자연자원의 이해
제2~3강 숲 생태계의 이해
오충현 (동국대학교 산림자원학과 교수)
- 목 차 -
Ⅰ. 숲의 환경 1. 대기환경 2. 토양과 지형 3. 생물적 환경
Ⅱ. 숲 생태계의 구조 1. 숲생태계의 개념 2. 숲의 구조 3. 생물 다양성 4. 숲 생태계의 분류
5. 산림천이와 숲 생태계의 발달
Ⅲ. 숲 생태계와 환경오염 1. 환경오염의 개요 2. 숲 생태계와 대기오염 3. 숲의 쇠퇴현상
4. 열대우림의 파괴
5. 지구온난화현상과 숲의 역할
참고문헌
Ⅰ. 숲의 환경
숲의 환경(環境; environment)이라 함은 산림식생(山林植生; forest vegetation)
다. 환경은 숲의 생물적 요인과 영향력을 교환할 뿐만 아니라, 환경요인 상호간에도 복잡한 연관관계를 가지고 있기 때문에, 다른 요인과의 관계를 고려하지 않고서는 해석이 곤란하다. 숲의 환경을 보다 쉽게 이해하기 위하여 대기환경, 토양과 지형, 생물적 환경의 세 가지로 나누어서 살펴보고자 한다.
1. 대기환경
(1) 태양광선
숲 생태계를 존속시키는 에너지의 근원은 태양광선(太陽光線)이다. 태양광선은 녹색식물의 광합성에 관여하여 생산의 기본이 될 뿐만 아니라, 온도․강우․바람 등의 기후조건에도 직접적으로 영향을 미침으로써 식물의 생육ㆍ발달ㆍ적응 및 분포를 결정하는 중요한 환경요인이다.
태양광선이 숲에 미치는 영향은 빛의 세 가지 성질, 즉 광질(光質; light quality)․
광도(光度; light intensity) 및 광주기(光週期; photo period)로 나누어 살펴볼 수 있다. 식물은 태양광선의 성질에 따라서 식물은 독특한 생리적․생태적인 반응을 나 타낸다.
태양복사(solar radiation)의 파장에 따른 광선의 종류를 광질이라고 한다. 태양 광을 파장이 짧은 순서로 구분하면 자외선(紫外線)․가시광선(可視光線)․적외선(赤外 線)의 순서로 구분되는데, 녹색식물이 광합성에 이용하는 가시광선은 380㎚부터 740㎚까지의 가시광선을 의미한다. 식물의 엽록체는 400㎚부근의 파랑색 광선과 700㎚부근의 빨강색 광선을 가장 많이 흡수하여 광합성에 이용하고, 520㎚부근의 초록색 광선은 많은 양을 반사하므로 녹색식물이 초록색으로 보이는 원인이 된다.
광도는 빛의 세기, 즉 밝고 어두움을 의미한다. 식물은 어두운 상태에서는 광합성 을 하지 않고 호흡작용만 하기 때문에 이산화탄소(CO2)를 배출한다. 서서히 빛을 쪼이면 광합성을 시작하면서 이산화탄소를 흡수하기 시작하는데, 이 때 호흡작용으 로 배출되는 이산화탄소의 양과 광합성작용으로 흡수되는 이산화탄소의 양이 일치 하는 때의 광도를 광보상점(光補償點; light compensation point)이라고 한다.
광도가 광보상점 이상으로 증가하면 광도가 증가하는 만큼 광합성량도 비례하여 증가하다가 어느 지점에 달하면 광도가 증가하여도 광합성량이 더 이상 증가하지 않는 상태가 되는데, 이 때의 광도를 광포화점(光飽和點; light saturation point)이 라고 한다. 광보상점과 광포화점은 온도․습도․대기 중의 이산화탄소 농도 등의 요인 에 따라 다소 차이가 있고, 수종에 따라서 현저한 차이를 보인다. 내음성이 강한 음 수는 내음성이 약한 양수보다 비교적 광보상점과 광포화점이 낮다.
광주기는 낮과 밤의 상대적인 길이를 의미하며, 일장(日長)이라고도 한다. 온대지 방에서의 일장은 계절적으로 변화하며 온도의 변화를 동반한다. 계절적인 온도의 변화는 다소 불규칙한 반면 일장의 변화는 규칙적이다. 수목은 일장의 변화에 따라
서 계절의 변화를 감지하고 온도의 변화와 더불어 종자휴면의 진입과 타파ㆍ종자의 발아․줄기 및 지름의 생장․개화․결실․낙엽시기 등을 조정한다.
(2) 온도
온도(溫度)는 어떤 물체가 열에너지를 방출하는 정도를 나타내는 지표로서 산림 식생의 생장과 분포에 지대한 영향을 끼친다. 대기온도는 일(日)․연(年), 그리고 장 기적인 지질학적 변화에 의한 시간적인 변화와 위도․해발고․바다 또는 호수로부터의 거리, 미세지형․주변 식생 등의 공간적인 변화에 따라 변화한다. 식물은 이와 같은 온도특성에 적응하여 지역에 따라 독특한 식생형을 형성하고 생태계의 생산성에 관 여하여 식물의 생장과 발달을 좌우하기도 한다.
온도는 또한 고산지대의 수목한계선을 결정짓는 중요한 요인이다. 상록활엽수림 이나 온대낙엽수림의 북방한계선과 해발고의 증가에 따른 식물의 분포한계는 겨울 철의 최저온도에 의해서 결정된다. 온도가 식물에 미치는 영향은 광선․수분․무기양 료 등과 같은 다른 환경요인과 밀접한 상호작용을 통해 연결되어 있으며 그 과정은 대단히 복잡하고 다양하다.
(3) 수분
식물체내에서 수분은 원형질의 1차 구성요소이며 광합성 등의 생물학적 반응에 이용되고 양료의 용매역할을 하며 팽압의 유지수단이기 때문에 산림식생의 생육․발 달․적응 및 분포를 결정하는 중요한 환경요인이 된다. 또한 숲 생태계는 물의 질과 양 그리고 시간적인 변이와 밀접한 관계가 있기 때문에 수분은 숲의 제한요소로 작 용하는 경우가 많다. 수목이 이용하는 수분은 대기 중의 수분과 토양수분이며, 그 근원은 물의 순환(hydrologic cycle)에 의한 강우이다.
숲의 수분상태는 단순히 강우에 의해서 결정되는 것은 아니다. 또한 식물에 이용 할 수 있는 수분도 대상지의 수분상태에 의해서 결정되는 것은 아니다. 유입되는 수 분의 물리적인 성격과 시간, 토양과 지형 조건, 수분의 물리화학적인 상태, 기후 조 건, 그리고 식물체의 적응력 등이 수분의 가용성과 생태적인 효율성에 영향을 준다.
식물은 수분의 부족과 과잉에 적응할 수 있는 내성을 가지고 있다. 이러한 적응력 으로 식물은 가뭄과 홍수에도 견디며 생존할 수 있다. 그러나 수분환경에 대한 적응 력은 식물종에 따라서 내성의 범위가 크게 다르므로 수분조건은 식물의 분포를 결 정하는 주요요인이 된다.
2. 토양과 지형
토양(土壤; soil)은 식물생육의 바탕이라고 할 수 있다. 숲 토양은 수목에게 물과
어진 토양으로 식물의 뿌리․특정 미생물과 토양 속 작은 동물을 포함하며 농경지 토 양과는 달리 인간에 의한 변형이 작은 자연적인 상태를 간직하고 있는 경우가 많 다. 또한 숲 토양과 식물은 상호간에 수분과 양료를 교환․이동․전환함으로써 양료순 환과도 밀접한 관련이 있다.
(1) 토양층위
숲 토양의 성질에 중요한 영향을 끼치는 요소 중의 하나는 모재(母材; parent material)이다. 모암이나 빙하토 같은 모재와 더불어서 기후․식생․시간(비교적 오랜 세월) 등이 변수로 작용하여 풍화작용을 거쳐 토양이 생성된다. 자연 상태의 토양은 화학적 반응과 침전으로 형성되는 몇 개의 수평적인 층으로 구분된다. 이것을 토양 층(土壤層 ; soil horizon)이라 하고, 토양층의 집합체를 토양층위(土壤層位 ; soil profile)라고 한다.
토양층위의 가장 윗부분은 분해되지 않은 낙엽층인 L층(litter)이 자리 잡고, 그 아래에는 부분적으로 분해되었으나 근원을 식별할 수 있는 F층(fermentation)이 생 기며, F층 아래에는 유기물이 완전히 분해된 부식층인 H층(humus)이 형성된다. 위 의 세 가지 층을 통틀어서 O층(organic)이라고 한다.
유기물층 아래에는 광물질토양(mineral soil)이 있다. 위층의 유기물과 광물질토 양이 혼합되어 어두운 색을 띠는 표층토를 A층이라 하는데 이 층위는 식물뿌리의 생육장소이다. 빗물이 A층을 통과하여 아래로 스며들면서 A층에서부터 부식질․점 토․철분․알루미늄 성분 등을 용탈하여 집적해 놓은 토양층을 B층이라고 하는데, B층 은 온대활엽수림에서는 일반적으로 적갈색을 띤다. B층 아래는 토양생성작용이 거 의 없는 모재로 구성되어 있는데 이 층을 C층이라 하고 더 아래에는 모암(母岩)인 R층이 깔려 있다.
숲 토양은 항상 이상과 같은 모든 층위를 가지고 있는 것은 아니며 경우에 따라 서는 특정토양층이 나타나지 않기도 하고 보다 더 세분화되기도 하며 구분이 명확 하지 않을 수도 있다.
(2) 토양의 물리적 성질
토양의 입자는 지름의 크기에 따라서 모래(sand), 미사(silt), 점토(clay)로 구분된 다. 토양의 입자가 작을수록 물․공기․무기이온 등과 접촉할 수 있는 표면적이 증가하 므로 토양의 입자 크기는 토양의 여러 가지 성질을 결정하는 중요한 요소이다.
토양체(soil mass) 중에 모래․미사․점토의 상대적인 구성 비율에 따라서 토성(土 性 ; soil texture)이 구분된다. 입자가 작아지는 순서로 구분하면 사토(sand)․사질 양토(sandy loam)․양토(loam)․미사질양토(silty loam)․식양토(clay loam)․식토(clay) 등으로 구분된다. 토성은 통기성, 수분보유 능력, 양료공급 능력, 배수 정도와 밀접 한 관계가 있기 때문에 식물 생육에 직접적인 영향을 준다.
토양체의 약 절반은 고체인 토양입자와 유기물로 구성되어 있고, 나머지 절반은
액체와 기체로 채워질 수 있는 부분으로 구성되어 있다. 이것을 토양의 공극(孔隙 ; pore space)이라 하고, 토양체의 부피에 대한 공극의 비율을 공극률(孔隙率 ; bulk density)이라고 한다. 공극률에 따라 토양의 용적밀도(容積密度 ; bulk density)가 좌우되며 이것은 식물의 뿌리와 토양 속에 있는 생물의 활동에 많은 영향을 미친다.
(3) 토양의 화학적 성질
토양의 산도는 pH로 표시한다. 이것은 토양 중의 수소이온(H+) 농도와 관계가 있 다. 일반적으로 숲 토양은 낙엽층이 분해되면서 유기산(organic acid)을 분비하기 때문에 초원 토양이나 농경지 토양보다 pH가 낮은 경향이 있다. 숲 토양의 pH는 미생물의 활동, 칼슘(Ca)과 마그네숨(Mg)과 같은 양료의 가용성, 질산화 작용(窒酸 化作用; nitrification) 등에 영향을 미친다.
토양교질(土壤膠質 ; soil colloid)의 표면은 음전하를 띠기 때문에 각종 양이온 (cation)들이 강하게 흡착되어 있다. 이런 양이온들과 교질물 외곽 부위에 유리되어 있는 양이온들이 서로 위치를 바꾸는 경우가 있는데 이런 현상을 양이온치환 (cation exchange) 또는 염기치환(鹽基置換 ; base exchange)이라고 부른다. 일정 량의 토양 또는 교질물이 가지고 있는 치환성 양이온의 총량을 밀리그램당량 (meq/100)으로 표시한 것을 양이온치환용량(cation exchange capacity)이라고 하 는데 이것은 토양 중의 가용 양료의 양을 측정하는 단위이므로 토양의 비옥도와 관 계가 깊다.
(4) 토양생물상
토양 속에서 서식하는 식물의 뿌리와 토양미생물, 토양 속 동물들은 생물 상호간, 그리고 토양의 환경과 밀접한 연관관계를 가지고 있다. 토양생물의 종류와 밀도에 영향을 끼치는 인자 중에서 대표적인 것들은 산소․수분․토양온도․무기양료․유기물 등 이다.
식물의 뿌리는 토양 깊숙이 침투하여 자랄 수 있으며 말라 죽은 뿌리는 토양의 깊은 층까지 유기물을 공급하고 미생물과 동물의 에너지원이 되기도 한다. 또한 콩 과식물과 오리나무 등의 뿌리에 서식하는 특정한 박테리아는 대기 중의 질소를 고 정하고 뿌리와 공생하는 균근(菌根 ; mycorrhiza)을 형성하기도 한다.
토양미생물은 크게 세균(細菌; bacteria), 균류(菌類; fungi), 방사상균(放射狀菌;
actinomycete) 그리고 조류(藻類; algae)로 분류할 수 있다. 이들은 토양유기물을 무기물 성분으로 분해하거나 무기물의 산화, 유기물 합성 등의 역할을 한다.
토양동물은 토양미생물에 비하여 기능이 분명하며, 대형의 척추동물부터 원생동 물에 이르기까지 그 종류도 매우 다양하다. 특히 지렁이는 광물질 토양을 혼합하여 물리적 성질을 개선시키고, 배설물을 분비하여 토양의 양료조건을 증진시키는 등 토양의 생산성 향상에 많은 영향을 준다.
(5) 지형
우리나라와 같이 굴곡이 심하고 복잡한 지형에 형성된 숲은 지형적 조건(地形的 條件; physiographic condition)이 상당히 중요한 환경요소가 된다. 지형적 조건으 로는 해발고․굴곡정도․사면방향․경사위치․경사도 등을 들 수 있다. 이러한 요소들은 직접적으로 산림식생의 생육과 분포에 관여하여 생산성을 좌우하기도 하지만 수광 량․기온․토양온도․강우량․토양의 성질․토양습도 등이 지형적 조건에 따라 상당한 변화 를 보이기 때문에 소홀히 다룰 수 없는 환경요인이다.
일반적으로, 해발고가 높을수록 강우량은 증가하지만, 토양이 침식되어 암반의 노출정도가 심하고 토양은 척박해지는 경향이 있다. 능선 부위와 경사가 급한 숲은 대체로 토양입자가 크고 배수가 지나치게 잘 되는 경향이 있으므로 비교적 건조하 다. 이러한 건조현상은 산복부위를 거쳐 계곡부위로 내려올수록 완화되어 수목의 생장이 빠르고 분포하는 식물의 종도 다양해진다.
남쪽사면은 태양광선을 비교적 많이 받으므로 온도가 높고 그에 따라 증발산이 증가하게 되어 건조해지기 쉽다. 따라서 이런 입지조건에 잘 견딜 수 있는 소나무 등과 같은 수종이 자리를 차지하고 있다. 반면 북사면은 태양광선을 보다 적게 받기 때문에 온도가 낮고 수분조건이 양호하기 때문에 수목의 생장도 빠르고 활엽수종 위주의 숲이 형성되며 여러 가지 식물종들이 생육할 수 있는 여지가 많아 숲의 구 조가 비교적 복잡하다.
3. 생물적 환경
특정한 수목은 주위의 다른 수목들과 광선․수분․양료․생육공간 등에 대하여 경쟁관 계나 상호 보완관계를 맺을 수 있기 때문에 중요한 환경요인으로 고려할 수 있다.
식물․동물․미생물 사이에서도 여러 가지 형태의 상호작용이 있으므로 어떤 생물을 주체로 하면 다른 생물체들은 주변 환경이 된다. 숲의 생물적 환경조건들은 상호 복 잡한 연관성을 맺고 있으며, 물리적 환경조건들과도 서로 영향을 주고받는다.
오늘날에는 인간이 숲에 대하여 많은 영향을 끼치고, 심지어는 숲 자체의 존폐에 도 관여하기 때문에 가장 괄목할만한 생물학적 환경요인이라고 할 수 있다. 따라서 인간은 숲의 생태적 과정을 잘 이해하여 숲과 더불어 번영할 수 있는 지혜가 필요 하다.
Ⅱ. 숲생태계의 구조
1. 숲생태계의 개념과 속성
숲은 비교적 키가 큰 교목을 위주로 관목과 초본식물을 비롯하여 여러 가지 동물 과 미생물들이 어우러져 살아가는 생물군집(生物群集)이다. 다른 생물계와 같이 숲 의 생태학적 단위의 기본이 되는 것은 개체(個體; individual)이며, 동종 개체의 집 합은 개체군(個體群 ; population)이라고 한다. 개체군의 집단, 즉 여러 가지 생물종 들이 어우러져 산림군집(山林群集; forest community)을 형성한다. 산림군집은 토 양․기후․지형 등과 같은 물리적 환경요소와 상호연관관계를 맺고 유지되는데, 이를 숲 생태계(山林 生態系 ; forest ecosystem)라고 한다. 산림생태계는 다음과 같이 6가지 요소로 구성된다.
- 무기물질(inorganic substance) : 양료 순환에 관여하는 무기영양소(C, H, O, N, P, K 등)
- 기후요소(climatic regime) : 산림생물의 생육과 분포 및 다른 물리적 환경요소에 관여하는 기후적 조건(태양광선․온도․강우량 등)
- 유기화합물(organic compound) : 생물체의 산물이며 무기물로 분해되기 전의 유 기물(탄수화물․단백질․지방 등)
- 생산자(producer) : 무기물질을 유기화합물로 합성하는 자영양생물(녹색식물․조 류 등)
- 소비자(consumer) : 다른 생물체를 섭취하여 영양을 확보하는 타영양생물(초식 동물․육식동물 등)
- 분해자(reducer) : 복잡한 유기화합물을 간단한 무기물질로 분해하는 미생물(곰 팡이․박테리아 등)
숲 생태계는 토양과 대기, 에너지원(태양), 물의 공급 등의 무생물적(abiotic) 환 경요소에 생물적(biotic) 요소인 산림군집이 접합되어 이루어진다. 여기서 산림군집 을 구성하는 생물종의 종류․수․생체량․생활상․분포범위 등을 비롯하여 물리적 환경요 소의 종류․양․정도․범위 등은 숲 생태계의 구조적 속성이다. 에너지의 흐름과 양료 순환 등과 같이 물리적 환경요소와 산림군집 사이에 에너지와 물질의 지속적인 교 환과 상호작용 및 먹이사슬을 통한 산림군집 내의 에너지 흐름은 숲 생태계의 기능 적인 속성이다. 또한 숲 생태계는 정체되어 있지 않고 시간이 지남에 따라서 끊임없 이 변하여 안정 상태로 수렴하고자 하는 항상성(恒常性; homeostasis)의 속성을 가 진 시스템이다.
2. 숲의 구조
(1) 식물의 생육형
숲 속의 식물종들이 고유의 유전적 구성을 바탕으로 생육환경에 적응하고 발달하 여 생겨난 특징적인 모습을 생육형(生育形 ; growth form, life form)이라고 한다.
생육형은 목본성과 초본성, 잎의 상록성과 낙엽성, 줄기의 모양, 높이, 잎의 모양 등 과 같은 식물의 성격과 모습이 이용된다.
숲을 이해하기 위해서는 그 속에서 자라고 있는 식물들의 여러 가지 생육형을 구 분해야 한다. 숲은 숲을 형성하는 식물들의 생육형에 의해서 속성이 결정된다. 예를 들어 초원과 산림은 원래의 생태계가 다르듯이, 소나무림과 활엽수 혼효림도 기본 적인 생태학적 특성에서 많은 차이가 있는데, 이것은 그 구성식물의 생육형이 다르 기 때문이다.
(2) 숲의 수직적 구조
우거진 숲에 들어가면 높은 곳까지 뻗어 있는 수목부터 우리의 눈 아래에서 생육 하는 식물들을 다양하게 관찰할 수 있다. 이와 같이 숲에는 지표면에서 최상층부까 지 식물들이 한 개 이상의 층을 이루고 있는데, 이러한 모습을 수직적 구조(垂直的 構造; vertical structure) 또는 층화(層化; stratification)라고 부른다. 천연림에서 수직적 구조를 형성하는 이유는 숲을 구성하는 식물들의 생육형이 다양하여 종에 따라서 최대로 자랄 수 있는 식물의 높이가 다르기 때문이다.
(3) 숲의 수평적 분포
숲에서는 환경이 달라지면 환경변화에 따라 식생도 달라지는 것을 관찰할 수 있 다. 이러한 수평적인 식생의 변화는 수종의 구성과 분포 변화로 군집을 형성한다.
숲의 수평적 분포는 토양의 성질, 배수의 정도, 지형적 위치 등과 같은 입지조건들 과 식물 종 구성과의 연관관계, 종자 산포 방법과 범위, 식물 개체간 또는 종간의 경쟁, 식물종간의 상관관계 등과 같은 생물학적 조건들이 반영되어 나타난다.
(4) 종구성
숲은 여러 가지 생물종들이 어우러진 집단이며, 식생을 중심으로 발전되기 때문 에 종구성(種構成; species composition)은 숲을 분석하는데 중요한 역할을 한다.
토양, 기후, 그리고 지형적인 환경조건들과 식물종 상호간의 연관관계에 의해 어떤 종은 다른 종보다 생육 및 번식 상태가 우월하여 우점종 역할을 하고, 같은 종의 후 대개체들이 뒤를 이어 재생산되기 때문에 특정한 숲이 유지된다. 비슷한 식생 상관 (相觀; physiognomy)을 가진 숲 사이에도 우점수종이나 구성수종이 다르기 때문에 전혀 별개의 군집속성을 유지하는 경우도 있다. 숲을 구성하는 수종별로 밀도․빈도․
피도․생체량 등을 조사하고 상대적인 비율을 추정하여 산림군집의 종의 구성을 파
악할 수 있다.
(5) 종간 상호작용
여러 가지 생물종들이 어울려 생육하며 이루는 생물군집에서는 특정한 생물종들 사이에 독특한 형태의 생물학적인 관계가 발견되는데, 이를 종간 상호작용(種間相 互作用; species interaction)이라고 한다. 숲에서 생육하는 생물종들 사이에서도 여러 가지 형태의 상호작용을 관찰할 수 있다. 이러한 상호작용은 어떤 종이 다른 종에 대하여 이로움을 주는지, 또는 해로움을 끼치는지, 필수적인 작용인지 또는 선 택적인 작용인지에 따라서 그 유형이 구분된다. 숲에서 발생할 수 있는 주요 종간 상호작용은 중립, 경쟁, 기생, 공생, 원시협동, 포식 등으로 구분된다.
(6) 종 다양성
종 다양성(種多樣性; species diversity)은 숲의 구조적인 속성 중의 하나이다.
종다양성은
구성종들의 풍부성(richness)과 균재성(evenness)의 두 가지 요인에 의해서 결정 된다. 종의 풍부성은 특정군집에 생육하는 종의 수를 의미하는 것이며, 종의 균재성 은 각 종마다 개체수의 분포 정도를 의미한다. 두 군집 사이에 생육종의 수가 같을 경우에도 각 종마다 분포하는 개체수가 다르기 때문에 종 다양성에 차이가 생긴다.
생육종의 수가 많아질수록 풍부성은 당연히 증가한다. 자연상태에서 현실성은 없 으나 각 종마다 동일한 개체수가 분포할 때 균재성이 최대가 된다. 그러므로 군집 속에 많은 수의 종이 출현하고 종마다 비슷한 수의 개체들이 분포할 경우에 종 다양성이 높다라고 표현하고, 구성 종이 몇 개 안되거나 몇몇의 종에만 개체들이 집중되어 분포할 경우에 종 다양성이 낮다라고 표현한다.
종 다양성은 숲의 여러 가지 속성을 간접적으로 해석하는 데 유익한 정보를 제공 한다. 많은 수의 종들로 구성된 군집은 종간 상호작용이 다양하므로 종 다양성이 높 은 숲은 구조적으로 복잡하다. 종간 상호작용이 관여하는 에너지의 흐름, 먹이사슬 의 구조, 양료의 순환, 생태지위(niche)의 구성 등은 종 다양성이 높은 숲일수록 이 론적으로는 복잡하다.
종 다양성은 군집의 안정성과 성숙도의 측도이기도 하다. 생태천이(生態遷移;
ecological succession)가 진행될수록 숲의 안정성과 성숙도는 증가하므로 많은 생 태학자들이 천이단계에서의 특징적인 군집의 속성과 그 단계의 종 다양성을 연결시 켜 연구하고 있다. 숲 구조상의 복잡성, 외부 교란요인으로부터의 안정성, 그리고 천이진행과 발달과정상의 성숙도는 종 다양성과 정비례하는 경향이 강하다.
3. 생물 다양성
생물 다양성(生物多樣性; biodiversity)은 생물체의 유전적인 구성, 생물종의 수 와 종류, 그리고 서식처로서의 생태계와 경관(landscape)의 다양함을 의미한다. 또 한 개별적 차원에서의 생태적인 구조와 기능의 다양함을 포함하면서 각 시스템과 차원들은 상호 연관되어 있다. 즉 기본적인 생태계 또는 서식처가 유지되기 위하여 생물종의 보존은 필수적이며, 이를 위해서는 가능한 많은 유전적인 다양성이 유지 되어 생태계의 구조와 기능이 균형을 이루어야 한다.
각 요소들은 거대한 시간과 공간의 범위를 가지고 있다. 생물 다양성의 시간적인 범위는 수 시간부터 수십 년, 나아가서는 수천 년 이상으로 펼쳐지고 공간적인 범위 는 국소적인 유전적 체계에서 개체로 연결되며 나아가서 생물군집에서 지역생태계 로 확대되며 지구의 생물권까지 이에 포함된다.
생물 다양성을 이야기할 때 유전자 다양성과 종 다양성이 부각되는 경우가 많다.
이미 특징적인 유전적 변이를 유지하고 있는 특정개체군에 대해 보다 많은 유전적 인 변이가 추가되는 것은 그 개체군을 구성하는 개체들의 변이가 다양해진다는 것 을 의미한다. 하지만 종 다양성은 생물 다양성의 일면에 불과하다. 생태학자들은 흔 히 종의 수와 종당 개체들의 균재성을 기초로 하는 종 다양성 지수는 생물 다양성 을 해석하기에는 미흡하며 오히려 인간에 의해서 위협받는 고유생물종에 초점을 맞 출 필요가 있다고 주장한다. 특정생물종이 생존하는 서식처로서의 생태계를 보존하 지 않고서는 그 생물종을 보존할 수 없으므로 전체 생태계의 구조와 기능 자체의 보존이 중요하기 때문이다.
4. 숲 생태계의 분류
숲과 관련된 자연자원의 이용과 합리적인 보존을 달성하기 위해서는 숲을 조직화 된 단위로 다룰 수 있도록 숲 생태계의 체계적인 분류가 필요하다. 숲 생태계 분류 (forest ecosystem classification)는 숲에 대한 이해와 구성요소들의 성격을 규명 하기 위하여 대상물 또는 구성 집단의 동질성을 기본으로 하여 분류하는 방법이다.
(1) 숲 식생의 분류
숲 식생 분류(forest vegetation classfication)는 비교적 동질성을 가진 숲이 다 른 식생단위와는 구별되면서 반복적으로 나타나는 식생부류를 같은 집단으로 묶어 주는 것이다. 지금까지 산림학자들이나 숲 생태학자들이 채택한 숲 식생 분류방법 중에서 현재 통용되고 있고 우리나라의 숲에 적용할 수 있는 분류체계는 다음과 같은 것들이 있다.
- 산림 우점형 분류(forest dominance type classification) : 숲을 구성하는 수종 중에서 생체량․밀도․수고․피복도․분포 등이 다른 수종에 비해 월등히 높은 우점수 종을 바탕으로 분류하는 방법이다.
- 산림 피복형 분류(forest cover type classification) : 산림의 구성상태, 우점수 종의 구성비율, 경제적인 중요성, 그리고 재적의 차이 등을 기준으로 산림을 분류 하는 방법이다.
- 산림 서식지형 분류(forest habitat type classification) : 잠재극상식생 (potential climax vegetation)을 근거로 산림을 분류하는 방법이다.
(2) 기후적 분류
기후는 식생의 형상과 분포를 결정하는 요인 중의 하나이다. 지구상의 주요 식생 군계는 주요 기후대와 밀접한 관계를 맺고 있을 뿐만 아니라 기후대 안의 국지적인 기후 변화는 특정 식생형 안에서도 식물종의 구성과 분포에 많은 영향을 미치고, 미 세기후(微細氣候; microclimate) 또한 식물군집의 생태적인 구조를 결정짓는 중요 한 요소가 된다.
이와 같이 기후요소가 생물 생육의 증감과 종의 분포에 직접 작용하기 때문에 일 찍부터 식물지리학자들에 의해서 시도된 식생의 분류는 기후적인 매개변수를 근거 로 하였고, 오늘날의 생태계적인 접근에 의한 식생분류도 기후를 주요 요소로 하여 분류하고 있다.
(3) 지형적 분류
토양과 지형은 산림입지의 중요한 요소로서 그 차이로 인한 숲의 구조와 구성 및 생산성에 지대한 영향을 미치므로 지형적 분류(地形的 分類; physiograpic classification)의 기본이 된다. 지형적 변이에 따른 온도와 수분의 조건은 그 자체 뿐만 아니라 산림토양의 양료 가용성에 직접적으로 관여하게 되어 숲 식생의 구성 과 분포를 결정짓는 일차적인 요소로 작용한다. 따라서 토양과 지형은 숲 생태계 분 류의 한 방편으로 이용된다.
(4) 생태계 분류
생물상이 단조로운 경우, 각 수종의 분포 범위가 상당히 넓고 환경에 대한 내성의 범위가 명확하지 않은 경우, 이러한 조건들과 더불어서 물리적인 환경과 생물상과 의 연관관계에 대한 정보가 미비한 경우에는 숲 식생을 위주로 작성된 분류체계는 많은 오류를 가지게 된다. 이 경우 생태계 분류(生態系 分類; ecosystem classification)를 통한 방법개선이 필요하다. 생태계 분류는 명확하게 정의된 기후․
토양․지형, 식생들의 조건을 망라하여 숲 생태계를 종합적으로 분류하는 방법이다.
생태계 분류의 종적인 체계를 갖추기 위해서는 산림형성의 주요 요인인 온도와
후요소에 의해서 결정되는 식생형과 토양형을 감안하여 둘 이상으로 재구분되고, 숲의 식생구성과 군집구조상의 차이 및 토양의 성질 차이에 따라서 세분되어 생태 계형으로 분류된다. 다시 세분화된 생태계형은 토양수분, 비옥도, 광선 조건과 관계 되는 지형조건이 고려되어 숲 식생단위와 잠재생산성과 연결되면서 생태계 분류단 위의 기본이 된다.
5. 숲의 천이와 숲 생태계의 발달
(1) 천이의 개념과 유형
고등생물군집이 존재하지 않는 암석지나 사구(砂丘) 등에는 이끼나 선태류 등의 하등식물이 먼저 터를 잡고 유기물을 축적하기 시작하여 그 지역의 환경에 적합한 식생을 만들어 내며, 인위적이거나 자연적인 교란요인에 의해서 훼손된 자연식생은 원래의 상태로 복귀하는 과정을 거친다. 이와 같이 생물상이 시간이 지남에 따라 점 차 다른 생물상으로 변화하여 궁극적으로 주위 환경과 조화를 이룸으로써 생물상의 변화가 안정상태로 유도되는 진행과정을 생태천이(生態遷移; ecological succession)라고 한다.
생물상은 환경적응의 결과이고 환경, 특히 미세환경은 생물상에 의해서 조절되는 특성을 가지고 있으므로 생태천이는 생물상의 변화와 이에 수반되는 물리적 환경의 변화를 포함한다. 이러한 과정이 숲에 의해 주도되거나 산림군집에서 일어나는 경 우를 산림 천이(山林遷移; forest succession) 또는 숲의 천이라고 한다.
암석지․빙하토․사구․호수․화산의 폭발에 의해서 새로 생긴 섬 등과 같이 고등생물 상이 존재하지 않던 지역에 하등식물이 이주하여 정착하면서 시작되는 천이를 1차 천이(一次遷移 ; primary succession)라고 한다. 1차 천이가 시작되는 장소의 상태 를 기준으로 호수나 습원(bog)과 같이 물에서부터 비롯되는 천이를 습성천이(濕性 遷移; hydrarch succession)라고 하고, 암석지나 사구 등의 건조한 장소에서 시작 되는 천이를 건성천이(乾性遷移; xerarch succession)라고 하며, 빙하토와 같이 적 습한 토양에서 출발하는 천이를 중성천이(中性遷移; mesarch succession)라고 한 다. 습성천이와 건성천이는 기후와 토양의 모재가 허용하는 한도 안에서 중성식생 군집(mesophytic community)으로 수렴하는 경향이 있다.
인위적이거나 자연적인 교란에 의해서 훼손된 식생이 원래 상태의 식생으로 복귀 하고자 하는 천이를 2차 천이(二次遷移; secondary succession)라고 한다. 2차 천 이를 유발시키는 주요 요인들은 산불, 산림벌채 후의 방치, 기상 재해 등이다. 교란 이 발생하더라도 일부 식물체가 남아 있거나 번식자(종자․포자․뿌리 등)를 비교적 쉽 게 품을 수 있는 토양이 남아 있는 경우가 많다. 그러므로 2차 천이의 초기단계는 1차 천이의 중간단계에 해당된다.
(2) 천이의 진행단계와 극상림
한 시점에서의 식생상이 점차 다른 식생상으로 교체되어 간다는 천이의 개념에는 그 시점의 환경조건에 적응한 식생이 단계적으로 이어져 진행한다는 것을 의미한 다. 특정한 천이단계의 산림에서 새로운 어떤 수종의 생육에 적합한 조건이 형성되 면 해당 수종이 이주하여 정착하게 되고 기존 수종과 번식 및 입지 점유의 경쟁이 일어나면서 군집의 성격이 변해 가게 된다. 이와 같은 천이는 그 출발인 건성ㆍ중성 ㆍ습성과는 상관없이 중간과정을 거치는 동안 궁극적으로는 음수성 수목으로 천이 가 귀결되는 특징을 가진다. 표 1은 1차 천이의 세 가지 유형인 건성․중성․습성천이 별로 10가지의 전형적인 천이단계를 구분하여 최종적으로 음수성 수목으로 귀결되 는 것을 보여준다.
단계 건성천이 중성천이 습성천이
1 건조 암석지 습윤 암석지 호수 또는 습원
2 피각성 선태류 - 수중식물
3 엽상 선태류 및 이끼류 - 부유식물
4 이끼 및 1년생 초본류 1년생 초본류 수생식물(emergent)
5 다년생 초본류 다년생 초본류 사초류 및 물이끼류
6 혼합 초본류 혼합 초본류 혼합 초본류
7 관목류 관목류 관목류
8 양수류 양수류 양수류
9 중간수류 중간수류 중간수류
10 음수류 음수류 음수류
표 1. 1차 천이의 천이단계
식생이 없는 초기상태에서 하등식물이 가장 먼저 이주하고, 그 다음으로 초본식 생, 그 후에는 목본으로 구성하는 군집단계로 변화하면서, 점차 천이의 진행은 마무 리되고 생물상은 물리적 환경과 평형상태를 이루며 거의 변화가 없는 안정된 군집 에 도달하게 된다. 이러한 마지막 단계 또는 거의 변화 없이 상당히 오랫동안 지속 되는 군집을 극상군집(極相群集; climax community)이라고 하고 식생형이 산림일 경우 이를 극상림(極相林; climax forest)이라고 한다.
숲의 천이는 그 지역의 특징적인 선구수종(pioneer species)의 이주에 의해서 시 작된다. 한 단계에서 번성한 수종들이 후대의 수종들에게 자리물림을 계속함으로써 숲의 수종구성상에 변화가 일어나며, 궁극적으로는 수종구성의 변화가 거의 없어지 고 내음성이 강하고 비교적 수명이 긴 임목들이 충분히 발달하여 생육입지와 균형 을 이루는 극상림에 도달하게 된다.
(3) 생태계 속성의 변화
고, 또한 그 변화에 의해서 천이의 진행은 촉진된다. 그러나 이러한 모든 변화들은 천이의 유형 및 생태계의 속성에 따라서 일률적으로 적용할 이론을 제시하기가 어 렵고 차이가 많으며 예외 또한 많다. 이런 특성 때문에 숲의 천이이론을 하나의 가 설로 인정하기도 한다.
숲의 천이가 진행될수록 산림군집 안에 있는 나무들의 수고가 증가하고 수형은 커지며 수직적 계층분화가 일어난다. 지상의 산림식생피복의 높이와 밀도가 증가함 으로써 산림군집 내의 미세기후는 점진적으로 군집 자체의 성격에 의해서 변화되어 간다. 천이 초기의 단순한 군집에서 천이 후기의 복잡하고 성숙한 군집으로 변화할 수록 종 다양성은 증가하게 된다.
토양은 시간이 흐를수록 성숙해진다. 토심이 깊어지고, 유기물함량이 증가하며, 토양층의 분화가 일어나면서 성숙한 토양으로 변해 간다. 산림식생과 토양 중의 양 료저장량이 증가하고, 식물체내의 양료저장비율이 증가한다. 토양의 발달, 군집구조 의 분화, 자원이용효율이 증가함으로써 산림군집의 유기물의 생성비율이 증가한다.
결과적으로 산림군집의 상대적인 안정성은 증가한다. 천이 초기에는 개체군간의 경쟁이 빠르게 진행되어 어떤 경우에는 불안정한 현상이 나타난다. 하지만 최종단 계의 산림군집은 직선적인 변화가 거의 없는 군집구성으로 개체군을 유지하는 수명 이 긴 수종들에 의해서 우점되면서 안정된다.
Ⅲ. 숲생태계와 환경오염
1. 환경오염의 개요
(1) 환경오염의 정의와 발생원인
환경오염(環境汚染; environmental pollution)이란 환경에 새로운 물질이 들어와 서 원래의 상태와 다르게 환경이 바뀌는 것을 의미한다. 이와 같은 환경오염은 우리 를 둘러싸고 있는 환경의 질적 저하를 의미하는데, 이는 인류 역사와 같이 진행되어 왔다.
환경오염의 발생은 사람이 살아가면서 배출하는 쓰레기․하수․폐수․연소산물․산업폐 기물 등이 자연계가 스스로 정화할 수 있는 자정능력 이상의 양으로 자연계에 배출 되는 것에서부터 시작된다. 환경오염의 정도가 심하게 되면 그 환경 내에서 살아가 는 생물들이 스트레스를 받기 때문에 살아가는데 어려움을 느끼게 되고 이것이 심 해지면 생물들이 죽게 된다.
환경오염은 대기권(大氣圈; atmosphere)․수권(水圈; hydrosphere) 및 암석권(岩 石圈; lithosphere)에 나타나는데 특히 종합적으로 만나는 생물권(生物圈;
biosphere)에 중점적으로 나타나고 있으며, 특히 이곳에서의 오염은 사람들에게 큰 문제가 되고 있다.
환경오염의 유형은 연소로 말미암아 발생하는 황산화물․질소산화물․탄화수소․분진․
광화학산화물(光化學酸化物; photochemical oxidants) 등과 산성비에 의한 대기오 염, 생활하수ㆍ공장폐수ㆍ화학비료와 농약의 사용ㆍ연안 양식업과 기름유출 등에 의한 하천․호수 및 해양의 수질오염, 분뇨․생활폐기물․산업폐기물 등의 폐기물과 대 기오염물질의 낙하, 중금속에 의한 토양오염과 토양 산성화 등으로 구분할 수 있는 데, 이것들은 모두 생태계의 오염에 해당한다고 할 수 있다.
오염은 그 강도(强度)에 의하여 만성 오염(chronic pollution)과 급성 오염(acute pollution)으로 구분하고, 영향권역의 대소에 의하여 국지적 오염(local pollution)․
지역적 오염(regional pollution) 및 범지구적 오염(global pollution)으로 구분하며, 오염의 잔류 시간에 따라 단기(short-term)영향․중기(intermediate-term)영향 및 장기(long-term)영향의 오염으로 구분한다.
(2) 환경오염의 전망
환경오염의 영향은 인구증가, 자원소비의 증대 및 자연생태계의 파괴에 비례하여 더욱 심화되리라고 예상된다. 앞으로 인류가 직면할 환경문제는 지금보다 훨씬 더 심각하게 된다.
그 예를 들면 영국의 산업혁명기에 석탄․석유 등을 연소시킬 때 배출되는 아황산 가스에 함유되어 있는 황가스가 매년 약 250만ton 배출되던 것이 100년 후인 1960년에는 약 5,000만 ton으로 늘어나 그 사이 약 20배의 증가율을 보였으며, 1985년에는 9,000만ton으로 늘어나 약 36배가 증가하는 기하급수적인 증가추세를 보이고 있다.
1992년 6월 브라질의 리우(Rio)에서 열린 유엔환경개발회의(United Nations Conference on Environment and Development; UNCED)는 국경을 넘어서 영향 을 끼치는 산성비에 의한 생태계의 파괴, 열대우림의 파괴에 의한 종다양성의 감소 와 사막화 진전, 극지방의 오존층 파괴 및 지구 온난화 등 지구 차원의 다양한 환경 문제로 인하여 발생되는 전 세계의 자연환경 파괴문제에 대한 대책을 각 정부는 물 론 범세계적인 차원에서 세우기 위하여 각국의 정상들이 모인 것이다. 지구정상회 담(Earth Summit)이라고도 부르는 이 회의에서는 리우선언, 21세기 행동강령 (Agenda 21), 기후변화협약, 생물다양성협약 등을 채택하였고, 산림원칙에 대해서 공통된 의견을 모았다.
이와 같은 합의는 이제 환경오염 문제가 한 나라만의 문제가 아니라 범세계적인 차원에서 다루어져야 한다는 것을 보여준 예이며, 앞으로 더 큰 문제가 될 것이므로 범세계적인 차원에서의 관심과 행동이 이루어져야 한다는 것을 보여준 것이다.
2. 숲 생태계와 대기오염
(1) 대기오염의 정의
세계보건기구(WHO)는 대기오염(大氣汚染)을 “대기 중에 인위적으로 배출된 한 가지 또는 그 이상의 오염물질이 존재하여 오염물질의 양, 농도 및 지속시간이 어떤 지역의 불특정 다수인에게 불쾌감을 일으키거나 해당 지역에 공중보건상의 위해를 끼치고, 인간이나 동식물 활동에 해를 주어 생활이나 재산을 향유할 정당한 권리를 방해받는 상태”라고 정의하고 있다. 대기오염은 보통 인간의 활동에 의하여 유발되 지만 꽃가루․먼지 및 화산분출물과 같이 자연적으로 배출되는 것도 포함된다.
대기오염은 오염물질의 상태에 따라 크게 고체상(입자상) 오염물질과 기체상(가 스상) 오염물질로 구분할 수 있다. 대기오염물질은 아황산가스․이산화질소 및 불화 수소와 같이 특정 오염원으로부터 배출되어 생물과 무생물에 직접적인 피해를 끼치 는 1차 오염물질(primary pollutants)과 오존․PAN(peroxyacetylnitrate) 등과 같이 1차 오염물질들이 특정한 환경 내에서 상호반응하여 생성됨으로써 유해한 영향을 끼치는 2차 오염물질(secondary pollutants)로 구분된다.
(2) 대기오염물질과 숲의 피해
분진(먼지)․황산화물(SOχ)과 같은 오염물질은 주로 개발도상국에서 많은 문제가 되므로 후진국형 대기오염물질이라 하고, 질소산화물(NOχ)․일산화탄소(CO) 및 오존 (O3)과 같은 오염물질은 자동차가 많이 있는 선진국에서 많은 문제가 되기 때문에 선진국형 대기오염물질이라고 한다. 대기오염은 산업화가 가속화됨과 아울러 더욱 더 심화되고 있으며 이는 인류의 건강을 위협하고 생태계의 구조를 파괴하며 기능 을 마비시킬 뿐만 아니라 우리들의 재산까지 큰 피해를 주게 되리라고 예상된다.
식물은 대기오염물질에 대하여 동물보다 더 민감하게 반응한다. 모든 식물들이 대기오염물질들에 대하여 똑같이 반응하는 것은 아니다. 식물의 대기오염에 대한 반응은 일반적으로 감수성(感受性 ; sensitivity), 저항성 또는 내성, 오염물질의 흡 수능력으로 구분한다.
감수성은 일반적으로 낮은 수준의 대기오염에서 특정 식물이 얼마나 빨리 또는 얼마나 많이 영향을 받는가를 판단할 때 쓰이는 척도이다. 감수성이 높은 식물들은 일반적으로 대기오염이 심한 지역에서는 살 수 없기 때문에 대기오염이 없는 청정 지역이나 대기오염의 정도가 심하지 않는 지역에 살고, 또 그런 곳에 주로 식재하는 것이 바람직하다. 대기오염에 감수성이 높은 식물들은 대기오염이 심한 곳에 대기 오염의 지표식물(指標植物; indicator plant)로서 식재되는 경우가 있다. 지표식물은 특정 수준의 복합오염에서 여러 가지 생리적 반응을 특징적으로 나타낼 수 있으므 로 오염에 대한 위험을 조기에 알 수 있어 유용하게 이용된다.
화석연료를 연소시킬 때 배출되는 오염물질인 아황산가스에 대한 대표적인 지표 식물은 지의류(地衣類)이다. 지의류는 우리나라의 장기(1년 평균) 환경기준인
0.03ppm보다 낮은 0.006～0.03ppm에서 만성적인 피해를 입고, 0.03ppm 이상에 서는 급성피해를 입을 만큼 민감한 식물이기 때문에 초기 대기오염의 존재 여부를 알 수 있는 지표식물로 이용된다.
서울의 대기오염도는 과거에 이미 지의류들이 급성피해를 입을 단계를 훨씬 상회 했기 때문에 도심지에서는 물론, 도시 주변에서도 지의류는 찾아보기 힘든 실정이 며, 그것들이 생존했던 자국만 희미하게 바위 또는 수간(樹幹) 위에서 찾아볼 수 있 다.
저항성(抵抗性) 또는 내성(耐性; tolerance, resistance)은 일반적으로 높은 수준 의 대기오염에서 특정 식물이 피해를 받지 않고 얼마나 오랫동안 견딜 수 있는가를 판단할 때 쓰이는 척도이다. 그러므로 저항성이 큰 식물들은 대기오염이 심한 지역 에서도 죽지 않고 잘 자랄 수 있는 식물들로서, 이런 식물들은 심한 대기오염이 예 상되는 지역이나 대기오염 때문에 파괴된 곳에 식재할 때 적합한 식물이라고 할 수 있다. 일반적으로 상록수는 낙엽수에 비하여 대기오염물질에 대한 저항성이 더 강 하다.
최근에 도시화가 진행되고 산업이 급속도로 발달함에 따라 식물에 대한 피해가 발생할 가능성이 높아지고 있다. 그러나 주의해야 할 사항은 대기오염이 있다고 해 서 반드시 식물이 피해를 보는 것은 아니라는 것이다. 식물들의 대기오염물질에 대 한 민감도는 식물의 종류, 대기오염물질의 종류․농도 및 영향 시간뿐만 아니라 영향 을 끼칠 당시에 있어서의 계절 등과 같은 주위 환경요인에 따라 큰 차이를 나타낸 다. 대기오염물질의 영향을 받는 식물들은 각각 감수성․내성․흡수속도 등이 다르기 때문에 이에 대한 고려가 필요하다.
(3) 대기오염물질과 생태계의 반응유형
환경오염에 대한 생태계의 반응은 다양하다. 식물병리학자이며 환경생태학자인 Smith (1981, 1990)는 대기오염이 숲 생태계에 미치는 영향에 관한 연구 문헌을 체계적으로 정리 분석하고, 대기오염과 숲 생태계와의 상호관계를 오염원(source) 으로부터의 배출량(dose)에 따라 생태계와 그 안에 있는 토양과 식생이 받는 영향 을 크게 3단계로 분류하였다. 이 분류는 환경오염에 의하여 생태계가 반응 (response)하는 유형을 일반적으로 정리한 것이다.
제 1단계는 생태계가 낮은 정도의 대기오염에 의해 스트레스를 받을 때로서 오염 물질은 생태계를 구성하는 구성요소들(대기․토양․생물 등) 사이를 전류하게 되는데, 이때 생태계는 오염물질에 크게 영향을 받지 않으면서 오염물질의 수용체(sink)로 서 중요한 역할을 하게 된다. 특히, 낮은 농도의 대기오염물질은 가끔 자연상태에서 부족한 양료의 비료역할을 하여 오히려 식물에 도움을 주는 경우도 있다.
제 2단계는 생태계가 중간 정도의 대기오염에 의해 스트레스를 받을 때인데, 이 때 오염물질은 생태계의 생산성 및 생체량의 감소, 종이나 군집의 구조 변경, 해충
식물들은 대사작용․양분상태․활력 등에 스트레스를 받아 대기오염에 의한 피해를 경 미하게 받거나 상당히 나쁜 영향을 받게 되기도 하는데, 이 단계에서도 식물에 따라 큰 차이가 있으나 감수성이 낮고 저항성이 큰 식물들은 대기오염물질을 정화시킬 수 있게 된다.
제 3단계는 생태계가 높은 정도의 대기오염에 의해 스트레스를 크게 받을 때인 데, 생태계의 구조는 전체적으로 단순화되고, 생태계 내 에너지, 생물지질화학(生物 地質化學; biogeochemistry), 물 등의 순환과정이 교란되며, 토사침식과 기후변동 이 초래되어 그 생태계 자체뿐만 아니라 주위의 생태계에도 큰 손상을 입히게 된다.
이는 대기오염이 극히 심한 단계로서 거의 모든 식물들이 피해를 받고 심지어는 죽 게 되며, 저항성이 극히 강한 식물만 살아남게 되는 상태로서, 이 단계에서는 대기 오염물질의 정화는 생각할 수 없고 식물의 생존 그 자체가 중요한 단계라고 할 수 있다.
(4) 산성비
오염되지 않은 자연상태의 하늘에서 내리는 비나 눈은 중성이 아니라 약산성을 띈다. 이것은 빗물이 대기 중에 있는 미량의 이산화탄소를 녹여서 탄산을 형성하기 때문이다. 이때 빗물은 보통 그 산성도가 pH 5.6 정도 된다. 하지만 대기 중의 수증 기가 황산화물이나 질소산화물 등과 결합하게 되면 각각 황산(H2SO4)이나 질산 (HNO3)으로 변하게 되어 더 강한 산성을 띄게 된다. 이런 과정을 거쳐 산성화된 수 증기가 대기로부터 땅으로 내리는 것을 총칭하여 산성강수(酸性降水; acid precipitation)라고 한다. 이중 비의 형태로 내리는 것을 산성비(acid rain)라고 부 른다.
산성비는 1950년대 말부터 유럽의 네덜란드 등지에서 가끔 관찰되기 시작하였으 나 1960년대 중반 이후 독일, 프랑스, 영국, 스칸디나비아 반도 등으로 확산되었다.
우리나라의 경우도 1980년대 이후 산성비에 대한 피해와 우려가 커지고 있는데, 서 울과 같은 대도시를 중심으로 연평균 pH가 4.9～5.6 정도로 나타나고 있다.
산성비가가 생태계에 미치는 영향은 크게 수목의 생장 감퇴로 인한 숲의 쇠퇴현 상을 초래하고 호수와 하천을 산성화시켜 수생 생태계를 파괴하는 직접적인 영향과 토양의 산도를 증가시켜 토양의 완층능력과 토양의 비옥도를 저하시키고 토양속의 유해중금속을 방출하여 수질을 오염시키는 간접적인 영향으로 구분해볼 수 있다.
산성비를 구성하는 오염물질은 그 배출원의 위치에 따라 rain out과 washout으 로 구분된다. 전자는 오염원이 멀리 위치하여 구름 등에 의해 장거리로 이동하여 내 리는 비를 의미하고, 후자는 오염원이 비가 내리는 곳에 가까운 곳에 있어 그 지역 의 오염물질을 씻어내는 비를 의미한다. 우리나라에 내리는 산성비는 원거리인 중 국에서 발생하는 오염물질과 우리나라의 공단이나 대도시에서 발생하는 오염물질 이 복합된 산성비라고 할 수 있다. 따라서 산성비에 효과적인 대응을 하기 위해서는 rain out과 washout에 대한 각기 다른 대응이 필요하다. 우리나라의 경우 국내의
산성물질 발생을 억제하는 것과 함께 이웃나라인 중국과의 국제협력을 통해 오염물 질의 배출량을 줄여나가도록 해야 한다.
3. 숲의 쇠퇴현상
(1) 수목생장 쇠퇴현상의 정의
1970년대 이후 세계의 곳곳에서 나무들이 특정한 병이나 해충의 감염을 받지 않 았음에도 불구하고 숲에서 그 활력이 저하되고 개체의 고사율이 증가하는 현상이 발생하였다. 이는 미국과 캐나다의 접경지역에 분포하는 젓나무류와 가문비나무류 에서 그 예가 많이 나타나고 있으며, 또한 독일의 숲에서는 숲의 죽음 (Waldsterban; forest death)이라고 해서 많이 알려져 있다. 우리나라에서는 제주 도의 구상나무의 경우에서 그 예를 찾아볼 수 있다.
이와 같이 그 원인이 특별히 알려지지 않은 채 숲의 나무들의 상태가 나빠지고 나무들이 죽어가는 현상을 산림쇠퇴(山林衰退; forest decline)라고 한다. 이러한 숲의 쇠퇴현상은 기본적으로 수목생장의 쇠퇴현상(tree growth decline)에 기초하 여 일어나고 있다.
여기에서 특히 주의해야 할 사항은 특정 수목이 죽어 가는데 그 원인이 특정한 병이나 곤충 또는 대기오염이라고 판명된 경우에는 쇠퇴(decline)현상이라 하지 않 고, 일반적으로 특정 원인에 의하여 피해(damage)를 입었다고 한다. 그러므로 특정 공단 주변의 나무들이 그곳에서 나오는 대기오염물질에 의하여 피해를 입고 죽어가 는 것은 쇠퇴라 하지 않고 대기오염물질에 의하여 피해를 입었다고 하는 것이 옳다.
한편, 쇠퇴를 가끔 가지가 말라서 죽는 지고(枝枯; dieback)현상과 혼용해서 쓰는 경우가 있다. 일반적으로 지고현상은 그 발생 원인이 병에 의하여 일어나고 급진적 으로 진행되어 가는 데 그 특색이 있는 반면, 쇠퇴현상은 그 발생 원인이 하나의 요 인이 아닌 다양한 요인들에 의하여 일어나고 그 진행이 점진적으로 일어난다는데 차이가 있다.
더욱이 산림생장의 쇠퇴현상은 이러한 쇠퇴가 한두 그루의 나무에 국한되지 않고 상당히 넓은 지역의 숲에 있는 나무들에 있어서 광범위하게 나타난다는 데 그 특징 이 있다.
4. 열대우림의 파괴
열대우림(熱帶雨林; tropical rain forest)은 적도 부근의 열대지역에서 볼 수 있 는 산림생물군구(山林生物群區; forest biome)로서 기후는 연평균기온이 18℃ 이
매우 많은 것이 특징이다. 그리고 연중 푸르름을 유지하고 있는데, 종다양성이 높고 토양은 일반적으로 노령(老齡)이며 양분이 빈약하고, 큰 나무․작은 나무․착생식물․덩 굴성 식물 등이 분명한 층을 이루는 임상(林相)을 보인다.
열대우림에 있어서 큰 나무들의 높이는 50～60m가 되기도 하며, 그 밑에는 많은 나무들이 있어서 임상(林床; forest floor)에까지 도달하는 태양빛이 매우 희박하다.
그러므로 열대우림의 대부분의 생물들은 수관의 상부에서 생활하게 된다.
지구 전체면적(약 510억 ha) 중 육지가 차지하는 면적은 전체의 29%정도(약 148억 ha)이고, 산림이 차지하는 비율은 전체 육지면적의 약 17～35%(10～20억 ha)를 차지하고 있는 것으로 알려져 있다. 이와 같이 열대림의 면적에 대한 값이 차 이를 나타내는 이유는 정확한 값을 알아내기가 쉽지 않고, 그 값의 상당부분이 추산 에 의존하며 그 면적 또한 계속 감소하고 있기 때문이다.
유엔식량농업기구(FAO, 1985)가 열대우림의 면적분포에 대한 통계를 제시하였 는데, 이 통계에 의하면 전 세계의 열대우림의 면적은 아메리카에 약 9억ha, 아프리 카대륙에 약 7억 ha, 아시아에 약 3.4억ha로서 총 19.4억 ha 정도 되는데, 가장 큰 열대우림지역은 아마존지역으로 이는 남아메리카대륙의 상당 면적을 차지한다. 하 지만 열대우림은 매년 1,100만ha 이상의 숲이 벌채나 화재에 의하여 파괴되고 있 다고 한다.
이러한 열대우림의 파괴는 대량 벌채나 방화에 의한 산림생태계의 파괴, 그에 따 른 생물다양성의 파괴, 기후변화와 그에 따른 사막화 현상의 확대 등 지구적인 차원 에서 많은 문제를 초래하고 있다. 이에 따라 인류의 미래에 대한 장기적 전망이 점 차 어두워지고 있다.
5. 지구온난화현상과 숲의 역할
(1) 지구온난화현상과 온실가스
지구온난화(地球溫暖化; global warming)현상은 지구의 기온이 화석연료의 연소 로 인해 올라가는 현상으로서, 이는 온실효과에 의하여 일어난다. 태양복사 광선은 대기를 쉽게 통과하여 지구의 표면을 데우는데, 이로 말미암아 복사물질의 표면에 서 파장이 긴 적외선이 방출된다. 대기 중에 있는 이산화탄소와 수증기는 이 적외선 이 지구 밖으로 방출되는 것을 막게 되고 이로 인해 지표나 대기의 온도가 상승하 게 된다. 이와 같은 일련의 현상을 온실효과라고 하며, 이는 지구의 대기온도가 상 승하는 현상을 온실에 비유한 것이다.
과거 150년 동안 화석연료 연소, 가축의 사육증대, 농업 확대, 급속한 숲의 파괴 등을 통하여 대기 중의 이산화탄소는 25%, 메탄가스의 양은 2배로 증가하였다. 이 와 같은 물질 때문에 지표 면적 1㎡당 2W의 복사에너지를 지구 안에 더 가두어 놓 을 수 있게 되었다.
온실효과를 유발시키는 가스는 대기 중의 구름, 이산화탄소 등이 중요한 인자이 고, 메탄가스․아산화질소(N2O)․프레온(CFC)․오존 등도 부가적으로 영향을 끼치는 요 인이다. 여기에서 구름과 메탄가스를 제외한 대부분의 가스들은 인간에 의하여 추 가된 것이며, 메탄은 상당 부분이 자연적인 요인에 의하여 추가된 것이다. 양극지방 의 오존층에 구멍을 내는 원인물질로 알려진 프레온가스의 경우, 그 분자 하나가 이 산화탄소 수천 개의 분자와 같은 온실효과를 창출한다.
대기 중 CO2 농도는 1800년 무렵 280ppm이던 것이 1995년에는 360ppm 정도 되었다. 최근에는 매년 1.8ppm씩 CO2 농도가 증가하고 있는데, 이러한 화석연료 사용의 증가 추세가 계속된다면 21세기의 말에는 지구의 CO2 농도는 지금의 2배가 될 것으로 예상된다. 이와 같이 이산화탄소의 농도가 2배로 증가하게 되면 지구의 온도는 2～5℃정도로 올라갈 것으로 예상된다.
온실효과를 주장하는 과학자들에 의하면 과거 100년간 이 온실효과 때문에 지구 의 기온은 0.5℃에서 최대 1℃가 올라갔다고 한다. 하지만 이러한 주장에 대해 자 연적인 기후변동, 태양의 열방출량 변화, 사람과 화산활동에 의해 생기는 먼지, 화 석연료의 연소에 의한 열섬(heat island)의 효과 등과 같은 요인 가운데 어느 요인 이 지구의 온실효과를 정확하게 유발하였는지에 대해서는 아직 확실하게 규명되어 있지 않다. 그러므로 그 동안 온실가스에 대한 획기적인 규제를 억제하자는 주장과 지금이라도 당장 이러한 온실가스의 사용을 억제해야 한다고 하는 의견이 크게 대 립되고 있다.
만일, 지구의 온난화현상이 일어나 남극과 그린랜드에 있는 빙하가 모두 녹는다 면 지구의 해수면은 약 60m 가량 올라가 지구상의 주요 해안 도시들은 전부 물에 잠기게 된다. 물론 이것은 하나의 가정이지만 그 세계의 평균기온이 2030년까지 최 소한 1℃ 상승한다고 했을 때 극지에 있는 빙산이 녹기 시작하여 해면은 최소 10㎝
에서 최대 2m까지 상승하게 될 것으로 예상되는데, 이에 대한 각국의 영향은 서로 매우 다른 경향을 보이게 될 것이다.
방글라데시나 몰디브제도와 같이 해면 가까이에 있는 나라들의 전 국토가 물에 잠기게 될 것이고, 사막은 더 확대되어 갈 것이며, 현재의 생산성이 높은 곳을 포함 한 많은 지역의 강수량이 격감하게 될 것이다. 그러나 캐나다나 일본과 같은 나라들 은 농경지로 이용할 수 있는 면적이 확대되어 더 많은 농업생산을 할 수도 있을 것 으로 예상되고 있다.
(2) 숲의 온실가스흡수
1ha의 숲은 세계적으로 연평균 5.5ton의 이산화탄소를 고정한다. 열대우림 1ha 에 있는 식물은 매년 10ton의 이산화탄소를 고정할 수 있다. 이러한 이산화탄소의 고정능력을 이용하면 열대우림에서 많은 양의 이산화탄소를 고정할 수 있기 때문에 숲은 지구온난화를 억제하는 데 중요한 요소가 될 수 있다.
생하는 총탄소방출량의 2～3%씩을 감소시키고, 메탄가스의 양을 15～20%씩 감소 시킬 필요성이 있다. 이를 위해서는 근본적으로 에너지의 사용을 줄이고, 에너지이 용의 효율성을 제고시키며, 태양에너지와 같은 대체에너지의 개발과 그 사용이 필 요하다.
우리나라와 같이 총 사용에너지의 80%이상을 화석연료에 의존하는 경우 그 문제 는 더욱 심각하다. 이를 해결하기 위해서는 근본적으로 숲을 다른 용도로 전용하는 것을 방지해야하고 숲의 면적을 더 늘려가면서 숲의 순생산량을 계속 증대시켜 나 아가야 한다.
(3) 사막화현상
열대우림이 사라지고 감소되어감에 따라 이 지역의 토양 중 수분함량이 급격히 감소하고 있다. 이로 인해 토양유출과 사막화현상이 나타나며, 생태계 내 양분순환 과정의 균형이 파괴되고 있다. 아프리카 사하라사막의 경우 최근 20년 동안 그 면 적이 남쪽으로 350㎞정도 확대되었으며, 주변의 호수들도 물이 말라 모래사막으로 변하고 있다.
사막화현상(砂漠化現象; desertification)이란 기후변화와 인간의 영향 또는 이 두 가지의 복합적인 원인에 의하여 특정 지역이 건조 또는 반건조지대로 바뀌면서 사 막이 확장하는 것을 말한다.
기후적으로는 일시적으로 극심한 가뭄이 있거나 장기적으로 건조화현상이 계속 될 때 생기는 이런 현상이 생기는 반면, 인위적으로는 지표수나 지하수가 적은 건조 한 지역에서 식물을 벌채하고, 과도한 경작 또는 관개를 하며, 노천채굴을 하는 등 지피를 이루는 토양에 심한 간섭을 하여 물이 고갈될 때 생rusk게 된다. 이와 같은 사막화는 건조 또는 반건조지역의 생명체 유지력을 없애버리게 되는데, 그 특징은 지표수면의 하강, 표토와 물에 대한 염류의 축적, 지하수의 감소, 침식의 증가 또는 토착식생의 멸종을 초래하기도 한다.
사막화현상으로 지구의 생명을 유지하게 해주는 녹지대가 없어지고 토양생산력 이 악화되면 장기적으로는 인류의 식량부족사태를 유발하게 될 것이다. UNEP는 멀지 않은 미래에 전 세계 농경지의 1/3이 사막화과정을 통해 사막으로 변하게 될 것이라고 경고하고 있다.
사막화 문제는 미국, 아프리카, 오스트레일리아, 브라질, 이란, 아프가니스탄, 중 국 및 인도 등에서 제기되고 있는데, 1년에 우리나라의 산림면적과 비슷한 약 600 만 ha가 사막으로 바뀌고 있다고 한다. 중국에서는 사막화를 방지하기 위하여 매년 1,000만ha의 지역에 나무를 심고 있는데, 토양이 유실되고 사막으로 바뀌어 가는 면적은 실제로 그것의 수배에 해당한다고 한다.
(4) 지구온난화현상의 방지
인류가 지구온난화현상을 방지하는 것은 매우 어려운 일이다. 왜냐 하면, 인류는
지구온난화를 방지하기 위한 방법은 알고 있지만 어느 국가나 개인도 그것을 실천 에 옮기려고 하지 않기 때문이다. 설사 그것을 실천에 옮긴다고 해도 그것은 일부 국가나 개인에 불과하기 때문에다.
인류가 지속 가능한 사회를 건설하기 위해서 해야 할 문제를 열거하면, 첫째 세계 인구의 안정, 둘째 농지와 토양의 보호, 셋째 지구면의 재조림(再造林;
reforestation), 넷째 소비위주 생활방식 지양, 다섯째 에너지 절약, 여섯째 재생 가 능한 에너지의 개발 등으로 요약될 수 있다. 이와 같이 지속 가능한 사회로 이행하 기 위해서는 모든 나라가 그것을 성취하기 위하여 현재 사회가 가지고 있는 한계와 장래를 조망한 후 화석연료에 의존하고 있는 사회가 바뀔 수 있도록 정치적․경제적 으로 필요한 수단을 취해야 한다.
가장 중요한 인자는 인구증가의 억제이다. 1995년 현재 57억 명을 돌파한 지구 는 2000년에는 60억 명이 넘는 인구를 가지게 될 것이다. 평균적으로 1분에 274명 이 태어나고 97명이 죽는데, 이에 따라 전 세계적으로 1분마다 177명의 인류가 증 가하게 되는 것이다. 이와 같은 추세가 지속될 때 2100년의 세계의 인구는 110～
142억 명 사이가 될 것이라는 추계가 나온다. 예수가 태어날 무렵인 서기 1년에 세 계의 인구가 3억 정도 되었고, 1800년대 초기에는 10억 정도 되었던 인구 수준을 생각하면 이는 엄청난 증가라는 것을 알 수 있다.
이러한 인구증가 추세는 획기적인 수단을 인류가 제시하여 억제하지 않으면, 이 는 인류사회에 인구폭탄(人口爆彈; population bomb)으로 작용하게 되어 인류사회 에 공통적으로 치명적인 피해를 입히게 될 것이다.
※ 주 : 이 글은 다음에서 제시한 참고문헌을 바탕으로 임학개론, 산림생태학의 숲 생태계와 관련된 내용을 중심으로 발췌하여 요약정리 한 것입니다. 특히 산림생태 계 전반은 임학개론을 주로 인용하였고, 환경과 관련된 부분은 산림생태학을 주로 인용하였으므로, 이 글과 관련 보다 자세한 내용을 원하시는 분은 관련 문헌을 참고 하여 인용원문을 참고하시기 바랍니다.
참고문헌
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이경준ㆍ한상섭ㆍ김지홍ㆍ김은식, 산림생태학, 1999, 향문사, 321~360쪽 이천용, 산림환경토양학, 1992, 16~20쪽
임경빈ㆍ이경준 외, 신고 임학개론, 2002, 향문사, 145~168쪽 임양재, 일반생태학, 1989, 이우출판사, 219~245쪽
최기철, 기초생태학, 1991, 향문사, 123~131쪽
