Original Article

Ecology and Resilient Infrastructure. 31 March 2022. 77-82
https://doi.org/10.17820/eri.2022.9.1.077

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 재료 및 방법

  •   2.1 조사 대상지 선정 및 현장 조사

  •   2.2 토양 시료 채취 및 분석

  •   2.3 통계 분석

  • 3. 결과 및 고찰

  •   3.1 조사 대상지의 교통량 및 대기질 농도 비교

  •   3.2 조사 대상지의 토양 특성 비교

  • 4. 결론

1. 서 론

산업혁명 이후 인간 활동으로 인해 생물권 중의 반응성 질소가 두 배 이상 증가했으며, 대기로부터 토양으로의 질소 침적 또한 산업혁명 이전보다 열 배 가까이 증가했다 (Galloway et al. 2004). 일반적으로 질소가 토양에 다량 침적되면 토양 중 무기태 질소의 양이 증가하여 (Herai et al. 2006) 식생과 미생물의 질소 이용가능성이 높아진다는 보고가 있다 (Aber et al. 1998). 그러나 과도한 침적이 일어나면 토양으로부터 NO3--N이 침출되고 오히려 토양의 질소 보유 능력이 감소 하는 등 부정적인 영향을 미칠 수도 있다는 연구 결과도 있다 (Herai et al. 2006). 또한 과도한 질소 침적은 토양 산성화를 유발하여 민감한 식물의 성장을 감소시키고 고사를 야기할 수 있다 (Cho et al. 2009, 2010). 대기 중 질소는 강산성을 띄는 HNO3와 같은 형태로 침적되어 토양을 직접 산성화시키거나, NH3와 같은 환원 질소 형태로 침적되어 미생물의 질산화 과정에 의해 H+를 방출함으로써 토양 산성화를 일으킬 수 있다 (U.S. EPA 2020). 이러한 질소 침적에 따른 토양 변화는 주로 자연 생태계를 중심으로 연구가 수행되었으며, 도시 토양에 미치는 영향에 대한 이해와 경험은 아직 부족하다. 그러나 질소 침적은 도시 지역에서 도시가 아닌 지역보다 더 빈번하게 일어나며, 주로 이동 오염원과 발전소, 소각로 같은 고정 오염원이 인접한 지역에서 발생하는 NO, NO2, NH3 등이 질소 침적의 원인이라고 보고되었다 (Bettez and Groffman 2013). 우리나라 국립환경과학원의 2016년 대기오염물질 배출량 산정 결과에 따르면, 수도권의 NOx 배출량은 도로이동 오염원의 기여도가 175,089톤/년으로 가장 크며 전체 NOx 배출량 대비 약 53.9%를 차지한다. 한편 폐기물 처리의 NOx 배출량은 3,102톤/년으로 전체 NOx 배출량 대비 약 0.95%를 차지하며 그 기여도는 비교적 작지만, 고정 오염원과 인접한 지역은 질소 침적에 의해 영향을 받을 수 있다. 국내 교통량과 폐기물 발생량 및 소각 처리는 증가하는 추세이므로 (Kim et al. 2013), 이동 및 고정 오염원으로 인한 대기질이 인근 도시 토양에 어떠한 영향을 미치는 지에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 교통량과 고정 오염원으로부터의 거리에 따라 총 3개의 사이트를 선정하여 대기 중 미세먼지 농도와 NO2 농도를 비교해 오염원이 대기질에 미치는 영향을 확인하고, 토양 분석을 통하여 대기질의 차이가 토양 특성에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 조사 대상지 선정 및 현장 조사

조사 대상지로는 도시에서의 대기 질소 침적의 주요 발생원인 이동 및 고정 오염원의 여부에 따라 총 3개의 사이트가 선정되었다. 교통량 정보는 서울시 교통정보시스템 (topis.seoul.go.kr)에서 제공하는 ‘2020 서울특별시 교통량 조사자료’를 참고하였다. Site_M은 서울시 마포구에 위치한 하늘공원으로, 교통량이 많으며 자원회수시설과 약 700 m 거리에 있어 고정 오염원의 영향을 받는다. Site_G는 서울시 강남구에 위치한 일원에코파크로, 교통량이 비교적 적으며 자원회수시설과 약 700 m 거리에 있어 고정 오염원의 영향을 받는다. Site_Y는 서울시 서초구에 위치한 양재시민의 숲으로, 교통량이 많으며 자원회수시설로부터 약 5 km 이상 떨어져 있어 고정 오염원의 영향으로부터 비교적 멀다.

각 사이트 별로 이동 및 고정 오염원이 인근 지역의 대기질에 미치는 영향을 정량화 하기 위하여, 교통량 정보와 에어코리아 (air-korea.or.kr)의 대기질 농도를 수집하였다. 그리고 3개 사이트의 식생 상태를 비교하기 위하여 네이버 지도 (map.naver.com)에서 제공하는 거리뷰 이미지를 참고하였다. 거리뷰 이미지는 현장 조사 시기가 여름철인 것을 고려하여 Site_M는 2017년 6월, Site_G와 Site_Y는 2021년 6월에 토양 채취 지점과 가까운 지점에서 촬영된 이미지로 선정하였다.

2.2 토양 시료 채취 및 분석

2021년 7월에 각 사이트를 총 3개의 구역으로 나누어 각 구역별 3~6개의 토양 시료를 채취하였다. Soil auger (2 cm diameter, AMS Inc., America) 를 이용하여 0-15 cm의 토양을 채취하였고, 2주 간 자연 풍건 시킨 뒤 2 mm 이하로 체친 후 토양 분석을 수행하였다.

토양의 용적 밀도는 soil auger로 채취한 토양 시료의 건조중량 (g)을 채취 부피 (cm3)로 나누어 계산하였다. 토양과 증류수를 1 : 5 로 하여 침출시킨 후 pH는 Orion Star™ A211 pH Benchtop Meter (Thermo Scientific™)를 이용하여 측정하였고, EC는 Orion Star™ A222 Conductivity Portable Meter (Thermo Scientific™)를 이용하여 측정하였다. TC, TN은 Automatic element analyzer (CE Instrument, Flash EA1112, Italy)를 통해 원소 분석하였다. 각 사이트의 토양 탄소 저장량 (Soil Carbon Storage, SCS)은 용적 밀도와 탄소 농도, 토양 채취 깊이를 고려하여 계산하였다 (Eq. 1).

(Eq. 1)
SCS(kg/m2)=BD×C×D×10

여기에서, BD는 토양 용적 밀도 (g soil cm soil-3), C는 탄소 농도 (g C kg soil-1), D는 토양 채취 깊이 (cm), 10은 단위 보정 계수를 말한다.

NH4+ 농도는 5 g의 토양에 2 M KCl 20 ml를 넣고 침출시킨 후, 분석 키트인 HS-NH3 (N)-U (Humas, Korea)와 분광광도계 (Humas, HS3300, Korea)를 이용하여 분석하였다. NO3- 농도는 5 g의 토양에 0.01 M CaCl2 20 ml를 넣고 침출시킨 후, HS-NO3 (N)-CA (Humas, Korea)와 분광광도계 (Humas, HS3300, Korea)를 이용하여 분석하였다.

2.3 통계 분석

대기질 농도와 토양 분석 결과가 각 사이트마다 유의하게 차이가 있는지 확인하기 위하여 R Studio를 이용해 one-way ANOVA (일원 분산 분석) 방식으로 P-value로부터 유의수준 0.05 내에서 신뢰도 검증 및 통계 분석을 수행하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 조사 대상지의 교통량 및 대기질 농도 비교

각 사이트의 2020년 하루 평균 교통량은 Site_M에서 238,049대/일로 가장 많았고 이는 Site_G의 약 2.4배, Site_Y의 약 1.3배였다. 따라서 이동 오염원의 영향은 Site_M과 Site_Y에서 비슷하며, Site_G에서는 상대적으로 적었다 (Table 1).

Table 1.

Comparison of traffic volume in the survey area in 2020 (TOPIS, topis.seoul.go.kr)

Site_M Site_G(vehicles/day) Site_Y
238,049 97,696 187,760

각 사이트 별 대기질 농도를 비교한 결과, PM10 농도는 Site_Y에서 Site_M과 Site_G보다 약간 높았고 (P<0.1), 이는 Site_Y가 이동 오염원의 영향을 상대적으로 많이 받았기 때문인 것으로 사료된다. PM2.5 농도는 Site_M과 Site_G에서 Site_Y보다 높았고 (P<0.05), NO2 농도 또한 Site_M과 Site_G에서 더 높았다 (P<0.001) (Fig. 1).

/media/sites/kseie/2022-009-01/N0190090107/images/kseie_09_01_07_F1.jpg
Fig. 1

Comparison of air pollutant concentration in the survey area in July 2021 (Air Korea, airkorea.or.kr). (A) PM10 concentration (B) PM2.5 concentration (C) NO2 concentration (D) Comparison of the average air pollutant concentration.

3.2 조사 대상지의 토양 특성 비교

3개 사이트의 용적밀도는 Site_Y에서 Site_M과 Site_G보다 유의하게 높았다 (Table 2). 이는 사이트 고유의 토양특성으로 Site_Y는 조성된 지 35년이 경과된 자연형 숲 형태의 공원이기 때문으로 생각된다. Site_G는 조성된 지 5년밖에 지나지 않아 복토 등 인공적인 영향에 의한 결과일 것이다. Site_M은 조성된 지 20년이 지난 공원이긴 하지만, 자연형 숲과 연결된 공원이 아닌 매립지를 복토하여 조성한 공원이기 때문에 상대적으로 낮은 용적밀도를 갖는 것으로 판단된다. 토양의 탄소 농도는 Site_M이 가장 높았고 그 다음으로는 Site_Y, Site_G 순이었다 (Table 2). Site_M의 유의하게 높은 탄소 농도는 이 공원이 폐기물 매립지에 기반한 사실이라는 점과 연계된다. 반면, 토양 탄소 저장량(SCS)을 계산한 결과, Site_M이 2.74 kg C m-2, Site_G가 1.33 kg C m-2, Site_Y가 2.48 kg C m-2로 나타났다 (Eq. 1). 이는 Site_M과 Site_Y의 규모가 각각 약 800,000 m2, 258,991 m2로 크고 관리 주체가 서울시라는 점과 관련 있을 것으로 생각된다. 비료투입이나 관개와 같은 공원의 식생 관리는 토양으로의 탄소유입을 증가시켜 평형상태의 총 탄소량을 증대시킬 수 있다 (Townsend-Small and Czimczik 2010). Site_G의 면적은 73,090 m2로 Site_M과 Site_Y보다 작고 관리 주체도 강남구 (서울시 탄천물재생센터)이다. 즉, 도시 공원의 탄소 저장량은 자연적인 요인 이외에도 공원 관리 등 인위적인 요인에 따라서도 달라질 수 있음을 알 수 있었다. 토양 내 총 질소 및 C/N비도 사이트 별로 상이하게 나타났다 (Table 2). Site_Y에서 Site_M과 Site_G보다 높은 C/N비가 나타났는데, 이 사이트의 조성 년도가 오래 되어 이에 따라 토양으로 유입된 탄소양이 더 많기 때문으로 생각된다.

Table 2.

Results of soil analysis

Bulk Density (g cm-3) Total C (g kg soil-1) Total N (g kg soil-1) C/N ratio pH NH4+ (mg kg soil-1) NO3 (mg kg soil-1)
Site_M 1.10 (a) 16.58 (a) 1.39 (a) 11.18 (a) 6.30 (a) 2.38 (a) 0.60 (a)
Site_G 0.95 (b) 9.32 (b) 0.93 (b) 10.87 (a) 6.23 (a) 2.66 (b) 0.70 (a)
Site_Y 1.48 (c) 11.19 (b) 0.74 (b) 14.67 (b) 5.35 (b) 25.93 (c) 0.67 (a)

식물이 주로 흡수하는 무기질소의 형태인 NO3의 함량은 세 사이트에서 유의한 차이가 보이지 않았다. 반면, NH4+의 함량은 Site_M과 Site_G에 비해 Site_Y에서 매우 높았다 (Table 2). 이는 교통량 및 대기질이 인근 토양의 질소 양분 상태에 영향을 줄 것이라는 본 연구의 가설과 상반되는 결과이다. 도시 내 이동 및 고정오염원에서 배출되는 PM10, PM2.5, NO2 등으로부터의 질소 침적은 토양 내 질소의 무기화 과정 등 질소순환에 유의미한 영향을 미친다고 하기는 어려워 보인다. Site_Y에서 매우 높은 NH4+ 함량이 관찰된 것은 대기 침적에 의한 결과라기 보다는 공원 관리 차원에서의 질소 비료 투입에 따른 영향인 것으로 생각된다. Site_Y에서 Site_M과 Site_G보다 낮은 pH를 보인 것 또한 과다한 비료 시용으로 인해 산성화가 일어났기 때문으로 생각된다 (Table 2). 그러나 Site_Y의 NH4+ 농도가 다른 사이트보다 현저히 높았음에도 불구하고 3개 사이트의 식생 상태는 모두 크게 다르지 않고 건강했다 (Fig. 2). 이는 도시 공원 관리에 있어 과도한 비료 투입은 재고할 필요가 있으며 이는 오히려 토양의 산성화를 유발할 우려가 있음을 시사한다.

/media/sites/kseie/2022-009-01/N0190090107/images/kseie_09_01_07_F2.jpg
Fig. 2

The plant status of nearby soil sampling site (NAVER Map, map.naver.com). (A) Site_M (in June 2017) (B) Site_G (in June 2021) (C) Site_Y (in June 2021).

조사 대상지의 대기오염 수준에서는 비록 이동 및 고정오염원으로 인해 대기의 PM, NO2 등의 농도가 다르다 할지라도 토양의 질소 영양 상태에 직접적 영향을 미치지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 서울의 대기 질소 침적량이 약 24 kg N ha-1 year-1로 (Ahn et al. 2014), 중국 북쪽 지방의 2012년 기준 대기 질소 침적량인 60.6 kg N ha-1 year-1 (Pan et al. 2012)에 비해 낮은 수준인 것과 관련이 있다. 토양의 질소 동태에 영향을 미치는 인자는 매우 다양한데, 상대적으로 낮은 질소 침적량은 다른 인자에 비해 현저한 영향을 미치기 어렵기 때문인 것으로 사료된다.

4. 결론

본 연구에서는 대기 질소 침적의 주요 원인인 이동 및 고정 오염원으로부터의 거리에 따라 총 3개의 사이트를 선정하여 대기 중 미세먼지 농도와 NO2 농도를 비교해 오염원이 대기질에 미치는 영향을 확인하고, 토양 분석을 통하여 대기질의 차이가 도시 공원 토양 특성에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 이동 및 고정오염원의 영향을 가장 많이 받는 Site_M에서 대기질 농도와 토양 질소 함량의 상관관계가 가장 클 것으로 예상하였으나, 본 연구의 가설과 달리 토양 내 NO3- 함량은 모든 조사 대상지에서 유의한 차이가 없었으며 NH4+ 함량은 오히려 Site_Y에서 유의하게 높았다. Site_Y에서 관찰된 높은 NH4+ 함량은 대기 침적에 의한 결과라기 보다는 공원 관리 차원에서의 비료 시용에 따른 영향인 것으로 생각된다. 그러나 토양 내 NH4+ 함량이 상대적으로 적은 Site_M과 G를 포함한 모든 사이트에서 식생이 건강하고, Site_Y에서는 비교적 낮은 토양 pH를 보였으므로 공원 관리에 있어서 과도한 비료 투입을 재고할 필요가 있음을 시사한다. 비록 이동 및 고정오염원으로 인해 대기 중 PM, NO2 등의 농도가 다르다 할지라도 토양의 질소 영양 상태에 직접적 영향을 미치지 않는다는 것을 확인할 수 있었고, 이는 서울 지역의 상대적으로 낮은 질소 침적량이 다른 다양한 인자에 비해 토양의 질소 동태에 현저한 영향을 미치기 어렵기 때문인 것으로 사료된다. 서울 지역에서의 토양 내 질소 양분 상태에 영향을 미치는 요인은 대기질과 대기 질소 침적량보다는 공원 관리 차원에서의 비료 시용과 연관된 것으로 생각되며, 도시 공원 식생 및 토양의 건강성과 비료 시용량의 연관성에 대한 후속 연구가 필요해 보인다.

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