This study investigated organic carbon fluxes in Ulleung Basin sediments, East Sea based on a chamber experiment and geochemical analyses. At depths greater than 2,000 m, Ulleung Basin sediments have high organic carbon contents (over 2.0%). Apparent sedimentation rates (ASR) calculated from excess ...
This study investigated organic carbon fluxes in Ulleung Basin sediments, East Sea based on a chamber experiment and geochemical analyses. At depths greater than 2,000 m, Ulleung Basin sediments have high organic carbon contents (over 2.0%). Apparent sedimentation rates (ASR) calculated from excess $^{210}Pb$ activity distribution, varied from 0.036 to $0.047\;cm\;yr^{-1}$. The mass accumulation rates (MAR) calculated from porosity, grain density (GD), and ASR, ranged from 131 to $184\;g\;m^{-2}\;yr^{-1}$. These results were in agreement with sediment trap results obtained at a water depth of 2100 m. Input fluxes of organic carbon varied from 7.89 to $11.08\;gC\;m^{-2}\;yr^{-1}$ at the basin sediments, with an average of $9.56\;gC\;m^{-2}\;yr^{-1}$. Below a sediment depth of 15cm, burial fluxes of organic carbon ranged from 2.02 to $3.10\;gC\;m^{-2}\;yr^{-1}$. Within the basin sediments, regenerated fluxes of organic carbon estimated with oxygen consumption rate, varied from 6.22 to $6.90\;gC\;m^{-2}\;yr^{-1}$. However, the regenerated fluxes of organic carbon calculated by subtracting burial flux from input flux, varied from 5.87 to $7.98\;gC\;m^{-2}\;yr^{-1}$. Respectively, the proportions of the input flux, regenerated flux, and burial flux to the primary production ($233.6\;gC\;m^{-2}\;yr^{-1}$) in the Ulleung Basin were about 4.1%, 3.0%, and 1.1%. These proportions were extraordinarily higher than the average of world open ocean. Based upon these results, the Ulleung Basin might play an integral role in the deposition and removal of organic carbon.
This study investigated organic carbon fluxes in Ulleung Basin sediments, East Sea based on a chamber experiment and geochemical analyses. At depths greater than 2,000 m, Ulleung Basin sediments have high organic carbon contents (over 2.0%). Apparent sedimentation rates (ASR) calculated from excess $^{210}Pb$ activity distribution, varied from 0.036 to $0.047\;cm\;yr^{-1}$. The mass accumulation rates (MAR) calculated from porosity, grain density (GD), and ASR, ranged from 131 to $184\;g\;m^{-2}\;yr^{-1}$. These results were in agreement with sediment trap results obtained at a water depth of 2100 m. Input fluxes of organic carbon varied from 7.89 to $11.08\;gC\;m^{-2}\;yr^{-1}$ at the basin sediments, with an average of $9.56\;gC\;m^{-2}\;yr^{-1}$. Below a sediment depth of 15cm, burial fluxes of organic carbon ranged from 2.02 to $3.10\;gC\;m^{-2}\;yr^{-1}$. Within the basin sediments, regenerated fluxes of organic carbon estimated with oxygen consumption rate, varied from 6.22 to $6.90\;gC\;m^{-2}\;yr^{-1}$. However, the regenerated fluxes of organic carbon calculated by subtracting burial flux from input flux, varied from 5.87 to $7.98\;gC\;m^{-2}\;yr^{-1}$. Respectively, the proportions of the input flux, regenerated flux, and burial flux to the primary production ($233.6\;gC\;m^{-2}\;yr^{-1}$) in the Ulleung Basin were about 4.1%, 3.0%, and 1.1%. These proportions were extraordinarily higher than the average of world open ocean. Based upon these results, the Ulleung Basin might play an integral role in the deposition and removal of organic carbon.
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가설 설정
210Pb 과잉 활동도는 퇴적물 깊이에 따라 로그함수적으로 감소하므로 실제로는 선형회귀분석을 통하여 210Pb 과잉 활동도의 깊이에 따른 감소율을 구하여 평균 퇴적속도를 구하였다. 그러나 퇴적물의 상부 수 cm에서는 퇴적물의 혼합작용으로 인해 210Pb 과잉 활동도가 동일한 값을 나타내는 경우가 있는데, 이러한 퇴적물 상부를 퇴적물 표층교란층이라고 가정하고 210Pb 과잉 활동도가 감소하기 시작하는 깊이에서부터 퇴적속도를 계산하였다.
외부적 방패기능은 유기물이 무기 퇴적 물질의 미세한 구멍 속에 흡착되었을 때 일어나는 기능으로 효소의 가수분해 작용을 물리적으로 막는 것이다(Mayer 1994). 둘째는 유기물이 입자들을 결합시키는 접착제 역할을 한다는 것이다. 입자들 사이에서 POC는 물리적 보호를 받을 수 있어서 입자가 분해된 후에 POC가 분해된다는 설이다.
제안 방법
210Pb 과잉 활동도는 일반적으로 각 시료의 210Pb 총 활동도에서 226Ra 활동도를 빼서 결정하지만, 본 연구에서는 210Pb 활동도의 기울기 변화로써 210Pb 활동도의 배경 농도를 구하여 계산하였다. 210Pb 활동도는 표층교란층(surface mixed layer; SML) 아래에서 로그함수적으로 감소하다가 일정 깊이 이하에서는 거의 변화 없는 일정한 농도를 보인다.
031 year−1), z는 퇴적물의 깊이(cm), A0는 표층에서의 210Pb 과잉 활동도(dpm g−1)이며 Az는 깊이 z에서의 210Pb 과잉 활동도이다. 210Pb 과잉 활동도는 퇴적물 깊이에 따라 로그함수적으로 감소하므로 실제로는 선형회귀분석을 통하여 210Pb 과잉 활동도의 깊이에 따른 감소율을 구하여 평균 퇴적속도를 구하였다. 그러나 퇴적물의 상부 수 cm에서는 퇴적물의 혼합작용으로 인해 210Pb 과잉 활동도가 동일한 값을 나타내는 경우가 있는데, 이러한 퇴적물 상부를 퇴적물 표층교란층이라고 가정하고 210Pb 과잉 활동도가 감소하기 시작하는 깊이에서부터 퇴적속도를 계산하였다.
각 깊이 별로 절개한 퇴적물 시료는 건조시켜 분쇄하였고, 분석오차가 알려진 208Po를 첨가하였다. 이 시료들은 질산과 염산으로 세 번의 녹여내고 건조시키는 과정을 반복하였다.
염산을 첨가하여 녹인 시료는 원심분리기를 이용하여 용액과 녹지 않고 남은 덩어리로 분리하였다. 각 시료에서 용해된 Po 동위원소들은 한국기초과학지원 연구원에서 silicon-surface-barrier 검출기와 결합된 멀티채널분석기로 분석하였고, 210Pb의 활동도는 손녀 핵종인 210Po의 알파 활동도를 측정하여 결정하였다.
φ는 공극률(porosity)이고, GD(Grain Density)는 퇴적물 밀도이다. 공극률과 GD는 퇴적물 깊이 15 cm 이하에서의 평균값을 사용하여 각 정점에서의 MAR를 계산하였다. 정점 D2, D3, D4에서의 MAR는 각각 184, 131, 161 g m−2 yr−1이었다(Table 1).
4). 그러나 상자형 시추기를 이용하여 퇴적물을 선상으로 회수하는 과정과 부시료를 채취하는 과정에서 퇴적물 최상부에는 교란이 생길 가능성이 있으므로, 퇴적물 최상부의 자료는 제외하고 퇴적속도를 계산하였다. 210Pb과잉 활동도로 계산한 겉보기 퇴적률(apparent sedimentation rate: ASR)은 정점 D2, D3, D4에서 각각 0.
5℃를 유지하였고, 용존산소의 농도 계산시에 온도를 보정하여 주었다. 그리고 챔버실험의 처음 시작과 끝부분에서 부시료를 채취하여 용존산소의 농도를 적정법으로 측정하여 센서의 오차를 보정하였다.
퇴적물 배양 챔버 실험을 통하여 상층수의 용존산소 농도의 감소 기울기로서 산소소모율(oxygen consumption rate)을 측정하였다. 상자형 시추기에서 내경 130 mm, 길이 300 mm의 둥근 아크릴 챔버를 이용하여 퇴적물 깊이를 120 mm 정도로 퇴적물 부시료를 채취한 후, 저층수 약 2l를 채워서 냉장 상태에서 48시간 이상 배양실험을 하였다. 챔버에는 용존산소량계(dissolved oxygen sensor, OOM-223-DS-41)를 장착하여 1시간에 2번 이상 그 값의 변화를 관찰하였다.
심층에서 퇴적물로 침강하는 유기탄소 퇴적플럭스는 MAR에 침강하는 심층 부유퇴적물의 유기탄소 농도를 곱하여 구하였다. 침강하는 심층 부유퇴적물의 유기탄소 농도는 KORDI (2003)에서 울릉분지의 심해에 퇴적물 채집기를 약 1년 동안 계류하여 구한 유기탄소 농도를 사용하였다.
울릉분지 퇴적물의 유기탄소 매장플럭스는 MAR에 퇴적물 깊이 15 cm 아래의 유기탄소 함량 평균값을 곱하여 구하였다. 퇴적물 깊이 15 cm 아래의 깊이에서 유기탄소 함량은 거의 변화가 없이 일정한 함량 분포를 보이는 것은 더 이상 유기탄소의 분해가 일어나지 않고 그 상태로 보존된다고 판단하였다.
210Pb 활동도는 표층교란층(surface mixed layer; SML) 아래에서 로그함수적으로 감소하다가 일정 깊이 이하에서는 거의 변화 없는 일정한 농도를 보인다. 이 깊이에서의 210Pb 활동도 평균을 배경 농도로 결정하고, 각 깊이에서의 210Pb 활동도에서 배경농도를 빼서 210Pb 과잉 활동도를 결정하였다. 210Pb을 이용한 퇴적속도 계산은 생물학적, 물리적 작용에 의한 표층퇴적물의 교란이 없다고 가정하면 아래의 식으로 계산되어진다(Zou and Yu 1985; Park et al.
유기탄소 분석용 부시료는 직경 120 mm 아크릴 코어를 이용하여 채취한 후 1~2 cm 간격으로 절개하여 50 ml 플라스틱 병에 담아 냉장 보관하였다. 이것을 실험실로 운반하여 건조시킨 후 무게를 재어 함수율을 측정하였고, 건조시킨 퇴적물 시료를 분말화하여 총탄소 함량과 무기탄소 함량을 측정하였다. 총탄소 함량과 총질소 함량은 CNS 원소분석기(Carlo-Erba Ltd.
상자형 시추기에서 내경 130 mm, 길이 300 mm의 둥근 아크릴 챔버를 이용하여 퇴적물 깊이를 120 mm 정도로 퇴적물 부시료를 채취한 후, 저층수 약 2l를 채워서 냉장 상태에서 48시간 이상 배양실험을 하였다. 챔버에는 용존산소량계(dissolved oxygen sensor, OOM-223-DS-41)를 장착하여 1시간에 2번 이상 그 값의 변화를 관찰하였다. 배양실험을 하는 동안 냉장고의 온도는 0.
)를 이용하여 분석하였다. 총유기탄소(total organic carbon; POC) 함량은 총탄소 함량에서 무기탄소 함량을 빼서 계산하였다. 퇴적물 밀도는 밀도측정기(AccuPyc 1330, Micromeritics Ltd.
이것을 실험실로 운반하여 건조시킨 후 무게를 재어 함수율을 측정하였고, 건조시킨 퇴적물 시료를 분말화하여 총탄소 함량과 무기탄소 함량을 측정하였다. 총탄소 함량과 총질소 함량은 CNS 원소분석기(Carlo-Erba Ltd.)를 이용하여 분석하였고, 무기탄소(inorganic carbon: IC) 함량은 Coulometric 탄소분석기(UIC Ltd.)를 이용하여 분석하였다. 총유기탄소(total organic carbon; POC) 함량은 총탄소 함량에서 무기탄소 함량을 빼서 계산하였다.
총유기탄소(total organic carbon; POC) 함량은 총탄소 함량에서 무기탄소 함량을 빼서 계산하였다. 퇴적물 밀도는 밀도측정기(AccuPyc 1330, Micromeritics Ltd.)를 이용하여 측정하였다.
퇴적물 배양 챔버 실험을 통하여 상층수의 용존산소 농도의 감소 기울기로서 산소소모율(oxygen consumption rate)을 측정하였다. 상자형 시추기에서 내경 130 mm, 길이 300 mm의 둥근 아크릴 챔버를 이용하여 퇴적물 깊이를 120 mm 정도로 퇴적물 부시료를 채취한 후, 저층수 약 2l를 채워서 냉장 상태에서 48시간 이상 배양실험을 하였다.
퇴적물의 퇴적속도는 210Pb 과잉 활동도를 결정하여 계산하였다. 210Pb 과잉 활동도는 일반적으로 각 시료의 210Pb 총 활동도에서 226Ra 활동도를 빼서 결정하지만, 본 연구에서는 210Pb 활동도의 기울기 변화로써 210Pb 활동도의 배경 농도를 구하여 계산하였다.
대상 데이터
퇴적물 시료는 상자형 시추기(box corer)를 이용하여 채취한 후, 챔버 실험, 용존산소 수직분포 측정 및 지화학적 분석을 위해 부시료를 채취하였다. 유기탄소 분석용 부시료는 직경 120 mm 아크릴 코어를 이용하여 채취한 후 1~2 cm 간격으로 절개하여 50 ml 플라스틱 병에 담아 냉장 보관하였다.
침강하는 심층 부유퇴적물의 유기탄소 농도는 KORDI (2003)에서 울릉분지의 심해에 퇴적물 채집기를 약 1년 동안 계류하여 구한 유기탄소 농도를 사용하였다. 퇴적물 채집기의 계류지점은 정점 D4의 북쪽 방향으로 약 50 km 가량 떨어진 곳에 위치하고 있다(Fig. 1). 계류 기간은 1998년 12월 6일부터 2000년 1월 14일까지약 13개월이었고, 계류수심은 2100 m였다.
이론/모형
심층에서 퇴적물로 침강하는 유기탄소 퇴적플럭스는 MAR에 침강하는 심층 부유퇴적물의 유기탄소 농도를 곱하여 구하였다. 침강하는 심층 부유퇴적물의 유기탄소 농도는 KORDI (2003)에서 울릉분지의 심해에 퇴적물 채집기를 약 1년 동안 계류하여 구한 유기탄소 농도를 사용하였다. 퇴적물 채집기의 계류지점은 정점 D4의 북쪽 방향으로 약 50 km 가량 떨어진 곳에 위치하고 있다(Fig.
성능/효과
210Pb과잉 활동도로 계산한 겉보기 퇴적률(apparent sedimentation rate: ASR)은 정점 D2, D3, D4에서 각각 0.047, 0.036, 0.041 cm yr−1이었다(Table 1).
그래서 표층퇴적물에서의 물질수지 균형을 맞추기 위해 퇴적물로 퇴적되는 유기탄소 퇴적플럭스와 유기탄소 매장플럭스의 차로 계산한 유기탄소 재순환플럭스는 정점 D2, D3, D4에서 각각 7.98, 5.87, 7.15 gC m−2 year−1이고, 울릉분지 퇴적물에서의 평균 유기탄소 재순환플럭스는 7.00 gC m−2 yr−1이다(Table 2).
이러한 사항들을 고려하면 해양의 표층에서 생산된 유기탄소가 해저에 퇴적되고 매장되는 비율은 본 연구에서 제시한 비율보다 조금 더 낮은 값을 가질 가능성이 있다. 따라서 울릉분지 표층 해양의 일차생산성에 대한 퇴적물로 유입되는 유기탄소, 재순환하는 유기탄소, 매장되는 유기탄소 비율은 전 세계 연안역 평균과 외해 평균의 중간 정도 비율일 것으로 판단된다.
(1989)는 전 대양의 연안역과 외해에서 일차생산력에 대한 유기탄소 플럭스 비율을 계산하였다. 전대양의 외해에서 유기탄소 침강플럭스의 비율은 일차생산력의 약 10%이고, 퇴적물로 축적되는 퇴적플럭스 비율은 약 1%, 재순환되는 비율은 약 0.9%, 그리고 매장되는 비율은 약 0.1%라고 계산하였다. 울릉분지에서는 해양의 표층에서 생산된 유기물이 퇴적물로 퇴적되는 비율이 약 4.
2). 총유기탄소 함량과 총질소 함량은 좋은 상관관계를 보였는데(R2 = 0.94), 평균 총유기탄소와 총질소 비율은 7.09로 Redfield 비율과 큰 차이를 보이지 않았다(Fig. 3). 이는 울릉분지 심해에 퇴적된 유기물이 대부분 해양기원성임을 시사하고 있다.
총유기탄소 함량은 퇴적물 상부에서 2.2~2.7%의 범위였고, 10 cm 깊이까지 급격하게 감소하다가 15 cm 이하의 깊이에서는 약 1.5% 정도로 일정한 분포를 보였다(Fig. 2). 탄산칼슘 함량은 깊이에 따른 변화가 거의 나타나지 않았는데, 그 함량은 약 0.
퇴적물 내에서 유기탄소 수지(budget)를 균형에 맞게 재계산한 결과, 유기탄소 재순환플럭스는 5.87~7.98 gC m−2 yr−1 범위로 일차생산력의 약 2.5~3.4%이며, 퇴적물로 유입된 유기탄소의 약 73%가 분해되어 수층으로 되돌려지고 있다.
퇴적물 시료를 1~2 cm 간격으로 절개하여 함수율을 측정한 결과 퇴적물 표층에서 함수율은 약 80% 정도였고, 퇴적물의 깊이가 깊어질수록 점차 감소하다가 8 cm 이하의 깊이에서는 약 70% 정도로 일정한 경향을 나타내었다(Fig. 2). 정점 D2와 D4는 함수율에서 비슷한 경향을 보이는 반면 정점 D3에서는 퇴적물 전 깊이에서 일정한 수직 분포 양상을 보였다.
1%의 표층해양의 유기탄소가 퇴적물로 유입된다. 퇴적물에 유입된 유기물 중에서 분해되어 수층으로 되돌려지는 비율은 일차생산력의 약 3.0%이고, 퇴적물에 매장되어 제거되고 있는 유기탄소의 비율은 0.9~1.3% 범위로 평균 1.1%이다(Table 3). Ståhl et al.
퇴적물의 평균밀도는 모든 정점에서 약 2.64 g cm−3이었고, 공극수의 평균밀도는 1.02 g cm−3으로 간주하여 계산한 결과 공극률은 8 cm 이하의 깊이에서 평균 0.85이었다(Table 1).
평균 유기탄소 함량은 6.0%였고, MAR은 122 g m−2 year−1이었다.
후속연구
따라서 퇴적물에서의 탄소순환 연구는 전체 동해시스템의 탄소순환을 이해하는데 중요한 역할을 할 수 있다. 나아가 동해시스템의 탄소순환을 이해함으로써 지구의 기후변화가 동해 탄소순환에 미치는 영향을 파악할 수 있고, 역으로 동해 탄소순환 변화가 다시 대기 이산화탄소 농도변화에 영향을 미치기 때문에 미래의 기후변화 예측에 중요한 자료를 제공할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대기의 이산화탄소 농도가 급격하게 증가한 이유는?
1800년대 이후로 화석연료의 사용량이 급격하게 증가함에 따라 대기의 이산화탄소 농도가 급격하게 증가하였다. 대기의 이산화탄소 농도는 1800년에는 281±2 ppm이었으나 1994년에는 359±0.
해양의 표층에서 생산된 입자성 유기탄소의 특징은?
해양의 표층에서 생산된 입자성 유기탄소(particulate organic carbon: POC)는 해양의 표층(~200 m) 부근에서 대부분 다 분해되어 재순환되고 일부만 심해로 이동하게 된다. 심해로 이동하는 과정에서도 대부분의 유기탄소는 재순환되어 수층으로 되돌려지고 극히 일부만이 퇴적물로 침강하게 된다.
입자크기가 충분히 큰 유기물은 대기의 이산화탄소를 심해퇴적물로 수송하는 매우 중요한 역할을 한다고 본 이유는?
수직적인 유기탄소 플럭스는 입자의 침강속도에 비례하고, 입자의 크기와 침강속도 또한 비례한다. 즉 크기가 큰 입자가 빠른 속도로 침강하게 되면 재순환되어 수층으로 되돌아가는 유기탄소의 양은 감소하고, 퇴적물로 퇴적되는 양은 상대적으로 증가한다. 따라서 입자크기가 충분히 큰 유기물은 대기의 이산화탄소를 심해퇴적물로 수송하는 매우 중요한 역할을 한다(Trull et al.
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