[논문]갯버들 근계의 토양 입자 해리 억제효과에 관한 연구

이춘석; 박명안; 강호철

문제 정의

본 연구는 생태적 호안 공법에 적용되는 대표적인 목본식물인 갯버들(Salix gracilistyla Miq.)의 호안효과를 파악하기 위한 연구의 일환으로, 갯버들 근계의 토양입자 해리 억제효과를 실험을 통하여 해석하는데 주된 목적이 있었다.
본 연구에서는 토양에 관입된 갯버들 뿌리의유무가 침수 시 토양의 결속력에 영향을 미치는지 여부와 영향의 정도를 우선적으로 파악코자하였다. 기존의 슬레이킹 테스트와 입단안정성 평가에 적용되는 침수 시험 방법은 토양속에 갯버들 뿌리가 있는 뿌리분 공시체의 침수시험에 적용하는데 어려움이 있었다.
식물의 생물공학적 특성과 역할에 관한 실증적 연구가 부족한 상황에서 생태복원의 주된 관심 대상이 되고 있는 습지(濕地)의 수제부(水際部)에 분포하고 있는 대표적인 목본 수목인 갯버들을 이용한 침수시험을 통하여 그 동안 관심을 갖지 않았던 수변 식물의 세근 및 뿌리털이침수 시 토양의 해리를 억제하는 힘을 비교 해석한 점이 본 연구의 의의라 할 수 있다.
이에 본 연구에서는 우리나라의 비교적 안정화된 수변식생대(riparian)에 분포하는 대표적인 목본식물인(전승훈 等, 1988; 신정이 等, 1999; 안영희 等, 2000; 이인순 等, 2001) 갯버들(Salix gracilistyla Miq.) 근계의 침수시 토양입자 해리 억제 효과를 실험을 통하여 살펴보고자 하였다.

제안 방법

공시토양을 충진시킨 각 식재용기에는 20㎝ 길이의 삽수를 삽목하여 2000년 6월부터 2년 간동일한 토양으로 조성된 포장에 매설하여 생육시켰다. 이는 최대한 자연상태와 동일한 조건의 뿌리 분포 상태에서의 사면 토양 보강효과를 해석하기 위함이었다.
침수 시험 전에 뿌리분 공시체의 직경과 높이를 측정하여 부피를 계산하고, 침수 전후의 뿌리를 제외한 건조토양의 중량을 계산하여, 단순 토양 공시체와 비교하였다. 단순토양 공시체의 경우, 침수 후 5분, 10분, 15분, 35분, 1시간, 6시간, 12시간, 24시간, 48시간이 경과된 시점에 펌프를 이용하여 물을 배수했을 때 잔류하는 토양이 형성하는 사면 각도를 측정하여 비교하였으며, 잔류토양을 105℃의 건조로에 24시간 이상 건조시켜 중량을 분석하였으며, 이상과 과정을 측정 시간별로 4회씩 반복 수행하였다.
기존의 슬레이킹 테스트와 입단안정성 평가에 적용되는 침수 시험 방법은 토양속에 갯버들 뿌리가 있는 뿌리분 공시체의 침수시험에 적용하는데 어려움이 있었다. 이에 최대 다짐 밀도의 95% 이내 수준으로 조성한 단순토양 공시체와 토양속에 갯버들 뿌리가 있는 뿌리분 공시체를 가로, 세로, 높이가 각각 450×300×350㎜인 유리 수조에 정치시킨 후 완전 침수시켜, 시간경과에 따른 공시체 변형 과정을 관찰하였다<그림 5, 6 참조>;.
침수 시험 전에 뿌리분 공시체의 직경과 높이를 측정하여 부피를 계산하고, 침수 전후의 뿌리를 제외한 건조토양의 중량을 계산하여, 단순 토양 공시체와 비교하였다. 단순토양 공시체의 경우, 침수 후 5분, 10분, 15분, 35분, 1시간, 6시간, 12시간, 24시간, 48시간이 경과된 시점에 펌프를 이용하여 물을 배수했을 때 잔류하는 토양이 형성하는 사면 각도를 측정하여 비교하였으며, 잔류토양을 105℃의 건조로에 24시간 이상 건조시켜 중량을 분석하였으며, 이상과 과정을 측정 시간별로 4회씩 반복 수행하였다.

대상 데이터

균일한 생육 조건과 실험의 편의를 위하여 공시체용 삽수는 경상남도 사천시와 진주시, 산청군의 경계지점인 덕천강 하류의 하상 퇴적부에 위치한 갯버들 군락지의 1년생 휴면지를 채취하여 사용하였으며, 자연적인 생장에 영향을 미칠 수 있는 일체의 화학적 처리는 배제하였다.
본 실험에서는 갯버들 뿌리의 침수 시 토양 입자의 해리(解離) 억제 효과를 분석하기 위해서 내경이 132.5㎜, 외경이 141.5㎜인 폴리염화비닐관(PVC Ø125㎜)에 갯버들을 삽목하여 생장시킨 공시체를 이용하였다. 이는 자연상태와 비슷한 조건에서 갯버들을 생장시키고, 교란되지 않은 상태의 뿌리분 공시체를 형성하기 위함이었다.
폴리염화비닐관은 10㎝ 길이 단위로 절단되 었으며, 갯버들 근계의 생육 토심확보를 위해 10㎝ 길이 단위 관을 네 개씩 결합하여 식재용 기로 사용하였다. 또한, 용기 식재 시 발생할수 있는 뿌리의 집중순환현상(Circling)이나, 통기부족현상을 제거하기 위하여 각 단위길이(10 ㎝) 당 직경 8㎜의 천공 서른 개(1/13㎠)를 만들었다(Appleton, 1989).

성능/효과

① 최대다짐밀도 상태로 조성된 단순토양 공시체의 경우, 침수 후 약 15분만에 공시체 중량의 50% 이상이 유실되었으며, 한 시간만에 공시체 토양 중량의 90% 이상이 유실되었다. 1시간 이후에는 토양 유실 속도가 현저하게 떨어져 24시간, 48시간이 경과한 시점에도 잔류토양의 양은 비교적 일정하게 유지되었다.
① 최대다짐밀도 상태로 조성된 단순토양 공시체의 경우, 침수 후 약 15분만에 공시체 중량의 50% 이상이 유실되었으며, 한 시간만에 공시체 토양 중량의 90% 이상이 유실되었다. 1시간 이후에는 토양 유실 속도가 현저하게 떨어져 24시간, 48시간이 경과한 시점에도 잔류토양의 양은 비교적 일정하게 유지되었다.
② 침수 시 단순토양 공시체의 잔류토양이 형성하는 사면각도도 시간경과에 따라서 급격하게 변화되었는데, 침수 후 한 시간만에 경사각은 50 로 감소하였으며, 시간 경과에도 불구하고 경사각 감소가 진행되지 않는 공시토양의 수중안식각은 약 36 로 분석되었다.
④ 토양 밀도, 함수비, 뿌리부피 등의 변수와 토양 해리량 간에 유의적인 상관관계가 나타나지 않음을 근거로 판단할 때, 단순토양 공시체와 뿌리분 공시체의 침수 시 해리량이 현격하게 차이나는 이유는 목질성 중심 뿌리의 지지역할과 미세한 뿌리의 토양입자 결속효과와 같은 갯버들 뿌리의 두 가지 기능의 복합적 작용에 의한 것으로 해석되었다.
시간경과에 따른 뿌리분 공시체의 토양 해리 추이를 단순토양 공시체와 비교하면 <그림 11>과 같다. 공시체 내부의 뿌리 유무에 따라서 토양 유실량은 현격 하게 차이가 났으며, 침수 시 뿌리에 의해 해리가 억제된 토량은 침수 후 24시간 기준으로 공시체 토양 건조 중량의 87%에 달하였다.
공시토양은 비중(Gs)이 2.57이며, 다짐시험(KSF 2302 A) 결과 최적 함수비(Wopt)가 13.8% 일 때, 최대 건조 단위 중량(γdmax)은 1.59gf/㎤으로 분석되었다<;그림 2 참조>. 식물의 생장과 관련이 있는 화학적 특성은 <표 1>과 같으며, 식물의 생장에 장애를 초래할 정도의 요소는 없는 것으로 분석되었다.
따라서, 동일한 조건의 토양을 대상으로 뿌리의 유무에 따른 입자 해리 특성을 비교한 본실험에서 뿌리분 공시체의 토양 해리량이 현저 하게 낮게 나타난 것은 식물 뿌리가 토양입자의 해리와 붕락을 억제하는 데 상당히 중요한역할을 하는 인자임을 분명하게 보여주는 결과 이다. 이러한 뿌리에 의한 토양입자 해리 억제 효과는 크게 두 가지 측면으로 이해될 수 있다.
또한, 각 침수시간대별 잔류토양이 형성하는 사면경사를 과 같이 측정하였을 때, 침수 후 1시간 경과시점까지 급격하게 감소하였으며, 이후 감소세가 둔화되어 6시간 경과시점 이후에는 경사각이 약 36 (72%)를 형성하며 안정 화되는 것으로 나타났다.
2%에 지나지 않아, 단순토양 공시체와 크게 대비되었다. 또한, 침수 전후의 공시체 형태에 있어서의 변화도 극히 적은 것으로 나타났다.
식물의 생장과 관련이 있는 화학적 특성은 과 같으며, 식물의 생장에 장애를 초래할 정도의 요소는 없는 것으로 분석되었다.
실험 결과, 단순토양으로 구성된 공시체의 경우 침수시간이 경과됨에 따라서 토양이 급격하게 해리되는 현상이 발생한 반면, 뿌리가 관입된 공시체의 경우, 시간경과에도 불구하고 토양 입자의 해리는 극히 소량으로 발생하였다.
실험에 사용된 토양의 입도 구성을 체 가름과 비중계법으로 분석한 결과(KS F2302), Sand 60.36%, Silt 28%, Clay 11.64%의 사양토(Sandy Loam)로 확인되었다.
침수 후 24시간이 경과한 시점에 측정한 토양 해리량은 뿌리를 제외한 토양 중량 대비 평균 7.2%에 불과한 것으로 나타나, 침수 후 한 시간 이내에 90% 이상의 토양이 유실되었던 단순토양 공시체와 현격한 대조를 보였다. 또한, 공시 체의 경사각도 침수 전의 뿌리분 공시체의 형태를 큰 변화가 없이 유지하였다.
<그림 12>는 단순토양 공시체와 뿌리분 공시 체의 침수 시 토양 유실 과정을 정리한 것이다. 침수 후 약 10분 경과한 시점부터 단순토양 공시체는 토양입자의 활발한 해리로 수조가 매우 혼탁해져 내부를 관측할 수 없을 정도에 달한 반면, 뿌리분 공시체는 침수 후 24시간이 경과된 후에도 수조 내부를 쉽게 관측할 수 있을 정도로 토양 해리량이 적게 나타났다.

후속연구

그러나, 실험의 주된 재료가 되었던 갯버들의 생육특성 상, 다양한 규격을 고려하지 못한것은 본 연구의 한계로 지적될 수 있다. 실제로 습지에 분포하는 갯버들의 경우 이것보다는 훨씬 성숙한 개체들로 구성이 되어 있는 것이 일반적이다.
실제로 습지에 분포하는 갯버들의 경우 이것보다는 훨씬 성숙한 개체들로 구성이 되어 있는 것이 일반적이다. 따라서 보다 정확한 토양 해리 억제 효과 해석을 위해서는 습지에 실제로 분포하는 다양한 규격의 갯버들을 이용한 후속 연구들이진행되어야 할 것으로 판단된다.
침수 실험을 통하여 침수 시 토양입자의 해리 억제 효과는 명확하게밝힐 수 있었으나, 유수실험을 위한 뿌리분 공시체를 조성하는 것에는 많은 제약과 한계가 있었다. 따라서, 향후 흐르는 물에 의한 침식을 방어하는 능력을 해석하기 위한 공시체 준비와 측정 방법 등에 관한 후속 연구가 이루어져야 할것으로 생각된다.
또한, 하천형 습지에서의 기본적인 작용 중의 하나인 흐르는 물을 고려하지 못한 것도 본 연구의 또 다른 한계점이다. 침수 실험을 통하여 침수 시 토양입자의 해리 억제 효과는 명확하게밝힐 수 있었으나, 유수실험을 위한 뿌리분 공시체를 조성하는 것에는 많은 제약과 한계가 있었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	토양이 물에 의해서 해리되는 현상을 물에 대한 입단안정성 측면에서 해석하면?	반면에 후자는 토양입자들이 주변의 다른 입자보다 강한 힘으로 결합되어 있는 입단(粒團) 상태의 안정성을 의미하며, 식물의 생육에 필요한 수분 및 공기의 이동성과 식물 뿌리의 발달 용이성 등을 평가하기 위한 개념으로 주로 농작물 생장기반으로서의 토양을 평가하기 위한 중요한 지표로 이용된다(정영상 等, 1976; 조인상 等, 1985; 정필균 等, 1985; Boix-Fayos 等, 2001;Herrick 等, 2001; Barthes 等, 2002). 입단안정성을 평가하는 방법은 일정량의 토양을 0.
	입단안정성을 평가하는 방법은?	반면에 후자는 토양입자들이 주변의 다른 입자보다 강한 힘으로 결합되어 있는 입단(粒團) 상태의 안정성을 의미하며, 식물의 생육에 필요한 수분 및 공기의 이동성과 식물 뿌리의 발달 용이성 등을 평가하기 위한 개념으로 주로 농작물 생장기반으로서의 토양을 평가하기 위한 중요한 지표로 이용된다(정영상 等, 1976; 조인상 等, 1985; 정필균 等, 1985; Boix-Fayos 等, 2001;Herrick 等, 2001; Barthes 等, 2002). 입단안정성을 평가하는 방법은 일정량의 토양을 0.25～4.5 ㎜ 체 위에 정치시켜 물에 일정시간 침수시킨후 전중량에 대한 잔류중량의 비를 측정하는 것이다(조인상 等, 1985; Angers 等, 1993).
	토양이 물에 의해서 해리되는 현상을 붕락률(崩落率, Slaking Rate)로 해석하면?	전자는 연한 암석이 습윤과 건조의 반복작용에 의해 급격히 고결력을 잃고 붕괴되는 현상을 말하며, 주로 이암, 혈암, 편암 등에서 발견되며, 전중량에 대한 건습 반복 후의 5㎜ 또는 9.52㎜ 체 통과량의 백분율로 표시하는데(고문환 等, 1988; 강병욱 等, 2000), 건설을 위한 골재 재료의 침식과 유실에 대한 안정성 평가를 위해서 적용되는 개념이다.

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