함정 트랩과 곤충 군집

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학교 숲과 잔디밭에 종이컵을 땅에 묻은 함정 트랩을 다섯 개씩 놓고 사흘 뒤 걷었다. 잔디밭 함정에는 70마리, 숲 함정에는 80마리가 잡혔다. 그런데 잔디밭에서는 개미가 60마리로 대부분이었고, 숲에서는 개미, 톡토기, 딱정벌레, 거미가 고르게 섞여 있었다. 잡힌 수가 비슷한데 두 곳의 곤충 군집을 어떻게 비교해야 할까? 함정 트랩은 그곳의 곤충을 공평하게 잡을까?

그림 1. 숲에서는 여러 무리가 고르게 잡혔고, 잔디밭에서는 개미가 86%를 차지했다.

먼저 알아야 할 것군집과 다양성, 방형구법(방형구법과 우점종), 확률의 곱셈.

4.2.1땅 위를 돌아다니는 동물 잡기

함정 트랩은 컵의 입구가 땅과 같은 높이가 되도록 묻어, 땅 위를 기어 다니는 동물이 빠지게 하는 도구이다. 방형구로 세기 어려운 작고 빠른 동물을 잡을 수 있다. 다만 함정은 많이 돌아다니는 동물을 더 잘 잡는다. 빨리 넓게 다니는 개미나 딱정벌레는 잘 잡히고, 한자리에 머무는 애벌레나 나무 위의 곤충은 거의 잡히지 않는다. 그래서 함정에 잡힌 수는 그곳에 사는 수와 그 동물이 얼마나 활발히 다니는지가 섞인 값이다. 두 곳을 비교할 때는 같은 수의 함정을 같은 기간 놓아 조건을 맞춘다.

정리 4.2.1 다양도 지수

군집의 다양성은 무리의 수(풍부도)와 고르게 섞인 정도를 함께 본다. 무리 \(i\)의 비율이 \(p_i\)이면 심프슨 다양도 지수는 \(D = 1 - \sum p_i^2\)이고, 무작위로 두 마리를 잡았을 때 서로 다른 무리일 확률이다.

잔디밭은 잡힌 수가 70마리로 적지 않지만, 대부분이 개미여서 두 마리를 잡으면 둘 다 개미일 가능성이 크다. 숲은 여러 무리가 고르게 섞여 있어 두 마리가 서로 다른 무리일 가능성이 크다. 그래서 잡힌 수가 비슷해도 숲이 더 다양하다. 숲은 낙엽층과 썩은 나무, 그늘처럼 다양한 서식지를 제공해 여러 무리가 함께 살 수 있다.¹

4.2.2함정을 놓는 방법

함정 안에는 잡힌 동물이 기어 나오거나 서로 잡아먹지 않도록 소금물이나 물을 조금 넣고, 비가 들지 않게 작은 덮개를 띄워 얹는다. 함정은 서로 수 m씩 떨어뜨려 놓아 한 함정이 다른 함정의 동물을 미리 잡아 버리지 않게 한다. 조사가 끝나면 함정을 모두 걷어 구멍을 메운다. 잡은 동물은 돋보기로 무리를 나누어 세고, 정확한 종 이름보다 개미, 딱정벌레, 거미처럼 누구나 구별할 수 있는 수준으로 일관되게 나눈다.

그림 2. 숲의 다양도 지수가 잔디밭의 약 세 배이다.

4.2.3예제 풀이

예제 4.2.2

그림 2의 자료로 숲과 잔디밭의 심프슨 다양도 지수를 구하여라. 잔디밭에 잔디를 깎지 않은 구역을 남겨 두자 다음 조사에서 개미 40, 톡토기 10, 딱정벌레 10, 거미 10마리가 잡혔다면 다양도는 어떻게 변하는가?

숲의 비율은 0.375, 0.25, 0.15, 0.10, 0.125이고, 제곱의 합은 \(0.1406 + 0.0625 + 0.0225 + 0.0100 + 0.0156 \approx 0.251\)이므로 \(D \approx 0.75\)이다. 잔디밭은 \(60/70 \approx 0.857\), 0.029, 0.071, 0.043이고, 제곱의 합은 \(0.735 + 0.001 + 0.005 + 0.002 \approx 0.743\)이므로 \(D \approx 0.26\)이다.

잔디를 깎지 않은 구역을 둔 뒤의 비율은 70마리 가운데 0.571, 0.143, 0.143, 0.143이다. 제곱의 합은 \(0.327 + 3 \times 0.020 = 0.388\)이므로 \(D \approx 0.61\)로 크게 높아졌다. 키 큰 풀이 숨을 곳과 먹이를 늘려 여러 무리가 살 수 있게 된 것으로 해석할 수 있다. 즉 함정 트랩은 같은 조건으로 놓아 땅 위 동물의 군집을 비교하며, 다양성은 잡힌 수가 아니라 무리의 수와 고르게 섞인 정도로 판단한다.

아래 탐구 카드에서 서로 다른 장소에 함정 트랩을 놓아 곤충 군집을 조사하고 다양도를 비교해 보자.

땅 위를 다니는 딱정벌레 무리는 환경 변화에 민감해서, 숲이 개발되거나 농약을 쓰면 무리의 구성이 빠르게 바뀐다. 그래서 여러 나라에서 함정 트랩으로 잡은 딱정벌레를 환경 상태를 알려 주는 지표로 쓴다.

마무리

함정 트랩은 땅 위를 돌아다니는 동물을 잡는 도구로, 잡힌 수에는 개체 수와 활동성이 섞여 있으므로 같은 수의 함정을 같은 기간 놓아 장소를 비교한다. 군집의 다양성은 무리의 수와 고르게 섞인 정도를 함께 보아, 두 마리가 서로 다른 무리일 확률인 심프슨 다양도 지수로 나타낸다. 처음 질문의 숲은 잡힌 수가 비슷해도 다양도가 0.75로 잔디밭의 0.26보다 훨씬 다양하다.

탐구 1

숲과 잔디밭, 땅 위를 기어 다니는 곤충 군집은 어느 쪽이 더 다양할까?

실험 · 함정 트랩 · 종 풍부도와 다양도 지수

서식지

트랩 수 = 5개 (5 m 간격)

컵 입구가 지면보다 1 cm 높게 묻힘

한 번 수거할 때마다 트랩 하나에 잡힌 동물을 분류군(형태가 다른 무리)별로 센다. 트랩마다 놓인 자리(낙엽 두께, 돌 틈)에 따라 잡히는 수가 크게 다르다. 분류군 구성과 포획률은 우리나라 숲 가장자리와 교정 잔디밭의 조사 경향을 본뜬 교육용 가상 자료이다.

H′ = −Σ pᵢ ln pᵢ (pᵢ = i번째 분류군의 개체 수 ÷ 전체 개체 수) · 균등도 J′ = H′ ÷ ln S (S = 분류군 수)

탐구 문제낙엽이 쌓인 숲 바닥과 매일 깎는 잔디밭 가운데 어느 곳에 땅 위를 걷는 곤충과 작은 절지동물이 더 다양하게 살까? 밤에 주로 움직이고 빨리 숨는 동물을 어떻게 빠짐없이 조사할 수 있을까?
복원함정(pit-fall) 트랩은 컵을 입구가 땅과 같은 높이가 되게 묻어, 걸어 다니다 떨어진 동물을 모으는 방법이다. 사람이 없는 밤에도 계속 채집되므로 지표 동물 조사에 알맞다. 군집의 다양성은 분류군 수(종 풍부도)와 개체 수가 얼마나 고르게 나뉘었는지(균등도)를 함께 본다.
설계두 서식지에 같은 컵(지름 7 cm), 같은 간격(5 m), 같은 개수로 트랩을 한 줄 묻고, 빗물막이 뚜껑을 2~3 cm 위에 얹는다. 조작 변인은 서식지, 종속 변인은 분류군별 개체 수와 다양도 지수이다. 트랩 수, 설치 기간, 수거 시각, 날씨는 통제한다. 같은 날 두 곳을 함께 조사해야 날씨 차이가 섞이지 않는다.
분석잔디밭은 개미가 많아 전체 개체 수는 오히려 많을 수 있다. 그러나 한두 무리가 대부분을 차지하므로 균등도와 H′가 낮다. 숲 바닥은 낙엽층과 습기 덕분에 먹이와 숨을 곳이 다양해 분류군 수와 H′가 모두 높다. 아래 채집 노력 곡선이 평평해지면 그 서식지에 사는 분류군을 거의 다 찾았다는 뜻이다.
측정숲 바닥에서 트랩 5개로 세 번(3일) 수거하고, 잔디밭에서도 같은 조건으로 세 번 수거해 보자. 두 곳의 S, H′, J′를 비교해 보자. 그다음 "컵 입구가 지면보다 1 cm 높게"를 켜고 다시 조사해 보자. 숲의 곡선은 며칠째에 평평해지는가?
오차·안전컵 입구가 땅보다 높으면 동물이 턱을 돌아가 버려 포획 수가 크게 줄고, 반복해도 사라지지 않는 계통 오차가 된다. 트랩은 움직임이 활발한 동물을 많이 잡을 뿐 실제 밀도를 그대로 재지 않으므로, 같은 방법으로 얻은 자료끼리만 비교한다. 보존액을 넣으려면 독성이 낮은 프로필렌 글라이콜이나 묽은 에탄올을 쓰고, 단맛이 나서 동물을 해칠 수 있는 에틸렌 글라이콜은 쓰지 않는다. 살려서 조사할 때는 12~24시간마다 확인하고 센 뒤 그 자리에 놓아준다. 조사가 끝나면 컵을 모두 회수하고 구멍을 메운다. 장갑을 끼고 맨손으로 거미나 개미를 만지지 않는다.

확인조건이 달라지면

같은 노력으로 두 곳을 조사했다. A 지역은 4개 분류군이 각각 25마리, B 지역은 4개 분류군이 85·5·5·5마리였다. 옳은 설명은?