방통대, 농업직, 농촌지도사, 농업연구사 대비 - 재배학 정리 7. 작물의 광환경

 

7. 작물의 광환경

 

<용어정리>

- 광호흡 : 식물이 기공을 다는 것은 수분손실을 줄이려는 적응전략이지만 동시에 잎으로 CO2가 들어오고 O2가 나가는 것을 막게된다. 그 결과 잎안의 CO2 농도가 점점 낮아지게 되는 반면 명반응에서 발생되는 산소가 쌓이게 된다. 이렇게 되면 루비스코(rubisco)라는 칼빈회로의 첫 번째 효소가 이산화탄소 대신 산소와 결합하면서 정상적인 3탄소화합물 대신 2탄소화합물을 생성하였다가 다른 경로를 통해 CO2와 H2O로 분해한다. 산소고정으로 시작되는 이 과정을 광호흡이라고 한다. C4식물은 광호흡을 억제하는 독특한 적응기구를 갖고 있다.

 

- 최적엽면적 : 건물생산이 최대로 되는 단위면적당 군락엽면적, 군락의 엽면적을 토지면적에 대한 배수치로 표시하는 경우를 엽면적지수라고 한다. 최적엽면적일 때의 엽면적지수를 최적엽면적지수라고 한다.

 

- 광보상점 : 광보상점은 이산화탄소의 방출속도와 흡수속도가 같아질 때의 조도이며, 광포화점은 조도를 증가시킴에 따라 광합성이 증가하다가 어느 한계점에 이르러 더 이상 증가하지 않는 때의 조도를 말한다.

 

- 고립상태 : 특정한 몇 개의 잎이나 한 개체가 고립되어 있는 경우와 같이 실험대상이 되는 각각의 잎이 직사광을 받는 경우를 고립상태라고 한다. 포장에서는 극히 생육초기에 여러 개체의 잎들이 서로 중첩되기 전의 상태가 이에 해당된다.

 

- 군락상태 : 포장에서 작물이 밀생하고 크게 자라며 잎이 서로 포개져서 많은 수의 잎이 직사광을 받지 못하고 그늘에 있는 상태를 군락상태라고 한다.

 

1. 태양광의 작용

 

1) 호흡작용과 증산작용

광은 광합성에 의해 호흡기질을 생성하여 호흡을 증대시킴.

광이 조사되면 온도가 상승하여 증산이 조장

 

2) 식물의 광합성 특성

 

< 그림  1> C 3 식물의 광호흡  C 4 식물의 탄소고정  CAM  식물의 탄소고정

< 표  7-1> C 3 식물 , C 4 식물 , CAM 식물의 광합성 특성

 

 

㉠ C3식물

- 이산화탄소를 공기에서 직접 얻어 칼빈회로에 이용하는 식물로 최초로 합성되는 유기물이 3탄소화합물임

- C3식물 : 벼ㆍ밀ㆍ콩ㆍ귀리

- 날씨가 덥고 건조하면 C3식물은 광호흡이 증대됨

㉡ C4식물

- 수분을 보존하고 광호흡을 억제하는 적용기구가 있음

- 날씨가 덥고 건조하면 기공을 닫아 수분을 보존하고 탄소를 4탄소화합물로 고정시킴

- 엽육세포와 유관속초세포가 매우 인접하여 있어 효율적으로 광합성을 수행

- C4식물 : 옥수수ㆍ수수ㆍ기장ㆍ사탕수수 등

㉢ CAM식물

- CAM식물 : 선인장ㆍ파인애플ㆍ솔잎국화 같은 대부분의 다육식물

- 밤에만 기공을 열어 이산화탄소를 받아들이는 방법으로 수분을 보존하며 이산화탄소를 4탄소화합물로 고정

㉣ C3식물과 C4식물의 해부학적인 차이

C3식물의 유관속초세포 : 엽록체가 적고 그 구조도 엽육세포와 유사

C4식물의 유관속초세포 : 다수의 엽록체가 함유되어 있고 엽육세포가 유관속초세포 주위에 방사상으로 배열

 

3) 그 밖의 작용

① 신장 및 개화

- 단파장의 광(자외선) : 식물의 신장을 억제

- 광이 부족하거나 자외선의 투과가 적은 환경 : 웃자라기 쉬움

- 광조사가 좋으면 C/N율이 높아져서 화성이 촉진된다.

 

② 착색(전자기 스펙트럼)

 

< 그림  2>  전자기 스펙트럼

 

 

- 광이 없을 때에는 엽록소의 형성이 저해되고, 에티올린(etiolin) 색소가 형성되어 황백화현상을 일으킴

- 엽록소의 형성에 효과적인 광파장 : 430∼470㎚의 청색광역과 620∼670㎚의 적색광역

- 사과ㆍ포도ㆍ딸기ㆍ순무 등의 착색 : 안토시안의 생성에 의한 것

③ 굴광성

- 광의 조사시 식물체가 구부러지는 현상 : 광이 조사된 쪽의 옥신농도가 낮아지고 반대쪽의 옥신농도가 높아지는 데서 오는 현상

- 광합성에 이용되는 파장역 : 400∼700㎚의 가시광선 부분, 특히 청색광(400∼490㎚)과 적색광(620∼680㎚)이 주로 흡수

- 줄기나 초엽에서는 향광성, 뿌리에서는 배광성이 나타남

- 굴광성 : 빛에 대해 방향성을 갖는 생장

 

2. 광포화점과 광보상점

 

1) 광포화점과 광보상점의 관계

 

 

< 그림  3>  광보상점과 광포화점의 관계

 

 

- 광포화점 : 어느 한계에 이르면 광도를 더 증가시켜도 광합성량이 더 이상 증가하지 않는 상태의 광도

- 광보상점 : 암흑상태에서 광도를 점차 높여 이산화탄소의 방출속도와 흡수속도가 같게 되는 때의 광도

 

* 고립상태에서의 광포화점

음생식물 : 보상점이 낮아 음지에서 잘 자라는 식물(내음성이 강함)

야생식물 : 보상점이 높아 태양광 아래서만 양호한 생육을 할 수 있는 식물

여름 정오의 직사광선에 대한 광도의 비율인 최저수광률이 적을수록 내음성이 큼

 

2) 포상상태에서의 광합성

① 포장동화능력

- 포장상태에서의 단위면적당 동화능력으로, 수량을 직접 지배

- 포장동화능력의 표시 : 총엽면적 × 수광능률 × 평균동화능력

② 군락의 광포화점

- 군락상태 : 포장에서 식물이 자라서 잎이 서로 얽혀 많은 잎들이 직사광선을 받지 못하는 상태

- 군락이 우거져 그늘 잎이 많아지면 군락의 광포화점은 높아짐

③ 최적엽면적

- 식물의 건물생산은 외견상광합성에 의해 지배

- 식물의 건물생산량은 어느 한도까지는 군락의 엽면적이 커짐에 따라 증가하나 그 이상으로 엽면적이 증대한 경우에는 오히려 감소

- 최적엽면적 : 군락상태에서 건물생산을 최대로 할 수 있는 엽면적(엽면적이 최적엽면적일 때의 엽면적지수를 최적엽면지수라고 한다.)

- 엽면적지수(optimum LAI) : 군락의 엽면적을 토지면적에 대한 배수체로 표시한 것

- 최적엽면적지수를 크게 하는 것 : 군락의 건물생산력을 크게 하여 수량을 증대시키는 것

 

3) 생육단계와 일사

일조부족의 영향은 작물의 생육단계에 따라서 차이가 있음

감수분얼기의 차광 : 영화의 크기를 작게 하며, 유숙기의 차광은 정조 전립중을 크게 감소시킴

일조부족이 수량에 가장 큰 영향을 주는 시기 : 유숙기이고, 다음이 감수분얼기(분얼성기의 일조부족은 수량에 크게 영향을 미치지 않음)

 

4) 군락의 수광태세

(1) 벼의 초형

잎이 얇지 않고, 약간 좁으며, 상위엽이 직립한다.

키가 너무 크거나 작지 않다.

분얼 - 개산형이 좋다.

각잎이 공간적으로 되도록 균일하게 분포한다.

(2) 콩의 초형

키가 크고, 도복이 안되며, 가지를 적게 친다. 가지가 짧다.

꼬뚜리가 원줄기에 많이 달리고, 밑에까지 착생한다.

잎자루가 짧고 일어난다.

잎이 작고 가늘다.

(3) 군락의 최적엽면적지수는 군락의 수광태세가 좋을 때에 커짐

(4) 수광태세의 개선 : 광에너지의 이용도를 높이는 데 있음

(5) 군락의 수광태세를 개선하기 위한 조건 : 우수한 초형의 품종을 육성하고 재배법도 개선하여 군락의 잎 구성을 좋게 해야 함

(6) 수광태세를 개선하기 위한 재배적 방안

어느 작물이나 재식밀도와 비배관리를 적절히 해야 함

맥류에서 광파재배보다 드릴파재배를 하는 것이 수광태세가 좋아지고 지면증발량도 적어짐

벼나 콩에서 밀식을 할 때에는 줄 사이를 넓히고 포기 사이를 좁히는 것이 군락 하부로의 광투사를 좋게 함

벼에서 규산과 칼리를 충분히 사용하면 잎이 직립하며, 무효분얼기에 질소를 적게 주면 상위엽이 직립

 

3. 작물의 재배조건과 일사

 

1) 작휴 및 파종조건

대부분은 이랑의 방향을 남북향으로 하는 것이 동서향으로 하는 것보다 수광량의 증가를 보임

증수재배의 요점 : 작물의 생육 초기에는 엽면적을 증가시켜 포장동화능력을 증대하고 생육 후기에는 최적엽면적과 단위동화능력을 증가시켜 포장동화능력을 증대시키는 것

생육 초기의 엽면적 증대, 후기의 최적엽면적 및 단위동화능력을 제고하기 위한 합리적인 재배방법(간작기간, 재식밀도, 시비 및 관리법)을 강구해야 함

 

2) 작물의 광입지

감자ㆍ당근ㆍ비트 : 광포화점이 낮고 한발에도 약하므로 흐린 날이 있어야만 생육과 수량이 증대

벼ㆍ목화ㆍ조ㆍ기장 등 : 광포화점이 높고 한발에도 강하므로 맑은 날씨가 계속되어야 생육과 수량이 증대

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<정리하기>

 

1. 이산화탄소를 공기에서 직접 얻어 칼빈회로에 이용하는 식물을 C3식물이라고 한다. 벼ㆍ밀ㆍ콩ㆍ귀리 등이 이에 해당된다. 이러한 식물은 날씨가 건조하면 기공을 닫아 잎 안의 이산화탄소가 점점 낮아져 산소가 쌓이게 된다. 이때 탄소고정효소 루비스코가 산소와 결합하여 광호흡을 하게 된다. 광호흡은 ATP를 생성하지 않기 때문에 소비적인 과정이다.

 

2. C4식물은 날씨가 덥고 건조하면 기공을 닫아 수분을 보존하지만, 탄소를 4탄소 화합물로 고정시키는 효소가 있어서 C3식물과는 달리 산소와 결합지 않고 광합성을 수행한다. 옥수수ㆍ수수ㆍ기장ㆍ사탕수수 등이 이에 해당된다.

 

3. 식물의 생리작용에 유효한 광은 280∼800nm 범위의 광이다. 파장에 따라 생리ㆍ생태에 미치는 영향이 다르다. 광합성에 가장 효과적인 광은 적색광(620∼670nm)과 청색광(440∼480nm)부분이다.

 

4. 광보상점은 이산화탄소의 방출속도와 흡수속도가 같아질 때의 조도이며, 광포화점은 조도를 증가시킴에 따라 광합성이 증가하다가 어느 한계점에 이르러 더 이상 증가하지 않는 때의 조도를 말한다. 고립상태의 광포화점은 전광의 30∼60% 범위에 있고, 군락상태의 광포화점은 고립상태보다 높다.

 

5. 포장상태에서 단위면적당 동화능력을 포장동화능력이라고 하며, 군락상태에서의 건물생산을 최대로 할 수 있는 엽면적을 최적엽면적이라고 한다.

 

6. 군락의 수광태세를 개선하여 광을 효율적으로 수용하려면 우수한 초형의 품종을 육성하고 재배법도 개선하여 군락의 엽군구조(葉群構造)를 좋게 하여야 한다.

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