[논문]와이블 분포함수를 이용한 저서성 대형무척추동물의 종수-조사면적 관계 해석

공동수; 김아름

doi:10.15681/kswe.2015.31.2.142

와이블 분포함수를 이용한 저서성 대형무척추동물의 종수-조사면적 관계 해석
Analysis on the Relationship between Number of Species and Survey Area of Benthic Macroinvertebrates Using Weibull Distribution Function 원문보기

The relationship between the number of benthic macroinvertebrate species and the accumulated survey area were investigated in a clean stream and an impaired stream of Korea. Five models to characterize species-area functions were compared, and the Weibull model fitted species-area data well. The other models (Arrhenius, Romell-Gleason, Kylin, Lognormal model) had small or notable bias. The maximum number of species and half-saturation area derived from the Weibull model may be used as the indicators of the carrying capacity and the habitat complexity respectively.

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문제 정의

본 연구는 수질 및 하상 구조가 다른 두 하천을 대상으로 상 중 하류 지점을 선정하여 각 지점에서 15회의 연속적인 채집을 통해 얻어진 결과를 확률적으로 조합하여 누적된 결과를 바탕으로 5개의 수학적 모형을 적용하여 그 적합성을 검토하고 조사면적에 따른 저서성 대형무척추동물의 출현종수의 변화를 파악한 것이다.

제안 방법

각 지점의 고도(altitude)와 하폭(channel width), 수폭(water width), 유속(water current), 하상(substratum)을 현장에서 조사하였다. 하폭과 수폭은 거리측정계(Bushnell sport 600)를 이용하여 측정하였으며, 유속은 Craig (1987)의 방법에 따라 측정하였다.
본 연구에서는 조사면적에 따른 저서성 대형무척추동물출현종수 변화를 해석하기 위해서 대표적인 수학적 모형들을 적용하였다(Table 2).

대상 데이터

2012년 10월 19일과 20일에 경기도 가평군에 위치한 가평천과 경기도·용인시·화성시·평택시를 경유하는 오산천의 상·중·하류 3개 지점을 조사하였다(Fig. 1).
표본크기(조사면적)와 저서성 대형무척추동물 종수간의 관계를 해석하기 위해 서식환경이 다른 두 하천을 대상으로 조사하였다. 이 결과를 바탕으로 5가지 수학적 모형의 적합성을 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

데이터처리

모형의 적합도는 추정치와 실측치의 평균제곱근오차(Root Mean Square Error, RMSE)로 판단하였다. 각 모형의 모수는 추정치와 실측치의 RMSE가 최소가 될 때까지 시행착오법으로 변화시켜 산출하였다.

이론/모형

수질은 2012년 수질측정망자료(MOE, 2012) 중 해당 조사지점의 연 평균치를 활용하였으며, BOD5 농도에 따른 Sládeček (1969, 1973)의 기준에 따라 부수성(saprobity)을 판정하였고, 총인 농도에 따른 Vollenweider (1974)의 기준에 따라 영양상태(trophic state)를 판정하였다.
하폭과 수폭은 거리측정계(Bushnell sport 600)를 이용하여 측정하였으며, 유속은 Craig (1987)의 방법에 따라 측정하였다. 하상은 Cummins (1962)의 기준에 따라 boulder, cobble, pebble, gravel, sand/silt의 5단계로 구분하여 측정하였다.
각 지점의 고도(altitude)와 하폭(channel width), 수폭(water width), 유속(water current), 하상(substratum)을 현장에서 조사하였다. 하폭과 수폭은 거리측정계(Bushnell sport 600)를 이용하여 측정하였으며, 유속은 Craig (1987)의 방법에 따라 측정하였다. 하상은 Cummins (1962)의 기준에 따라 boulder, cobble, pebble, gravel, sand/silt의 5단계로 구분하여 측정하였다.

성능/효과

1) 적용된 모형 중 와이블 모형의 적합도가 가장 컸다.
각 지점별로 15회 정량채집 시 출현한 저서성 대형무척추동물 종수는 가평천 상류 지점(G1)에서 54종, 중류 지점(G2) 63종, 하류 지점(G3)에서 50종이었으며, 가평천에 비해 수질이 다소 불량하고 하상이 상대적으로 세립화된 오산천은 상류 지점(O1)에서 26종, 중류 지점(O2) 20종, 하류지점(O3)에서 27종으로서 가평천의 절반 수준이었다.

후속연구

2) 와이블 모형에서 산출되는 총 종수와 반포화면적은 각각 환경의 수용능력과 서식처의 이질성을 판단하는 지표로서 활용 가능할 것으로 판단된다.
3) 향후 군집지수 등의 생물지수와 조사면적간의 수학적 관계에 대한 해석이 필요하다.
실제 야외 조사에서 방형구로 3~4회 채집하여 군집구조를 분석하고 환경을 평가하는 것이 일반적인데, 본 연구는 이러한 제한적인 조사가 실제 저서성 대형무척추동물 군집의 구조를 이해하는데 한계가 있음을 보여 준다. 본 연구는 단지 종수만을 대상으로 조사면적과의 관계를 해석하였으나 향후 우점도, 종다양성, 종 풍부도, 균등도 등의 군집지수 및 오수생물지수(saprobic index) 등 생물학적 환경평가에 이용되는 지수들과 조사면적간의 수학적 관계를 검토할 필요가 있다.
조사면적에 따른 종수 및 개체수의 변화는 군집구조를 이해하는데 있어 매우 중요한 변수이다(Morin, 1997). 실제 야외 조사에서 방형구로 3~4회 채집하여 군집구조를 분석하고 환경을 평가하는 것이 일반적인데, 본 연구는 이러한 제한적인 조사가 실제 저서성 대형무척추동물 군집의 구조를 이해하는데 한계가 있음을 보여 준다. 본 연구는 단지 종수만을 대상으로 조사면적과의 관계를 해석하였으나 향후 우점도, 종다양성, 종 풍부도, 균등도 등의 군집지수 및 오수생물지수(saprobic index) 등 생물학적 환경평가에 이용되는 지수들과 조사면적간의 수학적 관계를 검토할 필요가 있다.
반포화면적은 이론적인 총 종수의 1/2에 해당하는 종수가 출현하는 면적인데 이 값이 작으면 조사면적의 증가에 따라 종수의 증가가 급하고 총 종수에 이르는 최대 면적이 작아진다. 이와 반면 반포화면적의 값이 크면 조사면적의 증가에 따라 새로운 종이 출현하여 총 종수에 이르기 위해서 더 큰 조사면적을 필요로 한다. 서식처의 이질성(다양한 서식환경 존재)이 클수록 종 다양성이 증가(Benton et al.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

반포화면적이란 무엇인가?

반포화면적은 이론적인 총 종수의 1/2에 해당하는 종수가 출현하는 면적인데 이 값이 작으면 조사면적의 증가에 따라 종수의 증가가 급하고 총 종수에 이르는 최대 면적이 작아진다. 이와 반면 반포화면적의 값이 크면 조사면적의 증가에 따라 새로운 종이 출현하여 총 종수에 이르기 위해서 더 큰 조사면적을 필요로 한다.

생물 종수와 조사면적 또는 개체수의 관계를 해석하기 위한 연구들 중 대표적인 것은 어떤 것들이 있는가?

오래 전부터 생물 종수와 조사면적 또는 개체수의 관계를 해석하기 위한 연구들이 수행되어왔다. 대표적으로 Arrhenius 모형(Arrhenius, 1921), Romell-Gleason 모형(Gleason, 1922), Kylin 모형(Kylin, 1926), 생물군집 분석에 대수정규분포 함수를 처음 적용한 Preston 모형(Preston, 1948, 1962)과 와이블 모형(Weibull, 1951) 등이 있다. 이들 중 Arrhenius 모형과 Romell-Gleason 모형은 조사면적의 증가에 따라 종수가 계속해서 증가하는 곡선 형태이다.

표본크기에 따른 결과 값의 오류는 어떤 해석에 영향을 줄 수 있는가?

, 2006). 그러나 표본크기에 따른 결과 값의 오류는 생태학적 분석에서 가장 중요한 변수로 작용할 수 있으며(Morin, 1997), 종 다양성(Bagon et al., 1986)과 풍부도 및 유사성뿐만 아니라 먹이망 구조에 대한 해석에도 영향을 줄 수 있다(Cao et al., 2002).

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