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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 해안사구지대 내의 지화학적다양성-지형다양성-생물다양성의 중장기적인 상호 관계에 대한 이해를 높이기 위해, 방사림이 조성 되어 있을 뿐만 아니라 다양한 지형 및 생물적 특성을 보이는 병술안 해안사구를 대상으로 지화학적 다양성이 어떠한 경향과 상호관계를 맺고 있는지를 검토하였으며, 더 나아가 관리적 측면에서의 함의를 도출하고자 하였다. 이를 위하여 사구 지대 내 다양한 특성을 보이는 지점을 구분하여 퇴적물의 물리·화학적 특성을 확인하였다.
제안 방법
- 각각의 시료 채취장소는 미지형적인 특성(지형다양성 고려)과 식생피복의 조건(생물 다양성 고려)을 고려하여 사구열(ridge)-사구저지 (swale)의 배열과 초본-곰솔림-혼합림 등의 위치에 따라 결정하였다. 각 시료 채취 장소에서 퇴적물 시료는 지표면으로부터 각각 0~20cm, 40~60cm, 80~100cm의 깊이마다 채취하였다. 깊이별로 시료를 채취한 이유는 퇴적 깊이에 따라 미지형 및 식생의 영향이 각기 달리 반영되어 퇴적물의 물리·화학적 특성이 차이가 날 것으로 판단하였기 때문이다.
- BS4는 병술안 사구의 남쪽 소형 방조제 주변에 설정하였다. 각 측선은 레이저거리측정기와 함척을 이용하여 지형단면을 측량하였으며, DGPS를 이용하여 각 시료채취 지점의 위치를 측정하였다.
- 퇴적물 시료 채취는 BS1에서 11개, BS2는 9개, BS3은 15개, BS4는 6개 지점을 대상으로(표 1) 2014년 8월에 채취하였다. 각각의 시료 채취장소는 미지형적인 특성(지형다양성 고려)과 식생피복의 조건(생물 다양성 고려)을 고려하여 사구열(ridge)-사구저지 (swale)의 배열과 초본-곰솔림-혼합림 등의 위치에 따라 결정하였다. 각 시료 채취 장소에서 퇴적물 시료는 지표면으로부터 각각 0~20cm, 40~60cm, 80~100cm의 깊이마다 채취하였다.
- 둘째, 사구지대의 식생피복 유형과 피복 시기에 따른 표층퇴적물의 공간적인 물리·화학적 특성을 확인하였다.
- 마지막으로, 미지형(ridge-swale)에 따라 퇴적물의 공간적인 물리·화학적 특성을 확인하였다.
- 병술안 해안사구지대에서 지형적 구배(바다로부터 이격 정도)에 따라 표층 퇴적물에서 나타나는 물리·화학적 특성의 경향성을 확인하기 위해 다음과 같이 구분하여 살펴보았다. 먼저 해빈(8개)과 사구지대의 퇴적물(40개)을 구분하였고, 사구지대의 경우 배아사구(5개), 전사구(14개), 2차사구(21개)로 세분하여 상호간 비교를 하였다(그림 3, 표 2).6)
- 병술안 사구의 지형다양성-생물다양성-지화학적 다양성의 관계를 살피기 위해 서로 다른 지형적·생물적 특성을 지닌 지점을 중심으로 4개의 측선을 설정하였다(그림 2, 표 1).
- 병술안 해안사구지대에서 지형적 구배(바다로부터 이격 정도)에 따라 표층 퇴적물에서 나타나는 물리·화학적 특성의 경향성을 확인하기 위해 다음과 같이 구분하여 살펴보았다.
- 해빈 퇴적물을 포함한 총 130개의 시료를 대상으로 입도, 유기물함량 및 주요 치환성양이온의 농도, 그리고 산성도(pH)와 전기전도도(EC)를 분석하였다. 사구퇴적물의 물리적 특성을 확인하기 위하여 입도분석을 실시하였다. 입도분석은 체(sieve)를 0.
- 5 파이 (φ) 간격으로 구성하여 체질하였으며, GRADISTAT(Blott and Pye, 2001)을 이용하여 계산하였고, 통계적 입도 변수는 Folk and Ward(1957)의 방법을 따라 산출하였다. 사구퇴적물의 화학적 특성을 파악하기 위해서 유기물함량, 수소이온농도(pH), 전기전도도(EC), 주요 치환성양이온(Ca2+, Mg2+, Na+, K+)4)의 함량을 구하였다. 유기물함량은 작열감량법(LOI, loss on ignition)을 활용하였으며, pH와 EC는 건조 시료와 증류수를 1:5로 배합하여 30분간 진탕한 후 실험실용 측정기(Accumet model 50, Fisher scientific)를 이용하여 측정하였다.
- 서로 다른 식생 피복에 따라 퇴적물의 물리·화학적 특성이 차이가 나타나는 지를 확인하기 위해 시료들을 재분류하여 초본(A), 곰솔림(B)과 혼합림(C)으로 나누어 퇴적물의 특성을 살펴보았다(표 3, 표 4, 그림 6).
- 이를 위하여 사구 지대 내 다양한 특성을 보이는 지점을 구분하여 퇴적물의 물리·화학적 특성을 확인하였다.
- 조림 또는 교란된 병술안 사구지대에서도 사구열과 사구저지간 퇴적물의 물리·화학적인 특성이 달라지는 지를 확인하기 위하여, 사구열을 가장 많이 포함하고 있는 BS2와 BS3를 중심으로 살펴보았다(표 5, 그림 8).
- 유기물함량은 작열감량법(LOI, loss on ignition)을 활용하였으며, pH와 EC는 건조 시료와 증류수를 1:5로 배합하여 30분간 진탕한 후 실험실용 측정기(Accumet model 50, Fisher scientific)를 이용하여 측정하였다. 주요 치환성양이온은 건조 시료와 암모늄아세트산용액을 1:5로 배합하여 30분간 진탕한 후 여과지를 이용하여 거른 후, 추출액에 대하여 대구대학교 공동기기원 ICP장비를 활용하여 측정하였다. 한편 퇴적물 분석 결과에 대한 유형별 구분 간의 비교는 SPSS의 t-test와 ANOVA를 통하여 통계적 유의성을 확인하였다.
- 지형적 구배에 따른 차이를 상세하게 살펴보기 위하여 사구퇴적물을 배아사구, 전사구, 2차사구로 나누어 검토하였다(그림 5). 평균 입경에서 전사구와 2차사구는 배아사구에 비해 세립한 특성을 보였으며, 상호간에는 큰 차이가 나타나지 않았다.
- 첫째, 사구지대 내 지형의 배 열(배아사구-전사구-2차사구)에 따라 표층퇴적물에서 나타나는 공간적인 물리·화학적 특성을 확인하였다.
- 깊이별로 시료를 채취한 이유는 퇴적 깊이에 따라 미지형 및 식생의 영향이 각기 달리 반영되어 퇴적물의 물리·화학적 특성이 차이가 날 것으로 판단하였기 때문이다. 한편, 각 측선마다 연장선상에서 해빈의 표층 시료를 채취하여 사구퇴적물과 비교에 활용하였다.
- 해빈 퇴적물을 포함한 총 130개의 시료를 대상으로 입도, 유기물함량 및 주요 치환성양이온의 농도, 그리고 산성도(pH)와 전기전도도(EC)를 분석하였다. 사구퇴적물의 물리적 특성을 확인하기 위하여 입도분석을 실시하였다.
대상 데이터
- BS1은 가장 북쪽에 위치한 측선으로 병술만방조제 전면에 새로이 형성되고 있는 배아사구와 목본으로 피복된 전사구 및 2차사구를 모두 지날 수 있도록 설정하였다. BS2와 BS3은 사구열이 잘 발달된 사구의 중앙부에서 선택하였다. BS2의 경우에는 Yu et al.
- 퇴적물 시료 채취는 BS1에서 11개, BS2는 9개, BS3은 15개, BS4는 6개 지점을 대상으로(표 1) 2014년 8월에 채취하였다. 각각의 시료 채취장소는 미지형적인 특성(지형다양성 고려)과 식생피복의 조건(생물 다양성 고려)을 고려하여 사구열(ridge)-사구저지 (swale)의 배열과 초본-곰솔림-혼합림 등의 위치에 따라 결정하였다.
데이터처리
- 주요 치환성양이온은 건조 시료와 암모늄아세트산용액을 1:5로 배합하여 30분간 진탕한 후 여과지를 이용하여 거른 후, 추출액에 대하여 대구대학교 공동기기원 ICP장비를 활용하여 측정하였다. 한편 퇴적물 분석 결과에 대한 유형별 구분 간의 비교는 SPSS의 t-test와 ANOVA를 통하여 통계적 유의성을 확인하였다.5)
이론/모형
- 사구퇴적물의 화학적 특성을 파악하기 위해서 유기물함량, 수소이온농도(pH), 전기전도도(EC), 주요 치환성양이온(Ca2+, Mg2+, Na+, K+)4)의 함량을 구하였다. 유기물함량은 작열감량법(LOI, loss on ignition)을 활용하였으며, pH와 EC는 건조 시료와 증류수를 1:5로 배합하여 30분간 진탕한 후 실험실용 측정기(Accumet model 50, Fisher scientific)를 이용하여 측정하였다. 주요 치환성양이온은 건조 시료와 암모늄아세트산용액을 1:5로 배합하여 30분간 진탕한 후 여과지를 이용하여 거른 후, 추출액에 대하여 대구대학교 공동기기원 ICP장비를 활용하여 측정하였다.
- 입도분석은 체(sieve)를 0.5 파이 (φ) 간격으로 구성하여 체질하였으며, GRADISTAT(Blott and Pye, 2001)을 이용하여 계산하였고, 통계적 입도 변수는 Folk and Ward(1957)의 방법을 따라 산출하였다.
성능/효과
- 7임을(임동옥 등, 2010) 비교했을 때, 조금 높거나 비슷한 편이다. EC의 경우에는 해수의 영향을 많이 받는 초본피복지가 높게 나타났으며, 곰솔림과 혼합림 간에는 혼합림이 조금 높은 경향이 있었다.
- pH와 EC, 그리고 치환성양이온들의 분석항목에서는 전반적으로 배아사구-전사구-2차사구 순으로 값이 낮아지는 경향을 보였으며, 배아사구-전사구 간의 차이보다 전사구-2차사구 간의 차이가 적게 나타나는 특성을 보였다. pH와 EC, 그리고 Ca2+ 항목에서는 배아사구-전사구-2차사구 순으로 값이 뚜렷하게 낮아지는 경향을 보였지만, Mg2+의 경우에는 배아사구와 전사구 간의 차이가 크지 않게 나타났으며, Na+와 K+의 경우에는 전사구와 2차사구 사이의 값의 차이가 크지 않았다. 치환성양이온 함량의 경우 퇴적물 채취 방법8) 에서 차이가 있어 직접적으로 비교는 어렵지만, 서해안에서 이루어진 기존 연구결과와 대비해 보면 조림에 의한 목본식생의 영향이 극명하게 드러난다.
- pH와 EC, 그리고 치환성양이온들의 분석항목에서는 전반적으로 배아사구-전사구-2차사구 순으로 값이 낮아지는 경향을 보였으며, 배아사구-전사구 간의 차이보다 전사구-2차사구 간의 차이가 적게 나타나는 특성을 보였다. pH와 EC, 그리고 Ca2+ 항목에서는 배아사구-전사구-2차사구 순으로 값이 뚜렷하게 낮아지는 경향을 보였지만, Mg2+의 경우에는 배아사구와 전사구 간의 차이가 크지 않게 나타났으며, Na+와 K+의 경우에는 전사구와 2차사구 사이의 값의 차이가 크지 않았다.
- 표층의 유기물함량의 경우 사구저지에 비해 사구열이 다소 높았으며, 중층과 하층에서는 차이가 없었다. pH의 경우 사구열과 사구저지 모두에서 표층에서 하층으로 가면서 염기도가 높아지는 경향이 나타났으며, 사구열과 사구저지간의 차이는 크게 나타나지 않았다. EC의 경우에도 사구열과 사구저지 모두에서 표층이 중층이나 하층에 비해 높은 값을 보였으며, 각 층에서 사구열과 사구저지 간 값의 차이는 크지 않았다.
- 김대현(2004)은 해안사구의 지형적 공간특성에 따라 퇴적물의 물리·화학적 분포특성이 각기 다른 특징을 보인다는 점을 보였다. 그리고 해안사구 생태 시스템에서 영양소의 공간적 분포를 이해하기 위해서는 해안선으로부터의 거리뿐만 아니라 각 영양소의 지화학적 특성과 연구 지역의 식생분포, 기후 기상 조건 등을 종합적으로 고려해야함을 언급하였다. 유근배 등(2005)은 해안사구로 유입되는 모래퇴적물에서 치환성양이온 분석을 통해 비사가 염분포말에 상응하는 양의 영양분을 사구로 공급하고 있음을 밝혔다.
- 분급에서는 사구열에서는 표층이 가장 불량하고 중층과 하층이 큰 차이가 없는 반면에, 사구저지에서는 하층이 가장 양호한 분급을 보이며 표층과 중층이 큰 차이가 나타나지 않았다. 또한 각 층간 사구열과 사구저지를 비교하면 표층에서는 사구열이, 중층에서는 사구저지가 불량한 특성을 보였다. 시료채취장소별로 볼 때(그림 10)에도 사구열과 사구저지의 분급의 차이가 분명히 드러난다.
- 종합해 볼 때, 초본피복지는 퇴적물의 입도 특성은 큰 차이가 없지만 해수의 영향을 크게 받아, pH, EC, 그리고 모든 치환성양이온 항목이 높게 나타난 반면, 유기물함량은 목본 식생으로 피복되어 있는 경우보다 낮았다. 목본으로 피복된 곰솔림과 혼합림 간에는 곰솔림에서 유기물함량이 낮고 pH가 높은 특성이 보였으며, Ca2+, Mg2+, Na+ 등의 치환성양이온의 경우에도 조금 높은 경향이 있었다. 이는 혼합림에 비해 하층식생이 덜 발달하였을 뿐만 아니라 식생의 밀도 또한 낮아, 유기물축적이 적게 일어나고 염분포말이 쉽게 유입되었기 때문으로 판단된다.
- 그림 10에서 사구열(R)의 경우 중층-표층-하층의 순으로 평균입경이 조립한 것으로 나타나는 반면에 사구저지(S)의 경우 표층-하층-중층의 순으로 조립한 것으로 나타난다. 분급에서는 사구열에서는 표층이 가장 불량하고 중층과 하층이 큰 차이가 없는 반면에, 사구저지에서는 하층이 가장 양호한 분급을 보이며 표층과 중층이 큰 차이가 나타나지 않았다. 또한 각 층간 사구열과 사구저지를 비교하면 표층에서는 사구열이, 중층에서는 사구저지가 불량한 특성을 보였다.
- 비교적 장기간의 지형적 영향이 반영되어 있는 입도분석 결과를 제외한, 외부의 환경에 보다 민감하게 반응하는 다른 분석항목 중에서 유기물함량, EC, Ca2+, Mg2+ 등의 경우 전체적으로 표층에서 장소별로 편차가 심한 특성을 보인 반면, 중층이나 하층의 경우에는 상대적으로 일정한 편차를 보였다. 따라서 이들 항목의 경우 표층을 중심으로 외부의 영향을 쉽게 받고 있으며, 중층이나 하층의 경우에는 그 영향이 적게 미치고 있음을 알 수 있다.
- 사구지대 내의 미지형요소에 따라 퇴적물에서 확인되는 특성을 종합하면, 미지형요소에 따라 퇴적물의 입도특성은 크게 차이가 나는 반면에, 다른 분석 항목들은 미지형요소에 따라 크게 차이가 나지 않는다고 볼 수 있다. 따라서 조림이 이루어진 병술안 해안사구지대에서는 미지형요소의 차이에 의한 물리적 환경은 분화되어 왔지만, 지화학적 특성의 차이는 크게 나타나고 있지 않아, 자연적으로 식생이 천이되는 사구지대에서 관찰되는 지형에 기복에 따른 토양학적 분화와 이와 관련된 식생 군락의 분화(Oosting and Billings, 1942)가 온전히 이루어지고 있지 않다고 판단할 수 있다.
- 유기물함량의 경우에는 혼합림＞곰솔림＞초본의 순서로 높게 나타났다. 시료 채취시 확인한 바로는 혼합림의 경우 하층식생이 잘 발달하여 있을 뿐만 아니라 식생 밀도 또한 높게 나는 경향이 있었다. 따라서 퇴적물 내에 유기물의 축적이 더 이루어진 것으로 보인다.
- 유기물함량의 경우 배아사구에 비해 전사구와 2차사구가 높게 나타나는 특징을 보였으며, 2차사구와비교했을 때 전사구의 평균치는 큰 차이가 없지만 값의 분포가 넓게 나타나는 특징을 보였다. 전사구의 경우에 방사림 하층의 초본식생이 밀생하고 있는 곳과 그렇지 않은 곳이 다양하게 포함되었기 때문에 값의 편차가 다소 나타난 것으로 판단된다.
- 유기물함량의 경우 사구열과 사구저지 모두 표층에서 가장 높은 함량을 보였으며, 중층과 하층의 유기물함량은 매우 적은 수치를 보였다. 표층의 유기물함량의 경우 사구저지에 비해 사구열이 다소 높았으며, 중층과 하층에서는 차이가 없었다.
- 사구지대의 전체적인 형태는 사구열이 해안선과 평행하여 바다방향으로 전진하는 모습을 하고 있다. 전체적으로 곰솔림으로 피복된 면적이 넓으며, 전사구지대를 포함한 약 3열의 일부가 활엽수 혼합림으로 피복되어 있어 가시적으로 명확히 구분된다. 혼합림은 1985년과 1992년 사이에 발생한 인위적인 식생제거 이후 2차 천이가 진행된 것으로 판단되며, 졸참나무, 곰솔, 벚나무 등으로 구성되어 있다(환경부, 2014).
- 반면에 분급에서는 혼합림의 퇴적물이 분급이 상대적으로 양호하게 나타났다. 전체적으로 보면 퇴적물 입도의 측면에서는 초본과 곰솔림의 퇴적물이 서로 비슷한 반면에, 혼합림이 다소 다른 유형의 입도 특성을 보인다고 할 수 있지만 의미를 부여할 정도로 큰 차이가 있지는 않았다.
- 종합하면 전사구까지 조밀하게 조림이 이루어진 병술안 해안사구에서는 지형다양성-지화학적 다양성-생물다양성이 상호 연계된 단계에 이르지 못했음을 확인할 수 있었다. 물론 이 연구는 서해안 해안사구 전체를 대상으로 한 것이 아니기 때문에 방사림이 식재된 모든 해안사구에 동일하게 적용될 지는 분명하지 않다.
- 종합해 볼 때, 초본피복지는 퇴적물의 입도 특성은 큰 차이가 없지만 해수의 영향을 크게 받아, pH, EC, 그리고 모든 치환성양이온 항목이 높게 나타난 반면, 유기물함량은 목본 식생으로 피복되어 있는 경우보다 낮았다. 목본으로 피복된 곰솔림과 혼합림 간에는 곰솔림에서 유기물함량이 낮고 pH가 높은 특성이 보였으며, Ca2+, Mg2+, Na+ 등의 치환성양이온의 경우에도 조금 높은 경향이 있었다.
- 종합해 볼 때, 해빈-배아사구-전사구-2차사구로 이어지는 거리조락의 효과(Salisbury, 1925; Clayton, 1972)가 병술안 사구지대에서도 나타나고 있다고 판단된다. 그렇지만 병술안 사구지대의 경우 서구에서 연구된 자연적인 천이가 일어나는 사구지대와는 달리 몇몇 항목에 있어서는 거리조락 효과가 분명하지 않은 경향도 나타났고, 전사구와 2차사구 간의 차이가 크지 않은 경우도 많았다.
- 지형적 구배에 따른 차이를 상세하게 살펴보기 위하여 사구퇴적물을 배아사구, 전사구, 2차사구로 나누어 검토하였다(그림 5). 평균 입경에서 전사구와 2차사구는 배아사구에 비해 세립한 특성을 보였으며, 상호간에는 큰 차이가 나타나지 않았다. 분급은 배아 사구에서 가장 불량하며, 2차사구에서 양호해진다.
- 이는 주로 사구퇴적물 중에 배아사구 퇴적물의 유기물함량이 해빈퇴적물 수준으로 낮았기 때문에 통계적 유의성이 없었던 것으로 판단된다. 하지만 pH와 EC, 치환성양이온 항목에서는 사구퇴적물에 비해 해빈퇴적물의 값들이 높고 범위가 넓게 나타나 뚜렷이 차이가 나는 특징을 보였다. 특히 치환성양이온 항목에서 해빈퇴적물에 비하여 사구퇴적물의 값이 낮은 것은 바다 혹은 해빈이 치환성양이온의 기원이 되고 염분포말 및 비사의 형태로 사구로 공급되고 있음(Ceron, 1990; Fay and Jeffrey, 1992)을 보여준다.
- 그렇지만 해당 항목의 차이는 그리 큰 편은 아니었으며, EC의 경우 혼합림이 높은 특성을 보이기 때문에 보다 연구가 더 진행되어야 할 필요가 있다. 한편 추가적으로 40~60cm 퇴적물, 80~100cm의 퇴적물의 특성을 앞의 분석과 동일하게 식생피복별로 비교하였을 때, 곰솔림과 혼합림에서 관찰되었던 지화학적 특성의 차이는 거의 없어, 식생피복에 의한 영향은 지표퇴적물에만 국한됨을 확인할 수 있었다. 더 나아가 곰솔림과 혼합림의 퇴적물의 물리·화학적 특성이 극명하게 다르지 않은 점은 현존 식생이 자연적으로 천이된 것이 아닌 식재 또는 교란을 받았으며, 그 이후 충분한 시간이 지나지 않았기 때문이라고 판단된다.
후속연구
- 이는 혼합림에 비해 하층식생이 덜 발달하였을 뿐만 아니라 식생의 밀도 또한 낮아, 유기물축적이 적게 일어나고 염분포말이 쉽게 유입되었기 때문으로 판단된다. 그렇지만 해당 항목의 차이는 그리 큰 편은 아니었으며, EC의 경우 혼합림이 높은 특성을 보이기 때문에 보다 연구가 더 진행되어야 할 필요가 있다. 한편 추가적으로 40~60cm 퇴적물, 80~100cm의 퇴적물의 특성을 앞의 분석과 동일하게 식생피복별로 비교하였을 때, 곰솔림과 혼합림에서 관찰되었던 지화학적 특성의 차이는 거의 없어, 식생피복에 의한 영향은 지표퇴적물에만 국한됨을 확인할 수 있었다.
- 물론 이 연구는 서해안 해안사구 전체를 대상으로 한 것이 아니기 때문에 방사림이 식재된 모든 해안사구에 동일하게 적용될 지는 분명하지 않다. 또한 지형다양성-지화학적 다양성-생물다양성의 상호 관계를 단순화시켜 살펴보았기 때문에 내재되어 있는 메커니즘을 파악하는 데에는 한계가 있었다. 그렇지만 해안사구의 본연의 특성을 회복하기 위해서는 역동적이며 다양한 지형적·생태적 특성을 조성9)해 나가기 위해 보다 다각적인 방면으로 연구들이 추가적으로 진행되어야 함을 도출할 수 있었다.
- 유근배 등(2012)은 해안사구의 구성요소들 간의 관계를 각 요소간 다양성(diversity)의 관점에서 접근하였다(그림 1). 즉, 해안사구의 지형다양성(geodiversity) 을 근간으로 생물다양성(biodiversity)과 지화학적다양성간(geochemical diversity)의 관계를 복합적으로 검토할 필요가 있다는 것이다. 이러한 시각은 김대현 (2004), 유근배 등(2005), 유근배 등(2012)에 의해 전개되어 왔다.
- 그렇지만 통계적으로 서로 차이가 난다고 보기는 어려웠다. 한편 K+ 는 혼합림에서 조금 높게 나타났는데, 식생자체에 상당량의 K+ 가 고정될 뿐만 아니라(van der Valk, 1974) K+와 식생 피복 유형과의 명확한 상관관계를 확인할 수 없다는 연구(Chapin et al., 1986; Houle, 1997)도 있어, 식생과 K+ 함량의 관계를 명확히 설명하기 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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