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문제 정의
- 따라서 본 연구는 하천구배에 따른 환경요인 및 생물군집이 변화한다는 하천연속성 개념을 금강 수계에 적용하여 다양한 환경요인을 통해 나타나는 서식지 유형을 분류하고, 분류된 서식지 유형에 따른 수서곤충 섭식기능군의 구조와 기능을 분석하였다. 또한 분석된 결과와 환경요인과의 관계를 해석함으로서 분포특성을 규명하여 하천생태계 보전 및 복원 시 효율적인 관리를 위한 기초자료로 제공하고자 한다.
제안 방법
- 또한 서식지 유형분류에 영향을 미친 중요한 환경요인을 알아보기 위해서 단계적 다중회귀분석법(Stepwise Multiple Regression Analysis, SMRA)을 사용하였고, 분류된 그룹과 환경요인과의 유의성 검정은 집단의 분포가 정규분포를 하지 않으므로 비모수적 통계방법 중 Kruskal-Wallis test를 이용하여 검정하였다. 그리고 섭식기능군 분류는 문헌(Cummins, 1973; 1974; Cummins and Klug, 1979; Merritt and Cummins, 1996; Ro, 2002; Won et al., 2005)을 사용하였으며, 분류된 섭식기능군과 환경요인에 관한 상관분석(Park and Yoon, 2002)을 실시하여 생물군집의 구조 및 기능에 영향을 미치는 환경요인을 분석하였다(Table 1). 기타 고도 및 하천 총 길이 등의 지형적 환경정보는 1/25,000 지형도를 바탕으로 ArcGIS ver9.
- 그리고 일반적으로 수질오염과 관련되어 있으며, 대부분 인간의 활동에 의해 영향을 받는 이화학적인 요인 중, 일반적인 하천에서 생물에 치명적인 영향을 미치는 경우는 드물지만 생활하수 및 공장 폐수 등의 유입에 의해 변하게 되는 pH, 대기 중 산소의 자연적 용해에 의하여 공급되고, 조류나 수생식물의 광합성에 의하여 증가되나 동⋅식물 호흡작용이나 미생물 유기물 분해과정 등에 의해 그 양이 감소되어 부족하게 되면 수서 생물군집의 생존에 영향을 미치는 DO(㎎/ℓ ), 공업용수 및 공장폐수의 관리에 주로 이용되는 전기전도도(S), 생물의 생장과 더불어 하천 자정작용에 영향을 미치는 수온(℃) 등 4가지 요인을(Choi et al., 1995; Chun, 2004; Park, 2004; Ro et al., 2006) 조사시기별로 현장에서 다항목 수질측정기(PCD 650)를 이용하여 측정하고 그 평균값을 사용하였다(Appendix 2).
- 따라서 본 연구는 하천구배에 따른 환경요인 및 생물군집이 변화한다는 하천연속성 개념을 금강 수계에 적용하여 다양한 환경요인을 통해 나타나는 서식지 유형을 분류하고, 분류된 서식지 유형에 따른 수서곤충 섭식기능군의 구조와 기능을 분석하였다. 또한 분석된 결과와 환경요인과의 관계를 해석함으로서 분포특성을 규명하여 하천생태계 보전 및 복원 시 효율적인 관리를 위한 기초자료로 제공하고자 한다.
- 생물군집의 서식에 큰 영향을 미치는 물리적 요인 중에 기압이나 온도 등 다른 환경요인과 관련되어 생물의 서식 범위를 제한하고, 수서곤충의 상류방향으로의 이동에 장애요인(Allan, 1995)이 되는 고도의 경우는 수치지형도(1:25,000) 및 GPS(Garmin Vista HCx)를 활용하여 추출하였다. 일반적으로 규모가 클수록 다양한 미소서식처가 존재할 확률이 높으며, 이에 따라 수서생물군집의 다양성과 현존량에 영향(Negishi et al.
- 야외 조사 시 걸어서 건널 수 있는 하천(wadeable stream)에서는 망목지름 0.5㎜의 계류용 정량채집망인 Surbernet(30×30㎝)을 사용하여 여울(riffle)에서 정량 채집하였고, 수심이 깊은 본류와 같은 강에서는 반구형 밑변에 톱니 모양이 달린 Dredge sampler(30×30㎝)를 이용하여 총 3회 실시하였다.
- 생물군집의 서식에 큰 영향을 미치는 물리적 요인 중에 기압이나 온도 등 다른 환경요인과 관련되어 생물의 서식 범위를 제한하고, 수서곤충의 상류방향으로의 이동에 장애요인(Allan, 1995)이 되는 고도의 경우는 수치지형도(1:25,000) 및 GPS(Garmin Vista HCx)를 활용하여 추출하였다. 일반적으로 규모가 클수록 다양한 미소서식처가 존재할 확률이 높으며, 이에 따라 수서생물군집의 다양성과 현존량에 영향(Negishi et al., 2002)을 미치는 하폭과 수폭은 홍수기를 고려하여 제방과 제방사이의 거리(m)와 시기별 물이 흐르는 거리(m)를 광파거리측정기(Bushnell Tour V2)로 측정하여 평균값을 사용하였다. 조류(algae)와 같은 생산자의 광합성에 중요한 제한인자(Horne and Goldman, 1994)인 수심과 생물마다 선호성이 다르기 때문에 분포특성을 결정짓는 요인(Edington, 1968)임과 동시에, 먹이자원 분할에도 관여(Allan, 1995)하는 유속은 각 조사지점별로 3개 지점에 측정점을 정하여 쇠자(1m)와 유속계(Flowatch)를 이용하여 측정한 후 평균값을 사용하였다.
- , 2002)을 미치는 하폭과 수폭은 홍수기를 고려하여 제방과 제방사이의 거리(m)와 시기별 물이 흐르는 거리(m)를 광파거리측정기(Bushnell Tour V2)로 측정하여 평균값을 사용하였다. 조류(algae)와 같은 생산자의 광합성에 중요한 제한인자(Horne and Goldman, 1994)인 수심과 생물마다 선호성이 다르기 때문에 분포특성을 결정짓는 요인(Edington, 1968)임과 동시에, 먹이자원 분할에도 관여(Allan, 1995)하는 유속은 각 조사지점별로 3개 지점에 측정점을 정하여 쇠자(1m)와 유속계(Flowatch)를 이용하여 측정한 후 평균값을 사용하였다. 또한 하천 생물의 다양성에 큰 영향을 끼치는 중요한 요인인(Lamberti and Resh, 1979; Minshall, 1984) 하상구조는 Cummins (1962)의 하천분류체계 중 6개 하상재료를 중심으로 조사 지점내 1×1m의 방형구를 설치하여 면적에서 차지하는 구성 비율(%)을 구분하여 나타내었다.
- 채집된 표본은 대전대학교 동물분류학실에 보관하였다. 하천생태계내 수서곤충의 서식에 영향을 미칠 수 있는 환경요인을 5개 물리적 요인(고도, 하폭, 수폭, 수심, 유속)과 4개 화학적 요인(pH, DO, 전기전도도, 수온) 그리고 6개 하상재료(큰돌, 돌, 자갈, 잔자갈, 모래, 실트) 등 총 15개로 구분하였으며(Ward, 1992; Allan, 1995; Park, 2004; Ro et al., 2006), 종합적이고 체계적인 결과를 도출하기 위하여 생물상 샘플링과 동시에 환경요인 측정을 수행하였다.
- 환경요인과 조사지점을 이용하여 계층적 클러스터 방법(Agglomerative Hierarchical Clustering, AHC)중 유클리드 거리척도(euclidean distances)를 이용한 평균연결법중비 가중 평균법(Unweighted Pair Group Method with Arithmetic mean, UPGMA)의 유사도분석을 통하여 서식지 유형을 분류하였다. 또한 서식지 유형분류에 영향을 미친 중요한 환경요인을 알아보기 위해서 단계적 다중회귀분석법(Stepwise Multiple Regression Analysis, SMRA)을 사용하였고, 분류된 그룹과 환경요인과의 유의성 검정은 집단의 분포가 정규분포를 하지 않으므로 비모수적 통계방법 중 Kruskal-Wallis test를 이용하여 검정하였다.
대상 데이터
- 본 연구를 위한 조사는 2007년부터 2008년까지 금강 수계에서 총 38개 지점에 대하여 봄(2007년 5월 6~16일, 2008년 5월 7~18일)과 가을(2007년 10월 13~22일, 2008년 10월 11~20일)에 걸쳐 년 2회씩 총 4회 수행되었다.
- 본 연구의 대상지인 금강 수계는, 전라북도 동부지역과 충청북도 남서지역을 북서류하여 충청남도 남동지역을 지나 황해로 흘러드는 강으로 발원지에서 구 하구까지 총 유로연장 397.79㎞에 달하는, 남한에서 한강과 낙동강에 이어 3번째로 긴 강이다(The Ministry of Construction and Transportation, 2002). 금강 수계에 대하여 기존에 보고된 생물상 조사연구는 본류 및 일부 지천을 중심으로 현재까지 지속적인 조사연구가 수행되고 있지만(Nam et al.
- 본 연구의 대상지인 금강 수계에 현재 상태를 객관적이고 과학적으로 평가하기 위하여 공간적 규모와 범위에 따라 환경특성 차이를 보이는 하천연속성의 개념을 고려하여(Vannote et al., 1980) 국립공원 덕유산(1,614m)에서 발원하는 무주남대천 5개 지점과 계룡산(845m)에서 발원하는 용수천 4개 지점, 대둔산(877.7m)에서 발원하여 금강에 합류하는 제 1지류인 갑천 7개 지점과 충청남도 금산군 진산면 삼가리 인대산(666m)과 월봉산(543m)에서 발원하여 갑천에 합류하는 유등천 6개 지점, 그리고 대전광역시 만인산(537.1m)에서 발원하여 유등천에 합류하는 대전천 4개 지점 그리고 금강 본류를 중심으로 12개 지점 등 총 38개의 다양한 조사지점을 선정하여 조사를 실시하였다(Figure 1, Appendix 1).
데이터처리
- , 2005)을 사용하였으며, 분류된 섭식기능군과 환경요인에 관한 상관분석(Park and Yoon, 2002)을 실시하여 생물군집의 구조 및 기능에 영향을 미치는 환경요인을 분석하였다(Table 1). 기타 고도 및 하천 총 길이 등의 지형적 환경정보는 1/25,000 지형도를 바탕으로 ArcGIS ver9.3을 통하여 분석하였고, 통계분석은 SPSS ver. 12K를 이용 하였다.
- 환경요인과 조사지점을 이용하여 계층적 클러스터 방법(Agglomerative Hierarchical Clustering, AHC)중 유클리드 거리척도(euclidean distances)를 이용한 평균연결법중비 가중 평균법(Unweighted Pair Group Method with Arithmetic mean, UPGMA)의 유사도분석을 통하여 서식지 유형을 분류하였다. 또한 서식지 유형분류에 영향을 미친 중요한 환경요인을 알아보기 위해서 단계적 다중회귀분석법(Stepwise Multiple Regression Analysis, SMRA)을 사용하였고, 분류된 그룹과 환경요인과의 유의성 검정은 집단의 분포가 정규분포를 하지 않으므로 비모수적 통계방법 중 Kruskal-Wallis test를 이용하여 검정하였다. 그리고 섭식기능군 분류는 문헌(Cummins, 1973; 1974; Cummins and Klug, 1979; Merritt and Cummins, 1996; Ro, 2002; Won et al.
성능/효과
- , 1980), 거리 척도값 4를 전후하여 상류구간(HD)의 경우 C1과 C3그룹, 중류구간(MS) C2와 C4 그리고 C5그룹, 하류구간(LR) C6과 C7그룹으로 서식지 유형이 분류되었다(Figure 2, Table 2). 7개 서식지 유형별 환경요인들의 차이를 비교해 보기 위하여 유의성 검정을 실시한 결과(by Kruskal-Wallis test), 7개 그룹의 15개 환경요인은 모두 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(Appendix 4).
- 개체수 현존량은 유속(r=0.389, P<0.05)과 잔자갈(r=0.343, P<0.05)이 낮은 상관성을 보여 큰 영향은 미치지 않는 것으로 분석되었다(Table 3).
- 82% 순으로 조사되었다. 개체수 현존량의 경우 주워먹는 무리가 72,078.7개체 68.16%로 대부분을 차지하고 있는 것으로 나타났으며, 그 다음으로 걸러먹는 무리 29,012.3개체 27.43%, 긁어먹는 무리 2,457.3개체 2.32%, 잡아먹는 무리 1,327.3개체 1.26%, 썰어먹는 무리 818.7개체 0.77%, 그리고 뚫어먹는 무리 61.3개체 0.06%의 순으로 조사되었다(Figure 3, Appendix 5).
- 걸러먹는 무리의 경우 종수와 개체수 현존량 모두 중류구간이 다른 서식지 유형보다 상대적으로 더 높게 출현하였고, 주워먹는 무리의 경우 상⋅중⋅하 류구간에 고루 분포하고 있었으며(Ro et al., 2006), 하류구간으로 갈수록 비율이 증가하는 것으로 조사되었다(Figure 4).
- 10%로 가장 높게 나타났다. 그 다음 잡아먹는 무리(Predator, P) 36종 25.35%, 긁어먹는 무리(Scraper, SC) 21종 14.79%, 썰어먹는 무리(Shredder, SH) 20종 14.08%, 걸러먹는 무리(Filtering-collector, FC) 14종 9.86% 그리고 뚫어먹는 무리(Plant-piercer, PP) 4종 2.82% 순으로 조사되었다. 개체수 현존량의 경우 주워먹는 무리가 72,078.
- 금강 수계 전 조사지점 출현한 수서곤충은 총 9목 46과 142종 105,755.6개체로 조사되었으며, 섭식기능군 종 구성 및 개체수 현존량을 살펴보면 주워먹는 무리(Gatheringcollector, GC)가 47종 33.10%로 가장 높게 나타났다. 그 다음 잡아먹는 무리(Predator, P) 36종 25.
- 또한 상⋅중류구간은 주워먹는 무리 및 걸러먹는 무리인 collector가 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
- 뚫어먹는 무리의 경우 수폭(r=0.630, P<0.01)과 실트(r=0.606, P<0.01)가 높은 상관성을 나타냈으며, 긁어먹는 무리의 경우 유속(r=0.723, P<0.01)과 전기전도도(r=-0.626, P<0.01)가 높은 상관성을 보이는 것으로 조사되었다.
- 본 연구에서는 서식지 유형분류를 위해 금강 수계 38지점에 대하여 수서곤충의 서식에 영향을 미치는 것으로 알려진 물리적 및 화학적 환경요인과 하상재료 중 현장 측정한 15개의 요인을 사용하여 분석 한 결과(Appendix 2), 유사도 거리 척도값 약 5를 전후하여 주성분분석의 공간배열과 같이 3개의 그룹(Headwater; Medium-stream; Large river)으로 구분되었으며(Vannote et al., 1980), 거리 척도값 4를 전후하여 상류구간(HD)의 경우 C1과 C3그룹, 중류구간(MS) C2와 C4 그리고 C5그룹, 하류구간(LR) C6과 C7그룹으로 서식지 유형이 분류되었다(Figure 2, Table 2). 7개 서식지 유형별 환경요인들의 차이를 비교해 보기 위하여 유의성 검정을 실시한 결과(by Kruskal-Wallis test), 7개 그룹의 15개 환경요인은 모두 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(Appendix 4).
- 서식지 유형별 섭식기능군의 종 구성과 개체수 현존량 특성을 비교한 결과(by Kruskal-Wallis test), 종 구성에서 뚫어먹는 무리를 제외하고는 모두 통계적으로 유의한 차이를 보였다(Appendix 5). 걸러먹는 무리의 경우 종수와 개체수 현존량 모두 중류구간이 다른 서식지 유형보다 상대적으로 더 높게 출현하였고, 주워먹는 무리의 경우 상⋅중⋅하 류구간에 고루 분포하고 있었으며(Ro et al.
- 서식지 유형분류에 주요한 영향을 미치는 요인을 파악하기 위해 단계적 다중회귀분석을 실시한 결과, 물리적 환경요인의 경우 하폭(x1)과 고도(x2)에 의해 영향을 많이 받는 것으로 분석되었으며(Y=3.810+0.004x1-0.002x2, r2=0.558, p<0.01), 그 중에서도 미소서식지의 다양성을 결정하는 하폭에 의한 영향이 큰 것으로 나타났다(Negishi et al., 2002; Park, 2004; Ro et al., 2006).
- 섭식기능군의 종 구성 및 개체수 현존량에 영향을 미치는 주요한 환경요인을 파악하기 위해 상관관계 분석(by pearson correlation analysis)을 실시하여 상관관계의 정도를 파악해 본 결과(Table 1), 서식지 유형별 종수 및 개체수 현존량 증감에 영향을 미치는 환경요인으로는 유속(r=0.734, P<0.01)과 모래(r=-0.640, P<0.01)가 높은 상관성을 보이는 요인으로 나타났으며(Edington, 1968; Allan, 1995), 그 외에도 하폭, 수폭, 수심, 실트, 전기전도도 그리고 돌이 상관성을 보이는 것으로 조사되었다.
- , 2006), 이번 조사에서도 종수와 개체수 현존량 모두 상류구간에서 다른 서식지 유형들에 비해 더 높은 출현 비율을 나타냈다. 이러한 결과를 통해 볼 때 금강 수계의 상류구간은 썰어먹는 무리와 잡아먹는 무리의 비율이 높았고, 중류구간은 긁어먹는 무리의 비율이 증가하는 것을 볼 수 있었다. 그리고 하류구간은 뚫어먹는 무리가 상대적으로 높은 점유율을 보였다.
- , 2007). 잡아먹는 무리의 경우 종수와 개체수 현존량 모두 상류구간이 다른 서식지 유형에 비해 상대적으로 더 높은 출현비율을 보였다. 이것은 잡아먹는 무리가 섭식기능군에 절반인 약 48%의 높은 비율을 차지하고 있고, 상류수계에 주로 출현한 전체 잠자리목과 일부 강도래목이 육식성 포식자 기능군에 속해 있기 때문으로 판단된다(Ro, 2002).
- 주어먹는 무리는 유속(r=0.633, P<0.01)과 높은 상관성을 나타냈으며, 잡아먹는 무리는 고도(r=0.616, P<0.01)와 유속(r=0.633, P<0.01)과 큰돌(r=0.634, P<0.01) 그리고 전기전도도(r=-0.609, P<0.01)와 모래(r=-0.618, P<0.01)가 높은 상관성을 보이는 것으로 조사되었다.
후속연구
- 이러한 환경요인과 생물군집의 상관관계 해석을 통해 섭식 기능군 분포특성 예측이 가능하며, 하천생태계 보전 및 복원에 중요한 자료로 활용될 수 있을 것이다. 그러나 자료의 신뢰성 향상을 위해서 보다 장기적인 생물모니터링 자료와 다양한 환경자료 취득과 함께 인공신경망 그리고 로지스틱 분석 등 추가적인 분석을 통해 섭식기능군 분포에 영향을 미치는 환경요인 추출에 대한 연구가 더 진행되어져야 할 것으로 사료된다.
- , 2006). 이러한 환경요인과 생물군집의 상관관계 해석을 통해 섭식 기능군 분포특성 예측이 가능하며, 하천생태계 보전 및 복원에 중요한 자료로 활용될 수 있을 것이다. 그러나 자료의 신뢰성 향상을 위해서 보다 장기적인 생물모니터링 자료와 다양한 환경자료 취득과 함께 인공신경망 그리고 로지스틱 분석 등 추가적인 분석을 통해 섭식기능군 분포에 영향을 미치는 환경요인 추출에 대한 연구가 더 진행되어져야 할 것으로 사료된다.
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