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문제 정의
- 본 연구는 잣나무 분포지역을 대상으로 기후인자에 의한 군집별 연륜생장 추정식을 개발하고, 이를 통해 기후변화 시나리오에 적용함으로써 기후변화에 따른 군집별 연륜생장의 변화를 추정하였다. 본 연구를 통해 연륜생장에 미치는 기후변화의 영향은 몇 가지 특징적인 경향을 보이는 것으로 확인되었다.
- 본 연구는 잣나무를 대상으로 기후인자가 연륜생장에 미치는 영향을 구명하기 위해 연륜기후학적 방법을 적용하였다. 이를 위해 잣나무 분포지역의 기후특성을 반영한 군집분석을 실시한 후, 군집별로 기후인자를 독립변수로 하는 수종별 연륜생장 추정식을 개발하고자 하였다.
- 본 연구에서는 잣나무 분포지역의 월별 평균기온과 강수량 정보에 근거하여 기후변화에 따른 연륜생장의 변화를 추정하고자 하였다. 이를 위해 제5차 국가산림자원조사에서 측정한 잣나무의 연륜생장 자료(Korea Forest Service, 2012)와 기상청에서 래스터 형태로 제공하는 일 단위 기상정보를 이용하였다.
- 표준강수지수는 –3에서 3까지의 값을 갖는 표준화된 지수로 감마 누적확률분포를 표준정규분포로 변환한 지수이다. 표준강수지수의 값이 클수록 수분 조건이 좋기 때문에 본 연구에서는 이 지수의 누적확률을 기준으로 강수효과지수를 산출하여 잣나무의 군집별 생장에 미치는 영향을 평가하였다. Table 3은 표준강수지수별 누적확률을 나타낸 것으로(Wu et al.
제안 방법
- 이는 기후조건에 대한 각 군집 내의 동질성과 군집 간의 이질성을 파악함으로써 연륜생장의 특성을 유사한 기후군집 범위에서 분석하기 위한 조치이다. 기후 군집분석을 위해 연륜생장 목편이 채취된 시군이 가지고 있는 기후특성 측정치를 유클리디안 거리(euclidean distance)로 환산하여 분석하였다(Kim, 2011). 본 연구에서는 잣나무가 분포하는 16개 시군의 월평균지온과 월강수량의 유사성에 근거한 기후 군집분석을 실시하였으며, 이 결과에 근거하여 기후특성과 연륜생장과의 관계를 구명하였다.
- 기후변화 시나리오 RCP 4.5와 RCP 8.5에 근거하여 연도별 온도효과지수와 강수효과지수를 추정한 후, 앞에서 개발한 잣나무의 군집별 연륜생장 추정식에 적용함으로써 기후변화에 따른 잣나무의 연륜생장 변화를 예측하였다. Table 5는 잣나무 5개 군집을 대상으로 최근 30년 동안의 평균 연륜생장지수 추정치와 기후변화 시나리오를 적용하여 추정한 2011년부터 2100년까지의 연륜생장지수를 30년 간격의 기간별 평균으로 비교한 결과이다.
- 이 추정식의 독립변수는 온도와 강수량에 의해 산출된 생장도일과 표준강수지수를 기반으로 연도별 온도효과지수와 강수효과지수를 추정한 후 이들의 상호작용인 곱에 의해 표현되는 기후인자를 사용하였다. 마지막으로 잣나무의 군집별 연륜생장 추정식에 기후변화 시나리오를 적용하여 기후변화에 따른 연륜생장의 연도별 변화 추이를 예측하였다.
- Lim(1998)은 우리나라의 87개 기후 관측소 자료에 근거하여 온량지수와 생장도일은 의 선형적 관계에 있음을 밝힌바 있다. 본 연구에서는 Yim(1977)의 수종별 온량지수와 Lim(1998)이 제시한 온량지수와 생장도일의 관계식에 근거하여 잣나무의 생육가능 범위와 최적 생육범위를 산출하였다(Table 1).
- 본 연구에서는 기후변화 시나리오 RCP 4.5와 RCP 8.5에 의해 2011년부터 2100년까지 90년 간 각 군집의 일평균기온과 일강수량 자료를 정리한 후, 각 연도의 생장도일와 표준강수지수를 산출하였다. 이와 같이 산출된 생장도일과 표준강수지수를 사용하여 각 연도의 온도효과지수와 강수효과지수를 군집별로 추정하였다.
- 기후 군집분석을 위해 연륜생장 목편이 채취된 시군이 가지고 있는 기후특성 측정치를 유클리디안 거리(euclidean distance)로 환산하여 분석하였다(Kim, 2011). 본 연구에서는 잣나무가 분포하는 16개 시군의 월평균지온과 월강수량의 유사성에 근거한 기후 군집분석을 실시하였으며, 이 결과에 근거하여 기후특성과 연륜생장과의 관계를 구명하였다.
- 본 연구에서는 연도별 SPI를 산출하기 위해 미국 콜로라도 기후센터에서 개발한 SPI 분석 프로그램을 이용하였다(Colorado Climate Center, 2004). 연도별 SPI는 임목생장에 영향을 미치는 수분 조건인 전년도 9월부터 당년도 5월까지의 9개월을 기준으로 산출하였다.
- 이를 위해 잣나무 분포지역의 기후특성을 반영한 군집분석을 실시한 후, 군집별로 기후인자를 독립변수로 하는 수종별 연륜생장 추정식을 개발하고자 하였다. 이 추정식의 독립변수는 온도와 강수량에 의해 산출된 생장도일과 표준강수지수를 기반으로 연도별 온도효과지수와 강수효과지수를 추정한 후 이들의 상호작용인 곱에 의해 표현되는 기후인자를 사용하였다. 마지막으로 잣나무의 군집별 연륜생장 추정식에 기후변화 시나리오를 적용하여 기후변화에 따른 연륜생장의 연도별 변화 추이를 예측하였다.
- 본 연구는 잣나무를 대상으로 기후인자가 연륜생장에 미치는 영향을 구명하기 위해 연륜기후학적 방법을 적용하였다. 이를 위해 잣나무 분포지역의 기후특성을 반영한 군집분석을 실시한 후, 군집별로 기후인자를 독립변수로 하는 수종별 연륜생장 추정식을 개발하고자 하였다. 이 추정식의 독립변수는 온도와 강수량에 의해 산출된 생장도일과 표준강수지수를 기반으로 연도별 온도효과지수와 강수효과지수를 추정한 후 이들의 상호작용인 곱에 의해 표현되는 기후인자를 사용하였다.
- 이와 같이 산출된 생장도일과 표준강수지수를 사용하여 각 연도의 온도효과지수와 강수효과지수를 군집별로 추정하였다. 이상과 같이 얻어진 자료를 앞에서 개발한 잣나무의 군집별 연륜생장 추정식에 적용하여 기후변화 시나리오에 따른 수종별 연륜생장 변화를 예측하였다.
- 5에 의해 2011년부터 2100년까지 90년 간 각 군집의 일평균기온과 일강수량 자료를 정리한 후, 각 연도의 생장도일와 표준강수지수를 산출하였다. 이와 같이 산출된 생장도일과 표준강수지수를 사용하여 각 연도의 온도효과지수와 강수효과지수를 군집별로 추정하였다. 이상과 같이 얻어진 자료를 앞에서 개발한 잣나무의 군집별 연륜생장 추정식에 적용하여 기후변화 시나리오에 따른 수종별 연륜생장 변화를 예측하였다.
- =생장임계온도로 산림 수종의 경우 5℃를 적용한다. 즉, 해당 연도의 생장도일은 일평균기온이 5℃ 이상인 날의 일평균기온에서 5를 빼준 값을 누적하여 산출하였다.
대상 데이터
- 국가산림자원조사에서는 표본점별로 10본 내외의 표준목을 선정하고 연륜생장 목편을 채취하였는데, 본 연구에서는 통계적 효율성을 고려하여 30본 이상의 잣나무 연륜생장 목편이 채취된 시군을 잣나무 분포지역으로 간주하였으며 대상 시군은 16개인 것으로 파악되었다. 본 연구에서는 이들 16개 시군을 대상으로 연륜생장 자료를 정리하였다.
- 한편 잣나무가 분포하고 있는 16개 시군의 연도별 생장도일과 표준강수지수를 산출하기 위해 기상청에서 레스터 형식으로 제공하는 일별 평균기온과 강수량 자료를 1951년부터 2010년까지 정리하여 사용하였다. 또한 기후변화에 따른 연도별 생장도일과 표준강수지수의 변화를 파악하기 위해 기상청에서 제공하는 대표농도경로(Representative Concentration Pathways; RCP) 4.5와 8.5의 기후변화 시나리오에 근거하여 2011년부터 2100년까지 잣나무가 분포하는 해당 시군의 일별 평균기온과 강수량 자료를 정리하였다.
- 국가산림자원조사에서는 표본점별로 10본 내외의 표준목을 선정하고 연륜생장 목편을 채취하였는데, 본 연구에서는 통계적 효율성을 고려하여 30본 이상의 잣나무 연륜생장 목편이 채취된 시군을 잣나무 분포지역으로 간주하였으며 대상 시군은 16개인 것으로 파악되었다. 본 연구에서는 이들 16개 시군을 대상으로 연륜생장 자료를 정리하였다. 한편 잣나무가 분포하고 있는 16개 시군의 연도별 생장도일과 표준강수지수를 산출하기 위해 기상청에서 레스터 형식으로 제공하는 일별 평균기온과 강수량 자료를 1951년부터 2010년까지 정리하여 사용하였다.
- 본 연구에서는 잣나무 분포지역의 월별 평균기온과 강수량 정보에 근거하여 기후변화에 따른 연륜생장의 변화를 추정하고자 하였다. 이를 위해 제5차 국가산림자원조사에서 측정한 잣나무의 연륜생장 자료(Korea Forest Service, 2012)와 기상청에서 래스터 형태로 제공하는 일 단위 기상정보를 이용하였다. 한편 기후변화 시나리오 자료는 기상청에서 제공하는 RCP 4.
- 이를 위해 제5차 국가산림자원조사에서 측정한 잣나무의 연륜생장 자료(Korea Forest Service, 2012)와 기상청에서 래스터 형태로 제공하는 일 단위 기상정보를 이용하였다. 한편 기후변화 시나리오 자료는 기상청에서 제공하는 RCP 4.5와 RCP 8.5를 사용하였다.
- 본 연구에서는 이들 16개 시군을 대상으로 연륜생장 자료를 정리하였다. 한편 잣나무가 분포하고 있는 16개 시군의 연도별 생장도일과 표준강수지수를 산출하기 위해 기상청에서 레스터 형식으로 제공하는 일별 평균기온과 강수량 자료를 1951년부터 2010년까지 정리하여 사용하였다. 또한 기후변화에 따른 연도별 생장도일과 표준강수지수의 변화를 파악하기 위해 기상청에서 제공하는 대표농도경로(Representative Concentration Pathways; RCP) 4.
데이터처리
- 본 연구에서는 잣나무 군집별로 기후인자에 의한 연륜생장 추정식을 개발하기 위해 기후인자의 곱을 독립변수로 하는 추정모델을 사용하였다. 온도와 강수량을 기반으로 산출된 온도효과지수와 강수효과지수를 이용하여, 이들 기후요인의 곱을 독립변수로 하는 식 3과 같은 직선회귀 모형을 사용하였다. 즉, 이 식에서 독립변수는 군집별 그리고 연도별로 추정된 온도효과지수(MT)와 강수효과지수(MP)의 상호작용으로 두 변수를 곱한 값이다.
이론/모형
- 본 연구에서는 연도별 SPI를 산출하기 위해 미국 콜로라도 기후센터에서 개발한 SPI 분석 프로그램을 이용하였다(Colorado Climate Center, 2004). 연도별 SPI는 임목생장에 영향을 미치는 수분 조건인 전년도 9월부터 당년도 5월까지의 9개월을 기준으로 산출하였다.
- 본 연구에서는 일평균기온에 근거하여 산림의 수종별 분포범위 및 생장과 밀접한 연관이 있는 생장도일(Growing Degree Days; GDD)을 식 1에 의해 산출하였다.
- 임목의 연륜생장에 영향을 미치는 기후인자는 광조건, 온도, 토양수분, 토양 내 질소량, 그리고 이산화탄소 농도 등과 같이 다양한데, 연륜생장은 이들 생물물리학적인 변수들의 곱에 의해 발현되는 것으로 알려져 있다(Hassan and Bourque, 2009). 본 연구에서는 잣나무 군집별로 기후인자에 의한 연륜생장 추정식을 개발하기 위해 기후인자의 곱을 독립변수로 하는 추정모델을 사용하였다. 온도와 강수량을 기반으로 산출된 온도효과지수와 강수효과지수를 이용하여, 이들 기후요인의 곱을 독립변수로 하는 식 3과 같은 직선회귀 모형을 사용하였다.
성능/효과
- 5를 적용하면 대부분의 군집에서 큰 폭의 생장감소가 예상되는데, 특히 마지막 기간인 2071년~2100년의 연륜생장 감소가 이전 기간보다 훨씬 클 것으로 예상되었다. 강원산악 권역인 군집 3을 제외하면 현재보다 군집별로 8~23% 정도의 연륜생장 감소가 있을 것으로 예측되었다. 하지만 군집 3은 RCP 8.
- 군집별 모형의 설명력이 그다지 높지 않은데, 이 모형으로부터 설명되지 못한 나머지 부분은 식 3에 적용된 기후인자인 온도 및 강수량 이외에 연륜생장에 미치는 광조건, 토양 질소, 대기중의 이산화탄소 농도 등의 기후요인과 기타 오차로 간주된다. 결과적으로 군집별 추정식의 결정계수는 다소 낮지만 본 연구에서 고려하지 못한 연륜생장에 미치는 다른 요인을 감안하면 큰 무리가 없는 추정식으로 평가된다.
- 이들 16개 시군을 대상으로 유클리디안 거리지수를 이용하여 기후조건의 유사성에 근거한 군집분석을 실시한 결과 5개의 기후군집으로 분류되었다(Figure 1). 군집 1은 강원도 양양군의 1개 시군, 군집 2는 충청북도 청원군의 1개 시군, 군집 3은 강원도 인제군, 정선군, 그리고 평창군의 3개 시군, 군집 4는 강원도의 4개 시군과 경기도의 4개 시군 등 총 8개 시군이 포함되며 마지막으로 군집 5는 영월군, 경상북도 봉화군, 그리고 충청북도 단양군의 3개 시군으로 분류되었다.
- 특히 잣나무 5개 군집에 포함된 시군은 16개에 불과하며 지리적으로 중북부 이상의 지역에 편중되어 있다. 군집별 연륜생장지수 평균치를 보면 강원북부 해안권역의 군집 1, 강원산악 권역의 군집 3, 그리고 강원 남부 산악권역의 군집 5는 위도 및 해발고도가 상대적으로 높은 강원지역에 분포해 모두 연륜생장지수가 1 이상으로 양호한 생장조건을 갖는 것으로 분석되었다. 반면에 충청북도 청원군의 군집 2는 평균 연륜생장지수가 0.
- 본 연구를 통해 연륜생장에 미치는 기후변화의 영향은 몇 가지 특징적인 경향을 보이는 것으로 확인되었다. 먼저 기후변화 시나리오를 적용하여 시간 경과에 따른 연륜생장의 변화를 예측한 결과 시간이 지날수록 연륜생장이 감소하는 것으로 분석되었다. 특히 기후변화의 강도가 낮은 RCP 4.
- 남부지역이나 해발고도가 낮은 군집에서는 기후변화로 인한 연륜생장의 감소가 큰 것으로 분석되었다. 반면에 강원지역에 속하는 군집이나 위도 높은 군집, 그리고 중남부 지역이지만 백두대간에 포함되어 해발고도가 높은 군집의 경우에는 기후변화로 인한 생장 감소가 적은 것으로 예측되었다. 이러한 결과는 기후변화 시나리오의 특성과 연관이 있다.
- 특히 위도와 해발고도가 상대적으로 높은 군집 1, 3, 그리고 5의 연도별 생장도일은 해당 기간 동안 지속적으로 최적 생육범위에 포함되는 것으로 나타났다. 반면에 해발고도와 위도가 상대적으로 낮은 중부내륙 권역인 군집 2와 중북부 권역인 군집 4의 생장도일은 전체 생육범위 내에는 포함되지만 최적 생육범위를 벗어나는 것으로 분석되었다(Figure 2). 이러한 추세를 감안하면 앞으로 시간이 경과하면서 일부 군집의 생장도일은 잣나무의 생육범위를 벗어날 것으로 예상된다.
- 이는 기온과는 달리 강수량은 연도별 변이가 심한 기후조건임을 확인할 수 있는 결과이다. 시간 경과에 따른 잣나무 5개 군집에 대한 1951년부터 2010년까지의 표준강수지수 변화를 보면, 모든 군집에서 전반부보다는 후반부의 평균 표준강수지수가 다소 상승하여 수분 조건이 개선된 것으로 분석되었다. 하지만 후반부 표준강수지수의 연도별 변이는 오히려 더 증가한 것으로 확인되어, 특정한 연도의 수분 조건은 잣나무 생장에 지장을 줄 정도로 악화된 것을 알 수 있다.
- 잣나무는 침엽수 중에서 우리나라를 대표하는 한랭수종으로 알려져 있는데, Yim(1977)의 보고에 의하면 온량지수에 근거한 잣나무의 전체 생육범위와 최적 생육범위는 비교적 넓은 편이다(Table 1). 잣나무 5개 군집에 대한 생장도일을 1951년부터 2010년까지 60년 동안 연도별로 산출한 결과, 각 군집의 지리적 위치에 따라 연도별 생장도일의 변화는 일정한 경향을 보이는 것으로 나타났다. 조사 기간 동안인 1951년부터 2010년까지 각 군집의 연도별 생장도일은 잣나무의 생육범위를 벗어나지 않는 것으로 파악되었다.
- 잣나무 5개 군집의 최근 30년 동안의 연륜생장은 군집별로 다소 차이가 있지만 비교적 양호한 것으로 평가되었다. 이는 잣나무의 경우 생장도일에 근거한 생육범위가 넓고, 지난 30년 동안의 강수조건이 이전에 비해 개선되어 잣나무 생장에 유리한 기후조건이 형성된 것에 기인하는 것으로 판단된다.
- 잣나무 분포지역의 수분조건을 평가하기 위해 각 군집의 연도별 표준강수지수를 산출한 결과(Figure 4), 동일한 연도에서는 잣나무 5개 군집 간의 표준강수지수의 변이가 매우 작지만 연도별 변이는 매우 큰 것으로 확인되었다. 이는 기온과는 달리 강수량은 연도별 변이가 심한 기후조건임을 확인할 수 있는 결과이다.
- 잣나무의 군집별 강수효과지수의 변이는 연도별로 차이가 크지만 동일한 연도의 군집 간에는 변이가 크지 않은 것으로 분석되었다. 잣나무 생장목편이 측정된 1951년부터 2010년까지 60년 동안의 군집별 강수효과지수의 변이를 파악하기 위해 전반부와 후반부로 각각 30년씩 구분하여 분석한 결과, 후반부의 강수효과지수 평균치가 전반부에 비해 모든 군집에서 더 높은 것으로 파악되었다. 이는 잣나무 분포지역에 대한 최근 30년 동안의 수분조건이 이전에 비해 개선된 것을 의미하는 결과이다.
- 각 군집의 기온과 강수량 분포를 보면 군집별로 특징적인 차이를 보이고 있는데, 이는 지리적 그리고 지형적 조건에 의한 기후조건의 차이로 해석할 수 있다. 잣나무 연륜생장이 측정된 시군별 기후 군집분석을 통해 분류된 5개의 군집은 군집별 기후특성을 잘 반영하는 것으로 확인되었다.
- 군집 간의 연도별 온도효과지수는 다소 차이를 보이고 있지만, 전체적으로 시간이 경과하면서 약간 감소하는 경향을 보이고 있다. 잣나무의 5개 군집 중에서 해발고도와 위도가 상대적으로 높은 강원북부 해안권역인 군집 1과 강원산악 권역인 군집 3의 온도효과지수는 1951년부터 2010년까지 60년 동안 거의 차이가 없는 것으로 분석되었다. 하지만 나머지 3개 권역은 시간이 경과하면서 연도별 온도효과지수가 감소한 것으로 나타났는데, 기후변화에 의한 기온 상승으로 인해 연도별 GDD가 증가했기 때문에 나타난 결과로 판단된다.
- 잣나무 5개 군집에 대한 생장도일을 1951년부터 2010년까지 60년 동안 연도별로 산출한 결과, 각 군집의 지리적 위치에 따라 연도별 생장도일의 변화는 일정한 경향을 보이는 것으로 나타났다. 조사 기간 동안인 1951년부터 2010년까지 각 군집의 연도별 생장도일은 잣나무의 생육범위를 벗어나지 않는 것으로 파악되었다. 특히 위도와 해발고도가 상대적으로 높은 군집 1, 3, 그리고 5의 연도별 생장도일은 해당 기간 동안 지속적으로 최적 생육범위에 포함되는 것으로 나타났다.
- 먼저 기후변화 시나리오를 적용하여 시간 경과에 따른 연륜생장의 변화를 예측한 결과 시간이 지날수록 연륜생장이 감소하는 것으로 분석되었다. 특히 기후변화의 강도가 낮은 RCP 4.5보다는 RCP 8.5를 적용할 경우 시간 경과에 따른 연륜생장의 감소 정도가 큰 것으로 나타났다. 하지만 예측기간의 중반인 2050년~2060년까지는 두 시나리오 간에 군집별 잣나무의 연륜생장지수는 차이가 거의 없는 것으로 예측되었다.
- 조사 기간 동안인 1951년부터 2010년까지 각 군집의 연도별 생장도일은 잣나무의 생육범위를 벗어나지 않는 것으로 파악되었다. 특히 위도와 해발고도가 상대적으로 높은 군집 1, 3, 그리고 5의 연도별 생장도일은 해당 기간 동안 지속적으로 최적 생육범위에 포함되는 것으로 나타났다. 반면에 해발고도와 위도가 상대적으로 낮은 중부내륙 권역인 군집 2와 중북부 권역인 군집 4의 생장도일은 전체 생육범위 내에는 포함되지만 최적 생육범위를 벗어나는 것으로 분석되었다(Figure 2).
후속연구
- 지난 2006년부터 시작된 제5차 국가산림자원조사에서는 계통적추출법에 의해 전국을 4 km 격자로 구분한 후 표본점을 설치하여 다양한 항목의 임목조사를 실시하여 왔는데 이 항목 중에는 연륜생장 자료가 포함되어 있다(Korea Forest Service, 2005). 이 자료는 수종별 그리고 입지조건별로 전국 규모의 연륜생장 정보를 제공하기 때문에 연륜기후학적 방법을 적용하면 기후변화가 우리나라에 분포하는 주요 수종의 연륜생장에 미치는 영향을 평가하는 것이 가능할 것으로 판단된다.
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