온도구배야외챔버를 이용한 고온에서의 벼 생육반응 및 수량성 평가 Evaluation of yield and growth responses on paddy rice under the extremely high temperature using temperature gradient field chamber원문보기
온난화에 따른 벼의 생산량 변화는 우리나라뿐만 아니라 동아시아의 식량 수급에 매우 중요한 이슈 중 하나이다. 본 연구에서는 야외 온도보다 $0{\sim}3^{\circ}C$ 높은 환경을 형성해 주는 야외 온도구배챔버(TGFC)를 이용하여 고온이 벼의 생육과 생산량에 미치는 영향을 실험하였다. 챔버는 A, B, C 총 3개를 본 연구에 이용하였으며, C챔버는 출수기 이후 온도구배 처리를 하지 않았다. 벼 품종은 중만생종인 일미를 중묘로 이앙하였으며, 비료는 표준 시비량을 고려하여 N(질소) 9 kg, P(인) 4.5kg, K(칼륨) 5.7kg을 기준으로 처리하였다. A, B, C 모든 챔버에서 영양생장기 동안 고온 조건의 벼가 상대적으로 생육 속도가 빨랐다. 하지만, 출수 후 40일 동안의 평균 온도로 정의한 등숙기 온도가 계속 고온으로 유지될 경우 등숙률과 평균 종실 중이 온도에 비례하여 점진적으로 감소하였다. 특히 2016년 기상 조건을 기점으로 등숙기 온도가 증가함에 따라 불임이 증가하여 등숙률은 급격히 감소하였고, 그 영향으로 단위 면적당 수량도 크게 낮아졌다. 결국 동화산물의 분배 불균형을 초래해 출수 이후에도 잎의 엽록소 함량이 낮아지지 않았으며 비정상적인 늦이삭이 출현하였다. 하지만 늦이삭의 생산량이 고온으로 인해 감소한 정상 이삭의 생산량을 만회하기에는 매우 부족한 정도였다. 향후 지구 온난화로 인한 벼 생육기간의 고온은 벼의 생육을 촉진시키고, 출수 및 개화시기를 단축시키며 등숙기에도 고온이 지속 될 시 등숙률과 평균종실의 무게를 감소시켜 최종적으로 벼의 생산량 및 품질을 감소시킬 것으로 예측된다.
온난화에 따른 벼의 생산량 변화는 우리나라뿐만 아니라 동아시아의 식량 수급에 매우 중요한 이슈 중 하나이다. 본 연구에서는 야외 온도보다 $0{\sim}3^{\circ}C$ 높은 환경을 형성해 주는 야외 온도구배챔버(TGFC)를 이용하여 고온이 벼의 생육과 생산량에 미치는 영향을 실험하였다. 챔버는 A, B, C 총 3개를 본 연구에 이용하였으며, C챔버는 출수기 이후 온도구배 처리를 하지 않았다. 벼 품종은 중만생종인 일미를 중묘로 이앙하였으며, 비료는 표준 시비량을 고려하여 N(질소) 9 kg, P(인) 4.5kg, K(칼륨) 5.7kg을 기준으로 처리하였다. A, B, C 모든 챔버에서 영양생장기 동안 고온 조건의 벼가 상대적으로 생육 속도가 빨랐다. 하지만, 출수 후 40일 동안의 평균 온도로 정의한 등숙기 온도가 계속 고온으로 유지될 경우 등숙률과 평균 종실 중이 온도에 비례하여 점진적으로 감소하였다. 특히 2016년 기상 조건을 기점으로 등숙기 온도가 증가함에 따라 불임이 증가하여 등숙률은 급격히 감소하였고, 그 영향으로 단위 면적당 수량도 크게 낮아졌다. 결국 동화산물의 분배 불균형을 초래해 출수 이후에도 잎의 엽록소 함량이 낮아지지 않았으며 비정상적인 늦이삭이 출현하였다. 하지만 늦이삭의 생산량이 고온으로 인해 감소한 정상 이삭의 생산량을 만회하기에는 매우 부족한 정도였다. 향후 지구 온난화로 인한 벼 생육기간의 고온은 벼의 생육을 촉진시키고, 출수 및 개화시기를 단축시키며 등숙기에도 고온이 지속 될 시 등숙률과 평균종실의 무게를 감소시켜 최종적으로 벼의 생산량 및 품질을 감소시킬 것으로 예측된다.
The effect of elevated temperature on temperate paddy rice will be significant for dependable food supply in East Asia. Using temperature gradient field chamber (TGFC), which was designed to make the horizontal air temperature gradient by $0^{\circ}C$ to $3^{\circ}C$ higher tha...
The effect of elevated temperature on temperate paddy rice will be significant for dependable food supply in East Asia. Using temperature gradient field chamber (TGFC), which was designed to make the horizontal air temperature gradient by $0^{\circ}C$ to $3^{\circ}C$ higher than outside, we examined the measurement to understand the effects of extremely high temperature on paddy rice. In particular, the data of the year 2016, the worst heat wave in over 22 years, was analyzed in this study. The rice height in the relatively warmed condition was rapidly increased during early growth stage. However, the average grain weight and number of spikelet per panicle in the warmed chamber condition were gradually declined with increasing air temperature averaged for 40 days after first heading in each chamber. In particular, the grain yield was more dramatically decreased by the raising temperature because the percent ripened grain was quickly dropped as getting over the threshold temperature for pollination. Therefore, the surplus photosynthetic product by such lower grain filling rate may disturbed the decreases of the NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) and SPAD chlorophyll values after first (normal) heading. In addition, the late-emerging head grain were appeared. However, this yield was too small to recover the normal yields decreased by extremely high temperature condition. Our result represented that the warmed condition in 2016 would be the critical limit for the stable yield of temperate paddy rice.
The effect of elevated temperature on temperate paddy rice will be significant for dependable food supply in East Asia. Using temperature gradient field chamber (TGFC), which was designed to make the horizontal air temperature gradient by $0^{\circ}C$ to $3^{\circ}C$ higher than outside, we examined the measurement to understand the effects of extremely high temperature on paddy rice. In particular, the data of the year 2016, the worst heat wave in over 22 years, was analyzed in this study. The rice height in the relatively warmed condition was rapidly increased during early growth stage. However, the average grain weight and number of spikelet per panicle in the warmed chamber condition were gradually declined with increasing air temperature averaged for 40 days after first heading in each chamber. In particular, the grain yield was more dramatically decreased by the raising temperature because the percent ripened grain was quickly dropped as getting over the threshold temperature for pollination. Therefore, the surplus photosynthetic product by such lower grain filling rate may disturbed the decreases of the NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) and SPAD chlorophyll values after first (normal) heading. In addition, the late-emerging head grain were appeared. However, this yield was too small to recover the normal yields decreased by extremely high temperature condition. Our result represented that the warmed condition in 2016 would be the critical limit for the stable yield of temperate paddy rice.
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문제 정의
본 연구는 이례적인 폭염을 기록한 2016년에 TGFC에서 수행된 벼의 생육 반응 실험으로서 적정 생육 온도보다 다소 높은 조건뿐만 아니라 고온에서의 반응까지 살펴볼 수 있었다. 고온 조건에서는 영양생장 단계가 빠르게 진행되며 출수 및 개화시기도 단축되는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 야외 온도보다 0∼3℃ 높은 환경을 형성해 주는 야외 온도구배챔버(TGFC)를 이용하여 고온이 벼의 생육과 생산량에 미치는 영향을 실험하였다.
2). 이러한 차별 조건을 통해 고온에 따른 생육기간 단축과 출수시작 이후 고온에 의한 생육 및 생리적인 변화가 수량에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.
제안 방법
8 × 24m)의 면적에 960주(12 × 80 주)의 벼를 재배하였다. 비료는 시설 면적당 N(질소) 9kg, P(인) 4.5kg, K(칼륨) 5.7kg을 기준으로 처리하였으며, 밑거름과 분얼거름을 5:2 비율로 분시하였다
생육조사는 이앙 후 14일째부터 일주일 마다 발육상태 및 생육단계를 파악하기 위해 초장 및 분얼수를 측정하였다. 수확 후 건물중 및 수량 조사는 T0, T1,T2, T3 지점에서 랜덤으로 샘플을 예취하여 잎, 줄기, 이삭으로 분리한 후 건조기에 80℃ 온도조건으로 72시간 건조 후 무게를 측정하였다.
생육조사는 이앙 후 14일째부터 일주일 마다 발육상태 및 생육단계를 파악하기 위해 초장 및 분얼수를 측정하였다. 수확 후 건물중 및 수량 조사는 T0, T1,T2, T3 지점에서 랜덤으로 샘플을 예취하여 잎, 줄기, 이삭으로 분리한 후 건조기에 80℃ 온도조건으로 72시간 건조 후 무게를 측정하였다. 이삭은 정상이삭과 늦이삭으로 구분하여 등숙률(percent ripened gain,%), 평균 종실중(average grain weight, mg), 단위 면적당 수량(grain yield, g m-2), 이삭당 낟알수(spikelets per panicle)를 조사하였다.
온도에 대한 평균 종실중과 단위 면적당 수량 값의 분석은 출수기 이후 40일 평균 기온을 이용하였고(Yun et al., 2001), 늦이삭의 수량 구성 요소는 TGFC각 구간별 출수기 이후 40일 평균 기온과 정상 이삭의 등숙률을 이용하여 비교 분석 하였다. 본 실험에서 수행한 통계 분석은 SPSS 23.
수확 후 건물중 및 수량 조사는 T0, T1,T2, T3 지점에서 랜덤으로 샘플을 예취하여 잎, 줄기, 이삭으로 분리한 후 건조기에 80℃ 온도조건으로 72시간 건조 후 무게를 측정하였다. 이삭은 정상이삭과 늦이삭으로 구분하여 등숙률(percent ripened gain,%), 평균 종실중(average grain weight, mg), 단위 면적당 수량(grain yield, g m-2), 이삭당 낟알수(spikelets per panicle)를 조사하였다. 정상이삭과 늦이삭의 구분기준은 1개의 유효분얼에서 1차로 이삭이 출수한 뒤 추가적으로 기부 또는 마디에서 출현한 이삭은 늦이삭으로 간주하였다.
하지만 대부분의 실험이 실내 인공기상 환경에서 진행되었고 실제 기상을 기반으로 한 고온 재배 실험은 드물다. 이에 본 연구는 지구온난화 환경에서의 벼의 생육 반응과 수량성을 평가하기 위해 온도구배야외챔버(Temperature Gradient Field Chamber, TGFC)를 이용하였으며 기록적 폭염을 기록한 2016년에 수행되어 고온의 영향도 함께 분석하였다.
출수 이후 잎의 엽록소 함량 변화를 엽 수준에서 조사하기 위해 엽록소계 (SPAD-502, Minolta Camera Co., Osaka, Japan)를 이용하여 상위엽을 대상으로 한번 조사에 10개의 샘플을 2반복하여 관측하였고, 군락 수준에서는 다중분광방사계(CROPSCANInc., Rochester, MN, USA)를 이용하여 맑은 날 12시 부터 14시 사이에 660 nm(ρ660)와 800 nm(ρ660) 파장의 군락 반사도를 측정하여 NDVI(정규식생지수, Normalized Difference Vegetation index, (ρ800-ρ660)/(ρ800+ρ660))를 계산하였다.
대상 데이터
챔버는 A, B, C 총 3개를 본 연구에 이용하였으며, C챔버는 출수기 이후 온도구배 처리를 하지 않았다. 벼 품종은 중만생종인 일미를 중묘로 이앙하였으며, 비료는 표준 시비량을 고려하여 N(질소)9 kg, P(인) 4.5kg, K(칼륨) 5.7kg을 기준으로 처리하였다. A, B, C 모든 챔버에서 영양생장기 동안 고온 조건의 벼가 상대적으로 생육 속도가 빨랐다.
벼 품종은 중만생종인 일미였으며 재식 거리는 관행 농업인 15 × 30cm 로 하였고, 1주(포기)에 3∼4본을 재식 하였다.
본 실험은 전남대학교 광주캠퍼스 농업실습교육원 논에 설치된 TGFC에서 2016년 6월 3일에 중묘를 이앙하여 10월 13일 수확 때까지 수행되었다. 벼 품종은 중만생종인 일미였으며 재식 거리는 관행 농업인 15 × 30cm 로 하였고, 1주(포기)에 3∼4본을 재식 하였다.
실험에 사용한 TGFC는 3개(A, B, C 챔버) 였으며 각 시설 당 43.2m2(1.8 × 24m)의 면적에 960주(12 × 80 주)의 벼를 재배하였다.
본 연구에서는 야외 온도보다 0∼3℃ 높은 환경을 형성해 주는 야외 온도구배챔버(TGFC)를 이용하여 고온이 벼의 생육과 생산량에 미치는 영향을 실험하였다. 챔버는 A, B, C 총 3개를 본 연구에 이용하였으며, C챔버는 출수기 이후 온도구배 처리를 하지 않았다. 벼 품종은 중만생종인 일미를 중묘로 이앙하였으며, 비료는 표준 시비량을 고려하여 N(질소)9 kg, P(인) 4.
데이터처리
, 2001), 늦이삭의 수량 구성 요소는 TGFC각 구간별 출수기 이후 40일 평균 기온과 정상 이삭의 등숙률을 이용하여 비교 분석 하였다. 본 실험에서 수행한 통계 분석은 SPSS 23.0을 이용하였다.
성능/효과
7kg을 기준으로 처리하였다. A, B, C 모든 챔버에서 영양생장기 동안 고온 조건의 벼가 상대적으로 생육 속도가 빨랐다. 하지만, 출수 후 40일 동안의 평균 온도로 정의한 등숙기 온도가 계속 고온으로 유지될 경우 등숙률과 평균 종실중이 온도에 비례하여 점진적으로 감소하였다.
3과 같다. A, B, C 챔버 AT의 초장은 유묘기와 유효분얼기를 거치면서 급격히 증가하다가 무효분얼기에 들어서면서 둔화된 증가를 보였고, 출수 직전 유수형성에 따른 절간신장으로 다시 빠른 초장 증가를 보이는 일반적 모습을 보였다. 하지만, 모든 TGFC 시설의 AT+3℃는 영양생장기 초장 증가율이 AT 보다 높았고 영양생장기는 짧아졌다.
SPAD 엽록소계 값은 출수 이후 모든 챔버의 AT 지점에서 감소하는 경향을 보였으나 A, B 챔버 AT+3℃에서는 더디게 감소하거나 일정하여 최종 수확 시의 SAPD 값은 AT+3℃ 지점의 엽이 AT 보다 높았다. 하지만 C 챔버에서는 출수 이후부터 수확 시까지SPAD값에 유의한 차이는 없었다.
5℃ 조건에서 이삭당 낟알 수의 변화는 명확하지 않았다. 각 생육 단계의 온도 중에서도 등숙에 민감한 출수 후 40일 평균 온도가 최종 생산량과 유의한 관계를 나타내는 것으로 볼 때 고온에서 벼의 생산량 감소는 빨라진 생육 속도에 따른 생육기간 중 총 광합성량 감소 영향보다는 개화 후 수정 저해 및 등숙 불량의 원인이 크다고 사료된다.
결과적으로 광합성 동화산물이 고온의 영향으로 종실에 축적 및 소비되지 못하고 등숙기에도 엽록소 함량과 관계 있는 SPAD와 NDVI가 감소하지 않는 모습을 보였다. 이는 고온조건에서 잎 보다 이삭의 노화가 빠르게 진행됨에 따라 등숙 종료 이후 잎과 줄기로의 건물량(dry matter) 분배가 증가 했다는 선행 연구와 관련이 있는 것으로 보인다(Kim et al.
본 연구는 이례적인 폭염을 기록한 2016년에 TGFC에서 수행된 벼의 생육 반응 실험으로서 적정 생육 온도보다 다소 높은 조건뿐만 아니라 고온에서의 반응까지 살펴볼 수 있었다. 고온 조건에서는 영양생장 단계가 빠르게 진행되며 출수 및 개화시기도 단축되는 것을 확인하였다. 출수 전의 고온 조건은 모든챔버의 AT+3℃ 지점의 이삭당 낟알 수를 감소시켰으며, A, C 챔버의 AT+1.
고온에 의한 평균 종실중과 단위 면적당 수량의 변화는 선행연구와 마찬가지로 출수 후 40일 평균 기온 값(여기서는 등숙기 평균 온도로 지칭하였음)으로 분석했을 때 가장 유의미한 결과를 보였다(Fig. 4). 평균종실중과 단위 면적당 수량 모두 등숙기 평균온도가 증가함에 따라 감소하였는데, 특히 평균 종실중은 상대적으로 완만한 감소를 보인 반면 수량은 급격한 감소 경향을 나타냈다.
하지만 C 챔버에서는 출수 이후부터 수확 시까지SPAD값에 유의한 차이는 없었다. 군락 수준에서의 NDVI 에서도 A, B 챔버에서는 출수 이후 등숙이 진행됨에 따라 AT의 값이 뚜렷이 감소하는 반면 AT+3℃ 지점의 벼는 거의 감소하지 않고 출수기 NDVI값이 최종 수확까지 이어졌다. 하지만 C 챔버 AT+3℃ 지점은 A, B 챔버와 달리 NDVI가 감소하는 모습을 보였으나 그 정도가 AT 지점의 수준에는 미치지 못하였다.
7을 보면 정상이삭의 등숙률이 낮아질수록 늦이삭의 수량이 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 또한 늦이삭의 단위 면적당 이삭수, 이삭당 낟알 수, 평균 종실중, 등숙률, 단위 면적당 수량이 온도 조건과 통계적으로 유의한 관계가 있는 것으로 나타났으며, 정상이삭의 등숙률과 늦이삭의 단위 면적당 이삭 수, 이삭당 낟알 수도 통계적으로 유의한 관계를 보였다(Table 1).
영양생장기 이후의 A, B 챔버 AT+3℃의 초장은 출수 시작 전까지 증가없이 일정하였고, 고온 조건을 없앤 C 챔버에서는 이앙한지 약 42일여 만에 멈추었던 초장이 다시 증가하여 AT와 비슷한 수준까지 도달하는 모습을 보였다. 이는 고온에 의한 유수분화 후 절간 신장의 저해가 A, B 챔버에서 나타난데 비해, C 챔버는 출수 시작 이후 고온 처리를 중단하면서 정상적인 수수절간 신장이 이루어진 것으로 보인다.
고온 조건에서는 영양생장 단계가 빠르게 진행되며 출수 및 개화시기도 단축되는 것을 확인하였다. 출수 전의 고온 조건은 모든챔버의 AT+3℃ 지점의 이삭당 낟알 수를 감소시켰으며, A, C 챔버의 AT+1.5℃ 지점은 증가, B챔버의AT+1.5℃ 지점에서는 감소하는 경향을 보이면서 AT+1.5℃ 조건에서 이삭당 낟알 수의 변화는 명확하지 않았다. 각 생육 단계의 온도 중에서도 등숙에 민감한 출수 후 40일 평균 온도가 최종 생산량과 유의한 관계를 나타내는 것으로 볼 때 고온에서 벼의 생산량 감소는 빨라진 생육 속도에 따른 생육기간 중 총 광합성량 감소 영향보다는 개화 후 수정 저해 및 등숙 불량의 원인이 크다고 사료된다.
평균 종실중은 생산 품질을 나타내는 척도로서 등숙기 평균온도가 27∼28℃ 이상부터 천천히 감소하기 시작하여 30℃ 이상부터는 큰 폭으로 감소하였고 31℃에 이르러서는 AT에 비해 약 90% 가벼워졌다.
4). 평균종실중과 단위 면적당 수량 모두 등숙기 평균온도가 증가함에 따라 감소하였는데, 특히 평균 종실중은 상대적으로 완만한 감소를 보인 반면 수량은 급격한 감소 경향을 나타냈다. 평균 종실중은 생산 품질을 나타내는 척도로서 등숙기 평균온도가 27∼28℃ 이상부터 천천히 감소하기 시작하여 30℃ 이상부터는 큰 폭으로 감소하였고 31℃에 이르러서는 AT에 비해 약 90% 가벼워졌다.
7℃에서 급감하기 시작하여 28∼29℃에서는 90% 이상의 감소를 보였으며 특히 30℃ 이상의 A, B 챔버 AT+3℃ 지점은 수량이 거의 0에 가까웠는데 이는 고온에 의한 불임으로 극도로 낮아진 등숙률이 원인 인 것으로 보인다. 한편 A, C 챔버 AT 두 지점은 본 실험의 최저 등숙기 평균온도인 약 26℃와 최고 등숙률인 약 90%를 가지는 점에서 유사했으나 단위 면적당 수량은 크게 차이를 보였다. 이는 C 챔버의 이삭당 낟알 수가 다른 챔버에비해 높았기 때문에 비슷한 수준의 등숙률에서 더 많은 단위 면적당 수량을 보인 것으로 사료된다(Fig.
후속연구
즉, 지구온난화로 인해 벼 등숙기 평균 기온이 2016년 조건을 넘어선다면 곧 바로 심각한 수확량 감소로 이어질 수 있음을 시사한다. 기후변화로 인해 연 평균기온이 증가하는 것도 문제이지만, 등숙기와 같은 특정 시기의 폭염은 미래의 벼 생산량을 심각하게 저해해 식량안보를 위협할 잠재 요인이 될 것이다. 따라서 온난화 조건에서의 작물 생육 및 생산량 변동을 이해하고 보다 정확한 예측과 평가를 위해 TGFC와 같은 미래의 기상 환경을 조성하고 실제로 야외에서 재배하여 결과를 분석하는 연구들이 많이 필요할 것으로 사료된다.
기후변화로 인해 연 평균기온이 증가하는 것도 문제이지만, 등숙기와 같은 특정 시기의 폭염은 미래의 벼 생산량을 심각하게 저해해 식량안보를 위협할 잠재 요인이 될 것이다. 따라서 온난화 조건에서의 작물 생육 및 생산량 변동을 이해하고 보다 정확한 예측과 평가를 위해 TGFC와 같은 미래의 기상 환경을 조성하고 실제로 야외에서 재배하여 결과를 분석하는 연구들이 많이 필요할 것으로 사료된다.
하지만 늦이삭의 생산량이 고온으로 인해 감소한 정상 이삭의 생산량을 만회하기에는 매우 부족한 정도였다. 향후 지구 온난화로 인한 벼 생육기간의 고온은 벼의 생육을 촉진시키고,출수 및 개화시기를 단축시키며 등숙기에도 고온이 지속 될 시 등숙률과 평균종실의 무게를 감소시켜 최종적으로 벼의 생산량 및 품질을 감소시킬 것으로 예측된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고온 환경에서 작물 수확량이 줄어드는 두 가지 경우는 무엇인가?
, 2004). 일반적으로 고온에 의해 작물 수확량이 줄어드는 경우는 크게 2가지로 나뉠 수 있는데, 첫째, 고온에 의해 빨라진 생육반응과 이삭의 노화는 영양생장기와 등숙기를단축시키기 때문에 광합성 산물의 생산과 축적이 충분히 이루어 지지 못하고 낮아진 수용 능력(sink activity)은 종실의 개수와 무게를 감소시킬 수 있다(Kim etal., 2011; Shon et al., 2015). 둘째, 출수 개화기에 특정 임계온도를 넘어서면 수분⋅수정 과정에서 불임이 되어 종자가 형성되지 않아 생산량이 크게 감소하는 경우가 있다(Matsui et al., 2005).
작물재배 기간에 작물의 생리⋅생육 상태에 영향을 주는 요인은?
이와 같은 작물재배 기간 동안의 평균기온 상승과 이상고온 현상은 작물의 생리⋅생육 상태에 영향을 미친다. 예를 들어 온도에 민감하게 반응하는 광합성과 호흡은 작물의 총생물량에 영향을 주고 최종 수확량변동으로 까지 이어질 수 있다(Peng et al.
지구온난화 추세는 세계 평균기온을 얼마나 상승시킬 것으로 예측되나?
기후변화에 관한 정부간 협의체(IntergovernmentalPanelon Climate Change, IPCC)의 기후변화 시나리오(RCP8.5)에 따르면 지구온난화 추세는 세계 평균기온을 21세기 말 까지 2.6∼4.8℃ 상승시킬 것으로 예측되고 있다(IPCC, 2014). 현재 우리나라도 연평균기온이 지속적으로 상승하고 있으며, 특히 2016년은 5월의 이른 고온 현상과 함께 6∼8월 평균기온이 24.
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