바다와 호수의 빈영양화 문제

제1장 스와호諏訪湖의 부영양화 문제와 빈영양화 문제 / 하나자토 타카유키花里孝幸
1.1. 부영양화로 녹조의 대량발생 / 19
1.2. 수질정화 노력과 효과 / 23
1.3. 녹조와 깔따구 대량발생의 소멸 / 26
1.4. 수질정화에 따른 어획량 감소 / 29
1.5. 부영양화 정도의 지표로서 어획량 / 33
1.6. 마름의 대번식으로 인한 새로운 문제 / 36
1.7. 동물플랑크톤의 변화 / 41
1.8. 스와호의 빈영양화 문제 / 48

제2장 비와호琵琶湖의 수질변화와 어획량 변동 / 오오쿠보 타쿠야大久保卓也
2.1 비와호琵琶湖의 개요 / 54
2.2 비와호琵琶湖의 수질변화 / 57
2.3. 비와호琵琶湖로 유입되는 오염부하량의 변화 / 62
2.4. 어획량 감소와 그 원인 / 68
2.5. 어획량 변동과 환경요인의 관계에 대한 통계해석 / 72
2.6. 요약 / 76

제3장 세토내해瀨戶內海의 빈영양화 - 그 원인, 프로세스, 메커니즘 / 야마모토 타미지山本民次
3.1. 서론 / 85
3.2. 부영양화와 빈영양화 / 88
3.3. 세토내해瀨戶內海의 투명도와 적조발생 건수의 변화 / 90
3.4. 유입 부하량 증감과 생태계 히스테리시스 응답 / 95
3.5. 물질의 부하와 분포의 공간적 편향 / 102
3.6. 스톡(Stock)과 플로우(Flow) / 106
3.7. 무기영양염의 감소 / 110
3.8. 물질수지 계산 / 114
3.9. Lotka-Volterra 모델에 의한 고찰 / 118
3.10. 퇴적물의 악화 / 120
3.11. 결과 / 122

제4장 세토내해瀨戶內海 동부의 빈영양화와 어업생산 / 한다 미노르反田 實
4.1. 서론 / 129
4.2. 하리마해협播磨灘의 어장환경 / 131
4.3. 김 양식 현황 / 142
4.4. 어선어업 현황 / 146
4.5. 어획량과 영양염(DIN) 변동 / 150
4.6. 하리마해협播磨灘의 어획량 감소 요인 고찰 / 155
4.7. 부영양화 진행기와 빈영양화 진행기에서의 어업생산 / 161
4.8. 정부와 지방자치단체의 빈영양화 대책 / 169
4.9. 결론 / 171

제5장 세토내해瀨戶內海의 거머리말 서식장 변화
- 생태계 구조의 히스테리시스 / 호리 마사카즈堀 正和ㆍ타르타니 켄지樽谷賢治
5.1. 서론 / 177
5.2. 연안역의 히스테리시스 - 표영생태계와 저서생태계의 관계 / 178
5.3. 해조류 서식장의 변천 / 184
5.4. 결론 - 「풍요로운 바다」의 생태계 구조를 생각한다 / 196

제6장 북해 연안의 빈영양화와 수산자원 변동 / 코다마 마사시兒玉眞史
6.1. 유럽에서 영양염 부하 관리 / 203
6.2. 북해 남동부의 영양염 환경변천 / 206
6.3. 북해 남동부의 플레이스(Plaice)의 자원 변동 / 212
6.4. 결론 / 215

제7장 영양환경 변천과 수산 비망록 / 와시오 케이지鷲尾圭司
7.1. 서론 / 218
7.2. 아카시明石에서의 경험 / 220
7.3. 김 양식 어업의 고충 / 228
7.4. 해저의 오염퇴적물과 저서생물 / 240
7.5. 호수의 영양순환과 생태농업의 개념 / 244
7.6. 빈영양 환경에서의 어업 방식 / 249
7.7. 결론 / 252

제1장 스와호諏訪湖의 「부영양화 문제와 빈영양화 문제」
하나자토 타카유키花里孝幸

1.1. 부영양화로 녹조의 대량발생
스와호諏訪湖는 나가노현長野縣의 중앙부 해발 759m에 위치한 호수이며, 호수의 둘레가 15.9km, 호수의 면적은 13.3km²로 나가노현長野縣 최대의 호수(일본 전체에서는 22번째)이다. 옛날부터 어업이라는 생업의 장소로써 그리고 수영과 스케이트 등 놀이의 장소로써 사람들의 생활을 지탱해왔다. 이 호수에서 1960년대에 대량의 녹조綠藻가 발생하였다. 녹조에서 곰팡이 냄새가 나서 수영 등을 할 수 없는 상태가 되었다.
그리고 녹조라는 것은 생물 이름이 아닌 주로 마이크로 시스티스(Microcystis)라고 하는 남조류(식물플랑크톤)가 대량으로 발생하여 호수 표면이 녹색 가루를 뿌려놓은 것과 같은 현상을 가리키는 말이다(그림 1-1, 표지의 뒷부분도 참조). 「물꽃」, 「블룸(bloom)」, 「적조」 등과 같은 현상이다. 대부분의 플랑크톤은 물보다 무겁기 때문에 바람에 의한 교반이 없으면 물 속을 표류하면서 점차 가라앉지만, 녹조를 일으키는 남조류는 예외적으로 세포 안에 기포가 있어 수면에 뜬다. 또한 자외선에 높은 내성을 가지며, 대량의 영양염을 흡수하면서 광합성을 하여 호수 표면에서 증식한다.
녹조 발생은 부영양화의 상징으로 알려져 있으며, 이것은 스와호諏訪湖뿐만이 아니라 거의 동일한 시기에 일본의 많은 호수에서 같은 현상이 나타나게 되었다. 따라서 호수의 수질오염 즉 부영양화가 일본 전국적으로 큰 환경문제가 되었다. 그 중에서도 특히 스와호諏訪湖의 수질오염은 심각하였고, 일본 전국 호수의 수질 비교에서 매년 워스트 랭킹(worst ranking) 10위 이내를 유지하고 있었다.
왜 스와호諏訪湖에서 수질오염이 그 만큼이나 진행되었을까？ 가정과 사업장으로부터 대량의 폐수가 호수에 유입되고 있는 것은 물론이었고, 이 외에도 스와호諏訪湖의 지형과 주위의 환경조건이 강하게 관련되어 있는 것으로 생각된다. 우선 스와호諏訪湖는 평균 수심이 약 4m, 최대 수심이 6.5m 정도의 얕은 호수라는 것이다. 수질오염의 가장 간단한 지표로써 투명도가 있지만, 일본에서 가장 투명도가 높은 호수는 홋카이도北海道의 마슈호摩周湖로 투명도가 25m 정도이며, 최대 수심은 211.5m나 된다(倉田, 1990). 그 외에도 시코츠호支拐湖, 토와다호十和田湖, 모토스호本棲湖 등이 10m를 넘는 높은 투명도를 나타내고 있지만, 모두 최대 수심이 100m를 넘는 깊은 호수이다. 한편 오염된 호수의 대표격인 테가늪手賀沼, 인바늪印猪沼, 카스미카우라震ヶ浦 등의 최대 수심은 10m 미만이다(印膳沼環境基金, 1998).
호수의 물은 겨울에 가장 차가워지고, 봄부터 여름에 걸쳐 태양에 의해 데워지지만, 데워지는 것은 표층의 물 뿐이다. 데워져서 밀도가 작고 가벼워진 물은 표면에 머물기 때문에 태양에 의해 계속 데워진다. 한편 호수 깊은 곳의 차가운 물은 시간이 지나도 데워지지 않는다. 호수의 물은 가끔 바람에 의해 교반되지만 겨우 5~10m 정도의 수심까지만 물이 움직이기 때문에 표면 부근의 물과 깊은 곳의 물은 여름 동안에는 혼합되지 않는다. 이와 같이 호수의 물이 층으로 나누어지는 것을 「성층成層」이라고 하지만, 최대 수심이 10m 이하의 얕은 호수에서는 이러한 성층成層이 일어나기 어렵다.
호수는 흐르는 하천과 달리 물이 정체되어 있는 곳이기 때문에 호수로 유입된 수질오염의 원인물질인 유기물도 호수에 머물러 호수 바닥으로 가라앉는다. 그러면 성층成層 상태인 수심이 깊은 호수에서는 유기물이 호수 바닥에 그대로 머물러 있지만, 얕은 호수에서는 호수 바닥에 축적된 유기물 또는 유기물로부터 용출된 영양염이 바람에 의해 태양광이 투입되는 표층으로 쉽게 운반된다. 유기물로부터 용출된 영양염 중에서도 질소와 인은 식물플랑크톤의 「비료」가 되기 때문에 표층으로 비료를 유입시킨 것이 된다. 즉 표층에서의 녹조 발생을 조장한다(그림 1-2).
그리고 스와호諏訪湖는 호수 면적의 40배나 되는 넓은 집수역을 가지고 있다(그림 1-3). 이 비율은 비와호琵琶湖의 10배 정도이며, 마슈호摩周湖의 25배나 되는 큰 값이다. 집수역이 넓으면 그만큼 넓은 지역으로부터 오염 원인물질이 스와호諏訪湖로 유입된다.
따라서 스와호諏訪湖는 얕은데다가 넓은 집수역을 가지며, 구조적으로 오염되기 쉬운 호수라고 할 수 있다. 특히 고도 경제성장기에는 그 집수역 내부의 민가와 사업소 등으로부터 고도 경제성장기 이전에 비해 대량의 폐수, 즉 오염 원인물질인 질소와 인이 스와호諏訪湖로 공급되었다. 이로 인해 녹조가 대량으로 발생한 것이다.
1.2. 수질정화 노력과 효과
녹조가 대량으로 발생하게 된 이후 스와호諏訪湖의 수질정화는 주변 주민의 염원이 되었다. 나가노현長野縣은 1965년에 대학과 연구기관의 전문가로 구성된 「스와호諏訪湖 정화대책 연구회」를 설치하였다. 연구회에서는 수질정화 대책이 검토되어 스와호諏訪湖 주변의 광역하수도 정비가 제안되었다. 그 제안이 받아들여져 1968년에 「스와호諏訪湖 유역 하수도 계획 협의회」가 열려 하수도 시스템의 건설이 시작되었다. 그리고 스와시諏訪市 토요다豊田에 하수처리장(종말처리장)이 만들어져 1979년부터 가동을 시작하였다.
토요다豊田의 하수처리장에서는 유입된 오염수의 유기물 중 약 94%가 제거된다. 처리된 폐수는 호수 바닥에 설치된 2개의 배수관을 통해 스와호諏訪湖의 유출 하천인 텐류강天龍川으로의 출구가 되는 카마구치釜口 수문 근처에서 방류된다(그림 1-4). 소위 계외방류系外放流이다(이 경우 「계(system)」는 스와호諏訪湖를 말한다). 이렇게 한 이유는 당시의 하수처리방법이 표준활성오니법이었기 때문에 이 방법으로는 질소와 인을 충분히 제거할 수 없어 처리한 폐수에는 여전히 고농도의 무기태 인과 질소가 들어있었다. 이 처리 폐수를 스와호諏訪湖에 방류하면 호수 내의 식물플랑크톤에 흡수되어 녹조 발생을 촉진하게 될 것으로 생각되었기 때문이다.
또한 나가노현長野縣은 하수처리장 건설과 함께 하수도 보급률을 높이는데도 노력하여 2006년에는 97%를 넘었다. 그리고 하수도로의 접속율도 97.8%로 현저하게 높아졌다(長野縣, 2008). 이렇게 높은 접속율은 스와諏訪지역 주민의 스와호諏訪湖 정화에 대한 의식의 크기를 나타내는 것이라고 할 수 있다. 이러한 대책으로 집수지역 내 대부분의 가정과 사업소로부터 방출되는 폐수는 스와호諏訪湖에 유입되지 않게 되었다.
이로 인해 호수의 물에서 총인(TP, Total Phosphorus) 농도가 현저하게 낮아지게 되었다. 즉 1978년에는 0.8mg/L를 초과하였지만, 2001년에는 스와호諏訪湖에 적용된 총인 농도의 환경기준치인 0.05mg/L 보다 낮았다(그림 1-5의 위). 한편 총질소(TN, Total Nitrogen)의 농도는 총인보다 완만하게 낮아지고 있었으며, 1980년 전후에는 2.0mg/L 보다 높은 경우도 있었지만, 2011년에는 0.77mg/L이 되어 환경기준치인 0.60mg/L에 매우 가까워졌다(그림 1-5의 가운데). 그러나 총인과 총질소 농도의 감소에도 불구하고 COD (Chemical Oxygen Demand;화학적산소요구량) 값은 그다지 감소하지 않았다(그림 1-5의 아래). 이와 유사한 경향이 다른 호수에서도 많이 나타나지만, 이 원인은 아직 해명되지 않고 있다.

1.3. 녹조와 깔다구 대량발생의 소멸
하수처리장을 가동한 지 20년째인 1999년에 녹조 발생량이 갑자기 크게 감소하였다. 1999년의 총인 농도는 0.057mg/L로 환경기준치에 거의 근접한 연도였다.
녹조는 여름에 발생하여 호수 표면을 덮기 때문에 호수 물의 투명도에 영향을 크게 미친다. 따라서 투명도의 변화를 살펴보면, 녹조 발생량의 변화를 추측할 수 있다. 그림 1-6에 1977년부터 스와호諏訪湖에서 여름철(7~9월)의 평균 투명도 변동을 나타내었다. 하수처리장이 생기기 이전인 1977~1978년에 40cm 정도였던 투명도가 하수처리장 가동 후에 약 70cm로 상승하였다. 그러나 그 이후에는 거의 변하지 않았고, 녹조의 대량 발생도 계속되었다. 그 동안 총인과 총질소의 농도는 서서히 감소하였지만, 여름철의 평균 투명도에는 큰 변화가 나타나지 않았다. 그런데 1999년 녹조가 급격히 감소하여 그 해 여름의 평균 투명도는 100cm를 넘었다. 이렇게 녹조 발생량이 적은 상태는 이듬해 이후에도 계속되어 여름철 평균 투명도도 여전히 100cm 전후를 유지하고 있다(200cm의 투명도가 관측된 경우도 있음).
그리고 그것과 거의 같은 시기에 성가신 해충인 깔다구 성충의 발생량이 급감하였다. 최초의 이변은 1998년 가을이었다. 매년 10월 중순에 나타나는 빨간토쿠나가깔다구(Tokunagayusurika akamusi)의 대량 발생이 없었던 것이다. 스와호諏訪湖 호수 바닥에는 장수깔다구(Chironomus plumosus)와 빨간토쿠나가깔다구라고 하는 유충의 체장이 15~20mm, 성충의 체장이 1cm나 되는 대형 깔다구의 유충이 서식하고 있었다(그림 1-7). 이들 깔다구의 성충이 매년 4회 정도 대량 발생을 반복하고 있었다(장수깔다구가 4, 6, 8월 무렵으로 3회, 빨간토쿠나가깔다구가 10월 무렵으로 1회). 이 중에서도 가을에 발생하는 빨간토쿠나가깔다구의 발생량이 많았고, 호숫가에 있는 건물의 벽에 많은 깔다구 성충이 붙어 하얀색 벽을 검게 만들었다. 그리고 밖에 널어놓은 세탁물에 모여들어 세탁물을 더럽히기 때문에 성가신 해충으로 기피되고 있었다(그림 1-8).
이러한 빨간토쿠나가깔다구의 대량 발생이 1998년 가을에는 나타나지 않았다. 이러한 현상을 인식하기 시작했을 때는 그 해 스와諏訪의 평균 기온이 높았고, 가을의 호수 수온의 감소가 늦어져서 빨간토쿠나가깔다구의 대량 발생이 늦어지는 것으로 생각하였다. 그러나 가을이 깊어져도 발생량은 늘어나지 않았고, 게다가 이듬해인 1999년 봄철에는 장수깔다구의 대량 발생도 없었다. 그리고 그 이후에도 대량 발생은 나타나지 않았고, 최근에는 그 존재 조차도 잊어버리게 되었다. 1986년과 2001년에 실시된 스와호諏訪湖 내의 60개 관측점에서 깔다구류의 분포 조사 결과를 비교하면, 2001년의 장수깔다구 유충은 1986년의 70분의 1, 빨간토쿠나가깔다구 유충은 130분의 1까지 존재량이 감소하였다. 그리고 이 양쪽 연도의 호수 바닥 퇴적물의 유기물 함량(%)의 지표가 되는 강열감량을 측정한 결과 1986년에는 14.3± 2.5%였던 것이 2001년에는 12.0±2.8%로 낮아졌고, 통계적으로도 의미 있는 감소가 나타났다(Hirabayashi et al., 2003). 이것은 호수의 물속으로부터 호수 바닥으로 퇴적되는 유기물량이 감소한 것을 의미한다. 호수 바닥 유기물의 대부분은 호수 물속의 식물플랑크톤에서 유래한 것으로 생각되기 때문에 호수 바닥 유기물 함량의 감소는 식물플랑크톤이 줄어든 결과로 생각된다. 깔다구류는 유충일 때에는 호수 바닥에서 서식하여 호수 물속에서 침강한 식물플랑크톤을 먹이로 하고 있다. 즉 스와호諏訪湖에서 깔다구류가 줄어든 원인은 스와호諏訪湖 수질정화의 노력에 의해 호수 물속의 영양염이 감소하고, 녹조를 일으키는 남조류를 포함한 식물플랑크톤이 줄어들어 깔다구류의 먹이가 줄어들었기 때문이라고 생각된다.