펜 (지형)
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1. 개요
펜(Fen)은 습지의 한 유형으로, 이탄 축적, 지하수 또는 표면수로부터의 물 공급, 사초류와 관목의 식생을 특징으로 한다. 펜은 전 세계적으로 분포하며, 특히 북반구의 중위도와 고위도 지역에서 흔히 발견된다. 펜은 수문학적 조건, 영양 순환, 그리고 늪-펜 구배에 따라 다양한 생지화학적 특징을 보인다. 펜은 농경지 전환, 침입종, 서식지 파편화, 이탄 채취, 오염 등 다양한 위협에 직면해 있다.
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| 펜 (지형) | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 습지 |
| 특징 | 광물질이 풍부한 지하수 또는 지표수에 의해 공급되는 습지 |
| 설명 | 낮은 산성에서 알칼리성 pH를 나타냄 |
| 생태 | |
| 식생 | 갈대, 사초, 브리오피테 |
| 서식지 | 독특한 종의 식물, 무척추동물, 척추동물 서식지 제공 |
| 화학적 특성 | |
| pH | 낮은 산성 ~ 알칼리성 |
| 특징 | 이탄지보다 낮은 산성도 |
| 유사 환경 | |
| 비교 | 이탄지: 산성, 영양분 부족 환경 늪: 나무가 많은 습지 |
| 보존 | |
| 중요성 | 생물 다양성 보존 및 탄소 격리에 중요 |
2. 정의
습지의 유형, 특히 펜(fen)을 엄격하게 정의하는 것은 여러 가지 이유로 어렵다. 습지는 다양하고 변화무쌍한 생태계이기 때문에 유연하지 않은 정의로 분류하기 어렵다. 또한 습지는 육상 생태계와 수생 생태계의 특성을 모두 갖춘 전이 지대로 묘사되기도 한다.[6] 습지 유형을 설명하는 용어는 지역에 따라 크게 다르며,[3] 예를 들어, ''비오''라는 용어는 미국 남부에서만 사용된다.[7] 다른 언어는 습지 유형을 설명하는 데 서로 다른 용어를 사용하는데, 예를 들어 러시아어에는 북미에서 일반적으로 사용되는 ''늪''에 해당하는 단어가 없다.[6] 그 결과, 습지와 습지 유형을 각자 고유한 방식으로 정의하는 많은 습지 분류 체계가 존재한다.[3]
하지만 많은 분류 체계에는 대부분의 습지가 속하는 네 가지 광범위한 범주가 있다. 소택지, 늪, 이탄 습지, 펜이 그것이다.[3] 펜을 정의하는 정확한 기준은 분류 체계마다 다르지만, 일반적으로 펜을 설명하는 특징들이 있다. 교과서 "습지"에서는 펜을 "주변의 광물질 토양에서 어느 정도 배수를 받고 일반적으로 소택지와 같은 식생을 지원하는 이탄 축적 습지"로 정의한다.[6]
폴 A. 케디는 그의 교재 ''습지 생태학: 원리와 보존''에서 펜을 "얕은 토탄에 뿌리를 내린 사초와 풀이 주로 우점하며, 상당한 지하수 이동이 있고, pH가 6보다 큰 습지"로 정의한다.[3] 이 정의는 토탄의 존재 유무로 펜을 늪과 갯벌과 구별한다.
『이탄 습지의 생물학』(Rydin)에서는 펜을 다음 기준으로 정의한다:[4]
- 습지는 호수나 하천의 물에 의해 범람하지 않는다.
- 키가 2미터 이상인 목본 식물이 없거나 수관 덮개(canopy cover)가 25% 미만이다.
- 습지는 광물영양적이다(광물이 풍부한 지하수에서 영양분을 공급받는다).
개방형 펜과 숲이 우거진 펜 사이에는 추가적인 구분이 있는데, 개방형 펜은 수관 덮개가 10% 미만이고 숲이 우거진 펜은 수관 덮개가 10~25%이다. 키가 큰 관목이나 나무가 우세한 경우, 습지는 다른 기준에 따라 숲이 우거진 늪지 또는 늪지림으로 분류된다.
2. 1. 캐나다 습지 분류 시스템 정의
캐나다 습지 분류 시스템에서 펜은 다음 여섯 가지 특징으로 정의된다.[8]# 이탄이 존재한다.
# 습지 표면이 지하수면과 수평을 이룬다. 물은 습지 표면과 지하를 통해 흐른다.
# 지하수면은 변동한다. 습지 표면에 있거나, 표면 위 또는 아래 몇 센티미터 정도에 위치할 수 있다.
# 습지는 미네랄이 풍부한 지하수 또는 표면수로부터 상당한 양의 물을 공급받는다.[8]
# 분해된 사초 또는 갈색 이끼 이탄이 존재한다.
# 식생은 주로 사초류와 관목이다.
2. 2. 기타 정의
습지의 유형, 특히 펜을 엄격하게 정의하는 것은 여러 가지 이유로 어렵다. 첫째, 습지는 다양하고 변화무쌍한 생태계이기 때문에 유연하지 않은 정의로 분류하기 어렵다. 습지는 육상 생태계와 수생 생태계의 특성을 모두 갖춘 전이 지대로 묘사되기도 한다.[6] 둘째, 습지 유형을 설명하는 용어는 지역에 따라 크게 다르다.[3] 예를 들어, ''비오''라는 용어는 미국 남부에서만 사용된다.[7] 셋째, 다른 언어는 습지 유형을 설명하는 데 서로 다른 용어를 사용한다. 예를 들어, 러시아어에는 북미에서 일반적으로 사용되는 ''늪''에 해당하는 단어가 없다.[6] 그 결과, 습지와 습지 유형을 각자 고유한 방식으로 정의하는 많은 습지 분류 체계가 존재한다.[3]대부분의 습지는 소택지, 늪, 이탄 습지, 펜의 네 가지 범주로 나뉜다.[3] 펜을 정의하는 정확한 기준은 분류 체계마다 다르지만, 일반적으로 펜을 부정확하게 설명하는 특징들이 있다. 교과서 "습지"에서는 펜을 "주변의 광물질 토양에서 어느 정도 배수를 받고 일반적으로 소택지와 같은 식생을 지원하는 이탄 축적 습지"로 정의한다.[6]
''펜''이라는 용어에 대한 보다 구체적인 정의를 설명하기 위해 세 가지 예시를 제시한다.
캐나다 습지 분류 시스템에서 펜은 다음 여섯 가지 특징으로 정의된다.[8]
# 이탄이 존재한다.
# 습지 표면이 지하수면과 수평을 이룬다. 물은 습지 표면과 지하를 통해 흐른다.
# 지하수면은 변동한다. 습지 표면에 있거나, 표면 위 또는 아래 몇 센티미터 정도에 위치할 수 있다.
# 습지는 미네랄이 풍부한 지하수 또는 표면수로부터 상당한 양의 물을 공급받는다.[8]
# 분해된 사초 또는 갈색 이끼 이탄이 존재한다.
# 식생은 주로 사초류와 관목이다.
폴 A. 케디는 그의 교재 ''습지 생태학: 원리와 보존''에서 펜을 "얕은 토탄에 뿌리를 내린 사초와 풀이 주로 우점하며, 상당한 지하수 이동이 있고, pH가 6보다 큰 습지"로 다소 간단하게 정의한다.[3] 이 정의는 토탄의 존재 유무로 펜을 늪과 갯벌과 구별한다.
『이탄 습지의 생물학』(Rydin)에서 펜은 다음 기준에 따라 정의된다:[4]
# 습지는 호수나 하천의 물에 의해 범람하지 않는다.
# 키가 2미터 이상인 목본 식물이 없거나 수관 덮개(canopy cover)가 25% 미만이다.
# 습지는 광물영양적이다(광물이 풍부한 지하수에서 영양분을 공급받는다).
개방형 펜과 숲이 우거진 펜 사이에는 추가적인 구분이 있는데, 개방형 펜은 수관 덮개가 10% 미만이고 숲이 우거진 펜은 수관 덮개가 10~25%이다. 키가 큰 관목이나 나무가 우세한 경우, 습지는 다른 기준에 따라 숲이 우거진 늪지 또는 늪지림으로 분류된다.
3. 분포 및 범위
펜은 전 세계에 분포하지만, 북반구의 중위도에서 고위도 지역에서 가장 흔하게 발견된다.[2] 온대 기후와 아한대 기후 지역 전역에서 발견되지만, 툰드라와 전 세계 다른 지역의 특정 환경 조건에서도 존재한다.[3][4] 미국에서는 펜이 중서부와 북동부에서 가장 흔하지만, 전국적으로 발견될 수 있다.[5] 캐나다에서는 펜이 허드슨만과 제임스만 근처의 허드슨만 저지대에서 가장 흔하지만, 전국적으로 발견될 수 있다.[4] 펜은 영국과 아일랜드를 포함한 유라시아 북부 위도에도 널리 분포하며, 일본에도 존재하지만, 동유럽 중부가 펜이 특히 풍부하다.[4][5] 더 남쪽에서는 펜이 훨씬 드물지만, 특정 조건 하에서는 존재한다. 아프리카에서는 보츠와나의 오카방고 델타와 레소토의 고지대 사면에서 펜이 발견되었다.[4] 펜은 남반구의 더 추운 위도에서도 발견될 수 있다. 뉴질랜드와 아르헨티나 남서부에서 발견되지만, 그 범위는 북부 위도보다 훨씬 적다.[4][2] 지역적으로 펜은 하천과 강 수원지와 같은 육상 및 수생 생태계의 교차점에서 가장 자주 발견된다.[4][6]
전 세계적으로 약 1100000km2의 펜이 있는 것으로 추정되지만, 펜의 범위를 정량화하는 것은 어렵다.[2] 습지 정의가 지역마다 다르기 때문에, 모든 국가가 펜을 동일하게 정의하지 않으며,[4] 습지 데이터가 항상 이용 가능하거나 품질이 높지 않다.[4] 펜은 육상 및 수생 생태계 사이에 위치하므로 엄격하게 경계를 정하고 측정하기 어렵다.[4]
4. 생지화학적 특징
펜은 다른 습지와 마찬가지로 호기성 환경과 혐기성 환경의 경계에 있어 영양 순환에서 중요한 역할을 한다.[9] 펜 내부에서는 주로 이끼가 분해를 담당하며, 온대 지역의 펜에서는 식물 뿌리의 분해도 중요한 역할을 한다.[18]
4. 1. 수문학적 조건
수문 조건은 다른 습지에서 볼 수 있듯이 펜 생물군과 생지화학의 주요 결정 요인이다.[9] 펜 토양은 지하수면이 표면에 있거나 표면에 가까이 있기 때문에 끊임없이 침수된다.[10] 그 결과, 산소가 물에 잠긴 토양으로 확산되는 속도가 느려 혐기성(무산소) 토양이 형성된다.[9] 혐기성 토양은 지구 대기가 산소화되어 있고 대부분의 육상 생태계와 표면수는 호기성이기 때문에 생태학적으로 독특하다. 습지 토양에서 발견되는 혐기성 조건은 환원된 토양 화학을 유발하며, 산화된 토양 화학을 유발하지 않는다.[9]펜의 특징은 상당 부분의 물 공급원이 지하수에서 비롯된다는 것이다(광물영양).[10] 지하수의 화학은 습지에서 지배적인 요인인 수문학에 의해 펜의 특성에 막대한 영향을 미친다.[11] 지하수 화학은 차례로 지하수가 통과하는 암석의 지질에 의해 크게 결정된다.[12] 따라서 펜의 특성, 특히 pH는 지하수 공급이 접촉하는 암석의 유형에 직접적인 영향을 받는다. pH는 펜 종 구성 및 풍부성을 결정하는 주요 요인이며, 더 염기성인 펜은 "풍부한" 펜이라고 하고, 더 산성인 펜은 "가난한" 펜이라고 한다.[10] 풍부한 펜은 생물 다양성이 높고 희귀하거나 멸종 위기에 처한 종을 많이 보유하는 경향이 있으며, 생물 다양성은 펜의 풍부함이 감소함에 따라 감소하는 경향이 있다.[11][10]
펜은 석회암과 같이 칼슘이 풍부한 암석 위에 있는 경향이 있다.[9] 지하수가 석회암(탄산 칼슘)과 같은 석회질(칼슘이 풍부한) 암석을 지나갈 때 소량이 용해되어 지하수가 공급하는 펜으로 운반된다.[13] 탄산 칼슘이 용해되면 다음 평형에 따라 중탄산염과 칼슘 양이온이 생성된다.[13]
여기서 탄산 (H2CO3)은 물에 이산화 탄소가 용해되어 생성된다.[13] 펜에서 이 평형에서 생성된 중탄산염 음이온은 pH 완충제 역할을 하여 펜의 pH를 비교적 안정적으로 유지한다.[14] 용해 시 완충액 역할을 하는 미네랄을 통과하지 않는 지하수에 의해 공급되는 펜은 더 산성 경향이 있다.[15] 모래와 같이 용해도가 낮은 미네랄을 지하수가 통과할 때도 같은 효과가 관찰된다.[15]
극도로 풍부한 펜에서는 탄산 칼슘이 용액에서 침전되어 마르 침전물을 형성할 수 있다.[15] 용액 내의 이산화 탄소의 분압이 떨어지면 탄산 칼슘이 용액에서 침전된다.[16] 이산화 탄소 분압의 감소는 광합성을 위한 식물의 흡수 또는 대기로의 직접적인 손실로 인해 발생한다.[16] 이것은 용액 내 탄산의 가용성을 감소시켜 위의 평형을 탄산 칼슘 형성을 향해 다시 이동시킨다. 그 결과 탄산 칼슘의 침전과 마르의 형성이 이루어진다.[16]
4. 2. 영양 순환
펜은 호기성(산소가 있는) 환경과 혐기성(산소가 없는) 환경의 경계에 위치하여 영양 순환에서 중요한 역할을 한다.[9] 대부분의 습지는 얇은 상층의 산화된 토양을 가지고 있으며, 이 층과 그 아래의 환원층 사이에서 영양분과 무기물이 순환한다.[9][17] 환원층에서는 탈질, 망간 환원, 철 환원, 황산염 환원, 메탄 생성 등 많은 중요한 반응이 일어난다.[17] 습지는 영양소 변환이 활발하며, 인간 활동으로 생성된 영양소가 풍부한 물을 처리하기 위해 인공적으로 조성될 수 있다.[9]펜은 일차 생산이 활발한데, 지하수의 지속적인 유입이 생산을 자극하기 때문이다.[17] 지하수 유입이 없는 이탄지는 일차 생산량이 훨씬 낮다.[17] 습지에서 탄소는 대부분 유기 탄소 형태로 유입되며, 호기성 호흡, 이탄 속 유기물로 매장, 메탄으로 분해 과정을 거친다.[9] 펜에서는 식물 생산이 분해보다 커서 유기물이 이탄으로 축적되고, 이는 엄청난 양의 탄소를 격리한다.[17][18] 그러나 펜은 메탄을 방출하기 때문에 온실 기체 흡수/방출 여부는 판단하기 어렵다.[17][19] 혐기성 이탄층의 메탄 생성 고세균은 이산화탄소와 수소를 결합하여 메탄과 물을 생성하며, 이 메탄은 대기 중으로 빠져나가 온난화 효과를 낼 수 있다.[9][20] 갈색 이끼와 사초가 우세한 펜은 ''스파그눔''이 우세한 늪보다 더 많은 메탄을 방출한다.[17][19]
펜은 혐기성 조건으로 인해 질소 순환에서 중요한 역할을 한다.[9] 질소는 표면 유출 (질산염), 유기물, 질소 고정 등을 통해 습지로 유입되며, 유기물 내 질소, 산화된 질소(질산염 또는 아질산염), 암모늄의 세 가지 형태로 존재한다.[9][20] 이탄의 유기물 분해로 암모니화가 일어나 암모늄이 생성되고, 습지의 산화된 표면층에서 질산화를 통해 아질산염과 질산염으로 산화된다.[9] 환원층에서 암모늄 생성과 상부 산화층에서의 소비는 암모늄의 상향 확산을, 산화층에서 질산염 생성과 환원층에서 탈질소화에 의한 질산염 소비는 질산염의 하향 확산을 유발한다.[9] 탈질소화는 질소 가스와 아산화 질소를 생성하여 대기 중으로 배출한다.[9] 아산화 질소는 펜의 질산염 및 아질산염 농도에 의해 생산이 제한되는 강력한 온실 가스이다.[21]
질소와 인은 습지의 비옥도를 제어한다.[9] 인은 대부분 퇴적물이나 식물 부엽토를 통해 유입되며, 습지 비옥도를 제한한다.[9] 염기성 조건에서는 칼슘이 인산염과 결합하여 인산칼슘을 만들어 식물이 흡수하기 어렵게 된다.[9] 이끼는 토양 인 스트레스를 감소시키고 인산가수분해효소 활동을 자극하여 식물의 인 흡수를 돕는다.[22] 헬로파이트는 펜 내 인 순환을 강화하여 인 싱크 역할을 할 수 있다.[23] 정상적인 조건에서 인은 인산염으로 토양 내에 유지된다.[24]
철은 펜 내 인 순환에 중요하며, 높은 수준의 무기 인산염과 결합하여 독성 환경을 조성하고 식물 성장을 저해할 수 있다.[22] 철이 풍부한 펜은 산성화, 과도한 질소와 칼륨, 낮은 수위에 취약해질 수 있다.[25] 이탄 토양은 유기 음이온을 제공하여 철이 인산염과 결합하는 것을 방지한다.[25]
5. 늪-펜 구배 (Bog–rich-fen gradient)
습지와 펜은 빈약한 쪽에서 풍부한 쪽으로 이어지는 기울기 상의 두 생태계로 생각할 수 있으며, 빈약한 쪽에는 늪, 풍부한 쪽에는 극도로 풍부한 펜, 그 중간에는 빈약한 펜이 있다.[26] 여기서 "풍부하다"와 "빈약하다"는 것은 펜이나 늪의 생물 다양성을 나타내는 종의 풍부함을 의미한다.[10] 종의 풍부함은 pH, 칼슘, 중탄산염 농도의 영향을 크게 받는다. 이러한 요인들은 특정 펜이 기울기의 어느 지점에 해당하는지 식별하는 데 도움이 된다.[27] 일반적으로 풍부한 펜은 광물질이 풍부한 지하수에 의존하는 광물 영양형이고, 늪은 강수에 의존하는 우량 영양형이다.[10] 빈약한 펜은 이 둘 사이에 속한다.
부영양 습지(Rich fen)는 물의 상당 부분이 광물이 풍부한 지하수 또는 지표수에서 유래하는 강한 광물 영양을 띤다. 강과 호수와 같은 지표수에서 멀리 떨어진 습지가 연결된 습지보다 더 풍부하다.[11] 이 물은 칼슘과 중탄산염이 지배적이어서 부영양 습지의 특징인 약산성에서 약염기성 pH가 나타난다.[10][28] 이러한 조건은 높은 생물 다양성을 촉진한다. 부영양 습지 내에는 많은 변동성이 존재한다. 가장 풍부한 습지는 극부 영양(마르) 습지로, 마르 퇴적물이 자주 형성된다.[15] 이들은 종종 pH 7 이상이다.[10] 부영양 및 중간 부영양 습지는 일반적으로 중성에서 약산성이며 pH는 약 7에서 5이다. 부영양 습지는 항상 생산성이 높은 것은 아니다. 칼슘 농도가 높으면 칼슘 이온이 인산 음이온과 결합하여 인의 가용성을 감소시키고 1차 생산을 감소시킨다.[9][10] 1차 생산이 제한적인 부영양 습지는 이끼와 균근의 축적으로 안정될 수 있으며, 이는 인 순환을 촉진하고 새로운 식물과 박테리아의 성장을 지원할 수 있다.[22] 갈색 이끼(''Amblystegiaceae'')와 사초(''Carex'' 속)가 우세한 식생이다.[28] 그러나 ''Sphagnum''과 같은 이끼가 축적되면 부영양 습지가 산성화되어 빈영양 습지로 전환될 수 있다.[29] 빈영양 습지와 비교하여 부영양 습지는 중탄산염, 염기 양이온(Na+, Ca2+, K+, Mg2+) 및 황산염의 농도가 더 높다.[14]
빈영양 펜(Poor fen)은 여러 면에서 부영양 펜과 이탄 습지의 중간 지점에 위치한다. 수문학적으로는 이탄 습지보다는 부영양 펜과 더 유사하지만, 식생 구성과 화학적 특성 면에서는 부영양 펜보다 이탄 습지와 더 유사하다.[28] 부영양 펜보다 훨씬 더 산성이며, pH는 약 5.5에서 4 정도이다.[10] 빈영양 펜의 이탄은 부영양 펜보다 더 두꺼운 경향이 있으며, 이는 식생이 아래의 미네랄이 풍부한 토양에 접근하는 것을 차단한다.[9] 또한, 두꺼운 이탄은 pH를 완충하는 미네랄이 풍부한 지하수의 영향을 줄인다.[9] 이는 펜을 보다 우세영양적, 즉 물과 영양분에 대해 영양분이 부족한 강수에 의존하게 만든다.[9] 빈영양 펜은 펜에 공급되는 지하수가 용해가 잘 안 되거나 용해 시 완충 능력이 낮은 퇴적물을 통과하는 지역에서도 형성될 수 있다.[15] 종 풍부성은 부영양 펜보다 낮지만 이탄 습지보다 높다.[10] 빈영양 펜은 이탄 습지와 마찬가지로 ''스파그눔'' 이끼가 우세하며, 이는 펜을 산성화하고 영양분 가용성을 감소시킨다.[28]
6. 위협
펜은 농경지로의 전환이라는 위협에 직면해 있다.[30] 기후가 적합한 지역에서는 작물 생산, 방목, 건초 생산과 같은 농업적 이용을 위해 펜의 물을 빼낸다.[31] 펜의 물을 직접 빼는 것은 지하수위를 낮추기 때문에 특히 유해하다.[10] 지하수위가 낮아지면 통기가 증가하고 이탄이 건조해져 이탄 내 유기물의 호기성 분해나 연소를 유발할 수 있다.[9][10] 펜의 물 공급을 줄여 간접적으로 펜의 물을 빼는 것도 마찬가지로 해로울 수 있다. 채석이나 주거 개발과 같은 인근의 인간 활동으로 인해 펜으로의 지하수 흐름을 방해하면 펜에 유입되는 물과 영양분의 양이 변화한다.[31] 이로 인해 펜은 더욱 우세(강수량에 의존)해져 산성화가 일어나고 수질 화학이 변화할 수 있다.[30] 이는 이러한 종들의 서식지에 직접적인 영향을 미쳐, 많은 특징적인 펜 종들이 사라지게 된다.[30]
펜은 침입종, 서식지 파편화, 이탄 채취, 오염의 위협 또한 받는다.[31] 북미의 청매자나무와 같은 외래 침입종은 펜에 침입하여 희귀한 펜 종과 경쟁하고, 생물 다양성을 감소시킬 수 있다.[31] 서식지 파편화는 펜 종, 특히 파편화로 인해 인근 펜으로 이동할 수 없는 희귀하거나 멸종 위기에 처한 종을 위협한다.[31] 늪에서 훨씬 더 흔하게 발생하는 이탄 채취는 펜에서도 일어난다. 펜에서 채취한 이탄은 연료로 태우는 것을 포함하여 여러 용도로 사용된다.[31] 오염 물질은 펜의 화학적 조성을 변경하고 침입종의 침입을 촉진할 수 있다.[31] 펜의 일반적인 오염 물질에는 도로 염분, 정화조의 영양분, 농업용 비료 및 살충제의 유출 등이 있다.[31]
7. 문학에서의 사용
윌리엄 셰익스피어의 희곡 ''리어왕''에서 리어는 "그녀의 아름다움을 감염시켜라, 강력한 태양에 의해 끌어올려진 늪에서 빨아들인 안개여, 떨어져서 물집을 일으켜라."라고 말할 때 "펜-서크드(fen-sucked, 늪에서 빨아들인)"라는 용어를 늪에서 솟아오르는 안개를 묘사하는 데 사용했다.[32]
8. 특정 펜 지역
- 펜스 (잉글랜드 동부 및 이스트 미들랜즈)
- 위켄 펜 (영국의 '펜스'의 일부인 캠브리지셔의 특정 지역)
- 메소포타미아 습지 (이라크 남동부 & 이란 서부 국경)
- 백 베이 펜스 (미국, 매사추세츠, 보스턴)
- 시더 보그 (미국, 오하이오, 샴페인 카운티)
- 코울스 보그, 인디애나 모래언덕 국립호수 (미국, 인디애나)
- 제네바 크릭 (콜로라도) (미국, 철 펜)
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