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<농생태학: 지속가능한 먹을거리 체계의 생태학>

10장 불

불은 환경 변화 또는 교란의 주요한 형태이다. 자연 생태계에서 우점하는 식물 종을 제거하고, 동물을 쫓아내며, 토양에 양분을 돌려주고, 숲 바닥에 쌓인 부산물 등을 태운다. 지구의 거의 모든 식생은 어떤 방법으로든 화재의 영향을 받아 왔다. 다양한 횟수와 강도의 주기적인 화재는 대부분의 생태계에서, 특히 건기가 뚜렷한 지방에서 발생할 것이라 생각된다. 

가장 흔한 불은 자연적으로 일어나지만, 인위 발생(인간이 유발한)의 불도 상당히 오랜 역사가 있다. 열대우림 지역에 있는 목탄 퇴적물에 대한 자료에 의하면 기원전 6천 년까지 거슬러 올라가는데, 그 가운데 대부분이 인간의 활동과 관련이 있다고 보고되었다. 초기의 농기구가 개발되기 이전에, 불은 초기의 인간이 식생을 관리하는 가장 중요한 "도구"였을 수 있다.

화재가 상대적으로 빈번한 지역에서 진화된 일부 자연 식생의 유형은 실제로 그 장기의 안정성을 화재에 의존한다. 여기에는 특정한 대초원, 사바나, 떨기나무 및 산림 유형이 포함된다. 지중해성 기후를 지닌 생태계의 떨기나무가 무성한 식생(수풀 지대, 덤불 지대 또는 카팅가caatinga라고 함)은 "화재 극상" 군집이라고 묘사되곤 하는 가장 잘 알려진 화재에 의존하는 식생이다(그림10.1). 

그림10.1 캘리포니아 산타바바라 근처의 산타이네즈 산에서 일어난 수풀 지대 화재. 주기적인 화재는 수풀 지대의 진화사 가운데 일부이다. 인간은 최근 자연적으로 불타는 패턴을 붕괴시켰다. 

초기의 생태학 연구에서는 불을 단지 파괴적인 힘으로만 보고, 그것의 실제 효과를 관찰하기 어려웠기에 많이 연구되지 않았다. 그러나 최근 캘리포니아의 수풀 지대 같은 생태계의 화재에 대한 자세한 연구들이 불을 생태학적조사의 중요한 주제로 만드는 데 도움이 되었다. 오늘날, 불은 공원과 자연보호구역에서 통제되는, 또는 처방되는 불태우기의 활용이 증가하는 데에서 목격되듯이, 여러 생태계의 필수적인 부분으로 간주된다. 불은 농업생태계에서도 매우 중요한 역할을 한다. 그것은 이동 경작 농법의 중요한 부분이고, 작물 잔여물을 관리하고 잡초를 죽이며 벌목에 이어 쳐낸 가지 등을 깨끗이 없앤다. 

자연 생태계에서 불

다음 세 가지 조건이 충족되는 생태계에서 불이 발생할 수 있다. 충분한 연료 또는 유기물의 축적, 건조한 날씨, 점화원이 그것이다. 수백만 년 동안 번개가 주요한 점화원이었다. 번개는 미국 서부의 산불로 타는 면적의 50% 이상의 원인일 정도로 오늘날에도 여전히 중요하다(Pyne 2012). 아주 최근의 지질 연대에서 인간은 또 다른 중요한 "점화원"이 되었다. 인간은 50만 년 전 구석기 시대 이후로 불을 사용해 왔다. 불은 아마 동물의 사냥이나 몰이에 처음으로 사용된 다음, 식생 관리 도구로 발전했을 것이다. 불지르기는 동물에게 더 나은 먹이를 제공하거나, 먹을거리나 재료원으로 이용하는 특정 식물의 존재를 촉진하기 위해 사용되었을 수 있다. 결과적으로 불은 약 1만 년 전부터 초기의 베고 태우기 농업이 시작되었다는 증거와 함께 파종을 위한 땅을 준비하는 도구가 되었다. 

생태학적 관점에서 볼 때, 주로 다음과 같은 세 가지 유형의 불이 있다.

·지표화. 이는 가장 일반적인 유형의 불이다. 토양 표면에 축적된 쓰레기, 풀, 지푸라기 등을 태우는 불길로 불의 온도는 그리 뜨겁지 않다. 그러한 불은 숲의 캐노피 아래를 따라 이동할 수 있으며, 나무를 태우지 않는다. 하층의 식생이 크게 변경될 수 있지만, 지표화가 발생하는 동안 토양 조건에 일어나는 변화는 보통 수명이 짧다. 지표화는 상황에 따라 잡초나 침입성 식생의 성장을 통제하거나 촉진하는 데 이용할 수 있다. 

·수관화. 이 유형의 불은 식생의 일부 유형에는 매우 해로울 수 있지만, 다른 유형의 활력을 되돌려주는 데 없어서는 안되는 부분일 수 있다. 수관화가 발생하면 식생의 캐노피가 소비되고, 보통은 성숙한 식물 종이 죽는다. 수관화는 대개 매우 빠르게 이동하며 토양 표면 위의 모든 것을 태우는 지표화와 결합되곤 한다. 

·지중화. 이 유형의 화재는 매우 빈번하지는 않지만, 일단 발생하면 아주 파괴적일 수 있다. 그것은 유기물, 특히 이탄토나 흑니토가 많은 토양의 특성이다. 토양에 있는 유기물은 광질토층으로 연소될 수 있다. 이들은 보통 불길보다 연기가 더 많고 불타면서 토양을 건조하게 만드는 느린 불이다. 토양에 있는 뿌리와 종자가 죽고, 동물의 서식지가 심하게 변화된다. 

모든 개개의 불은 세 가지 불의 유형이 결합될 수 있다. 일반적으로 불의 강도는 그 지역의 화재 빈도와 매우 밀접히 관련되어 있다(그림10.2).

(a)

(b)

(c)

그림10.2 불의 세 가지 유형. 천천히 이동하고 서늘한 지표화(a)가 코스타리카 북서부에 있는 여름 낙엽성 숲의 하층에 있는 잔재 등을 태운다. 수풀 지대에서 빠르게 이동하는 수관화(b)가 캘리포니아 산타바바라 근처의 지표면부터 식물의 수관까지 모든 것을 태웠다. 멀리 보이는 지중화(c)가 멕시코 베라크루즈의 코아트사코알코스 근처의 늪지에서 타고 있다. 

토양에 미치는 불의 영향

불의 생태학적 중요성 가운데 대부분은 그것이 토양에 미치는 영향을 중심으로 삼는다. 불은 토양 생태계의 다양한 비생물적 및 생물적 구성요소에 매우 뚜렷한 영향을 미치며, 이들 영향에 대한 지식은 농업생태계 관리를 위한 도구로 불을 사용하는 데에 중요하다. 그러나 불의 영향은 식생의 유형과 발달 단계, 토양의 유형, 불지르는 계절, 지배적인 날씨 조건, 마지막 불 이후에 지나간 시간, 기타 조건 등에 따라 크게 달라질 것이란 점을 지적해야 한다. 

비생물적 요소

불이 발생하면, 토양 표면층의 온도가 상승한다. 실제 가열 속도와 깊이는 토양의 수분량과 불의 유형에 따라 달라진다. 토양 표면에서 불타는 동안의 온도는 거의 항상 100℃를 초과하고, 일시적으로 720℃까지 오를 수 있다.표면 아래의 온도 상승은 대개 토양 상부의 3-4cm 이내이며, 불이 발생하기 이전의 온도보다 50-80℃ 높아져 보통 몇 분 동안 지속된다(Raison 1979). 이들 온도는 농업생태계 관리에 유용할 수 있는 방식으로 토양 환경을 변경할 만큼 높다. 

지상 유기물의 완전한 불태우기는 대부분의 질소와 유기산 성분을 연소시켜, 무기 양이온(주로 K+와 Ca2+)을 토양으로 되돌린 뒤 알칼리화 효과를 나타낸다. 이 효과의 강도는 불의 강도와 식물 바이오매스 연소의 완전함에따라 다르지만, 불이 난 이후 처음 며칠 동안 토양 pH의 증가, 특히 토양이 강수에 의해 촉촉해지면 일반적으로 pH는 3 이상이다. 

불이 난 이후, 검은색 토양 표면이 더 많은 태양열을 획득하는 경향이 있다. 그러나 불 및 태우는 온도가 매우 높아지기 전에 존재하는 바이오매스가 상당하면, 표면에 많은 흰재가 존재할 수 있어 실제로 잠깐 동안에는 반대의효과가 나타날 수 있다. 흰색 표면의 더 높은 반사율(알베도)는 태양 에너지를 반사해 토양의 가열을 제한한다. 

불로 인한 뜨거운 온도는 토양의 상층에 있는 유기물의 양을 크게 줄일 수 있다. 200-300℃의 온도에서 20-30분 동안 유기물에 85% 감소하고, 이산화탄소 방출과 휘발성 형태로 질소와 황의 상실 및 무기물의 퇴적이 일어난다. 

화재 이후에는 보통 토양의 보수력이 감소하고, 식생 덮개의 제거로 토양의 실제 수분 가용성은 감소된 수요 때문에 증가할 수 있다. 토양 입단의 크기는 줄어들고, 부피 밀도는 오르며, 침투성과 물 침투율은 감소한다. 강우 유출과 양분 침출이 증가하고, 토양이 다시 식생으로 덮힐 때까지 토양침식 가능성이 더 높아질 수도 있다. 화재 직후에 토양의 직접적 표면이 실제로 발수성을 띠는 건 드문 일이 아니지만, 이 조건은 보통 수분에 약간 노출된 뒤에 약화된다. 

일반적으로 말하면, 위에 열거한 비생물학적 효과의 대부분은 약간 단기적 성격을 가지고 있다. 토양 유기물의 대체, 강우량의 침출, 불태운 조건의 식물 변경과 결합된 식생의 재생은 신속하게 회복 과정을 시작한다. 과도한 화재 진압과 비정상적 연료 축적에 따른 불의 강도가 심할 경우, 또는 매우 느린 속도로 다시 축적되는 이탄토나 흑니토의 두터운 유기층을 태우는 불일 경우 비생물적 조건은 더 오랜 기간 동안 변경될 수 있다. 비정상적으로 자주 발생하는 화재, 보통 인위적으로 유발된 화재는 더 오래 지속되는 변화로 이어질 수 있다. 

생물적 요소

명백히, 불의 경로에 있는 살아 있는 식물이나 동물은 위험에 처해 있다. 불에 적응되지 않은, 특히 껍질 유형이 살아 있는 형성층을 보호하지 못하는 식물은 쉽게 죽는다. 불이 충분히 뜨겁고 다른 조건이 알맞으면, 살아 있는 식물은 죽거나, 말라 버리거나, 매우 빠르게 불이 붙어 지상의 모든 물질을 재로 환원시킬 수 있다. 그런 다음 식물이 지하의 구조에서 싹이 트지 않으면, 복구는 종자의 발아만으로 시작될 것이다. 일부 식물 종의 종자는 불로 죽는 반면, 다른 종은 특정 휴면 인자가 파괴되거나, 발아하고 뿌리 내려 자리잡기 좋은 토양 조건이 생성되며 자극을 받는다(그림10.3). 

그림10.3 소나무의 불에 대한 반응. 와이오밍 옐로스톤에서 모체 나무를 죽인 치명적인 수관화 이후에 어린 로지풀 소나무가 다시 자리를 잡았다. 

반복되는 불로 식생 회복 과정이 지체되어 불에 더 저항성 있는 또 다른 식생 유형이 우점할 수 있다. 떨기나무 지대가 초원으로 전환하는 것이 이 과정의 좋은 사례이다. 다른 한편, 일부 식생 유형은 불이 늙고 죽어가는 개체를 제거하고, 토양으로 저장된 양분을 되돌리며, 새롭거나 어린 개체에 의한 쇄신이 촉진되기 때문에, 어떤 의미에서는 주기적 화재로 건강을 유지한다. 

많은 큰 동물들은 멀리 도망가 불을 피할 수 있지만, 불에 타 죽었더라도 불탄 지역에서 그들의 개체군은 근처의 불에 타지 않은 지역에서 재착생을 통해 회복될 수 있다. 어떤 동물은 새로운 성장과 먹잇감의 집중, 또는 재가 진드기와 벼룩 같은 기생충의 제거를 도울 수 있기 때문에 최근에 불에 탄 지역을 찾아다닌다.

불이 발생하면 균류, 질화 박테리아, 거미, 노래기, 지렁이 등 거의 모든 토양에 사는 유기체의 개체군이 즉각적으로 감소한다. 대부분 높은 온도 때문에 죽지만, 어떤 유기체는 화재에 이어지는 pH의 변화나 불에 탄 유기물에서 비롯되어 토양에서 특정 양분이 사라지는 것에 의해 영향을 받는다. 그러나 화재 이후에는 특히 pH가 증가하여 자극을 받는 박테리아가 상당히 빠르게 재착생된다.  

전반적으로 불은 환경에 부정적 영향과 긍정적 영향을 모두 줄 수 있지만, 자연 생태계에서 불의 강도와 지속기간, 빈도는 엄청나게 가변적이란 점을 기억해야 한다. 1년부터 다음해까지 불에 유리한 조건은 엄청나게 달라질 것이다. 그리고 불이 발생하면, 그 영향은 일정하지 않다. 어떤 지역은 아주 철저히 불타버리는 반면, 조금 떨어진 똑같은 유형의 생태계는 화재의 영향이 완전히 없을 수 있다. 

불에 적응하는 식물

불이 오랜 진화의 역사를 가진 어느 곳에서나 대부분의 식물과 적어도 몇몇 동물들은 불에 대한 적응법을 개발해왔다. 식물에게 불에 대한 저항성을 제공하는 적응은 대개의 경우 식물이 과도한 빛이나 가뭄 스트레스를 처리할수 있게 하는 특징이기도 하여 흥미롭다. 

식물은 세 가지 다른 방식으로 불에 적응할 수 있다. 

1. 불 저항성. 불 저항성이 있는 식물은 살아 있는 부분이 불에 타지 않도록 도와주는 특성을 가지고 있다. 이러한 특성에는 빈번하지만 불에 손상을 덜 입도록 지원하는 두꺼운 껍질, 불 저항성 잎 또는 쓰레기 깔개 등의 특성이 포함된다. 

2. 불 용인성. 불 용인성 식물은 식물이 불에 타도 생존할 수 있는 특성을 가지고 있다. 일반적인 불 용인성 특성은 불이 난 이후 수관에서 재발아할 수 있는 능력이다. 

3. 불 의존성. 불 의존성 식물은 실제로 번식이나 장기간의 생존을 위해 불이 필요하다. 어떤 불 의존성 식물은 발아하기 전에 불이 필요한 종자, 또는 불에 노출되지 않으면 열리지 않는 열매를 갖는다. 또 다른 불 의존성 식물은 불이 나기 전까지 꽃이 피지 않거나, 주기적인 화재에 노출되지 않으면 노화된다. 

농업생태계에서 불

불은 농업에서 오랫동안 사용되어 왔다. 그러나 농업생태학의 관점에서 볼 때, 좋은 불과 나쁜 불, 지나친 이요과 불충분한 이용, 조심스런 불의 이용과 부주의한 불의 이용이 있을 수 있다. 문제는 불의 생태학적 영향에 대한 지식을 적절히 적용하는 일이다.

이동 경작

불의 이용에 대해 가장 오랜 역사를 지닌 농업생태계는 이동 경작, 또는 화전식 농업이다. 불을 이용하는 이동 경작은 오늘날에도 세계의 여러 지역에서 자급 농업의 가장 중요한 형태로 이어지고 있다. 주로 열대 지방에서 실행된다고 생각하지만, 불에 기반한 이동 경작은 밀과 보리가 10-25년의 휴경 주기로 재배되는 유럽에서조차 초기의 농업에 활용되었다(Russell 1968). 좋은 이동 경작자가 청소하고 태우고 심는 일이 매우 간단해 보일지 모르지만 경험을 통해 모든 활동의 시기, 특히 지속가능한 체계와 악화시키는 체계 사이의 차이를 만드는 불을 지르는 시기를 배워 왔다(그림10.4). 이동 경작은 교란과 작물 수확을 통해 상실된 토양비옥도를 회복시키기 위해 자연적인 연속 과정을 위해 충분한 시간을 줄 때 작동한다(그림10.5).

그림10.4 멕시코 타바스토에서 화전식 농업생태계의 불 관리. 작은 방화대가 미래의 화전과 주변 작물로부터불을 분리시킨다. 

그림10.5 멕시코 치아파스의 산에 있는 이동 경작의 무늬. 다양한 시기의 휴한지들이 농사짓는 구역 옆에 뚜렷하게 보인다. 농민은 장기에 걸쳐 체계가 지속가능하려면 15-20년의 휴경기가 필요하다고 이야기한다. 이 휴경기를 단축시키는 압력이 많다. 

불을 태우고 곧이어서는 체계에서 양분 가동성이 매우 높아 침출 상실이 많아지곤 한다. 이는 상실된 비옥도를 회복하기 위해서 휴경기가 필요함을 강조한다. 화전에서 작물은 재에서 토양에 추가된 양분을 빠르게 흡수해야 하고, 그렇지 않으면 침출로 제거되거나 작물이 아닌 식물 종이 침입해 그를 포획하기 시작할 것이다. 토양의 유형, 기후 상황, 농법 등에 따라 양분 상실률은 매우 다양해진다. 하지만 연구결과 칼슘, 칼륨, 마그네슘 같은 양분의 상실이 빠르고 많을 수 있다는 사실이 밝혀졌다(Nye and Greenland 1960; Ewel et al. 1981; Jordan 1985). 토양 경작만이 아니라 짧게 연속하여 반복되는 불도 양분 상실을 더욱 가속화할 수 있다(Sanchez 1976)(그림10.4). 

이동 경작 체계는 일반적으로 비교적 낮은 인구 수준을 유지할 수 있다고 생각된다. 잘 괸리된 이동 경작 체계에서, 토양의 탄소와 질소 대부분은 화재 이후에도 남아 있고, 뿌리 깔개는 온전히 살아 있으며, 토양 표면은 어떤 형태의 바이오매스 덮개로 보호되고, 심지어 토양의 균근도 생존한다. 그 결과 양분 상실과 토양침식은 최소화되고, 체계는 지속가능하다. 하지만 사회적, 경제적, 문화적 요소의 집합체가 휴한기를 단축시키고, 땔감을 위해 목재를 베어내게 하고, 부적절한 작물을 도입시키거나 가축을 지나치게 방목하도록 하여 결국 유해한 잡초 종의 침입을 촉진시키거나 토종 지피 식물의 회복을 향상시키는 과정을 붕괴시키는 압력을 생성하기 때문에 이들 체계의 많은 부분이 최근 지속가능하지 않은 방향으로 이동하기 시작했다. 불의 남용은 지속가능성을 붕괴시키는 원인 가운데 하나가 되기도 한다. 

현대의 농업 체계

현대의 농업 체게에서 불은 매우 다양한 역할을 수행한다. 다음에 제시된 사례는 다양한 기술의 차원을 나타내고, 농업생태계의 유형과 세계의 부분 및 관련된 문화에 따라 활용하는 차원이 달라진다. 체계와 목적에 따라, 파종 준비부터 수확까지 작부 주기 동안 언제든지 사용될 수 있다. 전반적으로 불을 이용할 때 가장 큰 과제는 불의 해로운 효과를 피하거나 최소화하면서 불의 이로운 효과를 활용하는 방법을 이해하는 일이다. 기술과 경험, 지식이모두 필요하다. 

개간

오늘날 세계의 여러 곳에서, 불은 특히 현대 버전의 이동 경작에서 파종을 위해 토지를 준비하기 이전에 토양 표면에서 식생과 식물의 바이오매스를 정리하는 가장 접근하기 쉽고 경제적인 도구로 이어지고 있다. 개간을 위해 불을 이용하는 건 더 쉽게 다시 심을 공간을 만들기 위해 벌채 이후 남은 많은 부산물을 태울 뿐만 아니라, 건조된 잔가지 등을 통해 산불이 이동할 기회를 줄이며 씨를 뿌리거나 옮겨심은 묘목이 확립되는 걸 억제하려는 여러 임업 체계에서 특히 중요하다.

깨끗이 해야 할 건조물의 양은 불의 유형과 강도에 큰 영향을 미치는 것이 분명하다. 표10.1에 나오듯이, 쳐낸 양(slash load)이라고 부르는 이들 양은 체계에 따라 상당히 달라진다. 열대의 이동 경작에서 토양에 남겨진 쳐낸 가지는 쉽게 4kg/㎡를 초과할 수 있고, 적당한 시기에 적절히 건조되고 태워지면 지름이 큰 가지와 줄기들을 제외한 대부분의 식물 물질을 소비하는 뜨겁고 균일한 불이 발생한다(Ewel et al. 1981). 신생의 두 번째 성장에서도 1-2kg/㎡의 건조물이 생성되어 쉽게 불이 발생할 수 있다(Gliessman 1982). 

표10.1 다양한 생태계에서 토지 개간의 일부로 불태우기에 이용할 수 있는 쳐낸 양

오래된 숲 체계를 벌채하면 통나무와 나뭇가지 등으로 숲이 어지럽혀져 그것들이 마르면서 화재의 원인이 될 수 있다. 그러한 쳐낸 가지 등은 해충이 머물 수도 있고, 나무 묘목의 회복에 해로울 수도 있다. 다른 한편, 부스러기가 분해되면서 토양의 구조와 양분 상태가 개선되어 침식으로부터 토양을 보호하게 된다. 쳐낸 걸 표면 위에서 균일하게 태울지, 불태우기의 영향이 국지화되도록 쌓을지, 또는 덮개로 태우지 않을지 결정할 때 이들 요소를 모두 고려해야 한다. 어떤 전통적 체계에서, 쳐낸 건 공급이 제한적일 때(보통 0.5kg/㎡ 미만) 쌓고 태우며 그 재는 거름으로 개간한 밭에 고르게 뿌린다(그림10.6).

그림10.6 멕시코 치아파스에서 쳐낸 가지 등의 더미를 불태운 모습. 바이오매스 생산이 기후나 짧은 휴한에 의해 제한될 때 쳐낸 건 태워서 재를 뿌리기 위해 쌓아 놓을 수 있다. 

토지 개간에 불을 사용하는 독특한 사례는 더 이상 수익이 나지 않는 멕시코 타바스코에 있는 오래된 카카오 플랜테이션을 개조하기 위한 체계이다. 첫째, 바나나가 하층 식생에 심어져 있다. 다음해에 모든 상층 식생의 그늘용 나무와 오래된 카카오 나무는 베어 바나나의 알줄기를 덮는 5kg/㎡ 이상의 많은 쳐낸 양을 남긴다. 적절히 건조되면 쳐낸 걸 태운다. 불이 난 직후 나무를 베고 6개월 안에 수확할 수 있는 전통적인 옥수수/강낭콩/호박 사이짓기 작물을 지역이 이동 경작 체계와 똑같은 방식으로 심는다. 한해살이 작물을 심고 돌보는 동안, 바나나에서 싹이 돋고 콩과의 그늘용 나무 줄기에서 새로운 순의 보호를 받으며 발달한다. 한해살이 작물이 주기를 마친 뒤, 수명이 짧은 카사바나 파파야 같은 여러해살이 작물을 심는다. 이들 작물을 수확할 때까지, 바나나는 상당히 지속적인 수관을 형성하여 현지에서 소비하거나 판매할 바나나(또는 플랜테인)을 생산한다. 3년이 지나면, 다시 순이 난 그늘용 나무가 그늘을 지게 하는 수관의 일부가 되기 시작한다. 이 시점에서, 토양 표면에서 그늘 조건은새로운 카카오 묘목을 다시 심기에 적합한 수준으로 감소된다. 바나나는 새로운 카카오가 생산될 때(심고 5-7년 뒤)까지 수확되고, 그 시점에서 개조 주기가 완료된다. 지역의 농민들은 불을 사용하지 않고 카카오가 그러한 장소에 다시 심기 시작할 수 있기까지 적어도 10년은 걸릴 것이라고 이야기한다 -이 귀중한 환금작물을 기다리는 데 오랜 시간이 걸린다. 불이 어떻게 이 농업생태계에 혜택을 주는지 정확히 알고자 한다면 연구가 필요하다(그림10.7).

(a)

(b)

그림10.7 멕시코 타바스코에서 오래된 카카오 플랜테이션을 개조하기 위해 불을 활용한다. 옥수수, 강낭콩, 호박(a) 같은 한해살이 작물은 오래된 카카오 식물(서 있는) 및 그와 관련된 그늘용 나무를 태우고 남은 재를 이용해 재배한다. 콩과의 그늘용 나무(b; 멍키포드Pithecellobium saman)가 불 이후에 회복하기 시작한다. 이 나무는 하나나 두 개의 줄기로 가지치기를 하여 결국 새로운 카카오 식물에 그늘을 제공할 것이다.

토양에 양분 추가

세게의 여러 작부체계에서 작물 잔여물과 비작물의 쳐낸 것, 요리나 난방을 위한 땔감을 태운 뒤에 남은 재는 귀중한 양분 공급원으로 간주되어 흙으로 돌려보내졌다. 재는 강우와 함께 토양으로 빠르게 이동하며, 그것이 함유한 양분은 토양 용액의 일부로서 쉽게 이용될 수 있다. 불에 타는 동안 휘발되는 질소와 황의 상실분은 다른 모든양분의 증가와 식물에 대해 이용성이 증가하며 그 이상으로 상쇄된다. 재는 2.6% 정도의 칼륨과 상당한 양의 인,칼슘, 마그네슘 및 기타 무기질 요소를 함유하고 있다고 입증되었다. 재는 0.4-0.67kg/㎡ 사이의 양일 수 있기 때문에, 농업생태계에 양분 투입재로 중요한 잠재력을 가지고 있다(Seubert et al., 1977; Ewel et al., 1981; Debano et al., 1998). 

물론 너무 쉽게 용해되어 이들 양분이 쉽게 체계 밖으로 씻겨 나갈 수 있기에, 재에서 양분을 추가하려면 효과적인 식물 덮개와 좋은 뿌리의 발달이 동반되어야 한다. 재를 적용하는 시기가 매우 중요하다. 높은 용해성 양분을 빠르게 흡수하려면 토양에 활발한 식물 뿌리가 있어야 한다. 그리고 강우 패턴에 대한 지식은 불지르기 또는 재 적용 이후에 양분이 뿌리층 아래로 침출되거나 표면에서 씻겨 가지 않도록 폭우를 피하기 위해 필요하다. 어떤 작부체계 또는 조합이 불로 방출된 식물의 양분을 가장 잘 활용할 수 있는지 조사하는 연구가 필요하다. 

작물 잔여물의 관리

불은 작물 잔여물을 관리하는 도구로 자주 활용된다. 그것의 주요한 혜택 가운데 하나는 잔여물에서 질소를 만들어 뒷그루가 더 쉽게 이용할 수 있게 하는 점이다. 잔여물이 질소에 비해 탄소의 함량이 매우 높으면(C/N 25-100), 잔여물에 있는 질소가 미생물의 바이오매스로 편입되면서 고정될 수 있다(그런 다음 토양 부식질로 더 영구적으로). 그러나 불태우기는 식물이 질소를 더 쉽게 흡수할 수 있게 만든다. 불이 타는 동안 휘발을 통하여 대부분의 질소가 상실되더라도 재의 탄질비는 태우지 않은 잔여물의 그것에 비교하여 더 낮기에, 남아 있는 질소를 더 쉽게 이용할 수 있고 외부에서 질소를 추가할 필요가 줄어든다. 

잔여물 불태우기의 또 다른 혜택은 필요한 경운의 총계가 감소한다는 것이다. 또한 개발도상국의 여러 지역에서 잔여물은 그를 제거하기 위해서가 아니라 가정의 난방이나 요리를 위한 연료로 태워진다. 때로는 그 재를 수거해토양 개량제로 농지에 되돌려준다. 

벼 생산은 불과 관련이 되곤 한다. 벼를 재배하는 세계의 어느 곳에서나 수확 이후에 남겨진 볏짚과 밑동이 0.95-1.0kg/㎡의 양이 될 수 있다. 전통적으로 이 볏짚은 가축의 사료, 땔감 또는 건자재나 퇴비의 원료로 활용되었다. 그러나 오늘날 여러 벼 체계에서, 벼를 수확한 뒤 가능하면 빨리 땅에 다른 작물을 심어야 할 필요성이 높아지면서 재빨리 볏짚을 재로 감소시키고자 불을 이용하고 있다. 불태우기는 밑동을 매개로 한 질병과 곤충을 감소시키고, 또한 어떤 뒷그루에게는 독이 될 수도 있는 물을 댄 조건에서 부식되며 메탄이 생성될 가능성도 줄인다. 하지만 연기가 대기의 질에 미치는 영향을 감지하면서 점차 불태우는 일을 규제하여 제한하고 농민들에게 토양에볏짚을 다시 통합시키거나 수확된 볏짚을 활용할 대안을 찾으라고 강요하고 있다(Kanokkanjana and Garivait 2013).

지속가능성의 관점에서, 잔여물 불태우기의 많은 장점은 휘발이나 침출을 통한 양분의 상실, 대기 오염, 토양 표면의 노출, 토양에 들어갈 유기물 투입재의 상실 등을 포함하는 단점에 무게를 두어야 한다. 농업의 전후 사정이 변화하고 있는 방식을 고려할 때 불을 활용하는 일의 결점이 의미가 없지 않기 때문에, 작물 잔여물 관리를 위해 전통적인 불 사용을 대신하는 대안을 연구하는 일이 점점 중요해지고 있다. 예를 들어, 멕시코 남부에서 옥수수를 생산하기 위해 전통적인 휴한과 불을 대체하여 풋거름 덮개작물을 활용하고 있다(CastilloCaamal et al. 2010).

잡초의 관리

불은 잡초가 씨앗으로 깔짚이나 토양에 있거나, 씨앗이 발아한 직후에 가장 효과적이고 실질적으로 잡초를 관리하기 위해 활용된다. 깔짚에서 씨앗이나 새싹은 토양 표면에 있는 깔짚이 고온으로 타서 토양 표면까지 내려가기때문에 불에 의해 죽을 가능성이 가장 높다. 이런 이유로 불을 붙일 때 어떤 종류의 덮개나 작물 잔여물이 있어야한다. 쳐내고 태우는 체계는 깔짚 안과 토양 표면에 있는 종자를 파괴하는 데 매우 효과적이다.   

잡초 방제를 위해 최근 개발된 방법은 몇 년 동안 유럽에서 활용되어 왔다. 프로판 탱크는 호수와 노즐에 연결되어 화염을 토양 표면으로 빠르게 이동시켜 잡초의 싹을 파괴할 수 있다. 베낭형과 트랙터 부착형 화염 제초기 모두 이용할 수 있다. 특수한 모양의 노즐과 변류기와 보호막의 모음이 있어 잡초를 죽이는 동안 작물의 모종을 보호한다. 이 기술로 잡초의 싹을 효과적으로 방제하려면 매우 작아야 하거나, 작물의 모종이 열에 잡초보다 더 강하도록 발달 단계에 있어야 한다. 어떤 농지의 조건에서, 첫 번째와 두 번째 잎 단계에 있는 옥수수 같은 작물은 대부분 주변의 잡초 싹이 대부분 죽는 동안 피해를 입지 않을 구조와 수분 함량을 가지고 있다. 필수 장비는 구입하고 사용하는 데 비용이 많이 들고 화석연료의 사용에 크게 의존하지만, 당근과 양파처럼 잡초에 매우 치이기 쉬운 작물에서 화염 제초기는 대단히 가성비 좋은 잡초 방제의 수단이다. 

하지만 불은 조심해서 잡초에만 사용해야 한다. 여러해살이 잡초와 불 저항성 뿌리, 뿌리줄기, 관부 또는 불태우기에 저항하는 기타 구조를 가진 식물은 실제로 불에 자극을 받을 수 있다. 예를 들어, 고사리(Pteridium aquilinum)는 개간지나 목초지에서 잡초로 작용할 수 있는 매우 적극적인 식물이고, 두 가지 방식으로 불을 선호한다(Gliessman 1978d). 지하 깊은 곳의 뿌리줄기가 불에서도 생존하게 만들고, 지상에 있는 고사리의 깔짚을 제거하는 게실제로 그 양치류의 활발한 재성장을 더 촉진한다는 증거가 있다. 이와 함께 고사리의 포자는 불과 재에 의해 생성된 토양 조건을 선호하여, 이전에 발생하지 않았던 고사리의 첫 확립과 그 이후 적극적으로 식생이 성장하도록만든다. 휴경지를 정리하는 걸 돕고자 불을 활용하는 이동 경작 체계에서, 휴경기가 너무 짧으면 불이 악영향을 주기 시작할 수 있다. 이 효과에는 양분의 침출과 불 저항성 잡초의 침입이 포함될 수 있다. 일반적으로 잡초 방제를 위해 불을 활용하려면 체계의 고유한 특성에 기반하여 그 잠재적 영향을 신중히 고려해야 한다. 

절지동물의 관리

불은 농업생태계에서 곤충과 진드기 같은 해로운 절지동물을 제거하는 매우 효과적인 수단이다. 열, 연기, 서식지 상실은 모두 결합되어 이들 유기체(만이 아니라 그 알이나 유충도)를 죽이거나 그 체계에서 쫓아낸다. 일부 자연 생태계에서 불은 아마 절지동물 개체군의 자연적 성쇠에 기후 요소나 영양 상호작용 같은 요소일 것이다. 숲에서 불의 억제는 자연계의 평형을 틀어지게 만들어, 나무좀과 잎나방벌레, 천막벌레나방 유충 같은 인시류의 잎을 먹는 벌레 등 흔한 해충이 발생하게 한다. 그러나 어떤 생태계에서 불은 절지동물 개체군에 영향을 미치지 않을 수 있다. 예를 들어 호른Joern(2005)은 북아메리카의 키가 큰 풀의 대초원에서 여러 불태우기 횟수가 메뚜기 종의 다양성이나 밀도에 아무 영향을 미치지 않는다는 사실을 발견했다. 다른 연구들에서는 불이 절지동물에 영향을 미치더라도 그 효과는 단기적이며 일반적으로 절지동물 군집은 단 몇 년 만에 회복된다는 걸 밝혔다(Pryke and Samways 2012). 각각의 절지동물 분류군의 생태학적 특성이 매우 다르기에, 불이 어떻게 영향을 미치는지 이해하려면 각 종의 생활사 및 불에 대한 적응에 관하여 많이 알아야 한다. 

농업생태계에서 특히 경운 감소 농업과 무경운 농업의 인기가 높아짐에 따라, 불은 다시 한번 해충 관리에서 그 역할을 수행하기 시작했다. 여러 해충은 이전 계절부터 남겨진 식물(살아 있거나 죽었거나)의 일부에서 영농철 사이의 시간을 보낼 수 있어, 이들 곤충의 피난처를 불태우는 일이 해충을 방제하는 효과적인 방법일 수 있다. 예를 들어, 면화에서 목화다래벌레 문제는 모든 식물의 잔여물이 파괴되면 극적으로 감소하고, 불은 이를 해결하는하나의 도구이다. 곡식 작물에서 명밤나방은 수확한 뒤 농지에 남아 있는 짚에서 월동하기 때문에, 불을 적절히 사용하면 그들을 관리하는 데 도움이 될 수 있다. 

불은 미국의 밀 생산지대에서 밀을 생산할 때 밀혹파리를 방제하는 데 효과적임이 입증되었다. 이 파리는 1980년 중반 밀농사에서 경운 감소 관리가 의무화된 이후 1990년대에 큰 문제가 되었다. 토양 표면에 있는 밀짚 잔여물에서 밀혹파리의 번데기가 월동하며 생존했다. 농약으로 이들을 방제하는 일은 매우 어렵고 비싸지만, 가을에 밑동을 태우는 일이 매우 효과적이라는 게 밝혀졌다(Whitworth 2011).  

땅에 사는 절지동물 해충의 경우, 토양 표면으로 침투하는 불이 해충 관리의 유용한 방법이 될 수 있다. 덮개나 작물 잔여물 태우기 및 토양 표면에 대한 인공적인 화염은 이런 목적으로 불을 도입시킨 방법이다. 

곤충 피해로부터 작물을 보호하고자 불을 활용한 전통 농법이 멕시코 타바스토에 알려져 있다. 큰 딱정벌레목은 매우 짧은 기간에 심어 놓은 콩에 침입해 그 작물을 고사시킬 수 있다고 자자했다. 여러 마리의 딱정벌레가 침입해 이른 아침부터 그 식물의 잎을 먹고 있는 걸 볼 수 있다. 농민들은 옛날 농법에 아침에 감염된 농지에 들어가 살아 있는 딱정벌레를 충분히 잡아 몇 개의 내화성 용기 각각에 25-50마리씩 넣었다고 보고한다. 하루가 끝날 무렵, 각 용기는 그 곤충을 죽기 전까지 오래 불에 올려 놓되 그들을 태우지는 않았다. 그 직후 열어 놓은 용기를 콩밭의 흙속에 400㎡마다 하나씩 군데군데 묻는다. 다음날 아침, 농민들은 농지에서 살아 있거나 활발하게 먹이활동하는 딱정벌레의 흔적이 없었다고 보고한다. 죽어가는 딱정벌레가 방출하는 경보 페르몬이 살아 있는 딱정벌레에게 위험을 경고하여 밭을 떠나는 것이라 의심되지만, 더 많은 연구가 필요하다. 농민들은 합성 화학 농약이 도입되어서 이런 농법을 더는 활용하지 않는다(그림10.8). 

(a)

(b)

(c) 

그림10.8 멕시코 타바스코에서 다른 딱정벌레를 쫓기 위해 구운 딱정벌레를 활용한다. (a)해충 딱정벌레 보티혼botijón은 콩 식물을 먹는다. (b)그 딱정벌레를 용기에 넣고, 그들을 딱 죽일 정도만 가열한다. (c)그런 다음 열어 놓은 용기는 콩을 심은 주변의 토양에 놓는다.

병원균 관리

토양의, 특히 표면 근처의 온도를 올리는 불의 능력 때문에, 불은 균류와 박테리아, 선충 같은 토양에 살고 있는 식물의 병원균에게 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 그러나 토양 생물상의 대부분은 병원균이 아니며, 실제로 농업생태계에 유익한 역할을 한다는 점(8장 참조)에 주목하는 것이 중요하다. 그러므로 불은 특정 질병의 문제나발생을 관리하는 데에만 사용해야 한다. 

열과 건조는 아마 병원성 유기체에 가장 직접적인 영향을 미칠 것이다. 불타는 동안 토양 표면에 나타난 높은 온도와 지표면 아래쪽 몇 센티미터 밑으로 가는 열의 침투는 살아 있는 병원균과 그들의 접종원을 대량으로 죽일 수 있다. 게다가 불이 난 뒤 토양에 놓인 재가 축축해짐으로써 pH가 급격히 높아져 중성이나 산성 조건에서 가장 잘 발달하는 균류를 억제하는 효과를 가질수 있다. 다른 한편, 많은 박테리아는 실제로 pH가 높아지면 자극을 받아서 어떤 병원성 박테리아가 존재하면 불이 난 뒤 더 문제가 될 수 있다.

잠재적 식물 병원균에 대한 지상의 식물성 물질, 특히 작물 잔여물을 태우는 효과는 잘 문서화되어 있다. 잘 관리되는 불은 지상 바이오매스의 95% 정도를 소모하고 극심한 열을 발생시킬 수 있기에, 바이오메스에 존재하는 대부분의 병원균을 죽일 수 있다. 이런 불의 효과가 앞에서 설명한 것처럼 작물 잔여물을 태우는 가장 흔한 이유이다.

식물의 질병 관리와 관련하여 불의 영향에 관한 문헌의 대부분은 불의 사용을 금지하는 게 더 적고 사람들이 대기 오염에 관해 덜 걱정했던 수십 년 전에 나온 것이다. 예를 들어, 1976년에 출간된 검토에서 하디슨Hardison은 불이 다양한 숲의 작물, 과일, 관상식물, 면화, 감자, 작은 곡식 및 풀과 사료에 대한 질병의 접종물을 효과적으로 감소시킬 수 있다고 밝혔다(Hardison 1976). 미국의 태평양 북서부 지방에서 상업용 잔디 종자를 생산하는 데 사용되는 농지에서 매우 중요한 농법이 되었던 잔디밭 태우기가 원래 1940년대 후반 질병 방제를 목적으로 시작되었다는 것은 흥미로운 점이다. 

특히 곡식 작물에서 경운 감소 체계가 인기를 끌면서 불은 다시 한번 질병 통제 전략으로 고려되고 있다. 여러해살이 곡식의 수명이 긴 본성 때문에 집약적 경작이 불가능한 여러해살이 곡식 작물의 발달(14장 참조)에서, 불은질병 관리의 도구로 고려되어야 한다(Cox et al. 2004). 그러한 불은 대부분의 곡식 재배 지방에 존재했던 여러해살이 대초원 생태계에서 자연적으로 발생했으며, 여러해살이 곡식 체계가 발달됨에 따라 이런 자연적 불의 체제와 그것이 대초원 생태계에서 수행한 역할을 이해하는 것이 중요할 것이다.

수확을 위한 작물의 준비

불은 수확을 위해 작물을 준비하는 데 이용할 수 있다. 일반적 사례는 사탕수수를 수확하기 며칠 전에 밭을 태우는 것이다. 사탕수수를 베는 사람들은 줄기에서 잎을 제거하고, 손으로 베는 과정을 용이하게 만들고, 사탕수수에 더 쉽게 접근하도록 하며, 쥐와 뱀 같은 귀찮은 동물을 내쫓는 데 불이 중요하다고 주장한다. 하지만 그러한 체계에서 수확의 용이성은 유기물의 상실, 특정 양분의 휘발, 폭우와 함께 양분의 침출 같은 생태학적 충격에 무게를 두어야 한다. 특히 사탕수수의 경우, 불이 야기할 수 있는 또 다른 악영향은 과열된 사탕수수에서 추출한 설탕의 품질이 저하되는 것일 수 있다. 

수확철에 불이 하는 또 다른 간단한 역할은 잣의 수집에 있다. 몇몇 피뇬 소나무 종의 구과는 그 씨앗(견과라고 함)이 열려서 분산되기 전에 나무에서 수집된다. 보통 구과는 농밀한 진액으로 덮혀 있다. 불은 진액을 놓여 없애고 씨앗이 방출되도록 구과를 열기 위해 구과와 함께 놓인 암석을 달구는 데 사용된다. 또한 불은 진액으로 덮힌 구과를 넣을 수 있는 솥을 달구는 데 사용할 수도 있다. 

목초지와 목야지 관리

세계의 초원 지대 대부분에서는 자연적 불이 빈번하고 환경의 중요한 측면임에도 불구하고, 방목 체계를 관리하기 위한 도구로 불을 효과적으로 사용하는 일이 그리 흔하지 않다. 방목 체계에서 불이 사용되면, 규정된 불태우기로 알려진 통제된 불의 형태로 이용된다. 규정된 불태우기는 방목 농업생태계에서 여러 가지 역할을 할 수 있다. 

·대부분의 동물에 의해 먹히지 않고, 그렇지 않으면 더 호감이 가는 종들과 경쟁하게 될 이전 계절의 입에 안 맞는 성장을 깡그리 태워 버릴 수 있다. 

·아주 적은 녹색의 성장이 일반적으로 가능해지는 시기 동안 성장(여러해살이 식물의 불에 대한 반응으로 싹이 돋는 형태로)을 촉진할 수 있다. 

·가축의 질병을 옮길 수 있는 진드기와 벼룩 같은 기생충을 파괴할 수 있다.

·목초지나 목야지에서 탐탁지 않은 식물의 번식을 통제할 수 있다. 

·축적된 오래된 잎이나 풀의 화재 위험을 제거할 수 있다.

·산불로부터 체계를 보호하는 방화대를 확립할 수 있다. 

·바랐던 식물 종의 자연적 또는 인공적 파종을 위한 묘상을 준비할 수 있다. 

·종자를 생산하기 위해 일부 식물을 자극할 수 있다. 

·사료와 토양 개량을 위한 토종 콩과식물의 성장을 북돋울 수 있다.

·더 빠른 양분의 순환 및 섭취를 촉진할 수 있다.

불의 이러한 잠재적 효과는 모두 불을 활용해 가장 적절한 관리 체제를 결정하는 데 중요한 역할을 수행할 수 있다. 

불태우기의 영향 각각의 상대적 중요성은 방목 체계의 유형과 강도, 마지막 불지르기 이후의 시기, 연중 계절 및 식용 식물의 발달 단계에 따라 달라진다. 예를 들어, 개방된 초원에서 목본의 종이 침입하는 경항은 거의 없다. 그러므로 불은 먹기에 알맞지 않은 성장의 축적을 제거하기 위해 사용된다. 사바나 지역이나 자연 천이가 떨기나무나 나무의 식생을 선호하는 지역에서, 불태우기는 목초 구성요소를 확립하거나 관리하는 동안 일부 식물을 억제하기 위해 훨씬 더 중요하다. 

일반적으로 어떤 규칙과 함께 불태우는 방목 지역에서 불이 억제되면, 풀은 그 우세를 잃고 먹을 수 없거나 겨우 소비되는 떨기나무나 나무의 종으로 대체될 수 있다. 예를 들어, 미국 서부의 그레이트 베이슨에 있는 방목장은 불이 나지 않으며, 특히 과도한 방목 압력과 결합되면서 산쑥(Artemisia tridentata)으로 전환되었다. 메스키트와 노간주나무 사이에서 풀이 자라는 미국 남서부나 멕시코 북부의 개방된 사바나 지역은 불이 방목장 관리에 통합되지 않으면 나무 종의 사실상 숲이 된다. 초지가 떨기나무나 나무의 식생과 접하는 다른 지역에서, 주기적 불이 없으면 더 적극적인 목본의 종에 의해 초지가 점차 침범될 수 있다. 캘리포니아 중부와 남부의 연안의 산에 있는 산기슭에서 한해살이의 초원은 몇 년 이상 불이 억제되면서 타감작용이 있는 수풀 지대의 떨기나무에 침범을 당했다(Muller 1974)(그림10.9). 

그림10.9 캘리포니아 산타바바라 카운티의 초지를 침입하고 있는 수풀 지대의 종. 떨기나무를 주기적으로 억압하고 방목을 위한 풀을 촉진하기 위해 불이 필요하다.

미래의 연구

농업에서 사용되는 가장 오래된 도구 가운데 하나일지 모를 불은 지속가능한 농법에 대한 현재의 연구에서도 여전히 상당한 가치가 있다. 하지만 체계에 이롭도록 불을 사용할 수 있는 일은 불이 농업생태계의 구조와 기능에 대한 여러 구성요소에 미칠 장기적인 영향에 대한 지식을 갖느냐에 달려 있다. 불을 환경을 파괴하는 요소로 인식하는 것을 너머 유기물에서 양분을 방출시키고, 농업생태계의 구조를 신속히 변경하며, 바람직하지 않은 유기체를 죽이고, 자연계의 교란 체제를 모방할 수 있는 그 능력을 우리가 활용할 수 있도록 돕는 연구가 필요하다. 

생각거리

1. 지속가능성에 기여하는 도구로 불을 활용하도록 농민을 설득하려면 어떤 종류의 지식과 정보가 필요한가?

2. 대기 중의 연기는 완전히 바람직하지 않은 것으로 간주되곤 하여, 매일 연기를 발생시키는 활동에 대한 새로운 제한이 가해진다. 연기가 부산물의 하나일지라도 농업에서 불을 사용하는 걸 어떻게 정당화할 수 있는가?

3. 여러분은 불의 비생물적 효과나 생물적 효과 가운데 관리의 측면에서 더 큰 농생태학적 의미를 갖는다고 간주하는 것은 무엇인가? 이유를 설명하라.

4. 다양한 작부체계, 작물 섞어짓기, 여러해살이 종들의 작부체계에서 불을 효과적으로 이용할 수 있는 조건은 무엇인가?

인터넷 자료

The Association for Fire Ecology 

http://www.fireecology.org

The Association for Fire Ecology (AFE) is an organization of professionals dedicated to improving the knowledge and use of fire in land management. They publish a peer-reviewed journal, Fire Ecology. 

Forests and Rangelands 

http://www.forestsandrangelands.gov/strategy/overview.shtml

The Wildlife Fire Leadership Council is a US governmental agency charged with developing a national strategy for fire management that stops fire where needed, use fire where allowable, and integrate human habitation with natural resource management. 

US Fish and Wildlife Service 

http://www.fws.gov/fire/

An agency within the U.S. Fish and Wildlife Service (USFWS) that is charged with setting policy and running programs for fire management and control that benefit natural habitats and the plants and animals that depend on them.

읽을거리

Courtwright, J. 2011. Prairie Fire: A Great Plains History. University Press of Kansas: Lawrence, KS. 

A history of both natural and intentional fires in the Great Plains region of the United States, from Native American practices to the current use of controlled burns as an effective land management tool. The book provides a very human touch by sharing the personal accounts of people whose lives have been touched by fire. 

Debano, L., D. G. Neary, and P. F. Folliott. 1998. Fire Effects on Ecosystems. John Wiley & Sons: Hoboken, NJ. 

A broad exploration of the effects of fires on ecosystems, including forests and other landscape components, such as watersheds, plants and air. 

Fowler, C. 2013. Ignition Stories: Indigenous Fire Ecology in the Indo-Australian Monsoon Zone. Carolina Academic Press: Durham, NC. 

A compelling ethnographic narrative that explores the globally relevant topic of the risks and benefits of burning for both people and ecosystems, and captures the complexity of human–environment relations in fire-adapted landscapes. 

Halsey, R. W. 2004. Fire, Chaparral, and Survival in Southern California. Sunbelt Publications: El Cajon, CA. 

A weaving together of the crucial elements of fire behavior, land management, and knowledge of the natural environment in a vegetation seen as the classic fire-adapted ecosystem.

Neary, D. G., K. C. Ryan, and L. F. DeBano (eds.). 2005. (revised 2008). Wildland fire in ecosystems: Effects of fire on soils and water. General Technical Report: RMRS-GTR-42-Vol. 4. US Department of Agriculture, Forest Service, Rocky Mountain Research Station: Ogden, UT. 

This state-of-knowledge review about the effects of fire on soils and water is designed to provide land and fire managers with information on the physical, chemical, and biological effects of fire needed to successfully conduct ecosystem management. 

Pyne, S. J. 2012. Fire: Nature and Culture. Reaktion Books: London, U.K. 

A lavishly illustrated presentation about fire, covering its history, ecology, and connection to human culture—past, present, and future.

Spencer, J. E. 1966. Shifting Cultivation in Southeast Asia. University of California Press: Berkeley, CA. 

The classic authority on an agricultural system that uses fire and has existed for many centuries. 

West, O. 1965. Fire in Vegetation and Its Use in Pasture Management. Publication 1/1965. Commonwealth Agricultural Bureau: Berkshire, U.K. 

Still one of the best reviews examining both the ecology and management of fire in grazing ecosystems. 

Whelan, R. J. 1995. The Ecology of Fire. Cambridge Studies in Ecology. Cambridge University Press: New York.

An analysis of fire as an ecological factor in the environment, with a major emphasis on how individual plants and animal species are adapted to fire.

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. 

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.

농생태학: 지속가능한 먹을거리 체계의 생태학

8장 토양

토양이란 단어는 가장 넓은 의미에서 식물이 달라붙어 있는 지구의 외피 부분을 가리킨다. 이에는 강바닥의 속흙부터 약간의 먼지와 식물 잔재가 있는 바위의 틈새까지 모든 것이 포함된다. 더 구체적으로, 토양은 살아 있는 유기체와 그들의 대사 활동과 부식의 산물이 혼합된 지구의 풍화된 표면층이다(Odum and Barrett 2005). 토양은 암석에서 유래된 물질, 살아 있는 유기체에서 유래된 유기물과 무기물을 포함하고, 공기와 물이 토양 입자 사이의 공간을 차지하고 있다. 독특한 생태학적, 지구물리학적 영역으로서, 토양은 지권地圈(pedosphere; pedon은 고대 희랍어로 토양이나 지구이다)이라고 부르곤 한다. 

토양은 농업생태계의 복잡하고, 생기 넘치고, 변화하며 역동적인 구성요소이다. 그것은 변경될 수 있고, 악화되거나 현명하게 관리될 수도 있다. 신속한 토양 개량을 위한 기계적, 화학적 기술들을 이용할 수 있는 현재 농업의 많은 부문에서, 토양은 주로 수확을 추출하기 위한 어떤 증식 배지처럼 간주되곤 한다. 농민은 토양을 당연한 것으로 여기면서 표면 아래에서 일어나는 복잡한 생태학적 과정에는 거의 주의를 기울이지 않는다. 이와 대조적으로 이 장의 전제는 토양 체계에 대한 철저한 생태학적 이해는 작물에 영향을 미치는 환경 요소로서 토양을 이해하여서, 지속가능한 농업생태계를 설계하고 관리하는 핵심 부분이라는 점이다. 

생태계 그 자체로서 토양은 우리가 지금까지 고찰한 다른 환경 요소보다 더 복잡하다. 이런 복잡성은 우리가 토양 생태계 안의 상호작용과 이 체계에 영향을 미치는 농법의 방식을 이해하기 위한 개체 생태학적 관점의 경계 밖으로 걸어 나가게 한다. 이런 의미에서 또한 토양은 우리가 지금까지 검토한 것들처럼 비생물적 요소에서 멀리떨어져 있다. 이 장에서 우리가 논의할 것처럼, 토양은 매우 생동감 넘친다. 그럼에도 불구하고 우리가 생물적 요소를 포함하여 토양 생태계에서 상호작용하는 모든 구성요소를 고려하더라도, 우린 여전히 작물에 특정 영향을 미치고 농업생태계의 혜택을 위해 관리될 수 있는 바람이나 온도와 매우 흡사한 환경 요소의 전체로서 토양을 이해할 수 있다. 

토양의 형성과 발달 과정

농업의 관점에서 보면, "이상적인" 토양은 무기물 45%, 유기물 5%, 반은 물이고 반은 공기가 들어 있는 공간 50%로 구성된다. 그러나 각각의 위치나 장소는 결국 토양 형성 과정의 최종 결과를 결정하는 독특한 특성이 있기에, 우리가 전형적인 토양이라 부를 수 있는 걸 찾기란 어렵다. 

생물학적 과정은 각각의 특정 기후 지방과 위치에서 물리적, 화학적 과정과 결합하여 토양을 형성한다. 일단 형성되면, 토양은 이런 과정들과 함께 생물학적, 물리적, 화학적 과정으로 인하여 변화하고 발달한다. 경사면, 기후및 식생 덮개의 유형이 다양하기에, 모재료가 매우 유사할지라도 여러 다양한 토양이 서로 나란히 밀접하게 형성될 수 있다. 

토양 형성과 발달의 자연 과정은 상당한 시간이 걸린다. 예를 들어 미국 중서부의 중부 지방에 있는 옥수수와 밀 생산 지역에서는 매년 겉흙이 1200평당 약 0.5-1.5톤 정도만 형성되는 것으로 추산된다(Daily 1995). 이와 대조적으로 이들 지역에서 관행적으로 농사짓는 토지에서는 1200평당 약 4-5톤의 토양이 침식되는 것으로 추산된다(NRCS 2010). 미국 중서부의 토양침식률이 이전 년도에 비해 감소 -예를 들어 1982년에는 1200평당 7톤으로 추산- 한 것으로 추산되었지만, 여전히 자연 과정의 보상 능력을 능가하고 있다.  

겉흙의 형성

전체적으로, 토양 표면과 지구 아래의 단단한 기반암 사이의 통합되지 않은 물질층을 겉흙이라 한다. 겉흙의 가장 기본 요소는 기반암이나 모재의 붕괴로 형성된 토양 입자로 구성된 무기물 성분이다. 어느 특정 위치에서, 토양 입자들은 아래의 기반암에서 유래되었거나, 다른 곳에서 운송되었을 수 있다. 토양의 무기물 입자가 아래의 기반암에서 그곳에 형성되었으면, 그 토양은 잔류토이다. 무기물 입자가 바람, 물, 중력 또는 빙하에 의해 다른 곳에서 운반되었으면, 그 토양은 운적토이다. 

물리적 풍화

암석과 암광물의 풍화는 입자가 그 위치에 있었는지 다른 곳에서 이동했는지에 상관없이 무기물 토양 입자의 원천이다. 물과 바람, 온도, 중력의 결합된 힘이 무기물 자체의 점진적 분해와 함께 암석을 벗겨내고 쪼갠다. 물은 암석의 균열이나 틈으로 스며들 수 있고, 가열과 냉각에 따라 팽창과 수축이 번갈아 가면서 일어나 암석을 부수기 시작한다. 게다가, 균열 속으로 스며든 물에 함유된 이산화탄소는 탄산을 형성해 암석의 무기물에서 칼슘과 마그네슘 같은 원소를 끌어당겨 탄산염을 형성하고, 그 과정에서 암석의 결정구조를 약화시켜 더 많은 물리적 풍화가 일어나도록 더 취약하게 만든다. 더욱 미세한 입자는 중력과 온도 변화, 습윤과 건조의 교대가 결합된 힘에 의해 생성된 물리적 운동으로 촉진되는 더 큰 입자들과 섞인다. 이러한 운동이 일어나는 동안 다른 암석과 연마되는 힘에 의해 더 작은 입자를 형성할 수도 있다. 결국 통합되지 않은 겉흙이 형태를 갖춘다. 

지역의 조건과 지질학적 역사에 따라 겉흙은 최근에 형성되고 가볍게 풍화되었으며 주로 1차 광물로 구성될 수 있거나, 집중적 풍화를 받고 석영 같이 더 단단한 물질로 이루어졌을 수도 있다. 

운송

암석은 더 작고 느슨한 물질로 부수어짐에 따라 그 자리에 머물며 결국 잔류토를 형성할 수 있지만, 더 먼 곳에 운반되어 퇴적될 가능성이 더 큰 운명이다. 바람, 물의 운동, 중력 및 빙하의 이동에 의한 힘이 모두 풍화된 토양입자를 운송할 수 있다. 운송된 토양은 입자가 운송되는 방식에 따라 분류가 달라져, 아래와 같은 이름이 결정된다. 

·중력에 의해 운송된 붕적토

·물의 운동에 의해 운송된 충적토

·빙하의 이동에 의해 운송된 빙하토

·바람에 의해 운송된 풍적토

화학적 풍화

일단 물리적 풍화가 겉흙을 생산하면, 화학적 풍화도 토양에 작용할 수 있다. 화학적 풍화는 모재의 붕괴, 토양의한 형태에서 다른 형태로 물질의 전환, 토양 안에서 물질의 이동을 돕는 자연의 화학적 과정을 포함한다. 토양의 형성과 발달에서는 4가지 화학적 과정이 중요하다. 수화, 가수 분해, 용해, 산화가 그것이다.

수화水和는 무기물의 화학 구조에 물 분자를 첨가하는 것이다. 그것은 결정의 팽창과 파쇄의 중요한 원인이다. 가수加水 분해는 규산염 광물의 원래 결정 구조에 있는 다양한 양이온이 수소 이온으로 대체되어 분해될 때 발생한다. 낮은 산도(pH)를 지닌 겉흙에서, 더 짙은 농도의 수소 이온이 가수 분해를 가속화한다. 살아 있는 유기체의 대사 활동 산물이나 죽은 유기물의 분해로 인한 유기산의 방출도 이 과정에 추가될 수 있다. 용해는 고농도의쉽게 용해되는 무기물(예, 질산염이나 염화물 같은)을 지닌 모재가 물에 용해될 때 발생한다. 석회석은 특히 탄산이 많이 함유된 물에서 용해되기 쉽다. 극심한 경우에 지하수가 흐르는 지역에서 석회석의 용해는 석회암 동굴의 형성으로 이어진다. 마지막으로 산화는 철 같은 원소가 원래의 탈산소화된 형태에서 물이나 공기가 있는 곳에서 산화된 형태로 전환되는 것이다. 결정 구조가 부드러워지는 건 보통 이 과정을 동반한다. 

일단 무기물이 통합된 모재에서 방출되면, 또 다른 중요한 화학적 과정은 2차 광물을 형성하는 것이고, 가장 중요한 게 점토 광물이다. 점토 광물학은 매우 복잡한 연구 분야인데, 점토 형성의 몇 가지 기본 측면을 이해하는 것이 중요하다. 점토의 형성은 식물의 성장과 발달에 극적인 영향을 미치기 때문이다. 

점토 광물은 토양에서 매우 작은 입자이지만, 다른 곳에서 논의할 텐데 보수력부터 양분 가용성에 이르기까지 모든 것에 영향을 미친다. 그것은 규산염 광물이 화학적으로 변경되고 재구성되는 복잡한 과정에 의해 형성된다. 기후 조건과 모재의 결합에 따라 형성되는 2차 광물은 두 가지 기본 유형이 있다. 규산염 점토는 주로 상이한 배열을 가진 아주 미세한 규산알루미늄판과 철과 마그네슘 같은 다른 원소의 존재 유무로 구성된다. 그리고 수산화물 점토는 명확한 결정 구조가 결여되어 있고, 여러 실리콘 이온이 대체된 수화 철과 산화알루미늄으로 구성된다. 

결국 어떤 토양에서 발견되는 점토는 이 두 가지 기본 유형인 2차 점토 광물의 여러 가지 하위 유형이 혼합된 것일 텐데, 1개나 몇 개의 하위 유형이 우위를 차지할 수 있다. 규산염 점토가 우점하면, 양이온을 흡수하기 위한 장소가 풍부하여, 상대적으로 생산 잠재력이 높은 토양을 만든다. 수산화물 점토가 우세하면 -여러 습한 열대 지방처럼- , 양이온을 이용할 수 있는 장소가 더 적어서 양분 양이온을 교환하는 능력이 떨어지기에 농사짓기 더 어려운 토양을 만든다. 

식물의 잔여물이나 살아 있는 유기체의 활동으로 인한 유기물은 모재의 이러한 화학적 풍화 과정에 중요한 영향을 미치고 겉흙의 형성을 매우 가속화한다. 

생물학적 과정

머지않아, 겉흙의 밀도에 따라 식물이 풍화된 물질에 스스로를 확립시킨다. 그들은 광물에서 양분을 끌어내는 뿌리를 내리고 식물의 물질에 잠시 동안 그걸 저장하지만, 결국에는 토양 표면으로 되돌려준다. 깊은 뿌리가 겉흙을 더욱 분해하고, 지표 상층에서 침출된 양분을 포획하며, 토양 표면에 유기물의 형태로 그걸 첨가한다. 그런 다음 식물 잔여물은 그 지역에 확립된 박테리아와 곰팡이, 지렁이 및 기타 토양 유기체의 중요한 에너지원이 된다. 일단 이러한 토양의 살아 있는 구성요소가 확립되면 그들은 토양의 발달을 더욱 조절하고 가속화하며, 그런 다음토양비옥도를 유지하는 데 매우 중요한 생물학적, 화학적, 물리적 과정을 규제하고 수행하는 주요한 역할을 담당한다.  

생물학적으로 조정되는 토양의 발달은 토양의 살아 있는 유기체가 식물의 잔여물과 기타 유기물을 분해하고, 천천히 그것을 더 단순한 형태와 가장 기본적인 구성성분으로 줄임에 따라 발생한다. 분해 과정에서, 새로 죽거나 배설된 유기물은 절지동물, 지렁이, 선충류, 원생동물, 곰팡이 및 박테리아에 의해 토양 먹이그물의 여러 영양 단계를 거침으로써 더 작은 조각과 더 단순한 유기 화합물로 분해된다. 그런 다음 분해된 유기물은 토양 미생물 및 기타 유기체에 의해 부식질이라 퉁칭되는 상대적으로 안정된 유기 화합물로 변형되는 부식화의 과정을 거친다. 우리가 이어지는 본문에서 볼 수 있듯이, 부식질은 토양의 구조, 양분 가용성 및 기타 토양의 특성에 중요한 역할을 담당한다. 무기화의 과정에서, 부식질과 기타 유기물은 주로 균류와 박테리아에 의해 이산화탄소, 질소, 염류, 물 같은 무기(또는 "광물") 화합물로 더욱 분해되어, 일부는 토양에 남고 다른 일부는 대기 중으로 들어간다. 

부식질은 비교적 안정적이지만, 토양에서 제한된 수명을 갖는다. 그 일부는 끊임없이 광물화되고 있지만, 어떠한 형태의 유기물이 토양에 첨가되고 있는 한 새로운 부식질도 계속해서 생산된다. 건강한 토양에서는 새로운 부식질이 형성되는 비율과 광물화로 토양에서 제거되는 비율이 거의 똑같은 평형점에 도달한다. 

토양 층위

시간이 지남에 따라 겉흙에서 국지적인 화학적, 물리적, 생물학적 과정은 층위라고 부르는 토양에서 관찰할 수 있는 층들의 발달로 이어진다. 특정 위치의 층들과 함께 각 토양에 특유의 토양 단면을 제공한다. 토양 단면의 각 층은 뚜렷한 특성의 조합을 갖는다. 

토양 단면

일반적 용어로, 토양 단면은 4가지 주요 층위로 구성된다. 유기물 또는 O층, 그리고 3개의 광물층이다. O층은 토양 표면에 놓여 있다. 바로 아래에 유기물이 축적되고 토양 입자의 구조가 알갱이 모양, 부스러기 또는 판 모양이 될수 있는 A층이 있다. A층 아래에는 A층에서 침출된 물질이 규산염, 점토, 철, 알루미늄이나 부식질의 형태로 축적될 수 있으며, 토양 구조가 덩어리이고 각기둥 또는 원기둥 모양이 될 수 있는 B층이 있다. 마지막으로 풍화된 모재로 구성된 C층이 현지의 모재 또는 그 위치로 이전의 어떤 시간에 운송된 물질에서 유래되어 있다. 특히 강우량이 적은 지역에서는 탄산칼슘과 탄산마그네슘 같은 A와 B층에서 침출되거나 침전된 어떤 물질을 여기에서 발견할 수 있다. 상부의 네 층의 깊이에 따라, 통합된 기반암으로 구성된 R층이 토양 단면의 일부로 포함될 수도 있다. 

각 층 사이의 분할이 거의 구별되지 않기 때문에, 설명된 이들 층은 실제로는 토양 단면에서 연속체를 형성한다. 전형적인 토양 단면은 그림8.1에 개략적인 형태로 제시되어 있다. 각 토양 단면의 각각의 층이 지닌 깊이, 특성, 차이는 토양 물질의 속성(그 색상, 유기물 함량 및 화학적, 물리적 특성), 식생 덮개의 유형 및 기후의 결합된 영향이 미친 결과이다. 

유기물 

광물; 상부 구역의 부식질과 섞임

침전된 점토, 산화철, 산화알루미늄

최소한의 풍화; 가장 높은 부피 밀도

풍화되지 않은 모재

그림8.1 일반적인 토양 단면

토양 층위를 분화시키는 과정은 지방과 지역의 조건에 따라 다양한 방식으로 기능하게 된다. 이들 차이는 표8.1에 요약되어 있는 4가지 토양 발달의 기본 유형을 가져온다. 석회화 과정은 세계의 아습윤부터 건조 기후와 온대부터 열대 기후에 있는 초지 식생의 지역에서 가장 특징적이다. 포드졸화는 습이 오랫동안 식생의 덮개가 되어 왔던 세계의 습윤하고 온화한 지역에서 가장 특징적이다. 라테라이트화는 세계의 습윤한 아열대와 열대우림 지방의 오래되고 매우 풍화된 토양에서 일어나며, 글라이화는 연중 상당한 기간 동안 지표면이나 근처에 물이 머물러있는 토양에서 가장 일반적이다. 하지만 경사면, 배수, 식생, 기반암의 깊이 등 국지적 조건에 따라, 이들 과정의조합이 발견될 수 있다. 전체적으로 토양의 형성과 발달은 토양이 식생에 영향을 미치고 식생이 토양에 영향을 주는 상호적인 과정이다. 

표8.1 토양 발달의 4가지 유형

유기물층의 중요성

자연 생태계에서 O층은 가장 생물학적으로 활발한 단면의 부분이며 생태학적으로 가장 중요하다. 그곳은 식물과동물의 삶과 분포, 토양비옥도의 유지 및 여러 토양 발달 과정에서 중요한 역할을 담당한다. 분해를 책임지는 생물과 미생물은 이 층과 A층의 상부에서 가장 활발하다. 중요한 것은 O층은 일반적으로 농사짓는 토양에서는 대폭 감소하거나 사라지기까지 한다는 점이다. 

지역의 기후와 식생 유형의 조합은 이 층에서 활동을 촉진시키는 조건에 기여한다. 하지만 그와 함께 층의 질은 어떤 종류의 유기체가 번성하느냐에 큰 영향을 받는다. 예를 들어, 박테리아는 거의 중성이거나 약간 알칼리성을좋아하는 반면, 균류는 더 산성인 조건을 선호한다. 토양에 서식하는 응애와 톡토기는 산성 조건에서 더 중요한 반면, 지렁이와 흰개미는 중성이나 그 이상에서 우점하는 경향이 있다.

떼알 구조라 부르는 걸 생성하는 토양 입단의 복잡한 과정은 O층에서 형성된 부식질에 크게 영향을 받는다. 게다가 이 장의 뒷부분에서 논의할 많은 가치가 있는 토양비옥화 과정은 이 중요한 층의 생태학적 특성과 밀접한 관련이 있다. 

토양의 특성

건강한 토양 체계를 개발하고 유지할 뿐만 아니라, 특정 토양 관리 전략에 관한 올바른 판단을 내리기 위하여, 작물의 반응에 영향을 미치기에 토양의 가장 근본적인 속성 가운데 일부를 이해하는 게 중요하다. 

토성

토성은 다양한 입자 크기의 분급으로 나뉘는 총 광물질 토양의 무게 비율로 정의된다. 이 크기의 분급은 자갈,모래, 미사, 점토이다(표8.2 참조). 지름이 2.0mm보다 큰 입자는 자갈로 분류된다. 모래는 맨눈으로 쉽게 볼 수 있으며, 손가락으로 쥐고 문지르면 거칠게 느껴진다. 그것의 표면 대 부피 비율이 낮아 물에 대해 다공성을 만들고, 양분 양이온을 흡착하고 보유하는 능력이 떨어진다. 모래보다는 더 미세한 미사이지만 여전히 외양과 느낌은 거칠거칠하지만, 물과 양분 이온을 더 적극적으로 보유한다. 점토 입자는 육안으로 구분해서 볼 수 없으며, 밀가루 같은 외양과 느낌이다. 점토 입자는 물에 현탁액을 형성할 수 있다는 점에서 콜로이드계이며, 양분 이온 또는 물 분자의 점착을 위한 활성 부위이다. 결과적으로 점토는 토양에서 토양 입자와 물 사이의 가소성과 이온 교환을 포함하여 가장 중요한 토양 속성을 통제한다. 그러나 점토 함량이 너무 높은 토양은 물을 배수할 때 문제가 생길 수 있으며, 건조할 때 균열이 발생할 수 있다. 

표8.2 토성의 분급

*미국 농무부 체계에 의하여

대부분의 토양은 토성 분급이 혼합되어 있으며, 각 분급의 비율에 기반하여 그림8.2에 나오는 토양의 이름이 있다. 농업의 관점에서 볼 때, 모래는 토양의 좋은 배수성을 제공하고 경운의 용이성에 기여하지만, 또한 모래기 많은 흙은 쉽게 건조하고 침출로 양분을 상실한다. 다른 극단에 있는 점토는 배수가 잘 되지 않고 쉽게 압축되며 작업하기 어려울 수 있지만, 토양의 수분과 양분을 보유하는 데에는 좋다. 

그림8.2  토성의 이름. 가장 좋은 토양의 유형은 작물과 지역의 조건에 따라 결정된다. 그러나 일반적으로는 상대적으로 동일한 양의 점토, 모래, 미사 -양토라 부름- 를 함유하고 있는 토양은 농업용으로 최적이다. (미국 농무부 도해)

어떤 토성이 가장 좋은지는 그에 재배되는 작물에 달려 있다. 예를 들어, 감자는 모래가 많고 배수가 잘 되는 토양이 덩이줄기의 부패를 방지하고 수확을 더 쉽게 만들기에 가장 좋다. 논벼는 습한 환경에 대한 이 작물의 특정한 적응력 덕분에 점토 함량이 많은 중점토가 가장 좋다. 식양토는 더 건조한 환경에 전반적으로 더 좋을 수 있는반면, 사양토는 습한 환경에 더 좋을 수 있다. 우리가 아래에서 보겠지만, 유기물의 첨가는 혼합물 안에서 입자의관계를 변화시킨다. 

토양 구조

앞에서 설명한 토성의 측면에 더하여, 토양은 개개의 입자들이 입단이라 부르는 다양한 모양과 크기의 무리로 함께 유지되는 방식에 의해 형성된 매크로 구조를 가지고 있다(그림8.3 참조). 토양 입단은 토양의 깊이가 깊어짐에 따라 더 커지는 경향이 있다. 토성은 토양 구조의 중요한 결정요소 가운데 하나이지만, 토양 구조는 일반적으로 토양의 유기물(SOM) 함량, 토양에서 자라는 식물, 토양 유기체의 존재 및 토양의 화학적 상태에 더 의존한다. 좋은 "떼알 구조"는 경작성으로 알려진 토양의 다공성 및 경운의 용이성을 함께 향상시키기 때문에 부스러기나 알갱이 모양의 구조가 농업에 가장 유익하다. 토양의 덩어리가 손으로 뭉갰을 때, 그림8.3에 나와 있는 부스러기나 알갱이 모양의 구조로 쉽게 부수어지면 좋은 떼알 구조가 존재하는 것이다. 

그림8.3 토양 입단의 패턴. (Brady, N.C. and R.R. Weil, The Nature and Properties of Soils, 11th edn., Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 1996.에서 변경)

농생태학의 관점에서, 좋은 떼알 구조는 상당한 의미를 지닌다. 함께 묶여 있는 토양 입자는 특히 식물의 덮개가 최소일 때 연중 언제든지 바람과 물의 침식에 저항한다. 또한 좋은 구조는 토양의 단위부피당 고형물의 중량으로정의되는 낮은 부피 밀도를 유지하는 데 도움을 준다. 낮은 부피 밀도를 지닌 토양은 구멍 공간의 비율이 더 높고(더 높은 다공성), 통기성이 더 좋고, 물의 침투가 더 좋으며(투수성), 물의 저장력이 더 크다. 분명 그러한 토양은 경운하기 더 쉬우며, 식물의 뿌리가 더 쉽게 뻗을 수 있다. 과도한 경운은 토양 유기물의 분해를 가속화하고, 토양 다짐의 가능성을 높이기에 부피 밀도를 높이고 좋은 떼알 구조의 여러 장점을 상실하게 만든다. 

토양 입단의 형성은 근본적으로 두 가지 구성요소를 가지고 있다. 개별 토양 입자 사이의 견인력 정도는 토성에 크게 의존하며, 유기물에 의해 이들 흡착된 입자들의 결합이 이루어진다. 적어도 어떠한 실질적 방식으로도 첫 번째 구성요소는 농민이 쉽게 조작할 수 없지만, 두 번째 것은 농법에 의해 많은 영향을 받을 수 있다. 따라서 좋은 떼알 구조가 유지되고, 저하되거나 개선될 수 있다. 

예를 들어, 토양이 너무 습할 때 중장비로 하는 과도한 경운은 지표면에서 말라 나중에 큰 어려움 없이 부수어질 수 있는 커다란 토양 덩어리를 형성할 수 있다. 압축, 또는 공극 공간의 상실과 부피 밀도의 상승은 떼알 구조의 상실을 나타내며, 농기계의 무게와 과도한 경운으로 인한 유기물의 상실 또는 이 둘의 결합에 의해 야기될 수 있다. 

색상

토양의 색상은 토양 유형의 식별에 가장 중요한 역할을 하지만, 그와 동시에 토양의 발달과 관리의 역사에 관하여 많은 걸 이야기해 줄 수 있다. 진한색의 토양은 일반적으로 특히 온대 지방에서 높은 유기물 함량을 나타낸다.적색과 황색의 토양은 일반적으로 통기성과 배수성이 양호한 조건에서 형성되는 산화철의 높은 수준을 나타내는데, 이들 색상은 모재에서 직접적으로 유래될 수도 있다. 회색 또는 황갈색은 배수가 나쁜 걸 나타낼 수 있다. 이러한 색상은 산소가 풍부한 상태에서 철이 3가철로 산화되기보다는 오히려 2가철로 환원될 때 형성된다. 희끄무레한 밝은색의 토양은 석영, 탄산염 또는 석고가 있는 걸 나타내곤 한다. 표준화된 색상표는 토양의 색상을 측정하는 데 활용된다. 

따라서 토양의 색상은 농민이 활용할 수 있는 작물이나 작부체계의 종류에 따라 바라거나 피하고 싶어하는 특정 종류의 토양 조건을 나타내는 지표가 될 수 있다. 토양의 구조와 화학적 성질에 대한 더 구체적인 분석은 그림을 완성하기 위해 필요한데, 색상은 좋은 출발점이다. 더구나 토양의 색상은 환경의 다른 요소들과 토양의 상호작용에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 태양 광선을 반사하여 토양을 더 차가워지도록 하기 위하여 일부 열대의 농사 체계에서는 지표면에 밝은색의 모래가 많은 토양을 두는 것이 유리할 수 있다. 이와 반대로 추운 겨울이 오는 지역에서 어두운 색의 토양 표면은 봄에 더 일찍 토양의 온도가 상승하고 토양이 더 빨리 마르게 하여, 더 이른 시기에 파종할 수 있게 토양을 준비시킬 수 있다. 

양이온 교환 용량

식물은 2장과 3장에서 기술된 무기 양분을 토양으로부터 용해된 이온의 형태로 얻으며, 그 용해도는 물 분자에 대한 그들의 정전기 인력에 의해 결정된다. 칼륨과 칼슘 같은 일부 중요한 무기 양분은 양전하를 띤 이온의 형태로 있다. 질산염과 인산염 같은 다른 무기 양분은 음전하를 띤 이온의 형태로 있다. 이들 용해된 이온이 식물의 뿌리나 균류를 통해 즉시 흡수되지 않으면, 토양 용액에서 침출될 위험이 있다. 

교질 입자(micelle)로 알려진 판 모양의 구조를 형성하는 개별적이거나 집합체인 점토와 부식질 입자들은 토양에서 더 작고 이동하기 쉬운 양전하를 띤 이온을 보유하는 음전하를 띠는 표면을 갖는다. 양전하를 띤 이온(양이온)을결합시키는 데 이용할 수 있는 교질 입자에 있는 지점의 숫자가 건조된 토양 100g당 양이온의 밀리그램당량으로측정되는 토양의 양이온 교환 용량(CEC)라고 부르는 것을 결정한다. 양이온 교환 용량이 높을수록 양이온을 보유하고 교환할 수 있는 토양의 능력이 더 낫고, 양분의 침출을 막으며, 식물에게 적절한 양분을 제공한다. 

양이온 교환 용량은 점토/부식질 복합체의 구조, 존재하는 교질 입자의 유형 및 토양에 통합된 유기물의 양에 따라 토양마다 달라진다. 다면체는 수분 함량과 관련하여 그들의 인력과 유연성의 지점이 달라지는 격자 모양을 형성한다. 양이온은 인력의 정도가 각기 다른 음전하를 띠는 교질 입자와 휴민산염의 바깥 표면에 달라붙는다. 가장 결합력이 강한 양이온 -비에 의해 첨가된 수소 이온, 유기물을 분해하며 생긴 양전하를 띤 산 및 뿌리 대사에 의해 주어진 산 같은- 은 K+ 또는 Ca2+ 같은 다른 중요한 양분 양이온을 대체할 수 있다. 부식질 형태의 유기물은 훨씬 더 광범위한 표면적 대 부피비를 가지며(따라서 더 많은 흡착 지점) 그것이 교질(콜로이드성)이기 때문에, 양이온 교환 용량을 증가시킬 때 점토보다 훨씬 더 효과적이다. 토양 유기물 함량을 감소시키는 농법은 토양비옥도 유지의 이런 중요한 구성요소를 줄일 수도 있다. 

질산염, 인산염, 황산염 같은 식물의 성장과 발달에 중요한 음이온은 이온 "가교"를 통해 점토의 교질 입자에 더 흔하게 흡착된다. 산성인 조건에서 이들 가교는 수산기(OH) 같은 작용기를 지닌 추가적인 수소 이온의 연계에 의해 형성된다. 중요한 사례는 산성인 조건에서 물 분자의 해리 이후에 형성되는 OH2+와 질산염(NO3-)의 결합이다. 토양 산도는 교질 입자 표면의 전하에 영향을 미치고, 다른 이온이 토양의 교질 입자에서 치환되는지를 조절하기 때문에, 토양에서 이온의 유지와 단기간의 양분 가용성에 크게 영향을 미치어 둘 다 토양비옥도의 핵심 구성요소이다. 

토양 산도와 pH

숙련된 정원사나 농민은 토양의 pH 또는 산-염기 평형의 중요성을 잘 알고 있다. 토양의 전형적인 pH의 범위는 강산성(pH 3)과 강알칼리성(pH 8) 사이이다. pH 7 이상의 토양은 염기성으로, pH 6.6 미만은 산성으로 간주된다. 소수의 식물, 특히 농작물은 pH 5-8 범위 이외에서 잘 자란다. 콩과식물은 산성 토양이 질소고정의 미생물 공생자에게 영향을 미치기에 낮은 pH에 특히 민감하다. 박테리아는 일반적으로 낮은 pH에 의해 악영향을 받는다. 토양 산도는 양분 가용성에 미치는 영향으로도 잘 알려져 있지만, 매우 낮거나 매우 높은 pH에서는 특정 양분을 흡수하기 위한 식물의 능력을 손상시키는 것보다 식물에게 직접적 독성을 미치기 때문에 그 영향은 덜하다. 그러니까 최적 범위의 토양 pH를 유지하는 방법을 찾는 일이 중요해진다. 

여러 토양이 자연 과정을 통해 산성도가 증가한다. 토양 산성화는 토양 단면을 통하여 아래로 이동하는 물의 침출, 식물의 양분 흡수 및 수확이나 방목을 통한 식물의 제거, 그리고 식물 뿌리와 미생물에 의한 유기산의 생산으로 인하여 염기가 상실된 결과이다. 이러한 투입이나 제거 과정에 대한 완충 작용이 제대로 이루어지지 않는 토양은 산성도가 증가하는 경향이 있을 것이다. 

염도와 알칼리도

세계의 건조 및 반건조 지방의 토양은 용해성 또는 불용해성 형태로 염류를 축적하는 것이 일반적이다. 제한적인강우로 추가된 것과 결합된 모재의 풍화로 인해 방출된 염류는 침출로 제거되지 않는다. 강수량이 적고 증발 속도가 빠른 지역에서, Na+와 Cl–같은 용해된 염류는 Ca2+, Mg2+, K+, HCO3–, NO3– 같은 다른 것과 결합되는 게 일반적이다. 관개는 토양에 더 많은 염류를 추가할 수 있는데, 특히 증발 가능성이 높은 지역(9장 참조)에서 증발하는 동안 모세관 현상에 의해 염류가 토양의 표면으로 이동한다. 게다가 질산암모늄 같은 여러 무기 비료는 염류의 형태이기 때문에 염도를 증가시킬 수도 있다. 

중성염(예, NaCl 또는 NaSO4)이 매우 농축된 토양은 염류토양이라 한다. 나트륨이 약한 음이온(HCO3– 같은)과 결합되는 경우, pH가 일반적으로 8.5 이상인 알칼리성 토양이 발생하고, 이렇게 중성염 함량이 높은 토양은 삼투압 불균형으로 인해 식물에 문제가 된다. 알칼리성 토양은 지나친 OH– 이온과 양분 섭취와 식물의 발달이 어렵기 때문에 문제가 된다. 일부 지방에서는 염류-알칼리성 조건이 두 가지 형태의 염류가 존재할 때 발생한다. 적절한 관개와 토양의 물 관리가 이들 조건을 처리하는 중요한 부분이 된다. 

토양 양분

식물은 토양에서 그 양분을 얻기 때문에, 토양에 양분을 공급하는 일이 농업생태계의 생산성을 결정하는 주요한 요소가 된다. 여러 양분 분석방법론이 토양의 다양한 양분의 수준을 측정하기 위해 개발되어 왔다. 특정 양분이 충분한 양으로 존재하지 않을 때, 이를 제한 양분이라 하며 추가해야 한다. 시비 기술은 이러한 요구를 충족시키기 위해 성장하고 발전해 왔다. 그러나 양분의 존재가 반드시 식물이 이용할 수 있다는 걸 의미하지는 않는다는 점을 명심해야 한다. pH, 양이온 교환 용량, 토성을 포함한 다양한 요소가 실제의 양분 가용성을 결정한다. 

수확, 침출 또는 기화 때문에 토양에서 양분이 상실되거나 내보내지기 때문에, 거름은 대부분의 농업생태계에 지속적으로 많이 첨가되어야 한다. 하지만 투입재로서 비료의 비용이 증가하고 있으며, 침출된 비료는 지면과 수면을 오염시킨다. 그러므로 농업생태계에서 양분이 더 효율적으로 순환될 수 있게 하는 방법을 이해하는 일은 장기적인 지속가능성을 위해 필수적이다. 

2장에서 설명했듯이, 주요한 식물의 양분은 탄소, 질소, 산소, 인, 칼륨, 황이다. 이들 양분 각각은 서로 다른 생물 지구 화학적 순환의 일부이자, 독특한 방식으로 토양을 관리하는 것과 관련되어 있다. 탄소의 관리는 유기물의 측면에서 아래에서 논의될 것이다. 토양에 있는 질소는 17장의 상리공생 및 질소고정 박테리아와 콩과식물의 생태학적 역할에 대한 논의에 포함될 것이다. 여기에서는 중요한 토양 양분의 예로서 인이란 양분을 살펴볼 것이다. 인의 효율적 재순환은 원칙적으로 토양에서 일어나는 일에 달려 있기 때문에, 우리에게 지속가능한 양분 관리에 관하여 많은 것을 가르쳐 줄 수 있다.

주된 저장소가 대기 중에 존재하는 탄소 및 질소와 달리, 인의 주요 저장소는 토양에 있다. 인은 인산염의 형태로환경에서 자연적으로 발생한다. 인산염은 무기 인산 이온(특히 PO4 3–) 또는 용해된 유기 화합물의 일부로 토양용액에서 발생할 수 있다. 그러나 인산염의 주요 공급원은 모재의 풍화이다. 그러므로 토양으로 인이 투입되는 것과 농업생태계에서 인의 순환은 이 지질학적 과정의 상대적으로 느린 속도에 의해 제한된다. 

무기 가용성 인산 이온은 식물의 뿌리에 흡수되어 식물의 바이오매스로 통합된다. 이 바이오매스의 인은 바이오매스가 소비되는 방식에 따라 세 가지 다른 경로 가운데 하나를 통해 보내질 수 있다. 그림8.4에 나오듯이, 식물 바이오매스의 소비는 초식성 해충에 의한 것, 동물의 방목에 의한 것, 바이오매스를 수확하는 인간에 의한 것 등  세 가지 경로로 구성된다. 첫 번째 경로에서 인은 배설물이 되어 토양 용액으로 분해되어 들어가 토양에 되돌아간다. 두 번째 경로에서 인은 같은 방식으로 재순환될 수 있지만, 방목하는 동물이 시장에 출하되면 일부 인이 그와 함께 이동한다. 세 번째 경로에서는 추출된 토양으로 인이 되돌아갈 가능성이 거의 없다(인간의 배설물이 거름으로 활용되는 중국의 일부 농촌 같은 몇몇 곳을 제외하고). 

그림8.4 농업생태계에서 인의 순환 경로

식물의 바이오매스 또는 방목하는 동물의 살이란 형태로 인간이 소비하는 인의 대부분은 기본적으로 체계에서 상실된다. 세 번째 경로(인간의 소비)에서 인에게 발생할 수 있는 일의 사례는 그 문제를 설명하는 데 도움이 될 수있다. 인산염은 플로리다의 융기되어 노출된 인산염이 풍부한 해양의 퇴적물에서 채취되어, 용해성 비료로 가공되거나 암석 가루로 분쇄되고, 아이오와에 있는 농장으로 운송되어 대두 생산을 위한 토양에 적용된다. 인산염의형태로 인의 일부는 식물에게 흡수되고, 수확된 콩에 격리되어 캘리포니아로 보내져 두부로 바뀐다. 두부의 소비이후, 유리된 인산염의 대부분은 지역의 하수 체계로 유입되어 결국 그것이 기원했던 곳에서 약 4800km 떨어진해역으로 되돌아간다. 인산염이 풍부한 암석의 충분한 퇴적물이 쌓이고 융기하는 지질학적 과정을 거치는 데 필요한 시간은 인간의 시간 영역을 훨씬 넘어서며, 쉽게 이용할 수 있는 인산염 매장량은 매우 한정되어 있다고 알려져 있기 때문에, 인산염 비료 관리의 현재 관행은 지속불가능하다고 이야기할 수 있다. 

인의 지속가능한 관리를 위하여, 인산염은 그 순환의 토양 성분을 신속히 통과하여 퇴적물에 고정되거나 바다로 씻겨 가지 않도록 식물로 돌아가야 한다. 자라고 있는 바이오매스나 토양 유기물에서 유기 형태로 인을 더 잘 유지하며, 인이 이 유기 형태로부터 유리되자마자 토양 미생물이나 식물의 뿌리가 이를 빠르게 재흡수하도록 보장하는 방법을 찾아야 한다. 

토양의 인을 지속가능하게 관리하는 추가적 구성요소는 토양에서 불용성 인 화합물을 형성하는 것과 관계가 있다. 토양 용액에 있는 인산염은 (특히 철과 알루미늄과) 화학적으로 반응하여 불용성 화합물을 형성하거나, 대부분 생물학적 복구가 미치지 않는 곳에서 점토의 교질 입자에 갇히게 된다. 토양의 낮은 pH는 불용성 형태에서 인산염 고정의 문제를 악화시킨다. 그러나 그와 함께 이들 과정은 농업생태계의 토양에서 인을 유지시키기 위한 강한메커니즘을 제공한다. 토양에 추가된 인산염 비료는 거의 완전하게 유지된다. 캘리포니아의 어떤 농업 토양은 수십 년에 걸친 농사 이후 (쉽게 이용할 수는 없지만) 전체 인의 수준이 매우 높아진 것이 나타났다. 그래서 농업생태계로부터 인이 누출되는 건 매우 작을 수 있는데, 일단 인이 고정되면 그 체계의 토양 성분으로부터 인을 이용할 수 없는 점 때문에 비료의 형태로 이용할 수 있는 인을 더 추가해야 한다. 물론 이러한 "저장된" 인을 유리시키는 생물학적 수단은 지속가능성에 더 잘 기여할 수 있을 것이다. 이들 수단은 토양 유기물의 관리와 관계가 있다. 

토양 유기물과 토양 생물상

토성과 그것의 수직적 층, 화학적 및 물리적 특성, 양분의 함유량은 모두 농업에 매우 중요하다. 그러나 궁극적으로 토양에 관하여 가장 중요한 것은 전체적으로 농업생태계의 살아 있는 부분으로서 기능할 수 있는 능력이다. 이런 맥락에서 살아 있다는 단어는 말 그대로 사용된다. 토양은 살아 있는 유기체의 다양한 집합을 포함하고 지원할 때 농업생태계의 살아 있는 부분이 된다. 총괄하여 토양 생물상이라 부르는 이들 유기체는 결국 그 양분의 기반으로 토양에 있는 유기물에 의존한다. 

토양 생물상과 토양 유기물은 크게 두 가지 이유로 농업에서 중요하다. 첫째, 그것은 토양비옥도의 주요한 결정인자로서, 토양 구조에 이로운 변화를 일으키며 양분의 가용성을 결정한다. 둘째, 그들은 토양의 무기 성분보다 -관리를 통해 개선시킬 수 있어- 더 쉽게 다룰 수 있다. 농지의 토양이 칼슘이 많은 점토질의 양토라면, 항상 그러한 특성을 가지고 있을 것이다. 하지만 토양 유기물을 적절하게 관리함으로써 -그리고 그 토양 생물상을 통하여-농민은 척박하고 취약한 토양과 비옥하고 팔팔한 토양 사이의 차이를 만들 수 있다. 

살아 있지 않은 토양 유기물

토양 유기물은 다양하고 이질적인 성분으로 구성된다. 그것은 지표면의 짚, 죽은 뿌리, 분해의 다양한 단계에 있는 식물 잔여물, 미생물의 대사물질, 부식성 물질, 토양에 살거나 지나가는 동물의 배설물 등을 포함한다. 자연 생태계에서 A층의 유기물 함량은 15-20% 이상까지 될 수 있지만, 대부분의 토양에서는 평균 1-5%이다. 인간의개입이 없으면 토양의 유기물 함량은 주로 기후와 식물성 덮개에 달려 있다. 일반적으로 더 많은 유기물은 시원하고 습한 기후 조건에서 발견된다. 우린 또한 토양에 있는 유기물의 양과 탄소와 질소의 함량 사이에 매우 밀접한 상관관계가 있음을 알고 있다. 토양 유기물 함량의 대략적인 추정치는 총 탄소 함량에 2를 곱하거나 총 질소 함량에 20을 곱하여 얻을 수 있다.

토양에 있는 시기 동안 유기물은 여러 가지 매우 중요한 역할을 하는데, 이들 모두가 지속가능한 농업에 중요하다(Magdoff and Weil 2004; Uphoff et al. 2006; and Cheeke et al. 2012의 보고서 참조). 유기물은 토양 생태계를 구축하고 촉진하며, 보호하고 유지한다. 이미 논의했듯이, 토양 유기물은 좋은 토양 구조의 핵심 구성요소이고, 물과 양분의 유지력을 증가시키며, 토양 표면의 중요한 역학적 보호를 제공한다. 그러나 아마도 그것의 가장 중요한 기능은 토양 생물상을 위하여 토양의 먹이 피라미드의 기초인 먹이 공급원으로 기여하는 것이다.

반(半)자연적 생태계의 방해받지 않는 토양과 달리, 집중적으로 관리되는 농업의 토양은 유기물이 거의 없는 경우도 있다. 시간이 지남에 따라 토양 유기물의 함량을 감소시키는 산업형 농업의 성향은 사실 가장 해로운 결과의 하나로 간주될 수 있다. 다행히도 다양한 농법을 통하여 토양 유기물을 증가시키고 고갈된 토양의 유기물을 건강한 수준으로 회복시킬 수 있다. 

토양 생물상

토양에 서식하는 유기체는 가장 작은 시아노박테리아부터 상대적으로 큰 무척추동물까지 다양하다. 크기가 생태학적 역할과 관련이 있기 때문에, 토양 생물상의 구성원들은 종종 크기에 따라 분류된다. 대형 동물상인 다족류(지네와 노래기) 같은 절지동물과 지렁이는 센티미터 단위로 측정할 수 있을 만큼 크다. 중형 동물상은 주로 톡토기 같은 작은 절지동물과 진드기는 밀리미터 단위로 측정된다. 미소 동물상은 마이크로미터 단위로 측정되는 다양한 원생동물과 선충으로 구성된다. 마지막으로, 다른 유기체를 섭취하는 대신 유기물의 화학적 결합을 부수어 거기에서 방출되는 에너지를 수확함으로써 양분을 얻는 다양한 박테리아와 곰팡이 집단인 미생물상이 있다. 식물의 뿌리도 토양 생물상의 일부이며, 토양의 "거대 식물상"으로 간주될 수 있다.

토양 생물상의 구성원, 특히 미생물상은 잘 알려져 있지 않다. 추정된 수백만 종 가운데 작은 비율만 기술되어 있다. 토양에서 그들의 총 질량은 토양 유기물의 질량에 비해 작지만, 개체의 숫자는 놀랄 만큼 많을 수 있다. 건강한 농업의 토양에서, 차숟가락 하나인 1그램 정도의 토양 안에 10억 마리의 박테리아와 수천 마리의 원생동물이서식하고 있다. 그리고 같은 무게의 토양에 있는 모든 곰팡이의 균사를 한 줄로 배열하면 그 길이가 몇 미터에 이른다. 

토양 생물상을 구성하는 많은 서로 다른 유기체는 복잡한 먹이그물에서 상호작용한다. 미생물상은 식물 잔여물을먹고, 이러한 예전에 살던 유기물을 구성하는 유기 분자를 산화시킴으로써(이는 분해 과정을 완수하는 또 다른 방법임) 에너지를 얻는다. 미소 동물상의 구성원들은 이 미생물상의 종을 먹고, 차례로 더 큰 중형 동물상에게 잡아먹힌다. 어떤 대형 동물상은 중형 동물상에게 포식자가 된다. 지렁이 같은 다른 종류는 식물의 잔여물을 먹는다. 이 먹이그물에서 일어나는 상호작용을 통해 에너지와 물질이 순환되고 변형된다. 

토양 유기물과 토양 생물상이 제공하는 생태계 서비스

토양에 살고 있는 유기체와 토양 유기물은 함께 토양을 비옥하게 만들고, 대량의 외부 투입재 없이 해마다 수확할 수 있는 바이오매스를 산출하는 작부체계를 지원할 수 있는 많은 것을 담당하고 있다. 

·식물성 및 동물성 잔여물을 가장 기본적인 구성 성분으로 분해함으로써, 토양의 유기체가 지구의 생물 지구 화학적 순환 -그에는 인, 질소, 칼륨, 황, 탄소, 산소 등을 포함함- 의 주요한 연결고리가 된다. 

·그들 자신의 몸과 그들이 생성한 비교적 안정적인 부식 물질에 토양 미생물들은 매우 많은 양의 탄소를 격리시킨다.

·식물 폐기물과 죽은 유기체는 질소, 인, 황 같은 많은 양의 식물 양분을 포함하고 있지만, 이들 양분은 토양 생물상의 활동에 의해 유기물에서 방출되기 전까지는 식물이 이용할 수 없다. 

·토양 미생물은 유기물을 먹으면서 토양 입자를 하나로 붙잡는 끈적끈적하고 풀 같은 점질물을 생산하여, 경작성 또는 떼알구조에 기여한다. 

·그 콜로이드성 때문에 토양 미생물이 생산한 부식질은 토양의 양이온 교환 용량을 크게 증가시킨다. 부식 물질에 느슨하게 결합된 양분 이온은 강우나 관개에 의한 침출에는 저항력이 있지만, 식물의 뿌리는 이용할 수 있다. 또한 부식질은 토양의 보수력을 크게 증가시킨다. 

·많은 토양 유기체가 직접적으로 식물의 성장을 촉진한다. 그들이 행하는 한 가지 방법은 식물의 뿌리와 상리공생의 유대를 형성하여 양분을 식물에 제공하는 것이다(예, 근류 박테리아는 대기 중의 질소를 고정시켜 식물이 이용할 수 있게 만들며, 균근은 뿌리털의 양분 흡수를 크게 증가시킴). 일부 토양 미생물은 성장을 촉진하는화합물을 토양으로 방출할 수도 있다. 

·토양 미생물이 대량의 토양 유기물을 먹을 때, 일부 토양 미생물은 다른 경쟁자보다 훨씬 뛰어나며 직접적으로식물의 병원균을 억제할 수 있다. 

·토양 미생물은 석유탄화수소, 염화솔벤트 및 약제를 포함하는 유기 오염물질을 분해하고, 그 독성을 감소시키거나 제거한다. 

분명히 토양 유기물을 최대화하고 토양 생물상의 건강과 다양성을 향상시키는 일은 농민 또는 농업생태계 관리자의 이익을 위한 일이다. 다음 절에서는 이러한 작업을 수행할 수 있는 몇 가지 수단에 대해 설명한다.

토양 관리

오늘날 농사 체계에서 토양은 주로 식물을 떠받치는 도구처럼 취급된다. 그러나 토양이 지속가능한 생산을 위해 관리되며 토양 유기물과 토양 생물상의 역할에 중점을 둔다면, 토양의 역할은 크게 확대된다. 

여러 농민들이 토지에서 많은 수확량을 얻으면 이것이 생산적인 토양의 증거라고 생각한다. 그러나 관점이 농생태학적이며 목표가 유기물 및 토양 생물상과 관련된 모든 토양을 형성하고 토양을 보호하는 과정을 유지하고 촉진하는 일이라면, 생산적인 토양이 반드시 비옥한 토양일 필요는 없다. 우리가 작물을 생산할 수 있게 하는 토양에서의 과정은 지속가능한 농업에서 더욱 중요한 역할을 한다. 비료는 생산을 높이고자 추가될 수 있지만, 양분 순환과 토양의 생태학적 과정 -특히 토양 유기물과 토양 생물상의 역학- 을 통해서만 토양비옥도를 유지하거나 회복시킬 수 있다.   

지속가능성을 위해 노력하는 많은 농민들은 토양의 유기물 함량을 높이거나 유지한다는 목표에 토양 관리의 초점을 맞추었다. 농민들은 토양 생물상을 고려하는 한, 토양 유기물을 비교적 높은 수준으로 유지하는 편이 토양 유기체에 유익하다는 것을 이해하고 있다. 그러나 토양 생물상의 중요성에 대한 인식이 높아지면서 다음과 같은 접근법이 바뀌어야 한다고 주장된다. 그것은 토양 생물상의 다양성과 기능, 풍요의 향상이 주요 목표이며, 이러한 목표를 실현하는 주요한 수단의 하나가 유기물의 투입을 증가시키는 것이란 생각이다. 

유기물 투입을 늘리는 일 이외에도, 토양 생물상을 향상시키는 두 가지 다른 수단이 효과적이란 점이 입증되었다. 경운의 강도를 감소시키고, 작부체계를 다양화하는 일이다(Stockdale and Watson 2012). 세 가지 전략은 모두, 특히 함께 활용될 때 토양 생물상과 토양 유기물에 대한 농업의 잠재적 악영향을 완화시키는 효과를 갖는다. 

유기물 투입의 증가

일단 토양에서 경작을 시작하면, 원래의 유기물 수준을 유지하기 위한 구체적 조치가 취해지기 전에는 감소되기 시작한다. 초기의 급속한 감소 이후에는 감소율이 느려진다. 유기물의 상실된 결과 토양에서는 여러 종류의 변화가 발생한다. 떼알구조가 사라지고, 부피 밀도가 상승하기 시작하며, 토양의 다공성이 나빠지고, -토양 먹이그물의 기반이 토양 유기물이기 때문에- 생물학적 활동이 감소한다. 토양의 다짐과 쟁기바닥층이라 부르는 깊이갈이에 의해 단단해진 토양층의 발달도 문제가 될 수 있다. 

경작되는 토양에서 유기물 함량이 감소하는 정도는 작물과 농법에 따라 다르다. 다음 몇 가지 사례가 있다. 

한 연구에서, 캘리포니아 중부 해안 지역에서 집약적인 채소 생산을 위해 사용되는 두 가지 농업생태계의 토양 상층 25cm에 있는 유기물 함량을 서로 비교하고, 경작되지 않는 초지와도 비교했다. 한 체계는 유기농법을 활용해 25년 동안 농사지었고, 다른 체계는 관행농법으로 40년 동안 농사지었다. 그 연구에서 유기농 체계에서는 유기물 함량이 9.869kg/㎥에서 8.705kg/㎥로 감소하고, 관행농 체계에서는 9.088kg/㎥으로 감소된 것으로 나타났다(Waldon 1994). 유기농 체계에서 퇴비와 겨울철 덮개작물의 형태로 유기물의 투입이 더 많았는데, 집약적 경운과 재배가 관행농 체계에서보다 토양 유기물을 꽤 감소시켰다. 

펜실베니아 쿠츠타운에 있는 로데일 연구소에서 옥수수와 대두 생산 체계를 30년에 걸쳐 나란히 비교한 또 다른 연구에서, 유기농 관리가 특히 합성 투입재를 기반으로 한 관행농 관리와 비교하여 중요한 토양 건강 지표를 상당히 개선했음이 입증되었다. 두 가지 서로 다른 유기농 처리법의 토양은 토양 유기물의 수준이 개선되고, 토양 생물상이 더 활발하고, 보수력이 더 나아지고, 색상이 더 어두우며, 토양입단이 더 안정적인 반면, 관행농의 토양은 30년이란 연구 기간 동안 실제로 토양 유기물이 상실되었다(Rodale Institute 2012).   

워싱턴 동부에서 75년 동안 유기농과 관행농 밀을 생산한 이후의 토양을 비교한 연구에 의하면, 유기농 체게에서는 유기물이 유지될 뿐만 아니라 실제로 시간이 지나며 증가한 한편, 유기농 농민은 관행농과 거의 같은 수준의 생산량을 얻었다(Reganold et al. 1987). 우린 이 세 가지 사례에서 작물의 유형, 투입재 관리, 지역의 환경, 경작 관행 등이 모두 토양 유기물에 대한 농사의 장기적 영향을 결정하는 데 도움이 된다는 것을 알 수 있다. 유기농 관리 자체가 토양 유기물의 중가로 이어지지는 않는다. 토양 유기물의 향상을 구체적 목표로 설정하고 이런 목표를달성하는 데 도움이 되는 관리법을 선택해야 한다. 

농사는 토양 유기물을 고갈시키는 경향이 있기에, 수확과 새로운 유기물 공급원을 -적어도 수확과 분해를 통해 상실되는 걸 대체할 만큼- 계속해서 추가해 주어야 한다. 농업생태계가 자연 생태계와 더 유사하다면, 수확을 위해 재배되고 있는 작물이나 작물 이외에도 다양한 종의 식물이 존재할 것이다. 예를 들어, 열대 지방의 혼농임업 체계(18장 참조)는 많은 수의 식물이 있으며, 그 가운데 대부분은 바이오매스 생산과 토양으로 유기물을 돌려주는 역할을 주로 하는 작물이 아닌 종들이다. 전 세계의 농민들은 그러한 체계로부터 많은 걸 배울 텐데, 대부분은실제적이고 환경적인 압박으로 인해 그보다는 덜 다양한 체계를 관리하게 된다. 그러므로 그들은 체계에 있는 식물이 그걸 해주길 기대하는 대신 자신의 체계에 유기물을 추가하는 방법을 찾아야 한다. 

유기물 투입원은 다양하다. 가장 흔한 건 아래에 설명되어 있다. 토양에 추가되는(또는 되돌아오는) 유기물의 총량이 주요 고려사항이지만, 또 다른 중요한 요소는 유기물 그 자체의 성질이다. 유기물 투입재는 그 탄질비(C/N), 분해성, 토양 pH에 대한 영향 및 다양한 다른 방식에 따라 상당히 달라진다. 유기물 투입재의 다양한 종류에 따라 토양 생물상에 미치는 영향이 다르기 때문에, 작부체계에 추가되는 유기물의 유형을 다양화하는 것이 유리할 수 있다. 

작물 잔여물

유기물의 중요한 공급원은 작물 잔여물이다. 많은 농민들이 인간이나 동물용을 목적으로 하지 않는 작물의 일부를 토양으로 되돌리는 더 나은 방법을 실험하고 있다. 주된 우려는 잔여물이 해충이나 질병의 피신처가 되어 뒷작물에게 전해질 가능성을 처리하는 방법이었다. 토양에 잔여물을 통합시키고, 작물을 돌려짓기하고, 농지에서 걷어낸 잔여물로 퇴비를 만든 뒤 완성된 퇴비를 되돌려주는 적절한 시기가 이 문제를 극복할 수 있는 방법일 수 있다. 이러한 관리 전략과 기타 관리 전략에 대한 연구는 문제가 있는 부산물에서 나온 작물 잔여물을 토양 유기물 관리의 소중한 부분으로 전환시키는 걸 돕고 있다(Unger 1994; Uphoff et al. 2006)그림8.5). 

그림8.5 타이완의 작물 잔여물 태우기. 불태우기는 작물 잔여물을 제거하는 일반적인 방법이다. 토양에 양분을 공급하고 해충과 질병을 방제하는 데 도움은 되지만, 이렇게 태울 경우 대기오염이 심해질 수 있고 작물 잔여물이 유기물로 토양에 통합되는 걸 막는다. 작물 잔여물이 토양 유기물의 유지를 위한 소중하고 유용한 자원으로 간주될 때, 토양에 그를 통합시키는 기술이 불태우기의 대안으로 개발될 수 있다. 

덮개작물

특별히 토양에 "풋거름"으로 통합시키기 위한 식물성 물질을 생산하고자 식물 덮개를 재배하는 덮개작물 재배는 유기물의 또 다른 중요한 원천이다. 덮개작물의 식물은 보통 작물과 돌려짓기로 재배하거나 작물을 재배할 수 없는 시기에 재배한다. 콩과식물을 단독으로 또는 다른 과의 식물 종과 결합하여 덮개작물로 활용하면, 바이오매스의 품질을 크게 향상시킬 수 있다. 생성된 바이오매스는 토양으로 통합시키거나, 분해될 때까지 지표면에 보호용덮개로 놔둘 수 있다. 

캘리포니아 산타크루즈에서 수행된 연구(Gliessman 1987)에서, 벨빈bellbean이라 불리는 지역의 토종 누에콩은 겨울철 습한 시기의 휴경기 동안 곡물용 호밀이나 보리와 함께 결합하여 덮개작물로 재배되었다. 맥류/콩과식물 혼합으로 생산된 총 건물이 콩과식물 단독인 경우보다 거의 2배나 되는 것으로 나타났다. 덮개작물을 활용하고 3년 뒤, 혼합된 덮개에서 토양의 유기물 수준은 8.8%까지 향상되었다. 흥미롭게도 콩과식물만 덮개로 활용한 토양은 3년 뒤에 유기물 함량이 약간 떨어졌는데, 이는 아마 통합시킨 유기물의 더 낮은 탄질비가 미생물의 분해를 더 촉진했기 때문일 것이다. 

덮개작물 재배란 접근법에서 가장 최근의 혁신은 살아 있는 덮개의 활용으로서, 영농철에 작물의 줄 사이에 작물이 아닌 종을 심는 것이다. 살아 있는 덮개는 특히 포도밭, 과수원, 나무농사 체계에서 인기가 좋다. 연구는 덮개작물과 작물 종 사이의, 특히 한해살이 작물 사이에 있는 살아 있는 덮개의 부정적인 상호작용을 최소화하는 방법에 초점을 맞추었다. 또한 연구들에서는 살아 있는 덮개가 곡식 작물에 질소를 제공하고 보존하며, 토양침식을감소시키고, 잡초의 압박을 줄이며, 토양 유기물 함량을 증가시킬 수 있음을 발견했다(Hartwig and Ammon 2002).

똥거름

유기물 함량을 향상시키고자 토양에 동물의 똥거름을 추가하는 건 관행농업과 대안농업 체계에서 모두 오랫동안 계속해 온 농법이다. 동물의 똥거름 적용은 통합된 양분 관리 전략을 위한 중요한 도구이다. 그 방법이 토양 유기물을 증가시키는 동시에 작물의 성장을 위한 양분을 공급할 수 있기 때문이다(Seiter and Horwath 2004; Organic Trade Association 2011). 목장과 비육시설에서는 농지로 되돌릴 때에는 유용한 자원으로 전환되는 대량의 동물 폐기물이 생산되는데, 우리가 이미 1장에서 언급했듯이 그렇게 많은 양의 동물 분뇨를 가두고, 저장하고, 운송하며 적용하는 데에는 여러 문제가 있다. 작고, 통합된 농장의 운영에서는 집약적 채소 생산이나 다른 작물에 활용하고자 마굿간이나 축사에 축적한 동물의 똥거름을 더 쉽게 사용할 수 있다(19장 참조). 중국 농업에서 누에의 배설물 활용은 동물의 똥거름을 활용하는 또 다른 사례이다.  

그러나 어느 규모라도 동물의 분뇨를 직접 적용시키는 건 많은 단점이 있을 수 있다. 악취와 파리는 직접 분뇨를 적용시킨 것과 관련이 있다. 암모니아화를 통한 질소 상실이 매우 클 수 있다. 질산염과 기타 용해성 물질의 유출이 문제가 될 수 있다. 그리고 일단 새로 만든 똥거름이 토양에 통합되면, 파종하기 전에 분해와 안정화를 위한 대기 기간이 생기곤 한다. 이런 문제를 피하기 위해, 미국의 현행 유기농업 인증 기준에서는 새로 만든 똥거름 또는 생똥은 그걸 적용하기 전에 특정한 조건에서 퇴비화시켜야 한다(Organic Trade Association 2011)(그림8.6).

그림8.6 와이오밍주 코디Cody 근처의 목장에서 사용되는 똥거름 살포기. 부숙된 똥거름은 목장의 젖소들에게 먹이는 사료를 재배한 농지로 되돌려준다.

퇴비

토양의 퇴비 개량은 여러 가지 이유로 유기물을 추가하는 매력적인 방법이다. 퇴비의 입자 크기 분포는 균일한 농지 적용에 유리하고, 탄질비가 최적이고, 퇴비에는 보통 잡초의 씨앗이 없으며, 토양 질병이 퇴비 추가로 억제되곤 한다(Chen et al. 2004; Hitchings 2009). 똥거름부터 농작물 부산물 및 깎아낸 잔디에 이르기까지 여러 다양한 유기물 공급원이 퇴비화 과정을 통해 유용한 토양 개량제로 전환되고 있다. 통제된 조건에서 생유기물은 분해와 부식화의 첫 단게를 거쳐서, 그것이 토양에 추가될 때 상당히 안정화되고 토양비옥도 구축 과정에 더 효과적으로기여할 수 있다. 이런 방법으로, 폐기물 -그렇지 않으면 이미 가득 차 있는 매립지로 가게 될 물질을 포함하여- 이 자원으로 전환되고 있다(그림8.7).

그림8.7 캘리포니아 중부 해안에 있는 농장에서 농장의 폐기물이 퇴비로 전환되고 있다. 미생물에 의한 식물성 물질의 분해는 열의 형태로 상당한 양의 에너지를 방출한다. 

지렁이 분변토, 또는 지렁이의 작용을 통해 생산된 퇴비도 인기 있는 토양 유기물의 공급원이 되고 있으며, 특히 소규모 농장과 텃밭 체계에서 그러하다. 신선하고 젖은 유기물, 특히 식재료 찌꺼기가 특별히 퇴비화 능력으로 잘 알려진 지렁이(줄지렁이 같은 붉은 지렁이가 특히 좋음)에 의해 소비되며, 한달에 25kg의 지렁이똥을 생산할 수 있는 작은 가정용 지렁이 사육실이 개발되었다. 이들 분변토는 높은 수준의 인산염, 질소 및 기타 양분으로 알려져 있으며, 토양의 입자를 서로 붙게 하는 다당류도 함유하고 토양 유기물의 개발을 돕는다. 쿠바의 연구자들은 최근 수입이 어려운 비료를 대체하기 위해 설계된 농장 규모의 지렁이 사육 체계를 개발했다. 대규모 체계의 추가 개발은 토양 관리의 개선에 크게 도움이 될 수 있다.

표8.3 퇴비 생산에 사용되는 유기 폐기물

기타 토양 개량제

다른 유형의 유기질 토양 개량제도 사용할 수 있다. 흄산염, 다시마, 어분, 동물성 부산물, 구아노 등이 출하되어있다. 각각은 특정한 적용법, 장단점 및 활용의 최적 규모가 있다. 각 유기물의 근원은 단기적인 작물의 반응을 조사해야 하지만, 더 중요한 것은 토양 유기물의 발달과 유지에 장기적으로 기여할 수 있다는 점이다. 

하수

유기물의 마직막 공급원은 하수 -세계의 일부 지역을 제외하고는 활용도가 낮음- 이다. 농장을 떠난 양분이 양분순환을 완료하기 위해서는 결국 농장으로 돌아와야 한다. 만약 그것이 유기질 형태로 돌아올 수 있다면, 토양 구축 과정에도 추가될 것이다. 

하수 슬러지로 알려진 처리되고 있는 하수에서 제거된 고형 물질은 수십 년 동안 그 토지에 퍼져 왔다. 건조 중량의 백분률로 하수 슬러지는 질소 6-9%, 인 3-7%, 칼륨 1%까지 함유할 수 있다. 하수 슬러지는 수분 함량 40-70%를 지닌 말린 케이크 모양 또는 과립으로, 또는 수분 80-90%인 액체 슬러리로 적용할 수 있다. 하수 슬러지는 잔디밭, 저하된 방목지, 심지어 과수 아래에도 널리 활용된다. 오수로 알려진 처리된 하수의 액체 부분은 유럽과 미국에서 오랫동안 엄선된 부지에 내려앉도록 적용되었다. 일부 도시는 하수 이용 농장이라 부르는 곳을 운영해 작물, 보통 동물의 먹이와 사료를 생산하는 데 오수를 활용하여 부분적으로 처분 비용을 절감하는 한편, 골프장, 고소도로의 조경, 숲을 관개하는 데 활용하는 경우도 있다. 

그러나 병원균이 적절히 처리되도록 하수를 처리하는 방법에 관해 배워야 할 것이 많다. 수거, 처리, 운송은 모두지속가능한 농업과 함께 폐기물 관리를 연결하는 목표를 염두에 두고 조사되어야 한다. 세계적으로 많은 하수 체계가 산업용 폐기물과 인간의 폐기물을 분리시키지 않는다는 사실은 슬러지를 독성 중금속으로 오염시키기 때문에 그 과정이 대단히 복잡해진다. 그럼에도 불구하고 하수는 앞으로 작물을 생산하기 위한 유기물, 양분, 물의 원천으로 더 중요한 자원이 될 것이다. 하수를 유용한 자원으로 바꾸는 여러 소규모, 전통적 방법은 지속가능성에 대한 중요한 연결고리가 되어 앞으로의 연구에 중요한 기반이 될 수 있다. 

경운 강도의 감소

농업에 퍼져 있는 일반적 통념은 잡초를 방제하고, 유기물을 통합하며, 뿌리의 성장을 위해 토양을 경운해야 한다는 것이다. 그러나 그 일의 잠재적 혜택에도 불구하고, 경운은 토양의 구조를 악화시키고, 유기물 함량을 감소시키며, 토양 생물상을 파괴하고, 토양의 먹이그물을 단순하게 만들며, 토양이 생산성의 일부 요소를 상실하게 만들 수 있다. 이들 이유로, 토양이 어떻게 경운되는지에 관심을 기울이는 일은 토양 생물상과 토양 유기물을 관리하는 데 없어서는 안 될 부분이다. 

토양 경운의 여러 다른 패턴이 존재하지만, 관행농업에서 사용되는 주요한 패턴은 3단계 과정이다. 토양을 뒤집는 깊이갈이, 두둑을 준비하는 2차 경운, 마지막으로 잡초를 방제하기 위한(제초제 사용과 결합되기도 하는) 재식후 경운이 그것이다. 토양침식, 좋은 토양 구조의 상실, 양분 침출은 이러한 경운 패턴과 연관된 잘 알려진 문제이다. 이런 문제에도 불구하고 대부분의 관행농업, 특히 한해살이 곡식과 채소를 생산하는 체계는 광범위하고 반복적인 경운에 의존한다. 

다른 극단에는 경운이 전혀 사용되지 않는 여러 전통농업 체게가 있다. 화전 농업에서, 전통적 농민들은 베어내고 태우는 기술을 활용해 토지를 개간한 다음 씨앗을 심기 위해 파종용 막대로 토양에 구멍을 냈다. 가장 오래 지속된 관리의 역사를 지닌 그러한 체계는 잡초가 많은 식생을 통제하고, 제거된 양분을 대체하기 위해 자연적인 토양 형성 과정을 허용하는 휴경의 필요성을 준수한다. 그늘 아래의 커피나 카카오 같은 여러 혼농임업 체계는 토양의 덮개와 양분 순환을 제공하기 위해 나무라는 체계의 구성요소에 의존하며, 이따금 지표면의 제초만 행한다. 영구적 목초지도 거의 경운하지 않는다. 

전통농법에서 차용된 많은 대안적인 경운 기술이 관행농의 한해살이 작부체계를 위해 개발되고 시험되어 왔다. 이들은 한해살이 작부체계가 광범위하고 반복적인 경운에 의존할 필요가 없으며, 경운의 감소가 토양의 질과 비옥도의 향상에 도움이 될 수 있다는 사실을 입증했다(El Titi 2002; Magdoff and Van Es 2009). 

무경운 기술을 활용하면, 토양의 경운은 실제 묘상으로 제한되어 종자를 파종할 때 이루어진다. 경우에 따라 이전의 작물이 남긴 잔여물에 직접 파종할 수 있는 특수한 농기계가 활용된다. 시비와 잡초 방제 같은 다른 단계는 파종과 함께 완료될 수 있다. 불행히도 많은 무경운 체계가 제초제에 크게 의존하도록 개발되어 또 다른 생태학적 문제를 일으킬 수 있다. 

제초제 사용을 감소시키거나 제거하기 위하여, 많은 경운 감소 체계가 개발되었다. 특히 옥수수와 대두 및 기타 작물의 생산에 성공한 것이 골타기 경운이다(그림8.8 참조). 파종 두둑이 형성되는 최초의 쟁기질 이후에 행하는유일한 경운은 종자 파종, 잡초 관리, 경운한 토양 표면으로 유기물(작물 잔여물, 덮개작물, 똥거름)의 통합 및 두둑 꼭대기에서 고랑으로, 또는 그 반대 쪽으로 토양 표면을 이동시키는 데에 초점이 맞추어져 있다. 특별히 설계된 경운기는 절대로 토양을 깊숙하게 경운하지 않는다. 어떤 골타기 경운 체계는 깊이갈이 없이 몇 년 동안 반족하여 파종할 수 있으며, 토양 교란이 줄어서 토양 유기물과 토양의 구조를 보존하고 토양 생물상의 풍요와 다양성을 향상시키는 데 도움이 된다. 또한 여러 체계에서, 과정의 모든 단계에서 잡초가 발아하고 성장할 기회를 최소화하는 데 초점을 맞추어 제초제를 완전히 제거할 수 있다.    

그림8.8 아이오와주 분Boone에 있는 톰슨Thompson 농장에서 골타기 경운 체계에 활용되는 주문 제작한 경운기의 하나. 이 경운기는 옥수수의 파종 이후 첫 번째 경운을 완료하고 있다. 두둑의 어깨 부분에 있는 토양을 가르고(잡초를 죽임) 다시 밀친다. 딕 톰슨Dick Thompson 씨는 관행농업의 경운이 잡초를 죽였음에도 불구하고 그 방법이 또한 잡초가 재성장하기에 이상적인 교란된 환경을 만든는 사실을 인식한 이후 1980년대에 골타기 경운 체계를 고안했다. 몇 년에 걸쳐 수천 명의 농민과 연구자들이 골타기 경운 체계로 인정받는 "전문가"에게 배우기 위해 톰슨 농장을 방문했다.

작부체계의 다양화

지상부 농업생태계의 다양성은 지하부 생태계의 다양성과 직접적으로 연결되어 있다. 더 많은 유형의 작물이 있을 때 낙엽과 식물의 삼출액, 뿌리를 뻗는 패턴 등에 더 많은 다양성이 존재한다. 이런 다양성이 지하에 더 많은 서식지와 더 광범위한 환경 조건을 만들어 토양 생물상에 더 많은 종이 풍부해지도록 촉진한다. 반대로, 농업에 대한 산업적 접근법으로 특징되는 대규모 단작은 토양 유기체의 풍부함과 다양성을 크게 감소시킨다고 입증되었다. 따라서 토양 생태계의 건강을 향상시키고자 하는 농민은 공간적(섞어짓기, 나무 사이 작부, 혼농임업, 기타 기술을 통해), 시간적(돌려짓기를 통해)으로 자신의 농사를 다양화하려고 고려하는 편이 좋다. 4부에서 보겠지만, 작부체계의 다양화는 다른 다양한 혜택도 있다. 

경관 차원에서 농업생태계의 다양성은 토양 생물상에도 혜택이 될 수 있다. 농지의 빈 공간, 생울타리, 수변 통로, 농사짓지 않는 작은 토지들은 토양 생물상 다양성의 비축소로 작용할 수 있다. 이들 비축소가 경관에 존재하면,농경지에서 소멸된 토양 생물상의 종들이 특정 지방에 존재하는 토양 유기체의 전체에게 더 알맞은 농지를 만들기 위한 관리 방법으로 바뀌었을 때 농지를 다시 식민지화할 수 있다.

지속가능한 토양 관리

토양이 살이 있는 것으로 이해되면 지속가능성을 위한 역동적인 체계 -생태계- 의 관리가 통합된 전체적 체계의 과정이 된다. 건강하고 역동적이며 생산적인 체계의 유지를 촉진하는 과정에 초점을 맞추는 것이 가장 중요하다.비옥도 관리는 양분 순환, 유기물 함량 및 토양 생물상의 풍요와 다양성에 대한 우리의 이해를 기반으로 한다. 시간의 경과에 따라 토양 생태계의 구조와 기능을 유지하는 생태학적 과정에 대한 우리의 이해를 적용하는 일이 가장 중요하다. 그리고 토양 생태계는 복잡하고 역동적이며 끊임없이 변화하는 구성요소의 집합이며 과정이기에, 이러한 복잡성에 대한 우리의 이해가 높아져야 한다. 

좋은 토양 관리는 농업생태계의 전반적인 지속가능성을 달성하는 중요한 부분이다. 22장에서 논의되는 지속가능성에 대한 여러 지표가 토양과 직접적으로 관련이 있다.

생각거리

1. 유기물은 건강한 토양 생태계의 가장 중요한 구성요소의 하나로 간주되지만, 대부분의 농업 활동(즉, 쟁기질,불태우기, 재배, 수확)은 유기물을 제거하고, 감소시키거나 저하시킨다. 토양에서 이 귀중한 자원을 유지하는 가장 실용적인 방법은 무엇인가?

2. 악화된 토양이 예전의 건강한 상태와 비슷하게 회복하는 데 걸리는 시간을 결정하는 주요 요소는 무엇인가?

3. 먼지와 토양의 차이점은 무엇인가?

4. 최근 다양한 농법의 지속가능성을 측정하기 위하여 "토양의 건강"에 대한 몇 가지 지표를 개발하자고 제안되었다. 토양의 건강을 평가하는 데 사용해야 하는 지표는 무엇인가? 

5. 농민이 토양 생태계의 개념을 활용하는 방법을 배우는 게 중요한 이유는 무엇인가?

인터넷 자료

Pedosphere.com 

http://www.pedosphere.com

An online soil science magazine. 

Natural Resources Conservation Service: Soil Quality 

http://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/main/soils/health/

The Soil Quality portion of the NRCS Soils website, with information about soil management practices, soil biology, and soil quality assessment. 

National Sustainable Agriculture Information Service: Soils and Compost 

http://attra.ncat.org/soils.html

Lists publications about soils and soil management. 

US Department of Agriculture, Natural Resources Conservation Service, Soils 

http://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/site/soils/home/ 

The NRCS Soils website, providing extensive sciencebased soil information, including soil surveys from across the nation. 

USDA Web Soil Survey 

http://websoilsurvey.nrcs.usda.gov/app/

Very extensive and updated soil data and information for most of the counties in the United States that can be used for general farm, local, and wider area planning.

읽을거리

Bardgett, R. D. and D. A. Wardle. 2010. Aboveground–Belowground Linkages: Biotic Interactions, Ecosystem Processes and Global Change. Oxford University Press (Oxford Series in Ecology and Evolution): Oxford, U.K. 

A synthetic volume that analyzes the interactions between biotic communities aboveground and belowground, focusing on their important roles in defining community structure and ecosystem functioning, and their responses to climate change. 

Brady, N. C. and R. R. Weil. 2008. The Nature and Properties of Soils. 14th edn. Prentice Hall: Upper Saddle River, NJ. 

One of the most complete reference books on soil as a natural resource; highlights the many interactions between soil and other components of the ecosystem. The recognized primer of soil science.

Cheeke, T. E., D. C. Coleman, and D. H. Wall. 2012. Microbial Ecology in Sustainable Agroecosystems. Advances in Agroecology Series. CRC Press/Taylor & Francis Group: Boca Raton, FL. 

This book brings together soil ecologists, microbial ecologists, and agroecologists working globally to demonstrate how research in soil ecology can contribute to the long-term sustainability of agricultural systems. 

Havlin, J. L., S. L. Tisdale, W. L. Nelson, and J. D. Beaton. 2013. Soil Fertility and Fertilizers: An Introduction to Nutrient Management. 8th edn. Prentice Hall: Upper Saddle River, NJ. 

This book provides a thorough understanding of the biological, chemical, and physical properties affecting soil fertility and plant nutrition. 

Jenny, H. 1994. Factors of Soil Formation. Reprint edition of the 1941 original. Dover Publications: Toronto, ontario, Canada. 

The classic textbook on soil and the soil formation process; emphasizes the soil as a complex system that changes through time. 

Juo, A. S. R. and K. Franzluebbers. 2003. Tropical Soils: Properties and Management for Sustainable Agriculture. Oxford University Press USA: Cary, NC. 

A text that uses an agroecological approach to describe the tropical soil environments of sub-Saharan Africa, Southeast Asia, and South and Central America, focusing on production and management systems unique to each region. 

Logsdon, G. 2010. Holy Shit: Managing Manure to Save Mankind. Chelsea Green Publishing: White River Junction, VT. 

A truly remarkable book about manure and how to turn a waste into a resource for the future sustainability of our food system. 

Magdoff, F. and H. van Es. 2000. Building Soils for Better Crops. 2nd edn. Sustainable Agriculture Network Handbook Series. Sustainable Agriculture Publications: Burlington, VT. 

Very farmer friendly and practical information that explains how ecological soil management boosts soil fertility and yields, while reducing pest pressures and environmental impacts. Stevenson, 

F. J. and M. A. Cole. 1999. Cycles of Soil Carbon, Nitrogen, Phosphorus, Sulfur, and Micronutrients. 2nd edn. John Wiley & Sons: New York. 

An examination of the processes and mechanisms of cycling of both macro- and micronutrients in the soil.

농생태학: 지속가능한 먹을거리 체계의 생태학

7장 바람

바람은 환경의 요소로 항상 존재하지는 않지만, 그럼에도 불구하고 농업생태게에 매우 큰 영향을 미칠 수 있다. 이런 영향은 (1) 식물체에 물리적인 힘을 가하고, (2) 농업생태계 안팎으로 염분과 꽃가루, 토양, 종자, 곰팡이 포자 같은 입자와 물질을 운송하며, (3) 식물에 인접한 대기를 혼합해서 그 조성, 열 확산의 특성, 식물 생리에 대한 영향을 변화시키는 바람의 능력에서 기인한다. 이런 모든 유형의 효과를 고려할 때, 비교적 단순한 환경 요소로 보일 수 있지만 매우 복잡한 것이다. 바람은 긍정적 영향과 부정적 영향을 동시에 지닐 수 있으며, 또 경우에 따라서는 바람직하지만 다른 경우에는 바람직하지 않은 경향을 가질 수 있다. 그러므로 바람은 관리하기 까다로운 요소이다. 

대기의 운동

지구의 대기는 계속 움직이고, 끊임없이 변화하며, 복잡하고, 지역적으로 가변적인 패턴이 있다. 이런 순환은 기단을 움직이고 날씨를 변화시키는 원인이 된다. 또한 우리가 바람으로 경험하는 지표면의 공기 이동을 일으키는 원인이기도 하다. 

대기의 운동을 추동하는 가장 기본적인 과정은 지구 표면의 차별화된 가열과 냉각이다. 적도 지방에서, 지표면과대기 바로 위가 강렬하게 가열되어 공기가 팽창하며 높이 올라가 저기압 구역이 만들어진다. 적도에서 멀리 떨어진 더 차가운 지표면의 공기는 상승하는 기단을 대신하여 이동하는 한편, 높은 쪽의 대기에 있는 가열된 공기는 극 쪽으로 이동한다. 극지방에서는 반대의 일이 일어난다. 더 추운 극지방의 공기는 대기의 위쪽에서 훨씬 더 빨리 냉각되고 지표면으로 내려가, 고기압 구역을 만들고 적도 쪽으로 지표면의 공기가 이동한다. 

적도의 저기압 구역과 극지방의 고기압 구역이 생긴 결과, 그림7.1에 나오듯이 순환의 커다란 세포들이 각각의 반구에서 만들어진다. 적도의 세포와 극지방의 세포에서 생긴 공기의 흐름은 각 반구의 온대 지역에서 추가적 세포를 창출한다. 그 결과, 북위 60°와 남위 60°에 저기압 구역(상승하는 공기)이 있고, 북위 30°와 남위 30°에 고기압 구역(하강하는 공기)이 있다. 

그림7.1 대기 순환 세포의 위도에 따른 배열

지구의 회전은 이러한 대규모 순환 세포의 흐름을 변경시킨다. 기류는 적도 북쪽은 기압 경도의 오른쪽으로, 남쪽에선 왼쪽으로 편향된다. 이 편향은 코리올리 효과로 알려져 있다. 지표면에서, 마지막 결과는 북반구에서 북동쪽과 남서쪽에서, 남반구에서는 남동쪽과 북서쪽에서 불어오는 경향이 있는 바람이다. 특정 위도대에서 전형적인 이런 바람은 우세풍으로 알려져 있다. 그것은 그림7.2에 나온다. 

그림7.2 우세풍의 패턴

그것이 지표면에서 생기는 대기 순환의 거시적 패턴 전반을 설명하고 있지만, 우세풍은 지역과 계절에 따라 크게수정될 수 있다. 이런 수정은 대륙에 있는 산맥의 존재와 대지와 물의 가열과 냉각 속도 차이로 생성되는 온도 기울기를 포함하는 여러 가지 요소의 결과이다. 

이런 모든 요인들이 함께 대형의, 이동하는 고기압과 저기압 기단을 형성하고, 그들이 움직이는 것에 따라 지역의 바람 패턴에 큰 영향을 미친다. 북반구에서는 공기가 고기압 세포 주변을 시계 방향으로 순환하고, 저기압 세포 주변은 반시계 방향으로 순환한다. 남반구에서는 방향이 반대이다. 두 반구 모두에서 공기는 고기압권에서 저기압권 쪽으로 바깥쪽으로 흐른다. 

지역의 바람

또한 바람은 지역의 지형과 수역과의 근접성 같은 요소들과 관련이 있는 지역 조건에 의해 생성되기도 한다. 특정 지역에서 이런 바람은 상대적으로 예측할 수 있다. 

여름철 해안 지역만이 아니라 호수나 저수지 같은 커다란 수역 주변에서, 주간 바람(바닷바람 또는 호숫바람이라부름)은 인근의 육지가 수역보다 더 빨리 가열되기에 일반적으로 육지 쪽으로 분다. 육지 위의 공기가 가열되어 팽창하여 상승하고, 그런 다음 바다 위의 더 시원한 공기가 내륙 쪽으로 흘러 상승하는 공기를 대신한다. 밤에는 육지가 물보다 빠르게 식으면서 그 과정이 반전될 수 있고, 바람이 물 쪽으로 움직이기 시작한다. 

사면풍은 또 다른 형태의 지역의 바람이다. 산악 지형인 지역에서, 야간에는 대지가 대기로 다시 열을 방출하기 때문에 지표면에 가까운 공기도 냉각된다. 더 차가운 공기가 더 무겁기 때문에, 내리막으로 흐르기 시작한다. 그런 움직임은 처음엔 매우 국지적이지만, 결국에는 단 하나의 협곡으로 내려가고 있는 바람이 전체 계곡에 합류하며 산바람을 일으킬 수 있다. 낮에는 반대의 효과가 일어날 수 있어, 계곡 바닥이 가열되며 골바람이 형성되어 따뜻한 공기가 오르막으로 상승하게 된다.  

거대한 기단이 산맥을 넘어 아래의 평야나 계곡으로 내려가면, 떨어지는 기단이 팽창한다. 그 결과, 열이 발생하고 그 상대습도가 떨어진다. 이 가열과 건조의 과정은 하강 기류의 온난화라고 부르며, 익숙한 비그늘 효과의 원인이 된다. 하강 기류의 온난화로 인한 바람은 폭풍이 내륙으로 이동하며 그 앞의 공기를 밀어내 산맥 위로 올리면, 시에라 네바다와 록키 산맥의 동쪽 경사면을 따라 겨울에 흔히 발생한다. 공기가 산의 동쪽이나 바람이 없는 쪽으로 하강함에 따라, 돌풍이 불며 지표면의 눈을 빠르게 녹일 수 있는 치누크 바람으로 알려진 따뜻한 바람을 만든다. 이 짧은 기간에 바람이 부는 동안에는 보통 땅이 얼어 있는 상태이기에, 식물이 건조함으로 인해 상당한 피해를 입을 수 있다. 

여름철에는 캘리포니아 남부와 칠레 중부의 해안 경사면에서 비슷한 종류의 바람이 불곤 한다. 고기압 세포가 내륙에서 형성되면, 이 세포와 연관된 떨어지는 공기가 해안 지대의 산으로 밀려나고, 아래의 해안 평원까지 내려간다. 썬다우너sundowners 또는 산타 아나스Santa Anas라고 부르는 이 따뜻한 바람은 낮의 끝자락에 빠르게 발생해, 단 몇 분 만에 온도를 10-15℃로 상승시키고 상대습도는 이슬점 근처에서 20% 미만으로 급락시킨다. 이때는 화재의 위험이 높아지며, 작물은 건조하고 거센 바람에 손상을 입을 수 있다. 건기에 그 지역의 서쪽에 있는 고기압이 동쪽에서 뜨겁고 건조한 내리막 바람을 만드는 멕시코 남부의 테완테펙 지협에서도 비슷한 현상이 발생할 수 있다. 사우더souther 또는 슈레스sures라고 부르는 이 바람은 건기에 건조함을 강하게 한다. 

바람이 식물에 미치는 직접적 영향 

유기체에 미치는 바람의 물리적 영향은 생태학적으로 중요한 의미를 가질 수 있다. 이는 특히 평평한 평원과 바다의 가장자리 근처나 높은 산악 지역 같이 바람이 더 꾸준히 발생하는 지역에서 그렇다. 일반적으로 환경의 모든 요소와 마찬가지로, 바람의 효과가 지니는 크기는 강도와 지속기간, 시기에 따라 달라진다. 

건조

식물의 잎에 있는 각 기공의 개구부는 주변 세포벽의 막에서 가스 교환이 일어나는 기실로 이어진다. 이 기실은 습도로 포화 상태이며, 기공이 열려 있는 한 잎 내부에서 수증기가 흘러 나온다. 그곳에 공기의 이동이 없을 때, 기공으로부터 바깥쪽으로 포화된 공기의 이동이 잎 표면 주위에 포화된 공기의 경계층을 생성한다. 공기의 이동은 이 경계층을 제거하고, 증산을 증가시키며, 식물에서 전체적인 수분 상실을 증가시킨다. 건조율은 최대 상실율에 도달하는 약 10km/h의 풍속이 될 때까지 풍속에 비례하여 증가한다. 

식물의 정상적인 수분 상실은 뿌리에서 흡수하여 이후 잎으로 수송하여 쉽게 대체될 수 있다. 하지만 건조율이 대체율을 초과하면, 시들음이 발생할 수 있다. 과도한 시들음은 정상적 잎의 기능, 특히 광합성에 심각한 영향을 미쳐서 전체 식물의 성장을 더디게 하고 죽음까지 초래할 수 있다. 

왜소화

바람과 식물 신장의 단축 사이에는 직접적 상관관계가 있다. 높은 산과 해안의 모래언덕 생태계에서 식물은 비교적 꾸준하고 강한 풍속 때문에 작아진다. 꾸준한 바람이 부는 지역에서 자라는 작물은 일반적으로 바람이 없는 지역에 심는 동일한 작물보다 작다. 작은 신장은 세포를 더 작게 하고 식물을 더 옹골지게 하는 끊임없는 건조함의 결과이다. 바람이 더 가변적이고, 바람이 강한 기간과 길게 고요한 기간이 번갈아 가며 있는 곳의 식물은 왜소화되지 않는 경향이 있다.   

변형

바람이 비교적 꾸준하고 주로 같은 방향에서 불어오면, 그것이 식물의 성장 형태를 영구적으로 변경할 수 있다. 구부러지거나 변형된 식물의 발달을 나타내는 방풍림은 지속적인 우세풍의 좋은 지표이다. 변형은 바람으로 인해 영구적으로 기울어진 모습부터 깃발 모양이나 엎드리는 습성까지 여러 형태를 취할 수 있다. 바람으로 옮겨지는 얼음은 특히 식생의 변형에 기여하는 데 효과적이다. 

식물의 손상과 뿌리뽑힘

과도한 바람이 비교적 드문 일이고, 특히 호우나 강설과 함께 발생한다면, 바람은 서 있는 식물에게 피해를 줄 수있다. 잎이 갈가리 찢기거나 제거될 수 있고, 잎 표면에 상처를 입을 수 있으며, 가지가 몸통에서 부러질 수 있고, 윗부분이 제거될 수 있고, 식물 전체가 뿌리뽑힐 수 있다. 허리케인, 폭풍이나 용오름이 발생하는 지역에서, 몇년 동안 성장해 온 성숙한 식물조차 심각한 피해를 입을 수 있다. 간벌 이후에 남겨진 한 그루의 키 큰 나무는 숲에서 일단 주변 나무들이 보호하는 환경을 잃어 버려 바람에 쓰러지는 경향이 매우 크다. 이런 종류의 손상은 방풍림의 중요성을 보여준다(이 장의 뒷부분에서 논의함). 

농업생태게에서, 바람의 피해는 식물의 윗부분이 곡식이나 과실로 무거울 때인 완성에 가까워진 한해살이 작물에서 가장 빈번히 발생한다. 작물이 땅에 평평하게 눕는 이런 종류의 손상을 쓰러짐(도복)이라 한다(그림7.3). 사과나 자두 같은 과실 작물에서, 바람은 개화 단계에서 수분을 감소시키고, 수확하기 전에 나무에서 과실을 떨어뜨릴 수 있다. 

그림7.3 멕시코 타바스코 Cárdenas 근처의 거세고 비를 동반한 바람을 맞고 쓰러진 옥수수.

식물 주변 공기 조성의 변화

건조와 식물 형태의 물리적 변화 이외에도, 바람은 식물 주변의 공기 질을 변경시킬 수 있다. 유기체 바로 주위의 공기는 가스 교환과 열 교환이 일어 날 수 있는 대기의 매체이기에 중요하다. 대기는 광함성에 활용되는 이산화탄소와 호흡에 사용되는 산소를 제공하여 식물에 직접적인 영향을 미친다. 

보통의 공기는 78%의 질소, 21%의 산소, 0.03%의 이산화탄소로 구성된다. (나머지 1% 미만은 수증기, 먼지, 연기, 오염물질 및 기타 가스의 혼합물이다.) 그러나 식물 바로 주변의 대기에서, 산소와 이산화탄소의 수준은 식물이 이산화탄소를 흡수하고 산소를 생성하기에 상당히 달라진다. 낮에 식물 주변의 산소 수준은 광합성으로 흡수한 결과 이산화탄소가 줄어들면서 매우 높아질 수 있다. 이산화탄소 농도가 너무 낮으면 광합성이 제한되기에, 식물의 성장은 느려질 수 있다. 그러나 공기의 움직임은 식물 주변의 공기를 섞어, 잎 주변의 산소가 풍부한 경계층을 교란하고 기공 쪽으로 이산화탄소가 확산되도록 촉진하는 역할을 한다. 이런 식으로 바람은 식물에게 실제로 이로울 수 있다.   

바람의 기타 영향

앞에서 자세히 이야기했듯이, 바람은 개별 식물에게 직접적으로 영향을 준다. 하지만 바람은 물질을 운송하는 능력 때문에 농업생태계 차원에도 영향을 미친다. 

풍식

강우량이 적고(또는 가뭄의 가능성) 변동이 심하며, 때때로 또는 자주 강속의 바람이 불고 토양 표면의 증발 상실이 심한 지방에서, 토양의 풍식이 문제가 될 수 있다. 그런 조건에서, 식물의 덮개가 부족하거나 부분적으로 부족한 느슨하고 건조하며 부드럽고 미세한 입자의 토양 표면은 바람에 쉽게 침식된다. 

풍식에 의한 토양의 상실은 두 가지 과정을 수반한다. 입자들의 분리와 운송이 그것이다. 바람은 느슨한 토양의 입자를 휘젓고, 결국 그 일부가 될지도 모를 토양 집합에서 들어올려 떼어낸다. 이런 입자들은 바람의 크기와 속도에 따라 여러 방법으로 운송된다. 표면에서 30cm 안에 머물러 있는 작은 토양의 입자는 약동이라 부르는 과정에 의해 운송된다. 대부분의 조건에서 약동은 토양의 바람에 의한 이동 가운데 50-70%를 차지한다. 약동 입자들의 영향으로 더 큰 입자들이 표면을 따라 구르고 미끄러지면서, 토양 이동의 5-25%를 차지하는 토양 포행을 만든다. 가장 눈에 잘 띄는 운송의 형태는 미세한 모래나 더 작은 크기의 입자가 표면과 평행하게 이동하며 공기 중으로 움직이는 경우이다. 바람의 난기류는 이 공기로 운반되는 입자들을 대기 중으로 몇 킬로미터 높이의 구름으로 운송할 수 있고, 결국 수백 킬로미터 떨어진 곳에 정착하거나 공기에서 씻겨 나간다. 일반적으로 그러한 침식은 전체의 약 15% 정도이지만, 경우에 따라서는 40%를 초과하는 것으로 알려져 있다. 

보호되지 않은 토양이 풍식의 대상이 되는 세계 여러 지방에서 농업이 실행되면 많은 양의 겉흙이 상실될 수 있다(Nordstrom and Hotta 2004; Smith and Leys 2009). 아프리카 사헬 지역의 사막화는 가뭄과 과도한 방목, 한계지에서 행하는 토양의 집약적 경운에 의해 1970년대에 매우 심해졌다. 미국에서 1930년대 "대황진(great dust bowl)" 기간에 생성된 바람에 날린 토양과 먼지의 거대한 구름은 농사 체계에서 토양 상실을 일으키는 바람의 물리적 충격을 보여주는 아직도 가장 사실적인 사례 가운데 하나이다.   

한 장소에서 토양을 제거하여 다른 곳에 퇴적하는 건 풍식 문제가 발생했을 때의 양면이다. 풍식에 영향을 받는 위치에서 농업을 실행할 때 적절한 주의를 기울이지 않으면 토양의 생산성과 작물의 성과가 줄어든다. 

해양의 염분 운송

해안을 따라 위치하는 곳에서, 바람의 물리적 효과는 염분 퇴적이란 해로운 화학적 효과와 결합될 수 있다. 파도가 부수어질 때, 소금물의 거품과 작은 물방울이 형성되어 공기 중으로 올려진다. 바람이 불 때에는 그것이 내륙으로 옮겨질 수 있고 그것이 함유한 염분이 잎 표면에 퇴적될 수 있다. 바람에 날린 염분과 염분의 분무는 잎 가장자리를 태우거나 잎이 떨어지는 원인이 될 수 있다(그림7.4).

그림7.4 멕시코 타바스코 Paraiso 근처의 바람으로 퇴적된 바닷물의 염분에 의해 잎이 타고 떨어지는 모습을 보여주는 해안의 떨기나무. 바람에 직접적으로 노출되는 식물의 왼쪽 부분에 누적된 가지치기 효과를 주목하라. 

바람에 의해 운송된 염분으로 인한 피해는 해안에서 몇 킬로미터 떨어진 내륙에서 발생할 수 있지만, 염분에 의한 가장 큰 피해는 해안선 가까이에서 볼 수 있다. 비를 동반하지 않는 폭풍이 염분 피해의 가장 큰 원인이 된다. 

바람에 의한 염분의 운송과 퇴적은 해안을 따라 자라는 식생의 분포에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 그에 영향을 받는 지역에서는 내염성 작물만 심어야 한다. 모래언덕 같은 해안을 따라 난 자연적 지형의 특징을 가진 어떤 위치에서는 바람에 날리는 염분을 막아서 바람이 불어가는 쪽에다 소금에 민감한 작물을 심을 수 있다. 예를 들어, 아보카도 나무는 산타바바라부터 샌디에고까지 캘리포니아의 해안을 따라 그러한 보호를 받는 지역에 심어졌다. (하지만 최근 그러한 보호 받는 지역이 주거용 주택의 건설을 위한 인기 있는 장소가 되었다.) 방풍림도 똑같은 효과를 내고자 이용될 수 있다. 

질병과 해충의 운송

바람은 농업생태계에서 해충이나 질병 같은 유기체를 운송하는 수단이 된다. 박테리아와 곰팡이는 감염된 식물에서 새로운 숙주로 포자를 운송시키기 위해 바람에 의존하고, 여러 해충 종은 바람을 이용해 먼 거리를 이동한다. 예를 들어, 몇몇 진딧물은 분산하기 위한 날개 달린 단계와 숙주 식물에 정주하여 개체군을 발달시키기 위한 날개 없는 단계가 있다. 이들 진딧물의 날개는 바람을 타고 하늘을 날게 하는 역할보다 더 많은 걸 하지 않는다. 물론 내려앉은 곳이 감염되지 않은 숙주 식물이라면 해충 문제가 발달할 수 있다. 

사과 코들링 나방 같은 여러 해충의 암컷은 교미를 위한 수컷을 유인하고자 성호르몬을 방출한 다음 이것이 바람으로 분산되도록 한다. 농업생태게에서 원치 않는 식물이나 잡초의 수많은 종자도 바람으로 분산된다. 작은 번식체와 심지어 작은 유기체조차 풍류를 타고 공기 중으로 수백 미터 들어올려지고 수백 킬로미터 떨어진 곳으로 운송될 수 있기에, 농민들이 잠재적 문제의 계속되는 "비"를 피하는 일은 매우 어렵다. 우린 17장에서 그러한 분산의 문제를 농생태학에서 어떻게 관리하는지 다룰 것이다. 

바람의 이로운 효과

바람의 이로운 효과 가운데 가장 중요한 부분은 미기후 차원에서 발생한다. 농업생태계의 내부, 특히 작부체계의캐노피에서 공기의 움직임은 대기를 혼합하는 데 필수적이다. 좋은 공기의 순환은 이산화탄소의 최적 구배를 유지하고, 과도한 습도를 분산시키며, 활성 가스 교환을 증가시킬 수도 있다. 적절히 혼합된 공기는 잎 표면에서 습도의 수준을 더 낮추기에, 여러 질병이 생길 가능성을 줄인다. 또한 따뜻한 기후에서 바람은 직사광산에서 대류성 및 증발성 냉각을 향상시키는 중요한 효과가 있다. 

또 옥수수와 귀리, 밀 같은 곡식 작물의 생산에도 바람이 필요하다. 이들 작물은 바람으로 수분되어, 바람이 식물의 수술에서 다른 암술로 꽃가루를 분산시킨다. 

농업생태계에서 바람의 변경과 이용

바람이 농업생태계에 미칠 수 있는 영향과 그 영향의 메커니즘을 이해하는 일은 농민에게 부정적 영향을 완화시키고 긍정적 효과를 이용할 수 있는 수단을 개발할 기회를 제공한다. 게다가 바람의 에너지는 농업에서 다양하게 활용될 수 있다. 

풍속 측정

바람은 보통 풍속계로 알려진 장치로 측정된다. 컵형 풍속계는 수평으로 된 3-4개의 회전대 끝에 작은 컵이 달려 있고, 그것이 연결된 수직의 축이 돌아가면 눈금판이나 기록계가 활성화된다. 그런 장치는 수평 방향에서 불어오는 바람을 기록하고, 측정된 총 회전 수를 기준으로 시간에 따른 평균 풍속을 측정한다. 풍차형 풍속계는 더 약한풍속을 더욱 정확하게 기록할 수 있지만, 바람의 방향으로 향해 있어야 한다. 통기와 열 전달 사이의 관게에 기초하여 작동하는 열선 풍속계는 풍차형이나 컵형 체게에서 잘 기록되지 않는 매우 약한 풍속에 사용된다. 돌풍과 바람의 방향을 기록하기 위한 다른 유형의 장비도 있다. 

평균 풍속과 방향을 측정하는 일은 농업생태계에서 공기 이동의 패턴을 이해하기 위한 한 부분일 뿐이다. 또한 바람이 장벽을 맞닥뜨림으로써 지역의 바람 패턴이 미기후의 패턴으로 감소되는지 아는 일도 중요하다. 장벽은 개별 식물, 자연의 지형 변화, 의도적으로 배치된 일종의 장벽이 될 수 있다. 우리가 변경하거나 활용하려는 바람에 어떻게 영향을 미치는지에 따라 그러한 장벽들을 활용하게 될 것이다. 

바람의 패턴을 변경하고 바람의 영향을 완화하기 위한 기술

작부체계에서 바람 환경을 관리하는 방법은 여러 가지가 있다. 어떤 방법은 작물을 가로질러 우세풍이 지나가도록 하는 방식으로 작물을 심는 것처럼 간단하다. 다른 방법은 방품림이나 방풍 울타리를 심거나 바람에 민감한 작물을 더 잘 버티는 것과 결합시키는 사이짓기 체계를 활용하는 등과 같은 더 극적인 것도 있다. 

방풍림

방풍림(방풍 울타리나 생울타리로도 알려짐)은 바람에 의한 토양침식의 감소, 작물 수확량의 증가, 농장 및 기타 구조물의 보호, 또는 이러한 목표들의 조합을 실현할 목적으로 바람의 흐름을 변경하는 -보통 나무로 구성되는- 구조이다. 방풍림은 바람을 멈추게 하기 위한 게 아니라, 오히려 바람의 방향과 흐름의 속도를 바꾸기 위한 것이다. 그것은 일반적으로 우세풍에 수직으로 향하게 하거나(그 목표가 속도의 변경이라면), 바람이 흐르는 각도를 따라 배치된다(그 목표가 방향 전환이라면). 나무가 농업생태계에서 영구적인 방풍림을 만드는 데 활용되면, 그 결과는 혼농임업의 형성이다(그림7.5).

그림7.5 뉴질랜드 링컨 근처의 인접한 사과 과수원에서 미기후를 개선하기 위한 방풍림. 이 방풍림은 버드나무로구성되어 있다. 

전 세계에 걸친 작부체계에서 방풍림의 기술과 그러한 구조의 역할에 대한 여러 연구가 수행되었다(Brandle and Hintz 1988; Brandle et al. 2004; Stigter 2010; Zhao et al. 2013). 방품림은 바람의 흐름 패턴과 속도를 극적으로 변경함으로써, 앞에서 설명한 바람의 부정적 영향을 줄이면서 일부 긍정적 효과를 얻는 것으로 입증되었다. 결과적으로 작물과 가축이 혜택을 입는다(그림7.6).

그림7.6 이스라엘 에일라트 근처의 건조 지방에 있는 방풍림. 이들 방풍림은 그 사이에서 관개하며 재배되는 한해살이 작물의 증발산 수분 상실을 감소시킨다. 

방풍림의 주요한 효과는 풍속의 감소이다. 좋은 방풍림은 방풍림에서부터 바람이 부는 방향으로 최대 10 나무 키에 이르는 거리와 바람이 불어오는 쪽으로 2 나무 키에 이르는 거리의 풍속을 80%까지 줄일 수 있다. 그 장벽의 바람이 없는 곳은 "조용한 구역"으로 알려져 있는데, 온건한 난기류와 작은 소용돌이와 함께 풍속이 크게 감소된 쐐기 모양의 지역이다. 조용한 구역의 위와 바람이 부는 방향으로 나무 키의 몇 배에 이르는 거리에는 커다란 소용돌이와 더 많은 난기류 및 풍속의 감소가 없는 "깨어나는 구역"이 있다(그림7.7).

그림7.7  장벽용 방풍림과 여과용 방품림의 바람 단면. 여과용(침투할 수 있음) 방풍림은 방벽용(침투할 수 없음) 방풍림보다 더 효과적으로 풍속을 감소시키고, 더 먼 거리까지 그렇게 만든다. (McNaughton, K.G., Agri. Ecosyst. Environ., 22/23, 17, 1988 and Guyot, G., Les effets aérodynamiques et microclimatiques des brise-vent et des amenagements régionaux, in: W.S. Reifsnyder and T.O. Darnhofer (Eds.), Meteorology and Agroforestry, ICRAF, Nairobi, Kenya, 1989, pp. 485–520 에서 고침) 

방풍림이 바람에 장애물을 생성하기 때문에, 흐름은 실제로 장벽으로 접근하면서 위쪽으로 굴절된다. 방풍림의 최상단 근처에서 흐름은 압축되어 가속된다. 장벽의 바람이 부는 쪽과 바로 뒤에서 흐름은 조밀한 방풍림에서 0에 가깝게 줄어들고, 침투성 장벽에서는 중간 속도로 감소한다. 바람이 부는 방향으로 공기가 움직이면서 흐름선을 넓히고 따라가 방풍림 최상부 바로 위에서 강속으로 뚫고 가로지르는 구역이 있고, 결국 그것이 다시 정상적인 속도로 돌아오기까지 난기류의 구역에서 공기와 혼합되어 바람이 불어가는 쪽으로 20-30 나무 키 정도 되는 곳까지 가야 한다.  

방풍림의 밀도와 다공률은 방풍림이 바람의 흐름을 변경할 수 있는 거리에 상당한 영향을 미친다. 더 조밀한 장벽은 바람이 불어가는 쪽에서 직접적으로 가장 큰 풍속의 감소를 가져오지만, 방풍림 뒤의 지체된 공기와 방풍림위의 가속된 구역 사이에서 바람이 가장 빠르게 가로지르는 곳이 생긴다. 또한 조밀한 장벽은 소용돌이에서 운동 에너지가 증가하여 원래의 흐름에서 상실된 운동 에너지가 균형을 이루어야 하기에 더 많은 난기류를 생성시킨다. 이것이 장벽 너머의 풍속을 더 빨리 회복하게 만들어서, 보호 받는 지역이 줄어든다. 40%의 다공률을 지닌 장벽은 바람이 불어가는 쪽으로 30 나무 키 거리까지 풍속을 효과적으로 감소시키는 것이 입증되었다(Tibke 1988).

토양침식의 감소 이외에도, 방풍림의 가장 확실한 효과는 작물의 최종 수확량을 향상시키는 것이다. 수확량이 더높을수록 가장 뚜렷한 이득을 얻는 것이지만, 더 이른 수확 시기와 더 나은 수확물 품질도 중요한 혜택이다. 장벽의 바람이 없는 곳에서 스트레스를 덜 받으면, 작물이 영양이나 생식 성장에 더 많은 에너지를 할당하고 유지에는 덜 할당할 수 있다. 물리적 손상이 덜 발생하고, 증발 상실도 최소화되며, 온도와 습도가 더 높아 생산량과 품질을 향상하는 데 기여한다. 

전 세계의 방풍림이 농지와 사료 작물에 주는 혜택에 대한 광범위한 연구를 검토한 코트Kort(1988)는 이들 작물의 대부분이 방풍림이 있는 농지에서 재배될 때 더 나은 수확량을 나타내는데 일부는 다른 것보다 더 많은 혜택을 얻는다는 것을 발견했다. 바람으로 인해 증산률이 높아져 수분을 상실하는 자주개자리 같은 넓은 잎을 지닌 사료 작물이 방풍림으로 가장 큰 혜택을 본다고 나타나고, 봄밀과 귀리 같은 짧은 주기의 곡식이 가장 적은 혜택을 보았다. 코트의 연구결과는 표7.1에 나와 있다. 

표7.1 방풍림이 다양한 곡식과 사료 작물의 수확량에 미치는 영향

출처: Kort, J., Agric. Ecosyst. Environ., 22/23, 165, 1988.

방풍림이 채소와 특용작물에 미치는 영향을 검토한 볼드윈Baldwin(1988)은 방풍 울타리의 긍정적 혜택을 뒷받침하고 설명하는 증거가 압도적으로 많다고 보고한다. 콩, 사탕무, 토마토, 감자, 멜론, 담배, 딸기류, 카카오, 커피, 면화, 고무, 오크라를 비롯한 여러 작물의 경우 수확량이 5-50%까지 증가한다. 가장 큰 혜택은 최대의 혜택을 볼 수 있는 3-6 나무 키 사이를 포함해 바람이 불어가는 쪽으로 10 나무 키 정도 안에서 발생한다. 바람이 불어오는 쪽의 0-3 나무 키 안에서도 혜택을 볼 수 있다. 방풍림으로 인해 향상된 수확량이 방풍림에서의 거리에 따라 어떻게 변하는지 보여주는 예가 그림7.8의 대두에 나타나 있다. 이 작물에서 최고 혜택은 바람이 불어가는 쪽으로 4 나무 키에서 나타났다. 그러나 흥미롭게도 수확량은 1 나무 키 정도의 거리 안에서는 감소했는데, 아마그늘짐, 뿌리 경쟁 또는 타감작용 때문인 듯하다. 

그림7.8 방풍림에서 거리가 달라짐에 따라 방풍림의 보호가 대두의 수확량에 미치는 영향. (Data from Baldwin, C.S. and E.F. Johnston, Windbreaks on the Farm, Report #527, Publications of the ontario Ministry of Agriculture and Food Provision, Toronto, ontario, Canada, 1984.)

채소와 특용 작물의 경우, 작물 품질의 향상이 수확량 증가만큼 중요한 혜택이 될 수 있다. 작물 품질은 사탕무와딸기 같은 작물에서는 당 함량의 증가, 멜론 같은 작물에서는 바람에 날리는 모래에 의한 상처의 감소, 대부분의 작물에서는 조기 숙성을 포함하여 다양한 방식으로 향상될 수 있다. 채소와 특용 작물은 대개 바람의 피해와 바람에 의한 상처에 매우 민감하기 때문에, 작물 품질의 향상은 더 나은 경제적 이익으로 쉽게 전환되며, 이로 인해수확량 증가로 인한 이익이 증가한다. 

방풍림은 과수원과 포도밭의 작물 생산에 상당한 혜택을 제공하는 것으로 입증되었다(Norton 1988). 연중 계속되는 보호는 나무와 덩굴의 생존과 적절한 발달에 중요하다. 방풍림의 형태로 과수원의 미기후를 변경하면 수분과 결과를 향상시켜 수확량을 더 늘릴 수 있게 된다. 기계로 인한 손상도 줄어들어, 과실의 품질과 경제적 이득을 향상시킨다. 또한 적절한 방풍림 설계와 관리는 증발을 줄이고, 해충 관리물질을 적용하는 유연성도 높이며, 서리 관리에조차 도움이 될 수 있다. 주로 성숙한 줄기가 쓰러지는 일이 줄어들면서 자두, 배, 포도 같은 바람에서 보호되는 온대성 과실은 수확량이 10-37% 증가하는 것으로 나타나고, 키위와 오렌지, 레몬 같은 아열대 과실은 최대 30% 수확량이 증가(그뿐만 아니라 과실 품질의 중요한 이득도)하는 것으로 나타나며, 바나나 같은 열대 과실은 적어도 15% 수확량이 증가하는 것으로 나타난다.   

파종 기술

나무나 떨기나무로 구성된 영구적인 방풍림의 대안은 바람으로부터 주요한 작물을 보호하는 작용을 하도록 농지 안에 한해살이 작물을 파종하는 것이다. 옥수수(Zea mays), 해바라기(Helianthus annuus), 수수(Sorghum bicolor)와 진주조(Pennisetum americanum) 같은 다양한 곡식 작물이 이런 용도로 사용되는 한해살이 작물의 예이다. 그러한 한해살이 장벽은 여러해살이 목본의 방풍 울타리보다 확립시키기에 더 쉽고, 빠르며, 저렴하며, 농장 운영에 더 많은 유연성을 허용할 수 있다는 장점이 있다. 방풍림과 마찬가지로, 한해살이 장벽 식물은 풍속을 감소시켜서 인접한식물의 수분과 온도 조건을 개선시킨다. 그것은 보통 주작물과 동시에 파종되고, 주작물에 개별적인 줄로 배치되곤 한다. 또 다른 기술은 가을의 덮개작물로 장벽 식물(종종 호밀)을 심은 다음, 봄에 주작물을 심을 때 경운하여 한 줄씩 걸러서 이 작물을 없애서 줄이는 것이다. 연구결과에 의하면, 40-50%의 다공률을 지닌 장벽이 작물 수확량에 가장 큰 영향을 미치며, 장벽의 형성하는 데 사용되는 식물은 쓰러짐에 저항성이 있고, 연관된 작물의 필요에 따라 간격을 두며, 필요로 하는 보호를 제공할 수 있을 만큼 일찍 확립되어야 한다. 한해살이 방풍림의 파종은 주작물 파종 과정에서 갈아엎기 때문에, 이 기술은 농민에게 상당한 유연성을 제공한다. 시간 손실이 최소화되고, 장벽이 차지하는 공간도 최소화된다. 

해바라기는 캘리포니아 살리나스 계곡의 바람이 많은 지역에서 토마토와 브로콜리, 상추 및 기타 한해살이 작물의 조건을 개선하기 위한 한해살이 바람 장벽으로 빈번하게 활용되고, 옥수수는 캘리포니아 중부의 해안 지역에서 잎의 상처, 과실 손상으로부터 딸기 작물을 보호하고, 유해 응애의 분산을 줄이고자 활용되곤 한다. 꼬투리콩과 청과시장용 토마토 같은 한해살이 작물의 수확량은 그러한 장벽을 활용하여 30%까지 개선된다는 것이 입증되었다(Bilbro and Fryrear 1988). 

작물 자체도 쓰러짐과 다른 형태의 바람에 의한 손상에 더 강하게 만들 수 있다. 아래의 줄기에서 막뿌리를 낼 수있는 작물의 경우, 더 깊이 심으면 식물이 땅에 더 단단히 고정되는 데 도움이 될 수 있다. 방울양배추, 양배추 브로콜리 같은 십자화과 작물은 옮겨심는 모종의 떡잎 아래의 줄기 대부분이 충분히 묻히도록 깊이 심으면 식물이 발달하면서 더 많은 뿌리를 형성하게 하여 큰 혜택을 본다. 그렇지 않으면, 약간의 잎이 달린 작은 모종은 바람이 너무 심하면 연줄에 매달린 연처럼 갑자기 방향을 휙 바꾸며 결국 지상부에서 부러질 수 있다. 멕시코의 바람이 많은 지역에서, 옥수수 종자는 헛골 바닥에 깊이 심어서 식물이 발달함에 따라 잡초 방제를 위한 경운 작업의 일환으로 줄기의 바닥 부근의 흙을 긁어 북주기를 할 수 있다. 그 작물이 거의 완전히 발달했을 즈음 옥수수는 고랑 윗부분에 심어진 것처럼 보이고, 토양에 더 튼튼히 고정된 결과 대류성 뇌우가 강한 바람을 일으킬 때 발생할 수 있는 쓰러짐에 훨씬 더 강하게 만든다(그림7.9). 

그림7.9 옥수수의 쓰러짐을 줄이기 위한 헛골 농법(a). 종자는 헛골의 밑바닥에 심는다(b). 성장기 이후(c), 헛골은 두둑 사이에서 긁어낸 토양으로 채워진다(d). 옥수수가 성장함에 따라 옥수수 주변에 계속 북을 주어(e), 옥수수가 확실히 고정되도록 두둑을 높인다. 또한 그 기술은 종자를 위해 부족한 강우를 모으는 잇점도 있고(b), 두둑 사이의 토양을 긁어낼 때 잡초를 제거하고 파묻는 혜택도 있다(d, e).

파종 시기

작물 돌려짓기는 바람의 패턴에 맞춰 작부체계를 조정하는 데 사용할 수 있다. 바람에 의한 손상되는 경향의 작물은 바람이 적은 게절에 심고(다른 조건이 적당하다는 가정하고), 뒤이어 바람에 잘 견디는 작물을 심을 수 있다. 풍식이 바람에 의한 손상보다 더 중요한 문제라면, 전체 농지를 바람에게 개방하지 않는 게 좋을 수 있다. 그 대신 농지의 일부에는 나중에 심는 작물의 두둑에 장벽의 역할을 할 수 있는 작물을 더 일찍 심을 수 있다. 풍식의 예방을 위한 또 다른 선택지는 농장의 보호받는 지역에 잔여물이 적은 작물을 재배하고, 더 노출된 지역에 잔여물이 많은 작물을 재배하는 것이다. 

바람의 영향에 저항성이 있는 유전적 품종

곡식 작물이 쓰러지는 걸 막기 위한 유용한 방법은 평소보다 키가 더 작은 유전적 조성을 심는 것이다. 예를 들어영농철 내내 바람이 부는 멕시코 남부 테우안테펙의 지협에 사는 지역의 농민들은 키가 작고, 줄기가 튼튼하며, 뿌리 체계가 잘 발달된 옥수수를 선택했다. 이런 지역의 품종들은 쓰러짐에 저항성이 크다. 이들 가운데 툭스판tuxpan이라 부르는 한 품종은 수확량이 많으며 키가 작고 쓰러짐에 저항성이 있을 뿐만 아니라, 기계화와 결합되어 수확에 더 적합한 품종의 옥수수를 개발하기 위한 개량된 녹색혁명의 품종을 육종하는 유전적 조성으로 활용되었다.   

바람의 동력화

우린 농민이 바람의 긍정적 효과를 활용하거나 부정적 영향을 줄이기 위하여 바람을 변경할 수 있는 방법에 대해 주로 논의했다. 그러나 바람은 지속가능성이란 더 큰 목표에 기여하는 데 도움이 되는 농사 체계에서의 다른 용도가 있다. 바람의 에너지를 동력화하면 외부의 투입재와 재생불가능한 에너지의 사용, 특히 화석연료 연소를 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 이는 특히 개발도상국에 사는 소농 체계와 농민에게 중요해지고 있다. 

바람을 동력화하거나 이용하는 많은 방법은 매우 간단하다. 예를 들어, 바람은 쭉정이와 겨를 날려 종자를 정선하는(날려고르기) 데 이용할 수도 있다. 또한 바람은 건조에도 활용할 수 있다. 수확한 콩의 식물체를 탈곡하기에 앞서 매달거나 건포도나 건살구 같은 과실은 바람에 마르도록 널어놓을 수 있다. 산들바람은 식물이나 농산물주변에 형성될 수 있는 수분의 경계층을 제거하는 데 상당히 도움이 된다. 

마지막으로, 풍차는 물을 퍼올리는 일부터 농장 운영이나 농가에서 사용하는 전기를 생산하는 데 이르기까지 광범위한 범위의 농사 활동을 위한 풍력을 동력화하는 데 사용되어 왔다. 특히 개발도상국의 바람이 일정한 요소가 되는 고립된 지역에 있는 농장은 특히 풍력을 활용하기 적합한 후보지이다. 

바람과 지속가능성

바람은 전 세계의 기후와 날씨의 중요한 구성요소이다. 또한 농업생태계를 파괴하거나 피해를 입히는 요소이기도 하다. 농업생태계를 어떻게 설계하여 바람의 부정적 측면을 견디며 완화시킬 수 있는지 배움으로써, 우린 지속가능성을 향해 한 발 나아간다. 하지만 가장 중요한 걸음은 움직이고 있는 공기가 농업에서 담당할 수 있는 매우 긍정적 역할을 두드러지게 하는 설계와 관리 전략을 개발하는 것과 함께 올 것이다. 어떤 면에서, 이들 걸음은 방풍림과 생울타리 같은 오래된 기술의 활용으로 돌아가는 걸 수반할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 그러한 방법이나 전략을 활용하기 위한 생태학적 기반을 이해하는 일이 매우 필요하다. 그래야만 또 다른 다른 측정할 수 있는 지속가능성의 구성요소를 개발할 수 있으며, 그 결과 방풍림, 풍력발전용 터빈 및 지속가능한 농사 체계에서 일간 바람의 패턴 관리 등을 위한 더 적극적인 역할을 수립하는 데 도움이 된다.

생각거리

1. 어떤 경우에는 바람이 부재할 때 생태학적 요소가 제한적일 수 있지만, 바람이 존재할 때는 제한적이지 않을 수 있다. 몇몇 사례는 무엇인가?

2. 방풍림과 방풍 울타리를 사용하지 않는(또는 제거하는 경우) 가장 흔한 주장은 그것이 귀중한 작물 생산지를 차지한다는 것이다. 이러한 "땅을 차지하는 울타리"라는 사고방식에 대한 주요한 반론은 무엇인가?

3. 바람은 긍정적이며 부정적인 영향을 동시에 줄 수 있는 요소 가운데 하나이다. 이런 상황이 가능한 사례는 무엇인가? 여러분은 이들 사례에서 바람을 어떻게 관리하겠는가? 

4. 바람에 함유된 무료이며 재생가능한 에너지원의 광범위한 이용을 가로막는 주요한 장벽은 어떤 것이 있는가?

인터넷 자료

Wind Erosion Research Unit of the US Department of Agriculture 

http://www.weru.ksu.edu

Union of Concerned Scientists: Wind Power and Agriculture 

http://www.ucsusa.org/clean_energy/smart-energy-solutions/ increase-renewables/farming-the-wind-wind-power.html

Windbreaks Guide, Ohio Department of Natural Resources 

http://www.dnr.state.oh.us/portals/18/landowner/pdf/wind breaks_guide.pdf

An extensive, well-illustrated guide to windbreak planting for Midwest farmers.

읽을거리

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Proceedings of a symposium that brought together experts from all over the world on the design and use of windbreaks in agriculture. It continues to be a primary windbreak reference.

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This comprehensive book includes both theoretical and practical considerations for establishing and utilizing windbreaks. It is written in a way that will be useful to a wide audience, including students, researchers, and farmers.

Cleugh, H. A. 1998. Effects of windbreaks on airflow, microclimates and crop yields. Agroforestry Systems 41(1): 55–84. 

The mechanisms by which a porous windbreak modifies airflow, microclimates, and hence crop yields are addressed, based upon recent wind tunnel experiments, field observations, and numerical modeling. This paper is thus an update to the excellent reviews in Brandle and Hintz (1988). 

Coutts, M. P. and J. Grace. 1995. Wind and Trees. Cambridge University Press: New York. 

A full review of the ecological and physiological impacts of wind on trees, and the adaptations trees have developed to withstand these impacts. 

Geiger, R. 1965. The Climate near the Ground. Harvard University Press: Cambridge, U.K. 

The definitive source of information on the formation of microclimates and how they impact living organisms. 

Morgan, R. P. C. 2009. Soil Erosion and Conservation. 3rd edn., reprinted. Blackwell Publishing: Willingston, VT. 

A complete review of the processes, control methods, and conservation programs related to soil erosion, including updated information on the mechanics of and responses to wind erosion. 

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A key research review on how wind and salt combine to form an important factor in the environment.

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An excellent review of the multiple strategies that can be employed to reduce or eliminate soil erosion caused by the wind. 

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A general reference on wind energy and an excellent review of how trees in agriculture can play important roles in the modification of microclimatological factors and conditions. 

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A summary of the recent developments in wind erosion research, providing a key resource for researchers and postgraduate students engaged in wind erosion studies. Topics range from global climate change to air quality and land conservation. 

Stigter, K. (Ed.). 2010. Applied Agrometeorology. Springer: New York. 

A comprehensive global review of the management of meteorological factors in agricultural systems, including wind, with examples of both research and application.

농생태학: 지속가능한 먹을거리 체계의 생태학

6장 습도와 강우

한 장소의 자연 식생은 대개 강수 상황의 믿을 만한 지표이다. 드물고 느리게 자라는 식생으로 이루어진 사막은 지역의 연간 강우가 최소치라는 걸 관찰자에게 알려준다. 열대와 온대 우림의 무성한 식생의 성장은 적어도 1년 중 대부분을 통하여 강우가 풍부하다는 걸 나타낸다. 육지 생태계의 대부분에서 물은 가장 중요한 제한 요소이기때문에 강우와 식생은 직접적인 관계가 있다. 물은 또한 농업생태계의 주요한 제한 요소이기도 하다. 농업은 충분한 강우가 있는 곳이나, 관개를 통하여 건조한 기후로 인한 제한을 극복할 수 있는 곳에서만 실행될 수 있다. 이번 장에서 우리는 세 가지 연이은 맥락에서 물을 논의한다. 그것은 대기에 존재하기 때문이고, 강수의 형태로 땅에 떨어져 다시 대기로 순환하기 때문이며, 지상의 농업생태계에 영향을 미치기 때문이다. 

대기의 물

물은 기체 형태(수증기) 또는 액체 형태(작은 물방울)로 대기 안에 존재할 수 있다. 일정한 압력에서 수증기가 포화 상태가 되고 응축되어 물방울을 형성하기 시작하기 전에 공기가 유지할 수 있는 수증기의 양은 온도에 달려 있다. 공기의 온도가 떨어지면서, 수증기 형태로 유지될 수 있는 물의 양도 줄어든다. 이러한 온도 의존성 때문에습도 -공기 중의 수분량- 는 보통 공기에 있는 수분의 절대량이 아니라 상대적인 양으로 측정된다. 상대 습도는 공기가 그 온도에서 유지할 수 있는 수증기의 양에 대한 공기의 수증기 함량 비율이다. 예를 들어, 상대 습도 50%에서, 공기는 그 온도에서 유지할 수 있는 50%의 수증기를 보유하고 있다. 상대 습도가 100%이면 공기는 수증기로 포화 상태가 되고, 수증기가 응축되어 연무, 안개, 구름 등을 형성한다. 

상대 습도는 수증기의 절대량이나 온도의 변화로 인해 바뀔 수 있다. 공기 중 수증기의 절대량이 높으면, 온도에 작은 변화가 상대 습도에 큰 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 저녁이나 아침 시간대에 온도가 몇 도 떨어지면 상대습도를 100%까지 높일 수 있다. 상대 습도가 100%에 도달하면 수증기가 응축되어 물방울로 변하기 시작하고, 이슬로 나타난다. 이러한 응축이 발생하기 시작하는 온도를 이슬점이라 한다. 

자연계에서 온도와 공기의 수분 함량 사이의 상호작용은 생태계의 구조를 결정하는 데 매우 중요한 요소가 될 수있다. 캘리포니아 연안의 레드우드 숲 군집이 좋은 사례이다. 한류가 수분을 머금은 공기를 바다 위에서 응축시켜 안개를 형성한다. 건조한 여름철의 거의 매일 밤 안개가 발생하여 강수량이 부족한 걸 보상하고, 이것이 레드우드가 여전히 존재하는 주요한 이유로 여겨진다. 어떤 연구에서는 안개와 이슬이 레드우드 지방의 유효 적산 강우량에 적어도 10%를 추가한다고 추산한다.  

비슷한 이유로, 습도는 농업생태계에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 레드우드 숲 지방에서 재배된 작물은 안개와이슬이 제공하는 추가의 수분에서 혜택을 얻을 수 있다. 방울양배추, 상추, 아티초크 같은 작물을 재배하는 농민은 그 결과 물을 덜 사용한다. 

독자는 대기 중의 수분은 식물에 영향을 미치는 더 큰 환경 요소들의 세트 -전체적으로 대기를 포함함- 가운데 하나일 뿐이라는 점을 명심해야 한다. 대기의 움직임과 변화의 패턴은 강우 패턴만이 아니라 바람과 온도의 변동에도 영향을 미친다. 대기의 요소들이 결합해 기후(연간 평균 조건을 언급할 때)와 날씨(어느 한 순간의 기후 조건을 언급할 때)를 구성한다. 

강수

이슬과 안개가 어떤 지방에 상당한 양의 수분을 공급할 수는 있지만, 농업생태계를 위한 주요한(자연적인) 물 공급원은 보통 비나 눈의 형태로 내리는 강수이다. 강수는 토양에 직접적으로 수분을 공급하며, 관개를 하는 농업생태계에서는 관개용수 대부분의 근본적인 원천이 되어 간접적으로 수분을 공급한다. 

물 순환

강수는 물 순환의 부분으로, 지구의 표면에서 대기를 거쳐 다시 지구로 물을 이동시키는 세계적인 과정이다. 물 순환의 도식은 그림6.1에 나와 있다. 물 순환의 핵심은 증발과 응축이란 두 가지 기본 물리적 과정으로 구성된다. 증발은 토양, 수역, 기타 습한 표면에서 물이 증발하기에 지구의 표면에서 발생한다. 식물체 안에서 일어나는 물의 증발도 잎의 표면에서 발생한다. 증산이라 부르는 이런 종류의 증발은 식물이 그 뿌리로 토양에서 물을 끌어당기는 메커니즘의 일부이다(3장 참조). 이들 모든 근원에서 이루어지는 증발을 총칭하여 증발산이라 한다.

그림6.1 물의 순환

공기 중 수증기의 절대량이 상대습도 100%에 이르거나 초과하면, 응축이 발생하기 시작한다. 작은 물방울이 형성되고 모여서 구름을 만든다. 구름 속의 물방울이 떨어질 말큼 무거워지면 강수가 발생한다. 이는 보통 수분을 함유하고 있는 공기가 상승하여(바람에 의해 산으로 밀어올려지거나 따뜻한 공기의 흐름으로 상승하여) 냉각되기 시작할 때 발생한다. 공기가 차가워질수록 수증기 형태나 구름 속의 매우 작은 물방울로 수분을 유지하는 능력이 떨어지기 시작하면서 물방울의 더 많은 응축과 응집이 일어난다. 이러한 냉각과 응축 과정을 단열 냉각이라부른다. 단열 냉각에 의해 형성된 강수는 땅으로 떨어지고, 유역이나 바다로 들어가서 결국 대기로 돌아온다. 

강우의 유형

물 순환의 강수 부분은 매우 다양하다. 수분을 머금은 공기의 덩어리는 대기의 복잡한 움직임에 의해 지구의 표면 위를 끊임없이 움직이고 있다. 강우(그리고 강수의 또 다른 형태)는 위도, 계절, 온도, 지형, 기단의 움직임에따라 지역적으로 다른 방식으로 발생한다. 그러나 일반적으로 강우는 습한 기단의 단열 냉각을 생산하는 메커니즘에 따라 세 가지 유형으로 분류할 수 있다. 

대류성 강우

대류성 강우는 높은 수준의 일사 획득이 지면 가까이의 공기를 가열하여 그것이 빠르게 상승해 냉각되고 수분을 응축시킬 때 발생한다. 상승하는 공기가 호수, 만이나 바다 같은 어떤 먼 거리의 근원에서 수분을 머금은 공기를 끌어당기곤 한다. 여름철 뇌운과 함께 오는 비가 대류성 강수의 한 예이다. 강풍과 토네이도도 번개와 국지적인 화재를 일으킬 수 있는 이런 폭풍우를 동반할 수 있다. 미국 중서부 같은 여러 지방에서, 농업생태계는 적어도 1년 중 특정 시기에 이런 유형의 강우에 의존한다. 미국 남서부 호피족의 전통농업은 전적으로 대류성 강우에 의존하여, 이런 폭풍우에 동반되는 급류가 산에서 토사를 쓸어내려서 협곡 입구에 있는 농경지 위로 퍼뜨린다.  

지형성 강우

지형성 강우는 수분을 머금은 기단이 그것을 더 차가운 대기층으로 밀어넣는 산맥을 만날 때 발생한다. 그러한 강수는 산기슭에서는 비가 내리고 더 높은 곳에서는 눈이 내리는 캘리포니아 시에라 네바다의 서쪽 측면에서 발생한다. 이 강수는 나중에 더 건조한 위치에 있는 하류의 관개용수의 원천이 되는 하천과 대수층의 중요한 보충재이다. 캘리포니아 그레이트 센트럴벨리 같은 지방의 농업은 인근 산의 지형성 강우가 없다면 불가능하다.

태풍성 강우 

이 유형의 강우는 해양 위에 형성되는 저기압 지역과 연관되어 있다. 따뜻하고 수분을 머금은 공기가 상승하여 저기압 지역을 만든다. 이 공기가 상승함에 따라, 그것이 냉각되고 강수를 형성한 다음 더 많은 수분을 모을 수 있는 바다의 표면 쪽으로 다시 내려간다. 게다가 이 저절로 계속되는 체계의 기류는 저기압 지역을 중심으로 반시계방향으로 회전하기 시작하고, 전체 체계가 이동하기 시작한다. 회전하는 기류가 우리가 날씨 지도에서 볼 수 있는 독특한 태풍과 전선계를 형성한다. 이러한 태풍 체계의 하나가 육상으로 이동하면, 습기를 머금은 기단이 산괴에 부딪치도록 밀릴 수 있으며, 지형성과 태풍성을 모두 원인으로 하는 강우를 일으킨다(그림6.2). 

그림6.2 2014년 2월 28일 NOAA's GOES West 위성이 촬영한 동태평양의 태풍 체계

강우 패턴의 설명

지구의 각 지방에는 특징적인 강수 패턴이 있다. 일반적인 해에 내린 강수의 총량, 연중 분포, 강수 사건의 강도와 지속기간, 강수 패턴의 주기성과 예측가능성 등은 모두 특정 지방에서 농업을 위한 기회와 제약이 되는 중요한 결정 요소이다. 

아래에서는 이러한 강우 패턴의 국면을 캘리포니아주 쿠야마 벨리에서 저자가 수집한 강우 자료를 활용하여 설명한다. 이 자료는 표6.1에 나와 있다.

표6.1 캘리포니아 산타 바바라 카운티, 쿠야마 벨리 코튼우드 캐년에서 측정한 월별, 계절별 강우 합계(인치)

6-8월까지의 강수량은 대개 무시할 수 있음.

a는 7월 하순부터, b는 7월 하순/8월 상순부터, c는 7월부터   

·평균 연간 총 강우량. 평년에 어느 지역에 내리는 총 강수량은 그 지역의 기후가 비가 얼마나 내리는지 알려주는 좋은 지표이다. 그러나 생태학적 관점에서, 1년부터 다음해까지 이 강우량에 얼마나 가변성이 많을 것인지를 아는 일도 중요하다. 매우 드물게 발생하더라도 평균의 양쪽 끝에 있는 극한값은 농업 체계에 심각한 악영향을 미칠 수 있다. 표6.1은 쿠야마 벨리에서 연간 총량이 매우 가변적이란 점을 보여준다. 17년의 자료 수집 기간 동안 가뭄이 8년, 거의 정상적인 강수가 3년, 습한 4년, 과습한 2년(태평양의 엘니뇨 패턴과 연관됨)이 있었다. 

·분포와 주기성. 이것은 평균과 특정 년도 모두에서 강우량이 연간 어떻게 퍼져 있는지를 말한다. 세계의 여러지역에서, 강우량은 예측할 수 있는 우기와 건기를 만드는 방식으로 분포된다. 강수가 주로 10월부터 5월까지로제한되는 쿠야마 벨리가 좋은 사례이다. 그러나 전반적인 기후 분포의 패턴 안에서, 강우는 해마다 다르게 분포되곤 한다. 예를 들어, 쿠야마 벨리의 자료에서 도식으로 나타내자면 해마다 최고점과 최저점은 일치하지 않으며, 2004-2005년 같은 어떤 해에는 다른 해보다 훨씬 고르게 분포된 강우량이 나타난다. 

·강도와 지속기간. 한달이나 심지어 하루 같은 장시간에 걸친 강우의 절대량은 강우의 생태학적 관련성을 충분히 설명하지 못한다. 강우가 얼마나 강렬한지, 그리고 강우가 얼마나 오랜 시간 발생하는지가 중요한 측면이다. 1시간에 50mm의 강우량과 24시간에 걸쳐 50mm의 강우가 내리는 건 매우 다른 생태학적 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 1998년 2월 쿠야마 벨리에서 기록된 351mm 강우량 가운데 3시간 동안 단번에 203mm가 오면서 물이 넘치고 홍수로 이어졌다.  

·가용성. 얼마나 많은 강우량을 토양 수분으로 이용할 수 있는지 아는 것도 중요하다. 뿌리층으로 침투되는가? 강우가 내린 직후의 날씨 조건은 어떠했는가? 온도는 어떻고, 바람 조건은 어떠했는가? 2011-2012년의 건조한 해에는 6월과 7월에 혹서의 온도가 두드러졌다. 2012-2013년은 6.5-13mm의 강우가 발생했기 때문에 뿌리층으로 스며들지 않고 표면에서 증발되어 극도로 어려웠다.  

·예측가능성. 모든 지방은 그 강우 패턴에 독특한 가변성의 정도를 갖는다. 가변성이 높을수록 어느 특정 기간 동안의 강우 예측도가 낮아진다. 예를 들어, 표6.1의 강우 자료는 쿠야마 벨리가 매우 높은 가변성을 가지고 있다는 걸 보여준다. 이 자료에 기반하여, 농민은 적어도 4월에 25mm의 비가 내릴 것이라 장담할 수 없다. 17년에 걸쳐 그 달의 평균치는 약 29mm이고 연간 평균치는 약 380mm였지만, 지난 10년 동안 대부분의 총 강우량은 그보다 훨씬 적거나 많았다. 평균보다 오히려 그러한 극단이 기후변화가 문제가 되는 점의 전형이다. 

강우의 추가적 측면이 농생태학의 관점에서도 관련이 될 수 있다. 예를 들어, 강우가 발생했을 때 토양에 얼마나 많은 수분이 있었는지는 물론, 작물의 발달 단계를 아는 일이 중요할 수 있다. 예를 들어 캘리포니아의 파소 로블레스와 산타 마리아 지방에서는 1998년 9월 1-2주에 약 38mm의 강우를 동반한 폭풍이 두 번 발생했다. 이 시기에 대부분의 포도가 아직 포도나무에 달려 있었기 때문에, 비로 피해를 입었다. (여느 해에는 포도를 수확한 뒤인 11월 초까지 많은 비가 오지 않는다.) 건조했던 이전 해에 잇따라서 2012-2013년 후반부까지 이어지는 강수량 부족으로 식물에 심각한 스트레스를 주고 수확량이 상당히 저하되었다. 

하늘바라기 농업생태계

세계의 대부분에서 농업은 작물의 물 요구를 충족시키고자 자연의 강수를 활용하여 이루어진다. 이런 하늘바라기 농업생태계는  그 지역 기후의 특성인 강우의 분포, 강도, 가변성 등에 맞추어야 한다. 그 과제는 증발산을 조작하거나 어떻게든 물 부족(P–PET < 0)이나 물 과잉(P–PET > 0)을 해결하여 강수량(P)과 잠재적 증발산량(PET) 사이의 균형을 유지하는 일이다. 

지역의 강우 상황의 제약 안에서 농업생태계가 어떻게 기능하는지에 대한 몇 가지 사례를 다음과 같이 제시하여,변경이나 통제를 위해 노력하기보다는 오히려 생태학적 조건으로 작동하는 농사 접근법에 내재된 지속가능성의 측면을 검사하는 또 다른 방법을 제공한다. 이들 사례는 매우 습한 하늘바라기 농업에서부터 매우 건조한 하늘바라기 농업에 이르기까지 다양하게 선택되었다. 토양으로 들어간 수분을 관리하는 측면은 9장에서 더 자세히 설명할 것이다. 

긴 우기에 적응된 농업생태계

우기가 긴 매우 습한 지역에서, 농민은 물 부족보다는 과잉을 더 우려한다. 빈번하고 많은 강우는 침수, 뿌리의 질병, 양분 침출, 왕성한 잡초의 성장, 농업 활동 대부분에 대한 골칫거리 등의 문제를 발생시킨다. 벼나 토란 같은 습지 적응형 작물조차 우기가 긴 지방에서는 관리가 까다롭다. 과도한 강수에 대한 관행적 접근법은 배수 프로젝트와 홍수 조절 같은 주요한 서식지 변경을 고려하곤 한다. 이와 대조적으로, 긴 우기에 대한 농생태학적 접근법은 과잉 수분에 체계를 적응시키는 방법을 모색한다. 

우기가 닥치면 홍수가 나는 토지를 생산적으로 활용하는 매우 흥미로운 모습을 멕시코 타바스코에서 볼 수 있다(Gliessman 1992a). 이 지방은 5월부터 이듬해 2월까지 긴 우기 동안 3000mm 이상의 비가 내린다. 지역의 주식 작물인 옥수수는 1년의 대부분을 얕은 물에 잠겨 있는 습지 주변의 약간 높은 땅에 심는다. 그러나 3월에 강우량이감소하면 별개의 옥수수 작물을 심을 수 있다. 저지대가 토양 표면이 노출될 정도로 마른다. 농민들은 지역에서 3월 파종 또는 마르세뇨marceño로 알려진 이 특별한 옥수수 파종과 함께 물러나는 수위를 따라간다. 

1년의 대부분 동안 끊임없이 강우가 이어져 낮은 지역은 몇 센티미터에서 몇 미터에 이르는 깊이까지 침수된다. 우기 동안 이 지역을 빽빽이 뒤덮는 습지대 초목은 수위가 낮아질 때 벌채용 칼인 마체테로 빨리 베어낸다. 매우 조밀한 10-20cm의 유기물 깔개가 이 과정을 통해 생산된다. 종자는 깔개를 찌르는 뾰족한 막대로 뚫은 구멍에 심는다. 파종하고 일주일 뒤에 유기물 깔개의 일부를 태우거나, 잡초의 싹이나 습지 식물의 싹을 죽이려고 불을 사용한다. 불지르기는 촉촉한 하층이나 토양이 아니라 깔개 위의 마른 잎만 태우도록 시기를 맞추어야 한다. 토양 표면의 10-15cm 아래 심은 옥수수 종자는 불에 피해를 입지 않는다. 지역의 조생종(파종부터 수확까지 2-3개월)이 가장 자주 활용된다. 뒷그루 파종을 위해 이전에 수확한 종자를 사용하는 농법은 먼 곳에서 생산된 하이브리드 종자나 "개량된" 종자를 구매하기보단 지역의 품종을 활용하는 걸 선호한다. 마야어로 "올된다" 또는 "일찍 익는다"는 뜻의 mejen이란 옥수수 품종의 이름은 이 체계가 가질 수 있는 과거와의 연결을 보여준다(그림6.3).

그림6.3 멕시코 타바스코의 카르데나스에는 파종하고 10주 정도면 성숙하는 mején이라 부르는 지역의 옥수수 품종이 있다. 이 장소는 일반적으로 1년의 8-9개월은 범람하는 습지이다. 

옥수수는 이 체계에서 매우 빨리 자라고, 불을 지나치게 사용하지 않으며 홍수가 매년 발생하면 대개는 제초가 필요하지 않다. 약 두달 반 성장하고 성숙한 옥수숫대는 옥수수 이삭 바로 아래가 구부러져 수확 전 2-4주 동안 옥수수의 마지막 건조를 쉽게 만든다. 건조된 옥수수로 헥타르당 4-5톤의 수확량이 일반적이고, 어떤 때는 헥타르당 10톤에 이르기도 한다. 이는 똑같은 지방에서 개간하고 배수된 토지에서 기계화로 생산하는 헥타르당 평균 수확량인 1-1.5톤의 몇 배에 해당한다. 이러한 더 많은 수확량은 기계화된 생산 체계에서 투자되는 투입재 비용과 노동력의 비율에서 얻어진다(Amador 1980).

수확한 다음 작물과 비작물의 잔여물 모두가 토양 표면에 남아 있게 된다. 이것이 그 체계의 생산성에서 토양의 유기물 유지라는 핵심 요소로 기여한다. 토양 단면은 표면 아래의 30-40cm 깊이까지 두텁게 유기물이 풍부한 토양이 있음을 보여준다. 9개월간 침수된 동안, 습지대 식물에 의해 생성되거나 이전 작부 주기에 의해 남겨진 유기물이 토양에 통합되어 물속의 무산소 조건에서 보존된다. 게다가 지표면 배수와 함께 체계에 들어가는 무기 양분이 생태계의 매우 생산적인 수생 부문에 의해 포획된다. 이런 요소들이 유기물 수준이 30% 이상이고, 총 질소 함량이 3% 이상이며, 다른 중요한 식물의 양분이 높은 수준인 토양을 형성한다. 그런 다음 이 체계를 관리하는 핵심 요소는 우기 동안의 침수가 활용되는 방식이다. 그 체계가 농사철을 연장하고자 인위적으로 배수를 하면 토양의 유기물 층은 2년 이내에 5cm까지 감소될 수 있으며, 수확량이 극적으로 떨어진다.  

열대에서 우기-건기의 교대에 적응된 농업생태계

전 세계의 많은 지역은 연간 평균 강우가 비교적 많은 계절풍 유형의 기후인데, 거의 모든 비가 우기의 중간쯤에 쏟아진다. 이들 지역의 농민은 일시에 오는 과도한 강우와 다른 때의 강우량 부족을 처리해야 한다. 

그러한 교대되는 강우 상황에서 매우 흥미롭고 생산적인 농업생태계가 멕시코 틀락스칼라 주에서 관찰되었다(Wilken 1969; González Jácome 1986; Anaya et al. 1987; Crews and Gliessman 1991). 푸에블라 분지로 알려진이 지역의 아토약Atoyac 강과 자후아판Zahuapan 강이 만나는 곳에 약 290㎢에 이르는 삼각형 범람원이 형성되어 있다. 평균 연간 강우량은 약 700mm이다. 분지 바닥의 대부분은 1년 중 대부분을 지표면 아래 90cm 정도에 지하수면을 유지하며, 토양은 물이 잘 빠지지 않고 질퍽거린다. 그런한 토지를 농업용으로 만들기 위하여, 현대의 농학자 대부분은 그 지방에서 배수를 시키고 대규모 기계화된 작부 방식을 도입하라고 권장할 것이다. 하지만 이 지역의 전통적 작부체계는 그 유역의 높은 지하수면과 강우 분포를 활용하는 대안을 제공한다(그림6.4). 

그림6.4 멕시코 틀락스칼라 Ixtauixtla 근처의 카메죤camellón(돋움 농지). 이 농지에는 돌려짓기용 자주개자리 구획과 사이짓기하는 옥수수와 강낭콩이 심어져 있다. 오리나무는 농지를 돋우기 위해 파낸 운하의 가장자리를 표시한다. 가장 앞쪽의 퇴비는 거름으로 활용된다. 

원래 스페인 정복 이전의 체계를 활용하는 돋움 두둑(지역에선 카메죤이라 부름)은 그 가장자리에서 파낸 흙을 쌓아올려 토단과 운하(쌍핫zanjas이라고 부름) 체계를 창출한다. 개별 토단은 15-30m 너비, 2-3m 높이에 150-300m 길이이다. 사이짓기하는 옥수수, 강낭콩과 호박, 채소, 자주개자리 및 기타 한해살이 작물을 포함하여 다양한 섞어짓기 작물이 이 토단에서 재배된다. 자주개자리나 누에콩 같은 콩과작물의 돌려짓기는 토양비옥도를 유지하는 데 도움이 되며, 작물의 섞어짓기 자체가 잡초의 방제에 도움이 된다. 또한 토양비옥도는 동물성 퇴비와 작물 잔여물을 퇴비화하여 자주 뿌려서 유지한다. 동물 사료의 대부분은 토단에서 재배되는 자주개자리, 또는 인간이 직접 소비할 수 없는 기타 작물의 잔여물(예, 옥수숫대)로 만든다. 동물을 위한 조사료는 작물의 지역에서 선택하여 제거되거나, 운하를 따라 자라거나 수생 종으로 자라는 터주 식물과 토종 식물을 정기적으로 수확하는 비작물 식생(즉, 잡초)으로 충당한다. 이 후자의 사료는 건기에 가축의 먹이 가운데 매우 중요한 구성요소를 이룰 수 있다. 

이 전통적 농업생태계의 매우 중요한 측면은 복잡한 운하의 세트를 관리하는 것이다. 토단을 높이기 위한 토양의주요 공급원이란 원래의 역할만 하는 것이 아니라, 건기에는 물을 저장하는 주요한 역할도 한다. 수생 식물이 죽으면 운하에 유기물이 축적되고, 운하의 가장자리를 따라 서 있는 나무의 잎은 물에 떨어지며, 작물의 농지에서 뽑아낸 잡초조차 운하로 집어던진다. 주변의 언덕과 토단에서 나온 토양도 우기의 집중 호우에 의해 운하로 씻겨 들어간다. 2-3년마다 운하에서는 축적된 토양과 거름을 청소하여, 그렇게 퍼 올린 토양은 양분이 풍부한 거름으로 토단에 뿌린다. 

따라서 그 운하는 이 농업생태계의 지속가능성에 매우 중요한 역할을 한다. 운하는 농민을 위한 양분의 "수용처" 기능을 하여, 가능하면 많은 유기물을 포획할 수 있는 방식으로 관리된다. 건기에는 운하에서 보조적 관개용수를얻고, 식물은 모세관 현상을 통해 지하수면에서 토양을 통해 위로 이동하는 수분에 크게 의존한다. 돋움 토단은 빗물이 차오르는 동안에도 파종에 적합한 지표면을 제공한다. 운하의 수위는 최종적으로 분지의 강으로 이어지지만 상호연결된 운하의 복잡한 체계에 의해 조절되는데, 운하에서의 흐름은 매우 제한적이다. 농민들은 더 높은 지하수면을 유지하고자 건기 동안 자신의 농지를 따라난 운하의 흐름을 막고, 우기에도 체계 밖으로 흘러나가는 물을 최소화한다. 비가 많이 올 때만 그 지역에서 상당한 양의 물을 빼게 된다. 강우량은 그 체계의 관리에서 투입재이자 도구이며, 연중 농사를 가능하게 한다. 

계절성 강우에 적응된 농업생태계 

습한 열대 지방을 제외하고 보통의 강우 상황은 하나나 그 이상의 우기가 상대적으로 긴 건기와 함께 배치되어 있는 곳이다. 이들 지역에서 작물은 우기의 시작과 함께 심어지고, 토양에 수분이 존재하는 동안 성장하고 발달하며, 우기가 끝나거나 건기가 시작될 무렵에 수확할 준비를 마친다. 

이런 종류의 우기 작부에는 여러 형태가 있다. 예를 들어, 미국의 중서부 중심부의 여러 곳에서 봄밀, 옥수수, 대두는 늦봄에 파종되고 여름철 대류상 강우에 의존하여 발달한다. 전 세계의 지중해성 기후에서는 온화하고 습한 겨울과 건조한 여름이 겨울에 재배되는 귀리, 보리, 호밀 같은 곡물에 적합하고, 관개가 제공되지 않는 한 여름철에는 휴경하거나 목초지가 된다. 꽤 중요한 계절에 따른 하늘바리기 작부체계는 메소아메리카의 옥수수/강낭콩/호박 섞어짓기 체계이다. 다양한 강우의 강도와 양에 적응된 이 사이짓기 체계는 라틴아메리카 전역에서 발견된다(Pinchinat et al. 1976; Laing et al. 1984; Davis et al. 1986). 이들 세 작물은 여러 가지 배열과 순서, 패턴으로 심고, 때로는 그들 중 두 가지만 함께 심으며 세 가지 모두를 다른 때에 심기도 한다. 조합과는 상관없이,파종을 결정하는 건 우기의 도래이다. 

이동식 농법을 활용하면 건기에는 개간과 불지르기가 이루어진다. 때로는 농민들은 우기의 첫 비가 내려 아래의 층에 널린 잔가지들을 적실 때까지 불지르기를 기다린다. 이 첫 비는 태양의 기간에 배치되어 있곤 하기 때문에, 잘라낸 잔가지의 상층은 비가 내리는 사이사이에 불이 옮겨붙기에 충분하도록 마르는 한편, 새롭게 얻은 수분은 과도한 열이 아래의 토양에 닿지 않도록 방지한다. 그런 다음 양분이 풍부한 재와 타지 않은 유기물의 보호층으로 구성된 덮개에 작물의 종자를 심는다. 이 농법은 양분의 공급과 토양침식의 방지라는 두 가지 목표를 달성한다. 이런 작부체계가 활용되는 많은 지역에서는 우기 초기의 강우가 강렬하고 소나기가 빈번히 내리기에 토양의 보호가 중요하다.   

일단 비가 내리기 시작하면, 작물의 종자가 발아하여 빠르게 발달해 토양을 덮어 계속되는 비에서 그를 보호한다. 작물이 성숙하기까지 걸리는 시간(4-6개월)은 우기의 길이에 따라 달라진다. 

멕시코 타바스코의 습한 저지대 같은 지역에서는 우기가 더 길고, 하나는 6/7월에 강우량이 정점이고 다른 하나는 9/10월이 정점인 두 가지 분포를 특징으로 하기에 두 가지 옥수수 작물을 심을 수 있다. 하나는 잔가지를 소각하는 것과 함께 우기가 시작되는 5월에 파종하고, 그 작물(밀파 데 아뇨milpa de año라고 부름)은 9월에 수확한다. 두 번째 작물(토날밀tonalmil이라 부름)은 10월 말이나 11월에 두 번째 강우량이 정점에 되자마자 심어서 2월 말 건기가 시작될 무렵에 수확한다. 두 번째 작물은 건기에 이르기까지 잔류하는 토양의 수분에 크게 의존하고, 그 작물이 우기 동안 파종되기에 파종할 때 지표면에 어떤 잔가지도 태워지지 않는다. 다양한 지역의 토종 옥수수가 각각의 파종 체게에서 활용된다. 

건조지 농사

세계의 여러 지역에서, 해당 지역은 증발산을 통해 상실된 수분을 상쇄시킬 만큼 충분한 강우량이 내리지 않거나, 영농 주기가 우기와 맞지 않기 때문에 강우량이 영농철 동안 작물의 요구를 충족시키지 못한다. 그러한 기후에서 개발된 농업의 유형 -관개가 선택지가 아닐 때- 을 건조지 농업 또는 건지 농법이라고 한다. 

건조지 농업은 연간 강우량이 주로 250-500mm 사이인 세계의 반건조 지방에서 관개 없이 작물을 생산하는 것으로 정의된다. 하지만 총 강우량이 건조지 농업에 영향을 미치는 유일한 요소이다. 연간 및 계절별 온도의 변화와 강우의 유형 및 분포가 핵심 요소이다. 건조한 지방 대부분의 전통적 농업은 농기구나 축력으로 작은 지역에서 농사지어 재배하는 작물과 함께 근본적으로 목축이다. 오늘날 기계화가 건지 농법에 새로운 규모를 추가했지만, 경운과 파종 관리 및 수확 절차의 유형은 거의 똑같이 유지되고 있다. 여러 나라에서 인력이 여전히 중요한 역할을 한다. 

건지 농법의 가장 중요한 측면은 (1) 토양 단면과 그 저장소로 빗물의 침투를 촉진하는 어떤 경작 체계 유형의 활용, (2) 영농으로 인해 고갈된 수원을 보충하기 위해 여름철 휴경이나 묵히는 계절을 빈번히 이용하는 것이다.다른 농법도 중요할 수 있다. 작부 주기 동안 토양 표면의 경작은 잠재적으로 물을 사용할 잡초를 방제하고, 큰 구멍의 비율을 줄이며 모세관 연결을 끊음으로써 증발을 감소시키고자 가루가 이는 토양 표면의 "먼지 덮개"를 창출하기 위해 활용된다(그림6.5와 그림6.6 참조). 가뭄 저항성 품종은 수분 사용을 줄이고자 심는다. 전체적으로 이들 농법은 강우로 얻은 수분의 더 많은 비율이 토양에서 대기로 이동하기보다는 농작물을 통해 흐르도록 한다. 

그림6.5 캘리포니아 산타크루즈의 건지 농법으로 재배하는 토마토. 경운한 토양 덮개는 여름의 비가 내리지 않는재배철 동안 지표면 가까이에 수분을 유지하고, 잡초를 방제한다. 

적어도 집약적 관리와 기술의 측면에서 가장 고도로 발달한 현대의 건조지 농업 체계는 호주와 캐나다, 미국에 있다. 이 모든 지방에서, 곡식 작물이 주요 초점이다. 그러나 호주에서는 특히 양과 양모 생산을 위해 목초와 돌려짓기하는 밀은 곡식 작물이 목초와 교대로 재배되는 독특한 체계의 개발로 이어졌다. 목초는 실제로 곡식 작물을 생산하는 데 필요한 수분 보유량을 보충할 수 있다. 

건지 농법의 독특한 사례는 5월에 건조한 지중해성 여름이 시작되어 모종 옮겨심기나 종자 파종으로 몇 가지 채소 작물을 심는 캘리포니아 중부의 연안에서 나타난다. 이 기후에서는 여름에 비가 거의 오지 않아서, 이들 채소 작물은 토양에 저장된 수분 보유량에 전적으로 의존해야 한다. 토마토는 이 체계에 특히 잘 맞는 작물인 것 같다.토마토 모종은 관개를 하지 않은 상태에서 5월에 촉촉한 토양에 깊숙이 심는다. 토양 표면의 경운은 잡초가 없는먼지 덮개를 유지하고, 토양 표면이 건조하고 재배철 동안 비가 오지 않기 때문에 지주를 박거나 끈으로 묶지 않으며 곰팡이성 질병도 별 문제가 되지 않는다. 8월 말 수확이 시작되어 보통 10월 말이나 11월 초에 새로운 우기의 첫 비가 내릴 때까지 계속된다. 이 체계에서 수확된 토마토는 더 진한 맛으로 유명하다(그림6.5). 건지 농법 체계의 지속가능성은 먼지 덮개 체계와 함께 토양 상층의 유기물이 상실될 가능성이 있고, 토양의 덮개가 부족하기에 비바람에 토양침식이 일어날 위험이 있으며, 휴경기 동안 강우량이 가변적이어서 토양 수분의 가용성을예측할 수 없는 점에 대비해야 한다. 하지만 강우량이 적고 예측할 수 없는 지역에서 농사짓는 방법으로, 건지 농법은 외부 투입재를 적게 쓰는 대안이 될 수 있다.

건조 지방의 집수 체계

건조한 기후(연간 강수량 250mm 미만)를 지닌 세계의 따뜻한 지방에서, 강우량 부족은 농업에 대한 심각한 제한 요소이다. 그러나 그러한 여러 장소에서, 강우량은 짧고 집중적인 소나기의 형태로 어떤 규칙성에 따라 발생하고, 흘러가 버리는 강우를 수집하고 모음으로써 이 물을 "수확"할 수 있다. 

이스라엘 네게브 사막에서, 한때 버려졌던 소규모 유출수 저수 체계가 재건되어 같은 지방에 있는 관개를 하는 농장과 동일한 작물 수확량을 생산했다(Evenari 1982). 농장의 단위는 유출수가 수집되는 평평한 배수로를 둘러싸고 있는 유역의 경사면에 있는 강우의 저수 지역으로 구성된다. 낮은 암벽은 흘러내리는 빗물을 범람원의 작은 수로로 흐르게 한다. 이 체계는 내리는 빗물의 20-40%를 모을 수 있고, 산기슭의 토양 표면에서 푸슬 바위를 제거하면 유출수를 60%까지 모을 수 있다. 경사면 바닥에 있는 더 큰 수로의 작은 바위로 된 사방댐은 물이 토양으로 약 2m 깊이까지 침투하도록 유출수를 집중시킨 뒤, 토양이 마르면서 증발에 의한 수분 상실에 비교적 영향을 받지 않는 딱딱한 표면을 남기게 한다. 각 사방댐이 가득차면 아래의 다른 사방댐으로 넘치고, 범람원 농장 밭의 복잡한 체계에 물을 주게 된다. 보리와 및 같은 곡식과 아몬드와 살구, 포도 같은 과실의 수확량은 그러한 건조한지방에서 매우 훌륭한 수준이다. 그러한 기후에서 대부분 증발할 수 있는(그리고 양분이 풍부한 퇴적물이 축적되는) 대규모 저수지를 만들기보다는, 물과 양분이 풍부한 퇴적물이 집수 체계에서 현지에 저장된다(그림6.7).

그림6.7 이스라엘 아브닷 근처의 네게브 사막에 있는 과실수와 올리브 나무. 과수원에 토양 수분을 제공하기 위해 주변 산기슭에서 빗물을 수확한다. 

비슷한 체계가 건조한 미국 남서부에서 아직 활용되고 있다. 호피족과 파파고족 같은 아메리카 원주민들이 몇 세기 동안 집수의 형태를 실행해 왔다. 여름철 산에서 대류성 장대비로 인해 생긴 흐름이 강줄기로 집중되기보다 오히려 유출수가 얕게 가득 퍼진 상태로 충적 선상지를 우회한다. 그런 다음 이 물바다가 옥수수, 강낭콩, 호박 및 기타 지역의 작물 등 한해살이 작물에 "관개를 한다". 상류 유역은 네게브 체계에서처럼 조작되지 않지만, 하류의 범람원에서는 유출수를 비슷하게 조작한다. 두 농업생태계의 목표는 자연의 강우 상황이 지닌 제약과 한계 안에서 작동하는 것이다. 

방목 체계

강우량이 제한적이고 매우 예측할 수 없는 지방에서는 자연의 식생이 물을 찾는 가뭄 저항성 떨기나무와 여러해살이 풀만이 아니라, 물을 이용할 수 있는 짧은 기간에 발아하여 생활주기를 완료할 수 있는 한해살이 종이 혼합되어 구성된다. 여러해살이 식물의 가뭄 내성은 1년 중 거의 대부분 동안 바이오매스를 생산할 수 있는 체계를 형성하기 위해 한해살이 식물의 가뭄 회피와 결합된다. 세계의 여러 지역에서, 이런 유형의 생태계는 토종 방목 가축의 광범위한 개체군과 관련되어 있다. 충분한 먹이를 찾아 이동시키는 방목 가축의 능력을 고려할 때, 그러한 생태계는 상당한 적응력과 다양성을 나타낸다. 

많은 관리되는 방목 체계는 적고 매우 가변적인 강우에도 불구하고 목초지나 방목장 생태계가 바이오매스의 생산을 유지하는 능력을 활용한다. 대부분의 경우, 자연의 방목장은 특정한 단위면적당 방목율과 강우에 반응하여 성장하는 식물의 자연적 역학으로 조절되는 시기로 관리된다. 먹이 가용성이 바뀜에 따라 1년 동안 방목장의 한 부분에서 다른 부분으로 이동된다. 또 다른 경우에는 더 건조한 조건에서 매우 잘 자라는 가뭄 저항성 사료 종을 도입하여 그러한 범위를 개선시킨다. 

동물성 식품의 소비 증가와 생태학적으로 비효율적이며 모멸적인 가축의 사육 방법이 우리 먹을거리 체계의 무결성과 장기적 생산성에 가장 심각한 위협의 일부임을 대표하는 세계에서, 강우량이 적은 지역에서 행하는 여러 전통적이고 관리되는 방목 체계는 지속가능한 동물 기반의 먹을거리 생산의 좋은 사례가 된다. 우린 이와 관련하여19장에서 더 상세히 방목 체계를 논의할 것이다. 

강수의 가변성 증가에 대처하기

수천 년 전 농업이 시작된 이후, 하늘바라기 농업생태계의 관리자들은 강수의 변동에 대처해야 했다. 때로는 비가 늦게 오기도 하고, 때로는 오지 않았다. 가뭄이 몇 년이나 심지어 몇 십 년 동안 지속될 수 있었다. 가끔은 단기간에 너무 많은 비가 내려 농경지에 홍수가 나 작물을 손상시키고, 토양을 쓸어가거나  쓸모없게 만들었다. 기후학자와 대기 과학자들은 기후변화가 이들 과제를 더 어렵게 만들 것이라 예측하고 있다. 강수는 앞으로 더 가변적이고, 더 예측할 수 없게 될 것이다. 강수의 극한 -가뭄과 폭우- 은 더 빈번하게 발생하고, 가뭄은 아마 더 심하게 오래 지속될 것이다. 

가뭄이 더 흔해지고 강수의 예측가능성이 떨어질 세계에서, 더 건조한 지방의 하늘바라기 농업생태계는 관개 시설을 통하여 다른 수원을 착취하는 농업생태계보다 더 큰 위험에 처해 있는 것처럼 보일 수 있다. 이는 단기적 기준으로는 사실일 수 있지만, 강우는 변덕스러울 수 있으며 농업생태계는 다른 방향보다는 이 현실에 적응해야 한다는 가정에 따라 설계되었기 때문에 장기간에 걸쳐서는 하늘바라기 농업생태계가 더 지속가능할 것으로 예상된다. 이와 대조적으로, 관개에 의존하는 많은 농업생태계는 그 체계가 이용하는 몰이 비농업 부문의 사용자들의 수요가 증가하며 경쟁을 벌이게 되는 동시에 점점 희귀해져 비싸진다는 걸 발견할 수 있다. 세계의 많은 관개용수는 눈을 근원으로 하며, 매년 겨울철 세계의 산맥에 내리는 눈의 총량은 앞으로 수십 년 동안 상당히 감소할 것으로 예상된다. 이와 마찬가지로, 깊은 대수층의 지하에 저장된 물은 일반적으로 재충전을 통해 보충되는 것보다 훨씬 빠르게 소모되고 있으며, 세계 대부분의 지역에서 지하수의 재충전 속도는 시간이 지남에 따라 감소할 것이다. 그래서 강수의 가변성 증가에 적응하는 일은 과제가 될 것이지만, 그 대안 -관개를 통해 일시적으로 문제를 회피하려는 시도- 은 결국에는 문제를 악화시킬 뿐이다.

지속가능한 체계의 교훈

오늘날 농업 개발의 대부분은 강우량의 부족이나 초과를 다루며 도입된 작부체계의 필요에 맞추고자 조건들을 제거하거나 변경하는 데 열중했다. 이는 대개 높은 수준의 에너지나 물질의 외부 투입재를 수반한다. 물론 관개 체계가 이런 접근법의 탁월한 예시이다. 9장에서 볼 수 있듯이, 적은 강우량을 보상하고 생산을 높이기 위해 전 세계에서 사용되어 온 관개 기술들은 토양침식, 퇴적, 염류화, 유역 체계의 손상 및 대수층의 고갈을 포함하여 여러커다란 생태학적 결과를 불러온다. 강수 스펙트럼의 또 다른 끝에 기존의 생태학적 조건들을 변경하려고 시도한 배수 프로젝트 -일부는 거대한- 의 많은 사례가 있고, 작물의 생산성, 경제적 현실성, 사회복지의 측면에서 평가할 때 단지 제한적 또는 복합적 성공만을 두었다(예, Candiani 2014). 

관개 체계와 배수 프로젝트가 공유하는 것은 지속불가능성이다. 두 접근법 모두에 수반되는 수문학적 상황의 극단적이고 대규모적인 조작은 자연계를 손상시키고, 에너지 보조와 대규모 물리적 투입재를 필요로 한다. 더구나 많은 관개 체계는 지하수를 보충할 수 있는 것보다 더 빨리 소모하고 있으며, 배수를 통해 "매립된" 토지의 일부는 이번 세기나 이후에 일어날 해수면 상승으로 위협을 받고 있다. 

우리가 이번 장에서 했듯이 습도와 강우의 특성을 검토하고 지역의 강우 조건에 맞서기보단 그에 적응하는 농업생태계의 사례를 배움으로써, 우린 가장 소중한 천연자원인 물에 압박을 추가하지 않고도 먹을거리를 생산하는 방법을 더 잘 이해할 수 있다. 인구의 증가, 도시와 산업의 물 소비 증가, 기후변화로 인한 산간 강설량의 감소, 세계의 여러 지역에서 장기적인 가뭄 가능성의 우려 등에 따라 담수의 가용성은 앞으로 수십 년 동안 인간 사회에 최우선의 과제가 될 것 같다(Kumar 2013). 그러므로 우리는 엄청난 양의 물 사용에 의존하는 세계의 먹을거리 생산을 너무 많이 유지할 여유가 없다. 우린 농업을 가변적이고, 예측할 수 없으며, 빈번하게 제한된 강우량에 즉응시키는 방법을 모색해야 한다. 이 장에서 제시된 하늘바라기 농업의 사례는 훌륭한 출발점이다. 

생각거리

1. 지속가능한 농업의 관점에서, 제한적인 강우량을 극복하는 수단으로서 관개의 혜택과 해로운 영향은 무엇이 있는가? 

2. 강우 패턴은 지형에 어떤 영향을 받는가? 농업은 지형 변화에 의한 강우 패턴의 변동에 어떻게 적응해 왔는가? 

3. 생태계에 건기의 생태학적 역할은 무엇인가? 

4. 예측할 수 없는 강수의 특성에 대하여 농업생태계를 준비하는 가장 좋은 방법은 무엇인가? 

5. 미래의 농사 체계가 지구의 기후변화로 인해 예상되는 강우 패턴의 변화에 적응할 수 있는 방법은 어떤 것들이 있는가?  

인터넷 자료

Climate Rainfall Data Center (CRDC) at Colorado State University 

http://rain.atmos.colostate.edu/CRDC

Global Change Data and Information System (GCDIS)

http://globalchange.gov

Comprehensive data sets on all aspects of global climate change, including precipitation. 

Global Water Partnership 

http://www.gwpforum.org/servlet/PSP

The World’s Water: Information on the World’s Freshwater Resources 

http://www.worldwater.org

United States Geological Survey 

http://bqs.usgs.gov/acidrain/

On-line data and reports on acid rain, atmospheric deposition, and precipitation chemistry.

읽을거리

Barry, R. C. and J. Chorley. 2009. Atmosphere, Weather, and Climate, 9th edn. Routledge: London, U.K.

Discusses the ways in which the complex interactions between atmosphere and weather create world climates. 

Bonan, G. G. 2008. Ecological Climatology: Concepts and Applications, 2nd edn. Cambridge University Press: Cambridge, U.K. 

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 loop whereby the use and management of land by people affects climate. The book includes detailed information on the science of climatology as well as chapters on the interactions between climate and terrestrial ecosystems, including agroecosystems and urban ecosystems. 

Garcia-Tejero, I. F., V. H. Durán-Zuazo, J. L. Muriel-Fernández, and C. R. Rodríguez-Pleguezuelo. 2011. Water and Sustainable Agriculture. Springer: Dordrecht, the Netherlands. 

A good review of the benefits and risks of agricultural water use and potential strategies to improve agricultural sustainability through greater water use efficiency.

Glieck, P. 2011. World’s Water, 2010–2011: The Biennial Report on Freshwater Resources. Island Press: Washington, DC. 

The latest of a biennial series starting in 1998, this comprehensive volume discusses global freshwater resources and the political, economic, scientific, and technological issues associated with them. 

Nabham, G. P. 1987. The Desert Smells Like Rain: A Naturalist in Papago Indian Country. North Point Press: San Francisco, CA. 

A sensitive look at how water is the lifeblood of desert ecosystems and the humans who live there. 

Oliver, J. E. and J. D. Hidore. 2009. Climatology: An Atmospheric Science, 3rd edn. Prentice Hall. 

A systematic coverage of climate and climatology, as well as a thorough examination of the impact climate has on life and the basic processes of the atmosphere. 

Postel, S. and B. Richter. 2003. Rivers for Life: Managing Water for People and Nature. Island Press: Washington, DC. 

A realistic and positive focus on how to develop ways to ensure the sustainability of the world’s vital water resources. 

Reisner, M. 1986. Cadillac Desert: The American West and Its Disappearing Water. Island Press: Covelo, CA.

A perceptive political history of the capture and control of water for human development in the Western United States. 

Shiva, V. 2002. Water Wars: Privatization, Pollution and Profit. South End Press: Cambridge, MA. 

A critical analysis of the historical erosion of communal water rights, this book examines the international conflicts related to water, including trade, damming, mining, and aquafarming. 

Whiteford, L. and S. Whiteford (eds.). 2005. Globalization, Water, & Health: Resource Management in Times of Scarcity. James Currey: Oxford, U.K. 

This addresses global disparities in health and access to water as the two major threats to world stability, from a medical and ecological anthropology approach. It focused on deepening our understanding of the management, sale, and conceptualization of water as it affects human health.

Wilken, G. C. 1988. Good Farmers: Traditional Agricultural Resource Management in Mexico and Central America. University of California Press: Berkeley, CA. 

An excellent study of the sustainability of traditional farming systems, with water management practices providing some of the best examples.

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. 

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