본 연구는 국내 사과원 생태계에 대한 $CO_2$ 및 에너지(현열, 잠열) 플럭스를 에디공분산 기법으로 정량화하고 이들의 계절적 변화를 분석하였다. 2006년 국내 사과원 생태계의 누적 NEE는 $-396.9g\;C\;m^{-2}$으로, 유사한 환경 조건에서 수행된 이탈리아의 사과원 생태계의 NEE ($-380.0g\;C\;m^{-2}$)와 아주 비슷한 것으로 분석되었다. 또한 양국의 사과원 생태계에서 일 최대 NEE는 6월 하순에 관측되었다. 다만, 국내 장마기간에 해당되는 7월의 NEE는 양국의 과수원 생태계에서 다른 양상을 나타내었다. 이와 같이 과수원 생태계와 같은 집약적으로 관리되는 생태시스템에서도 NEE의 변화가 관개 등 영농활동에 의해서 큰 영향을 받지만, 기온, 강수량 등 환경조건에도 영향을 많이 받는 것으로 조사되었다. 국내 사과원 생태계의 탄소 흡수능력에 대한 보다 정확한 평가를 위해서는 3년 이상의 장기적인 플럭스 자료를 토대로 추가적인 연구가 요구되며, 상호 검증과 탄소수지 평가를 위해서는 챔버방식의 생태학적 접근도 추가로 필요할 것이다.
본 연구는 국내 사과원 생태계에 대한 $CO_2$ 및 에너지(현열, 잠열) 플럭스를 에디공분산 기법으로 정량화하고 이들의 계절적 변화를 분석하였다. 2006년 국내 사과원 생태계의 누적 NEE는 $-396.9g\;C\;m^{-2}$으로, 유사한 환경 조건에서 수행된 이탈리아의 사과원 생태계의 NEE ($-380.0g\;C\;m^{-2}$)와 아주 비슷한 것으로 분석되었다. 또한 양국의 사과원 생태계에서 일 최대 NEE는 6월 하순에 관측되었다. 다만, 국내 장마기간에 해당되는 7월의 NEE는 양국의 과수원 생태계에서 다른 양상을 나타내었다. 이와 같이 과수원 생태계와 같은 집약적으로 관리되는 생태시스템에서도 NEE의 변화가 관개 등 영농활동에 의해서 큰 영향을 받지만, 기온, 강수량 등 환경조건에도 영향을 많이 받는 것으로 조사되었다. 국내 사과원 생태계의 탄소 흡수능력에 대한 보다 정확한 평가를 위해서는 3년 이상의 장기적인 플럭스 자료를 토대로 추가적인 연구가 요구되며, 상호 검증과 탄소수지 평가를 위해서는 챔버방식의 생태학적 접근도 추가로 필요할 것이다.
Carbon dioxide ($CO_2$) gases concentration in atmosphere has been growing since preindustrial times. By sequestering a large amount of atmospheric carbon (C), terrestrial ecosystems are thought to offer a mitigation strategy for reducing global warming. Woody agro-ecosystems such as frui...
Carbon dioxide ($CO_2$) gases concentration in atmosphere has been growing since preindustrial times. By sequestering a large amount of atmospheric carbon (C), terrestrial ecosystems are thought to offer a mitigation strategy for reducing global warming. Woody agro-ecosystems such as fruit tree are among the least quantified and most uncertain elements in the terrestrial carbon cycle. $CO_2$ and energy fluxes were measured by the eddy covariance method on a 15-year old apple orchard of South Korea in 2006. Environmental parameters (net radiation, precipitation, etc.) were measured along with fluxes. The results showed that during late June, the ability to sequestrate C was significant at an apple orchard ecosystem and it reached on the peak of $-6.5g\;C\;m^{-2}\;d^{-1}$. We found that in the apple orchard, the daily average of net ecosystem exchange of $CO_2$ (NEE) and cumulative NEE on a yearly basis were $-1.1g\;C\;m^{-2}$ and $-396.9g\;C\;m^{-2}$, respectively. These results reveal that there is high carbon sequestration in the apple orchard of South Korea, which is the same magnitude with repect to that of a natural forested ecosystem of the same biome rank (temperate-humid deciduous forest).
Carbon dioxide ($CO_2$) gases concentration in atmosphere has been growing since preindustrial times. By sequestering a large amount of atmospheric carbon (C), terrestrial ecosystems are thought to offer a mitigation strategy for reducing global warming. Woody agro-ecosystems such as fruit tree are among the least quantified and most uncertain elements in the terrestrial carbon cycle. $CO_2$ and energy fluxes were measured by the eddy covariance method on a 15-year old apple orchard of South Korea in 2006. Environmental parameters (net radiation, precipitation, etc.) were measured along with fluxes. The results showed that during late June, the ability to sequestrate C was significant at an apple orchard ecosystem and it reached on the peak of $-6.5g\;C\;m^{-2}\;d^{-1}$. We found that in the apple orchard, the daily average of net ecosystem exchange of $CO_2$ (NEE) and cumulative NEE on a yearly basis were $-1.1g\;C\;m^{-2}$ and $-396.9g\;C\;m^{-2}$, respectively. These results reveal that there is high carbon sequestration in the apple orchard of South Korea, which is the same magnitude with repect to that of a natural forested ecosystem of the same biome rank (temperate-humid deciduous forest).
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문제 정의
본 연구는 국내 사과원 생태계에 대한 CO2 및 에너지 (현열, 잠열) 플럭스를 에디공분산 기법으로 정량화하고 이들의 계절적 변화를 분석하였다. 2006년 국내 사과원 생태계의 누적 NEE는 ‒396.
본 연구에서는 사과원 생태계에서 1년간 연속으로 관측된 CO2 플럭스 자료를 미기상학적인 방법인 에디공분산 기법으로 CO2의 순생태계 교환량(NEE)을 분석하였다. 국내 사과원 생태계는 산림생태계(Kang et al.
제안 방법
CO2 등 물리량 플럭스 자료는 초당 10회(10Hz) 측정하여 자료집록기(CR5000, Campbell Scientific, Inc., USA)의 CF 메모리 카드에 저장하였고, 2주에 한번 현장방문을 통해 카드교체 방식으로 수집하였다.
Rn와 G는 순복사 센서(CNR1, Kipp&Zonen B.V., The Netherlands)와 지중열류량 센서(HFP1, Campbell Scientific, Inc., USA)를 이용하여 직접 측정하였고, QLE와 QH는 개방형 CO2/H2O 적외선 가스분석기와 3차원 초음파 풍속센서로 대기 중의 H2O 농도와 풍속 및 온도를 측정한 후, 다음과 같은 식에 의해 각각 계산하였다.
, 1980)을 수행하였다. 그리고 야간에 난류가 약할 경우에는 이류항이나 저류항이 난류 프럭스항보다 더 커져서 에디공분산 조건을 만족시키지 못하는 경우가 나타나서 플럭스 값이 과소 평가가 되는 경향성을 보이는데(Hong et al., 2009), 이를 보완하기 위해서 야간의 CO2 플럭스와 난류 강도의 기준이 되는 마찰 속도(u*)의 변화 기울기를 분석하여 u*의 임계점을 설정하였다. 본 연구에서는 u*의 임계점을 0.
, USA)를 지표로부터 0, 5, 10, 20, 30cm의 깊이에 설치하여 토양온도를 측정하였다. 그리고 토양수분센서(CS615, Campbell Scienctific, Inc., USA)를 지표로부터 30cm 깊이로 서쪽과 동쪽에 각각 1개씩 총 2개 설치하여 땅속의 수분함량 변화를 측정하였다(Table 1; Fig. 1). 이들 환경인자들은 5초 간격으로 측정되고, 자료집록기(CR10X, Campbell Scientific, Inc.
대기 중의 CO2와 H2O는 개방형 CO2/H2O 적외선 가스분석기(LI-7500, Li-Cor Inc., USA)로, 대기 중의 풍속과 온도는 3차원 초음파 풍속센서(CSAT3, Campbell Scientific Inc., USA)로 초당 10회(10Hz)씩 측정하였고(Table 1; Fig. 1), 이들 데이터(풍속, 바람에 수송된 대기 중의 CO2 농도⋅H2O 농도⋅온도)의 기간 평균에 대한 편차를 공분산하여 기간 평균 물리량 플럭스를 계산하였다(식 (1)).
com/env/products/eddy covariance)을 이용하여 30분 평균 플럭스 자료를 산출하였고, 이들은 FLUXNET에서 제시한 표준화 과정을 통해 여러가지 보정 과정을 수행하였다. 먼저, 원시자료(10Hz)의 결측이 많은 30분 평균 플럭스자료는 제거하였고, 이어서 3차원 풍속 백터의 좌표 고정(Wilczak et al., 2001)과 밀도 변동 보정(Webb et al., 1980)을 수행하였다. 그리고 야간에 난류가 약할 경우에는 이류항이나 저류항이 난류 프럭스항보다 더 커져서 에디공분산 조건을 만족시키지 못하는 경우가 나타나서 플럭스 값이 과소 평가가 되는 경향성을 보이는데(Hong et al.
미기상학적인 방법으로 측정된 10Hz의 원시 플럭스 자료는 Li-Cor사에서 제공하는 프로그램(Eddypro, http://www.licor.com/env/products/eddy covariance)을 이용하여 30분 평균 플럭스 자료를 산출하였고, 이들은 FLUXNET에서 제시한 표준화 과정을 통해 여러가지 보정 과정을 수행하였다. 먼저, 원시자료(10Hz)의 결측이 많은 30분 평균 플럭스자료는 제거하였고, 이어서 3차원 풍속 백터의 좌표 고정(Wilczak et al.
본 연구에서는 15년 수령(樹齡)의 국내 사과원 생태계에서 대기와 교환하는 CO2와 H2O 변동량을 비파괴 미기상학적 방식으로 측정하고 다양한 보정과정을 걸쳐 CO2와 에너지(현열, 잠열)의 계절적 변화를 분석하였다.
순복사 센서를 지상 9.0m에 설치하여, 태양복사의 입사량과 반사량, 그리고 지구복사의 입사량과 반사량를 측정하여 순복사에너지를 계산하였고, 지중열류량 센서를 지표로부터 30cm 깊이로 서쪽과 동쪽에 각각 1개씩 총 2개 설치하여 지표면과 땅속의 열 이동량을 측정하였다(Table 1; Fig. 1).
1). 이들 환경인자들은 5초 간격으로 측정되고, 자료집록기(CR10X, Campbell Scientific, Inc., USA)에는 10분 평균자료가 저장되었고, 2주 한번 현장방문을 통해 수집하였다.
사과원 생태계에서 2006년에 보정을 통해 삭제되거나 결측에 의해 보충(gap-filling)한 30분 평균 플럭스자료의 비율은 45%로 조사되었는데, 강수현상이 많았던 7월은 보충 비율이 66%로 가장 높았다. 이와 같이 보정 및 보충된 주간과 야간의 30분 평균 CO2 플럭스 자료를 이용하여 NEE 및 생태계 호흡량(ecosystem respiration, Re)를 산출하였고, 이들을 이용하여 총 일차 생산량(Gross Primary Prodution, GPP)를 계산하였다.
지상 4m와 5m 높이에 온⋅습도 센서(HMP45C, Campbell Scientific, Inc., USA)를 각각 1개씩 총 2개 설치하여 사과나무 군락 상⋅하단의 온도와 습도를 측정하였으며, 열전대(TCAV, Campbell Scientific, Inc., USA)를 지표로부터 0, 5, 10, 20, 30cm의 깊이에 설치하여 토양온도를 측정하였다.
대상 데이터
). 2006년의 기상환경 조건이 평년의 기상환경 조건과 비슷한지 파악하기 위해서 인근에 위치한 기상청 소재 의성기상대에서 관측한 기상자료를 분석하였다. 의성기상대에서 관측한 2006년 평균기온은 11.
1. The location and photos of eddy covarian system installed at an apple orchard in Uiseong, South Korea.
7mm 이다(KMA, 2011). 본 논문에서는 2006년의 1년간 관측된 물질 플럭스 자료를 이용하여 분석하였다.
사과 품종은 15년 수령의 ‘후지’ 이고, 수고(樹高)는 약 4m이다. 연구지역의 주 풍향은 북서풍이고, 취주거리(fetch)는 주 풍향에서 1㎞ 이상의 넓은 지역으로 CO2 등 물질 플럭스의 미기상학적 관측에는 이상적인 지역이다.
플럭스 관측지점(36°23′ N, 128°49′ E, 210 m a.s.l.)은 경상북도 의성군 옥산면 구성리에 위치해 있으며, 주변 지형은 평평하고 넓은 면적에서 사과를 재배하고 있다(Fig. 1).
이론/모형
사과원 생태계에서 지표(혹은 식생)와 대기간에 교환되는 기체(CO2, H2O)와 에너지(현열, 잠열) 등의 물리량 플럭스는 미기상학적 방법인 에디공분산 기법으로 정량화하였다. 대기 중의 CO2와 H2O는 개방형 CO2/H2O 적외선 가스분석기(LI-7500, Li-Cor Inc.
성능/효과
이와 같은 분석 결과를 통해서 2006년의 기상환경 조건은 전반적으로 평년의 기상조건과 많이 달랐고, 강수량과 강수일수가 많아서 플럭스 관측에는 다소 불리한 조건으로 판단되었다. 즉, 많은 강수현상으로 원시자료의 결측이 많아져 보정과정을 통해 보충된 30분 플럭스 자료의 비율이 높아졌다.
일간 변화량 분석에서 6∼8시부터 15∼17시까지는 사과원 생태계가 CO2의 흡원으로, 16∼18시부터 5∼7시까지는 CO2의 발원으로 작용하는 것으로 평가되었고, CO2 흡수량은 11∼13시 범위에서 가장 많았다.
즉 이탈리아에서 수행된 사과 생태계의 사과 품종은 10년생의 ‘후지’이고, 수고는 3.6m이며, 연 평균기온은 11.6°C, 연 누적강수량은 1,050.0mm으로 국내에서 수행된 사과 생태계의 품종과 기상환경 등에서 상당히 비슷하였다.
후속연구
의 순생태계 교환량(NEE)을 분석하였다. 국내 사과원 생태계는 산림생태계(Kang et al., 2014; Saitoh et al., 2010; Ueyama et al., 2013)에 못지 않은 탄소 흡수원으로 조사되었으나, 국내 사과 생태계의 대표적인 CO2 흡수능력을 구명하기 위해서는 3년 이상 장기간의 플럭스 관측자료를 활용하는 추가 분석이 필요하고 생태학적 방법인 CO2의 순생태계 생산량 (NEP) 분석 등의 보완적인 연구를 통해 상호 검증이 수행되어야 할 것이다. 또한 수확(과실)되거나 전정(줄기, 가지)을 통해 짧은 기간에 사과원 생태계 외부로 유출되는 탄소량도 탄소수지 평가에 포함되어야 할 것이다.
이와 같이 과수원 생태계와 같은 집약적으로 관리되는 생태시스템에서도 NEE의 변화가 관개 등 영농활동에 의해서 큰 영향을 받지만, 기온, 강수량 등 환경조건에도 영향을 많이 받는 것으로 조사되었다. 국내 사과원 생태계의 탄소 흡수능력에 대한 보다 정확한 평가를 위해서는 3년 이상의 장기적인 플럭스 자료를 토대로 추가적인 연구가 요구되며, 상호 검증과 탄소수지 평가를 위해서는 챔버방식의 생태학적 접근도 추가로 필요할 것이다.
, 2013)에 못지 않은 탄소 흡수원으로 조사되었으나, 국내 사과 생태계의 대표적인 CO2 흡수능력을 구명하기 위해서는 3년 이상 장기간의 플럭스 관측자료를 활용하는 추가 분석이 필요하고 생태학적 방법인 CO2의 순생태계 생산량 (NEP) 분석 등의 보완적인 연구를 통해 상호 검증이 수행되어야 할 것이다. 또한 수확(과실)되거나 전정(줄기, 가지)을 통해 짧은 기간에 사과원 생태계 외부로 유출되는 탄소량도 탄소수지 평가에 포함되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
잠재적인 흡원으로써 가지고 있는 영년생의 과수 재배의 특징은 무엇인가?
일반적으로 농업생태계는 대기 CO2의 잠재적인 발원(source)으로 인정되고 있다. 다만, 영년생의 과수 재배는 산림과 마찬가지로 토양과 과수체에서 탄소를 장기간 저장할 수 있는 특징을 가지고 있어 잠재적인 흡원(sink)으로 추정되고 있다.
지구표면의 에너지 수지를 나타내는 두 가지 방법은 무엇인가?
지구표면의 에너지 수지는 순복사 에너지와 지중열 류량의 차이로 나타낼 수 있고, 난류의 에너지 플럭스인 잠열과 현열의 합으로도 나타낼 수 있다(Wolf et al., 2011).
계절에 따라 사과원 생태계의 에너지인 현열과 잠열은 어떻게 변화하는가?
3과 같다. 3월까지는 현열이 잠열보다 컸으나, 사과나무의 잎이 전개되면서 광합성이 왕성해진 4월부터 10월까지는 잠열이 현열보다 컸다. 반면에, 11월부터는 잎이 노화되어 광합성량이 떨어지면서 다시 현열이 잠열보다 큰 계절적 변화를 나타내었다. 잠열의 계절적 변화는 하향 단파 및 순복사 에너지의 변화와 유사한 반면, 현열은 하향 단파와 순복사 에너지가 낮은 3월까지는 지속적으로 높아지다가, 그 이후에는 일정하게 유지하는 경향을 나타내었다. 강수량이 많은 7월에 잠열의 변동이 큰 것으로 분석되었다.
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