Ⅰ. 서론
초지는 가축의 조사료(풀사료)공급 이외에도 야생동물의 서식지, 수자원공급, 공기 정화와 같은 다면적･공익적 기능 특히 탄소를 저장할 수 있는 능력을 가지고 있다. 초지는 육상생태계 (Terrestrial ecosystems)의 약 52.5 백만 km2 를 차지하고 있어 약 40.5%를 차지하고 있어 (White et al., 2000). 또한 초지는 육상생태계의 장기간 탄소를 저장하고 있으며 그 탄소 축적량 (Carbon Stock)은 650~810 G ton/C 로 약 34%를 차지하고 있다 (White et al., 2000). 이 탄소 축적량의 90%는 식물 뿌리의 형태와 토양유기탄소 (Soil organic carbon, SOC)의 형태로 구성하고 있다(Bai and Cotrufo, 2023). 이와 같이 초지는 온실가스 인벤토리에서 토지이용, 토지이용 변화 및 임업 (Land Use, Land Use Change, and Forestry; LULUCF)분야에서 탄소흡수원으로 규정하여 단기간 탄소를 저장 하고 있는 탄소저장량의 연간 변화량을 계산하고 있다 (GIR, 2022).
우리나라에서 초지의 탄소흡수량은 2000년도에 약 72 만톤 CO2으로 최고로 높았지만 이후 점차 감소하여 2020년도에 약 2 만톤 CO2 으로 감소하였다 (GIR, 2022). 2020년의 탄소흡수량의 증감량은 최고점인 2000년 대비 97.2% 감소하였다 (GIR, 2022). 이와 같은 우리나라의 탄소흡수량에 해당하는 초지면적은 2000 년도에 47.4 천 ha에서 2020년도 4.0 천 ha로 2020년도의 초지 면적이 2020년도 대비 91.6% 감소하였다 (GIR, 2022). 우리나라 의 초지는 제주특별자치도와 강원특별자치도가 2022년도 기준 각각 48.2 (15,456 ha) 및 15.6 (4,947 ha)%를 차지하고 있어 (MAFRA. 2023), 이 2개 도가 과반 이상(63.7%)을 차지하고 있 다. 가장 많은 초지를 가진 제주특별자치도는 2022년도에 드론 촬영을 통해 전체 초지를 실태조사하여 초지피복지도를 작성하였 으며 (Ahn, 2022), 제주도 초지 토양의 SOC의 량을 계산한 연구 가 수행되었다 (Park et al., 2023). 반면 강원특별자치도는 초지 의 면적은 우리나라에서 2번째 이지만 현재 초지의 피복현황 및 탄소저장량에 대해서 수행된 연구는 부족한 실정이므로 연구가 필요하다.
현재 온실가스 인벤토리에서 초지의 탄소흡수량 평가의 정확 도는 낮은 것으로 판단된다. 온실가스 인벤토리에서 초지의 탄소 흡수량은 초지로 유지된 초지와 타초지에서 전용된 초지인 두가 지 항목이 있다. 이중 초지로 유지된 초지는 평가하지 못하고 타 초지에서 전용된 초지로만 평가하고 있다. 그 이유는 초지로 유지 된 초지의 탄소저장량을 평가하기 위해서는 초지의 조성 또는 관 리 연차에 따른 탄소흡수량에 대한 자료가 필요하지만 현재 화산 회토만 개발된 상태 (RDA, 2024)이고 나머지 3가지 토질에 대한 자료는 전무한 상황이다. 이러한 초지의 탄소 저장량 및 흡수량에 대한 자료의 부족으로 초지가 유지된 상태의 탄소흡수량을 추정 하지 못하고 있다. 또한 온실가스 인벤토리에서는 초지의 탄소흡 수량 계산을 위해서 초지 면적이 필요하다. 그러나 온실가스 인벤 토리에 사용하는 초지 면적은 국토교통부 지적통계에서 목장용지 를 이용하는데, 2020년도 기준 목장용지는 전국이 56,202 ha (MOLIT, 2021)에 달하며 초지면적 (관리면적 기준) 은 32,556 ha (MAFRA, 2023) 로 나타나 현재와 차이가 있는 것으로 나타 났다. 이로 인해서 초지의 탄소 저장량 및 흡수량을 정확하게 측 정하기 어려운 실정이다.
정확한 초지의 탄소 흡수량을 평가를 하기 위해서는 탄소저장 량에 대한 자료를 보충하고 정밀한 초지의 면적을 계산할 필요가 있다. 이와 같은 자료의 확보를 통해서 초지의 탄소흡수량이 정확 하게 평가될 수 있다면 축산분야의 탄소배출량 저감에 기여할 수 있을 것으로 생각된다. 그러나 초지의 탄소 저장량 및 흡수량 자 료의 수집은 장기간 초지의 탄소저장량을 조사가 수반하므로 단 기간에 해결하기 어려운 실정이다. 그러므로 현재 초지의 탄소 저 장량 및 흡수량은 InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs) 모델을 통해서 추정할 수 있다. InVEST 프로그램은 Stanford University에서 Natural Capital Project의 일환으로 개발된 오픈소스 소프트웨어로 생태계 서비스를 정량화 할 수 있는 다양한 시나리오 모델이 있고 그 중 탄소저장 및 격리 (Carbon Storage and Sequestration) 모델이 있다. 이 모델은 분 석하고자 하는 지역의 토지이용토지피복(Land Use/Land Change; LULC)지도와 탄소 저장고(Carbon Pool)가 필요하며 이 지도의 정확도에 따라 탄소저장량의 차이가 발생할 수 있다 (Natural Capital Project, 2024). 우리나라에서도 InVEST프로그램을 이용 한 탄소저장 및 흡수와 관련된 연구가 진행되었다 (Choo et al., 2021;Choi et al., 2021;Hwang et al., 2021). 이 연구들에서 LULC지도는 국내 환경부의 환경공간정보서비스 (Environmental Geographic Information Service, EGIS)의 토지피복지도로 대체 사용한 연구들이 있다 (Choo et al., 2021;Choi et al., 2021;Hwang et al., 2021). 그러나 토지피복지도는 해상도에 따라 대분 류 (30m 급), 중분류 (5m 급) 및 세분류 (1m 급)로 나누고 있어 어떤 분류의 토지피복지도가 InVEST프로그램에 적용할 수 있는 지 확인할 필요가 있다. 또한 위 연구들에서 사용한 탄소 저장고 는 우리나라의 초지가 아닌 다른 나라 또는 비슷한 기후에 있는 값을 이용하고 있기 때문에 실제 우리나라 초지를 반영하고 있다 고 보기 어렵다. 그러므로 우리나라의 초지의 탄소 저장량 및 흡 수량 산정을 하기 위해서는 우리 나라의 초지의 탄소 저장고를 조사하고 이용할 필요가 있다.
따라서 본 연구는 강원특별자치도 초지의 탄소저장량을 평가 하는데 대분류 토지피복지도가 InVEST프로그램의 탄소저장 및 격리모델에 이용가능한지 검토하였다.
Ⅱ. 재료 및 방법
1. InVEST 프로그램 구동을 위한 초지 토지피복지도 작성
InVEST프로그램의 탄소저장 및 격리모델의 구동을 위한 토지피 복지도는 EGIS에서 제공하는 대분류 토지피복지도를 수집 및 이용 하였다. 대분류 토지피복지도의 세부 유형은 시가화·건조지역 (Used Area), 농업지역 (Agricultural Land), 산림지역 (Forest), 초 지 (Grass), 습지 (Wet Land), 나지 (Barren) 및 수역 (Water) 7개로 구분되어 있다. 분석에 사용한 강원특별자치도의 토지피복지도는 1980, 1990, 2000 및 2010년도의 것이었으며 이 지도는 각각 1987~1989, 1997~1999, 2009~2010 및 2018~2019년에 작성되었 다. 그러나 강원특별자치도 (Fig. 1a)와 EGIS의 토지피복지도 (Fig. 1b)는 범위의 차이가 있었다. 범위가 다른 지역은 접경지역에 해당 하는 8개 시·군 (속초시, 철원군, 춘천시, 고성군, 인제군, 양구군, 양양군 및 화천군)으로 토지피복지도를 제공하지 않아 본 연구에서 는 이용할 수 없었다. 이 지역을 제외한 나머지 지역 (Fig. 1c)을 분석에 사용하였다. 본 연구의 지역에 해당하는 대분류 토지피복지 도의 도엽은 총 28개를 이용하였다.
토지피복지도는 QGIS ver.3.36.2 (QGIS.org, 2024)를 이용하 여 수집된 대분류 토지피복지도의 도엽을 병합하고 중첩분석을 통해 작성하였으며 탄소저장량 분석을 위해 세부유형 중 초지만 사용하였다. 초지 토지피복지도를 만드는 과정은 Fig. 2와 같다. 먼저, 수집한 각 년도별 28개의 대분류 토지피복지도의 도엽을 하나의 토지피복지도로 병합(Merge)하였다 (Fig. 2a). 본 연구 영 역에 해당하는 강원특별자치도의 지역의 경계와 병합한 토지피복 지도를 InVEST 프로그램에 사용하기 위해서 중첩하였으며 (Fig. 2b), 중첩된 강원특별차지도의 토지피복지도는 Fig. 2c와 같으며 Vector 형식이었다. 작성된 강원특별자치도의 토지피복지도를 InVEST 프로그램에 적용하기 위해서 Vector 형식의 지도를 Rater 형식으로 변환하였다 (Fig. 2d).
InVEST 프로그램으로 추정된 초지의 탄소저장량이 정확한지 검토하기 위해서는 해당 지역의 초지면적이 필요하므로 1980, 1990, 2000 및 2010 년도의 토지피복지도의 유형별 면적 및 초 지면적을 각각 산출하였다.
2. InVEST 프로그램의 탄소저장 및 격리모델 구동
InVEST 프로그램의 탄소저장 및 격리 (Carbon Storage and Sequestration) 모델은 각 Carbon pool항목의 크기와 LULC지도의 유형에 따른 탄소저장량을 Raster파일의 픽셀별로 추정하는 것이다. 둘 이상의 토지피복도를 활용하면 토지피복의 시간변화에 따른 탄 소변화량을 추정할 수 있다. 모델의 출력된 탄소저장량은 픽셀 당 탄소 Mg으로 산정된다. 모델에 사용하는 4개의 Carbon pool항목은 지상부 바이오매스(Cabove), 지하부 바이오매스(Cbelow), 토양 탄소 (Csoil) 및 고사목(Cdead)이다. 토지피복지도의 유형별로 주어진 픽셀 의 탄소저장량을 계산하는 식은 다음과 같다.
여기서, 는 토지피복지도의 유형을, 는 토지피복지도의 유형별 픽셀면적(m2)을, 각각의 항(C)은 4개의 Carbon pool 유형인 Cabove, Cbelow, Csoil 및 Cdead 를 의미한다.
초지의 탄소저장량을 추정하기 위한 Carbon pool 자료는 강원 특별자치도의 초지조사를 통해서 수집하였다. 초지조사의 대상지 는 강원특별자치도 삼양라운드힐의 조성된지 30년 이상된 초지 였으며 초종은 리드카나리그라스 및 매도우폭스테일이었다. 해당 초지는 연간 2회 수확을 수행하며, 화학비료는 이용하지 않고 유 기퇴비를 연차마다 다르지만 평균 17 ton/ha를 시용하였다. 조사 시기는 지상부 바이오매스는 화본과 목초가 출수기에 도달시기를 기준으로 연간 2회 조사하였으며 조사일은 2023년 6월 13일 및 8월 23일이었다. 초지의 지상부 샘플은 방형틀 1 m2(Quadrat, 1 m × 1 m)를 이용하여 5회 반복 조사하였다. 초지 지상부 바이 오매스량은 초장 5 cm로 수확하여 무게를 측정한 후 샘플을 약 500 g 내외 채취 후 65℃에서 72시간 건조하여 건물수량 (Dry matter yield)을 계산하였다. 지하부 샘플은 지상부 샘플 마지막 조사 후 지상부 바이오매스량을 조사한 plot에서 가로, 세로 및 높이 30 cm로 샘플을 채취하여 흙과 목초의 뿌리를 분리하였다. 지하부 바이오매스량은 목초뿌리의 무게 측정 후 지상부 바이오 매스와 동일한 방법으로 계산하였다.
초지의 토양샘플 채취는 1회 수행하였으며 토양 시료를 채취 하기 전, 지상부 식생 및 이물질 등은 원예 가위로 제거하였다. 토양샘플 채취깊이는 0-15 및 15-30 cm로 하였으며 (IPCC, 2019), 샘플 채취 시 직경 100 mm, 길이 30 cm인 split core set (2" X 12" Soil Core Sampler Complete; AMS, USA)를 이용하여 샘플을 채취하였다. 채취한 토양시료는 분석 전 온도 25-30℃ 및 습도 20-60%의 그늘에서 건조한 후 2 mm 체에 걸러서 분석에 사용하 였으며, 토양 유기탄소 축적량을 산정하기 위하여 토양의 용적 밀도, 석력비 및 탄소함량을 측정하였다. 용적밀도는 코어 부피 (cm3) 내 존재하는 토양 시료의 총 건조중량 (g)으로 계산하였다. 석력비는 2 mm 체에 거를 때 위에 잔존하는 자갈의 무게를 재어 총 건조 토양 무게에 대한 2 mm 이상인 자갈 무게의 비율 (%)로 나타냈으며, 2 mm 이하의 뿌리는 핀셋으로 분리하여 분석에서 제외하였다. 지상부 및 지하부 바이오매스와 토양 시료는 모두 볼 밀(MM400 Ball Mill, Retsch, Germany)로 분쇄하였으며 원소 분석기(Flash EA 1112, Thermo Fisher Scientific, Bremen, Germany)를 이용하여 탄소농도를 측정하였다. 토양 유기탄소 저 장량은 0-15 cm와 15-30 cm 깊이의 탄소함량, 용적밀도, 토양깊 이 및 석력비의 평균값을 바탕으로 0-30 cm 깊이의 토양 유기탄 소 축적량을 산정하였다.
InVEST 프로그램 (Natural Capital Project. 2023. InVEST Ver.3.14.1)의 모델을 통해 강원특별자치도의 1980, 1990, 2000 및 2010년도의 탄소저장량 계산을 탄소저장 및 격리 (Carbon Storage and Sequestration) 모델을 이용하여 수행했다.
Ⅲ. 결과 및 고찰
작성된 1980, 1990, 2000 및 2010년도 강원특별자치도의 토 지피복지도는 Fig. 3 과 같으며, 유형 분류에 따른 면적은 Table 1와 같다. 시가화･건조지역의 비율은 1980년부터 2010년까지 증 가하는 경향을 보였다. 농업지역, 초지 및 수역이 차지하는 비율 은 1980년이 가장 높았으며 이후 감소한 것으로 나타났다. 초지 는 1980년도에 8%에서 2010년도에 5%로 감소하였다. 산림지역 이 차지하는 비율은 1990년도 56%까지 증가한 이후 2010년도와 2010년도는 약 32%를 유지하고 있었다. 강원특별차지도의 토지 피복비율은 1980년에서는 농업지역이 가장 많은 비율을 차지하 였지만, 1990부터 2010년대 까지는 모두 산림지역이 가장 많은 비율을 차지하였다.
전체면적을 확인하였을 때 1990년도의 토지피복지도는 다른 년도에 비해서 전체 면적에서 큰 차이를 보였다. 그 이유는 환경 부의 토지피복지도에 사용된 영상의 시기적 불일치와 분류방법에 따라 발생하는 위치오차 등의 문제가 발생할 수 있기 때문이다 (Lee et al., 2009). 특히 여러 기관에서 제작된 토지이용 및 토지 피복 관련 공간 자료는 기관에 따른 제작목적이 다르고, 사용된 영상과 처리기법의 차이로 인하여 경계선 및 전체면적이 불일치 하거나 동일한 분류등급 이용하지 않는 등의 문제가 발생할 수 있다(Lee et al., 2009). 또한 토지피복지도를 작성하는 과정 GIS tool의 설정 값 및 tool 자체의 특성으로 인해서 격자 (Pixel)의 차이가 발생할 수 있다. 대표본에서 격자 1개의 크기는 900 m2 (30m X 30m)이므로 토지피복지도 작성 시 격자가 잘못 작성된 다면 전체 면적에서 문제를 야기할 수 있는 것으로 생각된다.
작성된 토지피복지도에서 년도별 초지피복지도는 Fig. 4와 같다. 초지면적은 1980, 1990, 2000 및 2010 년 각각 133,640, 172,651, 101,982, 및 109,418 ha 인 것으로 나타났다. 본 연구에서 초지면적의 결과는 기존 초지의 면적이 지속적으로 감소하는 것 (MAFRA, 2022)과는 상반되는 결과가 나타났다. 한편 1990년 농림수산 주요통 계 (MAFF, 1990)와 2015 및 2023년 농림축산식품부 주요통계 (MAFRA, 2015;2023)에서 초지조성사업 현황(관리면적)을 검토한 결과 강원특별자치도의 초지면적은 1988년 14,360, 1995년 12,066, 2009~10년 6,539~6,563 및 2018~19년 5,131~5,270 ha 로 나타났다. 1980년도 지역별 초지조성면적 자료는 전무하였기 때문에 본 연구의 결과와 비교할 수 없었다. 본 연구와 초지조성사업의 초지면적 차이는 1980, 1990, 2000 및 2010년 각각 119,280, 160,585, 95,419~95,443 및 104,148~104,287 ha로 큰 차이를 보였다.
이러한 초지면적의 차이가 발생하는 이유는 토지피복지도의 분류기준의 차이 때문인 것으로 판단된다. 대분류인 초지는 그 아 래 중분류인 자연초지와 인공초지와 세분류인 자연초지, 골프장, 묘지 및 기타 초지로 분류된다. 자연초지는 자연적으로 발생한 초 지(Rangeland), 초지 중 임목의 면적이 10% 미만인 곳 및 하천주 변 제방의 외부인 곳으로 분류하고 있다. 반추가축의 풀사료 공급 목적으로하는 초지는 기타초지에 포함되며 기타초지 내에는 도 로·아파트 주변의 완충·경관녹지와 스키장 슬로프가 포함되어있 다. 이러한 대분류 토지피목도의 초지의 분류기준은 가축을 위한 풀사료생산 목적의 초지 뿐만 아니라 골프장, 스키장 및 녹지 등 이 포함되어 있기 때문에 초지면적의 차이를 야기한 것으로 사료 된다. 또한 본 연구의 토지피복지도는 접경지역인 8개 시･군이 제외된 것이므로 이 지역이 포함된다면 초지면적의 차이는 더 커 질 수 있는 것으로 생각된다.
Carbon pool 자료는 삼양라운드힐의 30년 이상된 초지를 조사 하였으며 C_above, C_below, C_soil 및 C_dead의 탄소저장량은 각각 3.3, 2.9, 113.1 및 0.0 Mg C of ha 이었다. 고사목 탄소저 장량은 해당 초지를 전부 이용한다는 가정으로 사용하지 않았다. 1980, 1990, 2000 및 2010 년에서 초지의 탄소저장량은 각각 1.6, 2.1, 1.2 및 1.3 million Mg of C으로 나타났다 (Fig. 5). Choo et al. (2021)이 제시한 Tomasso and Leighton (2014)가 제시한 초지 탄소저장고을 이용하여 InVEST 프로그램으로 계산 한 강원특별자치도의 탄소저장량은 2000와 2010년도가 각각 1.8 및 1.0 million Mg of C 으로 나타났다. 본 연구와 Choo et al. (2021)의 연구결과가 차이가 나타나는 이유는 InVEST 프로그램 에서 사용한 탄소저장고가 다르기 때문으로 Choo et al. (2021) 의 연구에서 사용한 탄소저장고는 고속도로 및 주차장의 피복 등 이 포함된 Other grasses에 항목에 해당되기 때문에 실제 초지의 탄소저장고와 다른 것으로 판단된다.
이상에서 초지면적은 환경부에서 제공하는 대분류 토지피복지 도와 농림축산식품부의 초지 면적 과의 차이가 있으므로, 본 연구 의 대분류 토지피복지도로 InVEST 프로그램을 이용한 강원특별 자치도 초지 탄소저장량은 실제 탄소저장량과 추정량과의 차이가 발생할 수 있는 것으로 나타났다. 그러므로 InVEST 프로그램의 탄소 저장 및 격리모델에 이용할 토지피복지도 작성은 분류기준 을 세부적으로 선택 및 제거할 수 있는 세분류 (자연초지, 골프장, 묘지 및 기타초지) 토지피복지도 또는 유럽우주국 (European Space Agency)에서 작성한 Worldwide Land Cover Mapping 과 같이 다른 분류기준과 다른 기관에서 제작한 토지피복지도를 고 려해보는 것이 필요할 것으로 판단된다. 위와 같은 토지피복지도 를 이용하여 강원특별자치도의 정확한 초지면적을 산출과 함께 초지의 탄소저장량을 다시 추정할 필요가 있다.
Ⅳ. 요약
본 연구는 강원특별자치도 초지의 탄소저장량을 평가하는데 대분류 토지피복지도를 이용하여 InVEST 프로그램의 탄소저장 및 격리모델에 이용가능한지 검토하기 위해서 수행하였다. 토지 피복지도는 환경공간정보서비스에서 제공하는 강원특별자치도의 1980, 1990, 2000 및 2010년 대분류 토지피복지도로 각 년도 별 로 28개의 도엽을 이용하였다. 강원특별자치도 초지의 탄소저장 량 계산은 InVEST 프로그램의 탄소저장 및 격리모델을 이용하 여 수행했다. 본 연구 결과의 초지면적은 1990년도에 초지면적이 증가한 이후 감소하였는데 이는 실제 초지의 면적이 지속적으로 감소하는 것과는 다른 것으로 나타났다. 또한 토지피복지도의 초 지면적과 실제 관리초지면적의 차이가 큰 것으로 나타났다. 이러 한 차이가 발생하는 원인은 대분류 토지피복지도에서 초지의 분 류기준이 가축을 위한 풀사료생산 목적의 초지 뿐만 아니라 골프 장, 스키장 및 녹지 등이 포함되어 있기 때문에 초지면적의 차이 를 야기한 것으로 사료된다. 그러므로 초지항목의 분류기준을 세 부적으로 선택할 수 없는 대분류 토지피복지도를 이용하기 보다 정확한 초지면적을 계산할 수 있는 다른 토지피복지도를 이용하 여 강원특별자치도의 초지면적을 산출할 필요가 있다. 뿐만 아니 라 InVEST 프로그램을 이용한 초지의 탄소저장량 산출은 정확 한 초지면적을 제시하는 토지피복지도를 이용하여 추정할 필요가 있다.
