농촌지도사, 농업연구사, 농업직 시험대비 - 토양학 핵심 요약 13. 토양 오염

제 13 장 토양 오염

** 주요 학습 내용

1. 토양오염의 특징에 대한 이해

2. 관개수 오염에 의한 작물의 피해 양상에 대한 이해

3. 중금속 오염원의 특징에 대한 이해

4. 중금속 오염으로 인한 피해 대책에 대한 이해

Ⅰ. 토양오염의 정의 

 

1. 토양오염의 정의

토양오염은 “인간의 활동에 의하여 만들어지는 여러 가지 물질이 토양에 들어감으로써 환경구성요소로서의 토양이 그 기능을 상실하는 것”이라고 정의할 수 있다. 자연조건 하에서 토양은 외적 요인에 대하여 매우 큰 완충능력을 지니고 있는데, 토양오염의 상황은 이 토양계의 완충능이 한계를 넘게 됨으로써 시발된다.

 

2. 토양오염원

토양오염은 대체로 ① 지하자원의 이용으로 인한 암석 중의 무기성분이 지표에 쌓이게 되거나, ② 농약에 의한 합성 유기염소계 화합물 또는 알킬수은화합물 등의 천연에 존재하지 않는 유기물의 축적, ③ 공업단지와 도시매연가스에 의한 산성비, ④ 식품포장폐기물, ⑤ 시설축산의 폐기물 등에 의하여 이루어진다.

 

3. 토양오염의 특징

① 대기오염 물질은 비에 의해 토양에 집적되고, 수질오염 물질은 관개수에 의해 토양에 집적된 다. 따라서 토양은 모든 환경오염 물질이 집적되는 곳으로서 토양오염을 집적적 오염ㆍ종합 적 오염이라 한다

② 중금속에 의한 오염은 유기물에 의한 것과는 근본적으로 달라 그 자체가 분해되거나 또는 화학적으로 변화시켜도 중금속 본래의 성질이나 해작용이 없어지지 않으므로 한번 오염된 토양은 완전히 제거하기 힘들다. 따라서 토양오염을 영구적 오염이라 한다

 

Ⅱ. 토양오염의 종류

 

1. 질소와 인산에 의한 토양오염

① 관개수에 함유된 질소와 인산의 농도가 높으면 관개수는 부영양화(eutrophication)되어 조류 의 대발생이 일어나며 이로 인하여 관개수내 산소가 부족하게 되어 이를 경작지에 도입하면 토양을 심한 환원상태로 만들어 작물생육을 저해한다.

② 일반적으로 인산의 과잉으로 토양기능을 상실하는 일은 거의 없고, 다만 간접적인 작용을 통 하여 식물의 생육이 억제되는 일이 있을 뿐이다. 이를테면, 아연결핍증은 인산의 수준이 높 은 곳에서 볼 수 있다. 그러나, 인산의 수준이 높다 하더라도 가용성인산이 존재하지 않을 경우에는 이와 같은 현상이 발생하지 않는다.

③ 생활폐수ㆍ공장폐수ㆍ처리시설방출수ㆍ다비시용 농장으로부터의 표면유실 및 용탈ㆍ시설축 산폐기물 등이 하천수나 호수에 유입되어 부영양화가 발생한다.

** 참 고

용존산소 표시

① COD(chemical oxygen demand : 화학적 산소 요구량)

- 물속에 함유된 유기물을 화학적으로 산화시킬 때 소모되는 산소의 양으로서,

오염될수록 COD는 증가한다

② BOD(biochemical oxygen demand : 생물학적 산소 요구량)

- 물에 함유된 유기물을 생물학적으로 산화시킬 때 소모되는 산소의 양으로서,

오염될수록 BOD는 증가한다

③ DO(dissolved oxygen : 용존 산소)

- 물 속에 용해되어 있는 산소의 양으로서, 오염될수록 DO는 감소한다.

 

2. 산 및 알카리에 의한 피해

산성이나 알칼리성을 띤 관개수를 토양에 공급할 경우에 토양반응은 관개수에 의해 산성이나 알칼리성을 띠게 되어 작물생육에 피해를 준다

 

3. 유류와 중성세제에 의한 피해

유류나 중성세제에 의해 오염된 물을 관개수로 도입할 경우 이들이 막을 형성해서 토양 공기의 유통을 차단하게 된다. 공기유통이 차단되면 토양은 심한 환원상태가 되어 근부현상이나 지상부가 고사되는 등의 생육 저해현상이 일어난다

 

4. 합성농약에 의한 피해

① 자연계에서 분해되기 어려운 합성물질은 자연계에 존재하지 않았던 것들로서 이들을 분해할 수 있는 미생물이 존재하지 않는 데서 문제시되고 있다. 따라서 이들 물질에 의해 오염되면 회복되기가 매우 어려울 뿐만 아니라 회복된다 하더라도 장기간을 요하게 된다.

② 농약 중 유기인계 살충제나 지방족계 제초제(Carbamate 계 및 nitril 계) 등은 비교적 분해되기 쉬워 밭상태에서는 3∼6개월이면 그 대부분이 소실되지만, 유기염소계 살충제나 산아미드계 제초 제는 상당기간 토양 중에 남게 된다.

 

5. 중금속에 의한 피해

1) 중금속의 피해 양상

① 작물의 생육을 저해하는 경우

ⅰ) 다른 영양소의 결핍 유발하는 것 - CuㆍMnㆍAs

ⅱ) 식물세포를 직접 해하는 것 - CrㆍNiㆍZnㆍMoㆍPbㆍSeㆍSrㆍVㆍAs

② 식물체에 집적되어 인간이나 가축에 유해한 것 - CdㆍMoㆍVㆍAsㆍHg

③ 중금속의 양이 지나치게 많아 인체에 피해를 심히 끼친 예는 수은과 카드뮴에 의한 것이다.

2) 중금속 오염 피해에 대한 대책

중금속이 식물에게 장해를 입히는 것은 토양조건 즉 pH, 산화환원상태 또는 공존하는 이온의 종류 및 농도에 따라 달리 나타나게 된다.

① 석회시용으로 토양반응을 중성으로 하여 중금속의 유효도를 낮춘다

② 토양을 환원으로 하여 중금속을 독성이 약하거나 불용성인 환원형으로 한다

(단, As는 제외 → 비소는 산화형보다 환원형이 독성이 강하다)

③ 토양을 배토나 객토를 실시한다

④ 인산 등을 시용하여 불용성염을 만든다

⑤ 점토나 유기물 등을 시용하여 중금속의 흡착량을 증가시킨다

 

**보충정리

농업용수의 수질을 오염시키는 원인

① 중금속류에 의한 것 ② 알칼리성 물질에 의한 것

③ 질소화합물의 과잉에 의한 것 ④ 유기질 부유물질에 의한 것

⑤ 유기세제에 의한 것 ⑥ 점토와 규사류에 의한 것

⑦ 유류에 의한 것 ⑧ 산성 물질에 의한 것

오염된 물에 의하여 일어나는 현상

① 토양의 물리성이 나빠지는 것(구조의 파괴, 토성의 변화 등)

② 토양이 지나치게 환원상태가 되는 것

③ 토양이 산성화 되는 것

④ 토양과 용수에 질소가 지나치게 많은 것

⑤ 중금속류가 지나치게 많이 축적되는 것

⑥ 유해물질이 너무 축적되는 것

[ 수도작 용수의 기본 ]

 

Ⅲ. 중금속 오염원

중금속원소류는 본래 지각과 토양에 들어있는 양이 지역게 따라 차이가 있으나, 인위적 또는 dkwuds적인 작용에 의하여 그 함량이 평균값보다 높아질 경우가 생겨 오염상태가 되는 것이다. 토양이 중금속에 의하여 오염되는 것은 대기와 수질이 오염된 데 기인하거나 또는 광산이나 공장지대의 폐기물에 의하거나, 드물게는 중금속함유 비료나 농약 등에서 유래된다.

 

1. As(비소)

① 비소계 및 유황계 광산의 배수를 관개수로 유입시켰을 경우, 과수원에 비산연(砒酸鉛)을 많 이 시용하였다가 후에 논으로 전화하였을 경우, 벼의 생육이 심히 장해를 입는 것으로 알려 져 있다.

② 비소는 산화형(As+5)보다 환원형(As+3)이 독성이 강하여 밭에서는 장해가 일어나지 않아도 논에서는 큰 피해를 일으키게 된다.

③ 비소함량이 20ppm(1N 염산 추출)을 넘으면 어느 곳에서나 위험수준으로 볼 수 있다.

④ 식품의 허용량은 채소는 1ppm, 과실은 3.5ppm 이하이다.

⑤ 심하게 오염된 논에는 산화철의 시용이 흡수를 크게 억제하는 효과가 있다.

 

2. Cd(카드늄)

① 카드늄의 오염원은 광산, 제련공장, 도료공장 등의 배수, 배연(排煙), 분진 등에 섞여 농작물 을 오염시키게 된다.

② 카드늄의 오염은 토양 중의 함량보다도 흡수량이 중요하므로 작물체내 함량을 규정(현재 현 미중은 1ppm 이하)하고 있다.

③ 카드늄에 의한 유독성은 1961년 일본에서 이타이이타이 병(Itai-Itai 병)이 발생함으로써 문제 화되었다. 카드늄을 과잉섭취하면 고혈압과 같은 혈관병이 발생한다고 한다.

④ 인산비료에도 카드늄이 섞여 있으나(대개 20ppm 이하) 보통 시용량으로는 아무런 문제가 되 지 않는 것으로 정하고 있다.

⑤ 카드늄의 식물에 의한 흡수는 아연에 의해 좌우되며, 아연의 첨가로 카드늄의흡수농도가 증 대된다. 그리고, 카드늄에 대한 작물의 감수성은 작물에 따라 매우 다르며, 카드늄의 과잉에 의한 생육억제는 옥수수나 대맥과 같은 화본과작물은 비교적 적지만, 콩과작물은 그와는 반 대로 매우 크다.

⑥ 오염지에 대하여는 염류용액으로 씻어 내는 방법, 석회물질을 시용하거나 인산질비료를 많이 시용하여 불용성 염을 형성하게 하는 방법 등이 있다.

 

3. Cr(크롬)

① 도료공장, 피혁공장 등에서 배출되는 Cr+6이 문제가 된다.

② 사문암 풍화토에는 3,000ppm 이상이 들어있는 곳도 있으나, 독성이 없는 Cr+3이거나 난용성 염으로 있어서 작물에게 피해를 끼치는 일이 거의 없다.

③ 수도에 대하여 Cr+6은 5ppm, Cr+3은 60ppm 이상에서 장해가 나타난다.

 

4. Cu(구리)

① 식물의 필수미량원소이기는 하나 과다한 (대개 0.1N 염산 침출 125ppm 이상) 논은 오염된 상태로 규정하고 있다.

② 석회의 시용에 의하여 pH를 조절하는 방법이나, FeㆍMn 과의 길항작용에 의하여 흡수를 억 제시키는 효과가 있기도 하다.

 

5. Hg(수은)

① 자연 토양 중 수은의 자연함량은 60ppb 정도이며, 인체에 대한 유독성은 일본에서 미나마타 병(Minamata 병)으로 주목을 끌게 되었고, 주로 수은의 집적은 식물연쇄(食物連鎖)에 의하여 이루어진다는 것이 밝혀졌다. 농작물에 대하여는 직접 영향을 끼치는 일은 그다지 알려져 있 지 않다.

② 수은은 휘산되는 성질이 있으므로 심한 농축은 자연상태에서 일어나지 않는다. 단, 수은의 독성은 화합물의 종류에 따라 다른데, 방향족수은(phenyl-Hg)이나 alcoxyalky-Hg는 독성이 낮고, 무기염의 Hg과 금속 Hg은 이보다 높으며, alkyl-Hg은 독성이 매우 높다

 

6. Ni(니켈)

① 자연 토양 중에는 평균 40∼100ppm 정도 함유되어 있으며, 사문암질 풍화토에 많이 함유되 어 있다(300∼700ppm). 휘발유에도 함유되어 있어 교통량이 많은 도로 연변의 토양은 니켈 의 함량이 높다.

② 식물의 생육에 대하여 니켈은 독성이 큰 원소로 알려져 있으며, 니켈은 아연의 8배의 독성을 나타내고, 정상 상태의 식물은 건물 중 함량이 1ppm을 넘지 않는다.

③ 니켈의 농도가 높은 토양은 인산을 시용함으로써 독성을 감소시킬 수 있으며, 알칼리반응에 서는 불용화되므로 흡수가 억제된다

 

7. Pb(납)

① 광산, 제련공장, 자동차의 배기가스 등이 주요 오염원으로 교통량이 많은 도로변에 많은 양 이 집적된다

② 벼에 대한 오염은 토양 중 함량이 150ppm 정도에서 발생하며, 사람이 납을 다량 섭취하게 되면 간장ㆍ신장ㆍ뼈 등에 쌓여 독작용을 나타낸다.

③ 우리나라 환경보존법에서는 현미 중 납 함량을 1ppm 이하로 규정하고 있으며, 성인의 경우 1 일 1.0mg 이상 섭취하면 중독증상을 일으킨다고 하였다.

 

8. Zn(아연)

① 아연의 오염원으로서는 제련공장이나 공업단지로부터의 폐기물을 들 수 있고, 그 밖에 건물 에 사용된 아연이 산성비에 의해 부식됨으로써 그 우수에 의해서도 토양이 오염되기도 한다.

② 식물에 독성을 나타내는 농도는 150∼400ppm 이상인데, 동물의 경우에는 사료 중 함량이 약 1,000ppm 이상일 때 독성이 나타난다고 한다.

③ 산성토양에서 용해되기 쉬우므로 석회시용에 의하여 침전시키거나 또는 환원에 의하여 화화아 연으로서 침전시키거나 인산시용에 의하여 불용해화(不溶解化)시키게 된다.

** 보충정리

토양조건에 따른 중금속의 상태변화

1) 토양반응

① 산성에서 용해도가 감소하는 것 : Mo

② 알칼리성에서 용해도가 감소하는 것 : Cu, Zn, Cd, Mn, Fe 등

2) 토양의 산화환원전위

① 환원상태에서 장해가 줄어드는 것 : Cd, Zn, Cu, Pb, Ni 등

② 산화상태에서 장해가 즐어드는 것 : As

3) 길항작용 - ① Fe ↔ Mn, NH4+

② P ↔ Zn, Cd, Fe, Mn, NH4+

③ Cu ↔ Fe, Mn, H2O

4) 상조작용 - ① K ↔ Fe

② P ↔ Mo, Mn

**참 고

길항작용이란 서로의 흡수를 조장하여 과잉의 해를 일으키는 작용이며,

상조작용이란 서로의 흡수를 방해하는 작용

 

 **참 고

중금속의 각 종류에 대하여 특히 예민한 식물은 지표식물(指標植物 ; indicator plant) 로 내성이 특히 약한 것들이며, 또 어느 식물은 어떤 종류의 중금속을 특히 많이 함 유하고 있어 이를 축적식물(蓄積植物 ;accumulator plant)이라 하며, 어느 금속으로 오 염된 토양을 정화하는 데 이용될 수 있다.

 

[ 작물의 중금속에 대한 내성 비료 ]

 

[ 주요 토양오염성 무기원소 ]