전국 규모 작물 수분 서비스와 환경요인 평가 = Assessing Crop Pollination Services and Their Environmental Drivers Across South Korea

국문 초록 (Abstract)

수분 서비스(pollination service)는 농업 생산성과 작물의 품질을 유지하는 데 기여하는 생태계 조절서비스다. 이러한 수분 서비스는 농업 생산의 기반을 형성함으로써 식량 안보와 농업의 지속가능성을 위한 핵심적인 생태계서비스로 간주된다. 그러나 최근 기후변화와 농업지역의 단일화 및 집약화로 인해 수분 서비스의 안정성이 저하되고, 지역 간 작물 생산의 편차가 커지고 있다. 이러한 문제로 인해 수분 서비스의 변동성이 작물 생산에 미치는 영향을 이해하기 위한 연구가 더욱 중요해지고 있다. 국내에서는 작물 수분 서비스의 공급과 생산 기능을 종합적으로 분석하거나 기후 또는 지리적 요인과 수분 서비스의 영향을 실증적으로 규명한 연구가 부족하다. 이에 따라 기후와 지역 간 토지피복 구성의 차이가 수분 서비스의 공간적 분포에 미치는 영향을 규명하는 연구가 필요하다.
이 연구는 2016년부터 2022년까지 전국 17개 광역시·도를 대상으로 수분 서비스의 수요와 기능, 공급을 종합적으로 평가하고, 세 지표의 지역적 상호 관계를 규명하는 것을 목적으로 한다. 더 나아가 기후 및 지리적 변수가 수분 서비스에 미치는 영향을 분석함으로써 기후변화로 인한 작물 수분 서비스의 변동성을 설명할 수 있는 근거를 마련하고자 한다. 이를 위해 통계청의 작물별 재배면적과 생산량 데이터를 기반으로 선형혼합모형을 적용하여 지역별 수분매개 의존 작물의 재배 집중도를 나타내는 수요 지표와 생산 수준을 나타내는 기능적 지표의 회귀계수를 도출하였다. 또한, 국내 환경 조건을 반영한 InVEST Crop Pollination 모형을 적용하여 지역별 잠재적 수분 서비스를 나타내는 공급 지표를 산출하였다. 이후, 수요·기능·공급 지표와 기후·지리적 요인 간의 관계를 파악하기 위해 지역별 중심 위도와 연평균 기온, 연평균 강수량, 꿀벌 군수 데이터를 종합하여 스피어만 순위 상관분석(Spearman’s rank correlation)을 수행하였다.
분석 결과, 수요 지표는 경상북도와 경기도, 강원특별자치도에서 상대적으로 높은 값을 보였으며(p<0.05), 전라남도와 경상남도, 전북특별자치도에서는 상대적으로 낮은 값을 보였다(p<0.01). 기능적 지표 또한 경상북도와 경기도에서 상대적으로 높은 값을 보였으며(p<0.001), 전라남도와 경상남도는 상대적으로 낮은 값을 나타냈다(p<0.001). InVEST Crop Pollination 모형을 기반으로 도출된 공급 지표에서도 경상북도가 가장 높은 값으로 나타났으며, 가장 낮은 값을 가진 지역은 인천광역시로 나타났다. 스피어만 순위 상관분석 결과, 수분 서비스의 수요와 기능적 지표 간에는 강한 양의 상관관계가 있었고(ρ=0.87, p<0.001), 수요와 공급 지표 간에도 유의한 상관관계가 확인되었다(ρ=0.54, p<0.05). 기능적 지표는 중심 위도와 양의 상관관계(ρ=0.76, p<0.001)가 있었고, 연평균 기온(ρ=-0.71, p<0.01) 및 연평균 강수량(ρ=-0.64, p<0.01)과는 음의 상관관계가 있었다. 반면에 공급 지표와 기능적 지표 간 상관성은 통계적으로 유의하지 않았으며(ρ=0.42, p=0.09), 꿀벌 군수는 수분 서비스의 세 지표 모두와 유의한 관계를 보이지 않았다(p>0.05). 종합하면, 기능적 지표에서 나타난 수분 서비스의 지역적 분포는 북부 권역이 남부 권역에 비해 상대적으로 높은 수준을 보였으며, 수요 지표에서도 유사한 공간적 분포가 확인되었다. 중심 위도가 높은 지역일수록 연평균 기온과 강수량이 낮아지는 경향을 보였고, 해당 지역에서는 수분 서비스가 작물 생산량에 반영되는 정도가 상대적으로 높았다. 기능적 지표와 수요 지표 간 상관성이 높게 나타났음에도 불구하고 두 지표는 완전히 일치하지 않았으며, 이는 재배 구조 외의 요인이 실제 작물의 생산 및 결실 과정에 관여할 가능성을 시사한다. 수요 지표와 공급 지표 간 유의한 양의 관계는 수분매개 의존 작물의 재배면적이 큰 지역에서 토지피복 기반 수분 서비스 잠재력 또한 상대적으로 높게 나타남을 의미한다. 반면에 공급 지표는 기능적 지표와 통계적으로 뚜렷한 관계를 보이지 않았는데, 이는 기능적 수분 서비스의 공간적 차이가 토지피복 기반의 단일 지표로 설명되기 어려운 구조임을 보여준다. 또한, 꿀벌 군수는 수분 서비스 지표들과 뚜렷한 관계를 보이지 않았고, 기능적 수분 서비스 수준을 설명하는 데에는 한계가 있는 지표로 나타났다.
이 연구는 전국 단위에서 수분 서비스의 수요·기능·공급 지표를 종합적으로 분석한 국내 첫 연구로 수분 서비스의 공간적 불균형과 환경요인의 관계를 정량적으로 규명했다는 점에서 학술적 가치가 크다. 이 연구의 결과는 지역별 수분 서비스의 관리 및 토지이용계획 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Pollination services constitute a core ecosystem regulating service that contributes to the maintenance of agricultural productivity and crop quality. As a fundamental basis of agricultural production, these services play a critical role in ensuring food security and the long-term sustainability of agricultural systems. In recent years, however, the stability of pollination services has been increasingly threatened by climate change, along with the growing simplification and intensification of agricultural landscapes. This decline in the stability of pollination services has led to heightened volatility in crop yields across diverse geographic regions. Under such conditions, understanding and quantifying the effects of pollination service variability on agricultural production has become increasingly important. In Korea, studies that comprehensively evaluate the supply and functional performance of pollination services, or that empirically examine their relationships with climatic and geographic factors, remain limited. Consequently, there is a need for research that investigates how climatic conditions and regional differences in land cover composition influence the spatial distribution of pollination services.
This study aims to comprehensively evaluate the demand, function, and supply of pollination services across 17 regions in Korea from 2016 to 2022 and to clarify the regional interrelationships among these three indicators. Furthermore, the study examines the effects of environmental factors on pollination services to provide empirical evidence for variability in crop pollination services associated with climate change. For the analysis, a linear mixed model was applied using crop-specific cultivation area and yield data obtained from Statistics Korea. Regression coefficients were derived to construct demand indicators, representing the regional cultivation intensity of pollinator-dependent crops, and functional indicators, representing contributions to production levels. In addition, a biophysical table and a guild table customized to Korean environmental conditions were incorporated into the InVEST Crop Pollination model to derive supply indicators representing potential pollination services. Finally, relationships between the demand, functional, and supply indicators and environmental factors were examined using Spearman’s rank correlation analysis, incorporating regional central latitude, mean annual temperature, mean annual precipitation, and honeybee colony data.
The results of the analysis showed that the demand indicators exhibited relatively high values in Gyeongsangbuk-do, Gyeonggi-do, and Gangwon-do (p<0.05), whereas relatively low values were observed in Jeollanam-do, Gyeongsangnam-do, and Jeonbuk-do (p<0.01). The functional indicators also showed high values in Gyeongsangbuk-do and Gyeonggi-do (p<0.001), while remaining low in Jeollanam-do and Gyeongsangnam-do (p<0.001). Based on the InVEST Crop Pollination model, the supply indicators were highest in Gyeongsangbuk-do and lowest in Incheon. Spearman’s rank correlation analysis revealed a strong positive correlation between the pollination service demand indicators and the functional indicators (ρ=0.87, p<0.001). A significant positive correlation was also observed between the demand indicators and the supply indicators (ρ=0.54, p<0.05). The functional indicators showed a positive correlation with central latitude (ρ=0.76, p<0.001) and negative correlations with mean annual temperature (ρ=-0.71, p<0.01) and mean annual precipitation (ρ=-0.64, p<0.01). In contrast, the correlation between the supply indicators and the functional indicators was not statistically significant (ρ=0.42, p=0.09), and honeybee colony data showed no significant relationships with any of the three pollination service indicators (p>0.05).
The regional distribution of pollination services based on functional indicators showed relatively higher levels in northern regions than in southern regions overall, and a similar spatial pattern was observed for the demand indicators. Regions at higher latitudes tended to exhibit lower mean annual temperatures and precipitation levels, and in these regions, pollination services were found to exert a relatively greater influence on crop yields. However, despite the strong correlation between the functional and demand indicators, the two were not perfectly aligned, suggesting that factors beyond cultivation structure may also influence actual crop production. The significant positive correlation between the demand and supply indicators suggests that regions with larger cultivated areas of pollination-dependent crops also tend to exhibit higher potential pollination service levels based on land cover. Conversely, the supply indicators showed no statistically significant relationship with the functional indicators, indicating that spatial variation in functional pollination services cannot be sufficiently explained by land cover-based single indicators alone. Furthermore, honeybee colony data showed no statistically significant relationships with any of the three pollination service indicators, suggesting that this factor has limited explanatory power for functional pollination service levels.
This study represents the first national-scale research in Korea to comprehensively analyze indicators of pollination service demand, function, and supply. Its academic significance lies in quantitatively elucidating the relationships between spatial imbalances in pollination services and environmental factors. The findings can serve as foundational data for understanding regional relative trends in pollination services.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구 배경 및 필요성 1
• 2. 연구 목적 3
• II. 이론적 배경 4
• 1. 생태계서비스 및 수분 서비스 4
• 1) 생태계서비스 개요 및 연구동향 4
• 2) 수분 서비스의 개념과 가치 5
• 3) 수분매개 의존도 6
• 2. 수분 서비스 평가 모형 7
• 1) 수분 서비스 평가 모형 7
• 2) InVEST 모형 개발 배경 9
• 3) InVEST Crop Pollination 모듈 구조 및 특징 10
• 3. 선행연구 12
• III. 연구 방법 15
• 1. 연구범위 15
• 1) 공간적 범위 15
• 2) 내용적 범위 16
• 2. 자료 수집 및 구축 17
• 1) 작물 재배면적 및 생산량 17
• 2) 작물별 수분매개 의존도 20
• 3) 생·물리적 지표 및 길드 지표 21
• 4) 꿀벌 군수 데이터 22
• 5) 기후 및 지리 데이터 23
• 3. 지표 산정 25
• 1) 수요 지표 정의 및 산정 25
• 2) 기능적 지표 정의 및 산정 26
• 3) 공급 지표 정의 및 산정 27
• 4. 통계 분석 31
• IV. 결과 및 고찰 32
• 1. 수분 서비스 수요 지표 32
• 2. 수분 서비스 기능적 지표 36
• 3. 수분 서비스 공급 지표 39
• 4. 수분 서비스 지표 간 상관관계 42
• 5. 기능적 지표와 환경요인의 관계 분석 결과 45
• 1) 기후 및 지리적 관계 45
• 2) 꿀벌 군수와의 관계 46
• V. 결론 47
• VI. 참고문헌 49
• Abstract 60