서 론
제주의 양돈산업은 한국 양돈산업의 성장과 발전 추세와 비슷한 흐름을 가져오면서 지역 특성을 반영하여 차별화된 산업구조와 시장을 형성하고 있다. 제주의 지역특성에 따른 대내외 환경변화에 적극적으로 대응하여 관광산업과 양돈산업의 공존, 도민과 관광객들과의 상생 도모와 동시에 제주 돼지고기의 명품화, 차별화를 통하여 경쟁력과 지속가능성을 확보해 나가야 하는 과제를 안고 있다.
2018년 기준 제주 양돈산업 생산액은 약 3,850억원으로 1조 1,085억원 규모의 제주 축산업 생산액의 37.8%를 차지하고 있으며, 2조 6,536억원 규모의 제주 농축산물 합계 생산액에서 차지하는 비중이 14.5%에 이를 정도로 제주지역에서 관광산업과 더불어 경제적으로 중요한 산업임은 분명하다(JRI, 2020). 제주지역의 돼지사육두수는 2019년 기준 55만두 규모로 제주시 한림읍을 중심으로 한 서부지역에 밀집되어 있으며, 이 지역이 양돈분뇨 액비를 집중적으로 활용하는 특성을 갖고 있다.
그러나 지난 2017년 양돈농장 밀집과 양돈분뇨 액비 활용이 집중되어 있는 한림읍 소재의 상명 석산 양돈분뇨 불법투기 사건으로 인하여 양돈산업과 양돈분뇨의 재활용에 대한 인식이 매우 나빠지게 되었다. 또한 양돈농장 유래의 악취 민원 급증으로 제주의 양돈산업은 큰 위기를 맞게 되었다.
이러한 지역 주민과 관광객들의 민원 및 제주특별자치도 보건환경연구원 보고서(Song et al, 2018) 등에서 양돈분뇨 액비 살포가 지하수의 질산성질소 증가에 상당한 영향을 미쳐 지하수 및 토양 오염 가능성을 지적하기도 하였다.
한편, 제주지역에 유입되는 연간 빗물의 총량은 33.9억 톤이고 이 중 44%인 14.9억톤이 지하수가 된다. 제주의 지하수가 한국의 전체 평균 함양율 18% 보다 높은 것은 화산섬 특유의 지질구조가 투수성을 높이기 때문이다. 또한 제주지역에는 지하수 관정을 대량 개발하여 83.9%의 이용량을 나타내고 있다(Jeju Province, 2000).
이러한 지역 특성에 따라 제주지역은 식수에 대한 의존도가 지하수에 크게 의존하고 있기 때문에 지하수 수질과 지하수를 오염시킬 가능성이 있는 생활하수, 양돈분뇨액비, 화학비료 등에 대한 관심이 매우 높다.
본 연구는 양돈농장 밀집 및 양돈분뇨 액비활용이 활발한 지역과 화학비료 위주의 농업지역 및 액비와 화학비료 사용이 거의 없는 비농업 일반지역의 수질과 토양특성 비교를 통하여 양돈농장 밀집과 양돈분뇨 액비활용이 수질 및 토양에 미치는 영향을 확인하고자 하였다.
재료 및 방법
1. 시험개요
제주지역에서 양돈농장이 밀집되어 있으며, 주로 초지에 해당하는 양돈분뇨 액비활용지역과 화학비료 위주의 농업지역으로 마늘 재배지역 및 액비와 화학비료 사용이 거의 없는 일반지역 등 각기 다른 특성을 가진 지역의 수질 및 토양특성을 비교하기 위하여 지하수, 지표수 및 토양을 채취하여 분석하였다. 시료채취 위치는 Table 1 및 Figure 1과 같다.
Table 1.
Water and soil sampling sites in Jeju.
Area* | Water | Soil | |
Ground | Surface | ||
Normal | Sinrye-ri, Namwon-eup, Seogwipo-si | Wimi-ri, Namwon-eup, Seogwipo-si | Sinrye-ri, Namwon-eup, Seogwipo-si Wimi-ri, Namwon-eup, Seogwipo-si |
Liquid | Eoeum-ri, Aewol-eup, Jeju-si | Myeongwolseong-ro Hallim-eup, Jeju-si | Eoeum-ri, Aewol-eup, Jeju-si Myeongwolseong-ro Hallim-eup, Jeju-si |
Chemical | Daejeong-eup Ilgwa-ri, Seogwipo-si | Daejeong-eup Ilgwa-ri, Seogwipo-si | Daejeong-eup Dongil-ri, Seogwipo-si Daejeong-eup Ilgwa-ri, Seogwipo-si |
2. 조사내용 및 방법
수질분석 항목은 총대장균, 수소이온, 전기전도도, 염소이온, 질산성질소, 황산이온 및 불소이온 등이었으며, 토양분석 항목은 질산성질소와 구리 및 아연이었다. 서로 다른 지역 특성이 반영된 지하수, 지표수 및 토양시료의 채취는 6~7월 중에 각 지점에서 3회에 걸쳐 채취하여 분석에 사용하였다.
지하수와 지표수의 채수는 멸균처리된 1 L 용량의 무색 폴리에틸렌 용기를 사용하여 지하수 관정에서 1~2분간 펌프를 사용하여 수도관 내에 고인 지하수를 흘려보낸 후 채수하였으며, 지표수는 최대한 깨끗하게 흐르는 곳을 선정하여 채수하였다. 지하수와 지표수 모두 4 ℃ 이하로 냉장 보관하였다가 다음날 분석하였다.
토양시료는 토양오염공정시험기준(KMOE, 2020) 중 시료의 채취 및 조제 방법에 따라 토양시료 전용 채취기(Auger, Royal Eijkelkamp, Giesbeek, Netherlands)를 사용하여 채취하였으며, 토양표면의 잡초나 유기물 등을 제거한 후 약 15cm 깊이에서 채취하였고 입구가 넓으며 빛에 의한 영향을 받지 않는 갈색 유리 재질의 250㎖ 용량의 토양시료병에 담아 밀봉한 후 0~4℃의 냉장 상태로 이송하였다.
3. 성분분석
지하수와 표면수는 YSI-556MPS (Xylem Inc., USA) 측정기를 사용하여 샘플링 하는 동안 각 지점의 pH와 EC를 측정하였다. NO3-, Cl-, 및 SO42-는 ICP-MS (Spectroblue FMX 26, AMETEK, Germany)를 사용하여 분석했다. 총 대장균은 다중관 발효시험 방법을 사용하여 측정했다.
토양시료는 한국의 공식 토양오염공정시험방법(KMOE, 2020)에 따라 수집 및 분석하였다. 토양시료 채취장소, 시간 및 기간은 수질 시료 채취와 같이 진행하였다. 토양시료 중 NO3-는 Kjeldahl 방법으로 질소 자동 분석기(Kjeltec auto 2400/8400 System, Tecator AB, Sweden)를 사용하여 분석했다. 또한 Cu와 Zn은 ICP-MS (ICP-730-ES, VARIAN, USA)를 사용하여 분석했다.
4. 통계분석
수질과 토양에 대한 모든 분석결과는 SAS® University Edition(2020)의 General Linear Model Procedure를 이용하여 분석하였다. 지하수, 지표수 및 토양의 분석모델에 일반지역, 화학비료지역 및 액비활용지역의 요인(고정오차)들 간의 상호작용을 삽입하였다. 평균은 최소자승평균(Least significant different test)을 사용하였으며, 유의성은 p값 0.05 수준에서 검정하였다. 평균값 간의 차이의 유무는 SAS program의 PDIFF option을 이용하여 비교하였다.
결과 및 고찰
1. 수질 비교
양돈분뇨 액비, 화학비료의 활용 여부가 다른 각 지역별 지하수 수질 분석 결과는 Table 2와 같다.
Table 2.
The results of groundwater quality for each area.
Items | Area* | SEM | P-value | ||
Normal | Liquid | Chemical | |||
Total coliforms (MPN/100mL) | 8 | 11.63 | 96.25 | 28.10 | 0.06 |
pH | 7.13 | 7.16 | 7.2 | 0.16 | 0.95 |
Electrical conductivity (uS/cm) | 65.13 | 185.38 | 166.13 | 6.27 | <0.01 |
Nitric nitrogen (mg/L) | 0.79 | 1.7 | 5.54 | 0.35 | <0.01 |
Chlorine (mg/L) | 5.04 | 9.2 | 12.08 | 0.40 | <0.01 |
Sulfate (mg/L) | 1.53 | 3.05 | 8.81 | 0.58 | <0.01 |
Fluorine (mg/L) | 0.05 | 0.09 | 0.01 | 0.03 | 0.24 |
일반지역, 액비활용지역 및 화학비료지역 지하수의 전기전도도, 질산성질소, 염소 및 황산 농도는 각 지역별 차이가 인정되었으나(p<0.01) 총대장균, 수소이온 및 불소는 통계적으로 차이가 인정되지 않았다.
지하수의 총대장균수는 화학비료지역에서 가장 높게 나타났으며, 일반지역과 액비활용지역과는 상대적으로 확연한 차이를 보였으나 통계적인 유의성은 인정되지 않았다. 화학비료지역 지하수의 대장균 오염도가 가장 높고 액비활용지역 및 일반지역 순으로 나타났으나 일반지역과 액비활용지역과의 차이는 없었다.
전기전도도는 액비활용지역과 화학비료지역이 거의 비슷하였으나 일반지역은 확실히 낮았다(p<0.01). 이는 액비 및 화학비료가 빗물 등에 의해 지하수로 스며들어 전기전도도 값을 높인 결과로 추측된다.
질산성질소는 일반지역과 액비활용지역 간에는 차이가 없으나 화학비료지역이 현저하게 높은 결과를 나타내었다(p<0.01).
Song et al. (2018)의 보고에서 제주 지하수는 가축폐기물 등 동물성유기물질의 영향을 많이 받는 지역보다 농사용 화학비료에 의한 영향을 많이 받는 지역이 질산성질소 농도가 더 높게 나타났다고 하여 본 연구결과와 비슷하였다.
염소 농도는 화학비료지역이 가장 높았고 액비활용지역, 일반지역 순이었다. 염소 이온은 5.04~12.08mg/L의 범위로 분석되어 먹는물 기준 250mg/L에 비하여 세 지역 모두 미미한 수준으로 판단된다.
황산 농도 또한 염소와 비슷한 경향으로 화학비료지역, 액비활용지역, 일반지역 순으로 높게 나타났다.
따라서 일반지역이 가장 우수하고 액비활용지역, 화학비료지역 순으로 지하수 수질 낮은 것으로 판단된다.
일반지역, 액비활용지역 및 화학비료지역의 지표수 수질 분석 결과는 Table 3과 같다.
Table 3.
The results of surface water quality for each area.
Items | Area* | SEM | P-value | ||
Normal | Liquid | Chemical | |||
Total coliforms (MPN/100mL) | 42.25 | 125.0 | 969.13 | 151.70 | <0.01 |
pH | 7.05 | 7.25 | 7.13 | 0.18 | 0.74 |
Electrical conductivity (uS/cm) | 89.38 | 295.38 | 179.88 | 10.82 | <0.01 |
Nitric nitrogen (mg/L) | 1.85 | 13.33 | 4.98 | 0.41 | <0.01 |
Chlorine (mg/L) | 9.59 | 18.78 | 14.36 | 2.45 | <0.05 |
Sulfate (mg/L) | 2.23 | 13.26 | 9.78 | 0.90 | <0.01 |
Fluorine (mg/L) | N.D. | N.D. | N.D. | - | - |
지표수의 총대장균은 화학비료지역에서 월등히 높게 나타났다(p<0.01). 전기전도도는 일반지역 89.38uS/cm, 화학비료지역 179.88uS/cm 및 액비활용지역은 295.38uS/cm로 통계적으로 차이가 인정되었다(p<0.01).
Lee et al. (2012)이 전기전도도가 증가하면 지하수 및 지표수의 오염을 추정할 수 있다고 하였는데, 본 연구에서도 화학비료나 액비활용이 지표수를 오염시킬 가능성이 있음을 보여주는 것으로 판단된다.
지표수의 질산성 질소는 액비활용지역, 화학비료지역, 일반지역 순으로 높게 나타났다. 질산성 질소의 먹는물 수질기준 10mg/L과 비교하면, 일반지역과 화학비료지역은 기준치 이내였다. 액비활용지역은 기준치를 약간 상회하는 것으로 나타났으나 생활용수 혹은 농업용수로 사용하기에는 전혀 문제가 없을 것으로 판단된다.
염소 농도는 액비활용지역이 가장 높고 화학비료지역, 일반지역 순으로 나타났으며, 먹는물 기준 250mg/L 보다 상당히 낮은 값을 보여 염소 이온이 지표수의 오염에는 거의 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 황산 농도 또한 염소 농도와 비슷한 경향을 보였으며, 불소는 세 지역 모두 검출되지 않았다.
따라서 지역별 지표수의 수질은 일반지역이 가장 우수하고 화학비료지역, 액비활용지역 순으로 낮은 것으로 판단된다.
Table 4는 지하수와 지표수의 수질 분석 결과를 합산하여 도출한 결과이다.
Table 4.
Combined results of ground and surface water quality for each area.
Items | Area* | SEM | P-value | ||
Normal | Liquid | Chemical | |||
Total coliforms (MPN/100mL) | 25.13 | 68.31 | 532.69 | 77.14 | <0.01 |
pH | 7.09 | 7.21 | 7.16 | 0.12 | 0.79 |
Electrical conductivity (uS/cm) | 77.25 | 240.38 | 173.0 | 6.25 | <0.01 |
Nitric nitrogen (mg/L) | 1.32 | 7.51 | 5.26 | 0.27 | <0.01 |
Chlorine (mg/L) | 7.31 | 13.99 | 13.22 | 1.24 | <0.01 |
Sulfate (mg/L) | 1.86 | 8.16 | 9.29 | 0.53 | <0.01 |
Fluorine (mg/L) | 0.02 | 0.05 | 0.01 | 0.02 | 0.24 |
총대장균수는 화학비료지역이 월등히 높게 나타났으나(p<0.01) pH는 지역간 차이를 보이지 않았다. 전기전도도와 질산성 질소는 액비살포지역, 화학비료지역, 일반지역 순으로 높았다(p<0.01). 염소와 황산 농도는 일반지역에 비해 액비살포지역과 화학비료지역이 더 높게 나타났다(p<0.01). 불소는 극소량이거나 검출되지 않아 지역간 차이는 없었다.
Hyun et al. (2018)의 2017년 기준 제주도내 개인오수처리시설의 질소부하량에 대한 연구에서 총질소의 원단위는 8.15mg/L이며 연간 244.1톤의 오염부하량과 연간 약 0.15m/L씩 증가할 것으로 예측하였다.
따라서 제주지역 지하수 및 지표수에 대한 수질 오염원으로 작용할 수 있는 화학비료, 양돈분뇨 액비 및 개인오수처리시설 등에 대한 정확한 기여도 분석을 통하여 정밀하고 지속적인 관리가 병행되어야 할 것이다.
2. 토양분석 결과
양돈분뇨 액비나 화학비료 활용이 거의 없는 일반지역과 액비활용지역 및 화학비료 위주의 농업지역 등 각 지역별 토양 분석 결과는 Table 5와 같다.
Table 5.
The results of soil property for each area.
Items | Area* | SEM | P-value | ||
Normal | Liquid | Chemical | |||
Nitric nitrogen (mg/kg) | 5.93 | 13.01 | 20.19 | 4.23 | 0.09 |
Cu (mg/kg | 51.90 | 53.82 | 26.15 | 9.71 | 0.11 |
Zn (mg/kg) | 146.33 | 163.08 | 99.12 | 34.66 | 0.42 |
토양의 질산성 질소 농도는 화학비료지역이 가장 높은 값을 나타내었으나 각 지역 간 통계적 차이는 인정되지 않았다. 화학비료지역의 질산성 질소 농도가 가장 높다는 것은 추후 토양에 함유한 질산성 질소가 지하수로 이동할 가능성이 가장 높을 것으로 추정할 수 있을 것이다.
토양 중의 구리와 아연 함량은 액비활용지역이 가장 높았으나 일반지역과 차이가 없었다. 화학비료지역이 가장 낮은 값을 나타내었으나 각 지역 간 통계적 유의성은 인정되지 않았다.
이러한 결과는 Kim et al. (2018A)이 보고한 가축분뇨 액비 살포지역의 질소 및 중금속 부하량에 대한 연구 결과와 비슷한 것으로 사료된다.
따라서 양돈분뇨 액비의 과잉 살포는 질산염 및 중금속으로 인한 토양오염 가능성을 높일 수 있어 액비 살포량 및 농도에 대한 정밀하고 지속적인 관리가 필요할 것으로 판단된다.
결 론
제주지역에서 양돈농장 밀집 및 액비활용지역, 화학비료 위주 농업지역 및 액비활용과 화학비료 사용이 거의 없는 일반지역의 지하수와 지표수 및 토양을 채취하여 분석하였다. 지하수 수질은 일반지역이 가장 우수하였고 액비활용지역, 화학비료지역 순으로 지하수 수질이 떨어지는 것으로 나타났다. 지표수 수질은 일반지역이 가장 우수하였고 화학비료지역, 액비활용지역 순으로 낮았다. 지하수와 지표수를 합산한 수질 분석 결과에서는 총대장균수와 전기전도도 외에는 지역별 차이가 없었다. 총대장균수는 화학비료지역이 액비활용지역보다 높게 나타났다. 지표수의 질산성 질소는 액비활용지역이 화학비료지역보다 높았으나, 지하수에서는 화학비료지역이 액비활용지역보다 높았고 지하수와 지표수 합산 결과에서는 두 지역간 통계적 차이는 없었다.
토양의 질산성 질소는 화학비료지역이 월등히 높았고 액비활용지역은 일반지역과 화학비료지역의 중간 정도로 나타났다. 토양 중의 구리와 아연 함량은 액비활용지역이 가장 높았으나 일반지역과는 차이가 없었으며, 화학비료지역이 가장 낮게 나타났다. 질산태 질소는 화학비료지역이 액비활용지역 보다 높게 나타났다.
결론적으로 화학비료가 제주지역 지하수 오염에 미치는 영향이 가장 크며, 양돈분뇨 액비활용은 화학비료에 비하여 수질오염 기여도는 높지 않음을 확인할 수 있었다. 또한 화산섬 특성을 가진 제주지역의 보다 많은 지하수, 지표수 및 토양의 분석과 지속적인 모니터링이 필요하다.
따라서 제주지역 수질 및 토양 오염에 영향을 미치는 화학비료, 양돈분뇨 액비 및 생활하수 등 다양한 오염원에 대하여 화학비료 사용 절감, 화학비료 대체 농법 및 양돈분뇨 액비활용의 적정범위 유지 등 지속적인 모니터링과 정밀한 관리가 따라야 할 것으로 사료된다.