간벌 횟수에 따른 가뭄에 대한 잣나무 임분의 회복탄력성 평가

본 연구는 강원도 춘천시 춘천 국유림 관리소 관내의 7영급(약 63년) 잣나무 조림지(N37°52′19.12, E127°52′30.11)에서 수행되었다. 조림지의 전체 면적은 약 100 ha이며, 해발고도 약 400~500 m에 위치하고 있다. 연구대상지는 경사 24~25° 서남 사면에 위치하며, 대조구(무처리구, 이하 Control), 2007년에 간벌 된 지역(간벌 처리구, 이하 Thin 1) 그리고 2000년 및 2007년에 간벌 된 지역(반복 간벌 처리구, 이하 Thin 2)으로 선정하였다(Figure 1). 2000년 시행된 간벌은 Thin 2에서 산림 관리 목적으로 임분 밀도의 20%를 제거하였으며, 2007년에는 두 간벌 처리구에서 잣나무 조림지의 생장 및 종다양성 변화에 미치는 영향을 확인하기 위한 연구의 일환으로 임분 밀도의 35%를 제거하는 간벌을 시행하였다(Kwon et al., 2010). 2021년 기준 Control, Thin 1, Thin 2의 임분 밀도는 각각 1,250본/ha, 475본/ha, 200본/ha이며 흉고직경(Diameter at Breast Height, DBH)은 Thin 2가 41.9 cm로 가장 크고, Thin 1은 32.5 cm, Control은 22.8 cm로 가장 작다(Table 1).

Figure 1. The map of study sites and their pictures in Gari mountain, Chuncheon, Gangwon-do.

Download Original Figure

가리산이 위치한 춘천의 지난 20년간의 연평균 기온은 11.1°C(±0.12°C)이며, 1월에 가장 낮고(−4.6°C) 8월에 가장 높다(24.6°C). 연 강수량은 1347.3 mm(±70.8 mm)으로, 1월에 가장 적고(20.3 mm) 7월에 가장 많다(383.8 mm) (KMA, 2024). 지질은 화강암이며 토양은 갈색건조산림토양이고(Kwon et al., 2010), 토심은 얕은 편이며 유기물 함량이 낮은 편이다(Park et al., 2009).

가뭄에 대한 간벌의 효과성 평가 지표의 통계적 유의성은 일원분산분석(One-way ANOVA)을 이용하여 검정하였다. 가뭄 시기별 세 가지 지표 각각에 ANOVA 검정을 시행하였고(p<0.05), 유의성이 확인된 지표에만 본페로니 검정(Bonferroni Correlation)을 통해 사후검정을 시행하였다(p<0.05). 모든 통계분석은 통계 프로그램 R을 사용하였다(R core team, 2021).

연대기 간 평균상호상관은 Control, Thin 1, Thin 2 각각 0.45, 0.51, 0.40였다(Table 2). 평균 민감도는 Thin 1과 Control이 각각 0.27, 0.26으로 비슷한 민감도를 보였고 Thin 2가 0.23으로 세 처리구 중에 가장 낮은 평균 민감도를 보였다. 세 처리구 모두 1970년 이후로 EPS 값이 0.85보다 높으므로, 1970년부터 2021년까지를 분석 기간으로 정의하였으며 분석에 사용되는 연대기들이 모집단을 대표하여 사용될 수 있음을 확인하였다. 세 처리구의 SSS 또한 1970년 이후부터 0.85보다 높은 값을 보여 앞서 정의된 분석 기간의 높은 신뢰성을 나타내었다(Figure 4).

Figure 4. Graph of SSS (Subsample Strength Signal) for the common period(1970~2021) of three studied sites. The dashed line shows the threshold value, 0.85. The periods with values above 0.85 was proved to represent the population.

Download Original Figure

디트렌딩 하지 않고 흉고단면적 생장량을 계산한 결과, 간벌 처리 전 세 처리구 간에 임분 초기 생장량 차이가 존재하였다[Figure 5(a)]. 세 처리구의 입지 환경이 비슷하기 때문에 임분 환경이 초기 생장에 주는 영향이 적을 것으로 생각된다(Table 1). 따라서 임분 초기 생장량의 차이는 임분 밀도에서 차이가 난 것으로 추측되어 디트렌딩 되지 않은 연대기와 디트렌딩 된 연대기 모두 분석하였다.

Figure 5. Dendrochronology of three studied sites(Control: Green, Thin 1: Blue, Thin 2: Red) during the common period(1971~2021) with drought year(vertical dotted line in brown) and thinning year(vertical dotted line in sky blue). (a) Dendrochronology in BAI (Basal Area Increment, cm²); (b) Standardized dendrochronology after detrending. The error bar indicates the standard error.

Download Original Figure

두 연륜 연대기 모두 2000년에 간벌을 하지 않은 Thin 1과 Control에서는 2001년 가뭄으로 인해 BAI가 감소하였으나, 20% 간벌이 시행된 Thin 2에서는 가뭄임에도 BAI가 소폭 증가하였다(Figure 5). 디트렌딩 되지 않은 연대기에서는 2001년 가뭄 이후 2002년 Control, Thin 1, Thin 2 모두 BAI가 크게 증가하였는데, 특히 Thin 2에서는 Control, Thin 1에 비해 2배 이상 높은 생장량을 보였다. 디트렌딩 된 연륜 연대기에서도 Thin 2가 2001년 0.64에서 2002년 1.02로 RWI가 약 0.4 정도 증가하여 세 처리구 중 가장 높은 증가량을 보였다. 두 연대기 모두 2003년 이후 Thin 2는 다음 간벌 연도인 2007년까지 꾸준하게 증가하였지만, Thin 1과 Control에서는 가뭄 전과 비슷한 생장량을 보였다. 디트렌딩 여부에 상관없이 2001년 가뭄 이후 2007년까지 Thin 2에서 생장량의 증가를 보였으므로, Thin 2의 생장량 증가는 간벌로 인한 결과이며 간벌의 효과가 약 6년간 지속되었다는 것을 의미한다.

디트렌딩 하지 않은 연대기에서 2007년 두 간벌 처리구에서 실행된 간벌로 2008년 가뭄임에도 불구하고 생장량이 증가하였으며, 두 차례 간벌이 진행된 Thin 2에서 더 높은 증가율을 보였다. 이러한 생장량의 증가가 디트렌딩 된 연대기에서도 나타나는 것으로 보아 생장량의 증가는 간벌 효과임을 알 수 있다. 가뭄 기간 동안에도 생장량이 증가한 것은 2000년 간벌로 Thin 2의 엽면적과 세근 바이오매스가 증가한 결과로 생각되며, 2007년 반복 간벌로 생육조건이 좋아짐에 따라 빠르게 반응한 것으로 보인다(Sohn et al., 2016). 그 이후 디트렌딩 여부에 상관없이 2013년 이전까지 Control과 마찬가지로 Thin 1, Thin 2 모두 생장량이 감소하였고, 디트렌딩 하지 않은 연대기에서 Thin 2의 생장량 감소율이 3%로 Thin 1보다 낮게 나타났다. 이는 Thin 2가 반복 간벌에 의해 Thin 1보다 상대적으로 회복력이 증가한 것으로 보이며, Sohn et al.(2016)은 강도 간벌과 반복 간벌 처리구에서 회복력이 가장 높다고 보고하였다.

2014년부터 2017년까지 지속된 가뭄 기간에는 Control, Thin 1, Thin 2 모두 생장 패턴이 다르게 변화하였으며 디트렌딩 여부에 상관없이 동일한 패턴을 보였다. Thin 2는 SPEI 지수가 −2보다 낮았던 2014, 2015년에는 생장량이 계속 감소했다가 2016년 SPEI 지수가 +로 올라감에 따라 생장량이 급증하였으나, 다시 2017년 약한 가뭄으로 2014년보다 낮은 생장량을 보여 가뭄 기간 동안 감소하는 추세를 보였다. Thin 2가 가뭄기간 동안 감소 추세를 보인 것은 환경이 더욱 급변하여 수목 생장이 빠르게 반응하는 것으로 보인다(Sohn et al., 2013; Ford et al., 2017; Lechuga et al., 2017). Thin 1과 Control은 2014년부터 2016년까지 생장량이 증가하였는데, Thin 1이 Control보다 더 높은 생장량을 보였다. 이후 2017년 급격하게 감소하였으나 가뭄이 끝난 후에 증가하는 추세를 보였다. 디트렌딩을 한 결과에서도 가뭄 기간 동안 Thin 1이 Control보다 더 높은 생장량을 보인 것으로 보아 Thin 1의 높은 생장량은 간벌 효과로 추측되며, Control은 이미 수목 간의 경쟁이 높아 가뭄임에도 둔감하게 반응하는 것으로 보인다(Ford et al., 2017; Gleason et al., 2017).

가뭄 기간에 생장량 변화의 원인을 규명하기 어려운 것은 SPEI 지수와 생장량의 변동으로 가뭄 연도를 특정하는 방법 때문일 가능성이 있다(Schwarz et al., 2020). 그 이유로는 우리나라의 복잡한 산악지형은 국지적인 공간 변화에도 기상 현상의 변동성이 크고(Yoon et al., 2016; Jang et al., 2022), 가까운 기상관측소로부터 얻은 정보는 실제 가뭄의 정도와 지속 기간을 정확히 반영하기 어렵기 때문이다(Schwarz et al., 2020). 따라서, 2019년부터 사용된 가리산의 산악기상정보를 이용했을 경우, 더욱 정확한 결과가 나타났을 것으로 생각된다.

2001년 가뭄에 대한 회복탄력성 지표는 세 처리구 모두 유의한 차이를 보이지 않았다[Figure 6(a)]. 저항성은 2000년 간벌이 수행된 Thin 2에서 가장 높았고, 간벌을 하지 않은 Control보다 Thin 1에서 더 낮은 경향을 보였다. 세 처리구 모두 저항성이 1.0보다 낮은 것을 고려해 볼 때, 가뭄으로 인한 생장량의 저하가 일어났으며 그 영향은 Thin 2에서 가장 낮은 것으로 보인다. 회복성은 저항성과 같은 추세를 보였는데, Thin 2에서 가장 높고 Thin 1에서 가장 낮았다. 또한 두 간벌 처리구와 Control 모두 회복성이 1.0보다 높았는데, 이는 가뭄 이후 생장량이 가뭄 동안의 생장량보다 높은 것을 의미한다. 탄력성의 경우, 두 간벌 처리구가 Control 보다 높은 경향을 보였다. 세 처리구 모두 탄력성이 1.0보다 높았기 때문에 가뭄 이후 생장량이 가뭄 전보다 높았다는 것을 알 수 있다.

Figure 6. Indices calculated as the ratio of BAI(Basal Area Increment, cm²) between 2 years average of pre-/post-drought and drought(Control: Green; Thin 1: Blue; Thin 2: Red). (a) 2002 drought; (b) 2008 drought; (c) 2014~2017 drought. Different letters by treatments indicate significantly different means(p<0.05). The error bars represent the standard error.

Download Original Figure

2008년 가뭄의 경우, 세 가지 회복탄력성 지표 중 저항성만 Control과 두 간벌 처리구 간 유의한 차이를 나타냈다[Figure 6(b)]. 간벌 횟수가 다른 Thin 1과 Thin 2에서는 저항성의 차이가 없었으나, 두 간벌 처리구에서는 저항성이 Control보다 유의하게 높았다. 세 처리구 모두 저항성이 1.0보다 높은 것으로 봤을 때 가뭄 동안의 생장량이 가뭄 전보다 증가했음을 알 수 있다. 회복성의 경우, 간벌하지 않은 Control이 간벌을 시행한 Thin 1보다 높았고, Thin 2가 Control보다 높은 경향을 나타냈다. 다른 지표들과 다르게 회복성은 1.0과 비슷하거나 낮은 값을 보였는데, 회복성이 1.0보다 큰 Control과 Thin 2는 가뭄 후 생장량이 가뭄 전 생장량보다 높고, Thin 1은 지표가 1.0보다 작은 것으로 보아 가뭄 후 생장량이 가뭄 전 생장량보다 작다는 것을 의미한다. 이에 반해, 탄력성은 저항성과 같은 추세를 보여 Control이 가장 낮고 간벌 횟수가 증가할수록 높았으나 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았다. 그러나 탄력성 또한 저항성과 비슷하게 세 처리구 모두 1.0을 넘었으며 이는 가뭄 후 생장량이 가뭄 동안의 생장량보다 높다는 것을 뜻한다.

2015년 가뭄에 대한 회복탄력성 지표는 2001년과 마찬가지로 세 처리구 모두 유의한 차이는 없었다[Figure 6(c)]. 다른 가뭄 기간과는 다르게, 세 지표 모두 1.0보다 비슷하거나 낮았다. 저항성의 경우, Thin 1이 가장 높고 Control이 가장 낮지만, Thin 2와 Control간의 차이가 작은 경향을 보였다. 또한 세 처리구 모두 값이 1.0보다 낮은 것으로 보아 가뭄으로 인한 생장량 저하가 일어났음을 알 수 있다. 회복성의 경우, Control이 1.0보다 높았으며 Thin 1과 Thin 2는 1.0보다 낮은 값을 보였고 두 간벌 처리구 간의 차이는 작았다. 1.0보다 높은 회복성을 보인 Control은 가뭄 후 생장량이 가뭄 동안의 생장량보다 높다는 것을 의미하고, 다른 두 간벌처리구에서는 가뭄 후 생장량이 가뭄 동안의 생장량보다 적으므로 가뭄으로 인한 생장량 감소가 계속되고 있음을 알 수 있다. 탄력성도 저항성과 비슷한 경향을 보였는데, Control과 Thin 1에서는 아주 작은 차이로 Thin 1이 가장 높았으며 Thin 2는 큰 차이로 가장 낮은 값을 보였다. 저항성과 같이 탄력성은 모든 지역에서 1.0보다 낮았는데, 이로 미루어 보아 가뭄 후에도 가뭄 전 생장량에 미치지 못하는 것으로 생각된다.

본 연구에서 보인 2008년 가뭄에 대한 저항성의 증가는 북아메리카와 스페인에서 Pinus 속에 속하는 다른 수종을 대상으로 한 이전 연구들과 유사한 결과이다(Bottero et al., 2017; Manrique-Alba et al., 2020; Navarro-Cerrillo et al., 2023). 저항성 증가의 원인으로는 간벌로 인한 임분 밀도의 감소에 따른 광량의 증가로 내부의 온도가 상승하여 부식질의 분해가 촉진되고, 이에 따른 영양분 공급의 증가와 수목 간 경쟁의 완화로 생육 가능한 면적이 증가함에 따라 이용 가능한 자원(수분, 영양분, 광량)이 증가하기 때문으로 볼 수 있다(Bréda et al., 1995; Aussenac, 2000). 수분이 부족할 경우 기공을 빨리 닫는 침엽수의 수분 이용 특성으로 인해 침엽수는 회복성, 탄력성이 높다는 Sohn et al.(2016)의 메타 분석 결과와는 반대로, 본 연구 논문은 간벌한 지역의 저항성만 높고 회복성과 탄력성은 간벌 여부에 따른 유의미한 차이를 보이지 않았다. 이는 높은 저항성으로 가뭄으로 인한 생장량의 감소가 줄어듦에 따라 가뭄 전에 비해 가뭄 기간 동안과 가뭄 후 생장량의 차이가 작아졌기 때문에 회복성과 탄력성이 낮은 것으로 보인다(Manrique-Alba et al., 2020)(Figure 3).

2008년 가뭄에 대해서만 저항성에 유의미한 결과가 나타난 것은 심한 가뭄에 비해 낮은 강도로 생장량의 감소는 저하시켰으나 회복탄력성 지수에 유의미한 증가를 야기하기 않은 것으로 보인다. 게다가, 많은 연구에서는 간벌 강도가 40%일 때 간벌로 인한 효과가 가장 크다고 보고하고 있다(Cabon et al., 2018; Bello et al., 2019; Steckel et al., 2020; Zamora-Pereira et al., 2021; Moreau et al., 2022). 2008년 간벌 강도는 35%로 40%와 차이가 크지 않아 저항성의 유의미한 차이를 야기하였으나 2000년 간벌은 20%로 유의미한 차이를 야기할 만큼 간벌 효과가 높지 않은 것으로 판단된다.

2008년 가뭄에 대해 간벌 횟수에 따라서 저항성의 유의미한 변화가 나타나지 않은 것은 가뭄 전후 각 2년간 생장량의 평균값을 사용하여 가뭄과의 비율로 환산하는 회복탄력성 지표 계산법 때문일 것으로 생각된다. Thin 2에서 가뭄 전까지 급격하게 생장량이 증가한 것을 고려하면, 평균적으로 높은 가뭄 전 생장량과 가뭄 기간 동안에도 높은 생장량 값을 갖는 Thin 2와 상대적으로 가뭄 전 2년간 생장량의 변동이 적었던 Thin 1이 비율 상으로 유의미한 차이가 나타나지 않았을 것으로 추측된다. 또한, 2014년과 2017년 가뭄 전후 기간이 겹치는 것을 피하기 위해 설정된 2년의 기간을 회복탄력성 지표 계산에 적용하였는데, 가뭄 전후 2년은 2002년 이후 급격하게 증가한 Thin 2의 생장량을 고려하면 실제 변화하는 생장량을 회복탄력성 지표에 반영하기에는 충분하지 않은 것으로 보인다.

간벌 효과의 평가를 위해 BAI를 이용하여 회복탄력성을 정량화하는 방법은 계산이 간단하고 많은 데이터를 필요로 하지 않기 때문에 편리하나, 급격한 생장량의 변화가 평균치로 환산됨에 따라서 실제적인 변화가 잘 반영되지 않을 수 있고 가뭄 전후 생장량의 변동을 충분히 포함시키지 못하는 한계가 있을 수 있다. 또한, 가뭄의 전후 수분조건 및 가뭄 시기가 고려되지 않아 생장량 변화를 해석하기에 어려움이 있다.

따라서, 본 연구에서 이용된 회복탄력성 평가 방법은 계산의 편의성이 높지만, 구체적인 해석이 어렵기 때문에 향후 연구에서는 토양 수분 함량이나 실제 산악기상 정보를 이용하는 것이 필요할 것으로 보인다(Zhang et al., 2019). 회복탄력성 지수를 사용할 때, 간벌 전후의 적절한 생장기간을 선정하는 것이 중요하다고 생각된다. 또한 가뭄에 대한 저항성을 높이는 방법으로써 간벌이 적절하게 이루어지기 위해서는 간벌 강도에 따른 회복탄력성 변화에 관한 연구가 요구된다. 결과적으로, 간벌은 가뭄으로 인한 생장량 감소를 완화하는 효과가 있으므로, 간벌 강도에 따른 회복탄력성 평가를 통해 적절한 간벌 강도를 찾는 것이 필요해 보이며 회복탄력성 지수를 적용할 때에 실제 생장량을 잘 반영하도록 해야 한다.