자연자원의 이해
제6강 해양생태계
윤성규(대구대학교 교수)
6.1. 해양환경
6.1.1. 광활한 바다 - The ocean is very big.
6.1.2. 푸른 바다 - The ocean is blue.
6.1.3. 짠 바닷물 - The ocean is salty.
6.1.4. 무한한 힘의 소유자 - 계속 움직이는 바닷물 6.1.5. 계속 움직이는 바다의 밑바닥
6.1.6. 태양열의 저장고 6.1.7. 자원의 보고
6.2. 생물서식지로서의 바다 - 해양생태계
6.2.1. 해양생태계 6.2.2. 해양의 먹이그물 참고문헌
6강. 해양생태계
6.1.1. 광활한 바다 - The ocean is very big.
바다의 지구 전 표면적의 71%를 차지하며 육지면적의 2.5배이다. 총넓이는 약 3억 6천만 km2이고 대양별로는 그 크기가 태평양, 대서양, 인도양 순이다. 이 3대양이 차지하는 넓이는 약 3억 2천만 km2로 전체 바다의 대부분을 차지한다.
세계에서 가장 높은 히말라야산은 약 8,800m이지만 세계에서 가장 깊은 곳은 태평양 에 있는 괌섬 서남쪽의 마리아나 해구(Mariana Trench) 중의 챌린저 해연(Challenger Deep)으로 그 수심이 무려 11,035m이다. 3000～6000m 사이의 바다가 75.9%를 차지하고, 전 해양의 평균 수심은 3,800m이다(그림 6.1).
그림 6.1. 육상높이와 해양깊이의 비교 (Gross, 1993).
6.1.2. 푸른 바다 - The ocean is blue.
바다가 푸른 것은 바다의 깊이와 그곳을 통과하는 빛과 관련이 있다. 수심이 깊어짐에 따 라서 파장이 긴 광선부터 먼저 흡수되게 되며(그림 6.2) 파장이 짧은 파란색이 제일 마지막 까지 남아있게 되고 쉽게 산란되어 우리 눈으로 들어오게 되어 파란색으로 해수의 색이 나 타나게 된다(그림 6.3). 하지만 물은 아무리 맑더라도 빛을 200m 이상 투과시키지 않는다.
해수에 부유물이 많을수록 투과 수심은 감소하며, 해수의 색은 황색을 띤다. 한편, 플랑크톤 이 풍부할 때는 녹색을 띤다.
그림 6.2. 빛이 해수를 통과하는 동안에 수심 에 따라 빛의 색이 감소하는 정도(Thurman, 1994).
그림 6.3. 바닷물 에 의한 빛의 흡 수(동 아 출 판 사 , 1990).
6.1.3. 짠 바닷물 - The ocean is salty.
1) 염분
바닷물은 여러 가지 염류가 녹아 있는 용액이다. 염류의 농도는 장소나 깊이에 따라 조금씩 다르지만, 대양수의 경우에는 바닷물 1kg 속에 약 35g 정도 녹아 있다. 바닷물의 성분조성은 대단히 복잡하지만(그림 6.4), 바닷물에 녹아 있는 주요 성분의 화학적 조성 은 일정하다는 성질을 이용하여 바닷물 1kg 속에 들어 있는 고형물질(각종 염)의 양(염류 의 총량)을 g수로 나타낸 것을 염분(鹽分, salinity)이라 한다. 과거에는 천분율의 기호인
‰(퍼어밀)를 사용하였으나 1980년도 이후부터는 전기전도로 측정한 psu(Practical Salinity Unit)라는 단위를 사용한다. 바닷물에 녹아 있는 고형물질의 대부분은 나트륨(Na+)과 염소 (Cl-)로 되어 있어 짜다.
그림 6.4. 해수의 조성(Thurman, 1994).
2) 해수염분의 기원
해수염분의 기원을 설명하는 이론은 많으나, 그 중에서 가장 유력한 학설은 다음과 같다.
나트륨(Na+), 마그네슘(Mg2+), 칼슘(Ca+), 칼륨(K+)은 지각에 풍부하게 함유되어 있는 물질 로서 지각의 풍화 후 하천이나 바람의 운반에 의해 바다로 들어왔다. 이러한 원소들은 암석 으로부터 나오는데 이 원소들이 물에 씻겨서 바다로 운반된 것이다.
염소(Cl-)는 기체 상태로 존재하는데 해저의 화산폭발시 염소(Cl-) 가스가 해수에 녹아들 어서 형성된 것이다. 이 외의 황산(SO42-), 브롬(Br-), 스트론튬(Sr2+), 붕산(H2B3), 플루오르 (F-)도 염소(Cl-)와 마찬가지로 주로 화산성 기체로부터 기원된다고 알려져 있다.
3) 바닷물은 왜 더 짜지지 않는가?
바다는 일정수준 이상으로 짜지지 않는데 이를 염분 보존의 법칙이라 한다. 1년 동안 하 천을 통해 바다로 들어가는 염분의 총량은 약 30억 톤이다. 그러므로, 바다의 염분은 계속 증가한다고 볼 수 있다. 그러나, 이 증가량은 이미 해양에 녹아 있던 총 염분량 5천조 톤에 비하면 약 1/1700만 밖에 되지 않는 양이다. 이것은 약 50만년이 지나야 전 세계 해양의 염 분이 1psu 증가한다는 뜻이며, 따라서 바다의 평균 염분은 수십～수백 년 동안 거의 변하지 않는다고 할 수 있으므로 우리 일생 동안에 바닷물이 현재보다 더 짜지는 일은 없을 것이다 (양한섭 등, 1997).
4) 영양염
바닷물에는 염분이외에도 무기인산염, 질산염, 아질산염, 규산염 등 매우 소량의 여러 가지 영양염류가 녹아 있는데, 이들은 바다 먹이사슬의 기본이 되는 식물플랑크톤의 성
장에 꼭 필요한 것이다.
6.1.4. 무한한 힘의 소유자 - 계속 움직이는 바닷물
1) 해류
바닷물이 수평방향으로 반영구적으로 움직이는 것을 해류(海流, water current)라 하는 데(그림 6.5), 해류가 일어나는 원인은 지구자전과 지구규모의 바람 및 해수의 온도와 염 분의 차이에 의한 밀도차 등이다.
그림 6.5. 세계의 주요 해류(문영수 등, 1999).
2) 파도
주로 바람 때문에 해수표면이 교란되어 생기는 것이 파도(波濤, wave)이다.
3) 조석과 조류
해수면이 주기적으로 오르내리는 해면의 수직운동을 조석(潮汐, tide)이라 하고, 이 움 직임에 의해 바닷물이 거의 일정한 주기로 수평운동을 하는 것을 조류(潮流, tidal current)라 한다. 조석을 일으키는 힘을 기조력이라 하며, 이 원인은 지구, 태양, 달의 인 력이 주가 된다 (그림 6.6). 달이나 태양의 반대편에도 조석이 생기는 것은 원심력 때문 이다(그림 6.7).
그림 6.6. 달과 태 양의 인력에 의 한 조석(동아출 판사, 1990).
그림 6.7. 기조력의 분포(양 성기 등, 1994).
바닷물이 들어오기 시작하여 수면이 가장 높아진 만조까지를 밀물, 물이 나가기 시작 하여 수면이 가장 낮아진 간조까지를 썰물, 만조와 간조 때의 수면의 높이 차를 조차(潮 差 또는 潮位差, tidal range)라 한다.
조석의 주기는 육지 근처에서는 지형과 수심 등의 영향을 많이 받아 복잡하게 변한다.
멕시코만이나 알류산열도 등에서 일어나는 일주조(日週潮, diurnal tides)는 하루에 한 번 조석이 일어나는 것으로 주기는 24시간 50분이 된다 (고철환 등, 1997). 가장 흔한 형태 이고 개방된 우리나라처럼 개방된 연안에서 볼 수 있는 반일주조(半日週潮, semi-diurnal tides)는 하루에 두 번 유사한 조석이 12시간 25분 간격으로 일어난다.
우리나라 서해는 세계적으로도 조차가 큰 지역으로 북쪽으로 갈수록 조차가 커지는 특징이 있다. 이는 서해로 온 물은 좁고 긴 만처럼 생긴 황해를 다라 북쪽으로 올라가지 만 북쪽이 막혀 있으므로 더 이상 올라가지 못하고 막혀 밀리게 되어 층층이 쌓이게 되 기 때문이다. 그러므로 북쪽으로 갈수록 더 밀리게 되어 조차가 커진다. 서해의 인천 은 평균 7.3m, 태안 5.4m, 군산 5.3m, 목포 3.1m이고, 제주는 1.5m, 남해안은 1～2m, 동해안 은 30cm에 불과하다.
6.1.5. 계속 움직이는 바다의 밑바닥
해저에서 화산활동에 의해 새로운 해양지각이 만들어져 좌우로 해양지각을 밀어 내고 있 다(그림 6.8). 그리고 화산활동이 있는 곳에는 독특한 심해저 생태계가 형성되어 있다.
그림 6.8. 지구판구조가 만들어지는 모식도(Gross, 1993).
6.1.6. 태양열의 저장고
바다는 비열이 높은 물로 채워져 있어서 잘 데워지지도 않지만 잘 식지도 않아서 태양에 너지의 저장고이며 지구의 열조절기의 기능을 하고 있다.
6.1.7. 자원의 보고
바다는 생물자원, 광물자원, 에너지자원 등을 간직하고 있는 지구의 보물창고이다. 인류가 바다에 대해 알고 있는 것은 그야말로 빙산의 일각에 불과하다. 우리는 바로 곁에 있는 바 다보다 오히려 멀리 떨어진 달에 대해 더 많은 지식을 가지고 있다. 우리는 보다 나은 미래 를 위해 바다를 알고 지속 가능한 개발을 하지 않을 수 없을 것이다.
해양자원은 크게 물질자원과 공간자원으로 나눌 수 있으며, 물질자원은 다시 생물자원과 비생물자원으로 구분된다(표 6.1).
종류 특징
생물자원 재생산이 가능. 성장속도 빠름
비생물자원
해수 식수, 심층수, 소금, 광물 개발 비용이 많이 소요
골재 모래와 자갈 소량
화석연료 해저석유, 천연가스, 메탄수화물 개발 비용이 많이 소요 해저광물 망간단괴, 망간각, 해저열수광상 개발 비용이 많이 소요 에너지 조력, 조류, 파력, 온도차 발전 무한. 개발 비용이 많이 소요 해양공간 연안, 인공섬, 워터프론트 생태계 보호하면서 개발해야 함 표 6.1. 해양자원의 종류
6.2. 생물서식지로서의 바다 - 해양생태계
6.2.1. 해양생태계
해양은 지구상에서 가장 규모가 큰 생태계이다(그림 6.9). 생물서식지로서의 해양환경은 크게 표영계(表泳系, pelagic ecosystem, 표영생태계)와 저서계(底棲系, benthic ecosystem, 저서생태계)로 나눈다(그림 6.10).
그림 6.9. 해양생태계의 모식도 (Thurman, 1994).
그림 6.10. 생물서식지로서 해양환경의 구분(윤과 홍, 1995).
1) 표영계
표영계는 해양의 수층을 말하며 수직적으로 구분한다. 여기에는 육지와의 거리에 따라 대 륙붕까지의 바다를 의미하는 연안천해역(沿岸淺海域, neritic, 연안역)과 대륙붕 밖의 바다를 의미하는 외양역(外洋域, oceanic)이 있다. 우리가 가장 많이 이용하고 있는 연안과 천해는 200m 미만의 얕은 바다인 대륙붕까지를 말하며 그 면적은 바다 전체의 7.6%에 불과하 다. 그리고, 빛의 도달상태에 따라 표층 광도가 1%까지 도달하는 수심을 의미하는 유광층 (有光層, photic layer)과 빛이 도달하지 않는 수층을 의미하는 무광층(無光層, aphotic layer) 으로 나눈다. 유영생물과 부유생물이 주로 서식한다.
(1) 연안천해역
수심 200m이내의 대륙붕 위의 수계환경을 말하며, 해양 전체 면적의 7.6%를 차지한다. 육 지에 가까운 연안천해역은 육지에서 이루어지는 인간 활동 때문에 외양해역과는 다른 생태 적 특성을 나타낸다. 내만은 수심이 얕고 조석의 영향을 크게 받는 해역으로 수괴의 상층과 하층의 혼합이 잘 일어나기 때문에 영양염은 항상 풍부하지만 부유물질이 많아 유광층이 깊
지 못하다.
외양역에 비해 생산력도 높으며 수심이 얕은 관계로 수온의 일변화 및 계절변화가 비교적 크다. 이곳은 식물플랑크톤이 대량 번식하며 이에 따라 동물플랑크톤 역시 풍부한 관계로 이들을 먹이로 하는 어류가 많이 모이는 곳으로, 세계의 중요한 어장은 대부분 연안해역에 위치해 있다.
(2) 외양역
외양역은 연안역 바깥쪽 수심 200m 이상의 깊은 바다의 수계환경을 말한다. 전체 해양면 적의 91%를 차지하며 전체 해양수의 99.8%를 포함한다. 외양해역은 수심이 깊기 때문에 광 선이 투과되는 수심에 따라 유광층과 무광층으로 구분된다. 유광층은 다시 진광층(眞光層, euphotic zone)과 박광층(薄光層, disphotic zone)으로 구분된다.
유광층 중에서 진광층에 해당하는 표층표영계(epipelagic zone)는 수심이 200m 이내에 존 재하며 광합성이 일어나는 생산층이다. 진광층은 수계 환경의 매우 작은 부분에 해당하지만 해양에서 일어나는 유기물 생산의 대부분을 담당하고 있는 해역이며 가장 많은 해양생물이 서식하고 있다. 그 밑의 수심은 박광층이거나 무광층이다. 박광층에 해당하는 중층표영계 (mesopelagic zone)는 수심이 200∼1,000m 사이로 광선이 약해 광합성에 의한 유기물 생산 이 상부에서 다소 일어나지만 그 양은 매우 적다. 이와 같이 기초생산이 거의 없기 때문에 이곳에 사는 생물들은 주로 표층에서 침강하는 유기물에 의존하여 생활한다.
수심 1,000 m 보다 깊고 무광층인 심층표영계 (abyssopelagic zone)는 해양환경 중에서 가장 변화가 없는 안정된 곳이다. 빛이 전혀 없기 때문에 식물이 없는 대신 동물이 생태계 의 주역할을 맡는다.
2) 저서계
저서계는 해양의 바닥부분을 말하며 수평적으로 구분한다. 기질의 형태에 따라서는 자갈 이나 암반으로 이루어진 경성기저(硬性基底, hard bottom)와 모래나 갯벌로 이루어진 연성 기저(軟性基底, soft bottom)로 나눈다. 해양의 바닥을 서식처로 생활하는 저서생물에 의해 점유되어 있다.
저서환경은 다음과 같이 크게 네 종류의 생태계로 나눌 수 있다. 첫째로는 육지와 가장 인접한 조간대가 있고, 둘째로는 인간이 가장 많이 이용하고 있는 연안역에서 대륙붕에 이 르는 천해저가 있다. 셋째로는 대륙사면에서 대양저 및 해구역에 이르는 심해저가 있고, 마 지막으로 심해저 중에서 열수분출공 생태계를 별도의 저서환경으로 구분할 수 있다. 이들 네 개 해양 저서환경들은 각자 독특한 특징을 가지고 있어서 그 곳에 적응하여 살고 있는 저서생물도 종류와 기능에 있어서 서로 다른 면을 보인다(강래선 등, 1998).
(1) 조간대
조간대(潮間帶, intertidal zone)는 조석간만의 차이에 의해 생기는 지역이다. 조간대는 들 어나는 바닥의 종류에 따라 크게 암반조간대(그림 6.11), 모래조간대(그림 6.13), 펄조간대(그
림 6.14) 등 세 가지 유형으로 나눌 수 있다. 우리나라에서는 조석간만의 차이가 최대 약 10 m에 이른다. 서해안의 경기만과 군산 일대에 수 km에서 20 km에 이르는 매우 넓은 갯벌이 형성되어 있고, 암반 조간대는 남해안과 동해안에 발달해 있으며 살고 있는 생물에 따라 상 부, 중부, 하부로 나눌 수 있다(그림 6.12).
그림 6.11. 암반조간대에서의 띠분포 (Thurman, 1994).
조간대 상부 조간대 중부 조간대 하부
그림 6.12. 바위해안의 수직적 구분 (손 민호, 2002).
그림 6.13. 생물서식지로서의 갯벌 (강성현, 1998).
그림 6.14. 갯벌조 간대 상부는 게들 의 집단 서식지로 장관을 이룬다 (강 래선 등, 1998)
밀물과 함께 조간대에 유입한 저서어류나 새우, 꽃게 등의 갑각류는 조간대에 산란도 하 고 간조 시에는 외해로 나가기 때문에 조간대의 습지에는 어린 치어나 갑각류가 안전하게
피신하여 성육할 수 있어서 조간대는 산란장과 성육장의 역할을 하고 있다(그림 6.13).
한편 조간대 갯벌에 유입되는 유기물은 미생물에 의해 분해되어 무기영양염으로 바뀌고 이 영양염은 간조 시에 저서 규조류에 의해 광합성작용으로 다시 유기물로 변화되어 다양한 크기의 저서동물이 소비하여 호흡과 성장을 한다. 따라서 조간대는 외해에서 유입되거나 현 장에서 생성되는 유기물을 소비하여 환경을 정화하는 기능도 가지고 있다.
(2) 천해계
천해계(천해 저서생태계)는 조간대와 200 m 보다 깊은 곳의 심해저를 제외한 바닥을 포 함하며, 지역이나 군집의 특성에 의해 하구역, 조하대 암반 및 연성퇴적물지역, 해초군락지, 또는 열대의 산호초해역(그림 6.15) 등으로 나눌 수 있다.
천해계는 육지로부터 유기물과 영양염, 오염물질 등이 많이 유입되는 곳으로, 최근 들어 식물플랑크톤의 과다한 일차생산에 의해 적조가 발생하거나 양식이 성행하는 곳에서는 유기 물이 해저에 가라앉아 빈산소 또는 무산소 수괴가 형성된다.
그림 6.15. 산호초 해역은 지구 상에서 생물이 가장 다양한 곳 이다 (강래선 등, 1998).
(3) 심해계
수심이 200 m 보다 깊은 심해(深海, abyssal sea, deep sea)를 조사하기 위해서는 잠수정 의 도움이 절대적이다(그림 6.16). 심해계(심해 저서생태계)에는 일차생산자가 존재하지 않 기 때문에 심해계를 유지하는데 필요한 유기물은 해수 중의 식물플랑크톤으로부터 유래된 것이다. 식물플랑크톤이 심해저에 도달하는 동안에 미생물에 의해 많은 부분이 분해된다. 결 국 심해저 생태계는 유기물이 제한적으로 공급되어 먹이자원에 있어서 부족한 것이 일반적
인 현상이다. 한편 퇴적물내의 유기물함량은 표층에서 무게비로 0.6 %에 불과하며 대부분의 연안역에서 2 % 내외인 것과 비교하면 매우 낮다.
그림 6.16. 심해저 생태계 조사를 위해서는 잠수정의 도움이 절대적이다 (강래선 등, 1998).
3) 열수분출공 생태계
1977년 미국 우즈홀(Woods Hole)연구소의 심해 잠수정 알빈(Alvin)호는 갈라파고스 북동 쪽 280km 지점에서 경이로운 심해의 열수분출공 생태계를 발견하였다. 지질학자 에드몬드 와 생물학자 코올리스가 탑승하여 2500m 깊이의 해저에 도달하여 두 과학자는 눈앞에 나타 난 믿을 수 없는 광경에 넋을 잃었다(그림 6.17). 생물이 거의 없을 것으로 여겼던 해저에서 축구장 4배 정도의 넓은 지역 안의 사방에서 온천과 같은 뜨거운 물이 솟아오르고, 이러한 온천 주변에 노랑색담치, 따개비, 거대한 조개, 복족류 등이 모여 살고 있었다. 눈처럼 흰 게 가 천천히 기어 다니는가 하면 아직 아무도 본 적이 없는 1m 이상의 관에 들어가 사는 기 이한 유수동물(Pogonophora)도 있었다(그림 6.18). 햇빛과 식물이 없는 해저에 어떻게 생물 들이 모여 살 수 있을까? 생태계가 형성되려면 생태계에 에너지를 공급하는 생산자가 있어 야 한다. 녹색식물이 살지 못하는 심해에서 생산자는 무엇인가? 심해의 온천 생태계는 다음 과 같이 이루어져 있었다(http://science.kongju.ac.kr/ 011015).
이 생태계의 생산자는 세균이었다. 온천 주변에서 채집된 세균은 200종도 넘었다. 그 중에 서 12종은 화학 합성 세균으로서 온천물 속에 다량으로 함유된 황화수소를 분해하고, 이 때 나오는 에너지를 이용하여 이산화탄소를 유기물로 동화하며 산다. 유수동물과 그의 세포 속 에 사는 화학 합성 세균은 공생관계를 가지고 있다. 그 외에 조개, 따개비 등은 이 세균을 먹고, 복족류는 조개나 따개비를 먹고사는 것으로 밝혀졌다. 심해의 온천 생태계에서는 햇빛 대신 황화수소가 생태계를 지탱하는 에너지원이었던 것이다.
그림 6.17. 심해의 열수생태계 모식도. 앨빈호가 보인다 (Thurman, 1994).
그림 6.18. 동태평양의 전형적인 열수분출공 생 태계(강래선 등, 1998)
6.2.2. 해양의 먹이그물
해양에서 영양염류를 이용하여 식물플랑크톤이 광합성을 하고, 동물플랑크톤은 이 식 물플랑크톤을 먹으며, 작은 물고기류는 동물플랑크톤을 먹고, 큰 물고기는 다른 작은 물 고기들을 잡아먹는다. 이와 같이, 해양생물은 작은 생물에서 큰 생물로 먹이그물(food web)을 이루고 있으며, 생물군의 구성은 작은 군일수록 양이 많고, 큰 군일수록 적어서 전체는 피라미드형을 이룬다. 플랑크톤이나 물고기는 죽으면 해양세균이 작용하여 이것 들을 분해하므로 다시 영양염류로 환원된다(그림 6.19).
그림 6.19. 표영생태계의 먹이그물 (강래선 등, 1998).
참고문헌
강래선, 김동성, 김웅서, 명정구, 배세진, 신경순, 유재명, 이홍금, 장순근, 제종길, 조기웅, 차 재호, 최승민, 최진우, 1998. 해양생물의 세계. 한국해양연구소 해양과학총서 4, 삼신인 쇄, 131pp.
강성현, 1998. 해양오염과 지구환경. 한국해양연구소 해양과학총서 3, 삼신인쇄, 125pp.
고철환, 박철, 유신재, 이원재, 이태원, 장창익, 최중기, 홍재상, 허형택, 1997. 해양생물학. 서 울대학교출판부, 654pp.
동아출판사 편집부, 1990. 경이로운 대자연. 동아출판사, 344pp.
문영수 등 38인, 1999. 환경과학, 시그마프레스, 657pp.
손민호, 2002. 특강: 우리나라의 조간대 생태계. 대구대학교.
양한섭, 김석윤, 김영섭, 류청로, 문창호, 박미옥, 손철현, 이재철, 이주희, 최종화, 홍성윤, 1997. 바다의 이해. 정명당, 194pp.
윤성규, 홍재상, 1995. 해양생물학 저서생물. 아카데미서적, 412pp.
Gross, M. G., 1993. Oceanography 6th Ed. Prentice Hall Inc., New Hersey, USA, 446pp.
Thurman, H. V., 1994. Introductory oceanography. 7th Ed. Macmillan Publ. Co., New York, USA, 550pp.
익 힘 문 제 제6강
1. 세계에서 가장 깊은 곳의 수심은?
① 약 5,000m ② 약 7,000m ③ 약 9,000m ④ 약 11,000m
2. 해수의 염분농도는?
① 0～0.5psu ② 1～2psu ③ 10～20psu ④ 30～40psu
3. 썰물 때에는 대기에 노출되기도 하며 일사, 수온, 강우, 염분, 파랑 등의 환경조건의 변화가 격심한 곳은?
① 천해대 ② 조간대 ③ 점심해대 ④ 심해대
정답 및 답지 해설 1. ④ 2. ④ 3. ②
