Intensifying phosphorus limitation accelerates the global decline of the CO₂ fertilization effect

수십 년 동안 지구의 육지는 인류가 대기로 배출하는 이산화탄소의 약 3분의 1을 흡수하며 기후 변화에 맞서는 거대한 방패 역할을 해왔습니다. 이러한 능력은 과학자들이 '이산화탄소 시비 효과(carbon dioxide fertilization effect)'라고 부르는 현상에 의존합니다. 이것을 자연적인 촉진제라고 생각하면 됩니다. 대기가 더 많은 이산데이트로 채워짐에 따라, 식물들은 잎과 나무를 만드는 데 필요한 원료가 더 많아지기 때문에 일반적으로 더 빠르고 크게 성장하며, 이는 일종의 자연스러운 보너스가 됩니다. 이러한 추가적인 성장은 지구 온난화의 속도를 늦추는 데 도움을 주었습니다. 그러나 최근의 관측 결과는 이 유익한 촉진 효과가 약해지고 있음을 시사합니다. 연구자들을 밤잠 설치게 만든 질문은 바로 '왜'인가 하는 점입니다. 수년 동안 지배적인 이론은 식물들이 물이 부족해졌거나, 공기가 식물이 번성하기에 너무 건조해졌다는 것이었습니다. 하지만 새로운 연구는 이야기가 더 복잡하며, 지구가 탄소를 흡수하는 능력을 조용히 저해하고 있는, 흔히 간과되는 다른 결핍을 지목하고 있다고 말합니다.

순 얏센 대학교의 징 펑(Jing Peng)이 이끄는 연구팀은 이 약해지는 촉진 효과를 조사하기 위해 나섰습니다. 그들은 식물 성장에 관한 장기 위성 이미지와 탄소, 질소, 인이 토양과 식물을 통해 어떻게 이동하는지를 추적하는 복잡한 컴퓨터 시뮬레이션을 결합했습니다. 그들의 목표는 식물 성장의 감소가 건조한 조건 때문인지, 아니면 영양분, 특히 인의 부족 때문인지를 확인하는 것이었습니다. 인은 식물이 에너지를 저장하고 DNA를 구축하는 데 필요한 필수 미네랄이지만, 공기 중에서 끌어올 수 있는 질소와 달리 반드시 토양 속의 암석에서 채굴되어야 합니다. 연구진은 수분 스트레스가 역할을 하고 있지만, 그것이 전부는 아니라는 것을 발견했습니다. 실제로 세계 여러 지역에서 식물들은 비가 부족해서 고통받는 것이 아닙니다. 대신, 그들은 추가적인 탄소를 사용하기 위해 필요한 만큼의 인을 얻지 못해 벽에 부딪히고 있습니다.

연구는 대기 중 이산화탄소 수치가 꾸준히 상승했던 1982년에서 2015년 사이의 기간에 초점을 맞췄습니다. 연구팀은 이산화탄소가 1단위 증가할 때마다 발생하는 추가적인 식물 성장의 양을 측정했는데, 이 비율은 전 세계적으로 감소하고 있었습니다. 그들은 이 감소가 인의 제한이 더 심해지고 있는 특정 지역에서 가장 빠르게 일어나고 있음을 발견했습니다. 열대 지방과 북부 고위도 지역을 포함하는 이 지역들은 이산화탄소 100ppm 증가당 약 2.28%의 비율로 이산화탄소 시비 효과가 약화되었습니다. 이는 세계 평균보다 약간 빨랐으며 다른 지역보다 눈에 띄게 빨랐습니다. 결정적으로, 연구진은 이 특정 지역들의 기상 데이터를 확인한 결과, 이 지역들이 세계의 다른 지역들보다 더 가혹한 가뭄이나 더 높은 기온을 경험하고 있지 않다는 것을 발견했습니다. 어떤 경우에는 기후가 오히려 더 온화하기도 했습니다. 이러한 불일치는 식물 성장의 빠른 감소를 날씨 탓으로 돌릴 수 없음을 의미했습니다.

식물 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 이해하기 위해, 연구진은 잎의 화학적 균형을 살펴보았습니다. 그들은 성장 촉진 효과가 가장 빠르게 사라지는 지역에서 잎 속의 질소 대비 인의 비율이 심각한 부족을 나타내는 방식으로 변화하고 있다는 것을 발견했습니다. 식물들이 추가적인 이산화탄소로 인해 더 빨리 성장하려고 함에 따라 더 많은 인을 요구했지만, 토양은 이를 충분히 공급하지 못했습니다. 이것이 병목 현상을 일으켰습니다. 컴퓨터 시뮬레이션은 이러한 영양분 부족이 공기의 건조함만큼이나 식물 성장에 강력한 제약 요인이 되고 있음을 보여주었습니다. 이러한 인 제한 구역에서는 영양분 부족이 추가적인 이산화탄소의 이점을 사실상 상쇄하고 있었습니다. 식물들은 성장하려고 노력하고 있었지만, 자신의 몸을 구성하는 데 필요한 필수 재료가 떨어지고 있었던 것입니다.

이러한 발견의 영향은 숲의 유형에 따라 다릅니다. 연구는 북부 고위도 지역에서 흔히 볼 발견되는 혼합림이 가장 취약하다는 것을 보여주었습니다. 이 지역에서는 이산가탄소 증가에 따른 식물의 성장 활용 능력이 탄소 100ppm 상승당 거의 5% 가까이 감소했습니다. 반면, 인이 부족한 토양에 수백만 년 동안 적응해 온 열대 지방의 상록 활엽수는 훨씬 적은 감소를 보였습니다. 이 열대 나무들은 인을 효율적으로 재활용하는 영리한 전략을 개발하여 성장 우위를 더 오래 유지할 수 있었습니다. 그러나 북부 숲에서의 급격한 감소는 중대한 우려 사항인데, 왜냐하면 이 생태계들이 현재 전 세계 탄소 흡수원의 주요 동력이기 때문입니다. 만약 이들의 탄소 흡수 능력이 예상보다 빠르게 약화된다면, 지구의 자연적인 방어 체계는 이전에 생각했던 것보다 덜 견고해질 것입니다.

연구진은 또한 살아있는 나무에서 죽은 잎, 그리고 그 아래의 토양에 이르기까지 전체 생태계를 통한 영양분의 흐름을 추적했습니다. 그들은 모든 풀(pool)에서 탄소 대비 인의 비율이 증가하고 있다는 것을 발견했는데, 이는 탄소가 인보다 훨씬 빠르게 시스템에 축적되고 있음을 의미합니다. 이 불균형은 자기 강화적인 순환을 시사합니다. 즉, 식물이 성장함에 따라 더 많은 탄소를 가두어 두지만, 그 성장을 유지하는 데 필요한 인은 계속 희귀하게 남는 것입니다. 땅으로 떨어지는 죽은 잎들은 탄소는 풍부해지지만 인은 더 빈약해지고 있으며, 이는 분해 과정을 늦추고 영양분이 토양으로 돌아오는 것을 더욱 제한합니다. 이는 성장이 빨라질수록 결국 성장을 지속하는 데 필요한 영양분이 더 많이 부족해지는 피드백 루프를 생성합니다.

이 연구는 물이 지구가 흡수할 수 있는 탄소량의 일차적인 제한 요소라는 오랜 가설에 도전합니다. 건조함도 분명 중요하지만, 연구는 많은 곳에서 진짜 병목 현상은 인의 가용성이라는 것을 나타냅니다. 저자들은 미래의 기후 변화를 예측하는 데 사용되는 현재의 컴퓨터 모델들이 이러한 역동적인 영양분 순환을 간과하는 경우가 많다고 제안합니다. 인의 제한이 시간이 지남에 따라 심화되는 과정을 고려하지 못함으로써, 이 모델들은 향후 수십 년 동안 지구의 숲이 저장할 수 있는 탄소량을 과다하게 추정할 수 있습니다. 만약 지표면이 우리가 희망하는 만큼 탄소를 흡수할 수 없다면, 대기 중 이산화탄소 농도는 더 빠르게 상승하여 더 빠른 온난화를 초래할 것입니다. 이 연구 결과는 지구의 시스템이 매우 밀접하게 연결되어 있으며, 기후라는 퍼즐을 풀기 위해서는 공기와 물뿐만 아니라 우리 발밑의 보이지 않는 토양 화학에도 주목해야 한다는 점을 상기시켜 줍니다.