서 론

백두산 장군봉에서부터 금강산, 설악산, 태백산과 소백산 을 거쳐 지리산까지 이르는 백두대간은 우리나라 중심 산줄 기로서 우리 민족의 삶의 터전이자 역사와 문화의 진원지 그리고 생태계의 보고 역할을 맡아왔다(KFS, 2016;2020a). 그러나 일제 강점기에 자원수탈을 목적으로 주요 산줄기를 통과하는 교통통로가 건설됨으로 인해 단절되기 시작했으며, 우리나라의 경제성장과 산업화가 진전됨에 따 라 훼손이 가속화되어 산줄기의 약 10㎞마다 단절이 되는 결과를 초래했다(KFS, 2006;2016;Lee et al., 2017). 이러 한 선적 훼손으로 인한 단절은 백두대간의 마루금을 관통하 여 공간적인 연결성 저하를 야기하여 동물의 이동을 차단 및 종 다양성을 감소 등의 문제로 이어지고 있다(Kang et al., 2005).

이와 같은 배경에서 다양한 가치를 지닌 백두대간의 보전 과 복원을 위해 2006년 ^｢백두대간보호에 관한 법률_｣이 제 정·공포 되었으며, 해당 법률을 근거로 다양한 활동들을 이 어오고 있다. 백두대간보호지역은 생태축을 연결하는 가장 강력한 보호구간으로 국제사회에 유례없는 성공적인 자연 보호정책으로 손꼽히고 있는데, 산림청에서는 일제 강점기 에 단절된 백두대간과 정맥을 연결 · 복원하여 민족정기 회 복 및 생태계 건강성과 연속성 유지 · 회복을 목적으로 생태 축 복원사업을 2011년부터 실시하여 2012년 괴산 이화령, 2013년 장수 육십령과 문경 벌재 등 지속적으로 단절구간 을 연결 중이다(KFS, 2016). 훼손에 의해 단절된 자연환경 을 다시 연결하는 복원사업은 캐나다 ‘Banff 국립공원’, 네 덜란드의 ‘Ecoducts’ 그리고 미국 콜로라도의 ‘I-70 Vail Pass’ 등 국외에서도 다양하게 이뤄졌으나, 이들은 동물서 식지 연결을 목적으로 하는 Green corridor 그리고 Wildlife pass 등의 용어로 불리는 생태이동통로(Eco-bridge)의 개념 으로 산림청에서 시행하는 백두대간 생태축 복원과는 다소 차이가 있다(Bank et al., 2002;G.Dickie, 2017;Summit County Safe Passages, 2020).

초기 생태축 복원사업지 중 일부는 주변으로부터 식생유 입 등의 긍정적인 효과도 있었지만, 대부분 식재 수목이 고 사하는 문제가 나타났다(Park et al., 2016;Han et al., 2019). 구조물 상부는 여름철의 고온과 겨울철 저온으로 인 한 스트레스가 발생할 수 있는 수준으로 확인되었고 토양환 경, 배수 및 방풍시설 등이 적절히 갖춰지지 않은 경우 수목 생육에 장애가 발생할 수 있다(Kwon et al., 2018).

복원사업 대상지 선정 후 목표설정, 계획수립 및 시공을 통해 식재 식물의 생육에 적합한 환경을 조성하는 것뿐만 아니라 복원후 지속적으로 관리 및 모니터링을 통한 환류 과정이 중요하다(KFS, 2013;Kwon et al., 2016).

따라서 본 연구는 백두대간 생태축 복원사업지인 김천 작점고개를 대상으로 식재 수목의 장애요인으로 예측되는 토양 이화학성 부족 및 건조 스트레스의 원인을 파악하고자 환경 모니터링을 통해 분석하여 향후 이뤄질 생태축관련 복원사업 및 연구를 위한 개선방안 제시 및 기초자료를 제 공하고자 한다.

연구방법

1. 연구대상지

본 연구는 2019년 11월 준공한 김천 작점고개 백두대간 생태축 복원사업지를 대상으로 실시했다. 조사대상지는 충 북 영동군과 경북 김천시의 경계로 백두대간 마루금이 통과 하는 지점이다. 항공사진 판독 결과 1980년대까지 소로가 통과하는 구간이었으나 도로 확장 및 직선화가 되어 단절된 것으로 나타났다(Figure 1).

조사대상지 주변 산림은 갈참나무, 상수리나무 등 참나무 류가 우점하고 있으며, 백두대간보호지역 이외는 농경지, 의료시설, 골프장 등이 건설되어 개발압력이 가중되고 있는 상황이다. 본 생태축 복원사업지의 공간구획 면적은 5,009 ㎡로 2017년에 착공하여 개정된 법률을 반영하지 못했다. 구체적으로 2019년 개정한 산림자원 조성에 관한 법률에서 규정한 입지에 적합한 자생식물 · 자연재료를 사용하여 식 생을 복원하는 산림복원의 기본원칙을 반영하지 못했다. 따 라서 2019년 8월 주위 식생조사를 통해 식재 수종 및 초종 을 선발하여 설계를 변경했다. 식생 조사 후 선발되어 식재 한 수종과 초종은 Table 1과 같으며, 교목성 수종인 소나무 는 수고 5m 이하(H4.0×R20×W2.5), 참나무류는 4m 이하 (H3.5×R12), 팥배나무는 2m 이하(H2.0×R4), 쪽동백나무 는 2.5m 이하(H2.5×R4)의 소경목 위주로 식재했다. 또한, 식재 후 토양보습 및 매토종자를 통한 자연복원 유도를 위해 주변 임내에서 낙엽을 채취 후 1㎡당 500g내외로 도포했다.

2020년 5월 현장 확인 결과, 낙엽 포설시 매토 종자가 유입되어 상수리나무 치수가 발아되었으며, 6월 이후 초본 류가 다수 유입되었다(Figure 2). 수목 식재 후 약 11개월이 경과한 2020년 9월 고사목 조사를 실시한 결과, 쪽동백나무 의 고사율이 높은 것으로 나타났다(Table 2). 또한, 산림복 원지 품질평가 및 사후관리 용역 사업(KFS, 2020b) 결과에 따르면 작점고개 생태축 복원사업지 교목층 및 아교목층의 수관 활력도(5등급 기준)는 쪽동백나무 1.2(고사 진행)∼소 나무 3.6(중간 쇠퇴 및 중간 건강) 사이에 분포하여 식재목 의 생육 장애가 발생하고 있는 것으로 나타났다.

2. 분석 방법

생태축 복원사업지 식재 수목의 생장 장애요인을 파악하 기 위하여 토양이화학성, 토양수분, 미기상을 조사하였다. 모 든 조사는 주변 산림을 대조구로 설정하여 동시에 관측했다.

1) 토양이화학성 분석

주변 산림토양과 복원지 토양의 이화학성 차이를 분석하 기 위해서 2020년 10월 0∼10㎝, 10∼20㎝, 20∼30㎝의 토심에서 분석용 시료를 3 반복해 채취했다. 채취한 시료는 풍건을 하였으며, 토양채를 이용하여 2㎜ 이상의 석력을 제거했다. 토양의 이화학성 분석은 한국임업진흥원에 실시 했으며, 주요 분석방법은 다음과 같다. 토성은 미농무부 분 석법, 토양 pH 및 EC는 증류수를 1:5 비율로 희석한 후 측정했다. 유기물과 전질소는 원소분석기(Vario Max CN) 를 이용하여 분석했고, 유효인산은 Lancaster법을 이용하였 다. 양이온치환용량은 1N-초산암모늄 침출 후 킬달증류적 정법으로 산출하였다. 각각의 치환성 K, Na, Ca, Mg은 원 자흡광광도법으로 분석했다. 토양의 이화학성 분석 결과 차 이는 t-test로 검정하였다.

2) 토양 수분 및 지온 관측

조사 대상지인 생태교량(N36˚ 12′47″, W128˚ 2′59″, 해 발 345m)과 주변 임내(N36˚ 12′47, W128˚ 2′59″, 해발 362m)에서 토양수분 및 지온 변화를 10분 단위로 관측을 실시했다. 두 지점 간의 이격 거리는 약 60m로 임내 관측은 생태교량의 남측에 위치한다. 각 조사 지점에서 토양수분의 수직적 분포양상과 변화를 파악하기 위하여 10, 30, 60㎝의 심도에 TDR 센서(TEROS11, METER, USA)를 1개씩 매 설하여 관측했다.

3) 미기상 관측

생태교량과 주변 임내의 토양 수분 및 지온 관측지점 2m 높이에 복합기상센서(ATMOS 41, METER, USA)를 각각 설치해 강수량, 일사량, 수증기압, 대기온도, 기압, 풍속, 풍 향, 상대습도를 10분 단위로 관측했다. 관측된 자료는 토양 자료와 함께 자료집록기(ZL6, METER, USA)에 기록하였 다. 관측 자료 중 임내 자료는 전원 오류 발생으로 인해 2020년 6월 24일부터 7월 23일까지 1개월간 결측치가 발생 했다. 또한, 임내 차단강수량의 경우 낙엽·낙지 유입 등으로 인하여 결측이 다수 발생하여 분석 대상 항목에서 제외했다.

4) 미기상 자료 검증 및 잠재증발산량 산정

2019년 10월 23일부터 2020년 10월 7일까지 10분 단위 로 관측한 미기상 자료를 대상으로 자료 검증을 실시하였 다. 임내에서 결측된 구간에 대해서는 결측 전후 각각 1개월 간의 자료 비교를 통해 보정을 실시하였다. 결측 기간 전후 의 기온, 수증기압, 일사량은 0.75∼0.98의 상관계수(r²)를 나타냈다(Figure 3).

검증된 자료는 1일 단위로 환산하였으며, Penman-Monteith 복합방정식을 활용하여 일단위 잠재증발산량을 아래의 수 식을 통해 산정했다(Hong et al., 1997).

여기서 ε은 s/γ(s = dq/dT, 온도 변화에 따른 포화 수증 기압의 기울기; γ= L/C_p, 건습구 상수), R_n은 순복사, G는 토양열 플럭스, S는 열 저류항, L은 기화열, g_a는 공기역학 전도도, D는 포차, gs는 군락 전도도이다.

결과 및 고찰

1. 토양의 이화학적 특성

토성 분석 결과 복원사업지 토양은 사질양토로 분석되었 으며, 주변 임내는 심도 30㎝ 1개 지점을 제외하고 모두 양토로 분석되었다(Figure 4). 복원사업지는 콘크리트 구조 물 위에 2m 내외의 깊이로 토양을 복토한 것으로 주변 사면 안정화 작업중 절개한 토양을 사용한 것이다. 이 과정에서 토양의 물리적 성질이 파괴되었고, 모래의 함량이 높고 점 토의 함량이 낮아 토양수분 유지에 매우 불리한 조건인 것 으로 나타났다.

생태축 복원사업지의 토양 pH, 유기물함량, 전질소, 유효 인산, 양이온치환용량, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺은 심도별로 유의한 차이가 나타나지 않았다(Table 3). 복원지의 토양 pH는 주 변 임내에 비해 높았으며, 양 조사지 모두 심도가 깊어질수 록 상승하는 경향을 나타내었다. 양이온 치환용량은 복원지 토양에서 3.55∼3.86 cmol_c·kg^-1으로, 임내에서 8.51∼ 11.32 cmol_c·kg^-1으로 분석되어 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.05). 한편 Ca²⁺의 경우 복원지에서 높게 분석되 었는데, 이는 암석이 풍화되어 유리된 염류가 운반, 집적, 용탈 등의 과정을 통하여 토양에 흡착된 염류를 해리시키 고, 알카리성을 나타내기 때문에 토양 pH를 상승시킨 것으 로 판단된다(Son et al., 2016).

2. 강수량, 토양수분, 토양온도 모니터링 결과

약 1년간의 관측기간(2019.10.23.∼2020.10.7.) 중의 총 강수량은 1,810㎜로 기록되었다(Figure 5). 이는 과거 10년 간 김천시 연평균강수량 1,273㎜ 대비 약 540㎜ 많은 것으 로 나타났다.

한편 생태교량 표층 토양(10㎝)은 강수에 매우 빠르게 반응하여 토양수분이 급증하는 것으로 나타났으며, 임내 토 양은 생태교량에 비해 토양수분이 안정적인 변화를 보였다. 강수기를 제외한 시기의 표층 토양수분은 임내 토양이 생태 교량에 비해 2배 이상 함양하고 있는 것으로 나타났다. 심층 토양(60㎝)의 경우도 생태 교량내 토양은 강수에 대해 변화 하는 경향을 보였으며, 임내 심층 토양의 경우 장마기간을 제외하고 변화량이 거의 보이지 않으며 안정적인 것으로 나타났다(Figure 5).

관측기간 중 생태교량 10㎝ 토양온도는 최고 31.6℃, 최 저 –2.0℃, 임내 10㎝ 토양온도는 최고 24.2℃, 최저 1.4℃ 로 관측되었다(Figure 6). 또한, 생태교량 심층(60㎝) 토양 은 최저 0.1℃(임내 60cmol_c·kg^-1 최저 4.0℃)로 관측되어 식재목 뿌리의 냉해가 우려되는 상황이었다. 토양온도의 경 우도 생태교량 관측지점에서 기온변화에 따라 크게 변동되 는 것으로 나타났다. 3월부터 6월까지 생태교량 10㎝ 토양 온도는 5℃ 이상의 일변화를 나타내었다. 이러한 일변화는 6월 이후 하층 식생 유입이 진행됨에 따라 점차 감소하는 경향을 보였다. 생태교량 내 토양은 주변 절개지 토양을 복 토한 직후로 물리적으로 안정이 되지 않은 것으로 판단되 며, 향후 토양의 물리적 안정성 확인을 위한 지속적인 모니 터링이 필요할 것으로 판단된다.

3. 잠재증발산 비교

2019년 10월 23일부터 2020년 10월 7일까지 약 1년간 관측된 미기상 자료를 활용하여 1일 단위 잠재증발산량을 산정했다. Penman-Monteith 복합방정식을 이용하여 잠재 증발산량 계산한 결과 복원사업지가 975㎜로 임내(501㎜) 의 약 2배 정도 높은 것으로 나타났다(Figure 7). 복원사업 지의 경우 임내와 달리 태양복사열을 직접 전달받아 일사량 이 높은 봄, 여름, 가을철에 높게 관측되었다. 임내의 경우 4월 이후 개엽이 시작됨에 따라 태양광이 차단되어 잠재증 발산량이 감소하는 것으로 나타났다.

Rim et al.(2011)의 연구에서 우리나라 5개 댐 유역을 대상으로 물수지를 분석한 결과 잠재증발산량은 실제 증발 산량보다 20∼30% 높은 것으로 보고하였다. 해당 잠재증 발산의 경우 자유수면에서 최대로 증발될 수 있는 양을 기 준으로 산정해 실제 증발산보다 과대 평가된 점을 고려하여 본 연구의 대상지인 복원사업지로 가정했을 경우 최소 연 700㎜의 수분이 증발산을 통해서 대기로 환원되는 것으로 추정할 수 있는데, 해당 추정값은 에디공분산을 활용하여 실측한 중부지역 활엽수림의 실제 증발산량 581㎜·yr^-1 (Kwon et al., 2009)과 경기도 파주시 산림지의 평균 연 증발산량 416㎜(Lee et al., 2014)과 비교해도 각각 연간 약 120㎜ 그리고 180㎜ 높은 것으로 나타났다. 수목의 생장 에 있어서 건조는 병해충에 취약해지며 성장을 억제시키고 하는데, 광합성 억제 보다 더 낮은 스트레스 역치에서 발생 하므로 지속적인 관리가 필요할 것으로 판단 된다(Hasio, 1973;Hasio et al., 1976).

4. 토양수분 감쇄곡선 비교

강우 종료 후 시간 경과에 따른 토양수분 변화 추세를 파악하기 위하여 심도 10㎝ 토양수분 감쇄곡선 분석을 실 시했다. 분석기간은 잠재증발산량이 유사한 시기인 겨울과 2배 이상 차이가 나는 여름을 선정했다.

첫 번째 시기는 복원사업이 준공된 이후 초기인 2019년 11월 18일부터 24일까지 토양수분 감쇄곡선 분석을 실시하 였다. 임내 토양에 비교해 복원지의 토양 수분 감쇄곡선은 강수 종료 후 기울기가 7배 이상으로 빠르게 감소하는 것으 로 나타났다(Figure 8). 동기간은 복원지와 임내의 잠재증 발산량이 유사한 시기임을 고려할 때 모래를 다량 함유한 토양으로 인하여 보습효과를 가지지 못하고 중력 침투로 인해 토양수분이 빠르게 감소한 것으로 판단된다.

한편, 두 번째 분석대상 기간인 2020년 8월 13일부터 18 일까지 토양수분 변화는 일사량이 증가하는 낮 시간 동안 생태교량의 토양수분 감소량은 0.02㎥/㎥/day로 임내보다 두배 이상높은 것으로 나타났다(Figure 9). 강수 종료 직후 임내의 토양수분은 생태교량보다 낮게 관측이 되었는데 이 는 수관 및 낙엽차단으로 인하여 발생한 것으로 추측할 수 있다(Figure 8, 9). 이상의 결과를 종합하면 생태축 복원사 업지 식재 수목의 생육 환경을 개선하기 위해서는 토양개량 을 통한 보습력 확보가 시공 초기부터 적극적으로 동반되어 야 할 것으로 판단된다.

5. 생태축 복원사업지의 식재 수목 선정에 대한 고찰

Oliet et al.(2019)은 큰 묘목의 경우 식재 1개월 후 더 많은 뿌리를 생성했지만, 가장 높은 수분포텐셜을 보여 증 산량 수요에 미치지 못해 건조스트레스를 유발한다고 했다. 이를 고려했을 때 식재 수목의 활착율을 높이기 위해서는 어린 묘목 위주로 선발하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

일반적으로 식물이 건조 피해를 받을 경우 초기에는 기공 을 폐쇄하거나 잎을 떨어뜨리는 등 증산량을 최소화하지만, 최종적으로 광합성 속도의 급격한 감소와 세포 파괴로 인해 삼투조절기능을 상실한다(Taiz and Zeiger, 2006;Hopkins and Huner, 2008;Song et al., 2020). 본 연구 대상지의 식재목 중에서 내음성 수종인 쪽동백은 가장 낮은 활착율을 나타내었다(Table 2). 내음성 수종은 낮은 광조건에서도 광 합성을 효율적으로 수행할 수 있다(Lee, 2013). 이를 고려 하면 생태축 복원사업지의 경우 식재 후 강한 일사량으로 인하여 내음성의 수종의 생육에 적합하지 않는 것으로 사료 된다. 향후 복원사업지 식재 수종의 선택시 주변 임내에 분 포하는 수종 중 내음성 수종의 식재는 지양하고, 수관이 울 폐된 이후 자연천이 과정을 통해 유입을 유도하는 것이 바 람직할 것으로 판단된다.

6. 종합고찰

본 연구는 2019년 조성한 백두대간 생태축 복원사업지를 대상으로 식재수목의 생육 장애 요인을 분석하기 위하여 실시했다. 그 결과, 생태축 복원사업지의 경우 강수 발생 이후 토양수분의 감소가 빠르게 진행되고 높은 증발산으로 인하여 식물이 생육하기에 불리한 조건인 것으로 나타났다. 이를 개선하여 유효수분을 유지하기 위해서는 부엽토 및 개량제 등을 활용하여 토성변경과 토양구조 개량을 통해 토양수분포텐셜 개선이 이루어질 수 있도록 유도해야 할 것이다(Lee, 2012). 한편, 복원지 조성 공사 마무리 단계에 서 주변 임내에서 채취한 낙엽을 도포하였으나, 토양 전층 에서 유기물 함량이 매우 낮아 적극적인 토양개량이 필요할 것으로 판단된다. 또한, ‘산림복원용 자생식물 및 자연재료 의 공급 등에 관한 고시’에서는 복원용 토양의 오염여부에 대해서만 판단을 하고 있으나, 입도, 유기물 함량 등의 추가 분석을 통해 토양의 보습력 증진과 양분공급을 위한 토양개 량 처방이 필요할 것으로 판단된다.

본 연구에서는 생태축 복원사업지에서 토양 건조 문제를 중심으로 분석을 실시했다. 향후 종합적인 문제 해결을 위 하여 토양의 물리적 안정화 과정, 식재수목의 생리적 반응, 자연천이 과정 등을 밝히기 위한 추가 연구가 필요할 것이다.

이상의 결과는 생태축 복원사업의 설계와 시공에 활용할 수 있는 기초 자료가 될 수 있으며, 사업의 성공적인 수행을 위한 관리방안 수립의 기초 자료가 될 수 있을 것으로 기대 된다.