[논문 리뷰] Effects of green revolution led agricultural expansion on net ecosystem service values in India

Srikanta Sannigrahi, Suman Chakraborti외 12명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 24.

Land Use and Ecosystem Services참고 문헌 79인용 수 35

한 줄 요약

이 연구는 원격 탐사, 농업 통계 및 가치 이행 방법을 사용하여 1985년에서 2005년 사이에 인도의 생태계 서비스 가치(ESV)에 대한 그린 레볼루션 기반 농업 확장을 정량화한다. 농경지 확장과 정비로 인해 농경지 ESV는 132.2억 달러 증가했으며, 총 농작물 면적(TCA)과 순 관개 면적(NIA)이 가장 강력한 주요 요인으로 작용했고, 산림 및 습지 손실은 심각한 생태적 위험을 초래한다.

ABSTRACT

Ecosystem Services are a bundle of natural processes and functions that are essential for human well-being, subsistence, and livelihood. The expansion of cultivation and cropland, which is the backbone of the Indian economy, is one of the main drivers of rapid Land Use Land Cover changes in India. To assess the impact of the Green Revolution led agrarian expansion on the total ecosystem service values, we first estimated the ESVs from 1985 to 2005 for eight ecoregions in India using several value transfer approaches. Five explanatory factors such as Total Crop Area, Crop Production, Crop Yield, Net Irrigated Area, and Cropping Intensity representing the cropping scenarios in the country were used in constructing local Geographical Weighted Regression model to explore the cumulative and individual effects on ESVs. A Multi-Layer Perceptron based Artificial Neural Network algorithm was employed to estimate the normalized importance of these explanatory factors. During the observation periods, cropland, forestland, and water bodies have contributed the most and form a significant proportion of ESVs, followed by grassland, mangrove, wetland, and urban builtup. In all three years, among the nine ESs, the highest ESV accounts for water regulation, followed by soil formation and soilwater retention, biodiversity maintenance, waste treatment, climate regulation, and gas regulation. Among the five explanatory factors, TCA, NIA, CP showed a strong positive association with ESVs, while the CI exhibited a negative association. The study reveals a strong association between GR led agricultural expansion and ESVs in India.

연구 동기 및 목표

• 1985년에서 2005년 사이에 인도의 여덟 생태지역에서 생태계 서비스 가치(ESV) 변화를 정량화하기 위해.
• 토지 이용 및 농작물 생산 데이터를 활용하여 그린 레볼루션 기반 농업 확장이 총 ESV에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• ESV에 영향을 미치는 주요 농업 주요 요인—총 농작물 면적(TCA), 농작물 생산량(CP), 농작물 수확량(CY), 순 관개 면적(NIA), 복재도(CI)—의 상대적 영향을 규명하기 위해.
• 지리적 가중 회귀(GWR) 및 다층 퍼셉트론(MLP) 신경망을 활용하여 이러한 요인들의 누적 및 개별 효과를 평가하기 위해.
• 농업 집중화와 천연 생태계 보존 간의 상충관계를 규명하여 생태계 관리 정책 수립에 기여하기 위해.

제안 방법

• 1985년, 1995년, 2005년의 100m 해상도 LULC 자료를 랜드세트 위성 영상에서 유도하고, 여덟 생태계 유형—농경지, 산림, 수역, 도시, 초원, 습지, 망고로브, 방치지—로 재분류하였다.
• 다양한 가치 이행 접근법(Costa et al., 1997; 2014; de Groot et al., 2012; Xie et al., 2008)을 적용하여 구역별 생태계 서비스 가치를 산정하기 위해 9개 생태계 서비스의 단위 가치를 추정하였다.
• 지역 기반 지리적 가중 회귀(GWR) 모델을 구축하여 다섯 가지 농업 주요 요인과 ESV 간의 공간적으로 변화하는 관계를 분석하였다.
• 설명 변수의 ESV 예측에서의 정규화된 중요도를 추정하기 위해 다층 퍼셉트론(MLP) 기반 인공 신경망(ANN)을 활용하였다.
• 분류 정확도(94.4%)와 현장 검증 기반 수잔반의 망고로브 클래스 조정을 통해 모델 성능을 검증하였다.
• 농작물 생산 통계 및 관개 데이터를 통합하여 생태지역 전역에서의 농업 집중화 및 확장 동태를 표현하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그린 레볼루션 기반 농업 확장은 1985년에서 2005년 사이에 인도의 총 생태계 서비스 가치(ESV)에 어떤 영향을 미쳤는가?
• RQ2 총 농작물 면적(TCA), 농작물 생산량(CP), 농작물 수확량(CY), 순 관개 면적(NIA), 복재도(CI) 중 어떤 농업 주요 요인이 인도 생태지역 전역에서 ESV에 가장 크게 기여하는가?
• RQ3 농경지, 산림, 수역 등 각 생태계 유형이 연구 기간 동안 총 ESV에 기여한 상대 기여도는 얼마인가?
• RQ4 농업 주요 요인들의 누적 및 개별 효과가 인도 생태지역 전역에서 어떻게 공간적으로 변화하는가?
• RQ5 농업 집중화와 산림 및 습지와 같은 고가치 천연 생태계 보존 간의 상충관계는 어떠한가?

주요 결과

• 인도의 총 생태계 서비스 가치(ESV)는 1985년 8290억 달러에서 2005년 8450억 달러로 증가하여 20년간 총 160억 달러 증가하였다.
• 농경지는 ESV 기여도가 가장 높았으며, 1985년 3893.2억 달러에서 2005년 4025.4억 달러로 증가하여 총 132.2억 달러 증가하였다. 이는 주로 농업 확장으로 인한 것이다.
• 총 농작물 면적(TCA)이 ESV 예측 모델의 분산에서 가장 높은 비율을 차지하였고, 그 다음으로 순 관개 면적(NIA), 농작물 생산량(CP), 농작물 수확량(CY), 복재도(CI)의 순서였다.
• TCA, NIA, CP는 ESV와 강한 정적 상관관계를 보였지만, 농작물 수확량(CY)은 부정적 상관관계를 보였으며, 이는 고수확량에서의 수익 감소 또는 생태적 비용을 시사한다.
• 복재도(CI)는 ESV와 유의미한 상관관계를 보이지 않아, 복재 빈도 증가가 반드시 생태계 서비스 제공을 향상시키는 것은 아님을 시사한다.
• 물 조절, 토양 형성, 생물다양성 유지 서비스가 금액 기준으로 상위 세 가지 생태계 서비스였으며, 총 ESV의 50% 이상을 차지하였다.