, 6.8, 10.3, 그리고 10.1 Cmol + /kg 인것으로나타났다. 양이온교환용량은토양의비옥도를나타내는하나의지표로써, 이는높을수록토양의양분보유능력이큰것으로판단한다. LUFA를포함한오염토, 오염개량토, 정화토, 그리고개량토-1에서모두유사한수치를나타냈으나, 토성과비료를개량한개량토-2와개량토-3에서는이보다높은수치를보이는것으로확인되었다

197 전기전도도 (Electric Conductivity, EC) LUFA와 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3의전기전도도는각각 0.54±0.03, 25.25±2.20, 0.83±0.02, 8.40±0.15, 0.23±0.00, 12.65±0.39, 그리고 0.69±0.05 ds/m 인것으로측정되었다. 전기전도도는토양염류에대한직 간접적지표가될수있으며, 2 ds/m 이상일경우작물에영향을줄수있는것으로알려져있다. 3공구오염토는상당히높은수준의전기전도도를나타내었으며, 이에따라전기전도도저감개량을실시하여오염개량토에서는 <1 ds/m 수준으로감소하였다. 3공구정화토도정화공정에사용된세척액 ( 가성소다, NaOH-Na 2 CO 3 ) 에기인한것으로사료되는높은전기전도도를나타내어작물생장에적합하지않았으며, 이에따라전기전도도저감개량을실시한개량토-1과개량토-3에서는확연한수치감소를나타내었다. 하지만비료추가와토성개량만을수행한개량토-2에서는오히려높은수준의전기전도도를나타내었으며, 이는추가된비료에의한것이라판단된다. 치환성양이온 (Exchangeable Cation, ExC) 치환성양이온은칼슘 (Ca), 칼륨 (K), 마그네슘 (Mg), 그리고나트륨 (Na) 이분석되었다. 칼슘 (Ca) 의경우는 LUFA와 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3에서각각 5.0, 8.9, 6.2, 2.3, 1.4, 3.3, 그리고 1.9 Cmol + /kg로분석되었으며, 칼륨 (K) 은 1.4, 1.0, 0.3, 0.4, 0.3, 0.2, 그리고 0.2 Cmol + /kg로나타났다. 또한, 마그네슘 (Mg) 은 0.3, 0.3, 0.5, 0.6, 0.3, 0.2, 2.3, 그리고 1.6 Cmol + /kg으로, 나트륨 (Na) 은 0.2, 29.9, 3.2, 13.6, 6.2, 15.7, 4.9 Cmol + /kg으로확인되었다. 전기전도도가매우높았던오염토와정화토에서나트륨 (Na) 의비율이압도적으로높은것으로나타났으며, 이는전기전도도저감개량을적용한오염개량토, 개량토-1, 그리고개량토-3에서현저히감소된것으로나타났다. 이는개량기법을통해서효과적으로토양염류를제거했다는것을의미하는것으로사료된다. 유기물함량 (Organic matter, OM) LUFA와 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3의유기물함량은각각 4.7±0.4, 2.3±0.2, 1.5±0.2, 1.1±0.3, 0.9±0.1, 4.2±0.2, 그리고 3.7±0.5% 인것으로확인되었다. 기존오염토는 2.3% 의유기물함량수준을보였으나, 개량및정화과정에서유기물함량이감소한것으로나타났다. 전기전도도저감개량만을적용한개량토-1에서는그수준이더감소하였으나, 비료추가및토성개량을적용한개량토-2와개량토-3에서는유기물함량수치가크게증가한것으로나타났다. 수소이온농도지수 (Hydrogen Exponent, ph) LUFA와 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3의 ph는각각 6.17±0.49, 7.09±0.04, 9.61±0.03, 5.73±0.08, 7.08±0.68, 5.53±0.06, 그리고 6.45±0.05 인것으로확인되었다. 전기전도도저감개량을적용을한오염개량토, 개량토-1, 그리고개량토-3은원토양보다 ph가조금씩상승하는추세를나타내는것으로확인되었다. 토성 (Texture) LUFA와 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3의토성은각각 sandy loam, sandy clay loam, sandy clay loam, sandy loam, loamy sand, loamy sand, 그리고 loamy sand 인것으로나타났다. LUFA의모래 (sand), 실트 (silt), 점토 (clay) 의비율은각각 78.4, 4.2, 17.4% 였으며, 오염토의경우는 61.1, 10.1, 28.8%, 오염개량토의경우는 61.9, 4.6, 33.5%, 정화토의경우는 77.7, 8.1, 14.2%, 개량토-1의경우는 86.6, 3.3, 10.1%, 개량토-2의경우는 82.9, 7.1, 10.1%, 그리고개량토-3의경우는 82.3, 6.8, 10.9% 인것으로측정

198 되었다. 오염토를정화처리할경우점토의함량이크게감소하고모래의비율이커지는현상이확인되었으며, 일부토성개량으로는그비율을변화시킬수없는것으로사료된다. 총질소 (Total nitrogen, TN) LUFA와 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3의총질소은각각 ±42.9, 420.0±26.4, 431.7±29.7, 107.3±26.4, 86.3±9.9, 991.7±49.5, 그리고 711.7±194.7 mg/kg으로나타났다. 정화처리과정에서기존오염토대비정화토의총질소가감소하였으며, 비료를첨가하는개량기법에의하여개량토-2와개량토-3에서정화토에비하여수치가상승한것으로판단된다. 총인 (Total phosphorus, TP) LUFA와 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3의총인은각각 265.1±10.1, 418.8±21.1, 401.6±22.4, 350.8±16.7, 345.2±26.5, 396.6±22.1, 그리고 460.3±24.0 mg/kg으로나타났다. 총질소와마찬가지로정화처리이후의총인의감소와개량토-2와개량토-3에서의수치증가현상이발생하였으며, 이는개량이적절한수준으로이루어졌다고판단할수있다. 수분보유능 (Water holding capacity, WHC) LUFA와 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3의수분보유능은각각 0.43±0.01, 0.43±0.02, 0.39±0.01, 0.39±0.01, 0.34±0.01, 0.47±0.01, 그리고 0.50±0.01 ml/g으로측정되었다. 수분보유능은토양의토성의비롯한다양한인자에영향을받으며, 토성을개량한개량토-2와개량토-3에서높은수준의수분보유능이나타나는것으로보인다

199 (A) 90 (B) 80 Aggregate stability (%) Available phosphate (mg/kg) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils 0 LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (C) 450 (D) 1.8 Available silicate (mg/kg) Bulk density (g/ml) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils 0.0 LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (E) Cation exchange capacity (Cmol+/kg) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (F) Electric conductivity (ds/m) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils <3 공구별오염토, 정화토, 개량토의생물학적지표특성변화결과 >

200 (A) Exchangeable cation (Cmol+/kg) (C) ph (E) Total phosphorus (mg/kg) 30 ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) 25 ExC (Na) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (B) Organic matter (%) (D) Total nitrogen (mg/kg) (F) Water holding capacity (ml/g) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils 0 LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils 0.0 LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils <3 공구별오염토, 정화토, 개량토의생물학적지표특성변화결과 >

201 <3 공구별오염토, 정화토, 개량토의물리 화학적지표특성변화결과 > Indicator Abb. Unit 3 공구 LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Aggregate stability AS % Available Phosphate AvP mg/kg Available Silcate AvS mg/kg Bulk density BD g/ml Cation exchange capacity CEC Cmol + /kg Electric conductivity EC ds/m Exchangeable cation-ca ExC (Ca) Cmol + /kg Exchangeable cation-k ExC (K) Cmol + /kg Exchangeable cation-mg ExC (Mg) Cmol + /kg Exchangeable cation-na ExC (Na) Cmol + /kg Organic matter OM % ph ph Unitless Sand Sand % Silt Silt % Clay Clay % Texture Tex Unitless sandy loam sandy clay loam sandy clay loam sandy loam loam y sand loam y sand loam y sand Total Nitrogen TN mg/kg Total phosphorus TP mg/kg Water holding capacity WHC ml/g

202 생물학적지표분석결과 가 2공구오염토, 정화토, 개량토분석결과지렁이 (Earthworm, E) 지렁이지표는다양한종말점을이용하여평가되었다. 종말점은형태학적이상현상 (E(A)), 토양침투율 (E(B)), 체강세포활성 (E(C)), 피부자극 (E(SI), 그리고생존율 (E(S)) 을포함한다. 형태학적이상현상의경우는정상개체수로변환하여평가되었으며, LUFA와 2공구오염토 (2C), 정화토 (2R), 그리고개량토 (2A) 에서대조토양 LUFA와대비하여모든토양에서 100% 의수치를나타내었다. 토양침투율의경우는 100±0, 90±14, 100±0, 그리고 100±0% 를나타내었으며, 체강세포활성은 100±14, 59±6, 87±19, 그리고 101±13% 로측정되었다. 피부자극과생존율의경우는대조토양 LUFA와대비하여모든토양에서 100% 의수치를보였다. 대조토양인 LUFA와대비하여오염토에서토양침투율과체강세포활성에서유의한감소영향을보였으며, 원토양인오염토와대비해서는정화토와개량토에서지렁이의체강세포활성이유의하게증가하는것으로확인되었다. 이는오염토에서정상적인범위의지렁이활성이나타나지않을수있음을의미하며, 정화와개량처리후에는이러한현상이감소할수있음을나타낸다. 토양효소활성평가 (Enzyme activity, EA) 토양효소활성은카탈라아제활성 (Catalase activity, CAT), 우레아제활성 (Urease activity, UA), 그리고베타글루코시다아제활성 (β-gluocosidase activity, βga) 총 3가지를분석하였다. CAT의경우는 LUFA와 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토에서각각 1.07±0.30, 1.26±0.17, 0.53±0.04, 그리고 0.63±0.05 ml KMnO 4 /g 으로측정되었으며, UA의경우는 6.52±0.17, 2.51±0.67, 3.62±0.18, 그리고 47.44±2.09 ug NH 4 /g 으로확인되었다. 또한, βga의경우는 16.26±0.66, 1.70±0.46, 0.88±0.12, 그리고 2.11±0.53 ug p-nitrophnol/g 으로나타났다. UA와 βga가대조토양인 LUFA와대비하여오염토와정화토에서감소하는현상이나타난반면, UA의경우는개량토에서크게증가하는현상이확인되었다. 이는비료추가및안정화단계에서토양효소활성이개량토에서크게증가될수있다는것을의미한다. 토양선충 (Nematode, N) LUFA와 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토에서의토양선충생식율평가가진행되었다. 각토양에서 LUFA와대비하여 100.0±19.6, 66.9±4.0, 36.6±4.7, 그리고 54.3±12.7% 의영향이확인되었다. 대조토양에비하여오염토에서의토양선충생식율이약 30% 감소하는것으로나타났으며, 이를정화처리할경우추가적으로약 30% 의생식활성이감소하는것으로보인다. 하지만전기전도도저감, 비료추가, 그리고토성개량을적용할경우는약 14% 정도토양선충생식율이증가하는것으로나타났다. 이는정화토의개량기법적용을통해토양의생물다양성을증가시킬수있음을의미한다. 식물발아능및생장율 (Plant germination and growth, P) 식물의생장율은보리 (P(B)), 벼 (P(R)), 수수 (P(S)), 그리고밀 (P(W)) 를이용하여진행되었으며, 각토양별생장율은대조토양인 LUFA에대비한백분율로환산하였다. LUFA와 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토에서의보리생장율의경우는각각 100.0±10.0, 80.0±10.0, 40.0±2.0, 그리고 77.0±9.0% 로나타났으며, 벼의경우는 100.0±5.5, 97.3±11.8, 22.7±7.3, 그리고 97.3±7.3% 로확인되었다. 또한, 수수의

203 경우는 100.0±10.0, 63.0±15.0, 43.0±3.0, 그리고 93.0±3.0으로측정되었으며, 밀의경우는 100.0±31.3, 170.8±20.8, 87.5±45.8, 그리고 166.7±50.0% 의생장율을보였다. 모든식물군에서오염토보다정화토에서식물생장율이감소하는것으로나타났으며, 개량토에서는오염토와유사한수준으로회복되는것이확인되었다. 밀의경우는대조토양인 LUFA보다오염토에서높은생장율을나타냈으며, 정화토에서는감소, 그리고개량토에서는오염토와유사한수준으로회복되는것으로확인하였다. 이와같은식물생장율분석결과를통하여개량기법처리가적합한수준으로진행되었다고판단할수있을것이라사료된다. 토양조류생체량 (Soil algae biomass, SAB) 토양조류의생체량분석은 C. infusionum (SAB(Ci)) 와 C. reinhardtii (SAB(Cr)) 의 2 종의토양조류를이용하였다. LUFA와 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토에서의 C. infusionum 의생체량은대조토양인 LUFA에대비한백분율로분석하였으며, 각각 100.0±2.5, 103.1±11.1, 239.2±20.3, 그리고 302.7±6.9% 로측정되었다. C. reinhardtii 의경우는 100.0±21.6, 20.6±9.0, 17.0±6.6, 그리고 170.4±18.7% 로확인되었다. C. infusionum은정화토와개량토에서오염토대비큰생체량증가폭을나타냈으며, 이는정화처리후크게증가된유효인산과총인의영향일것이라판단된다. C. reinhardtii 의경우는대조토양인 LUFA와비교하여오염토와정화토에서매우낮은생체량을보였으나, 개량처리이후인개량토에서는 LUFA 보다높은수치를보이는것으로확인되었다. 토양조류광합성능평가 (Photosynthetic activity, PA) 토양조류의광활성활성지표는광화학계 II의인자인 Reaction center per absorption flux (RC/ABS), Reaction center per trapped energy flux (RC/TRo), Electron transport flux per reaction center (ETo/RC), Reaction center per dissipated energy flux (RC/Dio), Maximum quantum yield of primary photochemistry (Fv/Fm), Quantum yield of electron transport (ETo/ABS), Quantum yield of energy dissipation (Fo/Fm), Total complementary between fluorescence induction and F=Fm (Area) 를평가하였으며, 이중가장민감성을보이는 "Area" 지표를대표지표로설정하였다. C. infusionum (SAB(Ci)) 와 C. reinhardtii (SAB(Cr)) 의 2 종의 "Area" 지표가분석되고, 대조토양인 LUFA와대비하여백분율로표현하였다. LUFA와 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토에서의 C. infusionum 의광합성능은각각 100.0±0.6, 106.6±2.5, 103.0±3.3, 그리고 106.3±1.9% 로결정되었으며, C. reinhardtii 의경우는 100.0±1.8, 91.4±3.6, 96.6±1.0, 그리고 92.7±3.3% 로분석되었다. 모든토양에서대조토양 LUFA와대비하여 90% 이상의광합성능을보였으며, 유의한차이가발생되었다고보기어려운것으로사료된다

204 (A) (B) Earthworm effects (% LUFA) E (A) E (B) E (C) E (SI) E (S) # # * * Enzyme activities EA (CAT) ml KMnO 4 /g dry soil EA (UA) ug NH 4 /g dry soil EA (βga) ug p-nitrophnol/g dry soil 0 LUFA 2C 2R 2A 0 LUFA 2C 2R 2A Soils Soils (C) (D) Nematode reproduction (% LUFA) * # * LUFA 2C 2R 2A * Plant growth (% LUFA) P (B) P (R) P (S) P (W) LUFA 2C 2R 2A Soils Soils (E) (F) Soil algal biomass (% LUFA) SAB (Ci) SAB (Cr) * # * # * LUFA 2C 2R 2A Soils * # * Soil algal photosynthetic capacity (% LUFA) SAP (Ci) SAP (Cr) LUFA 2C 2R 2A Soils <2 공구별오염토, 정화토, 개량토의생물학적지표특성변화결과 : (A) 지렁이지표, (B) 토양효소활성지표, (C) 토양선충지표, (D) 식물지표, (E) 토양조류생체량지표, (F) 토양조류광홥성활성지표 >

205 <2 공구별오염토, 정화토, 개량토의생물학적지표특성변화결과 > 2공구 Indicator Abb. Unit LUFA 2C 2R 2A Earthworm abnormality E (A) % LUFA (as normality) Earthworm burrowing E (B) % LUFA Earthworm coelomocyte viability E (C) % LUFA Earthworm skin irritation E (SI) % LUFA (as non-skin irritation) Earthworm survival E (S) % LUFA Enzyme activity CAT Enzyme activity UA Enzymeactivity βga EA (CAT) EA (UA) EA (βga) ml KMnO 4 /g dry soil μg NH 4 /g dry soil μg p-nitrophnol/ g dry soil Nematode Ne % LUFA Plant barely P (B) % LUFA Plant rice P(R) % LUFA Plant sorghum P (S) % LUFA Plant wheat P (W) % LUFA Soil algal biomass (C. infusionum) SAB (Ci) % LUFA Soil algal biomass (C. reinhardtii) SAY (Cr) % LUFA Soil algal photosynthetic SAP (Ci) % LUFA capacity (C. infusionum) Soil algal photosynthetic capacity (C. SAP (Cr) % LUFA reinhardtii)

206 나 3공구오염토, 정화토, 개량토분석결과지렁이 (Earthworm, E) 모든종말점은 LUFA와 3공구오염토 (3C), 오염개량토 (3CA), 정화토 (3R), 개량토-1(3A1), 개량토-2(3A2), 그리고개량토-3(3A3) 을이용하여분석하였으며, 대조토양인 LUFA와대비하여백분율로표현하였다. 형태학적이상현상의경우는각토양별로 100.0±0.0, 0.0±0.0, 90.0±14.1, 0.0±0.0, 100.0±0.0, 0.0±0.0, 그리고 90.0±14.1% 로측정되었으며, 토양침투율의경우는 100.0±0.0, 0.0±0.0, 100.0±0.0, 0.0±0.0, 100.0±0.0, 0.0±0.0, 그리고 90.0±0.0% 로나타났다. 또한, 체강세포활성은 100.0±13.9, NC(Not Calculated), 57.0±11.2, NC, 69.0±10.8, NC, 그리고 56.0±10.0% 로확인되었으며, 3공구오염토, 정화토, 그리고개량토 -2에서는생존개체가없어측정되지못하였다. 피부자극과생존율은각토양에서 100.0±0.0, 0.0±0.0, 90.0±14.1, 0.0±0.0, 100.0±0.0, 0.0±0.0, 그리고 90.0±14.1% 로확인되었다. 오염토, 정화토, 그리고개량토-1에서모든개체가치사하는현상이확인되었으며, 해당토양들은공통적으로높은수치의전기전도도를보이고있었다. 따라서, 높은전기전도도에따라지렁이생존에영향을주었을것이라판단된다. 토양효소활성평가 (Enzyme activity, EA) 토양효소활성은카탈라아제활성 (Catalase activity, CAT), 우레아제활성 (Urease activity, UA), 그리고베타글루코시다아제활성 (β-gluocosidase activity, βga) 총 3가지를분석하였다. CAT의경우는 LUFA와 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3에서각각 1.07±0.30, 1.34±0.02, 1.42±0.08, 0.54±0.02, 0.54±0.02, 0.18±0.04, 그리고 0.46±0.06 ml KMnO 4 /g 으로측정되었으며, UA의경우는 6.52±0.17, 1.63±0.21, 1.86±0.36, 0.90±0.11, 1.17±0.19, 4.48±0.83, 그리고 ±7.27 ug NH 4 /g 으로확인되었다. 또한, βga의경우는 16.26±0.66, 0.70±0.06, 0.72±0.15, 0.00±0.00, 0.00±0.00, 0.97±0.57, 그리고 0.46±0.11 ug p-nitrophnol/g 으로나타났다. 3가지토양효소활성모두정화처리이후감소추세를보이는것으로나타났다. UA의경우는비료추가및토성개량을적용한개량토-2와개량토-3에서높은수준으로회복되는것으로확인되었으나, CAT와 βga는소폭상승추세를보인것으로사료된다. 토양선충 (Nematode, N) LUFA와 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3에서의토양선충생식율평가가진행되었다. 각토양에서 LUFA와대비하여 100.0±19.6, 40.5±23.6, 31.6±8.9, 67.4±11.4, 21.9±11.5, 76.2±9.4, 그리고 43.8±11.0% 의영향이확인되었다. 대조토양에비하여오염토에서의토양선충생식율이약 60% 감소하는것으로나타났으며, 이를정화처리할경우오히려약 30% 의생식활성이증가하는것으로보인다. 하지만전기전도도저감기법을적용한개량토-1과개량토-3에서는다시감소추세를보였으며, 전기전도도저감기법을적용하지않은개량토-2에서오히려높은생식율을나타내었다. 이는토양선충이선호하는토양전기전도도가높으며, 전기전도도저감기법이유발할수있는토성변화와밀접한연관성을가질것을사료된다. 식물발아능및생장율 (Plant germination and growth, P) 식물의생장율은보리 (P(B)), 벼 (P(R)), 수수 (P(S)), 그리고밀 (P(W)) 를이용하여진행되었으며, 각토양별생장율은대조토양인 LUFA에대비한백분율로환산하였다. LUFA와 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3에서의보리생장율의경우는각각 100.0±10.0, 0.0±0.0, 70.0±6.0, 0.0±0.0,

207 51.0±5.0, 0.0±0.0, 그리고 80.0±19.0% 로나타났으며, 벼의경우는 100.0±5.5, 0.0±0.0, 62.7±17.3, 0.0±0.0, 23.6±9.1, 0.0±.00, 그리고 19.1±4.5% 로확인되었다. 또한, 수수의경우는 100.0±10.0, 0.0±.0.0, 81.0±5.0, 0.0±.0.0, 47.0±7.0, 0.0±.0.0, 그리고 55.0±4.0% 으로측정되었으며, 밀의경우는 100.0±31.3, 0.0±0.0, 264.6±29.2, 0.0±.0.0, 158.3±31.3, 0.0±.0.0, 106.3±37.5% 의생장율을보였다. 모든식물군에서 3공구오염토, 정화토, 그리고개량토-1에서모두고사하는현상이발생되었으며, 이는지렁이지표와유사성을보이는것으로사료된다. 해당토양들은공통적으로높은수치의전기전도도를보이고있었으며, 이에따라적합한작물생장조건이맞춰지지않은것으로보인다. 하지만전기전도도저감개량을적용한개량토-1과개량토-3에서는일정수준작물의생장율이회복되었으며, 개량기법이적합한수준으로적용되었다고판단된다. 토양조류생체량 (Soil algae biomass, SAB) 토양조류의생체량분석은 C. infusionum (SAB(Ci)) 와 C. reinhardtii (SAB(Cr)) 의 2 종의토양조류를이용하였다. LUFA와 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3에서 C. infusionum 의생체량은대조토양인 LUFA에대비한백분율로분석하였으며, 각각 100.0±2.5, 4.8±5.7, 77.5±2.0, 12.2±3.3, 33.1±1.3, 70.2±41.9, 그리고 207.5±25.1% 로측정되었다. C. reinhardtii 의경우는 100.0±21.6, 0.0±0.0, 15.8±1.8, 0.0±0.0, 2.1±0.6, 0.0±0.0, 184.2±92.2% 로확인되었다. C. infusionum은오염토에서거의생장하지못하였으나, 전기전도도저감기법적용한오염개량토에서는 70% 이상의생체량이분석되었다. 정화토에서도마찬가지로생체량이적었으나, 전기전도도저감기법을적용한개량토-1에서는약 20%, 비료추가및토성개량을적용한개량토-2에서는약 60% 생체량이증가된것으로확인하였다. 또한, 전기전도도저감, 비료추가, 토성개량등모든개량기법을적용한개량토-3에서는대조토양인 LUFA보다더높은생체량이확인되었다. C. reinhardtii 의경우는 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 그리고개량토-2에서모두 20% 이하의생체량을보였으나, 개량토-3에서는대조토양인 LUFA 보다높은수치를나타냈다. 각토양조류종에따라활성조건이다른것으로보이며, 개량토-3에서두종의활성을유지할수있는개량기법이적용된것으로사료된다. 토양조류광합성능평가 (Photosynthetic activity, PA) 토양조류의광활성활성지표는광화학계 II의인자인 Reaction center per absorption flux (RC/ABS), Reaction center per trapped energy flux (RC/TRo), Electron transport flux per reaction center (ETo/RC), Reaction center per dissipated energy flux (RC/Dio), Maximum quantum yield of primary photochemistry (Fv/Fm), Quantum yield of electron transport (ETo/ABS), Quantum yield of energy dissipation (Fo/Fm), Total complementary between fluorescence induction and F=Fm (Area) 를평가하였으며, 이중가장민감성을보이는 "Area" 지표를대표지표로설정하였다. C. infusionum (SAB(Ci)) 와 C. reinhardtii (SAB(Cr)) 의 2 종의 "Area" 지표가분석되고, 대조토양인 LUFA와대비하여백분율로표현하였다. LUFA와 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3에서의 C. infusionum 의광합성능은각각 100.0±0.6, 137.3±9.5, 116.9±1.2, 114.0±4.7, 120.9±2.8, 115.5±4.4, 그리고 109.8±0.8% 로결정되었으며, C. reinhardtii 의경우는 100.0±1.8, 119.4±17.2, 96.5±1.1, 155.1±17.1, 124.2±5.1, 160.2±6.6, 그리고 91.3±8.9% 로분석되었다. 모든토양에서대조토양 LUFA와대비하여 100% 이상의광합성능을보였으며, 유의한차이가발생되었다고보기어려운것으로사료된다

208 (A) (B) Earthworm effects (% LUFA) E (A) E (B) E (C) E (SI) E (S) Enzyme activities EA (CAT) ml KMnO 4 /g dry soil EA (UA) ug NH 4 /g dry soil EA (βga) ug p-nitrophnol/g dry soil (C) Nematode reproduction (% LUFA) (E) Soil algal biomass (% LUFA) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils SAB (Ci) SAB (Cr) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (D) Plant growth (% LUFA) (F) Soil algal photosynthetic capacity (% LUFA) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils P (B) P (R) P (S) P (W) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils SAP (Ci) SAP (Cr) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils <3 공구별오염토, 정화토, 개량토의생물학적지표특성변화결과 : (A) 지렁이지표, (B) 토양효소활성지표, (C) 토양선충지표, (D) 식물지표, (E) 토양조류생체량지표, (F) 토양조류광홥성활성지표 >

209 <3 공구별오염토, 정화토, 개량토의생물학적지표특성변화결과 > Indicator Abb. Unit 3 공구 LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Earthworm abnormality (as normality) E (A) % LUFA Earthworm burrowing E (B) % LUFA Earthworm coelomocyte viability Earthworm skin irritation (as non-skin irritation) E(C) % LUFA N.C N.C N.C E (SI) % LUFA Earthworm survival E (S) % LUFA Enzyme activity CAT EA (CAT) ml KMnO 4 /g dry soil Enzyme activity UA EA (UA) μg NH 4 /g dry soil Enzyme activity βga EA (βga) μg p-nitrophnol/ g dry soil Nematode Ne % LUFA Plant barely P (B) % LUFA Plant rice P (R) % LUFA Plant sorghum P (S) % LUFA Plant wheat P (W) % LUFA Soil algal biomass (C. infusionum) Soil algal biomass (C. reinhardtii) Soil algal photosynthetic capacity (C. infusionum) Soil algal photosynthetic capacity (C. reinhardtii) SAB (Ci) % LUFA SAY (Cr) % LUFA SAP (Ci) % LUFA SAP (Cr) % LUFA

210 중금속분석결과 가토양내총중금속분석 (Metal analysis, total) 대조토양인 LUFA, 2공구오염토 (2C), 정화토 (2R), 그리고개량토 (2A) 의총비소 (As) 농도는 6.1±0.3, 35.3±1.6, 24.6±0.6, 그리고 19.1±0.4 mg/kg으로분석되었다. 총카드뮴의경우는검출되지않았으며, 총구리 (Cu) 의경우는 2.9±0.2, 59.8±3.8, 60.2±1.2, 그리고 44.4±0.3 mg/kg, 총니켈 (Ni) 의경우는 4.0±0.3, 41.5±2.5, 65.3±1.3, 50.6±5.4 mg/kg, 총납 (Pb) 의경우는 19.9±0.3, 17.8±0.3, 36.3±0.5, 그리고 27.6±2.7 mg/kg, 총아연 (Zn) 의경우는 17.8±0.4, 85.7±2.3, 86.1±2.3, 86.1±0.6, 그리고 67.1±3.0 mg/kg으로측정되었다. 오염토에서비소가토양오염우려기준 (1지역, 25 mg/kg) 을초과한것으로나타났으며, 정화처리를통해기준이하로측정된것이확인되었다. 나머지항목들은모두토양오염우려기준이하로확인되었다. 대조토양인 LUFA, 3공구오염토 (3C), 오염개량토 (3CA), 정화토 (3R), 그리고개량토-1(3A1), 개량토-2(3A2), 개량토-3(3A3) 의총비소 (As) 농도는 6.1±0.3, 35.4±3.3, 49.4±1.2, 8.0±0.1, 5.5±0.2, 6.7±0.9, 그리고 15.3±0.1 mg/kg으로분석되었다. 총카드뮴의경우는검출되지않았으며, 총구리 (Cu) 의경우는 2.9±0.2, 28.6±0.8, 31.8±0.1, 16.1±0.2, 14.1±2.4, 12.2±3.2, 그리고 12.9±0.9 mg/kg, 총니켈 (Ni) 의경우는 4.0±0.3, 24.6±2.6, 22.6±0.0, 18.7±7.2, 19.1±4.6, 17.3±2.3, 그리고 12.4±1.6 mg/kg, 총납 (Pb) 의경우는 19.9±0.3, 53.2±1.1, 52.6±1.2, 25.7±3.7, 21.9±1.8, 20.3±1.1, 그리고 24.9±0.2 mg/kg, 총아연 (Zn) 의경우는 17.8±0.4, 90.7±4.0, 94.6±6.2, 58.0±0.8, 65.2±4.2, 52.2±5.1, 그리고 56.4±10.5 mg/kg으로측정되었다. 오염토와오염개량토에서모두토양오염우려기준 (1지역, 25 mg/kg) 을초과하는비소가검출되었으며, 나머지항목들과각토양에서모두토양오염우려기준이하로확인되었다. Metal Arsenic (Total) < 각공구별오염토, 정화토, 개량토의총중금속농도 > Cadmium (Total) Cooper (Total) Nickel (Total) Lead (Total) Zinc (Total) Abb. As (T) Cd (T) Cu (T) Ni (T) Pb (T) Zn (T) Unit mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg LUFA 6.1±0.3 N.D. 2.9± ± ± ±0.4 2C 35.3±1.6 N.D. 59.8± ± ± ±2.3 2R 24.6±0.6 N.D. 60.2± ± ± ±0.6 2A 19.1±0.4 N.D. 44.4± ± ± ±3.0 3C 35.4±3.3 N.D. 28.6± ± ± ±4.0 3CA 49.4±1.2 N.D. 31.8± ± ± ±6.2 3R 8.0±0.13 N.D. 16.1± ± ± ±0.8 3A1 5.5±0.17 N.D. 14.1± ± ± ±4.2 3A2 6.7±0.9 N.D. 12.2± ± ± ±5.1 3A3 15.3±0.1 N.D. 12.9± ± ± ±

211 (A) 총비소 ( 토양오염우려기준 1 지역 : 25 mg/kg) Arsenic concentration (mg/kg) 35 As (T) LUFA 2C 2R 2A Soils (C) 총구리 ( 토양오염우려기준 1 지역 : 150 mg/kg) Copper concentration (mg/kg) Cu (T) LUFA 2C 2R 2A Soils (E) 총납 ( 토양오염우려기준 1 지역 : 200 mg/kg) Lead concentration (mg/kg) Pb (T) LUFA 2C 2R 2A Soils (B) 총카드뮴 ( 토양오염우려기준 1지역 : 4 mg/kg) Not detected (D) 총니켈 ( 토양오염우려기준 1지역 : 100 mg/kg) Nickel concentration (mg/kg) Ni (T) LUFA 2C 2R 2A Soils (F) 총아연 ( 토양오염우려기준 1 지역 : 300 mg/kg) Zinc concentration (mg/kg) 100 Zn (T) LUFA 2C 2R 2A Soils <2 공구각토양별총중금속농도 >

212 (A) 총비소 ( 토양오염우려기준 1 지역 : 25 mg/kg) Arsenic concentration (mg/kg) As (T) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (C) 총구리 ( 토양오염우려기준 1 지역 : 150 mg/kg) Copper concentration (mg/kg) Cu (T) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (E) 총납 ( 토양오염우려기준 1 지역 : 200 mg/kg) Lead concentration (mg/kg) Pb (T) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (B) 총카드뮴 ( 토양오염우려기준 1지역 : 4 mg/kg) Not detected (D) 총니켈 ( 토양오염우려기준 1지역 : 100 mg/kg) Nickel concentration (mg/kg) 25 Ni (T) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (F) 총아연 ( 토양오염우려기준 1 지역 : 300 mg/kg) Zinc concentration (mg/kg) 100 Zn (T) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils <3 공구각토양별총중금속농도 >

213 나토양내증류수추출가능한중금속분석 (Metal analysis, DW extractable) 대조토양인 LUFA, 2공구오염토 (2C), 정화토 (2R), 그리고개량토 (2A) 의증류수추출가능한비소 (As) 농도는 0.060±0.004, 0.015±0.004, 0.292±0.017, 그리고 0.227±0.035 mg/kg으로분석되었다. 카드뮴의경우는 2공구정화토 (0.004±0.000) 를제외하고검출되지않았으며, 구리 (Cu) 의경우는 0.059±0.020, 0.015±0.005, 0.190±0.028, 그리고 0.114±0.028 mg/kg, 니켈 (Ni) 의경우는 0.070±0.018, 0.041±0.032, 0.106±0.020, 그리고 0.076±0.025 mg/kg, 납 (Pb) 의경우는 N.D., N.D., 0.008±0.002, 그리고 0.030±0.017, mg/kg, 아연 (Zn) 의경우는 0.168±0.162, 0.094±0.012, 0.046±0.015, 그리고 0.104±0.060 mg/kg으로측정되었다. 비소, 카드뮴, 구리, 니켈, 그리고납에서오염토와비교하여더높은수준의증류수추출가능한중금속농도가검출되었으며, 개량토에서는토성개량에의해약간감소하는추세인것으로확인되었다. 대조토양인 LUFA, 3공구오염토 (3C), 오염개량토 (3CA), 정화토 (3R), 그리고개량토-1(3A1), 개량토-2(3A2), 개량토-3(3A3) 의증류수추출가능한비소 (As) 농도는 0.060±0.004, 0.130±0.022, 0.635±0.055, 0.017±0.001, 0.024±0.001, 0.035±0.003, 그리고 0.062±0.008 mg/kg으로분석되었다. 카드뮴의경우는검출되지않았으며, 총구리 (Cu) 의경우는 0.059±0.020, 0.067±0.015, 0.197±0.056, 0.010±0.003, 0.012±0.006, 0.018±0.001, 그리고 0.035±0.014, mg/kg, 니켈 (Ni) 의경우는 0.070±0.018, 0.036±0.025, 0.033±0.016, 0.011±0.002, 0.011±0.003, 0.007±0.003, 그리고 0.038±0.008 mg/kg, 납 (Pb) 의경우는 N.D., N.D., 0.029±0.023, 0.003±0.001, 0.004±0.002, 0.004±0.000, 그리고 0.024±0.019, mg/kg 아연 (Zn) 의경우는 0.168±0.162, 0.011±0.008, 0.064±0.056, 0.081±0.049, 0.051±0.029, 0.061±0.019, 그리고 0.060±0.015 mg/kg으로측정되었다. 전반적으로오염토엥서정화토보다더높은수준의증류수추출가능한중금속농도가검출이되었으며, 이는 2공구토양과반대의경향성을나타낸것으로보인다. 이는공구별정화기법이상이하기때문인것으로사료된다. 오염개량토에서는전반적으로더많은양의증류수추출가능한중금속농도가검출되었으며, 이는오염개량토에사용된전기전도도저감기법이포화된증류수에장기간노출시키기때문이라사료되며, 이과정에서많은양의중금속이토양입자에서탈착된것으로사료된다. < 각공구별오염토, 정화토, 개량토의증류수추출가능한중금속농도 > Metal Arsenic (Total) Cadmium (Total) Cooper (Total) Nickel (Total) Lead (Total) Zinc (Total) Abb. As (T) Cd (T) Cu (T) Ni (T) Pb (T) Zn (T) Unit mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg LUFA 0.060±0.004 N.D ± ±0.018 N.D ± C 0.015±0.004 N.D ± ±0.032 N.D ± R 0.292± ± ± ± ± ± A 0.227±0.035 N.D ± ± ± ± C 0.130±0.022 N.D ± ±0.025 N.D ± CA 0.635±0.055 N.D ± ± ± ± R 0.017±0.001 N.D ± ± ± ± A ±0.001 N.D ± ± ± ± A ±0.003 N.D ± ± ± ± A ±0.008 N.D ± ± ± ±

214 (A) 증류수추출가능한비소 Arsenic concentration (mg/kg) As (We) LUFA 2C 2R 2A Soils (C) 증류수추출가능한구리 Copper concentration (mg/kg) Cu (We) LUFA 2C 2R 2A Soils (E) 증류수추출가능한납 Lead concentration (mg/kg) 0.05 Pb (We) ND ND 0.00 LUFA 2C 2R 2A Soils (B) 증류수추출가능한카드뮴 Cadmium concentration (mg/kg) Cd (We) ND ND ND LUFA 2C 2R 2A Soils (D) 증류수추출가능한니켈 Nickel concentration (mg/kg) 0.14 Ni (We) LUFA 2C 2R 2A Soils (F) 증류수추출가능한아연 Zinc concentration (mg/kg) Zn (We) LUFA 2C 2R 2A Soils <2 공구각토양별증류수추출가능한중금속농도 >

215 (A) 증류수추출가능한비소 Arsenic concentration (mg/kg) 0.7 As (We) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (C) 증류수추출가능한구리 Copper concentration (mg/kg) 0.25 Cu (We) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (E) 증류수추출가능한납 Lead concentration (mg/kg) 0.05 Pb (We) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (B) 증류수추출가능한카드뮴 Not detected (D) 증류수추출가능한니켈 Nickel concentration (mg/kg) 0.08 Ni (We) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (F) 증류수추출가능한아연 0.35 Zinc concentration (mg/kg) Zn (We) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils <3 공구각토양별증류수추출가능한중금속농도 >

216 다토양내 Ca(NO 3 ) 2 추출가능한중금속분석 (Metal analysis, Ca(NO 3 ) 2 extractable) 대조토양인 LUFA, 2공구오염토 (2C), 정화토 (2R), 그리고개량토 (2A) 의 Ca(NO 3 ) 2 추출가능한비소 (As) 농도는 0.103±0.006, 0.051±0.002, 0.170±0.007, 그리고 0.151±0.016 mg/kg으로분석되었다. 카드뮴의경우는검출되지않았으며, 구리 (Cu) 의경우는 0.058±0.023, 0.107±0.022, 0.164±0.076, 그리고 0.052±0.002 mg/kg, 니켈 (Ni) 의경우는 1.694±0.009, 1.795±0.027, 1.984±0.027, 그리고 2.114±0.080 mg/kg, 납 (Pb) 의경우는 0.083±0.007, 0.094±0.002, 0.094±0.016, 그리고 0.090±0.003 mg/kg, 아연 (Zn) 의경우는 0.544±0.169, 1.272±0.048, 0.575±0.083, 그리고 0.861±0.030 mg/kg으로측정되었다. 비소에서오염토대비정화토에서더높은수준의 Ca(NO 3 ) 2 추출가능한농도가검출되었으나, 다른항목 ( 구리, 니켈, 납, 그리고아연 ) 에서는다른추세를확인하기힘든것으로사료된다. 대조토양인 LUFA, 3공구오염토 (3C), 오염개량토 (3CA), 정화토 (3R), 그리고개량토-1(3A1), 개량토-2(3A2), 개량토-3(3A3) 의 Ca(NO 3 ) 2 추출가능한비소 (As) 농도는 0.103±0.006, 0.055±0.002, 0.051±0.012, 0.056±0.006, N.D., 0.077±0.017, 그리고 0.052±0.015 mg/kg으로분석되었다. 카드뮴의경우는검출되지않았으며, 구리 (Cu) 의경우는 0.058±0.023, 0.104±0.040, 0.064±0.004, 0.064±0.001, N.D.,.048±0.001, 그리고 N.D. mg/kg, 니켈 (Ni) 의경우는 1.694±0.009, 1.684±0.030, 1.675±0.053, 1.715±0.045, 1.721±0.024, 1.839±0.018, 그리고 1.749±0.033 mg/kg, 납 (Pb) 의경우는 0.083±0.007, 0.092±0.018, 0.081±0.004, 0.182±0.023, 0.076±0.003, 0.294±0.020, 그리고 0.086±0.006 mg/kg, 아연 (Zn) 의경우는 0.544±0.169, 0.762±0.318, 0.995±0.083, 1.163±0.356, 0.348±0.031, 3.228±0.448, 그리고 0.802±0.172 mg/kg으로측정되었다. 2공구토양과유사하게 Ca(NO 3 ) 2 추출가능한중금속농도는일반적인추세를확인하기어려운것으로보이며, 증류수추출가능한중금속농도에서보인오염개량토에서의증가추세도나타나지않는것으로판단된다. < 각공구별오염토, 정화토, 개량토의 Ca(NO 3 ) 2 추출가능한중금속농도 > Metal Arsenic (Ce) Cadmium (Ce) Cooper (Ce) Nickel (Ce) Lead (Ce) Zinc (Ce) Abb. As (Ce) Cd (Ce) Cu (T) Ni (Ce) Pb (Ce) Zn (Ce) Unit mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg LUFA 0.103±0.006 N.D ± ± ± ± C 0.051±0.002 N.D ± ± ± ± R 0.170±0.007 N.D ± ± ± ± A 0.151±0.016 N.D ± ± ± ± C 0.055±0.002 N.D ± ± ± ± CA 0.051±0.012 N.D ± ± ± ± R 0.056±0.006 N.D ± ± ± ± A1 N.D. N.D. N.D ± ± ± A ±0.017 N.D ± ± ± ± A ±0.015 N.D. N.D ± ± ±

217 (A) Ca(NO 3 ) 2 추출가능한비소 0.20 Arsenic concentration (mg/kg) As (Ce) LUFA 2C 2R 2A Soils (C) Ca(NO 3 ) 2 추출가능한구리 Copper concentration (mg/kg) 0.25 Cu (Ce) LUFA 2C 2R 2A Soils (E) Ca(NO 3 ) 2 추출가능한납 0.12 Lead concentration (mg/kg) Pb (Ce) LUFA 2C 2R 2A Soils (B) Ca(NO 3 ) 2 추출가능한카드뮴 Not detected (D) Ca(NO 3 ) 2 추출가능한니켈 Nickel concentration (mg/kg) 2.5 Ni (Ce) LUFA 2C 2R 2A Soils (F) Ca(NO 3 ) 2 추출가능한아연 1.4 Zinc concentration (mg/kg) Zn (Ce) LUFA 2C 2R 2A Soils <2 공구각토양별 Ca(NO 3 ) 2 추출가능한중금속농도 >

218 (A) Ca(NO 3 ) 2 추출가능한비소 Arsenic concentration (mg/kg) 0.12 As (Ce) ND 0.00 LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (C) Ca(NO 3 ) 2 추출가능한구리 Copper concentration (mg/kg) 0.16 Cu (Ce) ND ND 0.00 LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (E) Ca(NO 3 ) 2 추출가능한납 0.35 Lead concentration (mg/kg) Pb (Ce) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (B) Ca(NO 3 ) 2 추출가능한카드뮴 Not detected (D) Ca(NO 3 ) 2 추출가능한니켈 2.2 Ni (Ce) LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils Nickel concentration (mg/kg) (F) Ca(NO 3 ) 2 추출가능한아연 Zinc concentration (mg/kg) Zn (Ce) 0.0 LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils <3 공구각토양별 Ca(NO 3 ) 2 추출가능한중금속농도 >

219 ( 라 ) 대상토양을이용한 pot test 수행계획 대상토양본연구에서는토양건강성평가기법을개발하여건강성지수 (SHI) 를산출하였으며, 이에대한적합성을확인하기위하여대상토양을이용한 pot test를진행하였다. 대상토양은토양건강성지표가분석완료된 2공구, 3공구토양을선정하였으며, 각공구별토양기초정보는다음과같다. <Pot test 연구에이용되는대상토양기초정보 > 명명 공구 토양 토지이력 정화기법 개량기법 LUFA C 2 오염토 논 - - 2R 2 정화토 - 토양세척 1) - 2A 2 개량토 - - EC저감토성개량제 2) 비료시비 3) 3C 3 오염토 밭 - - 3CA 3 오염개량토 밭 - EC저감 3R 3 정화토 - 토양세척 4) - 3A1 3 개량토 EC저감 3A2 3 개량토 토성개량제 2) 비료시비 5) 3A3 3 개량토 EC 저감토성개량제 2) 비료시비 5) 1) 0.5 M H 2SO 4, 0.5M H 3PO 4 2) 주문진표준사 3) 석회고토비료 : 알칼리분 51%, 고토 14% ( 한국협화 ), 질소질비료 : 질소함량 46% ( 태흥 F&G) 4) alkali reduction (1 M NaOH) or oxidation-reduction 5) 석회고토비료 : 알칼리분 51%, 고토 14% ( 한국협화 ), 질소질비료 : 질소함량 46% ( 태흥 F&G), 인산질비료 : 인산 20%, 고토 2.5%, 붕소 0.2%, 석회 27%, 규산 15%, 유황 9% (KG 케미칼 ) LUFA 토양은각공구별토양에대한대조군으로활용되었다. 2 공구오염토는논지역에서수거된것이며, 0.5 M H 2 SO 4, 0.5M H 3 PO 4 을이용한토양세척기법을통해정화되었다. 정화토는본연구기관에서 EC저감, 토성개량제및비료시비를통하여작물생장에적합한수준으로치환성양이온, 전기전도도, 총질소, 그리고토성등의특성을보정하였다. 3 공구오염토는밭지역에서수집된것이며, 1 M NaOH의산화환원작용을이용한토양세척을통해정화되었다. 3 공구오염토의전기전도도가매우높은수준 (21.55±2.198 ds/m) 으로평가되어, 이를개량하기위하여 EC 저감기법을적용하여토양내중금속오염물질의영향만을평가할수있도록하였다. 3 공구정화토는모두 3가지방법으로개량되어, 그방법에따른영향을확인하고자하였다

220 Pot test 설정정보 대상작물은대한민국충청북도지역에서생산되는동부콩 ( , 아람종묘, 과천 ) 을선정하였다. 동부콩은 6월이후고온기에서약 3개월간 15 cm 이상덩굴생장하며, 꼬투리가가장긴종으로알려져있다. 동부콩은충분한수분이공급된탈지면에서 3일간 2-3 cm 가량발아되었으며, 발아가완료된종자를각대상토양에정식하였다. 각토양은 pot test 연구를위해화분에 1 kg씩 3반복으로옮겨졌으며, 대조토양은 LUFA로선정하였다. 각토양의수분보유능이측정되었으며, 각수분보유능의 70% 에해당되는용량의증류수를분주하였다. 분주된토양의추가된첨가제와수분의안정화를위하여 30일간온실에서방치되었으며, 3일간격으로동일하게 30 ml의수돗물을분주하여수분함량을유지하였다. 자세한정보는다음표와같다. <Pot test 에이용되는대상토양기초정보 > 명명 용량 (kg) 반복수 수분보유능 (WHC, ml/g) 실수분첨가량 (ml/kg) 2) 안정화기간 (days) LUFA 1) LUFA ± C 2공구오염토 ± R 2공구정화토 ± A 2공구개량토 ± C 3공구오염토 ± CA 3공구오염개량토 ± R 3공구정화토 ± A1 3공구개량토 ± A2 3공구개량토 ± A3 3공구개량토 ± ) 대조토양 2) 수분보유능 (water holding capacity, WHC) 의 70%

221 Pot test은약 108일간실시되었으며, 토양특성에따른작물의생산성과중금속축적도를분석하기위하여다양한종말점분석을시도하였다. 작물은 30일간안정화된각토양에 1차정식되었으며이를 0일차로결정하였고, 일부토양군에서작물의고사하는현상이발생하여 38일차에 2차정식이수행되었다. 종말점은생장율 (Growth, G), 발달단계 (Development, D), 작물잎의광합성능 (Photosynthetic Activity, PA), 토양조류파이프테스트 (Soil algal Pipe test, SP), 효소활성 (Enzyme activity, E), 그리고토양내중금속분석 (Metal analysis, M), 바이오리포터 (bio-reporter) 를이용한중금속분석 ( B M) 으로분류되었다. 생장율과발달단계분석은총기간에서 3일간격으로실시되었으며, 광합성능은잎의생성단계에따라 32, 39, 53, 그리고 76일차에실시되었다. 토양조류파이프테스트는 31, 60, 그리고 108 일차에수행되었으며, 효소활성과바이오리포터 (bio-reporter) 를이용한중금속분석은 31, 61, 그리고 93 일차에토양샘플링후분석되었다. 중금속분석은 pot test 실시 31일차에토양샘플링하여분석되었다. 자세한사항은다음그림과같다. <Pot test 에사용되는종말점분석일정 >

222 평가종말점 가생장율 Pot test를실시후약 101일까지작물의길이생장 (cm) 을기록하여생장율을평가하였다. 길이생장은가장높은삼엽의중간지점으로하였으며, 새로운삼엽이발생하여잎이완전히활착할경우상위의삼엽을기준으로길이를측정하였다. 나발달단계작물의발달단계는약 3일간격으로관찰하여기록하였다. 발달단계는기존의 Kwak et al. (2014) 를참고하여기준을결정하였으며, 영양생장기 (vegetative stage) 와생식생장기 (reproductive stages) 로분류하였다. 영양생장기는 BG (Before Growth), VE (emergence), VC (cotyledon), V1 (first trifoliate), V2 (second trifoliate), V3 (third trifoliate), V4 (fourth trifoliate), V5 (fifth trifoliate), 그리고 V6 (flowering initiation) 으로구분되며, 생식생장기는 R1 (beginning to bloom and first flower), R2 (full bloom and flower in top two nodes), R3 (emergence of pod and 3/16" pod in top four nodes), R4 (full pod and 3/4" pod in top four nodes) R5 (1/8" seed in top four nodes) 그리고 R6 (full-size seed in top four nodes) 로분류할수있다. 다광합성능대상작물이발달단계에따라삼엽이발생하면, 삼엽중중앙잎을대상으로광합성능을평가하였다. 각토양조건에따라삼엽의생성시기가상이하였으므로, 가장늦게생성되는삼엽생성시기를기분으로분석이실시되었다 (32, 39, 53, 그리고 76일차 ). 광합성능분석을위하여 handy plant efficiency analyzer (Hansatech Instruments Ltd., UK) 를이용하였으며, 클립 (leafclip) 을삼엽중중앙잎을설치하여 15분간암적응후광화학계 II의광합성능을평가하였다. 광합성인자는 Reaction center per absorption flux (RC/ABS), Reaction center per trapped energy flux (RC/TRo), Electron transport flux per reaction center (ETo/RC), Reaction center per dissipated energy flux (RC/Dio), Maximum quantum yield of primary photochemistry (Fv/Fm), Quantum yield of electron transport (ETo/ABS), Quantum yield of energy dissipation (Fo/Fm), Total complementary between fluorescence induction and F=Fm (Area) 를포함한다. <Handy plant efficiency analyzer 를이용한광합성능평가 >

223 라효소활성각토양별효소활성을확인하기위하여, pot test 기간중 31, 61, 그리고 93 일차에토양표면 (0-2 cm) 의샘플을채취하여효소활성분석을실시하였다. 각토양샘플은풍건후무게를측정하여수분함량 (%) 를확인하였으며, 이에따라각토양별추가수분공급량을다르게하여수분보정하였다. 대상효소활성은카탈라아제활성 (Catalase activity, CAT) 와베타글루코시다아제활성 (β-gluocosidase activity, βga) 으로결정하였으며, 토양별 blank 토양은실험전에 120 에서 15분 autoclaving 처리한후증류수대신 10% formaldehyde 용액을분주하여완벽히멸균한후에사용하였다. 수분및 formaldehyde를분주한토양들은균질하게섞어사용하였으며각토양별로 3반복으로진행하였다. CAT의경우삼각플라스크에 2 g의시험토양을담고 40 ml 의증류수와 5 ml의 0.3% H 2 O 2 를첨가하고 25 에서 20분간진탕배양한다. 20분후 5 ml의 3N H 2 SO 4 를첨가하고진탕한뒤 Whatman No.2 필터로필터하고필터한용액 25 ml을취하여 0.1 N K 2 MnO 4 로적정한다. Blank는토양시료를넣지않은것으로하여소모한 K 2 MnO 4 (blank 가소모한양-시료가소모한양 ) 으로정량화한다. βga의경우 test tube에 1 g의시험토양을담고 0.2 ml의 toluene, 4 ml의 modified universal buffer (ph 6.5) 및 1 ml의 ρ-nitrophenylβ-d-glusoside (0.05M) 를첨가한뒤 30 초간 vortex를하고 37, 암조건에서 1시간진탕배양을하였다. 1시간배양후 1 ml의 CaCl 2 (0.5M) 와 4 ml의 Tris(hydroxymethyl)aminomethane buffer (0.1M, ph12) 를첨가하고 30 초간 vortex 후현탁액을 Whatman No.2 필터로여과하고 420 nm에서흡광도를측정하였다. 정량곡선은 ρ-nitrophenol을이용하여작성하였다. 마토양조류를이용한파이프테스트 (pipe test) 토양조류를직접하기위해 mini-pipe test 기법을적용하였다. 지름 20 mm의플라스틱소재를총높이 30 mm가되도록자르고 10 mm 해당부위에표식을남겼다. 실험전 UV로살균하고 pot 당 4개의 mini-pipe를설치하고 31, 60, 그리고 108 일차에 pot당파이프를 1 개씩에서수거하고, 에탄올을통해조류를추출하여 chlorophyll-a를분석하였다. < 토양조류를이용한파이프테스트 (pipe test) 수행과정 >

224 바중금속분석토양내존재하는주요중금속의농도를측정하기위하여 Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES, JY Ultirna 2C, Jobin Yvon, France) 를이용하였다. 토양시료 0.1 g을테플론용기에담고, 질산약 6 ml을이용하여 170 에서질산이모두날아갈때까지반응시켰으며 ( 하루밤 ), 같은과정을 2번반복하였다이후산에의해분해된시료를깨끗이증류수에녹인후 에서 3-4 시간동안수분을모두증발시켰다. 이후왕수 ( 염산 / 질산, 3:1, v/v) 을약 3 ml 넣고 200 에서산이모두날아갈때까지반응을시킨다음질산과과염소산을 4:1 (v/v) 비율로섞은용액을 5 ml 넣고 170 에서하루밤동안반응을시켰다. 마지막으로증류수를이용해시료를모아 에서수분을모두증발시켰다. 산에의한분해된토양시료의농도가약 1-5% 가될때까지충분히증류수를추가하여산을날린다음 1% 질산을이용하여 20 ml으로최종부피를맞추었다. 만들어진시료는 ICP-OES를이용하여 Cd, Pb, Zn, As, Cu 그리고 Ni의농도를측정하였다. 토양내생물이이용가능한중금속의농도를측정하기위하여 Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (ICP-MS, Elan DRC II / Perkin Elmer Sciex, Canada) 를이용하였다. 토양시료를각각 vial에담아 105 에서 24시간건조시킨뒤 1g씩 test tube에나눠담았다. 이후증류수와 0.1 M의 Ca(NO₃)₂ 용액을각각 test tube에 20ml 분주한뒤 shaker table에서 150 rpm조건으로 16 시간동안혼합하였다. 마지막으로시료를 1500rpm에서 15분간원심분리한후에상등액을 WHATMAN#2 여과지로여과하였다. 만들어진시료는 ICP-MS를이용하여 Cd, Pb, Zn, As, Cu 그리고 Ni의농도를측정하였다. 바작물내생물축적도분석토양내존재하는주요중금속의농도를측정하기위하여 Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES, JY Ultirna 2C, Jobin Yvon, France) 를이용하였다. 토양시료 0.1 g을테플론용기에담고, 질산약 6 ml을이용하여 170 에서질산이모두날아갈때까지반응시켰으며 ( 하루밤 ), 같은과정을 2번반복하였다이후산에의해분해된시료를깨끗이증류수에녹인후 에서 3-4 시간동안수분을모두증발시켰다. 이후왕수 ( 염산 / 질산, 3:1, v/v) 을약 3 ml 넣고 200 에서산이모두날아갈때까지반응을시킨다음질산과과염소산을 4:1 (v/v) 비율로섞은용액을 5 ml 넣고 170 에서하루밤동안반응을시켰다. 마지막으로증류수를이용해시료를모아 에서수분을모두증발시켰다. 산에의한분해된토양시료의농도가약 1-5% 가될때까지충분히증류수를추가하여산을날린다음 1% 질산을이용하여 20 ml으로최종부피를맞추었다. 만들어진시료는 ICP-OES를이용하여 Cd, Pb, Zn, As, Cu 그리고 Ni의농도를측정하였다

225 ( 마 ) 대상토양을이용한 pot test 수행결과 2 공구종말점평가결과 가생장율평가대조토양인 LUFA의경우는 4 반복의작물생장율을평가하였다. Pot test 수행기간인 101일중 12, 24, 47, 71, 그리고 101일차에측정된작물생장의평균값은 10±1, 18±2, 35±7, 89±18, 그리고 116±39 cm 인것으로확인되었다. 약 40일차부터급격한길이생장을나타내었으며, 95일차부터는생장이안정화되는것으로사료된다. 2공구오염토의경우는 1차정식이후 2 반복의작물이생존하였으며, 12, 24, 47, 71, 그리고 101일차에측정된작물생장의평균값은 9±2, 19±3, 29±5, 75±28, 그리고 0 cm의생장율을나타내었다. 약 92일차까지작물의생장이 82 cm까지증가하였으나이후작물이고사하는현상이발생되었다. LUFA 토양과마찬가지로약 40일차부터급격한길이생장을나타내었나, 생장의안정화는약 80일차로빠르게나타났으며더이상생장하지못하고고사한것으로사료된다. 2 공구정화토의경우는 1차정식이후 12일차까지약 3 cm 생장하였으나이후작물이고사하는현상이발생되었다. 이후 38일차에 2차정식이수행되었으며 9일간 4 cm 이상생장하였으나다시고사하는거으로나타났다. 1차및 2차정식이후에도작물은생장하지못하였으며, 2공구의정화기법에의해토양의작물생산성이상당부분손실된것이라판단된다. 3 공구개량토의경우는전기전도도저감, 비료주입, 그리고토성개량기법등이적용되었다. 1차정식이후 24일차까지약 6 cm의길이생장을보였으나이후모든작물이고사하는현상이발생되었다. 앞선정화토보다는작물의생존기간이길어진것으로보이나, 여전히작물생장에는적합하지않았던것으로판단된다. 이후 38일차에 2차정식이수행되었으며, 약 24일간 10 cm 이상생장하였으나다시고사하는것으로관찰되었다. 2차정식이후에도정화토보다는생존기간이증가하였으나, 개량처리이후에도토양작물생산성이복원되었다고보기에어려움이있는것으로판단된다

226 (A) 160 Height (cm) Rep. 1 Rep. 2 Rep. 3 Rep Days (B) Height (cm) (C) Height (cm) (D) Height (cm) Rep. 1 Rep. 2 Rep Days Rep. 1 Rep. 2 Rep Days Rep. 1 Rep. 2 Rep Days <LUFA 와 2 공구오염토 (2C), 정화토 (2R), 그리고개량토 (2A) 의작물생장율결과 : (A) LUFA, (B) 2 공구오염토, (C) 2 공구정화토, (D) 2 공구개량토, 화살표는재정식시기 (38 일차 )>

227 나발달단계평가대조군토양인 LUFA와 2공구오염토 (2C), 정화토 (2R), 그리고개량토 (2A) 의발달단계분석결과는다음그림과같다. LUFA의경우는 1차정식후약 38일차에 V2 단계로모든반복수가생존하였으며, 이후실험종료시에는 V11 단계까지발달단계를나타내었다. 2공구오염토의경우는 1차정식후약 10일차에 2 반복의작물만이생존하였으며, 38일이후에생존한개체는 LUFA와유사하게 V3 단계를보이는것으로관찰되었다. 하지만실험종료직전에각반복수별로 V10과 V5 단계에서고사하였다. 2공구정화토의경우는 1차정식후약 10일차에는모든작물이 VE 단계에서고사하였으며, 38일후 2차정식에서는 V2 단계까지발달후고사하는것이확인되었다. 2공구개량토는 1차정식후약 10일간 VC 단계까지발달하였으나이후고사하였으며, 38일후 2차정식에서는 V1 단계에서약 40일간생존하였으나이후고사하는것으로나타났다. 모든토양에서작물이생장생식기까지돌입하지못하는것으로나타났으며, 이는 pot test 기간동안비료추가주입을배재하였기때문인것으로사료된다. 그럼에도불구하고, 대조토양인 LUFA에대비하여 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토에서유의한결과가나타난것으로사료된다. 2공구오염토에정화기법을적용한정화토는 1, 2차정식과정에서모두식물이생장하지못하였으며, 이를개량한개량토에서는생존기간이증가하였으나작물생산에적합한토양은아닌것으로판단된다. 1차와 2차정식이후작물생존성을비교할경우, 2차정식이수행된정화토와개량토모두 1차정식에비하여높은생존성을보이는것으로나타났다. 이는실험기간중반복되는관수에의하여토양의오염물질및전기전도도를감소시켰기때문이라사료된다. <LUFA 와 2 공구오염토 (2C), 정화토 (2R), 그리고개량토 (2A) 의작물발달단계관찰결과 : 빨간점선은재정식시기 (38 일차 )>

228 다토양조류를이용한파이프테스트 (pipe test) 대조군토양인 LUFA와 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토의토양조류파이프테스트결과는토양에서추출된조류의 chlorophyll-a를분석하여측정되었다. 측정된자료는대조토양인 LUFA에대비한백분율로나타내었다. 31, 60, 그리고 108일차 2공구오염토의토양조류 chlorophyll-a 분석결과 64.2±6.5%, 79.8±8.7%, 그리고 92.2±16.7% 로나타났으며, 정화토의경우는 72.0±7.1%, 69.2±1.2%, 그리고 N.A. (Not assessed) 로나타났다. 개량토의경우는 64.8±2.1%, 87.9±11.7%, 그리고 N.A. 로확인되었다. 2공구토양들은전반적으로대조군인 LUFA 보다낮은 chlorophyll-a 활성을보였으며, 각토양별로유의한차이는보이지않는것으로보인다. 앞선작물생장율과발달단계에서보였던결과와상이하며, 이는여러가지토양특성이복합적으로영향을주었을것으로보인다. 2공구오염토의경우는낮은전기전도도와유효인산, 그리고 ph 수치를보인반면, 정화토의경우는높은전기전도도와유효인산수치를보여상호보정된토양조류활성수준을보이는것으로사료된다. 또한, 오염토와개량토에서는전반적으로시간이지남에따라토양조류의토양표면내활성이커지는경향성을보였다. Soil algae chlorophyll-a (% LUFA) * * N.A. N.A. LUFA 2C 2R 2A Soils * * 31 days 60 days 108 days * <LUFA 와 2 공구오염토 (2C), 정화토 (2R), 그리고개량토 (2A) 의파이프테스트분석결과 : 대조토양 LUFA 와통계적유의차이 (*, p < 0.05)> <LUFA 와 2 공구오염토 (2C), 정화토 (2R), 그리고개량토 (2A) 의파이프테스트사진 > 31 days LUFA 2C 2R 2A 60 days 108 days

229 라효소활성대조군토양인 LUFA와 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토의토양효소활성분석은카탈라아제 (CAT) 와베타글루코시다아제 (βga) 를대상으로분석되었다. 0, 31, 61, 그리고 93일차 LUFA의 CAT 분석결과는 1.07±0.30, 1.90±0.06, 0.97±0.05, 그리고 0.79±0.06 ml K 2 MnO 4 /g으로분석되었으며, 오염토의경우는 1.26±0.17, 1.85±0.10, 0.91±0.05, 그리고 1.22±0.19 ml K 2 MnO 4 /g, 정화토의경우는 0.53±0.04, 0.98±0.14, 0.61±0.20, 그리고 0.73±0.13 ml K 2 MnO 4 /g, 개량토의경우는 0.63±0.05, 0.69±0.09, 0.33±0.06, 그리고 0.42±0.09 ml K 2 MnO 4 /g로나타났다. 전반적으로정화기법이적용될경우 CAT의활성이크게감소하는것으로사료되며, 전기전도도저감, 비료추가및토성개량을통해 CAT 활성이약간증가되는추세를보인다. 31일차에모든토양군에서 CAT 활성이크게증가하였고, 이후 61일차, 93일차에 0일차와유사한수준으로감소하는것으로보인다. βga의경우는 0, 31, 61, 그리고 93일차에 LUFA 토양에서 16.26±0.65, 22.21±1.53, 21.67±2.52, 그리고 19.98±4.00 ug/ml as ρ-nitrophenol으로분석되었으며, 오염토의경우는 1.70±0.46, 3.36±4.08, 3.87±0.09, 그리고 4.26±1.73 ug/ml as ρ -nitrophenol, 정화토의경우는 0.88±0.12, 2.99±1.58, 4.86±0.52, 그리고 5.33±2.73 ug/ml as ρ-nitrophenol, 개량토의경우는 2.11±0.53, 4.27±0.80, 6.81±2.03, 그리고 3.51±0.22 ug/ml as ρ-nitrophenol로나타났다. 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토에서모두 LUFA에비하여현저히낮은 βga 활성을보였으며, 전반적으로 0일차에비하여 31, 61, 그리고 90일차로갈수록활성이증가하는것으로측정되었다. 하지만각토양군별로유의한차이는발생하지않는것으로판단된다. (A) (B) Catalase activity (ml K 2 MnO 4 /g) LUFA 2C 2R 2A Soils 0 days 31 days 61 days 93 days βga activity (ug/ml- as ρ-nitrophenol) LUFA 2C 2R 2A Soils 0 days 31 days 61 days 93 days <LUFA 와 2 공구오염토 (2C), 정화토 (2R), 그리고개량토 (2A) 의효소활성분석결과 : (A) 카탈라아제활성, (B) 베타글루코시다아제활성 >

230 Pot test: 3 공구종말점평가결과 가생장율평가 3공구오염토의경우는 pot test 실험기간중 0일차와 38일차에 2회정식을시도하였으나모두작물이고사하는현상이발행하였다. 이는 3공구오염토의토양오염우려기준 (25 mg/kg) 을초과하는비소농도 (35.4±3.3 mg/kg) 과전기전도도 (25.25±2.20 ds/m) 때문인것으로사료된다. 3공구오염개량토의경우는오염토에전기전도도저감기법을적용하였다. 전기전도도는 0.83±0.02 ds/m로크게감소하였으나, 비소의농도는여전히토양오염우려기준 (25 mg/kg) 을초과하는 49.4±1.2 mg/kg인것으로나타났다. Pot test 수행기간인 101일중 12, 24, 47, 71, 그리고 101일차에측정된작물생장의평균값은 8±3, 14±2, 25±9, 50±36, 그리고 64±44 cm 인것으로확인되었다. 전기전도도는토양염류에대한직 간접적인지표이며, 오염토에서전기전도도저감기법적용으로염류가제거되어오염개량토에서높은작물생장율을보인것으로사료된다. 3공구정화토의경우는 1차정식에서작물생장이전혀되지않는것으로확인되었으며, 38일차에시도된 2차정식에서는 101일차까지약 22±4 cm 까지생장하는것으로나타났다. 지속적인관수와배수에의하여토양이일부개량되는효과 ( 전기전도도감소등 ) 가나타난것으로보이지만, 작물이원활하게생장하기위한적절한수준의토양은아닌것으로사료된다. 3공구개량토-1은정화토에전기전도도저감기법을적용한것으로, 실제정화토 8.40±0.15 ds/m에서 0.23±0.00 ds/m로크게전기전도도가감소하였다. 1차정식에서는정화토에서작물생장이이루어지지않은것에반해, 개량토-1에서는평균 5±1 cm까지생장하는것으로관찰되었다. 또한 38일이후진행된 2차정식에서는평균 14±4 cm까지생장하는것으로나타났으며, 정화토와대비하여더낮은수치의생장율인것으로보인다. 이는지속적인관수와배수를통한자연적인개량효과 ( 전기전도도감소등 ) 가인위적인개량기법보다더효율적일수있는가능성인것으로사료된다. 3공구개량토-2는비료추가및토성개량기법적용한것으로, 전기전도도는저감하지않았기에 12.56±0.39 ds/m의높은수준을나타냈다. 1차정식이후에는 29일차에모든작물이고사하였으며, 2 차정식이후에는약 24일만에다시작물이고사하는현상을나타냈다. 1차와 2차정식이후평균생장율은 10 cm 미만인것으로나타났다. 지속적인관수와배수를정화토와동일하게진행했음에도작물생존에차이를보이는이유는개량토-2에서의토성개량에따른수분보유능때문인것으로사료된다. 개량토-2는토성개량기법적용에따라기존의정화토 0.39 ml/g보다높은수준인 0.47 ml/g의수분보유능을보였으며, 이에따라정화토에비해배수가원활하지않아자연적인개량효과 ( 전기전도도감소등 ) 가정화토보다미비하였을것으로판단된다. 3공구개량토-3은전기전도도저감, 비료추가및토성개량기법을모두적용하였으며, 다른개량토보다더높은수준의작물생장율을보이는것으로확인되었다. Pot test 수행기간인 101일중 12, 24, 47, 71, 그리고 101일차에측정된작물생장의평균값은 9±0, 16±2, 25±4, 71±17, 그리고 101±42 cm인것으로타났으며, 대조토양인 LUFA와유사한생장율을나타내개량기법이작물생산성복원에적절한수준으로진행된것으로판단된다

231 (A) 100 Rep. 1 Rep. 2 Rep. 3 Height (cm) (B) Height (cm) (C) Height (cm) (D) Height (cm) (E) Height (cm) Days Rep. 1 Rep. 2 Rep Days Rep. 1 Rep. 2 Rep Days Rep. 1 Rep. 2 Rep Days Rep. 1 Rep. 2 Rep Days <LUFA 와 3 공구오염토, 정화토, 그리고개량토의작물생장율결과 : (A) 3 공구오염개량토, (B) 3 공구정화토, (C) 3 공구개량토 -1, (D) 3 공구개량토 -2, (E) 3 공구개량토 -3, 화살표는재정식시기 (38 일차 ), 3 공구오염토는모두치사 >

232 나발달단계평가대조군토양인 LUFA와 3공구오염토 (3C), 오염개량토, 정화토, 개량토-1(3A1), 개량토-2(3A2), 그리고개량토-3(3A3) 의발달단계분석결과는다음그림과같다. LUFA의경우는 1차정식후약 38일차에 V2 단계로모든반복수가생존하였으며, 이후실험종료시에는 V11 단계까지발달단계를나타내었다. 3공구오염토는 1차정식후발달은하지못하였으며, 이는 2차정식이후에도마찬가지인것으로확인되었다. 이는 3공구오염토의토양오염우려기준 (25 mg/kg) 을초과하는비소농도 (35.4±3.3 mg/kg) 과전기전도도 (25.25±2.20 ds/m) 때문일것이라사료되며, 생장율평가에서도동일한결과를보였다. 3공구오염개량토의경우는전기전도도저감기법적용되어, 오염토대비높은발달단계를보였으나, 각작물반복수별로 V3, V7, 그리고 V7 단계를보여대조토양인 LUFA 보다는낮은수준인것으로확인되었다. 3공구정화토, 개량토-1, 그리고개량토-2의경우는모두 1차정식에서발달단계가 VC 수준으로매우낮은상태에서고사하였으며, 2차정식이후에는 1차정식보다더높은발달단계인 V2 까지증가하였다. 하지만대조토양인 LUFA에비하여매우낮은수준이었으며, 정화기법에의한정화토의작물생산성감소와개량기법 ( 개량토-1: 전기전도도저감, 개량토-2: 비료추가및토성개량 ) 의부적합성이나타났다고판단된다. 2차정식이후각토양에서더높은발달단계가확인된것은지속적인관수와배수에의한자연적인개량효과 ( 전기전도도감소등 ) 에의한것이라사료된다. 개량토 -3은전기전도도저감, 비료추가및토성개량기법을적용하였으며, 대조토양인 LUFA와유사한발달단계를보이는것으로나타났다. 각작물반복수별로 V10, V10, 그리고 V8 단계를보였으며, 작물생장율도유사한결과가나타나는것으로보아개량기법이작물생산성복원에적절한수준으로진행된것으로판단된다. <LUFA 와 3 공구오염토 (3C), 오염개량토 (3CA), 정화토 (3R), 개량토 -1(3A1), 개량토 -2(3A2), 개량토 -3(3A3) 의작물발달단계관찰결과 : 빨간점선은재정식시기 (38 일차 )>

233 다토양조류를이용한파이프테스트 (pipe test) 대조군토양인 LUFA와 LUFA와 3공구오염토 (3C), 오염개량토, 정화토, 개량토-1(3A1), 개량토-2(3A2), 그리고개량토-3(3A3) 의토양조류파이프테스트결과는토양에서추출된조류의 chlorophyll-a를분석하여측정되었다. 측정된자료는대조토양인 LUFA에대비한백분율로나타내었다. 31, 60, 그리고 108일차 3공구오염토의토양조류 chlorophyll-a 분석결과 49.5±5.7%, 93.1±31.0%, 그리고 N.A. (Not Assessed) 로나타났으며, 오염개량토의경우는 64.8±17.5%, 75.5±8.0%, 그리고 81.2±18.6%, 정화토는 21.2±2.4%, 47.2±3.5%, 그리고 69.4±1.9%, 개량토-1은 49.4±1.2%, 50.6±4.0%, 그리고 69.1±0.4%, 개량토-2는 52.0±1.5%, 105.5±35.7%, 그리고 68.9±0.2%, 개량토-3은 63.9±17.9%, 51.7±3.5%, 그리고 68.9±4.7% 로나타났다. 3공구토양모두 LUFA보다낮은 chlorophyll-a 활성을나타냈으며, 정화토에서가장낮은수치를보이는것으로확인되었다. 전기전도도가높은 3공구오염토보다정화토에서더낮은토양조류활성을보이는것으로보아, 정화통서낮은 ph 수치와유효인산등이영향을주었을것으로보인다. 전토양군에서전반적으로시간이지남에따라토양조류활성이증가되는추세를보였으며, 108일차에는모든토양군이오염토대비유의한차이를보이지않는것으로확인되었다. 이는직접적으로관수와공기접촉의영향을받은토양표층에서자연적인개량효과가발생하여, 토양조류의생장이원활해지기때문이라사료된다. Soil algae chlorophyll-a (% LUFA) days 60 days 108 days ** * # * # * # * * * * * N.A. LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils * * # * * <LUFA와 3공구오염토 (3C), 오염개량토 (3CA), 정화토 (3R), 개량토-1(3A1), 개량토-2(3A2), 개량토-3(3A3) 의파이프테스트분석결과 : 대조토양 LUFA와통계적유의차이 (*, p < 0.05), 오염토와통계적유의차이 (#, p < 0.05)> <LUFA와 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3의파이프테스트사진 > Day LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 31 days 60 days 108 days

234 라효소활성대조군토양인 LUFA와 LUFA와 3공구오염토 (3C), 오염개량토, 정화토, 개량토-1(3A1), 개량토-2(3A2), 그리고개량토-3(3A3) 의토양효소활성분석은카탈라아제 (CAT) 와베타글루코시다아제 (βga) 를대상으로분석되었다. 0, 31, 61, 그리고 93일차 LUFA의 CAT 분석결과는 1.07±0.30, 1.90±0.06, 0.97±0.05, 그리고 0.79±0.06 ml K 2 MnO 4 /g으로분석되었으며, 3공구오염토의경우는 1.33±0.02, 1.65±0.08, 1.94±0.19, 그리고 2.26±0.31 ml K 2 MnO 4 /g, 오염개량토는정화토의경우는 0.53±0.04, 0.98±0.14, 0.61±0.20, 그리고 0.73±0.13 ml K 2 MnO 4 /g, 개량토의경우는 1.39±0.08, 2.26±0.21, 2.22±0.06, 그리고 1.97±0.20 ml K 2 MnO 4 /g, 정화토의경우는 0.51±0.02, 1.21±0.28, 0.54±0.03, 그리고 0.38±0.05 ml K 2 MnO 4 /g, 개량토-1은 0.53±0.02, 0.45±0.03, 0.45±0.15, 그리고 0.34±0.00 ml K 2 MnO 4 /g, 개량토-2는 0.22±0.04, 0.50±0.03, 0.30±0.05, 그리고 0.13±0.05 ml K 2 MnO 4 /g, 개량토-3은 0.53±0.06, 0.76±0.09, 0.73±0.13, 그리고 0.15±0.06 ml K 2 MnO 4 /g로나타났다. 2공구결과와마찬가지로정화기법이적용될경우 CAT의활성이크게감소하는것으로사료되며, 전기전도도저감, 비료추가및토성개량을적용하고 31일차부터는 CAT 활성이약간증가되는추세를보인다. βga의경우는 0, 31, 61, 그리고 93일차에 LUFA 토양에서 16.26±0.65, 22.21±1.53, 21.67±2.52, 그리고 19.98±4.00 ug/ml as ρ-nitrophenol으로분석되었으며, 3공구오염토는 0.70±0.06, 0.00±0.00, 1.79±0.41, 그리고 4.20±0.74 ug/ml as ρ-nitrophenol, 오염개량토는 0.72±0.15, 2.67±2.87, 1.15±0.55, 그리고 1.27±0.09 ug/ml as ρ-nitrophenol, 정화토는 0.00±0.00, 1.19±1.74, 3.11±2.00, 그리고 0.65±0.78 ug/ml as ρ-nitrophenol, 개량토-1은 0.00±0.00, 0.09±0.15, 1.68±0.62, 그리고 0.82±0.51 ug/ml as ρ-nitrophenol, 개량토-2는 0.97±0.57, 1.14±0.70, 4.44±2.97, 그리고 0.77±0.15 ug/ml as ρ-nitrophenol, 개량토-3은 0.46±0.11, 0.85±0.96, 3.00±0.87, 그리고 2.23±0.61 ug/ml as ρ-nitrophenol의수치를보이는것으로측정되었다. 모든토양에서대조군이 LUFA에비하여현저히낮은수치를보였으며, 오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1,2,3 등에서모두유의한차이를보이지않는것으로나타났다. (A) (B) Catalase activity (ml K 2 MnO 4 /g) days 31 days 61 days 93 days LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils βga activity (ug/ml- as ρ-nitrophenol) days 31 days 61 days 93 days LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils <LUFA 와 3 공구오염토 (3C), 오염개량토 (3CA), 정화토 (3R), 개량토 -1(3A1), 개량토 -2(3A2), 개량토 -3(3A3) 의효소활성분석결과 : (A) 카탈라아제활성, (B) 베타글루코시다아제활성 >

235 Pot test: 광합성능평가결과작물의광합성능을평가하기위하여작물의잎을이용한기기분석이실시되었으며, 32, 39, 53, 그리고 76일차의광화학계 II의광합성능을평가하였다. 대상분석인자는 RC/ABS, RC/TRo, ETo/RC, RC/Dio, Fv/Fm, ETo/ABS, Fo/Fm, 그리고 Area를포함한다. 각인자는대조토양인 LUFA를기준으로백분율로표현되었다. 분석인자중 RC/ABS, ETo/RC, Fv/Fm, ETo/ABS, Fo/Fm, 그리고 Area는 LUFA와비교하여유의한차이를보이지않는것으로나타났다. 하지만 RC/TRo와 RC/Dio의경우는 2공구오염토 (2C) 와 3공구오염개량토 (3CA) 에서시간이지남에따라유의한차이를보이는것으로나타났다. LUFA, 2공구오염토 (2C), 3공구오염개량토 (3CA), 그리고 3공구개량토-3(3A3) 에서의 32일차 RC/TRo의수치는 100±11, 83±8, 98±8, 그리고 107±9% 로토양별로유의한차이를보이지않았으나, 39일차에서는 100±9, 81±6, 101±3, 그리고 98±4% 로나타나 2공구오염토에서유의한감소추세를보이는것으로분석되었다. 53 일차에는 100±7, 81±5, 83±8, 그리고 91±6% 로측정되었으며, 76일차에는 100±9, 78±5, 82±5, 그리고 98±8% 를확인되어 3공구오염개량토에서도감소추세가확인되었다. LUFA, 2공구오염토, 3공구오염개량토, 그리고 3공구개량토-3에서의 32일차 RC/Dio의수치는 100±16, 83±6, 96±18, 그리고 106±23% 로나타났으며, 39일차에서는 100±15, 79±9, 105±6, 그리고 102±0% 로나타나토양별로유의한차이를보이지않는것으로확인되었다. 53 일차에는 100±8, 81±4, 78±16, 그리고 92±8% 로측정되어 3공구오염개량토에서유의한감소추세가확인되었고, 76일차에는 100±9, 63±5, 75±10, 그리고 93±6% 를확인되어 2공구오염에서도감소추세가나타났다. 기기분석를이용한광화학계 II 인자의분석은암적응을통해광합성에필요한전자전달과정의전자운반체들의산화상태를유도하고, 광노출시유도되는클로로필-a (chlorophyll-a) 의형광변화를측정하는것이다. 광노출직전의광합성계 II에서는에너지가반응중심 (Reaction Centers, RC) 으로이동하기이전발생하는퀴논A (QA) 산화과정을보이며, 광노출이후에는 QA 환원, QA 재산화, 그리고퀴논 B (QB) 로전자전달과정후 PQ 및 QA 환원을과정을거치게된다. 이에따라발생되는형광변화수치를각단계별로구성하여측정할수있도록한다. 각광화학계 II 인자의정확한정의와해석은다음표와같다. 본연구에서는 2공구오염토와 3공구오염개량토에서 RC/TRo와 RC/Dio의감소추세가나타났으며, 이는광합성계 II 내에서 QA가산화 환원하는과정과빛에너지저장에대한시스템에영향을받은것으로판단할수있다

236 (A) 180 Photosynthetic activity (Area, % LUFA) (C) days 39 days 53 days 76 days LUFA 2C 3CA 3A3 Soils (B) Photosynthetic activity (RC/Tro, % LUFA) (D) days 39 days 53 days 76 days * * * * * LUFA 2C 3CA 3A3 Soils Photosynthetic activity (ETo/RC, % LUFA) (E) days 39 days 53 days 76 days LUFA 2C 3CA 3A3 Soils Photosynthetic activity (RC/Dio, % LUFA) (F) days 39 days 53 days 76 days * * * LUFA 2C 3CA 3A3 Soils Photosynthetic activity (Fv/Fm, % LUFA) days 39 days 53 days 76 days LUFA 2C 3CA 3A3 Soils Photosynthetic activity (Fo/Fm, % LUFA) days 39 days 53 days 76 days LUFA 2C 3CA 3A3 Soils

237 (G) (H) Photosynthetic activity (Fo, % LUFA) days 39 days 53 days 76 days LUFA 2C 3CA 3A3 Soils Photosynthetic activity (Fm, % LUFA) days 39 days 53 days 76 days LUFA 2C 3CA 3A3 Soils <LUFA 와 2 공구오염토 (2C), 3 공구오염개량토 (3CA), 그리고 3 공구개량토 -3(3A3) 에서의작물잎광합성능측정결과 : (A) Area, (B) RC/Tro, (C) ETo/RC, (D) RC/Dio, (E) Fv/Fm, (F) Fo/Fm, (G) Fo, 그리고 (H) Fm, 대조토양 LUFA 와통계적유의차이 (*, p < 0.05)) <LUFA 와 2 공구오염토 (2C), 3 공구오염개량토 (3CA), 그리고 3 공구개량토 -3(3A3) 에서의작물잎 > Day LUFA 2C 3CA 3A3 32 days 39 days 53 days

238 Pot test: 중금속분석결과 가토양내총중금속분석 (Metal analysis, total) Pot test 진행후약 31일차에토양표층에서샘플을수집하였으며, LUFA와 2공구오염토 (2C), 정화토 (2R), 개량토 (2A), 3공구오염토 (3C), 오염개량토 (3CA), 정화토 (3R), 개량토-1(3A1), 개량토-2(3A2), 그리고개량토-3(3A3) 에서의총중금속 (As, Cd, Cu, Ni, Pb 그리고 Zn) 을측정하였다. 자세한분석결과는다음표와같다. 비소의토양오염우려기준 (25 mg/kg, 1 지역 ) 을초과하는토양은 2공구오염토, 2공구정화토, 3공구오염토, 그리고 3공구오염개량토가있는것으로확인되었으며, 다른항목은토양오염우려기준을초과하지않는것으로나타났다. Metal Arsenic (Total) <31 일차각공구별오염토, 정화토, 개량토의총중금속농도 > Cadmium (Total) Cooper (Total) Nickel (Total) Lead (Total) Zinc (Total) Abb. As (T) Cd (T) Cu (T) Ni (T) Pb (T) Zn (T) Unit mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg LUFA 5.6±0.3 N.D. 2.4± ± ± ±0.2 2C 50.8± ± ± ± ± ±12.1 2R 30.4± ± ± ± ± ±6.0 2A 18.6± ± ± ± ± ±7.1 3C 45.1± ± ± ± ± ±2.3 3CA 41.1± ± ± ± ± ±7.0 3R 9.5± ± ± ± ± ±10.2 3A1 11.4± ± ± ± ± ±49.3 3A2 8.8± ± ± ± ± ±21.2 3A3 9.1± ± ± ± ± ±6.2 초기중금속농도평균값과 31일차중금속농도평균값의비율 (31일차 / 초기 ) 을산출한결과는다음그림과같다. 비소의경우는 LUFA와 2공구오염토, 정화토, 개량토, 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3에서의비율범위는최소 0.6에서최대 2.1까지나타났으며, 개량토-1에서가장높은차이로증가한것으로나타났다. 카드윰의초기에검출되지않았으나 31일차에서 mg/kg 수준으로검출되는것이확인되었으며, 구리의경우는초기중금속농도와의비율 (31일차 / 초기 ) 범위가약 로나타났다. 니켈의경우는 , 납의경우는 , 그리고아연의경우는 으로산출되었다. 총중금속농도의차이의변화가발생한것은토양샘플링위치 ( 토양표층 ) 에따른것으로판단된다

239 (A) 총비소비율 (31 일차 / 초기 ) (B) 총카드뮴비율 (31 일차 / 초기 ) Ratio of As concentration (31 days/initial) LUFA 2C 2R 2A 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils Not Calculated (C) 총구리비율 (31 일차 / 초기 ) (D) 총니켈비율 (31 일차 / 초기 ) Ratio of Cu concentration (31 days/initial) LUFA 2C 2R 2A 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils Ratio of Ni concentration (31 days/initial) LUFA 2C 2R 2A 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (E) 총납비율 (31 일차 / 초기 ) (F) 총아연비율 (31 일차 / 초기 ) Ratio of Pb concentration (31 days/initial) LUFA 2C 2R 2A 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils Ratio of Zn concentration (31 days/initial) LUFA 2C 2R 2A 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils <Pot test 초기와 31 일차총중금속결과의비율 >

240 나토양내증류수추출가능한중금속분석 (Metal analysis, DW extractable) LUFA와 2공구오염토 (2C), 정화토 (2R), 개량토 (2A), 3공구오염토 (3C), 오염개량토 (3CA), 정화토 (3R), 개량토-1(3A1), 개량토-2(3A2), 그리고개량토-3(3A3) 에서의 31일차증류수추출가능한중금속 (As, Cd, Cu, Ni, Pb 그리고 Zn) 농도는다음표와같다. Metal <31 일차각공구별오염토, 정화토, 개량토의증류수추출가능한중금속농도 > Arsenic (Total) Cadmium (Total) Cooper (Total) Nickel (Total) Lead (Total) Zinc (Total) Abb. As (T) Cd (T) Cu (T) Ni (T) Pb (T) Zn (T) Unit mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg LUFA 0.065±0.005 N.D ± ±0.003 N.D ± C 0.035±0.026 N.D ± ±0.006 N.D ± R 0.555± ± ± ± ± ± A 0.168±0.040 N.D ± ± ± ± C 0.080±0.001 N.D ± ± ± ± CA 0.863±0.001 N.D ± ± ± ± R 0.013±0.003 N.D ±0.008 N.D ± ± A ±0.005 N.D ± ± ± ± A ±0.004 N.D ± ± ± ± A ±0.003 N.D ± ± ± ±0.006 초기증류수추출가능중금속농도평균값과 31일차증류수추출가능중금속농도평균값의비율 (31일차 / 초기 ) 을산출한결과는다음그림과같다. 비소의경우는 LUFA와 2공구오염토, 정화토, 개량토, 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3에서 1.1, 2.3, 1.9, 0.7, 0.6, 1.7, 0.7, 1.5, 0.7, 그리고 0.5로나타났으며, 카드뮴의경우는 2공구정화토에서만검출되어초기에비하여약 1.3 배증가한것으로확인되었다. 구리의경우는 0.9, 2.5, 2.9, 0.6, 1.2, 2.5, 1.8, 1.7, 1.4, 그리고 0.9 로확인되어 2공구오염토, 정화토, 그리고 3공구오염개량토에서 2배이상증가한것으로나타났다. 니켈의경우는 0.4, 0.3, 3.7, 0.6, 0.4, 2.6, N.C. (Not Calculated), 1.4, 1.4, 그리고 0.4로산출되었으며, 2공구정화토와 3공구오염개량토에서의증가과 3공구정화토에서의감소추세를나타냈다. 납의경우는 N.C., N.C., 17.5, 0.7, N.C., 3.3, 1.3, 3.1, 1.7, 그리고 0.5로확인되었으며, 2공구정화토에서 17배이상큰증가를보이는것으로나타났다. 마지막으로아연의경우는 0.3, 0.5, 9.5, 0.9, 1.9, 3.1, 0.4, 0.8, 0.6 그리고 0.7로산출되었고, 마찬가지로 2공구정화토에서크게증류수추출가능한중금속농도가증가하는것으로확인되었다

241 (A) 증류수추출가능한비소비율 (31 일차 / 초기 ) (B) 증류수추출가능한카드뮴비율 (31 일차 / 초기 ) Ratio of As concentration (31 days/initial) LUFA 2C 2R 2A 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils Ratio of Cd concentration (31 days/initial) N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. 0.0 LUFA 2C 2R 2A 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (C) 증류수추출가능한구리비율 (31 일차 / 초기 ) (D) 증류수추출가능한니켈비율 (31 일차 / 초기 ) Ratio of Cu concentration (31 days/initial) LUFA 2C 2R 2A 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils Ratio of Ni concentration (31 days/initial) LUFA 2C 2R 2A 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (E) 증류수추출가능한납비율 (31 일차 / 초기 ) (F) 증류수추출가능한아연비율 (31 일차 / 초기 ) Ratio of Pb concentration (31 days/initial) LUFA 2C 2R 2A 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils Ratio of Zn concentration (31 days/initial) LUFA 2C 2R 2A 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils <Pot test 초기와 31 일차증류수추출가능한중금속결과의비율 >

242 다토양내 Ca(NO 3 ) 2 추출가능한중금속분석 (Metal analysis, Ca(NO 3 ) 2 extractable) LUFA와 2공구오염토 (2C), 정화토 (2R), 개량토 (2A), 3공구오염토 (3C), 오염개량토 (3CA), 정화토 (3R), 개량토-1(3A1), 개량토-2(3A2), 그리고개량토-3(3A3) 에서의 31일차증류수추출가능한중금속 (As, Cd, Cu, Ni, Pb 그리고 Zn) 농도는다음표와같다. <31 일차각공구별오염토, 정화토, 개량토의 Ca(NO 3 ) 2 추출가능한중금속농도 > Metal Arsenic (Ce) Cadmium (Ce) Cooper (Ce) Nickel (Ce) Lead (Ce) Zinc (Ce) Abb. As (Ce) Cd (Ce) Cu (T) Ni (Ce) Pb (Ce) Zn (Ce) Unit mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg LUFA 0.042± ± ± ± ± ± C 0.030±0.002 N.D ± ± ± ± R 0.225±0.067 N.D ± ± ± ± A 0.091±0.004 N.D ± ± ± ± C 0.072±0.002 N.D ± ± ± ± CA 0.047±0.013 N.D ± ± ± ± R 0.047±0.010 N.D ± ± ± ± A ±0.001 N.D ± ± ± ± A ±0.004 N.D ± ± ± ± A ±0.002 N.D ± ± ± ±0.325 초기증류수추출가능중금속농도평균값과 31일차증류수추출가능중금속농도평균값의비율 (31일차 / 초기 ) 을산출한결과는다음그림과같다. 비소의경우는 LUFA와 2공구오염토, 정화토, 개량토, 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3에서 1.1, 2.3, 1.9, 0.7, 0.6, 1.7, 0.7, 1.5, 0.7, 그리고 0.5로나타났으며, 카드뮴의경우는 2공구정화토에서만검출되어초기에비하여약 1.3 배증가한것으로확인되었다. 구리의경우는 0.9, 2.5, 2.9, 0.6, 1.2, 2.5, 1.8, 1.7, 1.4, 그리고 0.9 로확인되어 2공구오염토, 정화토, 그리고 3공구오염개량토에서 2배이상증가한것으로나타났다. 니켈의경우는 0.4, 0.3, 3.7, 0.6, 0.4, 2.6, N.C. (Not Calculated), 1.4, 1.4, 그리고 0.4로산출되었으며, 2공구정화토와 3공구오염개량토에서의증가과 3공구정화토에서의감소추세를나타냈다. 납의경우는 N.C., N.C., 17.5, 0.7, N.C., 3.3, 1.3, 3.1, 1.7, 그리고 0.5로확인되었으며, 2공구정화토에서 17배이상큰증가를보이는것으로나타났다. 마지막으로아연의경우는 0.3, 0.5, 9.5, 0.9, 1.9, 3.1, 0.4, 0.8, 0.6 그리고 0.7로산출되었고, 마찬가지로 2공구정화토에서크게증류수추출가능한중금속농도가증가하는것으로확인되었다

243 (A) Ca(NO 3 ) 2 추출가능한비소비율 (31 일차 / 초기 ) (B) Ca(NO 3 ) 2 추출가능한카드뮴비율 (31 일차 / 초기 ) Ratio of As concentration (31 days/initial) LUFA 2C 2R 2A 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils Not Calculated (C) Ca(NO 3 ) 2 추출가능한구리비율 (31 일차 / 초기 ) (D) Ca(NO 3 ) 2 추출가능한니켈비율 (31 일차 / 초기 ) Ratio of Cu concentration (31 days/initial) LUFA 2C 2R 2A 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils Ratio of Ni concentration (31 days/initial) LUFA 2C 2R 2A 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils (E) Ca(NO 3 ) 2 추출가능한납비율 (31 일차 / 초기 ) (F) Ca(NO 3 ) 2 추출가능한아연비율 (31 일차 / 초기 ) Ratio of Pb concentration (31 days/initial) LUFA 2C 2R 2A 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils Ratio of Zn concentration (31 days/initial) LUFA 2C 2R 2A 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Soils <Pot test 초기와 31 일차 Ca(NO 3 ) 2 추출가능한중금속결과의비율 >

244 라작물내생물축적도분석토양내존재하는주요중금속의농도를측정하기위하여 Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES, JY Ultirna 2C, Jobin Yvon, France) 를이용하였다. 토양시료 0.1 g을테플론용기에담고, 질산약 6 ml을이용하여 170 에서질산이모두날아갈때까지반응시켰으며 ( 하루밤 ), 같은과정을 2번반복하였다이후산에의해분해된시료를깨끗이증류수에녹인후 에서 3-4 시간동안수분을모두증발시켰다. 이후왕수 ( 염산 / 질산, 3:1, v/v) 을약 3 ml 넣고 200 에서산이모두날아갈때까지반응을시킨다음질산과과염소산을 4:1 (v/v) 비율로섞은용액을 5 ml 넣고 170 에서하루밤동안반응을시켰다. 마지막으로증류수를이용해시료를모아 에서수분을모두증발시켰다. 산에의한분해된토양시료의농도가약 1-5% 가될때까지충분히증류수를추가하여산을날린다음 1% 질산을이용하여 20 ml으로최종부피를맞추었다. 만들어진시료는 ICP-OES를이용하여 Cd, Pb, Zn, As, Cu 그리고 Ni의농도를측정하였다

245 (A) 비소 Bio-accumulated As concentration (mg/kg) (C) 구리 Bio-accumulated Cu concentration (mg/kg) (E) 납 LUFA 2C 3CA 3A3 Soils LUFA 2C 3CA 3A3 Soils (B) 카드뮴 0.25 Bio-accumulated Cd concentration (mg/kg) LUFA 2C 3CA 3A3 Soils (D) 니켈 Bio-accumulated Ni concentration (mg/kg) LUFA 2C 3CA 3A3 Soils (F) 아연 Bio-accumulated Pb concentration (mg/kg) LUFA 2C 3CA 3A3 Soils Bio-accumulated Zn concentration (mg/kg) LUFA 2C 3CA 3A3 Soils <Pot test 종료후 LUFA, 2 공구오염토 (2C), 3 공구오염개량토 (3CA), 그리고 3 공구개량토 -3(3A3) 의작물잎내중금속생물축적도 >

246 (2) 중금속정화토양의최적개량기법제안 ( 가 ) 토양건강성평가기법의단계적프로세스제안 2 공구토양의토양생산성본연구에서는기개발된토양건강성평가기법인 KRISMAS를이용하여 2공구오염토, 정화토, 그리고각개량토에대한토양건강성지수를산출하였다. KRISMAS의단계에따라평가인자별로지표가선정되고분석되었으며, 해당분석결과에따라표준배점체계 (SSF) 를적용하여배점화하였다. 유효인산 (AvP) 는밀, 보리, 참깨, 그리고콩기준의표준배점체계를적용하였으며, 용적밀도 (BD) 는각토양의토성 (texture) 에따라다르게적용하였다. 자세한배점결과는다음표와같다. <2 공구토양생산성지표의배점결과 > Indicator LUFA 2C 2R 2A Aggregate stability AS Available phosphate AvP Available silicate AvS Bulk density BD Cation exchange capacity CEC Enzyme activity CAT EA (CAT) Enzyme activity UA EA (UA) Enzyme activity βga EA (βga) Electric conductivity EC Exchangeable cation-ca ExC (Ca) Exchangeable cation-k ExC (K) Exchangeable cation-mg ExC (Mg) Exchangeable cation-na ExC (Na) Organic matter OM Plant barely P (B) Plant rice P(R) Plant sorghum P (S) Plant wheat P (W) ph ph Soil algal photosynthetic capacity (C. infusionum) SAP (Ci) Soil algal photosynthetic capacity (C. reinhardtii) SAP (Cr) Total Nitrogen TN Total phosphorus TP Water holding capacity WHC

247 배점화된지표값은주요인분석 (PCA) 를통해자료의분산정도를확인하였으며, 가용한주요인인 PC1-3을활용하였다. 각주요인의고유벡터값을이용하여공통성지수를산출하였으며, 전체공통성지수에서각지표의비율을통해가중치를결정하였다. 2공구토양군에서가장높은가중치를보인것은효소활성우레아제 (EA(UA)) 였으며, 그뒤를총질소 (TN), 유기물함량 (OM), 그리고용적밀도 (BD) 순으로높은가중치를가지는것으로나타났다. 토양조류 C. infusionum의광합성능 (SAP(Ci)) 지표가가장낮은가중치를가지는것으로산출되었다. <2 공구토양생산성지표의 PCA 및순위결정결과 > PCA Factor analysis (Weighting and scoring) PCA PC1 PC2 PC3 Eigenvalue Percentage of Variance Cumulative Eigenvector (EV) AS AvP AvS BD CEC EA (CAT) EA (UA) EA (βga) EC ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) ExC (Na) OM P (B) P (R) P (S) P (W) ph SAP (Ci) SAP (Cr) TN TP WHC 공구토양의생산성에대한토양건강성지수는전체지표별배점과가중치곱의합으로산출되었으며, 자세한수치는다음과같다. 대조토양인 LUFA의경우는 0.77, 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토에서는각각 0.66, 0.59, 그리고 0.78로산출되었다

248 <2 공구토양생산성지수산출결과 > Indicators LUFA 2C 2R 2A AS AvP AvS BD CEC EA (CAT) EA (UA) EA (βga) EC ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) ExC (Na) OM P (B) P (R) P (S) P (W) ph SAP (Ci) SAP (Cr) TN TP WHC SHI <2 공구토양생산성지수산출결과 >

249 2 공구토양의토양안정성토양안정성평가인자는세부지표를가지는지렁이 (E) 지표를포함한다. 지렁이지표는다양한종말점으로분석되었으며, 대상토양군에가장민감하게반응하는종말점을결정하기위하여주요인분석 (PCA) 를실시하였다. 그결과, 첫번째주요인인 PC1만이가용한신뢰성을가지는것으로나타났으며, 그중가장높은고유벡터를가지는체강세포활성 (coelomocyte viability) 가대표종말점으로선정되었다. 지렁이의체강세포활성을포함하는토양안정성지표의배점결과는다음과같다. <2 공구토양내지렁이대표종말점결정을위한 PCA 분석결과 > PCA PC1 Eigenvalue Percentage of Variance Cumulative Eigenvector (EV) Abnormality E (A) Burrowing E (B) Coelomocyte viability E (C) Skin irritation E (SI) Survival E (S) <2 공구토양안정성지표의배점결과 > Indicator LUFA 2C 2R 2A Aggregate stability AS Bulk density BD Cation exchange capacity CEC Earthworm coelomocyte viability E (C) Enzyme activity CAT EA (CAT) Enzyme activity UA EA (UA) Enzymeactivity βga EA (βga) Electric conductivity EC Exchangeable cation-ca ExC (Ca) Exchangeable cation-k ExC (K) Exchangeable cation-mg ExC (Mg) Exchangeable cation-na ExC (Na) Organic matter OM ph ph Water holding capacity WHC

250 배점화된지표값은주요인분석 (PCA) 를통해자료의가중치를결정하였다. 2공구토양군에서가장높은가중치를보이는토양안정성지표는치환성양이온마그네슘 (ExC (Mg)) 이였으며, 그뒤를토양효소활성 (EA (βga)), 그리고용적밀도 (BD) 순으로높은가중치를가지는것으로나타났다. 유기물함량 (OM) 지표가토양안정성에서는가장낮은가중치를가지는것으로확인되었다. <2 공구토양안정성지표의 PCA 및순위결정결과 > PCA PCA PC1 PC2 PC3 Factor analysis (Weighting and scoring) Eigenvalue Percentage of Variance Cumulative Eigenvector (EV) AS BD CEC E(C) EA (CAT) EA (UA) EA (βga) EC ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) ExC (Na) OM ph WHC 공구토양의안정성에대한토양건강성지수는전체지표별배점과가중치곱의합으로산출되었으며, 자세한수치는다음과같다. 대조토양인 LUFA의경우는 0.76, 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토에서는각각 0.78, 0.53, 그리고 0.72로산출되었다. 토양건강성지수산출결과에따르면, 2공구정화토의안정성은정화기법이후로크게감소한것으로사료된다

251 <2 공구토양안정성지수산출결과 > Indicators LUFA 2C 2R 2A AS BD CEC E (C) EA (CAT) EA (UA) EA (βga) EC ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) ExC (Na) OM ph WHC SHI <2 공구토양안정성지수산출결과 >

252 2 공구토양의생물다양성생물다양성평가인자도세부지표로지렁이 (E) 지표를포함하며, 토양안정성평가인자와마찬가지로가장높은고유벡터를가지는체강세포활성 (coelomocyte viability) 가대표종말점으로선정되었다. 지렁이의체강세포활성을포함하는생물다양성지표의배점결과는다음과같다. PCA와공통성지수산출을통해결정된가중치는식물밀의생장율 (P(W)) 가가장높았던것에반하여, 식물수수의생장율 (P(S)) 의가중치는가장낮게산출되었다. <2 공구생물다양성지표의배점결과 > Indicator LUFA 2C 2R 2A Earthworm coelomocyte viability E (C) Enzyme activity CAT EA (CAT) Enzyme activity UA EA (UA) Enzyme activity βga EA (βga) Nematode Ne Plant barely P (B) Plant rice P(R) Plant Sorghum P (S) Plant wheat P (W) Soil algal photosynthetic capacity (C. infusionum) SAB (Ci) Soil algal photosynthetic capacity (C. reinhardtii) SAY (Cr) <2 공구생물다양성지표의 PCA 및순위결정결과 > PCA Factor analysis (Weighting and scoring) PCA PC1 PC2 PC3 Eigenvalue Percentage of Variance Cumulative Eigenvector (EV) E (C) EA (CAT) EA (UA) EA (βga) Ne P (B) P(R) P (S) P (W) SAB (Ci) SAY (Cr)

253 2공구토양의생물다양성에대한토양건강성지수는결과는다음과같다. 대조토양인 LUFA의경우는 0.997, 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토에서는각각 0.728, 0.590, 그리고 0.923으로산출되었다. 대조토양에서가장높은생물다양성을보이는것으로사료되며, 오염토에비하여정화토에서생물다양성이감소하는것으로판단된다. 하지만, 다양한토양개량기법을적용한개량토의경우에는 LUFA 수준으로생물다양성이회복되는것으로확인되었다. <2 공구생물다양성지수산출결과 > Indicators LUFA 2C 2R 2A E(C) EA (CAT) EA (UA) EA (βga) Ne P (B) P(R) P (S) P (W) SAB (Ci) SAY (Cr) SHI <2 공구생물다양성지수산출결과 >

254 2 공구토양의토양안전성토양안전성평가인자의지표는오염우려기준 (CCS) 와생태독성 (Eco) 으로크게분류되며, 본연구에서는중금속 6종 (As, Cd, Cu, Ni, Pn, 그리고 Zn) 을세부지표로결정하였다. 오염우려기준은현행토양오염우려기준의 1지역수치를활용하였으며, 생태독성지표는미국환경청 (USEPA) 의 ECOTOX 자료를이용하여중금속별독성자료를활용하였다. 각지표는토양의총중금속농도 (total concentration) 와의비율을통해최종적으로결정되었고, 표준배점체계는 less is better" 개념을통해역치값을 1로결정하여배점하였다. 토양안전성평가인자지표의가중치는상위와동일하게주요인분석과공통성지수산출을통해결정되었다. 전반적으로납 (Pb) 와비소 (As) 에대한오염우려기준과생태독성지표의가중치가높게산출되었으며, 카드뮴 (Cd) 의경우는대상토양에서총농도로검출이되지않았기때문에낮은가중치가적용된것으로보인다. <2 공구토양안전성지표의배점결과 > Indicator LUFA 2C 2R 2A Contamination Concern Standard - Arsenic Contamination Concern Standard - Cadmium Contamination Concern Standard - Cooper Contamination Concern Standard - Nickel Contamination Concern Standard - Lead Contamination Concern Standard - Zinc CCS (As) CCS (Cd) CCS (Cu) CCS (Ni) CCS (Pb) CCS (Zn) Ecotoxicity - Arsenic Eco (As) Ecotoxicity - Cadmium Eco (Cd) Ecotoxicity - Cooper Eco (Cu) Ecotoxicity - Nickel Eco (Ni) Ecotoxicity - Lead Eco (Pb) Ecotoxicity - Zinc Eco (Zn)

255 <2 공구토양안전성지표의 PCA 및순위결정결과 > PCA Factor analysis (Weighting and scoring) PCA PC1 PC2 Eigenvalue Percentage of Variance Cumulative Eigenvector (EV) CCS (As) CCS (Cd) CCS (Cu) CCS (Ni) CCS (Pb) CCS (Zn) Eco (As) Eco (Cd) Eco (Cu) Eco (Ni) Eco (Pb) Eco (Zn) 공구토양의안전성에대한토양건강성지수는결과는다음과같다. 대조토양인 LUFA의경우는 0.933, 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토에서는각각 0.686, 0.668, 그리고 0.745로산출되었다. 대조토양에서가장높은토양안전성을보이는것으로사료되며, 오염토와정화토는토양안전성이유사한것으로나타났다. 하지만, 개량토에서는토양안전성이소폭상승된것으로확인되었다. <2 공구토양안전성지수산출결과 > Indicators LUFA 2C 2R 2A CCS (As) CCS (Cd) CCS (Cu) CCS (Ni) CCS (Pb) CCS (Zn) Eco (As) Eco (Cd) Eco (Cu) Eco (Ni) Eco (Pb) Eco (Zn) SHI

256 <2 공구토양안전성지수산출결과 >

257 3 공구토양의토양생산성 3공구토양군에서 KRISMAS를적용하기위하여표준배점체계를적용한결과는다음과같다. 유효인산 (AvP) 는밀, 보리, 참깨, 그리고콩기준의표준배점체계를적용하였으며, 용적밀도 (BD) 는각토양의토성 (texture) 에따라다르게적용하였다. <3 공구토양생산성지표의배점결과 > Indicator LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Aggregate stability AS Available Phosphate AvP Available Silcate AvS Bulk density BD Cation exchange capacity CEC Enzyme activity CAT EA (CAT) Enzyme activity UA EA (UA) Enzyme activity βga EA (βga) Electric conductivity EC Exchangeable cation-ca ExC (Ca) Exchangeable cation-k ExC (K) Exchangeable cation-mg ExC (Mg) Exchangeable cation-na ExC (Na) Organic matter OM Plant barely P (B) Plant rice P(R) Plant Sorghum P (S) Plant wheat P (W) ph ph Soil algal photosynthetic capacity (C. infusionum) SAP (Ci) Soil algal photosynthetic capacity (C. reinhardtii) SAP (Cr) Total Nitrogen TN Total phosphorus TP Water holding capacity WHC 공구토양군에서토양생산성기능에대하여가장높은가중치를보인지표는치환성양이온칼슘 (ExC (Ca)) 인것으로나타났다. 그뒤로토양조류 C. reinhardtii의광합성능 (SAP (Cr) 지표, 그리고총질소순으로높은것으로확인되었다. 반면, 가장낮은가중치를보인지표는같은토양조류인 C. infusionum의광합성능 (SAP (Ci)) 인것으로나타나종별지표에도차이가발생할수있음이나타났다

258 <3 공구토양생산성지표의 PCA 및순위결정결과 > PCA Factor analysis (Weighting and scoring) PCA PC1 PC2 PC3 PC4 Eigenvalue Percentage of Variance Cumulative Eigenvector (EV) AS AvP AvS BD CEC EA (CAT) EA (UA) EA (βga) EC ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) ExC (Na) OM P (B) P(R) P (S) P (W) ph SAP (Ci) SAP (Cr) TN TP WHC 공구토양군에서토양생산성에대한토양건강성지수를산출한결과는다음과같다. 대조토양인 LUFA에서는 0.774가산출되었으며, 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토 -2, 그리고개량토-3에서는각각 0.483, 0.610, 0.372, 0.487, 0.484, 그리고 0.652로나타났다. 2 공구토양군에서와마찬가지로정화토에서가장낮은토양생산성을보이는가운데, 개량기법을다양하게적용한개량토-3에서높은수준으로토양생산성기능이회복되는추세를보이는것으로사료된다

259 <3 공구토양생산성지수산출결과 > Indicators LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 AS AvP AvS BD CEC EA (CAT) EA (UA) EA (βga) EC ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) ExC (Na) OM P (B) P(R) P (S) P (W) ph SAP (Ci) SAP (Cr) TN TP WHC SHI <3 공구토양생산성지수산출결과 >

260 3 공구토양의토양안정성토양안정성평가인자는세부지표를가지는지렁이 (E) 지표를포함하므로, 지렁이지표에대한 PCA 분석과대표종말점선정단계를수행하였다. 3공구토양군의지렁이지표대표종말점은생존율 (Survival, S) 로결정되었으며, 체강세포활성 (coelomocyte viability) 로선정된 2공구토양군과상이하였다. 3공구토양군의토양안정성지표의배점결과는다음과같다. <3 공구토양내지렁이대표종말점결정을위한 PCA 분석결과 > PCA PC1 Eigenvalue Percentage of Variance Cumulative Eigenvector (EV) Abnormality E (A) Burrowing E (B) Coelomocyte viability E (C) Skin irritation E (SI) Survival E (S) <3공구토양안정성지표의배점결과 > Indicator LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Aggregate stability AS Bulk density BD Cation exchange capacity CEC Earthworm survival E (S) Enzyme activity CAT EA (CAT) Enzyme activity UA EA (UA) Enzymeactivity βga EA (βga) Electric conductivity EC Exchangeable cation-ca ExC (Ca) Exchangeable cation-k ExC (K) Exchangeable cation-mg ExC (Mg) Exchangeable cation-na ExC (Na) Organic matter OM ph ph Water holding capacity WHC

261 3공구토양안정성지표의가중치산출결과치환성양이온칼슘 (ExC (Ca)) 이가장높았으며, 그뒤로 ph, 지렁이 (E), 그리고치환성양이온칼륨 (ExC (K)) 순인것으로확인되었다. 가장낮은가중치로산출된지표는양이온치환능 (CEC) 인것으로확인되었다. <3 공구토양안정성지표의 PCA 및순위결정결과 > PCA Factor analysis (Weighting and scoring) PCA PC1 PC2 PC3 PC4 Eigenvalue Percentage of Variance Cumulative Eigenvector (EV) AS BD CEC E (S) EA (CAT) EA (UA) EA (βga) EC ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) ExC (Na) OM ph WHC 공구토양군에서토양안정성에대한토양건강성지수를산출한결과는다음과같다. 대조토양인 LUFA에서는 0.801이산출되었으며, 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토 -2, 그리고개량토-3에서는각각 0.495, 0.564, 0.368, 0.500, 0.465, 그리고 0.658로나타났다. 전반적으로 3공구토양군은토양안정성이낮은것으로확인되었으나, 전기전도도저감, 토성개량, 그리고비료시비를통해토양의물리적, 화학적그리고생물학적안정성이높아지는것으로사료된다

262 <3 공구토양안정성지수산출결과 > Indicators LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 AS BD CEC E (S) EA (CAT) EA (UA) EA (βga) EC ExC (Ca) ExC (K) ExC (Mg) ExC (Na) OM ph WHC SHI <3 공구토양안정성지수산출결과 >

263 3 공구토양의생물다양성 3공구생물다양성지표에대한배점결과는다음표와같다. 산출된배점결과를이용하여가중치를결정할경우, 카탈라아제효소활성 (EA (CAT)) 과토양선충 (Ne) 이가장높은가중치를보이는것으로나타났으며, 가장낮은가중치는식물수수의생장율 (P (S)) 지표인것으로확인되었다. <3 공구생물다양성지표의배점결과 > Indicator LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Earthworm survival E (S) Enzyme activity CAT EA (CAT) Enzyme activity UA EA (UA) Enzyme activity βga EA (βga) Nematode Ne Plant barely P (B) Plant rice P(R) Plant Sorghum P (S) Plant wheat P (W) Soil algal photosynthetic capacity SAB (Ci) (C. infusionum) 1.0 Soil algal photosynthetic capacity SAY (Cr) (C. reinhardtii) 1.0 <3 공구생물다양성지표의 PCA 및순위결정결과 > PCA Factor analysis (Weighting and scoring) PCA PC1 PC2 PC3 Eigenvalue Percentage of Variance Cumulative Eigenvector (EV) E (S) EA (CAT) EA (UA) EA (βga) Ne P (B) P(R) P (S) P (W) SAB (Ci) SAY (Cr)

264 3공구토양군에서생물다양성에대한토양건강성지수를산출한결과는다음과같다. 대조토양인 LUFA에서는 0.996이산출되었으며, 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토 -2, 그리고개량토-3에서는각각 0.290, 0.645, 0.281, 0.496, 0.361, 그리고 0.707로나타났다. 다른평가인자와마찬가지로토양개량기법적용에따라토양의기능이크게회복되는추세를보이는것으로나타났다. <3 공구생물다양성지수산출결과 > Indicators LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 E(S) EA (CAT) EA (UA) EA (βga) Ne P (B) P(R) P (S) P (W) SAB (Ci) SAY (Cr) SHI <3 공구생물다양성지수산출결과 >

265 3 공구토양의토양안전성토양안전성평가인자의지표는오염우려기준 (CCS) 와생태독성 (Eco) 으로크게분류되며, 본연구에서는중금속 6종 (As, Cd, Cu, Ni, Pn, 그리고 Zn) 을세부지표로결정하였다. 오염우려기준은현행토양오염우려기준의 1지역수치를활용하였으며, 생태독성지표는미국환경청 (USEPA) 의 ECOTOX 자료를이용하여중금속별독성자료를활용하였다. 각지표는토양의총중금속농도 (total concentration) 와의비율을통해최종적으로결정되었고, 표준배점체계는 less is better" 개념을통해역치값을 1로결정하여배점하였다. 3공구토양군의토양안전성지표가중치는전반적으로오염우려기준지표 (CCS) 에서높은수준을보이는것으로나타났다. 가장높은가중치를보이는것으로오염우려기준비소 (CCS (As)) 였으며, 그뒤로카드뮴, 구리, 니켈, 납, 그리고아연순인것으로나타났다. 생태독성 (Eco) 지표는상대적으로가중치가높지않게산출되었으며, 생태독성납 (Eco (Pb)) 과비소 (Eco (As)) 는가중치가산출되지않았다. <3 공구토양안전성지표의배점결과 > Indicator LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 Contamination Concern Standard - Arsenic Contamination Concern Standard - Cadmium Contamination Concern Standard - Cooper Contamination Concern Standard - Nickel Contamination Concern Standard - Lead Contamination Concern Standard - Zinc CCS (As) CCS (Cd) CCS (Cu) CCS (Ni) CCS (Pb) CCS (Zn) Ecotoxicity - Arsenic Eco (As) Ecotoxicity - Cadmium Eco (Cd) Ecotoxicity - Cooper Eco (Cu) Ecotoxicity - Nickel Eco (Ni) Ecotoxicity - Lead Eco (Pb) Ecotoxicity - Zinc Eco (Zn)

266 <3 공구토양안전성지표의 PCA 및순위결정결과 > PCA Factor analysis (Weighting and scoring) PCA PC1 PC2 Eigenvalue Percentage of Variance Cumulative Eigenvector (EV) CCS (As) CCS (Cd) CCS (Cu) CCS (Ni) CCS (Pb) CCS (Zn) Eco (As) Eco (Cd) Eco (Cu) Eco (Ni) Eco (Pb) Eco (Zn) 공구토양의안전성에대한토양건강성지수는결과는다음과같다. 대조토양인 LUFA의경우는 0.931, 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토-3에서는각각 0.682, 0.671, 0.849, 0.857, 0.869, 그리고 0.826로산출되었다. 3공구토양군은정화기법에의해토양안전성이회복된것으로보이며, 이후개량처리에도토양안전성의변화는없는것으로확인되었다. <3 공구토양안전성지수산출결과 > Indicators LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 CCS (As) CCS (Cd) CCS (Cu) CCS (Ni) CCS (Pb) CCS (Zn) Eco (As) Eco (Cd) Eco (Cu) Eco (Ni) Eco (Pb) Eco (Zn) SHI

267 <3 공구토양안전성지수산출결과 >

268 ( 나 ) 최종토양건강성지수 (final SHI) 산출및적합복원수준제시 2 공구토양의최종토양건강성지수산출 2공구토양군의각평가인자별토양건강성지수 (SHI) 는다음과같다. 본연구에서제시한경계수치를적용할경우, 2공구오염토에서의높은비소농도 (35.3 mg/kg) 로인해토양안전성지수는활용할수없는것으로나타났다. <2 공구토양의각평가인자별토양건강성지수 (SHI)> 평가인자 LUFA 2C 2R 2A 토양생산성 (SP) 토양안정성 (SS) 생물다양성 (Bd) 토양안전성 (Sa) 토양안전성평가인자의경계수치 (Critical value, CV) 초과 : 토양오염우려기준 (1지역), 비소 (As), > 25 mg/kg 농업지역일경우 LUFA, 2공구오염토, 정화토, 그리고개량토의최종토양건강성지수가 1.703, 0.66, 1.258, 그리고 1.525로산출되며, 각각매우좋음, 매우나쁨, 보통, 그리고좋음으로평가될수있다. 국립공원의경우 LUFA의최종토양건강성지수는 1.93으로매우좋음으로평가될수있으며 2공구오염토의경우 0.728로매우나쁨으로평가될수있다. 2공구정화토, 개량토의지수는 1.258, 1.668로각각보통, 좋음으로평가될수있다. 주거지역및상업 / 공업지역에서 LUFA의최종토양건강성지수는 1.689로좋음으로평가될수있으며, 2공구오염토, 정화토, 개량토의경우 0.784, 1.202, 1.463으로각각매우나쁨, 보통, 좋음으로평가될수있다. <2 공구토지이용도별최종토양건강성지수 (SHI)> 농업지역 토양 토양생산성 (SP) 토양안전성 (Sa) 최종토양건강성지수 LUFA 매우좋음 2C 매우나쁨 2R 보통 2A 좋음 국립공원 토양 생물다양성 (Bd) 토양안전성 (Sa) 최종토양건강성지수 LUFA 매우좋음 2C 매우나쁨 2R 보통 2A 좋음 주거지역, 상업 / 공업지역 (1지역기준토양안전성지수적용 ) 토양 토양안정성 (SS) 토양안전성 (Sa) 최종토양건강성지수 LUFA 좋음 2C 매우나쁨 2R 보통 2A 좋음

269 3 공구토양의최종토양건강성지수산출 3공구토양군의각평가인자별토양건강성지수 (SHI) 는다음과같다. 본연구에서제시한경계수치를적용할경우, 3공구오염토, 정화토, 그리고개량토-2에서높은전기전도도 (> 4 ds/m) 을나타냈으며, 3공구오염토와오염개량토에서높은비소농도 (> 25 mg/kg) 을나타내는것으로확인되어, 토양건강성지수로써활용할수없는것으로나타났다. <3 공구토양의각평가인자별토양건강성지수 (SHI)> 평가인자 LUFA 3C 3CA 3R 3A1 3A2 3A3 토양생산성 (SP) 토양안정성 (SS) 생물다양성 (Bd) 토양안전성 (Sa) 토양생산성평가인자의경계수치 (Critical value, CV) 초과 : 전기전도도, > 4 ds/m 토양안전성평가인자의경계수치 (Critical value, CV) 초과 : 토양오염우려기준 (1 지역 ), 비소 (As), > 25 mg/kg 3공구토양을대상으로농업지역을평가할경우 LUFA의최종토양건강성지수는 1.705로매우좋음으로평가될수있으며 3공구오염토와 3공구오염개량토의경우 0, 0610으로두토양모두매우나쁨으로평가될수있다. 3공구정화토의경우 0.849로나쁨으로평가될수있고, 3 공구개량토-1, 2, 3의경우각각 1.344, 0.869, 1.478로보통, 나쁨, 좋음으로평가될수있다. 국립공원의경우 LUFA, 3공구오염토, 3공구오염개량토의최종토양건강성지수는 1.927, 0.290, 0.645로각각매우좋음, 매우나쁨, 매우나쁨으로평가될수있고 3공구정화토의경우 1.13으로보통으로평가될수있다. 3공구개량토-1, 2, 3의경우 1.353, 1.23, 1.533의수치로보통, 보통, 좋음으로각각평가될수있다. 주거지역, 상업 / 공업지역을평가할경우 LUFA의최종토양건강성지수는 1.732로매우좋음으로평가될수있고, 3공구오염토와오염개량토는각각 0.495, 0.564의수치로두토양모두매우나쁨으로평가될수있다. 3공구정화토와 3공구개량토-1, 2의경우최종토양건강성지수가각각 1.217, 1.357, 1.334로산출되어세토양모두보통으로평가될수있고, 3공구개량토-3의경우 1.484로산출되어좋음으로평가될수있다

270 <3 공구토지이용도별최종토양건강성지수 (SHI)> 농업지역토양토양생산성 (SP) 토양안전성 (Sa) 최종토양건강성지수 LUFA 매우좋음 3C 매우나쁨 3CA 매우나쁨 3R 나쁨 3A 보통 3A 나쁨 3A 좋음국립공원토양생물다양성 (Bd) 토양안전성 (Sa) 최종토양건강성지수 LUFA 매우좋음 3C 매우나쁨 3CA 매우나쁨 3R 보통 3A 보통 3A 보통 3A 좋음주거지역, 상업 / 공업지역 (1지역기준토양안전성지수적용 ) 토양토양안정성 (SS) 토양안전성 (Sa) 최종토양건강성지수 LUFA 매우좋음 3C 매우나쁨 3CA 매우나쁨 3R 보통 3A 보통 3A 보통 3A 좋음

271 최종토양건강성지수와 pot test 결과비교분석을통한복원기준 ( 안 ) 마련본연구에서는중금속오염정화토의복원기준으로마련하기위하여토양건강성평가기법을개발하였으며, 이에대한적합성을판단하기위하여 pot test를통한작물생산성을평가하였다. Pot test 결과, 대조토양인 LUFA에서는정상적인작물의발달단계가관찰되었으며, 이는최종토양건강성지수산출결과 ( 농업지역 : ) 와적절하게부합되는것으로판단된다. 2공구오염토, 정화토, 개량토, 3공구오염토, 오염개량토, 정화토, 개량토-1, 개량토-2, 그리고개량토 -3에서농업지역의토양건강성지수는각각매우나쁨, 보통, 좋음, 매우나쁨, 매우나쁨, 나쁨, 보통, 나쁨, 그리고좋음으로평가되었다. 2공구오염토는매우나쁨으로평가되었으나실제 pot test 후발달단계는상대적으로높은수준이었으며, 2공구개량토는좋음으로평가되었으나상대적으로낮은발달단계를보이는것으로나타났다. 또한, 3공구오염개량토도상대적으로높은발달단계를보이는것으로확인되었다. < 농업지역최종토양건강성지수와 pot test 결과비교 > 토양 최종토양건강성지수 Pot test 후최대발달단계 LUFA 1.71 매우좋음 V11 2C 0.66 매우나쁨 V9 2R 1.26 보통 V2 2A 1.56 좋음 V1 3C 0 매우나쁨 VE 3CA 0.61 매우나쁨 V7 3R 0.85 나쁨 V2 3A 보통 V2 3A 나쁨 V1 3A 좋음 V10 대상오염토군에서의 매우나쁨 수준의토양건강성은대부분오염우려기준지표의경계수치때문인것으로사료되며, 이는현행토양오염우려기준을활용하므로정책적으로활용할수없는토양으로판단된다. 실제로작물의중금속생물축적도를비교했을경우, 2공구오염토와 3공구오염개량토에서카드뮴, 구리, 그리고니켈등에서대조군과비교하여높은축적양상을보이는것으로확인되었다. 토양안전성평가인자는앞으로추가연구가필요할것으로판단된다. 이외의최종토양건강성지수와작물발달단계를비교했을경우, 대부분 좋음 이상의토양건강성평가에서높은발달단계를보이는것으로나타났다. 따라서중금속오염정화토의재상용을위한복원기준은최종토양건강성지수 ( ) 이상으로제안하고자한다

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273 3-3. 연구개발결과요약 본연구결과는다음과같이요약할수있다. 본연구에서는중금속오염정화토의건강성을평가하기위하여, 국내형토양건강성평가기법인 KRISMAS (KoRean soil-health assessment and MAnagement System) 을제안하였으며, 토양건강성평가체계는총 7 단계로분류 : 1) 토양건강성평가인자별지표분류, 2) 지표분석, 3) 지표배점, 4) 지표순위및가중치결정, 5) 평가인자별토양건강성지수 (Soil Health Index, SHI) 산출, 6) 경계수치적용, 그리고 7) 최종토양건강성지수 (Final SHI) 산출 토양의기능을평가하기위한평가인자는토양생산성 (Soil Productivity, SP), 토양안정성 (Soil Stability, SS), 생물다양성 (Bio-diversity, Bd), 그리고토양안전성 (Soil safety, Sa) 으로설정하였으며, 해당평가인자별지표를분석하고처리하여토양건강성지수 (Soil Health Index, SHI) 를산출 유전자데이터베이스검색을통해대장균 (E. coil DH5α) 에존재하는금속유도유전자 (metal inducible gene,) 를개체에삽입하여중금속정량 whole-cell 바이오리포터 (bio-reporter) 를개발. 바이오리포터는대상중금속에적합한민감도를보였으며, 중금속오염토및정화토에적용한결과정화토에서의생물이용가능한중금속농도의비율이정화전과유사하거나더높은수준인것으로확인함. 토양건강성평가기법의적합성을판단하기위한현장실증연구수행하였으며, 오염토, 정화토, 그리고개량토를포함한논과밭부지를조성하고벼, 들깨, 콩, 배추를정식하여작물의생장율과생산성을평가. 논의경우정화토에서가장높은생장율과수확율을보였으며, 오염토와개량토에서는유의한차이가없는것으로나타남. 밭의경우도정화토에서가장높은생장율과수확율을보였으나, 개량토에서는모든작물이고사하는현상이발생. 현장실증토양을이용한토양건강성평가기법을적용한결과, 밭개량토에서토양생산성의경계수치 ( 전기전도도 ) 를초과하는수치가발생하여토양건강성지수를산출할수없는토양인것으로확인. 정화토의토양건강성평가기법을활용한복원기준설정기법 ( 안 ) 제시하기위하여, 중금속오염정화토 (2공구: H 2 SO 4 /H 3 PO 4 토양세척기법, 3공구 : NaOH-Na 2 CO 3 alkali reduction) 를대상으로토성개량, 전기전도도저감, 비료시비등의개량기법을적용하였으며, 각개량기법에따른작물의생장율을평가. 평가결과, 2공구와 3공구정화토모두작물이생장하기에적합하지않는것으로나타났으며, 토성개량, 전기전도도저감, 비료시비등의개량기법을사용할경우작물의생장율, 발달단계, 그리고광합성능을복원할수있는것으로확인. 토양건강성평가기법적용을통해토양복원기준이될수있는적합토양건강성지수 ( ) 제시

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275 4. 목표달성도및관련분야기여도 4-1. 목표달성도 가. 평가의착안점및기준 본연구의계획서상각연구개발내용에대한평가의착안점및기준은다음과같다. 구분세부내용평가의착안점및기준 1.1 국내 외토양건강성평가기법조사및지표우선순위선정 (Indicator Ranking and 기법조사의타당성및비교분석, 국내 Scoring; IRS) 기법을이용한토양건강성적용성검토 학술논문평가인자 / 알고리즘도출 1차년도 토양건강성평가를위한생물학적지표 1.2 토양오염물질별민감종및유전자발굴개발및가능성평가 바이오리포터 학술대회발표, 학술논문 1.3. 정화토재사용을위한국내 외복원방법및기준안조사 복원기준설정기법 ( 안 ) 기반연구 2.1 국내토양환경에적합한토양건강성평가기법 ( 안 ) 개발 토양건강성평가기법 ( 안 ) 제안 현장정화토분석및최적지표선정 2.2 토양건강성평가기법현장적용 토양건강성평가기법현장적용성평가 2차년도 시범평가 학술대회발표, 학술논문 3 차년도 2.3 중금속오염정화부지대상복원기준적용성평가 3.1 토양건강성평가기법의조율 3.2 중금속정화토양의최적개량기법제안 3.2 중금속오염정화토이용및복원기준제시 < 평가의착안점및기준 > 지표평가결과에따른평가인자적용성평가및공공활용성확인 학술대회발표, 학술논문 현장토양을이용한토양건강성평가 기법체계조율및수정 학술논문 중금속정화토양의최적개량기법제안 토양건강성과연계한복원평가 학술논문 토양건강성평가기법의단계적프로세스제안및적합복원수준제시 복원기준 ( 안 ) 제시

276 나. 연도별연구개발목표의달성도 본연구의연도별연구개발목표달성도는다음과같다. 연차 연도별연구개발목표 연구개발수행내용 달성도 (%) 비고 1.1 국내 외토양건강성평가기법 조사및지표우선순위선정 기법조사의타당성및비교분석, 국 연구결과산출 (Indicator Ranking and Scoring; 내적용성검토 100 % 국내학술논문 IRS) 기법을이용한토양건강성 학술논문 SCI 게재 평가인자 / 알고리즘도출 1 차년도 2 차년도 3 차년도 1.2 토양오염물질별민감종및유전자발굴 1.3. 정화토재사용을위한국내 외복원방법및기준안조사 2.1 국내토양환경에적합한토양건강성평가기법 ( 안 ) 개발 2.2 토양건강성평가기법현장적용 2.3 중금속오염정화부지대상복원기준적용성평가 3.1 토양건강성평가기법의조율 3.2 중금속정화토양의최적개량기법제안 3.2 중금속오염정화토이용및복원기준제시 < 연도별연구개발목표달성도 > 토양건강성평가를위한생물학적지표개발및가능성평가 바이오리포터 학술대회발표, 학술논문 100 % 연구결과산출국내외학술대회발표국내학술논문 SCI 게재 복원기준설정기법 ( 안 ) 기반연구 100 % 연구결과산출 토양건강성평가기법 ( 안 ) 제안 100 % 현장정화토분석및최적지표선정 토양건강성평가기법현장적용성평가 시범평가 학술대회발표, 학술논문 지표평가결과에따른평가인자적용성평가및공공활용성확인 학술대회발표, 학술논문 현장토양을이용한토양건강성평가 기법체계조율및수정 학술논문 중금속정화토양의최적개량기법제안 토양건강성과연계한복원평가 학술논문 토양건강성평가기법의단계적프로세스제안및적합복원수준제시 복원기준 ( 안 ) 제시 100 % 100 % 100 % 100 % 연구결과산출국내출원연구결과산출국내출원국내외학술대회발표국내학술논문 SCI 게재연구결과산출국내외학술대회발표국내학술논문 SCI 게재연구결과산출국내출원 SCI 게재 연구결과산출 SCI 게재 100 % 연구결과산출 본연구에서는연구개발을수행하면서, 당초 SCI 및국내학술논문을포함한학술지게재논문, 국내외학술발표, 관련특허출원을계획하여계획한목표치를달성하였다. 국내외토양생태계건강성평가기법, 토양생태위해성평가를위한국내서식토양독성시험종, 생태독성평가를위한토양추출액추출기법동향조사를통하여국내학술논문을발표하였으며, 국내토양생태계건강성평가에적합한지표분석관련특허출원및 SCI급논문을게재하였다. 국내형토양건강성평가기법개발을위하여수행된기반연구인국내 외토양건강성평가기법및지표우선순위선정기법을이용한토양건강성평가인자 / 알고리즘은본보고서에자세히기술되어있다. 또한, 제안된국내형토양건강성평가기법의적합성을확인하기위한시범평가, 중금속오염정화부지대상적용성평가, 정화토양의최적개량기법및복원기준결과도본보고서에자세히기술되어있으며, 적합한연구수준을도출하였다

277 4-2. 관련분야기여도 가. 기술적측면 본연구에서는토양생태계건강성평가기법및지표우선순위선정기법을바탕으로토양건강성평가인자 / 알고리즘을도출하여국내토양환경특성을고려한국내형토양건강성평가를통하여신뢰도를확보하였다. 이는향후연구에서기술적으로활용가능한형태이며, 발전방안모색에큰기여도가발생되었다. 나. 환경적측면 국내토양환경특성을고려한국내형토양생태계건강성평가기법의마련을통하여국내서식토양생물종보호및더나아가인체건강성향상도모가가능하며, 환경관리및보호기반을마련하였다. 다. 경제산업적측면 국내토양서식종을이용한건강성평가기법마련을통해국외시험종수입에따른외화절감효과를기대할수있으며, 국내토양생태계보호를위한기반기술구축및수용체기반의위해성평가를통한정화비용절감이발생가능하다. 라. 일자리창출측면 토양건강성평가가가능한전문인력 ( 석 박사 ) 을양성하였다. 마. 정책활용측면 환경부의 토양보전기본계획 에서는먹이망을통해인체에미칠영향을고려하여국내형생태위해성평가기법마련을위해생태독성 DB구축을계획하고있으므로, 본연구에서생산된자료는생태위해성평가 DB구축에활용될수있다. 또한오염부지정화시인체및생태위해성평가반영을계획하고있으나현토양위해성평가지침에는생태위해성평가가부재되어있으므로생태위해성평가지침마련시기초자료로활용할수있다. 본연구에서 (1) 토양생태계건강성평가방안, (2) 중금속정화토양의최적개량기법방안, (3) 중금속오염정화토의복원기준마련등생산된결과물은향후토양관리및환경정책에기반자료로활용할수있다

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279 5. 연구결과의활용계획 토양관리체계기반마련 : 본연구를통해중금속오염정화토대상건강성지표선정및토양건강성평가기법개발이되었고향후복원기준설정기법마련을위한기반연구로활용가능성있으므로, 국내토양환경보호를위한합리적인토양관리체계마련에기여. 환경적측면기대효과 : 토양기능회복평가를통한토양재활용가능성사전평가가가능해지므로인체및생태계보호를위한정화토양의복원기준설정에활용가능. 지속가능한토양관리체계구축에기여. 기술적측면기대효과 : 중금속오염정화토대상건강성지표선정및국내토양건강성평가인자지표개발, 토양건강성평가를위한생물학적지표및분자생물학적기술발굴, 토양건강성평가기법및복원기준 ( 안 ) 제시를통해체계적기법마련에기여. 경제적, 산업적측면기대효과 : Indicator Ranking and Scoring (IRS) 기법을통해제안된우선순위지표를활용하여합리적인지표모니터링에따른시간및비용절감효과기대. 정화토대상토양재활용가능성사전평가를통해시행착오감소에따른토양신뢰성향상및비용절감효과기대. 정화토양의합리적인재이용여부결정을통한지속가능한토양사용. 인력양성기대효과 : 토양건강성평가관련생물종생산 유지 관리인력, bioassay 수행인력, bioreporter 평가인력및전반적정화토 복원토건강성평가전문인력생산. 추가연구의필요성 : 토양건강성평가관련생물종생산 유지 관리인력, bioassay 수행인력, bioreporter 평가인력및전반적정화토 복원토건강성평가전문인력생산

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281 6. 연구과정에서수집한해외과학기술정보 관련연구자정보기관 ( 나라 ) 논문제목발표년도 J. D. Glover Washington State University ( 미국 ) Systematic method for rating soil quality of conventional, organic, and integrated apple orchards in Washington state 2000 Designing a soil quality assessment tool for sustainable agroecosystem management 2001 Susan S. Andrews USDA-ARS ( 미국 ) A comparison of soil quality indexing methods for vegetable production systems in Northern California On-farm assessment of soil quality in California's Central Valle The soil management assessment framework: A quantitative soil quality evaluation method Douglas L. Karlen USDA-ARS ( 미국 ) Soil quality: why and how? 2003 Sina M. Adl Dalhousie University ( 캐나다 ) Slow recovery of soil biodiveristy in sandy loam soils of Georgia after 25 years of no-tillage management 2006 Bram Govaerts Katholieke Univrsiteit Leuven ( 벨기에 ) CIMMYT Wheat Program ( 미국 ) A minimum data set for soil quality assessment of wheat and maize cropping in the highlands of Mexico 2006 Seyed Ata Rezaei Research Institute of Forest and Rangelands ( 이란 ) A minimum data set for assessing soil quality in rangelands 2006 M.K. Shukla The Ohio State University ( 미국 ) Determining soil quality indicators by factor analysis 2006 F. Bastida Campus Universitario de Espinardo ( 스페인 ) Past, present and future of soil quality indices: A biological perspective 2008 Uttam Kumar Mandal Central Research Institute for Dryland Agriculture ( 인도 ) Evaluating impact of irrigation water quality on a calcareous clay soil using principal component analysis 2008 Yanbing Qi Chinese Academy of Sciences ( 중국 ) Evaluating soil quality indices in an agricultural region of Jiangsu Province, China 2009 B.J. Wienhold USDA-ARS ( 미국 ) Protocol for indicator scoring in the soil management assessment framework (SMAF) 2009 Ping Li Nanjing University of Information Science and Technology ( 중국 ) Development of biological soil quality indicator system for subtropical China 2013 Yevheniya Volchko Chalmers University of Technology ( 스웨덴 ) SF Box-A tool for evaluating the effects on soil functions in remediation projects A minimum data set for evaluating the ecological soil functions in remediation projects Zhanjun Liu Chinese Academy of Agricultural Sciences ( 중국 ) Soil quality assessment of Albic soils with different productivities for eastern China

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283 7. 연구개발결과의보안등급 해당없음

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285 8. 국가과학기술종합정보시스템 (NTIS) 에등록한연구시설 장비현황 해당없음

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287 9. 연구개발과제수행에따른연구실등의안전조치이행실적 9-1. 연구실안전점검및정밀안전진단실시 학교에서는실험실환경안전점검을실시하고있으며, 안전점검실시결과실험실의재해예방과안전성확보등을위하여필요하다고인정되는경우에는전문기관에의뢰하여정밀안전진단을실시한다. 한편, 실험실환경안전관리점검표를매주작성하여매달학교에제출하고있다. 작성사항과그내용은아래표와같으며, 한편소방및가스는불시점검이수행되고있다. < 환경안전관리점검표작성사항 > 작성사항실험실일반현황실험실사용자항목별점검사항 내용 대학 / 기관명, 건물명, 실험실명 / 호수, 실험실분류, 안전관리책임 / 점검자, 전화번호구분 ( 연구원 / 대학원생등 ), 근무연수, 안전교육수료여부소방, 전기, 개인안전장비, 화학약품, 실험폐액, 가스, 미생물실험, 동물실험, 기계설비, 기타 ( 실험실정리정돈상태, 사고사례등 ) 항목에서의결과및해당사항체크 9-2. 실험실인원교육훈련, 건강검진 연구실안전환경조성에관한법령제 18조, 동법시행령제 17조및동법실행규칙제 9조실험실안전관리규정제 16조 ( 안전교육 ), 제 17조 ( 안전교육의관리 ) 에근거하여실험실을출입하는모든이용자 ( 교수, 대학원생, 실험조교, 전문직원, 소속연구원, 실험참여학부생및업체직원등 ) 을대상으로. 출입하는실험실의위험등급 (A,B,C등급) 및전공특성에따라안전교육을받아야하며, 1년에 8시간이상교육이수가필수이며, 수료인정기간은수료증의수료인정기간까지로유효기간이지나면재교육을이수하도록되어있다. 안전교육과정은전공특성에따라 A,B,C 코스로구분하여교육을실시한다 (A코스 : 생물 방사선취급, B코스 : 화학 가스취급, C코스 : 전기 기계취급 ). 본대학에서는연구환경안전망사이트 ( 를운영하고있고, 온라인시스템 ( 안전교육절차 : 교육대상자확인 ( 로그인 )-> 안전교육수강-> 평가문제풀이-> 수료증출력 ) 에서안전교육을받고수료인증을발급하고있다. 안전교육절차는아래도표와같다. 또한 A등급실험실인원을대상으로오프라인교육이별도로실시되고있으므로, 해당연구실에서실험하는모든인원은온라인, 오프라인교육을수료하도록되어있다. 한편대학차원의지원으로실험자검진을실시하고있으며검사항목으로는혈액, 소변, 문진, 치아, 신장, 체중, 호흡기검사및흉부 X-ray 촬영이포함되어있다

288 < 안전교육절차 > 9-3. 보험현황 학교에서제공되는보험현황은다음과같다 : 보험회사명및보험기간 : 교육시설재난공제회, 시 ~ 시 (366일), 공제가입금액 : 사망 / 후유장해 (1급시) : 100,000,000 원, 상해 : 10,000,000원l 총공제료 : 53,391,000원화재보험관련해서는대학의기본적보험과는별도로연구제안자의실험실은수년전부터별도의화재보험 ( 보험회사명 : 메리츠화재보험 ) 에가입되어있으며, 매년추가되는연구장비등을포함하여보험을갱신하고있다 안전관리추진계획 각실험단과대학별안전관리실무위원회구성및운영, 교내전체건물소방시설통합관리체계 (FMS) 구성, 실험실내부점검실시후실험등급지정표찰부착, 건물별복도및비상계단통로확보와불법사무실철거