[논문]흑구온도를 이용한 천궁 엽온 예측 모델 개발

서영진; 남효훈; 장원철; 이부용

doi:10.7783/kjmcs.2018.26.6.447

흑구온도를 이용한 천궁 엽온 예측 모델 개발
Developing a Model for Estimating Leaf Temperature of Cnidium officinale Makino Based on Black Globe Temperature 원문보기

韓國藥用作物學會誌 = Korean journal of medicinal crop science, v.26 no.6, 2018년, pp.447 - 454

서영진 (경북농업기술원 봉화약용작물연구소) , 남효훈 (경북농업기술원 봉화약용작물연구소) , 장원철 (경북농업기술원 봉화약용작물연구소) , 이부용 (대구가톨릭대학교 환경과학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Background: The leaf temperature ($T_{LEAF}$) is one of the most important physical parameters governing water and carbon flux, including evapotranspiration, photosynthesis and respiration. Cnidium officinale is one of the important folk medicines for counteracting a variety of diseases, and is particularly used as a traditional medicinal crop in the treatment of female genital inflammatory diseases. In this study, we developed a model to estimate $T_{Leaf}$ of Cnidium officinale Makino based on black globe temperature ($T_{BGT}$). Methods and Results: This study was performed from April to July 2018 in field characterized by a valley and alluvial fan topography. Databases of $T_{LEAF}$ were curated by infrared thermometry, along with meteorological instruments, including a thermometer, a pyranometer, and an anemometer. Linear regression analysis and Student's t-test were performed to evaluate the performance of the model and significance of the parameters. The correlation coefficient between observed $T_{LEAF}$ and calculated $T_{BGT}$ obtained using an equation, developed to predict $T_{LEAF}$ based on $T_{BGT}$ was very high ($r^2=0.9500$, p < 0.0001). There was a positive relationship between $T_{BGT}$ and solar radiation ($r^2=0.8556$, p < 0.0001), but a negative relationship between $T_{BGT}$ and wind speed ($r^2=0.9707$, p < 0.0001). These results imply that heat exchange in leaves seems to be mainly controlled by solar radiation and wind speed. The correlation coefficient between actual and estimated $T_{BGT}$ was 0.9710 (p < 0.0001). Conclusions: The developed model can be used to accurately estimate the $T_{Leaf}$ of Cnidium officinale Makino and has the potential to become a practical alternative to assessing cold and heat stress.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Relationship between black globe temperature and leaf temperature of C. officinale Makino.
그림 Fig. 2. Relationship between observed leaf temperature and calculated leaf temperature of C. officinale Makino by linear regression equations of Fig. 1.
그림 Fig. 3. Influence of solar radiation on temperature rise in the black globe.
표 Table 1. Influence of wind speed on temperature change in black globe under different wind conditions.
그림 Fig. 4. Influence of wind speed on coefficients of regression equations between wind speed and temperature change in black globe.
그림 Fig. 5. Relationship between observed black globe temperature and calculated black globe temperature.
그림 Fig. 6. Comparing air temperature, leaf temperature and black globe temperature during frost occurrence.
그림 Fig. 7. Comparing air temperature, leaf temperature and black globe temperature during hot weather conditions.
그림 Fig. 8. Changes in maximum black globe temperature and green area of C. officinale Makino during hot weather period.
그림 Fig. 9. Change of canopy green area of C. officinale Makino during hot weather period.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 천궁 잎의 온도를 신속하고 정확한 관측을 위하여 흑구온도센서를 이용한 모델식을 개발하고 기상인자별 흑구온도 변화에 미치는 영향을 조사하여 저온 및 고온피해 예측을 위한 기준을 제시하고자 수행을 하였다.

제안 방법

7월 1일부터 24일까지 흑구온도와 천궁의 생육과의 관계를 조사하였다 (Fig. 8).
관수는 수분장력계를 이용하여 −15 ㎪ 을 관수 개시점으로설정하고 5 분간 점적호스를 통하여 공급하고 40 분간 평형 시간을 유지하였으며, 추비는 일주일 간격으로 질소-인산-칼리의 성분량이 0.28-0.34-0.24 ㎏/10a에 해당하는 복합비료를 관개수에 녹여 점적호스를 통하여 공급하였다.
천궁 (Cnidium officinale Makino) 의 재배는 경상북도농업기술원 봉화약용작물연구소 시험포장 (경도 128º 48´ 36˝, 위도 36º 53´ 54˝, 해발고도 340 m)의 사촌통 (coarse loamy, mixed, nonacid, mesic family of aeric endoaquepts)으로 분류된 곳에서 실시하였다. 본밭 조성을 위하여 10 a 당 퇴비를 4,000 ㎏을 넣고 30 ㎝ 깊이까지 깊이갈이를 한 후 질소-인산 -칼리의 성분량이 5.6-6.4-5.4 ㎏ 에 해당하는 복합비료를 기비로 시용하였으며, 이랑을 조성 후 천궁 전용 비닐을 피복하고 4월 1일에 천궁의 종근을 정식하였다.
서리가 발생한 2018년 4월 24일부터 25일, 5월 3일부터 5월 4일 아침까지 기온, 엽온 및 흑구온도 변화를 관측하였다(Fig. 6).
엽온 예측 모델식 개발을 위하여 흑구온도 10℃ 이하, 10℃ 이상으로 구분하여 2 개의 선형 회귀식을 작성하였다.
흑구온도 최고기온은 하루 중 흑구온도가 가장 높은 시간을 기준으로 전, 후 30 분간 평균값으로 계산하였다. 엽온 측정은비접촉식 적외선 온도센서 (SI-431, Apogee Instrument Inc., Logan, UT, USA)를 천궁 군락의 상단 30 ㎝ 높이에 설치하고 데이터로거 (EM 50, Decagon Devices Inc., Pullman, WA, USA)에 연결하여 측정하였다.
이미지 분석에 의한 군락 면적 정량화를 위하여 Image J 소프트웨어 (NIH, Bethesda, MA, USA)를 사용하였으며, 태양에 의해 천궁 잎 표면에서 반사되는 빛의 변이를 최소화하기 위하여 매일 아침 6 시에 촬영한 영상 이미지를 분석에 사용하였다.
재배 기간 중 기상조건에 따른 천궁의 군락변화 분석을 위하여 Full HD 출력 해상도를 가지는 카메라를 3 m 높이에 설치하고 생육 영상을 촬영하였다.
천궁 재배포장에서 약 70 m 떨어진 곳에 설치된 미기상 자료 관측시설은 봉화약용작물연구소 시험포장의 기상조건을 대표하는 곳으로 1ｍ 높이에서 기온, 일사, 풍속을 관측하였으며 대기중의 기온은 HMP-155 센서 (VAISALA Inc., Vantaa, Finland), 풍속은 프로펠러형 풍향/풍속계 (R. M. YOUNG Co., Traverse, MI, USA), 단파복사는 CMP 6 센서 (KIPP & ZONEN Co., Delft, The Netherlands)를 CR 1000 데이터로거 (Campbell Scientific Inc., Logan, UT, USA)에 연결하여 측정하였다.
흑구온도 10℃ 이하에서는 관측자료를 568 개, 흑구온도 10℃ 이상은 3,252 개를 사용하여 검량식을 개발하였고, 그 외 3,778 개 관측자료를 활용하여 회귀식의 정확도를 검정하였다.
흑구온도 관측은 두께 5 ㎜, 직경 150 ㎜ 크기의 흑구 (Kyungin Science Co., Seoul, Korea)를 사용하였으며 흑구 내부의 중앙부위에 온도센서 (HOBO ⓡ Pro V2 U23-003, Onset Computer Co., Bourne, MA, USA)를 삽입, 실리콘 마개로 밀봉하여 흑구온도센서를 제작하였으며, 천궁 재배포 장의 중앙 지점 1 ｍ 높이에 설치하여 측정하였다.
, Logan, UT, USA)에 연결하여 측정하였다. 흑구온도, 엽온, 미기상자료는 매 1 분마다 측정하여 10 분 간격 평균자료를 구한 후 분석에 사용하였다.

대상 데이터

천궁 (Cnidium officinale Makino) 의 재배는 경상북도농업기술원 봉화약용작물연구소 시험포장 (경도 128º 48´ 36˝, 위도 36º 53´ 54˝, 해발고도 340 m)의 사촌통 (coarse loamy, mixed, nonacid, mesic family of aeric endoaquepts)으로 분류된 곳에서 실시하였다.

데이터처리

1)Average of wind speed at different wind conditions, 2)Independent variable is the wind speed and dependent variable means the difference between the black globe temperature and air temperature, 3)Significance of the model parameter was calculated by Student’s t-test.
officinale Makino. Coefficients of models and correlation between variables were calculated by linear regression analysis which were divided into 10 degrees or less and 10 degrees or more.
생육이 균일한 지점을 선정하여 437 × 217 pixel에 해당하는 영상을 추출, 이미지 문턱값 (threshhold) 조절, pixel 분석의 순으로 처리하여 녹색도의 평균값 255에 해당하는 면적을 계산한 후 녹색 면적의 경시적 변화 추이를 선형 회귀분석을 통하여 구하였다.
통계분석은 SAS 9.4 프로그램 (SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)을 사용하였으며 흑구온도, 엽온 및 미기상 자료 사이의 상관관계와 모델식의 유의성 평가를 위하여 선형 회귀분석을 실시하였고 회귀계수의 유의성은 Student’s t-test를 통하여 검정하였다.
흑구온도 최고기온은 하루 중 흑구온도가 가장 높은 시간을 기준으로 전, 후 30 분간 평균값으로 계산하였다. 엽온 측정은비접촉식 적외선 온도센서 (SI-431, Apogee Instrument Inc.

성능/효과

4월 24일 일몰 후 태양에 의한 복사유입이 없을 때 기온이 흑구온도와 엽온보다 다소 높게 나타났으며, 4월 25일 2시 10분경 흑구온도는 −0.03℃였으나 엽온은 2시 30분경 −0.06℃, 기온은 4시 50분 경 −0.17℃였고, 5월 4일 4시 50분경 흑구 온도는 –0.01℃였으나 엽온은 5시경 −0.03℃, 기온은 5시 40 분에 0.59℃로 관측되어 흑구온도의 온도하강 속도가 가장 빨랐고 다음으로 엽온이었고 기온은 약 1℃ 정도 높게 관측이 되었다.
따라서 Fig. 1에서처럼 흑구온도와 천궁 잎의 온도는 선형적인 관계를 가지므로 상기 식의 내용과 같이 기온과 일사량에 의해 직접적인 엽온 영향을 받았으며 바람에 의해서 엽온 의 하강이 이루어지는 것으로 조사되었다.
그러므로 흑구온도가 45℃ 이상에서는 생육이 정지되므로 고사증상 방지를 위하여 임계 흑구온도는 45℃로 관리하는 것이 적절한 것으로 판단된다. 따라서 개발된 모델을 활용한 흑구온도의 관측은 엽온을 실시간으로 예측할 수 있을 뿐만 아니라 잠열의 유입과 소산에 영향을 미치는 일사량, 바람의 영향을 평가하는 유용한 방법인 것으로 사료된다.
따라서 풍속이 6.5 m/s 이상인 경우에는 복사에 의한 흑구내 온도상승의 영향은 없어지는 것으로 분석되었으며 이와 같은 결과로 미루어보면 식물 잎에서 증산작용으로 기공을 통하여 배출되는 수증기에 의하여 잎의 온도가 하강하는 것과 같이 흑구의 표면에서도 바람에 의한 잠열의 소산작용이 있는 것으로 나타나서 복사에 의한 에너지 유입과 바람에 의한 잠열방출의 평가가 가능한 것으로 조사되었다.
본 연구에서 단파복사가 흑구온도센서에 영향을 미치는 복사의 효과를 분석하였을 때 매우 유의한 상관을 나타내었으므로 태양 빛에 의한 단파복사 유입이 엽온의 변화에 유의한 영향을 미치는 것으로 조사되었다.
상기 식에 의하여 온도, 풍속 및 일사량 자료를 이용하여 흑구온도를 계산하였으며 흑구온도 계산 값과 실제 관측값을 Fig. 5에 나타내었으며, 흑구온도 실측값과 위의 식에 의한 계산 값은 결정계수 0.9710, 회귀식의 기울기는 0.9537로 매우선형적인 관계를 보여 흑구온도 변화는 기온, 일사량, 풍속에 따라 결정되는 것을 알 수 있었다.
식물의 엽온은 일사에 의해 유입되는 열과 증산 등에 의해 잠열의 형태로 방출되는 비율에 따라 결정된다고 하였는데(Park, 2011), 상록활엽수인 종가시나무 (Quercus glauca Thunb)와 낙엽활엽수인 고로쇠나무 (Acer mono Maxim)를 대상으로 엽온을 관측한 결과 한낮에 최대 일사량은 976 W/㎡ 일 때 직사광선을 직접 받는 상부에 위치한 잎의 온도는 40℃ 이상으로 관측되었으나 아래쪽의 그늘진 잎은 위쪽보다 엽온이 낮았지만 바람이 불지 않아서 증발산에 대한 경계층 저항이 큰 경우에는 잎의 위치에 따른 엽온 차이는 크지 않다고 하였다.
온도별 선형 회귀식을 이용하여 계산된 엽온과 실측치 간의 회귀분석을 실시한 결과, 모형의 기울기는 0.9430, 결정계수는 0.9500으로 매우 유의한 선형관계 (p < 0.0001)를 보여 개발된 모델식의 정확도가 높음을 알 수 있었다 (Fig. 2).
Jung 등 (2011)은 열환경 특성이 다른 지역에서 기온과 흑구온도간 회귀분석을 실시한 결과 회귀식의 절편은 환경 중복사에너지로부터 받는 영향의 크기를 나타내므로 주변의 복사효과가 클수록 절편이 증가하고, 기울기는 온도의 영향을 나타내는데 기울기가 클수록 온도변화에 민감하다고 하였다. 일출 전 또는 일몰 후 태양복사의 영향이 없을 때 대부분 흑구온도가 10℃ 이하였으며 태양복사의 유입이 많을 때 흑구 온도가 10℃ 이상을 나타내었으므로 태양복사가 없는 야간의 엽온은 주간에 비하여 기온변화에 1.47 배 정도 영향을 많이 받으며, 일출 이후 주간에는 태양복사, 토양 또는 피복자재 등에서 발생되는 복사열의 영향이 36.1 배 높은 것으로 조사되었다.
흑구온도 변화에 대한 바람의 영향을 분석하기 위하여 풍속과 복사에 의한 흑구 내 온도변화 간의 상관관계를 분석한 결과 풍속이 커질수록 회귀모형의 기울기가 작아져 바람이 복사의 영향을 감소시키는 것으로 조사되었다 (Table 1).
흑구온도에 기온 값을 빼면 복사에 의한 흑구온도 변화에 대한 영향을 반영하므로 단파복사인 일사량과의 결정계수는 0.8556, 기울기는 0.0168로 유의성이 높아서 일사에 의한 흑구온도 상승을 잘 설명하였으며 (p < 0.0001), 약 59.5 W/㎡의 단파복사 유입은 흑구온도를 1℃ 상승시키는것으로 분석되었다.
흑구온도와 일천궁 (Cnidium officinale Makino) 엽온과의 관계를 선형 회귀분석을 통하여 조사한 결과, 엽온과 흑구온도는 유의한 상관관계를 나타내었는데 (p < 0.0001).

후속연구

따라서 야간에는 기온 외에 장파복사에 의한 냉각효과 발생등 엽온 감소에 대한 추가적인 연구가 수행이 되어야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일천궁의 특징은 ?	일천궁 (Cnidium officinale Makino)은 미나리과 (Umbelliferae)의 여러해살이 식물이며 기온이 30℃ 이하로 서늘하고 햇볕이 너무 강하지 않으며 일교차 큰 곳에서 잘 자라는 것으로 알려져 있다 (Kim et al., 2013).
	천궁의 효능은 ?	천궁은 뿌리줄기를 건조하여 한약재와 식품원료로 널리 이용하고 있는 생약인데 혈액순환 촉진과 통증 경감효과가 뛰어나서 한방에서는 중풍, 통증질환, 부인과 질환의 치료에 많이 사용된다 (Baek et al., 2003).
	천궁의 미용학적 쓰임은 ?	, 2003). 또한 항산화 활성 (Lee et al., 2002; Jeong et al., 2009), 뇌질환 관련 효능 (Kim et al., 2003) 등의 약리활성이 높으며 지상부 추출물도 항산화 활성이 우수하고 광범위한 항균활성이 있어 천연 항산화제, 향장및 미용용품 소재로 활용 가치가 높다고 평가되었다 (Oh et al., 2010; Um et al.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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