토양 호흡

Soil respiration

토양호흡토양생물이 재생될 때 이산화탄소가 발생하는 것을 말한다. 이것은 식물 뿌리, 회전권, 미생물 그리고 동물들의 호흡을 포함한다.

토양호흡은 CO의2 형태로 토양에서 탄소를 배출하는 핵심 생태계 과정이다. CO는2 식물들이 대기에서 얻어 광합성 과정에서 유기화합물로 전환된다. 식물은 이러한 유기 화합물을 이용하여 구조적인 요소를 만들거나 에너지를 방출한다. 뿌리에서 땅밑에서 식물호흡이 일어나면 토양호흡이 더해진다. 시간이 지남에 따라, 식물 구조 요소들은 이성애자들에 의해 소비된다. 이러한 이질소비는 CO를2 배출하며, 이 CO가2 지하 유기체에 의해 배출되면 토양호흡으로 간주된다.

생태계에서 일어나는 토양 호흡의 양은 몇 가지 요인에 의해 조절된다. 토양의 온도, 수분, 영양분 함량 및 산소 수준은 극도로 상이한 호흡 속도를 만들어낼 수 있다. 이러한 호흡 속도는 다양한 방법으로 측정할 수 있다. 다른 방법을 사용하여 광합성 경로(C3/C4)의 유형인 광합성 경로(C3/C4)의 선원 구성요소를 분리할 수 있다.

토양 호흡수는 인간의 활동에 의해 크게 영향을 받을 수 있다. 왜냐하면 인간은 토양 호흡의 여러 가지 제어 요인을 변화시킬 수 있는 능력을 가지고 있기 때문이다. 지구 기후 변화는 대기 중 이산화탄소2 증가, 기온 상승, 강수량 변화 등 수많은 변화 요인으로 구성되어 있다. 이 모든 요소들은 지구 토양 호흡 속도에 영향을 미칠 수 있다. 인간에 의한 질소 수정의 증가는 또한 지구 전체의 비율에 영향을 미칠 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

토양 호흡과 생태계를 가로지르는 그 속도는 이해하기에 매우 중요하다. 토양호흡은 다른 영양소 순환뿐만 아니라 전지구적 탄소 순환에도 큰 역할을 하기 때문이다. 식물 구조물의 호흡은 CO뿐만2 아니라 질소와 같은 구조물의 다른 영양소를 방출한다. 토양 호흡은 또한 지구 기후 변화에 대한 긍정적인 피드백과 관련이 있다. 긍정적인 피드백은 시스템의 변화가 같은 방향의 변화를 만들 때 입니다. 따라서 토양 호흡수는 기후변화의 영향을 받은 다음 기후변화를 강화하여 반응할 수 있다.

토양 내 이산화탄소 발생원

토양 CO2 플럭스를 측정하는 휴대용 토양 호흡 시스템

모든 세포호흡은 유기 화합물로부터 에너지, 물, CO를2 방출한다. 지하에서 일어나는 모든 호흡은 토양 호흡으로 간주된다. 식물 뿌리, 박테리아, 곰팡이, 토양 동물에 의한 호흡은 모두 아래와 같이 토양에서 CO를2 방출한다.

TCA(Tricarboxylic acid) 사이클

트리카복시산(TCA) 사이클, 즉 구연산 사이클은 세포호흡에서 중요한 단계다. TCA 사이클에서는 6개의 탄소가 산화된다.[1] 이 산화 작용은 설탕으로부터 CO와2 HO를2 생성한다. 식물, 곰팡이, 동물, 박테리아는 모두 유기 화합물을 에너지로 전환하기 위해 이 순환을 이용한다. 대부분의 토양 호흡은 이렇게 가장 기본적인 수준에서 이루어진다. 그 과정은 산소에 의존하기 때문에 이것을 유산소 호흡이라고 한다.

발효

발효는 세포가 유기 화합물로부터 에너지를 얻는 또 다른 과정이다.대사 경로에서 에너지는 산소를 사용하지 않고 탄소 화합물에서 파생된다. 이 반응의 산물은 이산화탄소와 보통 에틸알코올 또는 젖산이다.[2] 산소가 부족하기 때문에 이 통로는 혐기성 호흡으로 묘사된다. 이것은 이탄 늪이나 습지처럼 산소가 부족한 생태계의 토양 호흡에서 중요한 CO2 공급원이다. 그러나 토양에서 배출되는 대부분의2 CO는 호흡을 통해 발생하며 지하호흡의 가장 중요한 측면 중 하나는 식물 뿌리에서 발생한다.

뿌리호흡

식물은 광합성에 의해 생성된 탄소 화합물의 일부를 재생시킨다. 이 호흡이 뿌리에서 일어나면 토양 호흡이 더해진다. 뿌리호흡은 모든 토양호흡의 약 절반을 차지한다. 단, 이러한 값은 생태계와 식물이 대상인 조건의 지배적인 식물 유형에 따라 10~90%의 범위를 가질 수 있다. 따라서 뿌리호흡을 통해 생성되는 CO의2 양은 뿌리 바이오매스와 특정 뿌리호흡수에 의해 결정된다.[3] 뿌리의 바로 옆에는 리즈권으로 알려진 지역이 있는데, 이 지역은 토양 호흡에도 중요한 역할을 한다.

회전권 호흡

리즈권은 이웃한 토양이 있는 뿌리 표면 바로 옆에 있는 지역이다. 이 구역에서는 식물과 미생물 사이에 밀접한 상호작용이 있다. 뿌리는 지속적으로 물질 또는 배출물을 토양으로 방출한다. 이러한 배출물에는 당분, 아미노산, 비타민, 긴사슬 탄수화물, 효소, 라이스가 포함되어 있는데, 뿌리 세포가 부서질 때 분비된다. 배출되면서 손실되는 탄소의 양은 식물 종마다 상당히 다르다. 광합성에 의해 획득된 탄소의 최대 20%가 뿌리가 배출되면서 토양으로 방출된다는 것이 입증되었다.[4] 이 배출물은 주로 박테리아에 의해 분해된다. 이 박테리아는 TCA 사이클을 통해 탄소 화합물을 재생시킬 것이다. 그러나 발효 또한 존재한다. 이는 뿌리에서 멀리 떨어진 벌크토양, 토양에 비해 뿌리에 의한 산소소비량이 많아 산소가 부족하기 때문이다.[5] 진드기권의 또 다른 중요한 유기체는 뿌리를 감염시키는 균류나 근막염이다. 이러한 곰팡이는 식물 뿌리의 표면적을 증가시키고 뿌리가 식물 성장에 필요한 많은 양의 토양 영양분을 접하고 획득할 수 있게 한다. 이 이익에 대한 대가로, 그 식물은 당분을 곰팡이에게 옮길 것이다. 그 곰팡이는 에너지를 얻기 위해 이 당분을 재충전하여 토양 호흡을 증가시킬 것이다.[6] 곰팡이는 박테리아, 토양 동물과 함께 쓰레기토양 유기물의 분해에도 큰 역할을 한다.

토양동물

토양 동물들은 토양 호흡을 증가시키기 위해 박테리아와 곰팡이의 개체수뿐만 아니라 쓰레기를 먹고 분해할 수도 있다. 마이크로파우나는 가장 작은 토양 동물로 이루어져 있다. 이것들은 네마토드진드기를 포함한다. 이 그룹은 토양 박테리아와 곰팡이를 전문으로 한다. 이러한 유기체를 섭취함으로써, 처음에는 식물 유기 화합물 안에 있었고 박테리아와 곰팡이 구조물에 통합된 탄소는 이제 토양 동물에 의해 재생될 것이다. 메소파우나는 길이 0.1~2mm(0.0039~0.0787인치)의 토양 동물로, 토양 쓰레기를 섭취하게 된다. 배설물은 더 많은 양의 수분을 머금고 더 많은 표면적을 가질 것이다. 이것은 미생물에 의한 새로운 공격과 더 많은 양의 토양 호흡을 가능하게 할 것이다. 매크로파우나는 지렁이흰개미와 같은 2~20mm(0.079~0.787인치)의 유기체다. 대부분의 매크로파우나 조각들은 흩어져서 미생물 공격에 더 많은 면적을 노출시킨다. 다른 매크로파우나는 쓰레기를 굴착하거나 섭취하여 토양의 대량 밀도를 감소시키고 토양의 골재를 분해하여 토양 침식을 증가시킨다.[7]

토양 호흡 조절

토양에서의2 CO생산의 규제는 다양한 아바이오틱스, 즉 무생물의 요인들에 기인한다. 온도, 토양 수분, 질소는 모두 토양에서의 호흡 속도에 기여한다.

온도

토양 호흡 대 토양 온도를 보여주는 그래프

온도는 호흡 과정의 거의 모든 측면에 영향을 미친다. 온도는 호흡량을 최대치로 기하급수적으로 증가시켜 효소 활동이 중단되면 호흡이 0으로 감소한다. 뿌리호흡은 주로 TCA 사이클에 의해 호흡수가 제한될 때 온도가 낮을수록 기하급수적으로 증가한다. 높은 온도에서는 설탕의 이동과 신진대사의 생산물이 제한 요인이 된다. 35 °C(95 °F) 이상의 온도에서는 뿌리호흡이 완전히 정지하기 시작한다.[8] 미생물은 극저온증, 중온증, 열온증의 세 가지 온도군으로 나뉜다. 극저온증은 20°C(68°F) 미만의 온도에서 최적으로 기능하며, 중저온증은 20~40°C(104°F) 사이의 온도에서 최적으로 기능하며, 열저온증은 40°C(104°F) 이상의 온도에서 최적으로 기능한다. 자연 토양에는 많은 다른 코호트, 즉 미생물의 집단이 존재한다. 이러한 코호트는 모두 다른 조건에서 가장 잘 기능하므로 호흡은 매우 광범위한 범위에서 발생할 수 있다.[9] 온도가 올라가면 고부가 미생물 기능이 저하될 때까지 토양 호흡률이 높아지는데, 이는 토양 수분 수준과 동일한 패턴이다.

토양수분

토양 수분은 토양 호흡에 영향을 미치는 또 다른 중요한 요인이다. 토양 호흡은 건조한 조건에서 낮으며, 수분 함량이 산소를 제외할 때 감소하기 시작할 때까지 중간 수분 레벨에서 최대치로 증가한다. 이것은 혐기성 조건이 만연하고 유산소 미생물 활동을 억제하게 한다. 대부분의 생태계에서 토양 수분은 중간 토양 수분 수준에 존재하는 큰 고원을 가진 최저 및 최고 조건에서의 호흡만 제한한다는 연구 결과가 나왔다.[10] 많은 미생물이 낮은 토양 수분 조건에서 성장과 생존을 위한 전략을 가지고 있다. 높은 토양 수분 조건 하에서 많은 박테리아가 너무 많은 물을 섭취하여 세포막이 침전되거나 부서진다. 이것은 일시적으로 토양 호흡 속도를 감소시킬 수 있지만, 박테리아의 투석 때문에 다른 많은 박테리아들의 자원이 급증하게 된다. 이러한 이용 가능한 기질들의 급격한 증가는 단기적인 토양 호흡을 강화시킨다. 뿌리호흡은 특히 건조한 생태계에서 토양수분이 증가함에 따라 증가하겠지만, 토양수분에 대한 개별종의 뿌리호흡 반응은 생명사적 특성에 따라 종마다 크게 다를 것이다. 토양 수분의 상위 수준은 대기 산소에 대한 접근을 제한함으로써 뿌리 호흡을 억제할 것이다. 뿌리 aeration에 대한 구체적인 메커니즘을 개발한 습지식물을 제외하면 대부분의 식물은 산소가 적은 습지 토양 환경에 적응하지 못하고 있다.[11] 토양호흡도 생물전자를 통해 토양레독스를 낮출 때 높아진 토양수분의 호흡감쇠 효과가 증폭된다.[12] 토양에 기반을 둔 미생물 연료전지가 과학 교실의 인기 있는 교육 도구가 되고 있다.

질소

질소는 여러 가지 방법으로 토양 호흡에 직접적인 영향을 미친다. 식물의 성장과 생명을 촉진하기 위해서는 질소를 뿌리째 뽑아야 한다. 이용 가능한 대부분의 질소는 NO의3 형태로, 에너지를 사용하여 농도를 상승시켜야 하기 때문에 뿌리로 들어가는데 0.4 단위의 CO가2 든다. 일단 뿌리 안으로 들어가면 NO는3 NH로3 줄어들어야 한다. 이 단계는 더 많은 에너지를 필요로 하는데, 이것은 감소된 분자당 2 단위의 CO에2 해당한다. 대기질소를 고정하는 박테리아 공생물이 있는 식물에서 대기 N으로부터2 NH의3 분자 1개를 획득하는 데 드는 에너지 비용은 2.362 CO이다.[13] 식물이 토양에서 질소를 흡수하거나 공생물에 의존해 대기에서 질소를 고치는 것은 성장, 재생산, 장기 생존을 보장하기 위해 필수적이다.

질소가 토양 호흡에 영향을 미치는 또 다른 방법은 쓰레기 분해를 통한 것이다. 높은 질소 쓰레기는 높은 품질로 간주되며 낮은 품질의 쓰레기보다 미생물에 의해 더 쉽게 분해된다. 질긴 식물 구조용 화합물인 셀룰로오스의 분해도 질소 제한 공정으로 쓰레기에 질소가 추가되면서 증가하게 된다.[14]

측정방법

토양 호흡수 측정과 출처 파악에는 다른 방법이 존재한다. 가장 일반적인 방법으로는 장기 독립형 토양유속계통의 사용, 다양한 위치 및 다른 시간에 측정하기 위한 토양호흡계 조사, 안정적인 동위원소 비율 사용 등이 있다.

장기간에 걸쳐 한 장소에서 측정하기 위한 장기 독립형 토양 유동 시스템

자동화된 토양 CO2 교환 시스템

이 시스템은 장기간에 걸쳐 한 위치에서 측정한다. 한 곳에서만 측정하기 때문에, 여러 관측소를 사용하여 작은 거리의 토양 변동으로 인한 측정 오차를 줄이는 것이 일반적이다. 토양 변동성은 측량 토양 호흡기로 시험할 수 있다.

장기 계측기는 측정 사이에 가능한 한 측정 현장을 주변 조건에 노출시키도록 설계되어 있다.

장기 독립형 계측기의 유형

폐쇄적이고 안정적이지 않은 상태 시스템

폐쇄 시스템은 토양 위에 밀폐된 챔버에서 단기 측정(일반적으로 몇 분 이상만)을 한다.[15] 토양 CO2 배출률은 실내에서 증가된 CO를2 기초로 계산한다. CO가2 계속 축적되는 것은 폐쇄형 챔버의 특성상 측정 기간을 최소로 줄여 검출 가능한 선형 농도 증가를 달성함으로써 시간이 지남에 따라 챔버 내부의 CO가2 과도하게 축적되는 것을 피한다.

개별 검사 정보와 주간 CO2 호흡 측정 정보에 모두 액세스할 수 있다. 또한 이러한 시스템은 토양 온도, 토양 수분 및 PAR(사진 합성 활성 방사선)을 측정하는 것이 일반적이다. 이러한 변수는 일반적으로 CO2 값과 함께 측정 파일에 기록된다.

토양 호흡과 CO2 증가 기울기의 결정을 위해 연구자들은 선형 회귀 분석, 페더슨(2001) 알고리즘, 지수 회귀 분석을 사용해 왔다. 선형 회귀 분석에 대한 더 많은 참조가 있지만, Pedersen 알고리즘과 지수 회귀 분석 방법에는 또한 다음과 같은 것들이 있다. 어떤 시스템은 수학적 방법의 선택을 제공한다.[16]

선형 회귀 분석을 사용할 때 다중 데이터 점이 그래프로 표시되고 선형 회귀 방정식으로 점을 적합시킬 수 있으므로 기울기가 제공된다. 이 경사는 = V/ 등식으로 토양 호흡 속도를 제공할 수 있다 여기서 F는 토양 호흡 속도, b는 경사, V는 챔버의 체적, A는 챔버가 덮은 토양의 표면 면적이다.[17] 챔버 내 CO2 농도가 증가하면 토양 프로파일의 다공성 상부층의 CO2 농도도 증가하기 때문에 장기간에 걸쳐 측정이 진행되지 않도록 하는 것이 중요하다. 이러한 농도의 증가는 토양 내에 CO가2 추가로 저장되기 때문에 토양 호흡수를 과소평가하게 될 것이다.[18]

상시 개방 시스템

오픈 모드 시스템은 챔버 평형 측정치에 도달했을 때 토양 유속도를 찾도록 설계되었다. 공기가 챔버를 통과하여 챔버가 닫히고 밀봉되기 전에 챔버를 통과한다. 이는 측정 전에 챔버에서 비주변 CO2 농도를 제거한다. 챔버가 닫힌 후 외부 공기가 제어되고 프로그램 가능한 유량으로 챔버로 유입된다. 이것은 토양에서 나오는 CO와2 섞이고, 시간이 지나면 평형에 도달한다. 연구자는 평형점을 경과 시간 내에 연속적인 판독치 사이의 CO2 측정값의 차이로 지정한다. 검사 중 변경률은 고객의 변경 기준 비율 또는 검사에 대해 선택한 최대 시간을 충족할 때까지 서서히 감소한다. 그런 다음 챔버 내에서 평형 상태에 도달하면 토양 유동 또는 변화 속도가 결정된다. 챔버 유량 및 시간은 프로그램 가능하고 정확하게 측정되며 계산에 사용된다. 이러한 시스템에는 폐쇄 모드 시스템에서 논의된 부분 CO2 압력의 허용 불가능한 증가를 방지하도록 설계된 환기구가 있다. 챔버 내부의 공기 이동으로 챔버 압력이 증가하거나 외부 바람이 챔버 압력을 감소시킬 수 있으므로 가능한 한 방풍으로 설계되는 Vent가 제공된다.

개방 시스템은 또한 토양 구조 변화나 토양 표면의 경계층 저항 문제에 민감하지 않다. 토양 표면의 챔버 내의 공기 흐름은 경계층 저항 현상을 최소화하도록 설계되었다.

하이브리드 모드 시스템

하이브리드 시스템도 존재한다. 통풍구를 최대한 방풍 설계하고 수용 불가능한 부분 CO압력2 증강을 방지하되, 다른 면에서는 폐쇄모드 설계 시스템처럼 작동하도록 설계했다.

토양 호흡 시스템 조사 - 다른 위치 및 시간에서의 CO2 호흡 변화 테스트

현장토양호흡의 공간변동성 측정

이러한 기기는 휴대용 또는 세미 휴대용인 개방 모드 또는 폐쇄 모드 기기 중 하나이다. 그들은 다른 장소와 다른 시간에 CO2 토양 호흡의 가변성을 측정한다. 이러한 기구를 이용하여 측량 계측기와 연결할 수 있는 흙칼라를 지면에 삽입하여 일정기간 토양이 안정될 수 있도록 한다. 흙목걸이를 삽입하면 일시적으로 토양이 교란되어 측정 유물이 생성된다. 이 때문에 여러 개의 흙칼라를 서로 다른 위치에 삽입하는 것이 일반적이다. 토양2 칼라는 CO의 측면 확산을 제한할 정도로 충분히 멀리 삽입된다. 이어 토양 안정화 후 실험 설계에 따라 연구자가 한 칼러에서 다른 칼러로 옮겨 토양 호흡을 측정한다.

측량 토양 호흡 시스템은 허용 가능한 오류 수준을 달성하는 데 필요한 장기 독립형 시간 계측기의 수를 결정하는 데도 사용할 수 있다. 위치마다 토양 호흡의 변동성이 크거나 작기 때문에 다른 수의 장기 독립형 장치가 필요할 수 있다.

동위 원소법

식물은 세 가지 광합성 경로 중 하나를 사용하여 CO를2 획득하고 유기 화합물을 생산한다. 가장 보편적인 두 가지 경로는 C와3 C 공정이다4. C식물은3 시원하고 습한 환경에 가장 잘 적응하는 반면 C식물은4 뜨겁고 건조한 생태계에서 잘 적응한다. 두 경로 사이에 서로 다른 광합성 효소가 있기 때문에 서로 다른 탄소 동위원소를 우선적으로 획득한다. 동위원소는 중성자의 수가 다른 동일한 원소로, 한 동위원소가 다른 동위원소보다 무거워진다. 두 개의 안정적인 탄소 동위 원소는 C와 C이다. C3 경로로는 C4 경로보다 무거운 동위원소를 더 차별할 것이다. 이것은 C4 식물에서 생산되는 식물 구조물을 더 무거운 동위원소에서 더 풍부하게 만들 것이고, 따라서 뿌리 배출물과 이들 식물에서 나오는 쓰레기 또한 더 풍부하게 될 것이다. 이러한 구조물의 탄소가 재생되면 CO는2 두 동위원소의 유사한 비율을 보일 것이다. 연구자들은 이전에3 C공장이 점유했던 토양이나 그 반대로 C공장을4 재배할 것이다. 토양 호흡 측정과 CO의2 동위원소 비율을 분석함으로써 토양 호흡이 대부분 오래된 것인지, 최근에 형성된 탄소인지를 확인할 수 있다. 예를 들어, C공장인4 메이즈는 이전에 C공장인3 봄밀이 재배되었던 토양에서 재배되었다. 그 결과는 첫 40일 동안 C3 SOM의 호흡을 보여주었고, 70일까지 중동위원소 농축이 점진적으로 선형적으로 증가하였다. 70일 이후의 며칠은 100일만에 최고조에 달할 정도로 농축이 둔화되는 모습을 보였다.[19] 안정적인 탄소 동위원소 데이터를 분석함으로써 서로 다른 광합성 경로에 의해 생성된 재생된 SOM의 소스 성분을 결정할 수 있다.

인간 장애에 대한 대응

지난 160년 동안 인간은 토지 이용과 산업 관행을 변화시켰고, 이는 기후와 지구 생물 화학적 순환을 변화시켰다. 이러한 변화는 지구 주위의 토양 호흡 속도에 영향을 미쳤다. 또한 폭염(고온 장애 및 관련 극심한 가뭄)과 같은 극한 기후 현상이[20] 점점 더 빈번하게 발생하고, 강우량, 미생물 집단에 대한 영향 및 토양 물리적 화학 작용에 따라 토양 호흡의 변화를 유도할 수 있다.[21]

이산화탄소 증가

산업혁명 이후 인간은 대기에 막대한 양의 CO를2 배출했다. 이러한 배출량은 시간이 지남에 따라 크게 증가했으며 지구 대기 중 CO 수치를2 75만년 만에 최고 수준으로 증가시켰다. 토양 호흡은 생태계가 CO의2 상승 수준에 노출될 때 증가한다. 미래 상승된 CO2 조건 하에서 토양 호흡을 시험하기 위해 많은 자유 공기 CO2 농축(FACE) 연구가 수행되었다. 최근 FACE 연구에서는 뿌리 바이오매스 증가와 미생물 활동으로 인해 토양 호흡이 크게 증가한 것으로 나타났다.[22] 이산화탄소2 발생이 높은 테네시 주의 스위트검 숲과 위스콘신 주의 포플러 숲에서 토양 호흡이 최대 40.6% 증가하는 것으로 나타났다.[23] 화석연료의 인간 사용 증가와 토지 이용 관행으로 인해 금세기 중반까지 CO2 수치가 이러한 FACE 실험에 사용된 수준을 초과할 가능성이 매우 높다.

기후온난화

토양의 온도 상승으로 인해 우리 대기의 이산화탄소2 수치가 증가하며, 이와 같이 지구의 평균 기온이 상승하고 있다. 산림 개간, 토사 유출, 자폐공정을 파괴하는 개발 등 인간의 활동 때문이다. 광합성 식물이 토양 표면을 덮고 식히면서 적외선 에너지는 토양에 침투하여 이를 가열하여 이질성 박테리아의 증가를 일으킨다. 토양의 이질생물은 빠르게 유기물을 분해하고 토양 구조는 부서져 개울과 강으로 용해되어 바다로 들어간다. 산림 개간으로 인한 홍수에 휩쓸린 유기물질의 상당 부분이 하구, 습지, 그리고 결국 탁 트인 바다로 들어간다. 지표수의 탁도가 증가하면 생물학적 산소 수요가 발생하고 자생생물들이 더 많이 죽는다. 토양 표층 손실로 온도가 상승하면 토양세균의 호흡이 증가하면서 이산화탄소 수치가 상승한다.

앞서 언급했듯이 온도는 토양 호흡 속도에 큰 영향을 미친다. 이것은 북극에 가장 큰 영향을 미칠지도 모른다. 많은 양의 탄소가 얼어붙은 영구 동토층에 갇혀 있다. 온도가 증가함에 따라, 이 영구 동토층은 녹고 에어로빅 상태가 만연하기 시작하며, 따라서 생태계의 호흡 속도를 크게 증가시킨다.[24]

강수량 변화

기온의 변화 패턴과 해양 조건의 변화로 인해 강수 패턴은 위치, 빈도, 강도의 변화가 예상된다. 바다가 형성되는 폭풍 시스템에 더 많은 에너지를 전달할 수 있을 때 더 크고 더 빈번한 폭풍이 예상된다. 이것은 황색 또는 건조된 생태계에 가장 큰 영향을 미칠 수 있다. 건조된 생태계의 토양 호흡은 가 오는 주기 내에서 역동적인 변화를 보여주는 것으로 나타났다. 건조한 토양에서의 호흡률은 보통 강우 후 매우 높은 수준으로 폭발했다가 토양이 마를수록 점차 감소한다.[10] 이전의 광범위한 강우량이 없는 지역에 대한 강우 빈도와 강도가 증가함에 따라 토양 호흡의 급격한 증가를 유추할 수 있다.

질소 수정

지난 세기 중반 녹색 혁명이 시작된 이래, 엄청난 양의 질소 비료가 생산되어 거의 모든 농업 시스템에 도입되었다. 이로 인해 농업 유출과 바람으로 인한 수정으로 전 세계 생태계의 식물 이용 가능한 질소가 증가하게 되었다. 앞에서 논했듯이 질소는 토양 호흡의 수준과 속도에 상당한 긍정적인 영향을 미칠 수 있다. 토양 질소의 증가는 식물의 어두운 호흡을 증가시키고, 특정한 뿌리 호흡률을 자극하며, 총 뿌리 바이오매스를 증가시키는 것으로 밝혀졌다.[25] 높은 질소 비율이 높은 식물 성장률과 연관되기 때문이다. 높은 식물 성장률은 연구에서 발견되는 호흡과 생물량의 증가로 이어질 것이다. 이렇게 생산성이 높아지면 토양활동의 증가와 그에 따른 호흡이 보장될 수 있다.

중요도

토양호흡은 기후변화의 원동력이 될 뿐만 아니라 전지구적 탄소 및 영양소 순환에 중요한 역할을 한다. 이러한 역할은 자연계에 대한 우리의 이해와 인간 보존에 중요하다.

글로벌 탄소 순환

토양 호흡은 생태계 수준과 전지구적 규모의 탄소 순환 규제에 중요한 역할을 한다. 매년 약 120 페타그램(Pg)의 탄소가 육지식물에 흡수되며, 이와 비슷한 양이 생태계 호흡을 통해 대기 중으로 방출된다. 지구 토양은 최대 3150Pg의 탄소를 함유하고 있으며, 이 중 450Pg은 습지에, 400Pg은 영구적으로 얼어붙은 토양에 존재한다. 토양에는 대기의 4배 이상의 탄소가 함유되어 있다.[26] 연구원들은 토양 호흡이 매년 대기 중으로 방출되는 탄소의 77 Pg을 차지한다고 추정했다.[27] 이 방출 수준은 화석 연료 연소 등 인공적인 원천(연간 6 Pg)으로 인한 탄소 배출량보다 한 자릿수 이상 크다. 따라서 토양 호흡의 작은 변화는 토양 탄소 저장소와 대기의 이산화탄소2 농도의 균형을 심각하게 변화시킬 수 있다. 토양 호흡이 전지구적 탄소 순환에 중요한 역할을 할 수 있는 것과 마찬가지로, 지구적 영양소 순환도 조절할 수 있다.

영양분 순환

토양 호흡의 주요 구성 요소는 영양소를 고정시키거나 광물화시키는 동시에 환경에2 CO를 방출하는 쓰레기의 분해에서 비롯된다. 분해하는 동안 질소 같은 영양소는 미생물에 의해 고정되어 스스로 성장하게 된다. 이러한 미생물들이 섭취되거나 죽으면서 질소가 토양에 첨가된다. 질소는 또한 쓰레기의 단백질과 핵산의 분해로부터 미네랄화된다. 이 광물질화된 질소는 토양에도 첨가된다. 이러한 과정 때문에 토양에 첨가되는 질소 비율과 미생물 호흡 비율이 결합된다. 토양 호흡률이 미생물 교체율과 질소 광물화 비율과 관련이 있다는 연구 결과가 나왔다.[5] 지구 주기의 변화는 지구의 기후를 변화시키는 더 큰 작용을 할 수 있다.

기후변화

앞서 설명한 것처럼 토양호흡에 의해 배출되는 CO는2 온실가스로, 농도가 계속 상승할 경우 에너지를 계속 가두어 지구 평균온도를 상승시킨다. 지구온도가 상승함에 따라 지구 전체의 토양 호흡률도 상승하여 대기 중의2 CO 농도가 높아져 다시 지구온도가 높아질 것이다. 이것은 긍정적인 피드백 루프의 예다. 기온이 2℃ 상승하면 토양 호흡으로 인해 대기에 연간 10 Pg 탄소가 추가로 방출될 것으로 추정된다.[28] 이것은 현재의 인공 탄소 배출량보다 더 많은 양이다. 또한 이러한 기온 상승은 영구적으로 얼어붙은 토양에 저장된 탄소를 방출할 가능성이 있으며, 이 토양은 현재 녹고 있다. 기후 모델들은 토양 호흡과 온도 사이의 이러한 긍정적인 피드백이 21세기 중반까지 토양 저장 탄소의 감소로 이어질 것이라고 제안했다.[29]

요약

토양호흡은 토양에서 이산화탄소 형태로 탄소를 배출하는 핵심 생태계 과정이다. 탄소는 토양에 유기 물질로 저장되며 식물, 박테리아, 곰팡이, 동물에 의해 재생된다. 이 호흡이 지하에서 일어나면 토양호흡으로 간주된다. 온도, 토양 수분, 질소는 모두 토양 유기 화합물의 탄소에서 CO로의2 변환 속도를 조절한다. 토양 호흡을 측정하기 위해 많은 방법을 사용하지만, 닫힌 동적 챔버와 안정적 동위원소 비율의 활용은 가장 보편적인 기법 중 하나이다. 인간은 대기 중의 이산화탄소2 수치, 강수 패턴, 수정률을 변화시켰고, 이 모든 것들이 토양 호흡수에 중요한 역할을 했다. 이러한 비율의 변화는 기후 변화에서 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 전지구적 탄소 및 영양소의 순환을 변화시킬 수 있다.

참조

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외부 링크