산업 혁명 이후 인간의 활동으로 인해 대기질과 전 지구적 기후변화가 야기됐다. 지구의 평균 표면 온도는 1861년 이후 계속적으로 증가하여 20세기를 지나면서 약 섭씨 0.6도 상승했으며, 고도 8㎞ 이하의 대기 기온 또한 계속해서 증가하고 있다.

IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)의 최근 보고서에 따르면, 지구 대기 온도 변화는 지난 100년간 약 섭씨0.74도 상승했다. 하지만 지난 50년간의 증가율은 100년간의 연간 증가율의 두 배가 되는 수치를 기록하고 있다. 또한 여러 모델들의 예측치에 따르면 2100년에는 현재의 기온보다 약 섭씨1.4∼5.8도 정도 더 높아 질 것으로 예측된다. 단순한 기온의 증가 뿐 아니라 기온의 변화도 점점 심해지고 있다.

또한 지구 온난화, 열대야, 게릴라성 강우, 도시 홍수, 집중 호우로 인한 자연 재해 빈발 등 우리가 살고 있는 환경의 이상 징후가 증가하고 있다.

이러한 대기 기온과 강우 패턴의 변화는 인위적 활동으로 인한 대기 내의 온실 기체 증가에 의한 온실 효과 때문이다. 대기 중 온실기체 농도 증대현상은 전 지구적 기후변화 현상과 맞물리면서 전 지구적 범위에서 생태계의 전반적 변화를 야기할 수 있으며, 기후변화에 대한 세계적 차원의 관심 증대 및 대처방안에 대한 논의 활성화는 필연적인 현상이다.

대기 중 이산화탄소는 산업 혁명으로 인한 화석 연료의 사용 및 시멘트 제품들의 사용으로 인해 그 양이 급격히 증가했다. 또한, 다른 연구들은 산림 면적 감소와 같은 토지 이용도 변화에 의해 대기 중 이산화탄소의 양이 급격하게 증가했다고 보고했다(Houghton, 2003). 대기 중으로 유입된 탄소의 경우 육상 생태계와 해양의 흡수로 인해 육상 및 해양 생태계와 대기와의 교환이 활발하게 일어난다.

대기 중 메탄은 화석 연료 사용, 지질학적 배출 등과 같은 비생물학적 배출원과 미생물 작용에 의한 배출원이 있다. 이 중 미생물 작용에 의한 생물학적 배출원이 전체 배출의 70%가 넘는 양을 차지한다. 이러한 배출원으로는 습지, 논, 축사, 매립장, 해양 및 흰개미 등이 있다. 특히 이 중 습지는 주요 메탄의 배출원으로 알려져 있다.

 

특히 습지에서의 메탄 발생은 온도와 지하수위와 깊은 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 전 지구적 기후 변화로 인해 온도가 올라갈 경우 현재보다 더 많은 양의 메탄이 공기 중으로 방출될 것으로 예측된다.

아산화질소는 자연생태계에서 질산화과정과 탈질과정을 통해 생성되는 부산물 중 하나이다. 질산화과정 중에 생성되는 부산물의 대부분은 산화질소인 데 반해, 탈질과정은 최종적으로 질소가스를 배출하나, 환경조건에 따라서 아산화질소로 배출되기도 한다.

 

농업활동의 증가로 인해 인공적인 혐기상태가 만족되면서부터 탈질을 통한 아산화질소의 배출량이 증가하고 있으며, 특히, 질소비료의 이용과 함께 탈질의 아산화질소 비율이 높아지고 있는 실정이다.

 

이산화탄소를 비롯한 온실 기체의 저감 방안과 관련해서는 많은 연구가 이루어졌지만, 대부분이 물리화학적인 방법에 의존한 경우라 효율성이나 경제성에 있어 한계가 존재한다. 그러나 대기 중으로 방출되는 이산화탄소의 많은 부분이 식물의 광합성으로 인해 자연생태계로 흡수되고 있다.

따라서 적정한 범위에서 산림을 비롯한 자연생태계의 보전이 이루어진다면 대기 중 이산화탄소 농도의 증대가 더 이상 이루어지지 않을 수 있다는 점에 착안해, 이산화탄소 저감과 관련 자연생태계를 이용하는 방안이 새롭게 주목받기 시작했다.

전 세계적으로 이미 많은 산림생태계의 파괴가 이루어져왔고, 산림생태계의 복원에는 많은 시간 및 용지가 필요하다. 국내의 상황 또한 이와 멀지 않다. 이산화탄소 흡수·저감과 관련 산림생태계를 제외한 여타의 자연생태계는 상대적으로 큰 관심을 끌지 못했지만, 습지 생태계가 지니고 있는 여러 특징은 습지 생태계를 온실기체 저감 방안의 일환으로 적용할 수 있는 시스템으로 충분하다. 실제로 체계적으로 복원된 습지생태계가 기존의 습지생태계보다 탄소의 축적률이 높다는 보고가 나오고 있는 상황이다(US Geological Survey, 2008).

습지생태계는 총량적으로 봤을 때 주요한 온실기체인 이산화탄소를 흡수할 수 있는 반면에, 또 다른 온실기체인 메탄과 아산화질소는 습지생태계를 통해 방출된다고 알려져 있다. 메탄과 아산화질소의 방출은 습지식물에 의해 흡수, 고정된 이산화탄소가 습지토양생태계에 존재하는 미생물들에 의해 사용되는 과정에서 일어난다. 더불어 습지토양에 존재하는 미생물의 많은 경우가 식물에 의해 고정, 유기물화된 탄소를 이용해 서식하면서 이를 다시 무기 이산화탄소로 전환, 대기 중으로 방출할 수 있다.

 

▲ (왼쪽부터) 물이끼(Sphagnum palustre), 포갠잎물이끼(Sphagnum imbricatum), 비늘물이끼(Sphagnum squarrosum Crome.), 비틀이물이끼(Sphagnum subsecundum Nees.)

다양한 습지형태 중 북구에 널리 분포하고 있는 이탄습지생태계는 주목할 만한 특징을 지니고 있다. 전 세계 토양 탄소량의 1/3이 이탄습지에 축적되어 있으며, 장기적인 관점에서 탄소 저장고(sink)로 기능하고 있다고 여겨지고 있다.

이탄습지에서 탄소 축적이 가능한 이유는 이탄습지의 물리화학적 생물학적 요인의 특징에서 찾을 수 있다. 이탄습지는 기본적으로 낮은 pH, 상대적으로 낮은 온도, 그리고 물이끼(Sphagnum)와 같은 이탄습지에 서식하는 식물종이 방출하는 유기물의 특징상 미생물에 의해 재무기화될 수 있는 경향이 매우 제한된 생태계이다.

물이끼의 생산성은 평균적으로 12∼610gm-2 yr-1의 범위를 보이며, 분해율은 4∼25%의 범위를 보인다. 이러한 물이끼의 특성은 다른 습지 식물보다 낮은 분해율에서 기인하는 유기물 축적 기능이다(Clymo, 1992).

 

이와 같은 경향은 내부적으로는 식물의 종에 따라, 외부적으로는 수분에 따라, 그리고 마지막으로 이탄의 특성에 따라서 주로 결정된다고 보고되었다(Limpens and Berendse, 2003). 따라서 이탄습지의 경우 탄소가 고정되는 양이 재무기화되는 양보다 많기 때문에 토양 내에 축적, 결과적으로 탄소의 저장고로 기능할 수 있다고 알려져 있다.

이 기술은 이러한 온실가스에 의한 지구온난화를 방지하기 위한 일환으로 개발된 기술로 새롭게 조성되는 또는 훼손된 습지를 복원할 경우 온실가스 흡수량을 높이고, 분해율을 저감시켜 이탄으로 축적시키는 이탄습지 조성 기술이라 할 수 있다. 이 기술은 ‘환경부 Eco-STAR Project 수생태복원사업’의 ‘온실가스 흡수·저감능이 특화된 습지조성 및 관리기술개발’에서 개발된 기술이다.

물이끼 선발 및 최적 생육환경 도출

이탄습지의 주요종인 물이끼를 선발하기 위해 국내 물이끼 서식처 5곳을 조사하여 총 4종의 물이끼를 선발했다([그림1] 참조).

 

물이끼습지(Bog)는 외부로부터 지하수나 지표수의 유입 없이 강우에만 의존(ombrotrophic)하여 빈영양상태(oligotrophic)로 형성된 습지이며, 대체로 pH가 3.5∼5.0 미만의 산성 수질을 유지한다고 한다.

 

국내에서 국내에서 물이끼가 군락을 이루고 있는 고산습지의 경우 pH는 5.39∼5.89 사이로 조사됐다. EC(전기전도도)의 경우 0.02∼0.08dS/m, Ca2+은 1.15∼3.34㎎/L, Mg2+은 1.04∼6.17㎎/L, Na+은0.30∼3.34㎎/L의 범위내의 비교적 근소한값의 차이를 보였다.

 

국내에 인공적으로 조성된 습지의 경우 지역 및 위치에 따라 공급되는 수질이 균일하지 않을 것이다. 실험결과에 의하면 높은 pH나 EC의 경우 물이끼의 생육을 저해하는 것으로 밝혀졌다. 균일하지 않는 유입수를 물이끼의 생육에 적합한 낮은 pH, 낮은 EC, 그리고 빈영양상태의 환경으로 조성해주기 위해서는 물이끼의 식생기반이 되는 토양을 통해 조절할 필요가 있었으며, 본 연구기관에서 개발된 이탄습지 조성용 인공토양을 사용해 습지를 조성할 경우 내부로 유입되는 수질이 물이끼의 생육에 적합한 수질로 조절이 가능했다.

 

CO2 흡수 능력이 탁월한 식물종 선별을 위해 1차적으로 문헌연구를 바탕으로 갈대, 달뿌리풀, 애기부들, 부들, 큰잎부들, 큰고랭이, 연꽃, 물옥잠, 줄, 창포 총 10종을 후보 식물로 선정했고, 초고와 밀도 등 높은 생산성과 더불어 까다롭지 않은 생육 환경 등을 고려하여 갈대, 달뿌리풀, 애기부들, 큰잎부들, 줄, 총 다섯 종을 1차 선별했다. 그리고 총 9곳의 현장조사를 실시한 후 문헌연구의 내용과 비교하여 선별종의 초고 및 지상부 생산성을 재확인했다.

5종(갈대, 달뿌리풀, 애기부들, 큰잎부들, 줄)의 대형습지식물의 초고와 생산성을 파악한 결과 동일 종 내에서도 연구지역에 따른 생산성 차이를 보였으며 동일 연구 지역 내에서도 종에 따라 생산성에 큰 차이를 보였다.

 

2차 선별을 위해 자연습지에서의 현장 조사와 인공 조성 습지에서의 포장 실험을 병행했다. 현장 조사의 경우 외부 교란 요소가 적은 습지들을 선택하였을 뿐만 아니라 1차 선발종들이 순군락을 형성하고 있는 지역만을 고려했다. 높은 생산성 그리고 넓은 환경 범위와 경쟁력 등의 결과를 토대로 갈대와 애기부들 그리고 줄을 최종 선별했다.

선발 습지식물의 최적 생육환경 도출
2차 선별종(갈대, 애기부들, 줄)을 활용한 인공 습지를 조성할 경우 최적 생육을 보장하면서도 물이끼와의 공존을 가능케 하는 기술을 개발하고자 포장 실험을 실시했다. 실험의 목적은 이를 통해 대형습지식물의 높은 생산성 그리고 물이끼에 의한 낮은 분해율을 확보하고자 하는 것이었다.

총 두 가지 수위 조건과 두 가지 매질 조건을 조합했으며 각각 3반복의 실험구를 조성했다. 수위 조건의 경우 깊은 수심(deep, 20㎝)과 낮은 수심(shallow, 5㎝)을 두었다. 매질의 경우 모래와 peatmoss를 따로 분리하여 습지 식물을 모래에 식재한 경우(sep.)와 모래와 peatmoss를 1:1로 섞은 매질에 식재한 두 가지 경우(mix.)를 설정했다.

Peatmoss를 매질로 설정한 이유는 물이끼의 생육을 고려한 것이며 물이끼 층으로 투과되는 물이 peatmoss층을 거침으로써 물이끼 생육을 저해하는 칼슘 등과 같은 이온이 줄어드는 것을 기대한 설계라 할 수 있다.

갈대는 얕은 수심(5㎝)과 혼합 매질(mix.)에서 53.3g/㎡, 그리고 애기부들의 경우 얕은 수심(5㎝)과 분리한 매질(sep.)에서 22.8g/㎡의 최대 생산성을 보였다. 본 연구결과를 토대로 보면 줄은 깊은 수심을 선호하며 빈 영양 매질인 peatmoss를 섞지 않은 매질에서 더 나은 생육을 보이는 것으로 확인됐다.

 

국내 대표적인 자연습지 3곳 오대산 고산습지(조개동 늪), 대암산 용늪, 무제치늪을 대상으로 여름과 겨울 2회씩, 총 6회의 현장조사를 통해 습지 토양에서 유기물 분해에 관여하는 이화학적 환경을 규명하고 국내 다양한 습지의 온실기체 발생량을 평가하기 위해 국내 고산 습지에서 일어나는 온실기체 발생 및 흡수량과 그와 관련된 요인을 조사·분석했다.

분석결과 온실기체 flux(유동량)의 경우 CO2 발생량은 겨울철보다 여름철에 기체 발생량이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 계절과 관련된 미생물의 활동에 의한 것으로 판단되며, 기온이 높은 여름에 미생물의 양도 늘어나고 온실기체도 더 많이 발생한 것으로 나타났다. 그러나 메탄이나 아산화질소 발생량은 계절에 따라서 유의적인 차이가 나타나지 않았다.

미생물 군집구조의 경우 전체적으로 습지의 특징과 계절에 따라 차이가 있는 것으로 나타났다. 용늪 및 무제치 습지의 미생물 군집이 오대산 습지의 미생물 군집과 매우 큰 차이를 보였으며 조사 지역 3곳의 고산습지에서 식물이 식재된 곳과 수변지역 간의 미생물 군집구조의 차이가 뚜렷한 것으로 나타났다.

또한 각각의 습지에서 계절에 따른 온실기체 거동을 살펴보면, 기온이 높은 여름에 미생물의 양도 늘어나고 온실기체도 더 많이 발생하는 것으로 나타났다. 습지와 온실기체에 따라 약간의 차이는 있었지만, 대체적으로 온실기체 발생량과 그와 관련된 미생물의 양은 양의 상관관계를 가졌다.

 

습지에 따라 미생물 군집 구조에 차이가 있었지만, 온실기체 발생에 있어서 미생물 군집 구조보다는 미생물의 양이 더 많은 영향을 미쳤다. 이러한 결과는 조사 대상으로 설정한 각 온실기체 관련 4종류의 세균군집 모두에서 관찰됐다.

축적된 유기물은 온도가 증가할 때 분해 속도도 함께 증가될 가능성이 있다. 따라서 각 온실기체의 유동량이 조사한 습지유형마다, 그리고 각 습지에서 뚜렷이 구분되는 특징을 지닌 지역(식생의 존재 여부, 수위의 차이 등) 간, 계절 간에 차이를 나타냈다.

현재까지의 연구결과는 온실기체 발생과 미생물 군집 구조는 온도가 상당한 영향을 미치며 이는 미생물 군집 구조보다 미생물 양에 따라 습지 생태계 내 온실기체 유동량과 깊이 연관되는 것으로 판단된다.

오대산, 용늪, 무제치 3곳의 고산 습지 수질의 이화학적 성질을 살펴본 결과, phenolics 함량은 여름보다 겨울에 적게 나타났다. 이상의 결과를 종합해 볼 때 한국의 고산습지는 온도가 올라가는 여름에 DOC의 양은 줄어들지만 phenolic과 같은 난분해성 물질이 많아져 실질적으로 분해는 잘 일어나지 않는 것으로 사료된다. 또한 토양의 pH가 증가할수록(중성에 가까워질수록) 미생물 다양성이 증가하는 것으로 나타났다.

앞에서 분석한 토양과 물의 물리화학적 성질과 온실 기체 거동 변화의 관계는 [표 2]와 같다. 이산화탄소의 거동은 DOC와 음의 상관관계를 가지며 phenolic compounds와 양의 상관관계를 나타냈다. 메탄의 거동은 DOC, phenolic compounds, pH와 모두 양의 상관관계를 보였다. 아산화질소의 거동은 DOC, Phenolic, pH와 모두 상관관계가 나타나지 않았다.

 

또한 mesocosm실험을 통해 식물 및 수위에 따른 온실가스 유동량을 측정한 결과 CO2 유동은 식물 및 수위에 따라 다르게 나타났다. 수위 5㎝에서는 CO2 배출량이 미미 했으며, 수위 20㎝에서도 흡수하는 것으로 나타났다.

메탄의 경우, 수위 5㎝보다 수위 20㎝에서 배출이 증가하는 것으로 나타났다. 식물별 메탄 발생량은 애기부들, 줄, 갈대 순으로 나타나 갈대가 메탄발생량이 가장 적은 것으로 나타났다. 아산화질소의 유동량은 식물 및 수위에 따라 다르게 나타났으나 뚜렷한 경향이 나타나지는 않았다.

각 층마다 식생이 모두 다른 특징을 갖고 있는 7개의 계단식 묵논으로 구성된 묵논습지를 대상으로 3곳을 대상으로 온실가스 유동량을 측정했다[그림 3]. 사초과(Cyperaceae) 식물이 우점하는 곳(wetland1)과 갈대(Phragmites)가 우점하고 있는 곳(wetland2), 물이끼(sphagnum)가 우점하고 있는 곳(wetland3)을 대상으로 했다.

조사 결과 각 층별로 온실가스 유동량에 뚜렷한 차이가 나타났다. 또한 기온이 올라감에 따라 CO2 발생량은 증가했으나 메탄과 아산화질소 유동량은 감소하는 것으로 나타났다.

 

선발된 물이끼와 습지식물, 그리고 도출된 최적 생육환경을 이용하여 이탄습지를 조성하는 4가지 기술을 개발했다. 크게 부유형과 식재기반형으로 구분이 되며, 부유형은 부유형 물이끼 이탄습지 모듈, 대형습지 식물 부표, 식재기반형은 식재기반형 이탄습지 모듈, 식재기반형 이탄습지 조성공법으로 구분된다[그림 4]. 현재 부유형 물이끼 이탄습지 모듈, 식재기반형 이탄습지 모듈, 식재기반형 이탄습지 조성공법은 특허출원이 완료된 상태이며, 현장 적용을 통해 각 모델의 성능을 검증하고 있다.

부유형 물이끼 이탄습지 모듈은 저수심 습지 내에 설치가 가능한 제품으로 부유력이 있는 부유체 위에 물이끼가 생육할 수 있는 기반을 조성했으며, 모듈에 천공된 구멍을 통해 습지식물의 식재도 가능하게 한 모듈이다. 대형습지식물 부표는 선발된 생산성이 높은 습지식물의 근경이 가지고 있는 부유력을 이용하여 물 위에 부유하게끔 조성되는 제품이다.

식재기반형 이탄습지 모듈은 묵논습지 등에 쉽게 설치가 가능한 제품으로 하단부는 습지식물의 생육기반이 되는 토양을 상단부에는 물이끼의 서식기반이 되는 토양을 조성함으로써 습지식물의 생산성을 높여 CO2의 흡수를 높이고, 물이끼의 생육을 좋게 하여 분해율을 줄이고자 고안된 단위모듈이다.

식재기반형 이탄습지 조성공법은 조성되는 습지 중앙부 또는 측면부에 최적화된 물이끼 서식처를 조성하고, 주변에는 습지식물의 최적환경(수위조건, 토양조건 등)을 고려해 습지식물이 생육할 수 있는 공간을 조성함으로써 시간이 경과하면서 물이끼와 습지식물이 공생하는 공간을 만드는 기술이다.

현재 부유형 물이끼 이탄모듈은 속사IC 인근 폐고속도로를 복원해 조성된 생태공원 내 습지와 달창저수지에 설치됐다. 식생기반형 이탄습지 조성공법은 성남시 맹산 생태습지, 진천군 산채원, 대구시 금오산 성안습지에 적용됐다. 또한 옥상 등 인공지반에도 물이끼 습지가 조성가능한데 최근 제주도 여미지식물원 입구에 적용됐다.

 

 

이 기술은 국내 최초로 생태계의 생산성과 분해율 측면에서 온실가스 흡수 및 저감능을 특화시킨 습지 조성기술이라 할 수 있다. 현재까지 대부분의 습지는 경관형성, 수질정화, 생물서식처 제공 등을 목적으로 조성되어왔으나, 이제는 기후변화에 대한 대응으로 온실가스를 고려한 습지도 조성 가능하게 되었다고 할 수 있다.

이 기술이 도입되어 조성된 습지를 지속적으로 모니터링하면서 습지의 기능성(수질정화 기능 및 생물서식처 제공 등)도 분석하게 된다면, 다목적기능 습지로도 이용 가능할 것으로 기대된다. 현재 성남시 맹산에 조성된 단계습지의 경우 이탄습지를 비롯하여 수질정화 습지, 벼습지 등 다양하게 조성되어 생태학습장으로 이용되고 있다.

또한 이 기술은 자연지반 뿐만 아니라 인공지반에도 조성이 가능하다. 건물 옥상에 이탄습지를 조성함으로써 빗물저류를 통한 도시홍수 저감, 열섬현상 완화 등 도시기후변화에 대한 대응도 가능한 기술이라 할 수 있다.

성남시 맹산 생태습지 조성 후 1년 경과한 모습.

 

조성 후 1년 6개월이 경과한 속사IC 인근 폐도 복원 생태습지(위)와 제주도 여미지 식물원 내 물이끼 이탄습지.