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ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.49 No.1 pp.1-10
DOI : https://doi.org/10.11614/KSL.2016.49.1.001

The Effects of Reactive Nitrogen (Nr) Compounds on the Acidification in Soil and Water Environment
Ecosystems and the Mitigation Strategy

Youngil Cho*, Hyesoon Kang1, Eui-Chan Jeon2
Department of Integrated Environmental Systems, Pyeongtaek University, Pyeongtaek 17869, Korea
1School of Biological Sciences and Chemistry, Sungshin University, Seoul 01133, Korea
2Department of Environment Energy and Geoinformation, Sejong University, Seoul 05000, Korea
Corresponding author: +82-31-659-8310, +82-31-685-8648, yicho567@gmail.com
February 21, 2016 March 9, 2016 March 29, 2016

Abstract

The increases of industrial and technological development and human activities have disturbed the balance of natural nitrogen (N) circulation. These phenomena have induced that large amounts of N are to be present in excess in air, soil and water environment. We investigated the effects of excess of reactive nitrogen (Nr) compounds on soil and water environment ecosystems through literature and case studies, and suggested the strategy of mitigating the acidification in soil and water ecosystems. Nr moves to air, soil and water media, can be converted to different types, and interacts with other chemical compounds. As an efficient N management plan, the evaluation (application of monitoring and safety index) and the chemical restoration (research and development) of the acidification in soil and water environment ecosystems are required to minimize the effects of Nr as well as policies to regulate the various emission sources and amounts of Nr.


반응성 질소화합물로 인 한 토양 및 물 환경 생태계의 산성화 영향 및 대응방안

조 영일*, 강 혜순1, 전 의찬2
평택대학교 환경융합시스템학과
1성신여자대학교 생명과학·화학부
2세종대학교 환경에너지공간융합학과

초록


    Ministry of Environment

    서 론

    질소 (N, nitrogen)는 비금속 화학 원소로 지구의 대기, 지표, 수계 및 생명체 등에 존재하며 질소기체 (N2) 부피 기 준으로 약 78.09%가 지구의 대기에 존재하는 것으로 알 려져 있다 (Considine, 2005). 질소는 질산 (HNO3), 암모니 아 (NH3), 암모늄 이온 (NH4+), 질산성 질소 (NO3--N), 아질 산성 질소 (NO2--N), 질소산화물 (NOx), 유기질소 등과 같 이 화학적으로 불안정하고 반응성이 높은 질소 (Reactive nitrogen, Nr)화합물의 형태로 존재하여 (Parker, 1993) 대기, 토양 및 물 환경 생태계를 통해 다양한 종류의 형태로 질 소 순환이 이루어지며 인위적인 환경 요인이 없을 경우 자 연의 기본적인 순환 과정으로 균형을 이루고 있다.

    그러나 산업혁명 이후 산업 및 기술의 발달과 더불어 인 간 활동의 증가로 인해 자연적인 질소 순환의 균형이 무너 지고 다량의 반응성 질소화합물이 대기, 토양 및 물 환경 생태계에 과잉으로 존재하게 되었다 (1950년 이전: 5000만 톤 이하; 2000년 이후: 15000만 톤 이상; Galloway et al., 2003). Galloway et al. (2004)는 육상에서 자연적으로 고정 되는 질소의 범위를 약 7500~12000만 톤으로 보았을 때 화석연료 연소로부터 발생되는 질소산화물은 (2000년 이전 까지 5000만 톤 이하) 꾸준히 증가하고 있으며, 비료 생산 으로부터 발생되는 질소의 경우 1980년 이후부터는 7500 만 톤 이상으로 증가하고 있다고 언급했다. 따라서, 인간활 동에 의한 반응성 질소의 총 발생량은 자연적인 질소 고 정 발생량 이상으로 과잉 공급되게 되는 양상을 나타내 고 있다. 이로 인한 과잉의 반응성 질소화합물이 생태계 및 생물다양성에 영향을 주고 있다 (Sutton et al., 2011; The Ministry of Environment of the Republic of Korea, 2014d). 온실가스 증가에 의한 대기오염과 비료 등의 사용으로 인 한 반응성 질소화합물의 과잉은 직접 또는 간접적으로 토 양 및 토양수의 산성화 (산성 침적의 영향)와 지하수 오염 (비료 사용 및 토양 산성화 영향 등)을 유발한다 (Cho et al., 2009, 2010). 이렇게 축적된 반응성 질소화합물은 호 소 또는 하천을 경유하여 바다로 유출되는데 이러한 과정 에서 호소, 하천 및 해역의 부영양화와 저층의 빈산소화, 영양물질의 불균형 현상 등을 유발하며 지역 생태계의 건 강과 생물다양성 감소를 초래한다 (Galloway et al., 2003; United Nations Environment Programme, 2007).

    2011년 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)와 EPA (Environmental Protection Agency) 보고 서에 따르면, 질소산화물의 발생원을 배출되는 기여율이 높은 항목을 참고하여 분석해보았을 때 자동차, 사업장 및 발전소에 대해 우리나라의 질소수지를 산정한 결과 총 5,652,366 ton yr-1이 유입되었고, 1,425,371 ton yr-1이 유출 되어 4,226,995 ton yr-1이 잔존하는 것으로 나타났다 (Shin et al., 2014). 이 중 연료의 사용으로 인한 질소의 유입과 질소산화물로의 유출이 각각 70%와 29%를 차지하고 있어 질소산화물을 포함한 질소관리가 시급한 것으로 판단된다. OECD (Organization for Economic Co-operation and Development) 양분수지 지표 조사 결과에 의하면 우리나라의 총 질소수지 지표는 1990년에서 1992년까지 평균 215.2 kg·ha-1, 2007년에서 2010년까지 평균 226.4 kg·ha-1로 약 5% 증가했으며, 이것은 OECD 회원국 중 가장 높은 수 준의 증가율을 나타냈다. OECD 평균치인 61.5 kg·ha-1에 비해 3.7배, 우리나라와 농업 여건이 비슷한 일본의 180.2 kg·ha-1에 비해서도 1.3배가 높은 수준이다 (Organization for Economic Co-operation and Development, 2013). 질소 의 과잉부하가 생태계와 생물다양성에 미치는 영향은 주 로 육상 생태계에서 이루어졌으며, 초지, 삼림, 이탄지, 관 목지, 극지와 고산지대, 연안사구, 지중해성 생태계, 툰드라 에 이르는 광역의 다양한 서식지에서 질소의 과잉으로 인 해 종 풍부도가 감소한 것으로 나타났다 (Bobbink et al., 2010; Dise et al., 2011).

    질소의 과잉 부하로 인한 생물다양성의 감소는 자연 자 체의 건강성을 훼손하여 진화의 잠재력을 낮출 뿐만 아니 라 지구상 생물의 지속성을 지지하는 다양한 생태계 서비 스를 악화시킨다는 점에서 집중적인 조사와 대책이 필요 하다. 그럼에도 질소순환과 질소과잉에 대한 많은 부분이 아직까지 불분명한 상태로 남아있다. 본 연구는 과잉의 반 응성 질소화합물이 토양 및 물 환경 생태계에 미치는 영 향을 문헌을 통해 조사 및 평가하고, 반응성 질소화합물에 대한 정책을 비교 분석하며, 과잉의 반응성 질소화합물로 인해 발생하는 토양 및 물 환경 생태계의 산성화 영향을 최소화하고 생태계를 복원 관리하는 방안을 제시한다.

    반응성 질 소화합물의 영 향

    1토양생태계

    우리나라 토양은 화강암에서 유래되어 규산 함량이 높 고 양이온 함량이 적어 척박하며 강우량이 증발량보다 많 아 토양성분의 유실이 발생하여 토양이 산성을 띄며, 급격 한 국가 발전에 따라 다양한 개발 사업이 추진되어 녹지면 적의 감소, 생태계 훼손, 대기 산성침적 등 국토의 자연환 경 훼손 문제를 초래하고 있다. 토양 고유의 pH 수준 이하 로 토양의 pH가 낮아지는 토양 산성화 (soil acidification) 는 산성비료의 시비, 물의 작용, 산성비와 공해물질의 유입, 식물의 양분흡수 등 다양한 원인에 의해 장기간에 걸쳐 발 생한다 (Lee et al., 2011). 산림청 자료에 의하면 전국 65개 조사 지역의 산림토양 평균 pH는 5.0이었으며, 지역적으로 는 주로 대도시와 공업지역 및 서남 해안 지역이 낮은 pH 를 보였고, 1994년에 조사 지역의 37%가 pH 5.0 이하였으 나 2006년에는 65개 조사 지역 중 약 49%가 산성화로 인 한 산림토양 피해지역으로 확대되고 있는 것으로 나타났 다 (Korea Forest Research Institute, 2015).

    pH 6.5에서 4.5 사이의 규소광물이 주종을 이루는 토양 의 완충능력은 양이온교환과정 (cation exchange processes) 에 의해 이루어지며, 양성자는 Ca2+, Mg2+들로 치환되어 이들 양이온들은 질산이온 및 황산이온과 같은 음이온들 과 함께 토양에서 용출되어 토양의 pH가 감소하면 토양이 산성화된다 (Cho et al., 2010; Sutton et al., 2014). 미국 뉴햄 프셔 주 Hubbard Brook 장기생태연구지역의 산성화된 산 림유역 생태계의 토양층위에 대한 산성화 지표의 농도 변 화연구에서 pH 5.0 이하에서 점토광물은 분해되고 어떤 금 속수산화물들은 (예: Al(OH)3) 용해되기도 하는데 (Fig. 1), 대표적으로 독성을 지닌 알루미늄 (Al3+) 농도가 토양 용 출액에서 증가한다 (Cho et al., 2010, 2012). Table 1은 토 양 산성화로 인한 토양 변화의 특성과 생태적 영향을 보 여주고 있다 (Korea Forest Research Institute, 2015). 또한 pH 감소는 질산화과정을 방해하여 토양 내 암모니아의 축 적을 야기할 수 있으며, 토양 내 유기물질의 분해율이 낮 아 산성화된 토양에서는 유기물질이 표토 층에 축적되어 내산성 식물종이 점차 우점종이 되고 중간 또는 높은 pH 에 적응하는 식물종들은 사라지게 된다 (Van Breemen et al., 1982; Ulrich, 1983, 1991). 토양 내 고농도의 암모니아 가 존재할 경우 많은 민감한 식물종에게 독성이 나타나게 되며, 세포 형태학적인 영향, 세포 산성화, N-rich 아미노산 의 축적, 뿌리생장 악화 및 발아 등을 저해할 수 있다 (De Graaf et al., 1998; Paulissen et al., 2004; Kleijn et al., 2008; Van den Berg et al., 2008).

    2수생태계

    하천이나 호소에 부영양화를 일으키는 수질영향 인자를 조사하기 위해 식물플랑크톤의 생장속도와 증식에 기여하

    는 수질환경 요인을 분석한 결과 클로로필-a 농도에 영향 을 미치는 요인 중 제2요인으로 암모니아성 질소와 질산 성 질소 농도, 총질소 등이 포함되어 있다는 것을 발견했 다 (Kim et al., 2002). 또한 장기간의 대기산성침적 (예, 질 산성이온 및 황산이온)으로 인해 지표수의 산중화능력 (Acid Neutralizing Capacity, ANC)과 pH가 감소하고 무기 단량체알루미늄 (Ali)의 농도가 증가하는 현상인 물의 산성 화가 유역생태계에 나타났다 (Driscoll et al., 1996; Cho et al., 2009, 2010, 2012). ANC의 감소는 수표층의 완충능력 에 의존하며, 수생태계에서 물의 완충능력은 중탄산 이온 (bicarbonate)의 농도에 의존한다 (Ulrich, 1983, 1991). 산 성침적은 이산화탄소-중탄산 이온의 화학 평형상태를 변 화시켜 물의 알칼리도와 pH를 감소시키는 것으로, 낮은 농 도의 중탄산 이온을 함유하는 담수호의 수생태계는 산성 화와 관련하여 가장 취약하다 (Sutton et al., 2014). 또한 토 양 산성화로 토양층을 통과하는 산성의 토양수에 의해 지 중수와 수계의 산성화가 나타날 수 있다 (Cho et al., 2010). 이어 담수의 산성화는 어류 생태계에 영향을 주고 토양에 서 용출된 알루미늄의 독성이 물고기의 아가미를 자극하 여 보호점액을 만들어 결국 물고기가 폐사하는 결과를 초 래하게 된다 (Driscoll et al., 2001). Fig. 2(a)는 우리나라 습 성침적의 연평균 질산성이온과 암모늄이온의 농도를 나타 낸 것으로 과거 15년간 꾸준히 증가하는 경향을 보여준다.

    Fig. 2(b)는 서울, 강릉 및 제주 고산리 지역 강우의 pH 변 화를 보여주고 있으며, 대도시인 서울의 경우 1990년대 후 반부터 산성비로 정의될 수 있는 pH 5.6 이하로 감소된 것 을 알 수 있다.

    해수의 질소 비율이 증가하여 일반적인 우리나라 해양의 해수 질소 대 인의 비율 (N : P)이 13 : 1인 것에 비해 16 : 1 까지 증가하기도 하며, 해양 생태계의 근간을 이루는 식물 플랑크톤의 필수영양소인 질소와 인의 비율 변화에 따라 1차생산자의 생장속도 및 개체 수가 변하고 후속적으로 포식자의 종류 및 분포도에 영향을 미치는 것으로 나타났 다 (Kim et al., 2011). 해수의 질소 농도가 증가하는 원인 중 하나는 화석연료를 태우거나 유기물질이 분해될 때 발 생하는 질소의 대기 중 유입량이 증가했기 때문이며, 해양 생물이 대기 중 질소를 고정하기도 하고 강우에 의해 하 천으로 유입된 질소가 바다로 유입되기도 하는데, 일반적 으로 질소 농도가 증가하면 남조류의 개체 수는 감소하고, 와편모류의 개체 수는 증가하여 해수 내 용존산소량을 감 소시켜 어패류가 질식하게 된다 (The Ministry of Environment of the Republic of Korea, 2014b). 또한 일반적인 해수 의 평균 pH 8.2보다 낮아지게 되는 현상을 통상적으로 해 양산성화 (Ocean Acidification)라 하며 이러한 해수의 pH 감소 과정에서 발생되는 해양 생태계의 영향은 중요하다. 해양 산성화로 인한 pH의 변화는 CaCO3를 골격으로 하는 해양생물들 (예: 산호초, 성게, 해삼, 홍합, 굴, 고동, 바다가 재 등)의 생존 가능성을 감소시킨다 (United Nations Environment Programme, 2010). 해양 산성화의 영향은 해양 환 경의 변화뿐만 아니라 해양과 연관된 사회·경제적 인간 의 활동에도 필연적으로 영향 (예: 인류 식량수급 문제, 수 산업 종사자의 경제활동 등)을 미칠 수 있다.

    산성화 영 향 최 소화 방 안

    1정책적 대응

    1)토양환경 정책

    환경부장관은 토양환경보전법 제4조에 의거 토양보전을 위해 10년마다 토양보전에 관한 기본 계획을 관계중앙행 정기관의 장과 협의하여 수립·시행해야 한다. 이것은 토 양보전에 관한 시책방향, 토양오염의 현황·진행상황 및 장래예측, 토양오염의 방지에 관한 사항, 오염토양의 정화 및 복원에 관한 사항 등을 포함하고 있다. 국민 건강상의 위해성을 고려한 토양오염물질 기준설정과 신규 토양오 염물질 등에 대한 기준을 확대 (2009년 21개, 2014년 26 개, 2019년 30개)하고 오염토양 정화처리를 위한 이행보증 제 도입 및 반출토양 정화 전 과정에 대한 추적관리시스템 을 구축하는 등, 토양정화에 따른 사회적 비용 절감과 합 리적인 정화수준 결정을 위해 국내 실정에 맞는 위해성평 가 적용대상을 확대하고 있다. 또한 토양 측정망을 단계적 으로 확대 (2009년 1512개, 2013년 2000개, 2017년 3000 개로 확대)하고 상시 모니터링 결과를 기반으로 국가 배경 농도 및 오염지도 작성을 추진하며, 국가정화우선순위제도 (군부대, 산업단지, AI 매몰지역 등) 도입과 정화기금 조성 및 토양환경평가제도 활성화 등 선진제도 도입을 위해 노 력하고 있다 (The Ministry of Environment of the Republic of Korea, 2009).

    미국의 경우 수퍼펀드법에 의한 국가 오염정화프로그램 을 통해 체계적이고 집중적인 연구로 기술 개발을 유도하 며, SITE (Superfund Innovative Technology Evaluation) 프 로그램을 통해 수퍼펀드 부지에 현장 규모의 신기술 적용 평가 기회를 제공함으로써 연구 성과를 극대화하고 있다. 독일의 경우 Deutsche Bundesstiftung Umwelt의 지원 하 에 연구소간 연계를 통해 현장 오염 측정을 위한 광학적 센서 개발 및 적용평가를 실시하고 있다 (Korea Institute of Science and Technology Evaluation and Planning, 2007).

    2)물환경 정책

    환경부는 수역별 (하천과 호소), 항목별 및 등급별로 수 질환경보전법 규정에 따라 하천과 호소의 물 환경 개선을 위해 10년마다 법정계획 (물환경관리기본계획 2006~2015) 을 수립하여 수질 관련 규제를 조사하고 있다 (The Mistry of Environment of the Republic of Korea, 2006). 물환경관 리기본계획에서는 좋은 물의 비율을 산정하기 위한 수질 환경 기준을 하천에서는 5개 (pH, COD (chemical oxygen demand, 화학적산소요구량), SS (suspended solids, 부유물 질), DO (dissolved oxygen, 용존산소), 대장균수) 항목, 호소 에서는 7개 (pH, COD, SS, DO, 대장균수, 총인 (total phosphorus, TP), 총질소 (total nitrogen, TN)) 항목으로 구성하 고 있으나 반응성 질소화합물과 관련된 지표는 호소의 총 질소뿐 하천에서는 제외되었다. Table 2는 총질소 관련 호 소 수질 생활환경기준을 등급별로 보여준다 (The Mistry of Environment of the Republic of Korea, 2015a).

    외국의 총질소 기준은 미국 8~15 mg L-1, 핀란드 15 mg L-1, 독일 10~15 mg L-1, 네덜란드 10~15 mg L-1, 스웨덴 8~15 mg L-1, 덴마크 8~12 mg L-1, 일본 5~10 mg L-1으로 한국의 하수 종말처리장과 농공단지 오·폐수 종말 처리 시설을 포함하는 폐수 종말처리장의 방류수 총질소 수질 기준인 20 mg TN L-1 (2013년 이후 환경부 적용대상 전 지 역 기준, The Ministry of Environment of the Republic of Korea, 2006) 이하보다 강화된 수질기준을 채택하고 있다. 또한 OECD 회원국인 오스트리아, 벨기에, 프랑스 및 슬로 바키아 등도 대도시의 도시 하수처리 시설의 방류수 총질 소 기준농도를 10 mg L-1, 소규모 도시의 경우 15 mg L-1 이하로 규정하고 있어 우리나라의 기준농도보다 낮다 (The Ministry of Environment of the republic of Korea, 2014b).

    우리나라는 하천과 호소의 수질 환경기준을 달성하기 위 한 규제 수단으로 배출 허용 기준이 있으며, 개별 배출업소 에 적용하는 환경기준을 하천의 자정능력을 감안하여 설 정하고 있다. 총질소는 수질환경보전법 제8조 및 동법 시 행규칙 제8조에서 폐수 배출허용기준을 설정하고 있으며, 지역별로 4단계의 청정지역, 가지역, 나지역, 특례지역으로 구분하여 적용하고 있다. 1997년부터는 호소의 부영양화 방지를 위해 환경부장관이 지정고시한 팔당댐, 대청댐 및 낙동강하구언 유역에 대해 총질소의 배출 허용기준을 적 용하였다 (The Ministry of Environment of the Republic of Korea, 2006).

    매립지 침출수는 수질 및 수생태계 보전에 관한 법률 시 행규칙에 따라 환경부장관이 고시하는 3개 (청정지역, 가 지역, 나지역) 지역으로 분리되어 암모니아성 질소와 무기 성 질소로 규제한다 (폐기물처리설의 관리기준 제42조 제 1항). Table 3은 매립시설 침출수의 지역별 암모니아성 질 소와 무기성 질소의 기준농도를 보여준다 (폐기물처리설의 관리기준 제42조 제1항). 이 외에 분뇨 처리시설, 공공 처 리시설 및 가축 분뇨처리 업자가 설치한 처리시설의 총질 소 방류수 수질기준은 가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법 률에 의해 전국적으로 60 mg L-1 이하로 규제하고 있다.

    연안 해역의 과학적 및 체계적 해양환경 개선과 보전을 위해 2000년 해양환경관리법의 시행령을 개정하여 환경 관리 해역 제도를 도입하였다. 육상오염원의 체계적 관리 를 위해 육지부를 관리범위에 포함하며, 수질오염이 심각 한 해역 5개소 (시화호-인천연안, 광양만, 마산만, 부산연안, 울산연안)를 특별관리해역으로 지정하고 환경 상태가 양 호한 해역 4개 (함평만, 완도-도암만, 득량만, 가막만)를 집 중 관리하기 위해 환경보전해역 제도를 추가하였다 (The Ministry of Ocean and Fisheries of the Republic of Korea, 2014). 총질소의 해역별 수질 등급 생활환경 기준은 해양 오염방지법 제4조의 2규정에 따라 등급 I 0.3 mg L-1 이하, 등급 II 0.6 mg L-1 이하, 등급 III 1.0 mg L-1 이하로 1998년 해양수산부 제98-37호에 고시되었다. 환경오염 물질의 해 역 내 유입량이 환경수용량을 초과하여 특별관리해역의 연 안 및 해양환경이 지속적으로 악화되고 있어 2004년 해양 수산부는 마산만 특별관리해역 관리기본계획에 생활하수 ·산업폐수 등 각종 오염물질 배출량의 총량이 해역의 환 경 수용량의 범위 내에서 유지되도록 관리하는 오염총량관 리제의 도입과 시행을 명시하였다 (The Ministry of Land, and Transport and Maritime Affairs of the Republic of Korea, 2012). 단계별 연안오염총량관리제 1단계인 2008년에서 2011년까지는 COD를 대상으로 관리하였으며, 2012년부 터 2016년까지 2단계 실시로 질소와 인으로 확대할 계획 이다. 그러나 연안해역으로 유입되는 하천 질소화합물 (예, 총질소, 질산성 질소 등)의 수질환경기준이 마련되어 있지 않아 현재 환경 관리해역의 총량오염관리는 COD와 총인 에 초점을 두고 있어 부영양화 및 적조 현상에 관여하는 질소 관련 화합물의 총량오염관리계획도 시급한 실정이다.

    2모니터링 및 안전성 지표 적용

    질소화합물에 의한 대기 산성침적은 육상 및 물 환경생 태계에 유해한 화학적 변화를 야기하면서 영향을 미친다. 고농도 산성 산화물 (SOx와 NOx)의 유입에 대해 특히, 산 성에 민감한 생태계가 보다 큰 영향을 받는 것으로 알려졌 다 (Cho, 2009, 2010, 2012). 우리나라의 경우 발생원별 대 기 산성산화물의 감소 정책에 많은 노력을 기울이고 있어 산업시설에 발생되는 황산화물의 농도가 감소하는 경향을 보이고 있으나, 인구 및 자동차 사용량의 증가로 인해 대 기 중 질소화합물의 발생량은 증가하고 있는 것으로 나타 나고 있다 (The Ministry of Environment of the Republic of Korea, 2015c). 육상생태계 생물자원에 악영향을 미치는 화학적 임계기준 (안전성 지표) 값과 영향을 Table 4에 나 타냈으며, 토양, 토양수 및 지표수의 각 지표들의 임계값들 은 화학적 복원의 지표 또는 생태계의 화학적 안전성 지표 로 이용될 수 있다. 즉, 토양수의 Ca : Al 비가 1 이상이며, 토양의 염기포화도 (Base saturation) 20% 이상, 지표수의 pH, ANC 및 Ali가 각각 6 이상, 50 μeq L-1 이상, 2 μmol L-1 이하로 유지될 때 육상 및 수생태계의 안전성이 확보될 수 있다. 따라서 이러한 지표들을 이해하고 지속적인 모니터 링을 통해 충분한 정보 (토양: pH, 염기포화도, 양이온교환 능력, 산도 등; 수질 (토양수, 계류수, 하천, 호소, 지하수, 강 우): pH, ANC, Ali, NO3-, NH4+, TN)를 확보하는 것은 생태 계의 구조와 기능 및 생물다양성 유지를 위해 필수적이다.

    토양과 토양수의 산성화는 수서 생태계의 산성화로 이 어져 유역 생태계의 생지화학적 물질순환에 영향을 준다. 따라서 반응성 질소화합물의 과잉 유입으로 인한 토양의 산성 조건을 개선시키고 용탈로 인해 부족한 양분을 보충 해 주는 등의 화학적 토양환경 복원이 필요하다. 특히 산 림유역 생태계의 경우 대기 산성침적으로 인해 토양이 산 성화되면 토양의 주요 양분 (Ca, Mg 등)이 유실되고, 독성 물질 및 중금속 (Al 등)이 축적되어 수목의 생장과 발아에 심각한 영향을 준다. 그 결과 산림유역 생태계의 황폐화가 발생한다 (Cronan and Schofield, 1990; Cronan, 1994; Juice et al., 2006). 이러한 산림유역 생태계의 토양과 토양수의 산성화를 방지하기 위해 장기적으로 산성화 원인 물질의 종류와 오염원에 대한 피해 정도와 범위를 조사하여 생태 계의 피해를 최소화하고 예측할 수 있는 장기예측모델을 개발하여야 한다. 장기예측모델을 개발하기 위해서는 산성 화 영향 인자 및 산림 생태계의 반응 인자에 대한 모니터 링이 선행되어야 한다.

    3화학적 복원 전략

    우리나라의 경우 대기 산성 질소화합물의 침적으로 인한 생태계의 산성화 복원에 대한 이해와 경험이 아직 부족하 다. 그럼에도 불구하고 과잉의 반응성 질소화합물이 생태 계에 미치는 영향을 최소화하기 위해 다음과 같은 노력을 기울일 필요가 있다. 우선, 오염물질의 발생원별 배출에 따 른 산성 침적물의 감소 추진은 육상 및 수생태계의 자연적 인 화학적 복원을 촉진할 수 있다. 산성화에 따라 초기 생 태계에서는 토양 내 염기 양이온의 고갈, 광물질 풍화작용 과 대기 중 염기성 양이온의 비율 변화, 토양 내 질소의 방 출로 인한 계류수 및 하천수의 질산성이온 증가 등의 현 상이 연쇄적으로 발생하게 된다 (Galloway et al., 1983). 염 기포화도가 낮은 산성 토양의 경우 질소화합물의 대기 산 성 침적물 농도가 낮아지면 초기 지표수의 ANC와 토양의 Ca : Al 비율이 향상될 것이며, 토양 내 축적된 질소화합물 은 점진적으로 탈착 또는 광물화에 의해 방출된다 (Likens et al., 1996, 1998). 따라서 생태계의 자연적인 화학적 복원 은 오랜 시간 (수십 년 이상)이 소요되며, 추가적인 대기 오 염물질 배출에 대한 규제와 친환경 에너지 개발 및 사용이 필요하게 될 것이다.

    호수, 하천 및 산림 유역 생태계의 자연적인 화학적 복원 의 촉진을 위해 유역 생태계 내 염기 물질을 첨가하여 질소 화합물의 대기 산성 침적물로 인한 토양 및 수생태계의 산 성화를 중화시키는 방안을 모색할 수 있다. 앞에서 언급한 토양과 지표수의 안전성 지표 중 염기포화도와 산중화능력 을 표현하는 BS와 ANC는 Fig. 3과 같이 약식으로 표현될 수 있으며, 염기 물질 (Ca, Mg 등) 의 첨가와 산성유발 물질 (황산이온, 질산이온)의 감소로 BS와 ANC 값을 증가시킬 수 있다. 산성유발 물질의 감소는 대기 중에 방출되는 황산 화물과 질소산화물을 감소시키는 방안이며, 염기 물질의 증 가 방안으로는 토양 및 지표수에 염기 물질을 직접 첨가하 는 라이밍 (Liming)이 있다. 산성화된 토양 및 물 환경에 염 기 물질을 첨가하면, 수소이온이 감소하여 토양의 염기포화 도와 양이온교환능력이 상승하고 토양수와 하천수의 pH와 ANC가 증가하게 된다 (Cho et al., 2009, 2010, 2012). 이러 한 라이밍은 미국과 (Driscoll et al., 1996; Cho et al., 2009, 2010, 2012) 북유럽에서 (Löfgren et al., 2009) 실험적으로 실시되었으며 산성화된 생태계를 중화시키고 복원하는 데 긍정적인 결과를 나타낸 것으로 알려졌다. 이를 국내에 적 용하여 라이밍의 긍정적인 효과를 나타내기 위해서는 적 용되는 생태계의 특성에 따라 염기물질의 선택과 친환경 염기화합물질을 개발하고 연구하는 것이 중요하다.

    현재 우리나라 하천과 계류수의 경우 질소와 관련된 농 도 기준이 없으며, 국립공원의 계류수 수질 측정에도 질소 관련 화합물의 모니터링과 기준이 없어 질소화합물의 토 양 및 수생태계에 대한 영향 분석과 평가가 어려운 실정이 다. 따라서 도시 및 비도시 지역 국립공원을 장기실험 생태 계 지역으로 설정하고, 대기 (강우), 토양 (토양수 포함) 및 계류수 수질 현황을 조사하여 유역 생태계의 질소 현황 분 석 및 평가를 추진하고, 모니터링 결과를 바탕으로 화학 적 복원 연구 및 개발을 추진할 필요가 있다. 연구 내용으 로 토양의 염기포화도 목표달성 기준 설정, 첨가물질 연구 개발 및 투여량 산정, 대상 지역 적용과 함께 생태계 내 토 양, 수질 및 생물종 변화에 대한 장기 모니터링, 질소화합 물의 생지화학적 거동 및 질소 수지의 개념적 플럭스 모델 링 개발 (Fig. 4), 공간적 변화 평가를 위한 지구통계적 모 델 적용과 질소 및 염기화합물의 화학적 변화 추정 등이 포함될 수 있다.

    논 의

    대기오염 및 비료 등의 사용으로 인한 반응성 질소화합 물의 과잉은 직접 또는 간접적으로 토양 및 토양수의 산 성화와 지하수 오염을 유발하고, 이렇게 축적된 반응성 질 소화합물은 호소와 하천을 경유하여 바다로 유출되는데 이러한 과정에서 호소, 하천 및 해역의 부영양화와 저층 의 빈산소화, 영양물질의 불균형 현상 등을 유발하여 지역 생태계의 안전과 생물다양성에 영향을 주는 순환적 고리 로 연결되어 있다. 정부는 환경오염 물질의 영향에 대처하 기 위해 측정망을 이용한 모니터링과 규제기준을 포함하 는 각종 규제제도를 실시하고 있으며, 토양보전기본계획, 물환경관리기본계획, 해역별관리기본계획에 따라 각 환경 영역별 오염관리대책을 계획하고 이행하고 있다. 그러나 질소화합물에 관련된 오염물질의 규제는 미흡한 실정이 다. 현행 하천수질 기준에는 질소와 관련된 수질기준이 없 으며 호소의 수질기준 항목에 총질소만 명시되어 있다. 인 과 더불어 질소는 하천과 호소에서 녹조현상을 발생시키 는 중요한 영양염류로 하천과 호소의 질소화합물 관련 수 질항목을 추가하여 관리하는 것이 필요할 것으로 사료된 다. 또한 국립공원관리공단에서 측정 및 운영하고 있는 계 류수 수질측정 항목에도 질소관련 항목이 없어 산림유역 생태계의 반응성 질소화합물의 거동 및 순환과 과잉으로 존재할 경우 생물다양성에 나타나게 될 영향을 예측하기 가 어려운 실정이다. 연안 및 해역의 경우 현재 해양수산 부에서 연안오염총량관리계획을 통해 적조현상을 유발하 는 주요 영양염류인 질소와 인에 대해 관리대책을 준비 중 에 있으나 총질소에만 초점이 맞추어져 다양한 반응성 질 소화합물에 대한 모니터링, 영향 및 평가가 요구된다. 따라 서 반응성 질소화합물의 직접적인 규제 및 관리와 함께 이 러한 화합물의 간접적인 영향인 토양 및 수생태계의 산성 화에 대한 관리 및 연구가 필요하다. 반응성 질소화합물로 인한 토양과 물 환경의 산성화는 생태계 생물다양성의 감 소와 인류에 대한 생태계 서비스 질을 감소시키는 결과를 초래할 것이다. 따라서 반응성 질소화합물의 관리 정책과 더불어 과잉의 반응성 질소화합물로 오염된 토양 및 물 환 경 생태계를 복원하고 관리하는 전략 방안이 추진되어야 할 것으로 판단된다.

    적 요

    산업 및 기술의 발달과 인간 활동의 증가로 인해 자연 적인 질소 순환의 균형이 무너지고 다량의 질소가 대기, 토양 및 물 환경 생태계에 과잉으로 존재하게 되었다. 이 로 인한 과잉의 반응성 질소화합물이 토양과 물 환경생태 계에 영향을 미치고 있는 것을 국내외 문헌과 사례 조사 를 통해 확인하고 유역생태계에서 질소화합물로 인한 토 양 및 물 환경 생태계의 산성화 영향 감소방안을 제시하였 다. 반응성 질소는 대기, 토양 및 물의 여러 매체를 이동하 면서 다른 유형으로 전환될 수 있으며 유형 간 상호작용이 일어나기도 한다. 효과적인 질소관리 방안으로 반응성질 소 배출원의 다양성 및 유형에 따른 배출량을 규제하는 정 책과, 반응성 질소화합물로 인한 토양 및 물 환경생태계의 환경적 피해 (산성화)를 조사 및 평가 (모니터링 및 안전성 지표 적용)하고 복원하는 전략 (예, 화학적 복원 연구 및 개 발)이 필요하다.

    사 사

    본 연구는 환경부의 “질소 과잉이 기후변화와 생물다양 성에 미치는 영향 및 대응방안” 과제 (2015)의 연구비지원 으로 수행되었습니다.

    Figure

    KSL-49-1_F1.gif

    The effect of acidic deposition on Al mobilization in soil, soil solution and stream water (The Ministry of Environment of the Republic of Korea, 2015d).

    KSL-49-1_F2.gif

    The yearly mean concentrations of NO3-, NH4+ in wet deposition (a) and changes in the annual average pH in precipitation in Korea (b) (The Ministry of Environment of the Republic of Korea, 2015b).

    KSL-49-1_F3.gif

    The effects of liming on acid neutralizing capacity and base saturation.

    KSL-49-1_F4.gif

    A flow diagram of a mass balance of pollution materials in watershed ecosystems.

    Table

    Effects of acidification on soil ecosystems (Korea Forest Research Institute, 2015).

    Environmental standards of total nitrogen (TN) in lake water, Korea (The Ministry of Environment of the Republic of Korea, 2015).

    Regional Concentration standards of ammonia nitrogen and inorganic nitrogen in leachate of landfill facilities (Management Standards of Waste Treatment Facility Article 42, Paragraph 1; The Ministry of Environment of the Republic of Korea, 2015).

    Chemical safety index in ecosystems (The Ministry of Environment of the Republic of Korea, 2015d).

    *Acid Neutralizing Capacity
    **Inorganic monomeric Al

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