농생태학 -9장 토양의 물

농생태학: 지속가능한 먹을거리 체계의 생태학

9장 토양의 물

물은 끊임없이 식물의 몸체를 통해 흐르고 있다. 증산을 통해 기공을 떠나고 뿌리를 통하여 들어온다. 이러한 이유로, 식물은 토양에서 자신의 뿌리로 이용할 수 있는 일정량의 물이 있어야 한다. 적절한 토양 수분이 없으면, 식물은 빠르게 시들어 죽는다. 따라서 근권 -식물의 뿌리가 침투한 토양의 부분- 에 충분한 수분을 유지하는 일은 농업생태계 관리의 중요한 부분이다.

그러나 토양의 수분 관리는 단순히 강수나 관개를 통해 토양에 충분한 물을 투입하는 문제가 아니다. 토양 수분은 토양과 전체 농업생태계의 생태학 가운데 일부이다. 무수한 요소에 의해 물의 가용성과 보유력이 영향을 받을뿐만 아니라, 물 자체도 많은 역할을 수행한다. 물은 용해성 양분을 운반하고, 토양의 통기와 온도에 영향을 미치며, 토양의 생물학적 과정에 영향을 준다. 선충과 원생동물 같은 토양의 미소 동물상의 여러 구성원은 본질적으로 수생 생물이고, 토양 입자에 부착되어 있는 얇은 물의 막 안에서 산다. 또한 식물 자체가 토양 수분의 분포와 가용성에 영향을 미친다. 그러므로 농민은 물이 토양에서 어떻게 작용하는지, 토양에 있는 물의 수준이 날씨 조건과 농법에 의해 어떻게 영향을 받는지, 물의 투입이 토양 수분에 어떻게 영향을 미치는지, 그리고 작물의 물 수요는 무엇인지 알아야 한다. 

매우 오랜 시간 동안 작물에 정확히 최적인 토양의 수분 가용성은 거의 없다. 물 공급은 하루 종일, 그리고 계절 내내 결핍과 잉여 사이를 오간다. 실제 최적 값은 다른 요소들의 범위에 의해 영향을 받기 때문에 측정하기 어렵고, 조건은 끊임없이 변화하고 있다. 하지만 우린 대부분의 작물에서 최고의 수확량을 증진시키는 수분 조건의 범위에 관하여 많이 알고 있다. 과제는 이 범위 내에서 조건이 유지되는 방식으로 토양의 물을 관리하는 일이다.  

토양에서 물의 이동

자연 생태계에서, 물은 토양 표면에서 강우나 해빙으로 체계에 들어간다. 농업생태계에서 물은 6장에서 설명했듯이 똑같은 근원에서부터 들어가거나, 관개를 통해 추가된다. 토양 수분의 지속가능한 관리는 체계가 사용하는 물의 효율성을 최대화한다는 목표로 이렇게 적용된 물의 운명을 이해하는 데 달려 있다고 해도 과언이 아니다. 

침투

물이 토양 표면에 떨어지거나 적용되어 식물이 이용할 수 있게 되려면 토양으로 침투되어야 한다. 침투는 저절로일어나는 일이 아니다. 토양 표면에서 쉽게 침투할 수 없다면 물은 지표에서 유출되거나 증발로 상실될 수 있다. 침투는 토양의 유형, 경사도, 식생 덮개, 강수 자체의 특성에 영향을 받는다. 모래기의 토양이나 유기물 함량이 높은 토양처럼 다공성이 더 많은 토양은 물이 쉽게 침투되도록 더 개방되어 있다. 평평한 지형은 경사가 있는 지면보다 침투가 잘 일어나고, 매끄러운 경사면은 암석, 흙덩어리, 얕은 구덩이 또는 지표면의 기타 장애물에 의해 발생하는 미세지형의 변화가 일어나는 곳보다 유출수가 더 많다. 지표면에 살아 있거나 잔여물로 존재하는 모든 식생 덮개는 초반에 물이 유입되는 걸 매우 도와준다. 일반적으로 최적인 조건을 가정할 때, 강우의 강도가 더 셀수록 포화가 될 때까지 침투 속도는 더 빨라진다. 그러나 강우가 지나치게 강하면 유출수가 증가할 것이다. 

스며듦

일단 토양 상층이 포화되면, 중력이 초과된 물을 토양 단면으로 더 깊이 끌어당기기 시작한다. 스며듦으로 알려진 이 과정이 그림 9.1에 나온다. 스며드는 속도는 토양 구조, 토성, 다공성에 의해 결정된다. 좋은 떼알구조와 입단 안정성을 지닌 토양은 물이 토양 입자 사이로 자유롭게 이동할 수 있게 한다. 모래질 토양은 더 미세한 토성보다 큰 공극과더 적은 토양 입자 표면적을 가지고 있기에, 물이 가장 빨리 이동하게 될 것이다. 점토 함량이 매우 높은 토양은 처음에는 침투가 빠르지만, 일단 점토 교질 입자들이 물로 팽창되면 공극이 닫혀 이동을 방해할 수 있다. 뿌리의 수로와 동물의 굴, 특히 지렁이의 굴은 물이 스며드는 중요한 경로인데, 토양의 토성과 구조는 아마 빈번하게 경운되는 농업생태계에서 특히 중요할 것이다. 

그림9.1 작부체계의 토양에서 일어나는 물의 이동. (a)물은 강우로 떨어진 뒤 지표면에 침투한다. (b)중력수가 아래쪽으로 스며들고, 모세관 수가 지닌 농지 용수량이 위의 토양을 축축하게 만든다. 이와 함께, 증발과 증산이 시작되어 토양에서 물이 제거된다. (c)중력수가 계속 아래쪽으로 스며들면서, 표면 근처의 토양이 마르기 시작한다. (d)중력수가 지하수면에 도달하면, 대부분의 토양 단면은 농지 용수량에 가깝게 축축해진다. 예외는 증발로 건조해진 토양의 상층이다. (e)지하수면으로 인해 촉촉함이 유지되는 모세관 수대 위쪽의 토양 대부분 말라버리고, 토양이 다시 한번 흡습점에 가까워진다. (Daubenmire, R.F., Plants and Environment, 3rd edn., John Wiley & Sons, New York, 1974.에서 고침)

증발

일단 수분이 토양에 들어가면, 증발을 통해 대기로 상실될 수 있다. 토양 표면에서 일어나는 증발 속도는 지표면 자체의 온도만이 아니라, 지표면 위에 있는 대기의 수분 함량과 온도에 달려 있다. 바람이 특히 고온에서 증발 과정을 크게 가속화한다. 

증발은 지표면에서 발생하지만, 토양 단면 깊숙한 곳의 토양 수분에 영향을 미칠 수 있다. 증발로 인하여 토양 표면에 물이 부족해지면, 물 분자 사이의 인력이 모세관 현상을 통해 아래로 물을 끌어당긴다. 이 과정은 포화 구역이 아주 깊숙한 곳까지 이르거나 상부의 토양층이 너무 건조해져 모세관이 망가질 때까지 계속된다. 토양 표면의열 취득을 늦추고 토양과 대기 사이의 장벽을 제공하는 어떤 덮개 종류나 토양 표면의 덮개가 증발 속도를 늦출 것이다. 

증산

3장에서 설명했듯이, 식물이 발산된 수분으로 잎에서 기공을 통해 물을 상실하여 식물에서 물의 부족을 초래하고 식물의 뿌리가 물을 흡수해 균형을 이룬다. 특히 증발에 영향을 받는 토양층 아래로 침투하는 뿌리에 의해 이렇게 토양에서 물을 생물학적으로 제거하는 것이 토양 생태계 밖으로 물을 이동시키는 주요한 수단이 된다. 이 상실을 대체하기 위하여 물을 추가하지 않으면 식물은 휴면 상태가 되거나 생태계에서 제거된다. 

수압 재분배

증발의 원인이 되는 똑같은 물리적 원리는 그들의 기공이 닫히고 그에 의하여 근권의 한 부분에서 다른 부분으로물이 운송될 때 일부 식물이 그 뿌리의 조직을 통하여 물을 이동시키도록 한다. 이 특별한 능력은 얕은 곁뿌리에서 더 깊은 원뿌리로 이어지는 물관부 통로가 있는 떨기나무와 나무가 지니고 있다. 식물의 뿌리 체계 가운데 일부분이 매우 건조한 토양의 지역에 놓여 있으면, 물은 증산 견인과 유사한 높은 수분 포텐셜이나 압력 포텐셜에 의해 그 뿌리에서 빠져 나오게 힘이 가해진다. 이런 압력 포텐셜은 젖어 있는 토양에 위치한 뿌리에서 물을 끌어당긴다. 물이 식물의 뿌리 체계를 통하여 이동하여 더 건조한 토양에 있는 뿌리에서 스며나와 효과적으로 그 토양을 촉촉하게 만든다. 수압(또는 수문학적) 재분배라고 부르는 이러한 물의 이동은 주로 식물의 기공이 닫히고 근권의 촉촉한 부분에서 증산이 물을 놓고 경쟁하지 않는 야간에 발생한다. 

수압 승강이라 부르는 농업과 가장 크게 관련되는 수압 재분배의 형태에서, 물은 식물의 긴 원뿌리가 침투한 토양의 심층에서 끌어당겨져 곁뿌리가 차지한 지표면 근처의 토양에 재분배된다. 수압 승강은 인간의 먹을거리 대부분이 유래되는 어느 한해살이 식물에서도 발생한다고 알려져 있지 않지만, 농업생태계와는 관련이 있다(Liste and White 2008). 우기와 건기가 교대하는 반건조 지방에서, 작물은 수압 승강을 나타내는 토종 나무나 떨기나무와 함께 재배될 수 있다. 그러한 체게에서 떨기나무나 나무에 의해 지표면에 유입된 수분은 작물의 수확량을 크게 증가시키거나 작물의 풍작과 흉작 사이의 차이를 가져올 수 있다. 

토양 수분 가용성

물과 개개의 토양 입자 사이에서 작용하는 인력은 토양 수분이 식물에 의해 어떻게 유지되고 상실되며 이용되는지를 결정하는 중요한 역할을 담당한다. 이러한 힘을 이해하는 일은 토양 용액의 물리적, 화학적 특성과 토양의 액상 및 토양 입자 자체와는 별도로 용해된 용질을 살펴본다는 걸 의미한다.

토양에서 식물이 이용할 수 있는 수분의 비율은 전통적으로 토양 표본을 채취하여 그 무게를 측정하고, 105℃에서 토양을 24시간 동안 건조시킨 다음 그 건조 중량을 측정해 결정되었다. 건조하는 동안 상실된 수분의 양은 표본 건조 중량으로 나누어 백분율로 표시된 수치로 나타낸다. 

그러나 이 순서는 토양 입자에 대한 물의 접착이란 중요한 변수를 고려하지 않기 때문에, 실제로 토양에서 식물이 이용할 수 있는 물의 양을 측정하기에 적합하지 않다. 토양에서 점토와 유기물의 함량이 증가함에 따라, 물은 토양 입자에 더 강하게 끌리고 뿌리가 흡수하기에 더 어려워진다. 예를 들어 상추는 수분이 15%인 점토질 토양에서는 시들 수 있는 반면, 모래질 토양에서는 작물이 시들해지려면 수분이 6%까지 떨어질 수 있다.

물은 다른 것들과 비교하여 어떤 종류의 토양에 더 단단히 고정되기에, 토양 입자와 수분 사이의 인력을 더 잘 반영하는 수분 함량 백분율 이외의 또 다른 측정이 필요하다. 이 측정은 에너지의 측면에서 토양 수분을 표현함으로써 이루어진다. 물 분자가 토양 입자에 끌리는 힘인 토양의 수분 포텐셜은 1바가 해수면에서의 표준 기압(760mmHg 또는 1020cm의 물)과 같은 흡입 바bar로 표현된다. 이 방법은 토양 용액에서 물의 가용성을 측정하는 수단을 제공하며, 토양 입자의 크기와 유기물 함량에 의해 결정되는 다양한 인력을 고려한다. 

인력의 측면에서 수분 함량과 가용성을 설명하기 위해 여러 가지 특수한 용어가 사용된다. 이들은 다음과 같이 정의되며 그림9.2에 설명되어 있다.

그림9.2 토양 입자에 대한 인력에 따른 토양 수분. 쉽게 이용할 수 있는 물이 고갈되면 영구 시들음점에 도달한다. 농지 용수량은 중력수가 배수된 뒤에 남은 물의 양이다. 

·중력수는 중력의 영향만 받으며 토양 속으로, 토양을 통하여, 토양 밖으로 이동하는 물이다. 비나 관개 직후에이 물은 모든 대공극을 차지하면서 토양의 아래쪽으로 이동하기 시작한다.

·모세관 수는 토양의 미세공극을 채우고 0.3-31흡입 바의 힘으로 입자에 유지되는 물이다.

·부착수(Hygroscopic water)는 토양 입자에 가장 밀착되어 있는 물로서, 보통 31흡입 바 이상이다. 토양을 오븐 건조한 뒤 비화학적으로 결합된 나머지 물이 부착수이다. 

·수화수(Water of hydration)는 토양 입자와 화학적으로 결합된 물이다.

·유효수는 식물 뿌리에 쉽게 흡수되는 토양에 있는 물의 부분이다. 보통 0.3-15흡입 바 사이의 모세관 수이다.  

·농지 용수량은 중력이 아래쪽으로 끌어당겨 대공극의 중력수를 배수시킨 뒤에 토양에 남아 있는 수분으로, 적어도 토양 입자에 0.3흡입 바로 유지된 모세관 수로 미세공극을 채운 것이다.    

·영구 시들음점은 어둡고 습한 환경에 놓아도 식물이 시들고 회복되지 않는 토양의 수분 함량이다. 영구 시들음점은 보통 15흡입 바 미만으로 유지되는 모든 모세관 수가 토양에서 제거될 때 발생한다. 

모든 토양은 입자의 크기가 서로 다르게 혼합되어 있고 유기물 함량이 다양하며, 이런 특성이 보수력을 결정하기때문에, 물 관리 계획을 개발하는 일환으로 토양의 유형을 조사하는 게 중요하다. 대부분의 토양에서, 최적의 성장은 토양의 수분 함량이 농지 용수량 바로 아래로 유지될 때 일어난다. 최적 성장에 필요한 수분이 토양 수분 함량의 전체 범위에 미치지 못하는 것은 분명하다. 

식물의 토양 수분 흡수

식물이 증산하는 동안, 그들은 자신의 기공을 통해 상실한 상당량의 물을 끊임없이 대체해야 한다. 그러나 어느  순간에는 이용할 수 있는 토양수의 작은 비율만 실제로 물을 흡수하는 뿌리 표면에 가까이 있게 된다. 두 가지 과정이 이런 제한을 보완한다. 첫째, 물은 물의 모세관 이동을 통해 뿌리 표면으로 토양을 통해 수동적으로 끌어당겨진다. 둘째, 식물의 뿌리가 흡수하기에 충분한 수분이 있는 지역 쪽으로 토양 안에서 활발히 성장한다.  

물의 모세관 이동

식물이 그 뿌리를 통해 물을 흡수하여 증산을 통해 상실된 걸 대체하기 때문에, 뿌리와 맞닿은 지역의 토양 수분 함량이 감소된다. 이것이 그 지방에서 흡입 에너지를 증가시켜, 주변 토양으로부터 모든 방향에서 수분을 끌어당기는 경향이 있는 더 낮은 수분 포텐셜의 변화도를 만든다. 일반적으로 대부분의 물은 토양 단면에서 더 깊은 곳에서 끌어당겨지는데, 특히 지하수면이 지표면에 가까울수록 더욱 그러하다. 모세관 이동은 부분적으로 토양 입자 표면으로 물 분자를 끌어당기고, 물 분자가 서로를 끌어당기는 원인이 되기도 한다. 모세관 이동이 일어나는 속도는 물 부족의 강도와 토양의 유형에 따라 다르다. 대부분의 모래질 토양에서, 더 큰 크기의 입자가 물을 느슨하게 고정시키기 때문에 이동이 상당히 빠르다. 점토질이 많은 토양에서, 특히 떼알구조가 열악한 그런 토양에서는 이동이 훨씬 느리다. 

물은 모세관 작용을 통하여 하루에 몇 센티미터만 움직일 수 있다는 것이 입증되었다. 하지만 대부분의 뿌리 체계가 차지한 토양의 광대한 용적 때문에, 더 먼 거리로 이동할 필요는 아마 없을 것이다. 식물은 증산율이 매우 높더라도 모세관 이동을 통해 필요한 물의 상당 부분을 얻을 수 있다. 주간에 뿌리층과 맞닿은 곳에서 생성된 높아진 흡입 압력은 야간에는 더 낮은 흡입 압력의 지역으로부터 토양을 통한 물의 이동으로 대체된다. 토양의 수분 함량이 심각하게 고갈되고 식물의 성장이 느려질 때 그러한 이동이 가장 중요한 시기이다. 적절하지 않은 수분이 주변 토양에 존재하면, 식물은 영구 시들음점에 도달한다. 

토양 속으로 확장하는 뿌리

식물은 지속적으로 뿌리를 토양 속으로 확장시켜 새로운 위치에 토양과 뿌리의 접촉이 확립되도록 한다. 뿌리와 잔뿌리, 뿌리털은 모두 토양-뿌리 접속의 광범위한 네트워크를 형성하고자 결합된다. 지속적인 뿌리의 침투와 뿌리 네트워크의 많은 양에도 불구하고, 어느 시기에 식물의 뿌리와 접촉하는 어떤 특정한 토양의 총량은 매우 적다. 대부분의 추산에 의하면, 식물의 뿌리가 차지하는 토양의 부피 안에서 총 토양 입자의 면적은 1% 미만이 실제로 뿌리 표면과 접촉하고 있다. 이 사실은 물의 모세관 이동의 중요성과 물 이동과 뿌리 확장의 상보성을 강조한다. 

대개의 한해살이 식물은 토양 상부의 25-30cm 안에 뿌리의 대부분을 분포시키고, 그 결과 그 층에서 물의 대부분을 흡수한다. 포도와 과수 같은 많은 여러해살이 식물은 훨씬 더 깊게 뻗는 뿌리가 있어 더 깊숙한 토양 단면에서 수분을 끌어당길 수 있다. 하지만 이들 식물조차 가능하면 -영농철의 일반적인 상황- 상부의 층에서 뿌리가 흡수하는 물에 크게 의존할 것이다. 물이 충분하지 않으면, 호박과 옥수수 같은 한해살이 식물조차 증산으로 인한 상실을 대체하고자 더 깊은 뿌리에 의존할 것이다. 

토양 수분과 식물의 물 수요 사이의 관계는 토양의 조건, 강우량 또는 관개 상황 및 작물의 요구 사이의 복잡한 상호작용의 결과이다. 농민들은 영농철 동안 이런 구성요소들 사이의 균형을 유지하고자 노력하지만, 때로는 토양 수분의 초과나 결핍 쪽으로 균형이 치우치는 사건이나 조건이 발생하곤 한다. 

토양의 과다한 물

 

과도한 물이 장기간 농업생태계에 존재하거나 체계의 밖으로 과도한 물이 이동하는 게 방해를 받을 때, 침수라 알려진 조건이 발생할 수 있다. 많은 강우량, 열악한 관개 관리, 좋지 않은 지형, 빈약한 지표면 물빠짐 등이 침수를 불러오고, 토양 생태계에 그와 관련된 변화를 일으킬 수 있다. 침수된 토양은 강기슭의 퇴적물부터 습지와 늪지, 토탄 늪에 이르기까지 다양하며 전 세계에 걸쳐 발생한다. 계절에 따라 범람하는 곳이라면 물빠짐이 좋은 토양이라도 침수 기간을 겪을 수 있다(그림9.3).

그림9.3 멕시코 타바스코에서 침수로 피해를 입은 옥수수. 과도한 토양 수분은 작물의 생육을 방해하거나 죽이기까지 하는 조건을 만든다.

침수는 전 세계의 농업 체계가 과도한 물을 처리하는 방법을 개발시킬 만큼 빈번하고 널리 발생한다. 최근에는 비용이 많이 드는 배수 시설과 댐 건설이 연루되었다. 이와 대조적으로, 더 단순하고 전통적인 기술은 과도한 물을 제거한다기보다는 오히려 그런 조건에서 작용하는 걸 목표로 한다. 예를 들어, 세계의 여러 습한 지역에서 벼는 습지 농업에 이상적으로 적합한 작물로 재배된다. 

과도한 물의 악영향

공기가 토양 입자들 사이의 공극을 채우는 토양에서는 산소 확산이 빠르고, 생태학적 과정(즉, 뿌리의 대사 및 분해자의 활동)에 대한 O2의 결핍이 거의 없다. 하지만 공극이 물로 채워지거나 포화되면, 산소의 확산율은 매우 감소한다. 포화된 토양에서 산소의 이동은 통기성이 좋은 토양에서의 그것보다 1/1000 이하일 수 있다. 산소의 부족은 뿌리 세포의 호흡을 심각하게 제한하고, 혐기성 미생물의 개체군을 형성시켜 화학적 환원 조건을 조성한다. 

침수된 토양에서 가스 교환 속도가 저하되면 이산화탄소와 기타 가스가 축적된다. 이산화탄소는 뿌리 부분처럼 호흡이 일어나는 모든 곳에 축적되어, 필요한 산소를 대신하고 여러 대사 과정을 제한한다. 기타 가스는 똑같은 조건에서 축적되기 시작한다. 예를 들어, 메탄과 에틸렌은 유기물의 혐기성 분해로 인해 독성 수분까지 증가할 수 있다. 혐기성 유기물 분해의 식물 독성 수용성 분해 산물도 축적되어, 벼 생산 체계에서조차 그 문제점이 지적되고 있다(Chou 1990).

제한된 산소 공급이란 조건에서, 많은 토양 미생물은 자신의 호흡 산화를 위하여 산소 이외의 전자 수용체를 사용한다. 그 결과 수많은 화합물이 화학적 환원 상태로 전환되어 산소가 상실되고 수소가 생성된다. 이는 차례로 토양의 산화-환원(산화 환원 반응) 전위에 불균형을 일으키는데, 이는 전자를 받거나 공급하기 위한 토양의 전위로 측정된다. 제1철과 2가망간 이온(제2철이나 망간보다는)은 환원 조건에서 독성 수준까지 증가한다. 

호흡을 위한 산소 공급원으로 질산염을 사용할 수 있는 어떤 혐기 저항성 미생물은 N2 가스 또는 독성 수준의 아산화질소(N2O)를 유리시킴으로써 탈질소 작용을 유발한다. 암모니아 역시 범람 이후에 증가할 수 있는데, 이는 유기물의 혐기성 분해 때문일 것이다. 게다가 혐기성 활동은 황산염을 익숙한 썩은 달걀의 황화수소(H2S) 냄새가 나는 식물 독성 용해성 황하물로 환원시킨다. 

이전에 설명했던 각각의 조건은 단독으로, 또는 어떤 조합으로 식물의 발달을 제한하게 될 수 있다. 이들 조건으로 식물이 약해지면 특히 뿌리층에서 질병에 더 취약해진다. 범람의 시기도 중요하다. 과도한 토양수 조건에 의한 작물의 부정적 영향에 대한 민감성은 침수가 발생했을 때의 작물의 발달 단계에 따라 달라질 수 있다. 그림9.4의 자료는 침수가 침수된 시기에 따라 다른 방식으로 작물의 성장, 발달, 수확량에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 보여준다.  

그림9.4 동부(Vigna unguiculata) 수확량의 구성요소에 대한 침수 시기의 영향. (Minchin, F.R. et al., J. Agric. Sci., 90, 355, 1978.의 자료)

배수 체계 

배수 체계는 습지 지역을 농업에 더 도움이 되도록 만들고, 과도한 물이나 잦은 홍수가 일어나는 지역에서 우선 간단히 농사를 가능하게 하기 위해 오랫동안 사용되어 왔다. 배수 체계는 저지대가 범람하는 걸 막거나(물을 퍼내거나 증발에 의해 물을 제거한 뒤)지하수면을 낮추어 토양 생태계가 호기성을 유지할 수 있게 하는 제방, 운하,도랑 체계의 건설을 수반한다. 

배수 체계는 2000년 전 로마와 중국의 농민들이 사용해 왔다. 중국의 양쯔강 계곡과 네덜란드의 저지대, 캘리포니아의 삼각주 지역 대부분은 복잡한 배수 체계 없이는 농사지을 수 없었을 것이다. 최근에는 특별한 도랑 파는 기계로 설치할 수 있는 구멍이 뚫린 플라스틱 파이프를 사용하는 지하의 배수 체계가 개발되며 토양 수분을 더 엄격히 통제할 수 있게 되었다. 

하지만 배수 체계는 댓가가 따랐다. 설치와 유지의 경제적 비용 외에도, 배수 체계는 생태학적 비용이 든다. 제거된 물은 양분과 퇴적물이 들어 있어 체계에서 상실되면 대체되어야 한다. 강수량이 변하기 쉬운 지역에서 과도한배수는 건조한 해에 가뭄 피해를 높일 수 있다. 농사철에 증발산량이 많고 배수가 널리 사용되는 일부 지역에서는 배수한 물의 처분 자체가 문제가 될 수 있는데, 특히 잔류농약과 염분 부하가 높아 주변의 자연 생태계를 손상시킬 수 있다. 

습지 적응형 작물

홍수를 배수 체계나 기타 기반시설로 해결해야 할 문제로 처리하는 대신에, 적응을 통해 작물을 재배할 기회로 간주하며 침수를 용인할 수도 있다. 벼(Oryza sativa)은 아마 그러한 작물 가운데 가장 잘 알려진 사례일 것이다.원래 수생 또는 습지대 식물이었던 벼는 습한 서식지에서 번성하는 작물로 재배되어 왔다. 그것의 적응은 공기가 뿌리로 퍼지게 하는 줄기에 있는 특별한 공기 공간 조직과 낮은 산소 농도라는 조건에서도 성장할 수 있는 뿌리, 근권에 있는 적갈색 수산화3가철로 제1철 이온을 산화시키기 때문에 산화 화원 전위가 높은 토양에서 견딜 수 있는 능력, 낮은 산소 요구량으로 인하여 수중에서도 발아하게 되는 종자 등이 포함된다. 다른 작물들은 완전히 습지에 적응하는 건 아니지만, 주기적인 범람을 견딜 수 있는 적응력을 지니고 있다. 예를 들어, 토란(Colocasia esculenta)은 볼록한 알줄기 같은 잎 아래쪽에 산소를 저장할 수 있어 범람에 견딜 수 있다. 

과도한 토양수에 대한 농업생태계 차원의 적응

과도한 물에 대처하기 위하여 농생태학의 초점이 적용될 때, 중간의 접근법이 취해지곤 한다. 물을 제거하거나 습지 적응형 작물로 생산을 제한하기보다는, 다양한 수단을 통하여 지형의 변화가 만들어져 두둑, 토단 또는 지하수면이나 전형적인 높은 수위 위에 토양이 놓여 있는 농지를 형성한다. 

전 세계의 여러 지방에서 사용되는 전통적 방법으로, 토양을 파서 두둑을 높여 쌓고 그 과정에서 운하나 도랑이 형성되는 것이 있다(그림9.5). 운하는 과도한 물을 배수하고, 침식성 퇴적물과 유기물을 포착해 보유하는 역할을한다. 어떤 경우에 운하는 어류의 생산도 가능하게 한다. 건기가 길어진 지역에서 그 체계를 설치하면, 지하수면에서 위로 향하는 물의 모세관 이동이 작물을 유지하기에 충분해질 수 있거나 관개용수를 근처의 운하에서 끌어올 수 있다. 그러한 체계의 사례로는 중국 남부의 주장강 삼각주의 연못-제방 체계와 네덜란드의 운하-농지 체계가 포함된다. 또 다른 사례로, 멕시코 틀락스칼라의 camellone-도랑은 지역의 우기의 범람 상황에 대한 적응으로써 6장에서 상세히 논의되었다. 이들 농업생태계의 대부분은 성공적으로 관리된 오랜 역사를 지니고 있다.

그림9.5 멕시코 타바스코의 습지에서 높임 두둑 농사 체계를 조성하기. 옆쪽 고랑에서 파낸 토양은 높여서 파종을 위한 표면을 만들기 위해 폐기한 사탕수수 섬유질과 함께 쌓는다. 

습지에서 농사지을 수 있는 토양을 만드는 데 활용된 또 다른 전략은 인근 지역에서 암석과 토양, 우물 정 자로 쌓는 재료를 사용하여 얕은 호수 바닥에 토단을 구축하고, 이들 기반의 꼭대기에 호수 바닥의 퇴적물과 식물 부스러기를 쌓아 올리는 것이다. 이런 유형의 체계 사례는 멕시코 계곡의 얕은 호수에서 스페인 침략 이전 시기에 개발된 치남파스chinampas이다.  

토양수의 결핍

증발산을 통해 토양에서 상실된 수분의 비율이 강우나 관개를 통한 투입보다 더 클 때, 식물은 고통을 받기 시작한다. 증발은 토양 상부의 15-25츠에서 물 공급을 격감시키고, 토양에 있는 식물의 뿌리 특성 및 증산 속도에 따라 식물이 증산을 통해 대기로 물을 상실하기에 고갈이 더 깊은 곳까지 연장될 수 있다. 수분이 토양에서 고갈됨에 따라, 지표면 근처의 토양 온도가 상승하기 시작해 증발 속도가 훨씬 빨라진다. 토양 입자에 보유된 쉽게 이용할 수 있는 물이 이러한 과정을 통해 고갈되면, 토양 수분의 수준은 식물이 낮에 일시적으로 시드는 지점까지 떨어질 수 있다. 

일시적인 시들음이 지속적으로 발생하면, 잎이 노래지기 시작하고 성장과 발달은 대체로 지연된다. 잎은 더 천천히 확대되고, 더 작아지며, 더 일찍 노화된다. 스트레스를 받은 잎에서 광합성률이 떨어지고, 더 많은 양의 동화된 광합성 산물이 식물의 뿌리에 저장된다. 작물의 생산이란 관점에서 볼 때, 그러한 반응은 수확할 수 있는 산물을 감소시키기 때문에 부정적이다. 게다가 토양 수분이 가뭄 스트레스 반응이 반복적으로 발생할 만큼 낮으면, 흉작이 최종 결과일 수 있다. 

생태학적 관점에서, 가뭄 스트레스 반응은 식물에게 어떤 적응력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 물 스트레스를 받은 식물의 뿌리에 더 많은 탄소를 배분하면 더 많은 뿌리의 성장이 촉진될 수 있어, 식물이 더 넓은 지역에서 수분을 끌어당길 수 있게 된다. 물 스트레스는 종의 생존을 보장하는 데 도움이 되는 조기 개화, 결실 및 종자 형성을 하게 만들 수 있다. 경우에 따라서 늦여름에 면화 식물의 잎을 말려 수확 전에 고엽제를 뿌리지 않아도 되도록물을 주지 않을 때처럼, 농민은 그러한 가뭄 반응을 실제로 활용할 수 있다. 

많은 식물은 물 스트레스를 받는 조건에서 생존을 돕는 특정한 구조나 대사 경로를 가지고 있다. 주기적으로 물 스트레스를 겪는 지역의 농민들은 이러한 적응 형질의 일부를 나타내는 작물 종과 품종을 잘 찾는다. 가뭄 저항성 작물의 일부 사례로는 특정 선인장 종과 가르반조 콩, 참깨, 피스타치오 같은 견과류 및 올리브와 대추야자 같은특정 뿌리가 깊은 여러해살이 식물이 있다(그림9.6).

그림9.6 스페인 안달루시아의 건지 농장의 올리브. 이 뿌리가 깊게 뻗는 여러해살이 작물은 제한된 강우량과 관개가 어려운 지방에 잘 어울린다. 

관개의 생태학

자연 생태계에서 식생은 기후와 토양 유형에 의해 설정된 토양 수분 상황에 적응한다. 반면, 농업생태계는 그러한 수요를 공급할 수 있는 자연 생태계의 능력을 초과하는 물 수요를 지닌 식물을 도입하곤 한다. 이러한 경우, 관개가 작물에 적절한 토양 수분을 제공하기 위해 사용된다.  

관개는 생태계 기능에 주요한 변화를 나타내며, 특유의 생태학적 문제를 야기한다. 그와 함께, 물 공급 체계는 비용과 에너지의 측면에서 손실이 크다. 장기적인 지속가능성을 달성하려면, 이들의 사용은 생태학적, 경제적 비용에서 균형을 이루어야 한다. 

집수, 저장, 송수 체계는 지표수와 지하수의 흐름에 큰 영향을 미칠 수 있다. 대수층을 과도하게 사용할 수 있으며, 강과 강변, 습지의 생태계는 심각하게 손상될 수 있다. 건강한 수로와 물 공급을 유지하는 일은 수익성 있는 작물 생산을 유지하는 것만큼 중요하기 때문에, 지역과 지방의 수문학에 대한 물 공급 체계의 영향을 고려해야 한다(Postel 2010). 

염분 축적

거의 모든 관개용수에는 축적된다면 작물을 손상시킬 수 있는 염분이 함유되어 있다. 관개는 주로 증발산 잠재력이 높은 지역에서 활용되기에, 시간이 지남에 따라 토양 표면에 퇴적되는 염분을 어쩔 수 없다. 통제되지 않으면 염류집적이라 하여 이것이 축적되어, 특히 염분에 붕소와 셀렌 같은 독성 미량요소가 함유되어 있을 때 작물 생산에 바람직하지 않은 수준에 이를 수 있다(그림9.8). 총 염분 함량은 모mho 단위의 전기 전도도로 측정된다. 적용된 관개용수의 1.0mmho/cm당 물의 염분 함량은 약 640ppm 정도 증가한다. 유입되는 관개용수의 염분을 분석하는 것과 함께 관개되는 토양의 염분 수준을 면밀히 관찰하면 과도하게 축적되는 걸 피할 수 있다. 

그림9.8 중부 캘리포니아에 있는 Kesterson 근처에서 염분이 축적되어 손상된 토지. 관개용수가 주변 농경지에서 배수되면서 증발하여 토양에 독성 염분을 남겼다(사진 출처 Roberta Jaffe).

대부분의 관개 체계에서 필연적으로 축적되는 염분 때문에, 장기간의 지속가능성은 축적된 염분을 토양의 상층에서 제거하는 자연적이거나 인공적인 적절한 배수 없이는 이루어질 수 없다. 강우는 주요한 자연적 침출제이다. 강수량이 충분하지 않으면, 앞서 설명한 것처럼 배수로, 도랑, 운하 같은 체계를 구축해야 한다. 염분을 용해시키기 위해 과도한 관개용수를 주기적으로 적용시켜, 염분이 가득한 물이 생산적인 뿌리층 아래로 침출되거나 농지에서 지표 배수를 통해 제거된다. 

증발산이 많고 관개용수가 감지할 수 있을 만큼 염분 부하가 큰 건조한 지역에서 농업을 행하는 자연스런 결과는농업생태계를 떠나는 물이 적용된 물보다 염분 농도가 더 높아진다는 점이다. 그러므로 유출되는 지역의 토양, 지하수 또는 지표수 체계에 염화가 일어나지 않도록 주의해야 한다. 

사례 연구: 건조한 서아프리카에서 수압 승강 떨기나무와 사이짓기하기

사막화와 토양 악화가 충분한 먹을거리를 재배할 수 있는 사람들의 능력을 위협하는 아프리카의 사헬 지방 가운데 일부에서는 많은 농민이 두 가지 토종 떨기나무인 Guiera senegalensis와 Piliostigma reticulatum과 함께 땅콩이나 조 같은 작물을 성공적으로 재배한다. 이들 작물은 일반적으로 떨기나무 없이 재배되는 똑같은 작물보다 반건조지역인 사헬의 농사철 동안 가뭄 속에서도 생존할 확률이 더 높다. 

세네갈, 프랑스, 미국의 대학 및 연구소에서 온 과학자 집단은 여러 해 동안 미국 국립과학재단(National Science Foundation)의 자금을 받은 연구 프로젝트를 통해 어떤 메커니즘과 상호작용이 이 떨기나무 사이짓기의 긍정적 효과를 담당하는지 측정했다. 초기의 연구에서는 떨기나무가 실제로 작물을 돕는 것이 확인되었다. 여러 사례에서 최적화된 떨기나무-작물 체계(떨기나무는 고밀도이며 전통적 불태우기 농법을 통해 관리되지 않음)는 떨기나무가 없는 체계보다 땅콩과 조 수확량이 더 높다는 것이 나타났다. 

더 많은 연구에 의하면, 떨기나무 근처에 있는 토양은 떨기나무의 수관 밖의 토양보다 6-9개월로 긴 건기 동안 토양의 탄소 함량, 미생물의 다양성과 활동, 수분 등이 더 높았다. 또한 Guiera senegalensis와 Piliostigma reticulatum가 수압 상승 과정을 통해 토양 표면 근처의 뿌리층으로 더 깊은 토양층에서 물을 이송할 수 있다는 강력한 증거도 있다(토양 부분에 있는 물의 이동을 참조).

비록 수압으로 상승되는 물의 양은 적지만, 연구진은 가뭄 스트레스의 기간 동안 작물을 돕는 것이 중요하다는 가설을 세웠다. 하지만 그들이 수집한 증거에 의하면 수압으로 상승된 물로부터 작물이 받는 혜택은 오로지 직접적인 것은 아니고, 오히려 토양 미생물에 의해 매개된 것이다. 미생물은 떨기나무 뿌리를 둘러싸고 있는 습한 환경에서 번성하고, 훨씬 더 건조한 토양에서는 그렇지 않다. 연구진은 이들 미생물이 작물에 이로운 성장촉진물질과 병원균 억제 화합물을 생산한다고 가정한다. 또한 토양 미생물 군집에 존재하는 균근균이 떨기나무의 뿌리와 작물의 뿌리 사이에서 균사의 연결을 형성해 물과 양분이 작물에 전달되는 걸 도울 수도 있다. 

연구진은 그들의 가설을 시험하고 물의 이송, 미생물의 바이오매스, 식물 성장촉진 화합물의 생성, 작물의 가뭄 스트레스 감소에 대한 떨기나무의 기여 및 기타 중요한 요소들을 정량적으로 측정하고자 실험과 조사를 수행하고 있다. 그들의 연구결과와 자료는 가뭄에 저항성이 있고, 농약과 비료 같은 외부 투입재의 필요성을 줄이며, 토양과 수자원을 보존하는 데 도움이 되는 사헬 지방의 농업생태계를 설계하기 위한 기반을 제공할 수 있었다. 사헬을 위해 개발된 과학적으로 검증된 원리와 농법은 세계의 다른 반건조 지역에서 유사한 체계를 설계하는 데 적용될 수 있으며, 식량안보와 생태학적 과제를 해결하는 데 도움이 될 것이다(그림9.7). 

그림9.7 이 연구의 실험밭 가운데 하나는 파종하고 40일 동안 Piliostigma와 함께 자라고 있는 땅콩 작물을 보여주고 있다. 떨기나무는 다음날 지표면에서 잘라내고, 그 잎과 줄기는 잘게 잘라 토양 위에 뿌렸다. 건기 동안 작물이 자라지 않을 때는 떨기나무를 잘라주지 않는다. 그들의 뿌리 체계는 온전히 유지되며 계속 기능한다(사진 출처 Nate Bogie).  

 

생태학적 변화

보통 1년 중 건조한 기간 동안 농업 지역으로 관개용수를 도입하는 건 자연의 생태주기와 이로운 유기체와 해로운 유기체 모두의 생활주기에 중대한 영향을 미칠 수 있다. 자연의 조건에서, 계절에 따른 가뭄은 병해충의 축적을 줄이기 위한 매우 중요한 수단이었을 수 있으며, 다른 지역에서는 서리나 범람이 이들 유기체의 생활주기를 방해하는 역할을 했을 것이다. 이 자연적 방제 메커니즘의 상실은 발생과 인위적인 방제 전략에 대한 저항성 증가의 측면에서 심각한 결과를 불러올 수 있다. 

자연히 건조한 지역으로 관개를 도입하여 생길 수 있는 또 다른 유형의 변화는 지표수 저장 지역이나 물이 적용되는 농경지에서 일어나는 증발량이 증가하여 지역 또는 지방에 생기는 기후변화이다. 대기에 증가한 습도는 병해충 문제의 증가와 연관될 수 있고, 또한 강수의 분포와 양에 생기는 변화와 관련될 수도 있다. 농경지 외부에 미치는 관개의 효과는 지속가능성의 더 큰 맥락이 적용될 때 농경지에서 일어나는 효과와 함께 고려되어야 한다.  

수자원의 최적화된 이용

 

토양 수분은 토양에서 나오는 물이 작물을 거치는 주요한 경로를 보장하도록 설계된 농업생태계에서 최적으로 관리된다. 그러므로 관리의 초점은 증발을 줄이고 증산을 통한 흐름을 증가시키는 데에 있다. 특히 민물의 가용성과 그 관리가 인류가 직면하고 있는 가장 중요한 문제 가운데 두 가지가 되고 있기에, 이러한 차등을 두는 물 이동을 북돋는 농법이 지속가능성의 중요한 구성요소이다. 

물 이용의 효율성

주어진 물의 양을 가지고 식물이 생산한 바이오매스는 농업생태계에 적용되는 물 이용의 효율성을 재는 척도로 활용될 수 있다. 이 효율성이 증산된 물의 단위당 생산된 건조물로 표현될 때 이를 증산(T) 효율이라 하며, 토양 표면에서의 증발과 증산을 통하여 상실된 물의 단위당 생산된 건조물을 기준으로 계산할 때 이를 증발산 효율이라 한다. 

증산 효율

식물은 상대적 증산 효율이 서로 다르며, 실제 증산 효율은 작물이 자라고 있는 곳의 조건에 달려 있다. 자료에 의하면 옥수수와수수, 조 같은 작물은 건조물 1kg을 생산하기 위해 물을 덜 사용하기 때문에, 상대적으로 높은 증산 효율을 가진다. 이와 대조적으로 자주개자리 같은 콩과식물은 낮은 증산 효율을 가지며, 생산된 건조물 킬로그램당 많은 수분 투입에 의존한다. 대부분의 곡식과 채소 작물은 중간이다. 여러 중요한 작물들의 평균 증산 효율은 표9.9에 나와 있다.

그림9.9 다양한 작물의 평균 증산 효율. 평균값은 전 세계 여러 곳에서 Lyon et al. (1952)가 수집한 자료에서 계산되었다.  

작물이 성숙하려면 많은 양의 물이 필요하다. 예를 들어, 건조물 10,000kg/ha를 함유하고 350의 증산 비율을 가지고 있는 옥수수라는 대표적인 작물은 토양에서 1헥타르당 35cm의 물과 똑같은 양을 끌어올 것이다. 이 수분은 식물이 그걸 필요로 하는 시기에 토양에 있어야 하고, 그렇지 않으면 성장하기 어려워진다. 이 수치에 증발 상실을 더하면, 수분이 제한된 지방에서 수분이 어떻게 생산에 가장 중요한 요인이 되는지 볼 수 있다.

작물의 증산 효율을 높이는 육종에 초점을 맞춘 연구는 증산 효율의 비율을 유의미하게 변경시키는 데 거의 성공하지 못했다(Sinclair 2012). 다른 조건들이 제한되어 있지 않으면, 주어진 기후에서 작물 종 또는 품종의 건조물 단위를 생산하는 데 필요한 물의 양은 상대적으로 일정하다. 광합성률과 식물 내부의 물 흐름에 대한 제한 같은 더욱 다양한 생리학적 변수를 집중적으로 연구해야 한다. 하지만 전반적으로 증산 효율을 변경하는 데 성공하지 못했다는 건 우리가 토양 표면으로부터 증발의 통제 같은 환경 변수의 관리에 계속 초점을 맞추어야 한다는 걸 시사한다. 

증발산 효율

토양 자체는 매우 다양하기에, 증발산 효율도 너무나 다양하다. 그러나 토양에서의 증발에 영향을 미치는 토양과작물의 관리법을 변화시킴으로써 다음과 같이 증발산 효율의 바람직한 변화를 쉽게 얻을 수 있다. 이상적으로 증발 물 상실량에 대한 증산 물 상실량의 비율은 가능하면 높아야 한다. 증발에 대한 더 높은 증산 비율은 식물을 통한 물의 이동이 더 많다는 걸 가리키고, 따라서 사용된 물의 단위당 식물의 바이오매스 생산 잠재력이 더 높다.지속가능한 물 관리는 증산 및 관련된 식물의 성장 및 발달 과정을 위해 더 많은 수분을 보유하도록 증발을 줄이는 데 가장 중점을 둔다. 

증발산의 관리

증산은 식물이 정상적으로 자라고 있는 경우에만 작은 통제를 받는 식물의 과정이기에, 식물이 자라는 방식을 관리함으로써 증발 상실량을 줄이는 데 초점을 맞추는 것이 가장 좋다. 

작물 선택과 농업생태계 설계

식물 종과 농사 시기의 선택은 증산과 증발산 효율 모두에 영향을 줄 수 있다. 옥수수나 수수 같은 물 수요가 덜 강한 작물을 선택하는 건, 증발산이 매우 높고 관개용수가 제한된 지역에서는 토양 수분을 관리하기 위한 좋은 전략의 하나이다. 또한 더 물 집약적인 작물의 재배를 수분 상실 잠재력이 더 낮은 좀 더 시원한 시기로 전환하는것이 유용할 수도 있다. 

더 많은 식생의 덮개는 증발을 극적으로 감소시킬 수 있다. 더 많은 덮개를 얻는 한 가지 방법은 사이짓기 기술을활용하는 것이다. 예를 들어 숲 플랜테이션은 토양 표면에 그늘을 드리우는 반면, 나무가 넓게 떨어져 있는 사과 과수원은 토양 표면이 노출되어 훨씬 더 증발이 일어난다. 하지만 식물 덮개의 증가(더 높은 잎면적 지수)는 더 낮은 증발율이 훨씬 높은 증산률로 상쇄될 수 있어 토양의 수분 저장량이 더 빠르게 소모되기에, 더 건조한 지방에서는 골칫거리가 될 수도 있다.

휴경

미국의 대평원과 호주 남동부의 밀 지대 같은 수분이 제한된 세계의 일부에서, 농민은 토양 수분을 보존하기 위하여 때때로 1년의 농사와 이듬해의 휴경을 번갈아 한다. 휴경하는 동안 작물로 인한 증산 상실을 제거해 농사짓는 해를 위해 토양 수분을 저장하게 된다. 이전 작물에서 나온 밑동은 보통 증발 상실을 제한하고자 휴경하는 동안 토양 표면에 남겨 놓으며, 어떤 종류의 토양 경운이나 제초제 처리가 잡초의 증산 상실을 최소화하고자 휴경하는 동안 사용된다. 그렇지 않으면 목초를 농사짓는 해가 끝날 무렵에 뿌리고, 휴경하는 동안에는 방목되는 덮개로 남겨 놓는다. 휴경하는 해의 적은 강우량이 농사짓는 해의 작물 수확량을 더 낮출 수 있지만, 휴경을 1년 한뒤에 심는 작물은 일반적으로 휴경 없이 심은 것보다 수확량이 더 많다. 사실, 재충전에 충분한 강우량이 휴경하는 동안 내리기만 하면, 농사짓는 해가 가뭄이 든 해가 되어도 흉작의 위험이 훨씬 덜하다(그림9.10).

그림9.10 호주의 밀 농장에서 양을 방목하는 휴경지. 양은 수분을 사용하는 풀을 방제하고, 휴경하는 동안 환금작물로 쓰인다. 휴경하는 동안 얻은 토양 수분은 이듬해 농사짓는 해의 강우량과 결합되어 성공적으로 밀을 수확하게 한다. 비정상적으로 많은 비가 올 때를 제외하고 휴경 없이 밀을 해마다 연이어 생산할 수는 없다. (사진 제공 David Dumaresq)

지표면의 증발 관리

토양 표면에서의 직접적인 증발은 보통 강수로 얻은 수분의 절반 이상을 대기로 되돌려준다. 이러한 증발 상실의정도는 건조한 지방 만이 아니라, 관개가 되는 건조지와 하늘바라기 습한 지방에서도 발생한다. 기타 요소들에 따라, 식물 성장은 지표면 증발을 통한 수분 상실의 결과로 어려움을 겪을 수도 있다. 토양을 덮는 모든 농법이 증발 상실의 감소를 도울 것이다.

유기물 덮개

증발을 감소시키기 위하여(그리고 잡초의 성장과 그 증산 상실을 줄이기 위하여) 덮개로 토양의 표면을 덮는 데 다양한 식물성 및 동물성 재료를 사용할 수 있다. 보통 활용되는 재료는 톱밥, 낙엽, 짚, 퇴비화된 농업 폐기물, 똥거름, 작물 잔여물이 포함된다. 덮개는 수분 상실에 대한 매우 효과적인 장벽을 제공하고, 집약적인 텃밭과 소농 체계 또는 딸기, 블랙베리 및 기타 과수 작물 같은 고부가가치 작물에 특별히 적용하게 된다. 덮개는 작부체계가 경운을 드물게 하거나 주로 손 제초에 의존할 때 가장 잘 작용한다. 

덮개 덮기는 토양수 관리를 위해 실행할 만한 선택지를 제공하지만, 그와 함께 여러 다른 이로운 효과도 있다. 토양을 침식으로부터 보호하고, 토양으로 유기물과 양분을 되돌리며, 표면 반사율(알베도)을 변경하고, 가스 확산을 위한 경계층을 증가시키며, 들어온 강우량이 더 잘 침투되도록 한다. 이 모든 요소가 상호작용한다(그림9.11,9.12).

그림9.11 멕시코 타바스코에서 고추의 열 사이에 덮은 부레옥잠 덮개.

그림9.12 캘리포니아 아로마 근처에서 딸기 두둑 위에 덮은 레드우드 껍질.

인공물 덮개

특수하게 제조된 다양한 종이와 플라스틱이 현재 덮개로 활용되고 있다. 이런 재료는 쉽게 펼쳐지고 토양 표면에단단히 고정될 수 있다. 이들 "덮개"는 파종 두둑 위에 직접 펼치고, 째거나 구멍에 작물을 심을 수 있다. 수분 상실이 크게 감소하고 작물 수확량이 매우 증가한다. 어떤 플라스틱은 집중적인 온실효과도 제공하여, 토양 온도를몇 도나 올린다. 이는 캘리포니아 연안의 딸기처럼 연중 더 서늘한 시기에 심는 작물에 매우 중요한 혜택이다(그림9.13).

그림9.13 캘리포니아 연안에 있는 딸기 두둑의 비닐 덮개. 비닐은 작은 딸기 모종을 옮겨심은 뒤에 적용되고, 비닐을 째서 식물이 그를 통해 성장하게 한다.

작물 잔여물과 경운의 감소

토양의 표면에 농사철에 나온 잔여물을 많이 남겨 놓으면 증발을 더 낮추는 방호벽이 만들어진다. 잔여물 덮개는토양 표면에서 경계층을 보호하고, 지표면으로 향하는 물의 모세관 흐름에 대한 장벽을 제공한다. 덮개 장벽으로생성되는 더 낮은 온도는 아마 증발을 감소시키는 데에도 도움이 될 것이다. 

경운 감소와 무경운 기술은 덮개로 작물 잔여물을 활용하는 것과 결합되곤 한다. 대부분의 경운 감소 체계가 지향하는 주요한 목표는 표면에서의 증발 상실을 감소시키기 위하여 더 큰 토양 덮개를 발달시키는 일이다. 무경운체계에서, 종자는 풀밭이나 이전 작물의 잔여물 아래에 쟁기질이나 로터리 없이 직접 심어져, 식물성 재료가 증발 상실의 장벽으로 남아 있게 한다. 밑동 덮개 덮기는 충분한 토양 덮개를 제공하기 위해 이전 작물이 많은 바이오매스를 생산하는 아습윤과 반건조 지역에서 일반적 농법이다. 잔여물은 썰거나 베어져 표면 위로 골고루 뿌린 다음, 덮개를 관통할 수 있는 특별한 경운기를 뒷그루 작물을 심는 데 사용한다. 토양 수분에 긍정적 영향을 미침에도 불구하고, 경운 감소 체계는 결점이 잠재되어 있다. 여기에는 잡초 관리를 위한 제초제에 대한 의존도 증가, 작물 잔여물로 인한 토양 병원균의 증강 및 더 복잡하고 값비싼 농기계의 필요성이 포함된다.

토양 덮개

토양 표면에 있는 건조한 토양층을 경운하여 만들어지는 먼지 덮개라고도 불리는 천연의 토양 덮개는 우기와 건기 사이에 뚜렷한 구분이 있는 지방에서 수분을 보존할 수 있다. 이 건조층은 지표면으로 향하는 물의 모세관 흐름을 부수고, 그것을 만드는 과정은 건조층 아래의 수분을 이용하고 증산 상실을 증가시킬 수 있는 잡초를 제거한다. 그러나 이들 혜택은 경운 비용의 증가, 비바람에 의한 토양침식 위협 증가, 건조층에서의 유기물 상실 같은 잠재적인 부정적 영향을 비교하고 검토해야 한다.

앞으로의 연구

지속가능성이 주요한 목표인 경우, 토양에 있는 수분을 관리해서 작물이 최상의 성장과 발달을 유지하는 데 필요한 최적의 상태에 가깝게 최대한 유지한다. 이는 물이 과다하면 단순히 그를 제거하고, 또 물이 부족하면 추가하는 것 이상을 의미한다. 지속가능성은 토양에서와 식물-토양의 접점에서 물이 어떻게 기능하는지에 대한 심층적 이해가 필요하다. 물을 흡수하는 것과 식물 바이오매스로 그것이 전환되는 효율은 농업생태계의 지속가능성에 대한 하나의 지표가 될 수 있다. 물 관리 전략의 개발과 실험이 더욱 필요한데, 특히 물이 들어와서 농장을 통하여 지나간 뒤 결국 돌아오는 주변 환경과 연결하는 더 큰 순환과 패턴의 맥락에서 물을 바라보는 전략이 필요하다. 

생각거리

1. 강우량이 부족한 지역에서, 작물 생산에 필요한 토양 수분의 부족은 두 가지 방식으로 처리될 수 있다. (1) 낮은 수준의 수분에 적응한 작물이나 작물을 개발하는 일, 또는 (2) 물 부족을 극복하기 위해 관개를 도입하는 일. 각각의 방법이 지닌 장점과 단점은 무엇인가?

2. 농민들이 관개를 사용하는 일의 후속효과에 대해 자각해야 하는 이유는 무엇인가?

3. 토양에 수분 스트레스를 유발할 만큼 오랜 기간 강우가 없는 기간이나, 토양 생태계에서 혐기 생활이란 제한 조건이 생성될 만큼 오래 침수되는 기간은 작물 손실을 일으킬 수도 있지만 해충의 개체군과 질병을 통제하는 데에 도움이 된다. 이런 자연의 사건이 특정 토양 체계에서 제거되면, 어떠한 해충 및 질병 관리 전략을 그 대안으로 활용할 수 있는가?

4. 도시 지방과 농생태계 사이의 물에 대한 경쟁은 어떻게 자연 생태계에 영향을 미치고 있는가? 어떻게 세 곳 모두의 물 수요에 균형을 이룰 수 있는가? 어떻게 기후변화가 당신의 지역에서 물의 사용에 영향을 미치는가? 

인터넷 자료

AQUASTAT

http://www.fao.org/nr/aquastat

AQUASTAT is the global water information system of the United Nations’ Food and Agriculture Organization (FAO).

Global Water Policy Project 

http://www.globalwaterpolicy.org

International Water Management Institute 

http://www.iwmi.cgiar.org

The Nature Conservancy Rivers and Lakes Initiative 

http://www.nature.org/ourinitiatives/habitats/riverslakes/threat simpacts/rivers-and-lakes-promoting-sustainable-agricul tural-practices.xml

The TNC’s site for programs linking the protection of lakes and rivers with the maintenance of agricultural productivity and sustainability.

읽을거리

Ali, H. 2010. Fundamentals of Irrigation and on-Farm Water Management. Springer: New York. 

A thorough technical approach for understanding irrigation systems, plant–soil water relationships, and agricultural water management. 

Brady, N. C. and R. R. Weil. 2007. The Nature and Properties of Soils, 14th edn. Prentice Hall: Upper Saddle River, NJ. 

The most recent edition of this comprehensive soils textbook, with an extensive section on how water functions in the soil ecosystem. 

Ehlers, W. and M. Goss. 2003. Water Dynamics in Plant Production. CABI: Cambridge, MA. 

Explains the basic principles of water transport, taking into account soil–plant–atmosphere interactions, and their use in soil and agricultural management. 

Essington, M. E. 2003. Soil and Water Chemistry: An Integrative Approach. CRC Press: Boca Raton, FL. 

This book balances agricultural and environmental perspectives in its analysis of the chemical properties and processes that affect organic and inorganic substances in soil and soil water. 

Kirkham, M. B. 2004. Principles of Soil and Plant Water Relations. Academic Press: London, U.K. 

Explores the methods used to measure the status of water in soil and plants, including details on instruments and basic sampling methods. 

Lal, R. and M. K. Shuk (eds.). 2004. Principles of Soil Physics. Taylor & Francis Group: New York. 

This book analyzes the impact of the physical and hydrological properties and processes of soil on agricultural production, the environment, and sustainable use of natural resources. 

Postel, S. 2008. The missing piece: A water ethic. The American Prospect, Special Report: The Global Freshwater Crisis, June 2008. 

An in-depth look into the issues and challenges facing the United States as it tries to establish a sustainable water management policy. 

Singer, M. J. and D. J. Munns. 2006. Soils: An Introduction, 6th edn. Prentice-Hall: Upper Saddle River, NJ. 

A very useful introductory text on soils, with a very good treatment of the management of the soil–water interface. 

Sparks, D. L. 2011. Environmental Soil Chemistry, 3rd edn. Academic Press: San Diego, CA. 

This book illustrates fundamental principles of soil chemistry, and the interactions of soil with other important environmental factors and materials.