The Long-Term Variations of Phytoplankton Biomass in the Lower Nakdong River: 2000~2021

Globally, the mass proliferation of phytoplankton driven by climate change has emerged as a significant societal issue. This study analyzes over two decades of long-term hydraulic, hydrological, and water quality data collected from the lower Nakdong River, along with changes in phytoplankton community biomass. The aim is to evaluate long-term trends in water quality and the ecological changes occurring in this region.

Methods

The monitoring site in the lower Nakdong River is Mulgeum, where samples were collected weekly from January 2000 to December 2021 for the analysis of physicochemical water quality characteristics, as well as phytoplankton abundance and species composition. The hydrological status was assessed using flow rate data from the Jin-dong (Haman) station of the Nakdong River, along with rainfall data from the Korea Meteorological Administration for eight regions influencing the lower Nakdong River.

Results and Discussion

Analysis of the annual average concentration changes of water quality parameters at the Mulgeum intake site in the lower Nakdong River found that water quality has generally improved since the construction period (2009-2012) of the weir. This improvement is attributed to the strengthening of T-P water quality standards for sewage treatment plant discharges in 2012, which resulted in enhanced phosphorus treatment at wastewater facilities in the river's middle and upper regions. Consequently, significant reductions were observed in the annual average concentrations of BOD, NO₃-N, T-N, and T-P. Evaluating long-term changes in flow rate and rainfall, it was found that both annual average rainfall and flow rate decreased after the weir was installed, particularly from May to September when temperatures rise. Rainfall decreased by approximately 8% to 38%, while flow rate decreased by 46% to 62%. Long-term temperature changes indicated that summer temperatures increased by 0.9^oC to 1.4^oC, and winter temperatures rose by 1.6^oC to 2.0^oC, resulting in an overall annual average increase of about 1.3^oC. An analysis of long-term changes in phytoplankton biomass and community composition revealed an increase in average biomass from 3,639 cells/mL before the weir was installed to 4,034 cells/mL afterward, representing an increase of about 11%. In winter, the dominance period and biomass of diatoms decreased, while in summer, the biomass and dominance period of cyanobacteria increased. Notably, in August, biomass increased approximately 7.5 times, rising from 2,009 cells/mL before the dam to 15,059 cells/mL afterward. This significant increase was identified as a key factor in the overall rise in phytoplankton biomass following the weir's installation.

Conclusion

Recent climate change impacts, such as rising average temperatures and shifting rainfall patterns, have become increasingly evident in South Korea. This study utilizes over 20 years of long-term data to demonstrate that, in the lower Nakdong River, there has been a gradual decline in both rainfall and flow rates, accompanied by an increase in average temperatures. Consequently, the dominance period and biomass of diatoms have decreased. In contrast, cyanobacteria, which thrive in warmer conditions, have experienced an extended dominance period into early spring and late autumn as a result of rising temperatures, leading to an overall increase in cyanobacterial biomass.

Key words: Phytoplankton, Biomass, Long-term variation, Lower Nakdong River, Water temperature

요약

목적

전 세계적으로 기후 변화의 영향으로 식물 플랑크톤의 대량 번성이 사회적으로 큰 문제로 부각되고 있다. 본 연구에서는 낙동강 하류에서 20여 년간 장기적으로 수집된 수리･수문 및 수질 데이터와 식물 플랑크톤 군집의 생체량 변화를 분석하여, 낙동강 하류 지역의 장기적인 수질 변화와 식물 플랑크톤 생체량 등의 환경생태학적 변화 경향을 평가하고자 하였다.

방법

낙동강 하류의 조사지점은 물금지점으로 2000년 1월부터 2021년 12월까지 주 1회 시료를 채수하여 이화학적인 수질 특성과 식물 플랑크톤 개체수와 종 분석을 하였다. 수리･수문 현황은 낙동강 진동(함안) 지점의 유량과 낙동강 하류지역에 영향을 미치는 8개 지역의 강우량(기상청)을 수리학적 인자로 이용하였다.

결과 및 토의

낙동강 하류 물금지점에서 수질 항목들의 연평균 농도 변화를 분석한 결과, 보 설치기간(2009~2012년) 이후 수질이 전반적으로 개선되었으며, 하수처리장 방류수에서의 T-P 수질기준 강화(2012년)로 중･상류지역에 위치한 하수처리장들에서 인(P) 고도처리가 시행된 결과, BOD, NO₃-N, T-N및 T-P 항목에서 연평균 농도의 감소폭이 두드러졌다. 유량과 강우량의 장기적 변화를 평가한 결과, 보 설치 이후 연평균 강수량과 유량이 모두 감소하였으며, 특히, 수온이 상승하는 5~9월의 강수량과 유량이 각각 8~38% 및 46~62% 정도로 크게 감소하였다. 수온의 장기적인 변화를 평가한 결과, 보 설치 이후 하절기에는 0.9^oC~1.4^oC, 동절기에는 1.6^oC~2.0^oC 정도의 수온이 상승하였으며, 연평균으로는 1.3^oC 정도 상승하였다. 식물 플랑크톤의 장기적인 생체량 및 군집 변화를 분석한 결과, 보 설치 이전의 평균 3,639 cells/mL에 비해 보 설치 이후에는 평균 4,034 cells/mL로 나타나 11% 정도 증가하였다. 동절기에는 규조류의 우점 기간과 개체수가 감소한 반면, 하절기에는 남조류의 개체수와 우점 기간이 증가하였으며, 특히 8월의 경우 보 설치 이전(2,009 cells/mL)에 비하여 보 설치 이후(15,059 cells/mL)에는 7.5배 정도 증가하였다.

결론

전 세계적인 기후 변화의 영향으로 최근 국내에서도 평균기온 상승 및 강우 패턴의 변화 등과 같은 기후 변화의 영향이 증대되고 있다. 본 연구에서는 20여 년간의 장기적으로 수집된 데이터들을 바탕으로 낙동강 하류에서 강수량과 유량 감소, 그리고 평균 수온의 상승이 점진적으로 진행되고 있으며, 이로 인하여 규조류의 우점기간과 생체량 감소가 유발되었다. 반면 고수온기에 번성하는 남조류는 평균 수온 상승으로 인해 이른 봄과 늦은 가을까지 우점 기간이 연장되어, 전체적으로 남조류의 생체량이 증가하였다.

주제어: 식물 플랑크톤, 생체량, 장기 변동, 낙동강 하류, 수온

1. 서 론

낙동강은 경상도에 위치한 여러 대도시를 경유하며 흐르며, 인구 1천만 명의 식수원으로 활용되는 국내 최대의 수자원이다. 하천에 설치된 댐과 같은 대규모 구조물은 강이나 하천의 수류흐름을 변화시켜 예상치 못한 생태학적 문제를 유발할 수 있다[1]. 실제로, 낙동강 하구언 건설(1987년) 이후 다량의 영양염을 함유한 강의 흐름이 정체되면서 부영양화가 가속화되어 식물 플랑크톤의 현존량이 증가하고 종 조성에 변화가 발생하였다[2,3].

낙동강 하류를 대상으로 수질 인자들 변화에 따른 식물 플랑크톤 생체량과 종 조성의 변화에 대해 평가한 Son 등의 연구결과에서는 1990년대 후반부터 낙동강 하류의 원수 수질이 점진적으로 개선되어 연평균 식물 플랑크톤 농도(chlorophyll-a 농도)도 점진적으로 감소하는 것으로 보고하고 있다[4]. 식물 플랑크톤 구성종의 변화를 평가한 결과에서는 하절기에는 남조류(cyanobacteria) Microcystis sp., 동절기에는 규조류(diatom)인 Stephanodiscus sp.가 대번성하며, 연중 75% 이상을 규조류가 우점하는 것으로 보고하고 있다[5,6].

낙동강 하류는 부산시의 상수원으로 이용되고 있으며, 매년 반복되는 식물 플랑크톤 종들의 대번성은 낙동강 하류에 위치한 대규모 정수장의 운영과 수돗물에 대한 불신에 많은 악영향을 초래[7-14]하기 때문에 연중 조류농도 변화, 특히 하절기 남조류 개체수 변화는 매우 큰 사회적 이슈를 유발한다.

최근에는 딥러닝과 머신러닝 기법을 이용하여 낙동강 하류의 식물 플랑크톤 개체군과 환경 요인 간의 복잡한 상호작용을 통합하여 식물 플랑크톤 군집 역학을 예측하려는 다양한 시도들이 수행되고 있으나[15,16], 낙동강 하류의 녹조문제 해결까지는 아직 많은 시간과 노력이 필요한 실정이다.

본 연구에서는 낙동강 보 건설 전후로 낙동강 하류에서 20여 년간 장기적으로 수집된 수리･수문 및 수질 데이터와 식물 플랑크톤 군집의 생체량 변화를 분석하여, 낙동강 하류 지역의 장기적인 수질 변화와 식물 플랑크톤 농도 등의 환경생태학적 변화 경향을 평가하였다.

2. 실험재료 및 방법

낙동강 하류의 수질조사 지점인 물금(Mulgeum)지점은 60만 톤/일의 처리용량을 가진 정수장의 취수구이며(Fig. 1), 2000년 1월부터 2021년 12월까지 주 1회 시료를 채수하여 이화학적인 수질 특성을 측정하였다. 수질 조사항목은 수온, pH, BOD, NH₃-N, NO₃-N, T-N, T-P를 측정하였으며, 수질오염공정시험기준에 준하여 분석하였다. 조류 세포수는 현미경 계수법을 이용하였으며, 표층수 1 L를 채수하여 5 μm 체를 이용하여 최종적으로 20 mL되게 농축한 후 Sedgwick-Rafter chamber에 넣고 50~100배로 확대하여 검경하였으며, mL당 세포수로 환산하였다[17].

수리·수문 현황은 낙동강 홍수통제소의 진동(함안) 지점의 유량과 기상청의 구미, 영천, 대구, 거창, 합천, 밀양, 산청, 진주지역의 강우량을 수리학적 인자로 이용하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 낙동강 하류에서 수리･수문학 인자의 장기적 변화

낙동강 하류의 물금지점에 영향을 미치는 유량(discharge)과 강우량(precipitation)의 장기적 변화를 평가한 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 물금 상류 8개 지역의 월 평균 강수량 및 낙동강 진동(함안) 지점의 월 평균 유량변화를 나타낸 Fig. 2 (a)와 Fig. 2 (c)를 보면 보(weir) 설치 이전(2000~2008년)에 비하여 보 설치 이후(2013~2021년)에 전체적으로 감소한 경향을 나타내었다. 특히, 수온이 상승하는 5~9월의 강수량과 유량이 감소한 것으로 나타났으며, 감소폭의 경우 강수량은 8~38%, 유량은 46~62% 정도로 나타났다.

또한, 물금 상류 8개 지역의 연간 총 강우량 변화(Fig. 2 (b)와 낙동강 진동(함안) 지점의 연 평균 유량 변화(Fig. 2 (d))를 살펴보면 보 설치 이전에는 물금 상류 8개 지역의 평균적인 연간 총 강수량이 10,503 mm였으나 보 설치 이후에는 9,723 mm로 나타나 7.4% 정도 감소하였다. 또한, 진동(함안) 지점의 연 평균 유량의 경우도 보 설치 이전 539 m³/sec에서 보 설치 이후에는 303 m³/sec로 감소하여 평균 44% 정도 감소한 것으로 나타났다.

3.2. 낙동강 하류에서 수질 인자들의 장기적 변화

낙동강 하류의 물금지점에서 2000년부터 2021년까지의 이화학 수질 인자들의 연 평균농도의 장기적인 변화를 Fig. 3~Fig. 5에 나타내었다. Fig. 3 (a)~(f)에 나타낸 수질 인자들(pH, BOD, NH₃-N, NO₃-N, T-N, T-P)의 연 평균농도 변화를 살펴보면 보 설치 이전 보다 보 설치 이후에 전반적으로 연 평균농도들이 감소하였다. pH의 경우 보 설치 이전인 2000~2008년까지 9년간의 평균은 8.4이었으나 보 설치 이후인 2013~2021년까지 9년간의 평균은 8.2으로 감소되었다. BOD의 경우도 2.55 mg/L에서 1.82 mg/L로 감소되었으며, NH₃-N, NO₃-N, T-N, T-P의 경우도 각각 0.088 mg/L에서 0.063 mg/L, 2.55 mg/L에서 1.82 mg/L, 2.93 mg/L에서 2.40 mg/L, 0.082 mg/L에서 0.041 mg/L로 감소하였다.

보 설치 전·후로 장기간의 수질 모니터링 결과, 물금지점의 수질에 영향을 미치는 강우량과 유량의 감소에도 불구하고 낙동강 하류지역(물금)의 이화학적 수질은 대부분 큰 폭으로 개선된 것으로 평가되며, 특히, 식물 플랑크톤의 성장 제한인자인 T-P의 경우는 보 설치 이후로 50% 정도 저감된 것으로 나타났다. 이는 2012년부터 하수처리장 방류수에서의 T-P 수질기준이 강화되어 낙동강 중·상류지역에 위치한 하수처리장들에서 인(P) 고도처리가 시행되어 나타난 결과이다[18].

낙동강 하류 물금지점에서의 2000년부터 2021년까지의 연 평균 N/P비의 장기적인 변화를 Fig. 4에 나타내었다. 보 설치 전·후의 연 평균 N/P비를 평가해보면 보 설치 이전의 9년간 N/P비의 평균은 52 정도인 반면 보 설치 이후의 9년간의 평균은 90 정도으로 나타나 보 설치 이후에 연 평균 N/P비가 증가한 것으로 나타났다. 이는 Fig. 3(e)와 Fig. 3(f)의 연 평균 T-N과 T-P 농도변화에서 평가하였듯이 T-N 농도의 감소폭(18%) 보다 T-P 농도의 감소폭(50%)이 월등히 크게 나타나 Fig. 4에서와 같이 N/P비가 증가하였다. N/P 비율은 식물 플랑크톤 성장에 대한 영양염의 제한을 평가하는 간접 지표로 활용되며, 일반적으로 N/P 비율이 17을 초과하는 경우에는 인(P)이 식물 플랑크톤 성장의 제한인자로 작용한다[19].

낙동강 하류의 물금지점에서 2000년부터 2021년까지의 수온에 대한 연 평균농도의 장기적인 변화를 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5(a)에서 볼 수 있듯이 하절기(6월∼8월)에는 보 설치 이전의 경우, 월 평균 수온이 24.1℃~27.1℃였으나 보 설치 이후로는 25.0℃~28.5℃로 나타나 0.9℃~1.4℃ 정도의 수온이 상승하였다. 또한, 동절기(12월~2월)의 경우에는 보 설치 이전에 2.9℃~4.3℃ 범위였으나, 보 설치 이후에는 4.5℃~8.1℃의 범위로 나타나 1.6℃~2.0℃ 정도의 수온이 상승하였다.

연 평균 수온변화를 나타낸 Fig. 5(b)를 보면 2000년부터 2021년까지 연 평균 수온이 점진적으로 상승하는 추세를 나타내었으며, 보 설치 이전의 평균 수온 15.9℃에 비해 보 설치 이후에는 연 평균 수온이 17.2℃로 상승한 것으로 나타나 기후변화의 영향으로 평가된다.

3.3. 낙동강 하류에서 식물 플랑크톤 군집의 장기적 변화

낙동강 하류의 물금지점에서 2000년부터 2021년까지 식물 플랑크톤의 장기적인 생체량 변화를 평가하기 위해 월 및 연 평균 우점종 개체수 변화를 Fig. 6에 나타내었다. 보 설치 전·후의 연 평균 식물 플랑크톤 우점종 개체수의 변화를 나타낸 Fig. 6(b)를 보면 보 설치 이전의 평균 3,639 cells/mL에 비해 보 설치 이후에는 평균 4,034 cells/mL로 나타나 11% 정도 증가하였다. 이러한 이유는 보 설치 전·후의 월 평균 우점종 개체수 변화를 나타낸 Fig. 6(a)에서 볼 수 있듯이 보 설치 이후로 동절기(12~3월)에는 월 평균 우점종(규조류) 개체수가 감소하였으나 하절기(5~9월)에는 오히려 월 평균 우점종(남조류) 개체수가 증가하였다. 특히 8월의 경우 보 설치 이전(2,009 cells/mL)에 비하여 보 설치 이후(15,059 cells/mL)에는 7.5배 정도 증가한 것으로 나타나 보 설치 이후의 연 평균 식물 플랑크톤 생체량이 소폭(11%)으로 상승한 원인으로 평가되었다.

2002년부터 2021년까지 연도별로 하절기와 동절기의 식물 플랑크톤 우점종 개체수 변화에 대한 평가결과를 Fig. 7에 나타내었다.Fig. 7에서 볼 수 있듯이 2002년부터 2008년(보 설치 전)까지는 하절기(남조류) 보다 동절기의 식물 플랑크톤(규조류)의 우점종 개체수가 월등히 높게 나타났다. 그리고 규조류 우점종 개체수는 점진적으로 증가하는 추세를 나타내었다. 반면, 보 설치 이후에는 보 설치 이전과는 반대로 동절기(규조류) 보다 하절기의 식물 플랑크톤(남조류) 우점종 개체수가 월등히 높은 것으로 나타났다. 이러한 변화 특성을 나타내는 이유는 Fig. 2과 Fig. 5에서 살펴볼 수 있다. 보 설치 이후의 기간에 강수량과 유량 감소 및 평균 수온의 상승이 복합적으로 작용하여 유발된 결과이며, 특히, 수온 상승의 영향은 식물 플랑크톤의 생장에 매우 큰 영향을 미치며, 저수온기에 서식하는 규조류(diatom)의 경우 수온의 상승은 개체수와 같은 생체량 감소를 비롯하여 우점종의 천이 등을 유발한다[20].

2002년부터 2021년까지 연도별로 식물 플랑크톤 우점종의 개체수와 우점기간에서 규조류(diatom), 남조류(cyanobacteria) 및 녹조류(green algae)가 차지하는 비율로 환산하여 비교 평가한 결과를 Fig. 8에 나타내었다.

연도별 식물 플랑크톤 우점종 개체수(biomass)에서 식물 플랑크톤 종별 비율 변화를 나타낸 Fig. 8(a)에서 볼 수 있듯이 보 설치 이전에는 규조류가 차지하는 비율의 경우, 등락은 있으나 전체 개체수에서 평균 68% 정도를 차지하였으며, 남조류의 경우는 27%, 녹조류는 5% 정도로 나타났다. 반면 보 설치 이후에는 남조류가 차지하는 비율이 증가하여 전체 개체수에서 평균 57% 정도였으며, 규조류 및 녹조류의 경우는 42%와 1% 정도를 차지하는 것으로 나타나 보 설치 이전에 비하여 규조류는 비교적 크게 감소한 반면 남조류의 경우는 전체 개체수에서 차지하는 비율이 큰폭으로 상승한 것으로 나타났다. 또한, 연도별로 식물 플랑크톤 종별 우점기간 비율변화를 나타낸 Fig. 8(b)를 보면 보 설치 이전에는 규조류가 차지하는 우점기간이 88%, 남조류 9% 및 녹조류 3% 정도로 나타났으나 보 설치 이후에는 규조류가 72%, 남조류 26% 및 녹조류 2%로 나타났다.

보 설치 전･후 기간 동안 식물 플랑크톤의 종별 우점율을 개체수와 기간으로 비교한 결과, 남조류의 개체수와 우점 기간이 증가한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 기후 변화에 따른 강수량과 유량 감소, 그리고 평균 수온 상승으로 인해 동절기에는 규조류가 감소하고, 하절기에는 남조류가 번성했기 때문으로 판단된다. 또한, 평균 수온 상승으로 이른 봄과 늦은 가을까지 남조류의 우점 기간이 연장되어, 전체적으로 남조류의 우점율이 증가하였다.

4. 결 론

1. 낙동강 하류 물금지점에서 여러 수질 항목들의 연평균 농도 변화를 분석한 결과, 보 설치 이후 수질이 전반적으로 개선되었으며, 특히, BOD, NO₃-N, T-N및 T-P 항목에서 연평균 농도의 감소폭이 두드러졌다.

2. 유량과 강우량의 장기적 변화를 평가한 결과, 보 설치 이후 연평균 강수량과 유량이 모두 감소하였으며, 특히, 수온이 상승하는 하절기의 강수량과 유량의 감소폭이 더욱 크게 나타났다.

3. 수온의 장기적인 변화를 평가한 결과, 보 설치 이후 하절기에는 0.9℃~1.4℃, 동절기에는 1.6℃~2.0℃ 정도의 수온이 상승하였으며, 연평균으로는 1.3℃ 정도 상승하였다.

4. 식물 플랑크톤의 장기적인 생체량 및 군집 변화를 분석한 결과, 보 설치 이후 우점종의 개체수가 연평균 약 11% 증가하였으며, 동절기에는 규조류의 우점 기간과 개체수가 감소한 반면, 하절기에는 남조류의 개체수와 우점 기간이 증가하였다.

Notes

Declaration of Competing Interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

Fig. 1.

Sampling sites in the lower Nakdong River (MG: Mulgeum, MR: Maeri).

Fig. 2.

Annual and monthly changes of precipitation and discharge at the lower Nakdong River from 2000 to 2021 (average±s.d.).

Fig. 3.

Long term changes of water quality parameters (pH, BOD, NH₃-N, NO₃-N, T-N and T-P) at the Mulgeum site (average±s.d.).

Fig. 4.

Long term changes of N/P ratio at the Mulgeum site (average±s.d.).

Fig. 5.

Long term changes of water temperature at the Mulgeum site (average±s.d.).

Fig. 6.

Annual and monthly changes of phytoplankton biomass at the Mulgeum site from 2000 to 2021 (average±s.d.).

Fig. 7.

Annual changes in the biomass of dominant phytoplankton during summer and winter at the Mulgeum site (average±s.d.).

Fig. 8.

Annual changes in the proportion of biomass and dominance period of dominant phytoplankton at the Mulgeum site.

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