환경조건에 따른 토양의 혐기적 물질대사 변화가 온실기체 배출에 미치는 영향

Abstract

본 연구에서는 온도 증가와 질소농도 차이가 산지와 습지 토양 내 유기물 분해속도에 미치는 영향에 대해 알아보고자 한다. 또한 온도 증가와 질소농도 차이에 따른 유기물 분해속도가 토양에서 대기로 배출되는 온실기체의 배출률에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 경안천 유역의 산지와 습지를 대상으로 20 ℃를 기준으로 온도가 5 ℃, 10 ℃ 증가한 25 ℃, 30 ℃의 온도 상태를 모의해 토양 시료를 배양하였으며, 혐기적 유기물 분해속도와 온실기체 배출률을 측정하였다. 질소농도의 영향을 관찰하기 위해 질소(질산암모늄)를 추가하지 않은 시료 한 세트와 질소를 추가한 시료 한 세트를 2013년 7월부터 2014년 2월까지 그리고 2014년 9월부터 2015년 4월까지 두 번에 걸쳐 배양하였다. 토양의 물리·화학적 특성인 수분함량, 강열감량, C/N ratio, pH, 입도를 측정하였으며, 혐기적 물질대사 반응 중 탈질, 철환원, 메탄발생의 속도를 측정하였다. 또한 토양에서 대기로 방출되는 온실기체인 이산화탄소, 아산화질소 그리고 메탄의 배출률을 측정하였다. 토양의 혐기적 물질대사 분석 결과, 탈질률의 경우 2013년 7월부터 2014년 2월까지 습지와 산지 모두에서 증가하는 추세를 보였으며, 질소를 추가한 조건에서 탈질률의 증가가 더 크게 나타났다. 철환원율은 산지와 습지 모든 온도조건에서 시간이 지날수록 감소하는 경향을 보였으며 질소를 추가한 조건에서 더 높은 감소율을 보였다. 메탄발생량은 실험 초기부터 마지막까지 측정되지 않았다. 혐기적 물질대사 반응 중 주된 반응의 변화 양상을 살펴보면, 초기인 2013년 7월에는 질소를 추가하지 않은 20 ℃의 습지와 산지 조건에서 탈질이 주된 반응이고, 나머지 10개의 조건에서는 철환원이 주된 반응으로 작용하였다. 2014년 2월에는 모든 온도조건과 질소농도의 산지와 습지에서 탈질이 우세하였다. 따라서 초기에는 대부분의 온도조건과 질소농도에서 철환원율이 우세하였지만, 시간이 지날수록 탈질이 우세하게 분해작용의 속도가 변화하였다. 각 토양에서 배출되는 온실기체(이산화탄소, 아산화질소, 메탄)의 농도를 측정하여 배출률을 계산하였다. 2013년 산지의 이산화탄소 배출률은 초기에서 150일 후까지 감소하는 경향을 보였으며 20 ℃와 25 ℃의 온도조건에서 질소를 추가한 경우 이산화탄소 배출률이 더 크게 감소하였다. 2014년 산지 역시 2013년과 유사하게 초기에서 210일 후까지 감소하는 경향을 보였으며, 질소를 추가한 경우 이산화탄소의 배출률 감소폭이 더 컸다. 습지의 경우, 2013년에는 150일 이후 초기에 비해 이산화탄소 배출률이 증가하는 경향을 보였고, 2014년에도 대부분의 조건에서 이산화탄소 배출률이 증가하는 경향을 보였다. 2013년 산지 시료의 아산화질소 배출률은 질소를 추가하지 않은 조건에서 150일 후 초기에 비해 감소하였고, 20 ℃에서 감소율이 가장 높았다. 질소를 추가한 조건에서는 아산화질소 배출률이 증가하는 경향을 보였다. 습지의 아산화질소 배출률은 질소를 추가하지 않은 경우의 20 ℃, 30℃와 질소를 추가한 경우의 20 ℃에서 150일 이후 초기에 비해 이산화탄소 배출률이 증가했다. 2014년 산지 시료의 아산화질소 배출률은 210일 후 초기에 비해 증가하였고, 질소를 추가하지 않은 조건의 20 ℃에서 가장 높은 증가율을 보였다. 2014년 습지의 아산화질소 배출률 역시 산지와 동일하게 210일 후 초기에 비해 증가하는 경향을 보였으며, 질소의 농도가 높은 30 ℃의 조건에서만 감소하였다. 이산화탄소 배출률을 통해 온도에 따른 호흡률의 변화(Q10)를 계산한 결과, 전체적인 Q10의 범위는 0.11에서 4.41이고 산지의 Q10평균은 1.25±0.76, 습지의 Q10평균은 1.58±1.25로 Kirschbaum(1995)의 연구와 일치하는 결과를 보여주었다. 토양성상별 호흡률 변화를 살펴보면 산지의 경우 시간이 지날수록 Q10이 증가하였고, 습지의 경우 감소하였다. 이는 경안천 유역의 산지에서는 시간이 지날수록 온도에 대한 민감도가 증가하고, 질소의 농도가 높아졌을 때 시간에 따른 온도 민감도 변화폭이 증가하였다. 분해작용이 온실기체 배출에 미치는 영향을 알아보기 위해 혐기적 유기물 분해 과정에서 발생하는 이산화탄소 배출와 온실기체 발생을 비교하였다. 산지와 습지 모두 뚜렷한 경향성을 보이지는 않는 것으로 나타났다. 혐기적 물질대사에 의한 이산화탄소 배출과 발생한 온실기체 사이의 비율은 산지에서 6.3±1.3 %이고, 습지에서 4.1±2.1 %였다. 또한 질소를 추가하지 않은 산지의 혐기적 물질대사에 의한 이산화탄소 배출과 온실기체 배출 사이의 비율은 5.7±1.6 %이고, 질소를 추가한 산지에서는 6.8±2.1 %로 질소를 추가한 조건에서 배출률 비율이 높았다. 또한 습지의 경우 질소를 추가하지 않은 경우 4.7±3.7 %, 질소를 추가한 경우 3.4±2.4 %로 이 역시 산지와 마찬가지로 질소를 추가하지 않은 조건에서 배출률 비율이 더 높았다. 위의 결과로부터 토양 내 혐기적 물질대사가 대기 중 온실기체 배출에 미치는 영향은 적은 것으로 나타났다. 이러한 혐기적 물질대사에 의한 이산화탄소 배출률과 온실기체 배출률의 차이는 혐기적 물질대사에 의해 발생한 이산화탄소가 토양 내 다양한 생물학적·화학적 반응에 사용되거나, 토양에 물리적으로 저장되어 생긴 결과라 추정해 볼 수 있다.;The increase of atmospheric greenhouse gases has caused noticeable climate change. The increased temperature by climate change could dramatically change in the decomposition rate and greater losses of carbon from soil organic matter. Decomposition of organic carbon regulates both the amount of organic material which is stored in soils, as well as the amount of mineralized carbon that can be released into the atmosphere as greenhouse gases (CO2 and CH4). In addition, the largest increase in the N-deposition was expected in Asia due to the dramatic increase in anthropogenic activities. Previous results from N-deposition experiments led to apparently contradictory hypotheses regarding the decomposition of organic carbon in soil. N-deposition has been found to decrease the decomposition of chemically complex carbon compounds, while increasing decomposition rates of labile carbon pools. Combined changes in temperature increase and N-deposition have considerable potential to affect soil carbon sequestration/loss and soil nutrient cycling. This study investigated how the combined changes of temperature increase and N-deposition influence mineralization processes and C dynamics of two soil systems(wetlands and forest). For this objective, we conducted a growth chamber experiment to examine the effects of combined changes in temperature increase and N-deposition on the decomposition of organic carbon and emission of greenhouse gases from two different soil systems. The samples were collected in wetland and forest around Gyeongan stream of South Korea. Incubator experiment was conducted under the enhanced air temperature (controlled 20 ℃, 25 ℃ and 30 ℃) and nitrogen addition (low and high condition by using ammonium nitrate). GHGs (CO2, N2O, and CH4) were measured gas chromatograph. Results of experiment show that CO2 flux decrease with time at forest soil and increase at wetland. Moreover high temperature (25 ℃, 30 ℃) and high concentration of nitrogen cause emission more than 20 ℃. As time goes on, N2O flux decrease at low concentration of nitrogen, increase at high concentration in both of the soils. But cases of N22O flux have a lot of fluctuation. While CH4 flux was not detected at all of temperatures and soils.