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Using Locally Developed Allometric Equations Improves Biomass Estimation in Managed Forests

본 연구는 국외에서 개발된 일반적인 방정식들이 사전 상업적 간벌로 인한 수관 구조의 변화를 정확하게 반영하지 못해 결과적으로 생물량을 과소평가하는 반면, 국지적으로 개발된 상대성 성장 방정식은 사전 상업적 간벌에 의해 발생하는 수관 구조의 변화를 정확하게 포착함으로써 집약적으로 관리되는 로지폴 파인(lodgepole pine) 숲의 생량 추정을 유의미하게 개선한다는 것을 입증한다.

원저자: Amanda Schoonmaker, Angeline Dongen, Dani Degenhardt

게시일 2026-09-24

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CC BY 4.0

원저자: Amanda Schoonmaker, Angeline Dongen, Dani Degenhardt

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

숲은 단순히 나무들의 집합체가 아닙니다. 숲은 모든 가지와 잎이 지구의 건강에 역할을 하는 복잡하고 살아있는 시스템입니다. 과학자들은 나무가 얼마나 많은 탄소를 저장하는지, 숲이 얼마나 생산적인지, 그리고 불이 수관(canopy)을 통해 번져나갈 수 있는 연료가 얼마나 되는지를 이해하기 위해 산림 바이오매스, 즉 모든 살아있는 식물 물질의 총 무게를 측정하는 데 의존합니다. 모든 나무를 베어내지 않고도 이 수치들을 얻기 위해, 연구자들은 알로메트릭 방정식(allometric equations)이라 불리는 수학적 공식을 사용합니다. 이 공식들은 나무의 줄기 너비와 전체 높이처럼 측정하기 쉬운 특징들을 그 나무의 전체 무게에 대한 추정치로 변환해 주는 번역기 역할을 합니다. 수십 년 동안 과학자들은 자연적으로 성장한 숲에 잘 들어맞는 광범위한 국가 표준 공식들을 사용해 왔습니다. 그러나 오늘날 많은 숲은 적극적으로 관리되고 있습니다. 임업인들은 남은 나무들이 더 많이 자랄 수 있도록 공간을 제공하기 위해 경쟁하는 어린 나무들을 제거하는 '솎아베기(thinning)'를 수행하곤 합니다. 이는 나무의 형태를 변화시키지만, 기존의 일반적인 공식들이 이렇게 새롭게 형성된 거대 나무들의 무게를 여전히 정확하게 측정할 수 있을지는 불분명했습니다.

앨버타주 화이트커트 인근의 산기슭에서 수행된 한 연구에서, 연구진은 이러한 표준 공식들이 관리된 숲에서도 유효한지 테스트하고자 했습니다. 그들은 이 지역의 흔한 나무인 로지폴 파인(lodgepole pine)에 초점을 맞추었으며, 특히 사전 상업적 솎아베기(pre-commercial thinning)가 이루어진 군락을 대상으로 했습니다. 이 작업은 나무가 목재로 판매될 만큼 커지기 전에 어린 경쟁 나무들을 베어냄으로써, 남은 나무들이 수관을 확장하고 더 빠르게 성장할 수 있도록 하는 방식입니다. 연구팀은 이러한 솎아베기가 7~8년 전에 수행된 9개의 서로 다른 지점을 선정했습니다. 각 지점에서 그들은 솎아베기를 한 구역과 솎아베기를 하지 않은 대조 구역을 포함하는 조사구를 설정했습니다. 가능한 가장 정확한 데이터를 얻기 위해, 그들은 이 조사구들에서 총 52그루의 나무를 벌목했습니다 (솎아베기를 하지 않은 구역에서 27그루, 솎아베기를 한 구역에서 25그루). 실험실로 돌아온 연구진은 각 나무의 정확한 바이오매스를 결정하기 위해 모든 가지와 잎을 세밀하게 분리하여 잎, 작은 잔가지, 그리고 더 큰 가지들의 무게를 측정했습니다.

이 정밀한 데이터를 바탕으로, 연구진은 이러한 관리된 군락에 특화된 새로운 국지적 방정식을 개발했습니다. 주로 줄기 너비와 높이에 의존하는 국가 표준 공식과 달리, 새로운 국지적 모델은 살아있는 가지가 나무를 덮고 있는 비율을 포함했습니다. 이 세부 사항은 결정적인 역할을 했습니다. 연구 결과, 솎아베기를 한 구역의 나무들은 동일한 줄기 너비를 가진 솎아베기를 하지 않은 나무보다 훨씬 더 많은 잎과 가지 무게를 가지고 있었습니다. 솎아베기가 햇빛에 대한 경쟁을 줄여주었기 때문에, 이 나무들은 더 많은 아래쪽 가지를 유지하고 더 풍성한 수관을 키울 수 있었던 것입니다. 이러한 추가적인 녹색 식생을 고려한 국지적 방정식은 이 나무들의 무게를 매우 높은 정확도로 예측했습니다.

연구진이 동일한 나무들에 대해 표준 국가 방정식을 적용했을 때, 결과는 놀랍게도 달랐습니다. 밀집된 상태의 솎아베기 전 나무들에 대해서는 국가 공식이 국지적 예측과 밀접하게 일치하며 잘 작동했습니다. 그러나 솎아베기를 한 군락에서는 국가 공식이 바이오매스를 지속적으로 과소평가했습니다. 평균적으로, 국가 모델은 실제보다 잎의 양은 약 14%, 가지의 무게는 약 7% 적게 계산했습니다. 국가 모델은 솎아베기 처리에 의한 구조적 변화를 포착하지 못했습니다. 해당 모델은 특정 줄기 너비를 가진 나무라면 더 작은 수관을 가질 것이라고 가정했으나, 관리된 나무가 경쟁으로부터 해방되어 훨씬 더 크고 풍성하게 자랐다는 사실을 인지하지 못했습니다.

이러한 차이가 시사하는 바는 매우 큽니다. 만약 숲 관리자와 기후 과학자들이 솎아베기를 한 숲에 대해 표준 공식을 사용한다면, 이 숲들이 저장하고 있는 탄소량을 체계적으로 과소평가하게 될 것입니다. 또한, 화재 안전 관점에서도 이러한 과소평가는 위험합니다. 수관 연료 부하(canopy fuel loads)는 불이 얼마나 높이 타오르고 얼마나 빨리 퍼질지를 예측하는 데 있어 핵심적인 요소입니다. 가지와 잎의 무게를 과소평가함으로써, 국가 공식은 이러한 관리된 경관에서의 화재 위험을 과소평가하는 결과를 초래할 수 있습니다. 이 연구는 광범위한 국가 공식이 자연 상태의 관리되지 않은 숲에는 견고하게 작동하지만, 목재 공급의 상당 부분을 차지하는 집중 관리된 숲에는 충분하지 않다고 결론짓습니다. 이러한 지역에서 바이오매스, 탄소, 그리고 화재 위험에 대한 정확한 그림을 얻기 위해서는, 인간의 관리가 숲의 구조 자체를 어떻게 재형성하는지를 인식하는 국지적으로 개발된 방정식을 사용해야 합니다.

문제 정의
산림 바이오매스 생장 모델(allometric equations)은 생산성, 탄소 저장량, 그리고 수관 연료 부하를 정량화하는 데 필수적이다. 일반적인 국가 단위 방정식(예: Lambert et al. 2005; Ung et al. 2008)이 광범위한 규모의 추정을 위해 널리 사용되고 있으나, 이들은 주로 관리되지 않은 임지에 기원한 통합 데이터셋으로부터 유도된 경우가 많다. 결과적으로, 이러한 방정식들은 사전 상업적 간벌(pre-commercial thinning, PCT)과 같이 임분 밀도 관리 관행이 임분 밀도, 빛 가용성, 그리고 수관 형태를 변화시키는 집중 관리 임지의 바이오매스 배분을 정확하게 반영하지 못할 수 있다. 선행 연구에 따르면, 일반화된 방정식은 특정 입지 조건이나 관리 체계에 적용될 때 예측 오차를 유발할 수 있으며, 이는 간벌된 임지의 바이오매스를 과소평가하는 결과로 이어질 수 있다. 그러나 PCT가 로지폴 파인(Pinus contorta var. latifolia)의 수관 바이오매스 및 생장 관계에 미치는 영향을 직접 평가한 연구는 없었다.

연구 방법
본 연구는 캐나다 앨버타주 화이트커트(Whitecourt) 인근의 9개 복제된 PCT 현장을 대상으로 수행되었다. 실험 설계에는 대조구(간벌 없음)와 샘플링 7~7년 전 적용된 세 단계의 간벌 수준(T1, T2, T3)이 포함되었다. 파괴적 샘플링은 52그루의 로지폴 파인(대조구에서 27그루, 간벌구에서 25그루)을 대상으로 수행되었다.

현장 측정: 수확된 각 나무에 대해 흉고 직경(DBH), 총 높이, 생식 수고(height to live crown), 수관 폭을 기록하였다.
가지 샘플링: 모든 살아있는 가지와 죽은 가지를 측정하였다. 898개의 주요 가지(전체 가지의 14%를 대표)를 부분 표본으로 추출하여 건조시킨 후, 엽신(foliage), 작은 가지(직경 0.5 cm 미만), 큰 가지(직경 0.5 cm 초과)의 세 가지 바이오매스 풀로 분리하였다.
모델 개발: R을 사용하여 일반화 선형 혼합 효과 모델(GLMM)을 개발하였다. 가지 수준의 모델을 먼저 적합시켰으며, 여기에는 가지 길이, 직경, 상대적 수관 위치 및 간벌 처리가 변수로 포함되었다. 이 모델들은 DBH, 나무 높이, 생식 수관 비율(LCP)을 예측 변수로 사용하여 나무 전체 바이오매스 방정식으로 스케일링되었다.
비교: 국지적으로 개발된 방정식들을 개별 나무 수준과 임분 수준(kg ha⁻¹로 집계) 모두에서 국가 단위 방정식(Ung et al. 2008)과 비교하였다.

주요 기여

국지적 방정식 개발: 본 연구는 PCT 임지의 로지폴 파인에 특화된 국지적 보정 생장 모델을 개발하였으며, DBH, 높이, 생식 수관 비율이 수관 바이오매스의 가장 강력한 예측 변수임을 확인하였다.
수관 속성 통합: 주로 DBH와 높이에 의존하는 많은 국가 단위 모델과 달리, 국지적 모델은 간벌로 인해 유도된 구조적 변화를 포착하는 데 중요한 생식 수관 속성을 명시적으로 통합하였다.
PCT 효과의 정량화: 본 연구는 PCT가 바이오매스 배분에 미치는 구체적인 영향을 정량화하여, 간벌이 유사한 DBH를 가진 미관리 임지에 비해 더 높은 엽신 및 가지 바이오매스 보유를 유도함을 입증하였다.

결과

모델 성능: 국지적으로 유도된 방정식은 엽신, 작은 가지, 생식 큰 가지에 대해 0.92, 죽은 큰 가지에 대해 0.91의 결정 계수( $R^2$ )를 보이며 강한 모델 적합도를 나타냈다.
간벌 효과: 간벌구의 나무들은 유사한 DBH를 가진 대조구 나무들보다 유의미하게 높은 엽신 및 생식 가지 바이오매스를 나타냈다. 이러한 차이는 나무의 크기가 커질수록 증가하였다. 간벌된 나무들은 더 큰 생식 수관 비율을 유지한 반면, 대조구 나무들은 더 뚜렷한 수관 퇴화(crown recession)를 경험하고 더 많은 죽은 가지를 보유하였다.
국가 단위 방정식과의 비교:
- 개별 나무 수준: 국지적 및 국가 단위 방정식 모두 대조구와 간벌구 모두에서 관측된 바이오매스와 유사한 상관 계수를 보였다. 그러나 국가 단위 방정식은 체계적인 편향을 보였으며, 바이오매스가 증가함에 따라 간벌구의 엽신 및 가지 바이오매스를 지속적으로 과소평가하였다.
- 임분 수준: 임분 수준으로 확장했을 때, 국가 단위 방정식은 국지적 방정식에 비해 간벌 임지의 바이오매스를 유의미하게 과소평가하였다(엽신은 14% 낮음, $P < 0.0001$ ; 가지는 7% 낮음, $P = 0.004$ ). 반면, 미관리 대조구 임지에 대한 예측값은 두 방정식 유형 간에 유사하였다.

의의 및 주장
저자들은 일반적인 생장 모델이 사전 상업적 간벌과 관련된 수관 구조 변화를 적절히 포착하지 못할 수 있다고 결론지었다. 본 연구는 간벌된 임지의 바이오매스 추정을 개선하기 위해 국지적으로 개발된 방정식이나 부지 특이적 조정 계수의 사용이 필요하다고 주장한다.

구체적으로, 본 논문은 다음을 강조한다:

관리된 임지에서의 정확성: 자연 상태 또는 미관리 임지에서 주로 개발된 국가 단위 방정식은 밀도 관리(PCT)로 인한 향상된 수관 발달(더 큰 생식 수관 비율 및 가지 보유)을 반영하지 못한다.
탄소 및 화재 모델링에 미치는 영향: 국가 단위 방정식이 간벌 임지의 바이오매스를 과소평가하는 것은 예측된 임분 생산성, 탄소 저장량 산정, 그리고 수관 연료 부하 모델링에 직접적인 결과를 초래한다. 수관 연료 질량을 과소평가하는 것은 화재 모델링에서 특히 우려되는 부분인데, 이는 수관 화재 확산을 예측하는 데 중요한 변수인 수관 벌크 밀도(canopy bulk density)의 과소평가로 이어지기 때문이다.
일반화의 한계: 본 연구의 결과는 통합된 데이터셋의 지리적 범위가 넓어질수록, 특정 관리 체계에 적용될 때 예측 오차가 증가할 수 있다는 개념을 뒷받침한다. 연구는 국가 단위 방정식이 미관리된 고밀도 임지에는 여 ยัง 견고하게 작용할 수 있으나, 밀도 관리된 산림에 적용될 때는 수정 또는 대체가 필요함을 시사한다.

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