송재하
(ha Song)
1aiD
곽인실
(Sil Kwak)
2aiD
공동수
(Soo Kong)
1b†iD
-
경기대학교 생명과학전공
(Department of Life Science, Kyonggi University)
-
전남대학교 해양융합과학과
(Department of Ocean Integrated Science, Chonnam National University)
Copyright © KOREAN SOCIETY ON WATER ENVIRONMENT
Key words
Benthic macroinvertebrates, Core sampler, Sampling methodology, Sediment biomonitoring
1. Introduction
저서성 대형무척추동물(benthic macroinvertebrates)은 담수 생태계의 장기적 환경 상태를 반영하는 대표적 지표생물이다. 이들은 오염과
물리적 교란에 민감하게 반응하므로 수생태계 건강성 평가에 널리 활용된다(O’Callaghan et al., 2022; Reynoldson et al., 1997). 특히 퇴적물 내 군집 구조 분석은 유기물 축적과 중금속 오염, 영양염류 농축 등 다양한 환경요인을 반영할 수 있어 담수 퇴적물의 건강성 평가에
효과적이다.
국외에서는 퇴적물 채집을 위한 표준화 방법이 이미 마련되어 있다. 미국 환경보호청(USEPA)은 National Rivers and Streams
Assessment (NRSA)에서 그랩 샘플러와 코어 샘플러를 이용한 표준화 프로토콜을 운영한다(Lazorchak et al., 1998). 유럽연합(EU)은 Water Framework Directive (WFD)를 통해 다중 샘플링과 표준화된 거름체 사용을 권장한다(Birk and Hering, 2006). 또한 캐나다의 Canadian Aquatic Biomonitoring Network (CABIN) 프로그램에서 저서성 대형무척추동물을 기반으로
한 대규모 모니터링을 수행하고 있으며, Reynoldson et al. (1997)은 도구와 방법의 일관성이 지표 신뢰도를 높이는 핵심임을 강조하였다.
국내에서는 환경부의 ‘수생태계 현황 조사 및 건강성 평가’ 사업 등을 통해 저서성 대형무척추동물을 활용한 모니터링이 진행되고 있다. 그러나 퇴적물
환경에 특화된 채집방법은 아직 부족하다. Kim et al. (2018)은 세립질 퇴적물에서 Φ7.5 cm 코어를 5회 반복 채집하는 방법이 효율성과 대표성을 모두 확보할 수 있다고 제안하였다. 그러나 연구 지점의 수가
제한적이어서 공간적 일반화에는 한계가 있었다. 이러한 한계를 보완하기 위해 조사 범위를 전국 15개 하천으로 확대하여 공간적 다양성을 확보하였으며,
이를 통해 기존 방법론의 일반화 가능성을 높였다.
본 연구는 국내 담수 퇴적물 생물모니터링을 위한 표준화 채집 방법을 제시하고자 한다. 연구 범위는 네 가지 요소이다. 첫째, 채집 횟수와 종수 간
관계를 Weibull 모형으로 분석하였다(Syomin et al., 2024). 둘째, 내경 크기가 다른 코어 샘플러의 채집 효율성을 비교하였다(Barba et al., 2010; Flannagan, 1970). 셋째, 퇴적물 내 수직 분포를 반영하기 위해 적정 채집 심도를 검토하였다(Klimaszyk and Heymann, 2010; Weigelhofer and Waringer, 2003). 넷째, 거름체 공극 크기에 따른 생물 회수 차이를 비교하였다(Schlacher and Wooldridge, 1996; Tanaka and Leite., 1998).
코어 샘플러는 퇴적물의 수직 구조를 그대로 보존할 수 있어 수직 분포와 입자 크기, 유기물 함량을 함께 반영할 수 있다(Syomin et al., 2024). 또한 채집 효율과 반복성이 높아 표준화 모니터링에 적합하다(Lewis and Stoner, 1981). 본 연구는 전국 15개 하천을 대상으로 이러한 네 가지 요소를 종합적으로 검증하여 국내 담수 퇴적물 환경에 적합한 최적의 채집 방법을 마련하는
데 목적이 있다.
2. Materials and Methods
2.1 자료 수집
본 연구는 한국환경산업기술원(KEITI)의 “수생 생물을 이용한 하천 퇴적물 건강성 평가 기술 개발(2022∼2024)” 과제의 일환으로, 2022년
6월부터 2023년 10월까지 2년간 전국 주요 하천과 호소, 산단 하천을 대상으로 조사를 수행하였다. 조사지점은 하천 퇴적물 특성과 국내 수생태계
건강성 평가의 대표성을 고려해 한강, 낙동강, 금강 등 3대 수계에 걸쳐 총 15개 지점을 선정하였다. 이 중 채집 도구 내경 크기, 채집 횟수,
채집 심도 등 주요 변수 표준화 연구를 위해 한강 수계 7개, 낙동강 수계 4개, 금강 수계 4개 지점을 대상으로 집중 조사를 수행하였다. 거름체
공극 크기 표준화 연구를 위해 낙동강 수계 7개 지점을 추가로 선정해 조사하였다(Fig. 1, Table 1).
조사지점에서 현장 조사를 통해 퇴적물의 입도 분석과 하상 유형 분류를 실시하였다. 퇴적물 입도 분류에는 Wentworth (1922)가 제안한 국제 표준 분류 체계인 Wentworth scale을 준용하였다. 본 연구에서는 연구의 목적과 하천의 특성을 고려하여 Gravel, Sand,
Silt로 단순화하여 하상 유형을 분류하였다(Table 2).
Fig. 1. Location of the survey sites (●: sampling site).
Table 1 Geographic Locations of Sampling Sites
|
Site
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latitude
|
longitude
|
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GC
|
37°14’38.00"
|
127°41’06.00"
|
|
BO
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37°16’22.00"
|
126°51’43.00"
|
|
SG
|
37°14’21.20"
|
127°45’00.10"
|
|
HC
|
37°43’22.80"
|
127°35’27.10"
|
|
SH
|
37°16’34.40"
|
126°59’22.80"
|
|
SC
|
37°52’06.80"
|
127°01’21.00"
|
|
GV
|
37°33’17.18"
|
126°40’22.93"
|
|
GB
|
35°43’38.96"
|
126°47’15.92"
|
|
WP
|
35°46’03.27"
|
126°48’40.36"
|
|
GG
|
36°27’52.79"
|
127°06’00.14"
|
|
CA
|
36°46’37.29"
|
127°05’5.240"
|
|
DN
|
36°27’34.25"
|
128°14’59.78"
|
|
CG
|
36°02’46.32"
|
128°23’56.46"
|
|
DS
|
35°49’15.10"
|
128°28’47.98"
|
|
HG
|
35°34’20.36"
|
128°20’30.91"
|
|
NS
|
36°35’14.00"
|
128°18’19.29"
|
|
BS
|
36°26’03.29"
|
128°14’04.35"
|
|
WA
|
36°57’44.72"
|
129°24’00.82"
|
|
ND
|
36°21’40.27"
|
128°18’28.48"
|
|
SS
|
36°14’19.75"
|
128°20’38.11"
|
|
HJ
|
37°04’53.50"
|
129°03’11.00"
|
|
YJ
|
36°46’43.60"
|
128°41’46.20"
|
Table 2 Wentworth Grain-Size Classification and Primary Classes Utilized in This Study
(Wentworth, 1922)
|
Class
|
Particle size (mm)
|
$\Phi_{m}$
|
Primary class
|
|
Megaclast
|
> 4,096
|
< -12
|
Gravel
|
|
Boulder
|
256 <∼≤ 4,096
|
-8 <∼≤ -12
|
|
Cobble
|
64 <∼≤ 256
|
-6 <∼≤ -8
|
|
Pebble
|
4 <∼≤ 64
|
-2 <∼≤ -6
|
|
Granule
|
2 <∼≤ 4
|
-1 <∼≤ -2
|
Sand
|
|
Sand
|
0.0625 <∼≤ 2
|
-1 <∼≤ 4
|
|
Silt
|
0.0039 <∼≤ 0.0625
|
4 <∼≤ 8
|
Silt
|
|
Clay
|
< 0.0039
|
> 8
|
2.2 채집 방법
2.2.1 내경 크기
코어의 내경이 커질수록 채집 면적이 확대되어 더 많은 저서성 대형무척추동물을 포괄적으로 채집할 수 있으나, 현장 적용성과 실용성 측면에서의 한계 또한
존재한다(Elliott and Drake, 1981). 본 연구에서는 세 가지 내경(Φ5 cm, Φ7.5 cm, Φ10 cm)의 코어를 사용하여 내경별로 15회씩 반복 채집을 수행하였다.
채집 정점은 연구 지역 내 대표적인 퇴적물 유형과 환경 특성을 반영하여 선정하였으며, 각 반복 채집 코어 간에는 최소 1m 이상의 간격을 유지하여
공간적 독립성을 확보하였다. 채집 위치는 균일한 분포를 고려하여 선정하였으며 현장 조건과 접근성, 군집 변동 가능성을 함께 반영하여 표본 간 중복을
최소화하였다.
2.2.2 채집 횟수(채집 면적)
내경 크기와 동일하게 세 가지 내경(Φ5 cm, Φ7.5 cm, Φ10 cm)의 코어를 이용하여 각각 15회의 반복 채집을 실시하였으며 채집 횟수별
데이터 조합 및 분석 방법은 선행 연구(Kim et al., 2013; Kim et al., 2018; Kong and Kim, 2015a; Kong and Kim, 2015b)를 참고하였다. 지점별로 채집 횟수(1∼15회)에 따른 가능한 모든 데이터 조합에 대해 종수 및 군집지수(우점도지수, 종풍부도지수, 다양도지수, 균등도지수)의
평균값을 산출하였다(Table 3). 이후, 동일한 누적 채집 횟수에 해당하는 각 지점의 값들을 평균하여 전체 지점의 대표값을 도출하였다.
채집 횟수와 종수 및 군집지수 간의 관계 분석에는 Weibull (1951) 모형의 누적분포함수(CDF)를 적용하였다(식 1). 증가형 지수(종수, 종풍부도지수, 다양도지수, 균등도지수)뿐 아니라 감소형 지수(우점도지수)에도
동일한 모형을 적용하여 분석의 일관성을 유지하였다(Ulrich et al., 2018). 일반적으로 감소형 지수는 증가형으로 변환하거나 별도의 감소형 모형으로 분석하지만, 선행 연구(Kim et al., 2018)를 참고하여 변환 없이 동일한 모형을 사용하였다.
Weibull 분포는 shape parameter에 따라 누적분포함수가 증가 또는 감소하는 형태를 나타내므로 다양한 데이터 특성을 효과적으로 반영할
수 있다. $S$는 누적 채집 횟수 또는 면적에서 관찰된 종수(또는 군집지수), $S_{m}$은 모형에서 추정되는 최대 종수(또는 최대 군집지수),
𝐴는 누적 채집 면적, 𝜆는 척도(scale) 모수, 𝑘는 형태(shape) 모수이다.
모형의 척도와 형태 모수는 비선형 최소자승법으로 추정하였으며, CurveExpert Professional software (ver. 2.2, Daniel
G. Hyams)를 이용하였다. 모형 적합도 평가는 결정계수($R^{2}$)를 기준으로 수행하였다.
Table 3 Community Indices Employed in This Study
|
Index
|
Equation
|
Components
|
|
Dominance
index
|
$DI=\dfrac{N_{1}+N_{2}}{N}$
(McNaughton, 1967)
|
$S$ : Total number of species
$i$ : Number assigned to the species
$p_{i}$ : Proportional abundance of th species ($N _{i}$ / $N$)
$N$ : Total number of individuals
$N_{i}$ : Number of individuals in species $i$
$N_{1}$ : Number of individuals in 1st dominant species
$N_{2}$ : Number of individuals in 2nd dominant species
|
|
Diversity
index
|
$H'=-\sum_{i=1}^{S}p_{i}\log_{2}p_{i}$
(Shannon and Wiener, 1949)
|
|
Species richness
Index
|
$R=\dfrac{S-1}{\ln N}$
(Margalef, 1958)
|
|
Evenness
index
|
$J =\dfrac{H'}{\log_{2}S}$
(Pielou, 1975)
|
2.2.3 채집 심도 분석
채집된 퇴적물은 깊이($d$, cm)를 기준으로 0 ≤ $d$ < 2, 2 ≤ $d$ < 4, 4 ≤ $d$ < 6, 6 ≤ $d$ < 10, 10
≤ $d$ < 15, 15 ≤ $d$ ≤ 20의 6개 층으로 구분하였다. 층별로 저서성 대형무척추동물의 종수, 개체수, 그리고 신규 가입종(recruited
species)을 분석하였다. 신규 가입종은 상위 심도에서 출현하지 않았으나 해당 심도에서 처음 기록된 종을 의미하며 퇴적물 내 수직적 환경 이질성과
산소⋅유기물 농도 구배에 따른 종 특이적 서식 분포를 반영한다. 이러한 접근은 퇴적물 내 생물 군집의 수직 분포 특성을 보다 정밀하게 파악할 수 있게
한다(Gutiérrez et al., 2000).
2.2.4 거름체 공극
Barba et al. (2010)의 연구에 따르면 공극 크기가 감소할수록 소형 개체와 종의 포집률이 증가하여 군집 다양성이 보다 정확하게 반영되는 것으로 나타났다. 이에 본 연구에서는
다양한 공극 크기(1.0, 0.5, 0.2 mm)의 거름체를 사용하여 공극 크기 간 생물시료의 회수율 및 종 조성 차이를 평가하였다.
2.3 동정
조사지점에서 채집된 시료는 실험실로 운반한 후 저서성 대형무척추동물을 골라내기(sorting) 과정을 통해 분리하였다. 이후 분류군별로 표준 동정
절차를 적용하여 종 수준(Species level)까지 동정을 실시하였다. 수서곤충을 포함한 저서성 대형무척추동물의 동정에는 Kawai and Tanida (2005), Merritt and Cummins (2008), Peckarsky et al. (1990), Yoon and Kim (1988)에서 제시한 국내외 주요 검색표와 분류 체계를 활용하였다.
깔따구과(Chironomidae) 유충의 경우 실체현미경을 이용해 두부와 후측지를 관찰하였으며 정밀 동정을 위해 두부와 후측지를 절단하여 CMC-10
고정액으로 슬라이드에 고정하였다. 이후 편광현미경(BX51, Olympus)으로 하순기절(mentum), 대악(mandible), 촉각(antenna)
등 주요 부속지를 10∼40배 배율로 관찰하였으며, Kwak (2015)의 검색표를 참고하여 형태적 특징을 기록하고 종을 동정하였다.
환형동물문(Annelida) 중 빈모류(Oligochaete)는 전구엽, 입, 생식부분, 두 번째 체절부터 끝까지 나타나는 강모의 크기와 형태 등
외부 부속기의 특징을 종 동정의 주요 형질로 활용하였다. 이 과정에서 Timm (2009)과 Park et al. (2013)이 제시한 국내 담수 빈모류 검색표를 적용하여 종 수준까지 정확하게 동정하였다. 모든 표본은 80% 에탄올에 보존하여 표본의 변형 및 손실을 최소화하였다.
3. Results and Discussion
본 연구에서 내경 크기 및 채집 횟수 결과에 사용된 자료에서는 총 3문 6강 18목 36과 93종의 저서성 대형무척추동물이 출현하였다. 채집 심도
결과에 사용된 자료에서는 3문 3강 6목 10과 33종, 거름체 공극 비교에 사용된 자료에서는 4문 5강 11목 18과 44종이 출현하였다. 출현한
종들은 퇴적물 내 서식하는 대표적인 분류군인 빈모류와 깔따구류가 대부분을 차지하였다.
3.1 내경 크기 및 채집 횟수
3.1.1 내경 크기별 채집 결과
세 가지 내경 코어(Φ5, 7.5, 10 cm)를 이용하여 총 15개 지점에서 저서성 대형무척추동물을 조사한 결과, 코어 크기에 따른 채집 효율성의
차이가 분명하게 확인되었다(Fig. 2). Φ5 cm 코어에서 평균 8.5종, 평균 84개체가 나타나 전체적으로 가장 낮은 수준을 보였다. 그러나 GC, SH, DS 지점에서는 다른 코어보다
더 많은 종이 채집되었다(Fig. 4a, 4e, 4n).
Φ7.5 cm 코어는 평균 10종, 평균 166개체가 출현하였다. 특히 SG 지점에서는 19종 116개체가 확인되었으며 Φ5 cm 및 Φ10 cm
코어 대비 높은 종수와 개체수를 보였다(Fig. 3c, 4c). 전체 지점에서 Φ7.5 cm 코어의 종수와 개체수는 Φ5, 10 cm 코어 사이의 성능을 보였으며 상대적으로 안정적인 결과를 나타냈다.
Φ10 cm 코어는 평균 10.5종, 평균 225개체가 출현하였다. 특히 SC, GB, HG 지점에서 개체수가 두드러지게 많았으며 세 가지 코어 중
최다 개체수를 확보하였다(Fig. 3f, 3h, 3o).
Fig. 2. Average number of benthic macroinvertebrate species and individuals across
the 15 surveyed sites, categorized by core sizes.
Fig. 3. Number of benthic macroinvertebrate individuals at the 15 surveyed sites,
categorized by core sizes (15 replicates: Φ5 = 0.030 m², Φ7.5 = 0.066 m², Φ10 = 0.118
m²).
Fig. 4. Number of benthic macroinvertebrate species at the 15 surveyed sites, categorized
by core sizes (15 replicates: Φ5 = 0.030 m², Φ7.5 = 0.066 m², Φ10 = 0.118 m²).
3.1.2 채집 횟수에 따른 군집 지수 변화
생물다양성 평가는 단순히 표본을 많이 확보하는 것이 아니라, 실질적 포화구간(saturation threshold)에 도달했는지를 확인하는 것이 중요하다.
국제적으로는 종수와 주요 군집지수가 전체 추정값의 80∼90%에 도달하는 시점을 포화구간으로 정의하며(Chao et al., 2005; Gotelli and Colwell, 2001; Magurran, 2004), 이를 기준으로 조사 대표성과 효율성을 평가한다. 본 연구에서도 동일한 기준을 적용하여, 코어 내경별 채집 횟수 증가에 따른 종수와 군집지수의 변화를
분석하였다.
종수, 종풍부도지수, 다양도지수, 우점도지수는 세 가지 코어 모두에서 Weibull 모형에 대해 높은 결정계수(R² > 0.9)를 나타내어 모형 적합성이
매우 우수하였다. 반면, 균등도지수는 Φ7.5, Φ10 cm 코어에서 결정계수가 낮게 나타나 모형 적합성이 확보되지 않았다.
종수는 채집 횟수가 늘어날수록 꾸준히 증가하였다. Φ7.5 cm 코어는 약 8회(0.035 m²)에서 전체 추정 종수의 80% 이상에 도달하여 가장
효율적이었다(Fig. 5a). Φ5 cm와 Φ10 cm 코어는 동일 수준에 도달하기 위해 9회 이상이 필요하였다. 단위 면적당 종수 증가율은 Φ5 cm 코어에서 가장 높았으나,
조사 면적이 좁아 다양한 서식처를 대표하는 데에는 제약이 있었다.
우점도지수는 채집 횟수 증가와 함께 감소하며 안정화되는 경향을 나타냈다(Fig. 5b). Φ5 cm 코어는 1회 채집에서 0.90이었으나 15회 채집 이후 0.68로 감소하였으며 약 5회(0.010 m²)에서 안정화되었다. Φ7.5
cm 코어는 1회 채집 시 0.87에서 시작해 15회 채집 시 0.68로 낮아지며 약 5회(0.022 m²)에서 안정화되었다. Φ10 cm 코어는
1회 채집 시 0.87에서 15회 채집 시 0.70으로 줄어들며 약 7회(0.055 m²) 이후 안정화되었다. 소형⋅중형 코어는 빠르게 안정화되었으나,
대형 코어는 더 많은 채집이 요구되었다.
종풍부도지수는 모든 코어에서 채집 면적이 확대됨에 따라 꾸준히 증가하였다(Fig. 5c). Φ7.5 cm 코어는 5회(0.022 m²)에서 포화구간에 도달하여 가장 효율적이었다. Φ5 cm와 Φ10 cm 코어는 모두 6회 이상이 요구되었으며
Φ5 cm 코어는 좁은 면적(0.012 m²)에서 포화구간에 도달하여 단위 면적당 종풍부도 값이 가장 높았다. 반면, Φ10 cm 코어는 동일 수준에
도달하기 위해 약 0.047 m²의 면적이 필요하였다.
다양도지수는 채집 횟수 증가에 따라 점차 상승하였다(Fig. 5d). Φ7.5 cm 코어는 4회(0.018 m²)에서 1.75에 도달하며 가장 빠르고 높은 수치를 나타냈다. Φ5 cm 코어는 6회(0.012 m²)에서
1.71로 안정화되었고, Φ10 cm 코어는 4회(0.031 m²)에서 안정화되었으나 값은 1.63으로 가장 낮았다. Φ7.5 cm 코어는 채집횟수가
적으면서 가장 높은 다양도지수에 수렴하여 가장 안정적인 결과를 보였다.
균등도지수는 다른 지표와 달리 일정 채집 횟수 이후 뚜렷한 안정화 양상을 보이지 않았다(Fig. 5e). 초기 3∼7회 사이에는 급격히 상승하였으나 이후 일시적으로 감소하는 overshoot–plateau(초과 후 안정) 현상을 나타내어 모형 적합도가
낮게 평가되었다(Colwell and Coddington, 1994). Φ7.5 cm 코어는 4회(0.018 m²)에서 0.74로 가장 빠르게 수렴하였고, Φ5 cm 코어는 7회(0.014 m²)에서 안정화되며 0.77의
값을 보였다. 반면, Φ10 cm 코어는 5회(0.039 m²)에서 안정화되었으나 최종 값은 0.67로 가장 낮았다. 이러한 양상은 균등도지수가 상대적
개체수 분포에 민감하여 소수 우점종의 출현이나 표본 조성의 불균형에 따라 값이 크게 변동한 결과로 해석된다.
Fig. 5. Results of the Weibull cumulative distribution function for the number of
species and community index as a function of cumulative area by core sizes, averaged
across the 15 surveyed sites.
3.1.3 최적의 내경 크기와 채집 횟수
본 연구는 코어 내경과 채집 횟수가 상호작용하며 생물다양성 평가의 정밀성과 효율성에 영향을 미친다는 점을 보여주었다. Φ5 cm 코어는 단위 면적당
종수 확보에는 유리했으나, 동일 수준의 안정성과 대표성을 확보하기 위해 더 많은 채집이 필요하였다(Tolonen and Hämäläinen, 2010). 반대로 Φ10 cm 코어는 평균 종수와 개체수가 가장 높았으나 포화에 도달하기까지 더 많은 노력이 요구되었고, 일부 지점에서는 종수가 오히려 감소하였다.
이는 대형 코어가 개체수 확보에는 유리하지만 종다양성 반영과 대표성 확보에는 한계가 있음을 의미한다(Misteli et al., 2022).
Φ7.5 cm 코어는 종수, 풍부도, 다양도, 균등도 지표에서 모두 안정적이고 재현성 있는 결과를 보였다. 종수는 8회에서 포화구간에 도달했으며,
주요 군집지수들은 4∼5회 사이 이미 안정화되었다. 따라서 종수와 군집지수를 종합적으로 고려할 때, 6회 반복 채집(0.026 m²)이 최적 범위로
판단된다.
이러한 결과는 국내외 선행연구와도 부합한다. 국내 Kim et al. (2018)은 Φ7.5 cm 코어를 5회 반복 채집할 경우 주요 군집지수가 모집단 추정값의 약 80%에 도달하며, 다른 내경 대비 비용⋅노동 효율성이 높다고
보고하였다. 국외 연구들 역시 일관된 결론을 제시한다. Behney et al. (2014)은 소형, 중형 코어를 이용하여 여러 번 채집하는 것이 대형 코어로 적게 채집하는 것보다 효율적임을 확인하였으며, Growns (1990)은 대형 코어가 개체수 확보에는 유리하나 종다양성 확보에는 불리하다고 지적하였다. 또한 열대 담수 환경 연구들은 중간 크기의 조사 도구와 제한된 반복
횟수의 조합이 비용 대비 최적의 전략임을 실증하였다(Ghani et al., 2016; Loke et al., 2010).
따라서 본 연구에서 제시한 Φ7.5 cm 코어를 사용하여 6회 조사하는 방법이 국내외 연구들이 공통적으로 지지하는 방법으로 담수 세립질 퇴적물 내
저서성 대형무척추동물 군집 평가에서 대표성과 효율성을 동시에 확보할 수 있는 최적의 방안임을 확인할 수 있다.
3.2 채집 심도
퇴적물 내 저서성 대형무척추동물의 채집 심도는 생물다양성 평가의 정확성과 효율성에 중요한 영향을 미친다. 본 연구에서는 12개 지점에서 층별 종수,
개체밀도, 신규 가입종 비율을 분석하여, 지점별 특성에 따라 최적의 채집 심도 범위를 제안하였다(Fig. 6, 7, 8, 9).
표준 심도(0∼6 cm)에서는 평균적으로 전체 종수, 개체수, 신규 가입종의 70% 이상이 출현하였다(Fig. 6). BO 지점은 상위 4 cm 이내에서 세 지표 모두 100%가 확보되어 표층(0∼4 cm) 중심의 분포 특성이 뚜렷하게 나타났다(Fig. 7b, 8b). 이러한 양상은 유기물과 용존산소가 표층에 집중되는 얕은 수심 하천 및 정체 수역의 일반적인 특성과 일치한다(Poznańska et al., 2009; van der Lee et al., 2017). 특히, 신규 가입종이 극표층(0∼2 cm) 하부에서 집중적으로 출현한 것은 새로운 종의 정착이 표층 인접 구간에서 활발히 이루어지고 있음을 시사한다.
SH, SC, DS 지점에서도 표준 심도에서 전체 종수, 개체수, 신규 가입종의 80% 이상이 확인되었으며(Fig. 7d, e, k; 8d, e, k; 9d, e, k), 이는 Tubificidae와 Naididae가 퇴적물 표층 수 mm∼cm 범위에서 우세하게 분포한다는 선행 연구 결과와 일치한다(Pfannkuche, 1980). 또한 Milbrink (1973)은 호소 퇴적물 내 빈모류 개체군의 상당 비율이 상위 3∼5 cm에 집중되어 있다고 밝혔으며 연구 결과와 직접적으로 일치한다.
확장 심도(0∼10 cm)에서는 평균적으로 전체 생물군집의 90% 이상이 확보되었다. GG 지점에서는 중층(6∼10 cm)에서 전체 종수의 36%,
개체밀도의 35%가 추가로 확인되었으며(Fig. 7g, 8g, 9g), 빈모류 군집이 이 구간에 집중적으로 분포하였다. 이는 Tubificidae를 포함한 빈모류 개체들이 0∼10 cm 범위에서 높은 밀도로 출현한다는
보고와 일치한다(Kornijów et al., 2021).
특수 심도(0∼20 cm)에서는 전체 군집의 100%에 가까운 포괄적 조사가 가능하였다. HC 지점의 심층(10∼20 cm) 구간에서는 전체 종수의
33%, 개체밀도의 27%가 확인되었으며(Fig. 7c, 8c, 9c), 빈모류와 깔따구류가 함께 출현하였다. 이는 Tubificidae가 퇴적물 내 최대 20 cm까지 굴을 형성하며 서식 공간을 재구성할 수 있다는
실험 결과와 부합한다(Matisoff et al., 1999). 또한 Brinkhurst and Jamieson (1971)은 산소가 부족한 환경에서도 일부 종이 심층까지 분포할 수 있음을 보고하였고, Diaz and Rosenberg (1995)는 깔따구류가 저산소 및 고유기물 환경에서도 굴 형성과 번데기화를 수행할 수 있음을 밝혔다. 이러한 선행 연구들은 HC 지점에서 확인된 빈모류 및
깔따구류의 심층 분포가 특이 사례가 아닌 환경 조건에 따른 일반적인 출현 양상임을 뒷받침한다.
본 연구에서 표준 심도 기준으로 확보된 종수는 평균 72%, 개체수는 81%였으며, 확장 심도에서는 종수 88%, 개체수 92%가 확인되었다. 이는
Kim et al. (2018)이 동일 심도 구간에서 보고한 결과와 유사하며, 저서성 대형무척추동물 군집이 주로 표층 및 중층 구간에 집중되어 분포함을 정량적으로 보여준다.
한편, 심층 구간에서 저서성 대형무척추동물이 추가로 확인된 지점은 총 8개 지점이었다. 이는 확장 심도를 초과하는 구간에서도 생물군집 정보가 일부
존재함을 나타낸다. 기존 연구(Kim et al., 2018)는 채집 심도를 15 cm까지 설정하였으나, 본 연구는 20 cm까지 조사 범위를 확장함으로써 생물군집 정보를 추가로 확보할 수 있었다. 이는 기존
평가 체계의 심도 한계를 보완하고 다양한 환경 조건을 반영한 채집 설계의 기준을 제시하는 데 의의가 있다. 이에 따라 채집 심도는 최소 15 cm에서
최대 20 cm까지 설정하는 것이 적절한 것으로 판단된다.
Fig. 6. Proportion (%) of benthic macroinvertebrates across sediment depth ranges
at the 12 surveyed sites.
Fig. 7. Proportion (%) of species by sediment depth range at the 12 surveyed sites
Fig. 8. Proportion (%) of individuals by sediment depth range at the 12 surveyed sites
Fig. 9. Proportion (%) of recruited species by sediment depth range at the 12 surveyed
sites
3.4 거름체 공극
본 연구에서는 퇴적물 내 저서성 대형무척추동물을 대상으로 현장 채집 시료에 대해 0.2, 0.5, 1.0 mm 공극의 거름체를 적용하여, 공극 크기별
종수 및 개체수 채집 효율을 체계적으로 비교하였다(Fig. 10, 11, 12). 0.2 mm 거름체를 기준(100%)으로 할 때, 1.0 mm 거름체는 전체 종의 평균 39%, 개체수의 22%만을 회수하였고, 0.5 mm
거름체는 종수의 68%, 개체수의 57%만을 확보하였다(Fig. 10).
지점별 효율은 군집 특성에 따라 상이하게 나타났다. BS 지점의 경우 0.5 mm 거름체 사용 시, 0.2 mm 거름체 기준 깔따구류의 회수율이 현저히
낮았다(Fig. 10c, 11c). HJ 지점에서는 실지렁이류가 0.5 mm 거름체 사용 시 누락되는 양상을 보였다(Fig. 11i, 12i).
중형 및 대형 분류군이 우세한 WA 지점에서는 0.5 mm 거름체만으로도 종수 100%, 개체수 97%를 확보할 수 있었으나(Fig. 11d, 12d), ND 지점처럼 소형 분류군이 우세한 지점에서는 0.5 mm 거름체조차 종수의 25%, 개체수의 12%에 불과하여 0.2 mm 거름체의 사용이
필수적임을 확인하였다(Fig. 11e, 12e).
연구 결과는 해외 연구 및 국제 표준과도 일치한다. 미국 환경보호청(EPA)은 하천 퇴적물 내 저서생물 모니터링 시 0.5 mm 거름체 사용을 표준으로
권장하고 있다. 이보다 큰 공극을 사용할 경우 소형 분류군의 대량 누락 및 군집 해석의 한계가 발생함을 명시하였다(Barbour, 1999). 국제표준 ISO 7828 (IOS, 1985)에서도 퇴적물 시료에는 0.5 mm 거름체의 사용을 권장한다. 또한, 공극이 작아질수록 소형 분류군 채집은 증가하지만, 유기물 및 미세입자에 의한
거름체 막힘(clogging)과 처리시간 증가가 단점으로 제기된다.
Schlacher and Wooldridge (1996)는 내만성 기수역에서 0.25 mm 체를 사용할 때 전체 개체의 100%를 포획할 수 있었으며, 0.5 mm 체는 약 55%, 1 mm 체는 8%만을
포획했다고 보고하였다. 이는 공극 크기가 작아질수록 종 다양성과 개체수 추정의 정확도가 현저히 증가함을 시사한다. Barba et al. (2010) 또한, 0.5 mm 체로 대형⋅중형 무척추동물의 80∼95%를 안정적으로 포획할 수 있으나, 빈모류 등 소형 분류군은 0.25 mm 미만 체를 통해서만
확보가 가능함을 밝혔다.
특히 담수 퇴적물에서 깔따구류와 빈모류가 우점하는 환경에서는 0.2 mm 이하의 거름체를 사용하지 않을 경우 생물군집의 왜곡이 발생한다. 본 연구에서도
0.2 mm 거름체를 기준으로 할 때 1.0 mm와 0.5 mm 거름체의 종수와 개체수 회수율이 현저히 낮아졌으며 일부 지점에서는 깔따구류와 빈모류의
회수율이 크게 저하되는 양상이 확인되었다. 이와 같은 결과는 Kim et al. (2018)의 연구와도 일치하며 국내 담수 퇴적물 환경에서 소형 분류군의 누락이 실제로 발생할 수 있음을 보여준다.
종합하면 0.5 mm 거름체는 효율성과 대표성 측면에서 현실적인 균형을 제공하지만, 소형 분류군의 누락으로 인한 생물다양성 과소평가를 방지하기 위해서는
0.2 mm 거름체의 사용이 필수적이다.
Fig. 10. Proportion (%) of benthic macroinvertebrates collected using different sediment
sieve mesh sizes across the 10 surveyed sites.
Fig. 11. Proportion (%) of benthic macroinvertebrate species according to sediment sieve
mesh sizes at the 10 surveyed sites.
Fig. 12. Proportion (%) of benthic macroinvertebrate species according to sediment
sieve mesh sizes at the 10 surveyed sites.
4. Conclusion
본 연구는 담수 퇴적물 내 저서성 대형무척추동물 조사의 채집 방법을 마련하기 위해 코어 내경 크기, 채집 횟수와 면적, 채집 심도, 거름체 공극 크기를
종합적으로 분석하였다. 주요 결론은 다음과 같다.
1. Φ7.5 cm 코어는 종수, 개체수, 군집지수 전반에서 가장 안정적이고 효율적인 결과를 나타냈다. Φ5 cm는 단위면적당 종수 확보에는 유리하였으나
반복 채집이 더 많이 필요했고, Φ10 cm는 개체수 확보에는 유리했으나 단위면적당 종수 효율이 낮았다. 종수는 약 8회, 군집지수는 4∼5회 채집에서
수렴하였으며 균형을 고려해 Φ7.5 cm 코어를 6회 채집(0.026 m²)하는 방법이 최적인 것으로 판단된다.
2. 전체 종수와 개체수의 약 70∼80%는 표준 심도에서 확보되었으며, 확장 심도에서는 약 90% 이상이 확인되었다. 일부 지점에서는 심층 구간에서도
신규 가입종과 개체가 출현하여 채집 심도는 최소 15 cm, 가능 시 20 cm까지 확보해야 한다.
3. 거름체 공극 크기는 저서성 대형무척추동물 군집의 구조와 생물다양성 평가에 직접적인 영향을 미치는 핵심 요인이다. 0.5 mm 거름체는 처리 효율과
현장 적용성 측면에서는 유리하나, 소형 분류군과 유생 단계 개체의 포획에는 한계가 있어 군집 구성의 왜곡을 초래할 수 있다. 반면, 0.2 mm 거름체는
생물정보의 손실을 최소화하고 정밀한 군집 평가를 위해 필수적으로 적용되어야 한다.
이러한 채집 방법은 담수 퇴적물 생태계의 생물다양성 평가에서 조사 시간과 비용을 절감하면서도 신뢰성과 대표성 확보가 가능하며, 국내 담수 퇴적물 생물모니터링을
위한 과학적 근거 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
Acknowledgement
본 연구는 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 수생태계 건강성 확보 기술개발사업의 지원과(2022003050006), 2025년 경기대학교
대학원 연구원장학생 장학금 지원에 의하여 수행되었습니다.
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