우리나라 참나무 중 하천변 잠재자연식생인 졸참나무와 갈참나무가 $CO_2$농도와 온도상승 조건에서, 광 처리에 따른 생육반응의 변화를 알아보았다. 그 결과, 대조구(AC-AT)와 처리구(EC-ET)에서 두 종의 생육반응은 광에 의해 영향을 받았다. 졸참나무와 갈참나무의 지상부, 지하부, 식물체 생물량 그리고 지하부/지상부 비는 대조구와 처리구에서 광이 가장 많을 때 높았다. $CO_2$농도와 온도증가는 두 종의 식물체 생물량과 지하부/지상부 비에 영향을 미치지 않았다. 그러나 두 종의 지상부 생물량은 $CO_2$농도와 온도가 증가했을 때 감소하였다. 졸참나무의 지하부 생물량은 광 70% 이상에서 대조구보다 $CO_2$+온도상승구에서 낮았다. 이를 종합해보면, 두 종은 $CO_2$+온도상승구에서 광이 증가함에 따라 뿌리의 발달을 촉진시켰으며, $CO_2$농도와 온도가 증가하였을 때 지상부 생육에는 부정적인 영향을 미친 것으로 나타났다. 주성분분석 결과 두 종은 대조구와 $CO_2$+온도상승구에서 다소 배열차이가 있었으나, 두 종간에서 더욱 명확히 구별되었다. 이러한 반응은 축1과 축2에 의존하는 모든 기능이 줄기와 지상부 길이를 제외하고는 식물체의 여러 다양한 형질이 종합적으로 관여하는 것으로 나타났다.
우리나라 참나무 중 하천변 잠재자연식생인 졸참나무와 갈참나무가 $CO_2$농도와 온도상승 조건에서, 광 처리에 따른 생육반응의 변화를 알아보았다. 그 결과, 대조구(AC-AT)와 처리구(EC-ET)에서 두 종의 생육반응은 광에 의해 영향을 받았다. 졸참나무와 갈참나무의 지상부, 지하부, 식물체 생물량 그리고 지하부/지상부 비는 대조구와 처리구에서 광이 가장 많을 때 높았다. $CO_2$농도와 온도증가는 두 종의 식물체 생물량과 지하부/지상부 비에 영향을 미치지 않았다. 그러나 두 종의 지상부 생물량은 $CO_2$농도와 온도가 증가했을 때 감소하였다. 졸참나무의 지하부 생물량은 광 70% 이상에서 대조구보다 $CO_2$+온도상승구에서 낮았다. 이를 종합해보면, 두 종은 $CO_2$+온도상승구에서 광이 증가함에 따라 뿌리의 발달을 촉진시켰으며, $CO_2$농도와 온도가 증가하였을 때 지상부 생육에는 부정적인 영향을 미친 것으로 나타났다. 주성분분석 결과 두 종은 대조구와 $CO_2$+온도상승구에서 다소 배열차이가 있었으나, 두 종간에서 더욱 명확히 구별되었다. 이러한 반응은 축1과 축2에 의존하는 모든 기능이 줄기와 지상부 길이를 제외하고는 식물체의 여러 다양한 형질이 종합적으로 관여하는 것으로 나타났다.
This study was conducted in order to determine changes in the growth responses of Quercus serrata and Q. aliena which are potential natural vegetation of riverine in Korea under four light gradients within ambient and elevated $CO_2$ concentration and temperature levels. As a result, grow...
This study was conducted in order to determine changes in the growth responses of Quercus serrata and Q. aliena which are potential natural vegetation of riverine in Korea under four light gradients within ambient and elevated $CO_2$ concentration and temperature levels. As a result, growth responses of two species were affected by light factor. Aboveground, belowground, plant biomass and root:shoot ratio of two species grown under the control and treatment were increased in the highest light level. Plant biomass and root:shoot ratio of two oak species were not significantly affected by elevated $CO_2$ and temperature, while aboveground biomass of them was lower in the treatment than control. Belowground biomass of Q. serrata was lower in the treatment than control under the gradients that are more than 70% of light level. As light intensity increases, elevated $CO_2$ and temperature promoted root growth of two oak species but had a negative effect on aboveground growth. According to the principal component analysis(PCA), two oak species were discriminatively arranged based on factor 1 and 2. Also, the reactions towards the ambient and elevated $CO_2$ and temperature were slightly different. It is clearly visible that all features relied on axis 1 and axis II are highly correlated with most variables except for stem and shoot length.
This study was conducted in order to determine changes in the growth responses of Quercus serrata and Q. aliena which are potential natural vegetation of riverine in Korea under four light gradients within ambient and elevated $CO_2$ concentration and temperature levels. As a result, growth responses of two species were affected by light factor. Aboveground, belowground, plant biomass and root:shoot ratio of two species grown under the control and treatment were increased in the highest light level. Plant biomass and root:shoot ratio of two oak species were not significantly affected by elevated $CO_2$ and temperature, while aboveground biomass of them was lower in the treatment than control. Belowground biomass of Q. serrata was lower in the treatment than control under the gradients that are more than 70% of light level. As light intensity increases, elevated $CO_2$ and temperature promoted root growth of two oak species but had a negative effect on aboveground growth. According to the principal component analysis(PCA), two oak species were discriminatively arranged based on factor 1 and 2. Also, the reactions towards the ambient and elevated $CO_2$ and temperature were slightly different. It is clearly visible that all features relied on axis 1 and axis II are highly correlated with most variables except for stem and shoot length.
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문제 정의
국내에서 환경구배 처리에 따른 참나무류의 생육에 관한 연구는 최근에 많이 진행되었으나(변무섭 2000, 이상경 2010, 임훈 2012, 정중규2010, 정헌모 2009), 지구온난화 조건인 CO2농도와 온도 상승에 따른 생육반응에 관한 연구는 소수에 불과하여 여러 가지 환경요인에 의한 상호작용을 이해하는데 어려운 실정이다. 따라서, 본 연구는 우리나라 참나무 중 잠재자연하천 식생의 교목층에 높은 빈도로 분포하는 졸참나무와 갈참나무를 대상으로 대기 중의 CO2농도와 기온이 증가할 때 식물의 생육에 중요한 요소인 광 구배에 따른 상호작용에 의해 지하부와 지상부의 생육반응이 어떻게 일어나는지 알아보고자 시도하였다.
온도는 대조구와 CO2+온도상승구에 각각 데이터로거(TR-71U, T&D, Nagano, Japan)를 설치하여 30분 간격으로 자동 측정하였다.
각 유식물은 2010년 4월에 파종한 뒤 180일 이후인 9월에 수확하였다. 유식물의 지하부는 화분에서 꺼낸 후 물로 세척하여 흙을 완전히 제거하였으며, 70℃ 건조기에서 48시간 건조시켜 전자저울(UX400H)을 이용하여 건중량을 측정하였다. 측정항목은 지상부(줄기+가지+잎) 무게(g), 지하부(뿌리) 무게(g), 식물체(지상부+지하부) 무게(g)로 하였다.
이러한 졸참나무와 갈참나무의 배열법 상의 분포유형에 미치는 식물체의 형질은 줄기 길이와 지상부 길이(r<0.5)를 제외한 잎 폭, 잎 길이, 잎자루 길이, 잎 넓이, 줄기 직경, 뿌리 길이, 잎 무게, 잎자루 무게, 잎 무게, 줄기 무게, 지상부 무게, 뿌리 무게와 식물체 무게의 총 13가지로 다양하였다(Table 3).
이산화탄소농도 처리는 CO2가스통 2개를 설치한 뒤, 각각 지름 0.2mm인 호스를 연결하여 CO2가스를 24시간 주입하였고, 처리구 내 설치된 CO2 센서(TEL-7001, Onset computer, USA)를 통해 농도변화를 모니터링한 뒤, Gas regulator로 조절하여 대기 중 CO2농도의 약 2배인 750∼800ppm으로 유지시켰다.
지구온난화의 핵심 요소인 CO2농도와 온도를 조합하여 유리온실 내에서 대조구(AC-AT, ambient CO2-ambient temperature)와 CO2+온도상승구 (EC-ET, elevated CO2-elevated temperature)를 처리하였다. 대조구는 대기 중의 CO2농도와 온도를 그대로 반영 하였으며, CO2+온도상승구는 대조구보다 CO2농도를 약 2배 높게 처리하였으며, 온도는 +2.
유식물의 지하부는 화분에서 꺼낸 후 물로 세척하여 흙을 완전히 제거하였으며, 70℃ 건조기에서 48시간 건조시켜 전자저울(UX400H)을 이용하여 건중량을 측정하였다. 측정항목은 지상부(줄기+가지+잎) 무게(g), 지하부(뿌리) 무게(g), 식물체(지상부+지하부) 무게(g)로 하였다.
이때 사용할 물은 수돗물을 받아서 안정화 시킨 후 사용하였다. 토양은 동일 입자크기의 모래를 사용하였고, 유기물은 토양무게의 0.5%로 처리하였다.
환경요인에 따른 두 종의 전체적인 분포상태를 밝히기 위해 형질의 평균치를 상관계수로 이용하여 주성분분석(PCA)으로 배열하였다. 이상의 통계학적 분석은 Statistica 8 통계패키지(Statsoft Co.
대상 데이터
실험에 사용한 유식물은 국내에서 자생하는 졸참나무(Q. serrata)와 갈참나무(Q. aliena) 종자를 발아시켜 사용하였다. 종자는 충남 공주시 신관동 인근 야산에서 2009년 10월에 채집하여 4℃ 냉장 보관 후, 2010년 4월에 크기가 유사한 종자를 선별하여 파종하였다.
aliena) 종자를 발아시켜 사용하였다. 종자는 충남 공주시 신관동 인근 야산에서 2009년 10월에 채집하여 4℃ 냉장 보관 후, 2010년 4월에 크기가 유사한 종자를 선별하여 파종하였다. 파종은 지름 24cm, 높이 23.
종자는 충남 공주시 신관동 인근 야산에서 2009년 10월에 채집하여 4℃ 냉장 보관 후, 2010년 4월에 크기가 유사한 종자를 선별하여 파종하였다. 파종은 지름 24cm, 높이 23.5cm인 화분을 사용하였다.
데이터처리
각 환경 구배에 따른 졸참나무와 갈참나무 생육반응의 종내 변이를 조사하기 위해 각 형질별 일원분산분석(one-way ANOVA)을 실시하여 포스트 훅 검정에 의해 평균치의 피셔 최소 유의차 범위를 계산하여 구배 별 차이의 유의성을 검정하였다. 그리고 두 종의 생육반응에 대한 CO2 농도증가와 온도상승 및 광 그리고 그들의 상호작용의 영향을 알아보기 위해 다변량분산분석(MANOVA)을 실시하였다.
각 환경 구배에 따른 졸참나무와 갈참나무 생육반응의 종내 변이를 조사하기 위해 각 형질별 일원분산분석(one-way ANOVA)을 실시하여 포스트 훅 검정에 의해 평균치의 피셔 최소 유의차 범위를 계산하여 구배 별 차이의 유의성을 검정하였다. 그리고 두 종의 생육반응에 대한 CO2 농도증가와 온도상승 및 광 그리고 그들의 상호작용의 영향을 알아보기 위해 다변량분산분석(MANOVA)을 실시하였다.
이론/모형
환경요인에 따른 두 종의 전체적인 분포상태를 밝히기 위해 형질의 평균치를 상관계수로 이용하여 주성분분석(PCA)으로 배열하였다. 이상의 통계학적 분석은 Statistica 8 통계패키지(Statsoft Co. 2008)를 이용하였다.
성능/효과
(1998)의 결과와는 상반되었다. CO2+온도상승구에서 졸참나무는 광이 높은 환경에서 갈참나무보다 지하부 생육이 낮은 것으로 나타났다. 졸참나무는 갈참나무보다 내음성이 커 광이 부족한 환경에서 생장에 유리하다(임훈 2012).
CO2농도와 온도 상승 조건에서 광에 따른 두 종의 생육반응을 비교한 결과, 두 종의 지상부생물량은 광 뿐만 아니라 CO2농도와 온도 상승 및 그 들의 상호작용에 의해 영향을 받았다(Table 1, 2). 졸참나무는 L2를 제외하고, 나머지 광 구배에서 CO2농도와 온도가 증가함에 따라 지상부 생물 량이 감소하였고, 갈참나무는 모든 구배에서 CO2농도와 온도 상승에 의해 지상부 생물량이 감소하였다(Fig.
Table 1. Results of MANOVA in effects of shoot biomass, root biomass, total biomass and root:shoot ratio of Quercus serrata and Q. aliena by elevated CO2+T, light and their interactions. Probabilities less than 0.
Table 2. Results of MANOVA in effects of shoot biomass, root biomass, total biomass and root:shoot ratio of Quercus serrata and Q. aliena by elevated CO2+T, light, species and their interactions. Probabilities less than 0.
반면, CO2+온도상승구에서는 L4에서 가장 높았으며, L1에서 가장 낮았다. 갈참나무의 지상부 생물량은 대조구와 CO2+온도상승구에서 모두 광이 높아질수록 증가하는 경향을 보였다(Fig. 2a).
7배 높게 나타난 바 있다. 결과적으로 졸참나무가 광이 높은 환경에서 수분 및 영양소 등 자원획득 경쟁에서 불리해질 것으로 판단된다.
-elevated temperature)를 처리하였다. 대조구는 대기 중의 CO2농도와 온도를 그대로 반영 하였으며, CO2+온도상승구는 대조구보다 CO2농도를 약 2배 높게 처리하였으며, 온도는 +2.5℃ 높았다.
두 종의 지하부와 식물체생물량은 대조구와 CO2+온도상승구에서 모두 광이 높아질수록 증가하였다(Fig. 2b, 2c). 대조구에서 졸참나무의 지하부와 식물체생물량은 L4에서 가장 높았고, L1에서 가장 낮았다.
농도와 온도 상승 및 그 들의 상호작용에 의해 영향을 받았다(Table 1, 2). 졸참나무는 L2를 제외하고, 나머지 광 구배에서 CO2농도와 온도가 증가함에 따라 지상부 생물 량이 감소하였고, 갈참나무는 모든 구배에서 CO2농도와 온도 상승에 의해 지상부 생물량이 감소하였다(Fig. 2a). 이러한 감소량은 광이 높을수록 더 큰 차이를 보였다.
졸참나무와 갈참나무의 15가지 생육형질을 이용한 주성분분석(PCA)에서 요인 1과 요인 2에 의해 두 종은 대조구(AC-AT)와 CO2+온도상승구(EC-ET)에서 다소 배열차이가 있었으나, 두 종간에서 더욱 명확히 구별되었다(Fig. 3). 이는 다변량 분산분석(MANOVA) 결과(Table 1, 2)와 같이 졸참나무와 갈참나무가 CO2농도 증가 및 온도상승 보다 광에 의한 생육반응이 크다는 것을 반영한다.
종합해보면, 두 종은 대조구와 CO2+온도상승구에서 광이 증가함에 따라 식물체와 뿌리의 발달을 촉진시켰다. 이는 광이 높을 때 졸참나무와 갈참나무 유식물의 식물체와 지하부 생물량이 높고(임훈 2012), 뿌리의 발달이 광도에 비례하며(변무섭 2000), 지구온난화조건에서 목본의 지하부 길이와 무게가 증가한(Crookshanks et al.
후속연구
본 연구에서는 지구온난화 진행시 광 구배에 따른 생육반응을 연구하였으나, 수목의 생육에 결정적인 역할을 하는 요인은 광, 온도, 수분, 영양소, 이산화탄소 등이 있으므로(Larcher 1994) 광 뿐만 아니라 다른 환경요인들을 복합적으로 고려한 연구가 장기적으로 진행되어야 할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
졸참나무(Quercus serrata)와 갈참나무(Q. aliena)의 특징은 무엇인가?
졸참나무(Quercus serrata)와 갈참나무(Q. aliena)는 지하수위보다 위쪽으로 뿌리를 뻗는 경목대에 생육하는 종으로서 우리나라 자연형 하천변에 높은 빈도로 분포하는 잠재자연식생이며(김성봉 2008, 김혜주 등 2008), 습한 저지대의 토양적 극상종이다(송민섭 2007, 이미정 2007). 또한 두종은 광릉과 같은 숲에서는 우점군락으로 인접하여 함께 출현한다(유영한 등 1995).
CO2농도와 온도에 따른 식물의 생장 특성은 어떠한가?
2000). 일 반적으로 CO2농도와 온도가 증가하면 식물은 지상부보다 지하부의 물질분배에 더 투자한다(Rogers and Runion 1994, Crookshanks et al. 1998). 또한, 비엽면적과 광합성량을 증가시키며(Onoda et al. 2009), 수분이용효율(Water Ues Efficiency, WUE)을 향상시킨다. 식물마다 종 특이성을 갖고 있기 때문에 CO2농도와 온도에 따른 식물의 생장 특성의 영향은 다양하며 복합적으로 이루어진다(Kim and Kang 2003).
공기 중의 CO2농도는 식물의 무엇에 이용되는가?
최근에 지구는 CO2농도가 급격히 증가하고 기온을 빠르게 상승시키고 있으며(Korea Meterological Adminstration 2008), 근년에 들어 상승이 가속화되고 있다(IPCC 2007). 공기 중의 CO2농도는 식물의 기본적인 생리활동인 광합성에 이용되는 원료이다. 공기 중의 CO2농도가 높을수록 잎 속으로 CO2 확산속도가 커지고 이용이 높아져 광합성 속도가 증대된다(Park 2003).
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