기후 변화로 대기 중 이산화탄소 수준이 급격히 증가함에 따라 과학자들은 이러한 증가가 물사용 효율(Water Use Efficiency, WUE)로 알려진 식물이 물을 소비하는 방식을 개선하는 데 도움이 될 수 있다고 널리 믿어 왔다.

WUE 수치가 높을 수록 식물이 물을 적게 소비하지만 대기 중 탄소를 더 많이 흡수해 성장을 촉진하고 기후 변화를 완하하는 데 도움이 된다는 논리다.

그러나 뉴햄프셔 대학교(University of New Hampshire, UNH) 연구팀의 새로운 연구 결과에 따르면 2001년 이후 물사용 효율성이 정체돼 식물이 이산화탄소를 많이 흡수하지 않고 더 많은 물을 소비했으며, 이는 탄소 순환, 농업 생산 및 수자원에 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.

징펑 샤오(Jingfeng Xiao) UNH의 지구 시스템 연구 센터의 연구 교수는 "우리는 1982~2016년까지 물사용 효율성이 전반적으로 크게 증가하는 것을 관찰했지만 그 이후 물사용 효율성은 정체된 것으로 보인다"라며 "이산화탄소의 증가는 녹색 식물이 더 빨리 자라고 물을 더 효율적으로 사용할 수 있도록 하지만 이 연구는 과학자들이 탄소 중립을 달성하는 데 도움이 될 수 있다고 생각했던 자연 기반 방법 중 일부가 기후 온난화의 악영향으로 인해 약화될 수 있으며, 식물은 과학자들이 기대했던 것만큼 효율적으로 물을 사용하지 않는다는 것을 나타낸다”라고 말했다.

기온 상승과 대기 중 이산화탄소 증가에 따른 탄소 증가와 물손실 사이의 복잡한 상충 관계에 관련된 다각적인 역학은 잘 이해되지 않고 있다. 최근 『사이언스 저널』에 게재된 이 연구에서 연구원들은 위성 및 미세기상 플럭스넷(FLUXNET) 데이터와 기계 학습ㆍAI(인공지능)를 사용해 숲, 관목 지대, 사바나, 초원 및 농경지 등 5가지 주요 식생 유형에 대한 24가지 모델을 개발했다.

연구팀은 이산화탄소 흡수에 대한 각 생태계의 잠재적인 영향과 한계를 조사한 결과, 위성 기반 모델은 증기 압력 적자(Vapor Pressure Deficit, VPD) 증가, 실제 공기 중 물의 양 대 수증기의 양 증가로 인해 2001년 이후 식물 성장이 약화되고 식물의 물사용이 지속적으로 증가했음을 보여줬다. VPD가 증가함에 따라 잠재적으로 광합성을 늦추거나 억제하고 식물 물소비를 향상시켜 생태계에서 식물 성장을 약화시키고 물사용 효율을 감소시킨다.

연구팀은 이러한 추세가 기후 변화와 관련된 기온 상승과 예상되는 VPD의 증가가 주로 숲과 다른 생태계에 저장되고 물순환과 식물 성장에 영향을 미칠 수 있는 미래의 세계적인 육지 탄소 수준에 영향을 미칠 수 있음을 나타낼 수 있다고 말한다.

또한 연구팀은 여러 가지 요인을 고려했으며 WUE의 포화도가 너무 많거나 적은 질소 또는 인(P)과 같은 광합성에 대한 식생 재성장, 토지 피복 또는 영양분 제약의 변화의 결과로 나타나지 않았다고 지적한다.

이 연구는 수석 저자인 중국 농업 과학원의 페이 리(Fei Li), 미시간 주립 대학교의 지취안 첸(Jiquan Chen)과 마이클 아브라하(Michael Abraha), 몬태나 대학교의 애슐리 발란타인(Ashley Ballantyne), 중국 농업 과학원의 커 진(Ke Jin)과 빙 리(Bing Li), 사우스 다코타 대학교의 란지트 존(Ranjeet John)이다.

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Researchers Find Global Plant Water Use Efficiency Stalled Due to Climate Change

As climate change causes levels of carbon dioxide in the atmosphere to rapidly rise, scientists have widely believed that the increase might play a role in helping to improve the way plants consume water, known as water use efficiency (WUE).

The thought was that higher levels of WUE meant plants were consuming less water but absorbing more atmospheric carbon, increasing growth and helping to lessen the impact of climate change.

However, new findings from researchers at the University of New Hampshire have found that water use efficiency has stalled since 2001 which implies not as much CO2 was being taken in by plants and more water was consumed and that could have implications on carbon cycling, agricultural production and water resources.

“We observed an overall significant increase in water use efficiency throughout 1982 to 2016, with a substantial rise from 1982 to 2000, but after that water use efficiency seems to have stalled,” said Jingfeng Xiao, research professor in UNH’s Earth Systems Research Center. “An increase in CO2 allows green plants to grow faster and use water more efficiently but this study shows that some of the nature-based methods that scientists thought might be in place to help achieve carbon neutrality may be undermined by the adverse effects of climate warming and that plants are not using water as efficiently as scientists might have expected.”

The multi-faceted dynamics involved in the complex trade-off between carbon gain and water loss in rising temperatures and increasing atmospheric CO2 has been poorly understood. In their study, recently published in the journal Science, researchers used satellite and micrometeorological FLUXNET data and machine learning/AI to develop 24 models for five major vegetation types - forests, shrublands, savannas, grasslands and croplands. They looked at potential influences and limitations in each ecosystem on CO2 uptake and found the satellite-driven models indicated a weakening response in plant growth and a sustained increase in plant water use since 2001 possibly due to rising vapor pressure deficit (VPD), the amount of water actually in the air versus the amount of water vapor the air could hold. As VPD increases, it potentially slows or suppresses photosynthesis and enhances plant water consumption, weakening plant growth and decreasing water use efficiency in global ecosystems.

Researchers say that this trend may indicate that rising temperatures, related to climate change, and projected increases in VPD could impact future global land carbon levels, which are mostly stored in forests and other ecosystems, and can affect water cycles and plant growth.

They note that a number of factors were taken into consideration and the saturation of WUE did not appear to be the result of changes in vegetation regrowth, land cover or nutrient constraints on photosynthesis like too much or too little nitrogen or phosphorus.

Study authors include lead author Fei Li, Chinese Academy of Agricultural Sciences; Jiquan Chen and Michael Abraha, Michigan State University; Ashley Ballantyne, University of Montana; Ke Jin and Bing Li, Chinese Academy of Agricultural Sciences; and Ranjeet John, University of South Dakota.

The University of New Hampshire inspires innovation and transforms lives in our state, nation and world. More than 16,000 students from all 50 states and 71 countries engage with an award-winning faculty in top-ranked programs in business, engineering, law, health and human services, liberal arts and the sciences across more than 200 programs of study.

A Carnegie Classification R1 institution, UNH partners with NASA, NOAA, NSF and NIH, and received $260 million in competitive external funding in FY21 to further explore and define the frontiers of land, sea and space.

[출처 = University of New Hampshire(https://www.unh.edu/unhtoday/news/release/2023/08/11/researchers-find-global-plant-water-use-efficiency-stalled-due-climate) / 2023년 8월 11일]

[번역 = 배민지 차장]