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문제 정의
- 본 연구는 낙엽활엽수인 신갈나무(Quercus mongilica)와 상록침엽수인 소나무(Pinus densiflora) 낙엽의 분해율 및 분해과정에 따른 영양염류 동태를 비교하기 위한 것으로, 이를 위해 2005년 12월에 신갈나무와 소나무의 낙엽주머니를 준비하여 월악산의 신갈나무림과 소나무림에 각각 설치하고, 2006년 3월부터 2011년 09월까지 3개월 간격으로 낙엽주머니를 수거하여 분해율 및 분해과정에 따른 영양염류의 동태를 조사하였다. 낙엽활엽수와 상록침엽수 낙엽의 분해를 통해 토양에 이입되는 영양염류의 양을 파악하여 삼림 생태계의 물질순환을 밝히는 데 필요한 기초자료를 얻는데 본 연구의 목적이 있다.
- , 2006), 두 수종간의 비교에 관한 연구는 전무한 실정이다. 본 연구는 낙엽활엽수인 신갈나무(Quercus mongilica)와 상록침엽수인 소나무(Pinus densiflora) 낙엽의 분해율 및 분해과정에 따른 영양염류 동태를 비교하기 위한 것으로, 이를 위해 2005년 12월에 신갈나무와 소나무의 낙엽주머니를 준비하여 월악산의 신갈나무림과 소나무림에 각각 설치하고, 2006년 3월부터 2011년 09월까지 3개월 간격으로 낙엽주머니를 수거하여 분해율 및 분해과정에 따른 영양염류의 동태를 조사하였다. 낙엽활엽수와 상록침엽수 낙엽의 분해를 통해 토양에 이입되는 영양염류의 양을 파악하여 삼림 생태계의 물질순환을 밝히는 데 필요한 기초자료를 얻는데 본 연구의 목적이 있다.
제안 방법
- 낙엽의 유기탄소, 질소, 인, 칼륨, 칼슘, 마그네슘을 분석하였으며, 화학적 분석은 샘플마다 3반복으로 실시하였다. 유기탄소는 Elemental Analayzer(EA1112, Thermo Fisher Scientfic Inc.
- 낙엽주머니는 mesh size가 2㎜인 나이론 그물을 사용하여 20 × 25㎝의 크기로 만들어 약 5g 정도의 낙엽을 넣은 뒤 각각의 주머니 에 고유번호와 정확한 낙엽 무게가 기록되어 있는 aluminum tag를 함께 넣은 후 유출되지 않도록 잘 봉합하였다.
- 낙엽주머니의 회수는 설치한 뒤 3개월 이후인 2006년 3월부터 33개월 까지는 3개월 간격으로, 이후 69개월까지는 6개월 간격으로 매번 각각 5개씩 회수하였다. 회수해 온 낙엽주머니는 겉에 묻은 흙과 주머니 안쪽으로 침투한 식물의 뿌리 등을 제거한 후, 주머니 안의 낙엽을 60℃ 건조기에서 항량이 될 때까지 건조시킨 후 칭량 하였다.
- 낙엽의 유기탄소, 질소, 인, 칼륨, 칼슘, 마그네슘을 분석하였으며, 화학적 분석은 샘플마다 3반복으로 실시하였다. 유기탄소는 Elemental Analayzer(EA1112, Thermo Fisher Scientfic Inc.)를 사용하여 분석하였으며, C의 값을 N 그리고 P의 값으로 나누어 각각 C/N비, C/P비를 계산하였다.
- 전질소와 인은 샘플이 들어있는 Kjeldahl flask에 분해촉진제와 진한 황산을 넣어 390℃의 block digestor에서 120분간 분해시킨 후 상온에서 식힌 다음 증류수를 이용하여 50㎖로 정용한 후 상등액을 자동분석기(Lachat: Quick Chem 8000)로 분석하였다. 칼륨, 칼슘, 마그네슘은 샘플을 습식분해한 후 원자흡수분광광도계(Perkin-Elmer 3110)로 정량하였다.
- 칭량이 끝난 샘플은 mixer를 이용하여 곱게 갈아 유기탄소 및 영양염류 분석에 사용하였다.
대상 데이터
- 낙엽주머니의 제작에 사용된 낙엽은 2005년 10월에 월악산의 신갈나무림과 소나무림에서 갓 떨어진 신선한 낙엽을 수거하여 낙엽주머니를 제작한 다음 60℃ 건조기에서 항량이 될 때까지 건조 시킨 후 사용하였다. 낙엽주머니는 mesh size가 2㎜인 나이론 그물을 사용하여 20 × 25㎝의 크기로 만들어 약 5g 정도의 낙엽을 넣은 뒤 각각의 주머니 에 고유번호와 정확한 낙엽 무게가 기록되어 있는 aluminum tag를 함께 넣은 후 유출되지 않도록 잘 봉합하였다.
- 본 조사는 월악산 국립공원 내의 신갈나무림과 소나무림에서 실시되었다. 신갈나무림은 충청북도 제천시 덕산면 선고리 일원의 남서사면으로써, 경사는 26.
- 낙엽주머니는 mesh size가 2㎜인 나이론 그물을 사용하여 20 × 25㎝의 크기로 만들어 약 5g 정도의 낙엽을 넣은 뒤 각각의 주머니 에 고유번호와 정확한 낙엽 무게가 기록되어 있는 aluminum tag를 함께 넣은 후 유출되지 않도록 잘 봉합하였다. 제작된 낙엽주머니는 2005년 12월에 신갈나무림의 임상에 신갈나무 낙엽주머니 150개를, 소나무림 임상에 소나무 낙엽주머니 150개를 낙엽주머니들이 겹치지 않고 훼손되거나 유실되지 않도록 지면에 못과 나일론 끈을 이용하여 고정시켜 놓았다.
데이터처리
- 신갈나무와 소나무 낙엽의 분해율의 차이는 t-test를 통해 통계적 유의성을 검증하였다.
이론/모형
- 칭량이 끝난 샘플은 mixer를 이용하여 곱게 갈아 유기탄소 및 영양염류 분석에 사용하였다. 분해 중인 낙엽의 무게 잔존률은 회수 시에 남아있는 잔존량을 초기 무게에 대한 백분율(%)로 표시 하였으며, 분해상수(k)는 Olson (1963)의 공식을 이용하여 계산하였다.
성능/효과
- 02mg/g으로 낙엽 활엽성인 신갈나무 낙엽의 질소함량이 상록침엽성인 소나무 낙엽에 비해 현저히 높았다. 낙엽의 분해가 진행되면서 두 종 낙엽의 질소함량은 증가하는 것으로 나타났다. 소나무 낙엽의 경우 27개월경과 시 질소함량이 12.
- 신갈나무 낙엽과 소나무 낙엽의 분해에 따른 무게 잔존률을 Figure 1에 정리하였다. 두 종 모두 무게가 점진적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 신갈나무 낙엽의 무게 잔존률은 30개월경과 후 52.
- 02 mg/g으로 신갈나무 낙엽의 질소함량이 3배 이상 높았다. 또한 신갈나무와 소나무 낙엽의 초기인 함량은 각각 0.23, 0.09 mg/g으로 질소와 마찬가지로 신갈 나무 낙엽에서 2배 이상 높았다.
- 낙엽의 분해과정에 따른 C/P비의 양상은 C/N 비와 매우 유사한 경향을 나타내었다. 본 연구에서 신갈나무 낙엽의 경우 초기 C/P비는 543.9로 일반적으로 보고된 200～480 범위 보다 다소 높은 것으로 나타났으나 소나무 낙엽의 경우는 초기의 C/P비는 391.4로 일반적인 C/P비의 범위와 유 사한 것으로 나타났으나 신갈나무 낙엽에 비해 훨씬 낮은 것으로 나타났다. 이는 신갈나무 낙엽의 인 함량이 소나무 낙엽에 비해 현저히 높기 때문으로 판단된다.
- 5%로 유사하였으며, 이것은 분해가 진행됨에 따라 감소하는 것으로 나타났다(Figure 2A). 분해 69개월경과 후 신갈나무와 소나무 낙엽의 탄소함량은 각각 27.3%, 39.2%로 신갈나무 낙엽에서 낮았다. 신갈나무와 소나무 낙엽의 초기 질소함량은 각각 9.
- 분해 중인 낙엽의 칼슘 잔존률을 살펴보면 신갈나무와 소나무 낙엽 모두 조사기간 동안 부동화가 일어나지 않는 것으로 조사되었다. 칼슘의 잔존률은 신갈나무 낙엽의 경우 69개월경과 후 20.
- 분해과정에 따른 신갈나무 낙엽의 인 잔존률은 분해 초기부터 지속적인 부동화가 일어나 분해 39개월경과 후에 103.7%로 나타났고 이후 무기화가 지속적으로 진행되어 69개월경과 후에는 인의 잔존률이 30.9%로 나타났다. 소나무 낙엽의 인 잔존률은 질소에서처럼 분해 초기의 부동화 기간과 부동화율이 높은 것으로 나타났으며, 분해 45개월이 경과한 후의 인 잔존률은 119.
- 9%로 나타났다. 소나무 낙엽의 인 잔존률은 질소에서처럼 분해 초기의 부동화 기간과 부동화율이 높은 것으로 나타났으며, 분해 45개월이 경과한 후의 인 잔존률은 119.1%이었고, 이후 무기화가 지속되어 분해 69개월경과 후에는 그 값이 75.3%로 나타났다 (Figure 3G).
- 분해과정에 따른 질소의 잔존률은 소나무 낙엽의 분해 초기 부동화 기간이 신갈나무 낙엽에 비해 긴 것으로 나타났다(Figure 3F). 소나무 낙엽의 질소 잔존률은 분해 36개 월 까지는 부동화 현상을 보였으며 36개월경과 후 무기화가 진행되어 69개월경과 후 그 값은 69.5%이었다. 이에 비해 신갈나무 낙엽은 분해 초기에 부동화가 진행되어 12개월경과 후 그 값이 108.
- 42mg/g이었다(Figure 3E). 소나무 낙엽의 초기 마그네슘 함량은 0.62mg/g으로 신갈나무 낙엽에 비해 낮았으나, 신갈나무 낙엽과 유사한 경향을 보여 분해 초기값과 큰 차이를 보이지 않아 69개월경과 후의 값이 0.10mg/g으로 나타났다. 분해기간 중 신갈나무와 소나무 낙엽의 마그네슘은 칼륨, 칼슘에서와 같이 부동화 기간이 없이 무기화가 지속적으로 진행되었다.
- 소나무 낙엽의 초기 칼륨 함량은 1.00mg/g으로 신갈나무 낙엽보다는 낮게 나타났으며, 15개월째에 0.48mg/g 으로 감소한 이후 그 값이 증가하였다.
- 2% 이었다. 소나무 낙엽의 칼륨 잔존률도 분해가 진행됨에 따라 감소하여 69개월경과 후 잔존률이 12.3%이었다. 칼륨은 분해 초기단계에서부터 신속하게 무기화가 진행되었다 (Figure 3H).
- 신갈나무 낙엽과 소나무 낙엽 모두 분해과정 중 질소와인이 부동화 현상을 보였지만, 낙엽활엽성인 신갈나무 낙엽에 비해 상록침엽성인 소나무 낙엽에서 부동화 과정이 더 긴 것으로 나타났다. 양이온인 칼륨, 칼슘, 마그네슘의 경우에는 두 수종에서 모두 부동화 기간이 없이 순 무기화를 보였다.
- 신갈나무 낙엽과 소나무 낙엽의 분해과정에 따른 칼륨 함량 변화는 질소나 인과는 다르게 분해 초기단계에서 감소하는 것으로 나타났다(Figure 3C). 신갈나무 낙엽의 경우 초기 칼륨 함량은 2.
- 신갈나무 낙엽과 소나무 낙엽의 초기 C/N비는 각각 43.1, 151.2으로 소나무 낙엽이 신갈나무 낙엽에 비해 현저히 높았다. 이것은 소나무 낙엽의 질소함량이 신갈나무에 비해 현저히 낮기 때문이다.
- 3에 정리하였다. 신갈나무 낙엽과 소나무 낙엽의 초기 질소함량은 각각 9.30, 3.02mg/g으로 낙엽 활엽성인 신갈나무 낙엽의 질소함량이 상록침엽성인 소나무 낙엽에 비해 현저히 높았다. 낙엽의 분해가 진행되면서 두 종 낙엽의 질소함량은 증가하는 것으로 나타났다.
- 신갈나무 낙엽의 무게 잔존률은 30개월경과 후 52.4%이었으며, 분해 69개월경과 후에는 35.4±2.3%로 나타났고, 이에 비해 소나무 낙엽의 무게 잔존률은 30개월경과 후 53.5%, 분해 69개월경과 후에는 16.1±1.3 %로, 분해 30개월까지는 두 수종은 낙엽분해 속도가 비슷하였으나 30개월경과 후부터는 소나무 낙엽의 분해가 신갈나무 낙엽보다 빠르게 진행되었다(Figure 1).
- 신갈나무 낙엽의 초기 마그네슘 함량은 1.11mg/g이었으며, 칼슘과 유사한 경향을 보여 분해과정에 따른 변동은 있었지만 초기값과 큰 차이를 보이지 않았고, 69개월경과 후 마그네슘의 함량은 1.42mg/g이었다(Figure 3E). 소나무 낙엽의 초기 마그네슘 함량은 0.
- 2%로 신갈나무 낙엽에서 낮았다. 신갈나무와 소나무 낙엽의 초기 질소함량은 각각 9.30, 3.02 mg/g으로 신갈나무 낙엽의 질소함량이 3배 이상 높았다. 또한 신갈나무와 소나무 낙엽의 초기인 함량은 각각 0.
후속연구
- 양이온인 칼륨, 칼슘, 마그네슘의 경우에는 두 수종에서 모두 부동화 기간이 없이 순 무기화를 보였다. 국내에서 장기적인 낙엽분해에 관한 연구결과가 많지 않아 정확한 비교는 어렵지만 한반도의 산림에 주로 분포하고 있는 낙엽활엽수와 상록침엽수의 물질순환을 파악하기 위해서는 이들 활엽수와 침엽수종의 장기적인 분해율 및 분해과정에 따른 영양염류의 동태에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 61 보다 본 연구의 30개월경과 후 분해상수(k)가 더 높았다. 분해 30개월까지는 신갈나무 낙엽과 소나무 낙엽의 분해율이 유사하였으나, 그 이후로 소나무 분해율이 높아지는데 이는 위에서 언급한 바와 같이 리그닌과 같은 난분해성 물질이 제한요인으로 작용하고 있고, 또한 각 수종의 조사지소의 해발고도 차이 때문으로 판단되며, 이를 확인하기 위해서는 낙엽의 수용성 구성원, 폴리페놀, 왁스, 리그닌과 같은 화학적 구성원의 분석이 필요할 것으로 판단된다(Swift et al., 1979). 또한 조사기간 중 조사지소의 수분함량은 신갈나무림에서 37.
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