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서 론

 어류폐사는 우리나라 인공호 및 하천에서 다양한 원인에 의하여 국소적 혹은 광범위하게 발생되고 있으며, 최근 들어 금강 수계 하류부에 건설된 백제보에서 2012년 10월 중∙하순경에 대규모 어류폐사가 발생되었다. 어류폐사로 인하여 정부와 민간 환경단체에서는 10만여 마리의 어류가 때죽음 당했을 것으로 추정하였다(환경부보도자료, 2012). 대규모 어류폐사는 수생태계 내에 악영향을 초래하지만, 이에 대한 처리 및 정확한 원인규명은 아직까지 이루어 지지 않고 있다. 이와 같이 빈번히 발생되는 어류폐사는 해당 수계의 어족자원 감소에 악영향을 주고, 이에 따른 경제적 손실뿐 아니라 생태계의 파괴로 이어져 결국 인간의 생활도 크게 위협받을 수 있다(Raleigh et al. 1978).

 어류폐사는 복합적인 요인들에 의하여 발생되기 때문에 정확하게 원인을 규명하기가 쉽지 않다(Haslouer 1983;Lee et al. 2006). 또한 폐사 직∙후 독성검사나 조직검사를 통해 원인을 규명할 수 있으나 하천에서의 어류폐사는 즉시 발견되는 것이 아니고 상당한 시간이 경과 후 발견되기 때문에 정확한 폐사원인을 규명하기 어렵다. 국내∙외 많은 연구사례에서도 보면 폐사의 발생 원인이 뚜렷하지 않고, 복합적인 요인으로 추정되는 경우가 대부분이다. 강원도에서 발생한 어류폐사의 원인에 대해서 적게는 35%에서 많게는 50% 이상까지도 원인불명으로 보고되고 있다(Lee et al. 2011; Lee et al. 2013). 이러한 어류폐사에 관한 연구들은 대부분이 발생 메커니즘에 대한 분석을 하지 않고 있는 실정이다.

 어류폐사의 유형은 크게 인위적 요인과 자연적 요인으로 구분 될 수 있다. 인위적 요인으로서는 각종 오∙폐수속 암모니아의 유입(Yang and Chun 1986; Foss et al. 2003), 중금속의 유입(Van Hoof and Van San 1981), 염소(Cohen 1977; Zeitoun 1977; Katz 1979), 그리고 토사유출에 따른 흙탕물의 발생(Lee et al. 2006), 농약 등과 같은 독극물 등을 들 수 있으며, 자연적 요인으로 급격한 pH 변화, 황화수소(H2S)의 발생(Lee et al. 2006), 급격한 수온변화(Durhan et al. 2006), 식물플랑크톤의 독소(Park et al. 2008), 바이러스 및 세균으로 인해 유발되는 질병(Kim et al. 2003) 및 용존산소 부족(Matthews and Berg 1997; Lee et al. 2006) 등 다양한 원인으로 인하여 어류폐사가 발생되는 것으로 보고되고 있다.

 금강 수계 본류에는 용담댐, 대청댐과 같은 다목적댐호가 위치하고 있으며, 백제보를 포함하여 세종보, 공주보 등 3개의 인공보가 건설되어 있고, 금강 최 하류부에 금강하구언이 존재하여 본류구간에만 댐과 같이 규모가 큰 6개의 인공구조물이 존재한다. 그중에서도 백제보는 금강 수계에서 하류부에 건설된 인공보로서, 도심하천인 갑천, 미호천과 같은 지류유입으로 인하여 백제보 수질특성에 지대한 영향을 미치고 있다(Han et al. 2013; Han and An 2013). 일반적으로 수계의 중∙하류역에 건설 된 소형댐과 인공보는 정체수역을 증가시키고 (An et al. 2001a), 유량 및 유속의 수리수문학적 특성 변화를 초래하며(Macan 1961), 침전물 퇴적 및 공사시의 준설로 인한 물리적 서식지 교란이 발생되는 것으로 보고되고 있다. 이런 특성들은 정체수역 증가로 인한 질소(N) 및 인(P) 등의 축적으로 녹조현상 및 부영양화 현상을 가속시키고(Fisher et al. 1992), 화학적 수질악화를 가속시키고 있는 것으로 보고되고 있다(Krenkel et al. 1979).

 백제보로부터 상류에 위치한 왕진교부터 백제보 하류 20 km 지점까지 약 23 km 구간에서 2012년 10월 18일경부터 이후 약 10일간 누치와 모래무지 개체군을 시작으로 숭어와 동자개 및 쏘가리 등 수만마리의 어류가 폐사하였다. 본 연구는 금강수계에서 4대강 보건설의 일환으로 축조된 백제보에서 어류폐사 전∙후의 어류상 및 개체군 변동 분석, 트로픽 길드 영향 및 내성도 지표종 등의 구성비 변화에 대한 연구를 실시하였다. 이와 더불어 대규모 폐사 이후 어류군집구조 변화를 분석하여, 백제보 어류상의 회복도를 파악하고자 하였다.

재료 및 방법

1. 조사 지점 및 조사 기간

 본 연구는 어류 종 조성 및 분포특성을 분석하기 위하여 4대강 살리기 일환으로 금강 수계의 중∙하류에 건설된 백제보를 대상으로 하여 어류 조사를 실시하였다(Fig. 1). 백제보의 지역적 위치는 충남 부여군 부여읍 자왕리에 위치하고 있으며, 상류 20 km 부근에 공주보가 위치하고 있으며, 하류 60 km 부근에는 금강하구언이 위치하고 있다. 백제보는 총 저수용량 23.8×10⁶m³, 관리수위 EL. 4.2 m, 보 높이 7.2 m, 보 길이 311 m 규모로서 주변 농경지에 농업용수 공급 및 전력을 공급하고 있는 가동보이다. 어류 현장조사는 백제보 상류 1 km 지점을 대상으로 폐사가 일어나기 전인 2012년 10월 8~9일에 1차 조사(B_f), 폐사가 일어난 후인 11월 1~2일에 2차 조사(A_f-I)를 실시하였고, 폐사 후 어류 회복도를 알아보기 위하여 2013년 5월 13~14일에 3차 조사(A_f-II), 2013년 9월 15~16일에 4차 조사(A_f-III)를 추가적으로 실시하였다.

Fig. 1. The sampling sites in Geum-River watershed.

2. 어류 조사 및 생체량 분석

 어류의 현장조사의 채집 방법은 Ohio EPA (1989)의 Wading method에 기반을 두고 우리나라의 특성에 맞게 수정∙적용한(An et al. 2001b) 방법에 의거하여 수행하였다. 조사구간 내 다양한 서식지 유형을 포함하기 위하여 조사에 이용된 어구는 투망(망목: 7×7 mm), 족대(망목: 4×4 mm)를 이용하여 조사를 실시하였고, 추가적으로 정체수역 어류조사를 위하여 정치망(망목: 4×4 mm, H: 1.6 m, L: 18 m, 외통발) 및 삼중자망(망목: 12/45 mm, H: 1 m, L: 50 m)을 이용하여 어류조사를 실시하였다. 투망조사는 백제보 부근의 접근이 용이한 연안부에서 평균 20회 투척하여 어류 조사를 실시하였으며, 족대 조사는 투망과 동일한 연안부의 수생식생이 잘 발달된 구간에서 투망과 동일한 시간동안(1시간 정도) 어류채집을 실시하였다. 또한 백제보 중심에 위치한 개방대에서는 정치망과 자망 이용하여 오후에 설치한 후 익일 오후에 (24시간) 수거하여 분석하였다.

 어류폐사 전∙후의 어류군집의 변화 및 개체군의 생체량을 비교 분석하기 위하여 연구기간 동안 채집된 모든 종을 대상으로 전장 및 체중을 측정하였다. 채집된 어류의 폐사 전(B_f)과 폐사 후(A_f-I)의 전장 및 체중의 변화를 분석하기 위하여 SPSS (PASW statistic 18, ver. 18.0. for window, 2009)를 이용하였다. 독립표본 t 검정(Independent two sample t-test)을 이용하였다. 연구 기간 중 4회의 모든 조사에서 채집된 종들 중 대형종 중 붕어, 중형종 중끄리, 소형종 중 밀어를 각각 대표종으로 선택하였으며, 각 대표종들의 전장과 체중의 변화를 분석하였다.

3. 어류의 군집분석, 섭식특성 및 다변수 어류 평가 모델 분석

 본 조사의 어류 군집분석을 위해, 각 조사지점에서 채집된 어종의 개체수를 기준으로 아래와 같은 지수를 산정하였다. 환경이 악화될수록 특정종의 우세가 나타나는 경향(Kim et al. 2012)이 있으므로 환경의 변화에 대한 지표로 삼고자 Simpson (1949)의 군집우점도 지수 및 Shannon-weaver (1963)의 종다양도 지수를 산정하였다. 또한, 종균등도 지수는 Pielou (1975)의 식을 사용하였으며, 종풍부도 지수는 Margalef (1958)의 지수를 이용하여 군집 분석을 실시하였다.

 어류 내성도(Tolerance) 특성 및 영양단계(Trophic level)에 대한 생태적 분류는 US EPA (1993)의 기준에 의거하였다. 어류의 내성도는 수질 오염도에 따라 쉽게 사라지는 민감종(Sensitive species, SS)과 수질오염도에 따라 상대적인 비율이 증가하는 내성종(Tolerant species, TS), 그리고 두 범주의 중간에 해당하는 중간종(Intermediate species, IS)으로 구분하였다. 영양단계 구조는 섭식 특성에 따른 잡식종(Omnivores, O), 충식종(Insectivores, I), 육식종(Carnivores, C)으로 구분하였다(Barbour et al. 1999).

 본 연구에서는 백제보의 어류폐사로 인한 하천 생태건강도를 비교하기 위하여 Karr (1981)의 IBI 모델을 기반으로 한 Barbour et al. (1999)에 의해 시스템을 수정∙보완한 것을 An et al. (2001b)에 의해 국내 하천 특성에 맞게 최초로 적용되었고, 이를 최종적으로 보안된 모델을 적용하였다.

결과 및 고찰

1. 어류폐사 전∙후의 어류상 특성

 본 조사기간 동안 금강 백제보 구간에서 채집된 어류는 6과 32종이 채집되었으며, 잉어과가 22종으로 가장 많았고, 망둑어과가 3종, 검정우럭과, 동사리과 및 동자개과가 각각 2종, 그 외에 미꾸리과가 1종이 채집되었다(Table 1). 본 조사 지점에서 폐사 전(B_f)에 채집된 어류는 4과 22종이 채집되었고, 잉어과가 17종으로 가장 우세하게 나타났고, 폐사 후(A_f-I) 채집된 어류는 5과 19종이였고, 잉어과 어류가 14종으로 최고 우점종으로 나타나, 종수 측면에서는 유의한 통계적 변화(p¤0.05)가 없는 것으로 나타났다. 폐사 전(B_f) 및 폐사 후(A_f-I, A_f-II, A_f-III)의 우세종 분석에 따르면, 한강, 낙동강, 영산/섬진강 수계와 유사한 경향을 보였다(Jeon 1980). Lee et al.(2013)의 연구와 마찬가지로 어류의 종조성은 폐사 전∙후 차이를 보인 반면, 종수의 차이에 있어서는 어류폐사 전∙후 큰 차이를 나타내지 않은 것과 유사한 결과를보였다.

Table 1. Species compositions and various guilds of fish community in the Backje Weir of Geum-River

 조사 기간 동안 출현한 한국 고유종은 줄납자루, 참중고기, 중고기, 몰개, 참몰개, 돌마자, 됭경모치, 치리, 동사리, 얼룩동사리 등 10종 253개체로 나타났다. 폐사 전(B_f) 한국 고유종의 상대풍부도는 11.2%에서 폐사 후(A_f-I) 7.8%로 감소된 것으로 나타났다. 이는 폐사 직후(A_f-I) 고유종 감소가 발생되었지만, 차후 다른 고유종의 유입으로 인해 고유종의 상대풍부도가 회복된 것으로 분석되었다. 폐사 이후 고유종의 빈도가 높게 나타난 직접적인 원인은 고유종인 몰개가 급격히 증가하였기 때문이다. 이는 정수역의 증가 및 끄리와 같은 상위포식자의 급격한 감소로 인하여 이 개체군들이 증가된 것으로 판단된다. 외래종은 떡붕어, 블루길, 배스 등 총 3종이 채집되었으며, 출현 빈도는 4.5%로 낮았다. 폐사 전(B_f)에는 떡붕어 5.6%, 블루길 1.1%, 배스 3.4%의 출현율을 보인 반면, 폐사 후 실시한 조사(A_f-I, A_f-II,A_f-III)에서는 떡붕어 0.6%, 블루길 0.2%, 배스 1.9%로 폐사 전과 비교해 전반적으로 감소한 것으로 나타났다(Table 2).

Table 2. The differences of ecological attributes between the period of before-the-fishkill (B_f) and after-the-fishkill (A_f-I, A_f-II, A_f-III) in the Backje Weir of Geum-River

Fig. 2. The differences of species compositions and the biomass (kg) between the period of before-the-fishkill (B_f) and after-the-fishkill (A_f-I).

2. 어류폐사 전∙후의 어류 생체량 (Biomass)

 백제보 어류폐사 전∙후 어류상의 변화는 종수 측면보다 개체수 측면에서 더 많은 변화를 보인 것으로 분석되었다. 폐사 이후 이러한 변화는 점차 회복하는 경향을 보였는데, 이는 백제보 상류 및 주변 지류에서 서식하던 개체군들이 본류로 유입된 결과로 판단된다. 채집된 개체들의 생체량 변화를 비교한 결과, 어류 폐사 전∙후에 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다. 폐사 전(B_f) 채집된 개체들의 총 생체량은 19.8 kg으로 나타났고, 폐사후(A_f-I)의 생체량은 2.0 kg으로 나타나, 폐사 전에 비해 1/10 수준으로 크게 감소하였다. 폐사 전(B_f)과 폐사 후(A_f-I)의 전장 및 체중을 통계적으로 분석해 본 결과, 유의한 차이를 보였다 (p⁄0.001). 이후 어류 조사 (A_f-II, A_f-III)에서 채집된 어류의 개체수는 폐사 전(B_f)과 비슷한 개체수가 채집되었으나, 총 생체량은 각각 3.2 kg, 5.7 kg으로 회복하는 경향을 나타냈지만, 아직까지 회복되지않은 것으로 나타났다.

본 조사 기간 중 모든 조사에서 채집된 종들 중에서 대형종 붕어, 중형종 끄리, 소형종 밀어를 대표종으로 선정하여 각 개체들의 전장과 체중의 변화를 측정하여 분석하였다. 폐사 전(B_f)에 채집된 붕어는 평균 전장 23.9 (±99) cm, 체중 378.1 (±298) g로 나타났다. 폐사 후(A_f-I)에는 폐사 전(B_f)과 비교해 큰 폭으로 감소한 것으로 나타났다. 이후 평균 전장 및 체중이 꾸준히 증가하여 4차 조사(A_f-III)에서는 폐사 전(B_f)과 유사한 수준으로 회복하였다. 육식종인 끄리는 폐사 전(B_f) 평균 전장 17.8 (±65) cm, 체중 57.8 (±57) g으로 비교적 개체군의 크기가 큰 것으로 나타났다. 폐사 후(A_f-I) 전장 및 체중은 폐사 전(B_f)과 비교하여 1/4 수준으로 감소하였다. 붕어와 마찬가지로 폐사 후 전장 및 체중이 큰 폭으로 감소하였다. 이후 조사에서는 붕어와는 반대로 회복하지 못하고 꾸준히 감소하는 경향을 나타냈다. 소형 저서종인 밀어는 폐사 전(B_f) 평균 전장 3.3 (±10) cm, 체중 0.4 (±0.5) g를 나타냈다. 폐사 후(A_f-I, A_f-II, A_f-III) 꾸준히 증가하여 전장은 1.2배, 체중은 2.8배 증가한 것으로 나타났다(Fig. 3). 이와 같은 결과는 어류폐사로 인하여 손실된 대부분의 어류가 붕어, 떡붕어와 같은 크기가 큰 대형어종들로서, 이들의 손실이 직접적으로 생체량에 영향을 준 것으로 분석되었다. 붕어와 떡붕어와 같은 대형종들은 대부분 수질오염에 강하고, 서식지의 질적 저하에도 상대풍 부도가 증가하는 내성종 및 잡식종으로서 이들은 부영양화된 수체에서도 상대풍부도가 높게 나타난다(Han et al. 2009). 이와는 반대로 성체의 크기가 약 10 cm인 밀어와 같은 작은 소형종들은 주로 연안부나 주변 지류에 주로 서식하기 때문에 본류부의 급격한 변화에 상대적으로 적은 영향을 받았기 때문에 큰 개체들에 비하여 사망률이 적은 것으로 판단된다. 어류폐사 후 상류 및 주변의 지류에서 작은 개체들이 새로운 서식지로 유입되어 시간이 지나면서 생체량을 점차 회복되는 것으로 나타났다.

Fig. 3. Mean biomass (gram) and mean standard length (MSL, cm) of Carassius auratus (as a large-size fish), Opsariichthys uncirostris amurensis (as a medium-size fish), and Rhinogobius brunneus (as a small-size fish) between the period of before-the-fishkill (B_f) and afterthe-fishkill (A_f-I, A_f-II, A_f-III).

3. 어류 군집구조 및 군집지수 분석

 백제보 어류폐사 전∙후 어류상을 이용한 군집분석 결과에 따르면, 종 다양도 지수(H^′)는 2012년 폐사 전(B_f) 2.77에서 폐사 후(A_f-I) 16.7% 감소한 것으로 나타났다. 이후 3차 조사(A_f-II)에서는 폐사 전(B_f)과 비교할 때, 60.3% 수준까지 감소하였지만, 4차 조사(A_f-III)에서는 회복하는 것으로 나타났다. 군집 내 종 구성의 균일한 정도를 나타내는 종 균등도 지수(J^′)는 폐사 전(B_f) 0.90을 나타내었고, 이후 종 다양도 지수와 비슷한 감소폭을 나타내었다. 특정 종이 우세한 정도를 나타내는 군집 우점도 지수(λ)는 3차 조사(A_f-II)에서 폐사 전(B_f) 0.07보다 4.7배 증가하였고, 4차 조사(A_f-III)에서는 다시 폐사 전(B_f)과 비슷한 수준으로 감소하였다. 군집 우점도 지수는 종 다양도 지수와 종 균등도 지수와는 상반된 양상을 나타냈다. 종 풍부도 지수(d)는 폐사 전(B_f) 4.05로 종 다양도 지수와 종 균등도 지수와 마찬가지로 가장 높게 나타났고 이후 꾸준히 감소하는 경향을 나타내 4차 조사(A_f-III)에서는 폐사 전(B_f)과 비교해 16.3% 감소한 것으로 나타났다(Table 3). 폐사 전(B_f)과 비교해 폐사 이후 종 다양도 지수, 종 풍부도 지수, 종 균등도 지수가 감소한 반면, 군집 우점도 지수는 증가하여 폐사로 인하여 군집구조가 불안정해진 것으로 분석되었다.

Table 3. The analysis of fish community structure, based on Margalef’s species richness index (d), Pielou’s evenness index (J^′), species diversity index (H^′), and the dominance index (λ) in the Backje Weir of Geum-River between the period of before-the-fishkill (B_f) and after-the-fishkill (A_f-I, A_f-II, A_f-III)

4. 어류 생태지표 특성

 백제보에서 채집된 어류를 이용하여 생태지표인 민감종, 중간종, 내성종의 상대풍부도 비교∙분석에 따르면, 내성종이 우점현상(67.3%)을 나타내었다. 폐사 전(B_f) 민감종의 상대풍부도는 5.6%를 보였으나 폐사 후(A_f-I) 한 종도 채집되지 않았다. 반면, 내성종은 폐사 전(B_f) 64.3% 보다 폐사 후(A_f-I) 1.2배 증가하였다. 섭식 특성 분석에 의하면, 잡식종이 우점현상(53.8%)을 보였다. 폐사 전(B_f) 48.6%의 상대풍부도를 보였던 잡식종은 3차 조사(A_f-II)에서는 1.7배 증가하여 우점현상이 심화된 것으로 나타났다. 반면 충식종은 폐사 전(B_f)과 폐사 후(A_f-I, A_f-III, A_f-III) 유사한 상대풍부도를 보였다 (Table 2). US EPA(1993)의 연구 결과에 따르면, 유기물 오염 및 서식지 파괴 등의 서식지의 물리∙화학적 질적 저하에 따라 하천 생태계 내의 민감종은 감소하는 반면, 내성종은 증가하는 경향을 보인다는 연구결과와 일치하였다. 어류폐사 후 민감종의 급격한 감소와 더불어 내성종의 우세 현상은 백제보 구간의 수질 특성에 대한 변화 및 보건설에 따른 서식지 변화에 의한 복합적인 영향으로 사료되었다.

5. 생태건강도 다변수 평가 모델 적용 및 생태 건강도 평가

 백제보의 어류를 이용한 생물학적 건강도 평가 결과, 하천생태계 건강성평가(IBI) 값의 평균은 17.5로서 “보통 상태(III등급)”로 나타났으며 이러한 결과는 이전 연구인 Han et al. (2013)의 결과(IBI, III등급)와 유사한 것으로 나타났다. 시기별 하천생태 건강성평가 결과, 폐사 전(B_f) 18로서 “보통상태(III등급)”, 폐사 후(A_f-I) 16으로 “보통 상태 (III등급)”, 3차 조사(A_f-II) 14로서 “악화상태 (IV등급)”, 4차 조사(A_f-III) 22로서 “보통상태(III등급)”을 보여 폐사 후 건강성이 악화되었다가 점차 회복되는 것으로 나타났다. 그러나 백제보는 전 조사에서 “악화상태~보통상태”로 분석되어 생태건강성 측면에서는 매우 악화된 것으로 나타냈다. 한편, 여울성 저서종수, 민감종 수 및 내성종의 상대비율 등 3개 메트릭 값에서 전부 “1”로서 최하 점수를 나타냈다(Table 4). 백제보의 건설로 인한 금강 하류구간의 이∙화학적 수질 및 수리∙수문학적 특성 변화는 백제보 구간의 수환경 및 물리적 서식 환경에 큰 변화를 초래하였으며, 이러한 변화들은 어류를 비롯하여 해당 수체에 서식하고 생물군에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 또한 이러한 변화들은 내성종과 잡식종의 상대풍부도 증가에 영향을 주는 것으로 사료된다.

Table 4. The multi-metric assessment models, based on the Index of Biological Integrity (IBI) in Backje Weir of Geum-River between the period of before-the-fishkill (B_f) and after-the-fishkill (A_f-I, A_f-II, A_f-III). The values of parenthesis indicate a score of each metric category (1, 3, 5)

 결론적으로 백제보에서 발생된 대규모 어류폐사는 어류군집에 있어서 큰 영향을 미친 것으로 나타났으며, 폐사 이후 어류상이 점차 회복되는 것으로 나타났으나 어류 개체군 수준에서는 폐사 전 수준으로 회복되지 않았다. 그러나 현재의 본 자료만을 가지고 어류폐사의 정확한 원인을 밝히는데 그 한계성이 있다. 따라서 백제보에서 발생된 대규모 어류폐사 원인규명과 재발 방지를 위해서는 실시간 수질 모니터링, 수리수문학적 특성 분석 및 어류를 포함한 다른 생물군 조사를 통한 종합적인 평가가 병행되어야 할 것으로 사료된다.

사 사

 본 연구는 2012년도 금강수계 환경기초조사사업의 지원으로 수행되었습니다. 이에 감사드립니다.