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문제 정의
- 이를 위해 소나무 고사와 관련한 모형 해석의 개념적 틀을 제안하였다. 아울러 이 연구에서 제안한 소나무 고사 현상 가설을 추가 분석하기 위한 BIOME-BGC 모형의 개선점을 발굴하였다.
- 이 연구결과는 2009년 밀양과 2014년 울진에서 발생한 소나무 대량 고사에 대한 몇 가지 수목 생리학적 시사점을 제시한다. 첫째, Cpool의 거동은 탄소-물 과정을 종합적으로 반영하기 때문에 기후와 토심의 식생생육 영향을 파악하는 데에 적합한 상태변수이다.
- 5 m 이하 토심에서는 Cpool에 큰 차이가 없는 것으로 보아 일정 수준 이하의 토심에서 생체량-생산성-유지호흡 간의 균형에 따라 Cpool이 유지되는 적응 메커니즘이 나타난 것으로 보인다. 이 연구의 결과 소나무 고사와 관련한 고온건조-탄소 기아 가설을 제안하였고, 보다 현실적 분석을 위한 향후 모형 개선 방향을 제안하였다.
가설 설정
- SW는 강수(PRCP)로 보충되며 식물의 증산(Trans)과 토양 증발, 배수로 저감된다. BIOME-BGC 는 일 단위에서 토양과 잎의 수분포텐셜이 동일하다고 가정한다. 즉 잎이 증산(Trans)에 필요로 하는 만큼 뿌리가 토양수를 흡수한다는 가정이다.
- 모형의 구동은 연구 지역의 기상 자료가 가용한 1988년부터 2015년까지 28년간을 대상으로 하였다. BIOME-BGC는 균일한 임분을 가정하며, 모형의 공간 해상도는 임분의 크기와 지형에 따라 상이하게 결정할 수 있다(Thornton, 1998; White et al., 2000). 이 연구는 모형을 이용한 가상적 소나무 군락지의 생육 과정을 추적하여 기후-토양이 소나무 고사에 미치는 영향을 분석하기 때문에 임분의 위치와 면적을 명시하는 대신에 각 지역의 기상 자료가 대표할 수 있는 공간적 범위로 모형 예측의 의미를 한정하였다.
- BIOME-BGC 는 일 단위에서 토양과 잎의 수분포텐셜이 동일하다고 가정한다. 즉 잎이 증산(Trans)에 필요로 하는 만큼 뿌리가 토양수를 흡수한다는 가정이다. 이 가정은 두 가지 측면에서 현실을 잘 반영하지 못하는 한계가 있다.
제안 방법
- 소광리 기상 자료의 경우 2015년부터 현지에 설치 운영한 자동기상관측기의 기온, 강수자료와 인근 기상청 기상대 자료와의 회귀모형을 개발하여 소광리 지역의 과거 기상을 추정하는 방식을 취하였다. 기온 추정에는 인근 봉화와 태백의 기상청 기상대 자료와의 중회귀모형을, 강수 추정에는 태백 기상대 자료와의 단순회귀모형을 사용하였다. 각 회귀모형의 결정계수(coefficient of determination, r2)는 최고기온 0.
- 두 지역에서 발생산 건조 시기를 정량적으로 파악하기 위해 표준강수지수(Standard Precipitation Index, SPI)를 산출하였다. SPI는 장기 강수 자료를 토대로 기후학적 가뭄의 발생을 파악하는 데에 널리 사용되는 가뭄 지수이다(Mckee et al.
- 탄소-물 흐름 모식도를 이용해 주요한 상태변수, 흐름변수, 조절인자 등 주요 변수들을 판별한 후 모형 구동시 출력하여 분석하였다. 모형 결과의 분석은 우선 연 단위 결과에 대해 다년 간의 변동 추이 분석으로부터 각 지역별 상세 분석 기간을 설정하여 월 단위로 다시 분석하였다.
- BIOME-BGC는 약 600여개의 다양한 변수를 생산하며, 선택적으로 필요한 변수를 출력하도록 설계되었다. 모형 소스 코드 수준의 상세 분석을 통해, 소나무 고사에 대한 기후-토양 영향에 대한 분석틀을 개발하였다. 즉, 식생의 탄소 기아(carbon starvation) 현상과 관련된 모형의 식생 탄소-물 흐름 과정을 아래와 같이 얼개화 하였다(Fig.
- 생태계 과정 모형인 BIOME-BGC를 이용해 국내 상록침엽수림의 탄소-물 순환 과정의 계절 및 연간 변화를 모의하여 국내의 소나무 고사 현상의 기후-토심 영향을 분석하였다. 연구지로 2009년과 2014년 각각 소나무 대량 고사가 발생한 밀양과 울진을 선정하였다.
- , 2000). 이 연구는 모형을 이용한 가상적 소나무 군락지의 생육 과정을 추적하여 기후-토양이 소나무 고사에 미치는 영향을 분석하기 때문에 임분의 위치와 면적을 명시하는 대신에 각 지역의 기상 자료가 대표할 수 있는 공간적 범위로 모형 예측의 의미를 한정하였다.
- 이 연구에서는 기후-식생-토양 간 에너지 수지와 탄소, 질소, 물순환 과정의 상호작용을 기술한 BIOME-BGC 모형(Thornton, 1998)을 이용해 국내 상록침엽수림에 대한 탄소수지 시뮬레이션 연구를 수행하여, 기후 변동과 토양조건이 식생 생육에 미치는 과정을 이해하여 국내의 소나무 고사 현상에 대한 기후 및 토양 영향 가설을 제안하였다. 이를 위해 소나무 고사와 관련한 모형 해석의 개념적 틀을 제안하였다.
- 각 월별로 평년 대비 누적 강수량의 변이를 확률적으로 계산하며, 수문학적 목적에는 12개월을 작물학적 목적에는 3개월의 선행 강수량 적산값을 이용한다. 이 연구에서는 수목의 가뭄 영향을 고려하여 3개월 선행 강수 적산값을 사용한 SPI-3를 산출하였다.
- 얕은 토심에서 자라는 식물은 토양 물 그릇의 크기가 작기 때문에 같은 강수량에도 건조 영향을 더 심하게 받게 된다. 이 연구에서는 토심의 차이에 따른 탄소-물 거동 특성 변화를 조사하기 위해 1 m, 0.5 m, 0.2 m 토심에 대한 모형 결과를 비교하였다. 경사지의 사향과 경사도 역시 미기상과 수문과정 차이를 유발하여 식물 생육에 영향을 미치는 주요한 생육환경 인자이다(Kang et al.
- 이 연구에서는 기후-식생-토양 간 에너지 수지와 탄소, 질소, 물순환 과정의 상호작용을 기술한 BIOME-BGC 모형(Thornton, 1998)을 이용해 국내 상록침엽수림에 대한 탄소수지 시뮬레이션 연구를 수행하여, 기후 변동과 토양조건이 식생 생육에 미치는 과정을 이해하여 국내의 소나무 고사 현상에 대한 기후 및 토양 영향 가설을 제안하였다. 이를 위해 소나무 고사와 관련한 모형 해석의 개념적 틀을 제안하였다. 아울러 이 연구에서 제안한 소나무 고사 현상 가설을 추가 분석하기 위한 BIOME-BGC 모형의 개선점을 발굴하였다.
- 탄소-물 흐름 모식도를 이용해 주요한 상태변수, 흐름변수, 조절인자 등 주요 변수들을 판별한 후 모형 구동시 출력하여 분석하였다. 모형 결과의 분석은 우선 연 단위 결과에 대해 다년 간의 변동 추이 분석으로부터 각 지역별 상세 분석 기간을 설정하여 월 단위로 다시 분석하였다.
- 토심의 영향을 분석하기 위해 울진을 대상으로 토심 0.2, 0.5, 1.0 m에 대해 각각 모형을 구동하였다. 얕은 토심에서 Cpool을 비롯한 제반 변수들이 보다 낮은 값을 보였고, 특히 psi의 경우 1 m에 비해 0.
- (2005)이 국립산림과학원 광릉 시험림에 대해 적용 평가한 바 있는 상록침엽수림에 대한 모수값을 사용하였다. 한편 상록침엽수림에 대한 모형 결과 분석을 소나무 고사 현상 설명에 적용하는 방식을 취하였다. BIOME-BGC 구동을 위해 필요한 기상 항목 중, 일최저, 최고기온과 강수량 자료는 실측값을, 기타 대기수증기포차, 주간 평균일사량, 일장시간 등은 산악 미기상 모형인 MTClim(version 4.
대상 데이터
- BIOME-BGC 모형은 총 34개의 생태생리학적 모수(Thornton, 1998)를 가지며, 이 연구에서는 Eum et al.(2005)이 국립산림과학원 광릉 시험림에 대해 적용 평가한 바 있는 상록침엽수림에 대한 모수값을 사용하였다. 한편 상록침엽수림에 대한 모형 결과 분석을 소나무 고사 현상 설명에 적용하는 방식을 취하였다.
- BIOME-BGC는 약 600여개의 다양한 변수를 생산하며, 선택적으로 필요한 변수를 출력하도록 설계되었다. 모형 소스 코드 수준의 상세 분석을 통해, 소나무 고사에 대한 기후-토양 영향에 대한 분석틀을 개발하였다.
- , 2013). 결과적으로 1988년부터 2015년까지 총 28년간의 일 단위 입력 기상자료를 준비하였다.
- 이 연구의 공간적 범위는 각각 2009년과 2014년에 큰 규모의 소나무 고사가 발생하였던(Lim, 2015; Lim, 2016) 경상남도 밀양과 경상북도 울진이다. 모형의 구동은 연구 지역의 기상 자료가 가용한 1988년부터 2015년까지 28년간을 대상으로 하였다. BIOME-BGC는 균일한 임분을 가정하며, 모형의 공간 해상도는 임분의 크기와 지형에 따라 상이하게 결정할 수 있다(Thornton, 1998; White et al.
- 생태계 과정 모형인 BIOME-BGC를 이용해 국내 상록침엽수림의 탄소-물 순환 과정의 계절 및 연간 변화를 모의하여 국내의 소나무 고사 현상의 기후-토심 영향을 분석하였다. 연구지로 2009년과 2014년 각각 소나무 대량 고사가 발생한 밀양과 울진을 선정하였다. 두 지역의 표준강수지수를 산정한 결과 약 5년 내외의 주기의 가뭄현상을 판별하였다.
- 이 연구의 공간적 범위는 각각 2009년과 2014년에 큰 규모의 소나무 고사가 발생하였던(Lim, 2015; Lim, 2016) 경상남도 밀양과 경상북도 울진이다. 모형의 구동은 연구 지역의 기상 자료가 가용한 1988년부터 2015년까지 28년간을 대상으로 하였다.
이론/모형
- 한편 상록침엽수림에 대한 모형 결과 분석을 소나무 고사 현상 설명에 적용하는 방식을 취하였다. BIOME-BGC 구동을 위해 필요한 기상 항목 중, 일최저, 최고기온과 강수량 자료는 실측값을, 기타 대기수증기포차, 주간 평균일사량, 일장시간 등은 산악 미기상 모형인 MTClim(version 4.3)을 이용하여 추정한 값을 사용하였다(Bohn et al., 2013). 결과적으로 1988년부터 2015년까지 총 28년간의 일 단위 입력 기상자료를 준비하였다.
- 즉 그 날의 GPP가 Rm과 Cpool이 과도하게 감소하는 것을 방지하기 위해 고안된 Cpool 회복량을 제한 것 보다 큰 경우(∆C > 0)에만, 그 차액만큼(∆C) 분배된다. 분배된 탄소가 잎, 뿌리, 줄기 생산에 사용되는 정도는 내적으로 설정된 상대성장 규칙(allometric rule)에 따른다. BIOME-BGC의 분배규칙은 연중 일정하여 자연에서 흔한 동적 분배(dynamic allocation) 현상을 모의하지 못하는 한계가 있다.
- 이 연구에서 소나무 생육과 기후-토양 간의 관계를 분석하는 데에 BIOME-BGC (version 4.12) 모형을 사용하였다. BIOME-BGC는 동적 생태계 과정 모형(dynamic ecosystem process model)의 일종으로, 기후-식물-토양 간의 에너지, 탄소, 물, 질소 흐름 과정을 일 단위로 모의한다(White et al.
성능/효과
- 모형의 여러 변수를 조사한 결과, 임시탄소저장소인 Cpool 변수가 탄소기아에 의한 소나무고사 현상과 개연성이 큰 변수로 나타났다. Cpool의 감소는 총일차생산성(GPP) 감소 혹은 유지호흡(Rm) 증가의 결과로 발생하였고, 연구기간 중 Cpool이 최저 값을 보인 해는 각 연구지역에서 소나무 대량 고사가 발생한 해와 잘 일치하였다. 두 지역 모두 가뭄에 의한 GPP 감소와 고온에 의한 Rm 증가가 Cpool의 감소를 초래하였는데, GPP와 Rm의 상대적 기여도는 지역별로 상이 하였다.
- SPI 건조지수 분석 결과 밀양과 울진 모두 약 5년 내외의 주기로 건조기가 발생하였고, 최근의 건조기는 2009년, 2014년 전후로 나타났다. 두 지역 모두 2000년 중반 이후 강수와 기온이 상반되게 변화하여, 위 두 기간은 고 온건조한 기후를 보였다.
- 따라서 이 연구와 같이 목적을 소나무 고사에 대한 기후-토심 영향 분석으로 국한한 경우에는 BIOME-BGC와 같이 종간 경쟁 메커니즘을 배제하고 기후-식생-토양 간 물-탄소-질소 순환 과정에 집중하는 생태계 생지화학모형이 적합한 수단이다. 결과적으로 BIOME-BGC 모형에 대한 개념적 고찰과 모델링 분석을 통해 밀양, 울진의 소나무 대량 고사 시기와 임시탄소저장소인 Cpool 변수 동태간의 개연성을 발견하였고, 두 지역 간에 총일차생산성(GPP)과 유지호흡량(Rm)이 다른 방식으로 Cpool의 동태를 결정함을 파악하였다.
- 또한 잔뿌리는 해빙 이후 봄철에 서서히 성장하므로 봄철의 물흡수능은 잎으로부터 요구하는 증산량과 함께 근권의 발달에 영향을 받는다. 그러나 BIOME-BGC는 식생의 물흡수는 증산량에 따를 뿐 근권 발달의 영향을 고려하지 않기 때문에 실제 봄철에 발생할 수 있는 수목의 물흡수 제한을 고려하지 못하여 결과적으로 가문 봄철의 GPP와 Cpool 저하를 과소 평가할 수 있다.
- 특히 2013-2014년의 울진 고온 현상이 Cpool의 저하를 주도한 것은 온난화에 따른 국내 소나무 생육 영향에 시사하는 바가 크다. 넷째, 능선부, 급경사지와 같이 토심이 얕은 곳은 보다 빈번하게 건조 영향을 받으며 생체량이 낮게 유지되었다. 하지만 일정 수준 토심 이하에서는 Cpool의 감소가 미미한 것으로 보아 생산성-호흡-생체량 간의 균형을 통해 고사 조건을 낮추는 조절 메커니즘이 있는 것으로 보인다.
- 두 지역에서 모두 NPP는 GPP와 매우 유사하게 변화하였고(r > 0.87, p < 0.001) 기온이 높았던 밀양의 경우에는 Rm과도 유의한 관계를 보였다(r = 0.48, p <0.05).
- 이는 Cpool 변수의 실체적 의미를 파악하고 현장 조사 응용 가능성을 탐구하는 등의 후속 연구 필요성을 시사한다. 둘째, 상록침엽수의 Cpool 거동에 월 단위의 GPP, Rm 변동이 민감하게 반영된 것으로 보아 생육상황의 계절성 고찰이 중요한 것으로 보인다. 셋째, 지역간 기후 특성에 따라건조와 고온은 상이한 방식으로 식생의 생육과 고사에 영향을 미칠 수 있다.
- 2000년 중반 이후 가뭄은 고온 건조 기후 특성을 보였다. 모형의 여러 변수를 조사한 결과, 임시탄소저장소인 Cpool 변수가 탄소기아에 의한 소나무고사 현상과 개연성이 큰 변수로 나타났다. Cpool의 감소는 총일차생산성(GPP) 감소 혹은 유지호흡(Rm) 증가의 결과로 발생하였고, 연구기간 중 Cpool이 최저 값을 보인 해는 각 연구지역에서 소나무 대량 고사가 발생한 해와 잘 일치하였다.
- 둘째, 상록침엽수의 Cpool 거동에 월 단위의 GPP, Rm 변동이 민감하게 반영된 것으로 보아 생육상황의 계절성 고찰이 중요한 것으로 보인다. 셋째, 지역간 기후 특성에 따라건조와 고온은 상이한 방식으로 식생의 생육과 고사에 영향을 미칠 수 있다. 그럼에도 불구하고 두 지역 모두 평년 기후 대비 고온건조한 기후는 식생탄소수지의 악화를 야기하는 수준에 도달하였다고 판단된다.
- 연구 기간 최소 Cpool이 나타난 밀양 2004-2010년과 울진 2008-2015년에 대해 월 단위의 모형 결과를 도시한 결과, 월간 큰 변동을 보인 GPP, Rm과 달리, Cpool 은 완만하고 느리게 변화하였다(Fig. 4). 밀양의 경우 2004-2005년간에 높은 Rm를 2007-09년간에 낮은 GPP를 보인 것이 특기할 만하다.
- 2015년 중반 다시 낮은 GPP 대비 높은 Rm 조건이 형성되어 Cpool이 최소값을 보였다. 위 결과를 종합하면 소나무 고사가 대량 발생하였던 밀양 2009년과 울진 2014년에 Cpool이 낮았으며, 밀양의 경우 2008-2009년 간 지속된 GPP 저하가, 밀양의 경우 2013년의 낮은 GPP와 함께 2013-2014년 간에 높았던 Rm이 각각 Cpool 저하의 주요 요인이었던 것으로 보인다.
- 5 m이하 토심에서 큰 차이가 없었다. 이상의 결과를 종합하면 Cpool의 감소는 2009년 밀양, 2014년 울진에서 발생한 소나무 고사와 개연성이 높은 것으로 보이며, 이는 기후 변동에 따른 GPP 감소 혹은 Rm 증가의 영향으로 양자의 기여도는 지역간 상이하였고, 이러한 현상은 토심이 얕은 능선부 혹은 급경사지 에서 더 심각하게 발생할 수 있다. 향후 이 연구의 모형분석 결과를 밀양과 울진 지역의 소나무 고사지 지형 현황과 비교 분석할 필요가 있다.
- 이 연구결과는 2009년 밀양과 2014년 울진에서 발생한 소나무 대량 고사에 대한 몇 가지 수목 생리학적 시사점을 제시한다. 첫째, Cpool의 거동은 탄소-물 과정을 종합적으로 반영하기 때문에 기후와 토심의 식생생육 영향을 파악하는 데에 적합한 상태변수이다. 이는 Cpool 변수의 실체적 의미를 파악하고 현장 조사 응용 가능성을 탐구하는 등의 후속 연구 필요성을 시사한다.
- 표준점수(z score)를 이용한 변화 추이 분석에서 두 지역 모두 GPP, NPP와 psi 간의 높은 상관성을 보였다(p < 0.001) (Fig. 4a and 4b).
- 한편 두 지역에서 각 변수의 연간 변이는 모두 통계적으로 유의한 상관성을 보였다(p < 0.05).
후속연구
- 모형 결과와 실제 현상과의 체계적 비교를 위해 필요한 주요 환경 및 식생 변수에 대한 다량의 모니터링 자료가 없기 때문에 이는 추후 연구의 과제로 남기고자 한다. 다만, 현 수준에서 단편적으로 확보된 울진 소광리 숲의 지온 자료와의 비교만을 보아도 우선 모형의 겨울철 지온이 높게 평가되어 엽 기공개폐와 토양수분 결빙으로 인한 물흡수 저해 등의 현상을 제대로 모의하지 못한 것으로 판단된다. 때문에 동절기 GPP가 과다 평가되어 결과적으로 겨울-이른 봄의 Cpool 저하를 실제보다 과소평가할 수 있다.
- 이처럼 GPP와 Rm, 새로운 조직의 생산과 생체량은 서로 영향을 주고 받는 관계이며 이들 관계는 기후 변동의 영향을 받으며 동적으로 변화하기 때문에 기후 변동에 따른 소나무 생육 과정을 실증적으로 연구하기란 매우 어렵다. 때문에 소나무 생육과 고사에 주요하게 작용하는 탄소 혹은 물수지 과정을 판별하고 기후 변동과의 동적 연관성에 대한 가설을 도출하는 탐색적 연구가 필요하다. 복잡한 생태생리학적 과정을 단순화하고 가설화 하는 것은 실증적 연구를 위한 자료 수집과 실험 설계의 단초를 제공할 것이다.
- 따라서 이 연구의 의의는 소나무 고사에 대한 실증적 원인 분석보다는 향후 연구를 위한 가설의 제안에 있다고 판단된다. 또한 실제 현상과의 비교 검토를 통해 BIOME-BGC 모형의 개선 사항을 도출함으로써 향후 보다 실증적 모형 연구에 활용될 수 있는 기반을 제안하는 데에 있다.
- 모형 결과와 실제 현상과의 체계적 비교를 위해 필요한 주요 환경 및 식생 변수에 대한 다량의 모니터링 자료가 없기 때문에 이는 추후 연구의 과제로 남기고자 한다. 다만, 현 수준에서 단편적으로 확보된 울진 소광리 숲의 지온 자료와의 비교만을 보아도 우선 모형의 겨울철 지온이 높게 평가되어 엽 기공개폐와 토양수분 결빙으로 인한 물흡수 저해 등의 현상을 제대로 모의하지 못한 것으로 판단된다.
- 때문에 소나무 생육과 고사에 주요하게 작용하는 탄소 혹은 물수지 과정을 판별하고 기후 변동과의 동적 연관성에 대한 가설을 도출하는 탐색적 연구가 필요하다. 복잡한 생태생리학적 과정을 단순화하고 가설화 하는 것은 실증적 연구를 위한 자료 수집과 실험 설계의 단초를 제공할 것이다.
- , 2000), 식생 물흡수 과정에 잔뿌리와 균근균 발달 영향을 고려할 필요가 있다. 새롭게 개선된 모형은 소나무 고사는 물론 구상나무, 잣나무 등 타 상록침엽수종의 고사 원인을 규명하고 예측하는 데에도 기여할 것으로 사료된다.
- 첫째, Cpool의 거동은 탄소-물 과정을 종합적으로 반영하기 때문에 기후와 토심의 식생생육 영향을 파악하는 데에 적합한 상태변수이다. 이는 Cpool 변수의 실체적 의미를 파악하고 현장 조사 응용 가능성을 탐구하는 등의 후속 연구 필요성을 시사한다. 둘째, 상록침엽수의 Cpool 거동에 월 단위의 GPP, Rm 변동이 민감하게 반영된 것으로 보아 생육상황의 계절성 고찰이 중요한 것으로 보인다.
- 무엇보다 모형의 주요 가정과 한계를 바탕으로 한 제한적인 모형 결과의 해석이 필요하다. 한편 역으로 모형 결과의 비구체성에도 불구하고 현실 생태계 과정과 구조에 대한 함의적 추론을 수행하기 위한 이론적 고찰 방법을 고안할 필요가 있다.
- 이상의 결과를 종합하면 Cpool의 감소는 2009년 밀양, 2014년 울진에서 발생한 소나무 고사와 개연성이 높은 것으로 보이며, 이는 기후 변동에 따른 GPP 감소 혹은 Rm 증가의 영향으로 양자의 기여도는 지역간 상이하였고, 이러한 현상은 토심이 얕은 능선부 혹은 급경사지 에서 더 심각하게 발생할 수 있다. 향후 이 연구의 모형분석 결과를 밀양과 울진 지역의 소나무 고사지 지형 현황과 비교 분석할 필요가 있다.
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