지면 생태계 모델을 이용한 전 지구 육상 생태계 탄소저장시간의 변화 평가

Abstract

탄소저장시간(Carbon residence time, τ)은 탄소가 광합성을 통해 지면으로 들어가 식물 및 토양의 호흡을 통해 대기 중으로 빠져나가는데 까지 걸리는 시간으로서 지면의 탄소 흡수 및 방출량을 결정하는 중요한 변수이다. 따라서 기후 변화에 대한 지면 탄소 순환의 반응을 이해하기 위해서는 전 지구적 규모에 대한 탄소저장시간의 장기 변화를 이해하는 것이 중요하다. 본 연구는 지면 모형 간 탄소 플럭스 비교 프로젝트인 TRENDY-v6의 11개 육상 생태계 모델로부터 산출된 자료를 이용하여 1960년부터 2016년까지 전 지구 육상 생태계의 탄소저장시간 장기 변화를 분석하였다. 이를 위해 모델이 모의하는 총일차생산량(Gross Primary Production, GPP), 자가호흡량(Autotrophic respiration, Ra), 타가호흡량(Heterotrophic respiration, Rh), 순생물상생산량(Net Biome Production, NBP)과 같은 생태계의 탄소 흡수 및 방출량을 나타내는 변수들(Carbon flux)과, 식생 탄소(Carbon in Vegetation, cVeg) 및 토양 탄소(Carbon in Soil, cSoil), 낙엽낙지 탄소(Carbon in Litter, cLitter)과 같은 탄소 저장고(Carbon pool) 변수들, 총일차생산량과 호흡 및 순생물상생산량의 차이인 생태계교란(Disturbance)의 변화를 분석하였다. 본 연구는 TRENDY 지면 생태계 모델의 지면 탄소 순환 모의 능력을 검증하기 위해 다양한 관측을 기반으로 통계적인 방법을 이용해 전구의 탄소 플럭스를 모의한 CARDAMOM(CARbon Data MOdel fraMework) 자료를 관측 자료로 활용하였다. TRENDY에서 제공하는 모델 결과 중 관측과 유사한 결과를 보여주는 모델을 선정하기위해 관측과 모델에서 모의하는 탄소저장시간의 기후값과 장기변화를 이용한 Emergent constraints 분석을 이용하여 7개 지면 생태계 모델의 결과만을 탄소저장시간의 장기 변화 분석에 활용하였다. 1960년부터 2016년까지에 대한 탄소저장시간의 기후값(Climatology)은, 저위도(〖21.9〗_(-16.1)^(+23.3)년, 0-30°N) 및 중위도 지역(〖26.6〗_(-10.1)^(+11.5)년, 30-60°N)에 비해 고위도 지역(〖104.8〗_(-66.6)^(+66.7)년, 60-90°N)에서 길게 나타났다. 같은 기간에 대하여 전구 평균 된 탄소저장시간의 장기 변화(Trend)를 살펴본 결과 10년에 약 1.48년만큼 줄어드는 것(-0.148 yr yr-1)으로 나타났다. 위도 별로 평균 된 탄소저장시간의 장기 변화를 살펴본 결과 저위도(0-30°N) 및 중위도 지역(30-60°N)에서 10년에 약 0.11년(-0.011 yr yr-1), 0.88년(-0.088 yr yr-1), 그리고 고위도 지역에서 약 3.48년만큼 줄어드는 것(-0.348 yr yr-1, 60-90°N)으로 나타났다. 모델이 모의하는 탄소저장시간의 변화가 고위도에서 두드러진 이유를 살펴본 결과, 고위도 지역의 탄소 플럭스와 탄소 저장고의 변화가 종합적으로 탄소저장시간을 감소시키는 것으로 나타났다. 실제 모델에서 탄소저장시간과 관련한 모든 변수들은 증가하는 경향을 보였는데 자가호흡량은 0.782 g C m-2 yr-1, 타가호흡량은 0.557 g C m-2 yr-1, 생태계교란은 0.11 g C m-2 yr-1, 식생 탄소는 3.553 g C m-2 yr-1, 토양 탄소는 2.922 g C m-2 yr-1 인 것으로 나타났다. 결과적으로 지난 57년의 기후 변화가 식생 및 토양의 탄소 흡수 활동을 모두 활발하게 만들었지만, 대기 중으로 빠져나가는 탄소 플럭스의 변화가 더 민감하게 나타났기 때문에 탄소저장시간이 감소한 것으로 여겨진다. 본 연구는 여러가지 다른 지면 모델을 이용하여 고위도 지역의 탄소저장시간이 감소한다는 것을 밝혔다. 현재 고위도 지역은 막대한 양의 탄소가 토양에 묻혀 있기에(Belshe et al. 2013; He et al. 2016), 기후 변화에 따라 탄소저장시간이 감소한다는 것은 지면에서 대기 중으로 탄소가 빠져나갈 수 있는 확률이 높아진다는 것을 의미한다. 따라서 전 지구 지면 탄소 순환을 이해하는데 있어 고위도 육상 생태계의 역할을 이해하는 것이 중요함을 시사한다.

Carbon residence time in terrestrial ecosystems resulting from interactions between climate and ecosystem is one of important factor to regulate the feedback between terrestrial carbon cycle and climate change. In this study, we analyzed the global scale carbon residence time of terrestrial ecosystem for the period 1960-2016 by using carbon fluxes and pools from terrestrial ecosystem models in TRENDY-v6. We used Emergent constraints method to find models which have similar results with observation and only the results of 7 models were used for the analysis of long-term changes in carbon residence time. By having mean of terrestrial ecosystem models, we found carbon residence time has been decreased by 1.48 years in a decade on global average. The strong reducing residence time has occurred at high-latitude regions(-0.348 yr yr-1, 60-90°N) rather than low(-0.011 yr yr-1, 0-30°N) and mid-latitude regions(-0.088 yr yr-1, 30-60°N). Investigating why the change in carbon residence time simulated by the model is prominent at high latitude, the results show that changes in carbon fluxes and carbon pools at higher latitudes played an important role in reducing carbon residence time. All variables related to carbon residence time showed the increasing trend (Autotrophic respiration : 0.782 g C m-2 yr-1, Heterotrophic respiration : 0.557 g C m-2 yr-1, Disturbance : 0.11 g C m-2 yr-1, Carbon in vegetation : 3.553 g C m-2 yr-1, Carbon in soil : 2.922 g C m-2 yr-1). As a result, climate change over the past 57 years led both vegetation and soil activity to be more active, however carbon residence time would be decreased due to the higher increase rate of carbon flux into the atmosphere. In this study, we found that carbon residence time was reduced in high latitudes using several different terrestrial ecosystem models. Since vast amounts of carbon stored in high-latitude regions, a decrease in carbon residence time due to climate change means a higher probability of carbon emission from the ground to the atmosphere. Therefore, the present study suggests that it is important to understand the role of terrestrial ecosystems in high-latitude in understanding the global terrestrial carbon cycle.