서 론
최근 지구온난화의 주 원인인 이산화탄소증가는 인간의 생활과 생물의 생태계에 큰 영향을 주고 있으며(Jang et al.,1998),실제 CO2농도의 증가로 인해 기상이변, 사막화의 진전, 극빙의 해빙, 해수면 상승등과 같은 생태계 파괴가 일 어나고 있다는 많은 연구가 있다(Post et al.,1982; Johnson et al.,1986; Tans et al.,1990).실제 우리나라에서도 지난 97년간(1912~2009) 주요 6개 도시의 평균기온이 약 1.7°C 가 상승하였고, 이는 전 지구 평균기온상승온도(0.74°C)의 2배 이상이다(Korea Meteorological Administration, 2009; IPCC, 2007). 이에 따라 대기 중 CO2농도의 증가에 많은 관심을 두고 전 세계적으로 온실가스를 감축하기 위하여 기후변화협약과 다양한 방법을 논의하고 있으며, 2012년 유엔기후변화협약 (UNFCCC)에서 2013~2020년까지 선진 국의 온실가스 의무 감축을 규정하기 위한 교토의정서 개정 안을 채택하여(Park, 2012) 대기 중 CO2농도 감소를 위해 노력하고 있다.
대기 중으로 방출된 이산화탄소는 해양생태계와 육상생 태계에서 흡수하는데, 육상생태계의 산림생태계에서 가장 많은 탄소를 저장한다(Winjum et al.,1992).이 산림생태계 는 육상생태계 내 지상부 탄소축적량의 약 90%와 지하부 탄소축적량의 40%를 차지하고 있으며, 이를 지상부와 지하 부 생물량, 고사목, 낙엽층과 토양 유기물의 형태로 저장하 고, 낙엽은 산림생태계에서 임상에 축적된 유기물의 대부분 을 차지하고 있다(Ovington and Heitkamp, 1960; Dixon et al., 1994; Hu and Wang, 2008).이에 산림생태계는 CO2 를 저감시키는 탄소 저장고로서 주목을 받고 있으며, 산림생 태계의 탄소저장 능력을 파악하고 증가시켜 지구 온난화를 방지하기 위해 전 세계적으로 연구가 진행 중에 있다(Law et al., 2001; Sohngen and Mendelsohn, 2003; Richards and Stokers, 2004; McKenny et al., 2004).
이러한 산림생태계의 탄소 고정량을 추정하기 위해서 산 림의 물질생산은 중요한 역할을 하며, 환경과 식생의 상호작 용을 통하여 저장된다(Park et al.,2005). 이에 산림의 생물량 을 추정하는 것은 산림의 탄소 고정량을 파악하기 위하여 매우 중요하다.
이처럼 산림생태계에서 이산화탄소를 저감시키고 탄소 를 저장하는 능력은 매우 중요하지만, 국내 CO2에 관한 연 구는 대부분 CO2의 발생에 초점을 두고 있고, 산림의 탄소 량에 관한 연구는 많지 않다. 또한 산림생태계의 탄소 저장 능력을 파악하기 위해 Lee et al.(2013), Jeong et al.(2013) 이 소나무림 연구와 Han(2001)이 잣나무림 연구 등을 하였 지만 1년~3년 이내의 연구이고 장기연구는 찾아볼 수가 없 다.
이에 본 연구에서는 해발 1,000m이상의 아고산대에서 분포하며 유일하게 한라산에서만 숲을 형성하고 있는 우리 나라 특산식물 구상나무림(Lee, 1970; Kim and Choo, 2000; Song, 2011)을 대상으로 지상부와 지하부 생물량, 낙엽층, 토양의 유기탄소 저장량을 파악하고, 산림을 통한 대기 중 CO2흡수를 위한 기초자료를 얻기 위하여 수행되었 다.
연구방법
1.조사지 개황
본 연구의 조사지소인 한라산은 한반도 최남단인 제주도의 중심에 위치하며, 총면적은 153.332km2이고, 해발 1,950m로 남한에서 가장 높다. 총강수량이 4,560mm에 달해 국내 최 다우지이다(Korea Meteorological Administration, 2013). 해발 600m이상에서는 온대 그리고 1,100m 이상에서는 아 고산대의 수직적 분포에 따라 다양한 식물상을 나타내고 있다.
한라산에는 약 803.6ha의 구상나무림이 분포하고 있고, 영실오름에 140ha 넓이의 구상나무 순군락이 분포하고 있 다(Kim and Choo, 2000; Song, 2011). 영실지역의 온도는 8월에 약 16.7°C로 가장 높고 12월에 약 -2.5°C로 가장 낮으 며 상대습도는 8월에 약 89.5%로 가장 높았고, 3월과 4월에 0.5%로 가장 낮았다(Song, 2011).
본 조사지소인 구상나무군락은 영실오름 해발고도 약 1,660m에 위치하고 있다(N 33° 21′ 31″, E 126° 30′ 27 ″)(Figure 1). 구상나무 순림으로 10 x 10m의 영구방형구 안에 치수부터 성수목까지 37 개체(3,700 그루 ha-1)가 다양 하게 분포하고 있다. 관목층은 주목(Taxus cuspidata), 털진 달래(Rhododendron mucronulatum var. ciliatum)와 섬노 린재나무(Synplocos chinensis for. Pilosa)가 우점하였다. 초본층은 제주조릿대(Sasa quelpaertensis)가 우점하고 있 었다.
2.조사기간
본 연구는 2009년 4월에 영구방형구를 설치하여 2013년 11월까지 계절별로 조사하였다. 겨울에는 적설량이 1m 이 상 되어 구상나무림의 위치를 찾을 수 없어 매년 봄(5월), 여름(8월)과 가을(11월)에 조사하였다.
3.현존량
관목층과 초본층은 수확법을 이용하여 측정하였다. 교목 층의 현존량을 측정하는 방법으로는 수확법이 가장 좋은 방법이지만, 한라산 국립공원에서 벌목하여 현존량을 측정 하는 것은 어렵다. 이에 식물체를 구성하는 기관별 생장량 과 전 개체의 생장량 사이에 특정한 관계가 성립되는 점을 이용하여 임목의 현존량을 계산하였다. 흉고직경(DBH)과 각 기관들 사이의 상대생장식을 이용하여 추정하였다. 흉고 직경은 매년 4월 줄자를 이용하여 측정하였다. 지하부 현존 량은 지상부 현존량의 25%를 적용하여 계산하였다(Johnson and Risser, 1974).
본 연구에서 교목층의 현존량 측정을 위해 사용한 상대생 장식(Wang et al.,2011)은 Table 1과 같다.
4.낙엽생산량
낙엽을 통해 임상으로 공급되는 유기탄소량을 정량하기 위하여 2009년 6월 영구 방형구 안에 0.5 × 0.5m의 litter trap 5개를 설치하였다. 계절별로 낙엽을 수거하여 잎, 목질 부, 생식기관, 기타로 분류하고 65°C 건조기에서 48시간 이 상 건조시킨 후 칭량하였다. 연간 회수된 낙엽의 건량을 기 초로 하여 단위면적 당 낙엽생산량으로 환산하였다.
5.임상낙엽
임상낙엽은 영구방형구의 교란이 없는 상태에서 지속적 인 조사를 하기 위해 조사지역의 영구방형구 밖에 25 × 25 cm의 소형 방형구를 4개 설치하여 계절별로 수거하였다. 낙 엽의 분해정도에 따라 L(Litter layer)층과 F층(Fermentation layer)으로 구분하여 채집봉투에 수거한 뒤, 이를 실험실로 운반하여 65°C 건조기에서 48시간 이상 건조시킨 후 칭량 하였다. 이를 이용하여 단위면적(ha)당 임상 낙엽량을 계산 하였다.
6.유기탄소량
식물체 현존량, 낙엽생산량과 임상낙엽의 유기탄소량은 건량의 45%로 추정하였다(Houghton et al.,1983).
토양의 유기탄소량 산정은 연구지역의 토심이 얇게 형성 되어 있어 일반적으로 적용되는 30cm까지의 토양채취가 현 실적으로 불가능하였다. 이러한 이유로 토양 채취에 앞서 먼저 조사지역 평균 토심(20cm)을 산정하여 평균 토심에 해당하는 깊이까지 토양을 채취하여 분석하였다. 토양 채취 는 해당 지역이 영구방형구로 설정되어 있어 교란이 없는 상태에서 지속적인 조사가 필요한 이유로 조사구와 인접하 여 조사구 내와 유사한 토양환경이라고 판단되는 지점에서 실시하였다. 토양 채취는 지점 당 깊이 10cm 간격으로 20cm 깊이까지 총 3개 지점에서 실시하였다. 이렇게 채집된 토양 을 비닐팩에 밀봉 후 실험실로 운반하였다. 유기물 함량은 풍건세토 5g을 105°C 건조기에서 48시간 이상 건조시킨 후 칭량한 후 600°C 전기로에서 4시간 정도 작열시킨 후 건중량에서 회분량을 빼어 계산하였고, 이를 1.724로 나누 어 유기탄소함량으로 전환하였다(Black, 1965).
토양의 가비중을 측정하기 위해 직경 5cm, 길이 5.1cm인 원통형 토양샘플관을 이용하여 10cm 간격으로 토양을 채집 하였고, 이를 각각 비닐팩에 넣어 실험실로 운반하였다. 채 집한 토양을 105°C 건조기에서 항량이 될 때까지 건조시켜 칭량한 뒤 그 값을 부피로 나누어 가비중을 계산하였다. 석 력함량은 채취한 토양을 2mm 채로 걸러 석력의 무게를 측정 한 후 전체 무게에서 석력 무계의 비율을 계산하였다.
이를 통해 단위면적당 토양의 유기탄소축적량을 계산하 였는데, 여기에 구상나무림의 석력비율을 고려하여 Wang et al.(2002)의 계산식을 이용하였다.
SOC(kg/m2)=가비중(ton/m3)×유기탄소함량(g/kg) × 토 양두께(m) × (1-석력비율)
결과 및 고찰
1.현존량 및 유기탄소량
구상나무림의 현존량은 2009, 2010, 2011, 2012 그리고 2013년에 각각 98.88, 106.42, 107.67, 108.31 와 91.48 ton ha-1이었고, 유기탄소량은 각각 44.5, 47.89, 48.45, 48.74와 41.17 ton C ha-1이었다(Figure 2). 현존량과 유기탄소량 모 두 2012년까지 꾸준히 증가하다가 2013년에 감소하였다. 교목층의 기관별 유기탄소량은 줄기가 가장 많았으며 잎과 생식기관에 가장 적게 분포하였다. 지리산 해발 1,324m에 분포하는 구상나무림의 유기탄소량은 3.11ton C ha-1yr-1 (Lee et al., 2007)으로 본 구상나무림에 비하여 매우 낮았 다. 이는 한라산 구상나무림의 밀도가 3,700그루 ha-1 인데 비하여 지리산 구상나무림의 밀도는 1,172그루 ha-1로 3배 이상 적었기 때문이다.
강원도 낮은 해발고도(600m)에 분포하는 같은 소나무과 잣나무림(P. koraiensis)현존량은 157.87 ton ha-1 이었다 (Han, 2001). 그리고 소나무(600m) 현존량은 140.46ton ha-1였고 유기탄소량은 70.23ton C ha-1로 본 연구결과보다 높았다. 하지만 같은 한라산 아고산대(1,648m)에 위치한 주 목림의 현존량은 31.75ton ha-1였고 유기탄소량은 14.29ton C ha-1이었으며, 눈향나무림(1,651)의 현존량은 17.81ton ha-1였고 유기탄소량은 7.34ton C ha-1였다(Jang, 2014). 또 한 아고산대와 고산지대의 소나무(P. densiflora)현존량은 38.65ton ha-1 였으며, 자작나무(Betula platyphylla)현존량 은 3.51ton ha-1 (Kjelvik and Karenlampi, 1975)로 본 연구 결과보다 낮았다. 이 같은 이유는 해발고도가 높아질수록 수고가 낮아지기 때문에 현존량과 유기탄소량 또한 낮은 것으로 판단된다.
한라산 아고산대의 구상나무림에서 현존량과 유기탄소 량 변동의 주 원인은 태풍이라고 판단된다. 태풍의 횟수는 강우량과 직결되며 강우량은 식물의 생장과 밀접한 연관이 있다. 최근 우리나라 최남단인 제주도는 다른 지역보다 태 풍에 더 큰 영향을 받는다는 연구 결과가 있다(Altman et al., 2012). 2011년도 현존량과 유기탄소량이 거의 증가하 지 않았는데, 이는 1981~2010년도까지의 우리나라에 영향 을 준 연평균 태풍 횟수는 25.6회이나 2010년에는 14회로 10회 이상 급감하였고(National Typhoon Center, 2011), 본 조사지에 인접한 윗새오름의 총 강수량 또한 2010년에 비 0해 2011년에 20,000mm가 줄었다(Korea meteorological administration, 2010-2011). 그리고 2012년 여름 태풍 볼라 0벤의 영향으로 영구방형구 안에 있는 구상나무 4그루가 부 러졌다. 이 때문에 나무가 성장함에 따라 증가해야 할 구상 나무림의 현존량과 유기탄소량이 크게 감소하였다. 이 같은 결과는 강한 태풍이 한라산국립공원 아고산 생태계에 큰 영향을 끼친다는 것을 보여준다.
2.낙엽의 유기탄소량
낙엽생산을 통해 임상에 유입되는 유기탄소량은 2009년 에 1.09 ton C ha-1yr-1, 2010년에 0.17 ton C ha-1yr-1, 2011 년에 0.11 ton C ha-1yr-1, 2012년에 0.15 ton C ha-1yr-1, 2013 년에 0.10 ton C ha-1yr-1이었다(Figure 3). 기관별 구성비는 잎이 68.7%, 목질부 14.3%, 생식부 6.4%, 기타 5.1%로 구 성되어 있었다. 2011년에 낙엽생산량이 가장 적은 이유는 2010년 기상이변으로 우리나라에 영향을 준 태풍의 횟수가 연평균(25.6회)보다 10회 이상 줄어 강우량이 급감했기 때 문이다(National Typhoon Center, 2011). 이는 나무의 성장 에 큰 영향을 주었고 현존량이 거의 증가하지 않았기 때문 에 낙엽생산량 또한 감소한 것으로 판단된다. 2012년에 낙 엽생산량이 가장 많은 이유는 태풍 볼라벤으로 인한 강한 바람 때문이다. 매년 가을에 가장 많은 낙엽생산량을 보였다. 이는 주목(Taxus cuspidata),눈향나무(Juniperus chinensis var. sargentii), 소나무(Pinus densiflora)를 대상으로 한 연 구에서도 동일한 결과를 보였다(Jang, 2013; Lee et al., 2013; Jeong et al., 2013). 이는 침엽수의 낙엽도 낙엽수처 럼 가을에 집중적으로 일어나는 것을 알 수 있다.
3.임상 낙엽의 유기탄소량
임상 낙엽층의 유기탄소량은 평균 2.08 ton ha-1이었다. 매년 총 임상 낙엽량의 유기탄소량이 감소하였으며, 층별 임상 낙엽층의 유기탄소량은 L층이 F층보다 평균 0.46 ton ha-1 많았다(Figure 4). 구상나무는 같은 침엽수인 잣나무 (Han, 2001), 소나무(Park and Lee, 1981; Lee et al., 2013) 보다 임상낙엽의 유기탄소량이 적었다. 이는 구상나무의 잎 이 작을 뿐만 아니라, 한라산 아고산이라는 지형적 특이성 을 지니고 있어 암석의 노출이 많고, 바람과 강우량이 많아 임상의 낙엽을 축척하기 어렵기 때문으로 판단된다. 또한, 유기탄소량이 매년 감소한 이유는 태풍 등의 기상이변으로 인해 영구방형구 안에서 2012년에 3그루, 2013년에 4그루 의 구상나무가 고사 또는 부러져 임목밀도가 감소한 것이 가장 큰 이유로 판단된다.
4.토양의 가비중과 유기탄소 축적량
토양의 가비중은 지하 10cm에서 평균 0.42g/cm3, 지하 20 cm에서 평균 0.40g/cm3이었다. 구상나무림의 5년 평균 토양 유기탄소 축적량은 49.53 ton C ha-1로 2009년, 2010년, 2011년, 2012년, 2013년도 평균 유기탄소 축적량은 각각 55.77, 54.90, 50.69, 44.42 와 41.87 ton C ha-1이었다(Figure 5). 일반적으로 토양내 유기탄소량은 깊이가 깊어질수록(심 층부) 감소하고(Eswaran et al.,1995), Lee, 2011; Jeong et al., 2013; Han, 2014; Jang, 2014; Lee, 2014 등의 침엽수 림 혹은 활엽수림의 연구에서도 모두 깊이가 깊어질수록(심 층부) 토양유기 탄소가 감소함을 밝혔다. 전 연구자들의 연 구결과와 유사하게 본 연구에서도 2011년 여름을 제외한 모든 조사에서 10cm깊이의 유기탄소 축적량이 20cm깊이보 다 많은 것으로 분석되었다. 구상나무림의 평균 토양 유기 탄소량은 토양 깊이(20cm)가 동일한 미국 침엽수림의 68 ton C ha-1(Coeli et al.,2012)이나, 남산 소나무림의 60.70 ton C ha-1(Jeong et al., 2013) 그리고 월악산 소나무림의 189.439 ton C ha-1보다 적었다(Lee, 2014). 이처럼 구상나 무림이 다른 식물림보다 임상낙엽량이 적은 이유는 토양의 유기탄소량은 낙엽 생산에 많은 영향을 받고(Hontoria, 1999), 낙엽생산량이 적으며, 매년 임상낙엽량이 꾸준히 감소했기 때문으로 판단된다.
