낙엽송과 리기다소나무 벌채지에 조성된 낙엽송 임분의 11년간 토양 물리·화학적 특성 변화

2010년 조림 초기 김천 조사지의 토성은 모래의 함량이 80±5%(평균±표준오차)인 양질사토로 다른 지역의 58±3~ 64±1%의 범위에 비해 유의적으로 높게 나타났다[Table 2, Figure 1(a)]. 그러나 조림 10년 경과 후 2021년 김천 조사지의 토성은 모래 함량이 47±3%로 감소하였고, 미사의 함량이 43±1%로 증가하여 양토로 나타났으며, 다른 지역(44±10~53±1)과 유사한 수준을 보였다(Table S2). 김천, 춘천, 가평, 원주 조사지 모두 2010년부터 2021년까지 모래 함량은 지속적으로 감소하였고, 미사와 점토 함량은 증가하는 경향을 보였다[Figure 1(b)]. 재조림을 위한 모두베기 과정에서 토양 답압 및 입단 구조 파괴 등의 교란이 발생할 수 있으며(Siebers and Kruse, 2019; Nazari et al., 2023), 토양 층위 발달이 미흡한 우리나라 산림의 경우, 목재 수확 과정에서 토양 교란으로 무기물표층과 조립질 모재층이 혼합 또는 역전될 때 모래 함량이 일시적으로 높게 나타날 수 있다. 그러나 시간이 경과함에 따라 낙엽의 유입과 분해가 토양 구조를 빠르게 안정화시키고, 토성 변화에 영향을 미칠 수 있다(Lajtha et al., 2014).

Figure 1. Temporal changes in sand content (a), silt plus clay contents (b) over 11 years after planting Larix kaempferi trees in harvested L. kaempferi (yellow) and Pinus rigida (green) plantations. CC: Chuncheon, GC: Gimcheon, GP: Gapyeong, WJ: Wonju. Vertical bars indicate standard deviation of the mean (n=9~15). Asterisks indicate significant differences in the variables between the study sites by ANOVA (p < 0.05).

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2010년 토양 pH는 김천(4.59±0.05)과 가평(4.52±0.08) 조사지가 춘천(5.24±0.09)과 원주(5.16±0.06) 조사지에 비해 낮게 나타났다[p<0.001, Figure 2(a), Table S2]. 조림 초기 토양 pH는 전생임분(낙엽송, 소나무)의 영향을 받지 않았으며, 조림 경과 시간에 따른 유의미한 차이는 나타나지 않았다(p>0.05, Table 2). 그러나 모든 조사구에서 조림 3년 후 2013년에 일시적으로 토양 pH가 증가하는 경향을 보였고, 점차 감소하여 조림 10년 경과 후 2021년의 토양 pH는 조림 초기와 유사하게 나타났으며, 이때 토양 pH는 조사지 간 통계적인 차이를 보이지 않았다[Figure 2(a)]. Povilaitiené et al.(2022)에 의한 북유럽 P. sylvestris 조림지에서의 연구는 모두베기 및 재조림 이후 0-20 cm 토양 산도(pHCaCl₂)는 미벌채지 성숙림 4.0 이하에 비해 높았고, 조림 3년차에 4.4±0.2까지 지속적으로 증가하였으며, 조림 4년차에는 다시 감소하는 경향으로 나타나 본 연구와 유사한경향성을 보였다. 또한 일본 C. obtusa 조림지에서의 연구는 모두베기가 표층토(0-5 cm)에서의 토양 pH를 유의적으로 증가시키는 결과를 나타냈다(Farahnak et al., 2022). 이러한 증가는 모두베기 이후 수목으로부터 공급되는 용해성 수소이온(H+)의 감소와 무기토양으로부터 칼슘(Ca²⁺), 마그네슘(Mg²⁺) 등의 2가 이온의 증가에 기인한다고 보고하였다(Farahnak et al., 2022). 한편 조림목과 하층식생에 의한 지하부 뿌리발달 및 토양안정화, 유기물의 유입 등으로 인해 점차 감소할 수 있다. 그러나 스웨덴 P. sylvestris와 Picea abies가 우점하는 침엽수림에서 모두베기 이후 8년 동안 자연적인 식생 회복에 따라 유기물층과 무기물층 모두 pH가 지속적으로 증가하는 경향을 나타내기도 하였다(Grønflaten et al., 2008).

Figure 2. Temporal changes in soil pH (a), total carbon (b), total nitrogen (c), and available phosphorous (P₂O₅^-) over 11 years after planting Larix kaempferi trees in harvested L. kaempferi (yellow) and Pinus rigida (green) plantations. CC: Chuncheon, GC: Gimcheon, GP: Gapyeong, WJ: Wonju. Vertical bars indicate standard deviation of the mean (n=9~15). Asterisks indicate significant differences in the variables between the study sites by ANOVA (p < 0.05).

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2010년 평균 총탄소 농도(%)는 낙엽송 전생임분인 김천(15.9±0.8) 조사지가 낙엽송 전생임분인 춘천(10.5±0.6), 리기다소나무 전생임분인 원주(8.3±1.0), 가평(7.8±0.4) 조사지에 비해 높게 나타나 조사지 간 큰 변이를 보였다[p<0.001, Figure 2(b), Table S2]. 탄소 농도는 모두베기 수확 후 조림 초기에 가장 높았고 2013년, 2017년까지 급격하게 감소하는 경향을 보였으며, 2021년에는 이전 수준을 유지 또는 증가하는 경향을 보였다(p<0.001). 일반적으로 모두베기 또는 간벌 과정에서 발생하는 낙엽·낙지 등 임상 잔존물과 지하부 고사근의 일시적 증가는 토양 유기탄소의 농도 증가에 영향을 미칠 수 있다(Kim et al., 2009; Siebers and Kruse, 2019). 선행 연구에서 P. sylvestris 벌채 후 재조림지에서의 토양 탄소 농도는 조림 후 경과 시간에 따라 유의적인 차이를 보이지 않았으나, 조림 3년차까지 감소하는 경향을 보였고, 4년차에 다소 증가하는 경향을 나타내 본 연구 결과와 유사한 경향성을 보였다(Povilaitiené et al., 2022). 한편 본 연구에서 조림 초기 조사지 간 총탄소 농도 차이는 전생임분 수종 차이에 기인하는 것으로 보이며, 이는 리기다소나무 침엽에 비해 낙엽송 침엽의 빠른 분해율 때문으로 판단된다(Kim et al., 2010). 이러한 수종 간 분해율의 차이는 낙엽송 전생임분인 김천과 춘천 조림지에서 모두베기 후 재조림 시간 경과에 따라 탄소 농도가 급격하게 감소하는 것에서도 확인할 수 있다.

2010년 조사지별 평균 전질소 농도(g kg⁻¹)는 탄소 농도와 유사한 경향을 보였으며[Figure 3(a)], 낙엽송 전생임분인 김천(5.30±0.21) 조사지가 낙엽송 전생임분인 춘천(3.85 ±0.28), 리기다소나무 전생임분인 가평(3.29±0.39), 원주(3.11 ±0.33) 조사지에 비해 높게 나타났다[p<0.001, Figure 2(c), Table 2]. 이후 2013년, 2017년까지 전질소 농도는 감소하는 경향을 보였으며, 2021년에는 전질소 농도가 다시 증가하여 조림 초기와 유사한 수준으로 나타났으나, 연변화에 따른 통계적 차이는 나타나지 않았다(p=0.083). P. elliotti 벌채 수확 후 잔존물 존치구에서는 제거 처리한 곳에 비해 토양 전질소 농도가 증가한다고 보고된 바 있으나(Chen and Xu, 2005), 본 연구의 경우 벌채 이전 토양시료 분석의 부재로 벌채 후 임상유기물 증가로 인한 토양 전질소 농도의 유의미한 증가는 확인할 수 없었다. 그러나 모두베기 및 재조림으로 인한 조림지 초기 토양 온도와 수분의 증가는 임상유기물의 분해율 증가 및 질산화과정을 촉진시킬 수 있고, 강우 유입시 질산태질소의 용탈이 크게 증가할 수 있다(Jussy et al., 2004; Hedwall et al., 2013; Povilaitiené et al., 2022). 그러나 양분유효도의 증가로 인해 임분 발달 초기 지피 식생의 빠른 회복에 기여할 수도 있다(Cesonienè et al., 2019). 한편 조림 10년 경과 후 2021년의 전질소 농도가 다소 증가한 것은 낙엽송 조림목의 생산성 증가로 인한 임상유기물의 증가에 기인한 것으로 보인다.

Figure 3. Relationships between total soil carbon and total nitrogen (a), cation exchangeable capacity (b), and available phosphorus (mg P₂O₅⁻ kg⁻¹) across the study sites over 11 years after planting. The correlation coefficients (R) and p-values are shown in the figures. The non-linear lines with 95% confidence intervals were fitted to the data.

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2010년 평균 유효태인산 농도(mg kg⁻¹)는 낙엽송 전생임분 김천(32.1±6.4) 조사지가 가장 높고, 춘천(11.0±0.6), 원주(13.2±1.6), 가평(14.8±2.4)은 유사한 수준을 보였다[p<0.006, Table 2, Figure 2(d)]. 유효태인산 농도는 시간 변화에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 특히 낙엽송 전생임분이었던 김천과 춘천의 경우 조림 경과 10년 후 각각 2.7±0.1 mg kg⁻¹로 92%, 5.9±3.1 mg kg⁻¹로 46% 감소하였다[Figure 2(d)]. 본 연구에서 유효태인산 농도는 조사지 간 변이가 크게 나타났으나 2020년 우리나라 낙엽송 재조림지 120개 토양의 유효태인산 농도 범위(1.0~69.5 mg kg⁻¹) 내에 있는 것으로 나타났다(Cho, unpublished). 인의 주요 공원급은 무기광물인 인회석의 풍화와 식생으로부터 유입되는 유기물이다. 느리게 진행되는 무기광물의 풍화에 비해, 모두베기와 재조림 과정에서의 일시적으로 증가한 유기물 유입과 분해가 조림 초기의 유효태인산 농도에 영향을 미칠 수 있다. 본 연구에서 총탄소 농도와 유효태인산 농도는 낮은 수준에서 정의 상관 관계를 보였다[Figure 3(c), r=0.36, p<0.001]. Povilaitiené et al.(2022)의 연구에 따르면 유효태인산의 농도가 P. sylvestris 조림 1년차에 169.8 mg kg⁻¹로 가장 높았으며 조림 4년차에 107.9로 약 36% 감소하였다. Yang et al.(2017)에 의한 선행 연구에서 조림 초기 유효태인산 농도의 감소의 잠재적 원인을 조림목에 의한 흡수와 강우에 의한 용탈이나 침전으로 추정한 바 있다. 우리나라를 포함하는 온대 산림에서 임목의 인요구도는 높은 편이며(Rodionov et al., 2020), 특히 산성 토양 내 인의 가용성이 낮기 때문에 유실량이 크지 않을 수 있고, 임목에 의해 흡수된 인화합물은 체내 이동성이 크기 때문에 조림목 내부에 상당량 축적될 가능성도 있다. 모두베기가 토양 유효태인산 농도에 영향을 미치지 않았다는 연구 결과도 보고된 바 있으나(Pennock and van Kessel, 1997), P. sylvestris 벌채지와 1년차 재조림지 0-20 cm 무기토양의 유효태인산 농도가 성숙림에 비해 1.5배, 2.1배 높게 보고된 바 있다(Povilaitiené et al., 2022). 따라서 토양 내 인순환에 대한 이해를 높이기 위해서는 벌채 이전 성숙림 토양과 임목의 부위별 인 농도 분석이 중요하다(Seidel et al., 2022). 일반적으로 산림 수목의 높은 인요구도와 수목생육 적정 기준(60~200 mg kg⁻¹)을 고려할 때, 본 연구에서 낙엽송 재조림지의 인 가용성은 조림 초기부터 지속적으로 낮은 수준을 보였다. 따라서 본 연구에서의 조림지는 인이 생장 제한인자로 작용할 수 있어 토양 인의 관리를 통해 조림목 생장을 향상시킬 수 있을 것으로 보인다.

2010년 평균 양이온치환용량(cmolc kg⁻¹)은 낙엽송 전생임분 김천(39.1±0.7)과 춘천(33.4±1.5) 조사지가 리기다소나무 전생임분 원주(21.8±0.9), 가평(22.0±1.0) 조사지에 비해 높게 나타났다[p<0.001, Figure 4(a)]. Yang et al.(2017)에 의한 선행연구에서는 CEC가 조림 후 3년차에도 식재 당시와 유사한 수준을 보였다고 보고한 바 있으나, 본 연구에서 11년간 모니터링 결과 조림 후 경과 시간에 따라 CEC는 지속적으로 감소하는 경향을 보였으며[p=0.002, Figure 4(a), Table 2], 조림 10년 경과 후 2021년 조사지 간 차이는 조림 초기와 유사하게 나타났다. 본 연구에서 조사지 간 CEC의 차이는 토양 총탄소, 즉 토양 유기물 함량과 유사한 경향을 보였으며[Figure 3(b)], 이러한 경향은 선행 연구들에서의 두 인자 간 상관성을 뒷받침한다(Johnson et al., 1997; Ranger et al., 2008). 한편 재조림 초기부터 CEC의 지속적인 감소는 조림 초기 토양으로 강우 유입 증가에 의한 침출에 기인할 수 있으며(Chen and Xu, 2005), 무기표층에서 감소된 CEC는 집적층(B층)에서의 증가로 나타날 수 있다(Johnson et al., 1997).

Figure 4. Temporal changes in soil pH (a), total carbon (b), total nitrogen (c), and available phosphorous (P₂O₅^-) over 11 years after planting Larix kaempferi trees in harvested L. kaempferi (yellow) and Pinus rigida (green) plantations. CC: Chuncheon, GC: Gimcheon, GP: Gapyeong, WJ: Wonju. Vertical bars indicate standard deviation of the mean (n=9~15). Asterisks indicate significant differences in the variables between the study sites by ANOVA (p < 0.05).

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2010년 치환성양이온 중 Ca2+과 Mg2+ 평균 농도(cmolc kg⁻¹)는 춘천(5.56±0.49, 0.79±0.10) 조사지에서 가장 높게 나타났으며, 원주(3.06±0.41, 0.57±0.04), 가평(1.48±0.29, 0.31±0.05), 김천(1.01±0.13, 0.25±0.04) 순으로 나타났다[Figure 4(b), 4(c), p<0.001]. K⁺과 Na⁺ 농도는 조사지 간 차이를 보이는 경우도 있었으나, 비교적 낮은 농도 범위 내에서 뚜렷한 경향성을 보이지는 않았다(Table 2, Table S2). 또한 전생임분과 시간 경과가 치환성양이온에 미치는 영향도 조사지별로 다르게 나타나 전반적인 경향성을 확인하기는 어려웠다. 특히 춘천과 김천은 조림 초기에 비해 2021년 Ca²⁺와 Mg²⁺ 농도가 50% 이하로 감소하는 경향을 보였으나, 원주와 가평에서는 2021년에 Ca²⁺ 농도가 약 50% 증가, Mg²⁺는 약 250% 이상 증가하는 등 반대의 경향을 보였다[Figure 4(b)]. Farahnak et al.(2022)은 C. obtusa 조림지에서 모두베기가 수간류로부터 기인하는 수소(H⁺)이온 유입을 감소시켰고, 이로 인해 수소이온과 양이온치환을 통한 2가 양이온의 손실이 줄었기 때문에 토양 내 Ca²⁺, Mg²⁺ 농도가 증가했음을 보고한 바 있다. 한편 Povilaitie et al. (2022)은 P. sylvestris 벌채 후 재조림지에서 조림 3년차에 Ca²⁺가 가장 높게 나타났으나, Mg²⁺는 벌채 및 조림 경과년수에 따라 유의미한 차이를 보이지 않았다.