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환경기술개발사업 최종보고서(제출서)
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요약서
요약문
SUMMARY
목차
제1장 서론 34
제1절 연구개발과제의 개요 34
1. 연구개발의 목적 34
2. 연구개발의 필요성 37
제2절 연구개발의 국내외 현황 55
1. 세계적 수준 55
2. 국내 수준 59
3. 국내·외의 연구현황 63
제3절 연구개발의 내용 및 범위 69
1. 연구개발의 최종목표 69
2. 연도별 연구개발 목표 및 평가방법 73
3. 연도별 추진체계 76
제2-1장 연구개발 수행내용 및 결과(인공지반과 자연지반에의 물이끼 습지조성 기술개발 및 탄소배출권 사업화 방안) 82
제1절 습지조성 동향 분석 및 국내 습지 조성사례 조사 82
1. 습지 관련 규정 및 정의 82
2. 습지조성 기술의 특허 동향(특허맵) 91
3. 국내 생태습지 조성 주체별 조성사례 109
제2절 습지를 통한 탄소배출권(CDM) 사업성 검토 127
1. CDM 사업 추진 절차 127
2. 방법론 및 경제성 평가 129
3. 결론 및 시사점 139
제3절 이탄습지 관련 연구동향 및 연구기반 구축 142
1. 물이끼 및 이탄습지 관련 연구동향 142
2. 연구기반 구축 155
제4절 물이끼 이탄습지 조성을 위한 식물종 선발 및 증식연구 160
1. 자생 물이끼(Shpagnum)종 선발 및 서식환경 조사 160
2. 선발 물이끼(Sphagnum)종의 증식방안 연구 170
3. 자생지 bog에 서식하는 식물종 적용 연구 174
제5절 실용화 모델 도출 179
1. 실용화 모델 도출 179
제6절 부유형 물이끼 이탄습지 모듈 개발 183
1. 1차 부유형 물이끼 이탄습지 모듈 개발 183
2. 2차 부유형 물이끼 이탄습지 모듈 개발 197
3. 3차 모듈 제작 및 설치 202
4. 설계·시공기준 및 관리기준 도출 203
제7절 식재기반형 몰이끼 이탄습지 조성기술 개발 208
1. 식재기반형 이탄습지 모델 도출 208
2. 단위기술 개발 208
3. 통합기술 적용 공동실험구(습지식물, 매질, 조성방법 등) 229
4. 설계·시공 기준 및 관리기준 도출 236
5. 식재기반형 물이끼 이탄습지 모듈 개발 246
6. 식재기반형 물이끼 이탄습지의 CO₂ 흡수능 검증 248
7. 분해율 저감평가 255
제8절 식재기반형 풀이끼 이탄습지의 실용화 사업 259
1. 1차 실용화 사업(완성기술의 적용) 259
2. 1차 실용화 사업 평가 272
3. 2차 실용화 사업 274
제2-2장 연구개발 수행내용 및 결과(온실가스 배출이 최소화된 습지조성·관리기술 및 온실가스 저감 평가기법 개발) 295
제1절 습지의 온실 기체 발생 선행 연구 조사 295
1. 자연 습지에서의 온실 기체 발생량 295
2. 인공 습지에서의 온실기체 발생량 308
3. 습지에서 온실기체 발생 조절 인자 312
제2절 습지의 온난화 가스 발생 모니터링 기법 확립 316
1. 기체 수집 방법 316
2. 온실 기체 분석 316
3. 습지 내에서 기체 유동량 측정 322
제3절 국내 자연 습지의 온실가스 발생량 분석 및 조절 인자 326
1. 고산습지의 온실가스 발생량 및 조절인자 326
2. 묵논(Rice paddy)의 온실가스 발생량 및 조절인자 348
제4절 온실가스 발생 최소화를 위한 매질 선별 356
1. 부유형 이탄습지 조성에 적합한 매질 선별 356
2. 식재기반형 이탄습지 조성에서 물이끼에 적합한 매질 선별 372
제5절 최적화된 기술을 적용한 온실기체 발생량 측정 375
1. 마이크로코즘 375
2. 메조코즘 (공동 test bed) 383
제6절 실제 규모의 습지에서 온실기체 발생량 및 흡수량 연구 387
1. 맹산 생태 학습원 내에서의 온실기체 발생량 연구 388
2. 진천 무제산 생태원 내 물이끼 습지에서의 온실기체 발생량 연구 400
3. 식생 기반형 (공동 test bed) 습지에서의 온실기체 발생 연구 404
제7절 본 시스템의 온실기체 저감 효과 비교 409
1. 실제 규모 습지에서 계절별 온실기체 발생량 모니터링 409
2. 고산습지와 현장적용 습지의 메탄 발생량 평가 415
제2-3장 연구개발 수행내용 및 결과(CO₂ 흡수 능력이 탁월한 습지식물종 선발 및 증식기술 개발) 420
제1절 CO₂ 흡수 능력이 탁월한 식물종 선별 및 선발 420
1. 1차 선별(문헌 연구) 및 2차 선별 420
2. 최종 선발 423
제2절 최종 선발종을 대상으로 한 친환경 증식법 개발 425
1. 친환경 갈대 지상부 삽목법 425
2. 친환경 갈대 지상부 삽목법 효율성 제고 방안 426
3. 갈대부표를 활용한 최적의 식물섬 조성 방법 428
제3절 기후변화대응 인공습지 조성 및 사후 모니터링 429
1. 기후변화대응 인공습지 내 식물 생육 모니터링 429
2. 기후변화대응 인공습지 내 식물 분해 모니터링 431
3. 기후변화대응 인공습지 유지 관리 방안 432
제3장 목표 달성도 및 관련분야 기여도 438
제1절 연도별 연구개발목표의 달성도 438
1. 인공지반과 자연지반에의 물이끼 습지조성기술 개발 및 탄소배출권 사업화 방안(총괄주관) 438
2. 온실가스 배출이 최소화된 습지조성·관리기술 및 온실가스 저감평가 기법 개발(세부주관 1) 439
3. CO₂ 흡수 능력이 탁월한 습지 식물종 선별 및 증식기술 개발(세부주관 2) 440
제2절 관련분야의 기술발전 기여도(환경적 성과 포함) 441
1. 기술적 측면 441
2. 환경적 측면 441
3. 경제적·산업적 측면 442
제4장 연구개발 결과의 활용계획 446
제1절 연구성과 활용게획 446
1. 경제사회적 성과달성 계획 446
2. 과학기술적 성과달성 계획 447
제5장 참고문헌 458
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인공지반과 자연지반에의 물이끼 습지 조성기술 개발 및 탄소배출권 사업화 방안
I. 연구과제명
○ 주관과제명 : 인공지반과 자연지반에의 물이끼 습지 조성기술 개발 및 탄소배출권 사업화 방안
II. 연구개발의 목적 및 필요성
이탄습지(peatlands) 이탄습지(peatlands)는 지구 토양 탄소의 약 1/3가량을 저장하고 있는 대표적인 탄소 저장고로 람사 조약에서도 특이한 생태계를 가진 보전해야 할 중요한 습지자원으로 인정하고 있다. 본 과제는 대표적인 탄소고정원인 이탄습지 중에서 물이끼(sphagnum)을 핵심 종으로 하는 물이끼 습지(bog) 생태계를 조성하는 기술로 온실가스 저감에 기여할 것으로 판단한다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
인공적으로 이탄습지를 조성하기 위해 국내에 서식하는 물이끼 종을 선발하였고, 국내외 물이끼 서식환경을 조사하여 최적 생육환경을 도출하였으며, 인위적으로 생육할 수 있는 식재기반을 개발하였다. 또한 자연지반과 인공지반에 적용가능한 기술을 개발하여 사업화를 통해 현장검증을 하였다.
IV. 연구개발 결과
각 연구기관이 도출한 단위기술을 통합한 4가지의 상용화 모델을 도출하였다. 모델은 ① 부유형 물이끼 이탄습지 모듈, ② 대형습지식물 부표, ③ 식재기반형 이탄습지 모듈, ④ 식재기반형 이탄습지 조성공법이다. 현재 각 모델들의 일부는 현장적용검증을 거치고 있으며 사업화가 이루어지고 있다.
○ 부유형 물이끼 이탄습지 모듈은 부유체 상부에 생육기반을 조성한 후 그 위에 물이끼를 고정함으로써 완성된다. 시간이 지나면서 물이끼의 생육량이 증가하고 그 증가한 양만큼 수면 아래로 조금씩 침수되는데, 물이끼의 낮은 분해율로 인해 그 생육된 하단부을 이탄으로 축적하게 하는 것이다.
○ 대형습지식물 부표는 습지식물 근경의 부유력을 이용하여 근부가 서로 얽혀 수면 위에 부유하게 하는 부유형습지를 조성하는 제품이다.
○ 식재기반형 이탄습지 모듈은 2단 구조로 하부에는 습지식물의 생육에 적합한 기반재, 상부에는 물이끼 생육기반재가 적층되는 구조로 습지식물과 물이끼의 생육에 최적합하게 설계된 제품이다.
○ 식재기반형 이탄습지 조성공법은 중앙부 또는 측면에 물이끼가 생육될 수 있게 수면에서부터 일정한 높이로 식생기반재와 물이끼를 포설하고, 그 주변을 일정한 깊이로 습지식물을 식재함으로써 습지식물의 근경부가 물이끼가 생육하는 부위에 침투하여 습지식물과 물이끼가 공존하게 하는 공법이다. 이는 습지식물의 생산성 증대과 물이끼의 분해율 저감 기능을 극대화한 공법이라고 할 수 있다.
상용화 모델과 관련한 기술에 대해 특허출원 및 등록을 완료하고 해당기술에 대한 설계 자료와 시공 및 유지관리 매뉴얼을 완성하였다. 사업화 추진과 함께 기술의 검증을 위해 다수의 습지복원 현장에 적용하여 검증을 완료하였다.
특히 식재기반형 이탄습지의 경우 기존의 자연 이탄습지(용늪)에서 배출되는 메탄의 발생량의 10∼20%의 수준의 배출을 보였으며, 같은 면적으로 조성할 경우 30년생 소나무의 이산화탄소 흡수량보다 다소 높은 것으로 조사되었다.
V. 연구개발결과의 활용계획
본 연구를 통해 개발된 기술은 총괄주관연구기관인 일송환경복원(주)에서 지속적으로 사업화를 추진하고 있으며, 계속해서 사업면적 및 매출을 늘릴 계획이다. 또한 기술적인 완성도를 높이기 위해 현재 식재기반형 이탄습지의 경우 환경신기술 인증을 받고자 한다.
온실가스 배출이 최소화된 습지조성·관리 기술 및 온실가스 저감 평가기법 개발
○ 주관과제명 : 온실가스 배출이 최소화된 습지조성·관리 기술 및 온실가스 저감 평가기법 개발(세부주관1)
습지에서의 온실기체 발생 저감을 위해 토양매질, 온도, pH, 수위, 탄질비 등 여러 환경요인의 조절이 필요하다. 본 연구개발의 목적은 첫째, 유기물 분해속도가 낮은 습지 매질을 개발하고 분해속도 조절 기작을 규명하여 관리방안을 제시하며, 둘째, 온난화기체 발생량 측정기법의 표준화와 발생조절인자를 규명하고, 셋째, 국내 (하변습지, 소택지, 범람원) 와 국외 (이탄습지)의 습지에서 현장적용 가능한 습지토양 조성 기술을 개발하는 것이다.
○ 습지토양에서 유기물 분해에 관여하는 이화학적 환경 규명하고, 관련 미생물의 분자생물학적 기작 규명
○ 이산화탄소, 메탄, 아산화질소 측정 기법을 표준화
○ 유기물 분해, 온실화 기체 발생량 모니터링, 대규모 습지에서의 조절인자 규명
○ 본 연구 시스템을 활용한 다양한 습지의 온실기체 발생량 저감가능성 평가
○ 다양한 습지유형에서 발생하는 미량의 온실기체(이산화탄소, 메탄, 아산화질소)를 수집, 측정하는 것을 정립함.
○ 국내의 자연습지 (하변습지, 이탄습지)의 온실기체 유동량 조사결과 습지유형별, 습지내 지역별 차이를 관찰.
○ 습지내 온실기체 발생 관련 미생물 (전체세균, 메탄생성세균, 메탄산화세균, 탈질 세균) 조사 결과 각 습지고유의 미생물군집구조 관찰.
○ 온실기체 유동이 습지 내 미생물수 보다는 특정 세균 군집구조와 밀접한 관련성을 있음을 밝힘.
○ 본 연구 시스템이 메탄 발생을 흡수하는데 효과적임을 밝힘
다양한 형태의 습지 토양에서 발생하는 미량의 온실기체 측정법 표준화 및 관련 미생물의 검출법 정립, 그리고 기체 발생 조절 기작을 규명하여 습지토양의 물질 순환과 관련한 국제적 수준의 원천 기술로 이용될 수 있도록 함.
CO₂ 흡수능력이 탁월한 습지식물 종 선별 및 증식기술 개발
○ 주관과제명 : CO₂ 흡수능력이 탁월한 습지식물 종 선별 및 증식기술 개발
본 기술개발은 기후변화대응이라고 하는 전 지구적 필요성에 입각하면서도 우리나라의 실정을 십분 고려한, 온실가스 저감능을 갖춘 최적의 인공습지 조성을 위해 기획되었다. 그 중에서도 본 세부과제의 개발기술은 기후변화대응 인공 습지의 기능수행에 있어 핵심이 되는 적정 식물종을 선별하고 선발하는 것이다. 그와 더불어 해당 선발종을 대상으로 한 친환경 증식기술을 개발함으로써 기후변화대응 인공습지의 효용가치 제고를 이뤄내고자 한다. 본 기술개발을 통해 치수 및 이수, 수질 정화 및 경관 조성 등 기존에 주로 강조되어오던 습지의 다양한 기능들과 함께, 온실가스 저감능이 특화된, 높은 생태적 가치의 인공습지 조성이 가능할 것이다.
본 세부과제의 개발기술은 크게 1) 기후변화대응 인공습지의 기능수행에 핵심이 되는 적정 식물종을 선별 및 선발하는 것과 2) 최종 선발종을 대상으로 한 친환경, 대량증식기술을 개발하는 것으로 구분할 수 있다. 이를 통해 해당종을 기후변화대응 인공습지에 보다 효율적으로 적용할 뿐만 아니라 이외 다양한 종류와 형태의 인공습지에서의 활용가능성 또한 제고하고자 한다. 이를 위한 연구범위로 1) 기후변화대응 인공습지 내 적용을 위한 최적의 습지식물은 '정수식물(emergent macrophytes)'로 한정한다. 단순한 종선발에서 그치는 것이 아니라 해당종의 생육 특성 전반을 파악함으로써 인공습지 내 적용가능성을 높이고자 한다. 2) 최종 선발종을 대상으로 한 대량 증식기술 개발의 경우 기존엔 제안되지 않았던 차별화된 증식기술을 뜻하며, 더불어 식물 채취 등으로 인한 습지훼손을 염려하지 않아도 되는 친환경 기술로 그 연구개발범위를 한정한다.
1. 기후변화대응 온실가스 저감습지 내 식재를 위한 적정 식물종 선발 및 해당종을 대상으로 한 최적 증식기술 개발
○ 습지에서 물이끼와의 자연적 혼재가 관찰됐을 뿐만 아니라 대형습지식물 중에서도 이례적으로 지상부를 활용한 무성생식이 가능한 불임 갈대를 대상으로 최적삽목법을 개발하였다.
○ 높은 지상부 삽목 효율을 위해선, 삽목 대상이 되는 갈대 개체군의 환경적 특성 및 생활사 등의 생태 특성에 관한 선행 지식 파악이 핵심적이다. 지상부의 경화가 이뤄지기 전 시기에 채취한 뒤 전체 지상부의 중간 정도에 해당하는 마디(node)를 활용하는 것이 보다 높은 효율의 새로운 지상부 출현을 가능케 하는 것으로 확인하였다.
2. 기후변화대응 온실가스 저감 습지 조성 및 유지관리 방안 수립
○ 갈대와 애기부들과 같은 적정식물종이 물이끼와 함께 최적의 기능 수행이 가능하도록 하는 환경 조성과 더불어 자연적으로 유입되는 잡초 등을 효과적으로 억제하고 관리할 수 있는 매뉴얼을 개발하였다.
○ 물이끼 생육을 촉진하는 것으로 알려져 있는 moss peat를 매질로서 활용함으로써 습지 내 낮은 pH 환경이 조성돼 자연유입 잡초의 발아나 정착 과정 등을 저해할 수 있으며 더불어 갈대나 애기부들이 깊은 수심 조건에서도 생육 가능한 특성을 적극적으로 활용, 상대적으로 깊은 수심 조건을 유지해줌으로써 조성습지가 온실가스 저감 기능을 지속적으로 수행할 수 있도록 하였다.
수질 정화나 치수 및 이수 등의 다소 단편적인 기능 수행을 위한 목적으로 조성될 수 있는 인공습지가, 온실가스 저감과 같은 특화된 기능 수행을 해낼 수 있도록 본 개발기술을 제안하고자 한다. 이를 통해 습지가 보다 다양한 그리고 중요한 기능 수행이 가능해지도록 하여 습지의 가치 제고를 이뤄내고자 한다. 더불어 갈대 지상부 삽목법과 같은 친환경적인 식물 증식기술을 적극적으로 홍보함으로써 습지 내 지하경과 같은 식물체 채취 등으로 인한 습지 훼손 가능성을 최소화하고자 한다.
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