Estimating Radial Growth Response of Major Tree Species using Climatic and Topographic Condition in South Korea
The main purpose of this study is to estimate tradial growth response and to predict the potential spatial distribution of major tree species(Pinus densiflora, Quercus mongolica, Quercus spp., Castanea crenata and Larix kaempferi) in South Korea, considering climate and topographic factors. To estimate radial growth response, 5th National Forest Inventory data, Topographic Wetness Index (TWI) and climatic data such as temperature and precipitation were used. Also, to predict the potential spatial distribution of major tree species, RCP 8.5 Scenario was applied. By our analysis, it was found that the rising temperature would have negative impacts on radial growth of Pinus densiflora, Castanea crenata and Larix kaempferi, and positive impacts on that of Quercus mongolica, Quercus spp.. Incremental precipitation would have positive effects on radial growth of Pinus densiflora and Quercus mongolica. When radial growth response considered by RCP 8.5 scenario, it was found that the radial growth of Pinus densiflora, Castanea crenata and Larix kaempferi would be more vulnerable than that of Quercus mongolica and Quercus spp. to temperature. According to the climate change scenario, Quercus spp. including Quercus mongolica would be expected to have greater abundance than its present status in South Korea. The result of this study would be helpful for understanding the impact of climatic factors on tree growth and for predicting the distribution of major tree species by climate change in South Korea.
초록
본 연구는 우리나라 산림의 주요 수종을 대상으로 기후와 지형 조건에 따른 반경 생장 반응 및 잠재 분포를 예측하기 위해 수행되었다. 기후와 지형 인자에 따른 반경 생장 반응을 분석하기 위해 제5차 국가산림자원조사 표본점의 임목조사 및 연륜 정보, 지형습윤지수, 기온, 강수량 자료를 반영한 생장모형을 적용하였으며, 잠재 분포를 예측하기 위해 RCP8.5 시나리오를 활용하였다. 생장 반응을 분석한 결과, 기온 상승은 소나무, 일본잎갈나무, 밤나무 생장에 부(—)의 영향을 주는 반면, 신갈나무를 포함한 참나무류 생장에는 정(+)의 영향을 주며, 강수량의 증가는 소나무와 신갈나무 생장에 정(+)의 영향을 주는 것으로 나타났다. 이처럼, 기후인자에 의한 수종별 생장 반응이 다르게 나타나는 것은 온도 및 강수량이 임목의 수분스트레스, 생장기간 등에 영향을 주기 때문인 것으로 보인다. 모형에 기후변화 시나리오를 적용한 결과, 소나무, 일본잎갈나무, 밤나무의 생장이 참나무류에 비해 기후변화에 취약한 것을 알 수 있었으며, 특히, 소나무의 경우 내륙보다 해안지역을 중심으로 생장이 저조해질 것으로 나타났다. 반면, 참나무류는 기후변화의 영향으로 그 분포가 크게 넓어질 것으로 예측되었다. 본 연구 결과를 통해 기후변화에 따른 우리나라 주요 수종의 생장 변화를 예측할 수 있었으며, 이는 기후변화에 대응한 지속가능한 산림관리 방안을 수립하는데 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
Keywords:
Climate Change, Radial Growth, Major Tree Species, Potential Vegetation Distribution, National Forest Inventory, 기후변화, 반경 생장, 주요 수종, 잠재 식생 분포, 국가산림자원조사1. 서론
우리나라 전체 국토 면적 대비 산림면적의 비율은 FRA 2010 기준으로 225개 국가 중 29위에 해당하며, 33개 OECD 국가 중 4위에 해당한다(FAO, 2011). 우리나라 산림의 기능을 경제적 가치로 환산하면 약 109조 70억 원으로 추정되며, 그 중 이산화탄소 흡수 및 산소 생성⋅대기정화 기능이 가장 큰 비중을 차지하고, 그 경제 가치는 약 22조원에 이른다(전현선 등, 2013). 이처럼 산림은 육상생태계의 유일한 탄소흡수원으로써 기후변화 저감과 완화에 기여하지만, 다른 생태계와 마찬가지로 기후변화로 인한 영향을 받는다(Dale et al., 2001). 기후변화는 크게 온도와 강수량 변화로 나타나며, 이는 산림 생태계를 구성하는 임목의 생장 변화에 따른 산림의 구조와 생산성의 변화, 수종의 공간적 분포 변화 등에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Fang and Lechowicz, 2006; 윤미해 등, 2013).
임목의 생장은 일반적으로 지형, 토양과 관련된 지위와 기온, 강수량과 같은 기후 인자 등 주변 환경에 영향을 받으며(Schweingruber, 1988), 임목의 연륜 생장 정보는 이러한 주변 환경에 따른 임목의 생장반응을 규명할 수 있는 핵심 요소이다(Fritts, 1976). 임목의 생장에 영향을 주는 환경 조건 중 기후 인자는 산림의 상태를 결정하는 중요한 인자 중 하나로, 기후변화에 대응한 산림자원 관리를 위하여 임목의 생장과 기후인자 간의 관계를 밝히는 것은 매우 중요하게 인식되고 있다. Hughes et al.(1982)은 임목의 연년 생장이 임지의 연간 기후 조건의 변화(월별 강수량, 기온의 변화 등)를 반영한다고 밝혔다. 또한, 지형적 특성도 수종 분포, 임목 생장 등의 공간적 변이를 결정하는 주요 요인이다(Byun et al., 2013; 김문일, 2012). 특히, 지형 인자 가운데 토양 수분과 임목 생장의 관계는 단위면적당 흉고 단면적과 토양 수분 저장과의 상관관계(Fralish, 1994), 임지 생산력과 유효 토양 수분과의 관계(White, 1958) 등 다수의 연구 결과를 통해서 규명되었다.
기후는 임목 생장을 결정하는 주요 인자이지만, 수종 및 입지에 따라 기후 인자에 반응하는 정도가 달라질 수 있다(Lo et al., 2010). 특히, 우리나라는 복잡한 지형조건에 의하여 기상의 공간적 변이가 크며, 산림을 이루는 수종 구성이 다양하다. 또한, 우리나라 평균기온 상승폭은 전 지구적인 온난화 추세를 상회하는 것으로 평가되었고, 이러한 추세가 계속된다면 우리나라 산림은 다른 지역들보다 빠르게 기후변화에 영향을 받을 것이다(이정택, 2011).
따라서 우리나라 산림을 구성하는 주요 수종의 생장에 지형 및 기후 환경이 미치는 영향을 파악하는 것은 매우 중요하나, 이와 관련된 연구는 충분하게 이루어지지 않고 있는 실정이다. 지형적 특성과 소나무 연륜 생장에 관한 연구(서정욱 등, 2000), 기후와 신갈나무 연륜 생장에 관한 연구(서정욱과 박원규, 2010) 그리고 소나무와 참나무류의 반경 생장과 지형, 기후 인자의 관계를 규명(변재균 등, 2010)한 연구 등이 수행되었으나, 이들 연구의 연륜 분석은 생장 기반 모델이 아니거나, 연구 대상 수종과 대상지가 한정적이라는 한계가 존재한다. 김문일(2012)과 Byun et al.(2013)은 우리나라 산림 전체를 대상으로 기후와 지형에 따른 주요 수종의 생장을 예측하였으나, 그 대상이 침엽수종 일부에 국한되었으며, 참나무류를 통합하여 분석했다는 한계가 있다. 그러나 우리나라의 산림은 다양한 참나무과 수종으로 구성되어 있기 때문에, 분포 특성과 생장 패턴 및 생리적 특성의 이질성을 감안하여 수종별 반경 생장을 분석할 필요가 있다. 또한, 1:5,000 임상도에 따르면 우리나라 산림의 47%가 활엽수림이며, 그 중 참나무류를 제외한 기타 활엽수 임상이 절반을 차지하는 점을 고려할 때 활엽수류의 생장도 고려해야 한다. 따라서 본 연구에서는 1: 5,000 임상도와 제5차 국가산림자원조사자료, 우리나라 임업현황에 따른 수종별 중요성을 감안하여 주요 수종을 선정하고, 기후변화에 따른 생장을 예측하였다. 우리나라 임상의 약 22%를 차지하는 소나무, 대표적인 용재 수종인 일본잎갈나무, 우리나라 전역에 분포하는 유실 수종인 밤나무, 그리고 참나무류는 생육 분포 특성(해발고, 온도, 분포지역 등)을 기준으로 신갈나무와 그 외 참나무(졸참나무, 갈참나무, 떡갈나무, 굴참나무, 상수리나무)로 구분하여 기후변화에 따른 생장 변화와 그에 따른 분포 변화를 예측하였다. 본 연구의 목적은 기후, 지형 조건에 따른 우리나라 주요 수종의 반경 생장을 분석하고, 이를 활용하여 기후변화 시나리오에 따른 미래 잠재식생분포 변화를 예측하는데 있다. 이를 위해 제5차 국가산림자원조사 결과 및 생장목편 DB, RCP8.5 시나리오 자료를 사용하였다.
2. 연구재료
2.1 연구대상지
본 연구는 위도 33°09'~38°45'N, 경도 124°54' ~131°06'E에 위치한 우리나라 산림 전체를 대상으로 하였다. 우리나라 산림면적은 약 640만 ha이며, 이 중 활엽수림이 47.0%, 침엽수림이 37.8%, 혼효림이 11.6%, 죽림 등이 3.6%를 차지한다(국립산림과학원, 2013). 활엽수림은 강원도에, 침엽수림은 경상북도에 가장 많이 분포하며, 특히 강원도 활엽수림은 면적 비율이 54.9%로 1995년 산림기본통계의 면적(32.38%)과 비교 시 증가하고 있다(국립산림과학원, 2013).
2.2 제5차 국가산림자원조사 및 생장목편 자료
제5차 국가산림자원조사(5th National Forest Inventory; NFI5)를 통해 전국 산림을 대상으로 계통추출법에 의해 배치된 약 4,000개의 고정표본점을 조사하였다. 표본점별 임분 개황 조사로부터 표본점 위치(좌표), 지황(해발고도, 경사 등), 임황(임상, 경급, 영급 등)을 조사하고, 기본 조사원과 대경목 조사원에서 임목을 조사하였다. 임목조사는 개체목의 수종, 흉고직경 등을 조사하고, 이 중 표준목을 선정하여 수고, 지하고를 측정하였다. 표준목 중에서 5본 이상에 대하여 생장목편(Core)를 추출하고, 수령, 생장량 등의 정보를 얻었다(산림청과 국립산림과학원, 2008). 본 연구에서는 NFI5에서 채취한 목편의 측정 정보로 구축된 연륜 생장 데이터베이스의소나무(17,343본), 일본잎갈나무(1,828본), 신갈나무(8,753본), 그 외 참나무류(9,993본), 밤나무(1,324본)에 대한 연륜 정보를 활용하였다.
2.3 기상 및 지형 자료
각 목편 자료를 획득한 위치정보를 기반으로 한 기상 및 지형자료를 반경생장모형(Radial growth model)에 적용하기 위해 과거 기상 자료 는 기상청에서 제공하는 전국 75개 기상 관측지점의 1996~2005년의 평균 연년 기상자료를 활용하고, 미관측 지점의 기상자료는 Kriging, 거리자승역가산가중(Inverse Distance Squared Weighting; IDSW) 기법 등의 보간법을 적용하여 구축하였다. 미래 기상자료는 RCP 8.5 시나리오를 활용하였으며, 지형 자료는 국토교통부에서 제공하는 30m 해상도의 Digital Elevation Model (DEM) 자료로부터 추출한 Topographic Wetness Index (TWI)를 사용하였다. TWI는 사면방향, 해발고, 경사에 의해 결정되는 토양 수분의 공간적 분포를 알 수 있는 인자로, 지형과 공간적 분석에 널리 사용되는 지수이다(식 1) (Hengl et al., 2009).
TWI=ln(As/tanβ) (1)
여기서, As는 집수 면적, tanβ는 라디안 단위로 표현되는 경사를 의미한다.
Table 1은 수종별 생장, 지형, 기상 인자의 통계량을 나타낸 것이다.
Descriptive statistics of size, topographic and climatic factors in sample plots by tree species
3. 연구방법
3.1 생장모형(Growth Model)
본 연구에서는 Byun et al.(2013)이 고안한 생장모형을 적용하였다(Table 2). Byun et al. (2013)은 NFI5의 목편자료로부터 구축된 반경생장량과, 각 목편 자료를 획득한 위치정보를 기반으로 한 기상 및 지형자료를 이용하여 생장모형을 개발하였다. 측정된 연륜폭 자료 중 NFI5기준 최근 10년간(1996~2005년)의 평균생장량을 반경생장량으로 하여 표준생장모형에 적용하고, 이를 활용하여 미래 생장을 예측하기 위해 5년 단위(1996~2000, 2001~2005)의 평균반경생장 데이터를 마련하였다. Byun et al. (2013)이 고안한 모형은 과거 생장, 수령(Tree age), 크기(Size), 지형습윤지수를 통해 생장에 있어 개체 및 임분의 조건을 반영하고, 기온와 강수량을 변수로 포함하여 환경 및 기후를 고려한 임목의 생장을 예측할 수 있는 생장모형이다. 반경 생장에서 수령의 영향을 제거하기 위해 일정 수령일 때의 반경생장량을 기준으로 동등한 생장량으로 표준화하고자 수령 30년일 때의 반경 생장량을 표준생장(Standard Growth; SG)으로 정의하고, 이를 활용하여 반경 생장과 기후, 지형 간의 관계를 분석하였다.
The forms of radial growth model(Byun et al., 2013)
4. 결과 및 고찰
4.1 기후조건에 따른 반경생장반응 분석
Table 3은 기후인자모형(Climate factors model)을 활용하여 표준 생장(Standard Growth; SG)과 TWI, 강수량, 기온의 관계를 분석한 결과이다. 추정된 계수들은 통계적으로 비교적 유의한 결과를 보였다. 추정된 계수에 따르면 기온 상승은 소나무, 일본잎갈나무, 밤나무의 생장에 부(—)의 영향을 주는 반면, 신갈나무와 그 외 참나무류 생장에는 정(+)의 영향을 주는 것으로 나타났다. 강수량의 증가는 소나무와 신갈나무 생장에 정(+)의 영향을 주는 것으로 분석되었다. 높은 기온와 낮은 강수량은 소나무 생육에 부정적인 영향을 미치는데, 이는 토양 수분 감소로 인한 수분 스트레스를 야기하기 때문인 것으로 보인다(이상태 등, 2009). 참나무류의 경우, 기온의 증가가 생장에 정의 영향을 미치는 것으로 나타났는데, 이는 생장기간의 증가와 순광합성량의 증가와 관련이 있는 것으로 보인다(이선정 등, 2012). 본 연구에서 생육 분포 특성을 기준으로 구분한 신갈나무와 그 외 참나무류의 분석 결과는 큰 차이가 없었다.
Parameter estimates and statistics for climate factors model of SG
한편, 추정된 표준 생장(eSG)의 분포에 따르면 온도와 강수량은 표준 생장을 충분히 설명하지 못하는 것을 알 수 있다(Fig. 1). 이는 일반적으로 개체목의 반경 생장은 온도와 강수량 등의 인자보다 일반적인 생장인자인 수령, 흉고직경, 수고, 밀도, 지위 등에 영향을 받는다는 것과 관련이 있다(Fritts, 1976; Tappeiner et al., 1997).
본 연구에서 활용한 반경생장모형은 통계적으로 높은 설명력을 갖는 것으로 분석되었다(Table 4). 또한, 모형의 검정을 위하여 실제로 측정된 생장량과 개발한 모형을 통해 추정된 값을 비교해 본 결과, 분포가 매우 유사하게 나타났다(Fig. 2). 이러한 모형의 검정을 통해 TWI, 기온, 강수량을 포함한 정규화된 표준생장과 수령을 독립 변수로 사용하여 기후 조건에서 반 경 생장의 연간 변이를 추정할 수 있음을 입증하였다.
Standard Growth(SG) and estimated Standard Growth(eSG) using Climate factors model.
Clouds of observed and estimated radial growth for each species.
Statistics on assessment of radial growth model
4.2 기후변화에 따른 생장 변화 예측
기후인자 모형에 의한 분석 결과인 Table 3을 보면 소나무, 일본잎갈나무, 밤나무의 반경 생장은 온도 증가에 취약한 것을 알 수 있다. 각 수종별 생장이 온도의 영향을 받는 것에 차이가 존재하는 것은 현재와 미래의 반경 생장 패턴에 차이를 야기할 수 있다. 따라서 반경 생장 모형을 활용하여 RCP8.5 시나리오에 따른 미래(2050년)의 수종별 연년 반경 생장을 예측한 값과 현재(2010)의 연년 반경 생장의 차를 구하여, 기후변화 유⋅무에 따른 시⋅공간적 생장 변화를 살펴보았다(Fig. 3). 기후변화 시나리오에 따르면 소나무, 밤나무, 일본잎갈나무는 전반적으로 현재보다 생장이 저조해질 것으로 예측되었다. 특히, 소나무, 밤나무의 생장은 상대적으로 크게 저하되는데, 내륙지역보다 해안지역을 중심으로 생장이 저조해질 것으로 보인다. 반면, 신갈나무를 포함한 참나무류 수종의 생장은 증가할 것으로 예측되었다. 이 같은 결과에 따르면 참나무류는 현재 우리나라 산림의 자연 천이와 함께(Lee et al., 2007) 기후변화에 의해 그 분포가 크게 넓어질 것으로 예측된다(Fig. 3).
Differences of radial growth in present(2010) and future(2050) for each tree species.
5. 결론
본 연구의 목적은 IPCC의 미래 기후 자료와 제5차 국가산림자원 조사의 연륜 측정 자료를 활용하여 우리나라 주요 수종인 소나무, 신갈나무, 그 외 참나무류(졸참나무, 갈참나무, 떡갈나무, 굴참나무, 상수리나무), 밤나무, 일본잎갈나무의 반경 생장 변화 및 임상의 변화를 예측하는데 있다. 환경 및 기후에 따른 임목의 생장을 예측할 수 있도록 고안된 생장모형을 본 연구에 적용하여 반경생장과 기온, 강수량과의 관계를 분석한 결과, 기온의 상승은 소나무, 밤나무, 일본잎갈나무의 생장에 부(—)의 영향을 주며, 신갈나무를 포함한 참나무류에는 정(+)의 영향을 주는 것으로 밝혀졌다. 강수량의 증가는 수종별로 통계적 유의성에 차이가 있으나, 대부분의 수종에 정(+)의 영향을 주는 것으로 나타났다. 따라서, 소나무, 밤나무, 일본잎갈나무의 생장은 신갈나무를 포함한 참나무류에 비해 기후변화에 민감하게 반응하여, 우리나라 남부 및 해안지역 산림을 중심으로 대부분 지역에서 이들 수종의 생육 분포가 참나무류 생육지로 대체될 것으로 예측되었다.
그간 기후 및 지형과 임목 생장 간의 관계에 관한 연구는 다양하게 이루어졌으나, 대부분 한정된 지역에서 단일 수종을 대상으로 하였으며, 다양한 수종과 우리나라 산림 전역을 대상으로 한 연구는 본 연구를 포함하여 매우 드물었다. 따라서, 본 연구의 결과는 다양한 수종과 지역을 대상으로 기후변화에 따른 임목 생장과 이에 따른 생육 분포 변화를 밝히는데 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 향후 지속되는 국가산림자원조사 모니터링 결과를 활용하여 본 연구에서 활용한 생장모형과 본 연구의 결과를 검증 및 고도화한다면 기후변화에 따른 임목 생장과 수종 분포를 보다 정확하게 예측할 수 있을 것으로 사료된다.
다만, 본 연구는 기후변화로 인한 병해충의 증가, 산불 및 산사태의 발생 등과 같은 산림재해의 영향은 고려하지 못했다는 한계가 존재한다. 이러한 한계를 다양한 연구를 통해 보완한다면 기후변화에 대응한 지속가능한 산림관리방안을 수립하는데 유용하게 활용할 수 있을 것이다.
Acknowledgments
본 논문은 산림청 ‘제5차 국가산림자원조사’ 및 ‘생장목편 DB 구축 사업’의 결과에 의해 이루어진 연구 결과임.
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