배추 작물모형 소개 및 실습
국립원예특작과학원 온난화대응농업연구소
문 경 환
2022 Cropbox Workshop(2022.8.26)
시스템과 작물모형
농업시스템은 생물적, 비생물적(환경적), 사회경제적인 요소들이 서로 상호작용으로 이루어지는 매우 복잡한 시스템이다.
농업 시스템
○ 전통적 농업연구 방법
○ 시스템적 연구 방법
- Computer models → 시스템 변화 예측
○ Understand 🡪 Predict🡪 Control & Manage
(H. Nix, 1983)
시스템적 접근방법
(수학문제를 풀 듯이 원인과 결과의 관계가 명확)
검증해 볼 수 있다.
(기후변화 영향평가, 최적 재배관리, 디지털농업 등)
작물 모형?
- (예) 질소 시비량 - 수량 반응식, 온도 - 착색 반응식 등
- 시간에 대한 고려는 하지 않음
- (예) 일별 배추엽수, 생체중 증가, 토양 양분함량 변화
- 시간에 따른 변화량을 모형으로 나타냄
작물모형 종류 (시간 기준)
<동적 모형식의 예 – Cropbox>
pattern(keyword)는?
생각해 볼 문제 ①
배추 작물모형(Python) 소개
영양 생장
생식 생장
정상 수확
무름 증상
정식 초기 생육 결구 추대(개화)
수확
폐기
배추 생육 과정
토양
품종
재배기술
기상
생장
발달
모의
작물모형
수량
배추 작물모형 개념
원인
결과
발달(Development) 모형
발달 단계
춘화처리
(저온 효과)
고온 생육
기온
춘화처리
(저온 효과)
영양 생장
(적온에서 생육)
생식 생장
(적정 온도)
0
~
1
1~2
수확
발달 모형 모식도
어린 묘
(정식 묘)
추대 & 개화
(종자 생성)
○ 배추의 생물학적 나이와 온도
- 식물 발달단계는 온도 및 경과시간에 따라 영향을 받음(0 → 1 → 2)
- (가정1) 온도와 발달속도 간의 관계를 비선형함수로 나타낼 수 있음
- (가정2) 저온경과에 따른 춘화처리 효과도 별도의 함수로 나타낼 수 있음
- (가정3) 두 효과를 곱하여 전체 배추의 발달단계를 결정할 수 있음
발달 모형 개념
배추 추대 실험
<실험1> 정식시기를 달리하여 배추 추대 발생 시기 조사 시험
- 정식 : 11/25, 12/9, 12/27, 1/10, 1/28, 2/13, 3/5 등 7시기
- 조사 : 추대 발생 여부(2/19 이후 7일 간격, 4반복) 및 기상자료
(무발생 0, 발생 1로 표기)
실험 결과
모수 탐색
- 저온 효과(0~1)
ver_rate = exp(-(ln(Tair/Topt_ver))**2)
- 온도 효과(0~1)
temp_rate = exp(-(ln(Tair/Topt_temp))**4)
- Topt_ver : optimal air temperature for vernalization (=6.2)
- Topt_temp : optimal air temperature for development (=15.7)
- satVer : requirement of sum of ver_rate for flowering (=52)
- satTemp : requirement of sum of temp_rate for flowering (=30)
- satRep : requirement of sum of temp_rate for harvesting (=150)
Set parameters
발달 모형(파이썬 코딩)
발달 모형(Python)
dvs calculation
모형 적용
생장(Growth) 모형
생장 과정
광, 기온, 바람, 강우, 상대습도
생장 모형 모식도
광
기온
바람
습도
강우
Photosynthesis(assimilates)
Respiration(availables)
Growth(leaf, root, bolt)
Soil
(soil water)
Disease
(loss ratio)
기체교환 & 양음 모듈
호흡 & 분배 모듈
병 모듈
기상자료 정리 모듈
CO2
광합성(증산) 모형
<Parameterization for leaf photosynthesis rate>
- FvCB model : photosynthetic rate is determined by min of 3 rates of
Rubisco-, RuBP-, and TPU-limited reactions.
- if we know the parameters of 3 rates of equations, we can determine
the leaf-level photosynthesis
(from Dubois, 2007)
이론
나. 기공전도도
- Berry 모형 : 기공전도도는 동화속도(An), 상대습도(hs), CO2 농도(Ccs)에 따라
변하며, 따라서 광합성 반응과 밀접하게 연결되어 있다.
다. 잎의 에너지 균형
- 잎의 온도는 광, 기온, 습도 등과 밀접하게 관련되어 있다.
위의 세 가지 생리과정을 서로 연동되어 있으므로 세 방정식을 동시에
풀면 잎에서의 광합성 과정을 예측할 수 있음.
(“최적화문제”라고 하고 컴퓨터로 해결)
이론
<실험> 옥외생장상(SPAR) 이용 배추 광합성 측정
- 온도처리 : 14℃(주간)/9℃(야간), 17/12, 20/15, 23/18, 26/21, 29/24
- 조사 : 생육 중기 챔버별 A-Ci 데이터 수집
* 노지 재배 시험 중 생육이 양호할 때 측정 가능
배추 광합성 모수 탐색
<experimental data of cabbage>
- For cabbage : to get LI6400 data of 2014 SPAR experiment
(3 measures with 6 temp. levels, PAR: 1300 umol m-2 s-1)
- To change equations and some coefficients, such as Kc, Ko, Γ* for
Rubisco, in Excel program provided by Sharkey
(From Sharkey(2007) Plant, Cell and Environment)
모수 탐색
<Parameterization for cabbage leaf>
- For cabbage : to seek parameters & to compare with measured data
모수 적용
Set parameters
Photosynthesis & Energy balance
Photosynthesis & Energy balance
엽 광합성모형(Python))
⇒ 워크숍(1일차)의 광합성 모형
광합성 Scale-up
Sun-Shade 모형
○ 군락 광합성
- 기체교환모형으로 개별 잎의 광합성량이 계산되지만(단위 엽면적 당),
전체 생육을 알기 위해서는 잎 전체의 광합성량 계산이 필요함
- 군락 광합성량은 시간별 태양의 위치, 잎의 그늘진 정도 등에 의해
영향을 받음
- Sun-Shade모형은 태양복사와 잎 전체를 시간에 따라 구분하는 모형임
태양복사
전체 엽면적
Irrad_sun
Irrad_shade
LAI_sun
LAI_shade
Assim_sun
Assim_shade
시
간
전체 동화량
수
관
Set parameters
Radiation fractionation
LAI fractionation
Sun-Shade모형(Python))
녹엽 면적 계산
배추 엽 형태 변화
배추 녹엽 모형 개념
○ 배추의 엽면적지수(LAI) 산정 과정
- 배추 엽수 증가는 재배 기간의 온도와 관련이 깊음
- (가정1) 온도와 배추 엽수 생성 속도는 비선형 베타함수로 나타낼 수 있다.
y = Rmax*((Tmax - T)/(Tmax-Topt))*(T/Topt)^(Topt/(Tmax-Topt))
배추 엽수 → 엽서 → 개별 잎 엽장 → 개별 잎 엽면적 → 녹엽 면적 → LAI
○ 배추의 엽수 예측
<실험2> 옥외생장상(SPAR) 이용 온도처리별 배추 엽수 증가 조사
- 온도처리 : 14℃(주간)/9℃(야간), 17/12, 20/15, 23/18, 26/21, 29/24
배추 엽수 증가 실험
실험 결과
모수 탐색
배추 녹엽 면적 추정
○ 배추 녹엽 면적 및 LAI 산정
- 광합성이 가능한 녹엽 부위의 면적은 개별 잎 크기로부터 산정
- (가정) 개별 잎의 엽서와 엽장, 엽면적, 녹엽비율을 구할 수 있으며,
이를 이용하여 녹엽면적 계산 가능
광합성 제외
(LAI)
<실험3> 배추 생육단계별 잎 크기 조사(노지 포장)
- 조사 시기 : 5/30~6/27, 13회 조사(4반복)
- 조사 : 생육 시기별 엽서, 개별 잎의 엽장, 엽육비, 엽면적, 녹엽면적 조사
생육단계별 개별잎의 크기 조사
조사 결과
<엽서-엽장 분포> <엽장-엽면적 비율> <녹색엽수>
배추 녹엽 면적 모형(Python)
이용하여 온도에 따른 배추 엽수증가 함수를 베타함수로
나타내고, 모수를 구해보자.
(베타함수 : rate = Rmax*((Tmax - temp)/(Tmax-Topt))*(temp/Topt)**(Topt/(Tmax-Topt))
2. 배추 작물 모형에서 녹엽 면적의 LAI가 중요한 이유는?
생각해 볼 문제 ②
분배(Partitioning) 모형
○ 호흡과 분배
- 광합성 동화물질을 우선 식물체 생존을 유지하기 위한 호흡(유지호흡)에 이용됨
- 그 이후 남는 동화물질은 성장과 성장을 하기 위해 필요한 호흡에 이용됨
- 배추에서는 생장단계에 따라 동화물질이 잎, 뿌리, 추대의 3부분으로 나누어서 분배됨
(실험에 의하면 남는 동화물질의 92~95%가 잎으로 이동함)
(from Teh, 2007)
leaf
root
bolt
분배
동화물질 분배 모형
Set parameters
분배 모형(Python)
무름증상(Soft rot) 모형
배추 무름증상 발현 조건
광, 기온, 바람, 강우, 상대습도
고온
배추 무름증 발생
○ 무름증 모형
- (가정1) 무름증 발생속도는 온도의 함수로 표시
ㆍ(조건 1) 기온 25℃ 이상일 때 발생 급증
ㆍ(조건 2) 강우 후 7일, 습도 98% 이상에서 발생
ㆍ(조건 3) 잎수가 35장 이상 결구시기에 발생
- (가정2) 누적된 무름증 발생속도와 피해율의 관계를 함수로 표시
→ 실제 무름증 발생과 비교하여 모수를 조절
배추 무름증상 모형
모형과 비교
배추 모형 종합 및 활용
부분별 모듈 종합
시험 1
- 장 소 : 제주 노지 재배시험
- 기 간 : 2017-9-20 ~ 2017-12-13
- 측 정 : 생체중, 건물중, 엽수, 엽면적
- 품 종 : 춘광
모형 결과 비교
결과 비교
결과 비교
○ 고랭지 배추 포장 시험 자료
- 배추 포장 시험 자료(고령지농업연구소 김기덕)
· 시험품종 : 춘광, 수호
· 시험장소 : 대관령 시험지
· 시험기간 : 2012.6.21.∼2012.9.30
· 시험처리 : 정식 시기 3시기(6/21, 7/4, 7/18)
· 조사항목 : 2주마다 엽수, 엽면적, 생체중 등 조사
- 재배기간 기상자료 수집
· 조사기간 : 2012.6.21.∼2012.9.30.
· 조사항목 : 일최고기온, 일최저기온, 일조시간, 상대습도, 평균풍속
○ 배추 모형 구동 및 조사 자료와 비교
- 배추 생육 모형 구동
· 초기 조건 : 초기엽수(8장), 재식밀도(4주/m2), 수확지수(춘광 63%, 수호 58%)
· 기상 자료 : 재배 기간의 일 기상자료(웹사이트 추출)
시험 2
결과 비교
배추 모형 활용
주산지 농장규모 생육정보시스템(wds.agdcm.kr)
주산지 비교
요인들에 대해 생각해보자.
생각해 볼 문제 ③
Cropbox 이용 배추 모형 분석
⇒ 오후 과정
감사합니다