육상생태계 이산화탄소 비료 효과에 대한 평가
2020-07-02
org.kosen.entty.User@5e4f771b
김영일(a337yi)
1. 개요
식물의 광합성에 의해 식물체에 고정되는 전 지구 육상생태계의 식물총생산성(Gross Primary Production, GPP)은 1900년 이후 약 30% 상승한 것으로 추정되었다. 식물생산성이 증가한 원인 중 하나로 대기 내 이산화탄소의 증가가 식물에 비료로써 작용한 점(즉, 이산화탄소 비료 효과)을 뽑을 수 있다[1]. 이산화탄소 비료 효과는 복잡한 전 지구 탄소 순환에 되먹임으로 작용하여 지구 온난화에 적지 않은 영향을 미칠 것으로 추정된다.
지금까지 많은 수의 과학자들이 대기 내 이산화탄소 농도의 증가가 육상생태계의 탄소 흡수를 도와줄 수 있단 사실을 밝혔다. 2016년 미국, 중국 등 8개국의 다양한 연구 기관의 국제 공동 연구팀이 지난 33년 동안의 위성영상을 분석하여 대기 중 이산화탄소 증가로 지구 육상생태계의 녹지가 늘어났단 사실을 논문에 발표하였다[2]. 육상생태계 내로 이산화탄소의 흡수가 이산화탄소 배출보다 많다면, 육상생태계는 순수 탄소 흡수원의 역할을 하는 것이다. 이산화탄소 비료 효과에 대한 정확한 정량화는 현재 혹은 미래의 기후가 육상생태계 탄소 순환에 미치는 영향을 예측하는 데 큰 도움이 될 것이다. 그러나 이산화탄소 비료 효과에 대한 추정 및 예측은 많은 불확실성을 가지고 있어[3], 이에 대한 보다 명확한 이해가 탄소 순환 연구에 필요할 것으로 보인다.
이 보고서의 본문에서는 대기 내 이산화탄소의 증가에 대한 현황, 이산화탄소 비료 효과에 대한 정의와 이산화탄소 비료 효과의 생태 과정을 소개할 것이다. 그리고 이산화탄소 비료 효과와 식물생산성, 탄소 순환의 변화와의 관계, 이산화탄소 비료 효과의 불확실성에 대해 본문에서 다룰 것이다.
2. 주요 내용
2.1. 이산화탄소의 증가
산업혁명 이후 지난 200년 동안 대기 내 이산화탄소 농도는 급속히 증가하여 2012년에는 397ppm에 이르게 되었다. 하와이 Mauna Loa 관측소에서 측정한 이산화탄소 농도는 1959년 316ppm이였는데, 이후 2012년에는 약 100ppm이 증가한 것이다. 이와 같은 이산화탄소 농도의 증가가 이어진다며, 금세기 말에는 1,000ppm에 도달할 가능성도 있다. 이산화탄소의 급속한 증가의 영향으로 지구 평균 기온은 2~4°C 이상의 상승이 일어나고, 해수면의 상승과 극단기후의 발생 빈도가 노파질 것이란 암울한 예측이다[4].
국내의 이산화탄소 증가 경향은 전 지구 평균보다 크게 나타났다. 1991년부터 2000년까지 10년간 한국의 이산화탄소 평균 증가 속도는 연평균 1.81ppm으로서, 전 지구 평균보다 약 1.2배 높았다. 이에 대한 반응으로, 최근 100년간 (1909년부터 2008년) 한국의 평균 기온은 1.87°C 상승하였고, 이것은 전 지구 평균 기온 상승치 0.74°C에 비해 높은 수치였다[5].
2.2. 이산화탄소 비료 효과 개관
이산화탄소는 지구 온난화의 주된 원인을 제공하는 물질로 꼽히나, 식물 생장을 위한 광합성 작용에 사용되는 필수적 요소이다[6]. 식물은 이산화탄소를 흡수해 햇빛과 물, 뿌리에서 흡수한 영양분들을 결합해 당을 만든다. 대기 내 이산화탄소량이 많을수록 더 많은 당을 만들어 낼 수 있는데, 이와 같은 작용을 ‘이산화탄소의 비료 효과’라고 부른다. 국외 연구자들은 지난 33년간 늘어난 녹지 면적의 70% 정도(알래스카를 제외한 미국 면적의 2배에 해당)는 이산화탄소 비료 효과 덕분이라고 분석했다[2]. 이산화탄소 비료 효과는 식물 광합성의 증가로 야기되는 탄소 흡수량 증가를 의미한다. 탄소 흡수량 증가는 식물의 효소와 기공 변화에 따라 탄소 흡수 증가가 이루어지는 것이다[7].
전 지구를 대상으로 한 모형 연구 결과에 따르면, 1900년부터 이산화탄소 비료 효과에 의해 광합성이 30% 증가하였고, 산업화 이전부터 지금까지 이산화탄소의 2배 증가에 따라 광합성이 47% 증가하였단 예측이다[1]. 이산화탄소 비료 효과로 증가하는 식물생산의 대부분은 잎 단위에서 벌어지는 생리적 과정에 의한 결과이다. 이와 같은 식물생산의 증가는 육상생태계의 녹지가 증가함에 따라 얻게 되는 것과 비슷한 효과를 보여준다.
다양한 육상생태계 모형과 생태계의 야외 실험을 통해, 이산화탄소의 농도가 높아질수록 북반부 온대 지역 탄소 흡수능력은 향상하는 선형의 관계가 나타남을 알 수 있었다. 이산화탄소 농도가 100ppm 증가할 때마다 북반구 온대지역의 육상생태계 이산화탄소 흡수는 일년간 6.4억 톤씩 증가한다고 계산되었다. 그러므로 이산화탄소 비료 효과는 육상생태계 탄소 흡수와 관련한 중요한 생태계 과정과 연결되어 있다[3]. 전 지구 탄소 순환에 대한 또 다른 연구에서는 이산화탄소 비료 효과에 따른 육상생태계 탄소 흡수량을 일 년간 약 1.4 Pg C이라고 하였다. 그러나 이산화탄소 농도 증가에 따른 육상생태계 탄소 흡수량의 증가가 있기 위해선, 빛, 물, 영양분에 대한 제한이 없어야만 한다[8].
이산화탄소 비료 효과는 식물의 종류, 온도, 물과 영양분의 가용성에 따라 다르게 나타날 수 있기 때문에 식물 광합성 증가만으로 비료 효과를 평가하는 것은 협소한 면만을 보는 것이다. 이산화탄소 증가로 인한 식생이 흡수할 수 있는 탄소의 증가량은 인류에 의해 이미 배출된 이산화탄소량에 비해 적단 의견이다. 배출된 이산화탄소를 많이 감소시킬 수 없으므로 이산화탄소 비료 효과에 대한 회의적인 시각도 있다[9].
2.2.1. 이산화탄소 비료효과에 관여하는 생태 과정
이산화탄소 비료 효과로 인한 식물체는 잎의 엽록소의 생화학적인 작용으로 생기는 것이다[1]. 이산화탄소의 증가는 또한 육상생태계 내의 토양의 생지화학 과정의 변화를 유발할 수 있다. 미국의 오크리지 국립 실험실(Oak Ridge National Laboratory)의 주도로 수년동안 이루어진 FACE (Free-Air CO2 Enrichment) 실험은 산림 임분 내의 이산화탄소 증가에 따른 산림생태계의 반응을 살펴보기 위한 것이었다. 실험 결과에 의하면, 이산화탄소의 증가는 산림 근권의 생산성을 증가시켰고, 때문에 토양 탄소 저장량은 증가하였다. 실험 초창기 식물순생산성(Net Primary Production, NPP)의 증가가 이루어졌으나, 증가의 경향은 오랫동안 지속하지 못하였다. 수목의 생장에 필요한 질소의 가용성은 급속도로 줄어들었고, 이에 따라 식물순생산성의 증가가 이루어지지 못한 것으로 밝혀졌다. 하지만 FACE 실험은 한정된 작은 지역을 대상으로 한 연구이기에 실험 결과를 전 지구 생태계를 대상으로 적용하기란 쉽지 않다[10].
또한, FACE 실험에서 얻은 자료를 분석하니, 이산화탄소의 증가는 결국 식물체 내의 필수 무기물의 농도를 낮추는 결과를 낳았다. 평균적으로 이산화탄소 농도 2배의 증가는 무기물 농도 8% 감소를 일으켰다. 식물체의 필수 무기물은 마그네슘, 칼슘, 칼륨, 철, 아연을 들 수 있는데, 이들은 농작물의 생장에 매우 필요한 것들이다. 농작물 내 이들 무기물의 부족은 농작물을 섭취하는 인류의 건강을 헤칠 수 있을 가능성을 높인다. 금세기 들어 대기 내 이산화탄소의 증가로 밀, 쌀, 콩에 함유된 아연, 철 등의,영양분은 줄어드는 것으로 연구자들은 밝혔고, 이에 따라 전 지구의 약 20억 명의 사람들이 필수 영양분의 부족에 처할 위기에 놓여있다[11].
2.2.2. 이산화탄소 비료효과의 지역적 차이
전 지구를 대상으로 한 모형 연구를 통해, 이산화탄소의 비료 효과는 열대지역이 가장 크다는 것을 알 수 있었다. 이산화탄소 농도와 광합성 효율의 양의 관계는 중위도에서의 실험결과에서 확연하였고, 이와 같은 양의 관계는 온대 지역이 아한대 지역보다 크게 나타났다. 열대지역의 이산화탄소 비료 효과가 큰 이유는 대기의 수직 혼합과 대기 수송이 저위도에서 더욱 잘 이루어지기 때문이다. 모형 내에서 이산화탄소가 증가할 시, 광합성의 증가는 Michaelis−Menton 곡선 방정식에 의해 설명할 수 있다. 이 방정식에 따르면 높은 온도에서 이산화탄소 증가 효과는 커진다. 그러므로 열대 산림과 같이 무더운 환경에서 이산화탄소 비료 효과의 커짐에 대한 설명이 가능하다[7].
2.3. 식물생산성의 변화와 이산화탄소 비료효과
이산화탄소의 증가에 따른 식물총생산의 증가는 식물의 생화학 과정시 요구되는 이산화탄소의 공급량 증가와 관련이 있다. 미래 이산화탄소 증가 예측에 근거한 모형 구동 결과, 육상생태계는 지속해서 탄소 흡수원으로서 역할을 할 수 있음이 예상되었다. 이와 같은 역할 수행이 가능한 것은 이산화탄소 비료 효과에 대한 기여와 그동안 파괴되었던 산림의 복구가 일어나면서 식물생상성이 늘어났기 때문이다[1].
다양한 이산화탄소 농도에서 작물 생산에 관한 연구가 있다. 이 연구는 잎채소의 성장과 기능성 물질 합성에 최적의 이산화탄소 농도를 찾는 것을 목적으로 한 것으로, 배추, 무, 박초이 등의 작물을 350, 700, 1,000, 4,000ppm 농도로 공급 후 작물의 크기를 측정하였다. 실험 결과, 이산화탄소의 농도가 700ppm일 때 실험 기준 농도인 350ppm보다 배추와 박초이의 크기는 2%, 무의 크기는 3% 커졌다[6]. 고농도 이산화탄소는 광합성률과 수분이용효율을 높여 식물의 생장과 생산력에 긍정적인 결과를 가져올 수 있음이 확인된 것이다. 이와 같은 연구는 현재 여러 국가에서 관심을 두고 추진 중인 지구 온난화 대응을 위한 탄소 줄이기 기술 개발과 관련한 구체적 사례가 될 수 있다. 스마트팜과 같은 시설재배지에서 고농도의 이산화탄소 조건은 이산화탄소 비료를 제공함으로 농업 기술로 활용 가치가 높을 것이다[6].
초본 또는 작물과 달리, 수목의 이산화탄소 증가에 따른 생물량의 증가 경향은 두드려지지 않는다. 온대 삼림수종 여섯 종을 온실에서 수년 동안 고농도 이산화탄소 조건에서 키웠을 경우, 대조군에 비해 생물량 증가가 확인되었으나, 이 성장은 장기간 동안 꾸준히 지속되지 못하였다[5]. 인공위성 자료로 계산된 식생지수(예, NDVI: Normalized Difference Vegetation Index)를 이용하여 전 지구 산림 지역의 식물순생산성의 변화에 관한 추적연구가 수행되었고, 지난 18년간(1982년부터 1999년까지) 지구의 초록화가 증가하여, 생산성이 6% 증가하였다고 보고되었다. 이와 같은 생산성의 향상은 이산화탄소의 비료 효과뿐만 아니라, 기후 제한 효과의 완화와 과거 교란으로부터 회복에 의한 것으로 판단되었다[5].
2.4. 이산화탄소 비료효과로 인한 탄소순환 변화
대기 이산화탄소 농도는 현재도 계속해서 증가 중이기 때문에 이산화탄소 증가는 식물의 생리적, 육상 토양 및 수생생태계의 생물학적 과정까지 두루 영향을 미치고 있다. 식물의 생리적, 생물학적 요인의 변화는 결국 전 지구 탄소 순환에 중요한 변화를 가져올 것이다[8]. 이산화탄소 비료 효과 덕분에 화석연료 사용으로 발생하는 이산화탄소 배출량의 일부를 육상생태계에서 흡수할 수 있다. 그러므로 결국 이산화탄소 비료 효과는 전 지구 탄소 순환을 약화시키는 되먹임 작용을 하게 된다[7].
대기 내 이산화탄소의 증가는 이산화탄소 비료 효과를 일으켜 탄소 배출량을 줄이는 순기능을 할 수 있다. 그러나 이 순기능은 전 지구 기후 시스템의 변화를 막을 만큼 큰 영향은 주지 못하고, 오히려 이산화탄소 증가는 기후변화와 지구 환경 변화를 가속하는 역기능을 수행한 가능성이 높다. 역기능에 대한 예로 이산화탄소의 지속적 증가는 바닷물을 산성화시켜 해양 생태계를 위협하고 식물이 수증기를 내뿜는 증산 효과를 높여 물과 탄소의 기본적인 순환 속도를 무너뜨릴 수 있다[2]. 또한, 이산화탄소 증가와 관련한 온난화 현상은 산불, 홍수, 열파, 가뭄 등의 극단적인 기후 현상의 발생 빈도를 높여 육상생태계 탄소 유동량에 큰 변화를 줄 수 있다[8].
2.5. 미래 이산화탄소 비료효과의 불확실성
이산화탄소 비료 효과로 인한 육상생태계 이산화탄소 흡수량의 증가와 더불어, 기후변화로 식물 생장기의 증가, 조림에 따른 산림 면적의 증가에 따른 이산화탄소 흡수량의 증가도 동시에 이루어질 수 있다[3]. 미래 토지이용변화, 기후변화로 탄소 순환의 되먹임 작용이 생김을 고려하면, 미래 육상생태계 비료 효과가 식물생산성 증가, 탄소배출 감소에 기여하는 정도를 예측하기엔 불확실성이 존재한다.
토지이용 변화, 지구 온난화, 자연재해 발생으로 말미암은 인한 탄소 순환의 되먹임 작용을 고려하면 미래 육상생태계 비료 효과 예측에 대한 불확실성은 크다. 육상생태계 이산화탄소 흡수의 긍정적인 효과도 기온의 상승, 토지이용 변화로 인한 되먹임으로 호흡량이 증가하면 육상생태계 비료 효과는 사라지게 될 것이다[7]. 육상생태계 가운데 이산화탄소를 가숲 많이 흡수, 저장할 수 있는 곳은 삼림지역이다. 하지만 최근 열파, 건조 스트레스, 병충해에 의해 아시아, 북미, 유럽에 이르는 넓은 삼림에 분포한 수목이 고사하고 있다. 이 때문에 식물생산성의 감소와 토양호흡의 증가가 이루어질 것이기에 이산화탄소 비료 효과는 상쇄될 것이다[5].
생태계 모형을 이용해 이산화탄소의 증가에 따른 식물생산성의 변화에 대해 예측 시, 모형, 입력 자료로 인한 불확실성이 따를 수 있다. 열대지역을 포함한 많은 육상생태계의 경우, 질소와 인이 생태계 영양 순환에 결정적인 영향을 주는 요인이 되기 때문에, 이산화탄소의 증가 때문에예상되는 실제 순생산성의 증가는 모형의 예측치보다 낮을 것이다[8]. 모형 예측과는 달리 이산화탄소 비료 효과로 인해 흡수할 수 있는 탄소량은 미래로 갈수록 증가하지 않을 가능성이 더 높을 수 있는데, 이것은 생태계 현장에서 식물의 생리학적 제한 요인(예, 기상 요건, 토양 환경)과 영양분 부족이 발생하기 때문이다[12]. 또한, 산불, 열파, 영구 동토의 녹음 등의 현상은 육상생태계를 이산화탄소 흡수원에서 배출원으로 바꿀 수 있는 위험성을 가지고 있기에 생태계 모형에서 이에 대해 충분히 다루어야 이산화탄소 비료 효과에 대한 불확실성을 줄일 수 있다[3].
3. 결론
이산화탄소 비료 효과에 의한 결과로 이루어질 수 있는 육상생태계 탄소 흡수의 증가는 기후변화에 대응하기 위한 육상생태계의 중요한 서비스가 된다. 그러나 육상생태계의 탄소 순환의 되먹임 작용, 토지피복 변화와 온난화로 인한 기온 증가 등의 변화로 이산화탄소 비료 효과의 생태계 서비스 이익은 감소할 가능성과 서비스 이익에 대한 정확한 평가가 어렵다[7]. 그러므로 생태계 모형에 들어갈 미래 기상, 생태계 입력 자료에 대한 향상과 탄소 유동에 대한 현장 실험은 육상생태계 이산화탄소 비료 효과와 탄소 순환의 관계에 대한 이해를 높이는 데 큰 도움을 줄 것이란 기대이다.
구체적으로 이산화탄소 비료 효과 관련 연구의 향상을 위해서는 인공위성 기술을 이용한 넓은 지역에 대한 신뢰할만한 측정자료의 확보가 중요할 것이다. 인공위성에서의 이산화탄소 측정은 넓은 지역의 이산화탄소 변화에 대한 감시가 가능하도록 해 주었다. 첨단 측정 및 모형 기술의 발전, 그리고 축적된 대기 과학 지식을 사용하여 이산화탄소 비료 효과가 육상생태계 탄소 순환에 미치는 영향을 충분히 설명할 수 있을 것이다.
References
식물의 광합성에 의해 식물체에 고정되는 전 지구 육상생태계의 식물총생산성(Gross Primary Production, GPP)은 1900년 이후 약 30% 상승한 것으로 추정되었다. 식물생산성이 증가한 원인 중 하나로 대기 내 이산화탄소의 증가가 식물에 비료로써 작용한 점(즉, 이산화탄소 비료 효과)을 뽑을 수 있다[1]. 이산화탄소 비료 효과는 복잡한 전 지구 탄소 순환에 되먹임으로 작용하여 지구 온난화에 적지 않은 영향을 미칠 것으로 추정된다.
지금까지 많은 수의 과학자들이 대기 내 이산화탄소 농도의 증가가 육상생태계의 탄소 흡수를 도와줄 수 있단 사실을 밝혔다. 2016년 미국, 중국 등 8개국의 다양한 연구 기관의 국제 공동 연구팀이 지난 33년 동안의 위성영상을 분석하여 대기 중 이산화탄소 증가로 지구 육상생태계의 녹지가 늘어났단 사실을 논문에 발표하였다[2]. 육상생태계 내로 이산화탄소의 흡수가 이산화탄소 배출보다 많다면, 육상생태계는 순수 탄소 흡수원의 역할을 하는 것이다. 이산화탄소 비료 효과에 대한 정확한 정량화는 현재 혹은 미래의 기후가 육상생태계 탄소 순환에 미치는 영향을 예측하는 데 큰 도움이 될 것이다. 그러나 이산화탄소 비료 효과에 대한 추정 및 예측은 많은 불확실성을 가지고 있어[3], 이에 대한 보다 명확한 이해가 탄소 순환 연구에 필요할 것으로 보인다.
이 보고서의 본문에서는 대기 내 이산화탄소의 증가에 대한 현황, 이산화탄소 비료 효과에 대한 정의와 이산화탄소 비료 효과의 생태 과정을 소개할 것이다. 그리고 이산화탄소 비료 효과와 식물생산성, 탄소 순환의 변화와의 관계, 이산화탄소 비료 효과의 불확실성에 대해 본문에서 다룰 것이다.
2. 주요 내용
2.1. 이산화탄소의 증가
산업혁명 이후 지난 200년 동안 대기 내 이산화탄소 농도는 급속히 증가하여 2012년에는 397ppm에 이르게 되었다. 하와이 Mauna Loa 관측소에서 측정한 이산화탄소 농도는 1959년 316ppm이였는데, 이후 2012년에는 약 100ppm이 증가한 것이다. 이와 같은 이산화탄소 농도의 증가가 이어진다며, 금세기 말에는 1,000ppm에 도달할 가능성도 있다. 이산화탄소의 급속한 증가의 영향으로 지구 평균 기온은 2~4°C 이상의 상승이 일어나고, 해수면의 상승과 극단기후의 발생 빈도가 노파질 것이란 암울한 예측이다[4].
국내의 이산화탄소 증가 경향은 전 지구 평균보다 크게 나타났다. 1991년부터 2000년까지 10년간 한국의 이산화탄소 평균 증가 속도는 연평균 1.81ppm으로서, 전 지구 평균보다 약 1.2배 높았다. 이에 대한 반응으로, 최근 100년간 (1909년부터 2008년) 한국의 평균 기온은 1.87°C 상승하였고, 이것은 전 지구 평균 기온 상승치 0.74°C에 비해 높은 수치였다[5].
2.2. 이산화탄소 비료 효과 개관
이산화탄소는 지구 온난화의 주된 원인을 제공하는 물질로 꼽히나, 식물 생장을 위한 광합성 작용에 사용되는 필수적 요소이다[6]. 식물은 이산화탄소를 흡수해 햇빛과 물, 뿌리에서 흡수한 영양분들을 결합해 당을 만든다. 대기 내 이산화탄소량이 많을수록 더 많은 당을 만들어 낼 수 있는데, 이와 같은 작용을 ‘이산화탄소의 비료 효과’라고 부른다. 국외 연구자들은 지난 33년간 늘어난 녹지 면적의 70% 정도(알래스카를 제외한 미국 면적의 2배에 해당)는 이산화탄소 비료 효과 덕분이라고 분석했다[2]. 이산화탄소 비료 효과는 식물 광합성의 증가로 야기되는 탄소 흡수량 증가를 의미한다. 탄소 흡수량 증가는 식물의 효소와 기공 변화에 따라 탄소 흡수 증가가 이루어지는 것이다[7].
전 지구를 대상으로 한 모형 연구 결과에 따르면, 1900년부터 이산화탄소 비료 효과에 의해 광합성이 30% 증가하였고, 산업화 이전부터 지금까지 이산화탄소의 2배 증가에 따라 광합성이 47% 증가하였단 예측이다[1]. 이산화탄소 비료 효과로 증가하는 식물생산의 대부분은 잎 단위에서 벌어지는 생리적 과정에 의한 결과이다. 이와 같은 식물생산의 증가는 육상생태계의 녹지가 증가함에 따라 얻게 되는 것과 비슷한 효과를 보여준다.
다양한 육상생태계 모형과 생태계의 야외 실험을 통해, 이산화탄소의 농도가 높아질수록 북반부 온대 지역 탄소 흡수능력은 향상하는 선형의 관계가 나타남을 알 수 있었다. 이산화탄소 농도가 100ppm 증가할 때마다 북반구 온대지역의 육상생태계 이산화탄소 흡수는 일년간 6.4억 톤씩 증가한다고 계산되었다. 그러므로 이산화탄소 비료 효과는 육상생태계 탄소 흡수와 관련한 중요한 생태계 과정과 연결되어 있다[3]. 전 지구 탄소 순환에 대한 또 다른 연구에서는 이산화탄소 비료 효과에 따른 육상생태계 탄소 흡수량을 일 년간 약 1.4 Pg C이라고 하였다. 그러나 이산화탄소 농도 증가에 따른 육상생태계 탄소 흡수량의 증가가 있기 위해선, 빛, 물, 영양분에 대한 제한이 없어야만 한다[8].
이산화탄소 비료 효과는 식물의 종류, 온도, 물과 영양분의 가용성에 따라 다르게 나타날 수 있기 때문에 식물 광합성 증가만으로 비료 효과를 평가하는 것은 협소한 면만을 보는 것이다. 이산화탄소 증가로 인한 식생이 흡수할 수 있는 탄소의 증가량은 인류에 의해 이미 배출된 이산화탄소량에 비해 적단 의견이다. 배출된 이산화탄소를 많이 감소시킬 수 없으므로 이산화탄소 비료 효과에 대한 회의적인 시각도 있다[9].
2.2.1. 이산화탄소 비료효과에 관여하는 생태 과정
이산화탄소 비료 효과로 인한 식물체는 잎의 엽록소의 생화학적인 작용으로 생기는 것이다[1]. 이산화탄소의 증가는 또한 육상생태계 내의 토양의 생지화학 과정의 변화를 유발할 수 있다. 미국의 오크리지 국립 실험실(Oak Ridge National Laboratory)의 주도로 수년동안 이루어진 FACE (Free-Air CO2 Enrichment) 실험은 산림 임분 내의 이산화탄소 증가에 따른 산림생태계의 반응을 살펴보기 위한 것이었다. 실험 결과에 의하면, 이산화탄소의 증가는 산림 근권의 생산성을 증가시켰고, 때문에 토양 탄소 저장량은 증가하였다. 실험 초창기 식물순생산성(Net Primary Production, NPP)의 증가가 이루어졌으나, 증가의 경향은 오랫동안 지속하지 못하였다. 수목의 생장에 필요한 질소의 가용성은 급속도로 줄어들었고, 이에 따라 식물순생산성의 증가가 이루어지지 못한 것으로 밝혀졌다. 하지만 FACE 실험은 한정된 작은 지역을 대상으로 한 연구이기에 실험 결과를 전 지구 생태계를 대상으로 적용하기란 쉽지 않다[10].
또한, FACE 실험에서 얻은 자료를 분석하니, 이산화탄소의 증가는 결국 식물체 내의 필수 무기물의 농도를 낮추는 결과를 낳았다. 평균적으로 이산화탄소 농도 2배의 증가는 무기물 농도 8% 감소를 일으켰다. 식물체의 필수 무기물은 마그네슘, 칼슘, 칼륨, 철, 아연을 들 수 있는데, 이들은 농작물의 생장에 매우 필요한 것들이다. 농작물 내 이들 무기물의 부족은 농작물을 섭취하는 인류의 건강을 헤칠 수 있을 가능성을 높인다. 금세기 들어 대기 내 이산화탄소의 증가로 밀, 쌀, 콩에 함유된 아연, 철 등의,영양분은 줄어드는 것으로 연구자들은 밝혔고, 이에 따라 전 지구의 약 20억 명의 사람들이 필수 영양분의 부족에 처할 위기에 놓여있다[11].
2.2.2. 이산화탄소 비료효과의 지역적 차이
전 지구를 대상으로 한 모형 연구를 통해, 이산화탄소의 비료 효과는 열대지역이 가장 크다는 것을 알 수 있었다. 이산화탄소 농도와 광합성 효율의 양의 관계는 중위도에서의 실험결과에서 확연하였고, 이와 같은 양의 관계는 온대 지역이 아한대 지역보다 크게 나타났다. 열대지역의 이산화탄소 비료 효과가 큰 이유는 대기의 수직 혼합과 대기 수송이 저위도에서 더욱 잘 이루어지기 때문이다. 모형 내에서 이산화탄소가 증가할 시, 광합성의 증가는 Michaelis−Menton 곡선 방정식에 의해 설명할 수 있다. 이 방정식에 따르면 높은 온도에서 이산화탄소 증가 효과는 커진다. 그러므로 열대 산림과 같이 무더운 환경에서 이산화탄소 비료 효과의 커짐에 대한 설명이 가능하다[7].
2.3. 식물생산성의 변화와 이산화탄소 비료효과
이산화탄소의 증가에 따른 식물총생산의 증가는 식물의 생화학 과정시 요구되는 이산화탄소의 공급량 증가와 관련이 있다. 미래 이산화탄소 증가 예측에 근거한 모형 구동 결과, 육상생태계는 지속해서 탄소 흡수원으로서 역할을 할 수 있음이 예상되었다. 이와 같은 역할 수행이 가능한 것은 이산화탄소 비료 효과에 대한 기여와 그동안 파괴되었던 산림의 복구가 일어나면서 식물생상성이 늘어났기 때문이다[1].
다양한 이산화탄소 농도에서 작물 생산에 관한 연구가 있다. 이 연구는 잎채소의 성장과 기능성 물질 합성에 최적의 이산화탄소 농도를 찾는 것을 목적으로 한 것으로, 배추, 무, 박초이 등의 작물을 350, 700, 1,000, 4,000ppm 농도로 공급 후 작물의 크기를 측정하였다. 실험 결과, 이산화탄소의 농도가 700ppm일 때 실험 기준 농도인 350ppm보다 배추와 박초이의 크기는 2%, 무의 크기는 3% 커졌다[6]. 고농도 이산화탄소는 광합성률과 수분이용효율을 높여 식물의 생장과 생산력에 긍정적인 결과를 가져올 수 있음이 확인된 것이다. 이와 같은 연구는 현재 여러 국가에서 관심을 두고 추진 중인 지구 온난화 대응을 위한 탄소 줄이기 기술 개발과 관련한 구체적 사례가 될 수 있다. 스마트팜과 같은 시설재배지에서 고농도의 이산화탄소 조건은 이산화탄소 비료를 제공함으로 농업 기술로 활용 가치가 높을 것이다[6].
초본 또는 작물과 달리, 수목의 이산화탄소 증가에 따른 생물량의 증가 경향은 두드려지지 않는다. 온대 삼림수종 여섯 종을 온실에서 수년 동안 고농도 이산화탄소 조건에서 키웠을 경우, 대조군에 비해 생물량 증가가 확인되었으나, 이 성장은 장기간 동안 꾸준히 지속되지 못하였다[5]. 인공위성 자료로 계산된 식생지수(예, NDVI: Normalized Difference Vegetation Index)를 이용하여 전 지구 산림 지역의 식물순생산성의 변화에 관한 추적연구가 수행되었고, 지난 18년간(1982년부터 1999년까지) 지구의 초록화가 증가하여, 생산성이 6% 증가하였다고 보고되었다. 이와 같은 생산성의 향상은 이산화탄소의 비료 효과뿐만 아니라, 기후 제한 효과의 완화와 과거 교란으로부터 회복에 의한 것으로 판단되었다[5].
2.4. 이산화탄소 비료효과로 인한 탄소순환 변화
대기 이산화탄소 농도는 현재도 계속해서 증가 중이기 때문에 이산화탄소 증가는 식물의 생리적, 육상 토양 및 수생생태계의 생물학적 과정까지 두루 영향을 미치고 있다. 식물의 생리적, 생물학적 요인의 변화는 결국 전 지구 탄소 순환에 중요한 변화를 가져올 것이다[8]. 이산화탄소 비료 효과 덕분에 화석연료 사용으로 발생하는 이산화탄소 배출량의 일부를 육상생태계에서 흡수할 수 있다. 그러므로 결국 이산화탄소 비료 효과는 전 지구 탄소 순환을 약화시키는 되먹임 작용을 하게 된다[7].
대기 내 이산화탄소의 증가는 이산화탄소 비료 효과를 일으켜 탄소 배출량을 줄이는 순기능을 할 수 있다. 그러나 이 순기능은 전 지구 기후 시스템의 변화를 막을 만큼 큰 영향은 주지 못하고, 오히려 이산화탄소 증가는 기후변화와 지구 환경 변화를 가속하는 역기능을 수행한 가능성이 높다. 역기능에 대한 예로 이산화탄소의 지속적 증가는 바닷물을 산성화시켜 해양 생태계를 위협하고 식물이 수증기를 내뿜는 증산 효과를 높여 물과 탄소의 기본적인 순환 속도를 무너뜨릴 수 있다[2]. 또한, 이산화탄소 증가와 관련한 온난화 현상은 산불, 홍수, 열파, 가뭄 등의 극단적인 기후 현상의 발생 빈도를 높여 육상생태계 탄소 유동량에 큰 변화를 줄 수 있다[8].
2.5. 미래 이산화탄소 비료효과의 불확실성
이산화탄소 비료 효과로 인한 육상생태계 이산화탄소 흡수량의 증가와 더불어, 기후변화로 식물 생장기의 증가, 조림에 따른 산림 면적의 증가에 따른 이산화탄소 흡수량의 증가도 동시에 이루어질 수 있다[3]. 미래 토지이용변화, 기후변화로 탄소 순환의 되먹임 작용이 생김을 고려하면, 미래 육상생태계 비료 효과가 식물생산성 증가, 탄소배출 감소에 기여하는 정도를 예측하기엔 불확실성이 존재한다.
토지이용 변화, 지구 온난화, 자연재해 발생으로 말미암은 인한 탄소 순환의 되먹임 작용을 고려하면 미래 육상생태계 비료 효과 예측에 대한 불확실성은 크다. 육상생태계 이산화탄소 흡수의 긍정적인 효과도 기온의 상승, 토지이용 변화로 인한 되먹임으로 호흡량이 증가하면 육상생태계 비료 효과는 사라지게 될 것이다[7]. 육상생태계 가운데 이산화탄소를 가숲 많이 흡수, 저장할 수 있는 곳은 삼림지역이다. 하지만 최근 열파, 건조 스트레스, 병충해에 의해 아시아, 북미, 유럽에 이르는 넓은 삼림에 분포한 수목이 고사하고 있다. 이 때문에 식물생산성의 감소와 토양호흡의 증가가 이루어질 것이기에 이산화탄소 비료 효과는 상쇄될 것이다[5].
생태계 모형을 이용해 이산화탄소의 증가에 따른 식물생산성의 변화에 대해 예측 시, 모형, 입력 자료로 인한 불확실성이 따를 수 있다. 열대지역을 포함한 많은 육상생태계의 경우, 질소와 인이 생태계 영양 순환에 결정적인 영향을 주는 요인이 되기 때문에, 이산화탄소의 증가 때문에예상되는 실제 순생산성의 증가는 모형의 예측치보다 낮을 것이다[8]. 모형 예측과는 달리 이산화탄소 비료 효과로 인해 흡수할 수 있는 탄소량은 미래로 갈수록 증가하지 않을 가능성이 더 높을 수 있는데, 이것은 생태계 현장에서 식물의 생리학적 제한 요인(예, 기상 요건, 토양 환경)과 영양분 부족이 발생하기 때문이다[12]. 또한, 산불, 열파, 영구 동토의 녹음 등의 현상은 육상생태계를 이산화탄소 흡수원에서 배출원으로 바꿀 수 있는 위험성을 가지고 있기에 생태계 모형에서 이에 대해 충분히 다루어야 이산화탄소 비료 효과에 대한 불확실성을 줄일 수 있다[3].
3. 결론
이산화탄소 비료 효과에 의한 결과로 이루어질 수 있는 육상생태계 탄소 흡수의 증가는 기후변화에 대응하기 위한 육상생태계의 중요한 서비스가 된다. 그러나 육상생태계의 탄소 순환의 되먹임 작용, 토지피복 변화와 온난화로 인한 기온 증가 등의 변화로 이산화탄소 비료 효과의 생태계 서비스 이익은 감소할 가능성과 서비스 이익에 대한 정확한 평가가 어렵다[7]. 그러므로 생태계 모형에 들어갈 미래 기상, 생태계 입력 자료에 대한 향상과 탄소 유동에 대한 현장 실험은 육상생태계 이산화탄소 비료 효과와 탄소 순환의 관계에 대한 이해를 높이는 데 큰 도움을 줄 것이란 기대이다.
구체적으로 이산화탄소 비료 효과 관련 연구의 향상을 위해서는 인공위성 기술을 이용한 넓은 지역에 대한 신뢰할만한 측정자료의 확보가 중요할 것이다. 인공위성에서의 이산화탄소 측정은 넓은 지역의 이산화탄소 변화에 대한 감시가 가능하도록 해 주었다. 첨단 측정 및 모형 기술의 발전, 그리고 축적된 대기 과학 지식을 사용하여 이산화탄소 비료 효과가 육상생태계 탄소 순환에 미치는 영향을 충분히 설명할 수 있을 것이다.
References
- Haverd, V. et al. Higher than expected CO2 fertilization inferred from leaf to global observations. Global Change Biol 26:2390-2402. 2020.
- ‘CO2’ 지구상 인류에게 독이냐 약이냐https://www.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20160503025002#:%7E:text=%EA%B0%80%EB%AD%84%EA%B3%BC [Viewed 2020-06-26]
- How much carbon can the land absorb with more carbon dioxide in the atmosphere? https://phys.org/news/2019-09-carbon-stomach-dioxide-air.html [Viewed 2020-06-26]
- Lavergne, S. et al. Biodiversity and climate change. Annu Rev Ecol Evol Syst 41: 321-350. 2010.
- 강혜순. 기후변화에 대한 식물의 생태적 반응: 연구동향과 한국에서의 적용가능성. KJEE 46: 319-331. 2013.
- ‘이산화탄소’ 비료처럼 쓰는 기술 나왔다http://www.amnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=37708 [Viewed 2020-06-26]
- Schimel, D. et al. Effect of increasing CO2 on the terrestrial carbon cycle. PNAS 112: 436-441. 2015.
- How big is the carbon fertilization effect? https://www.skepticalscience.com/carbon-fertilization-effect.html [Viewed 2020-06-26]
- Kirschbaum, M. U. F. Does Enhanced Photosynthesis Enhance Growth? Lessons Learned from CO2 Enrichment Studies. Plant Physiol 155: 117-124. 2011.
- Oak Ridge Experiment on CO2 Enrichment of Sweetgum https://face.ornl.gov/expdes.html [Viewed 2020-06-26]
- Myers, S. S. et al. Rising CO2 threatens human nutrition. Nature 510: 139-142. 2014.
- Kicklighter, D. W. et al. A first-order analysis of the potential rôle of CO2 fertilization to affect the global carbon budget: a comparison of four terrestrial biosphere models. Tellus B: 51 : 343-366. 1999.