탄소 중립 도시를 위한 이질적 도시 피복 내 토양 유기 탄소 저장량 평가

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 환경대학원 협동과정 조경학, 2021.8. 배지환.Soils hold the largest organic carbon in urban ecosystem. Quantifying urban soil organic carbon (SOC) stocks is a preliminary step for carbon neutral strategy in urban ecosystem. The impacts of urbanization on SOC stocks have gained attention from policy makers as well as land managers. However, urban SOC stocks are often omitted from estimates of carbon budgets in urban area due to the small sample size and high degree of variability under heterogeneous land-cover types. In this dissertation, I aimed to find the spatial and vertical variations of urban SOC stocks. Understanding how SOC stocks in heterogeneous land-cover types is essential to assess urban carbon storage; however, the spatial and vertical distributions of SOC stocks have been poorly characterized. Intensive urbanization, and underground development in particular, leads to spatial and vertical heterogeneity of SOC. The magnitude and origin of SOC under different urban setting have not been well explored. In Chapter 2, I quantified SOC stocks to a 5 m depth beneath impervious surfaces and adjacent vegetative surfaces at three housing complexes in Seoul Special City, Republic of Korea. The objectives of Chapter 2 were (1) to quantify the spatial and vertical distribution of SOC stocks beneath impervious surfaces and vegetative surfaces; (2) to investigate the key factors that control the spatial and vertical distribution of SOC stocks; and (3) to understand how anthropogenic factors affect SOC stocks in heterogeneous urban setting. In the top 1 m of the profile, SOC stocks under vegetative surfaces were three times greater than those under impervious surfaces. However, we discovered that unexpectedly high SOC stocks appeared in deeper soil layers under both surface types, which led to comparable SOC stocks at a depth of 5 m beneath the impervious surface (16.9 ± 1.9 kgC m−2) and at the vegetative surface (22.3 ± 2.2 kgC m−2). Consequently, the ratio of SOC stocks at depths of 1 m to 5 m were 16% in impervious surfaces and 34% in vegetative surfaces, suggesting conventional soil sampling at 1 m depth could miss large SOC. Stable isotope data (δ13C and δ15N) combined with historical aerial photographs revealed that cropland that existed until the 1970s formed the high SOC cultural layer in deeper soils. Our results highlight that deep soils under impervious surfaces could be overlooked carbon hotspots in urban ecosystems. We believe this finding could help city planners and policy makers to assess regional carbon budgets and to reduce carbon footprint by recycling the deep SOC excavated from various construction projects towards sustainable urban development. Landscape fragmentation has created large areas of forest edge. Understanding how SOC stocks within forest edges respond to fragmentation is essential to assess carbon budgets; however, the causes and magnitude of edge effects on SOC stocks have been poorly characterized. The goal of Chapter 3 is to assess the edge effects on SOC stocks in fragmented urban-rural forests. Here, I quantified the edge effects on SOC stocks along an urban-rural gradient from three fragmented urban forests to a large patch of rural forest. The SOC stocks within 20 m of the rural forest edge (1.86 kgC m-2) is on average 80% lower than the interiors of rural forest (10.47 kgC m-2). We found that biotic factors, including annual litterfall mass (R2 > 0.94), peak leaf area index (R2 > 0.92), and fine-root mass density (R2 > 0.77), explained the spatial variation in SOC stocks within the rural forest. In urban forests, human activities at forest edges led to contrasting edge effects on SOC stocks, for instance, the SOC stocks at the east edges (4.74 kgC m-2) were over 63% greater than at the west edges (2.9 kgC m-2) explained by the adjacent land uses (e.g., paved roads vs. non-paved soils) and in-situ litterfall management. We also found significant differences in summer soil temperature (∆TS > 2.8℃) and soil moisture (∆VWC > 0.05 m3 m-3) between the east and west forest edges. Our results reveal that the factors responsible for the edge effects on SOC stocks in rural forests are biotic factors, while heterogeneous human activities at the local scale lead to complex edge effects on urban forest SOC stocks. Urban soil is a heterogeneous mixture of various parent materials and significantly affected by anthropogenic activities. Improving our understanding of the relationships between the pattern of land use and the SOC stocks requires large amounts of timely and cost efficient SOC analysis, which is difficult to obtain with routine chemical analysis. In Chapter 4, I evaluated a predictive model for SOC based on hyperspectral reflectance dataset in urban soils using ASD-FieldSpec, then used partial least squares (PLS) regression to establish the predictive models for SOC in urban soils. A total of 136 samples were collected and the SOC and δ13C values of topsoil (0-20 cm) were measured under different land cover types. The SOC stocks varied between 0.33 kg m-2 to 12.51 kg m-2. The δ13C data varied between -30.18‰ to -17.17‰. The average SOC and δ13C data showed a clear vegetation-dependent pattern. The PLSR model achieved acceptable results with coefficient of determination (R2) and root mean square error (RMSE) of calibration set for SOC (R²= 0.83; RMSE = 1.6%). The leave one out cross validation procedure confirmed the robust performance of PLS model. The results indicated that 1) the SOC can be estimated with reasonable accuracy across heterogeneous urban land-cover types based solely on the hyperspectral reflectance spectroscopy, and 2) the strategy has the potential of upscaling for city scale assessments of SOC stocks.기후 변화 대응책으로 탄소중립 도시의 중요성이 증가하며, 도시 토양 탄소 평가 및 관리의 중요성 역시 강조되고 있다. 본 학위논문은 도시화 과정에서 수반되는 세 종류의 토양 환경 변화 요인: 1) 지하 개발, 2) 녹지 파편화, 3) 도시 팽창이 토양 탄소 분포에 어떤 영향을 미치는지 정량적으로 평가함과 동시에 효율적 도시 토양 관리를 위한 분광 기반 토양 탄소 예측 시스템의 잠재력을 평가하였다. 도시화에 따른 토지 피복 변화는 토양 탄소 저장 분포의 수평 및 수직적 교란을 동반한다. Chapter 2 에서는 도시 지하 개발이 야기하는 토양 탄소 저장 분포의 수직 교란을 불투수층 및 도시 녹지대에서 5 m 깊이까지 비교 평가하였다. Chapter 3 에서는 도시 개발로 파편화된 녹지 축을 선정하여, 토양 탄소 저장량의 가장자리 효과를 도시 녹지 및 도시 산림 부지에서 비교 분석하였다. Chapter 4 에서는 팽창하는 도시 속 효율적 토양 탄소 저장 평가 및 관리를 위해, 초분광 반사정보를 활용한 토양 탄소 예측 모델을 개발 및 평가하였다. 도시 토양 탄소 저장량 평가는 도시 녹지 표토의 탄소 저장능에 집중되어 왔으며, 도시를 대표하는 토지 피복 중 하나인 불투수층 아래 토양 탄소 평가는 기존 도시 연구의 한계점으로 인식되어왔다. 본 학위논문의 Chapter 2에서는 서울 강남의 아파트 단지들을 대상으로, 조경지 및 불투수층 아래의 토양 탄소 저장량을 5 m 깊이까지 평가하였다. 도시 토양 탄소 저장량을 5 m 깊이로 평가한 결과, 불투수층(16.9 ± 1.9 kgC m−2)과 조경지(22.3 ± 2.2 kgC m−2)에서 큰 차이를 확인할 수 없었다. 1 m 깊이 내 토양 탄소가 5 m 총 깊이에서 차지하는 비중 역시 조경지에서 34%, 불투수층 부지에서 16%인 것으로 평가되었다. 도시 심토층에 축적된 상당량의 토양 탄소 기원은 안정성 탄소-질소 동위원소(δ13C, δ15N) 분석 결과, 과거 대상지의 주된 인간활동인 농경 활동의 영향으로 추정되었다. 즉, 아파트 개발 부지 내 과거 농경지 토양이 성토와 같은 인위적 교란으로 2-3 m 깊이에 장기간 저장되어 문화적층으로 오늘날 존재한 것이다. 이러한 결과는 기존 도시 토양 탄소 저장량이 과소평가된 가능성과 더불어 도시 개발 역사와 수직적 토양 교란이 도시 토양 탄소 저장능에 중요한 요소임을 시사한다. 한정된 토지 활용을 극대화하기 위한 지하 개발이 가속화되는 현대 도시에서 반출된 심토 내 높은 유기 탄소는 기후 변화 속 탄소 중립 정책을 위한 탄소 자원 및 조경 소재로 재사용될 수 있을 것이다. 도시화에 따른 녹지 파편화는 녹지 가장자리 면적을 급격히 증가시킨다. 녹지 가장자리와 중심부 사이 환경 조건의 차이는 생물적, 비생물적 가장자리 효과를 동반한다. 그러나, 토양 탄소 저장 분포의 가장자리 효과는 그 원인과 규모 측면에서 사례 연구가 부족하다. Chapter 3에서는 파편화된 도시 녹지 축을 대상지로, 토양 탄소 저장량의 가장자리 효과를 도시 숲과 산림지역에서 비교 분석하였다. 그 결과, 산림 가장자리로부터 20 m 거리내 토양 탄소 저장량(1.86 kgC m-2)은 산림 중심부(10.47 kgC m-2)와 비교하여 80% 낮은 것으로 평가되었다. 산림 가장자리의 낮은 토양 탄소 저장량은 토양 탄소 기원인 식생 미세 뿌리 함량(R2 > 0.77), 연간 낙엽량(R2 > 0.94), 엽면적 지수(R2 > 0.92)와 같은 생물적 요소 감소로 설명되었다. 반면 도시 숲의 경우, 가장자리 인접 이질적 인간활동이 토양 탄소 저장량에 영향을 주는 것으로 분석되었다. 그 예로, 도시 숲의 동쪽(4.74 kgC m-2) 및 서쪽(2.9 kgC m-2) 가장자리 녹지는 가장자리 구조와 낙엽관리의 차이로, 비록 동일한 시기에 파편화되었더라도, 토양 탄소 저장량의 유의미한 차이를 보였다. 또한, 식생 생육 기간 내 표토의 온도(∆TS > 2.8℃)와 습도(∆VWC > 0.05 m3 m-3) 역시 도시 녹지의 동쪽-서쪽 가장자리에서 유의미한 차이를 보였다. 이는 도시 가장자리 녹지는 생물적 요소 뿐 아니라 마주한 인접 토지 피복의 유형과 인간 활동이 토양 탄소 저장량의 이질적 가장자리 효과를 유도할 수 있음을 의미한다. 더불어, 낙엽 존치와 같은 토양 탄소원 관리를 통해, 낮게 평가된 가장자리 녹지내 토양 탄소 저장량이 향후 개선의 여지가 있음을 시사한다. 도시 토양의 유기 탄소는 다양한 인간활동과 이질적 도시 모질에서 기원한다. 도시 토양 관리 측면에서 유기 탄소 저장 및 기원 평가는 기후 변화 속 그 중요성이 강조되는 반면, 기존 화학적 분석법은 비용과 시간 측면에서 가속되는 도시 팽창에 대처하기 어렵다는 한계점을 갖는다. Chapter 4 에서는 분광계로 취득한 도시 토양 초분광 반사 정보(350-2,500 nm)를 활용하여, 도시 공원내 여섯 종류 토지 피복(혼효림, 침엽수림, 활엽수림, 잔디, 습지, 나지) 조건의 토양 유기 탄소 함량을 예측하는 분광기반 토양 탄소 예측 모델을 개발하였다. 또한, 이질적 도시 피복 내 토양 탄소 기원 추적을 위해, 안정성 탄소 동위원소(δ13C) 역시 여섯 종류의 토지 피복 조건에서 평가하였다. 총 136개의 표토 샘플을 바탕으로 LOOCV 교차검증(leave-one-out cross-validation)을 실시하였으며, PLS(partial least squares) 회귀분석법을 통해 기존 화학적 분석법과 분광기반 평가법을 비교한 결과, 유기 탄소(R² = 0.83; RMSE = 1.6%) 추정에서 유의미한 예측 정확도를 확인하였다. 분광 기반 토양 유기 탄소 예측의 중요 파장대(1 > VIP; variable importance in projection)는 가시광선(400~700 nm) 및 근적외선(2200~2300 nm) 영역 일부가 주요함이 평가되었다. 이와 같은 결과는 분광 반사정보를 통한 도시 토양 탄소 예측이 높은 잠재력을 갖고 있음을 시사한다. 도시 공원내 여섯 토지 피복 중, 습지 토양 탄소 추정치가 화학적 분석법 대비 저평가 되었으며, 이는 습지 토양의 넓은 탄소 함량 범위 및 수생태계 기원 이질적 탄소원의 영향으로 추정된다. 이러한 한계점은 습지와 같은 특정 토지 피복의 개별 분광 라이브러리 구축 및 추정 모델 개발로 보완될 수 있을 것이다. 본 학위 논문에서 도출된 도시 토양 탄소 저장 특성의 공통 함의는 1) 과거 및 오늘날의 인간활동이 도시 토양 탄소 저장량 변화를 주도할 수 있으며, 2) 도시 생태계 특유의 수평 및 수직적 토양 탄소 분포 형태가 존재한다는 것이다. 이러한 도시 특유의 토양 탄소 분포는 3) 분광 기반 예측 시스템을 통해 도시 규모로 평가될 수 있으며, 이는 탄소중립 도시 정책 수립의 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.Chapter 1. Introduction 2 1. Background 2 1.1. Urbanization and the cultural layers of SOC stocks 2 1.2. Edge effects on SOC stocks in fragmented urban landscpae 3 1.3. Landscape-scale assessments of SOC via hyperspectral data 3 2. Purpose 4 Chapter 2. High soil organic carbon stocks under impervious surfaces contributed by urban deep cultural layers 8 1. Introduction 8 2. Methods and materials 9 2.1 Site description 9 2.2 Data collection 11 2.3. Data processing 11 2.4. Statistical analyses 12 3. Results 13 3.1. Vertical dsitributions of soil bulk density, SOC concentration and fine roots 13 3.2. Vertical distributions of SOC stocks 15 3.3. Depth profiles of soil carbon and nitrogen isotopes 16 4. Discussion 17 4.1 What controls vertical heterogeneity of urban SOC stocks? 17 4.2 How does the impervious surfaces affect the urban SOC stocks? 20 4.3 How can deep SOC data be used for sustainable urban development? 22 5. Conclusions 23 Chapter 3. The magnitude and causes of edge effects on soil organic carbon stocks along an urban-rural gradient 24 1. Introduction 24 2. Methods and Materials 27 2.1. Site description 27 2.2. Data collection 29 2.3. Data processing 31 2.4. Statistical analyses 32 3. Results 33 3.1. Soil organic carbon (SOC) stocks along an urban-rural gradient… 33 3.2. The spatiotemporal variation of abiotic factors across urban and rural forests 34 3.3. Relationships between spatial variation of biotic factors and soil organic carbon stocks 36 4. Discussion 39 4.1. Magnitude and causes of edge effects on SOC stocks across urban and rural forests 39 4.2. Effects of anthropogenic activities on urban SOC stocks 40 5. Conclusion 42 Chapter 4. Spatial variations of soil organic carbon under diverse land cover types: pplication of laboratory-based hyperspectral reflectance spectroscopy 43 1. Introduction 43 2. Materials and Methods 44 2.1. Site description and Data collection 44 2.2. Data processing 45 2.3. Statistical analyses 46 3. Results and discussion 47 3.1. Spatial variations of SOC concentration and δ13C among different land cover types 47 3.2. Assessments of urban SOC concentration using reflectance spectroscopy 49 4. Conclusions 50 References 52 Chapter 5. Conclusion 64 Abstract in Korean 66박

CEA 데이터베이스를 활용한 평형 유동 CFD 코드 개발 및 SiC 코팅 노즐의 삭마량 예측

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 공과대학 기계항공공학부, 2017. 8. 김규홍.This study was conducted with the aim such as development of ablation model of SiC due to combustion gas inside nozzle, prediction on ablation of SiC coating nozzle, development of ablation analysis code. For this purpose, equilibrium flow analysis code using CEA database and a structural temperature distribution analysis code had been developed and the reliability of the code had been secured by carrying out the validation process. These codes were coupled by transferring the wall heat flux and wall temperature as boundary conditions to each other, and the flow/structure integrated analysis code was developed. In order to develop the ablation model, the active and passive oxidation characteristics of SiC materials was investigated. The shear erosion model was developed to simulate mechanical ablation and the melting model was developed to simulate thermochemical ablation. The amount of ablation over time was predicted and compared with the measured amount of erosion depth of nozzle test delivered from the Agency for Defense Development.1. INTRODUCTION 1 2. EQUILIBRIUM FLOW CODE DEVELOPMENT 3 2.1. Flow type of a chemically reacting gas 3 2.2. Governing equations for equilibrium flow 4 2.3. Non-dimensionalization of governing equations 6 2.4. Numerical method 8 2.4.1. AUSMPW+ 8 2.4.2. Time integration method : LU-SGS 10 2.4.3. Time integration method : Dual time stepping 12 2.5. Equilibrium flow analysis using CEA database 13 2.5.1. CEA (Chemical Equilibrium with Applications) 14 2.5.2. Free energy minimization method 16 2.5.3. Thermodynamic properties and transfer coefficient of CEA 18 2.5.3.1. Thermodynamic properties of CEA 18 2.5.3.2. Transport coefficients of CEA 18 2.5.4. Equivalent gamma using CEA database 21 2.5.5. Utilization of CEA database 23 2.5.6. CEA output verification 27 2.5.6.1. Monotonic function 27 2.5.6.2. Comparison of CEA GUI program output values and literature values 28 2.5.6.3. Comparison of CEA GUI program output values and output values of bilinear interpolation function using table 29 2.5.7. Precise verification of output values of bilinear interpolation function using table and table significant digits improvement 30 2.5.8. Generalization of Equilibrium Flow Codes 35 3. FLOW/STRUCTURE INTEGRATED ANALYSIS CODE DEVELOPMENT 36 3.1. Flow/structure integrated analysis code outline 36 3.2. Algorithm of flow and structure analysis code coupling 37 3.3. Structural analysis governing equation 38 3.4. Boundary condition of Structure analysis code 42 3.4.1. External boundary surface in contact with air 42 3.4.2. Inner boundary surface 42 4. VALIDATION OF FLOW/STRUCTURE INTEGRATED ANALYSIS CODE 43 4.1. Validation of flow analysis code 43 4.1.1. NASA CDV Nozzle study 44 4.1.2. Validation of hypersonic flow on flat plate 48 4.2. Validation of structure analysis code 51 5. ABLATION MODEL 55 5.1. SiC oxidation 55 5.1.1. Passive oxidation 55 5.1.2. Active oxidation 56 5.1.3. Active to Passive Transition 57 5.2. Mechanical ablation model 61 5.3. Thermochemical ablation model 61 5.3.1. Equilibrium gas kinetics ablation model 61 5.3.2. Melting erosion model 67 6. ANALYSIS OF ADDs NOZZLE ABLATION TEST RESULTS 69 7. PREDICTION OF ABLATION USING INTEGRATED ANALYSIS CODE 71 7.1. Grid generation for flow and structure analysis 71 7.1.1. Flow analysis grid 71 7.1.2. Structure analysis grid and input material properties by position 72 7.2. Structure material properties correction 75 7.3. Nozzle wall heat flux correction 77 7.4. Physical time step setup 83 7.5. Results of flow/structure integrated analysis code and discussion 86 7.5.1. Results of equilibrium flow field analysis 86 7.5.2. Results of structure temperature distribution analysis 89 7.5.3. Wall heat flux, shear stress, and wall temperature distribution near the nozzle throat 90 7.5.4. Prediction of the amount of SiC coating ablation 92 7.5.4.1. Shear erosion prediction 92 7.5.4.2. Melting erosion prediction 93 7.5.4.3. Total erosion and comparison with measured values 98 8. CONCLUSION 102 9. REFERENCES 104 국문 초록 108Maste

토지 이용 및 피복 변화에 따른 도시 공원 내 토양 탄소 저장량의 시공간 변이 분석: 서울 숲 공원을 대상으로

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 농업생명과학대학 생태조경·지역시스템공학부(생태조경학), 2019. 2. 류영렬.Urban parks offer valuable ecosystem services to citizens and they have long been recognized for their recreational servicehowever, less attention has been paid to their carbon sequestration value. Here, we report on soil organic carbon (SOC) stocks in an urban park, Seoul Forest Park, which was built in 2004. We had two objectives: (1) to estimate SOC stocks (to a depth of 1 m) in different land-cover types (wetland, forest, lawn, and bare soil) and (2) quantify the change in the SOC concentration in topsoil in different land-use types over a 10 year period (2003–2013). We found a tenfold difference in SOC stocks across the different land-cover types within the park. Wetland soils had the highest stocks of SOC (13.99 ± 1.05 kg m−2), followed by forest, lawn, and bare soils. We found that a cultural layer that preserved previous land use history located deep in the soil profile substantially increased SOC stocks in the wetland. SOC concentrations in the topsoil were approximately three times higher in 2013 than in 2003 (256 ± 130%). The normalized difference vegetation index (NDVI) derived from MODIS and Landsat satellite images revealed that land-use history, expansion of plant areas and growth of plants could explain the increase in SOC concentrations in topsoil over the 10 year period. These findings imply that urban park soils could act as a carbon sink, and understanding the land-use history and the choice of land-cover types in park planning can substantially influence the carbon budget of urban parks.본 연구는 시민들을 위한 도시 공원의 생태적 가치와 기능의 중요성이 강조되는 현대 사회에서, 서울시의 대표적 대형 공원인 서울 숲 공원을 대상으로 토양 탄소 저장량의 시공간적 변화를 탐구하였다. 우선, 서울 숲 공원이 조성된 2003년과 10년 후인 2013년의 토양 내 유기 탄소 저장량의 변화를 정량화하였다. 그 결과 10년 사이 3배 이상의 토양 탄소 증가가 표토에서 확인하였으며, 이러한 토양 탄소 증가의 원인을 파악하고자 과거 토지 이용 목적과 증가한 식생을 MODIS와 Landsat 위성탐사 데이터를 활용하여 분석하였다. 더불어, 오늘날의 서울 숲 공원을 6 종류의 대표 식생 타입(침염수림, 활엽수림, 혼효림, 잔디, 습지, 나지)으로 분류하여, 총 1 m 깊이 내 4개의 토양층(0-0.1, 0.1-0.3, 0.3-0.7, 0.7-1.0 m)을 대상으로 탄소 저장량의 수직적 분포의 이질성을 분석하였다. 가장 높은 유기 탄소 저장량은 습지에서 나타났으며(13.99±1.05 kg m−2), 숲 지역, 잔디, 나지 순으로 정량적 차이를 확인하였다. 이러한 차이는 식생 타입에 따른 뿌리의 영향으로 주로 표토에서 발생되었지만, 그 중 습지의 높은 탄소 저장량은 과거 공원이 조성될 때 동반된 인위적 교란에 따른 심토의 문화적층이 기여한 것으로도 파악되었다. 본 연구는 저탄소 사회와 탄소거래제도에 대비하여 도시 공원이 탄소를 얼마나 어디에 저장할 수 있는지를 정량적으로 평가한 것에 의미가 있으며, 향후 추가 분석을 통해 도시 녹지 내 탄소의 시공간 분포를 평가할 기초 자료로 사용될 것이라 기대된다.Contents Abstract i Contents ii List of tables iv List of figures iv 1. Introduction 1 2. Methods 4 2.1. Site description 4 2.2. Data collection 7 2.3. Data processing 8 2.4. Remote sensing data 9 2.5. Statistical analyses 10 3. Result 11 3.1. Soil organic carbon concentration 11 3.2. Soil bulk density 11 3.3. Soil organic carbon stocks in different land-cover types 12 3.4. Fine root mass density 14 3.5. Changes in the soil organic carbon concentrations in topsoil between 2003 and 2013 14 3.6. Temporal changes in vegetation activity and land-use types 16 4. Discussion 18 4.1. What controls spatial heterogeneity of SOC stocks among different land-cover types? 18 4.2. How does land-use history influence the temporal variations of the SOC concentrations? 22 5. Conclusion 30 References 31 Abstract (Korean) 37 Acknowledgements 38Maste