Open Dynamic Chamber Method를 이용한 온실가스 흡수능 연구 : 지도 · 순천만 갯벌의 CO₂ 연속자동측정

1. 서 론

대표적인 온실가스 (GHG, greenhouse gas)인 이산화탄소 (CO₂, carbon dioxide) 농도는 산업혁명 이후 화석연료 사용 등으로 급격히 증가하였다. 그 결과 지구 지표온도는 산업화 이전(1850년~1900년) 평균 온도 대비 2024년 1.28°C 상승하였고, 우리나라의 2023년 기준 온실가스 배출량은 6억 2420만 이산화탄소상당량톤 (tCO_2-eq)으로 전 세계에서 13위인 다배출국가에 포함되어 이에 걸맞은 온실가스 저감 활동을 요구받고 있다 (MOE, 2025a).

온실가스는 지구 온도를 상승시키는 역할을 하는 기체로 이 중 CO₂가 온실효과 기여도 55% 이상으로 가장 높은 비율을 차지하고 있다 (WMO, 2006). CO₂의 대표적인 발생원으로는 화석연료 사용과 산업공정이 있다. 세계기상기구 (WMO, world meteorological organization)에서 매년 측정한 이산화탄소 농도를 보면, 2004년에 377.1 ppm에서 2023년 420.0 ppm까지 꾸준히 상승하여 불과 20년 사이에 11.4% 급격히 증가하여 이산화탄소에 대한 저감 활동이 필요하다 (WMO, 2024).

온실가스 저감 방법은 대기배출 온실가스를 줄이기 위한 탄소 포집·활용·저장 기술 (CCUS, carbon capture, utilization, storage)뿐만 아니라 에너지 이용 효율 개선, 대체·청정에너지 개발, 산림 등 흡수원 확대 등 다양한 방법이 있다.

흡수원은 그린카본과 블루카본으로 분류할 수 있으며, 블루카본은 해양 및 연안 생태계에서의 탄소흡수원을 의미하며, 산림 등 육상생태계가 흡수하는 탄소인 그린카본 대비 흡수속도가 최대 50배 빠르다고 보고된바 있다 (Sandilyan and Kathiresan, 2012). 기후변화에 관한 정부간협의체 (IPCC, intergovernmental pannel on climate change)가 2013년 인증한 블루카본의 종류는 맹그로브, 잘피, 식생 갯벌로 우리나라의 갯벌의 대부분을 차지하는 비식생 갯벌은 유력후보군으로 분류되어 있다 (MOF, 2023a).

갯벌 온실가스에 대한 선행연구를 살펴보면, Kim (2007)은 금강하구언 갯벌에서의 이산화탄소 배출량 측정을 폐쇄형 정적 챔버 (closed static chamber)와 시료 채취용 주사기 이용 채취 후 GC-FID로 분석하였다. So et al. (2019)은 함평만 무안 지역 식생 및 비식생 갯벌에서 폐쇄형 역학 챔버 (closed dynamic chamber)를 이용하여 적외선가스분석기 (IRGA, infrared gas analyzer)로 시간 경과에 따른 챔버내 이산화탄소 농도의 변화량을 측정하였다. Lee et al. (2021) 등이 서해, 남해, 동해 연안지역의 갯벌 토양시료 유기탄소 분석 등을 통해 탄소흡수량을 산정한 연구가 있었다.

해양수산부 등은 학계와 연결하여 블루카본 추진단을 조직하고 비식생 갯벌을 블루카본으로 인정받기 위해 노력하고 있다. 갯벌에서 온실가스 흡수능 연구는 갯벌의 탄소감축원 인증 일환으로 갯벌의 배출계수 산정 관련한 Tier 2에 해당하는 사업을 추진하고 있다 (MOF, 2023b). Tier는 흡수배출량 산정 등급으로 Tier 1은 IPCC 기본계수, Tier 2는 국가고유계수, Tier 3은 사업자 자체개발, Tier 4는 연속자동측정방법을 활용한 배출량 산정방법이다. 등급이 높아질수록 정확도·정밀도가 높아져 배출원 특성을 구체적으로 잘 반영한다고 알려져 있다 (MOE, 2025b).

전남의 갯벌은 우리나라 갯벌의 43.8%로 가장 많이 차지하고 있어 탄소감축원으로서의 갯벌에 대한 연구가 필요하다 (MOF, 2023b). 본 연구에서는 배출량 산정 등급이 가장 높은 Tier 4를 적용하여 갯벌에서 흡수 (uptake)·배출 (emission)되는 CO₂를 개방형 역학 챔버 (open dynamic chamber)와 일정 농도 이상의 CO₂ 가스를 주입하여 변화되는 CO₂ 농도를 72시간 연속측정방법으로 측정하여 식생·비식생 갯벌의 CO₂ 농도의 일변화 확인 및 CO₂ 흡수능 산출과 함께 토양 유기탄소를 측정하여 갯벌의 탄소 고정능을 확인하고자 하였다.

2. 연구 내용 및 방법

2. 1 대상지역 선정 및 일반 현황

조사지점은 도내 갯벌 중 식생 유무에 따라 비식생 갯벌, 식생 갯벌로 구분하여 각각 1개, 총 2개 갯벌을 선정하였다 (그림 1). 선정된 두 지점은 세계 유네스코 생물권보전지역으로 지정된 곳이다.

Fig. 1.

The survey points are Jido tidal flat (unvegetated area) and Suncheon Bay tidal flat (vegetated area) investigated in this study.

비식생 갯벌은 신안군 지도면에 위치한 갯벌 (이후에는 JD로 표기)을 선정하였다. 신안군 갯벌은 연안 가까이 위치한 섬이 갯벌 형성에 영향을 주어 세계 5대 규모로 국내에서 가장 넓은 갯벌을 보유하고, 해조류와 다양한 대형 저서동물이 서식하고 있으며, 퇴적층도 25 m 이상으로 깊다 (Shinan County, 2024).

식생 갯벌지점은 순천시 순천만 갯벌 (이 후에는 SB로 표기)로 남해안 연안습지 중 우리나라를 대표하면서 5.4 km²에 달하는 거대한 갈대 군락지가 조성되어 국가지정 자연유산 명승으로 지정되어 있다. 갈대는 물이 흐르지 않는 정수역에 자라는 여러해살이 풀로 벼과에 속하며, 염분에 강하여 연안 습지지역에 흔히 분포한다 (So et al., 2019).

현장조사는 2월~7월 (겨울~여름) 중 지점별 총 4회 실시하였다. 조사 기간은 바닷물 수위가 가장 낮은 소조 (小潮, 조금)일 전후로 갯벌 표면에서 72시간 연속자동측정을 원칙으로 하였으며 자세한 내용은 표 1에 나타냈다. 순천만 1차는 측정 중 바닷물 수위가 높아졌으며, 순천만 3차는 외기 유입으로 인하여 24시간만 측정 분석을 수행하였다. 외기 유입 결과 탄소동위원소 값은 -10‰~-12‰로 Kim et al. (1998)이 보고한 일반 대기 중 탄소동위원소 값 (-9.1‰에서 -10.8‰)과 유사한 값을 보였다.

Table 1.

General information on the duration of tidal flat survey.

기상자료 (기온, 습도)는 지도갯벌 주변 인근 도시 대기측정소가 없어 대기오염 이동측정차량의 기상측정 장비를 설치하여 측정하였고, 순천만은 측정지점에서 2 km 이내에 위치한 순천만 도시대기측정소 자료를 활용하였다.

2. 2 시료채취 및 분석방법

2. 2. 1 개방형 역학 챔버 (open dynamic chamber)에 의한 온실가스 채취

갯벌에서의 온실가스 시료채취는 CO₂ 표준가스를 Air로 희석하여 일정농도로 만들어 챔버 (chamber)내로 주입하면서 혼합된 챔버내 CO₂ 농도를 측정 장비를 통하여 연속측정을 수행하였으며, 원활한 유량조절을 위해 T자관을 설치하였다 (그림 2 (A)). 챔버법은 저비용, 사용 용이성 때문에 좁은 지역에서 동일 공간에서 반복 측정이 필요한 연구에 매우 유용하다 (Ju et al., 2020; Rolston et al., 1993).

Fig. 2.

(A) Schematic diagram of sampling greenhouse gases, (B) Schematic of closed dynamic chamber for the experiment.

챔버는 측정대상 물질과 반응성이 없는 재질로 구성하여 아크릴 재질의 원기둥 (cylindrical) 형태의 구조로 밑면은 78.5 cm², 높이를 10 cm (내부 체적: 0.785 L)로 그림 2 (B)와 같이 제작하였다. 챔버의 크기는 측정 기간 동안 표준가스 공급 및 분석 장비의 흡인 유량을 고려하여 결정하였으며, 선행연구논문 (Kim, 2007; Kim and Na, 2013; Lee et al., 2015)의 내부 체적 21.2 L (밑면 706.5 cm², 높이 30.0 cm)에 비해 소형이다. 챔버의 상단에는 직경 10.4 mm 유입구와 배출구를 만들었으며, 챔버 내부에 유입되는 가스는 표준가스와 희석가스를 질량유량조절기 (MFC, mass flow controller, Alicat, USA) 방식으로 유량을 조절하였다 (표 2). 측정기기로 유입량을 초과하는 가스는 T자관을 통해서 배기하였다.

Table 2.

General information of MFC.

챔버 설치는 필연적으로 표면 상태를 변화시키고, 이는 배출량 측정에도 영향을 미치게 된다. 이에 정확한 실측을 위해 챔버 설치 후 안정화 시간이 필요하다. Shin et al. (1995), GRA (2015)에서 예시한 안정화 시간을 참고하여 15시간 이상 안정화 후 측정하였다.

온실가스 연속자동측정은 온실가스 공정시험기준에서 제시한 레이저흡수분광법의 한 종류인 공동광자감쇠분광계 (CRDS, cavity ring-down spectroscopy, Picarro G2131-i, USA)를 이용하여 실시간으로 이산화탄소, 탄소 동위원소 (δ¹³C), 수분량을 측정하였다 (NIER, 2025). 기기 분석 능력은 표 3과 같다. 측정시 수분에 영향을 최소화하기 위해 시료가 기기로 유입전에 수분분리장치 (Paker, water seperator, USA)를 설치하였다. 측정 장비의 정도관리는 측정 전 CO₂ 인증표준가스 (CRM, certified reference materials)를 이용하여 2지점 (301.8 ppm, 698.9 ppm) 교정을 수행하였다.

Table 3.

Guaranteed G2131-i performance specifications in dry air.

2. 2. 2 갯벌 토양

토양은 3지점 (깊이: 50 mm, 100 mm, 200 mm)에서 토양공정시험기준인 ES07130.c을 준하여 토양시료채취기로 깊이마다 3회 반복 채취하였다 (NIER, 2024c). 지표 배출은 토양 내의 미생물 활동과 관련이 있다는 보고가 있어 현장에서 토양온도를 측정하였고 (Kim, 2007), 냉장 상태로 실험실에 운반하여 수분함량, 유기물 함량, 수소이온농도 (pH, power of hydrogen), 전기전도도 (EC, electrical conductivity), 총유기탄소 (TOC, total organic carbon) 성분을 분석하였다. 채취 시기는 토양 성분의 변화를 최소화하기 위하여 비가 오지 않는 날에 진행하였다.

수분 및 유기물 함량은 오븐건조법 (105°C, 24시간, 토양오염공정시험법 ES 07301. 1b)과 강열감량 (600°C, 3시간, 폐기물오염공정시험법 ES 06301. 1d)으로 측정, 분석하였다 (NIER, 2024b). pH와 전기전도도 분석용 시료는 법랑제 또는 폴리에틸렌제 밧트 (vat) 위에 균일한 두께로 하여 직사광선이 닿지 않는 장소에서 통풍이 잘 되도록 펼쳐 놓고 풍건시킨 후, 나무망치 등으로 파쇄하여 10 mesh 표준체 (눈금간격 2 mm)로 체거름하여 조제하였다. 정밀저울 (AND, GH-200, Japan)을 이용 시료 약 5 g을 50 mL 비커에 취하고 정제수 25 mL를 넣어 퇴적물과 증류수를 1 : 5로 혼합하여 유리막대로 저어주고 1시간 방치한 후, pH meter (Thermo, Orion star A211, USA)를 이용하여 측정하였다.

총유기탄소 (TOC, total organic carbon)는 수질오염 공정시험기준 퇴적물 총유기탄소 원소분석법 (element analyer, ES 04861. 1)으로 분석하였다 (NIER, 2024a). 갯벌 시료를 건조된 상태에서 200 mesh 체를 이용하여 거른 후, 약 10 mg을 취하여 샘플보트에 주입 후 TOC 분석기 (Shimadzu, SSB-5000A, Japan)로 탄소의 양을 측정하였으며 분석 조건은 표 4와 같다.

Table 4.

The analytical conditions of TOC for soil samples.

2. 2. 3 CO₂ Flux 계산

챔버 내부의 가스 농도 (μmol/mol)는 Jeong et al. (2016)의 Flux 공식을 참고하여, 챔버 내부로 유입되는 가스의 농도와 체적을 곱한 값에 챔버내 잔류 유량에 5분 전 측정값을 곱한 다음 유입량과 잔류량의 농도를 더하여 챔버의 체적으로 나누어 산출하였다. 측정된 가스농도 (μmol/mol)는 CO₂ 분자량 44 g과 1 mol의 부피 22.4 L로 보정 후 5분 평균량인 CO₂ Flux (mgCO₂/m³·5min)으로 나타내었다.

유입가스는 이산화탄소 표준가스 (986 μmol/mol, AirKorea INC.)와 고순도 Air (99.999%, AirKorea INC.)를 이용하여 현장에서 일정 농도를 만들어 주입하였다. 외기 유입 등 기밀성을 확인하기 위해 탄소 동위원소를 측정하였다.

CO₂ Flux는 단위 시간당 단위 면적 CO₂ 농도 변화량으로 음 (-)이면 대기에서 갯벌로의 흡수이고, 양 (+)이면 갯벌에서 대기로의 배출을 의미한다. CO₂ Flux를 타 연구 결과 (mgCO₂/m²·h)와 비교하기 위하여 5분 간격 연속측정량으로 1시간 이동누적량을 산출하였다.

1시간 이동누적자료 대표농도 (F_i)와 해당 자료수 (X_i)를 곱한 값에 전체 자료수로 나누어 흡수량 (Sink)과 배출량 (Source)을 구하였다 (식 3).

$\[ C_n=\frac{\left(C_{in }\times V_{in }\right)+\left(V_{chamber }-V_{out }\right)\times C_{n-1}}{V_{chamber }} \]$

(1)

$\[ {CO}_2 Flux =C_n\times \frac{44}{22.4} \]$

(2)

$\[ Sink\left(Source\right)=\frac{\sum _{i=1}^n F_i{X}_i}{\sum _{i=1}^n X_i} \]$

(3)

여기서,

C_n-1 : 5분 전의 챔버 내부 농도, μmol/mol
C_n : 측정시간의 챔버 내부 농도, μmol/mol
C_in : 챔버 내부로 유입되는 가스의 농도, μmol/mol
V_in : 챔버 내부로 유입되는 가스의 체적, m³
V_chamber : 챔버의 체적, m³
V_out : 챔버 체적을 초과하여 배기되는 가스의 체적, m³
CO₂ Flux : 챔버 내부 CO₂ 5분 평균량, mgCO₂/m³·5min

3. 연구 결과 및 고찰

3. 1 CO₂ 농도의 일별 · 계절별 변화특성

측정장비 (CRDS, Picarro G2131-i)를 이용하여 측정 기간 중 CO₂ 농도를 72시간 연속 측정하여 일별 계절별 변화특성을 비교·분석함으로써 갯벌 표면의 흡수와 배출 정도를 살펴보았다. CO₂ 농도 계산을 위해 CO₂ 유입농도와 측정기기의 유입량은 표 5에 제시하였다.

Table 5.

Measurement conditions such as CO2 injection concentration and instrument inflow in the chamber.

표 5에 제시된 CO₂ 유입농도는 측정기기의 보증 농도 범위와 대기 중 CO₂ 농도 420 ppm (WMO, 2024)을 참고하여 292.90 ppm~601.50 ppm, 동위원소 (δ¹³C)는 -40‰ 범위로 제조하였다. 챔버내 유입량은 T자관의 위치에 따라 전단 0.11 L/5분, 후단 0.60 L/5분으로, 챔버 내 표준가스 치환 시간은 전단 T 37분, 후단 T 7분으로 계산되었다.

측정 기간 동안 일별 CO₂의 연속 측정 결과는 비식생 갯벌 (JD-1~JD-4), 식생 갯벌 (SB-1~SB-4)로 구분하여 그림 4, 5에 나타냈었다.

Fig. 3.

Time-varying continuous automatic measurement results for CO2 in unvegetated tidal flats

Fig. 4.

Time-varying continuous automatic measurement results for CO2 in vegetated tidal flats.

Fig. 5.

Correlation of CO2 Flux and isotope ratio by Day and Night

CO₂ 농도의 일별·계절별 변화 특성은 JD-1의 경우 겨울철 (2월 20일~2월 23일, 일출 07:20 a.m., 일몰 06:21 p.m.)로 일출 시간대인 7:00 a.m.부터 5:00 p.m.까지는 CO₂ 농도가 602 ppm (최고점 3일 평균농도)에서 522 ppm (최저점 3일 평균농도)으로 감소하다가 일몰부터 증가하여 다음날 일출 전까지 주입농도와 유사한 600 ppm을 유지하였다.

JD-2, JD-3은 봄철인 각각 3월 22일~3월 25일 (일출 06:40 a.m., 일몰 06:48 p.m.), 5월 20일~5월 23일 (일출 05:29 a.m., 일몰 07:34 p.m.)에 측정하였다. 챔버내 유입농도는 대기농도와 유사한 424.07 ppm을 주입하여 측정한 결과, 일별 CO₂ 농도는 JD-1과 유사한 형태를 보였다. 겨울철, 봄철은 일출부터 일몰 전까지는 CO₂ 농도가 감소하다가 일몰부터 증가하여 다음날 일출 전까지 주입농도와 유사한 농도를 유지하는 형태를 보였다.

반면, 여름철 (7월 4일~7월 7일, 일출 05:26 a.m., 일몰 07:52 p.m.)에 측정한 JD-4의 일별 CO₂ 농도는 일출부터 03:00 p.m.까지는 446 ppm (최저점 3일 평균농도)에서 471 ppm (최고점 3일 평균농도)으로 증가하다가 다음날 일출 시각 전까지 감소하는 형태를 보여 JD-1~JD-3 측정 결과와 상반된 경향을 보였다.

비식생갯벌의 경우 JD-1, JD-2, JD-3의 CO₂ 최대 흡수시간대는 각각 04:00 p.m.~05:00 p.m., 02:00 p.m.~04:00 p.m., 11:00 a.m.~01:00 p.m.으로 일출 시간의 영향으로 여름철로 갈수록 점차 빨라지는 것으로 나타났다. JD-4는 측정 기간 중 5분 CO₂ 측정값이 챔버내 유입농도보다 모두 높아서 흡수시간대가 존재하지 않았다. 이는 챔버내 온도가 증가하면서 미생물의 광합성 감소 및 호흡 증가 영향으로 판단되며, Kim et al. (2006)과 Kim and Na (2013)는 토양 표층 온도가 메탄생성세균의 최적 온도 (30~40°C)와 유사해지면서 유기물의 분해 등이 우세하다는 보고한 바 있다.

식생 갯벌의 CO₂ 일변화는 SB-1 (2월 25일~2월 26일), SB-2 (3월 7일~3월 10일), SB-3 (4월 10일~4월 11일), SB-4 (6월 7일~6월 10일)의 자료를 이용하여 분석하였다. SB-1은 일출시간 07:00 a.m.부터 03:00 p.m.까지 CO₂ 농도가 약 650 ppm에서 약 1430 ppm으로 증가하다 다음날 일출 시각까지 점차 감소하여 약 800 ppm으로 낮아졌다. SB-2, SB-3, SB-4도 일출 이후 증가하다가 03:00 p.m.~04:00 p.m.부터 다음날 일출 전까지 감소하는 SB-1과 유사한 형태를 보였다. 식생 갯벌의 CO₂ 일변화는 모든 계절에서 비식생 갯벌의 여름철과 유사한 패턴을 보였고 CO₂ 측정값 모두 챔버내 유입농도보다 높았다.

식생 갯벌의 5분 CO₂ 최대 배출시간대와 최대 배출농도를 산출한 결과, SB-1은 02:00 p.m.~03:00 p.m., 150.15 ppm, SB-2는 03:00 p.m.~04:00 p.m., 33.98 ppm, SB-3은 02:00 p.m.~03:00 p.m., 70.86 ppm, SB-4는 02:00 p.m.~03:00 p.m., 548.82 ppm로 하루 중 온도가 가장 높은 시간대에서 CO₂ 배출량이 최대였으며 5분 CO₂ 최대 배출농도는 SB-4 (6월)>SB-1 (2월)>SB-3 (4월)>SB-2 (3월) 순으로 여름철 (6월)에 높게 나타났다. 이와 같은 결과는 갯벌 표면에서의 광합성 의한 소모보다 대기온도 증가에 따른 갈대의 뿌리 호흡에 의한 배출이 많은 것으로 판단된다 (Shim et al., 2014).

3. 2 CO₂ Flux를 이용하여 갯벌 면적당 흡수능 산정

CO₂ Flux는 측정기기의 5분 평균자료를 이용한 CO₂ Flux (mgCO₂/m³·5min)와 갯벌 면적을 고려한 CO₂ Flux (mgCO₂/m²·5min)를 구분하여 표 6에 정리하였다.

Table 6.

The continuous measurement of CO2 Fluxes from the tidal surface.

JD-1은 CO₂ Flux의 총합은 -4,982.08 mgCO₂/m³·5min, 5분 평균 CO₂ Flux는 -0.58 mgCO₂/m³·5min로 음 (-)의 값을 보였으며 모든 계절에서 조사된 비식생·식생 갯벌의 측정값 대비 CO₂ 흡수량이 가장 큰 것으로 조사되었다.

JD-2는 CO₂ Flux는 최대 40.66 mgCO₂/m³·5min, 최소 -58.15 mgCO₂/m³·5min로 편차 98.81 mgCO₂/m³·5min로 비식생 갯벌 중 가장 심한 차이를 보였으며, 5분 평균 CO₂ Flux는 -0.19 mgCO₂/m³·5min로 배출보다 흡수가 우세한 것으로 나타났다.

JD-3, JD-4는 5분 평균 CO₂ Flux가 각각 1.03, 3.53 mgCO₂/m³·5min로 양 (+)의 값으로 배출이 우세한 형태를 보였다.

비식생 갯벌의 실측치를 분석한 결과, 갯벌 면적당 CO₂ Flux (mgCO₂/m²·5min)는 JD-1<JD-2<JD-3< JD-4 순으로 나타나 계절별 갯벌 흡수능은 겨울이 여름보다 높았다. 여름철 CO₂ 지표배출이 우세한 이유는 토양 내의 미생물 활동과 온도의 영향으로 온도가 증가할수록 호흡 활동이 증가된 것으로 판단된다 (Ronald and Richard, 1994).

식생 갯벌의 월별 CO₂ Flux는 측정 일수가 달라 CO₂ Flux의 총합 비교가 어려워 일별 변동폭을 비교한 결과, SB-4가 최대 548.82 mgCO₂/m³·5min, 최소 59.40 mgCO₂/m³·5min로 편차 489.42 mgCO₂/m³·5min으로 가장 심한 차이를 보였다.

갯벌 면적당 CO₂ Flux의 경우, SB-1, SB-2, SB-3, SB-4 각각 10.85, 3.90, 4.64, 56.25 mgCO₂/m²·5min로 모두 양 (+)의 값으로 모든 계절에 흡수보다는 배출이 우세하였고, 6월에 가장 높게 나타났다.

탄소 동위원소 (δ¹³C, Delta_5min)의 측정 결과는 비식생 갯벌 -29.57‰~-36.49‰, 식생 갯벌 -27.59‰~-34.14‰로 조사되었다. 일출과 일몰 시간을 고려하여 주간과 야간을 구분하여 탄소 동위원소와 CO₂ Flux (mgCO₂/m³·5min)에 대한 상관계수 분석을 수행한 결과를 그림 6에 나타내었다.

Fig. 6.

One hour cumulative moving average for CO2 Fluxes in unvegetated tidal flats.

비식생 갯벌의 경우 주간 (Day) R²은 0.2291~0.7912, 야간 (Night) R²은 0.0016~0.8339으로 특히, JD-1 야간 (Night) 0.0016을 제외하면 높은 상관성을 보였다. 흡수량이 존재하는 JD-1, JD-2, JD-3은 음의 상관관계를 보였고, 배출이 우세한 JD-4는 양의 상관관계를 보였다. 식생 갯벌의 경우 주간 (Day) R²는 0.4839~0.8705, 야간 (Night) R²는 0.3244~0.9235로 높은 상관성과 모두 양의 상관관계를 보였다.

CO₂ Flux를 선행연구 결과와 비교하기 위해 1시간 이동누적자료를 이용하여 CO₂ Flux의 최대, 최소, 평균값을 산출하여 표 7에 제시하였고, 갯벌을 흡수원 (Sink)과 배출원 (Source)을 구하여 그림 7, 8에 나타냈다.

Table 7.

Accumulated moving average CO2 Fluxes per hour.

Fig. 7.

One hour cumulative moving average for CO2 Fluxes in vegetated tidal flats.

Fig. 8.

Time-varying continuous automatic measurement results for 12CO2 in vegetated tidal flats.

비식생 갯벌의 시간당 CO₂ Flux는 JD-1 -82.47 mgCO₂/m²·hr (-292.13~16.12), JD-2 -3.37 mgCO₂/m²·hr (-135.31~95.06), JD-3 9.80 mgCO₂/m²·hr (-58.48~41.77), JD-4 40.26 mgCO₂/m²·hr (33.47~77.7)로 조사되었고 2월, 3월, 5월에서는 흡수원 (Sink)과 배출원 (Source)의 역할이 동시에 일어났으며, 7월에는 배출원 (Source)의 역할만 이루지고 있었다. 본 조사결과는 Kim (2007)이 폐쇄형 정적 챔버 (closed static chamber), GC-FID로 분석한 결과와 So et al. (2019)이 폐쇄형 역학 챔버 (closed dynamic chamber), 적외선가스분석기 (IRGA, infrared gas analyzer)로 측정한 결과와 같이 CO₂ Flux 배출량의 차이는 있으나, 겨울에는 음의 값으로 흡수의 우세와 여름에는 양의 값으로 배출이 우세한 점은 비슷한 양상을 보였다.

식생 갯벌의 시간당 CO₂ Flux는 SB-1 133.30 mgCO₂/m²·hr (41.34~290.85), SB-2 42.84 mgCO₂/m²·hr (26.90~76.91), SB-3 56.41 mgCO₂/m²·hr (14.72~149.99), SB-4 607.16 mgCO₂/m²·hr (351.05~1278.88)로 조사되었고 측정값 모두 양의 값으로 강력한 배출원 (Source)으로 작용하고 있었다. 식생 갯벌의 연구 결과를 Kang et al. (2011)이 보고한 논, 산림과 비교하면 동절기는 SB-1 (2월) 133.30 mgCO₂/m²·hr, 논 (1월) 137 mgCO₂/m²·hr, 산림 (1월) 145 mgCO₂/m²·hr으로 유사한 값을 나타내었으나, 하절기 SB-4 (6월) 607.16 mgCO₂/m²·hr는 Kang et al. (2011)의 논 (9월) 448 mgCO₂/m²·hr, 산림 (9월) 279 mgCO₂/m²·hr보다 높은 값을 보였다. 갈대, 벼, 나무가 식생하는 토양의 CO₂ Flux는 양의 값으로 배출이 우세한 점은 같았으나, 측정값의 차이를 보이는 원인은 조사기간과 채취시간, 챔버 등 측정방법의 특성에 기인하는 것으로 사료된다.

그림 8은 1시간 이동누적자료 대표농도는 전체 측정값의 농도를 확인하고 등간격으로 범위를 설정한 후 구간별 평균값을 사용하여 나타내었다.

비식생 갯벌 중 흡수량 (Sink)이 높은 구간과 총합 대비 비율은 JD-1 (-225 mgCO₂/m²·h, 38.6%), JD-2 (-125 mgCO₂/m²·hr, 56.5%), JD-3 (-30 mgCO₂/m²·hr, 45.3%)로 겨울철 (2월)에 흡수량 중 -225 mgCO₂/m²·hr 구간에서 38.6%으로 높은 비율을 차지하여 강한 흡수원 (Sink)으로 작용하였고, 봄철 (3월), 봄철 (5월), 여름철 (7월) 순으로 나타났다. Source는 JD-1 (25 mgCO₂/m²·hr, 100%), JD-2 (75 mgCO₂/m²·hr, 84.8%) JD-3 (30 mgCO₂/m²·hr, 75.6%), JD-4 (50 mgCO₂/m²·hr, 44.4%)로 봄철 (3월)이 75 mgCO₂/m²·hr으로 가장 높고, 여름철 (7월), 봄철 (5월), 겨울철 (2월) 순으로 나타났다. 특히 봄철 (3월)은 흡수량, 배출량 모두 높게 조사되었다.

식생 갯벌은 그림 8에 나타내었다. 식생 갯벌 중 배출량 (Source)이 높은 구간과 총량 대비 비율은 SB-1 (275 mgCO₂/m²·hr, 27.6%), SB-2 (75 mgCO₂/m²·hr, 62.5%), SB-3 (125 mgCO₂/m²·hr, 48.0%), SB-4 (500 mgCO₂/m²·hr, 35.7%)로 조사되었다.

3. 4 깊이에 따른 갯벌 토양시료의 분석

지점별 토양은 3지점 (깊이: 50 mm, 100 mm, 200 mm)의 총유기탄소 (TOC, Total Organic Carbon) 포함한 pH 등 측정한 결과를 표 8에 제시하였다.

Table 8.

Analysis of Soil Depth Parameters (tidal flat).

토양온도는 측정지점에서 온도계를 사용하여 토양깊이에 따라 3지점에서 측정하였다. 표 8에서 제시된 토양온도 중 CO₂ 흡수·배출에 영향을 주는 표층 온도 (5 cm)를 보면 비식생 갯벌의 경우 흡수가 우세한 겨울철 (2월)은 6°C, 배출이 우세한 여름철 (7월)은 41°C로 나타났다. 식생 갯벌은 겨울철 14°C, 여름철 24°C로 주변에 갈대 서식으로 토양 표층에 직사광선을 차단하여 비식생 갯벌에 비해 계절적 변화폭이 적은 특징을 보였다.

수분함량 (%)은 비식생 갯벌은 깊어질수록 증가하는 경향을 보인 반면, 식생 갯벌에서 깊이에 따른 특이점은 발견하지 못했지만, 평균 수분량이 비식생 갯벌보다 높은 값을 보였다. 토양의 산성도는 비식생 갯벌의 평균 pH가 7.82±0.49로 약한 알칼리성을 띠고 있었으며, 식생 갯벌의 pH은 SB-1, SB-3이 pH (6.72~6.98) 범위로 약산성을 나타냈으나 전체 평균 pH는 7.11±0.35로 중성에 가까운 값을 보였다.

비식생 갯벌의 전기전도도, 유기물 함량, 총유기탄소의 측정 평균값은 각각 5.22±1.00 μS/cm, 2.52±0.35%, 0.34±0.14%로 나타내었다. 식생 갯벌의 경우 각각 5.76±0.45 μS/cm, 5.32±0.41%, 0.90±0.09%로 비식생 갯벌과 비교하여 모두 높은 농도를 보였다. 특히 총유기탄소는 2.7배 정도 높게 나타났는데 이는 갈대 잎의 탄소 동화작용에 의해서 대기 중의 CO₂가 유기물 형태로 토양에 저장되거나 갈대 자체가 갯벌 토양에 분해되는 등 영향을 미친 것으로 판단된다 (Shim et al., 2014).

4. 결 론

본 연구는 2025년 2~7월에 걸쳐 도내 갯벌 중 식생 유·무에 따라 비식생 갯벌 (신안), 식생 갯벌 (순천만)로 구분하여 개방형 역학 챔버 (open dynamic chamber)를 이용한 72시간 연속측정방법 (CRDS)으로 지점별 4회 측정을 통해, 갯벌 종류에 따라 일별·계절별 변화 특성을 비교·분석하여 갯벌 표면의 흡수와 배출 정도를 확인하고자 하였다.

CO₂ 농도의 일별·계절별 변화 특성은 비식생 갯벌의 경우 겨울철, 봄철은 일출부터 일몰 전까지는 CO₂ 농도가 감소하다가 일몰부터 증가하여 다음날 일출 전까지 주입농도와 유사한 농도를 유지하였다. 반면, 여름철의 일별 CO₂ 농도는 일출부터 03:00 p.m.까지는 증가하다가 다음날 일출 시각 전까지 감소하는 형태를 보여 1차~3차 측정 결과와 상반된 경향을 보였다. 식생 갯벌의 CO₂ 일변화는 모든 계절에서 비식생 갯벌의 여름철과 유사한 패턴을 보였고 CO₂ 측정값 모두 챔버내 유입농도보다 높았다.

CO₂ Flux를 이용하여 갯벌 면적당 흡수능 산정한 결과, 비식생 갯벌의 CO₂ Flux는 2월 -82.47 mgCO₂/m²·hr (-292.13~16.12), 3월 -3.37 mgCO₂/m²·hr (-135.31~95.06), 5월 9.80 mgCO₂/m²·hr (-58.48~41.77), 7월 40.26 mgCO₂/m²·hr (33.47~77.37)로 조사되어 Flex 범위가 점차 작아지는 경향을 보였다. 2월, 3월, 5월에서는 흡수원 (Sink)과 배출원 (Source)의 역할이 동시에 일어났으며, 7월에는 배출원 (Source)의 역할만 이뤄지고 있었다. 식생 갯벌의 시간당 CO₂ Flux는 2월 133.30 mgCO₂/m²·hr (41.34~290.85), 3월 42.84 mgCO₂/m²·hr (26.90~76.91), 4월 56.41 mgCO₂/m²·hr (14.72~149.99), 6월 607.16 mgCO₂/m²·hr (351.05~1278.88)로 조사되었고 측정값 모두 양의 값으로 배출원 (Source)으로 작용하고 있었다.

탄소 동위원소와 CO₂ Flux 관계를 살펴본 결과 흡수가 우세한 경우 음의 상관관계를 보인 반면 배출이 우세한 지점에서는 양의 상관관계를 보였다.

갯벌의 CO₂ 흡수·배출에 영향을 주는 요인 확인을 위해 측정조건 변경 (갯벌 표면에 비닐봉지로 밀봉, 갯벌 퇴적층 10 cm 제거) 후 측정한 결과, 갯벌의 일별 CO₂ 흡수·배출은 갯벌 표층에서 광합성, 호흡을 하는 미생물에 의한 영향인 것으로 확인할 수 있었다.

지점별 토양의 전기전도도, 유기물 함량, 총유기탄소를 분석한 결과, 식생 갯벌이 비식생 갯벌에 비해 모두 높은 농도를 보였고, 특히 식물의 탄소동화작용과 밀접한 관련이 있는 총유기탄소는 2.7배 정도 높게 나타났다.

Acknowledgments

본 논문의 논리적 근거와 구성 등 세심한 학문적 지도와 조언을 주신 김득수 지도교수님 (전 군산대)께 무한한 감사와 존경을 표합니다.

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