Introduction
Materials and Methods
조사 대상지역 및 시기
시료채취 및 분석방법
Results and Discussion
토지이용 형태에 따른 지하수 수질 특성
계절별 수질 특성
연도별 수질변화 및 수질 기준 초과율
Conclusions
Introduction
지하수는 전 세계적으로 농업, 산업, 식수 등 다양한 용도로 이용되는 중요한 수자원으로, 지구촌 인구 증가와 기후변화에 따른 물 부족 문제의 심화와 함께 그 중요성이 증대되고 있다 (Hendricks, 2009; Gleeson, 2020). 특히, 농업용 지하수는 농경지 관개 및 작물 생육에 필수적인 역할을 하지만, 무분별한 양분 투입 및 농업 활동으로 인해 지하수 오염 문제가 발생하고 있다 (Salvador et al., 2010; Meng et al., 2020; Irfeey et al., 2023; Yeob et al., 2025). 과도한 질소비료 사용은 NO3-N 농도를 증가시켜, 작물의 생육 불균형, 토양의 산성화, 그리고 인근 수계의 부영양화를 촉진하는 등 전반적인 생태계 건강을 저해할 수 있다 (Camargo et al., 2006; Guo et al., 2010). 또한, 지하수의 염분 농도가 증가하게 되면, 토양의 염분 농도가 증가될 수 있으며, 이는 작물에 생리적인 스트레스를 유발할 수 있다 (Rengasamy, 2006; Munns and Tester, 2008; Jung et al., 2017; Kim et al., 2024).
국내에서도 농업용 지하수의 질소계 오염과 무기이온 변동에 관한 다수의 연구들이 수행되었다. 예를 들어, Kim et al. (2022)은 농업용 지하수 내 NO3-N 농도 분포 및 추세를 분석하였으며, Yeum et al. (2024)은 질소 비료 시비 패턴과 지하수 질소 농도 간의 상관관계를 규명하였다. 한편, Park et al. (2015)은 농촌지역에서 농업 활동이 지하수 수질에 미치는 영향을 조사하였다. 이러한 연구들은 농업활동이 지하수 수질에 미치는 영향에 대한 지역 특성 이해와 맞춤형 관리방안 수립의 필요성이 요구된다.
지하수 수질은 계절적 요인에 의해서도 변동이 이루어질 수 있다 (An et al., 2023b). 특히 강수량 및 지하수 유동 변화에 따른 오염물질 희석 또는 축적이 영향을 미친다 (Jeon et al., 2020; Ha et al., 2021). 그러나, 지하수는 지표수에 비해 계절별 차이가 크지 않아 변동성이 적어 장기적으로 안정성이 있다 (Kim et al., 2020a; Jeon et al., 2020). 이에 따라 지역별, 계절별 장기 모니터링 연구를 통한 지하수 수질 특성 이해가 필수적이다.
충청남도는 전국적으로 농업 생산이 활발한 지역으로 다양한 토지이용 (논, 밭, 시설재배지)을 통한 작물 재배가 이루어진다. 이에 따른 지하수 이용 비율 및 관리의 중요성이 크다. 그러나 농업용 지하수에 대한 종합적인 장기 수질 데이터가 부족하여 체계적 관리 및 정책 수립에 한계가 존재한다. 특히, 질소 화합물의 지속적 증가와 일부 지역의 수질기준 초과 현상은 농업용 지하수 환경의 잠재적 위험성을 내포하고 있다.
이에 본 연구는 충청남도 내 농업용 지하수를 대상으로, 토지이용 형태 (논, 밭, 시설재배지)에 따라 수질 특성에 차이가 나타나는지 살펴보고자 하였다. 또한, 계절 (갈수기와 장마기) 및 연도에 따른 변화가 주요 수질 지표 (NOx, EC, Cl- 등)에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 2021년부터 2024년까지 4년에 걸쳐 충청남도 내 총 20개 농업용 지하수 취수 지점을 대상으로 논, 밭, 시설재배지 등 토지이용 유형별, 계절별 수질 특성을 종합 분석하였다. 이를 통해 농업용 지하수의 현재 수질 상태를 정량적으로 평가하고, 주요 오염물질 농도 분포 및 변동 특성을 규명함으로써, 지속 가능한 농업용 수자원 관리방안 마련에 필요한 기초자료를 제공하고자 한다.
Materials and Methods
조사 대상지역 및 시기
본 연구는 충청남도 내 농업용 지하수를 대상으로 논, 밭, 시설재배지 등 토지이용 유형별로 수질 특성을 비교 ‧ 분석하기 위해 수행되었다. 조사 대상지는 총 20개 지점으로, 논 5지점, 밭 5지점, 시설재배지 10지점을 선정하였다 (Table 1). 시료 채취는 2021년부터 2024년까지 총 4년간 매년 4월과 7월에 실시하였으며, 각 조사 지점에서 정기적으로 지하수 시료를 수집하였다.
Table 1
Location of sampling site in Chungcheongnam-do.
시료채취 및 분석방법
본 연구에서는 충청남도 내 농업지역에서 총 20개 지점의 지하수 시료를 채취하였다. 채수는 관정에 설치된 펌프를 이용하여 이루어졌다. 펌프 내 정체되어있던 지하수를 5분 이상 배출한 후, 수질이 안정된 시점에서 2 L 용량의 무균채수병에 지하수를 채취하였다. 채취한 지하수 시료는 현장에서 즉시 아이스박스에 보관하여 실험실로 운반되었으며, 분석 전까지 4°C 이하로 냉장 보관하였다. 시료의 분석은 채수 후 48시간 이내에 실시하였다.
지하수 시료 분석은 ｢수질오염공정시험기준｣ (NIER, 2023)에 준하여 수행되었다. pH와 EC는 pH 및 EC meter (ORION 3 STAR, Thermo Science, USA)를 이용하였으며, T-N과 T-P는 UV-Vis spectrophotometer (UV-1800, Shimadzu, Kyoto, Japan)를 이용하여 측정 분석하였다. NO3-N과 Cl-은 이온크로마토그래피 분석기 (882 Compact IC, Metrohm, Switzerland)를 사용하였으며, 양이온 (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) 및 중금속 (Cd, As, Pb) 함량은 유도결합플라즈마 분광광도계 (Avio 500 ICP-OES, Perkinelmer, USA)로 측정하였다. 모든 분석장치는 분석 전 교정하여 사용하였고, 분석 시료는 3반복 측정 후 평균과 표준편차를 계산하였다.
Results and Discussion
토지이용 형태에 따른 지하수 수질 특성
충청남도의 토지이용에 따른 농업용 지하수 수질 특성은 Table 2와 같다. 평균 pH는 논, 밭, 시설재배지에서 각각 6.4, 6.9, 6.7로 토지별에 따른 큰 차이를 보이지 않았으며, 농업용수 (지하수) 수질 기준 (pH 6.0 - 8.5)을 만족했다. EC는 논 0.45 dS m-1, 밭 0.28 dS m-1, 시설재배지 0.41 dS m-1로 조사되었다. An et al., (2023a)은 2022년 기준 전국 농업용 지하수 pH와 EC 평균을 각각 7.1, 0.32 dS m-1로 보고하였다. 전국 pH 평균에 비해 충청남도 논, 밭, 시설재배지에서 모두 낮았으며, EC는 밭이 전국에 비해 낮았지만, 논과 시설재배지는 높았다. 지하수 내 NO3-N는 주로 농경지 화학비료, 유기질비료, 가축분뇨 처리 등의 농업 활동과 밀접한 관련이 있다. NO3-N가 높을 경우 작물에 질소가 과다 공급되어 생육 불균형, 토양 산성화, 비효율적인 양분 흡수 등 다양한 문제가 발생할 수 있다 (Lim et al., 2020). 또한, 이로 인해 지하수가 오염될 수 있으므로 NO3-N 분석을 통해 오염 여부의 확인이 필요하다. Kim et al. (2020b)의 연구에 따르면 국내 지하수 전국 연평균 NO3-N는 5.30 - 6.68 mg L-1의 범위로 보고하였다. 본 조사에서 논 10.2 mg L-1, 밭 9.1 m-1, 시설재배지 6.3 mg L-1로 전국 연평균에 비해 비교적 높았지만, 수질 기준 20 mg L-1이하를 만족하였다. 지하수 내 Cl-은 너무 높으면 작물 생육에 부정적인 영향을 미치고, 토양 구조를 변화시켜 투수성 저하, 토양 염류집적 등 문제를 일으킬 수 있다 (Yun et al., 2017). 국내 지하수 전국 연평균 Cl-은 25.7 - 25.8 mg L-1 의 범위로 보고하였다 (Kim et al., 2020b). 본 조사에서 논, 밭, 시설재배지에서 각각 52.3, 28.2, 47.0 mg L-1로 전국 연평균에 비해 비교적 높았지만, 수질 기준은 250 mg L-1이하를 만족하였다. 양이온 (Ca, K, Mg, Na)은 전체적으로 논에서 가장 높았으며 시설재배지, 밭의 순으로 나타났으며, 중금속 (Cd, As, Pb)은 모두 농업용수 수질기준에 적합하였다.
Table 2
Chemical properties of agricultural groundwater in Chungcheongnam-do according to land use type.
| Land use type | pH | EC | NO3-N | Cl- | T-N | T-P | SO42- | Ca | K | Mg | Na | Cd | As | Pb | |
| (dS m-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | |||
|
Paddy (n = 40) | Min. | 5.8 | 0.11 | 0.8 | 9.6 | 1.7 | 0.00 | 3.2 | 3.5 | 0.6 | 1.1 | 8.8 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| Max. | 7.0 | 0.71 | 41.0 | 92.0 | 30.3 | 0.42 | 44.1 | 68.3 | 27.4 | 21.3 | 33.2 | 0.00 | 0.02 | 0.01 | |
| Mean | 6.4 | 0.45 | 10.2 | 52.3 | 12.2 | 0.04 | 27.3 | 40.9 | 5.0 | 12.5 | 20.6 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | |
| SE1 | 0.05 | 0.02 | 1.32 | 3.96 | 1.23 | 0.01 | 1.43 | 2.67 | 0.90 | 0.77 | 1.09 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | |
|
Upland (n = 40) | Min. | 5.3 | 0.11 | 0.5 | 4.9 | 2.0 | 0.00 | 0.1 | 6.8 | 0.5 | 0.9 | 8.7 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| Max. | 8.3 | 0.56 | 40.2 | 78.2 | 44.8 | 0.04 | 30.6 | 49.6 | 7.8 | 16.6 | 73.1 | 0.00 | 0.04 | 0.01 | |
| Mean | 6.9 | 0.28 | 9.1 | 28.2 | 12.2 | 0.02 | 11.4 | 22.4 | 2.3 | 5.4 | 18.2 | 0.00 | 0.01 | 0.00 | |
| SE | 0.12 | 0.02 | 1.59 | 3.11 | 1.68 | 0.00 | 1.61 | 1.52 | 0.22 | 0.59 | 1.55 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | |
|
Green house (n = 80) | Min. | 6.0 | 0.12 | 0.0 | 9.2 | 1.8 | 0.00 | 1.7 | 0.6 | 0.6 | 1.5 | 6.6 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| Max. | 8.4 | 1.24 | 35.5 | 219.2 | 59.2 | 0.64 | 244.9 | 69.4 | 14.0 | 53.8 | 183.3 | 0.00 | 0.02 | 0.01 | |
| Mean | 6.7 | 0.41 | 6.3 | 47.0 | 9.4 | 0.06 | 31.3 | 30.4 | 4.1 | 8.8 | 28.8 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | |
| SE | 0.05 | 0.02 | 0.75 | 4.61 | 0.92 | 0.01 | 4.13 | 1.78 | 0.31 | 0.85 | 3.20 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | |
|
Official standard2 | 6.0 - 8.5 | - | ≦20 | ≦250 | - | - | - | - | - | - | - | ≦0.01 | ≦0.05 | ≦0.1 | |
NO3-N 및 Cl-은 수용액에서 주요 음이온으로 작용하며, 이들은 전기전도도 (EC)와 강한 양의 상관관계를 가진다 (Kim et al., 2022). 또한, NO3-N 및 Cl-은 농경지에서 화학비료의 시비, 유기물의 분해, 가축분뇨 유입 등으로 높아지는 경향이 있어 주의가 요구된다 (Irshad et al., 2013; Sebilo et al., 2013; Quan et al., 2016; Svensson et al., 2021). Lee et al. (2012)의 보고에 따르면 시설재배지의 작물집약적 재배로 인해 지하수의 EC와 무기이온함량이 높았다. 하지만, 충청남도 논과 밭에서 비교적 시설재배지에 비해 EC, NO3-N, Cl-가 높게 나타났다. 이는 국내 시설재배지 내에서 양액 (수경) 재배 방식의 확산과 관련이 있는 것으로 보인다. 국내 양액 재배 면적은 2004년 전체 시설재배지의 1.2%인 609 ha에서, 2020년에는 7.5%인 약 3,949 ha로 빠르게 증가하였다 (Son et al., 2023). 최근에는 선도 농가와 도시농업을 중심으로 양액 재배 방식의 도입이 더욱 활발해지고 있다. 따라서, 시설재배지 내 경작 형태의 변화로 인해 토양을 통한 지하수로의 무기이온 침투가 감소한 결과일 가능성이 높다.
계절별 수질 특성
충청남도의 농업용 지하수의 계절별 (갈수기: 4월, 장마기: 7월) 수질 특성은 Table 3과 같다. 4월과 7월의 평균 pH는 각각 6.7, 6.8로 큰 차이를 보이지 않았다. EC는 4월과 7월 각각 0.40, 0.38 dS m-1로 많은 차이를 보이지 않았다. NO3-N, T-P, SO42-, K, Na에서는 4월에 비해 7월에 감소하였고, Cl-, T-N, Ca, Mg에서는 증가되었지만, 전체적으로 유의미한 차이는 없었다. 지하수는 지표수와 달리 계절적 변화에 민감하지 않은 특징을 가진다 (Lee et al., 2012). 본 연구에서도 4월과 7월의 계절적 변화는 지하수 수질 특성 변화에 영향을 주지 않은 것으로 판단된다.
Table 3
Chemical properties of agricultural groundwater in Chungcheongnam-do in April and July.
| Season | pH | EC | NO3-N | Cl- | T-N | T-P | SO42- | Ca | K | Mg | Na | |
| (dS m-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | (mg L-1) | |||
|
April (n = 80) | Min. | 5.8 | 0.11 | 0.0 | 7.7 | 1.7 | 0.00 | 0.2 | 0.6 | 0.5 | 1.1 | 8.7 |
| Max. | 8.4 | 1.24 | 41.0 | 219.2 | 59.2 | 0.64 | 244.9 | 69.4 | 14.0 | 41.7 | 183.3 | |
| Mean | 6.7 | 0.40 | 8.1 | 43.5 | 10.7 | 0.05 | 25.4 | 30.1 | 3.9 | 8.6 | 25.6 | |
| SE1 | 0.06 | 0.02 | 0.93 | 4.13 | 1.05 | 0.01 | 3.39 | 1.78 | 0.34 | 0.69 | 2.96 | |
|
July (n = 80) | Min. | 5.3 | 0.11 | 0.1 | 4.9 | 1.8 | 0.00 | 0.1 | 1.0 | 0.6 | 0.9 | 6.6 |
| Max. | 8.2 | 1.04 | 40.2 | 149.2 | 44.8 | 0.42 | 205.0 | 67.6 | 27.4 | 53.8 | 74.9 | |
| Mean | 6.6 | 0.38 | 7.9 | 43.8 | 11.0 | 0.04 | 25.2 | 31.9 | 3.8 | 9.2 | 22.6 | |
| SE | 0.06 | 0.02 | 0.90 | 3.54 | 0.93 | 0.01 | 2.90 | 1.84 | 0.47 | 0.80 | 1.70 | |
|
Official standard2 | 6.0 - 8.5 | - | ≦20 | ≦250 | - | - | - | - | - | - | - | |
연도별 수질변화 및 수질 기준 초과율
2021년부터 2024년까지 연도별 충청남도 농업용 지하수 수질의 pH, EC, NO3-N, Cl-의 특성 변화는 Fig. 1와 같다. 논, 밭 및 시설재배지의 4년간 평균 pH는 6.4 - 6.9 범위로 큰 변화는 나타나지 않았다. EC는 시설재배지에서 2022년부터 감소하는 경향을 보였다. 시설재배지의 EC 감소에 영향은 Cl-의 감소가 주원인으로 판단된다. NO3-N는 논에서 2022년부터 2024년도까지 지속적으로 증가되는 경향을 보여, 벼 재배 시 질소비료의 시비량 및 관리 방식에 대한 재검토가 필요할 것으로 판단된다.
2021년부터 2024년까지 충청남도 농업용 지하수 수질기준 초과율은 Table 4와 같다. pH는 논에서 10%, 밭에서 10 - 20% 범위의 초과율을 보였으며, 시설재배지는 모든 지점이 4년간 적합하였다. 논과 밭의 pH 초과지점의 pH는 5.3 - 5.8 범위로 농업용수 (지하수) 수질 기준 pH 6.0 - 8.5에 비해 낮아 수질이 산성화로 되어 pH 범위를 벗어난 것으로 나타났다. NO3-N는 논과 밭에서 10 - 20%, 시설재배지에서 5 - 10% 범위의 초과율을 보였다. 특히, 논, 밭, 시설재배지 모두 매년 동일 지역에서 반복적으로 기준치를 초과하는 양상이 관찰되어, 해당 지역에 대한 체계적인 질소 관리가 요구된다. Cl-와 중금속 (Cd, As, Pb)은 모든 지점에서 조사기간동안 농업용수 (지하수) 수질 기준을 만족하였다.
Table 4
Ratio (%) of exceeded water quality standard of agricultural groundwater for irrigation.
Conclusions
충청남도 농업용 지하수의 수질은 전반적으로 수질 기준을 만족하였으나, 토지이용 형태 및 지역에 따라 일부 항목에서 관리가 필요한 수준이 확인되었다. 특히, 논에서 NO3-N의 지속적인 증가와 일부 지점의 반복적인 기준 초과는 질소 비료 시비에 대한 점검과 개선이 필요할 것으로 판단된다. 또한, 시설재배지에서 EC 및 무기이온의 감소는 재배방식 변화의 영향으로 해석되며, 이러한 변화가 지하수 수질에 긍정적인 영향을 줄 수 있음을 확인하였다. 본 연구는 충청남도 농업용 지하수 수질의 현황을 종합적으로 제시하였으며, 향후 지역별 맞춤형 수질 관리 방안 마련과 지속적인 모니터링 체계 구축에 유용한 기초자료로 활용될 수 있다.
아울러, 지하수 수질 기준을 반복 초과하는 지역에 대해서는 비료 시비량 조정과 집중적인 관리가 필요하다. 시설재배지의 수경재배 확대는 수질 개선에 긍정적 영향을 줄 수 있어, 이에 대한 기술적 지원과 정책적 유도도 요구된다. 나아가 장기 모니터링 기반의 통합 수질관리 시스템 구축과 함께, 오염원 추적, 작물 생육과의 연계성 분석, 기후변화 대응 전략 등 종합적인 후속 연구가 수행되어야 할 것이다.
