2.1 연구 지역

강원도 점봉산 국가장기생태연구 생태플럭스타워(the ecological flux tower)가 설치된 소유역 산림 시냇물을 채수하여 성분을 분석하였다. 생태플럭스타워가 설치된 점봉산 소유역은 강원도 인제군 기린면 진동리와 양양군 서면 오색리 사이에 위치하며(38°2’ N, 128°28’ E), 유역 면적은 2.2 ha이다(Fig. 1). 생태플럭스타워는 해발고도 약 981 m 남서사면 능선부에 냉⋅온대림 낙엽활엽수종이 우점하는 지역에 설치되었다^{(National Institute of Ecology, 2017)}. 점봉산 방태천 유역에서는 현재까지 약 457종의 유관속식물이 발견되었으며, 이 중 신갈나무와 당단풍나무가 조사된 전체 식물의 80% 이상을 차지한다^{(Jeong et al., 2016)}.

생태플럭스타워 유역을 포함하는, 점봉산 방태천 유역 전체로 보면, 유역 면적의 96%가 쥬라기에 형성된 화강암, 나머지 4%가 선캄브리아기에 형성된 반상편정편마암으로 암석권이 구성되어 있다^{(National Institute of Ecology, 2023)}. 방태천 유역의 토양은 A층이 평균 22 cm, B층이 평균 65 cm로, 생태타워유역 또한 이와 비슷한 토심을 가질 것으로 추정된다(산림공간정보 1:25000 산림토양도(2022) 활용). 기상청 오색지점 방재기상관측에 따르면, 관측이 시작된 1997년부터 2023년까지 27년 사이의 점봉산 연평균 기온은 11. 1℃, 평균 연최저기온은 5.5℃, 평균 연최고기온은 17.2℃, 평균 연강수량은 1462.4 mm이다(https://data.kma.go.kr).

Fig. 1. The forest watershed for the V-notch weir at Mt. Jeombong, Gangwon-do, South Korea. The red circle in the lower left panel marks the location of Mt. Jeombong within South Korea. The red line in the upper left panel is the watershed boundary of the Bangtae stream, which includes the study watershed presented in red polygon. The yellow pin in the right panel indicates the stream water sampling point, and the white line outlines the watershed boundary of the V-notch weir.

2.2 시료 채취와 분석

2020년부터 2023년까지 3월부터 11월 사이 한 달에 한 번, 비가 오지 않은 날 점봉산 생태타워 아래 삼각위어에서(Fig. 1.) 시냇물을, 미리 400℃에서 4시간 동안 가열시켜 유기물을 제거한 유리병에 약 1∼4 L 채수했다. 2019년에는 4, 5, 6, 7, 9, 10월에만 채수하였다. 하천수 시료를 연구실로 가져온 후, 마찬가지로 미리 400℃에서 4시간 동안 가열시켜 유기물을 제거한 0.4 µm 유리섬유 필터(GF-5, Macherey-Nagel, Dūren, Germany)로 거른 뒤 4℃ 냉장고에 보관했다가 분석에 사용했다.

산림 시냇물 용존유기탄소(dissolved organic carbon, DOC) 농도([DOC])는 TOC-VCPH 분석기(Shimadzu, Kyoto, Japan)를 이용하여 680도에서 고온촉매산화 방법으로 연소시켜 발생한 CO₂량을 측정하여 분석했다^{(Lee, Shin, Yoo et al., 2021)}. 유기물의 방향성(aromaticity)을 나타내는 지표인 SUVA₂₅₄는 Cary 300 UV-Visible 분광광도계(Agilent technologies, Santa Clara, CA, USA)를 사용하여 254 nm 파장에서의 유기물 흡광도 값을 용존유기탄소 농도로 나누어 구했다^{(Weishaar et al., 2003)}.

산림 시냇물 DOC의 이중탄소동위원소비(Δ¹⁴C-DOC와 δ¹³C-DOC)를 측정하기 위해, 미리 400도에서 4시간 동안 가열하여 유기물을 제거한 석영 재질의 자외선 반응기에 하천수 100 mL 당 40% 인산(85%, EP grade, Samchun, Gyeonggi-do, South Korea)을 0.125 mL 넣고 pH 2 이하로 낮춘 뒤, 진공라인에 연결시켜 외부 공기의 유입을 차단했다^{(Lee, Shin, Jeon et al., 2021)}. 이후 진공라인에 연결된 자외선 반응기에 헬륨을 불어넣어 용존무기탄소를 제거하고, 자외선을 4시간 동안 쪼여주어 유기물을 산화시켰다^{(Lee, Shin, Yoo et al., 2021; Lee, Shin, Jeon et al., 2021)}. 이렇게 생성된 이산화탄소를 진공라인에서 액체질소를 이용하여 분리시킨 뒤 유리관(pyrex)에 옮겨 밀봉하고 미국 국립해양과학가속질량분석연구소(national ocean science accelerator mass spectrometry, NOSAMS)로 보내 이중탄소동위원소비(Δ¹⁴C와 δ¹³C)를 각각 가속질량분석기(accelerator mass spectrometry)와 안정동위원소 질량분석기(isotope ratio mass spectrometry)로 측정했다^{(Lee, Shin, Yoo et al., 2021; Lee, Shin, Jeon et al., 2021)}.

수소 핵자기공명분광기(1H NMR) 분석, 리그닌 페놀 가스크로마토그래피 질량분석(gas chromatography mass spectrometry, GC MS), 초고분해능질량분석(Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry, FT-ICR MS)은, 4 L 하천수를 고체상 추출(solid phase extraction, SPE) 카트리지를 통과시켜 얻은 유기물을 대상으로 수행했다. 염산(37.0% ACS specification, Sigma-Aldrich, Massachusetts, United States)을 이용해 하천수 pH를 2로 조정했고, 하천수 시료를 10 mL min-1 이하의 속도로 500 mg Bond Elut PPL 카트리지(Agilent technologies, Santa Clara, CA, USA)에 통과시켜 PPL 카트리지 안에 유기물을 흡착시켰다. PPL 카트리지 안에 흡착된 유기물을 얻기 전, pH 2로 조정한 초순수를 흘려 염류를 제거한 후, PPL 카트리지 안에 흡착된 유기물을 메탄올(99.9% HPLC grade, Merk KGaA, Darmstadt, Germany) 6 mL로 녹여 최종 2∼10 mg의 유기물을 얻었고, 이를 분석에 사용했다.

SPE로 추출한 농축 DOM 시료를 서울대학교 농생명과학공동기기원에 분석 의뢰하여 Bruker Avance Ⅲ 600 MHz spectrometer (Bruker Biospin, Rheinstetten, Germany)로 1H NMR 스펙트럼을 얻었다. 1H NMR 스펙트럼은 0 ppm에서 나타나는 테트라메틸실란(tetramethylsilane, TMS)을 기준으로 6.0∼9.0 ppm 영역을 방향족 스펙트럼으로, 3.5∼4.4 ppm 영역을 알콕시 스펙트럼으로, 0.4∼3.0 ppm 영역을 알킬기 스펙트럼으로 분류하여 면적을 구한 뒤 상대적인 양을 비교했다^{(Asakawa et al., 2007)}.

리그닌 페놀 분석을 위해 공기를 차단한 상태에서 말린 DOM 시료를 산화구리, 8% 수산화나트륨, 포도당, 황산암모늄철과 함께 소형 반응기에 넣고 155도에서 3시간 동안 산화시켰다^{(Hernes, Spencer et al., 2017)}. 산화된 시료를 에틸 아세테이트로 추출하고 질소 기체를 흘려 건조시킨 뒤 기체 크로마토그래피 질량분석(6890 GC, Agilent, Santa Clara, CA, USA) 전까지 냉동 보관했다. 기체 크로마토그래피 질량분석 직전, 시료에 비스-트리메틸실릴 트리플루오로메틸 아세트아마이드(bis-trimethylsilyl trifluoromethyl acetamide)를 넣어, 리그닌 페놀에 트리메틸실릴기를 붙인 뒤 분석에 사용하였다. DB5-MS 모세관 컬럼을 사용하였고 Agilent 5973 질량 선택 검출기로 분석했다. 리그닌 페놀 물질을 정량하기 위해 시나믹산(cinnamic acid)를 사용하여 5점 검량선 보정을 수행했다^{(Hernes and Benner, 2002)}. 본문에서 C/V로 표기한 것은 리그닌 페놀 성분 중 파라-(p)-쿠마르산과 페룰산(p-coumaric acid, ferulic acid) 질량의 합(C)을 바닐린, 아세토바닐론, 바닐릭 산(vanillin, acetovanillone, vanillic acid) 질량의 합(V)으로 나눈 것이며, S/V로 표기한 것은 시린잘데하이드, 아세토시링곤, 시링산(syringaldehyde, acetosyringone, syringic acid) 질량의 합(S)을 V로 나눈 것이다(Table 1). C/V와 S/V는 식물의 목질부 대비 비목질부, 속씨 식물과 겉씨 식물을 나누는 지표로 사용된다(Table 1; ^{Hernes, Dyda et al., 2017; Hernes et al., 2007; Hernes, Spencer et al., 2017)}. Ad/Al(v)는 카복실산인 바닐릭 산을 알데하이드인 바닐린으로 나눈 값이며, Ad/Al(s)은 시링산을 시링알데하이드로 나눈 값으로 이들 비율이 높을 수록 하천 DOM 리그닌 페놀 성분이 더 분해되었다는 지표로 사용된다(Table 1; ^{Hernes, Dyda et al., 2017; Hernes et al., 2007; Hernes, Spencer et al., 2017)}. Λ₈으로 표기한 것은 리그닌 페놀 8종인 바닐린(vanillin), 아세토바닐론(acetovanillone), 바닐릭산(vanillic acid), 시링알데하이드(syringaldehyde), 아세토시링곤(acetosyringone), 시링산(syringic acid), 파라-(p)-쿠마르산(p-coumaric acid), 페룰산(ferulic acid) 농도(mg/(mg of organic carbon))의 합이다(Table 1; ^{Hernes, Spencer et al., 2017)}.

FT-ICR MS 분석을 위해 SPE로 추출한 시료를 메탄올(HPLC grade, Baker, J.T., Philipsburg, New Jersey, USA)로 희석해 0.25 mg mL^-1로 만들었다. 희석한 시료를 경북대학교 질량분석 기반 융합연구센터에서 음이온 모드 전자분무 이온화(negative electrospray ionization: (-) ESI) 소스를 장착한 7T Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (SolariX 2xR, Bruker Daltonik, Bremen, Germany)를 이용하여 분석했다. 3 µL min-1의 속도로 시료를 주입하고 400번 스캔하여 넓은 m/z 범위(150 < m/z <1200)의 (-) ESI FT-ICR MS 스펙트럼을 얻었다. 개별 피크에 화학식을 할당하기 위해 CcHhNnOoSs (1 < c < 200, 1 < h < 200, 0 < n < 4, 1 < o < 100, 0 < s < 2) 분자 범위를 주었고, 질량 정확도는 0.5 ppm 미만으로 설정했다. 신호 대 잡음 비(signal noise-1)는 4를 사용했고, 최소 풍부도 임계값으로 1%를 적용했다. 도출된 세기(intensity)와 피크(peak) 값은 독일 올덴버그 대학의 해양환경화학 및 생물학 연구소(Institute for Chemistry and Biology of the Marine Environment in Oldenburg, Germany: ICBM)에서 개발한 클라우드 도구를 사용해 분석했다^{(Merder et al., 2020; Zark and Dittmar, 2018)}. 얻은 분자식을 분류하는 방법은 두 가지로 나눌 수 있다. 첫번째는 유기탄소화합물의 불포화 정도에 따라 지방족, 방향족 등으로 나누는 방법이고(Table 2; ^{Koch and Dittmar, 2006; Merder et al., 2020; Zherebker et al., 2022)}, 두번째는 자연계에 존재하는 주요 화합물의 일반적인 원소 비율에 의거해 나누는 방법이다(Table 3; ^{Xu et al., 2023)}. 이 연구에서는 위 두 가지 방법을 모두 사용하여 유기화합물을 분류하였다.

2.3 통계분석

점봉산 시냇물의 계절별 특성을 확인하기 위해, 계절을 봄, 여름, 가을, 겨울로 나눴다. 우리나라 기상청은 봄의 시작일을 일평균 기온이 5℃ 이상으로 올라가 9일 동안 계속 유지되는 첫째 날로, 여름 시작일은 일평균 기온이 20℃ 이상으로 올라가 9일 동안 계속 유지되는 첫째 날로, 가을 시작일은 일평균 기온이 20℃ 이하로 내려가 9일 동안 계속 유지되는 첫째 날로, 겨울 시작일은 일평균 기온이 5℃ 이하로 내려가 9일 동안 계속 유지되는 첫째 날로 정의한다^{(Choi et al., 2006; Kwon et al., 2008; Lee, 1979)}. 이 기준을 따르면, 2019년부터 2023년까지 봄, 여름, 가을, 겨울의 시작일은 각각 3월, 6월, 9월, 12월에 속했기 때문에, 이 연구에서는 계절을 봄(3, 4, 5월), 여름(6, 7, 8월), 가을(9, 10, 11월), 겨울(12, 1월, 2월)로 나눴다. 계절마다 시료수가 다르고, 분산을 살펴볼 만큼 충분히 시료수가 많지는 않아서 웰치의 분산분석(Welch’s ANOVA)을 사용하여 측정 항목마다 계절에 따른 차이를 분석했다^{(Brailsford et al., 2019)}. 게임즈-하웰(Games-Howell) 사후 검정 방법을 사용해서 웰치의 분산분석의 검정능력을 사후 분석했다^{(Brailsford et al., 2019; Yates et al., 2019)}. 모든 통계분석은 구글 코랩(google colab)에서 파이썬(python)으로 수행했다.

3.1 점봉산 시냇물의 용존유기탄소 농도와 광학적 특성(SUVA₂₅₄)

점봉산 삼각위어에서 2019년부터 2023년까지 채수한 시냇물의 계절별 DOC 농도([DOC]) 평균과 표준편차는, 봄(1.3 ± 0.7 mg L^-1, n=15), 여름(1.3 ± 0.4 mg L^-1, n=16), 가을(1.0 ± 0.1 mg L^-1, n=12), 겨울(0.7 mg L^-1, n=1)이었다. 통계적으로 여름과 가을 [DOC] 사이에 유의한 차이가 나타났으나, 매우 근소한 차이였다(Fig. 3(a)). 일반적으로 하천 [DOC]는 강우 사상에 의해 좌우된다^{(Jeong et al., 2012; Raymond et al., 2016; Ryan et al., 2021)}. 산림하천에서도 여름 강우 때는 유역 내 토양표층을 통해 흘러나오는 유기물량이 많아지기 때문에 [DOC]가 높아진다^{(Jung et al. 2012; Lee, Shin, Jeon et al., 2021; Lee et al. 2015)}. 점봉산에서도 여름 강우 시 시냇물 [DOC]가 높아질 것으로 예상되고, 따라서 강우 사상이 있을 때와 없을 때를 골고루 채수한다면 여름철 [DOC]의 범위도 넓어지리라 예상된다. 하지만, 이번 연구에서는 채수 간격을 한 달에 한 번으로 정해, 44회 채수 중 대부분 비가 오지 않는 시기(채수일 강수량 5 mm 이하가 37회)에 시냇물을 채수했다(Fig. 2). 즉, 이 연구에서 보고하는 여름철 시냇물 DOC는 강우 시 DOC 특성 보다는, 기저유량시 유출되는 DOC 특성을 주로 반영한다. 가을에도 태풍이 올 때 강수량이 늘어날 수 있으나, 이 연구의 채수 일시와 강우 사상이 거의 겹치지 않아서(Fig. 2), 여름과 마찬가지로 기저유량 특성이 주로 반영된 낮은 [DOC]가 측정되었다.

봄에도 시냇물 [DOC]는 평균만 보면 다른 계절과 비슷하다. 하지만, 전체 측정 기간 중에 가장 높았던 [DOC]가 3.6 mg L^-1로 2023년 3월에 측정되었고, 전체 측정 기간 중에 가장 낮았던 [DOC]는 0.6 mg L^-1로 2020년 3월에 측정되었다. 이처럼 봄철 시냇물 [DOC]의 변동성이 다른 계절에 비해 상대적으로 컸던 것은, 유역 내 물 흐름의 영향을 받았기 때문인 것으로 추정된다. 즉, 봄 채수일 전에 강수 사상이 거의 없다 하더라도, 겨울에 유역에 쌓여 얼었던 눈이 봄에 녹아서 하천으로 유입될 때 식생과 토양의 DOC가 함께 유출되어 시냇물 [DOC]를 높일 수 있으므로^{(Jeong et al., 2012; Meingast et al., 2023)}, 눈과 얼음이 많이 녹을 때는 [DOC]가 높아지고, 적게 녹을 때는 [DOC]가 낮아진 것으로 사료된다.

점봉산 시냇물 SUVA₂₅₄의 평균과 표준편차는 봄, 여름, 가을, 겨울 각각 3.8 ± 0.6 L mg^-1 m^-1 (n=13), 3.6 ± 0.5 L mg^-1 m^-1 (n=16), 3.6 ± 0.5 L mg^-1 m^-1 (n=12), 2.7 L mg^-1 m^-1 (n=1)로 통계적으로 유의한 차이가 없었다(Fig. 3(b)). SUVA₂₅₄는 UVA254를 [DOC]로 나눈 값이기 때문에, 기저 유량 시 낮은 [DOC]에 의해 SUVA₂₅₄는 과대추정될 수 있다. 예를 들면, 측정한 [DOC] 범위가 0.9∼1.1 mg L^-1일 때, SUVA₂₅₄ 범위는 2.5∼4.4 L mg^-1 m^-1 (n=20)였고, 반면 [DOC] 범위가 1.8∼2.2 mg L^-1일 때, SUVA₂₅₄는 3.2∼4.1 L mg^-1 m^-1 (n=5) 사이였다. SUVA₂₅₄는 DOM 내 방향족 비율과 강한 양의 상관 관계를 보이므로^{(Weishaar et al., 2003)}, 점봉산 시냇물에서 측정된 상대적으로 높은 SUVA₂₅₄로부터 방향족 성분이 포함된 유기물, 즉 리그닌이나 탄닌과 유사한 육상기원 유기물이 포함되어 있음을 유추할 수 있다. 정리하면, 계절에 따라 강수량과 유역 수문 특성이 달라지고, 그에 따라 하천수 내 용존유기탄소 농도와 광학적 특성도 차이날 수 있는데^{(Lee, Shin, Jeon et al., 2021)}. 점봉산 시냇물 [DOC]와 SUVA₂₅₄ 결과는, 산림 시냇물이 기저유량에 가까울 때 시냇물 [DOC]와 UV 흡광 특성이 계절에 따라 크게 달라지지 않고 비슷하다는 것을 보여준다.

Fig. 2. Sampling dates and accumulated precipitation (Acc. ppt) in mm over 1 or 2 days preceding sampling between 2019 and 2023. The blue and yellow bars are sampling dates with Acc. ppt over 0–24 hours and 24–48 hours preceding sampling, presented as the length of the bars, respectively. The red triangles are sampling dates with no rain. The gray bars on the upper side are daily precipitation.

Fig. 3. (a) Forest stream DOC concentration and (b) SUVA₂₅₄ at the V-notch weir of Mt. Jeombong, from 2019 to 2023.

3.2 산림 시냇물 DOC의 이중탄소동위원소비

점봉산 시냇물의 δ¹³C-DOC 값은 평균 -27.0‰로 C3 식물이 우점하는 하천수 DOC 특징을 보였다^{(Farquhar et al., 1982; Kirkels et al., 2022; Marwick et al., 2015)}. 초본으로 대표되는 C4 식물 기원 DOC의 δ¹³C은 약 -12‰이므로^{(Sage and Monson, 1999)}, 만약 점봉산 시냇물 DOC의 주요 기원이 C4 식물이라면 시냇물 δ¹³C-DOC는 측정된 -27.0‰보다 무거워야 한다. 그러나, 점봉산 삼각위어 유역은 활엽수가 우점하는 산림생태계이며, 이는 시냇물 δ¹³C-DOC에도 반영되었다. 비슷하게, 북한강 상류(경기도 가평부터 강원도 인제와 양구군 등) 산림유역에서 강우 시 측정된 시냇물 평균 δ¹³C-DOC도 -25.3∼-28.7‰로 C3식물이 우점하는 산림유역 특성을 나타냈다^{(Kim et al., 2007; Lee, Shin, Jeon et al., 2021)}. 산림 시냇물처럼 유속이 빠른 상류에서 조류가 번성한 사례를 찾기는 어렵고^{(Allan et al., 2021)}, 이는 점봉산에서도 마찬가지여서 점봉산 시냇물에 조류가 미친 영향은 거의 없을 것으로 예상된다.

점봉산 시냇물 Δ¹⁴C-DOC 값은 평균 13.7‰로 이는 시냇물 DOC의 주요 기원이 최근 광합성된 유기탄소임을 보여준다. 한강의 상류, 중류, 하류에 걸쳐 하천 Δ¹⁴C-DOC가 공간적으로 어떻게 달라지는지 조사한 연구에서, 상류에서 하류보다 높은 Δ¹⁴C-DOC가 측정되었다(Fig. 4, ^{Jin et al., 2018)}, 이는 유역 내 산림 비율이 거의 100%인 상류에서 식생에 의해 최근 광합성된 유기물이 하천으로 유출되며, 하류로 내려올수록 다른 유출원에 의해 하천 Δ¹⁴C-DOC가 가벼워질 수 있음을 시사한다.

예를 들면, 우리나라 5대강(한강, 금강, 섬진강, 낙동강, 영산강) 평균 Δ¹⁴C-DOC는 -60.3‰로(탄소연대로는 439 years before present에 해당) 점봉산 시냇물 평균 Δ¹⁴C-DOC 보다 가벼웠다(Fig. 4, ^{Lee, Shin, Yoo et al., 2021; Oh and Cha, 2023)}.

전 세계적으로 하천수 Δ¹⁴C-DOC를 -100‰ 이하로 낮추는, 즉 탄소연대를 약 1,000년 이상으로 높이는 유기물은 극지방의 영구동토층^{(Marwick et al., 2015)}, 융기된 산맥에 포함된 해양유기물 퇴적층^{(Rhyner et al., 2023)}, 인도네시아의 이탄지대^{(Moore et al., 2013)}, 습지가 포함된 농경지^{(Sickman et al., 2010)}, 하수/폐수처리장 방류수 등에서 유래한 것으로 보고되었다^{(Lee, Shin, Yoo et al., 2021; Lee, Lee et al., 2023)}. 이들처럼 극적으로 Δ¹⁴C-DOC를 가볍게 하는 것은 아니지만, 산림 토양으로부터 유출된 DOC도 하천수 Δ¹⁴C-DOC를 가볍게 할 수 있다. 예를 들면, 전남 백운산 유역과 강원 대암산 유역에서 기저유량일 때 채취한 시냇물의 Δ¹⁴C-DOC는 각각 -68.1∼-18.3‰과 -29.6‰ 로 모두 상대적으로 오래된(음의) 값이었다^{(Jin et al., 2018; Lee, Shin et al., 2023)}. 점봉산 시냇물에서 측정한 총 10번의 Δ¹⁴C-DOC 중, 5월에 한번 –19.8‰로 상대적으로 오래된(음의) Δ¹⁴C-DOC가 측정되긴 했으나, 나머지 모든 기간에 대해서는 1.1‰∼38.9‰인 상대적으로 근래에 만들어진(양의) Δ¹⁴C-DOC 값이 측정되었다(Fig. 4). 이로부터 점봉산 산림 유역에서는, 기저유량 특성이 두드러질 때도 상대적으로 최근 광합성된 유기물이 시냇물을 통해 유역으로부터 빠져나가고 있음을 유추할 수 있다. 점봉산 생태타워유역은 유역면적이 0.022 km2에 불과한 하천 최상류에 위치한 곳으로, 유역에 떨어진 강수가 대부분 토양에 오래 머물지 않고 하천으로 빠져나가는 것으로 추정된다.

Fig. 4. Dual carbon isotope ratios of the forest stream at the V-notch weir of Mt. Jeombong and other rivers. The black circles are for the forest stream at the V-notch weir of Mt. Jeombong, the triangles are for the upper, middle, and lower reaches of the Han River, the squares are for the Geum River, Nakdong River, Youngsan River, and Sumjin River, and the gray stars are for the world rivers. ^{†: Jin et al. (2018) ††: Lee, Shin, Yoo et al. (2021) †††: Marwick et al. (2015)}

3.3 산림 시냇물 DOM의 리그닌 페놀 분석

하천 리그닌 페놀 C/V와 S/V를 측정하면, 그 유기물이 겉씨 식물이나 속씨 식물의 목질부 혹은 비목질부(예: 잎)로부터 유래했는지를 알 수 있다(Fig. 5, ^{Hedges and Mann, 1979)}. 2020년 6월부터 2021년 7월까지 총 10번(봄 3회, 여름 3회, 가을 3회, 겨울 1회) 측정한, 점봉산 시냇물의 평균 C/V는 0.29(범위: 0.17∼0.51, n=10), S/V는 1.18(범위: 0.97∼1.39, n=10)이었다(Fig. 5). 우리나라 하천을 대상으로 한 리그닌 페놀 성분비 측정 자료는 지금까지 없었기 때문에, 우리나라와 비슷한 기후대에 속한 일본 하천^{(Lu et al., 2016)}과 점봉산 시냇물의 리그닌 페놀 성분비를 비교했다. 이 일본 하천 유역은 침엽림이 약 30%, 활엽림이 약 52% 분포하는 곳으로(ESRI사가 배포한 식생 지도를 활용해 추정한 수치임), 이 유역 하천의 평균 S/V는 0.73(범위: 0.61∼0.87, n=15)으로 점봉산(활엽림 98%) 시냇물 평균 S/V, 1.18보다 낮았다(Fig. 5, ^{Lu et al., 2016)}. 이 결과는, 활엽림이 대부분인 점봉산과 달리 유역 내 침엽수 비율이 높아지면, 겉씨 식물에 속하는 침엽수에 의해 하천수 S/V 값이 작아질 수 있다는 것을 보여준다(Fig. 5, ^{Hedges and Mann, 1979; Lu et al., 2016)}.

지중해성 기후이긴 하지만 온대에 속하는 미국 캘리포니아 하천 리그닌 페놀 성분도 점봉산 시냇물과 비교했다. 속씨식물이 우점하는 산림유역 9개(활엽림:∼45%, 다년생 초본:∼45%)와 농지유역 10개(초본 농작물:∼70%) 하천에서 구한 리그닌 페놀 값은 S/V 평균이 0.99(범위: 0.49∼2.20, n=48)로 속씨식물 기원 리그닌 페놀이 대부분이었다(Fig. 5, ^{Eckard et al., 2020; Hernes, Spencer et al., 2017)}. 목질부에는 파라-(p)-쿠마르산과 페룰산이 결핍되어 있으므로, C/V 비율로는 나뭇잎과 초본 기원 리그닌 페놀을 나뭇가지나 뿌리 같은 목질부 기원 리그닌 페놀과 구분할 수 있다^{(Hedges and Mann, 1979)}. 점봉산 시냇물의 C/V (0.17∼0.51, n= 9)나 일본 하천의 C/V (0.17∼0.50, n=15) 비율은 상대적으로 좁은 범위에 분포한 반면, 캘리포니아 하천 C/V는 0.00∼1.00 (n=48)으로 넓은 범위에 분포했다(Fig. 5, ^{Eckard et al., 2020; Hernes, Spencer et al., 2017)}. 점봉산이나 일본 연구지와는 달리, 캘리포니아 연구지들은 상대적으로 건조하고 따뜻한 지역부터 겨울에 눈이 많이 쌓이는 산지를 포함하는 넓은 지역에 흩어진 유역들로, 산림, 농지, 초지 등 다양한 토지피복으로 구성되어 있다. 점봉산이나 일본하천에 비해, 캘리포니아 하천 S/V, C/V 값은 넓게 분포했고, 이는 유역 내 토지 피복의 다양성이 반영된 결과로 사료된다(Fig. 5).

리그닌 페놀의 Ad/Al(v)와 Ad/Al(s) 비율은 카르복실산을 알데하이드로 나눈 값으로, 이 값이 높을수록 미생물이나 빛에 의해 분해가 더 많이 진행된 리그닌으로 유추할 수 있다^{(Hedges et al., 1988; Hernes and Benner, 2003; Hernes, Dyda et al., 2017; Opsahl and Benner, 1995, 1998)}. 대기 중 산소와의 접촉을 제한한 염기성 조건에서, 산화구리를 사용하여 유기물을 산화시키면 리그닌 Ad/Al 값이 과도하게 올라가는 것을 막는다^{(Hedges et al., 1988; Yang et al., 2022)}. Ad/Al 중, 바닐릭산과 바닐린의 비율인 Ad/Al(v)는 이끼나 조류 등을 제외한, 리그닌을 만드는 거의 모든 식물에서 측정 가능하지만, 시링산과 시링알데하이드 비율인 Ad/Al(s)는 겉씨식물에는 거의 존재하지 않는다^{(Hedges and Mann, 1979)}. 속씨식물이 우점하는 점봉산 유역의 시냇물 Ad/Al(v)는 SUVA₂₅₄와는 음의 상관관계를, 1H NMR 스펙트럼의 방향족 작용기와는 양의 상관관계를 보였다(Fig. 6). 토양과 하천에서 리그닌이 분해될수록 Ad/Al(v)가 증가하며^{(Hernes, Dyda et al., 2017; Hernes, Spencer et al., 2017; Lu et al., 2016)}, 특히 미생물에 의한 토양수 DOM 분해 실험 결과 리그닌 성분이 분해될수록 DOM 내 방향족 화합물의 비율도 증가할 수 있음이 1H NMR 분석을 통해 보고되었다^{(Kalbitz et al., 2003)}. 이는 리그닌 같은 고분자 유기화합물이 분해될 때, 즉, 벤젠고리 사이의 탄소-탄소 결합이 끊어지며 탄소-수소 결합으로 바뀔 때 1H NMR 스펙트럼 내 방향족 수소의 비율이 늘어날 수 있기 때문인 것으로 사료된다.

Fig. 5. Lignin phenols in the forest stream DOM at the V-notch weir of Mt. Jeombong, and world rivers. The C/V is the ratio of the sum of two cinnamic phenols to the sum of three vanillin phenols, and S/V is the ratio of the sum of three syringyl phenols to the sum of three vanillin phenols. The area with the letter ‘A’ in the yellow solid line matches with angiosperm woods; the area with the letter ‘a’ in the dashed yellow line corresponds with angiosperm non-woody tissues; the area with letter ‘G’ in the solid green line shows gymnosperm woods; the area with letter ‘g’ in the dashed green line matches gymnosperm non-woody tissues ^{(Hedges and Mann, 1979)}.

Fig. 6. Relationships between Ad/Al(v) and (a) SUVA₂₅₄, (b) the aromatic proportion of 1H NMR (6.0 – 9.0 ppm), and (c) the alkyl proportion of 1H NMR (0.0 – 3.5 ppm) in stream samples collected at the V-notch weir of Mt. Jeombong.

3.4 산림 시냇물 DOM의 초고분해능 질량분석

초고분해능 질량분석법을 사용하면 시냇물의 DOM을 분자 단위로 분석할 수 있다^{(Kim et al., 2003)}. 산림 시냇물 DOM은 주로 나무에서 유래한 리그닌과 탄닌 유사 물질로 구성되며, 이외에도 고방향성 탄소화합물(condensed aromatic carbon)과 단백질 등을 포함한다^{(Begum et al., 2022; Estévez et al., 2021; Mosher et al., 2015)}. 2020년 6월부터 2021년 7월까지 채수한 점봉산 시냇물 DOM을 대상으로 초고분해능 질량분석법을 적용시킨 결과, 총 1,308개 화학식을 갖는 유기물이 분석되었다. 이 유기물을 탄소-탄소 결합의 불포화 정도에 따라 분류한 결과(Table 2, 4), 불포화 화합물이 961개(73.5%), 지방족 화합물이 79개(6%), 방향족 화합물은 44개(3.4%), 그리고 탄수화물(0.9%), 단백질(0.4%), 고방향성 화합물(0.2%)로 구분되었다. 자연계에 존재하는 주요 화합물의 일반적인 원소 비율에 의거해 나눈 결과(Table 3, 5), 리그닌 유사물질(70%)과 탄닌 유사물질(17.4%)이 대다수를 차지한 반면, 단백질과 탄수화물은 각각 1% 미만으로 매우 낮았고, 계절에 따른 차이도 거의 없었다. 첫번째 방법에 따라 분류된 불포화 유기화합물과 두번째 방법에 따라 분류된 리그닌, 탄닌 유사물질은 반크레벨렌(Van Krevelen) 도표에서 비슷한 O/C와 H/C 비율 범위에 도시되었고(Fig. 7), 질량 대 전하비(m/z)가 200∼700 범위에 주로 분포했다.

초고분해능 질량분석법을 우리나라 하천을 대상으로 적용한 예로 금호강과 한강연구가 있다^{(Chen et al., 2016; Lee et al., 2019)}. 숲이 유역 면적의 64%인 금호강에서 강수기 동안 DOM의 42∼71%가 리그닌 유사물질로 구분되었고^{(Lee et al., 2019)}, 의암호로 유입되는 한강 DOM에서도 리그닌 유사물질이 대부분인(77∼100%; O/C: 0.3∼0.8; H/C: 0.5∼1.5) 결과가 보고되었다^{(Chen et al., 2016)}. 미국 북동부 산림하천과 코스타리카 하천 DOM에 대한 초고분해능 질량분석 결과에서도 DOM의 69.5%가 리그닌과 탄닌 유사물질로 분류되었다^{(Mosher et al., 2015)}.

하천 DOM 기원 물질은 다양하다. 육상생태계 기원 리그닌이나 탄닌 외에도 토양이나 하천에 자생하는 미생물의 단백질, 식물의 왁스나 미생물의 지질 성분도 하천 DOM 성분이 될 수 있다^{(Chen et al., 2016; Hertkorn et al., 2016; Lee et al., 2019)}. 하지만, 점봉산 시냇물 DOM을 대상으로 초고분해능 질량분석을 적용시킨 결과 단백질은 1% 미만이었고, 지질은 11월, 12월, 3월, 4월에 1.0∼2.8%였으며 나머지 달에는 약 0.5%였다(Table 5). 분류된 물질 중 N은 적어도 1개 이상, S는 0 또는 1개 있는 물질은 모두 77개였으며, 이 중 64개(83%)가 리그닌 유사 물질이었고 단백질이나 탄수화물은 1% 미만이었다. 이 연구에서처럼 기저유량에 가까울 경우, 지표수보다는 토양수나 지하수 DOM이 하천 DOM의 주요 기원일 수 있고, 지하수에는 상대적으로 지질, 단백질 등 다른 성분의 비율이 높아질 수 있으나^{(Sheng et al.. 2023)}, 그런 경우라 하더라도 점봉산 시냇물에서는 리그닌과 탄닌 유사물질 같은 식생 기원 유기물이 하천 DOM의 대부분을 차지하는 것을 확인하였다(Fig. 7).

Fig. 7. Van Krevelen diagrams of stream DOM collected at the V-notch weir of Mt. Jeombong, categorized by (a) unsaturated status of organic compounds (Table 2) and (b) major natural compounds (Table 3). This diagram is a combined result of the analyzed samples (n=9) collected over June 2020 - July 2021.

3.5 점봉산 시냇물 용존유기물의 계절적 변화와 함의

이 연구에서처럼 기저유량에 가까울 때, 점봉산 시냇물의 [DOC]는 약 1 mg L^-1로 상대적으로 낮았고, 계절에 따른 유의한 차이도 없었으며(Fig. 8(a)), SUVA₂₅₄, Δ¹⁴C-DOC와 δ¹³C-DOC도 마찬가지로 계절별로 유의한 차이가 없었다(Fig. 8(b), (c), (d)). 다만, [DOC] 범위는 봄에 가장 넓었다. 반면, 단위 유기탄소 당 리그닌 페놀 질량의 합인 Λ₈은 봄에 유의하게 높았다(봄: 3.04±0.91 (n=3); 여름∼겨울: 0.50±0.10 mg* 100 mg^-1-OC (n=7)). 그 외 다른 분석, 즉, Ad/Al(v), 1H NMR 스펙트럼이나 초고분해능 질량분석에서도 봄과 가을 시료에서 차이를 보인 경우가 있었으나, 모든 계절에 걸친 뚜렷한 차이를 확인하기는 어려웠다(Fig. 8). 이는 분석된 시료수가 적기도 하지만, 강수 시 채취된 시료가 거의 없는 기저 유량에 가까운 시료를 대상으로 한 분석이기 때문이기도 하다. 추후 여름철 장마와 태풍, 겨울철 강설을 포함하는, 다양한 강수 사상에 대해서도 시냇물을 채수하여 같은 분석 방법을 적용시키면, 보다 폭넓은 분석 결과를 얻을 수 있으리라 예상한다. 그럼에도 불구하고, 이 연구는 두 가지 함의를 제공한다.

첫째, 온도보다는 강수 사상이 하천 DOM 성분을 결정하는 중요한 요소이다. 물론, 온도는 식생의 광합성에 직접 영향을 미치는 요소이고, 육상생태계의 광합성 산물이 하천으로 유입되어 하천 DOM을 구성하므로 온도가 하천 DOM 성분에 미치는 영향을 단순하게 말하기는 어렵다. 그러나, 점봉산 장기생태연구지에서, 계절별로 온도는 크게 차이나는 반면, 기저 유량에 가까울 때 계절에 따른 시냇물 DOM 성분 차이가 뚜렷하지는 않았다. 다만, 봄철 시냇물 DOM에서 측정 기간 중 최대 농도와 최소 농도가 나타났고, 다른 성분 분석 결과도 대체로 봄철 시료의 측정 결과가 상대적으로 튀는 편이다. 그 이유로 겨울에 쌓였던 눈과 얼음이 녹는 시기에 따라 유역 내 물 흐름이 달라질 수 있기 때문인 점을 고려하면, 온도보다는 강수사상의 형태와 양. 유역 수문(hydrology)이 시냇물 DOM 농도와 성분을 결정하는 가장 중요한 요소인 것으로 사료된다.

둘째, 이중탄소동위원소분석, 1H NMR 분석, 리그닌 페놀 분석, 초고분해능 질량분석 결과를 종합하면, 기저유량에 가까울 때에도 점봉산 장기생태연구지 하천수 DOM의 대부분은 최근 광합성된 속씨식물의 리그닌이나 탄닌 같은 고분자 화합물로부터 기원한 유기물이 주요 성분임을 알 수 있다. 산림 유역 내 교목, 관목, 초본류 등 여러 식생을 구성하는 성분은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌, 탄닌, 지질, 단백질 등 다양하고^{(Sjostrom, 2013)}, 이들로부터 유래된 분해 산물과 미생물 바이오매스 등 이차생산물은 토양 표면부터 깊은 곳에 이르기까지 다양하게 분포하며, 깊은 토양에 상대적으로 오래된 유기물이 존재한다^{(Lee, Shin et al., 2023)}. 강우 시에는 상대적으로 토양층 상부에서 기원한 유기물이,

기저 유량에 가까울수록 토양 깊은 곳이나 지하수에서 기원한 유기물이 하천수 DOM의 주요 성분임이 알려져 있으나^{(Allan et al., 2021; Raymond et al., 2016)}, 점봉산 하천 DOM의 대부분은 기저 유량에 가까울 때라도 최근 광합성된 유기물이 주요 성분임을 보여준다 (Fig. 8(d)). 이 연구에 사용된 SPE 추출 방법의 수율이 최대 약 50% 정도여서, SPE 추출 시료를 이용한 1H NMR 분석, 리그닌 페놀 분석, 초고분해능 질량분석 결과는, 전체 하천 DOM을 대표하지 않기는 하지만, 분자량 200∼700 g/mol 정도의 분해된 리그닌과 탄닌 유사 물질이 시냇물 DOM의 주요 성분임을 유추할 수 있다.

Fig. 8. Concentrations and compositions of the forest stream DOM at the V-notch weir of Mt. Jeombong, depending on seasons. (a) [DOC], (b) SUVA₂₅₄, (c) δ¹³C-DOC, (d) Δ¹⁴C-DOC, (e) normalized lignin phenols (Λ₈), (f) proportion of aromatic functional groups in DOM as identified by 1H NMR analysis, (g) acid-to-aldehyde ratio of vanillyl phenols and (h) proportions of lignin- and tannin-like compounds estimated by FT-ICR MS.