토양 중금속 공간 분포 Mapping 및 오염지수 평가 : 전라남도 및 전북특별자치도 산업·농공단지 인근 농경지 토양 중금속의 오염 특성 및 오염원 기여 분석 = Soil Heavy Metal Spatial Distribution Mapping and Pollution Index Assessment

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 전북특별자치도와 전라남도 산업단지 및 농공단지 인근 농경지 토양을 대상으로 8종 중금속(As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn)의 농도, 오염도, 공간 분포, 오염원 기여율을 종합적으로 평가하였다. 이를 위해 전북(2021·2024년)과 전남(2022·2025년)에서 동일 지점의 심도별로 0~15 cm와 15~30 cm를 반복 채취하였으며, CF·PI 산정, 크리깅 기반 공간 분석, 주성분 분석(PCA)과 APCS–MLR 분석을 적용하였다.
조사 연도 전반에 걸쳐 Zn은 평균 86.7~140.7 mg/kg 범위로 가장 높은 농도군을 형성하였고, Cr·Cu·Ni·Pb는 각각 18.3~44.3 mg/kg, 15.5~45.2 mg/kg, 9.5~20.5 mg/kg, 14.1~55.7 mg/kg 범위의 중간 농도군, As·Cd·Hg는 각각 5.4~14.1 mg/kg, 0.8~2.1 mg/kg, 0.025~0.054 mg/kg 범위의 상대적으로 낮은 농도군 분포 패턴의 일관성이 확인되었다. 국내 논 토양 평균 농도와 비교한 결과, 전북 지역은 모든 조사 연도와 깊이에서 중금속 평균 농도가 국내 평균 이하로 나타난 반면, 전남 지역에서는 2022년 Cd 평균 농도가 두 토심 모두에서 국내 평균의 약 210% 수준으로 높았고, 2025년에는 15~30 cm 깊이에서 Cd 평균 농도가 약 160% 수준으로 유지되는 경향을 보였다. 대부분의 시료는 토양오염우려기준(SCWS) 1지역 기준 이내에 분포하였으나, 2025년 전남 지역의 15~30 cm 깊이에서 세 지점(구례, 장흥, 함평)의 As 농도가 최대 31.6 mg/kg으로 기준을 초과하는 사례가 확인되었다.
오염지수 평가 결과, 대부분의 중금속에서 평균 CF는 0.07~0.57 범위로 1 미만, PI는 0.18~0.36 범위로 모든 조사 연도와 깊이에서 1 미만으로 평가되어 연구 대상 농경지는 전반적으로 무오염 수준을 유지하는 것으로 나타났다. 다만 As·Cd·Zn은 다른 중금속에 비해 반복적으로 상대적으로 높은 CF 값을 보여 배경농도 대비 축적 기여도가 큰 중금속으로 나타났다.
PCA 및 APCS–MLR 분석 결과, 전북과 전남 지역 모두에서 모암 기원의 자연적 배경 요인과 함께 농업활동 및 산업·교통 활동에 기인한 인위적 오염원이 복합적으로 중금속 농도 형성에 기여하는 것으로 나타났다. 특히, 전북 지역에서는 주로 산업·교통 활동에 기인한 오염원의 기여율이 59.2~79.5%로 상대적으로 높게 나타난 반면, 전남 지역에서는 주로 농업 활동에 기인한 오염원의 기여율이 56.1~87.6%로 우세하였다.
종합적으로, 연구 대상 농경지는 오염지수 기준상 전반적으로 무오염 상태를 유지하고 있으나, Zn·As·Cd를 중심으로 한 국지적 축적과 15~30 cm 깊이에서의 누적 가능성이 공존하는 특성을 보였다. 특히 일부 지점에서 확인된 As의 토양오염우려기준 초과 사례는 특정 원소와 깊이를 고려한 장기 모니터링 및 맞춤형 관리 전략 수립의 필요성을 시사한다. 아울러 농업 활동과 산업·교통 활동에 기인한 주요 오염원의 상대적 기여와 중금속 축적 특성을 보다 정밀하게 규명하기 위한 후속 연구의 필요성이 제기된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study comprehensively evaluated the heavy metal concentrations, contamination levels, spatial distributions, and sources of contributions of eight heavy elements (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, and Zn) in agricultural soils adjacent to industrial and agro-industrial complexes in Jeon-Buk Province and Jeon-Nam Province, Republic of Korea. Soil samples were repeatedly collected from the same sites at two depths (0~15 cm and 15~30 cm) in Jeon-Buk Province (2021 and 2024) and Jeon-Nam Province (2022 and 2025). Heavy metal contamination levels were assessed using the contamination factor (CF) and pollution index (PI), while spatial distribution patterns were analyzed using kriging based geostatistical mapping. Sources of 8 heavy metal contributions were identified through principal component analysis (PCA) and absolute principal component scores–multiple linear regression (APCS–MLR).
Across all survey years, Zn consistently exhibited the highest mean concentrations (86.7~140.7 mg/kg), followed by Cr, Cu, Ni, and Pb at intermediate levels (18.3~44.3, 15.5~45.2, 9.5~20.5, and 14.1~55.7 mg/kg, respectively), while As, Cd, and Hg showed relatively lower concentrations (5.4~14.1, 0.8~2.1, and 0.025~0.054 mg/kg, respectively), indicating a stable inter-elemental concentration pattern across regions and years.
When compared with the national average concentrations for paddy soils (As 15, Cd 1, Cr 90, Cu 50, Hg 0.25, Ni 68, Pb 70, and Zn 175 mg/kg), all heavy metals in Jeon-Buk Province remained below the national averages at both soil depths throughout the study period. In contrast, Cd concentrations in Jeon-Nam Province exceeded the national average at both depths in 2022 (210%), and relatively elevated Cd concentrations persisted at the 15~30 cm depth in 2025 (160%).
Although most soil samples were below the Soil Contamination Warning Standard (SCWS) for agricultural land (Region 1), As concentrations at three sites (Gurye, Jangheung, and Hampyeong) in Jeon-Nam Province exceeded the SCWS at the 15~30 cm depth in 2025, reaching a maximum of 31.6 mg/kg.
Contamination assessment results showed that mean CF values for most heavy metals ranged from 0.07 to 0.57 and remained below 1, while PI values ranged from 0.18 to 0.36 across all years and depths, indicating that the study sites were generally classified as uncontaminated. However, As, Cd, and Zn repeatedly exhibited relatively higher CF values compared with other elements, suggesting a greater accumulation contribution relative to background concentrations.
PCA and APCS–MLR analyses revealed that heavy metal concentrations in both regions were influenced by a combination of natural geological background and anthropogenic sources related to agricultural practices as well as industrial and traffic-related activities. In Jeon-Buk Province, contributions from industrial- and traffic-related sources were relatively dominant (59.2~79.5%), whereas in Jeon-Nam Province, agricultural activities exerted a stronger influence (56.1~87.6%) on heavy metal accumulation.
Overall, although the investigated agricultural soils remained largely uncontaminated based on pollution indices, localized accumulation and potential subsurface enrichment of Zn, As, and Cd were observed. In particular, exceed of the SWCS for As at specific subsurface depth (15-30cm depth) highlight the need for long-term monitoring and site-specific management strategies that consider both elemental characteristics and soil depth. Furthermore, future studies are required to more precisely quantify the relative contributions of major anthropogenic sources and their roles in the accumulation of heavy elements in agricultural soils of industrial–agricultural complex regions.

목차 (Table of Contents)

• 목차 ⅰ
• LIST OF TABLES ⅲ
• LIST OF FIGURES ⅴ
• 국문 초록 ⅷ
• 제 1장 연구의 배경 및 필요성 1
• 제 2장 연구의 목적 5
• 제 3장 재료 및 방법 6
• 제1절 공시재료 6
• 1. 정점조사 지역 현황 6
• 2. 토양 시료 채취 및 전처리 방법 9
• 제2절 토양 중금속 함량 및 오염 평가 방법 10
• 1. 토양 중금속 함량 10
• 2. 토양 중금속 오염 평가 11
• 제3절 토양 중금속 농도의 공간 분포 및 변화 분석 방법 14
• 제4절 토양 중금속 오염원 분석 방법 15
• 1. 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA) 15
• 2. 절대 주성분 점수(Absolute Principal Component Scores, APCS) 15
• 3. 다중선형회귀(Multiple Linear Regression, MLR)를 이용한 오염원 기여도 16
• 제5절 품질 보증 및 품질 관리 (QA/QC) 17
• 제6절 통계 분석 18
• 제 4장 결과 및 고찰 19
• 제1절 토양 중금속 함량 및 오염 평가 결과 19
• 1. 토양 중금속 함량 19
• 2. 토양 중금속 오염 평가 34
• 제2절 토양 중금속 농도의 공간 분포 및 변화 분석 결과 44
• 1. 연도별 토양 중금속 농도의 공간 분포 45
• 2. 토양 중금속 농도 변화 양상 60
• 제3절 토양 중금속 오염원 분석 결과 74
• 1. 주성분 분석(PCA) 74
• 2. APCS-MLR 오염원 기여도 분석 76
• 제 5장 결론 80
• 참고문헌 83
• Abstract 88