[논문]우리나라 주요 수종의 수고-직경 상대생장 변화 분석

김문일; 박태진; 고영진; 최고미; 손순철; 강예준; 유재희; 김민경; 박현지; 이우균

doi:10.14578/jkfs.2023.112.1.71

우리나라 주요 수종의 수고-직경 상대생장 변화 분석
Analysis of Changes in Tree Height-Diameter Allometry for Major Tree Species in South Korea 원문보기

한국산림과학회지 = Journal of korean society of forest science, v.112 no.1, 2023년, pp.71 - 82

김문일 (평택대학교 ICT환경융합부) , 박태진 , 고영진 (고려대학교 환경생태공학과) , 최고미 (산림조합중앙회 산림자원조사본부) , 손순철 (산림청 정보통계담당관실) , 강예준 (평택대학교 ICT환경융합부) , 유재희 (평택대학교 ICT환경융합부) , 김민경 (평택대학교 ICT환경융합부) , 박현지 (평택대학교 ICT환경융합부) , 이우균 (고려대학교 환경생태공학과)

초록
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산림 바이오매스는 임목의 크기와 산림의 성숙도, 임지의 생산성(Productivity)을 대표할 수 있는 인자로 활용된다. 따라서 이를 정량적으로 평가하는 것은 산림경영과 수확뿐만 아니라 이산화탄소(CO₂) 흡수를 포함한 생태계 기능과 서비스의 평가를 위해서도 매우 중요하다. 상대생장식(Allometric equation)은 식물의 상대생장관계(Relative growth rate)를 통해 각 부분의 값을 추정하는 방법으로, 과거부터 현재까지 폭 넓게 활용되는 방법론이다. 최근 대기중의 CO₂ 농도증가와 이에 따른 기후변화로 인해 수목의 상대생장관계가 바뀌고 있다는 연구결과들이 도출되면서, 기존에 개발된 상대생장식과 계수들에 대한 재검토 필요성이 제기되고 있다. 본 연구에서는 국가산림자원조사(NFI) 자료를 통해 우리나라 주요 4개 수종[소나무(Pinus densiflora; PD), 낙엽송(Larix kaempferi; LK), 굴참나무(Quercus variabilis BL.; QV), 신갈나무(Quercus mongolica; QM)]의 수고-DBH 상대생장관계를 분석하고, 이를 기존 수확표 정보와 비교하여 지난 10년간 상대생장의 변화 유무 및 정도를 파악하고자 하였다. 분석결과 모든 수종에서 NFI 차수가 증가할수록, 동일 DBH에 대한 기대 수고값이 증가한 것으로 확인되었다. 예를 들면, 모형 분석결과 PD, LK, QV, QM의 DBH 25 cm에 대한 수고의 기댓값은 5차 NFI 자료에서는 12.48, 19.17, 14.47, 13.19 m로, 7차 NFI 자료에서는 13.61(+9.1%), 21.58(+12.7%), 15.76(+8.9%), 13.93 m (+5.6%) 로 추정되어 수종별로 5~13%정도 증가한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 현재 우리나라 산림의 주요 수종들의 임목 생장은, 과거 조사자료를 통해 파악된 수종별 수고-DBH 발달경향과 비교 했을 때, 직경생장보다 수고생장을 더 활발하게 하고 있다는 것을 의미한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Forest biomass is used as a representative indicator of forest size, maturity, and productivity. Therefore, quantitative evaluation is important for management and harvest as well as the evaluation of ecosystem functions and services including CO2 absorption. The allometric equation is a widely used method for estimating the value of each component through the relative growth rate of plants. Recently, studies indicated that the relative growth of trees is changing because of the increased CO2 concentration in the atmosphere and the resulting climate change, raising the need to review the previously developed relative growth models and coefficients. In this study, the height-diameter at breast height (DBH) relationships of four major tree species in Korea [(Pinus densiflora (PD), Larix kaempferi (LK), Quercus variabilis (QV), and Quercus mongolica (QM)] were analyzed using the 5th-7th National Forest Inventory (NFI) data. Furthermore, these results were compared with the present yield table from the National Institute for Forest Science. This analysis revealed that the expected height for the same DBH increased as the NFI progressed. For example, in model analysis, the expected heights for PD, LK, QV, and QM for DBH of 25 cm were 12.48, 19.17, 14.47, and 13.19 m, respectively, in the 5th NFI data. In the 7th NFI data, these values were estimated as 13.61 (+9.1%), 21.58 (+12.7%), 15.76 (+8.9%), and 13.93 m (+5.6%), respectively. These results indicate that the major tree species in South Korean forests currently are more vigorous in height growth than in diameter growth when compared to the height-DBH development trends by tree species identified through past survey data.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. Statistical summary of measured trees at the permanent plots of the 5-7th national forest inventory in South Korea.
그림 Figure 1. Height-diameter relations of individual trees by tree species based on 5-7th national forest inventory. The upperand right-side of each scatter plot showed the representation of the distribution of a DBH and height values.
표 Table 2. List of equations examined in this study.
표 Table 3. Parameter estimates for equations in Table 2 by species using 5th national forest inventory. All estimated parameters were significantly different from zero (p < 0.005). The result of optimal equation for each tree species were bold type.
표 Table 4. Parameter estimates for equations in Table 2 by species using 6th national forest inventory. All estimated parameters were significantly different from zero (p < 0.005). The result of optimal equation for each tree species were bold type.
표 Table 5. Parameter estimates for equations in Table 2 by species using 7th national forest inventory. All estimated parameters were significantly different from zero (p < 0.005). The result of optimal equation for each tree species were bold type.
그림 Figure 2. The development of the Height-DBH curves over time for major tree species in South Korea. The points represent the data according to the site index of the yield table (Korea Forest Service and National Institute of Forest Science, 2021) whereas the lines are derived by the optimal developed Height-DBH model for tree species.

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 2009년에 구축된 11개 수종과 2012년에 추가로 구축된 3개 수종의 상대생장정보는 현재까지 갱신되지 않고 초기 값 그대로 유지되고 있어 재검토가 필요한 시점이다. 본 연구에서는 2006년(제5차)부터 2020년(제7차)까지 NFI 고정표본점에서 조사된 자료를 분석하여 우리나라 주요 4개 수종(소나무, 낙엽송, 굴참나무, 신갈나무)의 수고와 DBH 생장을 파악하고, 기 개발된 함수식을 통해 수종별 수고-DBH 상대생장관계를 분석한 뒤, 이를 기존 수확표 정보와 비교하여 지난 15년간 상대생장의 변화 유무 및 정도를 파악하고자 하였다.
NFI 자료를 통해 분석된 수종별 수고-직경의 생장유형(Growth pattern)을 기존에 확인된 현실림의 생장특성과 비교하기 위해, 최신 수종별 임분수확표(Korea Forest Service and National Institute of Forest Science, 2021) 자료를 활용하였다. 본 연구에서는 5-7차 NFI 자료를 통해 분석된 수종별 수고-흉고직경의 분석 결과를 임분수확표에서 제공하는 현실림의 지위지수(Site index)에 따른 생장특성과 비교 분석하여, 우리나라 산림자원의 동적 변화를 파악하고 이에 대한 정책적 시사점을 도출하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서 확인된 수종별 최적 상대생장식을 통해 5-7차 NFI 자료 기반의 수고-DBH 발달에 대한 회귀곡선을 도출하였다(Figure 2). 분석결과 모든 수종에서 NFI 차수가 증가할수록, 동일 DBH에 대한 기대 수고값이 증가한 것으로 확인되었다.
또한, 본 연구는 수종별 상대생장 경향과 이에 대한 변화를 파악하는 것을 주목표로 함으로, 교란 유무를 제외한 다른 임분 특성들(단순림, 혼효림 등)에 따른 자료 구분은 수행하지 않았다. 최종적으로 216,204(PD: 106,105, LK: 13,308, QV: 41,065, QM: 55,726)개의 개체목 측정자료를 활용하여 수종별 수고-직경의 상대생장(Allometric growth)을 분석하였으며, 각 NFI 차수별 자료를 따로 분석하여 시기별 변화 경향도 확인하였다.
현실림에 대한 수확표 정보(Korea Forest Service and National Institute of Forest Science, 2021)와 본 연구에서 분석한 결과를 비교하여 수종별 수고-DBH 발달 경향의 변화 유무를 간접적으로 평가해보았다. 5차 NFI를 통해 파악된 수종별 평균 수고와 DBH 크기(Table 2)에 가장 근접한 임분정보를 수확표에서 찾은 결과, PD는 지위지수 12에 임령 40년(수고: 11.

대상 데이터

NFI 자료를 통해 분석된 수종별 수고-직경의 생장유형(Growth pattern)을 기존에 확인된 현실림의 생장특성과 비교하기 위해, 최신 수종별 임분수확표(Korea Forest Service and National Institute of Forest Science, 2021) 자료를 활용하였다. 본 연구에서는 5-7차 NFI 자료를 통해 분석된 수종별 수고-흉고직경의 분석 결과를 임분수확표에서 제공하는 현실림의 지위지수(Site index)에 따른 생장특성과 비교 분석하여, 우리나라 산림자원의 동적 변화를 파악하고 이에 대한 정책적 시사점을 도출하고자 하였다.
본 연구는 5-7차(2006-2020년) NFI 자료의 임목조사 자료 중, 개체목의 직경과 수고를 직접 측정하여 구축된 자료만을 활용하여 수행되었다. NFI는 각 고정 표본 조사구의 임목 중 DBH가 6 cm 이상인 모든 개체목의 DBH를 기록하며, 그 중 표준목으로 선정된 임목들의 수고도 직접 측정한다(Kim et al.
, 2 011). 우리나라 주요 침엽수와 활엽수 중에서 조사 표본이 많고, 비교적 분포 범위가 넓은 소나무(Pinus densiflora; PD), 낙엽송(Larix kaempferi; LK), 굴참나무(Quercus variabilis; QV), 신갈나무(Quercus mongolica; QM), 이렇게 네 수종을 분석 대상으로 선정하였으며, NFI 고정 조사구 중 자연적(산불, 산사태, 병충해 발생 등), 인위적(간벌, 숲가꾸기 시업 등) 교란이 관측된 지점의 임목들은 분석에 포함하지 않았다(Table 1). 또한, 본 연구는 수종별 상대생장 경향과 이에 대한 변화를 파악하는 것을 주목표로 함으로, 교란 유무를 제외한 다른 임분 특성들(단순림, 혼효림 등)에 따른 자료 구분은 수행하지 않았다.

성능/효과

5-7차 NFI 자료 분석 결과 각 수종의 수고와 DBH의 평균 값은 계속 증가해온 것으로 확인되었다(Table 1, Figure 1). PD, LK, QV, QM의 평균 DBH는 5차 NFI 자료에서 20.
이러한 결과는 수확표 자료와 비교했을 때 더욱 분명하게 확인된다. 5차 NFI 자료를 통해 추정된 PD의 수고-DBH 발달은 수확표의 지위지수 12에 해당하는 수고-DBH 발달과 거의 유사하나, 7차 NFI 자료를 통해 추정된 회귀곡선은 지위지수 14에 근접한 것으로 나타났다. 동일한 접근방법으로 QV는 지위지수 14에서 16으로, QM은 12에서 14에 가까워진 것으로 확인되었다.
현실림에 대한 수확표 정보(Korea Forest Service and National Institute of Forest Science, 2021)와 본 연구에서 분석한 결과를 비교하여 수종별 수고-DBH 발달 경향의 변화 유무를 간접적으로 평가해보았다. 5차 NFI를 통해 파악된 수종별 평균 수고와 DBH 크기(Table 2)에 가장 근접한 임분정보를 수확표에서 찾은 결과, PD는 지위지수 12에 임령 40년(수고: 11.0 m, DBH: 20.4 cm), LK는 지위 지수 18에 임령 35년(수고: 17.6 m, DBH: 22.8 cm), QV는 지위지수 12에 임령 40년(수고: 11.0 m, DBH: 17.5 cm), QM은 지위지수 12에 임령 40년(수고: 10.7 m, DBH: 16.6 cm)으로 확인되었다. 7차 NFI는 5차 NFI 이후 10년 뒤에 행해졌기 때문에 PD, LK, QV, QM의 해당 지위지수 임령에서 10년 뒤의 수고값을 확인 해본 결과, 각각 11.
0 cm로 확인되었다. 7차 NFI 자료를 분석한 결과 각 수종의 평균 DBH는 24.7, 26.2, 22.0, 20.3 cm까지 증가한 것으로 나타났으며, 이는 수종별 5차 평균 DBH에 비해 각각 20.6, 16.8, 21.6, 18.1% 커진 값이다. 이러한 결과는 우리나라 주요 수종의 평균 DBH는 여전히 증가하고 있으나, 임령의 증가와 임분의 성숙 등의 이유로 인해 증가율은 점차 감소하고 있다는 것을 잘 보여준다(Korea Forest Service and National Institute of Forest Science, 2021; Kim et al.
6 cm)으로 확인되었다. 7차 NFI는 5차 NFI 이후 10년 뒤에 행해졌기 때문에 PD, LK, QV, QM의 해당 지위지수 임령에서 10년 뒤의 수고값을 확인 해본 결과, 각각 11.5(+4.5%), 19.7(11.9%), 11.6(+5.5%), 11.3 m(+5.6%)였으며, DBH는 24.3(+19.1%), 28.1(+23.2%), 20.4(+16.6%), 19.8 cm(+19.3%)로 제시되었다. 이 값들을 5-7차 NFI 자료 분석결과(Table 2)와 비교해 보면 DBH의 발달은 임분수확표 정보와 큰 차이가 없으나, 수고의 경우 모든 수종에서 임분수확표에서 확인된 값 보다 두 배 이상의 생장률을 보였다.
동일한 접근방법으로 QV는 지위지수 14에서 16으로, QM은 12에서 14에 가까워진 것으로 확인되었다. LK의 수고-DBH 발달은 본 연구에서 분석된 최적 상대생장식과 수확표에 활용된 회귀모형 간에 차이가 있어 다른 수종과 같이 직접적인 비교를 할 수는 없지만, DBH 20 cm 기준으로는 지위지수 22에서 24로, DBH 25 cm 기준으로는 지위 지수 20에서 24에 가까워진 것으로 확인되었다.
5-7차 NFI 자료 분석 결과 각 수종의 수고와 DBH의 평균 값은 계속 증가해온 것으로 확인되었다(Table 1, Figure 1). PD, LK, QV, QM의 평균 DBH는 5차 NFI 자료에서 20.5, 22.4, 18.1, 17.2 cm로 분석되었고, 6차 NFI 자료에서는 각각 11.4, 9.7, 12.4, 10.8%가 증가한 22.8, 24.6, 20.4, 19.0 cm로 확인되었다. 7차 NFI 자료를 분석한 결과 각 수종의 평균 DBH는 24.
6%)이 가장 활발한 것으로 나타났다. PD, LK, QV, QM의 평균 수고는 5차에서 7차 NFI 기간 중, 각각 11.0, 17.0, 11.9, 10.9 m에서 13.2(+20.4%), 21.1(+23.7%), 14.2(+19.3%), 12.2 m(+12.7%)로 증가하였다. 이는 과거 15년(2006-2020년) 기간 동안 상대적으로 LK의 수고 생장이 활발했고, QM이 저조했다는 것을 보여준다(Table 1, Figure 1).
이는 앞서 NFI 자료를 통해 산출된 임목의 수고 생장률이, 수확표 상의 고정된 지위지수에 따른 수고 생장률 보다 두 배 이상 높다는 결과와도 일치한다. 그리고 이러한 지위지수의 증가는 산림의 임분축적 및 탄소저장량 증가율이, 기존의 자료들을 통해 평가하고 예측했던 것보다 더 높은 수준으로 유지되고 있다는 것을 의미한다.
또한, 본 연구의 분석결과는 이러한 상대생장의 변화가 우리나라 임분의 생산성 증가와도 밀접하게 연관되어 있다는 것을 보여준다. 현재까지도 지위지수는 임지의 생산력을 정량적으로 평가할 수 있는 중요한 지표로 고려되고 있으며, 산림경영 및 관리에서 중요하게 활용되고 있다(Kim et al.
위의 분석내용을 통해 수종별 DBH와 수고 생장 경향을 검토해보면, PD는 직경과 수고가 유사한 비율로 증가했고, LK는 직경생장보다 수고생장이 활발하게 이루어졌다. 반면 QV와 QM은 상대적으로 수고보다 직경생장이 두드러진 것으로 확인되어, 각 수종 간에 생장 경향이 다른 것으로 나타났다. 수종별로 고유의 생장 특성을 갖는 것은 일반적이나(Korea Forest Service and National Institute of Forest Science, 2021), 지속적인 조사와 분석을 통해 이러한 특성이 시간의 흐름이나 기후변화 등의 요인에 따라 변화하는지에 대한 여부를 밝히는 것이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서 확인된 수종별 최적 상대생장식을 통해 5-7차 NFI 자료 기반의 수고-DBH 발달에 대한 회귀곡선을 도출하였다(Figure 2). 분석결과 모든 수종에서 NFI 차수가 증가할수록, 동일 DBH에 대한 기대 수고값이 증가한 것으로 확인되었다. 예를 들면, 모형 분석결과 PD, LK, QV, QM의 DBH 25 cm에 대한 수고의 기댓값은 5차 NFI 자료에서 12.
, 2001). 수종별로 비교해 보면, 5차와 7차 NFI 기간에 평균직경의 절대값은 소나무가 가장 크게 증가하였으나(+4.2 cm), 비율 기준으로는 굴참나무의 직경 생장(+21.6%)이 가장 활발한 것으로 나타났다. PD, LK, QV, QM의 평균 수고는 5차에서 7차 NFI 기간 중, 각각 11.
, 2017). 수확표 자료를 기반으로 지위지수에 따른 임목발달을 해석해 보면, 지위지수가 높을수록 같은 직경급에서 수고의 생장이 활발한 것으로 나타난다. 즉, 본 연구의 분석결과는 2006-2020년 기간 동안 우리나라 주요 수종이 분포하는 임분의 지위지수가 전반적으로 증가했다는 것으로 해석될 수 있다.
이는 과거 15년(2006-2020년) 기간 동안 상대적으로 LK의 수고 생장이 활발했고, QM이 저조했다는 것을 보여준다(Table 1, Figure 1). 위의 분석내용을 통해 수종별 DBH와 수고 생장 경향을 검토해보면, PD는 직경과 수고가 유사한 비율로 증가했고, LK는 직경생장보다 수고생장이 활발하게 이루어졌다. 반면 QV와 QM은 상대적으로 수고보다 직경생장이 두드러진 것으로 확인되어, 각 수종 간에 생장 경향이 다른 것으로 나타났다.
3%)로 제시되었다. 이 값들을 5-7차 NFI 자료 분석결과(Table 2)와 비교해 보면 DBH의 발달은 임분수확표 정보와 큰 차이가 없으나, 수고의 경우 모든 수종에서 임분수확표에서 확인된 값 보다 두 배 이상의 생장률을 보였다. 본 결과는 임목 조사 자료의 평균값과 수확표에 제시된 임분 단위의 평균값을 통한 간접적인 비교라는 한계가 있으나, 현재 우리나라 주요 수종들의 임목 생장이, 과거 조사자료를 통해 파악된 경험적인 수종별 수고-DBH 발달 경향과 차이가 있을 수 있음을 보여주는 의미있는 결과라고 사료된다.
수확표 자료를 기반으로 지위지수에 따른 임목발달을 해석해 보면, 지위지수가 높을수록 같은 직경급에서 수고의 생장이 활발한 것으로 나타난다. 즉, 본 연구의 분석결과는 2006-2020년 기간 동안 우리나라 주요 수종이 분포하는 임분의 지위지수가 전반적으로 증가했다는 것으로 해석될 수 있다. 이는 앞서 NFI 자료를 통해 산출된 임목의 수고 생장률이, 수확표 상의 고정된 지위지수에 따른 수고 생장률 보다 두 배 이상 높다는 결과와도 일치한다.

후속연구

우리나라 주요 침엽수와 활엽수 중에서 조사 표본이 많고, 비교적 분포 범위가 넓은 소나무(Pinus densiflora; PD), 낙엽송(Larix kaempferi; LK), 굴참나무(Quercus variabilis; QV), 신갈나무(Quercus mongolica; QM), 이렇게 네 수종을 분석 대상으로 선정하였으며, NFI 고정 조사구 중 자연적(산불, 산사태, 병충해 발생 등), 인위적(간벌, 숲가꾸기 시업 등) 교란이 관측된 지점의 임목들은 분석에 포함하지 않았다(Table 1). 또한, 본 연구는 수종별 상대생장 경향과 이에 대한 변화를 파악하는 것을 주목표로 함으로, 교란 유무를 제외한 다른 임분 특성들(단순림, 혼효림 등)에 따른 자료 구분은 수행하지 않았다. 최종적으로 216,204(PD: 106,105, LK: 13,308, QV: 41,065, QM: 55,726)개의 개체목 측정자료를 활용하여 수종별 수고-직경의 상대생장(Allometric growth)을 분석하였으며, 각 NFI 차수별 자료를 따로 분석하여 시기별 변화 경향도 확인하였다.
3%의 차이를 갖는다. 물론 이는 PD 임목의 평균 값에 대한 결과이기 때문에, 추가적으로 임분이나 지역, 국가 단위에서 어떠한 차이를 갖는지에 대해 면밀한 분석과 검토를 해야될 필요가 있을 것이다. 그러나 분명한 것은 이러한 변화들을 수종별 국가 고유계수 등에 빠르게 반영하지 못할 경우 현재 산림 자원 및 미래 예측에 대한 불확도(Uncertainty)가 높아질 수 밖에 없으며, 이는 관련 정책의 성패에도 부정적인 영향을 미칠 것으로 사료된다.
이 값들을 5-7차 NFI 자료 분석결과(Table 2)와 비교해 보면 DBH의 발달은 임분수확표 정보와 큰 차이가 없으나, 수고의 경우 모든 수종에서 임분수확표에서 확인된 값 보다 두 배 이상의 생장률을 보였다. 본 결과는 임목 조사 자료의 평균값과 수확표에 제시된 임분 단위의 평균값을 통한 간접적인 비교라는 한계가 있으나, 현재 우리나라 주요 수종들의 임목 생장이, 과거 조사자료를 통해 파악된 경험적인 수종별 수고-DBH 발달 경향과 차이가 있을 수 있음을 보여주는 의미있는 결과라고 사료된다. 추후 지속적인 조사, 자료 구축, 분석 등을 통해 보다 명확한 결론을 도출하는 것이 필요하다고 판단된다.
반면 QV와 QM은 상대적으로 수고보다 직경생장이 두드러진 것으로 확인되어, 각 수종 간에 생장 경향이 다른 것으로 나타났다. 수종별로 고유의 생장 특성을 갖는 것은 일반적이나(Korea Forest Service and National Institute of Forest Science, 2021), 지속적인 조사와 분석을 통해 이러한 특성이 시간의 흐름이나 기후변화 등의 요인에 따라 변화하는지에 대한 여부를 밝히는 것이 필요할 것으로 판단된다.
본 결과는 임목 조사 자료의 평균값과 수확표에 제시된 임분 단위의 평균값을 통한 간접적인 비교라는 한계가 있으나, 현재 우리나라 주요 수종들의 임목 생장이, 과거 조사자료를 통해 파악된 경험적인 수종별 수고-DBH 발달 경향과 차이가 있을 수 있음을 보여주는 의미있는 결과라고 사료된다. 추후 지속적인 조사, 자료 구축, 분석 등을 통해 보다 명확한 결론을 도출하는 것이 필요하다고 판단된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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