[논문]뿌리의 공간분포를 고려한 수목 뿌리의 토양보강 효과에 대한 분석

김동엽; 이상호; 임상준

doi:10.13087/kosert.2011.14.4.041

뿌리의 공간분포를 고려한 수목 뿌리의 토양보강 효과에 대한 분석
Analysis of the Effect of Tree Roots on Soil Reinforcement Considering Its Spatial Distribution 원문보기

環境復元綠化 = Journal of the Korean Society of Environmental Restoration Technology, v.14 no.4, 2011년, pp.41 - 54

김동엽 (서울대학교 산림과학부) , 이상호 (서울대학교 산림과학부) , 임상준 (서울대학교 산림과학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Tree roots can enhance soil shear strength and slope stability. However, there has been a limited study about root reinforcement of major tree species in Korea because of some experimental difficulties. Thus, this study was conducted to analyze the performance of Japanese larch (Larix kaempferi) and Korean pine (Pinus koraiensis) which are two common plantation species in Korea. Profile wall method was used to measure the spatial distribution of root system and its diameter within 15 soil walls of Japanese larch stand and 13 soil walls of Korean pine stand in Taehwa University Forest, Seoul National University, Korea. Root tensile properties of each species were assessed in the laboratory, and root reinforcements were estimated by Wu model. The study observed that the number and cross-sectional area (CSA) of root in both species could tend to decrease with soil depth. Especially, CSA were well-fitted to exponential functions of soil depth. Mean root area ratios (RAR) were 0.03% and 0.10% for Japanese larch and Korean pine, respectively. Estimated root reinforcement from Wu model were, on the average, 4.04 kPa for Japanese larch and 12.26 kPa for Korean pine. Overall, it was concluded that root reinforcement increased the factor of safety (Fs) of slope for small-scale landslide as the result of two-dimensional (2-D) infinite slope stability analysis considering vegetation effects.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이 연구에서는 Wu 뿌리보강모형을 이용하여 우리나라의 주요 조림수종인 낙엽송과 잣나무의 뿌리에 의한 토양보강 효과를 정량적으로 평가하였다. 이를 위하여 수종별로 뿌리의 공간적인 분포를 조사하고, 뿌리의 인장강도를 측정하여 최종적으로 뿌리에 의한 토양보강 효과를 추정하였다.
, 2007). 이 연구에서는 산사태 발생 예측에 많이 이용되는 무한사면안정해석에서 뿌리보강 효과를 접목하는 방법을 고찰하였다.
이 연구에서는 수목 뿌리의 토양보강 효과를 정량적으로 분석하는 것을 목적으로 낙엽송과 잣나무 뿌리의 공간적 분포와 인장특성을 조사하고, Wu 뿌리보강모형을 이용하여 뿌리에 의한 토양보강력을 구하였다. 낙엽송과 잣나무 뿌리의 개수와 단면적은 토양 깊이에 따라 감소하였으며, 특히 뿌리 단면적은 깊이에 따라 지수함수적으로 감소하였다.

가설 설정

= 측면 뿌리 보강력(kPa), h = 사면에 수직방향 토심(m), γ_sat = 토양 포화단위질량(t/m³), g = 중력가속도(m/s²), β = 사면경사(°), m_veg. = 단위면적당 수목 질량(t/m²)이다. 같은 방식으로 2차원 무한사면모형에서 안전율은 다음의 식 (6)과 같이 표현할 수 있다.
Wu 뿌리보강모형은 수목의 뿌리가 토양의 전단면에 대하여 수직으로 위치하는 것으로 가정하여 뿌리보강 효과를 추정한다. Wu 모형에서는 토양이 외부의 힘에 의해 전단파괴될 때, 토양층 내의 뿌리 변형에 의해 발생하는 인장저항력으로 부터 뿌리보강 효과가 발생하는 것으로 해석한다.
토양 붕괴 전단면은 사면에 수직방향으로 토심 1m를 기준으로 하였으며, 붕괴초기의 수분조건은 포화된 것으로 가정하였고, 토양 내부 마찰각은 분석대상지의 토성과 붕괴현황을 고려하여 35°로 설정하고 사면안전율을 계산하였다.

제안 방법

이 때, 뿌리의 계급구분은 직경의 크기에 따라 6계급으로 구분하여 조사하였으며, 20mm 이상의 뿌리는 분석에서 제외하였다(Abernethy and Rutherfurd, 2001). 단목에 대해서 약 50cm 이상의 간격을 유지하고 연속적으로 토양단면을 형성하여 조사하였으며, 이를 통하여 낙엽송의 경우에 15개 토양 단면, 잣나무는 13개의 단면을 각각 조사하였다.
이를 위하여 수종별로 뿌리의 공간적인 분포를 조사하고, 뿌리의 인장강도를 측정하여 최종적으로 뿌리에 의한 토양보강 효과를 추정하였다. 또한, 뿌리보강 효과를 산사태 예측 및 사면 안정해석에 반영하는 방법을 제안하였다.
뿌리의 공간적 분포를 조사하기 위하여 먼저 1m×1m 크기의 투명한 연질 PVC판에 10cm 간격으로 격자(grid)를 표시하고, 이를 토양 단면에 부착시켜 나타나는 뿌리에 대해 위치와 크기를 구별하여 표시하였으며, 실내 작업을 통해 뿌리의 공간적 분포를 분석하였다(그림 2).
실제 뿌리보강 효과가 사면 안전율에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 식 (6)을 이용하여 잣나무 현장조사지를 대상으로 사면안정해석을 실시하였다. 토양 붕괴 전단면은 사면에 수직방향으로 토심 1m를 기준으로 하였으며, 붕괴초기의 수분조건은 포화된 것으로 가정하였고, 토양 내부 마찰각은 분석대상지의 토성과 붕괴현황을 고려하여 35°로 설정하고 사면안전율을 계산하였다.
이 연구에서는 Wu 뿌리보강모형을 이용하여 우리나라의 주요 조림수종인 낙엽송과 잣나무의 뿌리에 의한 토양보강 효과를 정량적으로 평가하였다. 이를 위하여 수종별로 뿌리의 공간적인 분포를 조사하고, 뿌리의 인장강도를 측정하여 최종적으로 뿌리에 의한 토양보강 효과를 추정하였다. 또한, 뿌리보강 효과를 산사태 예측 및 사면 안정해석에 반영하는 방법을 제안하였다.
, 2000). 한편, 이 연구에서는 토양단면에 나타나는 뿌리를 조사하여 RAR을 구하였다.

대상 데이터

반면, 잣나무는 1임반 차소반(37°18‘11‘‘N, 127°19‘6‘‘E)에서 조사하였으며, 임령은 48년(식재년도 1963년), 평균 DBH는 약 21cm이고, 평균 수고는 약 20m이다.
이 연구는 경기도 광주군 도척면 상림리 일대에 소재하고 있는 서울대학교 농업생명과학대학 부속 태화산 학술림에서 실시되었다. 이 지역의 연평균 기온은 약 11.
이 연구에서는 단목 수준이 아닌 임분 수준에서 수목의 뿌리보강 효과를 평가하기 위하여 식재밀도가 동일하고 토양 특성이 동질한 임분을 연구대상지로 선정하였다. 낙엽송 조사 지역인 태화산 학술림 1임반 하소반(37°18‘3‘‘N, 127°19‘3‘‘E)의 임령은 42년(식재년도 1969년), 평균 흉고직경(DBH)는 약 21cm이고, 평균 수고는 약 25m이다.

이론/모형

뿌리의 공간적인 분포를 조사하기 위하여 토양단면법(profile wall method; Böhm, 1979)을 이용하였다.
토양단면별 뿌리의 RAR와 뿌리 인장강도를 Wu 모형에 적용하여 각 토양 단면별 뿌리보강 효과를 계산한 결과는 표 3과 같다. 낙엽송 뿌리에 의한 토양보강력은 최소 0.

성능/효과

1m×1m 크기의 토양 단면에서 구한 RAR은 평균적으로 낙엽송이 0.03%, 잣나무는 0.10%으로 각각 나타났다.
그림 8은 각 수종별 RAR 평균을 이용하여 계산한 뿌리보강 효과를 토양 깊이별 그리고 뿌리 직경별로 나타낸 것이다. RAR 평균값을 이용한 낙엽송의 뿌리보강력은 4.04kPa이었으며, 잣나무의 뿌리에 의한 토양보강력은 12.26kPa으로 나타났다. 토양 깊이별로 낙엽송과 잣나무의 토양 보강효과는 전체적으로 토양 깊이에 따라 뿌리보강력이 감소하는 경향을 보였다.
토양단면별 뿌리의 RAR와 뿌리 인장강도를 Wu 모형에 적용하여 각 토양 단면별 뿌리보강 효과를 계산한 결과는 표 3과 같다. 낙엽송 뿌리에 의한 토양보강력은 최소 0.81kPa부터 최대 8.41kPa의 범위를 보였으며, 평균 4.04kPa이었다. 잣나무의 뿌리 보강력은 평균 15.
낙엽송 임분의 15개 토양 단면에서 조사된 전체 뿌리 개수는 2,467개였으며, 잣나무 임분의 13개의 토양 단면에서는 모두 3,771개의 뿌리가 조사되었다. 특히, 잣나무의 경우에 토양층 깊이 70cm 이하에는 뿌리가 거의 발견되지 않았다.
뿌리 단면적에서 각 직경 계급이 차지하는 비율은 뿌리 개수와는 다르게 나타났다. 낙엽송과 잣나무 모두 직경 5mm 이상의 뿌리가 전체 뿌리 단면적의 약 70%를 차지하는 것으로 조사되었다. 토양 깊이별 분포에 있어서는 뿌리 개수와 마찬가지로 두 수종 모두 전반적으로 깊이에 따라 뿌리 단면적이 감소하는 경향을 나타내었다.
이 연구에서는 수목 뿌리의 토양보강 효과를 정량적으로 분석하는 것을 목적으로 낙엽송과 잣나무 뿌리의 공간적 분포와 인장특성을 조사하고, Wu 뿌리보강모형을 이용하여 뿌리에 의한 토양보강력을 구하였다. 낙엽송과 잣나무 뿌리의 개수와 단면적은 토양 깊이에 따라 감소하였으며, 특히 뿌리 단면적은 깊이에 따라 지수함수적으로 감소하였다. 1m×1m 크기의 토양 단면에서 구한 RAR은 평균적으로 낙엽송이 0.
그림 9와 같이 수목이 있는 경우가 수목이 없는 조건보다 사면안전율이 높게 나왔다. 또한, 규모가 작은 산사태에서 수목의 영향력이 보다 크게 작용하여 더 높은 사면 안전율을 나타냈다. 이러한 결과를 통해서 규모가 작은 산사태에서는 뿌리보강 효과가 실제 사면의 안전율을 높이는데 큰 영향을 미친다고 판단된다.
잣나무의 경우에도 낙엽송과 비슷한 경향을 나타내어 전체 뿌리 중 90% 이상이 직경 2mm 이하 세근이었고, 전체 뿌리의 85% 이상이 토양층 깊이 30cm 내에 분포하고 있었다. 또한, 두 수종 모두 뿌리 개수가 전반적으로 토양 깊이에 따라 감소하는 경향을 보였다.
뿌리보강 효과는 사면안정해석에서 측면 방향의 뿌리 보강력으로 수목의 자체중량과 함께 식생의 영향으로 고려될 수 있는 부분이며, 이러한 수목의 효과를 사면안정해석에 반영함으로써 산지사면에서 보다 정확한 붕괴 예측을 할 수 있을 것으로 판단되었다. 특히, 수목을 고려한 무한사면안정해석에서 산사태 발생 길이에 대하여 민감도 분석을 실시한 결과, 뿌리보강 효과는 규모가 작은 산사태에서 보다 큰 영향력을 나타내는 것으로 나타났다.
또한, 규모가 작은 산사태에서 수목의 영향력이 보다 크게 작용하여 더 높은 사면 안전율을 나타냈다. 이러한 결과를 통해서 규모가 작은 산사태에서는 뿌리보강 효과가 실제 사면의 안전율을 높이는데 큰 영향을 미친다고 판단된다.
, 2010b). 인장실험 결과에 의하면 뿌리 인장강도와 뿌리 직경은 멱급수 함수(power law function)의 관계를 보이며, 낙엽송은 y = 24.69x^-0.38(r² = 0.51), 잣나무는 y= 21.11x^-0.44(r² = 0.52)의 식으로 나타났다. 여기서 y = 뿌리 인장강도(MPa), x = 뿌리 직경(mm)이다(그림 3).
낙엽송과 잣나무 모두 직경 5mm 이상의 뿌리가 전체 뿌리 단면적의 약 70%를 차지하는 것으로 조사되었다. 토양 깊이별 분포에 있어서는 뿌리 개수와 마찬가지로 두 수종 모두 전반적으로 깊이에 따라 뿌리 단면적이 감소하는 경향을 나타내었다.
26kPa으로 나타났다. 토양 깊이별로 낙엽송과 잣나무의 토양 보강효과는 전체적으로 토양 깊이에 따라 뿌리보강력이 감소하는 경향을 보였다. 뿌리 직경별 보강력의 크기는 두 수종 모두 RAR 결과와 유사하게 나타났다.
뿌리보강 효과는 사면안정해석에서 측면 방향의 뿌리 보강력으로 수목의 자체중량과 함께 식생의 영향으로 고려될 수 있는 부분이며, 이러한 수목의 효과를 사면안정해석에 반영함으로써 산지사면에서 보다 정확한 붕괴 예측을 할 수 있을 것으로 판단되었다. 특히, 수목을 고려한 무한사면안정해석에서 산사태 발생 길이에 대하여 민감도 분석을 실시한 결과, 뿌리보강 효과는 규모가 작은 산사태에서 보다 큰 영향력을 나타내는 것으로 나타났다. 그러므로 우리나라와 같이 소규모의 산사태가 주로 발생하는 지역에서는 산사태 발생의 위험도를 낮추는데 수목이 효과적으로 이용될 수 있을 것으로 판단되었다.
현장 채취한 토양시료를 분석한 결과, 두 임분 모두 깊이별로 토양 특성의 뚜렷한 변화는 없었으며, 토성은 국제토양학회법에 따르면 낙엽송 임분 토양(sand 44%, silt 37%, clay 19%)과 잣나무 임분 토양(sand 42%, silt 37%, clay 21%)에서 모두 양토(loam)로 나타났다. 낙엽송 임분 토양의 단위중량은 1.

후속연구

, 2008)와 뿌리의 저항력(Ziemer and Swanston, 1977; Gray and Sotir, 1996)이 서로 다르기 때문이다. 그러므로 뿌리보강 효과를 정량적으로 평가하기 위해서는 먼저 수종별 뿌리의 공간분포와 역학적 성질에 관한 조사가 선행되어야 한다. 하지만, 현장에서 뿌리의 특성을 조사하는 것은 쉬운 일이 아니다.
그러므로 우리나라와 같이 소규모의 산사태가 주로 발생하는 지역에서는 산사태 발생의 위험도를 낮추는데 수목이 효과적으로 이용될 수 있을 것으로 판단되었다. 이러한 측면에서 앞으로 보다 다양한 수종의 뿌리 분포와 뿌리 보강 효과에 관한 연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	뿌리보강 효과는 무엇인가?	, 2003). 수목 뿌리에 의한 사면보강 효과, 즉 뿌리보강 효과는 뿌리의 인장저항에 의해 토양의 전단저항력이 증가되는 것을 말한다. 뿌리에 의해 증가된 전단저항력은 일반적으로 토양이 가지고 있는 고유의 점 착력(soil cohesion)과 비교하여 뿌리 점착력(root cohesion)이라고 한다(Norris et al.
	우리나라와 같이 산지사면의 토심이 얕고, 표토층에서 산사태가 많이 발생하는 지역에서는 수목 뿌리의 어떤 효과가 뚜렷하게 나타나는가?	수목의 뿌리는 지상부를 지지하고 양분과 물을 흡수하는 기능 이외에도 토양 침식이나 사면 붕괴를 방지하는 기능을 가지고 있다(Abe and Ziemer, 1991; Gray and Sotir, 1996). 특히, 우리나라와 같이 산지사면의 토심이 얕고, 표토층에서 산사태가 많이 발생하는 지역(이상희, 2005;마호섭ㆍ정원옥, 2007; 박종민 등, 2010)에서는 수목 뿌리에 의한 토양보강 효과가 더욱 뚜렷하게 나타난다(Roering et al., 2003).
	본 연구에서 수목 뿌리의 토양보강 효과를 정량적으로 분석하는 것을 목적으로 낙엽송과 잣나무 뿌리의 공간적 분포와 인장특성을 조사하고, Wu 뿌리보강모형을 이용하여 뿌리에 의한 토양보강력을 측정한 결과는?	이 연구에서는 수목 뿌리의 토양보강 효과를 정량적으로 분석하는 것을 목적으로 낙엽송과 잣나무 뿌리의 공간적 분포와 인장특성을 조사하고, Wu 뿌리보강모형을 이용하여 뿌리에 의한 토양보강력을 구하였다. 낙엽송과 잣나무 뿌리의 개수와 단면적은 토양 깊이에 따라 감소하였으며, 특히 뿌리 단면적은 깊이에 따라 지수함수적으로 감소하였다. 1m×1m 크기의 토양 단면에서 구한 RAR은 평균적으로 낙엽송이 0.03%, 잣나무는 0.10%으로 각각 나타났다. Wu 모형을 이용하여 수종별 뿌리보강 효과를 임분 규모에서 추정한 결과, 낙엽송의 뿌리보강력은 4.04kPa이었으며, 잣나무의 뿌리에 의한 토양보강력은 12.26kPa이었고, 전반적으로 토양 깊이에 따라 감소하는 추세를 보였다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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