Soil organic and inorganic carbon dynamics of coastal saline rice fields = 해안 염류 토양의 유기탄소와 무기탄소 동역학

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Coastal saline paddies on reclaimed tidelands may play a sink role of atmospheric CO2 due to their low soil organic carbon (SOC) content. In addition, coastal paddies also contained substantial amount of soil inorganic C (SIC). Therefore, accurate determination of the contents of SOC and SIC is crucial for both estimation of the current C stock and prediction of the future C accrual. Despite that, there are uncertainty of the determination of SOC of coastal saline soils that contain chloride (Cl-) and carbonates, which interfere with the measurement of SOC and thereby SIC. Therefore, it is necessary to propose a feasible method for determination of SOC and SIC of coastal soils. In addition, the concentrations of SOC and SIC are likely to vary with changes in soil salinity due to the interrelationship among desalinization, rice growth, SOC accumulation, and SOC decomposition. Moreover, the sources (lithogenic vs. pedogenic) of SIC may also change with soil salinity since increased SOC may supply more pedogenic carbonate. This study was conducted 1) to suggest feasible methods for the analysis of SOC and SIC of coastal soils (Chapter 1) and 2) to investigate the changes in SOC and SIC and the shift of SIC sources with changes in soil salinity (Chapter 2).
In Chapter 1, the feasible method for the determination of both SOC and SIC of coastal saline soils was proposed through literature review and laboratory experiments using coastal and inland soils. The results suggested that determination of SOC using wet oxidation (Walkley Black method using K2Cr2O7 as an oxidizing agent) after removal of Cl- as AgCl by adding Ag2SO4 is more accurate than that using dry combustion with elemental analyzer after removing SIC with acid treatment due to the potential errors caused by acid treatment. It was also suggested that SIC can be computed by subtracting SOC from soil total C (STC) that can be directly determined by dry combustion.
In Chapter 2, the changes in SOC and SIC as well as the shift of the sources of SIC from lithogenic toward pedogenic carbonates with salinity variations of coastal soils were investigated. The changes in SIC sources were investigated using stable C isotope ratios (δ13C) of SIC based on the difference in the δ13C of lithogenic and pedogenic carbonate sources. The presence of SIC in the coastal soils was confirmed through comparative analyses with SIC-free inland soils. For coastal soils, the total SIC accounted for 4.3–77.3% of the total C. Although total SIC showed no correlation with soil salinity, it was positively correlated (r = 0.97 and P < 0.001) with the total calcium (Ca), highlighting the critical role of Ca in SIC formation. The δ13C of the two pedogenic sources was –25.8±0.6‰ for rice residue and –26.1±1.8‰ for SOC, which differed significantly from those of lithogenic (e.g., seashells) sources (–2.6±1.6‰). The δ13C of total SIC ranged from –26.1‰ to –9.2‰, indicating varying contributions from both lithogenic and pedogenic sources. The contributions of pedogenic SIC to total SIC varied widely from < 30% to 100% and were influenced positively by SOC (r = 0.73, P = 0.002) and negatively by salinity (r = –0.72, P = 0.003). Moreover, desalinization increased SOC levels and microbial respiration, which serve as the primary source and pathway for pedogenic SIC formation. These findings indicate that the proportion of pedogenic SIC to total SIC increases with higher SOC levels, while the contribution of lithogenic SIC decreases through desalinization of the coastal paddy soils after rice cultivation.
This study proposes methods for accurate analysis of SOC and SIC of coastal soils. Considering the vast area of coastal saline rice paddy, accounting for about 20% of national rice paddies, accurate measurement of SOC and SIC are crucial for estimation national soil C accrual in agricultural sectors. This study also demonstrates the crucial contribution of SIC to STC, thereby highlighting the necessity of analysis of SIC in estimation of STC stock of coastal saline soils. Finally, the δ13C of SIC was proven to be a robust indicator of the shift of lithogenic toward pedogenic carbonates with desalinization of coastal soils under rice cultivation. Further studies on the mechanisms of increased SOC with desalinization and the effects of the application gypsum containing Ca on SIC are required for the enhanced soil organic and inorganic C sequestration of coastal saline paddy soils.

국문 초록 (Abstract)

간척농지 토양은 유기물 함량이 낮아 토양 비옥도가 낮지만, 반대로 대기 중 CO2를 유기물의 형태로 격리시킬 수 있는 탄소격리 포텐셜이 높다. 또한, 간척농지는 해안에 조성되어 조개껍질에서 유래한 무기탄소도 함유하고 있다. 따라서, 향후 간척농지 토양의 탄소격리량 증진을 위해서는 유기탄소와 무기탄소 함량을 정량할 필요가 있다. 하지만, 염소 이온(Cl-)과 탄산염(CaCO3)을 함유한 해안 염류 토양의 유기탄소 분석은 일반 농경지 토양과는 달리 여러가지 간섭요인에 의해 불확실성이 높다. 따라서, 해안 간척농지 토양의 유기탄소와 무기탄소 분석에 적합한 방법을 제안할 필요가 있다. 또한, 토양 유기탄소와 무기탄소 함량은 토양 염도 변화에 수반되는 벼 생장, 토양 유기탄소 축적, 토양 유기탄소 분해에 의해서 영향을 받기 때문에 이들 동역학에 대한 연구도 필요하다. 본 연구에서는 1) 해안 토양의 토양 유기탄소와 무기탄소 분석에 적합한 방법을 제안하고, 2) 토양 염도 변화에 따른 토양 유기탄소와 무기탄소 함량의 변화와 토양 무기탄소 기원 변화를 조사하였다.
해안 염류 토양의 토양 유기탄소와 무기탄소 분석에 적합한 방법을 제안하고자 간척농지 토양과 일반 농지 토양을 대상으로 다양한 전처리 유무에 따른 K2Cr2O7을 산화제로 이용하는 습식산화법과 원소분석기를 이용하는 건식연소법을 비교하였다. 일반 토양에 대해서 건식연소법이 널리 이용되고 있지만, 간척농지 토양의 경우 무기탄소 간섭에 의해 건식연소법은 부적합하였다. 산처리를 통해 무기탄소를 제거한 후 원소분석기로 분석하는 방법에서 산처리에 의한 유기물 손실 등의 문제가 확인되었다. 한편, Ag2SO4을 투입하여 Cl-을 AgCl2으로 침전시켜 제거한 후 습식산화법으로 분석한 결과는 상대적으로 정확도가 높았다. 따라서, 간척농지 토양의 총탄소 함량은 원소분석기로 분석하고, 유기탄소 함량은 Cl- 전처리 후 습식산화법으로 분석하며 무기탄소 함량은 총탄소 함량과 유기탄소 함량의 차이로 계산하는 것이 가장 적절한 분석 방법으로 제안되었다.
제안된 간척농지 토양 탄소 분석방법을 이용하여, 간척농지 토양의 염도 변화에 따른 토양 유기탄소와 무기탄소 함량의 변화와 토양 무기탄소 기원의 이동에 대해 조사하였다. 무기탄소의 기원은 광물유래(Lithogenic)와 토양유래(Pedogenic)로 구분되며, 이들은 탄소 동위원소비(δ13C)에 차이가 있다. 본 연구에서는 광물유래 무기탄소 기원인 조개껍질의 δ13C는 –2.6±1.6‰였고, 토양유래 무기탄소 기원인 작물 잔사와 토양 유기탄소의 δ13C는 각각 –25.8±0.6‰, –26.1±1.8‰였다. 일반 농지 토양은 무기탄소가 확인되지 않았으며, 간척농지 토양의 무기탄소는 총 탄소의 4.3 – 77.3%에 해당하였다. 간척농지 토양의 무기탄소 함량은 토양 염도와 상관관계가 없었지만, 총 칼슘 함량과 정의 상관관계(r = 0.97, P < 0.001)가 있어 간척농지 토양의 무기탄소는 CaCO3로 존재함을 알 수 있었다. 간척농지 토양 무기탄소의 δ13C는 –26.1 – –9.2‰로 분포하였는데, 이는 광물기원과 토양기원 무기탄소의 기여도가 다양함을 나타낸다. 총 무기탄소에 대한 토양기원 무기탄소의 기여도는 30% 이하에서 100%까지 넓게 분포하였으며, 해당 기여도는 토양 유기탄소 함량과는 정의 상관관계(r = 0.73, P = 0.002), 토양 염도와는 부의 상관관계(r = –0.72, P = 0.003)를 보였다. 또한, 토양 유기탄소 함량(r = –0.68, P < 0.001)과 미생물 호흡량(r = –0.57, P = 0.003)도 토양 염도와 부의 상관관계가 있었다. 이는 제염에 의해 토양 염도가 낮아짐에 따라 토양 유기물 함량이 증가하고 이를 분해하여 토양기원 탄산을 형성하는 미생물 호흡량도 증가하고 그 결과 총 무기탄소에서 광물기원은 감소하고 토양기원은 증가함을 의미한다.
본 연구에서는 간척지 토양에서 토양 유기탄소와 무기탄소를 정확하게 분석하는 방법을 제시하였고, 제염에 따른 토양 유기탄소와 무기탄소 변동 기작을 해명하였다. 우리나라 논면적의 약 20% 정도를 차지하는 간척농지의 넓은 면적을 고려하면, 농업 분야에서 우리나라 토양 탄소격리량을 유기탄소와 무기탄소로 구분하여 평가할 필요가 있다. 본 연구 결과에 의하면, 간척농지의 제염과정에서 유기탄소와 토양기원 무기탄소 격리량이 지속적으로 증가할 것으로 예측된다. 탄소격리 포텐셜이 높은 간척농지를 이용한 농업 분야 탄소격리량 증대를 위해서는 간척농지 토양 유기탄소 축적 기작과 석회 시용 등 Ca 공급을 통한 무기탄소 격리량 증대 가능성에 대한 추가 연구가 필요하다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract 1
• General introduction 4
• Chapter 1: Methods for determination of organic and inorganic carbon content of coastal rice paddy soils 7
• Abstract 8
• 1. Introduction 10
• 2. Principles of soil carbon analysis methods 13
• 2.1. Wet oxidation 13
• 2.2. Dry combustion 14
• 3. Materials and methods 17
• 3.1. Study site and soil sampling 17
• 3.2. Chemical analysis 23
• 3.3. Statistical analysis 24
• 4. Results and discussion 24
• 4.1. Interference of Cl- in the measurement of SOC using wet oxidation for coastal soils 24
• 4.2. Interference of SIC in the measurement of SOC using dry combustion for coastal soils 28
• 4.3. Suggestions for the analysis of organic and inorganic carbon of coastal saline soils 32
• 5. Conclusions 33
• Chapter 2: Variations in soil organic and inorganic carbon contents and the sources of inorganic carbon with changes in salinity of coastal paddy soils on reclaimed tideland 36
• Abstract 37
• 1. Introduction 38
• 2. Materials and methods 41
• 2.1. Sample collection and pretreatment 41
• 2.2. Chemical analysis 44
• 2.3. Estimation of the sources of SIC 49
• 2.4. Measurement of microbial respiration 50
• 2.5. Statistical analysis 52
• 3. Results 52
• 3.1. δ13C of carbon sources and the soil properties 52
• 3.2. δ13C of coastal and inland soils before and after acid treatment 53
• 3.3. Variations in SIC content and their sources for coastal soils 56
• 3.4. Correlation of SOC and SIC contents and microbial respiration with soil variables for the coastal soils 59
• 4. Discussion 63
• 4.1. Verification of the existence of SIC for coastal soils using δ13C 63
• 4.2. Total SIC content of coastal soils was not affected by salinity but increased with Ca 64
• 4.3. Pedogenic SIC increased but lithogenic SIC decreased with desalinization 65
• 5. Conclusions 70
• General conclusions 72
• Reference 74
• Abstract (In Korean) 89
• Curriculum vitae 95
• Committee members 113