잣나무 인공림의 흉고직경 등급별 생장변화에 관한 연구

본 연구의 대상지는 강원대학교 학술림 내 잣나무 인공림으로서, 강원도 춘천시 동산면 원창리에 위치하고 있다. 두 개의 잣나무 임지는 1972년과 1976년에 조림되었으며, 1981년에 각각 50 m × 50 m 크기로 설치되었다. 이후 1991년 11월 정성 및 정량을 고려한 간벌이 실시되었고, 2016년 11~12월 소나무 재선충병 방제를 위해 일부 입목이 벌도되었다. 최종 조사시기인 2020년 기준 영구표준지(1),(2)의 임령은 각 48년생, 44년생이었으며, 본 연구결과에서는 일반적인 경향을 설명하기 위해 평균임령(예: 2020년 기준 46년생)을 사용하여 보고하였다. 표준지 내 기후는 하계에 덥고 습하며 동계에는 낮은 온도로 분포하였고, 1991~2020년 연별평년값 평균기온은 11.4°C와 강수량은 1,341.5 mm이다(Choi et al., 2014; Korea Meteorological Administration, 2021). 토양은 양토 및 사질양토로 이루어져 있으며, 산림토양의 대부분에는 유기질이 풍부하여 식물생육에 적합하다(Choi, 2003). 두 영구표준지의 지황현황은 Table 1과 같다.

조사인자는 흉고직경과 수고이며, 매목조사는 39년간 9회(1981, 1984, 1988, 1991, 1994, 1997, 2010, 2015, 2020년) 진행되었고, 연도별 표준지 임황현황은 Table 2와 같다(Han et al., 1982; 1984; 1988; Choi et al., 1991; 1994; 1997; 2010; 2016; 2020). 임분 내 개체목들의 생장차이를 비교·분석하기 위하여, 2020년 표준지 내 살아있는 입목들을 직경기준으로 구분한 결과 전체등급 및 5개의 등급(Ⅰ~Ⅴ)으로 구분하는 것이 표본 수 및 입목생장특성을 고려하여 합당하다고 판단되었다. 즉, 총 410본을 전체등급(1~100%)과 더불어 입목의 흉고직경에 따라 동일한 본수로 분류하여 Ⅰ등급은 1~20%(상위 20%), Ⅱ등급 21%~40%, Ⅲ등급 41%~60%, Ⅳ등급 61%~80% 그리고 Ⅴ등급 81%~100%(하위 20%)로 구분하였으며, 각 등급은 82본으로 구성되었다. 분석을 위해 흉고단면적은 식 1과 같이 계산하였으며, 재적은 Lee et al.(2017b)의 추정식 중 적합성이 높은 모델의 파라미터를 적용하여 식 2와 같이 사용하였다.

BA = Tree basal area (m²), V = Tree volume (m³),

π: mathematical constant approximately equal to 3.14159,

D = Diameter at breast height (cm), H = Tree height (m),

바이오매스는 Korea Forest Research Institute(2012)이 개발한 상대생장식을 이용하였으며, 본 연구에서 이용한 줄기, 가지, 잎 뿌리의 바이오매스 계수가 적용된 각 산출방법은 식 3~6과 같다. 최종적으로 각 부위별 바이오매스의 합계를 입목의 바이오매스 값으로 적용하여 식 7과 같이 분석하였다.

B_stem = Stem biomass (kg), B_branch = Branch biomass (kg),

B_leaf = Leaf biomass (kg), B_root = Root biomass (kg),

B_Tree = Tree biomass (kg), All other variables are the same as those previously defined.

흉고단면적, 재적, 바이오매스의 경우, 개체목 뿐만 아니라 임분의 생장변화도 파악하기 위해 표준지 내 결과를 이용하여 단위면적인 ha당 산출 값이 분석되었다. 각 생장인자에 대하여 조사시기별 총생장(Total increment)과 연평균생장량(Mean annual increment, MAI)이 산출되었으며, 연평균생장량은 식 8을 통해 산출되었다.

MAI = Mean annual increment of DBH (cm·yr^−#1), height (m·yr^−#1), tree basal area (cm²·yr^−#1), stand basal area (m²·ha⁻¹·yr^−#1), tree volume (m³·yr^−#1), stand volume (m³·ha⁻¹·yr^−#1), tree biomass (kg·yr^−#1), or stand biomass (ton·ha⁻¹·yr^−#1) at age T,

Y = Total increment of DBH (cm), height (m), tree basal area (cm²), stand basal area (m²·ha⁻¹), tree volume (m³), stand volume (m³·ha⁻¹), tree biomass (kg), or stand biomass (ton·ha⁻¹) at age T,

T = Stand age (year)

본 연구결과에 대한 통계적 분석으로써 인자별 개체목 총생장과 연평균생장량 결과를 대상으로 입목 등급별 일원분산분석 및 Duncan의 다중비교검정(alpha=0.05)을 실시하였다. 특히, Duncan 다중비교에 대한 통계적 검정결과는 최종 측정시기의 임령에 대해 각 Figure 내 함께 제공되었으며, 연평균생장량의 최대값이 관측된 임령에 대해서도 추가적으로 분석되었다.

흉고직경 총생장은 임령이 증가함에 따라 계속 증가하는 반면, 연평균생장량은 초기에 증가하다가 23년을 전후로 감소하였다(Figure 1). 등급별 46년생의 흉고직경 총생장은 Ⅰ등급 32.8 cm, Ⅱ등급 26.8 cm, Ⅲ등급 23.1 cm, Ⅳ등급 19.9 cm, Ⅴ등급 15.2 cm이었으며, 전체입목 23.5 cm로 나타났다. 최종 측정시기인 46년생 때 Ⅰ등급과 Ⅴ등급의 차이는 17.6 cm이었으며, 모든 등급 간 흉고직경 차이는 매우 유의적이었다(p<0.0001). Seo et al.(2018)은 강원도, 경기도, 경상북도에 분포하고 있는 주요 침엽수종을 대상으로 우세목의 수간석해를 통해 생장분석을 수행하였는데, 해당 연구에서 50년생 때 우세목의 흉고직경이 잣나무 32.1 cm, 낙엽송 34.3 cm, 소나무 28.8 cm라 보고하였다. 이는 본 연구의 잣나무 Ⅰ등급 생장과 유사한 것으로 파악되었다.

Figure 1. Total growth change and mean annual increment (MAI) of tree DBH. The classes were categorized based on sorted DBH in the descending order. Significant differences among the tree classes at the designated age are indicated by different letters based on Duncan’s multiple range test (alpha=0.05).

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흉고직경 연평균생장량은 일정 임령에서 최대값에 도달한 이후 점차 감소하였다. 즉, Ⅰ등급의 연평균생장량은 23년생에서 0.91 cm·yr⁻¹로 최대값인 반면, Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ등급은 17년생에서 각각 0.80 cm·yr⁻¹, 0.72 cm·yr⁻¹, 0.71 cm·yr⁻¹, 0.58 cm·yr⁻¹로 최대값이 분석되었다. 전체입목의 연평균생장량 또한 17년생에서 0.69 cm·yr⁻¹로 관측되었다. 이와 유사한 연구로서 Seo et al.(2018)의 주요 침엽수 인공림의 연평균생장량 분석결과, 해당 연구에서 잣나무는 30년생에서 0.75 cm·yr⁻¹, 낙엽송은 20년생에서 0.79 cm·yr⁻¹, 소나무는 35년생에서 0.63 cm·yr⁻¹로 수종별 연평균생장량 최대값이 보고되었다. 따라서, 본 연구의 Ⅰ등급 입목생장이 0.91 cm·yr⁻¹로 다소 우세하였지만 전체적인 생장량 범위는 선행연구의 결과와 유사하게 파악되었다.

본 결과는 국내 선행연구의 타 수종과도 비교하여 잣나무의 생장특성을 파악하였다. Choi and Yoo(2006)은 강원도 춘천·홍천 지역의 천연활엽수림을 대상으로 진행한 연구에서 신갈나무 0.28 cm·yr⁻¹, 굴참나무 0.27 cm·yr⁻¹의 연년직경생장량을 보고하였다. Park et al.(2015)가 수행한 경남·전남 지역의 천연활엽수림 연구결과, 졸참나무는 45년생일 때 0.52 cm·yr⁻¹, 붉가시나무는 57년생일 때 0.37 cm·yr⁻¹로 평균직경생장량 최대값이 분석되었다. 국가산림자원조사 데이터를 이용한 Lee et al.(2011)의 연구에서도 2영급의 직경생장량 변화가 가장 크고 이후 감소하는 경향이 나타났으며, 수종별 평균직경생장량은 잣나무 0.50 cm·yr⁻¹, 신갈나무 0.28 cm·yr⁻¹, 굴참나무 0.30 cm·yr⁻¹로 분석되었다. 따라서, 국내 주요 활엽수종과 비교하여 잣나무의 흉고직경 생장량은 높은 것으로 분석되었다.

수고의 총생장은 흉고직경과 비슷한 형태를 보인 반면 등급 간 차이는 상대적으로 작게 나타났다. 등급별 최종 조사시기인 46년생 때 수고의 총생장은 Ⅰ등급 19.9 m, Ⅱ등급 19.2 m, Ⅲ등급 18.6 m, Ⅳ등급 17.8 m, Ⅴ등급 17.3 m이었으며, 전체입목 18.6 m이었다(Figure 2). 이에 따른 Ⅰ등급과 Ⅴ등급의 수고 차이는 2.6 m로 다소 작았으나, 등급 간의 개체목의 평균수고 차이는 유의적인 것으로 분석되었다(p<0.0001). Seo et al.(2018)의 연구에서 50년생 때 잣나무 총수고가 19.2 m로 나타났는데, 이는 본 연구의 결과와 유사한 것으로 파악되었다.

Figure 2. Total growth change and mean annual increment (MAI) of tree height. The classes were categorized based on sorted DBH in the descending order. Significant differences among the tree classes at the designated age are indicated by different letters based on Duncan’s multiple range test (alpha=0.05).

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수고의 연평균생장량은 일정 임령에서 최대값에 도달한 후 이내 감소하는 경향이 나타났다. Ⅰ등급의 연평균생장량은 23년생에서 0.52 m·yr⁻¹로 최대값을 보인 반면, Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ등급은 20년생에서 최대값이 각각 0.49 m·yr⁻¹, 0.49 m·yr⁻¹, 0.48 m·yr⁻¹, 0.46 m·yr⁻¹이었으며, 전체입목의 연평균생장량도 20년생에서 0.49 m·yr⁻¹로 관측되었다. 이와 관련하여 Seo et al.(2018)의 연구에서 잣나무는 25년생 때 0.49 m·yr⁻¹, 소나무는 30년생 때 0.42 m·yr⁻¹, 낙엽송은 15년생 때 0.78 m·yr⁻¹로 수고 연평균생장량을 보고하였는데, 이는 본 연구결과와 매우 유사한 것으로 파악되었다.

국내외 주요 수종의 수고생장 연구를 비교한 결과, 국내 Park et al.(2015)의 연구에서 천연활엽수림 내 졸참나무의 연평균생장량 최대값은 17년생에서 0.39 m·yr⁻¹이었다. 국외의 경우 Liao et al.(2003)는 체코에 분포하는 스트로브잣나무 인공림 내 수고 연평균생장량의 최대값이 16년생 때 0.79 m·yr⁻¹이라고 보고하였다. 따라서, 전반적으로 본 연구의 잣나무 수고생장은 국내 활엽수보다 우세하였으며, 수종의 유전적인 특성과 토양 및 기후 등 생육환경에 따라 차이가 있지만, 국외 주요 침엽수종과 비교하여도 유사한 생장수준으로 파악되었다.

개체목 평균흉고단면적 총생장은 흉고직경의 총생장 경향과 유사한 형태로 분석되었다. 등급별 개체목 흉고단면적의 총생장은 46년생 때 Ⅰ등급 852 cm², Ⅱ등급 563 cm², Ⅲ등급 421 cm², Ⅳ등급 310 cm², Ⅴ등급 185 cm²이었으며, 전체입목 평균 465 cm²로 나타났다(Figure 3). 이에 따른 등급 간 흉고단면적의 차이는 유의적이었으며(p<0.0001), Ⅰ등급과 Ⅴ등급의 차이는 최대 667 cm²이었다. 개체목 흉고단면적 연평균생장량의 경우, Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ등급은 23년생에서 각각 9.7 cm²·yr⁻¹, 8.2 cm²·yr⁻¹, 5.4 cm²·yr⁻¹로 최대값에 도달하였지만, Ⅰ,Ⅱ등급과 전체입목의 연평균생장량은 최종 조사시기인 46년까지 최대값에 도달하지 않았다. 즉, 연평균생장량은 23년생까지 다소 가파르게 증가하다가 이후에는 완만하게 증가하는 것으로 나타났다. Hernández et al.(2020)은 멕시코에 분포하는 P. leiophylla, P. lumholtzii, P. strobiformis의 흉고단면적 생장변화를 연구하였으며, 개체목 흉고단면적 연평균생장량의 최대값이 각각 135, 125, 135년생일 때 4.9 cm²·yr⁻¹, 7.8 cm²·yr⁻¹, 6.2 cm²·yr⁻¹라 보고하였다. 해당 결과를 비교하면, 국내 잣나무 흉고단면적의 생장량이 더 우세한 것으로 파악되었다.

Figure 3. Total growth change and mean annual increment (MAI) of tree basal area. The classes were categorized based on sorted DBH in the descending order. Significant differences among the tree classes at the designated age are indicated by different letters based on Duncan’s multiple range test (alpha=0.05).

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임분 흉고단면적 총생장의 경우, 46년생 때 Ⅰ등급 13.8 m²·ha⁻¹, Ⅱ등급 9.1 m²·ha⁻¹, Ⅲ등급 6.9 m²·ha⁻¹, Ⅳ등급 5.1 m²·ha⁻¹, Ⅴ등급 3.0 m²·ha⁻¹이었으며, 전체입목의 흉고단면적은 37.9 m²·ha⁻¹로 분석되었다(Figure 4). 이에 따라 Ⅰ등급과 Ⅴ등급 사이에서 최대 10.8 m²·ha⁻¹의 차이가 파악되었으며, Ⅰ등급에서 나머지 등급에 비해 상대적으로 높은 생장이 나타났다. 임분 흉고단면적 연평균생장량의 최대값은 Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ등급의 경우 23년생에서 각각 0.158 m²·ha⁻¹·yr⁻¹, 0.135 m²·ha⁻¹·yr⁻¹, 0.089 m²·ha⁻¹·yr⁻¹으로 관측되었다. 반면, Ⅰ,Ⅱ등급과 전체입목의 최대값은 연구기간 동안 도달하지 않았고, 23년생까지 급격히 증가하다가 이후 46년생까지는 다소 완만하게 증가하였다. 본 연구결과는 1991년 11월 및 2016년 말 생장휴지기에 시행된 솎아베기가 임분 흉고단면적 변화에도 일부 영향을 미친 것으로 판단되어, 향후 무시업지와 시업지의 비교분석을 통한 다양한 고찰이 요구된다.

Figure 4. Total growth change and mean annual increment (MAI) of stand basal area. The classes were categorized based on sorted DBH in the descending order.

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등급별 개체목 평균재적 총생장은 46년생 때 Ⅰ등급 0.8300 m³, Ⅱ등급 0.5296 m³, Ⅲ등급 0.3864 m³, Ⅳ등급 0.2765 m³, Ⅴ등급 0.1665 m³ 나타났으며, 평균 0.4365 m³로 나타났다(Figure 5). 이에 따른 등급 간 개체목 재적의 차이는 매우 유의적이었으며(p<0.0001), Ⅰ등급과 Ⅴ등급의 차이는 최대 0.6635 m³로 파악되었다. 개체목 평균재적 연평균생장량은 모든 등급과 전체입목에서 최대값에 도달하지 않았다. 즉, 모든 등급과 전체입목의 평균생장은 23년생까지 Ⅰ등급 0.0096 m³·yr⁻¹, Ⅱ등급 0.0068 m³·yr⁻¹, Ⅲ등급 0.0057 m³·yr⁻¹, Ⅳ등급 0.0048 m³·yr⁻¹, Ⅴ등급 0.0032 m³·yr⁻¹, 전체입목 평균 0.0060 m³·yr⁻¹로 빠르게 생장하다가 이후 완만하게 증가하는 것으로 나타났다.

Figure 5. Total growth change and mean annual increment (MAI) of tree volume. The classes were categorized based on sorted DBH in the descending order. Significant differences among the tree classes at the designated age are indicated by different letters based on Duncan’s multiple range test (alpha=0.05).1

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단위면적당 임분 재적은 46년생 때 Ⅰ등급 134.4 m³·ha⁻¹, Ⅱ등급 85.8 m³·ha⁻¹, Ⅲ등급 63.4 m³·ha⁻¹, Ⅳ등급 45.3 m³·ha⁻¹, Ⅴ등급 27.2 m³·ha⁻¹이었으며, 전체입목의 임분재적은 356.2 m³·ha⁻¹로 나타났다(Figure 6). 이에 따른 Ⅰ등급과 Ⅴ등급의 재적차이는 최대 107.2 m³·ha⁻¹로 분석되었으며, Ⅰ등급의 생장이 다른 등급에 비해 상대적으로 높았다. 단위면적당 임분재적의 연평균생장량은 모든 등급과 전체입목에서 최대값에 도달하지 않았다. 모든 등급 및 전체입목의 임분재적 생쟝량은 23년생까지 다소 빠르게 생장을 보이다가 그 후 여전히 완만하게 증가하는 것으로 관측되었다. 국외의 경우 Nishizono et al.(2008)는 일본 내 삼나무 인공림을 대상으로 28개 표준지 자료를 이용하여 재적 생장변화를 연구하였으며, 연평균생장량 최대값은 66년생 때 20.4 m³·ha⁻¹·yr⁻¹로 분석되었다. 또한, Osumi et al.(2000)의 연구에서 일본에 분포한 지위급에 따른 삼나무의 생장변화를 파악하였는데, 연평균생장량이 80년생까지 계속 증가하는 경향으로 관측되었다.

Figure 6. Total growth change and mean annual increment (MAI) of stand volume. The classes were categorized based on sorted DBH in the descending order.

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개체목 바이오매스 총생장은 개체목 재적 총생장과 마찬가지로 Ⅰ등급의 생장이 나머지 등급에 비해 상대적으로 높았다. 등급별 46년생에서 개체목 바이오매스는 Ⅰ등급 524.0 kg, Ⅱ등급 331.6 kg, Ⅲ등급 241.8 kg, Ⅳ등급 173.5 kg, Ⅴ등급 101.2 kg이었으며, 전체입목 평균 273.7 kg로 나타났다(Figure 7). 등급 간 개체목 바이오매스의 차이는 매우 유의적이었으며(p<0.0001), Ⅰ등급과 Ⅴ등급의 차이는 최대 422.8 kg로 파악되었다.

Figure 7. Total growth change and mean annual increment (MAI) of tree biomass. The classes were categorized based on sorted DBH in the descending order. Significant differences among the tree classes at the designated age are indicated by different letters based on Duncan’s multiple range test (alpha=0.05).

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개체목 연평균생장량의 경우, Ⅳ,Ⅴ등급에서 23년생 기준 각각 4.2 kg·yr⁻¹로 최대값이 나타난 이후 생장량이 감소하였다. 반면 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ등급과 전체입목에서는 최대값에 도달하지 않았다. 최종측정시기인 46년생 때 연평균생장량은 Ⅰ등급 11.4 kg·yr⁻¹, Ⅱ등급 7.2 kg·yr⁻¹, Ⅲ등급 5.2 kg·yr⁻¹, 전체입목 평균 6.0 kg·yr⁻¹로 나타났다.

단위면적당 임분 바이오매스는 46년생 때 Ⅰ등급 84.9 ton·ha⁻¹, Ⅱ등급 53.7 ton·ha⁻¹, Ⅲ등급 39.7 ton·ha⁻¹, Ⅳ등급 28.5 ton·ha⁻¹, Ⅴ등급 16.6 ton·ha⁻¹이었으며, 전체입목에서 233.3 ton·ha⁻¹로 나타났다(Figure 8). 임분 바이오매스의 연평균생장량 최대값은 Ⅳ,Ⅴ등급의 경우 23년생에서 각각 0.70 ton·ha⁻¹·yr⁻¹, 0.44 ton·ha⁻¹·yr⁻¹로 도달하였으며, 이후 46년생까지 생장량이 감소하였다. 반면, Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ등급 및 전체임목의 바이오매스 연평균생장량은 연구기간 내 최대값에 도달하지 않았다. 이는 임분 흉고단면적과 같이 본 연구대상지에 시행된 솎아베기가 일부 영향을 미친 것으로 판단되어, 향후 간벌지와 무간벌지의 생장비교를 통한 규명이 더 필요하다고 사료된다.

Figure 8. Total growth change and mean annual increment (MAI) for stand biomass. The classes were categorized based on sorted DBH in the descending order.

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