• 서 론
• 연구방법
• 1. 조사지소의 특성
• 2. 토양시료의 채취와 분석
• 3. 토양의 생물학적 활성 측정
• 결과 및 고찰
• 1. 토양의 이화학적 특성
• 2. 토양 호흡 및 미생물량
• 3. 토양의 효소 활성

서 론

삼림생태계에서 산불이나 숲틈의 형성, 그리고 인간 및 동물 등에 의한 교란은 생태계의 구조와 기능을 변화시키는 주요한 요인이다(Oh et al., 2001; Lee et al, 2009; Ritter, 2007; Tierney and Cushman, 2006). 교란은 일반적으로 생태계 내에서 시공간적 이질성을 증가시키고 종 다양성을 유지하는데 필수적인 요소로 작용한다고 알려져 왔다 (Tierney and Cushman, 2006). 실제 식물 군집 내에서 빛 조건과 토양 조건들 그리고 미소지형 등과 같은 환경 요인들은 공간적으로 매우 복잡하게 분포하며, 그러한 공간적 이질성은 식물군집 구성의 주요한 성분이다(Robertson et al., 1988; Tragmar et al., 1987; Koch and Matzner, 1993). 

 멧돼지(Sus scrofa coreanus Heude)는 우제목 멧돼지과에 속하는 종으로서 야생에서 가장 흔한 대형 포유류 중의 하나이다. 그의 식성은 잡식성으로 식물의 열매나 뿌리, 토양 속의 소동물 등 다양한 먹이를 먹지만 여러 먹이원 중에서 특히 참나무류의 열매인 도토리와 식물의 뿌리 등을 좋아한다고 알려져 있다(Pinna et al., 2007). 더구나 특정 선호식물을 직접 캐 먹거나 토양 소동물들을 잡아먹기 위해 임상을 파헤치는 교란으로 흙더미와 구덩이의 미지형의 변화를 생성하고, 하층식생을 파괴하고 지표 15~70cm의 토양과 낙엽을 섞어주는 결과를 초래한다(Ineson, 1977; Genov, 1981; Kotanen, 1995; Pinna et al., 2007).

 삼림생태계에서 임상토양과 식생의 교란을 유발하는 척추동물의 대표적인 것은 멧돼지이다. 멧돼지는 직간접적으로 토양의 무생물적 성질뿐만 아니라 생물적 특징을 변화시킬 수 있는데(Tardiff and Stanford, 1998; Van der Wal et al., 2007) 다량의 먹이 섭취로 식물 조직의 양분 함량, 식물군집의 조성과 생산성 등 식물 특성의 변화를 유도할 수 있고, 간접적으로 토양에 유입되는 유기물의 질과 양을 변화시켜 토양의 물리, 화학, 생물학적 특성을 변화시킬 수 있다(Bardgett and Wardle, 2003; Jefferies et al., 1994; Risch et al., 2010).

 멧돼지의 교란에 대한 연구는 국외에서 주로 연구되어 왔으며, Bratton(1975)과 Singer et al.(1984)은 멧돼지의 교란은 토양의 침식을 가속화시키고, 토양의 pH와 분해과정에 영향을 미치고 이런 이유로 토양의 양분 함량에 영향을 미친다고 하였고, Moody and Jones(2000)는 캘리포니아의 산타크루즈 섬에서 연구된 멧돼지의 교란과 미소입지요인과의 관계를 분석한 결과, 토양의 pH와 토양수분함량, 질산염, 탄소량은 멧돼지의 교란보다 수목의 중심으로부터의 거리가 더 밀접한 관련이 있음을 확인하였다. Risch et al.(2010)은 멧돼지의 파헤치는 교란에 의해 토양에서 발생하는 CO₂의 양이 교란을 받지 않은 토양에 비해 평균 23.1% 증가한다고 보고하였다.

본 연구는 우리나라의 전형적인 온대낙엽활열수림인 점봉산 환경부 장기생태연구지소에서 멧돼지가 파헤쳐 교란된 임상의 토양에서 미생물 호흡량과 토양효소활성을 측정하고, 미생물량(microbial biomass)을 측정하여 멧돼지의 임상에 대한 교란이 임상토양의 생물학적 활성에 미치는 영향을 연구하였다. 

연구방법

1. 조사지소의 특성

 강원도 인제군 기린면 점봉산 환경부 장기생태연구지소 일대에서 멧돼지가 임상토양을 교란시킨 실험구와 인근의 교란을 받지 않은 대조구를 선정하였다. 점봉산은 행정구역상 강원도 인제군의 기린면과 양양군 서면의 경계선에 걸쳐 있으며, 실험이 진행된 곳은 표고 900~950m의 점봉산 능선에 위치하고 있으며 자세한 위치는 Figure 1과 같다 (N38°02'17", E128°27'40"). 본 지역은 고지대의 전형적인 신갈나무 성숙림으로서 교목층에는 흉고 직경 40~60cm인 신갈나무와 피나무가 우점하고 주요 출현종으로는 신갈나무, 피나무, 까치박달, 벚나무 등이 있다. 아교목층의 출현종으로는 교목층과 마찬가지로 신갈나무, 피나무가 주로 출현하며, 관목층에는 국수나무, 노린재나무, 당단풍, 팥배나무, 물푸레나무 등, 초본층에는 얼레지, 단풍취, 벌깨덩굴, 오리방풀, 대사초, 우산나물, 곰취, 산딸기 등이 출현하였다. Lyang and Lee(2010)에 의하면 점봉산 신갈나무 군집에서 1년 동안 멧돼지에 의해 교란된 임상 토양은 전체 조사 면적 의 35.7%에 달하고, 1회 5~100m² 로 이루어진다고 보고되었다.

Figure 1. Map showing the study site in Mt. Jeombong, Korea

2. 토양시료의 채취와 분석

 조사구는 2011년 7월 21일부터 8월 6일 사이에 멧돼지에 의해 교란이 발생한 면적 20m² 이상의 지역을 선별하였고, 인근의 비슷한 입지의 교란을 받지 않은 지역을 대조구로 선정하였다. 교란은 멧돼지가 토양 속의 먹이를 찾기 위해 파헤치는 형태로 이루어졌고, 교란의 깊이는 대부분 10~20cm 범위이다. 멧돼지에 의해 생성된 교란지형은 구덩이 바닥(pit)과 흙더미(mound), 2종류로 구분하여 대조구와 함께 표토(0~10cm)를 채취하였다. 토양의 채취는 토양채취기(Eijkelkamp, 01.02.02.07.B)와 직경 5cm, 부피 98ml의 정량 토양 시료 채취기를 사용하여 3반복하여 채취하였다.

 토양 유기물 함량은 풍건시켜 2mm 체로 친 시료토양을 550℃에서 4시간 작열시킨 후 건조 토양무게에 대한 작열소실량을 백분율로 나타내었고, 토양의 용적밀도(bulk density)는 정량 토양 시료를 건조하여 토양의 무게와 정량시료 채취기의 부피를 이용하여 측정하였다.

3. 토양의 생물학적 활성 측정

 토양호흡의 측정은 채취한 정량 토양 시료를 1L 용량의 유리병에 넣고 CO₂-free 가스로 세척 한 후 밀폐하여 2시간동안 23℃에서 배양 하였고, 발생한 CO₂를 적외선가스분석기(LI-840; LI-COR)로 정량하였다. CO₂의 발생량은 ㎕ CO₂ g^-1 h^-1으로 표현하였다.

미생물량 C의 측정은 Substrate-induced respiration(SIR) 방법을 사용하였다(Anderson and Domsch, 1978). 채취한 신선한 토양(10g)에 6mg/g의 비율이 되도록 글루코스 용액을 첨가한 후, 2시간동안 23℃에서 배양하였다. 배양 종료시에 용기 안의 가스를 채취하여 적외선가스분석기(LI-840;LI-COR)로 CO₂의 양을 측정하였고, 이 호흡량을 미생물량 C로 환산하기 위하여 아래 식(Anderson and Domsch, 1978)을 사용하였다. 
C mic [㎍ Cg^-1 dry soil ] = 40.04 SIRrate [㎕ CO₂ - Cg^-1 soil h^-1] + 0.37

C_mic: Microbial biomass C, SIR rate: SIR 방법에 의한 호흡량  

토양의 페놀산화효소(phenol oxidase)와 peroxidase의 활성을 Sinsabaugh et al.(1995)의 방법에 준하여 실시하였다. 페놀산화효소의 활성은 채취한 신선한 토양을 pH 5의 50 mM 아세테이트 버퍼에 넣어 교반 후 상등액을 만들었다. 페놀산화효소는 기질로서 5 mM의 L-3,4-dihydroxyphenylalanine 용액을, peroxidase는 0.3%의 과산화수소를 각각 사용하였다. 20℃에서 1시간 반응시킨 후, 460 nm에서 흡광도를 측정하였다. Cellulase의 활성은 carboxymethyl sodium salt를 기질로 사용하였고, invertase는 수크로스를 기질로하여 아세테이트 버퍼를 첨가하고 50℃에서 반응시킨 후 효소에 의해서 분리되는 글루코스를 690 nm에서 측정하였다(Schinner et al., 1996). 질산환원효소(nitrate reductase)의 활성은 potassium nitrate를 기질로 하여 ammonium chloride buffer를 첨가하고 25℃에서 반응시킨 후 효소에 의해서 환원된 NO₂ ^- 의 양을 520 nm에서 측정하였다. 

실험 결과의 통계처리는 PASW ver. 18.0 한글판(SPSS Inc.)을 이용하여, 선형회귀분석과 ANOVA 분석을 하였으며, 유의수준은 5%로 검정하였다. 

결과 및 고찰

1. 토양의 이화학적 특성

 멧돼지의 임상교란에 의한 토양의 물리화학적 특성변화는 다양하게 나타났다. 토양의 용적밀도는 대조구 토양에서 0.606 g/cm³ 이었지만 구덩이 바닥은 0.821 g/cm³, 흙더미가 0.588 g/cm³로 측정되었지만 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았다(Table 1). Singer et al.(1984)은 멧돼지의 임상 토양을 파헤치는 교란이 파헤쳐진 흙더미에서 토양의 부피를 늘리고 토양과 낙엽을 섞어 줌으로써 용적밀도를 감소시킨다는 연구결과를 발표하였지만 본 연구의 결과는 그 차이를 증명하지 못했다.

Table 1. Physicochemical properties of soil at each micro-topographic site after disturbed by wild boars(mean±standard deviation)

토양 유기물 함량은 대조구 토양에서는 20.2%, 구덩이 바닥에서 15.53%, 흙더미에서는 16.91%를 나타내었고 집단간 유의한 차이는 나타나지 않았다. 이 결과는 Groot Bruinderink and Hazebroek(1996)와 Mohr et al.(2005)이 발표한 멧돼지의 교란이 토양의 유기물 함량에 영향을 주지않는다는 결과와 일치하였다. 멧돼지의 교란이 토양의 탄소에 미치는 영향에 대해서는 여러 연구가 존재하는데, 그 연구결과 증가시키거나(Singer et al. 1984), 영향을 미치지 못하거나(Groot Bruinderink and Hazebroek, 1996; Moody and Jones, 2000; Cushman et al., 2004; Mohr et al., 2005; Tierney and Cushman, 2006), 감소시키는(Mohr and Topp, 2001) 다양한 값이 나타났다.

이러한 임상 토양의 멧되지에 의한 교란은 다양하고 이질적인 토양미세지형을 형성해 줌으로서 토양의 생물적활성에도 다양한 영향을 미칠 것으로 생각된다. 

2. 토양 호흡 및 미생물량

 토양 호흡은 토양 중 호기성 생물의 총체적인 활성지표가 되며(Ryan and Law, 2005), 토양의 물리화학적 변화에 따라 그 차이도 달라질 수 있다. 멧돼지에 의하여 교란된 토양에서의 토양호흡의 측정결과 대조구 토양에서 52.4 ㎕ CO₂ g^-1 h^-1을 보였고, 멧돼지가 파놓은 구덩이 바닥 토양과 흙더미에서는 각각 22.4㎕ CO₂ g^-1 h^-1와 10.6 ㎕ CO g^-1 h^-1을 나타내어 교란된 토양에서 감소하는 경향이 나타났지만 대조구와 구덩이 바닥 토양의 차이만 유의성이 인정되었다(Figure 2). 미생물량 C의 경우도 토양의 호흡량과 같이 대조구 토양에서 가장 큰 값을 보였고 멧돼지에 의하여 교란된 임상토양에서는 낮아지는 모습을 보였지만 대조구와 구덩이 바닥 토양의 차이만 유의성이 인정되었다(Figure 2).

Figure 2. Comparison of (A) soil CO₂ evolution and (B) microbial biomass after disturbed by wild boars. Vertical bars indicate standard deviation. Within a row values not sharing superscripts(a and b) differ significantly(P < 0.05; n=3). Control, non-disturbed site; pit, surface soil removed site; mound, piled soil by digging activities of wild boars

 Mohr et al.(2005)는 척추동물에 의한 교란은 토양의 양분함량을 감소시키고, 부생 무척추동물을 감소시켜 결과적으로 그에 연관된 미생물을 감소시킨다는 부정적인 효과에대해 보고한 바 있다. 또한 Risch et al.(2010)는 멧돼지의 임상을 파헤치는 교란은 농사의 밭을 가는 행위와 마찬가지로 토양에 낙엽을 혼합시켜 토양 내의 미생물이 사용할 수 있는 탄소의 함량을 증가시키기 때문에 높은 미생물량을 이끈다는 결과를 보고 하였다. 이러한 결과들로 볼 때 멧돼지에 의한 임상교란으로 인한 토양의 생물학적 변화는 교란후 경과 시간과 교란 주기가 주요한 요인으로 작용되는 것으로 볼 수 있다. 즉 교란의 경과 시간과 주기에 따라 토양내에 유입된 유기물의 분해 정도가 달라지고 그에 따라 미생물량과 미생물상에는 큰 변화가 있을 것으로 판단되기 때문이다. 본 실험의 결과에서도 토양의 유기물 함량은 CO₂의 발생과 미생물량 C에서 모두 양의 상관관계를 보인 바있다(Figure 3).

Figure 3. Relationships between soil organic matter content and (A) soil CO₂ evolution, (B) soil microbial biomass C after disturbed by wild boars

 또한 멧돼지에 의한 임상의 상층토양의 교란으로 생긴 흙더미 부분에서는 토양유기물이 빗물에 의해 쉽게 유실되거나(Mohr et al., 2005), 감소한 용적밀도에 따라 공기의 공급이 촉진되어 당류와 같은 유기물이 신속히 분해 될 수 있고, 통기성의 증가와 보수성의 감소로 토양의 수분함량을 감소시켜(Risch et al., 2010) 임상 식생이 보존되어 있는 대조구의 토양에서보다 미생물량과 토양 호흡량이 감소할 수 있는 원인으로 생각된다.

3. 토양의 효소 활성

토양 효소 활성은 토양의 물질 순환에 중요한 역할을 담당하고 있으며 토양 미생물의 활성을 알아보는 지표가 된다(Kumar Jha et al., 1992; Dick and Tabatabai, 1992; Dick, 1994). Cellulase와 invertase, 페놀산화효소와 peroxidase 는 탄소의 대사에 관여한 효소(Sinsabaugh et al., 1992; Sinsabaugh and Linkins, 1992; Schinner et al., 1996)로 유기물을 분해하여 생태계의 먹이사슬에 영양자원을 공급하는 역할을 한다(Rai and Srivastava, 1983; Eivazi and Tabatabai, 1988; Sinsabaugh et al.,1995). 

토양의 cellulase와 invertase의 활성은 대조구에서 가장 높은 값을 나타내었고, 구덩이 바닥토양에서 가장 낮은 값을 나타내었다(Figure 4). 두 토양 효소의 활성은 유기물 함량, 미생물량 C와 양의 상관관계를 나타내었다(Figure 5). 이러한 결과는 토양 효소의 활성이 토양 유기물 함량에 상당히 의존적이라는 연구결과들(Ladd and Butler, 1972; Dalal, 1975; Tabatabai, 1977; Speir 1977)과, 그리고 토양효소의 활성과 토양미생물량은 밀접한 관계를 가진다는 연구결과(Frankenberger and Dick, 1983)와 일치한다. 

Figure 4. Comparison of soil enzyme activities, (A) cellulase and (B) invertase activity, after disturbed by wild boars. Vertical bars indicate standard deviation. Within a row values not sharing superscripts(a and b) differ significantly(P < 0.05; n=3). Control, non-disturbed site; pit, surface soil removed site; mound, piled soil by digging activities of wild boars

Figure 5. Relationships between soil enzyme activities, (A) cellulase and (B) invertase activity, and microbial biomass after disturbed by wild boars

 토양 페놀산화효소와 peroxidase의 활성은 대조구와 교란된 토양에서 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않아 멧돼지에 의한 교란이 두 효소의 활성에 영향을 미치지 않았음을 확인하였다(Figure 6). 그러나 토양의 질산환원효소는 멧돼지에 의해 교란된 구덩이의 바닥 토양에서 가장 높은 활성을 보이고 대조구 토양에서는 낮은 활성을 보였으며 두 집단의 차이는 통계적으로 유의하였다(Figure 7).

Figure 6. Comparison of soil (A) phenol oxidase activity and (B) peroxidase activity at each micro-topographic site after disturbed by wild boars. Vertical bars indicate standard deviation. Within a row values not sharing superscripts(a and b) differ significantly(P < 0.05; n=3). Control, non-isturbed site; pit, surface soil removed site; mound, piled soil by digging activities of wild boars

Figure 7. Comparison of soil nitrate reductase activity after disturbed by wild boars. Vertical bars indicate standard deviation. Within a row values not sharing superscripts(a and b) differ significantly(P < 0.05; n=3). Control, non-disturbed site; pit, surface soil removed site; mound, piled soil by digging activities of wild boars

 토양의 질산환원효소는 탈질에 관련된 토양효소이다 (Knowles, 1982; Dendooven and Anderson, 1994). 탈질과정의 질산염 환원은 혐기적 조건에서 활발히 일어나는 과정(Smith and Tiedje, 1979)이기 때문에 토양의 질산환원효소의 활성은 토양의 공극이 적은 토양 즉 용적밀도가 큰 토양에서 높은 활성을 갖기 때문에 이들 사이에는 양의 상관관계를 나타내었다(Figure 8). 결국 토양 효소 활성은 멧돼지의 임상을 파헤치는 교란에 의해 효소의 종류에 따라 그 영향이 달리 나타난다. 토양의 cellulase를 비롯한 탄소와 관련된 효소의 활성은 낙엽의 형태로 토양내로 공급되는 유기물의 분해와 직접적으로 관련이 있으므로(Sinsabaugh et al., 1992; Sinsabaugh and Linkins, 1992) 멧돼지의 임상 토양 교란으로 달라지는 이들 효소의 활성은 전체 산림생태계에서의 탄소수지에 큰 영향을 줄 수 있고, 질산환원효소의 경우는 산림 생태계에서의 제한 요소로서 작용하는 총 질소 수지에 큰 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 기후변화에 따라 이들 탄소와 질소 동태의 변화, 즉 생태계의 기능 변화에도 큰 영향을 줄 수 있기 때문에 더 광범위하고 집중적인 연구가 필요하다.

Figure 8. The relationships between soil nitrate reduc tase activity and soil bulk density disturbed by wild boars