"기후변화에 식물은 어떻게 반응할까?"…신갈나무 개엽시기 분석

이창석 교수-임치홍 박사, 국제저널 Ecological Research에 발표
김명화 기자 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2020-10-12 10:34:55
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[환경미디어= 김명화 기자] 기후변화는 인간의 과도한 토지 이용과 자원 이용으로 인해 이산화탄소의 흡수원은 감소하고 발생원은 늘어나 야기된 탄소수지의 불균형과 그것이 유발하는 열수지 불균형으로 일어난다. 따라서 도시지역은 기후변화가 빠르게 일어나고, 그 진행 정도는 도시화 정도에 따라 달라진다.

 

그러면 그렇게 다르게 일어나는 기후변화에 식물은 어떻게 반응할까? 또 그 반응은 어떻게 감지할 수 있을까?


▲ 그림 1. 월 별 대표 생물을 표현한 화투는 중요한 기후변화 진단도구가 된다. 1월의 소나무는 겨울눈을 비늘로 감싼 모양으로 묘사되었는데 요즘 기후변화로 겨울기온이 상승하면서 소나무의 겨울눈이 터 새 가지로 자라는 모습이 자주 눈에 띈다. 또 화투가 탄생한 약 200년 전에 우리는 음력을 주로 사용하였는데, 2월을 표현한 매화가 요즘 양력으로 2월에 꽃을 피우고, 3월을 표현한 벚꽃이 양력으로 3월에 꽃을 피우고 있는 것을 보면 그 사이 기후변화로 인해 계절이 한 달가량 빨라졌음을 확인할 수 있다.

 

과거 우리 조상들은 자연을 세심하게 관찰해왔던 것 같다. 화투장에 그려진 그림을 보면 그 달을 대표하는 식물이 등장한다 (그림 1). 이처럼 꽃이 피거나 잎이나 새 가지가 돋아나는 시기를 통해 계절의 변화를 감지하며 그것을 다양한 기록으로 남기고 있다.  

 

오늘날 그 기록을 분석해보면 기후변화의 진행정도를 가늠할 수 있으니 정말 고마운 일이다. 취미로 식물의 계절현상을 관찰하던 일이 근래 기후변화의 바람을 타고 중요한 연구도구로 탈바꿈했다.

 

한국생물과학협회 회장 이창석 교수와 국립생태원 임치홍 박사는 한반도의 중앙을 가로질러 동서로 이동하며 도시화 정도가 달라 기후변화 정도가 다른 몇몇 지역에 디지털카메라를 설치해 우리나라 산림에서 가장 넓은 면적의 숲을 이루고 있는 신갈나무의 개엽 시기를 조사·분석하였다.

 

▲ 그림 2. 디지털 카메라 영상을 활용한 기후변화 연구 개념도. 디지털 카메라로 찍은 영상의 파장을 분석하여 식생지수 (NDVI 또는 EVI)를 구하여 그 변화율로부터 개엽 시기를 파악한다. 나아가 그 결과를 인공위성 영상 파장을 분석하여 얻은 결과와 연동시켜 연구의 범위를 확장시킨다.

▲ 그림 3. 디지털 카메라 및 인공위성 영상 자료로부터 도출된 식물의 계절변화 단계 예시. 휴면상태 (dormancy)에서 개엽 (green-up), 성숙 (maturity) 및 단풍 (senescence) 단계로 변해가는 사진과 그 과정에서 일어나는 식생지수 (vegetation index)의 변화를 연도일 (각 달의 날 수를 더한 날짜 수)로 표현한 모식도.

▲ 그림 4. 디지털 카메라 영상으로부터 구한 식생지수 (ExG-DC)의 계절 변화.

▲ 그림 5. 날씨 상태에 따른 변이와 해석의 오류를 줄이기 위해 이동평균을 구해 얻은 그래프. 닫힌 동그라미는 국지적 변화 속도가 최대, 즉 변화가 시작되는 날짜를 의미하고 (본 연구팀이 개엽일로 판단한 시점) 열린 동그라미는 전체적인 변화는 가장 빠르고 국지적 변화속도는 최소인 날짜 (Harvard 대 연구팀이 개엽일로 판단한 시점)를 의미한다. a는 개엽의 진행상황을 나타내고, b는 단풍의 진행상황을 나타낸다.

 

그들은 식물이 보이는 계절현상을 보다 자세하고 체계적으로 분석하기 위해 카메라로 찍은 영상의 파장을 분석하는 방법을 택했다. 나아가 관찰 범위를 확장시키기 위해 그 결과를 인공위성 영상 파장 분석 결과와 연동시켜 해석하였다.  

 

개엽 시기는 파장 분석을 통해 얻은 식생지수의 변화로부터 파악하였는데, 그들은 그 변화율이 빨라지는 시작 일을 개엽 시기로 삼아 변화율이 가장 빠른 시기를 개엽 시기로 삼는 Harvard 대학의 Richardson 연구팀과 그 시기를 파악하는 방법을 달리하였다.

 

양 방법을 모두 적용한 후 가시적으로 확인한 결과와 대비시켜 정확도를 비교한 결과, 본 연구팀이 적용한 방법이 Harvard 대학 연구팀의 결과보다 개엽시기를 보다 정확하게 파악할 수 있는 것으로 확인되었다.


지역 간에 비교한 결과에서 남산의 신갈나무 개엽일은 자연지역인 강원도 점봉산과 비교해 20일 정도 빠른 것으로 나타났고, 경기도 광릉지역의 개엽일은 남산과 비교해 3일 정도 늦은 것으로 나타나 도시화 정도에 따른 차이를 반영하였다.


한편, 보통 이러한 연구가 가시적으로 나타나는 현상을 관찰하는데 머물렀다면 본 연구팀은 그것을 식물의 체내에서 일어나는 생리적 반응과 연결시키기 위해 수액이동 (sap flow)도 함께 측정하여 이동속도 변화를 식생지수 변화를 파악한 방법과 동일한 방법을 적용하여 파악하여 해당 연구를 한 단계 진전시켰다. 수액이동은 개엽 후 이틀째부터 빨라지는 것으로 확인되었다. 이창석 교수와 임치홍 박사는 이러한 연구 결과를 정리하여 국제저널 Ecological Research에 발표하였다.

 

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