미국농업연구청(ARS)의 SPAR System을 활용한 기후변화 연구동향

상완규,김준환,신평,조현숙,서명철,이건휘 한국국제농업개발학회 2017 韓國國際農業開發學會誌 Vol.29 No.4

Climate change may result in increases in air temperature and shifts in precipitationpatterns as the result of increases in atmospheric CO2. Outdoor, naturally sunlit, plant growthchambers referred to as SPAR (Soil Plant Atmosphere Research) chambers are one of the importantresearch facilities under controlled conditions. SPAR provide precise control of the major environmentalvariables influencing crop growth including temperature, humidity and atmosphericCO2 concentration. Especially the SPAR system is considered as the most realistic approach forstudying crop canopy gas exchange including photosynthesis, respiration, transpiration. Indeed,many reports have confirmed that gas exchange values in SPAR is highly associated with dry matterand yield. So SPAR data can be used to develop quantitative relationships and functions, whichare then tested against field data. In ARS, the SPAR system is widely used for research on:(1)Response and adaptation of crops and weeds to elevated CO2 and global warming, (2)Developinganalytical and management strategies to improve crop utilization and to reduce losses due to theenvironment, (3)Mechanistic process-level crop simulation models for assessment of agriculturalsystems. 1. SPAR는 옥외환경조절 챔버의 하나로써 실제 포장조건(토양상, 자연광)과 유사한 조건에서 온도, CO2, 양수분 등에 대한 작물의 반응시험이 가능한 첨단 시설이다. SPAR의 주요기능은 전 생육기간에 걸쳐 군락수준의 광합성 및 증발산량 측정이 가능하다는 점이며 SPAR의 광합성 데이터는 군락의 실제 건물중 변동과 매우 유의한 상관관계를 가진다. 2. 현재 미국농업연구청(ARS)에서 SPAR는 기후변화(고온, 고CO2)조건에서 작물과 잡초의 생육 영향 평가, 기후변화 피해 경감을 위한 재배관리법 분석 및 개발, 실제 미래기후에 적용 가능한 작물생육모형 개발 등을 위한 매우 유용한 장비로 활용되고 있다. 3. 현재 우리나라에서도 농촌진흥청에 설치한 SPAR system을 이용하여 여러 작물들에 대해 온도 및 CO2 농도에 대한 반응시험을 수행하고 있으며 이를 통해 정확도 높은 작물모형개발 및 환경 영향평가 등 보다 심도 깊은 기후변화 연구를 수행할 수 있을 것이다.

미농업연구청(ARS)의 SPAR를 활용한 작물생육 정보 분석 및 연구동향

상완규,서명철,조현숙,김준환,신평,이건휘 한국작물학회 2017 한국작물학회 학술발표대회 논문집 Vol.2017 No.-

기후변화에 따른 쌀 품질 및 동화특성 변화

상완규,서명철,조현숙,김준환,신평,이건휘 한국작물학회 2017 한국작물학회 학술발표대회 논문집 Vol.2017 No.-

A Study on Grain Yield Response and Limitations of CERES-Barley Model According to Soil Types

상완규,김준환,신평,조현숙,서명철,이건휘 한국토양비료학회 2017 한국토양비료학회지 Vol.50 No.6

Crop simulation models are valuable tools for estimating crop yield, environmental factors and managementpractices. The objective of this study was to evaluate the effect of soil types on barley productivity usingCERES (Crop Environment REsource Synthesis)-barley, cropping system model. So the behavior of themodel under various soil types and climatic conditions was evaluated. The results of the sensitivity analysis intemperature, CO2, and precipitation showed that soil types had a direct impact on the simulated yield ofCERES-barley model. We found that barley yield in clay soils would be more sensitive to precipitation andCO2 in comparison with temperature. And the model showed limited accuracy in simulating water andnitrogen stress index for soil types. In general, the barley grown on clay soils were less sensitive to water stressthan those grown on sandy soils. Especially it was found that the CERES model underestimated the effect ofwater stress in high precipitation which led to overprediction of crop yield in clay soils. In order to solve theseproblems and successfully forecast grain yield, further studies on the modification of the water stress responseof crops should be considered prior to use of the CERES-barley model for yield forecasting.

RCP 8.5 기후변화 조건에서 콩의 군락 광합성 및 수량 반응 평가

상완규,백재경,권동원,조정일 한국농림기상학회 2022 한국농림기상학회지 Vol.24 No.4

기후변화에 따른 대기 온도 및 이산화탄소 농도의 상승은 농업 생산성에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. RCP 8.5 시나리오에 따른 21세기말(2071∼2100) 기후조건에서는 전 생육기간에 걸쳐 군락광합성이 크게 증가하였으나 이러한 효과가 종실 수량 증가로는 이어지지 않았다. 특히 높은 광합성능으로 인한 바이오매스의 증가는 분지 수 확보에 긍정적으로 작용하여 협수와 립수는 큰 변동이 없었던 반면 립중은 단독 고온 조건과 유사하게 현저히 감소하였다. 이는 등숙기간 중 고온에 의한 동화산물의 축적 및 전류 불량이 주요 요인으로 판단된다. 이러한 결과는 미래 기후 환경에서 종실 수량 감소가 협수와 립수 보다는 립중의 감소에 의한 것임을 의미한다. 이와 같은 결과들은 우리나라 남부지역에서 기후변화에 따른 콩 생육의 불확실성을 해소하고 피해 대책을 마련하기 위한 기초자료로써 유용하게 활용될 것으로 기대된다. Changes in air temperature, CO2 concentration and precipitation due to climate change are expected to have a significant impact on soybean productivity. This study was conducted to evaluate the climate change impact on growth and development of determinate soybean cultivar in the southern parts of Korea. The high temperature during vegetative period, which does not accompany the increase of CO2 concentration, increased the canopy photosynthetic rate in soybean, but after flowering, the high temperature above the optimal ranges interrupts the photosynthetic metabolism. In yield and yield components, high temperature reduced both the pod and seed number and single seed weight, resulting in a reduction of total seed yield. On the other hand, the increase in CO2 concentration dramatically increased the canopy photosynthetic rate over the whole growth period. In addition, high CO2 concentration increased the number of pods and seeds, which had a positive effect on total seed yield. Under concurrent elevation of air temperature and CO2 concentration, canopy photosynthesis increased significantly, but enhanced canopy photosynthesis did not lead to an increase in soybean seed yield. The increase in biomass and branch by enhanced canopy photosynthesis seems to be attributed to an increase in the total number of pods and seeds per plant, which compensates for the negative effects of high temperature on pod development. However, Single seed weight tended to decrease rapidly by high temperature, regardless of CO2 concentration level. Elevated CO2 concentration did not compensate for the poor distribution of assimilations from source to sink caused by high temperature. These results show that the damage of future soybean yield and quality is closely related to high temperature stress during seed filling period.

RCP 8.5 시나리오에 따른 미래 기후조건에서 벼의 품질 및 전분 동화 특성 변화

상완규,조현숙,김준환,신평,백재경,이윤호,조정일,서명철 한국농림기상학회 2018 한국농림기상학회지 Vol.20 No.4

The objective of this study was to analyze the impact of climate change on rice yield and quality. Experiments were conducted using SPAR(Soil-Plant-Atmosphere-Research) chambers, which was designed to create virtual future climate conditions, in the National Institute of Crop Science, Jeonju, Korea, in 2016. In the future climate conditions(+2.8℃ temp, 580 ppm CO2) of year 2051∼2060 according to RCP 8.5 scenario, elevated temperature and CO2 accelerated the heading date by about five days than the present climate conditions, resulted in a high temperature environment during grain filling stage. Rice yield decreased sharply in the future climate conditions due to the high temperature induced poor ripening. And the spikelet numbers, ripening ratio, and 1000-grain weight of brown rice were significantly decreased compared to control. The rice grain quality was also decreased sharply, especially due to the increased immature grains. In the future climate conditions, expression of starch biosynthesis-related genes such as granule-bound starch synthase(GBSSI, GBSSII, SSIIa, SSIIb, SSIIIa), starch branching enzyme(BEIIb) and ADP-glucose pyrophosphorylase(AGPS1, AGPS2, AGPL2) were repressed in developing seeds, whereas starch degradation related genes such as α-amylase(Amy1C, Amy3D, Amy3E) were induced. These results suggest that the reduction in yield and quality of rice in the future climate conditions is likely caused mainly by the poor grain filling by high temperature. Therefore, it is suggested to develop tolerant cultivars to high temperature during grain filling period and a new cropping system in order to ensure a high quality of rice in the future climate conditions. 본 연구는 기후변화에 따른 쌀 품질 저하 요인을 기상 환경과 종실 전분 대사 기능면에서 평가하기 위해 수행하였다. 본 연구를 위해 활용한 옥외환경조절시설(SPAR)은 대형 토양상에서 온도와 CO2 동시 처리가 가능한 시설로서 최대한 포장 수준에 가까운 조건에서 미래 기후에 대한 정밀한 환경영향평가를 가능하게 해준다. 2001∼2010년 전주 지역 현재 기후 기준 RCP 8.5 시나리오에 따른 2051∼2060년 가상 기후 조건에서 직접 재배 시험을 한 결과 미래 기후 조건에서는 벼 생육 및 노화가 급격하게 촉진되어 출수기가 현재 대비 5일 이상 빨라지는 등 생육기간이 단축될 뿐 아니라 이로 인해 고온 등숙 환경에 노출될 위험성이 크게 높아지게 됨을 알 수 있었다. 이로 인해 벼 수량 뿐 아니라 품질 또한 크게 저하되었는데 미래에는 정상립 비율은 현저히 저하된 반면 불완전립 특히 미숙립이 크게 증가하는 결과를 보였다. 이러한 결과는 고온 등숙에 의한 전분 합성 관련 유전자들의 발현 감소 및 분해 관련 유전자들의 발현 증가 등 종실 체내 전분 전류 및 축적 양상이 크게 변화하여 나타난 것이다. 따라서 향후 안정적인 고품질 쌀 생산을 위해서는 고온 등숙 내성 벼 품종 개발 및 등숙기 고온 회피를 위한 재배법 개발 등의 방향으로 기후변화 적응 대책 관련 연구가 진행되어야 할 것이다.

기후변화 조건에서 콩 한발스트레스에 대한 광화학 반사 지수 반응 평가

상완규,김준환,신평,백재경,이윤호,조정일,서명철 한국농림기상학회 2019 한국농림기상학회지 Vol.21 No.4

Climate change and drought stress are having profound impacts on crop growth and development by altering crop physiological processes including photosynthetic activity. But finding a rapid, efficient, and non-destructive method for estimating environmental stress responses in the leaf and canopy is still a difficult issue for remote sensing research. We compared the relationships between photochemical reflectance index(PRI) and various optical and experimental indices on soybean drought stress under climate change conditions. Canopy photosynthesis trait, biomass change, chlorophyll fluorescence(Fv/Fm), stomatal conductance showed significant correlations with midday PRI value across the drought stress period under various climate conditions. In high temperature treatment, PRI were more sensitive to enhanced drought stress, demonstrating the negative effect of the high temperature on the drought stress. But high CO2 concentration alleviated the midday depression of both photosynthesis and PRI. Although air temperature and CO2 concentration could affect PRI interpretation and assessment of canopy radiation use efficiency(RUE), PRI was significantly correlated with canopy RUE both under climate change and drought stress conditions, indicating the applicability of PRI for tracking the drought stress responses in soybean. However, it is necessary to develop an integrated model for stress diagnosis using PRI at canopy level by minimizing the influence of physical and physiological factors on PRI and incorporating the effects of other vegetation indices. 한발 발생이 갈수록 증가하고 있는 가운데, 작물의 생리생화학적 기작과 광합성능을 효율적으로 진단 및 평가 할 수 있는 방법을 찾는 것은 매우 중요한 과제이다. 본 연구를 통해 광화학 반사 지수인 PRI가 콩의 한발 스트레스에 대하여 고온과 고CO2 등 미래 기후 변화 환경에서도 유의미한 생육 지표로 활용될 수 있음을 확인하였다. PRI와 대표적 한발 생육지표들(군락광이용효율, 건물중 변동율, 엽록소 형광, 기공전도도)과의 밀접한 관계를 통해 한발 스트레스 하에서 콩의 광합성 활성과 생장량을 원격으로 모니터링할수 있는 진단 모델 개발의 가능성을 볼 수 있었다. 다만 향후 고온, 고CO2 등 기후변화 조건에서 PRI의 성능에 대한 지속적인 평가와 함께 민감도 향상을 위한 광학 지표 개발 및 모델 개선 연구가 선행되어야 할 것으로 보인다.

태풍 “볼라벤”에 의한 벼 생육시기별 변색립 발생정도와 수량 변이

상완규,김영두,강신구,구본일,최민규,박홍규,김보경,이점호 韓國國際農業開發學會 2013 韓國國際農業開發學會誌 Vol.25 No.4

2012년 8월 28일 목포 서해 해상을 지나 한반도 서쪽을 통 과한 태풍 ‘볼라벤’은 순간 최대 풍속 50 m/s의 강풍으로 벼 이삭에 직접적 피해를 주어 변색립 발생 정도에 따라 수량이 감소하였다. 이에 태풍 피해가 심했던 전라북도 익산, 김제 지 역과 전라남도 영광, 해남 지역을 대상으로 출수정도에 따른 변색립 발생, 수량구성요소 및 수량 등 태풍 피해에 대한 양 상을 조사하였다. 태풍에 의한 이삭 변색정도는 출수후 5일 피 해 벼가 가장 심했으며, 출수기에는 80%, 출수후 10일에는 71%, 출수후 15일에는 43%, 출수후 20일에는 20%였다. 특히 출수후 5일에 피해를 받은 벼는 변색립 회복정도가 태풍 경과 14일에 약 10%미만으로 상대적으로 느렸고 18일에도 처음 발 생한 변색립의 약 30%정도만이 회복되는 것으로 나타났다. 또 한 10a당 수량을 보면 출수후 20일에 비하여 출수후 5일에는 평균 333kg/10a로 63% 수준이었으며, 이후 출수기에는 71%, 출수후 10일에는 84%, 출수후 15일에는 95%의 수준이었다. Typhoon “Bolaven” passed through Honam province area on August 28-29, 2012. Dry strong wind from typhoon damaged to rice at the heading date in this area. The panicles attacked by dry wind were injured in various ways, some of them were wholly or partially discolored and others were variously wounded. To investigate the effect of the dry-wind damage on rice growth, we examined the panicle discoloration and yield of rice plants on different heading dates in Honam province area. The panicles attacked by dry wind at 5 days after heading were injured more severely than the panicles at the other stages, and about 85.8% of panicles on them were wholly or partially discolored. On the other hand, recovery rate of panicle discoloration was lower when the panicles were attacked at 5 days after heading than at the other stages. Also, The close correlations were found between the yield components and discoloration of panicles. Rice typhoon-damaged at 5 days after heading is the lowest in ripening ratio, perfect grain rate and yield. Compared with none-damaged rice plants in panicles, damaged rice plants at 5 days after heading demonstrated yield reduction by 37% in milled rice. And they showed a tendency of high protein content in the milled rice.

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

상완규,김준환,신평,백재경,이윤호,조정일,서명철 한국농림기상학회 2019 한국농림기상학회지 Vol.21 No.3

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. 기후변화에 따른 환경 스트레스 대응 기술과 영농 의사결정 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, CO2 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.

토양 유형에 따른 CERES-barley 수량 모의 및 한계요인 분석

상완규,서명철,조현숙,김준환,신평,이건휘 한국작물학회 2017 한국작물학회 학술발표대회 논문집 Vol.2017 No.-