외래식물 침입에 따른 한반도 지역 내 관속식물 종 조성의 동질화와 분화 = Homogenization and Differentiation of Vascular Plant Species Assembly in the Korean Peninsula Region Due to Invasive Alien Species

국문 초록 (Abstract)

기후변화와 외래식물 침입은 전 세계 생물다양성과 생태계 기능을 변화시키는 주요 요인으로 작용하고 있다. 본 연구는 외래식물 침입과 기후변화가 한반도 생태계의 생물학적 동질화와 분화에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 이를 위해 1996년부터 2024년까지의 전국 식물 출현기록 BRHAMS 데이터베이스(Botanical Research and Herbarium Management System)를 기반으로, 외래식물 목록을 통합하여 분석하였다. R 통계환경을 이용하여 β-다양성(β-diversity), 본 연구에서는 식물군집의 계통학적 구조를 정량화하기 위해 계통다양성 지표인 계통다양성(Phylogenetic Diversity, PD), 평균계통거리(Mean Pairwise Distance, MPD), 평균최근근연종계통거리(Mean Nearest Taxon Distance, MNTD) 및 계통구조 지수(NRI, NTI)를 산출하였으며, 이를 0.4° 격자 단위에서 공간적으로 비교·분석하였다. 분석 결과, 외래식물은 전체 식물상 중 약 11.5%를 차지하며, 주로 저지대와 해안 지역에서 높은 침입 강도를 보였다. β-다양성 분해 결과, 한반도의 식물상은 종 교체(turnover)가 주요 구성요소로 나타나 기후 및 지형의 이질성이 지역 간 다양성을 유지하는 핵심 요인으로 작용함을 확인하였다. 외래식물을 포함할 경우 Faith의 PD는 약 10% 증가하였으나, MPD와 MNTD는 각각 2~5% 감소하여, 외래식물이 전체적인 진화적 다양성을 높이는 동시에 근연종 중심의 계통적 군집화를 촉진함을 시사하였다. 또한 NRI 및 NTI 분석 결과, 외래식물의 침입 강도가 높은 지역일수록 환경 필터링과 인위적 교란의 복합적 영향으로 인해 계통적 군집화(phylogenetic clustering)가 뚜렷하게 나타나는 경향을 보였다. 이는 외래식물이 기존 자생식물과 계통적으로 유사한 종들 중심으로 정착하면서, 생태계의 전체 진화적 다양성은 확대되더라도 지역 수준에서는 계통적으로 유사한 종들로 구성된 군집이 형성되어 계통적 동질화가 심화되고 있음을 시사한다. 본 연구에서 구축한 R 기반의 분석 프레임워크는 외래식물 침입에 따른 공간적 및 계통적 변화 양상을 체계적으로 진단할 수 있는 도구로서, 향후 생물다양성 변화 예측 및 생태계 보전 전략 수립에 있어 실질적인 기초 자료로 활용될 수 있다.에 중요한 과학적 근거를 제공할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Climate change and invasive alien species are major factors altering global biodiversity and ecosystem functions. This study quantitatively assessed the effects of invasive plant species and climate change on biological homogenization and differentiation in ecosystems on the Korean Peninsula. To this end, we analyzed an integrated list of invasive plant species based on the BRHAMS (Botanical Research and Herbarium Management System) database of national plant occurrence records from 1996 to 2024. Using the R statistical environment, we calculated β-diversity, specifically the phylogenetic diversity (PD), mean pairwise distance (MPD), mean nearest taxon distance (MNTD), and phylogenetic structure indices (NRI, NTI) to quantify the phylogenetic structure of plant communities. Mean Pairwise Distance (MPD), Mean Nearest Taxon Distance (MNTD), and phylogenetic structure indices (NRI, NTI) to quantify the phylogenetic structure of plant communities. These were then spatially compared and analyzed at a 0.4° grid resolution. Analysis revealed that alien plants accounted for approximately 11.5% of the total flora, exhibiting high invasion intensity primarily in lowland and coastal areas. β-diversity decomposition results indicated that species turnover was the main component of the Korean Peninsula's flora, confirming that climate and topographic heterogeneity act as key factors maintaining regional diversity. Including alien species increased Faith's PD by about 10%, while MPD and MNTD decreased by 2–5% respectively. This suggests that alien species enhance overall evolutionary diversity while simultaneously promoting phylogenetic clustering centered on closely related species. Furthermore, NRI and NTI analyses revealed that regions with higher invasive plant penetration intensity exhibited a pronounced tendency toward phylogenetic clustering due to the combined effects of environmental filtering and anthropogenic disturbance. This suggests that while the overall evolutionary diversity of ecosystems expands as invasive species establish themselves alongside phylogenetically similar native species, locally, clusters composed of phylogenetically similar species form, deepening phylogenetic homogeneity. The R-based analytical framework developed in this study serves as a tool for systematically diagnosing spatial and phylogenetic changes resulting from invasive plant species. It is expected to provide crucial scientific evidence for predicting biodiversity changes and establishing ecosystem conservation strategies, serving as practical foundational data for these purposes.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 vi
• 제 1장 서론 1
• 제 2장 재료 및 방법 9
• 제 1절 대상 지역 9
• 제 2절 종발생 데이터의 구성 11
• 제 3절 외래식물의 분포패턴 시각화 15
• 제 4절 β-다양성 및 계통다양성 분석 17
• 제 3장 결과 23
• 제 1절 데이터 정리 23
• 제 2절 β-다양성 변화 26
• 제 3절 β-다양성의 공간적 패턴 31
• 제 4절 계통다양성 변화 39
• 제 5절 환경변수와 계통·분포 다양성 간의 관계 51
• 제 4장 고찰 54
• References 66
• Abstract 80