1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 연안생태조사
2.2 이상치 검증과 배경 농도
3. 결과 및 토의
3.1 생태 자료의 분포 특성 및 배경 농도
3.2 이상치를 이용한 관리 항목 도출
4. 고 찰
1. 서 론
장기적인 해양 생태계의 진단과 관리를 위해서는 지속적인 모니터링이 요구되며, 우리나라에서는 해양생태계 모니터링을 위하여 해양수산부와 해양환경공단이 주관하는 국가해양생태계종합조사(이하 종합조사)를 수행하고 있다. 종합조사는 우리나라 해양생태계의 현황과 변화를 신속하게 진단하고 평가하기 위하여, 개별적으로 운영되던 기존 해양생태계 관련 조사 사업들을 통합하여 2015년부터 통합/시행되고 있는 우리나라 최대의 해양생태계 모니터링 사업이다.
종합조사는 연안생태조사, 갯벌생태조사, 암반생태조사, 수중생태조사, 근해생태조사 및 바닷새조사로 구성되어있다. 이 중 연안생태조사는 기본조사와 중점조사로 구분되며, 기본조사는 2015년부터 시작하여 홀수 해에는 서해와 남해서부, 짝수해에는 남해동부, 동해 및 제주 해역을 춘계(5월)와 하계(8월)에 총 161개 정점에서 56개의 항목을 조사하고 있다. 또한 중점 조사는 우리나라 주요 하구(한강, 금강, 영산강, 섬진강, 낙동강)와 동해 연안 용승해역에서 매년 4계절 조사가 이루어지고 있다.
국가해양생태계종합조사의 학문적 배경은 적응적 생태계기반관리(Adaptive ecosystem based management) 이론이다(Fig. 1). 생태계의 적응적 관리는 생태계 관리 목적과 목표를 설정하고 생태계 조사 후, 생성된 자료를 이용하여 관리 항목(지표자, indicator)을 도출한다. 관리항목에 대한 관리계획을 수립하고 이를 이행하여 목표가 달성되는지를 평가한 후, 달성된 경우에는 그 계획을 지속적으로 이행하고 달성되지 않을 경우에는 관리계획을 변경하여 다시 실행하는 “적응적” 관리체제이다. 발트해 생태계 기반 적응적 관리(Baltic ecosystem adaptive management; BEAM)는 적응적 관리체계를 통하여 발트 해에서 생태계 관리에 요구되는 연구들을 수행하게 되었고, 통합적인 환경오염관리체계를 구축하게 되었다(Elfwing et al., 2014). 그러나 적응적 관리과정에서 관리항목을 어떻게 도출할지에 대한 방법론이 관건이며, 본 논문에서는 각 정점별로 수집된 항목별 자료를 이용하여 이상치 검증 방법으로 각 해역별 문제점 및 관리 항목을 도출하는 일련의 과정을 정립하고자 한다.
연안생태계에서 관측된 생태 자료는 계절에 따른 변이가 심하고, 외부 오염 및 하천수 유입에 의한 환경 변화 등 복합적인 영향을 받으므로 일반적인 원양의 관측치와는 매우 상이한 분포를 보이며, 특히 극단적으로 높은 이상치(outlier)가 존재한다(Jackson and Chen, 2004). 이러한 이상치로 인하여 생태 자료가 정규분포보다는 비정규분포를 보이므로, 비모수적 통계기법을 적용하면 해석의 오차를 줄일 수 있다(Hirsch and Slack, 1984; Sokal and Rohlf, 1995). 또한 이상치는 연안생태계의 배경 농도(background level)를 산출하는데 많은 영향을 주기 때문에 이상치에 대한 통계적 고려는 생태계 자료를 해석하는데 매우 중요하다(Cousineau et al., 2010). 따라서 이상치 검증에 대한 광범위한 적용 및 해석은 생태계 자료를 분석하는데 매우 유용하며, 이상치를 검증하는 방법도 다변량 분석과 같은 통계 기법을 적용하여 수질 관리에 적용하는 등, 그 범위를 확대하고 있다(Kim, 2018).
본 연구에서는 생태 자료 중 이상치로 나타나는 값들을 도출하고, 그 빈도를 이용하여 생태계 특성의 시공간적 변동과 관리 항목을 도출하는 일련의 과정을 정립하고 그 예시를 제시하였다. 또한 각 측정 항목별로 한반도 연안 해역별 배경 농도를 설정하는 방법도 정립하였다. 위 방법에 따른 최종적인 한반도 연안생태계의 배경 농도와 이상치 검증을 통한 관리 항목 도출은 2020년까지 한반도 연안에 대한 총 3회의 연안생태조사가 완료된 후, 제시될 예정이다.
2. 재료 및 방법
2.1 연안생태조사
본 연구는 종합조사 중 2015년~2017년 연안생태조사 자료를 이용하였으며, 조사 정점의 선정, 시료 채취 및 분석에 이르는 일련의 과정은 “국가해양생태계종합조사 조사지침서”(MOF and KOEM, 2014; 2016)에 따라 수행되었다. 연안생태조사는 2015년에 서해 연안과 남해서부 연안을 조사하였고, 2016년에 동해 연안과 남해동부 연안 및 제주 연안을 조사하였다. 2017년에는 서해 연안과 남해서부 연안 조사를 중심으로 일부 남해동부와 동해 및 제주 연안에서 조사를 수행하여 전체 정점의 75%를 조사하였다. 연안생태조사의 연도별 조사 정점의 위치 및 조사 시기는 종합조사 보고서(해양수산부와 해양환경공단, 2015, 2016, 2017)를 참고하거나, “바다생태정보나라(www.ecosea.go.kr)”에서 열람할 수 있으며, 주요 분석 항목은 Table 1과 같다.
Table 1. Survey parameters of coastal ecosystem in Korea
2.2 이상치 검증과 배경 농도
사분위수 범위(interquartile range; IQR)는 제1사분위수(Q1)와 제3사분위수(Q3)의 차이를 의미하는데, 이것은 자료의 흩어진 정도를 나타내는 척도이다. 따라서 사분위수 범위를 이용하면 자료 관측치 중 다른 값들에 비해 지나치게 크거나, 작은 관측치들인 이상치(outlier)의 존재 여부를 파악할 수 있다. 사분위수를 나타내는 그래프로 이용되는 상자수염(box&whisker) 그래프는 사분위수 범위를 상자의 길이로 나타내고, 이 값에 이상점 계수(outlier constant) 1.5를 곱한 값을 안쪽 울타리(inner layer; IL), 3.0을 곱한 값을 바깥울타리(out layer; OL)로 한다(Fig. 2). 안쪽 울타리와 바깥 울타리의 범위에 속하는 관측치를 이상치(outlier), 그리고 바깥울타리의 밖에 있는 관측치를 극단치(extreme value)로 구분하였다. 본 연구에서는 이상치와 극단치를 통합하여 이상치로, 이상치가 나타난 정점은 이상점으로 명명하였다. 높은 이상치는 IL=Q3+IQR×1.5와 OL=Q3+IQR×3.0으로, 낮은 이상치는 IL=Q1-IQR×1.5와 OL=Q1-IQR×3.0로 계산하였다.
정규분포를 하는 집단에서 임의표본을 취하였을 때 이상치가 나타날 확률은 매우 낮다. 일반적으로 정규분포하는 표본은 안쪽 울타리(IL)의 ±2.698σ가 이상치로 간주되는데 이는 전체 표본의 약 0.35%에 해당된다.
배경 농도는 연안생태조사의 주요 조사 항목 중 전 정점에서 조사된 항목만을 선별하여, 각 해역별/계절별로 항목별 이상치를 검증한 후, 이를 제거하고 산술 평균을 산출하여 제거 전과 비교하였다. 또한 항목별 주요 기술 통계(descriptive statistics)를 제시하여 한반도 연안 생태계의 배경 농도를 예시로 제시하였다.
3. 결과 및 토의
3.1 생태 자료의 분포 특성 및 배경 농도
연안생태조사 자료의 해역별/계절별/항목별로 도수분포를 보면, 대부분의 자료는 비정규분포를 보인다(해양수산부와 해양환경공단, 2017). 예시로서 우리나라 각 해역에서 5월의 용존무기질소 농도 도수분포를 보면, 대부분의 자료는 매우 낮은 농도를 보이고, 일부만 극단적으로 높은 농도를 보여, 왜도(skewness)가 매우 큰 비정규분포를 보인다(Fig. 3). 이와 같은 현상은 모든 연안생태조사 자료의 특성이며, 동일한 시기에 측정된 동서남해 및 제주 연안의 용존무기인, 클로로필-a, 식물플랑크톤 밀도 및 동물플랑크톤 밀도의 도수분포도 같은 현상을 보인다(Figs. 4∼7). 제주 해역이 타 해역에 비하여 낮은 왜도를 보이는 이유는 제주 연안이 타 해역에 비하여 생태적 극단치를 높이는 내외부 요인이 낮음을 의미하며, 타 해역은 하구를 통한 오염물질 및 담수 유입과 육상 활동에 의한 외부 요인으로 생태적 극단치를 높이는 요인이 많음을 의미한다.
따라서 위와 같이 극단적인 비정규 분포를 보이는 생태 자료를 이용하여 생태계 조사 항목별 중앙값을 추정할 경우에 많은 왜곡이 발생될 수 있으므로 이상치의 검증과 처리는 생태 자료의 해석에 매우 중요한 요소이다. 반면 원자료(raw data)로 부터 파생된 각종 생태 지수와 같은 2차 자료는 비교적 정규분포를 보이므로 이상치가 검출되는 경우는 매우 드물다(Fig. 8, Fig. 9).
비정규분포를 나타내는 사례로서 동물 및 식물플랑크톤과 대형저서동물의 밀도를 이용하여 이상치를 분석한 결과, 이상치로 선별된 정점의 수(이상점)는 평균 13.6%로 나타났다. 동물플랑크톤의 밀도는 남해의 경우, 이상점의 수는 12.5%(6개 정점)에 불과하나, 이를 제외한 동물플랑크톤 평균 밀도는 57.3%나 감소하였다. 따라서 남해 전체 자료 중 12.5%에 불과한 이상치가 평균을 50% 이상 과대 평가하는 결과를 보였다(Table 2). 이와 같은 현상은 식물플랑크톤 및 대형저서동물의 밀도에서도 동일하였다. 식물플랑크톤의 평균 밀도는 0.0~51.8% 과대 평가되었으며(Table 3), 대형저서동물의 평균 밀도는 0.0~40.3% 정도 과대 평가되었다(Table 4).
Table 2. Comparison of descriptive statistics between raw and trimmed data by excluding outliers of zooplankton density (inds./m3) in May of 2015~2016
Table 3. Comparison of descriptive statistics between raw and trimmed data by excluding outliers of phytoplankton density (cells/L) in May of 2015~2016
Table 4. Comparison of descriptive statistics between raw and trimmed data by excluding outliers of macro-benthos density (inds./m2) in May of 2015~2016
위의 이상치 제거 방법을 적용하여 2015년부터 2017년까지 매년 5월 조사 자료를 이용하여 생태 조사 항목별로 이상치를 제거한 후, 배경 농도를 산출하였다. 배경 농도의 예시로서 비생물 항목 2개(용존무기질소, 용존무기인)와 생물 항목 3개(클로로필-a, 식물플랑크톤 밀도 및 동물플랑크톤 밀도)의 기술통계량을 도출하였다.
용존무기질소의 평균 농도는 서해에서 가장 높은 6.85 μM(0.47~19.46 μM)을 나타냈고, 가장 낮은 평균 농도는 동해에서 1.24 μM(0.13~6.08 μM)을 나타냈다(Table 5). 이상치는 해역별로 0~11개 이였으며, 이상치가 가장 많은 해역은 서해(N=11)였고, 이상치 비율이 가장 높았던 해역은 동해(14.3%)였다.
Table 5. Descriptive statistics of DIN (dissolved inorganic nitrogen) background level (𝜇M) in the coast of Korean seas in May of 2015~2017
용존무기인의 해역별 평균 농도는 용존무기질소와 유사하였으며, 서해에서 가장 높고(평균 0.22 μM, 범위 0.01~0.73 μM), 동해에서 가장 낮았다(평균 0.09 μM, 범위 0.02~0.22 μM)(Table 6). 이상치는 해역별로 0~3개였으며, 가장 많은 해역은 서해와 남해(N=3)였고, 이상치 비율이 가장 높았던 해역은 동해(4.8%)였다.
Table 6. Descriptive statistics of DIP (dissolved inorganic phosphorus) background level (𝜇M) in the coast of Korean seas in May of 2015~2017
클로로필-a의 평균 농도는 서해에서 가장 높은 2.09 μg/L(0.46~5.29 μg/L)을 나타냈고, 가장 낮은 평균 농도는 제주 해역으로 0.62 μg/L(0.20~1.06 μg/L)이었다(Table 7). 이상치는 해역별로 3~15개가 산출되었고, 가장 많은 해역은 서해(N=15)였고, 이상치 개수가 가장 적은 제주 해역이 이상치 비율은 가장 높았다(18.8%).
Table 7. Descriptive statistics of chlorophyll-a background level (𝜇g/L) in the coast of Korean seas in May of 2015~2017
식물플랑크톤의 밀도는 서해에서 가장 높은 평균 밀도인 172,184 cells/L(2,521~752,549 cells/L)을 나타냈고, 동해에서 가장 낮은 평균 밀도인 92,760 cells/L(2,669~411,331 cells/L)의 범위를 보였다(Table 8). 이상치는 해역별로 1~23개가 산출되었고, 가장 많은 해역은 서해(N=23)였고, 이상치 비율이 가장 높은 해역은 동해였다(16.7%).
Table 8. Descriptive statistics of phytoplankton background level (cells/L) in the coast of Korean seas in May of 2015~2017
동물플랑크톤의 밀도는 서해에서 가장 높은 평균 밀도인 8,680 inds./m3(209~44,896 inds./m3)을 나타냈고, 가장 낮은 평균 밀도는 동해로 690 inds./m3(85~1,654 inds./m3)이었다(Table 9). 이상치는 해역별로 0~22개이며, 가장 많은 해역은 서해(N=22)였고, 이상치 비율이 가장 높은 해역도 서해였다(15.2%).
Table 9. Descriptive statistics of zooplankton background level (inds./㎥) in the coast of Korean seas in May of 2015~2017
모든 항목에 대한 전 해역의 이상치 백분율은 서해와 동해가 상대적으로 높았으며, 평균 10.3%(2.1~16.2%)와 12.4% (4.8~16.7%)를 나타냈고 남해와 제주는 상대적은 낮은 수치로 각각 8.8%(3.3~16.5%)과 5.0%(0.0~18.8%)을 나타냈다.
배경 농도의 변동계수(coefficient variation; CV)는 생물 항목인 클로로필-a, 식물플랑크톤과 동물플랑크톤 밀도에서 87.7%(30.3~136.0%)로 높게 나타났고, 비생물학적 항목 61.7%(36.1~120.0%)에 비하여 상대적으로 높은 변동계수를 보였다.
위의 분석 결과, 하구 유입이 많은 서해 연안이 다른 연안에 비하여 상대적으로 많은 이상점이 도출되었으며, 제주 해역이 가장 적었다. 이는 서해가 타 연안에 비하여 외부 요인에 의한 생태적 극단치가 많음을 의미한다. 상기 분석 결과는 이상치를 제거한 배경 농도 도출의 예시이며, 2020년까지 우리나라 전 연안에 거처 총 3회의 조사가 완료된 후, 모든 생태 조사 항목에 대한 계절별 배경 농도를 제시할 예정이다.
3.2 이상치를 이용한 관리 항목 도출
생태계 조사를 통하여 도출된 각각의 생태 조사 항목별로 이상치 검증 과정을 거쳐 항목별/시기별로 이상치를 나타낸 정점을 이상점으로 도출한 후에 연도별로 이상치 출현 여부를 판단하여 단일 생태 요소(single ecological parameter)에 대한 장기 및 단기 지표자를 설정하고 이를 관리 항목으로 선정하였다. 연안생태 조사 항목은 비생물학적 항목과 생물 항목으로 구분되는데 본 연구에서는 예시로서 2015~2017년까지 매년 5월의 비생물학적 항목 중 용존무기질소, 용존무기인, 생물 항목중 엽록소-a와 동·식물플랑크톤의 밀도로 관리 항목 선정 과정을 예시로 제시하였다.
용존무기질소 자료를 이용하여 Box&whisker plot과 이상치를 도출하여, 정점별로 사분위수 범위에 해당하는 농도와 이상점을 연안생태조사 정점에 표기하였다(Fig. 10). 이상점으로 도출된 정점은 남해에서 총 3개 정점(낙동강 하구 2정점 외 1개 정점), 서해에서 총 4개 정점(한강 하구 2정점, 금강 하구 1정점, 영산강 하구 1정점) 그리고 동해에서 총 1개 정점이 나타났다. 동일 기간 용존무기인의 자료 분석 결과, 이상점은 서해의 금강 하구에서 1개 정점, 남해 서부에서 1개 정점 그리고 동해에서 총 2개 정점이 도출되었다(Fig. 11). 클로로필-a 분석 결과, 동해 1개 정점, 남해 6개 정점 그리고 서해 3개 정점에서 이상점이 도출되었다(Fig. 12). 식물플랑크톤 밀도는 동해의 3개 정점, 제주 1개 정점, 남해 9개 정점, 서해 8개 정점에서 이상점이 도출되었고(Fig. 13), 동물플랑크톤 밀도는 총 22개의 이상점(동해 2개 정점, 제주 2개 정점, 남해 10개 정점, 서해 8개 정점)이 도출되었다(Fig. 14).
상기 이상점 표기 방법은 우리나라 연안에서 어느 해역에 어떤 항목이 이상점으로 도출되는지를 통합적으로 파악하여, 항목별 관리 해역을 지정하여 개선할 수 있는 장점이 있다. 이상치를 관리 항목으로 지정하여 관리 계획을 수립하기 위해서는 이상치로 도출된 원인을 파악해야한다. 이는 원인 규명에 필요한 자료와 방법이 더 축적되어야 가능한 일이며, 위 과정은 이상치 검증과는 별도의 과정으로 진행되어야만 합리적인 관리 계획이 도출될 수 있다.
이상치로 도출된 항목과 빈도를 이용하여 장단기 지표자(관리 항목)를 도출하는 과정을 Table 10과 같이 정립하였다. 연도별로 선정된 이상점들을 항목별로 정리하여 연도별/시기별로 연속적으로 이상점으로 선정되는 정점/해역은 장기 지표자로 선정되며, 간헐적으로 선정되는 지표자는 단기 지표자로, 그리고 특정 시기에 이상점으로 선정되었으나, 그 이후 지속적으로 이상점에서 제외되는 경우에는 지표자에서 제외하는 방법이다. 이와 같이 이상점을 장기/단기 지표자로 정리하면 연도별로 각 생태 요소별 변화 양상을 파악할 수 있고, 장기/단기 또는 소멸로 구분해서 이 문제를 해결하기 위한 관리 계획 수립-실행-효과 평가를 통해서 현행 관리 체제를 지속할지 아니면 효과가 없을시 관리 체계를 변경해서 “적응적” 생태계 관리를 지속해야 한다. 이와 같은 생태계 관리의 접근 방법이 서론에서 제시한 적응적 관리체계이다(Fig. 1).
Table 10. Defining short- and long-term monitoring indicators by frequency of outlier detections in the survey area
4. 고 찰
이상치를 이용한 생태계의 관리 항목 도출 방법은 비교 가능한 기준 농도가 없는 상태에서 상대적 비교에 의해 생태계의 이상 현상을 파악하는데 매우 유용한 방법이다. 그러나 상기 방법은 상대적 비교에 의한 문제점 도출 방법이므로 이상치로 도출된 항목과 정점을 관리 항목으로 선정하기까지는 이상치가 가지는 생태적 의미를 별도로 해석하여 최종 선정되어야 한다. 또한 해양생태수질 지수(Rho et al., 2012), 퇴적물 지수(Long et al., 1995), 저서동물 건강도 지수(Choi et al., 2003; Yoo et al., 2010) 및 해양생태등급도(해양수산부와 해양환경공단, 2014) 등 기존에 관리 기준이 마련된 지수 등은 이상치 해당 여부와 무관하게 우선적으로 관리 대상 항목으로 선정되어야 한다.
또한 각 해역에서 도출된 통계적 이상치를 “생태적” 이상치로 활용하기 위해서는 심도있는 이해와 분석이 필요하다. 동물플랑크톤의 밀도와 같이 높은 밀도로 조사된 정점이 이상점(극값)으로 선정된 경우, 이 현상을 부정적인 관점으로 간주하여 관리 항목으로 선정해야 할지 또는 긍정적인 관점으로 간주하여 관리하지 않을지에 대한 판단이 필요하다(Lee, 2008). 이와 같은 일련의 판단은 반드시 해당 분야의 전문가 의견을 고려하여 객관적 판단이 이루어져야 한다. 따라서 상기 방법은 다항목의 생태계 조사 자료를 효율적으로 분석하여, 복잡한 구조의 생태 자료 해석을 단순화하여 생태계 해석의 용이성을 부여하는 장점이 있으며, 또한 통계적으로 예비 관리 항목을 도출하는데 유용하다.
상기 방법은 광범위한 수역에서 주기적으로 연속되는 조사 자료의 해석에 매우 유용하며, 단기간에 좁은 수역에서 수행된 조사 결과에 적용하기에는 한계가 있다. 또한 자료가 정규분포를 하는 경우에는 이상치가 도출되지 않을 수 있다(Jung et al., 2016). 이상치는 조사 항목별 수치를 상대적으로 비교한 후 통계적으로 너무 큰 값이나 작은 값을 도출한다(채영암 외, 2005, Wang et al., 2018). 따라서 조사 수역의 생태 환경이 근본적으로 상이할 경우에는 비교적 균질한 소해역 또는 중해역으로 구분한 후 각각의 비교적 균질한 해역별로 이상치를 검증하여야 한다. 예시로서 우리나라 전 해역의 부유물질 농도로 이상치 검증을 할 경우, 서해에 해당되는 정점은 대부분 이상점으로 도출된다. 본 연구에서도 해역별 각 항목의 이상치가 나타나는 비율을 보면 서해와 동해는 각각 평균 10.3%와 12.4%로 다른 해역보다 높게 나타나서 서해와 동해는 세분화된 해역으로 구분할 필요가 있다. 다른 예시로서 우리나라 해양 생태계의 구분은 해양수질지수를 개발할 때 제시된 생태구, 즉 서해중부생태구, 서남해역생태구, 대한해협생태구, 동해생태구 및 제주생태구로 구분하여 분석한 사례가 있으므로(Rho et al., 2012), 이상치 분석의 표본 집단을 구분하는데 참고할 수 있다.
이상치를 제거한 배경 농도는 각 생태 요소별/해역별/시기별 비교 기준에 매우 유용한 통계 자료로 판단된다. 한반도 전 해역을 주기적으로 동일한 방법으로 조사하는 종합조사의 자료는 한반도 연안생태계에 대한 항목별/시기별 배경 수준을 추정할 수 있는 유일한 자료로 판단되며, 이 자료를 바탕으로 산출된 배경 수준은 타 연구나 조사 등에서 도출된 자료와 비교하여 상대적 높고, 낮음 또는 자료의 타당성을 판단하는 매우 유용한 기준점이 될 수 있다. 통계학적으로 불가피하게 이상치 검증할 수 없거나 이상치를 포함해서 분석해야 하는 자료에서 산술 평균보다 중위수(medium)를 사용하는 방법이 일반적이다(장세경, 2015; Leys et al., 2013). 따라서 연안 생태 자료에서도 중앙값으로 산술평균보다는 중위수를 사용하는 방법이 더 합리적이다.
본 연구는 생태 자료의 이상치를 이용하여 한반도 연안생태계의 항목별/시기별 배경 농도 산출과 관리 항목을 도출하는 일련의 과정, 방법 및 예시를 제시하고 각각의 한계점을 고찰하였다. 최종적인 한반도 연안생태계의 배경 농도 및 관리 항목 도출은 종합조사가 최소 3회 이상 수행되는 시점인 2020년 이후에 제시될 예정이다.
