한국환경농학회지제28권제1 호 (2009) Korean Journal of Environmental Agriculture Vol. 28, No. 1, pp. 32-37 연구보문 충남고성천유역의하천수질평가를이용한유역단위질소와인수지분석 김민경 * 1) 노기안 박성진 최철만 고병구 윤순강 이종식 국립농업과학원기후변화생태과, 1) 국립농업과학원기획조정과, 2) 농촌진흥청첨단농업과 (2009년 2월 11 일접수, 2009년 3월 18 일수리) 2) Assessing Effects of Farming Activities on the Water Quality in a Small Agricultural Watershed Min-Kyeong Kim *,Kee-AnRoh,Seong-JinPark,Chul-MannChoi,Byong-GuKo,Sun-GangYun 1),andJong-Sik Lee 2) (Climate Change & Agroecology Division, National Academy of Agricultural Science, RDA, Suwon 441-707, Korea, 1) Planning & Cordination Division, National Academy of Agricultural Science, RDA, Suwon 441-707, Korea, 2) High-Tech Agriculture Division, Rural Development Administration, Suwon 441-707, Korea) ABSTRACT: This study was conducted to assess the impact of agricultural land use on the water quality in mountain village farmlands. Two soil types, paddy and upland soil were analysed for their chemical properties. Although, ph and organic matter contents were not significantly different to each other, concentrationsofavailablepandexchangeablekandcaweremuchhigherinuplandsoilcomparedwith those in paddy soil. The results of water quality analysis indicated that, in Goseong-cheon watershed, the nutrients contents were much higher in downstream area than in upstream area. Particularly, the elevation of COD Mn and T-P were significant during rainy season. When paddy fields coexist with upland fields, SS, T-N, and T-P concentrations in paddy fields were lower than those of upland fields. This may indicate that paddy fields possess an water-purifying ability by absorbing nutrients. This effect may reduce excessive nutrients discharged into the neighboring streams which may cause eutrophication problem. The difference between inflow and outflow of nitrogen and phosphorus during the cultivation period were measured as -98.9 kg ha -1 and -29.7 kg ha -1, which means that nutrient outflow was higher than inflow. This may suggest that much nutrient was discharged during the crop harvest period. Key Words: Water quality, Assessment, Nutrient balance, Farming activities, Agricultural watershed 서 농업활동이수질에미치는영향은농업에서발생되는오염원이주로강우로인해지표유출수를통하여유출되어직접수계로유입되거나시비, 물관리, 토양관리등의재배형태에따라주변하천에유입되어부영양화등을일으키는비점오염원으로작용할수있다 1,2,3). 농업지대소유역에서발생하는비점오염에대한연구는미국에서 1972년정수법이통과되면서본격적으로시작되었고, 일본에서는호수부영양화의원인을조사하면서비점오염원에대한연구가시작되었다. 우리나라에서는 1980년대초반부터비점오염부하량을산정하기시작하였고, 현재환 론 * 연락저자 : Tel: +82-31-290-0223 Fax: +82-31-290-0208 E-mail: mkkim@rda.go.kr 경부에서는기존의여러조사연구결과를종합하여토지이용에따른오염물질배출부하량을원단위법을이용하여산정하고있다 4). 그러나, 이는모두단일강우나 2~3회의실측자료를이 용하기때문에각토지이용에따른비점오염유출특성을충분하게반영하지못하였다. 또한, 강우량의변화가큰우리나라의경우강우특성에따라특정기간동안과도하게오염부하량이산정될수있으므로이에대한개선이요구되어왔다 4). 특히, 수질오염총량관리제확대시행에따라농업부문에대한비점오염원의배출부하량은환경부의자료를대부분참고하고있다. 그러나, 이러한자료는작물의생육시기, 시비시기등의영농특성과강우등으로인한배출부하특성을고려하지않고개괄적으로산정한자료이기때문에합리적이고세부적인배출부하특성에대한정량화가요구되고있다. 유역은토양과물이상호작용을일으키는지역으로서토 32
산촌형농업소유역에서영농활동에따른수질환경평가 33 지이용형태가수질변화에미치는영향을측정하는기본적인지형의단위로 5), 농업용수의수질변화에관해서는유역을중심으로한관리의중요성이더욱부각되고있다. 따라서건전한농업용수의관리를위해서는농업과도시발달등이수질변화및작물생육에미치는영향을측정할수있는유역단위의농업용수관리가필수적이며, 특히농촌지역의수질보전을위해서는유역단위에서농촌만이지니는자연정화기능을극대화하는등종합적인환경관리차원의수질보전대책을세우는것이더욱중요하다 6). 따라서, 본연구는다른산업활동이없는산촌형조건불리지역의농업소유역인충남고성천유역에서영농기간동안하천의수질환경에미치는영향을평가하기위하여영농형태별로농도부하및물질수지방법을이용하였다. 재료및방법 조사유역의개요조사유역은농업외다른산업활동이없는전형적인농업유역으로충청남도공주시정안면정안천유역의지류인고성천유역을선정하였다. 고성천유역은유역상부에안숙골천이흐르고유역하부에는고성저수지가위치해있으며유역면적은 514 ha 이었다. 조사유역의수문및수질모니터링지점은 Fig. 1 과같다. 고성천유역의수질조사지점은토지이용형태를고려하여 5 지점을선정하였다. 또한, 고성천유역에서는유역단위물질수지평가를위하여유역말단부에서유량 (Starflow, Unidata Inc.) 과자동기상장비시스템은 CR10X 자료집록기(Campbell Scientific Inc.) 를이용하여온습도(HMP45C, Campbell Scientific Inc.), 지온(107, Campbell Scientific Inc.), 일사 량(LI200X, Li-COR Biosciences), 강우량(TE525, Campbell Scientific Inc.) 등의기상요소들을 1 분간격으로측정하고, 1시간및 1 일간격으로기록하였다. 고성천유역의토지이용형태와인구및가축사육현황은 Table 1 과같다. 조사유역의토지이용형태는국립지리원 1:25,000 지형도및토지이용도를바탕으로현장방문을통해조사하였는데논 11.8%, 밭 4.5% 및산림 73.3% 으로전형적인산촌형조건불리농업지역이다. 또한, 유역내오염원인을분석하기위해조사유역별인구및가축사육현황을통계자료와현장방문을통해조사하였다. 고성천유역은총인구수는 186 명이었으며, 농가비율은 83.7% 이었고, 가축사육두수는소19 두, 돼지4,827 두, 닭166 수등이었다. 시료채취및분석방법수질시료채취는각조사지점을대상으로 2005년 5월부터 2007년 10 월까지영농기를중심으로실시하였다. 평상시수질모니터링은월 2 회실시하였으며, 강우시수질모니터링은선행강우와대상강우사이의기간이 3일이상인강우사상에대하여실시하였다 7). 또한, 영농형태별수질평가를위해서는강우가진행되고조사대상논과밭으로부터유출이일어나는시간대에시료를채취하였다. 시료분석은 Standard Methods 8) 와수질오염공정시험기준 9) 에제시된분석법에따라 ph와 EC 등의기초항목과 COD Mn, NH 4-N, NO 3-N, PO 4 -P, T-N, T-P, SS 등의항목을분석하였다. 토양시료채취는고성천유역내논, 밭, 산림으로토지이용형태를구분하여 2005년부터 2007년까지영농전인 4월에채취하였다. 토양분석은농촌진흥청표준분석법 10) 에준하여 ph, EC, 유기물, 유효인산, 총질소, 치환성양이온등을분석하였다. 식물체분석은고성천유역내작물별로수확후채취하여농촌진흥청표준분석법 10) 에준하여 40 mesh로분쇄한후총질소는습식분해하여 Kjeldahl 법으로분석하였고총인함량은 H 2SO 4-H 2O 2 로식물체를완전분해한후ammonium paramolybdate-vanadate 발색법으로분석하였다. 물질수지기법을이용한농업유역단위평가농업유역에서물질의유입과유출은물의흐름에크게영향을받는데, 유역에서의물수지는아래의식에의하여구하였다. Fig. 1. Location of the sampling sites and measurement points at the experimental area in the study watershed. (Left; Jeongan Cheon, Right; Goseong Cheon). W =R+I-D-P Table 1. Land use and status of population and livestock of the study watershed Goseong Land use(ha) Population Livestock(head) Paddy Upland Forest Other (persons) Cattle Pig Poultry Other 60.7 (11.8%) 23.0 (4.5%) 376.8 (73.3%) 53.5 (10.4%) 186 19 4827 166 21
34 김민경 노기안 박성진 최철만 고병구 윤순강 이종식 여기서, W 는저류량변화, R 은강수량, I 는관개량, D 는지표유출량, P 는침투수량이다. 물수지에서유입량은강우와관개량이고, 유출량은지표 유출량과침투수량이다. 또한, 물질수지는농업유역내물질의투입( 投入 ) 량과산출( 産出 ) 량으로구분할수있으며, 질소와 인의경우투입되는경로는강우, 관개수, 시비에의한부분 이대부분을차지하고산출되는부분은크게유역으로빠져나가는유역말단부의배출수, 인구및축산에의한부하량, 작물흡수에의한수확된바이오매스등으로구분할수있다. 휘산및탈질에의해산출되는부분은정확한측정자료가미비하고전체에서차지하는부분이크지않을것으로판단하여본연구에서는제외하였다. 따라서, 농업유역단위의물질수지에서투입량은강우와관개수에의한부하량과시비에의한투입량으로산정하였고, 산출량은유역내에서지표유출에의한배출수및인구와축산에의해배출되는부하량과수확물에의한산출량으로산정하였다. 결과및고찰 농업소유역의토양및수질모니터링고성천유역에서토지이용형태별토양의화학적특성은 Table 2 와같다. 논토양과밭토양의 ph와유기물의함량은비슷하였으나, 밭토양은논토양에비해유효인산과치환성칼리와칼슘의함량이월등히높았다. 그러나, 이들함량은우리나라논토양과밭토양의적정함량에비해 11,12) 다소낮은것으로집약적인영농형태는이루어지지않은것으로생각된다. 또한, 농경지토양에비해산림토양은유기물의함량이 낮았으나, 유효인산과치환성마그네슘의함량은높았다. 평상시고성천유역의조사지점별수질평균농도는 Table 3 과같다. 고성천의수질은산림과밭이주로분포되어있는지점 1에비해하부로내려갈수록유량이증가함에도불구하고양분물질의농도가높았으며그농도의변화폭도컸다. 따라서, 다른산업활동이없는고성천유역의양분물질부하는주로영농활동과농가생활하수유입에기인한다고생각된다. 지점 5는고성저수지의수질을나타내는것으로 Forsberg와 Ryding 13) 의영양단계분류에따르면,T-N 과 T-P 농도가각각 0.6과 0.025 mg L -1 를부영양호로규정하고있는데이기준에의하면고성저수지는부영양호수준을초과한것으로생각된다. 강우시고성천유역의조사지점별수질평균농도는 Table 4 와같다. 고성천의수질은하부로내려갈수록양분물질의농도가높았으며, 특히 COD Mn 의농도는평상시에비해훨씬높았는데이는농경지에축적되었던양분물질이강우에의해토양이나하상퇴적물의유출과함께유입되었기때문이라는 Yun 등 14) 의연구결과와일치하였다. 지점 5인고성저수지의강우시수질은다른양분물질에비해 T-N과 T-P 의농도가높았는데, 이는질소함량이높은시료에서대체로총인의함량이높은시료가많았다는다른연구결과와일치하였으며 15-17),Lee 등 18) 이강우시유입수량증가에따라비점오염원이일시에저수지로유입되었기때문이라는연구결과와일치하였다. 농업소유역에서토지이용형태별수질평가우리나라의농업유역은토지이용형태상상부는산이위치해있고그아래부분에는밭이존재하며하천으로유입되 Table 2. Selected properties of soils with different land-use in the studied watershed No. of sample ph (1:5) O.M. (g kg -1 ) Av. P 2O 5 (mg kg -1 ) Ex. Cation(cmolc kg -1 ) K Ca Mg Paddy 102 5.6 (5.2~6.1) 19 (5~21) 120 (39~389) 0.16 (0.07~0.27) 2.1 (1.5~3.9) 0.6 (0.4~0.8) Upland 150 5.4 (4.5~7.2) 18 (3~19) 398 (69~1,127) 0.87 (0.20~0.66) 4.5 (0.5~4.6) 0.6 (0.1~1.3) Forest 30 5.0 (4.8~5.2) 11 (15~19) 541 (4~955) 0.36 (0.17~0.26) 3.6 (0.3~1.6) 0.2 (0.1~0.4) Table 3. Mean concentrations of selected pollutants at the sampling points during dry season Sites No. of COD Mn NH 4-N NO 3-N T-N PO 4-P T-P sample ------------------------------------------- mg L -1 ------------------------------------------- Stream 1 36 1.31±0.90 0.03±0.04 1.35±0.87 2.64±1.38 0.00±0.01 0.01±0.16 Stream 2 36 1.54±0.69 0.05±0.06 2.51±0.76 3.77±1.42 0.00±0.03 0.05±0.51 Stream 3 36 1.85±1.13 0.06±0.08 2.64±0.83 4.17±0.84 0.02±0.18 0.02±0.39 Stream 4 36 2.18±1.22 0.07±0.09 3.18±0.72 4.45±0.80 0.03±0.03 0.08±0.89 Stream 5 36 8.22±4.29 0.33±0.68 1.82±0.84 4.28±1.49 0.02±0.04 0.07±0.53
산촌형농업소유역에서영농활동에따른수질환경평가 35 Table 4. Mean concentrations of selected pollutants at the sampling points during rainy season Sites No. of COD Mn NH 4-N NO 3-N T-N PO 4-P T-P sample ------------------------------------------------- mg L -1 ------------------------------------------------- Stream 1 45 2.69±1.12 0.07±0.07 1.55±0.64 2.53±0.57 0.00±0.00 0.07±0.02 Stream 2 45 3.23±0.08 0.10±0.13 2.66±0.90 3.84±0.96 0.01±0.00 0.19±0.06 Stream 3 45 3.15±1.83 0.10±0.06 2.94±0.64 4.21±0.70 0.02±0.02 0.22±0.04 Stream 4 45 4.55±3.38 0.34±0.39 2.82±0.54 4.20±0.96 0.05±0.03 0.30±0.06 Stream 5 45 5.76±1.42 0.29±0.15 1.80±0.48 4.36±0.92 0.02±0.03 0.23±0.08 Fig.2.Pollutantsconcentrationsofwaterinsmallareas with paddy, upland, and forest land-use. Fig. 3. Nitrogen and phosphorus balance of agricultural watershed in Gosung Cheon. 기전에논이위치해있다. 본연구에서도밭이많이분포되 어있는지점과논을거쳐하천에유입되기전의지점에서수질을조사하여토지이용형태별로 SS와양분물질의배출특성을평가해보고자하였다. 고성천유역내지류에서 2005년과 2007년에강우시 SS 및T-N과 T-P의농도부하특성을평가한결과는 Fig. 2와같다. 밭으로부터배출되는유거수중 T-N과 T-P의농도는각각 4.74와 1.16 mg L -1 였으나, 논을거치면서배출되는유거수중 T-N과 T-P의농도는각각 2.74와 0.04 mg L -1 로현저히낮아졌다. 특히, 하천으로유입되는논의유거수중 SS의농도는 9 mg L -1 로밭의유거수에비해월등히낮아졌다. 이는논은다른토지이용형태에비해양분물질을흡수하는특성을가지고있어양분물질의지표배출감소효과및유입된양분물질의저류능력을지니고있어수질정화효과가있다는다른연구자의연구결과와일치하였다 1,19,20). 또한, 밭이많이분포되어상부의하천수중 SS 및 T-N과 T-P 농도는각각 278, 4.39, 0.89 mg L -1 이었으나, 논을거치면서하천수중 SS 및 T-N과 T-P 농도는각각 38, 2.63, 0.20 mg L -1 으로현저히낮아졌다. 이는우리나라밭토양이경사지에전면적의 70% 가분포되어있기때문에토양유실에의한부하량이컸기때문이며, 강우시논으로부터의저농도의유거수가배출되어하천수중양분물질의농도가희석되었기때문으로생각된다. 그러나, 이는지형특성, 강우특성, 물관리및영농관리등에따라결과가달라질수있다고보고되고있다 21,22). 질소와인수지기법을이용한농업유역단위평가유역에직접유입되고유출되는부하량을비교및평가하면유역단위의평가를할수있을것으로생각되어고성천유역에서 2005년부터 2007년까지영농기를중심으로유역단위질소와인수지를비교 평가한결과는 Fig. 3 과같다. 강우, 관개수, 시비에의한질소투입량은각각 12.8, 20.6, 78.9 N kg ha -1 이었고배출수, 인구 / 축산, 수확에의한질소산출량은각각26.2, 30.0, 155.0 N kg ha -1 이었다. 또한, 관개수, 시비에의한인투입량은각각 0.13, 0.35, 49.7 Pkgha -1 이었고배출수, 인구/ 축산, 수확에의한인산출량은각각0.80, 15.9, 63.2 P kg ha -1 이었다. 그러므로, 전형적인농업유역인고성천유역에서영농기간동안질소와인의투입량 -산출량은 -98.9와 -29.7 kg ha -1 로산출되는양이많았다. 일반적으로유역내영양물질의투입및산출은지역특성, 강우조건, 시비특성, 토양및영농관리등에따라상이하나 23), 본연구결과에서투입부하량에비해산출부하량이많은것은고성천유역이전형적인농업지역으로영농활동으로인한투입량에비해수확물로의산출량이많았기때문으로생각된다. 따라서, 산촌형농업소유역의수질보전을위해서는농업
36 김민경 노기안 박성진 최철만 고병구 윤순강 이종식 이가지는자연정화기능을최대한살리면서농촌지역의생활하수나축산폐수등의점오염원관리를소홀히하지않아야한다고생각된다. 요 본연구는산촌형조건불리지역의농업소수계에서영농활동이주변수질환경에미치는영향을평가하고자하였다. 고성천유역에서토지이용형태별토양의화학적특성을비교한결과, 논토양과밭토양의 ph와유기물의함량은비슷하였으나, 밭토양은논토양에비해유효인산과치환성칼리와칼슘의함량이월등히높았다. 또한, 고성천의수질모니터링결과, 하부로내려갈수록영양물질의농도는높았으며, 특히전조사지점에서평상시에비해강우시에 COD Mn 과 T-P의농도가높았다. 유역내논과밭이혼재되어있는지류에서토지이용형태별 SS 및 T-N과 T-P의농도부하특성을평가한결과, 논은다른토지이용형태에비해영양물질을흡수하는특성을가지고있어영양물질의지표배출감소효과및유입된영양물질의저류능력을지니고있어수질정화효과가있었다. 산촌형조건불리지역인고성천유역에서영농기간동안질소와인의유입량-유출량은 -98.9와 -29.7 kg ha -1 로유출되는양이많았는데, 이는고성천유역이전형적인농업지역으로영농활동으로인한투입량이적은반면에수확물로의배출량이많았기때문으로생각된다. 약 참고문헌 1.Choi,C.H.,Han,K.W.,Cho,J.Y.,Chun,J.C. and Son, J. G. (2000) Runoff loading of nutrients from a paddy fields during non-cropping season. J. of Korean Soc. Agric. Eng 42, 63-70. 2. Ichiki, A and Yamada, K. (1999) Study on characteristics of pollutant runoff into lake Biwa Japan. Water Sci. Technol 39, 17-25. 3. Pegram, G. C., Quibell, G. and Hinsch, M. (1999) The nonpoint source impacts of peri-urban settlements in South Africa; implications for their management. Water Sci. Technol 39, 283-290. 4. Shin, D. S. (2007) Basic monitoring concept for revised unit-load on NPS. J. of KSWQ 23, 429-433. 5. Monkhouse, F. J. (1972) A dictionary of geography. Edward arnold publishers Ltd. London. p. 370-371. 6. Ko, J. Y. (2006) Assessment of water quality and management of Seonakdong river watershed using RS and GIS. Ph.D. Thesis. Yeongnam University. Gyeongsan, Korea. 7. U.S. EPA, NPDES. (1993) Storm Water Sampling Guidance Manual. Office of Water. p. 15-33. 8. American Public Health Association (1998) Standard Methods for Examinations of Water and Wastewater, 20th edition. Washington D.C., USA. 9. Ministry of Environment (2008) Standard methods of water sampling and analysis. Ministry of Environment, Incheon, Korea. 10. Rural Development Administration (2000) Method of soil and plant analysis. Published by National Institute of Agricultural Science & Technology, Suwon, Korea. 11. National Institute of Agricultural Sicence Technology (2001) Annual report of the monitoring project on agro-environmental quality. Published by National Institute of Agricultural Science & Technology,Suwon,Korea. 12. National Institute of Agricultural Sicence Technology (2003) Annual report of the monitoring project on agro-environmental quality. Published by National Institute of Agricultural Science & Technology,Suwon,Korea. 13. Forsberg, C. and Ryding, S. O. (1980) Eutrophication parameters and trophic state indices in 30 swedish waste receiving lake. Arch Fur Hydrobiol 89, 189-207. 14. Yun, S. G., Lee, J. S., Jung, G. B., Kim, M. K., Kim, S. J., Koh, M. H. and Eom, K. C. (2002) Evaluation of water quality characteristics on tributaries of Mankyeong river watershed. Kor. J. of Environ. Agric 21, 237-242. 15.Moon,Y.H.,Park,J.M.,Son,J.G.andKim,K. H. (2001) Change in water quality on upper stream of Mankyeong river, Kor. J. Environ. Agric 20, 252-257. 16.Lee,K.B.,Lee,D.B.,Lee,S.B.andKim,J.D.1999. Change in agricultural irrigation water quality in Mankyeongriver.Kor.J.Environ.Agric18,6-10. 17. Kim, B. Y. (1988) Water pollution in relation to agriculture. Kor. J. Environ. Agric 20, 252-257. 18.Lee,S.H.,Choi,J.S.,Lee,K.Y.,Jang,Y.S.,Lim, I. S., Heo, W. M., Kim, J. K. and Kim, B. C. (2005) A study of water quality and fish community in lake Doam. J. of Environ. research 2, 43-60. 19.Kim,M.K.,Roh,K.A.,Lee,N.J.,Seo,M.C.and Koh, M. H. (2005) Nutrient load balance in large-scale paddy fields during rice cultivation.
산촌형농업소유역에서영농활동에따른수질환경평가 37 Korean J. of Soil Sci. Fert 38, 164-171. 20. Kim, J. S., Oh, S. Y., Kim, K. S. and Kwon, S. K. (2001) Characteristics of pollutants concentration at paddy field areas during irrigation periods. J. of Korean Soc. Agric. Eng 43, 163-173. 21.Jeon,J.H.,Yoon,C.G.,Hwang,H.S.andYoon,K. S. (2003) Water quality model development for loading estimates from paddy field. Korean J. Limnol 36, 344-355. 22.Yoon,K.S.,Han,K.H.,Cho,J.Y.,Choi,C.H., Son, J. G. and Choi, J. K. (2002) Water and nutrient balance of paddy field irrigated from a pumping station during cropping period. J. of KSRP 8, 3-14. 23. Kim, B. Y. and Cho, J. K. (1995) Nutrient effluence by the outflowing water from the paddy field during rice growing season. Korean Comm. Irrig. Drain 2, 150-156.