Comparison of DOC Properties in Extracted Soil Solution between Cryptomeria japonica and Quercus acutissima

Abstract

Dissolved organic carbon (DOC) in soils can be leached to streams and rivers where it can be decomposed to CO2, affecting the local and global carbon cycle. I investigated the biogeochemical properties of soil DOC under the two contrasting tree species using extraction experiments in laboratory scale. Soil samples were collected at soil depths of 0-10, 10-30, and 30-50 cm under Japanese cedar (Cryptomeria japonica) and sawtooth oak (Quercus acutissima) stands in Bukmoon-gol, Beakwoon Mountain, Jeollanam-do, South Korea. The extraction of soil organic carbon (SOC) was conducted using deionized water (DI) under three extraction conditions (EC). The concentrations of DOC and major cations, optical properties of DOC, and Δ14C-DOC were analyzed. The results showed that the concentrations of extracted DOC ([DOC]) and cations ([Cations]) were higher under Cryptomeria japonica than under Quercus acutissima, while SOC contents were not significantly different between the two tree species. These results suggest that hydrophilicity of soil DOC is more influential to DOC extraction than the quantity of SOC. The ratio of [DOC] to [Cations] did not vary between tree species and ECs, supporting the usage of [DOC]/[Cations] value as an indicator of flow pathway in mineral soils. Δ14C-DOC under Cryptomeria japonica was 70.49, 35.08, and 4.15‰ at 0-10, 10-30, and 30-50 cm depth, respectively, while 44.9, 41.29, and −53.25‰ of Δ14C-DOC were measured at each soil depth under Quercus acutissima. This suggests that 14C-depleted DOC would be predominantly exist in soils deeper than 50 cm. Relatively higher Δ14C-DOC compared to Δ14C-SOC indicates that soil DOC is primarily derived from hydrophilic, exchangeable fraction of SOC, not from SOC strongly bonded to mineral soils.

용존유기탄소(DOC)는 토양에서 하천으로 유출되면 이산화탄소가 되어 대기로 배출되거나, 바다로 이동한다. 따라서 탄소순환을 이해하기 위해서는 토양 내 DOC의 양과 성질을 파악하는 것이 중요하다. 본 연구는 실험실에서의 토양수 추출 실험을 통해 두 개의 다른 수종 간 토양 DOC의 생지화학적 특성 차이를 알아보고자 하였다. 토양 시료는 전라남도 백운산 북문골에 있는 삼나무 숲과 상수리나무 숲에서 각각 토심 0-10, 10-30, 30-50 cm에서 채취하였다. 토양수는 추출 시간과 추출 농도가 다른 세 가지 추출조건에서 DI를 활용하여 추출하였다. 그 뒤 DOC와 양이온 농도, DOC의 광학특성 및 방사성 탄소 연대를 측정하였다. 측정 결과, DOC의 농도([DOC])와 양이온 농도([Cations])는 상수리나무 숲보다 삼나무 숲 토양에서 평균적으로 더 높게 나타났다. 반면, 토양유기탄소(SOC) 양은 수종 간 차이가 나타나지 않았다. 이는 SOC의 양보다 토양 DOC의 친수성이 토양 DOC 추출량에 더 큰 영향을 준다는 것을 보여준다. [DOC]와 [Cations] 비율은 수종 간 차이가 관찰되지 않았으며, 이는 [DOC]/[Cations]가 무기질 토양 내 물이 흐르는 깊이를 나타내는 지표로 활용 가능하다는 것을 의미한다. Δ14C-DOC는 삼나무 숲 0-10과 10-30, 30-50 cm 토심에서 각각 70.49, 35.08, 4.15‰이었으며, 상수리나무 숲 토양에서는 각각 44.9, 41.29, -53.25‰로 측정되었다. 50 cm 이상의 토심에서는 14C가 결핍된 DOC가 분포할 것으로 추정된다. Δ14C-SOC에 비해 비교적 높은 Δ14C-DOC는 토양 DOC가 토양 내 무기질에 강하게 결합한 SOC보다 친수성과 치환성이 높은 SOC로부터 유래되었을 가능성을 시사한다. 30-50 cm 토심에서 삼나무 숲의 Δ14C-DOC이 상수리 나무 숲의 Δ14C-DOC보다 57.40‰ 높게 나타났는데, 이는 상수리나무 숲보다 삼나무 숲에서 토양 DOC가 더 깊은 토양으로 비교적 쉽게 이동할 수 있음을 보여준다.