토양과 식물체 시료의 동위원소 및 화학 지표를 이용한 적송 산림 생태계의 산성비 피해 평가 Isotopic and Chemical Compositions of Soil and Plant Samples of Red Pine Forests as Indicators of Acid Precipitation Disturbance원문보기
본 연구는 산림생태계의 산성비 피해 평가 지표로서의 적송 임분 시료 중 동위원소 및 화학적 조성 활용 가능성을 탐색하기 위해 수행되었다. 연구 목적을 위해 1) 대기오염 강도에 따른 적송 임분의 잎, 수피, 낙엽, 토양 시료의 동위원소 및 화학적 조성 조사, 2) 강우 산도와 적송 나이테 동위원소 및 화학적 조성간의 상관관계 구명, 3) 적송 나이테의 동위원소 및 화학적 조성을 이용한 과거 강우 pH 재구성에 관한 연구를 수행하였다. 공업지역(여수)과 농촌지역(...
본 연구는 산림생태계의 산성비 피해 평가 지표로서의 적송 임분 시료 중 동위원소 및 화학적 조성 활용 가능성을 탐색하기 위해 수행되었다. 연구 목적을 위해 1) 대기오염 강도에 따른 적송 임분의 잎, 수피, 낙엽, 토양 시료의 동위원소 및 화학적 조성 조사, 2) 강우 산도와 적송 나이테 동위원소 및 화학적 조성간의 상관관계 구명, 3) 적송 나이테의 동위원소 및 화학적 조성을 이용한 과거 강우 pH 재구성에 관한 연구를 수행하였다. 공업지역(여수)과 농촌지역(장성)에 위치한 적송 임분의 식물체(잎, 수피, 낙엽, 나이테)와 토양(유기 토양 층, 무기 토양 층) 시료를 채취하여 탄소 동위원소비(^(13)C/^(12)C, δ^(13)C), 질소 동위원소비(^(15)N/^(14)N, δ^(15)N), 질소농도와 Ca/Al을 분석하였다. 공업지역 1년생 잎(-30.8‰), 2년생 잎(-30.6‰), 수피(-28.4‰) 시료의 δ^(13)C가 농촌지역(각각 -28.0, -28.4, -27.3‰)에 비해 유의하게 (P<0.05) 낮았는데, 이는 공업지역에서 산업활동 과정 중 화석연료로부터 δ^(13)C가 낮은 CO₂의 배출량이 높기 때문으로 판단되었다. 시료의 δ^(15)N은 공업지역의 1년생 잎(-4.5‰), 2년생 잎(-4.8‰), 수피(-6.7‰), 낙엽(-3.4‰), 유기물 층(-5.8‰)이 농촌지역(각각 -2.8, -2.2, -3.8, -2.5, -3.0‰)에 비해 유의하게(P<0.05) 낮았는데, 이는 화석연료 연소 과정에서 δ^(15)N이 낮은 질소산화물의 배출과 지표로의 침적에 의한 결과로 판단되었다. 하지만, 각 시료 중 질소농도는 지역별 토양 고유의 질소유효도 차이에 의해 대기오염에 따른 차이가 없었다. Ca/Al은 공업지역의 1년생 잎 (7.4)과 2년생 잎(9.3)이 농촌지역(1년생 잎: 8.9, 2년생 잎: 11.5)에 비해 유의성있게 낮았다. 따라서, 잎 시료의 δ^(13)C, δ^(15)N, Ca/Al이 대기오염에 가장 민감한 지표로 활용될 수 있는 것으로 판단되었다. 하지만, 잎은 다른 시료에 비해 최근에 생성된 조직이기 때문에 과거 대기오염 이력 재구성을 위한 활용가치가 낮다는문제가 있다. 이러한 측면에서 수목 연륜은 나이테 생성 년도의 환경 정보를 저장하고 있기 때문에 나이테의 동위원소 및 화학적 지표를 이용하여 강우 산도등 과거 대기오염 이력 추정이 가능할 수 있다. 본 연구에서 두 지역 모두 지난 14년(1992년부터 2005년) 동안 적송 나이테의 동위원소 및 화학 조성과 강우산도 사이에 통계적으로 유의한 상관관계가 있었는데, 강우 산도가 증가함에 따라 질소 농도는 증가 하는 반면 δ^(13)C, δ^(15)N과 Ca/A1 비율은 감소하였다. 구체적으로 강우산도는 나이테 δ^(13)C 와 부의 상관관계(공업지역: r=-0.67, P<0.01, 농촌지역: r=-0.55, P<0.05), 질소 농도와 정의 상관관계(공업지역: r=0.89, P<0.001, 농촌지역:r=0.93, P<0.001), δ^(15)N과 부의 상관관계(공업지역: r=-0.63, P<0.05, 농촌지역: r=-0.63,P<0.05), Ca/Al과 부의 상관관계(공업지역: r=-0.58, P<0.05, 농촌지역: r=-0.67,P<0.01)를 나타냈다. 따라서, 나이테 중 δ^(13)C, δ^(15)N, 질소농도, Ca/Al과 강우 산도의 상관관계를 이용하여 과거에 발생한 산성비에 의한 적송 산림 생태계 피해 이력을 재구성할 수 있을 것으로 기대된다. 농촌지역 수목의 나이테 연령이 과거 강우 산도 재구성 모델을 개발하기 충분히 오래되었기 때문에 농촌지역에서 채취한 적송 나이테의 동위원소 및 화학적 조성과 강우 pH 자료를 이용하여 pH = 5.6- log [-0.032δ^(13)C + 1.2Ln(1.1N) + 14.6e^(-0.28Ca/Al))] (r²=0.75)의 다중 회귀식을 개발하였다. 향후 본 연구에서 제시한 연구방법론의 현장 적용성을 확인하기 위해서 과거 강우 pH 자료가 풍부한 지역에서 다양한 수종을 대상으로 한 추가적인 검증이 필요하다.
본 연구는 산림생태계의 산성비 피해 평가 지표로서의 적송 임분 시료 중 동위원소 및 화학적 조성 활용 가능성을 탐색하기 위해 수행되었다. 연구 목적을 위해 1) 대기오염 강도에 따른 적송 임분의 잎, 수피, 낙엽, 토양 시료의 동위원소 및 화학적 조성 조사, 2) 강우 산도와 적송 나이테 동위원소 및 화학적 조성간의 상관관계 구명, 3) 적송 나이테의 동위원소 및 화학적 조성을 이용한 과거 강우 pH 재구성에 관한 연구를 수행하였다. 공업지역(여수)과 농촌지역(장성)에 위치한 적송 임분의 식물체(잎, 수피, 낙엽, 나이테)와 토양(유기 토양 층, 무기 토양 층) 시료를 채취하여 탄소 동위원소비(^(13)C/^(12)C, δ^(13)C), 질소 동위원소비(^(15)N/^(14)N, δ^(15)N), 질소농도와 Ca/Al을 분석하였다. 공업지역 1년생 잎(-30.8‰), 2년생 잎(-30.6‰), 수피(-28.4‰) 시료의 δ^(13)C가 농촌지역(각각 -28.0, -28.4, -27.3‰)에 비해 유의하게 (P<0.05) 낮았는데, 이는 공업지역에서 산업활동 과정 중 화석연료로부터 δ^(13)C가 낮은 CO₂의 배출량이 높기 때문으로 판단되었다. 시료의 δ^(15)N은 공업지역의 1년생 잎(-4.5‰), 2년생 잎(-4.8‰), 수피(-6.7‰), 낙엽(-3.4‰), 유기물 층(-5.8‰)이 농촌지역(각각 -2.8, -2.2, -3.8, -2.5, -3.0‰)에 비해 유의하게(P<0.05) 낮았는데, 이는 화석연료 연소 과정에서 δ^(15)N이 낮은 질소산화물의 배출과 지표로의 침적에 의한 결과로 판단되었다. 하지만, 각 시료 중 질소농도는 지역별 토양 고유의 질소유효도 차이에 의해 대기오염에 따른 차이가 없었다. Ca/Al은 공업지역의 1년생 잎 (7.4)과 2년생 잎(9.3)이 농촌지역(1년생 잎: 8.9, 2년생 잎: 11.5)에 비해 유의성있게 낮았다. 따라서, 잎 시료의 δ^(13)C, δ^(15)N, Ca/Al이 대기오염에 가장 민감한 지표로 활용될 수 있는 것으로 판단되었다. 하지만, 잎은 다른 시료에 비해 최근에 생성된 조직이기 때문에 과거 대기오염 이력 재구성을 위한 활용가치가 낮다는문제가 있다. 이러한 측면에서 수목 연륜은 나이테 생성 년도의 환경 정보를 저장하고 있기 때문에 나이테의 동위원소 및 화학적 지표를 이용하여 강우 산도등 과거 대기오염 이력 추정이 가능할 수 있다. 본 연구에서 두 지역 모두 지난 14년(1992년부터 2005년) 동안 적송 나이테의 동위원소 및 화학 조성과 강우산도 사이에 통계적으로 유의한 상관관계가 있었는데, 강우 산도가 증가함에 따라 질소 농도는 증가 하는 반면 δ^(13)C, δ^(15)N과 Ca/A1 비율은 감소하였다. 구체적으로 강우산도는 나이테 δ^(13)C 와 부의 상관관계(공업지역: r=-0.67, P<0.01, 농촌지역: r=-0.55, P<0.05), 질소 농도와 정의 상관관계(공업지역: r=0.89, P<0.001, 농촌지역:r=0.93, P<0.001), δ^(15)N과 부의 상관관계(공업지역: r=-0.63, P<0.05, 농촌지역: r=-0.63,P<0.05), Ca/Al과 부의 상관관계(공업지역: r=-0.58, P<0.05, 농촌지역: r=-0.67,P<0.01)를 나타냈다. 따라서, 나이테 중 δ^(13)C, δ^(15)N, 질소농도, Ca/Al과 강우 산도의 상관관계를 이용하여 과거에 발생한 산성비에 의한 적송 산림 생태계 피해 이력을 재구성할 수 있을 것으로 기대된다. 농촌지역 수목의 나이테 연령이 과거 강우 산도 재구성 모델을 개발하기 충분히 오래되었기 때문에 농촌지역에서 채취한 적송 나이테의 동위원소 및 화학적 조성과 강우 pH 자료를 이용하여 pH = 5.6- log [-0.032δ^(13)C + 1.2Ln(1.1N) + 14.6e^(-0.28Ca/Al))] (r²=0.75)의 다중 회귀식을 개발하였다. 향후 본 연구에서 제시한 연구방법론의 현장 적용성을 확인하기 위해서 과거 강우 pH 자료가 풍부한 지역에서 다양한 수종을 대상으로 한 추가적인 검증이 필요하다.
In this study, the possible use of isotopic and chemical compositions of soil and plant samples as indicators of the impact of atmospheric pollution including acid precipitation on red pine (Pinus densiflora Sieb. et Zucc.) forest was investigated. For the objective, three experiments were conducted...
In this study, the possible use of isotopic and chemical compositions of soil and plant samples as indicators of the impact of atmospheric pollution including acid precipitation on red pine (Pinus densiflora Sieb. et Zucc.) forest was investigated. For the objective, three experiments were conducted; 1) isotopic and chemical compositions of foliage, bark, litter and soil samples from red pine stands at rural and industrial areas, 2)relationship between precipitation acidity and isotopic and chemical compositions of red pine tree rings, and 3) reconstruction of historical precipitation pH using isotopic and chemical compositions of red pine tree rings. Soil (organic and mineral layer) and plant (foliage, bark, litter, and tree rings) samples were collected from red pine forests at industrial (Yeosu) and rural (Jangsung) areas and analyzed for carbon isotope ratio(^(13)C/^(12)C, δ^(13)C), nitrogen isotope ratio (^(15)N/^(14)N, δ^(15)N), nitrogen concentration, and Cato-Al ratio. The δ^(13)C of 1-yr-old needle (-30.8‰), 2-yr-old needle (-30.6‰) and bark (-28.4‰) from industrial area were significantly (P<0.05) lower than those (-28.0‰, -28.4‰, and -27.3‰, respectively) from rural area. One-yr-old needle (-4.5‰), 2-yr-old needle (-4.8‰), bark (-6.7‰), litter (-3.4‰), and organic layer soil (-5.8‰) from industrial area showed significantly (P<0.05) lower δ^(15)N as compared with those (-2.8, -2.2, -3.8, -2.5 and -3.0‰, respectively) from rural areas. However, N concentrations of the samples were not different between industrial and rural areas. A significantly lower Ca-to-Al ratio in industrial (7.4 for 1-yr-old and 9.3 for 2-yr-old) than in rural areas (8.9for 1-yr-old and 11.5 for 2-yr-old) was only observed for needle samples. These results suggest that needles are the most sensitive samples to atmospheric pollution as all the variables except N concentration showed significant differences between industrial and rural areas. However, as needles are recently formed tissues, they may not be able to provide insights into the history of forest disturbance caused by atmospheric pollution. In this context, isotopic and chemical compositions of tree rings could be used in estimating the past history of precipitation acidity because tree ring tissues contain information on the environmental conditions when each ring was formed. In this study, isotopic and chemical compositions of tree rings were significantly (P<0.05) correlated with precipitation acidity during the past 14 years when precipitation pH was available in both study areas. In the both study areas, N concentration increased while δ^(13)C, δ^(15)N and Ca-to-Al ratio decreased in the growth rings with increasing precipitation acidity. Specifically, precipitation acidity was negatively correlated with δ^(13)C in industrial (r=-0.67, P<0.01) and rural areas (r=-0.55, P<0.05). A positive correlation with N concentration (r=0.89, P<0.001 in industrial area and r=0.93, P<0.001 in rural area) and a negative correlation with δ^(15)N (r=-0.63, P<0.05; r=-0.63, P<0.05, respectively) were observed. The Ca-to-Al ratio was negatively (r=-0.58, P<0.05; r=-0.67, P<0.01, respectively) correlated with precipitation acidity. Such relationships suggest that δ^(13)C, δ^(15)N, N concentration and Ca-to-Al ratio in tree rings can be reliably used to evaluate the historical impact of acid precipitation on the studied areas. Based on the correlation data in the rural area where tree ring ages were old enough for development of historical precipitation acidity reconstruction model, a regression model was developed as follows; pH = 5.6 - log [-0.032δ^(13)C + 1.2Ln(1.1N) + 14.6e^(-0.28Ca/Al))] (r²=0.75). Further studies using a variety of tree species in areas where long-term precipitation pH records are available for model validation are necessary to test the applicability of the methodology reported here.
In this study, the possible use of isotopic and chemical compositions of soil and plant samples as indicators of the impact of atmospheric pollution including acid precipitation on red pine (Pinus densiflora Sieb. et Zucc.) forest was investigated. For the objective, three experiments were conducted; 1) isotopic and chemical compositions of foliage, bark, litter and soil samples from red pine stands at rural and industrial areas, 2)relationship between precipitation acidity and isotopic and chemical compositions of red pine tree rings, and 3) reconstruction of historical precipitation pH using isotopic and chemical compositions of red pine tree rings. Soil (organic and mineral layer) and plant (foliage, bark, litter, and tree rings) samples were collected from red pine forests at industrial (Yeosu) and rural (Jangsung) areas and analyzed for carbon isotope ratio(^(13)C/^(12)C, δ^(13)C), nitrogen isotope ratio (^(15)N/^(14)N, δ^(15)N), nitrogen concentration, and Cato-Al ratio. The δ^(13)C of 1-yr-old needle (-30.8‰), 2-yr-old needle (-30.6‰) and bark (-28.4‰) from industrial area were significantly (P<0.05) lower than those (-28.0‰, -28.4‰, and -27.3‰, respectively) from rural area. One-yr-old needle (-4.5‰), 2-yr-old needle (-4.8‰), bark (-6.7‰), litter (-3.4‰), and organic layer soil (-5.8‰) from industrial area showed significantly (P<0.05) lower δ^(15)N as compared with those (-2.8, -2.2, -3.8, -2.5 and -3.0‰, respectively) from rural areas. However, N concentrations of the samples were not different between industrial and rural areas. A significantly lower Ca-to-Al ratio in industrial (7.4 for 1-yr-old and 9.3 for 2-yr-old) than in rural areas (8.9for 1-yr-old and 11.5 for 2-yr-old) was only observed for needle samples. These results suggest that needles are the most sensitive samples to atmospheric pollution as all the variables except N concentration showed significant differences between industrial and rural areas. However, as needles are recently formed tissues, they may not be able to provide insights into the history of forest disturbance caused by atmospheric pollution. In this context, isotopic and chemical compositions of tree rings could be used in estimating the past history of precipitation acidity because tree ring tissues contain information on the environmental conditions when each ring was formed. In this study, isotopic and chemical compositions of tree rings were significantly (P<0.05) correlated with precipitation acidity during the past 14 years when precipitation pH was available in both study areas. In the both study areas, N concentration increased while δ^(13)C, δ^(15)N and Ca-to-Al ratio decreased in the growth rings with increasing precipitation acidity. Specifically, precipitation acidity was negatively correlated with δ^(13)C in industrial (r=-0.67, P<0.01) and rural areas (r=-0.55, P<0.05). A positive correlation with N concentration (r=0.89, P<0.001 in industrial area and r=0.93, P<0.001 in rural area) and a negative correlation with δ^(15)N (r=-0.63, P<0.05; r=-0.63, P<0.05, respectively) were observed. The Ca-to-Al ratio was negatively (r=-0.58, P<0.05; r=-0.67, P<0.01, respectively) correlated with precipitation acidity. Such relationships suggest that δ^(13)C, δ^(15)N, N concentration and Ca-to-Al ratio in tree rings can be reliably used to evaluate the historical impact of acid precipitation on the studied areas. Based on the correlation data in the rural area where tree ring ages were old enough for development of historical precipitation acidity reconstruction model, a regression model was developed as follows; pH = 5.6 - log [-0.032δ^(13)C + 1.2Ln(1.1N) + 14.6e^(-0.28Ca/Al))] (r²=0.75). Further studies using a variety of tree species in areas where long-term precipitation pH records are available for model validation are necessary to test the applicability of the methodology reported here.
주제어
#Carbon isotope ratio Nitrogen isotope ratio Acid rain disturbance Forest Ca/Al ratio
학위논문 정보
저자
곽진협
학위수여기관
전남대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
지역.바이오시스템공학과
발행연도
2009
총페이지
133 p.
키워드
Carbon isotope ratio Nitrogen isotope ratio Acid rain disturbance Forest Ca/Al ratio
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