[논문]기후변화에 따른 수도권 산림의 순일차생산량과 토양탄소저장량의 시공간적 변화 추정

권선순; 최선희; 이상돈

doi:10.14249/eia.2012.21.5.757

기후변화에 따른 수도권 산림의 순일차생산량과 토양탄소저장량의 시공간적 변화 추정
Estimation of Spatial-Temporal Net Primary Productivity and Soil Carbon Storage Change in the Capital area of South Korea under Climate Change 원문보기

환경영향평가 = Journal of environmental impact assessment, v.21 no.5, 2012년, pp.757 - 765

권선순 (이화여자대학교 환경공학과) , 최선희 (이화여자대학교 환경공학과) , 이상돈 (이화여자대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study was to estimate the spatial-temporal NPP(Net Primary Productivity) and SCS(Soil Carbon Storage) of forest ecosystem under climate change in the capital area of South Korea using Mapss-Century1 (MC1), one of Dynamic Global Vegetation Models (DGVMs). The characteristics of the NPP and SCS changes were simulated based on a biogeochemical module in this model. As results of the simulation, the NPP varies from 2.02 to 7.43 tC $ha^{-1}\;yr^{-1}$ and the SCS varies from 34.55 to 84.81 tC $ha^{-1}$ during 1971~2000 respectively. Spatial mean NPP showed a little decreasing tendency in near future (2021~2050) and then increased in far future (2071~2100) under the condition of increasing air temperature and precipitation which were simulated by the A1B climate change scenario of Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). But it was estimated that the temporal change of spatial mean NPP indicates 4.62% increasing tendency in which elevation is over 150m in this area. However, spatial mean SCS was decreased in the two future periods under same climate condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기후변화에 대응하기 위한 이산화탄소 흡수원(sink)으로서 산림의 기능을 고려하여 육상 생태계 모델 중 생지화학적 개념이 도입된 동적식생모형(Dynamic Global Vegetation Model, DGVM)을 이용하여 수도권 산림의 NPP와 SCS 시공간적 변화를 추정하고 그 결과를 고찰하였다. 이러한 연구결과를 토대로 각종 토지이용계획 수립시 기후변화에 따른 영향을 최소화하는 방안을 모색하는데 참고할 수 있는 자료를 제공하는 데 본 연구의 목적이 있다.
본 연구에서는 기후에 따라 변화하는 대기와 식생간의 피드백 과정을 잘 반영하고 carbon dynamics를 함께 예측할 수 있는 MC1 모델에 A1B 시나리오에 따라 예측된 미래 기후자료를 이용하여 NPP와 SCS의 변화를 모의하였다.
식생의 탄소저감효과를 극대화하기 위해서는 기후변화에 따른 변화가 많이 일어나는 지역의 개발을 최소화하고, 개발을 추진하더라도 이에 대한 대안과 중점 관리방안 제시가 필요할 것이다. 이러한 연구결과를 토대로 각종 토지이용계획 수립시 기후변화에 따른 영향을 최소화하는 방안을 모색하는데 참고할 수 있는 자료를 제공하는 데 본 연구에 의의가 있다.
본 연구에서는 기후변화에 대응하기 위한 이산화탄소 흡수원(sink)으로서 산림의 기능을 고려하여 육상 생태계 모델 중 생지화학적 개념이 도입된 동적식생모형(Dynamic Global Vegetation Model, DGVM)을 이용하여 수도권 산림의 NPP와 SCS 시공간적 변화를 추정하고 그 결과를 고찰하였다. 이러한 연구결과를 토대로 각종 토지이용계획 수립시 기후변화에 따른 영향을 최소화하는 방안을 모색하는데 참고할 수 있는 자료를 제공하는 데 본 연구의 목적이 있다.

제안 방법

51 Tg C/year 의 탄소를 흡수하는 역할을 수행한다고 하였고, Choi et al.(2011) 은 MC1 모델을 이용하여 한반도의 기후변화에 따른 식생분포 변화 예측 및 NPP와 SCS의 변이 분석을 통해 식생 분포의 취약성과 산림생태계 기능의 취약성에 따라 산림생태계의 취약성 평가를 시도한 바 있으나, 본 연구보다 대상 지역이 넓고 공간해상도가 다소 커(1km) 특정 관심 지역 산림의 탄소흡수량 시공간적 변화 특성을 살펴보기 위해서 본 연구에서는 대상 지역을 수도권으로 좁히고 공간해상도를 500m로 설정하여 시뮬레이션하였다.
본 연구에서는 DGVMs 중 하나인 MapssCentury1 (MC1) 모형을 활용하여 수도권 지역 산림을 대상으로 과거 30년(1971~2000년), A1B 시나리오의 미래 기후 조건에 따라 가까운 미래(2021~2050년)와 먼 미래(2071~2100년)의 NPP와 SCS 변화를 모의하였다.
고도, 위도 등 지형정보와 토지피복 자료는 수치표고모델(Digital Elevation Model), 행정구역도, 환경부의 생태자연도(2008) 등을 이용하였다. 이 중 온도와 강수량은 측정지점의 해발고도 및 측정 장비의 높이 효과를 고려하여 기온감율 및 강수 증감률을 적용하여 해수면 높이에서의 관측 값으로 보정하였다. 모형에 사용되는 모든 입력 자료는 공간상으로 연속적으로 구성될 필요가 있으므로 미관측 지점에 대한 자료를 취득하기 위해 공간내삽법을 이용하였고(이민아 등, 2007), 모든 자료는 World Geodetic System(WGS-84) 좌표계의 지리정보를 기반으로 하고 있으며 ESRI사에서 제공하는 Arc/Info 9.

대상 데이터

MC1 모형의 주요 입력 자료는 고도, 위도와 같은 지형 정보와 월평균 기온, 월평균 최고 기온, 월평균 최저 기온, 월평균 누적 강수량, 월 평균 습도, 풍속과 같은 기후 정보 그리고 토양 밀도, 토성, 암석 비율과 같은 토양 정보이다. 기후자료는 기상청의 측정자료와 국립기상과학연구소의 예측자료를 이용하였고, 토양 자료는 국립농업과학원과 국제식량농업기구(Food and Agriculture Organization)에서 제공되는 자료를 이용하였다. 고도, 위도 등 지형정보와 토지피복 자료는 수치표고모델(Digital Elevation Model), 행정구역도, 환경부의 생태자연도(2008) 등을 이용하였다.
본 연구 대상지는 남한 인구의 절반가량(전국 48백만 명 중 23백만 명, 2010년 인구조사 잠정집계 기준)이 집중되어 있어 토지이용에 대한 요구가 가장 많은 지역이다. 수도권 지역 산림면적은 2010년 기준으로 서울시 15,719ha, 인천시 40,427ha, 경기도 526,985ha 이나, 전답, 목장, 대지, 공장, 도로, 골프장 등으로 전용되어 매년 평균 1,940ha (2003-2009년 평균치) 감소하고 있으며 산불에 의한 피해 면적도 매년 평균 16.
25 ㎢이고, 격자수는 49,046개로 입력하였다. 시간적 범위는 과거 30년(1971~2000년) 동안 기상청에서 측정한 기후자료와 IPCC에서 제시한 A1B 시나리오에 따라 국립기상과학연구소에서 예측한 우리나라 미래 기후자료를 가까운 미래 (2021~2050년)와 먼 미래(2071~2100년)로 나누어 이용하였다.
연구 대상 지역은 남한의 수도권(서울시, 인천시, 경기도) 지역으로 124°59’~127°85’범위의 경도와 36°89’~38°29’범위의 위도에 위치해 있다.

이론/모형

기후자료는 기상청의 측정자료와 국립기상과학연구소의 예측자료를 이용하였고, 토양 자료는 국립농업과학원과 국제식량농업기구(Food and Agriculture Organization)에서 제공되는 자료를 이용하였다. 고도, 위도 등 지형정보와 토지피복 자료는 수치표고모델(Digital Elevation Model), 행정구역도, 환경부의 생태자연도(2008) 등을 이용하였다. 이 중 온도와 강수량은 측정지점의 해발고도 및 측정 장비의 높이 효과를 고려하여 기온감율 및 강수 증감률을 적용하여 해수면 높이에서의 관측 값으로 보정하였다.
이 중 온도와 강수량은 측정지점의 해발고도 및 측정 장비의 높이 효과를 고려하여 기온감율 및 강수 증감률을 적용하여 해수면 높이에서의 관측 값으로 보정하였다. 모형에 사용되는 모든 입력 자료는 공간상으로 연속적으로 구성될 필요가 있으므로 미관측 지점에 대한 자료를 취득하기 위해 공간내삽법을 이용하였고(이민아 등, 2007), 모든 자료는 World Geodetic System(WGS-84) 좌표계의 지리정보를 기반으로 하고 있으며 ESRI사에서 제공하는 Arc/Info 9.3의 GIS 툴을 활용하였다.
, 2001). 본 모델은 생물지리학에 근거한 MAPSS 모델(Neilson, 1995)과 생지화학적 과정을 패키지 한 수정된 버전의 CENTURY (Parton et al., 1994)와 새로운 화재 간섭 모델로 MCFIRE(Lenihan et al., 1998)가 결합되어 있으며, 특히 생지화학적 모듈은 식물의 성장, 유기물의 분해, 생태계에서 물과 영양염의 거동을 예측할 수 있어 세 가지 모듈의 상호 정보 교환을 통해 기후변화에 따른 식생 분포 변화와 탄소, 질소, 물 순환 등을 모의할 수 있는 장점이 있다(Bachelet et al., 2001).

성능/효과

가까운 미래(2021~2050) 모의 결과 토양탄소 저장량 평균값은 61.37 tC ha^-1 이었고, 먼 미래 (2071~2100) 모의 결과 토양탄소 저장량 평균값은 52.81 tC ha^-1 로 나타나(Table 3), 수도권 지역 토양탄소량 평균값은 지속적으로 감소하는 추세를 보였다. 지점별로도 과거 값을 기준으로 가까운 미래와 먼 미래에서 A, B, C, D 지점 모두 감소하였으며 지역별로 감소폭은 상이하게 나타났다
고도별 평균 NPP 변화 추세를 살펴보면 미래에 NPP가 감소하는 경향을 보인 지역은 해발고도 150m이하의 낮은 산림 지역과 수변 식생지역이었으며, 해발고도 150m이상의 산림에서는 지속적으로 NPP가 증가하는 경향을 보여 과거 대비 먼 미래까지의 평균 증가율은 4.62%로 나타났다.
미래 기후 시나리오에 따라 수도권 지역 평균 연평균 기온이 1.4℃, 월평균 강수량이 10% 가량 증가하는 가까운 미래(2021~2050) 모의 결과, NPP 는 2.32~7.63 tC ha^-1 yr^-1 범위로 나타났으며 평균값은 5.85 tC ha^-1 yr^-1 로 과거 대비 3% 감소하였다. 연평균 기온이 4℃, 월평균 강수량이 24% 가량 증가하는 먼 미래(2071~2100)의 NPP는 2.
3). 미래 변화양상은 수도권 평균으로는 감소했다가 약간 증가하는 경향을 보였으나 침엽수림은 지속적으로 감소하였고 활엽수림은 감소했다가 증가하는 경향을 보였고 해발고도 150m 이상 지역에서는 지속적으로 증가하는 양상을 보였다. 지형, 임상, 고도 등 지역 특성 및 그 분포 특성에 따라 수도권 산림의 미래 NPP 변화양상은 일부 상이한 결과를 보였는데 낮은 고도의 도시림이 포함된 수도권 산림지역의 특성으로 판단된다.
6 tC ha^-1 yr^-1로 높게 모의되었다. 미래 예측 결과는 가까운 미래에서 4개 지역 모두 NPP가 감소하였으며 먼 미래에서 서울특별시, 인천광역시, 경기도 남부 지역과 달리 경기 북부 지역은 증가하는 양상을 보였다 (Fig. 2).
본 연구에 사용된 시뮬레이션의 공간해상도는 0.005도로 하나의 결과 값을 나타내는 격자의 넓이는 약 0.25 ㎢이고, 격자수는 49,046개로 입력하였다. 시간적 범위는 과거 30년(1971~2000년) 동안 기상청에서 측정한 기후자료와 IPCC에서 제시한 A1B 시나리오에 따라 국립기상과학연구소에서 예측한 우리나라 미래 기후자료를 가까운 미래 (2021~2050년)와 먼 미래(2071~2100년)로 나누어 이용하였다.
85 tC ha^-1 yr^-1 로 과거 대비 3% 감소하였다. 연평균 기온이 4℃, 월평균 강수량이 24% 가량 증가하는 먼 미래(2071~2100)의 NPP는 2.89~7.67 tC ha^-1 yr^-1 범위로 나타났으며 평균 값은 5.88 tC ha^-1 yr^-1 로 과거 대비 2% 감소하였고 가까운 미래 대비 0.5% 증가하였다(Table 2). 지점별로 변화양상이 상이하였는데, 과거 모의 결과를 기준으로 가까운 미래에는 A, B, C 지점 모두 감소하였고 D 지점은 증가하였다.
임상별로 살펴보면 과거의 경우, 침엽수림의 평균 SCS가 68.81 tC ha^-1 로 활엽수림의 66.34 tC ha^-1 에 비해 3%가량 높게 모의되었으며, 침엽수림과 활엽수림 모두 미래 구간에서는 지속적으로 감소하는 경향을 나타냈다(Fig. 6).
임상별로는 침엽수림의 평균 NPP가 6.27 tC ha^-1 yr^-1 로 활엽수림의 평균 NPP 5.95 tC ha^-1 yr^-1 에 비해 높게 모의되었고, 침엽수림의 경우 가까운 미래에서 먼 미래까지 지속적으로 감소하는 경향을 보였으나 활엽수림의 경우 가까운 미래에서는 감소하다가 먼 미래에서는 가까운 미래 대비 1%가량 증가하는 양상을 보였다(Fig. 3).
72 tC ha^-1 라고 하였다. 즉, 실측치와는 유사하나 같은 수종이라도 미세기후 및 공간적 특성(임분 밀도, 임령, 토양특성 등)에 따라 토양탄소값의 변동이 커 표준편차가 매우 높다는 결론을 도출하였다. 미래 변화양상은 수도권 평균과 대부분 지점에서 지속적으로 감소하는 경향을 보였다.
81 tC ha^-1 로 나타나(Table 3), 수도권 지역 토양탄소량 평균값은 지속적으로 감소하는 추세를 보였다. 지점별로도 과거 값을 기준으로 가까운 미래와 먼 미래에서 A, B, C, D 지점 모두 감소하였으며 지역별로 감소폭은 상이하게 나타났다

후속연구

이러한 생태계 모델 연구에서는 미래 기후뿐만 아니라 고도, 경사, 향 등의 지형적 요소가 수종의 생육조건에 주요한 영향을 미치므로 다양한 인자가 고려된 한국형 모델의 개발이 필요하다(이상철 등 2011). 본 연구와 같이 산림생태계 모델을 이용한 다양한 독립적인 연구결과의 비교 및 검증을 통해 모델에 적용된 알고리즘을 계산하고 변수를 보정하면 보다 신뢰성 있는 NPP와 SCS의 예측 및 산림의 탄소수지 추정이 가능할 것이다.
아울러, 산림생태계의 순일차생산량이나 토양탄소저장량을 측정하거나 모델을 통해 예측한 결과는 기후변화에 대비하여 이산화탄소 흡수원으로서 산림에 대한 중요성이 부각되고 있는 최근 현실을 감안하여 국가 차원의 국토종합계획이나 수도권 정비 계획, 시도 차원의 각종 토지이용계획 및 택지개발 계획의 수립 시 고려될 필요가 있다. 식생의 탄소저감효과를 극대화하기 위해서는 기후변화에 따른 변화가 많이 일어나는 지역의 개발을 최소화하고, 개발을 추진하더라도 이에 대한 대안과 중점 관리방안 제시가 필요할 것이다. 이러한 연구결과를 토대로 각종 토지이용계획 수립시 기후변화에 따른 영향을 최소화하는 방안을 모색하는데 참고할 수 있는 자료를 제공하는 데 본 연구에 의의가 있다.
본 연구의 모의 값과 일부 실측치와의 차이가 발생하는 이유와 이에 따라 개선이 시급히 필요한 점은 본 연구에서 활용한 DGVM이 미국의 산림 특성에 따라 개발된 모형으로 우리나라의 지형 특성 및 산림생태 특성을 잘 반영하고 있지 않은 근본적인 한계가 존재하기 때문이다. 우리나라의 특성을 반영한 한국형 산림 생태 모형의 개발과 이를 검증할수 있는 현장 실측자료 확보를 위해 장기 식생조사가 지속적으로 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지구 평균 기온이 1.5~2.5℃ 증가하면 예상되는 결과는 무엇인가?	5~2.5℃ 정도 증가하면 동·식물 종의 약 20~30%가 멸종 위기에 처하고 생태계의 구조와 기능, 종, 생태계 상호작용, 종의 지리적 분포 부정적인 영향이 전망된다(국립 기상연구소, 2009).
	순일차생산량이란 무엇인가?	산림생태계의 기능을 평가할 수 있는 기본적인 지표로는 순일차생산량(NPP: Net Primary Production)과 토양탄소저장량 (SCS: Soil Carbon Storage)이 있으며 이는 산림생태계 기후변화 취약성 평가 및 탄소 수지 평가에도 이용된다. 여기서 NPP는 식물의 광합성에 의해 고정된 총 에너지양에서 식물의 성장과 유지에 사용되는 에너지양을 제한 값을 말한다.
	IPCC 제4차 평가보고서에 따르면 1900년 이후 전 지구 평균 기온은 얼마나 상승하였는가?	기후변화에 관한 정부간협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)는 제4차 기후변화에 관한 평가보고서(2007)에서 1900년 이후 전 지구 평균 기온이 약 0.76℃ 상승하였으며, 최근 50년간 장기경향은 1.3℃/100년으로 과거 100년간 0.

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저자의 다른 논문 :

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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