가뭄이 장기간 지속되어 농업적 가뭄 상태가 되면 토양의 수분이 마르기 시작하면서, 식생의 생장활동이 방해되고, 이는 식생의 광합성 활동까지 영향을 미친다. 광합성을 통해 대기 중의 이산화탄소가 흡수되고 산소 발생이 증가하는데, 광합성이 활발하지 못하면 상대적으로 대기 중의 이산화탄소 농도가 증가한다. 본 연구에서는 이러한 토양수분, 식생활동과 대기 중 이산화탄소의 농도의 관계를 다중분광센서인 MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) 산출물을 이용하여 분석하였다. 기존 토양수분의 경우, 마이크로파 센서를 통해 산출된 값을 활용했지만, 이는 상대적으로 공간 해상도가 조악하다는 단점을 갖고 있어서 면적이 작은 연구지역을 분석할 때에는 한계점을 갖고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 상대적으로 고해상도인 광학센서를 이용한 토양수분 산정 방법을 적용하였다. 또한, MODIS 총 일차생산량 (Gross Primary Productivity, GPP) 산출물을 이용하여 식생 호흡량과의 관계식을 통해 이산화탄소 플럭스를 계산하였다. 원격탐사 기반의 토양수분, 식생지수, 이산화탄소 플럭스를 한국에서 발생한 가뭄 기간 중, 2014년과 2015년도에 대하여 지점 관측자료인 플럭스 타워에서 제공되는 값과 비교 분석하였다. 분석한 결과 토양수분, 식생 지수, 탄소플럭스는 순차적으로 지연시간을 두고 상관성이 발생함을 확인하였다. 토양수분과 식생 지수 사이에는 1개월, 식생지수와 탄소플럭스는 0.5개월의 지연시간 후에 가장 높은 상관성을 보였다.
수분 스트레스가 루브라오리나무(Alnus rubra) 묘목의 균근(Alpova diplophloeus) 발달과 생장에 미치는 영향을 조사하였다. 5일 주기의 수분 스트레스를 10주 동안 처리한 결과 A. diplophloeus 균근의 형성, 묘목의 생리활동 및 생장이 감소하였다. A. diplophloeus 균근균이 접종된 묘목과 접종되지 않은 묘목은 수분 스트레스에 관계없이 생리활동이나 생장에서 차이가 없었다. 질소고정활동은 탄소동화작용보다 수분스트레스에 덜 민감하였다. 이 결과는 수분스트레스 상태에서 A. diplophloeus 균근은 오리나무의 적응도(fitness)에 기여하지 못함을 의미한다.
루브라 오리나무 (Alnus rubra Bong.) 묘목에 질소고정균, Frankia를 접종하고, 이 묘목의 반을 외생균근균, Alplva diplophloeus 포자로 접종하여 인공생장상에서 16주 동안 길렀다. 그 결과, 외생균근 형성묘는 비균근묘보다 직경생장, 칠고정뿌리혹 형성 그리고 지상부 생체량에서 6~16% 더 켰다. 이들 묘목에 대하여 30시간 동안 수분결핍 처리를 하여 균근이 루브라 오리나무의 수분생리에 미치는 영향을 조사하였다. 이 수분 결핍동안 균근은 잎의 수분 포텐셜, 광합성, 그리고 질소고정활동에 영향을 미치지 않았다. 이 결과는 외생균근균 A. diplophloeus는 수분이 부족하지 않은 경우에는 루브라오리나무 묘목의 생장을 촉진시키지만 수분결핍 상태에서는 생리활동에 영향을 미치지 않음을 나타낸다.
농업적 가뭄은 토양의 수분함량(토양수분)이 마르기 시작하면서 식생 활동에 영향을 주는 것으로 정의할 수 있다. 광범위한 농업적 가뭄을 판별하기 위해 인공위성 자료를 토대로 토양수분을 산정하고 이를 이용해 가뭄지수를 산정하고, 가뭄 상태를 판별한다. 기존 인공위성 기반의 토양수분의 경우, microwave sensor에서 제공되는 밝기온도(brightness temperature)를 통해 토양수분을 추정하는 방식이 일반적으로 활용되었다. 하지만, microwave sensor에서 제공되는 자료들의 공간해상도가 10 km 이상이기 때문에, 한반도나 더 작게는 유역 단위, 행정 단위별 가뭄 분석을 하기에는 적합하지 않다. 이에 본 연구에서는 공간 해상도 500m의 광학센서(visible infrared imaging radiometer suite sensor (VIIRS))에서 제공되는 지표면 온도(land surface temperature)와 지표 반사도(land surface albedo) 자료들을 조합하여 토양수분을 산정하는 방식을 제안하고, 산출된 토양수분으로 농업적 가뭄을 모니터링한 결과를 제시하고자 한다. 기존의 microwave sensor로 산출된 토양수분 결과 값과의 비교 및 검증을 통해 광학센서를 통한 토양수분 산출물의 한반도 내 적용성을 확인할 수 있다.
전 지구적으로 댐 건설과 가정, 공업 및 농업 용수의 사용 등 인간의 영향으로 유출량, 지하수, 토양수분 등의 다양한 수문요소가 변화를 보이고 있다. 이러한 인간의 영향은 기후변화의 영향과 함께 수문요소에 주요한 동인으로 이의 영향을 이해하고 전망할 필요가 있다. 본 연구는 Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project를 통해 이용 가능한 여러 글로벌 수자원 모형의 결과를 분석하여 기후변화 및 인간활동의 영향의 상대적 중요성 등을 분석하고자 한다. GFDL, HadGEM, IPSL, MIROC5에서 도출된 기후 시나리오를 기반으로 구동된 글로벌 수자원 모형결과를 살펴보고자 하며, 글로벌 수자원 모형은 CLM, H08, JULES 등을 포함한다. 본 연구에서는 증발산량, 토양수분, 유출 등의 시간 및 공간적 변화, 기후변화 및 인간 활동의 영향이 주요한 역할을 하는 지역 혹은 유역을 확인하는데 초점을 맞추고자 한다.
수문순환과정의 시공간적 거동의 해석 및 정량화는 효율적인 수자원 관리 및 계획을 위해서 반드시 선행되어야 하는 연구이다. 그러나 현재 국내의 수문순환과정을 분석하는 연구는 매우 미비한 실정이다. 특히 수문기상인자 중 토양수분은 지표와 대기에서 물과 에너지를 연결해주는 중요한 인자중 하나로 그 중요성 대두되고 있지만 관측시설의 제한과 큰 시공간 변동성을 가지고 있을 값을 추정하는데 어려움이 있다. 최근에는 이를 보완하기 위하여 선진국을 중심으로 연구되고 있는 원격탐사 기술을 도입하였다. 특히 원격탐사를 통해 산정된 Normilized Difference vegetation Index (NDVI) 와 토양수분과의 관계를 파악하기 위한 많은 연구들이 진행되어 왔다. NDVI는 토양수분에 직, 간접적인 영향을 주는 식생의 활동을 나타내는 인자이다. 이러한 이유로 많은 연구에서 NDVI와 토양수분과의 관계에 대해 규명해 왔으며, NDVI를 통한 토양수분의 추정 및 검증이 이루어졌다. 본 연구에서는 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) 에서 산정된 식생지수와 토양수분의 실측데이터를 이용하여 관측지에서의 식생지수와 토양수분의 관계를 규명한 후, 이 관계를 이용하여 관측 지역 이외의 장소의 토양수분 값을 추정 할 것이다.
토양수분함량과 큰검정풍뎅이의 밀도 변화와의 관계를 파악하는데 필요한 기초 자료를 얻기 위해 토양수분함량이 큰 검정풍뎅이의 난과 유충의 생존에 미치는 영향을 조사하였다. 사양토와 식양토의 수분함량 15%와 25%에서는 난과 1, 2, 3령 유충 모두 79% 이상의 생존율을 보였으나 5%와 35%에서는 현저히 떨어졌다. 이 극한 수분함량에서는 토성에 따라 난과 유충의 생존율에 차이가 있는 것으로 보였다. 큰검정풍뎅이의 난은 생존할 수 있는 낮은 수분함량의 한계에 가까워질수록 발육기간이 길어졌다. 식양토에서 33-36%의 높은 수분함량에 난을 일정 기간 처리했을 때 배자 발육을 진행된 난일수록 잘 견뎠고 처리기간이 길어짐에 따라서 전란기간이 길어졌다. 또한 높은 토양수분함량에서는 3령 유충의 섭식 활동이 뚜렷이 억제되었다.
영양은 신진대사 기능을 조절하고 신체 및 정신 활동으로 소모된 부분을 보충하여 생명체가 존속하고 활동하는데 반드시 필요한 양분이다. 또한 영양소는 대사작용에 이용되는 기본 물질이며 탄수화물, 지방, 무기질, 비타민, 수분 등의 6가지가 있다. 신체의 정상적인 기능과 효율적인 작용에 영향을 미치는 영양소는 그 작용에 따라 주영양소인 근 수축에 필요한 에너지를 공급하는 열량소, 부영양소인 생리적 작용을 조절하여 질병을 예방하는 조절소, 그리고 신체 기관과 조직을 구성하는 구성소로 구성된다.(중략)
토양수분은 지표면과 지하 영역 사이에 존재하는 수분 및 열에너지의 분배를 제어하거나, 토양 영양분, 식물 성장 및 미생물 활동과 같은 다양한 환경 과정에 영향을 미치는 핵심 구성요소이다. 토양수분은 생태수문학 및 생지화학적 역학, 저수지 관리, 가뭄 및 홍수의 경고, 토양 수분 변화에 따른 작물 수확량 등을 이해하는 데 매우 중요한 역할을 한다. 따라서, 토양 수분의 정확한 측정은 필수적이며, 이러한 필요성에 따라 중력 측정법, 장력 측정법, 전기 저항법 및 시간-주파수 영역반사측정법 등의 다양한 측정 방법들이 다년간 개발되어 사용되었다. 다만, 앞선 방법들은 철저한 실험을 통해 높은 정확성을 확보하였지만, 토양 교란이 발생하는 단점이 존재하며 실험 현장 토양의 물리적, 생물학적, 그리고 화학적 특성의 보존은 매우 어려운 한계점을 가지고 있다. 따라서, 이러한 단점을 극복하기 위해, 본 연구에서는 레일리파를 이용한 비접촉식 비교란 토양수분 센서 개발을 목표로 한다. 모래, 실트, 점토와 같은 세 가지 특징적인 토양 유형에 따른 파동을 측정하고, 측정된 파동으로부터 토양 수분을 추정하기 위해 기존에 개발된 시간-주파수 방법을 활용하여 토양수분을 함께 측정하였다. 비접촉 파동신호를 토양수분으로 변환하기 위하여, fully convolutional network을 개발하였다. 개발한 모델의 결과 검증은 RMSE(Root Mean Square Error)를 활용하여 검증하였으며, 모래, 실트, 점토에서 각각 0.0131, 0.0021, 0.0034 m3 m-3으로 상대적으로 높은 정확성을 보였다. 즉, 본 연구에서 제시한 누출 레일리파를 사용한 비교란-비접촉 토양수분 측정 방법으로, 토양을 교란하지 않고 토양수분을 측정 할 수 있는 높은 가능성을 제시하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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