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문제 정의
- 본 연구는 부영양 저수지에서 남조류의 발달과 천이에 영향을 미치는 요인들과 그 결과를 평가하기 위하여, 2003년 3월부터 2004년 2월까지 현장 조사를 통하여 남조류종조성과 밀도변화, 침전특성, 퇴적물 특성을 분석하였다. 또한 인, 수온, 광도를 달리한 조건에서의 남조류 성장률을 비교하였다.
- 본 연구는 부영양상태의 저수지에서 우점하는 남조류의 성장과 천이 및 지속기간에 영향을 미치는 요인들을 파악하고자 하였다. 이를 위해 계절에 따른 환경요인과 남조류 군집 변화를 조사하였고, 환경요인 변화에 따른 남조류 군집의 반응과 연계하여 침강량과 퇴적물내 유기물 분포를 분석하였다.
제안 방법
- 2003년 12월부터 2004년 2월까지 4회에 제한 영양염과 수온 그리고 광도에 따른 남조류의 성장율을 비교하였다. 식물플랑크톤 혼합시료는 망목 크기가 30㎛ 인 네트를 이용하여 표층에서 채집하였고, 망목의 크기가 200 ㎛인 네트로 다시 여과하여 대형동물플랑크톤을 제거하였다.
- 설치 당시 각 trap에는 증류수를 채웠고, 수질 조사를 위한 시료채취 기간 동안(2주일 간격) 회 수하 여상 등수를 제거한 후 일정량의 증류수를 넣어 침전물 세척한 후 산 세척된 폴리에틸렌 병에 담아 운반하였다. Trap 설치 전과 후의 수질을 조사하기 위해 표층 (0 m) 과중층(3m)에서 시료를 채수하여 부유물질, 엽록소 a 농도, 총인, 총질소 농도를 측정하였다. 부유물질은 원수를 GF/ F여과지로 여과한 후 105℃ dry oven에서 24시간 이상 건조 한 다음 무게차로 계산하였고, 휘발성고형물은 부유물질이 측정된 여과지를 500℃에서 2시간 동안 태운 후의 잔유물의 무게와 건중량과의 무게 차이로부터 계산하였다(APHA, 1995).
- Trap으로 측정된 엽록소 a 농도에 대한 침강량 (Sf) 과수중의 농도 (C)를 나누어 부유물질의 침강속도 (Settling velocity: SQ를 계산하였다. 수중 농도 (C)는 Trap을 퇴적층의 lm 상부에 설치하였기 때문에 Trap 설치 전과 후의 표층과 중층에서의 평균값을 사용하였다.
- 퇴적물 내 간극수는 원심분리를 통해 분리하였으며, 분리한 간극수는 GF/F 여과지로 여과한 후 냉동보관하였다. 간극수내 용존총인 (TDP: total dissolved phosphorus) 농도는 persulfate로 전처리 한 후 용 존 무기 인 (DIP: dissolved inorganic phosphorus) 농도 측정과 동일하게 ascorbic acid법으로 분석하였다(APHA, 1995). 퇴적물의 인, 질소 그리고 탄소 함량 측정을 위해 건조된 시료를 막자사발로 마쇄하였다.
- 등과 같은 사상성 남조류였다. 남조류가 포함된 시료 50mL를 250 mL 용량의 삼각플라스크에 담은 후에 KNOsdOmgNLT)와 KH2PO4(10mg PL-i)를 일정량씩 첨가하였다. 그 후에 GF/F 여과지로 여과한 원수로 최종 부피 100mL를 만들었다.
- 이를 위해 계절에 따른 환경요인과 남조류 군집 변화를 조사하였고, 환경요인 변화에 따른 남조류 군집의 반응과 연계하여 침강량과 퇴적물내 유기물 분포를 분석하였다. 또한 수온과 영 양염, 광도 조건에 따른 남조류 성장률 비교실험을 통해, 남조류 발달에 미치는 환경요인의 상대적 중요성을 평가하였다.
- 분석하였다. 또한 인, 수온, 광도를 달리한 조건에서의 남조류 성장률을 비교하였다. 식물플랑크톤은 봄철(3~4월에 규조류와 편모조류가 우점한 시기를 제외하고는 연중 남조류가 우점하였고, 7월과 11월에 높은 밀도 증가가 관찰되었다.
- Trap 설치 전과 후의 수질을 조사하기 위해 표층 (0 m) 과중층(3m)에서 시료를 채수하여 부유물질, 엽록소 a 농도, 총인, 총질소 농도를 측정하였다. 부유물질은 원수를 GF/ F여과지로 여과한 후 105℃ dry oven에서 24시간 이상 건조 한 다음 무게차로 계산하였고, 휘발성고형물은 부유물질이 측정된 여과지를 500℃에서 2시간 동안 태운 후의 잔유물의 무게와 건중량과의 무게 차이로부터 계산하였다(APHA, 1995). 엽록소 a 농도는 시료를 GF/F 여과지로 여과한 후 메탄올을 넣어 24시간 냉암소에서 보관하여 엽록소 a 를 추출한 후 흡광도를 측정하여 계산하였다(Marker, 1972; Marker et al.
- 운반하였다. 시료의 함수율과 강열감량은 침강량에 대한 부유물질과 휘발성 고형물분석과 동일한 방법으로 계산하였다. 퇴적물 내 간극수는 원심분리를 통해 분리하였으며, 분리한 간극수는 GF/F 여과지로 여과한 후 냉동보관하였다.
- 식물플랑크톤 조사지점과 동일한 횡방향의 두 지점의 내부직경이 7.5 :1 (30cm:4cm)의 비율로 제작된 trap을 2개씩 총 4개를 퇴적층으로부터 lm 상층부에 설치하였다(Fig. 2). 설치 당시 각 trap에는 증류수를 채웠고, 수질 조사를 위한 시료채취 기간 동안(2주일 간격) 회 수하 여상 등수를 제거한 후 일정량의 증류수를 넣어 침전물 세척한 후 산 세척된 폴리에틸렌 병에 담아 운반하였다.
- 식물플랑크톤 종 조성 및 현존량을 분석하기 위한 시료는 수심별 (0, 3, 5 m)로 채수하였다. 식물플랑크톤의 정량분석은 Sedgwick-Rafter 계수판을 이용하여 광학 현미 경하 ( X 200)에서 규조류 (Bacillariophyceae), 남조류 (Cyanophyceae), 녹조류 (Chlorophyceae)로 구분하여 동정하고 계수하였으며 와편모조류 (Dinophyceae)와 은편 모 조류 (Cryptophyceae)는 출현종과 밀도가 작아 두 분류군 모두를 편모조류 (flagellate algae)로 구분하였다.
- 식물플랑크톤 혼합시료는 망목 크기가 30㎛ 인 네트를 이용하여 표층에서 채집하였고, 망목의 크기가 200 ㎛인 네트로 다시 여과하여 대형동물플랑크톤을 제거하였다. 식물플랑크톤 혼합시료의 우점종은 Oscpatoria spp.
- 수심별 (0, 3, 5 m)로 채수하였다. 식물플랑크톤의 정량분석은 Sedgwick-Rafter 계수판을 이용하여 광학 현미 경하 ( X 200)에서 규조류 (Bacillariophyceae), 남조류 (Cyanophyceae), 녹조류 (Chlorophyceae)로 구분하여 동정하고 계수하였으며 와편모조류 (Dinophyceae)와 은편 모 조류 (Cryptophyceae)는 출현종과 밀도가 작아 두 분류군 모두를 편모조류 (flagellate algae)로 구분하였다. 종조 성과 생물량에 대한 세부적인 분석방법은 김과 황 (2005)에 나타나 있다.
- 그 후에 GF/F 여과지로 여과한 원수로 최종 부피 100mL를 만들었다. 실험 조건은 영양염이 첨가되지 않은 대조구 (Control), 인 (+P)과질 소(+N)가 각각 ImgL-i 첨가한 처리구 그리고 질소와 인 두 가지를 각각 ImgNLT 첨가한 처리구(N+P) 로 구분하였으며, 실험은 3반복으로 수행되었다.
- 하였다. 이를 위해 계절에 따른 환경요인과 남조류 군집 변화를 조사하였고, 환경요인 변화에 따른 남조류 군집의 반응과 연계하여 침강량과 퇴적물내 유기물 분포를 분석하였다. 또한 수온과 영 양염, 광도 조건에 따른 남조류 성장률 비교실험을 통해, 남조류 발달에 미치는 환경요인의 상대적 중요성을 평가하였다.
- 총인 농도는 마쇄된 토양시료 일부를 perchloric acid로 분해한 후 Vanado- molybdophosphoric acid colorimetric법으로 분석하였다 (APHA, 1995). 총질소와 탄소함량을 측정하기 위해서 토양 건조시료 일부에 1NHC1 를 넣어 hot plate에서 가열하여 건조한 후 다시 마쇄하여 CHN elemental analyzer (Perkin-Elmer 2400)를 이 용해 분석하였다.
- 침전물의 건중량, 휘발성고형물, 엽록소 a 농도, 총인, 총질소 농도는 일정량의 침전물을 GF/F여과지로 여과하여 침강량을 계산하으며, 분석은 수질분석과 동일한 방법을 따랐다.
- 침전율 (Settling rate: SJe 침강속도를 조사당시의 평균수심 (G으로 나누어 계산하였다.
- 간극수내 용존총인 (TDP: total dissolved phosphorus) 농도는 persulfate로 전처리 한 후 용 존 무기 인 (DIP: dissolved inorganic phosphorus) 농도 측정과 동일하게 ascorbic acid법으로 분석하였다(APHA, 1995). 퇴적물의 인, 질소 그리고 탄소 함량 측정을 위해 건조된 시료를 막자사발로 마쇄하였다. 총인 농도는 마쇄된 토양시료 일부를 perchloric acid로 분해한 후 Vanado- molybdophosphoric acid colorimetric법으로 분석하였다 (APHA, 1995).
대상 데이터
- 본 연구의 대상저수지는 수표면적인 0.1km2이고 평균수심이 3.9m이며 부영양상태의 농업용 저수지이다(김과 황, 2004). 유역면적은 2.
- 6%를 차지한다(농업기반공사, 2001). 조사는 만수위시 수심이 7m를 유지하는 제방 부근에서 2003년 3 월부터 2004년 2월까지 월 2회 실시하였다.
- 퇴적물은 식물플랑크톤 조사지점에서 중력식 채니기 (gravity corer)를 이용하여 채집하였고, 냉장 보관하여 실험실로 운반하였다. 시료의 함수율과 강열감량은 침강량에 대한 부유물질과 휘발성 고형물분석과 동일한 방법으로 계산하였다.
이론/모형
- 퇴적물의 인, 질소 그리고 탄소 함량 측정을 위해 건조된 시료를 막자사발로 마쇄하였다. 총인 농도는 마쇄된 토양시료 일부를 perchloric acid로 분해한 후 Vanado- molybdophosphoric acid colorimetric법으로 분석하였다 (APHA, 1995). 총질소와 탄소함량을 측정하기 위해서 토양 건조시료 일부에 1NHC1 를 넣어 hot plate에서 가열하여 건조한 후 다시 마쇄하여 CHN elemental analyzer (Perkin-Elmer 2400)를 이 용해 분석하였다.
- , 1980). 총인과 총 질소는 원수를 persulfate로 전처리 한 후 각각 ascorbic acid법과카드늄환원법 으로 분석 하였다 (APHA, 1995).
성능/효과
- 8배 높았다. 광도가 85±5gE S-1로 동일하나 수온이 20℃ 조건에서의 성장율은 5℃인 처리구에 비해 평균 5배 정도 높았다. 수온과 광도가 상이한 조건의 성장률을 비교할 때, 수온 20℃, 광도 20±2liE S-1 조건에서의 성장률은 수온 5℃, 광도 85±5 μ E m 2 의 처리 구에 비해 평균 2.
- 2 m dayT로 가장 느렸다. 남조류 우점시기인 5~11월 기간중에는, 5월 (Oscillatoria spp. 우점 시작기)에 0.4m day-1 로 가장 빨랐고 침강량이 많았던 10월에도 0.36mdayT 로 비교적 빠른 침강속도를 보였다.
- 퇴적물의 C/N 비는 6~8의 범위였고, 간극수내 무기인의 농도는 심층에 산소농도가 희박(<2mgC)2LT)하였던 시기에 감소하였다. 남조류의 성장률은 영양염 농도와 수온에 크게 의존하였고, 특히 높은 인 농도는 낮은 수온에서도 남조류가 발달하는 원인으로 나타났다. 본 연구의 결과는, 인이 충분하게 공급되는 국내의 많은 소형 부영양 저수지에서 연중 남조류의 발달과 지속가능성을 시사하며, 수질개선과 조류제어를 위해 인의 저감(특히, 퇴적층 관리)을 매우 중요하게 고려해야 함을 강조한다.
- 본 연구대상 저수지에서 남조류, 특히 Microcystis의 연중 지속적인 출현의 중요한 영향인자는 높은 인 농도에 연관된 것으로 나타났다. 본 연구 대상저수지에 대한 선행 연구에서 Microcystis aeruginosa가 가장 우점하였던 7월 이후 시기는 총인 농도(평균: 108.
- 본 연구대상 저수지에서 식물플랑크톤 군집 중에 남조류가 해빙 후 3월과 4월을 제외하고는 년중 우점하였고, 남조류 종간의 계절적인 천이가 나타났다(Fig. 3). 3월부터 5월 초까지 Melosira varians, Aulacoseira ambigua 와 같은 규조류와 Rhodomonas sp.
- 본 연구의 결과 부영양상태의 연구대상 저수지에서 남조류 종간의 천이는 인 농도, 수온, 빛 등에 복합적으로 작용하여 반응한 결과로 판단되며, 특히 인의 농도는 종의 천이와 더불어 수온에 대한 민감도를 변화시켜 동절기에도 남조류가 생존할 수 있는 원인으로 제시되었다. 본 연구의 결과는, 바닥층에 유기물이 크게 퇴적된 국내의 많은 소형 부영양 저수지에서 연중 남조류의 발달과 지속가능성을 시사하며, 수질개선과 조류제어를 위해 퇴적물 관리(특히, 인의 저감)를 매우 중요하게 고려해야 함을 강조한다.
- (Reynolds, 1984; Romo and Miracle, 1994). 본 연구의 서로 다른 수온과 광도, 영양염 조건에서의 현장조류 성장률 비교실험에서도 인이 첨가된 낮은 수온 조건에서의 성장률이 높은 수온의 인이 첨가되지 않은 대조구에서의 성장률과 유사함으로써 수온에 대한 민감도가 감소됨 이 나타났다(Fig. 6).
- 6mdayT의 범위를 보였다. 부유물질 중 휘발성고형물의 함량은 평균 17%였고, 수중 부유물질농도에 비해 침강량이 작았던 8월을 제외하고는 부유물질 농도와 침강량은 양의 상관성을 보였다(r=0.76, n=8, p=0.045). TP 침강량은 160~44.
- 부유물질과 휘발성고형물 침전율의 계절적인 변화는 엽 록소 a 침전율과 유사하였으며 (r>0.90, n=8, p<0.01), 침강속도는 0.8~3.6mdayT의 범위를 보였다. 부유물질 중 휘발성고형물의 함량은 평균 17%였고, 수중 부유물질농도에 비해 침강량이 작았던 8월을 제외하고는 부유물질 농도와 침강량은 양의 상관성을 보였다(r=0.
- 광도가 85±5gE S-1로 동일하나 수온이 20℃ 조건에서의 성장율은 5℃인 처리구에 비해 평균 5배 정도 높았다. 수온과 광도가 상이한 조건의 성장률을 비교할 때, 수온 20℃, 광도 20±2liE S-1 조건에서의 성장률은 수온 5℃, 광도 85±5 μ E m 2 의 처리 구에 비해 평균 2.6배 높았다.
- 영양염 첨가실험 모두에서 인이 첨가된 경우에 남조류의 성장률이 높게 나타난 반면, 질소가 처리된 곳에서의 성장률은 대조구와 유사하게 나타나 (p> 0.05, ANOVA), 인이 겨울철 남조류 성장의 제한영양염으로 판명되었다(Fig. 6).
- , 1993). 이러한 결과들은 본 조사대상 저수지에서 Microcystis aeruginosa의 발달기간 외 동안(5월 중순부터 6월까지, 12월 말부터 이듬해 봄철까지)에 나타난 Oscillatoria, 와 AphanizomenonS\ 발달 (Fig. 3)을 설명할 수 있다. 연구기간 중 5월은 심층부에 뚜렷한 수온성층이 형성되었고 높은 투명도와 총인의 증가가 나타난 시기였으며, 수온도 12℃에서 20℃로 상승한 시기였다(김과 황, 2005).
- 또한 퇴적물의 C/N비는 부식 정도를 판별하는 기준 (humosity)으로도 사용되고 있어 (Hansen, 1961) C/N비가 10 이상인 호수를 poly- humic lake로, 10 이하인 호수를 oligohumic lake로 분류하고 있다. 이러한 기준을 토대로 할 때 본 연구 대상 저수지는 oligohumic lake이며, 식물플랑크톤과 부식질의 중간단계로 유기물 분해의 초기단계로 유추가능하며, 수층에서 침강된 식물플랑크톤이 퇴적물에 포함된 유기물의 상당부에 기 여했을 것으로 생각할 수 있다. 본 연구대상 저수지는 유입수량이 적을 뿐만 아니라 유입되는 질소와 인이 식물플랑크톤에 의해 동화되는 용존인 (86.
- 인(혹은 인+질소)이 첨가된 처리구의 수온 20℃, 광도 85±5|1E n「2 조건에서의 성장률은 광도 50±5gE m'2宀 하의 다른 수온조건의 처리구에 비해 각각 평균 2.3 배 (4℃ 조건), 4.9배 (3℃ 조건) 높게 나타났다. 광도는 동일하나 수온 2℃에서의 성장률은 수온 20℃ 처리구에 비해 평균 9.
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3. 퇴적물 조성
조사기간 동안 퇴적물의 함수율은 59.2~68.3%(평균 64.6%), 강열감량은 6.3 ~ 10.4% (25.9~ 35.1 mg gT)의 범위를 나타냈으며, 시기별로는 3월(9.1%, 34.2 mg gT)과 11월 (10.4%, 35.1 mg g-1)에 높은 값을 보였다(Fig. 5). 간극수내 인 농도는 5월 말에 가장 높았다.
- 보다 구체적으로, Smith (1983)와 Smith 등 (1987)은 남조류가 번성하는 부영양 호수들에서 TN/TP 비가 30 이하임을 보여주었다. 즉, 본 저수지의 외부 혹은 퇴적물로부터 인의 공급량 증가가 결과적으로 TN/TP 비를 감소시켜 Mycrocysfis 를 포함하는 남조류 발달의 중요한. 원인이 된 것으로 판단된다(Trimbee and Prepas, 1987; Sheffer et al.
- 7%)에 비해 낮게 나타났다. 퇴적물 내 탄소와 인 함량은 각각 27.6~30.5 mg Cgf 0.8~ LI mg의 범위를 보여 계절에 따른 큰 변화가 없었던 반면, 질소함량은 3.4~4.9 mg Ng-1의 범위로 10~ 12월 기간 동안에 높았다(Table 2). 퇴적물 내 탄소 : 질소 : 인 평균 무게비는 28:4:1이었으며, C/P와 C/N비는 각각 26- 35, 6~8의 범위를 보였다.
후속연구
- 제시되었다. 본 연구의 결과는, 바닥층에 유기물이 크게 퇴적된 국내의 많은 소형 부영양 저수지에서 연중 남조류의 발달과 지속가능성을 시사하며, 수질개선과 조류제어를 위해 퇴적물 관리(특히, 인의 저감)를 매우 중요하게 고려해야 함을 강조한다.
- 남조류의 성장률은 영양염 농도와 수온에 크게 의존하였고, 특히 높은 인 농도는 낮은 수온에서도 남조류가 발달하는 원인으로 나타났다. 본 연구의 결과는, 인이 충분하게 공급되는 국내의 많은 소형 부영양 저수지에서 연중 남조류의 발달과 지속가능성을 시사하며, 수질개선과 조류제어를 위해 인의 저감(특히, 퇴적층 관리)을 매우 중요하게 고려해야 함을 강조한다.
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