2.1 연구대상지

연구대상지는 강원도(화천군, 인제군, 양양군, 평창군), 경상북도(봉화군, 울진군), 충청북도(괴산군), 전라북도(장수군), 경상남도(산청군) 및 전라남도(완도군)에 위치한 총 10개소의 산림유역(37.0~209.0 ha)이다(Fig. 1), 고도는 120~1,368 m이며, 평균경사는 21.1~34.9°, 모암은 화성암 및 변성암이며, 토성은 사질양토, 양토 및 미사질양토이다(Table 1). 임상은 대부분이 활엽수림 및 혼효림으로 구성된 천연림으로, 피복율은 99.0~100.0%이다.

Fig. 1. Locations topographies of sampled sites from F1 to F10 in the forested headwater catchments.

2.2 조사항목 및 분석

산림유역 내 유량 부족 및 동결로 인하여 겨울철과 이른 봄철(12~3월)은 제외하고, 월별로 모니터링한 데이터를 계절별(봄(4~5월), 여름(6~8월), 가을(9~11월))로 구분하여 분석하였다. 시료의 채수방법, 보존 및 분석은 수질오염공정시험기준을 준수하였다.

계류수질의 변화를 파악하기 위해 하천 또는 호수의 수질오염의 정도를 나타내는 분석항목인 pH, EC, BOD, COD, TOC, T-N 및 T-P를 이용하였다. 또한, 수중에 생분해성(biodegrad- able) 유기물 비중의 변화 추세를 파악하기 위해, 생물학적으로 분해가 가능한 유기물을 지시하는 BOD (^{Jouanneau et al., 2014})와 수층에서 유기적으로 결합된 탄소의 합을 의미하는 TOC (^{Matthews et al., 1990})의 비(BOD/TOC)를 산정하였다. 즉, BOD/TOC가 높다는 것은 수중에 생분해성 유기물 함량이 상대적으로 높은 것을 의미한다(^{Oh et al., 2015}; ^{Shim et al., 2015}).

계류수의 등급별 수질 상태를 2022년 환경기준 제2조(환경정책기본법 시행령)(^{ME, 2022}) 관련한 하천 및 호소 등의 생활환경기준 분석항목을 참고하여 Table 2와 같이 분석하였다. 여기에서는 기존의 수질등급체계의 수치형 등급(I, II, III 등) 명칭을 서술형 등급(“매우 좋음”, “좋음”, “약간 좋음” 등) 명칭으로 전환하였으며, 수질등급을 5단계에서 7단계로 세분화하였다(^{ME, 2017}; ^{ME, 2022}).

산림유역의 계류와 하천의 수질을 비교⋅분석하기 위해, 하천(수질측정망)의 수질현황 데이터(^{NIER, 2022})를 참고하였다. 자료의 통계분석은 Statistical Package for Social Sciences (SPSS) version 19를 이용하였다.

3.1 산림유역의 계류수질 현황 및 특성 분석

2021년 4월 20일~11월 3일 동안 측정한 계류수질의 시계열 변화를 나타낸 결과는 Table 3과 같다. 측정한 계류수의 평균 pH는 6.6±0.4(범위: 5.7~7.5), 평균 EC(μS/cm)는 42.3±12.5 (24.0~75.0)로 나타났다. 평균 BOD의 농도(mg/L)는 0.9±0.6 (0.2~2.8), 평균 COD의 농도(mg/L)는 1.7±0.8(0.3~3.5), 평균 TOC의 농도는 1.1±0.5(0.3~2.7), 평균 T-N의 농도는 0.9±0.5 (0.1~2.0), 평균 T-P의 농도는 0.005±0.004(0.003~0.032)로 나타났다. 평균 BOD/TOC는 1.07±0.93(0.17~4.75)으로 나타났다(Table 3).

산림유역의 계류수질 현황 및 특성을 모암별(화성암, 변성암), 임상별(낙엽활엽수림, 상록활엽수림, 혼효림), 고도별(측정유역의 평균 고도(770.8 m) 기준), 지역별(중부지방, 남부지방), 유역면적별(측정유역의 면적(100.0 ha) 기준)로 Fig. 2와 같이 구분하여 분석하였다.

Fig. 2. Characteristics of upland headwater streams water quality in forested catchments for five categories, (a) geology, (b) forest, (c) altitude, (d) location, and (e) catchment area. (a) Geology is separated into an igneous rock (IR) and metamorphic rock (MR). (b) the forest is separated as broad-leaved deciduous forest (BF), evergreen broad-leaved forest (EF), and mixed forest (MF). (c) Altitude is separated as below and over the mean value of altitude (MA). (d) Location is separated as central region (CR) and southern region (SR). (e) The catchment area is separated as less and more than 100 ha. A two-sample Student’s t-test (pH, COD, and TOC in both geology and altitude, and pH and COD in both location and catchment area) with Mann-Whitney U test (rest of physicochemical parameters in four categories). One-way analysis of variance (ANOVA) in the forest (pH, COD, and TOC) with Kruskal-Wallis test (rest of physicochemical parameters). Differences in lowercase letters above the bar graph indicate significant differences between each group (p<0.05).

모암별로 측정한 계류수의 COD와 TOC는 화성암보다 변성암에서 높게 났으며, T-N과 BOD/TOC는 변성암보다 화성암에서 높게 나타났다(Fig. 2(a)). 임상별로 측정한 계류수의 EC는 상록활엽수림에서 TOC는 혼효림에서 높게 나타났으나, T-N은 상록활엽수림에서 낮게 나타났다(Fig. 2(b)). 고도별로 측정한 계류수의 EC, COD 및 TOC는 평균 고도보다 낮은 경우 높게 나타났으며, T-N과 BOD/TOC는 평균 고도보다 높은 경우 높게 나타났다. 여기에서 평균 고도가 높은 조사지의 평균 유역면적은 96.3 ha로서 평균 고도가 낮은 조사지의 평균 유역면적 121.5 ha와 비교하여 작았으며, 이는 전체 수계의 상류의 V자곡 형태로 산림 내를 흐르며 주변의 비탈면과 접한 계류의 특징이 반영된 것으로 판단된다(Fig. 2(c))(^{Gomi et al., 2002}; ^{Nakamura, 1995}). 지역별로 측정한 계류수의 T-N과 BOD/TOC는 남부지방보다 중부지방에서 높게 나타났다(Fig. 2(d)). 유역면적별로 측정한 계류수의 분석항목에 있어서는 유의한 차이를 확인할 수 없었다(Fig. 2(e)).

3.2 산림유역 계류수질의 계절적 변화

산림유역 계류수질의 분석항목을 계절별로 분석한 결과(Fig. 3(a)~(d)), 측정한 계류수의 pH는 봄철~가을철 동안 6.4 ~6.9(±0.2~0.4)의 범위를 나타냈으며, 계절별 변동 특성은 뚜렷하게 나타나지 않았다. ^{NiFoS (2021)}는 전국 산림유역 강수의 평균 pH 5.8(pH 5.0~6.5)이며, 토양의 평균 pH 4.8(pH 4.2~5.9)의 연구결과를 제시하였다. 특히 ^{NiFoS (2020}, ²⁰²¹⁾는 산림유역에서 수목의 적정 토양 상태(pH 5.5~6.5)와 서식하는 미생물의 적정 서식 조건(pH 6.0~7.0)과 비교하였을 때, 우리나라 산림토양은 낮은 pH의 특징을 보고한 바 있다. 또한 몇몇 선행연구에서도 산림유역에서 유출되는 계류수질의 변화는 산림으로 유입되는 강수를 포함하여 식생 및 토양의 성질 등 다양한 생태환경에 따라 그 영향 정도가 달라질 수 있다고 설명하고 있다(^{Jeong et al., 1999}; ^{Lee and Jun, 1996}; ^{Takahashi et al., 1996}). 결국, Fig 3(a)에서 측정한 계류수의 pH가 상대적으로 낮게 나타난 것은 산림으로 도달한 강수 및 산림토양의 복합적인 영향을 받았기 때문으로 판단된다(Fig. 3(a)).

Fig. 3. Box plots for upland headwater the streams water quality in forested catchments during the monitoring period, spring (SP), summer (SU), and fall (FA). (a) pH, (b) EC, (c) BOD/TOC ratio, and (d) water quality concentrations (BOD, COD, TOC, T-N, and T-P). Lines within and adjacent to the box plots indicate the mean and standard deviation, respectively. Thick solid lines within the boxes indicate median values and the ends of the boxes represent the upper and lower quartiles. The whiskers represent the maximum and minimum values excluding outliers and dotted circles are outliers. Differences in lowercase letters above the box plot indicate significant differences (Kruskal-Wallis post-hoc test;p<0.05) between each group. Values above each box indicate the mean ± standard deviation.

반면에, 측정한 계류수의 BOD와 BOD/TOC는 봄철과 여름철 대비 가을철에 상대적으로 2배 정도 높게 나타났다(Fig. 3(c)). 이는 연구대상지 주변이 대부분 낙엽활엽수림으로서 가을철에 생엽이 낙엽이 돼서 떨어져 많은 생분해성 유기물이 계류로 유입되어 계류수질에 영향을 미친 것으로 판단된다(^{Hur and Kim, 2009}; ^{Jin et al., 2005}; ^{Jung et al., 2009}; ^{Oh et al., 2015}). ^{Yu et al. (2018)}의 연구에서는 점오염원이 비교적 적은 경우, 강우로 인한 비점오염물질의 유입 또는 조류가 과다 발생할 때 계절적 영향과 유기물 항목 간의 변동이 유사하게 나타나고 있다고 보고한 바 있다.

3.3 생활환경기준에 따른 계절별 계류수질 분석

하천의 생활환경기준을 참고하여(^{ME, 2017}; ^{ME, 2022}), 10개의 산림유역에서 계절별 측정한 계류수질의 상태를 Fig. 4와 같이 등급별로 분석하였다. 봄철 측정한 계류수의 분석항목(pH, BOD, COD, TOC, T-P)에 대한 등급은 모두 “매우 좋음(Ia)”(BOD(≤ 1 mg/L), COD(≤ 2 mg/L), TOC(≤ 2 mg/L), T-P(≤ 0.02 mg/L)로 나타났으며, 여름철 측정한 계류수 pH에 대한 등급은 “약간 나쁨(IV)”(pH 6.0~8.5)을 제외하고는 다른 분석항목(BOD, COD, TOC, T-P)에 대한 등급은 “매우 좋음(Ia)”으로 나타났다(Fig. 4). 가을철 측정한 계류수의 BOD에 대한 등급은 “좋음(Ib)”(≤ 2 mg/L)이 나타났으며, 다른 분석항목(pH, COD, TOC, T-P)에 대한 등급은 “매우 좋음(Ia)”으로 나타났다(Fig. 4). 이는 몇몇 선행연구(^{Cho et al., 2021}; ^{Kang et al., 2019}; ^{NIER, 2006}; ^{ME, 2022})와 유사한 경향으로서, 계절별 측정한 계류수질의 상태는 용존산소가 많은 편이었으며, 오염물질이 거의 없는 청정상태에 근접하여 여과⋅살균 등 간단한 정수처리 후 생활용수로 사용할 수 있다고 판단된다.

Fig. 4. Living environment standards of upland headwater streams in forested catchments with seasonal variations. The levels were referred to the river living environment standards.

한편, 여름철 측정한 계류수의 pH는 다른 분석항목과 비교하여 등급이 낮게 나타났다. 이는 낮은 pH의 특징을 가지고 있는 강수가 여름철(6~9월)에 편중되었기 때문으로 판단된다(^{KMA, 2021}; ^{MOLIT, 2016}; ^{NiFoS, 2021}).

계절별 계류수질의 등급별 분석 결과(Fig. 4)를 이용하여, 봄 ~가을철 동안 측정한 계류수의 분석항목(pH, BOD, COD, TOC, T-P)에 대한 등급별 분포를 Fig. 5에 제시하였다. 봄~가을철에 측정한 계류수의 분석항목에 대한 등급은 “매우 좋음(Ia)”이 80~100%로 나타났으며(Fig. 5(a)~(c)), 여름철과 가을철에 측정한 계류수의 pH와 BOD에 대한 등급은 “약간 나쁨(VI)”과 “좋음(Ia)”으로써 각각 20%씩 나타났다(Fig. 5(b) and (c)).

Fig. 5. Percentage distributions of living environmental standards (pH, BOD, COD, TOC, and T-P) for upland headwater streams in forested catchments with (a) spring, (b) summer, and (c) Fall.

3.4 계절별 하천과의 수질항목 비교를 통한 산림유역의 계류수질 특성

하천(수질측정망)의 수질현황 데이터(Table 4)를 이용하여, Fig. 6에서는 계절별 산림유역의 계류와 하천의 수질을 비교⋅분석하였다. 대부분 수질의 분석항목들은 계류가 하천보다 낮게 나타났지만, 가을철의 BOD와 봄~가을철의 BOD/TOC는 계류가 하천보다 상대적으로 2배 정도 높게 나타났다(Fig 6(a), (b), and (c)). 이는 산림에서 유래된 난분해성 유기물질의 양이 다른 유역에 비해 적은 것에 관하여 고찰한 ^{Yoo et al. (2020)}의 연구와 유사하였다. ^{Oh et al. (2015)}의 연구에서는 유속이 느린 하천에서는 식물성 플랑크톤이 번성할 수 있는 물리적 조건을 가지고 있고, 인의 농도가 높아서 일사량만 충분하면 조류의 번성으로 인한 부영양화 진행으로 BOD/TOC의 값이 커질 수 있다는 것을 시사하고 있다. 또한, 계류와 비교하여 하천은 토지 이용도와 관련이 깊은 외부비점오염원(토양 및 식물 쇄설물 등)(^{Aiken, 1993}) 및 퇴적물과 조류 등 내부생산에 의한 난분해성 유기물질의 배출 등에 따른 원인(^{Jung et al., 2009})에도 그 가능성을 가지고 있다고 판단된다.

Fig. 6. Water quality between upland headwater streams (F) (this study) and lowerland rivers (R) (ref.,NIER, 2022) with seasonal variations, (a) spring, (b) summer, and (c) fall. The physicochemical parameters were pH, EC, BOD/TOC ratio, and BOD, COD, TOC, T-N, and T-P concentrations. A two-sample Student's t-test (pH in spring, TN and TOC in summer, and pH, COD, and TOC in fall) and Mann-Whitney U test (rest of physicochemical parameters) are indicated in separate bold letters (a and b) above the bar graph (p<0.05).

Fig. 7에서는 생활환경기준에 따른 계절별 수질등급을 계류와 하천으로 분리하여 산정하였다. 계절변화에 따른 산림유역의 계류와 하천의 수질 등급은 상대적으로 “매우 좋음” 또는 “좋음”으로 약간의 차이를 보였으나, 결과적으로 두 지점의 수질등급은 모두 “좋음” 이상이었다(Fig. 7(a)~(c)).

Fig. 7. Living environment standards between upland headwater streams (this study) and lowerland rivers (ref., NIER, 2022) during (a) spring, (b) summer, and (c) fall.