서 론
사문암은 SiO2 함량이 매우 낮은 초염기성암으로서 사문 암으로부터 풍화된 토양은 독특한 광물의 화학조성을 가지 며, K, Na, Al, N, P, Mo의 함량은 낮고 Cr, Ni, Co 함량은 높은 특징을 보여 자연적 중금속 오염의 한 원인으로도 알 려져 있다(Min et al., 1999;Choi, 2006).
토양 내 중금속은 종종 미생물의 활성을 억제하여 낙엽과 같은 토양으로 유입되는 유기물의 축적을 증가시키고 (Freedman and Huchinson, 1980;Cortufo et al., 1995) 토 양 내에 중금속이 과잉 존재하면 대부분의 토양 미생물과 동물들에게는 독성을 나타내며(Ryou et al., 2010), 중금속 은 그 농도에 따라 생물에 미치는 영향이 다르다. 일반적으 로 저농도일 때는 영양원소로 작용하고 고농도일 때는 세포 의 사멸 등을 일으켜 생물체에 치명적인 영향을 미치는 것 으로 알려져 있다. 사문암 지역은 전 세계적으로 미국 서부 와 동부, 캐나다 동부, 스웨덴, 이탈리아, 러시아, 이란, 인 도, 일본, 남아프리카, 뉴질랜드 등에 광범위하게 분포하고 있으나(Kim et al., 2000), 국내의 경우에는 분포역이 협소 하고 경기도 가평, 경북 안동, 울산, 충남 공주, 부여, 홍성 등지에 소규모로 제한적으로 분포하고 있다(Kim et al., 2016). 국내에 분포하고 있는 사문암 지역에서의 연구는 주 로 암석･광물학적, 지화학적 연구가 대부분이고, 생태학적 연구로는 토양 및 식물체 내 중금속 함량(Kim et al., 2000;Kim, 2002;Min et al., 1999;Song et al., 1999;Choi, 2006;Hwang, 2001), 중금속이 함유된 낙엽의 분해(Kim, 2007; Ryou et al., 2010), 식물 생장 및 식생 유형과 발달 (Kim et al., 2016;Park, 2015;Bae, 2016)에 관한 연구 등이 주로 진행되어왔다.
삼림생태계에서 물질의 움직임, 특히 탄소의 순환은 식물 이 대기 중 탄소를 광합성을 통해 고정하고, 식물체에 고정 된 탄소는 고사목, 낙엽 등을 통하여 분해되어 토양으로 공 급되며, 토양에 축적되지 않는 탄소는 대기로 방출된다 (Jung, 2016). 삼림은 육상생태계에서 가장 큰 탄소 저장체 이며, 삼림생태계 내에서 여러 단계를 통해 일어나는 탄소 순환에서의 정확한 탄소수지 파악을 위해서는 생태계 수준 에서 순생태계생산량(NEP: Net Ecosystem Production)의 정확한 파악이 필요하다(Waring and Running 1998; Lee, 2009). 순생태계생산량(NEP)이란 대기로부터 탄소흡수와 토양으로부터 방출 결과를 함께 고려하여 정량화한 탄소의 순 획득 또는 순 손실을 나타낸다(Joo et al., 2011). 순생태계 생산량(NEP)은 순일차생산량(NPP: Net Primary Production) 중에서 독립영양생물호흡과 종속영양생물호흡으로 사용되 고 남은 부분으로 순수하게 생태계에 저장되는 탄소의 양을 말한다(Curtis et al., 2002). 이러한 탄소수지에 관한 연구로 Jo and Cho(1998), Park and Kang(2010) 그리고 Kim(2013) 과 Kim(2011)은 도시 주요 조경수종 가로수와 도시공원 식재유형에 따른 CO2 흡수량 및 저장량 산정을 시도하였고, Lee(1999)는 산림의 흡수 효과를 고려한 한국의 이산화탄 소 수지 분석에 관한 연구를 수행하였다. Pyo et al.,(2003) 은 잣나무 조림지에서, Min(2006) 광릉 냉온대 낙엽수림의 토양 탄소수지 특성을 측정하였다. 최 등(2009)은 기후변화 에 따른 우리나라 식생 분포 변화 및 육상 탄소 분포 변화를 예측하였고, Lee(2011)와 Shin(2013)은 각각 북한산 국립 공원 낙엽활엽수림과 월악산 신갈나무림에서 탄소저장량 및 탄소수지를 평가하였다. 최근, 기후변화에 대응하기 위 한 산림의 탄소저장능력, 즉 탄소수지를 이해하기 위한 연 구가 국내외적으로 요구되고 있다(Jeong, 2013). 육상생태 계 탄소수지에 관한 연구는 기후변화의 예측과 결과의 신뢰 성에 영향을 미치는 핵심적인 요소이며, 육상생태계 탄소순 환에 있어 가장 큰 비중을 차지하고 있기 때문에 다양한 산림생태계의 탄수순환에 대해 연구가 활발히 진행되고 있 다(Lee et al., 2013). 그러나, 아직까지 독특한 지질(사문암 지역)의 삼림에서 탄소수지에 대한 연구는 전무한 실정이 며, 육상생태계의 정확한 탄소수지를 이해하기 위해서는 다 양한 삼림생태계에서 환경조건(지질, 기후 등)의 차이에 따 른 탄소수지 산정 연구가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 국내의 전형적인 특이 지질인 사문암 지대의 소나무 군락을 대상으로 탄소저장량 및 흡수량, 토양호흡량 등의 조사를 통하여 탄소수지를 밝히고, 사문암 지역의 토양 및 지질이 식물군락의 탄소수지에 미치는 영향을 대조구의 비사문암 지대 소나무림과 비교･분석을 통하여 기후변화에 대응한 삼림생태계의 탄소흡수원으로써의 역할 제고 및 탄소수지 산정 연구의 정확도 향상에 기여하고자 한다.
연구방법
1. 연구대상지 현황
사문암 지역과 비사문암 지역 소나무림의 탄소수지 비교 를 위하여 경상북도 안동시에 위치한 사문암 지역 소나무림 을 선정하였다. 연구대상지는 남한의 대표적인 사문암 지역 이며, 사문암 지역 식물의 낙엽분해, 식물다양성, 생태식물 상, 토양 및 식물체 내 중금속 함량 등에 대한 다양한 연구가 보고된 지역으로 탄소수지의 영향을 미치는 다양한 요인(식 생, 중금속 등) 간의 비교를 위하여 선정하였다. 안동 사문 암 지역은 경북 안동시 풍천면 광덕리 신림광산 일대(E 128° 26′ ~ 128° 30′, N 36° 31′ ~ 36° 32′)에 위치하고 있다(Figure 1). 연구대상지와 가장 가까운 안동기상대의 1981 ~ 2010년(30년) 자료를 통해 보면 이 지역의 연 평균 기온은 11.9℃, 연평균 강수량은 1,066.4 mm로 강수량의 대부분은 6 ~ 9월에 집중되는 하계다우형이고, 전형적인 내륙성 기후를 나타내고 있다(Figure 2).
사문암 지역의 식생은 아교목성의 소나무(Pinus densiflora) 군락으로서 싸리, 산초나무, 노간주나무 등이 섞여 분포하 고 있으며, 인근 대조구의 비사문암 지역은 교목성의 소나 무(Pinus densiflora) 군락으로서 졸참나무, 산초나무, 진달 래 등이 섞여 분포하는 지역이었다.
사문암 지역의 토양은 퇴적암의 암쇄토로 사토 성질을 나타내고 있으며, 대조구의 토양은 퇴적암의 적황색삼림토 로 양토 성질을 나타내는 것으로 조사되었다. 사문암 지역 토양 내 Ni, Cr, Co, Na, Fe, Mn의 함량은 각각 1,986.6, 289.8, 144.6, 1,449.0, 910.9 ㎍･g-1이었으며, 비사문암 토 양에서는 각각 15.5, 16.0, 0.5, 79.8, 216.2 ㎍･g-1으로 사문 암 토양에서 그 함량이 약 4.2 ~ 289.2배 높은 것으로 나타 났다. 사문암 토양 내 Na, P, K, Mg, Ca의 영양염류 함량은 각각 550.0, 90.9, 441.0, 72,605.6, 943.2 ㎍･g-1으로 조사되 었으며, 비사문암 지역의 경우 각각 191.2, 55.8, 446.8, 79.8, 4,207.8 ㎍･g-1으로 나타나 사문암 토양은 비사문암 토양에 비하여 Na, Mg의 함량이 현저히 높으며 Ca 함량은 현저히 낮았다(Table 1).
2. 탄소저장량 및 흡수량 산정
사문암 지역과 비사문암 지역 소나무군락의 탄소저장량 과 흡수량 산정을 위하여 각 지역의 대표식생인 소나무림에 각각 10 m × 10 m의 크기의 방형구 1개소를 설치하여 교목 과 관목을 대상으로 매목조사를 2017년 01월과 2018년 02 월에 실시하였다. 교목의 흉고직경은 1.3 m 높이에서 측정 하였고, 관목은 지상으로부터 10 cm 높이에서 직경 1 cm이 상 목본을 대상으로 기저직경을 측정하였다.
탄소의 저장량과 흡수량 산정은 Lee (2003)의 성장회귀 식을 이용하여 추정하였다. Lee (2003)는 교목활엽수, 교목 침엽수, 관목활엽수, 관목침엽수로 단순화시킨 후 교목의 경 우에는 흉고직경(DBH), 관목의 경우에는 근원직경(DAG) 을 이용하여 수종별 CO2 저장량 및 흡수량을 산정하였다.
대부분 초본은 매년 흡수와 분해를 반복하여 탄소 저장 및 흡수량이 극히 소량이므로 산정대상에서 제외하였다(Jo, 1999).
3. 토양호흡 및 미기상 측정
토양호흡을 측정하기 위하여 사문암 지역과 비사문암 지 역의 소나무군락에서 각각 120 × 80 cm 크기의 방형구 각 1개소를 설치하였고, 방형구 안의 낙엽층의 두께를 고려하 여 높이 5 cm, 지름 10.8 cm의 Collar를 각 6개씩 설치하여 밀폐상법(Closed chamber method)을 기초로 토양에서 방 출되는 이산화탄소를 측정하였다. 이산화탄소 방출은 2017 년 01월부터 2017년 12월까지 매월 1회 방문하여 Collars에 서 방출되는 이산화탄소량을 LI-6400 (Licor 6400 Potable Photosynthesis System, Li-Cor Inc., Lincoln, NE)의 적외 선 가스분석기(Infrared Gas Analyzer)를 통하여 측정하였 다(Figure 3). 또한, 토양호흡량 중 뿌리호흡량 산정은 Koo et al., (2005)의 연구에 따라 토양호흡량의 약 46%로 추정 하였다.
사문암과 비사문암 지역의 토양호흡 측정 방형구 인근에 Data logger (WatchDog 1000 Series, Spectrum Technologies Inc)를 설치하여 10 cm 깊이에서의 토양온도와 토양수분함 량, 1.5 m 높이에서의 대기온도와 광량을 2017년 01월부터 2017년 12월까지 30분 간격으로 자동 측정하였다(Figure 3).
4. 통계분석
사문암 지역과 비사문암 지역의 각종 측정치와 그 차이는 통계분석 프로그램(SPSS v18)을 이용하여 T-Test를 실시 하였으며, 토양호흡과 환경요인 간의 상관관계는 상관분석 과 회귀분석을 이용하여 실시하였다.
결과 및 고찰
1. 미기상 특성
사문암 지역과 비사문암 지역에서 각각 Data logger (WatchDog 1000 Series, Spectrum Technologies Inc)를 설 치하여 10 cm 깊이에서의 토양온도와 토양수분함량, 1.5 m 높이에서의 대기온도와 광량을 2017년 1월 1일부터 2017 년 12월 31일까지 30분 간격으로 자동 측정한 결과를 Figure 4에 나타내었다. 지상 1.5 m 높이의 기온은 여름으 로 갈수록 상승하여 7, 8월에 가장 높은 값을 나타낸 후 점차 감소하여 12, 1월에 가장 낮은 값을 보이는 일반적인 경향 을 나타내었다. 사문암 지역에서는 연중 –2.3 ~ 25.1℃의 범위로, 연 평균 11.9 ± 10.2℃로 조사되었으며, 비사문암 지역의 경우에는 연중 –2.9 ~ 24.4℃의 범위로, 연 평균 11.2 ± 10.1℃로 나타나 사문암 지역에서 기온 폭이 더 큰 것으로 나타났다. 10 cm 깊이 토양온도는 기온의 변화양상과 유사 한 경향을 보였으며, 사문암 지역에서 3.7 ~ 25.7℃의 범위 로, 연 평균 15.0 ± 8.2℃로 조사되었다. 비사문암 지역의 경우 2.5 ~ 22.8℃의 범위로, 연 평균 12.3 ± 7.6℃로 조사되 어 기온과 마찬가지로 사문암 지역에서 큰 변동폭을 보였 다. 토양수분함량은 사문암 지역에서 22.3 ~ 45.6%의 범위 로, 연 평균 36.0 ± 7.0%를 나타내었다. 비사문암 지역에서 는 3.3 ~ 16.7%의 범위로, 연 평균 9.1 ± 4.9%로 조사되었 다. 임상의 광량은사문암 지역에서 62.6 ~ 195.7 wat･m-2의 범위로, 연 평균 121.2 ± 43.1 wat･m-2로, 비사문암 지역의 경우 11.6 ~ 37.0 wat･m-2의 범위로, 연 평균 24.3 ± 8.2 wat･m-2로 나타났다. 광량의 경우 대상지의 식생 수관층 피 복 정도의 차이에 의해 차이를 보이는 것으로 판단된다.
2. 토양호흡량 분석
사문암 지역과 비사문암 지역 소나무군락의 토양호흡량 을 2017년 01월부터 12월까지 매월 1회 방문하여 측정하여 그 결과를 Figure 5에 나타내었다. 또한, 토양호흡량 중 뿌 리호흡량은 Koo et al., (2005)에 따라 토양호흡량의 46%로 추정하여 나타내었다(Table 2). 연중 사문암 지역의 토양호 흡량은 42.48 ~ 262.61 g CO2･m-2･month-1의 범위로서, 연 평균 151.71 ± 75.09 g CO2･m-2･month-1로 측정되었다. 비 사문암 지역에서는 연중 20.94 ~ 449.24 g CO2･m-2･ month-1로서 연 평균 165.09 ± 118.96 g CO2･m-2･month-1 로 측정되었다. 두 지역의 토양호흡량은 여름으로 갈수록 상승하여 7월에 가장 높은 값을 나타내었으며, 이후 점차 감소하여 1월에 가장 낮은 값을 나타내었다. 사문암 지역과 비사문암 지역 간의 월별 토양호흡량을 T-Test한 결과 1, 2, 5, 6, 7, 10, 11, 12월은 유의수준 0.1%에서, 3월은 유의수 준 1%에서 통계적으로 유의한 차이가 있는 것으로 나타났 다. 그러나, 두 지역 간의 월별 토양호흡량의 일관된 경향을 보이지 않았으며, 이는 토양호흡 측정 당시의 토양온도에 의한 것으로 판단되며, 추가연구를 통해 규명할 계획이다.
사문암 지역에서 연구기간 동안 뿌리호흡과 미생물호흡 에 의해 배출되는 이산화탄소량은 각각 8.37, 9.83 ton CO 2･ha-1･yr-1로 총 18.20 ton CO2･ha-1･yr-1로 추정되었으며, 비사문암 지역의 경우 뿌리호흡과 미생물호흡에 의해 배출 되는 이산화탄소량은 각각 9.11, 10.70 ton CO2･ha-1･yr-1로 총 19.81 ton CO2･ha-1･yr-1로 추정되었다. 이를 탄소량으로 환산하면, 사문암 지역에서 연구기간 동안 뿌리호흡과 미생 물호흡에 의해 배출되는 탄소량은 각각 2.28, 2.68 ton C･ ha-1･yr-1로 총 4.96 ton C･ha-1･yr-1로 나타났으며, 비사문암 지역의 경우 뿌리호흡과 미생물호흡에 의해 배출되는 탄소 량은 각각 2.48, 2.92 ton C･ha-1･yr-1로 총 5.40 ton C･ha-1･ yr-1로 나타났다.
3. 토양호흡과 환경요인 분석
토양호흡량과 환경요인 간의 상관관계를 Table 3에 나타 내었다. 토양온도와 토양호흡의 관계는 양의 상관관계를 보 였고, 사문암 지역(R2 = 0.741)과 비사문암 지역(R2 = 0.663) 에서 모두 깊은 상관을 보였다. 기온과 토양호흡의 관계에서 도 사문암 지역(R2 = 0.545)과 비사문암 지역(R2 = 0.470) 모두에서 양의 상관을 보였으나 토양온도와 토양호흡과의 관계에서보다 그 상관은 낮았다. 온도 요인과는 달리 토양수 분함량은 사문암 지역(R2 = 0.013)과 비사문암 지역(R2 = 0.017)에서 토양 호흡과 모두 낮은 상관관계를 보였으며, 토양호흡은 광량과도 사문암 지역(R2 = 0.054)과 비사문암 지역(R2 = 0.029) 모두에서 낮은 상관관계를 보였다.
이러한 결과는 토양호흡이 토양온도에 의해 크게 영향을 받으며, 상당히 높은 상관관계가 있다고 보고한 여러 연구결 과들과 같이(Davidson et al., 1998;Lee et al., 2001; Mun, 2004) 토양호흡량은 미생물의 분해 활동과 상관이 있어 토 양온도가 높아지게 되면 토양 내 미생물의 분해 활동이 활발 해져 토양호흡량이 증가하게 된다는 연구들과 일치하였다. 한편, 본 연구의 사문암 지역은 비사문암 지역에 비해 토양온 도와의 상관관계가 높음에도 불구하고 토양호흡량은 낮게 조사되었으며, 이는 사문암 토양의 경우 토양온도의 영향보 다는 토양 내 중금속의 함량에 의해 토양호흡에 차이가 나타 나는 것으로 판단되며, 지속적인 연구를 통하여 토양 내 중금 속 함량과 미생물 활성 간의 관계를 밝혀 나갈 필요가 있다.
4. 탄소저장량 및 흡수량
사문암 지역과 비사문암 지역에서 Lee(2003)의 상대생 장식을 사용하여 산정한 식생의 탄소저장량 및 연간 탄소흡 수량을 Table 4에 나타내었다.
사문암 지역의 수종별 탄소저장량은 소나무, 산초나무 순 으로 각각 91.60, 0.30 ton･ha-1로 나타났으며, 탄소흡수량 은 각각 7.95, 0.04 ton･ha-1･yr-1의 순으로 나타났다. 비사문 암 지역에서는 수종별 탄소저장량은 소나무, 굴참나무, 떡 갈나무, 붉나무, 졸참나무, 갈참나무, 산초나무, 노간주나무 의 순으로 각각 199.24, 19.42, 1.94, 1.07, 0.51, 0.48, 0.12, 0.07 ton･ha-1로 나타났으며, 탄소흡수량은 각각 12.79, 3.28, 0.66, 0.40, 0.15, 0.10, 0.02, 0.01 ton･ha-1･yr-1으로 나타났다. 따라서, 사문암 지역과 비사문암 지역의 총 탄소 저장량은 각각 91.90, 222.85 ton･ha-1로 나타났으며, 연간 탄소흡수량은 각각 7.99, 17.41 ton･ha-1･yr-1로 나타났다.
5. 탄소수지 비교
토양호흡량, 탄소저장량 및 연간 탄소흡수량을 종합하여 사문암 지역과 비사문암 지역의 탄소수지를 도식화하여 Figure 6에 나타내었다. 사문암 지역과 비사문암 지역에서 식생에 의해 저장되는 탄소량은 각각 91.90, 222.85 ton C･ ha-1로, 연간 탄소흡수량은 각각 7.99. 17.41 ton C･ha-1･yr-1 이었다. 연간 토양호흡으로 인해 방출되는 탄소량은 각각 4.96, 5.40 ton C･ha-1･yr-1이었으며, 뿌리 호흡으로 인해 방 출되는 탄소량은 각각 2.28, 2.48 ton C･ha-1･yr-1, 미생물 호흡으로 인해 방출되는 탄소량은 각각 2.68, 2.92 ton C･ ha-1･yr-1로 산정되었다. 순생태계생산량(NEP)은 탄소흡수 량에서 미생물호흡량을 뺀 값으로서 사문암과 비사문암 지 역의 순생태계생산량(NEP)은 각각 5.3, 14.49 ton C･ha-1로 산정되었다. 따라서, 사문암 지역은 연간 5.3 ton C･ha-1, 비사문암 지역은 연간 14.49 ton C･ha-1를 흡수하는 것으로 나타났다.
사문암과 비사문암 지역의 탄소흡수량의 차이는 식생의 임목 밀도 등에 의한 것으로 판단되며, 이는 조사 지소별 순생태계생산량(NEP)의 차이는 산림 식생을 구성하는 우 점종, 수령, 임목 밀도 등의 생물학적 요인과 기온, 강우 등의 환경요인 등의 차이에 기인한다는 연구결과와 일치하 는 것으로 판단된다(Lee, 2014). 또한, 사문암 지역과 비사 문암 지역의 토양호흡량의 차이는 토양 및 낙엽층의 높은 중금속 함량에 의한 것으로 판단된다. 토양호흡은 토양 내 의 종속영양 미생물과 토양 동물에 의한 낙엽, 낙지, 뿌리 등의 식물 사체인 리타와 토양 속의 유기물의 분해과정을 통해 발생하는 미생물 호흡과 생장하는 뿌리 자체의 유기호 흡과 뿌리에 공생하는 균근 미생물의 호흡의 합인 뿌리 호 흡으로 구성되어 있다(Gough and Siler, 2004;Jassal and Black, 2006). 이중 미생물 호흡의 경우 낙엽의 분해율 및 종류와 유의한 상관관계를 나타내며, 낙엽의 부식질은 토양 표면에서 발생하는 미생물 호흡의 중요한 요인으로 작용한 다(Witkamp, 1996;Fang et al., 1998). 토양의 중금속 함량 이 낙엽분해에 미치는 영향을 분석하기 위한 microcosm 내 토양 중금속 함량 조절, 자연 입지에서 중금속 함량 조절 한 토양에서의 낙엽분해 실험을 통하여 낙엽의 분해는 토양 의 중금속 함량에 의해 제한되며, 낙엽에 축적된 중금속은 낙엽분해 후기로 갈수록 리그닌과 같은 난분해성 유기물을 분해하는 미생물 작용을 억제하여 분해율이 낮아진다고 보 고된 연구결과(Kim, 2007)와 같이 사문암 지역과 비사문암 지역의 토양호흡량의 차이는 토양 내 중금속 함량의 차이에 의한 것으로 판단되며, 지속적인 연구를 통하여 토양 내 중 금속 함량과 미생물 활성 간의 관계를 밝혀 나갈 필요가 있다.
