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지효 풍
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1 J. Korean Soc. Environ. Eng., 38(12), 641~646, 2016 Original Paper ISSN , e-issn 토양측정망확대지점의토양유기물함량연구 Analysis of the Organic Matter Content for Soil Samples Taken at the New Points of Korea Soil Quality Monitoring Network 이소진 김진주 정승우 Sojin Lee Jinjoo Kim Seung-Woo Jeong 군산대학교환경공학과 Department of Environmental Engineering, Kunsan National University (Received September 5, 2016; Revised December 5, 2016; Accepted December 9, 2016) Abstract : Soil organic matter (SOM) is an important soil component releasing nutrients to the plants and reducing risks of soil contamination to the human and ecosystem. Much attention has been recently paid to SOM investigation and management because SOM holds the most of carbon in the earth and sequestrate carbon as a sink tank. The first objective of the study was to investigate SOM of 495 soil samples taken at the Korea Soil Quality Monitoring Network. Soil samples were collected from 16 regions and 8 land use types. The second objective of the study was to find a relationship between the Tyurin method and loss-on-ignition (LOI) method for SOM. The means of SOM by Tyurin and LOI methods were 1.90 and 2.92 % (w/w), respectively. Land uses such as forest, religious area and park where organic matters continuously supply to normally showed higher SOMs than residential and school areas having sandy soils. A regression equation of the relationship between Tyurin and LOI methods was y(tyurin) = x(LOI) (P-value < 0.001). The coefficient of determination was R 2 = 0.749, relatively linearly related. Although LOI may result in higher SOMs than the Tyurin method, LOI may be a preference for the SOM investigation if various kinds of land uses and many soil samples should be measured. Key Words : Soil Organic Matter, Tyurin Method, Loss-on-ignition, Land Use 요약 : 토양유기물은농작물에영양분을공급하는중요한토양구성분이며오염물질의이동을감소시켜인체및생태에미치는영향을완충하는역활을한다. 최근지구온난화를야기하는온실기체의싱크탱크역활이부각되면서토양유기물에대한조사및관리방안에대한관심이고조되고있다. 본연구의목적은첫째, 환경부토양측정망 495 개지점에서채취한토양의유기물함량을측정하여지역별, 토지용도별토양유기물함량을파악하고자하였고둘째, 토양유기물함량측정방법인 Tyurin 산화법과강열감량법 (LOI) 의상관관계를조사하였다. Tyurin 법과강열감량법으로토양유기물함량을조사한결과평균은각각 1.90%, 2.92% 로나타났다. 토지용도별유기물함량순서는 Tyurin 법및강열감량법모두유사하였다. 여전히자연환경요소가많이남아있거나토양으로유기물유입이지속적으로일어나는임야, 종교용지, 공원은비교적높은유기물함량을보이나, 유기물유입이상대적으로적은대지와대부분사질토양으로구성된학교용지는낮은유기물함량을보였다. Tyurin 법과강열감량법간회귀분석결과 y(tyurin) = x(LOI) (P-value < 0.001) 와같은회귀식이얻어졌고결정계수 R 2 =0.749 로나타나상관성이높았다. Tyurin 법과강열감량법을비교한결과강열감량법의결과치가 Tyurin 법에비해크게측정되지만 Tyurin 법과상관관계가성립되는바여러토지용도에서많은양의토양시료를측정해야하는목적에서는강열감량법적용도가능할것으로판단된다. 주제어 : 토양유기물, Tyurin 법, 강열감량법, 토지용도 1. 서론 최근토양유기물에대한연구와관심들이늘어가고있다. 토양유기물은토양의최적양분관리에있어가장중요한요인으로토양의생산성을결정하는지표이기때문이다. 토양속유기물은보편적으로식물성장에필요한질소, 인, 황같은여러영양물질들을제공해준다. 토양유기물함량이 1% 증가시토양의양이온교환능 (CEC) 이약 2.3 meq/100 g 증가되는것으로알려져있으며, 1) 유기물은토양내공극을확보하여통기성과수분보유능력도증진시켜토양의물리성을또한개선시킨다. 2) 토양유기물은오염물질의이동과확산에도영향을미치 며궁극적으로토양오염물질이사람및생태계에미치는위해영향을완충해주는역할을한다. 오염물질이토양오염을야기하여생태와인간에게위해를미치게되는데, 토양유기물은오염물질이이동하지못하도록직접흡착하거나토양미생물에게서식지를제공하여토양미생물이오염물질을생분해하므로위해를저감시키는완충기능을담당한다. 3) 토양오염물질이인체및생태에미치는영향을정량화하여평가하기위한도구로서위해성평가가이용된다. 위해성평가의노출평가단계에서는토양오염물질로부터수용체가노출되는지하수오염농도, 실내및실외공기휘발성물질농도등노출농도를산정하게되는데있어토양유기물함량은필수적인기본인자값이다. 4) Corresponding author swjeong@kunsan.ac.kr Tel: Fax:

2 642 J. Korean Soc. Environ. Eng. 이소진 김진주 정승우 최근토양유기물을보전하여지구온난화에미치는영향을최소화해야한다는점이부각되면서토양유기물에대한관심이고조되고있다. 지구에존재하는토양내탄소의양은 2,500 billion ton으로서대기에존재하는 800 billion ton, 식물에존재하는 560 billion ton보다훨씬많은것으로알려져있다. 5) 토양의유기탄소가유실된다면그만큼지구온난화를야기할수있다. 토양은탄소를함유하는저장탱크이므로지구온난화를직접적으로또는간접적으로완화시킬수있는중요한역활을담당한다. 따라서, 최근토양유기물함량을평가하여토양유기탄소함량을보전하거나높이고자하는다양한노력들이활발히진행되고있다. 그럼에도불구하고토지용도변경, 도시화, 산업화및환경오염등으로토양의유기물이고갈되어가고있으며그속도는가속화되고있다. 6) 토양내유기물함량을측정하는방법은습식산화방법 (Tyurin법, Walkely & Black법 ) 및건식연소법 ( 원소자동분석기법, 강열감량법 ) 등으로구분할수있다. 우리나라에서습식산화방법은 Tyurin법, 건식연소법으로는강열감량법을널리사용하고있다. Tyurin법은강산성조건에서중크롬산칼륨으로유기탄소를산화시켜정량화하는방법이며강열감량법은 420~450 조건에서유기물을연소하여정량화하는방법이다. 7) 농촌진흥청국립농업과학원에서운영하고있는토양환경정보시스템흙토람에는농경지에대한토양유기물함량정보를포함되어있다. 환경부에서운영하고있는토양측정망은전국에각 16개토지용도별로토양오염기준항목에대한변화를관측하고있지만, 유기물함량은조사하지않고있다. 토양측정망은 2013년까지 1,500개지점으로운영되다 2014년부터 500개지점이확대되어현재는 2,000개지점에대해토양오염기준항목을격년제로관측하고있다. 본연구의목적은첫째, 최근확대된환경부토양측정망 495 개지점에서채취한토양의유기물함량을측정하여 16개지역별, 8개토지용도별토양유기물함량현황을파악하고자하였고둘째, 토양유기물함량측정방법인 Tyurin산화법과강열감량법의상관관계를조사하고자하였다. 2. 실험방법 2.1. Tyurin 법 토양유기물함량분석방법중하나인 Tyurin법은중크롬산을이용하여유기물을산화시켜유기탄소함량을측정하여유기물함량을예측하는방법으로농촌진흥청 ( 국립농업과학원 ) 에서대표적으로사용하는방법이다. 균질화된토양을중크롬산칼리황산혼합용액으로가열판에서산화시킨후소비된산화제의양을황산제일철암모늄으로역적정하여유기탄소함량 (%) 으로나타내었다. 계산한유기탄소함량에공통계수 1.724를곱하여토양유기물함량 % (w/w) 를구하였다. 7) 2.2. 강열감량법 (LOI, Loss-on-Ignition) 강열감량법은높은온도로연소시중량이손실되는데그손실되는양으로유기물함량을측정하는간접적유기물측정방법이다. 8) 국립농업과학원의토양화학분석법 6) 에는적용온도가 420~450 로되어있으며본연구에서는 450 를적용하였다. 토양오염공정시험기준 9) 의수분함량분석법에따라 110 에서수분을정량화한후 450 에서 45분간가열한후감량을산출하여유기물함량 %(w/w) 을구하였다 토양시료채취 2014년확대된토양측정망 495개지점에서토양시료를채취하였다. 495개지점은강원, 경기, 경남, 경북, 광주, 대구, 대전, 부산, 서울, 세종, 울산, 인천, 전남, 전북, 충남및충북등우리나라전역에고루분포하고있다. 토지용도 ( 지목 ) 별은공원, 답, 대지, 임야, 전, 종교용지, 체육용지및학교용지등이다. 각지역에서토양오염공정시험기준에의거하여농경지는지그재그형으로, 기타지역은중심지점과사방위의토양시료를채취하였다. 10) 채취된토양시료는 2 mm체로친후통과시료에대해 Tyurin법과강열강량법에의한유기물함량을측정하였다. 강열감량법이적용된지점은 495개이며 Tyurin법이적용된지점은 338개이다. 그리고 Tyurin법과강열감량법을같이적용하여유기물함량을측정한지점은 309개였다. 3. 결과및고찰 3.1. Tyurin 방법에의한토양유기물함량측정결과 Table 1 은 2014 년확대된환경부토양측정망 338 개지점 Table 1. Measurement of the organic matter content (%) of soil taken from Korean soil quality monitoring network point by using the Tyurin method Regions Gangwon Gyeonggi Gyeongnam Gyeongbuk Gwangju Daegu Count Average St. dev Seoul Incheon Jeon -nam Chungbuk Jeonbuk Count Average St. dev Land uses Park Paddy Residential Forest Field Religious School field Count Average St. dev Journal of KSEE Vol.38, No.12 December, 2016

3 J. Korean Soc. Environ. Eng. 토양측정망확대지점의토양유기물함량연구 643 Table 2. The organic matter contents (g/kg) listed in the Annual Quality 11~14) Land uses Points Average (g/kg) Year monitored Paddy field Field Orchard 차적으로조사한평균값을정리한것이다. 논의경우 2007 년과 2011년, 두번조사되었고 2009년에는밭, 2010년에는과수원토양을조사하였다. 조사결과농경지토양의유기물함량평균은 2.4% 에서 2.9% 범위에있었다. 11~15) 본연구에서 Tyurin법으로조사한논과밭의유기물함량평균은 1.9% 와 1.6% 로서이전국립농업과학원의전국적조사결과보다약간낮은값을보였다. 그러나논과밭의유기물함량차이는비슷하게나타났다. 농업환경변동보고서에서논의유기물함량이밭보다약간높게분포하였는데, 본연구에서도논의유기물함량평균및사분위도는밭의경우보다모두높게분포하였다. 우리나라문헌들은토양내유기탄소분석을위한화학적산화법으로 Tyurin법을사용하지만외국문헌은 Tyurin법대신 Walkely & Black법을사용하고있었다. 두방법의차이는 Tyurin은 200 에서 5분간직접가열하지만 Walkely & Black법은자체산화과정중발생되는열을이용하는차이가있다. Fig. 1. Soil organic matter contents measured by Tyurin method for land uses and regions. 을선정하여 Tyurin방법으로토양유기물함량을조사한결과이다. 측정결과는지역별과토지용도별로정리하였다. 338개지점의 Tyurin법에의한토양유기물함량은평균 1.90% 로나타났다. Fig. 1은 box plot으로평균 (mean), 중간값 (median) 및사분위도 (quartile) 등측정결과의세부분포를도시하고있다. 지역별결과중광주및대구의측정값이 2개밖에되지않아 box plot에서제외하였다. Fig. 1(a) 은 Tyurin방법에의한토지용도별토양유기물함량측정결과평균값이높은순서부터 Box plot을나열하여정리하였다. 토양유기물함량평균값의순서는임야, 논, 종교용지, 공원, 대지, 밭, 학교용지순이었다. 임야의평균유기물함량은 2.0% 였으며가장낮은학교용지는 1.6% 였다. 자연환경요소가많이남아있거나유기물유입이지속적으로일어나는임야, 종교용지, 공원은비교적높은유기물함량을보이나, 반면유기물유입이상대적으로적을것으로예상되는대지와주로사질토양으로구성된학교용지는낮은유기물함량을보였다. 지역별분포에서는경상남도가 2.9% 로가장높았고충청북도가 1.5% 로가장낮았다. 우리나라토양유기물함량측정법으로가장널리사용하고있는방법이 Tyurin법이다. Table 2는 Tyurin법으로농촌진흥청국립농업과학원에서농경지토양의유기물함량을연 3.2. 강열감량방법에의한토양유기물함량측정결과 Table 3 은 2014 년확대된환경부토양측정망 495 개지점 Table 3. Measurement of the organic matter content (%) of soil taken from Korean soil quality monitoring network point by using the loss-on-ignition method (450 ) Regions Gangwognabuju Gyeong- Gyeong- Gyeong- Gwang- Daegu Daejeon Busan Count Average St. dev Seoul Sejong Ulsan Incheon Jeonnam Jeonbuk Chungnam Chungbuk Count Average St. dev Land uses Park Paddy Residentiaus Religio- Playground Forest Field School field Count Average St. dev 대한환경공학회지제 38 권제 12 호 2016 년 12 월

4 644 J. Korean Soc. Environ. Eng. 이소진 김진주 정승우 을선정하여강열감량방법으로토양유기물함량을조사한결과이다. 측정결과는지역별과토지용도별로정리하였다. 495개지점에대해강열감량법에의한토양유기물함량은평균 3.94% 를나타내었다. Fig. 2는 box plot으로평균, 중간값및사분위도등측정결과의세부분포를도시하고있다. 지역별결과중광주, 대구, 대전, 부산, 세종및울산과토지용도별결과중체육용지데이터는그수가적어 box plot 도시에서제외하였다. Fig. 2는강열감량방법에의한토지용도별토양유기물함량측정결과평균값이높은순서로 Box plot을정리하였다. 토양유기물함량순서는임야, 종교용지, 논, 밭, 공원, 대지, 학교용지순이었다. 가장높은평균값을보인지목은임야로서 3.3% 였으며가장낮은학교용지는 1.7% 였다. 지역별분포에서는서울이 4.3% 로가장높았고경북이 2.4% 로가장낮았다. 강열감량법으로측정된토지용도별유기물함량순서는 Tyurin법에의한분석결과와유사하였다. 여전히자연환경요소가많이남아있거나유기물유입이지속적으로일어나는임야, 종교용지, 공원은비교적높은유기물함량을보이나, 유기물유입이상대적으로적은대지와대부분사질토양으로구성된학교용지는낮은유기물함량을보였다. Fig. 1과 2를비교해보면강열감량법에의해측정된유기물함 량데이터분포는비교적 Tyurin에비해높았고그편차범위도상당히넓게분포하는특징이있었다 Tyurin 법과강열감량법 (LOI, loss-on-ignition) 의비교 Fig. 3은 Tyurin법과강열감량법이모두적용된 309개공통지점의유기물함량분석결과를같이도시하였다. Tyurin 법과강열감량법에의한유기물함량측정값간의회귀분석결과 y(loi) = x(Tyurin) , y(tyurin) = x (LOI) 와같은회귀식이얻어졌고결정계수 R 2 = 0.749, P-value <0.001로나타나상관성이높았다. 그러나, 강열감량법에의한유기물함량은 Tyurin법에비해약 1.2배높은값으로분포하고있다. 또한본연구에서도출한회귀식에의하면강열감량법에의한유기물함량측정값은 0.60% 이상되어야의미있는결과임을시사한다. 강열감량법은적용된온도에따라유기물함량측정결과의편차가심한것으로알려져있다. 지금까지여러문헌에서강열감량법에적용된온도범위는 300 에서 900 에이르기까지다양하다. 높은온도에서는점토광물을구성하고있는수분의손실우려가높고탄산염, 무기탄소성분이붕괴되어손실될수있어과대측정가능성이높다. 16) Hoogsteen 등 17) 는강열감량법에서토양유기물함량측정의영향인자인시료량, 온도및지속시간, 점토함량등을평가한결과 20 g 이상의토양을 550 에서 3시간가열하는표준안을제시하였고 Table 4에나타낸바와같이유기탄소함량비과점토광물의수분보정으로유기탄소함량을결정하였다. Table 4에나타낸바와같이 Wang 등 18) 도 LOI와토양유기탄소와의관계식을제시하고있으며온도와지속시간은 시간이다. 문헌에서연구자들이가장많이사용한적용온도와시간은 360 2시간이었다. 본연구에서사용한 450 는국립농업과학원의토양화학분석법 7) 에서제시된온도인 420~450 범위중높은값을사용하였다. Fig. 2. Soil organic matter contents measured by loss of ignition method for land uses and regions. Fig. 3. Relationship between the loss-on-ignition (LOI) method and Tyurin method for the soil organic matter content. Journal of KSEE Vol.38, No.12 December, 2016

5 J. Korean Soc. Environ. Eng. 토양측정망확대지점의토양유기물함량연구 645 Table 4. Relationship equations reported in the references for the soil organic carbon content and loss-on-ignition Reference Relationship equation Remarks Hoogsteen et al. 12) SOC = a (LOI - b C) a: Carbon content of SOM b: Clay correction factor a = 0.55, b = at 550 for 3 hours Wang SOC = (LOI ) / et al. 13) LOI at 375 for 17 hours This study SOC = LOI for 45 min 서등 19) 도 Tyurin보다연소방식의유기물함량이높게얻어짐을보고하였다. 212개농경지토양에대해 Tyurin법과건식연소법 ( 원소분석기 ) 으로유기물함량을측정비교한결과 Tyurin법은평균 1.75%, 건식연소법은평균 1.99% 로서건식연소법이높게분석되었다. 이값은본연구에서 Tyurin 법으로조사한논과밭의유기물함량평균 1.9% 와 1.6% 와유사한값을보여주고있다. 그리고원소분석기이지만건식연소법결과의분산이보다크게나타나 Tyurin법보다강열감량법에서분산폭이크게나타난본연구결과와유사한결과를보였다. 외국문헌들대부분도화학적산화법인 Walkely & Black법보다 LOI에의한유기물함량값이다소높은것으로보고하고있다. 토양유기물함량측정을위한강열감량법은비교적간단하고많은량을동시에측정할수있다는장점등으로현장을광범위하게조사한국외연구문헌에서는대부분강열감량법을사용하고있다. 그러나가열온도및지속시간, 시료량, 점토광물함량등에따라편차가심한단점을지니고있다. 본연구에서 Tyurin법과강열감량법을비교한결과강열감량법의결과치가 Tyurin법의결과치에비해크게측정되고있지만 Tyurin법과의상관관계가성립되어있는바토양측정망과같이정기적으로다양한지목에서유기물함량을관측해야하는목적에서는비교적간편한강열감량법을적용하여유기물함량변화를모니터링하는방안이적합할것으로판단된다. 반면, 보다정밀한유기물함량이나유기탄소를직접적으로측정해야하는경우는가열조건및토양조성에영향을받게되는강열감량법보다 Tyurin산화법및직접탄소측정방법 ( 원소분석법 ) 등을적용하는것이바람직하다 토양유기물함량결과의활용 본연구는우리나라전역에분포한토양측정망 495개지점의토양유기물함량을측정하였다. 495개지점은 16개시 도와 8개지목으로구성되었다. 각지역및지목별평균토양유기물함량결과는차후토양오염물질에대한인체및생태위해성평가, 토양의온실가스저장능력산정, 토양의생산성및건강성평가등다양한분야의기본데이터로활용될수있다. 우리나라 토양오염물질위해성평가지침 ( 환경부고시제 호 ) 4) 에제시된 지하수노출농도결정, 토양유래실 외공기휘발성물질노출농도결정, 토양유래실내공기유입휘발성물질노출농도결정 에토양유기탄소비율이기본적으로사용된다. 지침에는부지의토양유기탄소비율 ( 유기물함량 ) 을실측하여이용할것을권고하고있으나, 기본값으로 0.016( 표토 ), 0.002( 심토 ) 를제시하고있다. 이값으로부터토양유기물함량을환산하면 2.75%( 표토 ), 0.34%( 심토 ) 가된다. 환산된표토의토양유기물함량기본값 2.75 % 는본연구에서제시한평균값 2.92% 와매우근접하다. 그러므로각지역별및각지목별토양오염물질위해성평가를수행함에있어정확한노출농도결정을위해 Table 1과 3의토양유기물분석결과가활용될수있을것으로기대된다. 4. 결론 1) 환경부토양측정망 338개지점에대해 Tyurin방법으로토양유기물함량을조사한결과평균 1.90% 로나타났다. 토양유기물함량평균값의순서는임야, 논, 종교용지, 공원, 대지, 밭, 학교용지순이었다. 임야의평균유기물함량은 2.0% 였으며가장낮은학교용지는 1.6% 였다. 2) 환경부토양측정망 495개지점에대해강열감량방법으로토양유기물함량을조사한결과평균 2.92% 로나타났다. 토지용도별유기물함량순서는 Tyurin법에의한분석결과와유사하였다. 여전히자연환경요소가많이남아있거나유기물유입이지속적으로일어나는임야, 종교용지, 공원은비교적높은유기물함량을보이나, 유기물유입이상대적으로적은대지와대부분사질토양으로구성된학교용지는낮은유기물함량을보였다. 3) Tyurin법과강열감량법이모두적용된 309개공통지점유기물함량분석결과에대한회귀분석결과 y(tyurin) = x(LOI) 와같은회귀식이얻어졌고결정계수 R 2 = 0.749, P-value <0.001로나타나상관성이높았다. 4) 본연구에서 Tyurin법과강열감량법을비교한결과강열감량법의결과치가 Tyurin법의결과치에비해크게측정되고있지만 Tyurin법과의상관관계가성립되는바, 여러토지용도에서많은양의토양시료를측정해야하는목적등에서는비교적간편한강열감량법도적용할수있을것으로판단된다. 5) 본연구에서제시된각지역및지목별평균토양유기물함량결과는차후토양오염물질에대한인체및생태위해성평가, 토양의온실가스저장능산정, 토양의생산성및건강성평가등다양한분야의기본데이터로활용될수있을것으로기대된다. Acknowledgement 본연구는한국연구재단 (NRF-2015R1D1A1A ) 에의해지원되었습니다. 이에감사드립니다. 대한환경공학회지제 38 권제 12 호 2016 년 12 월

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03-서연옥.hwp

03-서연옥.hwp 농업생명과학연구 49(4) pp.31-37 Journal of Agriculture & Life Science 49(4) pp.31-37 Print ISSN 1598-5504 Online ISSN 2383-8272 http://dx.doi.org/10.14397/jals.2015.49.4.31 국가산림자원조사 자료를 적용한 충남지역 사유림경영율 추정 서연옥