GIS를 활용한 국립공원의 종 다양성 평가
김 태 근*
국립공원관리공단 국립공원연구원
Assessment of Species Diversity in National Park using GIS
Tae Geun Kim*
Nationlal Park Research Institute, Namwon 590-811, Korea
요 약 :본연구는 국립공원의 종다양성에 대한 경관생태학적영향을 평가하기 위한 예비적인 성격의 연구로서 생물종이서식하는 지역의유형·크기·형태·구성등서식처의 구조적인 특성을중심으로 종다양성과의 관계를규 명하고자 한다. 국립공원에서 1998년부터 2008년까지국립공원에서 조사된생물종 자료를바탕으로 GIS 공간분석 기법을 적용하여 종다양성의 지도를제작하였다. 국립공원의 종다양성을 평가하기 위해일반적으로 널리 활용되
고있는 Shannon-Weaver 지수를이용하였다. 종다양성평가단위는국립공원 자연자원조사에적용되는 2 km × 2 km
의격자 크기를중심으로종다양성을 산출하고이와 대응하는위치에서 추출한서식처의 구조적인 특성인서식처 의개수·면적·둘레길이와상관성을 분석하였다. 전반적으로 국립공원의종다양성은경관을구성하는 구조적특성 과관련성이 없는 것으로확인되었다. 생물종을 조사한 지점의 대부분이 산림지역으로 구성된단순한 경관구조에 기인한다고할수있다. 이러한연구결과는 국립공원에서생물종이 서식하는지역의 구조적인 특성에따른 생물다 양성에대한이해를도울수있고서식처를 효과적으로관리하기 위한공원 보전계획을수립하는데 기초자료로활 용가능하리라기대된다.
주요어 :종다양성, 국립공원, 경관구조, 지리정보시스템
Abstract :As preliminary research for evaluating the landscape ecological effect on the species diversity of national parks, this study aims to identify the relationship with species diversity, focusing on the structural characteristics of habitat, such as patternsizetypecomposition of regions where biospecies exist. The study prepared the map of species diversity by applying the GIS spatial analysis technique based on biospecies data investigated by national parks during the period of 1998 to 2008. Then, the study used the Shannon-Weaver index, which has been widely utilized in general in order to evaluate species diversity. Concerning the evaluation unit of species diversity, the study calculated species diversity, centering on the 2 km × 2 km lattice size, which is applied to natural resources research by national parks. Also, the study analyzed the correlation with the numberareacircumferencemutual proximity, which are structural characteristics of habitat, extracted from the corresponding positions. Overall, the species diversity of national parks was confirmed to be irrelevant to the structural characteristics that form the landscape, which can be attribute to simple landscape structure consists of a majority of the forest area. The results of this study is expected to be utilized as basic data for helping an understanding of biodiversity according to the structural characteristics of regions where biospecies exist, and for establishing a park preservation plan in order to effectively manage habitats.
Key words :Species diversity, National Park, Landscape Structure, GIS
서 론
기후변화에 따른 생물다양성 감소는 국제적인 문제로 대
두되면서 2002년 생물다양성 협약에서 2010년까지 생물다
양성 감소를 현저하게 저감하는 목표를 채택하는 등 국가 적인 차원에서 노력이 이루어지고 있다. 특히 생물다양성 증진에 있어서 중요한 역할을 하는 국립공원에서 생물다양 성에 대한경향을 관찰하는 것은공원을 관리하는 주요 목
*Corresponding author E-mail: [email protected]
표중하나이다.
다양한생물종을지속적으로유지하고관리하기위해서는 생물종이 서식하는 지역의 공간적 분포와 종 다양성의 패 턴에 대한 지식이 요구된다. 하지만 국립공원에서 수행되는 자연자원조사는 생물종 동정에 따른 종 목록 현황 파악을 주요 목적으로 하고 있기 때문에 종 다양성과 매우 밀접한 관계가 있다고 알려져 있는 생물종이 서식하는 지역의 다 양한 구조적 특성에 대한 연구는 매우 제한적으로 진행되 고 있거나 미흡한 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 지리정보시스템(Geographic Information System, GIS)을 이 용한 경관구조 특성을 정량화하는 연구가 점차 증가하고 있다(홍선기 등 역. 2005).
종의 다양성은 두 가지 핵심 요소인 종풍부도와 균등도 가 반영되어 나타나는 생태학적 평가지표 중 하나이다(Sun
1992). 이는 생물종이서식하는 지역의 다양한특성에 영향
을 받는다고 알려져 있다. McIntyre(1995)는 생물종이 생존 하는데 필요한 먹이자원, 천적을 피할 수 있는 피난처를 제공하는데 있어서 서식처의 크기와 같은 물리적 구조는 종 풍부성과 개체수를 유지하는데 영향을 준다고 하였다.
그리고 파편화된 단일 숲보다는 활엽수림, 침엽수림, 하천 등 서식처의 면적과 서식처 상호간공간적 배치에 따른종 구성의 차이를 가져온다고 하였다(Honnay et al. 1999).
본 연구는 국립공원에서 생물종이 서식하는 지역의 유
형·크기·형태·구성 등 경관 구조적 특성에 따른 종 다양
성의 관계를 살펴보고자 한다.
재료 및 방법 1. 연구지역 및 사용된 자료
종 다양성을 경관 구조적인 특성에 대해서 평가하기 위 해 국립공원에서 수행한 조사모니터링 결과 자원통합관리시 스템에 1998~2008년까지 조사된 자료가 구축된 데이터베이 스를 이용하였다. 구축된 자료 중 위치적 오차 및 잠재적 인 오류를 고려하기 위해 공원경계로부터 4 km 이내에 포 함된 6개 분류군의 육상동물에 대한 위치 자료를 최종적으 로 선정하여 종 다양성 지수를 계산하였다(Table 1).
생물종이 분포하는 지역의 서식처 환경의 물리적 구조를 분석하기 위한 서식처 유형, 크기 등은 환경부에서 제작하 여 배포하고 있는 22개 중분류 체계의 토지피복도를 이용
하였다. 이 지도는 인공위성이 촬영한 영상을 이용하여 지 표면의 상태를표현한지도를 만들 수있는데, 숲, 초지, 콘 크리트 포장과 같은 지표면의 물리적 상황을 분류한 것이다.
이 같은 토지피복지도는 지표면의 현재 상황을 가장 잘 반 영하고 있어 현실을 반영한 여러 모델링의 기초 자료로 활 용되어 정책수립의 효율성·과학성을 높이는데 많은 기여를 하고있다(http://egis.me.go.kr/egis/home/info/m02_DB_a.asp).
2. 연구방법
국립공원에서 진행된 조사·모니터링을 통해 얻어진 자료 에 Shannon-weaver 지수를 적용하여 종 다양성 지수를 산 출하고 생물종이 서식하는 지역의 물리적인 구조는 경관생 태학에서 널리 활용되는 경관구조지수를 환경부 토지피복 지도에 적용하여 추출한 다음, 이 두 지수의 단순 상관관 계를통해서종다양성에대한평가를수행하였다.
종 다양성은 종수와 개체수를 기반으로 계산되는데 본 연구에서 사용한 조사 자료는 개체수의 기록이 없기 때문 에 일정크기의 정방형형태의 격자에 포함되는 종수와 개체 수를 이용하여 종 다양성을 계산하였다. 이 방법은 다양한 요인에 의해영향을 받지만 그 차이에 대한차이는 충분하 게 연구되지 못했다. 그래서 일반적으로 사용하기 쉬운 일 정 크기의 격자에서 생물종이 출현하는 지점에 대한 점 형 태의 관측 값을 면 형태의 격자에 중첩하여 각 셀에 종의 출현여부를 결정하는 point to grid방법을 활용하였다(Graham
et al. 1996). 격자크기는 자연자원조사에서 활용하고 있는
2 km × 2 km의 조사격자를 기준으로 종 다양성을 산출하였
다(Figure 1).
종 다양성 지수(Diversity index)로 Shannon-Weaver의 식 1을 사용하였다. 이 지수는 군집생태학 및 다양한 생태학 관련 연구에서 가장 널리 이용되고 있다. 정보이론에 기초 를 두고 계산된 지수 값은 불확실성에 대한 평균적인 정도 를 나타냈다. S종 N개체로 구성된 군집에서 임의적으로 선 택한 개체가어떤 종에속할지를 예측할 때 나타나는 불확 실성에 대한 정도를 의미한다. 모든 종의 개체수가 모두 동일할 때 다양성지수 H'는 최대가 되고 하나의 생물종만 이 존재할 때 H'값은 0이 된다(Wikipedia 2012).
Shannon Index, H' = (1)
여기서, pi는 개체 총 수에 대한 I번째 종 개체수의 비율 (상대풍부도, relative abundance)
−
i=1
∑
r pi logpiTable 1. The data used to assess species diversity.
구분 기간(년) 자료
총 개수 오차1) 오류2) 사용한 자료 개수
포유류 02~08 9,384 2,886 1,427 5,071
양서·파충류 00~08 8,549 3,898 40 4,611
곤충류 99~08 41,160 10,464 853 29,843
거미류 04~08 9,746 1,184 656 7,906
합계 99~08 68,839 18,432 2,976 47,431
1)경도 또는 위도가 0인 자료의 개수, 2)공원경계 4 km 완충구간을
벗어나는 자료의 개수 Figure 1. the species diversity of the grid.
조사격자별 서식처의 크기, 크기의 다양성, 둘레길이 등 경관 구조적 특성을 산출하고 국립공원에 생물종이 서식하 는 지역의 특성과 관련된 서식처의 유형은 환경부의 22개 중분류 체계의 토지피복도를이용하여 경관구조 특성을정 량화하기 위해서 사용된 지수는경관생태학에서 널리활용 되고 있는 8개의 경관 구조지수를 이용하였다(Table 2). 이 경관지수는 Patch Analyst 프로그램을 통해서 산출되었다 (Elkie et al. 1999).. 경관 구조지수는 국립공원 2 km × 2 km 크기의 조사격자를 기준으로 GIS 공간분석을 적용하여 각 각의지수를 나타내는 지도를 제작하여 조사격자별 추출하 여최종적으로종다양성지수와비교분석하였다.
결과 및 고찰
국립공원 육상동물 전체를 대상으로 Shannon-Weaver 지
수 값은 평균 3.01이고 최소 0.5에서 최대 5.54의 범위의
종 다양성 지수 값이산출되었다(Table 3). 분류군별 종 다 양성 지수값은 평균적으로 곤충이 3.48로 가장높고 다음
으로 거미류, 조류, 포유류, 양서·파충류의 순서로 종 다양 성 지수가 나타났다(Figure 2).
분류군 상호간 종의 다양성의 관계를 분석한 결과 거미 류와 조류의 상관계수가 0.65(p < 0.05)로 뚜렷한 정적상관 이 있는 것으로 나타났다. 이외의 분류군간의 관계는 전반 적으로 상관관계가 통계적으로 유의하지 않는 것으로 나타 났다. 이는 6개 분류군이 모두 조사된 조사격자의 수가 11 개로 매우 제한된 지역의 정보에 따른 결과로 판단된다.
Table 3은 분류군 상호간 종 다양성의 상관관계를 보여주고
있다.
2 km × 2 km 조사격자를 구성하는 서식지유형이 어떤크
기로 얼마나 다양하게 분포하는지를 계산하기 위해 8개 경 관구조지수를 GIS 공간분석을 통해 산출한 후 이에 대응하 는 생물다양성지수와의 상관분석을 수행한 결과 Table 4와 같다. 평균 둘레길이에 따른 종 다양성의 낮은 상관성이외 에는 전체적으로 서식지의 경관구조 특성에 따라 종 다양
성 지수는 관련성이 없는 것으로 나타났다. 이는 Figure 3
처럼 빨간색 원으로 표시하여 나타낸 조사 지점이 대부분 Table 2. formula for calculating Landscape Structure index.
경관구조지수 내용 계산식
NumP 패치 개수 a+a+a+b+c = 5
MPS 평균패치크기 (a면적×3)+b면적+c면적/5
MedPS 패치크기중위수 a면적, b면적, c면적의 중위수
PSCoV 패치크기다양성 a면적, b면적, c면적의 변동율
PSSD 패치크기편차 a면적, b면적, c면적의 표준편차 TE 총 둘레길이 a, b, c의 둘레길이 합
ED 둘레길이밀도 총 면적대비 총 둘레길이 MPE 평균둘레길이 a, b, c의 둘레길이 평균
Table 3. Descriptive statistics of the species diversity index.
분류군 N 최소값 최대값 평균 표준편차
all 1047 .50 5.54 3.01 1.18
곤충류 233 .69 5.42 3.48 .95 거미류 183 .69 4.41 2.65 .65 조류 288 .69 3.97 2.44 .66 포유류 259 .56 2.83 1.55 .56 양서/파충류 230 .50 2.39 1.38 .48
Figure 2. the graph of species diversity index.
Table 4. Correlation of species diversity between taxa.
포유류 곤충류 조류 양서파충류
거미류 상관계수 -.505 -.294 .650* .362
포유류 상관계수 .102 .156 -.135
곤충류 상관계수 -.225 -.209
조류 상관계수 -.001
*. 상관계수는 0.05 수준(양쪽)에서 유의합니다.
Table 5. Correlation between landscape structure and diversity indices.
경관구조지수 내용 상관계수 유의확률
NumP 패치 개수 -.071* .021
MPS 평균패치크기 -.100** .001
MedPS 패치크기중위수 -.095** .002
PSCoV 패치크기다양성 -.097** .002
PSSD 패치크기편차 -.029 .346
TE 둘레길이 -.060 .050
ED 둘레길이밀도 -.078* .012 MPE 평균둘레길이 -.115** .000
*. 상관계수는 0.05 수준(양쪽)에서 유의합니다.
**. 상관계수는 0.01 수준(양쪽)에서 유의합니다.
산림지역으로 구성된 경관구조의 단순성에 기인한다고 판단 된다. Figure 4는 조사된 지점과 토지피복도와 중첩된 결과 를보여주고있다.
분류군별 종 다양성 지수와 8개 경관구조지수의 상관
분석을 수행한 결과 Table 6처럼 거미류는 총 둘레길이와
둘레길이의 밀도에 상관성이 뚜렷하게 나타났다. 총 둘레길 이가 길수록 거미류의 다양성은 낮아지고 둘레길이 밀도가 높을수록 높은 다양성을 보여주었다. 포유류는 서식지 면적 의 중위수에 음의 상관관계가 있는 것으로 이는 서식지의 면적이 클수록 높은 다양성을 의미한다. 조류는 서식처의 크기 다양성에 양의 상관관계가 있고 총 둘레길이에 음의 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 둘레길이 짧고 다양한 서식처가 존재하는 지역일수록 조류의 다양성이 높다는 것 을 의미한다. 전체 종을 대상으로 분석한 경관구조의 상관 성과 달리 분류군별 상관성은 생물종 마다 적합한 서로 다 른서식처의물리적구조를반영하고있다고할수있다.
결 론
본 연구에서 지난 10여년간 조사된 생물종의 분포자료를 이용하여 2 km × 2 km의 크기의 조사크기에 일반적으로 널
리 사용되는 Shannon-Weaver 지수를 적용하여 얻어진 종
다양성 지수 값과 생물종이 분포하는 지역의 서식처의 구 조적특성을 나타내는 8개의경관구조 지수와단순 상관성 을 분석한 결과 다음과 같은 결과를 얻어낼 수 있었다.
•종 다양성 지수 값은 평균적으로 곤충이 3.48로 가장 높 고 다음으로 거미류, 조류, 포유류, 양서·파충류의 순서로 종 다양성 지수가 나타났고 전체적으로 최소 0.5에서 최
대 5.54의 범위에서 평균 3.01의 종 다양성 지수가 나타
났다.
•분류군 상호간 종의 다양성의 관계를 분석한 결과 거미류 와 조류의 상관계수가 0.65(p < 0.05)로 뚜렷한 정적상관이 있는 것으로 나타났지만 이외의 분류군간의 관계는 전반 적으로 상관관계가 통계적으로 유의하지 않는 것으로 나 타났다. 이는 6개 분류군이 모두 조사된 격자의 수가 충 분하지못한결과일것으로판단된다.
•국립공원의 종 다양성 지수는 서식지의 경관구조 특성과 관련성이 없는 것으로 나타났다. 이는 조사된 지점이 대 부분 산림지역으로 구성된 경관구조의 단순성에 기인한다 고 판단된다. 그리고 거미류, 포유류, 조류 등의 분류군별 종 다양성지수는경관구조 특성과 상관성이 있는것으로 나타났다. 이는 생물종에 따른 적합한 서식처의 물리적 구조를갖을지도모른다고할수있다.
국립공원의 종 다양성 평가는 종 풍부도의 패턴을 고찰 하고 그러한 패턴을 형성하는 과정을 고찰하는 이론적인 연구뿐만아니라국립공원에서서식처를효과적으로관리하 기 위한 공원보전계획을 수립하는데기초자료로 활용가능 하리라 기대된다. 향후, 공간규모에 따른종 다양성의 평가 에 대한 연구를 진행할 예정이다.
Figure 3. Land cover area with class. Figure 4. Survey area overlaid land cover map.
Table 6. Correlation between landscape structure and diversity indices with taxa.
NumP MPS MedPS PSCoV PSSD TE ED MPE
거미류 -.405 -.486 -.324 -.521 -.544 -.660* -.815** -.124
포유류 -.279 -.187 -.848** -.047 -.069 -.135 -.483 -.393
곤충류 -.025 -.168 -.193 -.179 -.257 -.233 -.392 -.172
조류 -.171 -.244 -.371 -.823** -.496 -.621* -.544 -.326
양서파충류 -.101 -.383 -.065 -.152 -.329 -.314 -.276 -.102
**. 상관계수는 0.01 수준(양쪽)에서 유의합니다.
*. 상관계수는 0.05 수준(양쪽)에서 유의합니다.
참고문헌
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wikipedia. 2012. http:// en.wikipedia.org/wiki/diversity_index
(2012년 4월 5일 접수; 2012년 4월 30일 채택)
정 정
국립공원연구지 3권 1,2호 통합권 p25, Figure 3 국립공원조사격자전체를기준으로산출한토지피복별면적
Figure 3. Land cover area with class
