Plant & Forest

Korean Journal of Agricultural Science. 1 December 2024. 413-427
https://doi.org/10.7744/kjoas.510401

ABSTRACT


MAIN

  • Introduction

  • Materials and Methods

  •   연구대상지

  •   임분조사 및 임분구조 분석

  •   토양의 이화학적 특성 분석

  •   탄소저장고별 탄소저장량 추정

  •   통계처리

  • Results and Discussion

  •   임분현황

  •   토양의 이화학적 특성

  •   임목의 탄소 저장량

  •   토양의 탄소 저장량

  •   낙엽층 탄소 저장량

  •   신갈나무 임분의 총 탄소저장량

  •   임분 특성과 탄소저장량의 관계

  • Conclusion

Introduction

국제사회는 2015년 파리협정(Paris Agreement)과 2019년 UN 기후 정상회의 이후 온실가스를 저감하고 기후위기에 대응하기 위해 많은 노력을 기울이고 있으며, 우리나라도 지난 2020년, 2050년 탄소중립을 선언하였다.

산림생태계는 탄소중립 달성을 위한 중요한 탄소 저장고 중 하나로 주목받고 있으며, 임목, 산림 토양층, 낙엽층 등 다양한 형태로 저장되고 있으며, 각 저장고는 유기적으로 연결되어 있어 산림 내 탄소 저장량 변화에 영향을 주는 것으로 알려져 있다(Pregitzer and Euskirchen, 2004).

산림생태계에 대한 정확한 탄소저장량 추정은 탄소 저장 능력 향상을 위한 국가 정책 수립에 중요한 의미를 가지고 있다(Kasper et al., 2021; Shin et al., 2023).

일반적으로 임목의 탄소저장량 추정은 임목 벌채, 수간석해 등으로 계산되지만(Yue et al., 2018) 많은 비용과 인력이 필요하다는 한계점이 있다. 따라서 많은 연구가 임목의 흉고직경, 수고 등, 바이오매스 추정식 등을 이용하여 임목의 지상부 및 지하부 탄소저장량을 추정하고 있지만(Sah et al., 2004; Wellbrock et al., 2017; Lee et al., 2018), 해발고, 사면 등 입지환경의 차이로 인해 발생되는 공간적 변이와 그 영향을 받는 생태적 특성을 고려하지 않고 상대생장식을 적용한다는 한계점이 있다. 따라서 신뢰성 있는 추정을 위해서는 해발고와 사면 등 공간적 변이로 인해 발생하는 생태적 특성을 고려하여 상대생장식을 적용하여야 한다(Homeier et al., 2010; Salinas-Melgoza et al., 2018; Talukdar et al., 2020).

토양 탄소저장량은 토양 내부의 유기물 함량, 화학적 특성, 주변 식생 종류 등에 따라 차이가 나타나며(Li et al., 2010), 공간적 변이가 크게 나타나기 때문에 임목 탄소저장량 추정에 비해 상대적으로 낮은 신뢰성이 있는 것으로 알려져 있다(Merabtene et al., 2021).

신갈나무는 우리나라 산림을 이루는 대표적인 수종(Kim, 2017)으로 우리나라를 중심으로 위도 33 - 45° 사이 동아시아 지역에 분포하는 수종으로(Kim and Manyko, 1994; Kwon, 2006; Kwon et al., 2022), 생태적 지위 폭이 넓어 산림에서 안정된 산림군락으로 인정되고 있으며(Lee et al., 1994), 중부지역 냉온대 낙엽활엽수림과 정상 부근의 대표적인 표징종으로 기후적 극상림으로 발달되는 것으로 알려져 있다(Kang et al., 2020). 신갈나무는 약 229,821 ha 분포하고 있는데(KFS, 2016), 우리나라 전체 산림면적 약 617만 ha의 약 3.7%를 차지하고 있으며, 분포 면적이 계속 증가하는 추세를 보이고 있다(Kang et al., 2020).

천연활엽수림에서 신갈나무의 임목 바이오매스 추정(Kwon, 2006; Kwon and Lee, 2006), 신갈나무 임분의 탄소저장량 추정 연구(Lee et al., 2009, 2022; Kim, 2019) 지상부에 초점을 둔 경우가 대부분이며, 입지 환경 등의 속성을 포함한 연구는 많이 부족한 상황이다.

이에 본 연구는 우리나라 대표 활엽수 중 하나인 신갈나무 천연림을 대상으로 입지환경에 따른 임목 바이오매스, 낙엽층 및 토양층 탄소저장량을 비교하고, 해발고, 임령, 평균 흉고직경 등 입지 및 임분 특성과 상관관계를 분석하여, 산림 탄소 저장 능력 평가를 위한 기초자료로 활용할 수 있도록 하였다. 이를 통해 궁극적으로 산림 탄소 관리 및 보전 전략 수립에 기여하기 위하여 수행되었다.

Materials and Methods

연구대상지

본 연구는 강원도 평창군에 위치한 가리왕산 천연활엽수림(N37°25 - 30′, E128°11 - 44′)내에서 자연적으로 자란 신갈나무(Quercus mongolica)가 우점하는 활엽수림에서 수행되었다. 입지환경을 고려하여 20 m × 20 m의 정방형 조사구(400 m2) 24개소를 구획하였으며, 입지환경(지형, 경사, 해발고, 사면 등)과 임황(수종, 흉고직경, 수고, 임령 등), 토양 특성(이·화학적 특성 등) 등을 조사하였다. Lee 등(2022)에 따르면 북위 37° 지역에서 해발 1,000 m 이상에서는 신갈나무의 우점 비율이 49.4%로 높게 나타난 반면, 1,000 m 이하에서는 낮게 나타나, 해발 1,000 m가 신갈나무의 생태적 특성을 구분하는 중요한 기준이 될 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 해발고 1,000 m를 기준으로 구분하여 연구를 수행하였다.

임분조사 및 임분구조 분석

각 조사구 내 임분현황 파악을 위해 흉고직경 6 cm 이상인 모든 목본식물에 대하여 수종, 수고, 흉고직경 등을 측정하였고, 조사구별로 평균 흉고직경에 해당하는 신갈나무 2 - 3본을 선발하여 총 50본의 목편을 채취하여 최근 5년 직경생장량을 파악하였다.

또한 입지 환경에 따른 생태적 특성 파악을 위해 종 구성 상태를 나타내는 Shannon-Wiener 다양성 지수(diversity index, H′), 개체수 분포 정도를 의미하는 균재도(evenness index, J′), 특정 군집에 생육하는 종 수를 의미하는 종풍부도(richness index, R)를 활용하여 입지 환경별로 정리하였다.

토양의 이화학적 특성 분석

토양 이화학적 특성 분석을 위한 시료 채취는 임의 지점을 선정하여 A층(토심 15 - 30 cm)과 B층(토심 40 - 60 cm)의 토양 시료를 채취하였다. 채취한 시료는 그늘에서 6일 간 풍건 후 2 mm 체를 활용하여 분석용 시료를 조제하였다.

토성은 미농무성(U.S. Department of Agriculture)법, pH는 시료와 증류수를 1 : 5 비율로 혼합하여 50분 간 진탕 후 pH meter (Benchtop pH METER, Hanna Instrument Inc., USA)를 이용하여 측정하였으며, 토양 수분 함량은 40 g의 토양을 건조기에서 105℃에서 24시간 건조 후 생중량과 건중량 무게 차이를 이용하여 계산하였다. 또한 유기물함량은 풍건한 시료를 410℃ 오븐에서 6시간 가열 후 건조 무게에 대한 소실량을 백분율로 나타내는 loss-on-ignition법을 활용하여 측정하였으며, 유효인산과 양이온치환용량은 각각 Lancaster와 Brown 방법을 활용해서 측정하였다. 인, 칼륨, 칼슘, 마그네슘과 같은 원소는 dry ashing (Kalra and Maynard, 1991)에 따라 시료를 준비한 후 ICP법을 활용하여 측정하였다.

탄소저장고별 탄소저장량 추정

임목의 바이오매스 추정은 매목조사를 통해 수집한 수목별 수고, 흉고직경을 대입하여 바이오매스 상대생장식을 사용하였다. 우리나라 표준으로 개발된 바이오매스 상대생장식(NIFoS, 2014)은 22 수종이 있으며, 해당 수종은 IPCC (2006)에 따라 국가 표준 상대생장식을 우선하여 적용하였다. 우리나라 표준 바이오매스 상대생장식을 사용할 수 없는 수종은 해외에서 개발된 바이오매스 상대생장식을 활용하였으며, 종 수준 적용이 어려운 경우 동일한 속 수준에서 적용하였다(Lee et al., 2022). 이후 임목 바이오매스의 탄소저장량 추정을 위해 온대림 임목의 탄소 농도 기본 값인 0.47을 적용하여 환산하였다(IPCC, 2006).

토양의 탄소저장량은 조사구 중심 부분에 원통형 토양채취기를 이용하여 0 - 10 cm, 10 - 20 cm, 20 - 30 cm, 30 - 50 cm 깊이에서 토양 시료를 채취하여 토양 탄소농도를 측정하였다. 이후 토양 탄소농도, 용적밀도, 깊이 등을 변수로 하는 토양 탄소저장량 계산식(식(1))을 활용하여 탄소저장량을 계산하였다(Poeplau et al., 2017; Cambou et al., 2018).

(1)
Soilcarbonstocks(tC·ha-1)=Carboncontent(%)×Bulkdensity(g·cm-2)×Soildepth(cm)×(1-Coarsefragment(%))

낙엽층의 탄소저장량은 조사구 내 20 cm × 20 cm 정방형구를 설치하여, 내부 식생을 모두 제거한 후 낙엽과 낙지 등을 채취한 후 건조하여 분쇄한 후 탄소농도를 측정한 후 낙엽층 탄소저장량 계산식(식(2))을 활용하여 탄소저장량을 계산하였다(IPCC, 2006).

(2)
Litterlayercarbonstocks(tC·ha-1)=Dryweight(t·ha-1)×Carboncontent(C,%)/100

통계처리

입지 요인과 임분 현황, 토양 특성 등과 같은 현황의 임분 간 비교는 SPSS를 활용하여 유의성 검정을 실시하였고, 유의적 차이가 있는 경우 Tukey 방법으로 사후검정을 실시하였다. 토양의 이화학적 특성에 대한 층위별 차이를 파악하기 위하여 t-test를 실시하였다. 탄소저장량과 임분 현황, 토양 특성 등과의 상관관계 분석은 통계패키지 R 4.3.3의 corrplot 패키지를 활용하였으며, 이때 유의 수준은 p ≤ 0.05으로 설정하였다.

Results and Discussion

임분현황

신갈나무 임분에서 사면방향과 해발고에 따른 ha당 본수, 흉고단면적, 재적, 평균 흉고직경, 평균 수고 등을 파악하였다(Table 1).

Table 1.

Comparison of stand characteristics by study types.

Slope Altitude
(m)
Stand
age
N·ha-1 BA·ha-1
(m2)
V·ha-1
(m3)
DBH
(cm)
Height
(m)
Diameter
growth
(cm·yr-1)
Growth
rate
(%·yr-1)
Variables
H′ J′ R
South 1,000 m below 74.7 449 27.25 249.5 26.3 15.5 0.22 0.76 1.05 0.67 9.3
1,000 m above 67.2 586 33.25 275.3 26.9 16.9 0.34 1.22 0.37 0.31 7.0
North 1,000 m below 61.3 558 28.25 233.9 25.4 16.8 0.27 0.91 1.56 0.87 17.0
1,000 m above 67.5 516 34.10 279.7 27.3 15.8 0.34 0.92 1.27 0.86 11.0

N, number of trees; BA, basal area; V, volume; DBH, diameter at breast height; H′, diversity index; J′, evenness index; R, richness index.

평균 임령은 남사면 1,000 m 이하 임분이 74.7년으로 가장 높았고, 북사면 1,000 m 이하 임분이 61.3년으로 가장 낮았다. 임분 밀도는 남사면 1,000 m 임분이 586 본·ha-1로 가장 높았으며, 남사면 1,000 m 이하 임분이 449 본·ha-1로 가장 낮았다.

천연활엽수림의 경우 같은 공간에 임령이 다른 다양한 수종이 존재하기 때문에 임상의 양호 정도 파악을 위해서는 ha당 흉고단면적을 확인하는 것이 합리적이라고 알려져 있다(Shin et al., 2001). 연구대상지의 흉고단면적은 27.25 - 34.10 m2의 분포 범위를 보여 비슷한 임령의 천연활엽수림을 보유한 설악산 국립공원 백담사지구(24.54 m2)에 비해 높게 나타났으며, 우리나라 신갈나무 임분의 평균 흉고단면적(20.6 m2)에 비해 높게 나타나 잘 발달된 숲을 가지고 있는 것으로 나타났다. 평균 흉고직경과 수고는 각각 25.4 - 27.3 cm, 15.5 - 16.9 m로 제7차 국가산림자원조사 결과에서 보고한 흉고직경 12 - 18 cm와 평균 수고 12.4 m에 비해 높게 나타나 생장이 우수한 것으로 판단된다(Kwon et al., 2022).

일반적으로 종 다양성 지수는 습도가 적당한 곳에서 높으며, 남사면 보다 북사면에서 높게 나타나는 것으로 알려져 있다(Dale, 1998). 본 연구결과 또한 남사면(0.37 - 1.05) 보다 북사면(1.27 - 1.56)에서 높게 나타나 선행연구와 일치하는 경향을 보였다. 해발고가 높아질수록 환경 조건은 악화하게 되고, 이러한 조건을 견디는 수종 숫자가 감소하게 되면서 결국 종간 경쟁이 심하게 되어 종 다양성은 감소하는 경향을 보이는 것으로 알려져 있다(Whittaker, 1965). 본 연구결과 역시 해발고가 높을수록 종 다양성 지수는 감소하는 경향을 보여 선행연구(Park et al., 2003)와 일치하는 경향을 보였다.

Dale (1998)은 해발고가 높아질수록 그 지역에 적응한 단일 수종 또는 우점 수종이 출현하게 되면서 균재도가 낮아진다고 하였는데, 본 연구결과 역시 선행연구와 일치하는 결과를 보였다.

사면별 종풍부도는 종다양성 지수와 균재도와 유사한 결과를 보이고 있는데, 북사면(11.0 - 17.0)에서 남사면(7.0 - 9.3)에 비해 높게 나타났다. 종다양성 지수와 균재도와 마찬가지로 적당한 습도 조건을 유지하는 북사면의 종풍부도가 높게 나타난 것에 비해 상대적으로 일사량과 일조 시간이 긴 남사면의 경우 상대적으로 건조한 습도로 인하여 종풍부도가 낮게 나타난 것으로 판단된다(Dale, 1998; Shin et al., 2005).

토양의 이화학적 특성

토양 특성은 생성 과정, 임목 생장, 분포 수종 등에 따라 시간적 공간적으로 변화하는 특성을 가지고 있으며(Starr et al., 1995), 분포 식생에 따라 큰 차이를 보이는 것으로 알려져 있다(Chen and Li, 2003). 토양의 입경 분포는 사면과 층위에 상관없이 미사질양토(silty loam)로 나타났는데, 이는 퇴적암이 모암을 이루는 가리왕산 토양 특성(Jeong et al., 2002)에 의한 것으로 판단되며, 토양 pH는 A층이 5.0 - 5.2, B층은 4.9 - 5.4로 해발고와 사면에 따른 차이를 보이지 않고 있으며, 우리나라 신갈나무 임분의 평균적인 토양 pH (pH 4.7) 보다 낮은 것으로 나타났다(Kwon et al., 2022; Table 2).

임목 성장에 영향을 주는 토양 내 유기물함량은 A층 10.0 - 26.4%, B층 8.1 - 22.1%로 나타났으며, 두 층 모두 우리나라의 일반적인 산림토양 내 유기물함량 4.49% (Jeong et al., 2002) 보다 모든 입지환경에서 높게 나타났으며, 특히 남사면 1,000 m 이상 임분의 A층의 유기물함량이 26.4%로 매우 높게 나타났다. 신갈나무는 숲의 천이과정에서 안정화가 되면서 나타나는 수종 중 하나로(Lee, 2012) 낙엽층의 발달이 양호하기 때문에 신갈나무가 우점하는 임분의 특성상 유기물 함량이 높게 나타나는 것으로 판단된다.

전질소 함량은 1,000 m 이상에서 0.28 - 0.30%로 0.18 - 0.28%의 범위를 보이는 1,000 m 이하에 비해 높게 나타나 해발고가 높을수록 증가하는 경향을 보였다. 유효인산 함량은 우리나라 산림토양 평균 유효인산 함량(26.6 mg·kg-1)에 비해 낮게 나타났다. 토양 pH가 낮으면 인산이 토양 알루미늄과 철 등과 결합하여 불용성 화합물을 형성하기 때문에, 유기물이 충분히 분해되어도 유효인산의 농도가 낮게 측정된 것으로 판단된다(Penn and Camberato, 2019).

Table 2.

Soil physicochemical characteristics of study types.

Site Hori-
zon
Texture Soil
water
pH Organic TN AP CEC Ex
Silt Sand Clay K Na Ca Mg
S <
1,000
A 19.25 ± 4.36 61.05 ± 2.99 19.70 ± 1.85 12.07 ± 3.21 5.07 ± 0.03 10.00 ± 0.85 0.18 ± 0.02 5.58 ± 0.48 13.75 ± 2.77 0.07 ± 0.02 0.16 ± 0.02 1.65 ± 0.16 0.74 ± 0.08
B 22.57 ± 1.81 59.33 ± 1.81 18.09 ± 1.44 19.27 ± 2.68 5.19 ± 0.04 8.10 ± 1.42 0.14 ± 0.03 4.41 ± 1.45 11.62 ± 1.73 0.08 ± 0.01 0.14 ± 0.00 1.62 ± 0.15 0.90 ± 0.21
S >
1,000
A 11.61 ± 3.93 75.00 ± 3.09 13.38 ± 0.93 38.03 ± 2.54 5.10 ± 0.16 26.47 ± 5.82 0.30 ± 0.06 9.38 ± 1.02 19.43 ± 1.16 0.07 ± 0.03 0.14 ± 0.01 1.46 ± 0.20 0.58 ± 0.03
B 13.36 ± 3.44 73.15 ± 3.66 13.49 ± 0.69 27.87 ± 2.55 5.26 ± 0.12 22.17 ± 1.77 0.24 ± 0.05 7.77 ± 0.84 17.38 ± 2.30 0.09 ± 0.02 0.17 ± 0.02 1.68 ± 0.29 0.56 ± 0.07
N <
1,000
A 16.45 ± 4.81 69.85 ± 6.58 13.70 ± 1.77 28.37 ± 5.78 5.28 ± 0.05 22.63 ± 2.05 0.28 ± 0.04 8.10 ± 1.24 17.31 ± 1.22 0.06 ± 0.02 0.14 ± 0.03 2.79 ± 1.74 0.83 ± 0.52
B 18.13 ± 4.31 66.56 ± 6.50 15.31 ± 2.18 19.30 ± 2.37 5.43 ± 0.06 22.03 ± 2.44 0.23 ± 0.05 10.53 ± 2.47 16.68 ± 1.68 0.07 ± 0.01 0.15 ± 0.02 2.65 ± 1.19 0.81 ± 0.37
N >
1,000
A 11.29 ± 1.24 72.01 ± 0.57 16.70 ± 1.70 31.03 ± 1.16 4.95 ± 0.05 14.73 ± 1.00 0.27 ± 0.03 8.76 ± 1.29 17.67 ± 1.02 0.07 ± 0.00 0.13 ± 0.01 2.21 ± 0.49 0.59 ± 0.03
B 11.80 ± 0.48 69.78 ± 0.27 18.42 ± 0.75 25.07 ± 2.67 5.29 ± 0.02 13.47 ± 1.18 0.21 ± 0.02 9.80 ± 1.00 16.79 ± 1.62 0.07 ± 0.00 0.16 ± 0.02 1.99 ± 0.36 0.58 ± 0.01

TN, total nitrogen; AP, available phosphate; CEC, cation exchange capacity; Ex, exchangeable cations; S, south; N, north.

임목의 탄소 저장량

임목 바이오매스 추정식에 의한 임목 탄소저장량은 151.99 (98.71 - 186.64 tC·ha-1)로 나타났다. 부위별 탄소저장량을 살펴보면 줄기가 71.44 tC·ha-1로 가장 많은 양의 탄소를 저장하는 것으로 나타났으며, 뿌리 48.46 tC·ha-1, 가지 28.77 tC·ha-1, 잎 3.31 tC·ha-1 순으로 나타났으며, 지상부와 지하부 탄소 저장 비율은 68.11%와 31.89%를 보였다(Table 3). Kwon과 Lee(2006)는 가리왕산 신갈나무의 바이오매스 함량은 줄기 54%, 가지 21%, 잎 2%, 뿌리 16%로 지상부와 지하부의 비율이 84%, 16%로 보고하였는데, 선행연구에 비해 뿌리의 탄소저장 비율이 높게 나타났다. Calleja-Cabrera 등(2020)Yun 등(2024)은 따뜻해진 기온은 식물의 광합성을 촉진하고, 그 과정에서 지상부와 지하부 간 탄소 분포가 달라질 수 있다고 하였다. 실제로 선행연구가 수행된 2003년과 2004년의 연평균기온은 8.1℃로, 본 연구가 수행된 2023년과 2024년에 비해 1.3℃ 낮은 온도를 보여 기온 변화가 2006년과 2024년 사이에 변화한 주요 원인으로 작용했을 가능성이 큰 것으로 판단된다.

Table 3.

Cabon stocks of different tree components in Quercus mongolica stands.

Site Stem Barky Leafz Aboveground Rooty Total
South <
1,000
44.220 ± 16.38c 21.480 ± 7.91a 2.789 ± 1.33a 68.494 ± 24.46b 30.217 ± 11.37c 98.71 ± 35.38c
South >
1,000
86.537 ± 32.72a 38.327 ± 19.00a 4.218 ± 1.74a 129.082 ± 47.17a 57.561 ± 21.15a 186.64 ± 67.23a
North <
1,000m
90.998 ± 23.71a 28.183 ± 11.16a 3.254 ± 1.19a 122.435 ± 35.93a 60.481 ± 15.51a 182.92 ± 51.45a
North >
1,000
64.019 ± 15.74b 27.078 ± 12.07b 2.980 ± 1.44b 94.082 ± 17.02a 45.592 ± 12.90b 139.67 ± 27.70b
Average 71.44 ± 22.14 28.77 ± 12.54 3.31 ± 1.42 103.52 ± 31.16 48.46 ± 15.23 151.99 ± 45.44

y Indicate significant at the 0.01 level.

z Indicate significant at 0.05 level.

a - c: Significantly different from each other at p ≤ 0.05, based on Tukey’s HSD post-hoc test.

신갈나무의 탄소저장량과 이외 수종의 임목 탄소저장량을 합한 총 임목 탄소저장량은, 남사면 1,000 m 이상 임분에서 222.17 tC·ha-1로 가장 높게 나타났으며, 남사면 1,000 m 이하 임분에서 123.11 tC·ha-1로 가장 낮게 나타났다(Fig. 1).

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kjoas/2024-051-04/N0030510401/images/kjoas_2024_514_413_F1.jpg
Fig. 1.

Total tree carbon stocks of Quercus mongolica stands by environment characteristics. S, south; N, north. Means that do not share a letter (a, b, c) are significantly different from each other at p ≤ 0.05, based on Tukey’s HSD post-hoc test.

다른 입지환경에 비해 남사면 1,000 m 이하 임분의 탄소저장량이 낮게 나타난 것은 499 본·ha-1로 다른 임분에 비해 낮은 임목밀도를 보였으며, 다른 임분에 비해 민가나 도로 등 인위적 교란이 발생할 수 있는 지역과의 거리가 다른 임분에 비해 가까웠기 때문으로 판단된다.

본 연구와 유사한 횡성지역의 탄소저장량(참나무 순림 = 147.6 tC·ha-1; 혼효림 115.8 tC·ha-1) 보다 높은 것으로 나타났으며(Lee et al., 2009), 강원도 지역 6영급 활엽수림 평균 탄소저장량(102.5 tC·ha-1)과 비교하여도 연구대상지의 탄소저장량이 더 높은 것으로 나타났다(Kim et al., 2018). 또한 본 연구와 유사한 임령을 가진 7영급 신갈나무림에서 측정된 탄소저장량(167.3 tC·ha-1)에 비해 더 많은 양의 탄소를 저장하고 있는 것으로 타나났다(Kim, 2019). 임목 탄소저장량은 임지생산력 등의 차이로 인해 발생되는 것으로(Oren et al., 2001), 본 연구대상지는 선행연구와 비슷한 입지환경과 임령을 보이고 있으나, 수고와 직경 등 임목생장량이 우수하기 때문에 상대적으로 많은 양의 탄소를 저장하고 있는 것으로 판단된다(Peichl and Arain, 2006).

토양의 탄소 저장량

신갈나무 임분의 탄소농도는 모든 입지 환경에서 표토(0 - 10 cm)에서 가장 높고, 깊이가 깊어질수록 감소하는 경향을 보였는데(Fig. 2), 이는 깊이가 깊을수록 유기물 함량이 감소하기 때문으로 판단된다.

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Fig. 2.

Soil carbon stocks by study types. S, south; N, north.

우리나라 신갈나무 임분의 토양 탄소 농도는 A층이 43.1 mgC·g-1, B층이 22.8 mgC·g-1으로 보고하고 있는데(Lee et al., 2022), 본 연구대상지의 토양 탄소농도가 선행연구에 비해 높게 나타났다. 이는 연구대상지의 평균 해발고가 높아 낮은 토양 온도로 인해 유기물 분해가 느리게 진행되어 탄소 농도가 높게 나타난 결과로 판단된다(Merabtene et al., 2021). 한편 A층의 토양 탄소 농도가 B층에 비해 높게 나타나는 것은 산림 토양에서 나타나는 일반적인 현상 중 하나로(Jeong et al., 2022), 지상부에서 유입되는 낙엽, 낙지, 줄기와 표토에 주로 분포하는 세근 등의 유입양이 많이 때문으로 해석된다.

층위별 탄소저장량을 모두 합한 총 토양 탄소저장량은 북사면 1,000 m 이하 임분에서 89.5 tC·ha-1로 가장 높게 나타났으며, 남사면 1,000 m 이상 임분 79.5 tC·ha-1, 북사면 1,000 m 이상 임분 77.9 tC·ha-1, 남사면 1,000 m 이하 임분 65.4 tC·ha-1 순으로 나타났다. 국가 산림자원조사에서 제시하는 신갈나무의 임분 토심 0 - 50 cm의 탄소저장량 64.02 tC·ha-1 (GIR, 2023), 국내 활엽수 임분 평균 토양 탄소저장량 55.68 tC·ha-1 (Chun et al., 2019)에 비해 높게 나타났으나, 7영급 신갈나무 임분의 토양 탄소저장량(114.29 tC·ha-1) 보다 낮게 나타났다(Kim, 2019). 이러한 차이는 토양 탄소저장량 추정에 중요한 변수 중 하나인 용적밀도, 석력 함량 등의 차이가 영향을 주는 것으로 판단되며(Table 4), 또한 수종 차이에 따른 유기물의 양적, 질적 특성이 토양 탄소저장량에 영향을 준 것으로 판단된다(Merabtene et al., 2021).

Table 4.

Bulk density, coarse fraction and carbon concentration and in study types.

Site Depth
(cm)
Bulk density (g·cm-1) Coarse fraction Carbon concentration (%)
0 - 10 10 - 20 20 - 30 30 - 50 0 - 10 10 - 20 20 - 30 30 - 50 0 - 10 10 - 20 20 - 30 30 - 50
South 1,000 m below 0.578 0.763 0.711 0.717 0.26 0.23 0.30 0.33 3.12 3.02 2.68 2.51
1,000 m above 1.052 0.911 1.011 0.887 0.15 0.21 0.31 0.19 6.50 5.81 5.17 3.29
North 1,000 m below 0.807 0.775 0.811 0.793 0.45 0.41 0.50 0.42 5.67 4.58 4.30 3.49
1,000 m above 0.724 0.711 0.732 0.877 0.22 0.14 0.20 0.23 5.45 4.83 2.22 2.01

그러나 많은 선행연구에서 토양 탄소저장량은 입지조건, 임령, 지역, 종 구성에 따라 크게 차이를 보여 토양 탄소저장량의 증가 혹은 감소하거나 또는 임령에 따라 차이를 보이지 않을 수도 있기 때문에 토양 탄소저장량의 일반적 추세를 파악하는 것은 여전히 어려운 것으로 판단된다(Pérez et al., 2004; Rothstein et al., 2004; O’Neill et al., 2005).

낙엽층 탄소 저장량

낙엽층의 탄소저장량은 북사면 1,000 m 이상 임분에서 10.537 tC·ha-1로 가장 높은 탄소저장량을 보였으며, 남사면 1,000 m 이하 임분 약 8.291 tC·ha-1, 북사면 1,000 m 이상 임분 약 6.79 tC·ha-1, 남사면 1,000 m 이상 임분 약 6.7 tC·ha-1 순으로 나타나 우리나라 신갈나무 임분 낙엽층의 단위 면적당 탄소저장량은 약 7.30 tC·ha-1 (GIR, 2023)에 비해 많은 양의 탄소를 저장하고 있는 것으로 나타났다(Fig. 3).

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Fig. 3.

Litter layer carbon stocks in Quercus mongolica stands. S, south; N, north.

낙엽층 탄소저장량과 분해속도 등에 관한 선행연구(Smith and Heath, 2002; Won et al., 2012)를 살펴보면 낙엽 분해 속도에는 질소와 인의 농도, C/N비, 강수량 등이 낙엽분해속도에 크게 영향을 미치며, 이에 따라 탄소저장량의 변화와도 밀접한 관계가 있다고 보고하였다.

본 연구에서도 북사면 1,000 m 이상 임분에서 질소와 인의 농도가 0.27 mg·kg-1, 8.76 mg·kg-1로 다른 사면에 비해 높게 나타나 낙엽 분해속도가 상대적으로 느린 것으로 판단된다. 또한 해발고가 높을수록 기온이 낮아짐에 따라 미생물의 성장과 효소 활성도를 감소시켜 유기물 분해와 같은 전체적인 미생물 활동이 억제되는 경향이 있다(Wang et al., 2024). 이로 인해 분해되지 않고 남아있는 유기물양이 다른 임분 유형에 비해 높기 때문에 탄소저장량이 높게 나타난 것으로 판단된다(Jang et al., 2014).

신갈나무 임분의 총 탄소저장량

가리왕산 천연활엽수림 신갈나무 임분의 임목 탄소저장량과 토양 탄소저장량, 낙엽층 탄소저장량을 모두 합한 총 탄소저장량은 251.52 tC·ha-1이며, 사면별로 살펴보면 남사면 1,000 m 이상 임분에서 297.14 tC·ha-1로 가장 높게 나타났고, 남사면 1,000 m 이하 임분에서 195.35 tC·ha-1로 나타나 입지유형에 따른 차이를 보였다(Fig. 4).

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Fig. 4.

Total carbon stocks of stand, soil and litter layer by study types. S, south; N, north. Means that do not share a letter (a, b, c) are significantly different from each other at p ≤ 0.05, based on Tukey’s HSD post-hoc test.

가리왕산 신갈나무 임분의 탄소저장량은 남사면 1,000 m 이하 임분을 제외하고 강원지역 낙엽활엽수림 탄소저장량(213 tC·ha-1)과 경제림 육성단지의 신갈나무 임분의 탄소저장량(262 tC·ha-1) 비해 많은 양의 탄소를 저장하고 있는 것으로 판단된다(Lee et al., 2022).

산림생태계 내 총 탄소저장량은 해발고 차이에 따라 발생되는 임목 생장과 유기물 분해에 직접적으로 영향을 주는 온도와 습도의 영향이 크게 발생한다고 알려져 있다(Merabtene et al., 2021). 유사한 결과로 Li 등(2010)은 해발고가 높아질수록 기온이 낮아져 토양 내 유기물 분해 속도를 감소시켜 토양에 더 많은 유기 탄소가 축적될 수 있다고 하였다. 또한 Zhang 등(2024)은 해발고가 높아질수록 고유한 식생 구조를 형성하여, 더 높은 바이오매스를 축적하며, 그 결과 탄소저장량이 증가한다고 하였다.

임분 특성과 탄소저장량의 관계

입지환경과 임목 탄소저장량과의 상관관계 분석 결과, 해발고가 높을수록 임목 탄소저장량은 증가한다고 보고하였는데(Culmess et al., 2010; Girma et al., 2014), 본 연구에서도 높은 상관관계(r = 0.76)를 보여 선행연구와 유사한 경향을 보였다. 한편 임분의 임목 밀도는 임목 탄소저장량과 높은 상관관계가 있다고 하였는데(Amara et al., 2019) 본 연구에서는 매우 낮은 상관관계(r = 0.27)를 보였다(Fig. 5).

Chettri 등(2023)은 종풍부도가 높을수록 생태계가 안정적이며, 이에 탄소저장량 증가 등 안정적인 탄소 서비스를 보여줄 수 있다고 하였다. 또한 천연림에서 높은 종다양성 지수와 균재도는 산림의 생태적 기능을 보완하면서 전체적인 바이오매스 증가를 통해 탄소저장량에 긍정적인 영향을 주는 경우도 있지만, 수종 간 경쟁 심화로 인하여 특정 수종의 생장이 억제될 경우 전체적인 생산성이 낮아질 수 있으며, 이는 탄소저장량 감소로 이어질 수 있다(Baul et al., 2021). 임목 탄소저장량에는 군집 구조, 종 구성, 기타 미기후 조건 등 다양한 요인이 영향을 주기 때문에 종다양성 지수와 균재도가 미치는 영향은 임분에 따라 차이가 있으며, 종 다양성과 탄소저장량 사이의 관계에 대한 기본 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았으며, 추가적인 연구가 필요하다고 하였다(Sahoo et al., 2021).

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Fig. 5.

Relationships between tree carbon stocks and stand characteristics.

토양 특성과 탄소저장량과 상관관계 분석 결과(Fig. 6), Augustin과 Cihacek (2016)는 미사 함량은 토양 탄소저장량과 높은 상관관계가 있다고 보고하였는데(r = 0.79), 본 연구에서도 유사한 결과를 보였다(r = 0.6). Matus (2021)는 토양의 미사나 점토 함량의 증가는 토양 입단 구조 발달과 관계되어 토양 탄소가 토양 내 흡착되고, 미생물에 의한 분해로부터 보호되어 토양이 안정화되기 때문에 토양 내 탄소저장량이 증가한다고 하였다.

Lee 등(2019)은 토양 탄소저장량은 유기물함량, 유효인, 전질소함량, 양이온치환용량 등이 높은 상관관계가 있다고 하였는데, 본 연구에서도 유기물함량(r = 0.31)을 제외하고 모두 0.6 이상의 높은 상관관계를 보여 선행연구와 유사한 경향을 보였다(전질소함량: r = 0.66, 유효인: r = 0.71, 양이온치환용량: r = 0.63).

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Fig. 6.

Relationships between soil carbon stocks and soil characteristics. OM, orgnaic matter; TN, total nitrogen; AP, available phosphate; CEC, cation exchange capacity.

Conclusion

가리왕산 천연활엽수림 내 우점 수종인 신갈나무 임분에서 입지 환경 차이에 따른 탄소저장고별 탄소저장량을 추정한 결과, 임목 바이오매스와 토양에 저장된 탄소저장량은 임지 환경에 따른 차이를 보였다. 해발고가 높아질수록 임목 탄소저장량은 증가하는 경향을 보였고, 종다양성 지수와 종풍부도가 높아질수록 임목 탄소저장량은 감소하는 경향을 보였다. 그러나 종다양성 지수와 탄소저장량과 관계에 대한 기본 메커니즘은 아직 밝혀지지 않은 만큼 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 토양 탄소저장량 증가에는 미사 함량, 유효인, 전질소함량, 양이온치환용량 등이 영향을 주는 것으로 나타났다. 특히, 유기물 축적 및 분해가 토양 탄소 축적에 가장 중요한 영향을 미치는 것으로 판단되며, 그 결과 본 연구에서는 북사면의 낮은 해발고에서 가장 높은 축적량이 나타났다. 그러나 토양 탄소저장량은 식재된 수종, 채취 시기와 지점 등의 요인으로 인하여 시공간적 변이가 발생할 수 있기 때문에 이를 고려한 보다 정확한 추정이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구는 천연활엽수림에서 탄소저장고별 탄소 저장량을 추정하였지만 고사목에 대한 탄소저장량 추정이 누락되어 있어, 천연활엽수림 내 정확한 탄소저장량 추정을 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Conflict of Interests

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

Acknowledgements

본 연구는 산림청(한국임업진흥원) 산림과학기술 연구개발사업(2022461C10-2424-0201)의 지원을 받아 수행되었습니다.

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