벼재배 논에서 온실가스 측정을 위해 사용되는 closed 챔버법은 시 공간적으로 변동 폭이 큰 메탄플럭스를 측정하는 데는 한계가 있다. 이러한 문제점을 해결하고자 메탄플럭스 측정에 있어 에디공분산을 기반으로 하는 open-path 방법과 closed 챔버법을 비교분석하였다. 벼 재배 기간 중 메탄 플럭스 변동은 두 방법 모두 비슷한 경향을 보였고 closed 챔버를 이용한 메탄 측정 시간대의 값은 open-path 측정에 의한 값과 고도로 유의한 상관을 보였다. 다만 총배출량에 있어서 두 측정 방법 간에 나타난 약 31%의 차이가 발생했는데 이는 closed 챔버법에 따른 과다 측정과 open-path에 의한 과소측정으로 생각해 볼 수 있다. 정확한 원인 분석을 위해서 향후에도 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
벼재배 논에서 온실가스 측정을 위해 사용되는 closed 챔버법은 시 공간적으로 변동 폭이 큰 메탄 플럭스를 측정하는 데는 한계가 있다. 이러한 문제점을 해결하고자 메탄플럭스 측정에 있어 에디공분산을 기반으로 하는 open-path 방법과 closed 챔버법을 비교분석하였다. 벼 재배 기간 중 메탄 플럭스 변동은 두 방법 모두 비슷한 경향을 보였고 closed 챔버를 이용한 메탄 측정 시간대의 값은 open-path 측정에 의한 값과 고도로 유의한 상관을 보였다. 다만 총배출량에 있어서 두 측정 방법 간에 나타난 약 31%의 차이가 발생했는데 이는 closed 챔버법에 따른 과다 측정과 open-path에 의한 과소측정으로 생각해 볼 수 있다. 정확한 원인 분석을 위해서 향후에도 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
The closed chamber method, which is one of the most commonly used method for measuring greenhouse gases produced in rice paddy fields, has limitations in measuring dynamic $CH_4$ flux with spatio-temporal constrains. In order to deal with the limitation of the closed chamber method, some ...
The closed chamber method, which is one of the most commonly used method for measuring greenhouse gases produced in rice paddy fields, has limitations in measuring dynamic $CH_4$ flux with spatio-temporal constrains. In order to deal with the limitation of the closed chamber method, some studies based on open-path of eddy covariance method have been actively conducted recently. The aim of this study was to compare the $CH_4$ fluxes measured by open-path and closed chamber method in the paddy rice fields. The open-path, one of the gas ($CO_2$, $CH_4$ etc.) analysis methods, is technology where a laser beam is emitted from the source passes through the open cell, reflecting multiple times from the two mirrors, and then detecting. The $CH_4$ emission patterns by these two methods during rice cultivation season were similar, but the total $CH_4$ emission measured by open-path method were 31% less than of the amount measured by closed chamber. The reason for the difference in $CH_4$ emission was due to overestimation by closed chamber and underestimation by open-path. The closed chamber method can overestimate $CH_4$ emissions due to environmental changes caused by high temperature and light interruption by acrylic partition in chamber. On the other hand, the open-path method for eddy covariance can underestimate its emission because it assumes density fluctuations and horizontal homogeneous terrain negligible However, comparing $CH_4$ fluxes at the same sampling time (AM 10:30-11:00, 30-min fluxes) showed good agreements ($r^2=0.9064$). The open-path measurement technique is expected to be a good way to compensate for the disadvantage of the closed chamber method because it can monitor dynamic $CH_4$ fluctuation even if data loss is taken into account.
The closed chamber method, which is one of the most commonly used method for measuring greenhouse gases produced in rice paddy fields, has limitations in measuring dynamic $CH_4$ flux with spatio-temporal constrains. In order to deal with the limitation of the closed chamber method, some studies based on open-path of eddy covariance method have been actively conducted recently. The aim of this study was to compare the $CH_4$ fluxes measured by open-path and closed chamber method in the paddy rice fields. The open-path, one of the gas ($CO_2$, $CH_4$ etc.) analysis methods, is technology where a laser beam is emitted from the source passes through the open cell, reflecting multiple times from the two mirrors, and then detecting. The $CH_4$ emission patterns by these two methods during rice cultivation season were similar, but the total $CH_4$ emission measured by open-path method were 31% less than of the amount measured by closed chamber. The reason for the difference in $CH_4$ emission was due to overestimation by closed chamber and underestimation by open-path. The closed chamber method can overestimate $CH_4$ emissions due to environmental changes caused by high temperature and light interruption by acrylic partition in chamber. On the other hand, the open-path method for eddy covariance can underestimate its emission because it assumes density fluctuations and horizontal homogeneous terrain negligible However, comparing $CH_4$ fluxes at the same sampling time (AM 10:30-11:00, 30-min fluxes) showed good agreements ($r^2=0.9064$). The open-path measurement technique is expected to be a good way to compensate for the disadvantage of the closed chamber method because it can monitor dynamic $CH_4$ fluctuation even if data loss is taken into account.
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문제 정의
본 연구에서는 담수상태의 벼논에서 주로 발생하는 메탄을 대상으로 챔버법과 open-path의 에디공분산 방법을 이용해 배출량 차이를 비교 분석하고 이를 통해 향후 챔버를 이용한 온실가스 측정방법을 보완하고자 수행되었다.
제안 방법
Open-path에 의한 메탄 배출량과 챔버법에 의한 메탄 배출량 비교를 위해 벼 이앙 3일 후 가스 포집을 위한 closed 챔버를 설치하였다. 챔버의 위치는 플럭스 타워를 기준으로 주풍향 (북서풍)을 고려해 북서쪽으로 40 m 떨어진 위치에 설치하였다 (Fig.
벼재배 논에서 온실가스 측정을 위해 사용되는 closed 챔버법은 시·공간적으로 변동 폭이 큰 메탄 플럭스를 측정하는 데는 한계가 있다. 이러한 문제점을 해결하고자 메탄플럭스 측정에 있어 에디공분산을 기반으로 하는 open-path 방법과 closed 챔버법을 비교분석하였다.
대상 데이터
Open-path를 이용한 메탄 플럭스 측정을 위해 3차원 풍향풍속계 (WMP-PRO, GILL Inc., USA)와 개회로 메탄 분석기(LI-7700, Li-cor Inc., USA)를 지면으로부터 3.6 m 높이에 설치하였다. 메탄 보정 시 필요한 잠열 플럭스 측정을 위해 CO2/H2O 분석기(LI-7500, Li-cor Inc.
2004). Quality flag 수행결과 약 15%의 데이터가 필터링 되어 59%의 데이터를 이번 배출량 평가에 활용하였다. Openpath 측정에서 얻어진 데이터 중에는 튀는 자료가 존재하며 이를 제거(de-spiked)해야 데이터에 대한 품질이 높아진다.
벼 이앙을 위해 5월 5일 논에 물을 대고, 5월 13일에 비료처리 및 써레질을 하였다. 벼 품종은 중만생종인 신동진으로 어린모를 5월 19일에 기계 이앙하였고, 10월 11일 수확하였다. 6월 28일부터 7월 14일까지는 무효분얼과 도복 방지를 위해 중간낙수를 하였다.
연구수행지는 전북 김제시 부량면 신용리 (35°74ʹ86ʺN, 126°86ʹ40ʺE, 해발고도 6.5 m)에 위치한 벼재배 단지로 관측지 주변은 에디공분산 방법을 적용하기에 적절한 균질하고 평탄한 지역이다. 관측 지점(플럭스 타워)을 중심으로 남서쪽 400 m 떨어진 곳에 작은 마을과 지방도가 존재하며, 북동쪽 300 m 지점에는 작은 축사가 있다(Fig.
데이터처리
, USA)을 설치하여 자료를 수집하였다. 30분간 측정되어진 데이터는 전용 프로그램(TOVI software, Li-cor Inc., USA)을 이용해 coverage, QC, footprint 등의 작업을 수행하였다.
가스 채취는 60 mL 주사기(syringe)를 이용하여 오전 10시에서 12시 사이에 초기값과 밀폐 30분 후의 값을 취하였다. 메탄의 농도 분석은 가스크로마토그래피(7890A, Agilent, USA) (detector-FID)를 이용해 정량분석을 하였다. 메탄 배출량 계산 방법은 식(1)과 같다.
성능/효과
3은 smart flux software에 의해 계산된 30분간 평균값을 TOVI software를 이용해 분석한 결과이다. Open-path에 의해 측정된 플럭스(fluxes), 미기상(meteorology), 복사(radiation), 토양 (soil), 난류 (turbulence), 물 (water)의 측정율(coverage)은 각각 83.4%, 97.0% 99.6%, 99.6%, 97.6%, 98.5%였다(Fig. 3a).
6 m)를 기준으로 약 360 m 반경의 메탄 플럭스 측정이 가능하다. TOVI software를 이용해 분석한 결과 메탄 플럭스 측정 데이터의 80% 이상이 반경 200 m 내에서 측정된 것으로 분석되었다. 이는 시험 사이트로 선정한 지역 내에서 메탄 배출량이 측정되었음을 의미하며 또한 closed 챔버가 설치된(플럭스 타워로부터 40 m 거리) 지역 내에서 메탄 배출량이 측정되어 open-path 측정 데이터와 closed 챔버에서 측정된 데이터를 비교하기에 문제가 없음을 의미한다.
8은 재배 기간 동안 open-path와 closed 챔버법 간 시간별 메탄 배출량 변화 비교를 나타낸다. 두 방법 간 메탄 배출량 변화는 비슷한 경향을 보였고, 이를 메탄 총 배출량으로 환산한 결과는 closed 챔버 방법에 의한 배출량이 39,871 mg m-2 season-1로 open-path 배출량 27,486 mg m-2 season-1보다 약 31% 높았다. 이는 Meijide et al.
일반적으로 closed 챔버법을 이용한 시료 샘플링 및 분석은 하루 중 메탄 평균 배출 시간대인 오전 10시에서 12시 사이에 30분간의 농도 증가 값을 기준으로 하루 평균값(30분×48)을 산출한다. 따라서 closed 챔버법과 연속측정이 이루어지는 open-path 측정값의 정확한 비교를 위해 open-path 측정값 중 closed 챔버 샘플링 시간대 30분 농도값을 추출하여 직접 비교를 한 결과 두 방법 간 배출량은 고도로 유의한 상관(r2=0.9064)을 나타냈다(Fig. 9).
벼 재배 기간 중 메탄 플럭스 변동은 두 방법 모두 비슷한 경향을 보였고 closed 챔버를 이용한 메탄 측정 시간대의 값은 open-path 측정에 의한 값과 고도로 유의한 상관을 보였다. 다만 총배출량에 있어서 두 측정 방법 간에 나타난 약 31%의 차이가 발생했는데 이는 closed 챔버법에 따른 과다측정과 open-path에 의한 과소측정으로 생각해 볼 수 있다.
벼재배 논에서 closed 챔버법과 open-path 방법을 이용해 메탄 플럭스를 측정한 결과 플럭스 변동은 비슷한 경향을 보였다. 특히 closed 챔버를 이용한 온실가스 측정 시간대의 값은 open-path 측정에 의한 값과 고도로 유의한 상관(r2=0.
9064)을 보였다. 이는 open-path를 이용해 측정한 메탄 배출량 모니터링의 가능성과 측정 시간대의 값을 이용한 총 배출량 산정에 유의미할 수 있음을 확인할 수 있었다. 다만 총배출량에 있어서 두 측정방법 간에 나타난 약 31%의 차이에 대한 정확한 원인 분석을 위해서 향후에도 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단되었다.
후속연구
이는 open-path를 이용해 측정한 메탄 배출량 모니터링의 가능성과 측정 시간대의 값을 이용한 총 배출량 산정에 유의미할 수 있음을 확인할 수 있었다. 다만 총배출량에 있어서 두 측정방법 간에 나타난 약 31%의 차이에 대한 정확한 원인 분석을 위해서 향후에도 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단되었다.
Open-path 방법은 여러 여건 상 데이터의 손실을 감안하더라도 변동 폭이 큰 메탄 플럭스 변화를 모니터링을 할 수 있다는 장점을 갖고 있다고 할 수 있다. 따라서, 향후 closed 챔버법의 단점과 open-path 방법의 한계를 보완하면 좀 더 정확한 메탄 측정이 가능할 것으로 기대한다.
다만 총배출량에 있어서 두 측정 방법 간에 나타난 약 31%의 차이가 발생했는데 이는 closed 챔버법에 따른 과다측정과 open-path에 의한 과소측정으로 생각해 볼 수 있다. 정확한 원인 분석을 위해서 향후에도 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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