녹화식물의 인공지반 경사지 녹화에 따른 피복 및 표면온도 변화특성
Characteristics of Coverage Ratio and Surface Temperature of Plants Planting on the Sloped Artificial Ground
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Abstract
Green roof coverage effects were investigated using Chasmanthium latifolium and Sedum mix(Sedum middendorffianum : Sedum sarmentosum : Sedum acre : Sedum album = 1 : 1 : 1 : 1) on sloped area for 4 months. Sedum mix was more effective for sloped roof greening on coverage ratio about 80% than Chasmanthium latifolium, 50%. But in flat condition(slope 0°), Chasmanthium latifolium showed significantly higher coverage ratio than Sedum mix. In the case of module type, Sedum mix showed the highest coverage ratio 87% in slope 20°, while in installation type, Chasmanthium latifolium 73% in slope 0°.
I. 서론
우리나라는 80%가 넘는 대다수의 국민들이 도시화된 지역에 살 고 있다. 효율의 극대화를 추구하는 도시 공간 구조는 포장면적과 건축물의 급격한 증가를 불러왔으며, 자연지반을 대체한 인공지반 을 녹화하는 방법이 도심의 녹지를 증가시키기 위해서는 반드시 필 요하게 되었다.
옥상녹화는 도심의 인공지반 중 비어있는 건축물 옥상을 활용하 여 도심의 녹지를 확대할 수 있는 중요한 녹화방법의 하나로 조성 의 당위성과 정책적 지원 등에 의해 양적으로도 성장추세에 있다 (Jang and Lee, 2011). 이에 따라 인공지반, 특히 옥상녹화와 관련 된 연구들이 지속적으로 진행되어 오고 있는데, 옥상녹화 식재 및 녹화식물과 관련된 연구로는 옥상녹화지에 도입 가능한 식물에 관 한 연구(Lee et al., 2007, Dvorak and Volder, 2010)나 옥상녹화 시스템에 대한 적합성 분석을 위한 Sedum속 식물에 대한 내한성 평가 연구(Kim et al., 2010), 해양성 기후환경의 관리조방형 옥상 녹화지에 적합한 자생종 선발에 관한 연구(Maclvor and Lundholm, 2011) 등이 선행되었다. 이 외에도 식재식물의 종별 생육특성이나 3년간의 변화양상에 관한 연구(Jang and Lee, 2011), 옥상녹화지 에서의 다년간 이입식물의 발생(Oh and Jung, 2006) 등이 수행되 었다.
적외선 열화상카메라를 이용한 특정 표면온도 측정은 열화상 카메라가 피사체의 표면으로부터 복사되는 열에너지를 온도로 환산하여 제공하는 실시간 이미지를 이용하는 방식이다. 적외선 열화상 측정법은 사용의 간편함과 경제성, 비접촉 ・비파괴 방식 의 장점 등으로 인해 최근 다양한 분야의 연구에 이용되고 있다 (Macola and Carlomagno, 2004). 미국, 일본, 유럽 등에서는 건축물 열관리, 발전설비 안전진단, 지하가스 배관의 누설, 등 건 축 및 관련분야에서 활발히 적외선 열화상을 이용한 연구가 진행 되고 있다(Roh, 2011). 옥상녹화와 관련하여서는 옥상녹화지와 비 녹화 옥상의 표면온도를 비교한 연구(Yoo et al., 2011)를 통해 비 녹화 옥상면에 비해 옥상녹화지가 4-7°C 낮은 것으로 보고되었다. 그러나 식재기법이나 다양한 경사 조건에서의 온도 변화에 대한 연구는 전무한 실정이다.
따라서 본 연구는 도시의 다양한 건축물에 녹화기법을 적용하기 위하여 경사지 녹화에 따른 녹화용 식물의 피복 변화 및 표면온도 변화양상을 분석하고자 근권부 발달 특성이 상이한 화본과와 돌나 물과 식물을 대상으로 시험을 실시하였다.
II. 연구방법
1. 시험구 조성
본 연구의 실험은 경기도 수원시 권선구에 위치한 농촌진흥청 국립원예특작과학원에서 2013년 4월부터 8월까지 5개월간 진행 되었다. 시험구는 연구동 평지형 옥상에 조성되었으며, 대표적인 옥상녹화 식재기법인 모듈형과 포설형의 두 가지 식재기법을 본 연 구에 적합하도록 고안한 경사조절 장치에 적용하였다. 본 연구는 경사 및 식재기법에 관한 실험으로 향은 시험구 전체가 남향이 되 도록 설치하였다. 모듈형 식재는 배수, 방근, 필터층이 일체화된 50cm×50cm×10cm(가로×세로×높이)인 E사의 옥상녹화용 EP-16 제품을 이용하였고, 포설형 식재는 토심을 모듈형과 동일하게 10cm로 정하였다. 식생기반재는 S사의 인공토양(버미큘라이트 : 펄라이트 : 피트모스 : 라임스톤 = 1:1:1:1)의 비율로 혼합하여 동일 하게 사용하였다.
최근 들어서는 도심 건축물들의 규모와 형태가 다양하게 조성되 는 등 비정형의 옥상녹화지가 증가함에 따라 다양한 옥상환경에서 식물의 생육변화 및 식재지 변화양상에 대한 연구가 필요한 실정이 다. 따라서 본 연구에서는 경사지붕 뿐 아니라 다양한 형태의 건축 물 녹화에 적용가능 여부 및 경사에 따른 변화양상을 분석하기 위 해 0°~45°의 경사각 적용이 가능토록 고안한 경사조절장치를 실험 에 사용하였다. 이 장치는 경사를 조정할 수 있는 각도조절거치대 와 옥상녹화 모듈 및 기반재를 넣을 수 있는 틀로 구성되어 있으며, 본 연구에서는 경사를 0°, 10°, 20°, 30°의 4가지 경사조건을 3반복 처리하였다(Fig. 1).
시험식물은 근권부 발달의 특성을 고려하여 선정하였으며, 화본 과 식물인 Chasmanthium latifolium와 돌나물과인 Sedum middendorffianum, Sedum sarmentosum, Sedum acre, Sedum album을 각각 선정하였다. Chasmanthium latifolium은 화본과 다년생초본으로 우리나라에서는 일반적으로는 보리사초로 통용 되고 있으며, 초장 및 생육특성이 옥상녹화에 적용 가능하다. 화본 과(Graminea) 식물은 국화과(Compositae) 식물 다음으로 종의 수가 많은 식물로 미국 및 유럽의 경우 도심건축조경 및 가정원예 등 생활공간에 밀접하게 자리잡고 있으나 우리나라에서는 목초 및 골프장 잔디 등 이용이 제한적으로 이용범위의 확대가 필요하다 (Kim, 2013). 특히 경사지와 같이 조성 후 토양의 침식이나 흘러내 림에 따른 피해가 우려되는 경우에는 화본과 식물이나 사초과 식물 등 근부발달이 양호한 식물들을 식재하여 토양안정을 도모할 필요 가 있다.
세덤류는 내한성, 내건성 등이 강하고, 번식력이 왕성하여 서서 히 서식면적을 확장시켜 가는 특징이 있어 고온, 건조, 바람 등 자연 지반과 생육차이가 있는(Dunnett and Kingsbury, 2004) 옥상녹 화에 적합한 식물로 옥상녹화지에 식재된 몇몇 세덤류에 대한 생육 변화 및 생존율을 분석하는 연구가 보고된 바 있다(Kim et al., 2010, Monterusso et al., 2005). 본 연구에 사용된 Sedum middendorffianum는 토심 10cm에서 생육이 양호하고, 옥상녹화 식물로 활용성이 매우 높은 식물소재로 제안되어(Kim et al., 2003) 옥상녹화에 널리 사용되고 있는 식물 중 하나이다. Sedum album은 국내기후 조건에서 토심 10cm 옥상녹화에서 적정 내건 성이 있어 식재 적합종으로 보고된 바 있으며(Kim et al., 2005), 일 반적으로 세덤류의 경우 식재 시 혼식하는 경우가 많아 선정한 세 덤류는 4종을 1:1:1:1의 비율로 혼식하여 4종의 합이 Chasmanthium latifolium와 동일한 수량과 밀도가 되도록 시험에 적용하였다 (Table 1).
시험 시작에 앞서 동일한 상태의 식물을 시험에 적용하기 위해 생산 농가에서 구입한 시험식물(8cm 규격묘)들을 6주간 해당 옥 상에서 2~3일에 한 번씩 관수하는 등 동일한 조건에서 양생시켰으 며, 이때 모듈형 시험구 적용식물은 모듈에 식재된 상태로, 포설형 적용식물들은 포트 상태로 양생기간을 거치도록 하였다.
시험 시작 이후로는 무관수를 원칙으로 하였으며, 시험기간 중 5월에는 7회에 걸쳐 총 1,633.7mm, 6월에는 8회 총 941.7mm, 7월에는 22회 6,231.9mm, 8월에는 9회 2,161.5mm의 자연강우 가 발생하였으며, 시험기간 중의 강우량과 평균온도는 Fig. 2와 같다.
2. 식물생육 조사
1) 생체량 조사
4개월간 경사에 따른 식물의 생체량 변화 및 지하부 변화양상을 분석하기 위해 실험구 조성 시 식재된 식물(8cm 규격묘)들과 동일 한 크기의 식물을 선택하여 근장, 근부생체중, 근부건체중을 측정 하였다. 시험 종료 후 실험구에서 가장 평균의 생체량을 보이는 식 물체를 처리별로 3반복씩 채취하여 동일한 조사를 실시하였다. 근 부생체중은 근부의 토양을 완전히 제거한 후 측정하였고, 근부건체 중은 지상부를 제거한 후 드라이오븐에 넣어 70°C에서 24시간 건 조시킨 후 더 이상 중량이 변하지 않을 때 동일한 방법으로 측정하 였다. 세덤 혼식구의 경우 근장 및 근중에 의한 영향이 가장 큰 Sedum middendorffianum를 대상으로 세덤류의 근부변화를 측 정하였다. 측정된 결과는 SPSS Ver. 12.0을 이용하여 던컨의 다중 검정법(Duncan's multiple range test)을 통하여 유의수준 5%에 서 처리간의 유의성 분석을 실시하였다.
2) 피복률 조사
시험 식물들의 생육변화 및 피복특성을 알아보기 위해 2013년 5 월부터 8월까지 월1회 피복면적을 조사하여 피복률을 산출하였다. 피복면적은 개별 식재구 상부에서 등비율로 사진촬영을 하여 해당 식물의 피복면을 선형화한 후 산출하고, 이를 토대로 피복률 변화 양상을 분석하였다. 사진촬영은 매월 말일에 오후 2시-5시 사이에 진행하였으며, 피복면적 측정은 Autodesk사의 AutoCAD 2008 프로그램을 이용하였다. 측정된 피복면적을 토대로 Microsoft사 의 Microsoft Excel 2010 프로그램을 이용하여 피복률을 산출하 였다.
3. 표면온도 조사
식재기법 및 경사도에 따른 옥상부, 토양부, 식재부의 표면온도 변화를 측정하기 위해 2013년 8월의 맑은 날 오후 1~2시 사이에 적 외선 촬영기법을 활용하여 각 처리별 시험구의 표면온도를 측정하 였다.
본 연구에 적외선 촬영에 사용된 열화상카메라는 대상 피사체의 표면으로부터 복사되는 열에너지를 온도로 환산하여 영상으로 표 출되는 FLIR T440(FLIR Systems, Inc.)을 사용하였으며, -20~ 650°C의 온도범위에서 측정이 가능하고, 0.1~1.0 방사율을 선택 할 수 있다(Table 2). 열화상카메라를 이용하여 동일한 조건 하에 옥상표면온도, 식재구 토양표면온도, 식물표면온도를 각각 측정하 였으며, 측정된 데이터는 Microsoft사의 MicrosoftExcel 2010 프 로그램을 이용하여 정리하였다.
또한 시험기간 동안 Alborhn사(독일)의 weather station으로 표면온도에 영향을 미칠 수 있는 대기온도와 조도를 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 3과 같다.
III. 결과 및 고찰
1. 식물생육 변화
1) 피복률 변화
모듈형과 포설형으로 나뉘어 식재된 시험식물들의 식재 후 4개 월간의 피복변화를 조사한 결과 Chasmanthium latifolium와 Sedum Mix의 변화양상이 다르게 나타났다.
Chasmanthium latifolium 모듈형 식재구의 경우 모든 경사조 건에서 피복률이 가장 높았던 7월에 0°의 피복률이 51.7%로 피복 률이 가장 높았으며, 30° 조건에서는 27.3%로 가장 낮았으나 통계 적으로 유의한 차이는 없었고, 8월 이후에는 20°와 30° 경사조건에 서 식물이 급격히 고사하는 모습을 보였다(Fig. 4).
전반적으로 모듈형에 비해 포설형 식재구에서 피복률 증가가 높았으며, 포설형 식재구도 모듈형과 마찬가지로 전반적인 피복률 은 7월에 가장 높았으나 0° 조건에서는 8월에도 약 2% 가량 증가하 였다. 사전 양생기간을 거친 후 시험에 적용하여 초기 피복률은 모 듈형이 약 5~15% 더 높았으나 2개월 후에는 포설형이 모든 경사도 에서 20% 높게 나타나 모듈형 보다는 포설형이 피복률 증가에 유 리했던 것으로 생각된다(Fig. 5). 이는 일반적으로 옥상녹화에 사 용되는 일체형 모듈의 재질이 대부분 플라스틱 재질로 한여름 고온 하에서는 모듈 자체의 온도 상승이 영향을 미친 것으로 보이며, 본 시험에서 측정해본 결과 8월 맑은 날 2시경 플라스틱 모듈의 표면 온도는 46.08±1.45°C로 토양표면에 비해 약 5°C가량 높은 것으로 나타났다.
Sedum Mix는 Chasmanthium latifolium의 경우 다른 경사도 에 비해 0°에서 피복률이 전반적으로 높게 나타난데 반해 7-8월에 는 모듈형과 포설형 모두 10°와 20°에서 더 높았으나 6월을 제외하 고는 모두 통계적으로 유의한 차이를 보이지는 않았다. 시험 시작 6주전 모듈형 플랜터에 식재 후 양생기간을 거친 모듈형 시험구의 경우 시험시작 시점의 피복률이 40.7-49%로 8.5-9.7%로 조사된 포설형에 비해 4배 이상 높은 상태였다. 그러나 3개월 경과 후에는 모듈형은 75.6-86.6%, 포설형은 60.4-73.4%로 그 격차가 많이 줄 어드는 양상을 보였다. 경사도별 피복률 변화양상을 살펴보면, 모 듈형은 7월의 30° 시험구의 피복률이 87.3%로 가장 높았고, 포설 형은 8월의 20° 시험구가 73.4%로 가장 높았다(Fig. 6, 7). 시간경 과에 따른 Sedum류의 피복변화 양상은 식재 후 3년 간 증가세를 보 였다는 선행 연구결과(Jang과 Lee, 2011)에 비추어 지속적으로 증 가세를 보일 것으로 예상된다.
2) 식물의 근부 변화
실험시작 당시의 식물(8cm 규격묘) 대비 시험기간 경과 후 경사 및 식재기법에 따른 식물의 생체량 변화 및 지하부 변화양상을 알 아보기 위해 식물별 근장, 근부생체중, 근부건체중을 측정하였다.
측정결과 Chasmanthium latifolium의 근장은 포설형과 모듈 형 식재구에서 모두 초기 대비 증가한 것으로 나타났다. 식재 당시 에는 평균 근장이 13.8cm로 측정되었고, 시험 4개월 경과 후 포설 형 식재구에서는 근장이 초기대비 약 5.7-9.7cm 증가하였다. 모듈 형 식재구의 경우 식재 후 4개월 경과한 시점에서는 20°와 30°의 식 물체는 모두 고사하였고, 0°와 10°에서는 근장이 각각 10cm, 12.7cm 더 길어져 포설형보다 더 큰 증가를 보여 포설형에 비해 토 양환경이 더욱 건조한 것을 짐작할 수 있다.(Fig. 8).
Sedum middendorffianum의 근장은 식재 당시 평균 3.06cm로 측정되었다. 경사에 따른 차이점은 포설형의 경우 10°에서 0.92cm 길어져 가장 낮은 증가를 보였고, 30°에서 2.92cm 길어진 것으로 조사되었다. 모듈형의 경우 10°에서는 오히려 식재 당시보다 0.58cm 더 짧아졌고, 30°의 식물들은 근장의 변화가 없었다. 0°에 서는 평균 3.92cm 증가하여 전체에서 가장 변화량이 컸고, 20° 조 건에서는 1.17cm 길어진 것으로 나타났다(Fig. 9).
근부의 생 ・건체중은 초기 식재 당시의 생체량으로부터의 변 화량을 측정하였으며, Chasmanthium latifolium와 Sedum middendorffianum 모두 통계적 유의하에 경사 및 식재기법에 따 른 차이가 있는 것으로 나타났다.
Chasmanthium latifolium는 0°의 포설형 식재구에서 근부생체 중이 49.88g로 가장 많이 증가했고, 포설형에서는 가장 증가량이 적었던 20°에서도 30.61g 늘어난 것으로 나타났다. 모듈형의 경우 20°와 30°는 시험 4개월 경과 후 전수 고사하였고, 10°에서는 18.09g 증가하여 가장 증가량이 적었다. 이는 근부 발달 및 지하경 에 의한 번식능력이 왕성한 Chasmanthium latifolium이 플라스 틱 재질의 플랜터로 제한되어 영향을 받은 것으로 보인다. 그러나 포설형 처리구의 지하부 발달 결과에 비추어 토양환경이 근부 발달 에 적합하게 조성될 경우 경사조건 하에서 토양침식에 의한 피해를 경감시킬 수 있을 것으로 생각된다.
Sedum middendorffianum의 지하부 생체량 변화를 측정한 결 과, 전반적인 증가는 포설형에서 더 높게 나타났으나 10°와 30°를 제외하고는 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 포설형 10°에서는 초기 대비 근부생체중이 29.17g 증가하여 가장 큰 증가량을 보였 으나 경사 변화에 따른 일정한 경향은 나타나지 않았으며, 모듈형 에서도 경사 조건에 따른 차이는 미비하였다.
근부 생체중과 건체중의 비율을 분석해 본 결과 포설형 식재구 의 Chasmanthium latifolium가 20°와 30°에서 각각 79.64%와 79.42%로 조사되었고, Sedum middendorffianum는 식재기법이 나 경사에 따른 차이 없이 근부 생체중 대비 건체중의 비율이 36.76% - 48.98%로 천근성이면서 내건성이 높은 생육특성과 함 께 근부의 수분함유율이 높은 것을 알 수 있었다(Table 3).
3. 표면온도 변화
식재기법 및 경사도에 따른 옥상부, 토양부, 식재부의 표면온도 변화를 측정하기 위해 적외선 촬영기법을 활용하여 처리별 시험구 의 표면온도를 측정하였다(Fig. 10).
모든 시험구에서 옥상표면의 온도는 식재지 표면에 비해 높았으 며, 8월 맑은 날 낮 1-2시경 옥상표면 온도가 평균 55.09°C로 측정 되었다. 식재기법에 따른 차이를 살펴보면, Chasmanthium latifolium 식재지 표면온도는 0°와 10°에서는 식재기법간의 차이 가 없었으며, 20°와 30°에서는 통계적으로 유의한 차이를 보였다. 옥상표면에 비해서는 모든 식재지 표면이 12 - 20°C 가량 낮은 것 으로 조사되었다. Sedum Mix는 0°에서 모듈형과 포설형이 각각 36.5°C, 36.22°C로 옥상표면 과의 온도차이를 보였으며, 이는 8월 중 경량 모듈형 옥상녹화시스템에서 Sedum류인 돌나물식재지가 옥상 콘크리트 표면온도에 비해 17.4°C 낮았다는 선행연구의 결과 와도 일치하였다(Kim과 Park, 2013). 식재기법에 따른 표면온도 차이는 30° 포설형 식재구를 제외하고는 유의한 차이를 보이지 않 았다.
경사별로는 Chasmanthium latifolium의 경우 모듈형 식재구 는 경사가 높아질수록 표면온도가 증가한 반면, 포설형에서는 경사 별 큰 차이가 나타나지 않았다. Sedum Mix의 경우에도 경사별 식 재지 표면온도간 차이가 크지 않은 결과를 보였다(Table 4).
토양표면의 온도특성은 경사에 의한 차이가 나타났는데, 0° 시험 구의 토양표면온도는 10° 이상의 모든 시험구에 비해서 20-30% 가 량 낮게 나타나 수평 조건과 경사 조건은 토양수분 보유량의 차이 에 따라 표면 온도에 영향을 미침을 알 수 있었다(Fig. 11).
IV. 적요
본 연구는 도시의 다양한 건축물에 녹화기법을 적용하기 위하여 경사지 녹화에 따른 녹화용 식물의 피복 변화 및 표면온도 변화양 상을 알아보기 위해 수행하였다. 근권부 발달의 특성을 고려하여 선정한 화본과 Chasmanthium latifolium와 Sedum mix에 대한 피복률 변화 및 생체량 변화를 조사한 결과 Chasmanthium latifolium 는 전반적으로 포설형 식재구에서 피복률 증가율이 높았고, 시기적 으로는 7월이 가장 높았다. 모듈형의 경우 플라스틱 재질의 틀이 한 여름 고온에 의한 온도상승으로 토양수분 건조를 촉진시키고, 온도 에 영향을 미쳐 포설형에서 생육이 더 양호한 결과를 보인 것으로 생각된다. Sedum mix는 7-8월 경사도 10°와 20°에서 피복률이 높 게 나타났으며, 초기 피복률 대비 모듈형 처리구의 피복률 증가세 가 4배 이상 높아 Chasmanthium latifolium에 비해 식재 후 환경 보다는 사전 양생기간에 의한 안정화가 피복률 변화에 더 크게 영 향을 미친 것으로 보인다. 근부 변화조사 결과 Chasmanthium latifolium의 경우 근장은 포설형과 모듈형 모두 초기 대비 증가한 것으로 조사되었으며, 모듈형 0°와 10°의 근장이 다른 처리구에 비 해 증가세가 크게 나타나 포설형에 비해 건조한 조건인 모듈환경에 서의 적응 양상을 보였다. Chasmanthium latifolium는 4개월 경 과 후 포설형의 모든 경사 처리구에서 고르게 근부 생체중이 증가 하였으며, 지하부 발달 결과에 비추어 포설형으로 식재할 경우 경 사지라 하더라도 토양침식에 의한 피해를 경감시킬 수 있을 것으로 기대된다. Sedum middendorffianum의 지하부 발달은 경사 변화 에 따른 일정한 경향은 나타나지 않았으며, 근부 생체중 대비 건체 중의 비율이 식재기법이나 경사에 따른 큰 차이 없이 36.8% - 49% 로 천근성이면서 내건성이 높은 생육특성을 반영하는 동시에 근부 의 수분함유율이 높은 것을 알 수 있었다. 본 연구는 옥상녹화 식재 기법 및 경사에 따른 식물의 피복 변화 및 표면온도 변화를 분석함 으로써 다양한 형태의 건축물이나 인공지반 녹화 시 필요한 기초자 료로 활용할 수 있을 것이며, 향후 좀 더 다양한 녹화식물들에 대한 연구가 필요할 것으로 판단되었다.