CO2농도 및 온도 상승이 하천변 잠재자연식생인 졸참나무와 갈참나무 잎의 형태학적 반응에 미치는 영향 Effects of Elevated CO2 and Temperature on the Leaf Morphological Responses of Quercus serrata and Quercus aliena, Potential Natural Vegetation of Riverine원문보기
한반도의 참나무 중 하천변 잠재자연식생인 졸참나무와 갈참나무를 대상으로 지구온난화의 핵심 요소인 $CO_2$농도와 온도를 상승시킬 때 잎의 형태학적 반응이 어떻게 일어나는지 알아보고자 유리온실 내에서 대기 중의 $CO_2$농도를 그대로 반영한 대조구와 이보다 $CO_2$농도는 약 1.6배와 온도는 $2.2^{\circ}C$상승시킨 온난화처리구에서 실험하여 관찰하였다. 그 결과, 졸참나무와 갈참나무는 $CO_2$농도와 온도의 상승으로 인하여 잎폭 길이, 잎몸 무게 그리고 엽면적이 증가하고 잎 수와 비엽면적은 감소하는 경향을 나타냈다. 졸참나무는 잎폭 길이, 잎몸 길이, 잎몸 무게, 잎 수, 엽면적 그리고 비엽면적 모두 대조구와 온난화처리구 간에 차이가 없었다. 그러나 갈참나무는 잎폭 길이와 잎몸 무게의 증가, 비엽면적의 감소가 뚜렷하였다. 이상의 잎의 형태학적 반응으로 볼 때, 갈참나무는 $CO_2$농도와 온도에 대하여 졸참나무 보다 민감하게 반응한다는 것을 알 수 있다. 주성분분석 결과, 두 종은 요인 1과 2에 의해 대조구와 온난화처리구에서 배열에 차이가 있었고, 온난화처리에 대한 변화는 졸참나무보다 갈참나무에서 명확히 구별되었다.
한반도의 참나무 중 하천변 잠재자연식생인 졸참나무와 갈참나무를 대상으로 지구온난화의 핵심 요소인 $CO_2$농도와 온도를 상승시킬 때 잎의 형태학적 반응이 어떻게 일어나는지 알아보고자 유리온실 내에서 대기 중의 $CO_2$농도를 그대로 반영한 대조구와 이보다 $CO_2$농도는 약 1.6배와 온도는 $2.2^{\circ}C$상승시킨 온난화처리구에서 실험하여 관찰하였다. 그 결과, 졸참나무와 갈참나무는 $CO_2$농도와 온도의 상승으로 인하여 잎폭 길이, 잎몸 무게 그리고 엽면적이 증가하고 잎 수와 비엽면적은 감소하는 경향을 나타냈다. 졸참나무는 잎폭 길이, 잎몸 길이, 잎몸 무게, 잎 수, 엽면적 그리고 비엽면적 모두 대조구와 온난화처리구 간에 차이가 없었다. 그러나 갈참나무는 잎폭 길이와 잎몸 무게의 증가, 비엽면적의 감소가 뚜렷하였다. 이상의 잎의 형태학적 반응으로 볼 때, 갈참나무는 $CO_2$농도와 온도에 대하여 졸참나무 보다 민감하게 반응한다는 것을 알 수 있다. 주성분분석 결과, 두 종은 요인 1과 2에 의해 대조구와 온난화처리구에서 배열에 차이가 있었고, 온난화처리에 대한 변화는 졸참나무보다 갈참나무에서 명확히 구별되었다.
This study was conducted to find the leaf morphological responses of Quercus serrata and Q. aliena which are potential natural vegetation of riverine in Korea under elevated $CO_2$ and increased temperature. Rising $CO_2$ concentration was treated with 1.6 times than control(am...
This study was conducted to find the leaf morphological responses of Quercus serrata and Q. aliena which are potential natural vegetation of riverine in Korea under elevated $CO_2$ and increased temperature. 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. As a result, leaf width length, leaf lamina weight and leaf area of Q. serrata and Q. aliena was respectively increased, and number of leaves and specific leaf area(SLA) was decreased by elevated $CO_2$ and temperature. Leaf width length, leaf lamina length, leaf lamina weight, number of leaves, leaf area, and specific leaf area of Q. serrata were not statistically significant difference between control and treatment. Leaf width length and leaf weight of Q. aliena was increased, but specific leaf area was decreased. These results indicated that Q. aliena was to be sensitive than Q. serrata in response to global warming situation. According to the principal component analysis(PCA), two oak species were arranged based on factor 1 and 2 in the control and warming treatment. And change on the warming treatment was clearly distinguishable from the Q. aliena than Q. serrata.
This study was conducted to find the leaf morphological responses of Quercus serrata and Q. aliena which are potential natural vegetation of riverine in Korea under elevated $CO_2$ and increased temperature. 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. As a result, leaf width length, leaf lamina weight and leaf area of Q. serrata and Q. aliena was respectively increased, and number of leaves and specific leaf area(SLA) was decreased by elevated $CO_2$ and temperature. Leaf width length, leaf lamina length, leaf lamina weight, number of leaves, leaf area, and specific leaf area of Q. serrata were not statistically significant difference between control and treatment. Leaf width length and leaf weight of Q. aliena was increased, but specific leaf area was decreased. These results indicated that Q. aliena was to be sensitive than Q. serrata in response to global warming situation. According to the principal component analysis(PCA), two oak species were arranged based on factor 1 and 2 in the control and warming treatment. And change on the warming treatment was clearly distinguishable from the Q. aliena than Q. serrata.
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문제 정의
따라서, 본 연구는 우리나라 참나무 중 하천변 잠재 자연식생인 졸참나무와 갈참나무를 대상으로 지구온난화의 핵심 요소인 CO2농도와 온도를 상승시켜 잎의 형태학적 반응이 어떻게 일어나는지 알아보고자 시도하였다.
제안 방법
CO2농도 처리는 CO2가스통 2개를 설치한 뒤, 각각 지름 0.2mm인 호스를 연결하여 CO2가스를 24시간 주입하였고, 온난화처리구 내 설치된 CO2 센서(TEL-7001, Onset computer, USA)를 통해 농도변화를 모니터링한 뒤, Gas regulator로 조절하여 대조구 CO2농도의 약 1.6배(평균 602.7±64.1ppm)로 유지시켰다(Fig. 1a).
대조구(ambient CO2-ambient temperature)는 유리온실 내에서 대기 중의 CO2농도(평균 386.9±6.1ppm)를 그대로 반영하였고, 온난화처리구(elevated CO2-elevated temperature)는 유리온실 내에서 지구온난화의 핵심 요소인 CO2농도와 온도를 조합하여 처리하였다.
온도측정은 디지털 데이터 온도계(Thermo recorder TR-71U, Co., Japan)를 설치하여 30분마다 모니터링 하였다. 그 결과, 온난화처리구의 월별 평균기온은 대조구 보다 평균 2.
잎폭 길이, 잎몸 길이, 엽면적은 엽면적계(SI700, Skye)를 이용하였고, 잎몸 무게, 전체 잎 무게의 건중량은 전자저울(UX400H)을 이용하여 측정하였다.
측정은 각 개체에서 임의로 3장의 성엽을 선정하여 잎폭 길이(㎝), 잎몸 길이(㎝), 엽면적(㎠), 잎몸 무게(g) 를 측정하였고, 각 개체의 잎 수(ea), 전체 잎 무게(g)를 측정하였다. 측정된 값을 이용하여 비엽면적을 계산하였다. 비엽면적(specific leaf area)은 잎무게에 대한 엽면적의 비를 말한다.
유식물은 2010년 4월에 파종한 뒤 180일 이후인 9월에 화분에서 꺼낸 후 지하부는 물로 세척하여 흙을 완전히 제거하였으며, 70℃ 건조기에서 48시간 건조시켰다. 측정은 각 개체에서 임의로 3장의 성엽을 선정하여 잎폭 길이(㎝), 잎몸 길이(㎝), 엽면적(㎠), 잎몸 무게(g) 를 측정하였고, 각 개체의 잎 수(ea), 전체 잎 무게(g)를 측정하였다. 측정된 값을 이용하여 비엽면적을 계산하였다.
이때 사용된 물은 수돗물을 받아서 안정화시켜 사용하였다. 토양은 동일 입자 크기(2㎜ 이하)의 건조한 모래에 유기질비료(주, 효성오엔비, 유기물 46.7%)를 토양무게의 5%를 혼합하여 처리하였다.
환경 처리에 따른 차이는 포스트-훅 검정에 의해 평균치의 Fisher 최소유의차법으로 5% 유의수준에서 차이를 검정하였다. 환경요인에 따른 두 종의 전체적인 분포상태를 밝히기 위해 형질의 측정치를 상관계수로 이용하여 주성분분석(PCA)으로 배열하였다. 이상의 통계학적 분석은 Statistica 8 통계패키지(Statsoft Co.
대상 데이터
실험에 사용한 유식물은 졸참나무와 갈참나무 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.
실험에 사용한 유식물은 졸참나무와 갈참나무 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 24cm, 높이 23.
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 24cm, 높이 23.5cm인 4개 화분에 각각 3개체씩 파종하였다.
데이터처리
CO2농도 및 온도 상승에 따른 두 종의 생육반응을 밝히기 위해 반응의 평균치를 이용하여 일원분산분석(One-way ANOVA)을 실시하였다. 환경 처리에 따른 차이는 포스트-훅 검정에 의해 평균치의 Fisher 최소유의차법으로 5% 유의수준에서 차이를 검정하였다.
농도 및 온도 상승에 따른 두 종의 생육반응을 밝히기 위해 반응의 평균치를 이용하여 일원분산분석(One-way ANOVA)을 실시하였다. 환경 처리에 따른 차이는 포스트-훅 검정에 의해 평균치의 Fisher 최소유의차법으로 5% 유의수준에서 차이를 검정하였다. 환경요인에 따른 두 종의 전체적인 분포상태를 밝히기 위해 형질의 측정치를 상관계수로 이용하여 주성분분석(PCA)으로 배열하였다.
이론/모형
환경요인에 따른 두 종의 전체적인 분포상태를 밝히기 위해 형질의 측정치를 상관계수로 이용하여 주성분분석(PCA)으로 배열하였다. 이상의 통계학적 분석은 Statistica 8 통계패키지(Statsoft Co. 2008)를 이용하였다.
성능/효과
, Japan)를 설치하여 30분마다 모니터링 하였다. 그 결과, 온난화처리구의 월별 평균기온은 대조구 보다 평균 2.2℃ 높았다(Fig. 1b).
배열법상 두 종의 개체간 거리는 대조구보다 온난화처리구에서 가깝게 나타났고, 분포하는 면적도 대조구보다 온난화처리구에서 좁았다. 그리고 배열법에서 온난화처리에 대한 변화는 졸참나무보다 갈참나무에서 명확히 구별되었다(Fig. 3). 이러한 결과는 두 종이 CO2농도와 온도에 대하여 생태학적 반응에 영향을 받은 것으로 판단되며, 갈참나무가 졸참나무보다 CO2농도와 온도에 대한 생태학적 반응 정도가 큰 것으로 판단된다.
두 종의 PCA 배열법 상의 분포유형에 미치는 잎의 형질은 잎 수와 비엽면적(r<0.5)보다 잎폭 길이, 잎몸 길이, 잎몸 무게, 엽면적이 더 많은 영향을 미치는 것으로 나타났다(Table 1).
배열법상 두 종의 개체간 거리는 대조구보다 온난화처리구에서 가깝게 나타났고, 분포하는 면적도 대조구보다 온난화처리구에서 좁았다. 그리고 배열법에서 온난화처리에 대한 변화는 졸참나무보다 갈참나무에서 명확히 구별되었다(Fig.
실험결과를 종합해 볼 때, 졸참나무와 갈참나무는 CO2농도와 온도의 상승으로 인하여 잎폭 길이, 잎몸 무게 그리고 엽면적이 증가하고 잎 수와 비엽면적은 감소하는 경향을 나타냈다. 졸참나무는 잎폭 길이, 잎몸 길이, 잎몸 무게, 잎 수, 엽면적 그리고 비엽면적 모두 대조구와 온난화처리구 간에 통계적 차이가 없었다.
5)보다 잎폭 길이, 잎몸 길이, 잎몸 무게, 엽면적이 더 많은 영향을 미치는 것으로 나타났다(Table 1). 이 결과는 두 종의 생태학적 반응이 잎의 핵심적인 소수의 형질에 의한 것이 아니라 여러 다양한 형질이 종합적으로 관여하는 것으로 판단되며, 배열법 상의 분포유형은 실험대상 종, 생육환경 그리고 식물체의 측정형질 등에 따라 차이가 있는 것으로 판단된다.
그러나 갈참나무는 잎폭 길이와 잎몸 무게의 증가, 비엽면적의 감소가 통계적으로 뚜렷한 차이가 있었다. 이것으로 미루어 볼 때 CO2농도와 온도의 상승은 광합성기관인 잎의 형태학적 반응에 많은 영향을 미치며, 갈참나무는 졸참나무 보다 CO2농도와 온도에 대하여 민감하게 반응하여 잎의 형태학적 변화가 크게 일어나는 것으로 판단된다.
3). 이러한 결과는 두 종이 CO2농도와 온도에 대하여 생태학적 반응에 영향을 받은 것으로 판단되며, 갈참나무가 졸참나무보다 CO2농도와 온도에 대한 생태학적 반응 정도가 큰 것으로 판단된다. 또한, 배열법상 분포하는 면적과 간격이 줄어드는 것은 생태적 지위폭이 감소하는 것과 같다고 할 수 있으므로 갈참나무가 졸참나무보다 지구온난화에 의한 경쟁력이 약화될 것으로 판단된다.
잎몸 무게는 졸참나무와 갈참나무 모두 온난화처리구에서 높은 경향을 보였으나, 졸참나무는 대조구와 온난화처리구 간에 통계적 차이가 없었고, 갈참나무는 대조구에 비해 온난화처리구에서 높았다(Fig. 2c). 이것은 Radoglou and Jarvis(1990)가 CO2농도가 높으면 엽육세포의 크기가 커지고 기공내 공간이 넓어져 잎이 두꺼워지기 때문이라고 발표한 결과로 해석할 수 있다.
졸참나무와 갈참나무의 6가지 형질을 이용한 주성분 분석(PCA) 결과, 두 종은 제1주성분과 제2주성분에 의해 대조구와 온난화처리구에서 배열에 차이를 보였으며, 제 1주성분과 제2주성분으로 전체 분산에 대한 설명력은 82.17%였다(Fig. 3).
후속연구
이러한 결과는 두 종이 CO2농도와 온도에 대하여 생태학적 반응에 영향을 받은 것으로 판단되며, 갈참나무가 졸참나무보다 CO2농도와 온도에 대한 생태학적 반응 정도가 큰 것으로 판단된다. 또한, 배열법상 분포하는 면적과 간격이 줄어드는 것은 생태적 지위폭이 감소하는 것과 같다고 할 수 있으므로 갈참나무가 졸참나무보다 지구온난화에 의한 경쟁력이 약화될 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CO2시비효과란 무엇인가?
이렇게 잎의 형태적 특성은 생리활동과 생장반응에 큰 영향을 미친다(Sim and Han, 2003). CO2농도의 증가가 식물의 생장을 증진시키는 것을 CO2시비효과(CO2-fertilization effect)라 부른다(Park, 1993; Park, 2003).
대기중 CO2농도의 변화는 어떠한가?
인위적으로 발생하는 CO2 농도의 증가는 지구온난화의 가장 큰 원인이다(Kobayashi, 2006). 대기중 CO2농도는 산업화 이전에 약 280ppm 이었으나(IPCC, 2007), 2009년에는 약 385ppm으로 산업화 이전에 비해 38% 증가하였다(Ho¨nisch et al., 2009).
$CO_2$농도와 온도를 상승시킬 때 잎의 형태학적 반응을 알아보기 위한 본 논문의 연구에서 졸참나무와 갈참나무가 차이를 보인 부분은 무엇인가?
그 결과, 졸참나무와 갈참나무는 $CO_2$농도와 온도의 상승으로 인하여 잎폭 길이, 잎몸 무게 그리고 엽면적이 증가하고 잎 수와 비엽면적은 감소하는 경향을 나타냈다. 졸참나무는 잎폭 길이, 잎몸 길이, 잎몸 무게, 잎 수, 엽면적 그리고 비엽면적 모두 대조구와 온난화처리구 간에 차이가 없었다. 그러나 갈참나무는 잎폭 길이와 잎몸 무게의 증가, 비엽면적의 감소가 뚜렷하였다. 이상의 잎의 형태학적 반응으로 볼 때, 갈참나무는 $CO_2$농도와 온도에 대하여 졸참나무 보다 민감하게 반응한다는 것을 알 수 있다.
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