식물성장분석

식물 성장 분석은 시간 경과에 따른 식물의 크기 변화를 성분 변수에 요약하고 해부할 수 있는 일련의 개념과 방정식을 말한다.개별 식물의 성장 분석에는 종종 적용되지만, 시간이 지남에 따라 농작물 성장이 뒤따르는 상황에도 사용할 수 있다.

절대 사이즈

다른 치료법, 유전자형 또는 종을 비교할 때, 가장 간단한 성장 분석의 유형은 보통 발아 시점부터 일정한 기간 동안 성장한 후 식물의 크기를 평가하는 것이다.식물 생물학에서 크기는 종종 전체 식물의 건조한 질량(M) 또는 그 위에 있는 지상의 부분으로 측정된다.고투과 표현 플랫폼에서는 식물에서 다양한 방향에서 찍은 사진에서 파생된 녹색 픽셀의 양이 식물 크기를 추정하는 데 사용되는 변수인 경우가 많다.^[1]

절대성장률(AGR)

발전소 크기가 한 번 이상 결정된 경우, 주어진 시간 동안 크기 증가를 결정할 수 있다.다음은 절대성장률(AGR)이다.

${\displaystyle ARG\ =\\\\operatorname {M_{2}\ -\ M_{1}} \over \operatorname {t_{2}\\ -\ t_{1}}\!}}$

여기서 M과₂ M은₁ 각각 시간 t와₂ t에서₁ 식물의 질량이다.
실험이 끝날 때 절대 크기는 종자 질량, 발아 시간 및 측정된 모든 시간 단계에서 AGR의 통합에 따라 달라진다.

상대성장률(RGR)

ARG는 일정하지 않으며, 특히 식물 성장의 첫 단계에서는 더욱 그러하지 않다.이용 가능한 자원(빛, 영양소, 물)이 충분할 때, 발아 후 바이오매스의 증가는 이미 존재하는 식물의 질량에 어느 정도 비례할 것이다: 발아 직후에 작을 것이고, 식물이 커졌을 때 클 것이다.블랙먼(1919년)은 은행 계좌에 돈이 쌓이는 것과 비슷하다는 사실을 가장 먼저 인식했는데, 이자는 복리로 결정된다.^[2]그는 시간의 경과에 따른 식물 크기를 설명하기 위해 동일한 수학적 공식을 적용했다.

${\displaystyle M_{t}\ =\ \ M_{0}.\exp ^{RGR.t}}$

여기서 M과₀ M은_t 시간 0과 t의 식물 질량이고, RGR은 식물의 상대적 성장 속도다.수학적으로 RGR은 다음과 같이 쓸 수 있다.

${\displaystyle RGR\ =\\\frac {1}{M}{\frac {dM}{dt}}}}$

두 번의 수확의 경우 RGR은 간단하게 다음과^[3][4] 같이 계산할 수 있다.

${\displaystyle RGR\ =\\\\\operatorname {\ln(M_{2})\\\ln(M_{1}}) \over \operatorname {t_\ -\ t_1} \!}}$

수확량이 많을 경우 ln 변환 크기 데이터를 통해 선형 방정식을 적합시킬 수 있다.이 선의 기울기는 조사 대상 기간의 평균 RGR을 추정하며, 단위는 g.day이다⁻¹⁻¹.RGR의 시간 코스는 ln 변환된 크기 데이터를 통해 비선형 방정식을 적합시키고 시간에 대한 파생상품을 계산함으로써 추정할 수 있다.^[5]식물의 경우 RGR 값은 일반적으로 1g(일⁻¹⁻¹)보다 작다.따라서 값은 종종 mg.g⁻¹.day로⁻¹ 보고되며, 어린 초본종의 경우 정상 범위가 50~350mg.g⁻¹.day이고⁻¹, 나무 묘목의 경우 10~100mg.g⁻¹.day이다⁻¹.

RGR 구성 요소(LAR 및 ULR)

개시 직후, RGR 개념은 RGR 방정식의 단순한 확장에 의해 확장되었다.^[6]

${\displaystyle RGR\ =\\\\frac {A}{M}\\\\frac {1}{A}}{\frac {dM}{dt}\ =\ LAR\ .\ ULR}$

여기서 A는 식물의 총 잎 면적이다.첫 번째 성분은 '잎 면적 비'(LAR)라고 불리며, 단위 총 식물 질량 당 잎 면적이 얼마나 되는지 나타낸다.어린 식물의 경우 값은 종종 1~20m² kg의⁻¹ 범위에 있고, 나무 묘목의 경우 일반적으로 더 작다.두 번째 구성요소는 '단위 잎 비율'(ULR)으로, '순 동화 비율'(NAR)이라고도 한다.이 변수는 단위 잎 면적당 바이오매스 증가율을 나타내며, 대표적인 값은 초본종의 경우 오전⁻²⁻¹ 5~15g, 목질묘목일 경우⁻¹ 오전⁻² 1~5g이다.ULR은 단위 잎 면적당 광합성 비율과 같지 않지만, 두 값 모두 잘 상관되어 있는 경우가 많다.^[7][8]
LAR는 식물 생물학에 관련된 두 가지 다른 변수로 더 세분될 수 있다.특정 잎 면적(SLA)과 잎 질량분수(LMF). SLA는 식물(또는 주어진 잎)의 잎 면적을 잎 질량으로 나눈 것이다.LMF는 잎에 할당되는 총 식물 바이오매스의 분율을 특징으로 한다.공식:

${\displaystyle RGR\ =\\\\\frac {A}{M_{L}}\\\\frac {1}{{M_}\\{\frac {1}{1}{\m}{{}}}}{\\frac {1}{{}}}}}}}{\}}}{{}}}}}}}}}}}}}}{A}}{\frac {dM}{dt}\\\ SLA\ .\ LMF\ .\ ULR}$

여기서 M은_L 잎의 질량이다.
그러므로 잎, 줄기, 뿌리 바이오매스를 순차적으로 수확하고 잎 영역을 결정함으로써 식물의 다양한 성분과 그것들이 식물 전체의 성장을 어떻게 결정하는지를 더 깊은 통찰력을 얻을 수 있다.

RGR을 분해하는 다른 방법

RGR을 C-경제적 관점에서 볼 수 있는 만큼 잎 면적과 광합성을 계산하면 유기농 N농도, 단위 유기농 N당 바이오매스 증가율도 동일하게 잘 접근할 수 있다.

${\displaystyle RGR\ =\\\\frac {N}\{M}\\\\\frac {1}{1}{N}{\frac {dM}{dt}\\\ PNC\ .\ NP}$

여기서 N은 총 식물 유기 질소, PNC는 식물 유기 질소 농도, NP는 질소 생산성, 즉 단위 유기 N당 바이오매스 증가.^[9]

RGR을 분해하는 또 다른 방법은 영양소(원소)의 관점에서 바이오매스 증가와 뿌리별 섭취율을 고려하는 것이다.그런 다음 RGR은 RMF(Root Mass Fraction, RMF)의 함수로 다시 작성될 수 있으며, 관심 요소에 대한 해당 원소의 농도 및 특정 뿌리 흡수율이다.관심 요소의 농도가 일정하게 유지되는 조건(즉, dE/dM = E/M)에서는 RGR도 다음과 같이 기록할 수 있다.

${\displaystyle R}$ G ${\displaystyle R}$=${\displaystyle }$1 ${\displaystyle \frac{E}{}}$ ${\displaystyle \frac{d}{}}$ ${\displaystyle \frac{}{}}$ d ${\displaystyle \frac{t}{}}$ ${\$

다음 항목으로 확장 가능:

${\displaystyle RGR\ =\ {\frac {M_{R}}{M}}\ .\ {\frac {M}{E}}\ .\ {\frac {1}{M_{R}}}{\frac {dE}{dt}}\ =\ RMF\ .\ {\frac {1}{[E]}}\ .\ SAR}$

여기서 M은_R 뿌리의 질량이며, SAR은 뿌리의 특정 흡수율(단위 뿌리 질량 당 및 시간 당 E의 점)과 [E] 원소의 공장 내 E 농도.^[10]

RGR의 크기 의존성

비록 식물 크기의 증가는 이미 존재하는 식물 질량에 다소 비례하지만, 식물들은 엄격히 기하급수적으로 자라지 않는다.^[11]며칠의 기간 동안, 식물 성장률은 광도의 야행성 변화와 일광 적분에서의 일일 차이 때문에 달라질 것이다.밤에는 식물이 다시 피어나고 심지어 바이오매스까지 잃을 것이다.더 긴 기간(주 단위에서 월 단위)에 걸쳐 RGR은 일반적으로 몇 가지 이유로 인해 감소할 것이다.첫째, 식물의 꼭대기에 새로 형성된 잎들은 낮은 잎을 가리기 시작할 것이고, 따라서 단위 면적당 평균 광합성이 감소할 것이고, 둘째, 비광합성 바이오매스, 특히 줄기는 식물의 크기에 따라 증가할 것이다.특히 나무의 RGR은 크기가 증가함에 따라 감소하는데, 이는 부분적으로는 잎을 캐노피에서 지탱하는 데 필요한 트렁크의 구조 재료에 큰 비중을 차지하기 때문이다.전반적으로 호흡은 총 바이오매스로 스케일링되지만 광합성은 광합성 활성 잎 영역에서만 스케일링되며 그 결과 총 바이오매스가 증가하고 LAR이 감소함에 따라 증가율이 둔화된다.그리고 세 번째로 적용된 성장 조건에 따라 촬영 및/또는 뿌리 공간이 식물 연령에 따라 제한되거나 물 및/또는 영양 공급량이 식물 크기와 맞지 않고 점점 더 제한될 수 있다.이러한 차이에 대해 '수정'하는 한 가지 방법은 RGR과 RGR의 성장 구성요소를 발전소 크기에 대해 직접 표시하는 것이다.^[12]RGR이 특별히 관심있는 것이라면, 또 다른 접근법은 크기 효과와 본질적인 성장 차이를 수학적으로 분리하는 것이다.^[13]

농업부문 성장해석

식물 성장 분석은 종종 개별적인 수준에서 화분에서 개별적으로 자라는 젊은 잘 띄어진 식물들에 적용된다.그러나, 식물 성장은 또한 일반적으로 식물이 고밀도에서 자라고 종자 성숙기에 있는 농업에도 매우 관련이 있다.캐노피 폐쇄 후, 식물 성장은 더 이상 크기에 비례하지 않고 선형적으로 변화하며, 결국 포화상태는 농작물이 성숙할 때 최대치로 된다.시간 경과에 따른 식물 크기를 설명하는 데 사용되는 방정식은 종종 비고연성^[14] 또는 S자형이다.^[15][16]

농학 연구는 종종 식물 바이오매스의 지상 부분에 초점을 맞추고, 개별 식물 증가율보다는 작물 증가율을 고려한다.그럼에도 불구하고 그 두 접근법 사이에는 강한 상관관계가 있다.보다 구체적으로 위에서 논의한 ULR은 다음과 같이 농작물 성장 분석에서도 나타난다.

${\displaystyle CGR\ =\\\\\frac {1}{A_{g}}\\\\\frac {dM}{dt}\\\\\frac {A}{{}}}}{\\frac {A}}}{A}}}}}}\\\A_{g}}\ .\ {\frac {1}{{1}A}}{\frac {dM}{dt}\\\ LAI\ .\ULR}$

여기서 CGR은 단위 지반 면적당 (촬영) 바이오매스의 증가율, A_g 작물이 점유한 지면 면적, A 해당 지반 면적의 총 잎 면적, 그리고 단위 지반 면적당 잎 면적의 양인 LAI the Leaf Area Index이다.^[4]

추가 읽기

• 성장 분석 기법에 대한 간단한 소개는 헌트(1978년)에서 찾을 수 있다.^[17]에반스(1972)는 기초적인 가정에 대한 추가적인 통찰과 토론을 제공한다.^[3]
• RGR의 다양한 성분이 다른 종의 식물이나 다른 처리를 가진 식물들 간의 관찰된 RGR의 차이에 기여하는 정도는 성장 반응 계수로 평가할 수 있다.^[7][18]
• 개별 발전소를 시간 경과에 따라 파괴하지 않고 추적하여 평가한 RGR의 통계적 시험은 반복적인 측정 설계로 분산 분석에서 수행할 수 있다.식물을 파괴적으로 수확할 때, RGR은 분산 분석에서 종 x 시간 또는 처리 x 시간 교호작용으로 분석할 수 있으며, 종속 변수는 ln 변환된 건조 질량 값이다.^[19]
• 두 번의 수확 시간을 갖는 실험 설계의 경우 성장 데이터를 분석하는 소프트웨어를 사용할 수 있다.^[20]
• RGR 계산에서 한 가지 일반적인 오류는 시간 t에서의₁ 식물 질량을 단순히 시간 t의₂ 식물 질량에서 뺀 다음 두 수확물 사이의 시간 차이로 나눈다는 것이다.데이터를 변환하지 않음으로써, 이 기간 내에 어떤 복합도 가정하지 않으며 RGR 값은 부정확할 것이다.또 다른 실수는 개별 ln 변환된 식물 질량의 평균을 취하는 것이 아니라 수확당 평균 식물 질량을 변환하는 것이다.^[21]

참고 항목

• 바이오매스 할당
• 상대성장률
• 특정잎면적
• 이론생산생태학

참조