점봉산 신갈나무림의 질소 동태에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

질소는 육상생태계에서 식물의 성장과 발달을 제한하는 주요 양분으로 식물의 흡수, 미생물의 부동화, 암모니아화, 질산화 , 탈질산화 등을 포함하는 생물지구화학적 과정을 거친다. 이러한 과정들은 질소순환의 일부분으로서 세계적으로 많은 연구들이 수행되어 왔으나 아직까지 질소의 분포 및 순환에 대한 완전한 이해는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 우리나라 온대낙엽수림의 전형을 나타내고 있는 점봉산 신갈나무림에서 질소의 동태와 이동 과정을 정량적으로 파악하기 위해 2010년부터 2012년까지 현지 조사를 하였다. 이를 기초로 우리나라 삼림생태계, 특히 온대낙엽수림 내에서의 질소의 분포와 삼림생태계 내부에서의 질소의 이동 및 삼림생태계 외부로부터의 질소 유입 및 생태계 밖으로의 유출의 정량화를 시도하였고, 이러한 삼림생태계 내에서의 질소의 이동에 춘계단명식물과 하록식물 그리고 토양미생물의 영향과 역할을 정량화하고자 하였다.
점봉산 신갈나무림 삼림생태계의 총질소량은 평균 13,778 kg ha⁻¹로서 식물체에 1,308 kg ha⁻¹, 임상유기물에 235 kg ha⁻¹, 그리고 토양에 12,235 kg ha⁻¹로 분포하고 있다. 이는 생태계 내 총질소량의 각각 9.5%, 1.7%, 88.8%에 해당되며, 토양에 삼림생태계 총질소량의 대부분이 분포하는 것으로 확인되었다.
이러한 질소의 분포는 계절적으로 이례적인 강우량의 증가에 의하여 신갈나무림의 순생산량은 증가하지만 토양 및 식물체의 질소량은 감소되어 급격한 강우패턴의 변화는 식물체 생산량과 토양 및 식물체 질소 함량의 변화를 다르게 하였다.
신갈나무림 내부에서의 질소 이동은 크게 식물체로부터 낙엽에 의해 임상으로 공급되는 것, 임상의 낙엽 분해 과정을 통해 임상에서 토양으로 이동하는 것, 그리고 이것을 식물체가 흡수하는 것으로 구분될 수 있다. 연간 식물체의 질소 흡수량은 148.6 kg ha⁻¹yr⁻¹, 낙엽에 의해 임상으로 이동하는 질소는 73.81 kg ha⁻¹yr⁻¹, 그리고 낙엽의 분해를 통해 토양으로 이동하는 질소량은 31.52 kg ha⁻¹yr⁻¹로 측정되었다. 이들 질소의 이동량은 식물체가 갖고 있는 질소량의 각각 11.4%, 5.6%, 2.4%에 상당하는 양이다. 이 중 낙엽생산 및 낙엽분해에 의한 토양으로의 질소 유입량은 기존 연구에 비하여 높은 수준을 보였고, 장기간에 걸친 이들의 유입이 신갈나무림 토양의 높은 질소 축적량의 원인인 것으로 판단된다.
신갈나무림 생태계와 그의 외부 환경과의 질소 이동은 강우에 의한 유입과 지표 유출수 (run-off)를 포함한 근권 외부로 유출되는 질소 유실을 생각할 수 있다. 지표 유출수를 포함하지 않은 근권 외부로의 질소 유출은 약 18.5 kg ha⁻¹yr⁻¹로 측정되었고, 강수에 의하여 삼림생태계로 유입되는 질소는 5.6 kg ha⁻¹yr⁻¹으로 측정되었다. 토양수의 이동에 의하여 용탈되는 질소량은 강수에 의한 질소 유입량의 약 3배에 달하였다. 특히 이른 봄의 융설과 토양의 해빙에 의한 과잉의 토양수에 의한 질소의 용탈은 2011년과 2012년 4월에 각각 5.4 kg ha⁻¹과 4.7 kg ha⁻¹로 연간 질소 용탈량의 40% 이상이 초봄의 융설과 해빙에 의하여 발생되었다. 토양에서의 질소 용탈은 본 실험에서 다루지 못한 지표 유출수 및 토양미생물의 활성 증가에 의한 질산화 (nitrification) 및 탈질화 (denitrification)의 양을 고려하면 미량일 것으로 추측된다.
신갈나무림 삼림생태계에서의 이러한 질소 이동에 대하여 삼림생태계의 고등식물의 역할과 토양 미생물의 역할을 파악하고자 하였다. 특히 해빙 직후부터 활발한 춘계단명식물과 그 뒤를 잇는 하록식물들 그리고 토양미생물의 역할에 주목하였다. 해빙 직후 춘계단명식물의 질소 순흡수량은 5.1 kg ha⁻¹로 초봄에 토양에서 용탈되는 질소량과 거의 같은 양의 질소를 식물체로 흡수하여 삼림생태계로부터의 질소 유실을 완화시켜주는 vernal dam의 역할을 확인하였다. 한편 토양미생물은 연간 토양에서의 질소 용탈량의 6배에 가까운 질소를 microbial biomass-N으로 저장하였다. 춘계단명식물들의 질소 흡수량은 수목 질소 흡수량의 3.4%, 낙엽으로 유입된 질소량의 6.9%, 토양미생물 흡수량의 5.7∼17.3%가 되는 양으로서 삼림 내에서 낙엽 등을 통해 이동하는 질소량에 비해서는 작은 양이지만 그 역할은 아직 고등식물들의 왕성한 생육활동 전에 삼림생태계의 질소 보유 및 유실 방지에는 매우 중요하고 큰 역할이다. 또한 토양미생물은 2012년에 춘계단명식물의 질소 흡수량의 30% 수준으로 급격히 감소하여 안정적인 질소 저장소로서 기능을 수행하지 못하였는데 이는 2011년과 2012년의 강수량의 차이에 기인하는 것으로 보이며 토양미생물의 질소 흡수량은 겨울에 쌓인 눈의 융설보다는 강우량에 의한 영향을 크게 받는 것으로 판단된다.
또한 춘계단명식물의 짧은 biomass-N의 증가 기간, 즉 짧은 생육 기간 후 지상부의 사멸로부터의 질소 방출과 하록식물의 질소 흡수 간에는 유의한 상관관계가 확인되었다 (p < 0.001, r² = 0.4707). 그러나 토양미생물의 질소 방출량은 춘계단명식물에 비해 7∼24배 가량 높은 것으로 확인되었으나 하록식물의 질소변화와 유의한 상관관계가 확인되지 않았다. 따라서 춘계단명식물들의 질소 흡수량 및 방출량은 크지 않으나 질소 저장소 및 공급원으로서 환경 변화에도 안정적인 기능을 수행하는 것으로 확인되었으며 반면 토양미생물의 질소 저장량 및 방출량은 매우 높으나 초봄의 질소 용탈시기에는 안정적인 질소 저장소 및 공급원으로서의 기능을 수행하지 못하는 것으로 확인되었다.
본 연구결과 우리나라의 전형적인 온대낙엽수림인 점봉산의 신갈나무림 생태계는 삼림 내 토양과 식물체에 저장된 큰 질소 저장고를 바탕으로 낙엽 및 분해에 의해 식물체로부터 토양으로 공급되는 질소와 토양으로부터 식물체가 흡수하는 질소의 균형된 이동에 의해 안정적인 삼림생태계를 유지하는 것으로 판단된다. 특히 토양의 높은 질소의 축적량은 외부환경 변화의 영향을 최소화할 수 있는 높은 완충 기능을 나타내는 것으로 사료되며 계절적으로 발생되는 질소의 지속적인 손실에 대응하여 춘계단명식물과 토양미생물이 질소의 저장소 역할을 수행하는 것으로 확인되었다. 또한 춘계단명식물은 해빙기에는 유실되기 쉬운 질소를 흡수하고 수관의 울폐기에는 질소를 방출하여 이후 식물들에 필요한 질소를 공급하는 생태계 질소순환의 중요한 기능을 수행하는 것으로 확인되었다. 따라서 본 연구결과를 통해 우리나라의 대표적인 온대낙엽수림인 점봉산의 신갈나무림 생태계가 내부의 안정된 질소순환 과정을 통해 안정적으로 삼림생태계를 유지하고 있으며 이러한 질소순환 과정에서 춘계단명식물은 질소의 저장소 및 공급원으로 중요한 기능을 수행하고 있다.
마지막으로 본 연구 결과는 국내 대표적인 온대낙엽수림인 신갈나무림에서의 질소순환 및 생태계 구성요소들의 역할에 대한 이해를 증진시키고 향후 국내의 삼림에서 질소순환 및 생태적 기능의 연구를 수행하기 위한 기초자료로서 기여할 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Nitrogen (N) is the most limiting nutrient on terrestrial ecosystems and influenced by biogeochemical processes including plant uptake, plant production, microbial immobilization, ammonification, nitrification, and denitrification. Although all of these processes occur as part of the nitrogen cycle (N cycle), a complete understanding of the N cycle is still lacking. Accordingly, this study was conducted to understand the N cycle in a Mongolian oak, Quercus mongolica, forest at Mt. Jumbong from 2010 to 2012. As a first step to understand the N cycle, this study confirmed the amounts of N distribution in tree biomass, forest floor litter, and soil of Q. mongolica forest. The total amount of N distribution in the forest was 13,778 kg ha⁻¹. N distributions in tree biomass, forest floor, and soil were 1,308, 235, and 12,235 kg ha⁻¹, respectively. Most of the N was accumulated in the soil, which accounts for 88.8% of the total N distribution. However, large amounts of precipitation and changes in rain pattern occurred in 2011; there was a net increase in primary production of trees and a decrease in the amounts of N in the trees and soil. The tree production and soil N content showed different responses with the increase of rainfall and changed patterns of rainfall. As a next step to understand the N cycle, this study investigated the internal and external N fluxes in forests ecosystems. For the internal N cycle of forest, N fluxes can be divided into plant uptake, litter production/decomposition, and annual N input returned to the soil. Results identified 148.6, 73.81, and 31.52 kg ha⁻¹yr⁻¹ in plant uptake, litter production/decomposition, and N intake return, respectively. N uptake of plants was higher than N input returned to soils by litter. The amount of N in soil caused by litter production and litter decomposition was higher than reported in previous studies. Therefore, the long-term continuous input of N to soil by litter likely was the cause of high N in the soil. External N fluxes of a forest ecosystem largely could be divided into input by rainfall and output by leaching, with 5.6 kg ha⁻¹yr⁻¹ by rainfall and 18.5 kg ha⁻¹yr⁻¹ from leaching. Therefore, the amount of N leaching was three times higher than N input of rainfall. N leaching in April of 2011 and 2012 was 5.4 and 4.7 kg ha⁻¹, respectively, as more than 40% of the annual N leaching occurred in the snow-melt period of early spring. However, as N leaching was relatively very small, when compared with the N loss in the soil of 2011, it was considered that the increase in runoff by rainfall and nitrification or denitrification by soil microbial activity might have affected the N reduction in the soil N pool. Finally, to understand the N cycle, this study confirmed the effect of the spring ephemeral herbs and soil microbes on seasonal changes in N. The net N uptake of spring ephemeral herbs was 5.1 kg ha⁻¹, which was equivalent to the absorbed N amount from leaching in the early spring. Soil microbes absorbed N about 6 times as much as the annual amount of leaching. N uptake by ephemerals was 3.4% of the tree N uptake, 6.9% of return N by litterfall, and 5.7-17.3% of the soil microbial N uptake. Ephemeral N uptake was lower than other process of N fluxes in forests. On the other hand, the soil microbes dramatically decreased to 30% of N uptake by ephemerals in the spring of 2012, failing to function as a stable N sink. These results seemed to be due to the difference of precipitation between 2011 and 2012. Furthermore, N uptake of soil microbes seemed to be affected more by rainfall rather than snow-melt in early spring. Ephemeral plants’ N release was found to be significantly correlated with N uptake of summer green plants (p < 0.001, r² = 0.4707). On the other hand, the N release of soil microbes was 7 to 24 times higher than that of ephemerals, but there was no significant correlation with N uptake of the summer green plants. Therefore, although the N uptake and release of ephemerals in the spring were not often compared with other processes of N cycle, the plants function as a stable N sink and source against the environmental change. However, soil microbes did not function as stable N sinks and sources during the N leaching period in the early spring, despite higher N uptake and release than other N processes. The results of this study showed that the Q. mongolica forests of Mt. Jumbong maintained a stable forest ecosystem through the accumulated N in the forests soil and the N cycle process by the plants. In particular, the high N accumulation in the soil had a strong buffer function to minimize the effect on external environmental changes. In addition, in response to the seasonal N loss, the spring ephemeral herbs and soil microbes were found to function as N sink. The ephemerals had an important function of the ecosystem N cycle, by releasing N at the time of canopy closure and then supplying the necessary N to the other plants. Therefore, the results of this study showed that the forests of Mt. Jumbong, which is one of the representative temperate deciduous forests in Korea, maintained stable forest ecosystem through the internal N cycle. Moreover, in the process of N cycle, the spring ephemeral herbs had important functions as the reservoir and source of N. Finally, this study will contribute to understanding the N cycle, the role of ecosystem components, and the ecological functions in the typical temperate forests of Korea.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.1.1. 연구배경 1
• 1.1.2. 연구 목적 및 개요 6
• 1.2 연구 대상지 개황 9
• 제2장 신갈나무림에서의 질소 분포 13
• 2.1 서론 13
• 2.2 재료 및 방법 15
• 2.2.1 현존량 및 순생산량의 측정 15
• 2.2.2 임상층 낙엽량의 측정 15
• 2.2.3 식물체 및 낙엽의 질소 분석 16
• 2.2.4 토양의 질소 분석 16
• 2.2.5 통계분석 17
• 2.3 결과 18
• 2.3.1 식물체의 현존량과 순생산량 및 질소의 분포 18
• 2.3.2 임상의 낙엽량 및 질소 분포 21
• 2.3.3 토양의 질소 분포 23
• 2.3.4 신갈나무림의 질소 분포 28
• 2.4 논의 30
• 2.4.1 수목의 질소 분포 특성 30
• 2.4.2 임상 낙엽층의 질소 분포 특성 32
• 2.4.3 토양의 질소 분포 특성 33
• 2.4.4 신갈나무림에서의 질소 분포 양상 35
• 제3장 신갈나무림에서의 질소 이동 36
• 3.1 서론 36
• 3.2 재료 및 방법 39
• 3.2.1 식물에 의한 질소의 이동량 분석 39
• 3.2.2 강우 및 용탈수의 채취 및 분석 40
• 3.2.3 토양의 채취 및 무기 질소 분석 42
• 3.2.4 통계분석 42
• 3.3 결과 43
• 3.3.1 식물에 의한 질소의 이동 43
• 3.3.2 강우에 의한 질소의 이동 52
• 3.3.3 토양에서의 질소 이동 62
• 3.3.4 신갈나무림에서의 질소순환 71
• 3.4 논의 73
• 3.4.1 신갈나무림 내에서 질소 이동의 특성 73
• 3.4.2 신갈나무림 외부로부터의 질소 유입의 특성 75
• 3.4.3 토양의 질소 유출 특성 77
• 3.4.4 신갈나무림에서의 질소 분포와 이동의 관계 78
• 제4장 신갈나무림의 질소순환에 미치는 초본 및 토양미생물의 영향 79
• 4.1 서론 79
• 4.2 재료 및 방법 81
• 4.2.1 고정방형구 및 lysimeter의 설치 81
• 4.2.2 식물체 채취 및 질소 분석 81
• 4.2.3 질소 용탈의 측정 82
• 4.2.4 토양의 질소 무기화 및 무기 질소의 분석 82
• 4.2.5 토양 microbial biomass N의 측정 83
• 4.2.6 초본 및 토양미생물의 질소 흡수량 및 방출량 84
• 4.2.7 통계분석 84
• 4.3 결과 85
• 4.3.1 토양에서의 질소 용탈과 질소 무기화 85
• 4.3.2 초본의 생장 및 질소 함량 90
• 4.3.3 토양미생물의 질소 함량 및 동태 101
• 4.3.4 토양 질소 용탈에 미치는 초본과 토양미생물의 영향 103
• 4.3.5 하록식물에 미치는 춘계단명식물과 토양미생물의 영향 109
• 4.4 논의 113
• 4.4.1 춘계단명식물 및 토양미생물의 질소 흡수 양상과 토양의 질소 용탈과의 관계 113
• 4.4.2 춘계단명식물 및 토양미생물의 질소 방출 양상과 하록식물 생육활성과의 관계 116
• 4.4.3 삼림생태계의 질소순환에서 춘계단명식물 및 토양미생물의 영향 117
• 제5장 종합결론 118
• 참고문헌 122
• 국문초록 145
• Abstract 148