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ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.48 No.4 pp.229-237
DOI : https://doi.org/10.11614/KSL.2015.48.4.229

Prediction Model of Pine Forests’ Distribution Change according to Climate Change

Tae-Geun Kim, Youngho Cho1, Jang-Geun Oh*
Korea National Park Services, Seoul 04212, Korea
1Institute for Phylogenomics and Evolution, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea
Corresponding author: Tel: +82-2-3279-2871, Fax: +82-2-3279-2804, jgoh@knps.or.kr
September 22, 2015 November 3, 2015 November 13, 2015

Abstract

This study aims to offer basic data to effectively preserve and manage pine forests using more precise pine forests’ distribution status. In this regard, this study predicts the geographical distribution change of pine forests growing in South Korea, due to climate change, and evaluates the spatial distribution characteristics of pine forests by age. To this end, this study predicts the potential distribution change of pine forests by applying the MaxEnt model useful for species distribution change to the present and future climate change scenarios, and analyzes the effects of bioclimatic variables on the distribution area and change by age. Concerning the potential distribution regions of pine forests, the pine forests, aged 10 to 30 years in South Korea, relatively decreased more. As the area of the region suitable for pine forest by age was bigger, the decreased regions tend to become bigger, and the expanded regions tend to become smaller. Such phenomena is conjectured to be derived from changing of the interaction of pine forests by age from mutual promotional relations to competitive relations in the similar climate environment, while the regions suitable for pine forests’ growth are mostly overlap regions. This study has found that precipitation affects more on the distribution of pine forests, compared to temperature change, and that pine trees’ geographical distribution change is more affected by climate’s extremities including precipitation of driest season and temperature of the coldest season than average climate characteristics. Especially, the effects of precipitation during the driest season on the distribution change of pine forests are irrelevant of pine forest’s age class. Such results are expected to result in a reduction of the pine forest as the regions with the increase of moisture deficiency, where climate environment influencing growth and physiological responses related with drought is shaped, gradually increase according to future temperature rise. The findings in this study can be applied as a useful method for the prediction of geographical change according to climate change by using various biological resources information already accumulated. In addition, those findings are expected to be utilized as basic data for the establishment of climate change adaptation policies related to forest vegetation preservation in the natural ecosystem field.


기후변화에 따 른 소나무림 분포변화 예 측모델

김 태근, 조 영호1, 오 장근*
국립공원관리공단 보전정책부
1경북대학교 계통진화유전체학연구소

초록


    Korea National Park Service

    서 론

    기후변화가 생태계에 미치는 영향은 전 세계적으로 진 행되고 있으며, 이로 인한 생물 다양성의 감소를 해결하기 위한 국가적인 차원의 노력이 이루어지고 있다. 기후변화 에 관한 정부 간 협의체 (IPCC)의 5차 평가 보고서는 기후 변화가 지금 같은 추세로 진행되면 2081∼2100년에는 지 구 평균기온이 1986∼2005년에 비해 3.7°C 오를 것으로 전망한다 (IPCC, 2014). 이러한 급격한 기온 상승은 야생생 물의 6종 중 1종이 멸종위험에 직면하게 하고, 점차적으로 고지대와 고위도로 이동을 초래할 것이다 (Mark, 2015). 산 림식생에서도 기온과 강수량이 증가함에 따라서 활엽수림 이 북상하고 남쪽 지역의 침엽수림이 활엽수 혼효림으로 변화할 것이며, 미래에는 활엽수림과 혼효림이 증가하고 침엽수림은 감소할 것으로 예상된다 (Shin et al., 2012).

    우리나라 산림지역에 분포하는 대표적인 수종으로 전체 산림의 25%정도를 차지하는 소나무 (Pinus densiflora Sieb. et Zucc.)는 현재 지속적으로 감소하는 추세에 있다 (Korea Forest Service, 2014). 이는 소나무재선충, 솔잎혹파리 등 의 병해충과 산불피해로 인한 분포면적의 감소, 기후변화 의 영향으로 자연천이 과정 중에 신갈나무, 상수리나무 등 낙엽활엽수종의 세력에 의한 쇠퇴 (Kwon, 2003), 또한 산 림토양 내 비옥도가 높아질 경우 낙엽활엽수림으로 천이 가 진행되어 결국 소나무림은 국소적인 분포를 할 수밖에 없는 데 기인할 수 있다 (Seo et al., 2013). 이러한 감소 추 세에 자연지역과 도심지역에서 소나무림의 보전을 위한 생태적 관리 방안에 대한 다양한 연구를 통한 서식지의 개 선 노력이 이루어지고 있다 (Lee et al., 2009). 이를 위해서 소나무림의 적합한 서식환경 특성에 대한 이해와 함께 정 확한 공간적인 정보가 필수적이다. 최근 생태적 지위개념 을 기반으로 한 종 분포 모델을 이용하여 식생, 지형, 기후 등 다양한 환경요인에 따른 야생 동·식물의 잠재적인 분 포를 예측하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다 (Williams et al., 2009; Chun and Lee, 2013; Chardon et al., 2014). 그 러나 우리나라에서 소나무에 관한 연구는 자연지역과 도 시지역에서의 천이에 대한 내용과 병해충의 피해 및 식생 의 군집구조에 관한 연구가 대부분이고 (Bae and Lee, 1999; Lee et al., 2003; Lee et al., 2006; Lee et al., 2009), 기후변 화를 포함한 다양한 환경요인에 의한 소나무림의 분포 변 화에 대한 연구는 일부 진행 중에 있으나 매우 미흡한 실 정이다 (Shin et al., 2012; Seo et al., 2013).

    본 연구는 보다 정확한 소나무림의 분포현황을 이용하 여 소나무림을 효과적으로 보전관리하기 위한 기초자료를 제공하고자, 기후변화에 따라서 남한지역에 서식하고 있는 소나무림의 지리적 분포 변화를 예측하고 소나무림의 연 령대별 분포 특성의 차이를 평가하고자 한다. 이를 위해 최 근 종 분포 변화를 예측하는 데 유용성이 검증된 MaxEnt 모델을 현재와 미래 시기의 기후변화 시나리오 자료에 적 용하여 소나무림의 잠재적인 분포 변화를 예측하고 연령 대별 분포면적과 변화에 미치는 생물기후 변수의 영향을 분석하였다.

    재료 및 방 법

    1.연구지역 및 방법

    남한지역에서 기후변화에 따른 소나무림의 잠재적 분포 지역의 변화를 예측하고, 연령별 소나무림의 공간적 분포 특성을 살펴보기 위해서 MaxEnt 종 분포 모델을 이용하였 다 (Phillips et al., 2006). 이를 위해 RCP 8.5 기후변화 시나 리오 자료에서 소나무림 지역에 대한 현재와 미래 시기의 기후자료를 추출한 다음, MaxEnt 모델에 적용하여 예측된 소나무림의 잠재적인 분포면적의 차이를 영급별로 분석 하였다. MaxEnt 모델은 생태적 지위 개념을 기반으로 하 고, 생물종이 출현하는 위치의 식생, 지형, 기후 등 다양한 환경 특성만을 이용하는 모델로서 기계학습방법 (machine learning method) 중 하나이다 (Phillips et al., 2006). 이 모 델은 생물지리학, 보전생물학 등 다양한 생태학적 연구에 서 널리 활용되며, 적은 수의 위치자료에서도 오차가 작고 안정된 결과가 나오는 모델 수행능력의 우수성이 입증되 었다 (Elith et al., 2006; Boldwin, 2009). 소나무림의 분포 모델은 소나무림이 위치한 지역과 연구지역의 전체에서 나타나는 기후환경의 유사성을 비교하여 소나무의 잠재적 인 분포가능성을 0에서 1의 범위를 갖는 확률로서 표현되 는 히트맵 (heat map) 형태의 자료를 생성한다. 1에 가까울 수록 분포가능성이 높다는 것을 의미한다. 모델의 정확도 는 ROC 커브면적 (The Area Under the Curve of Receiver Operating Characteristic, AUC of ROC)을 이용하여 평가 하였다 (Fielding and Bell, 1997). 이는 민감도와 1-특이도 의 상호관계를 이용하여 출현지역과 비 출현지역을 판별 하는 모델의 능력을 평가하는 척도이다. 민감도는 참값을 얼마나 참값으로 예측하는지에 대한 특성을 나타내고, 1- 특이도는 거짓을 참으로 잘못 예측하는지를 나타내는 특 성이다. AUC값 0.5는 우연의 결과에 의해 나타나는 결과 이고 1.0은 완벽한 판별능력을 갖는 결과를 나타낸다. 예 측된 소나무림의 분포지역에 영향을 주는 생물기후 변수 의 중요도는 Jackknife 검증을 통해서 평가하고 (Phillips et al., 2006), 기후변화에 따라서 연령별 소나무림의 분포지 역의 크기는 현재와 미래의 두 시기로 구분하여 확장지역 과 축소지역으로 비교하였다. 예측된 분포지역의 변화는 현재 시기와 미래 시기의 적합지역의 면적의 차이를 현재 시기의 적합지역으로 나눈 변화율을 통해서 비교하였다. 이를 위해서 모델에서 예측된 서식확률 50%를 기준으로 소나무림의 서식 적합지역과 부적합한 지역으로 구분하여 평가하였다.

    기후변화에 따른 소나무림의 분포 변화에 대한 분석은 MaxEnt 3.3.3k (Phillips et al., 2006) 및 ArcGIS 10.0 (ESRI, 2011) 프로그램을 이용하였고, 통계적 분석은 R-3.2.0 통계 패키지를 이용하였다 (R Core Team, 2015).

    2.소나무림 위치자료

    소나무림의 위치정보는 산림청에서 제작하고 배포한 1 : 25,000 축척의 제4차 수치 임상도에서 추출하였다. 수치 임상도는 국가산림자원조사의 일환으로 전국의 산림 분포 를 수치지도 형태로 제작된 국가 산림지도이다.

    MaxEnt 모델은 소나무림이 위치한 지점에 대한 환경정 보를 이용하기 때문에 소나무림이 구획된 면 형태의 수치 임상도에서 점 형태의 자료를 추출하였다. 수치 임상도에 서 소나무림으로 구획된 영역들의 평균 크기를 기준으로 일정한 간격마다 포인트를 생성한 다음, 소나무림에 포함 되는 포인트만을 이용하여 MaxEnt 모델을 수행하였다. Fig. 1처럼 연령대별 소나무림이 출현하는 위치자료는 수 치 임상도의 영급정보에 따라서 구분된 소나무림으로 구 획된 지역과 1 km2 크기의 격자가 중첩되는 격자의 중심점 으로 하였다. 수치 임상도의 영급정보는 10년 단위로 입목 의 수관 점유비율이 50% 이상인 산림을 1영급 (1~10년생), 2영급 (11~20년생), 3영급 (21~30년생), 4영급 (31~40년 생), 5영급 (41~50년생), 그리고 6영급 (51년생 이상)의 6단 계로 구분한다.

    3.기후자료

    소나무림의 기후변화에 따른 분포 변화를 평가하기 위 해서 현재와 미래에 대한 기후자료가 요구된다. 본 연구에 서는 WorldClim 웹사이트에서 제공되고 있는 19개 생물기 후 변수 (bioclimatic variables)를 이용하였다 (WorldClim, 2005). 이 자료는 기온과 강수량을 기초로 하여, 전 세계 지역을 대상으로 기온의 경향성, 계절성, 그리고 극한성 등 생물학적인 의미를 갖는 자료 (Table 1)로 제공되며 다양한 공간해상도를 갖는다.

    현재 시기의 기후자료는 장기간 (1950~2000) 동안 관 측된 기상자료에 thin-plate smoothing spline 보간법을 적 용하여 생성되고, 공간해상도가 30arc-seconds (약 1 km) 인 자료를 이용하였다 (Hijmans et al., 2005). 소나무림의 미래 분포를 전망하기 위해서 접합대순환모델 (Coupled- Model Intercomparison Project Phase 5, CMIP5) 중 하나인 HadGEM2-AO 모델에서 생성된 2050년대 (2040~2060)와 2070년대 (2060~2080)의 RCP 8.5 시나리오 자료를 이용 하였다. RCP 8.5는 IPCC 5차 평가 보고서에서 채택한 온 실가스 배출 시나리오 중 온실가스 감축 노력 없이 현재 추세로 온실가스가 배출되어 미래 기후변화가 가장 클 것 으로 전망되는 자료이고, 복사강제력이 2100년에까지 지 속적으로 증가되는 8.5 Wm-2 이상이 되며, CO2 농도는 940 ppm 이상이 되는 시나리오이다 (IPCC, 2013).

    결과 및 고 찰

    생물기후 변수 19개에 Maxent 모델을 적용하여 현재 시 기의 연령대별 소나무림의 분포를 예측한 정확도를 나타 내는 AUC 값은 평균 0.963 (SD=0.006)이였다. 이는 소나 무림의 분포를 설명하는 매우 유용한 모델로 평가될 수 있 다 (Swets, 1988; Phillips et al., 2006).

    소나무림의 잠재 분포지역의 면적 변화와 지리적인 이 동방향은 모델에서 예측된 서식확률 50%를 기준으로 서 식 적합지역과 부적합한 지역의 2단계로 서식등급을 구분 하고, 현재 시기의 적합지역 면적과 미래 시기의 적합지역 면적의 차이를 다시 현재 시기의 적합지역의 면적으로 나 눈 변화율을 이용하여 평가하였다.

    현재 시기에 20년생이 42,556.9 km2로 적합지역의 면적 이 가장 크고, 50년대와 70년대에는 40년생이 각 13,454.5 km2, 10,270.0 km2로 적합지역의 면적이 가장 큰 것으로 나타났다.

    2050년대에는 현재 시기에 비해서 소나무림의 적합지역 이 10년생 미만에서 4,435.1 km2, 10년생은 13,111.7 km2, 20년생은 34,824.5 km2, 30년생은 31,482.3 km2, 40년생은 7140.8 km2, 50년생 이상은 4468.7 km2 감소하는 것으로 나타났다. 이 중에서 적합지역으로 유지되는 면적비율은 12.7%, 12.9%, 11.8%, 19.0%, 31.5%, 그리고 39.8%로 각 연령대별 나타났다. 또한, 현재 시기 적합지역과 비교해서 2050년대에 새로운 지역으로 확장한 면적비율은 각 연령 대별 44.7%, 35.7%, 6.4%, 5.9%, 33.9%, 그리고 26.1%로 나타났다.

    2070년대에는 현재 시기 대비 가장 많이 감소한 지역은 20년생의 소나무림 (96.9%)이고, 다음으로 50년생 이상의 소나무림 (91.6%), 10년생 (90.5%), 30년생 (89.3%), 40년생 (86.9%), 그리고 10년생 미만 (82.5%)의 순으로 나타났으 며, 유지되는 지역은 10년생 미만 (17.5%), 40년생 (13.1%), 30년생 (10.7%), 10년생 (9.5%), 50년생 이상 (8.4%), 그리 고 20년생 (3.1%) 순으로 나타났다. 연령대별 각각 28.1%, 12.4%, 3.6%, 6.9%, 36.7%, 그리고 25.5%만큼 새로운 지 역으로 확장하였다 (Table 2).

    전반적으로 남한지역에서 10~30년생의 소나무림의 잠 재적 분포지역이 상대적으로 많이 감소하는 것으로 나타 났다. 현재에서 미래로 갈수록 소나무림에게 적합한 지역 의 대부분이 감소하는데, 연령대별 소나무림에게 적합한 지역의 면적이 클수록 감소 지역은 커지고, 확장되는 지 역은 작아지는 경향으로 나타났다. 이는 기온 상승에 따른 소나무림의 분포지역이 감소할 것으로 전망한 기존 연구 (Seo et al., 2013)와 유사한 결과로서 기후환경의 변화가 소나무림의 분포 변화에 중요한 요소일 수 있다. 또한 Table 3에서 빨간 색상으로 표시된 미래의 감소 지역은 현재 시 기에서 연령대별 서식 적합한 지역의 대부분이 중복되는 지역으로서 유사한 기후환경에서 소나무림의 연령대별 상 호작용이 상호 촉진 관계에서 경쟁적인 관계로 변하는 데 기인될 것으로 추측된다 (Brooker, 2006).

    소나무림의 잠재적 분포지역이 미래 시기에 축소되거나 확장되는데 미치는 기후변수의 영향은 연령대별 소나무림 이 위치한 지역의 기후환경 특성에 따라 다르게 나타났다. 분포 변화에 미치는 영향력이 10% 이상인 생물기후 변수 를 살펴보면, 10년생 미만이 경우 BIO16 (20.7%), BIO11 (11.2%)이고, 10년생은 BIO17 (23.1%), BIO11 (15.4%), BIO04 (13.0%)이고, 20년생은 BIO17 (29.3%), BIO16 (24.4%), BIO11 (11.4%)이고 30년생은 BIO17 (46.3%), BIO16 (11.4%)이고 40년생은 BIO17 (44.2%), BIO1 (16.2 %)이고, 50년생 이상은 BIO12 (38.0%), BIO17 (18.3%), BIO14 (11.7%)이다 (Table 4).

    10년생 미만인 소나무림은 최고 우기의 강수량 (BIO16), 10년생에서 40년생의 소나무림은 최고 건기의 강수량 (BIO17), 그리고 50년생 이상인 소나무림은 연강수량 (BIO12)에 가장 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 30년생 미만인 소나무림은 강수량 이외에도 최고 한기의 기온 (BIO11)에 대한 영향을 받는 것으로 나타나고, 30년생 이 상에서는 기온보다는 강수량에 의한 영향이 주로 나타났 다. 또한 최고 건기의 강수량에 의한 소나무림의 분포 변 화에 대한 영향은 연령대와 상관없이 나타났다. 전반적으 로 기온변화보다 강수량이 소나무림의 분포에 더 영향을 주고, 소나무의 지리적인 분포 변화는 평균적인 기후 특성 보다 건조한 시기의 강수량과 최고 한기의 기온과 같이 기 후의 극한성에 영향을 더 받는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 향후 기온 상승에 따른 수분결핍이 증가하여 결국 생장과 생리반응에 영향을 주는 가뭄과 연관된 기후환경 이 소나무림의 감소를 초래할 것으로 예상된다 (Lee et al., 2004; Kim et al., 2014).

    적 요

    본 연구는 보다 정확한 소나무림의 분포현황을 이용하 여 효과적으로 소나무림을 보전관리하기 위한 기초자료를 제공하는 데 목적이 있다. 따라서 본 논문은 기후변화에 의 한 남한지역에 서식하고 있는 소나무림의 지리적 분포 변 화를 예측하고 연령대별 소나무림의 공간적 분포 특성을 평가하고자 한다. 이를 위해서 종 분포 변화를 예측하는 데 유용한 MaxEnt 모델을 현재와 미래 시기의 기후변화 시나리오 자료에 적용하여 소나무림의 잠재적인 분포 변 화를 예측하고, 연령대별 분포면적과 변화에 미치는 생물 기후 변수의 영향을 분석하였다.

    소나무림의 잠재적 분포지역은 남한지역에서 10~30년 생의 소나무림이 상대적으로 많이 감소하는 것으로 나타 났으며, 연령대별 소나무림에게 기후적으로 적합한 지역의 면적이 클수록 감소 지역은 커지고, 새롭게 확장되는 지역 은 작아지는 경향으로 나타났다. 이는 서식 적합한 지역의 대부분이 중복되는 지역으로서 유사한 기후환경에서 소나 무림의 연령대별 상호작용이 상호 촉진 관계에서 경쟁적 인 관계로 변하는 데 기인할 것으로 추측된다.

    기온변화보다 강수량이 소나무림의 분포에 더 큰 영향 을 주고, 소나무의 지리적인 분포 변화는 평균적인 기후 특성보다 건조한 시기의 강수량 및 최고 한기의 기온과 같 이 기후의 극한성에 영향을 더 받는 것으로 나타났다. 특 히 최고 건기의 강수량에 의한 소나무림의 분포 변화에 대 한 영향은 연령대와 상관없이 나타났다. 이러한 결과는 향 후 기온 상승에 따른 수분결핍이 증가하여 결국 생장과 생 리반응에 영향을 주는 가뭄과 연관된 기후환경이 조성되 어 소나무림의 감소를 초래할 것으로 예상된다.

    본 연구에서 유도된 결과는 기존에 구축된 다양한 생물 자원 정보를 활용하여 기후변화에 따른 지리적인 변화를 예측하는 데 유용한 방법으로 적용될 수 있고, 자연생태계 분야에서 산림식생보전과 관련된 기후변화 적응정책 수립 에 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.

    Figure

    KSL-48-229_F1.gif

    The extraction of x and y coordination of pine forests. P is for pine forests and Q is for Quercus forests. “*” is occurrence data used for generating the distribution model.

    Table

    List of bioclimatic variables used in the modeling.

    Suitable area according to forest age class and time (units: km2).

    Potential distribution change of pine forest according to forest age and time.

    Variables contribution (%) with forest age.

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