68. 광합성과 태양에너지의 이용 및 보상점과 광포화점

- 광합성과 태양에너지의 이용 및 보상점과 광포화점

 

- 광합성과 태양에너지의 이용은 다음과 같다.

지구의 대기권 상층부에 도달하는 ‘태양복사(태양에서 방출되는 전자기파를 통틀어 이르는 말. 그 전자기파의 파장에 따라 가시광선, 적외선, 자외선, 엑스선 따위로 나눈다)’를 ‘태양상수’라고 하는데, 그 값은 1,367Wm^(-2) {1.96 cal m^(-2) min^(-1)}이다. 태양복사는 다음과 같은 과정으로 대기권 상층부의 태양광선 중에서 약 47%(굵은 숫자)만이 지표면에 도달한다고 한다.

 

대기권 상층부의 태양광선 : 100%

1) 구름을 통하여 공급되는 부분 : 100% 태양광선 중 52%

1-1) 산란광으로 공간에 반사되는 부분 : 52% 중 25%

1-2) 구름에 흡수되는 부분 : 25% 중 10%

1-3) 지표면에 도달하는 부분 : 25% 중 17%

2) 구름 사이를 통하여 공급되는 부분 : 100% 중 33%

2-1) 공간에 흡수되는 부분 : 33% 중 9%

2-2) 지표면에 도달하는 부분 : 33% 중 24%

3) 산란광으로 공급되는 부분 : 100% 중 15%

3-1) 산란광으로 공간에 반사되는 부분 : 15% 중 9%

3-2) 지표면에 도달하는 부분 : 15% 중 6%

 

지표면에 도달하는 태양복사는 지역에 따라 다르며, 우리나라의 연평균 직달일사량(대기 중에 흡수되거나 산란하지 않고 태양으로부터 직접 지표면에 도달하는 일사량. 단위 시간당 지표의 단위 면적이 받는 일사 열량으로 나타낸다)은 2.404MJm^(-2) 이고, 산란일사량(대기 중의 수증기나 부유 입자의 산란으로 인해 지표면에 도달하게 되는 태양 복사 에너지의 양. 일정한 단위 시간 동안 단위 지표면에 도달하는 열량으로 나타낸다)은 2.386MJm^(-2) 이다.

 

식물의 광합성에 이용되는 태양에너지의 이용효율은 낮으며, 작물에서는 일반적으로 1~2%이고, 생육이 빈약한 작물은 0.2~0.5% 정도에 불과하다. 이는 온도, 수분, 이산화탄소 농도 등이 제한요소로 작용하여 광을 투사한계까지 이용할 수 없고, 또 지면이 늘 식생으로 피복되어 있지도 않기 때문이다.

 

지구상의 식물 광합성량의 분포는 90%를 해양식물이 차지하고 육지 식물은 10%를 차지하는 데 불과하다. 경작지대의 작물이 차지하는 비율은 육지의 24.5%, 즉 전 지구의 2.45%에 불과하다. 따라서, 해양과 삼림지대의 광합성산물의 이용도를 높이고 스텝(러시아와 아시아의 중위도에 위치한 온대 초원 지대. 건조한 계절에는 불모지, 강우 계절에는 푸른 들로 변한다), 사막, 극 지대의 광합성을 늘이는 방향을 모색할 필요가 있다.

 

- 보상점과 광포화점이란 다음과 같다.

 

- 조사 광량과 광합성속도

작물은 광합성으로 이산화탄소를 흡수하여 유기물을 합성하는 동시에, 호흡을 통해 유기물을 소모하여 이산화탄소를 방출한다. 호흡을 무시하고 본 절대적인 광합성을 ‘진정 광합성’이라 하고, 호흡으로 소모된 유기물(이산화탄소 방출)을 빼고 외견상으로 나타난 광합성을 ‘외견상 광합성’이라고 한다.

 

광합성은 어느 한계까지는 광을 강하게 받을수록 그 속도가 증대하는데, 어느 정도 낮은 조사 광량에서는 진정 광합성속도와 호흡속도가 같아서 외견상 광합성속도가 0이 되는 상태에 도달하여 유기물의 증감이 없고, 이산화탄소의 흡수와 방출이 없게 된다. 외견상 광합성속도가 0이 되는 조사 광량을 ‘보상점’이라고 한다.

 

조사 광량이 보상점을 넘어서 커짐에 따라 광합성속도가 증대하나, 어느 한계에 이르면 그 이상 조사 광량이 높아도 광합성속도는 증대하지 않게 된다. 이 상태를 ‘광포화’라고 하며, 광포화가 개시되는 조사 광량을 ‘광포화점’이라고 한다.

 

- 보상점과 내음성

식물은 보상점 이상의 광을 받아야 지속적인 생육이 가능하다. 따라서, 보상점이 낮은 식물은 그늘에 견딜 수 있어 ‘내음성’이 강하다. 보상점이 낮아서 그늘에 적응하고 광을 강하게 받으면 도리어 해를 받는 식물을 ‘음생(지)식물’이라고 한다. 보상점이 높아서 그늘에 적응하지 못하고 햇볕이 쬐는 곳에서만 잘 자라는(광포화점도 높음) 식물을 ‘양생(지)식물’이라고 한다.

 

교목(줄기가 곧고 굵으며 높이가 8미터를 넘는 나무. 수간과 가지의 구별이 뚜렷하고, 수간은 1개이며, 가지 밑부분까지의 수간 길이가 길다. 소나무, 향나무, 감나무 따위가 있다) 또는 관목(키가 작고 원줄기와 가지의 구별이 분명하지 않으며 밑동에서 가지를 많이 치는 나무. 무궁화, 진달래, 앵두나무 따위이다), 나아가 초본식물(지상부가 연하고 물기가 많아 목질을 이루지 않는 식물을 통틀어 이르는 말. 한해살이, 여러해살이 따위로 나뉜다)에 이르기까지 음생식물처럼 그늘에서 잎이 전개되는 것을 ‘음엽’이라 하고, 이와는 반대로 햇볕에서 잎이 전개되는 것을 ‘양엽’이라고 한다. 쌍떡잎식물의 양엽은 잎이 좁고 두꺼우며, 음엽은 잎이 얇고 넓은 편이다.

 

북반구에서 여름철 한낮의 직사광선은 100~120klux 이다. 그러나 lux 단위는 밝기를 나타내는 것으로, 광합성과 관련된 전자기에너지 단위 Wm^(-2) (1W는 1Js^(-1))가 아니기 때문에 1980년대 이후에는 사용하지 않는다. 그전 광합성 실험에는 조도계를 사용하였는데, 그때까지는 광 에너지를 측정하는 일사계가 개발되지 않았기 때문이다. 조도는 태양광이 아닐 경우 광원에 따라 전자기에너지와 무관하기 때문에 서로 비교할 수 없다. 현재 광 에너지 단위로는 J, MJ, W 등을 사용한다.

 

우리나라에서 일사량이 가장 많은 5월의 일평균 일사량의 지역분포를 보면 대체로 7~20 MJm^(-2)이다. 여름철 최대 조사 광량을 100%로 한 식물의 보상점을 살펴보면 내음성이 강한 것은 사탕단풍나무(3.4%), 너도밤나무(7.5%) 등으로서 보상점이 낮고, 내음성이 약한 것은 소나무(29~30%), 측백(18.6%) 등으로서 보상점이 높다.

 

내음성이 높은 풀은 나무 그늘에 적응할 수 있고, 내음성 나무는 수림 내에서의 생존경쟁에 유리하다. 작물에서 내음성 정도는 초생재배(초생법을 이용하여 작물을 재배하는 방법. 땅의 온도를 조절하고 침식을 막기 위하여 이용하며, 자란 풀을 베어 거름으로 쓴다)나 간혼작(간작과 혼작을 아울러 이르는 말) 등 작부체계 구성에 있어서 고려해야 할 사항이다.