기후위기 대응을 위한 토양탄소 증대방안

기후위기 대응을 위한 토양탄소

 

기후위기에 대응하기 위한 탄소중립을 위해서는 탄소를 배출하는 만큼 흡수를 해야 한다. 요즘 시대의 화두인 탄소중립을 위해서는 우선 먼저 탄소의 배출량을 줄이는 것이 물론 중요하지만 그에 못지 않게 배출된 탄소를 흡수하여 저장하는 것도 탄소중립을 위해서는 꼭 필요한 일이다. 배출된 탄소를 다시 흡수하여 저장하는 방법은 식물과 같은 유기물을 이용하는 방법과 CCUS와 같은 신기술을 이용하는 방법 등이 있다. 이 중 유기물을 이용하여 탄소를 저장하는 방법은 인공적인 방법에 비해 비용 효과면에서 뛰어나 탄소흡수를 고려할 때 우선적으로 고려해야 한다. 유기물의 탄소저장소에는 지상부 바이오매스, 지하부 바이오매스, 고사유기물 및 토양유기물로 구분할 수 있다. 이 중 현재까지 탄소흡수원으로는 주로 식물의 줄기와 뿌리가 이루고 있는 지상부, 지하부 바이오매스에 관심을 가지고 있었다. 하지만 최근 토양의 탄소흡수와 저장능력에 대해서도 많은 연구과 관심이 늘고 있다.

 

토양탄소의 중요성

현재 기준으로 토양속에 무기 또는 유기물의 형태로 존재하는 탄소는 4,000 Pg C를 약간 상회한다고 한다. (Pg : Petagram(페타그램). 1 Pg = 10¹⁵ g = 10¹² kg, 백만톤에 해당하는 양을 말함). 이 양은 현재 대기중에 존재하는 이산화탄소 량의 5배보다 많은 양이며, 화석연료 연소에 의해 발생하는 이산화탄소와 대표적인 다에너지 소비업종인 시멘트 생산업의 이산화탄소 량의 400배에 해당하는 양이다. 따라서 토양속의 탄소가 아주 적은 비율이라도 떨어진다면 이는 대기중의 이산화탄소 비율이 급격하게 증가하여 가뜩이나 문제가 발생하고 있는 기후위기 현상을 더욱 심각하게 할 것이다. 하지만 역으로 농업이나 임업활동을 통해 토양의 탄소함량을 높이게 한다면 기후위기 완화에 막대한 기여를 할 수 있을 것이다. 더욱이 토양속의 유기물질의 양은 토양의 구조에 영향을 미치게 되며, 토양구조는 토양의 물을 투과하고 보유하는 능력에 영향을 미쳐 홍수와 산사태와 같은 재해에 영향을 미치게 되며, 침식을 방지하고, 식물에게 적절한 수분을 공급하며, 물을 정화하는 기능 등에 영향을 미치게 된다. 또한 토양 유기물의 경우는 식물에 필요한 영양소의 주요한 보급원이므로 토양 비옥도에 매우 중요하며 결국 식량안보와 연결되게 된다.

이처럼 토양의 유기물질 저장능력의 중요성은 지속적으로 강조되고 있어 많은 관심을 받고 있으며, 이에 따라 지난 2세기 또한 토양 유기물에 대한 연구는 더욱 활발하게 진행되고 있다. 많은 연구를 통해 토양 탄소에 대한 많은 연구성과가 있었으며, 그에 대한 많은 합의도 있었다, 이중 가장 중요한 것은 집약적인 농업경영 및 산림시업이 이루어 지고부터 토양속에 있던 탄소들이 대기중으로 배출되어 심각한 기후위기를 가져왔으므로, 세계적으로 토양탄소 저장량을 산업적 농업경영이 이루어 지기 전인 수 십년 전의 양으로 회복시키기 위해 노력을 해야 한다는 점에는 거의 모든 연구자들이 동의 한다는 점이다. 하지만 이에 대해 많은 연구에도 불구하고 하지 해결되지 않는 여러 문제들도 있는 것이 사실이다.

이런 대표적인 문제의 예는 다음과 같다.

1.     토양의 이용방식과 대기온도의 변화에 따른 토양유기물의 변화

2.     토양에 더 많은 탄소를 저장하기 위한 방법 및 토양의 탄소저장과정에서의 발생가능한 실질적인 문제

3.     무기 탄소화합물들이 토양저장능력에 미치는 영향

4.     미래의 토양탄소 저장량을 증대하기 위한 농업 및 산림부분의 역할 및 토양의 탄소저장 잠재력

 

토양의 탄소저장 매커니즘

토양의 탄소격리 과정은 일련의 역동적인  생물적, 화학적 및 물리적인 과정들로 구성되어 있다. 먼저 지상부 및 지하부(뿌리) 바이오매스가 토양에 투입되면 토양미생물들은 이를 분해하면서 그들이 살아가는 에너지로 이용하게 되는데, 이를 동화작용이라고 한다. 이중 저분자의 물질들은 직접 토양미생물에 의해 분해되지만 리그닌이나 당류, 탄백질과 같은 고분자 물질들을 미생물과 효소의 작용에 의해 저분자 물질로 1차 분해된 후 미생물에 의한 동화작용이 이루어 지게 된다. 이런 동화작용을 통해 토양미생물은 에너지를 얻고 그 생태계를 유지하게 되는 것이다. 이렇게 동화작용을 통해 분해되는 과정에서 저분자 물질들은 미생물의 호흡에 의해 다시 대기로 배출되기도 하고, 토양내 미네랄화 작용에 따라 토양속으로 안정적으로 침투되기도 하는데, 이렇게 안정화된 토양유기물은 다시 토양미생물에 의해 사용되기도 한다. 이런 과정을 통해 토양내 미생물들은 그 생을 다하게 되고 결국 그 사체들은 토양유기물 형태로 토양속에 남게 되는 것이다..

산림분야에서 탄소흡수 및 저장량을 증대하기 위해서는 산림내 주요 탄소흡수ㅁ원인 식생의 양을 증가시키는 것 뿐만 아니라 산림토양의 탄소저장량을 증대시키는 방법도 꼭 필요한 것이다. 현재까지 많은 연구를 통해 산림의 식생을 통한 탄소흡수량 증대방안은 많이 연구되어 있어 다양한 방안이 마련되어 있지만 앞에서 언급한 이유 등 때문에 산림토양의 탄소흡수량 증대방안에 대해서는 뚜렷한 해법이 나오고 있지는 않은 상황이다. 특히 산림의 경우 농업과는 달리 다양한 토양형태가 존재하며, 다양한 가지고 있다. 또한 산림시업의 방법과 주기 등에 따라서도 변화하게 된다.

 

산림토양의 탄소증대 방안

산림토양의 탄소를 증대시키기 위해 가장 먼저 고려해야 할 것이 산림토양에 투입되는 식생의 양을 증대시키는 것이다. 이는 지상부의 수목과 뿌리의 발달을 촉진시키고, 숲가꾸기 등을 통해 하층식생 등을 발달시키는 방법 등이 있을 수 있다. 살아있는 식물에서는 지속적으로 유기물이 생성되며, 생성성 유기물들은 결국 고사체, 낙엽, 가지 등으로 토양속에 공급되면서 토양탄소의 양을 증대시키는 이 기작은 이제까지 산림토양의 탄소를 증대시키는 거의 유일한 방법으로 사용되었으며 그 기작도 충분히 증명되었다.

다음은 토양탄소가 분해, 침식 또는 다른 교란작용에 의해 다시 대기중으로 배출되는 것을 막는 방법이 있다. 토양탄소는 결국 토양에 투입되는 유기물과 호흡이나 교란등의 의해 배출되는 량의 차이에 의해 결정되게 되는데, 이 방법은 토양에서 손실되는 탄소를 막아 탄소저장량을 늘리는 방법이다. 이런 방법으로 전통적인 농업방식인 경운 방식의 농업에서 무경운 농업으로의 전환 (토양을 경운할 시에 땅속에 안정화되었던 유기물들이 분해되며 탄소를 배출함) 같은 방법이 있으며, 산림에서도 낙엽이나 잔가지 들을 산림토양표면에 많이 남게 함으로써 산림토양을 침식으로부터 보호하고, 유기물이 분해를 더디게 하는 방법 등이 있을 수 있다. 일부의 연구에 따르면 적절한 산림 시업 (벌채나 숲가꾸기 가지치기)는 충분한 유기물질은 산림토양에 공급하여 산림토양의 탄소를 증가시킨다는 경우도 있다. 하지만 다른 연구결과에는 산림 시업으로 인해 토양이 햇빛에 노출되어 미생물의 분해작용을 활발하게 하여 미생물의 호흡을 통한 탄소배출이 더 증가한다는 반대되는 주장도 있어 아직까지 산림 시업이 산림토양탄소에 미치는 영향은 명확히 밝혀지지는 않은 상태이다.

또한 토양 산림 저장소 중 중요한 부분 중 하나가 이탄지(Peat Land)라는 곳인데 이런 곳은 유기물들이 집적되는 과정에서 자연적으로 공기가 차단되는 환경이 주어진 경우 유기물이 분해되지 않고 그대로 쌓여 있는 지역을 말하는데, 이런 지역은 말그대로 토양탄소의 보고라 할 수 있다. 전세계적으로는 시베리아와 같은 타이가지역이나 열대우림지역에 분포하고 있는데 최근 산불이나 개발압력에 의해 이런 이탄지가 훼손되고 있다. 이런 이탄지를 보호하고 그 탄소저장능력을 지속적으로 유지해 나가는 것도 토양탄소의 증대방안에 꼭 필요하다.

다음으로는 인위적인 방법을 통해 토양탄소를 증대 시키는 방법도 개발되고 있다. 그 중 가장 각광을 받은 방법이 Biochar를 이용하는 방법인데, Biochar란 Biomass와 Charcoal 을 합성한 단어로 말 뜻 그대로 바이오매스를 숯으로 만든 것을 말한다. 여기서 일반적인 숯과는 약간 다른데, 가열할 떼 무산소 조건에서 가열을 하게 되면 유기물속의 다른 성분들은 다 날라가게 되고 거의 순수한 탄소만이 남게 되는데 이것이 바로 Biochar이다. 이 Biochar는 특유의 성질을 가지고 있는데, 토양속에서 미생물에 의해 분해되지 않고 150년이상 탄소형태를 그대로 유지한다는 점이다. 따라서 다양한 바이오매스를 Biochar형태로 가공하여 다시 토양에 투입한다면 기존의 바이오매스 처럼 분해되지 않고 오랫동안 탄소를 저장할 수 있게 된다. 또한 Biochar는 다공질성을 가지고 있어 토양의 물성이 개량되는 부수적인 효과도 얻을 수 있다. 최근에는 Biochar처럼 바이오매스를 열 가공을 하지 않고, 직접 땅속에 매립하여 탄소를 고정하는 방법도 시행되고 있다. 이 방법의 경우 일반적인 바이오매스처럼 분해되지 않도록 고압의 무산소조건을 만들어 매립하여 바이오매스가 분해되지 않도록 하는 방법이다. 이는 바이오매스가 석탄으로 변환되는 과정을 생물학적으로 유사하게 만든 방법이다. 이런 방법은 Bio-Mimic이라고도 한다.

 

토양은 우리가 먹고 살아가고 의지하는 거의 모든 자원의 기반이다. 나무 뿐만이 아니라 각종 농작물과 기타 식물들이 살아가고 있는 공간이다. 더욱이 어마어마한 탄소를 저장하는 공간이다. 이런 관점에서 식생이 자라고 있으며, 탄소를 다량 함유하고 있는 공간을 보호해야 되는 이유는 분명해 진다. 현재 도시공간의 확대, 산업시설의 개발 등으로 숲이 파괴되어 지는 것은 비단 지상위의 식물 뿐만 아니라 토양속의 탄소까지도 대기중에 배출하는 활동이 된다. 지속가능하고 현재의 기후위기에 대응하기 위해서는 숲과 자연을 보호해야 할 또 하나의 이유이다.

 

주요참고자료

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenvs.2022.848572/full

https://www.fs.usda.gov/ccrc/topics/forest-soil-carbon

https://www.nature.com/articles/srep15991

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenvs.2021.672468/full

https://soil.copernicus.org/articles/7/661/2021/