액비 및 유기농법 적용에 따른 농경지에서의 오염부하 원단위 평가

소현철,장태일,홍승길,So, Hyunchul,Jang, Taeil,Hong, Seung-Gil 한국농촌계획학회 2017 농촌계획 Vol.23 No.4

National Institute of Environmental Research (NIER) has proposed new methodology for estimating unit load in order to overcome the limitations of past unit load based on short-term and local area based data. In the case of agricultural land, however, the results presented by NIER are still limited because of various agricultural activities and farmland characteristics. In this study, liquid manure treated paddy field and organic farming upland were selected for considering agricultural diversity. Four different methods for evaluating unit load were used for comparing previous research results. The results of different methods presented various trends compared with those of existing studies. Paddy field treated liquid manure was 1.3 times higher for T-N load and 3.1 times for T-P load than conventional paddy field. Conventional upland was 4.4 times higher for T-N load and 1.8 times higher for T-P load than organic farming upland. In the case of non-conventional farmland, this study showed different values with the unit loads presented by NIER. This implies that it is necessary to review and apply the unit loads considering various agricultural conditions when establishing environmental policy and rural planning.

APEX-PADDY 모형을 이용한 논에서의 질소 저감을 위한 물꼬관리 BMP 효과 평가

소현철 ( Hyunchul So ),장태일 ( Taeil Jang ),김동현 ( Dong Hyeon Kim ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

가축분뇨 액비화에 따른 논 생태계에서의 오염부하량은 다른 오염원에 비하여 높게 나타나고 있다. 환경부에에서 담당하고 있는 공공처리는 전체 가축분뇨처리량의 6.8% 수준에 지나지 않고 있으며, 최근 경축순환농법의 확산 등에 따라 가축분뇨의 처리를 위한 농경지에서의 액비 시용이 증가하고 있어 논에서의 오염부하량 배출 증가가 더욱 우려되고 있는 실정이다. 또한 공공처리를 제외한 86.6%에 이르는 가축분뇨 자원화의 경우에는 발생과 처리 및 유통과정에서 관리 미흡, 무단방류, 강우 유출 등 다양한 경로로 수계에 유입되어 비점오염의 주원인으로 추정되고 있으며, 농경지에서도 과잉 살포되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 액비시용에 따른 논에서 비점오염원 평가를 위하여 APEX-Paddy (Agricultural Policy Environmental eXtender Paddy) 모형을 선정하여 적용하였다. 시험포장은 전북대학교 내에 위치하고 있으며, 무기질비료(화학비료) 처리구와 액비 처리구로 구성하였다. AWS를 이용하여 기상데이터를 구축하고 논 토양특성을 분석하기 위해 토양샘플링을 실시하였다. 논 하단에는 위어 및 압력식 수위계를 설치하여 강우시 발생하는 유출량을 관측하였다. 또한 자동채수기를 설치하여 강우지속시간에 따라 30분∼1시간 간격으로 수질샘플링을 실시하였다. 모니터링 기간은 2015∼2018년이며, 관측된 자료를 이용하여 수문·수질에 대한 모델링 보·검정을 실시하여 적용성을 평가하였다. 그리고 APEX-PADDY에서 적용할 수 있는 질소저감 방안 중 대표적인 물꼬관리 BMP 시나리오에 대하여 두 처리구에서 나타나는 효과를 평가하였다. 모형은 통계적으로 우수한 적용성을 보여주었으며, 12cm의 물꼬를 유지할 경우 관행적인 물꼬관리(7cm)에 비하여 약 15%의 질소저감 효과를 보여주었다. 본 연구를 통하여 기존 모형과 비교하여 보다 정량적이고 합리적인 논에서의 비점오염원 영향 및 관리방안 평가가 가능할 것으로 기대된다.

APEX 모형을 이용한 유기농경지에서의 질소 부하량 저감을 위한 지표피복 효과

소현철 ( So Hyunchul ),장태일 ( Jang Taeil ),김동현 ( Kim Dong-hyeon ),설동문 ( Seol Dong-mun ),윤광식 ( Yoon Kwangsik ) 한국농공학회 2018 한국농공학회논문집 Vol.60 No.5

The objectives of this study were to monitor organic farming upland compared with conventional upland field and to evaluate nutrient loads reduction of surface cover effect with long-term historical climate data. APEX(Agricultural Policy Environmental eXtender) model was validated with experimental data and used for assessing surface cover scenarios for 30-year simulation periods. The validated values of RMSE(Root Mean Square Error), RMAE(Root Mean Absolute Error), R2 and E(Nash-Sutcliffe efficiency) for runoff were 1.17-1.37 mm/day, 0.28-0.45 mm/day, 0.88-0.90 and 0.82-0.94 in two treatments, respectively. Those for water quality (nitrogen) were 0.05-0.16 kg/ha, 0.52-0.75 kg/ha, 0.67-0.72 and 0.32-0.70 in two treatments, respectively, and therefore the validated model showed good agreement with the observed runoff and nitrogen load for the study period. When decreasing the surface cover rate of organic farming field to 75%, 50%, 25%, and 0% (conventional field), average annual runoff increased by 7%, 15%, 23% and 31%, respectively. Under same condition of decreasing the surface cover rate, average annual nitrogen loads increased by 1.4 times, 1.7 times, 2.0 times, and 2.3 times compared with organic farming field, respectively. This study showed that it is possible to present an appropriate surface cover ratio to maintain conventional production and minimize nonpoint sources pollution for organic farming system, although long-term monitoring is needed to determine its effects on environmental concerns, crop competition, and other uncertainty.

산정방법에 따른 논과 밭에서의 원단위 평가

소현철 ( Hyunchul So ),장태일 ( Taeil Jang ),전형윤 ( Hyeongyun Cheon ),이창현 ( Changheun Lee ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

국립환경과학원(NIER)에서는 “강우유출수 조사방법(이하, NIER 방법)”의 제정을 통해서 원단위 조사방법과 산정방법을 통일하였으며, 토지이용별로 계급별 강수량과 EMC, 유출율을 이용하는 원단위 산정방법을 제안하였다. 그러나 농경지의 경우 토양, 지형, 작물 특성 등 영농환경이 다양하여 환경부에서 제시한 농경지에서의 원단위를 대푯 값으로 사용하기에는 한계가 있다. 또한 축산분뇨를 포함한 유기질비료 시용 등 영농여건변화에 따른 수환경과의 상관관계에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구의 목적은 관행농지 뿐만 아니라 다양한 영농특성을 반영하기 위하여 액비시용 논과 유기재배 밭에서 나타나는 비점오염 부하량을 다양한 원단위 산정방법을 통하여 비교하는데 있다. 원단위 산정방법으로는 관측치 년 평균 부하량을 이용한 방법(방법1), 산술평균 EMC와 유출율을 이용한 방법(방법2), 확률분포 EMC를 이용한 방법(방법3), NIER 방법(방법4)을 적용하여 비교·분석하였다. 논의 시험포장은 전북대학교 내에 위치하고 있으며 화학비료처리구와 액비처리구로 구성하였다. 밭의 시비시험포장(관행작물: 고구마)은 전북 순창군 순창읍에 위치하고 있으며, 관행관리구와 유기질비료시비구로 구성하였다. 논에서의 원단위 현장 모니터링 결과 BOD에서 7.75~10.06kg/ha/day, T-P에서 0.27~0.84kg/ha/day의 결과를 나타내었다. NIER에서 제시한 논에서의 BOD 원단위의 평균은 4.38kg/ha/day로 각 방법별 산정결과는 NIER의 범위 내에 존재하였다. 다만, 액비처리구의 모든 방법에서 상대적으로 크게 나타났다. 그러나 T-P의 경우 방법4가 환경부에서 제시한 범위(평균 0.47kg/ha/day)에 가장 근접하게 나타났다. 반면 액비처리구에서는 환경부 평균의 3.8배로 나타나 높은 부하량을 보여주었다. 밭에서의 원단위 현장 모니터링 결과 T-N에서 1.46~6.37kg/ha/day, T-P에서 0.31~0.56kg/ha/day의 결과를 나타내었다. 밭의 경우 방법4가 NIER에서 제시한 원단위 범위에 가장 근접하는 것으로 나타났다. 그러나, 유기농처리구가 T-N의 경우 관행처리구의 23%, T-P의 경우 관행처리구의 40% 수준인 것으로 나타났다. 본 연구를 통하여 다양한 농경지의 산정방법에 따른 연구결과로 원단위 기초자료로써 기여할 것으로 기대된다.

유기농법 적용에 따른 밭포장에서의 영양물질 부하량 평가

소현철 ( Hyunchul So ),장태일 ( Taeil Jang ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-

유기농업은 저농약, 무농약, 자연농법과 함께 환경 친화적 농업으로 인식되어 세계적으로 유기농산물 생산량 및 재배면적이 급격하게 증가하고 있는 추세이다. 국제적으로는 CODEX 제정 등을 통해 농산물의 안전성 확보 및 평가제도를 강화하고 있는 추세이며, 국내 역시 안전한 먹거리 생산 및 재배환경에서의 유해물질 관리방안 구축 등이 필요한 상황이다. 자가생산 유기농자재 및 가축분을 이용한 축분 퇴비와 액비, 유박 등이 유기농업에 활용되고 있으나 사용 유기농자재의 양분가용화와 양분이용효율에 따른 비점오염원 형태로 토양 및 수질에 미치는 비점오염부하 및 오염 배출의 현황 분석이 필요하다. 따라서 본 연구의 목적은 밭 포장에서의 유기농업 적용에 따른 영양물질에 의한 수질변화 및 부하량을 평가하는데 있다. 시험포장은 전북 순장군 순창읍에 위치하고 있으며, 유기질비료시비 및 관행작물(고구마)의 3반복 1처리구(경사도 6.6°)와 관행농관리 및 관행작물(고구마)의 1반복 1대조구(경사도 6.8°)로 구성하였다. 현장에서 강우량과 유량을 10분 단위로 실측하였으며, 강우 이벤트 시 T-N 및 T-P의 수질항목을 샘플링 후 분석하였다. 2016년 현재까지 총 6회의 강우 이벤트가 발생하였으며, 그 중 4회의 수질 샘플링을 실시하였다. 유출률은 최소 13%에서 95%까지 선행강우 등의 영향으로 다양한 분포를 보여주고 있다. 각 수질항목은 현재 분석 중에 있으며, 유기농 처리구에서 잡초 등이 상대적으로 무성한 것으로 미루어 유량 및 오염물질 부하량에 직접적으로 영향을 줄 것으로 판단된다. 또한 본 연구의 경우 일부 강우사상에 따른 결과의 분석으로 장기적인 모니터링을 통한 정량적인 분석이 필요하다. 향후 여기에서 도출된 연구결과를 바탕으로 유기농업의 최적관리방안 제시에 필요한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

APEX 모형을 이용한 새만금 농생명용지 전작지 관리를 위한 BMP 시나리오 적용성 평가

소현철 ( Hyunchul So ),장태일 ( Taeil Jang ),김동현 ( Dong Hyeon Kim ),황세운 ( Seywoon Hwang ),오찬성 ( Chansung Oh ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

최근 새만금 방조제 완공 이후 새만금 유역 내에서 발생하는 비점오염원에 대한 거동 및 특성분석, 그리고 유역 모델링에 대한 연구가 실시되고 있음에도 불구하고 필지단위의 모델링은 미흡한 실정이다. 특히 새만금 유역의 필지단위 모델링은 검증에 필요한 현장 모니터링 자료 부족으로 인해 연구수행에 한계가 있으며, 새만금 농생명용지 전작의 일반적인 영농방법뿐만 아니라 농업환경 인자(작물생육, 화학비료사용, 농약사용, 토지관리)를 고려해야 한다. 본 연구에서는 새만금 농생명용지 전작에서의 비점오염원 및 BMP 시나리오 평가를 위하여 APEX (Agricultural Policy Environmental eXtender) 모형을 선정하여 적용하였다. APEX 모형은 필지단위에서의 영농활동과 농업환경요소(윤작, 경운, 관개, 일정 관리, 수확, 비료 및 농약 사용량 및 사용 시기 등)를 고려할 수 있어 농경지의 물 순환요소 및 비점오염원의 모델링이 가능하며, 다양한 최적관리기법(Best management practices, BMP)에 대하여 매뉴얼로 제시되어 있어 토지 관리 전략 및 평가가 가능한 모델이다. 모형의 적용성 검토를 위하여 한국농어촌연구원의 2013∼2014년도 밭 비점 및 BMP 모니터링 자료를 제공받아 이용하였다. 만경강 유역 내 소유역인 익산천 유역에 위치한 익산시 금마면 동고도리(밭) 시험포장의 수문·수질 관측 자료를 사용하여 모델 적용성을 평가하였다. 적용성 평가 결과, 대조구에서 유출의 경우 R² 0.78, NSE 0.63으로 나타났으며, BMP 기법 중 침사구, 볏짚피복에서 유출의 경우 각각 R2 0.78, 0.75, NSE 0.70, 0.59가 나타났다. 향후 새만금 농생명용지에 적용 가능한 BMP를 추가적으로 평가할 계획이다. 본 연구를 통하여 수문·수질 모델링을 활용하여 새만금 농생명용지 전작의 비점오염원 영향 및 관리방안에 대한 평가와 더불어 다양한 BMP 시나리오 분석을 통해 합리적인 최적관리기법(BMP)의 제시가 가능할 것으로 기대된다.

액비시용 논에서의 APEX-PADDY 모형의 적용성 평가

소현철 ( Hyunchul So ),장태일 ( Taeil Jang ),김현준 ( Hyunjun Kim ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

가축분뇨 액비화에 따른 논 생태계에서의 오염부하량은 다른 오염원에 비하여 높게 나타나고 있다. 환경부에서 담당하고 있는 공공처리로는 전체 가축분뇨처리량의 6.8% 수준에 지나지 않으며 86.6%에 이르는 자원화의 경우에는 발생과 처리 및 유통과정에서 관리 미흡, 무단방류, 강우 유출 등 다양한 경로로 수계에 유입되어 비점오염의 주원인으로 추정되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 액비시용에 따른 논에서 비점오염원의 평가를 위하여 APEX-Paddy(Agricultural Policy Environmental eXtender Paddy) 모형을 선정하여 적용하였다. 시험포장은 전북대학교 내에 위치하고 있으며, 무기질비료(화학비료) 처리구와 액비 처리구로 구성하여 모형의 적용성을 평가하였다. AWS를 이용하여 기상데이터를 구축하고 압력식 수위계를 통하여 유출량을 계산하였다. 자료기간은 2015-2017이며, 현재 유출량에 대한 보정과 검정을 실시하였다. 추가 연구기간 동안 수질에 대하여 적용성을 평가할 계획이다. 유출의 보정결과, 무기질비료 처리구의 경우 RMSE는 4.81, RMAE는 1.03, R²는 0.82, EI는 0.78로 나타났다. 액비 처리구의 경우 RMSE는 1.92, RMAE는 0.84, R²는 0.73, EI는 0.63로 나타났다. 검정기간의 2017년 현재까지 무기질비료 처리구의 경우 RMSE는 5.02, RMAE는 0.59, R²는 0.83, EI는 0.77로 나타났다. 액비 처리구의 경우 RMSE는 3.63, RMAE는 0.56, R²는 0.87, EI는 0.85로 나타났다. 본 연구를 통하여 자료기간의 보완과 수질을 포함한 모형의 적용성이 평가되면 액비시용 논에서의 비점오염원 관리방안의 영향평가와 합리적인 최적관리기법(BMP)의 제시가 가능할 것으로 기대된다.

수문영향 평가를 위한 포장 및 유역 연계 모형의 적용성 검토

장태일 ( Taeil Jang ),소현철 ( Hyunchul So ),김동현 ( Donghyun Kim ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

최근 기후 및 토지이용 변화 등은 농업생태계에 많은 영향을 주고 있다. 이러한 변화에 대응하기 위해서는 다양한 농업영농 여건을 고려한 물의 이동, 수질변화 및 생육환경의 변화를 고려해야 하며, 이를 모의할 수 있는 모델링 기법이 필요하다. 대부분의 모형은 국외에서 개발되어 국내에 바로 적용하기에는 어려움이 있으며, 국내 여건에 적합한 포장 및 유역 차원의 수문·수질 모형의 선정 및 구축이 필요한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 실제 농업현장에서 나타나는 다양한 환경에 능동적으로 대응하기 위하여 다양한 영농활동이 반영 가능한 포장모형과 복합 토지이용 형태에서 수문·수질 현상이 정략적으로 분석 가능한 유역 모형을 연계한 시스템을 구축하고자 한다. 이를 위하여 포장모형은 APEX 및 APEX-paddy 모형으로, 유역 모형은 SWAT 모형으로 선정하고 두 모형의 연계를 통한 수환경 영향평가 시스템을 구축하였다. 연계 모형의 적용성 평가를 위하여 각각의 모형에 대한 유출 부분의 검·보정을 실시하였다. APEX-paddy 모형의 경우 유출 검·보정 결과 평균 0.76의 EI 값을 보여주었고, SWAT 모형의 경우 유출 검·보정 결과 평균 0.52의 EI 값으로 상대적으로 낮게 나타났다. 이는 현재 농업용수의 외부유입량을 적절히 고려하지 못한 결과를 추가적인 연구기간 동안 검·보정 수준의 향상과 수질 부분의 검·보정을 수행하고자 한다. 본 연구를 통하여 농경지에서 나타날 수 있는 다양한 영농활동(써래질, 유기질비료 시비, 작부체계 등) 기작의 반영과 유역 차원에서의 수질영향 이해, 그리고 농경지에서의 영농활동에 따른 양분유출수 예측 및 관리기술의 효율 평가가 가능할 것으로 기대된다.

액비시용 논에서의 비점오염 부하량 평가

장태일 ( Taeil Jang ),소현철 ( Hyunchul So ),손재권 ( Wooju Cheon ),최진규 ( Jae-kwon Son ),( Jin-kyu Choi ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

최근 가축분뇨의 액비자원화에 따른 농경지 환원 정책에 따라 향후 액비의 수요가 증가할 것으로 보이며, 액비의 장기시용에 따른 농경지 생산성 저가 및 수계 환경오염을 관리하기 위한 방안의 모색이 필요하다. 본 연구에서는 시험포장을 조성하고 질소 및 인과 같은 영양물질과 중금속 등에 대한 위해성을 토양과 침출수에 대하여 잔류 특성을 분석하였다. 시험구는 대조구(무기비료 표준시비구, A)와 양돈분뇨액비 표준시비처리구(B)로 구성하였으며, 각 처리구별로 관개량 및 담수심 기록을 위하여 압력식 수위계를 설치하였다. 유출부하량 산정을 위하여 각 이벤트별 10분 간격의 유량 측정과 15분 또는 30분 및 1시간 간격으로 수질 모니터링을 실시하였다(첨두값 이후 각 이벤트에 맞게 샘플링 시간간격 조정). 조사기간 중 총 강우사상은 14회로 나타났으며, 2014년도의 동일 관개기간 동안 강우량은 719.2mm이고, 2015년도의 강우량은 327.8mm로 전년도 대비 46% 수준으로 나타났다. 강우횟수는 가뭄으로 인하여 전년도 14회 대비 6회로 절반 수준으로 감소하였다. 유출수의 화학성분 분석결과는 6월 25-26일 강우에 따른 유출수의 경우, B 처리구는 액비의 영향으로 SS 및 BOD의 경우 상대적으로 높은 농도 분포를 보여주고 있으며, T-N 및 T-P의 경우 초기 강우시 상대적으로 높게 나타났다. SS의 경우는 시비 후에도 높은 분포를 보인 반면 영양물질의 경우는 SS에 비하여 낮은 분포를 보여주었다. 7월 21-22일 강우에 따른 유출 분석 결과는 SS, TOC, T-N, T-P가 상대적으로 높은 분포를 보여주었고, 특히 T-P의 경우 약 50배 이상으로 나타남. 액비시비의 경우 그 특성상 각 수질항목의 농도가 화학비료 처리구에 비하여 상대적으로 높게 나타났다. 각 수질항목별 액비처리구에서 부하량이 전체적으로 높게 나타났으며, SS의 경우 1.1배, TOC의 경우 1.4배, T-N의 경우 2.2배, 그리고 T-P의 경우 6.6배 높게 나타났다. 본 연구의 경우 일부 강우사상에 따른 결과의 분석으로 장기적인 모니터링을 통한 정량적인 분석이 필요하다. 본 연구결과를 바탕으로 시비방법 및 시비시기를 고려한 효과적인 액비시비 관리방안의 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.

액비시용 논에서의 담수, 침출수, 토양에서의 환경영향 평가

장태일 ( Taeil Jang ),소현철 ( Hyunchul So ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-

최근 가축분뇨의 액비자원화에 따른 농경지 환원 정책에 따라 향후 액비의 수요가 증가할 것으로 보이며, 액비의 장기시용에 따른 농경지 생산성 저하 및 유역 환경오염을 관리하기 위한 방안의 모색이 필요하다. 본 연구에서는 시험포장을 조성하고 2013년부터 현재까지 논에서의 질소 및 인의 동태를 모니터링 하였으며, 토양, 담수 및 침출수 중 영양물질의 부하량 및 중금속 위해성을 평가하였다. 시험구는 대조구(화학비료 표준시비구, A)와 양돈분뇨액비 표준시비처리구(B)로 구성하였으며, 자동기상관측기, 유입량, 유출량 측정을 위한 계측장비를 각 처리구별로 설치하였다. 담수의 수질 부하량은 정기 및 각 이벤트별로 유량 측정과 수질 모니터링을 실시하였다. B 처리구에서 부하량이 전체적으로 높게 나타났으며, T-N의 경우 2.2배, 그리고 T-P의 경우 6.6배 높게 나타났다. 2015년까지의 데이터는 평년대비 강수량의 부족으로 추가적인 데이터 축적이 필요하며, 현재 2016년 데이터는 분석 중에 있다. 침출수의 T-N은 A 처리구에서 상대적으로 높은 값을 보여주고 있으며, TH₃-N의 휘발에 영향을 받는 것으로 보인다. NO₃-N은 B 처리구에서 상대적으로 높게 나타나 토양중으로 침출되는 양이 많은 것으로 나타났다. 침출수의 타 수질항목별 처리구 차이는 유효하지 않는 것으로 보인다. 담수 중 중금속 분석 결과는 액비에 비교적 높았던 Cu과 Cd 또한 담수상태에서의 희석 또는 토양으로 침투 및 흡착되어 그 농도가 매우 낮게 나타났다. Cd은 두 처리구에서 농업용수 수질기준을 상회하는 것으로 나타났으며, B 처리구에서 상대적으로 높게 나타났다. 토양 중 중금속 분석 결과는 전체적으로 유의하지 않은 수준에서 변화가 있는 것으로 보이며, 토양오염기준상 우려할 수준은 아닌 것으로 나타났다. 다만, 액비유통센터의 경우 민원발생 등으로 충분한 폭기조를 가동하지 못하고 있어 농지로의 액비유통시 불완전 부숙으로 사전에 충분한 검토가 요구된다. 수도체 현미 중 중금속 함량은 Cu(A: 1.24, B: 1.96mg/kg), Cd(A: ND B: ND), Zn(A: 14.15, B: 16.54mg/kg), 그리고 Pb(A: ND, B: ND)로 농업과학기술원(1981)의 전국조사 결과값 이하로 나타났다. 본 연구는 수계 오염 최소화를 위한 합리적인 최적관리방안 및 관리정책 제시에의 기초자료로 활용될 수 있다.