1.서 론
일반적으로 수괴의 용존산소(DO, dissolved oxygen)가 전혀 없는 경우를 anoxic(무산소)이라 하고, hypoxia(빈산소)는 용존 산소 2 mg/L 이하인 상태를 말한다(Bianchi et al., 2010; Fleddum et al., 2011; Pretterebner et al., 2011). Hypoxia는 부영양화된 환 경에서 유기물 분해과정에 산소가 소비되어 발생하며(Yang and Hong, 1988; Rabalais et al., 2002; Kim and Kim, 2003; Kemp et al., 2005), 이와 같은 현상이 유지가 되면 서식하는 생물뿐 만 아니라 생태계까지 유해한 영향을 끼칠 수 있다(Kodama et al., 2014; Zhang et al., 2016).
해수의 용존산소 포화율은 수온과 염분의 함수이다. 산소 용해는 연안해역이나 수심이 얕은 내만에서는 수온 염분뿐 만 아니라 파랑, 조류, 일광, 담수유입, 산소요구물질(ODM, oxygen demanding material) 오염 등에 큰 영향을 받는다. 여름 철 수온상승으로 산소용해도가 감소된 천해역에 유입된 다 량의 ODM은 빠르게 산화되며 용존산소를 소비한다. 더구나 이때 상승된 수온과 강한 햇빛으로 촉진된 광화학적 반응으 로 유기물 산화속도는 더욱 빨라지며 용존산소를 급감시켜 hypoxia를 발생시킬 수 있다.
충남 홍성군, 서산시, 태안군으로 둘러싸인 천수만은 1984 년에 완공된 대규모 방조제 공사로 만 면적은 380 km2에서 179 km2로 감소되었다(So et al., 1998). 간척공사 이후 천수만 북부에는 조류 속도가 감소하여 퇴적물의 세립화가 진행되 었다(Woo et al., 2005; Song et al., 2011). 이 세립질 퇴적물은 강한 조류에 의해 쉽게 재부유되어 수층에 유기물과 영양염 을 공급하여 만 내부의 1차와 2차 생산력을 향상시킨다(Park et al., 2000). 천수만 내 동물생태계는 방조제 건설로 심하게 교란되어, 유기물 오염의 지표종인 대형 동물군이 방조제 근처에서 관찰되기도 한다(Park et al., 2006). 방조제 건설로 경작지와 2개의 인공호수가 형성되었으며, 빠른 도시화가 진행 중인 주변에서 생활하수와 농경지 유출수가 호수로 유 입되고 있다. 인공호수내 물은 ODM과 영양염으로 심하게 오염되어 있고 그 악영향에 대해 보고된 바 있으나(Lim and Park, 1998), 오염된 호수 물은 수위조절을 위해 간헐적으로 배수된다. 강우량이 많은 여름철에는 배수량과 배수빈도가 크게 증가하고 수온 상승으로 이미 산소용해도가 감소된 해 수에 다량 유입되는 ODM은 만 북쪽에서 hypoxia를 발생시 키며(Kim and Lee, 2011) 천수만 일대의 수산업과 양식업에 큰 피해를 주는 것으로 알려져 있다. 천수만에서의 연구는 조류 특성(Jung et al., 2013) 혹은 생물학적 연구(Kwon et al., 2013; Jung et al., 2014) 또는 지형 구조(Ryu and Chang, 2005) 에 관한 것이 대다수이며, hypoxia에 관한 연구는 그 출현이 나 그 가능성을 시사한 연구(Choi, 2004; Ro and Choi, 2004)가 있었으나, hypoxia의 생지화학적 영향에 대한 내용은 현저히 부족한 실정이다.
이 연구의 목적은 천수만 해수의 영양염과 용존산소 분포 를 조사하여 hypoxia의 발생가능성을 확인하고, 그 발생원인 을 구명하고, 발생된 hypoxia가 만내 영양염 농도와 분포에 미치는 정성적 영향을 파악하는 것이다. 이 연구목표를 효 과적으로 달성하기 위하여 이 연구를 통하여 얻어진 자료와 함께 이미 발표된 일부 자료를 인용하여 비교할 것이다.
2.재료 및 방법
2.1.연구지역
천수만은 한국 중부 서해안에 위치한 해안선 총연장 151 km, 면적 179 km2, 평균수심 20 m인 반폐쇄성 천해성 내만이다 (Fig. 1). 만 내부의 해수는 반일주조인 조류에 의해 남쪽의 좁은 만 입구를 통해 외해수와 교환된다. 안면도 북단과 태 안반도 사이의 좁은 수로를 통한 해수 유통은 무시할 정도 로 작은 규모이다. 만 내부에서 조차는 대조기 6.3 m, 소조기 2.9 m, 평균 조차 4.6 m이며, 조류속은 중앙부 조류곡에서 낙 조류 0.7 m s-1이고 창조류 1.1 m s-1이다(Choi, 2004). 천수만 저층의 퇴적물은 방조제 건설후 급속하게 니질 퇴적상으로 변하여 최근에는 천수만의 대다수 지역이 니질 퇴적상을 나 타낸다(Lee and Park, 1998).
2.2.해수 시료 채집 및 분석
천수만에서 니스킨 채수기를 이용하여 표층수와 저층수 를 2010년 7월에는 10개 정점에서, 8월과 10월에는 정점을 추가하여 14개 정점에서 채수하였다(Fig. 1). 채집된 해수시 료는 현장에서 측정항목별로 즉시 전처리 후 냉장상태로 실 험실로 옮겨져 영양염은 비색법으로 용존산소는 윙클러 적 정법으로 분석되었다(Grasshoff et al., 1999). 또한 현장에서 수온과 염분을 CTD로 측정하여 산소포화도 계산에 이용하 였다.
2.3.Benthic Lander 설치와 코어시료 채집
2010년 7월에는 해수시료 외에 천수만 3개 정점에서 자동 화된 Benthic Lander를 설치하여 해수-퇴적물간 물질 플럭스를 측정하였다(Fig. 1). 랜더의 본체 중요부분은 benthic chamber와 소형 컴퓨터로 구성되어 있다. benthic chamber는 바닥면이 없는 불투명한 상자로써 내부에는 교반기, 산소미세전극과 syringe 채수기가 설치되어 있으며, chamber 내부의 해수는 소형 컴퓨터에 설정된 시간간격에 따라 자동으로 채수된다. 랜더의 규격과 기능에 대한 상세한 정보는 Lee et al.(2011)에 보고되어 있다. 또한 랜더를 설치한 3개 정점에서 과학잠수 사의 도움을 받아 퇴적물 코아도 채집하였다. 질소가 연속 주입되는 glove bag 내에서 시린지 채수기로 채집된 시료를 여과하고, 코아 시료는 토양수분 채집기(Eijkelkamp, Rhizon 모델)를 이용하여 공극수를 분리 후 시린지 필터로 여과하 여 영양염 분석하기 전까지 냉동 보관되었다.
3.결과 및 토의
3.1.저층수의 용존산소와 Hypoxia
천수만 표층수의 용존산소 농도는 인공호수의 배수구 쪽 으로 갈수록 감소하였으나, 모든 조사기간을 통하여 산소포 화도의 최소값은 50 % 정도로써 hypoxia를 일으킬 만큼 낮아 지는 경우는 없었다. 따라서 표층수 자료는 여기에 제시하 지 않는다.
천수만 저층수의 용존산소 분포는 남쪽 만 입구에서 낮고 북쪽으로 갈수록 점차 감소하는 경향을 보였다(Table 1). 특 히 8월에 북쪽해역(CS-2)에서 2.1 mg/L의 가장 낮은 값을 보 였으며, 남쪽 만 입구(CS-7)에서는 그 두배가 넘는 4.3 mg/L 의 농도를 보였다.
저층수의 산소포화도는 만 북쪽 배수구에 인접한 정점 CS-2에서 저층수 산소포화도의 최소값이 출현하였으며, 7월 에 최소값 46.6 % (평균 61.6 %), 8월에 최소값 30.8 % (평균 50.3 %)이었다(Fig. 2). 10월에는 수온이 16°C 이하로 감소하 였으나 산소포화도 평균값은 47.9 %로 7월이나 8월보다 더 욱 감소하였다. 조사기간 내내 저층수의 산소포화도 최대값 은 만 입구의 정점 CS-7에서 나타났다.
8월 조사 때 저층수 DO는 정점 CS-2에서 포화농도의 30 % 에 접근하였다. 정점 CS-2와 서북쪽 부남호 배수구 사이의 해역은 양식장이 밀집되어 조사할 수 없었지만 저층수 DO 는 분명히 더욱 낮았을 것이다. 이는 조사당시 천수만 북부 해역 일대의 저층에 hypoxia가 존재하고 있었음을 시사한다. 이처럼 인공호수 물이 유입되는 천수만 북부에서는 여름철 에 충분히 hypoxia 발생이 가능하다.
대부분의 어류가 30 % 이하에서는 생존할 수 없음에도 불 구하고 이 해역에 가두리 양식장이 대규모로 설치되어 운영 중인 것은 표층수 DO가 저층수보다 높기에 가능한 일이다. 아드리아해 북부해역에서는 hypoxia의 발달로 1970년대에서 80년대에 다량의 저서생물이 죽었다고 보고되었다(Giani et al., 2012). 천수만에서도 저층 hypoxia가 약간 확장된다면 양 식어의 대량폐사가 일어날 수 있는 대단히 위험한 일이다. 그러나 이러한 문제는 이 연구의 관점 밖이므로 이 논문에 서는 논의하지 않겠다.
3.2.영양염 공간 분포
천수만 저층수의 영양염 농도분포는 용존산소와 반대의 분포 경향을 보였으며, 남쪽 만 입구에서 낮고 만 북쪽으로 갈수록 점차 증가하여 배수구 가까운 북쪽 정점에서 최고값 을 보였다. Fig. 3을 보면 저층수의 인산염(상관계수: -0.822, 신뢰구간: 95 %) 농도분포가 대표적으로 이런 경향을 보여주 고, 용존 무기 질소(상관계수: -0.532, 신뢰구간: 95 %)와 규산 염(상관계수: -0.714, 신뢰구간: 95 %) 농도도 북쪽으로 갈수 록 증가하는 동일한 경향을 보인다(Table 1). 이와 같이 저층 수의 영양염 농도가 북쪽으로 갈수록 증가하는 뚜렷한 경향 은 천수만의 주된 영양염 공급원(source)이 부영양화된 인공 호수의 유출수라는 점을 강력히 시사한다. 간혹 남동쪽 오 천만 입구의 정점 CS-8과 CS-14에서 아질산염이나 암모늄염 의 농도가 약간 증가하는 것으로 보아 일부 영양염은 오천 만에서 보조적으로 공급되는 것으로 보인다.
저층수에서 대표적인 경향성을 보여주었던 인산염은 8월 의 표층수에서 비슷한 경향을 보였으나 그 외 조사시기에는 다른 경향을 보여주었다(Fig. 4). 다른 자료를 제시하지는 않 지만, 표층수의 영양염 농도는 천수만 북쪽으로 갈수록 증 가하는 경향을 보이기는 하지만 그 경향성이 뚜렷하지는 않 았다. 표층수의 암모늄염이나 아질산염 농도는 만의 남동쪽 오천만 입구나 어류양식장이 밀집된 남서쪽 안면도 연안에 높은 값이 나타나기도 하였다.
3.3.Hypoxia 영향에 의한 영양염의 생지화학적 특성
이 연구를 위한 천수만 현장조사와 동시에 실시된 Bottom Lander 설치와 공극수 분석을 통한 물질 플럭스는 별도의 논 문으로 이미 자세히 보고되었다(Kim and Lee, 2011; Lee et al., 2012). 여기서는 발표된 자료 중에서 이 논문의 해석에 필요 한 일부 자료만을 인용하였다(Table 2).
천수만 저층 해역에서 N/P ratio는 7월에 18.8 ± 3.6로 가장 높았으며, 8월에는 2.3 ± 1.5로 가장 낮았고, 10월은 9.7 ± 1.5이 었다. 천수만과 같이 반폐쇄성 내만으로 알려진 진해만에서 여름철에 질산염을 과다 함유한 육수유입의 영향으로 N/P ratio가 높다는 연구 결과가 있다(Lee et al., 1994). 천수만에서 도 간헐적인 담수 유입의 영향으로 볼 수 있으나 본 연구에 서는 hypoxia가 미친 영향으로 해석해보았다.
일시적인 유기물 공급으로 표층에서는 식물플랑크톤의 증식이 발생하고 그 후 사멸하여 인산염을 배출하게 된다. 배출된 인산염은 재광물화를 통해 증식에 바로 사용되거나 입자 친화적인 특성 때문에 흡착되어 가라앉을 수 있다 (House et al., 1995). 입자에 흡착된 인산염은 산소가 부족한 환경에서 탈착되어 수층의 인산염 농도를 증가시킬 수 있다 (Van der Zee et al., 2007). 또한 저층에서 발생한 hypoxia는 퇴 적물에서 저층수로 인을 용출시킬 수 있으며(Davidson et al., 2012), 이로 인해 저층수의 인산염 농도의 증가로 N/P ratio가 작아지는 이유를 설명해준다(Kang et al., 1999). 7월에 측정한 인산염 플럭스도 살펴보면 lander를 이용한 결과와 코어의 공극수로 측정한 플럭스 모두 산소 농도가 낮은 북쪽에서 더 높았다(Table 2). 8월의 플럭스 값은 없지만 산소 농도가 더 낮았기 때문에 퇴적물에서 해수 용출되는 인산염 농도는 증가하였을 것으로 추정된다. N의 감소로도 N/P ratio를 작아 지게 할 수 있다. 일반적으로 탈질산화 작용은 산소가 고갈 된 곳에서 진행되어 질산염의 제거 기작으로 알려져 있다 (Gruber and Sarmiento, 1997). 그리고 성층이 형성되어 표층수 와 혼합이 쉽지 않고 유기물 분해로 인하여 수괴 중층에 산 소 농도가 최소가 되는 산소 최소층이 존재하는데 이와 같 이 용존산소 농도가 낮은 곳에서도 탈질산화가 진행된다고 보고되었다(Kim and Min, 2013; Gutkenecht et al., 2013). 우리 나라 하구 갯벌에서 질산염이 퇴적물로 제거가 되었다는 보 고도 있다(Heo et al., 2011). 하지만 본 연구에서는 7월과 8월 의 질산염 농도 변화는 작았고 인산염의 농도 변화가 컸기 때문에 저층수의 인산염 농도 증가로 인해 N/P ratio가 감소 한 것으로 추측된다.
본 연구에서는 천수만 전 해역의 N/P ratio를 살펴본 것이 며, hypoxia는 주로 방조제 앞에서 나타났을 것이기 때문에 북부해역에서는 입자에서 탈착된 인의 비가 증가하고 전반 적으로는 퇴적물에서의 용출 때문에 인의 비가 증가하여 N/P ratio가 크게 감소가 하였다 판단된다.
천수만 북부해역과 남부해역의 산소소비율 및 유기물 산 화율은 남쪽 만 입구보다 이 값들은 약 2배 이상 큰 수치를 보였다(Table 2). 이는 만 북부에서는 인공호수로부터 유입된 산소요구물질의 산화의 영향으로 판단된다. 영양염 benthic flux도 같은 경향으로 남쪽 만 입구보다 천수만 북쪽에서 4 내지 6배 높은 것으로 나타났다. 산소미세전극으로 확인된 바에 의하면(Lee et al., 2012), 천수만 북쪽 유기물 함량이 높 은 퇴적물은 퇴적물-해수 경계면 직하 2 ~ 3 mm에 산화-환원 경계면(redox front)이 나타나며, 이보다 깊은 곳의 퇴적 유기 물은 빠른 혐기성 분해가 일어나며 공극수를 통해 위쪽으로 확산되어 저층수에 영양염을 공급하는 것으로 해석된다.
3.4.빠른 반응과 느린 반응
천수만 저층수의 용존산소 농도는 북쪽으로 갈수록 감소하 며 이와 반대로 모든 영양염 농도는 증가하였다. 이러한 경향 성은 천수만 표층퇴적물의 산소소비율과 퇴적층에서 저층수 를 향한 영양염의 확산플럭스가 북쪽으로 갈수록 증가하는 연구결과와 일치한다(Kim and Lee, 2011; Lee et al., 2012).
특히 여름철 수온 상승기에 이처럼 뚜렷한 경향성이 나타 나는 이유는 천수만에서 다음 두 가지 반응이 동시에 진행 되었기 때문일 것이다.
첫째는 “느린 반응”으로, 방조제와 같은 인공 구조물 건설 이후 세립한 퇴적물이 주로 쌓이게 되는데(Lee and Park, 1998), 이는 조류의 세기가 약화되어 나타나는 현상이다(Kim et al., 2006). 천수만에서도 이와 같은 현상이 나타나며 해안 선이 후퇴하는 여름철에 퇴적되는 경향이 두드러진다(Ryu and Chang, 2005). 세립한 퇴적물의 입자 표면적은 조립한 퇴 적물의 표면적보다 크기 때문에 많은 유기물이 흡착 될 수 있다. 천수만 북쪽 인공호수에서 장기간 유출된 산소요구물 질은 위와 같은 세립집 퇴적물로 퇴적층에 축적되며 조류에 의해 재부유된 세립질 퇴적물이 점차 남쪽으로 퍼지나가며 퇴적층 표면에서 유기물 산화와 영양염 용출이 천천히 진행 된다(Lee et al., 2012).
둘째는 “빠른 반응”으로, 여름철 인공호수 수위조절을 위 해 배수 빈도가 증가하면 다량의 산소요구물질이 천수만으 로 유입된다. 오염된 담수의 인위적인 유입으로 염분, 열적 성층이 발생하고(Jung et al., 2013; Lee et al., 2009), 천수만으 로 방류된 유입물은 약 1시간 후면 잔차류에 영향을 끼칠 만큼 빠른 속도로 만 중앙부까지 도달한다(Jung et al., 2013). 해수중 오염된 부유물이 남쪽으로 확산되면 여름철 상승된 수온으로 빠르게 산화되어 산소소비와 영양염 용출이 진행 된다. 도쿄만에서는 플랑크톤 생체찌꺼기에 의해 저층에 hypoxia가 발생할 수 있었고(Horiguchi et al., 2006), 부영양화 된 습지에서 표층 수온이 30°C 이상일 때 수심 3 m 이하에서 도 hypoxia가 나타났다(Bishop et al., 2006)는 두 보고에 의하 면 부유물의 확산과 표층 수온 상승이 빠른 반응의 주요 요 소인 것을 시사한다.
천수만 내에서는 두 가지 반응이 항상 병행하여 진행되겠 지만, 특히 여름철 수온상승기에는 산소용해도 감소, 유기물 산화속도 증가, 강한 태양빛으로 인한 광화학적 반응촉진, 배 수로 인한 산소요구물질 부하량 증가 등이 복합적으로 작용 하여 “빠른 반응”이 더욱 가속되면 두반응의 시그널이 중첩 되며 단시간 내에 충분히 hypoxia를 발생시킬 수 있을 것이다.
4.요약 및 결론
여름철 수온상승기에 산소요구물질로 오염된 인공호수의 유출수가 천수만 북부 해역 일대에 저산소 수층, 즉 hypoxia 를 발생시킬 가능성을 확인하고, 발생된 hypoxia가 만내 물 질순환에 미치는 영향을 파악하기 위하여 천수만 내 2010년 7월에 10개, 8월, 10월에 14개 정점에서 해수를 채수하여 용 존산소와 영양염을 분석하였다.
천수만 저층 해수의 산소포화도는 인공호수의 배수구에 가까운 최북단 정점에서 30 % 이하로 감소하는 경향을 보였 다. 심지어 수온이 16°C 가까이 내려가는 10월에도 저층해수 의 산소포화도 평균은 48 % 정도의 매우 낮은 값이었다.
이 연구에서 얻어진 저층수의 용존산소와 영양염 분포 경 향은 8월 조사 당시에 천수만 북부 해역에 hypoxia가 진행되 고 있었음을 보여주고 있으며, 그 발생 원인이 오염된 인공 호수의 유출수 때문임을 시사하고 있다(Kim and Lee, 2011). 또한 hypoxia의 영향으로 입자에서 탈착된 인과 퇴적물에서 용출된 인으로 인해 N/P ratio가 여름철 급격히 변하는 것도 확인하였다.
저층상자 설치나 퇴적물 공극수 분석, 산소미세전극 측정 등 다양한 방법을 통하여 추정된 자료를 보면, DO가 낮은 천수만 북쪽 퇴적층의 유기탄소 산화율과 산소소비율은 남 쪽 만 입구는 이보다 2배 이상 높은 값을 보였다. 이는 천수 만 북쪽에서는 인공호수로부터 다량 유출된 부유 유기물입 자 산화(“빠른 반응”)에 해수중 용존산소가 이미 고갈되어 저층퇴적물 산화작용(“느린 반응”)의 속도가 느려진 것으로 설명할 수 있다. 영양염 benthic flux도 남쪽 만 입구보다 천 수만 북쪽에서 4내지 6배 큰 것으로 나타났으며, 이는 용존 산소가 낮고 유기물 함량이 높은 만 북쪽 퇴적층에서는 해 수-퇴적물 경계면 아래 2 ~ 3 mm 깊이에 redox front의 존재가 확인되며, 그 아래 퇴적 유기물은 빠른 혐기성 분해로 영양 염이 용출되어 저층수로 확산되기 때문일 것이다.
이러한 연구결과를 종합하여 판단하면 일반적으로 천수 만 북부해역의 저층에서는 11월부터 이듬해 5월까지 해수 수온이 낮은 때를 제외하고 늦은 봄부터 가을까지는 hypoxia 가 빈번히 발생할 가능성을 시사하고 있다. 비록 지속적으 로 존재하지는 않지만 hypoxia의 빈번한 간헐적 출현이 수산 업과 양식어업뿐 아니라 연안 생태계에 미치는 영향이 지대 하므로 철저히 모니터하여야 할 것이다.
