2.1. 조사지점 및 조사시기

2013년 하반기 퇴적물 측정망(^{ME, 2013})의 하상입도 자 료를 고려하여 입도 유형이 서로 다른 제천천(JJ), 섬강 (SR), 고막원천(GMW)의 각 1개 지점과 ^{NIER (2014)}의 조 사에서 오염도가 높은 것으로 평가된 굴포천(GP) 지점을 선정하여 2014년 8월에 제천천, 섬강, 2014년 9월에 고막 원천, 굴포천을 각각 조사하였다. 그리고 심도별 분포 데이 터를 보완하기 위해 2016년 3월에 섬강, 제천천, 소양강 (SYR), 여주(YJ)지점을 추가 조사하였다. ^{Shepard (1954)}에 따라 삼각도표(triangle diagram)로 유형화한 각 지점의 입도 유형은 Fig. 1과 같다. 섬강, 여주, 소양강 지점은 주로 모래 (sand)가 고막원천과 제천천 지점은 silt 성분이 많았다. 굴포 천 지점은 입도분석이 수행되지 않았으나 육안으로 볼 때 세립화되어 있었다(Fig. 1).

Fig. 1. Sediment type at the sampling sites.

2.2. 채집방법

각 조사 지점에서 저서성 대형무척추동물의 채집과 관 련된 4가지 세부사항[퇴적물 코어의 내경 크기, 채집횟수 (반복횟수), 채집심도, 거름체 공극]이 검토되었다(Table 1).

Table 1. Sampling design of benthic macroinvertebrates in fine sediments

➀ 퇴적물 코어의 내경 크기 : 3가지 내경 크기(Φ5 cm, Φ 7.5 cm, Φ10 cm)의 Brinkhurst core 채집결과를 비교하 였다.

➁ 채집횟수(반복횟수) : 적정 표본크기(sample size)를 파악 하기 위하여 채집도구의 규격별로 15회 반복 채집하였 다. 각 반복 횟수에 대한 데이터 조합은 기존 연구(^{Kim et al., 2013}; ^{Kong and Kim, 2015a}; ^{Kong and Kim, 2015b})에서 제시한 방법에 따라 시행하였다. 각 지점에 서 채집도구의 규격에 따라 각 15회의 방형구(Φ5: diameter 5 cm, Φ7.5: diameter 7.5 cm, Φ10: diameter 10 cm 각각 15회씩, 총 45회 방형구) 별로 출현한 종 및 개체수 목록을 작성하고, 누적 횟수(표본크기)에 따 라 출현한 종의 개체수를 조합하였다(Table 2). 데이터 조합의 수는 식 (1)과 같다.

n: cumulative sample size number

저서성 대형무척추동물 종수-조사면적 관계는 ^{Weibull (1951)}이 체계화한 와이블 모형을 이용하여 분석하였다. 이 는 Kong and Kim (^2015a, ^2015b)의 선행 연구에서 그 적 용성이 확인된 바 있다.

모형에서 유추되는 최대종수(S_m)에 대한 출현종수(S)의 비(S/S_m)가 조사면적(z)에 따라 와이블 모형의 누적분포함 수 식 2를 따른다고 가정할 때, 확률밀도함수는 식 (3)이 되며, 유의한 총 종수를 보이는 최대 면적(z_ma)은 식 (4)와 같다.

표본크기(조사면적)에 따른 군집구조의 변화를 파악하는 데 사용된 군집지수는 Table 3과 같다.

➂ 채집심도 : 적정 조사심도를 파악하기 위해 채집된 퇴 적물을 7개 층으로 구분(0 ~ 2 cm, 2 ~ 4 cm, 4 ~ 6 cm, 6 ~ 10 cm, 10 ~ 15 cm, 15 ~ 20 cm, 20 cm 이상)하여 각 층에서 출현한 저서성 대형무척추동물의 종수 및 개 체수를 분석하였다.

➃ 거름체 공극 : 생물시료 거름체의 공극 입경 표준화를 위해 3가지 공극(1.0 mm, 0.5 mm, 0.2 mm)에 따른 생 물시료의 회수율을 비교 분석하였다.

2.3. 동정

조사지점에서 채집된 시료는 실험실로 가져온 후 골라내 기(sorting)와 동정을 수행하였다. 저서성 대형무척추동물 중 수서곤충은 ^{Yoon (1988)}, ^{Kawai and Tanida (2005)}, ^{Merritt and Cummins (2008)} 및 ^{Peckarsky et al. (1990)}, ^{Won et al. (2005)} 등을 참고하여 동정하였다.

유충의 동정이 어려운 깔따구류의 분류는 머리의 상대적 크기와 색깔, 촉각의 길이, 꼬리돌기의 형태, 복부아가미의 개수와 길이 등을 이용하여 임의의 과 수준(Family level) 으로 동정하였다.

빈모류(Oligochaete)는 전구엽, 입, 생식부분, 동규적 체절 로 구성되며, 외부 부속기를 지니고 일반적으로 두 번째 체절부터 끝까지 나타나는 강모는 그 크기와 형태가 중요 한 동정 형질로 이용된다(^{Timm, 2009}). ^{Park et al. (2013)} 이 제시한 국내 담수 빈모류 동정 검색표를 이용하여 종 수준(Specie level)으로 동정하였다.

3.1. 코어의 내경 크기

3가지의 크기가 다른 내경을 가진 코어로 15 cm 심도까 지 퇴적물을 채취하여 저서성 대형무척추동물의 평균출현 종수를 비교하였다. SR지점에서 Φ10 내경의 코어에는 퇴 적질 내에 서식하는 종 이외에 유영하는 꼬마하루살이류 (Baetidae)와 딱정벌레류(Coleoptera) 등이 출현하여 다른 내경 크기보다 코어 당 평균출현종수가 더 많았다(Fig. 2). 퇴적질 내에 서식하는 종만을 기준으로 할 때 Φ5의 평균 출현종수는 상대적으로 적었으나 SR지점을 제외한 조사지 점에서 Φ7.5와 Φ10의 평균출현종수는 큰 차이가 없었다. 이로써 코어 당 출현종수 만으로 본다면 7.5 cm 내경의 코 어가 효율적일 것으로 보인다.

Fig. 2. Average number of benthic macroinvertebrates species according to core size (Replicates of 15).

3.2. 채집횟수(반복 횟수)

Φ5 코어에서 추세적인 최대종수(S_m)는 Φ7.5 또는 Φ10 코어에서 추정되는 최대종수에 비해 현저하게 적었다(Fig. 3). 따라서 5 cm 내경의 코어는 세립질 퇴적물의 저서성 대형무척추동물 모집단의 구조를 추정하는데 무리가 있다 고 볼 수 있다. Φ7.5 또는 Φ10 코어에서는 15회 조사에서 도 출현종수가 최대치에 수렴하지 못하고 조사면적이 커질 수록 계속 증가하는 경향을 보였다. 이는 조립질 하상의 하천에서 수행된 ^{Kim et al. (2013)}, Kong and Kim (^2015a, ^2015b)의 연구 결과와 유사한 것이다.

Fig. 3. Weibull cumulative distribution function results between number of species and cumulative area according to core sizes.

모래질인 SR지점을 제외한다면 같은 누적조사면적의 조 건에서 Φ10보다 Φ7.5에서 더 많은 출현종수를 보였다. 누 적조사면적이 같을 경우 내경이 작은 코어로 채취한 경우 가 채취 횟수가 많고 그만큼 더 많은 미소서식처를 채취하 게 되기 때문에(일례로 누적조사면적이 0.04 m²일 때 Φ10 의 채취 횟수는 5회, Φ7.5의 채취 횟수는 9회) 출현종수가 많아진 것이라고 해석된다. 따라서 같은 누적조사면적을 조 사할 경우 해당 지역의 생물군집을 보다 정확하게 파악하 기 위해서는 내경이 작은 코어를 사용하여 보다 많은 횟수 로 채집하는 것이 바람직하다. 그러나 이 경우 채집을 위 한 시간과 노력이 많이 요구되기 때문에 비용과 인력을 고 려한 적정 수준의 조사도구를 선택해야 한다.

SR 지점을 제외할 때 Φ7.5의 코어 사용 시 출현종수는 같은 누적조사면적에서 Φ10의 코어 사용 시보다 현저히 많 고 Φ5의 사용 시에 비해서는 비슷하거나 많은 수준이므로 본 연구의 결과로만 본다면 7.5 cm 내경의 코어가 효율적일 것으로 보인다. 모래질인 SR지점에서는 이상에서 유추된 것 과 다른 결과를 보였는데 이는 Φ10의 코어 사용 시에 퇴적 물 표면에서 유영하는 종들이 많이 혼입되었기 때문이다.

다양도지수(Diversity index: H') 역시 조사면적이 커질수 록 계속 증가하는 경향을 보였다(Fig. 4). 조사면적이 증가 하면서 개체수비율이 작은 종들이 가입되어 다양도지수의 증가율이 낮아진 것으로 보인다(^{Kong and Kim, 2015b}).

Fig. 4. Weibull cumulative distribution function results between diversity index and cumulative area according to core sizes.

조립질 하상의 하천에서 수행된 ^{Kim et al. (2013)}과 ^{Kong and Kim (2015b)}의 연구에서는 서버넷(30 cm × 30 cm)으로 반복횟수 5 ~ 6회 이상 조사했을 경우 다양도지수 값이 대략 추세적인 최대치에 근접하였다. 본 연구에서는 다양도지수 값이 최대치에 근접하기 위해서 보다 더 많은 반복횟수(약 10회 이상)가 요구되는 것으로 나타났는데 이 는 조사도구의 채취면적 차이에 따른 것으로 판단된다. 즉 Φ7.5의 코어를 기준할 때 코어의 채취면적은 서버넷의 채 취면적의 1/16에 불과하기 때문에 모집단의 상태를 파악하 기 위해서 더 많은 반복횟수의 조사가 필요한 것일 뿐이다.

조사면적을 기준으로 한다면 서버넷 반복횟수 5회는 0.45 m²이고 Φ7.5의 코어 반복횟수 10회는 약 0.044 m²기 때문 에 본 연구의 결과는 조립질을 대상으로 기존의 연구 결과 에 비해 약 10배 더 작은 조사면적에서 모집단의 다양도의 최대치에 수렴한다고 볼 수 있다. 이는 세립질 퇴적물은 조립질 하상에 비해 미소서식처가 단순하고 균질하기 때문 에 비롯된 것이라 판단된다.

생물 모집단의 다양도지수를 파악하기 위해서는 큰 조사 면적에서 많은 반복횟수로 조사하는 것이 바람직하겠으나, 현장조사는 물론 실험실에서 소요되는 비용과 인력을 고려 할 때 적정한 표본크기를 결정해야 한다. 본 연구의 결과 로 본다면 Φ7.5의 코어를 기준으로 할 때 반복횟수 5 ~ 6 회에서 모형으로 추정되는 모집단의 다양도의 약 80 % 수 준을 보이는데 이 정도가 비용효율적인 안이 될 수 있을 것으로 제안한다.

우점도지수(Dominance index; DI)는 누적조사면적이 커질 수록 감소하다가 Φ7.5와 Φ10의 코어에서는 반복횟수 5 ~ 6 회 이상 조사하였을 경우 큰 변화가 없었다(Fig. 5). 세립질 퇴적질에서는 실지렁이류가 흔히 우세종으로 출현한다(^{NIER, 2014}). 조사면적이 커질수록 우점도가 감소하는 것은 새로 운 미소서식처가 조사에 추가되면서 우세종 외의 종들이 가입되어 특정 우세종의 비율을 감소시키기 때문인 것으로 보인다(^{Kong and Kim, 2015b}).

Fig. 5. Weibull cumulative distribution function results between dominance index and cumulative area according to core sizes.

종풍부도지수는 조사면적이 늘어남에 따라 변동되는 종수 와 개체수에 의해 지수 값이 변하게 된다(^{Kong and Kim, 2015b}; ^{Ludwig and James, 1988}). 조사면적이 증가함에 따 라 종풍부도지수는 증가하였다. Φ5의 코어를 제외하고 Φ7.5와 Φ10의 코어에서는 15회 반복횟수에도 최대 종풍부도 지수 값에 미치지 못하였다(Fig. 6).

Fig. 6. Weibull cumulative distribution function results between species richness index and cumulative area according to core sizes.

균등도지수는 Φ5의 코어를 제외한 다른 내경의 코어에서 는 조사면적이 커질수록 계속하여 감소하는 경향을 보였다 (Fig. 7). 조사면적이 증가하여 개체수비율이 작은 종들이 가입될 때 종수의 증가율에 비해 다양도지수 값의 증가율 은 낮아지기 때문에 균등도지수는 감소하게 된다(^{Kong and Kim, 2015b}).

Fig. 7. Weibull cumulative distribution function results between evenness index and cumulative area according to core sizes.

와이블 모형을 이용한 조사면적과 군집지수(다양도와 우 점도 기준)의 관계와 비용과 인력을 고려할 때 적정한 조 사도구와 반복횟수는 7.5 cm 내경의 core로 5 ~ 6회로 제안 할 수 있다.

3.3. 채집 심도

퇴적물을 파고들어 굴을 파고 서식(burrower)하는 깔따 구류와 일부 하루살이류(Ephemera) 유충은 20 cm 또는 그 이상의 깊이까지 서식한다(^{Edwards and Rolley, 1965}; ^{Gardner et al., 1983}; ^{Graneli, 1979}; ^{Hargrave, 1975}). 말조 개류(Unionid clams)는 표면과 10 cm 정도의 깊이에서 서식 하는 것으로 알려져 있다(^{McCall et al., 1979}). 담수 빈모류 는 퇴적질의 상부 1 cm에서 서식하는 모든 빈모류 종류의 60 %가 출현(^{Cole, 1955})하고, 퇴적질의 최대 15 cm 심도까 지 서식(^{Berg, 1938})하며, 실지렁이(Limnodrilus hoffmeisteri) 는 8 cm 심도에서 균등하게 분포(^{Milbrink, 1969})하는 것 으로 연구되었다. 또한 빈모류의 대표적인 아가미지렁이 (Branchiura sowerbyi)는 최대 20 cm, 실지렁이와 참실지렁 이(Tubifex tubifex)는 최대 10 cm 심도까지 퇴적물에 존재 하는 유기물을 섭식하며, 아가미지렁이는 11.7 ~ 13.6 cm, 실지렁이와 참실지렁이는 5.21 ~ 5.27 cm 심도에서 최대섭 식율을 보인다고 연구되었다(^{Matisoff et al., 1999}).

4개 지점(SR, JJ, SYR, YJ)에 대한 심도별 분포 조사에 서 채집된 저서성 대형무척추동물 중 퇴적물 내에 서식하 는 종의 대부분은 실지렁이와 깔따구류였다(Table 4). 4개 지점의 각 층별 출현 종수, 출현 밀도, 개체수를 평균하여 분석하였다(Fig. 8).

Fig. 8. Occurrence of benthic macroinvertebrates based on percentage level according to the depth range of sediment in the four surveyed sites (error bar indicates standard deviation).

0 ~ 15 cm의 퇴적물 층에서 출현한 총 종수를 기준으로 할 때 층별 출현종수의 상대비는 0 ~ 2 cm와 2 ~ 4 cm 층 에서 평균 91 %였고, 4 ~ 6 cm에서는 55 %, 6 ~ 10 cm에서 는 30 %, 10 ~ 15 cm에서는 6 %로 감소하였다(Fig. 8a). 10 ~ 15 cm의 심도에서는 소양강(SYR) 지점에서만 실지렁이 가 출현하였을 뿐이며 그 외의 지점은 모두 10 cm 이내의 심도에서만 출현하였다.

전체 조사지점에서 0 ~ 2 cm와 2 ~ 4 cm 층간에 밀도 차 이는 있으나 출현하는 종수에는 차이가 거의 없었으며, 지 점별로 0 ~ 2 cm 층에서는 출현하지 않고 2 ~ 4 cm 층에서 만 출현하는 종류는 전체 종수의 9 % 수준이었다(Fig. 8b). 즉 전체 출현 종의 91 %가 0 ~ 2 cm 층에서 출현하고 그 아래에서는 2 ~ 4 cm 층에서만 9 %의 가입율(recruitment ratio)로 일부 종이 추가될 뿐이고 4 cm 보다 깊은 층에서 는 신규 가입종이 없었다.

0 ~ 15 cm의 퇴적물 층에서 출현한 총 개체수를 기준으 로 할 때 층별 출현 개체수의 상대비는 깊이가 깊어질수 록 지수적으로 감소하였다(Fig. 8c). 상대출현개체수비는 0 ~ 2 cm 층에서 60 %, 2 ~ 4 cm 층에서 25 %, 4 ~ 6 cm 층 에서 10 %로 0 ~ 6 cm 층에서 95 %의 상대비로 밀집하였다. 이는 실험실 내 용존산소 공급이 되는 조건에서 퇴적물의 0 ~ 6 cm 층에서 실지렁이 출현개체수비율이 95 %를 나타낸 ^{Fisher and Beeton (1975)}의 연구와 일치하는 결과였다. ^{Fisher and Beeton (1975)}는 실지렁이만을 대상으로 실험 실 내 연구로 진행되었지만, 본 연구에서는 실제 현장에서 서식하는 생물을 심도별 출현비율을 분석 한 것으로 의의 가 있다. 그 이상의 심도에서는 SYR 지점에서 소수의 실 지렁이가 출현하였지만, 본 연구의 심도별 분포에 대한 조 사지점이 충분하지 않기 때문에 15 cm 심도까지는 조사가 필요하다고 본다.

3.4. 거름체 공극

프랑스의 IOBS 프로토콜과 벨기에의 Biotic sediment index (^{Beyst and DePauw, 1996}) 등의 퇴적질 현장조사에 서는 0.5 mm의 거름체를 이용한다.

4개 지점(SR, JJ, GMW, GP)에 대한 채집물의 거름체 회수율 조사에서 출현한 종은 실지렁이와 콧구멍실지렁이 (Bothrioneurum vejdoskynum), 톡토기류(Collembola sp.), 깔 따구류였다(Table 5).

조사결과 1 mm 거름체로는 소형 종들이 망을 통과하여 개체수 뿐만 아니라 종수에서도 손실이 있었으며, 0.5 mm 거름체로는 종수에는 손실이 크지 않으나 동일종에서 소형 개체들의 손실이 큰 것으로 나타났다. 각 지점 별 거름체 공극의 출현 종, 개체수의 평균을 분석하였다(Fig. 9).

Fig. 9. Collection of benthic macroinvertebrates based on percentage level according to the pore size of sediment sieve in the four surveyed sites (error bar indicates standard deviation).

즉 0.2 mm 거름체를 기준으로 할 때 1 mm 거름체의 회 수율은 종수가 64 %이고 개체수는 12 %로 낮았으며, 0.5 mm 거름체의 회수율은 종수가 95 %이나 개체수는 45 %에 불과하였다. 또한 출현한 모든 종에서 손실이 있었으며 손 실이 특정 종에 선택적인 것이 아니었다. 따라서 일반적으 로 저서성 대형무척추동물의 크기 기준을 0.2 mm로 정하 고 있는 점을 고려해서라도 세립질 퇴적물의 저서성 대형 무척추동물의 회수를 위해서는 0.2 mm 거름체를 이용해야 할 것으로 판단된다.