유네스코 생물권보전지역(Biosphere Reserve, BR)은 지속가능한 발전을 위한 배움터이다. 이곳은 기후 및 환경 변화에 따른 생태-사회시스템의 반응과 적응 과정을 이해하고 온전하게 관리하기 위한 초학문적 접근 방법을 적용함으로써, 전지구적 지속가능성의 문제에 대한 지역 차원의 해결책을 제공한다. BR 에서의 궁극적인 도전 과제는 생태계 온전성(ecosystem integrity)을 저하시키지 않으면서 생태계 서비스의 지속가능한 이용과 생물다양성의 보전을 조화시키는 것이다. 따라서 생태계 온전성의 정량적인 평가와 지속적인 모니터링이 필요하나, 온전성의 정의의 모호함과 계량의 기반이 되는 이론적 프레임워크 및 체계적인 장기 관측 자료의 부재가 걸림돌이 되고 있다.
문헌조사를 기반으로 한 생태계 온전성의 정의는 크게 두 가지 관점, 즉 (1) 기준상태(reference state) 관점과 (2) 열역학적(thermodynamic) 관점으로 요약할 수 있다. 전자의 경우 생태계의 상태가 기준상태와 비교하여 다르지 않게 보전됨을 온전성으로 정의하는 반면, 후자는 생태계가 자기-조직화(self-organization) 역량을 갖춘 상태로 정의한다. 여기서 자기-조직화란 시스템을 구성하고 있는 요소들 간의 상호작용을 통해 시스템 전체의 질서를 만들기 위해 집단 행동을 조직화 함으로써, 시스템 내부의 엔트로피 축적을 최소화하는 과정이다. 생태계의 자기-조직화는 시스템 내부에 생성된 열역학 엔트로피(entropy production, σ )와 시스템 밖으로 수송된 열역학 엔트로피(entropy transfer, J)의 비율, 즉 |J/σ|로 나타낼 수 있다. 본 연구에서는 기준상태 관점과 열역학적 관점을 함께 고려하여, 생태계 온전성을 '생태계의 자기-조직화 역량이 기준상태의 그것과 유의하게 다르지 않은 상태'로 정의하였다.
재정의된 생태계 온전성을 평가할 연구 대상지로서 유네스코 BR 의 하나인 한국 광릉 낙엽활엽수 노령림(Gwangnueng Deciduous old-growth forest in Korea, GDK)을 선택하였다. GDK 는 한국의 타워 기반의 플럭스 모니터링 네트워크(KoFlux)의 주요 관측지로서 광릉숲 BR 의 핵심구역(core zone) 내에 위치하며, 2005 년부터 열역학 엔트로피 계산에 필요한 복사 및 지표 에너지 수지와 기온을 포함한 다양한 생물기상 변수들이 현재까지 체계적으로 관측되고 있다. 본 연구에서는 GDK 가 BR 로 지정된 2010 년을 기준으로 그 이전 5 년(2006-2010 년)을 기준상태로 가정하여 자기-조직화를 정량화하고 그 특징을 파악하는 기간으로 사용하였다. 그 이후 10 년(2011-2020 년)을 5 년씩 두 기간으로 나누어 시험 기간으로 정하고 각 기간의 자기-조직화를 정량화 하여 기준상태의 그것과 비교함으로써, 'GDK 에서 생태계 온전성이 유지되고 있는가?'라는 질문에 답하고자 하였다.
분석 결과, 기준상태 기간 동안의 σ는 평균 13.8±0.4 MJ m-2 K-1 yr-1, J는 -10.4±0.5 MJ m-2 K-1 yr-1 이었고, |J/σ|는 0.76±0.01 이었다. 노령림인 GDK 는 기준상태 기간 동안 생성된 열역학 엔트로피의 74-77%를 밖으로 수송함으로써 생태계 내의 열역학 엔트로피 축적을 제어하는 일관성 있는 자기-조직화 역량을 보였다. 첫번째 시험 기간인 2011-2015 년에는 J가 일정한 반면에 σ가 지속적으로 증가하여 |J/σ|는 감소하는 경향을 보였지만 유의한 차이는 없었다. 그러나 두번째 시험 기간인 2016-2020 년에도 이러한 감소가 지속되어 |J/σ| 가 통계적으로 유의한 차이를 보임으로써, GDK 의 온전성이 최근에 저하되고 있음을 나타냈다.
자기-조직화 역량이 저하되는 원인을 파악하기 위해, 생태계의 기능과 구조를 나타내는 상태변수들의 2006-2020 년 기간의 시계열 자료와 |J/σ|의 변화 간의 상관관계를 살펴보았다. 하향단파복사 대비 순복사(즉 에너지 포획)와 생물량 대비 호흡량은 |J/σ|와 음의 상관관계를 보였고, 교목의 종다양성의 변화는 |J/σ|와 양의 상관관계를 보였다.
위 결과를 더 면밀히 검토하기 위해, σ 와 J 각각의 30 분 단위 시계열 자료에서 정보 엔트로피를 계산하여 불확정성의 변화를 살펴 보았다. 기준상태 기간에 비해 시험 기간 동안에 σ 와 J 의 불확정성이 증가하였고, 그 증가폭은 σ 가 J 보다 더 컸다. 불확정성의 증가는 자기-조직화의 감소를 의미하므로, 온전성의 저하는 내부 엔트로피의 생성과 관련된 자기-조직화가 상대적으로 더 감소했기 때문으로 보인다.
종합적으로 GDK 에서 관측된 15 년 간의 환경 변화 및 생태계의 반응을 정리하면, |J/σ|의 감소는 노령림인 GDK 에 유입 및 포획된 에너지의 증가로 인해 시스템 내의 σ 가 증가한 반면, 이를 시스템 외부로 수송하는 J 가 함께 증가하지 못한 결과였다. 강수량의 꾸준한 감소로 인한 에너지 유입의 지속적인 증가와 이에 대한 노령림의 반응이 자기-조직화 역량의 감소를 초래한 원인으로 보인다.
요약하자면, 본 연구에서는 기준상태와 자기-조직화 역량을 기반으로 생태계 온전성을 재정의하였다. BR 내 GDK 에서 15 년간 관측된 에너지 플럭스 자료를 사용하여 열역학 엔트로피를 분석한 결과, 온정성의 정량적 평가가 가능할 뿐 아니라 생태계의 총체적인 상태 변화를 지속적으로 모니터링할 수 있는 중요한 척도가 될 수 있음을 보였다. 또한 열역학 엔트로피의 시계열로부터 계산된 정보 엔트로피가 자기-조직화를 나타내는 또 다른 척도가 될 수 있음을 보였다. GDK 의 온전성 저하의 원인 구명과 이에 따른 후속 관리를 위해 지속적인 엔트로피 모니터링이 요구된다. 후속 연구로서 GDK 노령림에 대한 이러한 결과가 다른 노령림 그리고 임령과 수종이 다른 산림에서 일관성 있게 나타나는지 확인이 필요하다. 이 연구에서 제시한 온전성 평가 및 모니터링의 유용성 및 확장성이 검증된다면, '생물권 안에서 조화롭게 번영하는 사회'라는 BR 의 미션을 실현하는데 핵심 도구로 기여할 수 있을 것이다.