Introduction

2013년에 발표된 국제유기농운동연맹 (IFOAM)에 따르면 세계 유기농식품 시장규모는 720억 달러로 2008년에 약 50% 증가하였고, 매년 20% 내외로 지속적으로 성장하고 있다 (Lockeretz, 2007; Willer and Yussefi, 2007). 우리나라 또한 유기농산물 재배 면적이 2000년 296 ha에서 2014년 기준 18,603 ha로 우리나라의 농경지 면적이 지속적으로 감소하는 추세임에도 불구하고 유기농업농가의 증가는 폭발적이라고 할 수 있다. 더불어 유기농업자재 산업은 2001년부터 5년마다 정부에서 계획 후 추진하고 있는 ‘친환경농업육성 5개년 계획’에 따라 급속도로 성장하고 있으며, 향후 2020년에는 약 6조 6천억 규모로 2012년 대비 두배에 달할 것으로 전망된다 (Joo et al., 2010; Jung et al., 2014).

유기농업자재의 원료는 식물성, 동물성, 미생물, 화합물과 광물질로 나눠져 있는데 토양개량 및 작물 생육용 유기농업자재의 주 원료는 돈분, 계분, 우분과 같은 가축분뇨이며 Ko and Kim (2016)에 따르면, 돈분 내 비소 (As)의 함량은 12 mg kg^-1, 구리 (Cu)의 함량은 286 mg kg^-1, 아연 (Zn)의 함량은 884 mg kg^-1으로 나타났고, 가금류의 분뇨 내 Cu 함량은 86 mg kg^-1, Zn의 함량은 361 mg^-1으로 보고되었다. 또한, 병해충 방제용 유기농업자재의 주 원료는 보르도액, 수산화동, 산염화동과 같은 화합물이며 Lee et al. (2017)에 따르면, 석회보르도액 내 Cu의 함량은 845 mg kg^-1, Zn의 함량은 3,477 mg kg^-1으로 보고되었다. 현재 우리나라에서는 유기농업자재 내 유해물질을 관리하기 위해 국립농산물품질관리원에서 유기농업자재 공시 기준의 이화학시험성적서 (유해성분)에 따라 심사 및 인증을 하는데 토양개량 및 작물생육용 자재는 건물중 기준 비소 (As) 20 mg kg^-1, 카드뮴 (Cd) 2 mg kg^-1, 납 (Pb) 50 mg kg^-1, 구리 (Cu) 120 mg kg^-1, 니켈 (Ni) 20 mg kg^-1, 아연 (Zn) 400 mg kg^-1으로 중금속 기준을 적용 관리하고 있다. 하지만 석회보르도액과 유황합제와 같이 병해충 방제용에 대한 기준이 없어 무분별하게 제조 및 사용되고 있다.

현재까지 축분퇴비 투입에 따른 토양 내 중금속 축적에 관한 연구는 대부분 관행농가에서 이루어졌으며, 유기농업자재의 처리에 따른 중금속 축적에 관련된 연구가 미비하다. 또한 과수농가에서 사용되는 병해충 방제용 유기농업자재는 중금속 농도 기준이 없고 대표적으로 사용되는 석회보르도액 및 유황합제의 사용 권장량 조차 설정되어 있지 않다. 따라서 본 연구는 유기농업자재를 사용하는 과수농가와 관행농가를 비교하여 유기농업자재의 사용에 따른 토양 중금속의 오염정도를 파악하고자 실시되었다.

Materials and Methods

시료채취 과수농가 지역 및 토양 시료채취와 중금속 분석방법  본 연구의 대상지역은 우리나라의 대표적 과실 재배 지역인 5곳으로 밀양 (사과), 김천 (포도), 제주 (귤), 나주 (배), 창원 (단감)을 선정하였다. 토양 시료의 채취는 유기농업농가 총 38지점과 관행농가 총 10지점에서 실시하였으며 과수의 종류별 조사대상 농가수는 Table 1과 같다. 선정된 지역 내 유기농업농가와 관행농가의 토양을 채취 시 대표성을 가지기 위해 동일 필지 내 3개의 지점에서 채취 후 혼합하여 중금속 함량 분석에 사용하였다. 토양 시료채취는 유기물을 걷어 낸 후 표토 (0~15 cm)와 심토 (15~30 cm)를 핸드 오거 (지름 6.6 cm)를 이용하여 채취하였다. 토양 시료는 자연건조 후 2 mm 입도로 체를 통과시켜 사용하였다. 중금속 분석은 토양오염공정시험법에 준하여 토양시료를 150 mesh 이하로 분쇄하여 사용하였다. 토양시료 3 g에 왕수 (HNO₃:HCl, 1:3) 28 ml를 가하여 분해하였다 (Ministry of Environment, 2010; US-EPA, 1996). 분해된 시료의 중금속은 ICP-OES (Inductively coupled plasma optical emission spectrophotometer, Perkinelmer ICP optima 5300DV, United states)로 정량 하였다.

Table 1. The number of selected fruit farm for soil sampling.

토양 중금속 함량 회수율 검증  본 실험에서는 중금속 분석법의 정확성을 평가하기 위하여 토양 내 중금속 함량에 대한 표준인증물질 (BAM-U112a)을 위에 제시한 방법으로 분석하였다. 표준인증물질 (BAM-U112a)을 분석한 결과, 평균 회수율이 As의 경우 96%, Cd은 104%, Cu는 96%, Pb와 Zn은 102%로 나타났다. 토양 분해 시료 내 중금속 함량은 ICP-OES (Inductively coupled plasma optical emission spectrophotometer, Perkinelmer ICP optima 5300DV, United states)를 이용하여 측정하였다.

토양 중금속의 오염도 평가  유기농업농가의 토양 내 중금속 오염정도를 관행농가와 비교하기 위해 중금속별 오염상태에 대한 상대적인 지수로 표현 할 수 있는 오염지수 (Pollution index, PI)와 지화학적 농축계수 (Index of geoaccumulation, Igeo)를 각각 계산 하였다 (Gowd and Govil, 2010; Krishna and Govil., 2008; Loska et al., 2004; Muller., 1979; Nikolaidis et al., 2010; Xingxing et al., 2013). 토양 중금속 오염의 정도를 평가하는 방법 중에서 오염지수 (PI)는 중금속의 허용한계치 (Tolerance level)를 이용하여 토양오염 정도를 평가하는 방법으로 중금속 항목별 허용 한계치는 Table 2를 근거로 하여 오염지수를 평가하였고, 환산식은;

오염지수 (PI)=                                          (Eq.1)

이다. 오염지수의 값은 크게 두 부류로 오염지와 비오염지로 나눌 수 있다 (Table 3).

Table 2. Tolerance level of heavy metal(loid)s.

지화학적 농축계수는 (Index of geoaccumulation, Igeo) 기준배경 (background) 토양의 중금속함량을 이용하여 중금속 오염 축적도를 평가할 수 있다. “1.5” 상수는 기원물질의 중금속 함량변화를 보정하기 위한 보정 상수이며 환산식은;

지화학적 농축계수 (Igeo)=                 (Eq.2)

이다. 산출된 Igeo 값은 Muller (1979)에 의해 제시된 Index of geoaccumulation을 이용하여 평가하였고 분류는 비오염 (Unpolluted), 근접오염 (Unpolluted to Moderately polluted), 중간오염 (Moderately polluted), 주의오염 (Moderately to highly polluted), 경보오염 (Highly polluted), 대책오염 (Highly to very highly polluted), 위험오염 (Very highly polluted)으로 나누었다 (Table 3).

Table 3. Classification criterion of PI, and Igeo.

(Reference: Kloke et al., 1979; Muller et al., 1979)

통계분석  과수농가별 유기농업농가와 관행농가의 토양 내 총 중금속 함량의 통계분석을 위해 statistix 통계프로그램 (version 9.0)을 이용하였다. 조사구 평균값 간의 차이를 비교하기 위하여 조사된 자료는 ANOVA 검증을 통하여 분석하였다. F-test 결과 값이 p < 0.05의 범위에서 유의한 경우에만 최소 유의차 검정 (LSD)을 실시하였다.

Results and Discussion

토양 내 중금속 함량  유기농업자재를 사용하는 유기농업 과수농가와 관행농가의 토양 내 중금속 함량을 비교하기 위해 총 중금속함량을 측정하여 비교하였다 (Table 4). 관행농가와 유기농업농가의 토양 내 As와 Cd은 검출 한계 미만이거나 소량으로 존재하였다. 또한 6종의 중금속 모두 토양환경보전법의 우려기준을 초과하지 않았다. 세부적으로 보면, Ni의 함량은 관행농가와 유기농업농가 간에 유의한 차이가 나타나지 않았다. 유기농업농가의 표토 (0~15) 내 Cu와 Pb의 평균 함량은 관행농가에 비해 약 2배가량 높았으며, 유기농업농가의 표토 내 Zn의 평균함량은 관행농가 대비 25% 높았다. 관행농가 대비 유기농업농가의 표토 내 Cu, Pb, Zn의 함량은 10~15% 높은 반면 심토 내 함량은 1~5% 높았다. 심토보다 표토에 더 많은 중금속이 축적된 것은 유기농업자재의 투입에 기인된 것으로 판단된다. 특히 유기농업농가에서 많이 사용되고 있는 가축분 퇴비, 보르도액, 황화동은 Cu, Pb, Zn 등의 중금속을 함유하고 있다. 이러한 유기농업자재의 투입은 토양 내 Cu, Pb, Zn의 함량을 증가시킨다고 보고되었다 (Brock et al., 2006; Genevini et al., 1997; Ko and Kim, 2016; Lee et al., 2017).

Table 4. Comparison of total heavy metal(loid)s concentrations in surface (0~15 cm) and sub (15~30 cm) soils of conventional (C) (n=20) and organic (O) (n=76) farms (Letters in row for mean value are for C and O comparison. Values with same letter within a row are not significantly different at p = 0.05 ).

^†tr: trace.
^‡Warning criteria: Established by soil environmental conservation act of Korea.

토양 중금속 오염도 평가  중금속의 허용한계치 (Table 2)를 근거로 토양 중금속의 오염상태를 상대적인 지수로 표현한 오염지수 (PI) 값은 토양에서 외부환경으로부터 유입되어 나타날 수 있는 복합적인 중금속 오염정도를 정량화하기 위한 목적으로 도입되었다 (Kloke, 1979). 오염지수 (PI)의 값이 1보다 크면 중금속 오염 지역이고, 1 이하는 비오염지역으로 구분 할 수 있다. 본 연구에서 나타난 PI 값은 대체로 0.35 이하로 측정되어 비오염지역으로 판단되며, 관행농가와 유기농업농가간의 PI 수치를 비교해보면 상대적으로 유기농업농가의 PI 수치가 더 높은 것으로 나타났다 (Table 5).

Table 5. Pollution index (PI)s of conventional and organic farm.

유기농업농가의 토양을 오염지 토양으로 설정하고 환경부에서 조사한 우리나라 자연 배경농도지점 토양의 중금속 함량 (ME, 2014)을 기준배경토양으로 설정하여 상대적인 중금속 오염정도를 산출한 값이 지화학적 농축계수 (Index of geoaccumulation, Igeo)이다. Fig. 1과 같이 과수별 Igeo 값을 비교한 결과 포도 재배지에서 가장 높은 값을 나타냈고 다음으로 높은 곳은 귤 재배지로 확인된다. 또한 포도 재배지에서만 명확하게 심토보다 표토의 Igeo 값이 높은 것으로 나타났다. 사과와 배, 단감 재배지에서는 Igeo 값이 비오염 또는 근접오염으로 낮은 단계에 분류되었고 표토와 심토 간의 차이도 적은 것으로 확인되었다. 본 연구결과 뿐만 아니라 이전 연구에서도 유기농 포도 재배지의 토양 내 중금속 함량이 관행농가에 비해 높은 것으로 보고되었다 (Deluisa et al., 1996; Pietrzak et al., 2004; Romic et al., 2004; Rusjan et al., 2007). 이러한 결과의 주요한 원인은 포도 재배 농가에서 포도 흰가루병의 예방과 응애 방제를 위해 사용되는 석회보르도액과 유황합제에 의한 것으로 판단된다 (Buchanan and Amos, 1992; Emmett et al., 1992).

Fig. 1.

Index of geoaccumulation (Igeo) of heavy metal(loid)s concentration in soil (T: topsoil, S: subsoil) of different fruit farms.

본 연구에서 채취한 전체 토양시료에 대한 Igeo 값을 오염단계별 해당 농가수를 구분해 본 결과 (Fig. 2), 총 유기농업 38개 농가 중 11개 농가에서 중간오염 단계를 초과한 것으로 나타났다. 좀 더 자세히 보면, Cu와 Pb을 제외한 중금속들의 경우 표토와 심토 모두 Igeo 값이 비오염에서 근접오염 단계로 낮게 나타났다. 그에 반해, Cu와 Pb의 경우 더 높은 수준의 오염단계에 해당하는 유기농업농가가 존재하며 심토보다 표토에서 높은 오염단계의 농가가 더 많은 것을 확인할 수 있었고, 이는 유기농업농가의 표토에서 Cu와 Pb이 더 많이 축적되었다고 판단된다.

Fig. 2.

A number of organic farming fruit farms with level of contamination / pollution of Igeo (A: Unpolluted, B; Unpolluted to Moderately, C; Moderately, D; Moderately to High) in soils.

본 연구는 시험포장이 아닌 실제 유기농업농가와 관행농가를 대상으로 실시한 것으로 유기농업자재의 권장량 및 사용량에 관한 기준이 없어 정확한 유기농업자재 투입량에 대한 정보 수집이 불가능하였다. 그러나 본 연구에서는 관행농가와 유기농업농가의 토양 내 중금속 함량과 오염정도의 차이를 비교할 수 있었다. 추후 토양의 건전성과 중금속 안전 농산물 생산을 위한 유기농업자재의 사용량 설정에 대한 추가적인 연구가 실시되어야 할 것으로 판단된다.

Conclusion

본 연구는 유기농업농가의 토양 내 중금속 오염도를 평가한 것으로, 유기농업농가의 PI지수는 비교적 관행농가보다 높지만 오염지역으로 나타나지 않았다. 그러나 관행농가를 기준배경토양으로 계산한 Igeo 값에 따르면 유기농업농가의 토양 내 Cu, Pb, Zn의 오염정도가 높게 나타났다. 또한 오염도가 높은 유기농업농가에서 심토 (15~30 cm) 보다 표토 (0~15 cm)의 오염정도가 더 높고, 이는 Cu, Pb, Zn이 포함된 유기농업자재의 투입에 기인한 것으로 판단된다. 따라서 관행농가에서 사용하는 일반농업자재와는 달리 기준이 명확하지 않은 유기농업자재에 대한 중금속 농도 기준 및 사용 권장량 설정에 대한 연구가 조속히 이루어져야 할 것으로 판단된다.