단벌기 목재에너지림 조성을 위한 클론 선발
국립산림과학원 산림자원개량연구과 이위영
세계는 식량, 에너지 및 수자원의 요구도 증가, 시장 개방으로 외래 산물의 급격한 증가, 기후변화에 따른 생태계의 변화, 로봇공학, ICT, BT 등 첨단기술의 급성장 등으로 새로운 형태의 산림 품목과 산림 시장이 전개 될 것으로 전망하고 있다. 가공기술, 나노기술, 분자 생물학적 도구, 로봇산업 등의 발달로 임산업도 새로운 상품, 새로운 시장이 형성 될 것이다. 이러한 환경 변화로 육종의 가치도 변화되고 있어 임목육종 방향은 목재의 질적 개량보다 단위 면적당 목재의 생산성을 증가하는 양적 개량 방향이 우선시 되고 있다. 양적 개량을 위해 생장률 증진과 특히, 기후변화에 따른 건조, 병해충 등 환경 저항성에 초점이 맞추어 지고 있다.
임산업의 투자는 투자효율을 증가시키기 위해 투자 위험성이 낮고 자금 순환이 빠른 단기 투자에 더욱 치중하게 될 것으로 전망하고 있다. 목재의 이용 및 가공 기술도 발전하여 재질특성을 조절하는 제품의 생산이 가능하게 되었다. 즉, 비중과 강도가 낮은 포플러나 스트로브잣나무의 목재를 압축, 가공해 철과 같이 강도를 높이는 기술 개발을 예로 들 수 있다. 이러한 이유들로 산림의 투자에 있어서도 단위 생산성이 낮은 장기수보다 단위 생산성이 높은 속성수의 투자 비중이 높아 질 것으로 예상하고 있다. 따라서, 생장이 빠른 포플러류, 버드나무류, 아까시나무, 유칼립투스 등의 속성수종이 에너지원 및 목재로 현재, 세계적으로 널리 식재, 생산, 이용되고 있는 추세이다.
우리나라는 지구의 온난화에 대응하여 이산화탄소를 감축하기 위해 ‘30년까지 산림부문에서 국내 온실가스 배출전망치(BAU)대비 4.5%인 38.3백만톤의 CO2 흡수를 목표로 하고 있다. 현재, 우리나라의 산림은 ‘70～’80년대의 대규모 조림으로 현재, 노령화가 진행되고 있어 산림에서의 탄소 흡수량이 하락할 것으로 분석되고 있다. 따라서, 신규 조림를 통한 탄소흡수량을 증진할 필요가 있으며 특히, 단기간에 흡수량이 높은 포플러류나 아까시나무 등과 같은 속성수의 조림이 더욱 효과적일 것이다.
임목으로부터 얻어지는 목질계 바이오매스는 생장과정에서 흡수, 축적한 탄소를 연소 또는 분해되면서 동일양의 탄소를 방출하여 탄소 제로(탄소 상쇄)원으로써 신재생에너지원으로 간주된다. 산재생 에너지원인 목질계 바이오매스는 펠릿이나 칩, 바이오에탄올 소재로 이용되며 이러한 목질계 바이오매스를 생산하기 위한 에너지림을 목재에너지림이라고 한다.
목재에너지림 조성에 대표적인 수종은 포플러와 버드나무이다. 포플러는 다른 수종에 비해 빠른 생장특성과 단기간에 많은 양의 바이오매스를 생산하는 능력을 갖고 있어 바이오 에너지 생산에 바람직한 수종이다. 이러한 이유로 포플러는 버드나무와 더불어 세계적으로 화석연료를 대체하는 목질계 바이오매스 생산의 중심적 역할을 하고 있다.
1. 단벌기 목재에너지림
단벌기 목재에너지림(Short rotation coppice)은 에너지 작물 중 목질계 작물, 포플러나 버드나무와 같은 속성수를 고밀도로 식재하여 지상부의 바이오매스를 3-4년의 단기간에 수확하는 임업(혹은 농업)의 한 형태이다. 목질계 바이오매스는 순 CO2 발생량이 적고, 질소나 황 등의 오염물질 배출도 낮은 편이다. 또한 다른 농작물에 비해 화학비료 사용량이 적어 유휴지 이용에 대한 대안이 될 수 있으며, 단벌기 목재에너지림 내 생물다양성을 높여주어 지역 환경을 개선하는 역할도 하게 된다.
현재, 영국, 이탈리아 등 유럽, 미국, 캐나다 등의 여러 나라에서 목질계 바이오매스를 신재생에너지원으로서 포플러류나 버드나무류를 이용한 단벌기 목재에너지림을 조성하고 있다.
단벌기 목재에너지림은 중벌기 목재에너지림과는 달리 포플러 등 속성수를 10,000만/ha 이상으로 식재하여, 3~4년 주기로 바이오매스를 수확하고 지상부에 남겨진 그루터기에서 이듬해 봄에 새로운 맹아지를 발생 및 생장을 유도하여 반복적인 수확한다. 단벌기 생산림은 1회 조성한 후 약 20~30년간 5~7회 전후의 바이오매스 생산이 가능하며, 생산량은 클론의 특성, 생산 및 관리 방법, 생산임지의 특성 등에 따라 달라진다. 여러 보고에 의하면 2∼5년 주기 수확 기준으로 연간 ha당 건중으로 5∼20톤의 바이오매스 생산이 가능하다.
단벌기 목재에너지림은 농작물과 같이 집약적인 관리가 필요하여 산지보다는 구릉이나 평지인 수변지, 간척지 등과 간은 유휴지에 조성하는 것이 바람직하며, 토양에 따른 적절한 시비, 병해충 관리, 수확기 개발 등이 요구된다. 특히 다량의 바이오매스를 생산을 위해서는 조성지 환경에 적합한 수종 및 클론(품종)이 선발, 식재되어야만 한다. 적절한 클론이 선발, 보급되지 못하면 임지에서의 바이오매스 생산은 저조하게 된다.
따라서, 식재지에 맞는 바이오매스 생산에 적합한 속성수인 포플러류의 수종 및 클론을 선발하여 단벌기 목재에너지림을 조성한다면 우수한 바이오매스 생산으로 신재생에너지원으로 신기후체제 대응 온실가스 감축에 기여할 수 있을 것이다.
본 자료는 단벌기 목재에너지림의 조성 입지별에 따른 바이오매스 생산 우수 클론을 선발하고자 양평 수변지, 새만금 간척지 및 김포 매립지(간척지)에서의 포플러류의 바이오매스 생산 특성을 조사, 분석한 결과를 제시하고자 하였다.
2. 수변지 단벌기 목재에너지림의 바이오매스 우수 포플러 및 클론 선발
수변지에서 포플러의 수종별, 클론별 바이오매스의 생산 특성을 비교하고자 경기도 양평군 강상면에 위치한 남한강 수변구역에 이태리포플러인 Eco28클론, 미루나무 교잡종인 97-18클론과 현사시나무인 72-30클론 등 포플러 3클론을 2열 부분밀식으로 식재밀도 13,000 본/ha이 되도록 삽목 식재하였다.
포플러 수종 및 클론별 바이오매스 생산 특성을 조사하기 위하여 식재 1년 후 대절하여 대절 2년 생장 후 바이오매스 생장량을 조사하였다. 또한, 2년 주기 수확 후의 수확 주기 횟수별 바이오매스 생산량을 수확 주기별로 비교를 하였다.
수종별 맹아 발생 수 및 맹아 직경
대절에 의한 맹아지 유도에 의해 발생한 포플러 클론별 줄기 수는 평균 5.0개로 나타났다(표 1). 이태리포플러 클론 및 현사시나무 클론이 각각 5.9 및 5.2개로 많았으며, 미루나무 교잡종 97-18클론이 3.9개로 낮게 나타났다. 이러한 결과는 유휴지에서 단벌기 목재에너지림을 조성하였을 때 평균 11.1개의 맹아가 발생한 것과 비교하여 저조하였는데 이는 수변지의 단벌기 목재에너지림을 조성할 때 삽목 식재로 대절 당시 뿌리 활력이 저조하였기 때문이다. 포플러 클론별 맹아직경 생장은 평균 23.2 mm로 나타났으며, 미루나무 클론 및 현사시나무 클론이 각각 25.4 및 23.6 mm로 우수하였다. 미루나무 클론의 경우, 맹아수는 다른 클론들보다 낮게 나타났지만 맹아직경 생장은 가장 우수하였으며, 가장 큰 맹아직경 생장을 보였다. 또한 이태리포플러 클론의 경우, 맹아 수는 가장 많았지만 맹아직경 생장은 가장 저조하였다.
바이오매스 생산량
수변지 단벌기 목재에너지림의 대절 후 2년생 포플러 클론별 바이오매스 생산량을 조사한 결과, 2년생 포플러 클론들의 평균 바이오매스 생산량은 22.6 ton/ha로 나타났다. 표 2에서와 같이 미루나무 클론이 가장 우수하게 나타났으며, 현사시나무 클론 및 이태리포플러 클론 순으로 낮게 나타났다. 연평균 바이오매스 생산량 역시 미루나무 클론이 가장 우수하였으며, 현사시나무 클론 및 이태리포플러 클론 순으로 낮게 나타났다. 일반적으로 버드나무 및 포플러 단벌기 목재에너지림에서의 연간 바이오매스 생산량이 10∼20 ton/ha/year 정도인 것을 감안할 때 미루나무 클론의 연평균 바이오매스 생산량은 우수한 것으로 판단된다.
한편, 양평 수변지의 단벌기 바이오매스 시험지에서 2년 벌기령으로 수확하여 수확 횟수별에 따른 바이오매스 생산량을 수종별, 1차 및 2차 수확 횟수별로 분석하였다(표 3). 두 번째 수확에 따른 바이오매스 생산량의 경우 첫 번째 수확의 바이오매스 생산량 보다 전반적으로 높게 나타나는 경향이었다. 일반적으로 단벌기 바이오매스는 1회 식재 후 20년 정도를 수확주기별로 생산을 할 수 있어 최대 생산을 유도하기 위해서는 조성지역별로 적정 수확 횟수가 설정되어야 할 것이다.
이와 같은 결과로, 수변지 단벌기 목재에너지림에 가장 적합한 포플러 클론은 미류나무 클론이라 판단되며, 현사시나무 클론 역시 그 다음으로 적합할 것으로 판단된다. 이러한 수종 및 클론들을 이용하여 수변지에 단벌기 목재에너지림을 조성한다면 기후변화에 대응할 수 있는 탄소흡수원으로서의 역할을 충분히 할 수 있을 것으로 판단된다.
3. 간척지 단벌기 목재에너지림의 바이오매스 우수 포플러 및 클론 선발
1) 간척지 단벌기 목재에너지림의 바이오매스 생산 우수 포플러류 검정
새만금 간척지에서 단벌기 목재에너지림 조성에 적합한 포플러 클론을 선발하기 위하여 전북 김제시 만경읍에 위치한 새만금 간척지에 이태리포플러 4클론, 미루나무 3클론 및 현사시나무 2클론 등 3수종 9클론을 1.5 m× 1.5 m 간격으로 식재하였다. 간척지라는 점을 고려하여 맹아지 발생을 위한 대절을 식재 후 2년 뒤인 2월에 대절하여 바이오매스 생산 특성을 조사하였다.
대절 후 2년생 포플러 클론의 연평균 바이오매스 생산량은 평균 4.8 ton/ha/year로 나타났으며, 미루나무 Ay48 및 97-18 클론의 연평균 바이오매스 생산량이 각각 7.7 ton/ha/year 및 7.1 ton/ha/year로 나타나 다른 클론들 보다 높게 나타났다(그림 1). 이태리포플러 I-476클론의 경우 연평균 바이오매스 생산량이 1.9 ton/ha/year로 나타나 가장 저조하였다. 일반적인 단벌기 목재에너지림의 경우 집약적 관리로 10 ton/ha/year 이상의 연평균 바이오매스를 생산할 수 있지만, 새만금 간척지에서는 바이오매스 생산이 저조하게 나타났다. 이와 같은 결과는 단벌기 목재에너지림을 조성하기 위해 식재한 묘목을 대절하여 맹아지 발생을 시킬 때 많은 양분이 필요하지만, 간척지 토양특성에 의해 유기물 등과 같은 양분의 공급이 적어 초기 줄기 발생 및 생장에 영향을 주었기 때문이라 판단된다.
특히, 현사시나무의 경우 양료 요구도가 다른 수종에 비해 높은 수종으로써 미루나무 및 이태리포플러에 비해 바이오매스 생산량이 저조하게 나타났다. 또한, 본 자료에는 제시하지 안않지만 포플러 수종별의 생존율, 바이오매스 생산량 및 피해도 등을 조사하여 적응능력을 평가한 결과, 미루나무 및 이태리 클론들이 간척지에서 적응능력이 우수하게 나타났다.
2) 간척지 단벌기 목재에너지림의 바이오매스 우수 포플러류 클론 검정
새만금 간척지 단벌기 목재에너지림 조성에 적합한 포플러류 클론을 선발하기 위하여 미루나무 및 이태리포플러 42클론을 대상으로 단벌기 클론 검정림을 조성하였고, 식재후 그 다음해 3월에 대절하여 맹아를 유도하여 대절 2년차의 바이오매스 생산량을 추정하였다.
새만금 간척지에서 미루나무는 Ay48, R89, 79-IL-16, 79-IL-04 및 97-18 클론이 이태리포플러는 Sanmartino, Bellotto 및 Lavanzo 클론이 7 ton/ha/year 이상의 바이오매스를 생산 할 수 있는 것으로 나타났고 특히, Ay48 및 Sanmartino 클론은 8 ton/ha/year 이상의 바이오매스를 생산할 수 있어 우수 클론으로 선발할 수 있었다(그림 2).
3) 간척지 단벌기 목재에너지림의 수확령별 바이오매스 생산 특성
단벌기 목재에너지림은 한번 조성 후 일정 재배 기간의 간격을 두고 여러 차례 바이오매스를 수확함으로써 생산성을 높이기 위한 최적의 수확령이 결정되어야 한다.
수종별에 따른 수확령별 단벌기 목재에너지림의 바이오매스 생산 특성을 비교 분석하기 위하여 시험림을 인천광역시 서구 백석동에 위치한 김포 매립지(간척지)에 조성하였다. 1년생 삽목묘인 이태리포플러 3클론, 미류나무류 3클론, 현사시나무 3클론 등 총 9클론을 식재한 후 바이오매스 생산을 위한 단벌기 목재에너지림 조성을 위해 대절을 실시하였다.
수확구는 매년 바이오매스를 수확하는 1년 수확구, 2년 마다 바이오매스를 수확하는 2년 수확구, 3년 마다 바이오매스를 수확하는 3년 수확구 등 전체 5년 수확구까지 두었으며, 수확구별 포플러 클론들을 각각 10본씩 식재하여 3반복 30본 식재하였다. 식재간격은 1 m × 1 m로 ha당 10,000본이 되도록 식재하였다.
맹아 수 변화
간척지 단벌기 목재에너지림의 수확구별 줄기(맹아) 발생 수는 1년 수확구가 평균 11.9개, 2년 수확구 및 3년 수확구가 각각 7.3개 및 7.0개로 나타나 1년 수확구의 줄기수가 많게 나타났다. 이는 대절을 실시한 후 당년에는 많은 줄기가 발생하지만 시간이 경과할수록 발생한 줄기 중 일부분은 고사가 되기 때문이다.
미루나무 97-18클론 및 97-19클론의 경우, 1년 수확구에서 각각 18.1개 및 18.4개로 다른 클론들 보다 많은 줄기를 발생시켰으며, 2년 및 3년 수확구로 갈수록 줄기 수가 줄어드는 것으로 나타났다. 포플러의 생육적지인 수변지에서는 줄기 발생 수가 적게 나타나는 반면, 간척지에서는 염분에 대한 스트레스로 인해 대절 후 줄기가 많이 발생하는 것으로 판단된다.
수확구별 바이오매스 생산량
수확구 및 포플러 클론별 바이오매스 생산량을 조사한 결과(그림 4), 3년 수확구가 연평균 바이오매스 4.3 ton/ha/year로 가장 우수하였으며, 1년 수확구가 연평균 바이오매스 2.9 ton/ha/year로 낮게 나타났다. 미류나무 97-18클론 및 97-19클론이 모든 수확구에서 우수한 바이오매스 생산량을 나타냈으며, 특히 3년 수확구에서 연평균 바이오매스가 각각 9.5 ton/ha/year 및 10.8 ton/ha/year로 우수하게 나타났다. 일반적인 단벌기 목재에너지림의 연평균 바이오매스 생산량이 10∼20 ton/ha/year 정도임을 감안할 때, 미류나무 97-18클론 및 97-19클론의 경우 간척지 단벌기 목재에너지림 조성용 수종 및 클론으로 가능할 것으로 판단된다.
4년 및 5년 수확구의 경우, 각각 3.3 ton/ha/year 및 3.2 ton/ha/year의 연평균 바이오매스 생산량을 나타내 대절 후 3년 수확구에서 최대 생산을 하고 이후부터 수확령별 연평균 바이오매스 생산량은 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, 3년을 수확주기로 바이오매스를 생산한다면 많은 양의 바이오매스를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 본 실험에서는 식재밀도 ha당 10,000본 식재간격 1 m × 1 m인 정방형 식재로 조성한 단벌기 목재에너지림으로써, 식재간격 및 식재밀도의 차이에 따라 수확주기가 달라질 것으로 판단되기 때문에 이에 따른 수확주기의 재설정이 필요할 것으로 보인다.
이상의 결과를 종합하면 수변지 및 간척지에서 공히 포플러 단벌기 목재에너지림에 적합한 포플러의 수종이나 클론은 미루나무나 이태리포플러의 클론으로 나타났으며 10,000본/ha 식재의 경우 대절 후 바이오매스의 적정 수확령은 3년 주기 이상인 것으로 나타났다. 특히, 간척지에서 식재 후 대절 시기는 2년이 지난 후가 맹아의 유도에 적정한 것으로 나타났다. 또한, 본 자료에는 제시하지 안았지만 간척지나 수변지는 질소, 인 등의 양분이 부족하기 때문에 식재 후나 수확 후에 반드시 시비를 해야 활착율과 바이오매스 생산량을 높일 수 있다.
단벌기 목재에너지림에서의 바이오매스 생산량은 선발된 우수클론으로 조성하고, 시비, 대절처리 등의 적정한 관리로 수변지에서는 연간 ha 당 건중으로 10~16 ton을 간척지에서는 8 ton 전후를 생산 할 수 있을 것으로 추정되었다.