서 론
연구 방법
기존 산림 대비 목재 생산량 및 탄소 흡수량을 높이기 위한 재조림 수종
연구 대상지
지위지수 산출 방법
연구 대상지 목재 수요 예측 및 벌목시기 고려사항
결과 및 토의
지위지수 결과
지위지수, 탄소 흡수, 외장재 적합 수종 기반 재조림 시나리오 구성
시나리오별 외장재 생산량 결과
시나리오별 탄소 흡수량 결과
최적 수종 재조림을 통한 탄소 저감 결과
결 론
서 론
기후 변화는 전 지구적 문제로 인간의 탄소 배출 활동에 의해 가속화되고 있으며, 2017년 기준 지구 평균 기온은 산업화 이전보다 약 1.1°C 상승하였다(IPCC, 2021). 건축 분야는 2021년 기준 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 37%를 차지하고 있어(Park et al., 2023; Yeo et al., 2023; GlobalABC, 2024; Park et al., 2024), 탄소중립 실현을 위해 건축 분야에서의 탄소 배출량 저감은 필수적이다(Park et al., 2022a). 건축 분야에서 탄소 배출량 저감을 위해서는 건축 자재의 생산, 운송, 시공, 폐기 과정에서 발생되는 내재탄소와 건물 사용 단계에서 난방, 냉방, 전기 소비 등으로 발생되는 운영 탄소 모두 저감해야 한다. 건축 자재 중 목재는 성장 과정에서 탄소를 흡수하여 탄소저장고 역할을 수행하며, 기존 건축 자재인 콘크리트나 철강에 비해 낮은 내재탄소 배출량을 가진 지속 가능한 자원으로 주목받고 있다(Kim, 2023).
최근에는 Cross Laminated Timber와 Glued Laminated Timber와 같은 공학 목재가 개발 및 발전하며(Park et al., 2022a; Park et al., 2023), 고층 목조 건축물을 가능하게 하였다. 이러한 발전은 유럽을 중심으로 목조 건축물의 높이 제한 완화를 가져왔으며, 노르웨이의 85 m 높이 미요스타르넷(Mjøstårnet)과 오스트리아의 84 m 높이 호호 비엔(HoHo Wien)과 같은 사례를 통해 대규모 목조 건축의 구조적 가능성을 입증하였다. 한국의 경우, 국내에서 생산된 목재는 수급량의 한계와 품질 저하로 인해 활용도가 낮고, 대부분의 건축 목재는 수입에 의존하고 있다. 그러나 수입 목재의 장거리 운송 과정에서 발생하는 탄소 배출은 목재의 환경적 장점을 약화시키는 주요 요인으로 지적된다(Chang et al., 2016).
따라서 국산 목재를 효과적으로 활용할 수 있는 방안을 마련하는 것은 건축 자재의 탄소 배출 저감과 지역 자원의 경제적 가치 증대를 동시에 실현할 수 있는 중요한 과제로 떠오르고 있다. 하지만 2023년 국내 목재 이용 현황에 따르면 목재 자급률은 26.4%에 불과하며, 건축용 목재에 적합한 수종이 부족하여 주로 목재칩이나 목재펠릿과 같은 산림바이오매스로 활용되고 있다. 따라서 목재의 지속 가능하며 자급률을 높이기 위해 재조림은 필수적이다. 특히, 재조림은 단순히 산림 면적을 확대하는 것에 그치지 않고, 지역의 토양 및 기후 조건에 적합하며 고품질 목재 생산이 가능한 수종을 선택해야 한다.
이에 본 연구는 국내 산림의 주요 수종을 대상으로 재조림 및 건축 외장재로서의 활용 가능성을 평가하는 데 목적을 두고 있다. 대전광역시와 계룡산 산림을 대상으로 수종별 지위지수, 탄소 흡수량, 밀도, 내후성을 종합적으로 분석하였다. 이를 바탕으로 국산 목재 활용을 극대화할 수 있는 최적의 재조림 시나리오를 설계하였으며, 다양한 재조림 시나리오를 통해 외장재 생산량과 탄소 흡수에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 본 연구의 결과는 국산 목재의 활용도를 높이기 위한 방안을 제시하며, 탄소중립을 위한 지속 가능한 건축 자재 개발 및 정책적 지원 방향을 제공한다. 또한, 국내 산림 자원을 효율적으로 활용함으로써 지역 경제와 환경적 지속 가능성을 동시에 달성과 재조림 최적 수종을 제시함으로써 탄소 저감 방안을 제시한다.
연구 방법
기존 산림 대비 목재 생산량 및 탄소 흡수량을 높이기 위한 재조림 수종
Table 1은 연구 대상지에서 목재 생산량과 탄소 흡수량을 평가하기 위해 선정된 수종과 임령별 탄소 흡수량을 나타내었다. 선정된 총 여덟 개의 수종 중 침엽수는 소나무, 리기다소나무, 곰솔, 잣나무, 낙엽송이 있으며, 활엽수는 상수리나무, 신갈나무, 굴참나무가 있다. 본 연구에서는 모든 활엽수 수종이 참나무속에 해당된다. 임령별 탄소 흡수량의 경우 산림청과 국립산림과학원에서 발표한 ‘주요 산림수종의 표준 탄소 흡수량’을 참고하였다. 산출 방법은 IPCC 가이드라인에서 제시하는 탄소 저장량 산정방법에 따라 수종별 목재 기본밀도, 바이오매스 확장 계수, 뿌리 함량비, 탄소 전환계수를 변수로 산출하였다.
Table 1.
CO2 absorption by tree species during their life cycles (Unit: tCO2/ha/year)
연구 대상지
본 연구에서는 국산 목재 활용을 활성화하기 위한 최적 수종을 선정하기 위해 대전광역시 산림과 계룡산을 연구 대상지로 선정하였다. 연구 대상지는 산악, 남동산야, 남서산야, 중부산야, 해안도서, 다섯 생태권역 중 산악권역에 해당된다. 산림은 목재 친화 도시 사업을 시행 중인 대전광역시 유성구와 인접하며, 사업의 주요 목표인 국산 목재를 활용한 건축물과 거리를 조성하여 지역 목재 산업을 활성화하고 탄소 배출을 저감과 본 연구의 목표와 일치하기 때문에 선정하였다. 생태권역별로 지위지수 산출식이 상이하며, 연구 대상지는 산악권역에 해당됨으로 해당되는 지위지수 산출식을 활용하였다. 대전광역시 산림의 면적은 781 ha로 리기다소나무(40%), 굴참나무(14%), 소나무(11.2%), 낙엽송(1.1%), 상수리나무(0.8%)가 주요 수종이며, 평균 수령은 10년이다. 계룡산의 면적은 6471 ha로 소나무(24.1%), 신갈나무(16.1%), 상수리나무(12.1%), 리기다소나무(11.9%), 굴참나무(10.8%), 낙엽송(0.9%)이 주요 수종이며, 평균 수령은 30년이다. 두 지역은 인접한 기후 조건으로 인해 비슷한 수종 구성을 보이지만, 토양 조건의 차이로 인해 특정 수종의 비율에서 차이가 나타난다. Figure 1은 대한민국의 생태권역 내 연구 대상지와 연구 대상지의 산림을 나타낸다.
지위지수 산출 방법
지위지수는 산림 생산성을 평가하기 위한 주요 지표로(Kim et al., 2023), 본 연구에서는 목재생산량 평가를 위해 국립산림과학원에서 개발한 지위지수 추정식(Chun et al., 2014)을 활용하였다. 지위지수 추정식은 주요 수종의 생장력을 정량적으로 평가하기 위해 기준 임령 30년을 기반으로 개발되었다. 이를 위해 48개의 독립변수로 산림의 입지환경과 기후 조건을 사용하였으며, 종속변수로는 기준 임령 30년에서의 우세목 수고 자료를 활용하였다. 개발 과정에서 단계별 회귀분석을 통해 독립변수의 유효성을 평가하고, 다중공선성을 제거하여 최적의 변수 조합을 도출하였다. 지위지수 추정식 개발은 전국 산림을 산악, 남동산야, 남서산야, 중부산야, 해안도서 총 5개의 권역별로 개발되었으며, 연구 대상지에 해당되는 산악권역의 지위지수 추정식을 활용하여 수종별 지위지수를 산출하였다. 식 (1)은 산악권역의 신갈나무의 지위지수 추정식이다. 대입인자 중 X13(능선 대 계곡비), X25(A 층 건습도)는 입지환경인자이며, X31(연 최저 일평균기온), X38(생장기간 초기 3 개월 동안의 총 강수량), X46(생장기간 초기 3 개월 동안의 월평균 상대습도)는 기후인자이다. 해당 대입인자는 지위지수와 상관분석과 회귀분석 등을 통해 조합되었으며, 신갈나무의 지위지수 추정식과 같이 소나무, 리기다소나무, 곰솔, 낙엽송, 잣나무, 상수리나무의 지위지수 추정식은 모두 4~7개의 입지환경인자와 환경인자를 통해 산출 할 수 있다. 환경인자는 산림청에서 제공하는 산림입지토양도를 통해 표고, 경사형태, 유효토심 등을 취득했으며, 기후인자는 지역의 기상 데이터를 제공하는 Software 인 Meteonorm을 통해 연평균 기온, 연 최고 일평균 기온, 월평균 상대습도 등을 취득했다.
연구 대상지 목재 수요 예측 및 벌목시기 고려사항
목재친화도시의 세부 사업을 분석하여 목재의 수요를 예측하였다. 목재친화도시의 주요 목표인 목재친화거리 조성은 거리에 형성된 벤치, 난간, 가로등 등은 목재로 비교적 쉽게 구성할 수 있으나, 기존 건축물의 경우 새로 목조건축물 건설하기 어렵다. 따라서 기존의 건축물의 외피를 목질화할 수 있는 외장재의 수요가 많을 것으로 예측하여 목재생산의 목표를 외장재로 선정하였다. 외장재의 경우 불연재료, 준불연재료 또는 난연재료로 해야하며(Kim and Kim, 2021), 외기에 직접 면함으로 내후성 또한 중요하다. 수종의 난연성과 내후성 기준을 바탕으로 외장재 적합 수종을 결정하였다.
입목을 벌목하기 위해서는 목재 활용에 적정한 직경을 달성하는 시기와 법적 벌목시기인 벌기령을 모두 만족해야 한다. 외장재의 경우 중경재에 해당되어 적정 직경은 20~40 cm이며, 지위지수 추정식으로 산출된 지위지수를 통해 흉고직경이 20 cm 이상인 기간을 산출하였다. 계룡산은 국유림, 대전광역시의 산림은 공유림에 해당된다. 산림 유형과 수종별 벌기령은 상이하며, Table 2에 벌기령에 따른 벌목 시기를 나타내었다.
결과 및 토의
지위지수 결과
Figure 2는 산악권역의 지위지수 추정식에 의해 산출된 지위지수와 적지기준을 나타낸다. 해당 지위지수를 통해 국립산림과학원에서 발간한 ‘입목재적·바이오매스 및 임분수확표’의 지위지수별 재적을 선형보간하여 목재생산량을 산출하였다. 대전 산림과 계룡산 각각 지위지수를 산출하였으며, 지위지수는 입지환경 및 기후의 차이로 상이하지만 적지 기준에 부합한 수종은 동일하다. 적지 기준은 수종이 잘 성장할 수 있는 최소 기준으로 수종의 성장 속도 차이 등으로 수종별로 상이하다. 지위지수에 적합한 수종은 적지 기준에 부합한 수종으로 선정하였다. 대전산림과 계룡산에서 지위지수에 적합한 수종은 곰솔, 상수리나무, 신갈나무이다.
지위지수, 탄소 흡수, 외장재 적합 수종 기반 재조림 시나리오 구성
외장재에 적합한 수종을 선정하기 위해 비중과 내후성 등급을 활용하였다. 비중은 난연 성능을 평가하는 기준으로, 선행연구에 따르면 비중이 낮을수록 더 깊은 탄화층과 빠른 탄화 속도를 보이며(Kim et al, 2022), 이는 비중이 높을수록 난연 성능이 우수하다는 것을 의미한다. 내후성 등급은 외부 환경에서의 내구성을 평가하는 기준으로, 등급이 높을수록 우수하다. 따라서, 비중이 0.6 이상이며, 내후성 등급이 2 이상인 낙엽송, 신갈나무, 굴참나무를 외장재로 적합한 수종으로 선정하였다.
탄소 흡수에 적합한 수종을 선정하기 위해 수종별 생애주기 동안의 평균 탄소 흡수량을 평가하였다. 각 수종의 생애주기는 70년으로 가정되었으며, 평균 탄소 흡수량은 8.2 tCO2/ha/year이다. 평균 탄소 흡수량을 초과하는 수종은 상수리나무, 신갈나무, 굴참나무로 각각 12.1, 10.6, 9.1 tCO2/ha/year로 탄소 흡수에 적합한 수종으로 선정하였다.
본 연구에서는 지위지수, 외장재, 탄소 흡수에 적합한 수종을 기반으로 재조림 시나리오를 구성하였으며, 시나리오 S는 지위지수에 적합한 수종으로 재조림, 시나리오 E는 외장재에 적합한 수종으로 재조림, 시나리오 C는 탄소 흡수에 적합한 수종으로 재조림, 시나리오 SE는 지위지수와 외장재 모두 적합한 수종으로 재조림, 마지막으로 시나리오 SC는 지위지수와 탄소 흡수 모두 적합한 수종으로 재조림한 시나리오이다. 해당 시나리오를 통해 기존 산림 대비 목재 생산량과 탄소 흡수량을 비교평가 하였으며, 최종적으로 재조림에 최적인 수종을 선정하고자 한다. Table 3는 기존 산림의 수종과 각 시나리오별 재조림 수종을 나타낸다.
Table 3.
Existing and reforestation tree species for each reforestation scenario
시나리오별 외장재 생산량 결과
Figure 3은 시나리오별 외장재 생산량을 나타낸다. 시나리오별 외장재 생산량 분석 결과, 계룡산에서 낙엽송의 벌목 주기는 50년, 신갈나무와 굴참나무는 각각 60년이며, 벌목당 외장재 생산량은 낙엽송 216.9 m3/ha, 신갈나무 259.2 m3/ha, 굴참나무 260.7 m3/ha로 나타났다. 대전광역시 산림에서 낙엽송의 벌목 주기는 35년, 신갈나무와 굴참나무는 각각 45년으로 계룡산보다 짧았으며, 벌목당 외장재 생산량은 낙엽송 161.7 m3/ha, 신갈나무 180.4 m3/ha, 굴참나무 220.4 m3/ha로 나타났다.이러한 결과가 나타난 이유는 공유림인 대전광역시 산림보다 국유림인 계룡산의 벌기령이 더 길어 목재 생산량은 많으나 벌목 주기는 적기 때문이다.
시나리오 E의 외장재 생산량은 557.5 m3/ha로, 기존 산림의 외장재 생산량의 180.0 m3/ha 대비 209.7% 증가하여 가장 높은 생산량을 나타내었다. 시나리오 SE의 외장재 생산량은 546.7 m3/ha로, 시나리오 E에 비해 근소하게 낮다. 이는 신갈나무가 굴참나무보다 10년 빨리 벌목될 수 있어 SE에서 더 많은 벌목이 이루어져 벌목 주기는 짧으나, 벌목 시 외장재 생산량이 낮기 때문이다. 따라서 외장재 생산량 측면에서 최적의 수종은 시나리오 E의 낙엽송, 신갈나무, 굴참나무이다.
시나리오별 탄소 흡수량 결과
Figure 4는 시나리오별 탄소 흡수량을 나타낸다. 시나리오별 산림에서 연평균 탄소 흡수량을 분석한 결과, 시나리오 C는 8.8 tCO2/ha/year로 기존 산림의 연평균 탄소 흡수량인 7.8 tCO2/ha/year 대비 12.8% 증가하여 시나리오 중 가장 큰 증가를 나타내었다. 이러한 증가는 연평균 탄소 흡수량이 5.6 tCO2/ha/year인 비교적 낮은 수종인 소나무를 상수리나무, 신갈나무, 굴참나무와 같은 탄소 흡수량이 많은 수종으로 대체한 결과로 나타났다. 또한 계룡산에서 소나무 수종의 비율은 24.1%로 높아, 기존 산림의 수종을 대체한 모든 시나리오에서 기존 산림보다 탄소 흡수량이 개선된 결과를 보이고 있다.
시나리오별 연평균 탄소 흡수량의 차이는 각 수종의 벌목 주기와 탄소 흡수량의 차이가 크다. 상수리나무, 신갈나무, 굴참나무를 재조림한 시나리오 C와 다르게 시나리오 SC에서는 세 수종 중 굴참나무를 재조림 수종에서 제외함으로써 주요 벌목 기간인 2123–2172년에서 평균 탄소 흡수량이 시나리오 C보다 낮았다. 반면, 시나리오 C는 모든 탄소 흡수에 적합 수종을 재조림하여 벌목 후 초기 재조림 단계에서 나타나는 낮은 탄소 흡수량을 극복하며, 장기적으로 가장 높은 탄소 흡수량을 기록하였다. 따라서 탄소 흡수 측면에서 최적의 수종은 시나리오 C의 상수리나무, 신갈나무, 굴참나무다.
최적 수종 재조림을 통한 탄소 저감 결과
재조림 최적 수종은 시나리오 SE의 신갈나무로 선정하였다. Figure 5는 시나리오별 목재 생산량과 탄소 흡수량의 산포도를 나타낸다. 시나리오 SE의 경우 다른 시나리오에 비해 외장재 생산량과 탄소 흡수량 모두 높은 성과를 보이고 있으며 가장 균형 있게 증가하였다. 반면 기존 산림은 목재생산량과 탄소 흡수량 모두 낮은 값을 보여 재조림의 필요성을 확인할 수 있다. 2048년 대전광역시 산림에서 수종 중 처음으로 법적 벌목 시기와 목표 직경 요건을 충족시킨 상수리나무가 신갈나무로 재조림 되었다. 2058년 이후 소나무, 리기다소나무 및 기타 수종을 대상으로 재조림이 진행되었으며, 가장 큰 면적을 차지한 리기다소나무 313.4 ha (40.8%)를 신갈나무로 재조림 시 외장재 생산량은 178,828.5 m3,탄소 흡수량은 19,211.6 tCO2 증가하였다. 계룡산에서 첫 재조림은 2038년에 리기다소나무를 대상으로 이루어졌으며, 외장재 생산량은 3,099,820.0 m3로 크게 증가했으나, 탄소 흡수량은 17,276.1 tCO2 감소하였다. 이는 리기다소나무의 벌목 주기가 45년으로 신갈나무의 벌목 주기인 60년보다 짧아, 신갈나무가 더 낮은 연평균 탄소 흡수량을 보이기 때문이다. 대전광역시 산림과 계룡산의 같은 리기다소나무 수종을 신갈나무로 갱신하더라도 벌목 시기로 기존 대비 탄소 흡수량이 감소할 수도 있음을 확인하였다. 소나무의 경우 25년령 이후 평균 탄소 흡수량이 급격히 감소하여 신갈나무로 갱신했을 때 탄소 흡수량이 크게 증가하였다. 따라서 기존 산림의 수종을 최적 수종인 신갈나무로 재조림 시 목재 생산량 증가와 탄소 저감을 할 수 있다.
결 론
목재는 성장 과정에서 탄소를 흡수하여 저장하는 특성을 가진 저탄소 건축 자재로, 지속 가능한 건축과 탄소 배출 저감을 위해 활용 가치가 높다. 본 연구는 대전광역시 산림과 계룡산의 재조림 시나리오를 통해 목재 활용을 높이고 탄소 흡수량을 증가시키기 위한 최적의 수종을 선정하였다. 주요 선정 기준으로 지위지수, 외장재 생산량, 그리고 탄소 흡수량이 활용되었으며, 이를 기반으로 재조림 시나리오를 수립하였다.
지위지수 분석 결과, 곰솔, 상수리나무, 신갈나무가 대전과 계룡산 숲에서 적합한 수종으로 평가되었다. 외장재 생산성 측면에서는 높은 비중과 내후성을 가진 낙엽송, 신갈나무, 굴참나무가 적합 수종으로 평가되었다. 연평균 탄소 흡수량을 기준으로 상수리나무, 굴참나무, 신갈나무가 탄소 고정에 적합한 수종으로 나타났다.
시나리오 SE의 재조림 수종인 신갈나무가 지위지수, 외장재 생산, 탄소 흡수의 균형을 가장 충족하는 수종으로 확인되었다. 이 시나리오를 통해 탄소 흡수량은 기존 산림의 7,873,161 tCO2에서 8,162,643 tCO2로 약 3% 증가하였으며, 외장재 생산량은 2,472,668 m3로 크게 향상되었다. 이는 재조림이 단순히 산림 복원을 넘어 지속 가능한 건축 자재의 공급원으로 기능할 수 있음을 보여준다. 또한 일정 임령이 지나면 탄소 흡수량이 점차 감소하여 목재 생산을 위해 적정 시기에 벌목 후 입목을 식재할 필요가 있다.
향후 연구에서는 기존 벌기령에 따른 목재 생산량 및 산림에서의 탄소 흡수량과 목재 생산량과 탄소 흡수량을 고려한 적정한 벌목 시기를 판단하는 연구를 진행하고자 한다.