생물다양성 지표 및 환경유전자 모니터링 기법을 활용한 도시생태계 평가 연구 = Urban ecosystem assessment using biodiversity indicators and environmental DNA-based monitoring techniques

국문 초록 (Abstract)

인간 활동으로 광범위한 생태계 변화가 발생하고 지난 몇 세기 동 안 전 세계적으로 생물다양성이 심각하게 위협받고 있다. 특히 도시 생태계의 경우 도시가 고도화됨에 따라 생물다양성을 위한 녹지공간 의 중요성이 지속적으로 확대되고 있다. 이 때 생태계의 변화 양상을 파악하는 것은 생물다양성 위협을 파악하고 관리하는 데 필수적이다. 도시생태계에서 생물다양성 평가는 생물종의 종류와 개체 수뿐만 아니라, 생태계서비스의 양과 질, 생태계 기능 등의 요소도 함께 고려 되어야 한다. 이를 위해 지표 개발과 평가, 현장 조사, 분자 생물학 기술을 활용한 생물다양성 평가, 위성 이미지 분석 등 다양한 방법이 활용되고 있다. 하지만 제한된 시간, 경제, 전문인력 등의 한계로 더 욱 효율적인 도시 생물다양성 모니터링 및 평가 방법이 필요하다. 또 한 의사결정자나 관리주체가 생태적으로 중요한 도시생태계 공간을 식별하고, 행동을 신속히 이행하려면 평가 결과를 직관적으로 활용할 수 있는 방법이 필요하다. 이에 본 연구의 목적은 도시생태계의 녹지공간을 통합적으로 평가 하고, 효율적인 모니터링 및 관리 방안을 제시하는 데 있다. 도시의 녹지공간 중 생물다양성 관점에서 중요한 공간들을 유형별로 고려하 고자 하였다. 이에 도시 내 생태복원 대상지, 소규모 생태 패치, 생태 공원 등 다양한 규모와 목적의 녹지공간을 대상으로 연구를 진행하였 다. 또한 데이터 기반의 공간적/서식지 분석 및 생물상 기반의 분석 방법을 수행하여 도시생태계를 생태계 다양성, 생물종 다양성 관점에 서 모니터링하였다. 각 단계와 규모에 적합한 지표를 선정하였으며, 이를 통해 도시생태계의 생태적 특성을 평가하는 통합적인 방안을 제 안하고, 관리 방안을 제시하였다. 이에 본 연구의 경우 크게 두 가지 로 구성된다. 첫 번째로 데이터 기반으로 생태적/서식지 종합 평가를 수행했다. 도시생태계 내의 훼손지 및 생태복원 대상지를 위한 복원 진단평가틀 을 구축하고 실제 대상지에 적용하여 복원의 성과를 분석하였다. 문 헌에서 도출된 평가 프레임을 기반으로 3개 범주, 10개 지표 및 13개 하위 지표를 제안하였다. 복원성과의 정량적 평가 사례에서는 5개의 생태복원 대상지를 대상으로 연결성 분석과 서식처 질 분석을 수행하 였다. 결과로 2개의 중규모 복원 대상지의 서식지 질이 45% 증가하 고 생태 연결성이 37% 증가하였으며, 3개의 소생태계 복원 대상지에 서는 서식지 질이 약 12% 증가하고 생태 연결성이 약 19% 증가하였 다. 이는 토지피복 및 토지이용을 개선함으로써 단기간에도 훼손 지 역의 생태 연결성과 서식지 질을 향상할 수 있다는 점을 시사한다. 생태복원을 진행할 때 대상지의 규모가 클수록 복원 효과가 큰 것이 정량적으로 확인되었으나, 소규모 대상지여도 동물종 서식처 가능성 등 생태적 기능 부분에서 주변 산림 및 녹지와의 연결성 확대 등을 통해 단기간에 복원 효과를 나타낼 수 있음이 증명되었다. 각 항목 별 결과를 봤을 때, 비교적 토양, 식생 도입을 통한 생태기반 조성, 파편화 개선, 주변과의 생태적 연결성 증진 등 단기간에 달성될 수 있는 성과 항목이 있는 반면, 주요 동식물의 지속적인 서식 관리, 천 이 유도를 통한 주변환경과의 유사성 증가, 생태계의 안정된 구조형 성 등의 기능적 항목은 개선의 효과가 부족한 것을 확인하였다. 생태 계가 안정되기 위해서는 최소 10년 이상의 기간이 소요되는 중장기적 유지관리를 통해 평가 가능한 성과 항목들이 있어, 이러한 항목들을 고려하여 사후관리를 지속적으로 이어갈 필요가 있다. 또 다른 도시생태계 공간인 소규모 생태패치를 평가하기 위해 생태 적 설계지표와 토지이용도를 활용한 평가를 수행하였다. 서울시 내 30개의 근린공원을 대상으로 생태적 설계지표와 입지특성에 따른 생 태성을 분석하였다. 문헌연구에 기반하여 산지형(산과 접해 있는 곳, 자연 지형 공원)과 도심형(300m 이내에 숲이 없고 독립적으로 위치한 공원)으로 분류하였다. 도심형 공원은 평균 점수 16.86(±6.84)을 가지 고 있었으며, 산지형 공원은 35.94(±11.05)로 유의한 차이가 있었다. 토지피복 기반 서식처 질(HQ) 값도 도심형 공원이 평균 점수 0.33(±0.07), 산지형 공원이 0.53(±0.13)으로 유의한 차이가 있었다. 이 는 입지적 특성에 따라 공원의 기본적인 생태적 잠재성이 다르다는 것을 의미한다. 즉 공원의 생태성을 결정하는데 설계 요소와 입지의 두 요소 중 공원의 입지가 설계에 비해 더 큰 영향을 나타내고 있다 는 것으로 판단되었다. 하지만 도심형 공원의 경우에도 내부 공간의 생태적 설계로 인하여 서식처 질과 생태적 평가 점수가 높게 평가되 었다. 이는 높은 생태성을 가진 패치의 경우 입지를 중심으로 계획되 어야 하지만 차선책으로 관리 측면에서 생태적 설계지표를 통한 목표 가 설정되고 적용됨으로써 공원의 생태성을 높이는 것이 가능하며 이 러한 방향으로의 유지관리가 필요함을 시사한다. 데이터 기반의 생태적/서식지 종합 평가 결과, 공원의 생물다양성에 대한 전반적인 평가와 관리 방안에 대해 제시하였다. 하지만 평가 과 정에서 도시 생물종에 대한 활용 데이터 부족의 문제가 발생하였으 며, 생물종 모니터링에 효율적인 방안이 요구되었다. 생물종 모니터링 은 다양하게 수행되고 있으나, 도시생태계 내의 작은 소규모 생태패 치들을 모두 조사하기에는 시간, 경제적 인력적 한계가 있다. 도시생 태계는 인위적 영향이 가장 높은 공간으로 녹지 파편화 정도가 높고, 이에 따라 공간마다 환경의 생태적인 특성이 다르다. 세부 공간마다 외래종의 출현과 주요 핵심종의 출현 여부가 다르며 이 때문에 도시 생태계는 미소 서식처에 대한 모니터링이 더욱 필요하다. 특히 포유 류와 조류종은 서울시 내 주요 목표종과 핵심종으로, 해당 동물의 출 현 여부는 도시 내 녹지공간의 생물다양성을 평가할 수 있는 중요 지 표로 정확한 모니터링이 필요하다. 이에 두 번째 연구 주제로 도시생태계 내의 생태공원을 대상으로 eDNA를 활용한 포유류 및 조류종 모니터링 연구를 진행하였다. 환경 DNA란 물, 흙, 공기 등 환경에 있는 유전적 물질로, 각각의 종마다 고유적으로 가지고 있는 정보이기 때문에, 환경 DNA 분석을 통해 전 통적 방법으로 탐지하기 어려운 희귀종이나 파악하기 어려운 종을 탐 지할 수 있다. 본 연구에서는 eDNA를 활용하여 도시생태계 동물의 서식처로 작용가능한 길동생태공원에서 생물 종 다양성을 모니터링하 였다. 1년동안 5회의 반복적 샘플링, 65개의 샘플링 분석으로 포유류 의 79%를 검출하였고, 조류 우점종의 67%를 검출하였다. 미소 서식 처 별 차이를 관찰하기 위해 대상지 내 습지구역과 산림구역의 비교 분석을 수행하였고, 생물종의 출현 비율의 경우 구역별 차이는 없지 만 종의 검출량이 습지 지역에서 더 높게 나타남을 분석하였다. 최종적으로 도시생태계 데이터 기반의 생태적/서식지 종합 평가와 eDNA를 활용한 생물다양성 결과의 활용 방안을 제안하고자 하였다. IUCN에서 제안하는 생태계의 위기 평가(Risk List of Ecosystem(RLE)) 및 토지 유형 분류인 GET(Global Ecosystem Typology)등의 국내 시범 적용을 통해 도시생태계의 생태계 가치 평 가와 종 모니터링 등의 결과 활용이 필요함이 시사되었다. 본 연구의 결과인 데이터 기반의 생태계 평가와, 공간평가, eDNA를 활용한 생 물종 모니터링을 통합한다면 향후 도시생태계의 보전가치 등급을 평 가하는 비오톱 지도 및 국토환경성평가지도 등의 기초 자료로서 활용 성이 높을 것이다.
주요어 : 생물다양성 평가, 평가지표, 도시생태계 모니터링, 훼손지 복원성과 평가, 환경유전자

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent centuries, extensive ecological changes resulting from human activities have posed a serious threat to global biodiversity. Particularly, the importance of green spaces for biodiversity in urban ecosystems has been continually emphasized as cities advance. Understanding the patterns of ecosystem changes is essential for recognizing and managing biodiversity threats. Biodiversity assessment in urban ecosystems should consider not only the types and numbers of species but also factors such as the quantity and quality of ecosystem services and ecological functions.
This study aims to comprehensively assess green spaces in urban ecosystems and propose efficient monitoring and management strategies. The research focuses on various types of green spaces, such as urban ecological restoration sites, small-scale ecological patches, and ecological parks. Spatial and habitat analyses based on data and biological analyses were conducted to monitor urban ecosystems in terms of ecosystem diversity and species diversity. Appropriate indicators were selected for each stage and scale. The study proposes an integrated approach to evaluating the ecological characteristics of urban ecosystems, suggesting management strategies based on the evaluation results.
The research is divided into two main parts. Firstly, a data-based evaluation was performed. A restoration diagnostic assessment framework for damaged areas and ecological restoration sites within the urban ecosystem was constructed and applied to assess restoration outcomes. Based on a literature review, 3 categories, 10 indicators, and 13 sub-indicators were proposed. A quantitative evaluation of restoration outcomes was conducted for five restoration sites, revealing a 45% increase in habitat quality and a 37% increase in ecological connectivity for two medium-scale restoration sites. For three small-scale restoration sites, habitat quality increased by 12%, and ecological connectivity increased by 19%. This indicates that improving land cover and land use can enhance habitat quality and ecological connectivity in damaged areas over a short period.
Secondly, to evaluate small-scale ecological patches, ecological design indicators and land use data were utilized. Thirty urban parks in Seoul were analyzed for ecological design indicators and ecological characteristics based on their location. Classified into ‘Adjacent to mountain’ (parks adjacent to mountains, natural terrain parks) and ‘Isolate in Urban area’ (parks located within 300m without forests, independently positioned parks). The parks isolated in urban area scored an average of 16.86 (±6.84), while parks adjacent to mountain scored 35.94 (±11.05), showing a significant difference. Land cover-based habitat quality (HQ) values also demonstrated a significant difference, with parks isolated in urban area having an average score of 0.33 (±0.07) and parks adjacent to mountain having 0.53 (±0.13). This indicates that the basic ecological potential of parks differs according to their location. However, even in parks isolated in urban area, ecological design indicators led to high scores for habitat quality and ecological assessment. This suggests that maintaining high ecological patches requires planning based on location but also emphasizes the importance of applying ecological design indicators for management purposes.
The results of the data-based ecological and habitat evaluation provide an overall assessment of small to medium patches biodiversity and propose management strategies. However, challenges arose during the evaluation process due to insufficient data on urban species. Efficient solutions for biodiversity monitoring are required, particularly for small-scale ecological patches in urban ecosystems. Urban ecosystems are highly influenced by human activities, resulting in high fragmentation of green spaces, leading to varying ecological characteristics in different areas. Monitoring of micro-habitats is crucial as the occurrence of invasive species and target species varies across spaces. Especially, mammals and bird species are essential as major target and core species within Seoul. Monitoring their occurrence is a crucial indicator for evaluating urban green space biodiversity.
Therefore as a second research topic, this study conducted monitoring of mammals and bird species using environmental DNA(eDNA) in urban ecological parks within the urban ecosystem. Environmental DNA, found in water, soil, air, etc., contains unique genetic material for each species, allowing the detection of rare or challenging-to-survey species. In this study, eDNA was utilized to monitor the diversity of animal species acting as habitats in Gil-dong Ecological Park over a year, with five repeated samplings and analysis of 65 samples. 79% of mammal species and 67% of dominant bird species were detected. To observe differences in micro-habitats, a comparative analysis of wetland and forest areas within the target site was performed, revealing higher occurrences and abundances of species in wetland areas.
Ultimately, the study proposes ways to utilize the results of data-based ecological and habitat comprehensive evaluation and eDNA-based biodiversity monitoring. The result can used to risk evaluation of ecosystems (Red List of Ecosystem, RLE) and global ecosystem typology (GET) suggested by the IUCN . The integration of the results of data-based ecosystem evaluation, spatial evaluation, and eDNA-based species monitoring is expected to be highly useful as foundational data for evaluating the conservation value of urban ecosystems in the future.
keywords : Biodiversity, Ecological Indicator, Urban ecosystem monitoring, Restoration, Environmental DNA

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 2
• 1.1 연구의 배경과 필요성 2
• 1.1.1 생물다양성과 도시생태계 2
• 1.1.2 도시생태계 생물다양성 평가 3
• 1.2 연구의 목적 ·8
• 1.3 연구의 흐름 11
• 2. 생물다양성 지표를 활용한 도시생태계 평가 12
• 2.1 . 도시생태계 훼손지 및 생태복원 대상지 평가 12
• 2.1.1 연구 배경 12
• 2.1.2 연구 방법 15
• 2.1.3 훼손 및 복원 진단평가틀 도출 및 생태복원대상지 적용 결과 분석23
• 2.1.4 도시생태계 훼손지 및 복원사업 대상지 평가 고찰 37
• 2.2 . 도시생태계 소규모 생태패치 평가 39
• 2.2.1 연구 배경 39
• 2.2.2 연구 방법 43
• 2.2.3 연구 결과 50
• 2.2.4 도시생태계 소규모 녹지패치 평가 고찰 57
• 2.3 생물다양성 지표를 활용한 도시생태계 평가 소결 ·60
• 3. 환경유전자 기법을 활용한 도시생태계 평가 63
• 3.1 환경유전자 기법을 활용한 도시생태계 주요 출현종 군집 모니터링 63
• 3.1.1 연구 배경 63
• 3.1.2 연구 범위 및 방법 ·66
• 3.1.3 연구결과 ·68
• 3.1.4 eDNA 기법을활용한 도시생태계 주요 출현종모니터링 연구 고찰 83
• 4. 고찰 84
• 4.1 도시생태계 평가를 위한 생물다양성 지표와 생물종 모니터링 84
• 4.2 향후 생물다양성 지표 및 모니터링 기법 활용 방향 87
• 4.2.1 도시 생물다양성 지표 활용 ·87
• 4.2.2 생물다양성 평가에 기반한 생태계 위기 등급 평가(IUCN RLE) 88
• 4.2.3 도시생태계의 생태적 가치를 고려한 토지유형 분류 ·92
• 5. 결론 96
• 6. 참 고 문 헌 ·98
• ※본 논문의 일부 내용은 저자의 다음 논문을 인용하고 있음
• 1. 2-1장: 손희정, 김도희, 김나영, 홍진표, 송영근 (2019) 훼손된 도시생태계 생
• 태복원 평가지표 제시 및 복원성과 분석, 한국환경복원기술학회지, 22권 6호
• pp97-114
• 2. 4장: 손희정, 원수연, 전정은, 박은희, 김도희, 한상학, 송영근(2023) 토지피복
• 지도를 활용한 IUCN 생태계유형분류 국내 적용, 한국환경생태학회지, 제37권
• 제3호 pp.209-220
• 3. 2-2장: 손희정, 김나영, 송영근 (2023) 생태적 설계지표와 입지특성에 따른
• 도시공원 생태성 평가, 한국환경복원기술학회지, 26권 4호 pp35-50
• 4. 3장: 손희정, 송영근 (2023) Monitoring of mammal and bird species in an
• urban ecological park using environmental DNA metabarcoding, under major
• revision