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문제 정의
- 본 연구에서는 강원도 오대산국립공원 내 질뫼늪과 울산 정족산 무제치늪에서 토양을 채취하여 토양 온도 변화와 부가적인 질소원의 공급이 산지습지 토양의 아산화질소의 배출에 어떠한 영향을 미치는지를 규명하고자 하였다.
- 이산화탄소의 농도, 온난화 정도, 토양 온도, 강우량, 토양수분함량, 탈질작용 등과 같은 요인들은 토양으로부터 아산화질소 (N2O)의 방출에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 산지 습지인 오대산 질뫼늪과 정족산 무체치늪 토양으로부터 온도변화에 따른 N2O 발생을 조사하였다. 7월 채취한 질뫼늪 토양은 온도가 증가함에 따라 N2O 발생이 증가하였으나 10oC에서는 유의한 차이를 보이지 않았다.
제안 방법
- N2O 가스의 정량은 HP-PLOT/Q 19095P-Q04 column을 사용하여 Gas Chromatograph (7890A GC, Agilent)를 이용하여 분석하였다(Detector, Electrion capture detector (ECD); Injection temperature, 250°C; Detector temperature, 320°C; Split ratio, 10 : 1; Column flow rate, 6 mL min-1).
- 4). N2O의 방출이 겨울과 봄보다는 여름에더 높다는 연구 결과(Cantarel et al., 2011)를 토대로 본 연구도 여름철인 7월과 9월에 실험을 진행하였다. 질뫼늪에서 7월에 채취한 토양과 9월에 채취한 토양의 N2O 배출량은 온도가 증가함에 따라 증가하는 양상을 보였다(Fig.
- 각 습지의 토양 시료는 외형적으로 균일한 토양단면을 갖는 장소를 선정하여 토양을 채취하였다. 채취한 토양을 실험실로 이동하는 동안에는 0~4°C의 아이스박스를 이용하여 냉장상태를 유지하였다.
- 동일량의 토양시료를 10 cm×10 cm×20 cm (H)의 고무마개가 달린 알루미늄 챔버에 넣어 밀봉한 다음 저온장치에 넣고 10분간 안정화시킨 후 1 mL 주사기(gas-tight syringer)를 이용하여 초기 가스 시료(control)를 포집하였다.
- 온도변화에 따라 배출되는 N2O 가스는 10°C, 15°C 그리고 20°C에서 4시간 간격으로 36시간 동안 배출되는 가스를 각 3반복으로 포집하였다. 또한 질소원 부가에 따른 N2O 가스 배출을 비교하기 위하여 1 N KNO3 용액과 1 N NH4 용액 200 mL을 각각 토양시료 챔버에 주입한 후 위와 동일한 방법으로 가스를 포집하였다.
- 온도변화에 따라 배출되는 N2O 가스는 10°C, 15°C 그리고 20°C에서 4시간 간격으로 36시간 동안 배출되는 가스를 각 3반복으로 포집하였다.
- 35 mg을 토양 분해 촉매제와 혼합하여 원소분석기용 호일을 이용하여 원소분석기 (Elemental Analyzer, ECS 4010)을 이용하여 분석하였다. 유기물함량은 원소분석기로 측정한 유기탄소로부터 유기물함량을 환산하였다.
- 채취한 토양의 일부는 토양 온도변화에 따른 아산화질소(N2O) 가스측정에 이용하였으며, 측정 후 토양은 상온(20~25°C)에서 풍건하여, 직경 2 mm 체로 체질하여 토양의 이화학적 특성 분석에 이용하였다.
- 토양 pH는 2 mm체를 통과한 음건 토양 5 g을 50 mL 삼각플라스크에 취하여 증류수 25 mL를 가한 다음 한 시간 동안 진탕한 후 방치한 다음 pH meter (Orion 710)를 이용하여 측정하였다. 토양 내 유기물함량과 질소함량은 토양 0.25~0.35 mg을 토양 분해 촉매제와 혼합하여 원소분석기용 호일을 이용하여 원소분석기 (Elemental Analyzer, ECS 4010)을 이용하여 분석하였다. 유기물함량은 원소분석기로 측정한 유기탄소로부터 유기물함량을 환산하였다.
대상 데이터
- ). N2O 배출량은 표준 N2O 가스를 이용하여 100 ppb에서 5 ppm까지 5단계로 희석하여 검량선 작성 후 사용하였다.
- 람사르 지정 습지 가운데 이탄의 발달 정도가 우수하고 접근성이 떨어져 보존상태가 양호한 오대산 국립공원 내 질뫼늪과 대암산 용늪과 더불어 국내 최대 이탄습지로 알려진 울산 정족산 무제치늪을 조사지로 선정하였으며, 조사지 개황은 Fig. 1과 같다.
데이터처리
- 통계처리는 SPSS 12.0을 이용하여 각 온도 처리구에서 3개씩 채취한 토양가스 시료의 N2O 누적발생량의 평균값을 구하였으며, 평균값의 유의한 차이는 Oneway ANOVA(Duncan test)를 이용하였으며, 계절별, 장소별, 질소원별의 평균값의 차이는 t-test를 이용하여 처리하였다.
이론/모형
- N2O 가스의 포집은 Static chamber method를 이용하였다(Smith et al., 2012). 동일량의 토양시료를 10 cm×10 cm×20 cm (H)의 고무마개가 달린 알루미늄 챔버에 넣어 밀봉한 다음 저온장치에 넣고 10분간 안정화시킨 후 1 mL 주사기(gas-tight syringer)를 이용하여 초기 가스 시료(control)를 포집하였다.
성능/효과
- 4A). 10oC에서 NO3-N을 추가한 토양의 아산화질소 배출량은 무질소 처리구에 비해 큰 차이를 보이지 않았으며, 온도에 따른 배출량도 거의 유사한 양상을 나타내었다. NH4Cl 용액 200 mL을 투입한 질뫼늪 토양은 36시간 후 10oC에서는 0.
- 3A). 10oC에서는 처리시간에 따른 차이가 거의 없었으나, 15oC 이상에서는 처리시간에 따라 누적 배출량은 다소 증가하는 양상을 보였다. 9월에 채취한 토양 또한 7월의 아산화질소 배출량과 거의 유사한 값을 보였다.
- 7월 채취한 질뫼늪 토양은 온도가 증가함에 따라 N2O 발생이 증가하였으나 10oC에서는 유의한 차이를 보이지 않았다. 15oC와 20oC 토양은 24시간까지는 증가하는 N2O 발생양상을 보였으나 그 이후 발생량의 뚜렷한 차이를 보이지 않았다, 전반적으로 온도처리에 따른 유의한 차이만을 보였다. 무제치늪 토양 또한 질뫼늪 토양과 유사한 경향을 보였다.
- 36시간 동안 발생량은 10°C에서는 0.016~0.019 mg∙m-2∙hr-1, 15°C에서는 0.040~0.044 mg∙m-2∙hr-1 그리고 20°C에서는 0.069~0.072 mg∙m-2∙hr-1의 N2O가 배출되었으며(Fig. 2A), 24시간 동안 누적 발생량은 10°C에서는 0.63±0.055 mg∙m-2, 15°C에서는 1.48±0.037 mg∙m-2 그리고 20°C에서는 2.52±0.015 mg∙m-2의 값을 보였다(Table 3).
- 7월 무제치늪 토양에서 산도는 평균 pH 5.01로 조사되었으며, 총 이온함량은 평균 4.28 μeq g-1 soil, 유기물함량은 21.33%, 총 질소함량은 평균 1.91%, 수분함량은 78.29%로 조사되었다.
- 7월 질뫼늪 토양에서 산도는 평균 pH 5.61로 조사되었으며, 총 이온함량은 평균 1.99 μeq g-1 soil, 유기물 함량은 30.20%, 총 질소함량은 평균 1.73%, 수분함량은 67.32%로 조사되었다.
- 7월 질뫼늪에서 채취한 토양을 챔버에서 10°C, 15°C 그리고 20°C로 조절한 후 4시간 간격으로 36시간 동안 측정한 결과, 모든 온도 처리구에서 처음 4시간 동안에 가장 많은 N2O가 발생되었으며, 시간이 흐름에 따라 발생량이 현저히 감소하는 양상을 보였다.
- 9월 채집한 15oC와 20oC 처리 토양의 24시간 누적 N2O 발생량은 각각 1.74±0.082와 2.74±0.062 mg∙m-2로 7월의 1.62±0.058과 2.64±0.040 mg∙m-2에 비해 많은 양의 N2O 가스가 배출되었으며, 7월과 9월간의 누적배출량에서 유의한 차이를 보였다(Table 3).
- 9월 채취한 무제치 토양에 질소처리를 달리하여 온도에 따른 N2O 배출량을 조사한 결과, 질소원을 처리하지 않은 토양(Fig. 3B)과 마찬가지로 처음 4시간 동안 가장 많은 N2O가 발생되었으며, 시간이 흐름에 따라 발생량이 현저히 감소하는 양상을 보였다. KNO3 용액을 투입한 무제치늪 토양에서는 처리 36시간 후 10oC에서 0.
- 3B)과 유의한 차이를 보이지 않았다. NH4Cl 용액 200 mL을 투입한 무제치늪 토양의 N2O 배출은 NO3--N 처리구와 거의 유사한 양상을 보였으며 36시간 후 10oC에서는 0.016~0.019 mg∙m-2∙hr-1, 15oC에서는 0.051~0.055 mg∙m-2∙hr-1 그리고 20oC 토양에서는 0.081 mg∙ m-2∙hr-1의 N2O가 배출하였으며(Fig. 5B), 10oC에서는 질소처리구간 차이를 거의 보이지 않았으며, 온도에 따른 질소처리구간에 배출량에 있어서도 거의 유사한 양상을 나타내었다. 질소원으로 NO3--N과 NH4+-N을 투입한 두 습지 토양 간에 아산화질소 발생량은 10oC와 15oC에서는 유의적인 차이를 보이지 않았으나, 20oC에서는 무제치늪이 질뫼늪보다 질소원 처리구에서 더 많은 N2O 누적 배출량을 보였다(P⁄0.
- 결론적으로, 이탄토양으로부터 배출하는 N2O의 양은 온도가 상승함에 따라 증가되는 양상을 보였으나 질소원의 종류와 부가량은 N2O 배출 양상에 큰 차이를 보이지 않은 것으로 조사되었다. 2011년 8월 현지 조사 시 이탄습지인 질뫼늪의 토양온도는 평균 15oC 그리고 무제치늪의 평균 19oC를 보였는데, 본 실험에서처럼 이탄토양의 온도가 상승된다면 더 많은 양의 N2O 가스가 발생될 것으로 예측되며, 이탄습지대의 N2O가스 발생은 한반도 기온 상승에도 영향을 미칠 수 있을 것으로 여겨진다.
- 결론적으로, 이탄토양으로부터 배출하는 N2O의 양은 온도가 상승함에 따라 증가되는 양상을 보였으나 질소원의 종류와 부가량은 N2O 배출 양상에 큰 차이를 보이지 않은 것으로 조사되었다. 2011년 8월 현지 조사 시 이탄습지인 질뫼늪의 토양온도는 평균 15oC 그리고 무제치늪의 평균 19oC를 보였는데, 본 실험에서처럼 이탄토양의 온도가 상승된다면 더 많은 양의 N2O 가스가 발생될 것으로 예측되며, 이탄습지대의 N2O가스 발생은 한반도 기온 상승에도 영향을 미칠 수 있을 것으로 여겨진다.
- 계절에 따른 토양의 산도와 유기물함량 간에는 유의적인 차이가 나타났으나(P⁄0.05), 총 이온함량, 총 질소함량, 수분함량에서는 큰 차이를 보이지 않았다.
- 무제치늪 토양 또한 질뫼늪 토양과 유사한 경향을 보였다. 부가적인 질소원 처리에 대해 두 습지 토양은 다소 증가하는 양상을 보였으나 질소부가나 질소원에 따른 유의한 차이를 보이지 않았다. 결론적으로 이탄토양으로부터 배출하는 N2O의 양은 온도가 상승함에 따라 증가되는 양상을 보였으나 질소원의 종류와 부가량은 N2O 배출 양상에 큰 차이를 보이지 않은 것으로 조사되었다.
- 위의 결과에서처럼 10oC 이하의 온도에서는 N2O가 거의 배출하지 않았으며, 15oC 이상의 온도에서 다소 많은 양의 N2O가 배출하는 것으로 보아 토양의 N2O 배출은 관련 토양세균의 활성이 15oC 이상의 온도를 요구하는 것으로 생각된다. 또한 15oC와 20oC에서 N2O 배출량의 유의적인 차이가 없었지만, 온도에 따른 배출량의 차이는 N2O 배출이 토양의 온도, pH 등과 같은 복합적인 상호작용의 결과로 여겨지며(Parton et al.
- 05). 전반적으로 7월 무제치늪 토양은 질뫼늪에 비해 15oC 이상의 온도에서 더 많은 아산화질소 배출량을 보였으며, 24시간 누적발생량에서 유의한 차이를 보였다(Table 3). 동일한 방법으로 9월에 채취한 토양을 측정한 결과, 10oC에서는 0.
- 전반적으로 두 습지 토양은 부가적인 질소 처리나 질소원에 따른 가스 배출양상에 있어서는 큰 차이를 보이지 않았으며, 단지 온도처리에 따른 배출량에서만 뚜렷한 차이를 보여주었다.
- 전반적으로 온도가 증가함에 따라 아산화질소의 배출량이 점차 증가하였으며, 10°C에서는 시간에 따른 큰 차이를 보이지 않았다.
- 질뫼늪 토양과 달리 무제치늪에서는 7월과 9월 채취한 토양 사이에 총 이온함량과 총 질소함량에서 유의적인 차이가 나타났으나 (P⁄0.05), 산도, 유기물함량 그리고 수분함량에서는 큰 차이를 보이지 않았다.
- , 1996). 질뫼늪 토양의 이화학적 특성을 조사한 결과, 계절에 따른 토양의 산도와 유기물 함량에서 차이를 다소 보였으나(Table 1), 이러한 차이에도 불구하고 토양의 N2O 가스 배출에서는 유의적인 차이를 보이지 않았다(Fig. 2). 무제치늪의 경우 총 이온함량과 총 질소함량에서 유의적인 차이를 보였지만, 토양에서 배출되는 N2O 가스량에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 조사되었다(Fig.
- 05). 질뫼늪에 비해 무제치늪 토양은 NO3--N을 투입한 토양이 NH4+-N을 투입한 토양보다 다소 높은 누적 N2O 가스발생량을 나타내었다(Table 4).
- 질소원으로 NO3--N과 NH4+-N을 투입한 두 습지 토양 간에 아산화질소 발생량은 10oC와 15oC에서는 유의적인 차이를 보이지 않았으나, 20oC에서는 무제치늪이 질뫼늪보다 질소원 처리구에서 더 많은 N2O 누적 배출량을 보였다(P⁄0.05).
후속연구
- 향후 이탄습지 토양의 N2O 배출양상을 보다 명확히 규명하기 위해서는 질소원의 차이, 질소의 시비, 토양효소 활성이나 질화세균의 활동성을 포함하여 다양한 요인에 대한 복합적인 연구가 진행될 필요가 있을 것이다. 부가하여, 이탄토양으로부터 온실가스를 배출시키는 원인을 명확히 밝히는 연구를 진행시킴과 동시에 온실가스를 저감할 수 있는 다양한 기술 개발을 위한 후속 연구 또한 이루어질 필요가 있다.
- 결론적으로 이탄토양으로부터 배출하는 N2O의 양은 온도가 상승함에 따라 증가되는 양상을 보였으나 질소원의 종류와 부가량은 N2O 배출 양상에 큰 차이를 보이지 않은 것으로 조사되었다. 향후 산지 이탄습지 토양의 N2O 배출양상을 보다 명확히 규명하기 위해서는 질소원의 차이, 질소의 시비, 토양효소 활성이나 질화세균의 활동성을 포함하여 다양한 요인에 대한 복합적인 연구가 진행될 필요가 있을 것이다.
- 2011년 8월 현지 조사 시 이탄습지인 질뫼늪의 토양온도는 평균 15oC 그리고 무제치늪의 평균 19oC를 보였는데, 본 실험에서처럼 이탄토양의 온도가 상승된다면 더 많은 양의 N2O 가스가 발생될 것으로 예측되며, 이탄습지대의 N2O가스 발생은 한반도 기온 상승에도 영향을 미칠 수 있을 것으로 여겨진다. 향후 이탄습지 토양의 N2O 배출양상을 보다 명확히 규명하기 위해서는 질소원의 차이, 질소의 시비, 토양효소 활성이나 질화세균의 활동성을 포함하여 다양한 요인에 대한 복합적인 연구가 진행될 필요가 있을 것이다. 부가하여, 이탄토양으로부터 온실가스를 배출시키는 원인을 명확히 밝히는 연구를 진행시킴과 동시에 온실가스를 저감할 수 있는 다양한 기술 개발을 위한 후속 연구 또한 이루어질 필요가 있다.
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