생태공학
생태공학(生態工學, Ecological engineering)은 자연과 인간의 공존을 위하여 자연을 이용하여 지속가능한 생태계를 설계하는 학문이다. 1960년대 생태공학의 아버지 오덤(Howard T. Odum)에 의하여 명명된 이후 북미, 유럽, 중국에서 널리 사용되고 있는 용어이다. 생태공학의 목적은 자연과 인간의 공존이며, 도구는 자연환경이고, 핵심기술은 지속가능한 생태계의 설계이다.
생태공학은 생태계의 자기설계 능력에 기반을 두고 있다. 변화가 일어날 때 자연계는 바뀌고, 생물종은 서로를 대체하며, 먹이사슬은 재조직된다. 생물종의 취사선택에 따라 주어진 환경에 훨씬 더 적합한 새로운 시스템이 나타난다. 인간은 단지 환경조건에 맞는 초기 생물종을 도입하는 과정을 통해 자기설계에 참여하며 나머지는 자연이 모두 알아서 진행한다.
대부분의 생태계는 기본적으로 태양에너지에 기반을 둔 시스템이기 때문에 스스로 지속가능하다. 이는 태양에너지나 이에 기반을 둔 생산물에 의해 유지되는 생태계는 전통적인 기술적 방법처럼 화석에너지에 의존하지 않는다는 것을 의미한다. 따라서 생태공학은 재생불가능한 자원을 절약할 수 있다.
생태공학자가 사용할 수 있는 도구는 전 세계의 모든 생태계, 군집, 개체군, 생물들이다. 따라서 꼭 필요하지 않은 경우 자연 생태계를 제거하거나 교란하는 것이 오히려 더큰 손실을 초래한다. 따라서 생태공학은 생태계를 보존하며 지금까지 나타난 어떤 환경보존 윤리보다도 폭넓은 생태윤리를 제공하게 될 것이다.
지금까지의 생태공학에 대한 경험은 비교적 제한적이지만 현재 관련 분야의 수요가 기하급수적으로 증가하고 있다. 국제생태공학회(IEES), 미국생태공학회(AEES), 한국생태공학회(KEES)의 활동과 세계적으로 시도되고 있는 일부 대학의 생태공학과 교육과정 등을 통하여 생태공학 관련 기술이 꾸준히 축적되고 있다. 지금까지의 결과를 볼 때 앞으로의 생태공학의 전망은 매우 밝으며 지구의 미래를 책임지는데 매우 유용한 수단을 제공하게 될 것으로 믿어진다. 생태공학을 적용하는 것은 인류에게 주어진 도전이며 제대로 응용한다면 남은 21세기는 매우 기대할 만한 생태시대가 될 것이다.[1]
목차
개념 및 정의[편집]
생태공학의 개념[편집]
생태공학(生態工學, ecological engineering)1)은 각종 환경오염이나 토지이용 등 인간의 간섭으로 훼손된 생태계의 구조와 기능을 이해하고 생태계가 지닌 자기조절(self-organizing) 능력을 활용하여 그 이전, 혹은 유사한 모습으로 되돌리는 과정을 다룬다.
하워드 토마스 오덤(Howard Thomas Odum)이 1957년 생태계의 자기설계 능력(ecosystem self design)을 지칭하는 의도로 처음 '생태공학'이란 용어를 사용한 이래, 생태공학은 자연 형성 과정 속에서 인간이 공급한 작은 에너지가 생태계 내에서 광범위한 효과를 내는 경우를 주목한다. 생태계는 물리, 화학적 변화를 일으켜 새로운 물질들을 만들어 내거나, 자연천이를 통해 스스로 생태계를 발전시키는 등 스스로 조직화하는 능력을 지니고 있다. 생태공학은 이를 이용하여 경제적이고 효율적이면서 자연적인 방법으로 환경오염이나 토지 교란과 같은 인간 행위에 의해 심각하게 훼손된 생태계를 복원한다.
또한 인간 사회에 도움이 되면서 생태적 가치를 갖는 지속 가능한 생태계로의 발전을 목표로 한다. 윌리엄 미치(William Mitch)와 스벤 에릭 요르겐센(Sven Erik Jørgensen)은 생태공학을 '인간 사회와 자연환경 모두를 위해 이 둘을 통합하는 지속 가능한 생태계를 디자인하는 것'이라 정의했다.
생태공학의 다양한 의미[편집]
생태공학과 유사한 용어로 생태복원(ecological restoration)이 있다. 생태복원은 1935년 미국 위스콘신에서 이루어진 알도 레오폴드(Aldo Leopold)의 초지(prairie)복원과 1987년 브래드쇼(Bradshaw)의 광산복원 등의 프로젝트를 통해 본격적으로 등장한 용어이다. 생태복원은 1992년 NRC(National Research Council)에 의해 '훼손되기 전의 조건과 유사한 생태계로 되돌리는 것'으로 정의된 후, 2004년 국제 생태복원학회(SER: Society for Ecological Restoration)에서 '질적으로 저하되고, 훼손되거나, 파괴된 생태계의 회복을 돕는 과정'이라고 정의하였다. 그러나 1997년 브래드쇼(Bradwhaw)의 '생태복원은 최상의 생태공학'이라는 지적과, '생태복원은 생태공학의 심장과 영혼이 되어야 한다'는 윌리엄 미치(William Mitch)의 지적을 볼 때 이 둘의 구분에 대한 논쟁은 사실 무의미하게 보인다.
생태계는 다양한 구성 요소로 이루어져 있고 이들 사이는 복잡한 유기적 관계망을 형성하고 있기에 훼손된 생태계를 다루는 행위는 달성하고자 하는 목표에 따라 여러 단계로 구분된다. 훼손이전과 원래의 상태로 되돌리는 복원, 훼손 이전의 상태로 되돌리는 일이 어렵고 오랜 시간이 요구되기 때문에 유사한 생태계로 되돌리는 회복(rehabilitation), 교정하여 좋게 만드는 활동으로서의 치유(remediation), 경작지를 만들기 위해 토지를 개간하듯 새로운 생태계를 형성시키는 복구·재생(reclamation), 파괴되는 부분을 진정시키고 완화시키는 저감(mitigation) 등으로 구분할 수 있다.
특정 생태계가 훼손됐다는 의미는 직접적인 생물종의 소멸은 물론 생물과 생물, 생물과 무생물간의 동적 과정(dynamic process)이 변형·훼손되어 생태계 고유의 특성을 잃어버린 상태를 말하는 것으로, 특정 부문만을 해결하는 공학적인 문제 해결식 접근(problem-solving approach)만으로는 한계를 지니게 된다. 따라서 전체적인 관점에서 훼손된 생물종과 이들이 맺고 있는 무생물적 요소와의 유기적 관계성을 회복시키는 것이 요구된다고 할 수 있다.
역사와 발전단계[편집]
생태공학의 등장[편집]
생태공학의 아버지라 불리는 오덤은 1960년대에 그의 몇몇 저서에서 생태공학을 '전통 공학의 일면을 보완하는 노력으로서 자연의 관리'라고 언급했다. 그 이후 후속 저서들에서는 생태공학을 '자기 조직화하는 시스템을 이용하여 새로운 생태계를 디자인 하는 것' 등으로 그 개념을 발전시켜 왔다. 그 이후에는 1975년 오덤의 제자였던 미치의 '생태공학과 시스템생태학' 강좌 개설, 1989년 미취와 요르겐센의 『생태공학(Ecological Engineering: An Introduction to Ecotechnology)』 저서 발간, 1991년 스웨덴 국제생태공학회의 개최, 1992년 생태공학 저널 발간, 1993년 네덜란드 국제생태공학회 발족, 2001년 미국 생태공학회(AEES: American Ecological Engineering Society) 발족, 그 외에 많은 생태공학 관련 저서 발간, 미국 대학 내의 학술 프로그램으로 생태공학 과목 개설 등을 통해 생태공학을 발전시키고 있다.
비교적 짧은 시간에 생태공학이 많은 사람들의 관심을 끌고 발전해올 수 있었던 것은 1987년 브룬틀란트 위원회의 '우리 공동의 미래'로 알려진 보고서에서 '지속 가능한 개발'이라는 용어가 등장했고 1992년 브라질 리우데자네이루에서 개최된 리우 환경 회의에서 기후변화협약(UNFCCC: United Nations Framework Convention on Climate Change), 생물종다양성 보전 협약, 의제21 등의 합의로 범지구적 차원에서의 행동규약이 시작되었다는 시대적 배경이 자리 잡고 있다.
초기 생태공학은 도로, 폐광, 습지 등 소규모 생태계를 중심으로 연구가 진행되었다. 특히 수질문제를 해결하는 방법론으로 습지에서 생태계의 자연정화 능력을 이용하는 생태공학적 기술이 중점적으로 연구되었다. 그러나 특정 생태계는 독립적으로 존재하지 않고 주변의 토지이용이나 생태계 등과 깊은 관계를 맺고 있다. 따라서 연구 단위를 경관 규모(landscape scale)로 확대하여 경관 생태학(景觀生態學, landscape ecology)의 이론들을 도입하고 경관관리를 통한 생태계의 단절, 서식지 복원 등으로 연구 대상을 넓혀가고 있다.
생태공학과 건설산업[편집]
토목, 건축, 조경 등 건설산업은 국토개발과 경제 발전에 큰 기여를 해왔지만 생태적 가치와 항상 충돌해왔다. 건설산업은 공학적, 경제적 효율성에 가치를 부여하고 생태학은 자연현상의 이해에 관심을 지니고 있기에 양자가 접점을 찾는 일은 어려웠다. 그러나 시대적으로 '지속 가능한 개발'이 중심 화두로 떠오르면서 인간의 편의를 위한 '개발'과 후손에게 물려줄 '보전'이라는 양극단의 논리가 공존할 수 있는 방안을 찾기 시작했다. 건설산업은 생태학적 원리와 지식을 도로, 철도, 항만, 도시, 단지 등 건설산업 및 국토관리 분야에 응용하기 위해 생태기반의 건설기술 개발에 주목하였다.
생태공학적 기술을 건설산업에 적용할 수 있는 부분은 도로, 항만 등의 대규모 개발사업에 있어 자연환경의 훼손을 최소화하는 계획의 수립 및 설계, 단절된 생태계를 연결하는 생태통로의 설치, 생태 방음벽, 절·성토 비탈면의 생태적 녹화 등과 하천 등이 있다. 수자원 개발에서는 하천 생태계의 보전 및 복원, 생물 이동통로 조성, 인공식물섬, 인공습지, 수변완충대, 식물에 의한 수질정화, 어도(魚道), 생태하천, 도시나 단지 개발사업에서의 생태도시, 생태공원, 녹지네트워크(green network), 물네트워크(blue network), 옥상녹화, 벽면녹화 등과 토양, 폐기물 정화 등에 생태공학적 지식이 요구된다.
생태공학의 조경학적 응용[편집]
- 1) 절·성토 비탈면의 생태적 녹화기술
도로, 공단, 주택단지 개발 등 각종 건설공사로 인해 불가피하게 발생하는 비탈면은 그대로 놓아둘 경우 풍화가 진행되거나, 강우 등에 의해 비탈면붕괴가 우려된다. 이를 방지하기 위해 식물의 뿌리가 토양입자를 붙잡아 비탈면 표면에서 발생하는 세굴, 침식, 슬라이딩 등을 방지하기 위한 목적으로 녹화기술이 개발되었다. 우리나라는 1970년대 초 경부고속도로를 건설하면서 발생된 대규모 비탈면을 녹화하면서 미국, 독일, 일본 등지의 선진 녹화기술들이 도입되고 발전해왔다. 1970~1980년대는 조기 녹화를 통한 비탈면 안정에 초점이 맞추어져 주로 생장이 빠른 잔디종자를 파종하는 방법이 주류를 이뤘으나, 1990년대에 들어서는 주변 식생과의 이질성을 극복하고 보다 자연스러운 경관연출을 위해 향토 초본, 관목 중심의 경관을 고려한 녹화공법이 개발되었고, 2000년대에 들어서는 토양, 식생, 생물 서식공간 등의 복원을 고려하는 생태적 녹화공법이 개발되고 있다.
- 2) 옥상녹화, 벽면녹화 기술
도시에서 빈번하게 발생하는 열섬현상, 폭염과 열대야현상, 게릴라성 폭우, 도시홍수 등은 도시를 친환경적으로 관리해야 할 필요성을 증대시킨다. 도시의 녹피율(綠被率)을 증대시키고, 열섬현상을 완화하며, 강우 시 초기 유출량을 줄일 수 있는 옥상녹화와 벽면녹화가 하나의 대안으로 떠오르고 있다. 옥상녹화나 벽면녹화를 통해 기대할 수 있는 효과로는 에너지 절약, 물 순환 건전성 개선, 미기후 개선 효과, 대기정화 효과, 소음 저감 효과, 도시경관 개선 효과, 녹지 조성, 동식물 서식지 제공, 건물 내구성 증대 등을 기대할 수 있다.
기술적으로 옥상이나 벽면 등의 인공지반 녹화는 하중, 고정, 단열 등 건축물 구조와 자연 지반과 비교시 토양, 미기후 등의 열악한 식물 생육환경조건을 고려하는 적절한 녹화시스템 개발이 요구된다. 일반적으로 저 관리가 요구되는 저 관리·경량형 녹화 방식(extensive green roof)과 적극적인 이용을 전제하여 관리가 수반되는 고 관리·중량형 녹화방식(intensive green roof)으로 구분된다.
벽면녹화는 식물로 수직면을 녹화하는 것을 일컫는데, 특히 도심건물은 옥상 면적보다 수직면적이 훨씬 많기 때문에 녹화하면 도시환경 개선 효과도 크겠지만 옥상녹화보다 기술적으로 훨씬 어렵다. 특히 4계절이 분명한 우리나라의 기후조건에서 자연 토양에 기반을 두지 않고 상대적으로 얇은 인공 토양층에서 식물이 겨울철을 버텨낼 수 있는 기술 확보는 쉽지 않다. 현재는 담쟁이, 헤데라 등 극히 일부의 덩굴식물을 이용한 녹화기술이 개발되었다.
- 생태통로 조성 기술
생태통로란 도로, 댐, 수중보, 하구언(河口堰) 등으로 인하여 야생 동·식물의 서식지가 단절되거나 훼손 또는 파괴되는 것을 방지하고, 야생 동·식물의 이동을 돕기 위하여 설치되는 인공구조물·식생 등의 생태적 공간을 말한다.
생태통로는 도로 건설 등으로 인해 발생하는 서식처의 파편화와 고립화를 방지하고 생물종의 이동을 목적으로 조성한다. 생태통로는 동물종에게 서식처 확대를 도와 개체군 증가에 따른 스트레스를 해소하고, 근친교배 피해를 방지할 수 있으며, 식물에게는 씨앗의 확산, 상호 수분(cross-pollination)에 의한 다른 종과의 유전자교환 등으로 생존과 적응 가능성을 높일 수 있어 반드시 필요한 조치이다.
이러한 생태통로는 이동통로 외에 서식처 기능, 여과 장치, 장벽, 종의 공급원, 종의 소멸처 등의 기능을 지니고 있다. 생태통로는 목표종의 특성에 따라 통로 위치, 길이, 폭, 형태, 주연부, 구조, 구성 등을 고려하여 설치한다. 일반적으로 육교형(overpass)과 터널형(underpass)으로 구분할 수 있다.
- 4) 수질정화 인공습지(constructed wetlands) 조성기술
습지식물이 존재하지 않는 곳에 인위적으로 습지군락을 조성하고 수질정화에 필요한 수문학적 조건들을 갖추도록 인위적으로 조성한 습지이다. 습지내의 수질정화 기작은 유속을 줄이고 체류시간을 늘림으로써 희석, 확산, 혼합, 침전, 흡착, 여과 등에 의한 오염물질 농도를 감소시키거나, 여울과 소에 의한 산소공급으로 유기물의 분해를 촉진하는 등의 물리적 작용과 화학반응을 유도하는 화학적 작용, 미생물 등에 의해 오염원 분해를 유도하고 이를 식물의 영양원으로 사용하거나 비오염 물질로 전환시키는 생물학적 작용에 의해 이루어진다. 인공습지는 수질정화뿐만 아니라 생물 서식처, 휴식처, 자연학습공간 등으로 활용할 수 있다.
- 5) 생태하천복원기술
한국은 1970년대 초 하천법(河川法)을 제정하여 하천을 농업용, 공업용 등의 용수로 이용하거나 홍수 등에 대비하기 위한 목적으로 국가 차원에서 정비해왔다. 이수(利水)와 치수(治水) 목적의 전형적인 하천정비는 직선화한 하천 형태, 콘크리트블록의 대칭적인 제방과 호안, 통수능력 증대를 위한 하폭 확대, 둔치의 잔디밭, 주차장, 운동시설 등으로 대변된다. 그러나 이런 정비 사업들은 홍수 조절 측면에서는 기여를 해왔으나 경관과 자연생태계 측면에서는 악영향을 끼쳐왔다.
1990년대 들어 하천 동식물의 서식처 기능, 수질 자정 기능, 친수·심미적 기능 등 환경적 기능에 대한 요구가 커지면서 하천환경의 보전과 복원의 필요성이 대두되었다. 이중에서 하천의 수질 자정 능력과 친수·심미적 기능은 서식처 기능이 만족되면 얻을 수 있는 것이기에 환경적 기능의 핵심은 생물서식처로서의 기능 여부에 달려있다. 우리나라에서 생태하천복원은 스위스, 독일을 중심으로 개발된 근 자연형 하천 공법(Naturnaher Wasserbau)과 일본의 다 자연형 하천 공법(多自然型河川工法), 미국의 하천복원 공법(Stream Restoration Technique) 등이 소개되면서 1995년 ‘자연형 하천조성 공법’이라는 명칭으로 양재천에 시범 적용된 것을 시작으로 볼 수 있다.
생태하천복원은 인공적인 하천, 하천의 기능이 상실된 하천을 자연의 상태에 가깝게 하천 본래의 기능과 형태로 회복시켜주는 것을 일컫는다. 이를 위한 활동으로 하천에 교란을 주는 원인을 제거하거나 저감시키는 소극적인 활동부터 교란으로 훼손된 하천을 적극적으로 복원하는 활동 모두를 포함한다. 구체적으로 직선화되고 균일한 단면의 인공하천을 만곡이 있고 비대칭의 단면이 있는 하천 형태로 조성하고, 저 수호안과 고 수호안을 생물서식처로 조성하고, 하도(河道)에는 여울과 소 조성, 콘크리트와 같은 인공소재를 통나무, 식물 등으로 대체하는 방법을 들 수 있다.
- 6) 식생섬 조성기술
연안대란 호소(湖沼)나 바다 등에서 태양광선이 투과하는 구역 중 녹색식물이 생장하는 범위를 지칭하는데, 생태학적으로 육상생태계와 수생생태계의 완충지대로 육상생태계의 각종 영양원과 오염원이 모여 다양한 동·식물이 서식하는 장소이다.
저수지, 호수, 댐 등과 같이 연안대의 발달 없이 급조된 환경은 오염원에 수원(水原)이 직접 노출되어 오염되는 경우가 많아 부영양화 발생 가능성이 높다. 식생섬(인공식물섬)은 인공적으로 식물이 서식하는 환경을 물위에 조성한 인공의 섬이다.
일본에서는 식량증산을 목적으로 어류 산란지로 유도하기 위해 만들었다는 기록을 찾을 수 있으며, 미국 나사(NASA)에서는 물에 떠서 자라는 부유식물로 수질을 정화하려는 연구가 있고, 독일은 막스 프랑크 연구소에서 물가에 자라는 정수식물을 이용해서 라군(lagoon)의 수질을 정화하기 위한 연구에서 식생섬을 찾을 수 있다.
가깝게는 1993년 일본 가쓰미가우라호(土浦湖)에 만든 대규모 인공 식생섬의 생태적 효과가 알려지면서 본격적인 연구가 시작되었다. 식생섬은 조류 및 어류의 서식처의 기능, 수질개선 효과, 수변경관 향상, 파랑에 의한 호안 침식 방지 등을 목적으로 조성된다.
학술 커리큘럼(대학)[편집]
생태공학을 위한 학술 커리큘럼이 제안되었으며, 전 세계 기관에서 프로그램을 시작하고 있다. 이 커리큘럼의 핵심 요소는 다음과 같습니다: 환경 공학, 시스템 생태학, 복원생태학, 생태학적 모델링, 정량적 생태학, 생태 공학의 경제학 및 기술 선택 과목. 세계 최초의 B.S. 생태공학 프로그램은 2009년 오리곤 주립대학교에서 공식화되었다.
이 과정 세트를 보완하는 것은 물리, 생물학, 화학 주제 영역의 전제 조건 과정과 통합 설계 경험이다. 맷록(Matlock) 등에 따르면 설계는 제약 조건을 식별하고 생태학적 시간에 따른 솔루션을 특성화하며 설계 평가에 생태학적 경제학을 통합해야 한다. 생태 공학의 경제학은 습지에 대한 에너지 원리를 사용하고 낙농장의 영양 가치 평가를 사용하여 입증되었다.
각주[편집]
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
