Ⅰ. 서 론
대기오염은 전 세계적으로 인류 건강과 생태계에 심각한 영향을 미치는 환경 문제로, 국제사회는 대기질 관리 강화를 위해 다양한 정책을 추진하고 있다 (Manisalidis et al., 2020; WHO, 2021). 기존 연구와 관리 체계는 주로 산업지역과 대도시를 중심으로 이루어져 왔으나, 최근에는 농업지역 역시 중요한 대기오염 기여원으로 인식되고 있다 (Borghi et al., 2023). 농업지역은 경운, 파종, 시비, 수확 등 계절적⋅작업적 특성이 뚜렷하여 특정 시기에 대기오염물질 농도가 급격히 증가하는 특징을 보인다 (Marzen et al., 2022; Jia et al., 2023). 따라서 농업지역의 대기질 변화를 장기적이고 체계적으로 모니터링하는 것은 국가 차원의 대기질 관리 및 농업환경정책 수립에 필수적이다. 국제적으로는 농업지역을 대상으로 한 대기질 모니터링의 필요성이 꾸준히 제기되어 왔다. 유럽연합 (European Union)은 국가 대기오염 배출량 상한제 (National Emission Ceilings Directive)를 통해 농업기원 오염물질을 포함한 농촌 대기질 관리 강화에 나섰으며 (European Environment Agency [EEA], 2020), 미국 환경보호청 (Environmental Protection Agency, EPA)은 농업 부문 배출을 포함한 대기질 영향 평가 연구를 수행해 정책 수립에 반영하고 있다 (US EPA, 2021). 일본, 중국 등 아시아 국가들 또한 농업지역 대기질 모니터링 네트워크를 구축하거나 위성 관측과 결합한 정밀 분석을 진행하며 농업 대기오염 관리의 중요성을 강조하고 있다 (Hayashi et al., 2008; Liu et al., 2019). 이는 농업 대기질이 더 이상 지역적 문제가 아니라, 전 지구적 대기환경 관리의 핵심 과제 중 하나임을 보여준다.
대한민국의 경우 대기오염 측정망은 여전히 도시와 도로변 중심으로 운영되고 있다. 2023년 기준 전국에 약 650여 개의 대기오염 측정소가 운영되고 있지만, 농촌지역을 대표할 수 있는 측정소는 전체의 5% 미만에 불과하다 (National Institute of Environmental Research, 2025). 또한 측정 항목 역시 도시 대기질 중심으로 구성되어 있어, 농업지역 특성을 반영한 모니터링 체계는 매우 미흡하다 (NIER, 2023). 최근 연구 목적의 시범 모니터링 스테이션이 일부 농업지역에 설치되었으나, 그 수는 전국적으로 8개소에 불과하여 농업활동의 실제 기여도를 파악하기에는 제한적이다 (Baek et al., 2025). 이러한 현실은 농업지역의 대기질 특성을 과학적으로 규명하고, 오염물질 배출 특성을 정량화하는 데 큰 제약이 되고 있다. 특히 농작업은 시기별⋅작업별로 대기질에 미치는 영향이 뚜렷하므로, 단순히 농업 대기질의 평균 수준을 파악하는 것만으로는 불충분하다. 경운은 단기간에 미세먼지 농도를 높이고 (Jia et al., 2023), 시비는 대기 중 질소화합물 농도를 증가시키며 (Syafruddin et al., 2015), 수확은 연료 연소와 토양 입자의 비산으로 오염물질 농도를 악화시킨다 (Marzen et al., 2022). 따라서 농업지역 대기질 연구는 반드시 영농활동과 연계한 분석이 이루어져야 하며, 이를 통해 농업이 대기질 변화에 미치는 기여도를 실증적으로 평가할 필요가 있다.
본 연구의 목적은 논에서 이루어지는 영농활동이 대기질에 미치는 영향에 대해 파악하고, 이를 통해 농업지역에 특화된 대기질 관리체계 구축의 기초자료를 마련하는 것이다. 도시와 산업지역에 집중된 기존 대기질 측정망은 농촌지역의 특수성을 반영하지 못하고 있으며, 이에 따라 영농작업 시기별⋅작업별 오염물질 배출 특성을 실증적으로 파악하는 연구가 필요하다 (NIER, 2023; Baek et al., 2025). 논에서 PM-10, PM-2.5, NO2, SO2 등의 주요 대기오염물질을 대상으로 작업 전⋅중⋅후에 대한 농도 변화를 모니터링하고, 각 영농활동에 따른 대기오염물질 발생 양상을 분석한다. 벼 재배시기 중 주요 영농작업이 대기오염물질 농도에 미치는 영향을 실시간 측정을 통해 규명하고자 한다. 이를 통해 농업지역 대기질 관리의 필요성을 실증적으로 제시하고, 향후 영농활동 일정 조정, 농민 건강 보호, 국가 차원의 대기질 관리 및 탄소중립 전략 수립에 활용할 수 있는 과학적 근거를 제공하고자 한다.
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 대상지역
논에서의 영농작업에 따른 농업대기질의 특성을 분석하기 위하여 Fig.1과 같이 충청남도 논산시 평야에 측정소를 설치하였다. 측정소 선정에는 지점의 대표성이 중요하기 때문에 벼가 균일하게 재배되고 있으며, 주변에 오염원 (공장, 축사, 도로, 주거단지 등)과 거리가 있으며, 설치를 위한 충분한 공간과 인프라 (전기공급)가 확보되어 있으며, 농가의 협조가 용이한 지점을 찾기 위하여 위성조사, 현지조사, 지역주민 인터뷰를 거쳐 지점을 선정하였다. 미국 EPA에서 제시하는 대기질 측정소 선정기준을 참고하여 고속도로 등 주요 오염원으로부터 250 m 이상 떨어진 지점이 선호되며, 지형적 영향을 최소화된 곳을 선정하였다 (EPA, 2002; EPA, 2017). 또한 주요 오염원으로부터의 거리를 확보하고 토지이용도가 균질한 농업 중심지에 위치하도록 설계되었다 (Baek et al., 2025). 이 같은 지역 특성 반영은 권역별 농업 활동을 반영하는 동시에, PM-10, PM-2.5, SO2, NOx, NH3 등 다양한 오염물의 시공간적 거동을 포괄적으로 관측하기 위함이다 (Baek et al., 2025). 설치된 측정소에서는 미세먼지, 가스상물질, 기상, CCTV를 설치하여 실시간으로 측정하였다.
2. 실험 장비
영농작업에 따른 농업대기질 농도를 정량적으로 분석하기 위하여, 환경부 인증을 받은 정밀 대기오염 측정 장비를 사용하였다. 측정 항목은 입자상 물질 (PM-10, PM-2.5), 암모니아 (NH3), 이산화질소 (NO2), 이산화황 (SO2)이다. 입자상 물질 (PM-10 및 PM-2.5)은 베타선 감쇠법 (Beta-ray Attenuation Method)을 적용한 측정기 (MEZUS 610, Kentek Inc., Korea)로 측정하였으며, 측정 범위는 최대 2,000 ug/m³, 최소 검출한계는 0.1 ug/m³, 반복성은 ±1% 이내였다. NH3은 MEZUS 520 (Kentek Inc., Korea)을 이용하여 분석하였으며, 최소 검출한계 0.5 ppb, 측정 범위 0~1 ppm으로 높은 정밀도 (±0.5 ppb)를 보장하였다. 질소산화물 (NO, NO2)는 화학발광법 (Chemiluminescence)을 기반으로 한 MEZUS 210 (Kentek Inc., Korea)으로 측정하였고, 이산화황 (SO2)은 자외선 형광법 (Ultraviolet fluorescent method, UVF)에 기반한 MEZUS 110 (Kentek Inc., Korea)으로 분석하였다. 본 장비들은 환경부의 대기오염측정망 장비 인증 기준을 충족하며 (Ministry of Environment (Korea), 2020), 실제 국내외 장기 모니터링 연구에서도 사용되어 측정 신뢰도가 검증된 바 있다 (Kim et al., 2019; Liu et al., 2019). 장비들은 반복성, 선형성, 검출한계 등 국제적으로 통용되는 성능 지표를 충족하였다. Kim et al. (2019)은 화학발광법 기반 NOX 측정기의 반복성을 ±1% 이하로 보고하였으며, Liu et al. (2019)은 NH3 모니터링에서 최소 검출한계 0.5 ppb 수준이 농업지역 배출 특성 분석에 충분함을 제시하였다. 일반적인 대기질 측정소에서는 1시간 단위로 모니터링 결과를 제공하고 있으나, 영농작업은 1시간보다 짧은 시간에 수행되는 경우가 많아, 시간에 따른 농도의 실시간 변동을 분석하기 위하여 5분 단위의 분석을 수행하였다.
Table 1
Air pollutant measuring equipment inside the air quality monitoring station in agricultural areas
3. 연구방법
농업활동이 대기질에 미치는 영향을 분석하기 위해, 논이 있는 평야지역의 중심부에 대기질 측정소를 설치하였다. 측정소는 경운, 시비, 파종, 수확 등 주요 영농활동이 빈번하게 이루어지는 지역을 중심으로, 외부 오염원 (축사나 고속도로 인근 등)의 영향을 최소화할 수 있는 위치에 선정하였다. 측정소는 3 m×3 m 크기의 컨테이너를 활용하였으며, 내부에는 대기오염물질을 모니터링하는 측정시스템, 기상관측시스템, 데이터 송수신 장치, CCTV, 내부장비의 운영조건을 안정화하기 위한 냉난방시스템 등이 설치되어 있다. 컨테이너의 지붕에는 입자상물질과 가스상물질을 모니터링하기 위한 공기 흡입부가 설치되어 있다. 흡입부는 지붕에 너무 가깝지 않으며, 바람에 의하여 흔들리지 않도록 지붕에서 약 1.5 m 높이에 설치하였다. 항목별 측정은 환경부의 대기오염측정망 설치 및 운영지침을 기준으로 설치 및 운영하였다. 측정소에 설치된 농업대기질 모니터링 시스템을 통하여 PM-10, PM-2.5, NH3, NO2, SO2의 농도를 실시간으로 수집하며, 5분 간격으로 데이터가 저장된다. 저장된 데이터는 데이터로거를 통해 서버로 전송되며, 서버에서는 데이터베이스에 저장된 값을 바탕으로 데이터 처리, 분석, 시각화 등의 후속 작업이 수행된다. 데이터는 연중 자동으로 축적되며, 사용자 인터페이스를 통해 웹 기반으로 접근할 수 있도록 하였다.
측정소의 모니터링 데이터 품질을 유지하기 위해 주기적인 관리와 점검을 수행하였다. 데이터 로거를 통한 수집자료는 주 1회 원격으로 데이터의 유효성을 점검하였으며, 센서 오염이나 전력공급 이상과 같은 문제가 발생할 경우 즉시 현장점검을 실시하였다. 측정 장비의 관리를 위하여 모든 장비는 매월 현장방문을 통해 점검하고 소모품을 교체하였다. 각 측정소에는 360°를 살펴볼 수 있도록 3대의 CCTV를 설치하여 측정소 인근에서 수행되는 영농작업의 유형과 작업 시점에 대한 영상기록을 수집하였다. 농작업이 이루어진 시간대, 활동 유형 (경운, 모내기, 추수 등), 작업 강도 등을 식별할 수 있었으며, 이 정보는 수집된 대기질 데이터와 연계하여 분석에 활용되었다.
수집된 원본 데이터는 2단계의 정제 절차를 통해 분석하였다. 1차 정제 과정에서는 매월 측정 장비의 교정기록, 장비 이상 여부, 외부 환경영향 등을 검토하고, 명백한 측정 오류값을 제거하였다. 2차 정제 과정에서는 시계열 이상치, 결측값, 고농도 급증 등의 이상 현상을 중심으로 데이터 검토가 이루어졌으며, 보정식 적용 및 삭제 여부를 판단하였다. 특히, PM-10과 PM-2.5 간의 역전 현상, NO2의 급격한 변동, 동일값 지속 기록 등은 환경부의 대기오염 측정망 운영지침 (2022)에 따라 이상 자료로 간주하여 데이터 분석에서 제외시켰다. 정제된 데이터는 시간대별 (1시간 평균), 일간, 월간, 영농활동별로 분류하여 분석 자료로 활용되었다. 특히 영농작업이 집중되는 시기 (이앙기, 시비기, 수확기 등)는 CCTV 및 농가 협의를 통해 작업 시점을 확정한 후, 작업 전후 24시간 간격의 농도 차이를 분석하였다.
영농작업과 대기오염물질 농도 간의 직접적인 상관관계를 파악하기 위해, 측정지점에서 수집된 영상데이터를 활용하여 농업대기질의 변동과 연계된 영농작업 활동시기를 구분하였다. 영상기록은 대기질 측정값과 시간코드를 동기화하여 분석에 활용하였다. Fig. 2 와 같이 농업대기질의 모니터링 결과가 높아지는 시기의 데이터와 농장주의 작업일지를 대조하고, 영상데이터로 교차검증하여 작업 시작 및 종료 시점을 확인하고, 작업유형 (경운, 시비, 이앙, 수확 등)을 분류하며, 농기계 사용 여부 및 활동면적 등을 고려하여 분석하였다. 특히 인근지역이 논으로 둘러쌓여 있기 때문에 측정소가 설치된 지점의 농경지 외에 인근 농경지에서도 유사한 시기에 동일한 작업이 불규칙적으로 시행되기 때문에 영상데이터를 활용하여 작업시기를 특정하였다. 영농작업시기는 1) 벼의 재배 주기에 따라서 필요한 영농활동에 대해 정리하고, 매월 영농일지에 대한 보고를 받아 정리한 후, 2) 시계열 데이터를 분석하여 평소보다 높은 농도를 나타내는 시기를 파악한 후, 3) 영상데이터로 확인하여 정확한 영농작업의 종류와 시간을 확인하여 영농작업 시기를 특정하였다.
Ⅲ. 결과 및 고찰
논에서의 일반적인 영농작업 중에서 농업대기질에 영향을 미칠 수 있는 활동을 검토하여 해당시기에 대한 농업대기질의 변화를 분석하였다. 검토한 영농작업은 순서대로 경운, 논평탄화, 모내기, 수확으로 24시간을 기준으로 모니터링한 결과를 분석하였다. 연속적으로 측정된 농업대기질 모니터링 결과와 해당 영농작업이 일어난 시기를 영농활동일지와 영상데이터를 통하여 분석하였다. 모니터링한 농업대기질의 농도는 영농작업 시기와 평소로 나누어 항목별 대기환경기준과 비교하였다.
1. 경운작업
경운작업이 수행된 날의 24시간 대기질 데이터를 분석한 결과, 작업시간 (06:00-10:00) 동안 입자상 오염물질 (PM-10, PM-2.5)과 일부 가스상 오염물질의 농도가 상승하였다 Fig. 3을 보면 PM-10의 경우 작업 외 시간 평균 48.5 ug/m³에서 작업시간 평균 83.6 ug/m³, 최대 107.9 ug/m³으로, 작업시간이 작업 외 시간에 비해 2.2배 높아졌다. PM-2.5는 작업 외 시간 평균 31.8 ug/m³에서 작업시간 평균 54.6 ug/m³, 최대 82.4 ug/m³으로 1.7배 높았으며, 대기환경 일평균 기준치 (35 ug/m³)를 초과하였다. 경운 과정에서 발생하는 토양 입자의 비산 및 대기 중 확산에 따른 영향으로 해석된다. Fig. 4를 보면 가스상 오염물질의 경우 SO2는 작업 외 시간 평균 4.5 ppb에서 작업시간 평균 6.8 ppb, 최대 11.2 ppb로 1.5배 상승하였으며, NO2는 작업 외 시간 평균 35.6 ppb에서 작업시간 평균 53.6 ppb, 최대 68.8 ppb,으로 1.5배 상승하였다. NH3은 작업 외 시간 평균 95.9 ppb에서 작업시간 평균 134.7 ppb 최대 154.1 ppb로 1.4배 증가하였다. 이는 토양 내 질소화합물이 휘산과 경운에 의해 확산한 결과이며, 가스상 물질보다는 기계적인 활동에 의한 미세먼지의 농도 증가가 높은 것으로 나타났다.
2. 평탄화 작업
평탄화 작업은 논에 물을 대고 나서 하는 경운 작업으로 물이 채워져 있는 상태에서 기계적인 작업이 수행되기 때문에 PM-10, PM-2.5의 농도 변화가 적으며 대기환경기준을 초과하지 않았다 (Fig. 5). PM-10의 경우 농기계의 작업으로 인하여 작업 전후의 농도 대비 작업시간동안 평균 농도가 27.6 ug/m³에서 44.7 ug/m³로 1.62배 증가하였다. PM-2.5는 14.3 ug/m³에서 14.9 ug/m³로 낮은 농도가 유지되었다. SO2, NO2의 농도는 작업시기 전후로 변화가 거의 없었다. Fig. 6에서 암모니아의 농도는 작업시간동안 평균 농도가 72.9 ppb에서 50.2 ppb로 1.45배 감소된 후 다시 108.7 ppb로 1.49배 증가하였다. 특히 작업 12시간 후 최고 농도인 156.5 ppb로 2.14배 증가하였다. 해당 지역은 땅의 비옥도를 위해 퇴비를 화학비료와 섞어서 살포한 뒤 담수를 하였다. 이후 평탄화 작업을 시행한 결과 담수 직후 NH4+ 농도 및 pH 증가에 따른 NH3 휘발로 인한 대기중 농도가 증가한 것으로 판단된다. Fillery et al. (1984)은 유사 조건에서 담수 이후 요소비료를 시비한 경우 NH3 휘발이 투입된 질소의 27~47% 수준 임을 확인하였고, 담수된 물의 pH에 따라서 수 시간 내 시작되어 10일간 지속되었다는 연구 결과를 내었다.
3. 모내기
모내기 작업 (이앙 작업)은 담수가 되어있는 논에서 이루어진다. 작업 시 PM-10과 PM-2.5는 각각 21.1 ug/m³에서 37.5 ug/m³, 12.5 ug/m³에서 24.6 ug/m³ 으로 각각 1.78배, 1.96배 증가하였다 (Fig. 7). SO2와 NO2는 작업 시 각각 2.84 ppb에서 3.02 ppb, 6.87 ppb에서 7.76 ppb로 증가하였으나, 허용기준치에 미치지 못하는 증가폭을 보였다 (Fig. 8). 모내기 작업의 경우 논 평탄화 작업과 같이 물이 담수된 조건이지만 토양을 뒤집는 작업은 수행하지 않기 때문에 전체적인 대기오염물질의 증가가 모내기작업에 비해 상대적으로 작았다.
4. 추수 작업
추수 작업 시 PM-10과 PM-2.5의 평균농도는 21.5 ug/m³에서 31.6 ug/m³, 7.4 ug/m³에서 18.2 ug/m³ 로 각각 1.47배, 2.46배 증가하였다 (Fig. 9). 수확기계의 지속적 주행과 벼의 절단으로 인하여 다양한 크기의 미세먼지 입자가 비산하기 때문으로, 상대적으로 큰 입자는 빠른 속도로 침강하며, 10 um 이하의 입자는 비산하여 농업대기질의 농도를 상승시킨 것으로 나타났다. Fig. 10에서 SO2의 농도변화는 거의 없었으며, NO2는 작업 중 1.34배 증가하였다. 추수작업 시 농업대기질 모니터링 데이터를 분석한 결과 대기오염물질 중에서 PM 농도가 농작업시기에 기계활동으로 인하여 뚜렷하게 증가하였다.
Fig. 9
Temporal variation of particulate matter (PM-10 and PM-2.5) concentrations over a 24-hour period on the day of rice planting operation
Fig. 10
Temporal variation of gaseous pollutants (SO2, NO2, and NH3) concentrations over a 24-hour period on the day of rice planting operation
Fig. 11
Comparison of particulate matter (PM-10 and PM-2.5) and gaseous pollutants (SO2, NO2, and NH3) average concentrations between operation and non-operation periods during rice planting operations
Fig. 12
Temporal variation of particulate matter (PM-10 and PM-2.5) concentrations over a 24-hour period on the day of harvest operation
Ⅳ. 결 론
본 연구는 논산 평야지역을 대상으로 벼 재배 과정에서 이루어지는 주요 영농작업 (경운, 논 평탄화, 모내기, 수확)이 대기오염물질 농도에 미치는 영향을 분석하였다. 일반적인 대기질 측정망에서 수행하는 1시간 단위의 모니터링 결과로는 확인하기 어려운 농업활동에 의한 농업대기질의 변동을 분석하기 위하여 5분 간격으로 수집된 정밀한 실시간 대기질 자료와 360도 CCTV를 통하여 수집된 영상데이터를 활용하여 농작업 시기와 농작업 전⋅후의 오염물질 농도를 비교함으로써, 농업활동의 대기질 기여도를 실증적으로 규명하였다.
모니터링 결과 경운 시 PM-10과 PM-2.5의 평균 농도는 평상시 대비 각각 2.2배 1.7배 높았으며, NH3는 1.18배 증가하였다. 논 평탄화 과정에서는 입자상 물질의 평균 농도 변화가 1.6배 이내로 제한적이었으나, 작업 후 12–15시간 경과 시 NH3 농도가 최대 156.5 ppb로 상승하였다. 모내기 작업에서는 PM-10과 PM-2.5 농도가 각각 1.78배, 1.96배 증가하였으며, 수확기에는 PM-10과 PM-2.5 농도가 각각 1.47배, 2.46배 상승하였다. SO2와 NO2는 모든 작업에서 변동 폭이 상대적으로 작았다. 이와 같이 영농활동별 대기오염물질의 반응은 입자상 물질의 재비산 (경운, 수확)과 NH3휘산 (논 평탄화)으로 구분되었으며, 이는 활동 유형에 따른 주요 영향 인자를 제시한다. 이러한 결과는 작업 일정 조정, 질소 관리 기법, 기계적 분진 저감장치 도입 등 활동별 저감 대책을 수립하는 데 활용될 수 있다.
본 연구는 단일 지역을 대상으로 한 사례분석으로, 결과의 일반화를 위해서는 다양한 지역⋅재배조건에서의 장기 모니터링과 비교 연구가 필요하다. 또한 영농기 농촌지역 대기오염물질의 계절⋅작업별 배출 특성을 반영한 것으로, 향후 농업분야 대기관련 정책개발의 기초자료로 활용이 기대된다.
