연구보고서
보고서명
국토이용 전환시나리오에 따른 토지기반 탄소중립 영향 분석
보고서명(영문)Analysis of Land-Based Carbon Neutrality Impacts According to Land Use Transition Scenarios
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국문초록
- 1. 서론
1.1. 연구의 필요성 및 목적
우리나라는 인구감소와 인구구조 변화로 인해 국토이용의 패러다임 전환이 불가피한 상황에 직면했다. 2020년 인구정점을 기점으로 정주지 축소, 유휴지 확대, 폐부지 증가 등의 변화가 본격화되면서 국토 공간의 효율적 관리와 지속가능성 확보가 중요한 과제로 부상하였다. 이러한 변화는 온실가스 배출 저감을 위한 토지이용 전환의 잠재력을 높이는 기회이기도 하지만, 현재의 관리체계는 부문별로 분절화되어 있어 통합적이고 체계적으로 대응하기에는 부족하다. 특히 탄소중립 목표를 달성하기 위해서는 인구감소에 따른 국토이용 변화와 탄소흡수원 잠재량을 연계한 구체적 관리전략이 요구된다.
이에 본 연구는 GeoXAI 기반 토지이용 전환 알고리즘을 활용하여 미래 토지이용 변화를 예측하고, 이러한 변화가 탄소중립 실현에 미치는 영향을 시나리오에 기반하여 분석하여, 분석 결과를 바탕으로 탄소중립형 국토 및 정주지 관리체계를 제안하는 것을 목적으로 한다. 궁극적으로, 본 연구는 인구감소 시대에 부합하는 지속가능한 국토이용 패러다임을 정립하고, 정책적 의사결정을 지원할 수 있는 과학적 기반을 제공하는 데 기여하고자 한다.
1.2. 연구의 주요 내용
본 연구에서는 먼저 LULUCF(토지이용, 토지이용 변화 및 임업) 부문의 토지이용 전환 매트릭스 개념을 정립하고, GeoXAI 기술을 활용하여 도시확장 및 쇠퇴에 따른 향후 도시의 토지이용 변화 예측 지도를 구축한다. 다음으로 이를 토대로 탄소중립을 고려한 다양한 시나리오를 체계화하고 각 시나리오의 온실가스 배출·흡수 영향과 탄소중립 가능성을 평가한다. 또한 연구를 진행하는 과정에서 연구 결과의 타당성 및 정밀도를 제고하기 위하여 ‘토지이용 전환 탄소중립 포럼’을 운영하고 전문가와 관계자들이 논의하는 장을 마련하였다. 마지막으로, 본 연구는 시나리오 결과를 기반으로 최적의 공간환경 관리 방안을 제시하고, 이를 지역 환경계획 및 도시계획 등에 적용할 수 있는 정책적 방안을 제안한다.
2. 토지기반 탄소중립 관련 이론적 검토
2.1. 국토 토지이용 변화의 주요 특성
국토 토지이용 변화의 주요 특성을 살펴보기 위해 용도지역과 토지피복지도를 활용했다. 도시지역의 2015년과 2022년의 용도지역 면적의 변화를 살펴보면 관리지역 중 약 78.3km2가 도시지역으로 변화하였으며, 농림지역 중 약 42.8km2가 도시지역으로 변화하였으며, 자연지역 중 약2.6km2가 도시지역으로 변했음을 확인할 수 있다. 중분류 토지피복지도를 통해 2014년과 2022년의 토지피복 면적의 변화를 살펴보면 농업지역 중 약 1,934.32km2가 도시지역으로 변화하였으며, 산림지역 중 약 781.28km2가 도시지역으로 변화하였으며, 초지지역 중 약 563.30km2가 도시지역으로 변했음을 확인할 수 있다. 다만 용도지역의 경우 실제 토지이용의 변화도 있겠지만 실제 토지이용의 변화가 아닌 계획의 변화에 따라 용도지역이 변경된 사례가 다수 존재한다. 용도지역의 분류체계 기준을 살펴보았을때 LULUCF의 분류체계와 상이하여 용도지역을 기준으로 LULUCF를 작성하는 것은 불가하다. 토지피복의 분류체계는 LULUCF 분야 국토이용 변화를 탐지하는 데 적합하다 판단되나, 세분류 토지피복지도를 활용하여 중분류 토지피복지도로 변경할 경우 토지피복 분류에 오류가 발생하는 문제가 발생한다. 과거의 국토이용 변화 현황을 검토하기에 앞서 언급한 오류를 해결해야 할 것으로 판단된다.
2.2. 토지이용 전환과 탄소배출
탄소중립 목표 달성을 위해서는 LULUCF(Land Use, Land-Use Change and Forestry)의 체계적 관리가 필수적이다. 특히 토지이용 및 토지전환 과정을 정량적으로 분석하고 관리하기 위한 토지전환 매트릭스 개념이 중요한 접근 방식으로 주목받고 있다. 현재 국가 인벤토리상 계수 및 데이터의 부족으로 인해 토지이용 변화와 관련한 정밀한 관리가 어려운 상황이지만, 토지전환 매트릭스를 도입함으로써 도시 및 국토 전반의 탄소배출을 통합적으로 관리할 수 있는 새로운 패러다임이 요구되고 있다.
또한 다수의 선행연구를 바탕으로 도시성장 및 쇠퇴에 따른 토지이용의 변화 또는 도시압축도와 같은 도시공간구조 특징은 도시의 탄소배출 및 저감에 중대한 영향을 미치는 요인이라는 점을 확인하였다. 이에 따라 토지이용의 변화나 도시공간구조를 관리하기 위한 시나리오 기반의 토지이용 변화 시뮬레이션 및 공간 최적화 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이를 토대로 한 계획 및 정책 연구가 중요성을 더해가고 있다.
3. 국토이용 전환 모의를 위한 GeoAI 모형 개발
3.1. 기본 전제 및 선행연구 고찰
미래 국토이용 전환을 예측하고 이에 따른 토지피복의 변화를 검토하기 위해 국토교통부의 국토정보플랫폼에서 제공하는 100m 격자의 인구(2014년, 2022년)를 활용하여 미래 인구소멸 및 유입 지역을 예측했다. 8년(2022년과 2014년)의 간격을 기준으로 2030, 2038, 2046, 2054년의 인구유입 지역과 인구소멸 지역을 예측하게 되는데, 이때 <표 1>과 같이 통계청 장래인구추계의 인구증감률을 기준으로 인구유입 지역과 인구소멸 지역의 면적을 예측한다.
3.2. 모의를 위한 변수 및 알고리즘 설계
미래 인구유입 지역과 인구소멸 지역 예측을 위해 기존 인구유입과 인구소멸이 발생한 지역을 기준으로 인구통계학적, 사회경제적, 지형적, 환경적 특성과 환경부 토지피복지도 등의 독립변수들에 100m 버퍼를 활용하여 정형데이터를 생성하고, XGBoost 모델을 이용하여 모델을 구축했다. 이렇게 구축한 모델에 2022년 독립변수들을 입력하여 2030년 신규 인구유입 지역과 인구소멸 지역 확률 지도를 구축했다. 이때 본 연구에서는 통계청의 미래 인구 추계를 기준으로 인구유입 지역과 인구소멸 지역을 도출했다. 이렇게 도출한 2030년 미래 인구유입 지역과 인구소멸 지역을 새로이 종속변수로 지정하고 기존 분석 모델에 입력하였으며, 2038년 인구유입 지역과 인구소멸 지역을 예측했다. 이러한 과정을 반복하여 2046년, 2054년의 인구유입 지역과 인구소멸 지역을 도출했다. 이렇게 도출한 미래 인구유입 지역과 인구소멸 지역을 이용하여 각각의 시나리오별 토지이용 전환을 검토하고, 이에 따른 탄소중립영향을 검토하고자 했다.
3.3. 국토이용 전환 모의 및 검증
본 연구에서 구축한 모델의 성능의 정확도(Accuracy)는 0.9243로 우수하게 나타났다. 신규로 인구유입되는 것으로 예측된 지역들의 특징을 SHAP 분석을 통해 살펴보면 기존 인구가 없던 지역이 개발되었기 때문에 주변 지역들은 다른 도시지역에 비해 주거지역, 교통시설, 상업시설의 면적이 작았다. 다만 주변 100m를 기준으로 다른 인구거주 지역과 비교했을 때 고령 인구가 적고, 연면적이 넓고, 주택 수가 많은 지역이 인구유입이 많이 진행되었다. 인구소멸 지역 모델의 중요도 도출 결과 기존 도시지역의 인구가 소멸되었기 때문에 주변 지역은 다른 도시지역과 유사하게 주거지역, 교통시설, 상업시설이 있었다. 다만 초지가 다른 지역보다 적은 지역이 인구소멸이 많이 진행되었으며, 주변 100m 인근에 가구 수가 적고, 사업체 수도 적으며, 층수가 작고 고령자 인구가 많은 지역이 인구소멸 지역으로 도출되었다. 본 연구에서는 2022년의 인구거주격자를 기준으로 통계청의 미래 인구 추계를 활용하여 미래의 인구유입 지역과 인구소멸 지역의 신규 면적을 계산했다. 이때 2020년을 기준으로 우리나라의 총인구는 감소하는 것으로 예측되며, 이에 따라 감소 비율에 따라 인구소멸 지역은 증가하게 된다. 그리고 인구가 감소하기 시작하는 2020년과 2022년 사이 신규 인구유입 지역을 기준으로 인구 감소 비율을 고려하여 신규 유입지역 또한 계산했다. 이러한 방법으로 2030, 2038, 2046, 2054년의 인구유입 지역과 인구소멸 지역을 예측했다. 인구가 본격적으로 감소하는 2046년부터 인구소멸 지역의 면적은 급증하기 시작하고, 신규 인구유입 지역의 면적은 큰 폭으로 감소하기 시작한다.
4. 시나리오 설정과 탄소중립영향 분석
4.1. 정책 모의를 위한 시나리오 설정의 고려 사항
정책 모의를 위한 시나리오 설정 시 ① 인구 측면 및 ② 토지이용 측면을 고려하였다. 먼저 인구 측면에서는 우리나라 인구감소 추세와 그에 따라 발생하는 인구소멸 지역에 대한 탄소중립 목표 달성 측면에서관리할 필요성을 고려하였다. 다음으로 토지이용 측면에서는 우리나라를 대상으로 한 토지이용 부문 SSP 시나리오 연구와 토지이용 수요 예측 연구 등 관련 연구들의 결과를 바탕으로, 독일의 ‘30ha 목표’와 같은 탄소중립을 달성할 수 있는 지속가능한 미래를 위해 토지면적을 효율적으로 관리할 필요성을 고려하였다.
4.2. 정책 모의를 위한 시나리오 설정
현재의 개발 압력을 감안하여, 인구감소에도 불구하고 현재 수준의 개발이 지속될 것이라는 가정하에 BAU(기본 유지) 시나리오를 구성한다. 이후 토지 확장 관리와 인구소멸(인구감소)을 고려하여 토지 전환을 통한 흡수원 확대를 도모하고, 추가적인 정책 개입을 통해 탄소배출을 저감하는 세부 4가지 시나리오를 설계한다. 이 세부 시나리오들은 미래 우리 사회가 탄소중립을 달성하기 위해 기울이는 노력의 적극성 정도에 따라 달라진다.
4.3. 토지이용 전환에 따른 탄소중립영향 분석
본 연구는 도시의 확장 및 축소 관리를 기반으로 미래 토지이용 전환과 흡수원 확보 시나리오별 탄소중립영향을 분석하였다. 분석 결과, 기존 도시 성장 추세 시나리오에서는 2022년 대비 2030년에는 7,330천tCO2eq/연, 2054년에는 14,662천tCO2eq/연의 배출량 증가가 예상되었다. 반면, 인구감소 경향을 반영하여 정주지였던 인구소멸 지역을 기존 토지이용을 반영하여 초지 및 농지, 산림 등으로 전환할 경우, 2030년에는 5,389천~5,436천tCO2eq/연의 탄소배출이 저감되고 2054년에는 79,361천~79,496천tCO2eq/연의 탄소배출이 저감되는 것으로 나타났다.
또한 본 연구는 도시 확장과 함께 인구소멸로 발생하는 유휴지를 관리하여 저배출 토지피복 또는 흡수원으로 전환하는 도시축소 시나리오와 도시지역의 추가적인 확대는 없으며, 이와 더불어 내부 인구소멸지역의 유휴지를 저배출 토지피복 또는 흡수원으로 전환하는 도시축소 시나리오, 2가지 시나리오를 비교하였다. 이 두 시나리오 중 후자의 시나리오가 더 큰 배출 저감 효과를 보였다. 2030년에는 두 시나리오 간의 배출량 차이가 47천톤이었으나, 2054년에는 135천톤으로 증가하였다. 이는 도시 확장을 억제하고 도시 내부를 활용하는 도시재생을 우선적으로 시행하며, 동시에 인구소멸지역의 유휴지를 적극적으로 관리해야 한다는 점을 시사한다.
이와 더불어 벽면녹화, 옥상녹화, 친환경 농업 활성화, 도시농업 확대, 신재생에너지 확대 등의 LULUCF 측면에서 흡수원을 확보하는 것 외의 추가적인 정책 개입을 통해 2030년에는 222,984~445,967tCO2eq/연의 감축효과가 나타날 수 있으며, 이는 점진적으로 증가하여 2054년에는 790,060~1,580,119tCO2eq/연의 추가적인 감축을 기대할 수 있다. 이러한 결과는 토지이용 관리와 정책적 개입이 탄소흡수원을 효과적으로 확대하고 탄소중립 목표 달성에 기여할 가능성을 보여준다. 그러나 토지이용 전략만으로는 탄소중립 목표를 달성하기 어렵다는 한계도 드러났으며, 이에 LULUCF 부문뿐 아니라 에너지 전환 등 다각적인 정책적 접근의 필요성을 강조한다.
4.4. 한계 및 향후 과제
본 연구는 다음과 같은 한계를 지니며, 이를 보완하기 위한 추가 연구가 필요하다. 첫째, 미래 토지이용 예측의 불확실성으로 인하여 인구감소에 따른 도시확장 및 축소 면적을 고정된 값으로 가정하여 시나리오 설계 시 지속가능한 토지이용 전략을 충분히 반영하지 못하였다. 향후 연구는 지역 특성을 고려한 공간 최적화 전략과 다양한 시나리오를 포함할 필요가 있다. 둘째, 배출계수의 정밀도가 낮아, 면적당 기존 데이터를 활용함으로써 감축량 산정의 정확성이 제한되었다. 셋째, 토지이용 전환의 타임랙(Time Lag)을 고려하지 못했으며, 향후 연구에서는 이러한 시간적 지연을 반영한 모델링이 필요하다. 넷째, 본 연구에서는 제한적인 정책적 검토가 이루어졌으므로, 지역별 정책 옵션과 사회적 수용성을 포함한 종합적인 평가가 추가적인 과제로 남아 있다.
5. 토지기반 탄소관리를 위한 정책 방향
본 연구에서는 토지기반 탄소관리를 위한 정책 방향으로 두 가지를 제안하였다. 첫째, 탄소중립을 고려한 국토이용 전환과 상호 연계성을 강화하기 위한 토지기반 탄소관리 정책의 강화이다. 둘째, 이를 지원할 정책적 기반을 체계적으로 구축하는 것이다.
이를 바탕으로 다음 <표 2>와 같이 네 가지 정책 목표를 설정하였다. ① 탄소흡수원 확대, ② 재생에너지 인프라 통합, ③ 도시개발과 저탄소 인프라 구축, ④ 탄소중립을 위한 정책적 기반 구축이다. 각 목표에 따라 토지기반 탄소관리를 위한 정책 요소와 구체적 실행 전략을 제시하여 종합적인 접근 방안을 마련하였다.
6. 결론
본 연구는 국토 토지이용 전환 매트릭스를 기반으로 탄소중립형 국토환경 관리 방향을 제시하며, 토지이용 변화에 따른 온실가스 배출 특성을 분석하고 지역별 맞춤형 감축 전략의 중요성을 강조하였다. 특히 지역 특성을 반영하여 탄소중립 목표 달성에 기여할 실효성 높은 방안을 도출하는 데 중점을 두었다.
국토이용 전환 매트릭스는 LULUCF 부문의 배출 특성을 반영하여 감축목표 설정과 실행에 중요한 도구로 활용할 수 있으며, 데이터 기반 접근으로 지역별로 최적화된 방안을 마련할 수 있다. 이를 위해 향후 지자체 협력, 예측 모델 개발, 고해상도 배출계수·흡수계수 연구, 정책 시나리오 분석 등이 요구된다.
국토이용 패러다임 전환은 시나리오 기반 미래 토지이용 변화와 탄소배출 영향 분석을 통해 도시확장 및 도시재생, 압축개발, 축소도시의 관리 등 다양한 공간계획에서 탄소배출을 최소화하고 흡수원을 확대하는 방향으로 나아가야 한다. 본 연구는 미래 토지이용 변화 예측 및 시나리오 분석 결과를 바탕으로 국토계획, 환경계획 등 주요 계획 및 정책에 반영될 필요가 있는 기존 개발지 재활용, 압축도시 개발, 스마트 성장 전략, 도시재생 및 훼손지 복원 등 LULUCF 부문의 실질적 감축 방안을 제안하였다.
본 연구에서 제안한 탄소중립형 국토환경 관리 방향 실현을 위해 중앙정부와 지자체 간 협력 플랫폼 구축, 주기적 모니터링, 성과 평가를 통한 지속적 개선이 필요하다. 이를 통해 데이터 공유를 지원하고 친환경 농업, 산림 복원, 재생에너지 인프라 등 지역 단위의 자원 활용 최적화를 추진할 수 있다.
또한 ｢온실가스 배출권의 할당 및 거래에 관한 법률｣ 등 관련 법 개정과 함께 재정 지원 및 인센티브 체계를 마련하여 법·제도적 기반을 강화해야 한다. 특히, 중앙정부와 지방정부 간 협력체계 제도화와 지역별 차별화된 감축 전략 실행을 뒷받침하는 규정을 마련하는 것이 중요하다.
이러한 통합적 접근은 국토 및 도시계획과 탄소중립 전략의 연계를 강화하며, 지역 단위의 감축 효과를 국가 정책의 일관성으로 확장하는 데 기여할 것이다. 이는 우리나라의 탄소중립 실현을 위한 지속가능한 정책 토대를 구축하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.