1. 서론

제주도 연안해역의 온난화는 빠르게 진행되어 지난 40년간 표층 수온은 약 1.2℃ 상승한 것으로 보고되었다(Jang et al., 2006; Ju and Kim, 2013). 또한 제주도 인구 급증으로 인간 활동에 기인한 물질이 연안으로 유입되고 있다(Chang et al., 2012; Kim et al., 2021). 이러한 인간 활동 기인 물질의 해양 유입은 제주 연안 생태계 군집 구조와 기능에 영향을 미칠 수 있다(Ju and Kim, 2013; Jung et al., 2019; Lee et al., 2004).

제주도 내에는 8개의 하수처리시설이 운영되고 있다(Kim, 2021; Kim et al., 2021). 이 하수처리시설은 모두 해안가에 위치하고 있으며 하수처리 배출수는 연안으로 방류되고 있다. 최근 하수처리시설 용량 부족으로 처리되지 않은 하수가 연안으로 방류되고 있는 실정이다(Kim et al., 2021). 하수처리시설뿐만 아니라 제주도 육상수조식 양식장은 2023년 기준 약 263개소에 달하며 제주 동부 해안가에 집중적으로 위치한다(Kim et al., 2021; Statistics Korea, 2023). 실제로 제주도 북동부 지역인 구좌읍 행원리에 대규모 육상양식단지가 위치해 있다. 행원육상양식단지에는 양식장 20개 이상의 업체가 모여 있고 모든 업체가 함께 취수관과 배수관을 사용한다. 이로 인하여 행원육상양식단지는 국내 최대 규모의 넙치 양식 시설로 하루 약 70만 톤의 배출수를 제주 연안으로 방류하고 있다(Cho, 2001). 이러한 인간 활동 기인 물질의 해양 유입은 주변 연안의 수층 환경에 영향을 미친다(Kim and Kim, 2017; Kim et al., 2021; Koh et al., 2013). 예를 들어 양식장 배출구 주변 해역의 영양염 분포는 배출구 인접 해역에서 높았고 외해역으로 갈수록 감소하는 특징을 보였으며 양식장 배출구 주변에서 고농도의 영양염 유입은 부영양화 과정에서 해양생태계에 큰 영향을 미치는 것으로 보고된 바 있다(Kim and Kim, 2017; Kim et al., 2023a; Park, 2014). 특히 양식장 주변 해역에서의 부영양화는 파래 대발생 등 해양생태계에 영향을 미치는 것으로 보고되었다(Lee et al., 2021; Lee et al., 2023a). 또한 양식장 배출수에 포함된 물질은 주로 사료 찌꺼기와 물고기 배설물 등으로 구성된다(Kim et al., 2023a; Kwon et al., 2022; Lei et al., 2021). 이러한 배출 물질의 연안 유입은 주변 해역의 탁도를 증가시키고 유기물질 분해에 따른 부영양화와 빈산소 야기 등 저서생태계에 영향을 미칠 수 있다(Kim et al., 2023a; Yoon and Choi, 2006).

양식 산업에 의한 수산물 생산량은 해마다 증가하고 있지만 양식장 배출수로 인하여 발생하는 수층 환경 영향 평가 연구는 미미한 실정이다. 특히 제주 연안 해양 환경을 대상으로 국립수산과학원과 해양환경공단 등에서 분기별로 정기 모니터링을 수행하고 있지만 주로 해역 수질 평가에 초점을 맞춰 진행하고 있으며 육상양식장 배출구 주변에서 연안 수질 특성 분포 연구는 미미한 실정이다. 이에 한국해양과학기술원 제주연구소는 2023년 6월에 구좌읍 행원리 인근 해역에서 수온과 염분, 영양염, 퇴적물 조성을 조사하였다. 이 연구의 목적은 제주도 동부 구좌읍 행원리 주변 해역에서 영양염 농도 등의 수층 환경인자 특성을 분석하는 것이다.

2. 본문

2.1 연구 지역

제주시 구좌읍은 동복리, 김녕리, 월정리, 행원리 등 12개의 행정리로 구성되며 제주도 총 면적의 약 10%를 차지한다. 제주시 구좌읍 행원리는 지하 해수가 풍부하고 이 지하 해수의 수온은 연중 16-18℃로 유지되어 온수성 어류 양식의 최적지로 평가받는다. 제주시 구좌읍에 동부하수종말처리장과 대규모 육상양식단지가 위치하고 있다. 제주 동부하수처리장은 1997년 착공하여 2007년 하루 하수처리용량 약 6,000톤 규모로 완공되었고 2014년 하루 하수처리용량 12,000톤 규모로 증설되었다. 동부하수처리장의 하루 평균 하수량은 약 11,722톤이며 최근 하루 24,000톤 규모로 늘리는 증설 계획이 수립되었다. 행원육상양식단지는 1999년대 제주도에 조성된 양식단지이다. 행원육상양식단지는 84,114 m² 규모로 조성되었으며 이 단지에 30여 개의 넙치 양식장이 입주해 있고 하루 약 100만 톤의 양식 폐수를 방류하고 있다(Cho, 2001).

2.2 재료 및 방법

2.2.1 수질 특성 분석

15개 연구 정점에서 수온과 염분은 CTD (RBR concerto-3; RBR, Ottawa, Canada)를 이용하여 측정하였고 표층과 저층에서 니스킨 채수기를 이용하여 해수를 채집하였다. 각 정점의 수심은 3-20 m 범위로 외해로 갈수록 수심이 깊어지는 지형을 보이고 있지만 연구 지역 내 무질서하게 분포하고 있는 암초로 인해 복잡한 해저 지형을 보인다(Fig. 1). 채집한 해수는 실험실에서 0.45 μm 여과지(Wattman®; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)를 이용하여 각 500 mL 해수를 두 개씩 여과하였다. 여과 해수는 곧바로 초저온냉동고에 넣어 냉동 보관하였다가 영양염 분석하였다. 영양염 분석은 영양염자동분석기(QuAAtro39; Seal Analytical Instrument, Mequon, WI, USA)를 사용하여 아질산염, 질산염, 암모니움, 인산염, 규산염의 농도를 각각 측정하였고 각 정점에서 두 개의 여과지 중 하나는 엽록소-a 농도를 분석하였다. 엽록소 농도는 해수 시료 약 2 L를 GF/F 여과지로 여과한 후 여과지를 유리병에 넣고 약 90% 아세톤 용액으로 24시간 추출하였다. 분광 광도계(UV/Vis Spectrophotometer; Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA)로 625, 647, 664 nm 파장에서 각각의 흡광도를 측정하여 계산하였다(Lee et al., 2023b). 다른 하나의 여과지는 염산이 담긴 데시게이터에서 24시간 산 처리 후 원소분석기(Flash 2000; Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)로 입자성 유기탄소(particulate organic carbon, POC) 함량을 분석하였다.

2.2.2 표층 퇴적물 특성 분석

15개 정점에서 다이버가 잠수하여 직접 표층 퇴적물을 채집하였다(Fig. 1). 채집한 퇴적물 약 50 g을 비이커에 담고 건조기에서 60℃로 48시간 건조한 후 분말화하였다. 원소 분석기(Flash 2000)로 총탄소 및 총질소 함량을 측정하였고 무기탄소분석기(CO₂ coulometer, CM5014; UIC, Inc., Joliet, IL, USA)로 무기탄소 함량을 분석하였다(Kim et al., 2023b). 유기탄소 함량은 총탄소 함량에서 무기탄소 함량을 빼서 계산하였다. 퇴적물 입도 분석을 위하여 채집한 퇴적물을 10% 염산(HCl)으로 산처리하여 무기물을 제거한 후 묽은 과산화수소(H₂O₂)로 유기물을 제거하였다. 그리고 증류수로 3회에 걸쳐 염분을 제거한 후 직경 4Φ 체를 이용하여 가는 입자와 굵은 입자를 분리하였다. 4Φ 체를 통과한 가는 입자 퇴적물은 1 L 메스실린더에 넣고 증류수로 1 L를 채운 후 잘 저어서 50 mL를 추출하여 건조 후 무게를 측정하여 가는 입자의 총 무게를 계산하였다. 4Φ보다 가는 입자는 퇴적물 입도분석기(SediGraph 5200; Micromeritics, Norcross, GA, USA)를 이용하여 각 입자의 분포 함량을 분석하였고 4Φ보다 굵은 입자는 각 입도별로 체에 걸러 체에 걸린 입자의 무게를 측정하였다. 각 입도별 무게를 모두 산출한 후 입도 분석 프로그램을 사용하여 퇴적물 형태, 평균 입도 크기, 각 성분의 함량 등을 계산하였다.

3. 결과

3.1 영양염과 수질환경인자

2023년 6월 행원리 연안 해역 표층 수온은 19-21℃, 저층 수온은 18-20℃ 범위로 분포하고 있었다. 표층에서는 연구 해역의 북부 바깥쪽에서 낮은 수온 분포를 보였고 저층에서는 서쪽에서 상대적으로 낮은 수온 분포를 보였다. 대부분의 정점에서 표층과 저층의 수온 차이가 나타나지 않고 표층과 저층이 잘 혼합된 것으로 보였다. 표층에서의 염분은 동부 연안 해역에서 상대적으로 낮은 염분의 해수가 분포하고 있었고 저층에서는 염분의 차이가 거의 나지 않았지만 양식장 배출수 방류구 앞 정점에서 상대적으로 낮은 염분을 보였다(Fig. 2).

표층에서 질산염은 0.1-21.2 μmol/L 범위로 서쪽 연안 해역에서는 고농도의 질산염이 분포하였고 저층에서는 0.1-18.8 μmol/L 범위로 양식장 배출수 방류구 앞에서 매우 높은 농도의 질산염 농도를 보였다. 표층에서 규산염은 10.2-46.6 μmol/L 범위로 연안 해역에서 높은 농도를 보이고 있었고 저층에서는 9.3-56.8 μmol/L 범위로 양식장 배출수 방류구 주변에서 높은 농도로 분포하였다(Fig. 3). 표층에서 인산염과 암모니아는 각각 0.01-0.71 μmol/L, 0.5-4.4 μmol/L 범위로 분포하였고 저층에서는 각각 0.10-1.26 μmol/L, 0.4-10.2 μmol/L 범위로 분포하였다. 인산염과 암모늄의 농도 분포는 표층과 저층이 유사한 분포 양상을 보였다. 또한 양식장 배출수 방류구 앞에서 높은 농도로 분포하고 있는데 표층보다는 저층에서 상대적으로 높은 농도로 분포하였다(Fig. 4).

표층에서 엽록소-a 농도는 서부 해역에서 높은 농도를 보였고 그 외 다른 정점에서는 매우 낮은 농도로 분포하였다. 저층에서는 서부 연안 해역과 양식장 배출수 방류구 주변에서 높은 농도로 분포하였다. 표층에서의 POC는 양식장 배출수 방류구 앞과 동부 외해역에서 높은 농도로 분포하였고, 저층에서는 양식방 배출수 방류구 앞에서 높은 농도로 분포하였다(Fig. 5).

3.2 표층 퇴적물 특성

행원리 연안 해역 표층 퇴적물은 대부분 사질과 역질 퇴적물로 구성되어 분포하고 있다. 서쪽 해역에는 주로 사질 퇴적물이 우세하고 동쪽 해역에는 역질 퇴적물과 사질 퇴적물이 혼합된 퇴적물이 분포하고 있었다(Fig. 6). 표층 퇴적물의 평균 입도는 -1Φ에서 3Φ의 범위를 보였고 서쪽 해역은 2-3Φ, 동쪽 해역은 -1Φ에서 1Φ의 입도 크기로 동쪽 해역에 상대적으로 조립한 퇴적물이 분포하고 있었다(Fig. 6). 표층 퇴적물 총 탄소 함량은 12-17%의 범위를 보였으며 동쪽 해역에서 서쪽 해역보다 상대적으로 높은 함량을 보였다. 유기탄소 함량은 0.1-0.7% 범위로 분포하고 있었고 서쪽 해역과 양식장 앞에서 상대적으로 높은 유기탄소 함량을 보였다(Fig. 6).

4. 토의 및 결론

4.1 행원리 연안의 영양염 분포와 수질 특성

연안 환경은 인간 활동의 직접적인 영향을 받는 해역으로 육상양식장 배출수와 해저지하수 유출 등 다양한 경로를 통해 다량의 영양염이 유입되고 있다(Kim and Kim, 2017; Slomp and Van Cappellen, 2004). 특히 제주 연안에 육상수조식 양식장은 2023년 기준 약 263개소에 달하고 전국 육상수조식 양식장 535개소 대비 약 50%를 차지한다(Statistics Korea, 2023). 이에 제주 연안에서 영양염의 분포는 양식장 배출수와 해저지하수의 유입 영향을 고려해야 한다(Kwon et al., 2017). 제주의 육상양식장에서는 주로 냉수성 어종인 넙치를 사육하는데 사육수의 수온을 낮추기 위해 지하수를 끌어 올려 연안 해수와 혼합해서 사용하고 있다. 이에 양식장 배출수와 해저지하수의 영양염 농도는 유사한 경향을 보이지만 인산염과 암모니움의 농도에서 가장 뚜렷한 차이를 보인다. 육상양식장 배출수는 일반적으로 질산염, 인산염, 규산염 및 암모니움의 농도가 일반 해수에 비해 높고 수온은 18-20℃로 연중 일정하며 염분은 26-28 psu로 일반 해수에 비해 조금 낮다(Lee et al., 2020). 해저지하수의 질산염과 규산염 농도는 양식장 배출수보다 높지만 인산염과 암모니움 농도는 상대적으로 낮아 일반 해수와 유사한 경향을 보인다(Hwang et al., 2005). 연구 해역에서 질소와 인 비(N:P ratio)를 보면 양식장 배출수가 나오는 주변 정점과 해저지하수가 유입되는 정점에서 뚜렷한 차이를 보인다(Fig. 7). 양식장 배출수 주변 정점은 용존 질소와 용존 인의 농도가 모두 높았고 해저지하수가 유입되는 곳에서는 용존 질소 농도는 높은 반면 용존 인 농도는 상대적으로 낮은 경향을 보였다(Fig. 7).

제주 연안에서 양식장 배출수는 염분과 용존 무기질소(dissolved inorganic nitrogen, DIN), 용존 무기인(dissolved inorganic phosphorus)이 유의미한 상관관계를 보이고 해저지하수는 염분과 DIN, 용존 규소(dissolved silica)가 유의미한 상관관계를 보인다(Oh et al., 2021). 연구 해역의 양식장 배출수 방류구 앞 저층에서 질산염, 인산염 및 암모니움의 농도가 가장 높은 농도로 분포하고 염분은 상대적으로 낮은데 이는 양식장 배출수의 영향을 의미한다. 연구 해역의 서쪽 연안에 질산염의 농도가 상대적으로 높게 분포하는데 이는 행원항 내부로부터 유입되는 지하수(용천수)의 영향으로 보인다. 이 해역은 염분이 상대적으로 낮고 질산염과 규산염의 농도가 높은 것은 지하수의 유입 영향으로 판단된다. 제주 구좌읍 행원리 연안의 영양염 주요 공급원은 양식장 배출수와 해저지하수지만 양식장 배출수가 영양염 분포에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.

2016년 6월에 국립수산과학원에서 측정한 제주 연안 행원 육상양식장 주변 해역 수질 결과에 따르면 질산염과 인산염 농도는 각각 1-21 μmol/L와 0.16-2.90 μmol/L의 범위를 보였다(Koh et al., 2013). 규산염 농도는 7.8-186.0 μmol/L의 범위를 보였다. 본 연구에서 2023년 6월에 측정한 질산염은 13.5-18.8 μmol/L, 인산염 0.71-1.26 μmol/L, 규산염은 45.5-78.1 μmol/L 범위를 보여 과거와 유사한 값을 보였다. 2010년 2월부터 2011년 11월까지 측정된 질산염 농도는 평균 10.2 μmol/L (범위, 1.2-24.0)의 변화 범위를 보였으며 인산염 농도는 평균 0.39 μmol/L (범위, 0.02-1.74)의 변화 범위를 보였다(Koh et al., 2013). 계절에 따른 영양염 농도의 차이가 조금 있었지만 대부분 유사한 농도 범위를 보였다. 지하수는 계절에 따라 연안 유입량에 큰 차이를 나타내지만 육상양식장에서 연중 일정한 사육수량을 배출하고 배출수의 온도, 염분 및 영양염 농도에도 큰 변화가 없어 제주 연안에 연중 일정한 부하를 주고 있다(Lee et al., 2021; Lee et al., 2023a). 제주 연안에서 육상양식장 배출수와 해저지하수의 유입이 생태계에 큰 영향을 줄 수 있는 상황으로 대표적으로 갈파래류의 대번성에 의한 녹조 현상 발생 등이 있다. 그러나 육상양식장 배출수와 해저지하수는 공통적으로 질산염의 농도는 높지만 암모니움과 인산염의 농도에는 차이를 보이고 있어 생태계에 미치는 영향을 다를 것이라 예상된다. 향후 각 영양염의 공급원에 따른 연안 생태계에 미치는 영향에 대한 종합적인 연구가 필요하다.

4.2 행원리 연안 표층 퇴적물 탄소 분포 특성

일반적으로 해양 퇴적물에서 유기탄소 함량은 입도 특성과 밀접한 관계를 보인다(Hyun et al., 2003; Serrano et al., 2016). 제주도 행원리 연안 표층 퇴적물은 전체적으로 -1Φ에서 3Φ 범위의 조립질 모래입자가 우세하게 나타났다. 본 연구에서 표층 퇴적물 내 유기탄소 함량은 0.1-0.7% 범위를 보였으며 입도 분포와 밀접한 관련을 보이는 것으로 나타났다. 행원리 연안 서쪽 해역과 양식장 배출수 주변 해역에서 비교적 높은 유기 탄소 함량을 보였으며 동쪽 해역에서 상대적으로 낮은 함량을 보였다. 양식장 배출수 주변 해역 표층 퇴적물에서 높은 유기탄소 함량은 양식장 배출수에 포함된 어류 배설물 입자의 영향을 반영한 결과로 생각된다. 행원리 서쪽 해역과 동쪽 해역 표층 퇴적물에서 유기탄소 함량은 뚜렷한 차이를 보였다. 퇴적물 유기탄소 함량 분포는 표층 엽록소-a 농도 분포와 저층 POC 농도 분포를 합쳐 놓은 것처럼 보였다. 이는 서쪽 해역의 높은 기초 생산력으로 생성된 유기물과 양식장에서 배출된 유기물이 퇴적된 결과로 보인다. 동쪽 해역은 유기탄소 함량은 낮지만 총 탄소 함량이 높은데 이는 동쪽 해역의 퇴적물은 패각 및 홍조 단괴 등이 주로 퇴적되어 무기탄소 함량이 높아진 결과로 판단된다(Choi et al., 2014).

Notes

Acknowledgement

The authors thank Dr. Chung Hyun Choi in the Institute of Marine Ecosystem, for providing the data for analyzing nutrients and sediment size.

Conflict of Interest

Taehee Lee has been an Editorial Board of GEO DATA; however, he was not involved in the peer reviewer selection, evaluation, or decision process of this paper. Otherwise, no other potential conflicts of interest relevant to this paper were reported.

Funding Information

This work was supported by the Korea Institute of Ocean Science & Technology (KIOST No. PEA0307).

Data Availability Statement

The data that support the findings of this study are available on request from the authors. The data are not publicly available due to privacy or ethical restrictions.

Fig. 1.

Map showing the location of stations in Haengwon coastal area, Jeju Island.

Fig. 2.

Distribution map of water temperature and salinity in Haengwon coastal area.

Fig. 3.

Distribution maps of nitrate and silicate concentration in Haengwon coastal area.

Fig. 4.

Distribution map of phosphate and ammonium concentration in Haengwon coastal area.

Fig. 5.

Distribution map of particulate organic carbon (POC) and Chlorophyll-a concentration in Haengwon coastal area.

Fig. 6.

Distribution map of sediment type, mean grain size, total carbon, and total organic carbon contents in Haengwon coastal area sediment.

Fig. 7.

N:P ratios in Haengwon coastal area. Red circle means sites of fish farm effluent, and blue circle means sites of submarine groundwater discharge. DIN, dissolved inorganic nitrogen; DIP, dissolved inorganic phosphorus.

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Appendix

Figure & Data

References

Citations

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