3.2. 종조성 및 현존량 변화
조사기간 동안의 조류의 분류군별, 지점별 종수 및 현존량 변화는 Table 2에 나타내었고 낙동강의 주요 조류종인 남조류와 규조류의 5개지점 평균 현존량 변화는 Fig. 2에 나타내었다. 규조류는 종수 및 현존량에 있어서 다른 분류군에 비해 가장 높게 나타났다. 규조류의 봄철 대발생은 2월에 시작하여 3월에 최고 수준에
도달하고 있었다. 규조류는 DS 지점이 4,712 244 cells mL−1로 가장 높았는데 DS 지점의 규조류 농도가 특히 높았던 것은 2013년 3월초의 Stephanodiscus sp. 에 의한 높은 봄철 수화현상에 기인하는것으로 판단된다. 3월초 DS 지점의 수온이 9.0°C일 때 규조류 최고현존량 27,294 cells
mL−1을 보였고 4월초 12.3°C로 상승하였을 때 현존량은 1,995 cells mL−1으로 감소하였다. 동일 지점에 있어서 동물플랑크톤은 2월말의 2.1°C일 때에는 52 Ind. L−1 로 낮았으나 4월초의 12.3°C일 때에는 760 52 Ind. L−1 등 높은 속도로 증가하고 있었다. Chang et al. (2014)은 동물성플랑크톤은 조류 군집과의 상관성이 높다고 했다. 본 연구에서는 동물플랑크톤의 개체수 증가가식물플랑크톤 중 규조류와 음의 상관성이 높게 나타났다(p<0.05).
따라서 동물플랑크톤의 증가가 DS 지점에서 규조류 성장의 억제에 기여한 것으로 판단된다.
Table 2.
Variation of species and abundance each algal genera and each site from May 2010 to
December 2013 in the Nakdong River (mean ± standard deviation)
Fig. 2.
Average algal abundance variations of cyanobacteria and diatom from May 2010 to December
2013.
남조류는 현존량에 비해 종수는 지점별 평균 1.7~2.4로서 비교적 낮았다. 남조류의 연간 평균현존량은 영양염의 농도가 가장 높았던 DS 지점보다
HC 지점이 3,244 cells mL−1로 가장 높았으며 규조류와 다른 특성을 보이고 있었다. 종의 변화에 대한 보 방류유량과 유입유량의 영향은 HC지점이 DS 지점보다 높게 나타났다(Table 3). DS지점은 금호강 등 유입하천의 영향이 높았을 것으로 추정된다.
Table 3.
Correlation coefficients of weir influent and effluent with algal species and abundance
from Aug. 2012 to Dec. 2013 (n=33)
3.3. 수리 ・ 수문 변화와 영향
하천의 수리 ・ 수문학적 요인은 환경인자의 변동과 조류분포에 많은 영향을 미친다(Shitao et al., 2012). 그러나 보 건설 이후 변화된 낙동강의 흐름특성이 조류분포에 어떠한 영향을 미치는지 정량적으로 규명하기 위해서는 많은 자료가 필요하나 본 연구에서는
자료의 한계가 있었다. 다만, 보별 평균유속은 저류량을 평균방류량으로 나누어 구할 수 있는데, 이렇게 구한 평균유속(m s−1)은 구미보 0.041, 칠곡보 0.043, 강정고령보 0.034, 달성보 0.067, 합천창녕보 0.091 등으로 나타났다(2012.8. ~ 2013.12.,
n=33).
보별 방류유량 및 유입유량이 조류 종 및 현존량에 미치는 상관성을 구한 결과 종의 수는 방류유량이나 유입유량에 대부분 양의 상관성을 가지고 있었다(Table 3). 이는 유입 또는 방류 유량으로 인해 상류 보의 조류개체가 하류로 확산되고 있음을 의미한다. 달성보에서는 유입 및 방류유량과의 상관성이 낮고 유의성이
없었던 것은 금호강의 유입영향이 크기 때문인 것으로 판단이 된다.
상류에 출현한 개체의 현존량 크기도 하류 종 분포에 영향을 주고 있었다(Table 4). 세포수(cells mL−1)가 0~50의 분포일 때는 하류에서 발견될 확률이 59%이었으나 150 이상일 때에는 92.8%로 나타났다. 이것은 낙동강 보의 유입 및 방류 유량이
조류의 확산에 양의 영향을 주고 있음을 말해준다. 조류 현존량은 Table 3에서 보는 바와 같이 유입 및 방류량 모두 음의 상관성을 보이고 있었으나 통계적 유의성은 없었다.
Table 4.
Detection probability of algae species in down stream weir each cell detected range
of upper stream weir (n=435)
3.4. 영양염 농도변화와 수화현상
조류는 성장하면서 서로 다른 양의 영양염을 필요로 하는데, 가장 낮은 수준의 영양염이 먼저 고갈 되고 그 다음에 조류의 성장이 억제된다(Kedong, 2001). 조류가 영양염에 반응하는 것은 환경조건에 따라 일정하지 않은데, 낮은 유속과 높은 영양상태에서도 남조류의 대량증식 현상이 나타나지 않는 경우가
있으며, 낮은 영양상태에서도 남조류가 대량증식 하는 경우도 있다(Wei et al., 2010). White et al. (1991). 낙동강 유역에는 조류억제를 위해 총인 처리시설에 많은 투자를 했으나 조류성장 억제효과에 대해서는 아직까지 보고된 것이 없다. Fig. 3은 5개 조사지점의 41개월 동안의 TP농도에 대한 변화 곡선이다.
Fig. 3.
Monthly variation of TP concentration each five survey site in the Nakdong River from
May 2010 to December 2013.
’11년의 5개지점 TP의 평균농도는 0.145 mg L−1이었으나 ’12년 및 ’13년에는 0.081 mg L-1 및 0.069 mg L−1 로서 ’11년보다 44.1% 및 52.4% 낮아졌으며 이는 총인처리시설의 확충에 기인하는 것으로 판단된다. 5개 지점의 TP 최소농도는 0.020~0.039
mg L−1 의 수준으로 나타났다.
TP 농도의 감소에 따른 Chl.a 농도의 변화는 Fig. 4에 나타내었다. 2011년의 5개지점 Chl.a 의 농도는 22.4 mg/m3이었으나 2012년 및 2013년에는 각각 22.7 mg/m3 및 25.9 mg/m3로서 ’11년보다 다소 높게 나타났다. 조류 현존량의 영향을 받는 Chl.a 농도의 변화는 계절성을 보여주고 있어 TP 농도변화 패턴과는 다르게 나타나고
있었으며, TP 농도의 감소에 따른 Chl.a 농도의 감소효과도 분명하지 않은 것을 볼 수 있었다. 다만, 하류의 HC 지점에서는 ’11년보다 다소
감소하고 있었다.
Fig. 4.
Monthly variation of Chl.a concentration each five survey site in the Nakdong River
from May 2010 to December 2013.
GM 지점에서 ’13년 8월 상반기의 남조류 수화현상은 TP의 농도가 0.148 mg L−1 까지 증가하여 TN/TP비가 11.2로 감소하였을 때 시작하여 TP 농도가 0.033 mg L−1 까지 감소하여 TN/TP비는 45.1로 증가하였을 때 거의 소멸되었다. GG지점의 ’13년 9월의 수화는 인의 농도가 0.253 mg L−1로 증가하고 TN/TP비가 7.7까지 낮아졌을 때 시작하여 인의 농도가 0.040 mg L−1까지 감소하고 TN/TP비가 41.7까지 상승하였을 때 수화현상은 거의 사라졌다. DS 지점에서는 ’13년 8월 상반기에 TP 농도가 0.191 mg
L−1로 상승하고 TN/TP비기 11.6으로 낮아 졌을 때 수화현상이 시작되었고 TP 농도가 0.046 mg L−1로 감소하여 TN/TP비가 55.8이 되었을 때 수화현상은 거의 소멸되었다. 그러나 HC 지점의 남조류 수화현상의 시작과 종료시의 TP 농도와 TN/TP비가
다소 다른 특성을 보여주고 있었는데, ’13년 7월 하반기의 남조류 수화는 TP농도가 0.010 mg L−1로 낮고 TN/TP비가 35.6일 때 시작하여 이후 TP 농도가 0.001∼0.037 mg L−1정도로 낮을 때에도 수화현상은 지속되었다.
전체 조사기간 동안 TN 및 NO3-N과의 유의한 상관성은 나타나지 않았다. 남조류는 낮은 질산염 농도와 높은 암모늄(NH3-N) 농도를 좋아한다고 하였으나(Xia et al., 2011), 이번 조사에서 조류 분류군별 종 및 현존량에 있어 NH3-N과 양의 상관성을 보이는 것은 없었다. 이는 높은 값의 NO3/NH3 비에 기인하는 것으로 판단이 된다. 남조류는 암모늄을 선호하나 다른 형태의 질소원도 섭취를 한다(Isabel et al., 2003). 따라서 암모늄 농도가 낮은 것이 남조류 개체밀도 감소의 원인으로 작용하지는 않는 것으로 판단된다. NO3/NH3 비에 대해 양의 상관성이 유의하게 나타난 것은(p<0.05) 규조류의 종 및 현존량이었다.
TN/TP 비의 월평균 변동은 Fig. 4에 보여주고 있는데, 2011년에는 TN/TP 비가 14.7~44.0의 범위였으며 2012년에는 18.3~63.6, 2013년에는 23.7~95.5
으로서 변동성이 대단히 심했지만 겨울과 봄에는 높고 여름과 가을철에는 비교적 낮았다(Xia et al., 2011). 하절기에 TN/TP비가 특히 낮은 것은 강우유출에 의한 TP 부하의 증가에 기인하는 것으로 보인다. 높은 P의 농도, 그리고 낮은 TN/TP비는
남조류 대량증식에 유리한 것으로 알려져 있다(Schindler, 1997). Smith (1983)는 온대지방은 많은 호소 데이터를 분석한 결과, TN/TP 비는 29:1를 기점으로 하여 이것보다 작은 값에서는 남조류가 우점하고, 이것 보다 큰
값에서는 남조류의 대량증식이 없다고 하였다. Xia et al. (2011)도 낮은 TN/TP 비에서 높은 인 농도, 성층현상, 투명도 감소, 수온상승, pH상승 등은 남조류의 수화현상의 원인이 된다고 하였다. 낙동강에서
수화현상의 시작단계의 TN/TP비는 대부분 29:1 보다 낮았다. 그러나 HC 지점에서는 N/P 비가 35.6일 때 남조류 수화현상이 시작하기도 하였다.
3.5. 조류종과 환경요인과의 상관성
조사기간 동안 조류 개체수와 양의 상관을 나타낸 것은 수온과 pH, BOD, Chl.a 등이었으며 영양염 중에 TN 및 nitrate는 대부분 높은
음의 상관성을 나타내었다. Nitrate가 음의 상관성을 보인 것은 조류성장과 함께 nitrate의 농도는 감소하였으나 그럼에도 조류성장에는 충분하여
억제요인으로 작용하지 못했기 때문인 것으로 판단이 된다. 낙동강의 TP 농도는 감소하였으나 조사기간 동안 조류개체수는 TP와 유의한 상관성이 나타나지
않았다. 다만, 4대강 공사가 끝나고 담수를 시작한 이후부터(2012.4~2013.12, n=42)의 분석에서는 GG 지점에서만 TP와의 Pearson
상관계수가 남조류 0.53(p<0.001)으로 통계적으로 유의하게 나타났으며(Table 5), 전체 조사기간 동안 5개 조사지점의 수화가 발생한 시기(7회, 10주/회)의 상관분석(n=35)에서는 남조류 개체수와 TP와의 상관계수가 0.42(p<0.01)로
통계적 유의성이 강하게 나타났다(Table 5).
Table 5.
Pearson correlation coefficients between the environmental valuables and algal abundances
GG 지점의 TP 농도는 상류의 CG지점보다 2% 및 하류의 DS 지점보다는 50.0%가 낮지만, 남조류 현존량은 CG 지점보다는 49.4%, DS
지점보다는 14.4%가 높은 등 자체 영양염 농도 대비 조류 현존량이 높은 특성을 지니고 있다. 사업 이후에는 TP 농도가 0.030~0.050 mg
L−1 의 범위에 해당하는 기간이 42.5%였으며 대부분 봄철 수화와 여름철 수화가 발생한 시기와 관련이 있었다. 이번 조사에서 낙동강의 수화 종료 시기에
있어서 TP 농도는 대부분 0.050 mg L−1로 나타났다.
GG 지점 및 수화발생 시기에 조류 군집변화와 환경요인과의 관련성을 찾기 위하여 RDA(Wollenberg, 1977) 분석을 실시하였다. 사업후 GG 지점의 RDA분석 결과에서(Fig. 5) axis1과 axis2는 종-환경요인 관계에 있어서 전체 변동의 89.8%를 설명하고 있으며, axis1과 axis2의 고유값(eigenvalue)은
각각 0.773과 0.813으로 나타났다. Axis1은 수온(r = −0.577), NO3-N (r = 0.640), TN (r = 0.537), pH (r = −0.460), ASR (r = −0.258) 등과 높은 상관성을 보였으며
axis2는 TP (r = −0.420), NH3-N (r = -0.343), Chl.a (r = 0.324), PO4-P (r = −0.335), 탁도(−0.207) 등과 상관성을 보였다(Table 6). 남조류 세포수는 axis1에 음의 관련성(r = −0.744)을 보였으며, 규조류는 axis2에는 양의 관련성(r = 0.773)을 보였다(Fig. 5). GG 지점의 RDA ordination에서 남조류, 녹조류 및 기타조류는 수온, TP, PO4-P, ASR 등과는 양의 관련성을 보인 반면, 총질소, nitrate, 탁도 등과는 음의 상관성을 나타내었다. 규조류는 총질소, nitrate,
SS 등과는 등과는 양의 관련성을 보인 반면 수온, TP, PO4-P, 탁도, NH3-N 등과는 음의 관련성을 잘 나타내고 있었다(Fig. 5).
Fig. 5.
Fluctuation of average TN/TP ratio at five site in the Nakdong River from 2011 to
2013.
Table 6.
Summary of RDA between environmental factors and algal abundance in the Nakdong River
for GG site (after project) and all site (blooms periods)
수화발생 시기의 RDA분석(Fig. 5)에서 axis1과 axis2는 종-환경요인 관계에 있어서 전체 변동의 91.5%를 설명하고 있으며, axis1과 axis2의 고유값은 각각 0.952와
0.897로 나타났다. Axis1은 수온(r = −0.888), nitrate (r = 0.757), DO (r = 0.491), 탁도(r = 0.466),
SS (r = 0.428) 등과 상관성을 보였으며, axis2는 NH3-N (r = −0.490), 전기전도도(r = 0.377), Chl.a (r = 0.350), TP (0.1729) 등과 상관성을 보였다(Table 6). 남조류는 axis1에 음의 관련성(r = −0.935)을 보였으며, 규조류는 axis2에 양의 관련성(r = 0.619을 보였다(Fig. 5).
수화발생 시기의 RDA ordination에서 남조류와 녹조류는 수온, TP, PO4-P, ASR 등과는 양의 관련성을 보인 반면, 총질소, nitrate, 탁도, SS 농도, 전기전도도 등과는 음의 상관성을 나타내었다. 반면에 규조류는
총질소, nitrate, 탁도, SS, TP, ASR 등과는 양의 관련성을 보인 반면 수온, PO4-P, NH3-N 등과는 음의 관련성을 잘 나타내고 있었다.
영양염의 생태적 역치농도(nutrient thresholds concentration)는 수체의 유량이나 유속, 수역의 영양염 수준 등에 따라서 다르게
나타나는데, 연구결과를 살펴보면 Chambers et al. (2012)는 캐나다의 농촌하천(agricultural streams)을 대상으로 연구한 결과 TP 농도는 0.02~0.10 mg L−1, TN 농도는 0.21~1.10 mg L−1 이라고 보고하였고, Xinquang et al. (2014)은 중국의 도시하천(urban river system)을 대상으로 연구한 결과 조류의 수화현상을 파괴하는 역치농도는 TP는 0.02 mg L−1, TN은 0.2 mg L−1 라고 했다. 낙동강에서는 역치농도 수준은 분명하지 않으나 일부지역 및 수화발생시기에 있어서의 낮은 TP 농도는 낙동강에서 수화지속시간을 감소시키는
것으로 판단이 된다(Table 5).
HC 지점에서는 낮은 TP농도에서도 수화현상이 지속되는 특성을 보여 주였다. 이 지점의 평균유속은 0.091 m s−1로서 다른 지점의 0.034~0.067보다 높았는데, Li et al. (2012)은 수체의 적당한 유속은 조류세포와 수체의 경계층 두께를 감소시키고 영양염의 확산거리를 짧게 함으로써 영양염의 대사율을 증가시키며 조류의 미소환경을
변화시킴으로써 세포의 분비물 배설에 유리하게 하여 조류성장을 도운다고 했다. 따라서 HC 지점의 다소 빠른 유속이 남조류의 영양염 대사율 증가 등의
영향으로 높은 성장을 유지하는데 일부 기여한 것으로 판단이 된다. 그러나 보다 정확한 원인파악을 위해서는 조류의 생리적 영양염 이용특성 등에 대한
추가적인 연구가 필요하다고 하겠다.
Fig. 6.
RDA ordination diagrams of the data with environmental variables represented as red
arrows and algal abundances as blue arrow. (left): GG site (2012.4 ~ 2013.12), n=42,
(right): bloom periods (7 times: GM Jul ~ Sep 2013, CG Mar ~ May 2012, GG Mar ~ May
2012, GG Feb ~ Apr 2013, GG Sep ~ Nov 2013, DS Aug ~ Oct 2013, HC Aug ~ Oct 2013),
n=35.