[논문]잔디밭에서 계절 변화에 따른 이산화탄소 플럭스 변동

김박사; 권병혁; 강동환

doi:10.5322/jesi.2014.23.6.1131

잔디밭에서 계절 변화에 따른 이산화탄소 플럭스 변동
Response of Soil CO2 Fluxes to Seasonal Variations in a Grassplot 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.23 no.6, 2014년, pp.1131 - 1142

김박사 (부경대학교 환경대기과학과) , 권병혁 (부경대학교 환경대기과학과) , 강동환 (부경대학교 지구과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the variations of the carbon dioxide fluxes were investigated with soil temperatures in the grassplot and seasonal variations of carbon dioxide concentrations and fluxes were analysed. Soil temperatures, carbon dioxide concentrations and fluxes were measured on the grassplot in Pukyong National University. Field measurements were carried out 25 times from March in 2010 to March in 2011 with nine points on the grassplot. Seasonal variations of carbon dioxide concentrations and fluxes showed an inverse relation. In summer, carbon dioxide concentrations are lower and carbon dioxide fluxes are higher. In winter, carbon dioxide concentrations are higher and carbon dioxide fluxes are lower. On the grassplot, carbon dioxide emission rate increase when the soil temperature is more than $20^{\circ}C$ and the emission rate decrease when the soil temperatures are less than $10^{\circ}C$. When the accumulated rainfall for five days before measurement day is 20~100 mm, it is showed that the more rainfall, the more carbon dioxide emissions. Carbon dioxide emission rate from the grassplot to the upper atmosphere was increased or decreased by the factors such as soil temperature, growth and wither of grass and rainfall. The results of this study showed that the emission of carbon dioxide in the grassplot is dominantly controlled by seasonal factors (especially soil temperature and rainfall).

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

잔디밭과 대기 사이의 이산화탄소 플럭스, 대기 중 이산화탄소 농도 및 토양 온도 관측은 2010년 3월부터 2011년 3월까지이며 관측은 9개 지점 모두에서 25회 반복 수행되었다. 관측은 측정기기의 오차를 최소화하기 위해 1대의 측정기로 오후 2시부터 3시 사이에 수행되었으며, 최대 1시간 이내에 측정되는 조건으로 측정 시간에 따른 편차를 최소화하였다. 잔디밭에서 측정 지점에 따른 공간적인 불균질성에 의한 이산화탄소 농도와 플럭스의 차이는 본 연구에서는 조절할 수 없었다.
본 연구에서는 잔디밭에서 24절기 동안 관측된 이산화탄소 플럭스와 농도, 지온 자료의 변동을 분석하였으며, 그 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 잔디밭에서 이산화탄소 플럭스 및 농도, 토양 온도(이후 “지온”으로 표현)를 관측하였으며, 계절 변화에 따른 지온과 강수량에 따른 잔디밭의 이산화탄소 방출량 변동을 분석하였다.
본 연구에서 이산화탄소 농도는 챔버 내에서 측정된 초기값이 적용되었으며, 측정 지점은 지표면 상부 10 cm 정도의 높이에서 측정된 것이다. 지온은 soil temperature sensor를 지표면 하부 5 cm 정도에 삽입하여 측정하였으며, 9개 측정 지점별 공간적인 불균질성(잔디 밀도, 토양 입도와 공극율 등)은 고려할 수 없었다(Fig. 2).

대상 데이터

본 연구는 부산시 남구 대연동에 위치한 부경대학교 내 잔디밭에서 수행되었다(Fig. 1). 잔디밭의 면적은 약 6000 m² 정도이며, 잔디의 분포는 비교적 균일하며 4계절에 따른 변화가 나타나고 있다.
잔디밭의 면적은 약 6000 m² 정도이며, 잔디의 분포는 비교적 균일하며 4계절에 따른 변화가 나타나고 있다. 잔디밭과 대기 사이의 이산화탄소 플럭스, 대기 중 이산화탄소 농도 및 토양 온도 관측은 2010년 3월부터 2011년 3월까지이며 관측은 9개 지점 모두에서 25회 반복 수행되었다. 관측은 측정기기의 오차를 최소화하기 위해 1대의 측정기로 오후 2시부터 3시 사이에 수행되었으며, 최대 1시간 이내에 측정되는 조건으로 측정 시간에 따른 편차를 최소화하였다.

이론/모형

2). 본체에는 이산화탄소량 측정을 위한 적외선가스분석기(infrared gas analyzer; IRGA)가 탑재되어 있고, 이산화탄소의 측정은 적외선 기체 분석법을 이용하여 마이크로프로세서의 제어를 통해 측정하여 정확도가 높다. 주기적으로 자동 영점(auto-zeroing) 보정을 수행하여 이산화탄소 측정을 위한 최적의 상태를 유지한다.

성능/효과

계절 변화에 의한 지온의 평균적인 차이는 22℃ 정도인 것으로 나타났으며, 이로 인해 잔디밭에서 이산화탄소의 방출량이 지배적으로 영향을 받고 있다. 계절에 따른 지온의 표준편차는 가을에 가장 높았으며, 변동계수는 겨울에 가장 높은 것으로 나타났다.
잔디밭에 내리는 강수는 토양 함수비를 증가시켜 잔디의 뿌리 호흡과 미생물 호흡을 증가시키는 역할을 한다. 본 연구에서도 관측 이전 5일 동안의 누적 강수량이 20~100 mm 범위의 조건에서는 강수량이 증가할수록 이산화탄소 방출량이 증가하였다. 향후에는 수백 mm의 강수가 내려 토양 공극이 포화된 혐기성 조건에서 잔디밭의 이산화탄소 플럭스에 대한 정량적인 관측을 하고자 한다.
토양에 내린 강수량이 0 mm에서 100 mm 정도의 범위이면 이산화탄소 방출량은 강수량에 선형적으로 증가하고, 강수 발생 후 5일 이내에 최대 방출량이 나타난다(Liu 등, 2002). 본 연구의 결과에서도 잔디밭 관측 이전 5일 누적강수량이 10 mm 이하인 조건에서는 강수량에 따른 이산화탄소 플럭스의 변동 경향이 나타나지 않았으나, 누적 강수량이 20 mm 이상인 조건에서는 강수량에 따라이산화탄소 플럭스가 선형적으로 증가하였다. 태풍이나 집중호우에 의한 수백 mm의 강수가 발생하는 경우에는 토양 공극이 포화되어 혐기성 환경으로 변화하므로 잔디의 뿌리 호흡과 호기성 미생물 활동이 저하되어 토양에서의 이산화탄소 방출량은 감소할 것이다(Kucera와 Kirkham, 1971).
봄과 가을의 최솟값은 각각 –11 mgCO2m-2hr-1과 –20 mgCO2m-2hr-1으로서 잔디밭에서 광합성에 의한 대기 중 이산화탄소의 흡수가 발생하기도 함을 알 수 있었다.
7~9에 작성되어 있다. 이산화탄소 농도에 따른 플럭스의 회귀함수는 로그함수의 감소 형태가 가장 적합하고 추정함수와 원 자료 사이의 결정 계수는 0.49로 나타났다(Fig. 7). 겨울부터 여름 기간에는 이산화탄소 농도가 감소하면서 플럭스는 증가하고, 여름부터 겨울 기간에는 이산화탄소 농도가 증가하면서 플럭스는 감소하였다.
잔디밭에서 관측된 이산화탄소 플럭스와 농도, 지온에 대한 계절별 기술통계량을 Table 2에 정리하였다. 이산화탄소 플럭스의 평균은 여름이 913 mgCO₂m^-2hr^-1로서 가장 높고 겨울이 61 mgCO₂m^-2hr^-1로서 가장 낮았으며, 잔디밭에서 대기로의 이산화탄소 방출량은 겨울에 비해 여름에 15배 정도 높은 것으로 나타났다. 봄과 가을은 여름과 겨울의 중간적인 경향을 보여주고 있으며, 잔디밭에서 대기로의 이산화탄소 방출량은 가을이 봄에 비해 4배 정도 높게 나타났다.
봄과 가을은 여름과 겨울의 중간적인 경향을 보여주고 있으며, 잔디밭에서 대기로의 이산화탄소 방출량은 가을이 봄에 비해 4배 정도 높게 나타났다. 이산화탄소 플럭스의 표준편차는 가을이 가장 높게 나타났으며, 변동계수는 봄이 가장 높은 것으로 나타났다. 봄과 가을의 최솟값은 각각 –11 mgCO₂m^-2hr^-1과 –20 mgCO₂m^-2hr^-1으로서 잔디밭에서 광합성에 의한 대기 중 이산화탄소의 흡수가 발생하기도 함을 알 수 있었다.
잔디밭과 대기 사이의 이산화탄소 플럭스는 여름철에 높고 겨울에 낮은 경향을 보이고, 이산화탄소 방출량이 “0”에 근접한 겨울철(11월에서 2월)을 제외하고는 모두 토양에서 대기로 이산화탄소를 수십~수백 mgCO2m-2hr-1이상을 방출하는 것으로 나타났다(Fig. 3).
잔디밭에서 5일 누적 강수량(“0”인 자료들은 제외)에 따른 이산화탄소 플럭스의 회귀함수는 선형함수의 증가 형태가 가장 적합하고 결정계수는 0.38로 나타났다(Fig. 9).
이산화탄소 농도의 평균은 겨울과 봄에 각각 411 ppm과 410 ppm으로서 높았고, 여름과 가을에 각각 397 ppm과 387 ppm으로서 낮게 나타났다. 잔디밭에서 계절 요인에 의한 이산화탄소 농도의 평균적인 차이는 20 ppm 정도인 것으로 나타났다. 이산화탄소 농도의 표준편차와 변동계수는 모두 가을에 가장 높고 봄에 가장 낮게 나타났다.
지온에 따른 이산화탄소 플럭스의 회귀함수는 지수함수의 증가 형태가 가장 적합하고 결정계수는 0.85 정도로서 높았다(Fig. 8). 지온 구간이 0~20℃에서보다 20~40℃일 때 지온에 따른 이산화탄소 방출량이 급격하게 상승한 것은, 지온이 20~40℃일 때 뿌리의 생장 속도가 빠르고 지온 상승에 따른 뿌리 호흡량의 증가율이 높아지기 때문이다(Palta와 Nobel, 1989; Wang 등, 2009).

후속연구

태풍이나 집중호우에 의한 수백 mm의 강수가 발생하는 경우에는 토양 공극이 포화되어 혐기성 환경으로 변화하므로 잔디의 뿌리 호흡과 호기성 미생물 활동이 저하되어 토양에서의 이산화탄소 방출량은 감소할 것이다(Kucera와 Kirkham, 1971). 본 연구에서는 이러한 환경이 나타나지 않았으나, 향후 연구에서는 태풍이나 집중호우 조건에서의 토양 이산화탄소 방출량에 대한 관측을 수행할 것이다.
본 연구에서도 관측 이전 5일 동안의 누적 강수량이 20~100 mm 범위의 조건에서는 강수량이 증가할수록 이산화탄소 방출량이 증가하였다. 향후에는 수백 mm의 강수가 내려 토양 공극이 포화된 혐기성 조건에서 잔디밭의 이산화탄소 플럭스에 대한 정량적인 관측을 하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	관측 당일의 이산화탄소 농도의 공간적인 불균질성에 의한 변화 폭이 봄과 가을에 크게 나타나는 이유는 무엇인가?	관측 당일의 이산화탄소 농도의 공간적인 불균질성에 의한 변화 폭은 봄(5월)과 가을(10월)에 크게 나타났다. 봄에는 잔디의 생장이 가장 활발한 시기이고, 가을은 잔디의 고사 (wither)가 일어나기 시작하는 시기로서 잔디밭에서 광합성과 호흡의 공간적인 불균질성이 여름과 겨울에 비해 높은 것으로 판단된다. 잔디밭에서 이산화탄소 농도는약 360~440 ppm 범위 이내이었으며, 잔디밭에서 이산화탄소 농도는 계절에 따른 농도 차이와 잔디밭의 공간 적인 불균질성에 의한 농도 차이의 합에 의해 나타난 것이다.
	온도에 대한 토양 호흡의 관례를 나타내는 방정식은 무엇인가?	온도에 대한 토양 호흡(soil respiration)의 관계는 지수(exponential)와 아레니우스(Arrhenius) 방정식에 의해 표현되며, 두 식은 모두 온도가 증가하면 토양 호흡도 지수적으로 증가한다(Ellert와 Bettany, 1992). 이후의 연구에서는 지수와 아레니우스 방정식을 보완하거나 다양한 모델이 제시되었으며, 이러한 연구들로는 지수 혹은 아레니우스 방정식(Lloyd와 Taylor, 1994; MacDonald 등, 1995; Thierron과 Laudelout, 1996), 선형 모델(Rochette 등, 1991), 2차 모델 (Holthausen과 Caldwell, 1980), 논리 모델 (Schlentner와 Van Cleve, 1985; Jenkinson, 1990), 온도 시간 등가를 이용한 모델(Feng과 Li, 1997) 등이 수행된 바 있다.
	토양 수분의 증가와 감소가 토양의 CO2 방출량을 변동하게 하는 원리는 무엇인가?	토양이 물로 포화되거나 포화상태에 근접한 조건에서는 혐기성 환경으로 변하여 토양에서의 CO2 방출은 감소하게 된다(Kucera와 Kirkham, 1947). 토양 수분의 증가와 감소에 의해 직접적으로는 식물의 뿌리 호흡과 미생물 활동에, 간접적으로는 토양의 물리화학적인 성질에 변화를 일으켜 토양에서의 CO2 방출량이 변동하게 된다(Raich와 Schlesinger, 1992; Schimel과 Clein, 1991). 토양 수분에 따른 이산화탄소 방출량에 대한 연구는 계절에 따른 토양 함수비의 변화(Luo 등, 1996; Mielnick과 Dugas, 2000)와 토양 함수비의 공간적인 불균질성 (Davidson 등, 1998)을 관측한 결과를 이용하여 수행되었다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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