22. 생지화학적 순환

앞에서 순 1차 생산력과 분해 과정에 의해 추진되는 생태계 내 영양소의 내부 순환에 대해 알아보았다. 생태계 내에서 일어나는 영양소의 내부 순환은 생물학적 과정에 의해 추진된다. 그러나 생태계에서 일어나는 모든 영양소 이동이 생물학적으로 중재되는 것은 아니다. 많은 화학반응이 생태계의 대기, 물, 토양, 모래 등의 비생물적 구성요소에서 일어난다. 암석과 광물이 풍화되면 토양과 물로 특정 원소가 방출되어 식물이 흡수할 수 있다. 번개 에너지는 대기의 질소 분자와 물로부터 적은 양이기는 하지만 암모니아를 생산하여 수생태계와 육상생태계에 질소가 유입되게 한다. 한편, 예를 들어 해양환경에서의 탄산칼슘 침전과 같은 다른 생태적 과정들은 작동 중인 내부 순환 과정에서 원소를 제거한다. 각 원소 나름의 사연이 있지만, 모든 원소는 물지구 화학환으로 알려진 다소 순환적인 통로 내에서 생태계의 비생물 구성요소에서 생물 구성요소로, 그리고 다시 비생물 구성요소로 흘러간다. 앞 장에서 흡수와 분해의 생물적 과정들에 의해 주도되는 내부 순환을 논의했는데, 이 장에서는 보다 다양한 생물적, 비생물적 과정들을 모두 포함함으로써 생태계를 통한 영양소 흐름에 대한 우리의 시야를 넓힐 것이다. 또한 몇 가지 주요 물지구 화학환에 대해 자세하게 공부할 것이다. 22.1 물지구 화학환에는 두 가지 주요한 유형이 있다. 물지구 화학환에는 기체형과 퇴적물 형, 두 가지 기본형이 있다. 이러한 분류법은 생태계로 유입되는 영양소의 가장 주요한 공급원에 근거한 것이다. 기체형 순환에서 영양소의 주요 풀은 대기와 해양이다. 이런 이유로 기체형 순환은 훨씬 더 지구적 차원으로 일어난다. 생명에 가장 중요한 기체는 질소와 산소, 이산화탄소이다. 각각 대기의 78%, 21%, 0.03% 수준에서 안정적으로 유지되고 있는 이 세 기체는 지구 대기의 지배적인 구성요소이다. 퇴적물형 순환에서 주요 풀은 토양과 암석, 광물이다. 생물에 필요한 무기원소는 원래 무기적 근원으로부터 온다. 생물이 이들을 이용할 수 있으려면 토양 수분이나 호수, 하천, 바다에 녹아 있는 염 형태로 존재해야 한다. 무기물 순환은 원소마다 다르지만, 기본적으로 암석 형태나 염 용액 형태의 두 형태로 이루어져 있다. 무기염은 풍화로 지구의 지각으로부터 직접 나온다. 그다음 수용성 염은 물순환으로 들어간다. 무기염은 물과 함께 토양을 지나 하천과 호수로 이동하며, 궁극적으로 바다로 이동해 그곳에서 무한정 머무른다. 다른 염들은 퇴적 과정을 통해 지구의 지각으로 돌아간다. 그들은 그곳에서 암염층과 굴뚝, 석회암과 통합한다. 풍화된 다음, 그들은 다시 순환된다. 퇴적물 순환에는 종류가 많다. 황 순환과 같은 순환은 기체형 순환과 퇴적물형 순환의 중간형인데, 이것은 황의 주요 풀이 지구의 지각과 대기 모두에 있기 때문이다. 인의 순환과 같은 또 다른 순환에는 중요한 기체형 풀이 없다. 암석에서 원소가 방출되어 바닷속의 얕고 깊은 퇴적물 모두에 침전된다. 기체형 순환과 퇴적물형 순환은 생물적 과정과 비생물적 과정을 포함한다. 두 순환은 생태계를 통한 에너지 흐름에 의해 추진되고, 또 물순환과 관련되어 있다. 물은 원소와 그 밖의 물질이 생태계를 관통하여 이동하는 매질이다. 물이 순환되지 않으면 물지구 화학환도 멈출 것이다. 독립영양생물과 종속영양생물이 필요로 하는 다양한 필수영양소의 물지구 화학환은 세부 내용에서 서로 다르다. 그러나 생태계 관점에서 모든 순환은 유입, 내부순환, 유출이라는 세 가지의 기본 구성요소를 갖는 공통 구조를 갖고 있다. 22.2 영양소는 유입을 통해 생태계로 들어간다. 생태계로의 영양소 유입은 물지구 화학환 유형에 따라 다르다. 탄소나 질소처럼 기체형으로 순환하는 영양소는 대기를 통해 생태계로 들어간다. 이에 비하여 퇴적물 형으로 순환하는 칼슘과 안 같은 영양소의 유입은 암석과 광물의 풍화에 의존한다. 토양 형성 과정과 그에 따른 토양의 특성은 영양소 반출과 유지에 관여하는 과정에 큰 영향을 준다. 토양으로 보충되는 영양소는 비와 눈, 바람, 동물에 의해 운반된다. 강수는 상당한 양의 영양소를 가져오는데, 이것을 습성 강하 물이라 한다. 이런 영양소 중 작은 먼지 크기인 칼슘이나 바닷소금 같은 영양소의 일부는 빗방울의 핵을 형성한다. 다른 것들은 강우로 대기에서 씻겨 없어진다. 공기 중의 입자와 에어로졸에 의해 들어오는 영양소는 통틀어 건성 강하 물이라고 한다. 숲의 임관에 내리는 빗물의 70!90%는 임상에 도달한다. 빗물이 임관 부를 적시고 가지와 줄기를 흐르면서 잎과 가지에서 용탈된 영양소와 함께 그 위에 쌓여 있던 먼지 속의 영양소도 운반한다. 따라서 임상에 내리는 빗물에는 같은 시간 동안 공간에 내리는 빗물보다 칼슘, 나트륨, 칼륨뿐만 아니라 다른 영양소도 더 풍부하다. 수생생물에 대한 주요 영양원은 배수된 물과 부니, 퇴적물 형태로 주변 대지로부터 들어오는 것과 강수로부터 유입되는 것이 있다. 흐르는 수계는 그들이 흐르는 집수 유역에서 안정적으로 공급되는 죽은 유기물 유입에 크게 의존한다. 22.3 영양소 유출은 영양소가 생태계로부터 손실되는 것을 의미한다. 생태계로부터 영양소가 유출되는 것은 손실을 의미하며 영양소가 순감소 되지 않기 위해서는 유입으로 반드시 상쇄되어야 한다. 영양소 유출은 특정 생지화학적 순환에 따라 여러 방향으로 일어날 수 있다. 탄소는 살아있는 모든 생물의 호흡 과정을 통해 이산화탄소의 형태로 유출된다. 마찬가지로, 미생물과 식물에 의한 다양한 과정들도 영양소를 기체 상태로 변형시켜 영양소를 생태계로부터 대기로 이송시킨다. 이런 과정의 예는 특정 물지구 화학환을 다루는 다음 절에서 소개될 것이다.