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ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.49 No.3 pp.236-243
DOI : https://doi.org/10.11614/KSL.2016.49.3.236

Analysis of the Location Environment of the Sub-alpine Coniferous Forest in National Parks Using GIS

Tae-Geun Kim, Jang-Geun Oh*
National Park Research Institute, Korea National Park Services, Wonju 26441, Republic of Korea
Corresponding author : +82-33-769-1602, +82-33-769-1639, jgohh@hanmail.net
September 14, 2016 September 30, 2016 October 1, 2016

Abstract

It was a case study to use as a basic data for efficient the preservation and management of subalpine coniferous forest in national parks. It is based on inhabitation condition of 210 individuals of Abies koreana Wilson that was found through local investigation in the sub-alpine zone of Jirisan National Park and Songnisan National Park. It analyzed the effect of the geographical location and topographical features, which are the basics of location environment, on the growth of A. koreana. The variables related to the growth of A. koreana are tree height and diameter at breast height. Topographical features include geographical longitude, altitude above sea level, slope of the mountains, aspect that describes the direction in which a slope faces and topographical wetness index. Topographical features were extracted through GIS spatial analysis. It used canonical correlation analysis to estimate whether the two variables groups have related to each other and how much they are related, if any, and estimated the effect of the geographical and topographical features on the growth structure of A. koreana using multiple regression analysis. The tree height and diameter at breast height that represent the growth structure of A. koreana show greater relation to geographical latitude distribution than topographical feature and the geographical and topographical factors show greater relation to diameter at breast height than tree height. The growth structure’s variable and geographical and topographical variable of A. koreana have meaningful relation and the result shows that geographical and topographical variables explain 18.1% of the growth structure. The variables that affect the diameter at breast height of A. koreana are geographical latitude, topographical wetness index, aspect and altitude, which are put in order of statistical significance. The higher the latitude is, the smaller the diameter at breast height. Depending on the topographical feature, it becomes bigger. The variable that affects the tree height is topographical wetness index, which was the only meaningful variable. Overall, the tree height and diameter at breast height that are related to the growth structure of A. koreana are affected by geographical and topographical feature. It showed that the geographical feature affected it the most. Especially the effect of water among the topographical features is expected to be bigger than the other topographical factors. Based on the result, it is expected that geographical and topographical feature is an important factor for the growth structure of A. koreana. Even though it considered only the geographical and topographical features and used spatial analysis data produced by GIS, the research results will be useful for investigating and researching the growth environment of coniferous forest inhabiting in sub-alpine zone of national parks and are expected to be used as basic data for establishing measures to efficiently manage and preserve evergreen needleaf tree such as A. koreana.


GIS를 활용한 국립공원 아고산대 침엽수림의 입지환경 분석
- 구상나무를 대상으로 -

김 태근, 오 장근*
국립공원관리공단 국립공원연구원

초록


    서 론

    지구온난화 등 기후변화를 비롯하여 다양한 환경변화는 이동성이 좋은 동물에 비해 식물의 경우 그 피해가 심각한 상황이며, 국립공원 아고산대 상록침엽수림의 감소가 급 속하게 진행되고 있어 적절한 보전대책이 시급한 실정이 다. 특히, 구상나무 (Abies koreana Wilson)는 소나무과 전 나무속에 속하는 상록침엽교목으로 한반도에 자생하는 고 유종이고, 해발 1,000 m 이상의 일부 고산지역에 서식하며, 우리나라 대표적인 기후변화 민감종으로 분류되어 있다 (Kong et al., 2009). 현재 구상나무는 지리산 (1,050~1,900 m), 한라산 (1,000~1,950 m), 덕유산 (1,350~1,590 m) 그리 고 가야산 (1,350~1,420 m) 등 국립공원의 정상부나 산 능 선의 암석지대에서 대부분 서식하고 있는 것으로 확인되 었다 (KNPS, 2014). 최근 아고산대에 자생하는 식물은 극 한 기후환경에 노출되고 있어 아고산대 식물들의 쇠퇴현 상이 두드러지고 있는데 구상나무와 같은 고산수종은 그 분포특성상 형질교환이 가능한 개체군의 크기가 매우 작 기 때문에 진화가 불가능해 멸종 가능성이 매우 높은 식물 로 인식되고 있다 (Lee and Cho, 1993; Koo et al., 2001).

    구상나무와 관련된 연구는 군집구조와 개체군 동태분석 (Cho, 1994), 생육현황의 이해증진을 위한 군집조사 (Kim et al., 1997) 등 기초연구뿐만 아니라, 생장과 서식환경의 연관성 (Lee et al., 1997), 구상나무의 생장조건 비교 (Kim and Choo, 2000), 개체군의 식생구조와 생육환경의 연관성 (Kim et al., 2012) 및 치수 발생과의 상관관계 등 구상나무 림의 식생구조변화와 서식환경 보존을 위한 연구가 보고 되고 있다 (Song et al., 2014). 또한 지구온난화 등 기후변 화에 따른 구상나무의 생장에 영향을 주는 주요 기후인자 를 규명하고, 이로 인한 구상나무의 생장변화 및 쇠퇴 현 상, 서식지 분포변화에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있 다 (Park and Seo, 1999; Koo et al., 2001; Yun et al., 2010; Kim and Lee, 2013).

    국립공원관리공단은 구상나무를 포함하여 아고산대 상 록침엽수림을 효과적으로 관리하고 보전하기 위해서 2009 년부터 서식실태조사와 함께 모니터링을 수행하고, 국립공 원연구원은 수분스트레스가 미치는 영향에 대해서 연구를 진행하고 있다 (KNPS, 2014a, b, 2015).

    현재까지 구상나무의 다양한 연구를 통해서 고사의 원 인이 명확하게 밝혀지지 않았지만 지구온난화에 따른 겨 울기온의 상승은 광합성 조건을 충족하나 수분공급의 불 균형으로 구상나무 생장쇠퇴의 주요 요인일 수 있다고 하 였다 (Koo et al., 2001; Kong et al., 2009). 또한 상대습도, 온도 그리고 해발고도 등 물리적인 서식환경의 변화가 아 고산 식물의 생장에 중요한 환경요인으로 작용할 것이라 고 보고한 바 있다 (Wildi and Lutz, 1996; Kim and Lee, 2013). 따라서 국립공원에서 아고산수종을 효과적으로 관 리하고 보존하기 위해 구상나무의 식생구조와 공간분포, 서식환경 등의 생태적인 기본 정보가 절실히 요구된다. 특 히 전국에 산재되어 있는 국립공원의 지리적인 특성상 현 장조사는 매우 어렵고 많은 시간과 비용이 소요되기 때문 에 고지대 산악지역에 주로 분포하고 있는 구상나무 등 상록침엽수림의 생태정보를 주기적으로 수집하기 위해서 GIS 공간분석 방법을 이용하는 것이 매우 유용할 수 있다.

    본 논문은 국립공원 아고산대 침엽수림을 효과적으로 보전하고 관리하는 데 기초자료로 활용하고자 진행된 사 례연구로서 지리산국립공원과 속리산국립공원의 아고산 대에서 현지 조사된 구상나무 (Abies koreana)의 서식실태 자료를 바탕으로, 입지환경의 기본이 되는 지리적 위치와 지형적 특성이 구상나무의 생장에 미치는 영향을 분석하 였다. 이를 위해서 구상나무의 생장과 관련된 변수는 수고 및 흉고직경으로 하고, 지리·지형적 특성은 GIS 공간분석 으로 추출된 지리적 위도 (Longitude), 해발고도, 산지경사, 사면향 그리고 지형습윤지수 (TWI, Topographic Wetness Index)로 하여 상호연관성을 분석하였다.

    재료 및 방 법

    1.연구지역 및 방법

    국립공원 아고산대에서 서식하고 있는 구상나무의 생장 에 미치는 지형적 영향을 평가하기 위해서 현지 조사 자료 가 이용 가능한 속리산국립공원과 지리산국립공원을 대상 으로 하였다. 구상나무의 생장구조 변수는 201개체 구상나 무의 수고와 흉고직경으로 하고, 지리·지형변수는 GIS 공 간분석으로 도출된 해발고도, 산지경사, 사면향 그리고 지 형습윤지수 (TWI, Topographic Wetness Index)으로 하였다. 구상나무의 생장구조 변수와 지리·지형변수의 연관성은 정준상관분석 방법을 이용하고, 변수의 상대적 영향은 다 중회귀분석 방법을 이용하였다.

    2.구상나무 분포자료

    지리산국립공원에서 구상나무의 실태조사는 2013년 11 월부터 2014년 7월까지 성삼재-천왕봉 주 능선부, 직전-피 아골삼거리, 유평리-천왕봉, 추성-천왕봉, 성삼재-큰고리봉 등 조사 가능한 주요 등산로 33개를 중심으로 실시하였다 (KNPS, 2015). 속리산국립공원은 2014년에 생존하는 개체 와 치수목을 대상으로 법주사지구 신선대 및 입석대 일원 을 중심으로 전수 조사하였다 (KNPS, 2014b). 조사경로별 로 분포 하한선과 주요 지점에 분포하는 구상나무를 선정 하여 수고, 흉고직경, 해발고도, 방위, 좌표 등의 내용을 기 록하였다. 조사내용에 포함된 좌표는 GPS기기를 사용하여 취득하였다. 구상나무 생육개체는 지리산에서 178개체, 속 리산에서 32개체 등 총 210개체가 확인되었다 (Fig. 1).

    3.지리·지형요소 자료

    지리적 위치를 나타내는 위도는 구상나무가 분포하고 있는 지점으로 하고, 지형적 특성을 나타내는 해발고도, 산지경사, 사면향 그리고 지형습윤지수와 관련된 자료는 Kim et al. (2013)이 식생구조에 대해서 입지환경의 영향 을 평가하기 위해서 이용한 GIS 공간분석 기법을 적용하 였다. 수치고도자료 (Digital Elevation Model, DEM)는 실 제 지형기복의 형태를 표현하고자 3차원으로 표현한 수 치자료이다. DEM은 대상지역을 일정한 면적을 정방형으 로 격자를 나눈 뒤 각 격자마다 해당지점의 해발고도가 입 력된다. 사용된 DEM자료는 국립지리정보원에서 제작하 고 배포하는 1 : 5,000 축척의 수치지형도에서 해발고도를 나타내는 등고선 자료를 이용하고, 등고선에서 고도가 입 력된 각 지점을 연속적인 삼각형으로 연결하는 불규칙 삼 각망 (TIN, Triangulated Irregular Network) 보간법을 적용 하여 제작되었다. 격자크기는 수치지형도의 정확도를 고 려해서 10 m×10 m로 하고 구상나무가 위치한 지역의 해 발고도를 추출하였다. 그리고 이 지점에서 산지경사와 사 면방향은 간단한 공간분석 기법을 응용하여 산출하였다 (Burrough and McDonnell, 1998). 사면방향은 북쪽을 0°로 시작하여 시계방향으로 동 (45°~135°), 남 (135°~225°), 서 (225°~315°), 북 (315°~0°, 0°~45°) 4개의 사면으로 구분 하였다. 지형의 수분조건을 정량화하기 위해서 지형습윤지 수 (Topographic Wetness Index, TWI)는 지형의 형태가 오 목하고 경사가 완만한 지역에서는 수분이 모이고 산지경 사가 가파르고 볼록한 지역에서는 물이 흐르는 성질을 바 탕으로 생성되었다. 이 지수는 산지경사에 따라 물이 흐르 는 방향에 직각으로 만나는 지점에서 단위 면적당 물이 모 이는 집수면적의 비율로 산출된다. 이 값이 클수록 지형에 수분이 상대적으로 많다는 것을 의미한다 (Gessler et al., 2000). TWI를 계산하기 위해서 다음 식을 이용하였다.

    TWI=ln (As/tanβ)

    여기서, A는 집수면적이고 tanβ는 라디안 단위로 표현되 는 산지경사를 나타낸다. Fig. 2는 지리산과 속리산국립공 원의 지리·지형변수의 분포를 나타내고 있다.

    3.구상나무의 생장과 지리·지형요소의 관계분석

    구상나무의 생장과 관련된 변수인 수고 및 흉고직경과 입지환경의 기본이 되는 지리·지형적 특성의 관계를 분 석하기 위해서 변수들 사이의 연관성은 정준상관분석을 하였다. 두 변수 사이의 연관성을 분석할 때 일반적으로 사용되는 통계분석은 상관분석이다. 그러나 변수 사이의 관계를 나타내는 상관계수만으로는 몇 개의 변수로 이루 어진 집단 사이의 연관성을 해석하는 데 한계가 있다. 상 관계수는 개별 변수 간의 연관성을 구하는 통계량이지 집 단 사이의 연관성을 구하는 통계량이 아니기 때문이다. 따 라서 본 논문에서 수고와 흉고직경으로 구성된 구상나무 의 생장구조 변수집단과 생장에 영향을 줄 수 있는 지리 적 위치, 해발고도, 경사, 사면향 그리고 지형습윤지수로 구성된 지형변수 집단 사이의 연관성을 구하기 위해서 정 준상관분석을 이용하였다. 정준상관분석은 설명변수와 종 속변수가 각 2개 이상이며 각 변수집단 내에서 어느 정도 의 상관관계가 있다고 가정했을 때 두 변수집단 사이의 상 관관계를 가장 잘 설명할 수 있는 변수들의 선형결합을 찾 는 것을 목적으로 하는 통계방법이다. 정준상관분석은 먼 저 구상나무의 생장구조 변수군과 지리·지형변수군을 선 정한 다음, 두 변수군 간의 관계 유무와 그 정도를 분석하 기 위해서 두 변수군 간의 상관관계를 극대화시키는 정준 함수를 찾아서 통계적 유의성을 검증한다. 그리고 각 변 수의 해당 변수군에 대한 기여도는 정준적재량 (canonical loadings)으로 평가하고, 비교 대상의 변수군에 대한 기여 도는 교차적재량 (cross loadings)으로 평가한다. 정준상관 분석은 두 변수집단 사이의 상관관계는 물론, 각 변수집단 내에서 특정변수가 차지하는 중요성을 파악할 수 있다는 장점을 가지고 있다 (Kim, 2010).

    또한, 구상나무의 생장에 대해 지리·지형요소의 상대적 인 영향을 평가하기 위해서 다중회귀분석을 이용하였고, 회귀모형을 추정하기 위해서 변수 선택은 후진제거방법을 이용하여 평가하였다. 구상나무의 생장과 관련된 수고와 흉고직경을 종속변수 또는 준거변수로 하고 입지환경특성 인 경·위도, 해발고도, 사면방향, 경사 그리고 지형습윤지 수를 설명변수 또는 예측변수로 하여 분석하였다. 연구에 서 적용된 통계분석은 R-3.3.1 통계패키지를 이용하였다 (R Core Team, 2016).

    결과 및 고 찰

    현지에서 측정된 구상나무의 수고는 최소 2 m에서 최대 15 m의 범위에서 평균 9.03 m로 조사되었다. 지상에서 1.2 m 떨어진 지점에서 수목의 둘레를 나타내는 흉고직경은 최소 5 cm에서 최대 212.50 cm의 범위에서 평균 62.64 cm 로 조사되었다. 구상나무가 분포하는 지역의 지형적 특성 은 해발고도는 최소 804 m, 최대 1825 m 그리고 평균 1,266 m로 나타났다. 산지경사는 평균 19.59°이고 최소 1.51°에 서 최대 45.65°의 범위에서 분포하는 것으로 나타났다. 지 형의 수분조건을 설명하는 지형습윤지수 (TWI)는 전반적 으로 3.59 이상으로 평균 6.2와 최대 15.08로 나타났다. 공 원별 살펴보면 지리산국립공원에서 구상나무의 평균수고 는 9.09 m (sd=3.16 m)이고, 흉고직경의 평균은 70.7 cm (sd=32.13 cm)로 조사되었다. 지형적 특성은 지리산국립 공원에서 해발고도 1,319.47 m, 산지경사 18.40°, 지형습윤 지수 6.52 (unitless) 그리고 남동사면 (178.19°)인 지역에서 구상나무가 주로 분포하는 것으로 나타났다. 속리산국립공 원에서 구상나무의 수고는 평균 8.72 m (sd=3.15 m)이고, 흉고직경의 평균은 17.7 cm (sd=6.75 cm)로 조사되었다. 속리산국립공원에서 구상나무가 분포하는 지역의 지형적 특성은 평균 해발고도는 967.69 m, 산지경사는 26.23°, 지 형습윤지수은 4.73 (unitless) 그리고 동쪽사면 (81.18°)으로 나타났다.

    구상나무의 생장구조 변수와 지리·지형변수 간의 관 계 유무 및 그 정도를 분석하고, 각 변수 간의 표준화된 값 (canonical coefficients)을 토대로 지리·지형변수의 각 변 수가 소속된 변수군을 설명하는 데 얼마나 기여하는지를 나타내는 정준적재량 (canonical loadings)과 구상나무 생장 구조 변수군을 설명하는 데 지리·지형변수의 각 변수가 얼마나 기여하는지를 나타내는 교차적재량 (cross loadings) 은 Table 1과 같다. Table 1에서 보듯이 구상나무의 생장구 조 변수와 지리·지형변수의 정준상관분석 결과, 2개의 정 준함수가 도출되었으며, 이 중 정준함수 1이 유의적인 결 과를 보이는 것으로 나타났다. 첫 번째 정준함수 분석 결 과, 정준상관계수는 0.729 (wilk’s λ=0.450, x2=163.884, df=10, p<0.001)으로 나타나 구상나무의 생장구조 변수 인 수고와 흉고직경은 지리·지형변수인 위도, 해발고도, 산지경사, 사면향 그리고 지형습윤지수와 통계적으로 유의 미한 상관관계가 있었다. 지리·지형변수들 중 지리적 위 도위치와 상관성이 가장 높고 해발고도, 사면향, 산지경사 그리고 지형습윤지수의 순으로 상관성이 높게 나타났다. 해발고도, 사면향, 지형습윤지수와 양적 상관관계이고, 산 지경사는 부적 상관관계로 나타났다. 이는 해발고도가 높 고 북사면향이며 지형습윤지수가 높을수록 생장구조 변 수인 수고와 흉고직경이 커진다는 것이다. 해발고도에 따 라서 생육환경의 차이가 나타나고, 산지경사에 따라서 구 상나무가 다양하게 분포하는 특성에 기인할 수 있다 (Kim and Lee, 2013; Kim et al., 2013). 수직적인 분포보다 위도 의 지리적인 분포와 연관성이 더 크고, 수고에 비해서 흉 고직경에 지리·지형적 연관성이 더 큰 것으로 나타났다. 전반적으로 구상나무의 생장구조 변수와 지리·지형변수 에는 유의한 상관관계가 있고, 지리·지형변수군이 생장구 조 변수군을 18.1% 정도 설명하는 것으로 나타났다. 이러 한 결과로 볼 때, 지리·지형적인 특성은 구상나무의 생장 구조 변수인 수고와 흉고직경에 중요한 요인이 될 것으로 추측된다.

    지리·지형변수의 영향을 상대적으로 평가하기 위해서 다중회귀모형에 후진제거 변수선택 방법을 적용하고, 구상 나무의 생장과 관련된 물리적 구조인 수고와 흉고직경을 설명하기 위해서 회귀모형을 추정한 결과 Table 2와 같다. 구상나무의 흉고직경에 영향을 주는 변수는 지리적 위도, 지형습윤지수, 사면향 그리고 고도의 순으로 통계적 유의 성이 있는 것으로 나타났다. 위도가 높아질수록 흉고직경 은 작아지고, 지형적 특성에 따라서는 커지는 것으로 나타 났다. 수고에 영향을 주는 변수는 지형습윤지수만이 유의 미한 것으로 나타났다. 이는 구상나무의 생장구조와 관련 있는 수고와 흉고직경은 지리적인 특성의 영향이 가장 클 것으로 나타났다. 특히 지형적 특성 중에서 지형수분상태 를 나타내는 지형습윤지수의 영향이 다른 지형요소에 비 해서 더 클 것으로 예측되었다. 이는 강수량에 의한 수분 스트레스에 민감하고, 봄 가뭄에 의한 수분수지가 구상나 무의 연륜생장에 영향을 미친다고 보고한 연구결과와 유 사하다 (Kim, 1994; Park and Seo, 1999; Koo et al., 2001).

    적 요

    본 논문은 국립공원 아고산대 침엽수림을 효과적으로 보전하고 관리하는 데 기초자료로 활용하고자 진행된 사 례연구로서 지리산국립공원과 속리산국립공원의 아고산 대에서 현지 조사된 구상나무 (Abies koreana Wilson) 210 개체의 서식실태 자료를 바탕으로, 입지환경의 기본이 되 는 지리적 위치와 지형적 특성이 구상나무의 생장에 미치 는 영향을 분석하였다. 이를 위해서 구상나무의 생장과 관 련된 변수는 수고 및 흉고직경으로 하고, 지형적 특성은 GIS 공간분석을 이용하여 추출된 지리적 위도, 해발고도, 산지경사, 사면향 그리고 지형습윤지수로 하였다. 두 변수 군의 연관성의 유무와 정도를 평가하기 위해서 정준상관 분석을 이용하고, 다중회귀분석을 이용하여 지리·지형적 특성이 구상나무의 생장구조에 미치는 영향을 평가하였 다.

    구상나무 생장구조를 나타내는 흉고직경 및 수고는 지 형의 수직적인 분포보다 지리 위도적인 분포와 연관성이 더 크고, 지리·지형요소는 수고보다 흉고직경과 연관성 이 더 큰 것으로 나타났다. 구상나무의 생장구조변수와 지 리·지형변수는 유의한 상관관계가 있고, 지리·지형변수 가 생장구조변수를 18.1% 정도 설명하는 것으로 나타났 다. 구상나무의 흉고직경에 영향을 주는 변수는 지리적 위 도, 지형습윤지수, 사면향 그리고 해발고도의 순으로 통계 적 유의성이 있는 것으로 나타났다. 위도가 높아질수록 흉 고직경은 작아지고 지형적 요소에 따라서는 커지는 것으 로 나타났다. 수고에 영향을 주는 변수는 지형습윤지수만 이 유의미한 것으로 나타났다.

    전반적으로, 구상나무의 생장구조와 관련된 수고와 흉고 직경은 지리적인 특성의 영향이 가장 클 것으로 나타났다. 특히 지형적 특성 중에서 수분상태의 영향이 다른 지형요 소에 비해서 더 클 것으로 예측되었다. 이러한 결과로 볼 때, 지리·지형적인 특성은 구상나무의 생장에 중요한 요 인이 될 것으로 추측된다.

    비록 지리·지형적 특성만을 고려하고 GIS를 이용하여 제작된 공간분석 자료를 사용한 한계가 있다고 해도, 본 연구결과는 향후 국립공원 아고산대에서 서식하고 있는 침엽수림의 생장환경을 조사하고 연구하는 데 유용하고, 구상나무 등 상록침엽교목을 효과적으로 관리하고 보전하 기 위해서 대책을 수립하는 데 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.

    Figure

    KSL-49-236_F1.gif

    The distribution of Abies koreana in Jirisan (left) and Songnisan (right) national park. The black spots (●) show the sampling site.

    KSL-49-236_F2.gif

    The distribution of geographic and topographic variables in Jirisan (left) and Songnisan national park (right). The spots (•) show the sampling site.

    Table

    Canonical Correlation between physical structure variables of Abies koreana and topographical factors.

    Multiple Linear model between physical structure variables of Abies koreana and topographical factors.

    significant level : ***α<.01, **α<0.05, *α<0.1

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