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문제 정의
- 멸종위기양서·파충류들의 주요 분포지역을 확인하기 위해 본 연구에서는 환경부에서 지정한 멸종위기 야생생물 Ⅰ·Ⅱ급 종들과 적색목록집에서 지정한 멸종위기등급(Endanger; EN)·취약등급(Vulnerable; VU) 종들을 종합하여 총 10종의 멸종위기양서·파충류 종들을 선정하였다(Table 1).
- 본 연구에서는 종 분포모델을 적용해 멸종위기양서파충류들이 서식 가능한 지역들을 예측하였으며, 예측된 8종의 지도를 중첩하여 주요 분포지역을 알아보았다. 그러나 본연구결과는 다음과 같은 한계점들을 가지고 있다.
- 본 연구에서는 한국에 서식하고 있는 멸종위기양서·파충류 8종의 전체적인 분포형태와 종 분포모델들을 통한 주요 서식적합 지역을 예측하였다.
- 본 연구의 목적은 우리나라에서 서식하고 있는 멸종위기양서·파충류 종들의 분포 현황을 관찰자료 및 종분포 모델링을 통해 파악하고 각종별 서식지 요구조건을 추출하여 멸종위기종 및 그들의 서식지를 보호하는데 필요한 정보를 제공하는데 있다.
제안 방법
- 종 분포모델은 멸종위기양서·파충류의 출현자료를 종속변수로, 환경변수들(총 22개의 환경변수; Table 2)을 독립변수로 이용하여 구축하였다. 각각의 모델들은 총 15회에 걸쳐 반복구동 하였으며, 무작위 적으로 선택된 출현자료의 75%는training으로 25%는 testing으로 분할시켰다. 모형 설명력의 검증은 ROC (Receiver Operating Characteristics) 검증을 통해 곡선의 하부면적 값인 AUC (Area Under the Curve)값을 구하여 실시하였다.
- 또한 선호하는 고도범위를 비교하기 위해 Kernel probability density plot을 생성하였다. 기온과 강수량으로 구성된 기후 변수들은 각각의 변수 간에 높은 상관관계를 나타내기 때문에 본 연구에서는 주성분 분석(Principal component analysis, PCA)을 통해 Eigenvalue가 1이상인 PCs 4개를 추출하였다(Table 4). 추출된 PC값들은 지형학 변수인 고도와의 상관관계를 확인하기 위해 Spearman rank correlation test를 이용하였다.
- 다음으로 관찰 자료의 한계를 보완하고자 Maxent 모형을 이용해 종 분포모델을 생성하여 서식 적합지역을 예측하였고, 이를 바탕으로 9개의 행정구역에 따라 멸종위기양서·파충류들의 보호 관리를 위한 중요 지역을 확인하였다(Urbina-Cardina and Loyola, 2008; Brito et al., 2011; Kim, 2012).
- , 2012)를 통해 1은 완전한 서식 적합지역0은 완전한 서식 불가능 지역으로 표현되었다. 또한 10%training presence의 임계값을 기준으로 이분법적인(있다/없다) 잠재적 분포 래스터를 생성하였으며, 레스터들을 중첩시켜 종간 중첩된 지역을 기준으로 9개의 행정구역(Province)에 따라 셀의 개수를 백분율로 확인하였다. 또한 생성된 지도를 통해 종들이 밀집하여 분포하고 있는 핵심지역의 지리적 위치를 확인하였다.
- 또한 10%training presence의 임계값을 기준으로 이분법적인(있다/없다) 잠재적 분포 래스터를 생성하였으며, 레스터들을 중첩시켜 종간 중첩된 지역을 기준으로 9개의 행정구역(Province)에 따라 셀의 개수를 백분율로 확인하였다. 또한 생성된 지도를 통해 종들이 밀집하여 분포하고 있는 핵심지역의 지리적 위치를 확인하였다.
- 토지피복도에서 추출된 서식지정보를 통해 종들이 선호하는 서식지 유형을 확인 하기위해 유사거나 중복되는 변수들을 취합하여 총 4개의 서식지 유형으로 함축하여 나타냈다(Table 3). 또한 선호하는 고도범위를 비교하기 위해 Kernel probability density plot을 생성하였다. 기온과 강수량으로 구성된 기후 변수들은 각각의 변수 간에 높은 상관관계를 나타내기 때문에 본 연구에서는 주성분 분석(Principal component analysis, PCA)을 통해 Eigenvalue가 1이상인 PCs 4개를 추출하였다(Table 4).
- 본 연구의 목적은 우리나라에서 서식하고 있는 멸종위기양서·파충류 종들의 분포 현황을 관찰자료 및 종분포 모델링을 통해 파악하고 각종별 서식지 요구조건을 추출하여 멸종위기종 및 그들의 서식지를 보호하는데 필요한 정보를 제공하는데 있다. 이를 위해 먼저, 국내에 서식하고 있는 멸종위기종들의 분포 현황을 파악하였고, 분포지점의 고도와 기후 같은 환경 변수들을 추출하여 이들간의 상관관계와 선호하는 서식지 특성을 알아보았다. 다음으로 관찰 자료의 한계를 보완하고자 Maxent 모형을 이용해 종 분포모델을 생성하여 서식 적합지역을 예측하였고, 이를 바탕으로 9개의 행정구역에 따라 멸종위기양서·파충류들의 보호 관리를 위한 중요 지역을 확인하였다(Urbina-Cardina and Loyola, 2008; Brito et al.
- 종 분포모델은 멸종위기양서·파충류의 출현자료를 종속변수로, 환경변수들(총 22개의 환경변수; Table 2)을 독립변수로 이용하여 구축하였다.
대상 데이터
- 10종의 멸종위기양서·파충류 중 분포지점의 관찰수가 적은 고리도롱뇽(7개)과 비바리뱀(3개)을 제외한 이끼도롱뇽과 수원청개구리, 금개구리, 맹꽁이, 구렁이, 표범장지뱀, 남생이, 자라 8종을 분석에 이용하였다.
- 10종의 멸종위기양서·파충류 중 분포지점의 관찰수가 적은 고리도롱뇽(7개)과 비바리뱀(3개)을 제외한 이끼도롱뇽과 수원청개구리, 금개구리, 맹꽁이, 구렁이, 표범장지뱀, 남생이, 자라 8종을 분석에 이용하였다. 본 연구에 이용된 환경변수들은 GLC 2000 (자료출처:http://bioval.jrc.ec.europa.eu/products/glc2000/products.php) 부터 얻은 토지 피복(Land cover) 자료와 Worldclim v.1.4 (Hijmans et al., 2005)에서 얻은 고도(Altitude)와 경사도(Slope), 기후(19개의 변수) 자료를 이용하였으며(Table 2), 모든 격자의 크기는 0.019 도(약 2 Km)로 동일하게 통일시켰다. 토지피복도에서 추출된 서식지정보를 통해 종들이 선호하는 서식지 유형을 확인 하기위해 유사거나 중복되는 변수들을 취합하여 총 4개의 서식지 유형으로 함축하여 나타냈다(Table 3).
- 우리나라에 서식하고 있는 멸종위기양서·파충류 10종이 관찰된 자료는 국립환경과학원에서 수행한 제 3차 전국자연환경조사 자료(조사기간: 2006 - 2012년)와 국립공원관리공단의 자연자원조사 자료(조사기간: 2004 - 2011년), 세계생물다양성정보기구 자료(Global Biodiversity Information Facility; GBIF, 2016; 관찰기간: 2004 - 2016년)를 이용하였다(Table 1).
데이터처리
- 멸종위기 양서·파충류들이 분포하고 있던 각각의 환경변수들의 기여도는 젝나이프 테스트를 통한 평균 기여율(average percent contribution)에 의해 결정 되었다.
- 각각의 모델들은 총 15회에 걸쳐 반복구동 하였으며, 무작위 적으로 선택된 출현자료의 75%는training으로 25%는 testing으로 분할시켰다. 모형 설명력의 검증은 ROC (Receiver Operating Characteristics) 검증을 통해 곡선의 하부면적 값인 AUC (Area Under the Curve)값을 구하여 실시하였다. AUC 값의 범위는 0.
- 기온과 강수량으로 구성된 기후 변수들은 각각의 변수 간에 높은 상관관계를 나타내기 때문에 본 연구에서는 주성분 분석(Principal component analysis, PCA)을 통해 Eigenvalue가 1이상인 PCs 4개를 추출하였다(Table 4). 추출된 PC값들은 지형학 변수인 고도와의 상관관계를 확인하기 위해 Spearman rank correlation test를 이용하였다. 자료는 그 정규성 여부에 따라 평균과 표준편차나 중간값과 첫 번째 - 세 번째 사분위값(1st - 3rd quartiles)으로 나타내었다.
이론/모형
- 잠재적 분포지역을 예측하기 위해 Maxent version 3.3.3k 프로그램을 이용하여 종 분포모델을 생성하였다(Phillipset al., 2006). Mexent 모형은 회귀분석을 기반으로 하는 모형으로 최대 엔트로피 접근법(Maximum entropy approach)을 통해 높은 예측 결과를 가질 수 있으며(Phillips et al.
성능/효과
- 8종의 모델에서 가장 높은 기여도를 나타낸 변수는 고도(27.3%)였으며, 이어서 Bio3(13.1%)과 Bio4(8.1%)의 기후변수가 높은 기여도를 나타냈다. 고도의 경우, 8종 중 6종의 모델에 가장 높은 기여도를 나타내고 있었고, 기온의 변동성과 연관된 변수들(Bio2, Bio3, Bio4, Bio7)과 강수량과 연관된 변수들(Bio14, Bio15, Bio17), 경사도(Slope)가 높은 기여도를 나타냈다(Figure 4; Table 5).
- 멸종위기양서·파충류 8종의 주요 분포지역을 확인하기 위해 10% training presence의 임계값을 기준으로 서식 가능한 지점들을 중첩한 결과, 동일한 지역에서 존재할 것이라고 예측된 종의 수가 늘어날 수 록 셀의 개수는 줄어들었다. 9개의 행정구역에서는 모두 2종이 함께 존재하는 지역이 확인되었지만, 3종과 4종이함께 존재할 것이라고 예측된 행정구역은 강원도(3종: 13%, 4종: 3%)와 경기도(3종:43%, 4종: 42%), 충청남도(3종: 34%, 4종: 54%), 경상북도(3종: 10%, 4종: 1%)로 나타났으며, 5종이 함께 존재하는 행정구역은 경기도(78%)와 충청남도(22%)로 확인되었다(Figure 5). 멸종위기양서·파충류들은 전라남도의 대부분 지역과 강원도와 경상북도의 태백산맥 주변 지역을 제외한 대부분 지역에서 관찰될 것이라고 예측되었으며, 주요 분포지역인 경기도와 충청남도에서는 해안가 주변 지역에 밀집되어 있을 것이라고 예측되었다(Figure 7).
- Mexent 모형을 이용한 멸종위기양서·파충류 8종의 서식지 적합 예측 모델의 AUC 값은 이끼도롱뇽이 0.953, 수원청개구리가 0.945, 금개구리가 0.908, 맹꽁이가 0.842, 구렁이는 0.786, 표범장지뱀이 0.792, 남생이가 0.767, 자라가 0.763으로 나타났다(Mean test AUC : 0.845±0.08).
- 관찰기록이 충분한 멸종위기양서·파충류 8종을 바탕으로 존재한 서식 환경을 살펴보면, 한국의 지형학적 고도범위(0 - 1817 m) 중 비교적 낮은 고도범위(0 - 643 m)에서주로 관찰되고 있다는 것을 확인할 수 있었다(Figure 2A;Table 2).
- 본 연구에서는 한국에 서식하고 있는 멸종위기양서·파충류 8종의 전체적인 분포형태와 종 분포모델들을 통한 주요 서식적합 지역을 예측하였다. 그 결과 구렁이와 자라, 남생이를 제외한 5종들은 밀집된 분포형태를 나타내고 있었으며, 대부분의 종들은 한반도의 고도가 높은 태백산맥 주변을 제외한 비교적 낮은 고도범위에 분포하는 경향을 나타냈다. 8종들의 주요 분포 지역을 예측한 결과, 3종 이상이 중첩된 대부분의 지역은 경기도와 충청남도로 나타났으며, 주로 해안가 주변 지역에 위치하고 있었다.
- 대부분 멸종위기종들은 농경지와 산림 주변에 서식하고 있었으며, 수원청개구리(74.4%)와 금개구리(85.5%), 맹꽁이(71.3%), 표범장지뱀(64.0%), 남생이(53.6%), 자라(55.0%)는 농경지 주변에서 출현빈도가 가장 높았고, 이끼도롱뇽(78.1%)과 구렁이(53.3%)는 산림지역의 출현빈도가 가장 높았다(Figure 2B)
- 05)와 매우 약하지만 유의한 음의 상관관계를 나타냈다(Figure 3). 따라서 4개의 PC는 고도와 상관관계를 가지고 있다고 설명하고 있으며, 멸종위기종들이 발생한 지점의 기후변수들을 적절하게 대표하고 있었다.
- 본 시나리오의 경우, 멸종위기양서·파충류 8종의 주요 분포 지역은 경기도와 충청남도 2개의 행정구역에 위치해 있었으며, 다른 행정구역들에 비해 2종 이상의 종들이 분포한 지역의 비율이 높았다(Figure 5).또한 주요 분포지역들은 해안가 지역 주변에 밀집되어 있었으며, 대부분 수원청개구리와 금개구리, 맹꽁이, 구렁이, 표범장지뱀 5종이 분포할 것이라고 예측되었고 실제 존재한 멸종위기종의 지점들 또한 주변에 위치하고 있었다(Figure 7). 주요 분포지역 범위 내부에는 멸종위기양서·파충류들에게 중요한 보전지역인 태안사구와 두웅습지 등 몇몇 보전지역이 포함되어 있지만, 보전지역 이외의 다른 지역들에서는 종들의 보전이 이루어지고 있지 않으며, 이와 같은 지역(서해안 지역, 강 주변 지역)들은 한국의 다른 지역들보다 고도가 낮기 때문에 종들에게 더욱 위협적이다.
- 멸종위기양서·파충류 8종에서 예측된 종 분포모델들의 분포형태를 확인한 결과, 양서류의 경우, 이끼도롱뇽은 주로 한반도의 전라북도와 충청남·북도가 교차되는 지역에서 관찰 될 것이라고 예측되었으며, 수원청개구리는 경기도와 충청남북도, 전라북도 지역에 주로 관찰 될 것이라고 예측되었고, 금개구리는 경기도와 충청남도, 전라북도 지역에 주로 관찰 될 것이라고 예측되었으며, 맹꽁이는 제주도를 포함한 한반도의 서쪽지역에서 주로 관찰될 것이라고 예측되었다.
- 멸종위기양서·파충류 8종의 주요 분포지역을 확인하기 위해 10% training presence의 임계값을 기준으로 서식 가능한 지점들을 중첩한 결과, 동일한 지역에서 존재할 것이라고 예측된 종의 수가 늘어날 수 록 셀의 개수는 줄어들었다.
- 멸종위기양서·파충류 종들이 분포한 기후변수들과 고도 간에 상관관계를 확인하기 위해 기후변수에 PCA를 적용한 결과, 1보다 큰 고유값(Eigenvalue)을 가진 4개의 PC는 총 95.4%의 설명력을 가졌다(Table 4).
- 멸종위기양서·파충류들은 전라남도의 대부분 지역과 강원도와 경상북도의 태백산맥 주변 지역을 제외한 대부분 지역에서 관찰될 것이라고 예측되었으며, 주요 분포지역인 경기도와 충청남도에서는 해안가 주변 지역에 밀집되어 있을 것이라고 예측되었다(Figure 7).
- 본 시나리오의 경우, 멸종위기양서·파충류 8종의 주요 분포 지역은 경기도와 충청남도 2개의 행정구역에 위치해 있었으며, 다른 행정구역들에 비해 2종 이상의 종들이 분포한 지역의 비율이 높았다(Figure 5).
- 본 연구결과 멸종위기양서·파충류 8종은 한국의 고도범위에 대비해 대부분 낮은 고도에서 관찰되었으며(Table 2; Figure 2A), 이는 선행연구들의 고도별 분포에 대한 결과와 유사하였다.
- 뿐만 아니라 환경부에서도 국내에 서식하고 있는 양서·파충류7종을 ‘멸종위기 야생생물’로 지정하였고, 멸종될 위험이 높은 2종인 비바리뱀과 수원청개구리를 Ⅰ급으로, 멸종위기에 처한 5종인 구렁이와 표범장지뱀, 남생이, 금개구리, 맹꽁이를 Ⅱ급으로 지정하여 보호하고 있다.
- 종합적으로 멸종위기양서·파충류 8종의 서식환경을 확인한 결과, 지리적으로 비교적 낮은 고도에서 분포하고 있었으며, 고도는 기후와 상관관계를 나타냈다. 이러한 환경 특성들이 반영된 예측 결과, 3종 이상이 가장 많이 관찰된 지역은 경기도와 충청남도 지역으로 대부분 해안지역에 밀집되어 있었다. 따라서 이와 같은 지역들은 멸종위기양서·파충류의 보호지역을 지정함에 있어 우선적으로 설정해야 한다고 판단된다.
- 종합적으로 멸종위기양서·파충류 8종은 대부분 낮은 고도에 분포하고 있었으며, 고도는 그들의 생태적 상태와 분포에 가깝게 연관되어 있었다(Figure 3).
- 종합적으로 멸종위기양서·파충류 8종의 서식환경을 확인한 결과, 지리적으로 비교적 낮은 고도에서 분포하고 있었으며, 고도는 기후와 상관관계를 나타냈다.
- 멸종위기 양서·파충류들이 분포하고 있던 각각의 환경변수들의 기여도는 젝나이프 테스트를 통한 평균 기여율(average percent contribution)에 의해 결정 되었다. 추출된 종 분포 모델들은 DIVA-GIS 7.5(Hijmans et al., 2012)를 통해 1은 완전한 서식 적합지역0은 완전한 서식 불가능 지역으로 표현되었다. 또한 10%training presence의 임계값을 기준으로 이분법적인(있다/없다) 잠재적 분포 래스터를 생성하였으며, 레스터들을 중첩시켜 종간 중첩된 지역을 기준으로 9개의 행정구역(Province)에 따라 셀의 개수를 백분율로 확인하였다.
- 테스트 샘플의 10% training 오류 값은 남생이가 0.095으로 가장 높았고, 표범장지뱀이 0.071로 가장 낮은 오류값을 나타냈으며, 전체적으로 오류값이 낮은 것으로 나타났다(Mean training omission : 0.087±0.01) (Table 5).
- 019 도(약 2 Km)로 동일하게 통일시켰다. 토지피복도에서 추출된 서식지정보를 통해 종들이 선호하는 서식지 유형을 확인 하기위해 유사거나 중복되는 변수들을 취합하여 총 4개의 서식지 유형으로 함축하여 나타냈다(Table 3). 또한 선호하는 고도범위를 비교하기 위해 Kernel probability density plot을 생성하였다.
- 멸종위기양서·파충류 8종에서 예측된 종 분포모델들의 분포형태를 확인한 결과, 양서류의 경우, 이끼도롱뇽은 주로 한반도의 전라북도와 충청남·북도가 교차되는 지역에서 관찰 될 것이라고 예측되었으며, 수원청개구리는 경기도와 충청남북도, 전라북도 지역에 주로 관찰 될 것이라고 예측되었고, 금개구리는 경기도와 충청남도, 전라북도 지역에 주로 관찰 될 것이라고 예측되었으며, 맹꽁이는 제주도를 포함한 한반도의 서쪽지역에서 주로 관찰될 것이라고 예측되었다. 파충류를 살펴보면, 구렁이는 서해안과 남해안 주변과 섬 지역, 충청북도와 경상남도가 교차되는 지역 주변과 강원도에서 주로 관찰될 것이라고 예측되었으며, 표범장지뱀은 한반도의 서쪽 해안가 주변과 경상북도 지역에 주로 관찰될 것이라고 예측되었다. 남생이는 태백산맥을 제외한 대부분 지역에서 관찰될 것이라고 예측되었으며, 주로 강원도와 경상남도 지역에서 관찰될 것이라고 예측되었고, 자라는 경기도와 강원도, 충청북도, 경상남·북도에 주로 관찰될 것이라고 예측되었다(Figure 6).
- 파충류의 분포형태를 살펴보면, 비바리뱀은 제주도에서 세지점이 확인되었으며, 구렁이는 제주도를 제외한 모든 지역에 분포하고 있었고, 경기도와 강원도, 충청남·북도와 전라남도의 섬 지역(총 104개의 발생지점 중 82개)에 주로 밀집되어 있었으며, 표범장지뱀은 주로 경기도의 해안지역과 충청남도(총 26개의 발생지점 중 21개)에 밀집된 분포형태를 보였다.
- 한국에 서식하고 있는 멸종위기양서류의 분포형태를 살펴보면, 고리도롱뇽은 경상남도에 밀집되어 있었고(총 7개의 발생지점 중 6개), 이끼도롱뇽은 충청남·북도, 전라북도에 밀집되어 있었으며(총 105개의 발생지점 중 100개), 수원청개구리는 경기도, 충청남·북도, 전라북도에 밀집되어 있었고(총 78개의 발생지점 중 76개), 금개구리는 경기도와 충청남도(총 76개의 발생지점 중 62개)에 밀집되어 있었으며, 맹꽁이의 경우 전국적으로 분포했고, 경기도와 전라북도, 제주도(총 115개의 발생지점 중 84개)에 주로 밀집되어있었다.
후속연구
- 그 결과 저고도 지역에서는 자연적인 서식지가 적으며, 개발이 잦게 일어나기 때문에 멸종위기양서·파충류들에게 더 큰 위협요인이 될 것이라고 판단된다.
- , 2011). 그렇기 때문에 추후 이들의 생태적 분포 연구가 진행된다면 종 분포모델을 적용한 멸종위기양서·파충류들의 주요 분포지역 범위를 확인할 수 있을 것으로 예상된다.
- , 2012). 따라서 향후 멸종위기종들의 장기적인 보전관리를 위해서는 종간 경쟁 관계 및 생활사에 따른 서식지의 특성과 미세한 서식 요인들을 반영하여 멸종위기종들의 종 분포 모형을 개발할 필요가 있다. 또한 본 연구는 Mexent를 이용한 서식지 예측 연구로 한계를 가지기 때문에 다양한 분석 방법들을 이용해 최적의 예측 기법을 개발하는 것도 중요할 것으로 판단된다.
- 따라서 향후 멸종위기종들의 장기적인 보전관리를 위해서는 종간 경쟁 관계 및 생활사에 따른 서식지의 특성과 미세한 서식 요인들을 반영하여 멸종위기종들의 종 분포 모형을 개발할 필요가 있다. 또한 본 연구는 Mexent를 이용한 서식지 예측 연구로 한계를 가지기 때문에 다양한 분석 방법들을 이용해 최적의 예측 기법을 개발하는 것도 중요할 것으로 판단된다.
- 뿐만 아니라 구렁이와 금개구리와 같이 비교적 많은 연구들이 이루어진 종들의 경우, 생활사에 따른 서식지의 특성을 확인할 수 있지만,몇몇 다른 종들의 경우, 이러한 연구들이 이루어지지 않고 있기 때문에 이와 같은 연구들이 필요하다(Ra, 2010; Lee,2011). 셋째, 본 연구는 전국을 대상으로 비교적 크기가 큰2 Km의 셀 크기를 통해 국가적 스케일로 종들의 서식 공간을 예측하였기 때문에 세부적인 요인들에 대한 정보는 다루지 못했다. 예를 들어, 주로 농경지에 서식하고 있는 종들의 경우, 농약의 사용유무와 농수로의 유형, 수심의 높이 등이 분포에 영향을 미칠 수 있는 중요한 요인이 될 수 있다(Fujioka and Lane, 1997; Wu et al.
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