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.
작물
| 장벽이 없는 농지와 비교한 수확량의 증가(%) |
자주개자리 조 토끼풀 보리 벼 겨울 밀 호밀 겨자채 옥수수 아마 봄밀 귀리 | 99 44 25 25 24 23 19 13 12 11 8 3 |
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
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http://www.ucsusa.org/clean_energy/smart-energy-solutions/ increase-renewables/farming-the-wind-wind-power.html
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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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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).
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A full review of the ecological and physiological impacts of wind on trees, and the adaptations trees have developed to withstand these impacts.
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The definitive source of information on the formation of microclimates and how they impact living organisms.
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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.
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A comprehensive global review of the management of meteorological factors in agricultural systems, including wind, with examples of both research and application.
