Introduction
Principles of Soil Carbon Analysis Methods
습식 산화법
건식 연소법
Suggestions for the Analysis of Organic Carbon of Reclaimed Tideland Soils
Conclusions
Introduction
토양 탄소는 유기탄소와 무기탄소로 구성되어 있다. 토양 유기물 분획에 존재하는 유기탄소 (Nelson and Sommers, 1982)는 미생물의 에너지원으로 사용되어 호흡에 의해 CO2로 방출되며 그 과정에서 식물 양분이 무기화된다 (Blanco-Canqui et al., 2013). 따라서, 토양 유기탄소 함량은 토양 비옥도 관리 측면에서 매우 중요하며 (Blanco-Canqui et al., 2013), 최근에는 토양 탄소 격리의 측면에서 토양 유기탄소 함량에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다 (Wang et al., 2013, 2022a).
토양 무기탄소는 일반적으로 석회암과 같은 모재의 풍화에 의해 생성되는 탄산염 광물로 존재하며, 많을 경우 총 탄소의 약 30%를 차지한다 (Batjes, 1996; Wang et al., 2022b). 토양 무기탄소는 유기탄소와 달리 형성 과정과 탄소 순환에서 대기 CO2와의 교환 속도가 매우 느려 유기탄소에 비해 관련 연구가 적다 (Zamanian et al., 2016). 또한, 토양 탄소 격리 측면에서는 지질학적으로 유래된 무기탄소는 배제되고 생물학적으로 고정된 유기탄소만 고려된다 (IPCC, 2003). 하지만, 최근 지질학적 탄소 순환과 생물학적 탄소 순환을 연결하는 지구 탄소 순환을 이해하는 측면에서 무기탄소의 중요성이 부각되고 있다 (Zamanian et al., 2016).
현재 토양 무기탄소에 관한 연구는 대부분 내륙에 존재하는 석회질 토양 (Wang et al., 2012; Apesteguia et al., 2018; Kim et al., 2021)이나 건조지역의 토양 (Zamanian et al., 2016)을 대상으로 수행되고 있다. 한편, 해안지대에 위치한 간척지도 퇴적물 내에 포함된 조개껍질 등에 의해 탄산칼슘 (CaCO3)과 같은 무기탄소 함량이 높을 수 있다 (Zhang et al., 2019). 영농 이력이 짧은 해안 간척지는 내륙 농경지에 비해 유기물 함량이 낮아, 유기물 관리를 통한 토양 유기탄소 격리 포텐셜이 높다 (Lim et al., 2019; Park and Choi, 2022). 따라서, 간척지를 이용한 토양 유기탄소 격리 증대를 위해서는 간척지 토양의 유기탄소를 정확하게 분석할 수 있는 방법이 필요하다.
대표적인 토양 유기탄소 분석방법으로는 습식 산화법과 건식 연소법이 있다 (Table 1). 습식 산화법은 비용 효율적이지만, 건식 연소법에 비해 시간이 많이 소요되고 진한 황산 (conc. H2SO4)이나 중크롬산칼륨 (K2Cr2O7)과 같은 화학물질 노출 위험이 있다 (De Vos et al., 2007; Wang et al., 2012; Wang et al., 2013). 습식 산화과정에서 철 (Fe2+), 망간 (Mn2+), 염소 이온 (Cl-)과 같은 환원형 물질도 산화되어 유기탄소 함량이 과대평가될 수 있으며, 특히 해수의 영향을 받은 간척지 토양은 Cl-의 간섭이 클 수 있다 (Nelson and Sommers, 1982). 이에 반해, 건식 연소법은 초기 투자 부담은 크지만, 상대적으로 분석 방법이 단순하여 많은 수의 시료 분석이 수월하다. 하지만, 건식 연소법에서는 유기탄소와 무기탄소가 모두 산화되어 총 탄소가 분석되어 유기탄소만 정량하기 위해 산 처리를 통해 무기탄소를 제거해야 한다 (Nelson and Sommers, 1982; Schumacher, 2002).
본 연구에서는 이와 같은 습식 산화법과 건식 연소법의 장단점을 비교하고, 무기탄소와 Cl-를 함유하고 있는 간척지 토양의 유기탄소 함량 분석 방법을 제안하고자 한다.
Principles of Soil Carbon Analysis Methods
습식 산화법
일반적으로 습식 산화법은 K2Cr2O7를 산화제로 이용하는 Walkley-Black법을 이용한다 (Walkley and Black, 1934). 토양 유기탄소는 conc. H2SO4가 있는 조건에서 K2Cr2O7에 의해 산화되고 (Eq. 1), 반응하고 남은 Cr2O72-을 FeSO4으로 역적정하여 (Eq. 2) 토양 유기탄소 함량을 분석한다 (Nelson and Sommers, 1982). 이 과정에서 완전 산화형태 (CaCO3)로 존재하는 무기탄소는 산화제와 반응하지 않는다.
이 분석법은 비용 효율적이지만, 환원형 물질 (Cl-, Fe2+, Mn2+)도 같이 산화되어 유기탄소 함량이 과다 평가될 수 있다 (FAO, 2019). Fe2+와 Mn2+는 토양 풍건 과정에서 Fe3+와 Mn4+로 산화되어 간섭 가능성이 낮지만, Cl-는 풍건 과정에서도 그대로 잔류하여 Cr6+에 의해 Cl2로 산화되어 분석 오차를 유발할 수 있다 (Eq. 3) (Walkley, 1947; Nelson and Sommers, 1982). 즉, 습식 산화법으로 Cl- 농도가 높은 토양의 유기탄소 함량을 분석하면 참값보다 과대평가될 우려가 있다 (Fig. 1a). 따라서, 일반적인 내륙에 위치한 농경지와 달리 Ag2SO4를 첨가하여 Cl-를 AgCl2로 침전시켜 분석해야 한다 (Nelson and Sommers, 1982). 특히, 해안 간척지 토양은 Cl- 농도가 높을 수 있으므로 간척지 토양의 유기탄소를 습식 산화법으로 분석할 때 Cl-의 간섭을 배제할 필요가 있다 (Zhang et al., 2019).
이외에도 습식 산화법은 건식 연소법에 비해 많은 시간이 소요되고 K2Cr2O7의 유기탄소 산화 효율 (일반적으로 77%)을 보정해야 한다 (Wang et al., 2013). 또한, K2Cr2O7의 수분 제거를 위해 150°C 이상에서 건조할 경우 K2Cr2O7이 열분해될 우려도 있다 (De Vos et al., 2007; Wang et al., 2012).
Fig. 1.
Theoretical patterns of analytical errors of the determination of organic carbon (OC) for reclaimed tideland (RTL) soils using wet oxidation and dry combustion methods: (a) for the wet oxidation method, Cl- is oxidized to Cl2, resulting in the overestimation of OC, (b) for the dry combustion method, inorganic carbon (IC) is combusted to CO2, resulting in the overestimation of OC, and (c) acid treatment removes IC but it also deteriorates OC, resulting in the underestimation of OC. For (a) and (b), the contents of Cl- and IC were assumed to be constant across the OC levels.
건식 연소법
건식 연소법에서는 대부분 원소분석기를 이용하여 시료를 1,000°C 이상의 고온에서 연소하여 발생하는 CO2를 열전도도 검출기로 측정한다 (ISO, 1995; Bisutti et al., 2004; Wang et al., 2012; Wang et al., 2013). 건식 연소법은 분석에 필요한 시료의 양이 적고, 시료 당 5 - 7 분 정도로 분석 시간이 짧다. 또한, 필요할 경우 질소, 수소, 황 등도 같이 분석할 수 있는 장점이 있다 (Schumacher, 2002). 그러나, 기기 구입을 위한 초기 비용이 높으며, 고온에서 토양의 모든 탄소 구조가 분해되므로 기기 분석 전 무기탄소가 모두 제거되어야 한다 (Schumacher, 2002). CaCO3는 825°C에서 CaO로 열분해되는 과정에서 CO2가 생성되어 분석오차의 원인이 되기 때문에 일반적으로 산을 이용하여 무기탄소를 CO2로 미리 제거하는 전처리 과정이 필요하다 (Wang et al., 2012; Wang et al., 2013; Wang et al., 2014; Yang et al., 2021). 무기탄소를 제거하지 않고 탄소를 분석하면 탄소 함량에 무기탄소도 포함되어 유기탄소 농도가 참값보다 과다 평가될 수 있다 (Fig. 1b).
무기탄소 전처리를 위해 주로 HCl, H2SO4, H3PO4이 사용된다 (Eq. 4) (Bisutti et al., 2004; Apesteguia et al., 2018). 일반적으로 산은 무기탄소는 물론 유기물과도 반응하여 오차 가능성이 있는데 특히, HCl은 대부분의 탄산염과 반응하여 무기탄소를 제거할 수 있지만, 유기물 손실도 일으킨다 (Bisutti et al., 2004). H2SO4은 이분해성 유기물과의 반응성이 낮아 유기물 손실이 상대적으로 낮지만, 부식과 같은 난분해성 유기물의 손실을 유발하여 총 유기탄소가 과소평가될 우려가 있다 (Fig. 1c) (Bisutti et al., 2004).
산 처리 방법에는 일반적으로 직접 투입 (Direct addition), 세척 (Washing), 훈증 (Fumigation)이 있다. ISO (1995)의 표준방법에서는 풍건 토양에 과량의 HCl (4 N)을 넣어 상온에서 4 시간 방치하고 60 - 70°C의 오븐에서 16시간 동안 건조한 후 분석기로 분석한다. 일부 연구에서는 무기탄소를 제거하기 위하여 적절한 농도의 HCl (Wang et al., 2014; Yang et al., 2021; Wang et al., 2023)이나 H3PO4 (Wang et al., 2012; Wang et al., 2013) 등을 토양에 투입하여 무기탄소를 제거하였다. 하지만, 산을 토양에 직접 투입하면 시료의 무게가 산 처리 전보다 증가하는데 무게 증가 정도가 일정하지 않아 시료 무게 보정에 어려움이 있다 (Ramnarine et al., 2011).
산 세척은 산 용액으로 무기탄소를 제거하고 증류수로 잔류 산을 세척하는 방법으로, 산 처리 후 증류수로 세척된 토양을 60°C에 건조하고 내산성이 있는 은 (Ag) capsule에 담아 분석한다 (Midwood and Boutton, 1998; Park et al., 2023). 이 방법으로 비교적 효율적으로 무기탄소를 제거할 수 있으나 (Midwood and Boutton, 1998), 산 용액에 의한 용해와 반복되는 토양 세척으로 산 가용성 유기물과 수용성 유기물이 함께 제거되는 문제가 있다 (Ramnarine et al., 2011).
유기물 손실을 최소화하기 위해 HCl 증기를 이용하여 무기탄소를 제거하는 훈증 방법이 이용된다 (Harris et al., 2001). 일반적으로 사용되는 주석 (Sn) capsule은 HCl 증기에 노출되면 부식되므로, 은 capsule에 무게를 칭량한 토양을 담고 습윤상태로 한 다음 진공 데시케이터에서 HCl 증기에 노출시킨 후 4 시간 동안 60°C 오븐에 건조하여 분석한다 (Harris et al., 2001; Ramnarine et al., 2011).
Harris et al. (2001)의 훈증 방법에서는 CaCO3 함량이 높은 시료의 경우 강하게 끓어넘치면서 시료의 손실이나 오염을 야기할 수 있으며, 산 증기에 의한 은 capsule 부식 문제가 제기되었다. 또한, 산의 흡습 작용에 의해 처리된 시료가 완전히 건조되지 않을 수 있다 (Walther et al., 2010; Ramnarine et al., 2011). 은 capsule 부식 문제 해결을 위해 산 처리 시료가 담긴 은 capsule을 더 큰 capsule에 담아서 분석할 것이 제안된 바 있다 (Walther et al., 2010). 하지만, 일부 부식된 capsule을 겹쳐서 담는 것은 쉬운 작업이 아니며, 시간과 비용이 더 많이 소요된다. 또한, 원소분석기의 산화반응관에서 시약과 산소 소비량이 많아지는 문제도 있다 (Ramnarine et al., 2011). Ramnarine et al. (2011)은 capsule 대신 유리 바이얼에 시료를 담고 일정 시간 동안 훈증한 후 더 저렴한 주석 capsule에 시료를 담는 방법을 제안하였는데, 시료에 잔류하는 HCl에 의한 주석 capsule 손상을 방지하기 위해 1 - 1.5 시간 동안 진공을 통해 HCl 증기를 제거할 것을 권고하였다. 해당 연구에서 단위 시간당 무기탄소 제거 속도 (0.10 mg C h-1)는 제안되었지만 (Ramnarine et al., 2011), 무기탄소 전체 제거율은 불명확하고 HCl 훈증에 의한 토양 유기탄소 훼손에 대한 연구는 충분하지 않다 (Apesteguia et al., 2018). 또한, 무기탄소 제거를 위해 투입된 산 잔류물에 의한 기기 손상 우려가 있다 (Wang et al., 2012).
Table 1.
Advantages and disadvantages of the analysis of soil organic carbon (SOC) using wet oxidation and dry combustion.
| Methods | Advantage | Disadvantage |
| Wet oxidation | ∙Cost-effective (Wang et al., 2012) |
∙Hazard of Cr (De Vos et al., 2007; Wang et al., 2012) ∙Incomplete oxidation of SOC (Wang et al., 2013) ∙Time-consuming (Wang et al., 2013) ∙Interferences of Cl- (FAO, 2019) |
| Dry combustion |
∙Small sample size (Schumacher, 2002) ∙Time efficiency (Schumacher, 2002) ∙Multi-elemental analysis (Schumacher, 2002) |
∙Expensive instrument (Nelson and Sommers, 1982; Schumacher, 2002) ∙Interferences of carbonate (Schumacher, 2002) ∙Acid treatment to remove carbonates may lead to the loss of SOC (Schumacher, 2002) |
Suggestions for the Analysis of Organic Carbon of Reclaimed Tideland Soils
건식 연소법을 이용한 탄소 분석의 편의성에도 불구하고, 원소분석기를 이용한 간척지 토양의 유기탄소 분석에서는 무기탄소에 의한 오차 가능성이 매우 높다. 비록 산 처리를 통해 무기탄소를 제거할 수 있지만, 무기탄소 제거 효율의 불확실성, 산에 의한 capsule 손상, 산 처리에 의한 유기탄소 훼손 등의 어려움이 있다. 반면, 산화제를 이용한 습식 산화법은 자동화는 어렵지만, 무기탄소가 산화제와 반응하지 않아 유기탄소만을 선택적으로 정량할 수 있다. 하지만, 간척지 토양은 Cl- 농도가 높기 때문에 Ag2SO4를 처리하여 Cl- 간섭을 배제한 후 산화제를 투입하여 분석해야 한다.
Conclusions
본 연구에서는 탄산염과 같은 무기탄소를 함유하고 Cl- 농도가 높은 간척지 토양의 유기탄소 분석에 활용되는 습식 산화법과 건식 연소법의 장단점을 비교 검토하였다. 원소분석기의 사용 편의성에도 불구하고 무기탄소 영향 배제를 위한 전처리의 불확실성에 의해 건식 연소법을 이용한 간척지 토양의 유기탄소 분석 오차 가능성이 높았다. 습식 산화법은 분석에 상대적으로 많은 시간과 노동이 소요되지만, Cl- 간섭을 배제하면 유기탄소만을 선택적으로 분석 가능한 것으로 평가되었다. 본 연구는 습식 산화법과 건식 연소법의 분석원리에 기반하여 간척지 토양의 유기탄소 분석의 잠재적 오류 요인을 검토하고 최적의 분석 방법을 제안한 면에서 의미가 있다. 하지만, 간척지 토양의 무기탄소와 Cl-에 따른 유기탄소 분석 정확도에 대한 문헌 자료가 없어 정량적 접근에는 한계가 있었다. 향후 간척지 토양을 이용한 실험 연구를 통해서 본 연구에서 검토한 분석 오차를 정량화하고 제안된 분석 방법의 정확도를 평가할 필요가 있다.
