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ISSN : 1226-9999(Print)
ISSN : 2287-7851(Online)
Environmental Biology Research Vol.36 No.4 pp.687-693
DOI : https://doi.org/10.11626/KJEB.2018.36.4.687

Prediction of the Suitable Habitats of Marine Invasive Species, Ciona robusta based on RCP Scenarios

Ju-Un Park, Jinsol Hong3, Dong Gun Kim1, Tae Joong Yoon2, Sook Shin*
Department of Life Science, Sahmyook University, Seoul 01795, Republic of Korea
1Smith Liberal Arts College, Sahmyook University, Seoul 01795, Republic of Korea
2Institute of Marine Life Resources, Sahmyook University, Seoul 01795, Republic of Korea
3Division of Environmental Science & Ecological Engineering, Korea University, Seoul 02841, Republic of Korea
Corresponding author: Sook Shin, Tel. 02-3399-1717, Fax. 02-3399-1729, E-mail. shins@syu.ac.kr
03/12/2018 20/12/2018 21/12/2018

Abstract


The active development of the global marine trade industries has been known to increase the inflows of marine invasive species and harmful organisms into the ecosystem, and the marine ecological disturbances. One of these invasive species, Ciona robusta, has now spread to the Korea Strait, the East Sea, and Jeju Island in connection with the climate change but not the Yellow Sea in Korea. Currently, the spread and distribution of C. robusta is increasingly damaging aquaculture and related facilities. Therefore, this study aims to identify the spread of C. robusta and potential habitats and to secure a data for the prevention of effective management measures due to climate change as well as damage the reduction in future through the prediction of spread. We used environmental variables in BioOracle. Also, the potential habitat and distribution of C. robusta was predicted using MaxEnt, a species distribution model. Two different RCP scenarios (4.5 and 8.5) were specified to predict the future distributions of C. robusta. The results showed that the biggest environmental factor affecting the distribution of C. robusta was the salinity as well as the highest distribution and potential habitats existent in the East Sea and around Jeju Island.



RCP 시나리오에 따 른 해양교란생물 유령멍게 (Ciona robusta)의 서식지 분포 예측

박 주언, 홍 진솔3, 김 동건1, 윤 태중2, 신 숙*
삼육대학교 생명과학과
1삼육대학교 스미스교양대학
2삼육대학교 해양생명자원연구소
3고려대학교 환경생태공학부

초록


    Ministry of Oceans and Fisheries
    20130265

    전 세계적으로 기후변화로 인한 환경의 변화와 해양 무역 과 레저 산업 등의 발달은 지역, 국가 또는 대륙 간 해양생물 의 이동을 촉진하여 해양생태계에서 외래종의 확산이 급격 히 증가하고 있다 (Dukes and Mooney 1999;Yoo et al. 2006;Beaugrand et al. 2008). 새로운 환경에 유입된 외래종은 우세 한 적응력을 바탕으로 유사한 생태적 지위 (ecological niche) 를 가지는 자생종과의 경쟁을 통하여 해양 환경에 교란을 야 기하고 결과적으로 해양생태계의 생물다양성에 영향을 주고 있다 (Shin et al. 2013;Januario et al. 2015;Park et al. 2017).

    유령멍게 (Ciona robusta)는 척삭동물문 (phylum Chordata), 피낭동물아문 (subphylum Tunicata)에 속하는 부착성 해양저 서동물로써, 1967년 일본의 혼슈에서 처음 보고되었으며 (Hoshino et al. 1967), 국내에서는 같은 해에 부산 영도에서 처음 발견된 이후, 선박 평형수 또는 선박 바닥에 부착하여 (Kim 2005;Kim et al. 2018) 남해안, 동해안 및 제주도 연안 으로 확산되었다 (Shin et al. 2013).

    침입 외래종 (invasive alien species)인 유령멍게 (C. robusta) 의 확산은 자연생태계에 서식하는 자생종과의 직접 또는 간 접적인 자원 (먹이, 공간 등) 경쟁을 통하여 생물다양성의 감 소를 초래하고 있으며, 인공 시설물, 특히 양식장 시설물에 정 착하여 굴 또는 가리비와 같은 양식산업에 경제적 피해를 주 고 있다 (Daigle and Herbinger 2009;Park et al. 2017). 따라 서 해양수산부는 유령멍게 (C. robusta)를 「해양생태계교란생 물」로 지정하여 지속적인 관리를 요하고 있다 (해양수산부, 2017). 현재까지 유령멍게 (C. robusta)에 대한 지속적인 서식 지 및 분포 조사가 이루어지고 있으나 해양생태계라는 특수 성으로 인하여 밀도가 낮은 경우 육안 조사로 정확한 서식지 를 확인하는데 어려움이 있다.

    본 연구는 국내에 유입되어 확산하고 있는 교란생물인 유 령멍게 (C. robusta)의 야외 조사 자료를 바탕으로 종분포모형 (Species Distribution Model)을 활용하여 잠재적 서식지 분포 도를 작성하고, 향후 서로 다른 두 가지 RCP (Representative Concentration Pathways) 시나리오를 통해 기후변화에 따른 미래의 잠재 서식지 및 분포를 예측하여 유령멍게 (C. robusta) 의 확산 방지 및 효율적 관리를 위한 기본 자료를 확보하 고자 수행되었다.

    유령멍게 (C. robusta)의 분포 지역에 관한 자료는 2008~ 2017년까지 서해안, 남해안, 동해안 및 제주도를 직접 조사하 여 기록한 출현 자료와 기존 문헌 조사를 통하여 확인된 서 식 지역의 자료를 종합하여 이용하였다 (Pyo et al. 2012;Lee and Shin 2014) (Table 1).

    본 연구에서는 Kim et al. (2018)의 연구를 바탕으로 염도 (PSU)와 수온 (°C)을 환경변수로 설정하였으며, 먹이와 관련 된 엽록소 (chlorophyll) 농도 (mg·m-3)를 추가하였다. 환경변 수 자료로 BioOracle database (Tyberghein et al. 2012)의 연 중 평균 염도 (PSU)와 연중 최대, 최소 및 평균 엽록소 농도 를 활용하였다 (Table 2). 또한 유령멍게 (C. robusta)는 주로 수심 2~6 m에 서식하는 것으로 보고되며 (Shin et al. 2013), 해수표면온도부터 수심 10 m까지는 수온이 유사한 것으로 보 고되어 (Choi et al. 1995;Park et al. 2000;Park et al. 2017), 해수표면온도 (SST)의 연중 최대, 최소 및 평균 자료를 분석 에 이용하였다 (Table 2). 또한 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) 5차 보고서를 바탕으로 RCP 4.5 (온실가 스 저감 정책이 상당히 실현된 경우)와 RCP 8.5 (현재 추세로 온실가스가 배출되는 경우)의 서로 다른 2가지 시나리오를 설정하여 2040~2050년과 2100년에 대한 잠재적 서식지 및 분포를 예측하였다 (Suppiah et al. 2007).

    QGIS 프로그램 (version 2.18.16) (QGIS Development Team 2018)을 사용하여 분포도를 작성하였으며, 최대 엔트로피 접 근법을 활용하여 잠재적 서식지 분포를 확률적으로 제시하 고 출현 좌표만으로 종분포를 예측할 수 있는 모형인 Max- Ent 프로그램 (version 3.4.1) (Phillips et al. 2006, 2017)을 사 용하여 분포 및 확산 모델을 추정하였다. 정확도는 ROC (Receiver Operating Characteristic)의 AUC (Area Under Curve) 값을 통하여 추정하였으며, 모델의 신뢰도를 높이기 위하여 10차 교차검증을 통해 결과의 평균을 최종 모형으로 도출하 였으며, 반응곡선 (Response curve)을 통해 각각의 환경변수 와 분포의 관계를 파악하였다.

    MaxEnt 분석 결과, 모형의 정확성과 신뢰도를 결정하는 AUC는 0.838로 나타났다 (Fig. 1). AUC는 0.8~1.0이면 모 형의 설득력이 있다고 판단된다 (Franklin 2009). 유령멍게 (C. robusta)의 분포 및 잠재 서식지와 관련된 환경변수에서 평균 염도가 57.6%로 가장 높은 기여도를 보였으며, 다음으 로 평균 엽록소가 15.7%, 최대 수온이 10.5%의 기여도를 보 였다. 평균과 최소 수온이 각각 4.9%와 1.4%의 기여도를 보 였으며, 최대 및 최소 엽록소는 각각 9.7%와 0.3%의 기여도 를 보였다 (Table 3).

    유령멍게 (C. robusta)의 잠재 서식지 및 분포는 동해안과 제주도 연안 지역 그리고 남해안 일부 지역이 가장 높았으며, 서해안이 가장 낮았다 (Fig. 2). 이와 같은 모형의 예측 결과는 현재 야외조사에서도 서해안 지역에서 유령멍게 (C. robusta) 의 서식이 확인되고 있지 않은 것과 일치하였다. 동해 (32~34 psu), 남해 (31~34psu), 그리고 서해 (28~32psu)의 연중 염도 변동을 고려할 때 서해의 낮은 염도 조건이 유령멍게 (C. robusta) 가 분포 및 확산하는데 적합하지 않은 것으로 판단되 며, Kim et al. (2018)의 유령멍게 (C. robusta)의 알 발육 실험 에서도 유사한 결과를 보여주었다.

    RCP 4.5와 RCP 8.5 각각의 시나리오에 따른 분석 결과, 염 도는 현재와 2040~2050년, 2100년에 차이를 보이지 않았으 며, 또한 최대, 평균, 최소 해수표면온도의 경우도 모두 RCP 4.5의 2040~2050년과 2100년에 차이가 없었다. 그러나 RCP 8.5에서 최대, 평균, 최소 해수표면온도는 2100년이 2040~ 2050년 보다 각각 약 2°C 높아지는 경향을 보였다 (Tyberghein et al. 2012). RCP 8.5에서 수온의 차이를 보였지만 유 령멍게 (C. robusta)의 분포에는 큰 영향을 주지 않았으며, 유 령멍게 (C. robusta)는 현재와 유사하게 동해안과 제주도 연안 그리고 남해안 일부에 분포할 것으로 예상된다. 또한 2040~ 2050년 그리고 2100년에는 RCP 4.5와 RCP 8.5 모두 공통적 으로 울릉도까지 잠재적 서식지가 확대되는 것을 확인할 수 있었으나 서해로는 유령멍게 (C. robusta)가 서식할 수 있는 잠재적 서식지가 확대되지 않을 것으로 예상된다. 분포 및 잠 재 서식지는 동해안의 모든 연안과 제주도의 모든 연안에 및 남해안의 일부 연안에서 가장 높게 확인되었으며, 서해안은 연안 중 제일 낮게 확인되었다. 각각의 환경변수에 대한 반 응곡선 (Response curve) 결과 수온이 높아짐에 따라 유령멍 게 (C. robusta)의 분포가 확대될 것으로 나타났으며, 염도는 Kim et al. (2018)의 연구에서 밝힌 최적 염도 (32~34psu)와 유사한 결과를 나타내어 최적 염도일 때 분포가 확대될 것으 로 나타났다 (Fig. 3).

    결과적으로 유령멍게 (C. robusta)의 분포 및 잠재서식지에 는 염도가 가장 중요한 환경 변수로 작용하였으며, 2040~2050 년과 2100년의 유령멍게 (C. robusta)의 분포 및 잠재 서식지 는 분포에 가장 큰 기여도를 보이는 염도의 변화가 없어 현 재와 유사하게 동해안 모든 연안과 제주도 전 연안에 분포할 것으로 분석되었다.

    본 연구에서는 MaxEnt 종분포 모형을 통해 유령멍게 (C. robusta)의 분포 및 잠재 서식지를 확인하였으며, RCP 시나 리오에 따른 미래에도 현재와 유사한 분포 양상을 보이는 것 으로 추정되었다. 현재 유령멍게 (C. robusta)는 서해안을 제 외한 동해안 및 남해안 연안 그리고 제주도는 이미 분포하고 있어 동해안, 남해안 및 제주도는 확산에 대한 방제 및 관리 가 어려운 실정이다. 그러나 아직 분포가 확인되지 않은 서해 안 또는 울릉도 지역에 대한 유령멍게 (C. robusta)의 분포 및 잠재 서식지의 대한 지속적인 모니터링과 현장 조사가 필요 하며, 확산하는데 영향을 미치는 매개체들에 대한 관리 방안 이 필요할 것으로 생각된다. 더불어 유령멍게 (C. robusta)뿐 만 아니라 다른 기타 해양 외래 침입 교란 생물의 지속적인 모니터링과 관리 방안이 필요할 것으로 사료된다.

    사 사

    본 연구는 2018년 해양수산부 재원으로 한국해양과학 기 술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구임 (2018년도 해양생태 계 교란생물과 유해해양생물의 관리기술개발-20130265).

    Figure

    KJEB-36-687_F1.gif

    Area under curve (AUC) obtained by the receiver operating characteristic (ROC) curve of the species distribution model of Ciona robusta.

    KJEB-36-687_F2.gif

    Potential habitats and distribution of Ciona robusta predicted by RCP scenario (4.5 and 8.5).

    KJEB-36-687_F3.gif

    Response curves of Ciona robusta for present environmental variables.

    Table

    Collected regions of Ciona robusta

    Environmental variables used in this study

    Contribution analysis and permutation importance of environmental variables for the prediction of potential habitat of Ciona robusta

    Reference

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