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해양 생태계는 해역에 유입되는 해류 즉 수괴에 의해 영향을 받는다. 동중국해 북부해역은 지역적인 특성으로 크게 고온, 고염의 수괴와 중국대륙으로부터 유입되는 장강희석수로 대표되는 연안수 그리고 황해저층으로부터 유입되는 저온수의 영향을 받는다. 수괴의 구분은 다양한 방법으로 분석되며, 흔히 T-S diagram을 이용하여 수괴를 구분한다(Li et al.[2006]). 수온과 염분은 보존적인 특성을 나타내어 수괴의 구분과 기원을 추적하는데 사용된다.

동중국해 해역의 수괴에 관한 연구로 Kim et al.[1991]은 집괴(Cluster) 분석을 통해 11개의 수괴로 구분하였으며, Gong et al. [1996]은 T-S diagram 분석을 통해 6개의 수괴로 구분하였다. Hur et al.[1999]는 집괴 분석을 통해 9개의 수괴로 구분하였다. 이들 방법들은 연구시기와 해역에 따라 다른 결과를 제시하였으며, 이는 동중국해 수괴가 복잡함을 의미한다.

동중국해는 동계와 하계에 각각 다른 수괴에 의해 영향을 받는다고 제시하였다. 동계에는 쿠로시오 기원수의 수괴(KW; Kuroshio source water)가 표층에서 저층까지 형성되어 주요 영향 수괴로 작용하며, 제주도 남서해역에서는 황해에서 유입되는 해류와 쿠로시오 기원 해수와의 혼합수(MW: Mixed Water)로 하계에 비해 영향 수괴가 작은 것으로 보고하였다. 하계에는 표층의 가열과 혼합에 의해서 동계쿠로시오 기원의 해류에 비해 고온·저염화된 수괴(KES; Kuroshio-ECS surface)로 나누어지고, 황해표층수(YSS; Yellow Sea Surface, 50 m상층)가 동중국해 북부해역에 분포하며, 표층(평균 6 m)은 장강희석수의 영향을 받는다고 보고하였다(Hur et al.[1999]). Gong et al. 1996]에 의해 분석된 기준에 의하면 동계와 춘계에는 대기의 영향을 받아 표층 수온이 감소하여 황해저층냉수의 특성을 나타냈으며, 중·저층에는 황해저층냉수와 쿠로시오 기원수의 영향으로 표층과 저층이 혼합된 양상을 나타내었다. 하계에는 장강희석수의 영향이 확대되어 다른 계절에 비해 염분 31이하의 저염수와 장강희석수보다 고염분인 대만난류가 대부분의 표층에 형성되었으며, 황해저층냉수와 쿠로시오 해류가 중·저층에 형성되었다. 추계에는 장강희석수의 영향이 감소하고, 황해저층냉수의 특성을 보이는 수괴 또한 감소하였으며, 상대적으로 고염분인 대만난류와 쿠로시오 기원수의 영향을 받는 것으로 나타났다. Gong et al.[1996]에 의하면 장강희석수는 다른 수괴에 비해 인의 농도가 낮고, 황해저층냉수는 탁도가 높은 특징이 있으며, Wong et al.[1998]은 황해저층냉수에는 인에 비해 질소가 풍부한 수괴로 보고하였다. 장강희석수는 31이하의 염분을 나타내며, 장강 하구 동부해역의 표층에서 15~20 m의 얇은 층으로 관측되고 질산염과 규산염이 높은데 비해 인산염은 낮은 특성을 보였다(Wong et al.[1998]). 쿠로시오 기원수는 34.6이상의 높은 염분특성을 나타내며 표층을 비롯한 중·저층에 출현하였다.

본 연구에서는 Gong et al.[1996] 기준에 준하여 동중국해 북부해역의 수괴를 T-S diagram을 통해 분석하였다(Fig. 2). 연구해역은 크게 4개의 수괴 즉, 장강희석수, 대만난류, 쿠로시오 기원수, 황해저층냉수에 의해 계절적으로 다른 특성을 나타낸다.

Fig. 2. 
Seasonal variations of temperature and salinity in the northern East China Sea, 1995~2014 by Gong et al.[1996] (a) winter, (b) spring, (c) summer, (d) fall.

3.1.1 장강희석수(CDW)

장강희석수는 동중국해 북부해역의 표층으로 유입되는 수괴로서 수온 23 °C 이상, 염분 31 이하의 수괴로 구분하였으며(Gong et al. [1996]) 장강희석수의 다양한 환경인자의 장기변동과 수계 특성을 Fig. 3과 Table 1에 나타내었다. 연구 결과 장강희석수는 하계에 집중적으로 관측되었고 거의 모든 정점에서 관측되었다. 출현 수심은 0~30 m 수층에서 출현하나 주로 약 5 m 수층에 집중되어 나타났다. 장강희석수의 연평균 수온, 염분, 용존산소의 농도는 각각 27.6 °C, 29.5, 4.93 mL·L^-1 로 나타났다. 영양염의 비를 살펴보면 N/P ratio는 21.3으로 일반 해역에 비해 높게 나타났다. 현장의 인산염의 농도로 계산된 Excess nitrate는 1.02 uM으로 일반 해역에 비해 N의 농도가 높은 수괴로 나타났다. 소모된 산소의 양을 나타내는 AOU(Apparent Oxygen Utilization)는 -0.26 mL·L^-1 으로 용존산소가 과포화 되어있는 특성을 보였다. 장강희석수의 연구기간 동안 변동률을 보면, 수온과 염분, 용존산소의 농도는 20년간 다소 증가하는 경향을 나타내며, 각각 평균 0.32 °C, 0.56, 0.32 mL·L^-1 증가하였다. 영양염 중 질산염은 증가하는 경향을 나타냈으나, 인산염과 규산염은 연구기간 동안 각각 0.20 uM, 3.36 uM 감소하였다. 인산염의 경우 2002년까지 증가하는 경향을 보였으나, 이후 감소하다가 2010년 이후 급격히 감소하여 0.1 uM 이하로 장강희석수내에서 고갈된 상태를 나타내었다. 엽록소-a의 농도는 증가하는 경향을 나타내어 연구기간 동안 0.68 μg chl-a·L^-1 증가하는 추세를 보였다. Excess nitrate의 변동률은 연간 유의한 양의 증가를 나타내 장강희석수 N의 양이 P에 비해 증가하고 있음을 알 수 있다.

Table 1. 
The annual means, standard errors and rates of change of the related environmental parameters according to the water masses in the northern East China Sea, 1995~2014

Parameter	CDW			TCWW			YSCW			KW
	mean	se	rates	mean	se	rates	mean	se	rates	mean	se	rates
Temp.	27.59	1.51	0.016**	26.26	2.05	0.054*	11.59	1.76	0.003	17.14	1.81	0.070
Salinity	29.49	1.25	0.028**	32.87	0.95	-0.052**	32.74	0.55	-0.012**	34.69	0.13	-0.001
DO	4.93	0.80	0.016*	4.78	0.92	0.015*	6.01	0.89	0.014*	5.09	0.96	-0.018
NO3-N	3.19	2.74	0.023	2.99	3.23	-0.015	8.72	4.32	0.105	6.17	6.54	-0.141
PO4-P	0.13	0.14	-0.010**	0.22	0.27	-0.010*	0.47	0.32	-0.015**	0.38	0.31	0.020
SiO2-Si	5.12	3.26	-0.168**	5.23	4.45	-0.138**	12.00	4.36	0.050	7.76	4.38	-0.362*
Chl-a	1.08	1.00	0.034**	0.62	0.83	0.032**	0.63	0.75	0.027**	0.27	0.33	0.009**
N/P	21.3	18.2	24.280**	14.5	5.02	5.789*	16.2	1.02	0.685**	16.1	0.37	0.117**
Si/N	1.7	0.1	-0.076	1.8	0.09	-0.098*	1.4	0.14	-0.015	1.2	0.02	-0.139**
Si/P	35.3	26.8	41.975**	25.9	9.66	11.76**	23.0	0.63	0.681**	19.9	0.41	-0.000
Excess N	1.02	3.36	0.2**	-0.61	4.67	0.147	1.17	0.41	0.337**	2.09	7.33	0.186
AOU	-0.26	0.81	-0.018**	-0.07	1.02	-0.016	0.19	0.82	-0.014*	0.39	0.93	0.010*

°C·year^-1, temperature; uM·year^-1, nutrients; μg chl-a·L^-1year^-1, chlorophyll-a; se, standard error

*, p<0.05

**, p<0.01.

Fig. 3. 
The variation rates of environment parameters of CDW in the northern East China Sea, 1995?2014 (a) Annual mean temperature of CDW, (b) Annual mean salinity of CDW, (c) Annual mean dissolved oxygen of CDW. (d) Annual mean phosphate of CDW. (e) Annual mean nitrate of CDW. (f) Annual mean silicate of CDW, (g) Annual mean chl-a of CDW(The dashed line is regression line).

장강희석수는 4월부터 장강 하구에 형성되어 황해와 대한해협까지 영향을 미친다. 8월에 동중국해에 영향이 가장 크고 9월 이후에는 영향이 감소하는 것으로 보고되었으며, 형성되는 수심은 표층에서 30 m 이내이며, 평균 수심은 6 m 내외인 것으로 알려졌다(Hur et al.[1999]). Ning et al.[2011]은 장강희석수에 의해 고농도의 탁도해역, 수온, 염분, 영양염 그리고 생산력 전선 등이 형성되어 연구해역의 생물학적 다양성에 중요한 역할을 한다고 하였다. 장강희석수는 계절적인 영향으로 하계에 남동 계절풍에 의한 에크만 수송에 의해 북동방향으로 이동하며, 대마난류와 혼합되어 동해로 유입된다(Rebstock and Kang[2003]). 추계에 장강희석수의 특성을 갖는 수괴는 동중국해 북부해역에 질소를 공급하는 주요 공급원임을 보고하였다(Kim and Kim[2009]). 장강희석수의 수송량당 질산이온의 연간 flux는 105.1×1010 mol·yr^-1·Sv^-1, 인산은 1.8 mol·yr^-1·Sv^-1, Si는 304.1 mol·yr^-1·Sv^-1 로 질산에 비해 규산의 유출량이 많은 것으로 알려졌으며(Chung et al.[2000]) 본 연구 결과에서도 유사한 결과를 나타내었다.

3.1.2 대만난류(TCWW)

대만난류는 하계에 장강 하구역까지 유입될 수 있으며 장강희석수와 함께 동중국해 북부해역의 해양 생태계를 더욱 복잡하게 하는 역할을 한다(Zhu et al.[2011]; Ning et al.[2011]). 본 연구에서는 Gong et al.[1996]에 의해 정의된 수온 23 °C 이상, 염분 31 이상 34.2 이하의 수괴를 대만난류수로 구분하였으며 대만난류 환경인자의 장기변동과 수계 특성을 Fig. 4와 Table 1에 나타내었다. 연구 결과 대만난류는 장강희석수와 같이 표층으로 유입되는 수괴로서 하계와 추계에 관측되었다. 하계에 관측된 수심은 0~30 m 수층인데 비하여 추계에는 0~50 m 수층에서 형성되는 것을 확인하였다.

Fig. 4. 
The variation rates of environment parameters of TCWW in the northern East China Sea, 1995~2014 (a) Annual mean temperature of TCWW, (b) Annual mean salinity of TCWW, (c) Annual mean dissolved oxygen of TCWW, (d) Annual mean of phosphate of TCWW, (e) Annual mean nitrate of TCWW, (f) Annual mean silicate of TCWW, (g) Annual mean chl-a of TCWW(The dashed line is regression line).

또한 1998년에는 다른 해에 비해 대만난류의 특성을 나타내는 수괴가 거의 관측되지 않아 시기에 따른 변동성이 있는 것으로 밝혀졌다(Fig. 7b). 대만난류의 연평균 수온, 염분, 용존산소의 농도는 각각 26.3 °C, 32.9, 4.8 mL·L^-1로 장강희석수에 비해 높은 염분을 나타내었다. 영양염의 비를 보면 장강희석수에 비해 인산염의 농도가 증가하여 N/P, Si/P ratio가 감소하였다. Excess nitrate는 -0.61 uM로 일반해역에 비해 N이 부족한 수괴 특성을 나타내었다. AOU는 -0.07 mL·L^-1로서 장강희석수에 비해 용존산소의 농도는 낮으나 과포화된 수괴로 밝혀졌다. 대만난류 수괴의 연간 변동률을 보면, 수온과 용존산소는 각각 평균 1.08 °C, 0.30 mL·L^-1 증가하는 경향을 나타냈으나, 염분은 1.04 감소하여 장강희석수에 비해 수온과 염분의 변동이 크게 나타났다. 대만난류의 질산염, 규산염, 인산염 농도는 모두 감소하는 경향을 나타냈는데 각각 0.28 uM, 2.76 uM, 0.20 uM로 규산염의 감소가 크게 나타났으며, 인산염은 장강희석수와 같이 2010년 이후 급격히 감소하여 0.1 uM 이하로 고갈된 상태를 나타내었다. 엽록소-a의 농도는 20년 동안 증가하여 평균 약 0.64 μgchla·L^-1 증가하여 장강희석수와 유사한 경향을 나타내었다. Gong et al.[1996]은 염분 31이하의 저염분에서는 질산염의 농도가 높으나 염분 31 이상의 상대적으로 고염분의 수괴에서는 질산염의 농도가 낮은 특성이 있음을 제시하였으며, 쿠로시오 기원수에 비해 염분은 낮으나 고수온의 수괴를 대만난류수로 분석하였다. Seung[1992]은 계절에 따라 대만난류의 수온과 염분이 하계에는 수온 28 °C, 염분 33.5에서 동계에는 수온 15 °C, 염분 34.4로 수온은 냉각되고 염분은 증가한다고 밝혔다. Hur et al.[1999]은 쿠로시오 기원수 보다 저염분의 특성을 보이며 하계에 출현 하는 수괴를 쿠로시오-동중국해 표층수로 구분하였다. Li et al.[2006]에 의해 분석된 대만난류는 동계에는 연안수 확장의 영향으로 동계에는 약화되고, 6월부터 세기가 증가하여 11월에 최대로 증가하나 중국 연안수의 제주도 남부해역으로의 유입에 의해 북쪽으로의 이동이 제한됨을 밝혔다.

3.1.3 황해저층냉수(YSCW)

황해저층냉수는 동계의 낮은 기온에 의해 표층 수온이 낮아지면서 표층과 저층이 혼합된 후 춘계와 하계에 형성되는 수온약층에 의해 저층에 형성된다. 춘계와 하계 동안 수온약층에 의해 안정한 상태에서 하계에 역풍류(upwind)에 의해 남하하며 일부는 제주해협을 통해 남해로 유입된다(Kim et al.[1991]; Jang et al.[2011]). Jang et al.[2011]은 수온 13.2 °C 이하, 염분 32.6~33.7, 밀도 24.7~25.5로 제시하였으며, Hur et al.[1999]은 40년간 황해와 동중국해 자료의 집괴 분석을 통해 황해저층냉수는 수온은 10 °C 이하, 염분은 33.2이하로 황해에서 평균 50~70 m 수심의 저층에 형성되는 것을 확인하였다. 이번 연구에서는 Gong et al.[1996]에 준하여 황해저층냉수는 수온 14.5 °C 이하, 염분 33.7 이하를 기준으로 구분하였으며, 환경인자의 장기변동과 수계 특성을 Fig. 5와 Table 1에 나타내었다. 분석결과 연 평균 수심 약 25 m 내외에 집중되어 형성되었으며, 하계에는 50 m 내외에서 관측되었으며, 추계에는 관측되지 않았다. 수온, 염분, 용존산소의 평균 농도는 각각 11.6℃, 32.7, 6.0 mL·L^-1으로 대만난류와 평균 염분은 유사하나 수온은 낮고, 용존산소의 농도는 큰 특성을 나타내었다. 영양염의 평균 농도는 주요 수괴 중에 가장 높은 농도를 나타내었다. N/P ratio는 16으로 일반 해양의 ratio와 유사한 특성을 보였다. AOU는 0.19 mL·L^-1로 포화 농도에 비해 낮게 나타나 생물의 호흡에 의해 용존산소가 소비되었음을 나타내었다. 황해저층냉수의 변동률을 보면 수온은 20년간 유사한 분포를 나타냈으며, 염분과 용존산소는 각각 0.24, 0.26 mL·L^-1 증가하는 경향을 나타내었다. 질산염과 규산염은 증가하는 경향을 나타내었으며, 인산염은 0.28 uM 감소하는 경향을 나타내었다. 엽록소-a는 0.54 μgchl-a·L^-1으로 증가하는 추세를 나타내었다.

Fig. 5. 
The variation rates of environment parameters of YSCW in the northern East China Sea, 1995~2014 (a) Annualmean temperature of YSCW, (b) Annual mean salinity of YSCW, (c) Annual mean dissolved oxygen of YSCW, (d) Annual mean phosphate of YSCW, (e) Annual mean nitrate of YSCW, (f) Annual mean silicate of YSCW. (g) Annual mean chl-a of YSCW(The dashed line is regression line).

3.1.4 쿠로시오 기원수(KW)

일반적으로 쿠로시오 해류는 대만 동쪽의 수로를 통해 동중국해로 유입되어 30°N까지 대륙붕단(Continental shelf break)을 따라 북동진하여 일부는 대마난류로 동해에 영향을 미치며 나머지는 Tokara strait 통해 북태평양으로 열과 염을 공급한다(Hsuh[2000]). 동중국해에 영향을 미치는 쿠로시오 해류는 주로 표층에서 나타나며, 하계에는 표층에서 관측되었던 쿠로시오 수괴가 저층에 형성되고, 표층에는 상대적으로 저염의 수괴가 형성된다. 따라서 Hur et al.[1999]은 동일한 수괴로서 계절의 영향으로 나누어진 쿠로시오 수괴로 보았다. Gong et al.[1996]은 주로 중·저층에 출현하는 고염분의 수괴를 하나의 수괴(Kuroshio Water)로서 염분 34.6 이상으로 구분하였고 표층에 형성된 상대적으로 저염분의 수괴는 대만난류수로 분석하였다.

연구해역에서 분석된 쿠로시오 기원수는 염분 34.6 이상의 특성을 갖는 수괴로 구분하였으며, 환경인자의 장기변동과 수계 특성을 Fig. 6와 Table 1에 나타내었다. 쿠로시오 기원수는 모든 계절에서 출현을 확인할 수 있으며, 출현 수심은 동계에는 표층에서 저층까지 관측되었으며, 추계에는 주로 저층을 중심으로 관측되었다. 쿠로시오 기원수의 평균 수온과 염분, 용존산소의 농도는 17.1 °C, 34.7, 5.1mL·L^-1으로 염분은 높으나 평균 수온은 장강희석수, 대만난류보다 낮은 특성을 보였다. 영양염의 농도는 질산염, 인산염, 규산염이 각각 6.2 uM, 0.4 uM, 7.8 uM 으로 상층에서 관측된 수괴에 비해 높은 농도를 나타내었다. 이러한 쿠로시오 기원수의 영양염 공급 기작으로 동중국해 남부 해역과 큐슈 남부 해역의 대륙붕에서 강한 수직혼합에 의한 용승으로 저층으로부터 16 uM 이상의 규산염을 대륙붕내로 공급한다(Ito et al.[1994]). 엽록소-a의 농도는 분석된 수괴 중 가장 낮은 농도를 나타내었다. 그러나 Excess nitrate는 분석된 수괴 중 가장 높은 농도를 나타내었다. 이 수괴의 수온의 증가율은지속적으로 상승하여 20년간 1.38 °C 증가하였으며 주요 4개의 수괴 중 가장 큰 수온 증가를 나타내었다. 염분은 연구기간 동안 유사한 특성을 보였으며, 용존산소는 연구기간 동안 0.34 mL·L^-1 감소하는 추세를 나타내었다. 쿠로시오 기원수의 질산염, 규산염, 인산염은 각각 2.8 uM, 7.22 uM, 0.40 uM 으로 감소하는 경향을 나타내어 다른 수괴에 비해 영양염의 감소가 큰 것으로 분석되었으며, 엽록소-a는 0.16 μgchl-a·L^-1 증가하는 양상을 나타내었다.

Fig. 6. 
The variation rates of environment parameters of KW in the northern East China Sea, 1995~2014 (a) Annual mean temperature of KW, (b) Annual mean salinity of KW, (c) Annual mean dissolved oxygen of KW, (d) Annual mean phosphate of KW, (e) Annual mean nitrate of KW, (f) Annual mean silicate of KW, (g) Annual mean chl-a of KW (The dashed line is regression line).

동중국해 북부해역 주요 수괴의 시간에 따른 세기의 변화를 확인하기 위하여 T-S diagram을 이용하여 분석하였다(Fig. 7). 동중국해수괴는 다양한 기준에 따라 여러 가지 수괴로 구분되나 본 연구에서는 앞에서 언급한 것처럼 장강희석수, 대만난류수, 황해저층냉수, 쿠로시오 기원수로 분류하였다. 분석된 수괴는 계절적인 차이를 나타내며, 다른 계절에 비해 하계에는 장강희석수와 황해저층냉수에 의해 더 복잡한 양상을 나타낸다(Hur et al.[1999]). 분석결과 장강희석수는 20년간 다소 감소하나 뚜렷한 변동성은 나타내지 않았으며, 대만난류는 약 2.7% 감소하는 경향을 보였으며, 쿠로시오 기원수는 약 8.9% 감소(p<0.01)하였다. 반대로 황해저층냉수는 약 7.8% 증가(p<0.01)하였다. 쿠로시오 기원수는 2007년 이후 뚜렷한 감소 추세를 보이고 특히 2012년에는 쿠로시오 기원수가 관측되지 않았다. Kim and Kim[2009]이 분석한 풍수기(하계)의 수괴 조성을 보면 장강희석수는 1~23%, 쿠로시오 기원수는 0~30%, 동중국해수는 58~100%으로 구분하여 사계절의 자료를 분석한 이번 결과와는 다소 차이를 보였다. 이러한 수괴들의 세기의 차이는 향후 해양의 공간적인 수온, 염분, 영양염 변화뿐만 아니라 해양생태계의 변화를 유발하는 원인으로 작용할 것으로 판단된다. 특히 현저한 증가와 감소를 보이는 황해저층냉수와 쿠로시오 기원수는 연구해역에서 수온과 염분이 상반된 특성을 나타내는 수괴로서 이들 수괴의 세기의 변동으로 향후 동중국해 해역의 수온과 염분이 감소 할 가능성이 있다. 두 수괴가 분포하는 수층도 중·저층으로 유사하여 중·저층의 해양환경이 변동하고 이에 따라 해양생태계의 변동이 있을 것으로 판단된다. 따라서 연구기간 동안 관측된 수괴의 각 환경 인자에 따른 상대적인 특성을 비교하고 향후 동중국해 북부해역의 해양생태계의 변동을 예측하기 위하여 주요 수괴의 특성을 분석하였다(Fig. 8). 연구기간 동안 관측된 주요수괴의 점유율은 황해저층냉수가 약 17%로 가장 높고, 대만난류수가 약 8%, 장강희석수가 약 5%, 쿠로시오 기원수가 3.5%으로 분석되었다. 이에 따라 향후 황해저층냉수의 확대와 쿠로시오 기원수의 감소가 지속되면 동중국해 북부해역은 저층을 비롯해 표층까지 수온과 염분은 감소될 것으로 판단되며, 용존산소는 황해저층냉수의 높은 농도에 의해 증가할 것으로 판단된다. 영양염은 쿠로시오 기원수가 동중국해로 유입되면서 대륙붕단의 저층에서 용승에 의해 공급되던 저층의 높은 영양염 특히 인의 유입이 점차 감소하면서 N/P ratio가 증가될 것으로 판단된다. 또한 식물플랑크톤의 현존량을 대변하는 엽록소-a는 특정 영양염 (인산염)에 의해 제한 받기까지는 증가할 것으로 판단되나, 저층에서 공급이 확대되는 황해저층냉수에 포함된 영양염이 표층으로 확산을 통해 영양염의 지속적인 공급이 이루어 질것으로 판단된다. 따라서 향후 수괴변동에 대한 식물플랑크톤의 변동성에 대한 지속적인 연구가 수행되어야 한다.

Fig. 7. 
The variation rates of relative range of water masses in the northern East China Sea, 1995~2014 (a) CDW, (b) TCWW, (c) YSCW, (d) KW (The dashed line is regression line).

Fig. 8. 
The relative characteristics of water masses parameters in the northern East China Sea, 1995~2014 (a) Temperature, (b) Salinity, (c) Dessolved oxygen, (d) Phosphate, (e) Nitrate, (f) Silicate, (g) Chl-a, (h) N/P ratio, (i) Si/N ratio, (j) Reative range of water masses.

동중국해 북부해역에서 황해저층냉수가 생성되는 기작은 동계의 황해와 동중국해의 표층 수온과 밀접한 관련이 있으며, 표층 수온은 동계의 북극진동 지수(AOI; Arctic Oscillation Index)와 높은 상관성을 보이는 것으로 알려졌다(Jang et al.[2011]; Lim et al.[2012). 북극진동의 값이 음일 때 시베리아 고기압이 확장하면서 북서풍의 찬공기가 한반도에 유입되어 기온에 영향을 미친다. 따라서 동중국해 표층 수온과 북극진동 지수 그리고 연구해역과 인접한 기상자료 중 육지보다는 해양의 영향을 많이 받는 서귀포 지역의 기온(http://www.kma.go.kr/weather/climate)과 비교하였다(Fig. 9).

Fig. 9. 
Comparison between Arctic Oscillation Index (line), mean air temperature (line) at the Seogwipo, Jeju and mean surface temperature (bar) of the northern East China Sea during winter, 1995~2014.

사용된 북극진동 지수는 NOAA 기후예측센터(Climate Prediction Center)에 구축된 자료에서 2월 자료를 이용하였다(http://www.cpc.ncep.noaa.gov). 결과 북극진동은 동중국해 북부해역의 표층수온과 유사한 경향을 나타냈으며, 국지적으로 발생하는 기상현상이 반영된 기온자료와 유사한 경향을 나타내었다. 또한 같은 연구기간의 북극진동 지수가 음의 추세로 증가하는 것은 동계에 표층수의 냉각으로 이어져 황해저층냉수의 생성이 증가하여 이로 인해 동중국해 북부해역으로의 영향이 증가할 것으로 판단된다. 이번연구에서 분석된 수온 하강의 직접적인 원인은 연구해역에서 상대적인 볼륨이 가장 크고, 세기가 지속적으로 증가하며, 주요 수괴 중 수온이 가장 낮은 황해저층냉수의 영향으로 전 수층에서 수온이 하강하는 것으로 판단된다.

연구기간동안 염분이 감소하는 경향을 나타내었다. 따라서 대기와의 상관성을 확인하기 위해 연구해역과 인접한 제주도 서귀포에서 관측된 평균 강수량(http://www.kma.go.kr/weather/climate)과 비교하였다. 결과 강수량은 연구기간 동안 감소하는 추세를 나타내었다(Fig. 10). 따라서 연구해역에서의 염분 감소는 대기에 의한 영향보다는 동중국해 주요 수괴 중 가장 높은 염분을 나타내나, 다른 주요 수괴에 비해 상대적인 볼륨이 가장 작고, 연구기간 동안 세기가 지속적으로 감소하는 쿠로시오 기원수의 영향으로 나타나는 결과로 판단된다.

Fig. 10. 
The annual Means precipitation at the Seogwipo, 1995~2013.

관측된 영양염의 농도는 표층에서는 동계에 높고 하계에 낮은 농도를 나타냈다. 다른 영양염과는 달리 질산염은 증가하는 경향을 나타냈는데 증가 원인에는 첫 번째, 장강하구 유역에서 인간활동의 결과로 발생하는 도시 오·폐수와 하구의 양식 활동에 의해 유입되는 영향(Chai et al.[2009])과 질소계 화학비료를 주로 사용한 결과를 들 수 있다(Harrison et al.[1990]). 두 번째 원인으로는 인간활동에 의한 인위적인 영향이 아닌 수계내에서 발생하는 용승에 의한 높은 영양염을 포함한 저층수 유입의 영향을 들 수 있다. 동중국해 해역은 해류의 영향으로 중국연안 (저장성) 용승(Hu[1994]), Taiwan 북동부 용승(Hung et al.[2007]), 제주도 남서해역 용승과 대륙붕단에서 쿠로시오 중층수에 의해 발생하여 동중국해로 유입되는 용승(Ito et al.[1994])의 영향을 받는 것으로 보고되었다. 이러한 용승에 의한 기여도는 하계에 발생하는 용승(30% 이상)이 동계에 발생하는 용승(10~30%) 에 비해 영향이 크며, 쿠로시오 중층수의 대륙붕 내로의 유입도 하계에 더 큰 것으로 알려졌다. 일반적으로 해양에는 질소와 규소에 대한 인의 상대적인 양이 16:1의 ratio로 분포하는 것으로 알려졌으며, 각각의 비에 따라 식물플랑크톤의 성장과 증식에 영향을 미치며, N/P의 상대적인 비를 이용하여 해양 생태계의 영양 상태를 평가할 수 있다. 따라서 동중국해 북부해역에서 관측된 각각의 영양염에 대한 상대적인 비를 Table 2에 나타냈으며, 또한 N/P ratio의 수층에 따른 변동은 Fig. 11에 나타내었다. 그림으로 나타내지 않은 영양염의 ratio의 변동율은 Table 3에 나타내었다. 하계의 N/P ratio는 낮은 인산염의 농도에 의해 가장 높게 나타났으며, 동계에 낮은 ratio를 나타내었다. 동계는 다른 계절에 비해 질산염의 농도는 낮은데 비해 인산염은 높으나, 다른 계절에는 질산염에 비해 인산염이 낮은 것으로 나타났다. Si/N ratio는 질산염의 농도가 낮은 춘계에 높은 ratio를 나타냈으며, 표층에서는 춘계에, 저층에서는 동계에 가장 높은 ratio를 나타내었다. 상대적인 농도차가 크지 않았던 추계에는 표층과 저층 모두에서 낮은 ratio를 나타내었다. 또한 Si/P의 ratio는 하계에 높게 나타나 하계의 낮은 인산염의 영향을 대변했다. 각 영양염 ratio에 대한 장기변동을 알아보면 N/P ratio는 하계에 가장 높은 증가 추세인데 비해 추계에는 감소하는 추세를 나타내며, 증가율은 20년 동안 약 9.2 증가한 것으로 나타났다. 또한 Si/N의 ratio는 춘계에 가장 높은 증가율을 보였다. Si/P의 장기 변동은 인산염의 낮은 농도로 인해 하계에 가장 높으며, 추계에는 규산염의 영향으로 감소하는 경향을 나타내었다.

Fig. 11. 
The variation rates of N/P ratios in the northern East China Sea, 1995~2014 (a) Annual mean N/P ratios of all layers, (b) Annual mean surface N/P ratios, (c) Annual mean bottom N/P ratios (The dashed line is regression line).

일반적인 해양의 영양염 ratio와 비교하기 위해 Excess N 농도를 계산하였다. 하계에는 높은 질소 농도가 확인되었으며, 약 1.0~3.4 uM의 질산염이 과잉 존재하는 것으로 나타났다. 반면에 동계에는 인산염에 비해 질산염이 약 0.1~0.3 uM 부족한 것으로 나타났다.

연구기간 동안 인산염의 농도가 감소하는 원인은 동중국해 북부해역으로 유입되는 장강희석수(Fig. 3), 대만난류(Fig. 4), 황해저층냉수(Fig. 5), 쿠로시오 기원수(Fig. 6)에 포함된 인산염의 농도 감소에 영향을 받은 것으로 판단되며, 특히 표층수의 대부분을 차지하는 장강희석수와 대만난류수가 2010년 이후 평균 0.1 uM 이하의 낮은 농도가 원인이라 할 수 있다. 또한 각 수괴 중 쿠로시오 기원수에 포함된 높은 인산염에 의해 공급되던 양이 쿠로시오 기원수의 세력 약화에 의한 공급량 감소에 의한 것으로 판단된다(Fig. 6). 이번 연구결과와 같이 N의 증가와 P와 Si가 감소하는 해역에서는 식물플랑크톤 종의 천이 현상이 발생되며, 식물플랑크톤의 종 다양성이 감소될 수 있는 것으로 보고되었다(Wong, et al.[1998]; Chen[2000]; Wang et al.[2003]).

엽록소-a의 농도는 연구기간 동안 지속적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 일반적으로 식물플랑크톤의 현존량을 의미하는 엽록소-a는 크게 수온과 영양염의 영향을 크게 받는다. 앞에서 언급한 바와 같이 4개의 주요 수괴에서의 영양염은 일부 수괴의 질산염 증가 추세를 제외하면 대부분의 수괴에서 영양염의 농도가 감소하는 추세를 나타내었다. 그럼에도 불구하고 엽록소-a의 농도가 증가하는 원인은 크게 4개의 주요 수괴에서 나타난 수온 증가와 주요 수괴 중에서 상대적인 볼륨이 가장 크고, 세기가 지속적으로 증가하는 황해저층냉수에 포함된 비교적 높은 영양염의 공급 그리고 샨샤댐 건설에 의한 부유물질 유출량의 감소에 의한 것으로 판단된다.

N/P ratio의 변동에 따른 식물플랑크톤의 크기에 따른 변화를 알아보기 위해 2012년부터 2014년까지 엽록소-a를 크기에 따라 즉 20 μm 이상과 이하로 나누어 분석하였다(Fig. 12). 이 시기에 분석된 식물플랑크톤의 크기에 따른 엽록소-a의 농도를 비교하면 20 μm이상의 식물플랑크톤에 의한 엽록소-a의 농도는 20 μm 이하의 식물플랑크톤에 의한 엽록소-a 농도 보다 낮게 나타났다. 이는 P의 농도가 감소함에 따라 종의 천이가 발생하는 원인이라 볼 수 있다. Wang et al.[2003]은 N/P>30 일 때 P에 의해, N/P<8 일 때 N에 의한 제한 요인으로 제안하였으며, Justic et al.[1995]는 Si:P>22, N:P>22이면 P에 의해, N:P<10, Si:N>1 이면 N에 의해, Si:P<10, Si:N<1 일때 Si에 의해 각각 식물플랑크톤의 성장과 증식에 제한인자로 작용 한다고 밝혔다. 따라서 이들의 기준을 연구 결과에 적용하면 연평균 자료에서는 제한되지 않으나 하계의 저층에서 P에 의해 결핍되는 것으로 판단된다. 또한 Brzezinski-Nelson[1990], Ptacnik et al.[2010]에 의해 제안된 영양상태에 대한 기준에 의하면 2010년 이후에는 인산염이 0.2 uM 이하를 나타내어 식물플랑크톤의 성장과 증식에 제한 인자로 작용한 것으로 판단된다. N/P ratio의 증가는 기존의 단순했던 먹이망 구조가 복잡한 미세생물먹이망으로 변동될 가능성이 있으며 이에 따라 최고 포식자인 어류의 생산력 즉 잠재적 수산생산력의 감소로 이어져 우리나라 최고의 어장인 동중국해 북부해역의 어업 생산력이 감소할 것으로 전망된다.

Fig. 12. 
Relative seasonal concentration (μg·L^-1) of size fractionated chl-a of the northern East China Sea from 2012 to 2014.

반면 다른 연구결과에 의하면 황해에서 P와 Si 그리고 DO가 감소함에 따라 작은 크기의 식물플랑크톤이 증가하게 되고, 25년간 수온이 1.7 °C, 염분 0.18 상승함에 따라 어류의 군집구조와 종 다양성도 변동하여 삼치(Scombermorus niphonius)와 등가시치(Enchelyopus polyactis)에서 참조기(Pseudosciaena polyactis)와 병어(Stromateus argenteus)으로 우점종의 천이가 발생하며, 전갱이(Trachurus japonicus)의 생물량은 증가하는 반면에 꼼치(Liparis tanakai)와 멸치(Engraulis japonicus)의 생물량은 감소하는 것으로 보고 되었다(Lin et al.[2005]).

따라서 수온 및 염분 그리고 영양염의 변화는 식물플랑크톤 뿐만 아니라 어종의 종수(Species number), 종풍부도(Species richness), 다양성(Diversity), 균등도(Evenness) 지수까지 영향을 미쳐 결국에는 해양생태계 변동에 영향을 미칠 것으로 판단된다.

2009년 장강 중·하류에 완공된 샨샤댐으로 인하여 유출량이 인위적으로 조절되고 있어 건설 전과 건설 후의 담수 유입량이 9~18% 감소(MLTMA[2009])함에 따라 해양생태계에 영향을 미칠 것으로 전망되고 있다. 그 예로 2000년 이전과 비교하면 1, 2차 물막이 공사가 진행되던 2003~2008년에 부유물질 배출량이 최대 56% 감소하였다(MLTMA[2009]). 댐건설은 유출수 중의 Si 감소에 영향을 미쳐 Si와 N의 ratio를 변화시키고, 규조류로부터 편모류로 식물플랑크톤의 종구성을 변화시킬 가능성이 있다(Humborg et al.[1997]; Li et al.[2007]). 따라서 위에서 언급한 샨샤댐 건설에 따른 영향을 영양염과 식물플랑크톤의 현존량을 나타내는 엽록소-a를 중심으로 독립표본 t-test를 통하여 환경인자의 유의성을 검정하였다(Table 4). 동중국해는 계절에 따라 유입되는 수괴와 세기가 다르므로 연평균비교보다는 계절을 구분하여 비교하는 것이 타당하다고 생각되며, 비교 기준은 1차 물막이 공사가 완공되어 실제로 장강의 흐름이 제어되기 시작한 2003년 춘계를 기점으로 전·후의 값을 평균하여 나타내었다.

수온의 경우 표층과 저층에서 감소하는 경향을 나타내었으며 수온차는 춘계에 가장 크게 나타났으며, 염분은 수온차와는 반대로 증가하는 경향을 나타내 담수 유입이 감소하여 인근 해역의 수온은 하강하고 염분은 상승한 것으로 해석된다. 이러한 결과는 장강 하구에서 관측된 Jiao et al.[2007]의 결과와 유사하여 본 연구해역에서도 샨샤댐 건설의 영향을 확인할 수 있었다. 영양염의 변화를 보면 질산염은 계절에 상관없이 샨샤댐 건설 후 유의한 증가가 확인되며, 규산염은 동계를 제외하고 다른 계절에는 감소하였으며, 추계에 감소폭이 크게 나타났다. 인산염은 모든 계절에 감소하였으며 특히 추계에 현저한 감소를 나타내었다. 엽록소-a는 모든 계절에서 상승하는 경향을 보였다. 또한 춘계의 표층에서 가장 큰 증가를 보여 계절적인 영향으로 식물플랑크톤의 증식이 발생한 것으로 보인다. 샨샤댐 건설 후 엽록소-a의 증가는 샨샤댐 건설의 영향으로 유출량이 감소한 부유물질에 의해 인근 해역의 탁도가 감소(Chai et al.[2009])하여 광투과가 증가한 결과(Asanuma et al.[2005])로 Jiao et al.[2007]와 유사한 경향을 보였다. 또 다른 원인으로는 식물플랑크톤의 종조성의 변화로 기인된 가능성도 있어 향후 식물플랑크톤의 종조성에 대한 연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다. 실제로 Son et al.[2012]에 의하면 동중국해역의 식물플랑크톤의 구성이 micro, nano 플랑크톤의 양은 감소하고 상대적으로 크기가 작은 pico플랑크톤은 증가하고 있다고 지적한 바 있다. N/P ratio의 증가와 Si의 감소는 규조류 중심의 식물플랑크톤 군집을 와편모류로 종조성을 변화시키는 요인으로 알려졌다. N/P, Si/N 그리고 Si/P ratio를 이용하여 영양염의 변화를 살펴보면 N의 증가와 P의 감소의 영향이 큰 것으로 나타났다. 일반적인 해양의 N/P ratio가 16인 것을 감안하면 샨샤댐 완공 후 P에 대한 N의 농도차가 더 크게 나타났다. Justic et al.[1995]의 영양염 제한 기준에 적용하면 하계와 추계에는 P에 의해 식물플랑크톤의 성장과 증식에 제한이 될 수 있을 것으로 판단된다. 샨샤댐 건설에 따른 유량과 영양염 유입량의 감소로 동중국해 북부해역의 생태계 변화에 영향을 주고 이러한 결과는 동중국해에서 신생산, 일차생산, 어획량 등의 생물량 감소로 이어질 것으로 예측되었다(Chen[2000]). Wang et al.[2003]은 1997년부터 1999년까지 표층에서 평균 14.5~27.8의 N/P ratio와 1.66~4.50의 Si/N ratio를 보고하여, N의 농도가 Si 농도에 비해 감소하는 것을 확인하였다.

따라서 앞에서 언급했던 수괴의 세기 변화, 담수 유입의 감소, N/P ratio의 변화는 연구해역의 해양생태계의 변동으로 이어질 가능성이 있는 것으로 판단된다.