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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)

Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.24 No.5 pp.545-552
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2018.24.5.545

Estimation of Nutrient Mass Balance in a Phragmites Australis Community in Jinudo Through a Mesocosm Experiment

Sung Hoon RYU^*, In cheol LEE^**†

^*Department of Ocean Engineering, Pukyong National University Busan 48513, Korea
^**Department of Ocean Engineering, Pukyong National University Busan 48513, Korea

First Author : firesinger@pukyong.ac.kr, 051-629-6586

Corresponding Author : ilee@pknu.ac.kr, 051-629-6586

Received 20180702 Review 20180824 Accepted 20180828

Abstract

In this study, we performed a mesocosm experiment to estimate the mass balance of Nutrients (DIN, DIP) in a phragmites australis community. We developed 4 mesocosm tanks which is available to circulate seawater with adjustable tide levels and flooding times. Each of the mesocosm tanks were filled with phragmites australis and sediment from Jinudo in Nakdong Estuary. We investigated DIN, DIP concentrations in three layers (seawater-phragmites australis-sediment) to estimate the mass balance of Nutrients and biomass. Growth rates were also investigated. The results can be summarized as follows. 1) In spring, rhizome biomass was higher than that of aerial stem by about 6.3~9.7%. In summer, aerial stem biomass was higher than that of rhizome about 19.2~21.2 %. 2) Th Growth rate of phragmites in Mesocosm Tank A was faster than in Mesocosm Tank D by about 2 to 3 times for aerial stem and rhizome. 3) The Concentration of nutrients (DIN, DIP) in each mesocosm Tank showed 2~3 % variance in spring and summer. 4) The biomass in each mesocosm varied by about 23 % which was higher than the concentration variance for each mesocosm tanks.

Key Words : Mesocosm experiment , Phragmites australis community , Nutrient , Mass balance , Aerial stem , Rhizome

메조코즘 실험을 통한 진우도 갈대군락의 영양염 물질수지 산정

류 성훈^*, 이 인철^**†

^*부경대학교 해양공학과
^**부경대학교 해양공학과

초록

본 연구에서는 갈대군락의 영양염 물질수지 모델 구축을 위한 기초연구로서, 갈대군락 Mesocosm 실험을 통해 수층-갈대(뿌리, 잎, 줄기)-토양의 영양염(DIN, DIP) 농도의 춘계 및 하계 모니터링 결과를 이용하여 물질수지를 산정하였으며, 결과는 다음과 같다. 1) 갈 대의 생체량은 춘계에는 지하경이 지상경에 비해 약 6.3~9.7% 높으며, 하계에는 지상경이 지하경에 비해 약 19.2~21.2% 높게 나타났으며, 갈대의 성장속도는 Mesocosm Tank A가 Mesocosm Tank D에 비해 지상경과 지하경 모두 2~3배 정도 빠르게 나타났다. 2) Mesocosm Tank에 서의 갈대의 영양염(DIN, DIP) 농도는 춘계와 하계 모두 각각 2~3%로 차이가 적었다. 3) Mesocosm Tank별 생체량의 차이는 최대 23%로 나타나지만, 갈대가 흡수하는 영양염의 농도는 최대 3% 정도로 차이가 적었다.

키워드 : 메조코즘 실험 , 갈대군락 , 영양염 , 물질수지 , 지상경 , 지하경

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Funding:

1. 서 론

연안습지는 만조시에 수위선과 지면이 접하는 경계선으로 부터 간조시에 수위선과 지면이 접하는 경계선까지의 지역 으로(MOE, 2008), 해양생물의 서식 및 생산, 수질정화, 친수 및 자연재해 조절기능 등을 가지고 있으며, 연안 생태계에서 중요한 역할을 담당한다(Park, 1999; Shin and Kim, 2007).

한편, 연안습지에 분포하는 식생들은 연안습지의 기능 및 형태에 중요한 영향을 미치는 인자이다(Rupprecht et al., 2015). 또한, 식생군락은 해양생물의 서식처와 먹이제공처로서 중 요한 역할을 담당하고 있으며, 오염줄질의 흡착, 퇴적작용 촉진 및 지형형성에도 직·간접으로 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Duarte et al., 2013; Gedan et al., 2011; Möller et al., 2014).

한편, 갈대는 연안습지의 대표적인 식물종으로 염습지에 서 상대적으로 높은 생산성을 보이며, 영양 물질순환에 핵 심적인 역할을 하는 것으로 알려져 있다(Meyerson et al., 2000; Windham, 2001). 또한 다양한 오염물질의 정화, 주변의 환경적 압력요인을 감소시키는 완충지로서의 역할 등 생태 계에서의 긍정적인 기능을 담당하고 있다(U.S. EPA, 1988; Findlay et al., 2003).

최근 연안습지의 개발에 따른 갈대군락의 면적 감소로 인 해 갈대의 보전 및 복원을 위한 연구가 활발히 수행되고 있 다(Schmieder et al., 2004). 한편, 갈대의 과도한 확장으로 인한 종 다양성 저해로 제거가 필요한 지역도 발생하고 있어 (Meyerson et al., 2000), 갈대군락에 대한 전반적인 연구의 필 요성이 대두되고 있다.

기존의 갈대에 대한 연구는 주로 분포 특성이나 생산성 (Lee and Kim, 1976; Lee and Yang, 1993; Min and Kim, 1999)에 대한 연구가 주로 수행되었으며, 최근 갈대 생육에 미치는 인자인 저질의 염도(Min, 2011), 수위(Vretare et al., 2001), 이 화학적 특성에 대한 연구(Ryu, 2014 ; Ryu, 2016)가 수행되고 있으나 갈대군락의 영양염 거동에 대한 연구는 부족한 실정 이다.

따라서, 본 연구에서는 갈대군락의 영양염 물질수지 모델 구축을 위한 기초연구로, 춘계 및 하계에 Mesocosm 실험을 통해 수층-갈대-토양의 영양염(DIN, DIP) 농도를 조사하고, 이를 이용하여 갈대군락 내 영양염 물질수지를 산정하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 Mesocosm 실험

2.1.1 실험개요

1) Mesocosm 시설

Mesocosm 시설은 갈대와 토양을 이식한 4개의 실험구 Tank (70 cm(L) × 70 cm(W) × 70 cm(H))와 해수저장 Tank 1개, 펌프, 타이머, 솔레노이드 벨브로 구성하였다(Fig. 1).

자연상태와 같은 빛의 세기와 광량이 유입되고, 강수량 유입으로 인한 간섭을 차단하기 위해 지붕은 철근 구조물에 비닐을 씌워 야외 테라스에 설치하였다.

본 실험에서 사용된 Mesocosm Tank는 0.49 m²로 작은 크기 에 속하나, Philson and Nixon(1980)과 Ruth et al.(1994)의 연구 결과에 따르면 소규모로 지어진 Mesocosm의 실험결과와 대 규모로 지어진 Mesocosm의 결과상의 큰 오차는 발생하지 않 는 것으로 나타났다.

2) 토양 및 갈대 이식

2016년 6월 중순 낙동강하구 진우도 배후면에 위치한 갈대 군락지에서 생육상태가 가장 양호한 곳의 토양을 깊이 50 cm 까지 파서 채취하였다. 최대한 교란을 피하기 위해 70 cm(L) × 70 cm(W) × 70 cm(H)의 플라스틱 용기를 이용하여 실험실 로 운반 후 Mesocosm Tank에 채웠다.

토양의 깊이는 갈대 생육의 영양염 순환에 매우 중요한 역할을 한다. 연안의 토양 내 생지화학적 반응과 저층 플럭 스 등에 대해 30 ~ 40 cm 범위를 적용한 사례들(Barbanti et al., 1992; Lansard et al., 2003)을 근거로, 실험구 Tank의 토양 두께 는 40 cm로 설정하였다.

한편, 실험에 사용된 갈대는 2015년 10월 낙동강 하구 진 우도 배후면의 갈대군락에서 종자를 채취하여 실험실로 옮 겨 건조한 뒤 2016년 봄에 발아를 진행하였다. 2017년 4월 10일에 실험을 위한 갈대 선별을 진행하였으며, 총 20개의 지상부를 포함하여 30 cm 전후의 갈대를 선별하여 각각의 Mesocosm Tank에 이식하였다.

3) 토양 및 갈대군락의 안정화

현장에서 채취한 토양의 이식 과정에서 상하 교란이 발생 하였다. 이에 Mesocosm Tank의 퇴적물을 자연상태와 같이 정상적으로 안정화하기 위해 일주일 동안 6시간씩 해수순환 을 통해 퇴적물이 다져지도록 하였고, 갈대 또한 뿌리를 내 릴 수 있도록 하였다. 3주 후 갈대가 성장하기 시작한 것을 확인하여 새로운 환경에 적응한 것으로 판단하였다(Fig. 2).

2.1.2 실험방법

진우도 배후면 갈대군락지의 해양물리 조건을 고려하여, 24시간 동안 2회의 고조와 저조를 재현하였으며, 조위 변동 에 따른 침수시간 및 높이를 Table 1과 같이 설정하였다.

침수 높이는 진우도 배후면 식생대 영역에서 해안선의 해 수면 변동에 따른 침수 및 높이를 반영하였다.

2.2 시료분석 및 측정

Mesocosm Tank에서 수층-식생(지상경:줄기+잎, 지하경:뿌 리)-토양에서의 춘계와 하계 영양염 물질수지 산정을 위해 각 층에서의 영양염 농도(DIN, DIP)를 측정하였다(Fig. 3).

또한, 춘계 및 하계의 갈대의 생체량 및 성장 속도를 산정 하였다.

1) 수질 분석

수질 분석을 위해 주 2회 샘플링을 실시하였고, 시료 채취 시점은 만조위에서 간조위, 그리고 간조위에서 만조위로 각 각 조석이 바뀌기 30분 전에 Mesocosm Tank의 최대한 중앙 지점에 가까운 수층 표면에서 채수하였다.

수질 분석 항목은 수온, 염분, DO, DIN(NO_X-N, NH₄-N), DIP(PO₄-P)이다. 수온 및 염분은 ALEC사의 CT계를 이용하였 고, DO는 DO meter(YSI Model 5100)를 이용하여 측정하였다.

영양염 분석용 시료는 1ℓ 용량의 폴리에틸렌 채수병에 담아 GF/C 필터링 후 해양환경공정시험기준(MLTM, 2010)에 의거하여 분석하였다.

2) 토양 분석

Mesocosm Tank 표층 20 cm 이내에서 코어 샘플러를 이용 하여 일주일에 2회 간조시에 실시하였으며, 1회당 50 g을 채 취하여, 원심관(50 ml)에 채운 후, 원심분리(3000 rpm, 20 min) 하여 간극수를 추출하였다. 추출한 간극수는 0.45 μm syringe 필터(Millex, Millipore)로 필터링 후 해양환경공정시험기준 (MLTM, 2010)에 의거하여 DIN(NO_X-N, NH₄-N), DIP(PO₄-P)을 분석하였다.

3) 갈대 분석

갈대가 뿌리, 줄기, 잎으로부터 흡수하는 DIN, DIP 농도를 측정하기 위해 일주일에 1회 5개체씩 채집하여 완전 건조 후 건중량을 측정한 후, 원심분리하여 간극수를 추출하였다.

추출한 간극수는 0.45 μm syringe 필터로 필터링 후 해양환 경공정시험기준(MLTM, 2010)에 의거하여 DIN(NO_X-N, NH₄-N), DIP(PO₄-P) 농도를 분석하였다. 한편, 갈대의 생체량 및 성장 속도는 춘계와 하계의 실험초기 갈대 생체량 및 높이를 15 일 후 생체량 및 갈대 높이와 비교하여 산정하였다.

2.3 영양염 물질수지 산정

앞서 측정한 수질, 갈대, 저질의 영양염(DIN, DIP)의 농도 결과를 이용하여 춘계와 하계의 Mesocosm Tank내의 수층-식 생(갈대)-저질간의 영양염 물질수지를 산정하였다.

영양염 물질수지는 정상상태( $\frac{\partial c}{\partial t} = 0$ )로 가정 후, 식(1)을 사용하여 산정하였다.

{DIX}_{in} {- (DIX}_{pore} {+ DIX}_{root} {+ DIX}_{s/l} {+ DIX}_{sw} {+ DIX}_{out}) = 0

(1)

여기서, DIX : DIN 및 DIP 농도, DIX_in : 유입해수의 DIX 농도, DIX_pore : 토양 내 간극수의 DIX 농도, DIX_root : 갈대 뿌 리의 DIX 농도, DIX_s/l : 갈대 줄기와 잎의 DIX 농도, DIX_sw : Mesocosm Tank내 해수의 DIX 농도, DIX_out : Mesocos Tank의 유출 해수의 DIX 농도, DIX_reed : DIX_s/l + DIX_root.

3. 결과 및 고찰

3.1 Mesocosm 실험결과

Mesocosm Tank 내 수층-식생-토양-갈대의 수온, 염분, DO 및 영양염(DIN, DIP) 농도의 계절별(춘계 및 하계) 모니터링 결과는 Table 2와 같으며 Table 3, 4는 계절별(춘계 및 하계) 갈대 생체량 및 성장속도를 나타낸다.

3.1.1 모니터링 결과

(1) 수온 및 염분

Mesocosm Tank에서의 해수의 수온은 춘계에 13.2(Tank D) ~ 15.4(Tank A)℃, 하계에는 15.2(Tank D) ~ 18.5(Tank A)℃ 로 하 계에 높게 나타으며, 염분은 춘계에 31.9(Tank B) ~ 32.8(Tank C) PSU, 하계는 30.6(Tank D) ~ 31.6(Tank A) PSU의 범위로 나 타났다.

(2) 용존산소(DO)

Mesocosm Tank내 해수의 DO 농도는 춘계에 6.8(Tank D) ~ 14.0(Tank A) mg/L, 하계는 5.8(Tank D) ~ 12.0(Tank A) mg/L, 토 양의 DO 농도는 춘계에 2.3(Tank D) ~ 3.9(Tank B) mg/L, 하계 는 2.9(Tank C) ~ 3.3(Tank A) mg/L 범위로 나타났다.

(3) 용존무기질소(DIN)

Mesocosm Tank 내 해수의 DIN 농도는 춘계에는 0.555(Tank C) ~ 1.325(Tank B)mg/L, 하계에는 0.605(Tank C) ~ 1.202(Tank A) mg/L 범위로 나타났다.

토양의 DIN 농도는 춘계 0.872(Tank D) ~ 1.292(Tank A) mg/L, 하계 0.866(Tank D) ~ 1.391(Tank A) mg/L 범위로 나타났다.

갈대의 DIN 농도는 춘계에 0.598(Tank D) ~ 0.658(Tank A)mg/L 범위로 나타났으며, 하계에는 0.998(Tank D) ~ 1.056(Tank A) mg/L로 춘계에 비해 약 2배 정도 높게 나타났다.

(4) 용존무기인(DIP)

Mesocosm Tank 내 해수의 DIP 농도는 춘계에는 0.034(Tank A) ~ 0.041(Tank D) mg/L, 하계에는 0.036(Tank C) ~ 0.073(Tank A) mg/L 범위로 나타났다.

토양의 DIP 농도는 춘계 0.044(Tank D) ~ 0.065(Tank A) mg/L, 하계 0.043(Tank D) ~ 0.070(Tank A) mg/L 범위로 나타났다.

갈대의 DIP 농도는 춘계에 0.030(Tank D) ~ 0.033(Tank A)mg/L 범위로 나타났으며, 하계에는 0.051(Tank D) ~ 0.053(Tank A) mg/L로 춘계에 비해 약 2배 정도 높게 나타났으며, DIN 농도 에 비해 Mesocosm Tank 별 차이는 크지 않았다.

3.1.2 갈대의 생체량 및 성장속도

염습지 내 갈대 생육에 가장 직접적인 영향을 미치는 환 경 인자는 화학적 인자로서의 영양염 및 염도, 물리적 인자 로는 수위를 들 수 있다(Hellings and Gallagher, 1992).

갈대의 지상경과 지하경의 계절별 생체량 및 성장속도 결 과를 살펴보면, 춘계에는 지하경의 생체량(0.43 ~ 0.51 g/m²)이 지상경(0.37 ~ 0.48 g/m²)보다 높으며, 성장속도 또한 지하경 (0.003 ~ 0.007 DW g/m²/day)이 지상경(0.002 ~ 0.005 DW g/m²/day) 보다 높았다. 한편, 하계에는 지상경의 생체량(0.61 ~ 0.66 g/m²) 이 지하경(0.52 ~ 0.56 g/m²)보다 높았으며, 성장속도 또한 지상 경(0.004 ~ 0.009DW g/m²/day)이 지하경(0.003 ~ 0.006DW g/m²/day) 보다 높았다.

일반적으로 갈대의 생체량은 성장이 시작되는 춘계에는 지하경이 지상경보다 높으며, 갈대의 생육밀도가 가장 높게 나타나는 하계에는 지상경이 지하경보다 높게 나타난다고 알려져 있다(Noh et al., 2002; Min, 2011).

또한, Mesocosm Tank 별 생체량 및 성장속도 결과를 살펴 보면, 침수시간 및 침수 높이가 증가할수록 생체량 및 성장 속도가 감소하였다.

이는 침수시간 및 높이의 증가로 인해 염분에 의한 노출 시간이 길어지고, 이로 인해 영양염의 흡수 능력을 저해하 기 때문이다. 한편, Wang et al.(2006)에 의하면 갈대는 침수환 경에서 생리적 신호 작용을 통한 통기조직 발달을 비롯한 생리적 적응 반응을 유도하여 생장을 촉진시킨다고 알려져 있으나, 본 실험에서는 이와 상반되는 결과가 나타났다. 이 는 같은 갈대개체군이라 할지라도 유전적 차이로 인해 동일 한 이화학적 환경에서 갈대생육의 차이가 발생하기 때문이 다(Koppitz, 1999; White et al., 2007).

3.2 영양염 물질수지 산정결과

Mesocosm Tank내의 수층-식생-토양의 영양염 물질수지 산 정 결과는 Fig. 4, 5와 같다.

3.2.1 춘계

춘계 각 Mesocosm Tank에서의 DIN, DIP 농도의 물질수지 결과를 살펴보면, 침수시간 및 높이에 따른 수층 및 저층의 DIN, DIP 농도는 차이가 거의 없었다.

갈대가 흡수하는 DIN 농도는 18(Mesocosm Tank D) ~ 21 (Mesocosm Tank A)%, DIP는 15(Mesocosm Tank D) ~ 18(Mesocosm Tank A) %로 정수조건인 Mesocosm Tank A에서 가장 높았고, 침수시간이 길어질수록 감소하였다.

이는 기본적으로 갈대의 성장에 있어 많은 양의 질소를 필요로 하는데(Windham and Meyerson, 2003) 침수시간의 증가 로 염분에 의한 노출도가 증가하여 질소 흡수 능력을 저하 시키기 때문이다.

3.2.2 하계

하계 각 Mesocosm Tank에서의 DIN, DIP 농도의 물질수지 결과를 살펴보면, 춘계와 마찬가지로 침수시간 및 높이에 따른 수층 및 저층의 DIN, DIP 농도 차이가 거의 없었으며, 토양의 DIN, DIP 농도는 춘계에 비해 약 5% 높게 나타났다.

갈대가 흡수하는 영양염 농도는 DIN은 23(Mesocosm Tank D) ~ 26(Mesocosm Tank A) %, DIP는 18(Mesocosm Tank D) ~ 22 (Mesocosm Tank A) %로 춘계에 비해 높게 나타났으며, 정수 조건인 Mesocosm Tank A에서 가장 높게 나타났으며, 침수시 간이 길어질수록 감소하는 경향을 보인다.

4. 결 론

본 연구에서는 갈대군락의 영양염 물질수지 모델구축을 위한 기초연구로, 춘계 및 하계에 Mesocosm 실험을 통해 수 층-갈대-토양의 영양염(DIN, DIP) 농도를 조사하고, 이를 이 용하여 갈대군락 내 영양염 물질수지를 산정하였다.

이상의 결과를 정리하면 다음과 같다.

1) 갈대의 생체량은 춘계에는 지하경이 지상경에 비해 약 6.3 ~ 9.7 % 높으며, 하계에는 지상경이 지하경에 비해 약 19.2 ~ 21.2 % 높았다. 또한, 갈대의 성장속도는 Mesocosm Tank A가 Mesocosm Tank D에 비해 지상경과 지하경 모두 2 ~ 3배 정도 빠르게 나타났다.
2) Mesocosm Tank에서의 갈대의 영양염(DIN, DIP) 농도차 는 춘계와 하계 모두 각각 2 ~ 3%로 Mesocosm Tank별 차이가 적었다. 그러나, 침수시간이 길어질수록 감소하는 경향을 보 여, 염분에 의한 노출시간 증가로 인해 영양염의 흡수능력 을 저하시키며, 이에 따라 생체량 및 성장속도에 영향을 미 치는 것으로 보인다.
3) Mesocosm Tank별 생체량의 차이는 최대 23 %로 나타나 지만, 영양염 농도의 차이는 최대 3% 정도로 Tank 별 차이가 적었으며, 갈대의 성장에 있어 침수시간과 같은 물리적 요 인이 영양염 농도와 같은 화학적 인자보다 큰 영향을 미치 는 것으로 판단된다.

후 기

이 논문은 2017학년도 부경대학교 연구년[ ] 교수 지원 사업에 의하여 연구되었음(C-D-2017-0985).

Figure

Fig. 1.

Schematic diagram and installed picture of mesocosm.

Fig. 2.

Mesocosm experiment process.

Fig. 3.

Schematic diagram of Mesocosm experiment.

Fig. 4.

Mass balance of DIN in Mesocosm Tank.

Fig. 5.

Mass balance of DIP in Mesocosm Tank.

Table

Table 1.

Experiment condition of Mesocosm Tank

Table 2.

Monitoring results of seawater, sediment and phragmites in each Mesocosm Tank

Table 3.

Biomass of phragmites in spring and summer

Table 4.

Growth rate of phragmites in spring and summer Unit: DW g/m²/day

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