토양 산화환원전위 (Eh)란?

어떤 물질이 전자를 잃고 산화되거나, 전자를 받고 환원되는 경향의 강도를 나타내는 산화환원전위(Eh)

토양의 산화환원전위는 식물 양분의 산화와 환원 상태를 결정해 유효도에 영향을 주고

토양 중에 존재하는 이온의 화학적 형태와 용해도, 이동성, 독성 등을 결정하기 때문에 토양환경을 이해하는 데에 중요한 지표로 작용합니다.

호기/혐기 조건에 따라 전자수용체가 달라지면서 배출되는 온실가스 종류가 바뀌기 때문에

온실가스 저감과도 깊은 관련이 있어 최근에는 그 중요성이 더 강조되고 있습니다. 

그럼에도 이탄지(Peat land)와 같이 유기물 함량이 높고, 독특한 기공 구조를 가진 곳에서의 Eh 측정은 그 신뢰성을 인정받지 못했습니다.

 Eh 모니터링이 이탄 분해 과정을 정량적으로 분석하는 데 유용한가

위 연구는 이탄지(peatland)의 배수 및 습지화 평가를 위해 산화환원전위(Eh)를 모니터링한 연구를 소개하고 있습니다.

연구 결과 Eh 모니터링이 이탄지의 수분 상태 및 유기물 분해 과정을 반영하는 강력한 지표로 작용한다는 점이 확인되었습니다.

위 연구에서 수행된 Eh 모니터링의 방식과 결과를 자세히 살펴보겠습니다.

[ 측정 방법 ]

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- 산화환원전위(Eh) : 20 cm 간격, Paleoterra(현 SWAP Instruments)사의 ORP 프로브 설치, 독립적인 배터리와 태양광 패널 구동

- 공극수 : 다공성 컵 설치 후, 월 1회 이상의 샘플 수집 및 화학 성분 분석

- 지하수위 : 지하수 관측정 설치, 수압 데이터를 1분 간격으로 기록 및 대기압 보정 후 분석

결과 및 결론

위 연구를 통해 산화환원 상태에 따라 어떤 대사 과정이 우세한지를 확인할 수 있었습니다.

위 그래프는 산화환원전위(Eh)와 공극수의 화학 성분의 농도간의 관계를 보여주고 있습니다.

왼쪽 상단 질산(NO3) 그래프를 보면 Eh 값이 높을 때 질산 농도가 상대적으로 높은 경향이 있습니다. 질산이 강한 산화 환경에서 안정하기 때문입니다.

오른쪽 하단의 메탄(CH4) 그래프를 보면 Eh 값이 -100mV 이하일 때 급격히 증가하는 모습을 보여줍니다.

이러한 결과는 토양의 Eh 값이 특정 전자수용체의 환원 여부를 결정하는 중요한 지표임을 다시 한번 확인해줍니다.

SSI(땅속배수, Subsoil irrigation)가 적용된 플롯은 Eh 값이 더 낮고, 변화 폭이 작게 나타났습니다. 즉, 지하수위를 일정하게 유지하고, 토양의 산화 상태를 낮추는 효과가 있음을 시사합니다.

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지하수위 측정은

토양 산화/환원을 설명하지 못할까?

각 다른 플롯에서의 토양 산화환원전위 분포를 나타낸 히스토그램입니다.

각 다른 플롯이지만 대부분 환원 상태에 있는 것을 확인할 수 있습니다.

SSI(지속적인 땅속관개)가 적용된 (b) 플롯에서 더 낮은 Eh 값(혐기성 상태)이 자주 관찰되었습니다.

하지만 산화 상태의 샘플도 일부 존재하면서 지점별로 Eh 값이 다르게 나타났습니다.

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-> 따라서 지하수위가 높아지면 일반적으로 혐기성 환경이 증가하지만,

지하수위가 호기(혹은 혐기) 조건의 다이나믹스, 산화환원 정도 등 모든 것을 설명하지 못합니다.

위 그래프를 보면 SSI 적용 여부와 관계없이 얕은 토양층에서는 산화적 환경이 유지되고 있음을 확인할 수 있습니다.

그리고 깊이가 깊어질수록 혐기성 환경이 증가하는데, SSI 지점에서 연중 더 높고 일정한 지하수위는 산소 침입을 감소시키고

Fe³⁺, SO₄²⁻와 같은 전자수용체가 소모되면서 메탄 생성 조건을 형성하고 있습니다.​

하지만 토양 프로파일은 사이트마다 그리고 플롯 내에서도 크게 다르게 나타납니다. 특히, SSI 배수관 근처에서는 메탄 생성이 더 많이 발생했습니다.

-> 지하수위 측정과 달리 Eh는 장소에 따라 크게 달라지는 특정 토양 대사 과정의 우세율을 정의하는데 사용할 수 있다

이번 연구는 기존의 Eh 측정 방법이 가진 한계를 극복한 최초의 연구로, 이탄토양과 같은 독특한 환경에서도 Eh를 활용해 특정 대사 과정의 우세성을 효과적으로 식별할 수 있음을 보여줍니다.

오히려 Eh 측정을 통해 지하수 수위 변화만으로는 파악할 수 없었던 산소 존재 여부를 확인하고, 수위가 증가하면서 메탄 발생이 증가하는 것도 발견했습니다.

-> Eh와 pH 측정을 중심으로 한 접근 방식이 온실가스 배출 및 습지 모니터링, 이탄지 재습윤과 같은 과제에서 더 효과적일 수 있습니다.

Eh 모니터링 시스템 : 기존 방식

ORP 센서와 휴대용인터페이스, 데이터로거, 클라우드로 구성된

토양산화환원전위 모니터링 시스템

Eh 모니터링 시스템 : SWAPLog-1

SWAP Instruments사의 토양산화환원전위(ORP) 센서와 Stand-alone 데이터로거를 이용해 현장에서 장기적이고, 지속적인 Eh 측정이 가능합니다.

최근 출시한 SWAPLog-1은 토양 산화환원전위(Eh)와 온도 데이터를 장기간 자동으로 기록할 수 있는 데이터로거입니다.

필드 연구, 환경 모니터링, 습지 관리 등에서 유용하게 사용되며, 특히 위 연구와 같은 장기간의 토양 대사 과정 분석에 적합합니다.

독립형 데이터로거 SWAPLog-1은 SDI-12 디지털 Redox 프로브인 ORP-30-1-D, ORP-40-4-D, ORP-80-4-D와 호환됩니다.

1채널 데이터로거로 플러그 앤 플레이 방식으로 연결이 쉽고 간편합니다.

태양광 패널과 내장 배터리로 낮은 전력으로도 구동 가능하며, 대용량 메모리로 장기간의 데이터를 저장할 수 있습니다.

IP67 등급의 하우징과 야외 설치를 위한 장착 키트가 포함된 구성으로 사계절 내내 야외 연구에도 이용하실 수 있습니다.

SWAP 독립형 데이터로거 >>

관련솔루션 : 습지 환경 모니터링과 조사