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Effects of Sediments on the Growth of Algae at Chusori Area in Daechung Reservoir
Effects of Sediments on the Growth of Algae at Chusori Area in Daechung Reservoir
Journal of Korean Society on Water Environment. 2015. Sep, 31(5): 533-542
Copyright © 2015, Korean Society on Water Environment
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  • Received : July 07, 2015
  • Accepted : September 09, 2015
  • Published : September 30, 2015
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경희 오
용준 김
영철 조
choy@chungbuk.ac.kr

Abstract
In order to investigate the effect of internal loading from sediment on algal blooming at Chusori area in Daechung Reservoir, the amount and contamination level of sediment and the release rate of total phosphorus were analyzed. The sedimentary layer was consisted with two layers, and the average depth of upper and lower ones were 0.35 and 1.44 m, respectively. The fraction of inorganic phosphorus in the sediment was higher than that of organic phosphorus, and the fractions of phosphorus which responsible for internal loading were very high as in the range of 72.7 and 80.2% of inorganic phosphorus. The C/N ratio of sediment taken with core sampler indicated the organic compounds are originated from settled algae from water body. The average release rate of total phosphorus from sediment was 6.74 (±0.50) mg/m 2 /day. These results indicated that the internal loading from sediment contributes the excessive algal growth at Churosi area, and the countermeasures to improve the quality of sediments are required to manage algal blooming in Daechung Reservoir.
Keywords
1. Introduction
호소에서 일어나는 조류의 과다증식은 질소(nitrogen)와 인(phosphorus)과 같은 영양염류의 농도가 높아지는 부영양화에 의해 발생한다( Paerl, 1988 ). 수체로의 영양염류의 증가는 외부부하(external loading) 또는 내부부하(internal loading)에 의해 일어난다( Ahn et al., 2013 ; Kim, 2002 ). 외부부하는 외부의 점오염원 또는 비점오염원으로부터 유입되는 영양염류에 의해 발생하며, 내부부하는 호소 내의 퇴적물로부터 영양염류의 용출에 의해 발생한다. 저수지나 인공호수와 같이 정체성 수역에서는 퇴적되는 오염물질의 양이 상대적으로 많으며, 단위 면적당 수용량이 적기 때문에 저층 퇴적물로부터 용출되는 영양염류에 의한 내부부하가 수질변화에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다( Kim, 2002 ). 퇴적물로부터 영양염류의 용출은 수온, pH, 용존산소, 유속 등과 같은 물리화학적 환경요인과 저서 미생물 등의 생물학적 요인에 의해 영향을 받는다( Bostrὅm and Pettersson, 1982 ).
퇴적물에 의한 내부부하 기여도를 평가하기 위하여 퇴적물의 오염도와 영양염류의 용출속도를 분석하는 것은 매우 중요하다. 따라서 호소 수질관리 측면에서 유역의 지형학적, 구조적인 특성과 더불어 주변 환경여건의 변화에 따라 퇴적물로부터 용출될 수 있는 오염물질을 정량적으로 파악하는 것은 매우 중요하며, 이러한 결과는 호수 전체의 수질을 검토하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있다( Cho and Chung, 2007 ).
대청호는 1981년에 대전시 대덕구와 충북 청원군 사이에 건설된 복합형 댐에 의해 형성된 호소로서 3,204 km 2 (용담호 포함 4,134 km 2 )의 유역면적과 1,490×10 6 m 3 의 총 저수 용량을 가지는 다목적 댐이다( Jeong et al., 2011 ). 대청호에서는 상류지천으로부터 영양염류의 유입과 곳곳에 정체수역을 형성하는 지형적 특성으로 인해 조류대발생이 빈번하게 일어나고 있다. 대청호에서 조류는 주로 초여름에 출현하여 초가을까지 빛이 충분히 전달되는 유광층에서 대량 발생하며, 이들 중 Microcystis Anabaena 와 같은 남조류가 주로 우점한다( Cho et al., 2012 ; Park et al., 2006 ). Anabaena spp.를 비롯한 일부 남조류는 물 속에 녹아있는 질소(N 2 )를 고정하여 사용하기 때문에 인 보다 남조류의 성장 제한요인으로의 기능이 낮으며, 질소 부하를 줄이는 것 만으로는 남조류의 성장을 조절하기 어려운 것으로 알려져 있다( Schindler et al., 2008 ). 특히 대청호의 경우 총 질소의 년 평균 농도는 1.5~1.7 mg/L (2005~2010년; MOE, 2015 )로 총인의 농도에 비해 매우 높기 때문에 조류의 성장을 제한하지 않으며, 인이 가장 중요한 제한요인으로 여겨진다.
대청호의 추소리 수역에서는 상류의 점오염원과 비점오염원으로부터 많은 양의 인이 유입되고 있어 해마다 조류 대발생이 일어나고 있다. 추소리 수역으로 유입되는 지천인 소옥천은 유역 면적이 198.4 km 2 로 대청호 유입 지천 중 가장 크며, 상류에 18,000 m 3 /day 규모의 옥천하수처리장과 다수의 축산 시설이 있어, 대청호 지천의 전체 총인 발생 부하량의 72%를 차지한다( Oh and Cho, 2015 ). 따라서 추소리 수역의 수질이 대청호 조류경보제 대상지점인 회남지점의 조류 성장에 큰 영향을 미치고 있으며, 추소리 수역에서 생성된 조류가 강우-유출과 바람에 의해 확산·이송되어 대청호 본류의 조류 증식에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다( Chae et al., 2006 ; Cheon et al., 2006 ; Chung and Lee, 2011 ; Lee et al., 2012 ).
대청호를 대상으로 유역의 하수처리장과 같은 점오염원이나 강우시 비점오염원으로부터 영양염류의 유입에 대한 연구는 많이 진행되었으나, 내부 퇴적물로부터의 부하에 대한 연구는 많이 이루어지지 않았다. 하지만, 대청댐이 건설된 이후 유입된 영양염류와 매년 발생하는 조류의 사체로 인한 퇴적물의 오염에 의하여 내부부하 정도가 심각할 것으로 예상된다. 호소에서 일어나는 조류대발생에 대하여 퇴적물로부터의 내부부하가 미치는 정도를 평가하려면 퇴적물 중 영양염류의 농도, 퇴적물로부터 영양염류의 용출속도, 대상지역의 오염 퇴적물의 양, 및 조류의 성장에 필요한 영양염류의 양에 대한 자료가 필요하다.
본 연구에서는 대청호의 추소리 수역의 퇴적물의 양, 채취된 퇴적물의 오염도와 총인의 용출속도 분석 결과를 활용하여 추소리 수역의 퇴적물이 조류대발생에 미치는 기여도를 분석하였다.
2. Materials and Methods
- 2.1. Sampling Site and Sediment Exploration
조사 지점은 대청호 추소리에 위치하고 있으며 소옥천과 대청호의 경계 지점에서 대청호 방향으로 약 800 m 떨어진 지점(36°21'32.4"N, 127°34'02.1"E)이다( Fig. 1 ). 이 지점의 비강우시 유속은 평균 0.05 m/s로 하천보다는 호소의 특성을 나타낸다( Oh and Cho, 2015 ). 또한 조사 지점에서는 매년 심각한 수준의 조류대발생이 관찰되기 때문에 금강물환경연구소에서 조류경보제의 관찰지점으로 선정하여 주기적인 모니터링을 실시하고 있다( Cheon et al., 2006 ; NIER, 2011 ).
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Map of sampling site. Shaded area in the boxed map indicates the zone of exploration to measure amount and depth for sediment.
조사 대상 지역의 퇴적물 분포 및 양을 조사하기 위하여 2011년 11월 18일에 퇴적물에 대한 지층 탐사를 실시하였으며, 이를 위해 비선형 지층탐사기(Parametric Profiler, Hydra Sonar Co., Russia)를 사용하였다. 탐사 지역의 면적은 623,754 m 2 이었으며, 호수의 중심부와 만곡부를 포함하여 50 m 간격으로 측선을 설정하여 조사하였다. 계획된 경로를 따라 얻어진 모든 결과(음향 결과 및 GPS 결과)를 동기화 한 후 Hyview 프로그램을 활용하여 퇴적물의 깊이와 양을 분석하였다.
- 2.2. Collection of Water and Sediment Samples
수시료는 대상 지점 바닥층의 직상부 0.5 m 이내의 수심에서 반돈 채수기(Van Dorn Sampler; WildCo, FL, USA)를 사용하여 채취한 후, 2L 크기의 채수병(polyethylene 재질)에 옮겼다. 퇴적물 시료는 Grab sampler (WildCo) 또는 Core sampler (WildCo)를 사용하여 채취하였다. Grab sampler를 사용하여 채취된 시료는 6 L 크기의 사각 플라스틱 통에 옮겼으며, Core sampler 시료는 채취된 후 core의 상부와 하부를 밀봉하였다. 수시료는 2010년 9월 17일, 2011년 3월 30일, 4월 25일, 5월 16일, 5월 30일, 6월 13일에 채취되었고, Grab sampler를 사용한 퇴적물 시료는 2010년 9월 17일, 2011년 3월 30일, 4월 25일, 5월 30일에 채취되었으며, Core sampler 시료는 2012년 9월 27일에 채취되었다. 채취된 시료는 4℃ 냉장 상태를 유지하여 실험실로 옮긴 후 전처리를 거쳐 분석하였다. 퇴적물 시료를 채취할 때, 같은 지점에서 지형에 의한 유속 차이로 인해 퇴적물량 및 오염도 차이가 나는 것을 보완하기 위해 좌안과 우안에서 각각 시료를 채취하여 분석하였다.
- 2.3. Analysis of Samples
수시료에서는 총인의 농도 및 엽록소 a의 농도를 측정하였으며, 이는 수질오염공정시험기준에 따라 분석하였다. Grab sampler를 사용하여 채집된 퇴적물 시료는 풍건한 후에 가볍게 분쇄하여 육안으로 구분 가능한 유기물을 제거한 후에 2 mm 체로 체가름을 하였으며, 체를 통과한 시료를 실험에 사용하였다. 전처리된 건식 시료는 유기인의 성상별 분석을 제외한 이화학적 항목의 분석에 사용되었다. 퇴적물에서 유기인의 성상별 분석에는 습식 시료를 사용하였다. 이를 위하여 건조되지 않은 퇴적물을 2 mm 체로 체가름하여 굵은 입자와 유기물을 제거한 것을 사용하였다( Hedley et al., 1982 ). Core sampler를 사용하여 채취된 퇴적물은 상부부터 하부 방향으로 3 cm 간격으로 자른 후, Grab sampler 시료와 동일한 방법으로 전처리한 후에 사용하였다.
입자 분포, 강열감량(ignition loss), 총인, 및 총질소 농도의 분석에는 전처리된 건식 시료를 사용하여 분석하였다. 퇴적물의 입자 분포는 입자의 크기에 따라 표준체 분석법과 기기분석법을 병행하여 분석하였다(Oh et al., 2015). 입자 분석 자료를 이용하여 미국 농무부 토양 분류법(U.S. Department of Agriculture, Textural Classification)에 따라 퇴적물 입자를 Sand (2~0.05 mm), Silt (0.05~0.002 mm), Clay (0.002 mm 이하)로 나눈 후, 이들 각각의 함량으로 토성을 분석하였다. 강열감량은 105℃에서 1 시간 건조시킨 시료를 700℃의 전기로에서 1 시간 동안 가열한 후 가열 전후의 질량 차이로부터 구하였다. 총질소는 전처리된 시료를 Kjeldahl flask에 넣고 황산염 혼합분말과 황산을 가하여 분해시킨 후 정량하였다( Oh et al., 2015 ). 퇴적물 중 총인의 농도는 전처리된 시료를 과염소산으로 처리하여 퇴적물 중에 포함된 유기물을 완전 분해한 후 유리된 무기인의 농도를 몰리브덴산암모니움-아스코르빈산법(880 nm)을 사용하여 구하였다( Leytem and Kpomblekou-A, 2009 ).
퇴적물에 포함된 무기인(inorganic phosphorus)과 유기인(organic phosphorus)의 성상별 농도는 전처리된 퇴적물 시료에 여러 종류의 용매를 순차적으로 처리하여 분별한 후 각각의 용출액에 포함된 무기인의 농도를 몰리브덴산암모니움-아스코르빈산법(880 nm)을 사용하여 구하였다( Oh and Cho, 2015 ; Zhang and Kovar, 2009 ). 무기인의 성상별 분석을 위하여, 전처리된 건식 시료를 원심분리관에 넣고 NH 4 Cl (1M), NH 4 F (0.5M), NaOH (0.1M), reductant 용액 (0.3M Na 3 C 3 H 6 O 7 , 1M NaHCO 3 , Na 2 S 2 O 4 의 혼합용액), H 2 SO 4 (0.25M)을 순서대로 처리하여 용출된 인을 정량한 후, 실험에 사용된 퇴적물의 양과 인의 농도로부터 퇴적물 중의 무기인을 soluble and loosely bound-P (SLB-P), Al-P, Fe-P, reductant soluble-P (RS-P) 및 Ca-P로 구분하여 구하였다. 유기인은 습식 퇴적물 시료를 원심분리관에 넣고, NaHCO 3 (0.5M), HCl (1M), NaOH (0.5M), H 2 SO 4 (1M)을 각각 순서대로 처리하여 용출액 중의 무기인과 총인을 측정한 후 non-biomass labile-P o , biomass-P o , moderately labile-P o , fulvic acid-P o , humic acid-P o , 및 nonlabile-P o 로 분류하였다. Non-biomass labile-P o 와 biomass-P o 는 labile pool로 분류하였으며, moderately labile-P o 와 fulvic acid-P o 는 moderately labile pool로 분류하였다. 또한 humic acid-P o 와 nonlabile-P o 는 nonlabile pool로 분류하였다( Zhang and Kovar, 2009 ).
- 2.4. Release Rate of Total Phosphorus
대상 지점에서 채취된 퇴적물을 사용하여 총인의 용출률을 측정하였다. 용출실험은 아크릴 재질의 원통형 반응조(ø150 mm × 500 mm)를 사용하였으며, 실험 대상 퇴적물을 70 mm 높이(~3.1 kg of dry sediment)로 채우고 대상 지점에서 채취된 현장수(7 L)를 채운 후 호기조건(oxic)과 무산소조건(anoxic)을 유지하여 수행하였다( Cho and Chung, 2007 ). 시료 당 4개의 반응조를 사용하여 각각 2 개씩 호기조건과 무산소조건 실험을 수행하였다. 반응조에 현장수를 채우는 과정에서 물리적인 충격에 의한 영양염류의 용출을 최소화하기 위하여 반응조의 벽면을 따라 20 mL/min의 속도로 물을 채웠다. 호기조건과 무산소조건은 밀폐한 반응조에 각각 공기와 질소가스(99.9%, v/v)를 지속적으로 공급함으로써 유지하였다. 용출실험 중 질소가스를 공급한 반응조 내 퇴적물의 상태를 관찰한 결과 황환원세균에 의해 생성된 S 2− 와 Fe 2+ 의 반응물인 황화철(FeS)로 인해 검은 색이 되는 것을 확인하였으며, 이에 따라 질소가스를 공급한 반응조에서 무산소조건이 유지되고 있는 것으로 판단되었다. 광합성에 의한 산소 조건 변화를 방지하기 위하여 암실에서 실험을 수행하였고, 암실의 온도는 25℃를 유지하였다. 시료는 퇴적물 상부 약 1 cm 위치에서 30일 동안 1~2일 간격으로 채취되었으며, 채취된 시료에서 총인의 농도는 수질오염공정시험기준의 방법에 따라 분석되었다.
퇴적물로부터 총인의 용출률은 다음과 같은 식으로부터 산출되었다. 식에서 C I 는 총인의 초기 농도이며, C A 는 총인의 나중 농도이다. V는 반응조 내 상등수의 용량(L)이며, T는 용출 시간(day), A는 반응조의 면적(m 2 )이다.
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3. Results and Discussion
- 3.1. Estimation of Sediment Amount
대청호 추소리 지역에서 비선형 지층탐사기를 사용하여 퇴적물의 분포를 조사한 결과, 탐사구역의 수중 바닥 표면에는 기반층 위에 밀도가 낮은 상부층과 상대적으로 밀도가 큰 하부층이 존재하였으며, 이들 두 개의 층은 탐사구역 전체에 분포하였다( Fig. 2 ). 상부층와 하부층의 평균 두께는 각각 0.35 m와 1.44 m이었으며, 대체적으로 수체의 유통이 원활하지 않은 만곡부에서 퇴적물 두께 및 단위 면적당 퇴적물량이 많은 것으로 조사되었다. 탐사구역의 넓이와 두께로부터 계산된 퇴적물량은 상층부의 경우 219,845 m 3 이며, 하층부에는 897,984 m 3 의 퇴적물이 존재하는 것으로 나타났다. 호소 생태계에서 퇴적물의 평균 밀도(2.65 g/cm 3 ; Kim, 2007 )를 활용하여 퇴적물의 질량을 계산하면, 제곱미터당 4,744 kg의 건조 퇴적물이 있는 것으로 판단된다.
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Distribution of sediment at the Chusori area (a) and three dimensional model of sediment (b).
본 연구에서는 퇴적물의 기반층까지 core 시료를 채취하지 않고 비선형 탐사기를 사용한 간접적인 방법으로 분석한 것이기 때문에 하부층이 댐 축조 이후에 쌓인 퇴적물인지 확인할 수 없었다. 1996년에 Piston core를 사용하여 대청호의 문의지점, 회남지점, 및 내탑지점(추동수역 인근 댐 본류)에서 측정한 퇴적물의 두께는 지역에 따라 차이가 있었으나 0.35~0.90 m의 범위로 조사되었다( Lee and Lee, 2004 ). 선행 연구는 주로 호수의 본류 지역을 대상으로 실시된 것으로 본 연구의 지점과 달라 연구 결과를 직접적으로 비교하기는 어렵다. 하지만 본 연구는 선행 연구 이후 약 15년 후에 실시되었으며, 대청호에서 외부로부터 지속적으로 입자성 물질이 유입되고 있기 때문에( Lee and Lee, 2004 ), 퇴적물의 두께가 0.35 m 이상일 것으로 예상된다. 따라서 본 연구의 탐사지역에서 측정된 상층부와 하층부의 퇴적물은 모두 댐 축조 후 형성된 퇴적물인 것으로 판단된다.
- 3.2. Physicochemical Characteristics of Sediment Samples
2010년 9월부터 2011년 5월까지 4회에 걸쳐 채집된 퇴적물 시료의 입자 크기를 측정한 결과 실트 크기의 입자가 62.6~82.5%로 가장 높은 비율을 차지하였으며, 특히 실트 중 10~20 μm 크기의 입자가 23.3% (2010년 9월 17일) ~ 34.6% (2011년 5월 30일)의 범위로 가장 높았다( Table 1 , 2 ). 점토와 미세실트 등 크기가 작은 입자는 암모니아성 질소 및 인의 흡착능이 크다고 알려져 있기 때문에( Yu et al., 2006 ), 대상 지점 퇴적물의 오염도가 높을 것으로 판단된다. 채집된 시료의 모래, 실트, 점토의 입자 비율로 구한 토성은 2011년 5월 30일 시료가 silt(미사)에 속하였으며, 나머지 시료는 silt loam(미사질 양토)로 분류되었다( Table 2 ). 채취 시기에 따라 실트 입자 비율의 차이가 큰 것은 대상 지점이 소옥천의 말단과 인접하여 집중 강우시 상류로부터 토사가 유입되어 입자의 분포가 변하는 것으로 추정된다. 하지만 이러한 원인을 파악하기 위하여 상류로부터 유입되는 토사를 수확하여 입자 분포에 대한 분석이 필요하다.
Particle size distribution in the grabbed sediment samples
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Particle size distribution in the grabbed sediment samples
Classification and the concentration of ignition loss, total nitrogen, and total phosphorus in the grabbed sediment samples
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Classification and the concentration of ignition loss, total nitrogen, and total phosphorus in the grabbed sediment samples
퇴적물 시료의 강열감량은 평균 8.96(±0.3)%로 국립환경과학원의 하천·호소 퇴적물 오염평가 기준(국립환경과학원 예규 제575호)에서 퇴적물 중 완전연소 가능량(강열감량)에 대하여 “명백하거나 심각하게 오염된 상태”로 판단되는 13%를 넘지 않았다( Table 1 ). 하지만 총질소의 농도는 8,182(±655) mg/kg으로 모든 시료에서 하천 호소 퇴적물 오염평가 기준인 5,600 mg/kg을 초과한 것으로 측정되어, 대상 지역의 퇴적물이 총질소에 대하여 “명백하거나 심각하게 오염된 상태” 인 것으로 판단되었다( Table 2 ). 퇴적물의 오염물질의 농도와 대상 지역의 퇴적물량으로부터 단위 면적당 오염물질의 양을 계산하면, 강열감량으로부터 계산된 유기물의 양은 425 kg/m 2 이며, 총질소의 양은 38.8 kg/m 2 으로 나타났다.
팔당호의 40개 지점에서 1999년에 분석된 퇴적물 중 총 질소의 농도는 20~2,200 mg/kg 범위였으며, 상층에서 평균 790 mg/kg, 중층에서 평균 660 mg/kg, 하층에서 430 mg/kg이었다( Jung, 2006 ). 보령호의 퇴적물에서 총질소의 농도 범위는 105.3~385.3 mg/kg으로 나타났다( Ryu, 2001 ). 따라서 팔당호와 보령호와 같은 다른 상수원에 비해 본 연구 대상 지점의 퇴적물 중 총질소 오염이 심각한 것으로 보인다. 이러한 결과는 소옥천 상류에 위치한 축산 시설과 같은 질소 오염원으로부터 유입된 오염물질이 축적되었기 때문인 것으로 판단되며, 이에 대한 추가 조사가 필요하다. 금강 하류의 퇴적물을 대상으로 2005년에 분석된 결과에 따르면 총질소의 농도는 9,739~9,988 mg/kg으로 매우 높았다( Lee et al., 2005 ). 또한 2010년부터 2014년까지 대청호의 수질 측정망 지점 6개에서 분석된 수체 중 총질소의 평균 농도는 1.68 (±0.20) mg/L이었으며( MOE, 2015 ), 측정값을 환경정책기본법 시행령의 생활수질환경기준에서 정한 총질소의 기준과 비교하였을 때 대부분의 시료가 매우나쁨(VI) 등급 (1.5 mg/L)을 초과하고 있어 대청호의 총질소 오염이 심각한 것으로 나타났다.
퇴적물 중 총인 농도는 853~1,110 mg/kg의 범위였으며 평균 농도는 978 (±107) mg/kg이었다( Table 2 ). 이러한 농도 범위는 하천 호소 퇴적물 오염평가 기준(국립환경과학원 예규 제575호)인 1,600 mg/kg 보다 낮았다. 하지만 모든 시료에서 팔당호의 퇴적물 준설 기준에 포함된 총인의 기준인 800 mg/kg을 초과하였으며, 2개의 시료에서 한강하류 퇴적물의 준설 기준인 1,000 mg/kg을 초과하였다( RRI, 2005 ). 이들 기준은 팔당호와 한강의 수질 개선을 위한 퇴적물 준설 사업 계획을 수립할 때 제시된 기준으로 법으로 정해진 것은 아니지만 국내 호소 및 하천 퇴적물의 오염도를 판단할 때 널리 사용된다( Kim et al., 2012 ; Oh et al., 2015 ; Yang et al., 2004 ). 이러한 기준으로 판단하였을 때 대청호 추소리 수역 퇴적물의 총인 오염도는 높은 것으로 판단된다. 퇴적물 중 총인의 농도와 대상 지역의 퇴적물량으로부터 퇴적물의 단위 면적당 총인의 양을 계산한 결과, 4.64 kg/m 2 으로 나타났다.
Core sampler로 채집된 퇴적물 시료에서 깊이별 오염도를 보면 대체적으로 상부층에 비해 하부층의 오염도가 낮았으며, 깊이에 따라 농도의 주기성이 있는 것으로 관찰되었다( Fig. 3 ). 강열감량의 경우 8.1~10.1%의 범위로 변동 폭이 크지 않았으나, 상층에서 12 cm 깊이 층까지 감소하다가 12~15 cm 깊이에서 증가하였으며, 이후 다시 감소하는 주기성을 나타내었다. 퇴적물에 포함된 유기물은 외부로부터의 유입보다 수층에서 과다증식된 조류가 침강되어 형성되는 것으로 알려져 있다( Woo et al., 2014 ). C/N 비는 퇴적물에 포함된 유기물의 기원을 규명하는데 많이 사용되는 지표로, C/N 비가 12 이상인 경우 육상 기원 유기물을 나타내며, 6~9일 경우에는 식물플랑크톤 기원 유기물로 판단된다( Woo et al., 2014 ). Core 시료에서 C/N 비는 6.89~7.88의 범위로 퇴적물의 유기물 기원이 수층에서 과다증식된 조류에 의한 것임을 의미한다. 퇴적물의 깊이에 따른 총인과 총질소의 농도는 유기물의 농도와 같은 경향을 나타내었다(Spearman Rank Correlation, p<0.05). 퇴적물의 깊이에 따른 영양염류의 농도 경향이 유기물과 유사한 것은 퇴적물 중 영양염류가 조류의 사체에 의해 기인된 것임을 의미한다.
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Concentrations of ignition loss, total nitrogen, and total phosphorus according to the depth in the cored sediment samples.
깊이에 따른 유기물의 농도 변화를 비교한 결과, 0~3, 12~15, 24~27 cm의 층에서 농도가 높게 나타났으며, 이는 이들 층이 수층에서 과다증식된 조류가 사멸하여 침강된 시기에 형성되었음을 의미한다. 추소리 수역에서 매년 하절기에 주기적으로 조류의 과다증식이 일어나는 것과 core sampler로 채취된 퇴적물에서 유기물 농도 변화의 주기가 약 12 cm인 것으로부터, 대상 지점에서 퇴적 속도는 년간 약 12 cm인 것으로 추정된다. 하지만 대청댐이 축조된 1981년 이후 토사가 일정한 속도로 퇴적되었다고 가정하였을 때, 본 연구에서 비선형 지층탐사기를 사용하여 구한 대상 지점의 퇴적물 두께(평균 1.79 m; 상부층 0.35 m와 하부층 1.44 m)와 퇴적 속도(약 12 cm/년)으로부터 계산된 퇴적물 두께는 큰 차이가 있다. 이는 본 연구에서는 30 cm 깊이의 퇴적물 분석 결과로부터 퇴적 속도를 추정한 것으로, 시간에 따른 퇴적물의 압축 또는 댐의 급격한 방류로 인한 퇴적물의 이동을 고려하지 않았기 때문인 것으로 추정된다. 따라서 대상 수역에서 퇴적 속도를 정확히 구하려면 유사트랩 설치를 통한 퇴적물 침강률을 측정하거나( Oh et al., 2015 ), 분자생물학적 방법을 활용하여 퇴적층 깊이별 조류의 군집 구조 분석이 수행되어야 한다( De La Escalera et al., 2014 ).
- 3.3. Phosphorus Fractionation in Sediment Samples
퇴적물 중에 존재하는 인을 성상별로 분석하면, 용출 가능한 인의 양을 예측하고 평가할 수 있다. 무기인은 SLB-P, Al-P, Fe-P, RS-P, Ca-P로 나눌 수 있다( Zhang and Kovar, 2009 ). SLB-P는 간극수에 용존되어 있거나 퇴적물 입자와 전기적으로 흡착되어 있어 물리적 충격에 의하여 쉽게 용출될 수 있는 인이다. Al-P와 Fe-P는 각각 알루미늄(Al)과 철(Fe)과 결합되어 있는 인으로 생물학적 작용에 의한 퇴적물의 pH 변화 등에 의해 용출될 수 있는 부분이며, RS-P는 산화환원전위의 변화 등으로 용출될 수 있는 인이다. Al-P, Fe-P, RS-P는 내부에서 순환(autochthonous)하는 인이 주종을 이루며 활성도가 높아 용출될 가능성이 매우 높은 부분으로, 이들의 농도가 높을 경우 내부부하에 의한 수체 내 인의 유입이 큰 것으로 알려져 있다. Ca-P는 외부로부터 유입(allochthonous)된 인으로 분류되며 다른 무기인에 비해 상대적으로 용출이 어려운 부분이다. 유기인은 non-biomass labile-P o , biomass-P o , moderately labile-P o , fulvic acid-P o , humic acid-P o , 및 nonlabile-P o 로 분류되며 용출되기 쉬운 정도에 따라 labile pool, moderately labile pool, nonlabile pool로 나뉜다( Zhang and Kovar, 2009 ). Labile pool에 속하는 유기인은 생물체에 의한 가수분해에 의해 쉽게 용출 가능한 인이며, moderately labile pool에 속하는 유기인은 labile pool의 유기인에 비해 상대적으로 안정하지만 세균의 분해에 의해 활용 가능한 인이다. Nonlabile pool에 속하는 유기인은 생물체에 의해 가장 활용이 어려운 인에 속한다.
본 연구에서는 채취된 퇴적물에 있는 총인을 무기인과 유기인으로 나누어 성상별 분석을 수행한 결과, 대상 지점에서 채취된 4개의 퇴적물 시료에서 총인 중 무기인과 유기인의 비율은 비슷한 양상을 나타내었으며, 유기인에 비해 무기인의 함량이 높았다( Table 3 ). 무기인의 성상별 분석 결과를 보면 모든 시료에서 같은 경향을 나타내었다. 쉽게 용출 가능한 무기인(SLB-P)의 비율은 1% 이하로 낮았으나, 내부부하에 큰 기여를 하는 것으로 알려진 Al-P, Fe-P, RS-P의 합은 72.7~80.2%의 범위로 매우 높았다. 또한 Ca-P의 비율은 18.8~26.3%의 범위이었다. 따라서 대상 퇴적물에는 외부 기원성 인(Ca-P)에 비해 내부 기원성 인(Al-P, Fe-P, RS-P의 합)의 비율이 높은 것으로 판단된다. 유기인의 분석 결과에서도 모든 시료의 유기인 종류별 특성이 거의 유사하였다. 퇴적물 중 미생물의 분해 작용에 의해 쉽게 용출 가능한 labile pool에 속하는 인의 함량은 전체 유기인 중 평균 3.9(±0.4)%로 낮았다. 하지만 moderately labile pool에 속하는 fulvic acid-P o 의 함량이 59.9~63.1%로 nonlabile pool 유기인에 비해 매우 높은 비율을 차지하였다( Table 3 ). 이러한 결과로부터 대상 지점에는 환경 변화에 따른 pH의 변화 또는 미생물의 활성도 증가에 따라 비교적 쉽게 용출 가능한 인의 비율이 높았으며, 추소리 수역의 부영양화에 퇴적물로부터의 내부부하가 큰 기여를 하고 있는 것으로 판단되었다.
Fraction of inorganic and organic phosphorus in the grabbed sediment samples
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Fraction of inorganic and organic phosphorus in the grabbed sediment samples
- 3.4. Release Rates of Total Phosphorus from Sediments
퇴적물 내에 있는 영양염류의 수층 이동은 다양한 기작의 복합적 작용에 의해 일어나는 것이기 때문에 어떤 조건이 크게 작용했는지 정량적으로 밝히기는 어렵다. 그러나 실험실 내에서 인위적으로 용출조건을 변화시킬 때 일어나는 영양염류의 거동을 관찰함으로써 영양염류의 용출 과정 및 용출률을 추정할 수 있다( Cho and Chung, 2007 ). 퇴적물로부터의 영양염류의 용출률은 pH, 수온, 용존산소, 퇴적물과 직상수의 혼합 정도, 퇴적물과 직상수 계면 사이의 농도 경사, 퇴적물의 화학적 조성, 지하수의 유입 상황 등과 같은 물리화학적 요인에 따라 달라지며, 영양염류의 용출에 직접적으로 관여하는 미생물의 활성도에 의해 영향을 받는다( KEI, 2007 ). 특히 저서층과 접한 수층의 산소 농도가 영양염류의 용출 정도에 가장 중요한 역할을 한다. 질소의 용출은 용존산소의 영향을 덜 받는 것으로 보고되고 있으나, 인의 경우 용존산소에 대한 의존도가 크며 혐기상태와 높은 pH에서 인의 용출이 활발한 것으로 알려져 있다( Istvanovices, 1994 ).
대상 지역에서 채집된 퇴적물을 넣은 용출 실험 장치에서 시간에 따른 수체 중 총인의 농도를 측정한 결과, 산소 조건에 따라 총인의 농도 변화 양상이 다르게 나타났다. 무산소조에서 총인의 농도는 약 10일 동안 비례적으로 증가하였으며, 이후 증가 속도가 느려지는 양상을 나타낸 반면, 공기를 공급한 호기조에서는 총인의 농도 변화가 거의 없었다( Fig. 4(a) ). 선행 연구의 결과에서도 호기성 조건보다 무산소 조건에서 더 많은 영양염류의 용출이 일어나는 것으로 알려져 있다( KEI, 2007 ; Yoon et al., 2007 ). 무산소 조건에서 영양염류의 용출률이 높은 이유는 미생물에 의한 유기물 분해 과정에서 생성된 산(acid)에 의해 퇴적물 중에 존재하는 인이 해리되어 용존성이 증가되었기 때문인 것으로 알려져 있다( Cho et al., 2011 ; Yoon et al., 2007 ).
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Time course of total phosphorus concentrations in the water samples at the oxic or anoxic conditions with the sediment taken on Sep. 17, 2010 (a), and the release rates of total phosphorus (b).
용출실험에서 수층 중 총인의 농도가 증가하는 기간 동안에 계산된 총인의 용출률은 6.06~7.11 mg/m 2 /day의 범위로 시료에 따른 차이가 크지 않았으며, 평균 6.74(±0.50) mg/m 2 /day이었다( Fig. 4(b) ). 이러한 결과는 대청호의 회남지역 퇴적물을 대상으로 2002년에 실시된 연구에서 측정된 총인의 용출속도인 4.70~7.36 mg/m 2 /day와 유사한 범위였으며, 안동댐에서 측정된 총인의 용출률인 3.59~3.82 mg/m 2 /day과 비교하면 높은 값으로 판단되었다( Lee and Lee, 2004 ).
대청호의 회남 지역에서 채취된 퇴적물을 사용하여 수온에 따른 총인의 용출률을 측정한 실험에 따르면, 25, 20, 10℃에서 용출률은 각각 6.9, 3.6, 0.003 mg/m 2 /day로 수온에 따라 차이가 큰 것으로 나타났다( Lee and Lee, 2004 ). 본 연구에서는 25℃ 항온 조건에서 총인의 용출률을 측정하였기 때문에 대상 지역의 수온에 따라 실제 용출률은 차이가 있을 것으로 판단된다. 2011년 3월 30일부터 6월 13일까지 5회에 걸쳐 대상 지점의 바닥 층에서 50 cm의 수심에서 수시료를 채취하여 총인의 농도를 분석한 결과, 수온이 15℃ 이하일 경우 총인의 농도가 낮았으나 수온이 약 20℃가 되었을 때 총인의 농도가 15℃ 이하일 때의 평균보다 약 6.2배 상승하였다( Fig. 5 ). 6월 13일에 채취된 시료에서 엽록소 a의 농도는 2.10 mg/m 3 이었으며, 이는 조체에 포함된 입자성 인 보다는 용존성 인이 총인의 주요 구성성분임을 의미한다. 따라서 대청호 추소리 수역의 퇴적물 내에 쉽게 용출 가능한 인의 함량이 높으며, 퇴적물로부터 총인의 용출률이 높게 나타났고, 수온이 상승한 시기에 퇴적물 직상수의 총인 농도가 급격히 상승되는 것이 관찰되었기 때문에, 대상 지역의 부영양화 및 조류의 대발생에 퇴적물로부터의 내부부하가 일정 정도의 기여를 하고 있는 것으로 판단되었다.
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Concentrations of total phosphorus in the water samples taken from near the surface of sediment. The values on the bars are the water temperature.
- 3.5. Contribution of Total Phosphorus from Sediments on Algal Growth
대청호 추소리 수역의 퇴적물로부터 용출 가능한 총인이 수체에 있는 조류의 성장에 미치는 정도를 계산하였다. 수체에서 총인과 엽록소 a의 농도는 양의 상관관계를 나타내기 때문에, 이의 상관식을 사용하여 총인의 농도를 엽록소 a의 농도로 환산할 수 있다( Dillon and Rigler, 1974 ; McCauley et al., 1989 ). 본 연구에서는 국가수자원관리 종합정보시스템(WAMIS, www.wamis.go.kr)에서 2000년부터 2014년까지 대청호의 회남, 문의, 추동 지점에서 측정된 총인과 엽록소 a의 농도 결과를 내려 받아 총인과 엽록소 a의 상관식을 도출하였다(회귀분석, R 2 = 0.599, p<0.001).
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본 연구에서 대청호 추소리 수역에서 퇴적물로부터 총인의 용출률은 평균 6.74(±0.50) mg/m 2 /day로 측정되었으며, 식 (2)로부터 총인 1 mg이 생산 가능한 엽록소 a의 양은 0.4187 mg으로 추정되었다. 이러한 결과를 사용하여 추소리 수역의 퇴적물 1 m 2 로부터 용출된 총인을 사용하여 생성 가능한 엽록소 a의 양은 2.82 (±0.21) mg/day로 추정되었다. 여름철 추소리 수역의 평균 수심은 약 15 m이므로, 생성된 엽록소 a가 수체의 전층에 골고루 분포한다면 엽록소 a의 농도는 0.188 (±0.014) mg/m 3 이 될 수 있다. 추소리 수역의 퇴적물에서 지속적으로 총인이 용출되며 이들이 조류의 성장에 기여한다고 가정하면, 조류경보제의 조류주의보 발령 기준 중 엽록소 a의 농도(15 mg/m 3 )에 도달하는데 걸리는 시간은 약 80일이다. 이러한 기간은 수체가 정체되어 유출이 없으며 외부로부터 오염 물질의 유입이 없는 것을 가정하여 계산된 것으로, 이러한 기간은 증가하거나 감소될 수 있다. 또한 이는 퇴적물로부터 용출된 인이 표층부터 심층까지 고른 농도로 분포한다고 가정하였을 때 계산된 것으로, Microcystis 와 같이 상하 이동이 가능한 남조류가 번성할 경우 저층으로부터 용출된 인이 표층으로 이동할 수 있다( Carmichael, 1994 ; Park et al., 2006 ). 하절기에 성장하는 남조류는 주로 수심 5 m까지 번성하며 1 m 이내에서 최대값을 나타낸다( Park et al., 2006 ). 만일 퇴적물로부터 용출된 총인에 의해 생성된 엽록소 a가 최대 수심 1 m 이내에 모이게 된다면 약 5.3일 정도의 기간 동안 용출된 총인에 의해 조류주의보의 발령에 충분한 엽록소 a가 생성될 수 있을 것이다.
대청호 추소리 수역에서 발생하는 조류의 과다증식에 대한 내부부하의 기여도를 평가하기 위하여 외부부하량에 대한 고려가 필요하다. 하지만 본 연구에서 추소리 수역의 퇴적물 양 및 총인의 용출률을 구한 결과, 외부로부터 인의 공급이 없다하더라도 높은 농도의 조류 성장이 가능할 정도로 퇴적물로부터 많은 양의 인이 용출되고 있음에 주목하여야 하며, 이에 대한 대책이 필요할 것으로 사료된다.
4. Conclusion
대청호 추소리 수역의 퇴적물이 조류의 성장에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 대상 지역의 퇴적물의 양, 퇴적물의 오염도 및 총인의 용출률을 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 추소리 수역의 퇴적물은 두 개의 층으로 구성되어 있으며, 상부층와 하부층의 평균 두께는 각각 0.35 m와 1.44 m 이었다. 퇴적물의 평균 밀도를 활용하여 계산된 퇴적물의 질량은 평균 4,744 kg/m 2 인 것으로 산출되었다.
2) 퇴적물 시료의 강열감량은 평균 8.96 (±0.3)%이었으며, 총인과 총질소의 평균 농도는 각각 978 (±107) mg/kg과 8,182 (±655) mg/kg이었다. 강열감량과 총인의 오염도가 심각하지 않았으나, 총질소의 오염도가 매우 높은 상태인 것으로 판단되었다.
3) Core sampler로 채취된 퇴적물 시료에서 깊이별 오염도를 보면 대체적으로 상부층에 비해 하부층의 오염도가 낮았으며, 깊이에 따라 농도의 주기성이 있었다. C/N 비는 6.89~7.88의 범위였으며, 이로부터 퇴적물 중 유기물은 수층에서 과다증식된 조류로부터 유래된 것으로 판단되었다.
4) 퇴적물 중에 존재하는 인을 성상별로 분석한 결과, 유기인에 비해 무기인의 함량이 높았으며, 무기인 중 내부부하에 큰 기여를 하는 것으로 알려진 형태의 인의 비율이 72.7~80.2%의 범위로 매우 높았다.
5) 퇴적물로부터 총인의 용출률은 평균 6.74 (±0.50) mg/m 2 /day이었다. 총인과 엽록소 a의 상관식을 구한 결과, [ Chl.a ]( mg / L ) = 0.4187[ TP ]( mg / L )이었으며, 1 m 2 의 퇴적물에서 1일 동안 용출되는 총인에 의해 생산 가능한 엽록소 a의 양은 2.82 (±0.21) mg이었다. 생산된 엽록소 a가 수체의 표층 1 m 이내에 축적될 경우 조류경보제의 조류주의보 발령기준인 15 mg Chl. a/m 3 에 도달하는데 필요한 최소 기간은 약 5.3일로 계산되었다.
6) 이러한 결과로부터 대청호 추소리 수역의 부영양화와 조류의 대발생에 퇴적물로부터 내부부하가 일정 정도의 기여를 하고 있는 것으로 판단되며, 조류대발생을 억제하기 위하여 퇴적물에 대한 대책이 필요할 것으로 사료된다.
Acknowledgements
이 논문은 금강수계관리위원회의 환경기초조사사업과 2014년도 충북대학교 학술연구지원사업의 연구비 지원에 의하여 연구되었으며, 이에 감사드립니다.
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