포천지역 초기 조림지 탄소저장량 추정을 위한 소나무 조림목 바이오매스 상대생장식 개발

본 연구는 경기도 포천시 소흘읍 산림기술경영연구소에 위치한 7년생 소나무 조림지(37°46’03” N, 127°10’38” E, 180 m a.s.l.)를 대상으로 수행되었다. 2024년 4월, 소나무 조림지 내 10 m×10 m 크기의 정방형 조사구 9개를 설치하고 조사구 안에 있는 조림목들의 근원경, 흉고직경, 수고를 측정하였다(Figure 1). 매목조사 결과, 임분밀도는 2,767±66 trees ha⁻¹이었으며, 조림목의 평균 근원경, 흉고직경, 수고는 각각 6.62±0.12 cm, 2.26±0.09 cm, 2.17±0.04 m로 나타났다. 연구대상지의 평균 경사는 20°, 사면 방위는 북서사면(NW 318°)이었으며 2020년에서 2024년 동안 연평균 기온과 강수량은 각각 11.2°C와 1442.6 mm로 나타났다(Korea Meteorological Administration, 2024). 토양 용적밀도는 약 1.11±0.05 g cm⁻³이었으며, 토성은 모래 41.6%, 미사 34.0%, 점토 24.4% 함유되어 있는 양토로 나타났다(PARIO, METER Group, Germany). 토양 표층의 전질소 및 총탄소 농도는 각각 0.12±0.01%, 2.26±0.17%로 나타났으며(Vario Max Cube, Elementar, Germany), 토양 pH는 4.50±0.04로 나타났다(Lab 855 pH Meter, SI Analytics, Germany).

Figure 1. Distributions of (A) root collar diameter (RCD), (B) diameter at breast height (DBH), (C) height of P. densiflora saplings measured within the study plots in April 2024. The histograms show the number of trees grouped by size class in each growth variable.

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2024년 10월, 조림목의 근원경 및 흉고직경 분포를 고려하여 총 16본을 선정하였다. 일반적으로 바이오매스 상대생장식을 개발할 경우 최소 30본 이상의 표본이 요구되나, 어린나무의 경우에는 최소 10본 이상의 표본으로도 모델의 높은 설명력과 유의성을 확보할 수 있음이 보고된 바 있다(Roxburgh et al., 2015; Han and Park, 2020; Vorster et al., 2020). 선정된 개체목들을 대상으로 근원경, 흉고직경, 수고, 수관폭을 재측정한 후, 지하부 뿌리까지 굴취하여 수확하였다. 수확한 소나무 조림목의 부위별 바이오매스 측정을 위해 줄기, 가지, 잎, 뿌리를 분리하여 65°C 오븐에 넣고 항량에 도달할 때까지 건조시킨 후 건중량을 측정하였다.

바이오매스 상대생장식은 부위별 건중량과 근원경, 흉고직경, 수고, 수관폭을 이용하여 개발되었다(Pajtík et al., 2008; Zianis et al., 2011; Cutini et al., 2013; Mclntire et al., 2022) (식 1–3).

(Y=부위별 바이오매스, X=흉고직경 또는 근원경, H=수고, Z=수관폭)

이후, 개발된 바이오매스 상대생장식의 추정 회귀선과 우리나라 중부지방 소나무 성숙림에서 개발된 바이오매스 상대생장식(Noh et al., 2013)의 추정 회귀선을 부위별로 비교하였다.

줄기 밀도는 수확한 소나무에서 약 1 m 간격으로 10 cm 두께의 원판을 채취한 후, 각 원판의 원구와 말구 직경을 측정하고 Smalian 식을 적용하여 재적을 산출하였다(식 4).

(V=원판 재적, L=원판 길이, B=원구 단면적, S=말구 단면적)

이후, 원판 시료를 65°C에서 오븐 건조하여 건중량을 측정하였으며, 이를 이용해 줄기 재적 대비 건중량의 비율로 밀도를 계산하였다. 바이오매스 확장계수(Biomass Expansion Factors, BEF)는 줄기 건중량 대비 지상부 건중량의 비율로 계산되었다.

매목조사에 의한 근원경과 흉고직경 자료를 본 연구에서 개발한 바이오매스 상대생장식과 선행 연구에서 개발된 바이오매스 상대생장식(Noh et al., 2013)에 각각 적용하여 임분 수준의 부위별 바이오매스 현존량을 산정한 후, 탄소전환계수 0.5를 적용하여 탄소저장량을 추정하였다.

본 연구에서는 소나무 조림목의 근원경, 흉고직경, 및 수관폭을 매개변수로 하여 바이오매스 상대생장식을 도출하였으며, 근원경과 흉고직경을 이용한 모델은 비선형회귀분석(Non-linear regression analysis), 수관폭을 이용한 모델은 일반선형회귀분석(Simple linear regression analysis)을 통해 각각 개발되었다. 바이오매스 추정 모델의 적합성 평가는 결정계수(R²)와 평균제곱근오차(Root Mean Square Error, RMSE)를 기준으로 실시하였다.

각 모델의 R²는 독립변수가 종속변수의 변동을 설명하는 정도를 나타내며(식 5), RMSE는 모델의 예측값과 관측값 간의 차이를 정량적으로 평가하는 지표로, 값이 낮을수록 모델의 예측 정확성이 높은 것으로 간주하였다(식 6).

(y_i=관측값, $\widehat{y_i}$=모델 예측값, $\overline{y}$=종속변수의 평균값)

회귀계수의 통계적 유의성은 p-value를 기준으로 평가하였으며, 유의수준은 p<0.05, p<0.01, p<0.001에서 각각 *, **, *** 기호로 표시하였다. 모든 통계 분석은 R version 4.4.1에서 제공하는 ‘stats’ 패키지를 이용하여 수행되었다.

소나무 초기 조림목의 근원경, 흉고직경, 수관폭 및 수고에 대한 부위별 바이오매스 상대생장식의 조제 결과는 Table 1과 같다. 소나무 조림목의 근원경, 흉고직경, 수관폭 증가에 따른 부위별 바이오매스의 증가율은 잎과 가지가 줄기나 뿌리에 비해 높았으며, 이러한 상대적 경향성은 모든 모델에서 유사하게 나타났다(Figure 2). 소나무 초기 조림목의 바이오매스 추정 모델의 적합성은 근원경(R²>0.96, RMSE=0.22), 수관폭(R²>0.91, RMSE=0.31), 흉고직경(R²>0.88, RMSE=0.38) 기반 모델 순으로 높게 나타났다(Table 1, Figure 3). 또한 줄기와 뿌리에서 근원경 또는 흉고직경 하나의 독립변수로 개발한 모델에 비해 수고를 포함한 두 개의 독립변수로 개발한 모델이 비교적 더 높은 설명력을 보였다(Table 1).

Figure 2. Relationships between growth measurement variables (A: root collar diameter, B: diameter at breast height, C: crown width) and tree component biomass (kg tree⁻¹) for P. densiflora saplings. Symbols represent observed values, and lines indicate fitted regression models. Power-law models (Y = a·X^b) were applied for panels A and B, while linear models (Y = a + b·X) were used for panel C.

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Figure 3. Residual plots for regression models fitted to the biomass components of P. densiflora saplings, using root collar diameter (RCD) and diameter at breast height (DBH) as predictors in non-linear models (Y = a·X^b) for panels A and B, and crown width (CW) as a predictor in a simple linear regression model (Y = a + b·X) for panel C. Different colors and shapes represent biomass components (stem, branch, foliage, and root). The red horizontal line indicates zero residual.

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흉고직경 기반 모델의 낮은 적합성은 흉고직경의 측정 높이인 1.2 m에서 충분한 비대생장이 이루어지지 않은 어린나무의 일반적인 특징에 기인하는 것으로 보인다(Thippawan et al., 2023; Song et al., 2025). 또한 수관폭과 바이오매스 간의 높은 상관성은 성숙목을 대상으로 한 연구에서도 보고된 바 있으며, 수관폭이 초기 조림지에서도 바이오매스 추정을 위한 주요 변수로 활용될 수 있는 가능성을 시사한다(Bilgili and Kucuk, 2009; Kim et al., 2009; Goodman et al., 2014; Menéndez-Miguélez et al., 2022; Madalcho et al., 2023). 특히 초기 조림목의 수관폭은 근원경과 수고에 비해 비교적 측정이 용이하고, 원격탐사 자료를 통해서도 추출이 가능하다는 점에서 활용 가능성이 높을 것으로 보인다. 최근, 무인항공기(UAV) 기반의 고해상도 영상을 활용하여 어린나무의 수관과 바이오매스 간의 관계를 분석한 연구 사례들이 보고되고 있어(Mclntire et al., 2022; Juan-Ovejero et al., 2023), 다양한 입지환경으로부터 초기 조림지 내 수관폭 기반 바이오매스 추정 모델의 정확도를 높이는 추가 연구가 필요할 것으로 보인다.

본 연구에서 개발한 소나무 초기 조림목 대상 바이오매스 추정 회귀선과 기존의 성숙임분 내에서 개발된 바이오매스 추정 회귀선을 비교한 결과(Noh et al., 2013), 줄기와 뿌리 바이오매스에서는 두 회귀선 간에 비교적 유사한 경향이 나타났다[Figure 4(A), (D)]. 반면, 잎과 가지 바이오매스의 경우에는 흉고직경 6 cm에서 두 회귀선 간 뚜렷한 차이를 보였다[Figure 4(B), (C)]. 이러한 결과는 동일한 흉고직경일지라도 성숙림과 초기 조림지에서 생육하는 개체 간 탄소 할당 특성이 상이할 수 있기 때문에(Nogueira et al., 2014), 초기 조림목 생육 특성에 기반한 바이오매스 상대생장식 개발의 필요성을 시사한다.

Figure 4. Comparison of biomass estimation regression lines based on diameter at breast height (DBH) between the previous study (Noh et al., 2013) (blue dashed lines) and this study (red soild lines) for P. densiflora. Red dots indicate observed biomass values from harvested saplings in this study.

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초기 조림목의 각 부위별 바이오매스가 차지하는 비율을 살펴보면, 잎이 36.37%로 가장 높은 비중을 차지하였으며, 그 뒤로 가지(28.52%), 뿌리(17.57%), 줄기(17.54%) 순으로 분포하였다(Table 2). 본 연구에서 나타난 잎의 바이오매스 비율은 자연 갱신된 10년생 소나무에서 보고된 잎의 비율(13-15%)보다 약 2.6배 높게 나타났다(Noh et al., 2010). 바이오매스 확장계수는 4.85로 나타났으며, 이는 전국 단위로 개발된 중부지방 소나무의 확장계수(1.41)뿐만 아니라(KFRI, 2014), 충북지역 15-16년생 소나무에서 보고된 수치(1.78-2.70)와 비교했을 때도 높은 수준 으로 나타났다(Park et al., 2005). 지상부 바이오매스 대비 뿌리 바이오매스의 비(Root-to-shoot biomass ratio, R:S)는 0.22로, 10년생 소나무 임분의 R:S(0.21)와 유사했지만, 71년생 소나무 임분의 R:S(0.26)에 비해 낮은 값을 보였다(Noh et al., 2010) (Table 2).

이러한 결과는 줄기나 뿌리에 비해 수관(잎, 가지) 부위의 바이오매스 할당이 높은 초기 조림목의 일반적인 생육 특성을 뒷받침한다(Mokany et al., 2006; Nogueira et al., 2014; Menéndez-Miguélez et al., 2022). 그러나 동일 수종 내에서도 생태형 및 토양 양분 가용성 등 다양한 입지 조건에 따라 지하부와 지상부 바이오매스 간 비율은 달라질 수 있으므로, 입지환경 차이에 따른 공간적 변이를 고려한 추가 연구가 필요하다(Ericsson, 1995). 한편, 초기 조림목의 줄기밀도는 0.36±0.01 g cm⁻³로, 성숙목의 줄기밀도(0.39-0.43)보다 낮게 나타났다(Park et al., 2005). 이는 수목의 연령 증가에 따라 세포벽 두께, 리그닌 함량 및 심재 비율 증가 등 줄기의 해부학적 특성에 기인한다(Sellin, 1994; Nogueira et al., 2014; Shen et al., 2024).

조림지 내 개체목들의 근원경과 개발된 바이오매스 상대생장식을 활용하여 임분 수준의 탄소저장량을 추정한 결과, 약 5.25±0.42 Mg C ha⁻¹로 나타났다. 이는 흉고직경과 기존 바이오매스 상대생장식을 이용하여 추정한 탄소저장량(1.30±0.09 Mg C ha⁻¹)과 큰 차이를 보였다. 이러한 결과는 초기 조림목의 생장 특성이 반영되지 않은 기존 바이오매스 추정식을 적용할 경우, 잎과 가지 등 수관 부위에 의한 탄소저장 및 흡수량이 과소평가 될 수 있음을 보여준다. 소나무 초기 조림목의 목질부 탄소저장량은 3.23±0.29 Mg C ha⁻¹로, 연구대상지와 인접한 입지에서 생장한 동일 임령 일본잎갈나무의 목질부 탄소저장량(1.58±0.12 Mg C ha⁻¹)에 비해 약 2배 이상 높은 수치를 보였다(Song et al., 2025). 이는 탄소저장 측면에서 소나무 초기 조림지가 일본잎갈나무에 비해 높은 잠재력을 가질 수 있음을 시사한다. 그러나 향후 지속적인 모니터링을 통해 식생에 의한 탄소흡수량과 토양 미생물호흡에 의한 지하부 탄소배출량을 종합적으로 분석하여 생태계 수준의 순탄소흡수능력을 정량적으로 평가할 필요가 있다.