Technical Note

The Journal of Engineering Geology. 31 December 2021. 731-739
https://doi.org/10.9720/kseg.2021.4.731

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구방법

  • 연구결과 및 분석

  •   물리적 특성 분석

  •   화학적 특성 분석

  • 결 론

서 론

표토는 생태계를 유지하기 위해 반드시 필요하며 전 지구의 탄소순환에 중추적인 역할을 담당한다. 또한 수자원의 저수와 보전, 오염물질 정화, 홍수 조절, 식량 및 에너지 생산 등 다른 환경 매체와 유기적으로 상호 연계하여 환경을 유지하고 치유하는 기능을 제공해주는 중요한 자원이다. 그러나 표토가 생성되기 위해서는 수천 년이 소요될 수 있으며 한번 훼손된 표토가 다시 재생되기 위해서는 매우 긴 시간이 필요하기 때문에 표토 보전에 대한 관심은 국내외적으로 증대되고 있다.

토양침식은 과거에는 그 중요성을 인식하지 못했으나, 환경에 대한 관심이 높아지면서 토양보전에 대한 연구가 시작되고 있으며(Kim et al., 2014, 2017; Jung et al., 2015), 토양훼손에 영향을 미치는 인자들 역시 시 ‧ 공간적으로 변화하지만, 현재 이러한 특성을 고려한 연구는 많이 부족하다. 또한 표토침식에 취약한 지역의 복원 ‧ 관리시스템 등이 개발되었지만 한정된 조건에서 조사를 통한 공법이 제시된 것이므로 한계가 있으며, 국내 실정에 맞는 표토 훼손지 복원기술이 부재한 상황이다.

표토복원 기술과 관련된 연구동향을 살펴보면, Yeo et al.(2005)은 난지도를 대상으로 비탈면 생태복원 특성을 자연표토 복원공법과 원지반 식생정착공법 별로 시공 직후와 오랜 시간이 경과한 모습을 비교분석하여 지속적인 비탈면 생태복원에 대해 연구하였다. Kim et al.(2015)은 생물다양성이 풍부한 가리왕산 내 유전자보호림 내의 표토를 수거하여 표토 내 식물의 상관관계 및 활용성을 연구하였으며 Kang et al.(2017)은 훼손된 산림자원과 주변 산림의 자연자원을 이용하여 식생 복원 및 모니터링에 대한 연구를 수행하였다. 국외의 경우 OECD에서는 국가별 토양유실에 대한 정보를 획득하고 농경지별 지표를 제시하고 있지만 표토 보전을 위한 기준 및 심토의 표토화를 위한 조건 등은 매우 부족하다.

따라서 본 연구에서는 표토와 심토의 혼합을 통한 심토의 표토촉진화를 위해 지질별 표토와 심토의 물리화학적 특성을 비교하고 정량적인 차이점을 분석하여 심토의 표토화를 위한 방법을 제시하였다.

연구방법

본 연구는 표토와 심토의 혼합을 통한 심토의 표토촉진화가 목표이며 이를 위해 표토와 심토의 토양특성을 비교하였다. 암종별 총 102개 지역에서 204개의 표토와 심토를 채취하여 5개 항목에 대한 분석을 실시하였다. 각 암종별로 퇴적암에서 29개, 화성암에서 26개, 변성암에서 47개 시료를 채취하였으며 표토는 토양 표면에서 수직으로 0.2~0.3 m, 심토는 토양 표면에서 수직으로 0.4~0.5 m 아래에서 채취하였다. 토양 시료는 아래의 Table 1과 같이 물리적 및 화학적으로 구분하여 측정값을 비교하였다. Fig. 1Fig. 2는 지질별 시료채취 위치와 암종별 비율을 나타내며 Fig. 3은 토양시료 채취 및 현장 함수비 측정을 보여준다.

Table 1.

Measurement items and number of topsoil and subsoil

Division of soil Grain size analysis Water content Unit weight XRF XRD
Topsoil 30 102 102 22 102
Subsoil 30 102 102 6 62

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Fig. 1.

Location of samples taken by geology (102 places).

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Fig. 2.

Proportion of samples classified by rock type.

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Fig. 3.

The site where the sample was taken.

연구결과 및 분석

물리적 특성 분석

표토와 심토의 입도분석, 단위중량, 현장 함수비 측정을 통해 토양의 물리적 특성 분석을 수행하였다. 입도분석(체분석)은 시료 60개(표토 30개, 심토 30개)를 대상으로 실시하였으며 삼각좌표에 의한 토양분류를 수행하였다. 분석결과 표토에서는 sandy loam이 대부분이고 심토에서는 sandy loam~loamy sand(자갈 포함)가 다수로 나타났다. 함수율은 현장에서 TDR 기기(TAKEMURA, KM-18)를 사용하였으며 표토와 심토에서 각각 3회씩 측정하여 평균값을 사용하였다. 표토와 심토에 대한 함수율 분석결과 표토가 심토보다 4.13% 높게 나타났다. 표토가 강우 등 수분함량에 직접적으로 영향을 받기 때문인 것으로 판단된다.

토양의 단위중량은 현장에서 캔(can)을 이용하여 부피와 무게를 측정하고 단위중량을 계산하였다. 단위중량에 대한 비교 결과 표토가 심토보다 낮게 나타났으며 전체 평균값에서 심토가 표토에 비해 11.54% 높게 나타났다. 심토는 하중에 의해 표토보다 토양입자 간의 간격이 좁아지고 치밀해지기 때문이다. Fig. 4Fig. 5는 암종별 표토와 심토의 함수율 및 단위중량의 비교 그래프를 나타낸다.

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Fig. 4.

Water content of topsoil and subsoil compared by rock type.

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Fig. 5.

Unit weight of topsoil and subsoil compared by rock type.

화학적 특성 분석

토양의 광물 분석 등 화학적 특성 분석을 실시하여 표토와 심토를 비교하였다. X-선 형광분석(XRF)은 주원소 화학분석법으로써 3가지 암종(퇴적암 8개, 화성암 7개, 변성암 7개)으로 분류하여 실시하였으며 화학 분석치를 대상으로 화학적 풍화지수를 계산하였다. 가장 신뢰도가 높고 일반적으로 사용되는 화학적 풍화변질지수는 CIA(chemical index of alteration)와 CIW(chemical index of weathering index)이며 이들의 계산은 분석된 성분과 주요 화학성분의 분자량비를 비교하여 계산된다. 화학적 풍화변질지수의 경우 CIW가 CIA보다 높은데, 이는 산출식에서 유동성이 높은 원소인 K2O가 제외되어 분모값이 감소하기 때문이다.

(1)
CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O+K2O)]×100
(2)
CIW=(ACN)[Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O)]×100

Fig. 6은 암종별 풍화변질지수의 결과로써 CIA의 평균값은 퇴적암에서 낮고 화성암에서 높지만 차이는 크지 않은 것으로 나타났으며 CIW의 평균값도 퇴적암에서 낮고 화성암에서 높지만 그 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 암종별 전체적인 비교 결과 표토의 풍화변질지수가 심토보다 높게 나타났다(Fig. 7).

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Fig. 6.

Chemical alteration index (CIA and CIW) according to rock type.

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Fig. 7.

Average of chemical alteration index (CIA and CIW) by rock type.

X-선 회절분석(XRD, X-Ray Diffractometer)은 표토 102개, 심토 62개 시료를 대상으로 실시하였으며 토양을 구성하는 광물조성의 특징을 파악하기 위해 실시하였다. 또한 X-선 회절분석 후, 정량계산 프로그램인 Siroquant v3.0을 이용하여 광물감정과 광물종의 함량비를 계산하였다(Fig. 8). 분석을 위해 채취한 시료를 충분히 건조시킨 후 10 g씩 소분하여 아게이트 사발로 분말화하였고, 분말화한 시료를 안동대학교 공동실험실습관에 의뢰하여 분석하였다.

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Fig. 8.

XRD analysis result (sample 1, 15, 29, 48).

분석결과 점토광물은 일라이트, 녹니석, 카올리나이트, 버미큘라이트(질석)등으로 나타났으며 퇴적암 표토에서는 점토광물의 함량 범위가 가장 넓게 나타났다(Fig. 9). 퇴적암과 화성암, 변성암에서 점토광물은 일라이트가 가장 풍부하게 나타나고 조암광물에서는 석영이 가장 풍부하며, 분석 결과 표토에서 점토광물 함량이 많은 것으로 나타났다. 이는 표토가 심토보다 풍화에 직접적인 영향을 더 많이 받기 때문에 점토광물의 함량이 높게 나온 것으로 판단된다. 버미큘라이트의 경우 풍화에서 발생하는 최종산물이므로 표토에서 특히 많이 나타난다(Figs. 10, 11). 이는 향후 표토화 등을 위한 인자로써 활용이 가능할 것으로 판단된다.

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Fig. 9.

Clay content in the three rock types.

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Fig. 10.

Average content of each minieral for topsoil and subsoil in clay minerals.

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Fig. 11.

Average content of each minieral for topsoil and subsoil in rock forming minerals.

결 론

본 연구는 노출된 심토의 표토화를 위해 표토와 심토의 토양특성을 비교하는 것이 목적으로써 암종별 5개 항목에 대해 표토와 심토의 물리화학적 특성을 비교하였다. 비교 결과 표토와 심토의 항목별 정량적인 차이를 확인하였으며 이는 향후 노출된 심토의 표토화를 위한 기준이 될 수 있으며 특히 표토화를 위한 가장 효율적인 방법 중 하나인 심토와 표토 혼합 시 표토 비율을 결정하는데 참고자료가 될 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 표토환경보전관리기술개발사업의 지원을 받아 연구되었습니다(2020002840003).

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