KIEAE Journal

인공지반녹화는 급격한 도시화로 인하여 불안정해진 도시생태계에 대한 개선 방안의 하나로 도심에 녹지공간을 확보할 수 있는 자연친화적 도시구조물인 대표적인 녹화방법이라 할 수 있다. 그 중에서 최근 옥상녹화는 국내·외적으로 도시 환경문제에 대응하는 중요대책으로 증가하고 있는 추세이며 우수저감효과, 생물서식지 제공, 미기후 조절, 대기질 정화, 미적경관제공 및 지붕의 방수기능으로 인한 내구성 향상 등의 다양한 기능들을 제공한다 ¹⁾.

도시의 아스팔트 포장면과 콘크리트 구조물은 열용량과 비열이 크기 때문에 에너지를 많이 흡수하여 저장하고 천천히 방출하는데²⁾ 비해 옥상녹화의 경우에는, 지붕을 통해 건축물 내부로 유입되는 일사를 반사시키고 식물의 증발산작용을 통하여 여름철에 발생하는 도시 열섬 현상을 완화시키는 역할을 한다. 옥상 녹화 시 식재 가능한 초본류들은 옥상 내 낮은 토심, 높은 온도, 바람의 세기 등의 열악한 환경에서 생육이 가능해야 하기 때문에 내건성 및 내광성, 내습성, 내한성이 강한 식물들이 적합하며 이에 적합한 식물들을 선발하여 식재계획에 반영하는 것이 매우 중요하다. 옥상환경은 자연지반과 생육환경에 차이가 있어³⁾ 다양한 초본류의 식재계획은 장기적으로 계획당시의 기대치만큼의 생육이 유지되기 어렵거나 생육이 불가능하기 때문에 특히 관리조방형 옥상녹화의 식물선정에 있어, 지속적으로 생육이 유지될 수 있는 식물의 선정을 위해서 식재계획 시 인접 식재종들간의 경쟁관계도 고려해야 한다⁴⁾. 또한 녹화식물의 성장이 빠르고, 피복률이 높은 식물을 선정하는 것이 좋은데 이는 잠재적으로 토양침식의 가능성을 줄여주며, 이입식물의 유입을 억제시키며 미적으로도 좋은 경관을 연출하기 때문이다. 또한 소생태계 유입 등 생물다양성을 높이기 위해서는 다양한 식물 소재의 도입과 함께 이에 적합한 식재모델이 요구된다.

이에 본 연구에서는 도시 내 미기후 조절효과 및 생물다양성을 위한 식재모델을 개발하기 위한 선행연구로서 관리조방형 전면적 녹화형태의 옥상녹화지 내 지속가능한 식재식물의 생육건전성을 확보하고자 대표적 인공지반녹화식물인 Sedum류 식물을 비롯한 다양한 지피식물들로 단일·혼합 식재모델을 구성하였고 월별로 각 식재모델별 표면온도를 모니터링한 후 이를 통하여 추후 관리조방형 옥상녹화지의 온도저감에 효과적인 식재모델 제시를 위한 기초자료로 제공하고자 하였다.

본 연구를 위하여 환경부 연구과제⁵⁾에서 다년간 옥상녹화실험을 통해 제안된 식물종과 장하경⁶⁾의 옥상 내 지피식물의 상호경쟁관계연구를 참고하여 2012년 9월 식재모델을 조성하였다. 연구대상지는 노원구 공릉 2동에 위치한 서울여자대학교 내 도서관 옥상이며 37˚37’40″N, 127˚5’25″E에 위치하고 있다.

식재모델별 표면온도측정 모니터링은 적외선 열화상카메라를 이용하였는데, 이 카메라의 가장 큰 특징은 비접촉식으로 넓은 면적의 진단이 가능하고 진단결과를 화상으로 기록보존이 가능하므로 데이터의 설득력이 높아 건물 단열진단 및 식물별 표면온도측정에도 이용되고 있다⁷⁾.

측정시기는 겨울철을 제외하고 가을(2012년 10월∼11월), 봄(2013년 3-5월, 6-8월)에 2주 간격으로 하여 하루 중 가장 높은 온도를 보이는 오후 2시경에 8가지 구간별 표면온도 촬영을 실시하였으며 본 연구에 사용된 적외선 카메라(FLIR System사, T200)의 제원은 Table 1과 같다.

옥상녹화 유형에 있어 관리요구도에 따라 관리집약형(Intensive green roofs), 단순관리형(Simple-intensive green roofs), 관리조방형(Extensive green roofs)으로 나눌 수 있다⁸⁾⁹⁾. 관리집약형(Intensive green roofs)의 경우, 20cm이상의 토심에 해당되며 휴식공간 등의 이용성에 초점을 맞추어 사람의 접근이 용이하며 세덤류를 포함한 초본류 뿐만 아니라 관목, 교목 등도 함께 식재 가능하여 높은 하중을 견딜 수 있으나, 관수 및 시비 등의 관리요구도가 매우 높은 유형이다. 단순관리형(Simple-intensive green roofs)의 경우, 12∼20cm 내외의 토심에 해당하며 세덤류를 포함한 초본류 외 관목류의 식재가 가능하나 관리집약형에 비해 제약이 있는 유형이다. 관리조방형(Extensive green roofs)의 경우, 4∼10cm내외의 낮은 토심에 해당되며 관수 및 시비 등의 관리요구도가 낮아 유지비용이 절감되는 이점이 있으나 주로 사람의 접근이 어렵거나 하중의 제한이 있는 건물의 조성에 적합하고 직사광선을 받고 풍압의 피해 등의 높은 환경스트레스에 영향을 받아 식물의 선택이 제한된다.⁸⁾⁹⁾ 따라서 식물의 선정에 있어, 척박한 환경에서 잘 자라는 식물 및 번식과 관리가 용이한 종을 선택해야 하며 이를 위하여 증식이 빠르고 피복률이 높은 식물의 선정이 적당하다.¹⁰⁾¹¹⁾ 이러한 종류의 식물은 주로 Sedum류 식물이 이용되며, 수분보유능력을 지녀 내건성에 강하고 번식이 쉬워 특히 관리조방형 옥상녹화에 적합하다¹²⁾.

관리조방형 옥상 내 식물소재 선정에 대한 중요성이 부각되면서 옥상 내 초본류를 포함한 다양한 식물소재와 관련한 연구들이 이루어지고 있다¹³⁾¹⁴⁾. 그러나 실질적으로 Sedum류 이외의 초본류 식재빈도는 다양하지 못한데, 농촌진흥청에서 2008년도까지 서울시 옥상녹화 지원사업을 통하여 조성된 사례지 내 식재식물 조사 결과, 세덤류의 식재 빈도는 218.3%로 모든 지역에서 두 종류 이상의 세덤류를 심었고, 특히 관리요구도가 낮은 녹화에는 Sedum류 이외의 식물이 이용된 사례는 없는 것으로 나타났다.

Fig. 1. 
Experimental green roof plan

이은희 등(2007)¹⁵⁾ 의 연구에서는 관리조방형의 녹화에서도 건조에 강한 다양한 초본류의 도입이 가능하여 식재유형의 다양한 제시가 가능하다는 것을 보여주었으며 장하경과 이은희(2011)¹⁶⁾ 는 식재된 식물이 월동 후 생육이 급격히 저하하거나 건조피해를 받는 등 인공지반이라는 특수한 환경 조건에 부합되지 않아 식재식물이 고사하는 등의 문제점이 종종 발생하기 때문에 지속가능성을 고려한 식재기법이 요구된다고 하였다.

식재식물간 조합과 관련하여, 단일식재 외 혼합식재와 관련된 연구도 진행되고 있는데, Nagase와 Dunnett¹⁷⁾ 는 관리조방형 옥상 내 식재식물의 내건성에 대한 연구에서, 식물 식재 시 단일식물식재 처리구에 비해 초본류를 혼합식재한 처리구의 경우 수분요구도가 낮았으며 이에 따른 식물의 생존율도 더 높다고 하였다. 또한 이춘우 등¹⁸⁾은 옥상녹화의 녹화유형별로 온도저감효과 연구를 실시한 결과, 단일 식재에 비해 지피식물을 이용한 혼합식재의 녹화방법이 기온저감에 효과적이라고 하였다. 이 연구에서는 식재식물에 따른 온도저감을 확인하였으나 잔디류 등으로 한정되어 혼합식재유형이 다양하지 못하고 플랜트형으로 진행된 한계가 있었다. 또한 Daisuke N.(2009)¹⁹⁾ 등의 도시 내 미기후 시스템개발과 관련한 연구에서, 전면녹화형의 경우, 플랜터를 이용한 식재유형에 비해 스프링클러, 공조기 등의 인공처리를 하지 않아도 지상녹화에 비해 높은 열섬완화효과를 나타내는 것이 확인되었다. Jim과 Tsang (2012)²⁰⁾의 연구에서는 식물을 식재한 경우, 10cm의 토심에서도 열에 대한 차단효과가 확인되었으며 한승원 등(2011)의 연구에서는 옥상녹화지 내 식재토양이 빗물을 저장함으로써 전체 유출량을 감소시킬 뿐 아니라 이를 천천히 증발시킴으로서 도시를 냉각시킨다고 하였다.

이동근 등(2005)의 옥상녹화에 따른 온도저감연구에서는 식물이 만드는 녹음과 증산작용 그리고 광합성 작용에 따라 온도 저감이 일어나기 때문에 옥상녹화지가 일반 콘크리트 옥상보다 온도를 저감시킬 수 있으며 안정적으로 유지시킬 수 있다고 하였다. 또한 박찬필과 古川修文(2004)의 옥상녹화에 따른 콘크리트 건축물의 열환경 개선효과연구에서는 옥상녹화를 실시하지 않은 옥상보다 옥상녹화를 실시한 옥상면의 온도가 여름철에는 약 2.5℃ 낮았고, 겨울철에는 0.8℃ 높게 나타나 옥상녹화는 일사량이 강한 여름철에는 온도는 저하시키는 효과를 주고 일사량이 약한 겨울철에는 실내를 따뜻하게 유지하는 효과가 있다는 결과를 도출하였다.

본 연구는 관리조방형 옥상녹화지 내 월별 온도모니터링을 통한 최적의 온도저감식재모델 도출을 목적으로 하고 있다. 모니터링 결과에 있어 조성기간 및 모니터링 기간이 짧고, 열화상 카메라만을 이용한 표면온도모니터링이라는 한계를 가지고 있으나 선행연구사례에서 나타난 바와 같이, 플랜터를 이용한 식재유형, Sedum류 위주의 제한적인 식물선정 및 식재조합이 아닌, 기존 장기간 모니터링 된 연구결과를 토대로 관리조방형에 적합한 다양한 식재모델을 전면녹화형으로 조성하여 식물종류별, 식재유형별(단일식재/혼합식재), 식재구/비식재구별, 멀칭재료별 모니터링을 통하여 기존연구들과 차별성을 갖는다. 뿐만 아니라 관리조방형 옥상녹화 식재기법에 있어, 특히 관리적 측면에서 적정 수준 내 지속적으로 생육이 유지될 수 있는 식물의 선정이 중요하며, 피복특성과 피복률 변화 양상에 따라 식재 후 혼식된 타 식재종과의 경쟁관계 유발로 인하여 생육불량을 초래하기도 하기 때문에 이러한 적정 식재모델 제시는 중요하다. 본 연구는 장기적으로 지속적인 모니터링을 통하여 추후 관리조방형 옥상 내 지속가능하고 온도저감에 적합한 최적의 식재모델 제안이 가능할 것으로 판단된다.

관리조방형태의 실험구 토심은 10cm로 하였다. 토심이 깊을수록 온도저감 효과가 높다는 것은 Nardini(2012)²¹⁾ 등의 연구에 의해 확인되고 있으나 관리조방형태는 하중의 제한이 있어 온도저감에 적합한 적정 토심 조성에는 한계가 있으므로 하중의 제한이 있는 도서관 옥상 내 토심을 10cm로 하여 관리조방형태로 조성하고자 하였고 토양은 E사의 E- soil(코코피트, 펄라이트 등을 혼합한 인공토)을 포설 후 실험구 전체 면적을 1m×1m로 선을 나누어 구분하였으며 식재식물은 구분선 당 pot 상태의 식물을 각각 36주씩 4반복으로 배치하여 식재하였고 바크를 이용하여 멀칭처리 하였다. 무식재구에는 인공토양, 화산석, 바크, 수조를 설치하였다. 실험구는 총 8가지로 6가지 식재유형과 2가지의 무식재구(토양별, 수조)로 나누었고, 6가지 식재유형의 경우, 2m × 2m 실험구 안에 1m × 1m 크기로 배치하여 4반복이 되도록 하였고 이와 같은 형태로 2개구를 더 배치하여 총 12반복이 되도록 하였다. 또한 6가지 식재유형에서 단일식재는 잔디류, 포복형 식물식재구 2가지 유형이며 혼합식재는 Sedum류와 초본류를 조합한 4가지 유형이다 (Table 3, 4)

총 조성 면적은 식재구 총 72㎡, 비녹화지(인공토양, 화산석, 바크, 수조) 총 24㎡, 조사를 위한 이동로로 잔디를 식재한 면적 총 40.5㎡를 포함하여 전체면적은 136.5㎡이다(Fig. 1).

관수는 조성 직후 1주일간 매일 1회씩 실시하였고 이후에는 전혀 관수를 하지 않았다.

대상지 환경은Table 2와 Fig. 2와 같다.

온도와 습도는 Testo 625, 조도는 Testo 540을 이용하여 측정하였으며 강수량은 기상청(http://www.kma.go.kr)의 서울관측소 월별 데이터를 참조하였다. 10-11월 (가을)의 온도범위는 10.6-21.5℃, 습도범위는 25.9-42.0%, 조도범위는 22,400-30,206lux를 나타냈으며, 3-5월(봄)의 온도범위는 17.7-30.5℃, 습도범위는 29.6-31.7%, 조도범위는 62,475-78, 660lux, 6-8월(여름)의 온도범위는 30.4-31.9℃, 습도범위는 34.8-57.5%, 조도범위는 49,450-93,980lux를 나타내었다. 강수량은 7월에 집중되는 경향을 나타내었다.

관리조방형 녹화의 경우, 관리집약형 녹화에 비해 상대적으로 열악한 환경조건을 가졌기 때문에 식물소재가 Sedum류 식물에 한정되어 있고 다양하지 못한 단점이 있다. 그러나 Sedum류 식물 외에도 섬백리향, 두메부추, 해국과 같은 식물은 내건성이 매우 강한 식물로 알려져 있어 관리조방형 옥상 내 조성이 가능하다²²⁾. 돌단풍의 경우, 일반적으로 수분요구도가 높은 식물로 알려져 있으나 장기간 모니터링된 환경부 연구과제를 비롯한 연구들을 통하여 관리조방형 옥상 내 생육이 가능한 것이 확인 되었다. 또한 미스킴라일락은 낙엽관목으로 낮은 토심에서 식재가 가능하며 내건성 및 내한성이 강한식물로 옥상 내 식재가 가능하다. 식물의 피복률이 높은 경우, 온도저감에 효과적이라 알려져 있는데²³⁾ 이와 관련하여 관리조방형 옥상 내 적용 가능한 식물은 섬백리향, 지면패랭이, 돌나물, 지면패랭이 등의 포복성 식물이다.

Fig. 2.  
Monthly mean precipitation in Seoul

한편, 옥상 내 식재식물은 주변 곤충과 조류 등의 생물에 있어 생태적으로도 중요한 요소로 작용하기 때문에 환경에 적합한 식물선정 뿐만 아니라 소생태계를 유인할 수 있는 장소 제공의 생태적 측면 또한 중시하여 식재계획을 반영하여야 한다. 꽃이 피고 열매를 맺는 식물종의 경우, 곤충 및 조류의 유입이 가능하기 때문에 이 중 개화기간이 길고 오래 유지되는 두메부추와 같은 식물 및 섬백리향, 털부처꽃, 미스킴라일락과 같이 꽃이 화려한 밀원식물의 경우, 곤충의 유입률을 더 높일 수 있다. 장하경 등²⁴⁾의 연구에서 다양한 경쟁사례를 통한 식재조합을 확인한 결과, Sedum류가 우세인 조합에 있어서는 기린초+무늬둥굴레, 섬기린초+각시원추리가 확인되었고, Sedum류가 열세인 조합에 있어서는 기린초+포복성 식물인 섬백리향, Sedum류+벌개미취, 구절초 등의 국화과 식물로 확인되었는데 이렇게 식재계획 시 인접종간의 경쟁관계를 고려하여 설계 시 계획된 경관조성 및 옥상 내 건조비오톱을 기대할 수 있다.

본 연구에서는 다년간 옥상녹화 모니터링을 통해 제안된 식물종 관련 결과²⁵⁾를 통하여 관리조방형 옥상녹화지 식재에 적합한 식물 중에서 대부분 자생식물로 구성된 15종을 선발하였고 이와 관련하여 식재식물과 식재위치는 Table 3과 같다.

Table 3의 식물을 대상으로 하여 조합한 6가지 식재유형은 Table 4와 같다. 잔디류와 포복성 식물의 2가지 식재 유형은 처리별 1㎡당 36주씩 단일식재하였고, Sedum류 조합유형인 <Sedum류 종류별, Sedum류+키 작은 초본, Sedum류+키 작은 초본+키 큰 초본, Sedum류+키 작은 초본, Sedum류+키 작은 초본+키 큰 초본+관목류> 4가지 식재유형은 1㎡당 유형별 식재식물을 혼합하여 36주씩 식재하였다(Table 4). 식재모델 조성일인 2012년 9월부터 2013년 8월까지의 모니터링 기간 동안 모든 식재식물의 생육상태는 양호하였다.