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문제 정의
- 본 연구에서는 남해에 대한 어획대상 환경수용량을 추정하기 위하여 대상 생태계를 국립수산과학원의 수산자원관리용 생태계 구분 기준을 사용하여 [Fig. 1]과 같이 설정하였다. 이 생태계의 범위는 전남과 제주도, 경남, 부산, 울산의 행정구역을 기준으로 설정되었으며, 대마난류 생태계의 특성을 잘 반영하고 있다.
- 본 연구에서는 어업의 대상이 되는 어획대상어종에 한정하여 대상 생태계의 일차생산력과 먹이망구조가 수용할 수 있는 어획 대상어종의 생물량 상한치를 어획대상 환경수용량으로 정의하였다.
가설 설정
- , 1970)를 사용하여 소해면적법으로 생체량 추정 후 트롤조사 면적으로 나누어 단위면적당 생체량을 입력자료로 사용하였다. 그러나 트롤 비대상 어종의 경우에는 1960년대 자원량이 처녀자원량의 95% 수준에 있다는 가정과 최대지속적생산량(MSY)은 순간자연사망계수(M)와 처녀자원량(B0)을 곱한 값의 1/2이라는 가정(Gulland, 1971)을 근거로하여 아래의 식으로 1960년대의 자원량을 산정하여 입력자료로 사용하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 남해 생태계의 ECC를 추정하기 위해 생태계 모델링 방법 (EMM)과 통합생산량 분석법 (HPM)을 사용하였다. EMM에서는 P/B, Q/B, 먹이조성 등과 같은 생태학적 파라미터들을 입력자료로 사용하여 Ecopath 모델에서 남해 생태계의 구조를 분석한 후 Ecosim 모델의 시뮬레이션을 통해 순간어획사망계수(F)가 0일 때의 분류군별 자원량이 수렴하는 지점을 ECC로 간주하여 추정하였다. 그 결과 [Table 4]와 같이 EMM에 의한 남해 생태계의 ECC는 4.
- Ecosim 모델 시뮬레이션을 통해 순간어획사망계수(F)가 0일 때, 각 그룹의 단위면적당 생체량이 어느 한 값으로 수렴할 때를 단위면적당 어획대상 환경수용량으로 간주하여 추정하였다. 이 값에 남해의 면적 188,700㎢을 곱하여 구한 남해 생태계의 어획대상 환경수용량(ECC)은 4.
- EwE 입력 파라미터 중 생산량/생체량 비(P/B)는 참고문헌으로부터 체중 자료를 사용하여 각 생물에 대한 성장률을 구하거나 문헌에 제시된 순간전사망계수를 사용하여(Allen, 1971) 분류군 내 각 생물종의 생체량으로 가중평균하여 구하였다. 섭식량/생체량 비(Q/B)는 위내용물 분석 자료를 직접 사용하거나 von Bertalanffy 성장파라미터와 최대체중 자료를 사용하여 Palomares and Pauly(1998) 방법을 통해 계산한 뒤, 분류군 내 각 생물종의 생체량으로 가중평균하였다.
- EwE 입력 파라미터 중 생체량 자료는 1966년 트롤조사 자료(Kim et al., 1970)를 사용하여 소해면적법으로 생체량 추정 후 트롤조사 면적으로 나누어 단위면적당 생체량을 입력자료로 사용하였다. 그러나 트롤 비대상 어종의 경우에는 1960년대 자원량이 처녀자원량의 95% 수준에 있다는 가정과 최대지속적생산량(MSY)은 순간자연사망계수(M)와 처녀자원량(B0)을 곱한 값의 1/2이라는 가정(Gulland, 1971)을 근거로하여 아래의 식으로 1960년대의 자원량을 산정하여 입력자료로 사용하였다.
- HPM에서는 여러가지 잉여생산량모델이 사용될 수 있지만 본 연구에서는 잉여생산량을 추정하는 모델과 파라미터 추정방법의 비교 연구(Pyo, 2006; Kwon et al., 2013)에서 모델과 자료의 적합도가 가장 높게 추정되었던 최대엔트로피모델 (maximum entropy model)을 선정하였으며, 이 모델에서 추정되는 환경수용량(K)을 어획대상 환경수용량으로 간주하였다.
- HPM에서는 최대엔트로피모델을 적용하여 어획대상 어종의 어획량과 표준화된 어획노력량 자료를 이용해 추정되는 파라미터 K를 ECC로 간주하여 남해 생태계의 ECC를 5.1 백만톤으로 추정하였다.
- 셋쨰, EwE에 필요한 입력 파라미터를 추정한다. 넷쨰, Ecopath를 사용하여 생태계 구조를 분석한다. 다섯째, Ecosim을 사용하여 분류군별 어획대상 환경수용량을 추정한다.
- 넷쨰, Ecopath를 사용하여 생태계 구조를 분석한다. 다섯째, Ecosim을 사용하여 분류군별 어획대상 환경수용량을 추정한다.
- 첫쨰, 대상 생태계인 남해의 범위를 설정하고 면적을 산출한다. 둘째, 어획대상 어종들을 중요하거나 유사한 생태학적 특성을 가지는 생물군별로 분류한다. 셋쨰, EwE에 필요한 입력 파라미터를 추정한다.
- 또한 3)각 방법별 추정치를 비교·분석하여 가장 합리적인 어획대상 환경수용량을 선정하고 4)추정방법과 자료의 신뢰도를 향상시키기 위한 방안을 제시하였다.
- 여기서 숫자는 각각의 특성들을 구분하기 위해 SOM에서 사용된 임의의 지표이다. 또한 남해어업의 주요 어종으로서 어획량이 많은 어종인 고등어, 멸치, 갈치, 참조기, 살오징어는 독립된 분류군으로 구분하였다.
- 본 연구에서는 1)생태계 기반 분석방법과 개체군 기반 분석방법을 비교·분석하고 2)우리나라 남해 생태계에 대하여 생태계 모델링 방법(EMM)과 개체군 기반 모델을 활용한 통합생산량 분석법(HPM)에 의해 어획대상 환경수용량을 추정하였다.
- 본 연구에서는 Ecosim에서 순간어획사망계수(F)를 0으로 설정하고 분류군별 연도별 생체량을 시간(/년)에 대해 시뮬레이션하였을 떄, 일정한 값으로 수렴하는 어획대상 어종의 자원량을 어획 대상 환경수용량으로 간주하였다.
- 본 연구에서는 어획대상 환경수용량(Exploitable carrying capacity, ECC)을 추정하기 위해 생태계 모델링 방법과 개체군 기반 분석법을 사용하였다. 생태계 모델링 방법(Ecosystem Modeling Method, EMM)은 질량균형모델을 기반으로 생태계 구조를 파악하는 Ecopath 모델과 시나리오에 따른 생태계 구조의 변화를 예측하는 Ecosim 모델을 통합한 EwE 모델(Christensen and Walters, 2004)을 사용하여 어획대상 환경수용량을 추정하는 방법이다.
- )은 Ecopath에 의해 자동으로 추정되었다. 상어류, 가오리류, 소형 부어류, 넙치류, 갈치, 대구, 아귀, 게류, 새우류, 내생동물, 동물플랑크톤에 대한 EEini가 1.0 이상으로 추정되었으므로 EEadj와 같이 0.95로 고정하여 (Christensen et al., 2008) Ecopath를 통해 해당 분류군에 대한 생체량을 Badj로 재추정하였다. 따라서 어획대상 분류군에 대한 생체량은 멸치가 6.
대상 데이터
- 남해 생태계를 HPM에 적용하기 위해 1966~2014년간 전남과 제주도, 경남, 부산, 울산의 연도별 어획량 및 어획노력량 자료를 사용하였다(KOSIS, 2016). 어획노력량 자료로는 동력선과 무동력선의 총톤수 자료를 사용하였으며, 어획노력량을 표준화하기 위해 Kim(2016)의 표준화 방법을 사용하였다.
- 본 연구의 대상 해역인 우리나라 남해 생태계는 해안선이 복잡하고 난류수가 동해와 서해로 북상하는 경로에 위치하고 있어, 여러 어종들의 양호한 서식지 및 산란장이 되고 있다. 따라서 좋은 어장으로서의 조건을 갖추어 각종 어선 어업이 활발하게 행해지고 있다(Kim et al.
- (2) 정확한 결과가 나타나 있지 않은 참고문헌의 경우는 먹이생물 중에서 주요 먹이로 선호도가 가장 높은 먹이는 중요도 2를 부여하고, 주요 먹이는 아니나 선호하는 먹이는 중요도 1, 그리고 전혀 섭식하지 않는 먹이는 중요도 0을 부여하였다. 어획량은 1966~1968년 3개년 전남과 제주도, 경남, 부산, 울산의 어획량을 합해서 3개년 어획량 평균값을 구한 후 면적으로 나누어 단위면적당 분류군별 어획량 입력자료를 사용하였다(MOMAF, 1970).
이론/모형
- Matlab (MathWorks Inc., 2014)의 SOM toolbox를 사용하여 8가지 생태학적 특성을 고려하여 유사한 종들을 분류하고 어획량이 많은 주요 어종인 고등어, 멸치, 갈치, 참조기, 살오징어 등 다섯 어종에 대해서는 분류군을 따로 지정하였다. 그 결과 남해 생태계의 어획대상 어종인 120종은 17개의 그룹으로 분류되었다([Table 1]).
- 1]). 다음으로 남해 생태계내의 생물군을 분류하기 위해 통계청에서 집계하고 있는 120여종의 어획대상생물에 대해 인공신경망을 인지하는 테크닉의 하나인 자가구성법(self-organizing mapping, SOM)을 적용하였다(Lek and Guegan, 1999). 남해 생태계에 서식하는 생물들은 다음의 8가지 생태학적 특성에 기초하여 SOM에 의해 분류하였으며, 그 생태학적 특성은 (1)유영능력 (없음-0, 약함-1, 강함-2), (2)골격 (경골-0, 연골-1, 연체류-2, 갑각류-3, 기타-4), (3)체장 (소형-0, 중형-1, 대형-2), (4)체형 (방추형-0, 측편형-1, 긴측편형-2, 편평형-3, 원통형-4, 기타-5), (5)서식수심 (연안-0, 근해-1, 기수역-2), (6)서식처 (표층-0, 중층-1, 저층-2, 모래/펄-3, 암초/바위-4, 모래/펄 속-5, (7)식성 (포식성-0, 동물성-1, 식물성-2, 잡식성-3, (8)산란 (난생-0, 난태생-1, 태생-2)이다.
- 본 연구에서는 남해 생태계의 ECC를 추정하기 위해 생태계 모델링 방법 (EMM)과 통합생산량 분석법 (HPM)을 사용하였다. EMM에서는 P/B, Q/B, 먹이조성 등과 같은 생태학적 파라미터들을 입력자료로 사용하여 Ecopath 모델에서 남해 생태계의 구조를 분석한 후 Ecosim 모델의 시뮬레이션을 통해 순간어획사망계수(F)가 0일 때의 분류군별 자원량이 수렴하는 지점을 ECC로 간주하여 추정하였다.
- EwE 입력 파라미터 중 생산량/생체량 비(P/B)는 참고문헌으로부터 체중 자료를 사용하여 각 생물에 대한 성장률을 구하거나 문헌에 제시된 순간전사망계수를 사용하여(Allen, 1971) 분류군 내 각 생물종의 생체량으로 가중평균하여 구하였다. 섭식량/생체량 비(Q/B)는 위내용물 분석 자료를 직접 사용하거나 von Bertalanffy 성장파라미터와 최대체중 자료를 사용하여 Palomares and Pauly(1998) 방법을 통해 계산한 뒤, 분류군 내 각 생물종의 생체량으로 가중평균하였다. 먹이조성(DC)은 참고문헌으로부터 어종별 먹이생물을 조사하여 다음과 같은 기준으로 구하였다.
- 남해 생태계를 HPM에 적용하기 위해 1966~2014년간 전남과 제주도, 경남, 부산, 울산의 연도별 어획량 및 어획노력량 자료를 사용하였다(KOSIS, 2016). 어획노력량 자료로는 동력선과 무동력선의 총톤수 자료를 사용하였으며, 어획노력량을 표준화하기 위해 Kim(2016)의 표준화 방법을 사용하였다. 이 방법은 총톤수 자료에 대한 연도별 어선별 기술계수(Fitzpatrick, 1996)를 고려하여 연도별 어획노력량을 표준화하는 방법이다.
- 생태계 모델링 방법(Ecosystem Modeling Method, EMM)은 질량균형모델을 기반으로 생태계 구조를 파악하는 Ecopath 모델과 시나리오에 따른 생태계 구조의 변화를 예측하는 Ecosim 모델을 통합한 EwE 모델(Christensen and Walters, 2004)을 사용하여 어획대상 환경수용량을 추정하는 방법이다. 여기서 개체군 기반 분석법에는 여러가지 방법이 있으나 Kim(2016)의 연구에서 상대적으로 적은 파라미터를 사용하고 연도별 자원량을 추정할 수 있어 파라미터에 의한 불확실성이 낮고 활용성이 높은 통합생산량 분석법(Holistic Production Method, HPM)을 사용하였다.
- 3을 입력하였다. 위의 비선형식을 최적화하기 위해 GAMS(GAMS Development Corporation, 2013)를 사용하여 모수를 추정하였다.
성능/효과
- (1) 과학논문과 같이 신뢰도가 높은 먹이조성 자료는 그 결과를 그대로 사용하였다. (2) 정확한 결과가 나타나 있지 않은 참고문헌의 경우는 먹이생물 중에서 주요 먹이로 선호도가 가장 높은 먹이는 중요도 2를 부여하고, 주요 먹이는 아니나 선호하는 먹이는 중요도 1, 그리고 전혀 섭식하지 않는 먹이는 중요도 0을 부여하였다. 어획량은 1966~1968년 3개년 전남과 제주도, 경남, 부산, 울산의 어획량을 합해서 3개년 어획량 평균값을 구한 후 면적으로 나누어 단위면적당 분류군별 어획량 입력자료를 사용하였다(MOMAF, 1970).
- EwE에서 사용된 기본 입력자료의 사용이 가능한 연대인 1960년대의 생태계 구조와 어획이 전혀 없는 생태계 구조를 비교한 결과, 상어류와 가오리류, 포식성 부어류, 갈치, 아귀, 조기류, 기타저서어류 등 영양단계(TL)가 3.0이상인 분류군의 생체량은 대부분 감소하였고 그 외 어종의 생 체량은 증가하는 경향을 보였다 ([Fig. 2]). 남해 생태계의 전체 평균영양단계는 어획이 개시되기 이전에는 2.
- , 2014)의 SOM toolbox를 사용하여 8가지 생태학적 특성을 고려하여 유사한 종들을 분류하고 어획량이 많은 주요 어종인 고등어, 멸치, 갈치, 참조기, 살오징어 등 다섯 어종에 대해서는 분류군을 따로 지정하였다. 그 결과 남해 생태계의 어획대상 어종인 120종은 17개의 그룹으로 분류되었다([Table 1]).
- 기초생산력, 영양단계, 영양효율을 고려하여 대상 해역의 어업생산력을 개략적으로 추정하는 Ryther (1969)의 방법을 남해 생태계에 대하여 연근해 해역을 183,700km2 , 용승해역을 3,500km2로 적용한 결과, 어류생산량 (fish production)이 1.9백만톤으로 추정되었으며, 이 값을 Schaefer 모델에서 최대생산량을 ECC의 1/2 수준에서 얻을 수 있다는 가정을 통해 남해 생태계의 ECC가 3.8백만톤으로 추정되었다. 이 값은 EMM으로 추정된 ECC 4.
- 따라서 EMM과 HPM의 ECC 추정치를 비교해 볼 때, HPM에 의해 추정된 ECC 값이 EMM보다 약 11% 많았다. 이 차이는 생태계 내 어종군간의 먹이관계를 고려한 EMM의 추정방법과 전체 어종의 자원역학만을 고려한 HPM 추정방법 자체의 차이로 인해 발생했을 것으로 판단된다.
- 따라서 어획대상 분류군에 대한 생체량은 멸치가 6.6mt·km-2로 가장 많게 추정되었으며, 다음으로 오징어가 5.1mt·km-2 , 기타 저서어류가 4.6mt·km-2로 추정되었다.
- 본 연구에서 ECC 추정을 위해 사용된 EMM과 HPM의 추정방법을 종합적으로 고려해 볼 떄, 상대적으로 적은 가정과 파라미터를 사용하는 HPM의 ECC 추정치 5.1백만톤이 보다 합리적인 것으로 판단된다.
- 6백만톤이었다. 분류별 ECC는 멸치가 약 1.4 백만톤으로 전체의 약 30% 차지함으로써 가장 큰 비율을 차 지하였고 다음으로 기타 저서어류와 고등어, 갈치가 약 7십만톤, 약 4십만톤, 약 4십만톤으로 약 14%, 9%, 9%를 각각 차지하였다([Table 4]).
- 6mt·km-2로 추정되었다. 생산량/생체량 (P/B)은 주로 저차 생태계에 속하는 분류군이 높았으며, 내생동물과 외생동물이 0.8로 가장 높게 추정되었다. 섭식량/생체량(Q/B)은 고차 생태계에 속하는 분류군이 높은 경향을 보였고, 상어류가 12.
- 8로 가장 높게 추정되었다. 섭식량/생체량(Q/B)은 고차 생태계에 속하는 분류군이 높은 경향을 보였고, 상어류가 12.0으로 가장 높게 추정되었다. 또한 어획량(C) 자료로 사용된 1966~1968년 3개년 단위면적당 어획량 평균값은 멸치가 0.
후속연구
- 본 연구에서 EMM으로 추정된 ECC의 신뢰성을 보완하기 위해서는 EwE의 입력 파라미터인 P/B, Q/B 등 주요 생태학적 자료를 남해 생태계에 맞는 자료를 수집해야 하고, 생태학적으로 중요한 위치에 있는 식물플랑크톤을 소형, 중형, 대형, 동물플랑크톤을 소형, 대형, 포식형 등 분류군을 세분화할 필요가 있다. 뿐만 아니라 바다새와 포유류에 대한 보다 신뢰성 있는 입력 파라미터 추정이 필요하다.
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