목 차
1. 개요 ··· 1
□ 연구목적 ··· 1
□ 연구범위 ··· 1
2. 연구 수행 내용 ··· 1
□ 이론적 배경 및 선행 연구 ··· 1
□ 연구주제의 선정 ··· 2
□ 연구 방법 및 과정 ··· 3
□ 연구지도 및 전문가 자문 ··· 14
3. 연구 결과 및 시사점 ··· 16
□ 연구 결과 ··· 16
□ 종합 결론 ··· 24
□ 시사점 ··· 27
4. 홍보 및 사후 활용 ··· 27
5. 참고문헌 ··· 28
그림 목차
그림 1. 산사태 피해 사진 ··· 1
그림 2. 온라인상에 자료를 공유하는 공간 ··· 2
그림 3. 선정된 초본류 (9종) ··· 3
그림 4. 실험구의 배치와 식재 ··· 4
그림 5. 생장실험 과정 ··· 5
그림 6. 공변세포 관찰과정 ··· 7
그림 7. 측정 장비 ··· 8
그림 8. 자동 재배 장치 ··· 8
그림 9. 토양 수분 측정 실험 ··· 9
그림 10. 인발강도 측정장치 설계도면 ··· 10
그림 11. 인발장치 지지대와 호이스터 ··· 11
그림 12. 매달림 저울과 식물 고정용 지그 ··· 12
그림 13. 인발강도 측정 과정 ··· 13
그림 14. 생체중의 생장률 변화 ··· 18
그림 15. 생장률 비교 ··· 19
그림 16. 중량 간 비교 ··· 19
그림 17. 뿌리 체적의 변화 ··· 19
그림 18. 공변세포의 관찰 ··· 20
그림 18. (계속) ··· 21
그림 19. 공변세포의 최대직경×개수 비교 ··· 21
그림 20. 수분흡수율 측정 결과 ··· 22
그림 21. 인발강도 그래프 ··· 23
그림 22. 공변세포 밀도 토양 습도 값 ··· 24
그림 23. 인발강도 그래프 ··· 25
표 목차
[표 1] 생장실험 결과 ··· 16
[표 1] (계속) ··· 17
[표 2] 공변세포의 개수와 최대직경, 최대직경×개수 ··· 21
[표 3] 수분흡수율 측정 결과 ··· 22
[표 4] 인발강도 측정 결과 ··· 23
1. 개요
□ 연구목적
○ 최근 10년간 우리나라의 산사태 피해를 분석해 보면 약 매년 서울 남산 면적의 두 배 가량이 피해를 입고 있다. 특히 최근 생활권 산사태 피해가 급증함에 따라 인명피해 발생의 위험까지 생겼 다. 이런 산사태 피해를 예방하기 위해 가장 기본적이면서도 효율적인 방법 은 바로 ‘산림을 잘 조성하고 관리하 는 일’이라고 생각한다. 산림을 조성
할 때 가장 사태 방지에 효과적이면서도 경관을 아름답게 하는 식물을 찾아 사태 방지 효과를 극대화시키기 위해서 이 연구를 실시하였다.
□ 연구범위
○ 실험군 및 대조군으로 사용할 식물 품종에 대한 선택
○ 야외 재배장치를 이용하여 연구기간 중 지속적인 재배 ○ 식물의 생장 측정 ○ 식물의 공변세포 관찰 ○ 실내 재배장치를 이용한 수분흡수율 측정환경 설계 ○ 인발강도 측정을 통한 뿌리의 토양 지지력 크기 비교 2. 연구 수행 내용□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 자연 사면에서 발생하는 산사태를 완전히 방지할 수는 없어도 산사태 의 피해를 저감시키기 위한 다양한 방법으로의 연구(지병윤 외, 2006, 임도사면 녹화식물뿌리의 인발강도 특성에 관한 연구, 이인모 외, 1991, 뿌리의 강도가 자연사면 안정에 미치는 영향에 대한 실험연구, 차두송 외, 2009, 관목류 뿌리의 비탈면 안정효과 분석, 정재철, 2013, 초본류 뿌리에 의한 토양의 전단력 보강에 관한 연구 등)들이 진행되 었고, 더욱 다양한 방법으로의 추가적 연구가 필요하다.
그림 1. 산사태 피해 사진
○ 국내 야생에서 자라나는 초본류 9종을 대상으로 각 식물의 생장률을 조사, 공변세포 관찰을 통한 증산작용 능력 추정 및 수분흡수율과의 비교, 인발강도를 측정하여 토양지지력 추정, 이를 통해 강수량이 많은 7~9월의 사태방지에 효과가 높은 종을 추천하고자 한다.
□ 연구주제의 선정 ○ ‘식물 뿌리의 크 기나 형태에 따라 사태 방지의 효율 성이 서로 다르지 않 을까 ? ’하 는 의문에서 탐구활 동이 시작되었 다. 탐구에 대한 논의를 활성화하 기 위해 온라인 공간에 파일을 공
유할 수 있는 공간을 만들어 팀원 및 전문가 공유하였다(그림 2).
○ 또한 팀원이 매주 1회 이상 모여 선행 연구된 자료를 검색하고 탐구 내용을 어떤 것으로 할 것인가를 지속적으로 논의하였다. 그 과정에 서 과제를 해결하기 위해서는 식물의 종류를 목본으로 할 것인지 초본으로 할 것인지 결정할 필요가 있었다. 연구기간이 짧고 탐구자 가 학생이라는 제약 때문에 부득이 초본으로 결정하였다. 그러나 뿌리의 강도와 인발력에 대한 사전 지식이 부족하여 전문가의 자문이 필요하였고 자문을 통해 한국에서 자생하는 초본류 9종을 관찰대상 으로 선정하였다. 이후 식물 재배 방법은 어떻게 할 것인지, 식물을 어디에서 키울지를 정하고 구체적인 연구 방법을 계획하였다.
그림 2. 온라인상에 자료를 공유하는 공간
□ 연구 방법 및 과정 1. 생장실험
a . 매 발 톱 꽃
Aquilegia buergeriana var. oxysepala b . 무 늬 둥 굴 레
Polygonatum odoratum var. pluriflorum c . 섬 기 린 초 Sedum takesimense
d . 비 비 추
Hosta longipes Miscanthus sinensise . 억 새 var. purpurascens f . 펜 스 테 몬 Penstemon digitalis
g . 개 맥 문 동
Liriope spicata Aster koraiensish .벌 개 미 취 Dendranthema zawadskiii. 구 절 초 var. latilobum
그림 3. 선정된 초본류 (9종)
○ 목표 : 생장 양상을 조사하여 식물의 환경에 대한 적응력 조사, 여러 특성을 조사하여 각 특성과 차후 실험결과의 상관도 파악.
○ 방법 : 대상 식물을 선정(그림 3)하여 선정된 식물 9종을 수개월간 키워 3주마다 생장된 양과 크기를 측정.
○ 실험구의 배치 : 9개의 개체를 심을 수 있고 물통이 구비된 대형 화분 총 36개에 위 초본들을 같은 종끼리 나눠 심는다. 이 때 화분 배치는 그림 4와 같이 한다.
a. 실험구 배치도
b. 실험구에 초본류 식재 c. 초본류 식재 후
그림 4. 실험구의 배치와 식재
○ 여러 척도를 가지고 식물의 생장 정도를 측정하는 생장 측정 실험을 하였다. 측정을 한 항목은 엽수, 엽장, 엽폭, 전체 생체중, 지하부 생체중, 전체 건물중, 지하부 건물중, 지하부 체적, 전체 길이, 그리고 지하부 길이이다. 식재를 한 6월 21일부터 시작하여 종별로 3개체씩 3주마다 뿌리째 들어내어 측정하였다. 측정은 총 5회 실시하였다.
○ 실험과정
1) 식재된 실험 식물들을 개체 당 생장 측정을 할 때의 소요 시간을 고려하여 당일 혹은 이틀에 걸쳐 채취한다.
2) 채취한 후 발생한 토양은, 다른 식물의 생장에 방해가 되지 않도록 원래 자리 에 최대한 털어두고 온다.
3) 생체의 전체 길이와 지하부의 길이를 측정한다.
4) 종별로 채취한 3개체를 물을 이용해 흙을 깨끗이 씻어낸 후, 물이 담긴 수 조에 함께 담아둔다.
5) 측정할 개체만 꺼내어 수건으로 물기 를 닦아낸 후, 전체 생체중을 재고, 그 다음 지상부와 지하부로 절단하여 지 하부 생체중을 측정한다.
6) 지하부 체적을 메스실린더와 물을 이 용하여 잰다.
7) 엽수, 엽장, 엽폭을 측정한다.
8) 측정 완료된 개체는 건조시킬 봉투에 담는다.
9) 다른 개체에 대하여 5)~9)의 과정을 반복한다.
10) 모든 식물 개체들의 생장 측정이 완 료되면 각 봉투에 담아 건조기에서
건조시킨다. (건조온도는 100℃, 건조시간은 40시간) ○ 시행착오 극복과정(학생 기록)
- 엽수를 재는 단계에서, 거의 시든 잎도 있었고, 어떤 잎은 지나치게 작아 잘 보이지도 않거나, 아직 펴지지도 않은 채로 말려 있는 등의
a. 길이 측정
b. 엽수 측정
c. 건조기 세팅
d. 건물중 측정 전
그림 5. 생장실험 과정
모습을 관찰할 수 있었다. 따라서 엽수를 새는 기준을 정확히 할 필요 가 있었다. 기준 설정 당시에는 이 일이 그만큼 의미 있는 희생이라고 생각하였는데, 4차 실험까지 수행하여 그래프를 그려보니 기준을 그 리 엄격하게 설정할 필요가 없었다는 사실을 깨닫게 되었다. 즉, 엽수 측정에서 생길 수 있었던 오차의 범위는 무시가 될 정도로 엽수의 증가폭이 컸던 것이다. 실험에 있어 더 중요하게 고려해야 할 점은 종속 변인에 영향을 크게 줄 수 있는 변인과 그렇지 않은 변인을 잘 분별해낼 수 있어야 한다는 것이다.
- 식재 화분에서 생장 측정에 사용할 식물들을 뽑을 때 소요되는 시간을 줄일 수 있었다. 처음에는 잘 뽑히지 않는 식물들이 있어서 뿌리의 손상을 최소화하기 위해 엉켜 있는 비교적 굵은 뿌리들을 하나하나 흙 속에서 풀어 헤치고 나서 뽑아내었다. 이 방법은 한 번에 확 뽑을 때에 비해 뿌리가 끊어지는 빈도는 감소하였지만, 손으로 잔뿌리들을 많이 훼손하게 되고 채취 시간도 많이 걸렸다. 또한 비교적 뿌리의 저항이 약해서 한 번에 뽑아내는 식물들의 상태와 비교해 보니, 몇몇 뿌리가 끊어지기는 했지만, 전체적인 보존 상태에는 큰 지장을 받지 않는 것을 목격하였다. 그리하여 모든 식물 개체들을 표면의 흙을 조금만 퍼낸 뒤 한 번에 뽑는 것으로 방향을 바꾸었다. 그렇게 하니 예상한 대로 뿌리의 손상 정도도 크지 않았고 채취 시간도 4분의 1 이하로 줄이는 성과를 거두었다.
- 생체중 측정에 있어서 식물의 수분 증발로 인해 시간의 흐름에 따른 측정값 차이를 발견하고 해결하였다. 1~2차 측정 때는 채취한 식물들을 별다른 조치 없이 테이블 위에 방치해 두었는데 문득 이런 생각이 들었 다. ‘식물의 수분이 증발하면서 후반에 측정하는 식물들은 채취 직후와 중량이 달라지지 않을까?’ 그래서 이후 진행된 생장 측정 때는 대기 중인 식물들의 뿌리 부분을 밀봉된 비닐봉지에 담아 시간의 흐름에 따라 발생할 수 있는 오차의 원인을 줄이고자 하였다.
2. 공변세포 관찰
○ 목표 : 사태방지효과에 영향을 미치는 식물체의 수분 흡수율을 공변 세포의 수와 최대직경을 이용하여 예측한다.
○ 방법 : 식물의 잎으로 프레파라트를 만들어 관찰할 경우, 일정 시간이 지날 경우 건조되어 모양이 변형된다. 그래서 우리는 프레파 라트를 보존하기 위해 매니큐어를 이용하는 아이디어를 냈 다.
○ 과정 :
1) 잎 뒷면에 매니큐어를 도포한다.
2) 매니큐어를 충분히 건조시킨 후 면도날을 이용하여 가로 세로 각 1cm의 크기로 매니큐어를 떼어내고 프레파라트를 제작한다.
3) 프레파라트(그림 6a)를 생물현미경을 통해 관찰하고 촬영한다.
4) 포토샵의 스포이드(측정) 도구를 이용하여 한 사진당(x200) 공변 세포의 개수와 최대직경을 측정한다(그림 6b).
a. b.
그림 6. 공변세포 관찰과정
(a: 제작된 프레파라트, b: 포토샵을 이용한 공변세포 측정)
3. 수분흡수율 측정
○ 목표 : 사태에 큰 원인이 되는 물을 식물의 종류에 따라 얼마나 더 잘 흡수하는지에 대해서 알아내기 위해 실험을 한다.
○ 과정 : LED 조명 재배 장치를 통해 실내에서 일정한 조건 아래 8종류의 꽃을 3개씩 각 층마다 재배한다.
○ 실험 장치 및 분석 장비
1) 토양의 수분을 측정하기 위해서 필요한 ‘토양 습도 센서’와 ‘MBL 인터페이스는 학교에 준비된 Labquest와 센서를 이용하였다.
(a) 토양 습도 센서 (b) MBL 인터페이스 그림 7. 측정 장비
2) 식물 자동 재배 장치를 이용해서 동일한 조 건 내에서 식물이 자랄 때의 식물의 수분 흡수율을 구하기로 하였다. 그래서 식물 자 동 재배 장치를 구매한 후 식물 8종(무늬 둥 굴레는 재배장치의 층간 높이에 비해 개체 의 길이가 커서 측정 대상에서 제외시킴)을 종별로 3개씩 총 24개를 재배했다(그림 8).
○ 가설 설정 : 실험 전 여름에 야외에서 식물을 재배할 때 다른 식물에 비해 억새가 심긴 화분 의 흙이 빨리 말랐다. 또 생장실험에서 뿌리의 크기와 무게를 보았을 때도 억새가 가장 무겁
고 컸기 때문에 억새가 가장 수분 흡수율이 클 것이라고 예상했다.
그림 8. 자동 재배 장치
○ 실험 설계 : 일정한 조건에서 같은 시간 동안 자란 식물들을 같은 상황에서 물을 준 후 센서를 이용해서 토양의 수분 감소량을 측정하 기로 했다.
○ 실험 과정
1) 먼저 센서의 오차 범위를 측정하기 위해서 인위적으로 화분에 흙을 채운 후 그 위에 물을 뿌리고 일정한 시간 간격 동안 토양의 습도를 센서를 통해 측정한다.
2) 초본 8종을 물로 씻어 내고 포트(지름 7cm, 높이 6cm)에 인공토양 을 이용해 식재한다.
3) LED조명 재배장치를 이용하여 한 달 동안 재배한다.
4) 실험 대상 식물들(한 층, 8개체)의 물 공급을 24시간 동안 중지한다.
5) MBL인터페이스에 연결된 토양 습도 센서를 각 포트에 같은 깊이, 각도로 꽂는다(그림 9a).
6) 스포이트를 이용하여 각 포트에 (30mL)의 물을 공급한다(그림 9b).
7) 1분 간격으로 3시간 동안의 변화량을 측정한다.
a. 실험구 배치 b. 실험 실행 그림 9. 토양 수분 측정 실험
○ 시행착오 극복(학생 기록)
- 한 달 가량 재배 중 영양분을 제대로 공급받지 못한 식물들이 시들어 버려서 수분 흡수율 측정이 가능한 식물들이 5종(10개체)가 되었다.
따라서 죽은 식물들이 상대적으로 생명력이 약하다는 결과를 낼 수 있었다. 같은 재배 조건 아래에서 특정한 종은 살아남고 다른 종은
죽었다는 말은 죽은 종의 생명력이 약하다고 할 수 있다.
- 각 화분마다 초기 토양의 습도가 다르기 때문에 결과에 영향을 미칠 수도 있다는 생각을 하였지만 실험을 통해 얻어내야 하는 값이 초기 값과 실험을 끝냈을 때의 변화 값이기 때문에 초기 토양의 습도는 중요하지 않다는 결론을 낼 수 있었다.
- 30mL 만큼의 물은 토양이 최대한 머금고 있을 만큼의 물이자 중력수 가 흐르지 않을 만큼의 물이다. 하지만 실험을 하였을 때 몇몇의 식물 에서는 물을 다 머금지 못하고 화분 밑으로 물이 흘러내리는 것들도 있었다. 이 현상을 각 개체마다 뿌리의 성질(물을 더 잘 잡아 주는가) 로 생각을 하고 실험을 했다.
4. 인발강도 실험
○ 목표 : 식물 종별 인발강도를 측정하여 토양 고정 효과를 알아본다.
생장 실험에서 측정한 여러 변인들과의 상관관계를 알아본다.
○ 방법 : 힘 센서, 모터, 지지대 등을 사용하여 인발강도 측정 장비를 제작한다. 제작한 장비로 종별 3개체씩 인발강도 측정 실험을 한다.
측정값을 종마다 평균 내어 비교한다.
○ 아이디어 도출
1) 문헌 조사에서 토양고정효과를 파악하기 위해 인발강도를 이용하 며, 인발강도 측
정 장치를 개발 해야 한다는 사 실을 깨달았다.
인발강도 측정 장치를 만들기 위해 여름방학 동안 학교에 모 여 아이디어를 구상했다. 최종
적으로 그림 10 그림 10. 인발강도 측정장치 설계도면
과 같은 모양의 인발장치를 택하게 되었다.
2) 그림 10 은 트림블 사에서 제공하는 SketchUp 2013을 이용해 그린 것이다. 두 개의 기둥을 지지대로 하여 윗부분에 모터와 회전축이 있고 MBL 힘 센서와 식물 고정 장치(케이블 타이)가 축에 연결되 어 상하 운동을 할 수 있다.
3) 식물을 장치에 고정한 후 모터를 천천히 움직이면 힘 센서에 걸리 는 힘이 점점 증가할 것이다. MBL 장치에 실시간으로 기록된 인발 강도를 얻을 수 있다. 이렇게 얻은 인발강도와 생장실험에서 관찰 한 뿌리 특성을 비교하여 어떤 관련성이 있는지 찾고자 하였다.
4) 전문가의 자문을 받고 최대 표시한계가 작은 힘 센서를 디지털 매달림 저울로 교체하였다. 힘 센서의 측정 한계는 약 5kg 이므로 디지털 매달림 저울과 같이 최대 표시한계가 큰 저울을 써야 한다.
○ 실험 과정
1) 가설 설정 및 실험 설계
- 생장실험을 한 결과, 뿌리가 질긴 억새와 뿌리가 촘촘하고 가지가 많은 개맥문동의 인발강도가 클 것이고, 뿌리를 씻으면 뿌리가 떨어 져나가는 섬기린초는 인발강도가 약할 것이라 예상했다.
- 생장 실험 후 남은 식물은 한 종류가 한 화분당 3개씩 모두 108개의 초본이 존재한다. 총 108개의 식물을 인발하면서 최대인발강도를 측 정하여 기록한다.
2) 실험 장비 선정 및 제작
- 인발장치의 지지대는 대구 북성로에 위치한 금속가공업체에 설계도 면을 보내어 제작을 의뢰하였다. 제작 시에는 매달림 저울을 일정한 속도로 당겨 올려 줄 장비가 필요하여 100kg 의 하중까지 들어 올릴 수 있는 호이스터를 부착하여 상하조정을 가능하게 하였다(그림 11).
호이스터에는 매달림 저울과 지그(그림 12의 a, b)를 장착하고 버튼을 눌러 상하 운동 방향과 작동을 조절할 수 있다.
a. 전면 b. 측면 그림 11. 인발장치 지지대와 호이스터
a. 디지털 매달림 저울 b. 식물 고정장치 그림 12. 매달림 저울과 식물 고정용 지그
- 디지털 매달림 저울은 카스 사의 IE-50을 구매하여 사용하였다. 최대 표시 한계가 50kg으로 MBL 힘 센서에 비해 측정 범위가 넓으며, 최소 눈금은 0.02kg으로 정밀하다.
- 식물 고정 장치는 스테인레스 철사를 구부리고 가공한 뒤 낚싯바늘을 달아 배스 낚시에 쓰는 알라바마 지그를 직접 제작해 사용하였다.
낚싯바늘을 식물의 경질부에 꽂아 인발하고자 하였다.
3) 실험 실행
a. 인발 준비 c. 인발 완료
b. 낚싯바늘 꽂음 d. 해체 및 기록 그림 13. 인발강도 측정 과정
- 화분이 인발장치 위에서 중심을 잡을 수 있도록 받칠 스티로폼을 열선 커터로 잘라 끼워 넣었다.
- 화분을 올려놓고 낚싯바늘을 식물의 경질부에 꽂는다.
- 모터의 작동속도가 빠르기 때문에 모터를 위 방향으로 조금씩 불연속 적으로 작동시킨다.(좀 더 느리게 작동하는 모터가 있어야 함) - 인발강도가 정점을 찍고 다시 내려가면 그 때의 인발강도를 기록한다.
다음 식물 개체에 대하여 같은 과정을 진행한다.
○ 시행착오 극복(학생 기록)
- 경질부가 없는 식물인 경우 식물은 그대로 있고 바늘과 식물의 상부만 잘려 올라가서 정확한 인발강도를 측정할 수 없었다. 이때에는 바늘 이 꽂힌 부분을 손으로 꽉 쥐어서 식물과 바늘이 같이 올라올 수 있도록 하였다.
- 섬기린초, 억새, 개맥문동은 뿌리가 너무 많이 퍼져서 화분의 흙을 통째로 들어 올리는 바람에 인발강도를 실제보다 더 작게 측정할 수밖에 없었다. 구절초는 지그가 파손되어 실제로 인발강도를 측정하 지 못한 점이 아쉽다.
- 화분이 같이 들어 올라가면 발로 화분을 밟아 고정하였다.
□ 연구지도 및 전문가 자문 ○ 연구지도 및 자문일지
구 분 일시
지도 및 자문 내용 요약
월 일
지도 교사 지도 내용
5
7 연구계획서 첨삭 지도
14 참고문헌 검색 및 검색 방법 지도
21 참고문헌(임도사면 녹화식물뿌리의 인발강도 특성에 관한 연구) 탐색 결과 토의
28 수정된 연구계획서의 실험 계획 수립 지도
6
3 전문가가 자문한 초본류에 대한 조사 실시 안내
10 초본류에 대한 기초 조사와 야외 식재 실험 계획 수립 17 초본류 구입 및 실험구 배치 계획 작성 지도
21 초본류에 대한 식재와 기초 조사
25 식물생장실험 및 잎의 공변세포 관찰을 위한 프레파라트 제작 지도
7
9 2차 생장 실험을 위한 초본류 채취 지도 10 채취한 시료의 생장치 측정 지도
23 연구와 관련된 참고문헌 교육 및 읽기 순서 정하기
24 현재까지 실험된 결과에 대한 정리 및 차후 실험 계획 지 도 및 협의
25 수분측정 실험 및 인발강도 실험 계획 지도 29 3차 생장 실험을 위한 초본류 채취 지도 8 19 4차 생장 실험을 위한 초본류 채취 지도
21 채취한 시료의 생장치 측정 및 초본류 추가 구입에 관한 지도 26 건물중에 대한 측정과 그래프 해석에 관한 지도
구 분 일시
지도 및 자문 내용 요약
월 일
지도 교사 지도 내용
9
10 5차 생장 실험을 위한 초본류 채취 지도 11 5차 생장 실험 및 건물중 측정 지도 24 생장 실험 데이터에 대한 검증 지도
25 그래프로 활용한 데이터에 대한 논의 지도 28 그래프 작성 법 및 해석에 대한 예시 자료 안내
10
19 수분흡수율 측정 실험을 위한 실험 설계 지도 22 수분흡수율 측정 예비 실험, 센스간 오차 여부 검토 23 인발 강도 측정을 위한 설계 지도
26 주간 수분흡수율 측정 지도 28 야간 수분흡수율 측정 지도
30 주간 수분흡수율 측정 지도/ 인발강도 측정기 제작을 위한 시장 조사
11
4 연구비 소요변경 신청 공문 작성
5 야간 수분흡수율 측정 지도 / 인발강도 측정기 제작 의뢰 11 수분흡수율 측정 결과 정리 및 해석 지도
12 인발강도 측정기용 지그 제작 지도
16 인발강도 측정 실험 지도/ 결과보고서 작성 지도 18~21 결과보고서 작성 지도
전문가 자문 내용
5 9 연구계획서의 내용 검토 및 수정
23 참고문헌 토의결과에 대한 의견 제시 및 차후 과제 안내 6 11 초본류 실험계획의 문제점과 수정에 대한 자문
26 식물생장실험 결과에 대한 자문 및 차후 실험계획 안내
7 10 2차 생장 실험까지의 결과에 대한 의견과 추후 측정 시 고려해야 할 사항에 대한 안내
24 R&E 활동과 관련한 협의회 참석(산사태의 발생 경향과 연구 방향에 대한 자문과 추추 과제 안내)
8 26 수분측정 실험을 위한 초본류 식재 방법 및 측정 결과 값에 대한 자료 변형 및 그래프 해석법에 대한 안내
9 6 생장실험 결과 해석에 대한 방향 제시, 중간보고서 작성과 관련한 계획 지도
12 중간보고서 초안에 대한 첨삭 지도
30 그래프 작성 프로그램에 대한 안내와 기존 문헌 안내 10 20
중간보고서 점검 결과에 대한 의견 제시(인발강도 실험 반 드시 실행할 것, 산사태 우려 지역 찾아가는 것에 대한 회의 적 의견 제시)
11 21 최종보고서 초안에 대한 첨삭 지도 및 결론에 대한 논의 제시
3. 연구 결과 및 시사점 □ 연구 결과
1. 생장실험 결과
엽수 (개) 1차 측정 평균 2차 측정 평균 3차 측정 평균 4차 측정 평균 5차 측정 평균
매발톱꽃 20.0 23.7 24.7 30.3 104.0
무늬둥굴레 10.0 9.3 8.3 9.3 9.0
섬기린초 11.3 106.3 683.0 884.6 1471.0
펜스테몬 14.6 61.0 94.3 137.7 207.6
억새 26.0 67.7 101.3 133.6 105.3
비비추 3.0 7.3 14.0 18.0 23.7
개맥문동 31.7 64.0 81.0 148.3 268.0
벌개미취 9.3 20.3 13.3 16.0 24.0
구절초 24.3 51.7 195.0 628.0 978.0
최대 엽장 (cm) 1차 측정 평균 2차 측정 평균 3차 측정 평균 4차 측정 평균 5차 측정 평균
매발톱꽃 3.7 3.9 5.4 4.9 5.0
무늬둥굴레 8.2 8.4 8.6 9.3 7.6
섬기린초 5.5 5.6 6.9 7.3 7.3
펜스테몬 19.9 17.1 21.9 23.6 26.2
억새 40.5 62.3 89.3 85.5 80.1
비비추 18.1 21.0 20.4 25.7 22.4
개맥문동 28.6 32.3 27.8 32.1 37.6
벌개미취 23.5 24.2 36.4 38.0 40.2
구절초 6.4 10.1 7.9 6.3 10.1
최대 엽폭 (cm) 1차 측정 평균 2차 측정 평균 3차 측정 평균 4차 측정 평균 5차 측정 평균
매발톱꽃 3.7 5.8 8.6 7.2 7.0
무늬둥굴레 3.8 3.8 3.7 3.5 3.3
섬기린초 1.6 2.0 2.1 3.2 2.4
펜스테몬 3.5 4.2 4.8 5.5 5.9
억새 0.7 1.0 1.2 1.5 1.6
비비추 3.3 4.3 4.3 4.2 3.8
개맥문동 0.4 0.4 0.5 0.6 0.5
벌개미취 2.9 3.8 5.7 4.8 5.0
구절초 2.7 5.0 6.0 3.2 4.2
전체 길이 (cm) 1차 측정 평균 2차 측정 평균 3차 측정 평균 4차 측정 평균 5차 측정 평균
매발톱꽃 37.0 35.7 34.6
무늬둥굴레 62.0 64.3 63.8
섬기린초 36.7 49.5 56.5
펜스테몬 51.5 50.5 52.1
억새 125.8 148.5 145.8
비비추 45.7 55.8 63.0
개맥문동 60.1 69.1 75.5
벌개미취 69.9 75.2 69.4
구절초 41.3 56.0 74.0
전체 건물중 (g) 1차 측정 평균 2차 측정 평균 3차 측정 평균 4차 측정 평균 5차 측정 평균
매발톱꽃 1.8 2.4 5.6 5.7 5.6
무늬둥굴레 14.8 5.9 6.2 6.1 6.9
섬기린초 1.6 1.5 11.4 19.6 40.0
펜스테몬 10.1 14.8 10.8 20.5 40.5
억새 14.7 6.2 23.4 75.1 67.8
비비추 3.2 2.6 5.1 8.6 17.8
개맥문동 6.9 5.2 9.4 13.5 24.3
벌개미취 1.9 4.6 8.3 15.7 27.0
구절초 2.3 2.7 7.9 20.3 34.9
표 1. 생장실험 결과 전 차에 비해 줄어듦 전 차에 비해 많이 줄어듦
전체 생체중 (g) 1차 측정 평균 2차 측정 평균 3차 측정 평균 4차 측정 평균 5차 측정 평균
매발톱꽃 12.4 10.8 33.6 31.4 43.0
무늬둥굴레 19.7 25.4 24.7 25.5 35.6
섬기린초 4.6 12.8 95.9 191.9 340.7
펜스테몬 18.6 62.0 64.8 154.0 242.2
억새 22.3 28.8 99.5 314.3 237.1
비비추 6.6 11.1 27.2 50.2 84.6
개맥문동 12.7 21.2 53.6 77.3 116.2
벌개미취 6.6 31.5 60.8 107.6 186.9
구절초 6.3 14.8 64.8 129.1 168.3
지하부 생체중 (g) 1차 측정 평균 2차 측정 평균 3차 측정 평균 4차 측정 평균 5차 측정 평균
매발톱꽃 1.8 3.8 10.8 9.8 12.9
무늬둥굴레 14.1 17.7 18.8 21.1 30.1
섬기린초 0.3 1.1 7.5 23.1 43.2
펜스테몬 11.4 39.0 18.5 41.8 58.3
억새 14.7 13.4 32.2 192.3 114.6
비비추 4.8 5.1 12.6 23.6 42.4
개맥문동 8.1 15.4 31.8 48.1 64.0
벌개미취 2.8 16.2 17.9 7.2 79.9
구절초 3.2 4.6 5.9 20.8 36.1
지하부 건물중 (g) 1차 측정 평균 2차 측정 평균 3차 측정 평균 4차 측정 평균 5차 측정 평균
매발톱꽃 0.7 0.8 1.6 1.5 1.6
무늬둥굴레 12.0 4.8 5.0 5.0 5.9
섬기린초 0.03 0.3 1.0 1.5 7.8
펜스테몬 6.2 10.7 2.9 7.5 12.0
억새 10.8 2.6 6.7 37.6 27.1
비비추 2.6 1.4 2.3 4.0 11.4
개맥문동 5.1 3.6 6.0 7.5 11.0
벌개미취 1.1 2.4 2.7 4.7 14.4
구절초 1.5 1.2 1.0 3.9 7.9
지하부 체적(mL) 1차 측정 평균 2차 측정 평균 3차 측정 평균 4차 측정 평균 5차 측정 평균
매발톱꽃 4.3 4.7 14.0 9.0 13.3
무늬둥굴레 23.0 17.0 17.0 20.0 29.0
섬기린초 1.3 2.0 7.0 29.3 43.7
펜스테몬 22.7 36.3 18.0 37.7 57.0
억새 24.0 11.0 31.0 194.3 120.7
비비추 6.0 4.0 11.0 19.8 측정 오류
개맥문동 14.3 13.7 25.7 42.7 70.2
벌개미취 10.3 14.3 13.3 15.0 83.0
구절초 2.7 4.0 5.0 18.0 33.3
지하부 길이(cm) 1차 측정 평균 2차 측정 평균 3차 측정 평균 4차 측정 평균 5차 측정 평균
매발톱꽃 19.0 18.0 19.4
무늬둥굴레 28.0 32.1 21.0
섬기린초 15.7 31.0 23.8
펜스테몬 28.4 27.2 25.3
억새 36.2 55.4 41.8
비비추 26.0 31.7 40.1
개맥문동 28.0 36.4 38.5
벌개미취 34.3 16.1 30.5
구절초 21.3 29.8 31.7
표 1. (계속) 전 차에 비해 줄어듬 전 차에 비해 많이 줄어듬
○ 각 개체의 생장 정도를 파악하기 위해서는 각 측정값들을 1차 측정값 에 대한 비율로 나타낸 그래프를, 수분흡수율이나 인발강도와의 상관 관계를 알아보기 위해서는 수치 자체를 나타낸 그래프를 비교하는 것이 적합할 것으로 생각된다.
○ 그림 14. 는 각 측정 때의 생체중(g)의 크기를 1차 측정 때의 초기 값으로 나누어, 몇 배나 성장했는지 나타낸 것이다.
그림 14. 생체중의 생장률 변화
○ 중량과 엽수, 지하부 체적 항목에서 3차 측정 때부터는 줄곧 섬기린 초가 다른 종들에 비해 우위를 차지했다. 그리고 벌개미취와 구절초 가 그 뒤를 이었다.
○ 매우 높은 폭의 생장률을 보인 섬기린초를 제외한 8종의 식물들에 대한 생체중 및 건물중의 생장 결과를 그림 15.에서 나타내었다.
○ 벌개미취와 구절초가 10배 이상의 생장률을 보이는 반면 무늬둥굴레 와 매발톱꽃은 5배 이하의 생장률을 보인다.
○ 식물 전체 중량에 대한 지하부(주로 뿌리로 이루어짐)만의 중량을 비율로 나타낸 중량 간 비교(그림 16)에서는 무늬둥굴레가 전체의 80% 이상을 차지하여 지하부의 중량이 높은 것으로 나타났다. 이는 무늬둥굴레가 가진 굵고 짧은 한 개의 뿌리가 많은 중량을 차지하기 때문으로 판단된다.
a. 생체중(g)의 생장률(배) b. 건물중(g)의 생장률(배)
그림 15. 생장률 비교
a. 생체중 비율(
전체
지하부
) 비교 b. 건물중 비율( 전체
지하부
) 비교그림 16. 중량 간 비교
그림 17. 뿌리 체적의 변화
○ 그 다음으로는 개맥문동이 62%의 비율을 보여 지하부가 차지하는 비율이 높은 것으로 나타났다.
○ 사태방지 효과와 상관도가 높을 것으로 판단되는 식물의 뿌리의 체적 생장률을 비교해 보면(그림 17), 가장 높은 생장률을 보인 섬기린 초를 제외하고는 개맥문동이 가장 높은 생장률을 보여 뿌리의 수분흡 수율 및 인발강도에 대한 긍정적인 변화를 예측해 볼만하다.
2. 공변세포관찰 결과
a. 매발톱꽃 b. 무늬둥굴레 c. 섬기린초
d. 비비추 e. 억새 f. 펜스테몬
그림 18. 공변세포 관찰(위 사진은 200배, 아래 사진 500배 관찰)
g. 개맥문동 h. 벌개미취 i. 구절초
그림 18. (계속)
분류 개수 최대직경 최대직경*개수
매발톱꽃 110 32.2 769.4
둥굴레 84 17.6 321.6
섬기린초 24 48.7 254.1
비비추 50 34.8 378.1
억새 53 21.3 245.5
펜스테몬 61 27.2 360.3
개맥문동 43 25.7 239.8
벌개미취 42 45.2 412.9
구절초 17 51.7 190.7
표 2. 공변세포의 개수와 최대직경, 최대직경×개수
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
매발톱꽃 둥굴레 섬기린초 비비추 억새 펜스테몬 개맥문동 벌개미취 구절초
그림 19. 공변세포의 최대직경×개수
○ ‘최대직경×개수’는 공변세포가 현미경 사진의 전체 상에서 공변 세포가 차지하는 면적을 대표하는 값으로 단위면적당 세포면적의 의미로 활용되어 이를 ‘공변세포 밀도’라 칭하기로 하였다.
○ 공변세포의 개수 순으로 나열하면 매발톱꽃, 섬기린초, 비비추, 펜스 테몬, 억새, 개맥문동, 벌개미취, 둥굴레, 구절초 순으로 나열할 수 있다. 공변세포 밀도 순으로 나열하면 매발톱꽃, 벌개미취, 비비추, 펜스테몬, 둥굴레, 섬기린초, 억새, 개맥문동, 구절초 순이다. 공변세 포의 개수, 공변세포 밀도 값은 둘 다 매발톱꽃의 값이 가장 크고, 구절초가 가장 작았다.
○ 위 결과로 예상하건대 매발톱꽃의 수분흡수율이 가장 클 것으로 예상 된다.
3. 수분흡수율 측정 결과
구분 주간-1 주간-2 야간-1 야간-2
비비추 3.07 11.58 1.51 1.12
섬기린 3.53 3.40 0.59 3.34
개맥문동 4.66 10.17 4.92 4.26
억새 3.41 3.93 1.37 8.59
벌개미취 2.23 2.62 0.51 1.84
표 3. 수분흡수율 측정 결과
(단위 : %)
그림 20. 수분흡수율 측정 결과 (시간에 따른 토양 습도 변화량 그래프)
○ 4번의 실험(주간 2번, 야간 2번)을 진행 한 후 얻은 데이터에서 같은 종 2개체의 평균값을 구하였다. 표의 값은 변화 값으로 물을 화분에 준 후 급격히 증가한 후의 값과 3시간이 지난 후의 값의 차이다.
○ 결과에 따르면 낮 동안 실시한 실험에서는 개맥문동의 변화 값이 가장 큰 것(개맥문동>비비추>억새=섬기린>벌개미취)으로 나타났다.
야간 실험에서도 개맥문동의 변화 값이 가장 큰 것(개맥문동>억새>비 비추>섬기린=벌개미취)으로 나타났다. 순위는 각 실험 당 변화 값이 큰 순서대로 순위를 매긴 후 2번의 실험의 평균값을 구한 것이다.
4. 인발강도 측정 결과
매발톱꽃 무늬둥굴레 섬기린초 억새 펜스테몬 비비추 개맥문동 벌개미취
2.58 2.29 >8.07 >18.7 8.59 2.71 >20.3 12.2
표 4. 인발강도 측정 결과
(단위 kgf)
그림 21. 인발강도 그래프
○ 인발강도 측정은 각 종별로 3회씩 실시하여 그 평균 값을 표 4에 표현하였다. 단, 섬기린초, 억새, 개맥문동은 인발강도 측정 중 식물에 고정된 지그가 해체되어 강도 측정이 중단된 것으로 실제의 인발강도 는 측정치보다 더 클 것이다.
○ 개맥문동과 억새가 상위권, 벌개미취, 펜스테몬, 섬기린초가 중위권, 비비추, 매발톱꽃, 무늬둥굴레가 하위권인 것으로 나타났다.
□ 종합 결론
○ 식물뿌리의 수분흡수력에 대한 논의
- 토양의 습도를 결정짓는 다양한 변인 중 식물에 의한 효과는 뿌리의 흡수력과 식물 잎을 통한 증산작용이 있을 것이다. 순수한 뿌리의 흡수력을 측정하기는 어려우므로 식물 잎의 증산작용을 대표할 수 있는 측정치로 공변세포 밀도 값을 이용해 보기로 하였다.
- 수분흡수율 측정과 공변세포 관찰 결과를 토대로 식물뿌리의 수분흡 수력에 대한 비교를 해보기 위해
공변세포 밀도
토양 습도 라는 관계식을 이용했다.
이 값을 통해 식물뿌리만의 흡수력을 상호 비교할 수 있는 기준으로 활용하고자 한다(그림 22).
a. 주간 측정 b. 야간 측정
그림 22. 공변세포 밀도
토양 습도
값 - 그 결과, 주간 측정에서는 개맥문동의
공변세포 밀도
토양 습도 값이 가장 높았고,
야간 측정에서는 억새, 그다음으로 개맥문동의 값이 가장 높게 나타 났다. 이는 억새와 개맥문동 뿌리의 수분 흡수력이 탁월한 것으로 추정되는 결과이다. 대부분의 산사태가 물에 의한 것임을 감안할 때 초기 강수에 있어 식물이 수분을 흡수할 수 있는 능력이 탁월한 것은 토양사면에서 발생할 수 있는 사태의 방지에 어느 정도의 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
○ 식물 뿌리의 토양지지력에 대한 논의
- 사태를 방지할 수 있는 식물의 효력으로는 토양을 지지하는 능력을 들 수 있다. 이는 뿌리의 형태나 체적(혹은 중량)과 무관하지 않을 것이다. 따라서 생장실험의 결과 중 지하부의 체적과 인발강도 간의 상관관계를 비교해 보았다(그림 23).
그림 23. 지하부 체적과 인발강도의 상관관계
- 인발강도를 측정하지 못한 구절초를 제외한 8종의 식물에서, 종별로 제 5차 생장실험에서의 지하부 체적값과 인발강도의 상관관계를 알 아보았다. 그 결과, 두 요인이 오차 범위 이내에서 비례하는 것으로 나타났으며, 직선의 선형 추세선을 그려 보니, 그래프의 기울기는 약 0.28이었다(단위는 지하부 체적: ㎤, 인발강도: kgf 기준).
- 이를 통해 인발강도는 지하부 체적에 의해 상당부분 영향을 받는 것으로 나타났다. 지하부 체적이 큰 편에 속하는 억새, 개맥문동, 벌개미취 등이 인발강도가 크고, 체적이 작은 편에 속하는 둥굴레, 비비추, 섬기린초 등이 인발강도 또한 작았다. 이것은 지하부의 체적 이 증가하면 토양과의 접촉 면적이 늘어남으로써 토양고정 효과가 증대되기 때문으로 보인다.
- 한편, 뿌리 체적과 인발강도의 상관도에서 보이는 오차는 뿌리의 형태 혹은 근경의 여부 등에 기인한 것으로 판단되며 이 부분에 대한 추후 연구가 필요하다.
○ 식물의 종별 생장 특성과 사태방지 효과에 대한 기대
- 매발톱꽃과 무늬둥굴레는 일부 요소에서는 많은 생장을 보였으나 대부분의 요소에서는 4차(8월 하순) 이후 생장이 거의 멈추는 양상을 보인다. 매발톱꽃의 경우 공변세포 수가 많으나 실내 재배한 종들이 시들어 버려서 수분흡수율을 측정하지 못하는 아쉬움이 있었다. 비비 추의 경우에는 생장률은 평균 이상의 수치를 보이고 수분흡수율도 평균치를 나타내었으나 인발강도 결과 2.7kgf 이내의 측정치를 보였 다. 따라서 매발톱꽃, 무늬둥굴레 및 비비추는 사태방지 효과에 대한 기대치가 낮은 종들이다.
- 펜스테몬과 벌개미취는 평균 이상의 생장률을 보이나 전자의 경우 전체중량에 비해 뿌리의 중량이 작은 편이고, 후자의 경우 수분흡수 율이 낮은 아쉬움이 있다. 인발강도 결과는 각각 8.6kgf 과 12.2kgf로 다소 낮게 나타났다. 사태방지를 위해 어느 정도의 효과는 있을 것으 로 판단되나 적극적으로 추천할만한 종에는 못 미친다.
- 섬기린초는 대부분의 생장요소에서 가장 높은 비율로 생장한 종으로 서 우수한 생장력을 보였으나 수분흡수율이 낮게 나타났고 생장률에 비해 인발강도가 평균치의 수치를 보여 좀 더 지속된 연구를 통해 판별을 해야 할 필요가 있다.
- 구절초는 평균 이상의 생장률을 보이고 뿌리가 근경으로 이루어져 있어 높은 토양지지력이 있을 것으로 판단되나 인발강도를 측정하지 못하여 정확한 판단을 내리기가 곤란하다.
- 개맥문동과 억새는 높은 생장률과 함께 뿌리의 체적비율, 수분흡수율 및 인발강도에서 모두 높은 값을 나타내 실험 대상의 식물 종 중 가장 사태방지 효과에 기대가 높은 종들로 추천될 수 있다.
□ 시사점
○ 교육적 효과
- 이번 R&E 활동을 통해서 학생들은 과학 교과에서 학습하게 되는 지표의 변화(풍화 작용과 사태), 식물의 생장 등에 대한 기본적인 내용과 그 내용을 과학적으로 탐구하는 방법들에 대하여 공부할 수 있었고, 문제를 해결하고 자료를 해석하는 과정에서 공학적인 접근방 법을 이해하게 되었다.
- 또한 이러한 것들을 학습하는 과정에서 관찰과 측정에 필요한 다양한 도구(초자기구 및 기본측량도구, 건조기, 프레파라트 제작, 생물현미 경, MBL 및 토양수분센서, 인발강도측정기 등)들을 적절하게 사용하 는 기술들을 습득할 수 있었다.
- 탐구의 과정에 있어서 학생들은 다양한 변인들에 대해 고민하는 과정 에서 과학적인 사고 훈련이 이루어졌으며 전문가의 지도조언을 통해 과학이 실제로 활용되는 과정을 경험할 수 있었다.
○ 학문적 측면
- 식물의 뿌리 형태에 따른 수분 흡수율을 측정하고 사태에 미칠 수 있는 영향을 평가하는 과정에서 기구 및 기구의 활용법, 자료의 객관 화를 확보하며 연구의 결과는 진척된 고급 연구의 기본 자료로 활용 될 수 있을 것이다.
○ 사회적 측면
- 인재교육의 질과 방법에 있어 수준을 향상시킬 수 있으며, 과학/공학/
인문의 통합된 탐구활동의 바람직한 모델의 하나를 개발하고, 수행 과제 결과를 발표함으로 일반대중의 과학에 대한 관심을 증대시킬 수 있는 예시가 될 것이다.
4. 홍보 및 사후 활용
○ 연구결과는 융합과학 교육의 좋은 예가 될 것으로 앞으로 관련된 연구 결과와 유사한 사례에 있어 좋은 선례가 될 것이다.
○ 학생들의 연구 결과는 과학교육학회 혹은 지질공학회에 학술 발표할 예정이 며, 학생들의 활동내용은 별도의 기회에 발표 가능할 것으로 생각된다.
5. 참고문헌
□ 논문검색 사이트
1. 국립중앙과학관(http://www.science.go.kr/link.bs?cd=00156) 2. 서울대학교 과학교육연구소(http://serc.snu.ac.kr)
3. 한국학술정보(http://kiss.kstudy.com) 4. 환경지질연구정보센터(http://ieg.or.kr) □ 선행연구문헌
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2. 조주형, 이종성, 2000, 식물뿌리의 전단강도 보강에 의한 사면안전율 해석-잣나무 뿌리를 중심으로-, 한국조경학회지, 27(5): 80~93.
3. 지병윤, 오재헌, 최병구, 전근우, 차두송, 2004, 수목의 근계구성에 따른 사면의 붕괴방 지효과에 관한 연구(Ⅳ)-잣나무 뿌리의 인장특성-, 한국임학회지, 93(1): 103~107.
4. 지병윤, 정도현, 전권석, 김종윤, 2006, 임도사면 녹화식물뿌리의 인발강도 특성에 관한 연구, 한국임학회지, 95(1): 45~49.
5. 차두송, 황진성, 전근우, 오재헌, 지병윤, 2009, 관목류 뿌리의 비탈면 안정효과 분석, 한국임학회 정기학술연구발표회 요약문.
□ 참고도서
1. 김경원, 김연진, 이경희 저, 리얼!! 프로젝트 학습 : 행복한 가르침과 배움이 있는, 상상채널
2. 노관섭, 박근수, 백용, 이현동, 전우훈, 건설문화를 말하다, 씨아이알 3. 시노하라오사무 저/강영조 역, 토목을 디자인하다, 동녘
4. 사와다노부시게 저/고재운 역, 논리학 콘서트, 바다출판사
5. 안토니메이슨 저/선세갑 역, 세상에 대하여 우리가 더 잘 알아야 할 교양 9: 자연재해 인간과 자연이 공존하는 길은?, 내 인생의 책
6. 이재수 저, 자연재해의 이해(3판), 구미서관 7. 피터톰킨스 저, 식물의 정신세계, 정신세계사
8. 후쿠자와 가즈요시 저/김규한 역, 논리학 실험실, 바다출판사
9. Nikkei Construction 저/백용, 장범수, 박종호, 송평현, 최경집 역, Q&A 흙은 왜 무너지는가?, 씨아이알(CIR)
