서 론
인간 활동이 기후에 영향을 미치기 시작한 것은 산업 혁 명 초기인 18세기 중엽부터로 1970년부터 2004년 사이에 지구 온실가스 배출량은 70% 증가하였다. 20세기 중반 이 후의 인류가 배출한 온실가스의 집적으로 급속한 기온상승 은 기후변화를 초래하여 생태계 위험수위가 높아질 것으로 예측되고 있다. 우리나라는 2005년 기준 온실가스 배출량이 5.9억 t CO2으로 경제협력개발기구 중 7위를 기록하였고, 2000년 대비 2005년까지 온실가스 배출 증가율이 12.4 % 로 룩셈브루크(33.3 %), 오스트리아(15.0 %), 스페인(14.6 %) 다음으로 4위를 차지하였다. 이산화탄소는 지구온난화 를 발생시키는 온실가스 배출량의 88 %를 차지한다. 이산 화탄소의 농도 저감을 위한 방법으로 수목 식재는 가장 효 과적인 수단이라고 보고되었으며(Laclau, 2003), 1997년 교 토의정서에서는 산림을 대기 중의 온실가스를 흡수하는 흡 수원으로 규정하였다.
대기 중의 이산화탄소는 약 10%가 토양으로부터 발생되 며, 화석연료 소비에 따른 이산화탄소의 방출보다 약 10배 이상 방출된다(Raich and Schlesinger, 1992). 토양에서 방 출되는 이산화탄소는 일반적으로 토양호흡(Soil CO2 efflux) 이라 하고 생물학적 과정을 거친 대사활성의 지표(Anderson, 1982; Landsberg and Gower, 1997)로서 산림생태계로부터 탄소가 방출되는 주요한 현상 중 하나로 작용한다(Chae et al., 2003). 토양호흡은 토양 내의 종속영양 미생물과 토양 동물에 의한 낙엽, 낙지, 뿌리 등의 식물 사체와 토양 속의 유기물의 분해과정을 통해 발생되는 미생물호흡과 생장하 는 뿌리자체의 유기호흡과 뿌리에 공생하는 균근 미생물의 호흡의 합인 뿌리호흡으로 구성되어 있으며, 이는 전체 이 산화탄소 방출량에 기하는 정도는 계절별 지소에 따라 달라 진다(Gough and Siler, 2004; Jassal and Black, 2006; Maier and Kress, 2000). 또한, 발달과정에 있는 산림의 경우 뿌리 호흡량이 토양호흡량에 많은 부분을 차지 할 수 있으나, 미 생물의 유기물 분해과정에 의해 방출되는 이산화탄소의 양 은 장기적으로 토양탄소저장량을 결정하는 주요 요인이 된 다(Schlesinger, 1977).
우리나라의 도시화율은 10년 사이에 80%에서 83% (2000~2010년)로 증가를 보이며, 도시화에 따른 대량소비 로 인해 인위적인 온실가스 배출이 증가하고 있다. Kim et al.,(2011)은 전 지구적 기후변화인 지구온난화의 주원인으 로 주목되고 있는 온실가스는 공간적으로 주로 도시에서 발생하고 있기 때문에 도시차원에서의 대책이 무엇보다 필 요하다고 보고하였다. 최근 공원 · 녹지의 양적 확충 정책에 서 녹지의 미기후 조절기능, 열섬저감 효과 등 직·간접적 탄소저감 및 탄소 흡수기능 확대 등을 위한 질적 향상방안 정책으로 관심이 옮겨가고 있으며, 그만큼 공원·녹지 지역의 수목에 대한 가치가 재평가되고 있음을 알 수 있다. 도시공 원은 매연을 비롯한 대기오염물질이나 CO2, 혹은 중금속을 식물이 흡수함으로써 오염물질을 정화시킨다. 이에 도시공 원에서 탄소흡수, 산소 제공 등의 환경개선기능이 강조되고 있는 추세로, 대기 중 이산화탄소 농도 저감을 위한 수목의 식재는 가장 효과적인 수단으로 보고되었다(Laclau, 2003). 국내에서 Park(2009)은 도심지 수목의 연간 단위면적당 CO2 흡수량은 1.9~2.9t CO2·ha-1·yr-1라고 보고한 바 있고, Jo(1999)가 강원도 일부도시의 녹지에 의한 탄소흡수와 에 너지소비에 의한 탄소배출량을 산정하였으며, Park and Kang(2010)은 경기도 도시가로수의 탄소저장량 및 흡수량 을 산정하였다. Kim(2011)은 판교나들이공원에서 수목의 탄소저장량 및 흡수량을 Hwang(2012)은 서울 숲 수목의 탄소저장량 및 흡수량을 산정하는 등 탄소흡수원으로서 도 시공원에 관한 연구가 수행되고 있다.
따라서, 본 연구에서는 불암산 도시자연공원 상수리나무 군락을 대상으로 토양호흡량과 미기후 분석을 통하여 연간 토양호흡량을 추정하였으며, 도시공원의 탄소저장량, 연간 탄소흡수량 산정 및 연간 토양호흡량 산정을 위한 기초 자 료를 수집하는데 목적이 있다.
연구방법
1.연구대상지
연구대상지가 포함된 불암산 도시자연공원은 서울시 노 원구 중계동에 위치하였으며 지리적 위치는 위도 127° 04′ 42″ E ~ 127° 04′ 58″ E, 경도 37° 39′ 26″ N ~ 37° 39′ 10″ N 이며, 총 면적은 79,321.8m2으로 1977년 도시자연공 원구역으로 지정되었다. 불암산 도시자연공원은 불암산 주 봉 능성부의 서쪽지역으로 북쪽으로 수락산과 인접하고 서 쪽으로 북한산과 마주보고 있으며, 불암산에서 내려오는 당 현천은 북한산에서 내려오는 우이천과 더불어 중랑천으로 유입되어 한강으로 흐르는 수계를 나타내고 있다. 대상지가 속한 노원구의 최근 자료(2006-2010년)를 바탕으로 기상 현황을 살펴보면, 연 평균 12.8°C이며, 연 평균 강수량은 약 1,571.6mm 정도로 조사되었다. 공원의 식생현황은 상수 리나무(Quercus acutissima), 갈참나무(Quercus aliena), 굴 참나무 (Quercus variabilis), 신갈나무 (Quercus mongolica), 밤나무(Castanea crenata), 아까시나무(Roinia pseudoacacia) 등이 분포하고 있으며, 대표군락은 상수리나무군락(Quercus acutissima)인 것으로 조사되었다. 대상지내 토양은 화강암 으로 모암으로 하여 침식에 의해 형성된 사방지토양(Er-C) 으로 토성은 양질사토이며 토심은 A층 4cm, B층 11cm, 토양 배수는 양호한 것으로 조사되었으며, 일부 계곡부에 갈색건 조산림토양(B1)으로 토성은 사양토인 것으로 조사되었다. 본 연구에서는 불암산 도시자연공원의 대표군락인 상수리 나무군락을 대상으로 2013년 6월부터 2014년 5월까지 토 양호흡 및 미기상인자 측정을 실시하였다(Figure 1). 대상지 의 상수리나무군락은 고도 20m, 경사 5° 미만의 서사면에 위치하며, 평균수고는 약 15m, 평균흉고직경은 약 20cm인 것으로 조사되었다.
2.토양호흡 측정
불암산 도시자연공원의 상수리나무군락에 120 × 80cm 크기의 방형구를 2개를 설치하여 토양호흡량을 측정하였으 며, 1곳의 방형구에서는 단근처리 방법을 이용하여 미생물 호흡량(Heterotrophic CO2 efflux)을 측정하였다. 미생물호 흡량 측정을 위한 단근처리 방법은 측정 지점 주변의 뿌리 를 커터를 이용하여 자르고 측정 지점 내의 뿌리를 고사시 켜 뿌리를 제거하고, 방어벽을 설치하여 주변 뿌리의 침임 을 막는 방법을 이용하였다(Koo et al., 2005). 방형구 안에 낙엽층의 두께를 고려하여 높이 5cm, 지름 10.8cm의 Collar 를 각 6개씩 설치하여 토양에서 방출되는 단위면적 · 단위시 간 당 이산화탄소 방출량을 측정하였다(Figure 2). 토양 이 산화탄소 방출량은 밀폐상법(Closed chamber method)을 기 초로 한 LI-6400(Licor 6400 Potable Photosynthesis System, Li-Cor Inc., Lincoln, NE)에 적외선 가스분석기(Infrared Gas Analyzer)를 연결하여 측정하였다. 측정기간은 2013년 6월 부터 2014년 5월까지 매월 1회 방문하여 Collars에서 방출 되는 이산화탄소량을 측정하였다.
3.미기상인자 측정
불암산 도시자연공원 상수리나무군락의 토양호흡측정 방형구 인근에 Data logger(WatchDog 1000 Series, Spectrum Technologies Inc)를 설치하여 10cm 깊이에서의 토양온도와 토양수분함량을, 1.5m 높이에서의 대기온도와 광량을 2013 년 6월부터 2014년 5월까지 30분 간격으로 자동 측정하였 다(Figure 3).
4.통계분석
측정된 데이터는 통계분석 프로그램(SPSS v12.0)을 이 용하여 토양호흡과 미생물호흡간의 평균 차이는 ANOVA 분석을 실시하였고, 토양호흡에 영향을 미치는 요인과의 상 관관계는 상관분석과 회귀분석을 실시하였다.
결과 및 고찰
1.토양호흡량 분석
불암산 도시자연공원 상수리나무군락의 토양호흡량을 2013년 6월부터 2014년 5월까지 매월 1회 방문하여 측정하 였으며, 그 결과 Figure 4에 나타내었다. 토양호흡량은 28.14 ~ 582.47mg CO2·m-2·h-1의 범위로 조사되었으며, 뿌 리호흡을 제거한 미생물 호흡량은 12.32 ~ 415.71mg CO2·m-2·h-1의 범위로 조사되었다. 토양호흡 및 미생물호흡 량은 모두 동절기에서 하절기로 갈수록 증가하는 경향을 보였다. 단근처리 후 뿌리 제거지역에서 토양 호흡량이 급 격히 증가하다 감소하는 경향을 보이고(Bowden et al., 1993; Ewel et al., 1987) 이는 잘려진 뿌리가 토양미생물에 의해 분해되면서 이산화탄소가 발생하여 자연 상태보다 미 생물 호흡이 증가하게 되기 때문에 본 연구에서는 단근처리 후 6개월이 지난 안정화 단계에 접어든 결과 값을 이용하였 다. 증가된 미생물 호흡은 평균 잔류기간이 1년 이하(Fitter et al., 1996)인 세근의 분해에 의해 발생되고, Bowden et al.(1993)은 뿌리의 분해 영향을 최소화하기 위해 단근 처리 하고 9개월이 경과한 후 측정을 시작하였으며, Ewel et al.(1987)는 단근 처리한 시기로부터 4개월 후 토양 호흡을 측정한 바 있다. 토양호흡량과 미생물호흡량 간의 월별 토 양이산화탄소 방출량을 ANOVA 분석한 결과 2014년 1월 은 유의수준 0.1 %에서, 2013년 7, 8, 11월은 유의수준 1 %에서, 013년 12월과 2014년 5월은 5%에서 유의한 것으로 나타났으며, 2013년 6, 9, 10월, 2014년 2, 3, 4월은 유의하 지 않는 것으로 나타났다.
2.토양호흡과 환경요인 분석
토양호흡, 미생물호흡과 환경요인과의 상관관계는 지수 함수를 이용한 회귀식을 적용하여 분석하였고 분석결과를 Table 1에 나타내었다. 토양온도와 토양호흡, 미생물호흡의 관계에서 토양호흡(R2 = 0.567)과 미생물호흡(R2 = 0.432) 에서 모두 정의 상관관계를 보였고, 대기온도와 토양호흡, 미생물호흡의 관계에서는 토양호흡(R2 = 0.526)과 미생물 호흡(R2 = 0.483)으로 토양온도 보다는 낮은 상관관계를 나 타내었다. 또한 토양수분함량과 토양호흡, 미생물호흡과 관 계에서는 토양호흡(R2 = 0.079)과 미생물호흡(R2 = 0.223) 으로 광량과 토양호흡, 미생물호흡과 관계에서 토양호흡(R2 = 0.286)과 미생물호흡(R2 = 0.233)으로 매우 낮은 상관관 계를 보였다. 이는 토양호흡에 관한 연구들로부터 토양호흡 이 토양온도에 많은 영향을 받으며, 상당히 높은 상관관계 가 있고(Davidson et al.,1998; Lee and Mun, 2001; Mun, 2004), 토양호흡량은 미생물의 분해활동과 상관이 있어 토 양의 온도가 높아지게 되면 토양 내 미생물의 분해활동이 활발해져 토양 호흡량이 증가하게 되는 연구 결과와 일치하 는 것으로 판단된다. 또한 토양호흡량에 토양수분함량은 크 게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으나 다른 연구에서 토양수분함량이 토양호흡량에 영향을 주는 중요한 환경요 인으로 보고된 바 있고(Witkamp, 1969; Knapp et al., 1998), Lee and Mun(2001)는 토양호흡량과 토양수분함량 과의 상관관계는 매우 낮은 것으로 나타났지만, 토양수분함 량이 토양생물의 다른 생리적인 과정에서 영향을 미쳐 토양 호흡량의 저하를 초래 하였다고 보고하였으며, Davidson et al.(1998)은 토양수분조건이 건조하거나 과다인 기간에 는 토양호흡량이 감소한다고 연구결과 바탕으로 장기적이 고 지속적인 연구를 통해 토양수분함량과 토양호흡과의 상 관관계를 규명할 계획이다.
3.연간 토양 이산화탄소 방출량 추정
토양 이산화탄소 방출량과 가장 상관관계가 높은 토양온 도(n=17,484)와의 관계식을 이용하여 연구기간동안의 토양 호흡량과 미생물호흡량을 추정하였으며, 토양호흡과 뿌리 호흡의 비율은 토양호흡량에서 미생물호흡량의 차로 뿌리 호흡량을 산정하여 계산하였다(Table 2). 연구기간동안의 토양호흡과 미생물 호흡량은 각각 21.33 t CO2 ha-1 yr-1, 13.23 t CO2 ha-1 yr-1로 나타났으며, 이는 Lee(2000)가 충남 공주시 상수리나무림에서 측정한 연간 평균 토양호흡량 66.8 ton CO2 ha-2 yr-1와 Kim(2002)이 측정한 36.6 t CO2 ha-1 yr-1보다 낮은 값을 나타내었고, Kim(2013)이 천안시 두정공원 상수리나무군락에서 측정한 5.32 t CO2 ha-1 yr-1 로 보다 높게 나타났다. 이러한 차이는 각 지소간의 임목의 밀도 차이에 의한 것으로 판단되며, 각 지소에서의 임목 밀 도는 Lee(2000)의 경우 2,800 그루/ha, Kim(2002) 1,200그 루/ha, Kim(2013) 118.5그루/ha로 조사되었으며, 본 연구지 소의 임목 밀도는 250그루/ha로 조사되었다. 토양호흡과 뿌 리호흡의 비율은 월별로 차이는 있으나 본 연구에서는 평균 33.60% 인 것으로 나타났다. 이는 전체 토양호흡에서 뿌리 호흡이 차지하는 평균 비율은 뿌리제거 방법이 52 %로 가 장 높고, 구성 요소 측정 방법이 45 %, 그리고 동위원소 이용 방법이 34% 등으로 나타났다. 이와 같이 측정방법에 따라 차이는 있지만 평균 46 %정도로 볼 수 있다고 보고한 Koo et al.(2005)의 연구결과보다는 다소 낮은 값을 나타내 었으나, Lee et al.(2010)이 참나무속 우점림에서 뿌리호흡 이 토양호흡량의 31%를 차지한다는 연구결과와는 유사한 것으로 나타났다.
토양호흡은 유기물의 순환을 추정할 수 있는 생태계의 중요한 속성 중의 하나로, 토양생물과 뿌리의 활동을 나타 내는 지표가 될 수 있다. 그러나, 국내의 토양호흡 중 미생물 호흡량과 뿌리호흡량을 정량적으로 산정한 결과는 많지 않 은 실정이다. 본 연구에서는 불암산 도시자연공원 상수리나 무군락을 대상으로 단근처리방법을 통해 토양호흡에 대한 뿌리호흡의 비율을 측정하고 토양호흡량과 미기후 분석을 통하여 연간 토양호흡량을 추정하였다. 이러한 연구결과는 향후 도시공원의 탄소저장량, 연간 탄소흡수량 산정을 위한 기초 자료로 활용할 수 있으며, 현재 계속 데이터 수집을 진행하고 있고 장기간의 연구를 통하여 보다 정확한 연간 토양호흡량 산정과 환경요인과의 상관관계 분석이 가능하 리라 판단된다. 또한 도시공원에서의 연간 탄소흡수량 산정 을 위하여 수목 개체별 바이오매스 조사 및 장기간의 토양 호흡량 측정, 식물의 생리적 활력 변화, 조사지소의 생물학 적 요인 및 환경요인 영향의 장기적인 조사가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
