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서하 허
6 years ago
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1 가막만의빈산소수괴형성기구 김정배, 이상용, 유준, 최양호 ( 국립수산과학원남해수산연구소 ) Fmatin fact f hypxic cnditins in Gamak Bay Jeng-Bae KIM, Sang Yng LEE, Jun YU and Yang H CHOI (Suth Sea Fisheies Reseach Institute, NFRDI, 55-83, Kea) 요약가막만빈산소수괴조사는 5년 월 17일부터 5년 9월 1일까지약일주일간격으로총 1회조사되었다. 수온과염분에의한밀도약층이형성되어있으며, 저층에서는클로로필a농도가최고 1μg/L를차지하였고, DO농도가급격히감소하여빈산소수괴가형성되어있었다. 표층에서침강한식물플랑크톤이콜로이드상태로떨어져일정기간생존하다가분해되면서저층의용존산소를고갈시키고, 규조류가분해되거나저층퇴적물의일시적인용출이있었다. 이때, 저층의용존산소와규산염 ( =.785, P=.3), 암모늄염 ( =.98, P=.5), 인산염 ( =.59, P=.1) 은모두유의하였다. 산소미세전극에의한조사결과부영양화와유기물의유입증가가표층퇴적물과해수경계면에서산소소비를증가시키며, 저층퇴적물의재광물화에의해해수층으로재순환되는과정에서빈산소수괴가형성될수있는것으로나타났다. ABSTRACT T investigate hypxic wate ccued in Gamak Bay, ttal f 1 wate and sediment samples wee taken fm 17 June 5 t 1 Septembe 5. Pycncline was fmed by wate tempeatue and salinity. Maximum chlphyll a cncentatin was 1μg/L, DO cncentatin was dastically deceased and then hypxic wate was fmed in the bttm wate. Plant planktn which was pecipitated in the fm f cllid fm the suface wate lived f a peid, and depleted DO while disassimilated. DO, silicate, ammnium and phsphate in the bttm wate wee significantly diffeenced. Accding t the esult f Oxygen micsens, eutphicatin and input f ganic matte inceased xygen demand in benthic bunday and ecycled in the bttm wate by eminealizatin. Hypxic wate may ccued in this pcess. Keywads : Hypxic Wate( 빈산소수괴 ), DO( 용존산소 ), Gamak Bay( 가막만 ) 1. 서론 빈산소수괴는수중용존산소농도가 3 mg /L이하의물덩어리를말하며, 형성은개방역, 폐쇄역및반폐쇄역등에서일어나지만단지그양상이다를뿐이다. 개방역인북태평양에서는용존산소함량이극히적은수괴가있는것이특징인데이러한원인은표층수의저층으로의확산속도가느리거나저층수가 1m이내까지용승하기때문에발생된다. 북미및중미연안해역의북위 5도에서적도에이르는구간및북위 도와 1 도사이에는용존산소가전혀없는최소용존산소함량층의수괴가존재하고있으나이수괴에서는황화수소가없는것이특징이다 ( 이종화 [199]). 폐쇄역인호수에서는밀도와점성의급격한증가로인해중층에포획된부유물이분해되거나호수바닥의산소함량이낮은물과혼합될때발생한다. Canyn호에서는봄철성

2 층화가발생한후혐기성심층이발달되는동안정수대의중층및바닥으로부터산소가결핍된물이이동되는것을알수있으며, 이러한과정은폐쇄된호수에서일어나는일반적인현상이다. 반폐쇄역인내만해역에서의빈산소수괴형성은부영양화된내만해역에서표층수온이상승하여강한수온약층이형성되고, 강우등에의한육수유입의증가로밀도성층이강하게발달하는하계에저층의용존산소가낮아지는현상이발생한다 ( 국립수산진흥원 []). 연안해역에서의용존산소공급은대기혹은외해수와의해수교환에의해서주로이루어지나조류소통이원활하지못한폐쇄적인만의경우저산소화되기쉽다. 또한, 여름철일사량의증가로수온약층이강하게형성되거나, 대량강우의영향으로밀도가낮은표층수와밀도가높은저층수간밀도성층이형성될경우표층에서저층으로산소공급이극히제한되어저층의용존산소는부족하게된다. 그리고, 육상으로부터생활하수및산업폐수의유입이많은해역은영양염이풍부하여빈번한적조의발생등으로인하여수중혹은퇴적물내에유기물이다량축적되어고수온기에미생물의분해작용이활발하게이루어지면저층에서일시에다량의용존산소를소비하게되어저산소화된다. 따라서, 빈산소수괴는조류소통이원활하지못하고수온또는밀도성층이강하게형성되는부영양화된해역의여름철에주로발생한다. 가막만은남해안중앙에위치한만으로길이는남북방향으로약 15km, 동서방향으로약 9km인타원형이며, 전형적인리아스식해안으로해안선이복잡하다. 가막만북부해역의수심은약 7~8m, 중앙부인안포-금죽도와소경도를연결하는해역은수심이약 m밖에되지않아이것이수중보역할을함으로서북부해역은커다란웅덩이와같은모양이되어조류의유동이제한되어상습적인빈산소수괴가발생한다. 빈산소수괴에관한연구는빈산소수의혼합및용승현상에관한연구 ( 윤 [1998]; 윤 [1999]; 윤 [1999]), 수치실험 ( 최 [199]), 형성기구 ( 김 [3]) 가막만에관한연구는영양염거동 ( 김 [3]), 생태계모델링 ( 이 [1999]), 조석및해류 ( 이 [1995]), 수온과염분분포 ( 이 [1985]; 이 [199]), 해수교환 ( 이 [198]), 해양환경과식물플랑크톤군집변동 ( 윤 []), 동물플랑크톤의종조성과계절별출현양상 ( 서 []) 등다양한연구가진행되어있으나가막만의빈산소수괴형성에관한연구는전무한실정이다. 본연구는해수저층및표층퇴적물에서의유기물분해뿐만아니라, 해수표층에서증식하고있는식물플랑크톤이휴먼포자로되기전에응집되어덩어리로떨어져호흡에의한저층산소소모를가속화하고있어이에대한기작을밝히고자 5년 월부터 9월까지매주조사하였다.. 재료및방법 가막만빈산소수괴형성에대한특성을알아보기위하여총 3개정점에대하여 5년 월 17일부터 5년 9월 1일까지약일주일간격으로총 1회조사되었다 (Fig. 1) N 5 Dlsand Baegyad Fig. 1. Map shwing the sampling statins in Gamak Bay. 연구에사용한해수는표층 ( 수심 1m이하 ) 과저층 ( 바닥에서 1m 위 ) 에서채취되었으며, 수질분석기 (YSI ) 를사용하여현장에서수온, 염분, 용존산소및클로로필-a를측정하였다. 용존산소자료의보정을위해

3 일부시료는채수후즉시용존산소병에조심스럽게옮긴후고정시약을첨가하여고정한후실험실에서 Winkle 적정법으로분석하였다. 클로로필-a는수질분석기와병행하여해수시료약 5 ml를공극.5μm박막여과지 (cellulse membane filte, Millipe) 로여과한후여과지에아세톤 1mL를첨가하여추출하였다. 추출된시료는분광광도계를이용하여측정하였다 ( 해양환경공정시험법 [5]). 영양염분석용시료는채수된해수를현장혹은당일실험실에서공극.5μm박막여과지 (cellulse membance filte, Millipe) 를이용하여여과한후분석전까지 - 이하의온도에서냉동보관하였다. 암모니아질소 (NH + -N) 는시료에 phenl과 sdium nitpusside를첨가한후알칼라인시약과차아염소산을가해발색시킨후파장 nm에서흡광도를측정하였다. 아질산질소 (NO - -N) 는시료에 sulfanilamide와 N-(1-naphthyle)-ethlenediamine dihydchlide을가해 Az-dye 발색시켜파장 53nm에서흡광도를측정하였다. 질산질소 (NO - 3-N) 는시료를 Cd-Cu 환원관을통과시켜환원시킨후아질산질소와같은방법으로분석하였다. 인산인 (PO 3- -P) 은시료에 ammnium mlybdate, sulfuic acid, ptassium antimnyl tatate을가한후 ascbic 산으로환원, 발색시켜파장 885nm에서흡광도를측정하였다 ( 해양환경공정시험법 [5]). 표층퇴적물시료는상자형코아채집기 (bx ce, 면적 :. m ) 를이용하여채집하였고,. 분석용시료 (sub-sample) 는회수된상자형코아에원형투명아크릴 ( 직경 :8cm, 길이 :5cm ) 를서서히삽입하여채집하였다. 채집된시료는현장온도를유지시키면서실험실로옮겨져실험실에서온도변화가.1 이하인항온수조에시료를넣어현장온도를재현시키면서미세전극을사용해서공극수의용존산소연직분포를이등 ([3], []) 의방법에따라분석하였다. 산소미세전극은전극크기가약 5μm인 Clak type의전극 (Unisense, OX 5) 을사용하였다. 전극의 stiing sensitivity는 % 이하였으며, 9% 반응시간은 1초이하였다. 전극의검량은강한환원제인 ascbic 용액과산소가포화된현장해수를이용하여전극에서검출된전류와산소농도간의선형관계를이용하였다. 검량을마친미세전극은수직이동해상도가 1μm인 micmanupulat(unisense, MM33) 에장착하여 5μm씩퇴적물에직접삽입하면서산소농도를측정하였다. 전극에서검출된 pa 범위의전류는 picammete(unisense, PA) 와아날로그디지털변환기 (A/D cnvete: Unisense, ADC-1) 를거친다음휴대용컴퓨터에저장하였다. 용존산소에대한표 중 저층의규산규소, 암모늄염, 인산염및저층수의주별규산규소, 암모늄염, 인산염상호간의관계에대한대응논리는선형회귀분석을통하여그차이를비교하였다. 본연구에서의모든통계분석은 SPSS vesin 1. 통계프로그램을이용하여수행하였다. 3. 결과및토의 5 년의빈산소발생경과가막만빈산소수괴조사에서저층의용존산소농도는 mg/l이하, ~3mg/L, 3~mg/L, mg/l이상의간격으로구분하여수평공간분포를나타내었다 (Fig. ). 3~ 3~ 3 5 N Dlsand Dlsand Dlsand Dlsand Dlsand Baegyad 17 Jun. 5 Baegyad 7 Jul. 5 Baegyad 19 Jul. 5 Baegyad 7 Jul. 5 Baegyad Aug. 5 3~ 3 5 N Baegyad Dlsand 9 Aug. 5 Baegyad Dlsand 17 Aug. 5 Baegyad Dlsand Aug. 5 Baegyad Dlsand 3 Aug. 5 Baegyad Dlsand 1 Sep. 5 Fig.. Hizntal distibutins f disslved xygen cncentatin f the bttm wate in Gamak Bay. 가막만빈산소수괴의진행상황을보면 5 년 월 17 일에는저층용존산소가고르게분포하여빈산소수

4 괴가형성되지않았으며, 7월 7일선소및소호동주변을기점으로빈산소수괴가나타났다. 이러한빈산소수괴는 7월 19일에나진에서월호동주변수역까지발생되었으며, 7월 7일에는나진에서하수종말처리장까지발생되었다. 이후점차확장되어 8월 일, 8월 9일에는원포에서대경도입구까지의가막만상부전체수역이빈산소수괴가확장되어넓은범위로형성되었다. 이후 8월중순부터점차축소되어 8월 3일까지지속되다가태풍나비에의하여바람이세차게불어저층의빈산소수괴분산및표 저층혼합이일어났으며, 이후 9월 1일에는빈산소수괴가소멸되었다. 또한, 가막만북부해역은하수종말처리장준공이후동해역에서유입되는오염부하량이크게줄었고 ( 해양수산부 [1]; 수산과학원미발표자료 [5]), 선소지역의오염퇴적물준설사업과함께퇴적물정화사업이진행되고있어이사업이정상적으로끝나면빈산소수괴발생빈도는감소될것으로판단된다. 식물플랑크톤과빈산소수괴형성조사기간중정점 9번에서수온, 염분, 클로로필a 농도와의관계를살펴보면수온과염분에의한밀도약층이형성되어있으며, 이때표층클로로필a는.9μg/L로저층 8m 까지서서히증가하다가이후급속도로증가하여저층에서는클로로필a농도가최고 1μg/L를차지하였다. 또한, 수온, 염분, DO농도와의관계를살펴보면, 밀도약층아래에서 8m이후 DO농도가급격히감소하여빈산소수괴가형성되어있었다 (Fig. 3). 가막만북부해역에밀도성층이형성된지역의연직조사 (Fig. ) 를실시해본결과용존산소와규산염을보면표층 ( =.19, P=.), 저층m 상부층 ( =.37, P=.139) 에서는유의하지않았으나, 저층에서는유의하였다 ( =.785, P=.3). 용존산소와암모늄염을보면표층에서는유의하지않았으나 ( =.5, P=.89), 저층 m 상부층 ( =.588, P=.7) 및저층 ( =.98, P=.5) 에서는유의하였다. 용존산소와인산염을보면표층 ( =.11, P=.18), 저층m 상부층 ( =., P=.551) 에서는유의하지않았으나, 저층에서는유의하였다 ( =.59, P=.1). Tem peatue( ) S alin ity Tem peatue( ) S alin ity Tempeatue S alin ity DO Depth(m) 8 Depth(m) 8 Tem peatue S alinity Chlphyll a DO( mg /L) C h l p h y ll a ( μg /L ) Fig 3. Vetical vaiatins f tempeatue, salinity, DO, chlphyll a in Gamak Bay. 5 SiO -Si (µ M) 3 = ( P =. 3 ) B t t m M i d d l e l a y e S u f a c e =. 3 7 ( P = ) 1 1 =. 1 9 ( P =. ) 8 1 D O ( m g / L ) -P ( µ M) NH -N ( µ M) PO =. 9 8 ( P =. 5 ) = ( P =. 7 ) =. 5 ( P =. 8 9 ) 8 1 D O ( m g / L ) =. 5 9 ( P =. 1 ) =. ( P = ) =. 1 1 ( P =. 1 8 ) 8 1 D O ( m g / L ) Fig. Vetical vaiatins f SiO -Si, NH -N, PO -P, DO in suface, middle laye and bttm wate in Gamak Bay. 빈산소수괴기간중저층에서의영양염농도를살펴보면 월 17일에는암모늄염, 인산염, 규산염은낮은농도를보였고, 7월7일에는증가하여암모늄염은 13.μM, 인산염은 1.8μM, 규산염은 3.μM이었다. 7월 7일에는주춤하다가 8월 9일에는최대로증가하여암모늄염은 1.1μM, 인산염은.μM, 규산염은 58.1μM을보

5 였으며, 이후급속도로감소하여 9월 1일에는암모늄염은 1.μM, 인산염은.μM, 규산염은.7μM이었다. 이때, 암모늄염, 인산염, 규산염간의상호관계를살펴보면, 암모늄염과인산염 ( =.73, P=.1), 규산염과암모늄염 ( =.99, P=.1), 규산염과인산염 ( =.71, P=.8) 에서모두유의하였다 (Fig. 5). 월별표층식물플랑크톤의변동을살펴보면 월에는규조류 (.8 1cells/mL) 와와편모조류 (1.3 1cells/ ml) 로 :1의비율로존재하였으나, 7월에는급격하게감소하여 종류모두.3 1cells/mL이었고, 8월에는규조류 (.8 1cells/mL), 와편모조류 (.9 1cells/mL) 로 3:1의비율로존재하였으며, 9월에는규조류와와편모조류가감소하였다 (Fig. ). Fig. 5. Weekly vaiatins f SiO -Si, NH -N, PO -P f bttm wate in Gamak Bay. Fig.. Mnthly vaiatin f flagellates and diatms n the phytplanktn cmmunity in Gamak Bay. 여기에서식물플랑크톤에대하여살펴보면, 표층에생존하던식물플랑크톤은응집되어덩어리로저층에떨어져상당기간생존하고있다는사실을알게되었다. 또한, 규산염의농도를보면표층에서는 7.1μM이었고, 저층 m 상부에서는 8.μM, 저층에서는.5μM을차지하고있어침강한식물플랑크톤이콜로이드상태로떨어져일정기간생존하다가분해되면서저층의용존산소를고갈시키고, 규조류가분해되거나저층퇴적물의일시적인용출가능성을시사하였다. 빈산소수괴는 9월 1일해소되어저층에서는정상적인산소농도를보이고있지만, 식물플랑크톤이회복되는데는시차를보이고있어, 빈산소수괴가물리및화학적인요인은해소되었지만생물학적인요인의해소는장기간의시간이필요함을알았다. 퇴적물과해수경계면에서의빈산소형성기구가막만은전형적인리아스식해안으로서조류의유동이제한적이며, 부영양화와유기물의유입증가가표층퇴적물과해수경계면에서산소소비를증가시켜저층에빈산소수괴가형성될수있다. 퇴적물과해수경계면에서의산소소모율은공극수수직분포의 1차확산 반응모델을이용하여추정하였고, 공극수내산소농도를수직으로 5μm간격으로측정하여농도기울기를계산하였다 (Buldin[198]; Cai and Sayles[199]; Epping and Helde[1997]; Lee et al.[3]). 빈산소발생시및소멸시측정된공극수내산소농도의수직분포를 Fig. 7에나타내었고퇴적물과해수경계면을통한산소소모율결과를 Table 1에나타내었다. 1. O ( µ m le /L ) O ( µ m l e / L ) S edim ent-w ate inteface. Sedim ent-w ate inteface Depth (mm) -1. O P D (. 5 m m ) Depth (mm) -1. O P D ( 1. 5 m m ) Fig. 7. Vetical distibutins f disslved xygen cncentatin in the pe wate f the castal sediment in the Gamak Bay. Occuence f hypxic wate(left) and extinctive f hypxic wate(ight). OPD stands f xygen penetatin depth.

6 Table 1. The measued xygen penetatin depths in the castal sediments f Gamak Bay. The xygen cnsumptin ates(f O) and net eactin ates(r) wee estimated fm the vetical xygen cncentatin pfiles using the ne-dimensin diffusin-eactin mdel. The benthic ganic cabn xidatin ates wee calculated fm the adapted xygen t cabn ati, mdified Radfield ati f xygen t cabn(17/117) and, t measued xygen cnsumptin at the in sediment/wate inteface Classificatin Occuence f hypxic wate OPD(Z max) mm F O mml O m - day -1 F Cg mg C m - day -1 R M day Extinctive f hypxic wate 퇴적물과해수경계면에서산소소모율범위는빈산소발생시 13.~13.71mml O m - day -1 (13.9mml O m - day -1 ) 였고소멸시에는 7.~3.71mml O m - day -1 (.8mml O m - day -1 ) 로추산되었다. 이러한결과는우리나라남해연안의 1.8~7.mml O m - day -1 및해상어류가두리양식장주변수역의 13~ 53mml O m - day -1 와유사한결과를보였다 (Lee et al.[3]; Lee et al.[]). DeGbbis et al[198] 는아드리아해에서해수교환이이루어지지않고수직성층이강하게만들어졌을때, 산소소비율이 15mml O m - day -1 이상으로나타나면, 저층수에서무산소수괴가형성될수있음을시사하였는데빈산소수괴가소멸되었지만가막만북부해역은조건만충족된다면언제든지빈산소수괴가발생할수있을것으로판단된다. 연안퇴적물과해수경계면에서는유입된유기탄소중약 3~3% 가퇴적물상부층에서산화되어재순환되고나머지는퇴적층으로퇴적되므로유기탄소순환및수지를추정하는데있어매우중요한연구대상이다 (Accne et al.[3]; Lee et al.[]). 본연구에서는유기탄소분해가 Redfield 비율 (O /C g=17/117) 에따른다는가정아래이비율을적용하여추정하였다 (Andesn and Samient, [199]). 추정된유기탄소산화율은빈산소발생시 11.8~113.mg C m - day -1 ( 평균 113.mg C m - day -1 ) 였고, 소멸시에는 8.7~ 8.7mg C m - day -1 ( 평균.37mg C m - day -1 ) 로추정되었다. 이러한결과는우리나라남해연안에서추정된결과의범위 (89.5~8.1mg C m - day -1 ) 에속하였다 (Lee et al.[3]). 빈산소수괴가활발하게발생된시기에는유입된유기물의분해가많이진척된영향으로유기탄소산화율이낮은것으로나타났다. 따라서, 부영양화와유기물의유입증가가표층퇴적물과해수경계면에서산소소비를증가시키며, 저층퇴적물의재광물화에의해해수층으로재순환되는과정에서빈산소수괴가형성될수있을것으로판단되었다. 산소투과깊이 (Z max) 는퇴적물내산화층의두께를의미하며, 퇴적물과해수경계면에서산소소모율과밀접한관계가있다 (Cai and Sayles, [199]). 빈산소층발생시산소투과깊이는.5~.5mm( 평균.8mm) 였으며, 빈산소수괴의소멸시에는.5~1.5mm( 평균 1.3mm) 로나타났다. 빈산소층발생시와소멸시.55mm 차이를보였고, 가막만 ( 대경도동북방 ) 에서 3년 5월에조사된 1.3mm의산소투과깊이는소멸후의값과유사하였다 (Lee et al,[3]). 동일지점에서빈산소발생및소멸시퇴적물의산화층두께의차이를보이는것은빈산소발생시퇴적물하부층에서환원물질의공급이많아산화층및무산소환경의경계면에서재산화가일어나산소투과깊이를감소시켰을것으로생각된다 (Beg et al., [1998]; Rabuille et al.[3]; Lee et al.[3]). 참고문헌 [1] 국립수산진흥원,. 해양환경정보총람 3p. [] 이재성, 김기현, 유준, 정래홍, 고태승, 3. 산소미세전극을이용한남해연안퇴적물 / 해수계면에서산소소모율및유기탄소산화율추정. 한국해양학회지바다, 8: 39-. [3] 이종화, 199. 해양생물학 957p. 동화기술 [] DeGbbis, D., M. Gilmatin and N. Revelante, 198. An anntated nitgen budget calculatin f the Nthen Adiatic Sea. Ma. Chem., :

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PDF 27 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 진해만빈산소수괴의시 공간적변동해석 이인철, 문창용, 오유진, 공화훈 ( 부경대학교해양공학과 ) The Spatio-Temporal variations of Oxygen deficient water mass (ODW) in Jinhae Bay I.C LEE, *C.Y. MOON, Y.J. OH, H.H KONG (Dept.