Aims and Scopes

우리나라 갯벌의 에머지 유입 특성과 생태계서비스 사이의 관계를 살펴보기 위해 서해 중부의 강화남단 갯벌에서 남해 동부의 낙동강하구 갯벌까지 13개 갯벌을 연구대상으로 선정하였다(Fig. 1). 연구대상 갯벌은 갯벌과 갯벌 사이에 육지 또는 바다가 놓여 있어 주변 갯벌과 지리적 구분이 뚜렷한 갯벌로 하였고, 에머지 평가 자료의 가용 여부, 지형적 특성, 하천 유입 여부, 조차 환경 등을 종합적으로 고려해 선정하였다. 연구대상 13개 갯벌 가운데 7개는 서해안에 있으며, 6개는 남해안에 분포하고 있다. 지형적 특성 측면에서는 개방형 갯벌 4개, 반폐쇄성 갯벌 9개로 구성되어 있으며, 하천 유입 측면에서는 뚜렷한 하천 유입이 없는 갯벌 4개와 하천을 통한 담수 유입이 있는 갯벌 9개를 포함하였다. 또한 연구대상 13개 갯벌은 면적을 기준으로 크게 소규모 갯벌과 대규모 갯벌로 구분(절대적 구분이 아닌 연구대상 갯벌 사이의 상대적 구분)할 수 있는데, 면적이 30 km² 미만인 소규모 갯벌 8개와 60 km² 이상인 대규모 갯벌 5개를 포함하고 있다.

Fig. 1. 
Location of thirteen tidal flats selected for this study along the Korean coast.

에머지 평가는 Odum[1996]이 제시한 일반적인 절차를 따라 평가대상 선정, 평가 경계 설정, 평가 모델 작성, 기초 자료 수집, 에머지량 계산의 순으로 진행하였으며, 기존 국내 평가 사례(Kang and Nam[2003]; Kang[2013]; Kang[2015])를 참고하였다. 기초 자료를 이용해 에머지량을 계산하기 위해서는 이들 자료를 에머지량으로 변환할 수 있는 환산인자가 필요한데, 에머지 평가법에서는 이를 에머지 원단위(Unit Emergy Value, UEV)라고 부른다. 기초 자료(단위는 J/yr, g/yr 등)와 에머지 원단위(단위는 sej/J, sej/g 등)를 곱하여 각 평가항목의 에머지량을 계산하였다. 이 연구에서 사용한 UEV는 기존 문헌에 제시된 값을 이용하였으며, 갯벌의 일차생산 UEV는 평가 자료를 이용하여 직접 계산(에머지량을 에너지량으로 나눈 값)하였다.

이 연구에서 선정한 13개 갯벌생태계의 연간 재생가능에머지 유입량 계산은 태양, 바람, 강수, 파도, 조석, 하천 유입 담수 등 여섯 가지 자연환경 요소를 대상으로 하였다. 태양, 바람, 강수는 갯벌과 인접한 기상관측소에서 2015~2016년 동안 측정된 자료의 평균값을 이용하였다. 파도가 공급한 에머지량은 국립해양조사원의 파고 측정지점 가운데, 13개 갯벌에서 가장 인접한 지점의 2014~2015년 유의파고 자료의 평균값을 이용하였다. 또한 파도에너지의 계산에 필요한 직선 해안선 길이는 각 갯벌의 바다쪽 경계의 직선 길이를 이용하였다. 조석 에너지량 계산에 필요한 평균 조차는 국립해양조사원[2012]의 ‘조석·조류 조화상수집’ 자료를 이용하였다.

하천을 통해 유입하는 담수의 양은 13개 갯벌의 대조염분(reference salinity)과 갯벌염분(tidal salinity)을 이용해 추정하였다. 대조염분은 국립수산과학원의 정선해양관측자료에서 갯벌과 인접한 정선의 가장 외해역에 위치한 정점에서 2015~2016년에 측정된 값의 평균을 이용하였다. 갯벌염분은 해양환경관리공단의 해양환경측정망 자료에서 갯벌과 가장 인접한 정점에서 2015~2016년에 측정된 값의 평균을 이용하였다. 갯벌에 유입한 담수의 양은 만조시 갯벌을 덮고 있는 해수의 부피(조석영향부피)와 담수가 차지하는 비율을 곱해 계산하였다. 갯벌로 유입하는 하천 담수의 화학에너지 계산에 필요한 총용존고형물(total dissolved solid, TDS) 농도는 환경부 물환경 측정망 자료의 전기전도도를 이용해 추정하였다. 전기전도도는 각 갯벌로 흘러드는 하천 및 소하천의 가장 하류 정점에서 2015~2016년에 매월 측정된 값의 평균을 이용하였다. 가로림만, 근소만, 고군산군도, 득량만, 보성-벌교 갯벌의 경우 유량이 측정된 소하천이 없어 인근 소하천의 유량 자료를 이용하였다.

본 연구에서는 갯벌의 다양한 생태계서비스 가운데 공급서비스인 수산물 생산과 지원서비스인 일차생산에 대한 에머지 평가만 수행했다. 갯벌이 제공하는 대표적인 공급서비스인 수산물 생산량은 갯벌에서 생산된 수산물 통계가 별도로 구축되어 있지 않기 때문에 기존 통계자료(Statistics Korea[2015~2016])를 이용하여 추정했다. 갯벌 수산물 생산량 추정에는 갯벌에서 주로 양식하는 패류와 마을어장의 2015~2016년 통계 자료를 이용했다. 연구대상 13개 갯벌의 수산물 생산량은 단위면적당 광역지방자치단체 수산물 생산량에 해당 갯벌면적을 곱해 산출하였다. 단위면적당 광역지방자치단체 수산물 생산량은 연평균 수산물 생산량에 생산면적을 나누어 구하였다. 수산물 생산량은 연평균 일반 해면어업 생산량과 연평균 천해 양식업 생산량을 더한 값이며, 수산물 생산면적은 천해양식업 면적과 마을 어업 면적의 합이다. 굴의 경우 일반해면업 생산량과 바닥식 어업권 자료를 이용해 조간대 갯벌 생산량을 추정하였다.

갯벌의 연간 총일차생산량은 기온, 광량, 엽록소-a 농도, 노출시간을 입력값으로 하는 변형된 Jassby 모델을 이용하여 계산했으며, 계산식은 다음과 같다(Kwon et al.[2018]). 각 갯벌의 총일차생산량은 연간 생산량으로 계산하였다.

Daily pp=∫ebbfloodPGtdtPGt=Chlat×Pmaxbt×tanhαbt⋅ItPmaxbtPmaxb=0.2156e0.0484⋅TIk=5.0670⋅T+434.5538PGt=Gross primary productivity at time t mmol O2 m-2 h-1Pmaxbt:Maximum photosynthetic rate, normalized with Chl-a concentrantion at time t mmol O2 mg Chl-a-1 h-1αbt:chlorophyll-specific photosynthetic efficiency at time t mmol O2 mg Chl-a-1 h-1umol photons m-2 s-2-1It:Irradiance at time t light intensityIkt:saturated light intensity at time tT:Temperature at time t

기온과 광량은 갯벌에 인접한 기상관측소에서 2016년 매시간 측정한 자료를 이용하였다. 노출시간은 갯벌의 중간지점 고도를 기준으로 이보다 조위가 높으면 일차생산량이 중지되고 조위가 이보다 낮으면 일차생산이 개시된다고 가정하여 계산했다. 조위는 2016년 조석표의 매시간 자료를 이용해 구하였다.

갯벌의 엽록소-a 농도를 구하기 위해 공간 해상도가 30m인 미국 NASA/USGS의 Landsat 8 인공위성 자료를 이용하였다. 2016년에 촬영된 Landsat 8 영상 가운데 맑은 날과 간조시 촬영되어 분석이 가능한 영상을 13개 갯벌별로 3~6장 확보하였다. 엽록소-a 농도를 계산하기 위해 NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)를 다음과 같은 식을 이용해 계산하였다(Weier and Herring[2000]).

NDVI = (NIR - Red)/(NIR + Red)
NIR: Optical reflectivity of the near-infra red band(0.845-0.885 μm, band 5) of Landsat 8 images
Red: Optical reflectivity of red visible band(0.630-0.680 μm, band 4) of Landsat 8 images

각 갯벌의 엽록소-a 농도는 위에서 계산한 NDVI 값을 바탕으로 다음 식을 이용해 계산했다(Kwon et al.[2016]).

Chl-a (mg/m²) = e^{3.6×NDVI + 1.1}

13개 갯벌의 개별 NDVI 영상으로부터 연구대상 갯벌의 공간범위 안에 위치하는 pixel의 NDVI 값을 평균하여 해당 영상의 NDVI 값을 구한 후 위에 제시한 식을 이용하여 엽록소-a의 평균값을 계산하였다.

이 연구의 분석대상으로 선정한 13개 갯벌로 유입하는 재생가능에너지를 대상으로 한 에머지 평가 결과는 Fig. 2에 제시하였다. 갯벌로 유입하는 재생가능에너지는 태양, 바람, 강수, 파도, 조석, 하천유입 담수인데, 에머지 방법론에서 규정하는 바와 같이 중복계산의 문제를 피하기 위해 태양, 바람, 강수, 파도, 조석의 경우 각 갯벌별로 에머지 유입량이 가장 큰 항목만 연간 총 에머지 유입량 계산에 이용하였다. 낙동강하구 갯벌을 제외한 12개 갯벌은 조석의 에머지량이 가장 많았으며, 낙동강하구 갯벌의 경우 강수가 공급하는 에머지량이 가장 많았다. 하천유입 담수가 공급하는 에머지는 갯벌 주변 유역에 내린 강수에서 기원한 것이어서 별도의 에머지 공급원에 해당하므로 연간 총 에머지 유입량 계산에 포함하였다.

Fig. 2. 
Total annual renewable emergy inflow and annual renewable emergy inflow per unit area of the Korean tidal flats selected for this study.

면적 차이를 고려하지 않은 상태에서 각 갯벌별 연간 에머지 유입량을 비교할 경우 면적이 가장 넓고 조차와 담수 유입량이 가장 큰 강화남단 갯벌의 에머지 유입량이 3.89×10²⁰ sej/yr로 가장 많았다. 크기가 가장 작은 보성-벌교 갯벌의 연간 에머지 유입량은 4.68×10¹⁸ sej/yr에 불과하였다. 면적이 넓고 조차가 큰 서해안 갯벌로 유입하는 에머지 총량이 남해안 갯벌로 유입하는 에머지량보다 더 많았다.

연간 총 에머지 유입량을 갯벌 면적으로 나누어 단위 면적당 연간 재생가능에머지 유입량을 계산한 결과 서해 중부 강화남단 갯벌에서 남해 동부의 낙동강하구 갯벌로 가면서 단위 면적당 유입량이 감소하는 패턴이 뚜렷하게 나타났다(Fig. 2). 강화남단 갯벌의 단위 면적당 에머지 유입량이 4.25×10¹⁶ sej/ha/yr으로 가장 많았으며, 낙동강하구 갯벌의 단위면적당 에머지 유입량은 2.75×10¹⁵ sej/ha/yr에 불과하였다. 단위면적당 재생가능에머지 유입량 계산식은 갯벌의 형태(개방형 또는 반폐쇄형)나 크기(소형 또는 대형)가 아니라 평균 조차의 함수이기 때문에 우리나라 연안의 전형적인 조석 패턴을 반영하여 서해 중부 연안에 있는 강화남단 갯벌에서 남해 동부의 낙동강하구 갯벌로 가면서 단위면적당 에머지 유입량이 감소하였다.

연구대상 갯벌별 연간 수산물 생산량 추정값과 이를 토대로 계산한 에머지량은 Table 2에 제시하였다. 강화남단 갯벌의 단위면적당 수산물 생산량이 1.34 ton/ha/yr로 가장 많았으며, 고군산군도 갯벌과 곰소만 갯벌의 단위면적당 수산물 생산량(1.25 ton/ha/yr)도 높았다. 연구대상 갯벌 가운데 전라남도에 있는 모든 갯벌(함평만 갯벌, 도암만 갯벌, 득량만 갯벌, 보성-벌교 갯벌, 순천만 갯벌)의 단위면적당 수산물 생산량은 0.05 ton/ha/yr으로 가장 적었는데, 이는 광역지방자치단체의 수산물 통계를 바탕으로 갯벌 수산물 생산량을 추정한 이 연구의 한계에 기인한다. 서해안 갯벌의 평균 생산량은 0.84 ton/ha/yr, 남해안 갯벌의 평균 생산량은 0.11 ton/ha/yr으로, 서해안에 있는 갯벌의 수산물 생산량이 남해안 갯벌의 생산량보다 더 많았다. 단위면적당 수산물 생산량과 갯벌 면적을 모두 고려할 경우 강화남단 갯벌의 연간 수산물 생산량이 12,267 ton/yr으로 가장 많았으며, 곰소만 갯벌(7,902 ton/yr), 가로림만 갯벌(5,572 ton/yr), 서천 갯벌(5,057 ton/yr)의 수산물 생산량이 많았다. 갯벌 면적이 가장 작은 보성-벌교 갯벌(36 ton/yr)의 연간 수산물 생산량이 가장 적었다.

각 갯벌에서 생산한 수산물의 에머지량은 연간 수산물 생산량과 마찬가지로 강화남단 갯벌에서 2.93×10¹⁶ sej/ha/yr로 가장 높았으며, 전라남도 갯벌(함평만 갯벌, 도암만 갯벌, 득량만 갯벌, 보성-벌교 갯벌, 순천만 갯벌)에서 1.09×10¹⁵ sej/ha/yr로 가장 낮았다. 이는 앞에서 언급한 갯벌 수산물 생산량 추정에 내재한 문제와 우리나라 갯벌에서 생산한 수산물 품종별로 에머지 원단위 데이터베이스가 아직 구축되어 있지 않아 외국 사례의 수산물 평균값을 이용한 한계를 반영한다. 각 갯벌에서 생산하는 수산물 품종별 에머지 원단위를 이용하여 계산한다면 갯벌별 수산물의 에머지량 분포는 달라질 수 있다.

Landsat 8 위성 영상을 이용해 계산한 총일차생산량 추정 및 에머지 평가 결과는 Table 3에 요약하였다. 연구대상 13개 갯벌의 단위면적당 총일차생산량은 평균 188.2 gC/m²/yr이었다. 진주만 갯벌의 단위면적당 총일차생산량이 367.1 gC/m²/yr 로 가장 높았으며, 근소만 갯벌의 단위면적당 총일차생산량이 116.7 gC/m²/yr로 가장 낮았다. 전체적으로는 강화남단 갯벌에서 낙동강하구 갯벌로 가면서 총일차생산량이 증가하는 경향을 보였지만, 단위면적당 재생가능에머지 유입량 변화만큼 뚜렷하지는 않았다.

반폐쇄성 갯벌의 단위면적당 총일차생산량(197.6 gC/m²/yr)이 개방형 갯벌(167.0 gC/m²/yr)보다 더 높고, 대규모 갯벌(152.5 gC/m²/yr)보다는 소규모 갯벌(210.5 gC/m²/yr)의 단위면적당 총일차생산량이 더 높았다. 소규모 반폐쇄성 갯벌의 단위면적 총일차생산량이 평균 215.7 gC/m²/yr로 가장 높았으며, 규모가 큰 개방형 갯벌의 단위면적당 총일차생산량이 138.9 gC/m²/yr로 가장 낮았다. 해안별로 연간 총일차생산량을 비교할 경우 남해안 갯벌의 총일차생산량(평균 227.5 gC/m²/yr)이 서해안 갯벌의 총일차생산량(평균 154.5 gC/m²/yr)보다 높았다.

갯벌의 지형적 특성(개방 또는 반폐쇄)에 따른 단위면적당 연간 총일차생산량의 차이는 갯벌 퇴적물의 부유와 침식에 기인하는 것으로 판단된다. 개방형 갯벌의 경우 파랑과 조류 때문에 갯벌 퇴적물이 재부유해 침식에 의한 생물량 유출이 크게 발생할 수 있다는 것이 알려져 있다(Underwood and Paterson[1993]; de Jonge and Colijn[1994]; Barmguest et al.[1997]). Yoo[2017]는 개방형 갯벌인 강화 남단 갯벌을 대상으로 한 연구에서 수층으로 재부유한 저서미세조류가 썰물 때 연안해역으로 빠져나가며, 한강에서 유입하는 부유퇴적물로 인해 탁도가 높아 광합성이 제한될 수도 있음을 밝혔다.

갯벌 크기에 따른 단위면적당 연간 총일차생산량의 차이는 갯벌 퇴적상의 구성비율에 의한 것으로 여겨진다. 갯벌의 일차생산은 일반적으로 니질퇴적상이 사질퇴적상 보다 높은 것으로 알려져 있는데(Kwon et al.[2016]), 대규모 갯벌의 경우 일차생산이 낮은 사질퇴적상의 구성비율이 상대적으로 높아 전체적인 일차생산값이 낮게 나온 것으로 보인다. 본 연구에서 선정한 소규모 갯벌은 낙동강하구 갯벌, 근소만 갯벌을 제외하면 대부분 니질퇴적상이 우세한 갯벌이다.

각 갯벌로 유입하는 재생가능에머지량이 연구대상 갯벌 일차생산의 에머지량인데, 갯벌로 유입하는 모든 자연환경 요소의 상호작용을 통해 일차생산이 가능하기 때문에 총 에머지 유입량이 일차 생산의 에머지 토대에 해당한다. Fig. 2에 제시한 바와 같이 강화 남단 갯벌의 단위 면적당 에머지 유입량이 가장 많았으며, 낙동강 하구 갯벌의 단위면적당 에머지 유입량이 가장 적었다.

Table 3은 각 갯벌의 단위면적당 연간 재생가능에머지 유입량을 단위면적당 총일차생산량(에너지량 기준)으로 나누어 구한 일차생산의 UEV값을 포함하고 있다. 연구대상 13개 갯벌의 일차생산 UEV 평균은 2.68×10⁵ sej/J인데, 낙동강하구 갯벌 일차생산의 UEV(3.50×10⁴ sej/J)가장 작았으며 강화남단 갯벌 일차생산의 UEV(7.58×10⁵ sej/J)가 가장 컸다. 서해 중부의 강화남단 갯벌에서 남해 동부의 낙동강하구 갯벌로 가면서 총일차생산의 UEV 감소 경향이 뚜렷하였다. 이들 UEV 값은 향후 우리나라 갯벌생태계의 일차생산을 대상으로 한 에머지 평가에 직접 활용할 수 있는 에머지 원단 위 자료로서 가치가 있는 자료이다.

연구대상 갯벌로 유입하는 재생가능에머지와 수산물 생산량은 양의 유의한 상관관계(r=0.763, p=0.002)를 보였다(Fig. 3). 즉, 단위면적당 에머지 유입량이 많은 갯벌에서 단위면적당 연간 수산물 생산량이 증가하는 관계를 보였다. 남과 강[2015]은 서해안과 남해안으로 구분한 광역적 차원에서 단위면적당 에머지 유입량이 더 많은 서해안 갯벌의 수산물 생산량이 남해안 갯벌보다 더 많다는 것을 보여준 바 있는데, 이 연구는 개별 갯벌 측면에서도 에머지 유입량과 수산물 생산량 사이에 유의한 상관관계가 있음을 확인하였다. Lee[2014]는 간단한 생산자-소비자 모델을 이용한 시뮬레이션을 통해 소비자의 생물량(에너지량으로 표현)과 단위시간당 에머지 유입량 사이에 강한 상관관계가 있음을 보여준 바 있다. 갯벌의 수산물 생산은 대부분 저서동물과 어류 등 갯벌생태계의 소비자를 대상으로 한다는 점에서 재생가능에머지 유입량과 수산물 생산 사이의 유의한 상관관계는 Lee[2014]의 시뮬레이션 결과를 뒷받침하는 것으로 볼 수 있다.

Fig. 3. 
Relationship between annual renewable emergy inflow and annual fishery production of the Korean tidal flats selected for this study, on a per unit area basis.

갯벌의 수산물 생산은 태양, 바람, 파도, 강수, 조석 등 자연환경 요소와 생산과정에 투입하는 어획노력이 복합적으로 작용한 결과이지만, 이상의 결과는 갯벌생태계로 유입하는 재생가능에머지(자연환경 요소가 공급한 에머지)의 양이 각 갯벌의 수산물 생산 잠재력을 간접적으로 나타내는데 이용할 수 있는 에머지 자료임을 나타낸다. 그러나 각 갯벌별로 단위면적당 수산물 생산량을 추정하는 과정에서 광역지방자치단체의 수산물 생산량 자료를 이용하였기 때문에 동일한 광역지방자치단체에 속하는 갯벌은 단위면적당 생산량이 같아 갯벌별 특성을 충분히 반영한 상관관계 분석이 이루어지지 못한 한계가 있다.

지원서비스에 해당하는 총일차생산과 재생가능에머지 유입량 사이의 상관관계 분석 결과는 Fig. 4에 제시하였다. 단위면적당 연간 재생가능에머지 유입량과 단위면적당 연간 총일차생산량은 음(-)의 유의한 상관관계(r=-0.557, p=0.048)를 보였다. 즉, 단위면적당 재생가능에머지 유입량이 증가할수록 단위면적당 총일차생산량은 감소하는 관계를 보였다. 이는 앞에서 제시한 바와 같이 갯벌로 유입하는 재생가능에머지의 양은 중서부 연안의 강화남단 갯벌에서 남동부 연안의 낙동강하구 갯벌로 갈수록 감소하는 반면(Fig. 2), 총일차생산은 강화남단 갯벌에서 낙동강하구 갯벌로 갈수록 증가하는 경향(Table 3)을 반영한다. 앞에서 인용한 Lee[2014]의 시뮬레이션 결과에서는 단위시간당 에머지 유입량과 생산자의 생물량(에너지량으로 표현) 사이에 유의한 상관관계가 나타나지 않았지만, 에머지 유입량이 증가할수록 생산자의 생물량이 감소하는 추세를 보여주었다.

Fig. 4. 
Relationship between annual renewable emergy inflow and annual gross primary production of the Korean tidal flats selected for this study, on a per unit area basis.