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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)
Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.27 No.6 pp.708-720
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2021.27.6.708

Characteristics of Hypoxic Water Mass Occurrence in the Northwestern Gamak Bay, Korea, 2017

Hui-Ho Jeong*, Sang-Duk Choi**, Hyeon-Seo Cho***†
*PhD Candidate, The Graduate School of Environmental and Symbiotic Science, Prefectural University of Kumamoto, Kumamoto 862-8502, Japan
**Professor, Department of Aquaculture, College of Fisheries & Ocean Science, Chonnam National University, Yeosu 59626, Korea
***Professor, Department of Ocean Integrated Science, College of Fisheries & Ocean Science, Chonnam National University, Yeosu 59626, Korea
*

First Author : huiho5334@gmail.com, +81-80-2132-9291


† Corresponding Author : hscho@chonnam.ac.kr, 061-659-7146
August 10, 2021 September 3, 2021 October 28, 2021

Abstract


As hypoxia adversely affects the marine environment in northwestern Gamak Bay every summer, the present study determined its comprehensive occurrence mechanisms using the Multiple Regression Analysis (MRA) and suggested management directions based on the primary MRA factors. The first hypoxia occurred by thermocline related to weather conditions, with organic matter deposited inside the bay on 26th June, 2017. Additionally, on 12th July, halocline was also developed by increased rainfall, and the hypoxia was most expanded horizontally and vertically. The primary factors were the stratification and deposited organic matter. In contrast, the hypoxia correlated to phytoplankton growth and deposited organic matter on 8th August was diminished with remarkably less precipitation. However, the stable halocline was caused by massive precipitation, and the reproduced phytoplankton re-generated the expanded hypoxia on 16th August despite a short sampling interval. Subsequently, the hypoxia influenced by the deposited organic matter spread shallowly along the seafloor on 13th September as the extinction period. These results suggest that stratification alleviation technologies, and the improvement and removal of the organic matter deposited on the surface sediment are necessary.


Gamak Bay , Hypoxic water mass , Stratification , Thermocline , Halocline , Chlorophyll-a , Organic matter , Multiple Regression Analysis

2017년 한국 가막만 북서내만해역 빈산소수괴 발생의 특성

정 희호*, 최 상덕**, 조 현서***†
*쿠마모토현립대학 환경공생학과 박사과정
**전남대학교 수산해양대학 양식생물학과 교수
***전남대학교 수산해양대학 해양융합학과 교수

초록


가막만 북서내만해역에서 매년 여름 발생하는 빈산소수괴는 해양환경에 악영향을 미쳐왔다. 따라서, 본 연구는 빈산소수괴 발 생시기의 집중적인 현장조사 결과를 바탕으로 다중회귀분석(MRA)을 이용하여 빈산소수괴의 종합적인 발생 메커니즘을 밝혀내고, 그 주 요인에 따른 빈산소수괴 관리방안의 방향성을 모색하였다. 그 결과, 2017년 첫 빈산소수괴는 6월 26일에 발생하였으며, 기상 조건에 의한 수온약층의 형성과 퇴적된 유기물의 영향으로 형성되었다. 이어 7월 12일에는 강우량의 증가에 의한 염분약층의 형성으로, 조사 시기 중 빈산소수괴가 수직 및 수평적으로 가장 크게 확장되었다. 그리고, 8월 8일에는 소량의 강우로 빈산소수괴가 크게 약화되었으며, 이때 주 요인은 Chlorophyll-a 농도 증가(식물플랑크톤 증식)과 퇴적된 유기물이었다. 그리고, 약 1주일 후인 8월 16일에는 많은 강우량에 기인한 매 우 안정된 염분약층과 Chlorophyll-a 농도 증가(식물플랑크톤 증식)에 의해 크게 확장된 빈산소수괴가 재발생하였다. 이후 9월 13일의 빈산 소수괴 소멸시기에서는 빈산소수괴가 해저 면을 따라 얕게 확장되었으며, 퇴적된 유기물에 의해 주로 영향을 받은 것으로 나타났다. 이는 빈산소수괴 관리를 위해서는 퇴적된 유기물의 개선뿐만 아니라 성층의 완화 기술이 필요함을 암시하였다.


가막만 , 빈산소수괴 , 성층 , 수온약층 , 염분약층 , Chlorophyll-a , 유기물 , 다중회귀분석

    1. 서 론

    수 생태계에 대한 빈산소수괴의 영향은 매우 다양하게 나 타나며, 일부 생물은 빈산소화에 대해 민감하게 반응한다. 해수 중 용존산소가 약 3.0 mg/L 이하 일 때 어류가 대상 해 역을 기피할 수 있으며, 게(crab)의 유생(larvae) 등의 민감한 종 들은 성장이 저해되기도 한다(Gray et al., 2002;US EPA, 2019;Vaquer-Sunyer and Duarte, 2008). 그리고, 2.0 mg/L 이하에서는 해역을 떠날 수 없는 치어(juveniles)와 갑각류(crustacean)가 폐사하며, 굴(oyster)은 패각운동을 정지하고, 1.0 mg/L 이하에 서는 어류가 대상 해역을 기피하거나 폐사하기 시작한다(Jeon et al., 2016;US EPA, 2019;Vaquer-Sunyer and Duarte, 2008).

    US EPA(2019)는 Gulf of Mexico와 Long Island Sound에서 용 존산소 2.0 mg/L 이하의 빈산소수괴 발생에 대해 초점을 맞 추지만, 그 영향 및 정의는 수온, 염분에 따라 시공간마다 다를 것으로 언급하고 있다. 한편, 국내 국립수산과학원에서 는 국내 해역들의 해수 중 용존산소가 3.0 mg/L 이하의 빈산 소수괴를 모니터링하고 있으며, 그에 대한 예보를 통해 어 업 및 양식업의 피해를 최소화하기 위해 노력하고 있다 (NIFS, 2017a). 이와 같이 빈산소수괴의 기준은 다양한 편이며, 본 연구에서는 해수 중의 용존산소 농도가 3.0 mg/L 이하를 빈산소(hypoxia), 1.0 mg/L 이하를 무산소(anoxia)로 표현한다.

    한편 전남 여수시 가막만의 양식어업은 대부분 패류양식 산업이며, 그 중 굴 양식은 전남지역 전체 참굴(Crassostrea gigas) 생산량의 대부분을 생산하는 해역으로 수산자원의 보 호 및 육성을 위하여 2003년부터 해양수산부에 의해 환경보 전해역으로 지정되었다(Jeong et al., 2017;MOF, 2018a;Park and Choi, 2002). 가막만의 총 면적은 255.29 km2로, 남북으로 약 15 km, 동서로 약 9 km의 수평 거리를 나타낸다(Kim, 2011). 가막만 내의 수심은 전반적으로 5-10 m 내외이며, 북서내만 해역은 주변 해역보다 깊은 수심으로 오목한 해저지형을 나 타낸다(Kang et al., 2016). 또한, 반폐쇄성 해역으로 해수순환 이 원활하지 못하며, 하수구를 통한 육상의 부영양물질이 유입되고, 타 해역에 비해 수심이 얕아 기상조건에 크게 영 향을 받는 것으로 알려져 있다(Jeong et al., 2019;Kim et al., 2006;Lee and Cho, 1990;NIFS, 2017b;Park et al., 1999). 이러 한 원인들로부터 가막만의 북서내만해역에서는 매년 빈산 소수괴가 발생하고 있으며, 과거 약 100년 전에도 발생하였 을 것으로 추정되고 있다(Lee, 2015).

    가막만에서는 빈산소수괴 발생으로 해저퇴적물로부터 암 모니아 및 황화수소의 용출, 무생물 해역, 동물플랑크톤의 기피 현상, 문절망둑(Acanthogobius flavimanus)의 대기호흡, 저 서다모류(polychaetes) 군집의 천이(succession) 등의 악영향이 보고된 바 있다(Jang and Shin, 2016;Kim, 2011;Kim et al., 2010;Lee, 2015;Moon et al., 2006;Na, 2004;NIFS, 2017b). 더 욱이, 2001년에는 선소 내측의 해양퇴적물로부터 암모니아 와 황화수소가 대기 중으로 확산되어 악취가 발생하였고, 이로 인한 관광객 기피로 어가소득이 감소하는 등의 영향이 미친 사례가 있다(Shim et al., 2009).

    가막만의 빈산소수괴 발생 메커니즘에 대한 연구는 이전 에도 진행되었지만, 그 발생과 소멸의 종합적인 메커니즘에 관한 연구는 부족한 편이다. 과거 연구에서, 가막만 빈산소 수괴 발생의 원인으로는 성층, 식물플랑크톤의 증식, 퇴적된 유기물이 지적되어 왔다(Kim, 2011;Kim et al., 2006;Kim et al., 2010;NIFS, 2010). 본 연구에서는 수온약층 및 염분약층 의 형성, 저층수 중 Chlorophyll-a 농도, 해저퇴적물 중 총 유 기탄소 농도를 종합적으로 고려하여 2017년 하계 가막만 북 서내만해역에서 발생한 빈산소수괴의 종합적인 발생 메커 니즘을 평가해보고, 효율적인 관리방안의 방향성을 제안해 보고자 한다.

    2. 재료 및 방법

    2.1 해양수질환경 및 해저퇴적물환경 조사

    빈산소수괴가 빈번히 발생하는 가막만 북서내만해역을 중심으로 10개의 정점(GA1~GA10)을 선정하여 2017년 5월부 터 10월까지 월 1회 조사하였다. 또한, 하계 7, 8월에는 빈산 소수괴 집중 모니터링을 위하여 정점 11개를 추가하여 총 21개 정점(St. 1~21)에서 7일 간격으로 월 2회 현장조사를 실 시하였다(Fig. 1). 해저퇴적물 중 유기물 항목은 10개 정점 (GA1~GA10)에서 해양수질환경조사와 동시에 실시하였다 (Fig. 1). 현장 조사는 2017년 5월 26일, 6월 26일, 7월 12일, 19 일, 8월 8일, 16일, 9월 13일, 10월 13일로 총 8회, 얕은 수심 의 정점에 대한 선박의 접근성을 고려하여 만조 시기에 실 시하였다. 수질 시료는 van Dorn 채수기를 사용해 해저퇴적 물의 교란방지를 위해 해저면보다 0.5 m 위의 상층수를 채수 하였고, 해저퇴적물 시료는 개량형 van Veen grab 채니기를 사용하여 채니하였다. 세부적인 시료채취 및 보관 방법은 해양환경공정시험기준에 준하였다(MOF, 2018b). 해양수질환 경 항목으로는 수온(Water temperature, WT), 염분(Salinity, SAL), 밀도, 용존산소(Dissolved Oxygen, DO), Chlorophyll-a (Chl-a) 등 5개의 항목을 분석하였으며, 해저퇴적물환경 항목으로는 총 유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)를 분석하였다.

    2.2 해양수질환경 및 해저퇴적물환경 분석방법

    수온, 염분, 용존산소는 수심센서를 부착한 다목적수질측 정기(YSI, Yellow Springs, OH, USA)를 사용하여 수심 1 m 간 격으로 수 표면에서부터 해저 면까지 현장에서 동시 측정하 였다. 밀도는 현장에서 측정한 수온과 염분으로 국제상태방 정식을 사용하여 계산하였다(UNESCO, 1981). 계산된 밀도를 사용해 정점별 성층화의 세기를 성층화지수(Stratification Index, SI)로 표현하였다(Simpson et al., 1978). 성층화지수는 혼합된 상태가 되기 위한 잠재적인 에너지(potential energy)로서 다음 과 같이 정의된다.

    Stratification Index (SI) = 1 H ∫ − H 0 ( ρ − ρ ¯ ) g z   d z
    (1)

    H는 수심(m)을 나타내며, ρ는 밀도, ρ 는 밀도의 연직 평 균, g는 중력가속도(m/sec2), z는 수 표면에서부터 연직방향으 로 얻어진 데이터 간격을 의미한다. SI = 0일 때 수직적으로 혼합된 시스템을 나타내며, 성층의 안정도가 증가할수록 SI 는 음의 값을 나타내게 된다(Simpson et al., 1978).

    그러나, 수온과 염분의 영향을 구분하여 성층화의 세기 를 표현하는 방법으로, Kim et al.(2018)은 Isahaya Bay(일본) 에서 빈산소수괴의 발생에 미치는 영향을 수온성층도지수 (Hydrothermal Stratification Index, HSI), 열염성층도지수(Salinity Stratification Index, SSI)로 구분하여 각각 수온과 염분의 빈산 소수괴에 대한 기여도를 구분한 바 있다. HSI를 계산하기 위 하여 각 정점별 수심층의 평균 염분을 사용한 밀도로 성층 화지수를 계산하였으며, SSI를 계산하기 위하여 각 정점별 수심층의 평균 수온을 사용한 밀도로 성층화지수를 계산하 였다(Kim et al., 2018).

    Chl-a는 해양환경공정시험기준의 아세톤 추출법(acetone extraction)을 통하여 분광광도계(UV-1800, SHIMADZU, Kyoto, Japan)를 이용하여 분석하였다(MOF, 2018b). 표층퇴적물 중 총 유기탄소(TOC)는 1 N 염산용액(hydrochloric acid solution)으 로 탄산염을 제거시키고, 중화시킨 후 건조하여 대용량원소 분석기(vario MACRO cube elemental analyzer, Elementar, Hanau, Germany)를 이용하여 분석하였다.

    2.3 통계 분석 방법

    조사한 결과를 SPSS 통계프로그램 ‘PASW statistics 18’을 사용하여 분석하였다. 해양수질환경 중 표층과 저층 간의 항목별 평균을 비교하기 위해 Wilcoxon Signed-rank Test을 실 시하였다. 그리고 저층수 중 용존산소(DObottom)에 미치는 종 합적인 메커니즘을 파악하기 위해 각 조사 시기별 독립변수 로 SI, 저층수 중 Chl-a, 해양퇴적물 중 TOC를 선택하여 다중 회귀분석(Multiple Regression Analysis, MRA)을 실시하였다. 또 한 저층수 중 용존산소(DObottom)에 대해 성층이 영향을 미치 는 정도를 구체적으로 수온과 염분으로 구분하기 위해, 각 조사 시기별 독립변수로 HSI, SSI를 선택하여 MRA분석을 실시하였다(Kim et al., 2018).

    각 항목 데이터는 다음과 같이 표준화(Standardization)하여, MRA 분석을 실시하였다.

    Standard score  ( Z )  = x − μ σ
    (2)

    x는 관측치, μ는 평균값, σ는 표준편차를 의미한다.

    또한, ANOVA 분석을 통해 95 %, 99 %, 99.9 % 신뢰구간에 서의 유의수준(p value)을 검증하여, 해당 MRA모델이 적합한 지 판단하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 2017년 하계 가막만 북서내만해역 저층수 중 빈산소 수괴의 형성과 소멸

    조사 시기별 저층수 중의 용존산소 농도의 수평분포를 Fig. 2에 나타내었다. 저층수 중 모든 정점의 평균 용존산소 농도는 5월 26일과 10월 13일을 제외한 모든 조사 시기에서 표층보다 통계적으로 유의하게 낮은 농도를 나타내었다(p < 0.05). 6월 26일에서부터 수심이 가장 깊은 중앙부에서 빈산 소수괴 뿐만 아니라 무산소수괴도 발생하였는데, 이는 2017 년 6월 22일 국립수산과학원의 가막만 빈산소수괴 발생 예 보와 일치하였다(NIFS, 2017a).

    7월 12일에는 빈산소수괴와 무산소수괴가 넓은 범위로 확 장되었으나 7월 19일에서는 다소 축소되었다. 그리고, 이와 는 대조적으로 8월 8일에서는, 빈산소수괴가 선소 내측과 소 호 해역에서 발생하지 않는 등 일시적으로 약화되고 무산소 수괴가 소멸되었으나, 8월 16일에 호도와 나진 연안을 중심 으로 재발생하였다.

    이후 9월 13일에 넓은 범위에서 빈산소수괴가 발생하였으 며, 수직분포(Fig. 5a)를 보면 해저 면으로부터 얕게 형성되 었다. 그 후 10월 13일에는 빈산소수괴가 소멸된 것이 관측 되었다. 이는 9월 22일 국립수산과학원의 빈산소수괴 소멸 보고와 유사하였다(NIFS, 2017a).

    이들 결과는 2005년의 가막만 빈산소수괴 연구(Kim et al., 2006)와 비교하였을 때, 2017년 빈산소수괴는 더 이른 시기에 발생하였고, 태풍의 영향이 없어 더 장기간 지속되 었다.

    3.2 2017년 하계 가막만 북서내만해역 저층수 중 빈산소 수괴의 발생원인

    1) 해역의 성층화 (Stratification)

    성층은 수온과 염분이 수직적으로 차이를 나타내어 해역 의 상층부와 하층부의 수괴가 서로 다른 층으로 구분되는 현상을 말한다. 형성된 성층은 해양을 안정된 상태로 만들 고, 해수의 연직혼합과정을 제한하여 빈산소수괴를 유발한 다(Kim et al., 2018).

    빈산소수괴가 발생하기 전인 5월 26일에서는 모든 해역의 수온 및 염분이 수직적으로 혼합이 이루어져, 정점별로 표 층과 저층 간에 큰 차이를 나타내지 않았다(Fig. 3a). 그러나 빈산소수괴가 발생하기 시작한 6월 26일에서는 수온약층 (thermocline)이 모든 해역의 내만 측의 수심 4 ~ 8 m 부근에서 형성되었던 것에 반해, 외양 측에서는 5월 26일 결과와 유사 한 수온 범위를 나타내며 수직적으로 고른 분포를 나타내었 다(Fig. 3b).

    7월 12일의 수온약층은 모든 해역에서 조밀하게 형성되었 으며, 염분약층(halocline)이 선소 내측에서부터 형성되기 시 작하였다. 이에 용존산소는 수직적으로 급격히 감소하였으 며, 모든 조사시기 중에서 빈산소수괴가 가장 강하게 발생하 였다(Fig. 3c). 일주일 후인 7월 19일의 수온약층은 7월 12일과 유사하였으나 염분약층은 그에 비해 약화되었고, 이에 빈산 소수괴도 약화되어 보다 저층에서만 형성되었다(Fig. 4a).

    한편 8월 8일 조사에서는 표층 수온이 모든 조사 시기 중 최대범위까지 상승하고, 수온약층은 수심 약 5 m 이하에서 형성되었으며, 염분약층은 선소 내측 인근에서만 약하게 형 성되었다(Fig. 4b). 빈산소수괴는 일시적으로 크게 약화되어 장도 남측과 만내 중앙 측, 나진 측에서만 주로 발생하였다 (Fig. 2). 그러나 이후 8월 16일에서는 짧은 조사 간격에도 성 층의 수직분포가 상이하게 형성되었다. 수온약층은 크게 약 화되었으며, 염분약층은 선소 내측의 수심 1 m 이하에서 형 성되었다(Fig. 4c). 빈산소수괴 및 무산소수괴는 호도 측과 나진 측을 중심으로 재발생하였다(Fig. 2).

    9월 13일에는 수온약층이 약화된 경향을 나타내었으며, 염분약층도 저층에서만 형성되는 경향을 나타내었다(Fig. 5a). 빈산소수괴는 수평적으로 넓은 범위에서 나타났으나 (Fig. 2), 수직적으로는 해저 면에서부터 약 2 m 이내에서 매 우 얕게 형성되었다(Fig. 5a). 10월 13일에는 수온약층과 염분 약층이 해소되어, 수평적인 분포보다는 수직적인 분포를 나 타내었다(Fig. 5b).

    2) 해수 중 Chlorophyll-a (Chl-a)

    Chl-a는 모든 식물플랑크톤에 포함되어있는 광합성 색소 로서, 식물플랑크톤의 생체량을 가장 잘 평가할 수 있는 장 점이 있다(MOF, 2018b). 과거 연구결과에서는 많은 양의 식 물플랑크톤이 광합성 작용보다는 유기물로 작용하여 빈산 소수괴에 영향을 미치는 것이 보고된 바 있다(Kim et al., 2010;Lee et al., 2003;NIFS, 2017b).

    표층수와 저층수 중 Chl-a 분석 결과를 Table 1에 나타내 었다. 5월 26일에서는 표층에서 저층보다 높은 Chl-a 평균 농 도를 나타내었으나(p < 0.05), 7월 19일, 8월 8일, 9월 13일은 저층에서 표층보다 높은 Chl-a 평균 농도를 나타내었다(p < 0.01). 그 중, 7월 19일 선소 내측, 장도 남측, 만내 중앙 측, 소호동 측, 8월 8일 장도 남측, 만내 중앙 측, 호도리 측, 9월 13일 원포 측에서 10 μg/L 이상의 농도를 나타내었다. 한편, 그 이외의 조사시기에서는 표층과 저층 간에 통계적으로 유 의한 차이를 나타내지 않았다(p > 0.05).

    3) 해저퇴적물 중 총 유기탄소 (Total Organic Carbon, TOC)

    해양퇴적물 중 유기물은 다양한 형태와 종류로 존재하여 이를 정량적으로 측정하는 것은 어려우나, 일반적으로 유기 탄소를 측정하여 부영양화를 평가하고 있다(MOF, 2018b). 과 거 연구결과에서는 다량의 퇴적된 유기물이 빈산소수괴에 영향을 미치는 것으로 지적되었다(Jeong et al., 2019;Lee, 2015;Lee et al., 2003;NIFS, 2017b;Noh et al., 2006).

    이에 해저퇴적물 중 TOC 분석 결과를 Table 1에 나타내었 다. 모든 조사 시기의 수심이 가장 깊은 장도 남측과 소호동 측에서 주변 해역보다 농도가 높았으며, 외양 측으로 갈수록 농도가 낮아지는 경향을 나타내었다. 이러한 수평적분포는 동일한 조사 시기 및 정점에서 수행된 타 해저퇴적물 중 유 기물 지표들과 유사한 분포를 나타내었다(Jeong et al., 2019;NIFS, 2017b). 이는 해저퇴적물 중 유기물에 대해 계절적 변 화와는 관계없이 정점별로 외부적인 요인의 영향이 존재하 는 것으로 판단되는데, 과거부터 해당 해역은 선소 내측에 위치한 하수관이 점오염원/비점오염원(point/non-point pollutant sources)으로 작용하고 만내 양식어업의 영향으로 인한 유기 물의 유입이 지적되어왔다(Jeong et al., 2019;NIFS, 2017b).

    3.3 다중회귀분석을 통한 2017년 하계 가막만 북서내만해역 저층수 중 빈산소수괴의 발생 메커니즘 평가

    이상의 결과들로부터 가막만 북서내만해역 빈산소수괴의 종합적인 발생 메커니즘을 파악하기 위하여 다중회귀분석 을 실시하였다. 다중회귀분석은 주어진 해당 조사시기의 독 립변수들(SI, Chl-a, TOC)만을 사용하여 종속변수(DObottom)를 예측하기 위한 모델이다(Table 2). 또한, 형성된 성층화를 수 온과 염분에 대한 영향으로 구분하기 위하여 HSI, SSI를 독 립변수로 사용하여 종속변수(DObottom)를 예측하였다(Table 3).

    MRA 분석 결과(Table 2), 빈산소수괴가 발생하기 전인 5월 에도 퇴적된 유기물이 용존산소에 영향을 주고 있었다. 그 리고, 빈산소수괴가 처음 발생한 6월 26일에서부터 성층의 영향이 함께 나타나기 시작하였으나, 이 시기에도 표층퇴적 물중의 유기물이 저층수 중 용존산소에 더 큰 영향을 미치 고 있었다(Table 2). 한편, 6월 26일 성층의 영향은 성층화요 인만을 이용한 MRA 분석 결과(Table 3)에서 수온(HSI)이 주 원인으로 나타났다. 수평분포와 함께 볼 때(Fig. 3b), 이는 해 수 교환이 원활하지 않은 만 내측에서부터, 타 해역에 비해 얕은 수심과 일사량 및 대기 기온의 증가에 따라 수온이 즉 각 응답한 것으로 판단된다(Kim et al., 2010;KMA, 2017;Lee and Cho, 1990;NIFS, 2017b;Park et al., 1999). 또한, 육상담수 의 유입원이 존재하는 선소 내측(St.1)에서만 나타난 약소한 염분변화는 해당 조사 시기에서 해역 전체의 저층수 중 용 존산소에 대한 염분(SSI)의 영향을 나타내지 않았다(Fig. 3b).

    하지만, 성층 및 빈산소수괴가 수평 및 수직적으로 가장 강하게 발생하였던 7월 12일은(Fig. 2, 3c), 성층의 영향이 표 층퇴적물중의 유기물의 영향과 유사하게 나타났다(Table 2). 이때에는 6월과 달리 성층화요인만을 이용한 MRA 분석 결 과(Table 3)에 전체 해역의 정점에 걸쳐 형성된 염분약층의 영향(SSI)도 나타났으나(Fig. 3c), 주요인으로는 수온(HSI)으로 나타났다. 이는 7월 6 ~ 9일까지 발생한 42.1 mm의 강우가 가 막만 선소 내측에 존재하는 3개의 하수구로부터 유입되어 염분에 변화에 의한 성층의 영향이 나타났으나, 전체 해역 의 정점에 걸쳐 매우 조밀하게 형성된 수온약층(Fig. 3c)의 영향이 더 큰 것으로 판단된다(Jeong et al., 2019;KMA, 2017;NIFS, 2010;2017b).

    한편, 7월 19일의 MRA결과(Table 2)에서는, 표층퇴적물중 의 유기물과 성층뿐만 아니라 저층수 중 Chl-a도 영향을 미 친 것으로 나타났다. 이는 저층수 중 Chl-a가 저층수 중 용존 산소를 증가시키는 요인(즉, 광합성 작용)으로 작용했던 6월 26일 MRA결과(Table 2)와 반대되는 양상이었다. 성층화요인 만을 이용한 MRA결과(Table 3)에서는 12일 결과와 유사하게 전체 해역의 정점에 걸쳐 형성된 수온약층이 저층수의 용존 산소에 영향을 미치는 것으로 나타났으며(HSI), 이는 12일에 비해 조사 전 발생한 강우량이 감소하여(7월 14 ~ 18일 20.1 mm) 선소 내측(St.1) ~ 장도 남측(St.4)에서 주로 조밀하게 형 성된 염분약층이 원인(SSI)으로 판단된다(Fig. 4a)(KMA, 2017;NIFS, 2017b).

    하계의 저층수 중 식물플랑크톤이 증식하는 메커니즘에 대해서, 국립수산과학원이 본 연구와 동일한 시기 및 동 정 점에 대하여 해수의 투명도(transparency)를 이용한 소광계수 (extinction coefficient)를 통해 해저 면까지 빛이 도달하는 것 과 해저퇴적물로부터 저층수로의 영양염이 용출되는 것을 보고한 바 있다(NIFS, 2010;2017b). 이러한 연구결과로부터 광합성에 필요한 충분한 일사량과 성층 아래의 풍부한 영양 염에 의해 식물플랑크톤이 대증식하고, 저층으로 침강 및 퇴적되어 저층에서도 표층보다 높은 Chl-a농도가 나타나는 것으로 사료된다(Kim et al., 2010;NIFS, 2010;2017b).

    그러나 과거 연구결과에서는 저층수 중 최대 Chl-a농도가 약 100 μg/L까지 나타낸 반면, 본 연구에서는 7월 12일 저층 에서 23.9 μg/L로 나타났다(Kim et al., 2010). 이러한 결과는 CTD를 이용하여 해저 면까지의 연직 측정이 이루어졌던 과 거 연구(Kim et al., 2010)와 달리, 본 연구에서는 해저 면으로 부터 0.5 m의 직상수를 채수하여 실험한 결과로서, 샘플링 방법의 차이에 따른 영향으로 판단된다.

    앞에서 살펴본 바와 같이, 6, 7월의 저층의 용존산소에 영 향을 주는 성층의 주요인은 수온이므로, 퇴적된 유기물뿐만 아니라 일사량 및 대기의 기온상승에 따라 빈산소수괴의 최 초 발생 시기 및 세기가 매년 차이가 있을 것으로 판단된다 (Kim et al., 2006;Lee and Cho, 1990;NIFS, 2017b;Park et al., 1999).

    이 후, 일시적으로 수온약층과 염분약층(Fig. 4b) 및 빈산 소수괴(Fig. 2)가 극히 약화되었던 8월 8일의 MRA결과(Table 2)에서는 성층의 영향은 나타나지 않았으며, 표층퇴적물중 의 유기물과 Chl-a가 저층수 중 용존산소를 소모시키는 것으 로 나타났다(Kim et al., 2002;Park and Cha, 2013). 한편, 성층 화요인만을 이용한 MRA결과(Table 3)에서는 염분(SSI)보다는 수온(HSI)의 영향만이 나타났다. 이는 저층의 용존산소에 영 향을 주지 않을 정도의 수온약층이 해수교환에 의해 상대적 으로 깊은 수심의 정점들(St.4 ~ 9)의 약 수심 5 m 이하에서 형성되었으며, 염분약층은 선소 내측(St.1)에서 형성되고 전 체 해역의 정점에서 일시적으로 약화된 것을 반영한 것으로 판단된다. 이러한 결과는 7월 19일 조사 이후 8월 8일까지 20일간 매우 적은 양의 강우가 발생한 것(7월 25일 17.7 mm, 7월 29일 0.1 mm, 7월 31일 6.0 mm)이 원인으로 판단된다(KMA, 2017;NIFS, 2017b).

    하지만, 일주일 만에 저층수 중 용존산소의 농도에 미치 는 주요인(Table 2)은 성층과 Chl-a에 의한 영향으로 변하였 다. 해당 8월 16일의 성층화요인만을 이용한 MRA결과(Table 3)에서는 염분(SSI)이 주요인으로 나타나, 수직분포(Fig. 4c) 에서 수온약층이 이전 조사 시기에 비해 전 해역의 정점에 서 약해진 것을 나타내었으며(HSI), 선소 내측(St.1)부터 전 해역에 걸쳐 수심 약 1 m 이하에서 수평적으로 넓게 형성된 염분약층을 반영했다. 이는 16일 조사 이전 8월 11 ~ 15일까지 151.4 mm의 많은 강우로 인한 저온 담수의 유입이 원인으로 판단된다(KMA, 2017;NIFS, 2017b).

    이러한 8월의 연직분포 결과들을 통해서, 가막만 북서내 만해역은 짧은 조사 간격에도 기상조건(일사량, 기온, 강우) 에 따라, 빈산소수괴와 성층의 형성 및 발달이 크게 차이가 나타나는 것이 확인되었다. 특히, 8월 8일의 조사결과는 장 기간 육상 담수의 유입이 제한될 경우, 빈산소수괴가 크게 약화되는 것을 암시하였으며(Fig. 2, 4b), 16일에는 다량의 강 수량의 영향으로 염분약층이 주요인인 빈산소수괴가 재발 생하였다(Fig. 2, 4c). 이는 인위적으로 염분약층의 완화가 가 능하다면 가막만의 하계 빈산소수괴 역시 완화될 가능성을 시사하고 있다.

    연직분포(Fig. 5a)에서 성층이 약해졌던 9월 13일의 MRA 결과(Table 2)에서는, 성층의 영향이 나타나지 않았고 해저퇴 적물 중 유기물만이 용존산소를 소비시키는 것으로 나타났 다. 해당 성층의 연직분포(Fig. 5a)를 반영해 성층화요인만을 이용한 MRA모델(Table 3)에 대한 ANOVA 검정 결과, 95 %의 신뢰구간에서 성층만으로는 저층수의 용존산소를 설명하기 에는 한계가 있는 것으로 나타났다(p > 0.05). 이러한 연직분 포 결과들은 추계 감소한 일사량 및 기온과 9월 11일 발생한 61.8 mm의 강우량의 영향으로 판단된다(KMA, 2017;NIFS, 2017b). 이로써, 이미 퇴적되어 있는 표층퇴적물중의 유기물 에 의해 빈산소수괴가 발생되고(Table 2), 9월부터는 해저 면 에서만 형성된 성층을 따라 유지되지만(Fig. 5a), 추계의 기 상조건에 영향을 받아 약화된 성층의 영향(Fig. 5a)으로 빈산 소수괴가 연직적으로 발달하지 못하고 소멸해가는 과정 중 으로 판단된다(Table 3)(Kim et al., 2010;NIFS, 2017b). 과거 2007년 빈산소수괴의 소멸기의 특징으로는 전 수층에서 또 는 중층에서 빈산소수괴가 형성된 해역이 보고되었으나, 본 연구에서는 저층에서만 형성되었다(Kim et al., 2010).

    10월 13일 MRA 모델(Table 2)은 ANOVA 검정 결과, 95 % 의 신뢰구간에서 성층, 저층수 중 Chl-a, 표층퇴적물 중 유기 물에 의한 예측이 적합하지 않은 것으로 나타났다(p > 0.05). 이는 소멸기 이후 저층수 중 빈산소수괴가 해소되고, 그 용 존산소의 수평적인 분포를 반영한 것으로 판단된다(Fig. 2).

    성층화요인만을 활용한 MRA 결과를 종합적으로 볼 때 (Table 3), 모든 조사시기에서 성층은 짧은 조사 간격에도 쉽 게 변화하여, 가막만 해역의 성층은 기상조건에 따라 쉽게 변화할 수 있다는 것을 의미하였다. 또한, 8월 8일을 제외한 모든 조사시기에서 성층화의 주요인은 수온이었으며, 이는 대기의 기온상승 등 이상 기후변화에 따라 빈산소수괴가 더 이른 시기에, 더욱 수평 및 수직적으로 확산하며, 장기간 형 성될 가능성이 있을 것으로 판단된다.

    한편, 대부분의 조사시기의 종합적인 발생 메커니즘 평가 를 위한 MRA 모델(Table 2)은 HSI, SSI만을 독립변수로 활용 하였던 MRA 모델(Table 3)보다 더 높은 설명력(r2)을 나타내 었다. 이는 성층화 요인만을 이용해 예측한 MRA 모델보다, 성층과 유기물의 지표를 동시에 고려했을 때 저층수 중 용 존산소 농도를 적절하게 예측가능하다는 것을 의미한다. 특 히, 종합적인 메커니즘을 위한 MRA 분석 결과(Table 2), 모 든 조사시기에서 퇴적되어 있는 유기물의 영향이 나타나 유 기물 분해에 의한 용존산소의 소비가 강조되었으며, 해양오 염퇴적물의 개선 및 제거가 필요한 것으로 나타났다(Jeong et al., 2019;NIFS, 2017b). 이전 가막만 해역의 유기물의 유입원 에 대한 연구에서는 점오염원/비점오염원으로서 선소 내측 인근 하수구로부터 육상의 부영양 물질이 지속적으로 유입 되는 것이 지적되었으며, 강우 시에는 많은 양의 유기물이 부하되는 것으로 보고되었다(Jeong et al., 2019;NIFS, 2010;2017b). 또한, 유기탄소 산화율을 통해 북서내만해역 중앙 측 에서는 얕은 수심, 불량한 해수교환, 양식어업의 영향을 받 은 해양기원의 유기물이 지속적으로 유입되는 것으로 보고 되었다(Jeong et al., 2019;Lee et al., 2003;NIFS, 2017b).

    특히, 대부분 조사 시기의 가막만 내만 측 해양퇴적물에 서 Canada Ontario Province(2019)의 ‘최저영향기준(Lower Effect Level, LEL)’인 1.0 % 이상의 농도를 나타내어 개선이 필요할 것으로 사료된다. 해저퇴적물 중 유기물의 과도한 농축에 의해 환원 환경이 형성되면, 황화수소가 용출되어 저서생태 계에 직접적인 피해를 주게 되며, 미생물에 의해 분해되어 용존산소를 소비하여 빈산소수괴를 유발한다(Jang and Shin, 2016;NIFS, 2017b).

    표층퇴적물 중 유기물에 반해, Chl-a는 단순히 식물플랑크 톤의 생체량을 표현하는 방법 중 하나일 뿐으로서, 그 생체 량에 대한 해역의 기준치는 설정되어 있지 않다. 간접적으 로 국내 해양수산부의 수질평가지수(Water Quality Index, WQI)와 비교해 볼 때, 7월 12일, 19일, 8월 8일, 9월 13일의 저층수 중 평균 Chl-a 농도는 WQI의 한국 서남해역에서 수 질의 V등급(아주 나쁨)의 평가 대상이 되는 농도인 5.5 μg/L 을 초과하였다(MOF, 2013). 다량의 식물플랑크톤은 부영양 화 된 해역에서 증식과 분해의 악순환을 반복하며, 용존산 소 소비를 가속화 한다(Kim et al., 2002;Park and Cha, 2013).

    아울러, 빈산소수괴가 가장 강하게 발생한 7월 12일 조사 중 저층의 용존산소가 약 3.0 mg/L 이하인 St. 2, 3, 4, 5, 6, 8 정점에 대해서만 종합적인 메커니즘을 위한 MRA분석을 실 시해보았다. 그 결과, DObottom = 0.762 SI - 0.299 TOC (F0 = 11.22 > FA (2,3;0.05) = 9.55, p < 0.05, r2 = 0.882)를 나타내었다. 이는 모 든 정점에 대한 MRA결과(Table 3)와 유사하였으나, 성층에 의한 영향이 더 뚜렷하게 나타나, 빈산소수괴 관리를 위해 서는 표층퇴적물중의 유기물뿐만 아니라 성층에 대한 관리 도 중요하다는 것이 강조되었다.

    이에 따라, 가막만 빈산소수괴의 관리방안의 방향성으로 서 부영양화 된 표층퇴적물의 개선(예를 들어, 해양오염퇴적 물 정화복원사업, 선소 내측 점/비점오염원과 만내 양식 어 업의 관리(Lee et al., 2003;Jang and Shin, 2016;Jeong et al., 2019) 등)과 함께 육상 담수의 유입원인 우수관의 관리 및 육상 호소수에 시험 중인 물 순환 장치(An et al., 2012;Jeong et al., 2019;Kim et al., 2012) 등의 성층 완화 방안의 적용 검 토를 제시할 수 있다.

    한편, 본 연구에서는 조석 효과를 고려하지 못한 한계가 지적되어, 추후 연구에서는 전략적인 조사계획을 수립하여 조석 효과를 포함한 가막만의 하계 빈산소수괴를 이해할 필 요가 있다.

    4. 결 론

    가막만의 양식산업은 매년 하계에 발생하는 빈산소수괴 에 의해 악영향을 받고 있다. 이에, 본 연구에서는 빈산소수 괴의 종합적인 발생메커니즘을 평가하였다. 현장 조사결과, 2017년 6월 26일 만의 내측부터 빈산소수괴가 발생하여 10 월 13일 소멸하였다. 빈산소수괴는 7월 12일에서 가장 강하 게 발생하였고, 8월 8일에서 장기간 강우가 발생하지 않아 수온약층과 염분약층이 약화되었으며, 빈산소수괴 또한 일 시적으로 약화되었다. 이렇듯, 기상 조건의 영향에 따라 빈 산소수괴의 분포 및 세기가 짧은 조사 간격에도 큰 차이가 있었다. 다중회귀분석결과 대부분의 조사시기에서 빈산소수 괴의 주요인은 퇴적되어 있는 유기물과 수온과 관계되는 성 층이었다. 따라서, 가막만 북서내만해역의 빈산소수괴 관리 를 위해서는 해양오염퇴적물의 개선 및 제거뿐만 아니라 성 층을 약화시키는 방향도 중요한 것으로 판단된다.

    사 사

    이 논문은 2017년도 국립수산과학원 수산시험연구사업인 남해연안어업 및 환경생태 조사(R2017032)의 지원으로 수행 된 연구입니다. 조사 및 도움을 주신 많은 분들께 감사의 말 씀드립니다.

    Figure

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    Schematized water quality and surface sediment sampling stations in northwestern Gamak Bay, Yeosu, Korea.

    KOSOMES-27-6-708_F2.gif

    The spatial distributions of dissolved oxygen (DO, mg/L) from 26th May to 13th October in the bottom water of study area.

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    The vertical distributions of water temperature (WT, ℃), salinity (SAL, PSU), and dissolved oxygen (DO, mg/L) on (a) 26th May, (b) 26th June, and (c) 12th July in northwestern Gamak Bay, Yeosu, Korea.

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    The vertical distributions of water temperature (WT, ℃), salinity (SAL, PSU), and dissolved oxygen (DO, mg/L) on (a) 19th July, (b) 8th August, and (c) 16th August in northwestern Gamak Bay, Yeosu, Korea.

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    The vertical distributions of water temperature (WT, ℃), salinity (SAL, PSU), and dissolved oxygen (DO, mg/L) on (a) 13th September and (b) 13th October in northwestern Gamak Bay, Yeosu, Korea.

    Table

    The results of MIN-MAX (MEAN±SD) concentrations for Water Temperature (WT), Salinity (SAL), Dissolved Oxygen (DO), Chlorophyll-a (Chl-a), and Total Organic Carbon (TOC) in the surface, bottom water, and surface sediment from 26th May to 13th October 2017 in northwestern Gamak Bay, Yeosu, Korea

    The results of Multiple Regression Analysis (MRA) to determine the primary factors for Dissolved Oxygen (DObottom) in the bottom water. Independent variables were the Stratification (SI), Chlorophyll-a (Chl-a) in the bottom water, and Total Organic Carbon (TOC) in the surface sediment (n = 10).

    The results of Multiple Regression Analysis (MRA) to determine the principal factors of stratification for dissolved oxygen (DObottom) in the bottom water. Independent variables were the Hydrothermal Stratification Index (HSI) and the Salinity Stratification Index (SSI) (n = 10 in June and September, n = 15 in July and August). The mean DO concentrations were no statistically significant differences between surface and bottom water on 26th May and 13th October (p > 0.05).

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