유류유출 사고지점에 인접한 태안해안국립공원 식물플랑크톤 군집구조의 2016-2018 기간 중 변동성
성경아1·유영두2·이창원1·정병관3·정주영3·김형섭2·조수근2·이원호2*
1군산대학교대학원 해양학과, 2군산대학교 해양생물공학과, 3국립공원공단
Variability of the Phytoplankton Community Structure at Taeanhaean National Park Adjoining the Hebei Spirit Oil Spill Site During 2016-2018
Kyeong Ah Seong
1, Yeong Du Yoo
2, Changwon Lee
1, Byungkwan Jeong
3, Juyoung Jeong
3, Hyung Seop Kim
2, Soo-Gun Jo
2and Wonho Yih
2*
1Department of Oceanography, Graduate School, Kunsan National University, Gunsan 54150, Korea
2Department of Marine Biotechnology, Kunsan National University, Gunsan 54150, Korea
3Oil Pollution Research Center, KNPRI, Korea National Park Service, Taean 32105, Korea
요 약 :허베이스피리트호 기름 유출 해역에 인접한 태안해안국립공원 해역에서 2016-2018 사이의 식물플랑크톤의 현존량과 군집분포를 분석하였다. 현존량은 2016년과 2017년에는 하계에 가장 높은 반면 2018년에는 춘계에 최고 값을 보였다. 분류군 기준으로는 규조류와 와편모류 순으로 높은 우점도를 기록하였다. 종별로는 규조류인 Paralia sulcata와 Skeletonema costatum 등 두 종과 유갑와편모류에 속하는 Tripos fusus가 높은 현존량으로 크게 우점하였 다. 규조류 Skeletonema costatum은 유류사고가 난 이후 2008년 부터 최우점종으로 출현하였던 높은 영양염에 반응 하는 종이다. 그런데 2016년부터 Paralia sulcata가 최우점종으로 출현하는 종의 천이 경향을 보였다. 이 기간 중 Paralia sulcata는 수온과 인산염에 반비례하는 특징을 보였다. 2018년 하계에는 와편모류 Tripos fusus가 전체 현존 량의 50%이상을 차지하여, 2011-2012년과 2015년에 이어 제 3차의 하계 고도 우점 현상을 기록하였다. 이와 같은 규조류 우점종의 장기적인 천이 과정과 하계 와편모류 최우점 현상의 주기적인 반복 등의 연구 결과는 연구대상 해역에서 플랑크톤 군집이 유류오염에 의한 환경충격 후의 회복 과정을 지나고 있는 것으로 보인다.
주요어 :태안해안국립공원, 유류오염, 규조류, 와편모류
Abstract :Phytoplankton abundance and community distribution were analyzed at Taeanhaean National Park adjoining the Hebei Spirit Oil Spill (HSOS) site. Phytoplankton abundance was highest in summers of 2016 and 2017 while highest in spring of 2018. Diatoms were the most abundant followed by the secondly dominant dinoflagellates. Two diatom species, Paralia sulcata and Skeletonema costatum, were the top dominants in many samples. The thecate dinoflagellate Tripos fusus was the first dominant in summer of 2018. The planktonic diatom S. costatum, one of the opportunist under high concentrations of inorganic nutrients, was the first dominant species in the years of 2008-2015.
The first dominant species was succeeded to the tychopelagic diatom P. sulcata from 2016 to 2018. Abundance of P. sulcata was higher when seawater temperature and [PO4-P] were lower. By occupying over 50% of total phytoplankton abundance in 2018, T. fusus recorded three times of exceptional dominance in summer along with the previous cases in 2011-2012 and 2015. Succession of the dominant diatom species from S. costatum to P. sulcata as well as the repeated summer dominance by T. fusus may be reflecting the 10 year-long on-going recovering process of the plankton communities from the environmental stress which was triggered by the HSOS accident.
Key words :Taeanhaean National Park, Oil Spill, diatom, dinoflagellate
*Corresponding author E-mail: [email protected]
[총설]
서 론
태안해안국립공원은 바다와 육지가 어우러진 우리나라 서 해안의 유일의 천혜의 해양국립공원이다. 그런데, 태안군 소 원면 북서부 10 km 해상에서 홍콩선적 유조선 허베이스피 리트호와 삼성중공업 해상크레인의 충돌로 원유가 유출되어, 태안에서부터 전남의 북쪽해역, 그리고 제주도 부근까지 확 산되는 국내 최대 규모의 유류유출 사고가 2007년 12월에 발생하였다(Korea Coast Guard 2008). 이 지역 어업의 주요 종은 홍어, 조피볼락, 넙치, 참서대이며 특히 갯벌이 발달하 여 바지락의 주요 생산지이다(국립수산과학원 서해수산연구 소 2017). 사고 후에 10여 년간 태안해안국립공원 인근 해 역의 유류오염 피해 조사와 생태계 모니터링을 통한 복구 노력을 해 왔다(국립수산과학원 서해수산연구소 2017; Kim et al. 2017; 국립공원관리공단 2018b; Lee et al. 2018).
북미 대륙에서 발생한 대규모 사건으로 엑손발데스호 (Exxon Valdez) 및 딥워터허라이즌(Deepwater Horizon) 유류 유출 사고에서도 유사한 피해 조사와 생태계 모니터링을 통 한 복구 노력이 계속되고 있다(Collinsworth et al. 1989;
Republic of the Marshall Islands Maritime Administrator
2011). 엑손발데스호 사고해역인 알라스카 연안해역에 대한
조사와 모니터링 결과, 플랑크톤 생태계의 경우에는 사고 이후 10년 경과시점에서 생태계 건강성이거의 회복이 되었 다고 하였다(McRoy et al. 1996, 1997; Harwell et al. 2010).
유류피해정책과제 발표(2017년)에서도 염하구, 모래해변, 암 석해안, 갯벌은 회복되었고 염습지는 회복최종단계로, 외양 은 생물종이 대부분 출현하는 것으로 보고 되었다. 그러나 회복기 이후 안정기에 들어서려면 퇴적층의 하부 저층까지 환경이 완전히 복원되여야 하기 때문에 최종적으로 복원의 완결여부를 확정하기가 쉽지 않은 것이 사실이다(국립수산 과학원 서해수산연구소 2017; Kim et al. 2017).
지난 10년간 국립공원의 조사결과 보고서에 나타난 퇴적 환경은 양호한 수준으로 개선된 상태이지만 해수의 수질과 영양염 농도 등을 반영한 수질등급은 동계에 Ⅱ~Ⅲ 등급, 춘계에 Ⅱ등급, 하계와 추계에 Ⅰ등급을 나타냈고, 이 수질 등급은 식물플랑크톤의 생체량(또는 엽록소 농도)에 의해 부분적으로 영향을 받는다고 하였다(Kim et al. 2017; Lee
et al. 2018). 식물플랑크톤의 종조성과 현존량은 계절적으로
뚜렷한 경향을 보였지만, 10년 간의 장기적 연간 변동을 보 면 규조류와 편모류와의 비율이 주기적인 변동성을 나타내 었다(Yih et al. 2019). 그러나 2018년에는 와편모류의 비율 이 상대적으로 극히 높아지는 준주기적인 현상이 10년간에 세번째 반복되어 식물플랑크톤 군집이 “안정성 회복”을 위 한 장기적인 천이과정 중에 있다고 해석되었다(Yih et al.
2019). 본고에서는 10여년에 걸친 장기생태계모니터링(LTEM, Long-term Ecosystem Monitoring; 국립공원관리공단 2018a) 의 과정 중에 식물플랑크톤 군집의 연간 변동성의 특징이 강하게 나타난 최근 3년(2016-2018)간 조사결과를 분석하여, 플랑크톤생태계의 변동과정 중 유류 오염사고 이후 안정성
회복 단계 및 수준 등을 가늠해 보고자 하였다.
연구 내용 및 방법 1. 조사 수역 및 현존량
국립공원 태안반도의 2007년 12월 7일 발생한 Hebei Spirit호 유류유출(HSOS, Hebei Spirit Oil Spill) 사고 직후 인 2008년부터 2018년까지 매년 계절별로 반도 해역내의 15개 정점에서 표층과 저층(수심 3m)의 해수시료를 채취하 였다(Figure 1). 그 중에서 강한 변동성의 특징을 보이는
2016년~2018년의 식물플랑크톤의 조사 결과를 주된 분석대
상으로 하였다. 염분과 수온의 측정에는 다항목 수질측정기 (YSI Model 6600EDSV2, YSI Incorporated, USA)을 이용하 였으며, Niskin Sampler로 채수한 현장 해수 500 ml(Polyeth- ylene Bottle)를 Lugol’s Solution으로 고정하여 식물플랑크톤 정량분석을 위한 시료로 준비하였다. 고정된 식물플랑크톤 시료는 3일 이상 암실에서 정치한 후, 미세 siphon으로 상등 액을 제거하여 시료를 농축하였다. 세포 농도를 분석하기 위해 Sedgwick-Rafter counting chamber에 농축시료 1ml을 담아 광학현미경(Olympus BH-2)에서 동정 및 계수한 후, 현장 농도로 환산하였다(Yih et al. 2019). 식물플랑크톤 종
Figure 1. Map showing the stations in the coastal waters of Taeanhaean National Park.
동정을 위해서는 Dodge(1982), Yamaji(1986), 심(1994), 千原
․村野(1996), Chihara and Murano(1997), Tomas(1997) 등의 문헌을 참고하였다.
2. 식물플랑크톤 군집 분석
식물플랑크톤 출현종수와 현존량을 근거로 Shannon- Wiener(1963) 종다양성지수(H', species diversity index)와 Pielou(1966)의 우점도지수(C, dominance index)를 계산하였 으며, 사용된 식은 각각 다음과 같다(Pi는 전체 개체 수(N) 에서 i번째 종이 차지하는 비율(ni/N)이며 ni는 i번째 종의 개체수).
H' = ∑Pi × logPi
C = ∑ ni (ni1)/N(N1)
3. 자료 분석
3년동안 4계절동안의 15개 정점의 2개 수층에서 360개의
시료를 정량 분석하였다. 각 조사시기 별로 전체 30개 시료 평균의 점유율의 누계가 95%에 도달하기 직전까지의 상위 점유종들을 대상으로 하여 이 가운데서 주요 우점종을 선정 하였다. 대상 후보종들 가운데, 총 12번의 조사시기에서 1번 이상 분기 별 최상위 2대 우점군으로 기록된 종들을 주요 우점종으로 구분하였다. 이 가운데 주요 우점종 기록 분기 의 총수 및 기록 분기 중 평균 우점도 등을 기준으로 하여, 최상위 3대 주요 우점종(규조류 Paralia sulcata, Skeletonema costatum 등 2종 및 유갑 와편모류 Tripos fusus 1종)을 10년 간의 장기적인 변동성을 분석하기 위한 대상 종으로 인용하 였다.
결과 및 토의 1. 수온 및 염분 변화
태안해안의 3년간의 수온은 5~20oC 범위에서 동계에 낮
고 하계에 높은 경향으로 나타났다. 표층과 중층(3m) 사이 에는 차이를 보이지 않았다. 동계에는 2.3~4.7oC (평균±SE:
3.7±0.03), 춘계에 6.3~12.4oC (평균±SE: 9.3±0.34), 하계에 18.0~26.8oC (평균±SE: 22.2±0.62)의 범위로 나타났다. 염분 은 31.0~32.5 psu 범위로 하계에 강우로 낮아지는 경향을 보였다. 동계에는 31.1~32.3 psu (평균±SE: 31.7±0.02), 춘계 에 32.1~32.6 psu (평균±SE: 32.3±0.02), 하계에 30.5~31.6 psu (평균±SE: 32.4±0.03)로 계절적 경향을 보였다(Figure 2).
2. 식물플랑크톤의 종다양성
식물플랑크톤의 종다양성지수 0.14~2.82(평균±SE: 1.30±0.7) 와 우점도지수 0.07~0.95(평균±SE: 0.44±0.3)범위로 나타났 다(Figure 3). 우점도 지수는 2016년에서 2018년으로 갈수로 점점 낮아지는데 이것은 2016년에 규조류 Skeletonema costatum와 Paralia sulcata의 대발생으로 90% 이상을 우점 하면서 우점도지수는 높고 다양성 지수는 상대적으로 낮았 다. 반면에 2018년에는 Paralia sulcata와 함께 Guinardia delicatula 뿐만 아니라 와편모류인 Tripos fusus가 함께 우점 하면서 다양성지수는 높았다. 계절적으로 추계에 현존량이 줄어들고 종조성이 늘면서 다양성 지수가 높게 나타났지만
2016년에는 매우 높은 우점도 지수가 나오면서 계절적 특성
을 보이지 않았다. 다양성지수는 2016년에서 2018년으로 갈 수록 높아져 생태계가 안정화되는 경향을 보였다(Figure 3).
3. 식물플랑크톤 종조성과 현존량의 변화
태안반도의 종조성 분포는 규조류와 와편포류가 대부분이 었고 기타분류군으로 침편모류, 은편모류, 규질편모류 등이 기록되었다. 주요 우점종은 규조류 Paralia sulcata, Skeletonema costatum, Chaetoceros curvisetus, Guinardia striata, Proboscia alata, Guinnardia delicatula, Rhizosolenia setigera, Chaetocros Figure 2. Mean (center of open mark) and standard error of
water temperature (oC) and salinity (psu) from February 2016 to October 2018.
Figure 3. Sample-averaged mean (center of open mark) and standard error of diversity index (top) and dominance index (bottom) of phytoplankton community in each cruise from February 2016 to October 2018.
socialis 등과 와편모류 Tripos fusus였다(Table 1). 이 가운데 Paralia sulcata, Skeletonema costatum, Chaetoceros curvisetus 등은 총 12회의 현장조사에서 5회 이상 2대 우점종으로 출 현하였다. 이와는 대조적으로 Guinnardia delicatula, Rhizosolenia setigera, Chaetocros socialis 등은 총 12회 가운데 단 1회만
2대 우점종에 속하고 우점율도 높게 나타나 흔히 우점한 종
들과 서로 비교되었다.
현존량은 춘계와 하계에 높고 동계에 낮은 계절적 분포를 보였다. 2~2,633 cells/ml의 범위(평균 133±8.9 cells/ml, n=180) 로 나타나 수온의 영향을 가장 많이 받는 것으로 나타났다 (Figure 4). 그러나 2018년의 경우 동계와 춘계에 하계 보다 높은 현존량을 보여 국내연안에서 발생하는 winter-spring bloom의 경향을 보였다(Yi et al. 2005; Jeong et al. 2011; Lee et al. 2018).
태안반도의 식물플랑크톤 주요 우점종은 Paralia sulcata
와 Skeletonema costatum이었다(Figure 5). Paralia sulcata는 퇴적물(갯벌)이나 저서에서 출현하는 대표종으로 최근 해수 에서도 자주 출현하는 것으로 보고되었다. 수층이 혼합이 잘 되어 영양염이 풍부하고 염분이 높은 곳에서 많이 출현 하는 반면 수층이 나뉘어 지고 염분이 낮으며 낮은 인산염 농도에서 감소하여 출현한다(Mcquoid and Nordberg 2003).
갯벌이 발달한 이 지역에서 Paralia sulcata는 최우점종으 Table 1. Average and range of cell densities, frequency of occurrence, and mean dominance (relative abundance to the whole counts in each sample) in all the samples from all the occurring seasons as the top 2 dominant species in any one or more seasons during 2016- 2018. The order among the final 9 dominant species was determined based on frequency (the number of cruises) of occurrences as the top 2 dominant throuthout the whole 12 cruises at the coastal waters of Taeanhaean National Park during 2016-2018.
Species Average(cells/ml) Range(cells/ml) Frequency
(in 12 cruises) Dominance(%)
Paralia sulcata 22 2~82 1015
Skeletonema costatum 27 2~104 6 16
Chaetoceros curvisetus 100~45 5 7
Guinardia striata 8 0 ~39 3 9
Proboscia alata 9 0 ~49 2 17
Guinardia delicatula 203 21~534 1 52
Rhizosolenia setigera 97 0~294 1 25
Chaetoceros socialis 69 0~523 1 12
Tripos fusus 21 1~45 1 53
Figure 4. Phytoplankton abundance in each of the 12 cruises from February 2016 to October 2018. (Top: sample-averaged mean (center of open mark) and standard error of abundance, Bottom: sample-averaged-mean (center of open mark) and ranges from minimum to maximum abundance (vertical bars).
Figure 5. Sample-averaged mean abundance of the top 2 dominant phytoplankton species in each of the 12 cruises from February 2016 to October 2018. Sample-averaged mean (center of open mark) and standard error of Paralia sulcata (middle) and Skeletonema costatum (bottom).
로서 바지락의 주요 먹이가 되고 환경지시자로서 중요한 종 이다(유류피해정책과제 최종보고회 2017). 본 연구에서 Paralia sulcata는 12번의 조사동안 10번의 우점군으로 출현 하였으며 2~82 cells/ml의 범위로 나타났다(Figure 5). 계절 적으로 비교하였을 때 동계인 2월에 그 현존량이 가장 높게 하계에 가장 낮게 나타나 수온과 반비례하는 관계를 보였다.
이와 같은 결과는 동계에 수직 혼합이 이루어져 저층에 있 는 영양염이 올라와 성장조건이 이루어진것으로 보인다. 이 종은 낮은 인산염 농도에서 성장 저해를 받는 것으로 알려
졌는데 용존무기인 농도와 반비례하는 결과를 보여(2019 성 경아, 미발표 자료) Paralia sulcata에게 충분할 정도의 영양 염 농도 조건이 이루어진 것으로 판단된다(Appendix 1).
두번째 우점종인 Skeletonema costatum은 서해연안에서 자주 출현하고 최우점종으로 특히 춘계 대발생을 일으키는 종이다(Joint et al. 2007, Figure 5). 본 조사해역에서도 유류 유출 발생 후인 2008년부터 최우점종으로 계절에 상관없이 때때로 높은 현존량으로 출현하였다(국립공원관리공단 2018;
Yih 2019). 그러나 2016~2018년 조사기간에는 Paralia sulcata Figure 6. Relative dominance of diatoms and dinoflagellats for the years of 2016-2018. Empty arrow emphasizes the predominance by the thecate dinoflagellate, Tripos fusus in 2018.
Figure 7. Percentage ratio of Tripos furca, Tripos fusus and sum of the 2 Tripos species in terms of sample-averaged cell abundances at the coastal waters of Taeanhaean National Park in summers of the first 11years following the 2007 Hebei Spirit Oil Spill.
Figure 8. Abundance of Tripos fusus from the two depths of each of the 15 stations in the coastal waters of Taeanhaean National Park in July 2018 (■: Surface, □: Middle depth).
에 이어 두번째 우점종으로 출현하였다. 이와 같은 결과는 본 조사해역에서 종천이(Ecological Succession)가 이루어지 는 증거가 된다.
4. Tripos 속(genus) 와편모류 우점종의 출현
연구해역은 규조류가 최우점하고 두번째로 와편모류가 우 점하는 경향을 보인다(Figure 6). 12번의 조사 결과에서 규 조류가 11번 최우점하였고 와편모류가 1번 우점하였다.
2018년 7월에 와편모류 Tripos fusus가 0~87.2 cells/ml (평 균±SE: 20.6±4.41 cells/ml)의 범위로 전체 현존량의 53%를 차지하며 나타났고, Tripos furca, Tripos kofoidii, Tripos muelleri 를 포함하여 55%를 차지하며 나타났다(Figure 7).
2018년 하계에 Tripos fusus의 공간적인 분포 양상을 보았
을 때 조사해역남부지역(정점 7~12)에서 가장 높은 현존량 을 나타냈다(Fig. 8). Tripos fusus는 표층에서 0~55.6 cells/ml (평균±SE: 12.3±4.1 cells/ml), 중층(3m)에서 0.7~87.2 cells/
ml (평균±SE: 28.9±7.2 cells/ml)로 표층보다 중층에서 더 많 은 현존량을 보여, 고광도 표층에서는 광저해 현상의 영향 을 받는 것으로 보여 수층별 분포양상을 추가 조사할 필요 가 있다(Sullivan and Swift, 1994). 태안해안국립공원 남부 해역은 주변이 육지로 둘러싸여 만으로 안정된 지역이며 조 석에 따라 천수만과 공원지역의 해수가 유통되고 담수유입 으로 영양염 공급지역이다. 그러나 Tripos fusus와 영양염 농 도와 시·공간적인 상관관계는 보이지 않았다(Appendix 1).
Tripos fusus의 우점은 허베이스피리트호 기름유출 사고
직후 2011년, 2012년 여름에 최우점종으로 그리고 2015년에 도 높은 현존량으로 주기적인 출현 현상을 보였다(Figure 7). 하계의 비규조류 식물플랑크톤 군집의 주기적인 출현분 포는 연구해역의 “환경안정성 회복”을 지시하는 지표자로서 물리·화학적 항목 또는 수질 항목에 비해 더욱 예민하다고 볼 수 있다(McRoy et al. 1996, 1999; Harwell et al. 2010;
Yih 2019).
그러므로, 태안해안국립공원 인근 15개 정점에서 식물플 랑크톤의 군집은 규조류가 최우점하였고 특히 Skeletonema costatum와 Paralia sulcata가 제일 우점하는 특징을 보였다.
Paralia sulcata는 저서성으로서 저층에 있다가 해수가 잘 순환되는 동계와 춘계에 영양염이 높아지면서 표층과 중층 에서도 우점하여 출현하는 특징을 보였다. 식물플랑크톤의 현존량은 춘계나 하계에 높은 일반적인 계절적 특징을 보이 않았으며 2016년에서 2018년으로 오면서 다양성 지수가 높 아져 안정화되는 경향을 보였다. 그리고 2018년 하계에 우 점종으로 출현한 Tripos fusus는 비규조류 식물플랑크톤 군 집으로 유류오염 사고 직후의 해양생태계의 군집 변화의 특 징으로 보이며 생태계 복원 단계로 가려는 과정 중에 있는 것으로 보인다. 이러한 우점종의 군집변동은 기존에 물리화 학적 분석 그리고 엽록소를 통한 수질영양상태를 판단하는 것 보다 좀더 구체적일 수 있음을 시사한다. 그러나 이러한 특징을 증명하려면 장기적인 관점에서 지속적인 모니터링이 필요하다.
본고에서 대상으로한 2016-2018 동안 3년간의 현장자료 만을 바탕으로 하여 연구해역의 식물플랑크톤군집 변동성을 파악하기에는 장기적 관점의 변동성에 대한 비교자료 부족 의 한계에 마주칠 수 있었다. 다행히, 지난 10년간의 장기모 니터링 자료가 있어 변동성 분석에 대한 다양한 가정을 과 거 자료에 근거하여 검토해 볼 수가 있었다(국립공원관리 공단 2018a; Yih 2019). 최근 3년간 조사된 결과에서 낮은 빈도로 극우점의 규조류 종들이 나타낸 불규칙성 등이 2016 년 이전에도 간헐적으로 반복되었음을 재확인할 수 있었던 점이 그 한 예이다. 이런 예에서 보듯이, 장기적 관점의 모 니터링 연구는 시간이 지날수록 더욱 중요한 가치를 발휘하 게 되므로, 최소화한 모니터링 해역의 규모 또는 정점 수에 서 진행된다 하더라도, 태안해안국립공원 해역에서의 정기 적이고 지속적인 생태계 모니터링은 우리나라 해양연구의 모범적인 선례가 되기에 충분하다 할 것이다.
사 사
본 연구는「HS호 유류유출 사고에 따른 생태계 영향 장기 모니터링」사업의 일환으로 수행되었습니다.
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(2019년 11월 11일 접수; 2019년 11월 24일 수정;
2019년 12월 14일 채택)
Appendix 1. Sample-averaged mean (center of open marks) and standard error of [PO4-P] (top), [NO3-N] (middle), and [NH4-N]
(bottom) in each of the 12 cruises from February 2016 to October 2018.
Appendix 1
