온난화로 인한 나무의 성장 변화와 그 메커니즘에 대한 자료입니다.

연구 개요

숲의 나무줄기에는 숲이 축적하는 탄소의 대부분이 포함되어 있다. 나무 줄기의 성장(옆으로 굵어지기 때문에 ‘비대성장’이라고 한다)은 연륜으로 내부에 새겨지기 때문에, 나무 줄기의 연륜에는 환경에 대한 장기적인 성장 반응의 역사가 남아있다(사진 1). 이 나이테에서 정보를 잘 뽑아낼 수 있다면, 온난화로 인해 장기적으로 나무의 성장이 어떻게 변화하고 숲의 탄소 흡수가 어떻게 변화할 것인지에 대한 실마리를 얻을 수 있지 않을까 하는 생각으로 나무의 나이테에 대한 연구를 진행해 왔습니다.

사진1: (화살표의 처음부터) 물푸레나무 나무→줄기 단면(원판)→연륜 샘플
참고: 연륜 샘플은 절단하여 채취하는 것이 아니라 보통 5mm 직경의 코어 샘플을 채취하여 사용합니다.

연구의 특징

그 중 하나는 연륜을 계절별로 나누어 장기적인 반응을 살펴보는 연구다. 온대 지역의 나무는 겨울철에 줄기의 성장이 멈춤으로써 일 년에 한 번씩 나이테가 형성되지만, 계절에 따라 기상 조건이 달라진다(올해는 봄이 추웠지만 여름은 너무 더웠다는 식으로). 따라서 연도 단위로만 보면 어떤 기상조건에 의해 연륜이 변동했는지를 파악하기 어렵다. 우선 연륜 내에 있는 조재와 만재라는 두 부분으로 나누어 분석했습니다. 홋카이도대학 도마코마이 연구림에 서식하는 미즈나라는 나무 20개체에 대해 나이테 시료를 채취해 1970년부터 35년 동안의 나이테에 대해 조재와 만재의 폭 등을 조사했습니다. 물푸레나무의 조재 부분의 도관은 매우 크기 때문에 정밀한 스캐너로 판독하면 봄철에 만들어지는 조재와 그 이후에 만들어지는 만재로 구분할 수 있다(사진 2). 각 변수에 대한 장기적인 경향을 분석한 결과, 35년 동안 조재의 폭이 증가하고 있음을 알 수 있었습니다(그림 1). 월별 기온에 대한 경향도 살펴본 결과, 조재 형성 이전부터 형성 시기인 봄철부터 가을철까지 월별 기온이 상승하는 것으로 나타났다. 이를 통해 봄철 기온 상승으로 인해 연륜 중에도 조재 폭이 증가하는 경향이 있음을 알 수 있습니다.

한편, 봄철 기온 상승은 어떻게 조재 폭을 증가시켰을까? 광합성량이 증가했는지, 아니면 세포분열이 활발해졌는지, 성장기간이 길어졌는지 등 여러 가지 메커니즘을 생각해 볼 수 있다. 이 메커니즘을 이해하기 어렵게 만드는 것이 바로 초봄에 사용하는 저장양분의 이용이다. 초봄에는 기온이 낮거나 개엽 직후이기 때문에 잎에서 광합성이 거의 이루어지지 않아 줄기 등에 저장된 저장양분을 사용하는 것으로 알려져 있다. 저장양분을 사용하는 시기는 광합성을 통한 날씨의 영향을 거의 고려하지 않아도 되는, 즉 성장 메커니즘이 다른데, 언제까지 저장양분을 사용하는지는 아직 밝혀지지 않았다. 이를 밝히기 위해 연륜 내 안정동위원소 비율을 분석하는 연구를 진행했습니다.

동위원소란 원자번호는 같지만 질량수가 다른 원소 중 방사선 변형을 일으키지 않고 장기간 안정적으로 존재하는 것을 안정동위원소라고 합니다. 자연계에 극히 일부 존재하며, 탄소라면 자연계에 존재하는 것 중 1%는 질량수 13의 무거운 안정동위원소( ^13C )입니다. 질량수가 크기 때문에 평소보다 반응 속도가 다소 느리고, 화학반응을 거칠 때마다 물질의 안정동위원소 비율(안정동위원소 조성의 차이를 나타내는 것)이 변하게 됩니다. 즉, 일단 저장되어 있다가 사용하는 것과 광합성으로 만들어진 것을 바로 사용하는 것은 안정동위원소비가 다르기 때문에 연륜을 세분화하여 안정동위원소비를 측정하면 연륜 내 어느 부분이 저장 영양분으로 만들어졌는지를 추정할 수 있습니다. 앞서와 같은 물푸레나무를 재료로 도마코마이 연구림과 아이치대 부속 연습림의 3개 개체 각각 6~7분 연륜에 대해 각 연륜 내를 10등분 전후로 나누어 탄소, 수소, 산소의 안정동위원소비( ^δ13C, δD, ^δ18O )를 분석한 결과, 조재 부분만 안정동위원소비의 변동 패턴이 크게 다른 것을 알 수 있었습니다. 크게 다른 것을 알 수 있었습니다(그림 2). 이 패턴은 조재에서는 저장양분, 즉 전년도 이전의 광합성 산물을 사용하고 그 이후에는 당년도 광합성 산물(한 번도 저장되지 않은 것)을 사용한다는 것을 강력하게 시사한다. 이 패턴은 지역이나 연도에 따라 다르지 않았기 때문에, 미즈나라는 저장양분 위주로 조재가 형성된다는 것을 알 수 있었습니다.

이러한 점으로 미즈나래에서 조재폭이 장기적으로 증가하는 메커니즘은 광합성을 통한 요인은 아닌 것으로 판단된다. 기존 연구를 통해 겨울에 줄기를 따뜻하게 하면 줄기의 봄철 성장 시작이 빨라지는 것으로 알려져 있어, 봄철 기온 상승에 따른 성장 시작 시기의 조기화가 가장 유력한 요인으로 판단하고 있습니다. 이러한 메커니즘을 통해 기후변화에 대한 반응을 밝혀내면 향후 예측에 도움이 되는 정보를 제공할 수 있지 않을까 하는 생각으로 연구를 진행하고 있습니다.

연구의 매력

수명이 긴 나무는 온난화와 같은 장기적인 기후변화에 대해 장기적으로 변화된 반응을 보일 수 있다. 즉, 단기적인 실험에서 얻은 반응으로는 장기적인 반응을 정확히 예측할 수 없다는 뜻이다. 우리는 기후변화가 진행 중인 상황에서 나무의 반응을 알고 미래를 예측하고 온난화에 대한 적응 방안을 마련하는 데 있어 나무의 나이테가 유용한 도구라고 생각한다.

향후 전망

이번에 소개한 물푸레나무는 온난화에 따른 성장 증가 추세를 보였지만, 온난화에 대한 반응은 수종에 따라 다를 수 있다. 같은 너도밤나무과 수종인 너도밤나무에서 비슷한 안정동위원소 비율을 분석한 결과, 물푸레나무와는 전혀 다른 패턴을 보였다. 이러한 성장 메커니즘의 다양성과 온난화 반응의 차이를 더 밝혀내고자 합니다.

이 연구를 희망하는 사람들에게 메시지

나무는 수백 년, 때로는 수천 년 동안 계속 자라며 수십m 또는 100m에 가까운 크기로 자라기도 한다. 이러한 나무의 수명과 크기는 다른 생물과 크게 다르며, 이러한 점이 복잡한 구조와 풍부한 생물 다양성, 지속 가능한 생태계인 ‘숲’을 만들어 낸다. 이 외에도 트리 클라이밍을 통해 수십m 높이의 나무 꼭대기에 접근해(사진 3) 나무의 크기 자체에 감탄하기도 하고, 반대로 땅 위를 지나가는 나무의 아기인 ‘새싹'(사진 4)을 살펴보며 어떤 큰 나무도 여기서부터 시작되구나 하는 감탄에 빠지기도 한다. 연구를 하고 있습니다. 크고 수명이 길고 종도 다양한 ‘나무’라는 생물을 좋아하는 분, 관심이 있는 분, 더 알고 싶은 분을 기다리고 있습니다.