저서성 대형무척추동물을 이용한 도시지역의 토지이용 유형별 하천생태계 건강성 평가

1. 서 론

하천생태계는 지구 생태계의 중요한 구성 요소로, 물 정화, 홍수 완화, 생물서식지 제공과 같은 필수적인 생태계 서비스를 제공한다(Meybeck, 2003). 특히 도시지역의 하천은 인구밀집 지역의 주요 수자원 공급원으로 작용하며, 산업 및 농업활동 등 인간의 활동에 중요한 기반을 제공한다. 그러나 현재 도시화와 산업화로 인해 하천생태계는 점점 더 큰 압박을 받고 있다. 예를 들어, Paul and Meyer(2001)의 연구에 따르면, 도시화는 하천의 물리적 특성과 유량 패턴을 변화시켜 생물다양성 감소를 가속화하고, 물리･화학적 교란은 생태계 복원력을 감소시키며, 이는 간접적으로 지역 사회와 인간 건강에도 영향을 미칠 수 있다. 도시지역과 같은 인구밀집 지역에서는 각종 생활하수와 공장폐수 등이 다량 발생하며, 강우 시 도로와 건물 등에서 다양한 비점오염 물질이 하천으로 유입되어 하천의 수질을 악화시키는 것으로 보고되고 있다(Park et al., 1994; Collins and Jenkins, 1996).

하천생태계의 주요 구성원이자 어류의 주요 먹이원인 저서성 대형무척추동물은 퇴적물의 유기물 함량이 높아지거나 독성물질에 의한 퇴적물 오염 등과 같은 서식처의 교란에 매우 민감하게 반응하기 때문에 종수와 개체수의 분포 등 군집구조의 차이가 뚜렷하여 중요한 생물학적 지표로 이용된다(Hynes, 1963; Kehde and Wilhm, 1972). 따라서, 다양한 오염에 대한 물환경의 변화 분석에 있어서 저서성 대형무척추동물은 여러 가지 측면에서 그 유용성이 매우 높다(Metcalfe, 1996).

안성천 유역은 북위 36° 50′∼ 37° 20′, 동경 126° 50′∼ 127° 00′에 걸쳐 한반도 중서부에 위치하고 있으며, 유역 면적은 1,654.61 ㎢, 유로 연장은 71.05 ㎞로서 북동측으로 한강 유역, 남동측으로는 금강 유역, 남서측으로는 삽교천 유역과 접하고 있고, 국가하천 4개와 지방하천 99개로 총 103개의 법정하천으로 구성되어 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2014). 공업지역, 주거지역, 녹지지역 등 다양한 토지이용 형태를 가진 복잡한 생태계를 대표하는 안성천 유역은 최근 도시화 및 산업화로 인한 환경 변화를 겪고 있다. 생활하수, 산업용수, 비점오염 물질의 지속적 유입으로 인해 하천 수질이 악화되고, 생물다양성이 감소하는 문제가 보고되고 있다. 특히 하천 수질은 임야, 초지, 농경지, 도시 및 공업지역 등 다양한 유역 토지 이용도에 따라 두드러진 차이를 보이며, 각 토지 이용도에 따라 해당 수계의 수질이 결정된다(Haith, 1976). 이러한 수질 변화는 하천생태계의 구조 및 기능에 직･간접적인 영향을 미친다.

그러나, 현재 안성천 유역 도시지역의 다양한 토지이용 유형이 하천생태계 건강성에 미치는 영향을 종합적으로 분석한 연구는 상대적으로 부족한 실정이며, 이러한 배경은 안성천 유역의 도시화가 하천생태계에 미치는 영향을 연구하는 데 있어 이상적인 사례임을 보여준다. 따라서 본 연구는 안성천 유역 도시지역의 다양한 토지이용 유형(공업지역, 주거지역, 녹지지역)이 하천생태계에 미치는 영향을 종합적으로 파악하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 이화학적 수질평가, 저서성 대형무척추동물을 이용한 군집분석 및 기능군･지표종 분석, 생물학적 지수를 활용한 수환경평가를 실시하였다.

본 연구는 공업지역, 주거지역, 녹지지역의 하천생태계 건강성 평가를 실시하여 비교･분석하고, 각 토지이용 유형에 따른 하천생태계에 미치는 영향의 차이를 규명하고자 한다. 특히, 토지이용 유형에 따라 저서성 대형무척추동물의 군집구조와 하천생태계 건강성이 지역별로 유의미한 차이를 보일 것으로 예상된다.

이러한 결과는 도시화와 산업화로 인한 환경적 압박이 하천생태계에 미치는 영향을 보다 심도 있게 이해하는데 기여할 것이다. 또한, 이를 바탕으로 각 지역별 맞춤형 보전 및 복원 전략 수립의 필요성을 강조하며, 도시화가 지속적으로 증가하는 현대 사회에서 하천생태계의 지속 가능성을 확보하기 위한 구체적인 관리 방안을 마련하는 데 중요한 기초자료가 될 것이다.

2. 연구 방법

2.1. 조사 범위 및 방법

2.1.1. 시･공간적 범위

2023년 10월(추계), 2024년 4월(춘계), 2024년 6월(하계, 우기 전), 2024년 8월(하계, 우기 후) 등 총 4회의 현장 조사를 실시하였다.

연구대상 하천은 안성천 유역의 도시지역에 분포하는 하천으로, 토지이용 유형에 따라 공업, 주거, 녹지지역으로 구분하여 각 지역에 포함되는 하천을 선정하였다. 해당 하천들은 경기도 평택시 및 안성시 일원에 소재한 서정리천, 장안천, 도일천, 통복천 등 4개의 지방 하천이다. 각 하천별로 4∼5개의 조사지점을 선정하여 총 18개의 지점이 선정하였다(Table 1, Fig. 1). 저서성 대형무척추동물 군집은 해발 고도, 하폭 등과 같은 환경요인에 영향을 받는 것으로 보고된 바 있다(Vannote et al., 1980; Braccia and Voshell, 2006; Kwon et al., 2012). 따라서 이러한 요인들을 고려하여 조사지점을 선정하였으며, 선정된 조사지점들의 해발 고도는 5∼37 m, 하폭은 12∼69 m 범위에 포함되었다. 하상구조는 Wentworth(1922)의 기준에 따라 실트(Silt), 모래(Sand), 자갈(Gravel), 큰돌(Boulder)로 구분되었으며, 실트와 모래의 비율이 높았다.

Table 1.

Detailed locations of each survey point

Fig. 1.

Locations of study sites (Anseongcheon watershed). IA-1∼6, Industrial areas survey sites 1∼6; RA-1∼6, Residential areas survey sites 1∼6; GA-1∼6, Green areas survey sites 1∼6.

2.1.2. 이화학적 수질평가 및 생물시료 채집

수온(℃), 용존산소(DO, ㎎/L), pH, 전기전도도(μS/㎝) 등의 기초 수질항목을 다항목수질측정기(YSI-Proplus, YSI, US)를 이용하여 측정하였다.

저서성 대형무척추동물의 채집은 제5차 전국자연환경조사 지침(National Institute of Ecology, 2019)을 참고하였으며, 본 하천 조사지점 내 다양한 미소서식처가 포함되도록 5곳의 정점에서 채집 장비를 이용한 정량적 조사를 실시하였다. Surber net (30×30 ㎝, mesh size: 500 ㎛)으로 채집 시 손갈퀴를 이용하여 하상을 긁어, 해당 조사 장비 안으로 들어가도록 채집하였으며, Dredge sampler(30 ㎝, mesh size: 0.5 ㎜) 이용 시 물속에 망 부분을 담가, 입자가 작은 유기물이 제거될 수 있도록 채집하였다. 채집된 생물시료는 현장에서 80% 에틸알코올로 고정한 후, 실험실로 운반하여 분석하였다. 생물시료의 분류는 Yoon(1995), Won et al.(2005)을 참고하여 실시하였으며, 분류체계는 National Institute of Biological Resources(2023)를 따랐다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 이화학적 수질평가

공업지역에서 수온은 계절 변화에 따른 변동을 보였으며, 여름철(3, 4차 조사)에는 상대적으로 높은 값을 나타냈다. 조사지점별 평균 수온은 19.6∼32.4℃로, 10℃ 이상의 차이가 관찰되었다. 특히, 일부 지점(IA-1)에서는 계절과 관계없이 평균 수온이 30℃ 이상으로 측정되었다. 용존산소 또한, 계절적 차이를 보였으며 5.4∼9.6 ㎎/L로 나타났다. IA-1에서 5.4 ㎎/L로, 다른 지점에 비해 상대적으로 낮은 값을 기록했다. pH는 평균 7.6∼8.4로 비교적 안정적이었으며, 전기전도도는 581.2∼822.3 μS/㎝ 범위로 나타났고, 이 중 IA-1에서 최대값, IA-3에서 최소값이 확인되었다. 주거지역에서 수온은 16.9∼19.3℃로 나타났으며, 용존산소는 7.0∼9.3 ㎎/L, pH는 7.6∼7.9, 전기전도도는 554.6∼614.1 μS/㎝로 측정되었다. 녹지지역에서는 수온이 17.8∼20.8℃, 용존산소는 6.4∼7.9 ㎎/L, pH는 7.9∼8.0, 전기전도도는 569.6∼637.2 μS/㎝로 나타났다(Table 2).

Table 2.

Analysis of water quality parameters by land use type

3.2. 출현종 현황

도시지역(공업, 주거, 녹지지역)에서 출현한 저서성 대형무척추동물은 총 42과 73종 8,000개체(ind/㎡)였다. 이 중 공업지역에서 30과 45종 2,670개체(ind/㎡)가 출현하였다. 주거지역에서는 29과 51종 2,966개체(ind/㎡)가 확인되었으며, 녹지지역에서 33과 50종 2,364개체(ind/㎡)로 확인되었다(Fig. 2).

Fig. 2.

Comparison of number of species and individual density across industrial, residential, and green areas.

3.3. 분석 결과

3.3.1. 군집분석

공업지역에서 조사지점별 4회 조사 시 우점도 지수는 0.38∼0.75, 다양도 지수는 1.97∼3.56, 풍부도 지수는 0.94∼4.02, 균등도 지수는 0.61∼0.91의 값을 보였다. 주거지역에서 조사지점별 4회 조사 시 우점도 지수는 0.36∼0.64, 다양도 지수는 2.28∼3.55, 풍부도 지수는 1.35∼3.46, 균등도 지수는 0.70∼0.89의 값을 보였다. 녹지지역에서 조사지점별 4회 조사 시 우점도 지수는 0.35∼0.71, 다양도 지수는 2.18∼3.54, 풍부도 지수는 1.43∼3.67, 균등도 지수는 0.68∼0.92의 값을 보였다.

군집분석 결과, 세 지역 모두에서 우점도 지수가 증가하면 균등도 지수가 감소하는 경향이 확인되었으며, 다양도 지수와 풍부도 지수의 경우, 양의 상관관계를 나타냈다(Fig. 3).

Fig. 3.

Comparison of community analysis in industrial areas (a), residential areas (b), green areas (c). The dominance index and evenness index indices showed a negative correlation, while the diversity index and richness index indices exhibited a positive correlation.

3.3.2. 기능군 및 지표종 분석

공업지역에서는 섭식기능군 분석 결과, UN을 제외하고, CG가 86개체(34.0%)로 가장 높은 비율을 차지하였다. PE는 37개체(14.6%)로 두 번째로 높은 비율을 보였으며, CF는 14개체(5.5%) 등의 순으로 확인되었다. 서식기능군 분석 결과, BU가 82개체(32.4%)로 가장 높은 비율을 보였다. CL은 69개체(27.3%)로 두 번째로 높은 비율을 보였으며, CB는 11개체(4.3%)로 나타났다. 주거지역에서는 섭식기능군 분석 결과, CG가 76개체(28.7%)로 가장 높은 비율을 차지하는 것으로 나타났다. CF는 34개체(12.8%)로 두 번째로 높은 비율을 보였으며, PE는 23개체(8.7%) 등의 순으로 나타났다. 서식기능군 분석 결과, CL은 94개체(35.5%)로 가장 높은 비율을 보였다. BU는 79개체(29.8%)로 두 번째로 높은 비율을 보였으며, SP는 10개체(3.8%)로 나타났다. 녹지지역에서는 섭식기능군 분석 결과, CG가 85개체(29.3%)로 가장 높은 비율을 차지하였으며, PE는 42개체(14.5%)로 두 번째로 높은 비율을 보였고, CF는 19개체(6.6%)로 나타났다. 서식기능군 분석 결과, CL은 106개체(36.6%)로 가장 높은 비율을 보였으며, BU는 71개체(24.5%)로 두 번째로 높은 비율을 보였고, CB는 20개체(6.9%)로 나타났다(Fig. 4).

Fig. 4.

Analysis of habitat and feeding functional groups in industrial areas (a), residential areas (b), green areas (c).

지표종 분석을 통해 각 지역의 생태적 특성과 환경상태를 나타내는 주요 종들을 확인하였으며 분석 결과, 공업지역에서는 실지렁이(Limnodrilus gotoi), 깔따구류 붉은색(Chironomidae sp. (red-type)), 깔따구류(Chironomidae spp. (Non red-type)), 모기류(Culicidae spp.), 개똥하루살이(Baetis fuscatus)가 주요 지표종으로 확인되었다. 주거지역에서는 실지렁이, 깔따구류, 개똥하루살이, 물달팽이(Radix auricularia),왼돌이물달팽이(Physa acuta)가 주요 지표종으로 나타났으며, 녹지지역에서는 깔따구류, 깔따구류 붉은색, 실지렁이, 왼돌이물달팽이, 개똥하루살이가 주요 지표종으로 확인되었다.

3.3.3. 수환경평가

공업지역에서 조사지점별 TESB 지수는 8∼43의 값을 보였으며, 환경상태(Environmental status)는 "Very bad"∼"Moderate", "E"∼"C" 등급(Class)으로 나타났다. 지역관리(Area control) "Priority restoration"∼"Monitoring", 수질등급(Water quality) "IV-VI"∼"II", 종풍부도(Species nichness) "Very low"∼"Moderate" 였다. 평균 TESB 값(21)에 따른 환경상태는 "Bad", "D" 등급으로 나타났다. AESB 지수는 1.6∼2.5의 값을 보였으며, 환경상태는 "Very bad"∼"Bad", "E"∼"D" 등급으로 분류되었다. 지역관리 "Priority restoration"∼"Restoration", 수질등급 "IV-VI"∼"III", 종풍부도 "Very low"∼"Low" 였다. 평균 AESB 값(2.0)에 따른 환경상태는 "Very bad", "E" 등급으로 나타났다. BMI 지수는 19∼42의 수치로 평가되었으며, 환경상태는 "Very bad"∼"Poor", "E"∼"D" 등급으로 나타났다. 평균 BMI 값(26)에 따른 환경상태는 "Very bad", "E" 등급의 수준으로 분석되었다. 주거지역에서 조사지점별 TESB 지수는 14∼38의 값을 보였으며, 환경상태는 "Bad"∼"Moderate", "D"∼"C" 등급으로 나타났다. 지역관리 "Restoration"∼"Monitoring", 수질등급 "III"∼"II", 종풍부도 "Low"∼"Moderate" 로 분석되었다. 평균 TESB 값(25)에 따른 환경상태는 "Bad", "D" 등급으로 나타났다. AESB 지수는 2.0∼2.6의 값을 보였으며, 환경상태는 "Very bad"∼"Moderate", "E"∼"C" 등급으로 분석되었다. 지역관리 "Priority restoration"∼"Monitoring", 수질등급 "IV-VI"∼"II", 종풍부도 "Very low"∼"Moderate" 였다. 평균 AESB 값(2.3)에 따른 환경상태는 "Bad", "D" 등급으로 나타났다. BMI 지수는 27∼45의 수치로 평가되었으며, 환경상태는 "Very bad"∼"Poor", "E"∼"D" 등급으로 나타났다. 평균 BMI 값(34)에 따른 환경상태는 "Very bad", "E" 등급의 수준으로 분석되었다. 녹지지역에서 조사지점별 TESB 지수는 13∼43의 값을 보였으며, 환경 상태는 "Bad"∼"Moderate", "D"∼"C" 등급으로 나타났다. 지역관리 "Restoration"∼"Monitoring", 수질등급 "III"∼"II", 종풍부도 "Low"∼"Moderate" 로 분석되었다. 평균 TESB 값(26)에 따른 환경 상태는 "Bad", "D" 등급으로 나타났다. AESB 지수는 1.6∼2.6의 값을 보였으며, 환경 상태는 "Very bad"∼"Moderate", "E"∼"C" 등급으로 분석되었다. 지역관리 "Priority restoration"∼"Monitoring", 수질등급 "IV-VI"∼"II", 종풍부도 "Very low"∼"Moderate" 였다. 평균 AESB 값(2.2)에 따른 환경 상태는 "Bad", "D" 등급으로 나타났다. BMI 지수는 27∼51의 수치로 평가되었으며, 환경 상태는 "Very bad"∼"Fair", "E"∼"C" 등급으로 나타났다. 평균 BMI 값(35)에 따른 환경 상태는 "Poor", "D" 등급의 수준으로 분석되었다(Table 3).

Table 3.

Environmental status based on aquatic environment evaluation (TESB, AESB, BMI) in industrial, residential and green areas

4. 결 론

본 연구는 안성천 유역 도시지역(공업, 주거, 녹지지역)의 생태계 건강성 평가를 실시하여 토지이용 유형에 따른 하천생태계에 미치는 영향의 차이를 규명하였으며, 주요 결과는 다음과 같다. (1)공업지역 하천은 높은 수온, 낮은 용존산소, 높은 전기전도도와 같은 이화학적 특성을 나타내며, 특정 종이 우점하는 비교적 단순화된 군집 구조를 보였다. (2)주거 및 녹지지역은 공업지역에 비해 비교적 안정적인 이화학적 수질과 상대적으로 다양한 군집 구조를 유지하였으나, 도시화로 인한 영향을 완전히 배제할 수 없는 것으로 나타났다. (3)수환경평가(TESB, AESB, BMI) 결과, 공업지역은 비교적 오염의 정도가 심한 상태를, 주거 및 녹지지역은 상대적으로 나은 환경 상태를 보였으나, 여전히 도시화의 영향을 받고 있음이 확인되었다. 결론적으로, 산업화 등의 도시화는 하천생태계의 건강성과 생물다양성에 부정적인 영향을 미치며, 특히 공업지역에서 그 영향이 두드러졌다. 그러나 주거 및 녹지지역에서 상대적으로 양호한 환경 상태가 관찰된 점은 적절한 관리와 계획이 수반될 경우 하천생태계의 건강성과 기능을 일정 수준 유지할 수 있음을 보여준다. 결과적으로 도시화의 영향을 이해하고 이를 바탕으로 지역 맞춤형 관리 전략을 수립하는 것은 하천생태계의 지속 가능성을 확보하는 데 필수적이다. 향후 연구는 장기 모니터링과 보전 전략의 효과성을 평가하여 도시화가 하천생태계에 미치는 영향을 완화할 방안을 제시해야 할 것이다.

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