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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)
Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.20 No.6 pp.627-639
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2014.20.6.627

Temporal and Spatial Variability of Nutrients Variation in Bottom Layer of Jinhae Bay

Tae-Jun Choi*, Jung-No Kwon**†, Jae-Hyun Lim**, Seul-Min Kim**
*Marine Environment Research Division, National Fisheries Research & Development Institute, Busan, 619-705, Korea
**Marine Environment Research Division, National Fisheries Research & Development Institute, Busan, 619-705, Korea

* First Author : choiter@naver.com, 051-720-2541

Corresponding Author : jungnok@korea.kr, 051-720-2540
September 17, 2014 November 28, 2014 December 26, 2014

Abstract

In respect of the nutrients cycling in coastal environment, regeneration in bottom layer is one of major source of nutrients. We analyzed the bottom water quality at the 14 stations during 9 years from 2004 to 2012 to investigate the characteristics of nutrients at bottom layer in Jinhae Bay. Concentrations of DIN, DIP and DSi showed the large seasonal variation and were higher in summer. Especially, average concentrations of these nutrients were two times higher in hypoxic season than in normoxic season. In summer, high concentrations of DIN, DIP and DSi caused by regeneration were common feature, but spatial distribution of DSi differ from that of DIN and DIP. DIN and DIP were higher in Masan Bay, while DSi was higher in Masan Bay as well as in center of Jinhae Bay. In comparison with DIN and DIP, DSi was significantly affected by nutrients regeneration at bottom layer in whole season. According to time series analysis, DIN concentration was decreased from approximately 14μM to 6μM. This result induce that Si:N ratio at bottom layer in Jinhae Bay changed from approximately 1 to 3.

Jinhae Bay , Bottom layer , Nutrients , Dissolved oxygen , Hypoxia

진해만과 주변해역 저층 영양염의 시·공간적 변동 특성

최 태준*, 권 정노**†, 임 재현**, 김 슬민**
*국립수산과학원 어장환경과
**국립수산과학원 어장환경과

초록

연안환경의 영양염 순환에서 저층에서의 영양염 재생산(regeneration)은 주요한 영양염 공급원 중 하나이다. 진해만 저층 영 양염의 거동을 살펴보기 위해 2004년부터 2012년까지 9년간 진해만 내 14개 정점의 수질자료를 분석하였다. 저층의 용존무기질소, 인 산염인, 규산염규소는 계절적 변동성을 나타내었고, 하계에 가장 높은 농도를 보였다. 특히, 빈산소 수괴(hypoxia) 형성 시기의 평균 영 양염 농도는 정상산소상태(normoxia) 시기에 비해 약 2배 더 높게 나타났다. 하계 진해만의 저층 용존무기질소, 인산염인, 규산염규소 의 농도는 재생산에 의해 모두 높은 경향을 보였으나, 공간적 농도 분포는 차이를 나타내었다. 용존무기질소와 인산염인은 마산만에서 가장 높은 농도를 보이는 반면 규산염규소는 마산만 뿐만 아니라 진해만 중심부에서도 높은 농도를 나타내었다. 또한 다른 영양염에 비해 규산염규소는 전 계절 동안 저층에서의 재생산이 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 시계열 분석 결과 9년간 용존무기질소의 농도는 약 14μM에서 6μM로 뚜렷한 감소를 나타내었다. 용존무기질소의 감소로 인해 진해만 저층의 Si/N 비는 약 1에서 3으로 증가 된 것으로 나타났다.

진해만 , 저층 , 영양염류 , 용존산소 , 빈산소
    National Fisheries Research and Development Institute
    RP-2014-ME-023

    1.서 론

    우리나라 남해 동쪽에 위치하고 있는 진해만은 가덕도 수로 서쪽에 위치하고 있고, 행암만, 마산만, 진동만, 원문 만, 고현만 등으로 구성된 폐쇄적 지역이다(Kim et al., 2012). 진해만의 입구인 가덕 수로는 해수교환이 활발한 혼 합 해역으로 기상조건에 따른 변동이 큰 지역이며(Cho et al., 1998; Han et al., 1991; Hyun et al., 2011), 북측의 마산만 은 인접한 대도시로부터 오염물질 유입 등 담수의 영향을 크게 받는 반폐쇄성 해역이다(Son et al., 2011; Hyun et al., 2011). 또한 진해만의 서측인 진동만, 고성연안 주변은 수 하식 굴양식장이 밀집된 지역이며, 남측인 원문만, 고현만 은 주거도시와 조선사업의 영향을 많이 받는 지역이다(Son et al., 2014). 따라서 진해만은 영양염을 포함한 오염물질의 유입이 많고 유기물질 부하량이 커서 부영양화 현상이 빈 번하게 발생한다.

    진해만 외부로부터 유입되거나 현장에서 생산된 유기물 질은 많은 부분이 수중에서 분해되지 않고 가라앉아 퇴적 층에 쌓이게 된다(Park et al., 2012). 퇴적층에 쌓인 유기물 질은 분해되면서 산소를 소모시키는데, 특히 표층 수온의 증가로 인해 수층 간 성층이 형성되는 하계에는 많은 양의 유기물질이 분해되면서 저층 빈산소 수괴(hypoxia)를 발생 시킨다(Yang and Hong, 1988). 연안 환경에서 용존산소의 농 도 감소는 부영양화에 의해 발생되는 대표적인 현상으로, 진해만과 같은 양식어장이 밀접한 해역에 발생할 경우 양 식 생물에게 심각한 피해를 가져올 수 있으며, 어장가치 하락을 불러올 수 있는 부정적인 효과를 가져 올 수 있다 (Kim et al., 2012). 또한 유기물질의 분해로 인해 산소소모 와 동시에 발생하는 영양염 재생산(regeneration)은 만내 시 스템의 내부적 측면에서 볼 때, 주요한 영양염 공급원이 될 수도 있다(Kemp et al., 1992; Cowan et al., 1996). 특히, 영 양염이 고갈된 시기에 재생산에 의해 생성된 영양염은 다 시 수층으로 공급되어 생산자에게 이용될 수 있다(Richard et al., 2007; Danielsson, 2014).

    진해만 저층 영양염의 시간적 분포와 특징에 대해서는 몇몇 연구들에 의해 보고되었다(Lee et al., 1993; Cho et al., 2004; Kim et al., 2012). 특히 Lee et al.(1993)의 연구는 빈산 소 수괴 형성이 지속되는 기간 동안에는 저층의 인산염인 의 농도가 급격하게 증가하고, 용존산소 농도가 회복함에 따라 농도가 감소하는 경향을 보고하였고, Kim et al.(2012) 의 연구는 빈산소 수괴 발생 시기에 저층의 용존무기질소, 인산염인이 매우 높은 결과를 보였다. Cho et al.(2004)은 24 시간 동안 외부로부터 오염물질의 유입이 크지 않은 지역 에서 일차생산과 양식장 생물에 기초한 유기물질들이 분해 되면서 용존산소 감소와 영양염 재순환 경향을 밝혔다. 이 들 연구는 단기간 수행된 것이고 비교적 장기적인 자료를 통해 분석되어진 연구는 진행되지 않았다. 예를 들어, 저층 에 영구적인 빈산소 또는 무산소 환경이 형성되어 있는 발 틱해(Baltic sea)에서는 약 1970년대부터 저층 수질을 조사해 왔으며 장기 관측 자료를 이용하여 인산염인, 규산염규소 등의 영양염에 대한 연구가 진행되어 왔다(Conley et al., 2002; Danielsson, 2014). 이러한 연구들을 통해 발틱해 일차 생산에 주요한 공급원인 저층 영양염의 특성과 장기적인 변동성에 대해 밝히고 있다. 본 연구는 2004~2012년간 진해 만 저층 수질 자료를 이용하여 저층 영양염의 시간적, 공 간적 변동을 살펴봄으로서 생지화학적 순환 과정의 특성에 대해 밝히고자 한다. 앞서 소개한 연구들에 비해서는 짧은 기간 동안의 변동에 대한 분석이나 진해만 저층 수질관리 및 앞으로의 연구방향을 개선하는데 기여할 수 있을 것으 로 기대된다.

    2.재료 및 방법

    연구해역의 저층 영양염의 변동을 파악하기 위해 2004~ 2012년간 진해만에 위치한 14개 정점(st. 1~14)에서 저층 수질 을 조사하였다(Fig. 1). 조사항목은 저층의 수온(temperature), 염분(salinity), 수소이온농도(pH), 용존산소(DO), 암모니아성질 소(ammonia nitrogen), 아질산성질소(nitrite nitrogen), 질산성질 소(nitrate nitrogen), 인산염인(phosphorate phosphorus), 규산염 규소(silicate silicon)이다. 수온, 염분, 수소이온농도는 관측장 비(YSI 6600)을 이용하여 현장에서 관측하였고, 용존산소는 DO meter 또는 해양환경공정시험법의 Winkler-Azide 변법으로 측정하였다. 영양염류는 해양환경공정시험법(MLTM, 2010)에 준하여 분석하였으며, 암모니아성질소는 Indophenol 청색법, 아질산성질소는 a-NED법, 질산성질소는 Cu-Cd 칼럼을 이용 한 아질산성질소 환원법으로 측정하였으며, 용존무기질소 는 암모니아성질소, 아질산성질소, 질산성질소의 합으로 계 산하였다. 인산염인은 ascorbic acid를 이용한 몰리브덴 청 법, 규산염규소는 몰리브덴 청법으로 측정하였다. 조사된 수질성분간의 상관관계를 해석하기 위하여 통계프로그램 (SPSS ver. 12.0)을 이용하여 상관분석(correlation analysis)을 실시하였다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.저층 영양염의 계절적 특성

    2004년부터 2012년까지 진해만 14개 정점의 저층 수질 관측 자료들의 범위(range), 평균(mean), 표준오차(SE) 값을 Table 1에 나타내었고, 계절별(2, 5, 8, 11월) 분포를 Fig. 2에 나타내었다. 저층 수온은 동계인 2월에 평균 5.66 ℃로 계절 중 최소를 보이며 하계인 8월에 평균 19.56 ℃로 최대를 나 타내었다. 염분과 수소이온농도는 수온에 비해 계절적으로 뚜렷한 변화를 나타내지 않았고, 8월에 각각 평균 32.35, 7.80로 최소를 나타내었다. 용존산소는 수온과 반대로 2월 에 평균 11.31 mg/L로 높은 농도를 보이며 8월에 4.49 mg/L 로 낮은 농도를 나타내었다. 질소계열 영양염 중 암모니아 성질소는 하계에 증가하다 11월 감소하는 경향을 보였으 며, 아질산성질소와 질산성질소는 암모니아성질소에 비해 계절적 경향성이 크지 않았다. 용존무기질소, 인산염인, 규 산염규소는 모두 하계인 8월에 가장 높은 농도(평균 용존 무기질소: 11.11μM, 인산염인: 1.08μM, 규산염규소: 28.55 μM)를 나타내었다. 농도가 가장 낮았던 시기의 평균 값(5 월 평균 용존무기질소: 6.23μM, 2월 평균 인산염인: 0.33 μM, 규산염규소: 3.50μM)에 비해서 용존무기질소는 약 2 배, 인산염인은 약 3배 높은 값을 나타냈으며, 규산염규소 는 8배 이상의 차이를 나타내며 영양염 중 가장 큰 계절 변화를 보였다. 장기 관측 자료 분석을 통해 나타난 하계 에 저층 영양염이 높은 경향은 선행 연구들에 의해 보고된 계절적 특성(Hong et al., 1991; Cho et al., 1998)과 일치하는 것으로 나타났다.

    계절별로 저층 수질 성분 간의 관계를 알아보기 위한 상 관분석 결과를 Table 2에 나타내었으며, 통계적으로 유의한(p < 0.05) 상관계수 결과들만을 표시하였다. 2월에는 수온과 용 존산소 간 그리고 수소이온농도와 규산염규소 간에 0.4 이상 의 비교적 높은 음(-)의 상관관계를 나타냈다. 용존산소와 영 양염들 간에는 유의하지 않거나 낮은 상관관계를 나타내었 으며, 용존무기질소, 인산염인, 규산염규소 상호 간에도 유의 하지 않거나 낮은 상관관계를 나타내었다. 5월에는 수온과 염분 간에 비교적 높은 음(-)의 상관관계가 나타났고, 영양염 들 간의 관계에서는 용존무기질소와 인산염인 간에 0.7 이상 의 높은 양(+)의 상관관계가 나타났다. 용존산소에 대해서는 규산염규소는 뚜렷한 음(-)의 상관관계를 나타냈으나, 나머지 영양염은 비교적 낮은 상관관계를 나타냈다. 8월에는 수온에 대해 암모니아성질소를 제외한 모든 항목이 비교적 높은 상 관관계를 보였다. 수온은 수소이온농도, 용존산소와 양(+)의 상관관계를 나타내었고, 반면 영양염들과는 모두 음(-)의 상 관관계를 나타내었다. 용존무기질소, 인산염인, 규산염규소는 상호 간에 상관계수가 0.5 이상의 양(+)의 상관관계를 나타 냈다. 용존산소에 대해서는 용존무기질소, 인산염인, 규산염 규소 모두 0.4 이상의 음(-)의 상관관계를 보였다. 11월에는 수소이온농도와 인산염인 간에 비교적 높은 음(-)의 상관관 계를 보였고, 영양염들 간의 높은 상관관계는 나타나지 않았 다. 용존산소에 대해서는 5월과 마찬가지로 영양염 중 규산 염규소만이 비교적 높은 음(-)의 상관관계를 나타내었다. 저 층 용존산소와 영양염의 관계는 계절적으로 동계인 2월과 하계인 8월에 뚜렷한 차이를 보였다.

    저층에서의 용존산소 농도와 영양염 농도의 관계는 유기 물질의 분해·용해 과정을 통해 형성되며, 분해·용해 과정 중에 산소가 소비되면서 유기물질을 구성하고 있는 물질이 무기형태로 재생산되는 것으로 해석할 수 있다(Middelburg and Levin, 2009). 2월에 용존산소와 모든 영양염간에 상관 관계를 가지지 않는 것은 낮은 수온으로 인해 미생물의 활 동성 및 용해작용이 감소하여 재생산되는 영양염의 양이 적고, 표·저층 간 성층이 형성되지 않아, 용존산소와 영양 염이 수직적으로 혼합·확산되어 나타난 결과로 추정된다. 반면 하계인 8월에는 높은 수온으로 인해 미생물의 신진대 사 작용이 활발해지고, 표·저층 간의 성층화로 인한 저층 수괴의 고립 및 안정화가 커지게 되어 유기물질의 분해로 인한 용존산소 감소와 영양염 증가의 관계가 상대적으로 잘 나타난 것으로 판단된다. 하지만 진해만 저층에서의 수 온 증가에 따라 영양염 농도가 증가하는 계절적 특성(Hong et al., 1991; Cho et al., 1998)과 대조적으로 8월에는 수온이 높을수록 영양염의 농도가 낮은 경향을 나타내었다(Table 2). 이와 같은 경향에 대해서는 하계의 저층 영양염 농도에 큰 영향을 끼치는 요인 중 하나인 표·저층 간 성층화 강도 의 증감에 의한 영향을 고려해 볼 수 있다. 자료를 나타내 지는 않았지만, 이 계절 동안에 표·저층 간 수온 차가 작을 수록 저층 영양염 농도가 낮은 경향이 나타났으며, 이는 저층 수온이 높아짐에 따라 성층화 강도가 약해지고, 저층 영양염 중 일부가 혼합·확산 되었을 가능성을 뒷받침한다.

    3.2.하계 빈산소 수괴 형성이 영양염 변동에 미치는 영향

    저층의 빈산소 수괴 발생은 퇴적물로부터 수층으로의 영양 염 용출을 촉진한다. Belias et al.(2007)와 Villnäs et al.(2012)는 빈산소 수괴 발달과 저층에서의 영양염 플럭스의 변화에 대한 실험을 통하여 수층 빈산소 수괴의 지속에 따라 퇴적 층에서 수층으로 암모니아성질소, 인산염인, 규산염규소의 유출이 증가함을 밝혔다. 비록 퇴적층에서 유출되는 영양 염 플럭스를 측정한 직접적인 자료는 없으나, 빈산소가 발 생하는 8월의 결과를 용존산소 농도 3 mg/L를 기준으로 정 상산소상태 시기와 빈산소 수괴 발생 시기로 나누어 저층 영양염의 분포를 살펴보면, 빈산소 수괴가 발생하였을 때 의 평균 용존무기질소, 인산염인, 규산염규소의 농도는 정 상산소상태 시기에 비해 약 2배 정도 높은 경향을 나타내 었다(Fig. 3). 두 시기 간 농도 차이의 유의성을 판별하기 위해 t-검정을 실시하였으며, 세 영양염 모두 유의한 차이 를 보였다. 산소가 결핍된 혐기성 환경에서 광물화 박테리 아는 산화환경일 때 광물화를 통해 얻는 에너지와 같은 양 의 에너지를 얻기 위해 더 많은 유기물질을 분해시킨다 (Lehtoranta and Heiskanen, 2003). 이로 인해 유기물질의 분해 가 증가하게 되면 결과적으로 퇴적물에서 수층으로 유출되 는 영양염의 양이 증가할 수 있다. 퇴적물에 쌓인 유기물 질의 분해산물인 고분자물질의 가수분해로 인해 생긴 아미 노산이 분해되면서 수층으로 암모니아성질소가 유출된다 (Gundersen, 1981). 산소가 풍부한 환경에서 암모니아성질소 는 질산화(nitrification)을 통해 아질산성질소 또는 질산성질 소로 전환되지만(Herbert, 1999), 빈산소 수괴가 형성된 시기 에는 산소가 부족하여 질산화 과정이 저해될 수 있기 때문 에 암모니아성질소가 그대로 수층으로 유출되는 경향이 나 타난다(Middelburg and Levin, 2009). 또한 산소가 결핍된 환 경에서 박테리아는 신진대사 활동에 산소를 대신하여 질산 성질소를 에너지원으로 사용한다(Canfield et al., 2005). 따라 서 용존산소 농도가 감소하고, 빈산소 수괴 상태가 지속되 는 동안 질산성질소의 감소와 암모니아성질소의 증가 경향 이 동시에 발생하는 데, 이는 박테리아 또는 효소에 의해 질산성질소가 암모니아성질소로 환원되는 것을 의미한다 (Sorensen, 1978). 또한 퇴적물 표면에서 산소소비와 수층 빈 산소 수괴 지속되면 Fe(Ⅲ)가 Fe(Ⅱ)로 환원되며, 이는 불용 성인 FePO4를 용해되기 쉬운 형태인 Fe3(PO4)2로 변환시키게 되고, 그 결과로 수층으로 유출되는 인산염인이 증가되는 경향이 나타난다(Scoullos et al., 1987; Waldeback et al., 1988). 이와 동시에 퇴적층에 쌓인 규조류의 규산질 구조 껍질의 환원에 의해 규산염규소의 농도가 증가하게 된다(Belias et al., 2007). 진해만 저층에서는 빈산소 수괴 형성 시기 동안 에 질산성질소와 아질산성질소 간의 음(-)의 관계를 살펴 볼 수 없었으나, 암모니아성질소의 농도가 아질산성질소, 질산성질소에 비해 월등히 증가된 경향을 보이고, 암모니 아성질소가 용존무기질소의 평균 65 %(정상산소상태 일 때: 52 %)를 차지하는 것으로 나타나 빈산소 수괴 형성에 따른 저층 영양염 용출 경향을 반영한 결과로 판단된다. 따라서 빈산소 수괴 시기의 인산염인, 규산염규소의 농도가 높은 것도 이에 상응하는 결과로 추정되며, 앞으로 빈산소 수괴 형성에 따른 퇴적층으로부터의 영양염 용출량과 메커니즘 에 대해 명확하게 밝힐 필요가 있다.

    3.3.저층 영양염의 공간적 분포의 차이

    하계에 진해만 저층에서 재생산된 영양염의 공급에 의해 용존무기질소, 인산염인, 규산염규소의 농도가 높아지는 것 은 공통적인 계절적 특성이었으나, 영양염의 공간적 분포 는 차이를 보였다. 정점별로 9년 동안의 전체 평균과 8월 평균 농도를 Fig. 4에 나타내었으며, 정점 간 영양염의 농도 차이를 명확히 표현하기 위해 8월의 모든 정점의 평균값에 대한 정점별 평균값의 공간적 anomaly를 Fig. 5에 나타내었 다. 평균 용존무기질소 농도는 마산만 일대에서 가장 높은 분포를 보이며 행암만 일대와 진해만 남서측에서 상대적으 로 낮은 농도를 나타냈다. 암모니아성질소의 평균 농도는 용존무기질소와 유사한 분포를 보였지만 질산성질소는 이 와 다른 공간적 분포를 나타내며, 특히 8월 평균 농도는 만 입구(가덕수로)와 중심부, 고현만에서 높게 나타났다. 인산 염인의 평균 농도는 마산만 일대에서 다소 높은 경향을 보 였으며, 8월에 st.6에서 다른 정점에 비해 매우 높게 나타났 다. 만 입구과 행암만 일대, 진해만 남서측에서는 비교적 낮은 농도를 보였다. 규산염규소의 평균 농도는 행암만 일 대에서 비교적 낮게 나타났으며 마산만과 진해만 중심부에 서 높은 분포를 나타내었다. 암모니아성질소와 질산성질소 의 분포를 비교해보면 확연히 상반된 경향을 나타낸다. 이 는 정점별로 N의 순환이 차이를 보임을 지시한다. 만 입구 와 만 중심부에서는 질산성질소가 용존무기질소의 약 60 % 이상을 차지하는 것으로 나타나 비교적 활발한 질산화 과 정이 일어나는 것으로 보인다. 마산만에서는 반대로 암모 니아성질소가 월등히 높은 농도를 보이며 용존무기질소의 80 % 이상을 차지하는 것으로 나타났다. 마산만 일대에서 는 진해만 입구(가덕수로) 및 중심부와는 반대로 질산화 과 정이 저해되거나 질산성질소의 환원 과정이 우세하게 나타 나는 것으로 추측된다. 용존무기질소, 인산염인, 규산염규 소의 농도 분포의 차이를 보면 용존무기질소와 인산염인은 마산만 일대에서 가장 높은 농도를 보이는 반면 규산염규 소는 마산만 뿐만 아니라 진해만 중심부에서도 높은 농도 를 보인다. 전 정점 평균 대비 농도 차이는 규산염규소는 50 % 이하의 차이를 보였지만, 용존무기질소와 인산염인은 각각 70 %, 100 % 이상 극심한 농도 분포 차이를 나타내었 다. 이러한 차이는 각각의 영양염에 대한 공급이 차이를 보이기 때문이다. 규산염규소는 2, 5, 8, 11월 모두 용존산 소와 상관관계를 나타내었으며 세 영양염 중 가장 높은 상 관관계를 보여(Table 2), 전 계절 동안 재생산에 의한 공급 에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 진해만 저층 퇴적물 층에 쌓인 유기물질은 대부분 식물플랑크톤에 의한 생산물 에 기초한 것이다(Yang and Hong, 1988; Hong et al., 1991). 진해만의 춘계와 하계 식물플랑크톤 군집구조에 대한 연구 결과에 따르면, 대량 증식이 일어나는 시기에 진해만에서 우점하는 식물플랑크톤은 대부분 규조류이며(Baek and Kim, 2010; Son et al., 2012), 이 규조류로부터 기원된 여러 형태 의 유기물질이 저층으로 공급되는 것으로 추정된다. 따라 서 진해만의 퇴적층에 전반적으로 Biogenic silica(BSi)가 분 포 되어 있으며, BSi의 용해가 저층 규산염규소의 주요한 공급원인 것으로 판단된다. 반면 용존무기질소와 인산염인 은 일차생산에 기초한(autochthonous) 유기물질의 분해에 의 해 시스템 내부적으로 공급되는 것 외에도 외부로부터 유 입된(allochthonous) 오염물질 및 영양염에 매우 큰 영향을 받는 것으로 보인다. 마산만 유역은 도시하수 및 산업폐수, 분뇨처리장과 같은 오염원이 많은 지역으로, 이를 통해 유 입된 오염물질과 N, P계열 영양염의 영향이 진해만에서 저 층의 용존무기질소와 인산염인의 공간적 분포를 규산염규 소에 비해 극심한 차이를 보이게 만든 것으로 판단된다.

    3.4.저층 영양염의 9년간 변동 경향

    진해만 저층 영양염의 2004년부터 2012년까지의 9년간 변동 추세를 알아보기 위해 월 평균과 연 평균으로 자료를 처리하여 Fig. 6에 나타내었다. 연 평균 농도로 볼 때 저층 용존무기질소는 9년 동안 약 14μM에서 6μM로 감소하는 경향을 나타냈다(p < 0.01). 용존무기질소를 암모니아성질소, 아질산성질소, 질산성질소로 각각 나누어 볼 때, 암모니아 성질소는 증감 경향을 나타내지 않았지만 아질산성질소, 질산성질소는 뚜렷한 감소를 나타냈으며(각각, p < 0.05, p < 0.01), 특히 질산성질소가 양적 측면에서 큰 감소 경향을 보 이는 것으로 나타났다. 따라서 용존무기질소의 감소는 질 산성질소의 감소가 큰 비중을 차지하는 것으로 판단된다. Lee et al.(2004)은 한국 남부 연안의 영양상태 평가를 통해 1997년부터 2002년까지 6년간 연안역의 N이 감소되어온 경 향성을 밝혔으며, 두 결과를 연계하여 해석하면 16년 동안 용존무기질소가 지속적으로 감소되고 있는 것이다. 남부 해역에서의 용존무기질소 감소에 대해 저층 경계면에서 발 생하는 탈질소화(denitrification)에 의한 결과로 추정하였으며 (Lee et al., 2004), 본 연구의 결과인 아질산성질소와 질산성 질소의 뚜렷한 감소는 탈질소화 증가로 인해 용존무기질소 가 감소될 수 있다는 추론의 근거가 될 수 있을 것이다. 한 편, Kwon et al.(2014)의 연구는 2000년부터 2012년까지 진해 만 주변해역의 용존무기질소와 인산염인의 감소 경향을 보 고하였으며, 마산만 특별관리해역 지정 후 시행된 하수처 리 용량 증설, 오염총량제 등의 오염저감 정책이 진해만 주변해역에도 전반적인 영향을 끼쳤을 것으로 간주하였다. 위의 연구와 비교 시, 2004년 이후에도 용존무기질소는 지 속적으로 감소하고 있지만, 인산염의 감소는 뚜렷하지 않 은 것으로 났다. 규산염규소도 다소 이산된 분포를 보이며 뚜렷한 경향성을 나타내진 않았다. 하지만 저층에서 용존 무기질소의 감소로 인해 저층 영양염의 N:P:Si 비는 시간에 따른 변화를 보였다. 연 평균 농도의 N/P는 감소 경향을 나 타내고 Si/P와 Si/N는 증가 경향을 나타내었다(Fig. 7). 특히 Si/N은 2004년부터 2012년 동안 약 1에서 3으로 뚜렷한 증 가를 보였다(p < 0.01). 따라서 진해만 저층 환경은 Si/N의 비가 점차 증가할 것으로 보인다.

    단지 9년간의 경향성만을 가지고 장기적 변화를 예측하 기엔 다소 무리일 것으로 생각되지만, 이러한 저층 영양염 의 변동이 향후 지속된다면 진해만 해역의 생태 구조에 변 화를 가져올 수 있을 것이다. 실제로 일본의 연안역인 세 토 내해(Seto Inland Sea)의 북동편에 위치한 하리마나다 (Harima-Nada)에서 용존무기질소의 농도가 1970년대에 약 10μM 에서 1990년대 후반에는 5μM로 감소되었으며, 이러한 변 화는 그 해역의 총 식물플랑크톤 세포밀도를 감소시키고 식물플랑크톤 종 구성의 변화를 가져왔다(Nishikawa et al., 2010; Nishikawa et al., 2011). 또한 용존무기질소의 부족으로 인한 빈영양화와 식물플랑크톤과의 영양염 경쟁으로 인해 해조류의 황백화 사례가 보고되고 있다(Matsuoka et al., 2005; Hori et al., 2008; Tada et al., 2010). 멕시코 걸프만(Gulf of mexico)에서는 미시시피 강(Mississippi river)으로부터 유입 되는 영양염의 변화로 인해 Si/N 비가 1950년대부터 1990년 대까지 약 4에서 1로 변하였으며, 이러한 결과를 바탕으로 Si/N 비의 변화에 따라 식물플랑크톤의 종 구성, 일차생산 량, 그리고 빈산소 수괴 발생이 어떻게 달라지는지에 대해 예측하는 연구가 수행되기도 하였다(Rabalais et al., 1996). 비록 본 연구는 저층 영양염의 변화만을 다루었으나, 진해 만의 영양염은 외해로 빠져나가지 않고 생지화학적 순환을 통해 만내에서 효율적으로 이용되는 것으로 추정되고 있으 므로(Hong et al., 1991), 저층에서 재생산된 영양염은 진해만 주변해역 생태계 전반에 걸쳐 적지 않은 관련이 있을 것으 로 생각된다. 따라서 저층 영양염의 생태계 내에서의 역할 과 그 비중에 대한 정량적인 평가가 이루어져야 하고, 영 양염의 변화에 따른 생태계의 변화를 지속적으로 연구해야 할 필요가 있다.

    4.결 론

    2004년부터 2012년까지의 수질자료를 통해 진해만과 주 변해역 저층 영양염의 특성을 알아보았다. 계절적으로 볼 때 저층 영양염은 하계에 가장 높은 농도를 보였으며, 농 도가 가장 낮은 계절에 비해 용존무기질소는 약 2배, 인산 염인은 약 3배, 규산염규소는 약 8배 이상의 차이를 나타냈 다. 특히 하계 빈산소 수괴가 형성되었을 때는 정상산소 상태일 때보다 더 높은 영양염 농도를 보이는 것으로 나타 났다. 용존산소 농도와의 높은 상관관계통해, 하계 저층 영 양염은 재생산에 의한 공급에 큰 영향을 받는 것으로 추정 되었다. 저층 영양염 중 규산염규소는 다른 영양염에 비해 뚜렷한 계절 변화를 나타냈으며, 하계뿐만 아니라 다른 계 절에도 재생산에 의한 공급에 영향을 받는 것으로 나타났 다. 진해만 저층의 질소, 인, 규소 기원의 모든 영양염은 활 발한 재생산 활동에 의해 하계에 높은 농도 분포를 나타내 는 계절적 특성을 공통적으로 나타냈으나, 조사 정점에 따 른 영양염의 공간적인 농도 분포는 차이를 보였다. 하계 암모니아성질소와 질산성질소는 뚜렷한 반비례관계의 농도 분포를 나타내었으며, 규산염규소는 마산만 일대뿐만 아니 라 진해만 내부에서도 농도가 높게 나타나, 용존무기질소 와 인산염인과는 다른 공간적 농도분포를 보였다. 이것은 저층환경에서 발생하는 생지화학적 과정과 유기물질 및 영 양염의 공급이 지역적 차이를 보이기 때문인 것으로 판단 된다. 2004년부터 2012년까지 저층 영양염의 장기변동 특성 을 살펴본 결과, 용존무기질소가 뚜렷한 감소경향을 보였 으며, 특히 질소 영양염 중 아질산성질소와 질산성질소의 감소가 뚜렷한 것으로 나타났다. 용존무기질소의 감소는 진해만과 주변해역의 Si/N의 비율을 약 1에서 3으로 변하게 하였다.

    본 연구에서는 진해만과 주변해역 저층 영양염의 시공간 적 분포와 변동 추세의 특성에 대해 고찰해보았으나, 이에 영향을 끼치는 메커니즘과 그 영향력에 대해 객관적인 자 료를 제공하지 못하는 제한점이 있다. 따라서 육상과 주변 양식장으로부터 유입되는 오염물질과 영양염의 유입량 및 변동, 저층 경계면에서 발생하는 물질순환의 변동에 관한 수치적 근거를 마련하여 저층 영양염이 나타내는 시공간적 특성의 원인에 대한 명확한 규명이 우선적으로 행해져야할 것으로 사료된다.

    Figure

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    The map of long term monitoring sites in Jinhae Bay.

    KOSOMES-20-627_F2.gif

    Seasonal variation of bottom water parameter in Jinhae Bay from 2004 to 2012.

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    Concentrations of NH4-N. NO2-N, NO3-N, DIN, PO4-P and SiO2-Si on hypoxic and normoxic season in August.

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    Spatial distributions of August and Yearly mean concentrations of NH4-N. NO2-N, NO3-N, DIN, PO4-P and SiO2-Si in bottom layer of Jinhae Bay from 2004 to 2012.

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    Spatial anomalies of August mean concentrations of NH4-N. NO2-N, NO3-N, DIN, PO4-P and SiO2-Si in bottom layer of Jinhae Bay from 2004 to 2012.

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    Time series variation and trends of nutrients(NH4-N, NO2-N, NO3-N, DIN, PO4-P and SiO2-Si) at bottom layer. The open circles indicate monthly mean values. The plus symbols indicate annual mean value. The solid lines indicate regression equation. The dashed lines indicate 4-point moving average.

    KOSOMES-20-627_F7.gif

    Time series variation and trends of ratios of nutrients at bottom layer. The dark circles indicate ratios of annual mean value. The solid lines indicate regression equation.

    Table

    The statics of long-term characteristics of bottom water parameter in Jinhae Bay from 2004 to 2012

    The Correlation coefficients of bottom water parameters by season

    *: p < 0.05
    **: p < 0.01 (two tails).

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