한강 유역 내 퇴적지 유기물의 기원 및 안정화 특성 분석

Abstract

본 연구에서는 한강 유역의 북한강과 한강 본류를 대상으로 하여 수계 내 호수 및 하면 퇴적지 유기물의 기원 및 안정화 정도를 분석하였다. 상∙하류간 표층의 유기물 특성 비교를 통해 각 지점별 유기물의 기원과 안정화 정도를 알아보고자 하였으며, 지점별로는 퇴적층 형성과정에서 깊이에 따른 안정화 정도의 차이를 알아보고자 하였다. 조사된 퇴적토사(sediment deposits)는 퇴적지의 환경에 따라 하변토사(floodplain sediment)와 호수퇴적토사(lake bottom sediment)로 구분하였으며, 2011년 10월부터 2014년 8월 사이에 하변토사 6개 지점과 호수퇴적토사 5개 지점에서 총 38개의 시료를 채취하였다. 각 지점별 퇴적토사에 포함된 유기물의 그 기원을 파악하고 안정화 과정에서 어떠한 변화가 일어나는지 알아보기 위해 지질계 바이오마커(lipid biomarker), 탄소 및 질소의 안정동위원소(stable isotope), solution-state 1H Nuclear magnetic resonance(NMR)의 화학 분석법을 이용하였다. 지질계 바이오마커 결과를 통해 유기물의 기원을 알아본 결과, 산림토양 및 상류 지점에서는 식물체로부터 유래한 자연기원유기물의 비율이 81%에 달하였으나, 점차 하류로 내려오면서 인간 및 가축에서 유래하는 다양한 인위적기원유기물의 비율이 증가하는 것으로 나타났다. 대부분의 하변토사 및 호수퇴적토사의 탄소 및 질소 안정동위원소비는 산림 식생과 비교하였을 때 높은 값을 나타내었으며, 퇴적지 형태와 위치에 따라 원소 함량 및 안정동위원소비가 비교적 큰 차이를 보였다. 이는 주변 식생대 및 상류에서 유입되는 외부기원유기물의 영향을 많이 받는 하변토사에 비해 호수퇴적토사에서는 호수 내에서 광합성 및 유기물 분해를 통해 생성되는 내부기원유기물의 영향이 있음을 보여준다. 1H NMR 스펙트럼 비교를 통해 유기물의 주요 성분별 분해 과정에서 보이는 화학적 특성의 차이를 파악할 수 있었다. 산림토양 및 호수퇴적토사에서는 각 지점별로 유기물의 안정화 경향이 일정하게 드러난 반면 하변토사에서는 불규칙적인 경향을 보여 안정동위원소의 결과를 뒷받침하였다. 또한 자연기원유기물의 유입이 많은 상류지점에 비해 하류지점에서 유기물의 안정화 경향이 지점별로 증가하였다. 일부 선행연구와의 주장과는 달리, 본 연구 결과를 통해 한강 유역 내 퇴적지에 유입된 유기물은 퇴적지의 주변 환경에 따라 다양한 기원을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 퇴적지의 위치 및 깊이에 따른 주요 유기물 성분의 안정동위원소비 및 1H NMR 스펙트럼 또한 뚜렷한 차이를 나타내었다. 선행연구와는 달리 하천 시스템 내의 유기물 이동과 퇴적 과정에서 유기물의 화학적 특성 및 안정화 정도가 크게 변화할 수 있음을 의미한다. 이러한 연구 결과를 통해 지구탄소순환 내에서 퇴적지가 중요한 매개체로 작용할 수 있음을 확인하였다. 또한 추후 국내 및 하천과 호수 주변에 형성된 퇴적지의 유기물 거동에 대한 이해를 도울 수 있을 것으로 예상한다. ; Sediment deposits are “linkage” in the process of global carbon cycle from land into the ocean. But, little is known about chemical transformation of biodegradation and stabilization process in sediment deposits in a large watershed. The objective of this study is to understand differences of chemical transformation depending on the origin of organic matter in the sediment deposits. Han River watershed is the second largest watershed in Korea. Whereas forests are well preserved in upstream, there are cities like Seoul and Chuncheon, with high population density in downstream. Therefore, differences in organic matter deposition into sediment, decomposition and stabilization process could be observed between natural conditions and with anthropogenic disturbances. There are two kinds of deposited sediment, floodplain and lake bottom sediment. Samples are collected from 6 sites for floodplain sediments and 5 sites for lake bottom sediment from October, 2011 to August, 2014. All samples are analyzed using chemical analysis tools, which are lipid biomarker, carbon and nitrogen stable isotopes and solution-state 1H nuclear magnetic resonance(NMR) spectroscopy. According to lipid biomarker results, about 81% soil/sediment organic matter(SOM) in forest and upstream sediment deposits comes from natural sources. However, gradually increased ratio of anthropogenic sources, derived from human or/and animal fecal matters and other human activities, was observed in downstream. Particularly, Gayang site in West Seoul, which is the nearest to mouth of Han River, shows about 84.5% SOM derived from anthropogenic sources. Carbon and nitrogen elemental and stable isotope results reveal that all SOM might go through decomposition process in floodplain and lake bottom sediments. However, there is a difference in characteristics of sediment deposits depending on the origin of their organic matter since the origin of SOM is distinct by deposition environments. There is a similar tendency in 1H NMR spectra of floodplain and lake bottom sediment. Specially, relative abundance of carbohydrate and lignin composition decreased, whereas aliphatic composition increased, which is contained cuticular wax and peptides from microbial production during decomposition process in lake bottom sediment depending on the depth and along downstream. It might mean that SOM in sediment deposits goes through decomposition and stabilization process in the lake bottom sediment. But, 1H NMR spectra of floodplain sediment exhibited irregular pattern of stabilization process with the depth. It might be expected that the input of SOM is affected by surrounding vegetation as well as irregular pattern of deposition and erosion of SOM in sediment deposits due to fluctuation of flows in river. It is suggested that SOM might be input from various origins depending on their deposition environment and characteristics of SOM could affect the decomposition process in sediment deposits. Hence, these results suggest that the sediment deposits could play a key role in global carbon cycle, especially in fluvial system.