제주도 화산회토양의 니켈 자연함유량과 생물유효도

Abstract

본 연구는 제주지역 화산회토양에서 Cu와 Zn을 포함하여 Ni의 자연함유량이 높은 이유를 밝히고자 Chapter Ⅰ에서 수행하였고, 그 요인에 대한 상관 및 주성분분석을 Chapter Ⅱ에서, 토양 중 흡착형태에 따른 식물체 이동에 대한 구명은 Chapter Ⅲ에서 수행하였다. Chapter Ⅰ에서 토양 중 Ni 함량이 높은 원인을 밝히기 위해 토양시료는 Alfisols 4개통, Andisols 35개통, Endisols 9개통, Inceptisols 16개통, Ultisols 1개통에서 채취하였으며, 동일한 지점에서 모암(자갈) 시료를 채취하였다. Ni 평균함량은 79.2 mg kg^(-1)으로 토양오염 우려기준의 2배이었으며, Zn 평균함량은 108 mg kg^(-1)으로 기준의 1/3 수준이었다. 토양목별 Ni 함량은 Entisols에서 109.5 mg kg^(-1)으로 가장 높았으며, 토양시료가 1개에 불과한 Ultisols를 제외한 다른 토양목은 68.7 ~ 78.4 mg kg^(-1)으로 낮았다. 제주도 토양의 76.6%를 차지하고 있는 Andisols는 78.4 mg kg^(-1)으로 GAP 농산물 기준보다 약 2배 높은 것이었다. 반면, Cu와 Zn은 토양목과 무관하게 비슷한 경향을 나타내었다. 암석중 Ni 함량은 성산층, 신더콘 및 침상장석 감람석현무암에서 높았으며, 장석현무암 및 조면질 안산암에서 낮았다. 또한 심토가 표토에 비해 5.4 ~50.5% 높은 편이었다. 그러나 Cu 함량은 Ni과는 반대로 Entisols에서 28.0 mg kg^(-1)으로 다른 토양목의 38.9 ~ 42.8 mg kg^(-1)에 비해 낮았다. Entisols를 제외한 Cu의 표토/심토비는 1.14 ~1.63으로 표토가 심토에 비해 많았다. 토양색별로는 Ni 함량이 가장 많은 토양은 흑색 신더콘 토양으로 평균 128.1 mg kg^(-1)으로 다른 색의 토양에 비해 많았으며, 함량이 가장 낮은 농암갈색 화산회토에 비해 약 2배 많았다. 흑색 신더콘 토양의 Ni 함량은 토양오염기준의 4배 이상 높은 것이며, 대책지역 기준인 100 mg kg^(-1)에 비해서도 높았다. 이 외에 산악지토양, 흑색 화산회토양, 농암갈색 화산회토양, 적황색 비화산회토양의 Ni 함량도 우려기준에 비해 높았다. 전체적으로 심토의 Ni 평균함량이 표토에 비해 많았으며, 적황색 비화산회토에서는 심토가 표토에 비해 약 25% 많은 것으로 조사되었다. 토지이용형태별 표토/심토비는 Ni이 0.95로 경작 여부와 무관하게 심토가 많았다. Cu의 표토/심토비는 감귤원 농경지에서 평균 1.23으로 표토 집적현상이 뚜렷하였으며, 그 외의 토양에서는 표토/심토비가 비슷하였다. Zn의 표토/심토비는 감귤원 농경지에서 평균 2.28로 표토에 집적되는 현상이 현저했으며, 산림토양과 초지토양에서는 심토가 많았다. Chapter Ⅱ.에서는 제주도의 65개 지점에서 토양와 암석시료를 채취한 후 토양화학성분 및 Ni 전함량을 분석하고 주성분분석을 이용하여 토양화학특성을 4개의 인자로 축약할 수 있었고, 이는 전체 변동의 73.9%가 설명이 가능하였다. 이를 이용하여 후진제거 선형회귀분석을 실시한 결과, 제주도 토양 중 Ni함량은 주성분 1, 2, 4의 3가지의 주성분 인자로 고도로 유의하게 설명할 수 있었고, 그 회귀식을 구할 수 있었다. 회귀식에서 나타나는 계수를 고려해 볼 때 토양 중 Ni함량은 암석 Ni, 토양 Mg, Fe, Mn 등과 깊은 연관이 있었다. 토양목, 토양색, 토지이용, 토양화학특성 등의 자료를 복합하여 군집분석을 실시한 결과 12개의 군집으로 분류하였고, 토양 Ni함량이 높게 나타나는 군집을 추출할 수 있었다. 산림지, 초지가 포함된 군집에서 토양 Ni함량이 가장 높게 나타나 적어도 농경활동에 의해 토양 Ni함량이 높아지지는 않다고 판단되었다. Chapter Ⅲ.에서는 제주도 화산회토양을 이용하여 Ni, Cu, Zn의 토양중 존재형태를 알아보고 토양 중금속이 청경채의 흡수에 미치는 영향을 알아보고자 수행되었다. 토양 중 함량을 연속추출법에 의해 알아본 결과 토양 종류마다 각 중금속의 존재형태가 차이가 있었고, 이를 이용하여 토양 종류를 구분할 수 있었다. 중금속 함량이 다른 토양을 이용하여 청경채를 재배했을 경우 Zn, Cu는 뿌리에서 흡수되어 지상부로 이동되었으나 Ni은 지상부에서 거의 검출이 되지 않아 청경채 내에서 미량원소의 이동성이 달랐다. 그러나 토양 중 함량과 청경채의 함량 간에는 치환성 Zn을 제외하고는 상관관계가 없었으며, Ni은 식물체 내에서 이동도 어려울 뿐만 아니라 토양 중 함량과 상관관계를 내기도 어렵기 때문에 전함량이나 치환성함량 등 지금까지의 방법에 의한 토양 중 함량으로 식물체의 함량을 추정하기에는 매우 어렵다고 판단되므로 새로운 접근방법이 개발될 필요가 있다고 판단된다. 인체의 중금속 흡수에 의한 위해성 평가와 관련해서는 토양→식물체, 식물체→인체 두 단계를 거치게 되는데 각 단계에서 불확실성이 존재하므로 중금속의 기준을 토양 및 식물체 별로 각각 마련하는 것보다는 식물체내 농도만으로 정하는 것도 한가지 해결책이 될 수 있다고 생각한다. 결론적으로 제주도 화산회토양 중 Ni함량이 높은 것은 토양의 모재인 모암에서 비롯된 것이며, 화산회토양 중에 Ni함량은 식물체(Pakchoi)에 거의 흡수 이동되지 않은 것으로 조사되었다. 따라서 친환경농산물 및 GAP 농산물 인준기준을 토양환경보전법 제4조 토양오염우려기준을 적용하는 것은 재검토가 필요하다고 생각한다.

This study was carried out to find out the cause of high nickel(Ni) content in the volcanic ash soils of Jeju Island, including cupper(Cu) and zinc(Zn), which is presented at Chapter I. The principal component analysis with chemical components of soil and rock samples and their correlation between the components were conducted at Chapter II. Finally, the transfer of Ni, Cu, and Zn within plant according to their adsorption to soil was studied. For Chapter I, soil samples were collected from 4 series of Alfisols, 35 series of Andisols, 9 series of Entisols, 16 series of Inceptisols, and 1 series of Ultisols. Parent material (gravel) samples were also collected from the same sites where soil samples were taken. Both soil and parent material samples, rocks were analyzed for Ni, Cu, and Zn, including other chemical components. The average Ni content of all soil samples was 79.2 mg kg^(-1), which exceeded the warning standard of Ni specified in the Soil Environment Conservation Act of Korea. But the Cu content was 108 mg kg^(-1) on average, which was a third lower than the criteria. By soil orders, the Ni contents were largest as 109.5 mg kg^(-1) in Entisols, but the other soils except Ultisols having just one sample ranged from 68.7 to 78.4 mg kg^(-1). Especially, Andisols occupying 76.6% of Jeju soil area contented Ni 78.4 mg kg^(-1) as Ni which was twice as much as the criteria for good agricultural practice(GAP). However, the contents of Cu and Zn in the soil samples were similar, regardless of soil order. For the rocks including gravel, nickel contents in Seongsan Formation(SSF), Cinder cone(C) and acicular Feldspar Olivine Basalt(FOB) were high, while those in Feldspar Basalt(FB) and Trachy Andesite lava(TA) were low. In addition, the subsoil Ni content tended to be 5.4 ~50.5% higher than that of top soil. On the contrary, Cu contents were low as 28.0 mg kg^(-1) for the Entisols, compared to the range of 38.9 ~ 42.8 mg kg^(-1) for the other soils orders. The topsoil/subsoil ratios for Ni content in all the soil samples excluding Entisols were 1.14 ~1.63, indicating that the Ni have derived from the parent rocks. By soil colors, the soil having the largest Ni was from black cinder cone which was as much as 128.1 mg kg^(-1), compared to other soils soils, being twice as much as the very dark brown volcanic ash soils. The Ni contents of the black cinder cone soil was three times larger than the prevntive criteria, and being larger than the enforcement criteria 100 mg kg^(-1). In addition, the Ni contents for the mountain soil, black volcanic soil, very dark brown volcanic soil, and red-yellow non-volcanic soil were also larger than the preventive criteria. In total, the Ni average contents of the subsoil were larger than those of the topsoil. Furthermore, in the red-yellow non-volcanic soil the contents of subsoil was surveyed to be 25% larger than that of topsoil. By land use patterns, the topsoil/subsoil ratios for Ni content were 0.95 which the subsoil contents were larger, irrespective of land use pattern. Those of Cu in mandarin orchard averaged 1.23, indicating the clear accumulation in the topsoil, but those of the other soils were similar. Furthermore, those of Zn in mandarin orchard averaged 2.28, indicating the clearer accumulation in the topsoil, but the forest and grass soils contented larger amount in the subsoil. For Chapter II, using the principal component analysis with chemical component contents of soil and rock samples collected on 65 locations, author tried to investigate the origin of soil Ni in Jeju island. The chemical property variables could be reduced from 14 variables to 4 principal components which can explain 73.9 % of total variation. We can get a regression equation constituted 3 principal components by backward stepwise regression analysis. The result shows soil Ni content is related to rock Ni, soil Mg, Fe and Mn contents significantly. Chapter III was conducted to elucidate the residual patterns of Ni, Cu and Zn, in the soils and their bioavailability to Pakchai (Brassica campestris var. chinensis) in volcanic ash soils in Jeju Island employing the sequential extraction scheme. Fractionation patterns of their components by sequential extraction method were various according to soil types, which made it possible to distinguish each soil type. In case of cultivating Pakchai in the several soils having various heavy metals, the Cu, and Zn were transfered from root to shoot, but the Ni was not detected in the shoot, indicating different transfer properties from Cu and Zn. There were a little significant correlation coefficients between fractional contents in soil and in plants of trace elements except exchangeable Zn. It is needed to develop novel methods for the assessment soil Ni in relation to plant uptake because of poor corelation. With a view to risk assessment relating to metal component absorption, two steps of soil to plant and plant to human body have to be examined, because the uncertainty for the each step exists, preferably establishing the criteria for the plant rather than that of each step, soil and plant, is suggested to be a solution. On conclusion, the cause of larger Ni content in Jeju volcanic ash soil is to be derived from parent material, rock. Moreover, the Ni content was studied not to be transfered and absorbed into shoot of plant Pakchoi. Therefore, in order to certify the quality fo environment friendly agricultural products and GAP, it requires to be reviewed to apply the warning standard of Ni specified in the Soil Environment Conservation Act of Korea.