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• 서 론
• 연구방법
• 1. 수목굴취 및 생체량 측정
• 1) 수종 및 굴취수목 선정
• 2) 현장굴취 및 생중량 측정
• 3) 표본채취 및 건중량 산정
• 2. 탄소저장량 회귀모델 개발
• 3. 탄소흡수량 회귀모델 개발
• 결과 및 고찰
• 1. 수목 생체량 및 생장기반
• 2. 탄소저장량 산정 회귀모델
• 3. 탄소흡수량 산정 회귀모델

서 론

현 세대가 당면한 가장 큰 환경 이슈 중 하나는 기후변화관련 온실가스 배출의 감축이다. 세계 국가는 2012년 이후의 온실가스 감축방안을 논의 중이고, 금세기말 지구온도 상승을 2℃ 이내로 억제하는 글로벌 장기목표를 실현하기 위해 2020년 감축목표를 수립하고 있다(www.greengrowth.go.kr). 국내 역시, 2020년에 온실가스 감축목표를 배출전망치(business as usual: BAU) 대비 30% 감축 또는 2005년 대비 4% 감축하겠다는 목표를 설정한 바 있다(www.greengrowth.go.kr). 또한, 온실가스 배출권 할당 및 거래에 관한 법률(법률 제11419호) 제정을 통해 2015년부터 할당시스템과 연계된 배출거래제도를 시행할 예정에 있다. 기후변화에 대응하기 위한 탄소흡수원으로서 도시수목의 역할이 강조되고 있으며, 국내를 비롯한 국외의 중앙정부와 지방자치단체 수준의 탄소중립․상쇄 프로그램에서도 도시녹화를 주요 온실가스 감축활동의 하나로 다루고 있는 상황이다. 도시수목은 교토의정서(3.4조)에서 식생복구(revegetation) 활동으로 인정받으며, IPCC 2003 우수실행지침(Good Practice Guidance for Land Use, Land-Use Change and Forestry: GPG-LULUCF)과 국가 온실가스 인벤토리 작성을 위한 2006 IPCC 가이드라인(2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventory: 2006GL)에서 정주지(settlements) 범주로서 독립적으로 다뤄짐에 따라 그 중요성이 더욱 부각되고 있다(KFRI, 2010a). 

도시수목의 탄소저감에 관한 연구는 국외에서 다양하게 수행되어 왔으나(Jo, 1993; Nowak, 1994; McPherson, 1998; McPherson and Simpson, 2000; Nowak and Crane, 2002), 국외의 연구결과는 도시수목의 생장 환경 간 차이로 인해 국내에 직접적으로 적용하는데는 한계가 있다. 국내의 관련 연구는 소수에 불과하며 탄소저감 효과를 적외선가스분석기에 의한 CO₂ 교환율 측정을 통해 계량화하거나(Jo and Cho, 1998; Jo and Ahn, 2001), 재적측정에 의해 추정하는 간접적인 방법을 적용하였다(KFRI, 2010a). CO₂ 교환율 측정법의 경우는 단위엽면적당 CO₂ 교환율, 관련 환경인자, 비동화기관의 호흡량, 직경크기에 따른 엽면적 등 여러 변수들의 장기적인 측정과 복잡한 유도과정에서 발생하는 추정 오차가 클 수 있다. 재적식법은 산림수목에서 유도된 목재기본밀도, 생체량 확장계수, 지하부/지상부 비율 등 각종 계수를 대용하여 도시수목의 탄소저감을 추정한 한계가 있다. 즉, 도시수목은 인위적 관리, 수목간 경합 조건차이 등으로 인해 생장에 의한 생체량 축적 특성이 산림수목과 다르다(Jo and Cho, 1998; Jo, 1999).

탄소저장 및 흡수 산정의 오차를 줄일 수 있는 바람직한 방법 중의 하나는 직접수확이나, 식재수목의 벌목 및 근굴취 관련 난이성과 요구비용에 기인하여 직접수확법을 적용하여 탄소저장 및 흡수를 계량화한 국내 연구는 극히 드물며, 국외에서도 찾아보기 힘든 상황이다. 다만, Jo and Ahn(2012)이 도시 조경수로 흔히 식재되는 단풍나무, 느티나무, 왕벚나무, 은행나무 등 일부 수종을 대상으로 직접수확법을 이용하여 탄소저감 효과를 연구한 바 있으나, 도시의 상록 조경수를 대상으로 직접수확법을 적용한 연구는 부재하는 상황이다. 따라서, 본 연구의 목적은 도시의 주요상록 조경수종인 소나무(Pinus densiflora)와 잣나무(Pinus koraiensis)를 대상으로 직접수확법에 의해 개체당 탄소저장량 및 연간 흡수량을 산정하고, 수종별로 탄소저장과 연간 탄소흡수를 용이하게 추정하는 계량모델을 개발하여 탄소저감 효과를 계량화하는 실용적 정보를 구축하는 것이다. 본 논문에서 탄소저장량은 수목이 생장하면서 여러 해에 걸쳐 축적한 총량을, 탄소흡수량은 수목이 한 해 동안 흡수한 양을 각각 의미한다. 

연구방법

1. 수목굴취 및 생체량 측정

1) 수종 및 굴취수목 선정

국내 도시수목의 탄소저장 및 흡수(Jo, 1999; Jo and Ahn, 2001; Park and Kang, 2010), 도시의 녹지구조나 조경수식재분포(Bang and Lee, 1995; Jo et al., 1998a; 1998b), 가로수 현황(http://www.forest.go.kr) 등 관련 선행연구 및 문헌을 검토하여, 중부지방에 조경수로 흔히 식재되는 주요향토 상록수인 소나무와 잣나무를 연구대상 수종으로 선정하였다. 중부지방에 분포하는 조경수 재배농장과 식재공간을 현장 답사하여, 연구목표에 부합하는 개방 생장한 수목으로서 소나무 10개체, 잣나무 11개체 총 21개체를 구입하였다. 즉, 수종별로 유목에서 성목에 이르는 일정간격의 흉고직경 크기를 고려하고, 해당 수종 고유의 수형을 유지하면서 수관 등이 정상적으로 생장한 개체를 굴취수목으로 선정하였다. 굴취수목의 결정은 수목개체 구입이나 측정과정에서 소요되는 비용 및 시간과 표본개체수의 충분한 확보라는 대립적 양 측면을 가감 조정한 것이다. 

2) 현장굴취 및 생중량 측정

구입한 수목은 낙엽 전인 8월 하순~9월 중순에 현장에서 직접 굴취하여 줄기, 가지, 잎, 뿌리로 구분한 부위별 생중량을 실측하였다(Figure 1 참조). 굴취 시 흉고직경, 수관폭, 수고 등 각 개체의 크기를 측정하고, 수종별 3개소씩 생장공간의 토양을 채취하여 KIAST(2000)의 토양분석방법에 따라 토양의 물리화학적 특성을 분석하였다. 현장굴취 및 생중량 측정은 KFRI(2007)의 바이오매스 조사⋅분석 표준방법을 부분적으로 참조해 수행하였으며, 그 세부과정은 Table 1과 같다. 

Figure 1. Growing conditions and harvesting of study tree specimens

Table 1. Methods of digging and fresh weight measurement for study trees

3) 표본채취 및 건중량 산정

생중량 대비 건중량(이하 생체량으로 명명)을 산정하기 위하여 뿌리, 줄기, 가지, 잎 등 부위별로 생체량 환산용 표본을 채취하고, 현장에서 10g 단위까지 생중량을 측정하였다. 즉, 줄기는 2m 간격으로 두께 5~10㎝의 원판을, 뿌리는 그루터기와 타 부위로 구분해 각각 1~7㎏을, 가지는 해당 수목의 굵은 가지, 중간 가지 및 가는 가지의 구성비를 고려해 이들을 골고루 섞어 1~4㎏을, 그리고 잎은 약 1㎏을 채취하였다. 또한, 지상 1.2m의 흉고부위에서 직경생장 분석용 줄기 원판을 채취하고, 즉시 이중 비닐백에 넣어 실험실로 운반하였다. 

생체량 환산용 표본은 부패 방지를 위해 1차적으로 65℃대형 건조기에서 약 2주간 건조하였다. 1차 건조한 표본은 85℃ 건조기에서 무게가 더 이상 감소되지 않는 항량이 될때까지 완전히 건조시킨 후, 3㎏용 전자저울로 0.01g 단위까지 생체량을 측정하였다. 부위별 표본의 생중량 대비 생체량의 비를 도출하고, 이를 해당 개체의 생중량에 적용하여 단목의 부위별 및 전체 생체량을 산출하였다. 

2. 탄소저장량 회귀모델 개발

생체량 산정결과에 근거하여 수종별 생장에 따른 단목의 탄소저장량을 용이하게 추정하는 회귀모델을 유도하였다. 즉, 수목의 목질부 및 잎의 평균 탄소함량은 생체량의 약 50%이므로(Ovington, 1956; Reichle et al., 1973; Pingrey, 1976; Ajtay et al., 1979; Chow and Rolfe, 1989; Song et al., 1997), 생체량에 0.5를 곱하여 탄소저장량으로 전환하였다. 그리고, 흉고직경, 수고 등을 독립변수로 반복적인 선형 및 비선형 접근을 시도하여, 탄소저장량을 산정하는 가장 적합한 회귀식과 변수를 최종 도출하였다. 

3. 탄소흡수량 회귀모델 개발

지상 1.2m의 흉고 부위에서 채취한 줄기 원판을 대상으로 수령과 연간 직경생장률을 분석하였다. 직경생장률은 각원판의 4개 직각방향에서 분석한 생장률을 평균하여 산출하였다. 직경생장률을 바탕으로 연간 증가된 생체량을 구하고 이를 탄소량으로 전환하여 각 개체의 탄소흡수량을 산정하였다. 즉, 연간 직경생장률을 이용하여 전년도의 직경을 구하고, 이 직경변수를 생체량방정식에 대입하여 전년도의 생체량을 산출하였다. 현년도의 생체량에서 전년도의 생체량을 제감하여 생체량의 연간 증가량을 산정하였다. 잎은 일부 낙엽과 분해를 통하여 해마다 탄소를 대기에 환원하므로, 3년간의 엽수명을 가정하여(Rowntree and Nowak, 1991; Dirr, 2009) 25% 엽량을 연간 증가된 생체량에서 제감하였다. 연간 증가된 생체량에 탄소함량비 0.5를 곱하여 탄소흡수량으로 전환하였다. 이상의 계량분석 결과에 근거하여 흉고직경, 수고 등을 독립변수로 반복적인 선형 및 비선형 접근을 시도하여, 수종별 생장에 따른 단목의 탄소흡수량을 추정하는 가장 적합한 회귀식과 변수를 도출하였다.

결과 및 고찰

1. 수목 생체량 및 생장기반

연구대상의 소나무와 잣나무는 각각 양양과 화천 등에 분포하였고, 가로변이나 조경수 농장 가장자리에서 독립목형태로 넉넉한 수관 생장 공간을 확보해 개방 생장하는 것들이었다. 수종별 흉고직경은 소나무 5.3~24.6㎝, 잣나무 5.3~30.9㎝ 등의 범위이었고, 수령은 최소 6~최대 51년생이었다. 흉고직경 생장률은 소나무 0.86㎝/년, 잣나무 0.93 ㎝/년이었다(Table 2). 국내 산림지 소나무와 잣나무의 연간 흉고직경 생장률은 각각 0.48㎝/년 및 0.60㎝/년으로서(Chung, 1985; Park, 1987; Jo, 1999) 연구대상 수종의 직경생장률은 산림지 동일 수종의 경우보다 1.6~1.8배 큰 것으로 분석된다. 

Table 2. Size and diameter growth of study trees by species

수목의 생장기반인 토양의 물리화학적 특성은 Table 3과 같다. 토성은 수종에 따라 양질사토 또는 사양토이었다. 화학성은 각각 pH 4.8~5.4, 유기물 0.8~2.6%, 전질소 0.04~0.11%, 유효인산 23.7~153.1㎎/㎏, 치환성 K⁺ 0.22~0.27c ㏖⁺/㎏, 양이온치환능 4.8~9.5c㏖⁺/㎏ 등이었다. 

Table 3. Physical and chemical characteristics of growth soils for study species^*

KILA(2013)의 조경설계기준에서 제시하는 토양의 항목별 평가등급에 준하면, 소나무의 경우 유효인산이, 잣나무의 경우는 전질소 및 양이온치환능이 각각 중급에 해당하였으며, 이들을 제외한 대부분의 항목은 하급에 해당하였다. 

단목의 전체 생체량은 흉고직경에 따라 소나무 6~281㎏/주, 잣나무 4~507㎏/주 등의 범위이었다(Figure 2). 소나무의 부위별 생체량 점유비는 가지가 33.8%로서 가장 많았고, 다음으로 줄기 31.2%, 뿌리 18.8%, 잎 17.3% 등의 순이었다. 잣나무의 경우는 줄기 43.7%, 가지 24.4%, 뿌리 20.3%, 잎 12.6% 등의 순으로 나타났다. 

Figure 2. Changes in biomass by DBH growth of study trees by species

수종별 굴취수목의 생체량 확장계수와 지하부/지상부 비율은 Table 4와 같다. 줄기 대비 지상부(줄기, 가지, 잎 등)의 생체량 확장계수는 소나무 2.86, 잣나무 1.91이었다. 국내의 도시수목에 대한 관련 연구는 전무하여 직접적 비교는 불가하나, 산림수목의 경우는 소나무 1.40, 잣나무 1.85 등이었다(KFRI, 2010b). 즉, 도시수목의 생체량 확장계수는 산림수목보다 더욱 높은 것으로 분석되는데, 이는 산림수목과 달리 개방 생장하는 환경조건에 따른 경합 차이, 관리에 따른 생장기반 개선 등에 기인하는 것으로 판단된다. 지하부/지상부 비율은 소나무 0.22, 잣나무 0.26 등이었으며, 산림수목의 소나무 0.25, 잣나무 0.26과 유사한 수준이었다(KFRI, 2010b). 

Table 4. Biomass expansion factor (BEF) and ratio of below ground/above ground biomass (B/A) for study species

2. 탄소저장량 산정 회귀모델

굴취수목의 직경생장에 따른 탄소저장량 변화는 Figure 3과 같으며, Table 5는 최종 도출한 수종별 단목의 탄소저장량 산정 회귀모델을 나타낸다. 수종별 회귀식은 모두 F 검정 결과 통계적으로 유의하였고(p<0.0001), r²는 최소 0.98 이상으로서 적합도가 상당히 높았다. Y 절편 및 흉고 직경의 회귀계수도 t 검정 결과 모두 1% 수준에서 유의성을 보였다. 한편, 독립변수로서 흉고직경 뿐만 아니라 수고, 수관폭 등을 포함하는 회귀식을 유도한 결과, 유의한 F값과 양호한 설명력을 보였으나, 수고나 수관폭의 회귀계수가 5% 수준에서 유의하지 않은 것으로 나타났다. 탄소저장량을 산정하는 독립변수로서 흉고직경 외에 수고를 포함시킬 수도 있으나, 현장조사 시 수고의 정확한 측정이 어렵기 때문에 흉고직경 만을 이용한 회귀식보다 오히려 추정오차가클 수도 있다(Whittaker and Marks, 1975; Park and Lee, 1990). Park and Kim(1989)은 산림지에서 흉고직경과 수고를 독립변수로 하는 회귀식이 흉고직경 만을 독립변수로하는 회귀식에 비해 적합도가 다소 높았으나 큰 차이를 보이지 않는다고 보고한 바 있다. 이와 같이, 단목의 탄소저장량은 흉고직경 만을 독립변수로 적용하여 산정하는 것이 활용의 용이성 및 실용성이 더욱 높을 것으로 판단된다.

Figure 3. Changes in carbon storage per tree by DBH growth of study species

Table 5. Regression model to estimate carbon storage per tree of study species

Table 6은 상기 도출한 회귀모델을 적용하여 산정한 수종 및 직경별 탄소저장량을 보여준다. 수목 1주당 탄소저장량은 직경생장과 더불어 증가하며, 직경급간 그 차이는 직경이 커질수록 더욱 현저하였다. 흉고직경 15㎝ 이하의 동일 직경에선 소나무의 탄소저장량이 잣나무보다 더 많았으나, 20㎝ 이상의 직경에서는 잣나무의 탄소저장량이 소나무보다 더 많은 경향이었다. 흉고직경 10㎝ 이상의 경우, 대상 수종 모두 직경이 5㎝ 증가할 때마다 탄소저장량은 최소 1.7배 증가하는 것으로 나타났다. Lee and Park(1987) 은 잣나무를, Park and Lee(1990)는 소나무를, 그리고 Jo(1999)는 소나무와 잣나무를 대상으로 산림수목의 생체량방정식을 유도한 바 있다. Jo and Ahn(2000)은 산림지침엽수의 생체량방정식을 활용하여 탄소저장량을 추정할 수 있는 회귀식을 제시한 바 있다. 본 연구에서 도출한 수종별 탄소저장량은 산림수목의 탄소저장량과 적지 않은 차이를 나타냈다. 즉, 본 도시수목의 탄소저장량은 흉고직경 25㎝ 기준 산림수목의 탄소저장량보다 소나무 약 1.4배, 잣나무 1.3배 각각 많은 것으로 분석되었다. 휘발유 10L의 소비는 약 5.7㎏의 탄소를 대기에 배출하는데(http://co2.kemco.or.kr) 흉고직경 25㎝인 소나무와 잣나무는 각각 203L 및 228L의 휘발유 소비로부터 배출되는 탄소량을 저장하고 있는 셈이다.

Table 6. Comparison of carbon storage from different methods for study species (㎏/tree)

3. 탄소흡수량 산정 회귀모델

Figure 4와 Table 7은 수종별 단목의 직경생장에 따른 탄소흡수량 변화와 최종 도출한 탄소흡수량 산정 회귀모델을 나타낸다. 회귀식은 모두 F 검정 결과 통계적으로 유의하였고(p<0.0001), r²는 최소 0.98 이상으로서 적합도가 상당히 높았다. Y 절편 및 흉고직경의 회귀계수도 t 검정 결과 모두 1% 수준에서 유의성을 보였다. 한편, 탄소저장량의 경우처럼 독립변수로서 흉고직경 뿐만 아니라 수고, 수관폭 등을 포함하는 다중회귀모델을 유도하였으나, 수고나 수관폭의 회귀계수가 5% 수준에서 유의하지 않은 것으로 나타났다. 단목의 탄소흡수량 역시 흉고직경 만을 독립변수로 적용하여 산정하는 것이 활용의 용이성 및 실용성이 더욱 높을 것으로 판단된다.

Figure 4. Changes in carbon uptake per tree by DBH growth of study species

Table 7. Regression model to estimate carbon uptake per tree of study species

Table 8은 상기의 도출한 회귀모델을 적용하여 산정한 수종 및 직경별 연간 탄소흡수량을 보여준다. 수목 1주당 탄소흡수량은 제시한 직경범위 내에서 탄소저장량의 경우와 유사하게 직경생장과 더불어 증가하였고, 직경급 간 흡수량의 차이도 직경이 커질수록 증가하는 경향이었다. 흉고직경 10㎝ 이하의 동일 직경에선 소나무의 탄소흡수량이 잣나무보다 약 1.2~2.0배 더 많았으나, 15㎝ 이상의 직경에서는 잣나무의 탄소흡수량이 약 1.1~1.6배 더 많은 것으로 나타났다. 

Table 8. Comparison of carbon uptake from different methods for study species (㎏/tree/yr)

Jo and Ahn(2001)은 도심지의 소나무와 잣나무를 대상으로, 적외선가스분석기에 의한 CO₂ 교환율 측정법을 통해 연간 탄소흡수량을 추정하는 방정식을 유도한 바 있다. 본 연구의 직접수확법에 의한 소나무와 잣나무의 탄소흡수량은 CO₂ 교환율 측정법의 경우에 비해 약간 적은 경향이었고, 흉고직경 25㎝ 이상의 잣나무는 그 반대인 것으로 나타났다. 한편, 국내 중부지방의 산림지 소나무와 잣나무의 직경생장률(Chung, 1985; Park, 1987; Jo, 1999) 및 생체량방정식(Lee and Park, 1987; Park and Lee, 1990; Jo, 1999)을 활용한 산정치와는 적지 않은 차이를 나타냈다. 예를 들면, 흉고직경 25㎝ 기준 도시수목의 탄소흡수량은 산림수목에 비해 소나무 약 1.3배, 잣나무 2.4배 더 많았다. 이와 같이, 본 도시수목의 탄소흡수량은 탄소저장량과 유사하게 산림수목보다 더 많은 것으로 분석되었다. 최근 Jo and Ahn(2012)은 직접수확법을 통해 단풍나무, 느티나무, 왕벚나무, 은행나무 등 도시 낙엽성 조경수종의 탄소흡수량을 추정한 바 있다. 본 잣나무의 탄소흡수량은 흉고직경 10㎝ 이하일 경우 이들 낙엽성 조경수종보다 적었으나, 15㎝ 이상의 직경에서는 유사해지거나 약간 더 많은 경향이었다. 흉고직경 25㎝인 소나무와 잣나무는 해마다 각각 17L 및 26L의 휘발유 소비로부터 배출되는 탄소량을 상쇄하는 탄소흡수원 역할을 담당하였다.

본 연구는 도시의 주요 상록 조경수종인 소나무와 잣나무를 대상으로, 국내 최초로 근굴취를 포함하는 직접수확법을 통해 탄소저장 및 흡수를 용이하게 추정하는 회귀모델을 도출하고, 도시녹지의 탄소저감 계량화에 필요한 기반정보를 구축하였다. 본 연구결과는 정부나 지자체의 도시녹지 사업과 관련하여 조경수목의 탄소저감을 평가하는 공공기반기술로서 유용하게 활용될 수 있다. 또한, 도시수목의 직접 벌목과 근굴취의 난이성에 기인하여 산림수목의 생체량 확장계수, 지하부/지상부 비율, 직경생장 등을 대용한 기존 연구의 한계점을 극복하는 중요한 기반정보가 될 것으로 기대한다. 향후, 연구대상 수목의 다양한 식재환경과 굴취 표본수의 확충을 통해 본 연구결과를 비교 검증하고 일반화할 추가 연구가 요구된다.