2.1. 조사 지점 개황

대청호는 금강수계 수자원의 다목적 개발을 위하여 건설 된 인공호수로서 하구로부터 약 150 km 상류지점인 대전 광역시 대덕구 미호동과 충북 청원군 문의면 덕유리 사이 에 대청댐을 건설하면서 조성되었다. 대청호 유역은 전북 무주군, 충남 금산군, 충북 영동군·옥천군·보은군·청원군, 경북 상주시 및 대전광역시의 동구와 대덕구의 전부 혹은 일부가 포함된다. 용담호 유역(930 km²)을 포함한 대청호의 유역면적은 4,134 km²이고, 연간 용수 공급량은 1,649백만 m³ 이다(^{NWRMIIS. 2006}).

대청호는 저수면적에 대한 유역면적의 비가 56.8로서 유 역면적이 상대적으로 넓어 오염의 가능성이 크며, 총저수량 에 대한 유효저수량의 비율이 53.0%로서 소양호(65.5%)나 충주호(65.1%) 보다 용수 이용율이 낮은 호소이다(^{NWRMIIS. 2006}). 본 연구의 조사지점인 추동지점은 대청호로 직접 유 입되는 주원천 합류부 근처로 대청호 중간의 만입부에 위 치하고 있다. 추동 지점은 주원천 유입부가 대청호에서 넓 게 만입되어진 형태적 특성에 따라 상류지점들에 비해 강 우에 의한 유입유량의 변화와 유입수의 수질변화에 의한 영향을 비교적 적게 받으며, 대전 지역의 상수원으로 사용 되는 대전취수탑이 위치하고 있어 대청호 조류경보제 대상 지점이다(Fig. 1).

Figure 1. Map showing the sampling station in Daechung reservoir.

2.2. 연구 방법

기후변화에 따른 수생태계 변화에 대한 장기 모니터링을 위하여 1969년부터 2010년까지 기상청 기상 관측자료(대전 관측소)의 기온 및 강우량 데이터를 사용하였다. 기온은 일 단위 데이터를 이용하여 연평균기온, 최고기온, 최저기온, 20°C 이상 일수 등을 계산하였으며, 6월~ 8월까지를 여름 철, 12월~ 2월까지를 겨울철로 보고 각 계절별 평균기온을 산출하였다. 대청호 강우량의 경우 대청호 유역 기상관측소 들의 자료를 사용하여 티센비를 이용한 면적 강우량을 선 정하였다. 이를 이용하여 연평균 강우량, 일 최대 강우량, 5 mm 이하 강우일수 등을 산출하였다.

물리·화학적 수질 환경 요인은 1993년부터 2010년까지 측정된 추동 지점의 수질측정망 운영계획(WEIS, 물환경정 보시스템) 자료로 Chlorophyll a, 수온, 총질소(TN), 용존총 질소(DTN), 암모니아성 질소(NH₄-N), 질산성 질소(NO₃-N), 총인(TP), 인산염인(PO₄-P), 용존총인(DTP) 항목의 일단위 데이터를 사용하여 매월 평균값을 계산하였다.

대청호 추동지점의 식물플랑크톤은 2000년부터 2010년, 3월부터 11월까지 주 1회 대청호 조류예보제 시행을 위해 조사된 속 수준의 자료를 이용하였다(^{GRERC, 2000}; ^{GRERC, 2001}; ^{GRERC, 2002}; ^{GRERC, 2003}; ^{GRERC, 2004}; ^{Lee et al., 2007}; ^{Lee et al., 2009}; ^{Park et al., 2008}; ^{Park et al., 2006}; ^{Park et al., 2007}). 식물플랑크톤 분류군별 현존 량은 남조류, 녹조류, 규조류, 기타조류로 분류하여 파악하 였으며, 분류군별 종조성 및 우점종을 선정하였다.

2.3. 통계 분석

기상학적, 물리·화학적 요인 및 생물 요인 간의 상관성을 파악하고자 SPSS (v. 10.0)을 이용하여 상관분석을 시행하였 다. 또한 이들 간의 관계를 파악하고자 주성분 분석을 실 시 한 후, 그 요인 중 유해조류의 변화에 가장 영향을 주 는 기후, 환경요인의 정도(유의성)을 파악하고자 선형회귀 분석(Linear regression)을 실시하였다. 통계적 유의성은 p<0.05 를 기준으로 하였다.

3.1. 기상학적 특성 분석

대전, 충주, 청주 등 충청권의 주요 상수원인 대청호의 기 후변화 현상을 확인하기 위해 1969년부터 2010년까지 대청 호 유역(대전기상청)의 기온변화패턴을 조사한 결과, 연평균 기온은 10.9°C ~ 13.9°C 의 범위로 최저 연평균기온은 1974 년, 최고 연평균기온은 1994년에 나타났으며, 시간이 지날 수록 점차 증가하는 패턴을 보여주었다. 연중 최고 기온과 여름철 평균기온은 유의한 증가추세를 보이지 않은 반면, 연중 최저기온의 범위는 -14.2°C (1973) ~ -4.5°C (1992), 겨 울철 평균기온은 -2.5°C (1980) ~ 2.2°C (2002, 2007)의 범위로 연중 최저기온과 겨울철 평균기온은 유의한 상승추세를 보 여, 최근 들어 대청호 유역에서 겨울철 기온이 상승하고 있 는 것으로 나타났다. 한편 여름철 평균기온의 변화는 크지 않았으나 연중 20°C 이상 일수는 2001년 131일로 최대치를 나타냈으며, 유의한 증가추세를 보여 고온 현상 기간이 연 장되는 것으로 판단되었다(Fig. 2).

Figure 2. Change of Annual average temperature (a), Maximum temperature of the year (b), Minimum temperature of the year (c), Number of days with temperatures of over 20°C (d), Average temperature of the winter season (e) and Average temperature of the summer season (f) from 1969 to 2010 in Daechung reservoir.

1969년부터 2010년까지 대청호 유역의 연 강우량은 828.7 mm로 2001년에 최저 강우량을, 2070.0 mm로 1998년 최고 강우량을 보여주었다. 5 mm 미만 강우일수는 307 ~ 340의 범위로 큰 차이를 보이지 않았으며 1998년 최대값을 보였 다(Fig. 3). 대청호 유역에서 7월~ 8월 장마기간 동안 강우 량은 1987년 1,261.9 mm (67.1%)로 최고 집중강우기를 보 였으며 대부분 40% 이상의 높은 강우량을 나타내어 우리 나라의 몬순 기후 특성을 보여주었다(^{An et al., 2001})(Fig. 4). Seasonal Mann-Kendall법을 이용한 시계열 추이 분석 결과 대청호 유역의 연강우량, 연중 일최대강우량, 연간일 강우량편차 및 5 mm 미만 강우일수 등은 모두 유의한 증 감패턴을 보이지 않아 대청호 유역의 강우량 변화는 기후 변화에 따른 특정한 양상을 보이지 않는 것으로 나타났다.

Figure 3. Change of Annual precipitation (a), Maximum daily precipitation (b), Standard deviation of daily precipitation (c), Number of days with less than 5 mm precipitation (d) from 1969 to 2010 in Daechung reservoir.

Figure 4. Total annual precipitation from 1969 to 2010 in Daechung reservoir.

3.2. 대청호 유역의 수질 환경 요인

1993년부터 2010년까지 대청호에서 조류 증식에 가장 직 접적인 영향을 미치는 요인으로 판단되는 수온과 영양염류 농도(총인, 인산염인, 총질소 질산염)의 장기변동을 조사한 결과, 수온은 3°C ~ 28°C의 범위를 보였으며, 가장 낮은 수 온인 3°C는 1995년, 1996년, 1998년, 2001년 2월에 나타났 으며, 수온이 가장 고온인 시기는 1997년 8월, 9월과 1999 년 8월에 나타났다. 대청호 유역의 수온은 매년 여름에 증 가하고 겨울에 감소하는 전형적 온대성 기후의 특성으로 유사한 증감패턴을 보여주었다(Fig. 5).

Figure 5. Change of Water temperature (a), Nitrogen concentration (b), Phosphorus concentration (c) from 1993 to 2010 in Chudong station of the Daechung reservoir.

영양염류 중 총질소의 농도는 0.547 ~ 4.400 mg/ℓ의 범 위를 나타냈으며 평균 1.584 mg/ℓ로 환경부에서 지정한 호소 생활환경 기준으로 “매우나쁨(VI)”에 해당하여 추동지 점은 매우 부영양 상태임을 나타내었다(^{Oh and Kim, 1995}; ^{Park and An, 2012}). 월별 변화 양상은 1993년 3월에 가장 낮은 총질소 농도를 보였고, 2003년 11월에 최고치의 총질 소 농도를 보여 시기별 큰 차이를 보여주었다. 질산염은 0.052 mg/ℓ로 2004년 6월에 최저치를, 1.872 mg/ℓ로 2003년 12월에 최고의 질산염을 나타내었다(Fig. 5).

총인과 인산염인의 농도는 각각 0.004 mg/ℓ ~ 0.109 mg/ℓ, 0.000 mg/ℓ ~ 0.031 mg/ℓ범위를 보여주었다. 총인 농도는 평균 0.021 mg/ℓ로 호소 생활환경 기준 평가 결과 “약간좋 음(II)”으로 나타나(Fig. 5), 우리나라 인공호에서 대부분 나 타나는 식물플랑크톤 성장에 영양염 인이 제한요인(limiting factor)으로 작용할 가능성을 시사하였다(^{Lee, Kim et al., 2010}).

인산염 계열의 영양염류는 2003년 8월에 가장 높게 나타 났으며(0.109 mg/ℓ), 여름철 집중강우기에 크게 증가하는 패턴을 보여주어 주로 외부(강우 등)에서 유래되는 것으로 판단되었다(^{Joung et al., 2005})(Fig. 5).

대청호 추동지점에서 Chlorophyll-a 농도는 0.3 mg/m³ ~ 38.0 mg/m³의 범위로 평균 7.3 mg/m³를 보였으며, 겨울철에 가장 낮은 농도를, 1999년 10월에 가장 높은 Chlorophyll-a 농도를 나타내었다. 이처럼 Chlorophyll-a 농도는 겨울철에 낮고 여름철에 증가하는 패턴을 보여주었다(Fig. 6).

Figure 6. Change of Chlorophyllafrom 1993 to 2010 in Chudong station of the Daechung reservoir.

3.3. 대청호 조류 발생 변화 분석

2000년부터 2010년까지 대청호 추동지점의 조류예보제 자료를 이용한 식물플랑크톤 현존량의 변화 패턴(3월~ 11월) 은 2000년 7월에 177,748 cells/ml로 가장 많은 개체수를 보였으며, 2008년 4월에 61 cells/ml로 가장 적은 개체수를 보여주었다. 전반적으로 수온이 높은 여름철인 7월 ~ 9월에 높은 출현 개체수를 나타내었다(^{Shin et al., 1999})(Table 1).

대청호 추동지점의 분류군 별 식물플랑크톤 출현은 조사 기간 동안(2000 ~ 2010) 남조류가 가장 높은 출현도를 보였 으며 그 외 규조류, 녹조류, 기타조류 순으로 나타나 대청 호 추동지점의 조류 발생은 규조류보다는 남조류의 현존량 에 의존한다고 판단되었다(^{Oh et al., 1997}). 대청호 추동지 점은 지속적으로 남조류에 의한 녹조 현상이 일어나고 있 으며(^{Jeong et al., 2011}; ^{Oh and Kim, 1995}) 본 연구에서 도 동일하게 남조류의 출현 현상이 높게 나타났다(Fig. 7).

Figure 7. Variation of phytoplankton community (top) and percentage of relative abundance (bottom) from 2000 to 2010 in Chudong station of the Daechung reservoir.

대청호 추동지점에서 남조류는 2000년과 2001년에 매우 높은 출현을 보였으며(95% 이상), 그 후 점차 감소하다 2006 년 이후에 증가하는 패턴을 나타내었다. 규조류의 변화 양 상은 남조류와 상이한 증감 패턴을 보여주었다(Fig. 7).

본 연구인 대청호 추동지점에서 조사 시기 중 대부분의 계절에 높은 출현빈도를 보이는 분류군인 남조류의 월별 변 화 양상을 분석한 결과, 2006년 이전에는 7월 ~ 8월에 높은 출현을 보여주었으며, 그 후 급감하였다(^{Park, 2005}). 반면 2007년 이후 남조류의 출현 양상은 8월~ 10월에 높게 나타 났으며, 특히 2008년(9.3%)과 2009년(7.9%)에는 11월까지도 남조류가 우점하여 남조류 출현 기간이 연장되었다(Fig. 8).

Figure 8. Percentage of monthly cyanobacteria abundance from 2000 to 2010 in Chudong station of the Daechung reservoir.

일반적으로 남조류는 20°C 이상의 고온에서 높은 성장을 보인다(^{Robarts and Zohary, 1987}; ^{Watanabe and Oishi, 1985}). 본 연구에서도 겨울철 기온 상승 및 20°C 이상 일수 증가 에 의한 영향으로 수온이 증가되면서 남조류가 장기적으로 출현하는 양상을 보였다. 대청호 추동지점에서 남조류는 매년 Anabaena, Microcystis, Aphanizomenon, Oscillatoria 속이 높은 출현을 보였으며, 시기 별 출현 양상은 2002년까지는 구형 남조류인 Microcystis 속의 우점도가 다른 속에 비해 높 았으며(75% 이상) 2005년 이후부터 선상남조류인 Anabaena, Aphanizomenon 등이 60% 이상 우점도를 보여주었다(Table 2) (Fig. 9). ^{Joung et al. (2005)}의 연구에서는 단기간의 조사 이지만 구형인 Microcystis spp.의 우점에서 선상 남조류 Oscillatoria spp. 등의 우점으로 변화하였으며, ^{Park (2005)} 의 연구에서도 Microcystis aeruginosa 소멸을 대신하여 Anabaena spp., Oscillatoria spp., Aphanizomenon flos-aquae 가 높은 현존량을 보이는 것으로 조사되어 본 연구와 유사 한 양상을 보여주었다.

Figure 9. Variation of cyanobacteria genus (top) and percentage of relative abundance (bottom) from 2000 to 2010 in Chudong station of the Daechung reservoir.

3.4. 기후변화가 조류발생에 미치는 영향 분석

대청호 추동지점에서 유해 남조류 발생에 영향을 미치는 기후, 환경인자 간의 상관성을 파악하고자 생물요인인 총 남 조류 현종량, Anabaena, Microcystis, Aphanizomenon, Oscillatoria 속의 현존량 및 환경요인인 기후변화, 물리·화학적 환경요인 간의 상관분석을 실시한 결과, 총 남조류 현존량 은 PO₄-P (r = 0.355, p<0.01)와 가장 높은 상관성을 보였으 며 상대적으로 수온(r = 0.341, p<0.01)도 높은 상관성을 나 타내었다. Anabaena, Microcystis, Oscillatoria 속의 현존량 은 기온, 수온과 모두 유의한 상관관계를 보였다(p<0.05) (Table 3). ^{Lee et al. (2010)}의 연구와 유사하게 본 연구에 서도 남조류와 영양염류 간의 관계에서는 질산 계열(TN, DTN, NH₄-N, NO₃-N) 보다는 인산 계열(TP, DTP, PO₄-P) 과 유의한 상관성을 나타내었다(p<0.05). 상관분석 결과를 바탕으로 남조류의 변화에 어떠한 환경인자가 가장 영향을 미치는지를 분석하고자 선형회귀분석을 실시하였다. 선형회귀 분석 결과, 수온(r = 0.604, p<0.001) 및 PO₄-P (r = 0.282, p<0.01) 와 가장 높은 유의성을 보여 대청호에서 남조류 발생은 수 온과 제한영양염(PO₄-P)에 가장 큰 영향을 받는 것으로 나 타났다(Table 4). 이는 수온 상승, 이상 기후현상 지속화 및 제한영양염에 의해 유해 조류 대발생 및 유해 조류 출현의 장기화 현상을 시사하는 것으로 판단된다.