The Journal of
the Korean Society on Water Environment

The Journal of
the Korean Society on Water Environment

Bimonthly
  • ISSN : 2289-0971 (Print)
  • ISSN : 2289-098X (Online)
  • KCI Accredited Journal

Editorial Office


  1. 국립환경과학원 물환경연구부 유역총량연구과 (Water Environment Research Department, National Institute of Environmental Research)



Composting, Nitrogen (N), Nitrogen Budget, OECD

1. Introduction

사육두수 증가 및 밀집사육 등 축산업의 전업화·규모화 로 가축분뇨 발생량이 2009년 135,761 m3/일에서 2014년 175,651 m3/일로 증가하고 있다(MOE, 2017). 2014년 전국 오염원조사 자료에 따르면 가축분뇨 발생량은 전체 오·폐 수의 약 1%에 불과하지만 수질오염 부하량은 전체 BOD 약 37%, TN 약 37%, TP 약 60%에 달하기 때문에 가축 분뇨 배출 증가는 하천·호소 등으로 고농도 오염원 유입 증가로 이어진다. 이에 환경부는 가축분뇨 및 퇴비·액비 등 오염원으로서의 양분관리 중요성을 인식하고 농경지 양 분현황 및 환경에 미치는 영향을 파악하기 위하여 2014년 「가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률」 에 가축분뇨실태 조사를 법제화하였다. 가축분뇨실태조사는 시·군 단위 농 경지에 포함된 비료의 함량, 비료의 공급량 및 가축분뇨 등으로 인한 환경오염의 실태 등을 파악하기 위한 목적으 로 수행되며 농경지 양분현황조사를 위해서는 양분수지 산 정이 필요하다.

경제협력개발기구(Organisation for Economic Co-operation and Development, OECD)는 1980년대 후반부터 농업개발 정책과 환경정책을 유기적으로 연계하기 위하여 농업환경 지표 개발을 위해 노력해 왔다(Kim et al., 2006). 농업환경 지표는 농업생태계를 구성하고 있는 환경요소(물, 토양, 대 기 등) 가운데 현실을 가장 잘 설명해 줄 수 있는 대표치 를 일정한 기준에 따라 산정된 값을 말하며(Kim et al., 2011), 2013년 기준으로 5개 분야 13개 세부 지표로 구성 되어 있다(OECD, 2013). 농업환경지표 중 양분수지(nutrient budget)가 그 대표적인 지표 중에 하나로 일정 범위 농경 지에서 발생한 양분 유입량과 양분 유출량의 차이인 양분 잔고 값이다(Kremer, 2013).

OECD 통계자료에 의하면 우리나라는 2014년 기준으로 단위 농경지 면적당 질소 초과량이 245 kg/ha로 OECD 국 가 중 1위를 차지하고 있다(OECD, 2017). 양분수지의 결 과는 양분 부족에 의한 토양비옥도 저하와 양분과잉에 의 한 토양, 물 및 대기 오염을 초래하는 환경오염의 정도를 나타낸다(Lee, 2003). 이와 관련하여 질소수지와 해당 유역 수질과의 상관관계에 관한 연구(Jeon et al., 2014; Ju et al., 2006)가 보고되고 있지만 양분의 용탈·휘발이나 토양의 양 분 저장량 변동, 특히 하천의 높은 총 질소(Total Nitrogen, T-N) 농도 등이 실제로 발생할 위험은 기상조건, 토양 특 성, 농가의 관리방식 등 여러 요인에 좌우되기 때문에 양분 수지는 오직 잠재적인 환경 위험을 나타낸다(Kremer, 2013). 즉, 양분수지는 발생된 가축분뇨의 ‘사후처리’ 관리 방식(예, 가축분뇨 정화처리 등)이 아닌 오염원에 대한 ‘사전예방적’ 관리 수단으로 유럽연합(European Union, EU)의 질산염 훈령(Nitrate Directive)에 따른 가축사육두수 제한 등도 이 와 연관된다.

양분수지 산정법은 경계조건에 따라 농가(Farm), 토지 (Land) 및 토양(Soil) 수지 산정법으로 구분된다(Leip et al., 2011). 농가수지 산정법은 농가라는 범위를 기준으로 농가 의 출입문을 오고 간 모든 생산물의 양분을 산정한다. 다 만 농가수지 산정법은 개별농가 단위뿐만 아니라 전국단위 로도 산정할 수 있으며 전국의 농업을 하나의 농가단위로 본다. 농가수지 산정법은 가장 통합적이고 유의미한 지표로 서 농업활동에 따른 전체적인 질소의 환경영향을 나타낼 수 있는 반면 지역단위 자료를 확보할 수 없다는 단점이 있다(Oenema et al., 2003). 토양수지 산정법은 토양을 산정 범위로 토양의 양분 유출입량만 산정하기 때문에 가축분뇨 와 비료를 농지에 뿌리기 전에 휘발된 질소를 계산에 넣지 않는다(Leip et al., 2011). 즉 토양수지 산정법은 질소잔고 를 계산할 때 농경지에 뿌리기 전에 휘발된 질소량은 빼고 계산하므로 환경에 용탈·유출될 위험이 있는 질소를 보다 정확히 산정하게 된다. 이와 같이 물환경에 대한 위험을 좀 더 유의미하게 확인할 수 있으나 농지에 살포된 가축분 퇴비 자료를 확보해야 하는 현실적인 어려움이 있다. 토지 수지 산정법은 대기, 토양, 물 환경에 오염을 일으키는 위험 이 있는 총 양분을 산정하는 것이 목적이므로 질소잔고를 산 정할 때 가축을 사육·관리하는 동안에 대기로 휘발된 질소배 출량을 포함하여 산정한다. 토지수지 산정법은 OECD와 유 럽연합통계청(Eurostat)에서 오랫동안 활용한 이력이 있으며 가축분뇨 자료가 필요하지만 지역단위의 수지 산정에 적절 한 방법이다(Kremer, 2013).

국내 질소수지 연구는 농업-환경지표에서의 질소수지 연 구와 물질수지 분석방법을 통한 질소순환의 이해와 추정에 관한 연구로 구분되어진다. 농업-환경지표에 관한 연구는 OECD 가입 후 질소수지에 관한 자료 제공을 요청 받으면 서 시작되었다(Lee, 1998). 처음에는 기초적인 자료 부족으 로 일본 또는 OECD에서 제시해 준 값을 이용하였다. 그 이후에 Lee et al. (2002)은 OECD 기준의 질소수지 구성요 소에 볏짚과 보릿짚을 유출량에 포함하여 질소 수지를 산 정하였다. Kim et al. (2005)은 OECD 질소수지 구성요소 중 생물학적 질소 고정량 및 대기 질소 침적량 등 불확실 한 자연적인 요소를 배제하고 질소 유입은 가축분뇨와 질 소 비료 사용량만을 고려하였다. Hong and Song (2006)은 독일 지역별 농업환경정보시스템의 질소수지 구성요소와 국 내 질소수지 산정방법에 관한 연구(Kim et al., 2005; Lee et al., 2002)의 질소 구성요소를 재구성하여 질소유입이 미 비한 종자 및 부산물에 의한 질소 투입은 배제하고 농업용 수에 의한 질소유입량은 추가하였다. 하지만 가축분뇨 자원 화 과정에서의 손실률을 일본자료 기준으로 하였으며 축종 과 관계없이 가축분뇨 투입량의 28%가 질소가 휘산되는 것으로 가정하였다. Kim et al. (2008)은 주요 OECD 회원 국의 양분수지 값을 분석하여 가축분뇨의 농경지 시용수준 을 평가하였다. 하지만 국가단위 양분수지 산정결과이며, 국내 가축분뇨 자원화 특성을 고려하지는 못하였다. Kim, Jung et al. (2015)은 OECD 회원국의 양분수지 자료 분석 방법론을 기초로 지역단위 질소수지 지표를 산출하여 제시 하였으며, Yun et al. (2016)은 양분총량제 도입을 위한 질 소수지 분석 모델을 제시하였다.

물질수지 분석방법을 통한 질소순환의 이해와 추정에 관 한 연구는 공간적 영역의 설정에 따라 다양한 질소수지 분 석이 이루어지고 있다. Baskin et al. (2002)은 우리나라와 황해의 질소수지를 추정하였으며, Choi and Kim (2004)는 우리나라 질소수지 분석을 통해 질소 배출량을 추정하였다. Yun et al. (2008)은 우리나라를 농축산지역, 도시지역, 임 야지역 등 세 지역으로 나누어서 지목별 질소수지를 산출 하였으며, Nam et al. (2011)은 폐수처리장과 분뇨처리장에 서 발생하는 아산화질소(N2O)를 포함하여 질소 순환과정에 서 발생하는 온난화 영향을 정량화하였다.

국외 연구로서 Kopinski et al. (2006)은 지속 가능한 양 분관리를 위해 OECD 양분수지 산정법으로 폴란드 지역의 양분수지를 분석하였다. Panten et al. (2009)은 OECD 양분 수지 산정법과 부족한 자료는 가정과 추정을 통해 독일의 질소 수지를 산정하였다. Bassanino et al. (2011)은 이탈리 아 농경지의 양분수지 지표를 산출하여 질소 잉여정도를 파악하여 지역별 환경부하 진단 및 농업분야 지속가능성 평가 자료로 활용하였다.

한편 국내 축산농가에서 가축분뇨의 대부분을 퇴비·액비 로 자원화하고 있기 때문에 질소수지 산정에서는 유럽 OECD 국가와 달리 가축분뇨를 농경지에 바로 투입하지 않고 퇴 비·액비로 자원화 하는 우리나라 특성을 고려하는 것이 중 요하다.

따라서 본 연구는 토지 OECD/Eurostat 양분수지 산정 방 법을 이용하여 국내 지역 적용에 적합한 질소수지 산정법 을 제시하고, 국내 지자체에 적용하여 산정법의 적용 타당 성 및 산정 결과를 고찰하였다.

2. Materials and Methods

2.1. OECD/ Eurostat 질소수지 산정

OECD/Eurostat에서 제시한 질소수지 산정법의 개요는 Fig. 1과 같다. Fig. 1에서 질소 잔고는 농경지에 유입되는 총 질소량에서 유출되는 총 질소량을 뺀 값이다. 질소잔고 (Nitrogen Surplus, NS)는 농경지의 질소가 대기로 배출되 거나(atmospheric Nitrogen Surplus, aNS) 수체로 용탈·유출 될 위험과 땅속의 질소가 고갈되거나 축적될 위험을 합친 것이다(hydrospheric Nitrogen Surplus, hNS).

Fig. 1. Schematic diagram of the nitrogen budget based on the method of OECD/Eurostat.
../../Resources/kswe/KSWE.2017.33.5.546/JKSWE-33-546_F1.jpg

질소 유입량(input) 항목으로는 광물비료, 가축분뇨 생산 량, 가축분뇨의 순 수출입량/인출량/저장량, 생물학적 질소 고정량, 대기 질소 침적량, 유기질비료, 파종·식재용 재료를 고려하였으며, 질소 유출량(output)은 작물 생산을 통해 농 지로부터 유출되는 질소량으로 작물 생산량, 사료작물 생산 량 및 식물 잔재 항목이 고려되었다.

2.2. 본 연구에서 수정된 양분수지 산정법

본 연구에서는 OECD/Eurostat에서 제시한 총 질소 수지 산정방법을 가축분뇨의 퇴비·액비 자원화 하는 국내 실정 에 맞게 수정하였다(Table 1). 질소 유입량은 광물비료, 가 축분뇨, 생물학적 질소고정, 대기 질소 침전, 기타 유기질 비료, 파종·식재용 재료로 유입되는 양 등의 합으로 산출하 였다. 다만, 유입되는 가축분뇨 생산량은 A 지자체 축산농 가의 사육두수 현황 자료, 축종별 발생원단위(MOE, 2008), 가축분뇨 배출시설 인허가 등록대장, 축종별 질소 환산계수 (RDA, 2009) 등을 이용하여 정화처리 및 퇴비·액비 등으로 처리·자원화되어 유입되는 것으로 수정하였다. 또한 정화처 리로 유입되는 가축분뇨는 공공, 자가·공동 처리시설로, 퇴 비·액비 생산시설로 유입되는 가축분뇨는 재활용업체, 자 가·공동 처리시설로 유입되는 가축분뇨로 세분화하였다. 가 축분뇨 순 수출입량/인출량/저장량은 지역을 경계로 가축분 뇨가 반입·반출되지 않고 자원화된 퇴비·액비 형태로 반입· 반출하는 것으로 수정하였다. 한편 질소 유출량은 작물 잔 재를 통한 유입량은 제외하고 작물 생산량과 사료작물 생 산량의 합으로만 산출하였다. 각 항목별 산정방법은 Table 2에 정리하였다.

Table 1. Comparison of components of input, output and surpluses in the nitrogen budgets between OECD and this study
OECD/Eurostat This study

In-put N1) Mineral fertilizer N1) Mineral fertilizer
N2) Manure production N2-1) N from manure to livestock manure treatment
N2-2) N from manure to solid composting
N2-3) N from manure to liquid composting
N3) Net manure import/export withdrawal stocks N3) Net composting import/export
N4) Other organic fertilizer N4) Other organic fertilizer
N5) Biological nitrogen fixation N5) Biological nitrogen fixation
N6) Atmospheric N deposition N6) Atmospheric N deposition
N7) Seed and planting material N7) Seed and planting material

N8) Total inputs = sum (N1,N2,N3,N4,N5,N6,N7) N8) Total inputs = sum(N1,N2-1,N2-2,N2-3,N3,N4,N5,N6,N7)

Out-put N9) Crop production N9) Crop production
N10) Fodder production N10) Fodder production
N11) Crop residues outputs

N12) Total outputs = sum(N9,N10,N11) N11) Total outputs = sum(N9,N10)

Surplus N13) Gross Nitrogen Surplus(GNS) = N8 – N12 N12) Nitrogen Surplus(GNS) = N9 – N11
N14) atmospheric Nitrogen Surplus(aNS) = N gas emission N13) atmospheric Nitrogen Surplus(aNS) = N gas emission
N15) hydrospheric Nitrogen Surplus(hNS) = N13-N14 N14) hydrospheric Nitrogen Surplus(hNS) = N13-N14
Table 2. Equations of input, output and surpluses in the nitrogen budget in this study
Entry Methodology
Input N1* Σi [Sale of the i mineral fertilizer (ton/yr) × N content of i mineral fertilizer (%)]
N2-1* Σi [Head of i livestock (head) × Unit of generation and discharge from i livestock (L/head/d) × Share from manure to manure treatment (%) × Coefficients of N conversion of i livestock manure (%)]
N2-2* Σi [Head of i livestock (head) × Unit of generation and discharge from i livestock (L/head/d) × Share from manure to solid composting (%)× Coefficients of N conversion of i livestock manure (%)]
N2-3* Σi [Head of i livestock (head) × Unit of generation and discharge from i livestock (L/head/d) × Share from manure to liquid composting (%)× Coefficients of N conversion of i livestock manure (%)]
N3* Σij {[Amount of import i solid composting from livestock manure (ton/yr) × Coefficients of N conversion of i solid composting (%)] + [Amount of import j liquid composting from livestock manure (ton/yr) × Coefficients of N conversion of j liquid composting (%)]} - Σkz {[Amount of export k solid composting from livestock manure (ton/yr) × Coefficients of N conversion of k solid composting (%)] + [Amount of export z liquid composting from livestock manure (ton/yr) × Coefficients of N conversion of z liquid composting (%)]}
N4* Σi [Sale of the i organic fertilizer (ton/yr) × N content of i organic fertilizer (%)]
N5* Σi [Cropped area of i legume (ha) × Coefficients of N fixation of i legume (kg/ha)]
N6* Σi [Area of paddy and upland (ha) × Coefficients of N deposition (kg/ha)]
N7* Σi [Cropped area of i seed (ha) × Coefficients of N conversion of i seed (kg/ha)]
N8 Total inputs = sum(N1, N2-1, N2-2, N2-3, N3, N4, N5, N6, N7)
Output N9* Σi [Cropped area of i crop (ha) × Coefficients of N conversion of i crop (kg/ha)]
N10* Σi [Cropped area of i fodder crop (ha) × Coefficients of N conversion of i fodder crop (kg/ha)]
N11 Total outputs = sum(N9, N10)
Surplus NS Nitrogen Surplus (NS) = N9 – N11
aNS* Σjkz{[Amount of N loss at j livestock manure treatment plant (LMTP) (ton/yr)]+[Amount of N loss during composting at k solid compositing facility (SCF) (ton/yr)]+[Amount of N loss during composting at z liquid compositing facility (LCF) (ton/yr)]}
○ Amount of N loss at j LMTP (j= Public, Individual, Communal)
 = Σij [Head of i livestock (head) × Unit of generation and discharge from i livestock (L/head/d) × Share from manure to manure treatment at j LMTP (%) - [Amount of input at j LMTP (m3/d) x N concentration of treated manure at j LMTP (mg/L)]
○ Amount of N loss at k SCF (k= Recycling business, Individual, Communal)
 = Σik 〔{[Head of i livestock (head) × Unit of generation and discharge from i livestock (L/head/d) × Share from manure to solid composting at k SCF (%) + [Quantity of sawdust bedding in k SCF (kg/head/d)]} × [Coefficients of N conversion of i solid compositing at k SCF (%)]〕
○ Amount of N loss at z LCF (z= Recycling business, Individual, Communal)
 = Σz [Amount of evaporation during composting at z LCF (m3/d) × Coefficients of N conversion of liquid compositing at z LCF (%)]
hNS hydrospheric Nitrogen Surplus(hNS) = NS - aNS

* N1: Amount of nitrogen of mineral fertilizers, N2-1: Amount of nitrogen from manure to livestock manure treatment, N2-2: Amount of nitrogen from to manure to solid composting, N2-3: Amount of nitrogen from to manure to liquid composting, N3: Amount of nitrogen of solid and liquid composting import/export, N4: Amount of Nitrogen of other organic fertilizer, N5: Amount of Nitrogen of biological nitrogen fixation, N6: Amount of Nitrogen of atmospheric nitrogen deposition, N7: Amount of nitrogen of seed and planting material, N9: Amount of nitrogen of crop production, N10: Amount of Nitrogen of fodder production, aNS: Amount of nitrogen of atmospheric Nitrogen Surplus.

질소 수지 산정에 사용된 기초 자료는 A 지지체의 현황 을 잘 파악할 수 있는 내부자료, 단위농협 자료, 농림사업 통합정보시스템(Agrix) 자료 등을 이용하였다. 축종별 가축 분뇨 발생원단위(Table 3), 축종별 가축분뇨 질소 성분 환 산계수(Table 4) 및 대기 질소 침적계수(Table 5) 등은 대외 적으로 신뢰할 수 있는 국가기관 등에서 연구한 자료를 이 용하였다. 대기 질소 잔고량 산정을 위해 OECD/Eutostat에 서는 유럽 모니터링 평가 프로그램/유럽환경청(EMEP/EEA) 대기 오염물질 배출 가이드라인에 따라 가축 축종별로 산 정한다(EEA, 2013). 산정에 필요한 연평균 가축 사육두수 (Annual average population, AAP)에 대한 가용 자료가 없 어 본 연구에서는 You (2016) 등이 제시한 축종별 퇴비화 과정을 고려하여 중량감소율(Table 6)을 적용하였으며, 콩 과작물의 질소 고정계수(Table 7)와 파종 작물의 질소 변환 계수(Table 8)는 OECD에서 제시한 자료의 평균값을 이용 하였다.

Table 3. The unit load of livestock excreta in Korea (unit : L/head/d)
Hanwoo, Beef Diary cow Swine Layer Broiler Duck
Solid Slurry Solid Slurry Solid Slurry Solid Solid Solid
8.0 5.7 19.2 10.9 0.87 1.74 0.1247 0.0855 0.0855

[i] Source : MOE (2008)

Table 4. Nitrogen excretion coefficients of livestock in Korea (unit : %)
Hanwoo, Beef Diary cow Swine Layer, Broiler Duck
Solid Slurry Solid Slurry Solid Slurry Solid Solid
0.50 0.68 0.33 1.02 0.96 0.80 1.39 1.39

[i] Source : RDA (2009)

Table 5. Coefficients of annual atmospheric nitrogen deposition in Korea (unit : gN/m2/yr)
Year 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2015 Avg.
ANDC* 1.29 1.72 2.58 2.14 2.49 2.70 3.31 2.66 2.83 2.40 2.41

* ANDC: Atmospheric Nitrogen Deposition Coefficients, Source: Ahn et al. (2014)

Table 6. Comparison of weight loss percentages of livestock excreta during solid composting in Korea (Unit : %)
Hanwoo, Beef Diary cow Swine Layer Broiler Reference
Min Max Mean Min Max Mean Min Max Mean Min Max Mean Min Max Mean
64 98 81 68 63 64 63.5 64 78 69.7 86 a)
76* 55* 69* b)
27 57 44.5 c)
42.3 69.1 54 d)
45 60 52.4 e)
46 80 63.4 f)

* The value of change the rate of volume loss into weight loss by using to bulk density in Reference a)

a) You (2016), b) Cooperband (2002), c) Tiqua et al. (2002), d) Larney et al. (2006), e) Kader et al. (2007), f) Michel Jr. et al. (2004)

Table 7. The annual rates of biological nitrogen fixation from the OECD countries during 2010-2011 (unit : kg N/ha/yr)
Dried pulses Soya bean Pulse, peas, beans Green fodder Leguminous plants Pasture
OECD value 6~280 20~135 24~125 10~190 55~500 5~153
Applied value 77.5 74.5

[i] Data source: Kremer (2013)

Table 8. Annual nitrogen coefficients on seed input among 19 OECD countries
Crop Obs* % in N seed input % in crop production Kg N per ha harvested area
average min max average median average median
Cereals 19 79 37 95
Wheat 19 39 21 56 4.3 4.6 4.0** 4.0
Barley 19 25 3 44 4.7 4.4 3.0** 3.2
Rye 18 3 0 11 5.5 5.0 2.7** 2.9
Oats 17 7 0 29 5.6 5.5 3.0** 2.9
Grain maize 12 5 0 17 3.2 0.6 4.4** 0.9
Triticale 11 4 1 13 4.8 3.8 3.2** 3.5
Dried pulses 11 3 0 8 7.6 7.8 6.2** 6.0
Root crops 19 14 2 42
Potatoes 18 14 2 42 10.5 9.4 8.6** 8.2
Industrial crop 17 2 0 5 0.4
Oilseed crops 17 1 0 5 0.5 0.5 0.4**

* Obs: Observed country number,

** Applied value, Data source: Kremer (2013)

3. Results and Discussion

3.1. 질소수지 입력 항목 산정방법 및 계수 비교

광물 비료 유입량은 판매된 광물비료 제품에 질소 함량 을 곱하여 산정하였다(Hong and Song, 2006). Yun et al. (2008)에서 농림통계연보 자료로 광물 비료 유입량을 산출 하였던 것처럼 시·군 단위 질소수지 산정에는 농림통계연 보 및 통계청 자료(시·군 통계연보)를 사용해도 산출이 가 능하다. 하지만 가축분뇨 실태조사 조사대상 지역단위 중 하 나인 하천 소유역 단위로 질소 수지를 산정할 경우에는 단 위농협의 협조를 통해 농가별 광물비료 판매량 자료 확보 가 필요하다.

가축분뇨 생산량은 발생원단위(MOE, 2008)에 질소 환산 계수(RDA, 2009)를 곱하여서 산정하였다(Hong and Song, 2006; Kang et al., 2015; Kim, Jung et al., 2015). Yun et al. (2008)은 사료소비량에 사료 내 단백질 함량과 단백질 내의 질소 합량을 곱하여서 산정하였으나 지역단위 질소수 지 산정에서는 자료 확보 측면에서 사료 소비량으로부터 가축분뇨 발생량을 추정하는 것보다 가축두수에서 가축분 뇨 발생량을 추정하는 것이 더 용이하다고 사료된다.

가축분뇨를 제외한 기타 유기질 비료 유입량은 A 지자체 에 판매된 기타 유기질 비료 제품에 질소 함량을 곱해서 산정하였다(Kim, Jung et al., 2015). Kang et al. (2015)은 농협외 판매량도 고려하였으나 본 연구에서는 자료 확보의 어려움 때문에 제외하였다. 한편 Yun et al. (2016)은 농업 중앙회의 비료사업통계 자료를 통해서 시·도 지역 유기물 비료공급량에 해당 시군의 농경지 면적과 시·도 지역 농경 지 면적 비와 유기질 비료 평균 양분함량을 곱하여서 추정 하였으나 시·군별 유기물 비료공급량은 해당지역의 단위농 협 자료로 산정하는 것이 더 정확하다고 사료된다.

생물학적 질소 고정량은 콩과작물 재배면적에 OECD 국 가의 콩과작물의 질소 고정계수 중 대두와 완두의 평균값 인 77.5 kgN/ha/yr와 74.5 kgN/ha/yr를 곱해서 산정하였다. Park (1997)의 연구결과에 의하면 완두의 질소 고정계수는 35 ~ 160 kgN/ha/yr, 대두 65 ~ 183 kgN/ha/yr, 땅콩 48 kg/ha/yr 로 나타났다. Nam et al. (2011)은 논과 밭에서의 생물학적 질소 고정계수를 35 kgN/ha/yr와 15 kgN/ha/yr로 적용하였 다. Hong and Song (2006)은 독일의 OECD 기준 값인 100 kg/ha/yr을 적용하였으며, Yun et al. (2016)은 OECD 국가 의 대두와 완두의 평균값인 76 kgN/ha/yr을 적용하였다. 콩 과작물의 질소고정은 작물의 종류와 환경요인에 따라 차이 가 크고 아직 우리나라에서 지역별로 질소 고정량이 밝혀 진 바가 없어서(Hong and Song, 2006), 본 연구에서는 OECD 평균값을 적용하였다.

대기 질소 침적량은 A 지자체의 농경지 면적에 최근 10 년간(2005 ~ 2014년) 전국 40개 지점의 질소 건·습식량의 평 균값인 2.41 gN/m2/yr을 곱해서 산정하였다(Table 5). Hong and Song (2006)은 강수량의 1.25%를 대기 질소 유입량으 로 간주하여 산정하였으며, Nam et al. (2011)은 대기 중으 로부터 농경지에 침적되는 질소 유입량을 1.1 gN/m2/yr로 적용하여 추정하였다. 과거 문헌자료(Lee, 2002)를 비교한 결과 대기 질소 침적계수 값이 증가하는 경향을 고려하여 본 연구에서는 최근 문헌 자료를 적용하였다.

파종·식재용 재료를 통한 유입량은 파종 작물의 재배면적 에 OECD 19개국 파종 작물의 평균 질소 함량(Table 8)을 곱해서 산정하였다. Yun et al. (2016)은 파종작물 중 밀, 곡류, 감자의 질소 함량계수 각각 4 kgN/ha/yr, 3 kgN/ha/yr, 8 kgN/ha/yr을 적용하였으며, 본 연구에서 적용한 OECD 평균값과 같거나 유사하였다.

작물 생산량은 A 지자체의 작물별 재배면적에 작물별 시 비처방 기준(RDA, 2010)에서 제공하는 표준 작물시비량을 곱해서 산정하였다. Kang et al. (2015)은 정읍시와 김제시 의 작물 생산량에 작물별 시비처방 기준(RDA, 2010)에서 제공하는 작물별 표준시비량과 토양 검정시비량을 적용하 여 산정을 비교하였다. 산정 결과 정읍시의 경우 토양 검 정시비량 대 작물별 표준시비량의 비가 평균 1.01이었으나 김제시의 경우 평균 1.15로 나타났다. 향후 토양 검정시비 량 적용에 따른 산정 결과 차이에 대한 검토가 필요할 것 으로 판단된다.

한편 작물 생산량 기초자료로 본 연구에서는 A 지자체 내부자료를 이용하였으나 Kim, Jung et al. (2015)은 농업 경영체등록 자료를 활용하였다. Kim, Lee et al. (2015)에 의하면 2014년 기준으로 농업경영체등록 자료의 A 지지체 농가수가 12,614호이었으나 통계청 농림어업총조사 자료에 의하면 2015년 기준으로 9,628호에 불과한 것으로 조사되 었다(SK, 2015). 또한 본 연구에 사용된 지자체 내부자료에 의하면 2015년 기준으로 A 지자체의 작물 재배면적이 12,884 ha로 나타났으나 농업경영체 등록자료에는 작물 재배면적 은 14,121.43 ha로 조사되었다(MAFRA, 2015). 즉, 일반적 으로 작물 재배면적이 더 많고 다양한 농업경영체 등록자 료를 적용하면 작물생산량이 더 많이 산정되므로 질소 수 지 산정에 중요한 항목이라고 판단된다.

가축분뇨 퇴비화과정에서 질소 손실량은 축종별 가축분 뇨 발생량과 퇴비화 시 사용되는 깔짚 및 수분조절제 사용 량을 합하고 여기에 퇴비화 시 중량 감소율을 곱한 후 질 소 환산계수를 고려하여 산정하였으나(Won et al., 2015; You, 2016), 고정된 질소 손실율을 적용하여 산정한 경우 도 있다(Hong and Song, 2006; Kim, Jung et al.; 2015; Yun et al., 2008). 본 연구의 가축분뇨 퇴비 자원화 시 적 용한 중량 감소율의 국내문헌 값은 국외문헌 값보다 높았 으며, 가금류의 중량 감소율은 국내문헌 값만 있어서 비교 할 수 없었다(Table 7). 이처럼 일부 제한적인 국내문헌 자 료 사용 등 한계점이 있었다.

3.2. 질소 유입

2013 ~ 2015년 광물 비료량은 각각 1,296 tonN/yr, 1,162 tonN/yr, 1,178 tonN/yr으로 2013년에 가장 많아 유입되었 다. 2013년 가축분뇨 생산량은 7,123 ton/yr이었으며, 정화, 퇴비·액비처리로 가는 가축분뇨량은 각각 1,296 tonN/yr, 5,640 tonN/yr, 119 tonN/yr로 퇴비처리로 가는 가축분뇨량 이 가장 많았다. 2014년 가축분뇨 생산량은 7,552 tonN/yr 이었으며, 정화, 퇴비·액비처리로 가는 가축분뇨량은 각각 1,317 tonN/yr, 5,971 tonN/yr, 263 tonN/yr이었다. 2015 년 가축분뇨 생산량은 8,009 tonN/yr이었으며, 정화, 퇴비· 액비처리로 가는 가축분뇨량은 각각 1,467 tonN/yr, 6,271 tonN/yr, 270 tonN/yr이었다. 2013 ~ 2015년 가축분뇨 퇴비· 액비 반출입량은 가축분뇨 퇴비·액비 반입량보다 반출된 량 이 더 많았으며 산정결과 각각 -126 tonN/yr, -133 tonN/yr, -111 tonN/yr로 2014년에 반출량이 더 많았다. 2013 ~ 2015년 가축분뇨를 제외한 기타 유기질 비료량은 각각 84 tonN/yr, 105 tonN/yr, 118 tonN/yr로 2014년에 유입이 더 많았다. 2013 ~ 2015년 생물학적 질소 고정량은 각각 21 tonN/yr, 26 tonN/yr, 34 tonN/yr로 2015년에 질소 고정량이 더 많았다. 2013 ~ 2015년 질소 대기 침적량은 각각 393 tonN/yr, 386 tonN/yr, 388 tonN/yr이었다. 2013 ~ 2015년 파 종·식재용 재료를 통한 유입량은 각각 30 tonN/yr, 32 tonN/yr, 33 tonN/yr이었다.

2015년 기준으로 전체 유입되는 질소량 대비 각 항목별 질소 유입비율은 광물비료 12.2%, 가축분뇨 81.9%, 기타 유기질 비료 1.2%, 생물학적 질소 고정 0.4%, 질소 대기 침적 4.0%, 파종 식재용 재료 0.3%인 것으로 나타났다. 전 체 질소 유입량 중 가축분뇨로부터 유입되는 질소 기여율 이 가장 높은 것으로 분석되었다(Fig. 2). 가축분뇨 질소 유 입량 중 퇴비 생산으로 반입되는 가축분뇨 질소 비율이 78.3%로 가장 높게 나타났다. 또한 퇴비 생산으로 반입되 는 질소 유입량 중 자가 생산시설로 반입되는 가축분뇨 질 소 비율이 94.3%로 전체 유입되는 질소량의 58.3%를 차지 하는 것으로 나타났다.

Fig. 2. The distribution of the nitrogen budget in 2015 for A region, Korea : (a) input; (b) output. (Unit : ton/yr).
../../Resources/kswe/KSWE.2017.33.5.546/JKSWE-33-546_F2.jpg

3.3. 질소 유출

2013 ~ 2015년 작물 생산량은 A 지지체 작물 재배면적에 작 물별 표준시비량을 적용하여 산정한 결과 각각 988 tonN/yr, 1,050 tonN/yr, 1,175 tonN/yr이었으며, 사료작물은 각각 2 tonN/yr, 36 tonN/yr, 100 tonN/yr이었다. 2015년 기준으로 유출되는 질소의 경우 작물생산을 통한 질소 유출 비율이 91.4%로 대부분을 차지하였다(Fig. 2).

3.4. 질소 잔고

대기 질소 잔고량은 정화처리시설에서 대기로 소실되는 질소량, 퇴비·액비 생산시설에서 소실되는 질소량의 합으로 산정되었다. 각각의 대기 질소 잔고량 산정 값은 Fig. 3에 나타내었다. 처리 방법별 대기로 소실되는 질소량을 분석한 결과 정화처리 24.6%, 퇴비처리 70.9%, 액비처리 4.5%로 나타났다. 대기로 소실되는 총 질소 중 퇴비로 생산되는 과 정에서 대부분의 질소가 소실되었으며, 특히 자가처리에서 대기 질소 손실율이 96.2%로 가장 큰 것으로 분석되었다.

Fig. 3. The composition of atmospheric nitrogen losses for A region, Korea in 2015 during livestock wastewater treatment, solid and liquid composting.
../../Resources/kswe/KSWE.2017.33.5.546/JKSWE-33-546_F3.jpg

2015년 A 지자체의 질소 수지 산정결과를 Fig. 4에 나타 내었다. A 지자체의 총 질소 유입량과 유출량은 각각 9,937 tonN/yr, 1,285 tonN/yr으로 산정되었으며 가축분뇨 질소량 이 8,008 tonN/yr로 총 질소 유입량의 82%를 차지하였다. 광물비료, 대기로부터 질소 침적, 생물학적 질소 고정량, 기 타 유기질비료, 파종 식재용 재료로 573 tonN/yr의 질소가 유입되었으며 유입 질소 중 가축분뇨의 정화처리 과정에서 의 탈질과 퇴비·액비 과정에서 대기로 5,539 tonN/yr 질소 가 손실되었다. 수계로 잠재적으로 유출되는 질소량은 2,824 tonN/yr으로 나타났다. 2013, 2014, 2015년도 A 지자체의 질소수지 산정을 비교 분석한 결과, 2014년 총 유입된 질 소는 2013년보다 338 tonN/yr가 증가되었으며 2015년 총 유입된 질소는 2014년 질소수지보다 808 tonN/yr가 증가된 것으로 조사되었다. 이는 가축 사육두수의 증가로 인하여 가축분뇨의 질소 유입량이 증가되었으며, 광물비료와 기타 유기질 비료도 소폭 증가되었기 때문이다. 그러나 2013년 수계로 유출되는 질소량이 2,966 tonN/yr로 가장 높게 나왔 다. 이는 작물 흡수에 의한 질소 유출량이 가장 낮았기 때 문이다. 2014년 기준 작물 재배면적당 수체 질소 초과량은 약 251 kg-N/ha로 우리나라 전체 질소 수지보다 약 2.4% 높게 나타났다(OECD, 2017).

Fig. 4. Annual nitrogen budgets for A region, korea from 2013 to 2015.
../../Resources/kswe/KSWE.2017.33.5.546/JKSWE-33-546_F4.jpg

4. Conclusion

본 연구는 OECD/Eurostat 산정법을 이용하여 가축분뇨를 퇴비·액비로 자원화하여 살포하는 국내 실정에 맞는 질소 산정법을 제시하고 이를 A 지자체에 적용하였다. 질소수지 산정 결과, 2015년 기준으로 A 지자체의 농경지에 유입되는 총 질소량 중 가축분뇨에 의한 질소 유입량이 8,008 tonN/yr 로 총 질소 유입의 82%를 차지하였다. 그 중 퇴비 생산으 로 반입되는 가축분뇨 질소 유입량이 6,271 tonN/yr으로 가 축분뇨 질소 유입량의 78.3%를 차지하였다. 또한 자가 퇴 비생산시설로 가는 가축분뇨 질소유입량이 5,911 tonN/yr로 퇴비생산으로 유입되는 가축분뇨 질소량의 94.3%를 차지하 였다. 한편 자가 퇴비생산시설에서 대기질소질소 손실량은 중량 감소율을 적용하여 산정한 결과 3,781 ton/yr로 총 대 기질소 손실량의 68%를 차지하였다. 이와 같이 자가퇴비 생산 및 질소 손실량이 질소 수지 산정결과에 중요한 요소 로 분석되었다. 가축분뇨 관련 계수 산정 시 고려할 수 있 는 국내 문헌 값이 제한적이기 때문에 향후 질소 수지 산정 방법의 신뢰도 제고를 위해 축종별 퇴비 생산 및 질소 손 실 등에 사용된 계수, 연평균 가축 사육두수(AAP) 산정 등 에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 질소 수지 산정 값은 지자체 내부자료, 통계청 자료, 전국오염원 조사 자료, 농업경영등록체 자료 등 자료 출처 및 사용되 는 계수에 따라 값이 크게 달라지므로 민감도 분석을 통한 비교 검토 연구가 필요하다고 사료된다.

References

1 
Ahn J. Y, Lee S. D, Han J. S, Choi J. S, Sung M. Y, Park J. H, Son J. S, Hong Y. D, 2014, [Korean Literature], Study on the Characteristics of Regional Scale Wet and Dry Acid Deposition(I), NIER-RP2014-269, National Institute of Environment Research, pp. 22-24
2 
Bashkin V.N, Park S.U, Choi M.S, Lee C.B, 2002, Nitrogen Budgets for the Republic of Korea and the Yellow Sea Region, Biogeochemistry, Vol. 57, No. 58, pp. 387-403DOI
3 
Bassanino M, Sacco D, Zavattaro L, Grignani G, 2011, Nutrient Balance as a Sustainability Indicator of Different Agro-Environments in Italy, Ecological Indicators, Vol. 11, pp. 715-723DOI
4 
Choi E, Kim T.H, 2004, Estimated Nitrogen Discharge by Mass Balance Approach, The Korean Association for Policy Studies, Vol. 3, No. 1-4, pp. 95-117Google Search
5 
Cooperband L, 2002, The Art and Science of Composting: A Resource for Farmers and Compost Producers, University of Wisconsin-Madison, pp. 1-17
6 
European Environment Agency (EEA), 2013, http://www.eea.europa.eu/publications/emep-eea-guide book-2013/, EMEP/EEA Air Pollutant Emission Inventory Guidebook
7 
Hong S.G, Song J.O, 2006, A Analysis of Nutrient Balance in Chungju Area, [Korean Literature], Korean Journal of Agricultural Management and Policy, Vol. 33, No. 4, pp. 1127-1150Google Search
8 
Jeon B.J, Lim S.S, Lee K.S, Lee S.L, Ham J.H, Yoo S.H, Yoon K.S, Choi W.J, 2014, Understanding Spatial Variations of Water Quality Using Agricultural Nutrient Indices in Chonnam Province, [Korean Literature], Korean Journal of Environmental Agriculture, Vol. 33, No. 1, pp. 44-51DOI
9 
Ju X.T, Kou C.L, Zhang F.S, Christie P, 2006, Nitrogen Balance and Groundwater Nitrate Contamination: Comparison among Three Intensive Cropping Systems on the North China Plain, Environmental Pollution, Vol. 143, pp. 117-125DOI
10 
Kader N.A.E, Robin P, Pallat J.M, Leterme P, 2007, Turning, Compacting and the Addition of Water as Factors Affecting Gasous Emissions in Farm Manure Composting, Bioresource Technology, Vol. 98, pp. 2619-2628DOI
11 
Kang G. C, Kim S. H, Lee S. Y, Oho G. W, Kim S. G, 2015, A study for Introducing Total Maximum Nutrient Loading System in Regional Saemangeum Watershed, The Industry-Academic Cooperation Foundation of Chonbuk National University, pp. 1-118
12 
Kim C.G, Jung H.G, Kim Y.H, Kim T.H, Mun D.H, 2011, [Korean Literature], Establish of System of Managing Agri-EnvironmentalResource Using Agri-Environmental indicators, C2011-28, Korea Rural Economic Institute, pp. 10-16
13 
Kim C.G, Jung H.G, Lim P.E, Kim T.H, 2015, [Korean Literature], Directions for Introducing Total Maximum Nutrient Loading System of Cultivated Land, C2015-5, Korea Rural Economic Institute, pp. 1-180
14 
Kim C.G, Kim T.Y, Shin Y.K, 2005, [Korean Literature], Implementation Program for Introducing Regional-Based Maxium Nutrient Loading System, C2005-52, Korea Rural Economic Institute, pp. 1-90
15 
Kim C.G, Kim T.Y, Jung E.M, 2006, [Korean Literature], Development and Assignment of Agri-Environmental Indicators Corresponding to Development Discussion of OECD Agriculture Environmental Indicators, Korea Rural Economic Institute, pp. 1-2
16 
Kim H. H, Lee T. H, Nam D. H, Yoo A. M, Min J. K, 2015, [Korean Literature], A Study of the Analysis and the Database Improvement by Using the Information on the Farm Manager Registration Program, 11-1543000-000861-01, The Industry-Academic Cooperation Foundation of Seoul National University, pp. 192-209
17 
Kim P.J, Lee Y.B, Lee Y, Yun H.B, 2008, Evaluation of Livestock Manure Utilization Rates as Agriculture Purpose in Developed OECD Countries by Using Nutrient Balances, The Korean Society of Environmental Agriculture, Vol. 27, No. 4, pp. 337-342DOI
18 
Kopinski J, Tujaka A, Igras J, 2006, Nitrogen and Phosphorus Budget in Poland as a Tool for Sustainable Nutrient Management, Acta agriculture Slovenica, Vol. 87, No. 1, pp. 173-181Google Search
19 
Kremer A.M, 2013, Nutrient Budgets - Methodology and Handbook. Version 1.0.2, Eurostat and OECD, pp. 1-112DOI
20 
Larney F.J, Buckley K.E, Hao X, McCaughey W.P, 2006, Fresh, Stockpiled, and Composted Beef Feedlot Manure: Nutrient Levels and Mass Balance Estimates in Alberta and Manitoba, Journal of Environmental Quality, Vol. 35, pp. 1844-1854Google Search
21 
Lee C.S, 1998, [Korean Literature], A Study of OECD Agricultural Environmental Indicators, National Institute of Agricultural Sciences
22 
Lee Y, 2003, Nutrient Balances on Agricultural Land in Korea, [Korean Literature], Soil and Fertilizer, Korea Society of Soil Science and Fertilizer, Vol. 14, pp. 28-39Google Search
23 
Lee Y, Kim S.H, Park Y.H, 2002, [Korean Literature], Development of Nutrient Balance Indicator, National Institue of Agricultural Sciences
24 
Lee Y.H, 2002, [Korean Literature], Estimation of Nitrogen Deposition in South Korea, Ph. D. Dissertation, Seoul National University, pp. 1-147
25 
Leip A, Britz W, Weiss F, Veris W.D, 2011, Farm, Land, and Soil Nitrogen Budgets for Agriculture in Europe Calculated with CAPRI, Environmental Pollution, Vol. 159, pp. 3243-3253DOI
26 
Michel F.C, Pecchia J.A, Rigot J, Keener H.M, 2004, Mass and Nutrient Losses During the Composting of Dairy Manure Amended with Sawdust or Straw, Compost Science & Utilization, Vol. 12, pp. 323-334DOI
27 
Ministry of Agriculture Food and Rural Affairs (MAFRA), 2017, http;//agrix.go.kr/, Agriculture Integrated Information Excellent System (AGRIX)
28 
Ministry of Environment (MOE), 2008, [Korean Literature], The unit of Load of Livestock Excreta in Korea, Department of Aquatic Ecosystem Conservation
29 
Ministry of Environment (MOE), 2017, [Korean Literature], Environmental Statistics Yearbook 2016, Ministry of Environment
30 
Nam Y.H, An S.W, Park J.W, 2011, Nitrogen Budget of South Korea in 2008: Evaluation of Non-point Source Pollution and N2O Emission, [Korean Literature], Korean Society of Environmental Engineers, Vol. 33, No. 2, pp. 103-112DOI
31 
Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD), 2013, OECD Compendium of Agri-environmental IndicatorsDOI
32 
Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD), 2017, http://stats.oecd.org/Index.aspx?datasetcode=AEI_NUTRIENTS, Agri-Environmental Indicators: Nutrients
33 
Oenema O, Kros H, Vries W.D, 2003, Approaches and Uncertainties in Nutrient Budgets: Implications for Nutrient Management and Environmental Policies, European Journal of Agronomy, Vol. 20, pp. 3-16DOI
34 
Panten K, Rogasik J, Godlinski F, Funder U, Greef J.M, Schnug E, 2009, Gross Soil Surface Nutrient Balances: The OECD Approach Implemented under German Conditions, Agriculture and Forestry Research, Vol. 1, No. 59, pp. 19-28Google Search
35 
Park Y.H, 1997, (http://www.rda.go.kr), Interaction of Nitrogen Fixation
36 
Statistics Korea (SK), 2015, http://kosis.kr/wnsearch/totalSearch.jsp/, Korean Statistical Information Service (KOSIS)
37 
Tiqua S.M, Richard T.L, Honeyman M.S, 2002, Carbon, Nutrient, and Mass Loss During Composting, Nutrient Cycling in Agroecosystems, Vol. 62, pp. 15-24DOI
38 
Rural Development Administration (RDA), 2009, The Study to Re-Establish the Amount and Major Compositions of Manure from Livestock, 11-1390000-002309-01, National Institute of Animal Science, RDA, pp. 1-109
39 
Rural Development Administration (RDA), 2010, Fertilizer Recommendations Guidelines for crops, 11-1390802-000288-01, National Academy of Agricultural Science, RDA, pp. 1-291
40 
Won S.G, You B.G, Ra C.S, 2015, Investigation of Hanwoo Manure Management and Estimation of Nutrient Loading Coefficients on Land Application, [Korean Literature], Journal of Animal Science and Technology, Vol. 57, No. 20, pp. 1-8DOI
41 
Yun D.M, Park S.H, Park J.W, 2008, Nitrogen Budgets for South Korea in 2005, [Korean Literature], Korean Society of Environmental Engineers, Vol. 30, No. 1, pp. 97-105Google Search
42 
Yun Y. M, Kim C. H, Koo H. H, Oh S. Y, Hong J. M, Yun S. H, Kim C. G, Lee M. H, 2016, [Korean Literature], A Study on the Methods for Creating Environments of the Regional-Based Maximum Nutrients Loading System, The Industry-Academic Cooperation Foundation of Hankyong National University, pp. 1-252
43 
You B.G, 2016, Investigation of Nutrient Loading Amount and Coefficient from Livestock Manure, Master’s Thesis, Kangwon National University, pp. 30-57