한국에서 수분수지의 생태적 중요성과 대기오염 및 토양 산성화로 인한 식물의 수분스트레스 증대 효과 Ecological Importance of Water Budget and Synergistic Effects of Water Stress of Plants due to Air Pollution and Soil Acidification in Korea원문보기
한국은 양적으로 강수량이 풍부하지만 강우현상이 편중되어 매년 일정기간의 가뭄기를 겪는다. 더구나 그 토양은 대부분 화강암에서 유래한 거친 입자의 것으로서 보수력이 낮다. 수 종의 참나무류와 소나무의 수분스트레스에 대한 반응 결과는 수분수지가 식생의 분포를 결정하는 주 요인임을 보여주었다. 뿐만 아니라 몇몇 상록식물의 월동기간 중 내한성 기작에 기인한 탈수 정도는 자연상태에서 그들의 분포와 밀접하게 관계되었다. 수분스트레스 처리 실험 결과 소나무는 건조에 대해 강한 내성을 보였지만 그 유식물은 가뭄기에 높은 고사율을 나타내었다. 그 고사율은 지소의 토양수분함량에 비례하는 경향이었다. 가뭄이 심한 6월 중 삼림토양의 수분함량과 수분스트레스 처리 실험에서 소나무 유식물이 영구위조점에 도달한 시점에서 배지토양의 수분함량을 비교한 결과는 가뭄기에 소나무 유식물의 높은 고사율이 수분부족에 기인함을 입증하였다. 대기오염물질 폭로실험 중 측정된 시료식물의 수분포텐셜은 시료식물에서 가시피해의 발생과 그 내성에 수분요인이 관계될 가능성을 보여주었다. 야외 현장 조사와 실내실험 결과 둘 다에서 심한 대기오염에 노출된 식물은 그렇지 않은 것과 비교하여 수분소실이 빠르게 일어나는데, 그것은 오염물질에 의한 잎 표면의 손상 정도와 관계되었다. 산성 토양에서 높은 함유량을 보이는 알루미늄은 식물의 뿌리생장을 억 제하거나 비정상적 분포를 가져와 수분스트레스를 유발하였다. 대기오염과 토양 산성화에 기인한 이러한 수분스트레스 효과는 한국의 기후와 토양이 가지는 기존의 수분결핍효과에 덧붙여져 삼림쇠퇴를 유발하는 주 요인으로 작용할 가능성이 있다. 토양의 유기물 함량을 높여 포장용수량 증가에 기여할 수 있는 sludge는 산성토양을 개량하는데 기존의 개량제 못지않은 효과를 보였고, 낙엽 추출물 또한 알루미늄에 의한 수분스트레스 효과를 완화시키는데 기여하였다. 이러한 결과를 종합하여 한국에서 삼림쇠퇴를 유발할 수 있는 스트레스요인들의 잠재적 상호작용을 모식화하였다. 나아가 그것을 완화할 수 있는 복원방안을 토양개량과 식생복원의 측면에서 제시하였다.
한국은 양적으로 강수량이 풍부하지만 강우현상이 편중되어 매년 일정기간의 가뭄기를 겪는다. 더구나 그 토양은 대부분 화강암에서 유래한 거친 입자의 것으로서 보수력이 낮다. 수 종의 참나무류와 소나무의 수분스트레스에 대한 반응 결과는 수분수지가 식생의 분포를 결정하는 주 요인임을 보여주었다. 뿐만 아니라 몇몇 상록식물의 월동기간 중 내한성 기작에 기인한 탈수 정도는 자연상태에서 그들의 분포와 밀접하게 관계되었다. 수분스트레스 처리 실험 결과 소나무는 건조에 대해 강한 내성을 보였지만 그 유식물은 가뭄기에 높은 고사율을 나타내었다. 그 고사율은 지소의 토양수분함량에 비례하는 경향이었다. 가뭄이 심한 6월 중 삼림토양의 수분함량과 수분스트레스 처리 실험에서 소나무 유식물이 영구위조점에 도달한 시점에서 배지토양의 수분함량을 비교한 결과는 가뭄기에 소나무 유식물의 높은 고사율이 수분부족에 기인함을 입증하였다. 대기오염물질 폭로실험 중 측정된 시료식물의 수분포텐셜은 시료식물에서 가시피해의 발생과 그 내성에 수분요인이 관계될 가능성을 보여주었다. 야외 현장 조사와 실내실험 결과 둘 다에서 심한 대기오염에 노출된 식물은 그렇지 않은 것과 비교하여 수분소실이 빠르게 일어나는데, 그것은 오염물질에 의한 잎 표면의 손상 정도와 관계되었다. 산성 토양에서 높은 함유량을 보이는 알루미늄은 식물의 뿌리생장을 억 제하거나 비정상적 분포를 가져와 수분스트레스를 유발하였다. 대기오염과 토양 산성화에 기인한 이러한 수분스트레스 효과는 한국의 기후와 토양이 가지는 기존의 수분결핍효과에 덧붙여져 삼림쇠퇴를 유발하는 주 요인으로 작용할 가능성이 있다. 토양의 유기물 함량을 높여 포장용수량 증가에 기여할 수 있는 sludge는 산성토양을 개량하는데 기존의 개량제 못지않은 효과를 보였고, 낙엽 추출물 또한 알루미늄에 의한 수분스트레스 효과를 완화시키는데 기여하였다. 이러한 결과를 종합하여 한국에서 삼림쇠퇴를 유발할 수 있는 스트레스요인들의 잠재적 상호작용을 모식화하였다. 나아가 그것을 완화할 수 있는 복원방안을 토양개량과 식생복원의 측면에서 제시하였다.
Korea has plentiful precipitation but rainfall events concentrate on several months of rainy season in her weather condition. Korea, therefore, experiences drought for a given period every year. Moreover the soil has usually low water holding capacity, as it is composed coarse particles originated f...
Korea has plentiful precipitation but rainfall events concentrate on several months of rainy season in her weather condition. Korea, therefore, experiences drought for a given period every year. Moreover the soil has usually low water holding capacity, as it is composed coarse particles originated from the granite. Response of several oaks and the Korean red pine (Pinus densiflora) on water stress showed that water budget was significant factor determining vegetation distribution. In addition, dehydration level due to cold resistance mechanism of several evergreen plants during the winter season was closely related to their distribution in natural condition. Experimental result under water stress showed that the Korean red pine was very tolerant to desiccation but the seedlings showed high mortality during the dry season. The mortality tended to proportionate to soil moisture content of each site. A comparison between soil moisture content during June when it is severe dry season and moisture content of the culture soil when the pine seedlings reached the permanent wilting point due to water withheld proved that high mortality during the dry season was due to water deficit. Water potential of sample plants measured during the exposure experiment to the air pollutant showed a probability that water related factors would dominate the occurrence of visible damage and the tolerance level of sample plants. In both field survey and laboratory experiment, plants exposed to air pollution showed more rapid transpiration than those grown in the unpolluted condition. The result would due to injury of leaf surface by air pollutants. Aluminum (Al/sup 3+/) increased in the acid soil not only inhibits root growth but also leads to abnormal distribution of root system and thereby caused water stress. The water stresses due to air pollution and soil acidification showed a possibility that they play dominating roles in inducing forest decline additionally to the existing water deficit due to weather and soil conditions in Korea. Sludge, which can contribute to improve field capacity, as it is almost composed of organic matter, showed an effect ameliorating the retarded growth of plant in the acidified soil. The effect was not less than that of dolomite known in widely as such a soil ameliorator. Litter extract contributed also to mitigate the water stress due to toxic Al/sup 3+/. We prepared a model showing the potential interaction of multiple stresses, which can cause forest decline in Korea by synthesizing those results. Furthermore, we suggested restoration plans, which can mitigate such forest decline in terms of soil amelioration and vegetation restoration.
Korea has plentiful precipitation but rainfall events concentrate on several months of rainy season in her weather condition. Korea, therefore, experiences drought for a given period every year. Moreover the soil has usually low water holding capacity, as it is composed coarse particles originated from the granite. Response of several oaks and the Korean red pine (Pinus densiflora) on water stress showed that water budget was significant factor determining vegetation distribution. In addition, dehydration level due to cold resistance mechanism of several evergreen plants during the winter season was closely related to their distribution in natural condition. Experimental result under water stress showed that the Korean red pine was very tolerant to desiccation but the seedlings showed high mortality during the dry season. The mortality tended to proportionate to soil moisture content of each site. A comparison between soil moisture content during June when it is severe dry season and moisture content of the culture soil when the pine seedlings reached the permanent wilting point due to water withheld proved that high mortality during the dry season was due to water deficit. Water potential of sample plants measured during the exposure experiment to the air pollutant showed a probability that water related factors would dominate the occurrence of visible damage and the tolerance level of sample plants. In both field survey and laboratory experiment, plants exposed to air pollution showed more rapid transpiration than those grown in the unpolluted condition. The result would due to injury of leaf surface by air pollutants. Aluminum (Al/sup 3+/) increased in the acid soil not only inhibits root growth but also leads to abnormal distribution of root system and thereby caused water stress. The water stresses due to air pollution and soil acidification showed a possibility that they play dominating roles in inducing forest decline additionally to the existing water deficit due to weather and soil conditions in Korea. Sludge, which can contribute to improve field capacity, as it is almost composed of organic matter, showed an effect ameliorating the retarded growth of plant in the acidified soil. The effect was not less than that of dolomite known in widely as such a soil ameliorator. Litter extract contributed also to mitigate the water stress due to toxic Al/sup 3+/. We prepared a model showing the potential interaction of multiple stresses, which can cause forest decline in Korea by synthesizing those results. Furthermore, we suggested restoration plans, which can mitigate such forest decline in terms of soil amelioration and vegetation restoration.
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문제 정의
본 연구는 한국의 기후특성과 수분 관계, 식생의 분포와 정착 등 자연환경에 미치는 수분의 영향, 그리고 인위적 활동에서 비롯된 환경변화의 예로서 대기오염과 산성비, 그리고 그것에 기인한 토양 산성화와 수분수지 사이의 관계를 고찰하는데 하나의 목적을 두고 있다. 나아가 이러한 요인들의 상호작용을 통해 예견되는 삼림쇠퇴의 발생기작을 모식화하고, 그것을 방지하기 위한 복원계획을 수립하는데 또 하나의 목적을 두고 있다.
필요한 연구라고 생각한다. 본 연구는 한국의 기후특성과 수분 관계, 식생의 분포와 정착 등 자연환경에 미치는 수분의 영향, 그리고 인위적 활동에서 비롯된 환경변화의 예로서 대기오염과 산성비, 그리고 그것에 기인한 토양 산성화와 수분수지 사이의 관계를 고찰하는데 하나의 목적을 두고 있다. 나아가 이러한 요인들의 상호작용을 통해 예견되는 삼림쇠퇴의 발생기작을 모식화하고, 그것을 방지하기 위한 복원계획을 수립하는데 또 하나의 목적을 두고 있다.
본 연구에서는 한국의 삼림생태계의 건전한 관리를 목적으로 이러한 대기오염 및 토양산성화와 그것의 궁극적 결과인 삼림쇠퇴에 대한 대책을 제안하고자 한다. 특히 그것을 유발하는 주 요인으로서 수분수지를 고려한 대책을 제안하고자 한다.
토양수분의 지속적 유지 가능성을 결정하는 요인으로 포장용수량(field capacity)이 중요하게 작용하는데, 이 요인은 풍화의 결정체인 토양의 입자크기와 유기물함량에 의해 결정된다(Lee and Kim 1987). 이러한 사실을 고려하여 저자들은 토양의 유기물함량을 늘려 수분 보유능을 증가시키는 방법을 그 해결방안으로 제안하고 싶다. 실제로 대기오염으로 산성화된 토양에서 유기물이 대부분을 차지하고 있는 슬러지(sludge)가 토양개량제로 널리 사용되어 온 돌로마이트(dolomite) 못지 않은 생장 개선 효과를 보였고(Lee et al.
대한 대책을 제안하고자 한다. 특히 그것을 유발하는 주 요인으로서 수분수지를 고려한 대책을 제안하고자 한다. 토양수분의 지속적 유지 가능성을 결정하는 요인으로 포장용수량(field capacity)이 중요하게 작용하는데, 이 요인은 풍화의 결정체인 토양의 입자크기와 유기물함량에 의해 결정된다(Lee and Kim 1987).
제안 방법
소나무 유식물에 수분공급을 중단한 후 자엽, 저11엽 및 저] 2엽의 수분포텐셜을 측정한 결과, 자엽은 20일 이후, 그리고 제1엽과 2엽은 30일 이후 수분포텐셜이 변화하기 시작하여 45일 이후 고사하였다. 급수 중단한 후 45일이 경과되었을 때, 표토로부터 10cm 깊이까지 1cm 간격으로 시료를 채취하여 측정한 포트 내 토양수분 함량은 1.
성능/효과
1998b). 그 결과 수분공급 차단 후 수분포텐셜의 감소속도(Lee et al. 1998b)도 적용된 인공산성 빗물의 pH가 낮을수록 빠르게 감소하여 산성비가 수분결핍효과를 증대시키고 있음을 입증하였다.
급수 중단한 후 45일이 경과되었을 때, 표토로부터 10cm 깊이까지 1cm 간격으로 시료를 채취하여 측정한 포트 내 토양수분 함량은 1.7~5.8%로 나타났고, 가뭄이 심한 6월 중 산지 토양의 것은 3.7~6.1%로 나타났다. 이 값을 깊이 별로 비교하였을 때, 표토로부터 3cm 이내의 토양수분함량은 급수를 중단하여 유식물이 고사한 포트의 것이 산지 토양의 것보다 낮았지만 산지에서 발아 후 6월 중순까지 자란 소나무 유식물 뿌리의 평균길이인 6cm 정도 깊이의 토양수분함량을 비교하면, 급수 중단에 의해 유식물이 고사된 포트 내 토양 수분함량과 산지토양의 수분함량이 의미있는 차이를 나타내지 않았다.
신갈나무 유식물을 SO에 접촉시키며 수분포텐셜의 변화를 측정 한 결과, 0.2ppm, 0.4ppm, 0.7ppm 및 1.5ppm의 S(»구에서 수분 포텐셜은 각각 SO?를 접촉하고 47시간, 47시간, 32시간 및 8시간 이후부터 감소하기 시작하였다. 한편, 104시간 접촉 후 수분 포텐셜은 대조구>0.
1%로 나타났다. 이 값을 깊이 별로 비교하였을 때, 표토로부터 3cm 이내의 토양수분함량은 급수를 중단하여 유식물이 고사한 포트의 것이 산지 토양의 것보다 낮았지만 산지에서 발아 후 6월 중순까지 자란 소나무 유식물 뿌리의 평균길이인 6cm 정도 깊이의 토양수분함량을 비교하면, 급수 중단에 의해 유식물이 고사된 포트 내 토양 수분함량과 산지토양의 수분함량이 의미있는 차이를 나타내지 않았다. 이러한 결과로부터 가뭄기가 지속되는 6월 중 삼림토양의 수분함량은 수분부족으로 유식물이 고사되는 수준의 상태로서 이 시기의 소나무 유식물의 고사가 이러한 수분결핍에 기인함을 알 수 있다(Lee and Kim 2003).
실제로 전나무와 주목은 한반도 남부에서는 해발 1, 300m 이상(강 1984a, 1984b), 북부에서는 1, 200m 이상에 분포하는 한대성 식물이고, 잣나무와 소나무는 남부에서 600~ 1, 200m, 북부에서는 그보다 고도가 낮은 곳에 분포하는 아한대성 식물이다(정 및 이 1965). 이러한 결과로부터 내한기의 수분포텐셜 값은 이들 식물의 고도나 지리분포의 특성을 반영함을 알 수 있다.
1994c). 이러한 결과로부터 토양의 산성화는 식물체에 수분 스트레스를 유발하는 대기오염물질이나 산성비의 직접적 효과에 더하여 그 간접적 효과로도 식물체에 수분스트레스를 유발하고 있음을 알 수 있다.
5ppm구의 순서로 높았다. 즉, 수분포텐셜은 접촉한 S6농도가 높을수록 빨리, 그리고 크게 감소하여 S6가 수분포텐셜을 감소시키고 있음을 알 수 있었다. 한편, 수분포텐셜은 잎의 가시피해 징후(necrosis) 가 나타나기 이전부터 감소하기 시작하였고, 가시피해가 나타나지 않은 0.
토양의 건조가 심한 장마 전 6월중의 토양수분함량(Lee and Kim 2003))은 대조구, 닫힌 수관구, 열린 수관구 및 나지구의 순서로 높았다. 즉, 토양수분함량이 유식물의 생존율과 비례관계를 나타내었고, 관수한 대조구에서 유식물의 생존율은 100%를 유지하였는데, 이는 토양수분이 유식물의 생존과 밀접하게 관계됨을 반영하고 있다.
따라서 회양목은 저온기간이 더 지속된다면 수분포텐셜이 계속적으로 낮아져 수분부족의 위기를 맞게 될 것이고, 이것이 회양목이 이들 침엽식물보다 더 온난한 곳에 분포하게 하는 원인이 될 것이다. 한편, 침엽수에서 수분포텐셜값의 평형을 유지하는 내한기의 수분 포텐셜을 보면, 전나무와 주목은 -23bar, 잣나무와 소나무는 -12bar를 유지하여 앞의 두 식물의 수분포텐셜이 낮게 유지됨을 알 수 있다. 이러한 수분포텐셜 차이는 상록 침엽식물의 수직 또는 지리분포에 제한요인이 될 것이다(Burke et al.
후속연구
따라서 식물의 수분관계에 대한 검토와 그것에 영향을 미치는 요인에 대하여 검토하는 것은 이와 같이 특수한 환경에 있는 한국의 자연환경의 보전과 다양한 인위적 활동으로 나타나는 환경변화에 대처하여 자연환경 보전계획을 수립하는데도 반드시 필요한 연구라고 생각한다. 본 연구는 한국의 기후특성과 수분 관계, 식생의 분포와 정착 등 자연환경에 미치는 수분의 영향, 그리고 인위적 활동에서 비롯된 환경변화의 예로서 대기오염과 산성비, 그리고 그것에 기인한 토양 산성화와 수분수지 사이의 관계를 고찰하는데 하나의 목적을 두고 있다.
참고문헌 (9)
Burke, M J, Gusta, L V, Quamme, H A, Weiser, C J, Li, P H.
Freezing and Injury in Plants.
Annual review of plant physiology,
vol.27,
507-528.
Marchand, Peter J., Chabot, Brian F..
Winter Water Relations of Tree-Line Plant Species on Mt. Washington, New Hampshire.
Arctic and alpine research,
vol.10,
no.1,
105-.
Pierre, Michèle, Queiroz, Orlando.
Air pollution by SO2 amplifies the effects of water stress on enzymes and total soluble proteins of spruce needles.
Physiologia plantarum,
vol.73,
no.3,
412-417.
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