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농업생태계에서 빛 환경의 관리

농업생태계의 빛 환경을 관리하는 데에는 두 가지 주요한 접근법이 있다. 일반적으로 빛을 제한하는 요소가 없는 곳에서의 관리는 빛의 초과가 발생하는 데에 체계를 적응시키는 쪽으로 나아간다; 빛이 제한된 요소인 곳에서는 어떻게 현재 체계에서 모든 식물이 충분히 빛을 활용하게 만드는가에 초점을 맞춘다.

빛을 제한하는 요소가 없는 지역은 일반적으로 건조한 지역이다. 이러한 곳에서 식생의 구조와 작부체계의 편성을 결정하는 데에 중점 사항은 대개 빛이 아니라 물의 가용성에 있다. 식물은 보통 서로 각각 떨어져 있고 태양에너지가 일반적으로 과잉이기에 빛 관계는 덜 중요하며, 많은 유기체들은 빛을 붙들려고 하기보다는 오히려 “회피”하려는 양상을 띤다. 잎은 직사광선을 피하고자 수직으로 향하곤 하고, 빛에너지를 덜 흡수하여 열을 줄이려고 엽록소 함량도 적으며, 보통은 광합성에서 흡수하는 붉은빛을 반사시키고자 적색소의 함유 비율이 더 높다.

빛은 습한 지역에서 더욱 제한 요소일 것이다. 습한 지역의 자연 식생과 농업생태계는 훨씬 더 층층이거나 계층화되어 있는데, 빛이 토양 표면으로 가는 길에 그러한 층들을 지나 통과하기에 빛의 양과 질이 모두 변한다. 이러한 지역에서 빛의 관리는 농업생태계의 생산성을 좌우하는 중요한 요소일 수 있다. 더욱 계층화된 식생 구조는 빛 관리에 더 까다롭다. 예를 들어 임업과 혼농임업 체계에서 캐노피 종의 묘목은 숲 바닥의 그늘진 환경에서는 종종 잘 발아되지 않는데, 그것이 체계의 다양성을 관리하는 데에 고려해야 할 요소이다.

작물 선택

빛 환경 관리의 한 측면은 체계에서 빛에 대한 식물의 반응과 빛의 가용성을 조화롭게 하는 것이다. 식물의 빛 요구만이 아니라 그들의 허용성(저항성)은 작물 선택 과정의 중요한 요소이다.

작물들의 광합성 경로 유형은 빛 요구의 가장 기본적인 결정자이다. 앞서 논의했듯이, C4 유형의 광합성을 하는 식물은 최선으로 생산하기 위해서는 높은 빛 강도와 긴 일조시간을 필요로 하고, 또한 좀 더 서늘하거나 습도가 높은 조건, 특히 밤에 추운 지역에서는 잘 적응하지 못한다. 이와 대조적으로 대부분의 C3 식물은 C4 식물이 좋아하는 똑같은 빛 조건에서는 잘 자라지 못할 것이다.

예를 들어 캘리포니아 중앙 해안에서 보통 한류에 접해 여름밤의 기온이 좀 낮고 아침안개가 잘 생기는 곳에서 단옥수수와 같은 C4 작물은 매우 천천히 자라고 수확량이나 단맛이 동쪽으로 단 50마일 떨어진 계곡 내부에서 재배한 것보다 적다. 이와 대조적으로 상추 같은 C3 작물의 대부분은 해안의 기후에서도 매우 잘 자란다.

사탕수수는 높은 빛 강도를 요하는 C4 작물의 좋은 예이다. 적절한 빛과 습도인 지역에 심었을 때 이 C4 작물은 여러 작물 가운데 가장 높은 광합성률을 이룬다고 알려져 있다. 품종 선택, 줄 배열, 재배 밀도, 비옥도 관리, 기타 요소들이 최고 건조물 순익(78톤 건조물/ha/1년까지)을 생산하는 것으로 알려진 작부체계의 광합성활동방사(PAR)의 4% 전환율과 결합되어 있다.(번역하기 어렵다)

똑같은 광합성 경로를 가진 작물에서조차 작물을 선택할 수 있다. 예를 들어 서로 다른 빛 보상점이 좀 더 그늘진 환경에 맞는 작물을 선택하는 결정을 하게 만들 수 있다.

재배 다양성과 캐노피 구조

작부체계 안에서 빛 환경은 매우 다르다. 작부체계는 빛 환경이 특정 작물을 위해 가장 적합한 체계에서 지역을 창출하기 위한 설계일 수 있다. 예를 들어 열대지역에서 농민은 나무의 캐노피 아래에서 카카오, 커피, 바닐라 같은 작물을 기르려고 모든 수단으로 빛 환경을 변화시킨다. 카카오와 바닐라라는 식물은 잠깐 동안의 직사광선도 견디지 못하여, 심기 전에 그곳에 그늘을 만들어주는 캐노피가 필요하다. 최근에 나온 커피 품종만 직사광선에서 심을 수 있도록 개발되었다.

한해살이 작물의 조합에서, 체계의 캐노피 안에서 빛 환경은 오랜 시간 동안 잎면적지수(LAI) 및 빛 강도와 함께 상당한 변화를 겪고 있는 다른 수준에서 작부체계의 완성도를 변화시킨다. 농민은 이러한 변화된 상황으로 이득을 얻는다는 걸 학습해 왔다. 잘 알려진 예는 중앙아메리카의 전통적인 옥수수-콩-호박 사이짓기이다. 이러한 멕시코 동남부의 특정한 섞어짓기 작부체계의 형태에서(Amador and Gliessman, 1990) 이 모든 작물을 동시에 심고, 따라서 각각은 처음 싹이 나면 매우 비슷한 빛 환경을 맞닥뜨린다. 그러나 체계의 옥수수란 구성요소는 곧 캐노피 구조를 지배하여 아래에 있는 콩과 호박에 그늘을 드리운다. 옥수수의 캐노피가 장악하면, 콩은 옥수수 줄기의 아래쪽 2/3를 감고 올라간다. 호박은 더 어두운 하층을 장악하고 스스로 흙 표면에 더 짙은 그늘을 드리워 작부체계 안에서 풀 관리를 돕는다(Gliessman, 1988). 콩과 호박 모두가 최적의 빛보다는 적은 양의 빛을 받지만 그들은 열매를 맺는 데에는 적절하고 충분한 빛을 받으며, 옥수수의 매우 높은 빛 수요를 방해하지 않는다. 옥수수는 C4 작물이고, 콩과 호박은 C3이다. 이러한 농업생태계는 서로 다른 광합성 경로의 작물이 사이짓기 체계에서 결합될 수 있다는 증거이고, 이러한 방향을 목표로 하는 연구는 확실히 더 나올 수 있다.

텃밭의 다양한 혼농임업 체계는 아마 농업생태계에서 빛 환경을 관리하는 사례 가운데 가장 복잡한 예일 것이다(Mendez, 2000, Nair, 2001); 그에 대해서는 17장에 훨씬 더 상세히 논의해 놓았다. 그들의 높은 잎면적지수(3.5~5.0), 캐노피층 분포의 다양성, 잎에 의한 높은 빛 흡수(90~95%), 누덕누덕한 수평구조는 연속적인 성장이나 최고의 식물 종다양성으로 알려진 농업생태계를 조성하는 매우 다양한 빛 환경을 만들기 위한 의도적인 인간의 간섭 때문이다. 그런 체계에서 구성요소 각각의 특정한 빛 요건과 저항성(허용성)에 관해서는 더 알아내야 한다.

멕시코와 코스타리카의 9가지 농업생태계가 갖는 빛 환경에 대한 연구는 빛 환경의 구조와 특성에서 가능한 변화의 몇몇 효과를 제공한다. 이 연구에서 나온 자료가 표4.1에 있다.

일반적으로 그 연구에서 섞어짓기는 비록 잎이 넓은 고구마 홑짓기가 텃밭과 그늘진 커피 체계만큼 효율적으로 빛을 붙잡긴 하지만, 홑짓기보다 빛을 붙잡는 데에 더 효율적이다. 이러한 혼합된 결과는 빛 사용에서 체계의 효율성을 결정하는 것의 어려움을 가리킨다. 간단하게 식생의 덮개, 잎면적지수, 표면에 전달되는 빛의 측정은 단독으로 어떻게 체계의 구성요소들이 빛을 사용하는지를 해명할 수 없다. 또한 어떻게 잘 설계된 체계가 다양한 식물의 수요를 동시에 충족시키는 빛 환경을 창출할 수 있는지도 보여주지 않는다.

시간적 관리

시간이 흘러 농업생태계에서 빛 환경은 변화한다. 체계에서 식물이 성장한 결과 변화하기도 하고, 계절이 변화함에 따라 변하기도 한다. 그러한 종류의 변화는 활용, 수정 또는 특정한 기술을 개시하기 위한 실마리로 사용될 수 있다.

작물의 성숙으로 발생하는 빛 환경의 변화를 활용하는 시간적 관리의 한 종류는 다른 것보다 한 작물을 “과다파종”하는 것이다. 예를 들어 이것은 귀리/콩과의 사료작물을 생산하기 위해 이루어진다: 귀리를 파종하는 대신, 귀리를 수확하고 나서 콩과 덮개작물(클로버나 베치와 같은 )을 심는다. 콩과의 종자는 귀리가 특정 단계까지 성장하면 심고 빛 환경은 콩과가 정착하는 데 가장 알맞을 수 있다. 구체적으로, 콩과는 귀리의 이삭이 패기 직전인 빛 수준이 3일 때 심는다. 토양 위에는 전체 햇빛의 약 40%가 있다. 클로버는 전체 햇빛의 약 50%에서 가장 잘 정착하는 듯하고, 그래서 이삭이 패기 직전에 하는 과다파종이 콩과에 좋은 시작이다. 귀리를 수확한 뒤 빛 수준은 정착한 클로버에 다시 햇빛 전체를 비추기에 이르고, 이 종이 질소를 고정하는 덮개작물로 빨리 자라도록 촉진한다(그림4.7).

빛의 계절적 변화에 따른 관리는 여러해살이와 혼농임업 체계에서 공통이다. 코스타리카에서 커피 체계는 ―주목할 만한 적용된 그늘 관리 연구의 주제― 이러한 시간적 빛 관리 형태의 좋은 예를 제공한다(Lageman and Heuveldop, 1982; Bellow and Nair, 2003). 앞서 논의했듯이, 커피는 전형적으로 종종 콩과 Erythrina속의 나무 그늘에서 기른다. 커피가 그늘 저항성이 매우 강한 식물이지만, 너무 그늘이 지면 힘들어 한다. 이는 특히 대부분의 시간 동안 커피 작부체계 안의 상대습도가 100%에 가깝게 유지되는 우기 때 심하여, 커피의 잎과 열매가 떨어지는 곰팡이병이 조장된다. 따라서 관습은 우기가 시작할 때 더 많은 빛이 들어와 건조한 상태를 만들어 병이 발생하지 않도록 가지를 확 쳐낸다. 우기 동안에는 구름이 많이 가려 커피에 그늘을 드리울 필요가 별로 없다. 우기가 끝날 때쯤(보통 11월이나 12월) 다시 햇빛이 잘 들도록 캐노피에 별로 심하지 않게 가지를 쳐, 건기에 열릴 꽃봉오리가 최대한 잘 성장하도록 할 뿐만 아니라 이 기간에 커피 식물이 더 빨리 자라는 걸 돕는 질소가 풍부한 바이오매스를 공급한다(그림4.8).

탄소 분할과 지속가능성

2장에서 논의했듯이, 광합성에 의해 탄수화물로 고정되는 상대적으로 적은 퍼센트의 탄소가 결국 바이오매스로 변환된다. 농업에서는 수확할 수 있고, 소비할 수 있으며, 판매할 수 있거나 판매하는 유기물의 형태로 “침하(sink)”하는 가장 중요한 것이 바이오매스의 일부이다. 빛 환경을 어떻게 할지에 대해 논의한 모든 것은 농업생태계에서 수확하고 제거하여 생기는 장기간의 영향을 고려하면서 이러한 소비원의 크기를 늘리려고 관리하는 것일 수 있다.

멕시코 푸에블라의 옥수수 농부의 경험은 반드시 절대적이지는 않지만 어떻게 수확할 수 있는 물질로 탄소 분배의 비율을 높일 것인지에 대한 흥미로운 예를 제공한다. 그지역의 전통적은 대부분의 소농은 1960년대 말과 1970년대 초에 다수확의 “녹색혁명” 옥수수 품종으로 전환했다. 이러한 품종들은 보통 식물의 다른 부분 ―특히 줄기와 잎― 에 바이오매스가 저장되는 것을 더 많은 곡물로 생산하고자 육종되었다. 몇 년 동안 이 품종을 심은 뒤, 농민들은 토종 옥수수 품종으로 되돌아갔다. 이러한 농민들은 그들의 농업 체계에서 두루 동물을 부리기 때문에(특히 경운과 운송) 옥수수 여물이 동물에게 먹이는 중요한 먹이가 되는데, 신품종 옥수수에서 얻는 줄기와 잎이 줄어들어 동물을 잘 먹일 수 없었기 때문이다. 이러한 사례에서 곡물에 탄소를 집중적으로 소비하게 하는 것은 모든 농업생태계에서 지속가능성을 담보하지 못한다는 것을 알 수 있다.

똑같은 과정이 다른 작물에서도 일어날 수 있다. 예를 들어 토종 벼 품종은 그들의 탄소 가운데 90% 이상을 줄기와 잎과 뿌리에 저장하는 반면, 신품종은 곡물에 저장되는 탄소의 몫이 20% 이상이다(Gliessman and Amador, 1980). 물건을 만들고, 땔감으로 쓰고, 동물을 먹이는 것처럼 농업생태계에서 볏짚이 중요한 역할을 하는 곳의 문화에서는 쌀을 위해 바이오매스의 형태를 희생시킨 품종으로 전환하는 것이 그러한 필요에 영향을 줄 것이다. 농업생태계 자체 안에서 우리는 또한 농업생태계의 장기 지속가능성의 본질인 토양 유기물의 유지, 토양 입자의 안정성, 토양의 생물학적 활동, 영양의 투입이라는 생태적 구성요소에 대한 이러한 유기물의 “상실”이 미칠 영향도 이해해야 한다.

앞으로의 연구

농업생태계에서 빛 환경을 관리하는 것에 대한 더 많은 작업이 필요하다. 우린 최근 광합성 경로, 탄소 분배와 어떻게 작부체계에서 수확할 수 있는 바이오매스의 양을 높이는지에 대해 배웠다. 그러나 우리는 또한 체계에, 특히 우리가 토양에서 제거하고 있는 많은 유기물을 되돌려주는 농업생태계의 관리에 대해 이해할 필요가 있다. 태양에서 얻은 에너지는 단기간의 수확으로 하듯이 훨씬 장기적으로 농업생태계의 지속가능성으로써 기여해야 한다. 어떻게 이러한 필요의 균형을 이룰지에 대한 연구는 앞으로 지속가능한 농업생태계를 개발하는 데에 핵심이다.