가뭄 후 4년간 잣나무조림지와 낙엽활엽수림의 순생태계생산량 변화 차이

Abstract

기후변화로 인한 가뭄과 같은 기상이변의 지역별 변이가 증가하고, 산림생태계의 탄소 순환에 상당한 영향을 미칠 것으로 예상된다. 따라서 가뭄으로 인한 산림생태계의 탄소 순환의 변화와 가뭄 이후 회복에 대한 이해가 중요하다. 특히 우리나라는 봄 가뭄의 발생 빈도가 증가하고 있으며, 봄 가뭄 발생 시 잎의 존재 여부에 따라 가뭄이 산림의 탄소 순환에 미치는 영향이 달라질 수 있다. 본 연구에서는 평년의 53% 수준으로 연강수량이 크게 감소하여 가뭄이 시작된 2014년 이후, 2015년부터 2018년까지 총 4년간 잣나무조림지와 참나무과 수종이 우점하고 있는 낙엽활엽수림에서 순생태계생산량(net ecosystem production, NEP)이 가뭄 강도에 따라 어떻게 변화하고, 가뭄 종료 후 NEP 회복을 나타내는 회복지수(RC NEP)가 두 임분에서 어떻게 달랐는지 확인하였으며, 두 임분 간에 NEP의 차이가 발생하는 원인을 분석하였다. 본 연구는 경기도 태화산 내 50년생 잣나무조림지(Taehwa conifer forest, TCK)와 그로부터 약 300 m 떨어진 낙엽활엽수림(Taehwa deciduous broad-leaved forest, TBK)에서 에디공분산 시스템을 이용하여 수행되었다. 연구대상지에서 SPI(standardized precipitation index)는 2014년 7월 이후 심한 가뭄으로 -2 이하로 감소하였으며, 2015년 4월부터 가뭄의 강도가 서서히 약해져 2016년 10월까지 SPI가 점차 증가하였다. 2016년 11월부터 SPI가 다시 감소하면서 2017년 5월과 6월에 연구 기간(2015-2018년) 중 가장 심한 가뭄으로 SPI가 -2.38까지 감소하였다. 이후 2017년 7월에 평년의 137.7% 수준인 532.3 mm의 많은 비가 내리면서 8월부터는 가뭄이 종료되어 SPI가 정상범위(-0.99≤SPI≤0.99)로 돌아왔다. TCK와 TBK에서 비생장기간인 겨울철을 제외한 연간 NEP는 2015년부터 2016년 사이 각각 539.9 g C m-2 에서 565.4 g C m-2, 636.1 g C m-2에서 756.9 g C m-2로 증가하였으며, SPI와 토양수분함량이 가장 크게 감소하였던 2017년에는 두 임분 모두 NEP가 감소하였다. TBK에서 2017년의 NEP는 737.8 g C m-2로 연평균 SPI가 연구 기간(2015-2018년) 중 가장 낮았던 2015년의 NEP 보다 16.0% 큰 것으로 나타났다. 반면 TCK에서 2017년의 NEP는 2015년의 NEP 보다 10.5% 낮은 483.3 g C m-2를 기록하여 연구 기간(2015-2018년) 중 NEP가 가장 작았다. TBK와 달리 TCK에서 2017년의 NEP가 연구 기간(2015-2018년) 중 가장 작았던 원인 중 하나는 2016년 가을부터 2017년 봄까지 이어지는 가뭄으로 2017년 5월과 6월에 TCK의 토양수분함량이 사양토에서 식물의 위조점을 나타내는 8% 이하로 감소하여 잣나무 임분에서 기공을 닫고 광합성 활동을 크게 줄였기 때문이다. 또한 2016년 10월부터 2017년 4월 사이 엽면적이 크게 감소하는 TBK와 달리 계속해서 잎을 달고 있는 TCK에서는 TBK보다 51.7 mm 더 많은 물을 증발산으로 소비하였으며, 2016년 11월부터 2017년 3월 사이 TCK의 수관 차단에 의해 15.2 mm의 강수가 토양으로 공급되지 않아 2017년 5월과 6월에 TCK에서 토양수분함량이 위조점 이하로 감소하는 데에 영향을 미친 것으로 나타났다. 2017년 7월에 22일간 집중적인 강우로 산림이 이용할 수 있는 빛이 감소하여 광합성이 크게 저해되었으며, TCK에서 대사작용에 필요한 에너지원의 고갈로 이어져 가뭄이 종료된 2017년 8월 이후에도 NEP가 회복되지 못한 것으로 생각된다. TCK와 TBK에서 겨울철을 제외한 2018년의 NEP는 각각 614.6 g C m-2, 949.3 g C m-2로 2015년부터 2018년까지 연구 기간(2015-2018년) 중 NEP가 가장 큰 것으로 나타났다. TBK에서 2018년의 NEP는 다른 해 보다 239.0±64.9 g C m-2(34.4±12.9%) 컸으며, TCK에서는 85.1±42.0 g C m-2(16.6±9.5%) 큰 것으로 나타났다. 이에 따라 2018년의 NEP와 2015년부터 2017년 사이 평균 NEP의 비를 나타내는 RC NEP(NEP recovery index)는 TCK와 TBK에서 각각 1.16±0.10과 1.34±0.13이었으며, 이는 토양수분함량이 높은 곳에서 RC(recovery index)가 높다는 선행 연구 결과와 유사하였다. TCK에서 TBK 보다 RC NEP가 낮았던 원인은 토양수분함량이 상대적으로 높게 유지되었던 TBK와 달리 TCK에서는 극심한 수분 스트레스로 대사작용이 저하되어 가뭄 종료 후 NEP의 회복이 오랜 기간 늦어지는 legacy effect 때문으로 생각된다. 본 연구의 결과는 가뭄 기간 중 수종적 차이에 의해 잣나무조림지에서 낙엽활엽수림 보다 토양수분함량이 크게 감소할 수 있으며, 이로 인해 잣나무조림지에서 극심한 수분 스트레스와 legacy effect로 산림의 NEP가 감소하고, 가뭄 이후 NEP 회복이 늦어질 수 있음을 시사한다. 기후변화로 인한 가뭄 발생으로 산림의 피해가 증가될 것으로 예측되는 가운데, 본 연구 결과를 바탕으로 지속적인 산림관리 방안을 위한 기초자료를 제공할 수 있을 것이다.

As climate change progresses, regional variability in meteorological changes such as drought will increase and is expected to have a significant impact on the carbon cycle of forest ecosystems. Therefore, it is important to understand the change of carbon cycle of forest ecosystem due to drought and recovery after drought. In Republic of Korea, the frequency of spring drought is increasing, and the effect of drought on forest carbon cycle can be changed depending on the presence of leaves during the drought. In this study, we analyzed the differences of net ecosystem production (NEP) change at a Pinus koraiensis plantation and a deciduous broad-leaved forest where Quercus species are dominant over a four-year period from 2015 to 2018 after about 50% annual precipitation decreased in 2014. This study was carried out in 50 year old Taehwa conifer forest (TCK) and nearby Taehwa deciduous broad-leaved forest (TBK). The standardized precipitation index (SPI) at the study site decreased to -2 or less after July 2014, and it gradually increased from March, 2015 to October, 2016. From November, 2016, the SPI declined to the lowest values during May and June 2017. After a heavy rainfall of 523.3 mm (137.7% of the normal level) in July 2017, the SPI has returned to the normal range (-0.99≤SPI≤0.99). The annual NEP excluding non-growing winter season in TCK and TBK increased from 539.9 g C m-2 to 565.4 g C m-2 and from 636.1 g C m-2 to 756.9 g C m-2 respectively between 2015 and 2016. And the NEP decreased in both stands in 2017 when SPI and soil moisture content decreased the most. In TBK, the NEP in 2017 was 737.8 g C m-2, which is 16.0% larger than the NEP in 2015. On the other hand, in TCK, NEP in 2017 was 483.3 g C m-2, 10.5% lower than NEP in 2015, and it was the smallest during the period of study (2015-2018). In TCK, one of the reasons for large reduction in NEP during 2017 is that photosynthesis activity of forest ecosystem decreased along with canopy conductance reduction because the soil moisture content in TCK decreased by 8%, which indicates the plant wilting point under sandy loam soil condition, during May and June, 2017 due to the severe drought from autumn, 2016 to spring, 2017. Furthermore, TCK consumed 51.7 mm more water by evapotranspiration than TBK from October, 2016 to April, 2017, and 15.2 mm of precipitation was not supplied to the soil due to the canopy interception in TCK from November, 2016 to March, 2017, thus it affected large reduction of soil moister content in TCK. In July of 2017, intense rainfall for 22 days resulted in a decrease in light available for photosynthesis and severe inhibition of photosynthesis. Therefore, it seemed to lead to depletion of the energy source needed for metabolism after drought in TCK. The NEP both in TCK and TBK in 2018, excluding winter, were 614.6 g C m-2 and 949.3 g C m-2 respectively, which was the largest during study period from 2015 to 2018. NEP in 2018 was 16.6±9.5% (85.1±42.0 g C m-2) and 34.4±12.9% (239.0±64.9 g C m-2) larger than that of the other years in TCK and TBK, respectively. As a result, the NEP recovery index (RC NEP) was 1.16±0.10 and 1.34±0.13 for TCK and TBK, respectively. The reason why RC NEP for TCK was lower than that of TBK was thought to be due to the legacy effect that the recovery of NEP after drought was delayed for a long time due to the extreme water stress and the decrease of metabolism in TCK unlike the TBK where the soil moisture content remained relatively high. The results of this study show that the soil moisture content in Pinus koraiensis plantation can be decreased significantly more than that of deciduous broad-leaved forest due to the difference of species characteristics during the drought period. Therefore, the NEP of the forest is decreased by the extreme water stress and legacy effect in the Pinus koraienesis plantation, suggesting that recovery may be delayed. The results of this study can be applied to sustainable forest management plan, as drought caused by climate change is predicted to increase the damage of forests.