Climate change is known to affect both natural and managed ecosystems, and will likely impact on the terrestrail carbon balance. This paper reports the effects of climate change on spatial-temporal changes in carbon reductions in South Korea's during 2000-2100. Future carbon (C) stock distributions are simulated for the same period using various spatial data sets including land cover, net primary production(NPP) and leaf area index (LAI) obtained from MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), and climate data from Data Assimilation Office(DAO) and Korea Meteorological Administration(KMA). This study attempts to predict future NPP using multiple linear regression and to model dependence of soil respiration on soil temperature. Plants store large amounts of carbon during the growing periods. During 2030-2100, Carbon accumulation in vegetation was increased to $566{\sim}610gC/m^2$/year owing to climate change. On the other hand, soil respiration is a key ecosystem process that releases carbon from the soil in the form of carbon dioxide. The estimated soil respiration spatially ranged from $49gC/m^2$/year to $231gC/m^2$/year in the year of 2010, and correlating well with the reference value. This results include Spatial-Temporal C reduction variation caused by climate change. Therefore this results is more comprehensive than previous results. The uncertainty in this study is still large, but it can be reduced if a detailed map becomes available.
To calculate and predict soil carbon budget and cycle, it is important to understand the complex interrelationships involved in soil respiration rate (Rs). We attempted to reveal relationships between Rs and key environmental factors, such as soil temperature, using a laboratory incubation method. Soil samples were collected from mature deciduous (MD), mature coniferous (MC), immature deciduous (ID), and immature coniferous (IC) forests. Prior to measure, soils were pre-incubated for 3 days at $25^{\circ}C$ and 60% of maximum water holding capacity (WHC). Samples of gasses were collected with 0, 2, and 4 h interval after the beginning of the measurement at soil temperatures of 5, 15, 25, and $35^{\circ}C$ (at 60% WHC). Air samples were collected using a syringe attached to the cap of closed bottles that contained the soil samples. The $CO_2$ concentration of each gas sample was measured by gas chromatography. Rs was strongly correlated with soil temperature (r, 0.93 to 0.96; P < 0.001). For MD, MC, ID, and IC soils taken from 0-5 cm below the surface, exponential functions explained 90%, 82%, 92%, and 86% of the respective data plots. The temperature and Rs data for soil taken from 5-10 cm beneath the surface at MD, MC, ID, and IC sites also closely fit exponential functions, with 83%, 95%, 87%, and 89% of the data points, respectively, fitting an exponential curve. The soil organic content in mature forests was significantly higher than in soils from immature forests (P < 0.001 at 0-5 cm and P < 0.005 at 5-10 cm) and surface layer (P = 0.04 at 0-5 cm and P = 0.12). High soil organic matter content is clearly associated with high Rs, especially in the surface layer. We determined that the incubation method used in this study have the possibility for comprehending complex characteristic of Rs.
한국작물학회 2017년도 9th Asian Crop Science Association conference
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pp.328-328
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2017
Drought is a major limiting factor that reduces rice production and occurs often especially under recent climate change. Plants have the ability to alter their developmental morphology in response to changing environment, which is known as phenotypic plasticity. In our previous studies, we found that one chromosome segment substitution line (CSSL50 derived from Nipponbare and Kasalath crosses) showed no differences in shoot and root growth as compared with the recurrent genotype, Nipponbare under non-stress condition but showed greater growth responses compared with Nipponbare under mild drought stress condition. We hypothesized that reducing root respiration as metabolic cost, which may be largely a consequence of aerenchyma formation would be one of the key mechanisms for root plasticity expression. This study aimed to evaluate the root respiration and aerenchyma formation under various soil moisture conditions among genotypes with different root plasticity. CSSL50 together with Nipponbare and Kasalath were grown under waterlogged conditions (Control) and mild drought stress conditions (20% of soil moisture content) in a plastic pot ($11cm{\times}14cm$, ${\varphi}{\times}H$) and PVC tube ($3cm{\times}30cm$, ${\varphi}{\times}H$). Root respiration rate was measured with infrared gas analyzer (IRGA, GMP343, Vaisala, Finland) with a closed static chamber system. There was no significant difference between genotypes in control for shoot and root growth as well as root respiration rate. In contrast, all the genotypes increased their root respiration rates in response to mild drought stress. However, CSSL50 showed lower root respiration rate than Nipponbare, which was associated by higher root aerenchyma formation that was estimated based on internal gas space (porosity) under mild drought stress conditions. Furthermore, there were significant negative correlations between root length and root respiration rate. These results imply that reducing the metabolic cost (= root respiration rate) is a key mechanism for root plasticity expression, which CSSL50 showed under mild drought.
본 연구에서는 육상생태계 가운데 하나인 농경지 생태계의 주요 탄소저장고인 토양의 환경요인이 토양의 탄소 저장량과 토양호흡량에 어떠한 영향을 주는지 알아보기 위해 농경지 생태계 유형별 선행연구의 결과를 분석하였다. 그 결과 선행연구는 논과 시설재배지에서 가장 많은 연구가 진행되었다. 그리고 논과 과수원의 토양의 탄소 저장량과 토양의 화학적 특성 요인인 토양 pH, 전기전도도, 토양 유기물 함량, 전질소 함량은 밭, 시설재배지, 기타재배지보다 높았고, 토양호흡량은 논이 다른 농경지 생태계 유형보다 높았다. 또한, 토양의 탄소 저장량은 토양 유기물 함량(R2=0.7237, p=0.0000), 전질소 함량(R2=0.8419, p=0.0000), 유효인산(R2=0.3123, p=0.0024)과 토양호흡량은 토양 유기물 함량(R2=0.5644, p=0.0000)과 유의한 관계가 있었다. 본 연구에서 농경지 생태계는 각각의 생태계 유형(과수원, 논, 시설재배지)의 토양에서 49.1±8.9 ton C ha-1, 31.8±6.9 ton C ha-1, 25.3±28.0 ton C ha-1 만큼 탄소 저장량이 확인되었기 때문에 탄소저장고로서 역할을 한다고 볼 수 있다. 따라서 농경지 생태계는 토양의 양분관리를 통해 토양의 탄소 저장 및 탄소 배출 관리를 해야 한다.
담수 토양에서의 토양호흡량은 호기 상태에 비해 매우 낮은 수준이나, 혐기 상태에서의 유기물의 분해는 담수 생태계의 탄소순환에 매우 중요한 역할을 한다. 한편, 비산회(fly ash), 석탄바닥재 (bottom ash)와 같은 석탄 연료 부산물들은 이산화탄소 발생을 저감하고 토양 탄소를 격리하는 효과가 있음이 보고된 바 있다. 이에 본 연구는 혐기조건 토양에서 석탄바닥재 단일 처리 및 석탄바닥재와 유기물 혼합 처리가 토양 미생물 호흡량 및 미생물 생체량 변화에 미치는 영향을 조사하였다. 이산화탄소 발생속도는 석탄바닥재 처리에 의해 유의하게 감소하였고, 처리수준에 따라서도 감소하는 것을 보였다. 유기물과 석탄바닥재를 혼합 처리하였을 때에도 발생속도가 감소되는 것을 확인하였다. 석탄바닥재 처리에 따라 토양미생물 생체량은 유의하게 증가하였고, 토양 중 암모니아태 질소, 질산태 질소, 유효인의 함량은 감소하는 경향이 있었다.
Background: For various reasons such as agricultural and economical purposes, land-use changes are rapidly increasing not only in Korea but also in the world, leading to shifts in the characteristics of local carbon cycle. Therefore, in order to understand the large-scale ecosystem carbon cycle, it is necessary first to understand vegetation on this local scale. As a result, it is essential to comprehend change of the carbon balance attributed by the land-use changes. In this study, we attempt to understand accumulated soil carbon (ASC) and soil respiration (Rs) related to carbon cycle in two ecosystems, artificially turned forest into pastureland from forest and a native deciduous temperate forest, resulted from different land-use in the same area. Results: Rs were shown typical seasonal changes in the alpine pastureland (AP) and temperate deciduous forest (TDF). The annual average Rs was $160.5mg\;CO_2\;m^{-2}h^{-1}$ in the AP, but it was $405.1mg\;CO_2\;m^{-2}h^{-1}$ in the TDF, indicating that the Rs in the AP was lower about 54% than that in the TDF. Also, ASC in the AP was $124.49Mg\;C\;ha^{-1}$ from litter layer to 30-cm soil depth. The ASC was about $88.9Mg\;C\;ha^{-1}$, and it was 71.5% of that of the AP. The temperature factors in the AP was high about $4^{\circ}C$ on average compared to the TDF. In AP, it was observed high amount of sunlight entering near the soil surface which is related to high soil temperature is due to low canopy structure. This tendency is due to the smaller emission of organic carbon that is accumulated in the soil, which means a higher ASC in the AP compared to the TDF. Conclusions: The artificial transformation of natural ecosystems into different ecosystems is proceeding widely in the world as well as Korea. The change in land-use type is caused to make the different characteristics of carbon cycle and storage in same region. For evaluating and predicting the carbon cycle in the vegetation modified by the human activity, it is necessary to understand the carbon cycle and storage characteristics of natural ecosystems and converted ecosystems. In this study, we studied the characteristics of ecosystem carbon cycle using different forms in the same region. The land-use changes from a TDF to AP leads to changes in dominant vegetation. Removal of canopy increased light and temperature conditions and slightly decreased SMC during the growing season. Also, land-use change led to an increase of ASC and decrease of Rs in AP. In terms of ecosystem carbon sequestration, AP showed a greater amount of carbon stored in the soil due to sustained supply of above-ground liters and lower degradation rate (soil respiration) than TDF in the high mountains. This shows that TDF and AP do not have much difference in terms of storage and circulation of carbon because the amount of carbon in the forest biomass is stored in the soil in the AP.
The carbon cycle came into the spotlight due to the climate change and forests are well-known for their capacity to store carbon amongst other terrestrial ecosystems. The annual organic carbon of litter production, forest floor litter layer, soil, aboveground and belowground part of plant, standing biomass, net primary production, uptake of organic carbon, soil respiration, etc. were measured in Mt. Worak in order to understand the production and carbon budget of Quercus serrata forest that are widely spread in the central and southern part of the Korean Peninsula. The total amount of organic carbon of Q. serrata forest during the study period (2010-2013) was 130.745 ton C ha-1. The aboveground part of plant, belowground part of plant, forest floor litter layer, and organic carbon in soil was 50.041, 12.510, 4.075, and 64.119 ton C ha-1, respectively. The total average of carbon fixation in plants from photosynthesis was 4.935 ton C ha-1 yr-1 and organic carbon released from soil respiration to microbial respiration was 3.972 ton C ha-1 yr-1. As a result, the net ecosystem production of Q. serrata forest estimated from carbon fixation and soil respiration was 0.963 ton C ha-1 yr-1. Therefore, it seems that Q. serrata forest can act as a sink that absorbs carbon from the atmosphere. The carbon uptake of Q. serrata forest was highest in stem of the plant and the research site had young forest which had many trees with small diameter at breast height (DBH). Consequentially, it seems that active matter production and vigorous carbon dioxide assimilation occurred in Q. serrata forest and these results have proven to be effective for Q. serrata forest to play a role as carbon storage and NEP.
This study was conducted to evaluate forest carbon cycling and soil $CO_2$ efflux rates in a 42-year-old pine (Pinus densiflora) stand located in Hamyang-gun, Korea. Aboveground and soil organic carbon storage, litterfall, litter decomposition, and soil $CO_2$ efflux rates were measured for one year. Estimated aboveground biomass carbon storage and increment in this stand were $3,250gC/m^2\;and\;156gC\;m^{-2}yr^{-1}$, respectively. Soil organic carbon storage at the depth of 30 cm was $10,260gC/m^2$ Mean organic carbon inputs by needle and total litterfall were $176gC\;m^{-2}yr^{-1}\;and\;235gC\;m^{-2}yr^{-1}$, respectively. Litter decomposition rates were faster in nne roots less than 2 mm diameter size ($<220\;g\;kg^{-1}yr^{-1}$) than in needle litter ($<120\;g\;kg^{-1}yr^{-1}$). Annual mean and total soil respiration rates were $0.37g\;CO_2m^{-2}h^{-1}$ and $2,732g\;CO_2m^{-2}yr^{-1}$ during the study period. A strong positive relationship existed between soil $CO_2$ efflux and soil temperature (r=0.8149), while soil $CO_2$ efflux responded negatively to soil pH (r=-0.3582).
The effect of biochar application on soil physics and nitrous oxide ($N_2O$) emission from upland soil for broccoli cultivation was investigated. Sesame straw biochar (SB) was applied at amounts 0 (IF), 50 (SB50), 100 (SB100), 200 (SB200) kg $10a^{-1}$, respectively. SB addition to the upland soil decreased bulk density, and increased porosity and soil respiration. The $N_2O$ emission rates in all treatments were higher in the order of IF $${\geq_-}$$ SB50 > SB100 $${\geq_-}$$ SB200 treatments. Global warming potential in SB200 treatment decreased by 15.1% compared to IF treatment. Therefore, SB application in upland soil can improve soil physics and reduce $N_2O$ emission.
본 연구는 친환경 농산물 생산을 위한 양분관리 자재로 유기질비료 처리에 따른 옥수수 재배 토양의 비옥도 및 토양 호흡에 미치는 영향을 분석하였다. 시험장소는 국립농업과학원 유기농업과 시험포장에서 수행하였으며 처리구는 퇴비 (Com), 발효비료 (FOF), 혼합 유박 (PC), 무비구 (NF)로 처리구당 3반복 완전임의 배치하였다. 처리량은 174kg N/ha로 옥수수 표준시비량의 질소기준에 준하여 처리하였다. 옥수수 정식 8주 후 토양분석 결과, 퇴비는 토양의 탄소 (C)와 질소 (N)를 각각 7.48 및 0.76g/kg으로 증가시켰고, 다른 처리구는 시험 전과 차이가 없었다. 또한 시험 후 토양의 화학적 특성은 무비구를 제외하고 유의한 차이는 없었다. 토양 CO2 발생량은 발효비료 처리가 다른 처리구보다 31-76% 증가시켰으며 두 번의 제초작업 후 CH4 발생량의 차이는 없었다. 토양의 N2O 배출량은 발효비료 처리가 다른 처리구보다 87-96% 감소되었다. 미생물 밀도 조사 결과, 시험 전에 비해 시험 후 토양의 사상균 및 방선균 밀도를 각각 25%, 16% 증가되었다. 따라서 친환경 농산물 생산을 위한 발효비료 등 유기질 비료는 자원을 순환하며 토양 생산성을 유지하는데 기여할 것이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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