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1 목 차 제 1 장 하천생태학 기초 1 제 1 절 하천의 형태, 수문(hydrology), 수질 2 1. 하천 물길의 형태와 그 변화 2 2. 하천분류 3 3. 물길의 교란과 물길의 변화 5 4. 수문 6 5. 하천의 이화학적 특성- 수질 13 제 2 절 하천의 생물들 물리적, 생물적 특성을 바탕으로 한 하천분류 미생물과 유기물 분해 일차 생산력 대형 무척추동물 어류 41 제 3 절 하천생태계 과정(Ecosystem Processes) 경관 계(landscape system) 강변 숲(riparian forest) 영양염 순환과 교란에 대한 반응 물길지표층 영역(hyporheic zone) 하천의 생물다양성 86 참고문헌(1장) 97 제 2 장 낙동강 생태계 개요 105 제 1 절 낙동강의 지형, 지질, 기후 최장 발원지 낙동강의 지형, 지질, 기후 i -

2 제 2 절 낙동강의 수문과 수질 면적강수량, 유량, 증발산량 낙동강 본류의 수질 127 제 3 절 낙동강의 생명계 낙동강의 담수조류(식물플랑크톤) 낙동강의 수변식생 낙동강 대형 무척추 동물 개관 낙동강의 어류 특성 낙동강에 서식하는 조류( 鳥 類 ) 175 제 4 절 낙동강 생물자원에 관한 데이터베이스 낙동강 생물자원에 관한 데이터베이스 구축 목적과 방향 낙동강 생물자원 데이터베이스 설계 및 구축 194 제 3 장 체험교육 지점별 생태교육자료 210 제 1 절 발원지 발원지의 지질 발원지의 대형무척추동물 211 제 2 절 폐광산지역 국내 폐탄광의 현황 석탄폐석의 특징 폐탄광지역의 하천수 216 제 3 절 백천동계곡 병오천, 석포면 낙동강 식생 백천계곡, 토계리의 대형무척추동물(곤충) 병오천 상류 백천계곡과 석포면 일대 하천의 어류 백천계곡의 조류 224 제 4 절 명호면 토계리 일대 낙동강 식생 청량산, 명호면 일대(토계리) 낙동강 어류 낙동강 상류 청량산의 곤충들 ii -

3 제 5 절 안동댐과 임하댐 안동댐과 임하댐의 담수조류 안동호주변의 곤충들 안동댐과 임하댐의 어류 안동호의 조류 241 제 6 절 구담습지 지형적 특성 구담습지에서 관찰되는 담수조류 구담습지의 식생 구담습지의 동물들 구담습지의 어류 251 제 7 절 상풍교 일대 낙동강 상풍교 일대의 식생 강변숲의 생산력과 영양염 흡수 및 제거 능력 255 제 8 절 구미 해평습지 대형무척추동물상 해평, 월림리, 가산리(골재채취장)의 어류 해평습지의 조류 263 제 9 절 서대구 달성습지(화원동산, 금호강 하류 직선호안시설, 강정 취수보) 강정 고무 취수보 지역 담수조류 금호강 하류와 화원동산 절벽(하식애)의 식생 화원동산과 달성습지의 곤충류 달성습지일대 소하천의 어류 달성습지의 조류 272 제 10 절 우포늪 우포늪의 생성 우포늪 현황과 다양한 담수조류 우포늪의 식물상 우포늪의 대형무척추동물들 우포늪의 어류 우포늪의 조류 iii -

4 제 11 절 주남저수지와 동판저수지 주남저수지 현황과 담수조류 주남저수지의 식물상 곤충류 주남저수지의 조류 294 제 12 절 대포천 대포천의 식생 대포천의 어류 297 제 13 절 낙동강 하류와 하구 삼각주를 형성하는 낙동강 하구 낙동강 하류와 하구둑의 담수조류 을숙도 식생 낙동강 하류지역 대형무척추동물들 낙동강 하구언 댐의 축조 전과 후의 어류상의 변화 낙동강하구의 조류 308 제 4 장 낙동강의 변천과 보전운동 314 제 1 절 인위적 형태변화와 그 영향 낙동강 수계의 댐 제방공사와 호안공사 골재채취 하구둑 하천부지 이용 집수역 토지이용에 따른 오염원 발생과 유량변화 지하 물길 325 제 2 절 인위적 교란의 역사와 보전운동 인위적 형태변화사 낙동강 주요 오염사고와 생태계에 영향을 미친 각종 사건들 낙동강살리기를 위한 시민단체(기관 포함)결성 및 각종 활동 335 참고문헌(2장-4장) 340 부 록 347 색 인 (1장) iv -

5 그림 목차 [그림 1-1] 물의 순환 1 [그림 1-1-1] 위계적 하천 분류의 하천 물길 단위 4 [그림 1-1-2] 수문과정의 분포 7 [그림 1-1-3] 저수지를 가진 물길에서의 홍수경로 9 [그림 1-1-4] 지류의 수문적 동시성이 본류의 절정유량에 미치는 영향 1 [그림 1-2-1] 하천 계의 서로 다른 공간적 규모에서 교란에 대한 서식처 민감도와 회복시간과의 관계 20 [그림 1-2-2] 하천 계(stream system)의 위계적 구조와 서식처 아계(habitat subsystems) 21 [그림 1-2-3] 강변 숲이 형성된 계류의 유기물잔재 먹이그물 24 [그림 1-2-4] 하천 내에서의 나뭇잎 조각의 분해과정 26 [그림 1-2-5] 계류의 위치(고도)에 따라 계류속의 미생물과 shredders(부숴먹는, 썰어먹는 무리)이 나뭇잎 분해에 어느 정도 기여하는가를 나타낸 모식도 27 [그림 1-2-6] 부착 담수조류 29 [그림 1-2-7] 하천구간에서 1차 순생산물에 대한 에너지흐름 경로 32 [그림 1-2-8] 물길 지표층을 나타내는 하천 단면도 36 [그림 1-2-9] 하천연속개념 38 [그림 ] 먹이그물과 주요 에너지흐름과 기능군 41 [그림 ] 작은 따뜻한 하천에서 서식처 이질성 및 웅덩이 발달 정도에 따른 어류군집 특성의 변화를 나타냄(가설) 42 [그림 ] 상류역에 분포하는 어류의 형태 43 [그림 ] 연어류의 산란과 치어 생장을 위한 장소 분포 4 [그림 1-3-1] 강우량 47 [그림 1-3-2] 홍수가 물길과 범람지 특성에 어느 정도 영향을 미칠 것인가 51 [그림 1-3-3] 오레곤 코우스트 레인지의 200km2 집수역에서 1,000년 동안의 산사태 시물레이션 52 [그림 1-3-4] 물길 망에서의 시간과 위치의 함수로서의 침전물 깊이 53 [그림 1-3-5] 전형적인 충적하천 계곡에서 볼 수 있는 지형 56 [그림 1-3-6] Tanans River의 강변식생의 천이 62 - v -

6 [그림 1-3-7] 하천에서 강변 숲을 거쳐 육상까지의 횡단면에서 나타난 기후적 요소 변화 63 [그림 1-3-8] 하천가장자리, 실제물길, 범람지, 강변대지, 언덕기슭, 언덕비탈에 이르는 횡단면을 따라 나타나는 종풍부도 기울기 64 [그림 1-3-9] 영양염 나선 개념 68 [그림 ] 질소, 인, 황의 순환 70 [그림 ] 하천의 N, P, S 순환에 영향을 주는 물리적, 화학적, 생물적 경로와 과정 72 [그림 ] 유량에 따른 질산이온(NO - 3 ) 농도변화 57 [그림 ] 하천의 NO - 3 농도의 일변화 67 [그림 ] 카나다 브리티쉬 콜럼비아 Mohun 배수구역의 두 하천 집수역에 요소비료를 준 후에 각 하천의 질소함량 비교한 것 78 [그림 ] 물길 바닥층과 인접층의 물길지표층의 주요 세가지 유형 80 [그림 ] 하천 구간(reach)규모, 물길 단위(channel unit)규모, element규모에서의 물길지표층 흐름길 82 [그림 ] 산지 하천구간에서의 물길지표층 흐름량과 지하수 유입량의 상대적 부피 82 [그림 ] 지표수가 많이 포함된 물길지표층 흐름과 각종 성분들의 변화 84 [그림 ] 물길지표층 생물의 분류 86 [그림 ] 현재까지 기록된 생물종을 바탕으로 구분한 주요 생물군의 비율 87 [그림 ] 역동적 평형모델 8 [그림 ] 이질적 환경에서의 자원경쟁 이론 8 [그림 ] 하천통로(riparian corridors)에서 서로 다른 규모의 생물다양성-가설적 모델 90 [그림 ] 하천의 지형 92 [그림 ] 강 지형에 따른 종풍부도 비교 92 [그림 ] 하천유량크기에 따른 온도 변화폭 94 [그림 2-1] 인공위성으로 확인되는 낙동강의 지형기복도 103 [그림 2-2] 낙동강 수계 104 [그림 2-1-1] 낙동강 발원지 105 [그림 2-1-2] 발원지 모습 105 [그림 2-1-3] 우리나라 주요 강의 경사도 비교 109 [그림 2-1-4] 낙동강 유역 지질도 vi -

7 [그림 2-1-5] 한반도의 고생대층 분포지역 115 [그림 2-1-6] 우리나라 연평균 기온( 평균) 분포도 12 [그림 2-1-7] 우리나라 강수량 분포(평년, ) 123 [그림 2-2-1] 연간 면적강수량(억m3), 연간 유량(억m3) 125 [그림 2-2-2] 토지이용상황에 따른 유량, 증발산량, 지하수 유입량 비교 126 [그림 2-2-3] 개발전과 개발후의 유량율 변화 126 [그림 2-2-4] 낙동강본류의 BOD COD, Total N, Total P, Chlorophyll a의 농도변화 127 [그림 2-2-5] 초기 집중강우 기간의 수질변화 130 [그림 2-2-6] 1982년 7, 8, 9월의 낙동강 중류(경북 왜관)유량과 수계환경 요소와의 상관성 131 [그림 2-3-1] 낙동강 중, 하류역의 저지대 분포 136 [그림 2-3-2] 지표수, 지하수위와의 관계에 따른 하천식생 횡단분포역 138 [그림 2-3-3] 하천종단역에 따른 식생분포 140 [그림 2-3-4] 하변 개척자식물 <달뿌리풀(Phragmites japonica)>의 작용과정 147 [그림 2-3-5] 수변의 주요 식물군락 148 [그림 2-3-6] 발원지 너덜샘 주변 149 [그림 2-3-7] 백천계곡의 모습 149 [그림 2-3-8] 수서곤충의 유충들 152 [그림 2-3-9] 물매암이 153 [그림 ] 피라미(Zacco platypus) 156 [그림 ] 끄리(Opsariichthys bidens) 156 [그림 ] 흰수마자(Gobiobotia nakdongensis) 157 [그림 ] 여울과 소의 분포에 의한 하천형태형 160 [그림 ] 백천계곡의 수변환경과 서식어종 164 [그림 ] 토계리의 하천환경과 서식어종 16 [그림 ] 구담습지의 하천환경과 서식어종 168 [그림 ] 한국산 담수어의 분포 구계 172 [그림 ] 낙동강 하구 175 [그림 ] 산림에 서식하는 수조류 17 [그림 ] 인공호수에 서식하는 수조류 17 [그림 ] 하천부에 서식하는 수조류와 둥지 vii -

8 [그림 ] 늪지에 서식하는 수조류 179 [그림 ] 강하구에 서식하는 수조류 180 [그림 2-4-1] 데이터베이스 구축과정 194 [그림 2-4-2] 데이터베이스 목록화 과정 195 [그림 2-4-3] 낙동강 유역 구분 및 특징 195 [그림 2-4-4] 낙동강 유역별 선행자료 분석결과 197 [그림 2-4-5] 낙동강 생물자원 데이터베이스 기본구조 20 [그림 2-4-6] 기본 데이터베이스 자료를 이용한 웹상에서의 정보검색 200 [그림 2-4-7] 하도 내 서식처 구분 201 [그림 2-4-8] 식물상 데이터베이스 폼 구조(좌) 및 테이블 속성(우) 202 [그림 2-4-9] 식물군락 데이터베이스 폼 구조(좌) 및 테이블 속성(우) 203 [그림 ] 조류상 데이터베이스 폼 구조(좌) 및 테이블 속성(우) 204 [그림 ] 어류상 데이터베이스 폼 구조(좌) 및 테이블 속성(우) 206 [그림 ] 포유류상 데이터베이스 폼 구조(좌) 및 테이블 속성(우) 207 [그림 ] 양서 파충류상 데이터베이스 폼 구조(좌) 및 테이블 속성(우) 208 [그림 ] 곤충류상 데이터베이스 폼 구조(좌) 및 테이블 속성(우) 209 [그림 ] 담수조류상 데이터베이스 폼 구조(좌) 및 테이블 속성(우) 209 [그림 3-1-1] 발원지에 발달하는 돌서렁(talus) 210 [그림 3-1-2] 너덜샘 210 [그림 3-1-3] 포충망 212 [그림 3-1-4] 독병 213 [그림 3-1-5] 흡충관 214 [그림 3-1-6] 삼각지 접는 법 214 [그림 3-2-1] 폐광지의 모습 215 [그림 3-2-2] 태백시 용소 부근 하천의 Yellow boy현상 217 [그림 3-2-3] 폐광산 지역 하천침전물의 X선 회절 분석(XRD) 217 [그림 3-2-4] 전자현미경으로 본 침철석 218 [그림 3-2-5] 전자현미경으로 본 슈베르트마나이트 218 [그림 3-3-1] 백천계곡의 식생단면도 219 [그림 3-3-2] 백천동 병오천 계곡 식생 219 [그림 3-3-3] 백천계곡 일대의 전경 220 [그림 3-3-4] 강도래류 엄지 221 [그림 3-3-5] 열목어(Brachymystax lenok tsinlingensis) viii -

9 [그림 3-3-6] 수서곤충을 사냥한 물까마귀 225 [그림 3-3-7] 물까마귀의 사냥모습 225 [그림 3-4-1] 토계리의 식생단면도 226 [그림 3-4-2] 토계리 낙동강변의 식생 226 [그림 3-5-1] 안동댐 각 조사 지점에서 계절별 수온의 변화(02년 6월-03년 6월) 230 [그림 3-5-2] 안동댐 각 조사 지점의 계절별 ph 변화(02년 6월-03년 6월) 230 [그림 3-5-3] 안동댐 각 조사 지점의 계절별 투명도 변화(02년 6월- 03년 6월) 231 [그림 3-5-4] 안동댐에서 각 조사 지점의 총질소 변화 231 [그림 3-5-5] 안동댐에서 각 조사 지점의 총 인 변화 232 [그림 3-5-6] 안동댐에서 각 조사 지점의 엽록소 a 변화 232 [그림 3-5-7] 임하댐에서 댐축의 수온 변화 235 [그림 3-5-8] 임하댐에서 댐축의 ph 변화 235 [그림 3-5-9] 임하댐에서 댐축의 엽록소 a 함량 변화 235 [그림 ] 임하댐에서 댐축의 탁도 발생 현황 237 [그림 ] 임하댐의 댐축에서 탁도 발생 전후의 식물플랑크톤 군집의 현존량 비율 237 [그림 ] 임하댐의 댐축에서 탁도 발생 전후에 식물플랑크톤 우점종의 변화 238 [그림 ] 안동댐 및 임하댐에서 흔히 관찰할 수 있는 식물플랑크톤 238 [그림 3-6-1] 구담습지의 모습 244 [그림 3-6-2] 사행하천의 발달과정 245 [그림 3-6-3] 하천의 단면과 구조 245 [그림 3-6-4] 하천의 지질작용에서 유속과 입도의 관계 246 [그림 3-6-5] 망상하천의 구조 246 [그림 3-6-6] 구담습지에서 관찰되는 담수조류 247 [그림 3-6-7] 구담습지의 식생단면도 248 [그림 3-6-8] 잠자리류 249 [그림 3-7-1] 상풍교 일대의 식생단면도 254 [그림 3-7-2] 상풍교 일대의 전경 254 [그림 3-7-3] 습지 버드나무류의 크기에 따른 개체수 분포 255 [그림 3-7-4] 낙동강변 숲의 현존식물체량, 축적량(실제 성장량), 고사탈락량, 식물체잔재량 256 [그림 3-7-5] 낙동강변습지의 연간 N, P의 순환량 257 [그림 3-8-1] 곤충들이 좋아하는 해평습지내 사초류 군락과 작은 물웅덩이 258 [그림 3-8-2] 거품벌레의 위장술과 진딧물을 포식하는 무당벌레 유충 ix -

10 [그림 3-8-3] 구미지역 낙동강 261 [그림 3-8-4] 해평습지의 전경과 해평습지에 도래한 흑두루미 무리 264 [그림 3-9-1] 금호강하류의 식생단면도 266 [그림 3-9-2] 금호강 하류 세천교 일대 금호강 모습 267 [그림 3-9-3] 화원동산의 식생단면도 267 [그림 3-9-4] 화원동산 하안절벽의 모감주나무군락 268 [그림 3-9-5] 곤충류를 쉽게 관찰할 수 있는 달성습지 풀밭 268 [그림 3-9-6] 흑두루미 이동경로 272 [그림 3-9-7] 흑두루미 273 [그림 ] 중생대 퇴적암층과 우포늪 퇴적층의 관계 275 [그림 ] 우포늪에서 흔히 관찰할 수 있는 담수조류 27 [그림 ] 우포늪의 식생단면도 279 [그림 ] 우포늪의 수변식생과 물위에 뜬 채 살아가는 식물 279 [그림 ] 집을 만드는 곤충들(나뭇잎과 쇠무릎을 이용한 곤충) 280 [그림 ] 거위벌레가 잎을 이용해서 알을 낳을 집을 만드는 모습 280 [그림 ] 우포늪의 조류 286 [그림 ] 주남 저수지에서 흔히 관찰할 수 있는 담수조류 289 [그림 ] 주남저수지의 식생단면도 292 [그림 ] 주남일대 저수지 식생(동판저수지) 292 [그림 ] 나비의 한살이 293 [그림 ] 대포천의 식생단면도 296 [그림 ] 대포천 296 [그림 ] Galloway에 의한 삼각주의 분류 29 [그림 ] 낙동강 삼각주의 변화 30 [그림 ] 낙동강 하구의 삼각주 301 [그림 ] 을숙도의 식생단면도 304 [그림 ] 을숙도 쓰레기매립장의 식생과 수변식생 304 [그림 ] 나비, 잠자리와 메뚜기 305 [그림 ] 낙동강 하구의 조류 309 [그림 ] 낙동강 하구에서의 섭금류의 분포와 수금류의 분포 310 [그림 ] 민물가마우지 31 [그림 ] 알락꼬리마도요 무리 31 [그림 ] 큰고니 31 - x -

11 [그림 4-1-1] 댐의 유입량과 유출량 315 [그림 4-1-2] 1976년 안동댐 준공 후 18년이 지난 1995년 당시 안동댐에서 약 35km 하류지점인 구담리 낙동강변 횡단면의 모습과 식생 316 [그림 4-1-3] 구담리 낙동강변 습지 316 [그림 4-1-4] 1996년 안동호 바닥의 퇴적물 317 [그림 4-1-5] 금호강 하류 직선 호안시설 319 [그림 4-1-6] 2004년 현재 구미지역 낙동강 골재채취 장소 320 [그림 4-1-7] 낙동강 하구둑 321 [그림 4-1-8] 하구둑 축조 4년 후(1991년) 낙동강하구의 사주와 간석지 32 [그림 4-1-9] 90년대 후반에 하천정비 된 이후의 경북 안동 낙동강변 모습 324 [그림 ] 지하물길 위의 메말라버린 하천 325 [그림 ] 낙동강 주요 지류와 유역(지류 집수역), 토지이용 현황 326 [그림 4-2-1] 1950년대 초 경북 왜관 낙동강 모습과 왜관 일대 낙동강 모습 327 [그림 4-2-2] 안동다목적댐 328 [그림 4-2-3] 1987년 성주부근의 낙동강변 모습 329 [그림 4-2-4] 성서공단이 들어서기 전 서대구달성습지의 1970년대 갓 수확 모습 30 [그림 4-2-5] 말라버린 마을의 개울을 바라보는 주민들 330 [그림 4-2-6] 고무보로 대체하기 전의 돌무더기 보 331 [그림 4-2-7] 1999년 서대구낙동강(강정)고무취수보 설치공사 모습 31 [그림 4-2-8] 금호강 물고기 떼죽음과 방천리 쓰레기 매립장 침출수 (1997년) 33 [그림 4-2-9] 경북 구미시 해평읍 낙동강변 재두루미 떼죽음 334 [그림 ] 서대구 달성습지 횡단 고압송전탑 34 [그림 ] 태풍 후 끊어진 다리, 낙동강 하류- 구포 35 [그림 ] 뗏목탐사- 상주 부근에서 물막이(보)를 넘기 위해 애쓰는 모습 336 [그림 ] 낙동강생태계 조사단. 95년 1월 37 [그림 ] 달성습지 모형 흑두루미와 달성습지 복원운동 발대식(2000년) 38 [그림 ] 생명찾기 순례모습 39 - xi -

12 표 목차 [표 1-1-1] 강과 하천의 영양염류 농도 14 [표 1-1-2] 식수의 중금속 허용 기준치 18 [표 1-3-1] 강변 숲 생태계 기능 62 [표 1-3-2] 하천통로(river corridors)에서 존재하는 여러 가지 형태의 질소, 인, 황 69 [표 1-3-3] 큰 강의 몇 가지 중요 영양염류 농도 71 [표 1-3-4] H. J. Andrews Experimental Forest의 10개의 유역에 대한 N 예산 37 [표 1-3-5] 서부 워싱턴의 작은 하천에서 알을 낳기 위해 바다에서 거슬러 올라온 연어로부터 유래한 강변식생 및 수중생물의 질소와 탄소 함량 비 77 [표 1-3-6] 오염되지 않은 집수역의 지하수와 지표수의 일반적인 물리적 화학적 특성 80 [표 2-1-1] 1/25,000지형도를 바탕으로 한 낙동강 유역의 물길 차수와 분기율 106 [표 2-1-2] 한반도 남북부의 선캠브리아기 지층 대비 113 [표 2-1-3] 경상누층군 층서 대비표 117 [표 2-1-4] 낙동강 유역의 월평균 기온분포( 평균) 12 [표 2-1-5] 낙동강유역 주요지점의 평년( ) 연강수량 비교(mm) 123 [표 2-1-6] 낙동강유역 평년( ) 월별 강수량(mm) 124 [표 2-2-1] 낙동강유역(23,633km2)의 면적강수량(집수역면적 강수량), 증발산량, 낙동강 총유량 124 [표 2-3-1] 낙동강의 어류 목록 158 [표 2-3-2] 최상류에서 관찰되는 담수어류 163 [표 2-3-3] 상류 및 중상류에서 관찰되는 담수어류 165 [표 2-3-4] 중류 및 중하류에서 관찰되는 담수어류 167 [표 2-3-5] 하류 및 하구역에서 관찰되는 담수어류 169 [표 2-3-6] 저수지와 농수로에서 관찰하기 쉬운 어류 170 [표 2-3-7] 한국산 담수어의 지리적 분포 173 [표 2-3-8] 낙동강 유역 10지점에서 관찰된 조류종 목록과 도래현황 180 [표 2-4-1] 낙동강유역 현황 196 [표 2-4-2] 낙동강 유역별 선행자료 통계 xii -

13 [표 2-4-3] 데이터베이스에 기재된 선행자료 목록 198 [표 2-4-4] 낙동강 수계 일대에서 관찰된 조류 가운데 천연기념물 및 법적 보호종 204 [표 2-4-5] 낙동강 일대에서 기록된 고유어류종 목록 206 [표 2-4-6] 낙동강 수계 일대에서 기록된 포유류 목록 207 [표 2-4-7] 낙동강 수계 일대에서 기록된 양서 파충류 목록 208 [표 3-2-1] 석탄분석치 216 [표 3-2-2] 폐탄광배수의 수질특성 216 [표 3-3-1] 백천계곡과 석포리에서 채집된 어류목록 및 개체수 224 [표 3-4-1] 청량산과 토계리의 어류목록 227 [표 3-5-1] 안동댐유역의 어류목록 242 [표 3-5-2] 임하댐유역의 어류목록 243 [표 3-6-1] 구담습지에서 채집된 어류목록 및 개체수 253 [표 3-8-1] 구미지역의 어류목록 262 [표 3-8-2] 구미 해평습지의 흑두루미, 재두루미 도래 개체수 264 [표 3-9-1] 대구달성지역의 소하천별 어류상 271 [표 ] 우포지역에서 조사된 동물들 283 [표 ] 우포늪의 조사지점별 어류목록 284 [표 ] 주남저수지에서 조사된 수환경 요인의 계절적 변화 28 [표 ] 대포천의 조사지점별 어류목록 297 [표 ] 낙동강 하구둑 축조 전후의 어류상 비교 307 [표 ] 낙동강 하구언 축조 후 섭금류의 개체수 변동비교 312 [표 ] 낙동강하구에 사는 국제적으로 보호가치가 높은 수조류 목록 xiii -

14 제 1 장 하천생태학 기초 땅(육지)이나 바다에서 증발한 물은 비가 되어 다시 땅이나 바다에 내린다(물의 순환). 물이 항상 땅에서 바다로 흘러 들어가는 이유는 이 물의 순환([그림 1-1]) 과 정에서 땅에서 증발하는 양보다 땅으로 비가 되어 내리는 물의 양이 많기 때문이다. [그림 1-1] 물의 순환 호수나 저수지가 땅위에 정체된 물(lentic)인데 반해, 하천은 땅위를 흐르는 물 (lotic)로서, 강이나 내 등과 같이 그 크기나 특성에 따라 여러 가지로 일컬어진다. 강: 넓고 길게 흐르는 큰 내 내: 시내보다는 크고, 강보다는 작은 물줄기 시내: 골짜기나 평지에서 흐르는 자그마한 내 또는 하천 개울: 골짜기나 들에 흐르는 작은 물줄기 실개울: 작은 개울 개천: 내; 개골창물이 흘러가도록 길게 판 내 실개천: 소류; 작은 개천 계류: 산골짜기에 흐르는 시냇물 샛강: 강의 본류에서 갈라진 후 본류와의 사이에 섬을 이루고 다시 하류 쪽에서 본류에 합쳐지는 지류 도랑: 폭이 좁은 작은 개울 - 1 -

15 하천은 시간과 공간에 따라 지극히 변화가 심하며, 상하류 간(종적)에, 깊이 간(수 직적)에, 강과 강변 간(횡적)에 밀접하게 연결되어 있다. 하천은 그 유역( 流 域, 집수 역, watershed, basin)의 특성을 그대로 반영하기 때문에 넓은 의미에서(큰 규모에 서) 하천과 유역을 하나의 계( 系, system)로 볼 수 있다. 우리나라에서는 지금까지 하천을 수리수문학, 토목공학 등의 대상으로 삼았을 뿐 하천이 역동적인 생명계 또는 생태계라는 사실을 인식을 하지 못하고 있다. 따 라서 하천을 생태계로서 이해하는 데 도움이 될 만한 교재도 없다. 이 장은 미국의 서부지역 하천들, 즉 태평양으로 흘러드는 하천들을 대상으로 수십 년에 걸쳐 조사 연구한 내용들을 체계적으로 수집 정리한 것(Robert J. Naiman & Robert E. Bilby, 1998)을 요약하였다. 낙동강 최적교육방안을 위한 교재로서 굳이 이 내용을 먼저 제 시하는 이유는 낙동강을 공부하기 전에 하천에 대한 올바른 시각을 갖기를 바라기 때문이다. 제 1 절 하천의 형태, 수문(hydrology), 수질 1. 하천 물길의 형태와 그 변화 하천 물길( 水 路, channel)의 형태는 늘 변한다. 즉, 하천의 폭, 깊이, 바닥 기울기, 바닥 특성(암석특성, 토양의 입자 크기 등), 형상 등이 시간에 따라 변한다는 뜻이 다. 하천물길의 변화는 지각구조의 변화나 기후변화와 같은 긴 기간에 걸쳐 넓은 범 위에서 일어나는 경우를 생각해 볼 수도 있고, 홍수, 한발, 침전물 공급과 운반 등 과 같은 수십 년, 수백 년과 같은 비교적 짧은 기간과 한정된 공간에서 일어나는 경우를 생각해 볼 수도 있다. 수십 년 또는 수백 년의 기간에 일어나는 형태변화의 경우에, 하천의 크기나 특 성과 상관없이 이에 영향을 주는 기본적인 과정이 있다. 첫째, 침전물( 流 砂, sediment) 공급과정으로서. 상류 쪽에서 공급되는 침전물의 양, 입자크기, 빈도 등이 물길에 영향을 준다. 어떤 물길구간에서 수용력 이상으로 침전물이 공급되면 물길바닥이 상승하거나 넓어지기도 하고, 바닥을 이루는 물질입 자의 크기가 줄어들며, 물웅덩이들이 매립되기도 한다. 둘째, 침전물 수송능력이다. 물길의 기울기(경사도), 댐과 같은 구조물 때문에 물 흐름량( 流 量 ), 지속시간 등이 달라지고 이에 따라 수송능력이 달라진다. 도시가 커지면서 유역의 불투수성 면적이 늘어나면 지표면 흐름이 늘어나 절정유 량(peak flows; 흐르는 물이 갑작스럽게 증가하여 최고값에 도달했을 때의 흐르는 - 2 -

16 지속가능한 낙동강 생태계 이용과 보존을 위한 최적 교육 방안 물의 양)이 급작스럽게 커진다. 이 때문에 침전물 운반능력이 달라진다. 또 댐이 건 설되면 아래쪽의 물흐름이 변하고 침전물 공급량도 달라진다. 댐 바로 아래 물길바 닥은 거칠어지고 침식된다. 댐 아래의 물흐름양이 줄어듦으로써 실질적인 물길폭도 준다. 댐 때문에 이미 수송능력이 줄어든 본류구간에 지류가 있다면 지류로부터 유 입되는 미세한 침전물은 본류 물길의 바닥을 높이게 한다. 셋째, 식생( 植 生, vegetation)이다. 물길 안의 식생의 유무, 분포양식, 구성 종 등이 자연제방의 강도에 영향을 미친다. 유역의 식생에 변화가 일어나면 유량, 절정유량이 달라진다. 유역의 삼림을 제거 하면 일반적으로 유량이 늘어남으로써 물길이 변한다. 2. 하천분류 하천물길의 특성에 영향을 주는 요소는 시간과 공간규모에 따라 다르다. 따라서 공간 규모를 지형학적인 영역(geomorphic province) 규모에서부터 유역(watershed) 규모, 계곡구역(valley segment) 규모, 물길구간(channel reach) 규모 순으로 점차로 세분하는 방법, 즉 위계적 하천물길 분류(hierarchical channel classification)식으로 하천을 분류한다(Naiman and Bilby, 1998, [그림 1-1-1]) 가. 지형학적 영역(goemorphic province) 단위 미국 서부지역과 같이 큰 대륙에 하천도 비교적 클 경우에는 지형학적 영역은 1,000km2이상의 면적 규모에서 수문작용, 침식작용, 지각운동 등을 통해 비슷한 육지 형태로 이루어진 지역을 말한다. 그러나 한국과 같이 집수역규모가 작은 경우에는 이보다 훨씬 적은 면적이 지형학적 영역 단위가 될 것이다. 이 단위에서는 지형학 적, 기후적, 지질학적 특성들이 넓은 범위에서 하천물길 형성과정을 조절한다. 같은 지형학적 영역 안의 유역들은 대체로 지형, 기후, 지질이 비슷하다. 나. 집수역(watershed, drainage basin) 단위 미 대륙에서는 일반적으로 km2 규모의 면적으로 이루어진 집수역(유역)과 물길을 말한다. 집수역에서 일어나는 각종 과정들이 어떻게 물길의 형태를 바꾸고 교란시키는지를 조사하기 위한 실질적인 단위가 된다. 다. 계곡구역(valley segment) 단위 계곡 규모의, 형태가 비슷한 km 길이의 하천구간이다. 산간 집수역인 경우 계곡이 무엇으로 채워져 있는지, 물길의 침전물(sediment) 수송능력이 얼마나 되는 - 3 -

17 [그림 1-1-1] 위계적 하천분류의 하천물길 단위 지, 침전물 공급이 얼마나 되는지 또 그 운반과정이 어떤지 등에 따라 원류계곡, 암 석바닥계곡, 충적계곡 등의 형태로 구분된다. 라. 물길구간(channel reach)단위 10-1,000m길이의 하천구간으로서 비슷한 바닥형태를 보인다. 산간집수역인 경우 원류구간형, 암석바닥구간형, 충적구간형)으로 구분한다. 충적구간형에는 작은 폭포 형, 계단-웅덩이( 沼 )형, 평탄바닥형, 웅덩이-여울형, 사구( 砂 丘 )-잔물결형이 있다

18 지속가능한 낙동강 생태계 이용과 보존을 위한 최적 교육 방안 물길의 교란과 물길의 변화 환경변화나 토지이용에 의해 물길이 변하는데 그 변하는 양식이 물길형태에 따라 다양하게 나타난다. 유량이나 침전물 공급이 달라지면 물길구간(reach)단위에서 하천 형태가 변한다. 또 물길폭을 제한하는 제방, 강변식생, 물길 안의 죽은 나무 둥치 등에 의해서도 변 할 수 있다. 가. 물길구간 규모에서의 변화 유량이나 침전물 공급이 비슷하게 변하더라도 물길구간의 하천 형태와 물리적 과 정이 다르다면 그 반응(유량이나 침전물 공급의 변화에 따른 하천형태의 변화)도 달라진다. 하천 폭이라는 면에서 별다른 제한을 받지 않는 웅덩이-여울 구간과 사 구-잔물결 구간은 침전물 공급과 유량의 교란으로 인해 물길구조가 변하는 게 일반 적인 현상이다. 나. 계곡구역 규모(segment-level)에서의 변화 하천 망(stream network)에서의 위치, 그리고 침전물의 공급에 대한 수송능력 비 율의 차이에 따라 물길구간의 집합체를 공급처구역(soruce segment), 수송구역 (transport segment), 반응구역(response segment)으로 구분하기도 한다. 공급처구역은 원류구간 물길들로서, 침전물 저장소로서의 역할을 하며, 간헐적으 로 각종 부스러기들이 훑어져 내려오기도 한다. 수송구역은 형태적으로 복원력이 있는, 공급이 줄어든 구간들(암석바닥형, 소폭포형, 계단-웅덩이형 구간)로 이루어져 있으며, 늘어난 유입침전물을 빠르게 실어 나른다. 반응구역은 좀 더 하류 쪽의, 수 송력이 줄어든 구간들(평탄 바닥형, 웅덩이-여울형, 사구-잔물결형)로서 늘어난 침 전물에 반응하여 심한 형태적 적응이 일어난다. 다. 외부 영향요소들 물길폭 제한, 강변식생, 물길 안의 죽은 큰 나무둥치 등이 물길반응에 영향을 주 는 외적 요소들이다. 물길폭 제한 제방을 넘어 물이 범람할 수 있는 물길에서는 절정유량이 물길형태에 미치는 영 향은 그리 크지 않다. 그러나 자연제방, 절벽 때문에 제한된 물길에서는 늘어난 유 량이 물길바닥을 침식하기 쉽다

19 홍수때 범람하던 물길에 제방을 쌓거나 다른 방법으로 물을 범람하지 못하게 하 여 물길과 범람지를 분리시키면 생물계에 극심한 변화를 일으킬 뿐만 아니라 물길 잠식으로 이어지기도 한다. 범람지의 침수빈도를 줄이거나 침수를 막기 위해 유량 을 조절하거나 물길을 바꾼다면 옆물길과 범람지에서 일어나는 모든 과정들도 따라 서 바뀌게 된다. 옆물길과 물웅덩이를 없애는 것은 수중서식처를 없애는 것이 된다. 범람을 막게 되면 범람지의 토양에 침전물과 영양물질이 공급되지 않게 되며, 이어 범람지 생명체들과 경작지의 생산성에도 큰 영향을 미치게 된다. 강변식생과 물길 안의 죽은 나무둥치들 강변식생은 그 뿌리가 제방을 안정하게 해붐으로써(특히 응집력이 약한 충적지에 서) 물길의 형태에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 물길에 영향을 주는 각종 요소들 때문 에 일어나는 물길의 적응반응도 달라지게 한다. 특히 하류 쪽 저지대의, 물흐름에 별다른 제한을 받지 않는 물길구간에서는 강변식생의 뿌리가 제방을 안정하게 하는 데 큰 역할을 한다.(Smith 1976). 홍수가 일어났을 때 강변식생은 물의 흐름을 지체 시켜 제방침식을 줄여준다(Arcement and Schneider 1989). 물길 안의 죽은 나무둥치는 웅덩이, 계단형 물길 등이 만들어지는 것을 조절하거 나 이들 물길의 물리적 특성을 조절하기도 한다. 4. 수문 가. 물흐름의 과정들 (1) 산비탈(산지사면)에서의 물흐름 (가) 지표층 흐름 지표층 흐름(표면토양층 속에서의 흐름)은 대체로, 교란되지 않은 삼림사면으로부 터 하천으로 흘러드는 물을 말한다. 토양표면으로부터 스며든 빗물은 얕은 지표층 (subsurface)을 따라 흐르거나 깊이 스며들어 지하수를 채우기도 한다. 토양내의 물 은 두 가지 다른 경로를 따라 가게 된다. 하나는 토양기질의 미세한 공극 (micropores, 孔 隙, 틈 또는 구멍)을 거치는 경우이고 다른 하나는 뿌리가 있던 공 간, 토양이 갈라진 틈, 동물이 살던 굴, 토양에 생긴 관모양의 공극 등과 같이 비교 적 큰 공극(macropores)을 거치는 경우이다. 지표층의 물흐름 속도는 공극의 크기에 따라 차이가 크다. 미세공극의 경우는 1/10,000,000-1/1,000,000m/hr로 매우 느린 반면 토양 파이프를 거칠 때는 1/10-100m/hr로 물길이 형성되지 않은 채 흐르는 지표수만큼이나 빠르다. 만일 이 러한 지표층흐름이 막히게 되면 암석층 위를 얇게 덮고 있는 토양층에 물이 채워지 게 됨으로써 산사태로 이어질 수 있다

20 지속가능한 낙동강 생태계 이용과 보존을 위한 최적 교육 방안 많은 지역의 삼림토양의 경우, 큰 공극이 차지하는 부피가 토양전체 부피의 약 35% 정도 된다. (나) 포화 지표면 흐름(포화 토양표면 흐름) 토양이 충분히 포화된 상태에서 지표층 속을 흐르던 물이 하천으로 스며 나오게 되는 지역에서는 토양표면 위를 흐르는 지표면 흐름이 생길 수 있다. 여기에 계속 빗물이 더해지면 포화 지표면 흐름이 된다. [그림 1-1-2] 수문과정의 분포. Abstracted from Naiman and Bilby, (다) Hortonian 지표면 흐름 토양에 스며들 수 있는 여지나 양보다 지표면에 내려 닿는 빗물의 양이 더 많을 때 이 빗물은 토양표면 위를 흐르게 된다. 이런 경우, 지표면 흐름의 윈리를 제시한 R. E. Horton의 이름을 따서 Hortonian 지표면흐름(이하 H지표면 흐름) 이라 부른 다. 이 H지표면 흐름은, 빗물이 쉽게 스며드는 삼림토양에서는 잘 일어나지 않는다. 반면에 토양에 물이 잘 스며들지 않고 강우강도가 큰, 건조한 기후지역이나 경작지 에서 흔히 일어난다. 또 산불이 일어난 지역에서도 이런 흐름이 일어날 수 있다. 이 는 산불로 인해 생긴 휘발성 유기분자가 토양입자에 덧씌워져, 물분자에 대한 반발 층이 형성됨으로써 물이 토양 속으로 스며드는 것을 방해하기 때문이다(McNabb and Swanson, 1990). 이런 산불의 영향은 토양깊이 약 15cm 까지도 나타날 수 있 - 7 -

21 으며, 6년 이상 지속되기도 한다. 토지를 이용하게 되면 H지표면 흐름이나 포화지표면 흐름이 일어나는 지역면적 이 늘어날 수 있으며, 원류물길 구간에서는 비탈면 침식과 폭우흐름이 더 크게 일 어나게 된다. H지표면 흐름은 불투수성 지표면으로 된 도시지역에서 늘어난다. 도로절단면에서 나타나는 지표층 물흐름은 곧바로 지표면 흐름을 늘이게 되고, 이렇게 늘어난 물은 곧바로 도로 배수구를 통해 하천으로 흘러들며, 이 때문에 도 로절단면과 배수구가 침식되기도 한다. (라) 물길 안에서의 물흐름 하천은 산비탈흐름과는 달리, 물길 안에서의 지표면 흐름에 속한다. 그러나 물길 과 범람지 밑에도 지표층흐름이 있으며 이는 저서성 생물과 물길 밑 지표층 생물들 (hyporheic organisms)에게 매우 중요하다. 유역이나 지역의 특성에 따라 물길에서의 절정흐름이 크게 달라진다. 예를 들어, Pitlick(1994)이 미국 서부지역 하천에서 유량평균값에 대한 100년 빈도 절정유량값 의 비를 조사한 결과에 따르면, 콜로라도 고산지 즉, 주로 눈이 녹아내리는 물로 인 해 홍수가 나는 지역에서는 그 값이 약 2, 주로 폭우로 인해 홍수가 나는 캘리포니 아 연안 산지에서는 그 값이 약 3 이상, 흔히 눈이 쌓여있는 데에 비가 내려 홍수 가 나는 Klamath 산지에서는 그 값이 약 5였다. 계절에 따른 물흐름 변화는 근본적으로 물길의 형태나 과정을 조절하며, 이런 물 흐름 변화는 수중생물과 강변생물들에게 주요 선택압으로 작용한다. 극심한 홍수는 침식과 퇴적을 통해 새로운 경관을 만들어내기도 한다. 홍수, 산사태, 폭우 등과 같 은 극심한 사건들은 산지의 수중생물과 강변생태계에 큰 영향을 미치며, 교란 이후 의 여러 발달단계를 나타내는 모자이크 경관을 만들어내기도 한다. 물길이라는 것은 과거 물흐름의 유산이라고 할 수 있다. 만일 극심한 홍수가 최 근에 있었다면 그 홍수에 의해 생긴 새로운 물길형태는 대부분 남아있을 것이다. 그러나 10년 또는 그보다 더 옛날에 매우 큰 규모의 홍수가 있었다면, 그로 인해 새롭게 형성되었던 물길의 형태도 그 후 연속되어 일어나는 크고 작은 홍수로 인해 이에 걸맞게 형태도 변하였을 것이다. (마) 홍수 경로 상류 쪽 산비탈의 물흐름이 변하면 하류 쪽 물흐름도 따라서 변하게 된다. 이를 단순하게 표현하면, 유출유량 = 유입유량 - 손실량 - 저수량의 변화로 나타낼 수 있고, [그림 1-1-3]처럼 표현할 수 있다

22 지속가능한 낙동강 생태계 이용과 보존을 위한 최적 교육 방안 [그림 1-1-3] 저수지를 가진 물길에서의 홍수경로. t=0, 평상 흐름 때의 저수지 물표면적; t=1, 3, 절정 유량 때 저수 지 물 부피가 늘어날 때와 다시 줄어들 때의 저수지 물표면적의 크 기; t=2, 유출유량과 유입유량이 같은 순간. Modified from Naiman and Bilby, [그림 1-1-3]에서 저수지는 꼭 댐이 아니더라도 물길의 다양한 형태나 강변 숲에 의한 저항 때문에 물흐름이 지체되는 경우를 뜻하기도 한다. 또 물길 주변의 범람 지로 물이 확산되어 일시 저장되면서 물흐름이 지체되는 경우를 뜻하기도 한다. 물 길의 물의 저장력은 본질적으로 그 물길이 얼마나 큰가 또 그 물길이 물흐름을 어 느 정도 지체시킬 수 있는가에 의해 좌우된다. 물길을 단순하게 하고 강변 숲을 제거함으로써 물흐름을 지체시키지 못하게 되면 그 물길의 물은 금새 하류 쪽으로 흘러내려 하류 쪽에 더 큰 절정유량을 일으킨다. 홍수를 조절 하려고 할 때 가장 큰 위협이 되는 것은 흐르는 물을 물길 안으로만 흐르게 하는 것이다. 왜냐하면 상류 쪽에서 물이 물길 안에서만 흐르게 되어 저장 - 9 -

23 되거나 지체되는 능력을 잃어버린다면 하류 쪽에 심각한 홍수피해가 일어날 수 있 기 때문이다. [그림 1-1-3]에서 유입유량은 상류 쪽에서 유입되는 유량 외에도 물길주변의 비 탈이나 평지에서 유입되는 유량, 지류로부터 유입되는 유량 등도 포함한다. (바) 물길 안에서와 강변 숲 영역에서의 지표층 물흐름 물길이나 범람지의 지표층 흐름은 극히 중요한 생태적 기능을 한다. 물길지표층 흐름 영역(Hyporheic zone) Edwards(1987)에 의해 붙여진 이름으로, 하천물길 바닥 의 밑이나 옆의 포화 퇴적물층으로서 이 영역의 물은 지표층수와 지하수를 다 포함 하고 있다. 여름철 수위가 매우 낮아졌을 때는 이 영역의 물이 하천유량의 많은 부 분을 차지한다. 물길바닥의 퇴적물이 굵은 입자일수록 물길지표층 유량은 더 많아 지게 된다. 북 California 해안지역의, 조약돌이 깔린 Little Lost Man Creek라는 개 울은 여름철 유량의 약 1/4이 물길지표층 흐름이었다고 한다. 물길 안에서와 강변 숲에서의 지표층 흐름속도는 m/hr인 것으로 알져지고 있다. 나. 토지이용이 물흐름에 미치는 영향 (1) 절정유량과 홍수 (가) 유역(집수역)의 규모에 따른 변화 작은 유역에서는 근본적으로 비탈면 특성(산비탈의 도로건설, 벌목 등이 물흐름 을 바꾸는 것처럼)에 따라 폭우의 영향도 달라진다. 큰 유역에서는 산비탈의 상태나 삼림관리 상태보다 주로 물길망의 지형적인 특성이 폭우의 영향을 좌우한다 (Robinson et al. 1995). 하류 쪽으로 갈수록, 물길의 물 저장능력의 변화(예를 들어, 물이 가두어지거나 물길이 침식되는 경우, 또는 물길 안의 죽은 나무둥치 같은 방 해물을 제거하거나, 물길 직선화 사업을 하는 등)가 절정유량크기에 더 큰 영향을 미친다. 본류의 절정유량은 각 유역의 하천망의 수문특성에 따라 다양하게 나타난다. 예 를 들어 각 지류의 절정유량이 동시에 본류에 영향을 주면, 서로 다른 시기에 영향 을 주는 경우보다 본류의 절정유량이 더 커지게 된다([그림 1-1-4]). (나) 벌목과 강우 형태에 따른 변화 벌목된 지역의 유량은, 쌓인 눈 위에 비가 내릴 경우, 삼림지역의 유량보다 훨씬 많다고 한다. 왜냐하면, 삼림수관에 내린 눈은 녹기 쉬워 땅에 닿을 때는 녹은 상태

24 지속가능한 낙동강 생태계 이용과 보존을 위한 최적 교육 방안 가 되는 경우가 많은 데 반해, 삼림이 제거되면 훨씬 많은 눈이 쌓일 수 있기 때문 이다. 그러나 추운지방에서는 다르다. [그림 1-1-4] 지류의 수문적 동시성이 본류의 절정유량에 미치는 영향. 전체홍수유량이 같을지라도 지류의 홍수유량이 동시에 본류에 닿을 때는(오른편) 그렇지 않을 때보다(왼편) 본류에 더 큰 절정유 량을 형성한다. Naiman and Bilby, 1998 (다) 계절에 따라 벌목이 토양수분함량과 유량에 미치는 영향 삼림관리가 하천에 미치는 영향은 계절에 따라 다양하게 나타난다. 이는 계절에 따라 수문조건이 다양하기 때문이다. 북미 태평양 연안의 어느 지역에는 여름철에 비가 오지 않는 기간이 길다. 이런 경우, 식물의 성장기간 동안 토양수분 보충이 잘 안되기 때문에 벌목한 지역과 벌목하지 않은 지역간에 증발산 비율에 차이가 나고 따라서 토양수분 함유량에 큰 차이가 나게 된다. 즉 벌목한 지역이 증발산율이 더 낮아서 토양수분함량이 더 높아져 있다. 예를 들어 북 시에라네바다의 성숙한 소나무 숲에서는 각 나무가 나무둥치에서 12m이내에서 깊이 6m까지 토양수분을 고갈시킨다(Ziemer, 1968). 한 그루의 나무가 벌목지역에 비해 약 88m3의 수분을 더 증산하는 셈이 된다. 가을철 우기가 시작되면서 토양은 다시 수분으로 보충된다. 첫 폭우 때 하천의 절정유량의 크기는 벌목한 지역이 벌목하지 않은 지역에 비해 훨씬 크다. 오레곤주

25 의 H.J. Andrews 실험림의 96ha의 벌목지에서 조사한 결과에 따르면 첫 폭우 때 하천의 절정유량의 크기가 벌목 전의 추정 절정유량에 비해 % 더 커졌다고 한다(Rothacher, 1971). 또 북서 캘리포니아, 424ha의 Caspar 개울 유역의 85년생 Redwood(Sequoia sempervirens)와 Douglas-fir(Pseudotsuga menziesii)의 삼림에 서는 간벌과 트랙터주차장 조성 이후 가을 첫 폭우 때 절정유량이 300%나 늘었다 고 한다(Ziemer 1981). (라) 홍수크기에 따른 변화 지역규모에서 홍수크기는 유역의 크기, 강우량, 강우강도 등과 깊은 상관관계가 있다. 예를 들어, 매우 넓은 지역에 걸쳐 대규모의 강우 때문에 홍수가 난다면, 그 홍수의 크기는, 각 소유역의 비탈면 경사도, 배수구역 밀도, 삼림면적 비율 등과 같 은 요소들 보다는, 유역 전체면적에 더 직접 비례한다. (마) 수량 확보 건조한 여름기간이 긴, 미국 남서부(콜로라도의 Wagon Wheel Gap) 작은 계곡의 유역을 대상으로 조사한 결과에 따르면, 삼림을 제거하면 유량이 늘어나는데, 그 영 향의 크기가 침엽수림을 제거했을 때 가장 크고, 낙엽 활엽수림(hard woods)림이 그 다음이고, 관목덤불과 풀을 제거 헸을 때 가장 영향이 작았다고 한다. 게다가 비 가 많은 지역일수록, 또 비가 많은 해일수록 벌목 후의 영향이 커지는 경향이 있었 다고 한다. 1950년대 건조한 여름에 농작물을 재배하기 위해서 삼림을 제거하여 하 천 수량을 늘이고자 하는 계획을 세운 적이 있었으나, 지역적, 부분적 조사결과나 가정을 공통적으로 적용하기는 힘들다는 사실이 알려지고, 또 침식 증가, 경관 훼 손, 주거지역 파괴 등과 같은 사회적 환경문제가 제기되면서 이 계획을 실현하지 못한 적이 있었다. 넓은 지역의 벌목을 통해 더 많은 물을 확보한다는 것이 문제가 있다는 사실이 분명해진 것은 80년대 중반에 이르러서였다. (2) 토지이용에 따른 충격으로부터 회복 토지이용에 따른 충격으로부터 회복되는 과정은 시간과 장소에 따라 매우 다르 다. 특히 회복되는 데 걸리는 시간이 얼마나 될 것인가 하는 문제는 하천자원을 관 리하는 데 매우 중요한 요소가 된다. 토지이용에 의해 하천이 심하게 충격을 받은 이후 하천이 수문적으로 회복되 는 것은 식생이 제대로 형성될 수 있는가에 의해 좌우된다. 초원인 경우 회복속 도는 삼림보다 빠르다. 예를 들어 미국 북서부 태평양 연안지역 방목지 경우에 방 목을 중지한 지 몇 년 되지 않아 풀이 다시 자라기 시작하고, 다져졌던 토양이 다

26 지속가능한 낙동강 생태계 이용과 보존을 위한 최적 교육 방안 시 느슨해짐으로써(토양공극이 커짐으로써) 물이 토양 속으로 침투되는 속도가 커 지고, 지표면 흐름이 줄어들게 되었다고 한다. 이 태평양 연안지역에서 훼손된 관목 과 덤불이 재생됨으로써 훼손되기 이전과 같은 증발산율로 회복되는 데 걸리는 기 간은 약 5년 정도 된다고 한다. 그러나 삼림지역의 훼손된 삼림이 회복되어 이전과 같은 양의 눈이 쌓이고 또 눈 녹는 율도 같아지려면 수십 년이 걸린다고 한다. 유역 벌목 후 유량은 몇 년 가지 않아 벌목전의 상태로 회복된다. 그러나 유역의 물길형성에 영향을 미치는 유역의 물리적 조건은 벌목 후 수 십년에 걸쳐 계속 변 한다. 도로건설 때문에 물흐름이 달라졌을 경우에는 식생이 다시 형성된다고 해서 물흐름이 회복되지는 않는다. 도로건설 때문에 침식이 일어나기 때문이다. 그렇게 되지 않으려면 자연스런 물길을 다시 만들어야 한다. 도로는 지표층흐름을 차단한 다. 잘못된 도로관리는 지하도랑이 막히거나, 지표면 도랑이 이물질로 채워지거나, 물막이가 제 역할을 하지 못하게 하는 결과를 초래한다. 세월이 갈수록, 계획된 물 흐름량을 벗어난 수문적 사건들이 점점 더 많아진다. 하천을 따라 늘어선 큰 나무들을 제거하면 물흐름을 지체시키는 기능이 줄게 되 어 하류 쪽에 더 빠르고 더 큰 절정유량을 일으키게 된다. 뿐만 아니라 뿌리에 의 해 튼튼하게 유지되던 제방이 침식되어 버린다(Smith, 1976; Arcement and Schneider, 1989). 5. 하천의 이화학적 특성- 수질 수질은 대체로 물의 화학적 특성을 말한다. 이런 화학적 특성은 물속에 있는 생 물체의 종류, 양, 활성에 중요한 영향을 미친다. 가. 산 중화능력, ph, 경도(hardness) 산을 중화시키는 능력 또는 알칼리도(alkalinity)는 ph변화에 대한 완충력을 알고 자 하는 것이다. 하천의 이런 완충력은 중탄산이온(HCO - 3 ), 탄산이온(CO 2-3 ), 수산이 온(OH - ) 때문에 생긴다. 이들의 상대적 함량은 ph에 의해 좌우된다. ph가 8.3보다 낮을 때는 대부분 HCO - 3 로 구성되어 있고, 이보다 높을수록 CO 2-3 함량이 많아진다. 하천수의 경도(hardness)는 기본적으로 Ca 2+, Mg 2+ 과 같은 2가 금속양이온에 의해 정해지며, 이런 금속이온이 많이 포함된 물을 경수( 硬 水, hard water)라고 부르기도 한다. 이 이온들은 흔히 HCO - 3 와 CO 2-3 와 결합한다. 알칼리도가 1meq/L(50mg/L, CaCO 3 )보다 낮으면 연수( 軟 水, soft water)에 해당되는 것으로 보고 있다. 화강암은 물의 침식작용에 강하기 때문에 이런 지대를 통과하는 물은 연수인 경우가 많으며 침식작용에 약한 퇴적암지대를 통과하는 물은 경수가 되는 경우가 많다. 상류에서 하류로 갈수록, 물과 하천바닥이 접촉하는 시간이 길어지기 때문에 ph

27 에 대한 완충력, ph, 경도가 높아진다. 또 산성비에 의해서도 침식(용해)작용이 증 가할 수 있다. 도시화된 유역을 지나는 하천은 산을 완충시키는 능력이 커진다. 왜냐하면 많은 면적이 콘크리트로 구성되어 있어서 빗물에 의해 많은 Ca 2+ 이 녹아 하천으로 흘러 들 뿐만 아니라, 때로는 빗물자체가 인간 활동에 의해 방출되는 NO - 3 와 SO 2-4 로 산 성화 되어 Ca 2+ 의 용출을 촉진하기 때문이다. 산완충능력과 경도에 대한 수질적인 기준을 정하기가 어렵다. 왜냐하면 이들 요 소가 어류나 수중무척추동물에 직적적인 영향을 준다는 보고가 별로 없기 때문이 다. 그러나 ph 변화는 수중동물에 직접 영향을 준다. 생태적으로 적절한 ph 범위는 6-9정도이다. 화강암지대의 산간계류는 연수로서 산완충능력이 약하다. 자연 상태일 지라도 부식산(humic acids)과 매우 낮아진 철분(Fe) 농도 때문에 ph 4.3 정도까지 내려가기도 한다. 이런 경우 산(acid)은 하천수의 산 완충능력을 떨어뜨린다. 수중식물(특히 부착조류, periphyton; 영양염이 보충되면 생산력이 매우 높아진다) 의 광합성은 ph를 높인다. 이 경우에는 산 완충능력이 제거되지는 않는다. 이들 부 착조류는 낮 동안 CO 2 를 소비한다(소비된 CO 2 만큼 HCO - 3 와 OH - 로 대체된다. 물의 ph가 9 이상까지 오르기도 하여 수중동물에 영향을 미치는 것으로 보인다.). 밤에 는 CO 2 가 더 이상 소비되지 않기 때문에 이 완충계가 다시 평형상태가 되고 ph는 다시 내려간다(Welch 1992). [표 1-1-1] 강과 하천의 영양염류 농도 영양소 농 도(mg/l) 범 위 큰 강 Nitrate(NO₃) Ammonia(NH₄) Silica(SiO₂) Soluble phosphate(po₄) Sulfate(SO₄) 하 천 Nitrate(NO₃) Ammonia(NH₄) Silica(SiO₂) Soluble phosphate(po₄) Sulfate(SO₄) (자료: Limnology, 1994, A.J. Horne & C.R. Goldman. P369.)

28 지속가능한 낙동강 생태계 이용과 보존을 위한 최적 교육 방안 나. 양이온, 음이온, 전도도( 傳 導 度, conductivity) 전도도는 용액의 전기흐름 능력을 말한다. 전도도는 용액 속에 포함된 이온의 수 와 형태에 의해 좌우된다. 양이온과 음이온을 일일이 측정하는 것보다 전도도를 측 정하는 게 훨씬 빠르고 쉽기 때문에 수질의 변화를 감시하기 위해 이를 많이 이용 한다. 미국 태평양 연안의 하천의 주요 양이온과 음이온은 Ca 2+, Mg 2+, Na +, HCO - 3, Cl -, SO 2-4 이다. 이들의 총량을 간접적으로 전도도로서 표현하기도 하며(이온량이 많 을수록 전도도가 높다), 용질 총량(Total Dissolved Solids, TDS)으로 나타내기도 한다. 사람의 활동 때문에 질소(NO - 3, NH + 4 )와 인(PO 3-4 )이 하천에 유입되면 전도도 값 도 올라간다. 유역에서 도시면적이 늘어날수록 하천의 평상시 흐름 때의 전도도가 높이지는 경향이 있다. 산의 높이와 하천바닥 암석특성에 따른 전도도의 변화 경향성은 산 완충능력, 경 도, ph의 변화 경향성과 서로 비슷하게 나타난다. 미국 서부 태평양 연안(워싱턴주) 의 화강암지대의 소폭포형 계류들이 해양퇴적암지대인 올림픽 산의 계류들보다 이 온함량과 평균전도도가 훨씬 낮다. 이들 연안 화강암지대 계류와 산지 퇴적암지대 계류의 평균 이온 함량은 각각 0.17meq/L, 1.10meq/L이었으며, 평균 전도도는 각각 9μmhos/cm, 57μmhos/cm이었다고 한다(Welch et al. 1986). 용질 총량(TDS)은 전도도를 나타내는 성분과 더불어 물에 녹아있는 비전해질(규 산-silicic acid, 유기물질 등)도 포함한다. 강우량이 많고 물에 잘 녹지 않는 암석지 대의 하천 물의 용질 총량이 25mg/L 정도라면 염분이 약간 포함된 하천 물은 1,000-3,000mg/L 정도 된다. 다. 영양염류 C, N, P, S, Ca, Mg, K, Fe, Mn, Na 등은 생물체의 성장에 필수 성분이다. 이들 의 이온상태(예를 들어 NO - 3, Ca 2+, Mg 2+ 등)는 전도도를 높여준다. 질소(N)와 인(P)은 흔히 하천이나 호수의 식물의 생산성을 높인다. 북미 태평양 연안지역의 하천이나 호수는 질소보다는 인이 부족한 경우가 많다. N:P 값(질량비) 은 20:1이 넘는다. 대체로 높은 지대 상류 하천의 산중화능력, 경도, 총이온량은 낮 은 지대 하류 하천보다 낮으며, 질소와 인의 농도도 역시 마찬가지다. 이 지역 하천 들의 질소(용존 무기N)의 농도를 조사한 결과에 의하면 상류와 하류 하천들이 각각 mg/L, mg/L의 값을 보인 반면 인(총 P)은 각각 mg/L, mg/L의 값을 보이고 있다. 질소와 인의 비율은 상류 하천이 20:1정도이며 하류 하천은 10:1정도이다. 한편 탈질작용을 통해 기체상태로 방출되 는 기작이 수중 질소 함량을 줄이는 주요 과정인 것으로 알려지고 있다. 하류의 도시와 농촌은 하천의 부영양화의 원인이 된다. 그러나 강변식생은 물속

29 의 영양염의 농도를 줄여준다. 미국 남동부지역 유역경작지의 30%가 강변 숲인 지역에서 상류 쪽 유역에서 유입된 Ca 2+ 과 Mg 2+ 이 이 강변식생을 통과하면서 각 각 39%, 23% 줄었으며, N와 P은 각각 68%, 30% 줄었다고 한다(Lowrance et al. 1984). 라. 온도 수중생물에 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중의 하나가 온도이다. 하천물의 온도변화에 영향을 주는 요인으로서는 강변식생, 지하수와 물길지표층수간의 상호작용, 지류 유입, 수층 깊이, 기온 등이다. 특히 벌목사업, 도시와 경작지 조성을 위한 식생 제거사업 등 때문에 빚어지는 강변식생 제거는 하천-강변숲 계(stream-riparian system)를 크게 교란시키기도 한다. 강변 숲 영역에 형성된 숲은 하천-강변 숲 생태계의 미기후를 조절한다. 이를 제 거하면 하천수면에 도달하는 일사량이 늘어난다. 일정한 햇빛을 비출 경우 하천물 의 온도가 올라가는 것은 하천물 표면적에 비례하고, 유량(discharge)에 반비례한다. 내나 시내처럼 작은 하천인 경우에 내려 쪼이는 햇빛이 늘어나면 여름철 최고 수 온이 더 높아지고, 일교차도 더 커진다. 큰 하천처럼 또는 작은 하천 하류처럼 하천 폭이 넓은 경우에는 강변 숲은 물길의 가장자리만 그늘지게 할 것이다. 그러나 이 런 가장자리는 수중생물들에게 매우 중요한 피난처가 된다(Sullivan et al. 1990) 강변 숲이 안정된 미기후적 환경을 유지하기 위한 완충역할을 하려면 최소한 숲의 폭이 30m정도는 되어야 한다고 하는 사람도 있고 46m는 되어야 한다고 주장하는 사람도 있다(Brosofske et al. 1997). 마. 생화학적 산소요구량과 용존산소 생화학적 산소요구량(Biochemical Oxygen Demand, BOD)은 수중의 미생물이 이 용할 수 있는 유기물양을 간접적으로 나타낸 것이다. BOD는 빛이 없는 배양기에 시료(측정하고자 하는 하천물)를 20C에 5일간 둔 후 그 동안 미생물에 의해 소비된 산소량(Dissolved Oxygen, DO)을 측정하면 된다. 즉 배양 전의 시료의 DO와 배양 후의 시료의 DO를 측정하여 그 차이 값을 산출하면 된다. 수온이 높을수록 포화DO는 낮아진다. 흔히 DO값을 포화도(%)로 표현하기도 한 다. 이는 100 현재DO/포화DO로 산출한다. 오염되지 않은 자연하천의 DO는 보통 10-20mgO 2 /L이다. 그러나 오염된 하천은 1-2mgO 2 /L이다. 하천에 유기물이 유입되어도 DO가 낮아지지만 개발사업으로 인해 미세토양입자가 하천 바닥에 유입되어 바닥 공극을 메꿈으로써 물길지표층 흐름을 방해해도 DO가 낮아진다. DO농도는 하천의 물리적, 화학적, 생물적 조건에 따라 변화가 크다. 광합성이 많

30 지속가능한 낙동강 생태계 이용과 보존을 위한 최적 교육 방안 이 일어나는 하천구간에서는 낮에 DO가 과포화상태에 이르기도 하지만 밤이 되면 호흡으로 인해 DO가 많이 낮아진다. 폭기(turbulation)가 많이 일어나는 소폭포형 구간이나 여울은 DO가 매우 높다. 물속에 유기물이 많고, 유속이 느리고, 수온이 높은 하천구간의 DO는 낮다. 산소가 결핍된 지하수가 용출되는 하천바닥에 부분적 으로 무산소공간(pocket of low DO)이 형성될 수도 있다. 폭기가 되면서 광합성도 적은, 수변이 숲인 작은 하천은 대체로 용존산소는 포화 상태가 되어 있다. 유역의 도시화와 경작지화는 강변 숲을 제거하고, 오폐수를 유입시키고, 유량변화 를 일으킴으로써 수온을 상승시키고, DO를 낮추는 결과를 가져온다. 도시화, 경작, 벌목 등과 같은 인간활동은 강변 숲을 제거하고 오염물 유입량을 늘이고 홍수때 절정유량을 늘임으로써 하천수온, 용존산소(DO) 뿐만 아니라 자연조 건에 의존하는 생물들에게도 좋지 않다. 용존산소가 낮으면 어류나 무척추동물의 서식처 안정성을 크게 떨어뜨리고, 어류의 종구성이 달라진다. 더 높아진 여름철 수 온은 용존산소 농도를 떨어뜨리고 어린 어류(치어)의 치사율을 높인다. 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD)은 강한 산화제(예, K 2 Cr 2 O 7, 중크롬산 칼륨)를 써서 물속의 유기물량을 잰다. 유기물이 많을수록 산화제가 많이 소모된다. BOD는 미생물에 의해 분해될 수 있는 유기물만을 대상으로 하기 때문 에, 흔히 공장에서 배출되는 난분해성 유기물은 측정되지 않는다. 따라서 실제 물속 유기물량을 알고자 하는 경우에는 COD를 측정할 것을 권장한다. 바. 중금속 매립지, 광산, 도시지역 등이 아닌 자연지역에서는 이런 중금속 농도는 보통 검출 되지 않거나 매우 낮다. 특별한 경우를 제외하고는 지형의 높낮이(고도)나 바닥암석 은 중금속농도에 별다른 영향을 주지 않는다. 그러나 ph가 낮거나, 대기 중으로부 터 유입되는 침전물 등으로 인해 하류보다 상류의 중금속 농도가 높은 경우가 있 다. 자연하천에서는 구리(Cu, 납(Pb), 아연(Zn)과 같은 일반적인 유독 중금속의 농 도는 낮다. 수은(Hg), 카드뮴(Cd), 니켈(Ni) 등과 같은 유독 중금속은 흔히 산업지 역의 폐수에서 비롯된다. 알루미늄(Al)은 산업폐수 뿐만 아니라 산성비와도 관련된 다. 중금속 농도가 생물에 미치는 영향을 평가할 때는 이온상태의 중금속을 측 정한다. 때로는 녹아있는 중금속을 측정하기도 하나 이런 경우 생물에 대체로 별다 른 영향을 주지 않는, 유기물-중금속 복합체가 포함된다. 그러나 생물체에 미치는 영향력은 큰분자 복합물보다 작은 분자 복합물이 더 크다. 중금속의 독성 효과는 경도(hardness, 주로 Ca 2+, Mg 2+ 에 의함)에 따라 달라 지기도 한다. 즉 중금속이 아가미 표면에 결합할 때 Ca 2+ 이나 Mg 2+ 와 서로 경 쟁하기 때문에 독성효과가 줄어들기도 한다. 독성효과는 몇 가지 중금속간에 상승작용(synergism)을 일으키거나 다른 수질

31 요소와 상승작용을 일으키기도 한다. 예를 들면 용존산소가 낮고, 수온이 높고, ph 가 낮다면 각 중금속의 허용 한계치보다 더 낮은 농도에서도 독성이 나타난다. [표 1-1-2] 식수의 중금속 허용 기준치 (단위: mg/l) 구 분 W H O 한 국 미 국 일 본 수은 불검출 불검출 구리 철 아연 납 크롬 불소 칼슘 마그네슘 알루미늄 페놀 카드뮴 경도(Hardness) (자료: 낙동강생태보고서, 1996, 자연생태연구소) 사. 부유입자 부유입자(suspended solids; 물속에 떠 있는, 토양이나 유기물의 알갱이를 포함한 모든 알갱이들)는 탁도( 濁 度, turbidity)로 나타내기도 하고, 부유총량(total suspended solids)으로 나타내기도 한다. 탁도는 물속 부유물 입자에 빛이 반사되는 양을 측정하는 것으로서 입자가 많을수록 반사되는 빛도 많아진다. 부유총량을 측 정하기보다 더 빠르고 쉽기 때문에 주로 이 방법을 많이 택한다. 하천물길의 지형학적인 특징이 부유입자 수송과 저장에 큰 영향을 미친다. 하천 의 기울기, 하천 구조, 제방식생, 지질 등이 중요 결정요소가 된다. 바닥 암석, 토양, 강우형태, 지형 등에서 볼 때 침식되기 좋은 조건을 갖춘 유역에서는 보통 미세 침 전물(fine sediments; 시간이 지나면서 가라앉게 될, 물속에 떠 있는 작은 알갱이를 일컬음)이 많다. 미세 침전물은 도로건설, 벌목, 도시개발, 경작, 방목 등과 같은 토 지이용이 심한 곳에 많이 형성된다. 경사도 9%가 넘는 유역에서는 연간 평균 부유 총량과 개발 정도 사이에 강한 상관관계를 나타낸다고 한다(Byron and Goldman, 1989). 부유총량이 많아지면 하천생물에게 치명적인 영향을 준다. 연어의 경우에 회 유( 回 游, 물고기가 알을 낳거나 먹이를 찾기 위해 계절에 따라 떼지어 이동하는

32 지속가능한 낙동강 생태계 이용과 보존을 위한 최적 교육 방안 현상)가 달라지고, 먹이행위와 성장이 줄어들며, 치사율이 높아진다고 한다(부유 입자 농도가 수 백mg/L에서 반이 죽고, 1000mg/L 이상에서는 거의 다 죽는다 고 한다). 이 미세 침전물이 바닥에 퇴적되면 어류 알의 생존율이 줄어들 뿐만 아니라 수중무척추동물의 생물량과 종다양성도 줄어든다(Chapman, 1988). 침전물 문제는 침식과 물흐름의 통제를 통해 해결될 수 있을 것이다. 대부분의 경우, 강변 숲(강변 완충띠, forested buffer strips)을 보전함으로써 침전문제로 인한 수질오염을 어느 정도 억제할 수 있다. 침전물의 침전이나 탁도와 관련된 수질문제 중의 하나가 침전물 토양입자의 오염 이다. 특히 하천물 속에 중금속, 유기물, 유독화합물 등이 포함된 도시환경일 경우 에 그렇다. 제초제, 화학비료, 살충제, 살균제 등이 사용되는 농촌이나 골프장으로부 터 물이 유입되는 하천의 경우도 마찬가지다. 물에 녹은 오염물들은 침전물토양입 자에 흡착된다. 이런 오염물들은 토양입자로부터 쉽게 떨어지거나 분해되지 않고 축적되어가는 경향이 있다. 대부분의 수중생물들은 생활사 중 일정기간을 바닥에서 보내기 때문에 오염된 침전물에 피해를 입기 쉽다. 아. 수질과 담수조류 호수나 저수지와 같이 정체된 물에 번성하는 담수조류(algae)는 주로 플랑크톤 (plankton)이다. 이와는 달리 하천에는 부착조류(periphyton)가 바위나 기타 기반의 표면에 부착하여 번성한다. 이 부착조류는 하천물에 영양염이 많아지면(부영양화) 곧바로 번성하여 수질이나 무척추동물의 서식처에 좋지 않은 영향을 미친다. 이들 은 하천의 유량이 적을 때 흔히 번성하다가 유량이 늘어나 씻겨 내려가거나 수중 무척추동물들에게 뜯어 먹힘으로써 줄어들기도 한다. 수중 무척추동물은 부착조류 의 생물량을 조절하는 주요 요인이다. 질소나 인이 많아지면서 흔히 성가실 정도로 번성하는 실모양 녹조류는 Cladophora, Stigeoclonium, Ulothrix, Spirogyra 등이다. 또 실모양 남조류는 Phormidium이 알려져 있다. 또 규조류는 Navicula, Gomphonema, diatoma, Cymbella, Cocconeis, Synedra 등이 있다. 이들이 성가실 정도로 번성할 때의 클 로로필a(chlorophyll a)의 농도는 보통 mg/m2이상이 된다. 이런 부착조류가 크게 번성함으로써 발생하는 좋지 않은 영향은 다음과 같다. 이들의 분해와 호흡으로 인한 산소 고갈 왕성한 광합성으로 인해 ph가 매우 높아짐 좋지 않은 맛과 냄새 물흐름 방해 취수장의 유입구의 장치 막힘 바닥 자갈층이나 모래층 내의 물흐름과 산소공급 방해 저서(바닥에 사는) 무척추동물 서식지 훼손

33 제 2 절 하천의 생물들 1. 물리적, 생물적 특성을 바탕으로 한 하천분류 하천은 발원지부터 시작하여 바다에 이르기까지 그 지형적인 특성이나 생태적인 특성이, 공간 면에서 지극히 다양할 뿐만 아니라, 교란에 대한 반응과정에 비추어 볼 때 시간 면에서도 그 특성이 지극히 다양하다. 하천분류 체계는 지질과 기후, 하천 서식처 특성과 생물상을 서로 연계하여 위계 적 등급을 정한 것을 바탕으로 이루어져 있어야 이상적이다. 최근에 개념이 형성된, 각 하천의 분류단위는 체계 특성에 대한 근본 제어 (ultimate controls)와 근접 제어(proximate controls)의 총체(integrated collection)인 것으로 보고 있다. 근본제어는 넓은 면적에 걸쳐 긴 기간동안 작용하 는 한 무리의 지질적 요소들을 말한다. 이 제어에는 구역의 지질이나 기후와 같은 물리적 특성과, 동물지리와 같은 생물적 특성이 포함된다. 근접제어는 비교적 짧은 기간에 걸쳐 하천특성이 변할 수 있는, 좁은 면적에서 작용하는 중요한 지형적, 생 물적 과정을 의미한다. 근본제어와 근접제어의 요지를 [그림 1-2-1]에 나타내었다(Frissell et al. 1986). 교란에 대한 서식처 민감도와 회복에 걸리는 시간에 대해 연속성을 구축하기 위해 위계적 하천분류설(hierarchical classification theory)의 아이디어를 이용하였다. 이 개념에 따르면 미소 서식처는 하천의 교란에 대해 가장 민감하지만 큰 집수역 규모 (50-500km2)에서는 덜 민감하다. 또 작은 규모의 서식처 특성에 영향을 주는 개개의 사건들은 더 큰 규모의 계에 별다른 영향을 미치지 않지만(그러나 총체적으로는 영 향을 미칠 수 있다) 더 큰 규모의 교란은 더 작은 규모의 계의 특성에 직접 영향을 미친다. [그림 1-2-1] 하천 계의 서로 다른 공간적 규모에서 교란에 대한 서식처 민감도와 회복시간과의 관계. Modified from Naiman and Bilby,

34 지속가능한 낙동강 생태계 이용과 보존을 위한 최적 교육 방안 가. 물리적 유역 특성 분류 (1) 단일규모 분류(single-scale classification) 차수 개념(stream order concept, Horton 1945, Strahler 1957): 발원지에서부터 시작하는 물줄기들이 1차 하천이 되고, 이 하천들이 합류하여 형성된 물줄기는 2차 하천이 된다. 2차 하천들이 합류하여 형성된 물줄기는 3차 하천이 된다. 이런 식으 로 각 차수의 하천들이 합류하여 다음 차수의 하천이 형성된다. 대체로 상류역의 물줄기는 1-3차수의 하천에 해당된다. (2) 위계적 분류(hierarchical classification) 최근 북미의 하천분류체계는, 큰 지역규모(ecoregions)에서부터 작은 미소 서식처 규모까지 연계한, 위계적 시각(hierarchical perspective)에 바탕을 두고 있다. 이 분 류체계는 매우 유용한 방법이라고 할 수 있다. 왜냐하면 하천에서 일어나는 과정들 이, 매우 작은 규모에서부터 16차수 규모의 하천에 이르기까지 시간 면에서나 공간 면 에서 지극히 폭넓게 일어나기 때문이다. 이 분류체계가 Warren(1979)에 의해 처음 개발되었을 때는, 지역규모(100km2이상) 에서부터 미소 서식처규모(1m2 미만)까지 11등급으로 구분하였고, 주로 4가지 변화 요인, 즉 기질, 기후, 물의 화학적 특성, 생물적 특성을 다루었다. 그 후 Frissell et al.(1986)이 이 체계를 보완하여 각 위계 규모 내에서의 하천의 발달 기원과 과정뿐만 아니라 하천의 형태와 형식까지 다루도록 했다(그림 1-2-2). [그림 1-2-2] 하천 계(stream system)의 위계적 구조와 서식처 아계 (habitat subsystems). 위계별 직선 공간규모와 시간 규모도 같이 나타내었다. modified from Naiman and Bilby,

35 나. 물리적 특성과 생물적 특성을 엮은 하천분류 생물군락은 서로 다른 공간과 시간 규모에 걸쳐 표현되는 생태적 조건의 총체로 간주되고 있고, 따라서 환경의 건강성을 나타내는 예민한 지표가 될 수 있다. 대부 분 이와 관련된 분류체계는 어류나 무척추동물 무리를 기초로 하고 있으나 강변식 생과 수중식물을 기초로 하는 경우도 있다. 하천관리를 하는데 생물계가 바탕이 된 하천분류체계를 이용하는 것은 어려움이 있다. 왜냐하면 생물군락 특성을 파악하고 감시하는 일이 매우 힘들기 때문이다. 그 러나 지역의 생태적 총체로서의 생물군락이 가지는 의미가 매우 크기 때문에 이러 한 방식이 여전히 중요한 것으로 생각되고 있다. (1) 척추동물군락 분류 어류는 수중 먹이사슬의 최고위층을 차지하고 있고, 이는 전체 환경조건의 총체 적인 결과인 것으로 간주되고 있기 때문에 많은 사람들이 어류가 하천의 일반적인 생태조건을 가장 잘 반영하는 것으로 생각하고 있다. 대체로 생물적 특성과 물리적 특성을 결합한 하천분류 방식은 일반성에 대한 정 밀도가 떨어진다. 또 이 방식에서는 어류개체군들이 같은 종 내에서의 경쟁과 종 간 경쟁, 외적 요소(예를 들면 고기잡이나 질병과 같은), 또는 자연적 교란 등에 의 해서라기보다 서식처에 의해서 제한을 받는 것으로 간주한다. 비록 환경변화에 민 감한 어종을 사용함으로써 하천 서식처 모델을 작성하는 데 그 중요성이 인정되고 있으나, 각 종은 흔히 물리적 서식처 조건과 상관없이 생산성에 큰 연간 변이를 나 타낸다. 전체 어류 군락은 서식처 조건에 대한 훨씬 더 정확한 지표가 될 수 있다. 특 히 군락지수가 어떤 기간에 걸쳐 개체군지수 보다 더 안정되어 있다면, 또 서식처 특성을 예측하거나 서식처 변화를 예측하는 것과 관련되어 있다면 더욱 그렇다. 계절적인 유량변화 양식이 예측되는 하천인 경우에는 동물군락은 지속될 수 있을 뿐만 아니라 탄력적 안정성을 가진다(resilient stability). 그러나 유량의 변화가 크 고 예측하기 어려운 하천인 경우에는 동물군락은 시간에 따른 군락구조의 변화가 극심하고, 알을 낳기 위해 강을 거슬러 올라가는 회유성 어류가 많은 하천인 경우 에는 특히 더 그렇다. 경쟁과 포식이 중요한 요소가 되는 계곡구역 규모 차원의 하천에서는 물리화학적 조건의 불안정한 변동이 경쟁과 포식-피식 관계의 강도와 방향성을 바꿀 수 있다. 배수구역(지질, 기후 등), 물길(기질, 폭에 대한 깊이 비율 등), 서식처(깊이, 유속, 큰 유기물 조각 등) 등의 물리화학적 특성이 어류의 생활사, 개체군 동태, 군락의 구조와 기능에 영향을 주는 일차적 물리적 결정요소가 된다

36 지속가능한 낙동강 생태계 이용과 보존을 위한 최적 교육 방안 (2) 무척추동물군락 분류 저서 무척추동물의 군락구조에 바탕을 둔 분류체계 역시 하천분류의 중요한 도구 가 된다. 하천의 물리화학적 특성과 대형무척추동물의 분포를 관련시킨, 생물적 하 천분류의 중요성이 인정되고 있다. 대형 무척추동물은 다양한 생활사 전략을 나타 내기 때문에 지역규모나 큰 규모의 하천 교란뿐만 아니라 장단기간의 하천 변화에 대한 좋은 지표가 될 수 있다. 그러나 어류분류를 이용하는 데 따른 제한요인들이 역시 무척추동물을 이용하는 분류체계에도 제한요인이 된다. (3) 식물 분류 강변식생(riparian forest)의 특성을 바탕으로 다양한 하천분류체계가 개발되고 있 다(Harris 1988, Swanson et al. 1988, Baker 1989). 강변식생은 육상계와 수계 간의 경계구역이기 때문에 이를 바탕으로 한 하천분류체계는 하천관리에 매우 중요하게 활용될 것이다. 강변식생영역의 근본적인 분류 단위는 그 식생의 군락형태다. 강변 숲의 하층식 생(초본층, 관목층)은 변화율(회전율, turnover rate)이 높기 때문에 현재의 토 양이나 수문적 조건을 알려주는 좋은 지표가 된다. 반면 상층부 식생(교목 또는 아교목층)은 좀 더 긴 기간에 걸친 변화결과의 총체라고 할 수 있다. 수중식물군락의 분포를 바탕으로 하천을 분류하는 것은 1970년대에 영국에서 시 도되기 시작했다. 이 분류 체계는, 수중식물이 장단기간의 환경조건을 총체적으로 나타내고 있을 뿐만 아니라, 어류나 수중 무척추동물에게 먹이나 피난처를 제공하 는 등 수중생태계에서 중요한 역할을 하고 있다는 사실에 근거하고 있다. 강의 길 이에 따라 물리적 특성의 변화가 크지 않은 영국에서는 이 분류체계가 성공적인 것 으로 받아들여지고 있다. 2. 미생물과 유기물 분해 하천의 종속영양생물체인 미생물(균류, 박테리아, 원생동물)은 하천의 유기물을 분 해하여 탄소원과 에너지원을 얻는다. 하천에 있는 유기물의 많은 부분은 하천외 유 입유기물(allochthonous)이며, 유기물잔재(detritus, 분해과정에 있는 유기물과 이와 관련된 미생물과의 혼합체)로서 하천으로 유입된 것이다. 또 하천 물속에서 담수조류(algae)나 수중식물(macrophyte)에 의해 생산된 하천 내 생산유기물(autochthonous)이 하천 내 유기물량의 많은 부분을 차지한다. 이 유기물이 직접 소비되지 않는다면 유기물잔재가 된다. 유기물은 흔히 입자가 큰 것( 1mm 이상, Coarse Particulate Organic Matter,

37 CPOM), 미세한 것(0.5μm-1mm, Fine Particulate Organic Matter, FPOM), 녹아 있 는 것(0.5μm 미만,Dissolved Organic Matter, DOM))으로 구분한다. 분해자 즉 종속영양생물인 박테리아나 균류(팡이류) 등은 유기물을 이용하는 핵 심 생물체다. 이런 미생물은 이 유기물을 소비하여 활동하고 또 미생물 자신의 몸 을 구성하는 데 사용한다. 이들 미생물체와 유기물의 복합체(detritus)는 유기물 잔재 소비자(detritivores, 무척추동물과 척추동물)의 먹이원으로 사용된다([그림 1-2-3]). 이 먹이망(먹이그물)은 두개의 주요 경로를 나타낸다. 하나는 외부로부터 유입된 나뭇잎 조각과 같은 큰입자 유기물(CPOM)이 균류(팡이류)에 의해 분해되거나 shredders(조각내어 먹는 무리)에 의해 소비되어 이산화탄소, 용존유기물(DOM), 미 세입자 유기물(FPOM)로 전환되는 경로다. 또 하나는 용존유기물이 주로 박테리아 에 의해 분해되는 경로로서 이들 박테리아는 원생동물, meiofauna(예-닻벌레류 copepods, 회충류 nematodes 등), filtering collectors(여과수집하는 무리, 예-먹파리 blackflies 등)에 먹히고, 이어 더 높은 영양단계 소비자에게 먹히게 된다. 이 경로를 미생물 루프(microbial loop)라 한다. [그림 1-2-3] 강변 숲이 형성된 계류의 유기물잔재 먹이그물 Naiman and Bilby, 1998 가. 종속영양 미생물 (1) 균류(팡이류) 하천생태계에서 균류는 분해자, 동식물의 기생자, 병원체 등으로서 그 역할이 다 양하다

38 지속가능한 낙동강 생태계 이용과 보존을 위한 최적 교육 방안 강변으로부터 나뭇잎조각이 떨어져 들어오면 하천균류가 재빠르게 이 나뭇잎에 군체(집단)를 형성한다. 이 균류는 수중 hyphomycetes(ingoldian fungi라고도 함)로 알려져 있는 무리에 속하는데 주로 고등균류의(주로 Ascomycota로 이루어져 있으 며 Basidiomycota도 섞여 있음) 무성형(asexual forms)으로 이루어져 있다. 수중 hyphomycetes는 낙엽이 많은 가을철 기후에 맞게 낮은 온도에 잘 자란다(최적온도 는 15-20C이지만 1C에도 성장할 수 있다). 이들은 여러 종류의 세포외 효소 (extracellular enzymes)를 합성할 수 있어서 식물체의 주요 성분인 다당체 (polysaccharides), 셀룰로즈, 펙틴, 크실란(xylan) 등을 쉽게 분해하여 탄소와 에너 지를 얻을 수 있다. (2) 박테리아 하천의 박테리아는 물속이나 침전물, 암석표면, 유기잔재물 등 모든 곳에서 찾아 볼 수 있다. 박테리아는 유기물과 복합체를 형성한 채 이들 표면에 부착하여 소위 미생물막(biofilm)을 형성한다. 침전물, 암석, 각종 잔재물의 표면이 빛에 노출되 면 담수조류와 같은 독립영양체와 박테리아, 원생동물과 같은 종속영양체들이 혼합 된 미생물막을 형성한다. (3) 원생동물(protozoa) 편모나 섬모를 가진 원생동물은 바위나 나뭇잎의 표면보다 침전물에 더 많이 분 포한다. 이들은 박테리아로부터 높은 영양단계의 소비자에게 에너지를 전달하는 역 할을 담당하는 것으로 알려져 있다(미생물 루프에서). 나. 식물잔재(plant litter) 분해 하천에서 식물잔재 분해는 세 가지 양상을 띤다. 즉 용탈(leaching), 미생물 군체 화(microbial colonization- 식물잔재를 무기질로 분해), 조각화(fragmentation- 물리 적 작용이나 대형무척추동물에 의해서)이다. 이들 세 작용은 함께 일어나지만 시간 이 지나면서 분해에 대한 기여도는 달라진다([그림 1-2-4]). 이 분해과정에서 용탈, 무기질화, 조각화의 기여도는 잎의 종류나 환경조건에 따 라 달라진다. 마른 잎이 하천에 들어갔을 경우에 대체로 처음 며칠 동안은 용탈에 의해 무게가 줄어드는데, 그 규모가 처음 마른 무게의 10-30% 정도 된다. 마르지 않은 잎은 용탈속도가 훨씬 더 느리다. 미생물 군체화(colonization)는 먹이질 높이기(conditioning)라는 의미로 쓰이기 도 한다. 왜냐하면 나뭇잎 조각에 미생물이 성장하거나 이를 분해시키는 것 자체가 하천 유기물잔재소비자(detritivores)의 먹이감으로서의 유기물잔재의 질을 높이는

39 일이기 때문이다. 낙엽은 대체로 질소(N)와 인(P)의 함량이 낮다. 따라서 C:N 비와 C:P 비가 높다. 그러나 분해과정이 이루어지는 동안 낙엽잔재의 질소와 인의 농도나 절대함량이 높 아진다. 이 과정을 영양염 농축과정(immobilization)이라 한다. 질소 농축과정의 기작을 두 가지로 설명하고 있다. 하나는 미생물체 내에 질소가 축적되는 것이고, 또 하나는 유기물(일부분이 분해된)과 미생물군체의 복합체 (complexes) 내에 질소가 축적되는 것이다(Melillo et al. 1984). [그림 1-2-4] 하천 내에서의 나뭇잎 조각의 분해과정. Naiman and Bilby, 1998 균류와 박테리아의 활성 차이 하천에서 나뭇잎이 분해될 때 균류의 성장이나 활동력이 박테리아 보다 훨씬 높 은 것으로 관찰된다. 또 균류는 비교적 빠른 시기에 생체량 절정기에 이르는 데 반 해 박테리아는 분해과정 동안 생체량이 적은 수준에서 지속적으로 증가하거나 일정 한 수준을 유지한다(Weyers and Suberkropp 1966) 균류-식물잔재소비자(shredder) 상호작용 썰어먹는 무리(shredders, 나뭇잎을 썰거나 조각내어 먹는 무리, 예- 가재류, 강도 래류)와 균류와의 상호작용은 매우 역동적이고, 수많은 포식-피식 관계보다 훨씬 더 복잡하다. 왜냐하면 균류가 자라는 나뭇잎은 썰어먹는 무리에 의해 먹이감으로 이용되기 때문이다. 나뭇잎에 균류가 군체로 성장하는 것은 이 나뭇잎 조각이 먹이 로서의 질과 맛이 달라진다는 것을 뜻한다. 같은 나뭇잎에 서로 다른 균류가 군체 를 이루고 있으면 썰어먹는 무리는 좋아하는 균류가 있는 부분을 골라 먹어치운다

40 지속가능한 낙동강 생태계 이용과 보존을 위한 최적 교육 방안 균류마다 분비하는 물질이 달라 어떤 것은 이들 무척추동물에게 먹이 자극이 되기 도 하지만 또 어떤 것은 싫어하게 하기도 한다. [그림 1-2-5] 계류의 위치(고도)에 따라 계류 속의 미생물 과 shredders(부숴먹는, 썰어먹는 무리)가 나뭇잎 분해에 어느 정도 기여하는가를 나타낸 모식도. Irons et al 식물잔재(leaf litter) 분해에 영향을 주는 요소 나뭇잎 종류에 따라 분해속도가 다르다. 잎에 질소가 많이 포함되면 분해속도도 빨라지고, 섬유질, 특히 리그닌 농도가 높으면 분해속도가 늦어진다. 또 탄닌, 왁스, 쿠틴, 기타 분해속도를 저해하는 화학물질이 있으면 역시 분해속도가 늦어진다. 하천 물속에 질소나 인과 같은 영양염의 농도가 높으면 분해속도가 촉진된다. 유 기물잔재소비자(shredders)가 어느 정도 분포 하는가 또는 온도가 어느 정도 되는가 하는 것 등도 분해속도에 영향을 주는 요소다. 다. 용존 유기물(DOM) 대체로 용존 유기물은 부식(humic) 물질과 비부식(nonhmic)물질로 구분한다. 비 부식 물질은 대체로 분해되기 쉽고, 주로 탄수화물, 유기산, 단백질, 펩티드와 같은 물질로부터 비롯된 유기분자(monomeric and polymeric- 단량체와 중합체)로 구성 되어 있다. 이들은 미생물에 의해 곧바로 흡수되거나 이용되기 때문에 물속의 이들 농도는 매우 낮다. 부식 물질은 색깔을 띤, 분자량의 크기(500-5,000 이상)나 화학적 구조가 매우 다양한 다극성 유기산(polyelectrolytic organic acids)으로 이루어져 있 다. 부식 물질은 산에 대한 용해도에 따라 부식산(humic acid)과 풀브산(fulvic acid)으로 구분한다. 부식산은 ph 1-2에서 침전하는 반면 풀브산은 산과 알카리에

41 다 녹는다. 풀브산은 부식산에 비해 대체로 분자량이 작으며 산소함유 기능기의 농 도가 더 높다. 어떤 큰 분자의 부식산은 자연에서 콜로이드 상태(현탁상태)를 유지 하지만, 물에 녹거나 콜로이드상태로 되거나 상관없이 모두 유기물질이나 비유기물 질과 복합체를 형성한다. 용존유기물 대사와 미생물 루프 하천에서 용존 유기물을 이용하는 가장 중요한 미생물은 박테리아다. 박테리아에 의한 용존 유기물 대사는 하천의 미생물 루프(microbial loop)의 시작이 된다([그림 1-2-3] 참조). 용존 유기물로부터 시작되어 박테리아를 통해 원생동물로 이어지는 에너지흐름 경로는 하천생태계를 안정시키는데, 특히 영양염 재생이라는 점에서 볼 때 지극히 중요하다(Wetzel, 1992). 3. 일차 생산력 식물이나 담수조류에 의해 유기물이 합성되는 것을 1차 생산(primary production) 이라 한다. 왜냐하면 생태계로 에너지가 유입되는 유일한 관문이기 때문이다. 담수조류와 수생식물에 의해 만들어지는, 즉 하천 물속에서 생성되는 유기물 (autochthonous organic matter, 하천내 생산유기물)은, 하천 바깥으로부터 유입되는 유기물(allochthonous organic matter, 하천외 유입유기물)과 더불어, 다양한 군락을 이루어 살고 있는 수중무척추동물, 어류, 기타 동물들에게 영양원이 된다. 옛날에는 하천생태계에서 하천 내 생성 유기물이 중요하다는 사실을 알지 못했으나 최근에는 생태학자들이 햇빛을 많이 받는, 강폭이 넓은 하천뿐만 아니라 강변 숲으로 덮인 상류하천에서조차 하천내 생산유기물이 중요한 역할을 한다는 사실을 깨닫게 되었다. 수중 일차생산력은 흔히 낮은 것으로 평가되기 쉽다. 왜냐하면 하천 외 유입 유 기물량에 비해 일차 생산을 담당하는 담수조류나 수중식물의 생체량(현존량)이 적 기 때문이다. 그러나 매우 적은 량의 담수조류일지라도 대사 회전율(turnover rate, 단위 시간당 동화량과 호흡량)이 매우 클 뿐만 아니라 하천 외 유입 유기물 에 비해 영양가도 높기 때문에 수중 소비자들에게 많은 먹이를 제공할 수 있다. 가. 하천의 일차 생산자 하천의 일차 생산자는 저서 담수조류(benthic algae), 대형 수중식물(macrophyte), 식물플랑크톤(phytoplankton)이다. 저서 담수조류(부착조류)는 하천바닥이나 가라앉 은 유기물잔재에 붙어산다. 대형 수중식물은 각종 이끼류와 하천바닥에 뿌리를 내 리고 있는 속씨식물 등을 말한다. 식물플랑크톤은 물속에 자유롭게 떠다니는 담수 조류로 이루어져 있다

42 지속가능한 낙동강 생태계 이용과 보존을 위한 최적 교육 방안 (1) 저서 담수조류(부착조류) 하천 바닥을 덮고 있는 저서 담수조류는 두 가지 형태를 가진다. 하나는 하천 바 닥에 얇은 막을 형성하고 있는, 미세한 단세포 담수조류(특히 규조류)이고, 또 하나 는 시트나 매트 모양으로 자라는 실모양의 대형 담수조류(녹조류, 남조류, 홍조류)다. 저서 담수조류는 거의 다 박테리아나 균류(팡이류)와 혼합체를 이루고 있는데 이를 페리파이톤(periphyton)이라 부른다. 이들은 흔히 유 무기 침전물과 복합체를 이룬다. 대형 담수조류는 낮은 지대의 강폭이 넓은 하천에서 우점하여 살고(다른 종에 비 해 수나 양이 우세함) 미세 담수조류인 규조류(diatoms)는 주로 높은 지대의, 강변 숲으로 그늘진 상류하천에서 우점한다. 실모양 녹조류(예, Ulothrix)는 흔히 봄과 초여름에 우세하나 초가을에는 다른 녹 조류나 남조류(예, Oedogonium, Pectonema, Phormidium)가 우세하며, 겨울에는 주로 규조류가 번성한다(Walter 1984). Navicula cryptotenella (규조류) Oscillatoria kawamura Negoro (남조류) [그림 1-2-6] 부착 담수조류 자료: 왼쪽-수자원연구소, 댐저수지 조류 사진집, 2000, 도서출판 아카데미서적; 오른쪽-박정원, 자연생태연구소. (2) 대형 수생식물 으뜸이 되는 대형 수생식물은 뿌리, 잎, 줄기, 관다발이 분화된 속씨식물 (angiosperms)이다. 이들에는 네 가지 주요 생장형이 있다. 정수식물( 挺 水 식물 emergent plants); 뿌리는 바닥에 고정하고 잎과 줄기는 물 위로 나와 있다. 예- 부들, 줄 등 부엽식물( 浮 葉 식물 floating attached plants); 뿌리를 고정하고 잎을 물위에 띄 운다. 예- 노랑어리연꽃, 가시연꽃 등 부유식물( 浮 游 식물 floating unattached plants); 뿌리가 고정되어 있지 않고 식 물체가 물위에 떠다닌다. 예- 개구리밥, 생이가래 등

43 침수식물( 沈 水 식물 rooted submerged plants); 뿌리가 고착된 채 물속에 잠겨 있다. 예- 검정말, 붕어말, 나사말 등 (3) 식물플랑크톤 하천의 식물플랑크톤(potamoplankton)은 대체로 느리게 흐르는 강이나 수렁에 분 포한다. 물흐름이 빠른 하천에서 발견되는 식물플랑크톤은 거의 다 저서 담수조류 복합체에서 떨어져 나와 표류하는 세포들로서 이들을 타이코플랑크톤 (tychoplankton)이라 부른다. 큰 강의 식물플랑크톤으로는 원판형 규조류(예, Stephanodiscus)와 미세 녹조류 (예, Scenedesmus)를 들 수 있다. 유량이 적은 봄철에는 규조류가 흔히 번성하고, 여름철에는 녹조류와 규조류가 혼합된 상태로 번성한다. 유량과 관련시켜보면, 어떤 지역에서는 유량이 줄어들면 하천식물플랑크톤이 증가하고 유량이 늘어나면 저서 담수조류복합체로부터 탈락한 표류성 세포들이 증가하는 현상을 관찰할 수 있다. 나. 일차 생산과정 1차 생산의 원동력은 빛으로부터 오는 광양자(photons)의 에너지다. 수생식물의 클로로필에서는 이 에너지로 물에 녹아 있는 CO 2 와 HCO - 3 과 물에서 온 H + 를 이용 하여 탄수화물을 합성하고 O 2 를 방출한다. 이렇게 합성된 유기물의 총량을 1차 총 생산량(Gross Primary Production, GPP)이라 하고 이 중에서 호흡(Respiration, R) 으로 소비되고 남은 양을 1차 순생생량(Net Primary Production)이라 한다. NPP= GPP-R 단위시간 동안 수생식물의 평균 현존량(생물량 biomass)에 대해 생산하거나 소비 하는 양을 비 값으로 나타낸 것이 물질대사 회전율(turnover rate)이다. Turnover rate= 단위시간 GPP(또는 R)/단위시간 평균 현존량 담수조류와 같이 생물량이 적어도 생산하거나 소비하는 양이 많은 것은 회전율이 높다는 것을 뜻한다. 따라서 생산력 측정수단으로서 생물량은 큰 의미가 없다. 담수 조류의 생물량은 적지만 소비자에게 많은 먹이를 제공할 수 있는 이유는 바로 회전 율이 높기 때문이다. (1) 제한요인 (가) 햇빛 대부분의 수중식물과 담수조류는 약한 햇빛에 적응되어 있다. 어느 수준의 빛의

44 지속가능한 낙동강 생태계 이용과 보존을 위한 최적 교육 방안 세기까지는 광합성속도가 늘어나다가 그 수준(광포화 수준)을 넘어서면 효소의 광 산화(photooxidation)현상이 일어나고 엽록소의 활성이 멈추게 되어 광합성속도가 줄어들게 된다. 대체로 담수조류와 대형 수중식물의 광포화 수준은 정상적인 빛 세 기의 30-60%정도라고 한다. 그러나 식물종류나 그 식물의 순응정도에 따라 크게 차이가 난다. 그늘에 적응된 저서 담수조류인 경우에는 정상적인 빛 세기의 20%에 서 광포화 수준에 이른다고 한다. 광포화 수준은 주변의 햇빛 조건에 정비례하며, 2차-4차 하천에서는 그 햇빛 세 기의 범위가 μmol quanta m2/s이라고 한다(Boston and Hill 1991). (나) 영양염 햇빛이 충분하더라도 광합성은 흔히 영양염 때문에 제한될 수도 있다. 대체로 하 천에서는 폭기(aeration)가 일어나는데다가 CO 2 가 물에 쉽게 녹기 때문에, 광합성이 매우 왕성한 경우를 제외하면 CO 2 농도가 제한요인으로 작용하는 경우는 드물다. 게 다가 수중 고등식물(속씨식물)은 CO 2 대신에 HCO - 3 (ph가 8.3이상 되면 CO 2 가 HCO - 3, CO 2-3 로 대체된다)를 이용할 수 있다. 그러나 수중 이끼류는 알카리성 하천 의 매우 낮은 CO 2 농도가 제한요인으로 작동하기도 한다. 왜냐하면 이들은 HCO - 3 을 이용할 능력이 없기 때문이다. 따라서 이끼류는 대체로 ph가 낮고 CO 2 가 풍부한 하천에 제한되어 분포한다(Wetzel 1975). 오염되지 않은 자연하천에는 흔히 질소(N)와 인(P)이 제한요인이 될 수 있다. 자 연하천에서 인의 농도는 보통 질소에 비해 1/10미만인 경우가 많다. 인은 여러 가지 형태로 물속에 들어있다. 무기 오르도인산(orthophosphate, PO 3-4 )으로 물에 녹아 있 기도 하고, 유기물 콜로이드 상태로 있기도 하고, 유 무기 침전물 입자에 흡착되어 있기도 하고, 유기물에 포함되어 있기도 하다. PO 3-4 로 이루어진, 물에 녹을 수 있는 인이라야 식물에 이용될 수 있는데, 이는 물에 포함된 총 인의 5%에도 못 미친다. 보통 ph 6-7에서 가장 유용하며, ph가 이보다 낮으면 알루미늄(Al), 철(Fe), 망간 (Mn)과 같은 금속과 쉽게 결합하고, ph가 이보다 높으면 칼슘(Ca)과 작용하여 인 회석(apatite)이 되어버린다. 하천에서 인은 주로 담수조류, 박테리아, 균류 등에 의 한 생물적 과정에 의해서 일정한 농도를 유지할 수 있게 된다. 하천물속의 질소는 N 2 분자 상태로 물에 녹아 있거나, 유기물상태로 들어있거나, 또는 암모니아(NH 3 ), 아질산이온(NO - 2 ), 질산이온(NO - 3 )상태로 들어있다. 자연하천 의 질소농도는 흔히 일변화를 보인다. 즉 저서 담수조류의 흡수작용으로 인해 오 후 중간 무렵에 가장 낮고, 밤에 가장 높다(Triska et al. 1983) (다) 식물 먹는 활동(초식, grazing) 달팽이류, 날도래류, 하루살이류, 잉어류 등과 같은 초식동물의 밀도가 높으면 담

45 수조류의 생물량을 줄이기 때문에 일차 생산력이 제한된다. 그러나 적절한 초식활 동은 담수조류군락의 구조(종 구성, 상관, 연령, 엽록소 함량 등)를 흔히 변화시키기 때문에 오히려 생산력을 높여주기도 한다. 담수조류와 초식동물의 공진화(coevolution)는 초식에 저항할 수 있는 담수조류 종이 초식동물로 하여금 자신(즉 초식 저항 담수조류)의 경쟁자를 조절하게 하는 결과를 낳기도 한다. 이런 예를 들면 아래와 같다. 초식 저항종은 몸의 조직을 억세 게 하거나, 맛없게 하거나, 점액질을 형성하거나, 기타 방어에 에너지를 쓰게 됨으 로써 성장이 더디게 된다. 이는 초식에 저항력이 적은, 성장이 빠른 경쟁종으로 하 여금 덧 자라게 하는 결과가 된다. 이렇게 덧 자란 경쟁종은 초식동물에게 많이 먹 혀 현존량이 줄게 되는 것이다. (2) 에너지 흐름 수중생태계에서 1차 생산자에 의해 포획된 에너지는 여러 경로를 거쳐 소비자로 전달된다. 어느 하천 구간에서 1차 순생산물은 하천내 생산유기물(autochthonous)의 공급처 (source)에 해당된다. 그러나 이러한 1차 순생산물이 상류 쪽 하천구간에서 생성되 어 하천구간에 유입되는 경우, 1차 순생산물은 하천외 유입유기물(allochthonous)이 된다. 에너지는 1차 순생산물에서, 용존 유기물상태로 배출되는 경로, 유기물 입자상태 로 분해되는 경로, 또 초식 경로를 거쳐 흘러나간다([그림 1-2-7]). [그림 1-2-7] 하천구간에서 1차 순생산물에 대한 에너지흐름 경로 (가) 초식 경로(grazing pathway, 식물을 산채로 뜯어 먹거나 갉아 먹는 경로) 하천의 초식동물(grazers)에 의해 소비되는 1차 순생산물의 양은 하천의 규모(또 는 차수 order)에 따라 다르다. 1차 하천(최상류 발원지의 물줄기)에서는 갉아먹는

46 지속가능한 낙동강 생태계 이용과 보존을 위한 최적 교육 방안 초식동물(scrapers)에 속하는 무척추동물의 비율이 전체 무척추동물의 1-10%를 차 지한다면 3차-7차 하천(큰 강의 상류에서 중하류에 이르는 구간에 해당됨)에서는 25%정도를 차지한다. 초식 무척추동물이 저서 담수조류의 성장에 큰 영향을 줄 수 있다고 하더라도 홍수와 같은 교란이 이 동물의 수를 줄이기 때문에 실제로는 담 수조류에 그렇게 큰 영향을 미치지 못한다. (나) 유기물잔재 경로(detrital pathway) 많은 하천에서 초식경로가 중요한 경우도 있지만, 수중 1차 생산자에 의해 합성 된 생물량의 많은 부분이 생산지역에서 떨어져 나온 후 유기물잔재 경로를 거쳐 걸 러 모으는 무리(filter collectors)에 주로 이용되는 경우가 많다. 이렇게 입자상태의 유기물잔재로 유출되는 것 외에, 담수조류가 1차 생산물을 용 존유기물 상태로 배출하기도 한다. 이 배출된 용존유기물은 박테리아에 의해 흡수 된다. 이것도 에너지흐름의 중요한 경로 중의 하나다. 1차 생산자에 의해 포착된 태양에너지, 즉 합성된 유기물이 하천의 먹이그물에 기여하기 위해서는 일단 하천 물길 안에 보유될 수 있어야 한다. 따라서 유기물의 유출과 보유는 수중 1차 생산자가 하천생태계에 얼마나 기여하는가를 결정하는 셈 이 된다. 하천생태계 안에서 유기물과 영양염은 '나선 과정(spiraling)'이라 부르는 순환과 정이 진행되는 동안 되풀이해서 운반되고, 보유되고, 변형되고, 또 유출된다. 나선 과 정은 하천 안에서, 영양염이나 유기물이 순환하는 작용과 이들이 하류로 운반되는 작용이 겹쳐 일어나는 과정을 말한다(Newbold et al. 1983). 나선 과정 거리(spiral length)'는 한 순환과정을 완료하는 동안 하류로 떠내려간 평균 거리를 말한다. 비록 하천 안에서 생성되는 유기물(저서 담수조류와 이로부터 이탈된 세포들, 플 랑크톤 등)이 하천 밖에서 유입되는 유기물에 비해 그 양이 훨씬 적더라도 2차 생 산(secondary production, 소비자가 1차 순생산물을 섭취하여 이차적으로 유기물을 합성하는 과정)에는 매우 중요하다. 수중 무척추동물의 양은 엽록소 함량이나 담수 조류 세포들의 호흡률과 비례한다. 어류나 다른 수중 포식자들도 물론 하천 내 생성 유기물로부터의 에너지 흐름에 의해 혜택을 받는다. 다. 유역 하천망에서 일차 생산력의 차이 강변 숲이 우거지고 그늘진 최상류 구간에서는 1차 생산력이 매우 낮으나 중류역 에서는 하천 폭이 넓어지고 햇빛을 많이 받게 되면서 저서 담수조류(부착조류)에 의한 1차 생산력이 높아진다. 하류 쪽으로 갈수록 1차 생산자는 플랑크톤과 강 연 안의 대형 수생식물로 바뀌게 된다. 1차 생산력도 어느 정도 큰 강 또는 강폭이 될

47 때까지 점차 커진다. 그러나 물이 깊고 완만하게 흐르면서 탁도가 지나치게 높아지 면 1차 생산력은 줄어든다(Naiman 1983). 라. 유역 토지 이용에 의해 일어날 수 있는 반응 유역의 토지를 이용하면 하천생태계에 1차 생산성을 비롯하여 근본적이고 복합적 인 변화를 일으킨다. 이런 유역토지이용은 강변식생, 유량, 침전물, 물길구조, 기타 유역의 특징을 바꿈으로써 1차생산성에 영향을 미치게 된다. 강변식생을 제거하여 유역 토지를 이용함으로써 일어나는 가장 뚜렷한 변화는 하 천에 도달하는 햇빛이 늘어난다는 점이다. 이렇게 되면 하천의 1차 생산량이 늘어 나고, 먹이그물을 통한 에너지 흐름량도 늘어나게 된다. 이는 또 수중 무척추동물과 어류의 생산량을 늘리는 결과로 이어진다. 오래된 강변 숲을 끼고 있는 하천과 강변 숲을 제거한 하천을 대상으로 에너지흐 름을 비교했을 때, 오래된 숲의 하천에 다섯 배나 더 많은 유기물이 유역으로부터 유입되는데도 불구하고, 총 어획량은 강변 숲을 제거한 하천이 더 많았다는 보고도 있다(Bilbyand Bissin 1992). 척추동물의 생산량이 늘어나는 현상은 주로 봄과 초여름에 저서 담수조류의 생산 주기에 맞추어 일어난다. 또 어류의 생산력이나 담수조류의 생산력에 대해 오래된 숲 하천과 벌목 하천(즉 벌목 하천의 어류 생산력/오래된 숲 하천의 어류 생산력, 또 벌목 하천의 담수조류 생산력/오래된 숲 하천의 담수조류 생산력)을 비 교하면 어류나 담수조류가 서로 비슷하다고 한다. 이는 두 지역의 하천 모두 어류 개체군을 지탱하는 가장 큰 요소가 1차 생산력이라는 사실을 말해준다(Murphy et al. 1984). 강변 숲 제거가 이와 같이 에너지흐름을 바꾸는 한편 유역으로부터 유입되는 침 전물이 하천에 점차 쌓이도록 하는데, 이런 현상은 수중생물의 서식처에 좋지 않은 영향을 미치게 된다. 미세 침전물로 인한 영향은 그늘 진 하천 쪽이 햇빛을 많이 받는 하천 쪽보다 더 크다. 강변 숲을 제거하여 하천에 쪼이는 햇빛 양을 늘린다든지, 영양염 농도를 높인다 든지 하는 일은 수중 무척추동물이나 어류의 생산력을 늘릴 수는 있다. 그러나 하 천 생태계의 바람직한 방향이나 총체성(integrity)은 순전히 생산력만으로 정해 지는 것은 아니다. 하천 생물은 복잡한 환경에 적응되어 있다. 비록 어떤 환경조 건의 변화가 생산력을 늘리게 된다고 하더라도 이로 인해 하천생물의 군락구조가 좋지 않은 쪽으로 바뀌거나 본래의 하천환경에 살아가는 수많은 종들이 사라지게 될 수도 있다. 하천의 에너지원이 다양해지고, 기능을 달리하는 생물군들이 서로 충분히 보 완되게 함으로써 자연스럽게 기능이 작동되는 하천유역과 하천생태계가 되도록 관리하는 것이, 다양한 생물이 살아가는 건강한 하천생태계가 되기 위한 가장 좋은 접근방법이라 할 것이다

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