결빙-해동이 하천 내 용존 규소 농도에 미치는 영향

Abstract

규산암의 풍화작용으로부터 유래한 규소는 담수계와 해수계 모두에서 중요한 영양소이며, 풍화작용 시, 또는 해양 내 규조류가 증식할 때 대기 중 이산화탄소를 소모한다. 따라서, 하천 내 규소의 농도 분석은 육상 생태계와 해양 생태계에 걸쳐서 일어나는 탄소순환을 이해하기 위해서 필수적이다. 그러나, 하천 내 규소 농도 측정에 사용되는 색도법으로는 결빙 이력이 있는 수용액의 총 규소 농도를 정확히 측정하지 못할 수 있다. 이 연구에서는 결빙-해동이 수용액 내 규소 농도 변화에 어떤 영향을 미치는지에 대해 조사하였다. 이를 위해 메타규산염 수용액, 온대 산림하천 시료, 알래스카 영구 동토층 토양수와 시베리아 얼음쐐기 시료 등 고위도 지역 시료에 대해 1회 또는 수 회 결빙-해동 한 후 시료 내 규소 농도를 색도계와 ICP-OES로 측정하였다. 또한 노르웨이의 스발바르에 위치한 북극다산과학기지 근처에서 하천수를 채취하여 용존 규소 농도를 색도계와 ICP-OES로 측정하였다. 메타규산염 수용액의 규소 농도가 1.9 mg-Si L-1보다 작은 시료에서 1회 결빙시 최대 100%까지 규소 농도 측정치가 감소하였고, ICP-OES 측정치와 색도계 측정치를 비교했을 때는 뚜렷한 차이가 나타나지 않았다. 온대 산림하천 시료의 경우 1회 결빙-해동 시에 최대 60%까지 규소 농도가 감소하였고, 결빙이 될 경우 일부 시료에서ICP-OES 측정치와 색도계 측정치가 최대 56.5%까지 차이가 발생하였다. 고위도 지역 시료의 경우 결빙 전 규소 농도가 2.7~4.8 mg-Si L-1에 존재하던 영구동토층 내 토양수 시료는 결빙 이후 규소 농도가 최대 87%까지 감소하였으나, 얼음쐐기 시료의 규소 농도는 약 1.0 mg-Si L-1보다 낮고, 결빙 전후로 규소 농도의 변화가 거의 일어나지 않았다. 또한 이 시료들에 대한 색도계 측정치와 ICP-OES 측정치를 비교하면 결빙 이후에 측정치 차이가 증가하였으며, 결빙 지속기간에 따라 감소하는 농도변화를 관찰했을 때에도 ICP-OES에 비해 색도계가 결빙으로 인해 유효한 영향을 더 많이 받는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 경향은 북극다산과학기지 근방 하천수에서도 유사하게 나타났는데, 전체 시료 중 약 1/3의 시료에서 ICP-OES 측정치가 색도계 측정치에 비해 최소 약 93% 이상 큰 값을 나타냈다. 연구결과를 종합하면 결빙에 의해 수용액 내에서 색도계뿐만 아니라 ICP-OES로도 측정되지 않는 규소 함유 물질이 생성될 수 있고, 결빙 기간, 결빙-해동 횟수, 수용액의 구성 성분이 용액 내 규소 함유 물질의 구조 변화에 영향을 끼칠 수 있음을 유추할 수 있다. 이는 지금까지 주로 색도계로 측정되어 보고되었던, 결빙횟수 및 기간이 긴 한대 • 극지하천의 규소 농도가 과소 추정되었을 가능성을 보여주며, 따라서 육상에서 규산암이 풍화될 때 소모되는 대기 중 이산화탄소의 양과 해양에서 규조류의 증식에 의해 흡수되는 대기 중 이산화탄소의 양이 과소추정되었을 가능성을 보여준다.