서울대학교 통일평화연구원

연구과제 최종보고서

북한 산림생태계 하천수의 생지화학적 특성

2022년 1월 26일

서울대학교 환경계획연구소

이규연, 이승철, 이은주, 차지연, 오능환

연구 배경 및 목적

연구 배경

인구밀도가 높고, 개발 압력이 높은 한반도에서 통일 과정, 또는 통일 후 다양한 육상생태계 교란(disturbance)이 예상됨(예: 토지이용 변화).

육상생태계 교란을 통해 산림의 식생과 토양에 축적된 유기물 중 일부가 하천을 통해 빠져나와 육수(inland water)와 연안/해양생태계에까지 영향을 미칠 수 있음.

인간 활동 또는 기후변화에 의해 생태계가 손상될 경우, 이를 예전처럼 복원하기 위해서는 비교할 수 있는 ‘기준점’이 필요함. 그럼에도 불구하고, 우리나라에는 북한하천 성분 실측 자료가 거의 없고, 특히 방사성 탄소동위원소비(Δ14C) 측정 등 첨단 분석 방법을 동원한 분석 결과는 아예 없음.

목적

북한 하천수 성분을 측정함으로써 자연과학적 기초자료를 생성하고 현재의 북한 산림생태계를 진단할 수 있는 지표로 활용.

하천 유기물 성분에 대해 방사성탄소동위원소비 등 첨단 분석방법을 동원함으로써 북한 생태계 안에서 얼마나 오랫동안 보존됐던 유기물이 하천을 통해 유출되고 있는지 파악함.

이 연구를 통해 얻은 연구 결과를, 앞으로 북한 산림생태계가 바뀌어 감에 따라, 현재와의 차이를 비교하는 기준점으로 활용.

연구 내용

연구 추진 내용

연구대상 하천유역 사전조사

- 북한 산림생태계와 남한 산림생태계에서 유출되는 하천탄소 성분을 비교하기 위해 북한으로부터 남한으로 흐르는 하천 위치를 조사하고 DMZ 내 오작교 지점(이하 “북한하천”)을 채수 지점으로 선정함.

- 북한하천과 비슷한 면적의 소양강을 남한 비교 하천으로 정함. 또한, 상대적으로 작은 유역인 인북천(북한), 방태천(남한)을 연구대상지로 선정함(표 1, 그림 1).

표 1. 연구대상 남북한 하천 유역정보.

	북한하천	소양강	인북천	방태천
총 유역면적 (km2)	3,131	2,080	262	8
하천차수	4	5	3	2
산림비율(%)	76.5	93.1	94.1	99.8
농지비율(%)	19.0	5.9	4.9	0.2
북한 유역면적 비율 (%)	94	10	69	0.0
남한 유역면적 비율 (%)	6	90	31	100.0

그림 . 연구 대상 남북하천 유역과 채수 지점. 유역 경계는 실선으로, 시료 채취 지점은 풍선모양으로 표시함. 빨강, 파랑, 노랑, 검정(회색) 선은 각각 북한하천, 소양강, 방태천, 인북천 유역 경계임. 단, 소양강 전체 유역은 파란색 경계와 검은색 경계를 합한 지역임.

연구대상 하천유역 현장조사

2021년 3월 9일부터 7월 5일까지 매달 하천수를 채수

하천시료 분석

용존무기탄소 농도, 용존유기탄소 농도

광학적 특성 분석(SUVA254, 형광특성)

수소 핵자기공명 분광(1H Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy) 분석

탄소동위원소비(Δ14C와 δ13C) 분석

상관분석, ANOVA(일원배치), Tukey 사후 분석 등 데이터 통계처리

남북하천수 시료 분석 결과

(1)용존유기탄소(dissolved organic carbon: DOC)와 용존무기탄소(dissolved inorganic carbon: DIC)
- 북한하천의 용존유기탄소 농도([DOC])는 2020년 6월부터 2021년 7월까지 평균 0.9 mg/L 정도로 비교적 일정하게 나타났으며, 반면 소양강의 평균 [DOC]는 1.7 mg/L로 가장 농도가 높았고, 다음으로 인북천(1.2 mg/L), 방태천(1.0 mg/L) 순임.

- 소양강의 높은 [DOC]는 인북천이나 방태천과 달리 하천 상류의 인구밀도(최소 2만 여명 이상이 거주; 인제군, 홍천군 국가통계포털 집계)가 높고, 농지비율이 높은 유역(예: 만대천 유역)을 포함하기 때문일 수 있음.

- 방태천의 경우 산지비율이 99.8%로 농지가 거의 없어 [DOC]가 낮은 것으로 사료됨. 하지만 북한하천 유역은 산지가 76.5%, 농지 비율이 19.0%로 농지 비율이 네 개 하천 중 가장 높은데도 [DOC]가 가장 낮아 이에 대한 추후 분석이 필요함(그림 2).

- 북한하천의 평균 [DIC]는 16.4 mg/L로, 소양강(6.1 mg/L)의 약 2.7배, 인북천(3.9 mg/L)의 4배 이상, 방태천(2.9 mg/L)의 약 5.7로 통계적으로 유의하게 높았음(p<0.05).

- 환경부에서 구축한 토지피복도(2010)을 기준으로 북한하천의 농업지역 비율은 19.0%로 소양강(5.9%)이나 인북천(4.9%)에 비해 3~4배 가량 높음. 동시에 북한하천 유역은 퇴적암(38.8%)도 소양강(8.0%)보다 4배 이상 분포하기 때문에 하천 용존무기탄소를 높일 수 있음(그림 3).

그림 . 남‧북 하천수 [DOC] 분포(상자의 위쪽은 75%, 아래쪽은 25% 구간을 나타내며 가운데 붉은선은 중앙값, 수염은 이상값이 아닌 점까지 최대 최소를 표시함. 이상값은 '+' 기호를 사용. 각 하천의 평균이 통계적으로 유의미한 차이가 있지 않을 때 같은 알파벳으로 표시함(Tukey’s HSD, P > 0.05)

그림 . 남‧북 하천수의 [DIC] 분포(상자의 위쪽은 75%, 아래쪽은 25% 구간을 나타내며 가운데 붉은선은 중앙값, 수염은 이상값이 아닌 점까지 최대 최소를 표시함. 이상값은 '+' 기호를 사용. 각 하천의 평균이 통계적으로 유의미한 차이가 있지 않을 때 같은 알파벳으로 표시함(Tukey’s HSD, P > 0.05)

(2) SUVA254
- 평균 SUVA254는 산림비율이 높은 방태천(3.7 L/mg-m), 인북천(3.3 L/mg-m), 소양강(3.0 L/mg/m), 북한하천(2.4 L/mg-m) 순으로 나타남.

- 모든 하천에서 여름 풍수기에 SUVA254가 증가하는 경향이 나타났는데, 이는 강우 시 육상식물에서 기원한 방향족 유기물의 유입이 증가하기 때문인 것으로 추정됨.

(3) 형광특성분석
- 남‧북 하천수에 존재하는 형광특성 물질을 3가지(C1, C2, C3)로, C1은 육상생태계에서 유래한 휴믹 물질, C2는 육상생태계 유래 휴믹 물질 가운데 광분해가 비교적 잘되는 물질, C3는 단백질 계열 물질로 구분함.

- 겨울철 북한에서 흘러오는 하천수는 다른 남한 하천수에 비해 육상생태계 기원의 휴믹 물질(C1) 특성이 주로 나타남. 하지만, 남‧북 하천수에 존재하는 형광특성 물질들은 통계적으로 유의한 차이가 없었음.

(4)　1H NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 스펙트럼
남‧북 하천 모두 방향족 유기물(6~9 ppm)의 비율이 10% 가량이었고, 5월 또는 7월에 가장 높았음. 실험 기간을 풍수기(6~9월)와 갈수기(10~5월)로 나누어 비교했을 때 갈수기 방태천의 알콕시기만 유의한 차이가 있었음. 그러나 갈수기와 풍수기로 구분하지 않은 전체 기간에서는 유의한 차이가 없었음.

(5）용존유기탄소 탄소동위원소비(△14C 와 δ13C)
- 북한하천의 평균 △14C-DOC는 -89.3‰로 소양강, 인북천, 방태천보다 유의하게 낮음. 방태천은 연구기간 내 △14C-DOC의 변화폭이 가장 적었고 가장 낮은 △14C-DOC(2020년 10월 갈수기)일 때도 –12.67‰ 임.
- 북한하천의 평균 δ13C-DOC는 –16.72‰로 다른 하천의 δ13C-DOC(-23.51~-25.89‰)에 비해 보다 높았음.

결론 및 제언

- 이 연구를 통해 북한하천이 비슷한 면적의 우리나라 유역 하천(소양강)에 비해 상대적으로 낮은 △14C-DOC를 유출하고 있고, 하천수 성분 중 용존무기탄소 농도가 통계적으로 유의하게 높음을 알아냈음.

- 용존유기물 내 방향족 유기물 함량을 추정하게 해주는 SUVA254는 북한하천과 소양강 사이에는 차이가 없었음.

- 2년에 걸친 북한하천 연구는, 문헌연구나 위성자료 위주였던 기존 북한 산림생태계 연구에 비해, 직접 시료를 채취하고 분석하여 결과를 얻었다는 점에서 의미 있음.

- 특히, 우리나라에서는 최초로 북한하천의 방사성탄소동위원소비를 측정하였음.

- 북한하천과 나머지 하천들의 탄소동위원소비와 이화학적 특성 차이는 유역 내 토지 이용이나 지질학적 특성 차이 때문일 수 있음. 추후 이 차이를 불러일으키는 원인에 대한 후속 연구를 기대함.