산불피해강도가 소나무림 산림토양의 열화탄소 생성에 미치는 영향 분석

이 연구는 2022년 영덕 산불피해지와 울진⋅삼척 산불피해지, 2023년 합천 산불피해지와 금산⋅대전 산불피해지의 토양시료를 채취하여 실시하였다(Figure 2). 추가적으로 열화탄소의 체류시간을 추정하기 위해 2005년 양양 산불피해지와 2019년 강릉⋅동해 산불피해지에서 토양교란이 발생하지 않은 미벌채지를 대상으로 토양시료를 채취하였다.

Figure 2. Locations of forest fire-affected areas in the study (OK: Okgye, YY: Yangyang, UJ: Uljin, YD: Yeongdeok, DJ: Daejeon, HC: Hapcheon).

Download Original Figure

연구대상지는 국립산림과학원에서 식생피해를 기준으로 분류한 산불피해지도를 적용하여 산불피해 정도를 구분하였다(Table 1).

또한, 사면 경사에 따라 산불 후 연소잔여물의 생성량과 토양과 유기탄소의 이동이 달라지기 때문에, ⸢산림자원의 조성 및 관리에 관한 법률⸥의 “공⋅사유림 경영계획 작성 및 운용요령”에 따라 연구대상지를 급경사(>25°), 중경사(15-25°), 완경사(<15°)로 각각 구분하였다.

2022 영덕 산불피해지(2022-YD)는 총 405 ha 면적이 산불 피해를 입었으며, 주요 수종은 3-4영급 소나무림(Pinus densiflora)이었다(Figure 3). 2022 울진⋅삼척 산불피해지(2022-UJ)는 총 16,301 ha의 산림이 산불로 인해 피해를 받았으며(KFS, 2022), 4-5영급 소나무와 일부 참나무류가 분포하였다. 2023 합천 산불피해지(2023-HC)는 약 179 ha의 산림이 연소되었으며, 4-5영급의 소나무가 주로 분포하였고, 2023 금산⋅대전 산불피해지(2023-DJ)는 총 889 ha의 산림이 연소되었으며, 주요 수종은 3-4영급의 소나무이었다. 토양의 4개 산불피해지에서 모두 Inceptisol로 분류되었다.

Figure 3. (a) Crown-fuel Consumption forest, (b) Surface-fuel Consumption forest. Both photos were taken immediate after the 2022-YD fire.

Download Original Figure

산불피해지에서의 열화탄소 분석을 위해 연소잔여물과 토양시료를 각 연구대상지에서 채취하였다. 시료 채취를 위해 20 cm×20 cm 크기의 사각형 모서리와 중심부의 총 5 지점에서 연소잔여물의 두께를 측정한 후, 연소잔여물을 시료 상자에 채취하였다. 채취한 연소잔여물은 실험실에서 105°C에서 24시간 오븐 건조 후, 수분함량과 건조 중량을 측정하였다. 총유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)는 서울대학교 농생명과학공동기기원(National Instrumentation Center for Environment Management, NICEM)에 의뢰하여 분석하였으며, 동일한 시료를 이용하여 열화탄소 함량을 분석하였다.

토양 채집을 위해 연소잔여물을 채집한 지점의 O층 토양을 제거하고 토양 깊이 5 cm와 15 cm 지점에서 토양캔(100 ml)과 채토기를 사용하여 미교란 시료를 채취하였으며, 열화탄소 분석을 위한 교란 시료도 추가로 현장 채취하였다.

열화탄소 분석은 Wiedemeier(2014)가 제안한 고성능액체크로마토그래피(High Performance Liquid Chromatography, HPLC) 분석 방법을 활용하였으며, BPCA법을 활용하여 분석물질 내 각 BPCA분자의 비율과 양을 분석하고, BPCA 분자들의 비율에 따른 연소잔여물의 형성 온도를 추정하였다. 이때 연소잔여물과 같이 유기탄소의 함량이 높은 물질을 대상으로 산분해 하면 B3CA와 B4CA가 형성될 수 있기 때문에, 고분자의 함량만을 활용하여 열화탄소를 정량적으로 분석하였다. 모든 전처리 과정이 동일하지는 않지만, 분석의 목적물질이 동일하기 때문에 가장 최근에 제시된 Bostick et al.(2018)이 제안한 조정계수를 이용하여 BPCA 분자에 포함된 열화탄소의 함량을 계산하였다(식 1)(Kappenberg et al., 2016; Bostick et al., 2018; Goranov et al., 2024). 한편 이 연구에서는 총 탄소는 분석하지 않아 총유기탄소 함량을 이용하여 열화탄소 함량을 계산하였다.

연소잔여물과 토양의 열화탄소는 B3CA, B4CA만 존재하면 열화탄소가 없는 경우(0)로, BPCA가 전혀 검출되지 않은 경우 ND(No Data)로 표현하였다. 연구대상지의 산불피해도, 지형경사, 산불 후 경과시간에 대하여 각각 현장 채취한 6개의 연소잔여물에 대해 열화탄소를 분석하였으며, 토양은 0-10 cm (5 cm 채취) 3개 시료에 대해 열화탄소를 분석하였다.

BPCA법에 따른 열화탄소 분석 절차는 크게 질산 분해, 양이온 제거, 비극성 화합물 제거, 크로마토그래피 분석으로 나뉜다. 첫 번째로, 질산 분해를 위해 분석용 연소잔여물과 토양을 모두 2 mm 토양체로 거름하여 막자사발로 분쇄한 후, 1000 mg의 토양시료를 압력분해장치(Ecopre, OdLlab社) 테프론 용기에 담아, 65% 질산 용액 2 ml 투입 후 170°C에서 8시간 동안 순환 분해를 진행하였다. 이후 분해된 용액을 045 μm의 syringe filter로 여과 후 3차 증류수를 25 ml까지 투입한 후 냉장보관하였다. 이후, 양이온 제거를 위해 유리칼럼(직경 15 mm, 높이 400 mm)에 양이온 치환 레진(Dowex Mac-3 (H+) Cation Exchange Resion, Aldrich社)을 11 g 투입하였다. 투입 후, 3차 증류수 2회, 2M-NaOH 용액 1회, 3차 증류수 2회, 2M-HCL 1회, 마지막으로 3차 증류수 2회를 통과시켜 세척 하였다. 세척 후, 3차 증류수를 통과시켜 전기전도기(Thermo scientific사)를 이용하여 용액의 전기전도도가 2 μS/cm 미만으로 감소할 때까지 3차 증류수로 세척하였다. 전기전도도 확인 후, 준비된 시료를 양이온 치환 레진이 담긴 유리칼럼에 통과시킨 후, 통과된 용액에 3차 증류수를 50 ml까지 투입하여 동결 건조를 진행하였다. 이 과정에서 준비된 시료는 약 일주일동안 냉장 보관이 가능하다. 세 번째로, 비극성 화합물 제거를 위해 2.5 ml 메탄올과 5 ml 증류수를 1:1로 혼합하여, C18 고체상 추출 카트리지(Empore C18-SD, Merck社)를 세척 후, 메탄올-증류수 혼합액을 이용하여 동결 건조된 시료를 용해시킨 후 카트리지에 투입하였다. 이 후, 질소가스 농축기로 45°C에서 50mbar의 압력으로 농축 후, 증류수 1 ml를 투입하여 냉장 보관 하였다. 마지막으로, 크로마토그래피 분석을 위해 85% 인산 20 ml와 3차 증류수 980 ml 혼합 용액을 제조한 후, 진공상태로 유리섬유필터 통과시켜 용매 A를 준비하였고, 고순도 아세토나이트릴용액을 용매 B로 준비하였다(Figure 4). 표준 농도 계산을 위해 각 BPCA 표준물질(Table 2)로 5, 10, 20, 50, 100, 200 μg/ml 용액을 제조한 후 Table 3과 같이 크로마토그래피 분석을 진행하였다. 비극성 화합물 제거와 크로마토그래피 분석은 농생명과학공동기기원에 분석의뢰를 하여 진행하였다.

Figure 4. Preprocessing procedure for PyC analysis using BPCA method.

Download Original Figure

Table 4와 Figure 5는 연소잔여물의 산불피해도별 생성량과 탄소함량 BPCA 분자 구성을 나타낸다. 토양과 연소잔여물의 유기탄소와 물리적 특성, BPCA 구성에 대하여 K-W 분석을 수행하였다. 연소잔여물층 두께는 경피해지가 19.3 mm로 중피해지 6.6 mm, 심피해지 8.4 mm에 비해 가장 두꺼웠다. 단위면적당 연소잔여물층의 생성량은 중, 심, 경피해지 순으로 많았지만, 조사 지역별 편차가 크게 나타나 통계적으로 유의미한 차이가 없었다(p>0.05). 단위면적당 연소잔여물층에 존재하는 유기탄소량은 심, 중, 경피해지 각각 2.1±1.9. 1.4±1.0, 1.1±1.2 MgC/ha로 심피해지가 가장 많았지만, 통계적으로 유의미한 차이는 없었다(p>0.05).

Figure 5. Relative contribution of BPCA molecules and PYC content based on burn severity.

Download Original Figure

열화탄소 함량은 심, 중, 미피해지 순으로 적었으며, 단위면적당 연소잔여물의 열화탄소 함량도 심, 중, 미피해지 순으로 감소했지만 통계적인 차이는 나타나지 않았다(p>0.05). 총유기탄소 중 열화탄소가 차지하는 비율의 평균은 심피해지 16.5%, 중피해지 21.8%, 미피해지 2.4%로, 중피해지가 가장 높고 경피해지에서 가장 낮았다(Table 4). BPCA분자 중 열화탄소에 해당하는 B5CA+B6CA는 심피해지는 26.7±24.4%, 중피해지 41.7±32.6%, 경피해지 8.3±6.9%로 심피해지와 중피해지에서 높게 나타났지만 통계적으로 유의미한 차이는 없었다(p>0.05).

경피해지는 다른 지역에 비해 연소잔여물층이 가장 두껍게 형성됐지만, 열화탄소의 함량이 적고 유기탄소의 함량이 많아 산불의 강도가 가장 약했음을 알 수 있다. 심피해지와 중피해지의 연소잔여물층은 두께가 얇고, 열화탄소의 함량과 B5CA+B6CA의 비율이 높아 경피해지보다는 강한 피해를 입었음을 추정할 수 있다. 연소잔여물층의 두께도 심피해지가 중피해지보다 두껍고, 총유기탄소의 함량이 많고 PyC/TOC가 중피해지보다 낮기 때문에 중피해지에 비해 연소 강도가 약하다고 판단할 수 있지만, 열화탄소의 함량은 중피해지보다 많았다(Schneider et al., 2010; Bird et al., 2015; Wiedemeier et al., 2015; Abney et al., 2019a). 그러나 동일한 산불피해도 일지라도 산불강도와 지속시간, 진행속도 현장의 연료량과 지형, 경사, 고도 등에 따라 연소잔여물과 열화탄소의 특성이 달라지게 된다(Bird et al., 2015; Santín et al., 2015, 2016; Abney and Berhe, 2018; Miesel et al., 2018; DeLuca et al., 2020).

또한 산불이 진화된 후 연소잔여물은 곧바로 바람과 강우에 의해 이동하기 때문에, 산불 진화 후 조사까지의 시간에 따른 표본 채집의 오류가 발생할 수 있다(Pereira et al., 2012; 2013; 2015; 2019; Miesel et al., 2018; DeLuca et al., 2020). 특히 연소잔여물은 산불 직후 바람침식에 가장 취약하므로, 이 연구는 산불 진화 후 최대한 빠른 시일내에 연소잔여물층 조사를 수행하였다. 합천 산불피해지는 진화 2일 후 첫 강우가 내렸고, 영덕은 진화 4일 후 현장 조사시까지 강우가 내리지 않았다. 이때 산불 진화 후부터 조사 전까지 합천의 시간별 풍속은 평균 1.1±1.1 m/s, 최대 4.6 m/s를 기록하였으며, 영덕은 평균 4.2±2.4 m/s, 최대 9.6 m/s를 기록하였다. 이에 따라 합천과 영덕 산불피해지는 진화 후 곧바로 바람에 노출되어 유역 외부로 연소잔여물이 유실됐을 가능성이 존재한다.

한편, 울진과 대전 산불피해지는 진화와 동시에 비가 내렸으며, 울진 산불피해지는 진화 후 누적강우량 30.8, 22.9 mm의 강우가 내렸고, 대전 산불피해지는 누적강우량 30.6, 13.2 mm 등 총 4회의 강우사상에 노출되었다. 산불피해지에 강우가 발생하면 빗방울이 연소잔여물층을 직접 타격함에 따라 토양 속으로 침투하며, 강한 강도에서 형성된 연소잔여물은 입자가 작기 때문에 토양 내로 침투 및 침투흐름에 의해 용탈된다(Onda et al., 2008; Woods and Balfour, 2010; Stoof et al., 2015). 따라서 산불 진화 후 조사가 된 연소잔여물은 일부분이 사라지거나 혼합되기 때문에 연소잔여물의 탄소, BPCA의 분자비율 등을 활용하여 연소잔여물의 생성온도와 산불의 피해정도를 추정하는 것에는 한계가 있다.

Table 5는 연소잔여물층 두께 조사일자별 연소잔여물의 축적량과 유기탄소 및 열화탄소의 축적량을 나타낸다. 연소잔여물의 유기탄소와 물리적 특성은 첫 조사시에만 조사를 수행하였으며, 두께 변화만을 고려하여 연소잔여물과 총유기탄소, 열화탄소의 축적량을 추정하였다. 첫 조사 시 연소잔여물의 축적량은 12.6 Mg/ha로, 연소잔여물층의 두께 분포가 유사한 Gorforth et al.,(2005)을 제외하고 다른 선행연구에 비해서 낮게 나타났다(Cerdà and Doerr, 2008; Woods and Balfour, 2010; Santín et al., 2012). 진화 17일 후부터 시간에 따라 연소잔여물층의 두께가 감소하여 연소잔여물과 총유기탄소, 열화탄소의 축적량이 감소하였다. 조사 시작 30일 후 총유기탄소 축적량은 3.49 MgC/ha에서 0.41 MgC/ha로 약 3.08 MgC/ha가 유실됨에 따라 88.2% 감소하였으며, 열화탄소는 0.82 MgC/ha에서 0.10 MgC/ha로 0.62 MgC/ha가 유실됨에 따라 87.8% 감소함을 확인하였다.

Table 6은 산불 후 첫 조사에서 채집한 0-10 cm 토양의 유기탄소와 열화탄소의 함량을 나타낸다. 모든 대상지의 미피해지에서는 BPCA가 검출되지 않았으며, 산불피해지에서는 영덕의 경피해지와 합천 중피해지의 일부 시료에서 BPCA가 검출되지 않았다. 울진 심피해지의 급경사지와 합천 심피해지와 중피해지의 급경사지, 대전 심피해지의 중경사지를 제외하고는 산불피해지 토양에서는 BPCA가 검출되었지만 B6CA와 B5CA는 검출되지 않았다.

한편, 산불 직후 첫 조사에서 영덕을 제외한 산불피해지에서 열화탄소가 검출되었는데(Table 7), 영덕을 제외하곤 산불피해지 조사 전에 강우사상이 발생하여 열화탄소가 토양 속으로 수직 이동한 것으로 추정된다(Rumpel et al., 2015; Santín et al., 2016; Abney et al., 2017; Abney et al., 2019b). 연소잔여물은 높은 온도에서 연소될수록 입자의 크기가 작아지고 표면의 극성이 사라진다(Zimmerman, 2010; Wang et al., 2023; Brewer et al., 2014; Rumpel et al., 2015; Abney and Berhe, 2018). 이때 공극이 발달한 토양은 선택류(Preferential flow)가 발달하기 때문에 작은 입자의 연소잔여물이 침투할 가능성이 증가한다(Rumpel et al., 2015; Abney et al., 2019b). 열화탄소가 검출된 심피해지는 모두 사질양토로 분류됐으며, 첫 조사 이전에 강우사상이 발생하였다. 이에 따라 강우에 의해 열화탄소가 토양 속으로 침투하여 0-10 cm 깊이의 토양에서 검출된 것으로 판단된다.

산불 후 12개월과 24개월의 각 지역별 산불피해도와 경사, 경과 개월에 따른 유기탄소 함량와 열화탄소의 함량은 Table 8과 같다. 산불 직후보다 많은 곳에서 열화탄소가 검출되었으며, 산불 후 12개월에는 합천의 심피해 급경사지를 제외하고 모든 지역에서 열화탄소가 검출됐다. 열화탄소가 검출된 토양을 대상으로 산불피해도에 따른 열화탄소의 함량을 분석한 결과, 심피해지의 B6CA+B5CA의 비율은 평균 73.4±28.2%였으며, 중피해지는 60.8±13.3%, 경피해지는 72.5±30.3%로 나타났다. PyC/Soil은 심피해지는 6.70±6.63 gC/kg, 중피해지는 18.56±9.98 gC/kg, 경피해지는 2.84±2.64 gC/kg으로 조사됐다. PyC/TOC는 심피해지 0.37±0.32, 중피해지는 0.48±0.12, 경피해지는 0.21±0.29로 나타났다.

영덕과 울진 산불피해지의 24개월 후 산불피해도에 따른 열화탄소의 분석 결과, B6CA+B5CA의 비율은 심피해지는 67.3±46.2%, 경피해지는 100.0±0.0%로 나타났다. PyC/Soil은 심피해지는 3.6±1.5 mgC/g, 경피해지는 3.3±0.7 mgC/g 의 값을 나타냈으며, PyC/TOC의 비율은 심피해지는 0.15±0.07, 경피해지는 0.23±0.06의 값을 나타냈다.

또한 산불피해지 토양 속 열화탄소의 장기간 체류시간을 확인하기 위해 2005 양양 산불피해지와 2019 강릉⋅동해 산불피해지의 미벌채지를 대상으로 열화탄소를 동일한 방법으로 추가 분석한 결과, 열화탄소가 토양 속에 존재함을 확인하였으며, 다른 피해지와 비교하였을 때 열화탄소의 함량에는 차이가 없었다(Table 9).

Major et al.(2010)에 따르면 열화탄소는 용탈 과정에 의해 토양 속으로 침투하며, 토양 미생물의 호흡에 의해 무기화되어 사라진다. Abney et al.(2019b)는 연소잔여물의 생성온도가 토양 미생물의 호흡량에 미치는 영향에 대하여 분석하였는데, 200°C보다 500°C에서 형성된 연소잔여물이 존재하는 토양은 미생물에 의한 호흡량이 적었다. 이를 통해 고온에서 방향족 축합이 진행될수록 연소잔여물과 그 안을 구성하는 열화탄소의 생분해가 억제됨을 확인하였으며, 연소잔여물이 토양에 침투한 후 전체 BPCA 중 B3CA, B4CA는 미생물에 의해 분해되어 B5CA, B6CA의 비율이 증가하였음을 추정할 수 있다.

본 연구에서는 산불 직후보다 1년 후에 많은 시료에서 열화탄소가 검출되었으며, B5CA+B6CA의 비율과 PyC/TOC의 비율이 증가하였다. 이를 통해 산불에 의해 형성된 열화탄소가

시간에 따라 토양 속으로 침투하여 그 비율이 증가하였음을 확인하였다(Rumpel et al., 2015; Santín et al., 2016; Abney et al., 2017; Abney et al., 2019b). 또한 2년 후 응급복구조림이 진행된 심피해지에서도 열화탄소가 검출되었는데, 벌채ㆍ조림 과정에서 토양 상하부가 혼합됨에 따라 토양 속에 열화탄소가 저장된 것으로 판단된다(Santín et al., 2016; Rumpel et al., 2015).