농촌지역은 농경지, 축산, 산림, 생활하수 등 다양한 비점오염원이 산재해 있어 오염원과 오염물질 유출 경로가 복잡하여 수질 관리가 어렵다(Ongley et al., 2010; Sun et al., 2012). 1980년대 까지는 다양한 비점오염원 중 집약농업에 따른 화학비료 과다 사용이 농촌지역 비점원 오염의 주요 원인으로 작용해 왔다(Sun et al., 2012; Withers and Lord 2002). 1980년 이후 선진국을 중심으로 고투입 집약농업에서 저투입 지속가능농업으로의 전환을 위해 양분종합관리(integrated nutrient management, INM)를 도입하여 화학비료 사용을 감축하고 있다(Parris, 2011). 이와 같은 노력의 결과로 1990∼2002년 사이에 OECD 국가에서 화학비료에 의한 잉여 양분이 약 17% 개선되었지만, 지표수의 질산염(NO₃^-)과 인(P) 오염에 대한 농업분야의 기여도는 각각 30∼80%와 20∼70%로 여전히 높은 수준으로 평가되고 있다(Parris, 2011). 이와 같이 화학비료 사용 감축에도 불구하고 수질오염에 대한 농업비점오염원의 영향이 여전히 높은 것은 일차적으로 점오염원 처리 시설 확충에 기인한 것일 수도 있지만(Skinner et al., 1997), 다른 측면에서는 화학비료이외의 비점오염원(예를 들면 가축분뇨)에 의한 것일 수도 있다(OECD, 2008).

우리나라에서도 1997년에 친환경농업육성법이 제정된 이후 화학비료에 대한 정부보조금을 삭감하고 가축분퇴비와 유기질비료에 대한 지원을 확대한 결과 경지면적당 화학비료(N+P₂O₅+K₂O) 사용량은 2000년 381.9 kg/ha에서 2010년 232.7 kg/ha로 감소하였다(농림수산식품부 통계연보, 2000 ∼2010). 반면, 가축분 퇴비를 포함한 유기성 비료 생산량은 2001년과 2010년 사이에 1,990천 Mg에서 3,908천 Mg으로 증가하였고, 이를 단위 경지 면적으로 환산하면 2001년 0.95Mg/ha과 2010년 2.2 Mg/ha에 해당한다(농협, 2011, 2012). 하지만, 친환경농업 육성 정책이 본격적으로 실행된 2000년대 우리나라 4대강(한강, 금강, 낙동강, 영산강)의 수질 지표 중 생화학적 산소 요구량(Biochemical oxygen demand, BOD), 화학적 산소 요구량(Chemical oxygen demand, COD), 총 질소(Total-nitrogen, T-N), 총인(Total- phosphorus, T-P)농도는 각각 2.3∼3.4 mg/L, 3.8∼5.7 mg/L, 2.8∼3.6 mg/L, 0.09∼0.19 mg/L의 범위였고 BOD를 제외하고는 뚜렷한 시계열적 감소 경향이 없었다(http://stat.me.go.kr, http://water.nier.go.kr). 이와 같은 BOD 감소는 일차적으로 BOD를 90%이상 제거할 수 있는 하수처리시설 용량이 2001년 19,230천 Mg에서 2010년 25,118천 Mg으로 증가 하여 비점오염원의 오염기여도가 감소하였기 때문으로 판단된다(환경부, 2011). 최근 Yoo et al. (2012)이 1980년대 이 후 우리나라 4대강 수질의 시계열적 변동 원인을 조사한 결과에 의하면 T-N과 T-P 농도(1989년부터 수질자료 존재)는 화학비료 사용량과 상관관계가 없었던 반면 양분수지(양분발생량과 작물양분요구량의 차이)와 정의 상관관계(T-N: r²=0.61, P<0.001, n=22, T-P: r²=0.37, P<0.001, n=22)가 있었다. 또한, COD (1981년부터 수질자료 존재)는 가축분뇨 발생량과 정의 상관관계(r²=0.53, P<0.001, n=30)를 보였다. 이와 같은 결과는 친환경농업이 확대된 2000년대 이후 농촌지역 비점원오염에서 화학비료의 기여도가 감소하였음을 의미하며, 더 나아가 비점원오염 관리를 위해서는 화학비료와 가축분뇨를 포괄하는 종합적인 접근이 필요함을 제시한다(Yoo et al., 2012).

Yoo et al. (2012)은 우리나라 국가적 수준에서 양분수지와 수질오염의 시계열적 통계자료를 이용한 수질오염변동 원인 해석 기법을 마련하였지만, 아직까지 이와 같은 해석 기법이 지역 수준에서 하천 수질의 공간 변이 해석에 적용된 사례는 없다. 수질오염은 지형, 강우유형, 토지이용방식, 영농활동 등 다양한 요인에 의해 영향을 받기 때문에 수질 변동 해석이 용이하지 않지만, Yoo et al. (2012)이 제시한 양분수지 방법은 비교적 수월하게 수질 변동 해석에 활용될 수 있다. 따라서, 본 연구는 우리나라의 대표적 농업지역인 전남지역 시⋅ 군을 대상으로 수질지표와 양분지표의 상관관계를 구명하여 수질오염의 공간적 변이 해석에서 양분수지 개념 활용 가능성을 평가하기 위해 수행되었다.

전남지역 22개시⋅군별 주요 작물군(미곡, 맥류, 잡곡, 두류, 서류, 채소, 특용작물, 과수)의 재배면적, 화학비료 공급량과 축종별(한우, 젖소, 돼지, 닭) 사육두수 자료는 2011년 기준 각 시⋅군 통계연보(http://www.jeonnam.go.kr) 정보를 활용하였다.

2011년 평균 수질 지표(T-N, T-P, BOD, COD) 농도 자료는 환경부의 물환경정보시스템(http://water.nier.go.kr)에 공개된 정보를 활용하였다. 수질 관측지점은 모두 96개 소였으며 각 시⋅군별 지점 수는 상이하였고 목포시와 해남군에는 관측지점이 없었다.

시⋅군별 작물 재배 면적당 가축 분뇨 발생량은 시⋅군 통계연보상의 축종별 두수와 환경부(2008)에서 발표한 축종별 분뇨발생 원단위(한우, 젖소, 돼지, 닭에 대해서 각각 5000.5, 13760.5, 1861.5, 36.5 kg/두/년)를 곱한 값을 작물재배 면적으로 나누어서 계산하였다. 축종별 분뇨 발생 원단위는 해당 축종의 성장단계(연령)에 따라 상이하지만, 시⋅군별 통계연보에는 이에 대한 구분이 없기 때문에 본 연구에서도 단일 원단위를 사용하였다. 2011년 기준 전남 지역의 전체 가축사육 규모는 한우 517,151 두, 젖소 32,377 두, 돼지967,686 두, 닭 29,722,062 수로 단위 경지면적당 가축사육두수는 101.6 두/ha로 전국 107.1 두/ha 보다 낮은 편이었다. 시⋅군의 축종별 사육규모를 비교하면 한우는 장흥군(54,238 두), 젖소는 나주시(8,322 두), 돼지는 나주시(172,555 두)와 무안군(176,175 두), 닭은 나주시(5,552,220 수), 무안군(4,757,704 수), 함평군(4,531,800 수)에서 대규모로 사육되고 있었다(http://www.jeonnam.go.kr).

농경지의 양분수지는 양분의 투입량(input)과 제거량(output)의 차이로 계산되며, 주변 수계에 배출될 수 있는 잠재적 양분량 평가에 활용된다(Parris, 1998). 양분수지 분석은 양분 투입과 제거의 공간적 범위에 따라 Farm gate balance, Soil surface balance (SSB), System balance의 세 가지로 구분되며, OECD에서는 일반적으로 SSB를 활용한다(Parris, 1998). SSB 방법에서 양분수지는 화학비료(무기질, 유기질), 종자, 가축 분뇨, 대기강하물 등(질소의 경우 생물학적 질소 고정량도 포함)에 의한 양분 투입량과 작물과 사료 수확에 의한 제거량의 차이로 계산된다(Parris, 1998). 가능한 다수의 양분 투입과 제거 항목을 고려하면 양분수지 분석의 정확도를 제고할 수 있는 반면 자료 취득의 어려움에 의해 활용도가 낮아질 수도 있다. 본 연구에서는 Yoo et al. (2012)과 동일하게 농업통계가 구축되어 자료 취득이 용이한 화학비료 공급량과 가축분뇨에 의한 양분 발생량을 양분 투입량으로 고려하였고, 주요 작물군(미곡, 맥류, 잡곡, 두류, 서류, 채소, 특용작물, 과수)별 표준시비량의 재배면적가중평균을 양분 제거량으로 사용하였다.

화학비료 공급량은 각 시⋅군 통계연보 자료를 이용하였으며(http://www.jeonnam.go.kr), 가축분뇨 양분 발생량은 각 시⋅군 통계연보 상의 축종별 사육두수와 농촌진흥청(2006)의 양분발생원단위(한우, 젖소, 돼지, 닭에 대해서 각각 질소 40.9, 88.0, 13.5, 0.4 kg/두 (수)/년, 인산 11.7, 30.7, 7.7, 0.3 kg/두 (수)/년)의 곱으로 계산하였다. 작물의 양분 요구량은 주요 작물군(미곡, 맥류, 잡곡, 두류, 서류, 채소, 특용작물, 과수)의 평균 표준시비량과 해당 작물군의 재배면적의 곱의 합으로 산출하였다. 미곡(벼), 맥류(보리, 맥주보리), 잡곡(옥수수), 두류(콩), 서류(감자, 고구마), 채소(고추 외 41종), 특용작물(땅콩 외 19종), 과수(사과 외 8종)의 표준 질소 및 인산시비량의 평균값은 각각 95.5, 78.0, 157.8, 46.0, 95.5, 168.4, 116.6, 127.4 kg N/ha와 44.7, 70.6, 32.5, 56.5, 68.5, 58.3, 110.3, 84.9 kg P₂O₅/ha였다(농촌진흥청, 2007). 보성의 경우 녹차 재배면적이 넓어 녹차도 양분수지 분석에 포함시켰는데, 질소 및 인산시비량이 각각 600 kg N/ha과 200 kg P₂O₅/ha였다(농촌진흥청, 2011).

각 시⋅군의 작물 재배 면적당 양분(질소와 인산) 수지(N 또는 P₂O₅ kg/ha)는 양분 투입량과 작물의 양분 요구 량의 차이로 계산하였으며(Yoo et al., 2012), 양분 투입량=양분 요구량일 경우 양분 수지는 0, 양분 투입량>양분 요구량의 경우 양분 과잉, 그 반대의 경우는 양분 부족을 의미한다.

SPSS 18.0 (SPSS Inc. Chicago, Illinois, USA)으로 가축분뇨 발생량과 양분수지의 상관관계, 하천수의 T-N, T-P 농도와 양분 지표(화학비료 공급량, 가축분뇨 양분 발생량, 양분 수지)의 상관관계, 하천수의 BOD, COD와 가축분뇨 발생량의 상과관계를 95% 유의수준에서 분석하였다. 가축분뇨 지표(분뇨 및 양분 발생량)의 경우 단위면적당 가축사육두수가 극히 적은 신안군과 진도군은 상관관계 분석에서 제외하였다.

2011년 기준 전남 지역에서 발생한 가축분뇨는 5,918천 Mg 이었으며, 이를 작물재배 면적(269천 ha)으로 나눈 단위 재배면적당 분뇨 발생량은 22.0 Mg/ha로 2010년 전국 단위 재배면적당 분뇨 발생량인 24.4 Mg/ha (Yoo et al., 2012)보다 적었다. 함평군이 45.9 Mg/ha로 가장 많았으며, 나주시(42.1 Mg/ha)>무안군(37.8 Mg/ha)>담양군(26.0 Mg/h )>순천시(34.5 Mg/ha)의 순서였으며, 타 시⋅군보다 가축사육 규모가 작은 목포시, 신안군, 진도군의 분뇨 발생량은 10 Mg/ha이하였다(Table 1).

[Table 1.] Livestock number and manure production of the administrative districts of Chonnam province

Livestock number and manure production of the administrative districts of Chonnam province

전남지역의 전체 화학비료 공급량은 질소 44,664 Mg, 인산 11,422 Mg이며 이는 작물재배 면적 기준으로 각각 166 kg N/ha과 42 kg P₂O₅/ha에 해당한다. Yoo et al. (2012)이 보고한 2010년 전국 평균 단위 작물재배면적당 질소와 인산 화학비료 공급량(129 kg N/ha와 47 kg P₂O₅/ha)과 비교하면 전남지역의 인산 공급량은 전국 평균과 유사하지만 질소 공급량은 35 kg N/ha 많았다. 시⋅군별 질소 화학비료 공급량은 여수시가 384 kg N/ha로 가장 많았으며, 영광군(235 kg N/ha), 순천시(222 kg N/ha)의 순서였고, 단위 재배면적당 인산 화학비료 공급량은 여수시(210 kg P₂O₅/ha), 순천시(70 kg P₂O₅/ha), 완도군(66 kg P₂O₅/ha)의 순서였다(Table 2).

[Table 2.] Nutrient supply, demand, and balance of the administrative districts of Chonnam province

Nutrient supply, demand, and balance of the administrative districts of Chonnam province

전남지역의 가축분뇨 양분 발생량은 질소 50,076 Mg, 인산 23,129 Mg으로 작물재배 면적 기준으로는 각각 186 kg N/ha과 86 kg P₂O₅/ha에 해당한다. 이는 Yoo et al. (2012)이 보고한 전국 평균(질소 196 kg N/ha, 인산 92 kg P₂O₅/ha)과 유사하다. 시⋅군별로는 함평군의 질소와 인산발생량이 각각 411 kg N/ha과 209 kg P₂O₅/ha로 가장 많았다. 한편, 타 지역에 비해 가축두수가 적은 목포시(45 kg N/ha, 18 kg P₂O₅/ha)와 신안군(49 kg N/ha, 19 kg P₂O₅/ha), 진도군(24 kg N/ha, 9 kg P₂O₅/ha)은 가축분뇨 양분 발생량이 적었다(Table 2). 전남지역의 화학비료와 가축분뇨에 의한 단위재배면적당 총 양분 공급량은 질소 352 kg N/ha과 인산 128 kg P₂O₅/ha이며, 시⋅군별로는 함평, 여수, 무안, 영광, 나주, 순천의 양분 공급량이 많았다(Table 2).

전남지역 주요 작물군(미곡, 맥류, 잡곡, 두류, 서류, 채소, 특용작물, 과수)의 재배면적당 양분요구량은 질소 109 kg N/ha과 인산 53 kg P₂O₅/ha로 2010년 기준 전국 평균(115 kg N/ha, 67 kg P₂O₅/ha) 보다 적었는데, 이는 전체 재배면적 중 양분요구량이 상대적으로 적은 작물(미곡, 맥류, 두류, 서류) 재배면적의 비율(75.7%)이 전국 평균(59.7%) 보다 넓기 때문으로 판단된다(Yoo et al., 2012). 시⋅군별 질소 요구량은 표준시비량이 많은 녹차가 대규모로 재배되고 있는 135 kg N/ha로 가장 많았으며 타 시⋅군은 97∼120kg N/ha였다. 한편, 인산 요구량은 49∼68 kg P₂O₅/ha의 범위였다(Table 2).

전남지역 전체 평균 양분수지는 질소 243 kg N/ha, 인산 75 kg P₂O₅/ha로 양분 과잉 상태였다(Table 2). 이는 Yoo et al. (2012)이 보고한 2010년 기준 우리나라 평균 양분수지 (질소 269 kg N/ha, 인산 110 kg P₂O₅/ha)와 OECD가 조사한 2002∼2004 동안의 우리나라 양분수지(질소 240 kg N/ha, 인산 110 kg P₂O₅/ha)보다 낮은 반면 OECD 가입 국의 평균 양분수지(74 kg N/ha, 23 kg P₂O₅/ha)에 비해 양분 과잉 정도가 질소와 인산 모두 3배 이상에 해당한다 (OECD, 2008). 질소는 모든 시⋅군에서 과잉 상태인 반면 인산은 보성, 진도, 목포가 각각 -13 kg P₂O₅/ha, -28 kg P₂O₅/ha, -16 kg P₂O₅/ha로 양분 결핍 상태였으며, 신안은 인산 양분수지가 1 kg P₂O₅/ha로 균형에 가까웠다(Table 2). 전체 시⋅군 중 함평, 무안, 여수의 질소와 인산 수지가 각각 508, 400, 485 kg N/ha과 193, 159, 249 kg P₂O₅/ha 로 상대적으로 높았다. 각 시⋅군의 양분수지는 화학비료 공 급량이 극단적으로 많은 여수를 제외하고는 가축분뇨 발생량 과 정의 상관관계가 있었는데(Fig. 1), 이는 화학비료 보다는 가축분뇨가 농촌지역의 양분수지 결정인자임을 의미한다. 한 편, 도시로 분류되는 순천과 여수의 질소와 인산 수지가 각각 385 kg N/ha, 485 kg P₂O₅/ha와 130 kg N/ha, 249 kg P₂O₅/ha으로 전남 평균(각각 243 kg N/ha, 75 kg P₂O₅/ha)로 높았는데(Table 2), 순천의 경우 돼지 사육두 수가 58,286두로 전체 22개 시⋅군 중 다섯 번째로 높아서 가축분뇨에 의한 양분발생량이 많았고 상대적으로 양분요구 도가 높은 과수 재배 면적이 1,548 ha로 전체 시⋅군 중 세 번째로 높기 때문에 화학비료 사용량이 많았기 때문으로 판 단된다. 하지만, 여수의 경우 본 연구에서 합리적인 해석이 어려웠다.

[Fig. 1.] Relationship between livestock manure production and nutrient balance in the administrative districts of Chonnam province (n=21). One district (Yeosu) of which chemical fertilizer supply rate was extremely high was not included in the analysis.

2011년 전남지역 시⋅군 하천수의 평균 수질 지표는 T-N 2.4 mg/L, T-P 0.10 mg/L, BOD 2.18 mg/L, COD 4.9 mg/L였다(Table 3). 시⋅군별로 비교하면 T-N과 T-P 농도는 완도군이 각각 0.7 mg/L와 0.02 mg/L로 가장 양호하였으며, 영광군이 각각 5.4 mg/L와 0.47 mg/L로 가장 불량하였다. 이와 같은 차이는 완도(질소 213 kg N/ha, 인산 48 kg P₂O₅/ha)와 영광(질소 395 kg N/ha, 인산 153 kg P₂O₅/ha)의 양분수지 경향과 일치한다(Table 2). BOD와 COD는 고흥군이 각각 0.50 mg/L와 1.7 mg/L로 가장 낮았고, 영광군이 각각 7.4 mg/L와 10.6 mg/L로 가장 높았는데(Table 3), 이는 영광군의 분뇨 발생량이 30.2 Mg/ha로 고흥군(12.0 Mg/ha)보다 높은 점과 동일한 경향이다(Table 1).

[Table 3.] Mean values of water quality indicators of streams in the administrative districts of Chonnam province monitored by the Ministry of Environment in 2011

Mean values of water quality indicators of streams in the administrative districts of Chonnam province monitored by the Ministry of Environment in 2011

하천수의 T-N 농도는 단위 재배면적당 화학비료 공급량(r²=0.27, P<0.05)은 물론 단위면적당 가축분뇨 질소 발생량 (r²=0.30, P<0.05)과도 정의 상관관계가 있었는데, 이는 질소 화학비료 시용은 물론 축사의 폐수 방류와 가축분뇨를 원료 로 제조되는 퇴비의 토양 시용에 의한 하천수의 질소 농도 증 가 가능성을 의미한다(Fig. 2A, B). 반면, 하천수의 T-P 농도 는 화학비료 공급량(r²=0.03, P=0.82)과는 상관관계가 없었 지만, 가축분뇨 인 발생량(r²=0.20, P=0.06)이 높은 시⋅군에서 T-P 농도가 증가하는 경향이 있었다(Fig. 2A, B). 토양에서 무기태 인은 토양 교질에 쉽게 흡착되거나 불용성 염으로 침전되기 때문에 화학비료로 시용된 인산이 직접 수계로 유출될 가능성은 낮다(Haynes and Mokolobate, 2001; Mead, 1981; Yoo et al., 2006). 반면, 가축분뇨나 퇴비는 흡착이나 침전 등에 의한 불용화 정도가 낮은 유기태 인이 상대적으로 풍부하기 때문에 축사나 퇴비 시용 농경지로부터의 인 유출가능성이 상대적으로 크다(Sharpley and Moyer, 2000). Kim et al. (2011)이 실내 칼럼 실험에서 7 종의 가축분 퇴비를 토양에 혼합하여 19주 동안 무기태인과 유기태인의 용탈량을 조사한 결과에 의하면 우리나라의 주요 토양인 Inceptisol에서 유기태인이 전체 인 용탈량의 90% 이상이었다. 따라서, 본 연구 결과와 선행연구 결과는 화학비료 보다는 가축분뇨 또는 퇴비가 하천수의 주요 인 오염원으로 작용 할 수 있음을 제시한다. 하천수의 T-N 농도와 단위면적당 질소수지 상관관계의 결정계수(r²)는 0.38 (P<0.05)로 화학 비료 또는 가축분뇨 질소 발생량보다 높았으며, T-P 농도도 인산 수지와 P=0.09 수준에서 상관관계가 있었다(Fig. 3C). 이 결과는 Yoo et al. (2012)이 보고한 1980년대 이후 우리나라 4대강의 T-N과 T-P 농도와 양분수지의 상관관계와 일치한다. 따라서, 양분수지는 하천수 T-N과 T-P 농도의 시계열적 변화는 물론 공간적 변이 해석에도 유용한 것으로 판단된다.

[Fig. 2.] Relationship between nutrient indices and the concentrations of total nitrogen (T-N) and total phosphorus (T-P) in stream water in the administrative districts of Chonnam province monitored by the Ministry of Environment (n=20): (A) chemical fertilizer supply, (B) livestock manure nutrient production, and (C) nutrient balance. Two districts (Mokpo and Haenam) were not included in the analysis because water quality data were not available.

한편, 전남 시⋅군 하천의 BOD와 COD는 Yoo et al.(2011)이 보고한 바와 같이 모두 단위 재배면적당 가축분뇨 발생량과 정의 상관관계가 있었는데(Fig. 3). 이와 같은 상관관계는 부적절한 가축분뇨 관리와 퇴비의 과잉 시용에 의한 하천수의 생물분해성 및 난분해성 유기물질 오염 가능성이 있음을 보여준다. 특히, 가축분뇨 퇴비화 과정 중 난분해성인 부식물질이 생성되기 때문에(Larney et al., 2006) 강우 사상시 지표유거에 의해 퇴비 과잉 시용 농경지로부터 유기물이 수계로 유출되어 BOD와 COD를 증가시킬 수 있다(Lee et al., 2012).

[Fig. 3.] Relationship between livestock manure production and biochemical oxygen demand (BOD) and chemical oxygen demand (COD) of stream water in the administrative districts of Chonnam province monitored by the Ministry of Environment (n=18). Two districts (Mokpo and Haenam) from which water quality data were not available and another two districts (Jindo and Shinan) in which livestock manure production was extremely low (see Table 1 for details) were not included in the analysis.