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문제 정의
- 본 연구에서는 한국 고유수종인 구상나무의 보존을 위한 기초자료를 제공하기 위하여 첫째, 한라산 구상나무의 생장에 영향을 미치는 기후요인, 엘니뇨-남방진동(ENSO) 및 온난화에 따른 생장량 변화를 밝히고, 둘째, 연륜생장이 급격하게 저하되 는 시기를 찾아내어 생장쇠퇴의 현상 및 생장쇠퇴의 원인을 밝히고자 하였다.
제안 방법
- 한국의 기온자료와 강수자료 및 기상연보를 기초로 구(2000)에 의해서 만들어진 월별 기온 자료와 월강수자료 를 사용하였다. NOAA에서 개발된 예측 모델에 의하면 우리나라를 포함한 동아시아는 엘리뇨가 발생할 경우 겨울 기온이 상승하는 것으로 나타났으며, 이러한 예측 결과들을 바탕으로 본 연구에서는 구상나무의 생장과 ENSO-index와 상관관계를 구하였다. 구상나무 연륜연대기와 월별 남방 진동계수 (SOI)와의 상관관계를 PRECON 프로그램(Fritts 박사 제공)을 사용하여 구하였다.
- 5), 상흔이 나타나는 위치는 주로 연륜의 경계지점에 가까운 조재부분이었다. 구상나무의 분포지역이 교목 한계선이고 상흔의 위치가 연륜의 경계지점과 가까운 조재부분인 것을 고려할 때 이른 서리 등의 저온 조건에 의해서 발생한 동해의 상흔(fiost damage)으로 추정되어, 한라산에서의 기온 체감율 -0.62°C/100 m(공, 1999)을 적용하여 해발 고도 1, 900m에서의 일별 최저기온을 구하고 이것을 상흔이 나타나는 시기와 대비시켜 보았다. 대비 결과 저지대와는 달리 4월과 5월에 영하의 기온이 많이 나타났으며, 특히 4월에는 일 최저기온이 -10°C 이하로 떨어지는 시기들도 나타나 동해에 의한 상흔일 가능성이 큼을 알 수 있었다.
- 구상나무의 연륜생장과 기후와의 관계를 구하기 위하여 ste pwise regression과 response function을 사용하여 식을 구하고 각각의 식을 이용하여 기온이 2°C 상승하였을 때와 4°C 상승하였을 때 구상나무의 연륜생장이 어떠한 영향을 받는 지 분석하였다 (Table 2). 분석결과 계절별로 기온 상승에 대하여 영향을 받 는 정도가 달랐으며, 분석 방법에 따라서도 변화량의 차이를 보였다.
- 구상나무는 시료의 채취 방향에 따라 연륜폭의 변이가 매우 크기 때문에 임목 내 또는 임목간 크로스 데이팅이 매우 어려웠다. 그래서 본 연구에서는 54개의 구상나무 시료를 측정하여 COFECHA로 확인한 후, pointer year을 사용하여 한번 더 크로스데이팅을 실시하였다. COFECHA로 확인한 결과 구상나무시 료들은 유의한 상관관계를 나타냈으며, 각 시료의 pointer year 를 조사한 결과 대부분의 시료가 1996년, 1988년, 1982년에 공통적으로 생장이 매우 저조했던 것으로 나타났다 (Table 1).
- 기온 상승에 따른 구상나무 생장의 변화를 예측하기 위하여 stepwise regression과 response function을 이용하여 구상나무와 기후와의 관계를 구하고 기후변화에 따른 연륜생장의 변화를 예측하였다. 기후변화에 따른 연륜생장의 변화는 Fritts박사의 Precon 프로그램에 포함되어 있는 기후변화에 따른 생장 변화 예 측모델을 이용하였다.
- 시료별로 상흔이 나타난 시기(연도)를 조사하였다. 또한 상흔의 위치에 따라 조재와 만재로 나누어 그래프 종이에 기록하고 시대별 상흔의 분포 패턴을 조사하였다
- 3년 이상 지속되는 경우를 생장쇠퇴(abrupt growth change)로 정의하였다 (Schweingruber 1988).보다 자세히 조사하기 위하여 나이테폭이 전년도에 대비하여 40-55% 감소하였을 경우 미량', 56〜70% 감소하였을 경우는, 중간', 70% 이상 감소하였을 경우는 '극심'으로 분류하여 조사하였다 (Schweingru ber, 1988).쇠퇴정도가 미량인 경우 막대를 1개, 중간인 경우 막대를 2개, 극심인 경우 막대를 3개로 표시하여 누적 분포도를 작성하였으며, 연도별로 생장쇠퇴를 보이는 시료수를 그래프로 작성하였다 (Fig.
- 보다 자세히 조사하기 위하여 나이테폭이 전년도에 대비하여 40-55% 감소하였을 경우 미량', 56〜70% 감소하였을 경우는, 중간', 70% 이상 감소하였을 경우는 '극심'으로 분류하여 조사하였다 (Schweingru ber, 1988).쇠퇴정도가 미량인 경우 막대를 1개, 중간인 경우 막대를 2개, 극심인 경우 막대를 3개로 표시하여 누적 분포도를 작성하였으며, 연도별로 생장쇠퇴를 보이는 시료수를 그래프로 작성하였다 (Fig. 2).
- 상흔은 상해수지구가 접선상으로 배열하여 관찰되었는데 주로만 재와 조재 사이에 존재하였다. 시료별로 상흔이 나타난 시기(연도)를 조사하였다. 또한 상흔의 위치에 따라 조재와 만재로 나누어 그래프 종이에 기록하고 시대별 상흔의 분포 패턴을 조사하였다
- 이 중 측정이 가능한 54개의 시료만을 사용하여 연륜을 측정하코 크로스 데 이 팅(cross dating)을 실시하였다. 연륜 측정 및 크로스 데이팅은 그래프법을 이용하였으며, 연 륜폭이 매우 좁은 연도를 비교하는 pointer year 방법과 DPL (Dendrochronology Programs Library) 중에서 COFECHA 프로그램을 이용하여 재확인하였다. 크로스 데이팅은 각 시료의 연륜이 좁은 연도와 전체적인 생장 경향을 비교하여 정확한 연대를 파악하기 위하여 실시하였다 (Stokes & Smiley 1968).
- 그래프법 은 연륜폭을 측정하여 좁은 연륜이 나타나는 연대를 비교하는 방법이다 (Schweingruber 1988). 연륜 폭 측정은 Velmex사의 연 륜폭 측정기를 이용하여 0.01mm 정확도로 측정하였다.
- 연구지로 선정된 한라산 지역의 구상나무 군락지에서 50년생 이상 될 것으로 기대되는 구상나무를 대상 목으로 선정하고, 21그루에 대하여 지면으로부터 30cm 높이에서 4개의 생장편(core)을 채취하였다. 이 중 측정이 가능한 54개의 시료만을 사용하여 연륜을 측정하코 크로스 데 이 팅(cross dating)을 실시하였다. 연륜 측정 및 크로스 데이팅은 그래프법을 이용하였으며, 연 륜폭이 매우 좁은 연도를 비교하는 pointer year 방법과 DPL (Dendrochronology Programs Library) 중에서 COFECHA 프로그램을 이용하여 재확인하였다.
- 이러한 추정에 따라 이 연구에서도 구상나무생장쇠퇴의 원인을 조사하기 위하여 앞에서 기후변화시 구상나무의 생장에 영향을 미치는 주요 인자로 분석된 11월 평균 기온과 12월 평균 기온 및 연평균 기온의 변화 추이를 조사하였다. 연평균 기온의 10년 이동평균을 구해 본 결과 1970년대 중반 이후 지속적인 기 온상승의 추이를 발견할 수 있었으며 (Fig.
- 일반적인 통계학적 자료로 평균, 분산, 상관관계, 평균민감도, 자기 상관계수를 구하였다. 평균민감도는 연대 계열에서 연속된 두연륜폭 간의 변이 크기를 측정하는 것이며 (Fritts, 1978), 자기 상관(autocorrelation)은 한 연륜연대기 내의 생육당년도의 환경뿐만 아니라 전년도의 환경이 얼마나 지속적으로 수목의 생장에 영향을 주는가를 측정하는 것이다 (Fritts, 1978).
- 임목 내 상관관계와 임목간 상관관계를 구하였으며, 작성된 연대기들의 기간별 유효성을 나타내주는 시그널 강도(signal/ noise ratio: SNR)는 임목 간 상호 상관 계수를 이용하여 계산하였다 (박 1993, 서 1999). 자세한 연륜연대학 용어 설명은 박(2001)에 기술하였다.
- COFECHA로 확인한 결과 구상나무시 료들은 유의한 상관관계를 나타냈으며, 각 시료의 pointer year 를 조사한 결과 대부분의 시료가 1996년, 1988년, 1982년에 공통적으로 생장이 매우 저조했던 것으로 나타났다 (Table 1). 표준화한 후 전체 시료의 연대기를 연도별로 평균 내어 마스터 연대기를 만들었다. 마스터 연대기의 연대 구간은 1912년부터 1999년으로 1978년, 1982년, 1988년, 1996년에 성장이 매우 저조했던 것으로 나타났으며, .
- 한라산 구상나무의 나이테 생 장쇠퇴도를 시료별로 조사하였다. 쇠퇴도 조사는 나이테폭이 전년도에 대비하여 40% 이상 감소된 후.
- 한라산 구상나무의 생장에 영향을 미치는 기후요인을 조사하기 위하여 연륜연대기(지수 자료)와 월평균기온 및 월별 강수량 자료의 단순 상관관계를 분석하였다. 연륜지 수자료는 resi dual 자료를 사용하였으며, 기후자료는 제주 관측소의 자료를 사용하였다.
대상 데이터
- 구상나무 연륜연대기와 월별 남방 진동계수 (SOI)와의 상관관계를 PRECON 프로그램(Fritts 박사 제공)을 사용하여 구하였다. SOI는 Mike Salmon의 자료를 사용하였다.
- 본 연구의 연구지역은 한라산국립공원으로 한라산은 제주도 중심에 위치하며 정상부의 위치는 북위 33°22'29”, 동경 126°31'53”이며 총 면적은 149 kn?이다. 구상나무는 해발 고도 1, 300 m이상지역에서 1, 940m까지 한라산 정상을 중심으로 사면부위에 대상 또는 군상으로 분포하고 있으며, 우리나라에서 가장 넓게 분포할 뿐만 아니라 순림을 이루고 있다 (이 1995).
- 연구지로 선정된 한라산 지역의 구상나무 군락지에서 50년생 이상 될 것으로 기대되는 구상나무를 대상 목으로 선정하고, 21그루에 대하여 지면으로부터 30cm 높이에서 4개의 생장편(core)을 채취하였다. 이 중 측정이 가능한 54개의 시료만을 사용하여 연륜을 측정하코 크로스 데 이 팅(cross dating)을 실시하였다.
- 한라산 구상나무의 생장에 영향을 미치는 기후요인을 조사하기 위하여 연륜연대기(지수 자료)와 월평균기온 및 월별 강수량 자료의 단순 상관관계를 분석하였다. 연륜지 수자료는 resi dual 자료를 사용하였으며, 기후자료는 제주 관측소의 자료를 사용하였다. 한국의 기온자료와 강수자료 및 기상연보를 기초로 구(2000)에 의해서 만들어진 월별 기온 자료와 월강수자료 를 사용하였다.
- 이 연구에서는 연륜의 통계학적 성질들을 계산하기 위하여 1912년부터 1999년까지의 88년간의 표준화된 연륜지수가 사용되었다. 두 연륜 폭간의 변이를 나타내는 평균민감도는 0.
- 연륜지 수자료는 resi dual 자료를 사용하였으며, 기후자료는 제주 관측소의 자료를 사용하였다. 한국의 기온자료와 강수자료 및 기상연보를 기초로 구(2000)에 의해서 만들어진 월별 기온 자료와 월강수자료 를 사용하였다. NOAA에서 개발된 예측 모델에 의하면 우리나라를 포함한 동아시아는 엘리뇨가 발생할 경우 겨울 기온이 상승하는 것으로 나타났으며, 이러한 예측 결과들을 바탕으로 본 연구에서는 구상나무의 생장과 ENSO-index와 상관관계를 구하였다.
데이터처리
- NOAA에서 개발된 예측 모델에 의하면 우리나라를 포함한 동아시아는 엘리뇨가 발생할 경우 겨울 기온이 상승하는 것으로 나타났으며, 이러한 예측 결과들을 바탕으로 본 연구에서는 구상나무의 생장과 ENSO-index와 상관관계를 구하였다. 구상나무 연륜연대기와 월별 남방 진동계수 (SOI)와의 상관관계를 PRECON 프로그램(Fritts 박사 제공)을 사용하여 구하였다. SOI는 Mike Salmon의 자료를 사용하였다.
이론/모형
- 기온 상승에 따른 구상나무 생장의 변화를 예측하기 위하여 stepwise regression과 response function을 이용하여 구상나무와 기후와의 관계를 구하고 기후변화에 따른 연륜생장의 변화를 예측하였다. 기후변화에 따른 연륜생장의 변화는 Fritts박사의 Precon 프로그램에 포함되어 있는 기후변화에 따른 생장 변화 예 측모델을 이용하였다. 구상나무의 연륜생장 변화는 기온이 2°C 와 4°C 상승하였을 경우를 조사하였으며, 이 기온 값은 HadCM2 모델에 의해서 예측된 값이다.
- 측정된 연륜들은 임목의 수령에 따른 임목고유의 생물학적 생육 추세와 오랜 기간에 걸친 경쟁과 교란에 따른 결과로 발생되는 추세를 포함하고 있으므로, 이것을 제거하기 위하여 표준화하였다 (Fritts, 1978).이 연구에서는 1차로 음지 수곡선(ne gative exponential curve)으로 생육 곡선을 추정한 다음, 2차로spline(50% 반응주기 : 60년)을 이용하여 재표준화하는 이중표준화법을 사용하였다 (Fritts 1978, 서 1999). 표준화된 지수연대기 는 ARSTAN 프로그램의 자기회귀 모형을 이용하여 자기 상관을 제거하여 residual (prewhitened) 연대기를 구하였다.
- 이 연구에서는 1차로 음지 수곡선(ne gative exponential curve)으로 생육 곡선을 추정한 다음, 2차로spline(50% 반응주기 : 60년)을 이용하여 재표준화하는 이중표준화법을 사용하였다 (Fritts 1978, 서 1999). 표준화된 지수연대기 는 ARSTAN 프로그램의 자기회귀 모형을 이용하여 자기 상관을 제거하여 residual (prewhitened) 연대기를 구하였다.
성능/효과
- 그래서 본 연구에서는 54개의 구상나무 시료를 측정하여 COFECHA로 확인한 후, pointer year을 사용하여 한번 더 크로스데이팅을 실시하였다. COFECHA로 확인한 결과 구상나무시 료들은 유의한 상관관계를 나타냈으며, 각 시료의 pointer year 를 조사한 결과 대부분의 시료가 1996년, 1988년, 1982년에 공통적으로 생장이 매우 저조했던 것으로 나타났다 (Table 1). 표준화한 후 전체 시료의 연대기를 연도별로 평균 내어 마스터 연대기를 만들었다.
- 기온 상승에 따른 구상나무 생장 변화의 예측 결과, 겨울기 온 상승이 연륜생장을 감소시키는 것으로 나타났다. 겨울 기온이 2°C 상승하였을 경우에는 분석방법(stepwise regression과 response fimction)에 따라 각각 연륜생장이 19.3%, 9.9% 감소하 는 것으로 예측되었으며, 4°C 상승하였을 경우에는 9.6%, 4.9% 감소하는 것으로 나타났다. 가을 기온이 2°C 상승할 경우에는 생장이 27.
- 4월은 구상나무가 생장을 시작하는 시기로 기온이 낮을 경우 생장 개시기가 늦어지거나 새로운 세포들에 동해에 의한 수분 스트레스가 발생하여 생장이 나빠지는 것으로 추정된다. 구상나무의 생장과 강수 조건과의 관계는 전년 12월 및 당해 1월의 강수량과 유의한 수준의 상관관계 외에도 전체적으로 양의 상관관계를 나타냈는데, 이것은 구상나무가 수분 스트레스에 민감한 수종임을 나타내는 것이다. 특히 전년 12월 및 1월 강수량과 유의한 양의 상관관계를 갖는 것은 겨울철에 많은 눈이 내릴 경우 봄에 눈이 녹으면서 구상나무의 생장에 필요한 충분한 수분을 공급하여 수분 스트레스를 완화시켜주기 때문인 것으로 추정된다.
- 구상나무의 생장과 남방진동과의 상관관계를 분석한 결과 구상나무의 생장은 전년도 1월, 2월, 3월 및 11월 엘리뇨 지수와 양의 상관관계를 갖는 것으로 나타났다 (Fig. 4). 이것은 엘 리뇨지수가 음의 값이 커질 때 엘리뇨 현상이 강하게 나타나는 것을 고려할 때, 엘리뇨가 발생하여 겨울 기온이 상승하면 구상나무의 생장이 감소하는 것을 보여준다.
- 기온 상승에 따른 구상나무 생장 변화의 예측 결과, 겨울기 온 상승이 연륜생장을 감소시키는 것으로 나타났다. 겨울 기온이 2°C 상승하였을 경우에는 분석방법(stepwise regression과 response fimction)에 따라 각각 연륜생장이 19.
- 62°C/100 m(공, 1999)을 적용하여 해발 고도 1, 900m에서의 일별 최저기온을 구하고 이것을 상흔이 나타나는 시기와 대비시켜 보았다. 대비 결과 저지대와는 달리 4월과 5월에 영하의 기온이 많이 나타났으며, 특히 4월에는 일 최저기온이 -10°C 이하로 떨어지는 시기들도 나타나 동해에 의한 상흔일 가능성이 큼을 알 수 있었다. 그러나 다수의 시료에서 공통적으로 상흔이 나타나는 1964년, 1965년, 1966년에는 다른 해와 비교해 이상적인 저온현상은 발견할 수 없었다.
- 7% 증가하는 것으로 나타났다. 봄과 여름 의 기온상승은 response fimction의 경우 구상나무의 생장에 약간의 변화가 나타나는 것으로 나타났으나, stepwise regressions] 경우에는 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 또한 연간 기온의 상승에 따른 구상나무 연륜생장의 변화를 살펴본 결과 기온이 2°C 상승하였을 때는 8.
- 구상나무의 연륜생장과 기후와의 관계를 구하기 위하여 ste pwise regression과 response function을 사용하여 식을 구하고 각각의 식을 이용하여 기온이 2°C 상승하였을 때와 4°C 상승하였을 때 구상나무의 연륜생장이 어떠한 영향을 받는 지 분석하였다 (Table 2). 분석결과 계절별로 기온 상승에 대하여 영향을 받 는 정도가 달랐으며, 분석 방법에 따라서도 변화량의 차이를 보였다. 분석 방법에 따라 변화량에 차이를 보이는 것은 식에 사용된 변수들의 차이 때문으로, stepwise regression의 경우 전년 11월 평균기온, 전년 12월 평균 기온, 전년 12월 강수량, 1월 강수량 등 4개의 변수만이 분석에 사용되었으며, response fhnction의 경우 29개의 변수가 사용되었다.
- 6). 생장쇠퇴를 보이는 51개의 시료 중 HLNAK04B, HLNAK06C, HLNAK08B, HLNAK10C, HLNAK14B, HLNAK 14C, HLNAK14D 등 7개의 시료를 제외한 44개의 시료에서 1978년 이후 최근까지 지속적으로 생장쇠퇴현상이 나타났다. 이 44개의 시료 중 HLNAK03C, HLNAK04A, HLNAK04C, HL- NAK05C, HLNAK11A, HLNAK11B, HLNAK11C, HLNAK 14A, HLNAK15A, HLNAK18A, HLNAK18B, HLNAK20A, HLNAK20 등을 제외한 31개의 시료에서 70% 이상의 극심한 생장쇠퇴현상이 나타났다 (Fig.
- 이러한 추정에 따라 이 연구에서도 구상나무생장쇠퇴의 원인을 조사하기 위하여 앞에서 기후변화시 구상나무의 생장에 영향을 미치는 주요 인자로 분석된 11월 평균 기온과 12월 평균 기온 및 연평균 기온의 변화 추이를 조사하였다. 연평균 기온의 10년 이동평균을 구해 본 결과 1970년대 중반 이후 지속적인 기 온상승의 추이를 발견할 수 있었으며 (Fig. 8), 11월 평균기온 (Fig. 9)과 12월 평균기온(Fig. 10)의 10년 이동평균의 결과도 기 온상승 추이를 나타내었다. 특히 12월 평균 기온과 11월 평균기 온은 1SC 이상의 높은 상승 추이를 나타내고 있으며, 12월 평균 기온의 경우 1970년대 중반 이후 거의 2°C 정도의 매우 높은 상 승정도를 보여주어 연평균기온의 상승추이는 겨울 기온의 상승 추이에 많은 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 생장쇠퇴를 보이는 51개의 시료 중 HLNAK04B, HLNAK06C, HLNAK08B, HLNAK10C, HLNAK14B, HLNAK 14C, HLNAK14D 등 7개의 시료를 제외한 44개의 시료에서 1978년 이후 최근까지 지속적으로 생장쇠퇴현상이 나타났다. 이 44개의 시료 중 HLNAK03C, HLNAK04A, HLNAK04C, HL- NAK05C, HLNAK11A, HLNAK11B, HLNAK11C, HLNAK 14A, HLNAK15A, HLNAK18A, HLNAK18B, HLNAK20A, HLNAK20 등을 제외한 31개의 시료에서 70% 이상의 극심한 생장쇠퇴현상이 나타났다 (Fig. 7). 이러한 결과는 다른 연구 결과(김, 1994)에서도 공통적으로 나타나고 있어 한라산구상나무의 생장쇠퇴 현상이 매우 심각한 수준임을 알 수 있었다.
- 마스터 연대기의 연대 구간은 1912년부터 1999년으로 1978년, 1982년, 1988년, 1996년에 성장이 매우 저조했던 것으로 나타났으며, . 이 결과는 대체적으로 크로스 데 이 팅 결과생장이 저조했던 연도들과 일치하는 것으로 나타났다.
- 채취한 한라산 구상나무 시료 중 생장쇠퇴현상이 나타난 시료는 HLNAK05A, HLNAK10B, HLNAK21B를 제외한 51개의 시료로 거의 모든 시료에서 생장쇠퇴 현상이 나타나며, 생장쇠 퇴가 시작되는 공통적인 시기는 1978년, 1982년, 1988년으로 나타났다 (Fig. 6). 생장쇠퇴를 보이는 51개의 시료 중 HLNAK04B, HLNAK06C, HLNAK08B, HLNAK10C, HLNAK14B, HLNAK 14C, HLNAK14D 등 7개의 시료를 제외한 44개의 시료에서 1978년 이후 최근까지 지속적으로 생장쇠퇴현상이 나타났다.
- 10)의 10년 이동평균의 결과도 기 온상승 추이를 나타내었다. 특히 12월 평균 기온과 11월 평균기 온은 1SC 이상의 높은 상승 추이를 나타내고 있으며, 12월 평균 기온의 경우 1970년대 중반 이후 거의 2°C 정도의 매우 높은 상 승정도를 보여주어 연평균기온의 상승추이는 겨울 기온의 상승 추이에 많은 영향을 받는 것으로 나타났다. 그러므로 기온상승 (온난화)에 따른 구상나무의 생장 변화 예측결과{Table 2)와 1924년에서 1998년간의 기온 변화의 추이를 고려할 때, 기은상 승이 구상나무의 생장 쇠퇴에 한 원인으로 작용한 것으로 추정되며 특히 겨울 기온의 상승이 많은 영향을 미친 것으로 판단된다.
후속연구
- 그러므로 기온상승 (온난화)에 따른 구상나무의 생장 변화 예측결과{Table 2)와 1924년에서 1998년간의 기온 변화의 추이를 고려할 때, 기은상 승이 구상나무의 생장 쇠퇴에 한 원인으로 작용한 것으로 추정되며 특히 겨울 기온의 상승이 많은 영향을 미친 것으로 판단된다. 다만 제주 측 후소에서 관측된 겨울 기온 상승이 주변의 도시화에 의한 것인지 아니면 제주 전 지역에 발생한 온난화에 의한 것인지 여부는 추후 기후학적인 연구에 의해 규명되어야 할 것이다.
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