낙동강 수계의 20개 저수지 및 습지에서 환경요인에 대한 동물플랑크톤 군집의 영향을 평가하기 위해 계절별 조사를 수행하였으며 다양한 환경 요인에 대한 동물플랑크톤의 영향을 효과적으로 분석하기 위해 Self-Organizing Map(SOM) 분석을 이용하였다. 총 109종의 동물플랑크톤 종이 동정되었으며, 동물플랑크톤의 밀도와 종수는 계절에 따라 상이한 분포를 나타냈다. 특히, 가을은 다른 계절보다 동물플랑크톤의 높은 종수와 밀도를 기록하였다(98종, 603 ind. /L). 윤충류는 다른 환경요소보다 수온과 밀접하게 연관되었으며, 이는 계절에 따른 영향을 크게 받는 것으로 보인다. 지각류와 요각류는 전기전도도, Chl. a, 영양염류(TN, TP) 대해서 영향 받았으며, 이는 오염원 및 먹이원에 영향을 크게 받는 것으로 보인다. 그러나, 용존산소가 높은 정수역에서는 대부분 동물플랑크톤이 낮은 밀도를 보였다. 저수지 및 습지에서 출현하는 동물플랑크톤 군집은 수온이나 영양염류 등의 환경요인에 대해 주로 영향 받는 것으로 평가되었다. 결론적으로 저수지와 습지와 같은 정수역에서 출현하는 동물플랑크톤 군집의 조성 및 밀도는 환경요인과 밀접하게 연관되는 것으로 나타났으며, 환경요인의 변화는 동물플랑크톤의 계절성을 결정하는 중요한 요인인 것으로 평가되었다.
낙동강 수계의 20개 저수지 및 습지에서 환경요인에 대한 동물플랑크톤 군집의 영향을 평가하기 위해 계절별 조사를 수행하였으며 다양한 환경 요인에 대한 동물플랑크톤의 영향을 효과적으로 분석하기 위해 Self-Organizing Map(SOM) 분석을 이용하였다. 총 109종의 동물플랑크톤 종이 동정되었으며, 동물플랑크톤의 밀도와 종수는 계절에 따라 상이한 분포를 나타냈다. 특히, 가을은 다른 계절보다 동물플랑크톤의 높은 종수와 밀도를 기록하였다(98종, 603 ind. /L). 윤충류는 다른 환경요소보다 수온과 밀접하게 연관되었으며, 이는 계절에 따른 영향을 크게 받는 것으로 보인다. 지각류와 요각류는 전기전도도, Chl. a, 영양염류(TN, TP) 대해서 영향 받았으며, 이는 오염원 및 먹이원에 영향을 크게 받는 것으로 보인다. 그러나, 용존산소가 높은 정수역에서는 대부분 동물플랑크톤이 낮은 밀도를 보였다. 저수지 및 습지에서 출현하는 동물플랑크톤 군집은 수온이나 영양염류 등의 환경요인에 대해 주로 영향 받는 것으로 평가되었다. 결론적으로 저수지와 습지와 같은 정수역에서 출현하는 동물플랑크톤 군집의 조성 및 밀도는 환경요인과 밀접하게 연관되는 것으로 나타났으며, 환경요인의 변화는 동물플랑크톤의 계절성을 결정하는 중요한 요인인 것으로 평가되었다.
In order to estimate the influence of environmental factors on zooplankton communities in lentic freshwater ecosystems, 20 reservoirs and wetlands were monitored by season in 2013. A total of 109 species of zooplankton were identified during the study period. Zooplankton assemblage showed a differen...
In order to estimate the influence of environmental factors on zooplankton communities in lentic freshwater ecosystems, 20 reservoirs and wetlands were monitored by season in 2013. A total of 109 species of zooplankton were identified during the study period. Zooplankton assemblage showed a different distribution in its density and diversity in accordance with the seasons. In particular, the density of zooplankton (98 species and 603ind. L-1) was the most in autumn when compared to the other seasons. In order to effectively analyze zooplankton distribution that are affected by various environmental factors, a Self-Organizing Map (SOM) was used, which extracts information through competitive and adaptive properties. A total of 11 variables (8 environment factors and 3 groups of zooplankton) were patterned on to the SOM. Based on a U-matrix, four clusters were identified from the model. Among zooplankton communities, rotifer displayed a positive relationship with water temperature, and cladocerans and copepod were positively related to conductivity, chlorophyll a, and nutrient factor (i. e. TN and TP). In contrast, high dissolved oxygen appeared to have a negative effect on zooplankton distribution. Consequently, the SOM results depicted a clear pattern of zooplankton density clusters partitioned by environmental factors, which play a key role in determining the seasonal distribution of zooplankton groups in lentic freshwater ecosystem.
In order to estimate the influence of environmental factors on zooplankton communities in lentic freshwater ecosystems, 20 reservoirs and wetlands were monitored by season in 2013. A total of 109 species of zooplankton were identified during the study period. Zooplankton assemblage showed a different distribution in its density and diversity in accordance with the seasons. In particular, the density of zooplankton (98 species and 603ind. L-1) was the most in autumn when compared to the other seasons. In order to effectively analyze zooplankton distribution that are affected by various environmental factors, a Self-Organizing Map (SOM) was used, which extracts information through competitive and adaptive properties. A total of 11 variables (8 environment factors and 3 groups of zooplankton) were patterned on to the SOM. Based on a U-matrix, four clusters were identified from the model. Among zooplankton communities, rotifer displayed a positive relationship with water temperature, and cladocerans and copepod were positively related to conductivity, chlorophyll a, and nutrient factor (i. e. TN and TP). In contrast, high dissolved oxygen appeared to have a negative effect on zooplankton distribution. Consequently, the SOM results depicted a clear pattern of zooplankton density clusters partitioned by environmental factors, which play a key role in determining the seasonal distribution of zooplankton groups in lentic freshwater ecosystem.
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문제 정의
특히 낙동강 수역은 비교적 다양하고 독특한 특성을 가진 호소가 있음에도 불구하고, 호소간의 비교를 통해 동물플랑크톤 군집 동태를 평가한 사례는 적은 편이다. 따라서 본 연구에서는 낙동강 수역에 위치하는 호소를 대상으로 수질 및 동물플랑크톤 분포 양상을 분석하여, 수질과 동물플랑크톤 군집 간에 상관성을 알아보고자 한다.
제안 방법
부유물질과 Chl. a, 총질소, 총인 등의 항목은 현장에서 원수를 채수하여 실험실에 가져와 측정하였다. 측정방법은 환경부의 수질오염공정시험방법(Korea Ministry of Environment, 2012)을 이용하여 측정하였다.
본 연구에서 SOM 모형의 입력 변수로 현장조사를 통해 확보된 동물플랑크톤의 분류군별 밀도와 조사대상 호소의 환경 요인(수온, pH, 전기전도도, 용존산소, 부유물질, Chl. a, 총질소, 총인)을 활용하였다. 최적의 SOM 구조는 두 가지의 quantization error 및 topographic error항을 이용하여 결정하였으며, 다양한 구조의 SOM 모형을 구축한 뒤 두 error 항이 가장 낮은 값을 보인 구조를 최종적으로 선택하였다.
a), 총질소(TN), 그리고 총인(TP) 등 8개 항목이다. 수온과 용존 산소, pH, 전기전도도는 현장에서 직접 측정하였으며, 수온과 용존산소는 DO meter를 이용하여 측정하였으며(YSI DO Meter; Model 58), pH와 전기전도도는 각각 pH 측정기 (Orion pH Meter; Model 58)와 전기전도도 측정기(Fisher Conductivity Meter; Model 152)를 이용하여 측정되었다. 부유물질과 Chl.
최적의 SOM 구조는 두 가지의 quantization error 및 topographic error항을 이용하여 결정하였으며, 다양한 구조의 SOM 모형을 구축한 뒤 두 error 항이 가장 낮은 값을 보인 구조를 최종적으로 선택하였다. 조사지점을 클러스터링하기 위해서 U-matrix를 이용하였으며, SOM 모형을 구성하는 각각의 node들 간의 유사도를 이용하여 가장 적합한 클러스터를 추출하도록 하였다. SOM모형 구축과 데이터 분석은 Matlab 6.
a, 총질소, 총인)을 활용하였다. 최적의 SOM 구조는 두 가지의 quantization error 및 topographic error항을 이용하여 결정하였으며, 다양한 구조의 SOM 모형을 구축한 뒤 두 error 항이 가장 낮은 값을 보인 구조를 최종적으로 선택하였다. 조사지점을 클러스터링하기 위해서 U-matrix를 이용하였으며, SOM 모형을 구성하는 각각의 node들 간의 유사도를 이용하여 가장 적합한 클러스터를 추출하도록 하였다.
환경 요인의 측정 및 동물플랑크톤 채집은 2013년에 분기별(2월, 5월, 8월, 11월)로 수행되었으며 호소크기에 따라 1~3지점을 조사하였다.
대상 데이터
조사지점은 낙동강 유역의 20개 지점의 호소에서 시행하였다(Figure 1, Table 1). 20개의 호소 중 유역면적은 진양호 (Site 16)가 2,270.
이론/모형
조사지점을 클러스터링하기 위해서 U-matrix를 이용하였으며, SOM 모형을 구성하는 각각의 node들 간의 유사도를 이용하여 가장 적합한 클러스터를 추출하도록 하였다. SOM모형 구축과 데이터 분석은 Matlab 6.1을 기반으로 이루어졌으며, SOM 모형 구축에 관련된 여러 가지 함수와 기능들은 Matlab 환경에서 구동되는 SOM_PAK(Kohonen et al., 1996) 툴박스를 활용하였다.
동물플랑크톤의 분류군별 밀도와 조사 대상 호소의 환경적 특성 간의 관계는 생태정보학(Ecological Informatics)에서 널리 활용되고 있는 비선형 생태모형 기법 중 하나인 Self-Organizing Map(SOM) 알고리즘을 이용하여 패턴분석을 실시하였다.
a, 총질소, 총인 등의 항목은 현장에서 원수를 채수하여 실험실에 가져와 측정하였다. 측정방법은 환경부의 수질오염공정시험방법(Korea Ministry of Environment, 2012)을 이용하여 측정하였다.
성능/효과
조사지점은 낙동강 유역의 20개 지점의 호소에서 시행하였다(Figure 1, Table 1). 20개의 호소 중 유역면적은 진양호 (Site 16)가 2,270.65㎢로 가장 넓으며 박실지(Site 7)가 0.225㎢로 가장 좁은 면적을 가졌다. 연평균 저수용량은 합천호(Site 19)가 361×106㎥로 가장 많으며 정양지(Site 15)이 0.
01; n=197). SOM 모형을 적용시킨 결과, 조사지점들은 크게 두 개의 클러스터로 구분되며, 각각의 클러스터는 또 2개씩 나뉘어, 총 4 개의 클러스터가 가장 적합한 것으로 파악되었다 (Figure 3). SOM 평면의 위쪽에 형성되어 있는 클러스터가 각각 클러스터 1과 4이며, 아래쪽의 두 개의 클러스터가 각 2와 3으로 지정되었다.
이와 같은 결과를 볼 때, 조사된 호소에서 윤충류는 다른 환경요인 보다 수온과 주로 관련되었으며, 지각류와 요각류는 영양염과 먹이원에 주로 영향받는 것으로 나타났다. SOM 분석 결과는 환경 요인들이 종합적으로 작용하여 클러스터 구분이 이루어진 것으로 보이며, 동물플랑크톤 군집마다 영향을 받는 환경요인의 차이를 보였다. SOM 알고리즘은 비선형적인 데이터를 처리하여 효과적인 데이터 클러스터링이 가능하며 생태학 분야에서 빈번하게 산출되는 복잡성이 높은 데이터에 효과적인 것으로 알려져 있다(Chon et al.
SOM 평면을 구축한 결과 14×5 구조에서 최적화되었다 (Quantization error, 0.356; Topographic error, 0.01; n=197).
요각류 출현 밀도의 경우 전기전도도와 Chl. a, 부유물질, 총질소, 총인 등의 값이 상대적으로 낮은 클러스터 4에서 낮았으며, 이를 보아 영양염류와 먹이원이 낮으면 거의 출현하지 않는 것으로 사료된다.
, 2007). 결론적으로, 본 연구에서는 호소의 이화학적 요인과 동물플랑크톤 간의 복잡한 관계에서 각 분류군이 어떤 요인에 대해 영향을 받는지 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과는 향후 호소의 수질관리 및 종 다양성 유지를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
계절별로 살펴보면, 가을에 98종으로 가장 많은 동물플랑크톤 종수를 보였으며, 겨울에는 24종으로 상대적으로 적은 종수를 나타냈다(Table 3). 분류군별로는 윤충류는 Polyarthra sp.
본 연구에서 동물플랑크톤은 총 108종이 확인되었으며, 분류군별로 윤충류가 73종, 지각류가 27종, 요각류가 8종으로 나타났다.
, 2005). 본 연구에서 적용 및 산출 된 SOM 모형 역시 전술한 연구결과와 비교하여 적절한 수준의 오차값을 가지고 있으므로 모형의 대표성이 존재한다고 할 수 있다. SOM 분석 기법은 기존 분석 방법(선형 분석 등)보다 복잡한 관계를 간단하고 명확하게 평가할 수 있다는 장점을 가지고 있기 때문에 SOM 분석 기법은 환경 분야의 광범위한 정보 분석에 다양하게 적용되었으며, 유수 생태계의 다양한 생태학적 변화에 대한 원인분석과 구체적인 결과를 유도하는 데 활용될 수 있다(Chon et al.
본 연구에서 조사된 동물플랑크톤 군집은 계절과 호소에 따라서 차이가 있는 것으로 나타났다(Figure 2). 겨울에 대부분의 호소는 윤충류나 요각류에 의해서 우점되었으며, 다른 계절과 비교하였을 때 상대적으로 낮은 출현 밀도와 종수를 보였으나, 특히 박실지(Site 7)와 질날벌(Site 17)에서 다른 호소보다 높은 요각류 출현밀도를 나타냈다.
본 연구에서 조사된 호소의 환경 요인은 뚜렷한 계절성을 보였다(Table 2). 수온은 봄에 증가되기 시작하여 여름에 가장 높은 범위를 보였으며(24.
봄은 수온이 증가되기 시작하는 계절이기 때문에 대부분의 호소에서 겨울보다 윤충류의 출현 밀도와 종수가 증가한 것으로 사료된다. 여름에는 앞선 계절보다 지각류의 출현비율이 높게 나타났으며, 특히 낙동강하구언(Site 5)과 박실지 (Site 7)에서 지각류의 높은 밀도를 찾을 수 있었다. 낙동강 하구언(Site 5)에서 우점하는 지각류는 Bosmina logirostris 로, 상대적으로 작은 크기와 발달된 형태적 방어 반응 때문에 어류 포식에 대한 높은 회피율을 가진다(Sakamoto et al.
지각류는 수온이 낮거나 용존산소가 높은 시기에는 낮은 출현 양상을 나타냈다. 요각류는 윤충류와 비슷하게 대부분의 클러스터에서 높은 출현 밀도로 분포되었으나, 클러스터 4에 속한 호소와 계절에는 거의 출현하지 않는 것으로 나타났다.
이와 같은 결과를 볼 때, 조사된 호소에서 윤충류는 다른 환경요인 보다 수온과 주로 관련되었으며, 지각류와 요각류는 영양염과 먹이원에 주로 영향받는 것으로 나타났다. SOM 분석 결과는 환경 요인들이 종합적으로 작용하여 클러스터 구분이 이루어진 것으로 보이며, 동물플랑크톤 군집마다 영향을 받는 환경요인의 차이를 보였다.
총질소는 가을에 가장 높은 값들이 관찰되었으며, 특히 낙동강하구언(Site 5), 박실지(Site 7), 질날벌(Site 17), 풍락지(Site 18), 회동호(Site 20) 등의 호소에서 높은 값이 측정되었다. 총인은 계절적인 차이가 거의 없었으며, 박실지(Site 7), 번개늪(Site 8), 장척호(Site 14), 정양지(Site 15), 질날벌(Site 17) 등의 호소에서 0.1mg/L이상의 값이 측정되었다. 총질소와 총인 등의 영양염류가 박실지(Site 7)와 질날벌(Site 17) 등에서 높은 이유는 주변이 농경지로 구성되어 영양염류가 지속적으로 유입되기 때문인 것으로 사료된다.
부유물질은 박실지(Site 7)와 정양지(Site 15) 등의 얕은 수심을 가진 호소에서 주로 높은 값이 관찰되었다. 총질소는 가을에 가장 높은 값들이 관찰되었으며, 특히 낙동강하구언(Site 5), 박실지(Site 7), 질날벌(Site 17), 풍락지(Site 18), 회동호(Site 20) 등의 호소에서 높은 값이 측정되었다. 총인은 계절적인 차이가 거의 없었으며, 박실지(Site 7), 번개늪(Site 8), 장척호(Site 14), 정양지(Site 15), 질날벌(Site 17) 등의 호소에서 0.
후속연구
, 2000). 그러나 본 조사에서 지각류는 대부분 소형인 Bosmina longirostris 로 일반적으로 알려진 대형지각류(Daphnia)에 의한 수질개 선효과를 기대하기는 어려울 것으로 사료된다. 이와 관련하여, 낙동강에서는 대형지각류인 Daphnia가 출현하는 봄철에는 상대적으로 수질개선효과를 보이지만, Bosmina류가 우점하는 가을철에는 오히려 식물플랑크톤이 높은 현상을 보이는 것으로 연구하였다 (Choi et al.
결론적으로, 본 연구에서는 호소의 이화학적 요인과 동물플랑크톤 간의 복잡한 관계에서 각 분류군이 어떤 요인에 대해 영향을 받는지 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과는 향후 호소의 수질관리 및 종 다양성 유지를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
따라서 포식자가 존재하는 호소에서 지각류는 낮은 용존산소를 가진 서식처에서 주로 분포하며, 그래서 그들은 용존산소와 반대되는 상관성을 가지는 것으로 사료된다. 이와 같은 정보에 기초하여, 추후 호소의 수심에 따른 지각류의 조사 또한 수행되어야 할 것으로 보인다. 요각류 출현 밀도의 경우 전기전도도와 Chl.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
환경 요인의 측정 항목 중 수온과 용존산소 측정에 이용한 것은 무엇인가?
a), 총질소(TN), 그리고 총인(TP) 등 8개 항목이다. 수온과 용존 산소, pH, 전기전도도는 현장에서 직접 측정하였으며, 수온과 용존산소는 DO meter를 이용하여 측정하였으며(YSI DO Meter; Model 58), pH와 전기전도도는 각각 pH 측정기 (Orion pH Meter; Model 58)와 전기전도도 측정기(Fisher Conductivity Meter; Model 152)를 이용하여 측정되었다. 부유물질과 Chl.
동물플랑크톤 군집의 특징은 무엇인가?
동물플랑크톤 군집은 수생태 먹이망 내에서 식물플랑크 톤을 여과 섭식하며, 어류와 같은 포식자의 주 먹이원으로 활용하는 등 1차 소비자로서의 중요한 역할을 수행한다(Bunn and Boon, 1993).
동물플랑크톤의 계절적인 천이에 영향을 주는 요소는 무엇인가?
또한 동물플랑크톤 군집은 생물학적 요인뿐만 아니라, 물리-화학적 요인에 의해서도 강하게 영향을 받는다. 동물플랑크톤의 계절적인 천이는 수온이나 pH 등의 계절적 변화에 의해서 야기되며, 이 요소들은 또한 동물플랑크톤의 개체군 성장에도 강하게 영향을 준다(Dejen et al., 2004, David et al.
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