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기후위기의 근본 원인으로 탄소, 질소 등 생물을 구성하는 핵심 물질의 생태계 과잉이 손꼽힌다. 이 물질들이 생태계의 순환 과정에서 어떻게 재분배되고, 어떤 영향을 미치는지에 관한 기초과학 연구가 기후위기에 대처하는 노력의 기반이 되어야 한다.
《기후변화와 생태계 물질순환》은 과정기반 모델을 비롯한 여러 적합 모형을 통해 기후변화와 물질순환의 현황을 살펴보고, 기후위기 해결을 위한 연구 방향을 제시하는 책이다.

지구시스템을 토대로
생태계 물질순환 기초연구의 방향성을 제시하다
2018년 기준, 국내의 생태계 보전 및 복원 분야 연구 수준은 응용 분야에서는 우수한 반면, 기초 분야에서는 ‘보통’으로 생태계 기초연구가 부족한 상황이다. 마땅한 이론서 또한 찾아보기 힘들다. 이는 비단 우리나라만의 상황은 아니다. 대부분의 국가에서, 그리고 전 지구 차원의 전략에서조차 기후변화 대응은 생태계 물질순환 기초과학에 기반하지 못하고, 사회정치적 필요 및 절실함에 따라 마련되고 있다.
회복탄력적 생태계 연구를 특성화하여 지속가능한 사회에 기여하기 위하여 설립된 고려대학교 부설 오정리질리언스연구원은 환경 및 기후위기의 근본 원인을 생태계의 물질순환 고리가 훼손되었거나 단절된 것으로 보고, 이를 회복시키는 것을 위기 극복의 단초라 여겼다. 그를 위한 ‘생태계 물질순환’ 기초과학에서는 생태계 물질순환 기작에 대한 이해, 현장 중심의 모니터링, 자료 분석 및 모델링 등이 유기적으로 통합되는 연구 기반을 갖추는 것이 중요하다고 여겼다. 그리고 2021년 한국연구재단의 기초과학 중점연구소에 ‘환경 및 기후위기 대응을 위한 생태계 물질순환 기초과학’의 연구과제에 선정되었다.
《기후변화와 생태계 물질순환》은 9년간 진행되는 연구의 1단계 3년을 갈무리하며 정리한 물질순환 연구의 중요성과 방향성을 담은 이론서이다. 저자들은 대기와 해양, 육지가 서로 영향을 주고받는 지구시스템을 연구의 기초로 삼아 기후변화로 인한 현상과 해법을 찾기 위한 연구 방향을 제시하고 있다.

단계적 접근, 풍부한 시각자료로
개념부터 최신 연구결과까지 모두 담다
《기후변화와 생태계 물질순환》은 주제를 3개의 장으로 나누어 단계적으로 접근하며 논리와 연구 결과를 쌓아가며 생태계 물질순환 연구에 대한 방향성을 제시한다.
우선 1장에서는 기후변화의 원인, 현황, 시나리오 등을 다루어 기후변화에 대한 이해를 도모하고자 하였다. 댜양한 연구 결과를 바탕으로 부문별, 지역별, 기후변화 현황과 국내 피해현황을 상세하게 소개한다. 2장에서는 기후 및 환경변화와 밀접한 관련이 있는 탄소, 물, 질소, 인, 황, 플라스틱 등의 순환을 IPCC 등의 보고서 및 문헌을 종합해 소개하였다. 이어서 3장에서는 물질순환을 일반화할 수 있는 모형을 소개하면서 한반도에서의 적용가능성을 제시한다.
《기후변화와 생태계 물질순환》은 국내외의 다양한 연구결과를 소개하는 한편 함께 표와 그래프, 인포그래픽 등 시각자료를 다양하게 첨부해 최신 연구 경향과 흐름에 대한 이해를 돕는다.
물질의 흐름을 통해 지구시스템 전체에 주고받는 영향에 집중한 책의 내용을 걸맞는 만듦새로 제작했다. 지식책으로써 쓰임을 다한 후 책의 물성이 생태계 안에서 잘 순환되는 방식으로 제작하기 위해 표지에 비닐 코팅을 하지 않았다. 재생 펄프와 비목재 펄프 함량이 높은 종이를 사용했으며, 띠지도 생략했다. 표지는 색지에 인쇄해 잉크 사용량을 줄였다.

윤순진(서울대학교 환경대학원장, 전 2050탄소중립위원회 민간위원장)
우리의 시야를 지구시스템 전체로 넓어지게 하고, 더욱 큰 그림 속에서 상호연결된 문제로 기후위기를 인식할 수 있게 하는 책이다.

김호(한국기후변화학회장, 서울대학교 교수)
물질순환을 이해하는 것이야말로 기후변화 대응을 위해 꼭 필요한 일이다.

김상협(탄소중립녹색성장위원회 공동위원장, KAIST 부총장)
인간의 생활 자체가 기후변화의 동인이 되고 있음을 체계적으로 파헤치는 책이다. 특히, 비료 남용으로 질소 배출 과잉이 가져온 생태계의 물질순환 파괴에 주목한다.

전의찬(세종대 교수, 전 2050 탄소중립위원회 기후변화위원장)
기후변화와 관련된 주요 물질의 순환에 관한 저자들의 연구 결과를 집대성한 책으로 기후변화 대응에 꼭 필요한 기본 도서이다.

조명래(제18대 환경부 장관, 단국대 석좌 교수)
기후위기의 해법은 지구의 기후환경체계를 구성하는 영역 사이에 흐르는 물질과 에너지의 상호작용을 정확히 진단하는 데서부터 찾아야 한다.

유영숙(제14대 환경부 장관, (재)기후변화센터 이사장)
이 책은 생태계 물질순환 기초과학에 대한 이해, 현장 중심의 모니터링, 자료 분석 및 모델링 등이 유기적으로 통합된 연구 기반을 갖추는 것이 중요함을 인식한다.

들어가는 글: 순환의 고리를 이해해야 하는 이유

1장. 기후변화
1. 원인: 탄소순환 이상
2. 현황. 부문별, 지역별 영향
3. 전망: IPCC 시나리오에 따른 영향

2장. 생태계 물질순환
1. 6대 원소와 플라스틱
2. 현황: 물질 수지 중심

3장. 물질순환 모형
1. 모형 기초 이론
2. 평가 모형: 규모에 따른 분류
3. 물질순환시스템 연구 방향

맺는 글: 난제에서 한 걸음 나아가기를

참고자료 | 약어 | 시각자료 | 저자 소개

첫 문장:
마지막 빙하기와 함께 구석기 시대가 끝났다.

본문:
기후변화를 산업화 이후의 변화로만 보아서는 곤란하다. 농업과 식생활처럼 환경에 부정적인 영향을 미칠 것이라 인식하기 어려운 분야에서도 인간의 활동은 기후와 환경에 영향을 미쳤다. 그리고 인류사에 해당하는 매우 오랜 시간 동안 기후와 환경을 바꿔왔다. 그러므로 기후와 환경의 문제를 분석하고 해결책을 찾으려면 광범위한 연구가 기반이 되어야 한다. 인간 활동의 어느 한 부문이나 생태계의 일부만 분석한다면 원인과
결과, 다양한 요인의 상호작용을 파악하기 어렵다.
- 1장. 기후변화, 25

기상 관측 이래 지금까지도 우리나라의 지표 기온은 세계 평균 상승 속도(0.14℃/10년)보다 더 빠르게 상승(0.19℃/10년)해 왔다(박훈, 2021). 앞으로도 21세기 후반까지 열대야 발생 일수를 비롯한 극한 기후 현상이 더욱 증가할 것으로 전망된다. 특히, 기후변화에 의해 폭염 일수는 현재(2000~2019)의 연간 8.8일에서 시나리오에 따라 21세기 중반기(2041~2060)에 22~31.6일, 21세기 후반기(2081~2100)에 24.2~79.5일로 증가할 것이다(김도현·김진욱·김태준·변영화·정주용, 2022). 기후변화 시나리오 RCP8.5에 따르면 서울시의 연간 폭염 일수는 현재(2000~2019)의 15일에서 21세기 중반기(2041~2060)에는 54.7일로 무려 39.7일이 증가할 것으로 예측된다(기상청, 2022).
- 1장. 기후변화, 26

산업화(1750년 기준) 이전의 대기에는 약 5,910억 톤의 탄소가 존재했다고 추정한다. 그런데 1750년 이래 땅속에 있던 화석연료를 꺼내 연소해서 4,450억 톤을, 토양과 식물을 사용하여 그 속에 포함됐던 탄소 250억 톤을 대기 중으로 배출했다. 이 중 일부는 바닷물에 용해되고 식물의 광합성으로 식물의 일부가 되기도 했다. 현재 대기 중에는 인간의 활동으로 배출한 탄소 중 2,790억 톤이 남아있다. 이를 산업화 이전의 탄소와 합하면 대기권에서 약 8,700억 톤의 탄소가 지구온난화를 가속하고 있다.
- 2장. 생태계 물질순환, 67

최근의 연구에 따르면 기온 및 수온의 상승에 따라 남극 및 그린란드의 빙상과 고산지의 빙하가 급격히 감소하고 있어서, 육상빙하의 감소 속도는 연평균 418km3 수준에 이르는 것으로 추정된다. 증발량이 늘어남에 따라 육지의 자연 호수도 저수량이 매년 41km3, 토양 수분은 연간 11km3 감소하는 것으로 평가됐다.
- 2장. 생태계 물질순환, 85

대기 중에서 아산화질소의 농도가 증가하는 가장 큰 원인은 인간이 비료와 거름을 사용하여 자연의 질소순환을 교란하고, 농업 활동과 화석연료 연소를 통해 생태계에 활성질소를 축적했기 때문이다. 1980년부터 2019년 사이에 대기 중 아산화질소 농도는 31.0(±0.5)ppb 상승했는데, 이는 40년도 채 되지 않는 기간에 무려 10%가 증가한 것이다(IPCC,2021).
- 2장. 생태계 물질순환, 94

토양에 시비되는 인 비료의 양이 연간 620만 톤을 넘어서거나 하천에서 바다로 흘러 들어가는 인의 양이 연간 1,100만 톤을 넘어서면 생태계와 인간의 안전한 생존을 위한 지구위험한계를 넘어서는 것으로 판단한다(Richardson et al., 2023). 현재 채굴량 3,020만 톤 중 토양에 시비되는 인은 연평균 1,940만 톤으로서 지구위험한계의 3배를 초과했다(IFA, 2023).
- 2장. 생태계 물질순환, 97

황 산화물은 환경오염의 주된 우려 요소이지만, 동시에 주요 에어로졸로서 지구온난화를 완화하는 역할도 한다. 2020년 3월 선박 연료의 황 함유량 제한(IMO, 2018)이 시행되면서 전세계적으로 선박의 황 산화물 배출량이 급감했다. 대기 오염과 육지의 황 침적, 해수 오염이 감소한다는 측면에서는 좋은 신호이다. 하지만 단기간에 온실가스 배출량을 감축해서 지구온난화 속도를 낮추고 마침내는 멈추게 해야 하는 인류에는 주요 에어로졸인 황 산화물의 감소가 의도하지 않은 추가 지구온난화 요인이 되는 것이다.
- 2장. 생태계 물질순환, 112

플라스틱은 종류에 따라 다르기는 하지만, 자연 분해를 통해 절반으로 감소하기까지 육지에서 최대 5천 년, 바다에서 최대 1,200년이 걸린다. 생수병으로 널리 쓰이는 PET도 육지에서 자연 분해되어 반으로 줄어드는 데 2,500년 이상이 필요하다(Chamas et al., 2020). 그래서 매년 생산된 플라스틱은 그해에 거의 분해되지 않는다고 볼 수 있다.
- 2장. 생태계 물질순환, 117

우리가 관측하는 현상들은 실제로 벌어지고 있는 사실이지만, 모델링은 관측을 통해 평가하지 못하는 시간 및 장소 범위에 일어날 법한 현상들을 추정하는 데 활용된다. 따라서 모델링은 여러 관측 정보나 자연·생태 및 사회·경제 상황에 대한 인과관계에 따라 현실 세계를 그럴듯하게 수치적으로 모사한 모형 혹은 모델을 작성하고 분석하는 전반적인 과정을 의미한다.
- 3장. 물질순환 모형, 124

서로 다른 주요 물질 사이의 상호작용을 더 자세히 다루고, 특히 전 지구적인 변화뿐만 아니라 지역별로 서로 다른 영향을 미치는 물질순환을 더 높은 해상도로 연구해야 한다. 예를 들어, 질소와 더불어 주요 대기 오염물질인 황은 전 지구에서 대기 중 농도가 비슷하게 변화하는 이산화탄소와는 달리 지역적으로 분포가 다르다. 그래서 습식 침적 또는 건식 침적으로 육지 및 해양의 생물과 생태계에 영향을 미친다. 인공위성과 무인 해양 관측장비(ARGO 등)를 통해 전 지구적인 물질의 흐름이 어느 정도 파악할 수 있지만, 지역별·국가별 변화와 그 영향은 국가별 연구 역량 강화와 지역 내 이웃 국가들의 연구 협력을 통해 체계적이고 신속하면서도 장기간에 걸쳐 연구해야 부정적 환경 변화에 대한 정책을 제때 수립하고 시행할 수 있을 것이다.
- 3장. 물질순환 모형, 170