수생식물
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1. 개요
수생 식물은 물에서 생장하는 관다발 식물로, 양치식물과 속씨식물(해초 포함)을 포함한다. 물속에서 생활하기 위해 다양한 형태와 적응 방식을 가지며, 분류는 형태, 크기, 생장 방식에 따라 이루어진다. 한국에서는 가래, 마름, 연꽃 등이 대표적이며, 식량, 관상용, 폐수 처리 등 인간 생활과 밀접한 관련이 있다. 그러나 서식지 파괴, 수질 오염, 외래종 유입 등으로 인해 위협받고 있으며, 이에 대한 보전 노력이 필요하다.
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수생식물 |
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2. 진화 및 형태
수생 관다발 식물은 양치식물이나 속씨식물(단자엽식물과 쌍자엽식물 모두 포함)에 속하며, 해수에 완전히 잠겨서 자랄 수 있는 유일한 속씨식물은 해초이다.[10] 수생 식물은 물속 생활에 적응하기 위해 다양한 형태적 특징을 가진다.
완전히 물속에 잠긴 수생 식물은 뻣뻣하거나 목질의 조직이 거의 필요하지 않다. 일반적으로 가스가 채워진 통기조직이나 세포팽압이 있는 통기성 조직 세포를 사용하여 물속에서 위치를 유지할 수 있기 때문이다.[13] 강에 사는 식물은 빠르게 흐르는 물에 의해 손상되지 않도록 충분한 구조적 물관부가 필요하며, 강물에 의해 뿌리가 뽑히는 것을 방지하기 위한 강력한 부착 메커니즘도 필요하다.
많은 수생 식물은 가늘게 갈라진 잎을 가지고 있는데, 이는 강에서 저항을 줄이고 광물질과 가스의 교환을 위한 표면적을 넓히기 위한 것으로 보인다.[13] 물매화속(''Ranunculus aquatilis'')과 같은 일부 식물 종은 물속에 잠기는 가늘게 갈라진 잎과 물 표면에 잎이 있는 두 가지 다른 잎 형태를 가지고 있다.
부유성 수생 속씨식물은 잎 윗면에만 기공을 가지도록 진화했다.[15] 가스 교환은 기공의 위치 때문에 주로 잎의 윗면을 통해 일어나며, 기공은 영구적으로 열린 상태이다.
고등식물은 본래 육상 생활에 적응하여 진화했으므로, 수중에서 생활하는 식물은 많지 않다. 수중 생활을 하는 종도 대부분 담수산이며, 해산 종은 더욱 적다. 해산 종은 해초(해조류가 아니다)라고 불린다.
수생 식물은 뿌리의 수중 위치와 잎의 형태에 따라 다음과 같이 분류된다.
- '''습지 식물''' 또는 '''습생 식물''': 뿌리가 물에 잠겨 있다.
- '''추수 식물'''(또는 '''정수 식물'''): 뿌리가 수면 아래에 있고, 줄기나 잎이 수면 위로 뻗는다.
- '''부유 식물''': 잎이 수면에 떠 있고, 그 표면이 공기에 닿아 있다.
- '''침수 식물'''(물풀): 식물체가 완전히 물속에 있다.
수중에서는 부력이 있어 몸을 지탱할 필요가 없기 때문에, 물풀은 연약한 것이 많다. 산소와 이산화 탄소 공급이 원활하지 않으므로, 관다발 식물은 줄기 안에 공기가 통할 수 있도록 통기조직을 발달시키기도 한다. 연근의 구멍이 그 예이다.
호수나 늪에 생육하는 물풀은 둑에서 뭍으로 향하여 수심에 따라 띠 모양 분포를 보인다. 둑의 물가 부근에는 습지성 식물이 자라고, 물이 고이는 곳부터는 추수성 식물이 자란다.
2. 1. 한국의 수생 식물
가래(택사의 개량종), 연근, 마름 열매, 순채 등은 일본을 포함한 동아시아에서 식용으로 사용된다.[1]3. 분류
수생 식물은 크기에 따라 대형 식물과 미세 식물로 나뉜다.[17] 육안으로 볼 수 있는 수생 식물은 대형 식물,[18] 현미경으로 봐야 하는 수생 식물은 미세 식물이다.[17]
3. 1. 대형 식물 (Macrophytes)
성장 형태에 따라 대형 식물은 다음과 같이 분류할 수 있다.[19]- 침수 식물
- 수중 식물
- 근생 식물: 기질에 뿌리를 내림
- 비근생 식물: 물기둥에서 자유롭게 떠다님
- 부엽 식물
- 자유 부유 식물
- '''부상 식물''': 물에서 자라면서 표면을 뚫고 나와 일부가 공기에 노출되는 식물. 이러한 식물들을 통틀어 '''부상 식생'''이라고 한다.[20]
- 갈대( ''Phragmites''), ''Cyperus papyrus'', ''Typha'' 종, 꽃창포 및 야생 쌀 종 등 다양한 종이 있다. 자주색 부들과 같은 일부 종은 부상 식물로 물에서 자랄 수 있지만, 늪지나 단순히 습한 땅에서도 번성할 수 있다.[22]
- 침수성 수생식물: 물속에서 완전히 자라며 기질에 뿌리가 붙어 있거나(뿌리 침수성, 예: ''실말'') 뿌리 계통이 없는 경우(무근 침수성, 예: ''검정말'')가 있다. 또한 수면까지 자랄 수도 있다.[23]
- 해조류: 크고 다세포 생물인 해양 조류로서, 해초와 같은 수생 식물과 유사한 생태적 기능을 가지고 있지만, 식물의 특수한 뿌리/근경 시스템은 가지고 있지 않다.[25]
- 해조류는 닻 역할만 하고 흡수 기능이 없는 부착기를 가지고 있다.[26]
- 부엽성 수생식물: 물 밑바닥이나 기질에 뿌리계가 부착되어 있으며, 잎이 물 표면에 떠 있다. 흔한 부엽성 수생식물로는 수련(수련과) (Nymphaeaceae), 검정말(가래과) (Potamogetonaceae)) 등이 있다.[27]
- 물 표면에서 자유롭게 떠다닌다.[28]
- 부유성 수생식물: 물 표면에 떠 있으며, 뿌리가 기질, 퇴적물, 또는 수체의 바닥에 부착되지 않는다. 이들은 바람에 쉽게 날리고, 모기의 번식지를 제공한다. 예시로는 물상추, 물배추 또는 나일 배추라고 불리는 ''Pistia''속 종들이 있다.[27]
수생 식물의 많은 분류는 형태에 기반을 둔다.[5] 다음은 그 예시 중 하나이다:[32]
- 양서식물: 물속이나 육지에서 모두 적응하여 살아가는 식물
- 침수식물: 전체 생애를 물속에서 보내거나, 꽃만 수면 위로 피우는 줄기 식물
- 부엽식물: 전체 생애를 물속에서 보내는 잎이 뭉쳐서 나는 식물
- 습생식물: 뿌리는 바닥에 있고, 잎은 수면 위에 있는 식물
- 수련형 식물: 뿌리는 바닥에 있고, 잎은 수면 위로 떠 있는 식물
- 부유식물: 물 위를 자유롭게 떠다니는 관다발 식물
3. 2. 미세 식물 (Microphytes)
미세 조류는 다음과 같이 분류할 수 있다.[19][29]- 식물성 플랑크톤
- 부착 조류 - 뿌리가 있는 수생식물의 표면에서 살고 자라는 미세 식물이다.
- 미세 조류는 자유롭게 떠다니며, 물의 흐름에 따라 이동한다.[30]
4. 수생 식물의 적응
수생 식물은 육상 식물에 비해 탄소와 빛이 제한적인 환경에 적응해야 한다. 완전히 물속에 잠긴 수생 식물은 뻣뻣하거나 목질 조직이 거의 필요하지 않다. 통기조직이나 세포팽압이 있는 통기성 조직 세포를 사용하여 물속에서 위치를 유지할 수 있기 때문이다.[13] 그러나 강에 사는 식물은 빠르게 흐르는 물에 의해 손상되지 않도록 충분한 구조적 물관부가 필요하며, 강물에 의해 뿌리가 뽑히는 것을 방지하기 위한 강력한 부착 메커니즘도 필요하다.
많은 수생 식물은 가늘게 갈라진 잎을 가지고 있는데, 이는 강에서 저항을 줄이고 광물질과 가스의 교환을 위한 표면적을 넓히기 위한 것으로 보인다.[13] 물매화속(''Ranunculus aquatilis'')과 같은 일부 식물 종은 물속에 잠기는 가늘게 갈라진 잎과 물 표면에 뜨는 잎, 두 가지 다른 잎 형태를 가지고 있다.
일부 정수 식물은 계절에 따라 물기둥에서의 위치를 변경할 수 있다. 물옥잠(''Water soldier'')은 늦봄에 천천히 표면으로 떠올라 꽃차례가 공기 중으로 나올 수 있도록 한다. 개화가 완료되면 식물은 물기둥을 통해 내려오고 뿌리가 위축된다.
부유성 수생 속씨식물에서 잎은 대기 중의 이산화탄소를 활용하기 위해 윗면에만 기공을 가지도록 진화했다.[15] 가스 교환은 기공의 위치 때문에 주로 잎의 윗면을 통해 일어나며, 기공은 영구적으로 열린 상태이다. 수생 환경으로 인해 식물은 기공을 통해 물을 잃을 위험이 없고 따라서 탈수의 위험에 직면하지 않는다.[15] 탄소 고정을 위해 일부 수생 속씨식물은 물속의 탄산수소염에서 CO2를 흡수할 수 있는데, 이는 육상 식물에는 없는 특성이다.[16]
수생 식물은 형태에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.[5][32]
형태 | 설명 |
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양서식물 | 물속이나 육지에서 모두 적응하여 살아가는 식물 |
침수식물 | 전체 생애를 물속에서 보내거나, 꽃만 수면 위로 피우는 줄기 식물 |
부엽식물 | 전체 생애를 물속에서 보내는 잎이 뭉쳐서 나는 식물 |
습생식물 | 뿌리는 바닥에 있고, 잎은 수면 위에 있는 식물 |
수련형 식물 | 뿌리는 바닥에 있고, 잎은 수면 위로 떠 있는 식물 |
부유식물 | 물 위를 자유롭게 떠다니는 관다발 식물 |
고등식물은 본래 육상 생활에 적응하여 진화했기 때문에 수중 생활을 하는 종은 많지 않다. 수중 생활을 하는 종도 대부분 담수에서 발견되며, 해산 종은 더욱 적다. 해산 종은 해초(海草, 해조류가 아니다)라고 불린다.
수생 식물은 완전히 물속에서만 생활하는 경우는 많지 않다. 뿌리가 물에 잠겨 있는 것만을 '''습지 식물''' 또는 '''습생 식물''', 뿌리가 완전히 수면 아래에 있고, 줄기나 잎이 수중에서 수면 위로 뻗는 것을 '''추수 식물'''(또는 '''정수 식물'''), 잎이 수면에 떠 있고, 그 표면이 공기에 닿아 있는 것을 '''부유 식물'''이라고 한다. 식물체가 완전히 수중에 있는 것을 '''침수 식물'''이라고 하며, 좁은 의미로는 이것을 '''물풀'''이라고 하는 경우도 있다. 그러나 침수 식물이라도 꽃은 공중에서 피는 경우가 많다.
수중에서는 부력이 있으므로 몸을 지탱할 필요가 없어 물풀의 몸은 연약한 것이 많다. 반면, 산소와 이산화 탄소 공급은 제한적이다. 특히 관다발 식물은 비동화 조직이 많아 산소 공급이 필요하므로, 줄기 안에 공기가 통할 수 있도록 되어 있는 경우가 많다. 연근의 구멍이 그 예이다. 일부 종은 호흡근이라고 하여, 뿌리의 일부가 지하에서 위로 뻗어 수중이나 수면에 나오기도 한다. 또한, 물은 빛을 잘 흡수하므로 수중은 육상에 비해 광합성량이 적다. 따라서 많은 수생 식물은 가능한 한 수면에 나오려는 적응을 보인다.
호수나 늪에 생육하는 물풀은 둑에서 뭍으로 향하며 수심에 대응한 띠 모양 분포를 보이는 경우가 많다. 둑의 물가 부근이 완만하면 습생 식물이 자라고, 물이 고이는 곳부터는 추수성 식물이 자라 일정 깊이까지를 점유한다. 추수성이 들어갈 수 없는 깊이가 되면 부엽성 물풀이 수면을 차지하고, 그 틈새에서 침수성 물풀이 자란다. 부엽성 식물도 닿지 않는 깊이에서는 물풀이 거의 보이지 않지만, 물 밑바닥에는 차축조류가 생육하기도 한다.
뿌리가 물속에 있고, 줄기와 잎을 뻗어 수면 위로 나오는 식물을 '''추수식물'''(혹은 '''정수식물''')이라고 한다. 노랑어리연꽃류, 수련류에는 부엽성인 것과 추수성인 것이 있으며, 처음에는 부엽성이다가 잘 자라면 추수성이 되는 것도 있다. 그 외에 연꽃(예전에는 수련과로 여겨졌으나 계통이 전혀 다르다고 여겨져 현재는 연꽃과로 분류되는 경우가 많음) 등이 있다. 사초과나 벼과에는 추수성으로 키가 크게 자라는 것이 있어, 강이나 연못 등의 물가를 넓게 덮는 경우가 많다.
뿌리가 물에 잠기는 곳에서 생육하는 식물은 수위가 올라갈 때를 제외하고는 거의 물에 잠기지 않는다. 뿌리가 수면 아래에 들어가므로 뿌리의 통기 기구나 호흡근을 가진 종이 있다. 그 외에는 육상 식물과 크게 다르지 않다. 지금까지 언급한 형태의 수생 식물에 비하면, 많은 분류군에서 사례를 찾아볼 수 있다. 낙우송이나 오리나무 등, 나무에도 이에 해당하는 종이 있다.
4. 1. 부력
수생 식물은 부력을 통해 자체 무게에 반하는 작용을 경험한다.[34] 이 때문에 육상 식물이 겪는 압력이 없어서 세포 덮개가 훨씬 더 유연하고 부드럽다.[34] 녹조류는 수생 환경으로 인해 세포벽이 매우 얇은 것으로 알려져 있으며, 연구에 따르면 녹조류는 현존하는 육상 및 수생 식물의 가장 가까운 조상이다.[35]4. 2. 광합성
수중 식물은 육상 식물에 비해 이산화탄소 형태의 탄소 접근이 제한적이며, 광량 감소를 경험한다.[16] 이를 극복하기 위해 다양한 전략을 진화시켰다. 우선, 탄소 공급원으로서 탄산수소염 이온을 대사할 수 있다.[16] bicarbonate영어를 사용하는 속씨식물은 탄소 수준이 낮은 염기성 환경에서도 이산화 탄소(CO2) 수준을 만족스럽게 유지할 수 있다.[16]또한, 수중 잎과 광합성 줄기 주위의 확산 경계층(DBL)을 조절한다. DBL은 잎의 두께, 모양, 밀도에 따라 달라지며, 잎/물 경계를 가로지르는 기체 수송 속도를 감소시켜 이산화탄소 수송을 저해한다.[16] 많은 수생 식물은 잎을 가늘게 갈라지게 만들어 표면적을 넓히고 DBL의 영향을 줄인다.[13]
환경 변수는 수생 식물의 순간적인 광합성 속도와 광합성 효소 색소에 영향을 미친다.[38] 물속에서 빛의 세기는 깊이에 따라 급격히 감소하며, 호흡은 어두운 곳에서 더 높다.[38]
4. 3. 번식
대부분의 수생 피자식물은 개화와 씨앗을 통해 번식하지만, 많은 종들은 지하경, 동아, 파편 등을 통해 무성생식을 하기도 한다.[6]5. 수생 식물의 기능 및 중요성
개구리밥이나 수련과 같은 수생 식물은 많은 작은 동물들이 산란하거나 수면 위와 아래의 포식자로부터 보호받는 은신처로 사용된다.
수생 식물 군락의 감소는 수질 문제 및 수역의 생태적 상태 변화를 나타낼 수 있다. 이러한 문제는 과도한 탁도, 제초제, 또는 염도의 결과일 수 있다. 반대로, 지나치게 높은 영양 수준은 수생 식물의 과다를 초래할 수 있으며, 이는 호수 처리를 방해할 수 있다.[3] 수생 식물 수준은 샘플 채취가 쉽고, 실험실 분석이 필요 없으며, 간단한 풍부도 지표를 계산하는 데 쉽게 사용될 수 있다.[3]
5. 1. 생태적 기능
수생 식물은 중요한 일차 생산자이며, 습지를 포함한 많은 수생 동물상의 먹이 그물의 기초를 형성한다.[39] 질소와 인과 같은 영양 오염 과잉 영양소를 흡수하여 식물성 플랑크톤과 경쟁하고 부영양화 및 유해 조류 번식 발생률을 줄이며, 하안 토양 화학에 큰 영향을 미친다.[40] 수생 식물의 잎, 줄기, 뿌리는 물의 흐름을 늦추고, 퇴적물과 수질 오염 물질을 가두기 때문이다. 과도한 퇴적물은 유속 감소로 인해 하상에 침전되며, 일부 수생 식물은 공생 미생물을 가지고 있어 질소 고정이 가능하고 뿌리에 갇히거나 흡수된 오염 물질을 분해한다.[41][25]수생식물은 수생 생태계에서 많은 기능을 수행하며 인간에게도 유익하다. 질소와 인을 포함한 용존 영양소를 흡수하여[40] 오염된 물에서 과도한 질소와 인을 제거하기 위해 전 세계적으로 인공 습지에서 널리 사용된다.[46] 또한, 수생식물은 뿌리와 줄기에 서식하는 탈질 박테리아에 영향을 주어 영양 순환, 특히 질소 순환에 간접적으로 영향을 미친다.[47] 유속을 감소시켜 부유 고형물의 침전을 촉진하고,[48] 토양 표면을 안정시켜 침식을 방지한다.[49] 더불어, 구조화되지 않은 물에서 공간적 이질성을 제공하여 어류와 무척추동물의 다양성과 밀도를 증가시키는 경향이 있다.[50]
이 외에도, 수생식물은 야생 동물 서식지를 제공하고 폐수 처리 시스템을 미적으로 만족스럽게 만든다.[51]
5. 2. 인간과의 관계
야생 벼(지자니아), 물밤(마름), 중국 물밤(`Eleocharis dulcis`), 연꽃(연), 물 시금치(`Ipomoea aquatica`), 가시연(Euryale ferox), 물냉이(`Rorippa nasturtium-aquaticum`) 등은 식용으로 사용된다.[39] 일본을 포함한 동아시아에서는 가래(택사의 개량종), 연근, 마름 열매, 순채 등을 식용으로 한다. 동남아시아에서는 차즈기 종류를 허브로 요리에 사용한다.많은 수초가 원예나 아쿠아리움용으로 관상용으로 재배되고 있다.[63] 실내 아쿠아리움의 수초 수조에서는 야생에서 침수성으로 생육하는 것 외에도, 야생에서 부유성이나 추수성으로 생활하는 경우가 많은 수초를 수중 재배에 순화시키거나 수중엽으로 육성한 것도 많이 사용된다. 주요 수초로는 거머리말, 나사말 등 택사과, 아누비아스, 크립토코리네 등 천남성과, 미크로소리움, 볼비티스 등 수생 고사리, 카본바, 물부추, 로탈라(기카시구사), 히그로필라 등이 있다.[63] 원예용이나 야외 아쿠아리움에는 연꽃, 수련 등 부엽성 수초, 백합과, 붓꽃, 꽃창포, 골풀, 파피루스와 같은 습지성·추수성 수초가 사용된다.[63]
병풀, 연꽃, 물냉이, 모닝글로리, `Ludwigia adscendens`와 같은 담수 수생 식물은 항암 및 항산화 천연 제품의 유망한 공급원이다.[52] `Ludwigia adscendens`의 줄기와 뿌리 열수 추출물뿐만 아니라 `Monochoria hastata`의 열매, 잎, 줄기 추출물은 리폭시게나제 억제 활성을 갖는 것으로 밝혀졌다. `Ludwigia adscendens` 잎에서 추출한 열수 추출물은 아카보스보다 강력한 알파-글루코시다제 억제 활성을 나타낸다.[53]
수생 식물은 인공 습지를 사용한 소규모 하수 처리 또는 대규모 계획의 연마 석호에서 폐수 처리에 필수적인 역할을 한다.[51]
6. 한국의 수생 식물 보전 문제
한국의 수생 식물은 서식지 파괴, 수질 오염 등으로 위협받고 있다.
평지의 물가 환경이 급격하게 변화하면서 논에는 제초제의 영향으로 논 잡초가 격감하고 있으며, 논 주변 수로는 포장 정비 등으로 수중 동물과 물풀의 생육 환경이 사라졌다. 저수지는 도시 개발 등으로 매립되거나 방치되어 산업 폐기물 불법 투기 등에 사용되고 있다. 하천 주변 습지 역시 농경의 진보나 하천 개수 등으로 좁아져 사라지는 경우가 많아졌다.
또한, 도시화 등으로 인한 하수 증가, 농지로부터의 비료 유입 등으로 담수호의 부영양화가 진행되어 수질이 악화되고 있다.
6. 1. 서식지 환경 악화
논, 하천, 저수지 등 수생 식물의 주요 서식지가 도시 개발, 농업 방식 변화, 하천 정비 등으로 인해 파괴되거나 오염되고 있다. 특히, 논 습지는 제초제 사용과 수로의 포장 정비 등으로 삼면이 콘크리트로 굳혀져 수중 동물과 함께 물풀의 생육 환경이 크게 감소했다.[1]논 경작과 관련하여 일본 각지에 다수의 저수지가 있었지만, 도시 개발 등으로 매립된 곳이 많다. 농업 용수 정비로 사용되지 않게 된 저수지는 방치되어 산업 폐기물 불법 투기 등에 사용되기도 한다.[1]
하천 주변 습지 역시 서식 환경이 사라지고 있다. 원래 하천은 평야부에서 흐름을 바꾸며 주변에 범람원인 습지를 만들었으나, 농경 발전과 하천 개수로 습지가 좁아졌다. 최근에는 남아있던 습지마저 하천 정비 사업으로 사라지는 경우가 많아졌다.[1]
또한, 도시화로 인한 하수 증가, 농지의 비료 유입 등으로 담수호의 부영양화가 심해져 수질이 악화되고 있다. 이로 인해 물풀이 성장할 수 없는 환경이 조성되고 있으며, 비교적 큰 호수에서는 깊은 곳에 생육하는 차축조류마저 소멸할 위기에 처해있다.[1]
6. 2. 외래 수생 식물 문제
외래 수생식물은 빠른 번식력으로 토착 수생식물의 서식지를 잠식하고 생태계를 교란시킨다. 부레옥잠, 물배추, 캐나다말 등이 대표적인 예이다.[57] 특히 부레옥잠은 전 세계 열대, 아열대 지역에서 대량으로 증식하여 문제가 되고 있다. 국내에서는 캐나다말과 검정말이 인가 근처의 다소 오염된 수역에서 대량 증식하여, 본래 서식하던 검정말이나 나사말 등 침수성 수생식물들이 서식지를 잃고 거의 사라지게 되었다.[57]환경부와 농림축산식품부는 일부 외래 수생식물의 수입을 금지하거나 제한하고 있다. 2005년 6월과 2006년 2월에 시행된 외래생물법에 따라, 다음 수생식물은 특정 외래생물로 지정되어 ~~일본~~한국으로의 반입이 금지되었다.
- 나게에츠루노게이토 (''Alternanthera philoxeroides'')
- 브라질매자기 (''Hydrocotyle ranunculoides'')
- 큰잎사초 (''Myriophyllum aquaticum'')
- 부레옥잠 (''Pistia stratiotes'')
마찬가지로, 다음 수생 식물은 미확정 외래 생물로 지정되어 ~~일본~~ 한국으로의 반입이 제한된다.
- 히드로코틸레 보나리엔시스 (''Hydrocotyle bonariensis'')
- 히드로코틸레 움벨라타 (''Hydrocotyle umbellata'')
외래생물법 시행 이후, 특정 외래·미판정 외래생물의 근사종은 수입 시 해당 종이 아님을 증명해야 하는 의무가 부과되었다.
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