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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.53 No.4 pp.13-18
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2019.53.4.13

Development of Site Index Model for Styrax japonica

Joon Hyung Park1, Kwang Soo Lee1, Yeong Mo Sonk1, Su Young Jung2, Hyung Ho Kim3*
1Forest Biomaterials Resources Research Center, Jinju, 52817, Korea
2Warm Temperate and Subtropical Forest Research Center, National Institute of Forest Science, Jeju, 63582, Korea
3Department of Forest Environmental Sciences, Gyeongsang National University (Institute of Agriculture and Life Science), Jinju, 52828, Korea
Corresponding author: Hyung Ho Kim Tel: +82-55-772-1857 Fax: +82-55-772-1859 E-mail: khh@gnu.kr
March 15, 2019 April 16, 2019 April 26, 2019

Abstract


The aim of this study was to use a growth prediction model for the Japanese snowbell (Styrax japonica) to develop a site indexing model. After estimates were produced using four growth models, the best-fitting model was chosen and used to derive a site index curve. The goodness of fit test used the fitness index (FI), bias, and root mean square error (RMSE). Results of the analysis indicated that the Chapman-Richards model achieved the highest FI, with a value of 0.49248, and the lowest RMSE value. It was therefore chosen as the most suitable model. The guide curve method was used to generate a site index curve; analysis found the site index to range from 6 to 14. It is believed that this outcome will enable the provision of growth information, prediction of future growth, and establishment of management plans for Styrax japonica, about which insufficient data exists.



때죽나무의 지위지수 추정 모델 개발

박 준형1, 이 광수1, 손 영모1, 정 수영2, 김 형호3*
1국립산림과학원 산림바이오소재연구소
2국립산림과학원 난대아열대연구소
3경상대학교 산림환경자원학과(농업생명과학연구원)

초록


본 연구는 우리나라 때죽나무의 생장예측함수를 통해 지위지수 모델을 개발하고자 한다. 4가지 생장 모델을 추정 후 적합도가 가장 높은 모델을 선택하여 지위지수 분류곡선을 유도하였다. 적합도 검정은 적합도 지수와 편차, 평균제곱근오차를 이용하였다. 분석결과 Chapman-Richards 모델의 적합도지수 가 0.49248로 가장 높았고, 평균제곱근오차는 가장 낮은 값을 보여 적합한 모델로 선택되었다. 유도곡 선법으로 지위지수 분류곡선을 유도하였고, 지위지수의 범위는 6~14까지로 분석되었다. 본 연구를 통 해 자료가 부족한 때죽나무에 대한 생장정보 제공 및 미래생장 예측과 경영계획 수립을 위한 정보제공 이 가능할 것으로 판단된다.



    서론

    때죽나무(Styrax japonica)는 우리나라 전역에 분포하는 수종으로 예로부터 민간요법에 많이 이용 되어 왔으며, 특히 줄기는 치통, 신경통의 치료에 사용되어 왔다(Bae & Park, 2012). 또한 90년대 중반 이후부터 내환경수종으로 높은 가치가 인정되 어 공업도시의 조경용 소재로 활용하기 위한 연구 가 시작되었다(Kwon et al., 1997). 최근에는 때죽 나무 수피 추출물의 항암효과에 대해 알려지면서 (Kwon et al., 2014) 때죽나무에 대한 가치와 관 심이 증가하고 있다.

    이러한 가운데 때죽나무의 자원량을 확보하기 위 한 임분의 조성과 관리에 대한 요구가 증가하였고, 자연스레 임업경영 활동에 대한 다양한 정보가 필요 한 상황에 도달하였다. 90년대 후반부터 종자 발아 촉진 방법에 대해 연구 되었고(Lee et al., 1998), 공업단지의 환경오염으로 피해 입은 임분의 식생을 복원하기 위한 내성종 선발 및 묘목생산을 위한 연 구가 수행되었다(Kwon et al., 1997;Lee et al., 1998). 또한 무성번식의 대표적 방법인 삽목법에 관 한 연구가 수행된 바 있다(Lee et al., 2002). 그러 나 이후 관련 연구가 수행되지 않았을 뿐만 아니라, 산림경영에 필수 정보인 생장특성에 관한 연구는 수 행된 바가 없으며, 조림 적지평가 및 관리방안 수립 에 활용되는 지위지수(Site index)에 관한 연구 또 한 현재까지 진행된 바가 없는 실정이다.

    지위지수는 효과적인 산림경영을 위해 의사결정의 중요한 정보이며, 임분의 생장 속도와 미래 생산능 력을 판단하고, 임분 시업 및 경영활동을 계획하는 필수적인 요소로 활용된다(Jeon et al., 2007). 국 외에서는 고정조사구를 중심으로 지위지수를 비롯한 생장 연구가 수행되지만(Son et al., 2013), 국내의 경우 고정조사구 조사 자료가 드문 실정으로 자료에 대한 어려움이 있었다. 2000년대 이후 제5차 국가 산림자원조사(National Forest Inventoty, NFI)의 출범으로 조사자료에 대한 어려움을 어느 정도 해소 할 수 있는 상황이 마련되었고, 이를 적극 활용하여 최근에는 다양한 수종들의 지위지수 및 생장 모델링 연구가 수행되고 있다.

    따라서 본 연구에서는 국가산림자원조사 자료를 이용하여 우리나라에 분포한 때죽나무의 지위지수 분류곡선을 개발하기 위해 4가지 수고생장모델을 비 교하여 가장 적합한 생장모델을 선정하고 이에 따른 지위지수표를 만들어 제공하여, 때죽나무림 경영을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다. (Table 1)

    재료 및 방법

    1 분석자료

    5차와 6차 국가산림자원조사 자료에서 때죽나무 중 우세목과 준우세목 자료를 추출하고, 그 중 수령 이 측정된 자료를 분류한 결과 총 650본의 개체목 자료가 추출되었다. 추출된 자료의 20%를 적합성 검증용 데이터로 활용하였고, 나머지 520본의 자료 를 모델 추정에 활용하였다. 모델 추정용 자료는 평 균 임령이 28.5년이며, 평균 흉고직경은 11.7 cm, 평균 수고는 8.1 m로 나타났다. 또한 검증용 자료 의 평균 임령은 27.2년, 평균 흉고직경과 수고는 10.9 cm와 8.2 m로 나타났다.

    2 수고 생장 추정

    본 연구에서 분석에 활용된 생장모델은 Gompertz (GOF), Chapman-Richards (CRF), Hossfeld (HOF), Weibul l (WEF) 4가지 수식을 사용하였다(Table 2). 인구 연령분포를 알기위해 1825년에 개발된 Gompertz 의 수식은 이후 임목의 생장 추정에 활용되고 있으 며, 감소 포인트가 단 하나의 계수로 점근의 크기 가 통제된다(Park & Chung, 1999). Chapman- Richards의 수식은 모수 c에 대한 제한을 두지 않 는 특징이 있다(Son et al., 1997). Hossfeld IV식 은 1822년에 발표된 Hossfeld식의 확장 형태로 다양한 점근 값을 갖는 지위지수를 개발하는데 활 용되고 있다(Son et al., 2013).

    3 적합도 검정

    추정된 4가지 모델의 적합도를 비교하기 위해 편 차(Bias)와 적합도 지수(Fitness index, FI), 평균 제곱근오차(Root mean square errorm RMSE)를 산출하였다(Table 3). 또한 오차의 양을 설명하는 편차와 평균제곱근오차는 관측치와 추정치간 평균 제곱오차(MSE)를 이용하여 모델의 적합성을 설명하 며 0에 근접할수록 높은 적합성을 나타내고, 적합 도 지수는 비선형모델의 설명력을 나타내는 지수이 며(Pyo et al., 2009;Son et al., 2013). 이를 고 려하여 추정된 4가지 모델 중 가장 적합도가 높은 것을 선정하여 유도곡선법(Guide curve method)으 로 지위지수곡선을 유도하였다.

    결과 및 고찰

    1 수고 생장모델 추정과 적합도 검정

    4가지 수고 생장모델 추정 적합도(FI)를 비교 분 석하여 가장 적합한 생장모델을 선정하고자 하였 다(Table 4). 우선 CRF식의 적합도가 0.49248로 가 장 높았으며, GOF (0.48878)>WEF (0.45898)>HOF (0.43946) 순으로 나타났다. 평균오차제곱의 경우 CRF (0.44415)식이 가장 0에 가까웠고, GOF (0.44660)< WEF (0.47315)<HOF (0.50485)순으로 나타났으나, 각 모델 간 유사한 수준으로 나타났다. 편차는 GOF가 가장 0에 가까운 값이 나타났고, CRF가 차 순으로 분석되었다.

    각 모델의 추정 곡선의 경우(Fig. 1), 유령기와 40년 이상의 임령에서 생장모델 추정치 간 차이가 나타났으며, GOF의 추정곡선의 경우 유년기에 다 소 과대치를 보였다. WEF는 40년 이후에서 타 모 델들에 비해 예측치가 높게 나타났고, HOF는 40년 이후에서 타 모델에 비해 변곡의 정도가 강하게 나타나 낮은 예측치를 보였다. 각 모델의 적합도 지수와 검정 통계량, 곡선의 모양과 관측치의 분포 를 고려해 볼 때, CRF가 가장 높은 적합도 지수와 가장 낮은 평균오차제곱 값이 나타났고, 편차 또한 양호한 수준으로 판단되었으며, 추정 곡선의 편이 현상이 보이지 않으므로 가장 적합한 추정 모델로 판단된다.

    2 지위지수 곡선 유도

    추정된 CRF를 이용하여 지위지수 분류곡선을 유 도하기 위해 유도곡선법을 활용하였다(Son et al., 2013). 우선 기준임령 30년일 때의 수고 값을 SI라 고 할 때 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.

    S I = a ( 1 e b · A 30 ) c
    식 (1)

    여기에서 수식 1을 모수 a에 대해 정의한 후, 앞 서 추정된 수식 2와 수식 1을 모수 a에 대해 연립하 면 수식 3과 같은 형태로 유도된다.

    H T = a ( 1 e b · A ) c
    식 (2)

    H T = S I · ( 1 e b · A b ) c ( 1 e b · A 30 b ) c
    식 (3)

    여기에서 HT는 Ai일 때의 수고이며, A30은 기준 임령 30년, SI는 기준임령 30년일 때의 수고 값이 고, a~c는 추정 모수이다.

    3 지위지수 추정

    기준임령 30년일 때를 기준으로 추정된 지위지수 의 범위는 지위지수 6~14까지 분포하였다(Fig. 2). 이때, 지위지수의 범위는 관측치의 분포를 고려하 여 확장시켰다. 수종에 따라 생장패턴이 상이하고, 입지환경에 따라서도 차이가 있으므로, 직접적인 비교는 어렵지만, 현행 ‘임목재적·바이오매스 및 임분수확표’ (Korea Forest Service, 2012)에 수록 된 신갈나무와 비교해 볼 때, 신갈나무가 지위지수 12, 80년생일 때 수고는 16.7 m로 본 연구의 때죽 나무는 지위지수 12, 80년생일 때 수고는 16.2 m 로 나타나 약 0.5 m 차이를 보였고, 지위 14일 때 는 신갈나무 80년생이 19.5 m, 때죽나무가 18.9 m 로 0.6 m 차이가 나타나 신갈나무에 비해서는 수 치적으로 약간 생장이 저조한 것으로 사료된다. 본 연구에서 추정된 지위지수 곡선을 도표화하여 지 위지수표를 제시하였다(Table 5). 본 지위지수 표 는 부족한 때죽나무 생장정보를 제공할 뿐만 아니 라, 향 후 때죽나무림의 미래 생장예측 및 경영계 획 수립에 정보제공이 가능할 것으로 판단된다.

    Figure

    JALS-53-4-13_F1.gif

    Comparison of growth functions fitted to dominant height of Styrax japonica stands.

    JALS-53-4-13_F2.gif

    The site index curves using Chapman-richards model for Styrax japonica.

    Table

    Stand characteristics of modeling dataset and validation dataset examined

    Nonlinear growth equations fitted in the study

    The equations for test of goodness of fit

    The parameter estimates for growth functions fitted to dominant height of Styrax japonica stands

    The site index table for Styrax japonica

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