[논문]벼논 메탄 플럭스 측정용 폐쇄형 정적 챔버법: 고찰

주옥정; 강남구; 임갑준

doi:10.5532/kjafm.2020.22.2.79

벼논 메탄 플럭스 측정용 폐쇄형 정적 챔버법: 고찰
Closed Static Chamber Methods for Measurement of Methane Fluxes from a Rice Paddy: A Review 원문보기

한국농림기상학회지 = Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, v.22 no.2, 2020년, pp.79 - 91

주옥정 (경기도농업기술원 환경농업연구과) , 강남구 (한국표준과학연구원 첨단측정장비연구소 장비인프라팀) , 임갑준 (경기도농업기술원 환경농업연구과)

초록
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온실가스 배출량의 정확한 평가는 모든 기후변화 대응 연구의 초석이며, 신뢰성이 높은 온실가스 배출량의 평가는 모든 기후변화 예측 및 모델링 연구의 실질적인 기초자료로서 활용된다. 온실가스 배출량 산정 기반 기술로서 온실가스 배출량 현장 모니터링 기술, 배출계수의 불확도 평가 기술, 온실가스 배출량 및 저감량 검증 기술 등이 필수적이다. 이런 기반 기술의 핵심에는 토양-식생-대기 간에 교환되는 온실가스 플럭스 산정을 위해 가장 보편적으로 많이 사용되는 폐쇄형 정적 챔버법의 모니터링 기술이 자리 잡고 있다. 본 연구에서는 농업분야 온실가스 단일 배출원으로 가장 큰 부분을 차지하는 벼논에서 발생하는 CH₄ 플럭스 측정용 폐쇄형 챔버법의 기술적 근간과, 수동형 챔버법에서 전 과정의 자동화 시스템으로 발전을 거듭하고 있는 자동화 챔버 모니터링 기술개발에 대한 국내·외 동향을 소개하였다. 이를 바탕으로 보편적으로 사용하고 있는 챔버법의 표준화된 방법의 고찰과 정확한 현장 자료를 얻기 위한 품질관리 방안이 마련될 수 있을 것이다. 또한 CH₄ 플럭스 측정방법의 신뢰성 높은 기술 발전 방향에 대해 조망하여 벼논 CH₄ 배출량 산정 결과들의 신뢰성 향상에 기여하게 될 것으로 전망한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Accurate assessment of greenhouse gas emissions is a cornerstone of every climate change response study, and reliable assessment of greenhouse gas emission data is being used as a practical basis for the entire climate change prediction and modeling studies. Essential, fundamental technologies for estimating greenhouse gas emissions include an on-site monitoring technology, an evaluation methodology of uncertainty in emission factors, and a verification technology for reductions. The closed chamber method is being commonly used to measure gas fluxes between soil-vegetation and atmosphere. This method has the advantages of being simple, easily available and economical. This study presented the technical bases of the closed chamber method for measuring methane fluxes from a rice paddy. The methane fluxes from rice paddies occupy the largest portion of a single source of greenhouse gas in the agricultural field. We reviewed the international and the domestic studies on automated chamber monitoring systems that have been developed from manually operated chambers. Based on this review, we discussed scientific concerns on chamber methods with a particular focus on quality control for improving measurement reliability of field data.

주제어

표/그림 (5)

표 Table 1. Summary of flux chamber and micrometeorological methods for measurement of CH₄ fluxes from a rice paddy
표 Table 2. Characteristics of fully automated closed chamber methods in previous studies in domestic and abroad
그림 Fig. 1. Scheme of the automatic closed chamber(a), the automatic sampling and analyzing system(b) employed in continuous measurements of CH₄ emission rates in rice paddies (adapted from Jeong et al., 2018).
그림 Fig. 2. Scheme of the fully automated closed chamber system employed in Gyeonggi–do Agriculture Research and Extension Services in Korea (modified from Ju et al., 2017).
표 Table 3. Comparison between manually operated and fully automated closed chamber methods for measurement of CH₄ fluxes from a rice paddy

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 벼논에서 발생하는 CH4 배출량의 근간이 되는 단일 플럭스 측정용 폐쇄형 정적 챔버법의 국내⋅ 외 기술 동향을 검토하여 현장 측정결과의 신뢰성, 즉 측정 품질을 향상시키기 위한 다양한 요구 사항들에 대하여 고찰하였다.
이런 기반 기술의 핵심에는 토양-식생-대기 간에 교환되는 온실가스 플럭스 산정을 위해 가장 보편적으로 많이 사용되는 폐쇄형 정적 챔버법의 모니터링 기술이 자리 잡고 있다. 본 연구에서는 농업분야 온실가스 단일 배출원으로 가장 큰 부분을 차지하는 벼논에서 발생하는 CH₄플럭스 측정용 폐쇄형 챔버법의 기술적 근간과, 수동형 챔버법에서 전 과정의 자동화 시스템으로 발전을 거듭하고 있는 자동화 챔버 모니터링 기술개발에 대한 국내⋅외 동향을 소개하였다. 이를 바탕으로 보편적으로 사용하고 있는 챔버법의 표준화된 방법의 고찰과 정확한 현장 자료를 얻기 위한 품질관리 방안이 마련될 수 있을 것이다.
본 연구에서는 농업분야 온실가스 단일 배출원으로 가장 큰 부분을 차지하는 벼논에서 방출되는 CH4 플럭스 측정용 챔버법의 기술적 근간과 장⋅단점을 정리하고, 시료채취와 분석을 포함한 모니터링 전 과정을 자동화 시스템으로 발전하고 있는 챔버법 기술개발에 대한 국내⋅외 동향을 소개하고자 한다.
플럭스 측정용 챔버법의 기술적 근간과 장⋅단점을 정리하고, 시료채취와 분석을 포함한 모니터링 전 과정을 자동화 시스템으로 발전하고 있는 챔버법 기술개발에 대한 국내⋅외 동향을 소개하고자 한다. 이를 바탕으로 보편적으로 사용하고 있는 CH₄ 플럭스 측정용 챔버법의 표준화된 방법에 대한 고찰과 CH₄ 플럭스 측정값에 대한 신뢰성을 높이기 위한 발전 방향에 대해 조망하고자 하였다.

가설 설정

일반적으로 측정현장에서 벼논 CH₄ 플럭스에 적용하는 식은 챔버 내 온도 변화에 대한 보정(T_intial, T_final)을 고려하고, 챔버 내부와 외부의 압력 차이는 무시할 수 있다고 가정하여 Eq. 2와 같다(FAO-IAEA, 1992; Xunhua et al.

제안 방법

가스 포집은 주 2회, 매회 오전 10∼11시 사이에 진공펌프와 유량조절기에 의해 200 ml min^-1의 일정한 유속으로 1분 30초간 온실가스 샘플 포집기(30 ml pyrex 관) 안으로 지나가며 약 10초간 약 30 ml의 가스 시료가 자동으로 포집되어 GC-FID에서 분석된다. 가스 시료 채취 간격은 챔버의 상단 문이 열린 상태에서 1차로 채취한 후 문을 닫고 30분 경과 후 2차로 시료를 채취하여 농도 변화를 측정하며, 시료 채취와 동시에 최초 온도와 30분 후 온도를 기록하며, 논물로부터 챔버 상단까지 유효높이를 조사하여 Eq. 2에 준하여 CH₄ 플럭스 배출량을 산정하였다(Ju et al.
, 1998). 실험실에는 중앙 제어시스템 컴퓨터, 시료채취용 펌프, 수분제거 시스템, GC-FID를 포함하는 가스 분석실로 구축되었다. 전체 측정과정은 분석실 제어 절차에 따라 챔버 내 가스 시료 채취, 시료 이송, 시료의 수분 제거, GC-FID분석, 자료 획득과 저장이 자동으로 순서대로 진행된다(Table 2).
하단에는 담수상태에서 논물이 챔버 안쪽과 바깥쪽으로 드나들 수 있도록 양쪽에 1개씩 직경 5 cm의 홀이 있다. 챔버 내 온도변화 측정을 위해 온도센서를 설치하였으며, 상단 뚜껑과 측면에는 공기순환을 위한 환풍기(fan)를 설치하였다. 챔버 뒤쪽에는 제어박스가 설치되어 있고 박스 내에는 채널보드(channel board)를 설치하여 가스시료 샘플링, 챔버 상단 문 개폐, 온도 측정, 환풍기 가동 등이 자동으로 제어가 가능하도록 하였다.
자동 챔버 측면에는 온실가스를 수동 채취 방법과 겸용 가능하도록 스테인리스(stainless) 재질의 관이 설치되어 있다. 챔버 상단의 뚜껑은 수동과 자동으로 개폐가 가능하도록 공기 받침대(air suspension) 을 부착하였다[Table 2]. 하단에는 담수상태에서 논물이 챔버 안쪽과 바깥쪽으로 드나들 수 있도록 양쪽에 1개씩 직경 5 cm의 홀이 있다.
2). 챔버가 설치된 시험포장에서 약 3 m 떨어진 온실가스 분석실까지 시료채취라인(Teflon tube)이 연결되어 있으며, 각각의 시료는 멀티포트와 16개의 시료를 저장할 수 있는 샘플 포집기를 거쳐 분석기에서 시료를 분석한다(Table 2). 챔버에서 분석기(GC-FID)까지 시료 라인 길이는 최대 50m 정도이며, 정확한 시료를 이송할 수 있도록 라인을 우선 압축공기로 세척한 후 사용한다.

대상 데이터

금속 벨로스(bellows) 펌프로 주기적으로 각 폐쇄형 챔버 내부로부터 공기 시료를 채취하여 스테인리스강(stainless steel) 모세관(길이 50 m, 내경 1 mm) 라인을 통하여 시험포장 바로 옆에 위치한 분석실로 이송된다.
챔버의 용적은 약 380 L로서 밑 면적 약 0.4 m2 (0.65 m × 0.65 m), 높이 0.9 m로 제작되었다.
1). 챔버의 재질은 빛 투과율이 높은 아크릴 소재의 투명 챔버로, 가로, 세로, 높이가 각각 0.6 m, 0.6 m, 1.4 m 크기이다. 자동 챔버 측면에는 온실가스를 수동 채취 방법과 겸용 가능하도록 스테인리스(stainless) 재질의 관이 설치되어 있다.

성능/효과

각 챔버당 매일 8회의 CH4 배출 플럭스 자료를 얻을 수 있었으며, CH4 배출 플럭스의 최저 검출 한계는 약 0.05 mg CH4 m-2 h-1로서 1시간 동안 약 0.1 μmol mol-1의 증가분으로 배경 대기 농도인 약 2 μmol mol-1의 5%에 해당하였다.
다섯째, 챔버 내 갇힌 공기 중 시간에 따라 증가하는 CH₄ 농도의 기울기(gradient)는 갇힌 토양 면적에 비해 큰 챔버 용적을 사용함으로써 최소화 될 수 있다. 또한 챔버 내 CH₄농도의 수직적 변화로 인해 비균질한 샘플링을 방지하기 위한 고려가 필요하다.
둘째, 폐쇄로 인해 벼 생장에 영향을 줄 수 있는 온도와 습도의 변화는 최소화 할수 있어야 하며, 챔버 크기를 고려해야 한다. 벼논 CH₄ 배출량은 벼 통기조직을 통한 배출이 많은 부분을 차지하므로 벼가 정상 생육할 수 있는 조건의 챔버 크기와 환경이 필요하다.
수동식 관측으로는 수많은 순간적인 미량 가스 배출 플럭스 사건들을 놓칠 가능성이 높으므로 자동화 챔버 측정 시스템 보다 일반적으로 낮은 누적 플럭스 값을 보일 것으로 예측하였다. 따라서 수동식에 비해 자동화 가스 시료 채취 시스템은 가스 플럭스 자료의 시간적 변화에 대한 보다 명확한 파악이 가능하여 누적 플럭스 추정을 개선할 수 있었다. 이에 현장에서 보다 신뢰성 높은 가스 누적 배출량에 대한 추정을 하려면 측정 빈도가 많고 규칙적인 시료 채취가 가능하도록 설계된 자동화 기법 사용을 권장한다.
셋째, 벼논에서 측정 기간이 가능한 짧아야 하는 점과 측정 사이트가 자연 조건에 규칙적인 간격으로 다시 노출되어야 한다는 점이다. 챔버 폐쇄 후 오랜 기간 동안 방치하면 CH₄이 계속 축적되고 이러한 적체현상으로 인해 자연스런 CH₄ 배출량이 억제될 수 있기 때문이다.
셋째, 아직까지는 챔버법이 표준화된 방법으로 자리 잡아 계통적 오차(systematic error)는 없다는 전제하에 CH₄ 배출량에 대한 불확도를 추정하고 있다. 그럼에도 불구하고, 농경지 CH₄ 플럭스 챔버 방식 자체가 가지는 한계로서 분명한 점은 폐쇄로 인해 자연 조건에 변화를 유발시킬 수 있다는 방해요인(interference)로부터 결코 자유로울 수 없으며, 이로 인해 CH₄ 플럭스 값에도 변화를 일으킬 수 있다는 점이다.
첫째, 챔버 설치로 인한 토양 교란 및 가둠 효과이다. 챔버 설치 과정에서 교란된 토양 표면으로 인한 영향은 매우 작다고 보고된 바 있으나(Kim et al.

후속연구

챔버 상단 등의 환풍기를 사용하여 챔버 내부 공기를 균질화 하도록 설계되어 있으나, Shin et al.(1995)에 의하면 환풍기를 가동하지 않았을 때 CH₄의 상대적 분포 지표(IRDM, Index of Relative Distribution of Methane)가 더 안정하다고 보고한 바 있어, 챔버 내 방출된 CH₄ 배출량의 균질한 샘플링에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
둘째, 정확한 시료 채취뿐 만 아니라 분석자체의 품질도 중요한 품질관리 대상이다. 가스 기기분석 과정에서 연유되는 불확실성에 대한 요인들을 보다 과학적으로 평가해야 할 것이다. 미지의 CH₄ 시료와의 비교를 위한 CH₄ 표준가스의 농도, 검량선 설정 방법, 교정 주기, 크로마토그램(chromatogram) 바탕선(baseline)의 경시변화, 수분을 함유한 시료와 수분을 제거한 시료의 매질효과, GC 반응 피크 면적의 반복성, 농도 결과의 시간 경과에 대한 재현성 등이 고려대상이라고 할 수 있다(Bronson et al.
이를 바탕으로 보편적으로 사용하고 있는 챔버법의 표준화된 방법의 고찰과 정확한 현장 자료를 얻기 위한 품질관리 방안이 마련될 수 있을 것이다. 또한 CH₄플럭스 측정방법의 신뢰성 높은 기술 발전 방향에 대해 조망하여 벼논 CH₄ 배출량 산정 결과들의 신뢰성 향상에 기여하게 될 것으로 전망한다.
그럼에도 불구하고, 농경지 CH₄ 플럭스 챔버 방식 자체가 가지는 한계로서 분명한 점은 폐쇄로 인해 자연 조건에 변화를 유발시킬 수 있다는 방해요인(interference)로부터 결코 자유로울 수 없으며, 이로 인해 CH₄ 플럭스 값에도 변화를 일으킬 수 있다는 점이다. 또한 챔버 내부의 벼와 외부의 벼의 생장 여건의 차이로 CH₄ 배출 플럭스 값이 왜곡될 가능성에 대해 추후 계통적 편의(systematic bias)에 대한 평가가 필요할 것이다(Yu et al., 2006). 이 부분에서는 우리나라에서도 현장 적용 챔버법의 근본적인 한계를 보완해 줄 수 있을 것으로 기대되는 비파괴적인 조건에서 측정이 가능한 미기상학적 방법(에디공분산법)과의 장기적인 비교 연구가 필요할 것이다(Schrier-Uijl et al.
배출량 측정 신뢰성 평가의 다양한 측면을 기반으로 정확한 현장 자료를 얻기 위한 품질관리 방안이 마련될 수 있을 것이다. 이러한 과학적 품질관리 방안들을 현장상황에 합리적으로 적용할 때 벼논 CH₄ 국가 고유 배출계수와 각종 보정계수들의 개발과 배출량 산정 결과들의 신뢰성 향상에 기여하게 될 것으로 전망한다.
본 연구에서는 농업분야 온실가스 단일 배출원으로 가장 큰 부분을 차지하는 벼논에서 발생하는 CH₄플럭스 측정용 폐쇄형 챔버법의 기술적 근간과, 수동형 챔버법에서 전 과정의 자동화 시스템으로 발전을 거듭하고 있는 자동화 챔버 모니터링 기술개발에 대한 국내⋅외 동향을 소개하였다. 이를 바탕으로 보편적으로 사용하고 있는 챔버법의 표준화된 방법의 고찰과 정확한 현장 자료를 얻기 위한 품질관리 방안이 마련될 수 있을 것이다. 또한 CH₄플럭스 측정방법의 신뢰성 높은 기술 발전 방향에 대해 조망하여 벼논 CH₄ 배출량 산정 결과들의 신뢰성 향상에 기여하게 될 것으로 전망한다.
전술한 바와 같이 챔버법을 활용한 CH₄배출량 측정 신뢰성 평가의 다양한 측면을 기반으로 정확한 현장 자료를 얻기 위한 품질관리 방안이 마련될 수 있을 것이다. 이러한 과학적 품질관리 방안들을 현장상황에 합리적으로 적용할 때 벼논 CH₄ 국가 고유 배출계수와 각종 보정계수들의 개발과 배출량 산정 결과들의 신뢰성 향상에 기여하게 될 것으로 전망한다.
첫째, 수동 챔버에서 자동 챔버 시스템으로 변경 시 시료채취 과정에서 연유되는 불확실성이 개선될 수 있는지 또한 얼마나 개선 가능한지 검토해야 할 것이다. 여기에는 시료 채취에 사용된 주사기 내부 시료 농도의 경시 변화, 자동화된 경우에는 분석되는 시료가 라인을 통해 이송되는 과정에서 연유하는 불확실성, 완전 혼합을 가정한 시료 채취 높이의 영향 등이 고려되어야 할 것이다(Schutz et al.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폐쇄형 정적 챔버법이란?	세계적으로 농경지 CH4 플럭스 측정 기술로서 가장 널리 이용되고 있는 ‘폐쇄형 정적 챔버법(closed static chamber method)’은 토양표면에 바닥이 없는 상자(챔버)를 설치하고 CH4 농도 변화에서 플럭스를 산출하는 것이다. 챔버 내부에 갇힌 공기 중 CH4 혼합비(mixing ratio)를 시간의 함수로 기록하여 Eq.
	모든 기후변화 예측 및 모델링 연구의 실질적인 기초자료로서 활용되는 것은?	온실가스 배출량의 정확한 평가는 모든 기후변화 대응 연구의 초석이며, 신뢰성이 높은 온실가스 배출량의 평가는 모든 기후변화 예측 및 모델링 연구의 실질적인 기초자료로서 활용된다. 온실가스 배출량 산정 기반 기술로서 온실가스 배출량 현장 모니터링 기술, 배출계수의 불확도 평가 기술, 온실가스 배출량 및 저감량 검증 기술 등이 필수적이다.
	온실가스 배출량 산정 기반 기술에는 어떤 기술이 자리잡고 있는가?	온실가스 배출량 산정 기반 기술로서 온실가스 배출량 현장 모니터링 기술, 배출계수의 불확도 평가 기술, 온실가스 배출량 및 저감량 검증 기술 등이 필수적이다. 이런 기반 기술의 핵심에는 토양-식생-대기 간에 교환되는 온실가스 플럭스 산정을 위해 가장 보편적으로 많이 사용되는 폐쇄형 정적 챔버법의 모니터링 기술이 자리 잡고 있다. 본 연구에서는 농업분야 온실가스 단일 배출원으로 가장 큰 부분을 차지하는 벼논에서 발생하는 CH4 플럭스 측정용 폐쇄형 챔버법의 기술적 근간과, 수동형 챔버법에서 전 과정의 자동화 시스템으로 발전을 거듭하고 있는 자동화 챔버 모니터링 기술개발에 대한 국내·외 동향을 소개하였다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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