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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.49 No.6 pp.27-35
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2015.49.6.27

Physicochemical Properties of Organic and Soil Horizons in Restoration Area following Forest Landslide by Creeping Soils

Choonsig Kim1*, Jae-Hyun Park1, Hyun Seo Cho1, Ho-Seop Ma2, Kwang-Soo Lee3
1Dept. of Forest Resources, Gyeongnam National University of Science and Technology, Jinju 52725, Korea
2Dept. of Forest Environmental Resources, Gyeongsang National University(IALS), Jinju 52828, Korea
3Southern Forest Resource Research Center, Jinju 52817, Korea
Corresponding author: Choonsig Kim Tel: +82-55-751-3247 Fax: +82-55-751-3241 ckim@gntech.ac.kr
July 8, 2015 November 7, 2015 December 1, 2015

Abstract

This study was performed to examine physicochemical properties of organic and soil horizons in restoration area following 8 years from forest landslide by creeping soils in Naesamri, Gimhae-si. Dry weigh and carbon concentration of the organic horizon were significantly lower in the restoration area(dry weight: 7690kg/ha; carbon: 34.08%) than in the adjacent forest area(dry weight: 15360kg/ha; carbon: 45.21%). However, the concentrations of nitrogen(N), phosphorus(P), potassium(K), calcium(Ca), magnesium(Mg), cupper(Cu), manganese(Mn) and zinc(Zn) were significantly higher in the restoration area than in the adjacent forest area. Soil bulk density, sand content and soil pH in soil horizons were significantly higher in the restoration area than in the adjacent forest area. However, the element stocks such as N, P, K, and Mg were not significantly different between the restoration area and the adjacent forest area. The results indicate that soil physical property in restoration area from forest landslide was worsen by increased soil bulk density and sand content compared with adjacent forest area.


땅밀림 산사태 복원지내 유기물층 및 토양층의 이화학적 특성

김 춘식1*, 박 재현1, 조 현서1, 마 호섭2, 이 광수3
1경남과학기술대학교 산림자원학과
2경상대학교 산림환경자원학과(농업생명과학연구원)
3국립산림과학원 남부산림자원연구소

초록

경상남도 김해시 주촌면 내삼리 땅밀림 산사태 피해지를 대상으로 복원 8년 후 훼손복원지와 인접 산 림지의 유기물층 및 토양층의 이화학적 특성을 조사한 결과 유기물층의 건중량 및 탄소함량은 훼손복원 지 7690kg/ha와 34.08%, 인접 산림지 15360kg/ha와 45.21%로 훼손복원지가 유의적으로(p<0.05) 낮 게 나타났다. 또한 훼손복원지내 유기물층의 질소(N), 인(P), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 구리 (Cu), 망간(Mn), 아연(Zn)함량은 인접 산림지에 비해 유의적으로 높았으나, 알루미늄(Al) 함량은 훼손 복원지와 인접 산림지 간 유의적인 차이가 없었다. 토양층의 경우 토양용적밀도는 훼손복원지 1.31g/cm3, 인접 산림지 0.88g/cm3, 모래함량은 훼손복원지 75%, 인접 산림지 38%, 토양 pH는 훼손 복원지 pH 5.93, 인접 산림지 pH 3.96으로 훼손복원지가 유의적으로 높게 나타났다. 그러나 탄소, 질 소, 칼륨, 마그네슘저장량은 훼손복원지와 인접 산림간 유의적인 차가 없었다. 본 연구결과에 따르면 훼손복원지는 토양 용적밀도나 모래함량이 인접산림지에 비해 증가하여 토양물리적 성질이 악화되는 것 으로 나타났다.


    Korea Forest Servicehttp://dx.doi.org/10.13039/501100003664$$S211212L030320

    서론

    최근 지구환경변화에 따른 기상 이변으로 산사태 와 토석류에 의한 산림재해가 국내·외적으로 증가 하고 있다(Park et al., 2003a; Park et al., 2005; Walker et al., 2009; Chen et al., 2014). 국내에 서 조사된 산사태 발생 현황의 경우 1980년대는 연 평균 231ha였으나 1990년대는 349ha, 2000년 이후 는 713ha(Korea Forest Services, 2013)로 급증하 고 있으며, 이들이 주로 생활권역에서 발생함으로써 낙석 및 토석류 등에 의한 인명 및 재산에 막대한 피해가 초래되고 있다. 산사태 발생은 표토층 및 심 토층의 광물질 토양이 제거됨에 따라 토양 모재 및 기암이 노출되고 토양 침식 위험도 증가 및 사면 안 정성이 감소되게 된다(Chen et al., 2014). 또한 산 사태 발생 후 식생이 안정되기까지 상당기간동안 낙 엽낙지에 의한 정상적인 양분순환이 이루어지지 않 고 표토층 제거에 따른 토양비옥도 손실에 따라 복 원을 위한 식재 및 침입수종의 생육에 상당한 영향 을 미치는 것으로 알려져 있다(Walker et al., 2009).

    산사태 발생지의 경우 토양침식, 붕괴 위험도 감 소 및 지표면의 사면 안정화를 위해 콘크리트 격자 틀 붙이기나 앵커박기 등과 같은 다양한 녹화공법 및 사면 안정화를 위한(Burri et al., 2009) 인공복 원이 실시되고 있다(Lee & Yoo, 2009). 그러나 복 원지역의 유기물층 및 토양층의 이화학적 특성에 대 한 정보가 미흡하여 생태계 식생 관리 및 복원을 위 한 효과적인 기술 개발이 어려운 실정이다.

    땅밀림 산사태는 사면경사 25~35°의 집수면을 따라, 토양 배수가 불량하거나, 보수력이 높고 토양 비옥도가 낮은 지역에서 발생율이 높았다(Park et al., 2003a; Park et al., 2005). 국내에서는 충북 단양군 영춘면 상리(Woo et al., 1996), 경남 김해 시 주촌면 내삼리(Park et al. 2003a), 김해시 상동 면 매리(Park et al., 2005)등에서 발생한 바 있는 땅밀림 산사태의 경우 이동 토괴가 크고 속도가 느 린 특징을 가지고 있었다. 그러나 국내에서 수행된 땅밀림 산사태관련 연구는 발생 원인에 대한 연구 (Woo et al., 1996; Park et al., 2003a; Park et al., 2005)가 대부분으로 산사태 발생지의 복원 후 입지환경 변화에 관한 정보는 미흡한 편이다. 본 연 구는 땅밀림 산사태가 발생한 후 인공복원이 실시된 경상남도 김해시 주촌면 내삼리를 대상으로 훼손복 원지와 인접 산림지역의 유기물층 및 토양층의 이화 학적 특성 차이를 비교하여 식생 복원과 수목 활력 도 증진을 위한 토양관리의 기초 자료 제공을 목적 으로 실시하였다.

    재료 및 방법

    1.조사지 개황

    조사구로 선정된 김해시 주촌면 내삼리 산 163번 지 일원은 내삼농공단지 후사면으로 2002년 8월 10 일 땅밀림형 산사태가 발생하였으며, 피해면적은 직 접적으로 붕괴가 발생한 약 3.1ha를 중심으로 60만 ~70만톤의 토사가 발생한 대규모 산림재해 지역이 다(Fig. 1). 이들 지역은 연속강우량 350mm 이상의 집중호우가 산사태 발생 주요 원인으로 분석 된 (Park et al., 2003a) 바 있다. 산사태 발생 인접지 역의 산림토양은 안산암 및 화강암을 모재로 하는 갈색건조 산림토양형(B1)이 분포하고 있으나 토양층 위 발달이 빈약하고, 토양 견밀도가 높아 토양 물리 적 상태는 열악하였다. 산사태 피해지는 2003~ 2004년에 사면 안정화를 위한 코팅와이어와 콘크리 트 인공구조물 및 앵커박기 등 사면안정공법이 실시 되었으며, 식생은 스프레이 공법으로 큰낭아초를 파 종하여 2012년 조사당시 지표면은 완전히 피복되어 있었다(Fig. 1).

    2.연구방법

    현지 조사는 산사태 복구 8년 후인 2012년 10월 16일 실시하였으며, 훼손복원지에 파종되었던 큰낭 아초의 경우 근원경 3cm이내, 수고 2~3m 정도의 양호한 생육상태를 보였다(Fig. 1). 산사태 발생지에 인접한 미피해 산림지역의 경우 곰솔, 소나무, 리기 다소나무 등의 상층임관아래 참나무류, 비목, 호랑 가시나무 군락 등이 분포하였다. 산림지역은 4영급 의 자연 상태로 생육한 소나무가 우점종으로 임분밀 도는 2,000~2,400본/ha, 흉고직경 13.4~17.6cm, 수고 6.3~9.1m로 산림생산력은 낮은 편이었다.

    현지 조사는 훼손복원지 3개소와 인접 미피해지 3개소를 대상으로 입지환경요인과 유기물층 및 토양 특성 분석을 위한 조사구를 선정하고(Fig. 1), 유기 물층의 경우 수집면적 200cm2 크기의 스틸 원형샘 플러를 이용하여 조사구 내 임의의 3지점을 선정한 후 광물질 토층 상단부까지 채취하여 지퍼 백에 밀 봉한 후 실험실로 운반하였다. 토양의 물리적 특성 중 토양 용적밀도 및 삼상은 토심 10cm 부위 토양 을 100cm3 스테인레스 캔으로 채취하고, 테이프로 밀봉한 후, 실험실에서 생중량을 측정하고 105°C 건 조기에서 항량에 도달한 측정치로부터 계산하였다. 토양의 화학적 특성 분석을 위한 시료는 토양 채취 기(Oakfield soil core sampler, USA)를 사용하여 조사구 내 임의로 선정한 3지점에서 깊이 10cm까지 채취하였으며, 채취된 시료는 지퍼백 비닐봉지에 밀 봉하여 실험실로 운반하고 음건하였다. 건조된 토양 시료는 2mm 체를 이용하여 토양의 이화학적 특성 분석용 시료를 조제하였다. 토양의 물리적 특성 중 토양 입경 분포는 비중계법을 이용하였으며, 토양 pH메타(istec 735-p, Korea)로 토양 pH를 측정하 였다. 유기물층 및 토양층 내 유기탄소 및 전질소 함량은 원소분석기(Thermo Flash 2000, USA)를 이용하였고, 유기물층 및 토양층 내 원소함량은 ICP(Perkin Elmer Optima 5300, USA)로 분석하 였다. 유기물층의 원소 저장량은 유기물층의 건중량 과 원소함량을 이용하여 환산하였고, 토양층 내 저 장된 원소 저장량은 원소함량에 토양용적밀도와 석 력함량을 이용하여 계산하였다. 분석된 자료는 훼손 복원지와 인접산림지의 유기물층 및 토양특성의 이 화학적 특성 차이를 t-test를 이용하여(SAS, 2003) P<0.05 유의 수준에서 비교하였다.

    결과 및 고찰

    1.유기물층의 특성

    유기물층의 건중량은 훼손복원지 7,690kg/ha, 인 접 산림지 15,360kg/ha로 훼손복원지의 유기물층 건중량이 유의적으로 낮게 나타났다(Table 1). 훼손 복원지의 유기물층 건중량이 낮게 나타난 것은 아직 까지 임분의 구성 상태가 큰낭아초 같은 소형관목이 우점하는 유령림으로 상층임관으로부터 유입되는 낙 엽낙지량이 인접 산림지에 비해 적기때문으로 사료 된다. 또한 질소고정식물의 낙엽활엽수로서 큰낭아 초의 낙엽낙지로 구성된 유기물층의 질소함량은 1.70%로 소나무류 낙엽이 주로 분포하는 인접 산림 지의 유기물층 질소함량 1.28%에 비해 높아(Table 1), 유기물층 내 낙엽분해가 급속하게 진행되었을 가능성이 있다. 또한 훼손복원지의 경우 땅밀림 산 사태 발생동안 유실된 유기물층이 복원 후 8년 이상 이 경과하더라도 인접 산림지의 수준으로 건중량이 회복되지 않았음을 시사한다.

    유기물층의 다량 및 미량 원소와 식물 유해 금속 함량을 조사한 결과(Table 1) 유기탄소 함량의 경우 훼손복원지가 34.08%로 인접 산림지 45.21%에 비 해 낮은 함량을 보인 반면 질소, 인, 칼륨, 칼슘, 마 그네슘 같은 식물생육 필수 원소는 훼손복원지가 인 접 산림지에 비해 유의적으로 높았다. 훼손복원지의 유기물층 내 낮은 탄소함량은 상층 식생의 차이로 인한 낙엽낙지같은 기질(substrate quality)의 차이 보다는 훼손복원지의 경우 유기물층의 발달이 8년 이내 단기간으로 층위 발달이 빈약하여 광물질 토양 이 유기물층에 혼합되었기 때문으로 사료된다. 유기 탄소함량과는 대조적으로 질소, 인, 칼륨, 칼슘, 마 그네슘 같은 식물생육 다량 원소의 경우 훼손복원지 가 인접 산림지에 비해 유의적으로 높은 함량을 보 였는데, 이는 훼손복원지의 경우 질소고정 식물로 양분 재순환이 빠르게 진행되는(Polster & Bio, 1997; Walker & Roger, 2008; Walker et al., 2009) 큰낭아초의 낙엽낙지가 주요한 구성성분인 반면에 인접 산림지는 소나무 낙엽낙지로 구성되어 양분함량이 낮게 나타난 것으로 사료된다. 식물생육 미량 영양 원소인 구리, 철, 망간, 아연 등도 훼손 복원지가 인접 산림지에 비해 높게 나타났으나, 식 물 생육 유해 금속성 원소인 알루미늄 등은 훼손복 원지와 인접 산림지 간 유의적인 차가 없었다.

    유기물층 내 탄소저장량의 경우 훼손복원지는 인 접 산림지에 비해 유의적으로 낮은 저장량을 보였으 며(Table 2), 이는 탄소함량의 차이보다는 유기물층 의 건중량 차가 주요한 원인으로 사료된다. 그러나 유기물층의 건중량에 상당한 차이에도 불구하고 질 소, 인, 칼륨, 칼슘 등과 같은 식물 생육 다량 영양 원소의 경우 훼손복원지와 인접 산림지 사이에 유의 적인 차가 없었으며, 이는 큰낭아초의 낙엽낙지로 구성되는 기질의 원소함량 차가 유기물층의 양분저 장량에 기여하기 때문으로 사료된다.

    2.토양의 물리적 특성

    토양 물리적 특성 중 토양용적밀도의 경우 인접 산림지 0.88g/cm3, 훼손복원지 1.31g/cm3로 훼손복 원지가 유의적으로 높았다(Table 3). 훼손복원지의 토양 용적밀도 증가는 산사태 발생 시 표토층 유실 에 의한 심토층 및 토양모재의 노출, 산사태 피해지 의 임내 정리와 사면안정공법의 작업과정 동안 발생 하는 답압 같은 인위적인 교란 등이 원인으로사료된 다. 훼손복원지의 높은 토양 용적밀도는 토양 내 강 우 침투(water infiltration) 불량과 지표 유거수 (surface runoff) 증가, 식생 근계의 토양 침투(soil penetration of roots) 불량 등이 발생할 수 있다 (Schoenholtz et al., 2000; Scharenbroch & Catania, 2012).

    토양 액상 비율의 경우 훼손복원지는 6.17%로 인 접 산림지 21.23%에 비해 낮았으며, 이는 훼손 복원 지의 경우 토양수분 흡착과 밀접한 관련이 점토와 유기물 함량이 인접 산림지역에 비해 낮고(Table 3), 광물질 토양층의 증발에 의한 수분손실과 밀접한 관 련이 있는 유기물층 발달이나 유기탄소 함량(Table 2)의 차이, 토양 입경분포의 차이에 따른 모세관수 상승 불량이 원인으로 사료된다. 고상 및 액상과는 대조적으로 기상의 경우 훼손복원지와 인접 산림지 사이에 큰 차이는 없었으며 이는 토양용적밀도의 증 가에 따른 전 공극율 감소가 주로 액상이 점유하는 공극에서 발생하였기 때문으로 사료된다. 토양입경 분포의 경우 훼손복원지의 모래함량은 인접 산림지 에 비해 2배 이상 높게 나타났으며, 미사와 점토함 량은 훼손복원지가 인접 산림지에 비해 유의적으로 낮았다. 이는 산사태로 인한 지표면의 토석류 발생 으로 표토가 유실되고 조립질 미풍화 모재의 노출에 따른 결과로 사료된다. 유사한 결과로 땅밀림 산사 태 발생지의 모래함량은 71%로 인접 산림지역의 51.3%에 비해 증가하는 경향을 보였다(Woo et al., 1996).

    3.토양의 화학적 특성

    토양의 화학적 특성 중 훼손복원지의 토양 pH는 5.93으로 인접산림지 pH 3.96에 비해 유의적으로 높았으며(Table 3), 이는 부식산 등이 존재하여 낮 은 토양 pH를 보이는 부식(humus)층이 산사태 발 생동안 유실되고, 소형 관목이 생육함에 따라 식생 에 의한 양이온 흡수 감소로 인한 수소이온(H+)의 토양 내 방출 감소, 표토에 비해 토양 pH가 높은 미풍화 모재의 노출 등 다양한 원인이 복합적으로 작용하는 것으로 사료된다(Brady & Weil, 2010). 또한 훼손복원지의 토양 pH는 2003년 동일지역에 서 조사된 산사태 피해지의 하부 토양 pH 6.26(Park et al., 2003b)에 비해 약간 낮으나 큰 차이는 없었다.

    토양 내 탄소와 질소 함량은 훼손복원지가 인접 산림지에 비해 낮게 나타났는데(Table 3), 이는 유 기물함량이 높은 표토층 유실이 원인으로 사료된다. 그러나 훼손복원지의 유기탄소 함량은 2.11%, 전질 소 함량 0.14%로 2003년에 조사된 피해지의 유기물 함량 0.47%나 전질소함량 0.03%(Park et al., 2003a)에 비해 높았다. 이는 훼손복원지에 질소고정 식물인 큰낭아초를 파종하여 유기물의 토양 내 환원 및 질소 고정량 증가가 원인으로 사료된다. 타 연구 에서도 산사태복원지내 질소고정식물의 유입은 토양 내 유기물 및 전질소 함량의 증가와 함께 식물생육 에 긍정적인 요인으로 평가된 바 있다(Bellingham et al., 2001).

    유기탄소 및 전질소 함량과는 대조적으로 인, 칼 슘, 마그네슘 함량의 경우 훼손복원지가 인접 산림 지에 비해 높으며 이는 양분함량이 높은 큰낭아초로 구성된 낙엽낙지가 양분 재순환과정동안 광물질 토 양층에 집적되고 있거나 주로 광물질 모재로부터 유 래되는 금속성 이온 함량이 훼손복원지가 인접 산림 지에 비해 높기 때문으로 사료된다. 특히 칼슘의 경 우 공간적인 변이가 크게 나타났고, 훼손복원지가 인접 산림지에 비해 3.7배 이상 높았으며 이는 사면 안정 공법시 사용된 콘크리트 격자 틀로부터 칼슘 용출이 발생했기 때문으로 사료된다. 토양 내 인(P) 함량의 경우 두 지역 간 유의적인 차이가 없었으며, 훼손복원지의 낮은 인 농도는 이들 지역에 시비와 같은 토양 양분 관리가 실시되지 않고 있음을 시사 한다. 훼손복원지와 인접 산림지의 토양특성에 가장 뚜렷한 차이는 납 및 알루미늄 함량 같은 식물 생육 유해 금속성 원소의 감소로 훼손 복원지의 경우 토 양 pH의 상승에 의해 이들 원소의 토양 내 용출량 이 감소하였기 때문으로 사료된다(Brady & Weil, 2010).

    토양 내 식물 생육 다량원소의 저장량은 두 지역 간 유의적인 차이는 없었으나 탄소와 질소 저장량은 훼손복원지가 인접 산림지보다 낮은 값을 보였고, 칼륨, 칼슘, 마그네슘저장량은 훼손복원지가 인접 산림지에 비해 높은 경향을 보였다(Table 4). 훼손 복원지의 낮은 탄소와 질소 저장량은 유기탄소 함량 이 높은 표토층의 유실이 원인으로 사료된다. 이와 같이 두 지역 간 다량원소 저장량에 유의적 차이가 없는 것은 토양 내 여러 가지 원소성분의 저장량은 원소 함량 뿐만 아니라 토양용적밀도나 석력함량의 차 등과 같은 다양한 요인에 의해 영향을 받게 되기 때문으로 사료된다(Brady & Weil, 2010). 그러나 훼손복원지의 경우 납, 아연, 망간, 알루미늄 같은 미량원소나 식물 생장 유해 금속성 원소의 저장량 감소는 토양 pH차에 따른 유효도 감소 등이 원인으 로 사료된다(Brady & Weil, 2010).

    땅밀림 산사태 훼손복원지를 대상으로 유기물층 및 토양층의 이화학적 특성을 조사한 결과 훼손복원 지의 유기물층의 탄소, 질소, 인, 칼륨, 칼슘, 마그 네슘 같은 원소함량인접 산림지에 비해 낮게 나타났 으나 이들 원소의 저장량은 훼손복원지와 인접 산림 지간 차이가 없었다. 토양층의 경우 토양 용적밀도, 모래함량, 토양 pH 등은 훼손복원지가 인접산림지 에 비해 높았고 알루미늄 같은 식물 생육 유해 금속 성 원소 함량 및 저장량은 인접 산림지역에 비해 감 소하였다. 본 연구결과에 따르면 훼손복원지내 유기 물층의 탄소저장량, 토양층의 토양용적밀도, 모래 및 미사함량, 알루미늄 같은 식물유해금속의 함량 및 저장량을 제외하고 인접 산림지역과 큰 차이는 없는 것으로 나타났다.

    Figure

    JALS-49-27_F1.gif

    Location of the study site (a) and the restoration area (b) from forest landslide.

    Table

    Dry weight and element concentration of organic horizon in restoration area of landslide and adjacent forest area

    Values of parenthesis are standard error. Bold values denote a significance at P<0.05.

    Element stocks of organic horizon in restoration area of landslide and adjacent forest area

    Values of parenthesis are standard error. Bold values denote a significance at P<0.05.

    Soil property of 10cm of soil depth in restoration area of landslide and adjacent forest area

    Values of parenthesis are standard error. Bold values denote a significance at P<0.05.

    Element stocks of 10cm of soil depth in restoration area of landslide and adjacent forest area

    Values of parenthesis are standard error. Bold values denote a significance at P<0.05.

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