동향

육상생태계 표면 거칠기 변화가 생태 과정에 미치는 영향

1. 개요

숲, 습지, 초지 등의 다양한 토지피복을 가지고 있는 육상생태계는 자연적 과정 혹은 인위적 간섭에 의해 다른 형태로 토지피복 변화(Land-cover change)를 겪게 된다. 육상생태계의 토지피복이 바뀜에 따라 표면 거칠기(Surface roughness)의 변화가 일어나게 되며, 이것은 결국 미기상(Micrometeorology), 생물리(Biophysics), 식물 생리(Plant physiology)와 관련된 생태적 과정에 영향을 미치게 된다. 그러므로, 근세기 들어 빠르게 진행된 전 지구의 토지피복 변화로 생긴 표면 거칠기의 변화는 수문 순환, 온실가스 유동 변화 등으로 생태계에 지속적인 영향을 미치는 되먹임 작용을 하게 된다. 

하지만, 지금까지 육상생태계에서 표면 거칠기 변화가 생태적 과정에 미치는 영향에 대한 보다 명확한 검토와 정리가 문헌상에 이루어지지 않았다. 육상생태계 표면 거칠기의 변화와 이것이 생태적 과정과 어떤 연관성이 있는지에 대한 탐구는 우리가 현재 겪고 있는 기후변화 및 온실가스 배출과 관련한 연구에 기여할 수 있을 것이다. 

이 보고서의 본문에서는 육상생태계의 토지피복 변화와 표면 거칠기에 대해 정의하고, 표면 거칠기의 변화로 발생할 수 있는 에너지 유동과 표면 온도에 미치는 영향을 소개할 예정이다. 또한, 표면 거칠기의 변화와 미기상, 수문 순환 등의 생태계 과정과의 관계에 관해 기술함으로 표면 거칠기 변화에 대한 이해에 도움이 되고자 한다.



2. 육상생태계 토지피복 변화

육상생태계 토지피복 변화는 한 가지 형태의 토지피복(예, 숲, 초지, 습지 등)이 다른 형태의 것으로 바뀌는 것을 의미한다. 같은 형태의 토지피복이라 할지라도 생물 또는 무생물적 환경이 바뀌게 되면 토지피복 변화가 일어난 것으로 받아들여진다. 후자의 경우는 삼림 내 간벌 및 조림으로 인한 토지 피복의 변화, 초지의 지나친 방목으로 인해 생기는 변화 등을 예로 들 수 있다[1]. 특정 국가 및 지역의 토지피복 변화 속도와 공간적 범위는 그 지역의 인구와 산업 수준과 큰 연관이 있다. 많은 개발도상국의 사례에서 볼 수 있듯, 인구의 증가는 숲, 초지의 자연 육상생태계를 농지, 목초지 등으로 바꾸는 결과를 낳게 되고, 이로 인해 다양한 문제가 발생하여 왔다[2].

토지피복 변화로 인해 발생하는 가장 중요한 문제는 환경 변화와 관련되게 된다. 토지피복 변화는 기후 시스템을 바꾸는 역할을 할 수 있기 때문에 토지피복 변화 이후 특정 지역과 그 주변 지역의 수자원량, 수문 순환, 토양의 질과 양, 생물군 구성 등 생물, 비생물 전체적 요인들이 영향을 받게 된다. 배수 과정을 통해 습지를 농경지로 바꾸는 토지피복 변화가 일어날 시, 온실가스 배출, 생물 종 다양성, 토양 및 수문 흐름 등에 변화가 일어남이 보고되었다[3]. 토지피복 변화에 의한 환경적 변화의 특징 중 하나는 이들 변화가 일회성의 짧은 시간 동안의 것이 아닌 생태계에 장기간 누적된 영향을 미치게 된다는 것이다[4] 

토지피복 변화로 인한 대표적인 환경 변화로써 수문과 기후, 미기상의 변화를 들 수 있다. 특히 미기상의 변화는 표면 거칠기의 변화와 큰 연관성이 있는 것으로 밝혀졌다. 표면 거칠기와 관련된 사실들은 다음 장부터 기술이 이루어질 것이다. 

토지피복 변화로 유발되는 수문 변화는 최종적으로 수질과 물의 흐름에 대한 변화를 야기한다. 토지피복 변화의 결과로 영양염류의 과대 유입이 이루어 질 수 있기 때문에 하천과 저수지 내 오염이 이루어질 수 있다. 수질 문제와 더불어, 토지피복 변화가 이루어진 주변 호소생태계에 유해한 침전물이 증가할 수 있다[1]. 토지피복 변화는 토지 표면의 생물리 특성들의 변화를 야기하여 이에 대한 결과로 생태계 표면의 기후와 미기상이 바뀌게 된다. 미기상의 변화는 좀 더 넓은 지역에 광범위하게 나타나며 결국 온실가스 배출에 큰 영향을 미치게 된다. 이와 같은 이유로 토지피복 변화와 미기상 현상에 대한 연구는 그동안 많이 이루어져 왔다[1]. 

토지피복 변화로 인해 변화가 예상되는 미기상과 관련한 생물리 특성들에는 현열(Sensible heat: 물질의 상태를 바꾸지 않고 온도만 변화시키기 위해 소비되는 열량), 잠열(Latent heat, 어떤 물체가 온도의 변화 없이 상태가 변할 때 방출되거나 흡수되는 열) 그리고 알베도(Albedo, 태양광선 반사율) 등이 포함된다[5]. 지금까지 주요 선진국에서 이루어진 토지피복 변화로 인해 이산화탄소(Carbon dioxide: CO2), 메탄(Methane: CH4)과 같은 주요한 온실가스의 배출이 육상생태계에서 대기로 이루어졌고, 이로 인한 대기 내 온실가스 함량의 증가는 전 지구 기후변화를 가속화했음에 분명하다. 



3. 육상생태계 표면 거칠기

육상생태계 표면은 식생, 토양 입자 등의 생물, 비생물 물질로 이루어진다. 이들 생태계 구성 물질의 존재로 인해 생기는 요철을 표면 거칠기라고 정의할 수 있다. 나무와 같이 높고 복잡한 구조의 식생으로 이루어진 삼림의 경우가 초지와 같은 하층 식생으로 이루어졌거나 식생이 없는 나지의 경우보다 표면 거칠기가 크다. 

지금까지 다양한 현장 측정 연구를 통해 표면 거칠기는 토지피복 변화에 의해 되먹임 작용을 하는 가장 주된 생물리 특성인 것으로 밝혀졌다. 육상생태계 피복 거칠기의 변화는 현열, 잠열로 분배되는 에너지 재분배에 큰 영향을 미치게 된다. 이와 같은 에너지 재분배를 보웬비(Bowen ratio, 현열 플럭스와 잠열 플럭스의 비율)로 설명한다. 그러나, 표면 거칠기의 변화로 이루어지는 변화에 대한 되먹임 작용은 대기층 내 물리적인 순환과 섞임 현상(Atmospheric mixing)에 의해 완화될 수 있음이 밝혀졌다[6].

표면 거칠기는 삼림, 비삼림 지역 간의 표면 온도 차이를 나타내는 원인 중 가장 주요한 생물리 특징으로 지목받아왔다. 밤의 경우, 비삼림의 나지 표면 온도는 삼림보다 차갑고(4.8°C에서 0.05°C 차이를 보임), 낮에는 비삼림이 삼림보다 따뜻한 것으로 알려졌다(0.16°C에서 8.2°C 차이를 보임)[5]. 



4. 피복 거칠기가 표면 온도에 미치는 영향

열대 산림에서 이루어진 연구에 의하면, 삼림의 벌채에 의한 토지피복 변화는 표면 거칠기의 감소와 표면 알베도의 증가를 일으키며, 이러한 이유로 낮의 생태계 표면 온도는 감소하고, 밤의 표면 온도는 증가하는 변화가 생긴다. 미기상의 특징을 나타내는 요인 중 하나인 공기역학 거칠기(Aerodynamics roughness)는 표면 거칠기로 인해 일어나는 것으로 알려져 있다. 공기역학 거칠기의 변화는 기온, 습도, 대기표면 경계층(Atmospheric boundary layer)의 높이, 대기 안정성 등의 대기 상태를 결정하게 된다[4].

생태계 표면 거칠기가 클수록 더 효과적으로 잠열을 육상의 표면에서부터 대기로 옮길 수 있다. 낮의 경우, 표면 거칠기가 큰 삼림 임관은 공기역학적으로 복잡한 구조를 제공하여 상대적으로 단순한 구조로 되어 있는 초지나 나지보다 삼림 표면의 열을 방출하기 쉽다[7]. 또한, 산림의 큰 표면 거칠기는 현열을 효과적으로 사라질 수 있게 도와주기 때문에 생태계 표면이 일찍 차가워질 수 있다. 이와는 달리, 밤의 경우, 표면 거칠기가 큰 삼림의 표면 온도가 초지나 나지에 비해 높은 이유는 난류(Turbulence)의 증가로 인해 밤에 일어나는 열 손실을 줄일 수 있기 때문이다. 즉, 밤 동안, 삼림 임관 위층과 아래층의 섞임 작용은 상층의 더운 공기를 섞이게 해 주는 것이다[5]. 

그러나, 표면 거칠기로 야기되는 초지와 나지의 낮 동안 표면 온도의 더워짐 현상은 과대평가되어 있을 가능성도 있다. 표면 온도의 더워짐을 평가할 시 다른 생물리 변수들과의 상호작용을 물리식에 근거하여 계산하는 방법을 사용한다. 이때, 생물리 계수들의 변화 정도에 따라 표면 온도의 더워짐도 변하게 된다. 그러므로, 표면 거칠기 이외 다른 생물리 계수의 변화 정도가 켜지는 경우, 표면 거칠기가 온도 변화에 대한 기여도가 작아질 수 있는 가능성이 있다[5].



5. 피복 거칠기-표면 온도 관계의 공간변이성

토지피복 변화에 의한 표면 거칠기 변화는 잠열과 증발산의 감소를 가져올 수 있고, 이로 인해 표면 온도가 영향을 받게 되는 것이다. 표면 거칠기는 태양의 복사에너지와 무관한 생태 요인으로 정의할 수 있는데, 생태계 형과 위도에 따라 표면 거칠기는 복사에너지보다 생태계 표면 온도 변동에 더 큰 영향을 주기도 한다. 원격탐사를 이용하여 전 지구를 대상으로 한 연구는 복사에너지와 무관한 생태 요인들이 표면 온도 변동에 중요히 작용함을 보여주었다[8]. 

표면 거칠기가 표면 온도 차이에 미치는 영향은 지역에 따라 차이를 보인다. 미국 캘리포니아의 참나무, 초지 복합 지역에서의 측정 결과에 따르면, 이곳의 일일 평균 온도는 부근 초지보다0.5°C 높은 것으로 나타났다. 이에 비해, 중위도의 온대 지역의 경우, 초지와 같이 표면 거칠기가 낮은 지역의 표면 온도가 산림보다 연간 평균 1°C 정도 높게 나타났다[9]. 식물 생장기 동안, 산림의 표면 온도가 나지에 비해 낮은 것은 생태계 표면의 증발산 작용에 의한 냉각 효과 때문으로 해석이 가능하다. 이러한 냉각 효과는 열대 산림지역에서 분명히 나타나지만, 중위도 이상의 온대, 아한대 산림에선 분명치 않다[10]. 

생물리 계수를 이용한 생태계 모형 연구를 통해 미국 동부 지역의 삼림과 초지의 표면 온도를 예측하여 비교해 보았다. 이 모형 연구는 표면 거칠기가 표면 온도 차이를 유발하는 가장 중요한 요인임이 보여주었다. 삼림, 초지 간 보웬비 그리고 알베도의 차이 또한 표면 온도의 차이를 유발하나, 상대적으로 이들의 영향은 적은 것으로 나타났다[5].



6. 피복 거칠기와 생태계 기능 변화

육상 생태계의 표면 온도와 기온의 불일치량(혹은 차이)은 생태계의 외부 환경 변화에 대한 스트레스를 나타내는 지수로 사용될 수 있다(차이가 클수록 스트레스가 큼을 의미). 환경 변화에 대한 생태계의 스트레스는 가뭄, 수분 결핍, 고온 등에 대한 것들을 포함한다. 표면 온도-기온 불일치의 정도는 토지 피복 형태와 기후대에 따라 다른 것으로 알려져 있다. 이러한 불일치 정도의 차이는 생태계 형태에 따른 표면 거칠기의 차이와도 깊이 관련되어 있다. 곧 표면 거칠기의 변화는 생태계가 받는 스트레스의 크기와 이로 인한 개화 시기, 식물 생산성 등의 생태계 기능의 변화로 이어지게 된다. 표면 거칠기 이외에도 운량, 수증기량, 복사량 등 대기 조건과 생태계의 수분 함량에 따라 표면 온도-기온 불일치량이 결정된다고 알려져 있다[7] 

열대지역 산림 생태계의 경우, 벌채가 이루어진 지역에선 증발산과 잠열의 감소를 볼 수 있다. 이것은 벌채로 인해 생태계 표면 거칠기가 줄어들었기 때문이다. 다른 대기 요인에 의한 영향보다 표면 거칠기에 의한 것이 클 경우, 표면 온도와 기온의 증가가 동시에 이루어짐을 볼 수 있다. 따라서, 표면 온도와 기온 간 불일치량은 더 커지며, 생태계의 환경 스트레스도 커진다는 평가가 가능하다[7]. 

표면 거칠기는 수문과 산불과 같은 생태계 기능과 간섭을 변화할 수 있고, 이들에 따라 변화하기도 한다. 대형 산불과 같은 자연 산불은 삼림의 표면 거칠기를 낮출 수 있으며, 규모가 적은 산불은 가지와 같은 나무 부산물을 토양 위로 공급시킴에 따라 표면 거칠기가 켜지기도 한다. 표면 거칠기의 변화는 유역 내 지표면의 물흐름과 양에 영향을 미칠 수 있다. 표면 거칠기의 증가는 지표수 흐름의 속도를 낮추고, 요지 저수량을 늘리는 효과를 가지고 있다. 결국, 표면 거칠기는 육상생태계 내의 지표수 흐름의 양과 속도, 토양 침식의 정도를 결정하게 된다[11]. 

식생의 공간 분포와 표면 거칠기의 공간 이질성은 생태계의 증발산의 차이와 관련이 있다. 습지의 증발산은 주로 식생의 구성에 의해 조절이 가능하나, 온대 지방 습지의 경우 더 많은 환경적인 요인들이 증발산과 관련을 맺고 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, 표면 거칠기에 의한 영향이 온대 습지 증발산의 변이를 설명하는 데 중요한 역할을 한다[12]. 

광역 규모의 넓은 육상 생태계 내에서 에너지 유동과 현열, 잠열로 나뉘는 에너지 분할의 바뀜은 최종적으로 대기의 대류에 의한 순환과 강수 생성에 영향을 미치게 된다. 이로 인해 특정 지역의 홍수 및 가뭄의 발생 빈도와 강도의 변화를 예상해 볼 수 있다[4]. 육상 생태계 표면 거칠기가 에너지 유동과 분할과 관련되어 있음으로 지속적인 수자원 확보를 위해서는 표면 거칠기 변화가 생태계 내 물 공급에 미치는 영향을 고려해야 한다.



7. 결론

본문에서는 육상생태계의 토지피복 변화와 표면 거칠기에 관해 기술하고, 토지피복 변화로 인한 표면 거칠기가 생태계 표면 온도에 미치는 영향과 이와 관련된 미기상, 생물리 과정과 생태계 기능에 대해 고찰해 보았다. 이를 통해 표면 거칠기가 육상 생태계의 생태 과정에 대한 연구 시 모형과 물리식의 중요한 계수로써 사용됨을 이해할 수 있었다. 

육상생태계 토지피복 변화는 표면 거칠기, 엽면적지수, 알베도 등의 생물리, 생물지리와 관련한 특성들을 바꿀 힘이 있다. 이들 특성의 변화가 결국 육상생태계 에너지, 수분, 온실 가스 유동을 바꾸게 함은 분명한 사실이다[4]. 토지피복의 생물리 특성 중, 태양에너지의 복사와 연관이 없는 표면 거칠기는 토지피복 형태에 직접적인 영향을 받게 되는데, 표면 거칠기의 차이는 낮 동안 삼림과 비삼림의 표면 온도 차이를 유발하는 데 가장 중요한 요인으로 작용한다[5]. 이와 같은 표면 거칠기의 표면 온도 차이에 대한 기여는 특히 중위도에서 확실히 나타나기 때문에, 우리나라의 생태계 연구에서 표면 거칠기와 관련된 생태 과정에 대한 연구를 중요시하여야 할 것이다. 결론적으로 더욱 신뢰할 수 있는 표면 거칠기에 대한 정보와 표면 거칠기 변화에 대한 이해가 육상 생태계 온실가스 유동과 생지화학 순환의 추정, 예측에 필요할 것이다.



References

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4. Mahmood, R. et al. Land cover changes and their biogeophysical effects on climate. Int J Climatol 34: 629-683. 2014.

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7. Still, C. et al. Thermal imaging in plant and ecosystem ecology: applications and challenges. Ecosphere 10: e02768. 2019.

8. Lawrence, P. J. & Chase, T. N., Investigating the climate impacts of global land cover change in the community climate system model. Int J Climatol 30, 2066-2087. 2010.

9. Baldocchi, D. & Ma, S. How will land use affect air temperature in the surface boundary layer? Lessons learned from a comparative study on the energy balance of an oak savanna and annual grassland in California, USA. Tellus B 65, 19994. 2013.

10. Bonan, G. B. Forests and climate change: forcings, feedbacks, and the climate benefits of forests. Science 320:  1444-1449. 2008. 

11. Lavee, H. et al. Effect of surface roughness on runoff and erosion in a Mediterranean ecosystem: the role of fire. Geomorphology 11: 227-234. 1995.

12. Wang, K. & Dickinson, R. E. A review of global terrestrial evapotranspiration: observation, modeling, climatology, and climatic variability. Rev Geophys 50: RG2005. 2012.