Variability of Dissolved Organic Carbon in Precipitation in South Korea Using Radiocarbon Analysis = 방사성탄소동위원소 분석을 활용한 우리나라 강수 중 용존유기탄소의 변동

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Precipitation plays an important role in the carbon cycle as a direct transporter of dissolved organic carbon (DOC) from the atmosphere into terrestrial and aquatic ecosystems, while also carrying atmospheric radiocarbon isotope (¹⁴C) signals that offer valuable insight into carbon sources. A previous study by Cha et al. (2020) reported unusually high radiocarbon isotope ratio of DOC (Δ¹⁴C-DOC) during winter precipitation in Seoul, South Korea, yet it remains unclear whether such extreme values represent episodic events or recurring conditions associated with specific environmental drivers. In this study, precipitation samples were collected in Seoul from July 2024 to June 2025 and analyzed for DOC concentration ([DOC]), major ions, optical properties, molecular composition using liquid chromatography-organic carbon detection (LC-OCD), air mass origins, and Δ¹⁴C-DOC to investigate seasonal variability and potential DOC sources. Precipitation [DOC] ranged from 0.2 to 29.1 mg L-1 and exhibited clear seasonal variation, with higher concentrations in spring while the anthropogenic-related ions (NO₃⁻, SO₄²⁻, NH₄⁺) plays a critical role on the increased of [DOC] in recent data. Δ¹⁴C levels as elevated as in the previous study were not detected in the current study. All precipitation samples exhibited low Δ¹⁴C-DOC, from -385.5‰ to -11.4‰ indicating the precipitation DOC was predominantly derived from fossil fuel sources. These results suggest a potential shift in the dominant sources of precipitation DOC in Seoul and highlight the importance of continued monitoring to better understand temporal variability in atmospheric carbon sources and their transfer through precipitation.

국문 초록 (Abstract)

강수는 대기 중 용존유기탄소(Dissolved organic carbon, DOC)를 육상 및 수생태계로 직접 전달하는 중요한 매개체로서 탄소순환에서 핵심적인 역할을 수행한다. 대기 중 용존유기탄소의 방사성탄소동위원소(¹⁴C) 특성을 분석하면 탄소 기원에 대한 유용한 정보를 얻을 수 있다. Cha et al. (2020)은 대한민국 서울의 겨울철 강수에서 비정상적으로 높은 방사성탄소동위원소비(Δ¹⁴C-DOC)를 보고한 바 있으나, 이러한 극단적인 값이 일시적인 현상인지 또는 특정 환경 요인과 연관된 반복적인 특성인지는 아직 명확히 규명되지 않았다. 이 연구에서는 2024년 7월부터 2025년 6월까지 서울에서 강수 시료를 채취하여 DOC 농도([DOC]), 주요 이온, 광학적 특성, Liquid Chromatography–Organic Carbon Detection (LC-OCD)를 이용한 분자 조성, Δ¹⁴C-DOC를 측정하고, 기단 역궤적 분석을 수행함으로써 강수 DOC의 계절적 변동성과 기원을 조사하였다. 강수 [DOC]는 0.2~29.1 mg L⁻¹ 범위였고, 봄철에 상대적으로 높은 농도를 보이는 등 뚜렷한 계절적 변동성이 있었고, 인위적 기원과 관련된 이온(NO₃⁻, SO₄²⁻, NH₄⁺)이 [DOC] 증가에 중요한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이 연구에서는 이전 연구에서 보고된 수준의 높은 Δ¹⁴C 값은 관측되지 않았다. 모든 강수 시료에서 Δ¹⁴C-DOC는 −385.5‰에서 −11.4‰ 범위의 상대적으로 낮은 값을 보였으며, 이는 강수DOC가 주로 화석연료 기원 탄소에서 유래했고, 서울 지역 강수 DOC의 주요 기원이 과거와 비교하여 변화했을 가능성을 시사한다. 대기 중 탄소 기원의 시간적 변동성과 강수를 통한 탄소 전달 과정을 보다 정확히 이해하기 위해 지속적인 시료 채취와 분석이 중요하다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ Introduction 1
• II Methodology 3
• 1 Study Site and Sample Collection 3
• 2 Basic Measurement 6
• 3 Optical analysis 7
• 4 DOC and Major Ion Analysis 8
• 5 Airmass Backward Trajectory 9
• 6 Δ¹⁴C-DOC Analysis 10
• 7 Statistical Analysis 11
• III Results and Discussions 13
• 1 DOC Concentration in Precipitation 13
• 2 Airmass Backward Trajectory 18
• 3 Optical Properties of DOM in Precipitation 20
• 4 Major Ion Concentration in Precipitation 21
• 5 LC-OCD Analysis 28
• 6 Spatial Variability of DOC Concentration in South Korea Precipitation 30
• 7 Δ¹⁴C-DOC in Precipitation 31
• IV Conclusions 34
• Bibliography 37
• Appendix A 44
• Korean Abstract 54