기후변화 문제와 관련하여 탄소 격리와 토양 유기물의 중요성에 대한 관심이 증가하고 있다. 토양 탄소 격리를 산정하기 위해서는 물 추출 토양 유기탄소(WESOC)와 토양 호흡에 의해 이산화탄소로 배출되는 탄소량과 같은 토양 유기탄소를 분석하는 것이 중요하다. 이러한 성분의 분석에는 시간이 많이 소요된다. 따라서 본 연구에서는 분석시간이 짧게 소요되는 중적외선분광분석법으로 물 추출 유기탄소와 토양 호흡에 의한 이산화탄소량을 분석할 수 있는 가능성을 알아보았다. 토양을 $100^{\circ}C$와 $350^{\circ}C$ 건조오븐에서 처리하고 중적외선분광계로 분석하여 WESOC와 30일, 60일, 90일, 120일 간 토양호흡에 의해 발생하는 이산화탄소량과의 상관을 분석하였다. 물 추출 토양 유기탄소에 대한 예측 모델에서는 표준 일반 변수화(SNV) 전처리를 통해 0.6937의 결정 계수를 보였고 30일간의 토양 호흡 발생 이산화탄소 예측 모델에서는 $350^{\circ}C$ 건조 토양에 대해 1차 도함수 전처리를 통해 0.8933의 결정 계수를 보여 중적외선분광분석법을 사용하여 토양 중 유기탄소의 분획별 정량에 사용할 수 있는 가능성을 보였다.
기후변화 문제와 관련하여 탄소 격리와 토양 유기물의 중요성에 대한 관심이 증가하고 있다. 토양 탄소 격리를 산정하기 위해서는 물 추출 토양 유기탄소(WESOC)와 토양 호흡에 의해 이산화탄소로 배출되는 탄소량과 같은 토양 유기탄소를 분석하는 것이 중요하다. 이러한 성분의 분석에는 시간이 많이 소요된다. 따라서 본 연구에서는 분석시간이 짧게 소요되는 중적외선분광분석법으로 물 추출 유기탄소와 토양 호흡에 의한 이산화탄소량을 분석할 수 있는 가능성을 알아보았다. 토양을 $100^{\circ}C$와 $350^{\circ}C$ 건조오븐에서 처리하고 중적외선분광계로 분석하여 WESOC와 30일, 60일, 90일, 120일 간 토양호흡에 의해 발생하는 이산화탄소량과의 상관을 분석하였다. 물 추출 토양 유기탄소에 대한 예측 모델에서는 표준 일반 변수화(SNV) 전처리를 통해 0.6937의 결정 계수를 보였고 30일간의 토양 호흡 발생 이산화탄소 예측 모델에서는 $350^{\circ}C$ 건조 토양에 대해 1차 도함수 전처리를 통해 0.8933의 결정 계수를 보여 중적외선분광분석법을 사용하여 토양 중 유기탄소의 분획별 정량에 사용할 수 있는 가능성을 보였다.
For concerning the climate change issues, the carbon sequestration and importance of soil organic matter are receiving high attention. To evaluate carbon sequestration in soil is important to determine the soil organic carbon (SOC) fractions such as WESOC (Water extractable soil organic carbon), and...
For concerning the climate change issues, the carbon sequestration and importance of soil organic matter are receiving high attention. To evaluate carbon sequestration in soil is important to determine the soil organic carbon (SOC) fractions such as WESOC (Water extractable soil organic carbon), and $CO_2$ emission by soil microbial respiration. However, the analyses for those contents are time-consuming procedure. There were studied the feasibility of MIRS (Mid-Infrared Spectroscopy), which has short analysis time for determining the WESOC and an incubated carbon in this study. Oven-dried soils at $100^{\circ}C$ and $350^{\circ}C$ were scanned with MIRS and compared with the chemically analyzed WESOC and cumulative carbon dioxide generated during 30, 60, 90, and 120 days of incubation periods, respectively. It was observed that an optimized determination coefficient was 0.6937 between WESOC and untreated soil processed by spectrum vector normalization (SNV) and 0.8933 between cumulative $CO_2$ from 30 days incubation and soil dried at $350^{\circ}C$ after subtracting air-dried soil processed by 1st derivatives. Therefore, it was shown that Quantification of soil organic carbon fractions was possibility to be analyzed by using MIRS.
For concerning the climate change issues, the carbon sequestration and importance of soil organic matter are receiving high attention. To evaluate carbon sequestration in soil is important to determine the soil organic carbon (SOC) fractions such as WESOC (Water extractable soil organic carbon), and $CO_2$ emission by soil microbial respiration. However, the analyses for those contents are time-consuming procedure. There were studied the feasibility of MIRS (Mid-Infrared Spectroscopy), which has short analysis time for determining the WESOC and an incubated carbon in this study. Oven-dried soils at $100^{\circ}C$ and $350^{\circ}C$ were scanned with MIRS and compared with the chemically analyzed WESOC and cumulative carbon dioxide generated during 30, 60, 90, and 120 days of incubation periods, respectively. It was observed that an optimized determination coefficient was 0.6937 between WESOC and untreated soil processed by spectrum vector normalization (SNV) and 0.8933 between cumulative $CO_2$ from 30 days incubation and soil dried at $350^{\circ}C$ after subtracting air-dried soil processed by 1st derivatives. Therefore, it was shown that Quantification of soil organic carbon fractions was possibility to be analyzed by using MIRS.
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문제 정의
본 실험에서는 온도에 따른 토양 탄소 함량 변화를 MIRS 결과와 비교하여 토양 탄소 분획을 중적외선 분광분석법으로 분석할 수 있는지의 가능성을 조사하였다.
제안 방법
두 상관관계에 대해 OPUS 소프트웨어로 표준 일반 변수화(SNV; Standard normal variate)와 1차 및 2차 도함수 등의 스펙트럼 전처리 방법을 사용하여 최적 모델을 선정하였다. [Table 2]에서 보듯이 원 토양에 대해 표준 일반 변수화로 스펙트럼을 전 처리하였을 때 2,989-2,842 cm-1의 영역에서 보정에서는 RPD(ratio of performance deviation)가 1.
SOC는 토양 시료를 도가니에 넣고 질량을 재고 과량의 4M-HCl을 가하여 혼합하고, 4시간 정치한 후 60-70 ℃에서 16시간 건조한 후에 원소분석기(Forno EA, Fisons Instruments, Italy)로 분석을 하였다. 물추출 토양 유기탄소(water extractable soil organic carbon; WESOC)는 Haynes and Francis의 방법을 미세 토양 10 g을 Millipore water 50 mL와 혼합한 후 2시간 동안 진탕하였고, 3000 × g에서 20분간 원심분리하였다11).
두 상관관계에 대해 OPUS 소프트웨어로 표준 일반 변수화(SNV; Standard normal variate)와 1차 및 2차 도함수 등의 스펙트럼 전처리 방법을 사용하여 최적 모델을 선정하였다. [Table 2]에서 보듯이 원 토양에 대해 표준 일반 변수화로 스펙트럼을 전 처리하였을 때 2,989-2,842 cm-1의 영역에서 보정에서는 RPD(ratio of performance deviation)가 1.
본 연구에서는 30일, 60일, 90일, 120일 간 배양하여 발생한 누적 CO2 발생량 자료를 사용하였다. 또한 유기물 분해에 따른 토양의 질량 손실이 일어나는 340~350 ℃에서 측정한 이분해성 유기물6-7) 감소분을 구하기 위해 원 토양의 스펙트럼과 350 ℃ 건조 토양의 스펙트럼의 차이를 뺀 부분에 대해 통계 분석을 하였다. 통계 분석에서 30일, 60일, 90일, 120일 간의 누적 CO2 발생량과 모두 높은 상관관계를 보였다[Fig.
막자사발에서 마쇄한 토양 시료를 튜브형 furnace oven(HZS 900, CARBOLITE, UK)에 넣고 EUROTHERM 3508(CARBOLITE, UK)로 온도를 질량 손실이 일어났던 100 ℃와 350 ℃로 설정하여6), 가열하고 방랭한 후에 마이크로플레이트에 가열된 토양시료를 5반복씩 일정량 넣고 HTS-XT가 장착된 중적외선분광분석기(TENSOR 27, BRUKER, Germany)로 8000~600 cm-1 범위에서 4cm-1간격으로 분당 120회 스캔하여 스펙트럼을 측정하였다. 이 장치에 있는 MCT(mercury cadmium telluride; HgCdTe)13) detector는 열로 인하여 노이즈가 증가하기 때문에 사용잔 액체 질소로 냉각시킨 후 보정을 하였고, 분석 중에도 detector 온도가 올라가지 않도록 자주 액체질소로 냉각시켜주었다.
물추출 토양 유기탄소(water extractable soil organic carbon; WESOC)는 Haynes and Francis의 방법을 미세 토양 10 g을 Millipore water 50 mL와 혼합한 후 2시간 동안 진탕하였고, 3000 × g에서 20분간 원심분리하였다11).
기후변화 시대에 토양 유기물의 중요성은 매우 크다. 분석 시간이 짧은 중적외선분광분석법을 사용하여 토양 중 물 추출 토양 유기탄소(WESOC)와 토양 호흡에 의해 이산화탄소로 배출되는 탄소량과 같은 토양 유기탄소를 분석하였다. 토양을 100 ℃와 350 ℃ 건조오븐에서 처리하고 중적외선분광계로 분석하여 WESOC와 토양호흡에 의한 이산화탄소량과의 상관을 분석하여, 결정계수가 0.
토양은 Stagnosol(32%)과 Cambisol(68%)이 분포되어 있는데, FAO 토양 분류에 따르면 Stagnosol은 표면수의 정체로 유발되는 산화환원 과정에 의해 토양 단면에 강한 반점을 가진 토양이며, Cambisol은 토양 형성의 초기 단계의 토양이다. 채취한 토양은 풍건한 후 2 mm 체를 통과한 후 일반 화학성분을 분석하였고, 이후 분석 특성에 맞게 처리를 수행하였다.
토양 호흡량을 측정하기 위해 RESPICOND (Nordgren Innovations AB, Sweden) 시스템의 용기에 토양 시료 25 g을 넣고 수분 함량을 최대 수분 용량의 60%로 조정한 후 용기 상단에 전극이 들어있는 작은 용기에 0.6 M Potassium hydroxide 10 mL을 채운 후 시간에 따른 전기전도도를 측정하여 토양에서 발생하는 CO2의 양을 일정 시간 간격으로 컴퓨터에 저장하였다. [Table 1]은 시험에 사용한 토양의 이화학성을 나타낸 것으로서, 토양의 유기물 함량이 높을수록 토양미생물에 의한 CO2 발생량이 증가하는 것으로 나타났다.
대상 데이터
토양 호흡을 통해 토양 유기 탄소가 미생물에 분해되면서 발생하는 CO2의 양은 점점 감소하는 지수형 붕괴 곡선의 형태를 나타내며, 따라서 누적 CO2 발생량은 초기 상승 후 평형에 도달하는 형태를 보인다16). 본 연구에서는 30일, 60일, 90일, 120일 간 배양하여 발생한 누적 CO2 발생량 자료를 사용하였다. 또한 유기물 분해에 따른 토양의 질량 손실이 일어나는 340~350 ℃에서 측정한 이분해성 유기물6-7) 감소분을 구하기 위해 원 토양의 스펙트럼과 350 ℃ 건조 토양의 스펙트럼의 차이를 뺀 부분에 대해 통계 분석을 하였다.
토양 시료는 독일 노르트라인베스트팔렌주에 있는 롤레스브로이히에서 2012년에 표토를 각각 채취하였다. 토양은 Stagnosol(32%)과 Cambisol(68%)이 분포되어 있는데, FAO 토양 분류에 따르면 Stagnosol은 표면수의 정체로 유발되는 산화환원 과정에 의해 토양 단면에 강한 반점을 가진 토양이며, Cambisol은 토양 형성의 초기 단계의 토양이다.
데이터처리
스펙트럼은 OPUS QUANT 소프트웨어(BRUKER, Germany)를 통해 원 스펙트럼, 1차및 2차 도함수 등의 최적화 모드를 선택하고 부분최소제곱회귀분석법(PLSR; partial least square regression)을 통해 정량하였다. 모델에 대한 평가는 RMSECV(root mean square error of cross validation)와 RMSEP(root mean square error of prediction)으로 추정하였다14).
이론/모형
물추출 토양 유기탄소(water extractable soil organic carbon; WESOC)는 Haynes and Francis의 방법을 미세 토양 10 g을 Millipore water 50 mL와 혼합한 후 2시간 동안 진탕하였고, 3000 × g에서 20분간 원심분리하였다11). 0.45 ㎛ Nylon membrane filter를 사용하여 여과한 후 500 mbar에서 aspiration하고 NPOC-TN(non-purgeable organic carbon and total nitrogen) 분석법12)에 따라 TOC-VCPH-Analyser(Shimadzu, Japan)를 사용하여 분석하였다.
스펙트럼은 OPUS QUANT 소프트웨어(BRUKER, Germany)를 통해 원 스펙트럼, 1차및 2차 도함수 등의 최적화 모드를 선택하고 부분최소제곱회귀분석법(PLSR; partial least square regression)을 통해 정량하였다. 모델에 대한 평가는 RMSECV(root mean square error of cross validation)와 RMSEP(root mean square error of prediction)으로 추정하였다14).
물 추출 토양 유기탄소를 예측하기 위해 원 토양 시료와 100 ℃에서 건조한 토양을 각각 중적외선분광분석기를 사용하여 스캔하고, 생성된 스펙트럼을 PLSR 방법으로 분석하였다. [Fig.
토양 호흡에서 발생하는 CO2 발생량을 예측하기 위해 350 ℃에서 건조한 토양을 중적외선분광분석기로 스캔하고, OPUS 소프트웨어에서 원 토양 시료 스펙트럼에서 생성된 스펙트럼을 빼는 기법으로 처리하고 PLSR 방법으로 분석하였다. [Fig.
성능/효과
6 M Potassium hydroxide 10 mL을 채운 후 시간에 따른 전기전도도를 측정하여 토양에서 발생하는 CO2의 양을 일정 시간 간격으로 컴퓨터에 저장하였다. [Table 1]은 시험에 사용한 토양의 이화학성을 나타낸 것으로서, 토양의 유기물 함량이 높을수록 토양미생물에 의한 CO2 발생량이 증가하는 것으로 나타났다.
분석 시간이 짧은 중적외선분광분석법을 사용하여 토양 중 물 추출 토양 유기탄소(WESOC)와 토양 호흡에 의해 이산화탄소로 배출되는 탄소량과 같은 토양 유기탄소를 분석하였다. 토양을 100 ℃와 350 ℃ 건조오븐에서 처리하고 중적외선분광계로 분석하여 WESOC와 토양호흡에 의한 이산화탄소량과의 상관을 분석하여, 결정계수가 0.6937과 0.8933로 나타나 높은 상관관계를 보였다. 따라서 중적외선분광분석법을 사용하여 토양 중 유기탄소의 분획별 정량을 할 수 있는 가능성을 보여, 향후 토양 유기 탄소 분획의 신속한 분석으로 비용과 시간절약 측면에서 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 유기물 분해에 따른 토양의 질량 손실이 일어나는 340~350 ℃에서 측정한 이분해성 유기물6-7) 감소분을 구하기 위해 원 토양의 스펙트럼과 350 ℃ 건조 토양의 스펙트럼의 차이를 뺀 부분에 대해 통계 분석을 하였다. 통계 분석에서 30일, 60일, 90일, 120일 간의 누적 CO2 발생량과 모두 높은 상관관계를 보였다[Fig. 2]. 여기에는 특히 이분해성 구조인 지방족 탄화수소인 CH2 (~2850 cm–1)와 CH3 (~2925 cm–1)의 기여도가 높게 나타났음을 알 수 있었다17-19).
후속연구
8933로 나타나 높은 상관관계를 보였다. 따라서 중적외선분광분석법을 사용하여 토양 중 유기탄소의 분획별 정량을 할 수 있는 가능성을 보여, 향후 토양 유기 탄소 분획의 신속한 분석으로 비용과 시간절약 측면에서 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
토양 탄소 격리를 산정하기 위해서는 무엇이 중요한가?
기후변화 문제와 관련하여 탄소 격리와 토양 유기물의 중요성에 대한 관심이 증가하고 있다. 토양 탄소 격리를 산정하기 위해서는 물 추출 토양 유기탄소(WESOC)와 토양 호흡에 의해 이산화탄소로 배출되는 탄소량과 같은 토양 유기탄소를 분석하는 것이 중요하다. 이러한 성분의 분석에는 시간이 많이 소요된다.
토양 유기 탄소는 어느 분야에서 중요한 요소로 이용되는가?
토양 유기 탄소 (soil organic carbon; SOC)는 기후변화 상황에서 전지구적 탄소 순환과 토지 이용 개발에 있어 중요한 요소이다. 하지만 생물학적 전환 과정의 복잡함은 아직 완전히 밝혀지지 않았다.
열분석 기법은 최근의 열 질량측정법을 통해 어떤 가능성을 보여주고 있는가?
열분석 기법은 토양의 물리 화학적 특성을 조사하는 간단한 방법으로 토양학과 환경분야에 많이 적용되어 왔다3-8) 최근에는 열 질량측정법 (thermo gravimetry; TG) 분석을 사용하여 기본적인 토양 특성을 빠르게 분석할 수 있는 가능성을 보여주었는데, Siewert7)는 토양을 950 ℃까지 5 ℃ min-1로 가열하여 질량 손실을 측정한 연구에서 100 ℃에서 수분 손실이, 340-350 ℃에서 유기탄소의 손실이 일어났다고보고하였다.
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