지구온난화와 환경요소인 광, 토양수분, 영양소가 상수리나무와 굴참나무의 생태 지위에 미치는 영향 Effects of Global Warming and Environmental Factors of Light, Soil Moisture, and Nutrient Level on Ecological Niche of Quercus acutissima and Quercus variabilis원문보기
한반도의 참나무 중 수분과 유기물이 많은 입지에 분포하는 상수리나무와 수분이나 양분이 적은 척박한 건조지에 분포하는 굴참나무를 대상으로 대기 중의 $CO_2$ 농도와 기온이 상승하고 환경요소인 광, 토양수분, 영양소가 변화할 때 두 종의 생태 지위폭과 생태 지위 중복역에 가장 많은 영향을 미치는 요소가 어떤 것인지 알아보고자 하였다. 유리온실 내에서 대기 중의 $CO_2$ 농도를 그대로 반영한 대조구와 이보다 $CO_2$ 농도는 약 1.6배와 온도는 $2.2^{\circ}C$ 상승시킨 온난화처리구에서 유식물에 주요 환경요인 중 광, 토양수분과 영양소를 각각 4구배로 처리하여 두 종의 생태 지위폭과 생태 지위 중복역을 계산하였다. 그 결과, 상수리나무의 생태 지위폭은 대조구와 온난화처리구간에 통계적인 차이는 없었고, 굴참나무의 생태지위폭은 대조구에 비해 온난화처리구의 영양소 처리구에서 감소하였다. 상수리나무와 굴참나무의 생태 지위 중 복역은 대조구에 비해 온난화처리구의 토양수분과 영양소 처리구에서 감소하였다. 이러한 결과는 유식물을 대상으로 실험한 결과로 성측목에 적용하는 것은 한계가 있으나, 지구온난화가 진행됨에 따라 상수리나무와 굴참나무는 토양수분과 영양소 환경에 의한 경쟁이 약해질 것으로 유추할 수 있다. Cluster 분석과 PCA 분석 결과, 두 종은 $CO_2$ 농도 및 온도 증가에 의한 반응보다 광 환경에 따라 민감하게 반응하는 것으로 나타났다.
한반도의 참나무 중 수분과 유기물이 많은 입지에 분포하는 상수리나무와 수분이나 양분이 적은 척박한 건조지에 분포하는 굴참나무를 대상으로 대기 중의 $CO_2$ 농도와 기온이 상승하고 환경요소인 광, 토양수분, 영양소가 변화할 때 두 종의 생태 지위폭과 생태 지위 중복역에 가장 많은 영향을 미치는 요소가 어떤 것인지 알아보고자 하였다. 유리온실 내에서 대기 중의 $CO_2$ 농도를 그대로 반영한 대조구와 이보다 $CO_2$ 농도는 약 1.6배와 온도는 $2.2^{\circ}C$ 상승시킨 온난화처리구에서 유식물에 주요 환경요인 중 광, 토양수분과 영양소를 각각 4구배로 처리하여 두 종의 생태 지위폭과 생태 지위 중복역을 계산하였다. 그 결과, 상수리나무의 생태 지위폭은 대조구와 온난화처리구간에 통계적인 차이는 없었고, 굴참나무의 생태지위폭은 대조구에 비해 온난화처리구의 영양소 처리구에서 감소하였다. 상수리나무와 굴참나무의 생태 지위 중 복역은 대조구에 비해 온난화처리구의 토양수분과 영양소 처리구에서 감소하였다. 이러한 결과는 유식물을 대상으로 실험한 결과로 성측목에 적용하는 것은 한계가 있으나, 지구온난화가 진행됨에 따라 상수리나무와 굴참나무는 토양수분과 영양소 환경에 의한 경쟁이 약해질 것으로 유추할 수 있다. Cluster 분석과 PCA 분석 결과, 두 종은 $CO_2$ 농도 및 온도 증가에 의한 반응보다 광 환경에 따라 민감하게 반응하는 것으로 나타났다.
This study was conducted to determine the changes of the ecological niche breadth and niche overlap of Quercus acutissima and Quercus variabilis under elevated $CO_2$ concentrations and under elevated temperature conditions. We investigated the growth responses by environmental factor,
This study was conducted to determine the changes of the ecological niche breadth and niche overlap of Quercus acutissima and Quercus variabilis under elevated $CO_2$ concentrations and under elevated temperature conditions. We investigated the growth responses by environmental factor, $CO_2$ concentration, air temperature, light, soil moisture and nutrients. Rising $CO_2$ concentration was treated with 1.6 times than control (ambient) and increased temperature with $2.2^{\circ}C$ above the control (ambient) in the glass greenhouse. Ecological niche breadth and niche overlap was calculated the two oak species (Q. acutissima and Q. variabilis), which were cultivated with light, soil moisture and nutrient gradients at four levels. As a result, the ecological niche breadth of Quercus acutissima was determined to be increased under the warming treatment, but decreased under soil moisture and nutrient environments. The ecological niche breadth of Quercus variabilis was increased under light, soil moisture and nutrients of the warming treatment than control. Ecological niche overlap between Quercus acutissima-Quercus variabilis was increased under light of the warming treatment than control, but decreased under soil moisture and nutrient environments. These results means that two oak species are more severe competition in light environments than soil moisture and nutrient environments. According to analyses of the Cluster and PCA, the two oak species were more sensitive react under light environment than to elevated $CO_2$ concentration or elevated temperature.
This study was conducted to determine the changes of the ecological niche breadth and niche overlap of Quercus acutissima and Quercus variabilis under elevated $CO_2$ concentrations and under elevated temperature conditions. We investigated the growth responses by environmental factor, $CO_2$ concentration, air temperature, light, soil moisture and nutrients. Rising $CO_2$ concentration was treated with 1.6 times than control (ambient) and increased temperature with $2.2^{\circ}C$ above the control (ambient) in the glass greenhouse. Ecological niche breadth and niche overlap was calculated the two oak species (Q. acutissima and Q. variabilis), which were cultivated with light, soil moisture and nutrient gradients at four levels. As a result, the ecological niche breadth of Quercus acutissima was determined to be increased under the warming treatment, but decreased under soil moisture and nutrient environments. The ecological niche breadth of Quercus variabilis was increased under light, soil moisture and nutrients of the warming treatment than control. Ecological niche overlap between Quercus acutissima-Quercus variabilis was increased under light of the warming treatment than control, but decreased under soil moisture and nutrient environments. These results means that two oak species are more severe competition in light environments than soil moisture and nutrient environments. According to analyses of the Cluster and PCA, the two oak species were more sensitive react under light environment than to elevated $CO_2$ concentration or elevated temperature.
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문제 정의
따라서, 본 연구는 한반도의 교목층에 높은 빈도로 분포하는 참나무 중에서 수분과 유기물이 많은 입지에 분포하는 상수리나무와 수분이나 양분이 적은 척박한 건조지에 분포하는 굴참나무의 분포적 특성이 다른(Kim et al., 2008) 두 종을 대상으로 대기 중의 CO2 농도와 기온이 상승하고 환경요소인 광, 토양수분, 영양소가 변화할 때 두 종의 생태 지위폭과 생태 지위 중복역에 가장 많은 영향을 미치는 요소가 어떤 것인지 알아보고자 시도하였다.
한반도의 참나무 중 수분과 유기물이 많은 입지에 분포하는 상수리나무와 수분이나 양분이 적은 척박한 건조지에 분포하는 굴참나무를 대상으로 대기 중의 CO2 농도와 기온이 상승하고 환경요소인 광, 토양수분, 영양소가 변화할 때 두 종의 생태 지위폭과 생태 지위 중복역에 가장 많은 영향을 미치는 요소가 어떤 것인지 알아보고자 하였다. 유리온실 내에서 대기 중의 CO2 농도를 그대로 반영한 대조구와 이보다 CO2 농도는 약 1.
제안 방법
89%)에 의해 토양수분과 영양소 집단(I)과 적은 광 집단(II)으로 명확히 구별되었다. PCA 배열법 상으로 전일광인 L100을 포함한 토양수분과 영양소 집단은 대조구와 온난화처리구의 구분 없이 서로 가깝게 배열하였고, 적은 광 집단은 온난화처리와 광 구배에 따라 서로 멀리 배열하였다 (Fig. 4).
대조구와 온난화처리구간의 생태 지위의 변이를 조사하기 위해 각 형질의 생태 지위를 이용하여 일원분산분석(one-way ANOVA)을 실시하였고, 환경요인에 의한 두 종의 생육적 반응의 경향성을 밝히기 위하여 환경요인에 따른 각 형질에 대한 반응의 평균치를 이용하여 유클리드거리(eucledian distance)를 구한 후 비가중치 그룹쌍 평균(unweighted pair-group average, UPGA)으로 유집 (clustering)하였다. 또한 전체적인 분포상태를 밝히기 위해 형질의 평균치를 상관계수로 이용한 주성분분석(PCA)으로 배열하였다. 위의 통계학적 분석은 Statistica 8 통계패키지(Statsoft Co.
생태 지위 계산을 위하여 형태학적 형질은 총 20개 항목으로 잎폭길이(cm), 잎몸길이(cm), 잎몸무게(g), 잎자루 길이(cm), 잎자루무게(g), 엽면적(cm2), 잎수(ea), 전체 잎 무게(g), 줄기길이(cm), 줄기직경(cm), 줄기무게(g), 지상부길이(cm), 지상부무게(g), 지하부길이(cm), 지하부무게 (g), 식물체무게(g)를 측정하였으며, 위 측정값을 이용하여 잎밀도, 비엽면적, 지하부/지상부 비, 광합성기관 투자 비를 산출하였다.
농도와 기온이 상승하고 환경요소인 광, 토양수분, 영양소가 변화할 때 두 종의 생태 지위폭과 생태 지위 중복역에 가장 많은 영향을 미치는 요소가 어떤 것인지 알아보고자 하였다. 유리온실 내에서 대기 중의 CO2 농도를 그대로 반영한 대조구와 이보다 CO2 농도는 약 1.6배와 온도는 2.2℃ 상승시킨 온난화처리구에서 유식물에 주요 환경요인 중 광, 토양수분과 영양소를 각각 4구배로 처리하여 두 종의 생태 지위폭과 생태 지위 중복역을 계산하였다. 그 결과, 상수리나무의 생태 지위폭은 대조구와 온난화처리구간에 통계적인 차이는 없었고, 굴참나무의 생태지위폭은 대조구에 비해 온난화처리구의 영양소 처리구에서 감소하였다.
잎폭길이, 잎몸길이, 엽면적은 엽면적계(SI700, Skye)를 이용하였다. 잎자루길이, 줄기길이, 줄기직경, 지상부길이, 지하부길이는 vernier calipers (CD-15CPX, Mitutoyo Corp.)를 이용하였고, 잎몸무게, 전체 잎무게, 줄기무게, 지상부무게, 지하부무게 등 건중량은 전자저울(UX400H)을 이용하여 측정하였다.
토양수분 처리는 토양을 채운 화분에 물을 주면서 화분 밑으로 물이 새어나가기 직전까지의 물의 양인 포장용수량(carrying water capacity) 700 mL (M700)를 최대값으로 하고, 이보다 적은 100 mL (M100), 300 mL (M300), 500 mL (M500)로 구분하여 물을 공급하였다. 토양수분의 공급주기는 증발이 빠른 여름철에는 3~4일 간격으로, 그 외 기간에는 7일 간격으로 공급하였다.
토양의 영양소 처리는 동일 입자 크기(2 mm 이하)의 건조한 모래(100%)를 기준으로 하여 유기물의 비율을 0% (N0), 5% (N5), 10% (N10), 15% (N15)가 되도록 배합하였다. 이러한 기준은 참나무숲의 토양의 유기물함량이 약 5~10% (KLTER, 2012)라는 값을 기준으로 하였다.
통제가 가능한 유리온실 안에서 일반 대기조건인 대조 구와 지구온난화의 핵심요인인 CO2 농도와 온도를 상승시킨 처리구로 구분하였다 CO2농도 처리는 CO2 가스통 2개를 설치한 뒤, 각각 지름 0.2 mm인 호스를 연결하여 CO2가스를 24시간 주입하였고, 처리구 내에 설치된 CO2센서(TEL-7001, Onset computer, USA)를 통해 농도변화를 모니터링한 뒤, Gas regulator로 조절하였다(Fig. 1). 처리구의 CO2 농도는 최근 IPCC에서 지구온난화 시나리오에 일반적으로 사용되는 B1 시나리오(IPCC, 2007)인 대기중 CO2 농도의 약 2배(690~770 ppm)로 설계하여 실제 대조구 CO2 농도(386.
종자는 충청남도 공주시 신관동 인근 야산에서 2009년 10월에 채집하여 4℃에 냉장 저장한 후 이듬해인 2010년 4월에 각 종별 크기가 유사한 종자를 선별하여 파종하였다. 파종은 지름 24 cm, 높이 23.5 cm인 화분을 이용하여 각 환경 구배당 2개의 화분에 3개체씩 파종하였고, 2010년 9월까지 공주대학교 자연과학대학 생물학과 유리온실에서 유식물을 180일 동안 생육시켜 수확 후 실험실에서 측정하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용한 유식물은 상수리나무(Quercus acutissima)와 굴참나무(Q. variabilis)의 종자를 발아시켜 사용하였다. 종자는 충청남도 공주시 신관동 인근 야산에서 2009년 10월에 채집하여 4℃에 냉장 저장한 후 이듬해인 2010년 4월에 각 종별 크기가 유사한 종자를 선별하여 파종하였다.
variabilis)의 종자를 발아시켜 사용하였다. 종자는 충청남도 공주시 신관동 인근 야산에서 2009년 10월에 채집하여 4℃에 냉장 저장한 후 이듬해인 2010년 4월에 각 종별 크기가 유사한 종자를 선별하여 파종하였다. 파종은 지름 24 cm, 높이 23.
이러한 기준은 참나무숲의 토양의 유기물함량이 약 5~10% (KLTER, 2012)라는 값을 기준으로 하였다. 처리는 유기물 함량이 46.7%인 유기질비료(주, 효성오엔비)를 사용하였다.
데이터처리
대조구와 온난화처리구간의 생태 지위의 변이를 조사하기 위해 각 형질의 생태 지위를 이용하여 일원분산분석(one-way ANOVA)을 실시하였고, 환경요인에 의한 두 종의 생육적 반응의 경향성을 밝히기 위하여 환경요인에 따른 각 형질에 대한 반응의 평균치를 이용하여 유클리드거리(eucledian distance)를 구한 후 비가중치 그룹쌍 평균(unweighted pair-group average, UPGA)으로 유집 (clustering)하였다. 또한 전체적인 분포상태를 밝히기 위해 형질의 평균치를 상관계수로 이용한 주성분분석(PCA)으로 배열하였다.
또한 전체적인 분포상태를 밝히기 위해 형질의 평균치를 상관계수로 이용한 주성분분석(PCA)으로 배열하였다. 위의 통계학적 분석은 Statistica 8 통계패키지(Statsoft Co. 2008)를 이용하였다.
이론/모형
두 종의 생태 지위 중복역은 환경구배별 각 형질의 평균치를 이용하여 Schoener (1970)의 방법에 따라 비례유사도(proportional similarity)를 계산하였다. 생태 지위가 동일하면 즉 생태 지위가 완전히 중복되면 그 값은 1이고 전혀 다르면 0이다.
생태 지위폭은 환경구배별 6개체에 대한 각 형질의 평균치를 Levins (1968)의 식에 적용하여 계산하였다.
성능/효과
이러한 결과는 유식물을 대상으로 실험한 결과로 성측목에 적용하는 것은 한계가 있으나, 지구온난화가 진행됨에 따라 상수리나무와 굴참나무는 토양수분과 영양소 환경에 의한 경쟁이 약해질 것으로 유추할 수 있다. Cluster 분석과 PCA 분석 결과, 두 종은 CO2 농도 및 온도 증가에 의한 반응보다 광 환경에 따라 민감하게 반응하는 것으로 나타났다.
900 이하를 좁게 평가하였다. 그 결과 광 처리구는 20가지 형질 중 14가지 형질에서 0.900 이상으로 넓었고, 전체 잎무게, 지상부무게, 지하부무게, 식물체무게, 잎 밀도, 지하부/지상부 형질이 0.525~0.897로 다소 좁았다. 토양수분 처리구는 잎밀도 형질만이 0.
2℃ 상승시킨 온난화처리구에서 유식물에 주요 환경요인 중 광, 토양수분과 영양소를 각각 4구배로 처리하여 두 종의 생태 지위폭과 생태 지위 중복역을 계산하였다. 그 결과, 상수리나무의 생태 지위폭은 대조구와 온난화처리구간에 통계적인 차이는 없었고, 굴참나무의 생태지위폭은 대조구에 비해 온난화처리구의 영양소 처리구에서 감소하였다. 상수리나무와 굴참나무의 생태 지위 중 복역은 대조구에 비해 온난화처리구의 토양수분과 영양소 처리구에서 감소하였다.
그 결과, 상수리나무의 생태 지위폭은 대조구와 온난화처리구간에 통계적인 차이는 없었고, 굴참나무의 생태지위폭은 대조구에 비해 온난화처리구의 영양소 처리구에서 감소하였다. 상수리나무와 굴참나무의 생태 지위 중 복역은 대조구에 비해 온난화처리구의 토양수분과 영양소 처리구에서 감소하였다. 이러한 결과는 유식물을 대상으로 실험한 결과로 성측목에 적용하는 것은 한계가 있으나, 지구온난화가 진행됨에 따라 상수리나무와 굴참나무는 토양수분과 영양소 환경에 의한 경쟁이 약해질 것으로 유추할 수 있다.
온도측정은 디지털 데이터 온도계 (Thermo recorder TR-71U, Co., Japan)를 설치하여 30분 간격으로 자동 측정하였으며, 2100년대에 평균 기온이 2.2도 상승할 것으로 예측한(IPCC, 2007) 것을 고려하여 대조구보다 온난화 처리구의 온도를 평균 2.2℃ 높게 유지하였다.
이를 종합해본 결과, 대조구에 비해 온난화처리구의 생태 지위 중복역은 토양수분 처리구와 영양소 처리구는 감소하였다. 반면, 광 처리구는 통계학적인 차이는 없으나 증가한 것으로 나타났다.
이를 종합해본 결과, 대조구에 비해 온난화처리구의 생태 지위폭은 영양소 처리구에서 감소하였고, 광 처리구와 토양수분 처리구는 통계학적인 차이는 없었으나 감소한 것으로 나타났다. 이는 지구온난화가 진행됨에 따라 굴참나무는 광, 토양수분, 영양소의 환경변화에 반응하여 지금보다 분포역이 좁아질 것으로 해석된다.
이를 종합해본 결과, 대조구에 비해 온난화처리구의 생태 지위폭은 통계학적인 차이는 없었으나, 광 처리구는 증가하였고 토양수분 처리구와 영양소 처리구는 감소한 것으로 나타났다. 이는 지구온난화가 진행됨에 따라 상수리나무는 광 환경변화에 잘 적응하여 지금보다 분포역이 넓어질 것으로 해석된다.
처리구의 CO2 농도는 최근 IPCC에서 지구온난화 시나리오에 일반적으로 사용되는 B1 시나리오(IPCC, 2007)인 대기중 CO2 농도의 약 2배(690~770 ppm)로 설계하여 실제 대조구 CO2 농도(386.9±6.1 ppm)의 약 1.6배(평균 602.7±64.1 ppm)로 유지하였다(Fig. 2).
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인위적으로 발생하는 CO2 농도의 증가는 무엇의 가장 큰 원인인가?
인위적으로 발생하는 CO2 농도의 증가는 지구온난화의 가장 큰 원인이다(Kobayashi, 2006). 최근에 지구는 CO2 농도가 급격히 증가하고 기온을 빠르게 상승시키고 있으며(Korea Meterological Adminstration, 2008), 근년에 들어 상승이 가속화되고 있다 (IPCC, 2007).
국제에너지기구에 의하면 우리나라의 CO2 배출량은 몇 위인가?
, 1990), CO2 농도가 2배가 되면 지구의 평균 표면온도가 2~3°C 증가한다고 예측하고 있다(Enoch and Hurd, 1977). 국제에너지기구(International Energy Agency)에 의하면 우리나라의 CO2 배출량은 세계 9위이며, 지속적인 경제성장과 에너지 다소비 산업구조로 인해 꾸준히 증가하고 있는 추세이다 (Ministry of Environment, 2012). 2006년에 CO2 농도는 388.
본 연구에서 종자의 파종에 사용된 화분의 크기는 얼마인가?
종자는 충청남도 공주시 신관동 인근 야산에서 2009년 10월에 채집하여 4°C에 냉장 저장한 후 이듬해인 2010년 4월에 각 종별 크기가 유사한 종자를 선별하여 파종하였다. 파종은 지름 24 cm, 높이 23.5 cm인 화분을 이용하여 각 환경 구배당 2개의 화분에 3개체씩 파종하였고, 2010년 9월까지 공주대학교 자연과학대학 생물학과 유리온실에서 유식물을 180일 동안 생육시켜 수확 후 실험실에서 측정하였다.
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