Journal 
서 론
식물플랑크톤은 수권에서 용존 무기 영양염류를 이용 하여 태양에너지를 합성하는 기초생산자로, 수권 생태계 의 생명현상을 유지 및 지구 기후변화, 그리고 탄소순환 등 환경문제에까지 중추적 역할을 담당하는 생물군이다 (Parsons et al. 1984;Yoder and Kennelly 2003;Behrenfeld et al. 2009). 이러한 식물플랑크톤 군집은 광합성으로 성장에 너지를 합성하기에 광량, 해수 유동, 용존 무기 영양염류 등 무생물 환경인자와 함께 생물군집 사이의 종간 경쟁, 포식 압 등 생물인자에 의해 성장 및 분포가 지배된다 (Parsons et al. 1984). 특히 물리ㆍ화학적 무생물 환경인자는 수계의 식 물플랑크톤 광합성 속도를 조절하는 중요한 인자일 뿐만 아니라 시ㆍ공간적 분포 및 세포 크기에도 밀접하게 관련되 고 있다 (Parsons et al. 1984;López-Urrutia and Morán 2015;Rasconi et al. 2017).
순천만으로 담수가 유입되는 이사천 수계의 상사호는 광주시와 전라남도에 생활용수 및 산업용수를 공급하기 위해 조성된 주암호의 수위를 조절하기 위한 조절지이다. 상사호는 이사천 중류에 유역면적 134.6 km2, 총저수량은 2 백만 톤 규모로 조성된 인공 호수이며, 주암호와는 도수터 널로 연결되어 있다. 상사호에 조성된 조절지댐인 상사댐 은 장마 및 태풍 시기에는 해역으로 연결되는 이사천과 순 천 시내를 흐르는 동천이 합류되어 해역으로 유출되지만, 해역인 여자만 (순천만)에 의해 배수가 차단되면서 하류역 에 상습적으로 발생하는 홍수 피해를 방지 및 수자원 확보 와 동시에 발전시설용량 2만 2,500 kW의 수력발전을 병행 하기 위해 1991년 12월 준공되었다 (DLCEK, http://www. grandculture.net). 특히 상사댐은 국내의 다른 댐과 달리 유 출시 저층수가 유출되기에 여름에는 저층의 냉수가 유출 되어 국지적인 기후변화에 따른 농작물 생산성에 영향을 미치고 있으며 (Yun et al. 1997), 주암댐 유출량 감소에 따 른 광양만권 어족자원 고갈 및 염해 피해 상사댐에서 유출 된 저수온으로 순천만 맛조개 등 집단폐사를 발생시키고 도 있다 (K-water 2014).
상사호에서 상사댐을 통해 순천만에 이르는 이사천 하 류의 수계환경은 유역 길이가 짧고, 면적이 협소하며, 저층 에서 유출되는 낮은 수온의 변화 및 주변 산업단지에서 배 출되는 산업폐수 등 외부 환경인자의 급격한 변화로 해양 환경은 물론 식물플랑크톤의 성장 및 분포에도 커다란 영 향 (Verity 1981)을 미칠 것으로 판단된다. 특히 댐에 의해 형성된 인공 호수는 주변 수계에서 유입되는 유기물에 의 해 부영양화 진행이 쉽게 되어, 일시적인 대량 유출은 주변 수계의 급격한 환경변화를 발생시켜, 식물플랑크톤의 대 량 발생은 물론 자원생물의 대량폐사 등 서식 생물에 큰 영 향을 주는 것으로 알려진다 (Unoki 2005;Jung et al. 2014;Barroso et al. 2016).
따라서, 여기서는 이사천 하류 수계의 수질 환경 변동 인 자와 식물플랑크톤 군집의 시ㆍ공간적 분포 특성을 명확하 게 파악하여, 이사천 수계의 영향을 직접 받는 한국 제1호 람사르습지 및 유네스코 순천 생물권 보전지역은 물론 국 내 최대 꼬막 산지로 알려진 여자만 (순천만)의 효율적 이 용과 관리, 그리고 보전에 필요한 중요한 기초자료를 제공 하고자 한다.
재료 및 방법
상사댐에서 순천만에 이르는 이사천 하류 수계 및 상사 댐 유출에 의한 수질 환경 및 식물플랑크톤 군집의 시ㆍ공 간적 변동 특성을 고찰하기 위한 조사는 2011년 5월부터 2012년 1월까지 4계절에 거쳐 상사호에서 순천만에 거친 9개 정점의 표층수를 분석하였다. 정점은 상사호 중앙부 (Stn. 1)와 상사댐 인근 (Stn. 2), 상사댐 유출수가 하천을 형 성하는 이사천 서정교 (Stn. 3), 해수의 역류를 차단할 수 있 는 신수취입보 (Stn. 4), 동천과 이사천 합류 지점 (Stn. 5), 순천만 체험선이 운항하는 대대선착장 (Stn. 6), 순천만 초 입부 (Stn. 7), 순천만 농주마을 인근 (Stn. 8) 및 순천만 해 역 (Stn. 9)이며, 본문에서는 편의상 상사호 내부의 Stn. 1과 Stn. 2를 상사호 (●), 신수취입보에 의해 해수 역류가 차단 된 Stn. 3과 Stn. 4를 담수역 (※), 밀물 때 해수가 유입되는 Stn. 5에서 Stn. 7을 기수역 (▲), 그리고 순천만 내부에 설 정된 Stn. 8과 Stn. 9를 해수역 (○)으로 구분하였다 (Fig. 1). 즉 Stn. 4의 신수취입보 설치로 만조에도 순천만 해수가 상 부 수역까지 영향을 미치지 못한다.
측정 및 분석항목으로 수온과 염분은 T-S meter (YSI 30, USA)로 측정하였고, 암모니아염, 아질산염, 질산염 및 인 산염 등 영양염류 및 엽록소 a 농도 (Chlorophyll a, Chl-a) 는 환경부의 수질오염공정시험기준 (ME 2008)에 준하여 분석하였다. 또한 식물플랑크톤 시료는 표층수 500 mL를 채수하여 최종농도가 0.4%가 되도록 중성 포르말린을 첨 가하여 고정하였다 (Throndsen 1978). 고정 시료 500 mL 는 실험실에서 48시간 이상의 침전과정을 여러 차례 반복 하여 최종 10 mL가 되도록 농축하였다. 검경은 Sedgwick Rafter Chamber에 농축 시료 0.1 mL를 취하여 광학현미경 (Nikon, Eclipse 80i, Japan)을 이용하여, 100×∼400× 배 율에서 종 동정 및 세포수를 파악하여, 출현 종별 단위체 적당 세포수로 현존량을 표시하였다. 식물플랑크톤 종 동 정은 담수 및 해양플랑크톤 도감 (Cupp 1943;Chung 1993;Chihara and Murano 1997;Hwang et al. 2005;ME and NIBR 2010a, b, 2011a, b)과 분류 문헌을 참고하였다.
검경 자료에서 식물플랑크톤 출현 종 조성, 세포 밀도에 의한 현존량 및 우점종 등을 도출하였고, Primer program (Plymouth Routines In Multivariate Ecological Research, UK) 을 이용하여 정점별로 다양성 지수 (Hʹ) 및 우점도 지수 (D) 를 아래 계산식을 이용하여 산출하였다. 그리고 측정된 환 경인자와 식물플랑크톤 지표를 통계프로그램인 SPSS (IBM 20.0, USA)를 이용하여 피어슨 상관계수를 계산하였다.
결과 및 고찰
1. 환경인자
1) 수온과 염분
상사호에서 순천만까지의 이사천 하류 수계의 수온 은 2.6~29.2°C 범위로 봄은 10.1~21.5°C 범위에서 15.1± 4.4°C로 변화 (평균±표준편차로 이하 같은 표현 방식을 따름)하여, 상사호 표층의 20°C 수온이 Stn. 3에서 10.1°C 로 변화하여 상사호 표층과 10°C 이상의 차이를 나타내었 다. 이후 수온은 점차 증가하여, 기수역에서 15°C, 해수역 에서 21.5°C로 높아졌다 (Fig. 2A). 여름은 18.7~29.2°C 범 위에, 24.2±3.7°C로 상사호에서 27.5°C 이상을 보였으나, 담수역에서 18.7°C, 해수역에서 29.2°C로 상승하였다 (Fig. 2A). 가을은 19.5~21.1°C 범위에서 20.2±0.6°C로 상사댐 의 유출에 따른 수온 차이는 크지 않았다 (Fig. 2A). 그리 고 겨울은 2.6~8.5°C 범위에서 5.1±2.5°C로 상사호에서 8.5°C로 상대적 높은 수온을 보이지만, 담수역 및 기수역에 서 3.0~4.7°C, 해수역에서 2.6~3.7°C로 수온이 낮았다 (Fig. 2A).
염분의 시ㆍ공간적 변화는 유출된 담수가 해역으로 유입 되어 혼합되는 하구역 특성으로 n.d. (not detected, 이하 동 일)~31.3 psu의 큰 변동 폭을 나타내었다. 즉 상사호 및 담 수역은 해수 영향이 없는 수역이며, 수온 상승기인 봄과 여름은 순천만 초입부, 수온 하강기인 가을과 겨울은 이사 천 하류와 순천만 수역에서 염분이 급격하게 상승하였다 (Fig. 2B). 계절 변화는 담수 유출이 많았던 수온 상승기인 봄은 Stn. 7에서 0.5 psu 이하의 낮은 염분을 보였고, 순천 만에서 28.1 psu로 증가하였으며, 여름도 봄보다 낮은 염분 으로 기수역에서 0.1 psu 수준을 보였고, Stn. 8에서 1.8 psu, 순천만에서 19.5 psu로 증가하여, 전체적으로 낮은 염분을 보였다 (Fig. 2B). 수온 하강기인 가을은 Stn. 5에서 1.8 psu, Stn. 7에서 19.9 psu로 증가하였고, Stn. 9에서 29.0 psu를 나 타내었지만, 겨울은 신수취입보 밑의 Stn. 5에서 4.0 psu, Stn. 7에서 14.1 psu, 그리고 Stn. 9에서 31.3 psu로 가을보다 상대적 염분 확장세가 이사천 깊은 수역까지 영향을 미치 고 있었다 (Fig. 2B).
상사호에서 순천만에 이르는 이사천 하류의 수온 하강 기 가을이나 겨울에 비해 수온 상승기 봄과 여름에 상사 댐 유출수에 의한 저수온 영향이 강한 것은 상사호 수괴 의 수직안정도와 밀접한 관련성을 보인다. 즉 정체성이 강 한 호수는 얕은 수심에서도 수온 상승기 태양 복사에너지 증가로 수온약층이 형성된다 (Cantin et al. 2011). 실제 Sun et al. (2003)은 상사호와 연결된 주암호에서 4월과 5월 자 료 제시는 없지만, 6월 5 m 수심에서 관찰된 강한 수온약 층은 8~10월에 25~30 m 수심에서 관찰되었으나, 복사에 너지가 약해지는 10월부터는 약화되어, 11월에 급격하게 파괴되었고, 12월에서 3월까지는 수온약층이 없이 수괴가 활발하게 수직 혼합되는 것을 보고하였다. 또한, Lee et al. (2015)은 상사댐 유출수에 의한 저수온 영향은 4월에서 9 월까지 나타나는 것을 보고하고 있다. 즉 상사호는 계절에 따라 수온약층 형성되었다가 파괴되는 것이 반복되기에, 상사댐에 의해 유출되는 이사천 하류 수계의 저수온 영향 은 겨울 수괴의 수직 혼합으로 저층에 존재하던 저수온이 유출되는 봄에 영향이 가장 크게 된다. 그러나 수온 상승 기인 봄과 여름에 순천만 해역에서 관찰되는 높은 수온은 이사천 수계의 외부 인자 및 열원 (Amos et al. 2013)보다는 해역의 얕은 수심으로 복사에너지의 증가에 따른 수온 상 승에 기인하는 것으로 판단되었다.
일반적으로 하구역은 하천에서 유출되는 담수 강도에 따라 환경 특성이 다른 특성을 보이며 (Pritchard 1989), 댐 에 의한 불규칙한 대량의 담수 유출은 하류 수역 및 해역 의 물리ㆍ화학적 환경 인자는 물론 생물학적 환경 인자에 도 큰 농도 경도를 나타낸다는 것 (Hoshiai 1964;McLusky 1993;Unoki 2005;Cloern et al. 2017)은 잘 알려져 있다. 이 사천 하류 수계의 환경 변화도 댐 유출수를 결정하는 상사 호 및 수계 주변의 강수량에 의해 지배되는 부분이 큰 것 으로 나타났다 (Fig. 3). 이사천 하류 수계에서 신수취입보 (Stn. 4)는 밀물 때에 해수가 내륙으로 확장되는 것을 차 단한다. 따라서 이사천 하류 수계의 환경 특성은 강수량이 많은 봄과 여름은 담수 유출량이 증가하여, 순천만까지 담 수 영향이 강하지만, 강수량이 상대적으로 적은 가을과 겨 울은 순천만 해수가 신수취입보까지 확장되어, 해수의 조 석에 의한 영향이 강한 것으로 평가되었다. 이러한 결과는 한국 남해에 위치한 하구역의 일반적 특징이라고도 할 수 있다 (Yoon 2009).
2) 영양염류
암모니아염, 아질산염 및 질산염 합인 용존무기질소 (DIN, Dissolved Inorganic Nitrogen)는 11.43~337.86 μM 범위로 겨울에 높고, 봄에 낮았으며, 상사호 및 해수역보 다 담수역 및 기수역에서 농도가 높았다. 계절적으로 봄 은 29.29~119.29 μM 범위에서 67.86±35.06 μM로 상사호 및 담수역은 35.7 μM 수준이지만, 유출 이후 하류로 갈수 록 점차 농도가 높아져, Stn. 6에서 117.86 μM, Stn. 8에서 119.29 μM로 매우 농도가 높았다 (Fig. 4A). 여름은 봄보다 더욱 높아 53.88~211.32 μM 범위에서 107.91±48.14 μM 로 상사호 및 유출수는 80.0 μM 전후의 농도를 보였지만, 담수역 하부인 Stn. 4에서 211.32 μM의 높은 농도를 보였 으나, 해수와 혼합되면서 희석되어 순천만에서 53.88 μM 로 낮아졌다 (Fig. 4A). 가을은 10.84~235.59 μM 범위에서 82.24±79.0 μM로 상사호 표층의 10.84 μM 농도가 상사호 저층수가 유출되는 Stn. 3에서 30.0 μM로 증가하였고, 더욱 하류로 갈수록 농도는 급격하게 높아져, Stn. 6에서 235.59 μM로 높은 농도를 보인 다음 순천만 유입 이후 21.83 μM 로 감소하였다 (Fig. 4A). 그리고 겨울은 11.43~337.86 μM 범위에서 160.0±109.92 μM로 상사호 및 유출수의 120.0 μM 전후의 농도가 기수역에서 337.86 μM로 높아졌고, 순 천만 유입 이후 11.43 μM로 감소하였다 (Fig. 4A).
암모니아염은 n.d.~105.0 μM 범위로 겨울에 높고, 여름 에 낮았지만, 상대적 농도는 높았다. 계절별로 봄은 n.d.~ 32.14 μM 범위에서 7.78±10.19 μM로 상사호에서 1.4 μM 이하이나, 기수역에서 13.57 μM, 그리고 Stn. 8에서 32.14 μM로 최대 농도를 보였으나, 순천만에서 7.14 μM로 감 소하였지만, 여전히 상대적 높은 농도를 나타내었다 (Fig. 4B). 여름은 1.41~10.76 μM 범위에서 6.23±3.79 μM로 상 사호에서 9.0 μM 이상의 높은 농도가 기수역에서 10.74 μM로 증가하였으나, 해수역에서 1.41 μM로 낮아졌다 (Fig. 4B). 가을은 0.21~48.52 μM 범위에서 16.98±20.14 μM로 수역에 따른 농도 차이가 큰 특징을 보였다. 즉 상사호에 서 2.2 μM의 농도가 기수역에서 43.87 μM로 증가하였지 만, 해수역에서 8.96 μM로 재차 감소하였다 (Fig. 4B). 그리 고 겨울은 n.d.~105.0 μM 범위에서 25.71±36.98 μM로 상 사호 및 담수역에서 1.0 μM 이하로 낮았지만, 기수역에서 105.0 μM로 농도가 급격하게 증가하였지만, 해수역에서 9.29 μM로 감소하였다 (Fig. 4B). 아질산염은 n.d.~30.0 μM 범위로 겨울에 높고, 봄에 낮았으며, 전체적으로는 암모 니아염과 유사한 계절 변동 특성을 나타내었다 (Fig. 4C). 그리고 질산염은 n.d.~253.57 μM 범위로 겨울에 높고, 봄 에 낮았으며, DIN과 유사한 변동 양상을 나타내었다. 계 절별로 봄은 21.43~107.14 μM 범위에서 58.73±28.52 μM 로 변화하였고, 여름은 50.44~202.3 μM 범위에서 99.53± 46.23 μM로 상사호 및 담수역은 70.0 μM 전후의 농도를 나타내었다 (Fig. 4D). 가을은 7.34~180.14 μM 범위에서 62.02±59.19 μM로 상사호에서 7.34 μM로 낮았지만, 담수 역 및 기수역에서 30.0 μM 전후의 농도를 보였으며, 겨울 은 n.d.~253.57 μM 범위에서 130.0±84.92 μM로 상사호 및 담수역은 120.0 μM 전후의 높은 농도를 보였으며, 4계절 모두 상사댐 유출 이후 이사천 수계 및 순천만에서의 변화 는 DIN과 유사하였다 (Fig. 4D).
그리고 DIN을 구성하는 인자 중 암모니아염의 조성 비는 봄에 n.d.~27.0% 범위에서 10.3±10.2%, 여름은 2.0~13.1% 범위에서 6.0±3.7%, 가을은 0.4~41.1% 범위 에서 20.0±14.4%, 그리고 겨울은 n.d.~81.3% 범위에서 20.3±26.3%로 변화하여 여름을 제외하면 해수역이 담수 역보다 암모니아염 조성비가 높았다 (Fig. 5). 아질산염의 조성비는 봄에 1.9±2.2%, 여름은 2.0±0.8%, 가을은 6.2± 6.6%, 그리고 겨울은 2.6±5.6%로 변화하여, 봄과 여름에 낮고 가을에 높았지만, 가을 평균 6.0%를 제외하면, 2.0% 전후의 낮은 조성비를 보였다 (Fig. 5). 그리고 질산염은 봄 에 71.9~98.9% 범위에서 87.8±10.0%, 여름은 85.0~95.7% 범위에서 92.0±3.7%, 가을은 54.5~97.9% 범위에서 73.8± 14.9%, 그리고 겨울은 18.8~99.5% 범위에서 77.1±27.3% 로 변화하여, 평균 DIN의 74% 이상을 나타내었으며, 겨울 을 제외하면 수역에 따른 차이가 없는 비교적 균일한 조성 비를 나타내었다 (Fig. 5).
용존무기인 (DIP, Dissolved Inorganic Phosphorus)은 n.d.~26.77 μM 범위로 겨울에 높고, 여름에 낮았지만, 전 체적으로 매우 높았다. 계절별로 봄은 0.32~2.58 μM 범위 에서 1.51±0.76 μM로 상사호 및 유출수는 0.5 μM 수준이 지만, 유출 이후 하류로 갈수록 농도가 상승하여, 기수역 에서 2.26 μM, 해수역도 2.0 μM를 나타내었다 (Fig. 6A). 여 름은 0.08~1.30 μM 범위에서 0.42±0.48 μM로 기수역을 제외한 수역에서 상대적으로 농도가 낮았다 (Fig. 6A). 가 을은 0.10~5.66 μM 범위에서 1.97±2.13 μM로 상사호 및 Stn. 3에서 0.2 μM 이하를 나타내지만, 기수역에서 5.66 μM 로 증가하였고, 해수역도 2.5 μM 수준의 높은 농도를 유지 하였다 (Fig. 6A). 그리고 겨울은 n.d.~26.77 μM 범위에서 8.60±12.46 μM로 상사호 및 유출수에서는 측정되지 않았 지만, 기수역에서 25.0 μM 이상의 높은 농도를 보였고, 해 수역에서 1.0 μM로 낮아졌다 (Fig. 6A).
수계의 식물플랑크톤 성장 지배 인자로서 제한 영양염류 를 판단하는 하나의 수단인 N/P 원자 비 (N/P ratio)의 변화 는 n.d.~1465.7의 범위로 여름에 높고, 겨울에 낮았으나 전 체적으로는 DIP에 비해 DIN이 매우 높은 특징을 나타내었 다. 계절별로 봄은 15.1~117.4 범위에서 55.1±32.0으로 해 수역인 Stn. 9의 15.1을 제외한 모든 수역에서 N/P 원자 비 가 높았다. 여름은 123.0~1465.7 범위에서 570.1±465.1로 전 수역에서 높은 N/P 원자 비를 보였다 (Fig. 6B). 가을은 9.4~399.3 범위에서 137.4±153.7로 봄과 같이 순천만의 Stn. 9에서 10.0 전후를 제외하면, 높은 N/P 원자 비를 보 였고, 겨울은 n.d.~17.1 범위에서 2.6±5.6으로 다른 계절과 다르게 순천만 해역에서 25.0 이상의 N/P 원자 비를, 기타 수역에서 낮은 N/P 원자 비를 나타내었다. 다만 겨울은 상 사호 및 담수역에서 인산염 농도가 매우 낮아 n.d.로 측정되 었기에 N/P 원자 비 계산이 불가하였다 (Fig. 6B).
인공호 유출수에 의한 하구역의 수질 환경은 산업발전 과 인간 활동의 결과 인공호 주변 및 하천 유역의 농지, 도 시 및 산업단지에서 배출되는 생활하수, 산업 배수 및 축 산폐수가 증가하면서 과도한 영양염류가 유입되어 극심 한 부영양화가 진행되는 것은 지구적 규모에서 보고된다 (Smith et al. 1999;Rabalais et al. 2009). 이사천 수계 역시 전체적으로 높은 영양염류를 보이나, 상대적으로 질소가 높고, 인이 낮은 특성으로, 강수가 많은 시기에 암모니아염 농도가 높은 특징을 나타내었다. 특히 상사호 및 상사댐에 서 유출수 영향을 바로 받는 Stn. 3보다 하류에서 순천만 으로 유출되는 수역에서 질소와 인 농도가 모두 급격하게 상승하였으며, 이사천과 순천 시내를 경유하는 동천이 합 류되는 수역에서 농도가 급격하게 증가하였다. 이는 순천 만으로 유출되는 영양염류는 상사호 등 인공호에서 유래 하는 농도보다 이사천 하류 수계 주변에 조성된 산업단지 에서 배출되는 산업폐수, 축산폐수 및 생활하수 등에 의한 부분이 큰 것으로 판단된다. 이러한 결과는 수도권 팔당호 지천인 경안천 수질 환경에 미치는 오염원 비율이 생활하 수 44%, 축산폐수 30%, 그리고 산업계 오염원 26%로, 축 산폐수에 의한 심각한 오염을 지적하는 결과 (KDI 1998) 와 유사하였다. 또한 국내 축산폐수에 대한 물리·화학적 성상에서 총질소는 분과 요에서 가축 종에 따라 배출량이 다르지만, 분의 평균 농도가 6,858 mg L-1, 요의 평균 농도 가 4,570 mg L-1이며, 총 인은 분과 요에서 평균 2,917 mg L-1 및 290 mg L-1로 총질소에 대한 총 인의 상대비는 각 42.5% 및 6.3%를 보여, 이사천 하류 수계의 높은 영양염류 는 축산폐수에서 유래하는 것으로 추정되었다 (KDI 1998, recognition). 특히 DIN을 구성하는 인자에서 유기물 분해 의 초기 화합물인 암모니아염이나, 산화 과정에서 발생하 는 아질산염이 높은 것 또한 이러한 결과를 반증하는 것이 라 할 수 있었다.
오래전부터 식물플랑크톤 성장의 제한 영양염류로 작 용하는 질소와 인 농도 사이에는 N : P=16 : 1이라는 화 학량론 비가 성립하는 것이 알려져 있다 (Redfield et al. 1963). 이들 화학량론 비는 해역 및 생물조성에 따라 차이 가 있어 (Dafner et al. 2003), 여러 연구자에 의해 수정되기 도 하였지만 (Anderson and Sarmiento 1994), 현재에도 상 대적으로 부족한 성분이 생물 성장을 지배한다는 최소율 법칙의 기본 원리 (Smith et al. 1999)에 따라 제한 영영염류 를 파악하는 유용한 지표로 사용되고 있다. 상사댐에서 순 천만까지의 이사천 하류 수계에서는 N/P 원자 비는 순천 만 해수역과 겨울 일부 수계를 제외하면 DIP에 비해 DIN 이 절대적으로 높은 농도를 나타낸다. 이는 이사천 하류 수계의 생태계에서 생물군집의 변화는 인 공급에 따라 결 정될 수 있다는 것 (Yoon 2011)으로 해역의 관리를 위해서 는 질소 공급량 저감과 인 농도 조절이 매우 중요함을 시 사하는 내용이다.
3) 엽록소 a 농도
수계의 잠재적 생산력을 추정할 수 있는 엽록소 a 농도 변화는 n.d.~20.65 μg L-1 범위로 봄과 겨울에 높고, 여름 과 가을에 낮은 특징을 보였다. 계절별로 봄은 1.90~20.50 μg L-1 범위에서 7.32±7.01 μg L-1로 상사호에서 18 μg L-1 이상으로 높았고, 유출 이후 농도가 감소하던 것이 순천 만 Stn. 9에서 10.0 μg L-1 이상으로 재차 높아졌다 (Fig. 7). 여름은 n.d.∼13.36 μg L-1 범위에서 5.86±5.96 μg L-1로 상 사호에서 13 μg L-1의 높은 농도가 유출 이후 수역에 따라 급격한 변화를 나타내지만, 기수역에서 12.18 μg L-1, 해수 역에서 5.60 μg L-1의 농도를 보였다 (Fig. 7). 가을은 0.64~ 8.86 μg L-1 범위에서 4.30±2.82 μg L-1로 상사호보다 유 출 이후 기수역에서 8.0 μg L-1 전후의 농도를, 순천만에 서 6.74 μg L-1 이상의 높은 농도를 보였으며, 겨울은 2.16~ 20.65 μg L-1 범위에서 6.90±5.68 μg L-1로 담수역 및 기수 역보다 Stn. 8에서 20.65 μg L-1의 높은 엽록소 a 농도를 나 타내었다 (Fig. 7).
엽록소 a 농도의 시ㆍ공간적인 변화는 주로 수계의 물 리ㆍ화학적 환경 인자에 지배되기에 하구역의 이화학적 인 자의 급격한 변화는 엽록소 a 농도의 커다란 변화를 발생 시키게 된다 (Gameiro et al. 2004;Zhang et al. 2015). 상사호 에서 순천만에 이르는 이사천 하류 수계의 엽록소 a 농도 는 담수역과 해수역에서 높고, 기수역에서 상대적으로 낮 았다. 이러한 결과는 섬진강이 유입되는 광양만 내만 해 역에서도 보고 되었다 ( Jang et al. 2005). 다만 이사천 하류 수계의 엽록소 a 농도는 질소와 인의 과도한 용존량에 반 비례적 특성을 보이지만, 직접적 유의성은 관찰되지 않았 다. 봄 높은 엽록소 a 농도는 극우점한 F. crotonensis에 지 배되었고, 겨울 높은 엽록소 a 농도는 해수역에 우점한 S. costatum-ls, Th. pacifica, Ch. debilis, Ch. curvisetus 등에 지배 되었다. 그리고 봄과 여름 상사호를 제외한 기수역 및 해 수역에서 수온 상승기보다 하강기인 가을과 겨울에 상대 적으로 높은 엽록소 a 농도를 보였다. 이러한 결과는 건기 와 우기에 따른 식물플랑크톤 성장 조건의 차이에서 오는 것으로, 섬진강 하구의 표층에서 담수 유입이 적고, 혼합수 체류시간이 증가하는 건기가 식물플랑크톤 성장에 좋은 조건을 나타내어, 우기보다 5~6배 높은 엽록소 a 농도를 보인다는 연구 결과 (Park et al. 2012)로 설명할 수 있다.
2. 식물플랑크톤 군집
1) 종 조성
상사호에서 순천만까지 이사천 수계에서 출현이 관찰 된 식물플랑크톤은 총 69속 126종으로 규조류가 38속 81 종으로 64.3%의 점유율을 보였고, 다음으로 녹조류가 14 속 27종으로 21.4%, 기타 남조류가 6속 7종, 와편모조류가 7속 7종으로 각 5.6%, 황색편모조류와 유글레나조류가 각 2속 2종으로 각 1.6%를 나타내었다 (Fig. 8A). 출현 종수의 계절 변화는 55종에서 70종 범위에서 55종이 출현한 겨 울에 낮았고, 70종이 출현한 봄에 높았으며, 여름과 가을 은 각 67종 및 61종이 출현하여, 변동 폭은 크지 않았다. 주 요 분류군별 출현 동태는 규조류가 가을 41종에서 봄 55 종 범위의 출현 종을 보였고, 여름과 겨울은 각 45종이 출 현하여, 전 계절 상대적 높은 출현 종수를 보였다. 녹조류 는 겨울 4종에서 여름 13종의 범위로 출현하였고, 봄과 가 을은 각 6종 및 12종이 출현하여 상대적으로 고수온기에 많은 종이 출현하였으며, 계절 변동 폭이 큰 특징을 나타 내었다 (Fig. 8B). 계절별 정점에 따른 출현 종수는 여름의 Stn. 8 및 Stn. 9, 그리고 가을 Stn. 9에서 출현한 7종에서 여 름 Stn. 5에서 출현한 33종의 범위로 시ㆍ공간적 변동이 큰 특징을 보였지만, 전체적으로는 담수와 해수가 혼합하는 기수역에서 높은 출현 종수를 나타내었고, 상사호 및 순천 만의 해수역에서 상대적으로 낮은 출현 종수를 나타내었 다 (Fig. 8C).
하구역 식물플랑크톤 군집을 구성하는 종은 기수역보 다 담수역이나 해수역이 다양한 것으로 알려져 있다 (Vigil et al. 2009;Bazin et al. 2014;Yoon 2019). 그러나 이사천 수 계의 식물플랑크톤 종 조성은 담수역 및 해수역은 특정 종 에 의한 극우점 현상으로 단순하였지만, 기수역에서 상대 적으로 다양한 종이 출현하였고, 전체 출현 종수도 69속 126종으로 비교적 다양하였다 (Yoon 2019). 이러한 식물플 랑크톤 출현 종수는 기존에 동천과 이사천에서 순천만까 지의 수계에서 출현한 식물플랑크톤 121종과 유사하였다 (Noh et al. 1991). 또한 출현 종수의 계절 변동이 크지 않 은 것이나, 전 계절 규조류 출현 종수가 많고, 고수온기인 담수역에서 녹조류 출현이 높은 것도 기존의 한국 하천의 식물플랑크톤 군집이 주로 녹조류와 규조류에 의해 지배 되며 (Kim et al. 1998;Lee and Yoon 2002;Jeong et al. 2010), 저수온기 규조류가 우점하지만, 고수온기 녹조류 출현이 높다는 결과와 유사하였다 ( Jeong et al. 2010).
2) 현존량
식물플랑크톤 현존량은 봄 최솟값 35 cells mL-1에서 겨울 최댓값 29,929 cells mL-1의 범위로 약 855배 이상 의 큰 차이를 보였지만, 정점 평균은 상대적 낮은 현존 량을 보이는 가을을 제외하면, 차이가 크지 않았다. 그러 나 수역에 따른 현존량의 변동 폭은 봄과 겨울은 크게 나 타났지만, 여름과 가을은 상대적으로 낮았다 (Fig. 9). 그 리고 시ㆍ공간적 변동 특성은 봄에 순천만 Stn. 9의 35 cells mL-1에서 상사호 Stn. 1의 18,594 cells mL-1의 범위 에서 4,030.4±6,729.0 cells mL-1로 상사호에서 규조류 Fragilaria crotonensis가 높은 현존량으로 극우점하여, 상대 적 높은 현존량을 보였다 (Fig. 10A). 여름은 Stn. 3의 174 cells mL-1에서 상사호 Stn. 2의 23,243 cells mL-1 범위에 서 3,387.6±7,049.7 cells mL-1로 변화하였고 (Fig. 10B), 가 을은 Stn. 9의 102 cells mL-1에서 Stn. 6의 6,689 cells mL-1 범위에서 1,227.7±1,961.3 cells mL-1로 Stn. 6에서 규조류 Skeletonema costatum-ls에 의한 극우점 현상으로 높은 현존 량을 나타내었다 (Fig. 10C). 그리고 겨울은 Stn. 4의 70 cells mL-1에서 Stn. 8의 29,929 cells mL-1 범위에서 5,076.9± 8,928.1 cells mL-1로 가을과 같이 S. costatum-ls의 극우점으 로 높은 현존량을 나타내었다 (Fig. 10D). 각 계절 정점에 따른 최대, 최소의 현존량 차이는 가을 66배에서 봄 531배 로 변동 폭이 매우 크며, 여름과 겨울은 각 133배 및 428배 의 차이를 보였다. 즉 모든 계절 정점 평균 현존량보다 표 준편차가 큰 값을 나타내어 이사천 수계의 수역별 식물플 랑크톤 현존량의 불균일 분포가 매우 큰 특징을 보였다.
이사천 수계에서 식물플랑크톤 현존량의 시ㆍ공간적 변 동은 하천을 통한 물리ㆍ화학적인 환경인자의 변화에 쉽 게 반응하여 (McLusky 1993;Trigueros and Orive 2000), 변 동 폭이 큰 특징을 보이는 것 (Yoon 2019)과 같이, 이사천 수계의 식물플랑크톤 현존량은 강수량과 밀접하게 관련 되어, 우수기에는 담수역, 갈수기에는 해수역에서 높았다 (Fig. 3 참조). 그리고 상사호 및 담수역은 100% 담수종에 의한 현존량을 나타내지만, 기수역과 해수역은 담수 유출 량 및 해수 유입량에 따라 담수종 및 해수종의 상대비가 조절되어, 강수량이 많은 봄에서 가을은 해수역인 Stn. 8까 지 담수종 상대비가 높지만, 갈수기 겨울은 강한 해수 영 향으로 Stn. 5의 이사천 중간 수역까지 해수종 비가 높은 특징을 보였다 (Fig. 11).
3) 우점종
식물플랑크톤 군집에서 우점종에 대한 명확한 기준은 없지만, 계절별 전체 정점 현존량 평균 5% 이상의 점유율 을 나타내는 종으로 Table 1에 정리하였다. 수온 상승기 봄 은 규조류 F. crotonensis가 우점율 93.1%로 극우점하였으 며, 여름 또한 F. crotonensis가 우점율 76.6%로 최우점하였 고, 규조류 S. costatum-ls가 우점율 10.8%로 차우점, 그리 고 남조류 Aphanocapsa elachista가 5.7%의 우점율을 나타 내었다 (Table 1). 수온 하강기 가을은 S. costatum-ls가 우점 율 65.2%로 최우점하였고, 남조류 Cynochocysts sp.가 5.6% 의 우점율을 보였다. 그러나 겨울은 S. costatum-ls가 우점율 37.8%로 최우점하였고, 규조류 Thalassiosira pacifica가 우 점율 14.4%로 차우점, 그리고 Chaetoceros debilis가 우점율 11.0%로 10% 이상의 우점율을, 기타 Chaetoceros curvisetus, Melosira varians, Thalassiosira nordenskioeldii 등이 우점율 10% 이하를 보여, 다른 계절과 다르게 다양한 우점종이 출 현하였다 (Table 1). 다만 고찰 및 적요에서 저층수 유출에 의한 우점종 변화에서 중요하게 설명하는 봄 Asterionella formosa는 상사호 유출 이후의 이사천 수계에서는 최우점 종으로 출현하지만, F. crotonensis가 상사호에서 매우 높은 현존량으로 극우점하고 있어, 전체 정점 평균으로 표현하 는 우점종 기준을 충족하지는 못하였다.
상사호 식물플랑크톤 군집에서 빈영양 및 중영양호에서 우점하는 규조류 F. crotonensis 및 A. formosa가 우점하였고 (Wolfe et al. 2003;Darki 2015;Youn et al. 2017), 이사천 수 계의 기수역 및 해수역은 부영양화 지표종이면서 대표적 기수종인 S. costatum-ls가 우점하였다 ( Jaanus et al. 2010). 특히 봄 상사호 표층은 수온이 20°C 이상으로 F. crotonensis 가 극우점하였으나, 상사댐을 통해 저층수가 유출된 담수 역 및 기수역은 10.1~14.3°C의 수온으로 급격하게 감소하 였다. 상사댐을 통한 저수온 수가 유출된 이후 이사천 하 류 수계의 우점종은 전체 정점 평균으로 우점율 4.8%를 보 였던 A. formosa가 평균 우점율 50.7%로 최우점하였고, 상 사호에서 극우점한 F. crotonensis는 우점율 31.3%로 차우 점하여 우점종 순위가 변화되었다 (Fig. 12). 이러한 결과 는 두 종의 다른 생리·생태적 특성에서 발생하는 것으로 판단되었다. 즉 상사호 극우점종 F. crotonensis의 최적 성 장 수온은 17~23°C인 광온성 종 (Hartig and Wallen 1986;Darki 2015)으로 여름 한국 소양호 (Lee et al. 1998) 및 운문 호 (Lee et al. 2000) 등에서 대발생이 관찰되며, 온대 수역에 서 봄 대발생이 보고된다 (Darki 2015). 반면 담수역 및 기 수역 최우점종 A. formosa의 서식 수온은 5.4~21.6°C 범위 이지만, 저수온을 선호하는 종 (Youn et al. 2017)으로 1월에 서 5월까지 국내 담수 저수지에 보편적으로 출현한다 (Lee and Cho 1994;Chang and Jeon 1996;Lee et al. 2000). 또한 청평호에서 장기 모니터링 결과 수온의 변화에 따라 우점 종이 A. formosa에서 F. crotonensis로 천이되는 내용 (Youn et al. 2017) 및 두 종의 성장에 대한 수괴 안정도 및 영양 요구 조건 등 생리적 특성 (Wiśniewska and Dembowska 2017) 등에서 봄 상사호는 성층이 형성되어, 고수온인 표층은 F. crotonensis가, 저수온인 저층은 A. formosa가 우점하여 분포 하던 것이 상사댐에 의해 저층수가 유출되면서 이사천 하 류 수계는 상사호와는 달리 A. formosa가 최우점된 것으로 추정되었다. 그리고 여름 기수역에서부터 우점 출현하여, 가을과 겨울 기수역 및 하구역에서 극우점종으로 출현한 S. costatum-ls는 지구 규모에서 부영양화된 연안해역에 대표 적으로 출현하는 지표종 ( Jaanus et al. 2010)이면서, 유해적 조 원인생물로 알려져 있으며 (Vasudevan et al. 2014), 한국 남서 해역에서도 연중 우점 출현하는 대표적인 종 (Yoon 2011)이라 할 수 있다. 즉 본 종이 높은 현존량으로 출현하 는 것은 이사천 수계에서 해수의 영향을 받는 기수역 및 해 수역은 부영양화가 상당 부분 진행되었음을 방증하는 내 용이다 ( Jaanus et al. 2010).
4) 생태지수
식물플랑크톤 군집의 생태지수에서 종 다양도 지수는 여름 Stn. 9의 1.91에서 여름 Stn. 5의 3.48 범위로 변하였 고, 계절별로 봄은 Stn. 1의 2.03에서 Stn. 5의 3.40 범위에 서 2.85±0.49로 변화하였고, 여름은 Stn. 9의 1.91에서 Stn. 5의 3.48 범위에서 2.55±0.55, 가을은 Stn. 9의 1.94에서 Stn. 4의 3.03 범위에서 2.50±0.34, 그리고 겨울은 Stn. 2의 2.18에서 Stn. 5의 3.07 범위에서 2.65±0.30으로 변화하여 봄과 겨울에 상대적으로 높고, 여름과 가을에 낮았다. 수역 별로는 높은 현존량 및 특정종에 의한 극우점 현상을 보인 상사호 및 순천만보다 담수와 해수가 혼합되는 기수역의 중간 수역에서 상대적으로 높았다 (Fig. 13). 우점도 지수 는 겨울 Stn. 8의 0.52에서 봄 상사호의 Stn. 1 및 Stn. 2에서 약 1.08 범위로 변하였고, 계절별로 봄은 Stn. 5의 0.56에서 상사호에서 약 1.00의 범위로 0.83±0.17, 여름은 Stn. 6의 0.54에서 Stn. 2 및 Stn. 8의 0.998 범위에서 0.82±0.18, 가 을은 Stn. 2의 0.53에서 Stn. 6의 0.98 범위에서 0.74±0.17, 그리고 겨울은 Stn. 8의 0.52에서 Stn. 5의 0.96 범위에서 0.76±0.14로 변화하여 종 다양성 지수와는 반대의 경향 으로 상사호와 순천만 등 특정종에 극우점된 수역에서 높 았고, 가을은 기수역과 해수역, 겨울은 담수역에서 상대적 으로 높은 지수를 보여, 계절적인 변화의 규칙성은 관찰되 지 않았다 (Fig. 10).
이사천 하류 수계의 생태지수는 다양도 지수 및 우점도 지수 모두 국내 연안해역에 비하면 높은 지수를 나타내고 있으며 (Shin 2013;Kim et al. 2020), 특히 우점도 지수가 높 은 것에서 연중 계절에 따른 우점종은 천이되고 있지만, 특정 종에 의한 군집 지배가 매우 강한 것을 알 수 있었다.
5) 식물플랑크톤 출현 특성
식물플랑크톤 출현 특성을 파악하기 위한 환경인자와 식물플랑크톤 지표 사이의 상관분석에서 일정한 규칙성 은 관찰되지 않지만, 봄 엽록소 a 농도는 수온, 식물플랑크 톤 현존량, 최우점종 F. crotonensis에 강한 양의 상관을 보 이나, DIP, 종 다양도 지수 및 출현 종과는 강한 음의 상관 을 보여, 수온과 DIP의 흡수, 그리고 극우점종에 영향을 받 는 것으로 나타났다. 종 다양도 지수는 영양염류에 강한 양의 상관을, 엽록소 a 농도와 강한 음의 상관을 보였으며, 식물플랑크톤 현존량과 최우점종 F. crotonensis는 엽록소 a 농도와 강한 양의 상관을, 그리고 영양염류, 특히 인산염 및 종 다양성 지수와 강한 음의 상관을 보이는 것에서 현 존량이 높고, 최우점종 현존량이 높은 상사호에서 종 다양 성이 낮은 현상이나, 상사호에서 높은 엽록소 a 농도를 보 이는 것을 통계적인 유의성에서도 잘 표현하고 있다고 할 수 있다. 그리고 차우점종인 A. formosa는 수온과 강한 음 의 상관을 보여, 저온에 적응된 종임을 나타내었다 (Table 2 upper). 여름은 봄과는 달리 식물플랑크톤 군집에 유의 적 관계를 미치는 환경인자는 상대적으로 많지 않았지만, 출현 종수와 우점도 지수는 영양염류 농도에 강한 양의 상 관을 보였고, 종 다양성 지수는 N/P 원자 비에 강한 음의 상관을 보이는 것에서, 여름 식물플랑크톤 군집의 분포 영 향은 질소와 인의 상대 비에 크게 지배되는 것으로 판단 되었다 (Table 2 lower). 가을 엽록소 a 농도는 암모니아염 에 강의 양의 상관을, 종 다양성 지수는 염분에 강한 음의 상관을, 우점도 지수는 암모니아염 및 인산염에, 그리고 식 물플랑크톤 현존량 및 최우점종은 DIN에 유의적 양의 상 관을 나타내는 것에서 영양염류 농도 균형이 식물플랑크 톤 군집에 크게 영향을 미치는 것으로 판단되었다 (Table 3 upper). 겨울 식물플랑크톤 인자는 약하지만, 수온에 음의 상관을, 염분에는 양의 상관을 보였으나, 영양염류와는 유 의적 상관이 관찰되지 않았으며, 생물인자 사이에 강한 양 의 상관이 보이는 것에서 영양염류 등 수질 환경인자보다 높은 수온을 나타내는 해수의 영향 및 생물 상호 사이에 영향을 강하게 받는 것으로 판단되었다 (Table 3 lower).
결 론
이사천 하류 수계는 상사호 유출수로 유지되지만, 수질 환경 및 식물플랑크톤 군집의 시ㆍ공간적 분포 및 변동은 상사호 수질 환경보다 이사천 하류 수계의 계절적인 수괴 혼합 및 안정도 등에 의한 환경인자의 변화보다 강수량에 의해 주변 산업단지 등에서 유입되는 산업폐수에 따라 지 배되는 부분이 큰 것을 알 수 있었다. 이와 같은 이사천 하 류 수계에서 여자만 북동부인 순천만에 이르는 수역의 수 질 환경 및 기초생산자의 변동 특성의 규명은 순천만을 포 함한 여자만 연안생태 구조 변화를 이해하는 중요한 자료 로서 수역의 효율적 이용과 관리, 그리고 보전에 필요한 중요한 단서를 제공할 수 있을 것으로 판단되었다.
적 요
상사호에서 순천만까지 짧은 수역 특성을 나타내는 이 사천 수계 (Isa Stream systems)의 수질 환경 및 식물플랑크 톤 군집의 시ㆍ공간 분포 특성을 분석하였다. 결과, 상사호 는 상대적으로 빈영양 및 중영양 조건을 나타내지만, 순천 만에 이루는 담수역과 기수역은 축산폐수 등 산업폐수의 영향으로 상사호 및 해수역보다 극심한 부영양상태를 나 타내었다. 식물플랑크톤 군집은 상사호와 순천만보다 담 수역 및 기수역에서 출현 종수가 높았지만, 현존량 및 엽 록소 a 농도는 상사호와 해수역에서 상대적으로 높게 나 타났다. 특히 봄과 여름 상사호는 중영양종인 Fragilaria crotonensis와 Asterionella formosa가 표층과 저층에서 서로 다른 우점 현상을 보이는 것으로 댐 하류의 담수역과 기수 역에서는 A. formosa에 의한 영향이 크게 나타났다. 그러나 가을과 겨울은 기수역에서 해수역까지 부영양화 지표종인 Skeletonema costatum-ls가 극우점하였다. 즉 이사천 수계의 급격한 환경변화는 순천만 연안생태계 구조를 심각하게 훼손시킬 수 있을 것으로 판단되었다. 급격한 연안생태계 변화는 한국 제1호 람사르습지인 순천만 및 순천 생물권보 전지역 및 최대 꼬막 산지인 여자만의 효율적 이용과 관리, 그리고 보전이라는 측면에서 매우 위협적인 내용이기에, 더욱 심층적인 관리방안 도출이 요구된다고 할 수 있다
