대한민국의 질소수지 산정을 위하여 국토교통부, 경기도청, 통계청, 환경부, 농림축산식품부, 행정안전부, 한국교통안전공단, 한국에너지공단, 한국전력공사 등에서 조사하여 발표한 2015~2019년 통계자료를 활용하였다[19,20]. 국가적인 규모의 질소 유입 및 유출량을 산정하기 위해 배출특성이 상이한 농업 및 축산업지역, 도시지역, 임야지역으로 구분하였다. 농업 및 축산업 지역과 임야지역의 탈질률, 휘산률, 침착률 등은 문헌에 보고된 자료들을 취합하여 평균값 및 중간값을 사용하였으며, 도시지역은 사람이 생활할 수 있는 모든 공간으로 가정하여 질소량을 산정하였다(Table 1). 또한, 도시의 대다수 지역은 건물과 포장도로 등으로 밀집되어 있어 질소의 침착 및 고정이 발생하지 않는다고 가정하였다. 총 질소수지량의 단위는 기존 연구에서 많이 사용되는 ton/yr로 나타냈다.

농업지역은 논과 밭으로 세분화하였으며, 논과 밭의 각 면적에 대한 대기 침착 및 질소 고정 박테리아에 의한 생물학적 질소 고정량을 산정하였다. 이외에도 농업용수에 의한 질소 발생량, 가축분뇨 및 퇴비에 의한 질소 유입량 등을 추가적으로 조사하였다[25]. 축산업지역에서의 질소 유입량은 돼지, 닭, 오리, 한우, 육우, 젖소 등의 가축 사료량를 조사하여 산정하였다[26]. 도시지역으로 유입되는 질소는 농작물에 의한 발생량과 식료품, 그리고 자동차와 사업장에서 사용되는 연료 등으로 구분하였다. 임야지역의 경우 대기로부터 침착되는 양과 생물학적 질소 고정량을 산정하였으며, 발전소 가동으로 인해 유입되는 연료 내 질소량을 조사하였다.

농업 및 축산업지역에서 유출되는 질소는 생산된 농작물 내에 포함된 질소량과 비료에 의한 탈질을 조사하여 산정된 평균 탈질량, 비료 및 퇴비에 의한 휘발량, 지하수로 유출되는 양으로 구분하였다[27]. 도시지역에서는 하수슬러지 발생량, 생물반응조의 탈질량, 수계로 유출되는 하수 배출량을 조사하여 유출되는 질소량을 산출하였다[28]. 국내에서 배출되는 대기오염물질은 에너지산업 연소, 비산업 연소, 제조업 연소, 생산공정, 폐기물처리, 도로 및 비도로이용 오염원 등으로 구분되어 산정되고 있다. 따라서 도시지역에서 발생되는 질소산화물을 추정하기 위해 사업장의 경우 환경부에서 고시한 사업장별 배출원 통계자료를 참고하였다[29]. 자동차로 인한 질소배출량은 한국교통안전공단에서 추정한 용도별, 차종별, 연료별 자동차주행거리 통계와 한국에너지공단에 고시된 자동차 유종별 평균연비, 환경부의 배출계수 자료를 활용하였다[30,31]. 임야 지역의 발전소에서 배출되는 질소산화물량은 한국전력공사의 통계자료와 국립환경과학원에서 고시된 배출계수 값을 참고하여 추정하였다[32,33].

2015년부터 2019년까지 대한민국에서의 농업 및 축산업, 도시, 임야지역별 질소 유입량을 산정하였으며, 그 결과는 Table 3에 나타냈다. 2015년부터 2019년까지 연도별 총 질소 유입량은 6,107,449 ton/yr, 6,144,666 ton/yr, 6,245,240 ton/yr, 6,281,552 ton/yr, 5,993,347 ton/yr로 산출되었으며, 2018년까지는 유입량이 해마다 증가하였으나, 2019년에는 감소하였다. 총 질소 유입량 중 임야지역이 가장 높은 비중을 나타냈으며, 특히 발전소에서의 연료사용으로 인해 매년 약 40% 이상의 질소가 유입되는 것으로 나타났다(Fig. 1a). 두번째로는 도시 지역의 사업장에서 약 24% 이상의 많은 질소가 유입되었으나, 그 비중이 해가 지날수록 점차 감소하는 경향을 보였다. 그 다음으로 농업 및 축산업지역에서 가축사료로 인한 질소 유입이 전체 질소 유입량의 7.3% 이상을 차지하였으나, 상대적으로 임야와 도시지역이 질소 유입량에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

농업 및 축산업지역에서는 가축 사료와 무기화학비료, 가축 분뇨 퇴비화로 인한 질소 유입이 주된 요인으로 조사되었으며, 이외에도 관개용수의 사용, 대기로부터의 강우나 분진형태로 침착되는 질소와 생물학적 질소 고정 등도 질소 유입에 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 현재 우리나라는 도시화로 인하여 논과 밭의 면적이 지속적으로 감소하고 있으며, 이에 따라 논과 밭으로 침착되는 질소량은 2015년 51,520 ton/yr에서 2019년 50,441 ton/yr로, 고정되는 질소량은 2015년 21,019 ton/yr에서 2019년 20,619 ton/yr로 각각 감소하였다. 관개용수의 사용량도 감소하여 이에 따른 질소 유입량도 2015년 67,718 ton/yr에서 2019년에는 66,431 ton/yr로 감소하였다. 무기화학비료로 인한 질소유입은 2015년부터 2019년까지 439,000 ton/yr, 451,000 ton/yr, 442,000 ton/yr, 434,000 ton/yr, 441,000 ton/yr로 뚜렷한 경향성은 나타나지 않았다. 쌀 위주의 식단에서 고기 위주의 식단으로 점차 변화하면서 쌀 생산량은 2015년에서 2019년까지 약 13%가 감소한 반면에 채소 생산량은 약 23%가 증가하였는데, 이로 인해 무기화학비료 사용량의 변화가 크지 않았을 것으로 판단된다[19,36]. 그러나 정부의 정책과 화학비료 대체 비료 개발 연구로 화학비료의 사용량은 점차 감소할 것으로 예상된다. 정부는 온실가스 감축을 위해 ‘2030 국가 온실가스 감축목표’를 계획하였으며, 농축수산 분야에서 질소질 비료 감축을 포함하여 연간 온실가스 배출량을 약 18백만톤으로 설정하였다[37]. 또한, 한국농촌 경제연구원에서 발행한 ‘한국농업전망 2022’에서는 탄소중립 실현을 위해 2030년까지 질소 비료 사용량을 115 kg/ha로 감축을 목표로 하였다[38]. 대체 비료 개발 연구로는 수분 함량이 상대적으로 낮고, 분상에 비해 살포가 용이한 가축분 입상 퇴비화 방법, 양액 재배 시 발생하는 폐양액 활용, 천연 거름인 녹비 작물을 혼합한 작물 재배 등의 연구가 수행되고 있다[39,40,41]. 이와 같이 무기화학비료의 사용량 감소에 따라 유입되는 질소 또한 감소할 것으로 판단되며, 폐자원의 재활용 및 천연 거름 활용을 통해 2차적인 오염 또한 방지할 수 있을 것으로 사료된다. 퇴비에 의한 질소유입은 2015년 344,842 ton/yr에서 2019년 381,221 ton/yr로 증가하였는데, 이는 가축 분뇨의 퇴비화율이 점차 증가함에 따라 자원화 처리된 퇴비량이 증가하여 나타난 것으로 판단된다. 가축 사육두수는 매년 증가하였으며, 이로 인해 발생하는 가축분뇨량도 증가된 것으로 판단된다(Fig. 2a). 특히 2019년에는 송아지 가격 상승에 따른 번식우 증가, 모돈 수 증가, 계란 가격 회복 등의 영향으로 가축 사육두수가 291,996 두로 가장 높은 수치를 기록했으며, 발생된 가축분뇨 또한 55,918,000 ton/yr로 전년대비 가장 많은 증가 폭(6%)을 보였다[42]. 발생된 가축분뇨는 퇴비화, 액비화, 정화 및 방류, 위탁처리 등으로 처리되었으며 이 중 퇴비화 비율이 가장 높았다(Fig. 2b). 환경부와 농림축산식품부가 공동으로 수립한 ‘가축분뇨 관리 및 이용대책 추진’으로 인해 2015년 66%였던 퇴비화율은 2019년 80%로 급증하였으며, 이로 인해 가축분뇨의 퇴비화량이 증가하여 유입되는 질소 또한 증가하였을 것으로 보인다. 가축분뇨는 비점오염원으로써 농가마다 사육요건이 달라 배출량, 물리적 성상 및 화학적 조성 등이 상이하여 관리가 어려운 오염원이다. 그러나 우리나라에서 생산되는 가축분뇨를 퇴비화 과정을 통해 양질의 비료자원으로 활용하게 되면 자원순환을 촉진시킬 수 있다. 또한, 화학비료의 대체물질로도 활용이 가능하여, 이러한 제도에 대한 정부의 지속적인 관심이 요구된다. 축산업에서의 질소 유입은 소비된 가축 사료 내 단백질 함량과 단백질 내 질소함량을 이용하여 산정하였다. 2015년 458,526 ton/yr에서 해마다 증가하여 2019년에는 492,866 ton/yr로 산출되었으며, 이는 가축사육두수가 증가함에 따라 사료량 또한 증가한 것으로 판단된다.

도시지역에서 유입되는 질소의 경우 대표적으로 생산된 곡물과 과일 등의 농산물, 수입된 식료품, 자동차 및 연소시설을 갖춘 사업장에서 사용되는 연료를 대상으로 산출하였다. 생산된 농산물을 매년 큰 차이가 없었으나, 수입된 식료품은 2015년 164,235 ton/yr에서 2019년 165,255 ton/yr로 점차 증가하는 경향을 보였다. 이는 인구증가와 함께 대도시로의 인구 밀집 현상으로 인해 식료품 소비량이 지속적으로 증가하여 나타난 것으로 판단된다. 자동차 연료로 인한 질소 유입량은 2015년부터 2018년까지 109,600 ton/yr에서 145,421 ton/yr로 지속적으로 증가하였으나, 2019년에는 130,798 ton/yr로 다시 감소하는 추세를 보였다. 이는 자동차 등록대수의 증가와 더불어 낮아진 연비 때문인 것으로 판단된다(Table 4). 자동차의 에너지 소비효율을 나타내는 평균 연비는 도심주행 및 고속도로주행 모드에서 시험을 통해 연비를 측정한 후, 가중 평균하여 산출하는 복합연비 방식이 활용되고 있다[27]. 2015년 휘발유, 경유, LPG 연료의 연비는 각각 16.68 km/L, 16.68 km/L, 12.11 km/L로 조사되었으나, 2019년에는 15.77 km/L, 15.13 km/L, 11.50 km/L로 모든 연료의 연비가 낮아졌다. 전체 자동차 수는 지속적으로 증가하였으나, 반대로 해마다 증가 폭은 감소하였다. 특히 경유 차량의 경유 2018년에 비하여 2019년 등록대수 증가율이 8%로 대폭 감소하였는데, 이는 수도권에서 2019년부터 시행한 노후 경유차 운행 제한 제도로 인한 것으로 판단된다. 또한, 연료 내 질소함량은 경유, 휘발유, LPG 순으로, 경유가 연료 중에 질소함량이 가장 높아 질소 유입량 증감에 큰 영향을 준 것으로 판단된다. 사업장은 이와 반대로 연료로 인해 유입된 질소량이 2015년에는 1,732,700 ton/yr에서 2019년에는 1,440,237 ton/yr로 지속적으로 감소하였다. 이는 등록된 사업장 중 에너지산업 관련 기관에서 소비되는 연료가 점차 감소하였기 때문이다. 사업장에서 소비되는 연료로 인한 질소 유입량은 2015년과 비교하여 2019년에 약 17%가량 감소하였다.

임야지역에서는 주로 대기로부터의 침착, 생물학적 고정 및 발전소 연료 사용으로 인해서 질소가 유입되었다. 질소 침착량과 고정량은 2019년 기준 108,180 ton/yr, 42,636 ton/yr로 임야지역 면적 감소로 인하여 점진적으로 감소하는 경향을 보였다. 발전소 연료로 인해 유입된 질소량은 2015년부터 2019년까지 각각 2,468,228 ton/yr, 2,465,511 ton/yr, 2,724,466 ton/yr, 2,734,423 ton/yr, 2,548,410 ton/yr로 조사되었다. 발전소 연료 중 중유 사용량은 지속적으로 감소하여 중유로 인한 질소 유입량은 2015년 12,026 ton/yr에서 2019년 2,353 ton/yr로 감소하였으며, 반면에 경유 사용량은 189%가 증가하였다. 특히 2018년에는 높은 질소함량을 보유한 석탄의 사용으로 인한 질소 유입량은 2,716,226 ton/yr로 최고치에 도달하였으며, 이는 발전소 전체 질소 유입량의 99.3%를 차지한다. 그러나 2019년에는 2,534,586 ton/yr로 다소 감소하였는데, 이는 산업통상자원부에서 발표한 ‘겨울철 전력수급 및 석탄발전 감축대책’에 따라 석탄발전소의 가동중지 및 상한제약으로 인해 석탄연료 사용이 감소한 것으로 생각된다. 발전소에 유입되는 연료는 임야지역에 유입된 질소량 중 75% 이상을 차지하며, 우리나라 전체 질소 유입량의 주된 원인이다. 특히, 기존의 화석연료발전은 안정성과 경제성을 강점으로 전력을 공급하는 중요한 역할을 하였으나, 질소산화물 등과 같은 대기오염물질 배출로 인해 화석연료 사용량을 줄이려는 시도가 진행되고 있다. 산업통장자원부에서는 ‘제8차 전력수급기본 계획’을 통해 2031년까지 온실가스 감축을 목표로 하고 있으며, 노후 석탄 발전소의 봄철 가동중단 및 조기 폐지, 석탄발전소의 환경설비 투자, 천연가스로의 연료전환 등과 같은 정책들이 포함되어 있다. 이와 같이 연료 소재효율 증대 및 대체재 개발을 통해 화석연료 의존비율을 점진적으로 낮추어야 한다고 판단된다.

2015년부터 2019년까지 대한민국에서의 총 질소 유출량은 1,346,587 ton/yr 1,369,119 ton/yr, 1,365,327 ton/yr, 1,378,940 ton/yr, 1,365,994 ton/yr로 산출되었으며, 해마다 증감이 반복되는 경향을 보였다(Table 5). 총 질소 유출량 중 농업지역에서 생산된 농작물이 24.7% 이상의 가장 큰 비중을 차지했고, 그 다음으로는 임야지역 중 발전소에서 배출되는 질소량과 농업 및 축산업지역에서의 휘발량이 각각 14.5%, 13.5% 이상을 나타냈다(Fig 1b).

농업 및 축산업지역에서 유출되는 질소량은 논과 밭에서 질산화에 의해 발생하는 양, 무기화학비료 주입으로 생산된 작물에 함유되는 양, 축산물로 생산되어 생활계로 유출되는 양, 퇴비와 비료로 인해 암모니아 형태로 휘발 또는 질소산화물이나 질소 가스상으로 대기중으로 탈질되는 양, 그리고 잔류 및 축적되어 비점오염원으로 유출되는 양으로 추정하였다. 논과 밭에서의 탈질량은 2015년부터 2019년까지 81,324 ton/yr, 80,833 ton/yr, 80,372 ton/yr, 80,069 ton/yr, 79,674 ton/yr로 점차 감소하였으며, 이는 앞서 설명한 바와 같이 농경지의 면적이 해마다 감소하여, 발생하는 탈질량 또한 감소한 것으로 사료된다. 비료 사용으로 인한 탈질량은 2015년에는 206,330 ton/yr, 2019년에는 207,270 ton/yr로 큰 차이를 보이지 않았다. 농업지역에서 무기화학비료와 가축분뇨로 등으로 인해 질소 휘발이 발생하며, 이외에 발생 가능한 휘발량은 매우 적으므로 배제하였다. 비료에 의한 휘발량은 2015년 70,240 ton/yr였으며, 2019년에도 70,560 ton/yr 비슷한 수치를 나타냈으며, 이는 연간 화학비료 사용량에 큰 변화가 없기 때문으로 판단된다. 반면에 퇴비에 의한 휘발량은 2015년부터 2019년까지 111,614 ton/yr, 114,636 ton/yr, 114,218 ton/yr, 119,702 ton/yr, 127,074 ton/yr로 점점 증가하는 추세로 가축분뇨의 퇴비화 증가로 인해 휘발량 또한 증가한 것으로 판단된다. 토양표면으로 유입된 질소는 질산성질소로 산화되고 심토층으로 이동하며, 최종적으로 지하수에 도달하게 된다[43]. 농경지에서 지하로 유출된 질소량은 2015년부터 2019년까지 22,395 ton/yr, 22,891 ton/yr, 22,621 ton/yr, 22,816 ton/yr, 23,513 ton/yr로 해마다 증가하였는데, 이는 무기화학비료 사용과 가축분뇨 퇴비화에 의한 질소 유입량이 증가하여 지하수로 유출되는 양 또한 증가한 것으로 사료된다. 농경지에서의 질소 흡수량은 농경지에 유입된 질소량과 연간 생산된 농산물 수확량을 이용하여 평균 질소 흡수량을 산출하였다. 산출된 농경지에서의 질소 흡수량은 2015년부터 2019년까지 336,186 ton/yr, 342,781 ton/yr, 337,711 ton/yr, 340,742 ton/yr, 348,697 ton/yr로 나타났다. 도시화로 인하여 농경지의 면적은 감소하였으나, 농업기술의 발달로 인해 단위면적 당 생산되는 농작물량이 증가하여 질소 흡수량 또한 증가한 것으로 판단된다.

도시지역에서는 하수 슬러지의 탈질량, 하수처리장으로 유입된 질소량과 수계로 유출된 양, 자동차와 사업장에서 배출되는 질소산화물량 등을 고려하여 질소 유출량을 산출하였다. 하수 슬러지의 탈질로 인해 유출된 질소는 2015년부터 2019년까지 2,281 ton/yr, 2,288 ton/yr, 2,292 ton/yr, 2,294 ton/yr, 2,295 ton/yr로 해마다 조금씩 증가하는 경향을 보였다. 하수처리장으로 유입되는 질소량은 2015년 136,014 ton/yr에서 2019년 138,583 ton/yr으로 다소 증가하였는데, 이는 하수도 보급률과 하수처리시설 처리용량의 증가로 인한 것으로 판단된다. 2015년 하수도 보급률과 하수처리시설 처리용량은 92.9%, 19,105,254 ton/yr로 조사되었으며, 2019년에는 94.3%, 26,359,517 ton/yr로 더 많은 사람들이 하수도를 사용할 수 있게 되었다. 이로 인해 하수처리장으로 유입되는 양과 처리용량 또한 증가하게 된 것으로 생각된다. 수계로 유출되는 질소는 2015년에서 2019년까지 10,395 ton/yr, 10,054 ton/yr, 9,358 ton/yr, 8,962 ton/yr, 8,376 ton/yr로 점차 감소하는 추세이며, 이는 하수 재이용률 증가로 인한 것으로 추정된다. 2011년부터 시행된 ‘물 재이용 기본계획’에 따라 하수처리장의 재이용률은 2015년 14.7%에서 2019년 16.1%로 꾸준히 증가하였으며 장내용수, 장외용수, 공업용수 등 다양한 부분에 재이용수가 활용될 수 있도록 노력하고 있다. 자동차에서 질소산화물로 인해 배출되는 질소 유출량은 2015년부터 2019년까지 106,520 ton/yr, 111,795 ton/yr, 115,391 ton/yr, 121,193 ton/yr, 116,831 ton/yr 로 나타났다. 전체적으로 질소산화물 배출량이 증가하고 있으며, 특히 2018년에 가장 많은 질소산화물이 배출되었다. 이는 자동차 수의 증가와 연비의 감소로 인한 것으로 추정된다(Table 4). 휘발유와 경유 차량은 지속적으로 증가하는 경향을 보였으며, 반대로 LPG 차량은 그 수가 감소하였다. 2018년에는 연료 중 가장 많은 질소를 배출하는 경유차의 연비가 15.55 km/L로 나타났는데, 이러한 낮은 연비와 차량 수 증가의 상호영향으로 질소산화물 배출량이 증가한 것으로 조사되었다. 그러나 2019년에 들어서는 경유차의 증가율이 급격하게 감소하였으며, 환경부의 경유차 환경부담금 부과 정책과 서울시의 2025년 4등급 이하 경유차 통행 금지 정책 등으로 인해서 경유차의 소비량은 지속적으로 줄어들 것으로 예상된다. 자동차에서 배출되는 질소산화물은 대기오염의 주된 원인으로서 저공해 자동차 요금할인 등 다양한 정책이 시행되고 있으며, 하이브리드, 전기차 등 친환경 자동차 개발이 가속화면서 자동차로 인한 질소산화물 배출량은 점진적으로 줄어들 것으로 예상된다. 사업장의 경우 제조업에서 질소산화물에 의해 배출되는 질소량이 가장 많았다. 2015년부터 2019년까지 사업장에서의 질소산화물에 의한 질소 배출량은 144,478 ton/yr, 144,901 ton/yr, 133,121 ton/yr, 131,021 ton/yr, 120,091 ton/yr로 감소하는 경향을 나타냈다. 특히, 5년간 에너지산업에서 배출되는 질소산화물량이 지속적으로 감소하였는데, 2018년 이후 급격한 감소를 보였다. 이는 에너지산업 관련 업체 수가 감소함에 따라 질소산화물 배출량이 감소하였으며, 대기배출부과금제도와 대기오염물질 총량관리제도가 전국적으로 시행됨에 따라 사업장에서 배출되는 질소산화물이 또한 감소한 것으로 추정된다. 질소는 연소과정에서 대부분 일산화질소로 대기에 배출되고 산화과정을 통해 질소산화물로 전환된다[44]. 이러한 질소산화물은 연료보다는 발전, 소각, 용융 등 공정에서 생성되는 비율이 상대적으로 높다. 따라서 질소산화물 배출량을 저감시키기 위해서는 공정의 최적화 및 대기오염방지시설 구축이 필요하다고 판단된다.

임야지역에서는 탈질량과 산림에서의 흡수량 등과 발전소에서 유출되는 질소산화물을 고려하여 유출된 질소량을 산출하였다. 임야에서의 탈질량은 연구마다 결과가 상이하여 평균값인 5 kg/ha/yr를 질소 흡수량을 이용하여 산출하였으며, 2015년부터 2019년까지 32,001 ton/yr, 31,959 ton/yr, 31,917 ton/yr, 31,855 ton/yr, 31,818 ton/yr로 조사되었다. 산림에서의 질소 흡수량은 침엽수, 활엽수 및 혼합림의 가지와 줄기 생장을 고려하여 산출하였으며, 33,281 ton/yr, 33,238 ton/yr, 33,194 ton/yr, 33,129 ton/yr, 33,090 ton/yr로 나타났다. 앞에서 언급하였듯이, 해마다 임야면적이 조금씩 감소하여 탈질량과 흡수량 또한 감소한 것으로 추정된다. 발전소에서 배출된 질소량은 197,355 ton/yr, 198,218 ton/yr, 213,867 ton/yr, 217,803 ton/yr, 201,594 ton/yr로 조사되었다. 질소 배출량은 지속적으로 증가하다가 2019년에 다시 감소하였는데, 이는 연료의 사용 변화로 인한 것으로 추정된다. 또한, 2016년에는 다른 해보다 연료로 인해 유입된 질소량이 적었음에도 유출된 질소량이 많았는데, 이는 중유 사용량의 증가가 원인인 것으로 조사되었다(Fig. 3). 우리나라는 발전소 연료 중 가장 많은 질소를 배출하는 석탄의 사용량이 90% 이상으로 석탄의존도가 매우 높은 편이며, 천연가스, 재생에너지 발전 등으로 석탄 발전 대체를 위한 노력이 진행 중에 있다. 2019년에는 석유 및 석유대체연료 사업법 시행에 따라 기존에 사용하던 중유인 벙커C유를 바이오중유로 대체하여 질소산화물 저감 효과를 확인하였으며, 이에 따라 발전소에서의 중유로 인한 질소 배출량이 2015년 3,739 ton/yr에서 2019년 731 ton/yr로 5년 동안 80% 이상 감소하였다. 반면에, 경유 사용량은 증가하여 경유로 인한 질소 배출량 또한 2015년에 142 ton/yr에서 2019년에 412 ton/yr로 약 3배 증가하였으나, 상대적으로 질소함량이 적어 발전소 전체에서의 질소 배출량에는 큰 영향이 없는 것으로 판단된다.

우리나라에서 질소산화물로 인한 질소 유출은 2015년부터 2019년까지 매년 32% 이상을 차지하였으며, 이는 질소수지에 큰 영향을 미친다. 따라서 본 연구에서는 연도별 및 시도별 대기 중으로 배출되는 기체상 질소산화물을 추가적으로 조사하였다. 2015년부터 2019년까지 발전소, 사업장, 자동차에서 배출된 총 질소산화물량은 1,481,111 ton/yr 1,503,496 ton/yr, 1,528,887 ton/yr 1,554,923 ton/yr, 1,451,784 ton/yr로 조사되었으며, 연간 가장 많은 질소산화물을 배출하는 곳은 발전소로 매년 60만톤 이상의 질소산화물이 배출되었다(Fig. 4a). 배출되는 질소산화물의 시도별 비율은 전체적으로 연도에 따른 큰 변화는 없었으나 경상남도의 경우 발전소에서 배출되는 양이 2015년 163,741 ton/yr에서 2019년 131,884 ton/yr로 지속적인 감소를 보였다[28.29]. 이는 석탄 사용량 감소에 따른 질소 유입 감소로 인한 것으로 판단된다. 한국전력공사에서 발행한 한국전력통계에 따르면 경상남도 지역 발전소의 석탄 사용량은 2015년 22,863,730 ton이었으며, 2019년에는 18,413,801 ton으로 사용량이 약 20% 감소하였다.

시도별 질소산화물 배출량을 보다 구체적으로 비교하기 위해 2019년을 기준으로 조사하였으며, 결과는 Fig. 4b에 그래프와 분포도로 나타냈다. 시도별로 구분하였을 시, 충청남도가 전체 질소산화물 배출량의 25.9%로 가장 높은 비율을 차지하였으며, 그 중 발전소에서 배출되는 질소산화물량은 301,667 ton/yr로 전국의 발전소에서 배출되는 질소산화물의 46% 차지하는 것으로 확인되었다. 이는 충청남도 지역이 전국에서 가장 많은 수의 발전소인 32개소로 집중되어 있으며, 그 중 발전 연료 중 97%가 석탄을 원료로 가동되고 있기 때문이다. 그 다음으로 경상남도가 12.6%, 인천이 11.1%로 많은 양의 질소산화물이 배출되었는데, 이 또한 발전소 가동에 의한 질소산화물 배출이 가장 큰 부분을 차지하였다. 경상남도와 인천 지역의 발전소 수는 각각 14개소, 10개소이며, 질소산화물은 연간 131,884 ton/yr, 118,195 ton/yr가 배출되었다. 경상남도와 인천지역의 발전소는 충청남도 지역과 마찬가지로 대부분의 발전소가 석탄 연료에 의존하고 있어 상대적으로 많은 질소산화물이 배출된 것으로 판단된다. 반면에 경기도에서는 10개의 발전소가 가동 중에 있으나, 중유와 LNG를 연료로 사용하기 때문에 상대적으로 적은 질소산화물인 11,834 ton/yr가 배출된 것으로 조사되었으며, 세종과 제주도는 각각 2,046 ton/yr, 1,349 ton/yr로 발전소에서 가장 적은 질소산화물이 배출된 것으로 나타났다.

자동차로 인한 질소산화물 배출은 유동인구가 많은 경기도, 서울, 인천에서 가장 높게 나타났다. 특히 수도권 집중현상으로 인해 경기도와 인천은 2015년 85,310 ton/yr, 25,429 ton/yr에서 2019년 99,951 ton/yr, 29,276 ton/yr로 크게 증가하였다[26,27]. 경기도 지역에 등록된 자동차 수는 2015년 4,850,657대에서 2019년 5,580,659대로 증가하였는데, 이는 경기도에 많은 국가산업단지와 주거지역 등이 조성되어 있기 때문인 것으로 생각된다[45]. 인천 지역도 주거 인구 증가에 따라 자동차 수요량도 함께 증가하여, 이동량이 늘어나 질소산화물 배출량이 증가한 것으로 판단된다. 세종시의 경우 정부 부처들이 대부분 이전하여 차량 이동량이 늘었으며, 이로 인해 질소산화물 배출량 또한 증가한 것으로 판단된다. 제주도에서의 자동차로 인한 질소산화물 배출량은 지속적으로 증가하여 5년간 약 38% 증가율을 보였으며, 이는 관광수요 증가로 인한 자동차 이용률 증가가 원인일 것으로 생각된다. 질소산화물을 배출하는 사업장은 주로 충청남도(54,828 ton/yr), 전라남도(51,867 ton/yr), 강원도(50,644 ton/yr)에 집중되어 있었으며, 전국 사업장 질소산화물 배출량의 40%를 차지하였다. Fig. 5는 2019년 시도별 이산화질소 농도를 나타낸 그래프이다. 대기중 이산화질소 농도는 평균 0.019ppm이였으며, 서울시가 0.028 ppm으로 가장 높고 그 다음으로 경기도와 인천이 0.024 ppm으로 높았다. 특히, 가장 많은 발전소가 가동 중인 충청남도 지역보다 수도권의 이산화질소 농도가 약 1.7배 이상 높게 나타났다. 이는 수도권으로의 인구 밀집 현상으로 인한 자동차 유동량 증가가 가장 큰 원인이며, 인천 지역은 발전소로 인한 영향도 있는 것으로 판단된다. Fig. 4b의 2019년 시도별 질소산화물 배출량에서 확인할 수 있듯이 서울은 자동차에서 44,038 ton/yr가 배출되어 서울 전체 질소산화물 중 67%를 차지하였으며, 경기 지역은 996,951 ton/yr로 66%를 차지하였다. 반면에 인천의 경우에는 자동차로 인한 질소산화물 배출량이 29,276 ton/yr(18%)로 발전소에서 배출되는 양(118,195 ton/yr) 보다는 적으나 전국 자동차에서 배출되는 질소산화물량을 비교하였을 시에 인천은 경기, 서울 다음으로 가장 높게 나타났다. 따라서 서울과 경기 지역은 주로 자동차로 인해 대기 중 이산화질소 농도가 높게 나타난 것으로 판단된다. 서울시는 주거단지와 주요 상업지구가 밀집되어 있어 자동차의 유동량이 많아 교통체증이 자주 발생하게 된다. 교통량 증가로 정체가 발생하면, 신호대기 등으로 인한 자동차들의 공회전 시간이 증가되어, 대기 중 이산화질소 배출량 또한 증가하게 된다. 경기 지역도 마찬가지로 주거지역이 밀집되어 있어 유동인구가 많아 자동차의 교통량이 증가되어 이산화질소 농도가 높게 관측된 것으로 생각된다. 인천 지역의 경우에는 발전소 가동이 대기 중 이산화질소 증가에 가장 큰 영향을 주었으나, 인구 증가에 따른 교통량 증가 또한 영향이 있을 것으로 보인다.

자동차로 인한 질소산화물 배출량은 자동차 수 증가와 함께 매해 증가하고 있으며, 연비는 낮아지는 추세이다. 이를 개선하기 위해서는 연비를 향상시킬 필요가 있다. 연비 향상을 위해서는 차량의 경량화, 열효율 향상 및 공기저항 계수 감소 등 기술적인 면에서 자동차 개발 연구가 지속적으로 진행되야 하며, 운전자들은 경제 속도 준수 및 타이어 공기압 향상 등을 통해 연비 향상에 따른 배출 감소에 기여할 수 있다. 이외에도 경유 차량 규제를 통해 질소산화물 배출량을 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다. 전세계적으로 전기차 개발이 점차 가속화되고 있으며, 정부와 지자체가 지급하는 전기차 보조금 제도로 인해서 친환경 자동차 보급량이 늘어나는 추세이다. 따라서 이와 같은 친환경차 연구개발과 제도적 지원으로 자동차로 인한 질소산화물 배출량은 점차 감소할 것으로 예상된다. 그러나 현재까지 우리나라에서 화석연료를 이용한 전력생산 의존도가 높아 발전소에서 배출되는 질소산화물이 가장 높은 비중을 차지하고 있다. 정부에서는 온실가스 배출량 감축 및 재생에너지 활용 촉진을 위해 2034년까지 20개의 석탄 화력발전소를 폐쇄하고 LNG 발전으로 전환할 방침이며, 2023년 현재 국내 첫 LNG 발전소가 구미에서 착공되었다. 또한, 태양광, 풍력, 수소 에너지 등의 대체 에너지의 개발도 필요하지만, 현재 우리나라의 전력수급을 충족하기 위해서는 석탄을 바로 대체하기는 어려운 실정이다. 따라서 배출부과금 및 배출권거래 제도를 통해 발전소의 질소산화물 규제에 지속적인 노력을 기울이고, 친환경 설비를 설치하여 대기로 배출되는 질소산화물량을 감소시키는 방안도 중요할 것으로 사료된다. 이와 같이 국가의 정책적 규제, 연료 개발 및 현재 전력수급 상황을 고려한 대책 등을 통해 화석연료 사용량을 점진적으로 감소시켜야 한다고 생각된다.

2015년부터 2019년까지 국내 질소 유출입 수지를 항목별로 정리하여 Fig. 6에 나타냈다. 농업 및 축산업지역에서는 1,372,625 ton/yr, 1,399,463 ton/yr 1,377,158 ton/yr, 1,407,319 ton/yr, 1,452,578 ton/yr의 질소가 유입되었다. 유입된 질소는 휘발 및 탈질에 의해서 325,681 ton/yr, 333,197 ton/yr, 328,994 ton/yr, 331,167 ton/yr, 341,106 ton/yr가 대기로 유출되었으며, 농작물의 질소 흡수에 의해 농경지로 336,186 ton/yr, 342,781 ton/yr, 337,711 ton/yr, 340,742 ton/yr, 348,697 ton/yr의 질소가 유출되었다. 이외에도 비점오염원으로써 지하수 등 수계로 유출된 질소량은 22,395 ton/yr, 22,891 ton/yr, 22,621 ton/yr, 22,816 ton/yr, 23,513 ton/yr로 조사되었다.

도시지역에서는 매년 2,114,909 ton/yr, 2,128,206 ton/yr, 1,992,329 ton/yr, 1,988,816 ton/yr, 1,841,543 ton/yr의 질소가 유입되었으며, 탈질 및 자동차와 사업장에서 대기로 배출되는 배기가스에 의해 253,279 ton/yr, 258,984 ton/yr, 250,804 ton/yr, 254,508 ton/yr, 239,217 ton/yr의 질소가 유출되었다. 생활과 산업 등에서 사용된 용수로 인해 하수처리장으로 136,014 ton/yr, 137,797 ton/yr, 136,861 ton/yr, 137,958 ton/yr, 138,583 ton/yr의 질소가 유출되었으며, 농업 및 축산업지역과 마찬가지로 비점오염원에서 10,385 ton/yr, 10,054 ton/yr, 9,358 ton/yr, 8,962 ton/yr, 8,376 ton/yr의 질소가 수계로 유출되었다.

임야지역으로 유입된 질소의 총량은 2,619,915 ton/yr, 2,616,997 ton/yr, 2,875,753 ton/yr, 2,885,417 ton/yr, 2,699,226 ton/yr로 나타났다. 유입된 질소 중 229,356 ton/yr, 230,177 ton/yr, 245,784 ton/yr, 249,658 ton/yr, 233,412 ton/yr는 탈질 작용과 발전소 배기가스 발생으로 인해 대기중으로 배출되었으며, 산림에서의 식물의 질소 흡수로 인해 33,281 ton/yr, 33,238 ton/yr, 33,194 ton/yr, 33,129 ton/yr, 33,090 ton/yr의 질소가 유출되었다.

농업 및 축산업 지역의 총 질소 유입량은 농업지역의 면적이 줄었음에도 불구하고, 축산분뇨의 퇴비화율 증가 등으로 인하여 해마다 조금씩 증가하였다. 또한, 무기화학비료 사용량 증가로 인해 비점오염원에서 수계로 유출되는 질소량이 증가하였다. 도시지역은 자동차 규제 및 사업장 대기오염물질 배출 규제 등으로 인해 총 질소 유입 및 유출량이 모두 소폭 감소하였다. 임야지역도 마찬가지로 유입 질소량이 점차 감소하고 있는 것으로 나타났다.

2011년부터 2019년까지 총 질소수지는 유입량이 약 6% 증가했으며, 유출량은 약 3.4% 감소하였다(Fig. 7) [8,16]. 총 유입 질소량은 가축 사육두수 증가로 인한 사료량 및 발생된 축산 분뇨 퇴비화율 증가와 자동차 및 발전연료 사용량 증가로 인해 전체적으로 늘어난 것으로 나타났다. 총 질소 유출량 감소는 농업면적 감소에 따른 탈질 및 휘발량 감소와 비점오염원으로 수계로 유출되는 양 및 사업장에서의 질소산화물 배출량 감소가 영향을 준 것으로 조사되었다.

무기화학비료로 인한 질소 유입량은 지난 9년간 점차 감소하였으나 여전히 많은 양이 사용되고 있으며, 화석연료 사용을 통해 생활 및 산업에 투입되는 질소량은 증가하였다. 질소배출량도 전체적으로 감소하고 있으나, 인간활동으로 인한 질소산화물 생성으로 인해 현재까지도 많은 양의 질소들이 대기 중으로 직접적으로 배출되고 있다. 따라서 무기화학비료 사용량을 줄이고 이를 위한 대체 비료가 효과적으로 적용되어야 하며, 화석연료 사용으로 인한 질소산화물 발생을 감소시키기 위한 대책 마련이 필요하다고 생각된다.