[논문]기후변화 및 환경스트레스 영향평가를 위한 한국형 SPAR(Soil-Plant-Atmosphere-Research) 시스템의 개발

상완규; 김준환; 신평; 백재경; 이윤호; 조정일; 서명철

doi:10.5532/kjafm.2019.21.3.187

기후변화 및 환경스트레스 영향평가를 위한 한국형 SPAR(Soil-Plant-Atmosphere-Research) 시스템의 개발
Development of Korean SPAR(Soil-Plant-Atmosphere-Research) System for Impact Assessment of Climate Changes and Environmental Stress 원문보기

한국농림기상학회지 = Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, v.21 no.3, 2019년, pp.187 - 195

상완규 (농촌진흥청 국립식량과학원) , 김준환 (농촌진흥청 국립식량과학원) , 신평 (농촌진흥청 국립식량과학원) , 백재경 (농촌진흥청 국립식량과학원) , 이윤호 (농촌진흥청 국립식량과학원) , 조정일 (농촌진흥청 국립식량과학원) , 서명철 (농촌진흥청 국립식량과학원)

초록
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기후변화에 따른 환경 스트레스 대응 기술과 영농의사결정 플랫폼 개발을 위해서는 환경 조건에 따른 작물의 반응을 이해하기 위한 시스템 개발이 매우 중요하다. 본 연구는 한국형 SPAR 시스템이 다양한 환경 조건에서 작물 생육 반응을 어떻게 정량화하고, 향후 작물 생육 모형 개발에 어떻게 연계될 수 있는지에 대해 방향을 제시하고자 수행되었다. 한국형 SPAR 시스템은 온도, $CO_2$ 농도 등의 기상요소와 양 수분 관리 등 재배요소를 동시에 정밀 조절할 수 있을 뿐 만 아니라 군락수준에서 광합성 및 호흡 등 작물의 생육 반응을 실시간으로 정량화하기에 최적화되어 있다. 본 시스템을 통해 수집된 군락 광합성 정보는 실제 작물의 환경조건에 따른 생육량 변동을 매우 유의하게 반영하여 향후 작물 생육 모형에 실질적으로 적용 가능한 환경-유전 요인간 특이적 반응 함수 개발에 크게 활용될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The needs for precise diagnostics and farm management-decision aids have increased to reduce the risk of climate change and environmental stress. Crop simulation models have been widely used to search optimal solutions for effective cultural practices. However, limited knowledge on physiological responses to environmental variation would make it challenging to apply crop simulation models to a wide range of studies. Advanced research facilities would help investigation of plant response to the environment. In the present study, the sunlit controlled environment chambers, known as Korean SPAR (Soil-Plant-Atmosphere-Research) system, was developed by renovating existing SPAR system. The Korean SPAR system controls and monitors major environmental variables including atmospheric carbon dioxide concentration, temperature and soil moisture. Furthermore, plants are allowed to grow under natural sunlight. Key physiological and physical data such as canopy photosynthesis and respiration, canopy water and nutrient use over the whole growth period are also collected automatically. As a case study, it was shown that the Korean SPAR system would be useful for collection of data needed for understanding the growth and developmental processes of a crop, e.g., soybean. In addition, we have demonstrated that the canopy photosynthetic data of the Korean SPAR indicate the precise representation of physiological responses to environment variation. As a result, physical and physiological data obtained from the Korean SPAR are expected to be useful for development of an advanced crop simulation model minimizing errors and confounding factors that usually occur in field experiments.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Comparison of structures for two SPAR (Soil-Plant-Atmosphere-Research) system including (A) single layer chamber (Adapted from Ready et al., 2001) and (B) double layer chamber.
그림 Fig. 2. The Korean SPAR chamber installed at NICS (National Institute of Crop Science, Wanju, S. Korea) (A) Double layer chamber, (B) Heating-cooling facility, (C) Flow rate-adjustable air fan and access door, and (D) Soil-bin.
그림 Fig. 3. Chamber environmental controls for daily air temperature and CO₂ concentration for SPAR system.
그림 Fig. 4. The process of canopy photosynthesis and respiration calculation.
그림 Fig. 5. Daily canopy photosynthesis characteristic analysis of soybean canopies at 56 days after emergence grown at current climate, High CO₂, High temperature, High CO₂+temperature condition, and drought stress conditions.
그림 Fig. 6. Example of daily canopy net photosynthesis of soybean canopies grown at current climate condition over entire growth period.
그림 Fig. 7. Carbon balance comparing dry matter and total carbon assimilation at each sampling period.

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 수년간의 연구에도 불구하고 환경 변이에 따른 작물 생육 반응의 정량적 정보는 여전히 부족한 실정이다. 본 연구는 기존 SPAR 챔버의 군락광합성 측정 시스템을 개선한 한국형 SPAR 시스템 개발을 통해 수집된 작물 생육 정보가 향후 작물 생육 모형 개발을 위해 어떻게 사용될 수 있는지에 대해 명시하고자 수행되었다. 이를 위해 국립식량과학원에 설치된 한국형 SPAR 시스템에서 콩 재배 시험을 진행하고 수집된 작물 생육 정보의 사례를 제시함으로써 향후 SPAR를 활용한 작물 및 기후변화 연구의 적용 가능성에 대해 알아보고자 한다.
본 연구는 기존 SPAR 챔버의 군락광합성 측정 시스템을 개선한 한국형 SPAR 시스템 개발을 통해 수집된 작물 생육 정보가 향후 작물 생육 모형 개발을 위해 어떻게 사용될 수 있는지에 대해 명시하고자 수행되었다. 이를 위해 국립식량과학원에 설치된 한국형 SPAR 시스템에서 콩 재배 시험을 진행하고 수집된 작물 생육 정보의 사례를 제시함으로써 향후 SPAR를 활용한 작물 및 기후변화 연구의 적용 가능성에 대해 알아보고자 한다.

제안 방법

광합성 측정 기간은 파종 후부터 착협기 전까지 약 70여일간이었으며 모든 처리에 대해 군락광합성 및 호흡량을 실시간 측정한 후 일 순광합성 및 누적 광합성량으로 계산하였다.
설정용 센서는 내부 챔버 공기가 주입되는 상단부에서 상시적으로 CO₂ 농도를 측정하며 챔버 내 CO₂ 농도 값이 설정 값과 항시 동일하게 유지되도록 하는 목적으로 CO₂ 공급 솔레노이드 조절 시스템과 피드백 작용으로 상호 연계되어 있다. 반면 광합성 측정용 센서는 내부 챔버 상단부와 하단부의 CO₂ 농도를 30초 간격으로 회당 10초씩 교번하여 측정한 후 평균값을 산출한다. 각 지점별 CO₂ 평균값 간 농도 차는 풍속, 절대온도 등의 파라미터 값을 적용한 후 단위시간당 광합성 속도로 계산한다(Fig.
2). 이를 위해 CO₂ 센서는 챔버 내 CO₂ 농도 유지를 위한 설정용 센서와 실제 광합성 측정을 위한 측정용 센서로 각각 구분한다. 설정용 센서는 내부 챔버 공기가 주입되는 상단부에서 상시적으로 CO₂ 농도를 측정하며 챔버 내 CO₂ 농도 값이 설정 값과 항시 동일하게 유지되도록 하는 목적으로 CO₂ 공급 솔레노이드 조절 시스템과 피드백 작용으로 상호 연계되어 있다.
처리 환경 조건은 전주 지역 2001∼2010년 평균기후를 대조구로 설정하였고 시험구는 각각 고온 처리구(+4.7℃), 고CO2 처리구 (CO2 800 ppm), 고온+고CO2 복합 처리구(+4.7℃, CO2 800 ppm) 및 생식생장기 한발처리구로 구성하였다.
2). 토양상 하단부는 배수구를 통해 토양 수위를 조절할 수 있도록 구성되어 있으며 관수는 점적 관수 시스템을 통해 양과 시간이 자동으로 조정될 뿐 아니라 토양수분 센서와의 연계를 통해 토양 수분 함량을 상시 모니터링 할 수 있도록 설계되었다. 이밖에 이산화탄소 가스 분석기, 냉각 시스템, 데이터 수집 시스템 등 관련 계측기, 센서 및 배선은 기존 상업용 작물 생육 챔버와 유사한 수준으로 구비하였다.
한국형 SPAR 챔버를 활용하여 기상조건 및 환경스트레스에 따른 콩의 군락광합성 반응을 분석하였다. 본 시험을 위해 대원콩을 2017년 6월 20일에 포트에 파종 후 7월 1일경 균일한 개체를 선별하여 각 SPAR 챔버에 30개체씩 이식하였다.

대상 데이터

1에서 보는 바와 같이 각 SPAR 챔버의 1/3 하단부는 작물의 근권부가 형성되는 대형 토양상으로 구성되어 있으며 2/3 상단부는 토양 위 실제 작물 재배가 이루어지는 부분으로 투과율 약 94%이상의 Plexiglas 재질로 밀폐되어 있다. 개발된 한국형 SPAR 챔버는 기존 챔버와는 다르게 외부와 내부의 2중 챔버 구조로 이루어져 있으며 외부 챔버는 콘크리트 패드 지면과, 내부 챔버는 대형토양상과 완전 밀착되어 있다. 북쪽 면의 덕트는 온도 조절 및 공기 순환을 위해 2기의 냉각 공조 시스템에 연결되어 있다.
대형 토양상은 약 2.0×0.6×1.5 m 크기의 스테인리스 재질의 라이시메타 구조로 구성되어 있으며 전면부는 작물 근권부를 관찰할 수 있도록 전면 강화 유리로 제작되었다(Fig. 2).
한국형 SPAR 챔버를 활용하여 기상조건 및 환경스트레스에 따른 콩의 군락광합성 반응을 분석하였다. 본 시험을 위해 대원콩을 2017년 6월 20일에 포트에 파종 후 7월 1일경 균일한 개체를 선별하여 각 SPAR 챔버에 30개체씩 이식하였다. 처리 환경 조건은 전주 지역 2001∼2010년 평균기후를 대조구로 설정하였고 시험구는 각각 고온 처리구(+4.

성능/효과

군락 수준에서 파종 후 56일째의 콩 작물에 대한 단위시간당 CO₂ 고정 속도는 전형적인 일주기 패턴을 보임을 확인하였다(Fig. 5). 생식생장기에 해당하는 이 시기에 콩은 고온 및 한발에 따른 광합성 저해 반응이 나타났으나 고CO₂ 조건에서는 광합성 증가 반응이 뚜렷이 나타남을 알 수 있었다.
7 μ molCO₂m^-2s^-1 이었다. 또한 이 시기 콩 군락은 총 태양 일사량의 96%를 흡수하였는데 이에 따라 일별 단위면적당 광 이용효율은 67.3 mmolCO₂m^-2MJ^-1로 평가되었다. 고CO₂는 일 평균 순광합성율을 약 19.
기존 단일 챔버 구조의 SPAR 챔버는 태양 복사열로 인한 급격한 온도 상승을 방지하고 설정 온도 값을 일정하게 유지하고자 높은 풍속을 유지해야 하는데 이때 작물에 따라서는 높은 풍속이 생육반응의 부효과로 작용할 우려가 있다. 반면 한국형 SPAR 챔버는 이중 챔버 구조로 인한 버퍼 효과로 기존 시스템에 비해 풍속 감소가 가능할 뿐 아니라 낮은 풍속에도 온도 및 CO₂가 외부환경 변화와 무관하게 매우 안정적으로 유지되는 것을 확인하였다(Fig. 3). 대형 토양상은 약 2.
5). 생식생장기에 해당하는 이 시기에 콩은 고온 및 한발에 따른 광합성 저해 반응이 나타났으나 고CO₂ 조건에서는 광합성 증가 반응이 뚜렷이 나타남을 알 수 있었다. 현재온도, 400 ppm의 대기 CO₂ 농도에서 이 시기의 주간 평균 순광합성율은 37.
설정된 CO2 값 유지를 위해 순도 99%의 CO2 가스를 CO2 센서의 측정값과 연계하여 압력조절기, 솔레노이드, 밸브 및 유량계로 구성된 조정기를 통해 챔버 내부로 주입하며 오차범위는 설정 값에서 약 ±10 ppm 이내로 유지가 가능하다.
실제 본 실험에서도 재배기간 동안 외부 환경과 무관하게 매시간 설정 값 대비 ±0.2℃ 수준에서 안정적으로 온도가 제어됨을 확인하였다(Fig. 3).
, 2018). 이를 통해 한국형 SPAR 챔버의 군락광합성 측정 시스템이 실제 작물 생육 반응을 매우 정밀하게 반영하고 있다는 것을 확인하였다.
2% 감소시켰다. 특히 복합 환경 처리조건인 고온+ 고CO₂ 조건에서는 고온에 의한 광합성 저해반응이고 CO₂에 의해 상쇄될 뿐만 아니라 광합성 속도가 오히려 28.4% 증가하는 것으로 나타나 온도와 CO₂ 처리간 상호작용 효과가 존재한다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 콩의 경우 고CO₂에 의한 광합성 증가율이 고온 일수록 더욱 커진다는 기존 연구 내용과도 일치하는 결과이다(Gesch et al.
현재온도, 400 ppm의 대기 CO2 농도에서 이 시기의 주간 평균 순광합성율은 37.6 μmolCO2m-2s -1, 야간 호흡률은 6.4 μ molCO2m-2s -1 이었으며 일 평균 순광합성율은 15.7 μ molCO2m-2s -1 이었다.

후속연구

이처럼 SPAR 시스템은 실제 포장 조건의 환경을 최대한 구현하여 실질적인 재배 데이터 획득에 유용한 장비로 활용 가능할 뿐 아니라 작물 생육에 미치는 여러 복합적인 환경요인들을 정밀하게 조정할 수 있어 온도, 수분, 양분, CO2 등 주요 환경요인에 대한 영향평가 및 상호작용 효과를 분석하기에 매우 도움이 될 것으로 보인다.
이처럼 SPAR를 통한 연구결과는 제한된 광 조건의 실내 챔버에서 이루어지는 단위엽 수준의 광합성 측정으로는 얻을 수 없는 실제 포장에서의 개체간 광 경합 및 수광태세에 관한 정보를 포함한 실질적인 재배 정보를 제공하여 군락 탄소 교환율 모형 개발 등 작물 생육 모형 개선에 매우 중요하게 활용될 수 있을 것으로 보인다.
3). 특히 Fig. 3에서 보는 바와 같이 단일 온도 조건뿐 아니라 실제 자연환경과 유사한 일주기 모의 또한 가능하여 미래기후에 대한 실질적인 장기적 모의뿐 아니라 폭염, 냉해 등 특정 생육시기의 단기적 이상기후에 대한 연구도 가능할 것으로 보인다. CO₂ 센서(LI-810)는 챔버마다 CO₂ 설정 값 유지를 위한 용도와 광합성 측정을 위한 용도로 각각 2기가 구비되어 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	작물 생육 모형에서 생장과 발달은 무엇에 의해 결정되는가?	, 2001). 작물 생육 모형에서 생장과 발달은 각 작물의 생장 잠재력과 다양한 환경적 한계 사이의 상호 작용에 의해 결정된다. 여기서 각 작물의 유전 형질에 대한 잠재적인 생장 및 발달 속도는 양분 및 수분에 의해 제한 받지 않는 조건 하에서 각 온도 조건 별 달성 가능한 최대 속도로 정의된다(Reddy et al.
	농업은 무엇에 의해 크게 좌우되는 산업인가?	농업은 대기 온도, 강수량, 이산화탄소 농도 등 기상 환경에 의해 크게 좌우되는 산업이다. 해마다 변동하는 기상 요소에 토양, 품종, 재배 방식 등의 다양한 요소가 결합되면 효과적인 영농 의사 결정 시스템 구축은 더욱 어려워진다.
	이론적 또는 예측적 프레임워크 내에서 구성된 생육 정보의 구축이 무엇보다 필수적인 이유는?	농업은 대기 온도, 강수량, 이산화탄소 농도 등 기상 환경에 의해 크게 좌우되는 산업이다. 해마다 변동하는 기상 요소에 토양, 품종, 재배 방식 등의 다양한 요소가 결합되면 효과적인 영농 의사 결정 시스템 구축은 더욱 어려워진다. 따라서, 효과적인 재배 관리를 위해서는 의사 결정 프로세스를 지원할 수 있는 이론적 또는 예측적 프레임워크 내에서 구성된 생육 정보의 구축이 무엇보다 필수적이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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