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문제 정의
- 본 연구는 고온 환경 조건에서 성숙기가 다른 주요 벼 품종들의 수량과 수량 관련 요소의 반응을 파악하여 미래 기후 온난화가 벼 품종별 생산성에 미치는 영향 정도를 알아보고자 하였다. 이를 위하여 벼 생태 형별 8 품종을 온도 조건이 다른 플라스틱 하우스에서 재배하여 온도 조건에 따른 수량 및 수량 관련 요소의 반응 특성을 살펴보았다.
- 지금까지 많은 연구자들에 의해 온난화에 따른 기온상승이 벼의 생육 및 수량성에 어떠한 영향을 미치는지에 관한 연구가 수행되어 왔으나, 다양한 생태형 및 품종을 대상으로 수량 구성 요소 각각에 대한 온도의 영향을 규명한 연구는 드문 실정이다. 이에 본 연구는 온도상승 환경에서 우리나라 조생, 중생, 중만생 벼 품종들의 수량 및 수량 구성요소와 그 밖의 수량 관련 요소들이 어떠한 반응을 보이는지 규명하기 위해 수행되었다.
제안 방법
- 수량 및 수량 관련 요소들의 출수기 및 출수 후 온도에 대한 반응을 분석하기 위해 출수 후 기간을 출수 후 10일(10 Days after heading, 10 DAH), 출수 후 20일(20 DAH), 출수 후 30일(30 DAH), 출수 후 11일부터 20일(1120 DAH), 출수 후 21일부터 30일(2130 DAH)로 나누고 해당기간 동안의 평균 기온에 대한 수량 및 수량 관련 요소들의 반응을 분석하였다. 다만, 임실률의 경우에는 출수기 전후의 온도에 영향을 받기 때문에, 출수 전후 7일간의 최고 기온에 대한 반응을 분석하였다.
- 본 실험에서는 벼의 수량 구성 요소(단위면적당 이삭수, 이삭당 영화수, 등숙률, 천립중)와 임실률 및 완전발육미율을 포괄하여 수량 관련 요소라 지정 하였다. 수확은 포트별로 이삭의 성숙상태를 확인한 후 이루어졌으며, 포트당 이삭수, 이삭당 영화수, 천립중, 등숙률, 임실률, 완전발육미율, 포트당 수량 등을 조사하였다.
- 출수 후 온도의 영향 정도를 분석한 결과 천립중, 등숙률, 완전발육미율, 수량은 출수 후 20일간의 평균기온과 가장 높은 상관관계를 보였으며, 온도가 높아질수록 부정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 상관분석 결과를 바탕으로 로지스틱 함수를 이용하여 품종 간 온도 반응 특성의 차이를 분석하였다. 수량의 경우 품종 간 온도 반응 특성이 다르지 않은 것으로 나타나, 품종에 상관없이 온도 반응에 대한 추정이 가능할 것으로 사료된다.
- 상관분석 결과를 바탕으로 식 (1)을 이용하여 임실률은 출수기 전후 7일간 최고 온도에 대한 반응 특성을 분석하였고, 완전발육미율, 천립중, 수량은 출수 후 20일간의 평균기온에 대해 분석을 실시하였다. Table 11과 Table 12은 천립중, 임실률, 완전발육미율, 수량의 온도 반응 로지스틱 함수의 파라미터 α값과 Tc값을 산출하고 이에 대한 통계분석 결과를 나타낸 것이다.
- 생태형이 다른 8개 벼 품종을 대상으로 포트 실험을 실시하여 대기온, 대기온 대비 +1.5℃, +3.0℃, +5.0℃ 온도 조건에서의 수량 및 수량 관련 요소의 반응을 분석하였다. 이삭수를 제외한 수량 및 수량 관련 요소들의 온도 상승 조건에 대한 반응은 생태형 및 품종에 따라 유의한 차이가 있음을 확인하였다.
- 수량 및 수량 관련 요소들의 출수기 및 출수 후 온도에 대한 반응을 분석하기 위해 출수 후 기간을 출수 후 10일(10 Days after heading, 10 DAH), 출수 후 20일(20 DAH), 출수 후 30일(30 DAH), 출수 후 11일부터 20일(1120 DAH), 출수 후 21일부터 30일(2130 DAH)로 나누고 해당기간 동안의 평균 기온에 대한 수량 및 수량 관련 요소들의 반응을 분석하였다. 다만, 임실률의 경우에는 출수기 전후의 온도에 영향을 받기 때문에, 출수 전후 7일간의 최고 기온에 대한 반응을 분석하였다.
- 본 실험에서는 벼의 수량 구성 요소(단위면적당 이삭수, 이삭당 영화수, 등숙률, 천립중)와 임실률 및 완전발육미율을 포괄하여 수량 관련 요소라 지정 하였다. 수확은 포트별로 이삭의 성숙상태를 확인한 후 이루어졌으며, 포트당 이삭수, 이삭당 영화수, 천립중, 등숙률, 임실률, 완전발육미율, 포트당 수량 등을 조사하였다.
- 플라스틱 하우스별로 품종 당 5반복, 재식거리는 포트 크기에 맞추어 30×16cm이 되도록 배열하였다. 시비량은 포트 환경을 고려하여 표준 시 비량보다 많은 N-P-K=18-9-11.4kg/10a 수준으로 처리하였으며, 기비-분얼비-수비를 5:2:3의 비율로 분시하였다.
- 본 연구는 고온 환경 조건에서 성숙기가 다른 주요 벼 품종들의 수량과 수량 관련 요소의 반응을 파악하여 미래 기후 온난화가 벼 품종별 생산성에 미치는 영향 정도를 알아보고자 하였다. 이를 위하여 벼 생태 형별 8 품종을 온도 조건이 다른 플라스틱 하우스에서 재배하여 온도 조건에 따른 수량 및 수량 관련 요소의 반응 특성을 살펴보았다.
- 플라스틱 하우스별로 품종 당 5반복, 재식거리는 포트 크기에 맞추어 30×16cm이 되도록 배열하였다.
대상 데이터
- 본 실험은 2011년 5월부터 11월까지 서울대학교 부속농장(경기도 수원시)에 위치한 온도조절 플라스틱 하우스에서 수행되었다. 공시품종은 조생종 3품종, 중생종 2품종, 중만생종 3품종으로 상세 품종명은 Table 1과 같다.
- 파종은 2011년 5월 20일에 실시하였으며 파종량은 모판당 180g으로 하였다. 이앙일은 6월 2일이며 1/5000a Wagner 포트를 이용하여 1주 3본식 어린 모이앙으로 하였다.
데이터처리
- α는 각 요소에 대한 로지스틱 함수의 파라미터 값이다. 로지스틱 함수의 각 값들은 SAS 9.3의 NLIN procedure를 이용하여 구하였으며, 그 밖의 본 연구에서 실시한 상관분석 및 분석분석 등의 통계분석 또한 SAS 9.3을 이용하였다.
- 수량 관련 요소들의 온도에 대한 반응은 비선형 관계를 보이며, 이를 표현하는 로지스틱 함수(식 1)의 파라미터(α) 값을 이용하여 품종별 수량 및 수량 관련 요소들의 온도 반응 차이 유무를 검증하였다.
성능/효과
- 천립중, 등숙률, 임실률, 완전발육미율, 수량은 출수기 및 출수 후 기온에 대해 부의 상관을 보여, 위 요소들은 기온이 상승함에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 6개 구간 온도에 대한 수량 관련 요소들의 상관분석 결과, 천립중(r = -0.31), 등숙률(r = -0.82), 수량(r = -0.69), 완전발육미율(r = -0.70)은 출수 후 20일간의 평균기온과 가장 높은 상관을 보였으며, 임실률의 경우 출수기 전후 7일간의 최고 기온과 r = -0.66의 비교적 높은 상관을 나타냈다.
- 결론적으로 벼의 수량 및 수량 관련 요소들은 생태형 및 품종에 따라 매우 다양한 양상으로 온도에 대해 반응 하였으며, 종합적으로 미래의 기후 온난화로 인한 기온 상승은 벼 수량성에 부정적인 영향을 가지고 올 것으로 예측된다. 다만, 이러한 부정적 영향은 재배지역의 농업기후 조건에 맞는 지역적응성 품종의 도입, 재배시기 이동 등의 재배기술적 방법을 개발하고, 개화기 고온 환경에서도 임실률이 높고, 고온 등 숙성을 지닌 고온 적응성 품종의 개발을 통해 완화될 수 있을 것이다.
- 그 밖의 수량 관련 요소들의 경우 포트당 이삭수는 생태형에 따른 차이만 유의하였으며, 품종이나 온도 조건에 따른 차이는 없는 것으로 나타났다(Table 7). 임실률과 완전발육미율은 생태형 및 품종에 따라 유의한 온도 반응을 보였는데, 임실률과 완전발육미율을 곱하면 등숙률이 되기 때문에, 임실률과 완전발육미율의 온도 반응은 등숙률의 그것과 유사한 경향을 나타냈다(Table 8 and 9).
- 수량 관련 요소 중 온도 상승에 가장 민감한 반응을 보인 요소는 등숙률이었으며, 가장 둔감한 요소는 천립중이었다. 등숙률의 하락과 맞물려 수량은 고온 조건일수록 낮아졌으나, 영화수 증가 영향으로 수량의 저하 정도는 등숙률의 그것보다 크지 않았다. 생태형 및 품종별 반응은 조생종의 오대벼와 운광벼가 온도 조건에 가장 민감하였으며, 중만생종 품종들의 반응은 대체로 둔감한 것으로 나타났다.
- 5℃ 수준의 온도 상승 조건에서도 상대적으로 큰 등숙률의 감소를 보여 온도 상승에 가장 민감한 반응을 보였다. 반면, 천립중의 경우 AT+5℃ 조건에서도 16~24% 수준의 감소 정도를 보여 온도 조건에 따른 영향이 가장 적었다.
- 등숙률의 하락과 맞물려 수량은 고온 조건일수록 낮아졌으나, 영화수 증가 영향으로 수량의 저하 정도는 등숙률의 그것보다 크지 않았다. 생태형 및 품종별 반응은 조생종의 오대벼와 운광벼가 온도 조건에 가장 민감하였으며, 중만생종 품종들의 반응은 대체로 둔감한 것으로 나타났다. 출수 후 온도의 영향 정도를 분석한 결과 천립중, 등숙률, 완전발육미율, 수량은 출수 후 20일간의 평균기온과 가장 높은 상관관계를 보였으며, 온도가 높아질수록 부정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 5℃ 조건부터 급락하였고, 진미벼는 AT+3℃까지는 큰 변화를 보이지 않았으나, AT+5℃에서는 대기온 대비 30% 이상 급락하였다. 생태형별로는 중만생종이 조생 및 중생 품종보다는 둔감하였다.
- 수량 관련 요소 중 등숙률은 고온 조건으로 갈수록 수량 감소에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히, 조생종의 오대벼와 운광벼의 경우 AT+1.
- 온도가 높아짐에 따라 영화수는 증감의 경향이 명확하진 않았으나 대체로 대기온보다는 증가하였고, 천립중과 등숙률은 감소하는 경향을 나타냈다. 수량 관련 요소 중 온도 상승에 가장 민감한 반응을 보인 요소는 등숙률이었으며, 가장 둔감한 요소는 천립중이었다. 등숙률의 하락과 맞물려 수량은 고온 조건일수록 낮아졌으나, 영화수 증가 영향으로 수량의 저하 정도는 등숙률의 그것보다 크지 않았다.
- 수량 관련 요소와 출수기 및 출수 후 기온과의 관계를 분석한 결과, 천립중, 등숙률, 완전발육미율, 수량은 출수 후 20일간의 평균기온과 가장 높은 부의 상관을 보이는 것으로 나타났다. 임실률의 경우 상관분석에서는 출수 후 30일간 평균기온의 영향을 가장 크게 받는 것으로 나타났으나, 임실률은 벼의 개화 및 수정과 관련된 요소로서 실질적으로 출수기 전후 최고 기온의 영향이 가장 크게 나타난다.
- 진미벼의 천립중 반응 또한 통계적으로는 다른 품종들과 다른 것으로 나타났으나, 파라미터 값이 비정상적으로 산출되어 천립중의 온도 반응 정도를 판단할 수 없었다. 수량의 경우 각 품종은 출수 후 20일간 평균기온에 대해 온도 반응 특성에 유의한 차이가 없는 것으로 나타났다. 즉, 수량은 품종에 상관없이 동일한 파라미터 값을 이용하여 수량 추정이 가능할 것이다(Table 11).
- 천립중은 수량 관련 요소 중 가장 변이가 적은 요소였으며, AT+5℃ 조건에서 16~24% 정도의 감소를 나타냈다. 온도 반응은 조생종의 진미벼를 제외하면 모든 생태형 및 품종들은 AT+5℃ 조건에서 천립중이 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 진미벼는 AT+5℃ 조건을 포함한 모든 온도 조건에서 천립중이 크게 변하지 않았다.
- 등숙률은 천립중과 마찬가지로 모든 생태형 및 품종이 AT+5℃ 조건에서 급락하였다. 온도 상승에 대한 감소 정도는 천립중보다 컸으며, 수량 관련 요소 중 가장 민감하게 영향을 받는 것으로 나타났다. 다만, 동일 생태형 내에서도 품종에 따라 온도 조건에 대한 반응 정도는 달랐는데, 조생종의 오대벼와 운광벼는 AT+1.
- 온도 조건에 따라 수량은 생태형 및 품종 간 유의한 차이를 보였으며, AT+5.0℃에서 모든 생태형 및 품종들의 수량은 급감하였다(Table 6). 다만, AT+3℃까지는 온도의 영향이 명확히 나타나지 않았으며, 온도가 상승함에 따라 지속적으로 감소하는 등숙률의 경향과는 달랐다.
- 이삭수를 제외한 수량 및 수량 관련 요소들의 온도 상승 조건에 대한 반응은 생태형 및 품종에 따라 유의한 차이가 있음을 확인하였다. 온도가 높아짐에 따라 영화수는 증감의 경향이 명확하진 않았으나 대체로 대기온보다는 증가하였고, 천립중과 등숙률은 감소하는 경향을 나타냈다. 수량 관련 요소 중 온도 상승에 가장 민감한 반응을 보인 요소는 등숙률이었으며, 가장 둔감한 요소는 천립중이었다.
- Table 2는 각 온도 조건 하에서 생태형 및 품종별 출수일이다. 온도처리에 따른 평균 출수일은 미미하게 짧아지지만 변화는 크지 않았으며, 일반적인 생태형 및 품종에 따른 출수 경향을 나타냈다.
- 0℃ 온도 조건에서의 수량 및 수량 관련 요소의 반응을 분석하였다. 이삭수를 제외한 수량 및 수량 관련 요소들의 온도 상승 조건에 대한 반응은 생태형 및 품종에 따라 유의한 차이가 있음을 확인하였다. 온도가 높아짐에 따라 영화수는 증감의 경향이 명확하진 않았으나 대체로 대기온보다는 증가하였고, 천립중과 등숙률은 감소하는 경향을 나타냈다.
- 수량 관련 요소와 출수기 및 출수 후 기온과의 관계를 분석한 결과, 천립중, 등숙률, 완전발육미율, 수량은 출수 후 20일간의 평균기온과 가장 높은 부의 상관을 보이는 것으로 나타났다. 임실률의 경우 상관분석에서는 출수 후 30일간 평균기온의 영향을 가장 크게 받는 것으로 나타났으나, 임실률은 벼의 개화 및 수정과 관련된 요소로서 실질적으로 출수기 전후 최고 기온의 영향이 가장 크게 나타난다. 천립중, 등숙률, 완전발육미율이 온도가 높아짐에 따라 감소하는 원인에 대해서는 다양한 연구가 수행되었으나 아직까지 명확한 원인은 규명되지 않았다.
- Table 12는 임실률과 완전발육미율에 대한 α값과 Tc값을 나타낸 것이다. 임실률의 경우 추청벼, 진미벼, 녹양벼는 출수 전후 7일간 최고 기온에 대한 반응 특성이 다른 품종들과 유의한 차이가 있는 것으로 나타났으며, 완전발육미율은 안다벼, 추청벼, 화성벼, 오대벼가 출수 후 20일간 평균기온에 대한 반응 특성이 다른 품종과 차이가 있는 것으로 나타났다.
- 포트당 영화수는 생태형 및 품종 간 유의한 차이를 나타냈으나, 온도 증가에 따른 증감 경향은 일관되지 않았다. 조생종 중 운광벼는 온도가 높아질수록 영화수가 증가하는 경향을 보였으나, 오대벼와 진미벼는 온도 조건에 따른 증감의 경향이 명확히 나타나지 않았다. 중생종의 안다벼의 경우 온도가 높아질수록 영화수가 증가하는 경향을 보였으나, 화성벼는 온도가 높아질수록 영화수가 감소하여 안다벼와 반대의 경향을 보였다.
- 조생종 중 운광벼는 온도가 높아질수록 영화수가 증가하는 경향을 보였으나, 오대벼와 진미벼는 온도 조건에 따른 증감의 경향이 명확히 나타나지 않았다. 중생종의 안다벼의 경우 온도가 높아질수록 영화수가 증가하는 경향을 보였으나, 화성벼는 온도가 높아질수록 영화수가 감소하여 안다벼와 반대의 경향을 보였다. 중만생종 품종들에서는 온도 조건에 따른 증감 경향이 명확히 나타나지 않았다.
- Table 10은 수량 및 수량 관련 요소와 출수기 이후의 온도에 대한 상관분석 결과를 나타낸 것이다. 천립중, 등숙률, 임실률, 완전발육미율, 수량은 출수기 및 출수 후 기온에 대해 부의 상관을 보여, 위 요소들은 기온이 상승함에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 6개 구간 온도에 대한 수량 관련 요소들의 상관분석 결과, 천립중(r = -0.
- 천립중에서 품종 간 출수 후 20일간의 평균기온에 대한 반응은 품종 별로 유의하게 다른 것으로 나타났으며, 공시품종 중 동안벼의 온도 반응 특성이 다른 품종과 차이가 있는 것으로 나타났다(Table 11). 즉, 식 (1)을 이용하여 동안벼 천립중의 온도 반응 추정시 동안벼 만의 파라미터 값을 적용해야 할 것이다.
- 로지스틱 함수(식 1)의 파라미터 값이 품종 간 유의한 차이가 있을 경우 해당 요소의 온도 반응을 추정하기 위해서는 품종에 맞는 파라미터 값을 별도로 적용해야만 할 것이다. 천립중의 경우 동안벼와 진미벼, 임실률은 추청벼, 진미벼, 녹양벼, 완전발육미율에서는 안다벼, 추청벼, 화성벼, 오대벼의 온도 조건에 대한 반응 특성이 다른 품종과 차이가 있는 것으로 나타났다. 수량의 온도 반응 추정을 위한 파라미터 값은 품종 간 유의한 차이가 없었으므로 품종에 상관없이 동일한 파라미터 값을 이용하여 수량 반응 추정이 가능할 것이다.
- 천립중의 온도 반응은 생태형 및 품종에 따라 유의한 차이를 보였다(Table 4). 천립중은 수량 관련 요소 중 가장 변이가 적은 요소였으며, AT+5℃ 조건에서 16~24% 정도의 감소를 나타냈다.
- 생태형 및 품종별 반응은 조생종의 오대벼와 운광벼가 온도 조건에 가장 민감하였으며, 중만생종 품종들의 반응은 대체로 둔감한 것으로 나타났다. 출수 후 온도의 영향 정도를 분석한 결과 천립중, 등숙률, 완전발육미율, 수량은 출수 후 20일간의 평균기온과 가장 높은 상관관계를 보였으며, 온도가 높아질수록 부정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 상관분석 결과를 바탕으로 로지스틱 함수를 이용하여 품종 간 온도 반응 특성의 차이를 분석하였다.
- 수량 관련 요소 중 등숙률은 고온 조건으로 갈수록 수량 감소에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히, 조생종의 오대벼와 운광벼의 경우 AT+1.5℃ 수준의 온도 상승 조건에서도 상대적으로 큰 등숙률의 감소를 보여 온도 상승에 가장 민감한 반응을 보였다. 반면, 천립중의 경우 AT+5℃ 조건에서도 16~24% 수준의 감소 정도를 보여 온도 조건에 따른 영향이 가장 적었다.
- 이앙된 벼는 이앙 후 15일(6월 17일)까지는 대기온상태의 온실에서 재배되었으며, 이후 설정 온도로 제어되는 4개의 플라스틱 하우스로 각각 옮겨져 재배되었다. 플라스틱 하우스 내부의 기온은 외부 기온과 동일한 대기온 상태(ambient temperature, AT), 대기온대비 1.5℃ 높은 상태(AT+1.5℃), 대기온 대비 3℃ 높은 상태(AT+3℃), 대기온 대비 5℃ 높은 상태(AT+5℃)로 설정 및 유지되었으며, 이를 위해 CR10X(Campbell Scientific Inc., USA) 데이터 로거를 이용하여 플라스틱 하우스 내부의 기온을 측정 및 기록하고 동시에 측면 창 및 환풍기와 전기온풍기를 자동 제어하여 설정 온도 조건을 유지하였다. 실험 기간 동안 각 온실별 평균 온도는 Fig.
후속연구
- 결론적으로 벼의 수량 및 수량 관련 요소들은 생태형 및 품종에 따라 매우 다양한 양상으로 온도에 대해 반응 하였으며, 종합적으로 미래의 기후 온난화로 인한 기온 상승은 벼 수량성에 부정적인 영향을 가지고 올 것으로 예측된다. 다만, 이러한 부정적 영향은 재배지역의 농업기후 조건에 맞는 지역적응성 품종의 도입, 재배시기 이동 등의 재배기술적 방법을 개발하고, 개화기 고온 환경에서도 임실률이 높고, 고온 등 숙성을 지닌 고온 적응성 품종의 개발을 통해 완화될 수 있을 것이다.
- 상관분석 결과를 바탕으로 로지스틱 함수를 이용하여 품종 간 온도 반응 특성의 차이를 분석하였다. 수량의 경우 품종 간 온도 반응 특성이 다르지 않은 것으로 나타나, 품종에 상관없이 온도 반응에 대한 추정이 가능할 것으로 사료된다. 이와 달리 천립중, 등숙률, 완전발육미율, 임실률의 경우 품종별로 온도 반응 특성이 달랐으므로, 각 품종에 맞는 온도 반응 추정식을 이용해야 할 것이다.
- 천립중의 경우 동안벼와 진미벼, 임실률은 추청벼, 진미벼, 녹양벼, 완전발육미율에서는 안다벼, 추청벼, 화성벼, 오대벼의 온도 조건에 대한 반응 특성이 다른 품종과 차이가 있는 것으로 나타났다. 수량의 온도 반응 추정을 위한 파라미터 값은 품종 간 유의한 차이가 없었으므로 품종에 상관없이 동일한 파라미터 값을 이용하여 수량 반응 추정이 가능할 것이다.
- 수량의 경우 품종 간 온도 반응 특성이 다르지 않은 것으로 나타나, 품종에 상관없이 온도 반응에 대한 추정이 가능할 것으로 사료된다. 이와 달리 천립중, 등숙률, 완전발육미율, 임실률의 경우 품종별로 온도 반응 특성이 달랐으므로, 각 품종에 맞는 온도 반응 추정식을 이용해야 할 것이다.
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