서 론

강과 바다를 연결하는 하구 생태계는 육상과 해양으로부 터 공급되는 유기물이 서로 혼합되는 수환경 특성으로 인하 여, 육지와 바다 생태계와 구별되는 높은 일차생산성과 생 물다양성이 보고되고 있다. 최근에는 이러한 생태적 가치 를 보전, 복원하기 위하여 하구생태계에서 탄소물질의 역할 과 공급원, 이동 특성을 해석하기 위한 과학적 관심이 높아 지고 있다 (Hedges et al. 1986;Schlünz and Schneider 2000;Smittenberg et al. 2006).

국내에서는 금강과 영산강을 비롯한 서남해안 대부분의 하 구는 하구둑이나 방조제와 같은 인공구조물로 인하여 강과 바다의 물순환을 단절시켜 하구습지 면적이 감소되고, 생물 다양성에 영향을 미치고 있다고 보고되고 있다 (NIER 2014;Rho and Lee 2014). 이러한 인공구조물이 건설된 닫힌 하구 의 생태계 변화에 대한 기능적 해석을 위하여, 영산강 하구 둑에서 유기탄소의 기원을 추정하고 (Lee et al. 2013), 새만 금 방조제에서 수계의 탄소 거동을 조사한 연구가 일부 수행 되었다 (Park et al. 2006, 2009; Lee et al. 2011). 그렇지만 서 남해안에서 방조제나 하구둑으로 막히지 않아 하천의 담수와 바다의 해수가 교차하는 열린 하구를 대상으로 탄소 물질 이 동 특성을 연구한 사례는 상대적으로 부족하다.

전라남도 강진군에 위치한 탐진강 하구 강진만은 서남해 안에서 얼마 남지 않은 열린 하구 지역으로 보전가치가 높 은 곳이다. Park et al. (2017)은 탐진강 유역에서 하천구간에 서 장흥댐에 의해 변화하는 하류의 용존성과 입자성 유기탄 소 농도를 조사하였으며, Park and Ock (2017)은 탐진강 하 구에서 강진만으로 유출되는 총유기탄소의 유출량 (flux)을 산정하였다. 그렇지만, 해양에 존재하는 탄소는 상기의 용 존유기탄소 (Dissolved Organic Carbon; DOC), 그리고 입자 상 유기탄소 (Particulate Organic Carbon; POC) 뿐만 아니라, 용존무기탄소 (Dissolved Inorganic Carbon; DIC)를 포함하 고 있으며, 양적 조성비는 DIC : DOC : POC=2000 : 38 : 1로 거의 대부분이 DIC 형태 (37,000 GtC)로 존재한다 (Solomon et al. 2007). 해양에 존재하는 DIC는 대기 중의 CO₂가 용해 되면서 생성된 중탄산염 (HCO₃^-)과 탄산염 (CO₃^2-)으로 약 99% 정도가 이온상태로 존재하며, 해양생물과의 상호작용 (광합성, 호흡, 분해 등)을 통해 무기탄소와 유기탄소가 서로 변환되는 생지화학적 탄소순환 과정을 거친다 (Wisniewski and Lugo 1992;Riebesell et al. 2009;Kwon and Cho 2013;Bach et al. 2016). 이에 반해 하천에서는 암석의 풍화작용으 로 생성된 중탄산염 (HCO₃^-)이 하천 내 DIC의 대부분을 차 지하고 있다. 우리나라에서 유출되는 DIC 총량에 대한 정확 한 보고는 없지만, 5대강의 유역면적과 연간 DIC 유출량을 고려했을 때, 약 720 GgC yr^-1 정도의 DIC가 하천에서 바다 로 유출되는 것으로 추정하고 있지만 (Oh 2016), 해양의 현 존량에 비해서는 상대적으로 작은 양이라고 할 수 있다.

따라서, 이러한 하천과 해양이 교차되는 열린하구에서 탄 소물질의 이동특성을 전체적으로 파악하기 위해서는 유기 탄소의 이동뿐만 아니라 해양에 다량 존재하는 무기탄소 가 강하구 기수역에 미치는 영향과 그 정도를 함께 조사해 야 한다. 본 연구에서는 탐진강과 열린하구 강진만을 대상으 로 유기탄소와 무기탄소의 시공간적인 성상별 이동량과 기 원을 파악하고자, 탐진강의 상류, 장흥댐, 하류, 하구, 기수역 인 강진만에 이르기까지 여름철 강우시기를 고려하여 DOC, POC, DIC 농도와 조성비를 분석하였다.

재료 및 방 법

1. 현지조사 및 시료채집

탐진강은 하천연장 56 km, 유역면적 503 km²의 소규모 유 역으로, 중류역에 2006년 장흥다목적댐 (높이 53.0 m, 저수용 량 191 백만m³)이 건설되었으며, 하구가 방조제나 하구둑으 로 막히지 않았다. 댐 상류 본류구간은 지방하천 탐진천 구 간으로 산림이 대부분을 차지하며, 댐하류는 국가하천 탐진 강 구간으로 논 경작지와 장흥도심지가 집약적으로 분포하 며, 이후 최대 지류인 금강천 (하천연장 30 km, 유역면적 153 km²)이 합류하면서 하천의 규모가 커지면서 하구에서 강진 만으로 흘러 들어간다. 특히 하구부 넓은 간석지에는 갈대군 락지가 형성되어 있다 (Lee et al. 2011;NIER 2014). 강 하구 는 수심이 얕아 조간대가 넓게 발달되었으며, 조석 영향에 따른 수체 혼합이 이루어지는 감조역이 발달해 있다 (NIER 2014).

본 연구를 위한 조사지점으로 장흥다목적댐에서 하구까지 3개 정점 (S1~S3)과 강하구부터 남해방향으로 20 km까지 위치한 강진만에서 다시 3개 정점 (S4~S6), 그리고 최대 유 입지천인 금강천 1개 정점 (GT)을 선정하였다 (Fig. 1).

시료채집을 위한 현지조사는 2017년 홍수기전 강우유출 (6월), 홍수기 강우유출 (7월), 그리고 홍수기후 평수기 (9월) 에 수행하였다. 분석용 물시료는 수심이 얕은 하천에서는 하 천 중심부에서 도섭법으로, 강진만에서는 선박을 이용하여 표층수를 수집하였으며, 수질측정기 (YSI 556 Multi-Probe System, xylem Inc., USA)를 이용하여 수온과 pH, 용존산소, 염분 등을 측정하였다. 채수한 시료는 현장에서 거름망 (φ 1 mm)을 이용하여 큰 입자를 제거한 후 냉장보관하여 실험실 로 이동하였다. 유역의 강수량은 기상청 국가기상종합정보 에서 장흥지점의 일강수량 자료를 활용하였으며, 유량 자료 는 국가수자원관리종합정보시스템을 이용하였다.

탐진강 하구의 유량 및 수질 변화를 살펴보면, 장흥군청 인근 본류 (S1)에서는 최대유량이 30 m³ s^-1 이하로 낮은 유 량곡선을 보이다가 유입지천 (GT)이 합류되면서 강하구 (S3~S4) 구간까지 점차적으로 유량이 증가하는 경향을 보 였다 (Fig. 2).

평균 수온은 각각 6월 23.4℃, 7월 26.6℃, 9월 24.4℃ 로 조사시기에 따라 약 2~3℃의 수온 차이를 보였으며, pH 는 S1 정점부터 S6 정점까지 pH 6.9~8.2 범위로 서서히 증 가하였다 (Fig. 3A, B). DO는 조사지점별 최대 3~4 mg L^-1 의 변동폭을 보였지만, 강하구에서 강진만으로 이동할수 록 감소하는 경향을 보였다 (Fig. 3C). 염분도는 하구정점인 목리교 (S4)부터 가우도 (S5) 구간에서 각각 0.1~1.6 psu와 25.9~30.2 psu의 염분분포를 보여 약 20 km에 걸쳐 넓게 담 수와 해수가 혼합하는 조간대를 형성하고 있었으며, 마지막 조사정점인 강진만 사초리 (S6) 정점에서는 31.4~32.3 psu로 해수와 가까운 안정된 염분도를 나타내었다 (Fig. 3D).

2. 탄소의 조성 및 농도 분석

실험실로 옮겨진 시료는 450℃에서 미리 불순물을 제거 한 GF/F 필터로 여과하여 통과된 시료는 DOC와 DIC 분석 용으로, 그리고 여과지에 남겨진 입자성 물질은 POC 분석 용으로 구분하여 전처리작업을 수행하였다. DOC 농도 (이 하 [DOC])와 DIC 농도 (이하 [DIC])는 총유기탄소분석기 (TOC-L, Shimadzu, Japan)를 이용하여 비정화성 유기탄소 (Non-Purgeable Organic Carbon; NPOC) 방법으로 분석하였 다 (Bisutti et al. 2004). POC 분석용 필터는 1N HCl을 훈증 하여 무기탄소를 제거한 후 동결건조하였으며, 원소분석기 (Euro EA-IsoPrime IRMS, GV instruments, UK)를 이용하여 POC 농도 (이하 [POC])를 분석하였다 (Kim et al. 2013a).

조사지점과 측정시기별에 따른 각 그룹간의 유의성을 검 정하기 위하여 Two-way ANOVA (SigmaPlot 12, SPSS Inc., USA)의 Tukey-test를 이용하여 유의성을 분석하였다.

결과 및 고 찰

1. 탐진강의 탄소물질 농도 변화

탐진강 구간에서 [DOC]가 [DIC], [POC]에 비해 상대적으 로 높았다. 그리고 유기탄소 함량에서는 DOC가 약 88%로 대부분을 차지했다. S1~S3 정점에서 [DOC] 평균값은 2.8 mg L^-1을 보였으며 [POC] (0.4 mg L^-1)와 [DIC] (0.9 mg L^-1) 에 비해 약 3~7배 높게 나타났다 (Fig. 4).

S1~S3에서 강우시기에 따른 유기탄소의 성상별 농도 변 화를 살펴보면, 홍수기전 강우 6월에는 [DOC] 2.9~3.4 mg L^-1와 [POC] 0.4~0.9 mg L^-1를 보였으며, 홍수기 강우 7월 에는 [DOC] 2.6~4.2 mg L^-1와 [POC] 0.4~0.7 mg L^-1의 값 을 나타냈다. 반면, 홍수기 이후였던 9월에는 [DOC] 1.4~1.9 mg L^-1와 [POC] 0.1~0.3 mg L^-1를 보여 이전의 강우 유출시 보다 상대적으로 낮은 값을 나타냈다 (Fig. 4). 특히, S1~S2 에서 [DOC]:[POC] 비를 보면 6월과 7월에는 7.1~8.1이었 지만, 9월에는 16.0~16.3로 증가했다. 이는 탐진강의 유기탄 소 조성에서 강우시와 비강우시 모두 DOC가 대부분을 차지 하지만, 강우 유출기에는 상대적으로 [POC]의 증가율이 보 다 높았다는 것을 의미한다 (Fig. 5B).

한강의 경우 비강우시 [DOC]와 [POC]가 각각 0.9~3.2 mg L^-1와 0.2~2.9 mg L^-1이었지만, 홍수기 강우에서는 [DOC] 1.4~5.5 mg L^-1가 1.5배 정도 증가한데 반해, [POC] 는 1.9~31.5 mg L^-1로 최대 10배 이상 급증했다 (Kim et al. 2013b). 이와 같이 비홍수기와 비교해서 홍수기에 DOC와 POC 농도가 증가하는 이유는, 홍수기에는 하천 내부에서보 다 상류역의 산림 또는 인접한 제내지의 농경지와 도시 지 역에서 보다 많은 입자성 유기쇄설물 (낙엽, 퇴비, 토양 등)을 포함한 강우 유출수가 하천으로 들어오는 것을 원인으로 보 고있다 (Oh et al. 2013;Zhang et al. 2013). 특히, 탐진강 유 역에서 강우시 본류에 비해 금강천 (GT)의 DOC 농도가 약 2.1~2.4배 정도 높게 나타났는데 (Fig. 6), 이는 상대적으로 높은 농경지 비율이 반영된 것으로 판단된다.

그렇지만, 본 연구에서 탐진강이 강우기에 POC 농도의 증 가율이 제한적인 이유는 상류의 장흥댐과 본류에 고밀도로 건설된 농업용 보의 저수지에서 상당량의 입자성 물질이 침 전되어 하류로의 이동이 감소되기 때문으로 판단된다. Park et al. (2017)은 실제로 장흥댐 상·하류에서 입자성 유기물 의 안정동위원소와 농도를 분석한 결과, 저수지 하류에서 산 림 유래물질이 댐저수지에서 급감하면서 하류에서 감소하 고 있는 것을 확인했다. 또한 영산강에서도 보 건설 이후에 POC 농도가 급감하면서 DOC 비율이 90% 이상을 차지한다 는 유사한 결과를 볼 수 있다 (Cho and Cho 2017).

탐진강의 DIC 농도는 전체적으로 본류에서 1.0 mg L^-1 이 하로 낮게 나타났다 (Fig. 5A). 이상과 같이 탐진강에서 탄소 의 성상별 농도 변화를 종합해보면, 홍수기 강우유출에 의한 POC의 증가는 제한되는 반면, DIC는 상대적으로 기여율이 낮기 때문에, 댐저수지에서 하구까지 탐진강의 주요 탄소 공 급원은 DOC라고 할 수 있다.

2. 강하구 강진만의 탄소물질 농도 변화

탐진강 하구에서 강진만으로 유출되는 유기탄소의 조성 은 강우사상에 따라 차이를 보였다. 탐진강 하구 정점인 S4 에서 상대적으로 높은 유기탄소 농도를 보였다. 또한 강우 기 [DOC] (6월 4.6 mg L^-1, 7월 3.9 mg L^-1)와 [POC] (6월, 2.9 mg L^-1, 7월 1.8 mg L^-1)는 비강우기의 [DOC] (9월 2.3 mg L^-1)와 [POC] (9월, 1.0 mg L^-1)에 비해 유의하게 높았다 (p<0.05) (Fig. 4A, B). 전술한 바와 같이 탐진강은 유기탄 소의 대부분이 DOC로 조성되어 있었지만, 하구 (S4)에서는 [DOC]:[POC]가 1.6~2.2로서, POC 비율이 탐진강 하천구간 (S1~S3)에 비해 상대적으로 높은 것은 특이할 만하다 (Fig. 5B). 일반적으로 강하구로 유입되는 입자성 유기물은 주로 산림에서 생산된 낙엽이나 토양의 유기물, 하천내부에서 생 산된 부착조류가 포함되어 있으며 (Cloern 2002;McCallister et al. 2006;Lee et al. 2013b;Sarma et al. 2014;Ray et al. 2018), 기수역에서 갯벌의 여과와 수체의 물리적 혼합으로 입자성 유기물질의 감소사례가 보고되었다 (Middelburg et al. 2007;Gu et al. 2009;Ray et al. 2018). 그렇지만, 탐진강 하구의 입자성 유기물은 주변 간석지에 분포된 갈대 군락지 의 국지적인 영향으로 증가하였으며 (Park et al. 2017), 특히, 홍수기에는 집중강우로 하천이 범람하면서 수변지역의 갈대 잔해물이 부유하면서 POC 농도가 증가한 것으로 판단된다.

이후 S5와 S6 정점에서는 [DOC] (1.2~1.9 mg L^-1), [POC] (0.3~0.6 mg L^-1)가 보다 급감한 반면, [DIC] (2.4~2.6 mg L^-1)는 급증하는 상반된 경향을 보였다 (Fig. 4). 이와 같이 유기탄소 농도가 감소하고 무기탄소 농도가 증가한 이유는 하구에서 멀어지면서 발생한 해수 혼합의 영향으로 판단된 다 (Fig. 6). 비율로는 DIC가 54~60%로 모든 조사지점에서 최대값을 나타내는 등 무기탄소가 우세하게 나타났다 (Fig. 5A). 이상과 같이, 탐진강 하천 (S1~S3)과 하구 (S4)에서는 강우사상에 따라 유기탄소 농도가 크게 변하였지만, 강진만 S5, S6에서부터 강우기, 비강우기에 상관없이 일정하게 높은 DIC 농도를 나타내는 것으로 판단해보면, 탐진강 강하구로 공급되는 DIC는 하천이 아닌 대부분 해양에서 유입되고 있 는 것으로 파악된다.

적 요

본 연구는 탐진강 유역의 열린하구 강진만에서 하천과 해 양 간의 성상별 탄소물질의 이동 특성을 파악하였다. 탐진강 에서는 대부분의 탄소물질이 DOC 형태로 강하구로 유출되 며, 하구로 오면서 조간대에 펼쳐진 갈대군락지에서 POC가 국지적으로 공급되고 있었다. 이에 반해 강진만에서는 DIC 의 조성비가 탐진강에 비해 높게 나타났으며, 이러한 무기탄 소는 주로 해양에서 공급되고 있는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 종합해보면, 탐진강 열린하구는 하천과 바다의 영향 이 상호 교차하는 지역으로 강에서는 유기탄소의 공급이 바 다에서는 무기탄소의 공급이 주로 이루어져서, 탄소물질의 하구순환이 이루어지고 있음을 파악하였다. 이상과 같이 열 린하구에서의 탄소조성 변화를 파악함으로써 하천과 하구, 해양 생태계 간의 환경특성에 따른 탄소공급원을 이해할 수 있었으며, 향후 보다 종합적인 연구를 위해 국내의 닫힌 하 구와의 비교 자료로 활용될 수 있을 것이다.