Introduction
Materials and Methods
도로변 토양시료 채취
도로변 먼지시료 채취
토양 및 도로변 먼지 중금속 분석
데이터 분석
Results and Discussion
도로변 농경지 토양의 중금속 농도 분포
도로변 먼지의 중금속 농도 분포
도로에서 이격 거리에 따른 농도 분포
중금속 농도간 상관관계
Conclusions
Introduction
우리나라는 1970년대부터 도시화가 빠른 속도로 진행되었고 많은 농경지가 도시 또는 도시주변에 존재하고 있다. 도시에는 교통수단, 산업시설, 폐기물 매립지 등 오염물질을 배출하는 시설이 다수 존재하여, 그 주변에 있는 농경지가 오염물질에 쉽게 노출된다. 특히, 도로변에 위치하는 농경지는 교통수단의 내연기관 배기가스에 함유되었거나 휠, 브레이크 패드, 타이어의 마모로 발생하는 중금속이 유입되기 쉽다 (Lee et al., 2020). 이렇게 도로에서 발생한 중금속은 바람이나 빗물을 통해 이동하여 주변 환경으로 이동한다. 실제 서울시 옥상텃밭에서 수행한 연구에서 도로변 중금속이 바람을 따라 옥상텃밭으로 유입되어 식물체 표면에 쌓이는 것을 확인되었다 (Kim et al., 2015). 또한, 도로변 양쪽 토양 중 도로에서 바람이 불어오는 쪽 토양의 중금속 농도가 더 높은 것으로 나타났다 (Jaradat and Momani, 1999). 그리고 도로에서 거리가 멀어질수록 표토의 Cd, Cu, Fe, Pb 및 Zn 농도가 감소한다는 보고도 있었다 (Alsbou and Al-Khashman, 2018). 교통량이 많은 도로변 토양에는 중금속 축적이 일어날 수 있고 식물이 이를 흡수하면 먹이사슬을 통해 다른 생물체로 전이될 수 있다 (Abechi et al., 2010). 도로변에 위치하는 농경지는 이런 위험에 노출되어 있기 때문에 이에 대한 연구가 필요하다. 우리나라에서는 경기도 도로 인근 농경지에서 중금속, 특히 Cr과 Ni이 도로와 가까운 곳에서 동시에 높아짐이 보고된 바 있다 (Kim et al., 2017). 이 연구는 밭토양을 위주로 진행하였는데 밭토양은 필지 내 토양의 균질화가 잘 일어나지 않아 도로와 가까운 토양과 멀리 떨어진 토양의 중금속 농도 차이가 뚜렷하게 나타날 수 있다. 논토양은 밭토양과 환경조건과 경작과정이 다르기 때문에 밭토양과는 다른 양상이 나타날 것으로 예상된다. 우리나라에서는 서울시나 경기도와 같이 주로 교통량이 많은 대도시에서 도로변 토양 및 퇴적물에 대한 조사가 진행되었으나 (Koo et al., 1998; Seo et al., 2011) 도로변 농경지에 대한 연구는 부족하다.
따라서 본 연구는 국내 중도시 대도로변에 위치한 논 및 밭 토양 중 중금속 농도를 도로로부터 거리별로 조사하고, 도로의 영향으로 인한 오염부하를 분석하고자 하였다.
Materials and Methods
도로변 토양시료 채취
본 연구에서는 대도로 인근에 위치하는 논과 밭, 그리고 가로변 화단을 연구대상 지점으로 선정하였다. 논토양은 진주시 초전동 왕복 6차선 도로 옆 경남농업기술원 시험포장지에서, 밭토양은 창원시 마산회원구 왕복 8차선 도로 인근에 위치한 농경지에서 채취하였다. 가로수 토양은 밭 필지 옆 도로의 가로수 화단에서 채취하였다. 논과 밭에서 도로로부터의 이격거리별 채취 위치는 Fig. 1과 같다. 논은 A - D까지 4개의 라인으로 도로에서부터 50 m까지는 10 m 간격으로 토양을 채취하였고 그 이후에는 70 - 90 m, 90 - 120 m, 150 - 180 m, 210 - 240 m에서 시료를 채취하였다. 논 필지 1개 라인의 세로길이는 100 m이다. 이 중 A라인은 도로에서 70 m 떨어진 지점에서부터 건물이 들어서 있어 50 m까지만 토양을 채취하였다. 밭은 세로길이 30 m의 1개 라인으로 도로에서부터 50 m까지는 5 m 간격으로 토양을 채취하고 60 - 70 m 사이에서 한번 더 시료를 채취하였다. 시료 채취는 오거를 이용하여 같은 거리의 세 지점에서 각각 표토 (0 - 20 cm)와 심토 (20 - 40 cm) 시료를 채취하였고, 세 시료를 혼합하여 시료의 대표성을 확보하였다. 총 시료의 개수는 논 26지점 52개 시료 (표토, 심토), 밭 11지점 22개 시료 (표토, 심토), 가로변 토양 3지점 6개 시료 (표토, 심토)이다.
도로변 먼지시료 채취
도로변 먼지는 토양시료를 채취한 논과 밭 바로 옆 도로에서 채취하였다. 각 도로에는 인도와 근접한 쪽에 일정한 거리로 빗물이 빠지는 배수구가 설치되어 있다 (Fig. 2). 비가 오면 도로변 먼지가 빗물에 쓸려 배수구로 이동하고 그 중 일부는 배수구 구멍 가장자리에 쌓이는데 이를 채취하여 분석에 이용하였다. 논 인근 도로에서는 7개의 배수구에서 먼지 시료를 채취하였으며 밭 인근 도로에서는 5개 시료를 채취하였다.
토양 및 도로변 먼지 중금속 분석
토양과 먼지 시료 중 중금속 농도는 모두 왕수분해법을 이용하여 분석하였다. 먼저 토양과 먼지 시료를 60°C dry oven에서 완전히 건조한 뒤 150 µm 체거름을 하였다. 체거름한 시료 2 g을 테프론 용기에 넣고 왕수 9 mL (질산:염산 = 3:1)를 추가하였다. 테프론 용기의 뚜껑을 완전히 닫은 후 흑연블럭분해기 (OD-98-001, ODLAB, Korea)를 이용하여 시료를 160°C에서 2시간 동안 분해하였다. 분해가 끝난 후 분해액을 50 mL vol-flask에 옮겨 담고 표선까지 증류수를 채워 희석하였다. 희석액을 0.45 µm syringe filter로 거른 후 ICP-OES (8300DV, Perkin Elmer, USA)를 이용하여 As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb 및 Zn 농도를 분석하였다.
데이터 분석
토양 및 먼지 시료의 중금속 농도를 최대, 최소, 중간, 평균값의 통계 수치로 표현하였다. 표토와 심토의 중금속 농도 차이를 계산하여 대기강하물에 의한 표토 중금속 농도 증가 여부를 평가하였다. 또한, 도로로부터의 이격거리별 중금속 농도 중 유의미한 결과를 그래프로 나타냈으며, 필지종류별로 중금속 원소 간 선형회귀분석을 실시하여 공통의 오염원으로부터 유입된 중금속들이 있는지 확인하였다.
Results and Discussion
도로변 농경지 토양의 중금속 농도 분포
도로변 논토양, 밭토양 및 가로수 토양의 중금속 농도를 Table 1에 나타냈다. 모든 조사지점 중 토양 중금속 농도는 우리나라 토양환경보전법 중금속 우려기준을 넘지 않았다. 하지만 논토양은 Cu, Ni 및 Zn 평균 수치가 표토와 심토에서 모두 우리나라 배경농도보다 높은 것으로 나타났다. 예를 들어, Zn은 우리나라 토양 배경농도는 54.3 mg kg-1이지만 표토와 심토의 Zn 농도는 각각 83.5 mg kg-1과 78.4 mg kg-1였다. 토양 깊이별 Cu와 Zn 농도는 심토보다 표토에서 각각 0.3 및 5.1 mg kg-1 더 높았다. 이와 같은 결과는 이들 중금속이 표토로 유입되어 축적된 후 심토로 이동하는 것으로 사료된다. 이는 Seo et al. (2011)의 도로변 토양의 깊이별 중금속 분포연구에서 Cu와 Zn이 깊이가 깊어질수록 농도가 낮아진다는 결과와 일치하였다. 밭토양의 경우, 국내 토양 배경농도보다 높은 중금속이 논토양보다 더 다양하였으며, Cr과 Ni을 제외한 모든 중금속이 표토와 심토에서 배경농도보다 높았다. 특히, 중금속 중 아연의 농도는 심토보다 표토에서 3.4 mg kg-1 더 높았으며, 이는 논토양과 마찬가지로 Zn이 경작지 외부로부터 유입되어 표토에 축적된 결과로 사료된다. 가로수 토양은 표토에서만 Cd과 Zn 농도가 우리나라 배경농도보다 높았다. 특히, 표토의 Zn 평균 농도는 109.2 mg kg-1로 논과 밭 표토 평균인 83.5 및 94.1 mg kg-1 보다 훨씬 높은 수치를 보였다. 또한, 논 및 밭토양과는 다르게 표토 중 모든 중금속 농도가 심토보다 높게 나타냈다. 가로수 토양은 경작과정이 없어서 표토와 심토가 섞이지 않기 때문에 표토로 유입되어 축적된 중금속이 심토로 이동하는 시간이 상대적으로 오래 걸린다. 이에 표토에 축적된 중금속 농도가 훨씬 높게 나타난 것으로 보인다. 논, 밭 그리고 가로수 토양 모두 Zn 농도가 공통적으로 높게 나타났는데 이는 기존 고속도로변 토양 조사에서 Zn 농도가 비오염지역의 13 - 70배 수준으로 검출되었다는 보고와 부합하였다 (Koo et al., 1998). 가로수 토양의 표토 중 대부분의 중금속은 논과 밭토양보다 낮게 나타났는데, 그 이유는 가로수 토양이 두 농경지보다 조성된 기한이 상대적으로 짧아 도로에서 생성된 중금속 오염물질의 영향을 상대적으로 적게 받은 것으로 보인다. 반면, 아연의 경우 가로수 표토에서 가장 농도가 높게 나타났는데, 이는 Zn이 다른 중금속과는 다르게 단기간에도 축적이 잘 되는 것으로 보여진다.
Table 1.
Statistics of heavy metals in paddy, upland, and roadside soils.
†The background levels of heavy metals in Korean soil (Yoon et al., 2009).
도로변 먼지의 중금속 농도 분포
논과 밭 주변 도로변에서 채취한 먼지의 중금속 농도를 Table 2에 나타냈다. 논과 밭 인근 모두 도로변 먼지의 Cu 및 Zn 농도가 토양환경보전법 중금속 우려기준 농도를 초과하는 것으로 나타났다. 또한, 논토양 주변 도로변 먼지의 As 농도를 제외하고 나머지 중금속은 우리나라 배경농도보다 높은 수치를 보였다. 이는 도로변 먼지가 인근 농경지로 유입되면 토양 중금속 부하량을 증가시킬 수 있음을 의미한다. 특히, 평균 Zn 농도는 배경농도의 32배나 높은 수치로, 논, 밭 및 가로수 토양에서 이들 중금속 농도가 높았던 원인이 도로변 먼지의 유입 때문일 가능성이 있음을 시사한다. 도로변 먼지의 Cd, Cu, Ni, Pb 평균 농도도 각각 배경농도의 7배, 13배, 2배, 5배 정도였으나 도로와 가까운 가로수 토양에서 Cu, Ni, Pb 오염은 관찰되지 않았다.
Table 2.
Statistics of heavy metals in roadside dust near paddy and upland soils.
†The background levels of heavy metals in Korean soil (Yoon et al., 2009).
도로에서 이격 거리에 따른 농도 분포
Fig. 3은 도로로부터 떨어진 거리에 따른 논토양과 밭토양의 Cu 및 Zn 농도를 보여준다. 논은 4개 라인 모두 중금속의 거리별 농도차이가 뚜렷이 나타나지 않았다. 이와 달리 밭 필지는 Cu와 Zn 농도가 도로 인근에서 높고 도로로부터 멀어질수록 낮게 나타났다. Kim et al. (2017)의 연구에서는 도로와 가까운 토양의 Cr와 Ni 농도가 높았으나, 본 연구에서는 두 중금속 농도가 도로에서의 이격거리와는 관계가 없었다. 본 연구에서는 도로변 먼지 내 Cu와 Zn이 높은 농도로 검출되었고, 이들 원소가 도로와의 이격거리에 따라 차이를 보인 것은 도로에서 발생하는 중금속과 밭토양의 오염부하가 관계가 있음을 의미한다.
논토양에서 도로의 거리별 영향이 명확하게 나타나지 않은 이유는 경작과정에서 논토양의 균질화가 일어나기 때문일 가능성이 있다. 논바닥의 흙을 부수는 써레질은 극단적인 경운의 한 형태로 입단을 부수는 등 토양 구조를 변화시킬 뿐 아니라 (Kalita et al., 2020) 필지 내 토양을 반복적으로 혼합하여 토양환경을 균질화시킨다. 반면 밭토양은 논보다는 훨씬 적은 경운작업을 수행하기 때문에 도로로부터 이동된 중금속 오염물질이 비교적 온전히 남아있는 것으로 볼 수 있다. 또한, 담수 조건의 논토양은 밭토양과 아주 다른 환경조건이 형성되기 때문에 중금속의 이동성도 크게 달라질 수 있다. 중금속의 이동성은 토양 pH, 양이온교환용량, 산화환원전위 등의 영향을 받으며 (Ali et al., 2020), 무엇보다도 중금속 결합형태의 영향이 크다 (Rogan et al., 2010). 담수 조건에서는 여러 형태 중 water-soluble 형태의 중금속 이동성이 증가하여, 한 필지 내에서 분포면적이 커질 수 있는 것이다 (Rogan et al., 2010).
기존 연구에서 농경지의 Cu 및 Zn 함량이 높은 것은 주로 퇴비와 같은 농자재 투입의 영향일 수 있다고 보고하였는데 (Kim et al., 2015; Jeong et al., 2022), 본 연구결과 도로의 영향이 있을 수 있음을 시사한다. Lee et al. (2020)의 연구에서 자동차의 엔진, 페인트, 타이어, 휠, 브레이크 패드에서 가장 많이 검출되는 중금속이 Zn과 Cu였고, 고속도로변 토양의 중금속 장기오염 특성 조사에서 Cu, Ni 및 Zn 검출농도가 높고 연도별로 점차 증가한다는 보고가 있었다 (Lee and Lee, 2007). 그러므로 도시에 있는 농경지에서 Cu, Zn 오염부하가 나타나면 도로와의 인접성과 도로 교통량 등도 종합적으로 고려하여 원인을 판단해야 할 것이다.
중금속 농도간 상관관계
논, 밭, 가로수 토양과 도로변 먼지의 중금속 중 농도간 상관관계를 보인 Cr과 Ni 농도의 회귀상관을 Fig. 4에 나타냈다. 밭토양과 가로수 토양은 모두 R2값 0.9 이상으로 Cr과 Ni 농도 사이에 아주 높은 정의 상관관계를 보였고 도로변 먼지도 R2값 0.89으로 두 원소 사이에 밀접한 관계가 있는 것으로 나타났다. 논토양은 전체 시료를 대상으로 회귀분석을 실시하면 R2값이 0.14로 나오지만 논 A라인에 해당하는 5개 지점을 (빨간 동그라미) 제거하면 R2값이 0.67로 크게 증가한다. 논 A라인은 본 연구에서 확인할 수 없는 이유로 (예, 접경지역 건물 및 구조물 공사로 인한 교란) Cr과 Ni 사이 상관관계가 영향을 받은 것으로 보인다. Cr과 Ni은 도로와의 이격거리에 따른 증가, 감소가 뚜렷하게 나타나지 않아 도로의 영향으로 오염농도가 증가한다고 보기에는 부족하였다. 하지만 조사 지역이 자연적으로 Cr과 Ni 함량이 높은 사문암 지대가 아니고 도로변 먼지에서도 Cr과 Ni 농도 사이에 높은 상관관계가 나타났기 때문에 이들 중금속은 도로변 먼지로 토양에 유입되어 토양 오염부하를 증가시킬 수 있을 것으로 보인다. 기존 도시토양 연구에서도 Cr과 Ni 사이에 상관관계가 확인된 바 있다 (Kim et al., 2015; Jeong et al., 2022). 이와 달리 Cu와 Zn은 도로의 영향을 받아 토양 중 농도가 높은 것으로 나타났지만 두 중금속 사이 상관관계는 R2값 0.03으로 (논토양) 아주 낮은 것으로 나타났다.
Conclusions
도로변 논, 밭, 가로수 토양을 채취하여 분석한 결과, 세 토양에서 Zn의 농도가 공통적으로 높았다. 논토양에서는 써레질 및 담수에 의한 토양의 물리 ‧ 화학적 균질화로 도로에서의 이격거리별 중금속 농도 차이가 명확히 나타나지 않았다. 하지만 밭토양에서는 Cu와 Zn 농도가 도로와 가까운 곳에서 높고 도로에서 멀어질수록 낮게 나타나 도로에서 발생한 오염물질이 오염부하를 일으키는 것으로 보인다. 도로에서 발생하는 먼지에서도 Cu와 Zn 농도가 토양환경보전법 중금속 우려기준을 초과하는 것으로 나타나 위 결론을 뒷받침하였다. 또한, 도로와 가깝고 경작과정에 의한 토양교란이 일어나지 않는 가로수 토양은 조사 중금속 대부분이 심토보다 표토에서 농도가 높았는데 이는 도로에서 발생한 오염물질이 주변 토양에 유입되어 축적되고 있음을 보여준다. 기존 연구에서 도시 농경지의 Cu와 Zn 농도가 높은 이유는 친환경 퇴비의 과사용이 원인으로 지목되었는데 앞으로는 농경지 인근 도로와의 인접성, 도로교통량 등에 따른 도로변 오염물질의 유입도 고려되어야 할 것이다.
