2.5 기후 요인
– 기온, 수분, CO₂ 변화가 광합성에 미치는 영향
광합성은 수목이 생존하고 성장하기 위해 반드시 필요한 생리 작용입니다.
빛만으로 이루어지는 것처럼 보이지만, 실제로는 기후 환경 요인(온도, 수분, CO₂ 등)이
광합성 속도와 효율에 큰 영향을 미칩니다.
이러한 요인들은 기후변화 시대에 점점 더 불확실해지고 있으며,
수목의 생장과 탄소 흡수 능력, 생리적 스트레스 반응을 분석하기 위해
수목생리학에서는 기후요인과 광합성의 관계를 정밀하게 다루고 있습니다.
1. 온도(Temperature)와 광합성
광합성은 온도에 민감한 효소 반응에 의존합니다.
특히 암반응에서 작용하는 RuBisCO 효소는 온도 조건에 따라 반응 속도가 달라집니다.
광합성의 두 단계 중 명반응은 태양의 전자기파 에너지를 받아들이는 단계이기 때문에 온도의 영향을 적게 받지만
암반응은 효소에 의한 생화학적 이산화탄소 고정 과정이기 때문에 온도의 영향을 받습니다.
▶ 최적 온도 구간
- 대부분의 수목은 25~30℃에서 광합성 속도가 최고치에 이릅니다.
- 온도가 너무 낮으면 효소 활성이 떨어지고,
- 너무 높으면 광계 손상, 기공 폐쇄, 호흡량 증가 등으로 오히려 에너지 손실이 발생합니다.
온대지방에서 자라는 목본식물은 15~25℃사이에 최대의 광합성을 수행하는데, 임관 위치한 양엽은 25℃가 최적온도입니다.
그늘 속의 음엽은 20 ℃가 최적온도입니다. 그러나 20℃에서 30℃로 온도를 높이더라도 광합성량에는 큰 차이가 없습니다.
이 온도 범위에서 공기 중의 이산화탄소 농도가 0.04%로 낮아서 광합성 제한 요소로 작용하기 때문입니다.
고산성 수목은 -6℃에서 광합성이 가능하고 최적온도가 15℃에 가까운데, 엥겔만가문비나무의 경우 잎의 온도를 높이기 위해
침엽이 빽빽이 모여 있어 광합성률을 36%까지 증가시킵니다.
열대식물의 경우 30~35℃에서 최대치를 볼 수 있고, 사막의 관목은 30℃에서 볼 수 있습니다.
고산지대로 갈수록 광합성 최적온도가 내려갑니다.
기온이 높아질 때 광합성 효율이 떨어지는 현상은 광합성 자체가 감소하면서 암흑 호흡량뿐만 아니라 광호흡도 증가하기 때문입니다.
35℃ 이상이 되면 광합성보다 호흡이 더 활발해져 탄소 손실 상태(에너지 적자)가 될 수 있습니다.
식물이 고온에 노출되면 엽록체가 제 기능을 상실합니다. 틸라코이드막, 루비스코, 루비스코 활성화효소의 불활성화,
수용성 잎 단백질 감소가 일어나서 광합성이 제대로 진행되지 못합니다.
2. 수분(Water)과 광합성
수분은 잎에서 증산작용, 기공 개폐 조절, 광계 안정 유지, 광분해 작용 등 광합성 전 과정에서 핵심 역할을 합니다.
▶ 수분 부족 시 영향
수분부족은 엽면적을 감소시키고, 기공을 폐쇄시키며, 심하면 원형질 분리를 일으킬 수 있습니다.
| 현상 | 결과 |
| 기공이 닫힘 | CO₂ 공급 차단 → 암반응 정지 |
| 잎의 수분압 저하 | 엽면적 축소, 광 흡수 감소 |
| 광계 II 손상 | 광합성 저하 및 광산화 스트레스 증가 |
| 수분 스트레스 지속 | 잎 낙화, 생장 정지, 조직 괴사 |
여름철 가뭄 시 기공이 닫히면 광합성이 멈추고, 호흡은 계속되어 수목의 에너지 적자가 심화됩니다.
온대지방에서 자라는 중생식물은 약간의 수분부족으로도 광합성이 감소됩니다.
▶ 수분 과다(침수)
토양 내 산소공급을 차단하여 토양이 산소부족 상태에 놓이게 되고 뿌리호흡을 방해하기 때문에 광합성이 감소됩니다.
침수에 예민한 수종인 백자작나무는 2주간의 침수기간 내내 기공이 닫혀 있는 반면, 저항수종인 낙우송과 버드나무는 침수 초기에
기공이 닫지만 곧 기공이 열려 회복이 가능합니다.
그러나 장기간 침수가 지속되면 광합성은 거의 중단됩니다.
광합성 효소, 엽록소 함량, 엽면적이 모두 감소하며, 조기낙엽으로 나무가 죽기도 합니다.
3. 대기 중 CO₂ 농도와 광합성
이산화탄소(CO₂)는 광합성의 핵심 원료입니다.
대기 중 CO₂ 농도가 증가하면, 일정 수준까지는 광합성 속도도 함께 증가합니다.
▶ CO₂ 농도와 반응
| CO₂ 농도 | 광합성 반응 |
| 낮음 (300~400ppm) | 광합성 제한 |
| 중간 (500~700ppm) | 광합성 속도 향상 |
| 매우 높음 (800ppm 이상) | 포화 상태 → 반응 증가 정체 |
IPCC 보고서에 따르면,
대기 중 CO₂ 농도 증가가 일시적으로 광합성을 촉진시킬 수 있으나,
온도 상승·수분 부족 등 복합적인 환경 요인과 겹칠 경우 효과가 상쇄됩니다.
4. 수목의 기후 반응 특성과 종 차이
기후 요인에 대한 광합성 반응은 수종마다 다릅니다.
따라서 생장 예측, 조경 설계, 산림 조성 시 기후 반응형 수종 선택이 중요합니다.
| 수종 예시 | 특징 |
| 소나무류 | 고온·건조에도 광합성 유지 능력 우수 |
| 단풍나무 | 저온·고습 환경에서 광합성 효율 높음 |
| 은행나무 | 광포화점 높고, CO₂ 농도 반응 민감 |
| 느티나무 | 고온 지속 시 광합성 효율 급감 |
5. 실무 적용: 기후 요인을 반영한 광합성 분석
수목생리학은 기후요인을 반영하여 광합성 기반 생장 예측 모델을 구축합니다.
이는 다음과 같은 분야에 활용됩니다:
① 도시 조경
- 열섬 지역: 고온·건조에 강한 수종 선택 → 소나무류, 은행나무 적합
- 음지 지역: 광보상점이 낮고, 고습 환경에서도 광합성 가능한 수종 고려 → 단풍나무, 층층나무 등 저온광합성 수종 유리
② 산림 경영 및 기후 대응형 조림
- 미래 기후 예측 모델에 따라
고온에 적응 가능한 수종을 조기 식재 → 느티나무 등 고온 민감 수종은 주의 필요 - CO₂ 농도 증가에 따른 탄소 흡수 능력 시뮬레이션 → 은행나무 같은 고반응성 수종 추천
광합성은 단지 빛만으로 이뤄지는 작용이 아닙니다.
기온, 수분, CO₂ 농도 등 다양한 기후 요인이 복합적으로 작용하여
그 속도와 효율이 결정됩니다.
- 온도가 최적 구간을 벗어나면 효소가 작동하지 않고
- 수분이 부족하면 기공이 닫혀 CO₂ 흡수가 멈추며
- CO₂ 농도가 높아지면 잠시 반응 속도가 증가하지만,
다른 조건과의 균형이 맞지 않으면 오히려 손실로 이어질 수 있습니다.
수목생리학은 이러한 변수들을 통합적으로 이해하고,
수목의 건강, 생장, 생존 전략을 세우는 데 중요한 과학적 기반을 제공합니다.
'수목생리학 > 광합성과 에너지 생성' 카테고리의 다른 글
| 2.4 광의 세기·파장과 광합성 속도 (1) | 2025.06.22 |
|---|---|
| 2.3 광포화점과 광보상점 (0) | 2025.06.22 |
| 2.2 광합성 화학 반응식과 그 의미 (4) | 2025.06.21 |
| 2.1 엽록체와 광계의 구조 (3) | 2025.06.21 |
