Seasonal Variation of CO₂ Exchange During the Barley Growing Season at a Rice-barley Double Cropping Paddy Field in Gimje, Korea

DOI: 10.5532/KJAFM.2014.16.2.137

ⓒ Author(s) 2014. CC Attribution 3.0 License.

김제 벼-보리 이모작 논에서 보리재배 기간의 CO

교환량의 계절적 변화

민성현·심교문*·김용석·황 해·정명표·최인태 국립농업과학원

(2014년 5월 31일 접수; 2014년 6월 24일 수정; 2014년 6월 30일 수락)

Seasonal Variation of CO

Exchange During the

Season at a Rice-barley Double Cropping Paddy Field in Gimje, Korea

Sung-Hyun Min, Kyo-Moon Shim*, Yong-Seok Kim, Hae Hwang, Myung-Pyo Jung and In-Tae Choi

National Academy of Agricultural Science, RDA, Suwon, Korea (Received May 31, 2014; Revised June 24, 2014; Accepted June 30, 2014)

ABSTRACT

Rice-barley double cropping system is typical in southwestern part of South Korea. However, the information of carbon dioxide (CO2) exchange for barley growing season has still limited in comparison with rice. Using the eddy covariance (EC) technique, seasonal variation of CO₂ exchange was analyzed for the barley growing season at a rice-barley double cropping field in Gimje, Korea. The effects of environmental factors and biomass on the CO₂ flux also were investigated. Quality control and gap-filling of flux data were conducted before this analysis and investigation. The results indicated that CO₂ uptake increased rapidly at tillering stage and maximum net ecosystem exchange of CO2 (NEE) occurred at the early of May, 2012 (-11.2g C m⁻² d⁻¹), when the heading of barley occurred. NEE, gross primary production (GPP), and ecosystem respiration (Re) during the barley growing season were -348.0, 663.3, and 315.2 g C m⁻², respectively. In this study, an attempt has been made to measure NEE, GPP, and Re with the help of the EC system for the barley growing season for the first time in Korea, focusing on CO2 exchange between the biosphere and the atmosphere.

Key words: Barley, Ecosystem respiration, Gross primary production, Net ecosystem exchange

I. 서 론

18세기 산업혁명 이후부터 인간 활동에 의한 화석 연료의 사용과 삼림벌채, 농경지 전환 등의 토지 이용 의 변화로, 전 지구적 온실가스 농도는 약 35% 증가 하였다(IPCC, 2007). 이와 같은 대기 중의 온실가스 농도의 증가는 지구표면의 적외복사가 온실가스 분자 에 흡수되고 반사되어 지구표면과 대기를 가온시킬 뿐

아니라, 물순환에도 큰 영향을 주어 세계각국에서 이 상기후 현상이 빈번하게 나타나고 있다(NCDC, 2014). 이산화탄소는 수증기와 더불어 지구온난화에 가 장 큰 영향을 미치는 온실가스로 육상생태계의 지역적 탄소수지에 큰 영향을 주고 있다(Saylan et al., 2011). 따라서, 산림·초지·습지·농경지 같은 다양 한 육상생태계의 식생과 대기간에 교환되는 CO2 플럭 스를 정량화하는 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되

* Corresponding Author : Kyo-Moon Shim ([email protected])

고 있다(Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2008).

최근 한반도의 겨울철 기온상승으로 인하여(Shim et al., 2004), 벼-보리 이모작 재배 가능면적이 증가하는 추세이므로, 벼-보리 작부체계의 논 생태계는 농촌의 육상생태계의 탄소수지에 큰 역할을 할 것으로 기대되 고 있다. 농업생태계의 CO2 플럭스는 환경요인(기온, 지온, 태양복사에너지)과 영농방법(파종시기, 시비량, 관계 등) 및 작물에 따라 달라질 수 있기 때문에 (Dufranne et al., 2011), 농업생태계의 CO2 수지를 평가하거나, 미래의 CO2 수지를 예측하기 위해서는 다양한 형태의 농업생태계에서의 CO2 플럭스를 정량화 할 필요성이 있다.

농업생태계의 CO2 수지의 정량화에 대한 연구들을 살펴보면, 크게 세가지로 구분되는데, 작물체와 토양의 탄소함량을 분석하고, 이로부터 농경지의 CO2 수지를 정량화하는 연구(Arevalo et al., 2011), 일정한 부피 를 가지는 폐쇄형 챔버를 이용하여 일정 시간내 챔버 안의 CO2농도 변화를 측정하여 CO2수지를 정량화 하는 연구(Meijide et al., 2010; Schneider et al., 2012), 고속 반응 CO2 분석기와 초음파 풍속계를 사용한 에 디공분산 기법을 이용하여 농업생태계의 CO2 수지를 정량화하는 연구(Hollinger et al., 2005; Testi et al., 2008; Prescher et al., 2010) 등이 있다.

이들 중에 에디공분산 방식은 기존의 챔버 방식 및 작물의 탄소함량 분석에 비해 관측환경을 손상시키지 않으면서, 넓은 지역에 대한 지표-대기간에 교환되는 물리량의 연직 플럭스를 연속적으로 장기간 관측할 수 있다는 장점이 있어, 널리 이용되고 있다(Baldocchi et al., 2000).

고속반응의 적외선 CO2 분석기가 개발된 이후로, 독일(Anthoni et al., 2004; Schmidt et al., 2012), 중 국(Jun et al., 2006), 벨기에(Moureaux et al., 2008;

Aubinet et al., 2009), 프랑스(Béziat et al., 2009) 등에서는 동계작물 재배기간동안의 계절적 혹은 작부 방식간 CO2 플럭스의 변화량을 측정하였다. 하지만 대부분의 연구들이 밀에 한정되어 있을 뿐만 아니라, 연구 대상지역이 유럽에 집중되어 있다. 반면, 아시아 에서는 Takimoto et al.(2010)이 유일하게 가을보리를 재배하는 논 생태계를 대상으로 CO2플럭스의 계절적 및 연간 변화량에 대한 연구결과를 발표하였다.

따라서, 본 연구에서는 전라북도 김제시 부량면 신 용리의 벼-보리 이모작 작부체계의 논생태계에서 장기

적으로 관측되고 있는 CO2 플럭스와 환경요인 및 작 물의 생육량 데이터를 바탕으로, 가을보리 재배기간의 CO₂플럭스의 계절적 변화를 파악하여, 향후 벼-보리 재배 이모작 논 생태계의 CO2 수지 평가의 기초자료 로 활용하고자 하였다.

II. 재료 및 방법

2.1. 연구지역 및 영농활동

연구지역(35^o44'N, 126^o51'E, 21m)은 전라북도 김 제시 부량면 신용리 일대의 논 생태계로, 벼-보리 이 모작 작부체계가 적용되고 있다. 관측장소의 취주거리 (fetch)는 150~300m 범위이며, 관측장소에서 남서쪽 방향으로 400m 떨어진 곳에 소규모 농촌 마을이 위 치해 있고, 서쪽방향으로 350m 떨어진 곳에 교통량이 다소 적은 지방도로가 위치해 있다. 토양통은 물빠짐 이 좋은 미사질양토의 전북통으로, 표토의 유기물 함 량은 32.3g C kg⁻¹이고, pH(water)는 5.6이며, 탄소 와 질소함량은 각각 18.6g C kg⁻¹와 1.9g N kg⁻¹이 다(Min et al., 2013).

주 작물인 벼를 수확한 후(2011년 10월 27일), 보 리재배를 위한 논갈이(10월 27일)를 진행했으며, 비료 는 밑거름으로 맞춤16호(남해화학)를 헥타르당 500kg (질소기준 110kg ha⁻¹)를 시비했고(10월 27일), 추비로 요소를 헥타르당 200kg(질소기준 100kg ha⁻¹)를 시비 했다(2012년 3월 16일). 보리 품종은 겉보리인 영양 보리이고, 휴립광산파방식으로 파종하였다. 출수기는 2012년 5월 4일로 조사되었고, 보리 수확날짜는 2012 년 6월 8일이었다(Table 1).

2.2. 보리 생육조사 및 생육단계 구분

보리 생육조사는 플럭스 관측시스템의 서쪽방향에 위치한 농가포장에서 일정규모(20×100cm)의 조사장소 를 선정하여 약 2주 간격으로 3반복으로 수행하였다.

Table 1. Field management of the study site

Event Date

Sowing 27 Oct. 2011

Basal fertilization 27 Oct. 2011 Supplemental fertilization 16 Mar. 2012

Heading 4 May 2012

Harvest 8 Jun. 2012

보리 생육조사 장소에서 현장조사로 파악된 보리 생육 량(초장, 분얼수)과 유사한 작물체 5주를 채취하여, 실 험실에서 생체중 및 건물중을 지상부(엽초, 엽신, 이삭) 와 지하부(뿌리)로 나누어 부위별로 세부적으로 조사하 였다. 또한 보리재배 논 생태계의 CO2교환량은 작물 의 생육에 따라 영향을 받기 때문에 플럭스 관측 타 워의 3m 높이에 디지털카메라를 서쪽방향으로 설치하 고, 1시간 간격으로 보리의 생육상황과 농가포장의 영 농활동을 감시하였다. 생육 및 사진자료를 활용하여 보리의 생육단계를 파악하였고, 이를 토대로 보리 재 배기간을 출현(Emergence), 유묘(Seedling), 월동 (Winter-rest), 분얼(Tillering), 성숙(Ripening) 등 5단 계로 구분하여 보리재배 논 생태계의 플럭스 분석에 활용하였다(Table 2).

2.3. 물리량(CO2등) 플럭스 측정 및 보정

대기 중의 CO2와 H2O는 개방형 CO2/H₂O 적외선 가스분석기(LI-7500, LI-COR Biosciences Inc., USA) 로, 대기 중의 풍속과 온도는 3차원 초음파 풍속계 (CSAT3, Campbell Scientific Inc., USA)로 초당 10 회(10Hz)씩 측정하였고, 이들 데이터(풍속, 바람에 수 송된 대기 중의 CO2 농도·H2O 농도·온도)의 30분 평균에 대한 편차를 공분산하여 30분 평균 물리량 플 럭스를 계산하였다.

물리량 플럭스의 원본자료(10Hz)와 30분 평균자료 는 자료집록기(CR5000, Campbell Scientific Inc., USA)에 저장되고, CDMA 통신 모뎀을 이용하여 30 분 평균자료를 실시간으로 수집했다. 또한 2주 간격으 로 현장에서 메모리 카드를 교체하는 방식으로 10Hz 플럭스 원본자료를 수집했다.

미기상학적 에디공분산법으로 측정 및 계산된 30분 평균 플럭스자료는 Koflux의 표준화 프로그램에 따라

보정 과정을 수행하였다. Lee et al.(2004)와 Wilczak et al.(2001)이 제시한 평면 맞추기 회전(PFR; planar fit rotaion)과 Webb et al.(1980)과 Kaimal and Finnigan (1994)이 제시한 밀도변동 보정을 수행하였으며, 불확 실성을 감소시키기 위해서 FLUXNET의 표준 방법인 연속된 3개의 관측 값의 차이를 이용한 튀는 자료 찾 기 방법을 이용하였다. 에디공분산의 경우 플럭스를 관측할만한 난류가 존재해야 하는데, 야간의 CO2 플 러스는 이런 조건을 만족시키지 못하는 경우가 많으므 로, 야간 CO2 플럭스에 대한 마찰속도(µ^*)의 임계점 또한 계산하였다. 결측 보충(gap-filling) 과정으로는 FLUXNET의 표준화 방법인 수정된 색인 목록 방법 을 이용하였다(Reichstein et al., 2005).

2.4. 환경인자 측정

태양에너지 측정 센서(CNR1, Kipp&Zone B.V., The Netherlands)를 설치하여, 태양복사와 지구복사의 입사량과 반사량을 측정하고, 자료집록기의 내부연산에 의해서 순복사와 알베도를 산출하였다. 지중열류량 센 서(HFP1, Campbell scientific, Inc., USA)는 관측타워 의 서쪽과 동쪽에 각각 하나씩 총 2개를 지중 10cm 깊이에 설치하여 지표면과 땅속의 열 이동량을 측정하 였다. 온·습도 센서(HMP45C, Campbell scientific, Inc., USA)는 관측타워의 1m와 2m 높이에 각각 설치 하여, 높이에 따른 벼 군락 상단의 온도와 습도의 변화 를 관측하였다. 또한 토양수분(CS616, Campbell scientific, Inc., USA)과 토양온도(TCAV, Campbell scientific, Inc., USA)는 지중열류량과 동일하게 관측타 워의 동쪽과 서쪽의 지중 10cm 깊이에 하나씩 총 2개 를 설치하여 토양수분과 토양온도의 변화를 관측하였다.

이들 환경인자들은 5초 간격으로 측정되고, 자료집록기 에는 30분 평균자료가 저장되며, CDMA 통신 모뎀을 통해서 실시간으로 수집하였다. 그리고, 2주 간격으로 현장 방문시 수동으로도 수집하였다.

2.5. CO2 플럭스(NEE, GPP, Re)의 분배

보리재배 논 생태계와 대기 사이의 CO2의 순생태계 교환량(net ecosystem exchange, NEE)은 작물(보리) 의 광합성 동화작용에 의한 CO2흡수량(gross primary production, GPP)과 작물 및 토양의 호흡에 의한 CO2

방출량(ecosystem respiration, Re)의 차이로 나타낼 Table 2. Classification of growth stage of barley in 2011-

2012

Stage Period

Emergence (I) 27 Oct. ~ 5 Nov. 2011 Seedling (II) 6 Nov. ~ 5 Dec. 2011 Winter-rest (III) 6 Dec. 2011 ~ 29 Feb. 2012 Tillering (IV) 1 Mar. ~ 3 May 2012 Ripening (V) 4 May ~ 8 Jun. 2012

수 있다(식 1).

F_NEE = F_Re − FGPP (1)

Re는 작물 및 토양의 주간호흡과 야간호흡의 합으 로 나타낼 수 있으며, 야간호흡의 계산식은 (식 2)와 같다.

F_Re(N) = Aexp (BT) (2)

여기서, A와 B는 회귀분석에 의해 결정된 경험상수이 며, B는 온도계수(Q10)로 In(Q10)/10으로 나타낸다. A 는 야간지온이 0^oC일 때의 호흡량, T는 야간지온을 각각 의미한다.

주간의 지온에 대한 생태학적 호흡량의 관계는 야간 호흡과 같다는 전제하에, 야간호흡의 계산식에 주간의 지온을 대입하여 주간호흡량을 계산하였다(Saito et al., 2005).

2.6. CO2 플럭스의 불확실성 분석

지구표면의 에너지 수지는 순복사 에너지와 지중열 류량의 차이로 나타낼 수 있고, 난류의 에너지 플럭스 인 잠열과 현열의 합으로도 나타낼 수 있다(Wolf et al., 2011). 따라서, 보리 재배기간동안에 관측된 순복 사 에너지와 지중열류량의 차이는 에디공분산 방식으 로 측정된 잠열과 현열의 합과 같아야 하고, 이를 Energy balance closure (EBC)로 나타낼 수 있고(식 3), EBC는 장기간 동안 관측된 에디공분산 자료를 검 증하는데 이용될 수 있다(Aubinet et al., 2000).

(3)

여기서, QH 및 QE는 에디공분산방식으로 측정된 현열 과 잠열이고, Rn은 관측된 순복사 에너지를 나타내며, Q_G는 지중열류량을 의미한다.

CO₂플럭스 자료를 검증하는 다른 방법으로는 작물 의 탄소함량과 에디공분산 방식으로 측정된 CO2 플럭 스를 비교 분석하는 방법이 있다(Rocha et al., 2009).

에디공분산 방식으로 측정된 NEE는 식물의 광합성 동화작용으로 축척된 순일차생산력(net primary production, NPP)과 미생물의 호흡에 의한 CO2 배출 량(heterotrophic respiration, Rh)의 차이로 나타낼 수 있다. 본 연구에서는 2주 간격으로 조사된 보리의 지 상부 및 지하부 건물중의 탄소함량을 조사하고, 동 기

간의 누적된 NEE와 비교·분석하여 CO2 플럭스의 불 확실성을 분석하였다.

III. 결과 및 고찰

3.1. 보리의 생육변화

보리의 생육변화는 (Fig. 1)과 같다. 보리의 분얼수는 유묘단계(II)의 후반에는 단위면적(m²)당 655.1개(±

50.5)였으나, 분얼단계(IV)의 초반에는 1,047(±22.7)개 로 가장 많았고, 그 이후 감소하여 수확시기에는 615.1 (±37.5)개로 조사되었다. 보리의 초장은 분얼단계의 후 반에는 84.9cm까지 크게 증가한 후, 성숙단계에서는 조금 감소하는 특징을 나타냈다. 보리의 지상부 건물중 은 분얼단계의 중반까지 서서히 증가하다가, 분얼단계 의 중반부터 후반까지는 급속히 증가하는 것으로 조사되 었고, 지하부 건물중(뿌리)도 분얼단계의 중반까지는 서 서히 증가하다가 분얼단계의 중반부터 크게 증가한 후, 성숙단계에는 조금씩 감소하는 것으로 조사되었다.

3.2. 재배기간의 환경조건

보리 재배기간의 평균기온은 6.8^oC이었고, 평균지온 은 8.7^oC이었다. 동 기간의 평균 하향단파 에너지는 13.8MJm⁻² d⁻¹이고, 평균 순복사 에너지는 6.3MJ m⁻² d⁻¹로 조사되었다. 생육단계별로는 성숙단계(V)에서 하 향단파와 순복사에너지가 가장 높게 조사되었다. 보리

EBC Q_H+Q_E R_n–Q_G ---

=

Fig. 1. Seasonal changes of biomass of barley during the barley growing season, showing (a) number of tillers and height, (b) carbon content of biomass. The dashed vertical lines show the different growth stages of the barley.

재배기간의 누적 강수량은 310mm이었고, 강수일수는 75일이었는데, 분얼단계에서 강수량이 가장 많았다. 지 중 10cm 깊이의 토양수분 함량은 강수량의 여부에 따라 크게 변화하였는데, 평균 토양수분은 31%로 관

측되었다(Fig. 2, Table 3).

3.3. CO2 플럭스 자료 처리

야간에 약한 난류 조건에서 과소 평가된 CO2 플럭 스를 보정하기 위해 논 생태계에서의 CO2플럭스와 수직적 풍속의 임계점을 0.06ms⁻¹로 설정하였고(Fig.

3), 임계점 이하의 야간 CO2 플럭스는 제거하였다. 그 결과, 결측을 제외한 총 관측된 CO2플럭스 자료중에 서 약 42%의 데이터가 제거된 것으로 조사되었다. 제 거된 CO2플럭스 자료는 주로 강설과 저온이 지속된 11월 하순과 12월 및 1월 상순에 관측되었고, 강우가 집중된 4월 상순에는 적외선 가스분석기의 측정오류의 결과로 조사되었다(Fig. 4).

3.4. 보리재배 논 생태계의 CO2 플럭스의 계절적 변화

보리재배기간 동안의 CO2의 순생태계 교환량(NEE) Fig. 2. Seasonal changes of meteorological factors (air

temperature, etc.) at a Gimje paddy flux site during the barley growing season. The dashed vertical lines show the different growth stages of the barley.

Table 3. Averaged or accumulated meteorological factors for five stages during the barley growing season

Stage Ta

(^oC)

Ts (^oC)

Ri (MJ m⁻² d⁻¹)

Rn (MJ m⁻² d⁻¹)

SWC (%)

VPD (kPa)

Prec.

(mm)

Emergence (I) 14.6 15.1 11.5 4.7 31.9 0.4 21.5

Seedling (II) 9.6 11.9 8.1 2.9 25.3 0.2 70.9

Winter rest (III) -1.3 2.1 9.9 2.6 24.3 0.1 46.7

Tillering (IV) 9.2 10.2 17.2 9.2 31.5 0.4 141.1

Ripening (V) 18.9 18.7 21.3 12.5 22.9 0.7 30.1

Total period 6.8 8.7 13.8 6.3 31.0 0.3 310.7

Note: Air temperature(Ta), Soil temperature at 10cm depth(Ts), Incoming radiation(Ri), Net radiation (Rn), Soil water content (SWC), Vapour pressure deficit (VPD), Precipitation (Prec.)

Fig. 3. Determination of the threshold friction velocity (u*) during the barley growing season. The dashed line represents the threshold below which the flux is lower. The u^* threshold for the site is 0.06 m s⁻¹.

은 단위면적당(m²) +2.6 ~ -11.9g C m⁻²d⁻¹ 범위로 측정되었다(Fig. 5). NEE를 보리 생육단계별로 구분하 여 분석하면, 분얼단계(IV, -4.0g C m⁻² d⁻¹)에서 가 장 많은 CO2가 흡수되었고, 다음으로 성숙단계(V,

-1.5), 월동단계(V, -0.5) 순으로 CO2의 흡수가 많은 반면에, 출현단계(I, +1.6)와 유묘단계(II, +0.2)에서는 CO₂가 방출되는 것으로 분석되었다. 총일차생산력 (GPP)은 보리의 광합성이 왕성한 분얼단계(IV, 5.5g C m⁻² d⁻¹)에서 가장 높았고, 다음으로 성숙단계(V, 5.5), 월동단계(III, 1.1), 유묘단계(II, 1.0) 순으로 높 았으며, 출현단계(I, 0.2)가 가장 낮은 것으로 평가되 었다. 반면에, 생태계 호흡량(Re)은 성숙단계(V, 3.9g C m⁻² d⁻¹)에서 작물과 토양의 호흡에 의해서 가장 많은 CO2를 대기중으로 방출되는 것으로 평가되었다 (Table 4).

Takimoto et al.(2010)은 벼-보리 이모작 작부체계 의 보리재배 논생태계의 CO2 교환에 대한 연구에서 NEE는 PAR (photosynthetically active radiation)이 가장 높은 5월 상순에 최대값(-8.5g C m⁻² d⁻¹)을 나타냈으며, 보리 재배기간동안의 누적NEE와 GPP Fig. 4. 30-minute measured and gapfilled NEE at a Gimje

paddy flux site during the barley growing season. The full- filled circle represents measured NEE and the blanked circle represents gapfilled NEE.

Fig. 5. Seasonal variations of daily gross primary production (GPP), ecosystem respiraion (Re), and net ecosystem exchange (NEE) during the barley growing season. The dashed vertical lines show the different growth stages of the barley.

Table 4. CO₂ flux for five stages during the barley growing season

Stage NEE GPP Re

(g C m⁻² d⁻¹) (g C m⁻²) (g C m⁻² d⁻¹) (g C m⁻²) (g C m⁻² d⁻¹) (g C m⁻²) Emergence(I) 1.6± 0.2 16.5 0.2± 0.2 -1.9 1.5± 0.0 14.6 Seedling(II) 0.2± 0.2 4.8 1.1± 0.1 32.2 1.2± 0.0 37.0 Winter rest(III) -0.5± 0.1 -42.8 1.0± 0.1 87.1 0.5± 0.1 44.3 Tillering(IV) -4.0± 0.4 -282.6 5.5± 0.5 387.6 1.5± 0.1 105.0 Ripening(V) -1.5± 0.6 -43.9 5.5± 0.6 158.3 3.9± 0.1 114.3 Total period -1.5± 0.2 -348.0 2.9± 0.2 663.3 1.4± 0.1 315.3 Note: Net ecosystem exchange (NEE), Gross primary production (GPP), Ecosystem respiration (Re)

Fig. 6. Cumulative curves of gross primary production (GPP), ecosystem respiration (Re), and net ecosystem exchange (NEE) during the barley growing season. The dashed vertical lines show the different growth stages of the barley.

및 Re는 각각 -255, 538, 283g C m⁻²로 추정된다 고 보고하였다. 본 연구에서도 출수기인 5월 상순에 가장 높은 NEE (-11.2g C m⁻² d⁻¹)가 관측되었고, 보리 재배기간중의 적산 NEE와 GPP 및 Re는 각각 -348, 663, 315g C m⁻²로 추정되어(Fig. 6), Takimoto et al.(2010)의 연구결과와 유사하게 나타났을 뿐만 아니라, 보리재배 논 생태계의 생육단계별 CO2 플 럭스의 변화 패턴 또한 아주 유사한 것으로 평가되 었다.

보리재배 논 생태계의 생육단계별 CO2플럭스의 시 간적 변화는 (Fig. 7)과 같다. 보리재배 논 생태계는 야간에는 CO2의 발원으로, 주간에는 CO2의 흡원으로 작용하였다. 시간별로는 오전 7~8시 범위에서 발원에 서 흡원으로 바뀌고, 그 후 CO2의 흡원이 점차 증가 하다가, 11~13시 범위에서 CO2의 흡원이 최고가 된 후, 16~18시 범위에서 다시 논 생태계가 CO2의 흡원 에서 발원으로 전환되는 것으로 조사되었다.

3.5. CO2플럭스의 검증

본 연구사이트인 보리재배 논 생태계의 EBC (Energy balance closure)는 0.64로, 에디공분산으로 관측된 에너지 플럭스(현열과 잠열의 합)는 동시간대 에 관측된 에너지(순복사에너지와 지중열류량의 차)보 다 36% 낮게 평가되었다(Fig. 8). 에디공분산 방식 으로 측정된 에너지 플럭스는 동시간대에 관측된 에 너지보다 10~30% 낮게 평가된다는 기존의 연구결과 (Baldocchi, 2003)보다 더 낮은 것으로 분석되었다.

따라서 본 연구에서 측정한 물질 플럭스가 보리재배 논 생태계의 특성을 충분히 반영했다고 보기는 다소 어려우며, 물질 플럭스 측정 및 자료처리 과정에서 추가적인 보완이 필요한 것으로 판단되었다.

보리 재배기간동안 관측된 보리의 순일차생산량 (NPP)은 동기간의 누적된 NEE와 유의성이 높은 선형 관계(r²=0.98, n=9, p<0.001)를 나타냈다(Fig. 9). 보 리재배 논 생태계에서 NPP는 논 생태계의 NEE와 토양의 타가호흡량(Rh; heterotrophic respiration)의 합으로 나타낼 수 있는데, 본 연구에서는 수확시기의 보리의 NPP는 536.4g C m⁻²로 조사되었고, 동일시 기에 적산된 NEE는 348.0g C m⁻²로 분석되어Rh는 188.4g C m⁻²로 추정되었다.

Fig. 7. Diurnal variations of net ecosystem exchange (NEE) by growth stages during the barley growing season. Bars represent standard errors of the means.

Fig. 8. Regression relationship between half hourly Energy flux (latent heat flux, sensible heat flux) and energy (net radiation, soil heat flux) during the barley growing season.

The dashed line shows the 1:1 line.

Fig. 9. Linear relationships between the cumulated net ecosystem exchange (NEE) of CO₂ and total biomass of barley. The dashed line shows the 1:1 line.

적 요

전라북도 김제시 부량면 신용리의 벼-보리 이모작 논에 설치된 플럭스 관측시스템에서 보리 재배기간동 안(2011년 10월 27일~2012년 6월 8일) 연속적으로 관측된 플럭스 자료를 활용하여, 보래재배 논 생태계 와 대기간의 CO2교환량의 계절적 변화를 분석하였다.

CO₂ 및 에너지의 교환량은 미기상학적인 에디공분산법 으로 추정하였고, 환경인자(순복사, 강수량 등)와 작물 체 생육량(엽면적지수, 초장 등)도 함께 측정·조사하 였다. 관측된 플럭스 자료는 보정과 결측보충의 과정 을 거친 후 분석에 활용되었다. 결론적으로, 벼-보리 이모작 논생태계에서 보리 재배기간동안의 보리생육은 CO₂의 순생태계교환량(NEE)에 큰 영향을 주는 것으 로 분석되었다. 보리 건물중이 급격하게 증가되는 분 얼단계에서 가장 많은 CO2가 흡수되었으며, 출수개화 기가 관측된 5월 상순에 가장 높은 NEE (-11.2g C m⁻² d⁻¹)가 관측되었다. 보리 재배기간중의 누적 순생 태계 교환량(NEE)과 총일차생산량(GPP) 및 생태적 호흡량(Re)은 각각 단위면적(m²)당 -348.0, 663.3, 315.2g C m⁻²로 분석되었다. 본 논문은 국내에서 보 리 재배기간의 CO2 플럭스를 에디공분산기법으로 정 량화한 최초의 연구결과이며, 향후 벼-보리 이모작 논 생태계의 CO2 수지 평가의 기초자료로 활용될 것으로 기대한다.

감사의 글

본 연구는 농촌진흥청 국립농업과학원 농업과학기술 연구개발사업(과제번호: PJ90722802)의 지원에 의해 이루어진 것임.

REFERENCES

Anthoni, P. M., A. Freibauer, O. Kolle, and E. D. Schulze, 2004: Winter wheat carbon exchange in Thuringia, Germany.

Agricultural and Forest Meteorology 121(1-2), 55-67.

Arevalo, C. B. M., J. S. Bhatti, S. X. Chang, and D. Sidders, 2011: Land use change effects on ecosystem carbon balance: From agricultural to hybrid poplar plantation, Agriculture, Ecosystems and Environment 141(3-4), 342- 349.

Aubinet M, A. Grelle, A. Ibrom, U. Rannik, J. Moncrieff, T. Foken, A. S. Kowalski, P. H. Martin, P. Berbigier, C.

Bernhofer, R. Clement, J. Elbers, A. Granier, T. Grunwald, K.

Morgenstern, K. Pilegaard, C. Rebmann, W. Snijders, R.

Valentini, and T. Vesala, 2000: Estimates of the annual net carbon and water exchange of forests: the EUROFLUX Methodology. Advances in Ecological Research 30, 113- 175.

Aubinet, M., C. Moureaux, B. Bodson, D. Dufranne, B.

Heinesch, M. Suleau, F. Vancutsem, and A. Vilret, 2009:

Carbon sequestration by a crop over a 4-year sugar beet/

winter wheat/seed potato/winter wheat rotation cycle.

Agricultural and Forest Meteorology 149(3-4), 407-418.

Baldocchi, D., J. Finnigan, K. Wilson, K. T. PawU, and E.

Falge, 2000: On measuring net ecosystem carbon exchange over tall vegetation on complex terrain, Boundary-Layer Meteorology 96, 257-291.

Baldocchi, D., E. Falge, L. Gu, R. Olson, D. Hollinger, S.

Running, P. Anthoni, Ch. Bernhofer, K. Davis, R. Evans, J. Fuentes, A. Goldstein, G. Katul, B. Law, X. Lee, Y.

Malhi, T. Meyers, W. Munger, W. Oechel, U. K. T. Paw, K. Pilegaard, H. P. Schmid, R. Valantini, S. Verma, T.

Vesala, K. Wilson, and S. Wofsy, 2001: FLUXNET: A new tool to study the temporal and spatial variability of ecosystem-scale carbon dioxide, water vapor, and energy flux densities. Bulletin of the American Meteorological Society 82(11), 2415-2434.

Baldocchi, D., 2003: Assessing the eddy covariance technique for evaluating carbon dioxide exchange rates of ecosystems:

past, present, and future. Global Change Biology 9, 479- 492.

Baldocchi. D., 2008: Breathing of the terrestrial biosphere:

Lessons learned from a global network of carbon dioxide flux measurement systems. Australian Journal of Botany 56(1), 1-26.

Béziat, P., E. Ceschia, and G. Dedieu, 2009: Carbon balance of a three crop succession over two cropland sites in South West France. Agricultural and Forest Meteorology 149(10), 1628-1645.

Dufranne, D., C. Moureaux, F. Vancutsem, B. Bodson, and M. Aubinet, 2011: Comparison of carbon fluxes, growth and productivity of a winter wheat crop in three contrasting growing seasons. Agriculture, Ecosystems and Environment 141(1-2), 133-142.

Hollinger, S. E., C. J. Bernacchi, and T. P. Meyers, 2005:

Carbon budget of mature no-till ecosystem in North Central Region of the United States. Agricultural and Forest Meteorology 130(1-2), 59-69.

IPCC, 2007: Climate change 2007: the physical science basis, contribution of working groupI to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change.

Cambridge University Press, NY, USA, 996pp.

Jun, L., Y. Qiang, S. Xiaomin, T. Xiaojuan, R., Chuanyou, W. Jing, L. Enmin, Z. Zhilin, and Y. Guirui, 2006: Carbon dioxide exchange and the mechanism of environmental control in a farmland ecosystem in North China Plain.

Science China Earth Sciences, 49(2), 226-240.

Kaimal, J. C., and J. J. Finnigan, 1994: Atmospheric Boundary Layer Flows: Their structure and Measurement. Oxford University Press, NY, USA, 289pp.

Lee, X., W. Massman, and B. Law, 2004: Handbook of Micrometeorology. Kluwer Academic Publishers, Dordrech, The Netherlands, 250pp.

Meijide, A., L. M. Cárdenas, L. Sánchez-Martín, and A.

Vallejo, 2010: Carbon dioxide and methane fluxes from a barley field amended with organic fertilizers under Mediterranean climatic conditions, Plant and Soil 328(1- 2), 353-367.

Min, S. H., K. M. Shim, Y. S. Kim, M. P. Jung, S. C. Kim, and K. H. So, 2013: Seasonal Variation of Carbon Dioxide and Energy Fluxes During the Rice Cropping Season at Rice-barley Double Cropping Paddy Field of Gimje. Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology 15(4), 273-281.

Moureaux, C., A. Debacq, J. Hoyaux, M. Suleau, D. Tourneur, F. Vancutsem, B. Bodson, and M. Aubinet, 2008: Carbon balance assessment of a Belgian winter wheat crop (Triticum aestivum L.). Global Change Biology 14(3), 1353-1366.

National Climatic Data Center (NCDC), 2014: http://www.

ncdc.noaa.gov/oa/reports/weather-events.html. (accessed in March 2013)

Prescher, A. K., T. Grünwald, and C. Bernhofer, 2010: Land use regulates carbon budgets in eastern Germany: From NEE to NBP, Agricultural and Forest Meteorology 150(7-8), 1016-1025.

Reichstein, M., E. Falge, D. Baldocchi, D. Papale, M.

Aubinet, P. Berbigier, C. Bernhofer, N. Buchmann, T.

Gilmanov, A. Granier, T. Grunwald, K. Havrankova, H.

Ilvesniemi, D. Janous, A. Knohl, T. Laurila, A. Lohila, D. Loustau, G. Matteucci, T. Meyers, F. Miglietta, J. M.

Ourcival, J. Pumpanen, S. Rambal, E. Rotenberg, M.

Sanz, J. Tenhunen, G. Seufert, F. Vaccari, T. Vesala, D.

Yakir, and R. Valentini, 2005: On the separation of net ecosystem exchange into assimilation and ecosystem respiration review and improved algorithm. Global Change Biology 11(9), 1424-1439.

Rocha, A. V., and M. L. Goulden, 2009: Why is marsh productivity so high? New insights from eddy covariance and biomass measurements in a Typha marsh. Agricultural

and Forest Meteorology 149(1), 159-168.

Saito, M., A. Miyata, H. Nagai, and T. Yamada, 2005:

Seasonal variation of carbon dioxide exchange in rice paddy field in Japan. Agricutural and Forest Meterology, 135(1-4), 93-109.

Saylan, L., R. Kimura, E. Munkhtsetseg, and M. Kamichika, 2011: Seasonal variation of caron dioxide fluxes over irrigated soybean (Glycine max L.), Theoretical and Applied Climatology, 105(1-2), 277-286.

Schmidt, M., T. G. Reinchenau, P. Fiener, and K. Schneider, 2012: The carbon budget of a winter wheat field: An eddy covariance analysis of seasonal and inter-annual variability. Agricultural and Forest Meteorology 165, 114-126.

Schneider, J., L. Kutzbach, and M. Wilmking, 2012: Carbon dioxide exchange fluxes of a boreal peatland over a complete growing season, Komi Republic, NW Russia.

Biogeochemistry 111, 485-513.

Shim, K. M., J. T. Lee, Y. S. Lee, and G. Y. Kim, 2004:

Reclassification of Winter Barley Cultivation Zones in Korea Based on Recent Evidences in Climate Change.

Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology 6(4), 218-234.

Takimoto, T., T. Iwata, S. Yamamoto, and T. Miura, 2010:

Characteristics of CO₂ and CH₄ flux at barley-rice double cropping field in southern part of Okayama. Japanese Journal of Agricultural and Forest Meteorology 66(3), 181-191.

Testi, L., O. Francisco, and F. Villalobos, 2008: Carbon exchange and water use efficiency of a growing, irrigated olive orchard. Environmental and Experimental Botany 63(1-3), 168-177.

Webb. E. K., G. I. Pearman, and R. Leuning, 1980: Correction of flux measurements for density effects due to heat and water vapor transfer. Quarterly Journal of the Royal Meteorology society 106(447), 85-100.

Wilczak, J. M., S. T. Oncley, and S. T. Stage, 2001: Sonic anemometer tilts correction algotithms. Boundary-Layer Meteorology 99(1), 127-150.

Wolf, S., W. Eugster, C. Potvin, and N. Buchmann, 2011:

Strong seasonal variations in net ecosystem CO₂ exchange of a tropical pasture and afforestration in Panama.

Agricultural and Forest Meteorology 151(8), 1139-1151.