2011년 11월 고성만 굴(Crassostrea gigas) 양식장 수질환경 모니터링을 통한 이산화탄소 수지 평가 Evaluation of Simple CO2 Budget with Environmental Monitoring at an Oyster Crassostrea gigas Farm in Goseong Bay, South Coast of Korea in November 2011원문보기
Real-time monitoring for environmental factors (temperature, salinity, chlorophyll-a, etc.) and fugacity of carbon dioxide ($fCO_2$) was conducted at an oyster Crassostrea gigas farm in Goseong Bay, south coast of Korea during 2-4th of November, 2011. Surface temperature and salinity were...
Real-time monitoring for environmental factors (temperature, salinity, chlorophyll-a, etc.) and fugacity of carbon dioxide ($fCO_2$) was conducted at an oyster Crassostrea gigas farm in Goseong Bay, south coast of Korea during 2-4th of November, 2011. Surface temperature and salinity were ranged from $17.9-18.7^{\circ}C$ and 32.7-33.8, respectively, with daily and inter-daily variations due to tidal currents. Surface $fCO_2$ showed a range of $390-510{\mu}atm$ and was higher than air $CO_2$ during the study period. Surface temperature, salinity and $fCO_2$ are showed significant correlations with chl.-a and nutrients, respectively. It means when chl.-a value is high in surface water of the oyster farm, active biological production consume $CO_2$ and nutrients from environments and produce oxygen, suggesting a tight feedback between biological processes and environmental reaction. Thus, factors affecting the surface $fCO_2$ were evaluated using a simple mass balance. Temperature and biological productions by phytoplankton are the main factors for $CO_2$ drawdown from afternoon to early night, while biological respiration increases seawater $CO_2$ at night. Air-sea exchange fraction acts as a $CO_2$ decreasing gear during the study period and is much effective when the wind speed is higher than $2-3m\;s^{-1}$. Future studies about organic carbon and biological production/respiration are required for evaluating the roles of oyster farms on carbon sink and coastal carbon cycle.
Real-time monitoring for environmental factors (temperature, salinity, chlorophyll-a, etc.) and fugacity of carbon dioxide ($fCO_2$) was conducted at an oyster Crassostrea gigas farm in Goseong Bay, south coast of Korea during 2-4th of November, 2011. Surface temperature and salinity were ranged from $17.9-18.7^{\circ}C$ and 32.7-33.8, respectively, with daily and inter-daily variations due to tidal currents. Surface $fCO_2$ showed a range of $390-510{\mu}atm$ and was higher than air $CO_2$ during the study period. Surface temperature, salinity and $fCO_2$ are showed significant correlations with chl.-a and nutrients, respectively. It means when chl.-a value is high in surface water of the oyster farm, active biological production consume $CO_2$ and nutrients from environments and produce oxygen, suggesting a tight feedback between biological processes and environmental reaction. Thus, factors affecting the surface $fCO_2$ were evaluated using a simple mass balance. Temperature and biological productions by phytoplankton are the main factors for $CO_2$ drawdown from afternoon to early night, while biological respiration increases seawater $CO_2$ at night. Air-sea exchange fraction acts as a $CO_2$ decreasing gear during the study period and is much effective when the wind speed is higher than $2-3m\;s^{-1}$. Future studies about organic carbon and biological production/respiration are required for evaluating the roles of oyster farms on carbon sink and coastal carbon cycle.
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문제 정의
식물플랑크톤을 비롯한 미소생물들에 의한 일차생산과 호흡도 있지만 양식 생물인 굴과 이에 부착된 생물에 의한 호흡, 그리고 굴의 패각(탄산염광물 CaCO3) 생성에 따른 이산화탄소 배출 등이 있다. 따라서 생물에 의한 이산화탄소변화를 정밀하게 파악하기 위해서는 이들 각 항목에 대해 실내배양 또는 메조코즘(mesocosm) 등으로 정량화해야하나 본 연구에서는 현장 연속 관측을 통한 탄소수지 평가가 목적이므로 직접 측정하지 않았다.
본 연구는 굴 양식이 성행하는 경상남도 고성만의 굴양식장에서 해양 환경 및 탄소계 인자를 연속 관측함으로서 고해상도의 환경변화를 파악하고, 특히 이산화탄소분압에 영향을 끼치는 인자들에 대해 정량적으로 평가하고자 한다. 이를 통해, 굴 양식장의 탄소순환 특성과 양식생물과 환경 사이의 상호작용을 파악하여, 양식생물의 폐사원인, 생육조건 등을 파악하는데 적극 활용하고 수온상승, 해양산성화(ocean acidification) 등과 같은 미래 해양환경변화에 대비하고자 한다.
본 연구는 굴 양식이 성행하는 경상남도 고성만의 굴양식장에서 해양 환경 및 탄소계 인자를 연속 관측함으로서 고해상도의 환경변화를 파악하고, 특히 이산화탄소분압에 영향을 끼치는 인자들에 대해 정량적으로 평가하고자 한다. 이를 통해, 굴 양식장의 탄소순환 특성과 양식생물과 환경 사이의 상호작용을 파악하여, 양식생물의 폐사원인, 생육조건 등을 파악하는데 적극 활용하고 수온상승, 해양산성화(ocean acidification) 등과 같은 미래 해양환경변화에 대비하고자 한다.
그러나 표층수의 이산화탄소 분압과 염분은 양의 선형관계를 나타내었는데, 이는 염분이 높을 때 염(salt)을 구성하는 용존무기탄소류의 농도가 상대적으로 높았기 때문이다. 이처럼 2011년 11월 고성만 굴양식장 표층수의 이산화탄소분압은 물리특성뿐 아니라 생물화학적특성 변화에 민감하게 변하는 것을 알 수 있었으며, 다음절에서 각 영향인자에 대해 정량적으로 파악하고자 한다.
제안 방법
고성만 굴양식장에서 관측한 표층수의 물리화학특성 결과를 바탕으로 이들 성분간에 통계적인 상관성을 파악하였다(Table 1). 표층수의 수온과 염분사이에는 유의하진 않으나 음의 관계를 보였으며 이는 대체적으로 수온이 높을 때 염분이 낮다는 것이다.
, 2012). 따라서 굴 양식장에서 이산화탄소 분포에 영향을 끼치는 인자들에 대해 정밀하게 평가하고 각 항목의 상대 중요도를 시범적으로 파악하고자 단순 수지식 (1)과 (2)를 적용하였다.
실시간 연속관측시스템의 결과를 보완하고 해수 수층 분포특성을 파악하기 위해 2시간 간격으로 CTD (19plus, SBE, USA)로 약 8 m 수심까지 수온과 염분을 관측하였으며, 다목적수질 측정기(YSI6000, YSI, USA)로 용존산소 농도와 포화도를 측정하였다. 또한 표층수의 영양염과 용존산소, 엽록소, 부유물질 분석을 위해 해수펌프로 공급되는 해수를 2시간 간격으로 채수하여 항목에 따라 전처리를 하여 추후 분석을 위해 냉장/냉동보관을 하였다. 용존산소는 현장에서 정밀적정기(Dosimat 876 system, Metrohm, Switzerland)를 사용하여 Winkler법으로 분석하였다(Parsons et al.
3333px;">2sys, Lewis and Wallance, 1998). 또한 해류 특성을 파악하기 위하여, 유속계(Anderaa, Norway)로 유속과 유향을 측정하였다.
실시간 연속관측시스템의 결과를 보완하고 해수 수층 분포특성을 파악하기 위해 2시간 간격으로 CTD (19plus, SBE, USA)로 약 8 m 수심까지 수온과 염분을 관측하였으며, 다목적수질 측정기(YSI6000, YSI, USA)로 용존산소 농도와 포화도를 측정하였다. 또한 표층수의 영양염과 용존산소, 엽록소, 부유물질 분석을 위해 해수펌프로 공급되는 해수를 2시간 간격으로 채수하여 항목에 따라 전처리를 하여 추후 분석을 위해 냉장/냉동보관을 하였다.
, 2012), 조사선(탐구10호, 국립수산과학원) 갑판에 설치되었다. 양식장 수질의 연속관측을 위해 표층수는 수중 펌프로 퍼올려 관측시스템으로 공급되었으며, 2개로 분지하여 한쪽은 열염측정기와 pH측정 시스템으로 흘러가게 하였으며, 다른쪽은 CO2측정 시스템으로 공급되게 하였다.
영양염은 현장에서 GF/F여과지로 여과 후 냉동 보관한 시료를 실험실에서 영양염자동분석기(QuAAtro system with 4 channel, BranLuebbe, Germany)로 분석하였으며, 표준물질(OSIL社 & Wako社)로 검정하였다.
Dickson 박사 실험실에서 제작한 표준물질 CRM Batch #99과 #113로 검정하였다. 용존무기탄소(Dissolved inorganic carbon, DIC)는 총알칼리도와 연속 관측한 이산화탄소분압으로 계산하였다(http://cdiac.ornl.gov/ftp/co2sys, Lewis and Wallance, 1998). 또한 해류 특성을 파악하기 위하여, 유속계(Anderaa, Norway)로 유속과 유향을 측정하였다.
해양 pCO2 측정시스템은 12시간 간격으로 표준가스(300, 350, 450 μatm)로 검정하였으며, 한 시간 간격으로 대기 이산화탄소를 측정하게 하였다.
해양 pCO2 측정시스템은 12시간 간격으로 표준가스(300, 350, 450 μatm)로 검정하였으며, 한 시간 간격으로 대기 이산화탄소를 측정하게 하였다. 형광 측정 장비는 양식장 부대시설에 묶어 표층해수에 잠기게 고정하여 연속 관측하였으며, 여기에는 아세톤추출법으로 측정한 엽록소-a 결과와 분포경향을 비교하기 위해 절대값만 제시하였다.
대상 데이터
2011년 11월 2일~11월 4일에 고성만(경상남도 통영시 도산면 오륜리 앞)에 위치하는 굴 양식장(34°54.85′N, 128°19.2′E)에서 국립수산과학원 조사선 탐구10호를 타고 해양환경 및 탄소계 인자에 대한 연속 관측을 수행하였다(Fig. 1).
경상남도 통영시와 고성군에 둘러싸인 고성만의 굴양식장에서 2011년 11월 2일 ~ 4일 동안 실시간 연속 관측시스템으로 탄소계 인자를 포함한 해수특성을 관측하였다(Fig. 2). 굴 양식장의 표층수온은 조사기간 17.
데이터처리
표층수의 수온과 염분을 연속 관측하는데 이용한 열염측정기 관측결과는 CTD (19 plus, Sea-Bird Electronics, USA)와 비교 검정하여 사용하였다. 해양 pCO2 측정시스템은 해수 입자를 평형기(equilibrator)로 분사시키는 샤워(shower)방식으로, 평형기 내에서 대기 이산화탄소(air CO2)와 평형을 이룬 공기의 CO2를 비분산 적외선 분광 분석기(Non-dispersive Infra-red Analyzer, NDIR)로 측정하는 방식이다(KORDI, 2010; Weiss, 1981).
이론/모형
굴 양식장 표층수에서 측정한 이산화탄소분압의 시간에 따른 변화를 평가하기 위해 다음의 단순 수지식(simple mass balance equation)을 적용하였다.
대기-해양 이산화탄소 교환율은 Wanninkhof (1992)에 따라 계산하였다.
영양염은 현장에서 GF/F여과지로 여과 후 냉동 보관한 시료를 실험실에서 영양염자동분석기(QuAAtro system with 4 channel, BranLuebbe, Germany)로 분석하였으며, 표준물질(OSIL社 & Wako社)로 검정하였다. 엽록소와 부유물질도 해양환경공정시험기준(MLTM, 2010)에 의거하여 전처리와 분석을 하였다. 총알칼리도(total alkalinity, TA)는 개방형 용기법(KORDI, 2010)으로 정밀 적정하였으며, 미국 스크립스연구소의 A.
또한 표층수의 영양염과 용존산소, 엽록소, 부유물질 분석을 위해 해수펌프로 공급되는 해수를 2시간 간격으로 채수하여 항목에 따라 전처리를 하여 추후 분석을 위해 냉장/냉동보관을 하였다. 용존산소는 현장에서 정밀적정기(Dosimat 876 system, Metrohm, Switzerland)를 사용하여 Winkler법으로 분석하였다(Parsons et al., 1984). 영양염은 현장에서 GF/F여과지로 여과 후 냉동 보관한 시료를 실험실에서 영양염자동분석기(QuAAtro system with 4 channel, BranLuebbe, Germany)로 분석하였으며, 표준물질(OSIL社 & Wako社)로 검정하였다.
엽록소와 부유물질도 해양환경공정시험기준(MLTM, 2010)에 의거하여 전처리와 분석을 하였다. 총알칼리도(total alkalinity, TA)는 개방형 용기법(KORDI, 2010)으로 정밀 적정하였으며, 미국 스크립스연구소의 A. Dickson 박사 실험실에서 제작한 표준물질 CRM Batch #99과 #113로 검정하였다. 용존무기탄소(Dissolved inorganic carbon, DIC)는 총알칼리도와 연속 관측한 이산화탄소분압으로 계산하였다(http://cdiac.
성능/효과
6) 이는 (δC/δt)B+R가 물리혼합보다는 생물에 의한 변화량임을 뒷받침한다고 할수 있다. 결국, 고성만 굴 양식장에서 이산화탄소분압에 미치는 영향인자 중 생물에 의한 변화를 간접 평가한 결과, 양식생물과 그 외 생물들에 의한 호흡으로 밤에는 이산화탄소가 증가하지만 낮에는 식물플랑크톤에 의한 광합성이 이를 상쇄하는 것으로 나타났다. 실제 고성만의 10월과 11월 일차생산력 평균은 약 0.
표층수의 이산화탄소분압은 해수 및 대기의 혼합과 교환 그리고 생물생산과 호흡에도 밀접하게 관련된 인자이다. 굴 양식장에서 연속관측한 이산화탄소 분압은 엽록소-a (R2=0.70), 질산염(R2=0.76), 인산염(R2=0.82)과 매우 높은 관련성을 각각 나타내었다(Fig. 3). 이는 앞서 언급하였지만, 엽록소-a로 대변되는 식물플랑크톤류가 수층의 이산화탄소와 영양염류를 이용하여 활발하게 광합성을 하면 그 결과 용존산소가 생성되는 것이다.
그러나 총질소는 질산염과 낮은 상관성을 보였으나 총인은 인산염과 유의한 상관성을 나타내었다(P<0.01).
이상에서 굴 양식장의 표층수는 수온, 염분과 같은 물리특성과 엽록소-a와 영양염류 등과 같은 생물화학특성이 서로 유의한 상관성을 보였으며, 이는 물리환경 변화에 생물생리활동이 민감하게 반응하는 것을 의미한다. 따라서 굴 양식장 환경인자들 간에 물리-생물-화학적 고리가 강하게 연결된 건강한(풍요로운)복합 생태계임을 파악할 수 있었다. 1970년대 중반에 실시된 조사에서도 고성만은 저염, 고영양염, 풍부한 식물플랑크톤 등의 환경특성을 보였으며, 이로 인해 주변 해역(한실포, 사량도, 자란만 등)에 비해 굴 성장이 좋고 폐사비율이 낮은 해역으로 평가되었다(Lim et al.
따라서 굴양식장 표층수에서 엽록소-a가 증가할수록 용존산소도 유의하게 증가하였으며(P<0.01) 더불어 영양염류도 유의하게 감소하였다(P<0.01).
이는 총질소의 약 45%가 용존무기질소(DIN, dissolved inorganic nitrogen)이고 나머지 과반이상이 유기질소인 반면, 총인은 무기인이 약 72%를 차지하였다. 따라서 총질소는 과반이상을 차지하는 유기질소가 분포특성을 좌우하고 질산염을 포함하는 무기성분과는 상관성이 낮았던 것이며, 총인은 무기인을 대표하는 인산염에 의해 그 분포특성이 결정되므로 인산염과 다른 영양염류와도 높은 상관성을 보이는 것으로 생각된다.
65). 따라서, 표층수의 형광특성은 수중의 엽록소-a에 대한 간접지시를 한다고 할 수 있었다. 용존산소는 6.
그러나 관측시기 중 최대 만조(11월 3일 14시)전후에 수온과 염분 모두 최대값을 나타내었는데, 이는 염분의 경우 조석의 영향으로 최대값을 보인 반면 수온은 조석과 더불어 태양복사열의 영향으로 상승하였기 때문이다. 또한 표층 수온은 엽록소-a와 용존산소, 부유물질과 양의 유의한 상관성을 보이고 영양염류와는 음의 유의성을 보였다. 이는 수온이 높은 낮에 엽록소-a농도가 높아지고 이에 의한 일차생산결과, 영양염은 소모되고 용존산소는 생산되는 것으로 유추할 수 있다.
이상에서 2011년 11월 고성만 굴 양식장의 이산화탄소분압 변화에 미치는 요인에 대해 정량적 평가를 하였으며, 수온변화와 생물생산은 오후부터 초저녁에 이산화탄소분압을 감소시키는 요인이었으며, 초저녁부터 새벽에는 생물호흡이 주된 상승요인으로 작용하였다. 대기-해양교환에 의한 변화는 풍속이 2-3 m s-1 이상일 때 주요 요인으로 작용하였다.
이상에서 굴 양식장의 표층수는 수온, 염분과 같은 물리특성과 엽록소-a와 영양염류 등과 같은 생물화학특성이 서로 유의한 상관성을 보였으며, 이는 물리환경 변화에 생물생리활동이 민감하게 반응하는 것을 의미한다. 따라서 굴 양식장 환경인자들 간에 물리-생물-화학적 고리가 강하게 연결된 건강한(풍요로운)복합 생태계임을 파악할 수 있었다.
6μmol L-1의 범위를 보였다. 질산염을 포함한 영양염은 조사초기 비교적 높은 농도를 지속되다가 11월 3일 오후부터 점차 감소하여, 24시경 가장 낮은 농도를 나타내었으며, 이후 상승하다가 4일 아침에 소폭 감소하는 경향으로, 엽록소-a와 상반되는 변화를 보였다. 표층수의 총알칼리도는 2,000-2,110μmol kg-1의 범위로, 조사초기 높은 농도를 보였다가 시간이 경과할수록 점차 감소하였으며, 4일 8~10시 사이에 소폭 증가하였다[Fig.
총질소(total nitrogen, TN)와 총인(total phosphorus, TP)도 양의 유의한 상관성을 나타내었다(P<0.01).
통영 굴 양식장 표층수에서 관측한 이산화탄소분압은 390-510 μatm범위에서 증가와 감소를 반복하였으며, 엽록소-a, 영양염류, 용존산소와 상관성이 있는 것으로 나타났다(Fig. 3).
표층수의 총알칼리도는 2,000-2,110μmol kg-1의 범위로, 조사초기 높은 농도를 보였다가 시간이 경과할수록 점차 감소하였으며, 4일 8~10시 사이에 소폭 증가하였다[Fig.
후속연구
, 2011). 본 연구를 바탕으로 굴 양식장의 유기탄소순환과 양식생물의 섭식과 호흡에서의 탄소교환 등을 추가하여 굴 양식을 통한 탄소제거 및 연안 탄소순환에 기여하는 바를 평가할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
경상남도의 양식 굴(Crassostrea gigas) 생산량은?
경상남도의 양식 굴(Crassostrea gigas) 생산은 약 24만 톤(ton)으로 우리나라 굴 생산량의 약 90% (2009-2012년 평균)를 차지한다. 대표적인 굴 생산해역으로 거제한산만, 진해만, 통영 북만 그리고 고성만 등이 있으며, 주로 연안에 인접하여 육상으로부터 유입되는 물질량이 많고, 수심이 얕으며 폐쇄성의 특성을 가진다.
대기 온실기체 증가로 발생하는 현상은?
대기 온실기체 증가로 말미암은 기후변화현상은 해양의 수온상승뿐 아니라 해양산성화(ocean acidification)와 저산소화(deoxygenation)를 유발하여 세계적인 우려를 낳고 있다(IPCC 2007). 특히, 해수의 pH가 지속적으로 감소하는 해양산성화는 해양 및 수산생물의 생리활성, 성장, 생존율 등에 영향을 미치고, 특히 탄산염광물 형성을 저해하기 때문에 패류와 산호 등에 치명적인 영향을 미친다(Hoegh-Guldberg et al.
해양 환경 및 탄소계 인자를 연속 관측함으로서 고해상도의 환경변화를 파악하여 얻을 수 있는 점은?
본 연구는 굴 양식이 성행하는 경상남도 고성만의 굴양식장에서 해양 환경 및 탄소계 인자를 연속 관측함으로서 고해상도의 환경변화를 파악하고, 특히 이산화탄소분압에 영향을 끼치는 인자들에 대해 정량적으로 평가하고자 한다. 이를 통해, 굴 양식장의 탄소순환 특성과 양식생물과 환경 사이의 상호작용을 파악하여, 양식생물의 폐사원인, 생육조건 등을 파악하는데 적극활용하고 수온상승, 해양산성화(ocean acidification) 등과 같은 미래 해양환경변화에 대비하고자 한다.
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