본 연구는 토양호흡 측정방법을 소개하고 국내에서 관측된 토양호흡 자료를 고찰하고, 토양호흡 관측 자료 비교시 발생하는 문제점을 정리하였다. 토양호흡측정 방법은 측정원리에 따라 알칼리흡습법, 밀폐상법, 밀폐상역학법, 통기법으로 분류된다. 국내 토양호흡연구를 종합분석한 결과, 국내의 생태계에 적용 된 토양 호흡 측정 방법은 밀폐상역학법(62%), 알칼리흡습법(17%), 통기법(13%), 밀폐상법(8%)이 이용되었고 이러한 방법에 사용된 기기로는 LI-6400-09, EGM-3, EGM-4, 자동토양호흡측정기 등이 있다. 또한, 국내 토양호흡은 대부분 산림 생태계에 국한되어 관측이 이루어졌으며 관측된 평균 토양호흡은 130~900mg $CO_2\;m^{-2}h^{-1}$ 범위였다. 그러나 국내 토양호흡 관측이 산발적 불연속적으로 이루어져 축적된 자료가 매우 빈약한 실정이며, 토양호흡의 상호 비교 및 정량화를 위해 측정방법간의 비교 및 오차에 대한 검증된 연구가 없어 관측된 토양호흡값의 상호비교가 어려운 실정이다. 이로 인해 한반도 생태계의 탄소수지의 정확한 예측자료를 생산하기 위한 기초 자료로서의 가치를 저하시키고 있다. 한반도 탄소순환 메커니즘의 이해를 위해서는 보다 다양한 생태계의 토양호흡 관측이 시급히 이루어져야하며 토양호흡을 조절하는 환경요인과 상호작용에 관한 연구, 다양한 기상 조건을 포함하는 토양호흡 연구가 절실히 요구된다. 더불어 토양호흡의 발생원 별 구분에 대한 국내의 연구결과는 대단히 미약한 수준으로 토양호흡의 메카니즘이해와 정확한 탄소수지이해를 위해 발생원 별 토양호흡량 정량에 대한 연구가 이루어져야한다.
본 연구는 토양호흡 측정방법을 소개하고 국내에서 관측된 토양호흡 자료를 고찰하고, 토양호흡 관측 자료 비교시 발생하는 문제점을 정리하였다. 토양호흡측정 방법은 측정원리에 따라 알칼리흡습법, 밀폐상법, 밀폐상역학법, 통기법으로 분류된다. 국내 토양호흡연구를 종합분석한 결과, 국내의 생태계에 적용 된 토양 호흡 측정 방법은 밀폐상역학법(62%), 알칼리흡습법(17%), 통기법(13%), 밀폐상법(8%)이 이용되었고 이러한 방법에 사용된 기기로는 LI-6400-09, EGM-3, EGM-4, 자동토양호흡측정기 등이 있다. 또한, 국내 토양호흡은 대부분 산림 생태계에 국한되어 관측이 이루어졌으며 관측된 평균 토양호흡은 130~900mg $CO_2\;m^{-2}h^{-1}$ 범위였다. 그러나 국내 토양호흡 관측이 산발적 불연속적으로 이루어져 축적된 자료가 매우 빈약한 실정이며, 토양호흡의 상호 비교 및 정량화를 위해 측정방법간의 비교 및 오차에 대한 검증된 연구가 없어 관측된 토양호흡값의 상호비교가 어려운 실정이다. 이로 인해 한반도 생태계의 탄소수지의 정확한 예측자료를 생산하기 위한 기초 자료로서의 가치를 저하시키고 있다. 한반도 탄소순환 메커니즘의 이해를 위해서는 보다 다양한 생태계의 토양호흡 관측이 시급히 이루어져야하며 토양호흡을 조절하는 환경요인과 상호작용에 관한 연구, 다양한 기상 조건을 포함하는 토양호흡 연구가 절실히 요구된다. 더불어 토양호흡의 발생원 별 구분에 대한 국내의 연구결과는 대단히 미약한 수준으로 토양호흡의 메카니즘이해와 정확한 탄소수지이해를 위해 발생원 별 토양호흡량 정량에 대한 연구가 이루어져야한다.
The objectives of this study were to introduce the methods of soil respiration measurement, to review soil respiration studies conducted in Korea, and to suggest potential issues generated from using various methods for soil respiration measurement. According to the measurement principles, the metho...
The objectives of this study were to introduce the methods of soil respiration measurement, to review soil respiration studies conducted in Korea, and to suggest potential issues generated from using various methods for soil respiration measurement. According to the measurement principles, the methods of soil respiration measurements are classified as: alkali absorption method (AA), closed chamber method (CC), closed dynamic chamber method (CDC), and open flow method (OF). Based on the litereaure review on soil respiration studies in Korea, the CDC method was mostly used by the researchers (62%), followed by the AA (17%), OF (13%) and CC (8%) methods. Along with these methods, various instruments were used such as LI-6400-09, EGM-3, EGM-4, and automatic soil respiration chamber. Most of the soil respiration measurements were carried out in forest ecosystems and the reported soil respiration showed a wide range of variations from 130 to 900 mg $CO_2\;m^{-2}h^{-1}$. Continuous monitoring of soil respiration with minimal disturbance and the potential inconsistency in measurements are still the challenges facing the researchers, causing a paucity in quality datasets of sufficient quantity. Few attempts of intercomparison among different methods hinder the data users from synthetic analysis and assessment of the collected datasets. In order to better estimate soil carbon budget and understand their exchange mechanisms in key ecosystems of Korea, it is necessary to measure soil respiration at various plant functional types, soils, and climate conditions over a decadal time scale along with the study on the partitioning of soil respiration into autotrophic and heteorotrophic components.
The objectives of this study were to introduce the methods of soil respiration measurement, to review soil respiration studies conducted in Korea, and to suggest potential issues generated from using various methods for soil respiration measurement. According to the measurement principles, the methods of soil respiration measurements are classified as: alkali absorption method (AA), closed chamber method (CC), closed dynamic chamber method (CDC), and open flow method (OF). Based on the litereaure review on soil respiration studies in Korea, the CDC method was mostly used by the researchers (62%), followed by the AA (17%), OF (13%) and CC (8%) methods. Along with these methods, various instruments were used such as LI-6400-09, EGM-3, EGM-4, and automatic soil respiration chamber. Most of the soil respiration measurements were carried out in forest ecosystems and the reported soil respiration showed a wide range of variations from 130 to 900 mg $CO_2\;m^{-2}h^{-1}$. Continuous monitoring of soil respiration with minimal disturbance and the potential inconsistency in measurements are still the challenges facing the researchers, causing a paucity in quality datasets of sufficient quantity. Few attempts of intercomparison among different methods hinder the data users from synthetic analysis and assessment of the collected datasets. In order to better estimate soil carbon budget and understand their exchange mechanisms in key ecosystems of Korea, it is necessary to measure soil respiration at various plant functional types, soils, and climate conditions over a decadal time scale along with the study on the partitioning of soil respiration into autotrophic and heteorotrophic components.
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문제 정의
또한 정확한 토양호흡의 시·공간 적분된 토양호흡 방출량 추정과 축적된 토양호흡 자료의 이용 효율을 증가하기 위한 방안을 제안하였다.
본 연구는 토양호흡 측정방법을 소개하고 국내에서 관측된 토양호흡 자료를 고찰하고, 토양호흡 관측 자료 비교시 발생하는 문제점을 정리하였다. 토양호흡 측정 방법은 측정원리에 따라 알칼리흡습법, 밀폐상법, 밀폐상역학법, 통기법으로 분류된다.
국내에서도 최근 생태계의 탄소순환에 관한 자료의 요구가 증가함에 따라 토양호흡에 대한 관심이 높아지고 있으며, 많은 연구자들에 의해 다양한 연구과제가 진행되고 있거나 계획되고 있다. 이러한 관점에서 본 논문에서는 국내외에서 토양호흡측정에 사용되는 측정방법, 측정기기 그리고 국내 생태계 토양호흡을 측정하기 위해 적용되어 수집된 토양호흡 자료들을 고찰하였다. 또한 정확한 토양호흡의 시·공간 적분된 토양호흡 방출량 추정과 축적된 토양호흡 자료의 이용 효율을 증가하기 위한 방안을 제안하였다.
그러나 국내 토양호흡 관측이 산발적·불연속적으로 이루어져 축적된 자료가 매우 빈약한 실정이며, 토양호흡의 상호 비교 및 정량화를 위해 측정방법간의 비교 및 오차에 대한 검증된 연구가 없어 관측된 토양호흡값의 상호비교가 어려운 실정이다. 이로 인해 한반도 생태계의 탄소수지의 정확한 예측자료를 생산하기 위한 기초 자료로서의 가치를 저하시키고 있다. 한반도 탄소순환 메커니즘의 이해를 위해서는 보다 다양한 생태계의 토양호흡 관측이 시급히 이루어져야하며 토양호흡을 조절하는 환경요인과 상호작용에 관한 연구, 다양한 기상 조건을 포함하는 토양호흡 연구가 절실히 요구된다.
제안 방법
농도를 집적하는 방법이 토양호흡측정에 사용되었다. 이 방법은 챔버내부 공기를 일정 시간 간격으로 주사기 또는 진공상태로 만든 작은 용기에 채취한 후, 채취한 공기를 실험실에서 가스크로마토그라피를 이용하여 CO2 농도를 측정한다. 일정 시간 변화된 CO2 농도로부터 토양 호흡을 계산하는 방법이다.
밀폐상법은 토양호흡 측정에서 가장 널리 이용되는 방법으로서, 측정하고자 하는 지면에 상하부가 개방된 원형 또는 사각형의 틀을 약 5cm 이내(리터 포함)로 토양 표면에 고정한 후 상부에 캡 형태의 뚜껑을 결착하여 지면과 캡 사이를 밀폐 상태로 만든다(Closed Chamber method, CC). 이후 밀폐된 내부 공기가 시간 경과에 따라 토양에서 방출되는 CO2 농도의 상승률, 즉 토양에서 방출되는 CO2양을 측정하여 단위 시간당 단위 면적당의 토양호흡을 계산한다(Fig. 1a, Table 1). 이때 CO2 농도 증가율의 측정은 적외선기체분석기가 발달하지 않았던 토양호흡측정 초기에는 CO2를 흡수하는 성질이 있는 알칼리용액(KOH 또는 NaOH)을 사용한 알칼리흡습법(Alkali Absorption method, AA)이 사용되었다(Kirita, 1971; Yim et al.
이론/모형
이 밖에도 우리나라의 발생원 별 토양호흡 구분에 관한 연구가 Son and Kim(1996)과 Pyo et al.(2003)에 의해서 뿌리제거방법으로 수행되어 토양호흡 중 뿌리의 기여도를 추정하였다. 이러한 노력에도 불구하고 현재 우리나라에서 수행된 여러 탄소순환 및 토양호흡연구 중 탄소순환을 정확히 이해하기 위해 필수적인 발생원 별 토양호흡에 관한 연구자료는 빈약한 실정이며 현재 조사 방법 별 제한 조건 및 그 조건을 보완하기 위한 연구도 미흡한 실정이다.
생태계 탄소수지는 크게 미기상학적 방법(micrometeorological method)과 생물측정학적 방법(biometric method)을 사용하여 측정한다. 미기상학적 방법은 공기의 이동 방향과 속도, 공기에 포함된 탄소농도의 변화로부터 대기에서 생태계 혹은 생태계에서 대기로의 탄소이동량, 즉 순생태계교환량(net ecosystem exchange) 을 정량화하는 방법이다.
1b). 이 측정시스템은 밀폐상에 펌프, 유량계, CO2 분석기 등을 밀폐상에 연결하여 직접 토양호흡을 짧은 기간 연속적으로 측정하는 방법(Closed Dynamic Chamber, CDC)으로 발전하였다(Frank et al., 2002). 최근에는 펌프와 유량계 없이 소형 CO2 분석기를 챔버내에 부착하여 밀폐상내 CO2 농도의 변화를 직접 측정하여 토양호흡을 계산하는 방법이 이용되고 있다(Nobuhiro et al.
1a, Table 1). 이때 CO2 농도 증가율의 측정은 적외선기체분석기가 발달하지 않았던 토양호흡측정 초기에는 CO2를 흡수하는 성질이 있는 알칼리용액(KOH 또는 NaOH)을 사용한 알칼리흡습법(Alkali Absorption method, AA)이 사용되었다(Kirita, 1971; Yim et al., 2003). AA 방법은 밀폐상 내에 알칼리용액으로 적신 스폰지를 작은 용기에 담아 놓아두면 알칼리용액은 챔버내 CO2를 흡수한다.
성능/효과
토양호흡 측정 방법은 측정원리에 따라 알칼리흡습법, 밀폐상법, 밀폐상역학법, 통기법으로 분류된다. 국내 토양호흡연구를 종합분석한 결과, 국내의 생태계에 적용 된 토양 호흡 측정 방법은 밀폐상역학법(62%), 알칼리흡습법 (17%), 통기법(13%), 밀폐상법(8%)이 이용되었고 이러한 방법에 사용된 기기로는 LI-6400-09, EGM-3, EGM-4, 자동토양호흡측정기 등이 있다. 또한, 국내 토양호흡은 대부분 산림 생태계에 국한되어 관측이 이루어졌으며 관측된 평균 토양호흡은 130~900mg CO2 m−2 h−1 범위였다.
국내에서 수행된 24개의 토양호흡 연구를 적용된 방법 별로 구분한 결과(Table 2), AA법 4개(17%), CC법 2개(8%), CDC법 15개(62%), OF법 3개(13%) 로 가장 널리 쓰이고 있는 방법은 CDC법이었다. 대부분의 연구에서 CDC법을 기초로 하여 만들어진 LI6400-09, EGM-3, EGM-4와 같은 휴대용 토양호흡 측정장치를 사용하였다.
(2005)은 동일한 조건의 환경과 토양에서 여러 가지 토양호흡측정 측기(EGM-2, EGM-4, LI-6400-09, AOCC)를 비교하는 실내실험을 실시하였다. 이 실험에서 관측된 토양호흡은 측기에 따라 30-40%의 차이를 보였는데 이는 토양의 불균일한 배수로 인한 토양 수분의 차이, 관측 공간의 차이로 인한 것으로 분석되었다. Chae et al.
후속연구
위와 같은 문제와 더불어 토양호흡의 발생원 별 구분에 대한 국내의 연구결과는 대단히 미약한 수준이다. 국외에서 수행된 연구의 결과나, 일부 연구자들에 의해 도출된 한정된 연구자료를 인용한 추정값을 사용하고 있는 실정으로 국내의 다양한 생태계에 대한 토양 호흡량과 특성뿐 아니라 발생원 별 토양호흡량의 정량에 대한 연구도 관심을 가져야 할 부분이다.
이와 함께 토양 환경, 미기상 조건, 식생 계절학을 반영하는 연속적인 토양호흡도 필요하다. 단기간 산발적 자료가 아니라 장기간 지속적 토양호흡관측을 위해서는 토양 환경, 미기상 조건을 동시에 측정할 수 있는 자동토양 호흡 연속측정장치가 수반되어야 할 것으로 사료된다.
한반도 탄소순환 메커니즘의 이해를 위해서는 보다 다양한 생태계의 토양호흡 관측이 시급히 이루어져야하며 토양호흡을 조절하는 환경요인과 상호작용에 관한 연구, 다양한 기상 조건을 포함하는 토양호흡 연구가 절실히 요구된다. 더불어 토양호흡의 발생원 별 구분에 대한 국내의 연구결과는 대단히 미약한 수준으로 토양호흡의 메카니즘이해와 정확한 탄소수지 이해를 위해 발생원 별 토양호흡량 정량에 대한 연구가 이루어져야한다.
1m, 부피 :1L)가 크지 않고 전력 소모량이 작아 휴대용 충전지만으로 전원공급이 가능하며 장소 이동이 용이하여 연구대상지 내에서 다양한 관측 지점을 자유로이 선정할수 있어 경사도가 급한 국내의 산악지형에서는 활용 효율이 높다는 장점이 있다. 연구대상지의 다양한 공간특성을 대표할 수 있는 자료를 관측할 수 있기 때문에 수집된 자료는 공간적 불균질성을 해석하는 연구에 이용 될 것으로 사려된다.
(2005)은 실험방법의 문제점과 효과적인 실내실험 체계 구축을 위해 실내 이산화탄소 농도 유지, 습도 유지 등의 개선방안을 제시하였다. 이러한 문제점으로 인해 이 연구에서는 토양호흡관측 기기간 차이의 정량화에 대한 명확한 결론을 도출하지 못하였다. 이처럼 현재까지 이루어진 연구에 사용된 방법 별로 비교분석하고 각 방법 별 오차나 그 오차를 보완 하기 위한 연구는 미흡한 실정임을 고려할 때, 관측기기의 표준화 및 측기 간 비교는 국내 토양호흡의 정량화를 위해 가장 우선 해결되어야 할 사안이다.
이러한 문제점으로 인해 이 연구에서는 토양호흡관측 기기간 차이의 정량화에 대한 명확한 결론을 도출하지 못하였다. 이처럼 현재까지 이루어진 연구에 사용된 방법 별로 비교분석하고 각 방법 별 오차나 그 오차를 보완 하기 위한 연구는 미흡한 실정임을 고려할 때, 관측기기의 표준화 및 측기 간 비교는 국내 토양호흡의 정량화를 위해 가장 우선 해결되어야 할 사안이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
토양권은 지구생태계의 탄소량의 몇 %를 차지하고 있는가?
토양권은 지구생태계에 축적된 총 탄소량의 50%이상을 차지하고 있으며(Vitousek, 1991), 토양권에서 대기로 방출되는 탄소는 약 75~120Gt CO2 yr−1로화석연료 방출양의 11~20배에 달한다(Raich and Potter, 1995; Schimel et al., 1996).
토양권에서 대기로 방출되는 탄소의 양은?
토양권은 지구생태계에 축적된 총 탄소량의 50%이상을 차지하고 있으며(Vitousek, 1991), 토양권에서 대기로 방출되는 탄소는 약 75~120Gt CO2 yr−1로화석연료 방출양의 11~20배에 달한다(Raich and Potter, 1995; Schimel et al., 1996).
탄소 순환을 정확하게 이해하려면 토양호흡을 타가영양체호흡과 뿌리호흡으로 구분하여 측정하는 것이 필요한 이유는?
토양호흡은 토양에 함유되어있는 유기물을 분해하여 에너지를 얻는 토양 미생물과 동물을 포함한 타가영양체호흡(HR)과 자가영양체인 식물의 뿌리에서 방출되는 뿌리호흡(Root Respiration, RR)의 합으로 정의된다. 따라서, 탄소 순환을 정확하게 이해하려면 토양호흡을 타가영양체호흡과 뿌리호흡으로 구분하여 측정하는 것이 필요하다.
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