The Sea:JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF OCEANOGRAPHY (한국해양학회지:바다)

The Korean Society of Oceanography (한국해양학회)
권호 표지

Variation of Water Qualities Due to Freshwater Introduction to Tidal Flat: A Mesocosm Study

메조코즘을 이용한 갯벌의 담수화과정 중 수질 변화

  • Kim Yeong-Tae (Graduate School of oceanography Kunsan National University) ;
  • Jeong Yong-Hoon (Graduate School of oceanography Kunsan National University) ;
  • Chae Youn-Ju (Graduate School of oceanography Kunsan National University) ;
  • Rhee Choong-Won (Graduate School of oceanography Kunsan National University) ;
  • Kim Soh-Yong (Graduate School of oceanography Kunsan National University) ;
  • Choi Kang-Won (Rural Research Institute, KARICO) ;
  • Yang Jae-Sam (Graduate School of oceanography Kunsan National University)
  • Published : 2006.05.01
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Abstract

A mesocosm, an artificial tidal flat ecosystem, was constructed outdoors to simulate in situ physical and biochemical environmental conditions of natural tidal flat as much as possible. During the experiment from February to August 2004, the study was focused on the biogeochemical variations of superficial water and porewater after introduction of freshwater into the mesocosm. The mesocosm has three experimental conditions; SW-M-T: maintaining the saline water of approximately 20 psu; FW-M-T: complete exchange of freshwater ul the mesocosm with continuous mixing of water column: FW-NM-T: complete exchange of saline water to freshwater in the mesocosm without mixing of water column. Mass extinction of benthic macrofauna appeared due to drastic decrease of porewater salinity from 20 psu to less than 10 psu between the 63th and 91st day of freshwater introduction in FW-M-T and FW-NM-T. Throughout the periods, 7/8 of bivalves and 2/3 of polychaete populations have been extinguished in the sediment. In FW-NM-T, as temperature rises, both evident decrease of DO in water column and active release of DIP from sediment were observed. ${NO_3}^-$ was removed from water column into sediment throughout the periods. Therefore extremely low ${NO_3}^-$ was found during late spring and summer. Whereas ${NH_4}^+$ exhibited only $1/2{\sim}1/8$ of ${NO_3}^-$ concentration. Unexpectedly even after mass extinction of benthic macrofauna, we were not able to find high ${NH_4}^+$. This mesocosm study suggests that when fresh water introduce to natural tidal flat, its sediment activity functions as a potential source of DIP, but a sink of ${NO_3}^-$.

2004년 2월부터 8월까지 메조코즘을 이용하여 겟벌에 담수가 유입된 이후 갯벌 조간대에 조성된 인공방조제 내부 갯벌에서 일어나는 생지화학적 변화를 모의하였다. 이를 위해 먼저 세 개의 환경 조건을 조성하였으며, 이 중 두 환경은 담수를 유입하는 환경으로써, 교반 담수화 실험군(FW-M-T/C)과 미교반 담수 실험군(FW-NM-T/C)로_ 세분하였고, 나머지 하나는 해수 환경(SW-M-T/C)을 유지하였다. 초 봄에 교반 담수화 실험군과 미교반 담수 실험군(FW-NM-T)의 수주에 대하여 28일 만에 완전 담수화에 도달하였으며, 담수화 과정과 담수화 이후에 염분, 영양염 농도, 그리고 저서 생물의 종과 개체수 변화에 대해 지속적인 조사가 이루어졌다. 염분의 경우, 수층의 담수화속도에 비해 퇴적층의 공극수 내 염분 감소는 매우 느리게 진행되어 공극수 내 염분이 10 psu이하로 감소한 이후 5월 1일(담수 유입 63일 경과)과 5월 27일(91일 경과)사이에 저서 동물 생체량의 현저한 감소가 관찰되었는데, 주요 저서 동물인 이매패류는 $\frac{7}{8}$이 감소하였고, 다모류는 $\frac{2}{3}$가 감소하였다. 담수화로 인한 수질변화는 동절기에서 하절기로 계절이 바뀜에 따라 온도 상승에 의한 DO의 현저한 감소 현상이 관찰되었다. 이러한 현상은 교반 담수화 실험군 보다는, 특히 미교반 담수 실험군에서 더욱 뚜렷하게 나타났다. 또한 DIP의 경우도 여름철에 미교반 담수 실험군에서 훨씬 더 많은 양이 용출되었다. ${NO_3}^-$은 실험 전반에 걸쳐 수층에서 제거되는 것으로 나타났으며, 계절적으로는 늦은 봄부터 감소하기 시작하여 여름철에는 매우 낮은 농도 분포를 보였다. ${NH_4}^+$은 ${NO_3}^-$에 비해 실험 기간내내 매우 낮은 농도($\frac{1}{2}{\sim}\frac{1}{8}$이상)를 보였으며, 계절 변화에 따른 영향은 받지 않았다. 특히 완전 담수화 이후 해양 저서생물이 대량 폐사하면서 잠재적인 유기물 증가량이 많았던 늦봄과 그 이후의 여름철 동안에도 ${NH_4}^+$의 농도 증가 경향은 전혀 보이지 않았다. 실험 기간 동안 갯벌 퇴적물이 ${NO_3}^-$에 대해서는 제거지(sink)로써, 그리고 DIP에 대해서 잠재적인 공급원(source) 역할을 하고 있는 것으로 나타났다.

Keywords

References

  1. 김도희, 양재삼, 2000. 금강 하구 갯벌 내 질소화합물질의 연직적인 플럭스 평가. 한국해양환경공학회지, 3(2): 2-10
  2. 김영태, 2006. 메조코즘(mesocosm)을 이용한 갯벌의 생지화학적 변화 연구. 군산대학교 박사학위논문
  3. 김종구, 김동명, 양제삼, 2000. Box모델을 이용한 금강 하구 해역의 물질수지 산정. 한국해양환경공학회지,3(4): 76-90
  4. 김종구, 김양수, 조은일, 2002. 새만금 사업 지구의 연안해역에서 부영양화 관리를 위한 생태계 모델의 적용. 한국수산학회지, 35(4): 356-365
  5. 농업진흥공사, 1987. 어족자원 생태변화 예측 및 내수면 개발 계획 수립 연구 보고서, pp. 174-188
  6. 심무준, 조성록, 나공태, 신진선, 김은수. 2001. 시화호 퇴적물에서 인의 지화확적 특성. 한국해양환경공학회지, 4(3): 16-27
  7. 양재삼, 김영태, 2002. 곰소만 조간대에서 인의 시공간적 분포. 한국해양학회지, 7(3): 171-180
  8. 양재삼, 김기현, 김영태, 2003. 곰소만 조간대 해수 내 질소 성분의 시공간적인 분포. 한국해양학회지, 8(3): 251-261
  9. 이용혁, 양재삼, 1997. 금강 하구역에서 영양염류, 엽록소, 부유물질과 염분 변화에 대한 500일 간의 연속 관측. 한국해양학회지, 2(1): 1-7
  10. 이태원, 문형태, 허성희, 1997. 시화호 수질 악화에 따른 시화호와 주변 해역 어류의 종조성 변화. 한국해양학회지, 2(2): 110-116
  11. 정용훈, 2005. 사질 갯벌의 담수화로 인한 공극수 내 지화학적 조성 변화: 메조코즘 연구. 군산대학교 석사학위 논문
  12. 조규송, 강인구, 권오길, 김범철, 나규환, 안태석, 이종범, 이찬기, 이해금, 김상호, 최준길 공역, 1991. 호수환경조사법. 동화기술, 118 pp
  13. 조영근, 이동훈, 김상중, 1995. 식물플랑크톤 생장이 소양호 수층의 유기물 분포에 미치는 영향. 한국육수학회지, 28(2): 137-150
  14. 해양수산부, 2000. 새우양식과 질병관리, pp.29-57
  15. Alpine, E.A. and J.E. Cloem, 1992. Trophic interactions and direct physical effects control phytoplankton biomass and production in an estuary. Limnol. Oceanogr., 37(5): 946-955 https://doi.org/10.4319/lo.1992.37.5.0946
  16. Asaeda, T., Y.K. Trung and J. Manatunge, 2000. Modeling the effects of macrophyte growth and decomposition on the nutrient budget in shallow lakes. Aquat. Bot., 68: 217-237 https://doi.org/10.1016/S0304-3770(00)00123-6
  17. Aston, S.R., 1978. Estuarine chemistry. In: Riley, J. P. and R. Chester (Editors), Chemical Oceanography, 7. Academic, London, 361-440 pp
  18. Bates, M.H. and N.J. Neafus, 1980. Phosphorus release from sediments from Lake Carl Blackwell, Oklahoma. Water Res., 14: 1477-1481 https://doi.org/10.1016/0043-1354(80)90013-5
  19. Berelson, W.M., D. Heggie, A. Longmore, T. Kilgore, G Nichoson and G. Skyring, 1998. Benthic nutrient recycling in Port Phillip Bay, Australia. Estuar. Coast. Shelf Sci., 46: 917-934 https://doi.org/10.1006/ecss.1998.0328
  20. Borowski, W.S., C.K Paull and WU. III, 1999. Global and local variations of interstitial sulfate gradients in deep-water, continental margin sediments: Sensitivity to underlying methane and gas hydrates. Mar. Geol., 159: 131-154 https://doi.org/10.1016/S0025-3227(99)00004-3
  21. Chau, KW, 2002. Field measurements of SOD and sediment nutrient fluxes in a land-locked embayment in Hong Kong. Adv. Environ. Res., 6: 135-142 https://doi.org/10.1016/S1093-0191(00)00075-7
  22. De Vries I., R.N.M. Duin, J.C.H. Peeters, F.J. Los, M. Bokhorst and R.W.P.M. Laane, 1998. Patterns and trends in nutrients and phytoplankton in Dutch coastal waters: comparison of time-series analysis, ecological model simulation, and mesocosm experiments. J. Mar. Sci., 55: 620-634
  23. Eckert, W, A. Nishri and R. Parparova, 1997. Factors regulating the flux of phosphate at the sediment-water interface of a subtropical calcareous lake: A simulation study with intact sediment cores. Water, Air Soil Poll., 99: 401-409
  24. Eisma, D. 1986. Flocculation and de-flocculation of suspended matter in estuaries. Neth. J. Sea Res., 20: 183-199 https://doi.org/10.1016/0077-7579(86)90041-4
  25. Fletcher R., T.B. Reynoldson and W.D. Taylor, 2001. The use of benthic mesocosms for the assessment of sediment. Environ. Poll., 115: 173-182 https://doi.org/10.1016/S0269-7491(01)00115-4
  26. Foe, C. and A. Knight, 1986. A thermal energy budget for juvenile Corbicula Fluminea, Ame. Malacol. Bull., Special Edition 2: 143-150
  27. Hadas, O., R Pinkas, N. Malinsky-Rushansky, D. Markel and B. Lazar, 2001. Sulfate reduction in lake Agmon, Israel. Sci. Total Environ., 266: 203-209 https://doi.org/10.1016/S0048-9697(00)00752-X
  28. Hargreaves, J.A., 1998. Nitrogen biogeochemistry of aquaculture pond 1. Aquaculture, 166: 181-212 https://doi.org/10.1016/S0044-8486(98)00298-1
  29. Hasanudin, U., M. Fujita, T. Kunihiro, K. Fujie and T. Suzuki, 2004. The effect of clams (Tapes philipinarum) on changes in microbial community structure in tidal flat sediment mesocosms, based on quinone profiles. Ecol. Eng., 22: 185-196 https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2004.05.003
  30. Hearn, C.J. and B.J. Robson, 2001. Inter-annual variability of bottom hypoxia in shallow mediterranean estuaries. Estuar. Coast. Shelf Sci., 52: 643-657 https://doi.org/10.1006/ecss.2001.0773
  31. Herbert, R.A., 1999. Nitrogen cycling in coastal marine ecosystems. Microbiol. Rev., 23: 563-590
  32. Hu, W.P., W. Lo, H. Chua, S.N. Sin and P.H.P. Yu, 2001. Nutrient release and sdiment oxygen demand in a eutrophic land-locked embayment in Hong Kong. Environ. Int., 26: 369-375 https://doi.org/10.1016/S0160-4120(01)00014-9
  33. Jenkins, M.C. and W.M. Kemp, 1984. The coupling of nitrification and denitrification in two estuarine sediments. Limnol. Oceanogr., 29(3): 609-619 https://doi.org/10.4319/lo.1984.29.3.0609
  34. Kirby, M.X and H.M. Miller, 2005. Response of a benthic suspension feeder (Crassostrea virginica Gmelin) to three centuries of anthropogenic eutrophication in Chesapeake Bay. Estuar. Coast. Shelf Sci., 62: 679-689 https://doi.org/10.1016/j.ecss.2004.10.004
  35. Kleeberg, A. and G.E. Dudel, 1997. Changes in extent of phosphorus release in a shallow lake (lake GroBer Muggelsee; Germany, Berln) due to climate factors and load. Mar. Geol., 139: 61-75 https://doi.org/10.1016/S0025-3227(96)00099-0
  36. Meyer-Reil, L.-A. and M. Koster, 2000. Eutrophication of marine waters: Effects on benthic microbial communities. Mar. Poll. Bull., 41: 255-263 https://doi.org/10.1016/S0025-326X(00)00114-4
  37. Nixon, S.W, M.E. Q., Pilson, C.A. Oviatt, P. Donaghay, B. Sullivan, S. Seitzinger, D. Rudnick and J. Frithse, 1984. Eutrophication of a coastal marine ecosystem - an experimental study using the MERL microcosms. Flows Energy Mat. Mar. Ecosys. (Fasham, MJ.R., ed.). Plenum, New York, pp. 105-135
  38. Parsons, T.R., Y. Maita and C.M. Lalli, 1984. A Manual of Chemical and Biological Methods for Seawater Analysis. Pergamon Press, Sydney, 173 pp
  39. Pastuszak, M., Z. Witek, K, Nagel, M. Wielgat and A. Grelowski, 2005. Role of the Oder estuary (southern Baltic) in transformation of the riverine nutrient loads. J. Mar. Syst., 57: 30-54 https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2005.04.005
  40. Pechenik, J.A., R. Beraard and L. Kerr, 2000. Effects of reduced salinity on survival, growth, reproductive success, and energetics of the euryhaline polychaete Capitella sp. I. J. Exp. Mar. Biol. Ecol., 254: 19-35 https://doi.org/10.1016/S0022-0981(00)00261-6
  41. Peperzak, L., F. Colijn, R. Koeman, W.W.C. Gieskes and J.C.A. Joordens, 2003. Phytoplankton sinking rates in the Rhine region of freshwater influence. J. Plankton Res., 25(4): 365-383 https://doi.org/10.1093/plankt/25.4.365
  42. Pomeroy, L.R., E.E. Smoth and C.M. Grant, 1965. The exchange of phosphate between estuarine water and sediments. Limnol. and Oceanogr., 10(2): 167-172 https://doi.org/10.4319/lo.1965.10.2.0167
  43. Randall, D.J. and T.K.N. Tsui, 2002. Ammonia toxicity in fish. Mar. Poll. Bull., 45: 17-23 https://doi.org/10.1016/S0025-326X(02)00227-8
  44. Rendell, A.R., T.M. Horrobin, T.D. Jickells, H.M. Edmunds, J. Brown and S.J. Malcolm. 1997. Nutrient cycling in the Great Ouse Estuary and its impact on nutrient fluxes to the Wash, England. Estuar. Coast. Shelf Sci., 45: 653-668 https://doi.org/10.1006/ecss.1996.0226
  45. Rodina, A.G, 1963. Microbiology of detritus of lakes. Limnol. Oceanogr., 8(4): 388-393 https://doi.org/10.4319/lo.1963.8.4.0388
  46. Rysgaard, S., P. Thastum, T. Dalsgaard, P.B. Christensen and N.P.Sloth, 1999. Effects of salinity on $NH_4^+$ adsorption capacity, nitrification, and denitrification in Danish estuarine sediments. Estuaries, 22(1): 21-30 https://doi.org/10.2307/1352923
  47. Smith, S.V. and J.T. Hollibaugh, 1998. Carbon-Nitrogen-Phosphorus cycling in Tomales Bay, California. Aquat. Geochem., 4: 395-402 https://doi.org/10.1023/A:1009692416763
  48. Solorzano, L., 1969. Determination of ammonia in natural waters by the phenolhypo-chlorite method. Limnol. and Oceanogr., 14(5): 799-801 https://doi.org/10.4319/lo.1969.14.5.0799
  49. Taguchi, K. and K. Nakata, 1998. Analysis of water quality in Lake Hamana using a coupled physical and biochemical model. J.Mar. Syst., 16: 107-132 https://doi.org/10.1016/S0924-7963(97)00102-4
  50. Thomsen, L. and E. Flach, 1997. Mesocosm observations of fluxes of particulate matter within the benthic boundary layer. J. Sea Res., 37: 67-79 https://doi.org/10.1016/S1385-1101(97)00004-X
  51. Turner, A and G.E. Millward, 2002. Suspended particles: Their role in estuarine biogeochemical cycles. Estuar. Coast. Shelf Sci., 55: 857-883 https://doi.org/10.1006/ecss.2002.1033
  52. Van Raaphorst, W., H.T. Kloosterhuis, E.M. Berghuis and A.J.M. Gieles, 1992. Nitrogen cycling in two types of sediments of the Southern North Sea (Frisian front, broad fourteens): field data and mesocosm results. Neth. J.Sea Res., 28(4): 293-316 https://doi.org/10.1016/0077-7579(92)90033-B
  53. Yang, J.S., Y.T. Kim and K.W. Choi, 2004. The monitoring of biogeochemical interactions between sediment and water: a Mesocosm Study. J. Korean Soc. Oceanogr: 39: 107-118