겨울기온 상승에 따른 복숭아 나무 '장호원황도' 품종의 결과지에 대한 동상해위험 공간분석: II. 휴면심도로 표현한 생리적 내동성에 근거한 동해위험지수 Geospatial Assessment of Frost and Freeze Risk in 'Changhowon Hwangdo' Peach (Prunus persica) Trees as Affected by the Projected Winter Warming in South Korea: II. Freezing Risk Index Based on Dormancy Depth as a Proxy for Physiological Tolerance to Freezing Temperature원문보기
복숭아 나무 '장호원황도' 품종의 결과지에 대한 월동기간 중 생리적 내한성을 가리키는 지표로서 일별 기온에 의해 계산되는 휴면심도를 설정하였다. 휴면심도 추정모형의 최적모수(기준온도, 저온요구도)를 도출하기 위해 2008-2009 겨울 동안 총 12회에 걸친 실험을 수행한 결과, 내생휴면해제에 필요한 '장호원황도'의 기준온도 $5.7^{\circ}C$와 저온요구도 -108을 얻었다. 1992-2008년 기간 중 수원기상대 일 최고 및 최저기온자료를 이용하여 이 모형에 의해 '장호원황도'의 만개기를 예측하고 기존의 DVS모형과 회귀모형에 의한 예상 만개기와 비교한 결과 이 모형의 예측능력이 우수하였다. 이 모형에 의해 추정된 휴면심도를 선행연구에서 얻은 동해유발온도와 결합하여 동해위험확률을 계산할 수 있는 경험식을 도출하였다. 날짜와 최저기온이 주어지면 이 식에 의해 '장호원황도'의 갈변이나 발아장해 등 동해증상이 나타날 수 있는 확률, 즉 동해위험 지수를 미리 알 수 있으므로 복숭아 재배농가의 동해 경감에 기여할 것으로 기대된다.
복숭아 나무 '장호원황도' 품종의 결과지에 대한 월동기간 중 생리적 내한성을 가리키는 지표로서 일별 기온에 의해 계산되는 휴면심도를 설정하였다. 휴면심도 추정모형의 최적모수(기준온도, 저온요구도)를 도출하기 위해 2008-2009 겨울 동안 총 12회에 걸친 실험을 수행한 결과, 내생휴면해제에 필요한 '장호원황도'의 기준온도 $5.7^{\circ}C$와 저온요구도 -108을 얻었다. 1992-2008년 기간 중 수원기상대 일 최고 및 최저기온자료를 이용하여 이 모형에 의해 '장호원황도'의 만개기를 예측하고 기존의 DVS모형과 회귀모형에 의한 예상 만개기와 비교한 결과 이 모형의 예측능력이 우수하였다. 이 모형에 의해 추정된 휴면심도를 선행연구에서 얻은 동해유발온도와 결합하여 동해위험확률을 계산할 수 있는 경험식을 도출하였다. 날짜와 최저기온이 주어지면 이 식에 의해 '장호원황도'의 갈변이나 발아장해 등 동해증상이 나타날 수 있는 확률, 즉 동해위험 지수를 미리 알 수 있으므로 복숭아 재배농가의 동해 경감에 기여할 것으로 기대된다.
In order to predict the risk of freeze injury for 'Changhowon Hwangdo' peach trees, we used the dormancy depth (i.e., the daily chill unit accumulation during the overwintering period) as a proxy for the short-term, physiological tolerance to freezing temperatures. A Chill-days model was employed an...
In order to predict the risk of freeze injury for 'Changhowon Hwangdo' peach trees, we used the dormancy depth (i.e., the daily chill unit accumulation during the overwintering period) as a proxy for the short-term, physiological tolerance to freezing temperatures. A Chill-days model was employed and its parameters such as base temperature and chilling requirement were optimized for peach trees based on the 12 observational experiments during the 2008-2009 winter. The model predicted the flowering dates much closer to the observations than other models without considering dormancy depth, showing the strength of employing dormancy depth into consideration. To derive empirical equations for calculating the probabilistic freeze risk, the dormancy depth was then combined with the browning ratio and the budburst ratio of frozen peach fruit branches. Given the exact date and the predicted minimum temperature, the equations calculate the probability of freeze damages such as a failure in budburst or tissue browning. This method of employing dormancy depth in addition to freezing temperature would be useful in locating in advance the risky areas of freezing injury for peach trees production under the projected climate change.
In order to predict the risk of freeze injury for 'Changhowon Hwangdo' peach trees, we used the dormancy depth (i.e., the daily chill unit accumulation during the overwintering period) as a proxy for the short-term, physiological tolerance to freezing temperatures. A Chill-days model was employed and its parameters such as base temperature and chilling requirement were optimized for peach trees based on the 12 observational experiments during the 2008-2009 winter. The model predicted the flowering dates much closer to the observations than other models without considering dormancy depth, showing the strength of employing dormancy depth into consideration. To derive empirical equations for calculating the probabilistic freeze risk, the dormancy depth was then combined with the browning ratio and the budburst ratio of frozen peach fruit branches. Given the exact date and the predicted minimum temperature, the equations calculate the probability of freeze damages such as a failure in budburst or tissue browning. This method of employing dormancy depth in addition to freezing temperature would be useful in locating in advance the risky areas of freezing injury for peach trees production under the projected climate change.
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문제 정의
본 연구의 수행목적은 첫째, Chill days 모형용 기준온도와 저온요구도 등의 주요 모수를 ‘장호원황도’에 맞게 도출하고 검증하는 데 있다. 둘째, 이러한 품종 맞춤형 모형에 의해 추정된 월동기간 중 휴면심도(생리적 단기내동성의 지표)를 선행연구에서 관찰된 동해 유발온도의 변이 해석에 활용하고자 하였다. 궁극적으로는 월동기간 중 한파가 왔을 때 그 시기의 휴면심도에 따라 동해위험도를 판정할 수 있는 객관적이며 정량화된 기준을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
지구온난화로 인하여 우리나라의 겨울철 최저기온이 상승하면서 월동과수의 동해위험도는 감소할 것이란 예상을 뒤엎고 최근 동해발생빈도가 증가하는 현상을 설명하는 데는 최저기온에만 의존해서는 안 되며, 계절, 생장상태, 발육단계에 따라 크게 달라지는 생리적 단기내한성을 고려해야 한다. 본 연구에서는 주어진 시점까지 관찰된 일별 기온만으로 비교적 간단하게 추정할 수 있는 휴면심도를 내한성의 대체변수로 삼고 선행연구를 통해 확인된 동해유발온도와 결합함으로써 실용적인 동해위험지수를 개발하였다. 예상되는 기후 변화와 과수산업의 적응전략을 고려해보면 재배적지의 선정과 신품종의 도입은 매우 중요하며 그 과정에서 동해위험도는 의사결정을 위한 기본정보가 될 것이다.
본 연구의 수행목적은 첫째, Chill days 모형용 기준온도와 저온요구도 등의 주요 모수를 ‘장호원황도’에 맞게 도출하고 검증하는 데 있다.
2008년 12월 10일 국립원예특작과학원(National Institute of Horticultural & Herbal Science, 이하 원예원) 포장에서 복숭아나무 ‘장호원황도(이하 황도)’ 품종의 중과지(길이 10~30cm) 250개를 채취하여 3℃ 챔버에 보관하고 매주 15개씩 꺼내서 25℃ 생장상에서 잎눈의 발아를 관찰하였다. 이 실험은 휴면이 해제된 잎눈이 발아에 걸리는 최소일수를 추정하기 위한 실험이다(이하 실험 1). 2008년 12월 13일부터 2009년 2월 26일까지 1주 간격으로 12회에 걸쳐 포장에서 새로운 중과지 15개씩을 채취하여 25℃ 생장상에서 매일 잎눈의 발아여부를 관찰하였다.
제안 방법
실험을 수행한 2008년 12월부터 2009년 2월 하순까지 Cesaraccio et al.(2004)의 방법에 따라 매일 휴면심도를 계산하고 이를 누적시켜 5회의 저온처리실험 결과(갈변율과 발아율)와 중첩시켜 보았다(Fig. 4). 갈변의 경우 -15℃에서 4차(1월 30일 처리)까지는 휴면심도의 증가와 상관없이 꽃눈과 잎눈에서 갈변이 거의 관찰되지 않았으나 5차(2월 7일 처리)에서는 -15℃에서도 40% 이상의 갈변율을 보였다.
이들 자료를 Cesaraccio et al.(2004)의 휴면시계모형에 입력하여 실험 1과 2에서 도출된 기준온도와 저온 및 고온요구량 범위에서 구동한 다음 그 결과로부터 황도의 최적모수를 결정하였다.
이 실험은 휴면이 해제된 잎눈이 발아에 걸리는 최소일수를 추정하기 위한 실험이다(이하 실험 1). 2008년 12월 13일부터 2009년 2월 26일까지 1주 간격으로 12회에 걸쳐 포장에서 새로운 중과지 15개씩을 채취하여 25℃ 생장상에서 매일 잎눈의 발아여부를 관찰하였다. 이 과정은 실험 1에서 얻어진 최소발아일수와 함께 내생휴면해제일을 추정하는 실험이다(이하 실험 2).
이 같은 결과로부터 주어진 조건에서 피해율 추정이가능한 소위 ‘동해위험지수’를 고안하였다. 갈변의 경우는 최대휴면심도에서 총 시료 가운데 25%의 피해가 관찰되는 온도를 피해유발온도로 정의하고 최저기온-휴면심도 조합에 따라 위험지수를 계산하도록 하였다. 발아의 경우는 최대 휴면심도에서 총개체 중 50% 이상에서 발아장해가 관찰되면 그 때 온도를 동해유발 온도로 규정하고 최저기온-휴면심도 조합에 따라 위험 지수를 계산하도록 하였다.
그러나 앞서 언급한대로 황도에 대한 장기간 생물계절관측자료가 없기 때문에 원예원의 ‘창방조생’ 실측 만개기 자료를 이용하여 고온요구도를 최적화하였다.
갈변의 경우는 최대휴면심도에서 총 개체 가운데 25%의 피해가 관찰되는 온도를 피해유발온도로 정의하고 최저기온-휴면심도 조합에 따라 위험도(확률)를 계산하도록 하였다. 발아의 경우는 최대 휴면심도에서 총 개체 중 50% 이상의 발아장해가 관찰되면 그 때 온도를 동해유발온도로 규정하고 최저기온-휴면심도 조합에 따라 위험지수(확률)를 계산하도록 하였다.
갈변의 경우는 최대휴면심도에서 총 시료 가운데 25%의 피해가 관찰되는 온도를 피해유발온도로 정의하고 최저기온-휴면심도 조합에 따라 위험지수를 계산하도록 하였다. 발아의 경우는 최대 휴면심도에서 총개체 중 50% 이상에서 발아장해가 관찰되면 그 때 온도를 동해유발 온도로 규정하고 최저기온-휴면심도 조합에 따라 위험 지수를 계산하도록 하였다. 이 과정을 근사식으로 표현하면 다음과 같은데 먼저 갈변피해의 경우,
복숭아나무 ‘장호원황도’ 품종의 결과지에 대한월동기간 중 생리적 내한성을가리키는 지표로서일별 기온에 의해 계산되는 휴면심도를 설정하였다.
선행연구(Chung et al., 2009)에서 보고된 갈변 및 발아관찰실험 결과를 최저기온과 누적 Chill days 즉 휴면심도와 비교함으로써 동해위험도 추정함수로 표현하였다. 갈변의 경우는 최대휴면심도에서 총 개체 가운데 25%의 피해가 관찰되는 온도를 피해유발온도로 정의하고 최저기온-휴면심도 조합에 따라 위험도(확률)를 계산하도록 하였다.
본 실험에서 적용한 잎눈의 발아판정기준은 벌어진 인편 사이로 1~2mm 정도 잎 부분이 밀려나왔을 때이다(농촌진흥청, 2003). 시료가 처음 25℃ 항온 생장 상으로 옮겨진 후부터 실험이 종료되는 날까지 매일 정해진 시간(오전 10시~12시)에 잎눈의 발아 여부를 관찰하고 발아하기까지 소요된 일수를 기록하였다. 실험 1의 시료는 포장채취 후 지속적으로 3℃에 노출시켰으므로 일정 기간이 지나면 저온요구도가 모두 충족되고 이 때부터 발아소요기간은 더 이상 줄어들지 않을 것이다.
1992-2008년 기간 중 수원기상대일 최고 및 최저기온자료를 이용하여 이 모형에 의해 ‘장호원황도’의 만개기를 예측하고 기존의 DVS 모형과 회귀모형에 의한 예상 만개기와 비교한 결과 이 모형의 예측능력이 우수하였다. 이 모형에 의해 추정된 휴면심도를 선행연구에서 얻은 동해유발온도와 결합하여 동해위험확률을 계산할 수 있는 경험식을 도출하였다. 날짜와 최저기온이 주어지면 이 식에 의해 ‘장호원황도’의 갈변이나 발아장해 등 동해증상이 나타날 수 있는 확률, 즉 동해위험 지수를 미리 알 수 있으므로 복숭아 재배농가의 동해 경감에 기여할 것으로 기대된다.
가지 하나당 붙어있는 잎눈 개수의 차이가 심하면 발아소요기간의 평균값 뿐만 아니라 발아율의 결과에도 영향을 미칠 수 있기 때문에 실험 1과 실험 2에서 수삽처리된 15개의 가지 각각에 달려있는 잎눈의 개수가 동일한 것이 이상적이다. 하지만 모든 가지가 정확하게 같은 수의 잎눈을 갖도록 준비하지 못했으므로 발아한 눈의 총 개수가 적은 쪽으로 발아개수를 동일하게 맞춰주는 조건을 적용하였다. 예를 들어 1 주차에 발아한 눈의 개수가 실험 1에서 10개였지만 실험 2에서는 15개였다면 실험 2의 발아개수는 10개까지만 발아로 인정하는 것이다.
휴면시계모형에서 기준온도를 0.1 단위까지 임의의 숫자로 가정하여 2008년 10월 1일부터 실험 1과 2에 의해 예상되는 내생휴면해제일(1월 31일부터 2월 14일)까지 매일의 chill days를 적산하고 내생휴면해제일 다음날부터는 같은 기준온도에서 antichill days를 적산하여 chill days 적산량을 모두 상쇄시키는 날을 예상 발아기로 삼았다. 그 결과 원예원 포장의 실측 발아기(2009년 3월 22일)와 같은 날짜를 출력하는 [ 기준온도-저온요구량] 조합은 내생휴면해제일을 2월 3일로 둔 [5.
대상 데이터
2008년 12월 10일 국립원예특작과학원(National Institute of Horticultural & Herbal Science, 이하 원예원) 포장에서 복숭아나무 ‘장호원황도(이하 황도)’ 품종의 중과지(길이 10~30cm) 250개를 채취하여 3℃ 챔버에 보관하고 매주 15개씩 꺼내서 25℃ 생장상에서 잎눈의 발아를 관찰하였다.
따라서 1992년부터 2008년까지 원예원 포장에서 관찰된 ‘창방조생’의 만개기 관측기록을 검증 자료로 사용하기로 하였다.
따라서 1992년부터 2008년까지 원예원 포장에서 관찰된 ‘창방조생’의 만개기 관측기록을 검증 자료로 사용하기로 하였다. 모형에 입력할 1991-2008 기간 일별 기온자료는 원예원 포장으로부터 5km 떨어진 기상청 수원기상대로부터 수집하였다.
이를 위해서는 시료를 채취한 포장의 기상자료(일 최고 및 최저기온)와 발아기 관측자료가 필요하다. 본 연구에서는 포장에서 약 200m 떨어진 지점에 설치된 자동기상관측장비(HMP45 센서와 CR10X 데이터로거 자료집록기, Campbell Scientific, USA)로부터 2008년 12월 1일부터 2009년 3월 31일까지 기상자료를 수집하였으며 발아 및 만개기 관측자료는 원예원 과수과의 실측자료를 이용하였다. 이들 자료를 Cesaraccio et al.
이론/모형
전반적인 실험의 전개는 Balandier et al .(1993)의 방법을 따랐다.
따라서 모형에서 추정된 만개기를 원예원의 ‘창방조생’ 실측 자료와 비교하고 상대적인 신뢰성 확인을 위해 기상청 회귀모형과 국립농업과학원의 DVS 모형을 사용하였다.
성능/효과
실험 1에서 관찰한 발아소요일수가 6주차(1월 17일 처리)까지 전반적으로 감소하다가 이후 안정화 되는 경향을 보였다(Fig. 2). 이 결과로부터 추정되는 황도의 최소발아일수는 평균 10일이다.
황도의 기준온도, 저온 및 고온요구도에 의해 최적 화된 휴면시계모형을 1992년부터 2008년까지 수원기 상대일 최고 및 최저기온자료에 의해 구동시켜 매년 예상 만개기를 출력한 결과, 2003년도를 제외한 나머지 해에서 ± 3일의 오차를 보였으며 RMSE는 2.0이었다(Table 1).
휴면심도 추정모형의 최적모수(기준온도, 저온요구도)를 도출하기 위해 2008-2009 겨울 동안 총 12회에 걸친 실험을 수행한 결과, 내생휴면해제에 필요한 ‘장호원황도’의 기준온도 5.7℃와 저온요구도 -108을 얻었다.
후속연구
둘째, 이러한 품종 맞춤형 모형에 의해 추정된 월동기간 중 휴면심도(생리적 단기내동성의 지표)를 선행연구에서 관찰된 동해 유발온도의 변이 해석에 활용하고자 하였다. 궁극적으로는 월동기간 중 한파가 왔을 때 그 시기의 휴면심도에 따라 동해위험도를 판정할 수 있는 객관적이며 정량화된 기준을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
갈변관찰에서 꽃눈이 전혀 갈변되지 않았음에도 불구하고 발아하지 못한 것이 발아유도환경에 문제가 있었는지 아니면 저온처리 후 꽃눈의 휴면타파를 위한 안정화 단계가 잎눈과 다른 데에서 기인한 것인지 그 원인을 찾지 못했다. 그러나 갈변관찰에서 꽃눈이 잎눈에 비해 얼마나 내한성이 약한지를 정량화할 수 있었기 때문에 그 비율을 적용하면 잎눈 관찰결과로부터 꽃눈의 동해위험지수를 추정하고 실용화할 수 있을 것으로 기대된다.
날짜와 최저기온이 주어지면 이 식에 의해 ‘장호원황도’의 갈변이나 발아장해 등 동해증상이 나타날 수 있는 확률, 즉 동해위험 지수를 미리 알 수 있으므로 복숭아 재배농가의 동해 경감에 기여할 것으로 기대된다.
예상되는 기후 변화와 과수산업의 적응전략을 고려해보면 재배적지의 선정과 신품종의 도입은 매우 중요하며 그 과정에서 동해위험도는 의사결정을 위한 기본정보가 될 것이다. 동해위험지수 추정식을 고해상도 기후시나리오와 결합한다면 미래 복숭아 재배적지 판정 및 위험지역 검색에 크게 기여할 것으로 기대된다.
즉 휴면해제시기를 무시하고 봄철 기상 조건 혹은 환경조건만으로 개화기를 예측할 경우 이상 난동 등 특이년의 개화기 추정에 실패할 확률이 높아진다. 따라서 이 모형에 의한 개화기 추정결과를 기존 개화기 추정방법과 비교함으로써 간접적인 신뢰성을 검증할 수는 있을 것이다. 불행하게도 황도의 경우 원예원 포장이나 대규모 재배단지 등 공인된 복숭아 과원으로부터 검증에 필요한 충분한 기간의 만개기 실측자료를 얻을 수는 없었다.
복숭아에 있어 저온 조우에 따른 잎눈의 피해보다 꽃눈의 피해가 매우 취약하므로 더욱 세심한 시험관찰이 필요하다고 생각되는데 본 연구에서는 꽃눈의 가시적인 발아개화는 관찰하지 못하였다. 갈변관찰에서 꽃눈이 전혀 갈변되지 않았음에도 불구하고 발아하지 못한 것이 발아유도환경에 문제가 있었는지 아니면 저온처리 후 꽃눈의 휴면타파를 위한 안정화 단계가 잎눈과 다른 데에서 기인한 것인지 그 원인을 찾지 못했다.
본 연구에서는 주어진 시점까지 관찰된 일별 기온만으로 비교적 간단하게 추정할 수 있는 휴면심도를 내한성의 대체변수로 삼고 선행연구를 통해 확인된 동해유발온도와 결합함으로써 실용적인 동해위험지수를 개발하였다. 예상되는 기후 변화와 과수산업의 적응전략을 고려해보면 재배적지의 선정과 신품종의 도입은 매우 중요하며 그 과정에서 동해위험도는 의사결정을 위한 기본정보가 될 것이다. 동해위험지수 추정식을 고해상도 기후시나리오와 결합한다면 미래 복숭아 재배적지 판정 및 위험지역 검색에 크게 기여할 것으로 기대된다.
이 같은 결과는 고온요구도를 최적화하는 과정에서 황도 대신 ‘창방조생’ 자료를 이용한 것을 감안해야 하므로 실용적인 측면에서 모형의 예측능력이 만족할만하다고 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
복숭아나무 장호원황도 품종의 결과지에 대한 월동 기간에 생리적 내한성을 가리키는 지표로써 일별 기온에 의해 계산되는 휴면심도를 설정하는 연구의 수행목적은 무엇인가?
본 연구의 수행목적은 첫째, Chill days 모형용 기준온도와 저온요구도 등의 주요 모수를 ‘ 장호원황도’에 맞게 도출하고 검증하는 데 있다. 둘째, 이러한 품종 맞춤형 모형에의해 추정된월동기간 중 휴면심도(생리적 단기내동성의 지표)를 선행연구에서 관찰된 동해 유발온도의 변이 해석에 활용하고자 하였다. 궁극적으로는 월동기간 중 한파가 왔을 때 그 시기의 휴면심도에 따라 동해위험도를 판정할 수 있는 객관적이며 정량화된 기준을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
휴면은 무엇이라고 알려져 있는가?
, 2009). 복숭아와 같은 온대낙엽과수는 낙엽 이후월동기를 거쳐 다음 해 발아될 때까지는 생장활동을 최소한으로 억제하는 소위 ‘ 휴면’ (dormancy)에 접어드는데 식물의 생장주기상 휴면은 불량환경에서 생존하기 위한 고도의 진화형태로 알려져 있다(Faust, 1989). 휴면기간에는 내한성이 증가하여 동해위험이 줄지만 휴면이 해제되면 내한성이 급격하게 약해져 동해에 취약하게 된다.
휴면의 ‘깊이’는 무엇과 관련이 깊다고 알려져 있는가?
휴면기간에는 내한성이 증가하여 동해위험이 줄지만 휴면이 해제되면 내한성이 급격하게 약해져 동해에 취약하게 된다. 따라서 휴면의 ‘깊이’는과수의월동 중 생리적인 단기내동성과 관련이 깊은 것으로 알려져 있지만 아직까지 식물의 휴면 상태를 파악할 수 있는 직접적이며 비파괴적인 방법은 개발되지 못한 상태이다.
참고문헌 (15)
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