DOI: 10.5532/KJAFM.2010.12.4.264
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토양호흡의 측정과 국내 연구 현황에 대한 고찰
이은혜·임종환1·이재석
*
건국대학교생명과학과
,
1산림과학원산림생태과(2010
년8
월25
일접수; 2010
년9
월24
일수정; 2010
년10
월5
일수락)
A Review on Soil Respiration Measurement and Its Application in Korea
Eun-Hye Lee, Jong-Hwan Lim
1and Jae-Seok Lee
Department of Biological Sciences, College of Science, Konkuk University, Seoul 143-701, Korea
1
Division of Forest Ecology, Korea Forest Research Institute, Seoul 130-712, Korea (Received August 25, 2010, Revised September 24, 2010; Accepted October 5, 2010)
ABSTRACT
The objectives of this study were to introduce the methods of soil respiration measurement, to review soil respiration studies conducted in Korea, and to suggest potential issues generated from using various methods for soil respiration measurement. According to the measurement principles, the methods of soil respiration measurements are classified as: alkali absorption method (AA), closed chamber method (CC), closed dynamic chamber method (CDC), and open flow method (OF). Based on the litereaure review on soil respiration studies in Korea, the CDC method was mostly used by the researchers (62%), followed by the AA (17%), OF (13%) and CC (8%) methods. Along with these methods, various instruments were used such as LI-6400-09, EGM-3, EGM-4, and automatic soil respiration chamber. Most of the soil respiration measurements were carried out in forest ecosystems and the reported soil respiration showed a wide range of variations from 130 to 900 mg CO
2m
−2h
−1. Continuous monitoring of soil respiration with minimal disturbance and the potential inconsistency in measurements are still the challenges facing the researchers, causing a paucity in quality datasets of sufficient quantity. Few attempts of intercomparison among different methods hinder the data users from synthetic analysis and assessment of the collected datasets. In order to better estimate soil carbon budget and understand their exchange mechanisms in key ecosystems of Korea, it is necessary to measure soil respiration at various plant functional types, soils, and climate conditions over a decadal time scale along with the study on the partitioning of soil respiration into autotrophic and heteorotrophic components.
Key words
: Soil respiration, Chamber method
I. 서 론
토양권은 지구생태계에 축적된 총 탄소량의
50%
이상을 차지하고있으며
(Vitousek, 1991),
토양권에서대기로 방출되는 탄소는 약
75~120Gt CO
2yr
−1로화석연료 방출양의
11~20
배에 달한다(Raich and
Potter, 1995; Schimel
et al., 1996).
이는 대기 중 탄소농도변화와기후변화에직접적인영향을주기때 문에토양에서대기로의탄소방출을정확히정량화하 는것은 매우중요하다.
토양내의 탄소축적량은자* Corresponding Author : Jae-Seok Lee ([email protected])
가및타가영양체의리터공급·축적을통한탄소저장 과타가영양체호흡과자가영양체호흡을통한 대기중 탄소방출로인해증가하거나감소한다
.
토양권의탄소 유입·유출및탄소축적은생태계(
식생과토양종류)
및 기후조건
(
강수,
온도,
수분)
에의해 조절되기때문 에토양에서대기로의탄소방출정량화하기위해서는 이를조절하는인자들에대해파악하는것이중요하다.
생태계탄소순환연구에서토양호흡관측의중요성 이대두된이후다양한기후대의생태계에서토양호흡 관측이이루어져 왔으며
,
이산화탄소방출을직접 측정하는 챔버법이 가장 많이 적용되어 왔다
(Nay
etal.
, 1994; Bekku
et al., 1997; Pongracic
et al., 1997;
Grogan, 1998; Le dantec
et al., 1999).
챔버법을 기초로한 초기의연구는주로 기후대에 따른 다양한 식 생의 연간토양호흡량추정
(Landsberg, 1986; Gordon
et al.
1987; Kursar, 1989; Raich and Schlesinger, 1992; Schlentner and Van cleve, 1985; Nakane
etal
., 1996)
에초점이맞춰져있었다.
그러나대기중이 산화탄소증가로기후변화가전세계적인환경문제 로대두되면서토양의탄소수지와토양호흡량변화에 대한 관심이 더욱 증가되었다(McHale
et al., 1998).
최근에는모델을이용한광역적이고장단기적인지구 규모의탄소순환을예측하고그정확성을높이기위한 검증자료로서 산림
,
초지,
농경지 등 다양한 식생과 토지이용 패턴에 따른 토양호흡량의 변화(Bertram, 1991; Ham
et al., 1995; Nakadai
et al.,2002),
토양 호흡과 환경요인(
온도,
수분등)
의상관성과같은다양한 토양호흡 자료가 요구되고 있다
(Wang
et al.,
2002; Shutou 2004).
생태계는 기후대 및 식생 타입에따라토양환경이달라지므로토양호흡과환경요인 과의 관계를 단순화시키는것은 어렵다
.
따라,
토양과환경요인의다양성을반영할수있는다양한토양 에서의토양호흡관측과토양탄소수지연구가필요하다
.
초기의토양호흡측정은주로소다석회
(soda lime)
와 수산화 칼륨
(potassium hydroxide, KOH)
과 같은CO
2흡수화학제품을밀폐상에설치하는알칼리흡습법(alkali absorption method)
을 사용하였으나,
이후 적 외선기체분석기(Infrared Gas Analyzer, IRGA)
의 소형화
,
정밀도향상,
가격 저렴화 등의 요인으로다양 한종류의측정기기들이개발되어왔다.
그러나이러한다양한 측정기기들간의 비교·검증의부족은 오히려 축적된토양호흡자료의이용효율성을제한하는새로
운문제점으로부각되고있다
.
즉,
다양한측정방법과 특정측정기기들간의측정오차에대한검증없이는측 정된토양호흡결과를비교하거나또는통합하는것이어렵다는 것이다
. Bekku(1997)
에 의하면 실험실에서인위적으로만든동일한토양에서
4
가지방법(
알칼리흡 습법,
밀폐상역학법,
통기법,
밀폐상법)
으로토양호흡을 측정한결과,
동일한 토양조건에서실험하였음에도 불 구하고4
가지방법에의한토양호흡값은모두달랐으 며특히알칼리흡습법은다른방법들에비해토양호흡 을과대평가하였다.
또한, Yim(2001)
은야외에서알칼 리흡습법과 두 가지의 역학챔버법(dynamic chamber
method)
을 이용하여 토양호흡을 측정한 결과, Bekku
(1997)
의결과와같이각방법에따라토양호흡값이달랐음을보고하였다
.
이처럼각기다른장비와방법으로 토양호흡을측정한경우,
각방법에따라발생할수있는 관측 오차로 인해 상호 비교 및 정확한 정량화가 어렵고
,
이는광역적인탄소순환추정에불확실성을초 래하는주된요인으로작용한다(Yim
et al., 2002).
국내에서도최근생태계의탄소순환에관한 자료의 요구가 증가함에 따라 토양호흡에대한 관심이 높아 지고 있으며
,
많은 연구자들에의해 다양한연구과제 가진행되고 있거나계획되고있다.
이러한관점에서본 논문에서는 국내외에서 토양호흡측정에 사용되는 측정방법
,
측정기기 그리고 국내 생태계 토양호흡을 측정하기위해적용되어수집된토양호흡자료들을고 찰하였다.
또한정확한토양호흡의시·공간적분된토 양호흡 방출량추정과 축적된토양호흡 자료의 이용 효율을증가하기위한방안을제안하였다.
II. 토양호흡 측정 방법 및 측정 장치의 발달
2.1. 생태계의탄소수지와토양호흡
생태계탄소순환은대기
-
식생-
토양간의탄소이동과저 장을포함하며탄소이동과저장은시·공간적차이로 발생하는여러환경요인에영향을받는다.
일변화와같 은단기간의변화가계절 및연변화와같은장기간의 변화를야기시켜며지역적환경요인의차이로높은공 간적불균질성을갖는다.
이러한불균질성은실측으로 부터얻어진결과를시·공간적확대적용하는데가장 큰걸림돌로작용한다.
따라서지구규모탄소수지예측 을위한체제구축에는시·공간적불균질성을해소하기위한다양한종류의생태계와기후대에대한상세한 관측자료가필요하다
(Rayment and Jarvis, 2000).
생태계 탄소수지는 크게 미기상학적 방법
(micro- meteorological method)
과 생물측정학적 방법(biometric
method)
을 사용하여측정한다.
미기상학적방법은공기의이동방향과속도
,
공기에포함된탄소농도의변 화로부터대기에서생태계혹은생태계에서대기로의 탄소이동량,
즉순생태계교환량(net ecosystem exchange)
을정량화하는방법이다
.
생물측정학적방법을이용한 탄소수지의정량화는생태계를구성하는각각의인자(
생산자,
소비자,
토양 등)
들이 가지고 있는 탄소량과그탄소의이동과정을하나씩정량화함으로써탄소수 지의전체틀을완성하는방법이다
.
생물측정학적방법에 의한 생태계 탄소수지 정량의 경우
,
대기에서 식생으로유입되는 탄소의총량은자가영양체의 총일차생산량
(Gross Primary Production,
GPP)
으로 정의되며, GPP
중에서자가영양체의 호흡(Autotrophic Respiration, AR)
을 뺀나머지가 자가영 양체의 순일차생산량(Net Primary Production, NPP)
이된다
.
즉, NPP
는전년도까지축적된생물량을제외한당해년도에새롭게증가된생물량만을포함한다
.
NPP = GPP
−AR (1)
NEP = NPP
−HR (2)
생태계 수준의 탄소수지인 순생태계생산량
(Net Ecosystem Production, NEP)
은NPP
에서 소비자호흡 즉,
동물과미생물의탄소분해과정인호흡을통해대 기로 방출되는 타가영양체 호흡량(Heterotrophic Respiration, HR)
을빼준것이다. NEP
는생태계가탄소흡원또는발원인지를결정하는중요한척도가되
며
, NEP
계산에 있어서 정확한 토양호흡의 정량화는NEP
의정확도에크게영향을미친다.
2.2.
토양호흡측정방법2.2.1.
밀폐상법(closed chamber method)
밀폐상법은토양호흡측정에서가장널리 이용되는
방법으로서
,
측정하고자하는지면에상하부가개방된원형 또는 사각형의틀을 약
5cm
이내(
리터 포함)
로토양 표면에고정한 후상부에캡 형태의뚜껑을결
착하여지면과캡사이를밀폐 상태로만든다
(Closed
Chamber method, CC).
이후 밀폐된내부 공기가시간경과에따라토양에서방출되는
CO
2농도의상승 률,
즉토양에서방출되는CO
2양을측정하여단위시 간당 단위 면적당의 토양호흡을 계산한다(Fig. 1a,
Table 1).
이때CO
2농도 증가율의 측정은적외선기체분석기가 발달하지 않았던 토양호흡측정 초기에는
CO
2를 흡수하는 성질이 있는 알칼리용액(KOH
또는NaOH)
을 사용한 알칼리흡습법(Alkali Absorption
method, AA)
이 사용되었다(Kirita, 1971; Yim
et al.,
2003). AA
방법은밀폐상내에알칼리용액으로 적신스폰지를작은용기에담아놓아두면알칼리용액은챔 버내
CO
2를흡수한다.
일정시간이지난후스폰지를 회수한후알칼리용액만을취하고화학적적정을통해 흡수된CO
2양으로부터토양호흡량을산출한다.
경우에 따라CO
2흡수제로 알칼리용액대신에 소다 석회를 사용하기도한다. AA
방법은CO
2농도 측정에고가 의 장비가 필요하지 않아 비용 부담이 적고 전원을 이용하지않기때문에전원사용이제한된지역에서측 정할 수 있는 장점이 있다.
그러나용액이 과도하게 챔버내CO
2를흡수하여 챔버내CO
2농도가대기상 태보다낮아져토양에서챔버내로이동하는CO
2확산 의 증가로 토양호흡을 과대평가하는 단점이 있다(Beukk
et al., 1995).
Fig. 1.
Method of soil respiration measurement. (a) a closed dynamic method and (b) an open-flow chamber method
Table 1.
Method of soil respiration measurement and its principal
Method Measurement Principal
Alkali absorption method (AA) Absorption rate of CO
2per unit time Closed chamber method (CC)
Closed dynamic chamber method (CDC) Increasing rate of CO
2concentration per unit time
Open flow method (OF) Difference of CO
2concentration between inlet and outlet
CO
2 농도 분석기술이발달함에 따라 밀폐상 내부 공기를직접채취한후실내에서CO
2농도를집적하 는 방법이토양호흡측정에사용되었다.
이 방법은챔 버내부공기를일정 시간간격으로주사기또는진공 상태로 만든 작은 용기에 채취한 후,
채취한 공기를 실험실에서가스크로마토그라피를이용하여CO
2농도 를측정한다.
일정 시간변화된CO
2 농도로부터토양 호흡을계산하는방법이다.
이후 밀폐상법은적외선기체분석기의 소형화
,
정밀 도향상,
그리고저가화가실현되면서소형의CO
2농 도 분석계를 챔버에연결하여 현지에서 실시간CO
2농도를측정하는방법으로발전하였다
(Fig. 1b).
이측 정시스템은밀폐상에펌프,
유량계, CO
2분석기등을 밀폐상에연결하여직접토양호흡을짧은기간연속적으 로 측정하는 방법(Closed Dynamic Chamber, CDC)
으로 발전하였다
(Frank
et al., 2002).
최근에는 펌프와 유량계 없이 소형CO
2 분석기를 챔버내에 부착하여 밀폐상내CO
2농도의변화를직접측정하여토양호흡 을 계산하는 방법이 이용되고 있다(Nobuhiro
et al.,
2003).
이렇게 소형화된CO
2 농도 분석기는 토양내일정 깊이에 매설되어 해당 토심에서의
CO
2 농도의 변화를직접측정하여깊이별농도차의시간적변화 로부터토양호흡량을계산하는방법에이용되고있다(Hirano
et al., 2003).
2.1.2.
통기법(open flow method)
밀폐상법은기본적으로밀폐상을밀폐시킨상태에서 정해진 시간 동안 상승하는 내부의
CO
2 농도로부터 토양호흡을계산하므로밀폐상내의CO
2농도의상승 조건을피할 수없다.
이러한내부의CO
2농도상승 은 토양으로부터CO
2확산의 저하를 초래하고 이로 인해 토양호흡이 과소 평가됨이 지적된 바 있다(Bekku
et al., 1995; Suh
et al., 2005).
이 문제를해결하기위해밀폐상의양쪽에구멍을내고한쪽구멍 으로대기증공기를밀폐상내로흡입하고다른한쪽에 서동일한양의공기를배출하여밀폐상으로들어가는 공기와배출되는공기의
CO
2농도차이를이용하여토양호흡을 계산하는 통기법
(Open Flow method, OF)
이 발달하게 되었다
(McGinn
et al., 1998; Lee
et al., 2002; Nakadai
et al., 2002; Mariko
et al., 1994).
통기법은 자연적인상태의대기
CO
2농도가측정 대 상이 되는토양표면에접하게됨으로써자연상태에서이루어지는실제의 토양호흡에가까운 값을 얻을 수 있다는평가를받고있다
(Fig. 1b).
2.2.
토양호흡측정장치의발달2.2.1.
휴대용측정장치밀폐상법이나통기법과같은 연속적인토양호흡측 정시스템을만들기위해서는여러제어부품들과이를 조립하여측정시스템을구축하고운용하는연구자의 시간과수고가필요하다
.
또한관측지중전기를이용 할 수없는 지점에서는연속 측정을위한 전원 확보 라는기본적인문제에의해제약을받는다.
이러한제한점을극복하고토양호흡을보다쉽게측정할수있 도록고안되어판매되는토양호흡챔버는밀폐상법을 기초로 한
LI-6400-09(Li-Cor Inc., Lincoln, USA)
와
SRC-1(PP Systems, Amesbury, U.K)
이 대표적인예이다
. LI-6400-09
는LI-6400(Li-Cor Inc., USA)
의 광합성측정 장치를응용하여토양호흡 관측을하며, SRC-1
는EGM-3
혹은EGM-4(PP systems, U.K)
를 적외선기체분석기로사용하여토양호흡을관측한다.
이 장비들은전원이공급되지않는측정대상지에서휴대 용베터리를사용하여간편하게토양호흡을측정할수 있는장점이있다(Elberling and Braandt, 2003).
최근에는 소형
CO
2센서(GMT222, Vaisala, Vantaa, Finland)
와소형베터리전원을이용하여보다저렴한휴대장비 를구성한기기들이이용되고있다
.
휴대용측정기기의 경우,
시스템의단순화로연구자가기계적지식부담이 많지않은상태에서자료를획득할수있고실제야외 에서전력공급없는여러장소를측정 할수있는 점 이있다.
그러나측정기기의운용이인력으로이루어지기때문에장기간규칙적으로일정한시간간격을두고 연속 관측을 수행하는것은 매우 어렵다
.
또한 강우,
야간
,
동계결빙등다양한환경조건에서일관성있는 토양호흡측정이어려워측정가능기간의특정한조건만 이반영되어토양호흡값이산정되는경우가많아일정 기간혹은연간 토양호흡을산정할경우산정된 토양 호흡값의정확도및신뢰도가떨어질수있다.
2.2.2.
자동토양호흡측정기기단시간의자료만을수집할수있는휴대용토양호흡 측정기의 문제점을 극복하기 위해 여러 개의 챔버를 사용하여고정된위치에서장기간연속적으로실시간 자동관측이가능하고
,
강우등의영향으로실측이어려운조건에서도관측자료를얻을수있도록연속적인 토양호흡자동측정장치가개발되어왔다
.
자동챔버를이용한토양호흡의측정을위해서는토양표면에인공 적인구조물을설치하여밀폐된공간을조성하는것이 필수적이다
.
이러한 경우,
토양환경은시간의 경과에 따라외부의자연조건과는점점차이를가지게되는데,
특히 밀폐 된 공간 내의온도의 인위적인변화는 토 양호흡자료의정확성을저하시키는주요원인의하나 이다
.
이러한문제점을 최소화하기위해측정 시에만 측정용상자가밀폐되고이외의시간에는개방되어강 수와눈,
리터,
습도등외부의환경요소가그대로적용되도록하는통기법을기초로한자동개폐형토양호흡 측정장치가 고안되었다
.
현재많은연구자들이 이러한장치를다양한생태계의임상에적용하여장기간에걸쳐
연속적인토양호흡자료를생산하고있다
(Goulden and
Crill, 1997; Drewitt
et al., 2002; Edwards and Riggs, 2003; Mizoguchi
et al., 2003; Liang
et al., 2003; Suh
et al.
, 2006, Fig. 2).
이 장치는 여러 개의 챔버를 공간적으로배치하여고정된위치에서장기간에걸쳐 연속적으로관측이가능한것이장점이지만,
공간이동에대한제한과지속적인전원공급이가능한곳에서 만설치가가능하다는단점이있다
.
2.3.토양호흡(타가영양체호흡+뿌리호흡)의분리 토양호흡은토양에함유되어있는유기물을분해하여 에너지를얻는토양미생물과동물을포함한타가영양 체호흡
(HR)
과자가영양체인 식물의뿌리에서 방출되 는 뿌리호흡(Root Respiration, RR)
의합으로 정의된 다.
따라서,
탄소순환을정확하게이해하려면토양호흡을타가영양체호흡과뿌리호흡으로구분하여측정하
는 것이 필요하다
.
또한 식물뿌리호흡의 경우,
이미NPP
를산정할때 자가영양체호흡으로제외된부분이므로
NEP
를계산할때NPP
에서토양호흡의값전체 를제외하게되면결국이중으로제외하는결과가되 므로토양호흡을뿌리호흡과타가영양체호흡으로구 분하는것이필수이다.
SR = HR + RR (3)
탄소수지연구자들은생태계를구성하는구성요소 개개의호흡량에정량화를위해노력하여왔다
.
토양호 흡에기여하는토양의각생물적요소의호흡량을정량 하기위해몇가지방법들이사용되어왔으나,
현재까 지도획기적인방법은적용되지않고있는실정이다.
발생 원인별로 토양 호흡량을 측정하기위한 주 요 연구방법으로는 토양 호흡의 구성요소 집적방법
(Component integration),
뿌리제거방법(Trenching method),
동위원소방법(Isotopic method)
등이 있다(Bond-lamberty
et al., 2004; Janson
et al., 2000).
구성요소집적방법은임상의토양층에서단위면적 당착근되어있는다양한굵기의뿌리를양적 비율로 구분한후각비율에해당하는뿌리의호흡량을직접 측정하여 총 뿌리호흡량을 계산한다
.
그러나 이러한 실험은여러조건이조절되는실내에서이루어지기때 문에 야외 실험에 적용하였을경 실험결과가 가져올 수있는오차에대한검증이어려운단점을가진다.
뿌리제거방법은임상의일정면적을뿌리가뻗어있 는깊이까지단근처리한후새로운뿌리가침투하지 못하도록뿌리침투방지판을설치하고단근처리된지 역과 단근 처리되지 않은 지역의호흡량을 측정하여 그차이로부터뿌리호흡량
(
자가영양체호흡)
과미생물 호흡량(
타가영양체호흡)
을계산하는 방법이다(Hanson
et al.,
2000; Ryan and Law, 2005; Lee
et al., 2004).
이때 단근 처리된 곳의 기존 뿌리 분해량은 별도의 실험을 통해 구하게 된다
(Lamberty
et al.,2004;
Kuzyakov and Larionova, 2005).
토양 에서 뿌리는 수분과무기영양염류를흡수하기때문에뿌리의제거 는이러한토양의물리화학적환경요소를변화시키는 요인이되므로이에 대한영향 평가가필요하다(Koo
et al.
, 2005).
동위원소방법은토양에서발생된이산화탄소동위원 소의조성비율을분석
,
발생원인별호흡량을계산하 는 것이다(e.g., Millard
et al., 2008).
이 방법은 물리,
Fig. 2.
Variation of soil respiration and soil temperature
using an automatic chamber system at deciduous forest in
Gwangneung (Suh
et al., 2005).
화학적교란을발생시키지않기때문에
,
가장이상적인 방법이지만고가의분석장비와수집되는자료량이한정 적이어서특수한경우에이용되는경향이있다.
III. 국내 토양호흡 연구
국내에서토양호흡연구가수행되기시작한것은비 교적 최근으로 연구 성과 또한 외국에비해 매우 빈 약한 상태이다
.
초기의토양호흡은AA
법으로관측되 었으며적외선기체분석기의발달과더불어개발된휴 대형 측정장비가 몇몇 연구자들에 의해 이용되었다.
최근에는휴대형측정기기에서부터제한적이지만자동 연속측정기기까지다양한연구목적에적합한측정기 기를자체제작하여자료를수집하는수준에이르렀다
.
이러한연구의관심과더불어국내의다양한생태계에 대한토양호흡자료의축적량과관련연구가점차확대 되고있는추세이다
.
국내에서의토양호흡연구는침엽수
,
활엽수,
혼합림,
과수원
,
농경지 등의 다양한 식생에서 수행되었다(Table 2).
주로우점종에 따른탄소수지의차이에대한 연구
(Park, 1999; Lee and Moon, 2001; Son and Kim,1996; Moon, 2004; Mou, 2003),
토양호흡 의 계절적 변동 파악에 관한 연구(Pyo
et al. 2003;
Lee, 2008; Lee, 2009; Lee
et al., 2010),
토지 이 용 형태에 의한 토양의 탄소수지에 관한 연구(Park, 1997; Kim and Jeong, 2001; Lee
et al., 2010)
가 수행되었다.
이 밖에도 발생원별 토양호흡(Son and
Kim, 1996),
임목의 밀도가 토양호흡에미치는 영향Table 2.
Summary of soil respiration measurement conducted in Korea. Studies were sorted by the method of soil respiration measurement
Method Community type Mean soil respiration
(mgCO
2m
−2h
−1) Stand age
(Yr) Vegetation
Type Reference
AA
Pinus rigida platation Control
No root
Larix leptolepis platation Control
No root
380 380 330 310
40 40
Forest
Son and Kim (1996)
Pinus densiflora Quercus variabilis Platycarya strobilacea
430 800 900
45 36
35 Moon (2004)
Pinus densiflora Burn site
Unburn site 130
260 -
41 Jeong (2007)
Pinus densiflora Clear cut Partial cut Control
240 360 320
42 -
38 Cho et al. (2009)
CC
Pinus densiflora (altitude : 182 m) 214 -
Forest Un published data Quercus mongolica (205 m)
Robinia pseudo-acacia (220 m) Pinus densiflora (625 m) Quercus mongolica (800 m)
291 274 175 253
- - - -
Abies Koreana (965 m) 300 -
Pinus densiflora (355 m) 240 -
Quercus mongolica (970 m) 212 -
Abies holophylla (1275 m) 230 -
Quercus mongolica (1358 m) 125 -
Miscanthus sinensis Salix koreensis Phragmites japonica
395 311 353
- -
- Wetland Un published data
Table 2.
Continued
Method Community type Mean soil respiration
(mgCO
2m
−2h
−1) Stand age
(Yr) Vegetation
Type Reference
CDC
Quercus acutissima Control Gap Litter free
795 684 445
30~40
Forest
Lee and Moon (2001) Hardwood forest
Quercus serrata + Caripnus laxiflora Mixed forest
Pinus koraiensis + Quercus Mongolia + Quercus serrate
477 29 413
80-200
70-80 Chae et al. (2003)
Quercus acutissima 763 40~50 Choi(2003)
Quercus mongolica North slope
(length of slope reaches 50 m) South slope (50 m)
North slope (20 m) South slope (20 m) Quercus monglica Qurecus serrata
750 690 780 600 580 750
Kang et al .(2003)
CDC
Q uercus acutissima + Acer palmatum Thunberg + fraxinus rhtnchophylla Hance Pinus koraiensis
Pinus Koraiensis + Qeurcus acutissma + Acer palmatum Thunberg
498 372 400
80-200 70-80
70-80 Mo (2003)
Pinus koraiensis Plantaion Control
Litter free Root free
570 387 262
15 Pyo et al. (2003)
Quercus mogolica Qeurcus variabilis Qeurcus variabilis
570 520 510
50 44
49 Yi et al. (2003)
Pinus rigida plantation
Larix leptolepis platation 450
370 40
40 Hwang (2004)
Quercus mongolica South slope
Northwest slope 602
477 - Forest Jo and Ahn (2004)
Alnus hirsute Plantation 520 38 Kim et al . (2004)
Quercus mongolica Q.mongolica + Q. variabilis Q.mongolica + Q. variabilis Q.mongolica + Q. variabilis Q.mongolica + Q. variabilis Quercus mongolica Quercus mongolica
409 284 296 310 280 350 297
50 34 31 33 36 46 52
Lee et al. ( 2005)
Pinus densiflora
Quercus variabilis 310
385 -
- Kim (2008)
Quercus variabilis
Pinus densiflora 460
370 40
45 Kim et al. (2009)
Pinus densiflora
High density (938tree ha
−1) Medium density (600tree ha
−1) Low density (375tree ha
−1)
270 324 302
69 66
70 Noh et al. (2010)
(Noh
et al., 2010),
유기물,
탄화물 및 무기질소 첨가가토양호흡에미치는영향
,
벌채및산불이토양호 흡에미치는영향등토양호흡에영향을미치는물리 화학적인 요인에 관한 연구(Choi, 2003; Cho
et al., 2009; Jeong, 2007; Lee, 2008)
등의 결과가 보고되 었다.
그러나대부분의 연구가산림에국한되어있고 과수원,
농경지,
수변 등에 관한 연구는극히 일부이 며한반도생태계탄소수지를전체적으로파악하기위 해 필요한자료 수준에서 볼때 현재까지축적된 자 료는 턱없이부족하다.
더나아가서아시아차원의 대륙규모의탄소순환메커니즘의이해를위해서는보다 다양한생태계의토양호흡자료와관련환경요인과상 호작용에 관한 연구 자료의보충이 절실히 요구되는 실정이다
.
또한 우리나라에서 다양한 형태의 토양호흡연구가 이루어지고는있지만
,
발생원별토양호흡측정에 대한 연구는부족한 실정이다
. Koo(2005)
는발생원 별토양호흡측정연구 방법에대해고찰하여교란을최 소화하고조사지역의환경특성이반영되는토양호흡 구분연구방법을제시하였다
. Koo(2005)
가제시한66
개의토양호흡발생원별연구중우리나라에서수행 된연구는
1
개뿐이였다.
이밖에도우리나라의발생원 별 토양호흡 구분에 관한 연구가
Son and
Kim(1996)
과Pyo
et al.(2003)
에 의해서 뿌리제거방 법으로수행되어토양호흡중뿌리의기여도를추정하 였다.
이러한 노력에도 불구하고 현재 우리나라에서수행된여러탄소순환및토양호흡연구중탄소순환을 정확히이해하기위해필수적인발생원별토양호흡에
관한연구자료는빈약한실정이며현재조사방법별 제한 조건 및그 조건을보완하기 위한 연구도미흡 한실정이다
.
국내에서 수행된
24
개의 토양호흡 연구를 적용된 방법 별로 구분한 결과(Table 2), AA
법4
개(17%), CC
법2
개(8%), CDC
법15
개(62%), OF
법3
개(13%)
로 가장 널리 쓰이고있는 방법은
CDC
법이었다.
대 부분의연구에서CDC
법을기초로하여만들어진LI-
6400-09, EGM-3, EGM-4
와 같은 휴대용 토양호흡측정장치를사용하였다
.
토양호흡의공간적불균질성을해소하기위해서는짧은시간에동시다발적으로여 러대의장비를동원하여측정한다량의자료를필요 로하며
,
이러한측정에는다소복잡한토양호흡측정 기기로는어려움이있으므로간단한장비를동원하는 것이필요하다.
이런측면에서볼때휴대용토양호흡 장치는 규모(
예, Li-6400-09,
챔버지름: 0.1m,
부피:
1L)
가 크지 않고 전력 소모량이 작아 휴대용 충전지만으로전원공급이가능하며장소이동이용이하여연 구대상지내에서다양한관측지점을자유로이선정할 수 있어 경사도가 급한 국내의 산악지형에서는 활용 효율이높다는장점이있다
.
연구대상지의다양한공 간특성을 대표할수 있는자료를 관측할수있기 때 문에수집된자료는공간적불균질성을해석하는연구 에이용될것으로사려된다.
그러나기기의작동과이동이인력으로유지되어장 기간규칙적으로일정한시간간격을두고연속적으로 장기간 관측하는 것은 어렵기때문에 토양호흡측정은 일정간격을 두고 주 또는 월 단위
,
그리고 계절별로Table 2.
Continued
Method Community type Mean soil respiration
(mgCO
2m
−2h
−1) Stand age
(Yr) Vegetation
Type Reference
CDC
Quercus mongolica Control Trenching Pinus koraiensis
Control Trenching
556 382 447 311
23
22 Hwang (2010)
OF
Red pepper Control Organic matter Carbonized matter
184 277 227
Cropland Lee (2008) Quercus serrata + Caripnus laxiflora 365 80-200 Forest Lee (2009)
‘Fuji’ apple 223 - Orchard Lee et al . (2009)
이루어진다. 이로인해 측정되지 않은 기간동안 결측 (gap) 자료가 발생하는데 결측 자료는 대부분 토양온 도, 수분 등 조절요인과의 경험적인 함수 관계를 이용 하여 메워진다. 그러나, 빈자료 메우기를 통해 추정된 결측자료는 실측값보다 과소평가 혹은 과대평가되는 경우가 발생한다(Suh et al., 2006). 또한, 기후변화로 인한 생물활성변화, 식물계절학(phenology), 강수, 리 터 공급 및 분해 등의 변화에 의한 토양호흡변동을 확인하는 것은 어려운 실정이다. 보다 정확한 토양탄 소방출을 정량화하기 위해 단/장기적인 토양호흡측정 과 조절 인자인 토양온도와 수분, 강수량 등의 동시측 정을 통하여 토양호흡과 환경조절인자의 관계를 파악 하여 토양호흡의 일·계절·연변화 추이를 규명하는 것이 필요하다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 몇몇 의 연구에서 자동토양호흡장치를 사용하여 토양호흡의 일변화에서부터 경년변화, 계절변화 및 환경요인에 의 한 토양호흡 변화 등에 대해 연구하고 있으나 자동토 양호흡장치 기기의 유지 및 보수가 어렵고 시스템의 복잡성과 연구자의 기계적 지식 부담이 높아 이를 이 용해 수집한 자료는 많지 않다(Lee, 2008; Lee et al., 2009; Lee, 2009).
앞에서 우리나라에서 수행된 연구에서 사용된 측정 방법에 대한 분석에서 볼 수 있듯이, 현재 토양호흡 측정에 사용되는 방법이 다양하고 동일한 방법 및 같 은 원리로 측정된 자료라 할 지라도 측정 기기가 표 준화되어 있지 않아 어떠한 측기로 측정하였을 때의 값이 참값인지를 판단 할 기준자료가 없다. 또한 동일 한 연구지에서 동시에 다른 종류의 측기로 측정 및 비교 한 연구가 없어, 여러 연구지에서 다른 측기로 측정된 토양호흡량을 비교분석 할 때, 발생 된 토양호 흡의 차이가 수종간의 차이, 토양환경요인에 의한 차 이, 측정 방법과 기기의 차이에 의한 것인지가 불분명 하며 이로인해 토양호흡의 시공간적 불균질성을 해석 하기에는 어려움이 따른다. 측정방법과 기기에 의해 발생된 오차 또한 우리나라에서 이루어진 다양한 생태 계 토양호흡의 정확한 정량에 있어서 문제점으로 작용 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, Chae et al.
(2005)은 동일한 조건의 환경과 토양에서 여러 가지 토양호흡측정 측기(EGM-2, EGM-4, LI-6400-09, AOCC)를 비교하는 실내실험을 실시하였다. 이 실험에 서 관측된 토양호흡은 측기에 따라 30-40%의 차이를 보였는데 이는 토양의 불균일한 배수로 인한 토양 수
분의 차이, 관측 공간의 차이로 인한 것으로 분석되었 다. Chae et al.(2005)은 실험방법의 문제점과 효과적 인 실내실험 체계 구축을 위해 실내 이산화탄소 농도 유지, 습도 유지 등의 개선방안을 제시하였다. 이러한 문제점으로 인해 이 연구에서는 토양호흡관측 기기간 차이의 정량화에 대한 명확한 결론을 도출하지 못하였 다. 이처럼 현재까지 이루어진 연구에 사용된 방법 별 로 비교분석하고 각 방법 별 오차나 그 오차를 보완 하기 위한 연구는 미흡한 실정임을 고려할 때, 관측기 기의 표준화 및 측기 간 비교는 국내 토양호흡의 정 량화를 위해 가장 우선 해결되어야 할 사안이다.
IV. 결 론
생태계의 탄소순환 메커니즘 규명에 중요한 요소가 되는 토양호흡은 시공간적으로 매우 큰 불균질성을 가 지기 때문에 특정 생태계의 대표값을 구하는 것은 매 우 어렵다. 일부 연구에서 어떤 생태계에 대해 어느 정도의 공간적 자료수집이 대표값을 가지게 되는 것인 가에 대한 기초자료가 제시되고 있지만, 생태계와 그 생태계가 성립되어 있는 지형 및 미기상적 고유 특성 때문에 제시된 연구결과를 다른 생태계에 그대로 확대 적용시키는 것은 한계가 있다. 이러한 요인은 현재 토 양호흡연구 대부분이 산림 생태계로 국한되어있는 우 리나라에서 다양한 생태계에 대한 토양호흡 자료가 착 실히 수집되어야 하는 가장 큰 이유가 되고 있다.
토양호흡의 시공간적 불균질성을 해소하기 위해서는 짧은 시간에 동시다발적으로 여러 대의 장비를 동원하 여 측정한 다량의 자료를 필요로 한다. 이러한 측정에 는 다소 복잡한 토양호흡 측정 측기로는 어려움이 있 으므로 간단한 장비를 동원하는 것이 필요하다. 일반 적으로 통기법을 기초로 한 장비는 밀폐법에 비해 복 잡하기 때문에 밀폐법 원리로 운용되는 장비 사용이 좀 더 용이하다. 최근에 소형 적외선기체분석기를 활 용하여 간단하게 제작한 토양호흡 측정장치는 크기가 작고 가벼우며 전력소모량이 작기 때문에 경사도가 급 한 국내의 산악지형에서는 활용 효율이 매우 높을 것 으로 생각된다. 또한 토양의 공간적 비균질성을 감안 할 때 이러한 장비들을 이용한 토양호흡 관측은 토양 호흡의 공간적 분포를 이해하는데 필요하다. 이와 함 께 토양 환경, 미기상 조건, 식생 계절학을 반영하는 연속적인 토양호흡도 필요하다. 단기간 산발적 자료가
아니라장기간지속적토양호흡관측을위해서는토양 환경
,
미기상조건을동시에측정할수있는자동토양호흡연속측정장치가수반되어야할것으로사료된다
.
하지만이러한측기들의적극적인이용과더불어다 양한 측기와 방법간 오차 검증은매우 중요한문제 이다
.
외국의경우이러한문제들을해결하기위해각 각의 연구자들이사용하고있는측기들을주기적으로 한 장소에모아 동시 측정을통해 측기 간의 오차를 점검하기도한다.
하지만토양호흡은그절대값을 가 지는 측정 조건을조성하기가 매우 곤란하기 때문에 측기 간 오차를 보정하는 것은 매우 어려운 일이다.
국내에서도이러한측기간오차를수정하기위한시 도가있었으나제약된실험조건으로인해만족할만한 결과를 얻지 못하였다
(Chae
et al., 2005).
대부분의 경우,
측기 간오차에대한중요성인식부족으로 오차보정을 위한노력은미미한상태이지만
,
동일조건 하에서의 측기 간측정 결과의 비교를통한 측기 간 오차의보정은매우중요한과제이므로국내에서사용 되는측기들만이라도 빠른시일내수행되어야할사 항이다.
위와같은문제와더불어토양호흡의발생원별구 분에대한국내의연구결과는대단히미약한수준이다
.
국외에서 수행된연구의결과나
,
일부 연구자들에의 해도출된한정된연구자료를인용한추정값을사용하 고있는실정으로국내의다양한생태계에대한토양 호흡량과특성뿐아니라발생원별토양호흡량의정량 에대한연구도관심을가져야할부분이다.
적 요
본연구는토양호흡측정방법을소개하고국내에서 관측된토양호흡 자료를고찰하고
,
토양호흡관측 자 료 비교시 발생하는 문제점을 정리하였다.
토양호흡측정방법은측정원리에따라알칼리흡습법
,
밀폐상법,
밀폐상역학법
,
통기법으로분류된다.
국내토양호흡연 구를종합분석한결과,
국내의생태계에적용된토양 호흡 측정 방법은 밀폐상역학법(62%),
알칼리흡습법(17%),
통기법(13%),
밀폐상법(8%)
이 이용되었고 이러한 방법에 사용된 기기로는
LI-6400-09, EGM-3,
EGM-4,
자동토양호흡측정기 등이 있다.
또한,
국내토양호흡은대부분산림생태계에국한되어관측이이 루어졌으며관측된평균토양호흡은
130~900mg CO
2m
−2h
−1 범위였다.
그러나 국내 토양호흡 관측이 산발적·불연속적으로이루어져축적된자료가매우빈약 한실정이며
,
토양호흡의상호비교및정량화를위해 측정방법간의비교및오차에대한검증된연구가없 어관측된토양호흡값의상호비교가어려운실정이다.
이로인해한반도생태계의탄소수지의정확한예측자 료를생산하기위한기초자료로서의가치를저하시키 고있다
.
한반도탄소순환 메커니즘의이해를위해서 는보다다양한생태계의토양호흡관측이시급히이 루어져야하며토양호흡을조절하는환경요인과상호작 용에관한연구,
다양한기상조건을포함하는토양호흡연구가절실히요구된다
.
더불어토양호흡의발생 원별구분에대한국내의연구결과는대단히미약한 수준으로토양호흡의메카니즘이해와정확한탄소수지 이해를위해발생원별토양호흡량정량에대한연구 가이루어져야한다.
감사의 글
본연구는국립산림과학원연구사업
“
지구환경변화대응한장기생태연구
(
과제번호:FE0100-2004-02)”
와한 국연구재단의A3 Foresight Program “CarboEastAsia”
의지원으로수행되었습니다
