김동희
(Dong hee Kim)
aiD
공동수
(Dongsoo Kong)
b†iD
-
경기대학교 생명과학과
(Department of Life Science, Kyonggi University)
© Korean Society on Water Quality. All rights reserved.
Key words
Benthic macroinvertebrates, BMSI, Streambed, Water quality
1. Introduction
수십년간 다양한 저서성 대형무척추동물을 이용한 생물학적 지수를 기반으로 하천생태계의 수질을 평가해왔다(Hawkes, 1979; Hellawell, 1986; Thomas, 1972). 국내에서도 저서성 대형무척추동물을 이용하여 수질 평가를 시행해왔으며 (Yoon et al., 1992a; Yoon et al., 1992b; Yoon et al., 1992c) 이에 대한 평가 지수로는 Won et al. (2006)의 한국오수생물 지수(Korean Saprobic Index, KSI)와 Kong et al. (2018a)의 저서동물지수(Benthic Macroinvertebrates Index, BMI), Kong et al. (2018b)의 저서성 대형무척추동물 생태점수(Ecological Score of Benthic Macroinvertebrates, ESB)가 있다. 하지만 국내에서
물리적인 요인을 기반으로 한 생물학적 지표는 수 질 평가 지표에 비해 연구가 부족한 현황이다. 여러 연구들 은 세립질 하상에 비해 조립질 하상에서
비교적 다양한 저 서성 대형무척추동물분류군이 출현하는 것으로 보고하였다 (Culp et al., 1983; Death, 2000; Gore et al., 2001; Duan et al., 2008; Minshall, 1984). 또한 하상 기질의 조성은 저서성 대형무척추동물의 종수 및 개체수에 영향을 미치는 주된 요 인으로 알려져 있으며(Beisel et al., 1998; Erman and Erman, 1984), 유속과 더불어 저서성 대형무척추동물 군집 구조를 예측하는 가장 좋은 인자로 평가받고 있다(Corkum, 1989; Yoon et al, 1992b). 하천의 물리적 서식지의 교란은 하천 생태계에 영향을 미치는 중요한 요소이다(Malmqvist and Rundle, 2002; Nilsson et al., 2005). 그 중에서도 하상 기질의 교란이 빈번하면 저서성 대형무척추동물의 풍부도가 줄어들 수 있다(Townsend et al., 1997a, 1997b).
국내에서도 Kong and Kim (2016)에 의해 하상 기질의 조성 에 따른 저서성 대형무척추동물 군집을 대변 할 수 있는 저서 동물 하천하상지수(Benthic Macroinvertebrates
Streambed Index, BMSI)가 개발됨으로써 이를 수생태계 변화의 원인 분 석에 활용하기 위한 목적으로 수행되었다. BMSI의 구성은 개
체수 출현도와 지표가중치의 곱으로 가중평균한 하상지수 값 을 0~100점으로 계량화한 형태로 구성되어있고, 점수의 구간 별로 등급을 나누고 있다(Kong and Kim, 2016).
그러나 이 연구에서는 하상 기질의 유형에 따른 저서성 대형무척추동물의 출현 특성을 분석 시, 수질을 고려하지 않았다는 한계점이 있다. 수질 또한 물리적
요인과 함께 생 물 군집에 영향을 미치는 주요한 요인이기 때문에 수질에 독립적이지 않은 자료를 바탕으로 분석된 결과가 온전히 하 상 기질에 의한 영향만을
대변한다고 할 수 없다. 이에 따라 본 연구는 비교적 양호한 수질 조건에서 하상 기질의 유형 에 따른 저서성 대형무척추동물의 분포 특성을 분석하여
BMSI를 보다 정확한 생물학적 하상지수로 개선하는데 목적 이 있다.
2. Materials and Methods
2.1. 자료수집
저서성 대형무척추동물 하천하상지수의 개선에 사용된 자 료는 환경부·국립환경과학원의 “수생태계 건강성 조사 및 평가(´08~´13년)”와 “하천 수생태계
현황 조사 및 건강성 평가(´14~´18년)”의 저서성 대형무척추동물과 하상 및 수질 조사결과를 이용하였다. 3,035개 지점의 연 2회(봄, 가을)
조 사결과 중 수질과 저서성 대형무척추동물자료를 사용 할 수 있는 표본단위(sampling unit)는 20,155개였다.
수질 요인에 독립적인 자료를 얻기 위해서 전체 조사지점 중 비교적 동등한 수질 조건을 충족시키는 지점들을 선정하 고자 “물환경정보시스템(www.nier.go.kr)”의 하천의 생활환 경기준에서 ‘좋음’에 해당하는 수질을 기준 조건으로 하였다 (Table 1). 고려한 수질 항목으로는 BOD5 (5-day biochemical oxygen demand)와 T-P (total phosphorus)가 있으며, BOD5 의 농도가 2.0 mg/L 이하이면서 T-P 의 농도가 0.04 mg/L 이하인 지점을 선정하였다. 조건에 부합하는 지점은 2,007개 였으며 총
표본단위는 6,571개였다.
Table 1. Class of life environment of stream of Biological Oxygen Demand (BOD) and Total Phosphorus (T-P)
|
Class
|
Biological Oxygen Demand (BOD) (mg/L)
|
Total Phosphorus (T-P) (mg/L)
|
|
Extremely good
|
Ia |
≤ 1
|
≤ 0.02
|
|
Good
|
Ib |
1< ~ ≤ 2
|
0.02< ~ ≤ 0.04
|
|
Slightly good
|
II |
2< ~ ≤ 3
|
0.04< ~ ≤ 0.1
|
|
Normal
|
III |
3< ~ ≤ 5
|
0.1< ~ ≤ 0.2
|
|
Slightly bad
|
IV |
5< ~ ≤ 8
|
0.2< ~ ≤ 0.3
|
|
Bad
|
V |
8< ~ ≤ 10
|
0.3 < ~ ≤ 0.5
|
|
Extremely bad
|
VI |
>10
|
>0.5
|
2.2. 분석방법
2.2.1. 저서동물 하상지수 선정
하상의 평균입경
Φ
m
:
Φ
=
-
Log
2
D
m
,
D
m
=
입경
mm
, 하상기 질의 유형화, 하상계열치(lithophililic series value)의 설정 및 저서성 대형무척추동물의 복합상대출현도(combined
relative abundance)의 산출과정은 Kong and Kim (2016)의 분석방법 을 따랐다. Kong and Kim (2016)의 방법에 따라 수질을 고 려하여 새롭게 선정된 6,571개의 지점을 대상으로 하상계급 치(Lithophilic valency)와 하상지수(Lithophilic
value), 지표 가중치(Indicator weight value)를 새로이 산정하였다.
하상기질의 조성과 저서성 대형무척추동물 군집구조 간의 관계를 분석하기 위해서 새로이 구성된 저서동물 하천하상 지수와 군집지수를 비교하였다. 분석에
이용된 군집지수는 McNaughton (1967)의 우점도지수(Dominant index; DI), Shannon-Weaver (1949)의 다양도지수(Diversity index; H´), Margalef (1958)의 풍부도지수(Richness index; R), Pielou(1975)의 균등도지수(Evenness index; J´)였다.
3. Results and Discussion
3.1. 하상계급치 및 하상지수
새롭게 산정된 각 지표 분류군의 하상계급치는 총 191개 지표 분류군 모두 기존의 것과 차이를 보였다. 이에 따라 분 석에 이용된 총 191개 지표
분류군 중 126개 분류군에서 각 분류군의 대표하상지수(Representative integer of lithophilic value: l)가 새롭게 산정되었다(Appendix 1).
예시로 전체 표본단위에서 출현도가 높은 흰점줄날도래 (Hydropsyche valvata)의 하상계급치를 비교하였다(Fig. 1a, 1b). 하상계열 0(Φm =-6)이 0.37에서 0.34로 감소하였으며, 하상계열 1(Φm =-5)이 0.29에서 0.36으로 증가, 하상계열 2 (Φm =-4)가 0.25에서 0.20으로 감소, 하상계열 3(Φm =-3)이 0.08로 동일, 하상계열 4(Φm =-1)가 0.01에서 0.02로 증가하 였다. 이에 대표하상지수 값은 0에서 1로 변경되었다. 이는 줄날도래과(Hydropsychidae)가 비교적
빠른 유속에 서식하 며, 하상계급치 1의 계열 값인 pebble (Dm=16 ~ 64mm)의 하상을 선호하기 때문이다(Kim and Kong, 2018). 기존 결과 와 가장 두드러진 차이를 보인 분류군은 네모집날도래류 (Lepidostoma)였다(Fig. 1c, 1d). 하상계열 0(Φm =-6)이 기존 0.45에서 0.27로 감소하였으며, 하상계열 1(Φm =-5)이 0.25에 서 0.16으로 감소, 하상계열 2(Φm =-4)가 0.16에서 0.19로 증 가, 하상계열 3(Φm =-3)이 0.12에서 0.33으로 증가, 하상계열 4(Φm =-1)가 0.02에서 0.05로 증가하였다. 이에 대표하상지수 값은 0에서 3으로 크게 변경되었다. 이는 네모집날도래류의 유충이 1령에서 3령
초기까지 sand (Dm=0.063~2mm)로 집 을 만들고, 그 이후에는 나뭇잎을 이용하여 집을 만들어 생 활하며(Hansell, 1976), 유속이 느린 소에서 서식하기 때문에 (Finlay et al., 2002), 비교적 세립질인 하상을 선호한다. 흰 점줄날도래와 네모집날도래류는 기존에 비해 새로이 구성된 대표하상지수 값이 분류군 특성을 고려하여 더 정확한
값을 나타낸 것으로 판단된다.
Fig. 1. Original lithophilic valency and new lithophilic valency ofHydropsyche valvataandLepidostomaaccording to combined relative abundance lithophilic value.
3.2. 저서동물 하천하상지수(BMSI)와 저서동물지수 (BMI)의 비교
수질을 고려하여 재선정한 전체 지점의 저서동물지수 (BMI)와 기존 BMSI, 새로이 구성된 BMSI를 비교한 결과 두 가지 BMSI 모두 BMI와
높은 상관성을 보였으며 고도의 유의성(p<0.001)을 보였다(Fig. 2). BMSI와 BMI 상관계수 (r)는 기존의 것이 약 0.93, 새로이 구성된 것이 약 0.90의 값을 보였다(Fig. 2). 기존의 비해 새로이 구성된 BMSI의 상 관도가 더 낮았다. 기존의 BMSI 값과 새로이 구성된 BMSI 값은 BMI 값이 약 33.18을 기준으로
양극단으로 갈수록 차 이가 상대적으로 큰 경향을 보였다.
Fig. 2. Correlation of original benthic macroinvertebrates streambed index (BMSI) and new benthic macroinvertebrates strembed index (BMSI) according to benthic macroinvertebrates index (BMI).
3.3. 저서동물 하천하상지수(BMSI)와 군집지수의 관계
새로이 구성된 BMSI는 군집지수(우점도지수, 다양도지수, 풍부도지수, 균등도지수)와 고도로 유의한(p<0.001) 상관성 을 보였다(Fig. 3). BMSI는 우점도지수와 음의 상관성을 보 였으며(r=-0.588), 다양도지수 및 풍부도지수, 균등도지수와 양의 상관성을 보였다(각각 r=0.631, r=0.664, r=0.229). 세 립질 하상은 조립질 하상에 비해 교란에 더 민감하여 생물 다양성이 감소하며(Duan et al., 2009), 이에 따라 다양도지 수 및 풍부도지수 값이 낮아진다(Duan et al., 2008). 또한 세립질 하상일수록 BMSI 점수도 낮아지므로 다양도지수와 풍부도지수가 BMSI와 양의 상관성을 보인 것으로 판단된 다. 세립질 하상과 같이
단순한 하상구조일수록 생물 군집 의 다양성이 낮아지고, 소수 종이 우점하여 우점도지수 값 이 높아지기 때문에 BMSI와 우점도지수는 음의 상관성을
보이게 된다.
Fig. 3. Relationship between Benthic macroinvertebrates streambed index (BMSI) and Community analysis (Dominance index; DI, Diversity index; H´, Richness index; R, Evenness index; J´).
3.4. 저서동물 하천하상지수(BMSI)의 평가 등급 개정
Kong and Kim (2016)의 분석 방법에 따라 새로이 구성된 저서동물 하천하상지수(BMSI)의 최종 평가 등급을 재설정 하였다. 평가 등급은 복합상대출현도를 기준으로 산정된
BMSI 값의 회귀식을 기초로 하여 설정되었고, 가독성을 위 해 5 단위를 기준으로 반올림 하였다(Table 2).
Table 2. Class of Benthic macroinvertebrates streambed index (BMSI) for evaluation of streambed substrate status
|
Lithophility class
|
Benthic macroinvertebrates streambed index (BMSI)
|
Lithophility
|
|
A
|
80≤ ~ 100
|
Lithophilous
|
|
B
|
60≤ ~ <80
|
Psephophilous
|
|
C
|
35≤ ~ <60
|
Moderate
|
|
D
|
25≤ ~ <35
|
Psammophilous
|
|
E
|
0 ~ <25
|
Pelophilous
|
Kong and Kim (2016)의 BMSI 최종 평가 등급은 아래와 같이 설정되어 있다(Table 3). A부터 E까지 등급별 구간은 각각 기존의 것이 15, 20, 35, 15, 15이며 새로이 구성된 것 이 20, 20, 25, 10, 25 이다.
등급별 구간의 차이는 새로이 구성된 것 이 기존의 것 보다 더 고르게 평가되어 있다.
Table 3. Classification of Benthic macroinvertebrates streambed index (BMSI) for evaluation of streambed substrate status from Kong and Kim (2016)
|
Lithophility class
|
Benthic macroinvertebrates streambed index (BMSI)
|
Lithophility
|
|
A
|
85≤ ~ 100
|
Lithophilous
|
|
B
|
65≤ ~ <85
|
Psephophilous
|
|
C
|
30≤ ~ <65
|
Moderate
|
|
D
|
15≤ ~ <30
|
Psammophilous
|
|
E
|
0 ~ <15
|
Pelophilous
|
4. Conclusion
본 연구에서는 수질 요인과는 독립적으로 하상 기질의 유 형에 따른 저서성 대형무척추동물의 분포 특성을 분석하고 자, 비교적 양호한 수질 상태를 가진
6,571개 표본단위를 기 반으로 기존의 저서동물 하천하상지수(BMSI)를 개선하였 다. 그 결과 총 191개 분류군 중 126개 분류군의 대표하상
지수가 새로이 산정되었다. 비교적 수질 요인에 독립적이면 서 더 큰 표본단위를 기반으로 지표 분류군들의 대표하상지 수가 개선됨에 따라 향후 하상 교란에
따른 생물학적 반응 을 보다 더 정확하게 해석할 수 있을 것으로 기대되고, 또한 수질 요인 외에도 유속이나 다른 물리적 환경요소도 고려하 여 보완한다면
독립적인 하상으로만 저서성 대형무척추동물 의 분포 특성을 나타낼 것으로 기대된다.
Acknowledgement
본 연구는 환경부·국립환경과학원의 ｢수생태계 건강성 조사 및 평가(´08~´13년)｣와 ｢하천 수생태계 현황 조사 및 건강성 평가(´14~´18년)｣
사업의 자료로 수행되었습니다.
Appendices
Appendix 1. Lithophilic valency(V), lithophilic value (l) and indicator weight value (g) of each indicator taxon.
References
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