[논문]보호지역 관리를 위한 생물다양성 평가

최혜영; 주우영; 권혁수

doi:10.13087/kosert.2020.23.1.77

보호지역 관리를 위한 생물다양성 평가
The biodiversity representation assessment in South Korea's protected area network 원문보기

環境復元綠化 = Journal of the Korean Society of Environmental Restoration Technology, v.23 no.1, 2020년, pp.77 - 87

최혜영 (강원대학교 생태조경디자인학과) , , 주우영 (국립생태원 생태평가연구실) , 권혁수 (국립생태원 생태평가연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

National parks and other protected areas often do not adequately protect national biodiversity because they were originally created for socio-economic and/or aesthetic values. The Korean government has committed to expanding the extent of protected areas to fulfill its commitments to the Aichi Biodiversity Convention. To do so, it is necessary to quantify the current levels of biodiversity representation within existing protected areas and to identify additional conservation needs for vulnerable species and ecological systems. In this study, we assess the proportion of species ranges found in South Korea's protected areas, for the species documented in the 3rd National Ecosystem Survey. We modeled the range distribution of 3,645 species in the following taxonomic groups; plants (1,545 species), mammals (35), birds (132), herptiles (35), and insects (1,898) using the MaxEnt species distribution model and calculated how much of each species' range is within protected areas. On average, 17.4% of plant species' ranges are represented in protected areas, while for mammals and insects an average 12.0% is currently conserved. Conservation representation for herptiles averages 9.3%, while it is 8.6% for birds. Although large proportions of species that have restricted distributions should be represented in protected areas, 17 plant species, two insects (Parnassius bremeri and Lasioglossum occidens), and one bird species (Phylloscopus inornatus) with ranges smaller than 1,000 ㎢ have less than 10% of their ranges within protected areas. Establishing specific conservation goals such as the protection of endangered species or vulnerable taxonomic groups will increase the efficiency of the biodiversity conservation strategies. In addition, lowland coastal areas are critical for biodiversity conservation because the protected areas in South Korea are mainly composed of high mountainous areas.

주제어

표/그림 (4)

그림 Figure 1. The national parks and protected areas within South Korea (marine protected areas were excluded in this study).
그림 Figure 2. The proportion of species’ geographic ranges that are represented in protected areas by each taxonomic group.
표 Table 1. The mean and standard deviation AUC scores were calculated for the geographic range models of all species in each taxonomic group.
표 Table 2. The mean, median, standard deviation, and proportion of range of all species represented in protected areas by taxonomic group. We also provide the mean of range proportions in conservation areas for 144 nationally-designated protected species by each taxonomic group.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 보호지역의 추가 지정에 고려할 수 있도록 다양한 분류군 측면에서 생물종의 보호를 위한 정보를 제공하였다. 앞으로의 보호지역 추가 지정은 현재 보호지역의 상황을 평가하고 그에 맞는 목표를 달성할 수 있는 방향으로 진행되어야 할 것이다.
본 연구는 전국을 대상으로 개별 생물종의 서식지가 보호지역 내 보호되고 있는 정도를 분류 군별로 파악하고자 하였다. 이를 위하여 식물, 포유류, 조류, 양서파충류, 육상곤충 총 3,645종에 대해 종분포모형을 수행하고, 이를 통해 나타난 서식적합 지역이 현재 보호지역 내 반영되고 있는 비율을 각각 평가하였다.
본 연구는 현재 국내의 보호지역이 각 분류군에 속한 생물종의 서식적합 지역을 잘 반영하고 있는지 평가하기 위해서 총 3,645종에 대해 보호지역 반영 비율을 각각 분석하였다.
GEO BON의 종보호지수 SPI는 생물종의 적절한 서식지가 보호되고 있는 정도를 측정하고 지역과 지구 규모에서 보호지역의 생물다양성 반영 정도를 평가하는 것이다. 본 연구에서는 식물, 포유류, 조류, 양서파충류, 육상곤충의 생물종에 대해 종분포모형을 이용하여 생물종들의 서식지를 평가하고 각각의 서식지가 보호지역에 의해 현재 얼마나 보호되고 있는지의 정도를 평가하고자 한다. 보호지역의 생물다양성 반영 정도를 평가하고, 보호지역의 현황을 파악하는 갭분석(gap analysis)을 통해서 (Scott et al.
본 연구의 목적은 생물종의 서식적합 지역이 보호지역에 반영되고 있는 정도를 평가하여 분류군별 보전 현황을 파악하는 것이다. 이를 통해 우리나라 보호지역의 생물다양성 보전 상황 및 문제점을 진단하고 추후 보호지역의 계획에 필요한 공간자료를 제공할 수 있을 것이다.

가설 설정

본 연구에서 이용한 종분포모형은 생물종과 서식지 간 관계가 일정하고, 종조사 자료는 공간적으로 균일하게 조사되었으며, 위치자료 간 독립적임을 가정하였다(Guisan et al., 2017). 본 연구에서 환경변수 공간자료 등 자료의 한계를 이유로 모든 분류군에 대해 같은 환경변수를 이용한 것과 생물종의 상호작용에 의한 영향을 고려하지 못한 것은 이 연구의 한계로 생각한다 (Franklin, 2010).

제안 방법

각 생물종의 서식적합 지역 면적에 대해 그 서식적합 지역이 보호지역과 중첩된 지역의 면적의 비율을 평가하였다. 분류군 별로 보호 정도의 차이를 파악하기 위해 보호지역 반영 비율의 평균값을 분류군 별로 비교하였다.
즉, 무작위로 생물종의 출현 지점을 다섯 그룹으로 나누어 네 그룹의 자료로 모형화한 후 한 그룹의 자료로 모형을 검증하는 과정을 5회 반복하였다. 각 종분포모형의 정확도 평가는 AUC(area under the curve)값을 이용하였으며, 각 생물종의 종분포모형의 5개 결과에 대해 AUC를 평균하였다. AUC는 모형의 모든 가능한 임계 확률값에 대해 거짓 긍정 비율과 참 긍정 비율을 나타낸 ROC(receiver operating characteristic) 곡선 아랫부분의 면적을 합하여 구할 수 있으며(Franklin, 2010), 0과 1 사이의 값으로 측정된다.
org/). 고도 자료의 경우 주변 지형의 변화를 고려하기 위해서, 주변 1km 지역내 고도의 표준편차와 최대 고도와 최소 고도의 차이인 범위를 분석하여 변수로 고려하였다(van Proosdij et al., 2016). 모든 변수들을 이용할 경우 예측변수 간의 공선성이 모형에 부정적인 영향을 미치기 때문에(Manzoor et al.
, 2015). 따라서 본 연구에서는 제3차 전국자연환경조사에 출현 지점이 기록된 생물 종 중에서 10개(포유류의 경우 전체 종의 수가 상대적으로 적어 9개) 이상의 출현 지점을 갖는 종들로 한정하여 서식적합 지역을 예측하였다. 최종적으로 본 연구에서 대상으로 한 생물종의 수는 식물 1,545종, 포유류 35종, 조류 132종, 양서파충류 35종, 육상곤충 1,898종이다(종의 목록은 제3차 전국자연환경조사 지침 참고; Ministry of Environment and National Institute of Environmental Research, 2006).
분류군 별로 보호 정도의 차이를 파악하기 위해 보호지역 반영 비율의 평균값을 분류군 별로 비교하였다. 또한 국가적으로 중요한 생물종의 보호 측면에서, 국가보호종으로 지정된 생물종의 보호지역 반영 비율의 평균값을 분류군 별로 비교하였다.
모든 변수들을 이용할 경우 예측변수 간의 공선성이 모형에 부정적인 영향을 미치기 때문에(Manzoor et al., 2018), 본 연구에서는Spearman 상관 분석을 통해 상관성이 높은 (|rho| > 0.7) 변수를 제외하여 최종적으로 연평균 기온 (Bio1), 평균 일교차(Bio2), 등온성(Bio3), 가장 습 한 분기의 강수량(Bio16), 가장 건조한 분기의 강수량(Bio17), 표토의 미사 비율, 표토의 산성도, 주변 1km 지역내 고도 표준편차의 8개의 변수를 종분포모형의 예측변수로 선택하였다.
, 2013), 제3차 전국자연환경조사에 기록된 생물종들의 서식적합 지역을 예측하기에 적절한 모형으로 판단되었다. 모형은 R(v.3.5.3)의 dismo 패키지에서 maxent 함수를 이용하였으며, 백그라운드(background) 지점은 randomPoints 함수를 이용하여 각 생물종에 대해 임의로 100 지점을 선정하였다. 본 연구에서는 독립적인 자료로 각 생물종의 종분포모형에 대한 신뢰도를 측정할 수 없어 k=5인 k-fold 교차 검증을 이용하였다(Hijmans, 2012).
종분포모형의 결과는 0과 1 사이의 서식적합 도로 예측되기 때문에 서식적합 지역으로 구분 하기 위해서는 임계값의 적용이 필요하다(Nenzen and Araujo, 2011). 본 연구에서는 생물종의 각 종분포모형에 대해서 민감도와 특이도의 합이 최대가 되는 값(max SSS: maximizing the sum of sensitivity and specificity)을 임계값으로 서식적합 지역을 구분하였다(Franklin, 2010). 최종적으로 각 생물종의 5-fold 5개 서식적합 지역 결과에 대해 3개 이상 서식적합 지역으로 선정된 지역을 그 생물종의 서식적합 지역으로 지정하였다.
각 생물종의 서식적합 지역 면적에 대해 그 서식적합 지역이 보호지역과 중첩된 지역의 면적의 비율을 평가하였다. 분류군 별로 보호 정도의 차이를 파악하기 위해 보호지역 반영 비율의 평균값을 분류군 별로 비교하였다. 또한 국가적으로 중요한 생물종의 보호 측면에서, 국가보호종으로 지정된 생물종의 보호지역 반영 비율의 평균값을 분류군 별로 비교하였다.
본 연구는 전국을 대상으로 개별 생물종의 서식지가 보호지역 내 보호되고 있는 정도를 분류 군별로 파악하고자 하였다. 이를 위하여 식물, 포유류, 조류, 양서파충류, 육상곤충 총 3,645종에 대해 종분포모형을 수행하고, 이를 통해 나타난 서식적합 지역이 현재 보호지역 내 반영되고 있는 비율을 각각 평가하였다.
본 연구에서 종조사자료는 점 형식의 위치자료로 이루어진 제3차 전국자연환경조사를 이용 하였다. 자료의 속성 정보에서 생물종의 학명을 이용하여 생물종과 생물종의 위치 자료를 구분하였으며, 자료의 오류로 인한 문제를 피하기 위하여 학명에서 철자의 오류와 이전에 쓰이던 유사 학명 등을 국립생물자원관에서 발표한 국가생물종목록(http://www.kbr.go.kr/stat/ktsnfiledown/downpopup.do)을 참고하여 수정하였다.
본 연구에서는 독립적인 자료로 각 생물종의 종분포모형에 대한 신뢰도를 측정할 수 없어 k=5인 k-fold 교차 검증을 이용하였다(Hijmans, 2012). 즉, 무작위로 생물종의 출현 지점을 다섯 그룹으로 나누어 네 그룹의 자료로 모형화한 후 한 그룹의 자료로 모형을 검증하는 과정을 5회 반복하였다. 각 종분포모형의 정확도 평가는 AUC(area under the curve)값을 이용하였으며, 각 생물종의 종분포모형의 5개 결과에 대해 AUC를 평균하였다.
본 연구에서는 생물종의 각 종분포모형에 대해서 민감도와 특이도의 합이 최대가 되는 값(max SSS: maximizing the sum of sensitivity and specificity)을 임계값으로 서식적합 지역을 구분하였다(Franklin, 2010). 최종적으로 각 생물종의 5-fold 5개 서식적합 지역 결과에 대해 3개 이상 서식적합 지역으로 선정된 지역을 그 생물종의 서식적합 지역으로 지정하였다.

대상 데이터

, 2018). 본 연구는 WorldClim(http://www. worldclim. org/)에서 제공하는 30 arc-seconds(약 1km²) 해상도의 19가지 생물기후변수를 고려하였으며(Hijmans et al., 2005), 이 외에 Harmonized World Soil Database에서 제공하는 토양변수들과(FAO et al., 2012) 90m 해상도의 SRTM DEM 자료를 고려하였다(http://srtm.csi. cgiar.org/). 고도 자료의 경우 주변 지형의 변화를 고려하기 위해서, 주변 1km 지역내 고도의 표준편차와 최대 고도와 최소 고도의 차이인 범위를 분석하여 변수로 고려하였다(van Proosdij et al.
본 연구에서 종조사자료는 점 형식의 위치자료로 이루어진 제3차 전국자연환경조사를 이용 하였다. 자료의 속성 정보에서 생물종의 학명을 이용하여 생물종과 생물종의 위치 자료를 구분하였으며, 자료의 오류로 인한 문제를 피하기 위하여 학명에서 철자의 오류와 이전에 쓰이던 유사 학명 등을 국립생물자원관에서 발표한 국가생물종목록(http://www.

데이터처리

3)의 dismo 패키지에서 maxent 함수를 이용하였으며, 백그라운드(background) 지점은 randomPoints 함수를 이용하여 각 생물종에 대해 임의로 100 지점을 선정하였다. 본 연구에서는 독립적인 자료로 각 생물종의 종분포모형에 대한 신뢰도를 측정할 수 없어 k=5인 k-fold 교차 검증을 이용하였다(Hijmans, 2012). 즉, 무작위로 생물종의 출현 지점을 다섯 그룹으로 나누어 네 그룹의 자료로 모형화한 후 한 그룹의 자료로 모형을 검증하는 과정을 5회 반복하였다.

이론/모형

또한 서식적합 지역의 면적에 따라 보호지역에 반영되어야 할 목표가 다르기 때문에 Rodrigues et al. (2004)의 기준에 따라 서식적합 지역의 면적이 1,000 km²미만인 생물종의 보호지역 반영 비율을 따로 평가하였다.
서식적합 지역을 예측하기 위해서 MaxEnt 종 분포모형을 이용하였다(Phillips et al., 2006). MaxEnt는 출현 지점만 기록되어 있는 종조사 자료를 적용하기에 적합하고 신뢰도가 높은 모형으로 출현 지점의 수가 적은 경우에도 모델의 정확성이 높아(Elith et al.

성능/효과

각 분류군 별로 평균 반영 비율을 비교한 결과, 식물이 17.4%로 가장 높은 비율이 반영된 것으로 평가되었다. 다음으로 포유류와 육상곤충이 각각 12.
각 생물종의 서식적합 지역을 현재 보호지역과 중첩한 결과, 식물의 경우 평균적으로 서식적합 지역의 17.4%가 보호지역에 반영된 것으로 평가되었다. 포유류와 육상곤충은 평균적으로 각각 서식적합 지역의 12.
각 생물종의 종분포모형의 정확도를 분류군 별로 분석한 결과 식물 1,545종의 평균 AUC는 0.76, 표준편차는 0.11이었으며, 포유류 35종의 평균 AUC는 0.75, 표준편차는 0.10이었다. 조류 132종의 평균 AUC는 0.
(2004)의 기준에 따라 서식적합 면적이 1,000km²미만인 생물종 의 보호지역 반영 비율은 100%가 되어야 한다. 그러나 29종의 식물 14.19%, 7종의 육상곤충 18.24%, 2종의 조류 12.72%로 서식지의 매우 좁은 면적이 보호지역에 반영되고 있는 것으로 나타났다. 서식적합 면적이 1,000km²미만인 생물 종 중 보호지역 반영 비율이 10% 이하인 생물종은 식물 17종 - 기생여뀌(0.
0%가 반영된 것으로 평가되었다. 다음으로 양서파충류는 9.3%, 조류는 서식 적합 지역의 8.6%가 보호지역에 반영되어 나타나는 것으로 평가되었다. 국가보호종의 서식적합 지역이 보호지역에 반영된 비율도 위와 유사한경향을 보였다.
5%가 반영된 것으로 평가되었다. 다음으로 조류는 9.1%, 양서파충류는 서식적합 지역의 6.0%가 보호지역에 반영되어 나타나는 것으로 평가되었다 (Table 2 and Figure 2).
4%로 가장 높은 비율이 반영된 것으로 평가되었다. 다음으로 포유류와 육상곤충이 각각 12.0%, 양서파충류와 조류가 각각 9.3, 8.6%가 반영된 것으로 평가되어 분류군별로 보호지역에 서식적합 지역의 반영 정도에 차이가 있음을 확인할 수 있었다.
본 연구에서 환경변수 공간자료 등 자료의 한계를 이유로 모든 분류군에 대해 같은 환경변수를 이용한 것과 생물종의 상호작용에 의한 영향을 고려하지 못한 것은 이 연구의 한계로 생각한다 (Franklin, 2010). 또한 이용한 환경변수의 해상도가 약 1km²로 다양한 지형과 미기후로 인한 서식적합 지역은 모형화하지 못하였으며, 모형 결과인 서식적합 지역이 실질적인 서식지의 면적보다 넓어 보호지역의 반영 정도가 더 높게 평가되었을 가능성도 있다.
서식적합 면적이 1,000km 2 미만인 생물 종 중 보호지역 반영 비율이 10% 이하인 생물종은 식물 17종 - 기생여뀌(0.5%), 나도공단풀 (1.5%), 우산잔디(2.0%), 겨울딸기(2.4%), 아욱메 풀(2.6%), 쇠고사리(2.7%), 까마귀쪽나무(2.8%), 왕모람(3.6%), 유럽전호(3.8%), 쥐꼬리풀(3.8%), 자란(4.1%), 사슨딸기(4.4%), 흰새덕이(6.0%), 큰봉의꼬리(6.4%), 돌토끼고사리(8.7%), 방울새풀 (9.7%), 조록나무(9.7%), 육상곤충 2종 - 붉은점 모시나비(0.8%), 흰줄꼬마꽃벌(0.8%), 조류 1종 –노랑눈썹솔새(0.2%)이다.
7 이상의 AUC 값은 모형의 정확도가 적정하다는 것을 보여준다(Franklin, 2010). 육상곤충의 경우도 평균 AUC가 0.7에 근사하여 본 연구에서 각 분류군의 종분포모형 결과가 각 종의 서식적합 지역을 예측하기에 적당하다고 판단하였다.
10이었다. 조류 132종의 평균 AUC는 0.81, 표준편차는 0.12이었고, 양서파충류의 평균 AUC는 0.73, 표준편차는 0.10, 육상곤충 1,898종의 평균 AUC는 0.69, 표준편차는 0.10이었다(Table 1).
조류의 평균 AUC가 가장 높게 나타났으며 육상곤충의 평균 AUC가 가장 낮게 나타났으나 육상곤충을 제외하고 모든 분류군의 평균 AUC는 0.73 이상이었다. 0.
따라서 본 연구에서는 제3차 전국자연환경조사에 출현 지점이 기록된 생물 종 중에서 10개(포유류의 경우 전체 종의 수가 상대적으로 적어 9개) 이상의 출현 지점을 갖는 종들로 한정하여 서식적합 지역을 예측하였다. 최종적으로 본 연구에서 대상으로 한 생물종의 수는 식물 1,545종, 포유류 35종, 조류 132종, 양서파충류 35종, 육상곤충 1,898종이다(종의 목록은 제3차 전국자연환경조사 지침 참고; Ministry of Environment and National Institute of Environmental Research, 2006).
4%가 보호지역에 반영된 것으로 평가되었다. 포유류와 육상곤충은 평균적으로 각각 서식적합 지역의 12.0%가 반영된 것으로 평가되었다. 다음으로 양서파충류는 9.

후속연구

, 2017). 본 연구에서 환경변수 공간자료 등 자료의 한계를 이유로 모든 분류군에 대해 같은 환경변수를 이용한 것과 생물종의 상호작용에 의한 영향을 고려하지 못한 것은 이 연구의 한계로 생각한다 (Franklin, 2010). 또한 이용한 환경변수의 해상도가 약 1km²로 다양한 지형과 미기후로 인한 서식적합 지역은 모형화하지 못하였으며, 모형 결과인 서식적합 지역이 실질적인 서식지의 면적보다 넓어 보호지역의 반영 정도가 더 높게 평가되었을 가능성도 있다.
본 연구는 보호지역의 추가 지정에 고려할 수 있도록 다양한 분류군 측면에서 생물종의 보호를 위한 정보를 제공하였다. 앞으로의 보호지역 추가 지정은 현재 보호지역의 상황을 평가하고 그에 맞는 목표를 달성할 수 있는 방향으로 진행되어야 할 것이다. 멸종위기종 보호 또는 보전 노력이 필요한 분류군 보호 등 구체적인 목표의 설정 외에 현재 국내 보호지역은 주로 고도가 높은 산악 지역에 주로 분포하기 때문에(Choe et al.
본 연구의 목적은 생물종의 서식적합 지역이 보호지역에 반영되고 있는 정도를 평가하여 분류군별 보전 현황을 파악하는 것이다. 이를 통해 우리나라 보호지역의 생물다양성 보전 상황 및 문제점을 진단하고 추후 보호지역의 계획에 필요한 공간자료를 제공할 수 있을 것이다.
, 2018), 평가의 항목을 세분화할 필요가 있다. 향후 연구는 국가적 생물다양성 보호 목표와 멸종위기종 보호 목표 등 다양한 측면에서 보호지역을 평가하는 것이 필요할 것이며, 다양한 보호지역의 유형별로 보호지역의 지정 목적에 따른 기능 평가도 필요할 것이다. 또한 기존 보호지역은 기후변화 등 변화하는 환경을 고려하지 않았기 때문에(Game et al.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GEO BON의 종보호지수 SPI의 용도는?	특히 보호지역의 생물다양성 반영 정도를 평가하기 위해서 종보호 지수(Species Protection Index; SPI)를 이용할 수 있다. GEO BON의 종보호지수 SPI는 생물종의 적절한 서식지가 보호되고 있는 정도를 측정하고 지역과 지구 규모에서 보호지역의 생물다양성 반영 정도를 평가하는 것이다. 본 연구에서는 식물, 포유류, 조류, 양서파충류, 육상곤충의 생물종에 대해 종분포모형을 이용하여 생물종들의 서식지를 평가하고 각각의 서식지가 보호지역에 의해 현재 얼마나 보호되고 있는지의 정도를 평가하고자 한다.
	지구 생물다양성 관측 네트워크를 통해 할 수 있는 것은?	지구 생물다양성 관측 네트워크(The Group on Earth Observations Biodiversity Observation Network; GEO BON)는 지구의 생물다양성 보전을 위해 진행 상황을 평가하고 보고하는 목적으로 일련의 평가 지표를 개발하는 국제적인 활동이다(GEO BON, 2015). GEO BON 생물다양성 지표들을 이용하여 아이치 생물다양성 목표의 일부 항목에 대해 평가가 가능하다. 특히 보호지역의 생물다양성 반영 정도를 평가하기 위해서 종보호 지수(Species Protection Index; SPI)를 이용할 수 있다. GEO BON의 종보호지수 SPI는 생물종의 적절한 서식지가 보호되고 있는 정도를 측정하고 지역과 지구 규모에서 보호지역의 생물다양성 반영 정도를 평가하는 것이다.
	지구 생물다양성 관측 네트워크란?	지구 생물다양성 관측 네트워크(The Group on Earth Observations Biodiversity Observation Network; GEO BON)는 지구의 생물다양성 보전을 위해 진행 상황을 평가하고 보고하는 목적으로 일련의 평가 지표를 개발하는 국제적인 활동이다(GEO BON, 2015). GEO BON 생물다양성 지표들을 이용하여 아이치 생물다양성 목표의 일부 항목에 대해 평가가 가능하다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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