이번 연구는 인공 갯벌 연구 시스템인 메조코즘(mesocosm)을 국내 최초로 조성하여, 갯벌의 생태적, 지화학적 변화를 관측하고, 이 때 얻은 결과를 현장 자료와 비교함으로써 메조코즘의 갯벌 환경 재현이 현실적으로 타당한 것인지를 검증하였으며 더 나아가 인위적인 환경 교란(e.g., 갯벌의 완전 담수화를 통한 인공 호수 조성)에 의한 갯벌 생태계의 변화를 예측하였다. 메조코즘이란 인위적으로 조성한 갯벌 모형에서 자연 조건과 거의 유사한 생태 환경으로 운영하면서 갯벌 내 물질의 물리적, 생지화학적 특성을 연구하기 위해 야외에 조성한 실험 시설이다. 2002년 5월부터 2003년 5월까지를 제 1차 실험 기간, 2004년을 2차 실험 기간으로 정하여 메조코즘 연구에 착수하였다. 1차 실험 기간 동안에는 조간대 갯벌의 가장 중요한 ...
이번 연구는 인공 갯벌 연구 시스템인 메조코즘(mesocosm)을 국내 최초로 조성하여, 갯벌의 생태적, 지화학적 변화를 관측하고, 이 때 얻은 결과를 현장 자료와 비교함으로써 메조코즘의 갯벌 환경 재현이 현실적으로 타당한 것인지를 검증하였으며 더 나아가 인위적인 환경 교란(e.g., 갯벌의 완전 담수화를 통한 인공 호수 조성)에 의한 갯벌 생태계의 변화를 예측하였다. 메조코즘이란 인위적으로 조성한 갯벌 모형에서 자연 조건과 거의 유사한 생태 환경으로 운영하면서 갯벌 내 물질의 물리적, 생지화학적 특성을 연구하기 위해 야외에 조성한 실험 시설이다. 2002년 5월부터 2003년 5월까지를 제 1차 실험 기간, 2004년을 2차 실험 기간으로 정하여 메조코즘 연구에 착수하였다. 1차 실험 기간 동안에는 조간대 갯벌의 가장 중요한 물리적 환경 변수인 조석 순환을 반복하면서 영양염과 Chl-α의 거동에 대해 중점적인 연구를 수행하여, 갯벌의 이들 물질에 대한 기능을 조사하였다. 조석 순환 반복을 통한 갯벌의 기능을 조사한 결과, DIP, DIN, Chl-α의 분포에 대해 유입수 내 초기 농도의 높고 낮음에 상관 없이 메조코즘 내 갯벌의 수층(overlying water column)에서 제거되는 것으로 나타났다. 한편 1차 실험 기간 동안 얻은 결과값을 현장 조사 자료와 비교함으로써 메조코즘이 실제 자연 갯벌 환경을 합리적으로 재현하고 있는지 그리고물질의 생지화학적 순환도 자연 갯벌에서와 비슷한 패턴을 보이는지를 검증하였다. 우선 메조코즘과 실제 갯벌(RSST, RSFST)에서의 저서 생물(macrobenthos)의 분포를 조사한 결과, 생물 조사 전 기간 동안 세사질 퇴적물에서는 이매패류(Bivalvia)인 갈색새알조개(Glauconome chinensis)가 우점하였고, 미사질 퇴적물에서는 다모류인 참갯지렁이(Neanthes japonica)가 우점종이었다. 이처럼 퇴적물 채취 지역에 따라 세사질, 미사질 각각의 퇴적물에서 같은 생물종이 우점하는 것은 두 환경 즉, 인공적으로 조성된 메조코즘과 실제 갯벌간의 생태적인 환경이 동일하게 유지되고 있다는 것으로 해석할 수 있다. 생태학적인 안정성을 나타내는 종의 다양도 지수(Diversity)와 풍부도(Richness)에 있어서 현장 갯벌보다 메조코즘에서 더 높은 수치를 보였다. 이는 메조코즘 환경이 생태학적으로 건강한 상태를 유지하고 있으며 갯벌 환경을 잘 반영하고 있다는 증거가 되고 있다. 두 번째로 메조코즘 내 환경인자와 영양염의 생지화학적 분포가 실제 해수(RSWQ)와 어느 정도의 유사성을 갖고 있는지에 대해서 조사하였다. 그 결과 염분과 부유물질(SS)을 제외한 대부분의 환경 인자와 영양염 항목들(Temperature, Chl-α, DIN, DIP)에서 메조코즘과 현장 해수 내 분포에 있어서 유사한 경향을 보였다. 세 번째로 메조코즘과 여러 연안 갯벌 간 영양염 수지(benthic flux)를 비교하였다. 메조코즘 갯벌에서 DIP는 대부분의 계절 동안 수중으로 용출되는 것으로 나타났는데, 특히 여름부터 가을 사이(7월 ~ 10월)에 그 경향이 가장 뚜렷하였다. 이러한 결과는 다른 조간대 지역에서 실제 측정된 기존 자료와도 유사한 범위의 값을 나타냈다. NH_(4)^(+)은 수주로의 공급과 제거가 거의 평형을 이루었다. 이것은 퇴적물 내부, 또는 표면에서 저서 조류가 NH_(4)^(+)을 더 선택적으로 흡수했기 때문으로 보인다. DIN(NO_(3)^(-) + NO_(2)^(-) + NH_(4)^(+))은 여름철 7월부터 8월까지 약간의 용출 현상이 발견되었고, 그 이외의 조사 기간 동안에는 수중에서 제거되는 것으로 나타났다. 메조코즘에서의 NH_(4)^(+)과 DIN의 저층 유동량도 기존 자료와 유사한 결과를 보였다. 2차 실험 기간인 2004년에는 메조코즘을 이용하여 갯벌에 담수를 유입하는 과정 중에 그리고 완전 담수화 이후 갯벌에서의 생지화학적 변화를 조사하였다. 담수화 실험군(FW-M-T, FW-NM-T) 내 식물플랑크톤의 천이 과정을 보면 연안 해수종, 기수종, 담수종으로 즉각적인 천이가 일어남으로써 새로운 환경에 맞는 식물플랑크톤으로 대체되는 것으로 나타났다. 하지만 전체 실험 기간 동안 식물플랑크톤의 총개체수는 담/기수성 사상형(絲狀形) 남조류인 Phormidium sp.의 대량 증식에 의한 일시적인 Bloom을 제외하고는 매우 낮은 수준을 보였다. 동물플랑크톤의 총개체수에 있어서 담수화 실험군에서는 실험 중반까지 불규칙적으로 대량 증식이 발생하다가 그 이후에는 낮은 개체수를 보이는데 반해, 해수 실험군에서는 전반적으로 낮은 개체수를 유지하고 있었다. 담수화 이전인 3월 1일에 산출된 일차생산량은 담수화 실험군(FW- M-T, FW-NM-T)과 해수 실험군(SW-M-T) 등 세 실험군 간의 차이가 크지 않았다. 하지만 담수화가 진행되는 기간 동안, 담수 유입의 영향을 받은 실험군에서 일차생산량이 크게 감소하였다. 한편, 담수화가 완료된 이후 약 4달 동안의 일차 생산량을 산출한 결과 교반 담수화 실험군과 미교반 담수화 실험군에서 담수화 이전 상태로 회복되지 못하고 계속해서 낮은 일차생산량을 보였다. 이와 같은 시기에 해수 환경을 계속 유지한 실험군([SW- M-T])은 담수화 환경보다 2배 이상 높은 일차생산량을 보였다. 수주의 담수화 영향으로 공극수 내 염분이 10 psu 이하로 감소한 이후 5월 1일(담수 유입 63일 경과)과 5월 27일(91일 경과) 사이에 저서 동물 생체량의 급격한 감소가 발생하였고, 여름철(5월 29일과 7월 20일)에는 저서 동물의 구성 비율에도 변화가 생겼다. 늦봄과 여름 사이에 이매패류의 개체수는 최대 8분의 1 이하로 급감하였고, 다모류도 약 3분의 1 수준으로 감소하였다. 이로써 여름철 이매패류의 구성비는 겨울철에 비해 낮아졌고, 다모류의 구성비는 겨울 조사 때 보다 증가하였다. 담수화로 인한 수질 변화를 보면, 동절기에서 하절기로 계절이 바뀜에 따라 온도 상승에 의한 DO와 pH의 급격한 감소 현상이 관찰되었다. 이러한 현상은 교반 담수 실험군(FW-M-T) 보다는, 특히 미교반 담수 실험군 (FW-NM-T)에서 매우 뚜렷하게 나타났다. 또한 DIP의 경우도 미교반 담수 실험군에서 훨씬 많은 양이 용출되는 것으로 나타났다. 담수화 실험 기간 동안 갯벌 퇴적물이 NO_(3)^(-)에 대해서는 제거지(sink)로써, 그리고 DIP에 대해서 잠재적인 공급원(source) 역할을 하고 있는 것으로 나타났다. 이번 연구를 통해 획득한 갯벌 환경에 대한 기초 자료는 인공 담수호의 수질을 회복 또는 개선하기 위한 방안을 모색하고, 연안 환경에서 야기되고 있는 여러 환경 문제(연안 해양 생물 폐사, 부영양화, 적조 발생 등)를 해결하거나 그 대책을 강구하는 데 있어 다양하게 응용될 수 있을 것으로 전망된다.
이번 연구는 인공 갯벌 연구 시스템인 메조코즘(mesocosm)을 국내 최초로 조성하여, 갯벌의 생태적, 지화학적 변화를 관측하고, 이 때 얻은 결과를 현장 자료와 비교함으로써 메조코즘의 갯벌 환경 재현이 현실적으로 타당한 것인지를 검증하였으며 더 나아가 인위적인 환경 교란(e.g., 갯벌의 완전 담수화를 통한 인공 호수 조성)에 의한 갯벌 생태계의 변화를 예측하였다. 메조코즘이란 인위적으로 조성한 갯벌 모형에서 자연 조건과 거의 유사한 생태 환경으로 운영하면서 갯벌 내 물질의 물리적, 생지화학적 특성을 연구하기 위해 야외에 조성한 실험 시설이다. 2002년 5월부터 2003년 5월까지를 제 1차 실험 기간, 2004년을 2차 실험 기간으로 정하여 메조코즘 연구에 착수하였다. 1차 실험 기간 동안에는 조간대 갯벌의 가장 중요한 물리적 환경 변수인 조석 순환을 반복하면서 영양염과 Chl-α의 거동에 대해 중점적인 연구를 수행하여, 갯벌의 이들 물질에 대한 기능을 조사하였다. 조석 순환 반복을 통한 갯벌의 기능을 조사한 결과, DIP, DIN, Chl-α의 분포에 대해 유입수 내 초기 농도의 높고 낮음에 상관 없이 메조코즘 내 갯벌의 수층(overlying water column)에서 제거되는 것으로 나타났다. 한편 1차 실험 기간 동안 얻은 결과값을 현장 조사 자료와 비교함으로써 메조코즘이 실제 자연 갯벌 환경을 합리적으로 재현하고 있는지 그리고물질의 생지화학적 순환도 자연 갯벌에서와 비슷한 패턴을 보이는지를 검증하였다. 우선 메조코즘과 실제 갯벌(RSST, RSFST)에서의 저서 생물(macrobenthos)의 분포를 조사한 결과, 생물 조사 전 기간 동안 세사질 퇴적물에서는 이매패류(Bivalvia)인 갈색새알조개(Glauconome chinensis)가 우점하였고, 미사질 퇴적물에서는 다모류인 참갯지렁이(Neanthes japonica)가 우점종이었다. 이처럼 퇴적물 채취 지역에 따라 세사질, 미사질 각각의 퇴적물에서 같은 생물종이 우점하는 것은 두 환경 즉, 인공적으로 조성된 메조코즘과 실제 갯벌간의 생태적인 환경이 동일하게 유지되고 있다는 것으로 해석할 수 있다. 생태학적인 안정성을 나타내는 종의 다양도 지수(Diversity)와 풍부도(Richness)에 있어서 현장 갯벌보다 메조코즘에서 더 높은 수치를 보였다. 이는 메조코즘 환경이 생태학적으로 건강한 상태를 유지하고 있으며 갯벌 환경을 잘 반영하고 있다는 증거가 되고 있다. 두 번째로 메조코즘 내 환경인자와 영양염의 생지화학적 분포가 실제 해수(RSWQ)와 어느 정도의 유사성을 갖고 있는지에 대해서 조사하였다. 그 결과 염분과 부유물질(SS)을 제외한 대부분의 환경 인자와 영양염 항목들(Temperature, Chl-α, DIN, DIP)에서 메조코즘과 현장 해수 내 분포에 있어서 유사한 경향을 보였다. 세 번째로 메조코즘과 여러 연안 갯벌 간 영양염 수지(benthic flux)를 비교하였다. 메조코즘 갯벌에서 DIP는 대부분의 계절 동안 수중으로 용출되는 것으로 나타났는데, 특히 여름부터 가을 사이(7월 ~ 10월)에 그 경향이 가장 뚜렷하였다. 이러한 결과는 다른 조간대 지역에서 실제 측정된 기존 자료와도 유사한 범위의 값을 나타냈다. NH_(4)^(+)은 수주로의 공급과 제거가 거의 평형을 이루었다. 이것은 퇴적물 내부, 또는 표면에서 저서 조류가 NH_(4)^(+)을 더 선택적으로 흡수했기 때문으로 보인다. DIN(NO_(3)^(-) + NO_(2)^(-) + NH_(4)^(+))은 여름철 7월부터 8월까지 약간의 용출 현상이 발견되었고, 그 이외의 조사 기간 동안에는 수중에서 제거되는 것으로 나타났다. 메조코즘에서의 NH_(4)^(+)과 DIN의 저층 유동량도 기존 자료와 유사한 결과를 보였다. 2차 실험 기간인 2004년에는 메조코즘을 이용하여 갯벌에 담수를 유입하는 과정 중에 그리고 완전 담수화 이후 갯벌에서의 생지화학적 변화를 조사하였다. 담수화 실험군(FW-M-T, FW-NM-T) 내 식물플랑크톤의 천이 과정을 보면 연안 해수종, 기수종, 담수종으로 즉각적인 천이가 일어남으로써 새로운 환경에 맞는 식물플랑크톤으로 대체되는 것으로 나타났다. 하지만 전체 실험 기간 동안 식물플랑크톤의 총개체수는 담/기수성 사상형(絲狀形) 남조류인 Phormidium sp.의 대량 증식에 의한 일시적인 Bloom을 제외하고는 매우 낮은 수준을 보였다. 동물플랑크톤의 총개체수에 있어서 담수화 실험군에서는 실험 중반까지 불규칙적으로 대량 증식이 발생하다가 그 이후에는 낮은 개체수를 보이는데 반해, 해수 실험군에서는 전반적으로 낮은 개체수를 유지하고 있었다. 담수화 이전인 3월 1일에 산출된 일차생산량은 담수화 실험군(FW- M-T, FW-NM-T)과 해수 실험군(SW-M-T) 등 세 실험군 간의 차이가 크지 않았다. 하지만 담수화가 진행되는 기간 동안, 담수 유입의 영향을 받은 실험군에서 일차생산량이 크게 감소하였다. 한편, 담수화가 완료된 이후 약 4달 동안의 일차 생산량을 산출한 결과 교반 담수화 실험군과 미교반 담수화 실험군에서 담수화 이전 상태로 회복되지 못하고 계속해서 낮은 일차생산량을 보였다. 이와 같은 시기에 해수 환경을 계속 유지한 실험군([SW- M-T])은 담수화 환경보다 2배 이상 높은 일차생산량을 보였다. 수주의 담수화 영향으로 공극수 내 염분이 10 psu 이하로 감소한 이후 5월 1일(담수 유입 63일 경과)과 5월 27일(91일 경과) 사이에 저서 동물 생체량의 급격한 감소가 발생하였고, 여름철(5월 29일과 7월 20일)에는 저서 동물의 구성 비율에도 변화가 생겼다. 늦봄과 여름 사이에 이매패류의 개체수는 최대 8분의 1 이하로 급감하였고, 다모류도 약 3분의 1 수준으로 감소하였다. 이로써 여름철 이매패류의 구성비는 겨울철에 비해 낮아졌고, 다모류의 구성비는 겨울 조사 때 보다 증가하였다. 담수화로 인한 수질 변화를 보면, 동절기에서 하절기로 계절이 바뀜에 따라 온도 상승에 의한 DO와 pH의 급격한 감소 현상이 관찰되었다. 이러한 현상은 교반 담수 실험군(FW-M-T) 보다는, 특히 미교반 담수 실험군 (FW-NM-T)에서 매우 뚜렷하게 나타났다. 또한 DIP의 경우도 미교반 담수 실험군에서 훨씬 많은 양이 용출되는 것으로 나타났다. 담수화 실험 기간 동안 갯벌 퇴적물이 NO_(3)^(-)에 대해서는 제거지(sink)로써, 그리고 DIP에 대해서 잠재적인 공급원(source) 역할을 하고 있는 것으로 나타났다. 이번 연구를 통해 획득한 갯벌 환경에 대한 기초 자료는 인공 담수호의 수질을 회복 또는 개선하기 위한 방안을 모색하고, 연안 환경에서 야기되고 있는 여러 환경 문제(연안 해양 생물 폐사, 부영양화, 적조 발생 등)를 해결하거나 그 대책을 강구하는 데 있어 다양하게 응용될 수 있을 것으로 전망된다.
For the first time in Korea, an artificial tidal flat ecosystem, mesocosm, has been established to investigate natural tidal flat environment. A mesocosm was constructed outdoors to simulate in situ physical and chemical environmental conditions of natural tidal flat as much as possible. Biogeochemi...
For the first time in Korea, an artificial tidal flat ecosystem, mesocosm, has been established to investigate natural tidal flat environment. A mesocosm was constructed outdoors to simulate in situ physical and chemical environmental conditions of natural tidal flat as much as possible. Biogeochemical behaviors of various substances of interest in the mesocosm, particularly nutrients, are intensively monitored and compared with those of natural counterpart. Furthermore some environmental consequences by the human impacts on the tidal flat has been studied. The mesocosm experiment has been executed for two steps; 1st step (May 2002 to May 2003) and 2nd step (February to August 2004). The main theme of the first step was focused on the operation of the mesocosm with semi-diurnal tidal motions. The main topic of the second step was emphasized on the biogeochemical changes due to the freshwater introduction into tidal flat. Through the first step, the concentrations of DIP, NO_(3)^(-), NO_(2)^(-), NH_(4)^(+), and Chl-α decreased compared to initial concentrations of newly introduced seawater into the water column of the mesocosm. These results suggest a strong influence of tidal motion on the fates of nutrient. Simultaneously a promoted DIP out-flux from July to October 2002 was found. none the less any particular spikes for NH_(4)^(+) and DIN (mostly NO_(3)^(-)) were not present through the studied period. Intensively collected data of the first step were in general agreement with the in situ field measurement; the annual cycles of nutrients and Chl-α in water column and benthic nutrients fluxes (DIP, DIN, NH_(4)^(+) etc.). Also identical distribution (dominant species, composition etc.) of benthic macrofauna were found. This suggests that mesocosm be able to successfully simulate the environmental situations of natural tidal flat. In the second step of the experiment from February to August 2004, the topic was focused on the biogeochemical variations of superficial water and porewater after introduction of freshwater into the mesocosm. Three experimental conditions of mesocosm were as follows; SW-M-T: maintaining constant salinity of approximately 20 psu; FW-M-T: full introduction of freshwater into the mesocosm with mixing of water column; FW-NM-T: full introduction of freshwater into the mesocosm without mixing of water column. Over 162 days of the experimental periods, diverse phenomena were observed; active succession of phyto- and zooplankton, decrease of primary production, mass extinction of macrobenthos, and up and down of water quality parameters (DO, pH, DIP, NH_(4)^(+), NO_(3)^(-)). After the freshwater introduction, successions of phytoplankton have been observed from neritic to freshwater via brackish species, but the total biomass of phytoplankton has been kept low. Only an algal bloom of filamentous blue green algae Phormidium sp. was observed. Very low biomass of zooplankton was present probably due to the severe grazing by benthos in SW-M-T, but much higher abundance was found in FW-M-T and FW-NM-T. For FW-M-T and FW-NM-T, primary production decreased to less than half of the seawater condition and such situation has been continued through the experiment. Mass extinction of benthic macrofauna appeared between the 63th and 91st day of freshwater introduction in FW-M-T and FW-NM-T. For this period, the key parameter was found drastic decrease of porewater salinity from 20 psu to less than 10 psu. Simultaneously species composition of benthos has been changed; 7/8 of bivalves and 2/3 of polychaete disappeared in the sediment. Evident decrease of DO and pH in water column of FW-NM-T was found as the temperature rises, as a consequences, active release of DIP was also observed. This study suggests that sediment function as a potential source of DIP, but a sink of NO3-, especially during spring and summer. From the result of this work, a traditional remedy for water quality improvement for a freshwater reservoir could be still effective for a future reservoir made from the freshwater storage on the top of a tidal flat. Also diverse, useful informations from this work will be widely applied to solve imminent environmental problems in coastal zones, such as frequent mass extinction of coastal living organisms, eutrophication, and red-tide explosions.
For the first time in Korea, an artificial tidal flat ecosystem, mesocosm, has been established to investigate natural tidal flat environment. A mesocosm was constructed outdoors to simulate in situ physical and chemical environmental conditions of natural tidal flat as much as possible. Biogeochemical behaviors of various substances of interest in the mesocosm, particularly nutrients, are intensively monitored and compared with those of natural counterpart. Furthermore some environmental consequences by the human impacts on the tidal flat has been studied. The mesocosm experiment has been executed for two steps; 1st step (May 2002 to May 2003) and 2nd step (February to August 2004). The main theme of the first step was focused on the operation of the mesocosm with semi-diurnal tidal motions. The main topic of the second step was emphasized on the biogeochemical changes due to the freshwater introduction into tidal flat. Through the first step, the concentrations of DIP, NO_(3)^(-), NO_(2)^(-), NH_(4)^(+), and Chl-α decreased compared to initial concentrations of newly introduced seawater into the water column of the mesocosm. These results suggest a strong influence of tidal motion on the fates of nutrient. Simultaneously a promoted DIP out-flux from July to October 2002 was found. none the less any particular spikes for NH_(4)^(+) and DIN (mostly NO_(3)^(-)) were not present through the studied period. Intensively collected data of the first step were in general agreement with the in situ field measurement; the annual cycles of nutrients and Chl-α in water column and benthic nutrients fluxes (DIP, DIN, NH_(4)^(+) etc.). Also identical distribution (dominant species, composition etc.) of benthic macrofauna were found. This suggests that mesocosm be able to successfully simulate the environmental situations of natural tidal flat. In the second step of the experiment from February to August 2004, the topic was focused on the biogeochemical variations of superficial water and porewater after introduction of freshwater into the mesocosm. Three experimental conditions of mesocosm were as follows; SW-M-T: maintaining constant salinity of approximately 20 psu; FW-M-T: full introduction of freshwater into the mesocosm with mixing of water column; FW-NM-T: full introduction of freshwater into the mesocosm without mixing of water column. Over 162 days of the experimental periods, diverse phenomena were observed; active succession of phyto- and zooplankton, decrease of primary production, mass extinction of macrobenthos, and up and down of water quality parameters (DO, pH, DIP, NH_(4)^(+), NO_(3)^(-)). After the freshwater introduction, successions of phytoplankton have been observed from neritic to freshwater via brackish species, but the total biomass of phytoplankton has been kept low. Only an algal bloom of filamentous blue green algae Phormidium sp. was observed. Very low biomass of zooplankton was present probably due to the severe grazing by benthos in SW-M-T, but much higher abundance was found in FW-M-T and FW-NM-T. For FW-M-T and FW-NM-T, primary production decreased to less than half of the seawater condition and such situation has been continued through the experiment. Mass extinction of benthic macrofauna appeared between the 63th and 91st day of freshwater introduction in FW-M-T and FW-NM-T. For this period, the key parameter was found drastic decrease of porewater salinity from 20 psu to less than 10 psu. Simultaneously species composition of benthos has been changed; 7/8 of bivalves and 2/3 of polychaete disappeared in the sediment. Evident decrease of DO and pH in water column of FW-NM-T was found as the temperature rises, as a consequences, active release of DIP was also observed. This study suggests that sediment function as a potential source of DIP, but a sink of NO3-, especially during spring and summer. From the result of this work, a traditional remedy for water quality improvement for a freshwater reservoir could be still effective for a future reservoir made from the freshwater storage on the top of a tidal flat. Also diverse, useful informations from this work will be widely applied to solve imminent environmental problems in coastal zones, such as frequent mass extinction of coastal living organisms, eutrophication, and red-tide explosions.
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