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ISSN : 1226-9999(Print)
ISSN : 2287-7851(Online)
Korean J. Environ. Biol. Vol.34 No.4 pp.240-245
DOI : https://doi.org/10.11626/KJEB.2016.34.4.240

Predicting the Suitable Habitat of Amaranthus viridis Based on Climate Change Scenarios by MaxEnt

Yong Ho Lee, Sun Hee Hong, Chae Sun Na, Soo In Sohn1, Myung Hyun Kim1, Chang Seok Kim1, Young-Ju Oh
2*
O-Jeong-Eco-Resilience Institute, Seoul 02841, Republic of Korea
1National Academy of Agricultural Science, RDA, Wanju 55365, Republic of Korea
2Institute for Future Environmental Ecology Co., Ltd, Jeonju 54883, Republic of Korea
Corresponding author : Young-Ju Oh, 063-211-7122, 063-211-7123, cave50joo@gmail.com
November 2, 2016 November 11, 2016 November 11, 2016

Abstract

This study was conducted to predict the changes of potential distribution for invasive alien plant, Amaranthus viridis in Korea. The habitats of A. viridis were roadside, bare ground, farm area, and pasture, where the interference by human was severe. We used maximum entropy modeling (MaxEnt) for analyzing the environmental influences on A. viridis distribution and projecting on two different representative concentration pathways (RCP) scenarios, RCP 4.5 and RCP 8.5. The results of our study indicated annual mean temperature, elevation and precipitation of coldest month had higher contribution for A. viridis potential distribution. Projected potential distribution of A. viridis will be increased by 110% on RCP 4.5, 470% on RCP 8.5.


MaxEnt를 활용한 청비름 (Amaranthus viridis)의 기후변화 시나리오에 의한 서식지 분포 변화 예측

이 용호, 홍 선희, 나 채선, 손 수인1, 김 명현1, 김 창석1, 오 영주
2*
고려대학교 오정에코리질리언스 연구소
1농촌진흥청 국립농업과학원
2(주)미래환경생태연구소

초록


    Rural Development Administration
    PJ00996204

    서 론

    국내외 많은 물자 이동과 교역은 외래식물의 국내 침입 과 확산은 유발하였고 외래식물은 의도적이든 비의도적이 든 국가간 이동이 더욱 빠르게 이루어지고 있다. 국내 유입 된 많은 외래식물은 분포범위를 넓혀가고 있고 이러한 외래 식물의 확산은 생물다양성의 교란과 농작물의 수확량 감소 등 사회·경제적인 손실을 발생시키고 있다 (CBD, 2009). 최근에는 기후변화와 관련하여 외래식물의 확산 양상과 관 리방법 등에 대한 관심이 높아지고 있다 (Mack et al., 2000; Pimentel et al., 2000; Pimentel, 2002). 비름속 (Amaranthus) 식물은 전세계적으로 70여종이 분포하고 있는 것으로 알려 져 있다 (Costea and DeMason, 2001). 국내 분포하고 있는 비름속 식물은 비름 (A. mangostanus), 눈비름 (A. deflexus), 미국비름 (A. albus), 각시비름 (A. arenicola), 긴털비름 (A. hybridus), 개비름 (A. lividus), 긴이삭비름 (A. palmeri), 가 는털비름 (A. patulus), 털비름 (A. retroflexus), 가시비름 (A. spinosus), 청비름 (A. viridis)이 분포하고 있다 (Park, 2009; Lee, 2003). 미국비름, 각시비름, 긴털비름, 긴이삭비름은 북 아메리카 원산지, 가는털비름은 남아메리카 원산지, 털비름, 가시비름, 청비름 열대아메리카 원산지, 개비름은 유럽이 원 산지이다 (Park, 2009). 이중 남부지방을 중심으로 분포하는 종은 미국비름, 각시비름, 긴이삭비름, 가는털비름, 청비름이 고 중부지방을 중심으로 분포하는 종은 긴털비름, 털비름이 다. 전국적으로 확산되어 분포하는 종은 개비름, 가는털비름 으로 알려져 있다. 이중 청비름은 제주도, 남부지방, 서남부 해안지방에 주로 분포하며 1년생 초본으로 3~4월에 출현하 여 줄기가 직립하며 7~9월에 꽃이 핀다. 청비름은 개비름과 달리 잎이 삼각상 난형의 형태를 가지고 있고 줄기 끝의 수 상화서가 길게 자라는 특징을 가지고 있다 (Park, 2009). 비 름속 식물은 주로 농경지를 중심으로 분포하며 최근에는 도 로변이나 나출지, 하천변 등에서도 관찰할 수 있다. 한반도 는 기후변화에 의해 미래 기후가 2100년까지 지속적으로 증 가할 것으로 예측하고 있고 RCP 4.5와 RCP 8.5 시나리오 에 따른 한반도의 연평균 기온의 상승폭은 전 지구에 비해 1.2배 이상 될 것으로 전망하고 있다 (Korea Meteorological Administration, 2012). 기후변화에 의한 온도 상승으로 현 재 제주도와 남부지방에 주로 분포하는 남방계 외래식물의 확산가능성이 높아지고 있고 이에 대한 예측과 대응이 필요 한 시점이다. 외래식물의 잠재 서식지와 지리적 분포에 대 한 확산 예측은 gravity model과 maximum entropy model (MaxEnt) 등과 같은 몇몇 모델에 의해 분석되어 왔고 지속 적인 연구들이 진행 중에 있다 (Phillips et al., 2006; Pearson et al., 2007; Youngah et al., 2011). 국내에서도 MaxEnt를 이용하여 잣나무, 눈잣나무, 신갈나무, 소나무, 미선나무와 같은 목본류와 초본류인 모데미풀의 적지분포 및 기후변 화에 대한 변화를 예측한 바 있다 (Lee et al., 2011; Lee et al., 2012; Chun and Lee, 2013; Lee et al., 2014; Park et al., 2014; Choi et al., 2015). 국내에서 수입 종자나 사료를 들여 오면서 농경지에 주로 발생하는 비름속 식물의 지속적 유입 과 확산이 이루어질 가능성이 높고 이에 확산 가능성에 대 한 연구가 필요한 시점이다.

    본 연구는 국내 유입되어 분포하고 있는 청비름의 현재 분포지점을 기반으로 RCP 4.5와 8.5 시나리오에 따른 확산 분포 지도를 작성하여 향후 확산 범위와 관리를 위한 기초 자료를 확보하고자 하였다.

    재료 및 방 법

    1.위치자료 수집

    청비름의 분포자료는 직접 현지 조사를 통한 자료와 기존 에 발표된 자료를 통합하여 사용하였다. 현지조사는 2014년 부터 2015년까지 제주도와 서해안 일대를 중심으로 수행하 였으며 위치자료는 조사지의 GPS 좌표를 기록하였다. 기존 의 자료는 Park et al. (2002)의 귀화식물의 분포관련 자료를 활용하였다 (Fig. 1).

    2.환경 변수

    본 연구에서는 청비름의 분포를 결정하는 환경 변수로 생 물기후와 지리적 요소를 사용하였다. 또한 청비름의 확산 성에 대한 예측을 위하여 2가지의 서로 다른 RCP 시나리 오에 따른 미래의 분포 변화를 비교하였다. RCP 4.5는 온 실가스 저감정책이 상당히 실현되는 경우 그리고 RCP 8.5 는 현재 추세로 온실가스가 배출되는 경우를 가정한 기후변 화 시나리오이다. RCP 4.5의 2011~2020 데이터의 평균을 도출하여 현재 (2020s)로 설정하였으며 각각의 시나리오별 로 20년 간격으로 2021~2030 (2030s), 2041~2050 (2050s), 2061~2070 (2070s), 2081~2090 (2090s)을 비교하였다. 생물 기후인자는 Worldclim에서 제공하는 bioclim의 19가지 변 수들을 이용하였다. 이를 위하여 기상청의 기후변화정보센 터 (CCIC)에서 남한 상세 기후변화 앙상블시나리오 (제어적 분 200년, 기후모델: HadGEM3-RA, 해상도 1 km)를 제공받 아 bioclim의 19가지 변수들을 도출하였다. 19개의 변수는 다중공선성 (Multicollinearity)이 발생할 수 있어 이를 제거 하기 위하여 19가지의 변수들에 대한 상관분석을 실시하여 상관계수가 0.9 이상의 높은 상관이 나타나는 인자들은 분 석에서 제외하였다. 최종적으로 선발된 기후인자는 Table 1 과 같다. 지리적 인자로는 고도를 사용하였으며 이를 위하여 DEM (Digital Elevation Model)을 이용하여 분석하였다. 인 자들의 도출과 통계는 ArcMap 10.1를 활용하였다.

    3.종 서식지 분포 예측 모델

    본 연구에서는 MaxEnt 모형을 사용하여 외래잡초 청비름 의 잠재 서식지 분포를 예측하였다. MaxEnt 모형은 최대 엔 트로피 접근법을 이용하여 생태적 지위와 이에 따른 잠재적 서식지 분포를 확률적으로 제시하는 모형으로 생물 분포를 예측하는 다른 모델들이 비출현 정보를 요구하는 것과 달리 출현정보 만을 요구하는 특성이 있다. 자생식물과는 달리 외 래식물은 일반적으로 분포하고 있는 지역 이외에도 확산가 능성이 있는 경우가 많으며 이러한 특성상 비출현정보의 획 득에 한계가 존재한다 (Philips et al., 2006). 이에 따라 청비 름의 생태적 지위와 잠재 서식가능 분포지를 예측하기 위한 모형으로 MaxEnt를 적용하였다. 모형의 분석은 임의로 선 발된 20개 이상의 위치정보를 활용하여 5번의 반복으로 이 루어졌으며 모델의 설명력에 대한 검증은 ROC (Receiver Operating Characteristics)곡선의 AUC (Area Under the Curve)값을 활용하였다.

    결과 및 고 찰

    1.청비름의 잠재 서식지 분포

    MaxEnt를 활용한 청비름의 잠재 서식지 분포 모형의 Training AUC는 0.95, Test AUC는 0.86로 나타났다 (Table 2). 일반적으로 Area under curve (AUC) 값이 최소 0.5에 서 모델이 완벽하게 예측할 때 1.0이 도출되며 일반적으 로 0.8 이상이면 모델이 설명력을 갖는 것으로 알려져 있다 (Franklin, 2009). 본 연구에서 예측된 청비름의 잠재 서식지 분포모형은 AUC가 0.95로 비교적 높은 설명력을 갖는 것으 로 분석되었다. 청비름의 분포에 관여하는 환경변수는 Bio1 (연평균기온)이 63%, 고도가 12%, Bio14 (가장 추운 달의 누 적 강수량)이 11%로 3개의 환경변수의 합이 85% 이상의 기여도를 보였다. 또한 무작위 샘플링에 의한 Permutation importance에서도 유사한 경향을 보였다 (Table 3). 이러한 결과는 청비름의 잠재 생태적 지위를 보여준다.

    청비름의 실제 분포지역인 제주도의 해안지역과 남부지방 및 남부서해안 지역을 중심으로 높은 서식지 비율이 나타났 으며 높은 산지와 내륙지역은 낮은 서식지비율로 분석되었 다. 하지만 충청남도 지방과 경기도 남서부 지방 또한 비교 적 높은 잠재 서식지 비율이 나타났는데 이는 현재 확산이 진행 중인 청비름의 확산가능지역을 보여준다고 판단된다 (Fig. 2).

    2.청비름의 미래 잠재 서식지 변화

    청비름의 잠재 서식지 모델을 기후변화 시나리오 RCP 4.5 와 RCP 8.5에 투영하여 미래의 잠재 서식지 변화를 예측하 였다. 그 결과 현재 청비름의 서식지 비율은 전국 평균이 약 0.08로 분석되었다. 하지만 기후변화에 따른 변화는 기후변 화 시나리오에 따라서 차이가 나타났다. RCP 4.5 시나리오 는 2070년대에 0.13으로 증가했다 2090년대에는 0.09로 감 소하여 현재와 비교하였을 때 전체적인 잠재 서식지 비율의 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 하지만 RCP 8.5 시나리오 에서는 RCP 4.5 시나리오에서 보다 급격하게 증가하여 2090 년대에는 서식지 비율이 0.38로 약 4.7배 증가하는 것으로 분석되었다 (Fig. 3). 외래식물인 실망초 (Conyza bonariensis) 에 대한 우리나라의 미래 잠재 서식지 변화 예측은 시나리 오 RCP 4.5와 RCP 8.5가 정도의 차이는 있으나 모두 전국 으로 확산되는 것으로 보고되었다 (Lee et al., 2015). 이렇게 상이한 결과는 실망초와 청비름의 잠재 생태적 지위의 차이 가 원인인 것으로 보인다. 온실가스 저감정책이 충분히 실현 되었을 때를 가정한 RCP 4.5와 효과가 없었을 때를 가정한 RCP 8.5의 차이를 고려해본다면 실망초에 비하여 청비름은 미래의 확산이 기후변화 양상에 따라서 가변적일 수 있음을 보여준다.

    RCP 4.5와 8.5 시나리오에 의한 청비름 잠재 서식지의 공 간적인 변화는 Fig. 4과 같다. RCP 4.5에서는 현재와 비교하 였을 때 미래 모든 시기에 잠재서식지 공간적 분포가 전라 남도 내륙지방으로 확산인 진행되나 다른 지역으로의 확산 은 거의 나타나지 않았다. 하지만 RCP 8.5에서는 청비름의 잠재 서식지는 산이 아닌 평지를 중심으로 점차 확산이 되 는 방향으로 이루어졌다. 2030년대에는 오히려 전체적으로 잠재 서식지 비율이 낮아지는 것으로 보이나, 2050년대와 2070년대로 시간이 흐르면서 충청남도, 경기도 경상남도에 잠재 서식지가 확산되었고, 2090년대에는 강원도와 경상북 도의 고산지대, 지리산 일대를 제외하고는 대부분의 지역으 로 잠재 서식지가 넓어졌다. 길가, 농경지를 중심으로 매우 많은 수의 종자를 생산하는 청비름의 생태적 특성은 이러한 잠재 서식지의 증가와 함께 청비름의 서식지 확산을 빠르게 촉진할 것으로 보인다. 개비름, 가는털비름 등 다양한 비름 속 식물들은 이미 오래전에 국내에 확산되어 전국의 도로변 이나 공터 뿐만 아니라 농경지에도 유입되어 분포하고 있어 많은 농업적 피해를 주고 있다. 청비름 또한 농경지에 유입 이 쉽게 이루어지고 있어 확산이 이루어질 경우 농경지 관 리에 어려움이 발생할 것으로 예상되어 진다.

    3.청비름의 지역별 확산 비교

    청비름의 기후변화에 따른 확산 예측 결과를 이용하여 지 역별로 구분하여 평균 잠재 서식지를 조사하였다 (Fig. 5). 그 결과 RCP 4.5와 RCP 8.5는 다른 예측 결과가 나타났다. RCP 4.5에서는 2090년대까지 전라남도, 제주도를 제외한 모 든 지역에서 잠재 서식지 비율이 0.2 이하로 낮게 나타났지 만, RCP 8.5에서는 강원도를 제외한 모든 지역에서 잠재 서 식지 비율이 0.2 이상으로 높게 나타났다. 이러한 결과는 외 래 식물들의 관리 및 미래 농정 설계 등에 활용 가능할 것으 로 판단된다.

    적 요

    본 연구에서 외래식물인 청비름 (Amaranthus viridis L.)의 현재의 잠재 서식지와 RCP 4.5와 RCP 8.5에 의한 미래의 분포 확산을 MaxEnt 모델을 활용하여 예측하였다. 청비름의 잠재 서식지는 연평균기온, 고도, 12월의 강수량의 환경변수 가 85% 이상의 기여도를 보여 가장 중요한 변수로 분석되었 고 AUC도 0.95로 모형의 설명력이 높게 나타났다. 제주도 와 남해안 및 중남부 서해안을 중심으로 분포하고 있는 청 비름은 RCP 4.5에서는 확산이 크게 나타나지 않으나, RCP 8.5 시나리오는 잠재 서식지가 전국으로 확산되는 것으로 나 타났고 현재에 비하여 2090년대 잠재 서식지 비율이 약 4.8 배 증가하는 것으로 분석되었다. 이러한 시나리오 별 차이는 향후 청비름의 확산이 기후변화 양상에 따라 가변적일 수 있음을 보여준다. 청비름은 많은 종자 생산과 차량의 이동이 나 사람의 이동 중에 쉽게 확산되는 특성이 있어 잠재서식 지 비율의 증가는 실제 확산으로 이어질 수 있을 것으로 파 악된다. 빠르게 확산될 수 있을 것이다. 같은 비름속의 개비 름과 가는털비름은 이미 전국에 분포하고 있어 관리가 어려 운 실정이고 기후변화에 의한 온도 상승은 청비름 또한 전 국적으로 확산될 가능성을 가지고 있어 장기적인 관심과 관 리기술 개발이 필요한 시점이다. 본 연구에서 수행한 지역별 예측은 향후 관리 계획 설정 등에 활용 가능할 것으로 판단 된다.

    사 사

    본 연구는 농촌진흥청의 공동연구사업 (과제번호: PJ00 996204)의 지원에 의해 수행되었음.

    Figure

    KJEB-34-240_F1.gif

    The sample sites of Amaranthus viridis in Korea.

    KJEB-34-240_F2.gif

    The potential distribution map of Amaranthus viridis.

    KJEB-34-240_F3.gif

    Change of average of potential distribution estimated by MaxEnt model for Amaranthus viridis.

    KJEB-34-240_F4.gif

    The potential distribution of Amaranthus viridis projected on two different RCP scenario.

    KJEB-34-240_F5.gif

    Comparison among regional potential distributions projected on two different RCP scenario of Amaranthus viridis in Korea.

    Table

    Description of climate variables

    Summery of MaxEnt model for Amaranthus viridis

    Percent contribution and permutation importance for each environmental variables

    Reference

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