2.1 조사지점 및 조사 기간

본 연구는 경상북도 경주시 덕동호의 댐 앞 지점에서, 2016년부터 2021년까지 6년간 주간 간격으로, 수질 및 식물플랑크톤을 조사하였다(Fig. 1).

Fig. 1. Location of Lake Dukdong.

2.2 기상, 수문 요인 및 이화학적 수질분석

기상 요인은 기상청의 기상 자료개방포털에서 제공하는 강우량, 평균기온, 풍속, 일조시간 및 일조량의 일자료를 기준으로 2016년 1월부터 2021년 10월까지 이용하여 분석하였다 (^{KMA, 2021}). 저수율과 저수량은 경주시 맑은물사업소에서 자료를 받아 활용하였다(^{Gyeongju city, 2021}). 식물플랑크톤과 수질분석을 위한 시료는 덕동호 취수구 20m 지점에서 조류경보제 운영매뉴얼(^{NIER, 2020})에 따라 표층, 수심 1/3 지점, 2/3 지점의 물을 각각 채수, 혼합하였다. 현장 측정항목인 수온, pH, 용존산소(dissolved oxygen, DO) 농도, 전기전도도는 수질 현장 측정기(YSI6600, USA)를 이용하여 현장에서 측정하였다. 수질 항목은 Chlorophyll-a, 총인(TP), 총질소(TN)를 수질오염공정시험기준에 따라 분석하였다(^{ME, 2022}).

2.3 유해남조류 분석

유해남조류의 분석은 채수한 시료 중 일부를 Lugol-Iodine 용액을 이용하여 최종농도 0.3%로 고정하였으며, 채수된 시료는 아이스박스 보관 후에 연구실로 이송하였다. 고정된 시료는 약 500~600 mL을 48~72시간 침전시켜 사이펀을 이용하여 약 100mL로 농축하였다. 농축한 시료를 균질 혼합한 후, 1mL를 Sedwick-Rafter chamber에 넣은 뒤, 위상차현미경(Imager A2, ZEISS, Germany)으로 Anabaena, Aphanizomenon, Microcystis 및 Oscillatoria 속의 세포 밀도(cells/mL)를 정량 분석하였다. 남조류의 동정은 Komărek (^{Komărek et al., 2013}; ^{Komărek and Anagnostidis, 2007})의 분류체계에 따랐으며, 한국의 조류(담수산 남조류 I, II) (^{NIBR, 2012a}; ^2012b)를 참고하였다. Anabaena 속의 경우 대부분의 종이 최근 Dolichospermum으로 속명이 변경되었으나 현행 조류경보제에서 Anabaena 속명을 사용하고 있으므로 본 연구에서도 동일한 속명으로 분류하였다(^{Kang et al., 2014}). 집락형 군체를 형성하여 정확한 계수가 어려운 Microcystis 속은 1차 종 동정 후 초음파 파쇄기(Sonics & Materials Inc., VCX750)로 군체를 파쇄 후, 2차로 정량 계수하였다(^{Lee et al., 2018}).

2.4 통계분석

통계분석은 유해남조류가 주로 출현하는 시기인 5~10월을 대상으로 SPSS 소프트웨어(ver. 23.0)를 사용하여, Pearson 상관분석 및 독립적 t-검정을 실시하였다. Pearson 상관분석은 환경요인과 유해남조류 간의 관계를 분석하였으며, 독립적 t-검정은 조사 기간 중의 유해남조류 평균 변화를 확인하기 위하여 실시하였다. 통계분석 시, 기온, 풍속, 일조시간, 일조량, 저수량은 조사일 전 일주일간(조사일 포함)의 평균을 사용하였으며, 강우량은 조사일 전 일주일간(조사일 포함)의 합계를 이용하였다. 각 변수는 정규성 검정을 실시하였으며, 정규성이 검정되지 않은 변수는 자연로그를 취하여 분석하였다.

3.1 덕동호의 기상 및 수문 특성 분석

덕동호에서 2016년 1월부터 2021년 10월까지 관측된 기온, 일조시간과 일사량, 그리고 강수량을 나타낸 것은 Fig. 2와 같다. 덕동호가 위치한 경주시 기온은 –10.0~31.9℃ 범위로, 평균기온은 14.0℃, 최소 기온은 2016년 1월, 최고 기온은 2017년 7월 나타났다. 연간 평균기온의 변화는 크지 않았으나, 연중 20℃ 이상 일수는 2021년 129일로 최대치를 나타냈다. 2021년 10월의 평균기온은 18.4℃로 다른 해 평균기온보다 약 3.2℃ 높았으며, 20℃ 이상 일수 또한 10일로 다른 연도 평균 2.8일보다 길었다(Fig. 2 (a)). 일사량은 조사 기간 동안 0.4~30.2 MJ/m² 범위로 평균 13.3 MJ/m²를 보였으며, 2016년 1월 가장 낮았고, 2021년 6월 가장 높았다. 월별 일사량은 2월에서 6월 사이 점점 증가하였고, 강우가 집중되는 여름에 감소하는 패턴을 보였다. 5월이 19.3  MJ/m²로 가장 컸으며, 12월이 8.0 MJ/m²로 가장 낮았다. 10월의 경우, 2018년에 12.8 MJ/m², 2021년 12.3 MJ/m²로, 평년 10.8 MJ/m² 보다 높았다. 일조시간은 0.0~13.7 (hr)로 나타났으며, 2016년 6월 가장 길었다. 월별 평균 일조시간은 5월이 7.9 hr로 가장 길었으며, 9월이 4.5 hr로 가장 짧았다 (Fig. 2 (b)). 연 강수량은 590.7~1371.6 mm 범위로, 2017년 590.7 mm 가장 적었으며, 2020년 1371.6 mm 가장 강수량이 많았다(Fig. 2 (c)). 여름에 강우가 집중되는 전형적인 몬순 기후의 특성을 확인하였다(^{Ahn and Kim, 2010}).

Fig. 2. Temporal variation of air temperature (a), sunshine duration and solar radiation (b), rainfall (c) in Lake Dukdong from 2016 to 2021.

수리수문학적 요인의 분석 결과, 덕동호의 저수량은 1,285~3,292만 톤이며, 평균 저수량은 2,457만 톤으로 나타났다. 저수율은 39.2~100.7% 범위로, 평균 저수율은 75.1%로 이었고(Fig. 3), 월별 저수량은 6월 가장 낮으며, 10월 가장 높았다. 덕동호의 이러한 저수율은 장마를 대비하여 수위 조절을 위하여, 6월 방류량이 증가한 영향으로 판단된다. 연도별 저수율을 보면, 2018년 봄의 저수량이 특히 낮은데, 이는 2017년의 적은 강수량이 영향을 미친 것으로 판단된다(Fig. 2(c)).

Fig. 3. Temporal variation of dam storage rate and water storage volume from 2016 to 2021 in Lake Dukdong.

3.2 덕동호의 수질 환경요인

덕동호의 평균 수온은 15.2±7.2℃로 2021년 8월 31.0℃로 가장 높았으며, 2021년 1월 2.0℃로 가장 낮았다. 덕동호는 조사 기간 (2016~2021년) 동안 결빙되지 않았으며, warm monomixis의 수직혼합형태로 보고되었다(^{Kim et al., 1991}). 10월 수온의 경우, 2020년 19.3℃, 2021년 22.4℃로 평균 10월 수온 (18.9℃)보다 높았다 (Fig. 4(a)). 덕동호의 pH는 6.4~9.5 범위(평균 pH 8.1)로, 동계보다는 하계의 식물플랑크톤 세포 밀도가 높게 나타나므로 식물플랑크톤의 광합성의 왕성한 활동으로, pH가 높게 나타났다(^{Kim et al., 1991}). (Fig. 4(a)) DO농도는 5.1~18.4 mg/L의 범위로 조사 기간 평균 9.7 mg/L이며, 2018년 8월 가장 낮았고, 2021년 2월 가장 높았다. 동계의 높은 DO농도는 기온감소로 인한 압력의 증가에 의한 것으로 사료된다(^{Song et al., 2015}). 전기전도도는 50.1~143.5 μS/cm 범위로 평균 106.5 μS/cm이었으며, 2020년 10월 가장 낮았고, 2017년 12월 가장 높았다(Fig. 4(b)).

Fig. 4. Temporal variation of water temperature and pH (a), DO and conductivity (b), TN and TP (c), chlorophyll-a(d) in Lake Dukdong from 2016 to 2021.

영양염 항목 중 TN과 TP는 각각 조사 기간 평균 0.684 (0.259~1.190) mg/L와 0.019(0.006~0.063) mg/L로 조사되었다(Fig. 4(c)). 조사 기간 중 월별 TN 농도는 3월 가장 높았으며, 7월까지 감소하다가 8월부터 다시 증가, 10월 두 번째로 높은 농도를 보였다. 조사 기간 중 월별 TP 농도는 10월 가장 농도가 높았으며, 1월 가장 농도가 낮았다. Chlorophyll-a 농도는 6.9(1.7~46.7) mg/m³였다(Fig. 4(d)). 조사 기간 중 월별 Chlorophyll-a 농도는 크게 3회, 높은 농도를 보였는데, 각각 4월, 7월, 11월이었다. 덕동호의 TP와 Chlorophyll-a 조사 기간 평균 농도는, OECD 부영양지수 기준으로 중영양호에 해당하였다(^{Vollenweider and Kerekes, 1982}). 국내 저수지의 대부분을 차지하는 농업형 저수지와 하천형 저수지에 비교하였을 때, 덕동호의 영양염류 농도는 낮았다(^{Kim and Hwang, 2004}; ^{Kong and Kim, 2019}). 하지만 여름 강우와 고수온 같은 특정 기간의 TP와 Chlorophyll-a 농도는, 부영양화 단계를 보여, 관리에 주의가 필요하다.

3.3 유해남조류 군집특성

덕동호의 유해남조류는 주로 Microcystis 속이 우점하며, 6월부터 출현하여 8월 가장 높은 세포 밀도를 보인다. Anabaena 속과 Aphanizomenon 속은 12월에서 4월 사이 낮은 세포 밀도로 출현하였으며, Oscillatoria 속은 조사기간 중 5회 출현하였다. 각 속별 최대 세포 밀도는, Anabaena 속이 2021년 9월 1,543 cells/mL이었고, Microcystis 속은 2021년 10월 1,520 cells/mL이었다. Aphanizomenon 속은 2021년 10월 1,419 cells/mL로 가장 많이 출현하며, Oscillatoria 속은 2020년 8월 16 cells/mL이었다. 월별 유해남조류의 군집 변화는, 1월부터 5월까지 유해남조류는 거의 출현하지 않았고, Microcystis 속이 수온이 20℃ 이상 유지되는 6월부터 출현하기 시작하여, 수온이 가장 높았던 8월 세포 밀도가 최대가 되었다. Aphanizomenon 속은 6월부터 출현하기 시작하여 수온이 감소하는 10월에 세포 밀도가 가장 높았다. Anabaena 속의 세포 밀도는 5월부터 출현하기 시작하여 9월 최대가 되며 점차 감소하였다. 이는 낙동강(^{Park et al., 2021}), 팔당호 (^{Park et al., 2000}), 대청호(^{Park and Lee, 2005})의 Microcystis 속과 Aphanizomenon 속 출현 및 천이와 비슷한 양상을 보였다.

덕동호의 연도별 유해남조류 세포 밀도는 2016년부터 2018년까지 조류경보제 ‘관심’ 단계 발령 기준인 1,000 cells/mL 이하로 낮았으나, 2019년 이후 매년 1,000cells/mL 이상의 세포 밀도를 보였으며, 2019년 7월 1,582 cells/mL, 2020년 8월 1,482 cells/mL 및 2021년 10월 최대 세포 밀도인 3,189 cells/mL였다. 유해남조류가 세포 밀도가 가장 높았던, 2021년 10월은 Microcystis 속 우점(47.7%), Aphanizomenon 속이 아우점(44.5%)하였으며, Anabaena 속(7.8%)이 나머지를 차지하였다(Fig. 5.).

Fig. 5. Temporal variation of harmful cyanobacteria in Lake Dukdong from 2016 to 2021.

3.4 덕동호의 유해남조류와 환경인자 간의 상관관계

유해남조류의 속별 세포 밀도와 기상, 수문, 이화학적 요인간의 상관성을 파악하고자 유해남조류 출현 시기인 5~10월을 대상으로 상관분석을 실시하였다(Table 1). 각 속과 변수 간의 상관성 중 유의한 상관성을 보인 항목은 다음과 같았다. 덕동호에서 출현한 Microcystis 속과 양의 상관성을 보인 항목은 수온, 기온, 댐 저수량이며, 음의 상관성을 보인 항목은 DO, 전기전도도, TN, TN/TP ratio, 풍속, 일조시간이었다. Anabaena 속과 양의 상관성을 보인 항목은 수온, Chlorophyll-a, 항목이었으며, 음의 상관성을 보인 항목은 DO, TN, 풍속, 일조시간, 일사량이었다. Aphanizomenon 속과 양의 상관관계를 보인 항목은 수온, 저수량이며, 음의 상관관계를 보인 항목은 pH, DO, 풍속과 일조시간이었다. Oscillatoria 속은 수온과 양의 상관성을, TN/TP ratio와 음의 상관관계를 나타냈다.

4속의 유해남조류 모두 수온과 양의 상관성을 보였으며, 상관계수가 0.227~0.399 범위로, 각 속과 변수 간의 상관관계 중 가장 높았다. DO 농도는 유해남조류와 음의 상관성을 보였는데, 일반적으로 조류 세포 밀도가 증가하면 광합성의 작용으로 DO 농도가 증가하지만, 수온 감소 시 DO 농도 증가의 영향이 더 크게 작용한 것으로 판단된다(^{Song et al., 2015}). 댐 저수량은 Microcystis 속과 Aphanizomenon 속과 유의한 양의 상관관계를 보였다. TN 농도는 가을과 겨울에 증가하였는데, 해당 시기는 유해남조류가 감소하는 시기이기 때문에, 유해남조류와 음의 상관관계로 나타났다. 반면 TP 농도는 유해남조류와 양의 상관관계를 보이고, TN/TP ratio는 모든 유해남조류와 유의한 음의 상관성을 보이는데, 보통 인이 수온이 증가하는 여름, 강수량 증가와 함께 댐에 유입되어, 유해남조류 성장에 이용되기 때문이다(^{Kim et al., 2012}).

3.5 덕동호 유해남조류 증가 원인 분석

연간 유해남조류 세포 밀도 변화 결과 (Fig. 5)에서, 2016~2018년과 2019~2021년을 비교하였을 때, 2019~2021년 유해남조류가 증가한 것을 확인하였다. t-검정 결과 (Table 2.), 유해남조류 4속 중 Microcystis와 Aphanizomenon의 세포 밀도는 2016~2018년에 비해 2019~2021년에 증가하여, 유의한 차이가 있음을 확인하였다. 비록 Anabaena 속은 유의한 차이는 보이지 않았지만, 2019~2021년에 증가한 것으로 나타났으며, Oscillatoria 속은 2019년부터 출현하였다. 기상, 수문, 이화학적 항목 중, 두 기간 사이에 유의한 차이가 있는 항목은, 수온, pH, TN, TP, TN/TP ratio 및 저수량이었다. 2016~2018년에 비해 2019~2021년의 pH, DO, TN, TN/TP ratio는 감소하였으며, 수온, TP, 저수량은 증가하였다.

과거 한국의 댐 호의 육수학적 특성과 조류 발생의 상관관계 연구 사례에서, 덕동호와 같은 호소형 댐 호에서 여름철 유해남조류 번성 원인을 다음의 4가지로 들었다. 1) 강우 유입에 따른 인 유입량의 증가, 2) 수온 상승에 따른 성층형성, 3) 체류시간의 증가 그리고 4) 일조량 및 수온의 증가이다(^{Kim et al., 2003}). 위의 4가지 번성 원인 중, 본 연구에서는 수온 상승과 TP 농도 증가를 확인할 수 있었다. 평균 수온은 2016~2018년보다 2019~2021년이 약 3.6℃ 상승하였다 (Table 2). 특히, 유해남조류 세포 밀도가 가장 높았던 2021년 10월의 경우, 다른 해에 비해 평균기온이 약 3.2℃ 높았으며, 20℃ 이상 일수 2.8일이 더 길어, 다른 해보다 높은 수온 (22.4℃)이 유지되었다(Fig. 4 (a)). 덕동호의 TP 농도 또한 2016~2018년 0.017mg/L 보다 2019~2021년 0.028 mg/L로 증가한 것을 확인할 수 있으며, 때에 따라 부영양단계에 해당하였다(Fig. 4 (c)). 정확한 덕동호의 체류시간은 알 수 없지만, 2019~2021년 저수량이 증가한 것을 확인하였으며, Microcystis와 Aphanizomenon 속이 저수량과 양의 상관을 보이고 있었다. 저수량의 증가에 따른 체류시간의 변화가 두 속의 증가에 영향을 주었을 것으로 사료된다.