기후변화에 의한 온도 상승 및 강수량 변화는 수량 및 수질을 포함한 수환경의 변화로 이어져 결과적으로 수생생물의 서식지에 영향을 미친다. 이와 같은 서식지 변화는 생물종의 서식적합도 변화로 이어지고, 서식적합도에 의해 종분포가 결정된다. 따라서 기후변화에 의한 담수 어류의 서식적합성 변화를 예측하기 위하여 기존의 서식적합성 모형을 비교 및 분석하였다. 서식적합성 모형은 PHABSIM, CCHE2D, CASiMiR, RHABSIM, RHYHABSIM, River2D과 같은 서식지-수리 모형과 CLIMEX와 같은 서식지-생리 모형으로 구분하여 조사하였다. 서식지-수리 모형들은 수리학적 인자 (유속, 수심, 기질)를 이용하여 서식적합도를 예측하기 때문에, 수온을 포함한 수질의 영향을 평가할 수 없다. 반면, CLIMEX는 기후 인자에 대한 생물의 생리학적 반응을 평가하기 때문에, 물리적 서식지 (수리학적 인자)의 영향을 평가할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 서식지-수리 모형인 PHABSIM과 서식지-생리 모형인 CLIMEX의 구동 원리를 융합하여 기존의 모형들보다 다양한 환경 인자에 대한 영향을 예측할 수 있는 새로운 모형인 생태학적 서식적합성 모형 (EHSM)의 개념을 제안하였다. 이 모형은 기후변화에 의한 어류의 서식적합도 변화를 더욱 정확하게 예측할 수 있을 것으로 기대된다.
기후변화에 의한 온도 상승 및 강수량 변화는 수량 및 수질을 포함한 수환경의 변화로 이어져 결과적으로 수생생물의 서식지에 영향을 미친다. 이와 같은 서식지 변화는 생물종의 서식적합도 변화로 이어지고, 서식적합도에 의해 종분포가 결정된다. 따라서 기후변화에 의한 담수 어류의 서식적합성 변화를 예측하기 위하여 기존의 서식적합성 모형을 비교 및 분석하였다. 서식적합성 모형은 PHABSIM, CCHE2D, CASiMiR, RHABSIM, RHYHABSIM, River2D과 같은 서식지-수리 모형과 CLIMEX와 같은 서식지-생리 모형으로 구분하여 조사하였다. 서식지-수리 모형들은 수리학적 인자 (유속, 수심, 기질)를 이용하여 서식적합도를 예측하기 때문에, 수온을 포함한 수질의 영향을 평가할 수 없다. 반면, CLIMEX는 기후 인자에 대한 생물의 생리학적 반응을 평가하기 때문에, 물리적 서식지 (수리학적 인자)의 영향을 평가할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 서식지-수리 모형인 PHABSIM과 서식지-생리 모형인 CLIMEX의 구동 원리를 융합하여 기존의 모형들보다 다양한 환경 인자에 대한 영향을 예측할 수 있는 새로운 모형인 생태학적 서식적합성 모형 (EHSM)의 개념을 제안하였다. 이 모형은 기후변화에 의한 어류의 서식적합도 변화를 더욱 정확하게 예측할 수 있을 것으로 기대된다.
Temperature increase and precipitation changes caused by change alter aquatic environments including water quantity and quality that eventually affects the habitat of aquatic organisms. Such changes in habitat lead to changes in habitat suitability of the organisms, which eventually determines speci...
Temperature increase and precipitation changes caused by change alter aquatic environments including water quantity and quality that eventually affects the habitat of aquatic organisms. Such changes in habitat lead to changes in habitat suitability of the organisms, which eventually determines species distribution. Therefore, conventional habitat suitability models were investigated to evaluate habitat suitability changes of freshwater fish cause by change. Habitat suitability models can be divided into habitat-hydraulic (PHABSIM, CCHE2D, CASiMiR, RHABSIM, RHYHABSIM, and River2D) and habitat-physiologic (CLIMEX) models. Habitat-hydraulic models use hydraulic variables (velocity, depth, substrate) to assess habitat suitability, but lack the ability to evaluate the effect of water quality, including temperature. On the contrary, CLIMEX evaluates the physiological response against climatic variables, but lacks the ability to interpret the effects of physical habitat (hydraulic variables). A new concept of ecological habitat suitability modeling (EHSM) is proposed to overcome such limitations by combining the habitat-hydraulic model (PHABSIM) and the habitat-physiologic model (CLIMEX), which is able to evaluate the effect of more environmental variables than each conventional model. This model is expected to predict fish habitat suitability according to climate change more accurately.
Temperature increase and precipitation changes caused by change alter aquatic environments including water quantity and quality that eventually affects the habitat of aquatic organisms. Such changes in habitat lead to changes in habitat suitability of the organisms, which eventually determines species distribution. Therefore, conventional habitat suitability models were investigated to evaluate habitat suitability changes of freshwater fish cause by change. Habitat suitability models can be divided into habitat-hydraulic (PHABSIM, CCHE2D, CASiMiR, RHABSIM, RHYHABSIM, and River2D) and habitat-physiologic (CLIMEX) models. Habitat-hydraulic models use hydraulic variables (velocity, depth, substrate) to assess habitat suitability, but lack the ability to evaluate the effect of water quality, including temperature. On the contrary, CLIMEX evaluates the physiological response against climatic variables, but lacks the ability to interpret the effects of physical habitat (hydraulic variables). A new concept of ecological habitat suitability modeling (EHSM) is proposed to overcome such limitations by combining the habitat-hydraulic model (PHABSIM) and the habitat-physiologic model (CLIMEX), which is able to evaluate the effect of more environmental variables than each conventional model. This model is expected to predict fish habitat suitability according to climate change more accurately.
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문제 정의
하지만, 이러한 모형들은 온도와 수질 인자와 같은 수리 외의 환경 인자에 대한 해석이 부족하고, 어류의 생리적인 반응을 반영하고 있지 않기 때문에 기후변화에 따른 어류 서식적합도 예측에 적절하지 않은 것으로 평가되었다. 따라서 본 총설에서는 기존의 서식지-수리 모형인 PHABSIM과 서식지-생리 모형으로 정의될 수 있는 CLIMEX를 융합한 모형의 개념을 제안하였다. 이 모형은 수리학적 및 생리학적 인자들이 어류의 서식적합성에 미치는 영향을 반영하기 때문에, 기후변화에 따른 어류의 서식적합도 변화를 더욱 정확하게 예측할 수 있을 것으로 기대된다.
이를 통하여 생물종의 환경에 대한 서식적합도와 그에 따른 종분포를 묘사할 수 있고, 미래 기후변화 조건에서 서식적합도 변화와 그에 따른 종분포 변화를 예측할 수 있다. 따라서, 본 총설에서는 기존 연구에 사용된 서식적합성 모형을 비교 분석하고 기후변화에 의한 어류 서식적합성 변화를 예측하기 위한 모형을 제시하고자 한다.
가설 설정
상기에서 살펴본 바와 같이, 서식지-수리 모형은 생물이 수리학적 환경 변동에 따라 반응하는 것을 가정한다. 특히, 어류는 선호하는 조건에 따라 서식지를 선택하기 때문에 하천의 물리적 서식지 조건이 악화되면 서식지에 대한 선호도, 즉 서식적합도가 감소하게 된다 (Park 2010).
2). 이와 같은 온도에 따른 성장과 스트레스는 각 개체군이 생존에 적합한 계절과 부적합한 계절에서 일어나는 것으로 가정하며, 생활 단계나 세대에 따른 영향은 고려하지 않고 개체군의 평균적인 반응만을 고려한다(Kriticos et al. 2015). 성장 및 스트레스 함수는 실험 자료와 관찰 자료를 통해 산정할 수 있고, CLIMEX의 EI에 해당하는 생리학적 서식적합도 (physiologic habitat suitability, PHS)는 성장과 스트레스 각각의 연간 평균을 곱하여 계산할 수 있다.
제안 방법
기후변화에 따른 수리 및 수질 인자의 변화가 어류의 서식적합성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 서식지수리 모형인 PHABSIM과 서식지-생리 모형인 CLIMEX을 융합한 모형을 제안하고자 한다 (Fig. 2). 수리학적 서식적합성 모의는 PHABSIM의 구동 원리와 일치하며, 입력 자료는 유량, 유속, 수심, 수위 등의 수리 수문 자료 등이다.
수리 모의 과정은 기존의 서식지-수리 모형에서 사용되는 STGQ (stagedischargeanalysis using regression)를 통한 유량과 수위의 관계식 산출과 상관 회귀분석을 통한 유속 모의가 있다. 기후변화에 의한 영향은 중간 혹은 미소 서식지가 아닌 큰(macro, landscape 등) 공간적인 규모에 걸쳐 일어나고 그에 대한 해석을 수행하기 위해 수리 모의 과정을 단순화하고자 한다. 수리 모의를 통하여 계산되는 유속과 수심은 PHABSIM과 같은 원리로 서식적합성 평가에 이용되고, PHABSIM의 HSI 또는 CSI (composite habitat suitability index)와 유사한 수리학적 서식적합도 (hydraulic habitat suitability, HHS)가 계산된다.
trutta의 서식적합도를 평가하고 최적유량을 산정하였다. 이들은 선행된 S. trutta 연구를 통해 성장 단계별 (산란, 치어) 서식적합도 곡선을 산정한 후, 대상 지점의 수심, 유속, 유량, 기질과 하천 단면 등의 자료를 조사 및 수집하였다. 모형 구동 결과, 두 하천은 S.
성장 및 스트레스 함수는 실험 자료와 관찰 자료를 통해 산정할 수 있고, CLIMEX의 EI에 해당하는 생리학적 서식적합도 (physiologic habitat suitability, PHS)는 성장과 스트레스 각각의 연간 평균을 곱하여 계산할 수 있다. 한편, 생리학적 서식적합성 모의과정에서 스트레스 함수의 일종으로 독성 모형을 추가하여 오염물질 (TN, TP, TSS 등)이 생물종에 미치는 영향을 예측한다.
이론/모형
2. An ecological habitat suitability model that integrates the conventional habitat-hydraulic model (PHABSIM) and the habitat-physiologic model (CLIMEX) (HHS, hydraulic habitat suitability; PHS, physiologic habitat suitability; STGQ,stage-discharge model; TN, total nitrogen; TP, total phosphorus; TSS, total suspended solids).
Choi (2008)는원주천에서 갈겨니의 서식환경 개선을 위하여 PHABSIM을 사용해서 유지유량을 산정하고, 유지유량을 맞추기 위해 하수도시스템 개선을 통한 두 가지 방안을 제시하였다. 그리고 유량 확보에 따른 BOD 수질 개선 효과를 QUAL2E 모형을 사용하여 확인하였다. Park (2010)은 하천 내에 자연복원력을 위해 하천 환경시설물 설치한 성환천에서 서식하는 우점종인 붕어의 성장 단계별로 PHABSIM을 사용하여 생태유량을 산정하였고, QUAL2E를 사용하여 수질 인자 (온도, 용존 산소, BOD)를 예측하고 생태유량 산정 과정에 이를 고려하였다.
(2006)은 PHABSIM을 이용하여 한강 수계의 주요 하천 9 지점에 서식하는 대표 어종인 피라미(Zacco platypus)의 필요 유량을 산정하였다. 대상 지점의 수리학적 특성 (유량, 유속, 수심)과 하상재료 (기질) 및 어류 분포는 현장조사를 통해 수집하였고, 이 자료들을 이용하여 Washington Department of Fish and Wildlife (WDFW)에서 제시된 방법에 따라 서식적합도 곡선을 작성하였다 (WDFW 1996). Choi (2008)는원주천에서 갈겨니의 서식환경 개선을 위하여 PHABSIM을 사용해서 유지유량을 산정하고, 유지유량을 맞추기 위해 하수도시스템 개선을 통한 두 가지 방안을 제시하였다.
이 중에서 서식적합성 모형은 서식지를 묘사하는 환경 인자와 대상 생물종의 상관관계 분석을 통해 대상종의 서식지에 대한 적합도 혹은 대상종의 출현 확률을 산출하는 모형으로 (Hirzel and Lay 2008), 모형 구동 과정에서 생물종의 생활사에 대한 상세한 기작 (성장, 번식, 사망 등)을 포함하지 않는다 (Kearney 2006). 특히, 서식적합성 모형은 모니터링 자료와 실험 자료를 시용하여 환경 인자의 서식적합도 곡선 또는 함수를 개발하고 이를 이용하여 서식적합도 지수 (habitat suitability index, HSI)를 산정한다. 이를 통하여 생물종의 환경에 대한 서식적합도와 그에 따른 종분포를 묘사할 수 있고, 미래 기후변화 조건에서 서식적합도 변화와 그에 따른 종분포 변화를 예측할 수 있다.
성능/효과
한편, Koehn (2004)는 서식지-생리 모형인 CLIMEX을 이용하여 침입종인 잉어 (Cyprinuscarpio)의 EI를 계산하고, 기존의 출현 정보와 비교하였다. 그 결과, CLIMEX가 현재 잉어의 종분포를 잘 설명하며, 대부분의 지점들이 잉어 침입에 취약한 것을 알아내었다. 따라서, CLIMEX는 기후변화에 따른 생물의 성장과 스트레스 예측이 가능한 점에서 어류 서식적합성 평가에 적용이 가능할 것으로 판단된다.
이들은 현장 조사를 통해 대상 지점의 유속, 수심, 기질 등을 기록하고 어류채집도 수행한 다음, RHABSIM을 이용하여 현재 및 두 미래 시나리오에 따른 서식적합도를 예측하였다. 그 결과, 기후변화에 의해 Salmo trutta의 서식적합도가 감소할 것으로 예측되었다. Thorn and Conallin(2006)은 RHYHABSIM을 이용하여 덴마크의 세 하천에 서식하는 지표종인 S.
(2015)는 PHABSIM을 이용해서 이탈리아에 위치한 Serio 강을 대상으로 기후변화 시나리오 별로 수리학적 변화에 따른 Salmo trutta (brown trout)의 성장 단계별 서식적합도 변화를 모의하였다. 그 결과, 미래에는 유어와 성어의 연간 서식적합도는 증가하는 경향을 보였지만, 성장 단계에 따라 계절의 제약을 받게 될 것으로 예측되었다.
(2014)은 CCHE2D를 사용하여 달천 유역을 대상으로 홍수기에 관측된 유량 및 수위 자료를 이용하여 하상구조의 변동 (침식 및 퇴적)과 피라미의 서식적합성을 예측하였다. 그 결과, 하천 상류와 하류에서 수심 및 유속 변화로 인하여 피라미의 서식적합도가 증가한 것으로 나타났다. Kim (2015)는 River2D를 사용하여 전주천 상류의 수리 조건을 모의하고 HEC-RAS를 사용하여 보정을 수행한 후, 하천에 서식하는 여섯 종의 어류 (쉬리 Coreoleuciscus splendidus, 참종개 Iksookimia koreensis, 동사리 Odontobutis platycephala, 돌고기 Pungtungia herzi, 참갈겨니 Zacco koreanus, 피라미 Z.
기존의 서식적합성 모형을 분석한 결과, 어류를 대상으로 적용된 모형은 대부분 서식지-수리 모형이라는 사실을 알 수 있었다. 하지만, 이러한 모형들은 온도와 수질 인자와 같은 수리 외의 환경 인자에 대한 해석이 부족하고, 어류의 생리적인 반응을 반영하고 있지 않기 때문에 기후변화에 따른 어류 서식적합도 예측에 적절하지 않은 것으로 평가되었다.
trutta 연구를 통해 성장 단계별 (산란, 치어) 서식적합도 곡선을 산정한 후, 대상 지점의 수심, 유속, 유량, 기질과 하천 단면 등의 자료를 조사 및 수집하였다. 모형 구동 결과, 두 하천은 S. trutta 유지를 위해 적절한 유량을 유지했지만, 한 하천은 일시적으로 그러지 못하였다는 것을 알아냈고, 하천 관리 차원에서 RHYHABSIM과 같은 모형이 유용하다고 평가하였다.
본 총설에서 비교 분석한 서식적합성 모형은 Table 1과 같으며, 크게 서식지-수리 (habitathydraulic) 모형(PHABSIM, CCHE2D, CASiMiR, RHABSIM, RHYHABSIM, River2D)과 서식지-생리 (habitatphysiologic) 모형 (CLIMEX)으로 구분할 수 있다. PHABSIM은 미국에서 하천 관리를 위해 개발된 결정 시스템인 유지유량증분법 (instream flow incremental methodology)에서 중간 (meso) 그리고 미소 (micro) 서식지를 모의하는 모형이다.
후속연구
그리고, 사용자 정의에 따라 각 적합도지수 (HHS, PHS)에 가중치를 부여하여 영향력을 차별화할 수 있다 (예, EHS = (8*HHS+2*PHS)/10). 결과적으로, EHS는 수리학적 그리고 생리학적 적합성을 모두 모의할 수 있기 때문에, 기후변화에 따른 어류의 서식적합성 변화의 미래 예측 정확도를 높일 수 있을 것으로 기대된다. 본 총설에서는 서식적합성 융합 모형의 개념만을 제시하고 있으며, 추후 모델 개발 과정에서 모의 대상 규모, 모의 입력 인자, 인자의 시변성 및 상호연관성 등에 대한 구체적인 검토가 필요하다.
그 결과, CLIMEX가 현재 잉어의 종분포를 잘 설명하며, 대부분의 지점들이 잉어 침입에 취약한 것을 알아내었다. 따라서, CLIMEX는 기후변화에 따른 생물의 성장과 스트레스 예측이 가능한 점에서 어류 서식적합성 평가에 적용이 가능할 것으로 판단된다.
결과적으로, EHS는 수리학적 그리고 생리학적 적합성을 모두 모의할 수 있기 때문에, 기후변화에 따른 어류의 서식적합성 변화의 미래 예측 정확도를 높일 수 있을 것으로 기대된다. 본 총설에서는 서식적합성 융합 모형의 개념만을 제시하고 있으며, 추후 모델 개발 과정에서 모의 대상 규모, 모의 입력 인자, 인자의 시변성 및 상호연관성 등에 대한 구체적인 검토가 필요하다.
따라서 본 총설에서는 기존의 서식지-수리 모형인 PHABSIM과 서식지-생리 모형으로 정의될 수 있는 CLIMEX를 융합한 모형의 개념을 제안하였다. 이 모형은 수리학적 및 생리학적 인자들이 어류의 서식적합성에 미치는 영향을 반영하기 때문에, 기후변화에 따른 어류의 서식적합도 변화를 더욱 정확하게 예측할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지구의 평균 기온 상승은 어떤 영향을 끼치는가?
85°C 상승하였다고 발표하였다 (IPCC 2013). 이러한 기온 상승은 단기적으로 극단 기후 현상의 빈도와 강도에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 장기적으로 온도 상승, 강수량 변화, 강수 패턴의 변화 등을 일으킨다. 특히, 하천의 경우에는 수온, 유량, 유속, 용존 산소, 영양물질 농도 등과 같은 수리 및 수질 인자의 변화가 발생하며 (Kim 2011), 이러한 변화가 일정수준을 넘어가면 생물종의 서식적합도가 변하게 된다 (Fig. 1). 그리고, 서식적합도 변화에 따라 기존에 서식하던 생물종은 사라지거나 새로운 생물종이 유입되어 종분포가 변하게 된다 (Hooper et al. 2013).
기후변화에 의한 종분포 변화를 예측하는 모형 중 서식적합성 모형에 대해 설명하라
이 중에서 서식적합성 모형은 서식지를 묘사하는 환경 인자와 대상 생물종의 상관관계 분석을 통해 대상종의 서식지에 대한 적합도 혹은 대상종의 출현 확률을 산출하는 모형으로 (Hirzel and Lay 2008), 모형 구동 과정에서 생물종의 생활사에 대한 상세한 기작 (성장, 번식, 사망 등)을 포함하지 않는다 (Kearney 2006). 특히, 서식적합성 모형은 모니터링 자료와 실험 자료를 시용하여 환경 인자의 서식적합도 곡선 또는 함수를 개발하고 이를 이용하여 서식적합도 지수 (habitat suitability index, HSI)를 산정한다. 이를 통하여 생물종의 환경에 대한 서식적합도와 그에 따른 종분포를 묘사할 수 있고, 미래 기후변화 조건에서 서식적합도 변화와 그에 따른 종분포 변화를 예측할 수 있다. 따라서, 본 총설에서는 기존 연구에 사용된 서식적합성 모형을 비교 분석하고 기후변화에 의한 어류 서식적합성 변화를 예측하기 위한 모형을 제시하고자 한다.
IPCC 5차 보고서에 따르면 지구의 평균 기온은 130년간 몇 도 올랐는가?
IPCC 5차 보고서는 기후변화로 인하여 지난 130년간 지구 평균 기온이 약 0.85°C 상승하였다고 발표하였다 (IPCC 2013). 이러한 기온 상승은 단기적으로 극단 기후 현상의 빈도와 강도에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 장기적으로 온도 상승, 강수량 변화, 강수 패턴의 변화 등을 일으킨다.
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