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문제 정의
- 정량적 분석이나 예측은 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 수온 상승이 담수어류 군집의 서식지 분포에 미치는 영향을 유역 단위에서 분석하고자 한다. 이를 위하여 각 어종별 최대 내성 온도를 추정하고 단계별 수온 증가에 따른 적합 서식지 변화율 및 종수의 상대적 변화율을 산정하였다.
가설 설정
- 이를 위하여 각 어종별 최대 내성 온도를 추정하고 단계별 수온 증가에 따른 적합 서식지 변화율 및 종수의 상대적 변화율을 산정하였다. 수온 외에 어류의 분포에 영향을 미치는 다른 조건들(예, 미소서식처의 형태, 수리학적 조건 등)은 수온 상승 전후에 동일하다고 가정하였다.
제안 방법
- 각 어류 종별로 구축된 수온 자료 데이터베이스를 이용하여 종별 최대 내성 온도(maximum thermal tolerance)를 추정하였다. 유효하지 않은 수온 값이 검출되지 않고 원본 자료에 포함되어 있을 가능성을 고려하여, 최고 온도 대신에 종별 전체 수온 자료의 99 분위수에 해당하는 수온 값을 특정 어류종의 최대 내성 온도로 산정하였다.
- 각 종별로 최대 내성 온도를 초과하는 최고 수온 예측치를 가지는 조사구간은 6~8월 기간 동안 특정 어류의 서식지로 적합하지 않은 것으로 판정하여, 전체 서식지에 대한 부적합 서식지의 비율을 산정하였다(Eaton and Scheller, 1996). 각 조사 구간에 대하여 하절기 동안 최고 수온이 상승함에 따라 서식 부적합으로 판정되는 어류종의 비율을 산정하였다.
- 기후변화에 따른 온난화의 어류 서식지에 대한 영향을 통합적으로 평가하기 위한 방법의 하나로 기후 모델과 수온 자료를 결합하여 기후 변화가 하천의 수온에 미치는 영향을 예측하고, 이를 활용하여 개별 서식지에서 최대 수온 변화에 따른 어류의 서식 적합성을 평가하는 방법이 제시되었다. Eaton and Scheller (1996) 및 Mohseni 등(2003)은 지리정보시스템을 이용하여 유역의 어류상과 수온 자료를 연계함으로써 어류종별 최대 내성 온도를 산정하고, 이를 기후변화 모델링 결과에 따른 서식지별 수온 변화와 비교함으로써 어류종별 적합서식지 수의 변화를 평가하였다.
- 2007년 또는 2008년에만 조사되어 연속적인 조사가 이루어지지 않은 수생태계 조사 지점들은 어류상 수집 대상에서 제외하였다. 분석 대상 어류는 흐름이 있는 하천 구간을 주 서식지로 삼는 유수성 어종들을 선택하여 상류(upstream), 상/중류(up-/midstream), 중류(midstream) 및 중/하류(mid-downstream) 유역에 서식하는 종으로 구분하였다. 정수성 및 기수성, 회유성 어종들과 외래종은 분석대상에 포함시키지 않았다.
- , 1995) 및 국립환경과학원(2006a)을 참고하였다. 수질 측정 지점 및 어류 군집 조사 지점의 경위도 좌표를 변환하여 지리정보시스템을 이용하여 표시한 후, 어류상 조사 지점과 수온 측정 지점 간의 거리가 1.5 km 이내인 두 지점을 하나의 조사 구간에 속하는 것으로 조합하였다. 각 어류 조사 지점은 수온 측정 지점과 동일한 하천에 위치해야 하며 두 지점 사이에 다른 하천이 합류하지 않아야 한다는 조건을 만족시키는 지점들만 선택하였다.
- 총 5 회에 걸친 수생태계 조사기간 동안 연속적으로 관찰되지 않거나 한 개 지점에서만 채집된 경우 및 출현 개체수가 극히 적은 어종의 자료는 수집하지 않았다. 수집된 수온 및 어류 군집 자료는 조사지점별, 어종별로 코드를 부여하여 구분하였다. 분석 대상 어류는 총 51 종이 선정되었다 (Table 1).
- 유효하지 않은 수온 값이 검출되지 않고 원본 자료에 포함되어 있을 가능성을 고려하여, 최고 온도 대신에 종별 전체 수온 자료의 99 분위수에 해당하는 수온 값을 특정 어류종의 최대 내성 온도로 산정하였다. 출현 지점 수가 매우 제한적인 일부 종들은 분석 대상에서 제외하였다.
- 본 연구에서는 수온 상승이 담수어류 군집의 서식지 분포에 미치는 영향을 유역 단위에서 분석하고자 한다. 이를 위하여 각 어종별 최대 내성 온도를 추정하고 단계별 수온 증가에 따른 적합 서식지 변화율 및 종수의 상대적 변화율을 산정하였다. 수온 외에 어류의 분포에 영향을 미치는 다른 조건들(예, 미소서식처의 형태, 수리학적 조건 등)은 수온 상승 전후에 동일하다고 가정하였다.
- 1). 특정 조사 구간 내에서 동일 년도에 기록된 어류 군집 자료와 수온 자료를 하나의 자료쌍으로 결합하여, 각어류 종별로 3 년간 관찰된 모든 조사 구간의 수온 자료를 물환경정보시스템에서 추출하여 데이터베이스화 하였다. 수집된 수온 자료들을 검사하여 비정상적인 측정치일 가능성이 있거나 이상치로 판단되는 값들은 삭제하였다.
- 하천의 수온이 최대로 상승하는 하절기(6~8월)의 최고 수온이 전체 조사 구간에서 각각 1℃, 2℃ 및 3℃ 상승하였다고 가정하였을 때, 개별 조사 구간의 변화된 최고 수온을 어류 종별 최대 내성 온도와 비교하였다. 수온 상승치는 한강 수계의 하천들에서 2008~2050년 동안 평균 1.
- 한강 수계의 하천들에 서식하는 어류들의 최대 내성 온도를 산정하고, 이른 바탕으로 각 조사구간에서 수온이 1℃, 2℃ 및 3℃ 증가한다고 가정하였을 때 어류 군집의 적합 서식지의 변화율을 산정하였다. 전체 조사구간에 대하여 출현종수의 변화율을 예측하였으며, 이른 통해 얻어진 연구결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- 수집된 수온 및 어류 군집 자료는 조사지점별, 어종별로 코드를 부여하여 구분하였다. 분석 대상 어류는 총 51 종이 선정되었다 (Table 1).
- 좌표 변환 이후에 표시된 조사지점이 불명확하거나, 조사 하천명과 다른 지점에 표시된 어류상 조사 지점들 및 수온 측정 지점들도 삭제하였다. 사용 가능한 어류/수온 자료쌍은 총 208 개로 조사되었다 (Fig. 1). 특정 조사 구간 내에서 동일 년도에 기록된 어류 군집 자료와 수온 자료를 하나의 자료쌍으로 결합하여, 각어류 종별로 3 년간 관찰된 모든 조사 구간의 수온 자료를 물환경정보시스템에서 추출하여 데이터베이스화 하였다.
- kr)를 통해 수온 자료를 수집하였다. 수온 자료 수집은 수질 측정망 운영계획(환경부, 2010)을 바탕으로, 2007~2009년 동안 조사된 한강 수계의 하천들을 대상으로 하였으며 호소는 제외하였다. 2007년 또는 2008년에만 조사되어 연속적인 조사가 이루어지지 않은 수생태계 조사 지점들은 어류상 수집 대상에서 제외하였다.
- 환경부의 2007~2009년 수생태계 건강성 조사.평가 사업의 결과 중 어류상 조사 자료와 전국 수질측정망의 하천수 수질 데이터베이스(물환경정보시스템, http://water.nier.go.kr)를 통해 수온 자료를 수집하였다. 수온 자료 수집은 수질 측정망 운영계획(환경부, 2010)을 바탕으로, 2007~2009년 동안 조사된 한강 수계의 하천들을 대상으로 하였으며 호소는 제외하였다.
이론/모형
- , 1999), 국내에 서식하는 어류들은 일부 산지 하천에 적응한 종들을 제외하고는 수온에 따른 하천의 구분(냉수성, 약냉성, 온수성)에 엄밀히 따르지 않는 경우가 많으므로 어종별 주요 서식 구간으로 구분하였다. 서식처에 따른 어류의 구분은 국립환경과학원(2006b, 2009)을 따랐다. 총 5 회에 걸친 수생태계 조사기간 동안 연속적으로 관찰되지 않거나 한 개 지점에서만 채집된 경우 및 출현 개체수가 극히 적은 어종의 자료는 수집하지 않았다.
- , 1995; Eaton and Scheller, 1996). 자료의 수집과 분석을 위한 전반적인 과정은 Fish and Temperature Database Matching System (Eaton et al., 1995) 및 국립환경과학원(2006a)을 참고하였다. 수질 측정 지점 및 어류 군집 조사 지점의 경위도 좌표를 변환하여 지리정보시스템을 이용하여 표시한 후, 어류상 조사 지점과 수온 측정 지점 간의 거리가 1.
성능/효과
- 1) 51 종의 어류에 대하여 최대 내성 온도는 25.0~31.0℃의 범위를 보이는 것으로 조사되었다 둑중개(C. koreanus)의 최대 내성 온도가 가장 낮았으며, 치리(H. eigenmanni)가 가장 높은 최대 내성 온도를 보이는 것으로 분석되었다.
- 2) 분석 대상 어종들을 주 서식지에 따라 상류, 상/중류, 중류 및 중/하류 유역으로 구분하였을 때, 종별 최대 내성 온도는 상류 유역에서 하류 유역으로 서식지가 이동함에 따라 점차 증가하였다.
- 3) 51 종의 어류에 대해 수온이 1℃ 증가하였을 때 평균 31%, 2℃ 증가하였을 때는 평균 46%, 3℃ 증가하였을 때는 평균 60%의 비율로 적합 서식지가 감소되었다.
- 4) 각 주요 서식지 유역(상류, 상/중류, 중류, 중/하류) 내에서 어류 적합 서식지의 비율은 수온 상승에 따라 감소하였다. 중류 및 중/하류 유역에서는 수온이 1℃, 2℃ 및 3℃ 증가하였을 경우 모두 차이를 나타내었으나, 상/중류 유역에서는 2℃ 수온 증가와 3℃ 증가 간에 적합 서식지 감소율에 차이가 없었다.
- 5) 수온이 1~2℃ 상승할 경우 상류 및 상/중류에 서식하는 어류 종들의 적합 서식지가 중류 및 중/하류에 서식하는 종들의 적합 서식지보다 5~7% 더 많이 감소되었다. 수온이 3℃ 상승할 때는 중류 및 중/하류에 서식하는 종들의 적합 서식지가 상류 및 상/중류에 서식하는 종들의 적합 서식지보다 3~4% 더 많이 감소되었다.
- 6) 각 서식지에서 최대 수온이 단계적으로 증가함에 따라 서식 적합성에 영향을 받는 어류 종수의 비율은 수온 증가폭에 따라 차이를 보였다. 전혀 영향을 받지 않거나 출현종들의 20% 이하가 영향을 받을 것으로 예측된 서식지의 비율은 수온 증가에 따라 62%(1℃)에서 43%(2℃) 및 30%(3℃)로 감소하였다.
- Table 1. The 51 species of freshwater fishes used in the analysis, with the maximum thermal tolerance estimated, the number of thermally suitable habitats without the influence of warming, and the percent changes in suitabe habitats assumed the increases in water temperature by 1℃, 2℃, and 3℃ in each sampling site.
- 각 서식지에서 수온이 상승함에 따라 서식 적합성에 영향을 받는 어류의 종류와 종수는 지류와 본류 및 상류와 하류에서 다양하게 나타났다. 하천 수계의 수온 변동은 유량과 수심, 위도와 고도, 식생의 유무 및 지하수 유입 등에 의해 영향을 받으며, 지류와 본류에서 수온 변동의 정도가 다르게 나타나므로(Cushing and Allan, 2001; Walling and Webb, 1992), 각 조사 구간에서 관찰되는 최대 수온은 한 하천 내에서도 변이를 보일 수 있다.
- 각 어류종의 최대 내성 온도는 상류 유역에서 하류 유역으로 서식지가 이동할수록 점차 증가하는 경향을 보였다 (F=9.20, P<0.001). Eaton and Scheller (1996)의 연구에서 냉수성 어종들의 내성 한계 온도 범위는 19.
- 6). 관찰된 종의 21~60%가 영향을 받을 것으로 예상되는 서식지의 수는 수온 증가폭에 상관없이 상대적으로 일정하였으나, 20% 이하의 출현종들이 영향을 받는 서식지의 수는 크게 감소하였다(Fig. 7).
- 6에 나타내었다. 단계별 수온 증가에 따라 각 서식지에서 영향을 받을 것으로 예상되는 어류 종수의 비율은 수온 증가폭에 따라 다르게 나타났다(P<0.05, Fig. 7). 수온이 1℃ 증가한다고 가정하였을 때 102개 서식지에서 일부 혹은 전체 어류들이 서식 적합성을 상실하는 것으로 예측되었다(Fig.
- 이는 이 종들의 서식지 수가 상대적으로 적고, 최대 내성 온도가 비교적 낮기 때문인 것으로 판단된다. 둑중개는 51 종의 분석 대상 어류들 중에서 가장 낮은 25.0℃의 최대 내성 온도를 보였고, 산천어는 26.2℃, 자가사리는 26.8℃, 돌상어는 상류에 서식하는 어류들 중 가장 높은 29.0℃ 의 최대 내성 온도를 나타내는 것으로 추정되었다.
- Eaton and Scheller (1996)는 최대 내성 온도가 30℃ 이상인 종들을 온수성으로 분류하였다. 본 연구에 포함된 종들 중에서 치리(Hemiculter eigenmanmi)와 살치(Hemiculter leucisculus)의 최대 내성 온도가 각각 31.0℃와 30.0℃로 분석되었으나, 적합 서식지 비율은 수온 증가와 함께 감소되었다. 그러나 감소율은 중/하류에 서식하는 것으로 분류된 다른 종들에 비해 상대적으로 적었다.
- 0℃의 범위를 나타내었다. 본 연구에서는 둑중개와 치리 및 살치를 제외한 모든 종들의 최대 내성 온도가 26.0~29.7℃의 범위에 속하는 것으로 산정되었다. Eaton 등(1995)은 비모수적 부트스트랩 기법(Efron and Gong, 1983)을 적용하여 30 종의 최대 내성 온도 추정치의 수질보전 한국물환경학회지 제27권 제3호, 2011표준오차를 계산하였는데, 1 종을 제외한 29 종에 대해서 0.
- 2%의 감소율을 보였다. 본 연구에서는 전체 51 종의 어류에 대해 평균 31.7~59.7%의 적합 서식지가 감소하는 것으로 예측되었다.
- 수집된 수온 자료들을 검사하여 비정상적인 측정치일 가능성이 있거나 이상치로 판단되는 값들은 삭제하였다. 분석 대상 어류의 종별 전체 서식지의 연중 수온 변이는 6~8월에 최고 수온에 도달하는 양상을 보였다. Fig.
- 3). 상류에 서식하는 어류들은 수온이 1℃ 상승하였을 때 평균 34.9%, 2℃ 상승하였을 때 48.1%, 3℃ 상승하였을 때 58.1%의 적합 서식지가 감소하는 것으로 분석되었다. 상/중류에 서식하는 종들은 단계적 수온 상승에 따라 각각 35.
- 7). 수온이 1℃ 증가한다고 가정하였을 때 102개 서식지에서 일부 혹은 전체 어류들이 서식 적합성을 상실하는 것으로 예측되었다(Fig. 4). 특정 조사 구간에 서식하는 종들의 81% 이상이 대체 서식지로 이동하거나 사멸할 것으로 예상되는 서식지는 30개로 나타났으며, 21~80%의 어류 종들이 영향을 받을 것으로 예상되는 서식지는 49개였다.
- 수온이 3℃ 상승할 때는 중류 및 중/하류에 서식하는 종들의 적합 서식지가 상류 및 상/중류에 서식하는 종들의 적합 서식지보다 3~4% 더 많이 감소되었다. 그러나 각 수온증가 수준(1℃, 2℃, 3℃)에 대해 서식지 유역간의 적합 서식지 변화율은 통계적으로 유의한 차이가 없었다.
- 따라 차이를 보였다. 전혀 영향을 받지 않거나 출현종들의 20% 이하가 영향을 받을 것으로 예측된 서식지의 비율은 수온 증가에 따라 62%(1℃)에서 43%(2℃) 및 30%(3℃)로 감소하였다. 반면에 61% 이상의 종들이 영향을 받는 서식지의 비율은 각각 13%에서 42% 및 57%로 증가하였다.
- 그러한 조건하에서 모든 어류 종들은 Eaton and Scheller (1996)의 연구 결과에 비해 적합 서식지 감소율이 적은 것으로 분석되었다. 차이는 특히 약냉성 어종과 온수성 어종들에서 상대적으로 크게 나타났는데, 냉수성 어종은 평균 36.4%의 적합 서식지가 감소하였고, 약냉성 어종은 평균 14.8%, 온수성 어종은 평균 1.2%의 감소율을 보였다. 본 연구에서는 전체 51 종의 어류에 대해 평균 31.
- 최저 내성 온도를 0℃로 설정하였을 때 약냉성 및 온수성 어종의 적합 서식지가 감소하였으나, 최저 내성 온도가 2℃ 로 설정되었을 때의 적합 서식지는 약냉성 어종이 평균 12.4%, 온수성 어종은 평균 31.4% 증가하였다. 이러한 결과는 일부 온수성 어종의 적합 서식지가 증가하는 것으로 분석한 Eaton and Scheller (1996)의 결과와 일치하며, 기후 변화에 의한 어류의 지리적 분포 변화 예측에 정확한 최저 내성 온도를 적용하는 것이 중요한 변수가 될 수 있음을 시사한다.
- 4). 특정 조사 구간에 서식하는 종들의 81% 이상이 대체 서식지로 이동하거나 사멸할 것으로 예상되는 서식지는 30개로 나타났으며, 21~80%의 어류 종들이 영향을 받을 것으로 예상되는 서식지는 49개였다. 2℃의 수온 증가를 가정하였을 때에 종수의 변화가 예상되는 서식지의 수는 139개로 증가하였다(Fig.
- 반면에 61% 이상의 종들이 영향을 받는 서식지의 비율은 각각 13%에서 42% 및 57%로 증가하였다. 특히 모든 출현종들의 서식 적합도가 영향을 받지 않는 서식지 및 출현종의 100%가 영향을 받는 서식지의 비율이 큰 폭으로 변화하였다. 21~ 60%의 출현종이 영향을 받는 서식지의 비율은 상대적으로 변화가 적었다.
후속연구
- 그러한 수온 변동 및 서식지 특성의 변이는 본 연구에서 고려되지 않았다. 최대 수온 변화에 대한 어류의 내성 한계와 분포 변화를 보다 정확히 예측하기 위해서는 어류 서식지에 대한 상세한 분석 및 모델링 (Mohseni et al., 2003)과 개별 종의 생장에 관한 열생물학적 정보가 필요할 것으로 판단된다.
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