국내외 모델 분석을 통한 산림 탄소 및 질소 결합 모델 개발방안 연구 Approaches for Developing a Forest Carbon and Nitrogen Model Through Analysis of Domestic and Overseas Models원문보기
산림에서 온실가스 동태를 모의하기 위해서는 탄소 및 질소 순환을 종합적으로 모의하는 모델을 활용할 필요가 있다. 국내에는 한국형 산림 탄소 모델인 FBDC 모델이 개발되어 탄소 저장량 및 변화량을 추정하고 타당성 검토도 진행된 바 있으나, 질소 순환을 모의하는 모델의 개발 사례는 부족한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 문헌조사를 바탕으로 우리나라의 실정에 적합한 산림 탄소 및 질소 결합 모델의 개발방안을 제시하고자 한다. 이를 위하여 VISIT, Biome-BGC, Forest-DNDC, O-CN 등 모델의 일반적 특징, 구조, 생태적 과정, 입력 자료, 출력 자료, 탄소 및 질소 순환의 결합 방법을 분석하였으며, FBDC 모델의 구조와 특징도 분석하였다. 이러한 모델을 분석한 결과 기존의 탄소 순환 모델에 질소 순환 구조를 결합하여 개발된 VISIT 모델을 참고하여, FBDC 모델과 질소 순환 구조를 결합하는 방식으로 새로운 모델을 설계할 수 있을 것으로 보인다. 그리고 새로 개발될 모델이 토양 $N_2O$ 배출을 모의하기 위해서는 질소 순환 구조에 VISIT과 Forest-DNDC 모델에서 공통적으로 모의하는 생태적 과정들이 포함될 필요가 있다. 또한 모든 국외 모델들은 임목의 탄소와 질소 흡수, 고사유기물의 분해 과정을 중심으로 탄소 및 질소 순환을 유기적으로 연결하고 있으며, 이러한 연결 구조를 FBDC 모델과 질소 순환 구조의 결합에 활용할 수 있을 것으로 보인다. 한편 모델 개발에 필요한 기상, 토성, 수종 분포 등의 입력 자료는 국내에서 확보할 수 있으나, 토양에서 배출되는 $N_2O$에 대한 검증 자료와 질소 순환과 관련된 일부 파라미터 자료는 현지조사를 통하여 확보해야 할 것으로 사료된다.
산림에서 온실가스 동태를 모의하기 위해서는 탄소 및 질소 순환을 종합적으로 모의하는 모델을 활용할 필요가 있다. 국내에는 한국형 산림 탄소 모델인 FBDC 모델이 개발되어 탄소 저장량 및 변화량을 추정하고 타당성 검토도 진행된 바 있으나, 질소 순환을 모의하는 모델의 개발 사례는 부족한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 문헌조사를 바탕으로 우리나라의 실정에 적합한 산림 탄소 및 질소 결합 모델의 개발방안을 제시하고자 한다. 이를 위하여 VISIT, Biome-BGC, Forest-DNDC, O-CN 등 모델의 일반적 특징, 구조, 생태적 과정, 입력 자료, 출력 자료, 탄소 및 질소 순환의 결합 방법을 분석하였으며, FBDC 모델의 구조와 특징도 분석하였다. 이러한 모델을 분석한 결과 기존의 탄소 순환 모델에 질소 순환 구조를 결합하여 개발된 VISIT 모델을 참고하여, FBDC 모델과 질소 순환 구조를 결합하는 방식으로 새로운 모델을 설계할 수 있을 것으로 보인다. 그리고 새로 개발될 모델이 토양 $N_2O$ 배출을 모의하기 위해서는 질소 순환 구조에 VISIT과 Forest-DNDC 모델에서 공통적으로 모의하는 생태적 과정들이 포함될 필요가 있다. 또한 모든 국외 모델들은 임목의 탄소와 질소 흡수, 고사유기물의 분해 과정을 중심으로 탄소 및 질소 순환을 유기적으로 연결하고 있으며, 이러한 연결 구조를 FBDC 모델과 질소 순환 구조의 결합에 활용할 수 있을 것으로 보인다. 한편 모델 개발에 필요한 기상, 토성, 수종 분포 등의 입력 자료는 국내에서 확보할 수 있으나, 토양에서 배출되는 $N_2O$에 대한 검증 자료와 질소 순환과 관련된 일부 파라미터 자료는 현지조사를 통하여 확보해야 할 것으로 사료된다.
For the estimation of greenhouse gas dynamics in forests, it is useful to use a model which simulates both carbon (C) and nitrogen (N) cycle simultaneously. A forest C model, called FBDC, was developed and validated in Korea. However, studies on development of forest N model are insufficient. This s...
For the estimation of greenhouse gas dynamics in forests, it is useful to use a model which simulates both carbon (C) and nitrogen (N) cycle simultaneously. A forest C model, called FBDC, was developed and validated in Korea. However, studies on development of forest N model are insufficient. This study aimed to suggest a development process of a forest C and N model. We analyzed the general features, structures, ecological processes, input data, output data, and methods of integrating C and N cycles of the VISIT, Biome-BGC, Forest-DNDC, and O-CN. The structure and features of the FBDC were also analyzed. The VISIT was developed by integrating forest C model with a N cycle module, and the new model also could be designed by combining the FBDC with a N cycle module. The VISIT and Forest-DNDC could estimate soil $N_2O$ emissions, and the integrated model should include the processes shared by these models. Especially, the overseas models linked C and N cycles based on N absorption, C absorption, and decomposition of dead organic matter. Therefore, the integration of the FBDC with N cycle module should apply this linkage of structures between C and N cycles. Climate, soil texture, and species distribution data, which are essential for the model development, were available in Korea. However, parameter data associated with N cycle and validation data for soil $N_2O$ emissions need to be obtained by field studies.
For the estimation of greenhouse gas dynamics in forests, it is useful to use a model which simulates both carbon (C) and nitrogen (N) cycle simultaneously. A forest C model, called FBDC, was developed and validated in Korea. However, studies on development of forest N model are insufficient. This study aimed to suggest a development process of a forest C and N model. We analyzed the general features, structures, ecological processes, input data, output data, and methods of integrating C and N cycles of the VISIT, Biome-BGC, Forest-DNDC, and O-CN. The structure and features of the FBDC were also analyzed. The VISIT was developed by integrating forest C model with a N cycle module, and the new model also could be designed by combining the FBDC with a N cycle module. The VISIT and Forest-DNDC could estimate soil $N_2O$ emissions, and the integrated model should include the processes shared by these models. Especially, the overseas models linked C and N cycles based on N absorption, C absorption, and decomposition of dead organic matter. Therefore, the integration of the FBDC with N cycle module should apply this linkage of structures between C and N cycles. Climate, soil texture, and species distribution data, which are essential for the model development, were available in Korea. However, parameter data associated with N cycle and validation data for soil $N_2O$ emissions need to be obtained by field studies.
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문제 정의
본 연구에서는 우리나라 산림에서의 온실가스 동태 모의가 가능한 산림 탄소 및 질소 결합 모델의 개발방안을 제시하기 위하여 VISIT, Biome-BGC, Forest-DNDC, O-CN, FBDC 등의 모델을 분석하였다.
, 2010a). 이러한 측면에서 우리나라 실정에 적합한 산림 탄소 및 질소 결합 모델의 개발이 요구되는 상황이며, 따라서 본 연구에서는 국외 산림 탄소 및 질소 결합 모델과 한국형 산림 탄소 모델인 FBDC 모델을 분석하여 새로운 모델의 개발을 위한 방안과 확보해야 할 자료를 제시하고자 한다.
가설 설정
, 2005; Zaehle and Friend, 2010). 그리고 Biome-BGC와 O-CN 모델은 뿌리에 분배된 탄소량이 많을수록 임목의 질소 흡수량이 증가한다고 가정하고, 잎과 뿌리의 질소 농도가 적정 질소 농도보다 낮은 경우에 뿌리에 탄소를 더 많이 분배하는 특징이 있다(Running and Hunt, 1993; Zaehle and Friend, 2010).
O-CN 모델은 크게 수분 수지를 모의하는 구조, 탄소 및 질소 순환을 모의하는 구조, 수광 경쟁과 임목 고사를 모의하는 구조로 구분된다. 그리고 O-CN 모델은 Biome-BGC 모델과 유사하게 가상의 저장고를 포함하고 있으며, 광합성을 통해 흡수한 탄소, 뿌리를 통하여 흡수한 질소, 낙엽이 지기 이전에 재분배된 질소가 이에 저장된다고 가정한다(Krinner et al., 2005; Zaehle and Friend, 2010).
그리고 이 모델은 VISIT과 Biome-BGC 모델이 포함하는 질소 관련 생태적 과정들을 모두 포함하고 있으며, 질산화와 탈질화를 토양 온도, 수분 조건, 토양 유기 탄소 농도, 미생물 바이오매스, 토양 pH, 토양 NH4+ 농도, 점토 비율 등을 이용하여 추정하고 잎의 노화에 따라 잎의 광합성 속도가 줄어든다고 가정한다(Li et al., 2005).
Biome-BGC 모델은 대기로 배출되는 총 질소량은 모의하나, 배출되는 질소 기체를 종류별로 구분하지 않아 N2O의 배출을 구체적으로 모의할 수 없다. 그리고 이 모델은 고사유기물 분해율이 리그닌 함량과 반비례한다고 가정한다(Running and Hunt, 1993). 한편 Forest-DNDC 모델은 다른 모델들과 달리 발효와 화학적 탈질화를 생태적 과정으로 포함하고 있어 다양한 질소 기체의 배출을 모의할 수 있는 특징이 있다(Li et al.
그리고 임목에 흡수된 질소는 부위별 적정 탄질률에 따라 잎과 목질부로 배분된다(Figure 2). 두 번째로, 분석 대상인 국외 모델들은 임목의 탄소 흡수량이 잎의 탄질률에 반비례한다고 가정한다. 잎의 질소 농도가 적정 질소 농도보다 낮은 경우 잎의 광합성률이 낮아지고, 따라서 임목의 탄소 흡수량도 줄어든다.
이렇게 임목에 흡수된 탄소는 질소와 마찬가지로 부위별 적정 탄질률에 따라 잎과 목질부에 배분된다(Figure 2). 세 번째로, 이 모델들은 고사유기물의 분해율이 고사유기물의 탄질률에 반비례한다고 가정하는데, 잎과 목질부의 탄질률이 고사유기물의 탄질률에 반영된다. 고사유기물의 분해율과 비례해서 질소의 토양 유입 속도가 결정되며 이에 따라 토양 내 NH4+와 NO3- 농도가 결정된다(Figure 2).
즉, 이러한 과정들과 잎과 목질부의 탄질률을 토대로 탄소 순환과 질소 순환 간의 상호작용을 모의한다. 이 상호작용은 크게 세 가지 가정을 통해서 모의되는데, 첫 번째로 국외 모델들은 임목의 질소 흡수량이 목질부의 탄질률에 비례한다고 가정한다. 목질부의 질소농도가 적정 질소 농도 보다 낮은 경우 임목의 질소 요구도가 높아지고, 임목의 질소 요구도와 토양 내 존재하는 NH4+와 NO3- 농도에 비례하여 임목의 질소 흡수량이 결정된다.
추가적으로 Biome-BGC, Forest-DNDC, O-CN 모델은 잎과 목질부의 질소 농도가 높을수록 자가 호흡에 의해 대기로 배출되는 CO2 가 증가한다고 가정하며, 이 중에서 Forest-DNDC 모델은 토양에서의 질소 기체 배출이 토양유기 탄소 농도와 비례한다고 가정한다(Running and Hunt, 1993; Li et al., 2005; Zaehle and Friend, 2010).
제안 방법
그리고 분석한 결과를 종합하여 한국형 산림 탄소 및 질소 결합 모델의 개발 방안을 제시하였다.
, 2010; Zaehle and Friend, 2010). 그리고 식생 자료의 경우 분석한 국외 모델들이 모두 수종 또는 산림 유형 자료를 요구하고, 이를 이용하여 지역 특성에 따른 임목 생장을 모의한다(Table 2).
분석한 국외 모델들의 출력 자료와 생태적 과정을 참고하여 FBDC 모델과 결합할 질소 순환 구조를 설계할 수 있다. VISIT과 Forest-DNDC 모델은 FBDC 모델이 모의할 수 없는 토양에서의 N2O 배출을 모의할 수 있는데, FBDC 모델과 결합할 질소 순환 구조가 이 두 모델이 공통적으로 포함하는 생태적 과정을 포함한다면 새로 개발될 모델도 토양에서의 N2O 배출을 모의할 수 있을 것으로 보인다.
대상 데이터
분석 대상 국외 모델들은 공통적으로 다양한 생태적 과정의 모의에 기상, 토양, 식생 등의 자료를 이용하며, 이러한 모의를 통해서 저장고 간 탄소 및 질소 유출입을 모의하고 출력 자료를 도출한다(Figure 1). 한편, 이 모델들 중에서 VISIT과 O-CN 모델은 초기에는 탄소 순환만 모의할 수 있는 모델이었으나, 온실가스 동태와 질소가 탄소 순환에 미치는 영향을 모의하기 위해서 질소 순환 구조가 추가적으로 결합되어 개발된 모델이다(Ito and Oikawa, 2002; Krinner et al.
이론/모형
분석에 사용한 모델은 국외에서 개발된 VISIT (Vegetation Integrative SImulator for Trace gases), Biome-BGC (Biome-BioGeochemical Cycles), Forest-DNDC (Forest- DeNitrification and DeComposition), O-CN (Organizing carbon and hydrology in dynamic ecosystems-Carbon and Nitrogen) 모델과 국내에서 개발된 FBDC 모델이며, 분석항목은 구조, 생태적 과정, 입력 자료, 출력자료, 탄소 및 질소 순환 구조의 결합 방법 등이다(Running and Hunt, 1993; Krinner et al., 2005; Li et al., 2005; Inatomi et al., 2010; Ito, 2010; Zaehle and Friend, 2010; Lee et al., 2014). 그리고 분석한 결과를 종합하여 한국형 산림 탄소 및 질소 결합 모델의 개발 방안을 제시하였다.
성능/효과
FBDC 모델은 국내 산림에서 별도의 파라미터 조정이 필요하지 않고, 요구하는 입력 자료의 종류도 적어 활용이 용이한데다가 산림 탄소 인벤토리 보고 항목을 대부분 모의할 수 있기 때문이다. 그리고 이렇게 새로 개발될 모델은 O-CN 모델보다는 VISIT 모델의 구조를 참고하는 것이 더 적합할 것으로 보인다. O-CN 모델은 VISIT 모델과 달리 수광경쟁과 임목 고사를 모의하여 VISIT 모델보다 많은 파라미터 자료가 필요하기 때문이다.
O-CN 모델은 VISIT 모델과 달리 수광경쟁과 임목 고사를 모의하여 VISIT 모델보다 많은 파라미터 자료가 필요하기 때문이다. 따라서 VISIT 모델을 참고하여 구조를 크게 탄소 순환 구조와 질소 순환 구조로 두 가지로 나누고 FBDC 모델과 질소 순환 구조를 결합하는 방향이 적합할 것으로 보인다(Figure 4).
후속연구
VISIT과 Forest-DNDC 모델은 FBDC 모델이 모의할 수 없는 토양에서의 N2O 배출을 모의할 수 있는데, FBDC 모델과 결합할 질소 순환 구조가 이 두 모델이 공통적으로 포함하는 생태적 과정을 포함한다면 새로 개발될 모델도 토양에서의 N2O 배출을 모의할 수 있을 것으로 보인다.
본 연구에서는 우리나라 산림에서의 온실가스 동태 모의가 가능한 산림 탄소 및 질소 결합 모델의 개발방안을 제시하기 위하여 VISIT, Biome-BGC, Forest-DNDC, O-CN, FBDC 등의 모델을 분석하였다. VISIT과 O-CN모델의 개발 과정을 참고하여 FBDC 모델에 질소 순환구조를 결합하여 새로운 모델을 개발하는 방안을 고려할 수 있으며, FBDC 모델과 결합할 질소 순환 구조는 VISIT과 Forest-DNDC 모델이 공통적으로 모의하는 생태적 과정을 포함할 필요가 있을 것으로 보인다. 그리고FBDC 모델과 질소 순환 구조의 결합은 국외 모델들의 임목의 질소 흡수, 탄소 흡수, 고사유기물 분해 과정을 중심으로 하는 유기적 연결 관계를 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
그러나 국내에는 모델 개발 및 검증에 필요한 토양 N2O 배출 자료와 질소 순환과 관련한 파라미터자료가 부족한 한계가 있다. 그럼에도 불구하고 본 연구에서 산림 탄소 및 질소 결합 모델들을 분석한 자료들은 우리나라 산림 탄소 및 질소 결합 모델의 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
VISIT과 O-CN모델의 개발 과정을 참고하여 FBDC 모델에 질소 순환구조를 결합하여 새로운 모델을 개발하는 방안을 고려할 수 있으며, FBDC 모델과 결합할 질소 순환 구조는 VISIT과 Forest-DNDC 모델이 공통적으로 모의하는 생태적 과정을 포함할 필요가 있을 것으로 보인다. 그리고FBDC 모델과 질소 순환 구조의 결합은 국외 모델들의 임목의 질소 흡수, 탄소 흡수, 고사유기물 분해 과정을 중심으로 하는 유기적 연결 관계를 활용할 수 있을 것으로 사료된다. 그러나 국내에는 모델 개발 및 검증에 필요한 토양 N2O 배출 자료와 질소 순환과 관련한 파라미터자료가 부족한 한계가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전 지구적인 관점에서 산림 역할은?
산림은 전 지구 탄소 및 질소 순환에서 중요한 역할을 한다. 육상생태계에 저장된 탄소 중 절반 이상이 산림에 저장되어 있고, 질소 강하물의 상당량이 산림을 통해서 유입되기 때문이다(Cox et al.
한국형 산림 탄소 모델인 FBDC을 이용해 가능한 사항은?
국내에서 온실가스 동태를 모의하는데 활용할 수 있는 한국형 산림 탄소 모델인 FBDC (Forest Biomass and Dead organic matter Carbon) 모델이 개발된 바 있으며, 이 모델을 이용하여 탄소 인벤토리 보고 항목인 임목, 낙엽층, 고사목, 토양 탄소의 변화를 국가 단위에서 추정하는 것이가능하다(IPCC, 2006; Yi et al., 2013; Lee et al.
탄소 및 질소 순환이 서로 유기적으로 연결되어 있음을 보여주는 내용은?
탄소 및 질소 순환은 서로 유기적으로 연결되어 있다(Schulze, 2000). 즉, 토양 내 질소 유효도는 임목의 광합성과 생장을 제한하여 산림의 CO2 흡수량에 영향을 미치고, 임목의 CO2 흡수량 변화는 토양에서 임목으로 이동하는 질소의 양을 변화시킨다(Yoon et al., 2015). 또한 고사유기물이 분해되고 토양 내 질소가 식물이 이용 가능한 형태로 전환되는 속도는 탄소와 질소의 상대적 비율에 의해 조절된다(Yoon et al., 2014).
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