영양염류 관리로 줄어든 적조현상(유해 조류 증식), 극한기후 앞에서는 달랐다

환경 연구 동향  | 앨지닥터

중국 자연자원부 제2해양연구소와 산둥대학교 등 연구진이 Water Research에 발표한 연구는 영양염류 저감과 해수 온난화가 동시에 진행된 산둥 연안에서 유해조류 대발생(HAB, Harmful Algal Bloom)이 어떻게 달라졌는지 분석했습니다. 2021년을 제외한 2012~2020년에는 연평균 발생 횟수와 건당 평균 영향 면적이 2002~2011년보다 각각 72.2%, 37.6% 감소했습니다. 그러나 2021년에는 후기 10년 전체 영향 면적의 84.4%가 한 해에 집중됐습니다. 연구진은 영양염류 관리가 일상적 발생을 억제하는 가운데 복합적인 기후 극한이 예외적 대형 발생과 함께 나타난 양상을 장기 자료로 제시하고, 그 기작을 추가 검증이 필요한 가설로 제안했습니다.

영양염류와 기후가 유해조류 대발생 조건을 바꾸는 원리

바다로 질소와 인 같은 영양염류가이 지나치게 많이 들어오면 미세조류가 빠르게 늘어날 수 있습니다. 이런 영양염 과잉 상태를 부영양화라고 하며, 조류가 과도하게 번성하면 햇빛을 가리고 사멸 뒤 분해 과정에서 물속 산소를 소모할 수 있습니다. 일부 종은 독소까지 만들어 생태계와 사람의 건강에 영향을 줍니다. [배경 1]

다만 유해조류 대발생은 영양염류 하나로만 결정되지 않습니다. 수온, 염분, 빛, 물의 혼합과 강수로 들어오는 영양염류의 양과 시점이 종마다 다른 성장 조건을 만듭니다. 바다가 따뜻해지면 일부 종이 자랄 수 있는 계절과 해역이 달라지고, 극한 강우는 짧은 시간에 영양염류를 밀어 넣을 수 있습니다. 이 연구가 영양염류 저감 뒤에도 수온과 강수를 함께 살핀 이유입니다. [배경 2]

20년 발생 기록과 수질·기후 자료를 비교한 연구 설계

연구진은 산둥반도 연안에서 2002~2021년에 기록된 유해조류 대발생의 시기, 위치, 영향 면적, 우점종 자료를 정부 공보와 동료평가 논문에서 모았습니다. 육상 오염 관리가 본격화된 2012년을 경계로 2002~2011년과 2012~2021년을 비교했습니다. 2021년은 전체 기록에서 통계적 이상치로 판정해 평상시 관리 효과를 볼 때는 제외하고, 복합 기후 극한이 겹친 별도 사례로 분석했습니다.

부영양화 압력은 중국 해수수질기준의 ‘4등급 미만 해수’ 비율로 살폈고, 현장 관측과 코페르니쿠스 재분석의 영양염류 자료로 장기 방향을 확인했습니다. 해수면 온도는 NOAA OISST v2.1, 강수는 산둥성 기상 자료, 혼합층 깊이는 CMEMS GLORYS12V1 재분석을 사용했습니다. 시기 차이는 윌콕슨 순위합 검정, 변수 사이 관련성은 스피어만 순위상관 등 비모수 방법으로 분석했으며, 해수면 온도 이상 분포의 변화는 1만 회 부트스트랩으로 평가했습니다.

영양염류 관리 뒤 줄어든 일상적 발생과 2021년의 예외

2002~2011년 연평균 6.0회였던 유해조류 대발생은 2021년을 제외한 2012~2020년에 연평균 1.7회로 72.2% 감소했습니다(p=0.018). 같은 비교에서 건당 평균 영향 면적도 250㎢에서 156㎢로 37.6% 감소했습니다(p<0.05). 이는 극한 사례를 제외한 시기의 발생 기록에서 산출된 변화입니다.

2021년에는 양상이 달랐습니다. 한 해에 12건이 발생해 2012~2021년 전체 27건의 44.4%를 차지했고, 영향 면적은 12,665㎢로 후기 10년 전체 면적의 84.4%에 해당했습니다. 가장 큰 단일 발생은 3,800㎢였습니다. 2021년의 발생 횟수는 2002~2020년 평균보다 2.02표준편차 높아 연구진이 사용한 2표준편차 이상치 기준을 넘었습니다. 따라서 연구진은 2021년을 새로운 평상시 수준이 아니라 예외적인 극한 사례로 구분했습니다.

여름에서 가을·겨울로, 남부에서 북부로 옮겨간 발생 분포

2002~2011년에는 전체 발생의 68.3%가 6~8월에 집중됐습니다. 2012~2021년에는 여름 비중이 28.6%로 줄고 9~12월 비중이 57.1%로 늘었으며, 월별 발생 정점도 6월에서 11월로 이동했습니다. 두 시기의 계절 분포 차이는 통계적으로 유의했습니다(χ&sup2=20.07, 자유도=3, p<0.001).

공간적으로는 남부 자오저우만 중심에서 북부 쪽으로 영향 면적이 이동했습니다. 북부가 차지한 면적 비율은 74.9%에서 83.6%로 늘었고, 남부 비율은 25.1%에서 16.4%로 줄었습니다(χ&sup2=343.4, 자유도=1, p<0.001). 황허 하구는 1,000㎢가 넘는 대형 발생 두 건이 기록된 새로운 집중 지역으로 나타났습니다. 반면 스스리만은 두 시기 모두 지속적인 집중 지역이었습니다.

와편모조류 우점 강화와 절반으로 줄어든 발생 종수

하천의 녹조현상이 주로 남세균(시아노박테리아)에 의해 일어난다면, 바다의 적조현상은 주로 와편모조류에 의해 일어납니다. 와편모조류가 우점한 발생의 비율은 2002~2011년 43.6%에서 2012~2021년 64.3%로 높아졌습니다(p=0.005). 2021년을 제외한 2012~2020년만 보면 그 비율은 86.7%였습니다. 후기 시기에 우점한 종에는 수직 이동 능력이 있는 Akashiwo sanguinea와 Gonyaulax polygramma가 포함됐습니다.

발생을 일으킨 조류의 종수는 초기 28종에서 후기 14종으로 50% 감소했습니다. 초기 기록에 있던 Heterosigma akashiwo와 Mesodinium rubrum은 후기 기록에서 나타나지 않았고, Chattonella marina의 발생은 8건에서 2건으로 줄었습니다. 반면 Noctiluca scintillans은 전체 연구 기간에 걸쳐 가장 자주 기록됐습니다.

영양염류 관련성 약화와 동시에 뚜렷해진 해수 온난화

20년 전체에서는 4등급 미만 해수 비율이 높을수록 발생 횟수와 영향 면적도 큰 통계적 관련성이 나타났습니다(각각 &rho=0.69, &rho=0.65, 모두 p<0.01). 그러나 시기를 나눠 보면 초기에는 두 관련성이 모두 유의했지만, 후기에는 2021년 포함 여부와 관계없이 유의하지 않았습니다. 이는 후기 발생을 영양염류 지표 하나만으로 설명하기 어려워졌다는 관련성의 변화이며, 기후가 원인이라는 인과관계를 직접 증명한 결과는 아닙니다.

같은 기간 해수면 온도 이상은 반대 방향으로 이동했습니다. 월별 평균은 2002~2011년 −0.33℃에서 2012~2021년 0.19℃로 높아졌고, 두 평균의 차이에 대한 부트스트랩 95% 신뢰구간은 +0.35~+0.69℃였습니다(p<0.001). 2021년 가을 해수면 온도 이상은 0.96℃로 20년 가을 분포의 90백분위수를 넘었고, 11월에는 연구 기간 최고인 1.25℃를 기록했습니다. 반면 2021년 혼합층 깊이에는 장기간 지속된 이상이 나타나지 않았습니다.

영양염류 관리의 효과와 극한기후 대응을 함께 본 해석

연구진은 영양염류 저감이 평상시 유해조류 대발생의 횟수와 규모를 낮추는 기본 전략으로 여전히 유효하다고 해석했습니다. 동시에 2021년 사례를 토대로, 극한 강우가 만든 짧고 강한 영양염류  유입과 이례적으로 따뜻한 가을 바다가 겹치면 낮아진 발생 가능성을 넘어 대형 와편모조류 발생이 나타날 수 있다는 ‘영양염류 저감-기후 온난화 상승작용’ 가설을 제안했습니다. 혼합층 깊이에는 뚜렷한 이상이 없었던 만큼, 연구진은 성층 강화보다 강수에 따른 영양염류 유입과 따뜻한 성장 기간의 연장을 가능한 설명으로 보았습니다.

논문은 영양염류  저감만으로 관리 효과를 평가하기보다 계절 기후예측을 조기경보에 통합하고, 황허 하구 같은 하구 집중 지역을 적응형 감시의 우선 대상으로 둘 필요가 있다고 제안했습니다. 이러한 결론은 관측 자료에서 확인된 변화와 저자들이 제안한 기작을 구분해 읽어야 합니다.