1. 서 론
2. 연구방법
2.1 탄소
2.2 토양 온도 및 센서
2.3 토양 pH
2.4 CO2 IRGA
3. 연구결과
3.1 토양 유기 탄소 누적 변화량
3.2 토양 온도 및 수분 센서에서의 측정값 변화
3.3 토양 pH의 변화
3.4 CO2 IRGA를 통한 센서 데이터 값
4. 결 론
1. 서 론
산업화로 인한 온실가스 증가로 인한 기온 상승은 도심 내에서 발생되는 문제들이 두드러지고 있다. 이는 도심 지역의 열섬현상 및 기후 이상으로 문제를 심화시켰다. 이에 파리 기후 협약에서는 2020년도까지 전 세계 평균 기온 상승을 1.5 ℃ 이내로 제한하였을 뿐만 아니라 배출하는 탄소의 양을 감축시키는 노력을 하는 동시에 탄소를 배출 시키는 경로 간의 격차를 완화시키는 것을 요구하였다(UN, 2015; Hong and Gil, 2025; 2050 CNC, 2020).
국내에서는 이에 대응하고자 2050 탄소 중립 정책을 제안하였으며 배출되는 온실가스 중에서 주요 관리 대상을 이산화탄소로 판단하였다. 탄소 중립 정책에서는 5가지 기본 방향을 제시하였다. 해당 연구에서는 5가지 방향 중 탄소 흡수 수단 강화에 초점을 맞춘 연구를 진행하고자 하였다(2050 CNC, 2020). 탄소 흡수원을 강화하고자 기존 정책을 보완 가능할 수 있는 연구를 진행하였다.
연구에서 적용하고자 하는 분야는 흡수 분야로 해당 분야에서는 2050년도에 노후화된 산림으로 인한 현재 탄소 흡수량의 최대 30%까지 감소 할 것으로 보고 있다. 이를 보완하고자 하는 정책의 일환으로 정부에서는 직접 규제(command & control)와 배출권거래제 (Emission Trading Scheme, ETS), 탄소세(carbon tax) 및 보조금제도 (subsidies)를 제도화하고 있다(Jo et al., 2024). 국가 정책 내의 CO2 저감 방안은 현재 진행 중인 산업 내 CO2를 줄이는 방안을 이산화탄소를 NbS 기반 해법을 통하여 저장을 하고자 하였으며 해결방안을 습지에서 찾고자 하였다.
연구에 사용된 인공 습지(Constructed Wetland, CW)는 하수처리장 방류수를 연속 유입시킴으로 습지를 유지관리하는 동시에 자연 기반 해법(Nature-based Solution, NbS)인 습지를 통한 방류수의 추가적인 수질 개선을 토양 내 미생물의 활성을 통하여 유기물 및 질소와 인을 처리할 뿐만 아니라 식생과 여재를 통한 탄소 저감을 확인 할 수 있었다(Curtin and Smillie, 1986; Yu et al., 2015).
해당 인공습지는 S시 내 위치한 ST대 내 위치하고 있다. 교내 수직흐름형 습지와 수평흐름형 습지로 조성하였다. 해당 습지 내에서의 CO2 변동을 확인하고자 습지 내 3 지점의 센서를 설치하였다. 지점마다 요소에 따라 다른 값을 확인 할 수 있었다. Kang (2024) 논문에서는 토양 함수율과 탄소 저장의 연관성을 이야기한다(Chanjot and Abdelhamid, 2025). 논문을 통하여 인공습지에서의 CO2에 미치는 요소를 추가적인 파악을 위하여 토양 센서를 통한 관계성을 파악하고자 하였다. 확인하고자 한 요소들로는 토양 온도, 토양 pH, 토양 습도와 전기전도 그리고 기온이었다. 이를 통해 방류수 유입 습지에서의 탄소 저장 및 배출 메커니즘을 규명하고 습지의 활용 가능성을 제시하는 것을 목적으로 한다.
2. 연구방법
설치된 인공습지를 수직흐름형 습지와 수평흐름형 습지로 조성한 하이브리드형 인공습지로 총 2단으로 구성하였다. 습지 모듈에는 국내 습지 토착종인 갈대(Phragmites australis)와 부들(Typha orientalis)을 각 모듈별로 16주 식재하였다(MOLIT,2002). 본 설비는 수직흐름형 습지와 수평흐름형 습지로 조성한 하이브리드형 CW로 총 2단으로 구성하였다. 수평흐름형 습지는 1.0 m × 1.0 m × 2.5 m, 수직흐름형 습지는 1.0 m × 1.0 m × 2.5 m의 용량으로 제작되었으며 각 습지 말단부에 설치된 집수정은 1.0 m × 1.0 m × 0.5 m의 용량으로 제작하였다. 인공습지의 총 HRT 11.83 day였으며 일일 유입시간은 12분 가량 지속되었다. Fig. 1에서는 두 모듈의 연결 구조와 유입수의 흐름 방향을 확인 할 수 있다.
해당 습지 내 설치한 여러 센서 중 CO2와 직접적으로 연관성이 있을 것으로 보이는 요소들을 선정하였다. 선정 기준은 IPCC에서 탄소가 인공습지에 저장되는 탄소 카테고리를 바탕으로 요소를 선정하였다(Duchemin et al., 2006). 선정된 요소로는 토양 pH, 기온, 토양 온도 그리고 토양 수분을 비교하고자하였다. 선행 논문 결과 중, Kang (2024)에서 확인 할 수 있듯이 토양 내의 탄소량은 풍수기와 갈수기 기간 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라 CODmn Walkley-Black method를 사용하여 토양 내 탄소를 측정하였다. 해당 방법을 통하여 토양 내 탄소를 측정하였음에 습도에 따라 최대 CO2 흡수에 해당하는 최적의 수분 농도가 있는 경우가 많은 것을 확인 할 수 있다(Kaur and Sayari, 2025). 식생 호흡을 통한 CO2 저감을 확인하고자 운전 기간을 4월~11월로 하여 측정을 진행하였다.
2.1 탄소
토양 내 축적되는 탄소량을 관찰하기 위하여 IPCC에서 제안한 월1회 측정이 아닌 주2회 측정을 실시하였다. 토양 내 탄소 측정을 위해 Walkley-Black법 중 적정법을 사용 하여 측정하였다(Duchemin et al., 2006; Kim, 2024). 수직흐름형 습지와 수평흐름형 습지에서 토양 시료를 채 취하여 120°C에서 12시간 건조를 시킴으로 충분히 수분 제거 하고자 하였다.
이후 건조된 시료 1 g을 플라스크에 넣은 후 0.5 M 의 K2Cr2O7 10 ml를 넣어 1분 동안 강하게 흔들어 토양 시료를 녹인 뒤 흄후드에서 30분을 방치한다. 시간이 지난 후 각 플라스크에 증류수 200 ml를 넣은 후 여과를 하여 불순물을 제거하여 적정 시 오류를 줄이고자 하였다. 이후 페난트롤린- 페로스 콤플렉스 지시약을 3~4방울 투입하여 육안관찰을 용이하게 한 후 FeSO4 수용액으로 적정을 하였다(Kim, 2024).
2.2 토양 온도 및 센서
해당 데이터를 측정하기 위하여 Huan Rika사의 RK95-01를 설치한 뒤에 방사선 차폐판을 통해 어떤 방향에서도 햇빛을 반사하고, 태양이 직접 복사하여 지면에 반사되는 것을 방지하며, 강한 바람, 비, 눈 등의 영향으로부터 기기를 보호하는 구조로 이뤄져있다.
도심습지 진단 및 운영을 위한 평가 항목 조사를 통하여 식생 및 미생물의 서식환경과 물리적 처리기작으로 오염물질을 제거하는 토양에 대한 센서와 식생과 토양에 직·간접적으로 영향을 주는 대기항목과 기후에 관련된 센서를 확인하였다. 인공습지 내 적용 가능한 센서 선정은 식생의 서식환경으로 가장 중요한 인자로서 토양온도(Soil temperature), 토양습도(Soil moisture), 토양 pH 등 측정이 가능하며, 대기 및 기후항목은 토양표토나 식생에 직접적으로 영향을 주는 대기온도, 대기습도, 강우량, 미세먼지, 이산화탄소 등으로 나타내고 있다.
2.3 토양 pH
토양의 pH는 적절한 범주에 위치하고 있으나 방류수 유입 기간이 길어짐에 따라 천천히 변화하는 모습을 확인할 수 있었다. 해당 센서를 통하여 토양의 습도, 온도, 전기전도도, pH, 영양소 농도를 측정하였다. 이 센서는 토양 건강 상태를 파악하고, 생물학적 활동을 모니터링하기 위한 데이터를 제공하며, 시리얼 통신을 사용하여 산업용 PC에 연결하였다. Modbus RTU는 산업용PC 장비에서 널리 사용되는 통신 프로토콜로, CO2, 토양 센서와 산업용 PC 간의 데이터 송수신에 사용되었다. Modbus RTU는 마스터-슬레이브 구조를 기반으로 동작하며, 산업용 PC의 마스터로서 각 센서로부터 데이터를 요청하고, 센서는 응답하여 데이터를 전송하는 방법으로 확보하였다.
에너지 분산 X선 분광법(EDS, EDX 또는 XEDS라고도 함)은 물질의 화학적 특성 분석/원소 분석을 가능하게 하는 분석 기법. 에너지원(전자 현미경의 전자 빔 등)에 의해 자극되는 시료는 코어 쉘 전자를 방출하여 흡수된 에너지의 일부를 방출하는 것으로 적은 양의 샘플로도 성분 분석이 가능하다는 장점이 있기에 해당 기기를 통하여 측정하였다. 토양 pH에 영향을 미치는 SEM-EDS를 통하여 여재에 부착되는 성분들을 확인하였다(Curtin et al., 1996; 1998).
2.4 CO2 IRGA
인공습지에 동일한 CO2 센서를 총 3개 설치하였다. 수직흐름형 습지 내 센서 1개소, 수평흐름형 습지 내 2개소를 설치하였다. 밀폐순환법(dynamic closed chamber method)을 적용한 LI-6000-09(soil respiration chamber)와 IRGA (Infra Red Gas Analyzer) 분석기가 장착된 LI-6400 토양호흡측정시스템(Lincoln, NE, USA) 또는 Infrared gas analyzer EGM-5, PP Systems (USA)을 사용하여 야외 실험현장에서 주기적인 연속 측정 수행하였다. 해당 데이터는 수평흐름형 습지에 위치한 CO2 데이터를 통하여 정확한 측정값을 나타내고자 하였다. 수평흐름형 습지에 식생과 토양 호흡을 측정하기 위해 각기 다른 챔버를 설치하였다. 식생 챔버의 경우 두께 5mm 의 직사각형 양의로 높이 2.3m의 아크릴 챔버를 설치하였다. 간격 40cm 이상이 되는 지점에 토양 호흡 챔버를 설치하였다. 해당 챔버를 설치하는 위치에는 뿌리를 최대한 제거한 뒤 설치하였다.
3. 연구결과
인공습지 내의 각 요소들의 결과들은 다음과 같다. CO2의 변화에 따른 토양 요소들을 파악하기 위해 측정하였다. 각 센서별로 요소의 거동을 확인하여 정리하였다. 해당 정리된 센서값들을 통하여, Pearson Correlation 분석을 진행하여 인공습지 내에서 CO2에 가장 높은 영향을 미치는 과정을 파악하고자 하였다. 사용한 센서들 간의 상관관계는 다음 Table 1과 같다.
Table 1.
Mineralization progress through SEM-EDS
| Sampling Point (Depth) | Element | Atom |
| 20cm | O K | 60.33 |
| 40cm | O K | 56.76 |
| 60cm | O K | 57.49 |
3.1 토양 유기 탄소 누적 변화량
토양 탄소의 경우, 거동을 확인하고자 측정을 진행하였다. 수직흐름형과 수직흐름형 습지에서 깊이별로 측정을 진행하였다. 이를 운전하는 기간 동안 인공습지로 흡수된 토양 탄소의 경우, 수직흐름형 습지에서는 10.45 g/m2, 수평흐름형 습지에서는 11.188 g/m2 흡수되는 것을 확인하였다. 인공습지로 흡수된 탄소의 양은 다음 Fig. 2과 같다.
3.2 토양 온도 및 수분 센서에서의 측정값 변화
Fig. 3는 해당 연도 기간 동안 인공습지 내 SOC를 측정한 횟수를 이야기하며 해당 인공습지의 토양 기온이 영상에 위치하는 것을 확인할 수 있었다. 토양 온도에서의 가장 높은 기온의 경우, 34.6℃ 이었다. 해당 날짜의 최고 기온은 33.2℃이었다. 토양 온도가 기온 대비 변동성을 낮은 것을 확인할 수 있었다. 토양 온도는 기온 대비 적은 변동성을 갖고 있는 것을 볼 수 있다.
Fig. 4은 인공습지의 습도 변화를 측정한 값이다. 12월 18일부터 4월 18일 동안의 기간은 동절기로 운전을 정지하였음에 인공습지의 습도가 낮게 운전되는 것을 볼 수 있다.
3.3 토양 pH의 변화
초창기 인공습지의 pH는 9였으며 장기간 운전을 함에 따라 점차 산화되는 것을 확인할 수 있었다. 약 6개월 정도 동일한 pH가 유지되다가 기온이 상승하는 시점부터 pH의 값이 움직이는 것을 확인 할 수 있었다. 인공습지 유입 이후에 일정 기간 이후 수질로 유출이 됨에 따라 pH 값이 변화된다(Min et al., 2011).
Fig. 5에서는 운전 가동을 시작한지 1년 만에 pH 변화를 확인할 수 있었다. 이는 다양한 무기원소와 화합물에 영향을 받는 것으로 광물들의 특성에 따라 토양의 pH는 중성, 알칼리성, 또는 산성으로 변화할 수 있다(Mohd-Azit et al., 2015). 해당 지점에서 확보한 여재에 부착된 지점인 수직흐름형 습지에서의 광물질화를 파악하여 Table 1에 정리해두었다. 모든 지점에서 가장 부착률이 높은 구성 성분은 O (Oxygen) 20 cm에서 가장 많은 부착률을 확인 할 수 있었다.
3.4 CO2 IRGA를 통한 센서 데이터 값
Fig. 6는 인공습지의 CO2 농도를 나타낸 그래프로 해당 그래프의 경우, 약 20일부터 동절기 대비 운전정지구간으로 HSSF1에서 CO2의 농도가 상승하지 않는 것을 확인 할 수 있었다.
각 지점에서의 센서값은 다음과 같았다. HSSF1의 최고값은 647.94 ppm이며 최솟값은 328 ppm이었으며, HSSF2의 최고값은 675.50 ppm이며 최솟값은 448.19 ppm이었다. VSSF에서의 최고값은 492.35 ppm이며 최솟값은 375 ppm로 측정한 위치별로 구분 할 수 있다. HSSF1, HSSF2 그리고 VSSF 내의 CO2 농도차가 가장 큰 것은 HSSF1으로 식생 챔버였다. 해당 지점의 센서값의 거동을 확인할 경우, 인공습지가 기온이 감소하는 지점 이전까지 활발한 CO2 거동이 있는 것을 확인한 뒤, 동절기 운전 정지 기간에서 CO2 농도에서 확인 가능하듯 기온이 내려가는 시점인 20일 즈음에 CO2 농도가 움직이지 않는 것을 확인 할 수 있는 반면에 HSSF2와 VSSF에서는 거동을 하는 것을 확인 할 수 있다. 이는 습지에서의 CO2는 외부적 요소를 가장 많이 받으나 토양에서 분출되는 CO2의 양은 미미한 것으로 볼 수 있다. HSSF2 센서값을 확인 할 경우, 습지에서 방출되는 이산화탄소는 존재하나, 식생이 위치함에 있어 방출되지 않는 것을 보아 동절기에도 식생이 있을 경우, CO2 방출이 되지 않는 것으로 확인된다.
Pearson 상관분석 결과, CO2 농도는 토양 pH와 가장 높은 양의 상관관계(r = 0.375)를 나타냈으나, 일반적인 상관성 기준에서 약한 수준에 해당하였다. 토양 습도(r = 0.093)와 토양 온도(r = 0.004)는 CO2 농도와 거의 상관성이 없는 것으로 나타났다. 반면, 기온은 CO2 농도와 약한 음의 상관관계(r = -0.127)를 나타냈다. 이러한 결과는 본 연구에서 측정한 개별 토양 환경인자가 CO2 농도 변동을 단독으로 설명하기에는 한계가 있으며, 식생의 광합성 및 호흡, 미생물 활성, 유기물 분해, 수리학적 조건 등 다양한 요인이 복합적으로 작용한 결과로 판단된다. 토양의 pH의 경우, 유입수인 방류수 내의 pH가 영향을 미치는 것으로 확인됨. 센서를 설치한 이후, 한 달 내 pH의 농도가 9에서 7.6까지 오르는 양상을 확인하였다. 선행 논문에서는 토양 탄소는 토양 pH가 5.00에서 6.00 사이일 때 최적값에 도달하고 5.00 이하일 때 감소한다(Aciego Pietri and Brokes, 2008)고 한다. 본 인공습지에서는 pH가 6.00~7.00에서 토양 탄소의 양이 가장 많이 흡수되는 것을 확인 가능하다. 해당 pH는 토양 습도의 영향1을 가장 많이 받는데 이는 인공습지의 유입수가 하수방류수이며 해당 시설로 연속 유입됨에 따라 일정한 습도를 유지하고 있다. 이를 통해 인공습지에서의 습도를 유지할 경우, 습지는 탄소 흡수원으로 유지가 될 수 있을 것으로 본다. Table 2에 Pearson 상관분석 결과를 정리하였다. 해당 Table 2 내의 변수 중 토양 수분함량(Soil Humidity)은 토양 전기전도도(Soil Conductivity)와 유의한 양의 상관관계를 나타내었으며(r = 0.402, p < 0.01), 외부 온도(Outdoor Temperature)와는 음의 상관관계를 나타내었다(r = -0.403, p < 0.01)
Table 2.
Pearson Correlation Analysis Results in CW
4. 결 론
본 연구에서는 방류수가 유입되는 하이브리드형 인공습지를 대상으로 토양 유기 탄소, 식생, 그리고 토양 요소 간의 상관관계를 분석하여 탄소 거동 및 저장 특성을 해석하고자 하였다. 수직흐름형(VSSF)과 수평흐름형(HSSF) 습지에서 토양 유기탄소, 바이오매스 탄소, CO2 농도 및 토양 환경인자를 측정하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
첫째, 인공습지는 토양과 식생을 통해 탄소를 효과적으로 저장하는 것으로 나타났다. 토양 탄소 저장량은 VSSF에서 10.45 g/m2, HSSF에서 11.188 g/m2로 나타났으며, 바이오매스 탄소 저장량은 부들(Typha orientalis)에서 0.752 kg/m2, 갈대(Phragmites australis)에서 0.025 kg/m2로 확인되어 식생 종류에 따라 탄소 저장 능력에 차이가 존재하는 것을 확인 할 수 있는 동시에 당해연도 갈대 식재 시기가 늦어짐에 따라 흡수한 탄소량이 두드러지게 적은 걸 확인 할 수 있다. 이는 식재시기가 비슷하여야 식생 생장을 통한 일정한 탄소량을 비교할 수 있을 것으로 보고 있다. 식생으로 인하여 인공습지가 탄소 흡수원으로 기능할 수 있음을 의미한다.
둘째, CO2 농도는 식생이 존재하는 구간에서의 챔버 데이터는 안정적으로 유지되는 것을 확인 할 수 있었다. 동절기 운전 정지 및 기온 감소 시, CO2 농도의 변동성이 감소하는 경향을 보였다. 이는 식생의 광합성 및 탄소 고정 작용이 CO2 거동에 중요한 영향을 미치는 것을 의미한다. 뿐만 아닌 해당 기간에 식생을 수확함에 따라 CO2에서의 큰 변화는 확인할 수 없었다. 이는, 인공습지 면적이 협소한 관계로 외부의 영향으로 보고 있으며 대상 부지 면적이 확대됨에 따라 자세한 변화를 볼 수 있을 거라고 본다.
셋째, Pearson 상관분석 결과, CO2는 분석된 환경인자 중 토양 pH와 가장 높은 양의 상관관계(r = 0.375)를 나타냈으며, 토양 습도(r = 0.093)와 토양 온도(r = 0.004)와는 낮은 양의 상관관계를 보였다. 반면, 기온은 CO2와 음의 상관관계(r = -0.127)를 나타냈다. 또한 센서 설치 후 약 1개월 동안 토양 pH는 9.0에서 7.6으로 감소하였으며, 이는 방류수의 지속적인 유입에 의해 토양 환경이 점차 안정화된 결과로 판단된다. Aciego Pietri and Brokes (2008)은 토양 탄소 축적이 pH 5.0~6.0에서 최적이라고 보고하였으며, 본 연구에서는 pH 6.0~7.0 범위에서 상대적으로 높은 토양 탄소 축적이 확인되었다. 이는 인공습지의 지속적인 수분 공급과 안정적인 토양 환경이 탄소 저장에 유리한 조건을 제공할 가능성을 시사하며, 적절한 수분환경의 유지는 인공습지의 탄소 흡수원 기능을 유지하는 데 긍정적으로 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
넷째, SEM-EDS 분석을 통해 여재 내 탄소염의 형태로 광물질화가 진행되고 있음을 Table 1을 통하여 확인했다. 이러한 광물질화 과정은 토양 pH 변화와 함께 탄소 저장 환경 형성에 영향을 미치는 것으로 토양 전기전도를 통하여 판단된다. 두 인자 간의 r=0.294로 관계성이 존재하여 토양 전기전도의 유지와 토양 습도 간의 영향은 r=0.402로 높은 관계성을 보이고 있다. 이를 통하여 토양 광물질화, 토양pH 그리고 토양 전기전도 사이에서의 연관성을 확인 할 수 있었다. 최종적으로 인공 습지 내로 연속적으로 유입되는 방류수로 인한 영향인 것을 확인 할 수 있었다(Min et al., 2011).
종합적으로, 방류수가 유입되는 인공습지는 토양 유기탄소 축적과 식생 바이오매스를 통해 탄소 저장원으로 기능할 수 있으며, 특히 토양 pH, 식생 유무, 그리고 여재의 광물질화 과정이 탄소 거동에 중요한 영향을 미치는 핵심 인자로 확인되었다. 따라서 인공습지의 탄소 저장 효율을 향상시키기 위해서는 적절한 식생 선정과 함께 토양 pH 및 수분 조건을 안정적으로 유지하는 관리 전략이 필요하다. 본 연구 결과는 인공습지를 활용한 탄소중립 실현과 도시 탄소 저감 기술 개발을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
