서 론

현재 산업화로 인한 도시개발의 확산으로 도시열섬현 상, 도시홍수, 지하수 고갈, 도시 내 녹지공간부족 등 환 경문제가 심각해지고 있다(Jang et al., 2010). 이와 같은 문제를 해결하기 위한 대안으로서 도시 내 녹화가 가능 한 불용공간을 옥상녹화로 활용하는 방안이 대두되고 있다. 옥상녹화는 도시녹지를 확대할 수 있다는 점과 건 축물의 난방비를 절감할 수 있다는 차원에서 주목받고 있으며(Saiz et al., 2006), 에너지 절약과, 빗물저류효과, 도시생태계 개선이나 미기후 조절 등의 이점이 있다(Ko and Lee, 2010).

최근 관리유지가 용이하고 적은 비용으로 넓은 면적 에 걸친 조성이 가능하며, 건물에 미치는 하중의 부담이 적은 저토심 저관리형 옥상녹화 시스템은 도시 내 옥상 녹화의 도입을 촉진시키게 될 것으로 예측되고 있다 (Emilsson and Rolf, 2005). 하지만, 옥상녹화의 식재지반 은 자연지반과 단절되어 있어 지하로부터 수분을 공급 받을 수 없을 뿐 아니라 강한 햇빛과 건조한 바람 등 열악한 조건을 가지고 있어 식물의 생육에는 한계가 있 다(Dunnett and Kingsbury, 2004). 이에 세덤류(Sedum)는 건조기간 중 다른 초화류보다 대략 2배 정도의 생존율을 보이고 있어(Bousselot et al., 2011), 일반적으로 옥상녹화 에 이용되는 주요 수종으로 제시된다(Erica et al., 2007). 하지만, 다양한 수종의 식재는 녹색기술을 적용하기 위 한 식물자원으로서의 가치(Tilman et al., 1997)와 바이오 매스(biomass)의 항상성을 높일 수 있다점을 주목해야 한 다(Cottingham et al., 2001). 특히, 옥상녹화에 적용할 수 있는 수종 중 자생식물은 기후적응, 환경내성, 생물종다 양성과 관련되어 이상적인 수종으로 선택되어지고 있다 (Erica et al., 2007). 이론상, 기후, 식생기반, 수분조건 등 이 적합하다면, 대부분의 식물이 옥상녹화로 적용될 수 있다고 볼 때(Erica et al, 2007), 저관리형 옥상녹화에서 식물의 지속적인 생육이 유지될 수 있도록 환경적 조건 을 탐색하는 것은 매우 중요한 일이다. 무엇보다도 옥상 의 환경압 중 식물의 생육에 가장 문제가 되는 것은 햇빛 과 바람에 의한 과다한 증산과 건조라고 볼 때, 빗물로 제한된 식생기반의 수분보유력을 높일 수 있는 토양개 량제가 요구된다. Kim과 Shim(2009)는 함수율이 급격히 낮아지면 토양수분이 감소하고, 그 결과 식물의 지면피 복율도 크게 감소하여 식물의 생육에 토양수분이 상당 히 중요한 역할을 한다고 하였다. 또한 건조기 동안 세덤 류 외에 다른 식물들의 생존을 위한 토양수분의 중요성 이 강조되고 있다(Bousselot et al., 2011).

Hydrophilic polymer란 초흡수성 고분자중합체라고 불 리며 물에 대한 친화력이 없는 소수성과 물에 대한 친화 력이 있는 친수성을 겸비한 백색분말상의 고분자 수지 이다. 자체 중량의 수백 배에서 수천 배 물을 매우 빠르 게 흡수하여 겔(gel)상으로 변화시킴과 동시에 압력을 가 해도 탈수하지 않는 강력한 보수력을 가지고 있다(Kim et al., 1998). 또한 흡수한 수분을 장기간에 걸쳐 보존 유지하는 기능을 가진다. Hydrophilic polymer는 화학공 업이 발달하면서 1970년대 초부터 식물에 이용되기 시 작하였으며, 토양의 보수력 증진효과가 규명되면서 토 양구조 안정 및 보수력 증진에 활용되고 있다(Wallace and Abouzamzam, 1986). 미국을 비롯한 북미지역에서는 토양개량제를 이용하여 상토의 구성 재료인 유기물질의 소수성을 극복하기 위해 많은 연구가 수행되어 왔다 (Wang and Gregg, 1990; Blom and Piott, 1992). 건조한 사질토의 수분보유력을 높임으로써 식물의 활착과 성장 을 촉진할 뿐 아니라(Taban, 2006; Zeineldin and Aldakheel, 2006), 생산량을 증가시키는 것으로 보고되었다(Ali, 2011; Silberbush et al., 1993). Hydrophilic polymer는 토양의 보수 력 증진효과와 토양의 물리성을 개선할 수 있으며, 혼합 처리수준이 높을수록 크게 나타났다고 보고되었다(Yoo et al., 1990). 또한 Hydrophilic polymer를 토양에 배합하는 비율이 높을수록 유효수분량이 증가하였으나 식물의 생 육은 0.3% 수준에서 가장 높아 무처리에 비하여 1.2∼1.8 배의 차이를 나타내었다(No et al., 1987). 또한, 잔디류의 경우 hydrophilic polymer의 혼합비율이 크리핑 벤트그래 스는 5% 이하 그리고 켄터키블루그래스와 들잔디는 5∼ 10% 사이가 적절하다고 하였다(Kim and Park, 2011). 하지 만 대부분의 연구는 온실재배의 포트실험에 집중하고 있 어(Choi and Min, 2001), 옥상녹화 토양개량제로 현장 적 용되기 위한 접근이 이루어져야 한다. 특히, 외부환경에 직 접적으로 노출되어 있을 경우, 식물의 생육과 hydrophilic polymer의 배합비율에 따른 검정을 통해 현장에 적용하는 것 이 바 람 직 하 다 . 실 제 로 , 옥 상 녹 화 에 서 토 심 5cm 에 서 분 홍 세 덤 과 사 철 채 송 화 와 같 은 다 육 식 물 의 경 우 hydrophilic polymer의 비율이 증가할수록 생육이 양호 하였으나, 눈향나무, 황금줄사철, 납작보리사초, 상록무 늬사초 등은 식재 후 30일 이전에 모두 고사해(Ju et al., 2012), 토심과 비율을 재고한 연구가 강조되고 있다.

저관리형 옥상녹화에서 식재지반 내 토양환경의 개선, 특히 보수성을 높인다는 것은 좀 더 다양한 식물의 생존과 생육을 이끌 뿐 아니라, 적용수종의 범위를 넓힐 수 있다 (Farrell et al., 2013)는 것을 의미한다. 무엇보다 옥상녹화가 빗물유출을 지연시키고 증발산을 통한 열섬현상을 완화 시켜주는 이상적인 공간으로 재조명된다고 볼 때, 빗물을 최대한 저장하면서, 식물의 생육을 원활하게 해줄 수 있는 식재지반의 구성에 대한 인식도 새롭게 바뀌어야 된다고 사료된다. 특히, 토심을 줄이면서도 토양수분을 지속적으 로 유지할 수 있는 토양개량제의 혼합은 수종의 다양성, 특 히, 목본류의 적용범위를 넓힐 수 있는 방안이라 여겨진다. 이에 본 연구는 저관리 옥상녹화 식물의 생육을 위한 식재지반에 수분흡수력이 뛰어난 hydrophilic polymer를 농도별로 배합하여 적용함으로써 토양용적수분함량 및 식물의 생육에 미치는 효용성을 평가하고자 한다.

재료 및 방법

1.실험지 환경조건

실험장소는 충청북도 충주시에 위치한 건국대학교 글로 컬캠퍼스 내에서 실시하였으며, 옥상녹화 식재지반의 토양 용적수분함량변화와 식물의 생육 결과를 현장적용을 위한 실질적인 자료로 제시하기 위해 교내 복합실습동 2층 옥상 에서 수행하였다. 실험기간은 2012년 4월부터 2012년 11월 까지 약 7개월로, 처리구간 hydrophilic polymer의 농도에 따른 생육특성을 알아보고자 실험수행 기간 중 관수를 하지 않고 자연강우에 의존하였다. 실험이 수행되어진 2012년 5월 31부터 10월까지의 옥상의 강수량은 총 819.3mm, 평 균 최고기온은 29.1℃로 조사되었다.

2.실험구 제작 및 실험 재료

실험구의 크기는 가로 1.0m, 세로 1.0m, 높이 0.3m의 정방형크기로 자체 제작하여 설치하였다. 토심 및 수종선정 은 토심 5cm에서 눈향나무, 황금줄사철, 납작보리사초, 상록무늬사초 등이 식재 후 30일 이전에 모두 고사한 선행연구(Ju et al., 2012)를 반영하여, 토심은 25cm로, 수 종은 비교적 유사한 수종으로 구성하였다. 이를 기준으 로 기존 옥상녹화의 적용수종인 눈향나무와 황금줄사철 을(Bang, 2009), 현재는 잘 이용되지 않으나 잠재가능성 이 높은 통보리사초와 좀보리사초를 식물재료로 선정하 였다. 목본류는 삽목묘로 수고가 15cm이상의 4치 포트 규 격으로, 초화류는 3치 포트 규격으로 비교적 균일한 식물체 를 충남 병천면에 있는 농장에서 구매하였다. 1개월간 순화 시킨 후, 5월 20일에 각 실험 처리구당 10반복씩 정식하였다. 식재기반 내 hydrophilic polymer의 농도는 0%(Control), 1.0%, 2.5%, 5.0%, 10.0%로, 인공배합토에 부피비로 배합 하였다. 식재지반에 사용된 토양재료는 일반적으로 옥상녹 화의 상토로 이용되는 인공배합토(Sunshine mix#1, SunGro Horticulture, Canada)를, Hydrophilic polymer는 시제품인 WSP(K-SAM, Kolon Chemical Co., Ltd., Korea)를 사용 하였다.

3.측정항목

식물의 생육측정은 4월에 실험구 조성 후 식물재료가 활 착이 된 시점인 5월부터 10월까지 측정하였다. 토양용적수 분함량 측정기간은 생육측정 기간과 동일한 5월부터 10월 까지 매일 1회 10반복을 측정하였다. 각 실험구의 토양용적 수분 증감량을 알아보기 위해 각 처리구별 표면에서 10cm 깊이로 토양습윤측정기(DM-5, Takemura, Japan)를 이용 하여 매일 오후5시 처리구별 10반복씩 측정하여 평균값을 계상하였다. 식물의 생육은 매월 1회 측정을 하였으며, 목 본류인 눈향나무와 황금줄사철나무의 생육측정은 수고, 수 관폭, 근원직경, 가지수, 관상가치를, 초본류인 통보리사초 와 좀보리사초는 엽장, 엽폭, 엽수, 관상가치를 각각 측정하 였다. 수고는 하단에서 정단부까지를 조사하였고, 수관폭은 장폭과 단폭을 측정하여 평균값을 냈다. 엽수와 가지수는 육 안으로 직접 세었고, 엽장과 엽폭은 표준잎 5개를 선정하여 잰 후, 평균값을 산출하였다. 근원직경은 버니어켈리퍼스 (Digital Vernier Calipers, Mitutoyo, Japan)를 이용해 조사 하였다. 특히, 관상가치는 외관적으로 보이는 생육상태를 기준으로 1-5점 스케일로 평가하였다(Nagase and Dunnett, 2010). 완전 고사(1점), 50% 이하의 불량(2점), 50% 유지(3 점), 50%이상 양호(4점), 완전 양호(5점)으로 수치화하여 평균값을 계산하였다. 이에 대한 측정값에 대한 평균간 유 의성 검정은 DMRT(Duncan’s Multiple Range Test) 5% 수준에서 실시하였다.

결과 및 고찰

1.토양용적수분함량의 변화

2012년 월별 강수량을 살펴보면, 6월, 7월, 8월, 9월이 각각 134mm, 241mm, 223mm, 122mm로 5월과 10월은 강수량이 각각 65mm, 62mm로 매우 낮았다. Hydrophilic polymer 2.5% 이상 배합한 모든 처리구에서는 강우기 뿐 아니라 갈수기에도 97∼98%의 높은 토양용적수분함량을 나타내었다. 반면, Control(무처리)와 1.0%처리구에서는 강수량의 정도에 따라 식재기반 내 토양용적수분함량이 큰 폭으로 변화하였다. 즉, 비가 오지 않을 시에는 대조구와 1.0%처리구가 각각 48.4%, 74.5% 인 반면, 장마기에는 각 각 71%, 100%로, 1.0% hydrophilic polymer 처리구가 대 조구에 비해 약 30%의 토양용적수분함량의 증가를 보였다 (Figure 1).

2.식물의 생육

1)눈향나무 (Juniperus chinensis var. sargentii)

눈향나무(Juniperus chinensis var. sargentii)는 고산지대 에서 땅을 기면서 옆으로 퍼지며 자라는 수고 1m이하의 상록수로(Bang, 2009), 토심이 얕고 건조한 지역을 선호한 다(Ahn, 2011). Hydrophilic polymer의 배합비에 따른 눈향 나무의 수고는 1.0%> 2.5%> 5.0%> Control> 10.0% 순으 로 대조구(Control)에서 1.7cm로 가장 낮은 값을, 1.0% 처 리구에서 12.5cm로 가장 높은 값을 보여 약 6배의 차이를 나타냈다. 반면, 10.0% 처리구에서는 식재 후 2개월 만에 모두 고사하여 측정이 불가능해, 배합비율에 따른 차이가 뚜렷하였다(Table 1). 이는 고분자 중합체 3.0%이상의 혼합 비율은 잔디 생육에 불리한 영향을 준다는 기존 연구(Kim and Park, 2011)와 유사한 결과로서, 높은 보수제의 혼합비 율은 반드시 흡수배율에 비례 하지는 않는다는 것을 보여준 결과이다. 수관폭은 1.0% 처리구에서 14.4cm, 대조구에서 4.1cm로 약 3배 이상의 차이를 나타냈다. 비록, 외관적으로 는 대조구의 수관폭이 넓어보일 수 있으나(Figure 2), 수관 폭은 장폭과 단폭의 평균값으로써, 대조구의 장폭과 단폭의 편차가 높아 평균적인 수관폭의 수치가 1.0%처리구보다 감 소한 것으로 해석된다. 가지수 또한 1.0% 처리구에서 가장 높았으며 2.5%> 5%> Control로 완전 고사한 10% 처리구 를 제외하고 대조구보다 높았으나 처리농도가 높을수록 감 소되는 경향을 보였다. 근원직경은 10% 처리구를 제외하 고, Control, 1.0%, 2.5%, 5.0%, 10.0% 처리구에서 각각 0.1cm, 0.5cm, 0.25cm, 0.13cm로, 1% 처리구에서 가장 높 은 값을 나타내었다(Table 1). 관상가치 또한 1% 처리구에 서 3.3 으로 50% 양호의 수준으로 나타낸 반면, 나머지 처 리구는 평균 1.3점 이하로 불량한 외관을 보였다(Figure 2). 이러한 결과는 hydrophilic polymer의 양이 많으면 오히려 습윤제가 물을 너무 강하게 흡착시켜 수분이동을 느리게 하기 때문인 것(Choi and Moon, 2011)으로 해석된다. 또한, 눈향나무의 특성상 토심이 얕고 건조한 지역을 선호하는 생육특성을 가지고 있으나(Ahn, 2011), 옥상 식재지반 내 1%의 hydrophilic polymer는 오히려, 생육에 긍정적인 영 향을 준다는 사실을 알 수 있다.

2)황금줄사철 (Euonymus fortunei ‘Emerald n Gold’)

황금줄사철(Euonymus fortunei ‘Emerald and Gold’)은 줄 사철의 원예품종으로 잎과 열매가 아름다운 상록성 덩굴식 물로 토양적응범위가 넓은 수종으로 알려져 있다(James, 2008). 황금줄사철의 수고는 Control, 1.0%, 2.5%, 5.0% 처리 구에서 각각 10.7cm, 17.2cm, 26.2cm, 5.2cm로, hydrophilic polymer의 배합율 2.5% 처리구에서 가장 높았다. 한편, 10% 처리구에서는 모든 식물체가 고사하여 측정이 불가능 하였다. 엽폭은 Contol과 1.0%에서 각각 0.57cm, 0.68cm로 처리별 통계적 유의성이 없었으나, 5.0%와 10.0% 처리구 보다 대략 2배정도 더 넓었다. 가장 넓은 엽폭을 보여준 처리구는 hydrophilic polymer 2.5%로 5.0% 처리구에 비해 약 3배 정도 넓었다. 단위식물체 당 가지수는 배합율이 높아 질수록 점차 상승하는 경향을 보였으나 2.5% 이상 처리구 에서는 감소되거나 고사하는 현상을 볼 수 있었다. 특히, 가지수는 2.5%와 5.0% 처리구에서 각각 21.0개, 2.0개로 약 10배의 뚜렷한 차이를 나타냈다. 근원직경은 2.5% 처리 구에서 1.61cm로 가장 높게, 5.0% 처리구에서 0.19cm로 가장 낮은 값을 나타내, 전반적인 생육항목과 유사한 경향 을 보여주었다(Table 2). 관상가치는 2.5%> 1.0%> Control> 5.0%> 10.0% 순으로, 2.5% 처리구에서 외관적인 관상가치가 가장 뛰어나(Figure 3), 저관리형 옥상녹화에서 황금줄사철의 식재지반 내 적절한 hydrophilic polymer 배 합비율은 2.5%인 것으로 판단된다. 황금줄사철이 눈향나무 와 다르게 좀 더 높은 hydrophilic polymer 배합비율에서 생육이 좋았던 이유는 사철나무류가 토양적응범위가 넓은 수종임에도 불구하고, 토양수분이 건조하게 되면 외관이 불 량해지는 것으로 보고되고 있어(James, 2008), 토양 내 일 정양의 수분보유는 황금줄사철의 생육과 좀 더 밀접한 관계 가 있기 때문인 것으로 해석된다.

3)통보리사초 (Carex kobomugi)

통보리사초(Carex kobomugi)는 바다 맨 앞에 형성되는 사 구인 전사구를 포함해 해안사구 전 지역에 분포하는 대표적 인 염생식물로, 모래 속에 뿌리줄기가 옆으로 뻗으면서 싹을 내어 무리 지으며, 좀보리사초에 비해 잎의 폭이 더 넓고 밝은 녹색을 띤다(Kim, 2013). 또한 통보리사초는 일본, 한국, 중국, 러시아 해안가를 중심으로 자생하며, 적응성이 매우 강해 초 기 활착만 되면, 해안사구에서도 대단위의 단위식생을 형성 하는 다년생 사초류이다(James and Louise, 2011). 통보리사초 의 초장은 1.0%, 2.5%, 5.0% 처리구에서 각각 20.4cm, 46.8cm, 25.0cm로, 2.5% 처리구에서 1.0%처리구에 비해 약 2배가량 길었다. 반면, 대조구(Control)과 10.0% 처리에서는 식물체가 완전히 고사되어, 초장 측정이 불가능하였다. 엽폭은 초장과 같이 2.5%> 5.0% >1.0% 순으로 넓어져, 2.5% 처리구에서 0.48 cm, 5.0% 처리구에서 0.29 cm, 1.0% 처리구에서 0.21 cm를 나타내, 2.5% 처리구가 다른 처리구들에 비해 약 2배정 도 높았다. 이는 토양 내 hydrophilic polymer 배합비에 따라 엽폭의 차이가 뚜렷해, 옥상녹화에서 토양수분환경에 예민하 게 반응할 수 있음을 보여주고 있다. 단위 식물체 당 잎을 보면, 그 차이가 매우 확연한데, 2.5% 처리구에서 149.3개로 5.0%에서 35개, 1.0% 처리구에서 16개로, 대략 5배에서 7배 까지 차이를 보였다(Table 3). 이러한 결과는 통보리사초를 저관리형 옥상녹화소재로 적용 시 토양 내 보수력을 높일 수 있는 토양개량제 사용이 반드시 필요함을 보여준 결과라 할 수 있다. 관상가치 또한 2.5% 처리구가 평균 5.0으로 다른 처리구에 비해 매우 높아(Figure 4), 토양 내 수분함량이 생육 에 중요한 역할을 함을 알 수 있다. Shim et al.(2011)은 옥상에 서 토심 4가지(10cm, 20cm, 30cm, 40cm)에 대한 7종의 사초 류의 생육특성을 비교한 결과, 함수량만 높이 유지된다면, 대 부분의 사초류는 10cm에서도 생육이 좋았으나, 에버골드, 대 사초와 테사타시아사초는 토심 20cm에서, 흰줄무늬실사초 와 털대사초 노란무늬종은 토심 40cm에서 생육이 양호해, 수종에 따라 적정 토심을 통한 토양수분을 확보할 것을 강조 하고 있다.

4)좀보리사초(Carex pumila)

좀보리사초는 해안사구 후방에 주로 분포하고, 잎은 줄기 없이 지면에서 바로 휘어져 10cm정도의 높이를 유지하며 흔 히 통보리사초 및 다른 해안사구성식물과 섞여 자란다(Kim, 2013). 좀보리사초는 통보리사초와는 다르게 hydrophilic polymer 배합비가 높아질수록 생육이 저조한 현상을 나타냈 다. 좀보리사초의 초장은 Control, 1.0%, 2.5% 처리구에서 각 각 14.05cm, 6.70cm, 4.55cm으로 hydrophilic polymer를 전혀 배합하지 않은 대조구에서 가장 높게 나타난 반면, 5.0%이상 의 처리구에서 식물체가 고사함에 따라 측정이 불가능했다. 엽폭 또한 Control에서 0.35cm로, 2.5% 처리구가 0.12cm에 비 해 약 3배 더 넓었다. 단위 식물체당 엽수도 Control> 1.0%> 2.5% 순으로, 대조구가 다른 처리구들에 비해 약 2배 정도가 더 많았다(Table 4). 관상가치는 Control에서 가장 높게, 5.0% 와 10.0%에서 가장 낮게 나타나, 전반적으로 hydrophilic polymer 배합비가 높아질수록 생육은 저조하였다(Figure 5). 이와 같이 좀보리사초의 생육결과가 통보리사초와 상반되게 보여준 이유는 통보리사초가 주로 바다 전방에 자생해(Kim, 2013), 바닷물의 영향을 직접적으로 받는(Kake and Leishman, 2004) 반면, 좀보리사초는 해안사구 후방에 주로 분포하고 있 어(Kim, 2013), 물빠짐과 건조한 토양수분조건을 선호한 것에 서 비롯된 것으로 추정된다. 한편, 고흡수성 수지의 혼합비율 이 높아짐에 따라 상토가 보유하는 수분량이 증가하지만 식물 이 쉽게 흡수할 수 있는 수분량이 증가하지 않는다는 보고가 있어(Choi et al., 2005), 토양 내 hydrophilic polymer 증가와 식물자체의 수분흡수 기작과 관련된 세밀한 추적이 요구된다.

결과를 종합해 보면, 저관리형 옥상녹화 식재지반 내 보 수성을 높이기 위한 hydrophilic polymer의 적정 배합비율 로 눈향나무는 1.0%, 황금줄사철은 2.5%, 통보리사초는 2.5%, 좀보리사초는 무처리가 바람직할 것으로 판단된다. 이렇듯, 수종마다 차이를 보여, 대규모의 공간에 일괄적인 적용을 하기에는 한계가 있는 것은 사실이다. 하지만, 저관 리형 옥상녹화에서 식재지반 내 토양환경의 개선, 특히 보 수성을 높인다는 것은 좀 더 다양한 식물의 생존과 생육을 이끌 뿐 아니라, 적용수종의 범위를 넓힐 수 있다고 볼 때, hydrophilic polymer의 효용성은 높다고 할 수 있다.