한국농림기상학회지, 제 16권 제2호(2014) (pISSN 1229-5671, eISSN 2288-1859)
Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 16, No. 2, (2014), pp. 137~145
DOI: 10.5532/KJAFM.2014.16.2.137
ⓒ Author(s) 2014. CC Attribution 3.0 License.


김제 벼-보리 이모작 논에서 보리재배 기간의 CO2
교환량의 계절적 변화

민성현, 심교문, 김용석, 황 해, 정명표, 최인태
국립농업과학원

(2014년 05월 31일 접수; 2014년 06월 24일 수정; 2014년 06월 30일 수락)

Seasonal Variation of CO2 Exchange During the Barley Growing
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, 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 ($CO_2$ 수식 이미지) exchange for barley growing season has still limited in comparison with rice. Using the eddy covariance (EC) technique, seasonal variation of $CO_2$ 수식 이미지 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 $CO_2$ 수식 이미지 flux also were investigated. Quality control and gap-filling of flux data were conducted before this analysis and investigation. The results indicated that $CO_2$ 수식 이미지 uptake increased rapidly at tillering stage and maximum net ecosystem exchange of $CO_2$ 수식 이미지 (NEE) occurred at the early of May, 2012 ($-11.2gCm^{-2}d^{-1}$ 수식 이미지), 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 $315.2gCm^{-2}$ 수식 이미지, 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 $CO_2$ 수식 이미지 exchange between the biosphere and the atmosphere.

Keyword: Barley, Ecosystem respiration, Gross primary production, Net ecosystem exchange

MAIN

Ⅰ. 서론

18세기 산업혁명 이후부터 인간의 활동에 의한 화석 연료의 사용과 삼림벌채, 농경지 전환 등의 토지 이용의 변화로, 전 지구적 온실가스 농도는 약 35% 증가하였다(IPCC, 2007). 이와 같은 대기 중의 온실가스 농도의 증가는 지구표면의 적외복사가 온실가스 분자에 흡수되고 반사되어 지구표면과 대기를 가온시킬 뿐 아니라, 물순환에도 큰 영향을 주어 세계각국에서 이상기후 현상이 빈번하게 나타나고 있다(NCDC, 2014). 이산화탄소는 수증기와 더불어 지구온난화에 가장 큰 영향을 미치는 온실가스로 육상생태계의 지역적 탄소수지에 큰 영향을 주고 있다(Saylan et al., 2011). 따라서, 산림·초지·습지·농경지 같은 다양한 육상생태계의 식생과 대기간에 교환되는 CO2 플럭스를 정량화하는 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 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 기대되고 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 정량화할 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 부피를 가지는 폐쇄형 챔버를 이용하여 일정 시간내 챔버안의 CO2 농도 변화를 측정하여 CO2 수지를 정량화하는 연구(Meijide et al., 2010; Schneider et al.,2012), 고속 반응 CO2 분석기와 초음파 풍속계를 사용한 에디공분산 기법을 이용하여 농업생태계의 CO2 수지를 정량화하는 연구(Hollingeret 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), 중국(Jun et al., 2006), 벨기에(Moureaux et al., 2008; Aubinet et al., 2009), 프랑스(Béziat et al., 2009) 등에서는 동계작물 재배기간동안의 계절적 혹은 작부방식간 CO2 플럭스의 변화량을 측정하였다. 하지만 대부분의 연구들이 밀에 한정되어 있을 뿐만 아니라, 연구 대상지역이 유럽에 집중되어 있다. 반면, 아시아에서는 Takimoto et al.(2010)이 유일하게 가을보리를 재배하는 논 생태계를 대상으로 CO2 플럭스의 계절적 및 연간 변화량에 대한 연구결과를 발표하였다.
따라서, 본 연구에서는 전라북도 김제시 부량면 신용리의 벼-보리 이모작 작부체계의 논생태계에서 장기적으로 관측되고 있는 CO2 플럭스와 환경요인 및 작물의 생육량 데이터를 바탕으로, 가을보리 재배기간의 CO2 플럭스의 계절적 변화를 파악하여, 향후 벼-보리재배 이모작 논 생태계의 CO2 수지 평가의 기초자료로 활용하고자 하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

2.1. 연구지역 및 영농활동

연구지역(35°44′N, 126°51′E, 21m)은 전라북도 김제시 부량면 신용리 일대의 논 생태계로, 벼-보리 이모작 작부체계가 적용되고 있다. 관측장소의 취주거리(fetch)는 150~300m 범위이며, 관측장소에서 남서쪽 방향으로 400m 떨어진 곳에 소규모 농촌 마을이 위치해 있고, 서쪽방향으로 350m 떨어진 곳에 교통량이 다소 적은 지방도로가 위치해 있다. 토양통은 물빠짐이 좋은 미사질양토의 전북통으로, 표토의 유기물 함량은 32.3g C kg-1이고, pH(water)는 5.6이며, 탄소와 질소함량은 각각 18.6g C kg-1와 1.9g N kg-1이다(Min et al., 2013).
주 작물인 벼를 수확한 후(2011년 10월 27일), 보리재배를 위한 논갈이(10월 27일)를 진행했으며, 비료는 밑거름으로 맞춤16호(남해화학)를 헥타르당 500kg(질소기준 110kg ha-1)를 시비했고(10월 27일), 추비로 요소를 헥타르당 200kg(질소기준 100kg ha-1)를 시비했다(2012년 3월 16일). 보리 품종은 겉보리인 영양보리이고, 휴립광산파방식으로 파종하였다. 출수기는 2012년 5월 4일로 조사되었고, 보리 수확날짜는 2012년 6월 8일이었다
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2.2. 보리 생육조사 및 생육단계 구분

보리 생육조사는 플럭스 관측시스템의 서쪽방향에 위치한 농가포장에서 일정규모(20×100㎝)의 조사장소를 선정하여 약 2주 간격으로 3반복으로 수행하였다. 보리 생육조사 장소에서 현장조사로 파악된 보리 생육량(초장, 분얼수)과 유사한 작물체 5주를 채취하여, 실험실에서 생체중 및 건물중을 지상부(엽초, 엽신, 이삭)와 지하부(뿌리)로 나누어 부위별로 세부적으로 조사하였다. 또한 보리재배 논 생태계의 CO2 교환량은 작물의 생육에 따라 영향을 받기 때문에 플럭스 관측 타워의 3m 높이에 디지털카메라를 서쪽방향으로 설치하고, 1시간 간격으로 보리의 생육상황과 농가포장의 영농활동을 감시하였다. 생육 및 사진자료를 활용하여 보리의 생육단계를 파악하였고, 이를 토대로 보리 재배기간을 출현(Emergence), 유묘(Seedling), 월동(Winter-rest), 분얼(Tillering), 성숙(Ripening) 등 5단계로 구분하여 보리재배 논 생태계의 플럭스 분석에 활용하였다(Table 2).

2.3. 물리량(CO2 등) 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 10회(10Hz)씩 측정하였고, 이들 데이터(풍속, 바람에 수송된 대기 중의 CO2 농도·H2O 농도·온도)의 30분 평균에 대한 편차를 공분산하여 30분 평균 물리량 플럭스를 계산하였다.
물리량 플럭스의 원본자료(10Hz)와 30분 평균자료는 자료집록기(CR5000, Campbell Scientific Inc., USA)에 저장되고, CDMA 통신 모뎀을 이용하여 30분 평균자료를 실시간으로 수집했다. 또한 2주 간격으로 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, 불확실성을 감소시키기 위해서 FLUXNET의 표준 방법인 연속된 3개의 관측 값의 차이를 이용한 튀는 자료 찾기 방법을 이용하였다. 에디공분산의 경우 플럭스를 관측할만한 난류가 존재해야 하는데, 야간의 CO2 플러스는 이런 조건을 만족시키지 못하는 경우가 많으므로, 야간 CO2 플럭스에 대한 마찰속도(µ*)의 임계점 또한 계산하였다.결측 보충(gap-filling) 과정으로는 FLUXNET의 표준화 방법인 수정된 색인 목록 방법을 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 센서(HFP1, Campbell scientific, Inc., USA)는 관측타워의 서쪽과 동쪽에 각각 하나씩 총 2개를 지중 10㎝ 깊이에 설치하여 지표면과 땅속의 열 이동량을 측정하였다. 온·습도 센서(HMP45C, Campbell scientific, Inc., USA)는 관측타워의 1m와 2m 높이에 각각 설치하여, 높이에 따른 벼 군락 상단의 온도와 습도의 변화를 관측하였다. 또한 토양수분(CS616, Campbell scientific, Inc., USA)과 토양온도(TCAV, Campbell scientific, Inc., USA)는 지중열류량과 동일하게 관측타워의 동쪽과 서쪽의 지중 10㎝ 깊이에 하나씩 총 2개를 설치하여 토양수분과 토양온도의 변화를 관측하였다. 이들 환경인자들은 5초 간격으로 측정되고, 자료집록기에는 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 CO2 흡수량(gross primary production, GPP)과 작물 및 토양의 호흡에 의한 CO2 방출량(ecosystem respiration, Re)의 차이로 나타낼 수 있다(식 1).
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Re는 작물 및 토양의 주간호흡과 야간호흡의 합으로 나타낼 수 있으며, 야간호흡의 계산식은 <식2>와 같다.
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여기서, A와 B는 회귀분석에 의해 결정된 경험상수이며, B는 온도계수(Q10)로 In(Q10)/10으로 나타낸다. A는 야간지온이 0℃일 때의 호흡량, T는 야간지온을 각각 의미한다.
주간의 지온에 대한 생태학적 호흡량의 관계는 야간호흡과 같다는 전제하에, 야간호흡의 계산식에 주간의 지온을 대입하여 주간호흡량을 계산하였다(Saito et al., 2005).

2.6. CO2 플럭스의 불확실성 분석

지구표면의 에너지 수지는 순복사 에너지와 지중열류량의 차이로 나타낼 수 있고, 난류의 에너지 플럭스인 잠열과 현열의 합으로도 나타낼 수 있다(Wolf et al., 2011). 따라서, 보리 재배기간동안에 관측된 순복사 에너지와 지중열류량의 차이는 에디공분산 방식으로 측정된 잠열과 현열의 합과 같아야 하고, 이를 Energy balance closure(EBC)로 나타낼 수 있고(식3), EBC는 장기간 동안 관측된 에디공분산 자료를 검증하는데 이용될 수 있다(Aubinet et al., 2000).
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여기서, QH 및 QE는 에디공분산방식으로 측정된 현열과 잠열이고, Rn은 관측된 순복사 에너지를 나타내며, QG는 지중열류량을 의미한다.
CO2 플럭스 자료를 검증하는 다른 방법으로는 작물의 탄소함량과 에디공분산 방식으로 측정된 CO2 플럭스를 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 배출량(heterotrophic respiration, Rh)의 차이로 나타낼 수 있다. 본 연구에서는 2주 간격으로 조사된 보리의 지상부 및 지하부 건물중의 탄소함량을 조사하고, 동 기간의 누적된 NEE와 비교·분석하여 CO2 플럭스의 불확실성을 분석하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

3.1. 보리의 생육변화

보리의 생육변화는 <그림 1>과 같다. 보리의 분얼수는 유묘단계(Ⅱ)의 후반에는단위면적(m2)당 655.1개(±50.5)였으나, 분얼단계(Ⅳ)의 초반에는 1,047(±22.7)개로 가장 많았고, 그 이후 감소하여 수확시기에는 615.1(±37.5)개로 조사되었다. 보리의 초장은 분얼단계의 후반에는 84.9㎝까지 크게 증가한 후, 성숙단계에서는 조금 감소하는 특징을 나타냈다. 보리의 지상부 건물중은 분얼단계의 중반까지 서서히 증가하다가, 분얼단계의 중반부터 후반까지는 급속히 증가하는 것으로 조사되었고, 지하부 건물중(뿌리)도 분얼단계의 중반까지는 서서히 증가하다가 분얼단계의 중반부터 크게 증가한 후, 성숙단계에는 조금씩 감소하는 것으로 조사되었다.

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3.2. 재배기간의 환경조건

보리 재배기간의 평균기온은 6.8℃이었고, 평균지온은 8.7℃이었다. 동 기간의 평균 하향단파 에너지는 13.8MJm-2 d-1이고, 평균 순복사 에너지는 6.3MJ m-2 d-1로 조사되었다. 생육단계별로는 성숙단계(Ⅴ)에서 하향단파와 순복사에너지가 가장 높게 조사되었다. 보리 재배기간의 누적 강수량은 310mm이었고, 강수일수는 75일이었는데, 분얼단계에서 강수량이 가장 많았다. 지중 10㎝ 깊이의 토양수분 함량은 강수량의 여부에 따라 크게 변화하였는데, 평균 토양수분은 31%로 관측되었다(Fig. 2, Table 3).

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3.3. CO2 플럭스 자료 처리

야간에 약한 난류 조건에서 과소 평가된 CO2 플럭스를 보정하기 위해 논 생태계에서의 CO2 플럭스와 수직적 풍속의 임계점을 0.06ms-1로 설정하였고(Fig. 3), 임계점 이하의 야간 CO2 플럭스는 제거하였다. 그 결과, 결측을 제외한 총 관측된 CO2 플럭스 자료중에서 약 42%의 데이터가 제거된 것으로 조사되었다. 제거된 CO2 플럭스 자료는 주로 강설과 저온이 지속된 11월 하순과 12월 및 1월 상순에 관측되었고, 강우가 집중된 4월 상순에는 적외선 가스분석기의 측정오류의 결과로 조사되었다(Fig. 4).

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3.4. 보리재배 논 생태계의 CO2 플럭스의 계절적 변화

보리재배기간 동안의 CO2의 순생태계 교환량(NEE)은 단위면적당(m2) +2.6 ~ -11.9g C m-2d-1 범위로 측정되었다(Fig. 5). NEE를 보리 생육단계별로 구분하여 분석하면, 분얼단계(Ⅳ, -4.0g C m-2 d-1)에서 가장 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 높았으며, 출현단계(Ⅰ, 0.2)가 가장 낮은 것으로 평가되었다. 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 작부체계의 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 및 Re는 각각 -255, 538, 283g C m-2로 추정된다고 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 플럭스의 변화 패턴 또한 아주 유사한 것으로 평가되었다.
보리재배 논 생태계의 생육단계별 CO2 플럭스의 시간적 변화는 <그림 7>과 같다. 보리재배 논 생태계는 야간에는 CO2의 발원으로, 주간에는 CO2의 흡원으로 작용하였다. 시간별로는 오전 7~8시 범위에서 발원에서 흡원으로 바뀌고, 그 후 CO2의 흡원이 점차 증가하다가, 11~13시 범위에서 CO2의 흡원이 최고가 된 후, 16~18시 범위에서 다시 논 생태계가 CO2의 흡원에서 발원으로 전환되는 것으로 조사되었다.

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3.5. CO2 플럭스의 검증

본 연구사이트인 보리재배 논 생태계의 EBC(Energy balance closure)는 0.64로, 에디공분산으로 관측된 에너지 플럭스(현열과 잠열의 합)는 동시간대에 관측된 에너지(순복사에너지와 지중열류량의 차)보다 36% 낮게 평가되었다(Fig. 8). 에디공분산 방식으로 측정된 에너지 플럭스는 동시간대에 관측된 에너지보다 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 선형관계(r2=0.98, n=9, p<0.001)를 나타냈다(Fig. 9). 보리재배 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, 동일시기에 적산된 NEE는 348.0g C m-2로 분석되어Rh는 188.4g C m-2로 추정되었다.

적요

전라북도 김제시 부량면 신용리의 벼-보리 이모작 논에 설치된 플럭스 관측시스템에서 보리 재배기간동안(2011년 10월 27일~2012년 6월 8일) 연속적으로 관측된 플럭스 자료를 활용하여, 보래재배 논 생태계와 대기간의 $CO_2$ 수식 이미지 교환량의 계절적 변화를 분석하였다. $CO_2$ 수식 이미지 및 에너지의 교환량은 미기상학적인 에디공분산법으로 추정하였고, 환경인자(순복사, 강수량 등)와 작물체 생육량(엽면적지수, 초장 등)도 함께 측정 조사하였다. 관측된 플럭스 자료는 보정과 결측보충의 과정을 거친 후 분석에 활용되었다. 결론적으로, 벼-보리 이모작 논생태계에서 보리 재배기간동안의 보리생육은 $CO_2$ 수식 이미지의 순생태계교환량(NEE)에 큰 영향을 주는 것으로 분석되었다. 보리 건물중이 급격하게 증가되는 분얼단계에서 가장 많은 $CO_2$ 수식 이미지가 흡수되었으며, 출수개화기가 관측된 5월 상순에 가장 높은 NEE ($-11.2gCm^{-2}d^{-1}$ 수식 이미지)가 관측되었다. 보리 재배기간중의 누적 순생태계 교환량(NEE)과 총일차생산량(GPP) 및 생태적 호흡량(Re)은 각각 단위면적($m^2$ 수식 이미지)당 -348.0, 663.3, $315.2gCm^{-2}$ 수식 이미지로 분석되었다. 본 논문은 국내에서 보리 재배기간의 $CO_2$ 수식 이미지 플럭스를 에디공분산기법으로 정량화한 최초의 연구결과이며, 향후 벼-보리 이모작 논 생태계의 $CO_2$ 수식 이미지 수지 평가의 기초자료로 활용될 것으로 기대한다.

감사의 글


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

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