OJERI@KU

지속가능성과 생태공학 김정규

고대 환경생태공학부, OJERI(오정에코리질리언스연구원)

한국물환경학회 2017년 3월 23일 김대중 컨벤션센터

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문명의 붕괴 • Collapse: How Societies Choose to Fail or Survive

- Jared Diamond/2005, 2011/Penguin

• Five factors:1. Environmental damage2. Climate change3. Hostile neighbors4. Friendly trade partners5. The Society’s responses to its

environmental problems

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Where Do We Come From? What Are We? Where Are We Going? – Paul Gauguin (1897)

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Where Do We Come From? 환경은 어떻게 변화해 왔나.

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환경의 변화

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환경 이슈의 변화

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Panarchy

Space & Time Scale Compartments of Ecosystem

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What Are We? 무엇이 문제인가?

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지구경계 (Planetary Boundaries)

the Ball in the Basin Model ‘the Stability landscape’ *the ball = the current state of the

system *a basin = set of states with same

functions and feedback (regime) *shape of basin – constantly change*dotted line = threshold

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프란치스코 교황 회칙 2015. 6. 19

주여, 찬미를 받으소서

-더불어 사는 터전의 보호에 대한 (회칙)

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지속가능발전 정상회의 2015. 9 (UN)

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환경용량 (환경용적)

• 환경정책기본법제3조 6. "환경용량"이라 함은 일정한 지역안에서 환경의 질을 유지하고 환경오염 또는 환경훼손에 대하여 환경이 스스로 수용·정화 및 복원할 수 있는 한계

제7조의3(환경과 경제의 통합적 고려 등) ① 정부는 환경과 경제를 통합적으로 평가할 수 있는 방법을 개발하여 이를 각종 정책의 수립시에 고려하여야 한다. ②정부는 환경용량의 범위안에서 산업간·지역간·사업간 협의에 의하여 환경에 미치는 해로운 영향을 최소화하도록 지원하여야 한다. [본조신설 2002.12.30]

……. 환경은 유한하며 정화능력에는 한계가 있다. 앞으로 환경용적 설정은 총량규제를 기본으로 하여야 한다는 의식이 요구 (환경백서, 2000)

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물질과 에너지의 흐름; 속도 (양 / 시간)

환경용량(Environmental Capacity)

총 량 규 제 ???

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환경용량은 일정한 한계를 가지는가?

1. Yes– 한계 이상의 성장은 불가능한가?

2. No– 무한적으로 성장이 가능한가?

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재순환, 재이용, 절약 유효 환경용량 증대

Natural Recycling

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우리나라 환경용량 • 재생가능한 자원에만 의존할 때의 인구수용력

• 약 570만 명 (현재의 부와 쾌적함을 유지할 때)• Emergy 수입으로 OECD 수준 유지(7배)하면 4,552만~5,121만 명

• 단기: 지속적 교역확대 유지로 해결• 장기: 불가능

• 근원적 처방 필수지속가능성 최우선시민행동방식 대전환(great transformation)대체 에너지 개발, 기존 자원의 효율적 소비와 보전 강구

• 국토환경용량 산정모델 개발 및 국토환경지표 설정에 관한 연구(김, 2003)

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Where Are We Go?

어떻게 ‘지속가능성’을 확보하나?

복잡적응계 (사회생태시스템, SESs) 올바로 대응하기

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생 태 공 학

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환경오염이란?

"환경오염"이라 함은 사업활동 기타 사람의 활동에 따라 발생되는 대기오염, 수질오염, 토양오염, 해양오염, 방사능오염, 소음·진동, 악취, 일조방해 등으로서 사람의 건강이나 환경에 피해를 주는 상태 (환경정책기본법 제3조 4)

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생태공학적 Phytoremediation: 쑥

점토질, 유기질 희박한 토양, 수분 보유력 매우 나쁨

중금속 독성 우려 → 생태적 내성 요구

생태계 천이단계 순응

물질순환 속도 조절 위한 토착식물 Self-Organizing System 구축

매질 내 중금속 Bioavailability 감소

Sulfur Enhanced Phytoremediation

Self-growing, self-organizing, self-supporting system

Tree Herb

Root & Soil microbe

Soil & Water

Eco-Tree Retardation Tech.

(ER)

Sulfur Enhanced Phytoremediation

Tech. (SEP)

Rhizosphere Activation Tech. (RA) (Phytostabilization, Rhizofiltration Phytodegradation, Biodegradation)

Soil Quality Assessment Tech. (SQA) Sorption, Desorption, Precipitation

(Bioavailability, Mobility of organic or inorganic compound)

S 0.02mM S 0.2mM

Cd 0uM Cd 0uM Cd 50uM Cd 50uM

2002. 4

2003. 7

2005. 9

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생태공학적 Phytoremediation: 달맞이꽃

양이온성 및 음이온성 중금속 공존

생태계 내 이동성 차이로 정화 난이도 상승

오염지 생태형: 배제형으로 발달

생태계 내 식물, 미생물 공생 관계 이용

양이온-식물/음이온-균근

매질 내 중금속 Bioavailability 감소

Plant-Microbe mediated Phytoremediation

Self-growing, self-organizing, self-supporting system

O. odorata

[ Magnifying X10 ]

Vesicle

Arbuscle

Hyphae

VAM

Sterile

-VAM

a)

Phos

phor

us c

onte

nts (

mg

pot-1

)

0

6

12

18

24

30

36

NAMAM

b)

Stem Leaf Root

Ars

enic

con

tent

s (m

g po

t-1)

0

200

400

600

800

1000

*

*

**

Figure 34. a) P and b) As contents in stem, leaf, and root tissues of non-mycorrhizal and mycorrhizal O. odorata inoculated with

Glomus mosseae ㅁfter 8 weeks growth in As-contaminated gold mine soil.

a)

Phos

phor

us c

onte

nts (

mg

pot-1

)

0

3

6

9

12

15 NAMAM

b)

Stem Leaf Root

Ars

enic

con

tent

s (m

g po

t-1)

0

200

400

600

800

1000

**

**

*

*

As concentration in roots (µmol g-1 DW)

0 1 2 3 4 5

PCs c

once

ntra

tion

( µm

ol g

-1 D

W)

0

2

4

6

8

Y = 0.891 X, R2 = 0.992Y = 1.692 X, R2 = 0.982

(C)

Arsenate in external solution (µM)0 10 20 30 40 50

Shoo

t As a

ccum

ulat

ion

(µg

g-1 D

W)

0

5

10

15

20

25

(B)

Root

As a

ccum

ulat

ion

(µg

g-1 D

W)

0

100

200

300

400

(A)

Root

elin

gatio

n (c

m)

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

UPMP

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Everglades, florida, US

세계적으로 유명한 습지 개발

홍수와 허리케인 피해를 감소시키기 위해, 습지를 농지, 시가지,

자연보호구역으로 나누고 배수시설을 설치

자연서식지 감소, 수질 악화

식물 우점종의 변화: 참억새풀 → 부들, 골풀

빠른 변수: 식생 구조 (10-20년)

느린 변수: 토양 중 인 (P) 농도 (수백 년)

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리질리언스 관점의 생태계 변화

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리질리언스를 위한 관리

지휘 통제방식 (Command & Control) 리질리언스 방식 (Adaptive)

단기적, 일원적 장기적, 복합적

효율 상승 중시 보존과 지속, 변화 추구

독립된 요소에 대한 선형적 이해 전체 시스템, 순환, 취약점과 기회 이해

여러 문제에 일관된 대안 제시 하향식, 단편적

상황에 따른 맞춤형 대안 제시 다양성과 변화, 자기 조직화

하나의 목표 극대화 시스템 전체 기능 이해

평균 수치를 통한 이해, 선형적 분석, 지속적인 성장, 단편적 이해, 최적 상태 추구

변화하는 세상 전체를 이해, 문턱값 (thresholds)에 대한 비선형 분석, 열려있는 결말 추구

변화의 과정에서 희생 감수 적응할 수 있는 변화 추구

장기적 문제 발생 가능 단편적 해결책 제시 전체의 상호작용을 통한 해결책 제시 원치 않는 체제로의 변환 회피

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리질리언스 (Resilience, 회복탄력성, 복원성, 복원력)

사회생태시스템이 교란과 스트레스를 흡수하거나 견딜 수 있는 능력

시스템이 본래의 구조와 기능을 유지하면서 동일 체제 (regime)에

머물도록 하는 능력 (Holling, 1973)

문턱값 (threshold)을 높여 사회생태시스템이 스스로 강한 교란에도

체제가 전환 않는 힘을 갖춤

<문턱값 (threshold), 체제전환 (regime shift), 문턱변경 (moving threshold)>

● ●

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리질리언스 관점의 생태계 변화

환경 훼손 이전 시점으로 되돌리는 것을 목표로 하지 않음

현재 시스템이 순환과정 중 어느 단계에 있는지를 이해하고 접근법 도출

가능한 대안 체제 이해, 기존의 체제보다 더 나은 체제로 시스템 유도

<기존의 환경오염과 복원>

최적의 대안 체제

기존 환경으로의 복원

교란의 회복

교란

<리질리언스에서 이해하는 시스템의 순환> <순환주기의 이해를 통한 체제 전환>

Panarchy

Adaptive cycle

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세계 주요 국가 및 기관의 Resilient city 연구 활동

국외연구분야는 자연과학분야, 특히 환경분야에 집중

환경분야에서도 기후변화와 관련한 연구주제가 많은 것이 특징

거시적으로 사회생태시스템 전체를 포괄하는 방향의 연구가 진행

국가 및 기관 Resilient city 관련 연구, 정책수립, 활동

OECD - 국가 차원의 리질리언스 구축을 위한 국가정책 framework 수행 - “National Policy Framework on Resilience and Cities”

ICLEI - 자치단체국제환경협의회에서 재난과 위기에 유연하게 대응하는 resilient city 선정

UN Habitat - Resilient city 조성을 위해 ‘Urban ecology and Resilience’ 도시의제 선정, 정책적 연구/정보 공유

독일 - Resilient city를 핵심 기능 및 구조와 정체성을 유지하며 어떤 충격이나 압박을 흡수하여 잘 적응하는 도시로 정의

Rockefeller Foundation

- 2013년 기후변화에 대응할 수 있는 도시설계 공모전을 실시 - 2014년 1조원 규모의 국가 재해 리질리언스 대회를 개최

Stockholm Resilience Centre

- 2007년 부터 본격적으로 도시 리질리언스 연국 시작 - City compaction, green insurance 및 도시과학 증진과 도시의 복잡성 관련 연구 진행

IIASA - 도시 홍수, 빈곤, 각종 재난에 대한 도시 리질리언스 연구 수행 - 기후변화와 관련된 에너지 안보 및 도시 리질리언스에 미치는 영향 연구 적극적 진행

ASLA - 미국조경가협회에서 2014년 학회 주요 테마를 resilience로 선정 - 도시조경에 집중되어 있는 미국 조경계가 방재, 해안복원, 기후변화, 사회생태시스템 등 복잡한 시스템에도 관심 갖기 시작

* 주요 국제 리질리언스 연구기관 : Stockholm Resilience Centre, International Institute for Applied Systems Analysis, Resilience Alliance, UN Environment Program, UN Nations International Strategy for Disaster Reduction

OJERI@KU

국외 리질리언스 관련 연구 분야

국외연구분야는 자연과학분야, 특히 환경분야에 집중

환경분야에서도 기후변화와 관련한 연구주제가 많은 것이 특징

거시적으로 사회생태시스템 전체를 포괄하는 방향의 연구가 진행

순위 저널명 관련 논문수*

1 Climate Change 152

2 Global Environmental Change 118

3 Ecology and Society 109

4 Ecological Economics 74

5 Environmental Management 74

<국외 리질리언스 연구 분야>

<국외 리질리언스 연구관련 저널 현황>

*1977-2007년 논문 대상

(2007-2014)

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국내·외 연구동향

국외에 비해 국내의 스펙트럼 협소

상대적으로 환경분야 비중 낮음

국내

국외

200

21,000

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국내 관련 연구는 태동기

교란에 의한 제주도 노루 개체수의 변화를 모델링 적용 사례 (전 & 김, 2011)

가리왕산 스키장 건설에 의한 환경/사회/경제시스템 영향 분석 (전 &전, 2015)

금산,송계 대상으로 리질리언스의 기초 개념인 가변성 연구 (유 등, 2013)

기후변화로 인한 자연재해의 피해에 대해 도시의 방재력을 측정 및 평가하고 대안을 마련하는 도시

방재 측면에서의 연구 진행 (김 등, 2015; 김 등, 2015)

국내 생태, 환경분야의 리질리언스 연구

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시설재배지 토양 변화

기 간

pH 유기물 인산 칼륨 칼슘 마그네슘

1:5 g/kg mg/k

g cmol(+)/kg

76-80 5.8 22 811 1.08 6.0 2.5

80-89 5.8 26 945 1.01 6.4 2.3

91-93 6.0 31 861 1.07 5.9 1.9

95 6.2 30 1,053 1.22 6.7 2.5

96 6.0 39 1,435 1.16 6.4 2.3

최적 6.3-6.5

20-30 350-500

0.70-0.80

5.0-6.0

1.5-2.5

농촌진흥청(1999)

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친환경농업과 관행농업 토양 화학성 비교(밭, 시설) (김&정, 2014)

46

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우리나라 경작지 토양 리질리언스 (OJERI, Kim & Son, 2015)

0.0-0.5

2% 0.5-1.0

15%

1.0-1.5

8%

1.5-2.0

16% 2.0-2.5

16%

2.5-3.0

20%

3.0-3.5

13%

3.5-4.0

1%

4.0-4.5

1%

>4.5

8%

유기물 함량(%)별 경작지면적비율 (손&김, 2015)

0-1.5 25%

= 낮은 유기물 ≈지속불가능

= 높은 유기물 = 지속 가능

OJERI@KU

밀양 광산절개지 생태복원 (OJERI: Chon, 2015)

OJERI@KU

OJERI@KU

아랄해지역 생태복원: Agroforestry (OJERI: Asia Khamzina, 2015)

OJERI@KU

부산 Marine City 재해 취약성 개선 (OJERI: Chon, 2016)

OJERI@KU

제주 공동목장 리질리언스 개선 (OJERI: Hyun, 2016)

OJERI@KU

생태공학 - 원리와 응용 응용생태공학회, 청문각, 2017

1부 생태공학의 이해 1장 서론 2장 생태계 기능과 서비스 3장 생태공학 기초이론 4장 생태공학 모델링 5장 생태공학 리질리언스

2부 생태공학과 자연환경 6장 물환경

7장 토양환경 8장 경관생태환경

3부 생태공학과 국토환경 9장 하천환경 10장 도로환경 11장 도시환경

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오정-에코리질리언스 연구원 OJERI (OJeong Eco-Resilience Institute)

Managing Committee OJeong Fund Managing Committee

Planning & Managing

International Cooperation

Institutes Education

Symposia/ Publishing

Distinguished/Special Duty Professors

GCP Korea* SDSN Korea GLP Korea TWI 2050

• OJeong Eco-Resilience Center

• Institute for Environment & Ecology

• Environmental GIS/RS Center

• Wild Resource Plants Seed Bank

Seeds : 1,600 sp. 7,500 collections

Soil seriese : 1,400 collections, 310 srs.

BK21+ Eco-Leader

Education Center (ELEC)

Support Team

*GCP: Global Carbon Project, SDSN: Sustainable Development Solution Network, GLP: Global Land Project, TWI2050: Toward World In 2050

Human Resources 61 (Chair Prof. 1, Prof. 34, Res. Prof. 9, Adj. Prof 1, Sen. Researcher. 6, Researcher 8, Admin. 2)

R&D project (90), R&D Budget (8 billion), Int’l R&D (72,000$) Ojeong Fund (5 billion)

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‘사회생태시스템’ SESs(Social Ecological Systems)