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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.54 No.3 pp.27-33
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2020.54.3.27

Estimation of Site Index Curve for 6 Oak Species in Korea

Joon-Hyung Park, Sang-Hoon Chung, Sun-Hee Kim, Sang-Tae Lee*
Forest Technology and Management Research Center, National Institute of Forest Science, Pocheon, 11186, Korea
*Corresponding author: Sang-Tae Lee Tel: +82-31-540-1154 Fax: +82-31-540-1188 E-mail: lst9953@korea.kr
April 20, 2020 ; June 15, 2020 ; June 17, 2020

Abstract


This study was conducted to construct site index curves for six species of oak trees to develop oak stand treatment prescription. The target tree species were Quercus aliena, Quercus variabilis, Quercus dentata, Quercus acutissima, Quercus mongolica, and Quercus serrata. The Chapman-Richards model was used for estimating the site indices. The results showed that the range of the model’s fitness index for each tree species was 35-45%, and the RMSE(Root mean square error) was within the range of 1.755-2.792 across all examined tree species. The maximum value of CAI(Current annual increment) was 8-15 years, with the maximum value of MAI(Mean annual increment) reaching 14-24 years. The range of site index distribution for each tree species was as follows: Q. dentata, 8-14; Q. mongolica, 6-16; and Q. acutissima, 10-18. For Q. aliena, Q. variabilis, and Q. serrata, the site index was within the range of 8-16. The developed site index curves are anticipated to prove useful as basic data for studies aiming to systematize the techniques for oak stand construction and cultivation.



참나무류 6 수종의 지위지수 분류곡선 추정

박 준형, 정 상훈, 김 선희, 이 상태*
국립산림과학원 산림기술경영연구소

초록


본 연구는 참나무류 6수종의 임분 시업체계 확립을 위해 수종별 지위지수 곡선을 추정하였다. 대상수종은 갈참나무, 굴참나무, 떡갈나무, 상수리나 무, 신갈나무, 졸참나무이며, 지위지수 추정은 Chapman-Richards model을 이용하였다. 추정 결과, 수종별 모델의 적합도 지수는 약 35~45%의 범위로 나타났고, 평균오차제곱은 전체 수종이 1.755~2.792의 범위로 분석되었다. 연년생장량의 최고값은 8~15년으로 나타났고, 총평균생장량 최고값은 14~24년에 도달하는 것으로 분석되었다. 수종별 지위지수 분포 범위는 떡갈나무가 지위지수 8~14, 신갈나무 6~16, 상수리나무는 10~18까 지 분포하였고, 갈참나무와 굴참나무, 졸참나무는 지위지수 8~16의 범위로 나타났다. 추정된 지위지수 분류곡선은 참나무류의 임분 조성 및 육성 기술 체계화 연구에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.



    서론

    참나무류는 세계적으로 8속 900여종이 분포하고 있으며, 우리 나라에는 낙엽성 참나무류가 갈참나무(Quercus aliena), 굴참나무 (Quercus variabilis), 떡갈나무(Quercus dentata), 상수리나무 (Quercus acutissima), 신갈나무(Quercus mongolica), 졸참나무 (Quercus serrata) 등 총 6수종이 분포하고 있다(Song, 2002). 참나무류의 분포 면적은 총 975,181 ha로 우리나라 산림면적의 약 42%이며 총 축적은 133,606천 m3으로 평균 축적은 약 137 m3․ha-1로 알려져 중요한 산림자원으로 분류되고 있다(Korea Forest Service, 2019).

    우리나라 전역에 생육하고 있는 참나무류의 분포 특성에 비해 인공림 조성은 그리 활발하지 않은 상황이다. 낙엽성 참나무류 6개 수종 중 상수리나무만이 조림 수종으로써 가치를 인정받아 2018년 기준 약 1,088 ha에 조림이 되었고, 그 외 5개 수종은 조림 실적 자체가 드문 실정이다(Korea Forest Service, 2019). 하지만 산림 바이오매스, 버섯 재배용 자목생산 등 참나무류 자원의 가치가 증 가되고 있는 만큼 움싹갱신을 통한 단벌기 경영 및 참나무류 임분 육성에 대한 관심이 높아지고 있다.

    산림의 효과적인 경영을 위해 지위의 판단은 중요한 의사결정 정보가 된다(Son et al., 2013). 지위의 추정 방법은 다양하지만 가장 높은 이용도를 보이는 것은 지위지수(Site index)가 있으며, 생장 및 수확 산정, 임지의 생산력 예측 및 관리 방법의 결정 등 다방면에서 활용되고 있다(Pyo et al., 2009). 이에 우리나라에서 도 강원지방 소나무와 잣나무, 일본잎갈나무 등 12개 수종에 대해 30년을 기준 임령으로 지위지수 추정 모델을 임분수확표에 수록하 여 산림경영 기초정보를 제공하고 있다(National institute of forest science, 2018). 또한 우리나라 산림자원 관리의 표준 지침으로 활용되는 지속가능한 산림자원 관리 지침과 매뉴얼에는 상수리나무 를 대상으로 한 시업체계가 수록되어 있다(Korea Forest Service, 2005). 그러나 상수리나무 이외의 참나무류 임분은 상수리나무의 대경재 수확을 목표로한 시업체계만 제시되어 실정이며, 임분수확 표에 의존하여 산림경영에 참고하고 있어서 참나무류의 주 용도인 신탄재 및 펄프재, 자목 생산을 위한 산림경영활동에 어려움이 있 어 합리적이지 못한 상황으로 볼 수 있다. 참나무류의 경우 현재 분포해 있는 자원량이 상당한 만큼 수종별 지위지수 개발을 통한 합리적인 경영목표 설정과 관리로 참나무류 자원 활용도를 높일 필요가 있다.

    따라서 본 연구의 목적은 현실적인 생장이 반영된 6개 참나무류 수종의 우세목 수고 생장 모델을 이용한 지위지수 추정 모델 개발 을 통해 우리나라 참나무류 현실임분 시업법 개발 필요한 기초자료 를 제공하고자 하며, 또한 본 연구를 통해 참나무류 자원의 가치와 관리 효율성 증진을 도모하고자 한다.

    재료 및 방법

    1. 연구 자료

    낙엽성 참나무류 수종의 지위지수 분류곡선 추정을 위해 2011~ 2015년에 조사된 제6차 국가산림자원조사(National Forest Inventory: NFI)의 표본점 조사자료를 이용하였다. 대상 수종은 갈참나무, 굴 참나무, 떡갈나무, 상수리나무, 신갈나무, 졸참나무 등 낙엽성 참나 무류 6개 수종이며, 표본점 내 각 수종의 흉고단면적 점유율이 75% 이상인 자료를 분석용 자료로 선정하였다. 추출된 표본점에서 상위 30%의 개체목 수고를 우세목 수고로 정의하였고, 우세목 수고와 수령 측정치를 표본점별 평균을 산출하여 최종적으로 분석에 사용 된 표본수와 기초통계량은 Table 1과 같다.

    2. 모델 추정 및 적합도 검정

    우세목 수고 생장 예측을 위한 생장 모델은 참나무류 수종의 수고 생장 예측력이 우수한 것으로 검증되었고(Park et al., 2015), 현재 우리나라 임분수확표에 활용되고 있는 Chapman-Richards(CR) 모델 (식 1)을 선택하였다(National Institute of Forest Science, 2018). CR모델은 식물 생장의 원리에서 유도된 모델이며 산림 과학 분야에 서 임령의 변화에 따른 생장 및 수확 예측에 이용된다(García, 2005). 자료에 따라 모델의 변화가 유연하고 계수 a는 점근선(Asymptote) 에 영향을 미치고, b는 시간축의 크기를 결정하며, c는 생장곡선의 모양에 관계되는 모수이다(National institute of forest science, 2003).

    H dom = a ( 1-e -b×Age ) C
    (식 1)

    where, Hdom = Dominant height, Age= Stand age, a~c = Parameters

    추정된 모델의 적합도를 검증하기 위해 적합도 지수(Fitness index, FI), 편의(Bias)와 평균오차제곱(Root mean square error, RMSE) 통계량을 산출하였다. FI는 회귀분석에서 결정계수와 동 일한 성질을 가지며, 비선형 회귀분석에서 결정계수 보다는 실측치 와 추정치와의 관계 정도를 구명하기 위해 적합도 지수를 계산한다 (National Institute of Forest Science, 2003). 편의는 오차의 양을 나타내며(Pyo et al., 2009), 평균오차제곱은 관측치와 추정치의 잔차 평균제곱을 이용해 산출하였고, 편의와 평균오차제곱의 산출 값은 0에 근접할수록 모델의 적합성이 높음을 의미한다(Son et al., 2013). 환경적 영향에 따른 변이와 이질적인 자료가 모형의 개발에 미치는 영향을 최소화하기 위해 분석자료의 20%를 분류하 여 교차검증(Cross-validation)을 실시하였다.

    3. 수종간 생장비교

    임목의 수고는 임분의 지위사정에 이용되며, 임분 무육의 시행 시점과 반복 시점의 척도 역할과 무육 및 관리 지침이나 수확표에서 솎아베기 주기를 임령이 아닌 임분 수고를 기준으로 정하고 있으므 로, 중요한 생장요소 중 하나이다(Kramer, 1996). 따라서 수종별 수고 생장 패턴을 비교하기 위해 임령 60년까지 우세목 수고의 총생 장량(Total increment)과 연년생장량(Current annual increment: CAI) 및 총평균생장량(Mean annual increment: MAI)을 비교하 였다. 비교를 통해 참나무류 수종의 생육단계별 우세목 수고 생장 패턴을 구명하여 임분 관리의 기초자료 제공을 도모하였다.

    4. 지위지수 분류곡선 유도

    개발된 참나무류 수종의 우세목 수고 생장모델을 지위지수 분류 곡선으로 유도하였다. 지위지수 분류곡선 유도 방법은 기준임령을 30년으로 한 유도곡선법(Guide curve method)을 적용하였다 (Ahn et al., 2007). 수고식의 임령에 기준임령을 대입하여 도출된 값은 지위지수를 의미하므로(Park, 2016), 이 식으로 수고곡선식 을 나누어 지위지수 분류곡선으로 유도하였다(식 2). 이 결과를 바탕으로 실측자료를 고려하여 지위지수 분포범위를 제시하였고, 최종적으로 6개 수종의 지위지수 분류곡선을 도식화하였다.

    SI = H dom ( 1-e -b×30 1-e -b×Age ) c
    (식 2)

    where, SI=Site index, Hdom = Dominant height, Age = Stand age, b~c = parameters

    결과 및 고찰

    1. 생장 모델 추정

    임령에 따른 우세목 수고 생장을 파악하기 위해 수종별 Chapman- Richards 모델의 모수를 추정하였다(Table 2). 갈참나무의 점근점을 나타내는 모수 a는 16.267이며, 굴참나무는 점근점이 14.370, 떡갈 나무 13.550, 상수리나무 16.069, 신갈나무 12.686, 졸참나무 14.651 로 분석되어 갈참나무가 점근점이 가장 높고, 신갈나무가 가장 낮 았다. 시간축의 범위를 나타내는 모수 b와 곡선의 모양을 의미하는 모수 c는 갈참나무가 0.067와 2.369, 굴참나무 0.092와 2.862, 떡 갈나무 0.094와 3.805, 상수리나무 0.096과 3.274, 신갈나무 0.082 와 1.849, 졸참나무 0.078과 2.362로 추정되었다.

    각 모델의 적합도 지수는 6개 수종이 약 35~45%의 범위로 나타 났고, 그 중 굴참나무가 0.455로 가장 높았고, 신갈나무가 0.358로 가장 낮은 것으로 분석되었다. 편의는 대체로 0에 가까운 값을 보 여 실측치 대비 과대 혹은 과소 추정은 없는 것으로 나타났고, 평균 오차제곱은 전체 수종이 1.755~2.792의 범위로 분석되었다. 적합 도지수(FI)가 대체로 낮게 나타난 이유는 종속변수 우세목 수고 값이 임령에 따른 측정치이고, 임령에 따라 우세목 수고의 분포가 다양하게 나타난 점이 원인으로 보인다. 하지만 우세목 수고곡선을 통해 유도하는 지위지수 분류곡선 추정방식은 우세목 수고 생장을 정확하게 예측하는 목적보다는 생장 패턴을 반영하여 각 지위지수 별 우세목 수고 예측을 위한 곡선을 유도하는데 목적을 두고 있으 므로, 모델의 설명력 보다는 측정치의 분포 경향과 모양을 잘 반영 하는 것이 중요하다. 따라서 모델의 추정치와 실측치의 차이를 나 타내는 잔차의 분포 모양이 고르게 나타난 점을 고려해 볼 때(Fig. 1), 치우침이 크지 않고 모양이 잘 반영된 것으로 판단되어 6개 수종에 대한 추정 모델의 사용이 가능할 것으로 사료된다.

    2. 수종별 우세목 생장 특성

    추정된 모델을 이용하여 우세목 수고 총생장량을 임령 60년까 지 예측하여 변화 양상을 비교하였다(Fig. 2). 갈참나무는 약 35년 까지 대체로 평균적인 생장 변화 양상을 보이지만 곡선의 점근점이 가장 높은 특성으로 인해 40년 이후 생장 곡선의 기울기가 타 수종 에 비해 상대적으로 높은 것으로 나타났다. 굴참나무와 상수리나무 는 약 10년까지 유사한 변화 양상을을 보이지만 15년 이후 상수리 나무의 생장이 참나무류 수종 중 가장 우수한 것으로 분석되었다. 추정 모델의 점근점이 가장 낮았던 신갈나무의 경우 15년 이내 초기 생장이 상대적으로 우수하였지만, 30~60년에는 6수종 중 최 저 생장을 하는 것으로 나타나 상대적으로 이른 시기에 생장 저하 현상이 나타났다. 떡갈나무는 대체로 타 수종에 비해 대체로 생장 이 불량한 것으로 나타났고, 졸참나무는 굴참나무와 유사한 패턴의 변화 양상을 보였다. 움싹갱신 후 5년간 수고생장 특성 비교에서 떡갈나무는 상수리나무보다 우수한 생장을 보이는 것으로 보고된 바 있으나(Lee et al., 2000;Park et al., 1996), 추정된 모델을 통한 분석 결과에서는 떡갈나무가 초기 생장이 가장 저조한 것으로 나타나 차이를 보였다.

    연년생장량(CAI)의 최고점은 신갈나무가 8년 0.535 m․year-1로 가장 이른 시기에 도달하였고, 졸참나무(12년, 0.536 m․year-1)와 굴참나무(12년, 0.596 m․year-1), 상수리나무(13년 0.671 m․year-1), 갈참나무((14년, 0.510 m․year-1), 떡갈나무(15년, 0.542 m․year-1) 순으로 분석되어 상수리나무의 연년생장량 최고값이 가장 높았고, 떡갈나무가 가장 늦은 시기에 최고점에 도달하는 것으로 분석되었 다(Fig. 3). 참나무류와 소나무, 낙엽송과 같은 양수는 유년기에 매우 빠른 수고생장을 하며 연년생장령 최고점 도달시기는 일반적 으로 6~15년으로 알려져 있어서(Kramer, 1996), 우리나라에 분포 하는 낙엽성 참나무류도 이와 유사한 수준으로 분석되었다. 총평균 생장량과 연년생장량의 교차점인 총평균생장량 최고점은 신갈나 무 14년에 도달하여 가장 빠른 것으로 나타났고, 졸참나무와 굴참 나무 20년, 상수리나무 21년, 갈참나무 23년, 떡갈나무 24년 순으 로 분석되었다.

    3. 지위지수 분류곡선 유도

    지위지수 추정의 중요한 요소인 기준임령은 30년으로 하여 지 위지수 분류곡선을 유도하였다(Fig. 4). 분석 결과, 갈참나무, 굴참 나무, 졸참나무는 지위지수 8~16까지 분포하는 것으로 나타났고, 떡갈나무는 지위지수 8~14, 신갈나무 6~16, 상수리나무는 10~18 까지 분포하는 것으로 분석되었다. 현행 임분수확표의 지위지수 분 포범위는 상수리나무(SI 16~20), 굴참나무(SI 12~18), 신갈나무 (SI 12~16)로 본 연구의 결과와 다소 차이를 보였다(Korea Forest Service, 2019 & National institute of forest science, 2018). 기존의 법정림의 생장 정보를 바탕으로 제작된 임분수확표에 비해 현실림의 수확표는 상대적으로 낮은 생장 특성으로 보고 된점을 고려해 볼 때(Jeon et al., 2017), 본 연구의 결과는 이와 같은 맥락 으로 해석이 가능할 것으로 판단되므로, 현실임분의 생장을 반영한 시업체계 구축에 활용성이 높을 것으로 판단된다.

    참나무류 현실림의 시업체계 개발에 있어서 추정된 지위지수는 임분 수확목표 설정부터 생장추이별 작업종 및 방법을 결정하는데 기여하므로, 본 연구의 결과에 의미를 부여할 수 있다. 따라서 현실 임분 조사자료를 기반으로 추정된 지위지수 분류곡선은 지위지수 기반의 적지판정 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대되며, 임분밀 도관리도와 연계하여 참나무류 수종의 숲가꾸기 체계 구축 및 수확 량 예측, 벌기령 결정 등에 유용하게 활용될 것으로 판단된다.

    Figures

    JALS-54-3-27_F1.gif

    Scatter plots for residual of model prediction by Quercus spp.

    JALS-54-3-27_F2.gif

    Comparison of height growth pattern by Quercus spp.

    JALS-54-3-27_F3.gif

    Comparison of height CAI(current annual increment) and MAI(Mean annual increment) to Quercus spp.

    JALS-54-3-27_F4.gif

    Site index curves for Quercus spp.

    Tables

    Descriptive statistics of analyzed data for Quercus spp

    Parameter estimates for growth model to Quercus spp

    References

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