Real-time Monitoring of Environmental Properties at Seaweed Farm and a Simple Model for CO₂ Budget

243 http://dx.doi.org/10.7850/jkso.2012.17.4.243

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해조양식장 수질환경 모니터링을 통한 이산화탄소 단순 수지모델

심정희*·강동진¹·한인성²·권정노·이용화³ 국립수산과학원 어장환경과

1한국해양과학기술원 기기검교정센터

2국립수산과학원 수산해양종합정보과

3국립수산과학원 남서해수산연구소

Real-time Monitoring of Environmental Properties at Seaweed Farm and a Simple Model for CO

Budget

J^EONG H^EE S^HIM*, D^ONG-J^IN K^ANG1, I^N S^UNG H^AN2, J^UNG N^O K^WON, ^AND Y^ONG-H^WA L^EE3

Marine Environment Research Division, NFRDI, Busan 619-705, Korea

1Marine Instrument service and Calibration Department, KIOST, Ansan 425-600, Korea

2Fishery and Ocean Information Division, NFRDI, Busan 619-705, Korea

3Southwest Sea Fisheries Research Institute, NFRDI, Yeosu 556-823, Korea

부산시 기장군 일광 해조류양식장에서 2011년 7월 5일부터 6일까지 약 30시간동안 해양 표층수의 수온, 염분 등의 환경인자와 pH와 이산화탄소분압(fCO2)을 연속 관측하였다. 표층수의 수온과 염분은 12.5~17.6^oC, 33.7~34.0범위 를 보였으며, 조석과 광주기, 해류 등의 영향으로 일변화 및 일간변화를 크게 나타내었다. 이산화탄소분압과 pH는 381~402 µatm, 8.03~8.15범위를 보였으며, 엽록소는 0.8~5.8 µg L^-1 범위를 보였다. 이산화탄소분압, pH 그리고 엽 록소는 최대 간조와 성층이 강했던 5일 오후 5시 전후에 최소 및 최고치를 보였으며, 이는 엽록소에 의한 생물생산 결과 이산화탄소는 낮고 pH는 높아진 것을 의미한다. 해조양식장 이산화탄소변화에 대한 단순 수지모델을 적용한 결과, 낮에는 생물생산에 의한 감소가 수온상승, 대기와의 교환에 의한 증가와 상쇄하는 것으로 나타났으며, 밤에는 대기와의 교환 물리적 혼합에 대한 과대 평가로 관측치보다 다소 높게 나타났다. 모델결과는 해조양식장 이산화탄 소분압 총변화량의 14~40%는 해조류의 일차생산에 의한 것으로 나타났다.

Real-time monitoring for environmental factors(temperature, salinity, chlorophyll, etc.) and carbonate compo- nents(pH and fCO₂) was conducted during 5-6th of July, 2012 at a seaweeds farm in Gijang, Busan. Surface temperature and salinity were ranged from 12.5~17.6^oC and 33.7~34.0, respectively, with highly daily and inter-daily variations due to tide, light frequency(day and night) and currents. Surface f CO2 and pH showed a range of 381~402µatm and 8.03~8.15, and chlorophyll-a concentration in surface seawater ranged 0.8~5.8 µg L^-1. Environmental and carbonate factors showed the highest/lowest values around 5 pm of 5th July when the lowest tidal height and strongest thermocline in the water column, suggesting that biological production resulted in decrease of CO₂ and increase of pH in the seaweed farm. Processes affecting the surface f CO2 distribution were evaluated using a simple budget model. In day time, biological productions by phytoplankton and macro algae are the main factors for CO₂ drawdown and counteracted the amount of CO₂ increase by temperature and air-sea exchange. The model values were a little higher than observed values in night time due to the over-esti- mation of physical mixing. The model suggested that algal production accounted about 14-40% of total CO₂ variation in seaweed farm.

Key words: Real-time Monitoring System, Macro-algae, Aquaculture Farm, Carbon Dioxide in seawater, Bud- get model

Received October 10, 2012; Revised November 22, 2012; Accepted November 22, 2012

*Corresponding author: [email protected]

66.5%(2010년 기준)와 총생산금액의 21%를 차지하는 중요 품목 중 하나이다(어업생산통계시스템, http://fs.fips.go.kr). 이와 같이 해조류 양식업이 급격하게 증가한 것은 다방면에서 해조류에 대 한 활용도가 높아졌기 때문이다. 해조류는 단순 식용에서부터 유 용활성물질(콜로이드, 알긴산 등)의 원료, 고부가 양식생물(전복) 의 먹이, 화장품·의약품 원료, 웰빙식품 원료 등으로 가공되거나 직접 이용되고 있다. 최근에는 해양 생태계 및 환경적인 측면에서 해조류의 역할 및 활용에 대한 연구도 활발하다. 예를 들어, 갯녹 음 등으로 황폐화된 환경에 해양생물의 먹이 및 서식처를 제공하 는 해중림 조성(Kim et al., 2007), 석탄·석유와 같은 화석연료를 대체할 바이오연료(biofuel)의 원료로 가공하기 위한 바이오매스 생산(MIFAFF, 2010), 부영양화 환경으로부터 과잉의 영양염과 이 산화탄소 등을 흡수하여 제거하는 생물여과자 역할(Abreu et al., 2011; Neori et al., 1996 & 2000) 등이 있다. 이들 분야에서 해조 류의 활용은 아주 적극적이고 혁신적인 쓰임새라 할 수 있으며, 각각의 쓰임새가 유기적으로 연결된다고 할 수 있다. 예를 들어 어떤 해역에 조성된 해중림은 해양생물의 먹이 및 서식처역할을 할 것이며, 적절한 시기에 이를 수확하여 바이오매스로 활용할 수 있을 것이다. 또한 해중림 내에서 제거된 영양염과 이산화탄소는 그 해역의 영양염과 탄소순환에도 결국 기여하게 됨으로서, 해중 림 조성을 통해 바이오매스원료와 환경정화 효과를 부수적으로 얻 을 수 있다.

그동안 해조류에 의한 영양염과 이산화탄소 등의 흡수 연구는 광합성에 따른 해조류 체내의 미량원소 요구량 및 산소발생 측면 에서 서술되었으며, 이들 실험도 실내 배양을 통해 얻은 결과들이 대부분이다(Ale et al., 2010; Klenell et al., 2004; Ozaki et al., 2001; Rees, 2007; Zou, 2005). 국내에서도 미역, 다시마를 비롯한 다양한 해조류에 대한 영양염 요구 및 이산화탄소 흡수량에 대한 연구 결과들이 최근 보고되고 있다(Hwang et al., 2011; Shim et al., 2010; Zou, 2005). 이처럼 해조류의 생리·생태측면에서 영양 염 및 탄소의 흡수와 동화에 관한 연구 결과들은 있으나, 해양환 경 측면에서 해조류에 의한 영양염 및 탄소의 순환과 제거 결과는 많지 않다. 특히, 해조류를 대량 양식하는 양식현장에서 영양염 및 이산화탄소 분압(pCO2)의 연속 측정을 통해 접근한 경우는 거의 없는 것으로 알고 있다. 이는 해조류에 의한 이들 순환을 해양의 다양한 환경요인, 즉 해류흐름, 수괴 혼합, 조석 등과 같은 물리적 요인, 바람과 일조량 등의 기상 요인, 그리고 담수유입, 식물플랑 크톤 번성 등에 인한 생물화학적인 요인 등으로 부터 분리하여 파 악하기 어려운 점이 있기 때문이다.

본 연구는 해조류 양식이 성행하는 부산시 기장의 다시마양식 장에서 해양 환경 및 탄소계 인자를 연속 관측함으로서 해조류에 의한 영양염과 이산화탄소 순환을 파악하기 위한 기초자료를 확 보하고 양식장에서의 이산화탄소분압에 영향을 끼치는 인자들에 대해 고찰하고자 한다. 특히 해양 탄소계 인자 연속관측 시스템을 양식현장에 처음 적용하였으며, 이는 어류 및 패류 등의 양식장으 로 확대 적용할 수 있는 발판이 될 것으로 생각된다. 이를 통해 우

재료 및 방법 연구지역

부산시 기장군 인근 해역은 미역과 다시마 산지로 유명하며, “기 장미역”, “기장다시마”라는 상표를 달고 기장군 우수특산물로 관 리되고 있다(http://gijang.go.kr). 기장해역의 해조류 양식은 주로 미역과 다시마를 같이 시설하여 생육하는 복합양식형태로 이루어 지며, 2009년 미역과 다시마의 생산량은 각각 1.7만톤과 1.5만톤 으로 전국 생산량의 약 5%를 차지하였다(부산시 기장군 해양수산 과 통계). 이처럼 부산은 우리나라 해조류 공급에 있어 전라남도 (80~90%) 다음으로 두 번째로 높은 순위를 차지하며, 특히 전국 해조류 양식장 면허 면적의 1.9%(2007년 기준, 통계청)에 불과하 다는 것을 고려하면, 해조류 양식에 있어 고효율과 고부가가치 상 품을 생산하는 중요한 해역으로서 그 연구 가치가 있다고 할 수 있다.

2011년 7월 5일~7월 6일에 부산시 기장군 일광면 문동리해역의 칠성농수산(소유주: 김치현씨)에서 운영하는 해조류양식장 (35°18.6'N, 129°16.6'E)에서 국립수산과학원 조사선 탐구17호를 타고 해양환경 및 탄소계 인자에 대한 연속 관측을 수행하였다 (Fig. 1). 양식장은 육상에서 직선으로 1.5~1.8 km 거리에 위치하 였으며, 수심은 약 15 m 였다. 조사해역 인근 기상관측소(기장군 일광면 삼성리)에서 측정된 기온은 7월 5일 정오에 29.2^oC로 가장 높았고 7월 6일 3시에 20.6^oC로 가장 낮았다(Table 1). 기상관측 소에서 관측된 풍속은 약 10~20시 사이에는 >2 m s^-1로 높았으며, 그 외 시간에는 1 m s^-1이하로 낮았다(부산 기상청 웹자료, http://web.

kma.go.kr/aboutkma/intro/busan). 조사해역에서 관측된 조석기록은 없으나, 조사지점이 부산과 울산의 중간에 위치하므로 두 곳의 조석 을 살펴보았다. 조사기간 부산의 조위변화는 19~123 cm이었으며 울산은 이보다 1/2배 낮은 8~60 cm 범위였다. 부산과 울산의 간만 조시간은 거의 일치하였으며, 부산의 경우 만조는 7월 5일 11시 11분, 23시 34분 그리고 7월 6일 11시 58분이었으며 간조는 7월 5일 17시 18분과 7월 6일 5시 42분이었다. 조사시기 해당 양식장의 해조류 양성상태는, 조기 출하하는 미역은 거의 수확이 끝난 상태였으며 다시마는 막바지 출하를 위해 양성 중이었다. 이는 해당 양식장의 최대 양성기에 현존하는 해조류양의 약 30%에 해당하였다(양식 장 소유주와 대화).

실시간 연속 관측 시스템

양식 현장의 수질을 연속 관측하기 위한 시스템은 다음과 같다;

CTD(SBE45, Sea-Bird Electronics, USA), pH시스템(DualStar, Orion, USA), pCO₂ 측정 시스템(NDIR840, LiCor, USA), 형광 측 정 장비(TriLux, Chelsea Technologies Group Ltd., UK). 이와 같이 구성된 실시간 관측 시스템은 조사선(탐구17호, 국립수산과학원) 갑판(deck)에 설치하고, 양식장 표층수는 수중 펌프로 퍼 올려 각 장비에 순차적으로 연속 공급되게 하였다(Fig. 2). 수중 펌프로부 터 연결된 해수공급라인은 2개로 분지되어 한쪽은 CTD와 pH측

정 시스템으로 흘러가게 하였으며, 나머지 한쪽은 CO2측정 시스 템으로 공급되게 하였다. 한편, 실시간 측정이 어려운 환경 인자를 위해 해수 채집용 꼭지를 해수 분기점과 CTD사이에 설치하였다.

한편 시스템 중 SBE45(Sea-Bird Electronics, USA)로 연속 측 정한 수온과 염분은 CTD(19plus, Sea-Bird Electronics, USA) 결 과와 비교 검정하여 사용하였다. pH는 potentiometry 방식으로 측 정하였으며(KORDI, 2010), 전극과 온도계는 이중 유리관(two- layer glass cell)에 장착되어, 실시간으로 통과하는 해수의 pH를 측정케 하였으며, 자료는 1분 간격으로 pH미터 본체(Orion DualStar)에 저장되게 하였다. 해양 pCO2 측정시스템은 해수 입자 를 평형기(equilibrator)로 분사시켜(샤워(shower)방식), 대기 CO2와 평형을 이룬 공기의 CO2를 비분산 적외선 분광 분석기(Non-dispersive

Infra-red Analyzer, NDIR)로 측정하는 방식이다(KORDI, 2010;

Weiss, 1981). CO₂관측시스템은 12시간마다 표준가스(348, 379, 402.6 µatm)로 검량하였으며, 한 시간에 한번 10분간 대기 이산화 탄소를 측정하게 하였다. 한편 해양탄소계 인자 중 총알칼리도(TA)와 총용존무기탄소(TCO2)는 실시간으로 측정된 pH와 CO2를 이용하여 CO2SYS프로그램(http://cdiac.ornl.gov/ftp/co2sys, Lewis and Wallance, 1998)으로 계산하였다. 형광 측정 장비는 양식장 부대시설에 묶어 표층해수에 잠기게 고정하였으며, Chlorophyll-a, Nephelometer, Phycocyanin을 동시에 측정하였다. 여기에는 Chlorophyll-a 값만 제 시하였으며 이는 아세톤추출법으로 측정한 엽록소 결과와 비교 후 보정값을 사용하였다.

수질 분석

실시간 연속관측시스템의 결과를 보완하고 해수 수층 분포특성 을 파악하기 위해 2시간 간격으로 CTD(19plus, SBE, USA)로 약 10 m 수심까지 수온과 염분을 관측하였으며, 다목적수질측정기 (YSI6000, YSI, USA)로 용존산소 농도와 포화도를 측정하였다.

또한 표층수의 영양염과 용존산소, 엽록소, 부유물질 분석을 위해 해수펌프로 공급되는 해수를 2시간 간격으로 채수하여 항목에 따 라 전처리를 하여 추후 분석을 위해 냉장/냉동보관을 하였다. 용 존산소는 현장에서 정밀적정기(Dosimat 876 system, Metrohm, Switzerland)를 사용하여 Winkler법으로 분석하였다(Parsons et al., 1984). 영양염은 현장에서 GF/F여과지로 여과 후 냉동 보관한 시 료를 실험실에서 자동분석기(QuAAtro system with 4 channel, BranLuebbe, Germany)로 측정하였으며, 표준물질(OSIL社 &

Wako社)로 검정하였다. 엽록소와 부유물질도 해양환경공정시험기 준(MLTM, 2010)에 의거하여 전처리와 분석을 하였다. 또한 해류 특성을 파악하기 위하여, 유속계(Anderaa, Norway)로 유속, 유향 등을 2시간 간격으로 측정하였다.

결과 및 고찰 해조양식장 표층해수의 수온과 염분 변화

부산시 기장군 일광해역에 위치하는 해조류양식장에서 2011년 7월 5일~6일 동안 실시간 연속 관측시스템으로 탄소계 인자를 포 Table 1. Meteorological and tidal properties at Gijang, Busan on 5-

6th July 2011

Item (Unit) Range (average) Air Temperature (^oC) 20.6-29.2 (24.1)

Wind Speed (m s^-1) ~3.6 (1.4) Pressure at sea surface (hPa) 1001.3-1003.9 (1002.8)

Tidal Height (cm) 19-123 (Busan)/8-58 (Ulsan)

Fig. 2. Schematic diagram of real-time monitoring system.

Fig. 1. Location of the real-time monitored seaweed farm (star sym- bol) at Gijang, Busan, Korea. The squares are locations of seaweed farms around Gijang area.

함한 해수특성을 관측하였다(Fig. 3). 해조양식장의 표층수온은 조 사기간 12.5~17.6^oC 범위를 보였으며, 7월 5일 6시부터 11시 동 안 13~14^oC 범위를 보이다가 11시부터 상승하여 16시경에 최고 수온을 보였다. 이후 밤 동안 표층수온은 점점 낮아지다가 7월 6 일 4시경부터 다시 상승하였다. 한편 7월 5일은 11시까지 14^oC 이하의 값을 보였으나 7월 6일은 비교적 이른 시간(4~5시)부터 수 온이 상승하였다. 표층수의 염분은 33.7~34.0의 범위를 보였으며 평균 33.9였다. 염분은 7월 5일 낮에는 조석변화에 따라, 만조에 는 비교적 높고 간조에 낮은 경향을 보였으나 밤에는 그에 따른 변화가 뚜렷하지 않았으며, 7월 6일 5시부터 다시 높아지는 경향 을 보였다. 이처럼 연속관측으로 얻은 고해상도의 표층 수온과 염 분 변화를 정밀하게 파악하기위해 조석주기별로 세분하여 나타내 었다(Fig. 4). 관측 초기(7월 5일 6~11시)의 저온고염의 표층수는 만조-간조를 겪으며 염분 분포범위가 다소 넓어졌으며(7월 5일 11~18시), 이후 일조량 감소로 수온 변화 폭도 증가하였다(7월 5 일 18~24시). 7월 6일 0~6시에는 간조와 냉각으로 조사기간 중 가장 낮은 수온과 염분 분포를 나타내었다. 이후 7월 6일 4~5시 부터 수온이 빠르게 증가하고 만조로 염분도 높아졌다(7월 6일 6~11시). 한편 7월 5일과 7월 6일 오전 6~11시에 각각 관측한 표 층수의 수온과 염분 분포는 비슷한 시간대임에도 불구하고 다소 다른 양상을 보임으로서 일간(inter-daily)변화도 상당함을 알 수

있으며 이는 수온의 수층 분포에서도 관찰할 수 있었다.

해조류양식장의 수질환경 모니터링을 하는 동안 2~4시간 간격 으로 수층 약 10 m까지의 수온 염분 변화를 관측한 결과(Fig. 5), 조사 초기(7월 5일 7시) 수온은 표층 12.5^oC에서 수온약층(수심 4 m)까지는 급속히 낮아져 9.5^oC를 보였으며, 이후 수심에 따른 큰 변화가 없었다. 일조량의 증가로 점차 표층수온이 증가함으로 수온약층의 깊이는 얕아지고 기울기는 점차 급격하게 발달하여, 17시에 최고 수온(15.8^oC)을 보였으며 수온약층과는 약 3.5^oC 차 이를 보였다. 밤이 되면서 표층은 냉각되어 수온은 낮아지고 수온 약층도 약화되면서 7월 6일 3시경에는 전체 수층에서 수온 변화 가 ~1.5^oC로 작았다. 이후 일조량의 증가로 냉각이 회복되면서 7 월 6일 7시에는 수온약층이 2 m대에 발달하였으며 표층수온은 14^oC 보다 높았다. 이는 전날 7시 수온분포에 비하면 비교적 빠 른 시간에 성층이 강하게 형성된 것을 보여준다. 이러한 결과는 앞서 표층수온과 염분의 실시간 관측결과와도 잘 일치한다. 이러 한 일간차이는 수층의 안정도와 상관이 있을 것으로 생각되며, 이 에 영향을 미치는 요인에는 기온, 일조량, 풍속, 해류영향 등의 여 러 요인이 있지만, 다른 조건에 비해 풍속이 6일에 비해 5일에 2 배 높았던 것으로 보아, 이로 인해 5일 아침에는 6일에 비해 표층 혼합층이 좀 더 깊게 형성되었던 것으로 생각된다.

해조양식장의 표층수온은 낮의 지속적인 일조량증가로 5일 오후 Fig. 3. Variations of (a) Temperature and Salinity, (b) pH and fCO₂ and (c) Chlorophyll-a and tide height(Busan) measured in surface sea- water of seaweed farm with high frequency using real-time monitoring system.

5시경 가장 높았으며, 염분은 6일 오전 5시 간조기에 가장 낮았다.

이처럼 양식장의 수온과 염분은 조석, 일조량, 해류 등의 영향으로 하루에도 크게 변화하였으며 일간변화도 상당함을 알 수 있었다.

해조양식장 표층해수의 탄소계 인자 및 영양염 변화 및 상관관계 해조양식장 표층해수에서 탄소계 인자 중 pH는 조사기간 8.03~8.15범위를 보였으며, 마치 포물선이 반복되는 형태의 분포 를 보였다. 이와 함께 표층수의 fCO2도 높았다가 다시 낮아지는 경향을 반복적으로 나타내었으며, pH가 가장 낮았던 5일 16시경 에 최대 값(402.2 µatm)을 보였다. 이처럼 표층수의 pH와 fCO2분

포는 마치 거울 이미지 같은 상반된 분포 경향을 보였다(Fig. 3(b)).

pH가 높을 때 fCO2는 낮고, 반대로 pH가 낮을 때 fCO2는 높았다. 이 는 해양 탄소계(carbonate system) 내 두 인자간의 상호관계에 의 한 당연한 결과라 할 수 있다. 한편 해양 탄소계 인자의 변화에 영 향을 미치는 요인에 대한 평가는 다음 절에서 고찰하고자 한다.

표층수의 형광특성으로 측정한 엽록소-a는 0.8~5.8 µg L^-1의 범 위를 보였으며 평균은 약 3.5 µg L^-1이었다(Fig. 3(c)). 엽록소-a는 5일 16시까지는 2 µg L^-1이하의 낮은 값을 보이다가, 이후 급격히 증가하여 18시경에 최대 값(~6 µg L^-1이)을 보였다. 이후 20시경 다소 낮아졌으나(~4 µg L^-1) 3 µg L^-1이상의 농도를 계속 유지하였다.

해조류양식장에서 연속 관측한 탄소계 인자와 엽록소의 경우, 수온이 가장 높았던 7월 5일 16~17시경을 전후로 그 변화가 큰 것을 알 수 있다; 수온과 fCO2은 높았다가 차츰 낮아진 반면 pH 와 엽록소-a는 낮았다가 점점 높아졌다. 이는 일조량의 증가로 수 온이 상승하고 수층이 안정되면서 식물플랑크톤의 생산도 활발해 져, 그 결과 이산화탄소는 낮아지고 pH는 높아진 것으로 생각된 다. 수온이 낮아짐에도 불구하고 fCO2가 지속적으로 낮아지는 것 은 생물생산에 의한 이산화탄소의 흡수 결과로 생각되며, 엽록소 -a의 증가는 이를 뒷받침하는 결과라 할 수 있다.

양식장 표층해수를 2시간 간격으로 채수하여 측정한 용존산소 는 평균 9.10 mg L^-1였으며, 조사 초기에는 약 8.2~8.3 mg L^-1범 위였다가 차츰 증가하여 15시경 높은 농도(9.53 mg L^-1)를 보였다 (Fig. 6(a)). 이후 다소 낮아졌지만, 9.0 mg L^-1 이상의 값을 계속 유지하였으며, 다음날 5시부터 감소하여 9시경에는 9.0 mg L^-1이 하의 값을 나타내었으며 11시경 다시 증가하였다. 해수 중 용존산 소는 생물 호흡과 대기와의 교환으로 일반적으로 낮에 증가하고 밤에 감소하지만, 급격한 수온변화는 기체 용해도를 변화시켜 생 물생산/호흡으로 발생하는 변화를 상쇄할 수도 있다. 해수 중 질 산염은 관측 초기에 약 12.0 µmol L^-1 에서 차츰 감소하여 7월 6 일 11시에는 가장 낮은 값(6.6 µmol L^-1)을 나타내었다(Fig. 6(b)).

인산염과 규산염(그림에 제시하지는 않았음)도 각각 0.4~0.9 µmol L^-1, 11.9~17.0 µmol L^-1의 범위에서 관측초기에는 높았다가 점점 감소하여 질산염과 유사한 분포 경향을 보였다.

표층수에 녹아있는 영양염의 시간에 따른 변화 경향은 용존산 소 분포와 반대의 경향을 나타내어, 높은 음의 선형관계를 보였다 (r²=0.63~0.79). 이는 해조류를 비롯한 일차생산자들에 의한 광합성 결과, 산소는 증가하고 영양염류는 감소한 것으로 유추되며, 실제 엽 록소-a와 용존산소 그리고 영양염류들의 상관관계가 높은 것은 이 러한 결과를 뒷받침한다고 할 수 있다(Fig. 7). 또한 이산화탄소분압 과 용존산소, 엽록소사이에도 2차 선형관계를 각각 보였으며, 총용 존무기탄소와는 더욱 높은 상관성을 나타낸 것은(Fig. 8), 생물활동 에 의해 탄소계 인자들의 변화를 보여주며 해조류 양식장의 환경인 자들 간에 생물-화학적 고리가 강하게 연결되어 있음을 보여준다.

이처럼 해조류양식장의 표층 해수는 일주기 및 조석에 따라 수 온, 염분 뿐 아니라 엽록소, 영양염 등의 환경인자와 이산화탄소, pH 등의 탄소계 인자도 급격한 변화를 보였다. 따라서 snap shot 과 같은 일회성 조사로는 단편적 현상만 파악할 뿐, 일변화 및 일 간변화를 관측할 수 없으므로 연안 및 양식장과 같은 환경변화가 심한 곳의 현상 파악 및 물질순환 등의 정밀 진단을 위해서는 연 속 관측이 병행되어야 할 것이다.

Fig. 5. Vertical distribution of seawater temperature measured at 2- hour intervals.

Fig. 4. Distributions of surface salinity and temperature at each time interval measured by the real-time monitoring system.

이산화탄소 분포에 영향 미치는 인자 평가 및 탄소 모델 해조양식장에서 관측한 이산화탄소분압은 386~400 µatm 범위 에서 분포하며, 증가와 감소를 반복하였으며, 용존산소 및 엽록소와 상관성을 보이는 것으로 나타났다. 그러나 표층해수 이산화탄소분 압에 영향을 끼치는 인자에는 생물생산(biological pump)외에도 수온변화, 대기-해양 교환, 물리적 혼합 등의 중요 요인들이 있다 (Bakker et al., 1997; Chipman et al., 1993; Louanchi et al., 1996).

따라서 해조양식장에서 이산화탄소 분포에 영향을 끼치는 인자들 에 대해 정밀하게 파악하고 각 항목의 중요도를 시범적으로 파악 하기 위하여 다음과 같은 단순 수지 모델(simple budget model)을

적용하였다.

C_t+∆t= C_t+∆C/t (1)

∆C/∆t = (δC/δt)T+ (δC/δt)F+ (δC/δt)B+ (δC/δt)R (2) 식 (1)에서 Ct는 t시간일 때 이산화탄소 농도를 의미하며, ∆C/

∆t는 t와 t+∆t 시간동안 이산화탄소농도변화를 의미한다. 여기서

∆t는 2시간 간격을 주었으며, 초기 값(C0, 5일 7시)은 관측치와 동 일하게 주었다. 식 (2)에서 (δC/δt)T는 수온에 의한 이산화탄소변 화, (δC/δt)F대기-해양간의 교환에 의한 변화이며, (δC/δt)B는 생물생 산에 의한 것이며, (δC/δt)R는 그 외 요인으로 발생하는 변화를 총괄 적으로 포함하나 주로 물리적인 혼합(조석, 해류 등)을 의미한다.

Fig. 6. Variations of (a) dissolved oxygen and total dissolved inorganic carbon and (b) nitrate and phosphate measured in discrete seawater sampling at seaweed farm.

Fig. 7. Relationships between chlorophyll-a and dissolved oxygen (a), nitrate (b), phosphate (c) and silicate (d) measured in discrete surface seawater sampling.

Fig. 8. Relationships between dissolved oxygen and fCO₂ (a) and TCO₂ (b), chlorophyll-a and fCO₂ (c) and TCO₂ (d) measured in discrete sur- face seawater sampling.

수온은 이산화탄소분압에 매우 강한 영향을 미치는 열역학 (thermodynamic) 인자로서, 수온 1^oC 상승할 때 이산화탄소분압 은 약 4.23%증가한다(Takahashi et al., 1993). 따라서 (δC/δt)T는 연속관측에서 t와 t+∆t 사이에 상승/하강한 수온변화로 계산하였다.

대기-해양 교환에 의한 이산화탄소분압에 영향을 미치는 주요 요인에는 대기-해양 이산화탄소분압 차(∆pCO2)와 풍속이 있으며, 그 외 수온과 혼합층 깊이(dmix) 등도 영향을 미친다: (δC/δt)F = f(∆pCO2, wind, temp., d_mix). 이러한 인자들을 이용하여, 대기-해 양 교환율을 Wanninkhof(1992)에 따라 계산하고(FCO2= k×s×pCO₂, 여기서 k는 기체교환속도(cm h^-1)이며 s는 수온과 염분에 따른 기 체 용해도(Weiss, 1974)임), 이때 사용한 바람자료는 기장군 삼성 리 기상관측소에서 관측된 1시간 간격 풍속을 이용하였다.

생물생산에 의한 이산화탄소분압의 변화는 일차생산자들의 생 산과 광주기 그리고 호흡, 사망 등에 의한 변화 등을 고려해야한 다: (δC/δt)B= f (P(phyto+algae), light, L(resp.+motality+grazing)). 해조양식 장에서 일차생산은 식물플랑크톤과 해조류를 동시에 고려해야 한 다. 식물플랑크톤에 의한 일차생산에 대한 간접 지표로 엽록소 농 도변화가 있지만, 해조류 생산에 대해 나타낼 수 있는 지표는 측 정된 자료가 없다. 그러나 기장군에서 생산되는 다시마량(약 1.5 만톤)과 재배면적(약 350 ha) 등을 이용하여 조사당시 해조류 생 물량을 유추할 수 있다. Lee and Sohn(1993)은 해조류의 생장에 따른 중량증가 식에서 평균 현존량을 최종 생산량의 30~50%라 하 였으며, 따라서 다시마생물량은 단위 제곱 미터 당 약 1.3~2.1 kg이 된다. 그리고 다시마의 중량당 엽록소-a양은 HPLC로 측정한 값(평 균 7.5 µg chl-a g^-1(n=12), unpublished data)을 적용해서, 해조류 생 물량을 엽록소농도로 전환하면, 약 9~16 µg L^-1였다. 이 값은 관측 기간 동안 일정하다는 가정을 하고, 연속관측에서 측정한 엽록소농 도와 합하여, 해조양식장의 총 일차생산력을 추정하는데 이용하였 다. 엽록소농도에서 일차생산력을 추정하기 위해 단위 엽록소-a 당 탄소 고정속도(mg C mgChl-a^-1 hr^-1) 인자를 적용하였는데, 조사현 장에서 직접 측정한 값이 없으므로, 5~11월에 진해만에서 측정한 값 (2~5 mg C mg Chl-a^-1 hr^-1)을 적용하였다(NFRDI, 2009). 엽록소의 일차생산효율은 관측 해역에 따라, 계절에 따라 변화가 큰 요소이므 로, 추후 직접 측정을 통해 보완해야 할 것으로 생각된다. 한편 일 차생산에 주요 요인인 광은 조사 시기 일출(오전 5시 15분)과 일몰 (오후 5시 42분)시간과 최대/최소 광량차이를 4배로 두고 하루 동안 의 광을 cosine 곡선으로 표현하고 적용하였다(α). 본 연구의 기준 단위시간(t)이 월 또는 계절 단위가 아니라 2시간으로 매우 짧으므로, 단위시간 동안 생물 호흡, 사망, 습식에 따른 변화(L(resp.+motality+grazing)) 는 크지 않다고 가정하고 고려하지 않았다. 따라서 생물생산에 의한 이산화탄소변화는 다음의 식으로 구할 수 있다.

(δC/δt)B (µatm h^-1) =α × PR(mg C m^-2 h^-1) ×β × f CO2(µatm)

× DIC(µmol kg^-1)^-1× z(m)

PR(production rate)은 조사지역의 엽록소-a농도에서 추정되는 일 차생산율이며, Revelle factor(β)는 DIC 변화에 따른 이산화탄소 ( fCO₂)의 상대적인 변화와 관련된 인자이다(Poisson et al., 1993).

표층 이산화탄소분압에 영향을 미치는 열역학요인, 생물학적요 인, 대기-해양 교환을 제외한 나머지 요인의 주된 요인은 물리적 인 혼합이다: (δC/δdt)R= f(Mix(vertical+lateral), stability, R_residual). 수

층의 물리적 혼합에는 확산(diffusion), 이류(advection) 등에 의한 수직적· 수평적 혼합이 있다. 수층의 물리적 혼합부분은 직접 측 정이 힘들고, 참고 자료 부재 등으로 인해 대부분의 모델에서 나 머지 항으로 처리하든지, 기존의 계수 등을 채택하여 계산한다.

∆C(D+E)= Kz(δDIC/δz) + Vu∆C

여기서 Kz는 확산계수(turbulent eddy diffusivity)이며, Vu는 용승 속도(upwelling velocity)이며, 각각 3.5×10^-5 m² s^-1, 0.15×10^-5 m s^-1)를 채택하였다(de Baar et al., 1995; Stoll et al., 2002). 용존무기탄 소 변화(δDIC/δz와 ∆C)는 표층과 저층(5 m)의 pH와 총알칼리도 에서 계산한 용존무기탄소로 계산하였다. 물리적 혼합에 의한 이 산화탄소의 변화는 해류, 조류, 바람 등이 강한 해역에서는 중요한 인자로 작용할 수 있다(Shim et al., 2005 & 2007). Shim et al.(2007) 은 동중국해역에서 수층 안정도가 이산화탄소분압 변화와 좋은 상 관이 있음을 제시하였다. 본 수지 모델에서는 물리적 혼합을 좀 더 정밀하게 재현하기 위해 위의 확산 및 이류에 의한 혼합에 수층 안정도인자(ω)를 적용하여 재계산하였다. 수층 안정도 인자는 Simson et al.(1977)이 제안한 potential energy anomaly를 적용하 여 계산하였다. 수층의 수온(Fig. 5) 및 밀도분포에 의하면 수심 5 미터보다 깊은 곳에서는 수심에 따른 변화가 크지 않았으며, 해조 류 성장의 최대 깊이도 5 m 이내이므로 기준 깊이를 5 m로 하였 다. 수층 안정도인자(ω)는 0.2~2.4 범위였으며, ω가 0.5이하 일 때는(7월 6일 9시) 수직적인 혼합이 거의 없는 것으로 가정하였다.

ω = 1/ (이때, ρ'= )

따라서 물리혼합에 의한 이산화탄소 변화는 다음 식으로 계산할 수 있다.

(δC/δt)R (µatm h^-1) =ω × ∆C(D+E)×β × f CO2(µatm)

× DIC(µmol kg^-1)^-1× z(m)

앞에 수립한 모델과 관련 식들에 의거하여 표층 해수의 이산화탄 소분압에 영향을 미치는 요인을 평가한 결과(Fig. 9), 수온변화로 발생하는 양은 -11~12 µatm으로 수온의 일변화에 따라 같이 변화 하였다. 조사기간 풍속은 0.3~3.0 cm sec^-1의 범위였으며, 이에 따 른 대기-해양 교환량은 -12~20 µatm으로서 주로 낮시간에 이산화 탄소를 증가시키는 요인으로 작용하였으며, 5일 15~19시 사이에 최고치를 보였다. 생물은 광주기에 따라 낮에만 이산화탄소를 감 소시키는 요인으로 작용하였으며 평균 -12 µatm로서 엽록소농도 가 가장 높았던 5일 17시에 최고치를 보였다. 그 외 요인, 즉 물 리적 혼합에 의해서는 이산화탄소는 증가하는 것으로 나타났으며

< ~10 µatm 범위로 작용하였으며, 혼합층이 깊어지는 밤시간에 크 게 영향을 미쳤다.

해조류 양식장의 표층 이산화탄소분압 변화에 대해 단순 수지 모델을 적용한 결과, 관측치와 상당부분 일치하는 것으로 나타났 다(Fig. 10, r²=0.53). 특히 5일 낮에 일어나는 변화는 거의 유사하 게 재현이 되었다. 이 시기에는 생물생산에 의해 이산화탄소가 낮 아지는 반면, 대기-해양과의 이산화탄소교환으로 증가하게 되어 서로 상쇄작용을 일으켰으며, 수온에 의한 변화는 증가와 감소를 반복하였다. 한편, 5일과 6일 새벽시간에는 관측치보다 예측치가

ρ ρ′–

( ) g× × zzd

h –

∫

∫

5~8 µatm 높게 나타났는데, 이 시간에는 생물생산에 의한 감소 는 거의 없는 반면 물리적 혼합, 수온 변화, 대기와 교환에 의한 증가 또는 감소가 발생하게 된다. 따라서 생물생산에 의한 흡수 가 배제됨으로 대기-해양 교환만이 감소 요인으로 작용하는데, 관 측 시기의 풍속이 비교적 낮아서(<~1.0 cm sec^-1), 감소 효과가 적었던 것이 예측치가 다소 높게 나타난 원인으로 생각된다.

해조류양식장 탄소순환의 의미

해조양식장에서 이산화탄소분압변화에 영향을 미치는 인자들에 대해 단순 수지모델을 적용한 결과, 조사시기동안 양식장의 이산 화탄소분압 총변화량의 약 14~40%가 해조류의 일차생산에 의한 것으로 나타났다. 관측시기가 해조류의 주된 양성시기가 지난 시 점임을 감안하면, 상당한 기여라 할 수 있다. 한편 모델에서 생물 생산력을 추정하기 위해 사용한 단위 엽록소-a 당 탄소 고정속도 (mg C mgChl-a^-1 hr^-1)는 수층의 식물플랑크톤에 의한 일차생산력 을 기준으로 한 것이다. 따라서 추후 해조류의 단위 엽록소-a 당 탄소 고정속도(mg C mgChl-a^-1 hr^-1)를 측정하여 적용하면 해조류 양식장의 보다 더 정밀한 생물생산력을 추정할 수 있을 것으로 생 각된다. 한편 Hwang et al.(2011)에 의한 다시마의 탄소 고정율은 약 8.9 µmol g FW^-1 hr^-1였으며, 이에 근거하여 기장군 다시마 생산으 로 연간 1.0~1.7×10³ C ton의 탄소가 제거된다고 보고하였다. 이는 다시마의 단순 광합성효율만을 고려한 것으로, 현장에서의 복잡한 요인(물리적 혼합, 대기와 교환, 식물플랑크톤의 기여 등)은 고려되 지 않은 것이다. Na et al.(2010)도 일광연안의 해조류 자연서식지에 서 용존무기탄소 변동에 대한 모델을 적용한 바가 있으나, 각 요인 들에 대한 정량적인 평가 결과는 제시하지 않았다. 따라서 이와 같은 해조류양식장의 탄소순환에 관한 기초 조사를 토대로 추후 해조양식장의 계절에 따른 변화 및 해조류의 광합성/탄소 인수 등을 결합하면, 해조양식장에서의 탄소순환에 대한 정밀 평가와

더불어 전지구 탄소순환에 기여하는 바를 파악할 수 있을 것으로 생각된다.

요 약

해조류 양식장에서 30여시간 해양 탄소계인자를 비롯한 환경인 자들을 연속 관측한 결과, 이들 인자들은 조석, 기상변화, 해류 등 으로 일변화 및 일간변화를 크게 보였다. 그 결과 낮의 일조량이 축적되고 간조가 겹치는 오후 5시 전후에 수온과 엽록소는 최고 치를 보였으며, pH는 최저치를 보였다. 이산화탄소 분압은 수온영 향으로 최고치를 보인 후, 지속적으로 감소하는 것으로 나타났다.

이산화탄소분압과 영양염, 용존산소사이에는 서로 상관성을 보여, 생물생산으로 인해 용존산소의 증가와 이산화탄소의 감소를 의미 하였다. 해조양식장의 이산화탄소변화를 정밀 파악하기 위해 간단 한 수지모델을 적용한 결과, 낮에는 생물생산이 주된 감소요인으로 작용하였으나 수온 상승, 대기와의 교환에 의한 증가요인이 이를 상쇄하는 것으로 나타났다. 한편 밤의 예측치가 관측치에 비해 다 소 높게 나타났는데, 이는 낮은 풍속과 혼합층에 대한 과대평가 등이 원인인 것으로 생각된다. 모델 결과, 해조류에 의한 일차생 산이 해조양식장 이산화탄소분압 총변화의 약 14~40%를 차지하는 것으로 나타났다.

사 사

이 연구는 국립수산과학원(RP-2012-ME-065)의 지원으로 수행 되었습니다. 다시마양식장에서 현장관측을 허락해주신 부산시 기 장군 일광면 문동리 칠성농수산 김치현사장님께 감사드립니다.

이 논문을 검토하시고 조언을 해주신 심사위원분들께 감사드립 니다.

Fig. 9. Evaluations for environmental factors affecting fCO₂ variations at each time interval.

Fig. 10. A simple model for fCO₂ variation in a seaweed farm.

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2012년 10월 10일 원고접수 2012년 11월 22일 수정본 접수 2012년 11월 22일 수정본 채택 담당편집위원: 김동선