지구온난화에 따른 상수리나무와 굴참나무의 생육반응에 관한 연구 Effects of Elevated $CO_2$ Concentration and Temperature on Growth Response of Quercus acutissima and Q. variabilis원문보기
지구온난화는 자연생태계에 큰 변화를 가져오고, 식물의 생육에 큰 영향을 미친다. 상수리나무와 굴참나무는 분류학 적으로 가깝고, 우리나라 산림 저지대에서 우점종이다. 본 연구는 두 종의 어린 묘목이 $CO_2$농도와 기온이 증가하면 생육반응이 어떻게 일어나는지 알아보기 위해 $CO_2$농도는 700~800ppm으로, 기온은 대조구보다 약 $3^{\circ}C$높게 처리하여 생장특성을 측정하고 분석하였다. 상수리나무는 지구온난화처리구에서 뚜렷하게 차이나는 형질이 줄기 길이와 식물체 무게이고, 굴참나무는 줄기 직경과 줄기 무게이었다(p<0.05). 또한 평균 변화율로 보았을 때 굴참나무보다 상수리나무에서 많은 종류의 형질이 크게 변화하였다. 이는 지구온난화조건이 되면 한반도 중부지방에서 굴참나무보다 상수리나무의 생육반응이 더 민감하다는 것을 시사한다. 주성분분석은 두 종이 $CO_2$농도와 기온이 증가하면 종과 상관없이 유사한 경향성으로 배열되어 나타났다. 이러한 반응을 결정짓는 형질은 잎 수, 잎 넓이, 잎 폭, 지상부 길이, 잎 길이, 지상부 무게, 줄기 무게, 잎 무게, 지하부 무게와 식물체 무게 등 대부분의 측정된 것들과 관련이 있었다.
지구온난화는 자연생태계에 큰 변화를 가져오고, 식물의 생육에 큰 영향을 미친다. 상수리나무와 굴참나무는 분류학 적으로 가깝고, 우리나라 산림 저지대에서 우점종이다. 본 연구는 두 종의 어린 묘목이 $CO_2$농도와 기온이 증가하면 생육반응이 어떻게 일어나는지 알아보기 위해 $CO_2$농도는 700~800ppm으로, 기온은 대조구보다 약 $3^{\circ}C$높게 처리하여 생장특성을 측정하고 분석하였다. 상수리나무는 지구온난화처리구에서 뚜렷하게 차이나는 형질이 줄기 길이와 식물체 무게이고, 굴참나무는 줄기 직경과 줄기 무게이었다(p<0.05). 또한 평균 변화율로 보았을 때 굴참나무보다 상수리나무에서 많은 종류의 형질이 크게 변화하였다. 이는 지구온난화조건이 되면 한반도 중부지방에서 굴참나무보다 상수리나무의 생육반응이 더 민감하다는 것을 시사한다. 주성분분석은 두 종이 $CO_2$농도와 기온이 증가하면 종과 상관없이 유사한 경향성으로 배열되어 나타났다. 이러한 반응을 결정짓는 형질은 잎 수, 잎 넓이, 잎 폭, 지상부 길이, 잎 길이, 지상부 무게, 줄기 무게, 잎 무게, 지하부 무게와 식물체 무게 등 대부분의 측정된 것들과 관련이 있었다.
Global warming brings changes of natural ecosystems and affects on the plant growth response. Quercus acutissima and Q. variabilis are taxonomically similar and dominant native species in deciduous forests in South Korea. In order to understand the growth response of Q. acutissima and Q. variabilis ...
Global warming brings changes of natural ecosystems and affects on the plant growth response. Quercus acutissima and Q. variabilis are taxonomically similar and dominant native species in deciduous forests in South Korea. In order to understand the growth response of Q. acutissima and Q. variabilis to global warming condition, we cultivated the seedling of the two oak species in ambient condition(control) and treatment with elevated $CO_2$(700~800ppm) and increased air temperature(approximately $3^{\circ}C$ above than control). Then we measured the growth characteristic among them and analyzed the relationship between two species using PCA ordination. Stem length and total plant weight of Q. acutissima were significantly affected by elevated $CO_2$ concentration and increased air temperature. Stem diameter and weight of Q. variabilis were significantly affected by elevated $CO_2$ concentration and increased air temperature(p<0.05). The variation characteristics of Q. acutissima were changed more than Q. variabilis by elevated $CO_2$ concentration and increased air temperature. These result suggested that Q. acutissima was more sensitive to global warming situation than Q. variabilis in central region of Korea. PCA ordination showed that two species were arranged by two distinct groups based on 10 characters by elevated $CO_2$ and increased air temperature.
Global warming brings changes of natural ecosystems and affects on the plant growth response. Quercus acutissima and Q. variabilis are taxonomically similar and dominant native species in deciduous forests in South Korea. In order to understand the growth response of Q. acutissima and Q. variabilis to global warming condition, we cultivated the seedling of the two oak species in ambient condition(control) and treatment with elevated $CO_2$(700~800ppm) and increased air temperature(approximately $3^{\circ}C$ above than control). Then we measured the growth characteristic among them and analyzed the relationship between two species using PCA ordination. Stem length and total plant weight of Q. acutissima were significantly affected by elevated $CO_2$ concentration and increased air temperature. Stem diameter and weight of Q. variabilis were significantly affected by elevated $CO_2$ concentration and increased air temperature(p<0.05). The variation characteristics of Q. acutissima were changed more than Q. variabilis by elevated $CO_2$ concentration and increased air temperature. These result suggested that Q. acutissima was more sensitive to global warming situation than Q. variabilis in central region of Korea. PCA ordination showed that two species were arranged by two distinct groups based on 10 characters by elevated $CO_2$ and increased air temperature.
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문제 정의
따라서 본 연구는 전 지구적으로 지구온난화에 따른 생태계의 변화에 관심이 집중되어 있고, 우리나라 참나무 중 저지대와 온대림 지역에 분포하는 상수리나무와 굴참나무가 대기 중의 CO2 농도와 기온이 증가하면 생육반응이 어떻게 일어나는지 알아보고자 시도하였다.
제안 방법
CO2 농도와 기온이 증가함으로써 우리나라 두 우점종인 상수리나무와 굴참나무가 어떻게 변화 될지를 알아보기 위해 두 가지 구배에 따른 상수리나무와 굴참나무의 생육반응을 비교하였다. 지구온난화처리구와 대조구에 대한 두 참나 무의 생육적 반응은 다음과 같다.
대조구는 대기 중의 CO2 농도와 기온이 그대로 유지되는 야외로 공주대학교 온실 앞에서 처리하였고, 지구 온난화처리구의 식물은 가로 2m × 세로 2m × 높이 1.5m의 특수 제작한 CO2 처리용 유리 챔버를 이용하여 처리하였다.
2㎜인 호스를 연결하여 유리 챔버 안으로 CO2가스를 주입하였다. 대조구와 지구온난화 처리구의 CO2 농도는 LCi Ultra Compact Photosynthesis System(ADC, 2005)으로 측정하였고, 지구온난화처리구의 CO2 농도는 Gas regulator로 조절하여 유지하였다(Figure 1). 온도는 각 구배에 알코올 온도계를 같은 높이에 설치하여 오전, 오후 두 번 측정하였다.
5m의 특수 제작한 CO2 처리용 유리 챔버를 이용하여 처리하였다. 두 가지 구배 중 대조구는 야외의 CO2 농도를 측정하였고, 지구온난화처리구는 유리 챔버 안의 CO2농도를 측정하였다. 대조구의 CO2 농도는 평균 360ppm〜370ppm을 유지하였고, 지구온난화처리구는 CO2 농도를 대기 중의 CO2 농도의 약 2배인 750ppm〜800ppm으로 유지시켰다.
토양은 입자크기가 유사한 모래를 사용하였고, 토양의 유기물은 토양무게 대비의 2%로 처리하였다. 수분의 공급은 수돗물을 받아서 안정화를 시킨 후 4〜5일 간격으로 동일하게 처리하였다.
대조구와 지구온난화 처리구의 CO2 농도는 LCi Ultra Compact Photosynthesis System(ADC, 2005)으로 측정하였고, 지구온난화처리구의 CO2 농도는 Gas regulator로 조절하여 유지하였다(Figure 1). 온도는 각 구배에 알코올 온도계를 같은 높이에 설치하여 오전, 오후 두 번 측정하였다. 지구온난화처리구가 대조구에 비해 평균 3℃ 높았다.
)를 이용하였다. 잎 폭, 잎 길이와 잎 넓이는 엽 면적계(SI700, Skye)를 이용하였고, 건중량은 전자저울(UX400H)을 이용 하여 측정하였다.
지구온난화의 핵심요인이며 모든 식물의 생육을 좌우하는 환경요인인 CO2농도와 온도를 조합해 두 가지 구배로 처리하였다. 대조구는 대기 중의 CO2 농도와 기온이 그대로 유지되는 야외로 공주대학교 온실 앞에서 처리하였고, 지구 온난화처리구의 식물은 가로 2m × 세로 2m × 높이 1.
식물의 기관별로 분류를 하여 70℃ 건조기에서 48시간 건조시켰다. 측정 항목은 줄기 직경(㎝), 잎 수, 잎 넓이(㎠), 잎 폭(㎝), 잎자루 길이(㎝), 지상부 길이(㎝), 줄기 길이(㎝), 잎 길이 (㎝), 지하부 길이(㎝), 지상부 무게(g), 줄기 무게(g), 잎 무게(g), 총 잎 무게(g), 지하부 무게(g), 식물체 무게(g)이다. 줄기 직경, 잎자루 길이, 지상부 길이, 줄기 길이와 지하부 길이는 vernier calipers(CD-15CPX, Mitutoyo Corp.
토양은 입자크기가 유사한 모래를 사용하였고, 토양의 유기물은 토양무게 대비의 2%로 처리하였다. 수분의 공급은 수돗물을 받아서 안정화를 시킨 후 4〜5일 간격으로 동일하게 처리하였다.
대상 데이터
5㎝인 화분에 각 2개체씩 생육시켜 실험에 사용하였다. 각 처리구마다 4 반복을 하였으며, 사용한 개체수는 각 종마다 8개체이었다. 실험기간은 2008년 5월 초부터 10월 말이었다.
각 처리구마다 4 반복을 하였으며, 사용한 개체수는 각 종마다 8개체이었다. 실험기간은 2008년 5월 초부터 10월 말이었다.
실험에 사용한 유식물은 국내에서 자생하는 상수리나무 (Quercus acutissima, Qa)와 굴참나무(Quercus variabilis, Qv) 종자를 발아시켜 사용하였다. 종자는 충남 공주시 신관동 인근 야산에서 2007년 10월에 채집하여 4℃에 냉장 저장한 후 2008년 5월 14일 화분에 파종하여 발아시킨 뒤, 6월 9일에 구배마다 지름 24㎝, 높이 23.
실험에 사용한 유식물은 국내에서 자생하는 상수리나무 (Quercus acutissima, Qa)와 굴참나무(Quercus variabilis, Qv) 종자를 발아시켜 사용하였다. 종자는 충남 공주시 신관동 인근 야산에서 2007년 10월에 채집하여 4℃에 냉장 저장한 후 2008년 5월 14일 화분에 파종하여 발아시킨 뒤, 6월 9일에 구배마다 지름 24㎝, 높이 23.5㎝인 화분에 각 2개체씩 생육시켜 실험에 사용하였다. 각 처리구마다 4 반복을 하였으며, 사용한 개체수는 각 종마다 8개체이었다.
측정 항목은 줄기 직경(㎝), 잎 수, 잎 넓이(㎠), 잎 폭(㎝), 잎자루 길이(㎝), 지상부 길이(㎝), 줄기 길이(㎝), 잎 길이 (㎝), 지하부 길이(㎝), 지상부 무게(g), 줄기 무게(g), 잎 무게(g), 총 잎 무게(g), 지하부 무게(g), 식물체 무게(g)이다. 줄기 직경, 잎자루 길이, 지상부 길이, 줄기 길이와 지하부 길이는 vernier calipers(CD-15CPX, Mitutoyo Corp.)를 이용하였다. 잎 폭, 잎 길이와 잎 넓이는 엽 면적계(SI700, Skye)를 이용하였고, 건중량은 전자저울(UX400H)을 이용 하여 측정하였다.
데이터처리
환경요인 구배에 따른 두 종간의 생육적 반응의 경향을 밝히기 위하여 환경요인의 두 가지 구배에 따른 반응의 평균치를 이용하여 일원분산분석(One-way ANOVA)과 주성 분분석(PCA, principal component analysis)을 실시하였다. 일원분산분석의 구배별 차이 유의성은 포스트-훅 검정에 의해 평균치의 Fisher 최소유의차 법으로 5% 유의수준에서 차이를 검정(Noh and Jeong, 2002)하였고, Statistica 통계 패키지(Statsoft Co. 2006)를 이용하였다.
환경요인 구배에 따른 두 종간의 생육적 반응의 경향을 밝히기 위하여 환경요인의 두 가지 구배에 따른 반응의 평균치를 이용하여 일원분산분석(One-way ANOVA)과 주성 분분석(PCA, principal component analysis)을 실시하였다. 일원분산분석의 구배별 차이 유의성은 포스트-훅 검정에 의해 평균치의 Fisher 최소유의차 법으로 5% 유의수준에서 차이를 검정(Noh and Jeong, 2002)하였고, Statistica 통계 패키지(Statsoft Co.
성능/효과
그러나 줄기 길이는 대조구보다 지구온난화처리구에서 낮았고, 식물체 무게는 대조구보다 지구온난화처리구에서 높았다(p<0.05).
두 가지 구배 중 대조구는 야외의 CO2 농도를 측정하였고, 지구온난화처리구는 유리 챔버 안의 CO2농도를 측정하였다. 대조구의 CO2 농도는 평균 360ppm〜370ppm을 유지하였고, 지구온난화처리구는 CO2 농도를 대기 중의 CO2 농도의 약 2배인 750ppm〜800ppm으로 유지시켰다. 지구온난화처리구는 유리 챔버 밖에 CO2 가스통 2개를 설치한 뒤, 각각의 CO2 가스통에 지름 0.
두 종 참나무에서 지구온난화처리구가 대조구보다 20% 이상으로 크게 감소한 항목은 줄기 길이이다. 상수리나무에서 20%이하로 낮게 감소하고, 굴참나무에서 20%이상 크게 감소한 항목은 줄기 직경과 줄기 무게이다.
따라서 상수리나무는 지구온난화처리구에서 뚜렷하게 차이나는 형질이 줄기 길이와 식물체 무게이고, 굴참나무는 줄기 직경과 줄기 무게이었다(p<0.05).
05). 또한 평균 변화율로 보았을 때 굴참나무보다 상수리나무에서 많은 종류의 형질이 크게 변화하였다. 이는 대기 중의 CO2농도와 기온이 증가한 지구온난화조건이 되면 한반도 중부지방에서 굴참나무보다 상수리나무의 생육반응이 더 민감하게 일어날 것을 시사한다.
상수리나무와 굴참나무의 14가지 생육항목을 가지고 실시한 주성분분석(Principal Component Analysis)에서 요인 1과 요인 2에 의해 두 종의 배열차이는 종과 상관없이 대조구(-c)와 지구온난화처리구(-t)로 구별되었다(Figure 3). 이는 상수리나무와 굴참나무가 지구온난화처리구와 대조구에 의해 생육반응의 차이가 나타난다는 것을 반영한다.
상수리나무와 굴참나무의 지구온난화처리구와 대조구에서 지하부와 관련된 형질은 유의한 차이가 나타나지 않았다 (p<0.05).
지구온난화처리구와 대조구에 대한 두 참나 무의 생육적 반응은 다음과 같다. 상수리나무의 줄기 직경, 잎 수, 잎 넓이, 잎 폭, 잎자루 길이, 지상부 길이, 잎 길이, 지하부 길이, 지상부 무게, 줄기 무게, 잎 무게, 총 잎 무게와 지하부 무게의 13개 형질에서 대조구와 지구온난화처리구간에 차이는 없었다(Table 1). 그러나 줄기 길이는 대조구보다 지구온난화처리구에서 낮았고, 식물체 무게는 대조구보다 지구온난화처리구에서 높았다(p<0.
5)를 뺀 잎 수, 잎 넓이, 잎 폭, 지상부 길이, 잎 길이, 지상부 무게, 줄기 무게, 잎 무게, 지하부 무게와 식물체 무게의 총 10가지로 다양하였다(Table 2). 이 결과는 두 종의 생태학적 반응이 어떤 핵심적인 소수의 형질에 의한 것이 아니라, 식물체의 여러 다양한 형질이 종합적으로 관여하고 있음을 의미하는 것이다.
후속연구
kr) 실험하였다면 다른 결과를 보일 것으로 예상된다. 그러나 본 연구는 지구온난화의 핵심요인인 CO2 농도 증가 (IPCC, 2007)와 온도를 함께 고려하여 실험하였기 때문에 현재 온도분포만을 고려하여 두 종의 참나무의 생육반응을 예측하는 것보다 더 정밀하다고 할 수 있을 것이다. 이로 미루어 볼 때 두 종의 한반도 내 지구온난화에 따른 생태학적인 반응을 명확히 알기 위해서는 보다 상세한 온도 가상 시나리오 범위에 따른 온도구배를 더 세분하고, 여기에 지구온난화의 핵심요인인 CO2 농도구배를 고려하여 동시에 연구해야 할 것으로 사료된다.
본 실험에서는 두 수종의 생태적 지위의 어느 특정 기온 범위에서 실행한 것이 아니라 자연 상태(공주지역)에서 수행한 것으로 충남 공주지역에서 실험되어진 한계를 가지고 있다. 그리고 위도상의 위치가 달라 평균기온이 공주(2.
그러나 본 연구는 지구온난화의 핵심요인인 CO2 농도 증가 (IPCC, 2007)와 온도를 함께 고려하여 실험하였기 때문에 현재 온도분포만을 고려하여 두 종의 참나무의 생육반응을 예측하는 것보다 더 정밀하다고 할 수 있을 것이다. 이로 미루어 볼 때 두 종의 한반도 내 지구온난화에 따른 생태학적인 반응을 명확히 알기 위해서는 보다 상세한 온도 가상 시나리오 범위에 따른 온도구배를 더 세분하고, 여기에 지구온난화의 핵심요인인 CO2 농도구배를 고려하여 동시에 연구해야 할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
상수리나무와 굴참나무 분포지역은 어디인가?
, 2007), 저지대 우리나라 산림식생을 대표한다(You, 2007). 두 종은 연평균기온이 5℃〜14℃의 온대림 지역에 분포하고(Chung and Lee, 1965; Yim, 1968), 제주도 한라산에서 함경남도에 이르는 평균고도 200m〜 400m에 주로 분포하며, 해발 10m〜1,100m에 이르는 넓은 범위까지 생육한다(Yang, 2001; Song, 2007). 두 종의 생태적 지위폭은 식물의 분포에 일반적으로 가장 중요하다고 알려진 환경요인인 광, 토양수분함량과 영양소(질소)에 따라 상수리나무가 굴참나무에 비해 좀 더 넓은 것으로 나타났다(Kim et al.
지구온난화는 무엇에 기인하여 일어나는가?
지구온난화는 대기 중 온실가스의 농도가 상승함으로써 일어난다(Kobayashi, 2006). CO2는 인위적 요인들에 의해 발생하는 온실가스 중 가장 큰 비중을 차지하는데(Jang, 2008), CO2의 전 지구 대기 농도는 산업화 이전(280ppm)보다 2005년(379ppm) 35% 증가했다(IPCC, 2007).
참나무류는 어떤 특성으로 인해 우리나라 산림에서 우점하고 있는가?
, 1981). 이들은 왕성한 맹아력과 척박임지에서의 높은 생산성을 가지고 있어 우리나라 산림에서 우점한다(Kwon et al., 2002).
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