▲미국 조지아주 앵귈라 습지대. (사진=AFP/연합뉴스)
사람들은 흔히 기후위기의 주범으로 발전소 굴뚝이나 자동차 배기가스를 먼저 떠올린다. 그러나 최근 과학자들은 또 다른 거대한 배출원을 주목하고 있다. 바로 강·호수·저수지·습지·논과 같은 내륙 수계(inland waters)다.
이곳에서는 이산화탄소(CO₂)뿐 아니라 메탄(CH₄)과 아산화질소(N₂O)가 지속적으로 배출된다. 특히 메탄은 100년 단위로 산출했을 때의 지구온난화지수(GWP)가 이산화탄소의 약 28배, 아산화질소는 약 273배에 이른다. 적은 양이라도 기후에 미치는 영향이 매우 크다는 의미다.
이러한 배출은 오래 전부터 알려져 있었지만, 최근 연구들은 “생각보다 훨씬 많고, 더 빠르게 증가하고 있다”는 점을 보여준다. 특히 지구온난화와 부(富)영양화가 동시에 진행되면서 강과 호수가 ‘온실가스 공장’으로 바뀌고 있다는 경고가 나온다.
◇핵심 원인은 온난화와 부영양화
강과 호수에서 메탄과 아산화질소가 발생하는 가장 큰 이유는 수온 상승과 영양염 과잉이다.
기온이 올라가면 물의 온도도 상승한다. 따뜻한 물에서는 미생물의 대사 속도가 빨라지고, 유기물 분해가 활발해진다. 이 과정에서 산소가 빠르게 소모되고, 산소가 부족한 혐기성 환경에서는 메탄 생성균(methanogens)이 활발하게 작동해 메탄이 대량 발생한다.
여기에 농경지 비료, 축산 분뇨, 생활하수, 산업폐수 등이 흘러들어오면 질소와 인이 과도하게 축적된다. 이를 부영양화라고 한다. 부영양화는 조류(藻類) 번성과 유기물 축적을 일으키고, 결국 미생물의 질산화와 탈질 과정을 강화해 아산화질소 배출까지 늘린다.
즉, 온난화는 “엔진”, 부영양화는 “연료” 역할을 하며 함께 작동한다.
▲부영양화된 호수에서 진행되는 메탄과 아산화질소 생성 과정. 유기물 분해와 메탄·아산화질소 생성에는 여러 종류의 미생물이 작용한다. (자료=Nature Communications, 2026)
◇온난화·부영양화 만나면 N₂O 100배 증가
중국과학원 연구팀은 지난해 7월 ‘환경 과학 기술(Environmental Science & Technology)’에 발표한 연구에서 온난화와 부영양화가 결합할 때 호수의 N₂O 배출이 폭발적으로 증가한다고 밝혔다.
연구진은 수온을 4℃ 더 높이고 영양염 농도를 증가시키는 실험을 진행했다. 그 결과, 온난화와 고영양 상태가 동시에 존재할 때 N₂O 흐름는 온난화만 있을 때보다 100배, 부영양화만 있을 때보다 3.5배 높게 나타났다.
더 중요한 것은 배출 패턴의 변화였다. 원래 N₂O 배출은 영양 상태에 따라 어느 지점에서 정점을 찍고는 다시 감소하는 패턴을 보였지만, 온난화가 진행되면 이 관계가 선형으로 바뀌었다. 이는 “영양분이 늘어날수록 끝없이 더 많이 배출된다”는 뜻이다.
연구팀은 암모니아 산화 관련 유전자와 탈질 유전자 비율이 증가하면서 미생물의 N₂O 생산 능력이 크게 강화된다고 설명했다. 탈질(denitrification)은 미생물이 산소가 부족한 조건에서 질산염(NO₃⁻) 등을 질소 기체(N₂)나 N₂O로 환원해 대기 중으로 방출하는 과정을 말한다.
▲미국 텍사스주 캔델라리아 인근의 습지대 (사진=AFP/연합뉴스)
◇강이 더 위험…산소 손실 속도 호수·바다보다 빨라
독일 카를스루에 공과대학교 연구진은 최근 ‘지구 변화 생물학(Global Change Biology)’에 발표한 연구에서 전 세계 하천의 탈산소화가 매우 빠르게 진행되고 있다고 지적했다. 연구진은 2002~2022년 약 5000개 유역을 대상으로 위성 관측 자료와 머신러닝 모델을 결합해 분석했다.
그 결과, 강의 산소 손실 속도는 호수나 해양보다 최대 2.5배 빠른 것으로 나타났다.
주요 원인은 두 가지였다. 첫째는 기후 온난화로 인한 수온 상승이다. 따뜻한 물에서는 산소를 덜 녹는다.
두번째는 농경지 확대와 도시화다. 토지 이용 변화는 유기물과 영양염 유입을 크게 늘려 미생물 호흡을 가속화한다. 특히 강한 온난화와 인위적 토지 이용 확대가 동시에 일어난 유역에서는 CH₄ 과(過)포화도가 1,644%, CO₂ 과포화도가 52% 더 높아졌다. 과포화도는 특정 온도와 압력에서 용액에 녹을 수 있는 용해도를 초과해 용질이 더 많이 녹아 있는 정도를 의미한다.
연구진은 지난 20년 동안 이러한 변화로 인해 추가 배출된 온실가스가 CO₂ 기준으로 15억톤에 이른다고 분석했다. 아시아와 호주가 특히 취약한 ‘배출 핫스팟’으로 확인됐다.
도시화는 강을 강력한 온실가스 배출원으로 만든다. 생활하수와 불투수면 확대는 유기탄소와 영양염 유입을 늘리고, 도시 열섬 효과는 수온을 높인다. 이는 미생물 대사를 더욱 활성화시킨다.
중국 차오후(Chaohu) 유역 조사에서는 도시 하천의 CO₂ 배출이 하루에 1ha당 394.2 kg으로, 비도시 하천(220.7)보다 약 1.8배 높았다.
메탄은 더 심각했다. 도시 하천의 CH₄ 배출은 하루에 1ha당 1,138.8 g으로 비도시 하천(192.5)보다 약 5.9배 높았다.
산소 부족이 심해질수록 메탄 생성균이 우세해지기 때문이다.
◇작은 습지도 무시 못해…전 세계 습지 메탄의 24% 배출
미국 스탠퍼드대학교) 연구진은 최근 ‘네이처 기후변화(Nature Climate Change)’에 발표한 논문에서 작은 습지의 중요성을 새롭게 밝혀냈다.
면적 1㎢ 미만의 작은 습지가 전 세계 비산림 습지 메탄 배출량의 약 24%를 차지한다는 것이다. 연구진은 30m급 고해상도 위성 자료를 활용해 전 세계에 약 1억6000만 개의 작은 습지가 존재한다는 사실을 확인했다. 특히 98.7%는 0.1㎢ 미만의 매우 작은 습지였다.
이 작은 습지들은 개수는 많고, 단위 면적당 배출량도 높았다. 열대 지역에서는 전체 작은 습지 면적 비중은 15.1%에 불과하지만 배출량은 37%를 차지했다. 기존 저해상도 위성 자료로는 이런 배출원이 거의 보이지 않았다.
▲논에서 온실가스 채취. (사진=경기도농업기술원/연합뉴스)
국립농업과학원의 이형석 연구사 등이 최근 발표한 연구에 따르면, 2020년 기준 국내 벼 재배 과정에서 배출된 메탄은 연간 약 24만4911톤으로 추산됐다.
논은 물을 계속 가둬두는 담수 조건 때문에 대표적인 혐기성 환경이다. 이곳에서 메탄 생성균이 활발히 활동한다.
특히 지역별 편차도 컸다. 대전은 단위 면적당 배출량이 높았고, 제주는 상대적으로 낮았다. 이는 물 관리 방식과 중간물떼기 실천 비율 차이와 관련이 있다.
▲낙동강에서 발생한 짙은 남세균 녹조. (사진=강찬수 기자)
◇ 4대강 보 부근에서 메탄 배출량 많아
이화여대 환경공학과 박지형 교수팀은 한강·낙동강·영산강 물 시료에서 CO₂·CH₄·N₂O 농도를 측정한 결과를 지난 2023년 4월 ‘워터 리서치(Water Research)’ 저널에 발표했다.
강물 속 메탄 등 온실가스 농도는 서울과 광주 등 대도시를 통과할 때 증가했는데, 오·폐수처리시설 방류수 등 오염물질이 유입한 탓이었다. 보가 8개 있는 낙동강의 경우 보가 집중된 구간에서도 메탄 농도가 높게 검출됐다.
낙동강에서는 메탄 농도가 포화 수준(L당 3.1 nmol(나노몰))을 훨씬 초과해 검출됐다. 4월(평균 541 nmol/L)보다 7월(평균 968 nmol/L)에 더 높았다.
▲이화여대 연구팀이 낙동강에서 측정한 메탄 농도. (자료: Water Research, 2023)
연구진은 논문에서 “부영양화 지수가 높은 물이 흐르는 낙동강에 4대강 보 건설로 체류 시간이 5배로 늘면서 남세균의 녹조 발생에 유리한 조건이 됐다”면서 “식물플랑크톤이 분해되면서 메탄이 발생하게 된다”고 설명했다.
식물플랑크톤이 광합성할 때 이산화탄소를 흡수하면서 물속 이산화탄소 농도는 일시적으로 낮아지지만, 녹조 발생후 사체가 분해될 때 온난화 잠재력이 훨씬 큰 메탄이 배출되기 때문에 기후변화 유발 효과는 더 커진다는 것이다
◇보이지 않는 온실가스를 어떻게 재나
온실가스는 눈에 보이지 않기 때문에 측정 기술이 매우 중요하다.
한경국립대학교 장수헌·박성직 교수는 최근 ‘한국물환경학회지’에 발표한 논문에서 주요 측정 방법을 정리했다.
헤드스페이스법은 물을 채취해 용존가스를 기체로 분리한 뒤 농도를 측정하는 방식이다.
챔버법은 수면 위에 상자를 띄워 내부에 쌓이는 가스를 직접 측정한다. 논과 습지에서 많이 사용된다.
기포포집법은 저수지나 호수 바닥에서 올라오는 메탄 기포를 깔때기 형태 장치로 모아 분석한다.
에디공분산법은 타워를 설치해 수면과 대기 사이의 가스 교환을 실시간으로 연속 측정하는 고정밀 기술이다.
최근에는 위성 자료와 머신러닝 모델을 결합해 전 지구 규모로 배출량을 추정하는 연구가 빠르게 늘고 있다.
▲인도 스리나가르의 달 호수에서 여성들이 연잎을 채취하고 있다. (사진=EPA/연합뉴스)
◇감축 대책은…영양분 관리와 물 관리가 핵심
가장 중요한 대책은 부영양화를 막는 것이다.
농업 비료 사용을 줄이고, 하수 처리 효율을 높이며, 하천 주변 완충녹지를 확대해야 한다.
논에서는 ‘중간물떼기’가 대표적인 감축 기술이다. 벼 재배 중 일정 기간 물을 빼 토양에 산소를 공급하는 방식이다. 기후변화 정부간 협의체(IPCC) 가이드라인에 따르면 3주 이상 중간물떼기를 하면 메탄 배출을 약 51% 줄일 수 있다.
서서히 녹아 나오는 완효성 비료를 함께 사용하면 아산화질소 증가라는 부작용도 줄일 수 있다.
국제 협력도 필요하다. 강과 호수는 국경 앞에서 멈추지 않는다.
상류 국가의 농업 오염이 하류 국가의 메탄 배출로 이어지고, 습지 파괴는 전 지구적 기후에 영향을 준다. 따라서 국가별 온실가스 인벤토리(NIR)를 고도화하고, IPCC 기준에 맞춘 측정·보고·검증(MRV) 체계를 국제적으로 통일해야 한다.
특히 아시아는 배출 핫스팟이면서 동시에 관측 자료가 부족한 지역이다. 정확한 실측과 데이터 공유 없이는 감축도 불가능하다.
물을 깨끗하게 관리하는 일이 곧 기후 정책이 되는 시대가 이미 시작됐다.
강찬수 기후환경 전문기자 kcs25@ekn.kr
