About Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy

한산거제만 2개 조사정점에 대한 24년간 표·저층 수질의 평균 ± 표준오차(Mean ± SE)와 변동계수(CV, Coefficient of Variations)의 요약을 Table 1에 나타내었다.

수온의 평균은 표층 15.93 ^oC, 저층 14.99 ^oC로 표층이 0.94 ^oC 높았고, salinity의 경우 평균은 표층 32.94 psu, 저층 33.39 psu로 저층이 0.45 psu 높았다. pH의 평균은 표층 8.12, 저층 8.10로 표·저층 차이가 거의 없었고, DO의 평균은 표층 7.28mg/L, 저층 7.18mg/L로 표층이 높은 것으로 나타났다. COD의 평균은 표층 1.25 mg/L, 저층 1.26 mg/L로 표·저층이 비슷한 것으로 나타났다. ammonia의 평균은 표층 2.59 μM, 저층 2.33 μM로 표층이 높은 것으로 나타났고, nitrite의 평균은 표층 0.42 μM, 저층 0.43 μM로 표·저층이 비슷하였고, nitrate의 평균은 표층 3.73 μM, 저층 3.23 μM로 표층이 약간 높은 것으로 나타났고, DIN의 평균은 표층 6.75 μM, 저층 6.00 μM로 표층이 높은 것으로 나타났고, DIP의 평균은 표층 0.50μM, 저층 0.61 μM로 저층이 높은 것으로 나타났다. silicate의 평균은 표층 10.50 μM, 저층 12.34 μM로 저층이 표층에 비해 1.84 μM 높은것으로 나타났다. chlorophyll-a의 표층 평균은 2.66 μg/L, SS의 표층 평균은 6.43 mg/L로 나타났다. N/P비(N/P ratio)의 평균은 표층 28.26, 저층 14.27로 표층이 저층에 비해 13.99 높은 것으로 나타났다.

전반적으로 수온, pH, DO는 표층이 저층에 비해 높고, salinity는 낮은 것으로 나타났다. COD는 표·저층 차이가 거의 없었고, 영양염의 경우 ammonia, nitrate, DIN은 표층이 저층에 비해 높고, nitrite, DIP 및 silicate는 저층이 표층에 비해 높게 나타났다.

Chlorophyll-a의 평균이 2.66 μg/L, DIP의 표·저층 평균이 각각 0.50 μM, 0.61 μM, DIN의 표·저층 평균이 각각 6.75 μM. 6.00μM로 Wasmund et al.[2001]의 해역 영양상태 분류에 따라 수질은 중영양(Mesotrophic) 단계로 분류할 수 있다. 비슷한 시기 인근의 고성만 해역의 수질과 비교하면(Kwon[2010]), 한산거제만이 고성만에 비해 chlorophyll-a은 0.29 μg/L 높고, COD, DIN 및 DIP는 약간 낮은 것으로 나타났다.

정점별로는 수온, salinity, pH 성분과 nitrite, nitrate, DIN, DIP와 같은 영양염은 st. A에 비해 st. B가 높았다(Table 2). DO, COD, ammonia, silicate, chlorophyll-a 및 SS는 st. B보다 st. A에서 높은 것으로 나타났다. 대체로 한산거제만의 중앙부에 위치한 st. B가 거제만 측에 위치한 st. A에 비해 해류 소통이 원활하고, 만 외측과의 해수순환 및 물질교환이 활발함을 보여주고 있다. 거제만의 중앙에 위치한 st. A는 st. B에 비해 DO, COD, chlorophyll-a와 SS 등이 높은 것으로 나타나, st. A가 st. B에 비해 해역의 내부생산이 보다 활발함을 보여주고 있다. 이는 굴 생산성이 1 개체 당 거제만 11.48 μg/day, 한산만 7.56 μg/day로 거제만(st. A)의 굴 생산성이 한산만(st. B)보다 51% 높은 것으로 조사된 Cho et al.[2010]의 연구와 잘 일치한다.

조사 정점에서 수질 성분의 공간적(수층 및 정점), 시간적(계절별) 변동특성 차이를 알기 위하여 다변량분산분석(MANOVA, Multivativariate Analysis of Variance) 이용한 집단평균의 vectors를 비교 분석하였다. 다변량분산분석 검정 결과 모두 유의수준(a<0.05)에서 수층별, 지점별, 계절별 평균의 분포가 동일하지 않은 것으로 나타났다(Table 3).

수층별(표·저층) 수질 성분의 MANOVA 분석결과 수온, 염분, DIP 등 3개 변수가 상이한 것으로 나타났고, 정점별(st. A 및 st. B) MANOVA 분석결과는 염분, COD, nitrite, nitrate, DIN, 및 DIP 등 6개 변수가 서로 다른 것으로 나타났다. 이에 비해 계절별(Feb, May, Aug, Nov) MANOVA 분석결과 COD를 제외한 수온, 염분, pH, DO, ammonia, nitrite, nitrate, DIN, DIP 및 silicate 등 10개 변수가 계절별로 상이한 것으로 나타났다. 따라서 한산거제만의 수질은 수층(depth) 보다는 정점(station)에 따른 변동 특성이 강하고, 정점보다는 계절(season)에 따른 변동특성이 훨씬 강한 것으로 나타났다(Table 4).

한산거제만 해역의 수질변동 특성을 파악하기 위해 다른 요인에 비해 비중이 상대적으로 큰 계절 변동특성에 대해 분석하였다(Fig. 2 및 Table 5). 수온은 표·저층 모두 동계인 2월이 최소, 하계인 8월이 최대로 나타났고, salinity는 이와 반대로 표·저층 모두 하계인 8월에 최소, 동계인 2월이 최대로 나타났고, 특히 하계의 표·저층 차가 다른 계절에 비해 큰 것으로 나타났다. 수온과 salinity의 계절적 변동은 전형적인 겨울에는 저온고염, 여름에는 고온저염의 특성을 보였다. pH의 경우 표·저층 모두 2월이 최대, 11월 최소이며, 표·저층이 비슷한 계절 변동을 보였다. DO의 경우 표·저층 모두 동계인 2월이 최대, 하계인 8월이 최소로 나타났고, 2월과 5월에는 표층에 비해 저층이 약간 높았으나, 8월과 11월은 저층에 비해 표층이 높은 것으로 나타났다. COD의 경우 표·저층 모두 8월이 최대, 11월이 최소이고, 전 계절 표·저층간의 농도 차는 크지 않았다. 영양염의 경우 전반적으로 표·저층 모두 11월이 최대, 5월이 최소(ammonia는 2월이 최소)인 경향을 보여, 강우기에 공급된 많은 영양염이 11월까지 꾸준히 증가하고, 갈수기인 동계를 지나 이듬해의 5월에 농도가 최저가 됨을 보여준다. 영양염의 계절변동을 고려할 때 11월의 경우 asmund et al.[2001]의 분류에서 부영양(Eutrophic) 단계이나, 이에 반해 해역의 기초생산을 나타내는 chlorophyll-a의 농도는 11월이 가장 낮고, 5월과 8월에 3 μg/L 이상으로 높은 것으로 나타났다. 이처럼 chlorophyll-a의 농도가 11월에 가장 낮은 이유는 수온 등의 여러 가지 요인이 원인 될 수 있지만, Cho et al.[2010]의 연구에서처럼 한산거제만의 주요 양식생물인 굴의 주 성장 시기가 11월이고, 이 시기 굴의 여수율이 2.81 L/ind./hr(연 평균 여수율 1.84 L/ind./hr)로 최대임 고려하면, 굴의 포식압 증가가 식물성플랑크톤의 농도를 감소시키는 하나의 원인으로 보여진다.

식물플랑크톤 성장에 있어 제한인자의 판단기준인 N/P ratio는 표층의 경우 전 계절 16 이상이고, 저층의 경우 5월을 제외하곤 전 계절에서 16 이하로 나타나, 표층은 P가 제한인자이고 저층은 5월을 제외하곤 N이 제한인자임을 보였다. 또한 N/P ratio를 보완하기 위하여 Wang et al.[1998]이 제안하고, Lee et al.[2004]이 연안의 암모니아를 고려하여 다음과 같이 수정 제안한 과잉용존무기질소 (Excess Dissolved Inorganic Nitrogen, DINxs)의 경우 8월 표층만 양(+)의 값이고, 그 외 계절의 표·저층은 모두 음 (-)의 값으로 나타났다.

Fig. 2. 
Box diagram of seasonal characteristic variation at study area.

DINxs=[DIN]-16×[DIP]           (1)

여기서 [DIN]은 용존무기질소의 농도, 16은 Redfield ratio, [DIP]는 용존무기인의 농도를 나타낸다.

N/P ratio와 DINxs를 함께 고려하면 전 계절 표층은 P가 제한인자이지만, 8월은 N의 과잉으로 인한 P가 제한인자이고, 나머지 계절은 N이 과잉이 아닌 상태에서 P가 제한인자인 것으로 나타났고, 저층은 전 계절이 N의 과잉이 아닌 상태에서 5월의 경우 P가 제한인자이고 나머지 계절은 N이 제한인자인 것으로 나타났다.

수질성분간의 상관관계를 나타낸 상관분석 결과를 Table 6에 나타내었다. 수온은 salinity, pH, DO와 유의한 신뢰도에서 음 (-)의 상관관계를 보였다. salinity는 수온, 질소성분과 DIN, silicate와 모두 음 (-)의 상관관계를 보였고, pH는 salinity, DO, chlorophyll-a와 양 (+)의 상관관계, 수온, nitrite, nitrate, DIP, silicate와 음 (-)의 상관관계를 보였다. DO는 salinity, pH와는 양 (+)의 상관관계, 수온, COD, 질소성분 및 silicate와는 음(-)의 상관관계를 보였는데, 특히 수온과 음 (-)의 상관관계가 강하게 나타나 DO는 수온에 따른 산소포화율의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. COD는 ammonia와는 양 (+)의 상관관계, DO와는 음 (-)의 상관관계를 보였다.

질소성분들은 대체로 DIP, silicate와 양 (+)의 상관관계, salinity, pH, DO, chlorophyll-a와 음 (-)의 상관관계를 보였으나, ammonia의 경우 pH, DIP, silicate와 상관관계가 없어 nitrite 및 nitrate와는 거동이 다른 것으로 보였다. 또한 ammonia와 nitrate는 chlorophylla와 음 (-)의 상관관계를 보인반면, nitrite는 chlorophyll-a와는 상관관계가 없고 SS과 양 (+)의 유의한 상관관계가 있는 것으로 나타났다. DIP의 경우 pH와는 음 (-)의 상관관계, ammonia를 제외한 무기영양염과는 양 (+)의 상관관계를 보였다. silicate는 salinity, pH, DO와는 음 (-)의 상관관계, ammonia를 제외한 무기영양염과는 양(+)의 상관관계를 보였다.

Chlorophyll-a는 pH와 양 (+)의 상관관계, nitrite를 제외한 무기 질소성분과는 음 (-)의 상관관계를 보였다. 부유물질 (SS)의 경우 nitrite와 양 (+)의 상관관계를 나타냈다.

이상의 상관분석 결과를 통한 변수들 간의 공통 차원 및 상호 관계를 보다 명확하게 파악하기 위하여, 변수들 간의 상관관계를 분석하여 변수들의 공통차원을 설명할 수 있는 통계기법인 요인분석(factor analysis)을 실시하였다.

주어진 자료가 요인분석(factor analysis)에 적절한지 판단하기 위하여 표본적합도에 대한 KMO(Kaiser-Meyer-Okli) 측도검정과 Bartlett의 구형성검정을 실시하였다. 검정 결과 KMO 측도 값이 0.571, Bartlett의 구형성 검정의 유의확율이 p=0.000으로 자료가 요인분석에 적합함을 확인하였다. 요인분석에 사용된 요인추출 방법은 주성분분석(PCA, principal component analysis)을 이용하였고, 고유값(eigenvalue)은 1보다 큰 요인을 추출하고, 직각회전의 한 방법인 베리맥스(varimax)를 요인회전 방법으로 이용하였다.

요인분석 결과 5개의 요인(factor)이 추출되었고, 누적 적재값(cumulative %)이 76.82%로 나타났다. factor 1은 영양염(nitrate, nitrite, DIP, silicate), factor 2는 계절(수온, pH, DO), factor 3은 담수(ammonia, salinity), factor 4는 오염물질(COD), factor 5는 내부생산(SS, chlorophyll-a) 등 5개의 요인이 추출되었다. 요인별 적재값(cumulative %)은 영양염 요인(factor 1)이 26.7%, 계절요인(factor 2)은 18.8%, 담수 요인(factor 3)은 13.0%, 오염 요인(factor 4)이 11.3% 그리고 내부생산 요인(factor 5)이 10.9%로 각각 나타났다(Table 7).

정점에 따른 요인분석 결과 st. A의 경우 factor 1은 계절 및 내부생산 (pH, 수온, salinity, chlorophyll-a, DO), factor 2는 영양염(nitrate, nitrite, silicate, DIP), factor 3은 오염(ammonia, COD), factor 4는 수괴의 탁도(SS) 요인 등 4개 요인이 추출되었고, 누적 적재값은 71.09%였다. st. B의 경우 factor 1은 영양염(nitrate, nitrite, DIP, silicate), factor 2는 계절 및 담수(수온, DO, salinity, pH), factor 3은 오염(ammonia, COD), factor 4는 내부생산(SS, chlorophyll-a) 등으로 4개의 요인이 추출되었고, 누적 적재값 72.88%로 나타났다(Table 8).

수층에 따른 요인분석 결과 표층의 경우 factor 1은 영양염(nitrate, nitrite, DIP, silicate), factor 2는 계절(수온, pH, DO), factor 3은 담수(ammonia, salinity), factor 4는 오염물질(COD) 그리고 factor 5는 내부생산(SS, chlorophyll-a) 등 5개의 요인으로 추출 되었고, 누적 적재값은 75.82%로 나타났다. 저층의 경우 factor1은 계절(DO, 수온, salinity, pH, silicate), factor 2는 영양염(DIP, nitrite, nitrate), factor 3은 오염물질(COD, ammonia) 등 3개의 요인으로 추출되었고, 누적 적재값은 67.02%로 나타났다.

st. A는 계절 및 내부생산, st. B는 영양염 성분이 factor 1로 추출되어, 거제만에 위치한 st. A는 수온의 변동과 chlorophyll-a와 같은 해역의 내부생산이 가장 큰 요인이고, st. B는 수로의 중심에 위치하여 만 내·외의 영양염 교환이 가장 큰 요인으로 설명되었다. 또한 표층은 영양염, 저층은 계절 및 퇴적층 성분이 factor 1로 추출되어, 육상기원의 영양염은 해역의 표층에 직접적으로 영향을 미치는 것으로 나타났지만, 의외로 수온, DO 및 pH 등의 계절성분의 영향이 표층이 아닌 저층에서 크게 나타났다. 전반적으로 영양염 공급, 수온 변동, 담수유입 등이 한산거제만의 주요 요인이며, 이들 세 요인이 한산거제만 해역의 수질 특성에 대해 절반 이상(53.61%)을 설명하는 것으로 나타났다.

한산거제만의 두 정점 st. A 및 st. B의 장기자료에 대한 시간적 변동 추세를 파악하기 위하여 4-point 이동평균을 이용한 추세를 파악하고, 이동평균자료에 대한 회귀분석을 하였다(Fig. 3~4).

st. A는 수온의 경우 표·저층 모두 증가하는 추세이고, 1987년에 비해 2010년의 경우 표층은 0.28 ^oC 저층은 0.74 ^oC 증가한 것으로 나타났다. 염분의 경우 표·저층 모두 감소하는 추세를 보였으나, 회귀분석의 상관계수(r)가 유의수준 이하로 나타났다. pH의 경우 표·저층 모두 감소 추세로 23년간 0.19 감소하였다. DO는 표·저층 모두 증가 추세이고, 24년간 표층 2.49 mg/L, 저층은 2.86 mg/L 증가한 것으로 나타났다. COD는 표·저층 모두 감소 추세이고, 표층은 0.65mg/L, 저층은 0.56mg/L 정도 감소하였다. DIN의 경우 표·저층 모두 감소 추세를 보였고, 표층은 4.97 μM 감소하였으나, 저층의 상관계수는 유의성이 없는 것으로 나타났다. DIP의 경우 표·저층 모두 증가 추세를 보였고, 표층의 상관계수는 유의성 없고, 저층은 0.28 μM 증가한 것으로 나타났다. DINxs는 표·저층 모두 감소 추세를 보였으며, 표층은 1995년 이전에는 양 (+)의 값이고 이후에는 음 (-)의 값으로 전환되었고, 저층은 1990년 이전에는 양 (+)의 값, 이후에는 음 (-)의 값으로 전환되었다.

st. B는 수온의 경우 표·저층 모두 증가하는 추세이고, 1987년에 비해 2010년에 표층은 1.92 oC 증가하였고 저층의 상관관계는 유의수준 이하로 나타났다. salinity의 경우 표·저층 모두 감소하는 추세를 보였고, 24년간 표·저층 모두 0.74 psu 낮아진 것으로 나타났다. pH는 표·저층 모두 감소하는 추세로 24년간 표층 0.1, 저층 0.2 감소하였다. DO는 표·저층 모두 증가 추세이고, 24년간 표층 2.30 mg/L, 저층은 2.86 mg/L 증가하는 것으로 나타났다. COD의 경우 표층은 감소 저층은 증가하는 추세를 보였고, 표층의 경우 0.37 mg/L 감소하였고, 저층의 상관계수는 유의수준 이하로 나타났다. DIN은 표층은 감소, 저층은 증가하는 것으로 나타났고, 표층의 상관계수는 유의수준 이하이며, 저층은 1.38 μM 증가한 것으로 나타났다. DIP의 경우 표·저층 모두 증가 추세를 보였고, 표층의 상관계수는 유의수준 이하이며, 저층은 0.37 μM 증가한 것으로 나타났다. DINxs는 표·저층 모두 감소 추세로 표층은 1988년 이전에는 양(+)의 값이고, 이후에는 음 (-)의 값으로 전환되었고, 저층의 경우 1987년 이전부터 음 (-)의 값인 것으로 나타났다.

Fig. 3. 
Time series variation and trends of water parameters at st. A (black circle represent observed value, blue line smoothing trends by 4-point moving average, and black line regression equation).

Fig. 4. 
Time series variation and trends of water parameters at st. B (black circle represent observed value, blue line smoothing trends by 4-point moving average, and black line regression equation).

두 정점에서 대체로 수온과 DO는 증가, pH와 COD는 감소하는 추세가 뚜렷하게 나타났고, 특히 DO의 증가와 COD의 감소 경향은 한산거제만 해역의 수질이 점차 개선되고 있다는 것을 보여준다. DINxs는 N/P비를 기준으로 1990년대를 전·후하여 DIN이 과잉에서 부족으로 전환되었고, 저층에서 DIP 증가 추세는 뚜렷한 것으로 나타났다.