Tracing sources of atmospheric organic carbon entering terrestrial ecosystems by using carbon isotopes

Abstract

탄소의 순환을 이해하는 것은 생태계가 어떻게 작동하는지에 대한 기본적인 정보를 제공하며, 이는 앞으로 기후변화가 생태계에 미치는 영향을 예측하고 대비하는 데 도움을 준다. 전 지구적 탄소 순환에서 강수를 통해 대기로부터 육상생태계로 유입되는 용존유기탄소 (dissolved organic carbon, DOC)는 매년 0.3–0.5 Pg (=1015 g)으로, 하천을 통해 육상생태계로부터 바다로 유출되는 탄소의 양과 비슷한 수준이다. 때문에 전 지구적 탄소순환 모델에 강수 DOC를 포함시켜야 할 필요성이 점차 인식되고 있으나, 아직까지 대기로부터 육상생태계로 유입되는 유기탄소 기원에 대해서는 알려진 바가 거의 없다. 따라서 이 연구에서는 방사성탄소동위원소(14C)와 안정탄소동위원소(13C)를 이용 하여 강수에 포함된 유기탄소의 기원, 미세먼지에 포함된 유기탄소의 기원, 그리고 숲의 수관통과우에 포함된 유기탄소의 기원을 정량적으로 추적하고자 하였다. 선행연구에서 강수 DOC의 방사성탄소동위원소 비(Δ14C)는 대부분 음(-)의 값이었기 때문에, 화석연료가 포함된 오래된 DOC가 강수를 통해서 유입된다고 알려져 있었다. 일부 시료에서 보인 높은 Δ14C도 최대 108‰ (per mill)이였다. 그러나, 2015년 12월 30일부터 2017년 2월 22일까지 서울에서 채취한 강수 DOC의 Δ14C는 선행연구와는 다르게 최대 약 30,000‰까지 올라갔으며, 특히 겨울철 북서쪽에서 바람이 불 때 1,000‰이 넘는 값들이 측정이 되었다. 비록 매우 높은 Δ14C의 원인에 대해서는 추가적인 연구가 필요하지만, 이렇게 높이 증가한 강수 DOC의 Δ14C는 하천 DOC의 Δ14C도 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 만약 강수의 높은 Δ14C가 광범위하게 측정된다면, 이는 상대적으로 토양에서는 탄소가 더 오래 체류하다가 하천을 통해 유출된다는 것을 의미한다. 지금까지 강수 DOC의 기원에 관한 연구는 미국과 중국 일부 지역에서만 수행되었기 때문에, 육상생태계의 탄소 순환을 정확히 이해하기 위해서는 전 지구적으로 강수 DOC의 Δ14C 분석이 충분히 이뤄질 필요가 있다. 강수 DOC의 탄소동위원소 비는 임관층(forest canopy)를 통과 하면서 변할 수 있다. 산림은 대기 초미세먼지(fine particulate matter, PM2.5)를 차단할 수도 있지만, 동시에 식생기원 휘발성유기화합물을 배출하면서 대기 중에서 화학 반응을 통해 이차에어로졸 형성에 기여하며, 오히려 대기 중 PM2.5 농도를 높일 수도 있기 때문이다. 따라서 PM2.5 형성에 영향을 주는 식생 배출의 기여도와 도심과 산림의 PM2.5 기원에 대한 차이는 반드시 조사되어야 한다. 이 연구에서는 2019년 8월부터 2020년 12월까지 잣나무림과 도심지역에서 총 47개의 PM2.5 시료를 채취하였고, PM2.5 중 총탄소(total carbon, TC)의 기원을 추적하기 위해서 이중탄소 동위원소(δ13C, Δ14C)와 레보글루코산을 이용하였다. PM2.5 중 TC의 평균 δ13C와 Δ14C는 태화산학술림(TRF)에 위치한 잣나무림 안에서 각각 -25.7과 -380.7‰이었는데, 이는 도심에 위치한 서울대학교(SNU) 건물 옥상에서 채취한 PM2.5를 분석한 결과와 통계적으로 유의미한 차이가 없었다. PM2.5 중 TC에 영향을 미치는 화석연료, C3식물, 그리고 C4식물의 기여도는 SNU에서 각각 52, 27, 그리고 21% 였으며, TRF에서는 각각 46, 35, 그리고 19%였다. PM2.5 중 TC의 농도는 SNU에서 9.7 μg C m-3이고, TRF보다 약 2배정도 높았다. 식물성 연소의 추적자인 레보글루코산은 겨울철에 농도가 증가했으며, C4식물 기여도와 상관관계를 보였다. 연구 결과를 종합하면, 나무에서 발생하는 식생기원 물질들은 PM2.5를 형성하는 중요한 요인이 아니며, 숲은 PM2.5를 저감하는 바이오-필터(bio-filter) 기능이 있음을 알 수 있다. 숲에서 수관통과우 DOC는 강우 시 잎으로부터 용출되거나, 또는 잎 표면에 흡착된 대기입자들이 씻기면서 유입될 수 있다. 선행 연구에서는 DOC의 농도와 이동량(flux)에 관해 보고하고 있지만, 산림 생태계의 순환을 이해하기 위해서 중요한 수관통과우 DOC의 기원을 다룬 연구는 매우 드물다. 수관통과우 DOC의 기원들을 추적하기 위해서 탄소동위원소 분석이 사용될 수 있다. 이 연구에서는 2021년 3월부터 11월 사이에 태화산에 위치한 잣나무림과 활엽수림에서 PM2.5, 강수, 수관통과우를 채취하였다. 수관통과우 DOC의 평균 농도는 7.9 ± 3.3 (평균 ± 표준편차, n=6) mg L-1로, 이는 강수 DOC 농도보다 약 6배 정도 높았다. 수관통관우 DOC의 δ13C와 Δ14C는 -26.1과 -38.2 ‰로 강수와 PM2.5의 결과와는 대조적이었으며, 이는 최근에 합성된 유기탄소가 식생의 조직으로부터 용출됨을 보여준다. 물질 수지(mass balance)식 계산 결과, 수관통과우 DOC 농도의 약 84%는 잎으로부터 용출된 성분이었으며, 나머지 약 3%와 13%는 각각 PM2.5가 씻겨내 내려온 것 그리고 강수성분이 포함된 것이었다. 이 연구를 통해 잎에 흡착된 PM2.5보다는 식생에서 용출되는 DOC가 임상층(forest floor)에서 중요한 탄소의 유입경로가 될 수 있음을 확인하였다.

An integrated understanding of the global carbon cycle provides basic information on how ecosystems work, which helps to predict and prepare the effects of future climate changes. The global flux of dissolved organic carbon (DOC) from the atmosphere to the land surface via precipitation is estimated to be 0.3–0.5 Pg yr-1, which is comparable to the global riverine DOC load. Although precipitation DOC has been recognized as one of the essential components in most carbon cycle models, the sources of atmospheric organic carbon entering the terrestrial ecosystem have been rarely investigated. In this study, radiocarbon (14C) and stable carbon (13C) isotopes were used to trace the sources of organic carbon in precipitation, atmospheric particulate matter, and throughfall. In previous studies, the Δ14C of DOC in rain or snow was negative indicating an input of relatively old organic carbon including fossil fuels, with only a few positive values up to +108‰ showing the signal of recent photosynthesis. However, here I report surprisingly high Δ14C-DOC in bulk precipitation, more than 1,000‰ in Seoul, South Korea, especially when the Northwesterly wind blows during winter. In contrast, Δ14C of particulate organic carbon (POC) in bulk precipitation was negative, indicating that the sources of POC and DOC were different. Although the sources of the high Δ14C-DOC are not clear and future studies on them are required, the relatively high Δ14C-DOC in a nearby headwater stream suggests that precipitation DOC has the potential to affect the local carbon cycle, and that stream DOC derived from terrestrial ecosystems could be older than previously thought. The analysis of Δ14C-DOC of precipitation in many other locations is necessary to understand how long carbon stays in terrestrial ecosystems. The carbon isotope ratios of DOC in precipitation can be changed as it moves through the forest canopy. Forests can be not only the most significant interceptors of atmospheric fine particulate matter (PM2.5), but also may increase concentration of PM2.5 via formation of secondary aerosols by emitting biogenic volatile organic compounds. Therefore, the role of biogenic emissions in the formation of PM2.5 and the different sources of PM2.5 in forests and urban areas have yet to be investigated. Dual carbon isotope and levoglucosan analyses are powerful tools to track the sources of total carbon (TC) in PM2.5. I collected a total of 47 PM2.5 samples from August 2019 to December 2020 inside a pine forest and in urban areas in South Korea. The average δ13C and Δ14C of TC in PM2.5 at the Taehwa Research Forest (TRF) were -25.7 and -380.7‰, respectively, which were not significantly different from those collected at Seoul National University (SNU) in the urban areas. The contribution of fossil fuel, C3-, and C4- plants to carbonaceous component of PM2.5 were 52, 27, and 21% at SNU, respectively, whereas those were 46, 35, and 19% at TRF, respectively. The mean concentration of TC in PM2.5 was 9.7 μg C m-3 at SNU, which was about two times larger than that inside the forest at TRF. The biomass burning tracer, levoglucosan, was most abundant in winter and correlated with the contribution of C4 plants derived carbon. The results indicate that biogenic emission of aerosols from trees is less likely to be an important source of PM2.5 and that trees can act as a bio-filter to reduce PM2.5. Throughfall DOC in a forest can be derived from canopy leaching or desorption of dry-deposited atmospheric particulate matter (PM) from leaves. Previous studies have reported concentrations and fluxes of throughfall DOC, but tracing the sources of throughfall DOC is relatively rare although identifying the sources of throughfall DOC is critical to understand how forest ecosystem works. These sources of throughfall DOC can be traced using carbon isotope analysis. I have collected rainwater, atmospheric PM2.5 and throughfall in a pine and an oak forest in South Korea from March to November in 2021. The mean concentration of DOC in throughfall was 7.9 ± 3.3 (mean ± standard deviation, n= 6) mg L-1, which was about six times larger than that in rainfall. The average δ13C and Δ14C of DOC in throughfall were -26.1 and -38.2‰, respectively, which were contrastingly higher than those in rainwater or PM2.5, indicating that recently photosynthesized organic carbon is leached from tree canopy. Mass balance estimates showed that the contribution of canopy leaching to the concentration of DOC in throughfall was about 84%, while only ~3% and 13% of DOC in throughfall were accounted for desorption of PM2.5 from tree canopy and direct rainfall, respectively. The results clearly indicate that canopy leaching from plants is the most important pathway of carbon input to the forest floor with relatively little contribution by desorption of PM2.5 on leaves.