농생태학: 지속가능한 먹을거리 체계의 생태학
5장 온도
식물과 동물의 성장과 발달에 대한 온도의 영향은 잘 알려져 있고, 쉽게 입증된다. 각 유기체는 고온과 저온에 대한 허용 한계가 있으며, 극단적인 온도에 대한 그것의 특정한 적응법에 의해 결정된다. 또한 각 유기체는 최적 온도 범위도 가지며, 이는 발달 단계에 따라 달라질 수 있다. 온도에 대한 그들의 다양한 반응 때문에, 파파야는 캘리포니아 몬테레이만의 시원한 연안성 온도 환경에는 심지 않고, 사과나무는 멕시코 타바스코의 습한 열대의 저지대에 심으면 잘 되지 않을 것이다.
따라서 한 지역의 온도 범위와 온도 변화의 정도는 농민이 재배할 수 있는 작물의 종과 품종에 제한을 설정할 수 있고, 재배되는 작물의 품질과 평균 수확량에 변화를 일으킬 수 있다. 작물을 선택할 때 그날그날의, 그리고 철마다 낮과 밤 사이에 일어날 수 있는 온도 조건의 범위를 고려해야 한다. 그리고 지상의 온도와 그 지하의 온도 모두에도 관심을 가져야 한다. 농민은 작물이 재배되는 온도 환경을 변경할 수 있는 여러 방법도 고려해야 한다. 이러한 모든 변수를 종합하면, 온도에 관하여 농업생태계의 관리는 관리 행위, 온도에 대한 식물의 반응, 어느 지방의 잠재적 온도 범위 및 작물이 노출되는 실제 온도 등 잠재적으로 복잡한 상호작용을 포함한다는 것을 알 수 있다.
날씨의 자연스런 예측불가능성 때문에 온도와 관련된 농업생태계의 관리가 매우 어려워진다. 다가올 수십 년 동안에는 기후변화로 인하여 온도란 요소를 고려하는 일이 갈수록 까다로워지고 점차 중요해질 것이다.
지구 열에너지의 근원인 태양
우리가 대기와 토양 또는 물의 온도를 측정할 때, 우린 열 흐름을 측정한다. 한 요소로서의 온도를 더 완전히 이해하기 위하여 이런 열 흐름을 생태계의 에너지 수지 가운데 하나로 생각하는 게 유용하며, 그 기반은 태양 에너지가 된다.
태양에서 흘러나오는 에너지는 대부분은 단파 복사이며, 보통 눈에 보이는 스펙트럼과 보이지 않는 스펙트럼으로구성된 빛 에너지라고 생각된다. 이 에너지가 지구의 대기에 도달했을 때의 운명은 앞 장에서 논의되고 그림4.1에 나와 있다. 다시 떠올려 보면, 들어오는 태양 복사는 대기와 그 내용물에 의해 반사되고, 분산되거나 흡수된다. 반사되고 분산된 에너지는 거의 변하지 않지만, 흡수된 에너지는 열로 나타난 장파의 에너지로 전환된다. 마찬가지로, 지구의 표면에 도달한 단파 에너지도 반사되거나 흡수된다. 단파의 빛 에너지가 장파의 열 에너지로 전환되는 표면에서의 흡수 과정은 일사량이라 알려져 있다. 일사량에 의해 형성된 열은 표면에 저장되거나 다시 대기로 재방사될 수 있다. 대기로 재방사된 열의 일부는 지표로 다시 반사될 수도 있다.
이 과정의 결과로, 열 에너지는 지구의 표면과 그 근처에 갇히게 되고, 상층의 대기와 우주 공간의 극심한 추위에비하여 상대적으로 높은 온도가 유지된다. 전반적으로 이 따뜻해지는 과정을 온실 효과라고 한다.
지구의 표면에서 온도는 밤부터 낮까지, 여름부터 겨울까지 장소마다 달라진다. 그럼에도 불구하고 지구와 그 대기가 얻은 열 에너지와 상실한 열 에너지 사이에는 대략 전체적으로 평형이 유지된다. 가열과 냉각 사이의 균형은 다음의 방정식으로 표현된다.
S(1 − α) + Ld − Lu ± Hair ± Hevap ± Hsoil = 0
여기에서
S는 일사 획득
α는 지구 표면의 알베도(0에서 1 사이의 값)
Ld는 지표면으로 가는 장파 열 에너지의 유동
Lu는 지표면에서 멀어지는 장파 열 에너지의 유동
H는 대기, 토양, 물(evap)에서의 열 에너지의 획득 또는 상실
이 평형은 현재 인간이 유발한 대기의 변화, 특히 화석연료의 연소에서 나온 이산화탄소의 증가와 메탄 같은 기타 "온실 가스"의 증가로 인하여 변화를 겪고 있다. 대기에 더 많은 온실 가스가 첨가됨에 따라, 더 많은 열이 대기와 지표면 사이에 갇히게 된다. 지구가 획득한 열의 양은 전반적인 온도가 상승하려면 상실되는 양보다 약간만더 커야 한다. 농업만이 아니라 주요한 우려는 일사 획득이 매우 오랫동안 양성을 유지할 것이기에, 평균 기온이 계속 상승할 것이란 점이다. 이는 인간이 대기에 만든 변화가 매우 오래 지속되고 앞으로도 계속 온실 가스를 대기로 배출할 것이기 때문이다. 양성 되먹임 고리의 문제도 있다. 이런 고리들 가운데 일부에서 온난화가 더욱 온난화를 일으킨다. 예를 들어, 이는 반사율이 높은 얼음이 흡수성이 높은 개방된 물과 토지를 대체하기에 북극권에서 발생하고 있다. 또 다른 되먹임 고리에서, 따뜻해진 온도가 온난화의 근본 원인이 되는 온실 가스를 더 많이방출하게 한다. 이 역시 따뜻해진 온도가 영구동토층을 녹여 이산화탄소와 특히나 강력한 온실 가스인 메탈을 배출함에 따라 발생하고 있다.
지구 표면에서 온도 변화의 패턴
지표면에서 온도 조건의 변동과 역학을 이해하는 데 유용한 온도 분포에는 몇 가지 생태학적 측면이 있다. 무엇보다 우리는 작물의 유형을 적절히 선택하는 일만이 아니라, 온도 조건에 농업생태계를 적응시키고 가능하면 이런 조건을 변경하기 위하여 이러한 정보를 알아야 한다.
온도의 변동은 온도, 강우량, 바람 및 상대습도의 계절적 패턴으로 구성되는 세계의 기후를 고려할 때 가장 큰 규모로 발생한다. 그 규모의 반대쪽에서 중요한 변동은 작물 캐노피 내부의 온도 조건이나 토양 표면 바로 밑의 온도 조건을 고려할 때 미시적 수준에서 발생한다.
위도의 변화
특정 기간에 걸쳐 표면에 실제로 흡수된 태양 복사의 양은 위도에 따라 크게 영향을 받는다. 적도나 그 근처에서,들어오는 광선은 지구의 표면에 수직으로 부딪친다. 그러나 적도에서 점점 거리가 멀어지면, 태양의 광선은 점점완만한 각도로 표면에 부딪친다. 이 각도가 더 완만해질수록 들어오는 똑같은 양의 태양 복사가 그림5.1처럼 지구 표면의 더 크고 넓은 영역으로 퍼진다. 게다가 태양의 광선은 위도가 더 높을수록 점점 더 두꺼운 대기층을 통과해야 하기에, 물방울이나 먼지 같은 대기 중의 물질에 의해 반사와 산란되어 에너지가 상실된다. 전반적인 영향은 적도에서 멀어질수록 지표면의 면적당 태양 복사의 강도가 규칙적으로 감소한다는 것이다. 이러한 일사 획득의 위도 변화는 온도가 위도에 따라 변화하는 주요한 원인 가운데 하나이다.
그림5.1 위도가 일사 획득에 미치는 영향. 위도가 높을수록 태양 복사가 대기를 통과해야 하는 거리가 더 커지며(D2 〉D1), 일정한 양의 태양 복사가 퍼지는 표면적이 더 커진다(A2 〉A1).
고도의 변화
어느 위도에서나 고도가 올라감에 따라 온도가 내려간다. 평균적으로 고도 100m당 주위 온도는 약 0.5℃ 떨어진다. 낮 동안 구름이 덮히는 게 증가하여 이런 고도 획득과 관련이 되는 위치에서는, 온도의 차이가 일사 획득이 줄어든 탓에 더 커질 수 있다. 이와 함께, 더 높은 고도에서 대기의 두께가 더 얇아지면서 야간에 재방사에 의해 토양 표면과 그 바로 위의 공기에서 더 많은 열이 상실된다. 이런 현상은 해발보다 훨씬 높은 고도에서 야간의 기온을 크게 낮추는 데 매우 기여한다. 열대의 높은 고도에 있는 산간 지방(3000m 이상)과 극지방 쪽으로 이동하면서는 서서히 더 낮은 고도에서, 야간에 재방사가 너무 강렬하여 하늘이 많은 거의 매일 밤 겨울철 온도 조건이 발생한다.
계절의 변화
지구의 표면에 걸쳐 온도의 계절적 차이는 기울어진 자전축으로 태양의 주위를 공전하기 때문에 태양과 관련하여지구의 방향에 변화가 생긴 결과이다. 1년 내내, 최대 일사 획득 또는 일사량의 지대가 태양 광선의 입사각 및 낮의 길이와 관련하여 적도를 가로질러 왔다갔다 이동한다. 낮이 더 길면 더 많은 일사 획득으로 이어진다. 일사량의 이런 진폭은 온도에서 계절적 진폭이 생기는 직접적 원인이다. 평균 온도에서 계절적 변화의 정도는 적도에서거리가 멀어짐에 따라 증가한다(그림5.2).
그림5.2 태양 입사각의 계절 변화. 여름철에 태양 쪽을 향한 자전축은 낮의 길이와 지표에 닿는 태양 복사의 강도를 증가시킨다.
해양 대 대륙의 영향
많은 물이 모여 있는 곳, 특히 바다는 인접한 광활한 땅덩어리의 온도에 크게 영향을 미친다. 물은 육지와 비교하여 더 많은 비율의 일사량을 반사하고, 표면의 증발을 통해 쉽게 열을 잃고, 비열이 높으며, 수직의 층들이 쉽게 섞이기 때문에 많은 물이 모여 있는 곳의 온도는 광활한 땅덩어리의 온도보다 느리게 변한다. 여름에는 흡수된 모든 열이 지표의 지평선과 그에 가까운 대기에 머물러 있기 때문에 땅이 더 뜨거워지고, 겨울에는 재방사와 열 상실 때문에 더 낮은 온도로 차가워진다. 그러므로 물 덩어리는 여름에는 온도를 낮추고 겨울에는 온도를 높이는경향이 있어, 온도의 광범위한 변동을 중재한다. 이러한 온도에 대한 물 또는 해양 매개 효과는 해양의 영향이라 부르고, 대륙의 영향을 받으며 물과 떨어진 곳에서 온도가 더 광범위하게 자꾸 변동하는 것과는 대조적이다. 해양의 영향은 건조한 여름철에 인근의 용승하는 차가운 해류가 적당한 영향을 미치는 캘리포니아 연안과 칠레 같은 곳의 독특한 지중해성 기후를 조성하는 데 도움을 준다.
그림5.3 온화한 해양성 기후에서 연중 재배되는 상추. 서늘한 여름철 안개와 겨울철 인근 바다의 온난화 효과는 캘리포니아 중부 연안에서 연중 채소와 과일을 생산할 수 있게 한다.
그림5.4 캘리포니아주 샌프란시스코와 스톡턴의 월간 하루 평균 최고기온. 두 도시는 거의 같은 위도와 고도에 위치하지만, 연안의 샌프란시스코는 해양성 기후이고, 동쪽으로 100km 떨어진 스톡턴은 대륙의 영향을 더 많이받는다. (Data from Conway, M. and Liston, L. (ed.), The Weather Handbook, Conway Data, Atlanta, GA, 1990.)
지형의 변화
경사면의 방향과 지형은 특히 지역 수준에서 온도의 변화도 가져온다. 예를 들어 태양 쪽을 향한 경사면은 지구의 자전축이 기울어진 결과, 특히 겨울철에 더 많은 일사 획득을 할 수 있다. 그러므로 적도를 향한 경사면은 극지방을 향한 경사면보다 훨씬 더 따뜻하고 -다른 모든 요소가 동일함-, 작물 관리를 위한 독특한 미기후를 제공한다.
산비탈로 둘러싸인 골짜기도 독특한 미기후를 만든다. 세계의 여러 지역에서 바람이나 압력차로 인해 아래쪽으로이동하는 공기는 급속히 팽창하고 하강하면서 가열될 수 있으며, 이 과정은 하강 기류로 인해 생기는 온난화로 알려져 있다. (이 현상과 관련된 바람은 7장에서 논의할 것이다). 공기가 따뜻해지면, 증기 형태(상대습도)로 수분을 유지하는 능력이 높아져 더 따뜻한 공기의 증발 잠재력이 증가한다.
골짜기는 야간에도 미기후의 영향을 받는다. 더 높은 고도의 경사면에서 재방사가 더 빨리 일어난다. 차가워진 공기는 따뜻한 공기보다 더 무겁기 때문에 아래에 깔리고 차가운 공기가 아래쪽으로 흐르기 시작한다. 이를 차가운 공기의 흘러내림이라고 부른다. 때로는 이 차가운 공기가 따뜻한 공기 아래를 지나가며 그 위로 따뜻한 공기를 밀어내고, 차가운 공기층들 사이에 따뜻한 공기층이 "끼이게" 되는 전도를 일으킨다. 어떤 곳에서는 한기 주머니로 인해 서리가 형성되어 식물이 손상될 수 있는 반면, 그 바로 위는 따뜻한 공기의 전도로 훨씬 따뜻하게 유지된다. 이러한 지역적 온도 변동의 패턴이 그림5.5에 나와 있다. 캘리포니아 센트럴벨리의 시에라 네바다 산맥의 150-300m 높이의 산기슭에서 서리에 민감한 감귤류를 재배하는 건, 농민들이 차가운 공기가 골짜기 바닥으로 흘러내려 겨울철에 따뜻한 공기가 전도층을 이루는 걸 활용한 좋은 사례이다.
그림5.5 차가운 공기의 흘러내림과 전도층. 찬 공기가 야간에는 골짜기 바닥으로 흘러내려 더 따뜻한 공기층 아래에 모일 수 있다.
온도 변동을 설명
지리적 위치라는 변수를 일정하게 유지하고, 시간이 지남에 따라 어떤 특정 위치에서 일어나는 온도의 변동이 그장소의 기후에 대한 주요한 구성요소가 된다(또 다른 주요한 구성요소인 강수량은 다음 장에서 논의됨). 장기간에 걸쳐 특정 위치에 대한 온도 자료가 수집되면, 이 자료들은 그 장소에서 일 년 중 어느 때에 온도가 어떻게 변했는지 보여주는 기후학의 기록을 형성한다. 농생태학의 의미에서 그러한 기록에서 얻을 수 있는 가장 유용한 패턴은 온도 눈금의 상한과 하한 모두 및 여러 평균과 관련된 것이다.
·가장 낮은 연간 최저치. 날짜와 관계없이 지구상의 어느 장소에서 가장 추울 수 있는 온도(또는 가장 추웠던 기록)는 얼마인가? 기후대의 관점에서 아래에 논의된 온도 요소의 이런 측면은 특정 수준 이하의 온도에 노출되면 일부 식물이 피해를 입거나 죽을 수 있기 때문에 온대의 여러해살이 작물에게 가장 중요하다.
·가장 높은 연간 최고치. 날짜와 관계없이 가장 뜨거울 수 있는 온도(또는 가장 뜨거웠던 기록)은 얼마인가? 그것이 기후대의 결정요소는 아니지만, 기후의 이런 측면은 식물의 조직과 성장, 생식에 혹서가 미치는 해로운 영향 때문에 가장 낮은 연간 최저치만큼 중요할 수 있다.
·가장 높은 일간 최대치와 가장 낮은 일간 최저치. 특정한 날짜에 어느 위치에서 기록한 최고 온도와 최저 온도는 얼마인가? 온대 기후에서 거의 모든 작물이 계절의 주기에 맞추어 재배되기 때문에, 혹서와 혹한의계절적 시기가 중요할 수 있다. 예를 들어, 농민은 봄철에 서리에 민감한 작물을 안전하게 심을 수 있는 때를 알기 위하여 날짜별 최저치 기록을 알고자 할 수 있다.
·평균 일간 최대치와 최저치. 특정 날짜에 어느 위치에서 일반적인 최고 온도와 최저 온도는 얼마인가? 날짜 기준의 평균치는 파종 시기, 작물이나 품종의 선택, 때로는 수확 시기 등 농민에게 특정한 작물의 성장에 가장 적합한 조건을 언제로 예상할지 알려준다.
·평균 일간 최고치와 최저치 사이의 크기 차이. 야간의 최저치와 주간의 최고치 멀리 떨어져 있지 않거나, 매우 다른가? 어떤 작물은 한 가지 유형의 상황을 선호하고, 다른 작물은 그 반대를 선호한다. 예를 들어, 진판델 포도는 식물체의 발달에 최적인 뜨거운 낮과 과실의 발달에 최적인 서늘한 밤이란 폭넓은 일간 온도 범위에서 가장 잘 자란다.
·혹서 또는 혹한의 지속기간. 야간에 온도가 특정한 한계값 이하로 떨어지는 날이 얼마나 연속될수 있는가? 특정 온도 이상으로 오를 수 있는 날이 얼마나 연속될 수 있는가? 혹서나 혹한을 견디는 능력이 있는 여러 작물의 경우, 가장 중요한 문제는 허용치 구간 밖에서 얼마나 오랜 시간을 보내게 되는지이다.
기후학 기록에 부호화된 온도 패턴은 농민에게 어떤 종류의 극한이 일어날 수 있는지에 대해 알려준다. 앞서 언급했듯이, 이 정보는 작물의 유형과 파종 날짜를 선택할 때 중요할 수 있다. 게다가 기후학의 기록은 "정상"과의 편차를 측정하고, 기술하며, 이해할 수 있는 기준선을 제공한다. 특정한 날짜, 월, 계절 또는 모든 시간에 새롭게기록된 최고치와 최저치가 온도 편차의 중요한 범주를 구성한다. 또 다른 유형의 편차는 특정 날짜의 기후학적 평균 최대치나 최저치와 실제로 관측된 온도 사이의 크기 차이이다. 지속기간의 범위를 더하면, 우린 "비정상적으로 더운 기간"이란 사건 등을 정량화하기 시작할 수 있다.
기후변화가 온도에 미치는 영향
이전의 본문에서 논의된 지형과 계절적 온도 변화의 일반적 패턴은 지구가 서서히 따뜻해지면서 계속 유지될 것이다. 그러나 기후변화는 농업에 큰 영향을 미칠 수 있는 일반적인 온난화 추세만이 아니라, 추가적인 층과 가변성과 예측불가능성의 정도를 더할 것이다. 예상할 수 있는 가장 중요한 변화는 다음과 같다.
·일반적으로 온도는 세계의 여러 지역에서 오를 것이다. 개략적으로, 이는 연간 일별 평균 최고치, 일별 평균 최저치, 월별과 계절별 같은 장기간의 전반적인 평균치, 연간 최저 온도, 연간 최고 온도의 증가를 수반할 것이다.
·극지방에 가까운 지역은 적도 부근의 지역보다 평균과 최고 온도가 더 많이 상승할 것이다.
·온대 기후의 여러 지역에서 무상일수가 증가할 것이다.
·대부분의 지역에서 날씨와 기후의 가변성이 증가할 가능성이 있고, 이는 극한의 온도가 빈도와 규모 모두에서 증가할 것을 의미한다. 기록을 깨는 더위가 발생하게 될 가장 흔한 유형의 극단일 테지만, 온도 가변성의 전반적 상승은 극단적이고 계절에 맞지 않는 최저 온도도 가능하다는 걸 의미한다.
·여러 유형의 작물에 해로운 혹서의 시기가 빈도와 기간에서 증가할 것이다. 계절적으로 고정된 영농 주기에 평소답지 않게 일찍이나 늦게 발생하기 시작할 수도 있다.
·온도와 상호작용하고 습도, 강우량, 바람 같은 작물에 대한 온도의 영향을 중재하는 기타 날씨와 관련된 요소들이 온도와 함께 더욱 가변적이며 예측가능성이 낮아질 수 있다.
이러한 온도 패턴의 변화는 모두 구체적 내용은 다르지만 일반적 패턴에는 동의하는 장기간의 기후 모델에 의해 예측된다. 이러한 예측에 확실성의 정도가 추가되고 있는 것은 이러한 변화가 이미 일어나고 있다는 사실이다. 세계 여러 곳에서 축적된 수십 년 동안의 날씨 자료는 일반적인 온난화와 온도 가변성의 일반적 증가를 보여준다.
전반적으로 기후변화로 인한 온도 패턴의 변화는 농업에는 잡동사니 가방이 될 것 같다. 한편으로 더 긴 재배철과 더 적은 무상일수는 예전에는 너무 추워 농업을 하기 어려웠던 지역(고위도와 고지대 모두)을 먹을거리 생산을 위해 개방시킬 것임을 의미한다. 그리고 이런 똑같은 변화가 일보 온대의 농업 지역을 더 생산적으로 만들고 더 다양한 작물 품종을 재배할 수 있게 할 잠재력을 가지고 있다. 그러나 혹서와 혹한의 기간이 늘어날 가능성이 높이지면 흉작과 수확량을 감소시키는 온도로 인한 손상의 위험이 증가할 것이며, 일부 지역은 실제로 농업을 하기에 너무 뜨거워질 수도 있다. 또한 온도 스펙트럼의 최저치에서 일어나는 일반적 온난화는 일부 작물의 해충과병균이 예전에는 결빙 온도로 인해 가지 못했던 북쪽과 남쪽의 극지방 쪽으로 확산되도록 할 수 있다.
온도에 대한 식물의 반응
발아, 개화, 성장, 광합성, 호흡을 포함한 식물의 모든 생리학적 과정은 극한 온도에 대한 허용 한계와 기능이 최적화되는 상대적으로 좁은 온도 범위를 가지고 있다. 따라서 식물이 노출되는 온도 상황은 결국 그 수확량 잠재력으로 이어진다. 예를 들어, 온도 조건이 식물이 확립되어 성장할 수 있게 했지만 갑자기 날씨가 변화하면(예, 한파)꽃이 피고 열매가 달리고 씨앗이 맺히지 않을 수 있다.
농민은 기온의 일 변화, 계절 변화, 완화되는 영향, 미기후, 기타 온도와 관련된 요소들 및 특정 작물의 특정한 온도 반응을 고려하여 지역의 온도 상황에 맞추어 자신의 농법을 신중하게 적응시켜야 한다. 예를 들어, 캘리포니아에서 농민들은 겨울철 파종을 위해 브로콜리 같이 호냉성 작물로 이동하고, 1년 중 여러 채소 작물이 잘 되지 않는 습하고 서늘한 시기에는 덮개작물을 심고, 해양성 기후의 영향 때문에 서리가 내리지 않는 지역에서 해안 가까이에는 아보카도 나무를 심으며, 캘리포니아 남부의 내륙사막 골짜기에는 겨울철에 상추를 심는다. 다른 농업 지방도 비슷한 사례를 제공한다. 온도가 식물에 미치는 영향 때문에, 식물에 자신이 원하는 변화를 일으키는 도구로 활용될 수도 있다. 예를 들어, 캘리포니아 중부 연안의 농민들은 식물의 성장과 좋은 관부 발달을 유도하고자 심기 전에 몇 주 동안 딸기 모종을 춥게 만든다.
극한 온도에 적응
자연 생태계는 자연 선택에 의해 "걸러진" 식물과 동물로 구성된다. 주기적인 극한의 온도는 지역의 조건에 견디지 못하는 종들을 제거한 몇 가지 요소이다. 그러므로 우린 지역의 자연계에 있는 종들의 온도 허용 범위를 통하여 어느 지역에서 농장을 만들고자 할 때 예상할 수 있는 극한 온도에 대한 지표를 알려주리라 기대할 수 있다. 이러한 지표들을 알아보는 것만이 아니라 극단에 적응하는 작물 종을 선택하는 일은 극한 온도의 자연적 가변성과 관련된 위험을 낮추는 농업 체계를 개발하는 데 도움이 될 수 있다. 기후는 시간이 지남에 따라 변하기 때문에, 농민은 자신의 농법을 적절하게 바꿀 수 있어야 한다.
열
작물에 고온이 미치는 영향은 증발에 의한 수분 상실, 내부의 수분 상태 변화 및 기타 생리학적 과정에서의 변화 사이에 일어나는 복잡한 상호작용의 결과이다. 열 스트레스는 신진대사 활동을 감소시키는데, 이는 효소와 기타 단백질 등의 불활성화에서 비롯된다고 생각된다. 또한 열은 호흡의 속도도 증가시켜, 결국 광합성률을 따라잡아 식물의 성장을 멈추게 하고 궁극적으로는 식물의 조직을 죽일 수 있다. 열이 작물에 심각한 피해를 주지 않을지라도, 작물의 성장률과 최종 수확량을 감소시킬 수 있다.
또 열은 곡물과 콩류, 유지종자, 기타 여러 씨앗과 과수 작물의 수확에 근본적인 작물의 생식 과정에 큰 영향을 미친다. 많은 작물이 수분이나 결과가 되는 동안 열에 특히 민감해진다. 예를 들어, 옥수수에서 수염이 나오는 시기에 찌는듯한 더위가 발생하면 치명적 결과를 초래할 수 있다. 열이 옥수수 수염의 성장을 늦추어 꽃가루를 받아들이는 시기를 지체시킨다. 지체가 너무 길어지면, 꽃가루의 대부분이 이미 떨어져 버릴 수 있다. 또한 열은 옥수수 수염이 생기를 잃어버리게 하는 경향이 있어, 꽃가루관의 성장을 도와 종자를 수정하는 능력을 크게 감소시킨다. 또한 열은 꽃가루 형성을 줄이고, 꽃가루의 생존 기간을 크게 단축시킨다.
일반적으로 온대 지역에 자생하는 식물은 열대 지역의 식물들보다 온도 스트레스에서 더 낮은 한계를 갖는다. 모든 경우에서, 잎의 기능은 약 42℃에서 약화되고, 활성 잎 조직에 치명적 온도는 50-60℃ 범위에 이른다.
과도한 열에 대한 식물의 일반적인 형태학적 적응은 다음과 같다.
·잎 구조의 변화로 도움을 받곤 하는, 광합성/호흡 비율에 대한 높은 이산화탄소 보상점
·빛을 반사해 열을 덜 흡수하는 흰색이나 회색의 잎
·잎 조직을 단열하는 잎 표면의 털(연모)
·햇빛에 노출되는 표면적이 적은 작은 잎
·열을 덜 획득하고자 표면 대 부피의 비율이 더 낮은 잎
·열 획득을 줄이고자 수직으로 향한 잎의 방향
·더 많은 물을 흡수해 잎에서 일어나는 수분 상실을 상쇄하거나 잎 면적에 비해 더 많은 수분 섭취량을 유지하려는 더 광범위한 뿌리, 또는 더 큰 뿌리 대 새순의 비율
·식물의 줄기에서 형성층과 체관부를 단열하는 두껍고 코르크성이거나 섬유 모양인 나무 껍질
·원형질의 더 낮은 수분 함량과 생체 조직의 더 높은 삼투압 농도
이들 특성을 지닌 작물을 활용하거나, 그런 모습을 보이는 품종을 육종하여 물 가용성이 제한적이고 온도가 높은 농업 체계로 이런 특성들을 포함시킬 수 있다.
추위
성장에 필요한 최저치 이하로 온도가 떨어지면, 식물은 대사 활동이 천천히 계속되더라도 휴면 상태가 될 수 있다. 백화 현상이 일어날 수도 있고, 결국에는 조직이 죽음에 이르게 된다. 저온에서 죽는 일(어는 점 이상에서 일어날 수 있음)은 단백질이 침전되고, 세포 사이에 있는 수분이 얼어 원형질에서 물이 빠져 나오고, 원형질 자체의 내부에 해를 끼치는 얼음 결정이 형성되는 탓이다(그림5.6).
그림5.6 매우 드문 늦서리로 인해 피해를 입은 캘리포니아 카스트로빌 근처의 아티초크. 평균 온도가 장기간에 걸쳐 올라가 있는 상태에서 이따금 찾아오는 극한의 저온은 추위에 민감한 작물에 강력한 위협이 될 수 있다.
극심한 추위에 대한 저항성은 저온의 정도와 지속기간, 차가운 온도가 얼마나 빨리 발생하는지, 추위 이전에 식물이 겪었던 환경 조건의 복합성에 크게 의존한다. 잎 내부의 조직이 얼지 않고 길어진 추위에 견딜 수 있도록 왁스나 연모로 덮여 있거나 잎에 더 작은 세포가 있어 어는 걸 방해하는 등과 같은 일부 특정한 구조적 적응법이 저항성을 제공한다.
일부 식물은 어는 점보다 몇 도 정도 높은 온도에 단기간 노출시키거나 며칠 동안 물을 주지 않음으로써 일시적으로 내한성을 갖게 할 수도 있다. 그러한 식물들은 단련이 되어서, 혹한에 대한 제한된 저항성을 얻는다. 온실에서 재배한 모종은 농지에 옮겨심기 전에 며칠 동안 그늘진 곳에서 더 찬 온도에 노출시키고 관개를 줄여서 추위에 단련시킬 수 있다.
여러 식물은 추위를 피할 수 있는 메커니즘을 통하여 혹한에 적응한다. 추운 시기에 잎을 떨구고 휴면상태에 들어가는 낙엽성 여러해살이 떨기나무나 나무, 잎이 지고 지하의 식물 부분으로 돌아가는 알뿌리 식물, 자신의 생활 주기를 마치고 종자를 생산하는 한해살이 식물이 모두 추위를 피하는 식물의 사례들이다.
식물의 온도주기(Thermoperiod)
어떤 식물은 최적의 성장이나 발달을 위해 매일 온도가 변화해야 한다. 환경생리학의 고전적 논문(Went 1944)에서, 낮과 밤에 똑같은 온도로 재배된 토마토는 일반적인 낮의 온도와 더 낮은 밤의 온도로 재배된 토마토만큼 발달하지 않는다는 것을 입증했다. 이런 반응은 주로 밤에 일어나는 성장을 위한 최적의 온도가 주로 낮에 일어나는 광합성을 위한 최적의 온도와 크게 다를 때 발생한다.
온도의 일 변화는 많은 자연 생태계와 개방된 농지의 농업생태계의 식물들이 맞닥뜨리는데, 온실 같은 매우 통제된 농업생태계에서는 온도의 일 변화가 훨씬 덜하다. 또 다른 상황으로, 서늘한 밤의 기후에 살던 식물은 습한 열대의 지방이나 여름철 온대의 대륙성 기후의 지방 같은 비교적 낮과 밤의 온도가 일정한 지방에서는 잘 자라지 않는다.
춘화
어떤 식물은 특정한 발달 과정이 일어나기 전에 춘화라고 부르는 추운 기간을 겪어야 한다. 예를 들어, 캘리포니아의 초원에서 자생하는 여러 초본 종들은 이미 비가 내렸을지라도 며칠 동안 지속되는 추위가 발생해야지 발아한다. 이 지역에서 그 계절에 첫 비가 내리는 시기는 매우 가변적이며, 비가 내리는 초기에는 꾸준히 비가 오기 전에 대개 매우 건조한 기간이 이어진다. 그래서 비가 내리는 초기에 발아하면 대부분의 새싹은 살아남지 못할 것이다. 따리서 춘화가 일어날 때까지 발아를 지연시키는 게 선택적 이익이 있다.
많은 농업과 원예의 식물이 춘화에 반응한다. 예를 들어, 백합 알뿌리는 심기 전 적절한 시기에 추위에 노출시켜, 북쪽의 온대 지역에서 부활절에 맞춰 꽃을 피우게 할 수 있다. 또 다른 사례로, 더 균일하게 발아되도록 파종 전에 작물의 종자를 추위에 노출시키는 일도 있다.
특별 주제: 기후대의 변화
장소에 기반한 농생태학 지식의 가장 기본적인 요소 가운데 하나는 다음과 같은 질문에 요약되어 있다. 여기에서 일어날 수 있는 가장 추운 온도는 얼마인가? 온대 기후에서 특정 위치의 평균 최저 온도는 다른 어떤 단일한 환경 요소보다 더욱 재배할 수 있는 여러해살이 식물을 제한하기 때문에 이 요소가 핵심이다. 식물이 그 허용 범위 이하의 온도를 겪으면, 손상되거나 완전히 죽어버릴 것이다. 이는 분명 농민이나 원예사가 피하고 싶어하는 상황이다.
매우 오랜 시간 동안, 농민과 텃밭농민들은 하지의 일조시간처럼, 어느 장소의 평균 최저 온도가 고정된 것으로 간주할 수 있었다. 그러나 수십 년 전, 기후의 이런 측면은 변화하기 시작했다. 평균 최저 온도는 겨울이 좀 더 따뜻해짐에 따라 여러 지역에서 천천히 상승하기 시작했다.
미국에서 농민과 원예사들은 미국 농무부가 2012년 새로운 버전의 식물 내한성 구역 지도를 발표했을 때 추운 겨울 온도가 극지방 쪽으로 후퇴한 것에 대한 도표 증거를 볼 수 있었다. 이 지도는 평균 최저 온도가 영하 12℃ 안에 있는 기후대(영하 15℃ 범위에 기반한 그 안의 작은 구역과 함께)를 보여준다. 1976년부터 2005년까지의 온도 자료에 기반한 새로운 지도의 구역들은 1974년부터 1986년까지 수집된 자료에 기반한 1990년의 이전 지도에 나오는 구역과는 확연히 다르다.
새로운 지도는 미국의 1/3 이상이 현재 1990년보다 더 따뜻한 작은 구역에 있으며, 약 20%는 전체 구역이 이동했다는 것을 보여준다. 예를 들어, 네브라스카주는 1990년에는 주로 미국 농무부의 4구역에 있었는데 지금은 거의 전체가 5구역에 있다. 전 세계 온대 기후의 겨울철 온도의 전반적인 상승은 앞으로도 계속될 것 -그리고 변화의 속도는 가속화할 것- 으로 예상되며, 이는 농업에 중대한 영향을 미칠 것이다. 2012년 미국 농무부의 식물 내한성 구역 지도는 아래에서 볼 수 있다.
미기후와 농업
지금까지 온도는 기후의 요소로 논의되었다. 기후는 상당히 예측가능하지만, 특정 지리학적 지역에서 장기간에 걸쳐 일어나는 대기 조건의 매우 가변적인 패턴으로 구성된다. 기후학, 또는 기후 패턴의 연구는 지구의 어느 특정 부분의 평균 온도가 어떠한지, 그리고 예상할 수 있는 평균치로부터 변동의 정도가 어떠한지를 알려줄 수 있다. 가까운 미래에 인간이 어떤 종류의 대규모로 기후를 의도적으로 변경할 수 있는 가능성은 거의 없다. 이는 특히 온도에 해당된다. 한랭 전선, 태풍, 강우 패턴 같은 기후의 대규모 측면은 예상되는 기후 조건의 범위에 적합한 작물을 선택함으로써 가장 잘 처리할 수 있다.
하지만 개별 작물 유기체나 농지의 수준에서 관리될 수 있는 기후의 측면, 즉 미기후가 있다. 미기후는 유기체의 눈앞에 있는 온도, 습도, 대기의 국지적 조건이다. 어떤 정의에 의하면, 미기후는 고려되고 있는 유기체의 4배 높이 정도의 구역에 있는 조건으로 구성된다. 미기후가 온도 이외의 요소들을 포함하고 있지만, 농민은 미기후를 변경하거나 미기후의 변화를 활용할 때 온도와 가장 관련이 있을 가능성이 높다.
미기후의 개요
작부체계 안에서 온도와 수분, 빛, 바람 및 대기의 질 같은 조건은 특정 위치에 따라 달라진다. 작부체계의 캐노피 바로 위의 조건은 그 내부의 지표면과 뿌리층에 있는 토양 속의 조건과는 매우 다를 수 있다. 작부체계 안의 종단면을 따라 형성되는 특정한 미기후 조건은 체계의 미기후 개요라고 부른다. 체계의 구조와 구성요소의 활동들 모두 미기후 개요에 영향을 미친다. 구성요소인 식물 종이 발달함에 따라 개요도 변화한다.
그림5.7은 5개 층의 캐노피를 통하여 상대적으로 측정된 옥수수, 강낭콩, 호박 사이짓기 체계의 미기후 개요를 도식의 형태로 나타낸 것이다. 이러한 체계에서 미기후 개요는 초기의 발아부터 완전히 성장하기까지 각 발달 단계마다 매우 다르다.
그림5.7 성숙한 옥수수-강낭콩-호박 사이짓기 체계의 도식적인 미기후 개요. 정오의 캐노피 각 층에서 5가지 요소들의 상대적 수준이 어떤지 보여주고 있다. (Adapted in part from Monteith, J.L., Principles of Environmental Physics, Edward Arnold, Ltd., London, U.K., 1973.)
지하의 미기후 개요도 중요하다. 그것은 지표면부터 작물의 가장 깊은 뿌리 아래의 가까운 거리까지 뻗어 있다. 어떠한 상황에서, 작물이 겪는 조건은 작물에 문제를 야기할 정도로 미소서식지의 여러 구역에서 매우 다를 수 있다. 예를 들어, 토양이 매우 차가울 때 따뜻한 바람은 뿌리가 물 상실을 충분히 상쇄시킬 만큼 빨리 물을 흡수하지 못하기 때문에 식물의 지상부를 건조하게 할 수 있다.
온도 미기후의 변경
적절한 설계와 관리를 통하여 체계의 미기후를 변경할 수 있다. 농민의 목표가 작부체계의 지속가능성에 유리한 미기후 조건을 창출하거나 유지하는 것이라면 그러한 변경이 특히 중요하다. 이런 경우, 각각의 변경은 체계의 더 장기적인 지속가능성에 기여하고, 단기적인 수확량과 시장 수익률에 기여하는 만큼 평가되어야 한다.
미기후에는 여러 요소가 포함되지만, 그것의 변경은 주로 온도에 초점을 맞추는 일이 많다. 온도 미기후를 변경하는 데 활용하는 방법과 기술은 다음과 같다. 온도의 변경이 이런 방법들의 주요한 목적이긴 하지만, 습도와 빛 같은 미기후의 다른 요소들에도 영향을 미칠 것이다.
캐노피 식생
체계에서 다른 식물에게 캐노피를 만드는 나무나 기타 키가 큰 식물은 그 캐노피 아래의 온도 조건을 크게 변경할 수 있다. 캐노피의 그늘은 토양 표면에서 일사 획득을 줄일 뿐만 아니라, 토양이 수분을 유지하도록 돕는다. 열대의 혼농임업 체계는 이런 종류의 방법 가운데 좋은 사례이다.
멕시코 타바스코에서 행한 연구결과(Gliessman 1978c)는 나무가 온도를 변경하는 효과를 명확히 보여준다. 이 연구에서, 나무로 덮힌 카카오 과수원의 온도 미기후는 근처의 개방된 풀 목초지의 온도와 비교되었다. 그림5.8에서 볼 수 있듯이, 카카오 플랜테이션의 여러 수준에서 일어나는 24시간 동안의 온도 변화는 목초지 체계의 똑같은 수준에서보다 훨씬 더 온건했다. 목초지 체계는 카카오 체계보다 낮 동안에는 더 따뜻해졌고, 밤에는 지상이 더 차가워졌다.
그림5.8 멕시코 타바스코에서 개방된 목초지와 나무로 덮힌 카카오 플랜테이션의 4가지 다른 수준에서 일어나는24시간 동안의 온도 변화. 카카오 체계에서 나무의 존재는 모든 수준에서 온도 변화를 온건하게 하고, 개방된 목초지의 지하 온도보다 더 낮게 유지시키며, 야간에 지상의 온도는 더 높게 유지시킨다. 상대습도에서도 비슷한 패턴이 나타난다. 목초지 체계에서는 카카오 체계의 습도보다 24시간 동안 더 많이 변동된다. 세로축의 눈금이 모두 동일하지는 않다. (Data from Gliessman, S.R., Unpublished research report, Colegio Superior de Agricultura Tropical, Tabasco, Mexico, 1978c.)
무생물 캐노피
작부체계에서 캐노피를 만들 수 있는 다른 방법도 있다. 예를 들어, 나일론 섬유로 된 터널형 덮개는 초겨울에 캘리포니아의 유기농 딸기 재배에 사용된다. 이를 통해 토양 표면에 더 많은 일사량을 허용하면서도 토양 표면에서 방출된 재방사 열을 붙들어 국지적으로 온실 효과도 제공한다. 그림5.9는 이 농법의 한 연구결과로서, 토양 상부5cm의 온도가 딸기 식물의 중요한 뿌리와 관부 발달 기간에 유의미하게 높아졌다(Gliessman et al. 1996).
그림5.9 유기농 딸기 체계에서 터널형 한랭사 덮개가 토양의 온도에 미치는 영향. 관행농법으로 딸기를 재배할 경우, 겨울철에 토양의 온도를 높이는 토양 덮개로 투명 비닐을 사용할 수 있다. 이는 앞서 토양 훈증으로 잡초를죽였기 때문이다. 유기농으로 재배하는 딸기에서는 잡초의 성장을 막기 위해 그 대신 검은 비닐을 사용해야 한다. 그러나 검은 비닐은 (a)에 나오듯이 토양의 온도를 올리는 데에는 투명 비닐보다 효율이 떨어진다. 이 차이를 보완하기 위하여 2년째 연구에서는 유기농 딸기 위에 나일론으로 된 터널형 한랭사를 씌웠다. (b)에 나오듯이, 한랭사를 두둑 위에 씌운 동안에 관행농법과 유기농법 사이의 토양 온도의 차이를 좁히는 데 성공했다. (Data from Gliessman, S.R. et al., Calif. Agric., 50, 24, 1996.)
또한 캘리포니아와 스페인 등지에서 채소의 생산을 위해 "고리형 하우스(hoop house)"나 비닐 터널을 활용하는 여러 연구와 실용적 실험이 있었다(Illic 1989). 철사나 플라스틱 고리를 농지의 두둑 위로 박은 다음 비닐이나 천 등으로 그 위를 덮는다. 이런 구조물의 국지적인 온실 효과는 낮의 열기를 가두고 엎어서 야간의 열 상실을 줄인다. 고리형 하우스는 토마토나 고추 같은 따뜻한 날씨를 좋아하는 작물의 조기 파종을 가능하게 하거나, 첫서리가 내릴 수 있는 가을이나 초겨울까지 영농철을 연장할 수 있다. 비용이 비싸기에, 이런 구조물은 주로 고부가가치 작물에만 활용하도록 제한된다(그림5.10).
그림5.10 서리에 민감한 작물을 보호하는 고리형 하우스. 무생물 캐노피의 역할을 하는 고리형 하우스의 덮개는 열을 가두고 야간의 열 손실을 줄이기 위해 저녁이 될 무렵 완전히 덮는다. 아침에는 벗겨서 작물에 빛이 닿도록 한다. 가운데에 있는 고리형 하우스의 그늘이 진 곳에서 아직 서리를 볼 수 있다.
토양 표면의 덮개
토양 온도의 미기후를 바꾸는 건 토양 표면을 덮어서 유도할 수 있다. 덮개작물 재배는 토양 온도를 변경하는 잘 알려진 방법의 하나이다. 덮개작물은 토양에 그늘을 지게 하기에 토양 온도를 낮추고, 토양의 유기물 함량, 잡초 씨앗의 발아, 수분 보전 등에 긍정적인 영향을 미친다. 왕성한 작물 사이에 덮개작물을 심으면, 이를 살아 있는 덮기(멀칭)라 부른다. 살아 있는 덮개는 토양 표면의 반사율(알베도)를 바꾸어 작물 바로 위의 기온을 높인다. 또한 살아 있는 덮개는 식물의 증발량을 증가시켜서 온도에 그 반대의 효과를 가져올 수도 있다.
유기물이나 무기물의 무생물 덮개도 온도 미기후를 바꿀 수 있다. 그것의 효과는 재질의 색상, 짜임새, 두께 등에 따라 달라진다. 밀, 귀리, 보리 같은 작물의 짚은 흔히 마른 덮개로 활용되고, 여러 다른 종류의 작물 부산물이나 휴한지, 정원 또는 근처의 땅에서 모은 풀들도 그렇다. 보통 수로에서, 특히 열대 지역에서 문제로 여겨지는 부레옥잠(Eichhornia crassipes)이나 좀개구리밥(Lemna spp.) 같은 수생식물은 물에서 건져내 덮개로 적용할 수 있다. 식물에서 유래되는 덮개는 결국 토양으로 들어가 토양의 유기물 함량에 도움이 된다. 최근에는 비식물성 덮개 재료가 인가를 얻고 있다. 여기에는 신문지, 널판지, 옷, 비닐 등이 포함된다. 일정 시간이 지나면 생분해되어 다시 토양으로 돌아가는 특화된 원예용 종이도 개발되었다.
덮개를 추가하는 것과 유사한 효과를 내는 농법은 덮개가 자연스럽게 쌓이도록 하는 것이다. 이는 무경운 체계를 활용하여 이루어진다. 작물의 잔여물을 토양 표면에 남겨 토양의 온도를 변경하고 수분 손실을 막는 덮개를 형성한다.
마지막 농법은 토양 표면의 색을 변화시켜 알베도를 변경하고, 그에 따라 태양 에너지의 흡수량을 바꾸는 것이다. 작물 잔여물을 태우는 건 이를 행하는 한 방법이다. 검댕으로 불태운 잔여물이 더 많은 양의 열을 흡수하고, 흰 재가 된 잔여물은 열을 덜 흡수한다.
온실과 그늘막
그늘막과 온실은 현재 미기후 수준에서 온도 환경을 변경하는 일반적인 방법이다. 그늘막은 들어오는 태양 복사의 일부를 차단하여 일사 획득과 온도를 낮춘다.
반면, 온실은 열을 보존하거나 가두는 데 활용되곤 한다. 빛 에너지는 온실의 유리나 비닐 덮개를 관통하여 내부에서 장파의 열 에너지로 흡수되고 재방사된다. 그런 다음 재방사된 에너지는 온실 내부에 갇히게 된다. 추위기 길어지거나 흐린 기간에, 재배자는 여러 다른 방법으로 온실 내부를 덥힐 수 있다. 재순환형 온수는 온실의 바닥을 데우거나 적어도 발아 또는 식물의 초기 발달을 위해 온실의 모판에 열을 제공하는 데 활용된다.
1년 중 특정한 시기나 특정 기후대에서, 지나친 열이 온실에 갇히게 되어 배기와 공기 냉각이 필요할 수 있다. 온실의 온도를 낮추는 또 다른 방법은 차광막이나 다른 재료로 들어오는 태양 복사를 일부 차단하는 것이다. 현재 미기후의 조절에 컴퓨터 기술과 자동화를 이용해 정교한 관리가 이루어지고 있다(그림5.11).
그림5.11 온실에서 행하는 정밀한 미기후 조절. 모판 아래에 있는 관에 온수를 순환시켜 토양의 온도를 따뜻하게 유지하며 좀 빨리 옮겨심기로 한 채소 모종을 돌본다.
서리 피해 예방법
세계의 더 온화한 지방에서, 특히 더 높은 고도와 위도에서는 재배철 초기나 후기에 서리 피해를 입을 위험이 되풀이된다. 덮기와 한랭사는 서리 피해를 막는 중요한 방법이지만 다른 수단도 존재한다.
서리가 예상될 때 관개로 토양 수분을 높이면, 수분이 증발하면서 수증기로 토양의 열을 전달하기에 지면 작물을둘러싼 근처의 온도를 높일 수 있다. 증가된 대기의 수분 그 자체도 식물을 보호한다.
야간에 찬 공기가 흘러내리는 저지대의 지역에서는, 농민들이 서리 피해를 피하기 위해 필요한 몇 도 정도의 온도를 올리는 비교적 간단한 수단을 오랫동안 활용해 왔다. 한 가지 기술은 모깃불이다. 디젤, 쓰레기, 폐타이어 또는 식물성 물질 같은 어떤 종류의 연료를 태워서 열을 가두는 연기를 발생시키거나, 잠잠한 야간에 찬 공기가 강하해 머물러 있지 못하도록 충분한 난기류를 생성시킨다. 그러나 최근 건강에 대한 위험과 대기오염에 관한 우려로 모깃불의 활용이 감소했고, 농민들은 서리가 잦은 지역에서 공기가 계속 움직이도록 커다란 선풍기를 이용하게 되었다. 분명히 그러한 기술은 특정 조건에서만, 몇 도의 온도 차이가 중요한 경우에만 작동한다.
온도와 지속가능성
온도라는 요소와 관련하여 지속가능한 농업생태계를 설계하고 관리하는 일은 두 가지 상호연관된 과제를 수반한다. 첫 번째 과제는 외부의 투입재나 화석연료의 사용에 지나치게 의존하지 않고, 자연계에 해를 입히거나 유전적 다양성을 떨어뜨리지 않으며, 사회적 영역에서 불평등을 악화시키지 않는 방법으로 온도란 요소를 다루는 것이다. 이런 지속가능성의 측면은 그늘막 같은 구조물, 비닐 같은 자재, 선풍기 같은 장치의 사용을 제한하고, 농업생태계의 기본 설계의 특징으로 미기후를 변경하려는 노력으로 초점을 이동시킨다. 이 후자의 범주에는 그 내부의 환경에 미기후의 다양성을 창출하고, 극한의 온도를 온건하게 하기 위한 혼농임업 체계가 있다.
두 번째 과제는 상승하는 기온, 극한의 온도, 앞으로 세계의 많은 지역에서 농민들이 직면하게 될 비정상적인 이상 기온을 견딜 수 있는 생산 체계를 만드는 일이다. 이러한 노력의 핵심어는 적응력과 탄력성이다. 적응력은 온도의 관리 체제에서 변화와 예측되는 변화에 대응하여 관리 전략, 작물 유형, 계절적 시기 및 농업생태계의 설계를 변화시킬 수 있는 능력을 포함한다. 탄력성은 본질적으로 온도의 극한과 가변성에 덜 취약하게 하고, 손상으로부터 회복할 수 있으며, 어떤 종류의 날씨에도 상관없이 먹을거리를 수확할 수 있을 만큼 다양한 체계를 설계하는 데에서 비롯된다.
최후로, 이 두 가지 과제는 함께 일어난다. 기후변화를 극복할 수 있는 농업생태계는 또한 농업의 생태학적 기반에 최소한의 해를 끼치는 것들이다. 그것은 다양성과 자연의 과정을 지렛대로 움직이고, 온도란 요소를 한가운데포함하는 환경의 맥락에 대한 지식을 기반으로 설계되고 관리된다.
생각거리
1. 특정한 작물 종에 대한 일반적 허용치 수준보다 더 높은 온도의 지역에서 작물을 재배할 수 있는 농민의 몇몇 사례 설명하라. 그런 상황에서 성공하기 위한 생태학적 기반은 무엇인가?
2. 여러분이 거주하는 지역의 온도 상황에서 일반적으로 재배하지 못하는 시기에 소비되고 있는 먹을거리 작물의예는 무엇이 있는가?
3. 기후변화는 우리의 먹을거리 생산과 소비의 패턴을 어떻게 변경시킬 수 있는가?
4. 작물의 재배철을 연장하기 위하여 미기후를 어떻게 변경할 수 있는가? 어떻게 하면 농사철보다 더 일찍 파종할 수 있는가? 어떻게 하면 더 높은 고도에서도 파종할 수 있는가? 지나치게 높은 온도로부터 작물을 보호하는 방법은 무엇인가?
인터넷 자료
Center for Climate and Energy Solutions
Global Climate Change Research Reporter
http://www.exploratorium.edu/climate
Intergovernmental Panel on Climate Change
NASA GISS Surface Temperature Analysis (GISTEMP)
http://data.giss.nasa.gov/gistemp
National Climatic Data Center (NOAA)
Western Regional Climate Center
읽을거리
Bonan, G. G. 2008. Ecological Climatology: Concepts and Applications, 2nd edn. Cambridge University Press.
This book integrates the perspectives of atmospheric science and ecology to describe and analyze climatic impacts on natural and managed ecosystems. In turn, it discusses the feedback mechanisms on climate from the use and management of land by people. The book includes detailed information on the science of climatology as well as specific chapters on the interactions between climate and terrestrial ecosystems, including agroecosystems and urban ecosystems.
Geiger, R. 1965. The Climate Near the Ground. Harvard University Press: Cambridge, MA.
The most thorough treatment of the field of micrometeorology, or the study of the microclimate within 2 m of the surface, where most crop organisms live.
Hellmers, H. and I. Warrington. 1982. Temperature and plant productivity. In M. Recheigl Jr. (ed.) Handbook of Agricultural Productivity. Vol. 1. CRC Press: Boca Raton, FL. pp. 11–21.
A review of the complex relationships between temperature and plant growth and development, with a particular focus on crop plants.
Hidore, J. D., J. E. Oliver, M. Snow, and R. Snow. 2009. Climatology: An Atmospheric Science, 3rd edn. Prentice Hall.
A textbook on climate patterns, processes, and dynamics, with a major focus on the complex relationships between people, climate, and climate change.
Lobell, D. B. and M. Burke (eds.). 2010. Climate Change and Food Security: Adapting Agriculture to a Warmer World. Advances in Global Change Research. Vol. 37. Springer.
This book provides an in-depth analysis of the interactions between climate change and the food system, with emphasis on how food security is likely to be affected by climate change and what interventions will be needed to adapt.
Reddy, K. R. and H. F. Hodges (eds.). 2000. Climate Change and Global Crop Productivity. Oxford University Press.
An edited volume by leading international experts, which presents a comprehensive examination of the potential effects of climate change on agricultural systems around the world. It includes chapters focusing on specific crops, agroecosystems and agroecological processes, mitigation strategies, and socioeconomic impacts.
Wollenberg, E., A. Nihart, M.-L. Tapio-Biström, and M. Grieg-Gran (eds.). 2012. Climate Change Mitigation and Agriculture. Earthscan and Routledge with CCAFS: Abingdon and New York.
This book reviews the state of agricultural climate change mitigation globally, with a focus on indentifying the feasibility, opportunities, and challenges for achieving mitigation among smallholder farmers.
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