에디공분산 관측 기반 벼 군락 증산 추정과 물이용효율 평가 = Transpiration Partitioning Estimation and Water Use Efficiency Assessment in Rice Paddies from Eddy Covariance Measurements

국문 초록 (Abstract)

기후변화로 인한 물 부족 문제가 심화되면서, 벼 재배지에서 물 이용 효율을 향상시키는 것은 지속 가능한 농업을 위한 중요한 과제가 되고 있다. 벼는 높은 물 의존성을 가지는 작물로, 생산적 물 소비인 증산(Transpiration, T)과 비생산적 물 손실인 증발(Evaporation, E)을 구분하여 생리적 물 이용 효율(Water Use Efficiency, WUE)을 평가할 필요가 있다. 특히 군락 규모에서 탄소와 수분 플럭스를 연속적·비파괴적으로 관측할 수 있는 방법은 에디공분산(Eddy Covariance, EC) 기법이 유일하다. 본 연구는 나주 벼 재배지에서 에디공분산 관측 자료를 활용하여 총일차생산량(Gross Primary Productivity, GPP) 및 증발산(Evapotranspiration, ET) 플럭스를 산출하고, 이를 바탕으로 증발산을 증산과 증발로 분리했다. 본 연구에서는 나주 벼 재배지에서 에디공분산 관측 자료를 이용하여 총일차생산량과 증발산 플럭스를 산출하고, 이를 기반으로 증발산을 증산과 증발로 분리하였다. 증발산 분리에는 Zhou et al. (2016)이 제시한 underlying Water Use Efficiency(uWUE) 방법과 이를 개선한 Underlying Transpiration(UT) 방법, 그리고 풍속을 반영한 Underlying Windspeed(UW) 방법을 적용하여 적용 가능성과 성능을 비교하였다. 세 방법 모두 GPP와 VPD의 관계를 기반으로 증산을 추정하며, 특히 GPP×√VPD와 증산량 사이에서 뚜렷한 선형 관계를 보였다. 이는 uWUE 모델이 가정하는 탄소–수분 결합 구조와 정합적인 결과로, 벼 군락 규모에서 증산 추정에 효과적으로 적용될 수 있음을 시사한다. 방법 간 구조적 차이에도 불구하고, 전반적으로 높은 상관성을 보이며 유사한 증산 추정 결과를 나타냈다. 한편, 10 Hz 고주파 자료를 이용한 Stomata–non-stomata Similarity 방법을 적용하여 ET를 증발과 증산으로 분리하고자 하였으나, 담수 상태의 벼 논 환경에서는 식물 호흡 성분이 호흡 분리 과정에서 충분히 반영되지 않아 GPP가 상대적으로 과소 추정되는 한계가 나타났다. 이로 인해 증산 추정에도 영향을 미쳐, 본 연구 대상지에서는 다른 방법에 비해 적용성이 낮은 것으로 판단되었다. 또한 잎면적지수(Leaf Area Index, LAI)와 식생지수(Vegetation Indices, VIs)를 이용하여 생육 단계에 따른 증산 분율과 물 이용 효율의 변화를 분석하였다. 증산 분율은 LAI 증가에 따라 전반적으로 증가하였으며, 영양생장기에는 군락 구조 지수와 높은 상관성을 보인 반면, 생식생장기에는 엽록소 관련 지수와의 관계가 두드러졌다. 최종적으로 일별 증산량을 기반으로 누적 GPP와 누적 증산을 산출하고 누적 물 이용 효율을 계산함으로써, 벼 1 kg 생산에 요구되는 물 소비량을 정량적으로 평가하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서언 1
• 2. 재료 및 방법 6
• 가. 관측대상 및 지역 6
• 1) 나주 논 벼 사이트 6
• 2) 해남 고구마밭 사이트 8
• 나. 관측방법 9
• 1) 에디공분산법 10
• 2) 논 사이트 설치기기 10
• 3) 밭 사이트 설치기기 13
• 다. 증발산 분리 방법 17
• 1) uWUE (Underlying Water Use Efficiency) 17
• 1) UT (Underlying transpiration) 22
• 1) UW (Underlying Windspeed) 24
• 2) Similarity(Stomata-Non Stomata) 26
• 라. 엽면적지수(LAI) 관측 29
• 마. 반사도 기반 식생지수 관측 30
• 바. 잎 규모의 광합성 관측 32
• 3. 결과 34
• 가. 증발산 분리 및 평가 34
• 1) 관측지 기상(온도, 수증기압차, 습도) 34
• 2) 방법별 증발산 분리 및 평가 37
• 2-1) Relationship Between GPP VPD and Transpiration 42
• 2-2) Relationship Between Transpiration Fraction and LAI 52
• 2-3) Relationship Between VPD and Water Use Efficiency 62
• 2-4) 증발산 분리 방법별 평가 69
• 나. 증산과 식생지수의 관계 81
• 1) 식생지수 시계열 그래프 81
• 2) 증산과 식생지수 그래프 82
• 다. 물이용효율(Water use efficiency, WUE) 105
• 1) 군락 규모의 대기 수증기 조건과 물이용효율 105
• 2) 생육단계별 물이용효율 112
• 4. 결론 및 제언 121
• 참고문헌 123
• 영문초록 127
• 부록 129