2013-2014년 한국 동해중부연안 해양환경특성의 시공간적 변화

2.1 현장조사

동해중부연안(후포~거진)에서 시공간적 해양환경 변화 특성을 파악하기 위하여 27개 정점을 선정하여 2013년 9월, 11월 그리고 2014년 2월, 5월에 현장조사를 실시하였다(Fig. 1). 조사정점의 수심은 가장 얕은 곳이 약 20 m, 가장 깊은 수심이 약 210 m였다. 해수분석을 위한 시료는 표층과 저층에서 로젯샘플러를 이용하여 각각 채수하였다. 저층수는 해저 바닥으로부터 약 2~3 m 상부 수심에서 채수하였다.

Fig. 1.

A map showing the sampling locations in the middle east coast of Korea.

2.2 시료분석

수온과 염분은 현장에서 CTD(Seabird 19plus, Sea-Bird electronics Inc., USA)를 이용하여 측정하였다. pH는 해수를 시료병에 기포가 발생하지 않도록 천천히 옮겨 담은 후 휴대용센서(Orion Star A221, Thermo Fisher Scientific Inc, Germany)를 이용하여 측정하였다. 해수 중 용존산소(DO)는 윙클러-아지드화나트륨 적정법을 이용하여 현장에서 측정하였다. 부유입자물질(SPM) 농도는 미리 건조하여 무게를 측정한 GF/F 여과지를 이용하여 여과한 다음 초순수 약 20 mL로 3회 반복 통과시켜 여과지에 남아있는 염분을 완전히 제거하였다. 여과지는, 105~110 ^oC에서 2시간 이상 건조시킨 후 데시케이터에 넣어 방냉한 다음 여과지의 무게를 측정(항량으로 될 때까지 건조)하여 여과전 후의 무게차로 계산하였다. 영양염(NO₃^-, NO₂^-, PO₄^3-, Si(OH)₄) 분석을 위한 해수시료는 GF/F 여과지로 여과한 후, 여과된 해수 100 mL를 채취하여 냉동보관 하였으며, NH₄⁺를 측정하기 위한 시료는 오염을 최소화하기 위해 여과를 하지 않고 100mL를 취하여 즉시 냉동보관 하였다. 영양염은 영양염 자동분석기(QuAAtro, Seal Analytical GmbH, Germany)를 이용하여 실험실에서 분석하였다. 영양염 농도의 정확도 검증을 위하여 인증표준물질(MOOS-2와 MOOS-3, NRC-CNRC)과 함께 분석하였으며, NO₃^-, NO₂^-, PO₄^3-, Si(OH)₄의 회수율은 각각 102~106%, 98~99%, 95~107%, 96~98% 범위였다. 동해중부연안의 수질 상태를 파악하기 위하여 해양환경기준(해양수산부 고시 제2013-186호, 2013) 생태기반 해수수질기준을 이용하여 조사 정점별로 수질 등급을 평가하였다.

3.1 이화학 성분 분포(수온, 염분, SPM, pH, DO)

동해중부연안에서 2013년 9월(여름), 11월(가을), 2014년 2월(겨울), 5월(봄)에 표층수와 저층수 중 수온, 염분, SPM, pH, DO의 시공간적 분포 양상을 살펴보았다(Table 1). 표층수와 저층수 중 수온은 연중 각각 6.19~25.67 ^oC, 0.90~19.11 ^oC 범위였으며, 여름에 표층 수온은 평균 23.01±1.00 ^oC로 겨울(평균: 9.17±1.93 ^oC)에 비해 약 2.5배 높았다. 저층 평균 수온(여름 평균: 7.06±5.84 ^oC, 겨울 평균: 5.58±2.57 ^oC)은 계절별로 큰 차이를 보이지 않았다(Table 1, Fig. 2). 동해중부연안에서 여름(9월)에 수온의 수직분포는 표층 혼합층의 두께가 얇고, 수온약층은 약 50 m 까지 형성되었다(Fig. 3). 동해남부연안에서는 여름에 연안용승이 활발하게 일어나는 것으로 알려져 있으나(Lee[1983]; Kim et al.[2010a]), 본 연구해역에서는 관찰되지 않았다. 가을에 수온의 수직분포는 표층에서부터 약 20~40 m 까지 표층 혼합층이 형성되었으며, 약 50~60 m 까지 수온약층이 형성되었다. 겨울에는 수온약층이 약화되면서 표층수와 저층수간수온차가 작았다. 봄에 다시 표층 수온이 증가하면서 수온약층이 강화되었다. 표층 수온의 공간적 분포는 대마난류의 영향을 받는 남쪽에 위치한 후포와 울진연안에서 북쪽해역에 비해 상대적으로 높게 나타났다(Fig. 2)(Choi et al.[2012]).

Table 1.

Maximum, minimum, and average contents of temperature, salinity, SPM, pH, DO, DO saturation, and chlorophyll a in surface and bottom seawater in the middle east coast of Korea

Fig. 2.

The horizontal temperature (oC) distributions in (a) surface and (b) bottom seawater of the middle east coast of Korea.

Fig. 3.

The vertical profiles of temperature (oC) in the middle east coast of Korea in (a) September and (b) November 2013 and (c) February and (d) May 2014.

표층수와 저층수 중 염분의 계절적 분포는 담수의 유입이 많은 여름(표층: 32.10±0.36, 저층: 33.88±0.31)에 가장 낮았으며, 겨울(표층: 34.22±0.14, 저층: 34.06±0.14)과 봄(표층: 34.22±0.07, 저층: 34.07±0.10)에 가장 높았다(Table 1, Fig. 4). 여름에 염분의 수직분포는 수온과 유사하게 표층 혼합층은 얇았으며, 염분약층은 수심 약 30~50 m에서 형성되었다(Fig. 5). 일부 정점의 염분약층 아랫부분에서 간헐적인 고염수의 수괴 침입이 관찰되었으며, 약 50 m 이하의 수심에서는 염분(약 34)이 일정하였다. 여름에 표층 염분의 공간적 분포는 속초, 강릉, 울진연안에서 상대적으로 낮았다(Fig. 4). 저층 염분 역시 표층과 유사하게 속초, 강릉연안 정점에서 상대적으로 낮았다. 가을에는 수심 약 20 m 까지 표층 혼합층이 두꺼워졌다. 겨울에는 염분약층이 약하게 형성되었으며, 표층과 저층 사이에 염분차가 크지 않았다. 특이하게 표층 염분이 저층에 비해 상대적으로 높아지는 양상을 보였다. 반면 여름에 표층 염분은 약 32로 저층수에 비해 2 정도 낮았다. Kim and Rho[1994]는 하계 (6~10월)에 양자강 유출수가 대마난류수와 혼합되어 대한해협을 통하여 동해로 이동한다고 보고하였다. 또한 여름에 대마난류 표층수가 동해중부해역까지 유입되었다가 겨울이 되면 대마난류의 영향이 서서히 줄어 북한한류가 강화되는 것으로 알려져 있다(Na et al.[2009]; Choi et al.[2012]). 따라서 본 연구 해역에서 여름에 표층에서 나타난 저염수는 양자강 유출수에서 기원한 것으로 판단된다.

SPM 농도는 연간 표층수와 저층수에서 각각 1.0~20.0 mg L^-1, 0.6~27.6 mg L^-1 범위였으며, 계절별로는 표층은 봄에 저층은 여름에 상대적으로 높았다(Table 1). 봄에 표층수와 저층수에서 각각 3.2~20.0 mg L^-1(평균: 7.7±4.9 mg L^-1), 3.2~10.8 mg L^-1(평균: 4.8±1.6 mg L^-1)로 저층에 비해 표층에서 높았다. 여름에 표층수에서 SPM 농도는 1.0~20.0 mg L^-1(평균: 5.1±3.6 mg L^-1), 저층수에서는 2.9~27.6 mg L^-1(평균: 9.4±7.7 mg L^-1) 범위로 봄과 달리 여름에는 저층에서 높았다. 봄에 표층수에서 chlorophyll a 농도(평균: 1.48 μg L^-1)가 상대적으로 높게 나타나 식물플랑크톤의 번성에 의해서 SPM 농도가 높았던 것으로 판단된다(Table 1).

Fig. 4.

The horizontal salinity distributions in (a) surface and (b) bottom seawater of the middle east coast of Korea.

Fig. 5.

The vertical profiles of salinity in the middle east coast of Korea in (a) September and (b) November 2013 and (c) February and (d) May 2014.

표층수와 저층수 중 pH는 연중 각각 7.95~8.30, 7.75~8.29의 범위에 분포하였으며, 표층수에 비해 저층에서 상대적으로 낮았다(Table 1). 표층수와 저층수간 pH차는 수직 혼합이 활발하게 일어나는 겨울에 비해 여름에 상대적으로 크게 나타났다.

표층수와 저층수 중 DO 농도는 연중 각각 6.97~12.04 mg L^-1, 5.22~12.33 mg L^-1의 범위에 분포하였다. 표층수와 저층수 모두 11월에 가장 낮았고 5월에 가장 높았다. 여름(9월)에 표층수와 저층수중 DO 평균 농도는 각각 7.66±0.17 mg L^-1, 8.95±1.13 mg L^-1로 표층이 저층보다 오히려 낮았다(Table 1). 여름에 표층수 중 DO의 수평분포는 정점별로 큰 차이를 보이지 않았으나, 저층은 연안에서 낮고 외해로 갈수록 수심이 깊어짐에 따라 증가하는 양상을 보였다. 반면 DO 포화도는 표층에서 104~115%(평균: 108±2%), 저층에서 65~108%(평균: 91±11%)의 범위로 나타나 표층에 비해 저층에서 낮았다. 가을에 DO 농도는 표층수에서 6.97~8.01mg L^-1(평균: 7.50±0.30mg L^-1), 저층수에서 5.22~8.72 mg L^-1(평균: 7.13±1.14mg L^-1)의 범위로 표층이 저층보다 높았다. 겨울에 DO 농도는 표층수에서 8.45~10.27mg L^-1(평균: 9.52±0.46mg L^-1), 저층수에서 8.46~10.16mg L^-1(평균: 9.32±0.38 mg L^-1)의 범위로 사계절 중 표층수와 저층수간 DO 농도차가 가장 작았다. 겨울에 표층 DO 농도는 후포연안에서 낮았고 북쪽에 위치한 거진연안으로 갈수록 증가하는 양상을 보였으며, 저층도 표층과 유사하게 북쪽에 위치한 정점에서 다소 높았다. 가을에 표층수 중 DO 농도는 수온(r=-0.84)과 유의한 음의 상관관계를 보였으며, 겨울에는 수온(r=-0.96) 및 염분(r=-0.90)과 유의한 음의 상관관계를 보였다(Fig. 6). 따라서 가을과 겨울에 표층수 중 DO 농도 분포는 수온 또는 염분이 주요한 조절인자인 것으로 판단된다(Fig. 6). Won and Lee[2015]에 의해서 동해남부연안에서 조사된 결과에 의하면, 봄에 수온과 DO 농도 사이에 유의한 역의 상관관계를 보인 것으로 보고하였으나, 본 연구해역에서는 가을과 겨울에 유의한 역의 상관관계를 보였다. 본 연구결과에서는 봄에 식물플랑크톤의 번성이 표층 용존산소 농도 분포에 영향을 준것으로 판단되며, Won and Lee[2015]에 의해서 동해남부연안에서 조사한 결과에서는 봄에 낮은 식물플랑크톤 현존량으로 인해 표층 수온이 용존산소 농도 분포에 주요 조절인자였던 것으로 판단된다. 봄에 DO 농도는 표층수와 저층수에서 각각 10.5~12.0 mg L^-1(평균: 11.4±0.3 mg L^-1), 9.7~12.3 mg L^-1(평균: 10.9±0.7 mg L^-1)의 범위로, 표층이 저층보다 약간 높았다. 표층의 DO 농도는 공간적으로 유사한 분포양상을 보였으며, 저층은 죽변연안을 기준으로 북쪽이 남쪽보다 높았다. 봄에 DO 포화도는 표층수에서 114~144%(평균: 136±6%), 저층수에서 92~145%(평균: 106±13%)의 범위였다. 봄에 표층수 중 DO 포화도는 거진, 울진연안(정점 EN18, 19, 20)을 제외하면 대체로 130% 이상으로 높게 나타났다. 동해중부연안에서 봄인 5월에 chlorophyll a 농도(표층 평균: 1.49±1.03 μg L^-1)가 다른 계절에 비해 상대적으로 높아 식물플랑크톤의 광합성에 의해서 공급된 산소에 의해 표층수 중 DO 포화도가 높았던 것으로 판단된다.

Fig. 6.

The correlations of (a) temperature and dissolved oxygen and (b) salinity and dissolved oxygen in the surface layer of the middle east coast of Korea.

3.2 영양염과 chlorophyll a의 시공간적 분포

동해중부연안에서 기초생산을 조절하는 주요 인자인 영양염류(용존무기질소, 용존무기인, 용존무기규소)의 시공간적 분포 양상을 살펴보았다.

용존무기질소(DIN) 농도는 NO₃^-, NO₂^-, NH₄⁺ 농도의 총합으로 나타내었다. 표층수에서 DIN 농도는 수층 혼합이 활발한 겨울에 가장 높았고(평균: 5.03±0.45 μM) 성층이 형성되는 여름에 가장 낮았다(평균: 0.44±0.26 μM). 저층에서는 가을에 가장 높았고(평균: 11.90±5.52 μM) 겨울에 가장 낮았다(평균: 7.00±2.04 μM)(Table 2). DIN 농도는 표층수에 비해서 저층수에서 상대적으로 높았으며, 표층수와 저층수간 농도차는 성층이 형성되는 여름에 약 18배로 가장 크게 나타났다. 저층수 중 DIN의 농도(연평균: 8.86±2.14 μM)는 표층수(연평균: 2.46±2.05 μM)에 비해서 계절별 변동이 상대적으로 작았다. 봄과 여름에 성층이 형성되면서 저층수 중 영양염이 축적되어 가을에 상대적으로 높은 농도를 보이고 겨울에 성층이 약화되면서 다시 표층수로 영양염이 공급되어 저층수 중 영양염의 농도가 낮아진 것으로 판단된다(Jeong et al.[2013]; Won and Lee[2015]).

Table 2.

Maximum, minimum, and average concentrations of DIN, DIP, and DSi in surface and bottom seawater in the middle east coast of Korea

표층수와 저층수 중 용존무기인(DIP)의 월평균 농도는 각각 0.014~0.330 μM(평균: 0.159±0.134 μM), 0.508~0.823 μM(평균: 0.651±0.138 μM) 범위였으며, 연평균 농도가 저층에서 표층에 비해 약 4배 높았다(Table 2). 계절별 표층수 중 DIP 농도는 여름(평균: 0.014±0.009 μM)에 가장 낮았고 겨울(평균: 0.330±0.041 μM)에 가장 높았으며, 여름에 비해 겨울에 약 24배 높았다. 저층수 중 DIP 농도는 가을에 평균 0.823±0.408 μM로 가장 높았고, 겨울에 평균 0.508±0.171 μM로 가장 낮았다. 겨울에 표층수와 저층수에서 DIP 농도는 각각 0.244~0.396 μM(평균: 0.330±0.041μM), 0.323~0.964 μM(평균: 0.508±0.171 μM) 범위로 다른 계절에 비해 표·저층간 농도차가 가장 작았다.

용존무기규소(DSi)의 월평균 농도는 표층수와 저층수에서 각각 1.61~9.48 μM(평균: 5.54±3.37 μM), 11.09~16.64 μM(평균: 13.60±2.64 μM)범위로 저층수에서 표층수에 비해 약 2.5배 높았으며, 표층수에 비해 저층수에서 상대적으로 계절적 변화가 작았다(Table 2). 계절별로는 표층수에서는 여름에 가장 낮았고 겨울에 가장 높았으며, 저층에서는 DIN의 분포와 유사하게 여름에 가장 낮았고 가을에 가장 높은 농도를 보였다. DSi의 표층수와 저층수간 농도차는 여름에 약 7배로 가장 컸으며 겨울에 약 1.2배(표층 평균: 9.48±0.67 μM, 저층 평균: 11.72±2.61 μM)로 가장 작았다.

동해중부연안 표층에서 영양염 농도의 계절변동은 대체로 봄, 여름에 비해 가을, 겨울에 높게 나타났으며, 저층에서는 가을에 가장 높았다. 영양염류의 공간적 분포는 표층수의 경우 대체로 전 조사해역의 농도 분포가 유사하게 나타난 반면, 저층수의 경우 연안에서 외양으로 갈수록 수심이 깊어짐에 따라 증가하는 양상을 보였다(Fig. 7, 8, 9). 동해중부연안에서 영양염의 시공간적 분포 양상을 살펴보면 표층수 중 계절별 농도변화는 육상으로부터 공급되는 영양염의 영향보다는 수층 혼합에 의한 아표층으로부터 영양염 공급의 영향을 더 많이 받는 것으로 판단된다. 조사해역의 영양염 농도는 표층수에서는 봄과 여름에 낮았고 가을과 겨울에 대체로 높은 경향을 보였다. 봄과 여름에는 식물플랑크톤의 대량 번식으로 영양염의 소비량이 많아 그 농도가 감소하고, 이후 가을과 겨울에는 아표층으로부터 영양염 공급의 증가 및 식물플랑크톤의 감소로 인하여 영양염의 소비가 작아 그 농도가 높았던 것으로 판단된다.

Fig. 7.

The horizontal distributions of dissolved inorganic nitrogen (μM) in (a) surface and (b) bottom seawater of the middle east coast of Korea.

Fig. 8.

The horizontal distributions of dissolved inorganic phosphorus (μM) in (a) surface and (b) bottom seawater of the middle east coast of Korea.

Fig. 9.

The horizontal distributions of dissolved inorganic silicate (μM) in (a) surface and (b) bottom seawater of the middle east coast of Korea.

조사해역에서 식물플랑크톤의 성장 및 군집조성에 영향을 미칠 수 있는 영양염류의 요소별 상관관계를 살펴보았다. 표층수와 저층수에서 측정된 DIN과 DIP, DSi와 DIP 사이에 유의한 양의 상관관계를 보였다(Fig. 10). 해양에서 식물플랑크톤의 성장에 필요한 DIN:DIP는 일반적으로 약 16:1로 알려져 있다. 조사기간동안 DIN:DIP 비는 표층수와 저층수에서 각각 2~236(평균: 24±29), 0.5~227(평균: 16±21)였고, 여름에 삼척연안 주변(정점 EN15) 표층수에서 DIN:DIP가 236으로 가장 높았다(Fig. 11). 봄(5월)에 표층수에서 DIN:DIP 비는 일부 정점을 제외하고 16 이하로 나타나 봄에 동해중부연안 표층수에서는 식물플랑크톤의 성장에 DIN이 제한인자로 작용하는 것으로 판단된다. 영양염의 농도가 상대적으로 낮았던 여름에 표층수에서 DIN:DIP 비는 대부분의 정점에서 16이상이였으며, 정점별로 큰 차이를 보였다. 저층수 중 DIN:DIP 비는 일부 정점을 제외하고 대체로 16 이하였으며, 계절별 및 정점별로는 큰 차이를 보이지 않았다.

Fig. 10.

The correlations of DIN:DIP and DIP:DSi in (a) surface and (b) bottom seawater of the middle east coast of Korea.

Fig. 11.

The seasonal variations of DIN:DIP in (a) surface and (b) bottom seawater of the middle east coast of Korea.

동해에서 chlorophyll a 농도는 일반적으로 봄인 4~5월에 높은 것으로 알려져 있다(Kim et al.[2000]). 동해중부연안에서 chlorophyll a 농도는 연중 표층수와 저층수에서 각각 0.10~4.02 μg L^-1(평균: 1.01±0.66 μg L^-1), 0.03~4.77 μg L^-1(평균: 0.65±1.02 μg L^-1) 범위에 분포하였다(Table 1). 표층수에서는 봄인 5월에(평균: 1.49±1.03 μg L^-1) 가장 높았으며, 여름인 9월에(평균: 0.59±0.38 μg L^-1) 가장 낮았다. 봄에 높은 식물플랑크톤의 농도는 겨울에 아표층으로부터 표층수로 공급된 영양염과 광량의 증가로 인한 것으로 판단된다.

3.3 수질등급평가

동해중부연안에서 계절별로 조사한 27개 정점에 대해서 해역별 수질등급기준(해양수산부 고시 제2013-186호)을 이용하여 수질을 평가하였다(Table 3). 동해중부연안의 계절별 수질등급은 가을을 제외하면 대부분 I~III 등급 수준이었으며, 여름에 후포연안에 위치한 정점 26과 가을에 11개의 정점에서 수질 IV등급 수준이었다. 위 정점들에서 등급 저하 요인을 살펴본 결과, 저층수 중 DO 포화도(가을 평균: 69±12%)가 낮았기 때문이며, 원인물질인 DIN, DIP, 일차반응물질인 chlorophyll a와 투명도는 모두 1등급에 해당하는 수준이었다. 2012~2013년 동해남부연안서 Won and Lee[2015]에 의해서 분석한 결과를 이용하여 수질등급을 평가한 결과 역시 가을에 총 6개 정점에서 저층 DO 포화도가 수질등급 저하에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 국내 해양환경 특성에 적합한 수질평가 기준을 설정하기 위해서 5개의 생태구로 구분하여 기준을 선정하였다(Rho et al.[2012]). 해양환경기준 수질평가를 위한 평가항목은 부영양화의 원인항목인 표층 DIN, 표층 DIP와 일차반응항목인 표층 chlorophyll a, 투명도 그리고 이차반응항목인 저층 DO 포화도로 구분된다. 저층 DO 포화도의 경우 외양역 정점에서 계절별 평균값 중 최소 포화도 값인 90%를 생태구별 기준값으로 정하였다. 원인항목, 일차반응 항목, 이차반응 항목 순으로 큰 가중치를 부여하여 수질지수를 계산한다. 그 중 저층 DO 포화도의 기여가 약 50%를 차지하고 있다. 동해중부해역 저층 DO 농도는 가을에 5.22~8.72 mg L^-1(평균: 7.13±1.14 mg L^-1)의 범위였으며, 겨울(평균: 9.32±0.38 mg L^-1)에 비해 평균 약 23% 낮은 것으로 나타났다. DO 포화도 농도는 가을에 46.7~96.8%(평균: 69.1±12.3%) 범위에 분포하였으며, 45.0~67.5% 수준일 때 항목별 점수 4점을 획득해 수질등급이 나빠진다. 그러나 동해중부연안에서 가을에 저층 DO 농도(5 mg L^-1 이상)는 동해의 경우 수심의 급격한 변화에 따라 저층으로 DO의 공급이 원활하지 않아 저층수 중 DO 포화도가 낮은 것으로 판단된다. 봄과 여름에는 외래 및 자생기원의 유기물들이 저층에서 분해되는 과정에서 저층 DO의 농도가 감소한 것으로 판단된다. 저층 DO의 농도는 저서생물의 생리활동에 영향을 줄 수 있는 수준은 아닌 것으로 판단되며, 수질이 나쁨(IV등급) 수준으로 표현하기에는 어려움이 있다. 따라서 향후 동해연안에서 해수수질 기준 설정과 관련된 좀 더 세밀한 고찰이 필요할 것으로 판단된다.

Table 3.

Seasonal distribution of water quality grade at each station in the middle east coast of Korea