⊙ 상부 개방형 온실(Open top chamber)을 이용한 우리나라 온대 수종의 기후 변화 적응 기작과 생태적 영향에 관한 연구 (한국연구재단:2014.11 ~ 2017.4)

가. 연구의 필요성

• - 1970년대 산림녹화 산업을 통하여 조성되어 유령림을 지나 현재 장령림 단계을 거치고 있으며, 조만간 성숙림의 단계로 들어가 비로소 높은 경제적 가치를 가지게 될 우리나라 산림에 있어, 기후변화로 인한 산림은 훼손은 지난 40여 년간 공들여온 노력을 허망하게 하는 것으로, 기후 변화에 대응할 수 있는 산림관리 방안은 필수적이다.
• - 이러한 산림관리 방안을 마련하기 위해서는, 우리나라 고유수종을 자연상태와 최대로 유사한 환경에서 미래 대기 환경에 장기간 폭로시키는 연구가 필요하다. 그동안 우리나라에서 기후변화에 따른 우리나라 산림의 변화를 예측하는 연구는 많이 수행되었지만, 대부분 생장상을 이용한 단기간의 연구 혹은 모델을 사용한 단순한 미래 예측에 불과하여, 실제로 우리나라 자생 수종의 생리적 기작에 기반을 둔 자료는 제한적이며, 특히 실제 미래 기후 환경에서 장시간 생장한 수목을 이용한 연구는 극히 제한적이다. 이로 인해, IPCC 보고서에 우리나라에서 생산된 자료가 한 번도 인용되지 않는 원인이 된다고 생각한다.
• - 따라서 우리나라를 대표할 수 있는 자생수종들을 장기간 미래 대기 환경에 폭로시키고, 그에 생리·생태적적 변화에 대한 연구가 필요하다. 특히, 땅 속의 수분이 뿌리 통해 흡수되어 줄기와 잎의 기공을 통해 나가면서 발생하는 탄소동화작용, 즉 광합성의 수분과 탄소의 생리적 연결성을 인지하고, 뿌리와 가지의 수리전도도, 기공, 잎의 광합성 특성을 모두 연구하여, 기후변화에 따른 수종별 대응 기작을 구명하고, 그에 따른 변화를 정량화 하는 연구는, 다양한 수종과 식생을 구조를 가지고 있는 한반도 복잡성을 고려할 때 꼭 필요한 연구라고 할 수 있다.
• - 기후변화로 인한 수종별 생리적 변화뿐만 아니라, 생태계의 변화를 알기위해서는 화분이나 생장상과 같은 작은 규모의 연구로는 한계가 있으며, 실제로 식재된 나무를 상부 개방형 온실(open top chamber)나 자유대기 폭로 실험 (FACE)와 같이, 실제 자연과 유사한 환경에서 실험이 이루어 져야 한다. 다행히, 2009년부터 모부처의 상부 개방형 온실이 완공되어 2010년부터 우리나라의 대표수종인 소나무, 상수리나무를 비롯해 우리나라 온대 산림에서 흔히 볼 수 있는 물푸레나무, 때죽나무, 산사나무 등이 식재되어 자라고 있다.
• - 본 연구를 통해, 우리나라의 자생수종을 장기간, 대규모로 미래 대기 환경에 노출시켜 유사 생태계이 수분수지와 탄소수지를 계산하고, 변화를 정량화하여, 기후변화에 따른 우리나라 산림 생태계의 변화를 예측할 수 있는 기반을 마련하고, 이에 대응할 수 있는 산림 관리 방안을 마련하는데 기여하고자 한다.

나. 연구개발의 최종목표

본 연구의 목표는 2010년 이후 약 4년 이상의 장기간 미래의 대기 환경, 즉 높은 이산화탄소 농도 (400ppm, 550ppm, 720ppm)와 고온(대조구, 대조구+2°C)에서 자라고 있는 우리나라 중부 온대지방의 대표적인 자생종인 소나무(Pinus densiflora), 상수리나무(Quercus accutissima), 물푸레나무(Fraxinus rhychophylla), 팥배나무(Sorbus alnifolia), 그리고 소사나무(Carpinus turczaninovii)의 생리·생태적 변화를 정량화하고, 수종별 기후변화에 대한 적응 기작을 구명하고, 이들로 이루어진 작은 생태계라 할 수 있는 상부 개방형 온실 (open-top chamber)의 수분수지와 탄소수지를 정량화하여 기후변화에 따른 우리나라 중부지역 온대산림의 변화를 예측할 수 있는 기반을 마련하고자 한다. 이를 달성하기 위해서, 아래와 같은 세부 목표들을 설정한다.

수종별 형태적 변화의 정량화

• - 개체목 단위: 잎, 가지, 줄기, 뿌리의 부위별 생장량, 부위별 분배율, 수고생장, 직경생장
• - 잎 단위: 잎의 크기, 엽면적비(Specific Leaf Area), 기공의 크기, 밀도, 면적, 깊이 생리적 변화
• - 광합성 특성: A-Ci 반응곡선(최대 카르복실화 속도(Vcmax), 최대 전자전달 속도(Jmax)), 광반응 곡선 (Light Response Curve)
• - 수리전도도: 각 부위별 수리전도도, 공동현상 위험곡선 (Cavitation Vulnerability Curve)
• - 수분이용효율 (Water Use Efficiency)
• - 양분변화 및 양분이용효율(Nutrient Use Efficiency): N, P, K, pH 등 수분수지의 정량화
• - 수관차단량, 수관통과우, 토양침투량, 증발산, 표면유출량, 저류량 등 탄소수지의 정량화
• - 일차총생산량 (GPP), 일차순생산량(NPP), 토양호흡량 (Soil respiration) 등 수분·탄소수지 변화의 원인 구명
• - 산림 생태계의 변화 예측