Current Issue

지형에 따른 식생의 변화는 국지적인 범위에서 전 지구 범위까지 다양하다. 근접한 지역이라도 고도에 따라 식생이 변화하기도 하며, 위도에 따라서 자생할 수 있는 식생이 구분되기도 한다. 뿐만 아니라 지형에 맞는 기후적 요인이 발생하여 더 다양한 식생의 변화를 불러오기도 한다. 요인에 따라 다양하게 분포하는 식생을 자료화하기 위해서는 객관화된 체계적인 방법이 필요하다. Chen et al. (2010)의 연구사례를 보면 자료 구축을 위해 지형적 요인, 식생의 특징 등을 나열한 후 코드화 하여 정리한 바이옴(Biome)을 확인 할 수 있다(표 1). 식생구조(Structure), 우점식물기능타입(Dominant Plant Functional Types), 특성종(Characteristic taxa), 분포지역(Distribution) 등 여러 요인들로 구성되어 있으며 자세히 기술되어 있다. Stebich et al. (2015)의 연구사례는 또 다른 형태의 바이옴(표 2)을 생산하였는데 비교적 간단한 구성으로 이루어진 것을 확인 할 수 있다. 이는 표 2가 그림 1을 생산하기 위한 기초자료이므로, 그림 1에 불필요한 구성 자료는 배제하였음을 의미한다. 그림 1에서는 바이옴 자료에 개방된 지형(Landscape openess)환경에서의 식생 종 자료를 추가하여 시계열과 기후환경에 따른 바이옴의 변화를 나타내었다. 이 그림에서는 지난 12,000년 동안 전 지구적으로 잘 알려진 기후 사건(Climate Event)들이 각 바이옴마다 어떠한 영향을 끼쳤는지 확인 할 수 있다. 이번 연구에서는 연구지역이 국지적으로 분포하는 점을 고려하여 자세한 구성의 바이옴을 생산할 필요가 있으며, 바이옴을 구성하기 위한 정밀하고 사실적인 환경자료가 요구된다.

Fig. 1. 
The change of biome scores with age. Their climatic requirements are summarized in Table 2 (Stebich et al., 2015). TEDE: Temperate deciduous forests, COMX: Cool mixed forest, COCO: Cool coniferous forests; TAIG: Taiga, and STEP: Steppe.

식생 변화에 영향을 끼치는 요인으로 지형적 요인만큼이나 중요한 요인은 기후적 요인이다. Lee et al. (2017)의 연구에서 한반도 난온대림 분포지역의 북쪽 경계가 한랭지수 –10℃·month 값의 등치선과 일치하는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 상록활엽수림의 분포지역은 연평균기온 11~15℃, 한랭지수 –10~–15℃·month, 연평균 강수량 900~1,500 mm로 알려져 있다. 정해진 기후 범위를 벗어나면 해당 식생은 생존 할 수 없기 때문에 식생 분포에 있어 기후적 요인이 상당히 지배적으로 작용하는 것을 확인 할 수 있다. 이러한 기후-식생 관계는 이미 고기후, 식생 복원 등 여러 분야에서 다양한 방법으로 연구되고 있으며(Cao et al., 2014; Stebich et al., 2015; Tian et al., 2017), 상대적인 분석뿐만 아니라 정량적인 분석까지 연구되고 있다(Park, 2011; Wen et al., 2013). 예를 들면, 고도별로 산출되는 화분 종의 가중 평균(Weighted averaging)을 활용하여 화분-고도간의 관계를 도출하는 Plant Transform Function (PTF) 연구를 통해 고온도를 정량적으로 복원 가능하다(Park, 2011). 그림 2에서는 식생 종 별로 기후의 변동에 어떤 영향을 받는지를 조사한 Tian et al. (2017)의 연구사례를 보여주고 있는데 그래프의 색은 각각 다른 시대를 의미하며[Blue (9 ka), Green (6 ka), Red (0 ka)] 세로축은 종의 출현율, 가로축은 연평균강수량(Mean Annual Precipitation, Pann or MAP)과 최난월평균기온(Mean Warmest Month (July) Temperature, Mtwa)의 값을 의미한다. 그래프를 통해 식생 종과 시대, 기후 간의 상관관계를 확인 할 수 있다. 또한 Stebich et al. (2015)은 화분분석을 통해 연평균강수량(Pann)과 최난월평균기온(Mtwa)이 현재와 어느 정도 차이가 있었는지를 시계열적으로 제시하였다(그림 3). 국내에서도 많은 기후변화 연구가 진행되어 왔지만(Kang, 1994; Choi and Moon, 2008; Park et al., 2008), 기후-식생을 연계하여 조사한 사례가 부족한 상황이다. 이번 연구에서는 앞서 언급한 여러 기후 자료(MAP or Pann, Mtwa)를 정리하고, PTF방법을 이용하여 현생화분 산출특성에 따른 정량적인 기온자료를 생산하는 연구를 수행 할 계획이다. 그리고 연구의 최종단계에서는 기후-식생 자료와 화분산출에 따른 고온도의 정량적 복원 등을 그림 1, 3과 같은 시계열적 자료로 제시하는 것을 목표로 한다.

Fig. 2. 
Temporal changes modelled pollen responses to climate (Mean Annual Precipitation, Pann or MAP; Mean Warmest Month (July) Temperature, Mtwa), and climate influences on pollen. Different colors represent results of 9 ka (blue), 6 ka (green), and 0 ka (red) (Tian et al., 2017).

Fig. 3. 
The change of Pann, Mtwa, and pollen data with age (Stebich et al., 2015).

저수지 퇴적물 채집기는 지름이 40 cm에 철제로 구성된 채집기, 지름 41 cm인 채집기 뚜껑, 부표, 부표와 채집기를 연결하는 5~6 m의 밧줄로 구성되어 있다(그림 7). 채집기 설치에 앞서, 저수지의 전반적인 수심을 측정하여 유속이 빠르지 않으며 5 m 이내 일정한 수심을 보이는 지점을 선정한다. 선정된 지점의 수심과 좌표를 측정하고 채집기와 부표를 밧줄로 연결한 후 저수지 바닥에 채집기를 설치한다. 이때 채집기가 기울어지지 않도록 조심하며, 유속에 떠밀려 쓰러지지 않도록 바닥 깊숙이 박힐 수 있게 설치한다. 설치를 완료하면 퇴적물이 충분히 퇴적될 수 있도록 한 달간 방치한다. 채집기를 수거 할 때에는 먼저 밧줄을 통해 채집기 뚜껑을 닫고, 채집기가 기울어지지 않게 천천히 끌어올려 수거과정에서 시료가 유실되지 않도록 한다. 수거된 채집기 내 퇴적물의 상태를 기록하고 채집된 퇴적물 및 상층액을 모두 시료 수거용 플라스틱 통(38×18×39 cm)에 옮겨 담는다. 빈 채집기는 깨끗이 세척 후 기존에 설치한 위치에 다시 재설치하여 한 달간 방치한다. 위 작업을 반복하며 저수지에 퇴적되는 퇴적물을 모니터링 한다(그림 8).

Fig. 7. 
Equipments for reservoir sediment trap. a: trap, b: Buoy, c: Plastic container.

Fig. 8. 
Installing and collecting process of reservoir sediment trap. a: Buoy connecting the sediment trap before sediments collecting, b: Retrieving sediments, c: Clean-up trap after sediments collecting, and d: Measuring water depth of trap location on bottom of reservoir floor using the gauger (model: Hondex PS-7, LCD Digital Sounder).

풍매화 화분 포집기는 100 µm와 10 µm 그물 크기 나일론 체(100 µm & 10 µm mesh-size nylon sieve)로 구성된 포집기, 포집기를 걸어둘 T자형 철제걸이 그리고 포집기를 지지할 2~3 m 높이의 철제지지대로 구성되어 있다(그림 9). 포집기 설치 장소는 사방이 트여있어 풍매화 화분의 유입이 용이하며, 바람이 잘 불어오는 장소(제방)로 선정한다. 먼저 지지대가 바람에 쓰러지지 않도록 바닥에 단단히 고정하여 설치한다. 지지대 위에 회전이 가능한 T자형 철제걸이를 설치하고, T자 한 쪽 끝에 나일론 체로 만들어 진 포집기를 설치한다. 풍향계와 같은 원리로 바람이 불어오는 방향에 맞춰 포집기가 회전하게 되며, 바람을 따라 유입된 풍매화 화분이 포집기 내 포집된다. 포집기는 분기마다 수거하며, 현장에서 포집물만 수거하기 어려우므로 새 포집기와 교체하는 방식을 이용한다. 증류수와 붓을 이용하여 포집기와 포집물을 분리하고, 포집물은 건조 후 보관, 포집기는 세척 후 다음 수거 때 사용한다(그림 10).

Fig. 9. 
Equipments for anemophilous (wind-driven) pollen trap. a: Trap, b: T-shaped trap holder, c: Ladder used to retrieve pollen trap.

Fig. 10. 
Installing and collecting process of anemophilous (wind-driven) pollen trap. a: Installed trap, b: Retrieving trap, c: Check the pollen grains trapped in 10 μm mesh-size nylon sieve, and d: Reinstalling new trap.

사면 퇴적물 채집기는 가로×세로×높이가 100×100×25 cm인 사각 플롯(plot)과 사면을 따라 흐르는 시료를 채집할 길이 96 cm의 시료 통, 물은 흘려보내고 시료만 건져줄 10 µm 메시 크기의 나일론 체로 구성되어 있다(그림 11). 표층에 위치한 화분은 먼저 저수지 유역 내, 저수지와 가깝고 식생이 우거지지 않아 강수의 유입이 용이한 곳을 선정한다. 경사가 너무 가파르면 심한 강우에 의해 채집기가 파손되거나 시료가 유실 될 수 있으므로 경사가 45° 이상인 장소는 피한다. 장소가 선정되면 사각 플롯 한 면에 존재하는 퇴적물 배출구가 경사 아랫방향에 위치하도록 설치한다. 퇴적물이 강우와 함께 배출될 때 시료유실이 발생하지 않도록, 배출구 아래 빈틈이 생기지 않게 시료 통을 설치한다. 시료 통에 배수구멍을 뚫고 10 µm 그물 크기 나일론 체(10 µm mesh-size)를 덮어 물은 흘러나가고 걸러진 시료만 시료 통에 남을 수 있도록 한다. 시료는 건기와 우기가 지나는 시기에 맞춰 채집하며, 붓과 시료봉투를 이용하여 현장에서 시료채집을 실시한다(그림 12).

Fig. 11. 
Equipments for mountain slope sediment trap. a: Metal plot, b: sediment trap, and c: 10 μm mesh-size nylon sieve for sediment collecting.

Fig. 12. 
Installing and collecting process of mountain slope sediment trap. a and b: Install a plot, and c: Retrieving the pollen and sediments.

동일한 부피의 시료를 채집하기 위하여 가로×세로×높이가 10×10×2.5 cm인 사각 플롯(plot)과 모종삽을 준비한다. 저수지 유역 내 고도가 가장 높은 지역을 선정하고 이를 고도 100 m 단위로 구분한다. 등산로나 구조물 같은 인위적인 영향을 받지 않았으며, 되도록 수목이 우거지지 않은 열린 공간을 채집 지역으로 선정한다. 표층의 식생 및 낙엽을 걷어내고 사각 플롯을 표층에 박아 틀의 부피와 동일한 양 만큼만 토양시료를 채집한다. 모든 시료의 동일한 부피를 확보하기 위해서는 시료를 사각 플롯에 담긴 채로 시료 봉투에 수거 한다. 표층시료 채집은 장마가 오기 전, 후로 실시하며, 채집한 시기 해당 지역의 온도, 강수량 등 기후조건을 함께 기록한다(그림 13).

Fig. 13. 
Equipments for collecting surface soil samples. a: Sampler, b and c: Sampling location acquisition using Global Positioning System (Model: Trimble R2).

각 채집기에서 회수된 시료는 현미경 분석을 위해 200 µm 그물 크기의 체를 이용한 습식체질, 염산(HCl) 반응처리, 불산(HF) 반응처리, 습식체질(10 µm ~100 µm), 아세트산분해, 비중액 처리, 부틸알코올을 이용한 탈수작용, 박편제작 실험 순서로 진행된다. 습식체질(200 µm) 후 동일한 실험조건을 갖추기 위해 5 g 또는 10 g의 표본시료를 채취한다. 화분동정 단계에서 표본시료의 총 화분 양(pollen concentration)을 계산하기위해 각 시료마다 Lycopodium tablet 2알(5 g 시료는 1알)을 주입한다(Stockmarr, 1971). 시료 내 석회질교결물질을 제거하기 위해 35~40 ml 염산(30% 농도)에 반응처리 한 후 24시간 이상 반응을 기다린 다음 증류수로 3차례 세척한다. 그리고 규질교결물질을 제거하기 위해 35~40 ml 불산(30~40% 농도)에 반응처리 한 후 24시간 이상 반응처리 하고 증류수로 3차례 세척한다. 세척이 끝난 시료는 한 번 더 습식체질(10 µm~100 µm)을 실시한 후 아세트산분해를 실시한다. 아세트산분해를 위해 아세트산 무수물(C₄H₆0₃)과 황산(H₂SO₄)을 9:1 비율로 섞은 혼합액을 사용하며 90℃의 중탕기에서 4분 동안 열처리하여 반응을 촉진시킨다. 장시간 반응 할 경우 시료 내 화분이 변질될 수 있으므로 시간을 엄수하며, 세척 단계에선 사용한 혼합액이 시료에서 완전히 제거 될 수 있도록 여러 번 실시한다. 세척이 완료되면 수분을 최대한 제거한 후 2.0 의 비중을 가진 비중액을 이용하여 비중 2.0 보다 무거운 시료는 제거한다. 비중액 세척을 위해 염산으로 1차례 세척, 증류수로 3차례 세척을 실시한 후 부틸알코올을 이용하여 시료 내 수분을 완전히 제거한다. 탈수된 화분은 글리세린 젤리를 이용하여 슬라이드 글라스에 고정시키고, 커버 글라스를 덮어 화분 박편제작을 완료한다. 광학현미경을 통해 각 시료마다 300개의 화분 개수를 세어 화분동정을 실시한다(그림 14).

Fig. 14. 
Chemical pretreatments in pollen laboratory and pollen identification with optical microscope. a: Sediments, b: Residual sediments after 100 μm sieving. c: Samples after centrifuging and sieving with 10 μm, d: Residues after chemical pretreatments, e: Making slide, and f: Screening check the slide.

저수지 유역 내 퇴적물의 유동은 하천, 바람, 사태 등 다양한 경로를 통해 발생한다. 그 중 하천은 많은 양의 퇴적물을 지속적으로 이동시키며 저수지 내 퇴적물 주공급원 역할을 한다. 저수지 퇴적물 채집기는 유수에 따라 저수지로 유입된 퇴적물이 저수지 내에 퇴적될 때, 저수지 바닥에 위치한 채집기에도 동일하게 퇴적되는 원리로 시료를 채집한다. 한 달 간격으로 모니터링 하며, 기후 및 환경 변화에 따라 달라지는 퇴적물의 양과 채집기 내에서 나타나는 퇴적형태 등을 기록하는데 목적을 두고 있다. 보통 저수지 퇴적물 채집기는 다른 채집기보다 더 많은 양의 시료를 제공하고 시료의 형태가 기후 및 환경 변화 영향을 많이 받기 때문에 시료분석결과 양질의 자료가 생산될 것으로 보인다. 또한 저수지 유역 내 상류에서 저수지까지 하천을 따라 내려오며 근처에 위치하는 식생환경에서 퇴적물을 공급 받기 때문에 저수지 퇴적물에는 저수지 유역 내 식생군락을 반영하는 현생화분 자료가 내포되어 있다. 이를 근거로 하면 저수지 퇴적물 시료에서는 기후 및 환경 변화를 반영하는 현생화분 산출특성을 파악 할 수 있다, 저수지별 인위적 및 자연적인 기후환경 변화와 현생화분 산출특성 간의 관계를 분석하면 그 연관성을 상관관계식으로 도출 할 수 있을 것으로 예상한다.

대부분의 퇴적물은 바람을 통해서 멀리 이동하기 쉽지 않지만, 황사나 화분과 같이 µm 단위의 크기를 가진 경우 풍속에 따라 수 백 km 까지 이동이 가능하다(Xu et al., 2016). 연구지역 또한 바람에 날려 온 퇴적물의 영향을 지속적으로 받고 있으며, 이는 충분히 저수지 유역 내 현생화분 산출분석에 영향을 끼칠 것으로 보인다. 회전하는 철제걸이에 걸린 포집기는 바람이 불면 풍향계와 같은 원리로 바람이 불어오는 방향에 맞춰 회전하게 되며, 바람을 따라 이동하던 화분이 포집기 내에 포집되는 원리로 시료를 채집한다. 채집된 화분의 양을 분석하고, 분석결과를 저수지 유역 현생화분 산출결과에 대입하여 풍매화 화분 산출 값을 보정하는데 목적을 두고 있다. 이 자료가 현생화분 산출특성에 반영되면 좀 더 정확한 자료를 생산해 낼 수 있을 것으로 기대된다. 이외에도 풍매화 화분 포집기 생산 자료는 풍매화 화분의 이동 메커니즘을 조사하는데 이용될 수 있다. 물론 양질의 결과를 생산하기 위해서는 한반도의 자세한 지형자료를 고려하고 월별강수량, 풍향, 풍속과 같은 상세한 기후자료가 뒷받침되어야 한다, 하지만 한반도 지형에 맞는 풍매화 화분 이동 메커니즘 조사 자료가 아직 없기 때문에 처음 시도를 할 수 있다는 점에서 의미가 있을 것으로 생각된다.

앞서 말한 바와 같이 저수지에 퇴적되는 퇴적물의 상당한 부분은 하천을 통해 유입된다. 하천에 가까운 식생일수록 화분을 하천에 보내기가 유리하고, 멀어질수록 하천까지 도달하지 어려워져 인근 사면에 안착하게 되는데(Xu et al., 2016), 이는 저수지 퇴적량의 차이로 나타난다. 저수지 퇴적물에 함유된 화분은 대부분 하천을 따라 유입된 것이지만, 인근 사면에 산포된 화분들 또한 강수에 의해 사면을 따라 소량이지만 저수지로 유입된다. 사면 퇴적물 채집기는 단위면적을 제한하여 강수를 따라 사면에서 저수지로 유입되는 현생화분의 양을 조사하고, 현생화분 산출 특성에 얼마큼 영향을 미치는지 파악하기 위해 설치하였다. 저수지 유역 내 실제 식생분포와 하천 근처 식생분포 차이가 현생화분 산출특성 결과에 미치는 영향을 분석하면, 식생환경과 현생화분 산출특성 간의 상관관계를 도출 할 때 정확한 자료생산에 도움 될 것으로 예상된다.

화분은 과거 식생 및 기후를 복원하는데 있어 매우 유용한 지시자 중 하나이다(Traverse, 2007). 그 중 표층에 있는 화분을 채집하여 고온도를 복원하는 연구가 세계적으로 많이 진행되어 왔는데, 최근 국내에서도 표층시료를 통해 고온도를 복원하는 연구가 진행된 바 있다(Park, 2011). 이 연구를 선례로 하여 한반도 남부지역에 위치한 저수지 유역의 고온도를 복원하기 위해 저수지 유역 내 고도별 표층시료를 채집하였다. 고도별로 산출된 화분과 고도별 온도 추정 값을 기반으로 하는 Plant Transform Function 방법을 이용한 고온도의 정량적 복원 연구는 아직 국내에서 많이 연구되지 않아 더 의미가 있을 것으로 생각된다. 고도별로 채집한 화분의 산출특성은 정량적 고온도 수치자료 생산 외에도 고도에 따른 식생변화와 연관이 있기에(Chen et al., 2017) 저수지 퇴적물 시료에서 생산된 현생화분 산출특성 자료와 비교 분석이 가능할 것으로 생각된다. 이번 연구를 통해 생산될 자료는 저수지 유역뿐만 아니라 추후 한반도 남부지역 전체의 정량적 고온도 복원 및 현생화분 산출특성 연구를 진행하는데 있어 기반이 될 것이라 생각한다.