산림 토양 발수성, 나무 종류와 10일간 날씨가 물 침투를 바꿨다

환경 연구 동향 | 앨지닥터

포즈난생명과학대학교와 크라쿠프농업대학교 연구진은 같은 토양·기후·수령 조건에서 자란 7개 수종이 산림 토양의 물 침투와 발수성에 서로 다른 영향을 주는지 확인했습니다. 연구진은 각 측정일 전 10일의 날씨가 달랐던 다섯 시기에 같은 지점을 반복 조사했습니다. 피나무의 평균 불포화 수리전도도는 3.31 cm/h로 가장 높았고, 낙엽송과 더글러스전나무는 각각 0.30 cm/h, 0.45 cm/h로 가장 낮았습니다. 연구는 나무 종류뿐 아니라 비가 언제, 얼마나 이어서 내렸는지가 토양의 젖음과 물 이동을 함께 좌우할 수 있음을 보여줍니다. ^[논문]

비가 숲 바닥에 닿은 뒤, A층이 물길의 관문이 되는 이유

숲 바닥의 낙엽과 부식물이 쌓인 유기물층(O층)은 공극이 많아 빗물을 저장하고 아래로 전달합니다. 미국 산림청은 온전한 숲 바닥층을 산림에서 물 침투를 좌우하는 가장 중요한 요소 가운데 하나로 설명합니다. ^{[배경 1]}

그러나 그 아래의 부식·무기질층(A층)에서는 물길이 달라질 수 있습니다. 식물과 미생물에서 유래한 소수성 유기물이 토양 입자를 감싸면 물이 곧바로 퍼지지 않고 방울로 맺힙니다. 이런 토양 발수성은 침투를 늦추고 물을 좁은 통로나 옆 방향으로 몰아 표면 유출과 침식을 키울 수 있으며, 건조와 재습윤에 따라 짧은 기간에도 강도가 변할 수 있습니다. ^{[배경 2]}

같은 토양에서 7개 수종을 다섯 번 반복해 비교한 방법

연구지는 폴란드 서중부 시에미아니체 실험림의 공통정원 시험지입니다. 연구진은 1970~1971년에 조성돼 조사 당시 55년생이었던 단일수종림 가운데 피나무(Tilia cordata), 시카모어단풍나무(Acer pseudoplatanus), 노르웨이단풍나무(Acer platanoides), 유럽너도밤나무(Fagus sylvatica), 유럽참나무(Quercus robur), 유럽낙엽송(Larix decidua), 더글러스전나무(Pseudotsuga menziesii)의 21개 조사구를 선택했습니다. 모든 수종은 같은 모재에서 발달한 모래질 토양과 같은 지역 기후 아래 수종당 3개 조사구로 비교됐습니다.

2024년 7월 10일부터 9월 30일까지 다섯 차례 측정했으며, 매 차례 직전 10일의 강수·기온·습도와 깊이 5·15·25 cm의 토양 수분·온도를 기록했습니다. 연구진은 유기물층을 잠시 걷어낸 뒤 A층에서 미니 디스크 침투계로 조사구마다 물 3지점과 에탄올 2지점의 침투를 측정했습니다. 물이 토양 속에서 이동하기 쉬운 정도는 불포화 수리전도도 K로, 물과 에탄올 흡수성의 차이로 계산한 발수성은 지수 R로 나타냈습니다. K가 클수록 물이 잘 이동하고, R이 클수록 토양이 물을 더 강하게 밀어냅니다. ^[논문]

피나무·단풍나무류는 잘 젖고, 두 침엽수는 강한 발수성을 보였다

다섯 차례 측정을 합치면 피나무의 평균 K는 3.31 cm/h로 가장 높았고, 노르웨이단풍나무와 시카모어단풍나무가 각각 2.14 cm/h, 2.06 cm/h로 뒤를 이었습니다. 세 수종의 평균 R은 약 3으로 낮았습니다. 반대로 낙엽송과 더글러스전나무의 평균 K는 0.30 cm/h와 0.45 cm/h, 평균 R은 29.0과 26.9였습니다. 유럽너도밤나무와 유럽참나무는 평균 K가 약 1.51 cm/h, 평균 R이 약 9인 중간 반응을 보였습니다. ^[논문]

발수성 등급으로 보아도 차이가 분명했습니다. 피나무와 두 단풍나무에서는 ‘잘 젖음’ 또는 ‘약한 발수성’이 전체 측정의 93~100%를 차지했고, ‘심한’ 또는 ‘극심한’ 발수성은 없었습니다. 낙엽송과 더글러스전나무에서는 ‘강한 발수성’이 각각 42%였고, ‘심한 발수성’은 각각 16%와 13%였습니다. 다만 이 결과는 활엽수 전체와 침엽수 전체를 단순히 나눈 결론이 아니라, 이 실험에 포함된 일곱 수종의 차이입니다.

비의 총량보다 10일 동안 젖고 마른 순서가 중요했다

비가 전혀 없었던 선행 기간 III 뒤에는 전체 수종의 평균 R이 26.5로 가장 높았고 평균 K는 1.51 cm/h였습니다. 이때 강한 단계부터 극심한 단계까지의 발수성은 전체 측정의 44%를 차지했습니다. 반면 10일 중 7일에 걸쳐 총 95.4 mm의 비가 비교적 고르게 내린 기간 IV 뒤에는 평균 R이 2.5로 낮아지고 평균 K는 2.56 cm/h로 가장 높아졌습니다. 강한 단계 이상의 발수성도 2%로 줄었습니다. ^[논문]

기간 V는 ‘마지막 토양 수분만 보면 침투를 예측하기 어렵다’는 점을 보여줬습니다. 이 기간에는 총강수량이 8.6 mm였고 비가 주로 후반에 흩어져 내려, 측정 직전 평균 토양 수분은 두 번째로 높은 수준이었지만 평균 K는 오히려 다섯 차례 중 가장 낮은 1.03 cm/h였습니다. 연구진은 한 차례 늦은 비로 전체 수분량은 올라갔어도, 앞서 마른 상부 토양의 발수성 층이 충분히 다시 젖지 않았을 가능성을 제시했습니다. 따라서 순간적인 토양 수분값보다 직전 며칠간의 젖음·건조 순서를 함께 봐야 한다고 해석했습니다.

산성도가 높을수록 발수성이 강하고 물 이동은 약한 관계가 나타났다

A층의 화학 성질과 수리 특성을 함께 비교하자, R은 토양 pH와 음의 상관관계를 보였고 교환성 산도·가수분해성 산도·알루미늄과는 양의 상관관계를 보였습니다. K는 이와 반대 방향이었습니다. 칼슘과 마그네슘이 많은 토양에서는 R이 낮고 K가 높은 관계가 나타났지만, 탄소와 질소 함량은 K·R 어느 쪽과도 유의하거나 뚜렷한 상관관계를 보이지 않았습니다. 이 분석은 함께 변한 정도를 보여주는 상관관계이며, 특정 화학 성분이 발수성을 직접 일으켰다고 입증한 조작 실험은 아닙니다. ^[논문]

수종 선택에 참고할 결과지만, 숲 전체의 물순환으로 곧바로 확대할 수는 없다

연구진은 피나무와 단풍나무류처럼 건조 뒤에도 A층이 비교적 잘 젖는 수종을 숲 조성에 활용하면 물 침투를 유지하고 유출 위험을 낮추는 데 도움이 될 수 있다고 제안했습니다. 그러나 이번 연구가 직접 측정한 것은 A층의 매트릭스를 통과하는 물 이동입니다. 실제 사면 유출량, 지하수 함양량, 홍수 감소 효과를 직접 측정한 것은 아니므로 관리 효과의 크기까지 확정할 수는 없습니다.