패류양식해역 환경용량 산정 모델 구축 -I . 모델 검정 및 민감도 분석- Modification of an Ecosystem Model for Carrying Capacity of Shellfish System -I . Validation and Sensitivity Analysis-원문보기
패류 양식 해역의 서식 환경과 양식 생물간의 상호 관계를 파악하고 지속적인 생산 방안을 위하여 굴 성장과 관련된 생리 대사 과정인 섭이, 소화, 배설, 호홉 등의 제 인자를 수식화하여 기존에 개발된 생태계모델 (EUTRP2)에 연계하여 환경용량 산정 모델을 구축하였다. 구축된 모델이 굴 성장과 서식환경과의 상호관계를 재현함에 있어 타당성 여부를 검정한 결과, 굴 성장에 따른 서식환경 중 식물플랑크톤 현존량이 감소하고 영양염 농도가 증가하는것으로 보아, 패류양식해역의 생태계 환경관리를 위한 도구로 사용할 수 있는 것으로 나타났다. 그리고, 생태계 구성 요소에 영향을 미치는 생물 인자에 대한 민감도 분석 결과, 구성 요소들은 식물플랑크톤의 증식 속도와 높은 민감도를 보였고, 굴 성장의 경우 동물플랑크톤 최대 섭이 속도와는 민감도가 낮은 반면, 식물플랑크톤 증식 속도, 사멸 속도와 굴의 먹이 흡수 효율에 매우 민감하였다.
패류 양식 해역의 서식 환경과 양식 생물간의 상호 관계를 파악하고 지속적인 생산 방안을 위하여 굴 성장과 관련된 생리 대사 과정인 섭이, 소화, 배설, 호홉 등의 제 인자를 수식화하여 기존에 개발된 생태계모델 (EUTRP2)에 연계하여 환경용량 산정 모델을 구축하였다. 구축된 모델이 굴 성장과 서식환경과의 상호관계를 재현함에 있어 타당성 여부를 검정한 결과, 굴 성장에 따른 서식환경 중 식물플랑크톤 현존량이 감소하고 영양염 농도가 증가하는것으로 보아, 패류양식해역의 생태계 환경관리를 위한 도구로 사용할 수 있는 것으로 나타났다. 그리고, 생태계 구성 요소에 영향을 미치는 생물 인자에 대한 민감도 분석 결과, 구성 요소들은 식물플랑크톤의 증식 속도와 높은 민감도를 보였고, 굴 성장의 경우 동물플랑크톤 최대 섭이 속도와는 민감도가 낮은 반면, 식물플랑크톤 증식 속도, 사멸 속도와 굴의 먹이 흡수 효율에 매우 민감하였다.
Carrying capacity model focused on interactions between the filter-feeder growth and their environments is presented, and differences among existing various carrying capacity models are reviewed. For carrying capacity modeling of shellfish system, we constructed a new numerical model coupled oyster ...
Carrying capacity model focused on interactions between the filter-feeder growth and their environments is presented, and differences among existing various carrying capacity models are reviewed. For carrying capacity modeling of shellfish system, we constructed a new numerical model coupled oyster growth model with an ecosystem model (EUTRP2). Physical and biological processes such as water transport and mixing, primary production, feeding and growth of the cultivated oyster, Crassostrea gigas and benthic-pelagic exchange were included in the model, Simulated results for validation showed that the more phytoplankton biomass decreased, the more oyster meat weight and nutrients increased, suggesting a powerful tool for reasonable management of shellfish aquaculture. The model was sensitive to parameters controlling the primary production. Among the ecosystem compartments, the oyster growth is highly influenced by small changes in the physiological parameters of phytoplankton and oyster. This sensitivity analysis indicated the importance of experimental data on biological parameters for calibration of the model.
Carrying capacity model focused on interactions between the filter-feeder growth and their environments is presented, and differences among existing various carrying capacity models are reviewed. For carrying capacity modeling of shellfish system, we constructed a new numerical model coupled oyster growth model with an ecosystem model (EUTRP2). Physical and biological processes such as water transport and mixing, primary production, feeding and growth of the cultivated oyster, Crassostrea gigas and benthic-pelagic exchange were included in the model, Simulated results for validation showed that the more phytoplankton biomass decreased, the more oyster meat weight and nutrients increased, suggesting a powerful tool for reasonable management of shellfish aquaculture. The model was sensitive to parameters controlling the primary production. Among the ecosystem compartments, the oyster growth is highly influenced by small changes in the physiological parameters of phytoplankton and oyster. This sensitivity analysis indicated the importance of experimental data on biological parameters for calibration of the model.
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문제 정의
대부분의 생태계 모델은 과학적인 연구 목적으로 개발되었지만, 생태계 환경 예측 및 관리를 위한 목적으로 사용되고 있다. 기존의 생태계 모델에 새로운 구성 요소를 추가하여 시스템을 표현할 수 있도록 개발된 생태계 모델이 오류 없이 정확하게 프로그래밍 되었다고 인정하는 경우, 개발된 모델이 연구 대상 시스템을 적절하게 재현할 수 있는가에 대한 의문을 가 지게 된다. 이와 같은 이유로, 연구 목적에 대한 타당성 여부를 결정하기 위해서 개발된 모델이 얼마나 잘 수행되는가에 대한 검 정 과정이 필요하다 (Kleijnen, 1995).
따라서, 본 연구의 목적은 이매패류 중 상업 종인 참굴 (Crassos- trea gjgas)의 성장과 관련된 생리 대사 과정을 수식화하여 굴 성장 모델을 정립한 후, 기존에 개발된 생태계 모델(EUTRP2)에 연계 시켜 양식해역의 환경용량 산정 모델을 구축하였다. 또한, 구축된 모델이 패류 양식해역의 생태계 관리를 위한 도구로서의 이용 가능성을 검정(validation)하였고, 민감도 분석 (sensitivity analy- sis)을 통하여 양식생물의 환경 생리와 현장관 측 자료의 중요성을 제시하였다.
(Heral, 1993). 따라서, 양식 굴과 서식환경과의 상호관계를 설명하기 위해 굴 성장 모델과 기존에 개발된 생태계 모델을 연계 시켜 양식 해역의 환경용량을 산정 할 수 있는 보다 향상된 생태계 모델을 구축하였다. 양식해역 생태계 내 상태변수들의 물질 순환과정은 Fig.
환경용량 산정 모델을 구축하면서 굴 성장이 어떤 인자들에 의해 가장 민감하게 반응하는가를 평가하기 위한 수치 실험을 수행하였다. 민감도 분석에 사용된 생물 인자들의 초기치는 Table 3과 같으며, 굴의 육 중량은 0.
제안 방법
따라서, 본 연구의 목적은 이매패류 중 상업 종인 참굴 (Crassos- trea gjgas)의 성장과 관련된 생리 대사 과정을 수식화하여 굴 성장 모델을 정립한 후, 기존에 개발된 생태계 모델(EUTRP2)에 연계 시켜 양식해역의 환경용량 산정 모델을 구축하였다. 또한, 구축된 모델이 패류 양식해역의 생태계 관리를 위한 도구로서의 이용 가능성을 검정(validation)하였고, 민감도 분석 (sensitivity analy- sis)을 통하여 양식생물의 환경 생리와 현장관 측 자료의 중요성을 제시하였다.
연안 생태계 내 저 차 생태계만을 대상으로 시스템 공학적인 방법을 이용하여 물질 순환 과정을 수치적으로 해석한 것으로, 생태계의 구성요소는 4개의 유기상 요소, 2개의 무기상 요소 및 2개의 수질 요소로 구성되어 있다. 유기상의 구성 요소에는 식물플랑크 톤(P), 동물플랑크톤(Z), 입자성 비생물 유기물 (detritus) 및 용존성 유기물 (DOC”】 있다.
패류 양식 해역의 서식 환경과 양식 생물 간의 상호 관계를 파악하고 지속적인 생산 방안을 위하여 굴 성장과 관련된 생리 대사 과정인 섭이, 소화, 배설, 호홉 등의 제 인자를 수식화하여 기존에 개발된 생태계 모델(EUTRP2)에 연계하여 환경용량 산정 모델을 구축하였다. 구축된 모델이 굴 성장과 서식환경과의 상호관계를 재현함에 있어 타당성 여부를 검정한 결과, 굴 성장에 따른 서식 환경 중 식물플랑크톤 현존량이 감소하고 영양염 농도가 증가하는 것으로 보아, 패류 양식해역의 생태계 환경관리를 위한 도구로 사용할 수 있는 것으로 나타났다.
환경용량 산정 모델은 첫째, 양식 어장의 먹이 공급과 비보존성 물질의 이류. 확산과 관련된 해수 유동 특성을 파악하기 위한 해수 유동 모델과 둘째, 양식생물 성장과 서식환경과의 상호 관계를 이해할 수 있는 굴 성장 모델이 연계된 생태계 모델로 구성되어 있다. (Fig.
데이터처리
모델의 상태 변수에 영향을 미치는 인자에 대한 민감도는 초기치를 이용하여 시뮬레이션한 계산 값과 초기치 인자를 ±10%로 조절하여 시뮬레이션한 계산 값을 아래와 같은 식을 이용하여도 출된 민감도 계수를 이용하여 평가하였다 (Dowd, 1997).
이론/모형
이와 같은 이유로, 연구 목적에 대한 타당성 여부를 결정하기 위해서 개발된 모델이 얼마나 잘 수행되는가에 대한 검 정 과정이 필요하다 (Kleijnen, 1995). 따라서, 굴 성장과 서식환경과의 상호관계를 Rykiel (1996)의 시각화 기법에 따라 양식 순 기 동안의 계산 값과 실측값을 비교하여 검정하였다. 모델에 사용된 인자들은 현장 관측과 문헌 조사를 통해 Table 3에 나타낸 값을 적용하였으며, 수하 초기의 굴 개체당 육 중량은 0.
성능/효과
패류 양식 해역의 서식 환경과 양식 생물 간의 상호 관계를 파악하고 지속적인 생산 방안을 위하여 굴 성장과 관련된 생리 대사 과정인 섭이, 소화, 배설, 호홉 등의 제 인자를 수식화하여 기존에 개발된 생태계 모델(EUTRP2)에 연계하여 환경용량 산정 모델을 구축하였다. 구축된 모델이 굴 성장과 서식환경과의 상호관계를 재현함에 있어 타당성 여부를 검정한 결과, 굴 성장에 따른 서식 환경 중 식물플랑크톤 현존량이 감소하고 영양염 농도가 증가하는 것으로 보아, 패류 양식해역의 생태계 환경관리를 위한 도구로 사용할 수 있는 것으로 나타났다. 그리고, 생태계 구성 요소에 영향을 미치는 생물 인자에 대한 민감도 분석 결과, 구성 요소들은 식물플랑크톤의 증식 속도와 높은 민감도를 보였고, 굴 성장의 경우 동물플랑크톤 최대 섭이 속도와는 민감도가 낮은 반면, 식물플랑크톤 증식 속도, 사멸 속도와 굴의 먹이 흡수 효율에 매우 민감하였다.
입자성 유기물과 높은 민감도 계수를 가진 인자는 식물플랑크톤 성장 속도, 입자성 유기물 분해 속도 및 굴의 여수율이였다. 굴 성장에 영향을 미치는 인자로는 식물플랑크톤 성장 및 사망 속도와 굴의 먹이 흡수 효율과 매우 민감하였고, 동물플랑크톤 최대 섭이 속도 인자 변화와는 비교적 민감도가 적었으며, 식물플랑크톤 침강 속도, 유기물 분해 속도 및 반 포화 상수에는 거의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 이와 같은 민감도 분석 결과는 모델에 사용된 인자 값 조절에 따라 상태변수가 영향을 받기 때문에, 모델을 보정하거나 패류 성장 예측 모델을 구축할 경우 양식생물의 환경 생리 및 현장 관측 자료의 중요성을 강조하고 있다.
까 지 증가하였다. 굴의 먹이원인 식물플랑크톤 현존량은 여름과 가을에 실측치와 거의 유사하게 재현되었지만, 겨울에는 다소 과대 평가된 것으로 나타났다. 겨울의 경우 식물플랑크톤의 현존량이 10mgC/m3 이하의 낮은 농도가 유지되고 있는데, 이는 약 정도인 수온과 광의 효과뿐만 아니라 굴의 먹이 생물 여과 속도는 느리지만 섭이 활동에 기인한 것으로 판단된다.
구축된 모델이 굴 성장과 서식환경과의 상호관계를 재현함에 있어 타당성 여부를 검정한 결과, 굴 성장에 따른 서식 환경 중 식물플랑크톤 현존량이 감소하고 영양염 농도가 증가하는 것으로 보아, 패류 양식해역의 생태계 환경관리를 위한 도구로 사용할 수 있는 것으로 나타났다. 그리고, 생태계 구성 요소에 영향을 미치는 생물 인자에 대한 민감도 분석 결과, 구성 요소들은 식물플랑크톤의 증식 속도와 높은 민감도를 보였고, 굴 성장의 경우 동물플랑크톤 최대 섭이 속도와는 민감도가 낮은 반면, 식물플랑크톤 증식 속도, 사멸 속도와 굴의 먹이 흡수 효율에 매우 민감하였다.
높은 민감도 계수는 식물플랑크톤 증식 속도와 관련이 있었으며, 이 인자는 식물플랑크톤 현존량, 영양염 및 입자성 비생물 유 기물 변수에 많은 영향을 줄 뿐만 아니라 굴 성장에도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그리고 이 변수들에 영향을 미치는 다른 인자는 식물플랑크톤 사멸 속도와 굴의 여수율이였다.
그리고, 식물플랑크톤 증식 제한 인자인 용존성 무기 질소의 경우 담수 유입으로 인한 고농도를 보인 7월에는 현장 관즉치에 비해 다소 과소 평가 되었지만, 전반적으로 관측치를 잘 재현하는 것으로 나타났다. 따라서, 구축된 모델은 굴이 서식환경 중의 식물플랑크톤을 여과하여 소비하고, 생물 대사 활동에 의해 해수 중으로 다시 영양염을 공급하는 등 생태계 내의 영양염 및 에너지 순환과 관련된 양식 생물의 성장과 서식 환경과의 상호 관계 (Smaal, 1991)를 잘 재현하는 것으로 판단된다.
식물플랑크톤 성장, 사망 속도, 동물플랑크톤 성장 속도 및 굴의 여수율에 가장 민감하게 영향을 받는 변수는 식물플랑크톤 현존량과 영양 염이였다. 서식 환경 중의 영양염과 관련하여 높은 민감도 계수를 가진 인자는 식물플랑크톤의 성장, 사망 속도, 유기물들의 분해 속도 및 굴의 여수 율과 동물플랑크톤 증식 속도였고, 식물플랑크톤 기초 생산성 계산에 사용되는 영양염 제한 기능과 관련된 반 포화 상수의 영향은 거의 없었다. 입자성 유기물과 높은 민감도 계수를 가진 인자는 식물플랑크톤 성장 속도, 입자성 유기물 분해 속도 및 굴의 여수율이였다.
그리고 이 변수들에 영향을 미치는 다른 인자는 식물플랑크톤 사멸 속도와 굴의 여수율이였다. 식물플랑크톤 성장, 사망 속도, 동물플랑크톤 성장 속도 및 굴의 여수율에 가장 민감하게 영향을 받는 변수는 식물플랑크톤 현존량과 영양 염이였다. 서식 환경 중의 영양염과 관련하여 높은 민감도 계수를 가진 인자는 식물플랑크톤의 성장, 사망 속도, 유기물들의 분해 속도 및 굴의 여수 율과 동물플랑크톤 증식 속도였고, 식물플랑크톤 기초 생산성 계산에 사용되는 영양염 제한 기능과 관련된 반 포화 상수의 영향은 거의 없었다.
서식 환경 중의 영양염과 관련하여 높은 민감도 계수를 가진 인자는 식물플랑크톤의 성장, 사망 속도, 유기물들의 분해 속도 및 굴의 여수 율과 동물플랑크톤 증식 속도였고, 식물플랑크톤 기초 생산성 계산에 사용되는 영양염 제한 기능과 관련된 반 포화 상수의 영향은 거의 없었다. 입자성 유기물과 높은 민감도 계수를 가진 인자는 식물플랑크톤 성장 속도, 입자성 유기물 분해 속도 및 굴의 여수율이였다. 굴 성장에 영향을 미치는 인자로는 식물플랑크톤 성장 및 사망 속도와 굴의 먹이 흡수 효율과 매우 민감하였고, 동물플랑크톤 최대 섭이 속도 인자 변화와는 비교적 민감도가 적었으며, 식물플랑크톤 침강 속도, 유기물 분해 속도 및 반 포화 상수에는 거의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
후속연구
이매패류 양식 해역의 환경용량은 생태계의 구조와 기능은 물론 양식 생물과 밀접한 관련이 있기 때문에, 환경 인자 변수 (수온, 먹이 농도, 먹이 공급 등)에 따른 양식 생물의 성장뿐만 아니라, 양식 생물이 해양 생태계에 미치는 영향, 즉 포식자와의 먹이 경쟁에 의한 먹이원인 식물플랑크톤의 상쇄 효과, 양식 생물 대사 활동에 의한 해양 환경 변화를 고려하고, 어장 환경을 변화시키지 않고 지속적으로 생산 가능한 적정 시설량과 생산량을 평가할 수 있는 모델을 구축할 필요가 있다. (Heral, 1993).
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