[국내논문]김제 벼-보리 이모작 논에서 보리재배 기간의 CO2 교환량의 계절적 변화 Seasonal Variation of CO2 Exchange During the Barley Growing Season at a Rice-barley Double Cropping Paddy Field in Gimje, Korea원문보기
전라북도 김제시 부량면 신용리의 벼-보리 이모작 논에 설치된 플럭스 관측시스템에서 보리 재배기간동안(2011년 10월 27일~2012년 6월 8일) 연속적으로 관측된 플럭스 자료를 활용하여, 보래재배 논 생태계와 대기간의 $CO_2$ 교환량의 계절적 변화를 분석하였다. $CO_2$ 및 에너지의 교환량은 미기상학적인 에디공분산법으로 추정하였고, 환경인자(순복사, 강수량 등)와 작물체 생육량(엽면적지수, 초장 등)도 함께 측정 조사하였다. 관측된 플럭스 자료는 보정과 결측보충의 과정을 거친 후 분석에 활용되었다. 결론적으로, 벼-보리 이모작 논생태계에서 보리 재배기간동안의 보리생육은 $CO_2$의 순생태계교환량(NEE)에 큰 영향을 주는 것으로 분석되었다. 보리 건물중이 급격하게 증가되는 분얼단계에서 가장 많은 $CO_2$가 흡수되었으며, 출수개화기가 관측된 5월 상순에 가장 높은 NEE ($-11.2gCm^{-2}d^{-1}$)가 관측되었다. 보리 재배기간중의 누적 순생태계 교환량(NEE)과 총일차생산량(GPP) 및 생태적 호흡량(Re)은 각각 단위면적($m^2$)당 -348.0, 663.3, $315.2gCm^{-2}$로 분석되었다. 본 논문은 국내에서 보리 재배기간의 $CO_2$ 플럭스를 에디공분산기법으로 정량화한 최초의 연구결과이며, 향후 벼-보리 이모작 논 생태계의 $CO_2$ 수지 평가의 기초자료로 활용될 것으로 기대한다.
전라북도 김제시 부량면 신용리의 벼-보리 이모작 논에 설치된 플럭스 관측시스템에서 보리 재배기간동안(2011년 10월 27일~2012년 6월 8일) 연속적으로 관측된 플럭스 자료를 활용하여, 보래재배 논 생태계와 대기간의 $CO_2$ 교환량의 계절적 변화를 분석하였다. $CO_2$ 및 에너지의 교환량은 미기상학적인 에디공분산법으로 추정하였고, 환경인자(순복사, 강수량 등)와 작물체 생육량(엽면적지수, 초장 등)도 함께 측정 조사하였다. 관측된 플럭스 자료는 보정과 결측보충의 과정을 거친 후 분석에 활용되었다. 결론적으로, 벼-보리 이모작 논생태계에서 보리 재배기간동안의 보리생육은 $CO_2$의 순생태계교환량(NEE)에 큰 영향을 주는 것으로 분석되었다. 보리 건물중이 급격하게 증가되는 분얼단계에서 가장 많은 $CO_2$가 흡수되었으며, 출수개화기가 관측된 5월 상순에 가장 높은 NEE ($-11.2gCm^{-2}d^{-1}$)가 관측되었다. 보리 재배기간중의 누적 순생태계 교환량(NEE)과 총일차생산량(GPP) 및 생태적 호흡량(Re)은 각각 단위면적($m^2$)당 -348.0, 663.3, $315.2gCm^{-2}$로 분석되었다. 본 논문은 국내에서 보리 재배기간의 $CO_2$ 플럭스를 에디공분산기법으로 정량화한 최초의 연구결과이며, 향후 벼-보리 이모작 논 생태계의 $CO_2$ 수지 평가의 기초자료로 활용될 것으로 기대한다.
Rice-barley double cropping system is typical in southwestern part of South Korea. However, the information of carbon dioxide ($CO_2$) exchange for barley growing season has still limited in comparison with rice. Using the eddy covariance (EC) technique, seasonal variation of $CO_2$<...
Rice-barley double cropping system is typical in southwestern part of South Korea. However, the information of carbon dioxide ($CO_2$) exchange for barley growing season has still limited in comparison with rice. Using the eddy covariance (EC) technique, seasonal variation of $CO_2$ exchange was analyzed for the barley growing season at a rice-barley double cropping field in Gimje, Korea. The effects of environmental factors and biomass on the $CO_2$ flux also were investigated. Quality control and gap-filling of flux data were conducted before this analysis and investigation. The results indicated that $CO_2$ uptake increased rapidly at tillering stage and maximum net ecosystem exchange of $CO_2$ (NEE) occurred at the early of May, 2012 ($-11.2gCm^{-2}d^{-1}$), when the heading of barley occurred. NEE, gross primary production (GPP), and ecosystem respiration (Re) during the barley growing season were -348.0, 663.3, and $315.2gCm^{-2}$, respectively. In this study, an attempt has been made to measure NEE, GPP, and Re with the help of the EC system for the barley growing season for the first time in Korea, focusing on $CO_2$ exchange between the biosphere and the atmosphere.
Rice-barley double cropping system is typical in southwestern part of South Korea. However, the information of carbon dioxide ($CO_2$) exchange for barley growing season has still limited in comparison with rice. Using the eddy covariance (EC) technique, seasonal variation of $CO_2$ exchange was analyzed for the barley growing season at a rice-barley double cropping field in Gimje, Korea. The effects of environmental factors and biomass on the $CO_2$ flux also were investigated. Quality control and gap-filling of flux data were conducted before this analysis and investigation. The results indicated that $CO_2$ uptake increased rapidly at tillering stage and maximum net ecosystem exchange of $CO_2$ (NEE) occurred at the early of May, 2012 ($-11.2gCm^{-2}d^{-1}$), when the heading of barley occurred. NEE, gross primary production (GPP), and ecosystem respiration (Re) during the barley growing season were -348.0, 663.3, and $315.2gCm^{-2}$, respectively. In this study, an attempt has been made to measure NEE, GPP, and Re with the help of the EC system for the barley growing season for the first time in Korea, focusing on $CO_2$ exchange between the biosphere and the atmosphere.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 전라북도 김제시 부량면 신용리의 벼-보리 이모작 작부체계의 논생태계에서 장기적으로 관측되고 있는 CO2 플럭스와 환경요인 및 작물의 생육량 데이터를 바탕으로, 가을보리 재배기간의 CO2 플럭스의 계절적 변화를 파악하여, 향후 벼-보리 재배 이모작 논 생태계의 CO2 수지 평가의 기초자료로 활용하고자 하였다.
제안 방법
보리 생육조사는 플럭스 관측시스템의 서쪽방향에 위치한 농가포장에서 일정규모(20×100cm)의 조사장소를 선정하여 약 2주 간격으로 3반복으로 수행하였다.
대기 중의 CO2와 H2O는 개방형 CO2/H2O 적외선 가스분석기(LI-7500, LI-COR Biosciences Inc., USA)로, 대기 중의 풍속과 온도는 3차원 초음파 풍속계 (CSAT3, Campbell Scientific Inc., USA)로 초당 10회(10Hz)씩 측정하였고, 이들 데이터(풍속, 바람에 수송된 대기 중의 CO2 농도·H2O 농도·온도)의 30분 평균에 대한 편차를 공분산하여 30분 평균 물리량 플럭스를 계산하였다.
온·습도 센서(HMP45C, Campbell scientific, Inc., USA)는 관측타워의 1m와 2m 높이에 각각 설치 하여, 높이에 따른 벼 군락 상단의 온도와 습도의 변화 를 관측하였다.
태양에너지 측정 센서(CNR1, Kipp&Zone B.V., The Netherlands)를 설치하여, 태양복사와 지구복사의 입사량과 반사량을 측정하고, 자료집록기의 내부연산에 의해서 순복사와 알베도를 산출하였다.
에디공분산의 경우 플럭스를 관측할만한 난류가 존재해야 하는데, 야간의 CO2 플러스는 이런 조건을 만족시키지 못하는 경우가 많으므로, 야간 CO2 플럭스에 대한 마찰속도(µ*)의 임계점 또한 계산하였다.
보리 생육조사는 플럭스 관측시스템의 서쪽방향에 위치한 농가포장에서 일정규모(20×100cm)의 조사장소를 선정하여 약 2주 간격으로 3반복으로 수행하였다. 보리 생육조사 장소에서 현장조사로 파악된 보리 생육량(초장, 분얼수)과 유사한 작물체 5주를 채취하여, 실험실에서 생체중 및 건물중을 지상부(엽초, 엽신, 이삭)와 지하부(뿌리)로 나누어 부위별로 세부적으로 조사하였다. 또한 보리재배 논 생태계의 CO2 교환량은 작물의 생육에 따라 영향을 받기 때문에 플럭스 관측 타워의 3m 높이에 디지털카메라를 서쪽방향으로 설치하고, 1시간 간격으로 보리의 생육상황과 농가포장의 영농활동을 감시하였다.
보리 생육조사 장소에서 현장조사로 파악된 보리 생육량(초장, 분얼수)과 유사한 작물체 5주를 채취하여, 실험실에서 생체중 및 건물중을 지상부(엽초, 엽신, 이삭)와 지하부(뿌리)로 나누어 부위별로 세부적으로 조사하였다. 또한 보리재배 논 생태계의 CO2 교환량은 작물의 생육에 따라 영향을 받기 때문에 플럭스 관측 타워의 3m 높이에 디지털카메라를 서쪽방향으로 설치하고, 1시간 간격으로 보리의 생육상황과 농가포장의 영농활동을 감시하였다. 생육 및 사진자료를 활용하여 보리의 생육단계를 파악하였고, 이를 토대로 보리 재배기간을 출현(Emergence), 유묘(Seedling), 월동 (Winter-rest), 분얼(Tillering), 성숙(Ripening) 등 5단계로 구분하여 보리재배 논 생태계의 플럭스 분석에 활용하였다(Table 2).
또한 보리재배 논 생태계의 CO2 교환량은 작물의 생육에 따라 영향을 받기 때문에 플럭스 관측 타워의 3m 높이에 디지털카메라를 서쪽방향으로 설치하고, 1시간 간격으로 보리의 생육상황과 농가포장의 영농활동을 감시하였다. 생육 및 사진자료를 활용하여 보리의 생육단계를 파악하였고, 이를 토대로 보리 재배기간을 출현(Emergence), 유묘(Seedling), 월동 (Winter-rest), 분얼(Tillering), 성숙(Ripening) 등 5단계로 구분하여 보리재배 논 생태계의 플럭스 분석에 활용하였다(Table 2).
물리량 플럭스의 원본자료(10Hz)와 30분 평균자료는 자료집록기(CR5000, Campbell Scientific Inc., USA)에 저장되고, CDMA 통신 모뎀을 이용하여 30분 평균자료를 실시간으로 수집했다. 또한 2주 간격으 로 현장에서 메모리 카드를 교체하는 방식으로 10Hz 플럭스 원본자료를 수집했다.
, USA)에 저장되고, CDMA 통신 모뎀을 이용하여 30분 평균자료를 실시간으로 수집했다. 또한 2주 간격으 로 현장에서 메모리 카드를 교체하는 방식으로 10Hz 플럭스 원본자료를 수집했다.
(2001)이 제시한 평면 맞추기 회전(PFR; planar fit rotaion)과 Webb et al.(1980)과 Kaimal and Finnigan (1994)이 제시한 밀도변동 보정을 수행하였으며, 불확실성을 감소시키기 위해서 FLUXNET의 표준 방법인 연속된 3개의 관측 값의 차이를 이용한 튀는 자료 찾기 방법을 이용하였다. 에디공분산의 경우 플럭스를 관측할만한 난류가 존재해야 하는데, 야간의 CO2 플러스는 이런 조건을 만족시키지 못하는 경우가 많으므로, 야간 CO2 플럭스에 대한 마찰속도(µ*)의 임계점 또한 계산하였다.
, The Netherlands)를 설치하여, 태양복사와 지구복사의 입사량과 반사량을 측정하고, 자료집록기의 내부연산에 의해서 순복사와 알베도를 산출하였다. 지중열류량 센서(HFP1, Campbell scientific, Inc., USA)는 관측타워의 서쪽과 동쪽에 각각 하나씩 총 2개를 지중 10cm 깊이에 설치하여 지표면과 땅속의 열 이동량을 측정하였다. 온·습도 센서(HMP45C, Campbell scientific, Inc.
, USA)는 관측타워의 1m와 2m 높이에 각각 설치 하여, 높이에 따른 벼 군락 상단의 온도와 습도의 변화 를 관측하였다. 또한 토양수분(CS616, Campbell scientific, Inc., USA)과 토양온도(TCAV, Campbell scientific, Inc., USA)는 지중열류량과 동일하게 관측타워의 동쪽과 서쪽의 지중 10cm 깊이에 하나씩 총 2개 를 설치하여 토양수분과 토양온도의 변화를 관측하였다. 이들 환경인자들은 5초 간격으로 측정되고, 자료집록기에는 30분 평균자료가 저장되며, CDMA 통신 모뎀을 통해서 실시간으로 수집하였다.
, USA)는 지중열류량과 동일하게 관측타워의 동쪽과 서쪽의 지중 10cm 깊이에 하나씩 총 2개 를 설치하여 토양수분과 토양온도의 변화를 관측하였다. 이들 환경인자들은 5초 간격으로 측정되고, 자료집록기에는 30분 평균자료가 저장되며, CDMA 통신 모뎀을 통해서 실시간으로 수집하였다. 그리고, 2주 간격으로 현장 방문시 수동으로도 수집하였다.
이들 환경인자들은 5초 간격으로 측정되고, 자료집록기에는 30분 평균자료가 저장되며, CDMA 통신 모뎀을 통해서 실시간으로 수집하였다. 그리고, 2주 간격으로 현장 방문시 수동으로도 수집하였다.
본 연구에서는 2주 간격으로 조사된 보리의 지상부 및 지하부 건물중의 탄소함량을 조사하고, 동 기간의 누적된 NEE와 비교·분석하여 CO2 플럭스의 불확실성을 분석하였다.
야간에 약한 난류 조건에서 과소 평가된 CO2 플럭스를 보정하기 위해 논 생태계에서의 CO2 플럭스와 수직적 풍속의 임계점을 0.06ms−1로 설정하였고(Fig. 3), 임계점 이하의 야간 CO2 플럭스는 제거하였다.
CO2 및 에너지의 교환량은 미기상학적인 에디공분산법으로 추정하였고, 환경인자(순복사, 강수량 등)와 작물체 생육량(엽면적지수, 초장 등)도 함께 측정·조사하였다.
전라북도 김제시 부량면 신용리의 벼-보리 이모작 논에 설치된 플럭스 관측시스템에서 보리 재배기간동안(2011년 10월 27일~2012년 6월 8일) 연속적으로 관측된 플럭스 자료를 활용하여, 보래재배 논 생태계와 대기간의 CO2 교환량의 계절적 변화를 분석하였다. CO2 및 에너지의 교환량은 미기상학적인 에디공분산법으로 추정하였고, 환경인자(순복사, 강수량 등)와 작물체 생육량(엽면적지수, 초장 등)도 함께 측정·조사하였다.
CO2 및 에너지의 교환량은 미기상학적인 에디공분산법으로 추정하였고, 환경인자(순복사, 강수량 등)와 작물체 생육량(엽면적지수, 초장 등)도 함께 측정·조사하였다. 관측된 플럭스 자료는 보정과 결측보충의 과정 을 거친 후 분석에 활용되었다. 결론적으로, 벼-보리 이모작 논생태계에서 보리 재배기간동안의 보리생육은 CO2의 순생태계교환량(NEE)에 큰 영향을 주는 것으로 분석되었다.
대상 데이터
연구지역(35°44'N, 126°51'E, 21m)은 전라북도 김제시 부량면 신용리 일대의 논 생태계로, 벼-보리 이모작 작부체계가 적용되고 있다.
주 작물인 벼를 수확한 후(2011년 10월 27일), 보리재배를 위한 논갈이(10월 27일)를 진행했으며, 비료는 밑거름으로 맞춤16호(남해화학)를 헥타르당 500kg(질소기준 110kg ha−1)를 시비했고(10월 27일), 추비로 요소를 헥타르당 200kg(질소기준 100kg ha−1)를 시비했다(2012년 3월 16일).
)를 시비했다(2012년 3월 16일). 보리 품종은 겉보리인 영양 보리이고, 휴립광산파방식으로 파종하였다. 출수기는 2012년 5월 4일로 조사되었고, 보리 수확날짜는 2012 년 6월 8일이었다(Table 1).
이론/모형
미기상학적 에디공분산법으로 측정 및 계산된 30분 평균 플럭스자료는 Koflux의 표준화 프로그램에 따라 보정 과정을 수행하였다. Lee et al.
에디공분산의 경우 플럭스를 관측할만한 난류가 존재해야 하는데, 야간의 CO2 플러스는 이런 조건을 만족시키지 못하는 경우가 많으므로, 야간 CO2 플럭스에 대한 마찰속도(µ*)의 임계점 또한 계산하였다. 결측 보충(gap-filling) 과정으로는 FLUXNET의 표준화 방법인 수정된 색인 목록 방법 을 이용하였다(Reichstein et al., 2005)
성능/효과
9cm까지 크게 증가한 후, 성숙단계에서는 조금 감소하는 특징을 나타냈다. 보리의 지상부 건물중은 분얼단계의 중반까지 서서히 증가하다가, 분얼단계의 중반부터 후반까지는 급속히 증가하는 것으로 조사되었고, 지하부 건물중(뿌리)도 분얼단계의 중반까지는 서서히 증가하다가 분얼단계의 중반부터 크게 증가한 후, 성숙단계에는 조금씩 감소하는 것으로 조사되었다.
3), 임계점 이하의 야간 CO2 플럭스는 제거하였다. 그 결과, 결측을 제외한 총 관측된 CO2 플럭스 자료중에서 약 42%의 데이터가 제거된 것으로 조사되었다. 제거된 CO2 플럭스 자료는 주로 강설과 저온이 지속된 11월 하순과 12월 및 1월 상순에 관측되었고, 강우가 집중된 4월 상순에는 적외선 가스분석기의 측정오류의 결과로 조사되었다(Fig.
총일차생산력 (GPP)은 보리의 광합성이 왕성한 분얼단계(IV, 5.5g C m−2 d−1)에서 가장 높았고, 다음으로 성숙단계(V, 5.5), 월동단계(III, 1.1), 유묘단계(II, 1.0) 순으로 높았으며, 출현단계(I, 0.2)가 가장 낮은 것으로 평가되었다.
반면에, 생태계 호흡량(Re)은 성숙단계(V, 3.9g C m−2 d−1 )에서 작물과 토양의 호흡에 의해서 가장 많은 CO2를 대기중으로 방출되는 것으로 평가되었다 (Table 4).
보리 재배기간동안 관측된 보리의 순일차생산량(NPP)은 동기간의 누적된 NEE와 유의성이 높은 선형 관계(r2 =0.98, n=9, p<0.001)를 나타냈다(Fig. 9).
보리재배 논 생태계에서 NPP는 논 생태계의 NEE와 토양의 타가호흡량(Rh; heterotrophic respiration)의 합으로 나타낼 수 있는데, 본 연구에서는 수확시기의 보리의 NPP는 536.4g C m−2로 조사되었고, 동일시기에 적산된 NEE는 348.0g C m−2로 분석되어Rh는 188.4g C m−2로 추정되었다.
본 연구사이트인 보리재배 논 생태계의 EBC(Energy balance closure)는 0.64로, 에디공분산으로 관측된 에너지 플럭스(현열과 잠열의 합)는 동시간대에 관측된 에너지(순복사에너지와 지중열류량의 차)보다 36% 낮게 평가되었다(Fig. 8). 에디공분산 방식으로 측정된 에너지 플럭스는 동시간대에 관측된 에너지보다 10~30% 낮게 평가된다는 기존의 연구결과(Baldocchi, 2003)보다 더 낮은 것으로 분석되었다.
보리 재배기간중의 누적 순생태계 교환량(NEE)과 총일차생산량(GPP) 및 생태적 호흡량(Re)은 각각 단위면적(m2)당 -348.0, 663.3, 315.2g C m−2로 분석되었다.
관측된 플럭스 자료는 보정과 결측보충의 과정 을 거친 후 분석에 활용되었다. 결론적으로, 벼-보리 이모작 논생태계에서 보리 재배기간동안의 보리생육은 CO2의 순생태계교환량(NEE)에 큰 영향을 주는 것으로 분석되었다. 보리 건물중이 급격하게 증가되는 분얼단계에서 가장 많은 CO2가 흡수되었으며, 출수개화기가 관측된 5월 상순에 가장 높은 NEE (-11.
후속연구
에디공분산 방식으로 측정된 에너지 플럭스는 동시간대에 관측된 에너지보다 10~30% 낮게 평가된다는 기존의 연구결과(Baldocchi, 2003)보다 더 낮은 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구에서 측정한 물질 플럭스가 보리재배 논 생태계의 특성을 충분히 반영했다고 보기는 다소 어려우며, 물질 플럭스 측정 및 자료처리 과정에서 추가적인 보완이 필요한 것으로 판단되었다.
2g C m−2로 분석되었다. 본 논문은 국내에서 보리 재배기간의 CO2 플럭스를 에디공분산기법으로 정량화한 최초의 연구결과이며, 향후 벼-보리 이모작 논 생태계의 CO2 수지 평가의 기초자료로 활용될 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대기 중의 온실가스 농도의 증가는 지구에 어떤 영향을 주는가?
18세기 산업혁명 이후부터 인간 활동에 의한 화석 연료의 사용과 삼림벌채, 농경지 전환 등의 토지 이용의 변화로, 전 지구적 온실가스 농도는 약 35% 증가 하였다(IPCC, 2007). 이와 같은 대기 중의 온실가스 농도의 증가는 지구표면의 적외복사가 온실가스 분자에 흡수되고 반사되어 지구표면과 대기를 가온시킬 뿐 아니라, 물순환에도 큰 영향을 주어 세계각국에서 이상기후 현상이 빈번하게 나타나고 있다(NCDC, 2014). 이산화탄소는 수증기와 더불어 지구온난화에 가장 큰 영향을 미치는 온실가스로 육상생태계의 지역적 탄소수지에 큰 영향을 주고 있다(Saylan et al.
인간 활동에 의해 전 지구적 온실가스 농도는 얼마나 증가하였는가?
18세기 산업혁명 이후부터 인간 활동에 의한 화석 연료의 사용과 삼림벌채, 농경지 전환 등의 토지 이용의 변화로, 전 지구적 온실가스 농도는 약 35% 증가 하였다(IPCC, 2007). 이와 같은 대기 중의 온실가스 농도의 증가는 지구표면의 적외복사가 온실가스 분자에 흡수되고 반사되어 지구표면과 대기를 가온시킬 뿐 아니라, 물순환에도 큰 영향을 주어 세계각국에서 이상기후 현상이 빈번하게 나타나고 있다(NCDC, 2014).
보리생육 과정 중 이산화탄소가 가장 많이 흡수된 시기는 언제인가?
결론적으로, 벼-보리 이모작 논생태계에서 보리 재배기간동안의 보리생육은 CO2의 순생태계교환량(NEE)에 큰 영향을 주는 것으로 분석되었다. 보리 건물중이 급격하게 증가되는 분얼단계에서 가장 많은 CO2가 흡수되었으며, 출수개화기가 관측된 5월 상순에 가장 높은 NEE (-11.2g C m−2 d−1 )가 관측되었다.
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