유역 토지이용에 따른 강우 시 용존 및 입자성 유기물의 분광학적 특성과 생분해성 비교

Abstract

Dissolved organic matter (DOM)is important roles in aquatic ecosystem and terrestrial ecosystem. DOM is complex and mixture of organic matter derived from terrestrial and aquatic sources. There is a growing interest in transport and biodegradation of dissolved organic matter (DOM) and particular organic matter (POM) in inland waters. However, little is known about downstream changes in characteristics and biodegradability of DOM and POM in watersheds under increasing human influences such as agricultural runoff. Forest stream in 2008 and 2012, a total of 11 times in summer rainfall events were sampled, agricultural stream in July 2008 samples were taken twice. Rainfall over a short period, the concentration of organic carbon to evaluate changes in the optical properties of dissolved organic carbon (Dissolved organic carbon; DOC), particulate organic carbon (Particulate organic carbon; POC), UVA254 (UV absorbance at 254 nm), SUVA254 (Specific UV absorption at 254 nm), FI (Fluorescence index), HIX (Humification index), EEMs (Excitation Emission Matrices), PARAFAC (Parallel factor analysis) the analysis was conducted. Chemical analysis and the analysis of the relationship between flow rate and rainfall spectroscopic characteristics of the DOM hydrological regulator for smaller ratio. Changes in fluorescence EEMs during the incubation were compared for DOM, suspended sediment-derived DOM (SS-DOM), and reference materials (humic acid, fulvic acid, and algal extract), using a PARAFAC. BDOC concentrations were relatively low in both DOM (7-15% of the initial DOC concentrations) and SS-DOM (3-17%) across the three sites, compared to the labile algal extract (57%). 311 water samples were collected during rainfall event and the three fluorescence components identified by PARAFAC modeling (C1; Humic-like, C2; Fulvic-like, C3; Protein-like). Three PARAFAC components were explained by different type of terrestrial DOM sources from surrounding watershed during rainfall event. The 14-day laboratory incubations were performed with water samples collected during the peak flow period of a monsoon rainfall event at three locations: a headwater forest stream, an agricultural stream, and a downstream river. Along with biodegradable dissolved organic carbon (BDOC), Components 1 and 2 of both DOM and SS-DOM had increased comparison before incubation but, Component 3 was decreased during incubation periods. Site-specific changes in fluorescence during the short incubation suggest that fluorescence EEMs combined with PARAFAC can be efficiently used to investigate subtle changes in organic matter characteristics associated with biodegradation in inland waters under different levels of anthropogenic influences.;본 연구에서는 소양강 유역의 상류에 위치한 양구군 해안분지를 중심으로 산림 계류수와 하류의 하천을 대상으로 강우 및 유역의 토지이용 특성에 따른 용존 유기물(DOM: Dissolved organic matter) 및 입자성 유기물(POM: Particulate organic matter)의 분광학적 특성과 생분해성 차이를 비교하고자 하였다. 산림 계류수는 2008년도부터 2012년까지 총 11회의 여름철 강우사상을 대상으로 시료를 채취하였으며, 농경지 하천은 2008년 7월에 2회 시료를 채취하였다. 강우 중 단기간에 걸친 유기탄소의 농도와 분광학적 특성 변화를 알아보고자 용존 유기탄소(DOC: Dissolved organic carbon), 입자성 유기탄소(POC: Particulate organic carbon), UVA254(UV absorbance at 254 nm), SUVA254(Specific UV absorption at 254 nm), FI(Fluorescence index), HIX(Humification index), EEMs(Excitation Emission Matrices), PARAFAC(Parallel factor analysis)의 분석을 진행하였다. 화학분석 결과와 유량 및 강우량과의 관계를 분석하여 DOM의 분광학적 특성에 대한 수문학적 조절기작을 파악하였다. 산림 계류수와 해안분지 전체를 집수하는 농경지 하천인 만대천의 하류 및 농경지 및 도시지역의 영향을 받는 소양강 하류에서 강우 중 채취한 시료를 이용하여 14일 간의 단기 배양실험을 실시해 DOM 및 POM의 생분해성과 분광학적 특성 변화를 비교하였다. DOM 및 부유토사로부터 유래한 유기물(SS-DOM:Suspended sediment-DOM)을 비롯하여 하천 유기물의 성분을 비교하기 위하여 대조물질로 조류(Microcyctis aeruginosa, Scenedesmus obliquus, Selenatrum capricornutum)의 추출물질과 스와니강 휴믹산과 펄빅산 세 가지를 이용하여 미생물에 의한 하천유기물의 구성성분별 생분해성 및 분광학적 특성을 동시에 비교하였다. 산림 계류수 및 하천수 시료 311개의 fluorescence EEMs를 대상으로 PARAFAC 모델링을 실시하여 세 가지의 형광성분(C1; Humic-like, C2; Fulvic-like, C3; Protein-like)을 확인 하였다. 강우 시 산림계류수의 DOC와 POC의 농도는 전반적으로 유량과 비례하여 증가였으며, 특히 POC의 농도는 집중호우 시 유량 정점기에 빠른 속도로 증가하여 DOC 농도 증가를 상회하였다. 유기물의 부식질 성분에서 유래하는 광학적 특성의 지표인 UVA254, SUVA254, 및 HIX는 DOC의 농도에 비례하여 증가하는 반면, 수체기원 유기물의 형광지표인 FI는 반대의 경향을 나타냈다. 대부분의 강우사상에서 PARAFAC 모델링의 결과로 확인된 세 가지 성분 모두 DOC 농도에 비례하여 변화하는 일정한 경향을 보였으나, 산림계류수의 경우 강우 정점기에 휴믹산 기원인 C1이 다른 성분들에 비하여 상대적으로 높은 증가폭을 보였다. 또한 강우량의 변화는 많고 강우 강도가 높을수록 각 구성성분의 유입량이 증가하였으며, 구성성분별 형광강도와 유량의 증감은 일정한 관계(hysterisis)를 나타냈다. 강우 시 계류로 유입되는 DOM의 분광학적 특성과 유기물 형광특성을 비교하여 빗물, 수관통과우, 임상 유출수의 유기물 형광특성과 비교하였으며, DOM의 형광특성이 임상 유출수에 큰 영향을 받음을 알 수 있었다. DOM과 SS-DOM을 대상으로 한 생분해성 실험에서는 상류에서 하류로 갈수록 DOC 농도가 더 낮았으며, 최초 DOC 농도 중 BDOC의 비는 약 7~15% 생분해된 유기탄소(BDOC: Biodegradable DOC)로 분해되었다. 반면 SS-DOM은 최초 DOC 농도는 매우 낮았지만 DOM과 비슷한 약 2~16% 분해되었다. 조류 기원 유기물의 경우 57%의 높은 분해율을 보였다. 배양 전과 배양 후의 PARAFAC 모델링을 통한 형광 강도를 비교하였으며 C1과 C2에 해당하는 구성성분은 증가하였으며, C3은 감소하였다. 초기 시료의 특성이 달라도 미생물에 의한 분해를 통해 배양 후에는 주요 형광성분이 DOC 농도와 일정한 양의 상관관계를 보였다. C3 형광 성분이 나타내는 미생물 대사산물 같은 쉽게 분해되는 유기물의 양이 분해율을 결정하는 주요한 인자임을 확인하였다. 본 연구를 통해 강우 시 수문학적 조건의 변화가 산림 계류수 DOM의 유출량뿐만 아니라 분광학적 특성을 결정함을 확인하였다. 하류의 농경지 하천에서는 단백질 같이 분해가 잘되는 구성성분이 많이 함유되어 있을 경우 미생물의 의한 분해가 크게 증가함을 알 수 있었다. 이상의 결과를 종합하면 산림 계류수의 DOM 중 휴믹 성분이 강우 중에 다량 유출되어 하류 DOM의 분광학적 특성에 중요한 영향을 미침을 알 수 있다. 하류의 농경지 하천에서는 펄빅 및 단백질 성분이 DOM과 SS-DOM의 생분해성을 조절하는 인자로 작용하였다. 또한 Fluorescence EEMs 분석과 PARAFAC 모델링 결과를 활용하면 DOM뿐만 아니라 미량의 SS-DOM에 대해서도 하천 이동 중의 생분해성과 화학적 변환과정을 효과적으로 분석할 수 있음을 시사한다.