물이 식물에 미치는 영향
물이야말로 생물을 선택하는 가장 강력한 환경요인이다. 수 생태계와 육지 생태계는 기본적으로 물의 영향력에 따른 구분이다. 물은 생물체 내 거의 모든 생화학적 반응의 기질이 되며, 생체물질의 이동을 담당한다. 물이 없음은 곧 생명 활동이 없음을 나타내니 물이야말로 생명이다. 생물들은 물의 양과 질에 따라 다양한 형태변이와 생리적 적응력을 발달시켜 왔다. 생물을 결정짓는 요인으로써의 기능뿐 아니라, 물은 지구적인 순환을 통해 물질과 에너지, 열과 수분을 이동시키면서 다른 환경적 요인들에 두루 영향을 미친다.
식물 생장과 관련해서 물의 역할은 식물의 형태를 유지하는 물리적인 지지력을 주고, 생화학적 과정, 특히 광합성에 필요한 수소를 제공하며, 각종 생리적 대사반응에 관여하고, 양분을 녹여내어 식물에게 전달해 주는 매질이 된다는 등을 정리할 수 있다.
식물이 물을 흡수하는 기관은 뿌리가 절대적이다. 뿌리는 토양 속의 물을 흡수해서 몸의 각 기관으로 보낸다. 식물에 의한 수분 흡수는 크게 수동흡수와 능동흡수로 나눈다. 수동흡수는 잎에서의 증산작용의 힘에 의해 목부도관에 장력이 생기면서 나무뿌리가 수동적으로 수분을 흡수하는 것으로, 전체 수분 흡수의 90% 이상을 차지한다. 이 때 에너지 소모는 없다. 물의 수동흡수와 관련해서 뿌리 신장이 절대적으로 중요한데, 뿌리는 정적인 것이 아니라 수분을 차지하기 위해 끊임없이 생장하는 조직으로, 토양에서 뿌리로의 수분 이동은 수 밀리미터의 극히 짧은 거리로 일어난다. 따라서 뿌리의 광범위한 세력 확대가 중요하다.
최근에는 토양의 수분 상태를 나타내는 개념으로 수분포텐셜이라는 것을 사용한다. 수분포텐셜은 일과 관련되어 있기 때문에 압력이 아니라 에너지 개념이다. 토양 속의 물은 풀장의 물보다 자유롭게 이동하지 못한다. 기본적으로 고여 있는 물의 수분포텐셜을 0으로 기준 잡았기 때문에 풀장의 물보다 자유롭지 못한 물의 에너지는 음의 값을 갖고, 음의 값이 클수록 에너지는 낮아지고 따라서 일을 할 능력은 작아진다. 아주 쉽게 말해 수분함량이 낮ㅇ르수록, 토양입자에 단단하게 고정된 물일수록 일을 할 능력은 자고, 물을 끌어내기 위해서는 더 많은 압력이 가해져야 한다는 것이다. 결국 물은 수분포텐셜이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다.
한낮에 수목이 물을 흡수하는 원리는 수분포텐셜 구배에 의해 잘 설명된다. 즉, 대기는 매우 건조하고 따라서 수분포텐셜이 낮다. 뿌리가 있는 토양에서 뿌리, 줄기, 잎, 대기로 이어지는 수분포텐셜 구배는 토양으로부터 대기로의 물의 이동을 끈다.
수분포텐셜에 의한 수분의 이동은 식물의 기공이 닫히는 야간에 재미있는 현상을 나타낸다. 즉 기공이 열린 낮 동안에는 잎으로 끌어올려진 수분이 대기 중으로 증산될 수 있지만, 야간에는 기공이 닫혀 있기 때문에 수분의 이동이 막힌다. 이때는 상대적으로 수분포텐셜이 낮은 지표면으로 식물의 뿌리조직으로부터 수분이 방출된다. 결국 나무는 토양 깊은 곳의 물을 끌어올려 토양표면에 풀어 놓음으로써 뿌리가 얕은 초본들이 이용할 수 있도록 하는 것이다. 놀라운 숲의 공동체라고 볼 수밖에 없다.
능동흡수는 목본식물의 경우 낙엽수가 증산작용을 하지 않는 겨울철에 뿌리의 삼투압에 의해 수분을 흡수하는 것이다 . 초본식물의 경우에는 증산작용을 하지 않는 야간에 뿌리 내에 무기염을 축적하여 뿌리의 삼투압에 의하여 토양의 수분이 뿌리 속으로 이동한다. 식물세포에 의한 선택적인 무기염의 축적으로 식물의 삼투포텐셜이 증가되고, 삼투현상에 의해 수분은 무기염과 함께 뿌리로 이동한다. 따라서 이때는 에너지가 소모된다.
이 밖에 식물은 안개나 강수, 이슬의 일부를 잎의 기공을 통해 흡수하기도 한다. 또한 착생식물(난초과, 이끼류, 지의류, 일엽초, 바위손등)은 대기 중으로부터 수분과 무기염을 직접 흡수하는데, 이들 식물들은 공중 습도가 특히 높은 열대우림지역에서 자란다.
식물은 얼마나 많은 물을 필요로 할까?
거대한 나무에 비닐 천막을 씌워두면 나무로부터 나오는 수증기의 양을 알 수 있을 것이다. 온대지역에서 자라는 낙엽활엽수의 일일 수분 배출량을 조사한 결과, 나무의 종류에 따라 다르지만 최소 100리터에서 최대 700리터까지 그 양이 어마어마한 것으로 나타났다. 사실 식물이 흡수한 물의 100분의 1만이 체형이나 생리적 대사에 이용되고 나머지는 양분을 내려놓고 공기 중으로 증산된다. 결국 숲은 엄청난 양의 수분이 나무를 통해 품어져 나오고 있는 거대한 수증기 공급 장치라고 할 수 있다.
그런데 나무가 흡수하는 물은 숲의 토양 속에 존재하는 물이다. 숲에 있는 나무를 포함한 식물의 양을 생각해 보면 도대체 어디서 이 엄청난 양의 물이, 그것도 끊임없이 나올 수 있을까. 한마디로 말해 임상층을 포함한 숲 토양에 그 비밀이 있다. 분명한 것은 우리는 숲에 물 주러 가는 길은 하지 않는다는 것이다. 또한 숲에는 항상 물이 흐른다. 중요한 사실은 숲에서 물은 그 자체적 특성보다 물을 담는 토양의 성격에 더 큰 영향을 받는다는 것이다.
식물의 물에 대한 전략은 빛 다음으로 치열하다. 식물마다 물에 대한 요구도도 다르며, 각자 사는 곳의 물 사정에 대한 적응 현상도 기막힌 것들로 가득 차 있다. 극단적인 건조지역의 선인장에서부터 극단적인 물웅덩이의 수중식물에 이르기까지...
숲은 부분적으로 빛과 물이 만들어 내는 미기상에 의해 다양한 식생 패턴을 갖는다. 계곡에서부터 산록부, 능선부로 갈수록 물의 영향력은 줄어들고, 이에 따라 서로 다른 식생이 발달한다. 내건성 식물과 호습성 식물은 오히려 양수와 음수보다 명확한 종 경계를 가진다. 버드나무와 신갈나무 사에의 분포 영역은 명확하게 물에 의해서 구분된다.
소나무와 신갈나무의 경쟁은 통상적으로 수분조건에서 결정 난다. 신갈나무는 소나무보다 음지에서 잘 견디는 성질을 가지지만, 결정적으로 건조에 대해서는 소나무보다 훨씬 경쟁력이 약하다. 소나무의 침엽은 상대적으로 낮은 습도에서 체열을 조절하는 능력이 뛰어나며 잎의 기공 역시 침엽의 표면 속으로 함몰되어 있고, 또한 왁스층으로 덮여 있어 증산량이 효과적으로 차단된다. 무엇보다 소나무는 버섯 균사와 공생한 균근을 형성하여 강력한 균사의 도움으로 뿌리가 쉽게 건조되지 않을 뿐 아니라, 광대한 균사조직은 토양 속의 수분을 효과적으로 흡수한다. 토양의 수분함량이 제한 요인이 되는 곳에서 소나무는 신갈나무보다 훨씬 경쟁력 있다.