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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.49 No.1 pp.95-102
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2015.49.1.95

Aboveground Biomass and Adaptability of Four-year-old Poplar in a Riparian Area

Hyun-Chul Kim1, Wi-Young Lee1, Jin-Kie Yeo2, Chang-Young Oh1*
1Dept. of Forest Genetic Resources, Korea Forest Research Institute, Suwon 441-847, Korea
2Dept. of Forestry Industry Support, Korea Forestry Promotion Institute, Seoul 121-914, Korea
Corresponding author : Chang-Young Oh, Tel: +82-31-290-1148, Fax: +82-31-290-1009, chang05@forest.go.kr
November 22, 2014 February 11, 2015 February 16, 2015

Abstract

We estimated the above-ground biomass and the adaptability of four-year-old five poplars in a riparian buffer forest established in the Namhan River in Yang Pyeong, Korea. Average survival rate of poplars was 85.7%. Populus deltoides hybrid clone 'Dorskamp' showed the best survival rate of 91.6%. P. deltoides hybrid clone '97-19' showed the highest above-ground biomass, which was estimated as 54.6 ton/ha at age 4. On the other hand, P. koreana × P. nigra var. italica clone 'Suwon‘ showed the lowest in above-ground biomass. For leaf damage of poplars, the '97-19' seemed to have strong tolerant when compared to the other species. However, 'Suwon’ showed the highest in leaf damage. '97-19' showed the best adaptability, which was estimated with survival rate, biomass, vitality and damages by diseases and insects in riparian area and followed by 'Dorskamp'. As the consequence, the two poplars seemed to be the best candidate poplar species for the establishment of riparian buffer forest.


수변지 4년생 포플러의 지상부 바이오매스 및 적응능력

김 현철1, 이 위영1, 여 진기2, 오 창영1*
1국립산림과학원 산림유전자원부
2한국임업진흥원 산업지원본부

초록

수변완충림으로 조성된 4년생 포플러 5수종들에 대하여 바이오매스 및 적응능력을 조사하였다. 포플 러들의 생존율은 평균 85.7%로 나타났고, 미루나무 교잡종 Dorskamp클론이 91.6%로 가장 우수하였다. 포플러 수종별 지상부 바이오매스는 미루나무 교잡종 97-19클론이 54.6 ton/ha으로 가장 높게 나타났 으며, 수원포플러 Suwon클론은 17.7 ton/ha으로 다른 클론들에 비해 저조하게 나타났다. 식엽충에 의 한 잎 피해는 미루나무 교잡종 97-19클론이 4.7로 나타나 가장 피해가 적었으며, 수원포플러 Suwon클 론이 3.4로 피해가 가장 큰 것으로 나타났다. 생존율, 지상부 바이오매스, 수세 및 피해조사 등의 특성 을 이용하여 산출한 포플러 수종별 수변지에 대한 적응능력은 미루나무 교잡종 97-19클론이 가장 높게 나타났으며, 그 다음으로 Dorskamp클론이 높게 나타났다. 따라서, 미루나무 교잡종 97-19 및 Dorskamp클론이 수변완충림 조성에 적합한 포플러 수종으로 판단된다.


    I.서론

    최근 농업 생산성을 증대시키기 위한 시비처리 로 발생하는 비점오염원이 하천에 유입되고 있으 며, 이와 같은 화학비료 및 토양침식 등으로 유출 되는 질소와 인 등은 수중생태계를 파괴하고 있다 (Carpenter et al., 1998). 이러한 문제점을 해결하 기 위해 수변완충림(riparian buffer forest) 등의 방안이 제시되고 있다. 교목, 관목 및 초본 등을 하천연변을 따라 대상(帶狀)으로 식재한 수변완충 림은 농업지역에서 수계로 유입되는 비점오염원 등을 저감시키며, 생물다양성 및 생물지구화학적 순환(biogeochemical cycling) 등과 같은 생태계 에 중요한 역할을 한다(Osborne & Kovacic, 1993; Lowrance et al., 1997; Schultz et al., 2004; Kuglerova et al., 2014). 수변완충림을 이용하여 수계로 유입되는 비점오염원들을 보다 많이 제거 하기 위해서는 하천환경에 대한 적응능력이 높고 바이오매스 생산능력이 우수한 수종을 이용해야 하는데, 식물체 조직의 오염물질 축적량이 상대적 으로 적더라도 생체량이 많으면 그에 따른 개체당 흡수 총량이 증가하기 때문이다(Edds et al., 1997; Yeo, 2002).

    포플러는 홍수방지(flood-tolerant) 선구수종 (pioneer tree species)으로 하천환경에 대한 빠른 적응력과 줄기는 1년에 3∼5 m, 뿌리는 3~4 m까지 뻗어나갈 정도로 생장이 우수하여 단기간에 영양염 류를 제거시킬 수 있기 때문에 수변완충림의 비점오 염원 저감능력을 향상 시키는데 있어 주로 이용되고 있다(O'Neill & Gordon, 1994; Schultz et al., 1995; Kelly et al., 2007).

    본 연구는 하천연변에 포플러 5수종을 식재한 후 생장을 조사하여 지상부 바이오매스량을 추정 하고 수세 및 병·해충에 대한 피해 등을 조사하 여 하천환경에 대한 적응능력을 구명함으로써 향 후 수변완충림 조성에 적합한 포플러 수종을 선발 함에 있어 기초자료를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

    II.재료 및 방법

    2.1.시험림 조성

    2007년 3월 경기도 양평군 강상면에 위치한 남 한강 수변지에 1년생 삽목묘인 이태리포플러 (Populus euramericana) Eco28클론, 미루나무 교 잡종(Populus deltoides × Populus deltoides) 97-19클론, 미루나무 교잡종(Populus deltoides × Populus nigra) Dorskamp클론, 현사시나무 (Populus alba × Populus glandulosa) 72-31클 론과 수원포플러(Populus koreana × Populus nigra var. italica) Suwon클론 등 포플러 5수종 을 2 m × 2 m 간격으로 식재하였으며, 수종별 1 반복 60본씩 총 3반복 180본 식재를 하였다.

    2.2.수세 및 피해조사

    수변지에 식재한 포플러 클론들의 적응능력을 비교 하기 위해 수세(vitality), 조기낙엽(early defoliation), 잎 피해(leaf damage) 및 줄기천공피해(stem borer damage)를 조사하였다. 수세는 가지 수, 잎의 크 기, 신초지 생장 등 개체목의 전반적인 생육상태와 활력을 판단하여 정도에 따라 3등급으로 구분한 다 음 1~3점까지 점수를 부여하였다. 피해조사는 Ke & Skelly(1989)의 West German System 피해등급 분류 기준을 일부 변형하여 적용하였으며, 조기낙엽 은 수세약화로 인해 비정상적으로 일찍 떨어진 잎의 비율을 정도에 따라 5등급으로 구분하여 1~5점까지 점수를 부여하였다. 병․해충에 의한 잎 피해는 전체 잎 가운데 병․해충에 의해 피해를 받은 잎의 비율을 정도에 따라 5등급으로 구분하여 1~5점까지 점수를 부여하였으며, 줄기천공피해는 줄기에 나타난 천공 충의 상흔 개수를 5등급으로 나누어 1~5점까지 점 수를 부여하였다(Table 1).

    2.3.지상부 바이오매스 추정

    2010년도에 수변지에 식재한 포플러들의 지상부 바이오매스를 추정하기 위해 수고측정기와 윤척을 이용하여 전체 포플러들의 수고와 흉고직경을 조사 하였다. 지상부 바이오매스 추정을 위한 회귀모델을 유도하기 위해 층화임의추출법을 사용하여 수종별로 조사된 흉고직경을 작은 것부터 큰 것까지 6층화(등 급화) 하였으며, 각 층화내 1개의 흉고직경을 임의 표본목(Table 2)으로 선정하였다(Snowdon et al, 2002).

    선정된 표본목을 지표의 높이에서 절단하여 현지 에서 잎, 줄기, 가지의 부위별 전체 생중량을 측정 하였다. 그리고 부위별 일정량의 표본을 3반복으로 채취하여 생중량을 조사한 다음 건조기에서 75℃로 3일 이상 무게변동이 없을 때까지 건조시켜 건중량 을 조사하고, 생중량에 대한 건중량의 비를 구하여 표본목의 전체 생중량에 대한 건중량 값을 추정하였 다. 포플러 클론별로 수확된 표본목의 건중량과 흉 고직경간의 회귀모델을 유도하였으며, 적용된 기본 모델은 식 (1)과 같다.

    y = ax b
    (1)

    여기서 y : parameter (above-ground biomass), x : DBH (diameter at breast height), a and b : parameter estimates이다. 이때 변수 의 자연대수 변환 시 발생하는 편이는 Baskerville (1972)의 모델을 통하여 식 (2)와 같이 수정하였다.

    y = e zi × e MSE / 2
    (2)

    여기서 y’ : bias corrected parameter, zi : log(y), MSE : mean squared error이다. 이렇게 유도된 회귀모델에 전 포플러들의 흉고직경을 대입 하여 각 수종별 지상부 바이오매스를 추정하였다.

    2.4.적응능력 조사

    포플러 수종별 수변지에 대한 적응능력을 평가하 기 위해 생존율, 바이오매스, 수세 및 피해에 대한 특성들을 이용하여 식 (3)과 같이 적응지수를 산출 하였다.

    A = i = 1 n I Ti
    (3)

    A : adaptability, ITi : adaptation index of ith trait 이때 ITi는 식 (4)와 같이 산출할 수 있다.

    I Ti = X i X ¯ × W Ti
    (4)

    W : weight of ith trait, Xi : individual observed value of ith trait, X : mean observed value of ith trait

    적응지수 산출을 위해 개체의 생존율, 바이오매 스, 수세, 조기낙엽, 식엽충, 천공충 피해를 지표로 사용하였으며, 사용된 특성에 대해서는 중요도에 따 라 차등을 두어 가중치를 부여하였다. 식(4)와 같이 먼저, 사용된 특성들을 지수화 시킨 후 수변환경에 견딜 수 있는 지표인 생존율에 40%, 생장에 대한 대표적인 지표인 바이오매스에 대해 40% 그리고 수 세 및 각종 병·해충 피해에 대해 20%(수세 5%, 조 기낙엽 5%, 잎 피해 5%, 줄기천공피해 5%)의 가중 치를 적용하였다.

    2.5.통계분석

    포플러 수종간의 생존율, 바이오매스 및 적응능 력 차이를 분산분석(ANOVA) 및 Duncan's multiple range test를 실시하였다. 또한 Pearson correlation coefficient을 이용하여 바이오매스, 수세 및 피해조 사의 상관관계를 분석하였다.

    III.결과 및 고찰

    3.1.포플러 수종별 생존율

    수변지에서 포플러 수종별 생존율을 조사한 결과, 수종간의 차이는 통계적 유의성이 인정되지 않았으 며(F=1.18; p=0.37), 포플러 수종들의 평균 생존율 은 85.7%로 나타나 비교적 우수하였다(Fig. 1). 미 루나무 교잡종 Dorskamp 클론의 생존율이 91.6%로 가장 우수하였으며, 미루나무 교잡종 97-19클론이 76.1%로 가장 낮게 나타났다. 미루나무 교잡종 Dorskamp 클론의 경우 Yeo et al.(2007)이 경기도 오산천에 수변림을 조성하여 실시한 선행연구에서도 90% 이상의 생존율을 나타내 수변지와 같이 수분함 량이 많고 배수가 잘되는 입지조건에 적합할 것으로 판단된다.

    3.2.포플러 수종별 바이오매스

    표본목의 흉고직경과 지상부 바이오매스에 대하여 식(1)을 통해 유도된 회귀모형의 추정 모수를 Table 3에 나타내었으며, 모든 포플러 클론에서 96% 이상 의 설명력(r2)을 나타내었다. 유도된 회귀모델과 식 (2)의 편이 수정모델을 통해 지상부 바이오매스를 추정하였다.

    흉고직경과 개체 당 바이오매스에 의해 유도된 회 귀모델을 이용하여 수변지 4년생 포플러들의 지상부 바이오매스를 조사한 결과(Fig. 2), 포플러 수종 간 유의적인 차이가 있었다(F=20.6; p<0.05). 수변지 4년생 포플러들의 평균 지상부 바이오매스는 33.1 ton/ha로 나타났으며, 이와 같은 양은 연간 8.2 ton/ha의 biomass를 생산할 수 있는 수치이다. 대 체로 포플러와 같은 속성수의 연간 바이오매스는 10~20톤 정도인 것을 감안할 때(Heilman & Stettler, 1985; Koo et al., 1992; Fortier et al., 2010) 수변지 포플러들의 평균 바이오매스는 높지 않은 것으로 판단된다.

    수변지 4년생 포플러 수종별 지상부 바이오매스는 미루나무 교잡종 97-19클론이 54.6 ton/ha으로 가 장 높게 나타났으며, 미루나무 교잡종 Dorskamp클 론, 이태리포플러 Eco28클론, 현사시나무 72-31클 론은 각각 33.5 ton/ha, 31.2 ton/ha 및 28.5 ton/ha로 나타났다. 수원포플러 Suwon클론은 17.7 ton/ha으로 다른 수종들에 비해 저조하게 나타났다.

    포플러 수종들 중 가장 우수한 바이오매스 생장을 나타낸 미루나무 교잡종 97-19클론의 경우 연간 13.6 ton/ha을 생산할 수 있는 것으로 나타났으며, 미루나무 교잡종 Dorskamp 및 현사시나무 72-31 클론의 경우에는 Yeo et al.(2010)이 경기도 안성천 수변구역에서 직접 수확하여 조사한 지상부 바이오 매스와 유사한 결과를 나타내었다. 본 연구에서 포 플러 수종별 지상부 바이오매스는 미루나무 교잡종 클론>이태리포플러 클론>현사시 클론>수원포플러 클 론 순으로 나타났는데, 이는 미루나무류가 현사시 및 수원포플러보다 초기 생장이 빠르고 수변지의 입 지조건이 미루나무류에 더욱 적합하여 나타난 결과 라 판단된다.

    3.3.수세 및 피해조사

    수변지 포플러들의 수세 및 피해조사 점수를 Table 4에 나타내었다. 포플러 수종들의 평균 수세 점수는 2.7로 나타나 비교적 양호한 편이었으며, 수 종 간 차이는 없는 것으로 나타났다(F=2.40; P= 0.119). 포플러들의 평균 조기낙엽 점수는 4.3으로 수종별 25% 이하의 낙엽율을 나타내었고, 수종 간 차이가 있는 것으로 나타났다(F=22.23; p<0.05). 미루나무 교잡종 Dorskamp클론의 조기낙엽 점수는 4.9로 피해가 가장 적었으며, 이태리포플러 Eco28 클론의 점수는 3.3으로 피해가 가장 크게 나타났다. 이와 같은 결과는 Yeo et al.(2007)의 연구결과와 유사하게 나타났다.

    포플러 수종들의 식엽충에 의한 잎 피해 점수는 평균 4.1로 나타났으며, 수종별 차이가 있는 것으로 나타났다(F=13.34; p<0.05). 식엽충에 의한 피해는 미루나무 교잡종 97-19클론이 4.7로 나타나 가장 피해가 적었으며, 수원포플러 Suwon클론이 3.4로 피해가 가장 큰 것으로 나타났다. 박쥐나방(Phassus excrescens Butler)과 버들바구미(Crptorrhynchus lapathi Linne) 등에 의한 포플러 수종들의 줄기천 공피해는 평균 4.4로 경미하게 나타났으며, 수종별 차이는 없는 것으로 나타났다(F=0.38; p=0.817).

    잎 피해가 적은 포플러인 미루나무 교잡종 97-19 클론은 바이오매스 생장이 가장 우수하였으며, 잎 피해가 가장 큰 수원포플러 Suwon클론은 바이오매 스 생장이 가장 저조하였다. 이에 바이오매스, 수세 및 피해조사에 대한 상관분석을 실시한 결과(Table 5), 바이오매스 생장과 식엽충 피해가 정의상관을 나타내었지만 통계적 유의성은 인정되지 않았다 (r=0.82; p=0.08). 따라서, 본 연구에서 포플러 수 종들의 피해는 생장과 뚜렷한 상관을 나타내지 않아 피해의 정도는 포플러 수종들의 생육에 크게 영향을 미치지 않은 것으로 판단된다.

    3.4.포플러 수종별 적응능력

    포플러들의 수변지에 대한 적응능력은 수종별로 차이가 인정되었으며(F=17.83; p<0.05), 미루나무 교잡종 97-19클론의 적응지수가 1.22로 가장 높게 나타났다. 미루나무 교잡종 97-19클론은 국립산림 과학원 산림유전자원부에서 생장과 병해충 내성에 대해 우수성이 인정되어 선발된 클론으로서, 과거 조림용으로 널리 보급된 이태리포플러 Eco28클론에 비해 적응력이 우수하였다. 그 다음으로 미루나무 교잡종 Dorskamp클론이 1.04로 높게 나타났으며, 수원포플러 Suwon클론이 0.81로 가장 낮게 나타났 다. Yeo et al. (2007)은 이태리포플러 Eco28클론 및 수원포플러 Suwon클론이 현사시나무 72-31클론 보다 적응능력이 높게 나타났다고 보고하였지만, 본 연구에서는 현사시나무 72-31클론이 이태리포플러 Eco28클론과는 적응능력이 비슷하고 수원포플러 Suwon클론 보다는 적응능력이 높게 나타났다. 이와 같은 결과는 이태리포플러 Eco28클론 및 수원포플 러 Suwon클론의 경우, 현사시나무 72-31클론 보다 초기 생장에 있어 잎 피해를 많이 받아 나타난 결과 라 판단된다(Table 4).

    현재까지 나타난 결과들을 볼 때, 수변지역에 적 응능력이 우수한 포플러 수종은 미루나무 교잡종>이 태리포플러=현사시>수원포플러 순으로 나타났다. 하 지만 본 연구의 포플러들은 4년생으로 아직 어리고 왕성한 생장을 하고 있는 중이기 때문에 향후 지속 적인 연구를 통하여 수변지역에 적합한 포플러 수종 을 선발할 필요가 있다.

    Figure

    Survival rate of poplars planted in the riparian area. Bars indicate standard errors

    Above-ground biomass of 4-year-old poplars in the Namhan River riparian area. Same letters are not significantly different at p<0.05. Bars are indicate standard error

    Table

    Categories for vitality, early defoliation, leaf damage and stem borer damage in poplar clones

    *Number of scars by stem borer.

    Growth characteristics of 4-year-old poplars sampled for estimation of above-ground biomass in the Namhan River riparian area

    1)Note : Data are mean ± SD. The values in parenthesis are ranges. DBH is diameter at breast height.

    Parameter estimates of regression equations used for estimating above-ground biomass of the poplar clones

    Note : The equations used were of the form; ln(species; y) = ln(a)+b×ln(regressor variable). The regressor variable in all cases was diameter at breast height. MSE is mean squared error.

    Vitality, defoliation, leaf and stem borer damage of 4-year-old poplars in the Namhan River riparian area

    Note) The values in parenthesis are standard errors. Same letters are not significantly different at p<0.05.

    Correlation between biomass, vitality, early defoliation, leaf damage and stem borer damage

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