17(4)-08(18-심정희).fm

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윤성 성
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1 The Sea Journal of the Korean Society of Oceanography Vol. 17, No. 4, pp , November Free Access 해조양식장수질환경모니터링을통한이산화탄소단순수지모델 심정희 * 강동진 1 한인성 2 권정노 이용화 3 국립수산과학원어장환경과 1 한국해양과학기술원기기검교정센터 2 국립수산과학원수산해양종합정보과 3 국립수산과학원남서해수산연구소 Real-time Monitoring of Environmental Properties at Seaweed Farm and a Simple Model for CO 2 Budget JEONG HEE SHIM*, DONG-JIN KANG 1, IN SUNG HAN 2, JUNG NO KWON, AND YONG-HWA LEE 3 Marine Environment Research Division, NFRDI, Busan , Korea 1 Marine Instrument service and Calibration Department, KIOST, Ansan , Korea 2 Fishery and Ocean Information Division, NFRDI, Busan , Korea 3 Southwest Sea Fisheries Research Institute, NFRDI, Yeosu , Korea 부산시기장군일광해조류양식장에서 2011 년 7 월 5 일부터 6 일까지약 30 시간동안해양표층수의수온, 염분등의환경인자와 ph 와이산화탄소분압 (fco 2 ) 을연속관측하였다. 표층수의수온과염분은 12.5~17.6 o C, 33.7~34.0 범위를보였으며, 조석과광주기, 해류등의영향으로일변화및일간변화를크게나타내었다. 이산화탄소분압과 ph 는 381~402 µatm, 8.03~8.15 범위를보였으며, 엽록소는 0.8~5.8 µg L -1 범위를보였다. 이산화탄소분압, ph 그리고엽록소는최대간조와성층이강했던 5 일오후 5 시전후에최소및최고치를보였으며, 이는엽록소에의한생물생산결과이산화탄소는낮고 ph 는높아진것을의미한다. 해조양식장이산화탄소변화에대한단순수지모델을적용한결과, 낮에는생물생산에의한감소가수온상승, 대기와의교환에의한증가와상쇄하는것으로나타났으며, 밤에는대기와의교환물리적혼합에대한과대평가로관측치보다다소높게나타났다. 모델결과는해조양식장이산화탄소분압총변화량의 14~40% 는해조류의일차생산에의한것으로나타났다. Real-time monitoring for environmental factors(temperature, salinity, chlorophyll, etc.) and carbonate components(ph and fco 2 ) was conducted during 5-6th of July, 2012 at a seaweeds farm in Gijang, Busan. Surface temperature and salinity were ranged from 12.5~17.6 o C and 33.7~34.0, respectively, with highly daily and inter-daily variations due to tide, light frequency(day and night) and currents. Surface f CO 2 and ph showed a range of 381~402µatm and 8.03~8.15, and chlorophyll-a concentration in surface seawater ranged 0.8~5.8 µg L -1. Environmental and carbonate factors showed the highest/lowest values around 5 pm of 5th July when the lowest tidal height and strongest thermocline in the water column, suggesting that biological production resulted in decrease of CO 2 and increase of ph in the seaweed farm. Processes affecting the surface f CO 2 distribution were evaluated using a simple budget model. In day time, biological productions by phytoplankton and macro algae are the main factors for CO 2 drawdown and counteracted the amount of CO 2 increase by temperature and air-sea exchange. The model values were a little higher than observed values in night time due to the over-estimation of physical mixing. The model suggested that algal production accounted about 14-40% of total CO 2 variation in seaweed farm. Key words: Real-time Monitoring System, Macro-algae, Aquaculture Farm, Carbon Dioxide in seawater, Budget model Received October 10, 2012; Revised November 22, 2012; Accepted November 22, 2012 *Corresponding author: jshim@nfrdi.go.kr 243

2 244 심정희 강동진 한인성 권정노 이용화 서론 해조류양식업은 2000년대초약 42만톤생산에서최근 (2008~2010년) 약 90만톤으로우리나라천해양식총생산량의 66.5%(2010년기준 ) 와총생산금액의 21% 를차지하는중요품목중하나이다 ( 어업생산통계시스템, 이와같이해조류양식업이급격하게증가한것은다방면에서해조류에대한활용도가높아졌기때문이다. 해조류는단순식용에서부터유용활성물질 ( 콜로이드, 알긴산등 ) 의원료, 고부가양식생물 ( 전복 ) 의먹이, 화장품 의약품원료, 웰빙식품원료등으로가공되거나직접이용되고있다. 최근에는해양생태계및환경적인측면에서해조류의역할및활용에대한연구도활발하다. 예를들어, 갯녹음등으로황폐화된환경에해양생물의먹이및서식처를제공하는해중림조성 (Kim et al., 2007), 석탄 석유와같은화석연료를대체할바이오연료 (biofuel) 의원료로가공하기위한바이오매스생산 (MIFAFF, 2010), 부영양화환경으로부터과잉의영양염과이산화탄소등을흡수하여제거하는생물여과자역할 (Abreu et al., 2011; Neori et al., 1996 & 2000) 등이있다. 이들분야에서해조류의활용은아주적극적이고혁신적인쓰임새라할수있으며, 각각의쓰임새가유기적으로연결된다고할수있다. 예를들어어떤해역에조성된해중림은해양생물의먹이및서식처역할을할것이며, 적절한시기에이를수확하여바이오매스로활용할수있을것이다. 또한해중림내에서제거된영양염과이산화탄소는그해역의영양염과탄소순환에도결국기여하게됨으로서, 해중림조성을통해바이오매스원료와환경정화효과를부수적으로얻을수있다. 그동안해조류에의한영양염과이산화탄소등의흡수연구는광합성에따른해조류체내의미량원소요구량및산소발생측면에서서술되었으며, 이들실험도실내배양을통해얻은결과들이대부분이다 (Ale et al., 2010; Klenell et al., 2004; Ozaki et al., 2001; Rees, 2007; Zou, 2005). 국내에서도미역, 다시마를비롯한다양한해조류에대한영양염요구및이산화탄소흡수량에대한연구결과들이최근보고되고있다 (Hwang et al., 2011; Shim et al., 2010; Zou, 2005). 이처럼해조류의생리 생태측면에서영양염및탄소의흡수와동화에관한연구결과들은있으나, 해양환경측면에서해조류에의한영양염및탄소의순환과제거결과는많지않다. 특히, 해조류를대량양식하는양식현장에서영양염및이산화탄소분압 (pco 2 ) 의연속측정을통해접근한경우는거의없는것으로알고있다. 이는해조류에의한이들순환을해양의다양한환경요인, 즉해류흐름, 수괴혼합, 조석등과같은물리적요인, 바람과일조량등의기상요인, 그리고담수유입, 식물플랑크톤번성등에인한생물화학적인요인등으로부터분리하여파악하기어려운점이있기때문이다. 본연구는해조류양식이성행하는부산시기장의다시마양식장에서해양환경및탄소계인자를연속관측함으로서해조류에의한영양염과이산화탄소순환을파악하기위한기초자료를확보하고양식장에서의이산화탄소분압에영향을끼치는인자들에대해고찰하고자한다. 특히해양탄소계인자연속관측시스템을양식현장에처음적용하였으며, 이는어류및패류등의양식장으로확대적용할수있는발판이될것으로생각된다. 이를통해우 리나라양식업을통한탄소순환을정량적으로파악하고나아가양식생물의폐사원인, 생육조건등을파악하는데적극활용할수있을것으로생각된다. 재료및방법 연구지역부산시기장군인근해역은미역과다시마산지로유명하며, 기장미역, 기장다시마 라는상표를달고기장군우수특산물로관리되고있다 ( 기장해역의해조류양식은주로미역과다시마를같이시설하여생육하는복합양식형태로이루어지며, 2009년미역과다시마의생산량은각각 1.7만톤과 1.5만톤으로전국생산량의약 5% 를차지하였다 ( 부산시기장군해양수산과통계 ). 이처럼부산은우리나라해조류공급에있어전라남도 (80~90%) 다음으로두번째로높은순위를차지하며, 특히전국해조류양식장면허면적의 1.9%(2007년기준, 통계청 ) 에불과하다는것을고려하면, 해조류양식에있어고효율과고부가가치상품을생산하는중요한해역으로서그연구가치가있다고할수있다. 2011년 7월 5일 ~7월 6일에부산시기장군일광면문동리해역의칠성농수산 ( 소유주 : 김치현씨 ) 에서운영하는해조류양식장 ( 'N, 'E) 에서국립수산과학원조사선탐구17호를타고해양환경및탄소계인자에대한연속관측을수행하였다 (Fig. 1). 양식장은육상에서직선으로 1.5~1.8 km 거리에위치하였으며, 수심은약 15 m 였다. 조사해역인근기상관측소 ( 기장군일광면삼성리 ) 에서측정된기온은 7월 5일정오에 29.2 o C로가장높았고 7월 6일 3시에 20.6 o C로가장낮았다 (Table 1). 기상관측소에서관측된풍속은약 10~20시사이에는 >2 m s -1 로높았으며, 그외시간에는 1 m s -1 이하로낮았다 ( 부산기상청웹자료, kma.go.kr/aboutkma/intro/busan). 조사해역에서관측된조석기록은없으나, 조사지점이부산과울산의중간에위치하므로두곳의조석을살펴보았다. 조사기간부산의조위변화는 19~123 cm이었으며울산은이보다 1/2배낮은 8~60 cm 범위였다. 부산과울산의간만조시간은거의일치하였으며, 부산의경우만조는 7월 5일 11시 11분, 23시 34분그리고 7월 6일 11시 58분이었으며간조는 7월 5일 17시 18분과 7월 6일 5시 42분이었다. 조사시기해당양식장의해조류양성상태는, 조기출하하는미역은거의수확이끝난상태였으며다시마는막바지출하를위해양성중이었다. 이는해당양식장의최대양성기에현존하는해조류양의약 30% 에해당하였다 ( 양식장소유주와대화 ). 실시간연속관측시스템양식현장의수질을연속관측하기위한시스템은다음과같다 ; CTD(SBE45, Sea-Bird Electronics, USA), ph시스템 (DualStar, Orion, USA), pco 2 측정시스템 (NDIR840, LiCor, USA), 형광측정장비 (TriLux, Chelsea Technologies Group Ltd., UK). 이와같이구성된실시간관측시스템은조사선 ( 탐구17호, 국립수산과학원 ) 갑판 (deck) 에설치하고, 양식장표층수는수중펌프로퍼올려각장비에순차적으로연속공급되게하였다 (Fig. 2). 수중펌프로부터연결된해수공급라인은 2개로분지되어한쪽은 CTD와 ph측

해조양식장수질환경모니터링을통한이산화탄소단순수지모델 245 Fig. 2. Schematic diagram of real-time monitoring system. Infra-red Analyzer, NDIR) 로측정하는방식이다 (KORDI, 2010; Weiss, 1981). CO 2 관측시스템은 12시간마다표준가스 (348, 379, 402.

형광측정장비는양식장부대시설에묶어표층해수에잠기게고정하였으며, Chlorophyll-a, Nephelometer, Phycocyanin을동시에측정하였다. 여기에는 Chlorophyll-a 값만제시하였으며이는아세톤추출법으로측정한엽록소결과와비교후보정값을사용하였다. Fig. 1.

3 해조양식장수질환경모니터링을통한이산화탄소단순수지모델 245 Fig. 2. Schematic diagram of real-time monitoring system. Infra-red Analyzer, NDIR) 로측정하는방식이다 (KORDI, 2010; Weiss, 1981). CO 2 관측시스템은 12시간마다표준가스 (348, 379, µatm) 로검량하였으며, 한시간에한번 10분간대기이산화탄소를측정하게하였다. 한편해양탄소계인자중총알칼리도 (TA) 와총용존무기탄소 (TCO 2 ) 는실시간으로측정된 ph와 CO 2 를이용하여 CO2SYS 프로그램 ( Lewis and Wallance, 1998) 으로계산하였다. 형광측정장비는양식장부대시설에묶어표층해수에잠기게고정하였으며, Chlorophyll-a, Nephelometer, Phycocyanin을동시에측정하였다. 여기에는 Chlorophyll-a 값만제시하였으며이는아세톤추출법으로측정한엽록소결과와비교후보정값을사용하였다. Fig. 1. Location of the real-time monitored seaweed farm (star symbol) at Gijang, Busan, Korea. The squares are locations of seaweed farms around Gijang area. Table 1. Meteorological and tidal properties at Gijang, Busan on 5-6th July 2011 Item (Unit) Range (average) Air Temperature ( o C) (24.1) Wind Speed (m s -1 ) ~3.6 (1.4) Pressure at sea surface (hpa) (1002.8) Tidal Height (cm) (Busan)/8-58 (Ulsan) 정시스템으로흘러가게하였으며, 나머지한쪽은 CO 2 측정시스템으로공급되게하였다. 한편, 실시간측정이어려운환경인자를위해해수채집용꼭지를해수분기점과 CTD사이에설치하였다. 한편시스템중 SBE45(Sea-Bird Electronics, USA) 로연속측정한수온과염분은 CTD(19plus, Sea-Bird Electronics, USA) 결과와비교검정하여사용하였다. ph는 potentiometry 방식으로측정하였으며 (KORDI, 2010), 전극과온도계는이중유리관 (twolayer glass cell) 에장착되어, 실시간으로통과하는해수의 ph를측정케하였으며, 자료는 1분간격으로 ph미터본체 (Orion DualStar) 에저장되게하였다. 해양 pco 2 측정시스템은해수입자를평형기 (equilibrator) 로분사시켜 ( 샤워 (shower) 방식 ), 대기 CO 2 와평형을이룬공기의 CO 2 를비분산적외선분광분석기 (Non-dispersive 수질분석실시간연속관측시스템의결과를보완하고해수수층분포특성을파악하기위해 2시간간격으로 CTD(19plus, SBE, USA) 로약 10 m 수심까지수온과염분을관측하였으며, 다목적수질측정기 (YSI6000, YSI, USA) 로용존산소농도와포화도를측정하였다. 또한표층수의영양염과용존산소, 엽록소, 부유물질분석을위해해수펌프로공급되는해수를 2시간간격으로채수하여항목에따라전처리를하여추후분석을위해냉장 / 냉동보관을하였다. 용존산소는현장에서정밀적정기 (Dosimat 876 system, Metrohm, Switzerland) 를사용하여 Winkler법으로분석하였다 (Parsons et al., 1984). 영양염은현장에서 GF/F여과지로여과후냉동보관한시료를실험실에서자동분석기 (QuAAtro system with 4 channel, BranLuebbe, Germany) 로측정하였으며, 표준물질 (OSIL 社 & Wako 社 ) 로검정하였다. 엽록소와부유물질도해양환경공정시험기준 (MLTM, 2010) 에의거하여전처리와분석을하였다. 또한해류특성을파악하기위하여, 유속계 (Anderaa, Norway) 로유속, 유향등을 2시간간격으로측정하였다. 결과및고찰 해조양식장표층해수의수온과염분변화부산시기장군일광해역에위치하는해조류양식장에서 2011년 7월 5일 ~6일동안실시간연속관측시스템으로탄소계인자를포

4 246 심정희 강동진 한인성 권정노 이용화 Fig. 3. Variations of (a) Temperature and Salinity, (b) ph and fco 2 and (c) Chlorophyll-a and tide height(busan) measured in surface seawater of seaweed farm with high frequency using real-time monitoring system. 함한해수특성을관측하였다 (Fig. 3). 해조양식장의표층수온은조사기간 12.5~17.6 o C 범위를보였으며, 7월 5일 6시부터 11시동안 13~14 o C 범위를보이다가 11시부터상승하여 16시경에최고수온을보였다. 이후밤동안표층수온은점점낮아지다가 7월 6 일 4시경부터다시상승하였다. 한편 7월 5일은 11시까지 14 o C 이하의값을보였으나 7월 6일은비교적이른시간 (4~5시 ) 부터수온이상승하였다. 표층수의염분은 33.7~34.0의범위를보였으며평균 33.9였다. 염분은 7월 5일낮에는조석변화에따라, 만조에는비교적높고간조에낮은경향을보였으나밤에는그에따른변화가뚜렷하지않았으며, 7월 6일 5시부터다시높아지는경향을보였다. 이처럼연속관측으로얻은고해상도의표층수온과염분변화를정밀하게파악하기위해조석주기별로세분하여나타내었다 (Fig. 4). 관측초기 (7월 5일 6~11시 ) 의저온고염의표층수는만조-간조를겪으며염분분포범위가다소넓어졌으며 (7월 5일 11~18시 ), 이후일조량감소로수온변화폭도증가하였다 (7월 5 일 18~24시 ). 7월 6일 0~6시에는간조와냉각으로조사기간중가장낮은수온과염분분포를나타내었다. 이후 7월 6일 4~5시부터수온이빠르게증가하고만조로염분도높아졌다 (7월 6일 6~11시 ). 한편 7월 5일과 7월 6일오전 6~11시에각각관측한표층수의수온과염분분포는비슷한시간대임에도불구하고다소다른양상을보임으로서일간 (inter-daily) 변화도상당함을알수 있으며이는수온의수층분포에서도관찰할수있었다. 해조류양식장의수질환경모니터링을하는동안 2~4시간간격으로수층약 10 m까지의수온염분변화를관측한결과 (Fig. 5), 조사초기 (7월 5일 7시 ) 수온은표층 12.5 o C에서수온약층 ( 수심 4m) 까지는급속히낮아져 9.5 o C를보였으며, 이후수심에따른큰변화가없었다. 일조량의증가로점차표층수온이증가함으로수온약층의깊이는얕아지고기울기는점차급격하게발달하여, 17시에최고수온 (15.8 o C) 을보였으며수온약층과는약 3.5 o C 차이를보였다. 밤이되면서표층은냉각되어수온은낮아지고수온약층도약화되면서 7월 6일 3시경에는전체수층에서수온변화가 ~1.5 o C로작았다. 이후일조량의증가로냉각이회복되면서 7 월 6일 7시에는수온약층이 2m대에발달하였으며표층수온은 14 o C 보다높았다. 이는전날 7시수온분포에비하면비교적빠른시간에성층이강하게형성된것을보여준다. 이러한결과는앞서표층수온과염분의실시간관측결과와도잘일치한다. 이러한일간차이는수층의안정도와상관이있을것으로생각되며, 이에영향을미치는요인에는기온, 일조량, 풍속, 해류영향등의여러요인이있지만, 다른조건에비해풍속이 6일에비해 5일에 2 배높았던것으로보아, 이로인해 5일아침에는 6일에비해표층혼합층이좀더깊게형성되었던것으로생각된다. 해조양식장의표층수온은낮의지속적인일조량증가로 5일오후

5 해조양식장수질환경모니터링을통한이산화탄소단순수지모델 247 Fig. 4. Distributions of surface salinity and temperature at each time interval measured by the real-time monitoring system. Fig. 5. Vertical distribution of seawater temperature measured at 2- hour intervals. 5시경가장높았으며, 염분은 6일오전 5시간조기에가장낮았다. 이처럼양식장의수온과염분은조석, 일조량, 해류등의영향으로하루에도크게변화하였으며일간변화도상당함을알수있었다. 해조양식장표층해수의탄소계인자및영양염변화및상관관계해조양식장표층해수에서탄소계인자중 ph는조사기간 8.03~8.15범위를보였으며, 마치포물선이반복되는형태의분포를보였다. 이와함께표층수의 fco 2 도높았다가다시낮아지는경향을반복적으로나타내었으며, ph가가장낮았던 5일 16시경에최대값 (402.2 µatm) 을보였다. 이처럼표층수의 ph와 fco 2 분 포는마치거울이미지같은상반된분포경향을보였다 (Fig. 3(b)). ph가높을때 fco 2 는낮고, 반대로 ph가낮을때 fco 2 는높았다. 이는해양탄소계 (carbonate system) 내두인자간의상호관계에의한당연한결과라할수있다. 한편해양탄소계인자의변화에영향을미치는요인에대한평가는다음절에서고찰하고자한다. 표층수의형광특성으로측정한엽록소 -a는 0.8~5.8 µg L -1 의범위를보였으며평균은약 3.5 µg L -1 이었다 (Fig. 3(c)). 엽록소 -a는 5일 16시까지는 2µg L -1 이하의낮은값을보이다가, 이후급격히증가하여 18시경에최대값 (~6 µg L -1 이 ) 을보였다. 이후 20시경다소낮아졌으나 (~4 µg L -1 ) 3 µg L -1 이상의농도를계속유지하였다. 해조류양식장에서연속관측한탄소계인자와엽록소의경우, 수온이가장높았던 7월 5일 16~17시경을전후로그변화가큰것을알수있다 ; 수온과 fco 2 은높았다가차츰낮아진반면 ph 와엽록소 -a는낮았다가점점높아졌다. 이는일조량의증가로수온이상승하고수층이안정되면서식물플랑크톤의생산도활발해져, 그결과이산화탄소는낮아지고 ph는높아진것으로생각된다. 수온이낮아짐에도불구하고 fco 2 가지속적으로낮아지는것은생물생산에의한이산화탄소의흡수결과로생각되며, 엽록소 -a의증가는이를뒷받침하는결과라할수있다. 양식장표층해수를 2시간간격으로채수하여측정한용존산소는평균 9.10 mg L -1 였으며, 조사초기에는약 8.2~8.3 mg L -1 범위였다가차츰증가하여 15시경높은농도 (9.53 mg L -1 ) 를보였다 (Fig. 6(a)). 이후다소낮아졌지만, 9.0 mg L -1 이상의값을계속유지하였으며, 다음날 5시부터감소하여 9시경에는 9.0 mg L -1 이하의값을나타내었으며 11시경다시증가하였다. 해수중용존산소는생물호흡과대기와의교환으로일반적으로낮에증가하고밤에감소하지만, 급격한수온변화는기체용해도를변화시켜생물생산 / 호흡으로발생하는변화를상쇄할수도있다. 해수중질산염은관측초기에약 12.0 µmol L -1 에서차츰감소하여 7월 6 일 11시에는가장낮은값 (6.6 µmol L -1 ) 을나타내었다 (Fig. 6(b)). 인산염과규산염 ( 그림에제시하지는않았음 ) 도각각 0.4~0.9 µmol L -1, 11.9~17.0 µmol L -1 의범위에서관측초기에는높았다가점점감소하여질산염과유사한분포경향을보였다. 표층수에녹아있는영양염의시간에따른변화경향은용존산소분포와반대의경향을나타내어, 높은음의선형관계를보였다 (r 2 =0.63~0.79). 이는해조류를비롯한일차생산자들에의한광합성결과, 산소는증가하고영양염류는감소한것으로유추되며, 실제엽록소-a와용존산소그리고영양염류들의상관관계가높은것은이러한결과를뒷받침한다고할수있다 (Fig. 7). 또한이산화탄소분압과용존산소, 엽록소사이에도 2차선형관계를각각보였으며, 총용존무기탄소와는더욱높은상관성을나타낸것은 (Fig. 8), 생물활동에의해탄소계인자들의변화를보여주며해조류양식장의환경인자들간에생물-화학적고리가강하게연결되어있음을보여준다. 이처럼해조류양식장의표층해수는일주기및조석에따라수온, 염분뿐아니라엽록소, 영양염등의환경인자와이산화탄소, ph 등의탄소계인자도급격한변화를보였다. 따라서 snap shot 과같은일회성조사로는단편적현상만파악할뿐, 일변화및일간변화를관측할수없으므로연안및양식장과같은환경변화가심한곳의현상파악및물질순환등의정밀진단을위해서는연속관측이병행되어야할것이다.

6 248 심정희 강동진 한인성 권정노 이용화 Fig. 6. Variations of (a) dissolved oxygen and total dissolved inorganic carbon and (b) nitrate and phosphate measured in discrete seawater sampling at seaweed farm. Fig. 7. Relationships between chlorophyll-a and dissolved oxygen (a), nitrate (b), phosphate (c) and silicate (d) measured in discrete surface seawater sampling. 이산화탄소분포에영향미치는인자평가및탄소모델해조양식장에서관측한이산화탄소분압은 386~400 µatm 범위에서분포하며, 증가와감소를반복하였으며, 용존산소및엽록소와상관성을보이는것으로나타났다. 그러나표층해수이산화탄소분압에영향을끼치는인자에는생물생산 (biological pump) 외에도수온변화, 대기-해양교환, 물리적혼합등의중요요인들이있다 (Bakker et al., 1997; Chipman et al., 1993; Louanchi et al., 1996). 따라서해조양식장에서이산화탄소분포에영향을끼치는인자들에대해정밀하게파악하고각항목의중요도를시범적으로파악하기위하여다음과같은단순수지모델 (simple budget model) 을 Fig. 8. Relationships between dissolved oxygen and fco 2 (a) and TCO 2 (b), chlorophyll-a and fco 2 (c) and TCO 2 (d) measured in discrete surface seawater sampling. 적용하였다. C t+ t =C t + C/t (1) C/ t=(δc/δt) T +(δc/δt) F +(δc/δt) B +(δc/δt) R (2) 식 (1) 에서 C t 는 t시간일때이산화탄소농도를의미하며, C/ t는 t와 t+ t 시간동안이산화탄소농도변화를의미한다. 여기서 t는 2시간간격을주었으며, 초기값 (C 0, 5일 7시 ) 은관측치와동일하게주었다. 식 (2) 에서 (δc/δt) T 는수온에의한이산화탄소변화, (δc/δt) F 대기-해양간의교환에의한변화이며, (δc/δt) B 는생물생산에의한것이며, (δc/δt) R 는그외요인으로발생하는변화를총괄적으로포함하나주로물리적인혼합 ( 조석, 해류등 ) 을의미한다.

7 해조양식장수질환경모니터링을통한이산화탄소단순수지모델 249 수온은이산화탄소분압에매우강한영향을미치는열역학 (thermodynamic) 인자로서, 수온 1 o C 상승할때이산화탄소분압은약 4.23% 증가한다 (Takahashi et al., 1993). 따라서 (δc/δt) T 는연속관측에서 t와 t+ t 사이에상승 / 하강한수온변화로계산하였다. 대기-해양교환에의한이산화탄소분압에영향을미치는주요요인에는대기-해양이산화탄소분압차 ( pco 2 ) 와풍속이있으며, 그외수온과혼합층깊이 (d mix ) 등도영향을미친다 : (δc/δt) F = f( pco 2, wind, temp., d mix ). 이러한인자들을이용하여, 대기-해양교환율을 Wanninkhof(1992) 에따라계산하고 (F CO2 =k s pco 2, 여기서 k는기체교환속도 (cm h -1 ) 이며 s는수온과염분에따른기체용해도 (Weiss, 1974) 임 ), 이때사용한바람자료는기장군삼성리기상관측소에서관측된 1시간간격풍속을이용하였다. 생물생산에의한이산화탄소분압의변화는일차생산자들의생산과광주기그리고호흡, 사망등에의한변화등을고려해야한다 : (δc/δt) B = f (P (phyto+algae), light, L (resp.+motality+grazing) ). 해조양식장에서일차생산은식물플랑크톤과해조류를동시에고려해야한다. 식물플랑크톤에의한일차생산에대한간접지표로엽록소농도변화가있지만, 해조류생산에대해나타낼수있는지표는측정된자료가없다. 그러나기장군에서생산되는다시마량 ( 약 1.5 만톤 ) 과재배면적 ( 약 350 ha) 등을이용하여조사당시해조류생물량을유추할수있다. Lee and Sohn(1993) 은해조류의생장에따른중량증가식에서평균현존량을최종생산량의 30~50% 라하였으며, 따라서다시마생물량은단위제곱미터당약 1.3~2.1 kg이된다. 그리고다시마의중량당엽록소 -a양은 HPLC로측정한값 ( 평균 7.5 µg chl-a g -1 (n=12), unpublished data) 을적용해서, 해조류생물량을엽록소농도로전환하면, 약 9~16 µg L -1 였다. 이값은관측기간동안일정하다는가정을하고, 연속관측에서측정한엽록소농도와합하여, 해조양식장의총일차생산력을추정하는데이용하였다. 엽록소농도에서일차생산력을추정하기위해단위엽록소-a 당탄소고정속도 (mg C mgchl-a -1 hr -1 ) 인자를적용하였는데, 조사현장에서직접측정한값이없으므로, 5~11월에진해만에서측정한값 (2~5 mg C mg Chl-a -1 hr -1 ) 을적용하였다 (NFRDI, 2009). 엽록소의일차생산효율은관측해역에따라, 계절에따라변화가큰요소이므로, 추후직접측정을통해보완해야할것으로생각된다. 한편일차생산에주요요인인광은조사시기일출 ( 오전 5시 15분 ) 과일몰 ( 오후 5시 42분 ) 시간과최대 / 최소광량차이를 4배로두고하루동안의광을 cosine 곡선으로표현하고적용하였다 (α). 본연구의기준단위시간 (t) 이월또는계절단위가아니라 2시간으로매우짧으므로, 단위시간동안생물호흡, 사망, 습식에따른변화 (L (resp.+motality+grazing) ) 는크지않다고가정하고고려하지않았다. 따라서생물생산에의한이산화탄소변화는다음의식으로구할수있다. (δc/δt) B (µatm h -1 )=α PR(mg C m -2 h -1 ) β f CO 2 (µatm) DIC(µmol kg -1 ) -1 z(m) PR(production rate) 은조사지역의엽록소-a농도에서추정되는일차생산율이며, Revelle factor(β) 는 DIC 변화에따른이산화탄소 ( fco 2 ) 의상대적인변화와관련된인자이다 (Poisson et al., 1993). 표층이산화탄소분압에영향을미치는열역학요인, 생물학적요인, 대기-해양교환을제외한나머지요인의주된요인은물리적인혼합이다 : (δc/δdt) R = f(mix (vertical+lateral), stability, R residual ). 수 층의물리적혼합에는확산 (diffusion), 이류 (advection) 등에의한수직적 수평적혼합이있다. 수층의물리적혼합부분은직접측정이힘들고, 참고자료부재등으로인해대부분의모델에서나머지항으로처리하든지, 기존의계수등을채택하여계산한다. C (D+E) = Kz(δDIC/δz) + V u C 여기서 Kz는확산계수 (turbulent eddy diffusivity) 이며, V u 는용승속도 (upwelling velocity) 이며, 각각 m 2 s -1, m s -1 ) 를채택하였다 (de Baar et al., 1995; Stoll et al., 2002). 용존무기탄소변화 (δdic/δz와 C) 는표층과저층 (5 m) 의 ph와총알칼리도에서계산한용존무기탄소로계산하였다. 물리적혼합에의한이산화탄소의변화는해류, 조류, 바람등이강한해역에서는중요한인자로작용할수있다 (Shim et al., 2005 & 2007). Shim et al.(2007) 은동중국해역에서수층안정도가이산화탄소분압변화와좋은상관이있음을제시하였다. 본수지모델에서는물리적혼합을좀더정밀하게재현하기위해위의확산및이류에의한혼합에수층안정도인자 (ω) 를적용하여재계산하였다. 수층안정도인자는 Simson et al.(1977) 이제안한 potential energy anomaly를적용하여계산하였다. 수층의수온 (Fig. 5) 및밀도분포에의하면수심 5 미터보다깊은곳에서는수심에따른변화가크지않았으며, 해조류성장의최대깊이도 5m 이내이므로기준깊이를 5m로하였다. 수층안정도인자 (ω) 는 0.2~2.4 범위였으며, ω가 0.5 이하일때는 (7월 6일 9시 ) 수직적인혼합이거의없는것으로가정하였다. 0 ω =1/ ( ρ ρ ) g z dz 1 ( 이때, ρ'= ) h h -- 0 ρ d z h 따라서물리혼합에의한이산화탄소변화는다음식으로계산할수있다. (δc/δt) R (µatm h -1 )=ω C (D+E) β f CO 2 (µatm) DIC(µmol kg -1 ) -1 z(m) 앞에수립한모델과관련식들에의거하여표층해수의이산화탄소분압에영향을미치는요인을평가한결과 (Fig. 9), 수온변화로발생하는양은 -11~12 µatm으로수온의일변화에따라같이변화하였다. 조사기간풍속은 0.3~3.0 cm sec -1 의범위였으며, 이에따른대기-해양교환량은 -12~20 µatm으로서주로낮시간에이산화탄소를증가시키는요인으로작용하였으며, 5일 15~19시사이에최고치를보였다. 생물은광주기에따라낮에만이산화탄소를감소시키는요인으로작용하였으며평균 -12 µatm로서엽록소농도가가장높았던 5일 17시에최고치를보였다. 그외요인, 즉물리적혼합에의해서는이산화탄소는증가하는것으로나타났으며 < ~10 µatm 범위로작용하였으며, 혼합층이깊어지는밤시간에크게영향을미쳤다. 해조류양식장의표층이산화탄소분압변화에대해단순수지모델을적용한결과, 관측치와상당부분일치하는것으로나타났다 (Fig. 10, r 2 =0.53). 특히 5일낮에일어나는변화는거의유사하게재현이되었다. 이시기에는생물생산에의해이산화탄소가낮아지는반면, 대기-해양과의이산화탄소교환으로증가하게되어서로상쇄작용을일으켰으며, 수온에의한변화는증가와감소를반복하였다. 한편, 5일과 6일새벽시간에는관측치보다예측치가

8 250 심정희 강동진 한인성 권정노 이용화 Fig. 9. Evaluations for environmental factors affecting fco 2 variations at each time interval. Fig. 10. A simple model for fco 2 variation in a seaweed farm. 5~8 µatm 높게나타났는데, 이시간에는생물생산에의한감소는거의없는반면물리적혼합, 수온변화, 대기와교환에의한증가또는감소가발생하게된다. 따라서생물생산에의한흡수가배제됨으로대기-해양교환만이감소요인으로작용하는데, 관측시기의풍속이비교적낮아서 (<~1.0 cm sec -1 ), 감소효과가적었던것이예측치가다소높게나타난원인으로생각된다. 해조류양식장탄소순환의의미해조양식장에서이산화탄소분압변화에영향을미치는인자들에대해단순수지모델을적용한결과, 조사시기동안양식장의이산화탄소분압총변화량의약 14~40% 가해조류의일차생산에의한것으로나타났다. 관측시기가해조류의주된양성시기가지난시점임을감안하면, 상당한기여라할수있다. 한편모델에서생물생산력을추정하기위해사용한단위엽록소 -a 당탄소고정속도 (mg C mgchl-a -1 hr -1 ) 는수층의식물플랑크톤에의한일차생산력을기준으로한것이다. 따라서추후해조류의단위엽록소 -a 당탄소고정속도 (mg C mgchl-a -1 hr -1 ) 를측정하여적용하면해조류양식장의보다더정밀한생물생산력을추정할수있을것으로생각된다. 한편 Hwang et al.(2011) 에의한다시마의탄소고정율은약 8.9 µmol g FW -1 hr -1 였으며, 이에근거하여기장군다시마생산으로연간 1.0~ C ton의탄소가제거된다고보고하였다. 이는다시마의단순광합성효율만을고려한것으로, 현장에서의복잡한요인 ( 물리적혼합, 대기와교환, 식물플랑크톤의기여등 ) 은고려되지않은것이다. Na et al.(2010) 도일광연안의해조류자연서식지에서용존무기탄소변동에대한모델을적용한바가있으나, 각요인들에대한정량적인평가결과는제시하지않았다. 따라서이와 같은해조류양식장의탄소순환에관한기초조사를토대로추후해조양식장의계절에따른변화및해조류의광합성 / 탄소인수등을결합하면, 해조양식장에서의탄소순환에대한정밀평가와 더불어전지구탄소순환에기여하는바를파악할수있을것으로생각된다. 요약 해조류양식장에서 30여시간해양탄소계인자를비롯한환경인자들을연속관측한결과, 이들인자들은조석, 기상변화, 해류등으로일변화및일간변화를크게보였다. 그결과낮의일조량이축적되고간조가겹치는오후 5시전후에수온과엽록소는최고치를보였으며, ph는최저치를보였다. 이산화탄소분압은수온영향으로최고치를보인후, 지속적으로감소하는것으로나타났다. 이산화탄소분압과영양염, 용존산소사이에는서로상관성을보여, 생물생산으로인해용존산소의증가와이산화탄소의감소를의미하였다. 해조양식장의이산화탄소변화를정밀파악하기위해간단한수지모델을적용한결과, 낮에는생물생산이주된감소요인으로작용하였으나수온상승, 대기와의교환에의한증가요인이이를상쇄하는것으로나타났다. 한편밤의예측치가관측치에비해다소높게나타났는데, 이는낮은풍속과혼합층에대한과대평가등이원인인것으로생각된다. 모델결과, 해조류에의한일차생산이해조양식장이산화탄소분압총변화의약 14~40% 를차지하는것으로나타났다. 사사 이연구는국립수산과학원 (RP-2012-ME-065) 의지원으로수행되었습니다. 다시마양식장에서현장관측을허락해주신부산시기장군일광면문동리칠성농수산김치현사장님께감사드립니다. 이논문을검토하시고조언을해주신심사위원분들께감사드립니다.

9 해조양식장수질환경모니터링을통한이산화탄소단순수지모델 251 참고문헌 (References) Abreu, M.H., R. Pereira, C. Yarish, A.H. Buschmann and I. Sousa- Pinto, IMTA with Gracilaria vermiculophylla: Productivity and nutrient removal performance of the seaweed in a land-based pilot scale system. Aquaculture, 312: Ale, M.T., J.D. Mikkelsen and A.S. Meyer, Differential growth response of Ulva lactuca to ammonium and nitrate assimilation, J Appl Phycol DOI /s de Baar, H.J.W., J.T.M. de Jong, D.C.E. Bakker, B.M. Lscher, C. Veth, U.V. Bathmann and V. Smetacek, Importance of iron for plankton blooms and carbon dioxide drawdown in the Southern Ocean. Nature, 373: Bakker, D.C.E., J.J.W. de Baar and U.V. Bathmann, Changes of carbon dioxide in surface waters during spring in the Southern Ocean. Deep-Sea Research II, 44(1-2): Chipman, D., J. Marra and T. Takahashi, Primary production at 47 o N and 20 o W in the North Atlantic Ocean: a comparison between 14 C incubation method and the mixed layer carbon budget. 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한수지 47(6), , 2014 Original Article Kor J Fish Aquat Sci 47(6), , 년 11 월고성만굴 (Crassostrea gigas) 양식장수질환경모니터링을통한이산화탄소수지평가 심정희 한수지 47(6), 1026-1036, 2014 Original Article Kor J Fish Aquat Sci 47(6),1026-1036,2014 2011 년 11 월고성만굴 (Crassostrea gigas) 양식장수질환경모니터링을통한이산화탄소수지평가 심정희 * 예미주 임재현 권정노 국립수산과학원어장환경과 Evaluation of Simple CO