숲에서 나뭇잎이 떨어져 흙으로 돌아가고 식물이 그 흙의 양분을 다시 흡수하듯, 원소는 생물과 주변 환경 사이를 오간다. 탄소·질소·인 같은 원소가 생물체와 대기·물·토양·암석 사이를 이동하며 화학적 형태를 바꾸고 다시 생물에게 이용되는 과정을 영양분 순환이라 한다. 배설·호흡·죽음·분해는 원소가 되돌아오는 경로다. 이 이동은 생태계의 먹이 관계와 생태학에서 다루며, 한 생태계의 유출이 다른 생태계의 유입이 될 수도 있다.[1]
1. 정의와 범위
영양분 순환은 생물체 안의 대사나 먹이사슬만을 뜻하지 않는다. 생태계 안팎을 가로지르는 유입·내부 변환·유출을 함께 살피며, 원소가 어느 저장고에 머무르고 어떤 경로로 이동하는지를 설명한다. 식물이 토양의 무기 양분을 흡수해 조직의 유기물로 만드는 일과, 죽은 조직이 분해되어 무기 형태로 풀리는 일은 내부 순환의 사례다. 이를 물질 순환의 관점에서 보면 생태계의 경계와 저장 위치를 함께 고려해야 한다.[1]
에너지 흐름과 물질 순환은 연결되어 있지만 같지는 않다. 생물은 먹이에서 얻은 에너지를 생장과 대사에 쓰고 일부를 열로 방출한다. 원소는 화학적 형태와 저장 위치가 달라지면서 다시 이용될 수 있다. 따라서 생태계 생산성은 빛과 에너지뿐 아니라 필요한 원소가 공급되고 생물이 이용할 수 있는 형태인지에도 좌우된다.[1]
2. 유입·내부 순환·유출
유입 경로는 원소마다 다르다. 탄소와 질소는 대기 저장고와 연결되며, 탄소는 광합성을 통해 이산화탄소에서 유기물로 들어온다. 질소는 질소고정 미생물, 번개, 대기 침적 등으로 유입될 수 있다. 인과 칼슘은 주로 암석·광물의 풍화와 토양 형성에 의존한다. 하천과 호수는 주변 유역에서 흘러드는 물, 퇴적물, 유기물의 영향을 받는다.[1]
내부에서는 식물이 뿌리로 흡수한 무기 양분이 조직에 편입되고, 섭식으로 먹이망을 따라 이동한다. 배설물과 사체는 유기물 저장고가 된다. 미생물 등 분해자는 유기 결합에 든 원소를 더 단순한 형태로 바꾸며, 무기 형태로 풀려 식물이 다시 이용할 수 있게 되는 과정을 무기화라고 한다. 식물은 잎이 노화하기 전에 질소 같은 양분을 다른 조직으로 재이동시키기도 한다.[1]
용탈과 지표 유출은 용해된 양분을 하천으로 옮기고, 침식은 토양 입자와 결합한 원소를 이동시킨다. 호흡은 탄소를 이산화탄소로 대기에 돌려보내며, 미생물 작용은 질소를 기체 형태로 내보낼 수 있다. 한 생태계에서 사라진 양분이 지구 전체에서 사라지는 것은 아니다. 육상에서 하천으로 이동한 물질은 수생 생태계의 유입원이 될 수 있다.[1]
3. 탄소·질소·인의 순환
탄소는 대기 중 이산화탄소와 생물체·토양 유기물 사이를 이동한다. 식물과 조류는 광합성으로 탄소를 유기물에 편입하고, 섭식은 이를 다른 생물에게 전달한다. 생물과 미생물의 호흡 및 유기물 분해는 탄소를 다시 이산화탄소로 내보낸다. 토양 유기물과 퇴적물은 탄소 저장고가 될 수 있으며 축적과 분해의 균형에 따라 저장량이 달라진다.[1]
대기 질소의 대부분은 생물이 바로 이용할 수 없으므로 질소고정 미생물의 전환이 중요한 유입 경로다. 식물에 흡수된 질소는 아미노산과 단백질 등 생체 분자의 일부가 되고 먹이망을 따라 이동한다. 분해와 미생물 변환은 이를 토양의 무기 형태로 되돌린다. 일부 질소는 용탈되거나 기체로 빠져나가며, 농경지에서는 비료 투입이 유입량을 크게 늘릴 수 있다.[1][2]
인은 대기 기체 단계를 주요 경로로 삼지 않고 암석 풍화, 토양, 물, 퇴적물 사이를 이동한다. 풍화로 풀린 인은 식물에 흡수되고 사체와 배설물의 분해를 거쳐 토양이나 물로 돌아간다. 인이 수계로 과도하게 유입되면 수생 식물과 조류의 생장이 늘고, 유기물 분해 중 산소가 소모되어 다른 수생 생물에 영향을 줄 수 있다. 세 원소의 저장고와 경로는 다르지만 생물의 생산과 분해를 통해 맞물린다.[1][2]
4. 저장고와 체류 시간
원소는 생물량, 토양 유기물, 물, 대기, 암석과 퇴적물처럼 서로 다른 저장고에 머문다. 저장고의 크기만으로 순환의 속도를 알 수는 없으며, 저장고로 들어오고 나가는 흐름과 그 원소가 머무는 시간도 함께 살펴야 한다. 예를 들어 빠르게 교환되는 생물체와 토양의 양분은 단단한 암석이나 깊은 퇴적물에 묻힌 원소와 시간 규모가 다르다.[1]
저장고 사이의 이동 속도는 원소의 화학적 형태, 생물의 흡수와 분해, 물의 흐름 및 지질 과정에 따라 달라진다. 따라서 영양분 순환은 모든 양분이 같은 속도로 한 바퀴 도는 단일 고리가 아니다. 생태계 연구에서는 어떤 저장고와 경로를 경계 안에 포함했는지 밝히고, 빠른 생물학적 교환과 느린 지질학적 교환을 구분해야 수지와 변화를 올바르게 해석할 수 있다.[1]
5. 생물과 생태계가 만드는 차이
토양 세균과 균류는 유기 잔재를 분해하고 양분의 화학 형태를 바꾸어 생물이 이용할 수 있는 정도를 조절한다. 일부 세균은 식물과 공생하며 대기 질소를 이용 가능한 형태로 전환한다. 뿌리와 토양 생물의 활동, 토양의 수분·산소 조건은 양분이 머무는 장소와 이동 속도에 영향을 준다. 점토와 토양 유기물은 여러 양분의 저장 환경을 구성하므로 토양은 순환의 수동적인 배경이 아니다.[1]
동물도 섭식과 배설로 원소를 변환하고 서식지 사이로 옮긴다. 소비자의 기여는 양분을 몸에 편입하거나 배설물로 내놓는 변환, 서식지 간 전달, 퇴적물을 교란하는 생물교란으로 나누어 설명된다. 기생생물은 숙주의 행동과 생리에 영향을 줌으로써 간접적으로 순환에 관여할 수 있다는 연구 관점도 있다. 따라서 순환은 식물과 분해자만의 과정이 아니라 먹이망 전체의 상호작용이다.[1]
생태계별 저장고와 순환 속도는 기후, 토양 비옥도, 교란 후 경과 시간, 종 구성에 따라 달라진다. 숲에서는 식물 생물량과 낙엽·토양 유기물이 중요한 저장고가 될 수 있고, 하천은 유역에서 들어오는 유기물과 퇴적물에 의존한다. 양분이 어디에 얼마나 저장되는지와 물질 이동 경로가 다르기 때문에 한 생태계의 수지를 다른 곳에 그대로 적용하기 어렵다.[1]
6. 인간 활동과 순환 변화
농업은 수확물 반출과 비료 투입으로 양분 수지를 바꾼다. 수확한 생물량을 외부로 옮기면 그 안의 원소도 경작지 저장고에서 빠져나간다. 비료는 질소와 인의 유입을 늘리지만, 작물이 흡수하지 못한 양은 빗물과 관개수에 실려 하천과 호수로 이동할 수 있다. 유럽환경청은 토양 유기물의 분해와 저장, 질소고정, 비료 잉여분의 수계 유입을 영양분 순환의 맥락에서 설명한다.[2]
산림 제거와 토양 교란은 식물 흡수, 유기물 분해, 물 이동을 함께 바꿀 수 있다. 식생이 줄면 토양 피복이 약해져 침식이나 유출이 커질 수 있다. 반대로 분해가 일어났다고 양분이 모두 토양에 남는 것도 아니다. 탄소는 호흡으로 대기 중에 나갈 수 있고, 식물의 흡수가 충분하지 않으면 풀려난 양분이 유출될 수 있다.[1]
순환을 평가할 때는 양분 총량만이 아니라 유입과 유출의 균형, 생물의 흡수 시기, 토양과 퇴적물의 저장, 교란 뒤 회복을 함께 살펴야 한다. 토양 생물과 식생의 기능을 유지하고 과잉 양분의 유출을 줄이는 관리가 중요한 이유다. 다만 관리 효과는 토양·기후·작물·유역 조건에 따라 달라지므로 특정 기법을 모든 장소에 일반화해서는 안 된다.[1][2]
8. 인용 및 각주
[1] Nutrient cycling, EBSCO Research Starters, www.ebsco.com(새 탭에서 열림)
[2] Nature's nutrient cycle, European Environment Agency, www.eea.europa.eu(새 탭에서 열림)