어장건강도 평가지수를 이용한 진해만 내 굴 양식장 건강도 변동 평가

1. 서 론

전 세계적인 양식산업의 발전과 함께 국내 양식생산량은 총233만톤을 기록하며(2021년 기준), 최근 5년간 약 4.6% 증가했다(KOSIS[2021]). 이와 관련하여 경상남도 양식어업의 총생산량(약 34만톤, 2010년)은 대부분 패류양식(29만톤, 약 85%)이 차지하고 있으며, 특히 통영-거제해역(3,553ha)을 중심으로 굴 양식이 많은 비중(82.3%)을 차지하고 있다(Choi et al.[2017]). 하지만, 남해안(진해만)의 경우, 1990년대 이후 무분별한 면허발급과 적조/빈산소 수괴와 같은 자연재해의 빈번한 발생으로 굴의 대량폐사가 지속적으로 일어나는 실정이다(Jin et al.[2019]). 이로 인해 한국연안 내 효과적인 양식어장 관리의 필요성(해수-퇴적물 및 양식생물)이 대두되며, 양식패류의 지속적인 생산성 확보가 요구되는 실정이다. 따라서 연안생태계의 건강성을 향상시키고 높은 생산성과 회복력을 유지시키기 위해 국내를 중심으로 서식지 환경 기반 어장건강도에 대한 체계적인 평가기법 및 전략에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다(Go et al.[2023]).

어장건강도 개념은 해양생태계의 하위 개념으로 인식하여 생태계 등급을 어장건강도 등급으로 판단하는 것이 아닌 양식생물의 서식처, 성장에 영향을 미치는 인자뿐만 아니라 직, 간접적으로 어장건강도에 영향을 미치는 자연재해, 위생안전까지 고려된 어장환경 평가 기준이다. 어장건강도 지표를 활용하여 살포식 패류 양식어장을(여자만, 강진만)을 대상으로 환경조건(봄, 여름 해양환경)을 토대로 발생하는 어장건강도 통합평가방법을 제시한 바 있다(Go et al.[2023]). 하지만, 기존의 연구는 저층(퇴적층)에 서식하는 살포식 패류에 대한 어장건강도 평가로 기존 연구에서 설정되었던 어장건강도 평가항목 기준을 양식생물의 성장에 영향미치는 먹이조성과 물리적 서식환경이 다른 수하식 패류(굴)양식장에 적용하는데 다소 한계점이 있다. 따라서 본 연구에서는 남해 수하식 패류 양식장이 밀집되어 있는 진해만에서 수하식 패류어장의 모니터링 자료(수층환경, 퇴적환경) 및 사회-안전매개변수(이상해황, 양식생물 위생안전)를 기반으로 건강도 평가지표 기준치 재검토 및 환경변화에 따른 기준치 변동 모의실험을 진행하고자 하였다. 또한, 수하식 양식생물에 직, 간접적으로 영향을 미치는 핵심지표의 가중치 설정을 통해 기존 어장건강도 평가 방법보다 고도화된 결과를 도출하고자 하였다.

2. 재료 및 방법

2.2 시료채집 및 분석방법

패류양식장 내 수질 및 퇴적환경의 특성을 파악하고 건강도를 평가하기 위해 2022년 3월에 진해만(JH, 8정점; JH1-8)에서 표층 해수와 표층 퇴적물 시료 및 양식생물(5정점; JH1-5)를 채취하였다(Fig. 1). 수층 내 물리적 특성은 다항목수질측정기(YSI 6600; Xylen Analytics, USA)를 이용하여 표층부터 저층까지 수온, 염분 및 용존산소를 측정하였다. 니스킨 채수기를 이용하여 채수 된 해수 시료는 영양염류 분석을 위해 미리 태운(450℃, 4시간) Ф 25 mm 유리섬유여과지(GF/F; pore size, 0.7 μm)로 여과한 뒤 영양염 자동분석기(QUATRO, BRAN+LUEBBE, Germany)를 사용하여 암모니아(NH₄⁺), 아질산염(NO₂^-), 질산염(NO₃^-), 인산염(PO₄^3-), 규산염(SiO₂)를 분석하였다.

Fig. 1.

Sampling locations of seawater and sediment from study site (oyster farming (n=8)), Jinhae-bay, Tonyeong, South Korea.

수층 내 Chl-a 분석을 위해 미리 태운(450℃, 4시간) Ф 25 mm 유리섬유여과지(GF/F; pore size, 0.7 μm)로 500 ml 여과하여 90% 아세톤으로 추출한 후 흡광광도계(Fluorometer; 10-AU fluorometer)를 이용하여 흡광도 측정을 통해 계산하였다. 기초 생산력 측정을 위해 각 조사정점에서 상대적인 광량(100%, 50%, 12%, 1%)에 따라 해수를 채수한 후 동물플랑크톤을 제거하기 위해 200 μm sieve로 거르고, 시료 내에 NaH¹³CO₃(98%)를 첨가시켜 자연상태(약 1.1%)에서 존재하는 ¹³C의 존재비를 약 10%로 높여준 후 현장에서 3시간 동안 배양하였다. 배양이 끝난 시료는 미리 태운(450℃, 4시간) Ф 25 mm 유리섬유여과지(GF/F; pore size, 0.7 μm)에 300 ml 여과하였다. 여과된 여과지는 동결 건조(-80℃) 후에 1N 염산증기로 무기탄소를 제거하여 원소-질량분석기(elemental analyzer-mass spectrometer; Elemental)로 분석한 후 Hama et al.[1983]의 계산식에 따라 기소생산력을 계산하였다.

퇴적물 시료는 van Veen grab(ChemLab Co.Ltd, Korea)를 이용하여 표층 2cm 이내를 채취하였다. 채취된 시료는 현장에서 냉동보관(-20℃) 한 후 실험실로 이동하여 동결건조(-70℃) 하였다. 건조된 시료는 아게이트 모르타르를 이용하여 균질화 한 뒤 1N 염산을 이용하여 무기탄소를 제거하고 원소분석기(elemental analyzer; Elementar를 이용하여 총유기탄소, 질소 및 황을 분석하였다. 분석 간 기기오차를 확인하기 위해 표준물질(sulfanilamide; C: 41.9±0.3%, N: 16.2±0.1%, S: 18.6±0.0%; Elemental Microanalysis)를 사용하였으며, 시료 분석 정밀도는 ± 0.2% 이하로 측정되었다.

퇴적물 시료 내 중금속(카드뮴[Cd], 납[Pb], 구리[Cu]) 분석을 위해 건조된 시료 약 50g을 플라스틱 체(mesh size 125 μm) 로 체질하여 체를 통과한 퇴적물만을 사용하여 분석하였다. 체질한 퇴적물 약 0.5g을 테프론 용기(Teflon vessel, Savillex Corp.)에 넣고 산용매(HNO₃:HF:HClO₄=2:2:1) 을 첨가한 후 약 130℃로 8~9시간 가열하여 퇴적물을 분해하였다. 이후 2% 질산(HNO₃)을 첨가하고 시료가 남지 않을 때까지 녹인 후 1 μm 여과지(Toyo 5C, Advantec, 110 mm)로 여과한 다음 100 mL 플라스크로 정용하여 유도결합플라즈마 질량분석기(ICP-MS, Perkin Elmer, ELAN DRC-e)로 측정하였다. 분석 간 기기 오차를 확인하기 위해 표준물질(PACS-2, marine sediment, NRC)를 사용하였으며, 회수율은 Cd 99%, Pb 84%, Cu 98%였다. Cu 농도는 Li으로 보정한 후 기준농도(20.6 ppm)과 비교하여 계산 한 값을 사용하였다.

퇴적물 시료 내 다환방향족 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbon, PAHs) 분석을 위해 내부표준물질(internal standard; deuterated Mix9, 0.5 ng/μl) 100 μl를 주입 후 가속용매추출기(Thermo Scientific, ASE350)을 이용하여 추출하였다. 추출된 시료는 가스크로마토그램/질량분석기(GC/MS, agilent 6890/5973N)로 분석하였다. 분석간 기기 오차를 확인하기 위해 표준물질 (SRM 1944, NIST)를 사용하였으며, 회수율은 평균 93%였다.

생물 시료 내 중금속((카드뮴[Cd], 납[Pb], 구리[Cu]) 분석을 위해 건조된 시료 약 10g을 아게이트 모르타르에서 곱게 간 다음 분석 전까지 냉동보관(-20℃)하였다. 전처리가 완료된 생물시료 약 0.1g이 사용되었으며, 이후 전처리 및 분석과정은 퇴적물 시료 과정과 동일하게 수행되었다. 분석 회수율은 Cd 98%, Pb 90%, Cu 98%였다. Cu 농도는 Li으로 보정한 후 기준농도(20.6ppm)과 비교하여 계산 한 값을 사용하였다.생물 시료 내 PAHs 분석을 위해 시료 약 2g이 사용되었으며, 내부표준물질(deuterated Mix9, 0.5 ng/μl)를 100 μl 주입 후 가속용매추출기를 이용하여 추출하였다. 이후 전처리 및 분석과정은 퇴적물 시료 과정과 동일하게 수행되었다. 분석 회수율은 평균 94%였다.

수하식 패류양식장(진해만) 내 수질-퇴적환경 간의 유의성 검정 및 양식장 환경특성 파악을 위해 통계프로그램 R을 이용하여 분산분석(One-way ANOVA) 및 주성분분석을 실시하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 진해만 수층 특성

본 연구에서 진해만 내 수질환경 특성을 비교하였다(Fig. 2). 진해만 내 물리적 특성(수온, 염분 및 용존산소)은 각각 6.0±0.1℃, 33.8±0.6 psu 및 10.4±0.9 mg/L의 범위를 보였다(Fig. 2). 진해만 내 분석된 물리적 특성(수온, 염분 및 용존산소)은 일부정점(JH-4)를 제외하고 유의한 차이를 보이지 않았다(ANOVA, p>0.05). 영양염류(용존무기질소, 용존무기인 및 규산염)의 농도는 대부분 0.2 mg/L이하의 농도 범위를 보였으며, Chl-a의 농도는 각각 1.4±0.3 mg/L의 범위를 보였다(Fig. 2). 진해만 내 차별적으로 나타낸 물리화학적 특성과 관련하여, 진해만 북서부에서 유입되는 육상 하천(진전천)에 영향을 받는 JH-4에서 가장 낮은 염분값(30.5 psu)이 측정되었으며, 이는 육상 담수 유입 영향이 일부분 반영된 것이라 판단된다. 이를 토대로, 본 연구지역 내 측정된 영양염류는 전국 수하식 양식장(마산만, 고성만, 가막만)에서 분석된 영양염 범위(DIN, 0.2±0.1 mg/L; DIP, 0.1±0.1 mg/L)보다 전반적으로 낮은 범위를 확인하였다(Lee et al.[2000], Jung et al.[2011], Kim et al.[2020]). 특히 이들 전국 수하식 양식장(마산만, 고성만, 가막만)은 육상기인 영양염(DIN, 0.2±0.1 mg/L; DIP, 0.1±0.1 mg/L) 유입의 우점적 영향을 받는 반면((Lee et al.[2000], Jung et al.[2011], Kim et al.[2020]), 수층 내 탄소고정을 통해 영양염이 소비되어(Wafar et al.[1983], Park et al.[2011]) 본 연구지역(진해만) 내 낮은 영양염 농도범위를 보이는 것으로 판단된다. 이와 관련하여 N/P는 16이하(4.4±3.9)로 분석되었으며, 겨울철 남해 연안에서 측정된 범위(13.8±3.7)보다 낮은 값을 나타났다(Jung et al.[2013], Kim et al.[2020]). 이는 담수가 영양염의 주요 공급원임을 나타내는 한편, 갈수기인 겨울철은 담수유입 감소와 더불어 표층 내 고갈된 영양염으로 인한 겨울철 낮은 N/P비(<16)가 나타난 것으로 판단된다. 더욱이, 겨울철 짧은 일조시간으로 인한 광 제한과 표층 수온 저하로 인한 성층화 약화와 함께, 수층의 낮은 영양염 비율은 식물플랑크톤의 군집구조 변동과 생물량(biomass)을 감소시킴에 따라(Redfield et al.[1963], Lee et al.[2020]), 조사지역 내 낮은 Chl-a 농도(1.4±0.3 μg/L)와 밀접한 연관성을 가질 수 있을 것이라 판단된다. 특히 진해만 수하식 패류양식장의 경우, 입식밀도가 상대적으로 높다고 알려져 있으며(Kim et al.[2019]), 강한 포식압이 수층 내 식물플랑크톤 성장 제한 요인으로 작용함에 따라 수층 내 일차생산자의 생물량 감소를 유발할 수 있을 것이라 판단된다. 한편 진해만 내 기초생산력은 177±73.3 mg/m²/day의 범위를 보였다(Fig. 2). 만 외부 정점(JH-2)에서 가장 높은 생산력(327.6 mg/m²/day)의 범위를 보였으며, 만 내부 정점(JH-7)에서 가장 낮은 기초생산력(88.6 mg/m²/day) 범위를 보였다. 이와 관련하여 전국 수하식 양식장(고성만, 가막만)에서 분석된 기초 생산력(440 mg/m²/day, 334mg/m²/day)보다 낮은 범위를 확인하였다(Lee et al.[2016], Lim and Baek[2017]). 진해만 내 낮은 기초생산력은 굴양식장이 극히 밀집되어 있어 양식생물의 강한 포식압으로 인해 일차 생산력이 낮은 것으로 판단할 수 있다(Lee et al.[2016]). 또한, 진해만 외부 정점(JH-2)의 빠른 유속(14 cm/s)으로 양식생물의 여과효율이 낮아져 상대적으로 만 내부의 높은 기초생산력을 보이는 것으로 판단된다. 이러한 결과를 바탕으로 기초생산력은 양식생물의 양식 밀도와 먹이 가용성을 간접적으로 확인할 수 있으며, 어장건강도 관점에서 중요한 인자로 작용할 것으로 판단된다.

Fig. 2.

Spatial distribution of hydrological and sedimentary feature (temperature, salinity, dissolved oxygen in surface, dissolved oxygen in bottom; A-D, dissolved inorganic nitrogen, dissolved inorganic phosphate, chlorophyll a, primary production; E-H, total organic carbon, total nitrogen, total sulfur, acid volatile sulfide; I-L, cadmium, lead, copper, total polycyclic aromatic hydrocarbon; M-P) in Jinhae-bay.

3.3 진해만 내 수질-퇴적환경 주성분 분석

진해만 내 수질-퇴적환경 특성을 파악하기 위해 주성분분석(principal component analysis, PCA)를 실시하였다(Fig. 3). 제1주성분(PC1)과 제2주성분(PC2)의 누적 기여율은 57.8%으로 나타났다. 일반적으로 주성분의 고유값(Eigen value)이 1 이상일때 유의미한 결과를 보이는데(Janmohammadi et al.[2014]), 본 연구결과 제1주성분(2.5)과 제2주성분(1.9)의 고유값은 모두 1 이상으로 나타남으로써 각 인자간 유의미한 상관성을 보였다. 제1주성분은 전체 분산에 대해 36.9%의 기여율을 보였으며, 본 연구정점 내 물리적 수층(표-저 용존산소, 염분, 수온)/생물학적특성(chl-a, 일차생산력)과 수층(DIN, 조류속도)/퇴적특성(TOC, TN, TS, AVS, 중금속, PAHs) 간의 차별적인 상관관계를 보였다(Fig. 3). 제2주성분은 전체분산에 대해 20.9%의 기여율을 보였으며, 연구정점 내 수층(DIN, DIP)/퇴적층(TOC, TN, TS, AVS)/생물학적특성(chl-a, 일차생산력)과 물리적 수층(표-저 용존산소, 염분, 수온)/퇴적오염(중금속, PAHs)특성 간의 차별적인 상관관계를 보였다(Fig. 3). 연구지역간 내 수층 및 퇴적환경은 차별적 물리화학적 특성을 보였으며, 정점간 생지화학적 환경특성(유기물 생성 및 분해) 차이가 잠재적으로 반영된 결과라 판단된다. 더욱이 연구지역이 수하식 패류양식장이라는 점을 고려할 때, 정점간 수심(11-21 m)과 유속(4-13 cm/s)의 영향은 수층 및 퇴적환경 내 차별적인 물질순환 특성(예; 유기물질 체류시간 및 수송범위)을 반영할 것으로 사료된다(Fig. 1) 따라서, 본 연구지역 정점 간 차별적인 물질순환 특성은 양식패류의 성장 및 건강성 유지에 있어 복합적 영향을 미칠 수 있을 것이라 판단된다.

Fig. 3.

Principal component analysis for hydrological and sedimentary factors in Jinhae-bay.

진해만 내 양식되는 굴의 생리 대사작용은 생식주기와 서식환경 변화(수온, 염분, 먹이원, 먹이질)에 크게 영향을 받을 수 있다(Kobayashi[1997] Oh et al.[2002]). 특히, 물리특성(수온, 염분)은 굴의 생리 및 성장에 영향을 미치며, 생물의 서식처 적합도를 결정짓는 중요한 환경적 요인으로 작용한다(Newell and Bayne[1980]). 이들의 성장에 적합한 수온은 8-18℃ Shin et al.[2011]), 염분내성 범위(24-35 psu)를 고려할 때(Shin et al.[2009]), 본 연구 정점 내 물리 요소(수온, 6.0.0±0.1℃; 염분, 33.8±0.6 psu)는 전형적인 겨울철 해양환경 분포를 보이며, 위 시기동안 굴 양식은 적합할 것으로 판단된다. 더욱이, 만 동쪽 정점(JH-1,3,7,8)의 경우 수층 화학인자(Chl-a, 일차생산력, 수온, 염분, DO)와 높은 상관성을 보였으며(Fig. 3), 이는 굴의 먹이원(부유성유기물질, 저서 미세조류)을 고려했을 때(Sornin et al.[1988], Kang et al.[2009]), 양식생물의 섭식활동을 위한 적합한 서식지 환경이 될 수 있을 것으로 판단된다. 한편, 정점 2(JH-2)는 퇴적특성(TOC, TN, TS, AVS)와 조류 유속과 높은 상관관계를 나타냈다(Fig. 3). 이와 관련하여 수하식 패류양식장 표층 퇴적물 내 유기물의 재부유 및 재광물화 과정 영향에 따라 우점하는 식물플랑크톤의 출현특성이 차별적으로 나타날 수 있다(Yoon and Lee[2020]). 특히, 해수의 유속은 Chl-a와 부유물질의 이동 및 분산과 더불어 용존산소 및 영양염 공급에 영향을 미친다(Malouf and Breese[1977], Vincenzi et al.[2006]). 또한 해수 유속은 어장환경 내 원활한 해수 교환을 토대로 먹이 공급뿐만 아니라 양식생물의 배설물 분산에 기여하여 저층 환경 내 건강한 생태계 조성뿐만 아니라 양식생물의 성장에 영향일 미칠 수 있다(Choi et al.[2011], Kim et al.[2019]). 본 연구 정점인 진해만 서부해역은 가덕수로를 통해 해수가 유입되며(Moon[2009]) 만 내부로 진입할 수록 유속이 느려지는 경향(4-13 cm/s)을 보였다. 만 외부 정점(JH-2)의 경우 중앙수로를 따라 교환되는 해수유동으로 인해 가장 빠른 유속(13 cm/s)을 보였으며, 만 내부는 양식시설로 인해 약 38-70% 감소된 유속을 보였다. 이러한 점점 고려할 때, 정점 내 상대적으로 빠른 해수 유속(13 cm/s)은 양식생물의 먹이 흡입속도에 영향을 미쳐 양식생물의 성장에 제한요소로 작용할 수 있을 것이라 판단된다(Vincenzi et al.[2006], Longdill et al.[2008]). 이와 더불어 진해만 내부 정점의 느린 해수교환은 해수의 체류시간을 증가시키며, 높은 침강 퇴적율에 따른 퇴적물 내 유기물 분해산물(황화수소)의 증가로 인해 양식생물 성장에 제한요소로 일부 작용할 수 있을 것으로 판단된다(Choi and Jung[2016], Kim et al.[2016]). 결론적으로 진해만 수하식 양식장 내 다양한 요인(수질, 퇴적물, 양식생물)의 상호 관련성 파악을 통해, 현장기반 어장 건강도 평가 체계 내 적절한 서식지 환경 평가 인자를 설정할 수 있을 것이라 판단된다.

3.4 수하식패류 양식장 어장건강도 평가

어장환경(수서환경, 퇴적환경) 내 야기되는 다양한 환경문제(부영양화, 적조, 퇴적오염, 유해물질 유입)에 대한 체계적인 진단 및 관리방안을 구축하기 위해 체계적인 양식어장 평가 기준 구축은 중요하다. 이와 관련하여 국외의 경우에 미국의 CBP(Chesapeak Bay Program), SCECAP(South Carolina estuarine and coastal assessment program)과 유럽의 HELCOM(Helsinki commission) 등을 통해 각 해역의 연안 해양생태계 질과 특성을 평가하기 위해 물리, 화학, 유·무기 오염물질 등의 해양환경요인과 생물학적 요인 등이 포함된 해양환경 평가항목 및 지수를 선택하여 어장환경 평가 및 해역관리에 활용하고 있다(Mallin et al.[2000], EC[2008], Hood et al.[2021]). 한편, 국내의 경우 어장관리법 제11조 2에 의거하여 퇴적물 내 총유기탄소와 저서동물지수(benthic health index; BHI)를 바탕으로 어류가두리 양식장을 대상으로 어장환경평가가 시행되고 있다. 이와 더불어 어장관리법(제6조)에 따라 어장의 효율적인 보전을 위해 어장환경조사를 실시하고 있으며, 수질환경에 대한 일부 평가기준(WQI)를 구축하고 있다. 현재 적용되는 BHI는 퇴적환경 내 유기물 부하에 대한 높은 상관성만을 대변할 수 있고, 더욱이 연안 어장 내 적용된 WQI의 경우 해수 유동에 따라 시공간적인 변화가 크고, 실제 생물에 미치는 영향을 직접적으로 판단하는데 다소 제한점이 있을 것이라 판단된다. 이러한 평가 한계점을 보완하기 위해 최근 어장건강도에 영향을 미칠 수 있는 직·간접적 요인(서식지 환경, 성장, 자연재해, 위생안전)을 반영한 복합인자를 활용하여 살포식 패류 양식어장(여자만, 강진만)내 건강도 통합평가방법을 처음으로 제시한 바 있다(Go et al.[2023]). 기존의 평가결과는 저층(퇴적층)에 서식하는 살포식 패류어장 모니터링 자료를 기반으로 어장건강도 지표를 설정하였으며, 퇴적물 내 속성작용 차이에 따른 양식생물 성장 영향을 뚜렷히 파악할 수 있었다(Go et al.[2023]). 그러나 수하식 패류(굴)양식장의 경우 복잡한 수층-퇴적층 내 물질순환 과정 및 차별적 생물 성장반응에 따른 건강도 기준치 변동 가능성을 제할 수 없다. 따라서 본 연구에서 최근 5년간 남해 수하식 패류어장 모니터링 자료를 기반으로 건강도 평가지표 기준치 재검토 및 환경변화에 따른 기준치 변동 모의실험을 수행하였다(Table 1).

Table 1.

Evaluation criteria range within aquaculture health index

본 연구에서 설정된 어장건강도 평가기준(최근 5년 남해 수하식 패류어장 모니터링 자료 기준)을 토대로 수하식 패류 양식어장(진해만)에서 시범적용 하여 양식어장 건강도를 평가하였다(Fig. 4). 기존의 살포식 패류의 어장건강도 평가의 경우 패류 성장에 직접 연관된 평가항목(Chl-a, 일차생산력(primary productivity, PP))과 먹이환경 조성에 간접적 요인(DIN, DIP) 및 서식지환경(DO)에 영향을 미치는 인자로 구성되어 있다(Fig. 4B). 특히, 퇴적지표의 경우 양식생물 서식처에 악영향을 미치는 유기오염(TOC, TS, AVS)과 양식생물 성장에 유해한 영향을 미치는 중금속, PAHs를 추가적으로 구성하였다. 뿐만 아니라 연안환경에 빈번하게 발생하고 양식어장에 직간접적으로 피해를 주는 자연재해 지표 (유해조류 대번성, 빈산소수괴 발생, 고/저수온, 저염분) 및 양식생물 안전성을 검증할 수 있는 생물체 내 유해물질(중금속 및 PAHs)의 항목을 통해 어장 건강도를 평가하였다 (Go et al.[2023]). 기존의 어장건강도 평가 방안은 각 지표별 가중치를 동일하게 설정하여 평가점수를 계산한 후 어장환경 내 비생물-생물학적 요인에 의해 발생되는 어장 건강도 저하 문제를 효과적으로 진단하였다. 이를 토대로 본 연구에서 각 인자별 동일한 가중치를 적용하여 진해만 내 빈번히 발생되는 빈산소수괴 발생 및 부영양화로 인한 유해조류 대번성을 차별적으로 설정 및 어장건강도 등급변화를 비교하였다(Fig. 4D). 우선적으로 본 연구자료를 통해 평가된 결과 진해만의 어장건강도는 보통 등급(평균, 2.6; 수서, 2.4; 퇴적, 1.8; 자연재해, 3.0; 양식생물, 3.0)으로 나타났다. 빈산소수괴 발생 시 진해만은 퇴적 환경의 악화 및 양식어장 피해로 인해 나쁜 등급(평균, 1.9; 수서, 2.0; 퇴적, 1.6; 자연재해, 1.0; 양식생물, 3.0)을 나타냈다(Fig. 4D). 진해만 내 부영양화가 발생할 경우 악화된 수서지표 점수(2.4→1.8)와 유해조류 대번성 발생으로 인한 양식어장의 피해(3.0→1.0)가 반영되어 나쁜 등급의 어장등급(평균, 2.0; 수서, 1.8; 퇴적, 2.0; 자연재해, 1.0; 양식생물, 3.0)을 보이는 것으로 판단된다(Fig. 4D).

Fig. 4.

Flowchart of aquaculture health evaluation process, structure, evaluation criteria range and application of aquaculture health index in shellfish farming system (A-D).

추가적으로 본 연구에서는 수하식 양식생물에 직, 간접적으로 영향을 미치는 핵심지표의 가중치 설정을 통해 기존 어장건강도 평가 방법보다 고도화된 결과를 도출하고자 하였다. 이와 관련하여, 진해만 굴 양식장 내 수질환경인자(DO, COD, DIN, DIP, Chl-a)와 주성분 분석을 통한 가중치 설정을 통해 굴양식장의 생산량과의 상관성이 연구된 바 있다(Jin et al.[2019]). 이를 바탕으로, 수질환경 내 패류 성장에 직접 연관된 평가항목(Chl-a, 일차생산력(primary productivity, PP))과 먹이환경 조성에 간접적 요인(DIN, DIP) 뿐만 아니라 서식지환경에 악영향을 미치는 인자(DO, TOC, TS, AVS, 중금속, PAHs)의 주성분 분석 결과를 바탕으로 어장건강도 평가 지표들이 차지하는 비중을 식 (1)과 같이 산정하였다.

$\[ P_i=\frac{L_f^2}{\lambda } \]$

(1)

여기서 P_i는 평가지표의 비중, $$ L_f^2$$는 평가지표의 부하량, λ는 주요요인의 고유값을 나타내며, 각각의 평가지표 비중을 반영하여 최종적인 가중치를 식 (2)와 같이 설정하였다.

$\[ w_i=\frac{P_i\times P{V}_i}{\sum \left(P_i\times P{V}_i\right)} \]$

(2)

여기서 w_i는 평가지표의 가중치, PV_i는 주성분의 설명력으로 설정하였다. 그 후 어장건강도 평가 점수와 가중치를 다음 식 (3) (Q_i=평가지표 점수)과 같이 계산한 후 평가하였다.

$\[ \mathrm{A}\mathrm{q}\mathrm{u}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{t}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{ }\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{t}\mathrm{h}\mathrm{ }\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{x}=\sum Q_i{W}_i \]$

(3)

주성분분석을 통한 어장건강도 평가지표 인자의 비중(L_f), 부하량(P_i) 및 가중치(W_i)의 산정결과는 Table 2에 나타냈다. 또한, 어장건강도 평가지표 인자의 가중치가 고려된 어장건강도 등급은 차별적인 결과를 나타냈다(Fig. 5A-C). 가중치 설정 전 후 각 지표별 어장건강도 점수는 감소하였으며(평균: 0.08 ± 0.03), 특히 빈산소수괴 발생 상황에서 수서환경의 어장건강도 등급은 각각 보통 등급(2.0)에서 나쁨 등급(1.8)로 급격히 감소하였다. 이와 관련하여 빈산소 수괴 발생 하에서 저층의 활발한 유기물 분해가 영양염(DIN, DIP) 증가에 기여하는 것으로 알려져 있다(Lehtoranta and Heiskanen[2003], Kwon et al.[2014]). 더욱이, 부영양화 발생 상황에서 수서환경(1.8→1.7)과 저서환경(2.0→1.9)의 어장건강도 등급이 낮아지는 경향을 보였다. 마산만을 통해 유입되는 높은 오염물 부하량은 진해만 전 해역에 걸쳐 식물플랑크톤 군집조성 변동 및 대번성을 야기하는 것으로 알려져 있다(Lim et al.[2017]). 이러한 조건에서 본 연구지역인 진해만 서남부에서 우점적으로 발현하는 Pseudo-nizchia spp.의 대부분의 종은 기억상실성 패독(domoic acid)를 생성하는것으로 잘 알려져 있어, 이매패류의 생물독성 농축에 관한 주의가 필요한 것으로 알려져 있다(Son et al.[2015]). 더욱이 수층에서 부영양화로 인해 증가된 DIP는 부유물질, 칼슘 등과 쉽게 결합하여 저질층에 쉽게 침적되어, 저질층의 부영양화로 인한 해역의 적조 발생과 상관성이 높은 것으로 알려져 있다(Kim[2001]). 비록 본 연구에서는 봄철 자료를 활용하여 어장건강도를 평가하였으나, 건강도 등급화 평가체계의 기준치는 최근 5년간 수하식 패류어장 모니터링 자료를 활용하여 기준을 설정하였다(국립수산과학원[2022]). 이를 토대로 시나리오 분석결과 패류양식장 내 여름철 빈번히 발생하는 자연재해(빈산소수괴 형성, 부영양화)영향에 따른 어장 건강도 등급 변동을 구체화할 수 있었으며, 각 항목들에 대한 상호작용(양식생물 성장, 먹이환경조성)에 대한 신뢰성을 확보할 수 있었다. 더욱이 본 연구에서 수행된 가중치 적용 방식을 통해 수하식 패류의 먹이질과 연관된 항목(Chl-a, PP), 먹이 조성과 연관된 항목(DIN, DIP) 뿐만 아니라 수질/퇴적질 환경에 부정적 영향을 미치는 인자(DO, TOC, TS, AVS, 중금속, PAHs)들이 어장건강도에 미치는 영향을 더욱 구체화할 수 있었으며, 이를 토대로 다양한 품종별 양식장 내 건강도 평가지수 추가 적용이 가능할 것이라 판단된다.

Table 2.

Factor loadings and weighting of aquaculture health parameter in Jinhae bay

Fig. 5.

Application of aquaculture health index in shellfish farming system (A-C; weighting parameter).

본 연구 결과를 통해 다양한 환경차이(계절적 해양환경특성 변동, 이상해황)발생에 따라 어장 건강도를 진단하고, 어장환경 건강도를 평가할 수 있는 평가지표(수서환경, 퇴적환경, 자연재해, 양식생물)간에 연관성을 체계적으로 검증하였으며, 수하식 패류 양식어장에 시범적으로 적용하여 어장환경 내 비생물-생물학적요인에 의해 발생되는 어장 건강도 저하 문제를 효과적으로 진단하였다고 판단된다. 더욱이, 양식생물의 성장 및 서식처 환경에 직, 간접적으로 영향을 미치는 핵심지표의 가중치 설정을 통해 기존 어장건강도 평가 방법보다 고도화된 결과를 도출하였다고 판단된다. 향후 2025년 시행될 양식산업발전법 제25조의 면허 심사평가제의 환경평가에 따른 제제조치사항(어장이전, 정화조치)이 발생됨에 따라 본 연구에서 설정한 어장건강도 평가기준은 체계적인 양식장 환경관리제도 확립에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구는 국내 수하식 패류양식장(진해만)에서 어장 건강도 평가를 위한 지표를 재설정하고 시범 적용하였다. 수하식 패류양식어장의 통합평가에 적용 가능한 평가지표 기준(수서환경, 퇴적환경, 자연재해, 양식생물)을 재설정하였으며, 체계적인 검증(양식어장환경-양식생물)을 통해 양식어장 건강도를 지수화 함으로써 과학적인 평가할 수 있었다. 추가적으로 수하식 양식생물의 성장 및 서식처 환경에 직, 간접적으로 영향을 미치는 핵심지표 가중치 설정을 통해 기존 어장건강도 평가 방안보다 고도화된 결과를 도출하였으며, 차별적인 환경 변화에 따른 어장건강도를 체계적으로 진단할 수 있음을 확인하였다. 추후 추가 연구(계절별, 양식품종별 양식특성)를 통하여 체계적인 어장환경관리와 지속적인 생산성 확보에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgments

이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(202307690001)에 의하여 연구되었습니다.

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