Effects of Global Warming on the Estuarine Wetland Biogeochemistry

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기후변화가 하구 습지 토양의 생지화학적 반응에 미치는 영향에 관한 연구 Effects of Global Warming on the Estuarine Wetland Biogeochemistry

기보민․최정현^† Bomin Ki․Jung Hyun Choi^†

이화여자대학교 환경공학과

Department of Environmental Science and Engineering, Ewha Womans University

(2011년 7월 22일 접수, 2011년 8월 29일 채택)

Abstract : This study investigated the effects of elevated CO2 and nitrogen addition on the anaerobic decomposition mediated by microorganisms to determine the microbial metabolic pathways in the degradation of organic matters of the sediments. There were statistically significant differences(P < 0.05) in the rates between denitrification and methanogenesis upon increased CO2 concentra- tion, nitrogen addition, in the presence of plants. Based on the assumption that anaerobic degradation of organic matter mainly occurs through denitrification, iron reduction, and methanogenesis, methanogenesis is the dominant pathways in the decomposition of organic matter under the condition of elevated CO2 and nitrogen addition. In addition, the altered environment increased anaerobic carbon decomposition. Therefore, it can be concluded that freshwater wetland sediments have positive effects on the global warming by the increased methanogenesiss as well as increased anaerobic carbon decomposition.

Key Words : Sediments, Decomposition, Anaerobic Metabolism, Climate Change, Wetlands

요약 : 이 연구는 대기 중 CO2 농도의 증가 및 질소 농도 조건에 따라 토양의 생물학적 유기물 분해과정의 변화 양상을 살펴 보고, 담수 습지 토양에서 주로 일어나는 탈질, 철환원, 메탄환원 반응이 토양 유기물 분해에서 차지하는 중요도를 파악하여, 습지가 대기 중 온실가스 농도 변화에 미치는 영향을 예측해 보고자 하였다. 탈질률, 메탄환원률은 CO2 농도 변화, 식물 유 무, 질소 유무에 따라 통계적으로 유의한 차이를 보였고(p < 0.05), 철환원률의 경우 질소의 유무에 따른 변화만이 유의한 차이 를 보였다. CO2 농도가 증가함에 따라 메탄환원이 유기물을 분해하는 가장 주요 반응임을 알 수 있었고, CO2 농도의 증가와 함께 질소가 첨가될 경우에도 메탄환원률의 비율이 높게 나타나 기후변화에 따른 담수 퇴적물의 혐기성 물질대사반응은 메 탄환원이 가장 주요 반응임을 알 수 있다. 기후변화는 또한 분해되어지는 유기물의 총량도 증가시켜 전체적으로 CO2 농도가 높은 경우, 특히 CO2 농도가 높으면서 질소가 첨가된 경우에 단위시간당 단위무게의 토양에서 분해되어지는 유기물의 양이 많아짐을 알 수 있다. 연구의 결과로부터 기후변화는 습지 토양내 유기물의 혐기적 분해의 속도를 증가시켜 분해되어지는 유 기물의 양을 증가시키므로 분해의 산물로 발생되는 온실가스(CO2, N2O, CH4 등)의 대기 방출을 증진시켜 기후변화에 순영향 (positive effect)를 줄 수 있으리라 판단된다.

주제어 : 퇴적물, 분해반응, 혐기성 대사, 기후변화, 습지

1. 서 론

급격한 산업화에 따른 화석연료의 사용은 대기중 온실가 스의 농도를 증가시켜, 산업화 이전의 약 280 ppm이던 CO2

농도가 2005년에는 약 379 ppm으로 증가하였다.¹⁾ 이러한 온실가스의 증가는 지구의 온실효과를 촉진시켜 지구의 평 균 기온이 산업화 이전에 비해 1.4~5.8℃ 증가하였고,²⁾ 증가 된 지구 온도는 지표면 가열 및 수온 상승과 함께 증발산량 증가에 영향을 주고 있다. 이러한 증발산량의 증가는 강수 의 양, 세기, 빈도, 종류 등의 강수 경향에 영향을 주게 되고, 나아가 육상생태계 및 수생태계에도 영향을 미치게 된다.^4,5)

육상생태계와 수생태계의 점이지대에 존재하고 있는 습 지는 지구 전체 탄소의 20~30%가 저장되어 있는 탄소의 저 장고이다.³⁾ 대기 중 CO2 농도의 증가는 습지 식물의 생산성 을 높여 식물의 생체량을 증가시키고,^6,7) 식물 뿌리를 통해 방출되는 삼출액(root exudate)의 분비를 촉진시켜 토양 내 탄소의 양을 증가시킨다.⁸⁾ 토양 내 유기물은 미생물의 호

홉과 분해작용으로 인하여 일부는 땅속에 저장되고 일정부 분은 다시 대기 중으로 배출되게 된다.^9,10) 미생물에 의한 유 기물 분해과정은 일련의 전자 수용체(Electron Acceptor)를 필요로 하게 되는데, 발생되는 자유에너지(Free Energy) 크 기에 따라 NO3-, Mn⁴⁺, Fe³⁺와 SO42-가 차례로 전자수용체로 이용되고, 최종산물로 CO2, N2O, CH4와 같은 온실가스를 발생시키게 된다.¹¹⁾ 또한, 혐기성 토양에서 자라는 습지 식 물은 공기중의 산소를 뿌리로 이동시켜 유기물 분해에 사 용되었던 환원된 물질들을(NH4+, Fe²⁺, HS^-)산화시키기도

하며,^12~14) 증발산작용(evapotranspiration)에 의해 지표수 및

지표수에 포함된 용존 물질을 근권(rhizosphere)으로 이동시 킴으로 해서 토양 내 용존 유기탄소의 거동을 가속화시킨 다.^15,16)

토양 내 탄소의 순환은 이용가능한 질소의 존재 여부에 따라 달라진다. 질소는 식물 성장에 도움을 주어 토양 내 탄 소의 양을 증가시키기도 하고, 유기물 분해에 관여하는 미 생물 활동에 영향을 주어 토양 내 탄소의 양을 변화시키기

(2)

Fig. 1. The location of study site.

도 한다.¹⁷⁾ Hungate et al. (2003)에 의하면 육상생태계에서 350~980 Gt의 탄소를 고정화시키기 위해서는 7.7~37.5 Gt 의 질소가 필요하다고 한다. 화학양론적인 계산에 통하여 살펴보면, 1 g의 탄소를 식물 생체량으로 전환시키기 위해 서는 0.005 g의 질소가 필요하고 1 g의 토양 유기물로 고정 시키기 위해서는 0.067 g의 질소가 필요하다고 한다.¹⁸⁾ 그 러나 질소가 유기물 분해에 미치는 영향에 대해서는 상당한 이견이 있어, 질소가 토양 내 탄소 저장능력에 미치는 영향 을 단정지어 설명하기 어려운 실정이다.¹⁹⁾

기후변화가 습지 생태계에 미치는 영향에 대한 관심이 증 대되면서, 기후변화가 습지 내 탄소 순환 과정에 미치는 영 향을 정량적 파악하려는 연구가 다각도에서 진행되고 있

다.^9,20) 습지 토양 내 함유된 유기물은 분해의 최종산물로

CO2, N2O, CH4 등을 대기로 방출시키고, 이는 대기 중 온 실기체 농도에 영향을 주어 기후변화를 촉진시키거나 완화 시키는 되먹임 작용(Feedback)을 하게 된다. 따라서 기후변 화가 전 지구적인 탄소순환과 온실가스 발생에 미치는 영 향을 파악하고 이에 대한 대응 전략을 세우기 위해서는, 기 후변화가 습지 토양의 유기물 분해 반응에 미치는 영향을 살펴보는 것이 필요하다.

이 연구에서는 대기 중 CO2 농도의 증가 및 질소 농도 조건에 따라 토양의 생물학적 유기물 분해과정의 변화 양 상을 살펴보고, 담수 습지 토양에서 주로 일어나는 탈질, 철환원, 메탄환원 반응이 토양 유기물 분해에서 차지하는 중요도를 파악하여, 습지가 대기 중 온실가스 농도 변화에 미치는 영향을 예측해 보았다.

2. 연구방법

2.1. 연구대상지역

한강하구는 육상생태계와 해양생태계를 연결하는 점이지 대로 두 생태계 사이의 물질순환과 에너지 흐름 등을 조절 하고, 습지가 발달하여 높은 생산성을 유지하고 있다. 수리

수문적 요소를 고려하면 고양, 파주, 김포, 임진강, 예성강, 강화수로, 주문도, 볼음도 등이 한강하구의 범주에 포함 될 수 있으며, 이에 해당하는 한강 하구 습지의 총면적은 356.43 km²이고, 이 중 내륙습지는 9.45 km², 연안습지는 346.98 km²이다. 연평균기온은 11.0~12.2℃이며 연강수량은 1,152~

1,344 mm로 여름철은 고온다습하고 강수량이 많은 반면 겨울철은 건조한 것이 특징이다.²¹⁾

연구 대상 지역인 장항습지는 고양시 신평동, 장항동, 송 포동에 걸쳐 위치하며, DMZ 일원인 민간인통제구역으로 자 연경관이 우수하고 다수의 멸종위기 동식물이 서식하고 있 어 2006년 4월 환경부고시 제2006-58호에 의해서 국가습지 보호지역으로 지정되었다.²²⁾ 장항습지는 기수역 식물군락 인 새섬매자기 군락과 세모고랭이 군락이 쇠퇴, 소멸해 가 고 줄 군락과 갈대 군락으로 천이되고 있다.²³⁾

2.2. 실험장치 및 방법

실험에 필요한 토양은 장항습지에서 채취하였다(Fig. 1).

하변에서 약 50 cm 떨어져 있고, 줄풀이 자라지 않는 지역 에서, 표면으로부터 약 10 cm 깊이의 토양을 채취하였다.

채취한 토양은 풍건하여 2 mm체로 거른 후, 화분에 담고 증류수로 일정 수위를 맞춘 후 생장상 실험을 진행하였다.

또한, 습지 퇴적물의 생지화학학적 반응이 식물의 영향을 받 는지 알아보기 위해, 절반의 화분에 장항습지의 우점종인 줄풀을 식물원에서 구입하여, 뿌리를 증류수로 헹군 뒤, 화 분에 식재하였다.

두 개의 생장상(140×74×1,200 cm³, Dasol Science, Korea) 을 이용하여 실험을 진행하였다. 생장상 1은 현재 대기 조 건인 CO2 농도 390 ppm과 온도 23℃/18℃ (day/night)로 설 정하였고, 생장상 2는 2100년도 대기 조건인 CO2 농도 720 ppm과 온도 27℃/22℃ (day/night)으로 설정하였다. 2100년 도 대기 조건은 국립기상연구서 전망에 따른 SRES A1B를 따라 설정하였다. 두 개의 생장상 모두 70%의 습도를 유지 하였으며, 조도는 14시간은 낮(1,000 lux), 10시간은 밤으로 설정하였다.

(3)

(a) ambient CO2 and temperature (growth chamber 1) (b) elevated CO2 and temperature (growth chamber 2) Fig. 2. Schematic diagram of growth chamber.

각 화분은 3 반복으로 설치하였고, 그 중 반은 줄풀을 식 재하였다. 줄풀을 식재하지 않은 화분과 식재한 화분의 일 부에 NH4NO3 100 mM N의 물을 주어 식물의 영향 뿐 아니 라 질소의 영향도 고려하였다(Fig. 2).

생장상 실험을 진행하는 동안, 토양 생지화학적 특성의 변 화를 살펴보기 위해 혐기적 물질대사를 분석하였다. 내경이 3 cm, 길이가 10 cm인 플라스틱 코어를 이용하여 각 화분 의 가장자리에서 시료를 채취하였고, 공기와의 접촉을 피해 비닐백에 넣어 분석하였다. 분석 시에는 질소 충전한 혐기 적 chamber 안에서 깊이 별 5 cm간격으로 잘라 분석을 수 행하였다. 수분함량 및 유기물 함량은 일정량의 퇴적물을 105℃ 오븐에서 건조시킨 후 무게를 측정하고, 다시 600℃

furnace에서 유기물을 태워 제거한 후, 그 무게 차이로 측 정하였다.²⁶⁾

탈질(denitrification)은 유기물 분해시 사용되어진 NO3-가 N2O를 거쳐 N2로 진행되는 과정으로, acetylene을 주입하 여 N2O에서 N2로의 변화를 차단시킨 후 시간에 따른 N2O 발생량을 측정하여 탈질률(denitrification rate)을 계산할 수

있다.^27~29) 혐기성 chamber에서 채취된 토양시료를 잘 섞은

후 serum bottle에 토양시료를 넣고 산소가 제거된 증류수 를 가한 후 capping한다. N2O에서 N2로의 변화를 차단시키 기 위해 acetylene gas 10 mL를 serum bottle에 주입한다.

이 때 압력을 맞추기 위해 주사바늘을 하나 더 꽂아 병 안 의 N2 가스가 밖으로 나올 수 있게 한다. 탈질 반응이 진행 됨에 따라 headspace에 축적되어지는 N2O를 gas chromatograph (HP 6890 Series GC system)를 이용하여 측정한다.

철환원률(Iron reduction rate)은 혐기성 토양 슬러리(9 mL soil + 9 mL oxygen-free D-water)에서 Fe(II)의 발생량을 관 찰함으로써 측정할 수 있다.^30,31) 혐기성 chamber에서 채취 된 토양시료를 잘 섞은 후 산소가 제거된 증류수를 가하여 토양 슬러리를 만든다. 만들어진 토양 슬러리는 여러개의 serum bottle에 넣어진 후 밀봉되어 5~10일 동안 배양하며 시간에 따른 Fe(II) 발생량을 측정하는데 사용되어진다. Fe(II) 발생량을 측정하기 위해서는 혐기성 chamber에서 토양 슬

러리 0.5 mL 취하여 0.5 mol/L HCl 10 mL에 넣어 용존성 및 부착성의 Fe(II)를 추출한 후 Muir spectrophotometric법 을 사용하여 510 nm 파장에서 흡광도를 분석하였다. Fe(II) 의 발생률은 실험초기에는 선형적으로 증가하나 배양 후기 에 가면 줄어들게 되는데 이는 사용되어질 수 있는 Fe(III) 나 분해되어질 유기물의 양이 한정되어 있기 때문이다. 실 험 시간에 따른 Fe(II) 발생량에 관한 그래프는 철환원률을 계산하는데 사용되어졌다.

메탄환원률(methanogenesis rate)을 측정하기 위해서는 철 환원률 측정과 같은 방법으로 밀봉된 serum bottle에 혐기 성 토양 슬러리를 5~10일 동안 배양하며 시간에 따른 head- space내 CH4의 발생량을 gas chromatograph (Hewlett Packard M600D)를 이용하여 측정하였다.^30,31) Serum bottle에서 측정 을 위한 gas 시료를 추출하기 전에 동량의 질소가스를 주입 하여 serum bottle의 gas 부피를 일정하게 유지하였다. 실험 초기에 발생하는 CH4의 발생량을 사용하여 메탄환원률을 계산하였다.

분해되어지는 유기물의 총량을 측정하기 위해 메탄 발생 량과 동시에 이산화탄소 발생량을 측정하였다. 메탄환원률 측정에 사용된 밀봉된 serum bottle에서 시간에 따른 head- space내 이산화탄소 발생량을 gas chromatograph (Agilent technologies 7890A)를 이용하여 측정하였다.

2.3. 통계분석

측정된 데이터들이 각 조건별 유의한 차이를 나타내는지 알아보기 위해, three-way ANOVA test를 유의수준 0.05에서 SPSS 12.0K (SPSS Inc., Chicago, USA)를 이용해 통계분석 을 하였다.

3. 결과 및 고찰

장항습지에서 채취한 토양시료와 생장상 실험을 진행하며 한 달에 한 번씩 채취한 토양시료의 수분함량과 유기물 함

(4)

Table 1. Pearson correlation matrix of denitrification on working condition [n=9]

Ambient CO2 Elevated CO2

N-limitation N-enrichment N-limitation N-enrichment non-

vegetation vegetation non-

vegetation vegetation

Ambient CO2

N- limitation

non-vegetation 1

vegetation 0.828 1

N- enrichment

non-vegetation 0.986^a 0.908 1

vegetation 0.899 0.990^a 0.958^a 1

Elevated CO2

N- limitation

non-vegetation -0.215 0.370 -0.051 0.234 1

vegetation 0.992^b 0.892 0.999^b 0.947 -0.090 1 N-

enrichment

non-vegetation 0.035 0.590 0.199 0.469 0.968^a 0.161 1

vegetation 0.975^a 0.932 0.998^b 0.974^a 0.008 0.995^b 0.257 1

a : correlation is significant at P<0.05

b : correlation is significant at P<0.01

량 분석을 수행하였다. 장항습지에서 채취 한 토양의 수분 함량은 27.06 ± 0.69%, 유기물 함량은 3.22 ± 0.27%였다. 본 연구에서 사용된 하구 습지 토양은 일반 호수 토양과 비교 하여 유기물 함량이 차이를 보인다. 기보민 등(2009)의 연 구결과를 보면 일반 호수 토양의 수분함량은 45.16 ± 0.55%, 유기물 함량은 2.76 ± 0.32%이다.³²⁾ 본 연구에 사용된 하구 습지 토양은 일반 호수 유입부 지점의 토양과 비교하여 유 기물 함량이 높으나, 일반 호수 방류 지점과 비교하면 유기 물 함량이 낮다. 이는 인공호수와 같은 정체성 수역에서는 방류 지점에서 상대적으로 퇴적되는 유기물의 양이 많기 때 문으로 생각되며, 하구 습지 토양 역시 호수의 방류 지점과 비슷하게 퇴적되는 유기물의 양이 상당한 것으로 보인다.

생장상 실험에서 채취한 토양시료의 월별 수분함량과 유 기물 함량은 큰 차이를 보이지 않았으며, 채취한 토양시료 의 수분함량은 27.43 ± 0.40%, 유기물 함량은 7.56 ± 0.26%

로 나타났다. 장항습지에서 채취한 토양시료와 비교해보면 생장상 실험이 진행되면서 식생 유무와 관계없이 유기물 함량이 증가한 것을 알 수 있다.

실험 조건 별로 수분함량과 유기물 함량을 비교해 본 결 과(Fig. 3), CO2 농도 변화에 따른 수분함량만이 유의한 차 이(P < 0.05)를 보이고, 유기물 함량은 유의한 차이를 보이지 않았다. CO2 농도가 높은 경우 수분함량이 2% 정도 낮게 나타났는데, 이는 약 4℃ 정도 높은 온도에 의해 증발산량이 증가했기 때문이라 생각된다. 질소첨가에 따른 수분함량과 유기물 함량을 분석한 결과 유의한 차이를 발견 할 수 없었 다. 식생 유무에 따른 수분함량과 유기물 함량 분석결과도 유의한 차이를 보이진 않았지만, 식생이 식재되지 않은 경 우 수분함량이 높고 유기물 함량이 낮은 경향을 보였다.

CO2 농도 변화, 식물 유무와 질소 유무 등이 탈질률, 철 환원률, 메탄환원률에 미치는 영향을 파악하기 위하여 three-way ANOVA test를 유의수준 0.05에서 수행하여 상관 관계 분석을 실시하였다(Table 1~3). 탈질률, 메탄환원률은 CO2 농도 변화, 식물 유무, 질소 유무에 따라 통계적으로 유의한 차이를 보였다. 또한 각 조건별 단일영향뿐 아니라

CO2 농도 변화와 동시에 식물 유무가 미치는 영향, CO2 농 도 변화와 동시에 질소 유무가 미치는 영향 등의 복합적 조건의 영향도 통계적으로 유의한 차이를 보였다. 철환원 률의 경우는 질소의 유무에 따른 변화만이 통계적으로 유 의함을 알 수 있었다.

각 조건별로 측정한 퇴적물의 탈질률은 Fig. 4에 나타내었 다. CO2 농도 변화에 따른 탈질률은 Level 1 (0~5 cm), Level

(a) Water content (%)

(b) Ignition loss

Fig. 3. Physical characteristics of sediments used in the experi- ment.

(5)

Table 2. Pearson correlation matrix of Iron reduction rate on working condition [n=9]

Ambient CO2

N- limitation

non-vegetation 1

vegetation 0.684 1

N- enrichment

non-vegetation 0.727 0.994^b 1

vegetation 0.583 0.898 0.930 1

Elevated CO2

N- limitation

non-vegetation -0.193 0.393 0.411 0.672 1

vegetation -0.662 -0.030 -0.043 0.219 0.862 1

N- enrichment

non-vegetation -0.537 -0.175 -0.137 0.218 0.828 0.889 1

vegetation -0.835 -0.172 -0.228 -0.084 0.598 0.900 0.644 1

Table 3. Pearson correlation matrix of methanogenesis rate on working condition [n=9]

Ambient CO2

N- limitation

non-vegetation 1

vegetation 0.815 1

N- enrichment

non-vegetation 0.937 0.886 1

vegetation 0.997^b 0.852 0.941 1

Elevated CO2

N- limitation

non-vegetation 0.980â 0.852 0.987â 0.979â 1

vegetation 0.968^a 0.644 0.858 0.948 0.928 1

N- enrichment

non-vegetation 0.889 0.645 0.925 0.866 0.936 0.902 1

vegetation 0.903 0.644 0.924 0.879 0.941 0.920 0.999^b 1

(a) ambient CO2

2 (5~10 cm) 모두 CO2 농도가 높은 조건에서 더 낮은 값을 나타내었다. CO2 농도가 낮은 조건에서 Level 1이 높은 탈 질률을 보이는 것으로 보이나, 통계적으로 유의한 차이를 보 이지는 않는다(Table 2). 질소 유무에 따른 탈질률은 Level 2에서는 질소가 없는 경우에 더 높은 값을 보이나, Level 1

에서는 CO2 농도가 낮은 조건에서는 질소가 추가 된 경우 에 더 높은 값을 보이고, CO2 농도가 높은 조건에서는 질 소가 없는 경우에 더 높은 값을 보인다. 식물 유무에 의한 탈질률은 Level 2에 질소가 없는 경우에 더 높은 값을 보이 나 Level 1에서는 질소가 있는 경우에 더 높은 값을 보인

(6)

(b) elevated CO2

Fig. 4. Soil organic carbon mineralization denitrification rates.

(a) ambient CO2

(b) elevated CO2

Fig. 5. Soil organic carbon mineralization iron reduction rates.

다. 식물이 있는 경우에 더 높은 값을 나타내고, 질소가 추 가된 경우에는 식물이 없는 경우에 더 높은 값을 나타낸다.

각 조건별로 측정한 퇴적물의 철환원률은 Fig. 5에 나타내 었다. CO2 농도 변화에 따른 철환원률을 비교해 본결과 전 체적으로 CO2 농도가 높은 조건에서 더 높은 값을 보였으 며, Level 1, 2 모두 CO2 농도가 높은 조건에서 더 높은 값

을 나타내었다. 질소 유무에 따른 철환원률은 CO2 농도가 낮은 조건에서 Level 1은 질소가 있는 경우에 더 높은 값을 보이고, Level 2에서는 질소가 없을 때 더 높은 값을 보였 다. 반면에 CO2 농도가 높은 조건에서는 Level 1은 질소가 있는 경우에 더 낮은 값을 보이고, Level 2에서는 질소가 없 을 때 더 낮은 값을 보였다. 식생 유무에 의한 철환원률은

(7)

(a) ambient CO2

(b) elevated CO2

Fig. 6. Soil organic carbon mineralization iron methanogenesis rates.

CO2 농도가 낮은 조건의 식생이 없는 경우에 더 높은 값을 보이고, CO2 농도가 높은 조건에서는 식생이 있는 경우에 더 높은 값을 보였다. 철환원률은 식생과 질소의 영향보다 CO2 농도의 영향을 더 받는 것으로 보인다. CO2 농도가 낮 은 경우에는 질소 유무와 식물 유무에 의한 높은 양의 상 관관계(0.994)를 보였다(Table 2).

각 조건별로 측정한 퇴적물의 메탄환원률은 Fig. 6에 나 타내었다. CO2 농도 변화에 따른 메탄환원률은 CO2 농도가 높은 조건에서 더 높은 값을 나타내었다. 질소가 없고, 식물 이 있는 조건에서는 CO2 농도가 낮은 조건에서 더 높은 값 을 나타내는 것으로 보이나, 통계적으로 상관관계를 보이 지는 않으므로(Table 3) 전체적으로 CO2 농도가 높은 조건 에서 메탄환원률이 더 높은 것으로 볼 수 있다. 질소 유무 에 따른 메탄환원률은 CO2 농도가 낮은 조건에서 깊이에 따라 다른 경향을 보였다. Level 1에서 질소가 추가된 조건 에서 더 높은 값을 보였으며, Level 2에서는 질소가 없는 조건에서 더 높은 값을 보였다. 반면에 CO2 농도가 높은 조건에서는 Level 1에서는 질소가 있을 경우 더 낮은 값을 보이고, Level 2에서는 질소가 없는 조건에서 더 낮은 값을 보였다. 식생 유무에 의한 메탄환원률은 Level 1, 2 모두

CO2 농도가 낮은 조건에서는 식생이 있는 경우에 더 높은 값을 나타내었고, CO2 농도가 높은 조건에서는 식생이 없는 경우에 더 높은 값을 보였다.

메탄환원률은 CO2 농도가 낮은 조건에서 질소와 식물 유 무에 따른 높은 양의 상관관계(0.997)을 보이고, CO2 농도 가 높은 조건에서는 식물 유무에 따른 높은 양의 상관관계 (0.999)를 보여(Table 2), CO2 농도에 상관없이 질소와 식물 유무에 따른 영향을 받는 것으로 보인다.

퇴적물의 혐기적 물질대사에 관여하는 반응들의 상대적 인 크기를 비교하기 위해 환원물질의 발생량을 사용된 유 기탄소의 양으로 환산하였다. 1 mole 의 유기탄소가 분해 되어지기 위해서는 4 mole의 Fe(III)가 Fe(II)로 환원되어지 므로, 발생되어지는 Fe(II)의 양을 측정하여 사용되어진 유 기탄소의 양으로 환산하였다.²⁴⁾ 메탄환월률의 경우에는 토 양 슬러리의 혐기성 분해에 의해 1:1의 CO2: CH4의 발생량 이관측 되어지므로 2 mole의 유기탄소가 분해되어져 1 mole 의 CH4이 발생함을 실험적으로 알 수 있다.²⁴⁾

발생되어지는 환원물질의 양과 사용되어지는 유기탄소의 양 사이의 관계는 실험을 통해서 뿐만 아니라 stoichiometric equation을 이용하여서도 밝혀낼 수 있다. 유기물 분해

(8)

(a) ambient CO2

(b) elevated CO2

Fig. 7. The relative importance of measured microbial metabolic pathways.

시 Fe(III)가 electron acceptor로 사용된 stoichiometric equa- tion은 다음과 같이 표현될 수 있다. 이때 유기물을 표현하 기 위하여 Redfield ratio²⁵⁾를 사용하였다.

(CH2

O)

106(NH3)16(H3

PO

4) + 424FeOOH + 848H⁺→

106CO2+ 424Fe²⁺+ 16NH3+ H3

PO

4+ 742H2

O

(1)

위의 stoichiometric equation을 보면 이론적으로 1 mole의 유기탄소가 분해되어지기 위해서는 4 mole의 Fe(III)가 Fe(II) 로 환원되어짐을 알 수 있다.

유기물이 혐기성상태에서 메탄을 발생시키는 경우에도 1:1 의 CO2: CH4 발생량을 다음의 stoichiometric equation을 통 해 알 수 있다.

(CH2

O)

106(NH3)16(H3

PO

4) →

53CO2+ 53CH4+ 16NH3+ H3

PO

4 (2)

같은 방식으로 탈질의 경우를 살펴보면, 유기물 분해시 nitrate가 electron acceptor로 사용된 다음의 stoichiometric equation을 이용하여 1 mole의 유기탄소가 분해되어지기 위 해서는 0.8 mole의 nitrate가 N2 가스로 환원되어짐을 알 수

있다.

(CH2

O)

106(NH3)16(H3

PO

4) + 84.8NO3-+ 84.8H⁺→

106CO2+ 42.4N2+ 16NH3+ H3

PO

4+ 148.4H2

O

(3)

환원물질의 발생량을 사용되어진 유기탄소의 양으로 환 산하면 퇴적물에서 유기물 분해에 관여하는 반응들의 상대 적인 크기를 비교할 수 있다. 각 분해반응의 상대적인 중요 도를 계산하기 위하여 유기물의 total anaerobic metabolism 을 탈질(denitrification), 철환원(Iron reduction), 메탄환원(methanogenesis)의 합이라 가정한 후, total anaerobic meta- bolism에 대한 각 분해반응의 상대적인 크기를 계산하였다 (Fig. 7).

본 연구의 경우 메탄환원이 유기물을 분해하는 가장 주 요 반응임을 알 수 있다. CO2 농도가 낮은 조건과 높은 조 건에서 모두 혐기성 물질대사 중 60% 이상을 차지하는 것 이 메탄환원률이며, 탈질률은 5~18%의 비율을 차지한다. 이 는 지속적으로 퇴적물 위에 존재한 수층으로 인해 퇴적물내 혐기성 상태가 지속되어 메탄환원률이 높게 나타난 것으로 보인다. 탈질률의 경우 CO2 농도가 낮은 조건에서 높게 나 타났고, 질소 유무에 의한 반응의 상대적 비교는 CO2 농도

(9)

(a) ambient CO2

(b) elevated CO2

Fig. 8. Comparison between summed anaerobic metabolism (Denitrification + Iron reduction + methanogenesis) and anaerobic carbon decomposition determined as the sum of CO2 and CH4 production.

가 낮은 조건에서 질소가 있을 경우가 질소가 없을 경우에 비해 높게 나타났다. 특히 질소가 있는 Level 1 (0~5 cm)에 서 탈질률이 전체 혐기성 물질대사의 10% 이상을 차지하는 것을 측정할 수 있었다. 그러나 CO2 농도가 높은 조건에서 는 질소가 없을 경우 탈질률의 비율이 더 높게 나타난다.

식생 유무에 의한 반응의 상대적 비교는 Level 1, 2 모두 CO2 농도가 낮은 조건에서는 식생이 있는 경우에 탈질률 의 비율이 더 높은 값을 나타내었고, CO2 농도가 높은 조 건에서는 식생이 없는 경우에 탈질률의 비율이 더 높은 값 을 보였다. Level 2 (5~10 cm)의 경우 Level 1 (0~5 cm)에 비해 탈질률의 비율이 더 낮고 메탄환원률이 더 높은 비율 을 차지하였다.

분해되어지는 유기물의 총량을 측정하기 위해 메탄 발생 량과 이산화탄소 발생량을 측정하였고, 메탄발생량과 이산

화탄소 발생량을 총유기물의 합이라 가정한 후, 탈질(denitrification), 철환원(Iron reduction), 메탄환원(methanogenesis)에 의해 분해되어지는 탄소의 합과 비교하였다(Fig.

8). 탈질, 철환원, 메탄환원의 합인 anaerobic metabolism과 CO2와 CH4 발생량의 합인 anaerobic carbon decomposition 은 전체적으로 비슷한 값을 보여 본 연구의 유기물을 분해 하는 가장 주요 반응이 탈질, 철환원, 메탄환원으로 이루어 졌음을 확인할 수 있다.

전체적으로 CO2 농도가 높은 경우, 특히 CO2 농도가 높 으면서 질소가 첨가된 경우에 단위시간당 단위무게의 토양 에서 분해되어지는 유기물의 양이 많아짐을 알 수 있다. 또 한 질소 유무에 다른 전체 anaerobic metabolism의 총합은 식물이 없는 경우는 CO2 농도와 상관없이 큰 차이를 보이 지 않으나, 식물이 있는 경우에는 차이를 보인다. CO2 농도

(10)

가 낮을 경우에는 Level 2 (5~10 cm)에서 anaerobic carbon decomposition이 더 높은 값을 나타내었고, CO2 농도가 높 을 경우에는 Level 1 (0~5 cm)에서 더 높은 값을 나타냈다.

4. 결 론

이 연구는 대기 중 CO2 농도의 증가 및 질소 농도 조건 에 따라 토양의 생물학적 유기물 분해과정의 변화 양상을 살펴보고, 담수 습지 토양에서 주로 일어나는 탈질, 철환 원, 메탄환원 반응이 토양 유기물 분해에서 차지하는 중요 도를 파악하여, 습지가 대기 중 온실가스 농도 변화에 미치 는 영향을 예측해 보고자 하였다.

담수 습지 토양에 함유되어 있는 유기물의 anaerobic meta- bolism이 탈질, 철환원, 메탄 환원의 합이라 가정한다면, CO2 농도가 증가함에 따라 메탄환원이 유기물을 분해하는 가장 주요 반응임을 알 수 있다. CO2 농도의 증가와 함께 질소가 첨가될 경우에도 메탄환원률의 비율이 높게 나타나 기후변화에 따른 담수 퇴적물의 혐기성 물질대사반응은 메 탄환원이 가장 주요 반응임을 알 수 있다. 기후변화는 또한 분해되어지는 유기물의 총량도 증가시켜 전체적으로 CO2

농도가 높은 경우, 특히 CO2 농도가 높으면서 질소가 첨가 된 경우에 단위시간당 단위무게의 토양에서 분해되어지는 유기물의 양이 많아짐을 알 수 있다. CO2 농도가 증가하면 서 decomposition rate가 증가하여 유기물의 분해가 활발해 지는 것은 기후변화에서 CO2 농도 증가보다 온도상승이 더 큰 영향을 준 것으로 생각된다.

연구의 결과로부터 기후변화는 습지 토양 내 유기물의 혐기적 분해의 속도를 증가시켜 분해되어지는 유기물의 양 을 증가시키므로 분해의 산물로 발생되는 온실가스(CO2, N2O, CH4 등)의 대기 방출을 증진시킬 수 있고, 특히 메탄 환원률의 증가는 CO2에 비해 온실효과에 미치는 영향이 20 배 정도 강한 CH4의 방출을 증진시키게 되므로 기후변화 에 순영향(positive effect)를 줄 수 있으리라 판단된다.

사 사

이 논문은 2011년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한 국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 20110001286).

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