온도 증가가 토양 내 유기물 분해속도 및 온실가스 발생에 미치는 영향에 관한 연구

Abstract

This study aimed to investigate the effects of the soil organic decomposition rate and greenhouse gas emissions caused by the increased temperature and N concentration. Soil samples from rice paddy, forest, wetland of the catchment of Gyeongan stream were incubated in two growth chambers which have different temperature and nitrogen concentration for 150 days. We measured water content, ignition loss, C/N ratio of soil chemicophysical property and denitrification, iron reduction, methanogenesis of anaerobic metabolism reaction rate, N2O, CO2, CH4 flux to know that metabolism reaction rate in soil affects greenhouse gas in the atmosphere. Through the Q10 value, we investigated change of respiration rate according to increased temperature. During the experiment, the water content of initial condition showed the higher value in order of wetland, rice paddy, forest. After 3 and 5 months, the water content showed the higher value in order of forest, wetland, rice paddy. All of sampling sites presented higher value at +10℃ condition than at +20℃ with low N concentration. The ignition loss increased from Initial to 5 months after. Initial condition showed the higher value in order of wetland, forest, rice paddy. After 3 and 5 months, forest showed the higher ignition value. C/N ratio decreased from initial to 5 months after. C/N ratio of initial condition showed higher value in order of forest, rice paddy, wetland. After 5 months, However, presented the lower value at the +20℃ condition with high N concentration for rice paddy, forest and wetland. There were significant differences of C/N ratio among the sampling sites (p<0.05, ANOVA). For the result of soil anaerobic metabolism, denitrification rate was not detected for rice paddy, forest except for wetland. After 3 months, rice paddy showed the higher value for +10℃ condition with low N concentration. Iron reduction rate showed the higher value in order of wetland, rice paddy, forest. After 3 months, iron reduction decreased for all sampling sites and showed the lower value for rice paddy. Methanogenesis was detected in three sampling sites at initial state and the higher value was reported for wetland. After 3 months, Methanogenesis was not detected for all of sampling sites. The comparison of anaerobic decomposition relative rate including denitrification, iron reduction, methanogenesis demonstrated that the methanogenesis was the main reaction for rice paddy, wetland at initial state. For forest, iron reduction was the main reaction. After 3 months, denitrification was the main reaction at +10℃ condition with high N concentration while iron reduction was the main reaction in +20℃ condition with low N concentration for forest, wetland. N2O flux increased after the first 3 months whereas the decrease trend was reported after 5 months. For rice paddy, N2O flux was higher at +20℃ condition with high N concentration, In contrast, N2O flux was higher at +10℃ condition for forest and wetland. CO2 flux was higher at +20℃ condition with low N concentration after 3 months for three sites and decreased afterward. CO2 emission occurred in short time and decreased afterward according to lower temperature sensitivity. After 5 months, CO2 flux increased at +10℃ condition for rice paddy and forest. In contrast, CO2 flux increased at +20℃ condition with high N concentration for wetland. Q10 increased after 3 to 5 months at 0-10℃ condition in three sites. For 10-20℃ condition, Q10 decreased in high N concentration for all conditions except for wetland. From these results, we can conclude that if the temperature increased, temperature sensitivity decreased during the experimental period. From the results of the research, it has been observed that the increase of temperature and nitrogen concentration effected on soil organic decomposition rate and greenhouse gas emission. Increased temperature caused the decreased of methanogenesis of organic decomposition process and controlling the CH4 emission. However, the increased denitrification affected the N2O emission. High N concentration also slowed down organic matter turnover and carbon cycle. Therefore we analogized that carbon will be the sink of soil. ;본 연구에서는 온도 증가가 성상이 다른 논, 산, 습지 토양 내 유기물 분해속도와 대기 중 온실가스 배출에 미치는 영향에 대해 알아보고자 하였다. 경안천 유역에 해당하는 논, 산, 습지 토양을 온도 설정이 다른 두 생장상에서 150 일 간 배양하였으며 질소 농도에 따른 영향을 보고자 질소 농도를 달리하여 그에 따른 변화를 관찰하였다. 토양의 물리화학적 특성인 수분함량, 강열감량, C/N ratio를 측정하였으며 혐기적 물질대사 반응속도인 탈질률, 철환원, 메탄발생량과 N2O, CO2, CH4 flux를 측정하여 토양 내 물질대사 반응속도가 대기 중 온실가스에 미치는 영향에 대해서 알아보았다. 또한 Q10을 통해 온도증가에 따른 호흡률의 변화를 알아보았다. 실험이 진행되는 동안 초기 수분함량은 습지, 논, 산의 순서로 높은 값을 보였으나 3 개월 후와 5 개월 후의 수분함량은 산, 습지, 논의 순서로 나타났다. 논, 산, 습지 모두 +10℃ 조건에서 높은 값을 나타냈으며 +20℃ 조건에서 질소 농도가 낮을 경우 낮은 수분함량을 나타내었다. 강열감량은 초기에 비해 시간이 지날수록 세 지역 모두 증가하였다. 초기 강열감량의 경우 습지, 산, 논의 순서로 높은 값을 보였으나 3 개월 후와 5 개월 후의 강열감량은 산이 가장 높은 값을 보였다. C/N ratio 결과 논, 산, 습지 모두 +20℃ 조건에서 질소 농도가 높은 경우에 가장 낮게 나타났으며 초기에서 5 개월 후로 갈수록 C/N ratio는 감소하는 경향을 보였다. 통계 결과 논과 산, 산과 습지사이에 C/N ratio가 유의한 차이를 보였으며 논과 습지 사이에는 비슷한 경향을 나타냈다(p<0.05, ANOVA). 토양의 혐기적 물질대사 분석 결과 탈질률은 초기에는 습지를 제외한 논과 산에서는 측정되지 않았으나 3 개월 후, 논에서 높은 탈질률을 보였다. 또한 환경 조건 중 +10℃ 조건에서 질소 농도가 낮은 경우에서 높은 값을 나타냈다. 철환원율은 초기에 습지, 논, 산의 순서대로 모두 높은 값을 보였으나 3 개월 후 세 지역 모두 감소하는 경향을 보였으며 그 중 논이 가장 높은 값을 보였다. 메탄발생량은 초기에 논, 산, 습지 세 지역 모두에서 측정되었으며 습지에서 가장 높은 값을 나타냈으나 3 개월 후 세 지역 모두 메탄발생은 일어나지 않았다. 탈질, 철환원, 메탄발생량 반응에 사용되어진 유기탄소의 양으로 혐기적 분해 반응 상대 속도 비교 결과 실험 초기에 논과 습지에서 메탄발생이 주된 반응을 나타냈으며 산의 경우 철환원이 주된 반응을 나타냈다. 그러나 3 개월 후, 초기의 주된 반응이었던 메탄발생과는 달리 +10℃ 조건에서는 탈질이 우세하게 나타났다. +20℃ 조건에서는 질소 농도가 낮을 경우 산과 습지에서 철환원이 주된 반응을 보였고 질소 농도가 높을 경우에는 탈질이 우세함을 보였다. 토양에서 배출 되는 온실가스인 N2O, CO2, CH4 농도를 측정하여 flux를 계산한 결과 실험기간 동안 CH4 은 측정되지 않았다. N2O flux는 습지의 +20℃ 조건을 제외하고 초기에서 3 개월 후로 증가하는 경향을 보였으나 3 개월 후에서 5 개월 후로 감소하는 경향을 보였다. 논의 경우 +20℃ 조건에서 질소 농도가 높을 경우 가장 높은 값을 나타냈으며 산과 습지는 +10℃ 조건에서 높은 값을 나타냈다. CO2 flux는 논, 산, 습지 모두 초기에서 3 개월 후로 +20℃ 조건에서 질소 농도가 낮을 경우 가장 높은 값을 나타냈으나 시간이 지날수록 감소하는 경향을 보였다. 이를 통해 온도가 높을 경우, 온도 민감도를 증가시켜 대기 중 CO2 방출이 빠른 시간 안에 일어났으나 시간이 지날수록 민감도가 낮아져 CO2 방출이 감소함을 판단할 수 있다. 또한 논과 산의 +10℃ 조건에서 초기에서 5 개월 후로 지속적으로 CO2 flux가 증가하는 경향을 보였으나 습지의 경우 이례적으로 +20℃ 조건에서 질소 농도가 높을 경우 증가하는 경향을 보였다. Q10 결과, 0-10℃ 조건에서 Q10 은 논, 산, 습지 모두 3 개월 후에서 5 개월 후로 증가하는 경향을 보였으나 10-20℃ 조건에서 Q10 은 습지의 질소 농도가 높은 경우를 제외하고 모두 감소하는 경향을 보였다. 이를 통해 높은 온도일수록 시간에 따라 온도 민감도가 낮아짐을 알 수 있었다. 본 연구 결과를 통해 온도 증가에 따라 토양 내 유기물 분해속도와 대기 중 온실가스 배출 양상이 달라질 수 있음을 알 수 있었으며 질소의 영향 또한 있음을 알 수 있었다. 온도가 높아질 경우 유기물의 분해 과정 중 메탄발생량을 감소시켜 대기 중 CH4 발생을 억제할 수 있으며 이로 인해 분해 과정의 초기 단계인 탈질률이 증가하여 대기 중 N2O 발생이 증진될 수 있음을 알 수 있었다. 또한 높은 질소 농도의 영향으로 인해 유기물질의 전환이 느려져 탄소 순환을 감소시킬 수 있기 때문에 질소가 탄소를 토양 내 sink로 만들 수 있음을 유추할 수 있었다.