Comparative Analysis of Functional Diversity and Community Indices of Benthic Macroinvertebrates in Aquatic Ecosystems in Korea = 한국 수생태계 저서성 대형무척추동물의 기능적 다양성과 군집 지수에 대한 비교 분석 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 인위적 교란과 환경 변화가 수생태계의 저서성 대형무척추동물 군집과 기능적 다양성에 미치는 영향을 하구, 습지, 논에서 비교 분석하였다.
Part 1에서는 연구의 배경과 필요성을 강조하며, 수생태계가 영양 순환, 에너지 흐름, 먹이망 동역학을 지원하고 생물다양성과 생태계 서비스를 유지하는 데 중요한 역할을 한다는 점을 제시했다. 저서성 대형무척추동물은 수생태계의 영양물질 순환과 에너지 흐름에 핵심적인 역할을 하며, 환경 변화에 민감하게 반응하는 지표생물군이다. 기능적 다양성은 생태계 내 종들의 기능적 특성을 반영하는 지표로, 생태계 건강성과 회복력을 평가하는데 중요한 개념이다. 각 생태계 유형별로 인공구조물, 가뭄, 농업방식 등 주요 환경 압력 요인을 파악하고, 이들이 생태계 기능에 미치는 영향을 서술하였다.
Part 2 에서는 하구의 인공 구조물이 저서성 대형무척추동물 군집과 기능적 다양성에 미치는 영향을 분석하였다. 한강, 섬진강, 금강, 낙동강의 하구에서 조사한 결과, 인공 구조물이 있는 하구에서는 염분 구배가 단순화되어 기능적 다양성이 감소하는 것으로 나타났다. 자연 하구에서는 기수성 종과 담수성 종이 공존하며 다양한 기능군이 유지되었으나, 인공 구조물이 있는 하구에서는 담수성 종이 우점하고 기능적 균질화가 발생하였다. 이는 인공 구조물이 하구 생태계의 연결성과 기능적 다양성을 저해함을 시사한다.
Part 3에서는 실험적 소규모 습지에서 가뭄이 저서성 대형무척추동물 군집의 회복력과 기능적 다양성에 미치는 영향을 연구하였다. 대조구, 단기 가뭄(4개월), 장기 가뭄(8개월) 처리구를 설정하여 비교한 결과, 가뭄 지속시간에 따라 군집 회복 양상이 뚜렷하게 달라졌다. 단기 가뭄에서는 기능적 중복성과 상보성을 통해 군집이 비교적 빠르게 회복되었으나, 장기 가뭄에서는 환경 스트레스 내성이 강한 종들이 우점하며 기능적 균질화가 발생하였다. 이는 기후변화로 인한 가뭄 빈도 증가가 습지 생태계의 기능적 다양성을 위협할 수 있음을 시사한다.
Part 4에서는 유기농업과 관행농업의 논에서 저서성 대형무척추동물의 기능적 다양성을 비교하였다. 환경요인에는 유의한 차이가 없었으나, 군집 구조와 기능적 특성에서 뚜렷한 차이가 관찰되었다. 유기농 논에서는 잠자리목, 딱정벌레목, 노린재목 등 민감성 분류군이 더 많이 출현하였고, 다양한 서식 유형이 관찰되었다. ‘한국 습지 저서성대형무척추동물 지수(KWBMI)’도 유기농 논(84.4점, A등급)이 관행농 논(75.4점, B등급)보다 높게 나타났다. 이는 유기농 농법이 생물다양성과 생태계 건강성 유지에 기여함을 입증한다.
Part 5에서는 종합적 결론을 도출하였다. 세 생태계(하구, 습지, 논) 유형에서 공통적으로 인위적 교란이 심할수록 기능적 다양성이 감소하는 경향이 관찰되었다. 특히 환경 교란의 강도와 지속시간이 길수록 민감성 종이 감소하고 내성종이 우점하면서 생태계 기능이 단순화되었다. 이러한 결과는 기후변화로 인한 환경 스트레스 증가에 대비하여 생태계 연결성과 기능적 다양성을 고려한 관리 전략이 필요함을 시사한다.
본 연구는 수생태계의 공간적 규모와 교란 유형에 따른 저서성 대형무척추동물 군집의 반응을 통합적으로 분석하여, 생태계 유형별 맞춤형 관리 전략 수립을 위한 과학적 근거를 제시하였다. 특히 기능적 다양성 분석이 생태계 건강성 평가와 관리에 유용한 도구가 될 수 있음을 입증하였으며, 이는 기후변화 시대의 수생태계 보전 정책 수립에 기여할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study analyzed the effects of anthropogenic disturbances and environmental changes on benthic macroinvertebrate (BMI) communities and functional diversity across estuarine, wetland, and rice paddy ecosystems.
In Part 1, we emphasized the research background and necessity, highlighting how aquatic ecosystems play crucial roles in supporting nutrient cycling, energy flow, food web dynamics, and maintaining biodiversity and ecosystem services. BMIs are key indicator species in aquatic ecosystems, playing vital roles in nutrient cycling and energy flow while being sensitive to environmental changes. Functional diversity, reflecting the functional characteristics of species within ecosystems, serves as an important indicator for assessing ecosystem health and resilience. We identified major environmental pressures such as artificial barriers, drought, and agricultural practices specific to each ecosystem type and described their impacts on ecosystem functions.
Part 2 analyzed the impact of artificial barriers on BMI communities and functional diversity in estuaries. Research conducted among four major rivers (Hangang, Seomjingang, Geumgang, and Nakdonggang) revealed that estuaries with artificial barriers showed reduced functional diversity due to simplified salinity gradients. While natural estuaries maintained diverse functional groups with coexisting brackish and freshwater species, barrier-affected estuaries were dominated by freshwater species and exhibited functional homogenization. This suggests that artificial barriers impair estuarine ecosystem connectivity and functional diversity.
Part 3 investigated the effects of drought on BMI community resilience and functional diversity in experimental mesocosm wetlands. Comparing control, short-term (4 months), and long-term (8 months) drought treatments revealed distinct patterns of community recovery based on drought duration. Short-term drought communities showed relatively rapid recovery through functional redundancy and complementarity, while long-term drought led to dominance by stress-tolerant species and functional homogenization. These findings indicate that increased drought frequency due to climate change may threaten wetland ecosystem functional diversity.
Part 4 compared BMI functional diversity between organic and conventional rice paddies. While environmental factors showed no significant differences, community structure and functional characteristics differed markedly. Organic paddies supported more sensitive taxa such as Odonata, Coleoptera, and Hemiptera, and exhibited more diverse habitat utilization patterns. The Korea Wetland Benthic Macroinvertebrate Index (KWBMI) scores were higher for organic paddies (84.4, Grade A) compared to conventional paddies (75.4, Grade B), demonstrating that organic farming practices contribute to biodiversity and ecosystem health maintenance.
Part 5 presented comprehensive conclusions. All three ecosystem types showed decreasing functional diversity with increasing anthropogenic disturbance. Particularly, longer and more intense environmental disturbances led to decreased sensitive species, increased dominance of tolerant species, and simplified ecosystem functions. These results suggest the need for management strategies that consider ecosystem connectivity and functional diversity in preparation for increased environmental stress due to climate change.
This research provided scientific evidence for developing ecosystem-specific management strategies by comprehensively analyzing BMI community responses across different spatial scales and disturbance types. Specifically, it demonstrated that functional diversity analysis can serve as a useful tool for ecosystem health assessment and management, contributing to aquatic ecosystem conservation policy development in the era of climate change.

목차 (Table of Contents)

• Part 1. Introduction 1
• Part 2. Impact of artificial barriers on benthic macroinvertebrate functional diversity in estuarine ecosystems 10
• 1. Abstract 11
• 2. Introduction 12
• 3. Materials and Methods 16
• 4. Results 24
• 5. Discussion 38
• 6. Conclusion 49
• 7. Supplementary Figures 51
• Part 3. Drought effects on benthic macroinvertebrate community resilience and functional diversity in wetland mesocosms 53
• 1. Abstract 54
• 2. Introduction 55
• 3. Materials and Methods 61
• 4. Results 76
• 5. Discussion 99
• 6. Conclusion 111
• Part 4. Comparative analysis of functional diversity and ecosystem health in organic and conventional rice paddies: a trait-based assessment of benthic macroinvertebrate communities 113
• 1. Abstract 114
• 2. Introduction 115
• 3. Materials and Methods 120
• 4. Results 130
• 5. Discussion 143
• 6. Conclusion 149
• Part 5. Conclusion 151
• Reference 157
• Abstract 184
• Abstract in Korean 187