거리독립 생장예측 시뮬레이션기법 적용에 의한 삼나무임분의 임분생장 및 탄소고정에 미치는 간벌시업 효과 분석 Analyzing Thinning Effects on Growth and Carbon Absorption for Cryptomeria japonica Stands Using Distance-Independent Growth Simulations원문보기
본 연구에서는 거리독립 임분생장 예측 시뮬레이터 STEMS를 기반으로 제주도 한남시험림 삼나무 임분에 대한 잠재직경생장함수, 수정함수, 수관율 및 고사함수를 추정하고, 이를 토대로 간벌시업에 따른 임분의 생장패턴 및 탄소흡수량의 변화를 예측하였다. 시뮬레이터를 구성하는 주요 함수는 연구대상지의 13개 표본점으로부터 39본의 표준목을 선발하여 수간석해에 따른 분석결과를 토대로 추정하였다. 이 시뮬레이터를 적용하여 사례연구 대상 임분에 대한 간벌시업체계를 무간벌 및 1회 간벌에 간벌의 시기 및 강도를 달리하는 3개의 시나리오로 편성하여 간벌시업이 임분생장 및 탄소흡수 효과에 미치는 영향을 분석하였다. 분석결과 간벌시업과 지위지수에 따라 임분의 평균 수고 및 흉고직경, 경급별 임목본수나 임분재적에 따른 생장패턴이나 탄소고정에 미치는 효과가 유의미한 것으로 나타났다.
본 연구에서는 거리독립 임분생장 예측 시뮬레이터 STEMS를 기반으로 제주도 한남시험림 삼나무 임분에 대한 잠재직경생장함수, 수정함수, 수관율 및 고사함수를 추정하고, 이를 토대로 간벌시업에 따른 임분의 생장패턴 및 탄소흡수량의 변화를 예측하였다. 시뮬레이터를 구성하는 주요 함수는 연구대상지의 13개 표본점으로부터 39본의 표준목을 선발하여 수간석해에 따른 분석결과를 토대로 추정하였다. 이 시뮬레이터를 적용하여 사례연구 대상 임분에 대한 간벌시업체계를 무간벌 및 1회 간벌에 간벌의 시기 및 강도를 달리하는 3개의 시나리오로 편성하여 간벌시업이 임분생장 및 탄소흡수 효과에 미치는 영향을 분석하였다. 분석결과 간벌시업과 지위지수에 따라 임분의 평균 수고 및 흉고직경, 경급별 임목본수나 임분재적에 따른 생장패턴이나 탄소고정에 미치는 효과가 유의미한 것으로 나타났다.
The objectives of this study were to infer the parameters of forest stand growth functions of STEMS for Cryptomeria japonica stands of Jeju Hannam Experimental Forest, Korea Forest Research Institute, and to investigate the effects of thinning regimes on the patterns of stand growth and carbon absor...
The objectives of this study were to infer the parameters of forest stand growth functions of STEMS for Cryptomeria japonica stands of Jeju Hannam Experimental Forest, Korea Forest Research Institute, and to investigate the effects of thinning regimes on the patterns of stand growth and carbon absorption. The forest stand growth functions for the potential diameter growth, modifier, crown ratio and mortality are the major ones composing the independent-tree/distance-free forest stand growth simulator, STEMS. The parameters were inferred using the sets of growth data obtained from stem analyses of 39 trees, chosen from 13 sample plots of the forest stands. The effects of thinning regimes on the patterns of stand growth and carbon absorption were investigated by simulating the stand growth patterns of the case study stand with 3 different thinning regimes: no-thinning, early thinning with low intensity and late thinning with high intensity using the simulator. According to the results of the analyses, the different thinning regimes cause significant effects on the growth patterns of average DBH, average height, diameter distribution and stand volume as well as the amount of carbon absorptions.
The objectives of this study were to infer the parameters of forest stand growth functions of STEMS for Cryptomeria japonica stands of Jeju Hannam Experimental Forest, Korea Forest Research Institute, and to investigate the effects of thinning regimes on the patterns of stand growth and carbon absorption. The forest stand growth functions for the potential diameter growth, modifier, crown ratio and mortality are the major ones composing the independent-tree/distance-free forest stand growth simulator, STEMS. The parameters were inferred using the sets of growth data obtained from stem analyses of 39 trees, chosen from 13 sample plots of the forest stands. The effects of thinning regimes on the patterns of stand growth and carbon absorption were investigated by simulating the stand growth patterns of the case study stand with 3 different thinning regimes: no-thinning, early thinning with low intensity and late thinning with high intensity using the simulator. According to the results of the analyses, the different thinning regimes cause significant effects on the growth patterns of average DBH, average height, diameter distribution and stand volume as well as the amount of carbon absorptions.
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문제 정의
그러나 아직 국내에서는 고정표본점을 통한 임분조사 자료가 부족한 실정이므로 본 연구에서는 수간석해를 수행하여 시간의 흐름에 따른 임분 내 개체목의 생장을 추정하고자 하였다. 이를 위해 연구대상지 삼나무 임분 총 13개의 20 m × 20 m 표준지(Table 1)로부터 각 표준지별 소 · 중 · 대 경급의 대표목을 선발하여 총 39본에 대한 수간석해를 수행하였다(Table 2).
따라서 본 연구에서는 삼나무 임분 생장예측을 위한 개체목 중심의 거리독립 시뮬레이터(individual-tree/distance-independent forest stand growth simulator)를 개발하고, 이를 활용하여 간벌시업에 따른 삼나무 임분의 생장 특성 및 탄소흡수 효과를 분석함으로써 향후 국내 임분단위 탄소경영모델로 발전시키기 위한 기초 자료를 제공하고자 하였다.
본 연구에서는 임목의 생장과 고사, 벌채 및 갱신을 종합적으로 시뮬레이션 할 수 있는 모델로서 최근까지도 산림생장예측 및 산림경영과 관련된 다양한 분야에서 폭넓게 활용되고 있는 STEMS(Stand and Tree Evaluation and Modeling System) 모델(Belcher et al., 1982)을 기반으로 생장예측 simulator를 개발하고자 하였다. STEMS 모델에 요구되는 주요 생장관련 함수로는 잠재직경생장함수(potential diameter growth function), 수정율함수(modifier function), 수관율함수(crown ratio function) 및 고사율함수(mortality function)가 있다.
본 연구에서는 제주도 삼나무 임분을 대상으로 임분의 생장과 탄소흡수 기능을 분석하고자 하였다. 이를 위해 임분의 생장패턴을 예측하고, 평가·분석할 수 있는 개체목 중심의 생장예측 시뮬레이터를 개발하여 간벌시업체계에 따른 임분의 생장과 탄소흡수 패턴을 분석하였다.
제안 방법
(1979)이 제안한 함수를 사용하였다. 다만, 고사율함수의 경우 표본의 부족으로 인해 현실임분 자료를 이용한 모수 추정이 어렵다고 판단되어 임분수확표(Korea Forest Service, 2009)를 통해 간접적으로 산출하였다.
본 사례연구에서는 Table 5의 삼나무 임분에 대해 Table 6의 시나리오에 따라 무간벌 시업을 기본 사례로 하여 간벌시업의 시기와 강도의 임의 변화에 따른 임분생장 및 탄소흡수에 대한 효과를 검토하였다.
Table 7은 생장예측 시뮬레이션에 필요한 생장함수의 모수 추정 결과를 보여준다. 본 연구에서는 각 함수별 모수에 대한 적합도에 대한 판단은 특정 통계적 수치 결과의 해석 대신 추정된 모수를 적용한 시뮬레이션 결과(Figure 4와 5)를 통해 수행하였다.
생장예측 시뮬레이터의 적용성을 검토하고자 Table 5의 24년생 삼나무 임분을 대상으로 간벌시업이 삼나무 임분의 생장량과 탄소흡수에 미치는 영향을 분석하였다.
이 시뮬레이터를 구성하는 함수들의 모수 추정에 요구되는 제반 임분자료들은 현실림의 표본조사에 의한 표준목 39본을 수간석해를 하여 취득하였다. 연구대상지의 삼나무 현실림 사례연구에 의해 개발된 생장예측 시뮬레이터의 임분생장 예측 패턴에 대한 특성을 검토하였으며, 특히 간벌의 시기 및 강도를 달리하는 시나리오 분석을 통해 간벌시업이 임분 생장 및 탄소 흡수에 미치는 영향을 분석함으로써 시뮬레이터의 응용성을 검토하였다.
이 그림에서와 같이 본 연구에서 개발된 개체목 생장모델에서는 Tree list, 지위지수, 수관율함수를 잠재직경생장함수에 적용하여 경쟁이 없는 상태에서의 이상적인 개체 목의 생장량을 예측하고, 수정율함수를 적용하여 경쟁효과를 고려한 개체목의 실제 직경생장량을 예측한다.
즉, 간벌과 같은 산림시업과 함께 시간의 흐름에 따른 임분 생장패턴의 변화는 임분을 구성하는 개별 임목의 생장을 예측할 수 있는 개체목 단위의 거리독립 임분생장모델(distance-free/individual-tree stand growth model)이 요구된다. 이 모델은 현실 임분을 구성하는 각 임목(개체목)의 특성과 임분 내에서 개별 임목 간의 상호 경쟁관계를 토대로 개체목의 생장을 추정하고, 각 개체목 생장량의 합으로 임분의 생장량을 추정한다.
위 표에 제시된 함수 중 잠재직경생장함수는 Hahn and Leary(1979)가 제안한 함수를 적용하였다. 이 함수를 추정하는데 요구되는 임지의 지위정보는 연구대상지의 수간 석해자료를 바탕으로 지위지수를 추정하였다. 즉, 지위지 수는 수간석해로부터 수집된 개체목의 연령별 수고자료를 아래 식 1의 Chapman-Richards식을 적용하여 산출하였다.
이를 위해 임분의 생장패턴을 예측하고, 평가·분석할 수 있는 개체목 중심의 생장예측 시뮬레이터를 개발하여 간벌시업체계에 따른 임분의 생장과 탄소흡수 패턴을 분석하였다.
하지만 장기간의 시간이 소요되는 고정표본점 측정자료의 부재로 인해 본 연구에서는 연구대상지 수간석해 분석자료를 토대로 임분 생장예측 시뮬레이터의 모수를 추정하거나 기존 삼나무 임분의 수확표를 토대로 고사율을 추정하였다. 따라서 다양한 목적으로 응용 가능한 개체목 중심의 시뮬레이터의 개발을 위해서는 향후 삼나무는 물론 다양한 수종에 대한 고정표본점 자료 구축을 통해 임분생장 및 고사율에 대한 자료 확보가 필수적으로 요구된다.
대상 데이터
본 연구는 제주도에 위치한 국립산림과학원 난대아열대산림연구소 한남시험림의 삼나무 임분을 대상으로 수행되었다. 이 시험림은 Figure 1에 나타난 바와 같이 총 1,191 ha로 다양한 천연 활엽수림과 인공 침엽수림으로 구성되어 있으며, 일부 편백을 제외한 약 217 ha의 침엽수림 대부분이 삼나무림으로 구성되어 있다.
본 연구는 제주도에 위치한 국립산림과학원 난대아열대산림연구소 한남시험림의 삼나무 임분을 대상으로 수행되었다. 이 시험림은 Figure 1에 나타난 바와 같이 총 1,191 ha로 다양한 천연 활엽수림과 인공 침엽수림으로 구성되어 있으며, 일부 편백을 제외한 약 217 ha의 침엽수림 대부분이 삼나무림으로 구성되어 있다.
이를 위해 연구대상지 삼나무 임분 총 13개의 20 m × 20 m 표준지(Table 1)로부터 각 표준지별 소 · 중 · 대 경급의 대표목을 선발하여 총 39본에 대한 수간석해를 수행하였다(Table 2).
데이터처리
, 1982)를 원용하여 개발하였다. 이 시뮬레이터를 구성하는 함수들의 모수 추정에 요구되는 제반 임분자료들은 현실림의 표본조사에 의한 표준목 39본을 수간석해를 하여 취득하였다. 연구대상지의 삼나무 현실림 사례연구에 의해 개발된 생장예측 시뮬레이터의 임분생장 예측 패턴에 대한 특성을 검토하였으며, 특히 간벌의 시기 및 강도를 달리하는 시나리오 분석을 통해 간벌시업이 임분 생장 및 탄소 흡수에 미치는 영향을 분석함으로써 시뮬레이터의 응용성을 검토하였다.
Figure 2의 임분생장 예측 시뮬레이터를 구성하는 네 함수(잠재직경생장함수, 수정율함수, 수관율함수, 고사율함수)가 Table 3에 제시되어 있다. 이 표에 정리된 각 함수의 모수는 SAS 9.3의 비선형회귀분석을 이용하여 추정하였다.
이론/모형
Table 3의 수정율함수는 Hahn and Leary(1979)가 제안한 함수를 그리고 수관율함수는 Holdaway et al.(1979)이 제안한 함수를 사용하였다. 다만, 고사율함수의 경우 표본의 부족으로 인해 현실임분 자료를 이용한 모수 추정이 어렵다고 판단되어 임분수확표(Korea Forest Service, 2009)를 통해 간접적으로 산출하였다.
Figure 3. Site index curves for Crytomeria japonica stands estimated using Chapman-Richards equation.
생장예측 시뮬레이터는 STEMS(Belcher et al., 1982)를 원용하여 개발하였다. 이 시뮬레이터를 구성하는 함수들의 모수 추정에 요구되는 제반 임분자료들은 현실림의 표본조사에 의한 표준목 39본을 수간석해를 하여 취득하였다.
위 표에 제시된 함수 중 잠재직경생장함수는 Hahn and Leary(1979)가 제안한 함수를 적용하였다. 이 함수를 추정하는데 요구되는 임지의 지위정보는 연구대상지의 수간 석해자료를 바탕으로 지위지수를 추정하였다.
이 함수를 추정하는데 요구되는 임지의 지위정보는 연구대상지의 수간 석해자료를 바탕으로 지위지수를 추정하였다. 즉, 지위지 수는 수간석해로부터 수집된 개체목의 연령별 수고자료를 아래 식 1의 Chapman-Richards식을 적용하여 산출하였다.
Table 3의 개체목 생장예측 시뮬레이터를 구성하는 주요 함수 중 잠재직경생장함수를 추정하기 위한 연구대상지 삼나무 임분의 지위지수 곡선이 Figure 3에 나타나 있다. 표준목들의 수간석해 결과를 토대로 식 1의 Chapman-Richards식을 이용하여 기준임령(Index age) 40년의 지위 지수 곡선을 추정하였다.
성능/효과
(2001)에 의하면 이러한 임분의 생장 패턴은 동령림에서 흔히 볼 수 있는 일반적인 생장특성으로 Table 8에서 보듯이 임령이 커질수록 임분의 ha당 임목본수는 자연고사에 따라 급격하게 줄어드는 대신 평균 흉고직경은 커지고 있음을 알 수 있다. 또한 생장예측 시뮬레이터를 활용하여 추정한 임분의 변화추이(임령별 ha당 임목본수, 평균 흉고직경, 평균수고 및 ha당 임분재적)는 실제 지위지수가 14 m의 임분수확표 상의 변화추이와 거의 동일한 패턴을 보이고 있는 것으로 나타났다(Figure 5).
후속연구
하지만 장기간의 시간이 소요되는 고정표본점 측정자료의 부재로 인해 본 연구에서는 연구대상지 수간석해 분석자료를 토대로 임분 생장예측 시뮬레이터의 모수를 추정하거나 기존 삼나무 임분의 수확표를 토대로 고사율을 추정하였다. 따라서 다양한 목적으로 응용 가능한 개체목 중심의 시뮬레이터의 개발을 위해서는 향후 삼나무는 물론 다양한 수종에 대한 고정표본점 자료 구축을 통해 임분생장 및 고사율에 대한 자료 확보가 필수적으로 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
제주도에서 삼나무는 어떤 가치를 보이는가?
제주도에서 삼나무(Cryptomeria japonica)는 매우 통직한 수형을 보이는 중요한 임목자원으로서 최근 탄소흡수원으로의 가치도 크게 부각되고 있다. 산림이 지니는 ‘탄소흡수원(Carbon sink)'으로서의 기능은 산림이 제공하는 주요한 생태계서비스(Ecosystem service) 중의 하나로서 오늘날 이를 정확히 계량하고 관리할 수 있는 방법에 관한 연구가 지역적 · 국가적인 차원에서 활발히 이루어지고 있다.
개체목 단위의 거리독립 임분생장모델은 무엇을 추정하는가?
즉, 간벌과 같은 산림시업과 함께 시간의 흐름에 따른 임분 생장패턴의 변화는 임분을 구성하는 개별 임목의 생장을 예측할 수 있는 개체목 단위의 거리독립 임분생장모델(distance-free/individual-tree stand growth model)이 요구된다. 이 모델은 현실 임분을 구성하는 각 임목(개체 목)의 특성과 임분 내에서 개별 임목 간의 상호 경쟁관계를 토대로 개체목의 생장을 추정하고, 각 개체목 생장량의 합으로 임분의 생장량을 추정한다.
국내에서 집약적 산림경영이 이루어지는 면적이 늘어나면서 탄소흡수원으로서의 기능도 크게 증질될 것으로 기대되는 이유는 무엇인가?
국내에도 이러한 목적을 위해 집약적 산림경영이 이루어지는 면적이 늘어나면서 탄소흡수원으로서의 기능도 크게 증진될 것으로 기대되고 있다. 이는 집약적 산림경영을 통한 간벌 등과 같은 산림시업(forest stand prescriptions)이 임목의 생장을 촉진시켜 탄소흡수 효과가 증진될 수 있기 때문이다.
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