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1. 서 론

 제주 지역의 육상양식장 규모는 2011년 기준 259개소에 달한다(KOSIS, 2013). 총 해안선의 길이가 약 253 ㎞인 제주도 해안에서 평균적으로 1 ㎞ 마다 1개소 이상의 육상양식장이 분포하고 있는 것이다. 이것은 전국 대비 약 43.9 %에 해당할 만큼 높은 수치이며, 그 면적으로 계산하면 전국 대비 약 51.9 %로 우리나라 육상양식장의 절반 이상이 제주도에 집중되어 있는 실정이다.

제주 지역은 반폐쇄적 내만과 달리 사면이 바다와 접하는 섬 지형이므로 내만 지형에 비해 상대적으로 육상기인 오염물질의 연안 체류시간이 짧고 수질상태가 양호하다는 자연환경적 장점으로 인해 육상양식업은 최근까지도 지속적인 성장을 거듭해 왔다. 육상양식장의 성장은 지역 내 경제발전에 기여하는 반면 육상양식장의 배출수는 제주주변 연안의 수질오염 및 해양생태계 문제를 야기하고 마을어장을 운영하는 공동체와 육양양식장 운영자간에 마찰을 빚기도 한다. 최근 제주연안의 마을어장은 주변 환경 변화에 의해 갯녹음 확산, 해조류 군락 감소, 패류 생산량의 감소 등 어장의 생산력이 크게 감소되고 있다(JDI, 2008). 이러한 문제가 계속 되고 있는 시점에서 양식장의 밀집화에 의한 배출수의 영향은 간과할 수 없는 실정이다. 특히 양식장 배출수에 기인한 오염물질은 저층에 누적되어 빈산소 수괴 형성 및 부영양화를 일으켜 연안역의 수질 및 서식환경의 변화로 수산피해를 가중 시킬 수 있기 때문이다(Takeuchi, 1999; Herbeck et al., 2013). 따라서 연안해역을 효과적으로 관리하기 위해서는 현재 수질의 시공간 변화 및 상태를 이해하는 것이 필요하다. 

연안해역은 외해수의 유입, 강우 및 하천유입과 같은 자연적인 현상과 인위적인 활동에 의해 육상에서 공급되는 오염물질이 혼재되는 곳이다. 일반적으로 제주도 연안 해역은 다른 지역과는 다르게 서로 다른 수괴의 영향으로 인해 해수교환이 원활하고, 이로 인해 다양한 생물이 서식하는 것으로 알려져 있다(Jeju National University, 2009). 하지만 생물이 다양했던 연안 마을어장은 현재 주변 환경의 변화로 다양성이 감소되고 있으며, 양식장의 운영에 있어서도 취수시 사육수조의 수질문제가 의심되어 효율적인 취수와 배수관리가 요구된다. 뿐만 아니라 배출구와 인접한 해역의 저층에서는 양식장에서 사용되는 사료 및 어분 등으로 추정되는 부유물이 침적되고 있어 영양염 용출과 같은 2차 요인의 문제가 제기된다(Murakami, 1998; Pitta et al., 2005). 

실제로 육상양식장으로부터 배출되는 수산용수의 확산이 연안해역 영양염의 농도를 부화시키고 있음이 연구자들에 의해 보고 되고 있다(Aure and Stigebrandt, 1990; Raczynska et al., 2012; Herbeck et al., 2013). 그러나 제주지역의 경우는 기존의 양식장 배출수와 관련된 연구의 대부분은 선박의 접근성이 어려워 배출수만을 채수하거나, 배출수와의 거리가 다소 멀어지는 경우가 많아 수질특성에 대해 이해하기 어려운 점이 있었다(Cho et al., 2002; Jeju National University, 2002; Jeju National University, 2009; Kim et al., 2009). 또한 배출수로 인한 영양염 농도 등의 수질 변화가 예상되지만 이로 인해 나타나는 수질특성에 관한 연구는 전무한 상황이다. 따라서 인위적인 배출행위로 인한 환경변화를 파악하기 위해서는 배출구로부터 변화되는 수질특성에 대한 전반적인 연구가 필요한 실정이다.

 본 연구에서는 제주도내 육상양식장이 밀집한 애월리, 행원리, 표선리, 일과리 지역의 배출구로부터 800 m 이내에 순차적으로 멀어지는 인접해역의 수질인자 시공간적 변화 특성 및 조절 요인을 파악하고자 한다.

2. 재료 및 방법

본 연구조사는 2010년 2월부터 2011년 12월까지 제주연안에 육상양식장이 밀집한 4개 지역(제주시; 애월리, 행원리, 서귀포시; 일과리, 표선리)의 각 4개 정점에 대하여 격월로 1회씩 총 12회 실시하였다. 각 해역 정점 1, 2는 배출구로부터 정점간의 거리는 약 150 m이며, 정점 2 ~ 4는 약 250 m 간격의 지점에서 조사를 수행하였으며, 배출수는 배수로를 통해 육상에 노출되어 연안역으로 바로 배출된다(Fig. 1). 수온과 염분 및 pH는 수질다항목 측정기(6600V2, YSI Inc.)를 이용하여 현장에서 획득하였다. 조사해역에 수질인자를 파악하고자 Niskin 채수기를 이용하여 표층(수심 1 ~ 0.5 m 내), 저층(해저에서 1 ~ 0.5 m 내)에서 채수한 다음 냉장상태로 실험실로 옮긴 후 해수를 여과하였으며, 영양염류의 분석을 위한 시료는 냉동상태(-20 ℃)로 보관 후 분석하였다.

Fig. 1. Location of the study area at the Jeju(http://map.daum.net/), Korea and overview on the study area with location of the four study site Aewol (a), Haengwon (b), Pyosun (c) and Ilkwa (d). White arrow indicates drainage channels.

모든 수질관련 분석은 해양환경공정시험기준(Ministry of Maritime Affairs and Fisheries, 2005)에 따라 실시하였다. 영양염류의 분석은 암모니아 질소, 아질산 질소, 질산 질소, 인산 인은 각각 Indophenol method, NED method, cadmium reduction method, Ascorbic acid method에 준하여 분석하였으며, 규산 규소는 Molibdenum blue method로, 총질소 및 총인은 Potassium persulfate digestion 처리 후 cadmium reduction method 및 Ascorbic acid method에 따라 분광광도계(UVIKONxs, SECOMAM)를 이용하여 비색정량하였다. 화학적산소요구량(COD; chemical oxygen demand)은 시료를 알칼리화하여 과망간산칼륨법으로 분석하였고, 용존산소(DO; dissolved oxygen)는 윙클러-아자이드화나트륨 변법, 부유입자물질(SPM; suspended particulate matter)은 미리 무게를 잰 여과지로 해수시료 2 L를 여과하고 110 ℃에서 항량으로 건조한 후 무게를 측정하여 정량하였다. 클로로필-a(Chl-a; Chlorophyll-a)는 해수시료 약 1 L를 Whatman membrane(0.45 ㎛) 여과지로 여과한 후, 아세톤 10 ㎖를 첨가하여 추출한 다음 원심분리기로 분리된 상등액을 분광광도계(UVIKONxs, SECOMAM)를 이용하여 측정하였다. 

연구해역별 수질자료에 영향을 미치는 환경요인을 알아보기 위해 상관행렬에 의한 주성분분석(PCA, Principal component analysis)을 실시하였다. 요인을 설명할 수 있는 고유값(eigen value)이 1이상인 것을 결정하였으며, 결정된 요인의 의미를 뒷받침해주는 요인부하량(loading value)을 각각 산출하였다. 또한, 변수와 요인간의 관계를 명확히 이해하기 위해 Varimax법으로 회전시켜 적용하였다. 통계처리는 다변량 해석의 SPSS 18.0 프로그램을 이용하였다. 

3. 결과 및 고찰

3.1 조사해역별 기온 및 강수량

연구해역 중 제주시 지역의 2010년과 2011년 연간 기온은 각각 -2.3 ~ 35.8(15.6 ± 3.1, 평균±표준편차) ℃, -2.7 ~ 34.7(15.6 ± 2.7) ℃의 범위이며, 서귀포시 지역의 2010년, 2011년 연간 기온은 각각 -2.7 ~ 33.0(16.9 ± 3.0) ℃, -3.7 ~ 35.5(16.7 ± 3.0) ℃의 범위로 제주시와 서귀포시 지역간의 평균기온차는 1.2 ℃내외로 서귀포시에서 비교적 높게 나타났다. 제주시 지역의 2010년, 2011년 연간 강수량은 각각 1.8 ~ 263.9(132.1 ± 85.4) ㎜, 15.6 ~ 423.1(123.2 ± 145.1) ㎜의 범위이며, 서귀포시 지역의 2010년, 2011년 연간 강수량은 각각 2.6 ~ 491.2(199.4 ± 151.0) ㎜, 5.2 ~584.5(167.5 ± 174.6) ㎜의 범위로 서귀포시 지역이 제주시지역에 비해 평균 55 ㎜내외로 많은 강우량을 보였다(Fig. 2). 제주도는 국내에서 비가 많이 오는 지역에 속하며, 특히 연교차가 25.0 ℃이하로 비교적 작고, 6~8월에 약 700 ㎜내외의 강우량을 나타내 난대성 해양성 기후의 특성을 나타냈다(KMA, 2010; KMA, 2011).

Fig. 2. Monthly variation of the rainfall and air temperature in the Jeju and Seoguipo city from 2010 to 2011.

3.2 수온 및 염분, 수질인자(pH, DO, COD, SPM, Chl-a)의 변화 특성

 조사해역 중 애월의 표층 수온은 13.3 ~ 29.0(19.2 ± 4.9) ℃, 저층에서 13.6 ~ 29.1(18.6 ± 4.2) ℃의 범위로 나타났으며, 표층염분은 27.5 ~ 34.5(32.9 ± 1.9) psu, 저층은 28.0 ~ 34.5(33.4 ± 1.4) psu로 나타났다. 행원의 표층 수온은 12.6 ~ 28.3(18.5 ± 4.5) ℃, 저층에서 12.6 ~ 27.6(18.6 ± 4.2) ℃의 범위로 나타났으며, 표층염분은 27.5 ~ 34.5(32.9 ± 1.9) psu, 저층은 28.0 ~ 34.5(33.4 ± 1.4) psu로 나타났다. 표선의 표층 수온은 13.8 ~ 28.4(19.1 ± 4.2) ℃, 저층에서 13.8 ~ 26.2(18.4 ± 3.7) ℃의 범위로 나타났으며, 표층염분은 30.0 ~ 34.5(33.2 ± 1.4) psu, 저층은 30.5 ~ 34.5(33.6 ± 1.1) psu로 나타났다. 일과의 표층 수온은 14.1 ~ 29.4(19.1 ± 4.7) ℃, 저층에서 14.0 ~ 25.7(18.5 ± 3.8) ℃의 범위로 나타났으며, 표층염분은 26.2 ~ 34.5(33.1 ± 2.2) psu, 저층은 29.1 ~ 34.5(33.6 ± 1.3) psu의 범위를 보였다(Table 1, Fig. 3).

Table 1. Water quality at surface and bottom waters in the study site from February 2010 to December 2011

Fig. 3. Temporal variations of temperature and salinity in the study site of Aewol (a), Haengwon (b), Pyosun (c), Ilkwa (d) from February 2010 to December 2011(upper : Surface, lower : Bottom).

조사해역에 2010년과 2011년의 2월~6월에는 전반적으로 표・저층 수온이 유사하였고, 8월은 일사량의 증가로 표・저층간 약 2 ℃내외의 수온차를 보였으며 해역별 연중 평균 수온은 거의 유사하였다. 동계(2월, 12월) 일과해역의 수온은 14 ℃ 이상을 보였고, 이를 제외한 모든 해역은 14 ℃ 이하를 나타냈으며, 특히 행원의 경우 다른 해역에 비해 수온이 약 1 ℃정도 낮은 경향을 보였다. 일반적으로 제주 북부해역의 경우 하계에는 대마난류수와 황해저층냉수의 혼합수에 의한 영향을 받고 겨울에는 대마난류수의 영향을 받는 곳이며, 남부해역은 연중 대마난류수의 영향을 받고 있는 곳이다. 실제로 국립수산과학원 위성해양정보시스템(http://portal.nfrdi.re.kr/sois/index.jsp)에서 제공하는 New Generation Sea Surface Temperature (NGSST) 분포정보에서도 이와 같이 나타나고 있었다(Fig. 4). 그러나 연안에 인접할수록 이러한 고유의 수괴보다는 대기 및 주변해역 환경에 의한 영향을 많이 받는 것으로 판단된다. 이러한 해석은 동계 제주 북부해역이 남부해역보다 1.5 ℃내외로 낮은 기온과 강한 북서 계절풍의 영향을 미치는 지리적 요건의 영향으로 보아지며, 뿐만 아니라 북부해역 중 애월에 비해 행원의 수온이 다소 낮은 이유는 행원내 육상양식장은 사육수조의 적정 수온을 맞추기 위해 연중 17 ℃내외인 지하해수를 이용하고 배출함으로써 주변연안 수온이 비교적 낮게 나타나게 하는 원인으로 사료된다(Kim et al, 2003; Baek and Park, 2005; Jeju National University, 2009; KMA, 2010; KMA, 2011). 염분은 2010년, 2011년의 2월, 4월, 10월, 12월 모든 해역에서 33 psu내외의 범위로 표・저층간의 염분 차는 크게 나타나지 않은 반면 강우가 집중되는 시기인 6월, 8월에는 염분농도가 30 psu이하로 급격하게 낮아져 저염화 현상이 나타났다. 전반적으로 8월을 제외한 모든 해역에 표・저층간 염분농도의 변화폭은 0.5 psu 이하로 작게 나타났다. 

Fig. 4. Daily images of the New Generation Sea Surface Temperature (NGSST) for February 16, 2010; February 14, 2011, respectively.

pH는 조사해역에서 대부분 8.2 내외로 연중 2월, 12월은 낮고, 6월, 8월, 10월은 비교적 높은 분포를 보였다. 특히, 행원과 일과해역은 DO 및 Chl-a와 분포경향이 비슷하여 수주내 생물활동에 의해 조절되는 요인으로 추정된다. DO의 경우 연중 8월, 10월에는 7 ㎎/L내외로 낮았으며, 2월, 12월에는 9 ㎎/L내외로 높은 농도를 나타내 수온과는 대조되는 분포경향을 나타냈다. COD는 2010년 6월, 8월에 모든 해역에서 2 ㎎/L이상으로 높은 농도를 보였고, 12월에 접어들면서 1 ㎎/L 이하로 낮아지다가 2011년 6월에 다시 높아지는 분포를 나타냈다. COD 농도는 염분과 대조되는 분포경향을 나타내는데, 이는 강우가 많아지는 시기에 유입되는 담수의 유기물에의해 COD 농도가 증가 하는 것으로 추정된다. SPM의 농도는 전반적으 로 평균 2 ㎎/L내외로 조사해역 중 행원에서 비교적 높게 나타났으며, 일과해역에서 낮게 나타났다. 특징적으로 강우량이 많아지는 6 ~ 8월에 높고, 특히 해수의 물리적 혼합이 원활해지는 가을과 겨울에 더욱 높게 나타났다. 이는 연구해역에 공급되어 침적된 부유물질이 저층에서 재부유되어 이동 및 확산되는 영향으로 보인다. Chl-a의 경우 2010년 6월, 8월, 10월의 수온상승기에 모든 해역은 1.5 ㎍/L 내외로 비교적 높았고, 2011년은 4월, 6월에 1.0 ㎍/L이상의 농도를 보였다. Chl-a는 전반적으로 수온상승기에 증가하고 수온이 감소하는 겨울에 이르면서 농도가 낮아지는 분포경향을 나타냈다(Table 1, Fig. 5).

Fig. 5. Temporal variations of pH, dissolved oxygen (DO), chemical oxygen demand (COD), suspended particulate matter (SPM), Chlorophyll-a (Chl-a) in the study site of Aewol (a), Haengwon (b), Pyosun (c), Ilkwa (d) from February 2010 to December 2011(upper : Surface, lower : Bottom).

3.3 영양염류 분포 특성

 2010년부터 2011년까지의 해역별 영양염류의 농도 분포는 Table 1과 Fig. 6에 나타내었다. 연구해역의 용존무기질소(DIN)의 농도분포는 0.36 ~ 25.94 μM의 범위를 보였고, 평균 10 μM내외로 계절적인 특별한 변동양상은 나타나지 않았으나 전반적으로 식물플랑크톤 성장이 활발해 지는 4월, 6월에 다소 낮아지는 경향을 나타냈다. 이와 같은 현상은 동일한 해역의 Chl-a 농도가 4월과 6월에 최대농도를 나타내고 있어 이러한 이유를 설명해준다. 뿐만 아니라 배출구와 인접한 정점에서 비교적 높은 농도를 나타내고 있었으며, 확산범위와 규모는 해역별로 차이는 있으나, 배출구와 거리가 약 300 m 정도의 정점 2까지 연중 용존무기질소는 10 μM 이상의 농도가 분포하고, 연직거리가 550 m이상이 되는 정점 3~4의 경우는 6 μM내외로 다소 낮게 나타났다. 특히 다른 해역에 비해 애월에서 비교적 높게 나타났고, 전반적으로 모든 해역에서 저층에 비해 표층에서 높은 농도분포를 보였다.

Fig. 6. Temporal variations of organic and inorganic nutrient concentrations in the study site of Aewol (a), Haengwon (b), Pyosun (c), Ilkwa (d) site from February 2010 to December 2011(upper : Surface, lower : Bottom).

 용존무기인(DIP)의 농도분포는 0.01 ~ 1.74 μM의 범위로 다른 해역에 비해 행원에서 평균 농도가 0.4 μM로 비교적 높은 농도를 보였고, 애월, 표선, 일과해역에서는 평균 0.3 μM내외의 농도를 나타냈다. 전반적으로 수온이 높아지는 6월과 8월에 용존무기인 농도는 비교적 낮고, 수온이 낮아지는 12월, 2월에 높게 나타났으며, 배출구의 거리와 인접해질수록 높은 농도를 보였다.

규산염은 애월해역 표층에서 8.49 ~ 75.24 μM(평균 29.29 μM)의 범위로 다른 해역에 비해 높은 농도를 보였고, 행원 해역은 저층에서 0.2 ~ 46.39 μM(평균 19.55 μM)로 가장 높게 나타났다. 규산염의 분포는 조사월별로 보면 전 해역에서 전반적으로 불규칙한 변동양상을 나타냈고, 저층보다 표층에서 높은 농도를 보였다. 뿐만 아니라 배출구 연안으로 인접할수록 규산염의 농도는 증가하였고, 용존무기질소의 분포경향과 유사하게 나타났다. 일반적으로 규산염의 농도는 주로 암석의 풍화작용에 의해 담수유입과 함께 증가할 수 있어, 우기인 여름에 염분이 낮아지면서 규산염은 높아지고, 건기인 겨울에는 염분은 높아지고 규산염의 농도는 낮게 나타나게 된다(Lim et al., 2007). 그러나 연구해역에서 규산염의 농도는 강우의 영향과는 다르게 여름철과 겨울철에 높거나 낮아지면서 다른 분포경향을 나타내 강우에 의한 담수의 유입 외에 다른 주된 요인과 관계가 있음을 알 수 있다. 총질소(TN) 및 총인(TP)의 농도분포는 전 해역에서 각각 3.6 ~ 53.6 μM(평균 20 μM), 0.16 ~ 2.23 μM(평균 0.7 μM)이 범위로 저층에 비해 표층에서 비교적 높게 나타났고, 용존무기질소와 용존무기인의 분포경향과 유사하게 나타났다. 

3.4 영양염 비율(N/P, Si/P)과 영양상태

 연안환경에서 영양염의 비율은 식물플랑크톤의 군집구조와 현존량에 영향을 미치는 요인으로 작용된다(Redfield et al., 1963). 연구해역의 DIN/DIP 비는 평균 26 ~ 91으로 전반적으로 16을 상회하는 수치를 나타냈고 해역별로 큰 차이를 보였으며, 연중 6월, 8월에 매우 높게 나타났다(Table 1). 일반적으로 식물플랑크톤 성장과 관련된 영양염의 제한인자는 주로 육지는 인, 해양은 질소로 알려져 있다. 하지만 연안과 인접한 배출수 주변 해역은 인이 제한인자로 작용하고 시기별로 크게 달라졌으며, 특히 고수온기에 높은 이유는 생물활동에 의해 인이 소모되는 과정에서 고농도의 용존무기질소 유입의 영향으로 판단된다. 즉 배출수 인근 해역에서는 상대적으로 질소가 과잉되고 있음을 지시한다.

연구해역의 Si/DIP는 평균 137 ~ 286으로 redfield 비(Si:N:P = 16:16:1)에 비해 매우 높은 수치를 나타냈고, 인과 질소에 비해서도 규소의 농도가 비교적 높아 조사해역의 규산염 또한 과잉 공급되는 것으로 나타났다. 일반적으로 규산염과 용존무기인은 우선적으로 육상으로부터 유입되는 담수 및 저층의 퇴적물 등으로부터 공급된다. 그러나 Table 3에 의하면 규산염의 경우 염분과는 전혀 상관성을 나타내고 있지 않으며, 주로 배출구와의 거리와 음의 상관성을 보여 배출구의 공급원에 의한 것으로 추정된다. 연구해역에서는 주로 용존무기인이 제한 영양염으로 작용하고 있었으며, 이러한 배출구에 인접한 연안 해역에 높은 영양염의 비는 연중 배출되는 인위적 공급에 의한 영양염 증가의 영향을 나타내는 것으로 판단된다.

Table 3. Correlation matrix between analytical parameters of surface and bottom water in the study area

본 연구해역에 기초생산자의 성장 및 현존량과 관련이 있고, 연안의 특이성을 나타내는 영양염류 농도에 대해 상대적인 수준을 알아보기 위해 조사정점과 유사한 해역의 제주연안 및 마을어장과 Wasmund et al.(2001)이 제시한 해역의 영양 상태를 나타내는 기준과 비교해 보았다(Table 2). 제주연안 자료는 해양환경측정망 자료 중 제주의 한림, 조천, 대정, 표선해역과 항만내의 조사 결과를 국가해양환경정보통합시스템(http://www.meis.go.kr/)에서 획득하였고, 마을어장은 제주 동․서․남․북부 연안에 바로 인접한 수심 10 m 이내에 조사 자료를 이용하였다(NFRDI, 2011). 타 연구결과와는 조사시기 및 정점, 시료의 수 등의 차이로 인한 정량적 상대평가를 하기에는 제한적이며, 해역의 영양 상태를 나타내는 것 또한 절대적인 기준이 될 수 없다. 그러나 평균분포 범위와 기준에 따른 간접적인 분포 수준은 추정 가능할 것으로 보인다. 용존무기질소의 함량은 제주연안과 마을어장의 평균함량에 비해 1.5 ~ 3배 높은 반면, 제주도 주요 항내에서 관측된 결과와는 용존무기질소는 유사한 범위를 나타냈다. 용존무기인의 경우는 6월에만 조사가 이루어진 마을어장을 제외하고는 전반적으로 유사하게 나타났다. 해역의 영양 상태는 제주 항내의 경우 용존무기질소와 용존무기인만을 고려하였을 경우 표층의 용존무기질소는 부영양상태(Eutrophic, 10 < DIN < 60 μM, 0.8 < DIP < 3 μM), 용존무기인은 중영양상태를 나타냈고, 제주연안과 마을어장은 용존무기질소와 용존무기인 모두 중영양과 빈영양상태의 범위에 속해 있었다. 본 연구해역의 경우 배출구로부터 300 m 이내에 있는 정점 1, 2의 경우 용존무기인은 중영양상태(Mesotrophic, 2 < DIN < 10 μM, 0.2 < DIP < 0.8 μM), 용존무기질소는 부영양상태를 나타냈고, 배출구로부터 550 ~ 800 m의 정점 3, 4는 용존무기인이 빈영양상태(Oligotrophic, DIN < 2 μM, DIP < 0.2 μM), 용존무기질소가 중영양상태로 나타났다. 이는 배출구와 인접한 연안으로부터 약 300 m 지점까지 영양염의 농도가 크게 증가하고 있으며, 이러한 해역은 인에 비해 질소가 상대적으로 과잉되고 있음을 추정할 수 있다.

Table 2. Comparison of dissolved inorganic nitrogen and phosphate concentration in Jeju coastal area of korea

3.5 수질인자간의 상관관계

 해역별 환경특성을 이해하기 위해 수질인자간의 상관분석을 실시하였다(Table 3). 애월에서 인자들간의 상관관계 중염분은 수온, pH, COD, TN과 각각 -0.80, -0.45, -0.54, -0.40, p<0.01로 음의 상관관계를 나타냈고, DO, DIP와 0.25, 0.23, p<0.05 로 양의 상관성을 보였다. Chl-a는 pH와 0.27, p < 0.05로 양의 상관성을 보였고, DIN, DIP, TP와 각각 -0.32, -0.29, -0.34, p < 0.01로 음의 상관성을 나타냈다. 배출구로부터 거리(Distance)와 DIN, TN, DIP, TP, Si는 각각 -0.50, -0.40, -0.35, -0.44, -0.53, p < 0.01로 음의 상관관계를 나타냈다. 이는 강우량이 많은 여름철 담수 유입에 의해 염분이 낮아지고, 유기물 관련 인자(COD, TN)가 증가된 것으로 보이며, DIP 및 DO는 해역내 유기물 분해과정에 소비되는 것으로 판단된다. 식물플랑크톤의 증식이 활발한 시기에는 영양염을 소비하는 과정에서 수층에 pH의 농도를 증가시키는 현상으로 보인다. 특히 배출구와의 거리와 근접해질수록 영양염의 농도가 높아지고 있어 이와 관련된 공급원에 따라 해역 내 영양염의 변화가 반영되는 것으로 판단된다.

행원에서는 염분은 COD와 -0.52, p < 0.01로 음의 상관성을 보였고, DO와는 0.40, p < 0.01로 양의 상관관계를 나타냈다. Chl-a는 pH, DO와 각각 0.52, 0.45, p < 0.01로 양의 상관성을 나타냈고, DIN, DIP, TP, Si와 각각 -0.40, -0.35, -0.23, -0.37, p < 0.05음의 상관관계를 보였다. 배출구로부터 거리와 DO, DIN, TN, DIP, TP, Si는 각각 -0.41, -0.31, -0.34, -0.44, -0.42, p < 0.01로 음의 상관성을 나타냈다. 행원의 경우도 여름철 담수 유입에 의한 염분저하는 주로 유기물(COD)의 증가의 원인으로 나타나고 있었으며, 식물플랑크톤의 성장과 관련된 인자로 영양염 및 DO, pH가 이화 및 동화작용에 의해 변화되고 있음을 나타냈다. 영양염의 농도분포의 경우 배출구와의 거리와 밀접한 관계를 나타내고 있었으며, 전반적으로 애월과 유사한 분포특성을 나타냈다. 

 표선은 염분과 COD, TN, Si, Chl-a가 각각 -0.31, -0.32, -0.22, -0.47, p < 0.05로 음의 상관성을 보였고, DIP와는 0.34, p < 0.01로 양의 상관관계를 나타냈다. SPM은 DO, DIP, TP, Si와 각각 0.41, 0.37, 0.34, 0.35로 양의 상관성을 보였고, Chl-a는 수온, SPM과 각각 0.44, 0.33, p < 0.01로 양의 상관관계를 나타냈고, 염분, DIN과 -0.47, -0.21, p < 0.05로 음의 상관성을 보였다. 배출구로부터 거리는 DIN, TN, DIP, TP, Si, SPM과 각각 -0.45, -0.31, -0.37, -0.46, -0.43, -0.36, p < 0.01로 음의 상관관계를 보였다. 표선의 경우는 타 해역과 달리 여름철 담수 유입과 관련된 인자로 Chl-a와 Si가 추가로 나타났으며, 담수유입에 의한 염분 저하현상 및 유기물 증가, 그리고 식물플랑크톤 생물량에 주된 영향을 미치는 환경을 나타냈다. 게다가 부유입자물질은 저층에서 교란 및 재부유되어 인산염 및 생물생산(DO, pH) 인자의 증가에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 일반적으로 인산염이 주공급원은 퇴적물 용출과 부유입자물질 표면에 흡착된 인산염의 탈리 현상 등이 있다(Chester, 1990). 즉 표선해역에서 배출구의 거리와 부유물질의 음의 상관성은 배출구로부터 공급되는 물질에 의한 저층에 침적가능성을 나타내며, 이러한 요인은 퇴적물 용출에 의한 인산염의 증가로 제시된다. 뿐만 아니라 영양염과 배출구의 거리가 음의 상관성을 보여 다른 해역과 마찬가지로 영양영의 분포특성이 배출구의 공급물질에 의해 지배되는 주된 요인임을 알 수 있다.

일과는 염분과 pH, COD, DIN, TN, Chl-a가 각각 –0.64, -0.57, -0.25, -0.40, -0.26, p < 0.05로 음의 상관성을 보였고, Chl-a는 염분, TP, Si와 각각 -0.26, -0.45, -0.22, p < 0.05로 음의 상관성을 나타냈으며, pH, DO와 각각 0.49, 0.28, p < 0.01로 양의 상관관계를 나타냈다. 배출구로부터 거리는 DIN, TN, TP, Si와 각각 -0.47, -0.38, -0.42, -0.23, p < 0.05로 음의 상관성을 보였다. 일과의 경우도 여름철 담수유입이 유기물과 식물플랑크톤 생물량에 주된 영 향을 미치고 있었으며, 이와관련된 생물생산(pH, DO) 인자의 농도증가를 나타냈다. 뿐만아니라 영양염의 농도분포는 배출구로부터 공급되는 물질의 영향을 받는 특성을 나타냈다. 

이와 같이 육상양식장이 밀집된 연안 해역에서 유기물은 제주주변 연안이 전반적으로 강우량이 많은 여름철 염분저하 현상과 밀접한 관련성이 있는 것으로 보아 이에 의해 지배되고 있는 것으로 판단되며, 영양염의 경우는 배출구로부터 공급되는 물질의 정도에 따라 연안환경이 지배되는 특성을 나타내고 있었다. 식물플랑크톤 생물량의 경우 표선과 일과해역은 담수유입에 따라 변화하는 반면 애월과 행원해역은 영양염 농도에 의해 지배되는 것으로 판단된다. 

3.6 주성분분석에 의한 연안환경 특성

 해역별 수질인자 변화에 영향을 미치는 환경요인을 파악하기 위해 주성분분석을 실시하였으며, 요인의 고유치와 기여율을 파악하였다(Table 4, Fig. 7)에 나타냈다. 애월 해역의 환경 특성을 지배하는 요인 중 제 1주성분의 기여율은 31.4%를 차지하며, DIN, TN, DIP, TP, Si가 양의 요인 부하량으로, 배출구로부터의 거리는 음의 요인 부하량을 나타내어 배출구로부터 공급되는 물질의 정도에 따라 영양염 농도의 변화에 영향을 미치는 인위적 요인으로 설명된다. 제 2주성분은 기여율이 22.0 %로 수온, pH, COD는 양의 요인 부하량, 염분은 음의 요인 부하량으로 나타났는데 수온이 높아지는 시기에 강우에 의한 담수유입으로 낮아진 염분과 이에 따른 유기물의 증가로 나타나는 기상학적 요인으로 해석된다. 제3주성분은 13.1 %로 DO, Chl-a가 양의 요인 부하량으로, Table 3에서도 Chl-a는 DIN, DIP와 음의 상관성을 보여 영양염을 소비하는 식물플랑크톤의 증식활동에 의해 용존산소가 증가하는 생물활성 요인으로 설명된다.

Table 4. Rotated factor matrix extracted and Eigenvalue, Proportion, Accumulative proportion by the principal component analysis(PCA) of the surface and bottom waters in the study area

Fig. 7. Principal component analysis loading plots collected in sampling sites of Aewol (a), Haengwon (b), Pyosun (c), Ilkwa (d).

 행원해역은 제 1주성분이 32.3 %의 기여율로 배출구로부터의 거리는 음의 요인 부하량을 보였고, DIN, TN, DIP, TP, Si는 양의 요인 부하량을 나타내어 배출구에 기인한 인위적 요인이 영양염 농도변화에 영향을 미치는 것으로 애월해역과 같은 요인으로 설명할 수 있다. 제 2주성분의 기여율은 21.7 %로 수온과 COD는 양의 요인 부하량을 나타냈고, 염분은 음의 요인 부하량을 보였다. 이러한 관계는 수온이 높아지는 여름철 강우로 인한 담수 유입의 원인으로 유기물이 증가되는 영향을 나타내는 요인으로 해석된다. 제 3주성분은 기여율이 13.6 %로 pH, DO, Chl-a가 양의 요인 부하량으로 식물플랑크톤의 생리활성에 따른 용존산소 및 pH 증가로 Table 3의 상관관계에서도 보면 Chl-a가 영양염류와 음의 상관성을 보여 영양염의 소비 과정에서 발생하는 생물생산 관련 인자(DO, pH)가 증가되는 요인으로 해석할 수 있다.

표선해역은 제 1주성분의 기여율이 29.4 %로 DIN, TN, DIP, TP, Si가 양의 요인 부하량을 보였고, 배출구로부터의 거리가 음의 요인 부하량을 나타내어 배출구에서 공급되는 물질에 의해 영양염이 증가가 설명되는 요인으로 나타났다. 제 2주성분은 기여율이 21.0 %로 수온과 Chl-a가 양의 요인 부하량을 보였고, 염분이 음의 요인 부하량을 나타내어 수온 및 염분의 계절에 따른 변화가 식물플랑크톤 생리활성에 영향을 미치는 요인으로 해석된다. 제 3주성분은 15.6 %의 기여율로 용존산소와 SPM이 양의 요인 부하량을 보였다. 이는 부유입자물질에 의한 용존산소의 변화로 Table 3에서 보면 SPM은 인산염과 DO와 상관성을 나타내는 것으로 보아 저층으로부터 재부유 시 미세조류가 공급되어 생물생산 인자 변화에 영향을 미치는 요인으로 해석된다. 제 4주성분의 기여율은 9.2 %로 pH, COD가 양의 요인 부하량으로 Table 3에서 COD는 수온, 염분과 높은 양의 상관성을 보이고, pH는 영양염과 음의 상관성, 배출구로부터 거리와는 양의 상관성을 나타내는 것으로 보아 여름에 담수유입과 함께 증가하였던 유기물이 수온 및 기상변화에 따라 작용을 달리하며 나타나는 생리활성 요인으로 판단된다. 

일과해역은 제 1주성분이 27.7 %의 기여율로 수온과 pH, DO, COD는 양의 요인 부하량을 나타냈고, 염분은 음의 요인 부하량을 나타내어 앞서 애월에서 제시한 고수온 시기의 담수 유입에 따른 유기물 증가로 보인다. 뿐만 아니라, Table 3에서 보면 Chl-a가 염분과 음의 상관성, DO와 양의 상관성을 보여 DO의 증가는 식물플랑크톤의 성장활동과 관련된 것으로 담수유입에 따른 이차적 요인으로 해석된다. 제 2주성분의 기여율은 22.0 %로 DIN, TN, DIP, TP, Si는 양의 요인 부하량을 보였고, 배출구와의 거리는 음의 요인 부하량으로 다른 해역과 마찬가지로 배출구에 기인한 인위적 요인에 대한 설명으로 파악되며, 제 3주성분은 기여율이 15.7 %로 DO, SPM, Chl-a가 양의 요인 부하량을 보이는데 이는 해수의 물리적 혼합에 의한 저층 퇴적물의 재부유가 식물플랑크톤의 생리활성이 영향을 미치는 것으로 해석되며, Table 3의 상관관계에서 SPM이 수온과 음의 상관성을 보여 이러한 설명을 뒷받침해준다. 한편 일과해역은 타 해역과 달리 배출구로부터 기인하는 물질보다는 기상학적 요인의 기여율이 높게 나타나고 있었다. 이러한 이유는 일과 해역의 배출구 인접한 정점 2의 경우 수심이 20 m이상으로 다른 해역의 수심 10 m 내외보다 비교적 깊고, 제주 남서부 연안이 황해와 동중국해 길목에 위치하여 동중국해로부터 유입되는 대마난류와 원활한 해수의 이류 및 확산의 영향으로 희석되는 현상으로 판단된다. 조사기간 중 일과해역에서 겨울철 수온이 타 해역에 비해 비교적 높게 나타나 이러한 설명을 뒷받침해준다. 

 이와 같이 통계분석을 통한 육상양식장이 밀집된 연안 해역별 특성은 전반적으로 3개의 요인으로 해석될 수 있었다. 주요인으로는 영양염의 농도변화와 관련된 배출구로부터 공급되는 인위적 요인과 기온 및 강우에 의해 유기물 분포가 변화하는 기상학적 요인, 그리고 담수유입과 같은 기상학적 요인과 영양염 공급에 따른 인위적 요인에 따라 변화하는 생물성장 관련 요인으로 구분되었다. 이는 배출구와 인접한 연안 해역에서 고농도의 영양염이 연안에 확산된다는 Herbeck et al.(2013)의 보고와도 잘 부합한다.

 한편 제주주변에는 해안의 지하 대수층내에는 염분 및 영양염류 함량이 높은 지하해수가 존재하고 있으며, 해저 지하수의 유출과 재순환은 연안역의 부영양화에 영향을 미칠 수 있다(Kim et al., 2005). Kim et al.(2003)은 지하해수의 경우 흡탈착이 용이한 이온의 특성으로 특히 김녕리 지역의 지하해수 용존무기인(평균 2.0 μM)이 연안수(평균 0.4 μM)에 비해서 매우 높은 농도를 보인다고 하였다. 이번 연구에서도 배출수에 인접한 용존무기인은 최대 1.7 μM로 일반적인 연안수의 농도보다 높게 나타나고, 용존무기질소 및 규산염의 농도도 비교적 높게 나타나고 있다. 이러한 점은 제주도 지하해수의 유출과의 관련성을 제기할 수 있다. 현재 제주도내 육상양식장의 경우 일정한 수온을 유지하기 위해 연안해수와 지하해수를 혼합하여 사용하고 있다(Kim et al., 2003). 이러한 혼합수가 양식장에서 사용 후 배출되고 있으며, 이번 연구에서 배출구에 인접한 해역에서 지하해수로 추정되는 수질특성이 나타난 것이 이러한 이유로 판단된다. 하지만 제주도에서 지하해수가 연안에 직접 유출되는 양에 대해 고려되지 않은 문제점은 수질자료의 해석에 있어 한계를 나타내고 있으며, 현재 수심 1 m 이하에서만 지하해수의 유출량에 대한 Kim et al.(2005)의 보고만 있고 전 해안 깊이에서 관측된 바가 없어 이러한 자료를 보완하는 과정이 필요할 것으로 보인다.

4. 결 론

 제주연안선에 밀집된 육상양식장 배출구 주변에서 수질환경의 시공간적 특성에 영향을 미치는 요인을 주성분 분석을 통해 파악한 결과 영양염의 경우 염분의 변화에 관계없이 배출구로부터 공급되는 물질에 의해 영양염의 농도가 조절되어, 연안에서 외해역으로 갈수록 농도구배가 감소하는 특징을 보였다. 특히 용존무기질소는 배출구와 인접한 해역에서 부영양상태로 인에 비해 질소가 과잉되고 있는 것으로 나타났다. 유기물 분포는 담수유입량이 증가하는 고수온 시기에 증가하는 경향을 나타내 이에 의해 지배되는 것으로 나타났다. 식물플랑크톤의 생물량 변화는 애월과 행원해역의 경우는 영양염 변화와 관련된 인위적 요인(양식장 배출수), 표선과 일과해역의 경우는 담수유입과 관련된 기상학적 요인(기온, 강우)에 의해 지배되는 것으로 나타났다. 일반적으로 연안역은 담수유입에 의해 영양염 농도가 크게 지배되나 양식장 밀집지역의 배출구 인근 해역은 사육수의 배출이 주된 영향을 미치는 것으로 나타났다. 한편 조사정점은 연안 수질 특성에 영향을 미칠 수 있는 배출구로부터 확산되는 범위 및 조석, 바람, 지하해수와 같은 자연 현상 등이 고려되지 못한 한계점이 있다. 하지만 배출구 연안선으로부터 직선거리 약 300 m 및 수심 10 m 이내 해역의 표ㆍ저층수는 연중 상대적으로 고농도의 영양염이 체류하고 있는 것으로 나타나 제주도내 주요 항내와 유사한 수준의 부영양상태가 일정 기간 지속되고 있는 것으로 사료된다. 즉 양식장 밀집해역은 부영양화 과정에서 발생하는 문제를 직ㆍ간접적으로 받을 수 있으며, 육상양식장도 취수지점이 배출수의 영향권 내에 위치할 경우 사육수질의 문제가 발생할 수 있다. 한편 배출수 영향 중 부유입자물질과 COD는 관련성이 나타나고 있지 않는데, 육상양식장의 배출수 수질에 대한 법적기준은 현재 이 두 항목(SPM, COD)에 대해 시행중이며 조사해역은 비교적 농도가 낮게 나타나 수질기준을 준수하여 배출하는 것으로 판단된다. 현재 제주는 도로 및 골프장 개발, 하천정비, 양식장 밀집화 등이 여전히 진행 상태이며, 이 후 연안환경에 많은 변화를 초래할 것으로 예상됨에 따라 연안의 부영양화는 더욱 가속화되어 마을어장 생산력의 악화를 초래할 수 있는 가능성이 내재되어 있다. 이러한 점을 고려하여 제주 연안환경도 효율적인 개발과 관리에 맞춰 생태환경을 보전할 수 있는 지속적인 연구와 관심이 필요하겠다.

사 사

본 연구는 국립수산과학원 아열대수산연구센터 시험연구사업(RP-2013-ME-069)의 지원으로 수행되었습니다.